JP7263833B2 - 熱交換構造 - Google Patents

Description

本開示は、二流体間の熱交換を行う熱交換構造に関する。

熱交換型の触媒反応装置は、二流体間の熱交換を行う熱交換構造を装備している。熱交換構造は、互いに隣接する熱媒流路と反応流路を有する。熱媒流路には熱媒流体が流れ、反応流路には反応原料を含んだ反応流体が流れる。熱媒流路と反応流路とは隔壁を介して互いに熱的に結合している。従って、温度差をもつ熱媒流体と反応流体との間では熱交換が行われ、反応原料の反応が促進される。

熱媒流体と反応流体との間の総括伝熱係数を向上させるため、熱媒流路及び反応流路のうちの少なくとも一方にフィン構造体が設置される場合がある。フィン構造体は、コルゲートフィン又はウェービングフィン等と呼ばれ、金属板に曲げ加工等を施すことで形成されている。フィン構造体は、当該フィン構造体が設置される流路の長手方向に延伸又は湾曲した複数のフィン（側面）を有する。これに関して、特許文献１はフィン構造体としての伝熱促進体を開示している。なお、上述のフィン構造体が反応流路に設置される場合、当該フィン構造体に触媒が担持されることもある。

特開２０１７－１４０５９１号公報

一般的なフィン構造体は、流体をフィンが設置された面に沿って偏向又は分散させる。従って、このようなフィン構造体を上述の熱交換構造に設置した場合、流体は概ね隔壁に沿って流れることになる。一方、熱媒流体と反応流体との間で交換される熱は、この隔壁を介して伝達される。また、熱流束は温度差（温度勾配）に比例するので、流体間の伝熱は、温度境界層が発生している隔壁に近いほど大きく、隔壁から遠いほど小さい。従って、流体は隔壁から遠いほど、加熱（冷却）されにくい。

本開示は上述の状況を鑑みて成されたものである。即ち本開示は、熱の伝達経路である隔壁に沿って流れる二流体間の総括伝熱係数を向上させることが可能な熱交換構造の提供を目的とする。

本開示の一態様は熱交換構造であって、積層方向に積層され、前記積層方向と交差する幅方向に所定の幅を有し、隔壁を介して互いに熱的に結合する２つの流路と、前記２つの流路のうちの少なくとも一方の流路に着脱可能に設置されるフィン構造体とを備え、前記フィン構造体は、当該フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路の長手方向に配列すると共に、前記幅方向における前記少なくとも一方の流路の一方側と他方側とに前記少なくとも一方の流路に沿って交互に配列する開口部を形成する複数のフィンを含み、前記フィン構造体が形成する流体の経路と前記隔壁の間に熱伝達に干渉する構造を持たないことを要旨とする。

前記複数のフィンは、前記フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路の長手方向に対して直交していてもよい。前記複数のフィンは、前記フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路の長手方向に対して傾斜していてもよい。前記フィン構造体は、前記幅方向における前記複数のフィンの配列の両側に設けられ、前記複数のフィンを支持する帯部を含んでもよい。前記帯部は、前記複数のフィンのうちの当該帯部によって支持されるフィンと共に単一の部材から一体的に形成されてもよい。

前記フィン構造体は、当該フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路において前記積層方向の中央に位置し、且つ、前記積層方向に重ね合わされた第１板材及び第２板材によって構成されてもよい。この場合、前記第１板材は、前記積層方向の一方側に向けて切り起こされた複数の第１副フィンを含んでもよい。また、前記第２板材は、複数の第１副フィンに対応する位置において前記積層方向の他方側に向けて切り起こされた複数の第２副フィンを含んでもよい。前記複数のフィンのそれぞれは、前記複数の第１副フィンのうちの対応する第１副フィンと、前記複数の第２副フィンのうちの対応する第２副フィンとによって構成されてもよい。前記フィン構造体には触媒が担持されてもよい。

本開示によれば、熱の伝達経路である隔壁に沿って流れる二流体間の総括伝熱係数を向上させることが可能な熱交換構造を提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る熱交換構造を示す図であり、（ａ）は（ｂ）に示すＩＡ－ＩＡ断面図、（ｂ）は（ａ）に示すIＢ－IＢ断面図である。 図１（ｂ）に示すＩＩ－ＩＩ断面図である。 本開示の第１実施形態に係るフィン構造体を示す斜視図である。 （ａ）～（ｃ）は、本開示の実施形態に係るフィンの配置例を示す図である。 本開示の第２実施形態に係るフィン構造体を示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＶＢ断面図である。 本実施形態に係る熱交換構造を備える反応装置を示す側面図である。 図６におけるＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図である。 図６におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面図である。 本実施形態に係る熱交換部の一部を示す立体断面図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、本開示の第１実施形態に係る熱交換構造５０について説明する。以下、説明の便宜上、互いに直交する３方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を規定する。後述の通り、Ｙ方向は２つの流路５１、５２の積層方向である。Ｚ方向は、各流路の長手方向（延伸方向）である。Ｘ方向は各流路の幅方向であり、これらが並行に複数設けられる場合の配列方向でもある。

図１は、本実施形態に係る熱交換構造５０を示す図であり、図１（ａ）は、図１（ｂ）に示すＩＡ－ＩＡ断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すIＢ－IＢ断面図である。図２は、図１（ｂ）に示すＩＩ－ＩＩ断面図である。図３は、第１実施形態に係るフィン構造体６０Ａを示す斜視図である。図４（ａ）～図４（ｃ）は、本開示の実施形態に係るフィンの配置例を示す図である。

図１（ａ）に示すように、熱交換構造５０は少なくとも１つの流路５１と、少なくとも１つの流路５２を備える。流路５１及び流路５２は、Ｘ方向に沿った所定の幅ｗ３を有し、長手方向となるＺ方向に延伸している。また、流路５１及び流路５２は、Ｙ方向（積層方向）に沿って積層される。流路５１及び流路５２は互いに並行に設けられ、隔壁５５を介して互いに熱的に結合している。なお、流路５１は後述する第１流路１１及び第２流路２１のうちの一方の流路として適用され、流路５２は第１流路１１及び第２流路２１のうちの他方の流路として適用される（図６～図９参照）。また、流路５１と流路５２の間の隔壁５５は、後述する第１隔壁１３及び第２隔壁２３のそれぞれに相当する（図６及び図７参照）。

なお、熱交換構造５０は複数の流路５１と、複数の流路５２とを備えてもよい。例えば、複数の流路５１と複数の流路５２は、それぞれＸ－Ｚ平面と平行な平面上で並行する。流路５１の長手方向と流路５２の長手方向は互いに平行もよく、交差していてもよい。後者は即ち、ねじれの関係にあってもよい。何れの場合も、流路５１及び流路５２のうちの一方の流路は、その長手方向の略全区間において、流路５１及び流路５２のうちの他方の流路と、隔壁５５を介して互いに熱的に結合している。

図１（ａ）に示すように、流路５１には流体５３が流れ、流路５２には流体５４が流れる。流体５３は、後述する熱媒流体Ｍ及び反応流体Ｒのうちの一方の流体である。流体５４は、熱媒流体Ｍ及び反応流体Ｒのうちの他方の流体である。なお、流体５３と流体５４の流れは、向流でもよく、並流でもよい。

流体５３と流体５４との間には温度差ΔＴがある。従って、流体５３が流路５１を流れ、流体５４が流路５２を流れているとき、流体５３と流体５４との間で熱が移動する。具体的には、流体５３と隔壁５５との間では対流熱伝達によって、隔壁５５内では熱伝導によって、そして、隔壁５５と流体５４との間では対流熱伝達によって、流体５３と流体５４との間で熱が移動する。

このときの単位時間当たりの熱量Ｑは、総括伝熱係数（熱通過率）Ｕ、隔壁５５の伝熱面積Ａ、及び流体５３と流体５４の温度差ΔＴの積に比例する。即ち、これらの値の関係は次の（１）式で表される。
Ｑ＝ＵＡ（ΔＴ） ・・・（１）
伝熱面積Ａは一定である。また、流体５３と流体５４は定常的に流れるので、温度差ΔＴの変化は小さい。従って、熱量Ｑの増加は、総括伝熱係数Ｕの増加によって得られることが判る。

また、総括伝熱係数Ｕ、流体５３と隔壁５５との間の熱伝達率Ｈ１、隔壁５５と流体５４との間の熱伝達率Ｈ２、及び、隔壁５５の熱伝導率Ｋの間には次の関係がある。
１／Ｕ＝１／Ｈ１＋１／Ｈ２＋Ｔ／Ｋ ・・・（２）
ここで、Ｔは隔壁５５の厚さである。（２）式からは、熱伝達率Ｈ１及び熱伝達率Ｈ２のうちの少なくとも一方が増加すると、総括伝熱係数Ｕが増加することが判る。

熱伝達率Ｈ１は、隔壁５５付近の流体５３を加速させることによって増加する。この傾向は、熱伝達率Ｈ２についても同様である。そこで、本実施形態では、フィン構造体６０Ａを用いて、流体５３及び流体５４のうちの少なくとも一方の流体の流れを、Ｙ方向に蛇行させることで流路長を増やすと共に（図２参照）、当該流体を加速させる。これにより、隔壁５５近傍の温度境界層ＴＢにおいて流体が加速され、当該流体と隔壁５５との間の熱の移動が促進される。即ち、熱伝達率Ｈ１及び熱伝達率Ｈ２うちの少なくとも一方が増加する。その結果、総括伝熱係数Ｕが増加し、最終的に熱量Ｑが増加する。即ち、限られた長さの空間において、二流体間の総括伝熱係数を向上させることができる。

本実施形態に係るフィン構造体６０Ａは、流路５１及び流路５２のうちの少なくとも一方の流路に着脱可能に設置される。以下、説明の便宜上、フィン構造体６０Ａについて、図１及び図２に示す例を挙げて説明する。即ち、フィン構造体６０Ａは流路５１に設置され、流路５２に設置されていない。

図１（ｂ）に示すように、フィン構造体６０ＡはＸ方向の幅ｗ１を有し、Ｙ方向の高さｈ１を有する。フィン構造体６０Ａの幅ｗ１は、流路５１の幅ｗ３に略等しい。また、フィン構造体６０Ａの高さｈ１は、流路５１の高さｈ３以下の値に設定される。幅ｗ１は、流路５１の内周面との間の漏れを極力抑えた値に設定される。なお、高さｈ１は、流体５３の滞留を防止するクリアランスが形成される程度の値に設定されてもよい。フィン構造体６０Ａの奥行きｄ１は、流路５１の寸法や使用形態に応じて適宜設定される。例えば、奥行きｄ１は、流路５１の奥行きｄ３以下の値に設定される。

フィン構造体６０Ａは複数のフィン（偏向板、仕切板）６１を含む。フィン６１は金属製の薄板からなる略矩形の小片であり、Ｚ方向に面しつつＸ方向に延伸する。また、フィン６１は、流路５１の長手方向（Ｚ方向）に対して直交（実質的に直交）している。互いに隣接する２つのフィン６１、６１間のピッチ（間隔）Ｐは一定でもよく、変化してもよい。即ち、複数のフィン６１のうちの一部は、他のフィン６１と異なるピッチＰで配列していてもよい。ピッチＰを変化させることで、局所的な熱伝達率をＺ方向に沿って変化させることができる。

図１（ｂ）に示すように、フィン６１はＹ方向の高さｈ１を有し、Ｘ方向の幅ｗ２を有する。この幅ｗ２は、フィン構造体６０Ａの幅ｗ１よりも小さい。フィン構造体６０Ａの幅ｗ１（流路５１の幅ｗ３）とフィン６１の幅ｗ２の差は、流路５１内に開口部６２を形成する。後述の通り、流体５３は、この開口部６２を介して流路５１を流れる。

図１（ｂ）に示すように、フィン６１は、Ｘ方向における流路５１の一方側と他方側とにＺ方向に沿って交互に配列する。従って、開口部６２も、Ｘ方向における流路５１の一方側と他方側とにＺ方向に沿って交互に配列する。

フィン構造体６０Ａは、フィン６１の支持部としての帯部６３を含む。帯部６３は、Ｚ方向と交差する方向（例えばＸ方向）における複数のフィン６１の配列の両側に設けられる。帯部６３、６３は、その間に位置する複数のフィン６１を支持する。

帯部６３、６３はその間に設けられる連結部材によって相対的な位置（距離）が維持される。連結部材は、例えば、図３において２点鎖線で示す平板６４である。平板６４は、Ｘ方向及びＺ方向に展開し、帯部６３、６３の間に位置する。また、平板６４は、概ね、Ｙ方向における複数のフィン６１の中央に位置する。この場合、フィン６１及び平板６４のうちの一方に、互いの挿入を可能にする切欠きが形成される。なお、平板６４の代わりに、連結部材として、Ｘ方向に延伸するピン等の棒状体（図示せず）を複数配置してもよい。

フィン６１は、帯部６３とは別に形成され、溶接等によって帯部６３に固定されてもよい。或いは、帯部６３は、複数のフィン６１のうちの当該帯部６３によって支持されるフィン６１と共に単一の部材から一体的に形成されてもよい。後者の場合、例えば、帯状の板材に対して折り曲げ加工を施すことによってフィン６１と帯部６３が一体形成され、部品点数や加工工程を大幅に削減することができる。

なお、フィン６１は流路５１の長手方向（Ｚ方向）に対して傾斜してもよい。例えば、図４（ａ）において点線で示すように、フィン６１はＹ方向に平行な状態で、Ｘ方向及びＺ方向に対して傾斜する。また、図４（ｂ）及び図４（ｃ）において実線で示すように、フィン６１は、Ｘ方向に平行な状態で、Ｙ方向及びＺ方向に対して傾斜してもよく、点線で示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に対して傾斜していてもよい。さらに、さらに、流路５１には、異なる方向に傾斜した上述のフィン６１が混在していてもよい。ただし、何れの場合も、開口部６２は、Ｘ方向における流路５１の一方側と他方側とにＺ方向に沿って交互に配列する。

上述の通り、開口部６２は流路５１のＺ方向（長手方向）に開口すると共に、Ｘ方向（幅方向）における流路５１の一方側と他方側とに流路５１に沿って交互に配列する。即ち、開口部６２は、Ｘ方向を往復するように、Ｚ方向に沿ってジグザグに配置される。従って、流体５３の流れは、Ｘ方向の往復を繰り返しながらＺ方向に流れる。換言すれば、流体５３はＸ方向に蛇行しながらＺ方向に流れる。

開口部６２の面積は、Ｚ方向と直交する流路５１の断面積よりも十分に小さい。従って、流路５１に進入した流体５３は流路５１内で加速する。

フィン構造体６０Ａは、蛇行した流体５３の経路と隔壁５５との間に、熱伝達に干渉する構造を持たない。換言すれば、流体５３がＸ方向を往復する各区間において、フィン構造体６０Ａは流体５３を隔壁５５に露出させる部分（開口）を有する。従って、流体５３の一部は隔壁５５近傍の温度境界層ＴＢに直接、接近又は進入する。これにより、熱伝達率Ｈ１が増加し、流体５３及び流体５４間の総括伝熱係数を向上させることができる。例えば、流体５３の温度が流体５４の温度よりも高い場合、図１（ｂ）に示す熱の流れＨＦを促進させることができる。

同様の熱伝達率の向上は、フィン構造体６０Ａを流路５２に設置することによっても得られる。即ち、フィン構造体６０Ａを流路５２に設置することで、熱伝達率Ｈ２を増加させることができる。また、流路５１と流路５２のそれぞれに、フィン構造体６０Ａを設置することによって、流体５３と流体５４との間の総括伝熱係数を更に向上させることができる。何れの場合も、限られた長さの空間にフィン構造体６０Ａを設置することによって、流体５３と流体５４との間の総括伝熱係数を向上させることができる。

なお、フィン構造体６０Ａは、耐熱性を有し、触媒の担持が可能な材料によって形成される。このような材料としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）等の金属の１種又は複数種を主成分とする耐熱合金がある。例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）等の耐熱合金製の薄板状構造材を成形加工してフィン構造体６０Ａを構成してもよい。

また、フィン構造体６０Ａに触媒が担持される場合、当該触媒は、化学反応の進行促進に有効な活性金属を主成分として含む。活性金属としては、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）等が挙げられ、これらのうちの１種のみを使用してもよく、反応促進に有効である限り、複数種を組み合わせて使用してもよい。

（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態に係る熱交換構造について説明する。上述の第１実施形態に対する第２実施形態の差異は、フィン構造体６０Ｂの構成だけである。従って、以下の説明はフィン構造体６０Ｂに関するものに留め、第１実施形態と重複するその他の構成の説明を省略する。なお、フィン構造体６０Ａと同じく、フィン構造体６０Ｂも流路５１及び流路５２のうちの少なくとも一方に設置され、フィン構造体６０Ａと同様の効果を奏する。以下、説明の便宜上、フィン構造体６０Ｂが流路５１のみに設置された場合を仮定する。

図５は、第２実施形態に係るフィン構造体６０Ｂを示す図であり、図５（ａ）はその斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＩＶＢ断面図である。フィン構造体６０Ｂは、流路５１においてＹ方向（積層方向）の中央に位置し、且つ、Ｙ方向（積層方向）に重ね合わされた第１板材６５Ａ及び第２板材６５Ｂによって構成される。

第１板材６５ＡはＸ方向の幅ｗ１を有し、複数の第１副フィン６１Ａを含む。第１実施形態のフィン６１と同様に、第１副フィン６１Ａも、略矩形の小片であり、Ｚ方向に面しつつＸ方向に延伸する。また、第１実施形態のフィン６１と同様に、第１副フィン６１ＡはＸ方向の幅ｗ２を有し、流路５１の中心に対して、Ｘ方向の一方側と他方側とに交互にずれながら配列する。

第１副フィン６１Ａは、Ｙ方向（積層方向）の一方側に向けて切り起こされる。つまり、複数の第１副フィン６１Ａは第１板材６５Ａと一体形成されている。第１副フィン６１Ａは、Ｘ方向及びＺ方向に展開し、第１副フィン６１Ａの支持部として機能する第１板材６５Ａの主部６６Ａから、Ｙ方向の一方側に突出している。

第２板材６５ＢはＸ方向の幅ｗ１を有し、複数の第２副フィン６１Ｂを含む。第１実施形態のフィン６１と同様に、第２副フィン６１Ｂも、略矩形の小片であり、Ｚ方向に面しつつＸ方向に延伸する。また、第１実施形態のフィン６１と同様に、第２副フィン６１ＢはＸ方向の幅ｗ２を有し、流路５１の中心に対して、Ｘ方向の一方側と他方側とに交互にずれながら配列する。

第１副フィン６１Ａが、Ｙ方向の一方側に向けて切り起こされているのに対して、第２副フィン６１Ｂは、Ｙ方向の他方に向けて切り起こされる。複数の第２副フィン６１Ｂは第２板材６５Ｂと一体形成されている。第２副フィン６１Ｂは、Ｘ方向及びＺ方向に展開し、第２副フィン６１Ｂの支持部として機能する第２板材６５Ｂの主部６６Ｂから、Ｙ方向の他方側に突出している。

複数の第２副フィン６１Ｂは、複数の第１副フィンに対応する位置において、第２板材６５Ｂから切り起こされている。即ち、第１副フィン６１Ａと第２副フィン６１Ｂは、Ｚ方向において同一の位置に設けられている。一方、第１板材６５Ａの主部６６Ａと第２板材６５Ｂの主部６６Ｂは、互いに重ね合わされる。従って、第１副フィン６１Ａと第２副フィン６１Ｂは、第１実施形態のフィン６１と同じく、Ｘ方向及びＹ方向に展開する高さｈ１のフィンを構成する。

フィン構造体６０Ａと同様に、フィン構造体６０Ｂも、蛇行した流体５３の経路と隔壁５５との間に、熱伝達に干渉する構造を持たず、これにより総括伝熱係数の向上が図れる。また、第１副フィン６１Ａは、当該第１副フィン６１Ａを支持する第１板材６５Ａの主部６６Ａと一体形成され、第２副フィン６１Ｂも、当該第２副フィン６１Ｂを支持する第２板材６５Ｂの主部６６Ｂと一体形成されている。つまり、フィン構造体６０Ｂは、第１板材６５Ａ及び第２板材６５Ｂのそれぞれに対する切り起こし加工と、両者の重ね合わせ工程だけで形成することができる。従って、部品点数や加工工程を大幅に削減することができる。

（適用例）
上述のフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）は、熱が移動する流体の隔壁との間に物理的な構造物を持たない。そのため、熱を効率良く移動させることができる。例えば、並行した複数の流路５１の集合体と、並行した複数の流路５２の集合体とが積層した構成を想定した場合、熱は流体５３と流体５４との間で主にＹ方向に沿って移動する。従って、フィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）を用いることで、熱交換を向上させることができる。以下に述べる反応装置（触媒反応器）は、この点を考慮して設計されている。

以下、熱交換構造５０が適用された一例としての反応装置（触媒反応器）１について説明する。反応装置１は、熱交換構造５０としての熱交換部２を備える。後述の通り、第１伝熱体１０と第２伝熱体２０はＹ方向に積層され、第１流路（流路）１１と第２流路（流路）２１はＺ方向に延伸する。また、各流路の幅方向を上述のＸ方向とする。Ｘ方向は、第１流路１１（第２流路２１）が並行に複数設けられる場合の配列方向でもある。

図６は、本実施形態に係る熱交換構造５０を備える反応装置（触媒反応器）１を示す側面図である。図７は、図６におけるＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図である。図８は、図６におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面図である。図９は、熱交換構造５０としての熱交換部２の一部を示す立体断面図である。

反応装置１は、反応原料を含む反応流体Ｒを加熱又は冷却することで、反応流体Ｒの反応を進行（促進）させるものである。この加熱又は冷却のため、反応装置１は、熱媒流体Ｍと反応流体Ｒの間で熱交換を行う熱交換構造５０（図１参照）としての熱交換部２を備える。熱交換部２は、第１伝熱体１０と、第２伝熱体２０と、蓋板３０とを備える。第１伝熱体１０、第２伝熱体２０及び蓋板３０は、耐熱性を有する熱伝導性素材で形成された平板状部材であり、反応流体Ｒの流通時に発生する高い内圧に耐えられる十分な厚みを有する。

第１伝熱体１０は、熱媒流体Ｍを流通させる流路（以下、第１流路と称する）１１を有する。一方、第２伝熱体２０は、反応流体Ｒを流通させる流路（以下、第２流路と称する）２１を有する。第１伝熱体１０と第２伝熱体２０はＹ方向（積層方向）に交互に積層され、その最上部に蓋板３０が設置される。

上述の積層により、第１流路１１と第２流路２１は、第１隔壁１３又は第２隔壁２３を介して互いに隣り合う（図９参照）。換言すれば、第１流路１１と第２流路２１は、第１伝熱体１０と第２伝熱体２０の積層方向に非接触な状態で積層される。上述の通り、第１伝熱体１０と第２伝熱体２０は熱伝導性素材で形成されている。従って、第１流路１１と第２流路２１は、互いに熱的に結合している。

熱交換部２は、反応流体Ｒと熱媒流体Ｍが互いに反対方向に流れる対向流型の構造を有する。第１流路１１及び第２流路２１のうちの少なくとも一方の流路には、フィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）（図１～図５参照）が着脱可能に設置される。なお、反応流体Ｒが流れる第２流路２１には、触媒が担持されたフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）が着脱可能に設置されてもよい。

熱交換部２は、第１伝熱体１０と第２伝熱体２０の少なくとも一組で構成される。また、熱交換の性能を向上させるために、各伝熱体の数を増やしてもよい。各伝熱体に形成される流路の数は、熱交換部２の設計条件や伝熱効率などを考慮して設定される。さらに、熱交換部２からの放熱による熱損失を抑えるため、ハウジング又は断熱材が熱交換部２の周囲を覆ってもよい。

積層体である熱交換部２の両端は、固定部材３２、３３によって保持される。

固定部材３２には、熱媒導入部３４が取り付けられている。熱媒導入部３４は、凹状に湾曲した蓋体であり、熱交換部２との間に空間Ｓ１を形成する。空間Ｓ１には複数の第１流路１１の第１導入口１２が開口している（図７参照）。換言すれば、第１導入口１２は、熱媒導入部３４に面した熱交換部２の側面（端面）２ａに開口している。熱媒導入部３４は、熱媒流体Ｍを導入する第１導入管３６を有する。熱媒流体Ｍは、第１導入管３６を介して各第１流路１１に流入する。

熱媒導入部３４は、固定部材３２に着脱可能又は開閉可能に設置される。この着脱等により、例えば、作業者が第１流路１１に対するフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）の挿入や抜き出しを行うことができる。

熱媒排出部４１は、１つの開放面を有する箱状部材である。熱媒排出部４１は、当該開放面が第１伝熱体１０の第１排出口１８に合うように、熱交換部２に設置される。また、熱媒排出部４１は第１排出管４２を有する。第１排出管４２は、熱交換部２を流通した熱媒流体Ｍを排出する。

固定部材３３には、反応流体導入部３５が取り付けられている。反応流体導入部３５は、熱媒導入部３４と同様に、凹状に湾曲した蓋体であり、熱交換部２との間に空間Ｓ２を形成する。空間Ｓ２には、複数の第２流路２１の第２導入口２２が開口している（図７参照）。換言すれば、第２導入口２２は、反応流体導入部３５に面した熱交換部２の側面（端面）２ｂに開口している。反応流体導入部３５は、反応流体Ｒを導入するための第２導入管３７を有する。反応流体Ｒは、第２導入管３７を介して各第２流路２１に流入する。

反応流体導入部３５は、固定部材３３に着脱可能又は開閉可能に設置される。この着脱等により、例えば、作業者が第２流路２１に対するフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）の挿入や抜き出しを行うことができる。

生成物排出部４３は、熱媒排出部４１と同様に、１つの開放面を有する箱状部材である。生成物排出部４３は、当該開放面が第２伝熱体２０の第２排出口２８に合うように、熱交換部２に設置される。また、生成物排出部４３は第２排出管４４を有する。第２排出管４４は、反応流体Ｒ由来の生成物を含む反応ガスＧを排出する。

図７に示すように、第１伝熱体１０は、複数の第１流路１１を有する。複数の第１流路１１は、Ｚ方向に延伸すると共に、Ｘ方向（幅方向）に配列している。第１流路１１は、熱媒流体Ｍの熱を第１伝熱体１０に供給する。

第１流路１１は、第１伝熱体１０の一方の面（本実施形態では上面）に形成された溝である。この溝は、幅ｗ３及び高さｈ３の矩形の断面（図９参照）を有し、奥行きｄ３の長さ（図７参照）で一方向に延伸する。幅ｗ３はフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）の幅ｗ１以上の値を有する。同様に、高さｈ３もフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）の高さｈ１以上の値を有する。奥行きｄ３はフィン構造体６０Ａ（６０Ｂ）の奥行きｄ１よりも大きい。

第１流路１１は、固定部材３２側に位置する第１導入口１２から、固定部材３３に向けて直線状に延伸している。図７に示すように、複数の第１流路１１は並列に配列する。なお、第１流路１１及び第１流路１１の幅、高さ及び長さは異なっていてもよい。

第１伝熱体１０は、第１隔壁１３と、２つの第１側壁１４と、複数の第１中間壁１５と、第１端壁１６とを含む。第１側壁１４、複数の第１中間壁１５および第１端壁１６は、第１隔壁１３の一方の面に設けられる。即ち、これらは、第１隔壁１３に対して第１側壁１４等が設けられる面と同様の面に設けられる。第１隔壁１３は、矩形の壁部であり、第１伝熱体１０の全体的な形状を規定する。第１側壁１４は、第１流路１１の延伸方向の両側に設けられる壁部である。複数の第１中間壁１５は、２つの第１側壁１４の間に位置し、各第１側壁１４と並列に設けられる壁部である。

第１端壁１６は、第１流路１１を挟んで第１導入口１２と反対側に設けられ、第１流路１１の配列方向に延伸する壁部である。第１端壁１６は、空間Ｓ２への熱媒流体Ｍの流入を阻止する。

第１伝熱体１０は、第１端壁１６に沿って延伸する第１連絡流路１７を有する。第１連絡流路１７は、全ての第１流路１１に連通するとともに、第１排出口１８に連通する。

図８に示すように、第２伝熱体２０は、反応領域を含む複数の第２流路２１を有する。第２流路２１は、その中間部分を主な反応領域とする。複数の第２流路２１は、Ｚ方向に延伸すると共に、Ｘ方向（幅方向）に配列している。第２流路２１は、第１伝熱体１０内の第１流路１１を流通する熱媒流体Ｍの熱を受容して反応流体Ｒを反応させ、反応流体Ｒ由来の生成物を含む反応ガスＧを生成する。

第２流路２１は、第２伝熱体２０の一方の面（本実施形態では上面）に形成された溝である。この溝は、幅ｗ３及び高さｈ３の矩形の断面（図９参照）を有し、奥行きｄ３の長さ（図８参照）で一方向に延伸する。第２流路２１は、固定部材３３側に位置する第２導入口２２から、固定部材３２に向けて直線状に延伸している。図８に示すように、複数の第２流路２１は並列に配列する。

第２伝熱体２０は、第２隔壁２３と、２つの第２側壁２４と、複数の第２中間壁２５と、第２端壁２６とを含む。第２側壁２４、第２中間壁２５および第２端壁２６は、第２隔壁２３の一方の面に設けられる。第２隔壁２３は矩形の壁部であり、第２伝熱体２０の全体的な形状を規定する。第２側壁２４は、第２流路２１の延伸方向の両側に設けられる壁部である。複数の第２中間壁２５は、２つの第２側壁２４の間に位置し、各第２側壁２４と並列に設けられる壁部である。

第２端壁２６は、第２流路２１を挟んで第２導入口２２と反対側に設けられ、第２流路２１の配列方向に延伸する壁部である。第２端壁２６は、空間Ｓ１への反応ガスＧの流入を阻止する。

第２伝熱体２０は、第２端壁２６に沿って延伸する第２連絡流路２７を有する。第２連絡流路２７は、全ての第２流路２１に連通するとともに、第２排出口２８に連通する。第１流路１１と同じく、第２連絡流路２７も流体の流路であり、両者に実質的な差異は無い。

熱交換部２は、液－液型熱交換器、気－気型熱交換器及び気－液型熱交換器のいずれとしても使用可能である。反応流体Ｒ及び熱媒流体Ｍは、気体及び液体のいずれであってもよい。また、本実施形態の反応装置１は、吸熱反応や発熱反応など様々な熱的反応による化学合成を可能とする。そのような熱的反応による合成として、例えば、式（３）で示すメタンの水蒸気改質反応、式（４）で示すメタンのドライリフォーミング反応のような吸熱反応、式（５）で示すシフト反応、式（６）で示すメタネーション反応、式（７）で示すフィッシャー－トロプシュ（Fischer Tropsch）合成反応等の発熱反応による合成がある。なお、これらの反応における反応流体Ｒは気体である。

ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２ ＋ ＣＯ ・・・（３）
ＣＨ_４ ＋ ＣＯ_２ → ２Ｈ_２ ＋ ２ＣＯ ・・・（４）
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ ・・・（５）
ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ → ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ ・・・（６）
（２ｎ＋１）Ｈ_２ ＋ ｎＣＯ → Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２ ＋ ｎＨ_２Ｏ ・・・（７）

熱媒流体Ｍは、反応装置１の構成素材を腐食させない物質が望ましい。熱媒流体Ｍとして加熱ガスを用いる場合は、燃焼ガス、加熱空気等の気体状物質が使用できる。熱媒流体Ｍは、例えば、水、油等の液状物質でもよい。

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１…反応装置（触媒反応器）、２…熱交換部、１０…第１伝熱体、１１…第１流路（流路）、１２…第１導入口、１３…第１隔壁、１４…第１側壁、１５…第１中間壁、１６…第１端壁、１７…第１連絡流路、１８…第１排出口、２０…第２伝熱体、２１…第２流路（流路）、２２…第２導入口、２３…第２隔壁、２４…第２側壁、２５…第２中間壁、２６…第２端壁、２７…第２連絡流路、２８…第２排出口、３０…蓋板、３２…固定部材、３３…固定部材、３４…熱媒導入部、３５…反応流体導入部、３６…第１導入管、３７…第２導入管、４１…熱媒排出部、４２…第１排出管、４３…生成物排出部、４４…第２排出管、５０…熱交換構造、５１、５２…流路、５３、５４…流体、５４…流体、５５…隔壁、６０Ａ、６０Ｂ…フィン構造体、６１…フィン（偏向板、仕切板）、６１Ａ…第１副フィン、６１Ｂ…第２副フィン、６２…開口部、６３…帯部、６４…平板、６５Ａ…第１板材、６５Ｂ…第２板材、６６Ａ…主部（支持部）、６６Ｂ…主部（支持部）、Ｍ…熱媒流体、Ｇ…反応ガス、Ｒ…反応流体、ＴＢ…温度境界層、

Claims (7)

1. 積層方向に積層され、前記積層方向と交差する幅方向に所定の幅を有し、隔壁を介して互いに熱的に結合する２つの流路と、
   前記２つの流路のうちの少なくとも一方の流路に着脱可能に設置されるフィン構造体と
   を備え、
   前記フィン構造体は、当該フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路の長手方向に配列すると共に、前記幅方向における前記少なくとも一方の流路の一方側と他方側とに前記少なくとも一方の流路に沿って交互に配列する開口部を形成する複数のフィンを含み、
   前記フィン構造体が形成する流体の経路と前記隔壁の間に熱伝達に干渉する構造を持たない
   熱交換構造。
2. 前記複数のフィンは、前記フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路の長手方向に対して直交している、
   請求項１に記載の熱交換構造。
3. 前記複数のフィンは、前記フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路の長手方向に対して傾斜している、
   請求項１に記載の熱交換構造。
4. 前記フィン構造体は、前記幅方向における前記複数のフィンの配列の両側に設けられ、前記複数のフィンを支持する帯部を含む、
   請求項１に記載の熱交換構造。
5. 前記帯部は、前記複数のフィンのうちの当該帯部によって支持されるフィンと共に単一の部材から一体的に形成されている
   請求項４に記載の熱交換構造。
6. 前記フィン構造体は、当該フィン構造体が設置される前記少なくとも一方の流路において前記積層方向の中央に位置し、且つ、前記積層方向に重ね合わされた第１板材及び第２板材によって構成され、
   前記第１板材は、前記積層方向の一方側に向けて切り起こされた複数の第１副フィンを含み、
   前記第２板材は、複数の第１副フィンに対応する位置において前記積層方向の他方側に向けて切り起こされた複数の第２副フィンを含み、
   前記複数のフィンのそれぞれは、前記複数の第１副フィンのうちの対応する第１副フィンと、前記複数の第２副フィンのうちの対応する第２副フィンとによって構成されている、
   請求項１に記載の熱交換構造。
7. 前記フィン構造体には触媒が担持されている
   請求項１から６のうちの何れか一項に記載の熱交換構造。

Images