JP2016022426A - Fluid separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、原料ガスから水素ガスを選択して分離することにより純度の高い水素ガスを得ることができる水素分離装置や、酸素分離装置、二酸化炭素分離装置、水（水蒸気）フィルタ、油フィルタ等のように、原料の流体（例えば気体又は液体）から所定の流体（例えば気体又は液体）を分離することができる流体分離装置に関する。また、本発明は、化学反応と分離を伴う、固体酸化物形燃料電池や鉄空気電池などにも適用される。 The present invention provides, for example, a hydrogen separator, an oxygen separator, a carbon dioxide separator, a water (steam) filter, an oil that can obtain high-purity hydrogen gas by selecting and separating the hydrogen gas from the source gas. The present invention relates to a fluid separation device that can separate a predetermined fluid (for example, gas or liquid) from a raw material fluid (for example, gas or liquid) such as a filter. The present invention is also applied to solid oxide fuel cells, iron-air cells, and the like that involve chemical reaction and separation.
従来、例えば、燃料電池に供給する水素を製造するために、水蒸気改質ガス等の水素を含むガスから水素のみを選択的に取り出す水素分離体が開発されており、この水素分離体を反応器に収容した各種の水素分離装置が開発されている。 Conventionally, for example, in order to produce hydrogen to be supplied to a fuel cell, a hydrogen separator that selectively extracts only hydrogen from a gas containing hydrogen such as steam reformed gas has been developed. Various hydrogen separators housed in the plant have been developed.
前記水素分離体は、例えば、円筒状のセラミック多孔質基体の表面などに、パラジウム（Ｐｄ）等からなる水素透過膜（以下水素分離金属層と記す）を形成したものである。
また、上述したガスを分離する技術としては、例えば、貫通孔を有する筒状基体の表面にガス分離膜を形成してガス分離体を作製し、そのガス分離体を用いたガス分離装置が開示されている（特許文献１参照）。
The hydrogen separator is formed, for example, by forming a hydrogen permeable membrane (hereinafter referred to as a hydrogen separation metal layer) made of palladium (Pd) or the like on the surface of a cylindrical ceramic porous substrate.
Moreover, as a technique for separating the gas described above, for example, a gas separation device is produced by forming a gas separation membrane on the surface of a cylindrical substrate having a through hole, and a gas separation device using the gas separation member is disclosed. (See Patent Document 1).
このガス分離装置では、ガス分離体の一方の開口端部に、蓋状金属部材がシール部材を介して圧縮固定され、他方の開口端部に、環状金属部材がシール部材を介して圧縮固定されている。また、蓋状金属部材は、一方のグランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する蓋状若しくは環状パッキン押さえと、一方のグランドパッキンの移動を抑制する下部環状若しくは下部蓋状ストッパーにより構成されている。更に、環状金属部材は、他方のグランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状パッキン押さえと、他方のグランドパッキンの移動を抑制する上部環状ストッパーにより構成されている。 In this gas separation device, a lid-like metal member is compression-fixed to one opening end of the gas separator via a seal member, and an annular metal member is compression-fixed to the other opening end via a seal member. ing. In addition, the lid-like metal member includes a lid-like or annular packing presser that applies a clamping pressure in the axial direction of the cylindrical base to one gland packing, and a lower annular or lower part that suppresses the movement of one gland packing. It is composed of a lid-like stopper. Furthermore, the annular metal member is configured by an annular packing presser that applies a clamping pressure in the axial direction of the cylindrical base to the other gland packing, and an upper annular stopper that suppresses the movement of the other gland packing. .
しかしながら、上述した従来技術では、装置の部品点数が多く、装置をコンパクトにすることが容易ではなかった。
また、近年では、装置に使用される水素分離体等の筒状の部材が大径化する傾向にあるが、このような筒状の部材を安定して固定することが容易ではなかった。
However, in the above-described conventional technology, the number of parts of the device is large, and it is not easy to make the device compact.
In recent years, cylindrical members such as hydrogen separators used in apparatuses tend to have a large diameter, but it has not been easy to stably fix such cylindrical members.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、装置の部品点数を少なくして、装置をコンパクトにすることができるとともに、装置に使用される筒状の部材が大型化した場合でも、安定して固定できる流体分離装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the number of parts of the apparatus, to make the apparatus compact, and to be a cylindrical member used in the apparatus. An object of the present invention is to provide a fluid separation device that can be stably fixed even when the size of the device is increased.
（１）本発明の第１態様の流体分離装置は、原料の流体から所定の流体を分離するセラミックを主体とする流体分離体と、前記流体分離体を収容する金属製の反応管と、前記流体分離体の開口端側にて、前記開口端を覆うように配置された金属部材と、を備えた流体分離装置であって、前記流体分離体は、筒状部と、該筒状部の軸方向における一端にて径方向外側に張り出すフランジとを備え、前記金属部材は、前記フランジと対向するように設けられた第１挟持部を備え、前記反応管は、前記流体分離体側に張り出す第２挟持部を備え、更に、前記フランジと前記第１挟持部との間、又は、前記フランジと前記第２挟持部との間に、シール部材を備え、前記フランジは前記第１挟持部と前記第２挟持部とで挟まれている。 (1) The fluid separation device according to the first aspect of the present invention includes a fluid separator mainly composed of ceramic that separates a predetermined fluid from a raw material fluid, a metal reaction tube that houses the fluid separator, A fluid separation device comprising: a metal member disposed so as to cover the opening end on an opening end side of the fluid separation body, wherein the fluid separation body includes a tubular portion, and the tubular portion A flange projecting radially outward at one end in the axial direction, the metal member includes a first clamping portion provided to face the flange, and the reaction tube is stretched toward the fluid separator. A second clamping part to be provided; and a seal member between the flange and the first clamping part, or between the flange and the second clamping part, wherein the flange is the first clamping part. And the second clamping part.
本第１態様では、フランジと第１挟持部との間、又は、フランジと第２挟持部との間に、（気体又は液体を気密又は水密する）シール部材を備えており、フランジは第１挟持部と第２挟持部とによって（直接的に又は他の部材を介して間接的に）挟まれて固定される。即ち、フランジが第１挟持部と第２挟持部と挟まれて押圧されることによって、流体分離体と反応管と金属部材とが一体に固定される。 In the first aspect, a seal member (which gas-tightens or water-tightens gas or liquid) is provided between the flange and the first clamping part or between the flange and the second clamping part, and the flange is the first It is clamped and fixed by the clamping part and the 2nd clamping part (directly or indirectly through another member). That is, the fluid separator, the reaction tube, and the metal member are integrally fixed by pressing the flange sandwiched between the first sandwiching portion and the second sandwiching portion.
これにより、流体分離体と金属部材と反応管とを、容易に一体に固定できるとともに、高いシール性を実現することができる。
また、従来の装置に比べて、装置の部品点数を少なくでき、装置をコンパクトにすることができる。
As a result, the fluid separator, the metal member, and the reaction tube can be easily fixed together and high sealing performance can be realized.
Moreover, compared with the conventional apparatus, the number of parts of the apparatus can be reduced, and the apparatus can be made compact.
更に、流体分離体が大径化した場合（例えば外径φ３０ｍｍ以上）であっても、また、長尺の部材（例えば軸方向の長さが３００ｍｍ以上）であっても、高いシール性を確保できるとともに、好適に流体分離体と金属部材と反応管とを一体に固定できる。 Furthermore, even when the fluid separator has a large diameter (for example, an outer diameter of φ30 mm or more) or a long member (for example, an axial length of 300 mm or more), high sealing performance is ensured. In addition, the fluid separator, the metal member, and the reaction tube can be suitably fixed integrally.
なお、シール部材はフランジと第１挟持部との間だけ、又は、フランジと第２挟持部との間だけに備えていてもよいが、その両方に備えていても良い。
（２）本発明の第２態様の流体分離装置では、前記流体分離体の前記筒状部から張り出す前記フランジの根元のうち、前記第２挟持部側の根元に、Ｒ部が形成されているとともに、前記第２挟持部は、前記Ｒ部に当接しないように形成されている。
In addition, although the sealing member may be provided only between the flange and the first clamping part or between the flange and the second clamping part, it may be provided on both.
(2) In the fluid separation device according to the second aspect of the present invention, an R portion is formed at the root on the second clamping portion side among the roots of the flange protruding from the cylindrical portion of the fluid separator. In addition, the second clamping part is formed so as not to contact the R part.
本第２態様では、フランジの根本にＲ部が形成されているので、フランジの強度が大きく、破損しにくいという効果がある。
しかも、反応管の第２挟持部は、フランジの根本のＲ部に（使用中等においても）当接しないように形成されているので、フランジを挟持する際に、第２挟持部からフランジにかかる押圧力を均一化できる。これにより、流体分離体と反応管等を強固に固定することができ、また、フランジの破損を抑制することができる。
In this 2nd aspect, since the R part is formed in the root of the flange, there exists an effect that the intensity | strength of a flange is large and it is hard to damage.
In addition, since the second sandwiching portion of the reaction tube is formed so as not to contact the R portion of the flange (even during use), the second sandwiching portion is applied to the flange when the flange is sandwiched. The pressing force can be made uniform. Thereby, a fluid separator and a reaction tube etc. can be fixed firmly and breakage of a flange can be controlled.
特に、流体分離体（従ってフランジ）がセラミック製の場合には、応力負荷による割れやクラックが発生し易いため、第２挟持部からフランジにかかる押圧力を均一化することが重要であり、Ｒ部形成の破損防止効果がより顕著に発揮される。また、金属製の第２挟持部の方が熱膨張係数が大きいので、温度上昇時の緩み（押圧力の低下）がより大きくなり、この押圧力の低下幅をより小さくするためには、押圧力の均一化が重要である。本第２態様では、そのような場合でも、第２挟持部はＲ部に当接しないように形成されているので、第２挟持部がフランジを押圧する力が偏りにくく均一化され易い。そのため、大きく温度が変化するような場合でも、確実に流体分離体を固定できるという利点がある。 In particular, when the fluid separator (and hence the flange) is made of ceramic, cracks and cracks due to stress load are likely to occur, so it is important to equalize the pressing force applied to the flange from the second clamping portion. The effect of preventing breakage of part formation is more remarkably exhibited. In addition, since the metal second clamping portion has a larger coefficient of thermal expansion, the looseness (decrease in pressing force) when the temperature rises becomes larger, and in order to further reduce the decreasing range of the pressing force, the pressing force is reduced. Uniform pressure is important. In the second aspect, even in such a case, since the second sandwiching portion is formed so as not to contact the R portion, the force with which the second sandwiching portion presses the flange is not easily biased and is easily made uniform. Therefore, there is an advantage that the fluid separator can be reliably fixed even when the temperature greatly changes.
（３）本発明の第３態様の流体分離装置では、 前記流体分離体の前記フランジの前記第１挟持部側の表面又は前記第２挟持部側の表面、前記金属部材の前記第１挟持部の前記フランジ側の表面、又は、前記反応管の前記第２挟持部の前記フランジ側の表面に、前記シール部材を位置決めする溝又は段差が形成されている。 (3) In the fluid separation device according to the third aspect of the present invention, the surface of the flange of the fluid separator on the side of the first clamping part or the surface of the second clamping part, the first clamping part of the metal member A groove or a step for positioning the seal member is formed on the surface on the flange side or the surface on the flange side of the second clamping portion of the reaction tube.
本第３態様では、シール部材を配置する箇所に、シール部材を位置決めする溝又は段差が形成されているので、シール部材の位置決めを容易に且つ確実に行うことができる。
また、溝や段差を形成することにより、組み付け時にシール部材が変形する際に、シール部材が溝や段差に接触して一部変形が制限されることにより、シール部材の反力を高め、シール性を高める効果もある。
In the third aspect, since the groove or step for positioning the seal member is formed at the place where the seal member is disposed, the seal member can be easily and reliably positioned.
Also, by forming the groove or step, when the seal member is deformed during assembly, the seal member comes into contact with the groove or step to partially restrict the deformation, thereby increasing the reaction force of the seal member and There is also an effect of improving the nature.
（４）本発明の第４態様の流体分離装置では、前記反応管と前記金属部材とは、ネジ又は溶接により一体に固定されている。
本第４態様は、反応管と金属部材との固定方法を例示したものである。
(4) In the fluid separation device according to the fourth aspect of the present invention, the reaction tube and the metal member are integrally fixed by screws or welding.
The fourth aspect illustrates a method for fixing the reaction tube and the metal member.
このネジ又は溶接による固定方法は、容易に且つ確実に固定できるので好適である。
（５）本発明の第５態様の流体分離装置では、前記シール部材は環状の自己接触ガスケットであり、前記シール部材の中心軸を含む断面において、被接触部と、前記シール部材を挟む部材に接触することなく前記被接触部に接触する自己接触部とを有し、前記被接触部は、前記挟む方向の一方側において前記シール部材を挟む部材のいずれか一方と接触し、他方の側において前記自己接触部と接触する。
This fixing method by screws or welding is preferable because it can be fixed easily and reliably.
(5) In the fluid separation device according to the fifth aspect of the present invention, the seal member is an annular self-contact gasket, and in the cross section including the central axis of the seal member, the contacted portion and the member sandwiching the seal member A self-contact portion that contacts the contacted portion without contact, and the contacted portion contacts one of the members that sandwich the seal member on one side in the sandwiching direction, and on the other side Contact with the self-contact portion.
本第５態様は、シール部材を例示したものである。
この自己接触ガスケットは、上述した固定の際に押圧されて、被接触部に自己接触することにより、その被接触部を介してシール部材を挟む部材（即ちガスケットや第１、第２挟持部である相手部材）に対して圧力を付与することができる。即ち、相手部材に対して反力を高めることができる。言い換えれば、ガスケットに対する圧力（ガスケット面圧）を高めることができる。
The fifth aspect exemplifies a seal member.
This self-contacting gasket is pressed during the above-described fixing and self-contacts with the contacted part, so that the member that sandwiches the seal member via the contacted part (that is, the gasket or the first and second clamping parts) A pressure can be applied to a certain partner member. That is, the reaction force can be increased against the mating member. In other words, the pressure on the gasket (gasket surface pressure) can be increased.
これにより、高温や低温での使用時において、２つの相手部材の熱膨張係数差に起因するガスケットの緩み（ガスケットの面圧の低下）を抑制できる。
その結果、どのような温度環境においても（例えば６００℃の温度環境）、熱膨張係数の異なる２つの相手部材間のシール性（気密性）を、２つの相手部材間に介在させたガスケットによって十分に確保でき、リークパス等の不具合の発生を抑制できる。
Thereby, at the time of use at high temperature or low temperature, it is possible to suppress loosening of the gasket (decrease in the surface pressure of the gasket) due to the difference in thermal expansion coefficient between the two mating members.
As a result, in any temperature environment (for example, a temperature environment of 600 ° C.), a gasket (air tightness) between two mating members having different coefficients of thermal expansion is sufficient by a gasket interposed between the two mating members. And the occurrence of problems such as leak paths can be suppressed.
なお、前記中心軸とは、環状の自己接触ガスケットを前記挟む向きから見た場合（平面視）の面積中心（重心）を通る軸である。
（６）本発明の第６態様の流体分離装置では、前記フランジと前記第１挟持部との間及び前記フランジと前記第２挟持部との間の少なくとも一方に、中間部材を備えている。
The central axis is an axis that passes through the center of the area (center of gravity) when viewed from the direction in which the annular self-contact gasket is sandwiched (plan view).
(6) In the fluid separation device according to the sixth aspect of the present invention, an intermediate member is provided between at least one of the flange and the first clamping part and between the flange and the second clamping part.
本第６態様は、フランジと第１挟持部との間の構成や、フランジと第２挟持部との間の構成を例示したものである。
つまり、例えば、フランジと第１挟持部とを直接に接触させるのではなく、その間に中間部材を配置することができる。この場合、シール部材は、例えば、フランジと第２挟持部との間に配置しても良いが、フランジと中間部材との間又は中間部材と第１挟持部との間に配置してもよい。
The sixth aspect exemplifies a configuration between the flange and the first clamping unit and a configuration between the flange and the second clamping unit.
That is, for example, the intermediate member can be disposed between the flange and the first sandwiching portion instead of directly contacting the flange. In this case, for example, the seal member may be disposed between the flange and the second sandwiching portion, but may be disposed between the flange and the intermediate member or between the intermediate member and the first sandwiching portion. .
同様に、例えば、フランジと第２挟持部とを直接に接触させるのではなく、その間に中間部材を配置することができる。この場合、シール部材は、例えばフランジと第１挟持部との間に配置しても良いが、フランジと中間部材との間又は中間部材と第２挟持部との間に配置してもよい。 Similarly, for example, the intermediate member can be disposed between the flange and the second clamping unit instead of directly contacting the flange. In this case, the seal member may be disposed, for example, between the flange and the first sandwiching portion, but may be disposed between the flange and the intermediate member or between the intermediate member and the second sandwiching portion.
（７）本発明の第７態様の流体分離装置では、前記第１挟持部及び前記第２挟持部の少なくとも一方は、フランジである。
本第７態様は、第１挟持部と第２挟持部との構成を例示したものである。
(7) In the fluid separation device according to the seventh aspect of the present invention, at least one of the first clamping part and the second clamping part is a flange.
The seventh aspect illustrates the configuration of the first clamping unit and the second clamping unit.
なお、フランジ、第１挟持部、第２挟持部としては、例えば円板形状（詳しくは環状の板材）を採用できる。
（８）本発明の第８態様の流体分離装置では、前記反応管の前記第２挟持部に、貫通孔を有する。
In addition, as a flange, a 1st clamping part, and a 2nd clamping part, disk shape (specifically cyclic | annular board | plate material) is employable, for example.
(8) In the fluid separation device according to the eighth aspect of the present invention, the second holding portion of the reaction tube has a through hole.
これにより、反応管内と反応管外とを第２挟持部の貫通孔を介して連通することができるので、例えば反応管内の流体を貫通孔を介して外部に取り出すことができる。また、別途外部取り出し用の配管を設置する必要が無くなり、コンパクト化及び部品点数の削減ができる。 Thereby, since the inside of the reaction tube and the outside of the reaction tube can be communicated with each other through the through hole of the second holding portion, for example, the fluid in the reaction tube can be taken out through the through hole. In addition, it is not necessary to install a separate piping for external extraction, and the size can be reduced and the number of parts can be reduced.
以下、本発明の流体分離装置の実施形態について説明する。
［１］まず、上述した本発明の流体分離装置の各構成について説明する。
＜流体分離装置＞
原料及び分離後の流体としては、気体（ガス）又は液体が挙げられる。
Hereinafter, embodiments of the fluid separation device of the present invention will be described.
[1] First, each configuration of the above-described fluid separation device of the present invention will be described.
<Fluid separator>
Examples of the raw material and the separated fluid include gas (gas) or liquid.
流体分離装置としては、原料の気体から所定の気体を分離する気体分離装置と、原料の液体から所定の液体を分離する液体分離装置が挙げられる。
気体分離装置としては、例えば、原料の天然ガス、メチルシクロヘキサン、アンモニア等の気体から水素の気体を分離する水素分離装置や、原料の空気等の気体から酸素を分離する酸素分離装置などが挙げられる。
Examples of the fluid separation device include a gas separation device that separates a predetermined gas from a raw material gas, and a liquid separation device that separates a predetermined liquid from a raw material liquid.
Examples of the gas separation device include a hydrogen separation device that separates hydrogen gas from gas such as raw material natural gas, methylcyclohexane, and ammonia, and an oxygen separation device that separates oxygen from gas such as raw material air. .
一方、液体分離装置としては、原料の不純物を含む水（汚泥）等の液体から水を分離する膜分離活性汚泥法用の濾過装置や、酢酸と水との混合溶液から酢酸又は水を分離する分離用濾過装置などが挙げられる。 On the other hand, as a liquid separator, acetic acid or water is separated from a filtration device for a membrane separation activated sludge method for separating water from a liquid such as water (sludge) containing raw material impurities, or a mixed solution of acetic acid and water. Examples include a filtration device for separation.
＜流体分離体＞
流体分離体としては、筒状部が延びる長手方向（例えば軸方向）の一端が閉塞されているものや、両端部に開口端が設けられているものを採用できる。また、筒状部の形状としては、円筒形状、角筒形状が挙げられる。なお、軸方向に垂直の断面形状としては、円筒の場合は真円や楕円等の円形、角筒の場合は正方形や長方形やその他の多角形が挙げられる。
<Fluid separator>
As the fluid separator, one in which one end in the longitudinal direction (for example, the axial direction) in which the cylindrical portion extends is closed or one in which both ends are provided with open ends can be adopted. In addition, examples of the shape of the cylindrical portion include a cylindrical shape and a rectangular tube shape. In addition, as the cross-sectional shape perpendicular to the axial direction, a circular shape such as a perfect circle or an ellipse is used in the case of a cylinder, and a square, a rectangle, or other polygons are used in the case of a square tube.
また、流体分離体としては、分離によって得られる所定の流体の種類によって、適切な構成を採用できる。
例えば、セラミック支持体上に形成する膜により、分離する気体を種々変えることができる。具体的には、水素透過性の金属膜や水素のみが透過可能な細孔孔に制御したシリカ膜を形成することにより、水素を分離できる。同様に、酸素のみを透過可能な酸素分離膜を形成することによって酸素分離、二酸化炭素のみを透過可能な二酸化炭素分離膜を形成することによって二酸化炭素分離、水や有機溶剤のみを透過可能な膜を形成することによって水分離や溶剤分離等を行うことができる。
Moreover, as a fluid separator, a suitable structure is employable according to the kind of predetermined fluid obtained by isolation | separation.
For example, the gas to be separated can be variously changed depending on the film formed on the ceramic support. Specifically, hydrogen can be separated by forming a hydrogen permeable metal film or a silica film controlled to have pores through which only hydrogen can permeate. Similarly, separation of oxygen by forming an oxygen separation membrane that can only transmit oxygen, separation of carbon dioxide by forming a carbon dioxide separation membrane that can transmit only carbon dioxide, and a membrane that can only transmit water and organic solvents Water separation, solvent separation, etc. can be performed by forming.
また、固体電解質膜および電極膜を形成し、ガスと電極との反応から生じたイオンのみを固体電解質を透過させて電気を取出す、燃料電池や鉄空気電池等とすることもできる。
例えば、流体分離体が、天然ガス等の原料ガスから水素を分離する水素分離体である場合には、上述したように、水素透過性の金属膜（以下水素分離金属層と記す）とそれを支持する支持体の構成を採用できる
支持体の材料としては、セラミックスが挙げられ、支持体の構造としては、一部又は全体が多孔質セラミックスからなる構造を採用できる。
Further, a fuel cell, an iron-air cell, or the like can be formed by forming a solid electrolyte membrane and an electrode membrane, and allowing only ions generated from the reaction between the gas and the electrode to pass through the solid electrolyte and take out electricity.
For example, when the fluid separator is a hydrogen separator that separates hydrogen from a source gas such as natural gas, as described above, a hydrogen permeable metal membrane (hereinafter referred to as a hydrogen separation metal layer) and The structure of the support to be supported can be adopted as a material of the support. Ceramics can be used, and the structure of the support can be partially or entirely made of porous ceramics.
この多孔質セラミックスからなる部分（多孔質部）は、全体又は一部が水素を含むガスの透過が可能であり、その材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、セリア、ドープドセリア、及びこれらの混合物などが挙げられる。 The part (porous part) made of this porous ceramic can permeate a gas containing hydrogen in whole or in part, and the materials thereof include yttria stabilized zirconia (YSZ), stabilized zirconia, alumina, magnesia. , Ceria, doped ceria, and mixtures thereof.
また、多孔質部の例えば軸方向端部などに、（多孔質部より緻密な）ガスの透過の無い緻密部を接合して水素分離体を構成してもよい。なお、前記緻密部を構成する材料としては、多孔質部と同様な材料が挙げられる。 In addition, a hydrogen separator may be configured by joining a dense part without gas permeation (dense than the porous part) to, for example, an axial end of the porous part. In addition, as a material which comprises the said dense part, the material similar to a porous part is mentioned.
一方、水素分離金属層を構成する水素分離金属（水素透過性金属）としては、Ｐｄ単体、Ｐｄ合金（例えばＰｄＡｇ合金、ＰｄＣｕ合金、ＰｄＡｕ合金）等が挙げられる。水素脆化の抑制の点からは、Ｐｄ単体よりもＰｄＡｇ合金が望ましい。また、（例えば４５０℃以上の）高温で使用される水素分離装置の場合には、ＰｄＡｇ合金が望ましい。 On the other hand, examples of the hydrogen separation metal (hydrogen permeable metal) constituting the hydrogen separation metal layer include Pd alone, Pd alloy (for example, PdAg alloy, PdCu alloy, PdAu alloy) and the like. From the viewpoint of suppressing hydrogen embrittlement, a PdAg alloy is preferable to Pd alone. Further, in the case of a hydrogen separator used at a high temperature (for example, 450 ° C. or higher), a PdAg alloy is desirable.
この水素分離金属層としては、支持体の表面又は内部に水素分離金属を配置した構成を採用できる。例えば多孔質の支持体表面又は内部の細孔内に水素分離金属を充填することにより、水素分離金属層を形成することができる。 As this hydrogen separation metal layer, a configuration in which a hydrogen separation metal is disposed on the surface or inside of the support can be employed. For example, the hydrogen separation metal layer can be formed by filling the surface of the porous support or inside the pores with a hydrogen separation metal.
＜シール部材＞
シール部材としては、例えば、環状の板材を曲げて形成された環状の自己接触ガスケット以外に、周知の各種の環状のガスケットを使用できる。ガスケットの材料としては、周知のステンレス等の各種の金属やゴム等を採用できる。
<Seal member>
As the seal member, for example, various known annular gaskets can be used in addition to the annular self-contact gasket formed by bending an annular plate member. As a material for the gasket, various kinds of metals such as well-known stainless steel and rubber can be employed.
なお、本発明において、金属とは、純金属だけでなく合金をも含む概念である（他の部材においても同様）。
＜反応管＞
反応管の材料としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレスなどのような各種の金属が挙げられる。また、反応管の形状としては、長手方向の垂直の断面が円形や角形等の各種の筒状部材が挙げられる。
In the present invention, the metal is a concept including not only a pure metal but also an alloy (the same applies to other members).
<Reaction tube>
Examples of the material for the reaction tube include various metals such as stainless steel such as SUS316 and SUS316L. Examples of the shape of the reaction tube include various cylindrical members whose vertical cross section in the longitudinal direction is circular or rectangular.
なお、反応管には、流体の出入りが可能な連通孔を設けることができる。
＜金属部材＞
金属部材の材料としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレスなどのような各種の金属が挙げられる。また、金属部材の形状としては、反応管の開口端を塞ぐような広がりを有する例えば円盤や角形の板材等が挙げられる。
The reaction tube can be provided with a communication hole through which fluid can enter and exit.
<Metal member>
Examples of the material of the metal member include various metals such as stainless steel such as SUS316 and SUS316L. Further, as the shape of the metal member, for example, a disk or a square plate material having a spread that closes the open end of the reaction tube can be used.
なお、金属部材には、流体の出入りが可能な連通孔を設けることができる。
＜中間部材＞
中間部材の材料としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレスなどのような各種の金属などが挙げられる。また、中間部材の形状としては、環状の板材等が挙げられる。
The metal member can be provided with a communication hole through which fluid can enter and exit.
<Intermediate member>
Examples of the material of the intermediate member include various metals such as stainless steel such as SUS316 and SUS316L. An example of the shape of the intermediate member is an annular plate material.
＜反応管と金属部材との固定方法＞
この固定方法としては、ネジ又は溶接以外に、例えば、圧入、カシメ、リベット、焼嵌めでも可能である。なお、溶接としては、例えば抵抗溶接の他に、レーザーや電子ビームなどを利用した各種の方法を採用できる。
<Method of fixing reaction tube and metal member>
As the fixing method, for example, press-fitting, caulking, rivet, shrink fitting can be used other than screws or welding. As welding, for example, various methods using a laser, an electron beam, or the like can be employed in addition to resistance welding.
［２］次に、本発明の流体分離装置の実施例について説明する。 [2] Next, an embodiment of the fluid separation device of the present invention will be described.
以下では、原料ガスから水素を選択的に分離する水素分離装置の実施例について説明する。
ａ）まず、本実施例１の水素分離装置の概略構成について説明する。
Below, the Example of the hydrogen separator which selectively isolate | separates hydrogen from source gas is demonstrated.
a) First, the schematic configuration of the hydrogen separator according to the first embodiment will be described.
図１及び図２に示す様に、本実施例の水素分離装置１は、原料ガス（例えば天然ガスが改質されて（水素の多い）水素リッチとされた改質ガス）から、水素を選択的に分離して、高純度の水素を得ることができる装置である。 As shown in FIGS. 1 and 2, the hydrogen separator 1 of this embodiment selects hydrogen from a raw material gas (for example, a reformed gas that has been reformed from natural gas to be rich in hydrogen). It is an apparatus that can be separated to obtain high-purity hydrogen.
この水素分離装置１は、基本的な構成として、原料ガスから水素を分離する試験管形状の水素分離体３と、水素分離体３を収容する円筒形状の金属製の反応管５と、水素分離体３の開口端７を覆うように配置された円盤形状の金属部材９と、水素分離体３と金属部材９との間に配置されてガスシールを行うシール部材１１と、原料ガスを反応管５に供給する原料ガス供給部１３と、反応後又は未反応の残余の原料ガスを排出する原料ガス排出部１５と、分離回収された水素ガスを排出する水素ガス排出部１７とを備えている。
The hydrogen separator 1 basically includes a test tube-shaped
ここでは、水素分離装置１が本発明の流体分離装置に該当し、水素分離体３が本発明の流体分離体に該当する。
なお、後述するように、水素分離体３は、反応管５とシール部材１１と金属部材９によってシールされるとともに固定されるが、この固定のための構成を固定機構１９と称する。
Here, the hydrogen separator 1 corresponds to the fluid separator of the present invention, and the
As will be described later, the
以下、各構成について説明する。
＜反応管５＞
前記反応管５は、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等からなる円筒形状の容器であり、その内部には、前記水素分離体３が同軸に配置されている。つまり、水素分離体３の先端側（図１上方）及び側方の周囲を覆うように反応管５が配置されている。
Each configuration will be described below.
<
The
なお、例えば、反応管５の軸方向の長さは４５０ｍｍ、内径はφ４５．３ｍｍ、外径はφ４８．６ｍｍである。
詳しくは、反応管５は、水素分離体３の側方を覆う筒状部２１と、その先端側を覆う円板状の先端部２３とを有しており、筒状部２１の後端側（図１下方）の内周面には、金属部材９と螺合するネジ部２５が設けられている。
For example, the axial length of the
Specifically, the
また、反応管５の先端部２３には、外部から反応管５内に原料ガスが供給される円筒状の原料ガス供給部１３が設けられている。この原料ガス供給部１３は、先端部２３の軸中心に開けられた第１連通部２３ａを介して、反応管５内に連通している。
In addition, a cylindrical source
更に、反応管５の筒状部２１の側方の後端側には、反応後又は未反応の残余の原料ガスを反応管５内から外部に排出する円筒状の原料ガス排出部１５が設けられている。この原料ガス排出部１５は、筒状部に開けられた第２連通部１５ａを介して、反応管５内と連通している。
Further, a cylindrical source
また、後に詳述するように、反応管５の後端側の内周面には、反応管５の径方向内側に突出するように、（平面視が円環状で）板状の第２挟持部２６が突出している。ここで、平面視とは、軸方向に沿って（例えば図１の上方から）見た場合を示している（以下同様）。
Further, as will be described in detail later, a plate-like second sandwich (in a circular plan view) is provided on the inner peripheral surface on the rear end side of the
なお、第２挟持部２６は、いわゆるフランジであり、例えば、その内径はφ３５ｍｍ、外径（即ち反応管５の内径）はφ４５．３ｍｍであり、その厚みは５．０ｍｍである。
＜金属部材９＞
前記金属部材９は、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等からなる円板形状の部材である。なお、例えば、金属部材９の厚みは２０ｍｍ、外径はφ４５ｍｍである。
In addition, the 2nd clamping
<
The
また、金属部材９の外側（後端側）には、金属部材９と同軸に、水素分離体３によって分離回収された水素ガスを、水素分離体３内から外部に排出する水素ガス排出部１７が設けられている。この水素ガス排出部１７は、金属部材９の軸中心に開けられた第３連通部９ａを介して、水素分離体３内に連通している。
Further, on the outer side (rear end side) of the
金属部材９は、水素分離体３の開口端７を覆うとともに、反応管５の後端側の開口端２７を覆うように、反応管５に固定されている。
つまり、図３に示すように、金属部材９の外周にはネジ部２９が設けられており、このネジ部２９を反応管５のネジ部２５にねじ込むことによって、金属部材９を反応管５に固定する。
The
That is, as shown in FIG. 3, a
なお、ネジによる固定ではなく（即ちネジ部２５、２９を設けることなく）、例えば溶接などによって、金属部材９と反応管５とを接合して一体化してもよい。
また、金属部材９の後端側の表面には、金属部材９をねじ込む際に使用される複数の凹部３１が形成されている。
Note that the
In addition, a plurality of
一方、金属部材９の先端側の表面には、段差３３が形成されている。つまり、金属部材９の中心側には、円板状の凸部３５が設けられ、その外周側には凸部３５より（図１下方に引き下がった）高さが低い環状の外周部（即ち第１挟持部）３７が設けられることによって、段差３３が形成されている。
On the other hand, a
なお、この段差３３の外周側、即ち凸部３５の外周側に、シール部材１１が嵌められ、凸部３５の外周面によって位置決めされる。
＜水素分離体３＞
前記水素分離体３は、図４に示す様に、内径φ２６ｍｍ×外径φ３０ｍｍ（フランジ４５以外の部分）×長さ３５０ｍｍの試験管形状の部材である。
The
<
As shown in FIG. 4, the
この水素分離体３は、その閉塞された先端側（同図上側）には、主として多孔質セラミックス（ＹＳＺ）からなり、水素を分離する機能を有する試験管状の多孔質部４１が設けられ、その開放された後端側（同図下側）には、ガス透過性が無く且つ強度が高い緻密質セラミックス（ＹＳＺ）からなる筒状の緻密部４３が設けられている。
The
このうち、多孔質部４１の細孔の内部には、原料ガスがそのまま多孔質部４１を通過しないように、例えばＰｄ等の水素透過性金属が充填されている。この水素透過性金属は、原料ガスから水素のみを選択して透過させることによって、原料ガスから水素を分離する金属である。
Among these, the inside of the pores of the
つまり、図示しないが、多孔質部４１の内部は、周知のように、多孔質部４１の全周を覆うように、水素透過性金属からなる水素透過膜（水素分離金属層）が形成されている。なお、水素分離体３のセラミック部分を、セラミック支持体４と称する。
That is, although not shown, a hydrogen permeable membrane (hydrogen separation metal layer) made of a hydrogen permeable metal is formed inside the
また、本実施例１では、水素分離体３の緻密部４３の後端側の外周に、緻密部４３から径方向（即ち軸方向と垂直の方向）外側に突出するように、フランジ４５が形成されている。即ち、水素分離体３の軸方向と垂直の方向に、平面視で円環状で板状のフランジ４５が形成されている。
Further, in the first embodiment, the
このフランジ４５は、緻密部４３と一体であるので、緻密部４３と同様な緻密な構造を有している。なお、多孔質部４１と緻密部４３とから、筒状部４４が構成されている。
図５に示すように、フランジ４５の同図上方の根元には、内側に凸となるように、半径（即ち軸中心に沿った断面における半径）１．０ｍｍのＲ部４７が設けられている。また、そのＲ部４７の径方向の外側のフランジ先端部４９は、水素分離体３の後端面５１と平行に径方向の外側に伸びる平板状となっている。
Since the
As shown in FIG. 5, an
なお、水素分離体３の後端面５１とフランジ先端部４９の後端面５１とは同一である。また、例えば、フランジ４５の外径はφ４２ｍｍであり、そのフランジ先端部４９における厚みは５．０ｍｍである。
The
＜シール部材１１＞
前記シール部材１１は、環状の板材を曲げて形成された（平面視で）環状の自己接触式ガスケットである（図６参照）。
<
The
つまり、図７に示すように、シール部材１１は、一枚の板材をプレス加工により成形したものである。シール部材１１は、円環状に形成されており、継ぎ目等がなく、一体的に形成されている。シール部材１１は、その中心軸１２（図６参照）を含む断面において、複数箇所で屈曲させた板状に形成されている。
That is, as shown in FIG. 7, the
なお、シール部材１１は押圧されると変形するので、固定前と固定後における寸法は異なるが、例えば、使用時における内径はφ３０ｍｍ、外径はφ３７ｍｍ、その厚みは、凸部３５（従って段差３３）の高さの１．５ｍｍである。
Since the
詳しくは、シール部材１１は、４つの曲げ部（第１曲げ部１１ａ、第２曲げ部１１ｂ、第３曲げ部１１ｃ、第４曲げ部１１ｄ）を有している。シール部材１１は、一方の端部（第１端部１１ｅ）から下方内側に延び、第１曲げ部１１ａを介して上方外側に折り曲げられている。また、第２曲げ部１１ｂを介して内側に折り曲げられている。また、第３曲げ部１１ｃを介して下方に折り曲げられ、さらに、第４曲げ部１１ｄを介して上方外側に折り曲げられ、他方の端部（第２端部１１ｆ）につながっている。
Specifically, the
なお、シール部材１１において、第１端部１１ｅは、第１曲げ部１１ａと第２曲げ部１１ｂとの間の部分に接触している。第１端部１１ｅからその接触部分までの間には、閉断面が形成されている。また、第１曲げ部１１ａは、第２端部１１ｆに接触している。第１曲げ部１１ａとその接触部分（第２端部１１ｆ）までの間には、閉断面が形成されている。
In the sealing
また、シール部材１１は、自己接触部１１Ａと、その自己接触部１１Ａに接触される被接触部１１Ｂとを有している。このシール部材１１において、自己接触部１１Ａは、第２端部１１ｆの先端部分にある。被接触部１１Ｂは、第２曲げ部１１ｂと第３曲げ部１１ｃとの間の部分にある。
Further, the
自己接触部１１Ａは、シール部材１１が相手部材、ここでは、水素分離体３（詳しくはフランジ４５）と金属部材９（詳しくは第１挟持部３７）とから、所定圧力値（第１基準圧力値）以上の圧力を受けた場合に、相手部材３、９に接触することなく、被接触部１１Ｂに接触する部分である。被接触部１１Ｂは、シール部材１１の挟持方向Ｘの一方側（上側）において水素分離体３に接触し、他方側（下側）において自己接触部１１Ａと接触する部分である。
The self-
なお、本実施例１では、（押圧されていない）初期状態において、自己接触部１１Ａは、被接触部１１Ｂに接触しておらず、被接触部１１Ｂとの間に隙間を形成している。
また、シール部材１１は、自己接触部１１Ａとは別の部分に追加接触部１１Ｃを有している。この追加接触部１１Ｃは、第４曲げ部１１ｄにある。追加接触部１１Ｃは、シール部材１１が相手部材３、９から所定圧力値（第１基準圧力値）よりも高い圧力値（第２基準圧力値）以上の圧力を受けた場合に、金属部材９に接触する部分である。
In the first embodiment, in the initial state (not pressed), the self-contacting
Further, the
ｂ）次に、本実施例の要部である固定機構１９について説明する。
前記図５に戻り、固定機構１９では、水素分離体３のフランジ４５は、同図の上下方向（Ｘ方向）より、反応管５の第２挟持部２６と（フランジ４５と第１挟持部３７とに挟まれた）シール部材１１と金属部材９の第１挟持部３７とによって、押圧して固定される。
b) Next, the fixing
Returning to FIG. 5, in the
これにより、水素分離体３と反応管５と金属部材９とが一体に固定される。
また、第２挟持部２６の先端部分（第２挟持先端部２８）の下面側（フランジ４５側）は、フランジ４５のＲ部４７と接触しないように、外側に凸となるように滑らかにカーブしている。
Thereby, the
Further, the lower surface side (
更に、第２挟持部２６の根元部分（第２挟持根元部３０）の同図下側の表面は、径方向（同図左右方向）に平坦となるように形成されている。また、第２挟持根元部３０に向かい合うフランジ先端部４９の同図上側の表面も、径方向（同図左右方向）に平坦となるように形成されている。これにより、第２挟持根元部３０の下側表面とフランジ先端部４９の上側表面とは、全面にわたり密着している。
Furthermore, the lower surface of the base part of the second clamping part 26 (second clamping base part 30) is formed so as to be flat in the radial direction (the horizontal direction in the figure). Further, the upper surface of the
そして、本実施例１においては、金属部材９を反応管５に嵌めて、ねじ締めしてゆくと、徐々に反応管５の第２挟持部２６と金属部材９の第１挟持部３７との間が狭くなる。それによって、シール部材１１がＸ方向の両側から押圧させて、ガスシールが完成する。
In the first embodiment, when the
ここで、シール部材１１を押圧する動作について説明する。
上述したねじ締めを行うと、前記図７に示すように、金属部材９の第１挟持部３７の上面は、シール部材１１の第１曲げ部１１ａに強く接触する。一方、水素分離体３のフランジ４５の下面は、シール部材１１の第２曲げ部１１ｂと第３曲げ部１１ｃとの間の部分に強く接触する。
Here, the operation | movement which presses the sealing
When the above-described screw tightening is performed, as shown in FIG. 7, the upper surface of the
そして、押圧力（締付力）が増加すると、シール部材１１は、金属部材９の第１挟持部３７と水素分離体３のフランジ４５とによって、挟持方向（Ｘ方向）に圧縮されて（押し潰されて）変形する。
When the pressing force (clamping force) increases, the
そして、シール部材１１が金属部材９及び水素分離体３から挟持方向に第１基準圧力値以上の圧力を受けると、シール部材１１の自己接触部１１Ａは、被接触部１１Ｂに対して接触（自己接触）する。このとき、被接触部１１Ｂから自己接触部１１Ａまでの部分において閉断面が形成される。なお、追加接触部１１Ｃは、金属部材９に接触していない。
When the
このように、シール部材１１の自己接触部１１Ａは、被接触部１１Ｂに自己接触することにより、その被接触部１１Ｂを介して水素分離体３を押圧する。すなわち、シール部材１１から金属部材９及び水素分離体３への反力が高くなる。言い換えれば、金属部材９及び水素分離体３からシール部材１１への圧力（ガスケット面圧）が高くなる。
Thus, the self-
そして、更に押圧力が増加すると、シール部材１１が、金属部材の第１挟持部３７及び水素分離体３のフランジ４５によって挟持方向にさらに圧縮されて（押し潰されて）変形する。そして、シール部材１１が、金属部材９及び水素分離体３から挟持方向に（第１基準圧力値より大きな）第２基準圧力値以上の圧力を受けると、シール部材１１の追加接触部１１Ｃは、金属部材９の第１挟持部３７の上面に接触する。
When the pressing force further increases, the
このように、シール部材１１の追加接触部１１Ｃが金属部材９に接触することにより、金属部材９及び水素分離体３に対する接触箇所を増やすことができる。そして、シール部材１１から金属部材９及び水素分離体３への反力がさらに高くなる。言い換えれば、金属部材９及び水素分離体３からシール部材１１への圧力（ガスケット面圧）がさらに高くなる。
As described above, when the
これにより、上述した固定を行った際に、シール部材１１によるガスシールを確実に行うことができる。
ｃ）次に、本実施例１の水素分離装置１の製造方法について簡単に説明する。
Thereby, when the above-described fixing is performed, the gas sealing by the
c) Next, a method for manufacturing the hydrogen separator 1 of the first embodiment will be briefly described.
まず、水素分離体３の製造方法について説明する。
本実施例１で用いる水素分離体３は、フランジ４５を有するセラミック支持体４を有しており、このセラミック支持体４は、例えば周知のプレス成形法により作製した。
First, a method for producing the
The
詳しくは、図示しないが、まず、平板状の基台上に、フランジ４５の形状に対応する段差が付いた筒状のゴム型を配置した枠型を設けた。なお、ゴム型内には、ゴム型の内径に対応した形状の中心ピンが立設されている。
Although not shown in detail, first, a frame mold in which a cylindrical rubber mold with a step corresponding to the shape of the
次に、ゴム型と中心ピンとの間隙に、フランジ４５及び緻密部４３の形成用のセラミック造粒粉を充填し、形成後に、多孔質部４１に相当する部分に、多孔質部４１形成用のセラミック造粒粉を充填し、その後、加圧して成形した。
Next, the gap between the rubber mold and the center pin is filled with ceramic granulated powder for forming the
次に、その成形体を脱脂及び焼成することにより、緻密質のフランジ４５を備えたセラミック支持体４を形成した。
その後、周知の方法で、セラミック支持体４の多孔質部４１に水素分離金属層を形成し、水素分離体３を完成した。
Next, the
Thereafter, a hydrogen separation metal layer was formed on the
なお、フランジ４５の表面の研削加工を行い、その厚み方向における平面度を向上させることが望ましい。
次に、水素分離装置１の各部材を組み付ける手順について説明する。
It is desirable to grind the surface of the
Next, a procedure for assembling each member of the hydrogen separator 1 will be described.
前記図１に示すように、例えば反応管５の内部に水素分離体３を差し込み、そのフランジ４５を反応管５の第２挟持部２６に当接させる。
なお、反応管５には、予め原料ガス供給部１３や原料ガス排出部１５を溶接等によって接合しておく。
As shown in FIG. 1, for example, the
Note that the source
また、金属部材９の凸部３５の外周にシール部材１１を嵌めた状態で、金属部材９を反応管５に嵌めて、ねじ締めを行う。
なお、金属部材９には、予め水素ガス排出部１７を溶接等によって接合しておく。
Further, in a state where the
In addition, the hydrogen
これによって、水素分離体３と反応管５と金属部材９とが、シール部材１１によってガスシールされた状態で、一体に固定された水素分離装置１が完成する。
ｄ）次に、本実施例１の効果を説明する。
As a result, the hydrogen separator 1 in which the
d) Next, the effect of the first embodiment will be described.
本実施例１の水素分離装置１では、水素分離体３のフランジ４５と反応管５の第２挟持部２６との間に、ガスシール（気密）するシール部材１１を備えており、フランジ４５は第１挟持部３７と第２挟持部２６とによって挟まれて固定される。即ち、フランジ４５が第１挟持部３７と第２挟持部２６と挟まれて軸方向外側より押圧されることによって、水素分離体３と反応管５と金属部材９とが一体に固定される。
In the hydrogen separation device 1 of the first embodiment, the gas separation (airtight) sealing
これにより、水素分離体３と反応管５と金属部材９とを、容易に一体に固定できるとともに、高いシール性を実現することができる。
また、従来の装置に比べて、装置の部品点数を少なくでき、装置をコンパクトにすることができる。
Thereby, the
Moreover, compared with the conventional apparatus, the number of parts of the apparatus can be reduced, and the apparatus can be made compact.
更に、水素分離体３が大径化した場合（例えば外径φ３０ｍｍ以上）であっても、また、長尺の部材（例えば軸方向の長さが３００ｍｍ以上）であっても、高いシール性を確保できるとともに、好適に水素分離体３と反応管５と金属部材９とを一体に固定できる。
Furthermore, even when the
また、本実施例１では、フランジ４５の根本にＲ部４７が形成されているので、フランジ４５の強度が大きく、破損しにくいという効果がある。
しかも、反応管５の第２挟持部２６は、フランジ４５の根本のＲ部４７に当接しないように形成されているので、フランジ４５を挟持する際に、第２挟持部２６からフランジ４５にかかる押圧力を均一化できる。これにより、水素分離体３と反応管５と金属部材９とを強固に固定することができ、また、フランジ４５の破損を抑制することができる。
Further, in the first embodiment, since the
In addition, since the
特に、フランジ４５はセラミック製であり、応力負荷による割れやクラックが発生し易いため、第２挟持部２６からフランジ４５にかかる押圧力を均一化することが重要であり、Ｒ部４７形成の破損防止効果がより顕著に発揮される。また、金属製の第２挟持部２６の（図１の）下方に位置するフランジ４５と相対する金属部位（フランジ４５と同じ長さ）の熱膨張係数が大きいので、温度上昇時の緩み（押圧力の低下）がより大きくなり、この押圧力の低下幅をより小さくするためには、押圧力の均一化が重要である。本実施例１では、そのような場合でも、第２挟持部２６はＲ部４７に当接しないように形成されているので、第２挟持部２６がフランジ４５を押圧する力が偏りにくく均一化され易い。そのため、大きく温度が変化するような場合でも、確実に水素分離体３を固定できるという利点がある。
In particular, since the
更に、本実施例１では、金属部材９の表面のシール部材１１を配置する箇所に、シール部材１１を位置決めする段差３３が形成されているので、シール部材１１の位置決めを容易に且つ確実に行うことができる。また、段差３３を形成することにより、組み付け時にシール部材１１が変形する際に、シール部材１１が段差３３に接触する場合には、一部変形が制限されることにより、シール部材１１の反力を高め、シール性を高める効果もある。
Further, in the first embodiment, since the
また、本実施例１では、反応管５と金属部材９とは、ネジにより固定されているので、水素分離装置１の組み立てが容易である。
しかも、本実施例１では、シール部材１１は、環状の自己接触ガスケットであるので、高温や低温での使用時において、２つの相手部材３７、２６の熱膨張係数差に起因するガスケットの緩み（ガスケットの面圧の低下）を抑制できる。
Moreover, in the present Example 1, since the
Moreover, in the first embodiment, the
その結果、どのような温度環境においても、熱膨張係数の異なる２つの相手部材３７、２６間のシール性（気密性）を、十分に確保でき、リークパス等の不具合の発生を抑制できる。
As a result, in any temperature environment, the sealing performance (airtightness) between the two
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例２は、基本的に前記実施例１と同様であるが、固定機構が前記実施例１とは異なる。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
The second embodiment is basically the same as the first embodiment, but the fixing mechanism is different from the first embodiment.
図８に示すように、本実施例２の水素分離装置１０１では、前記実施例１とほぼ同様に、（実施例１と同様な）水素分離体１０３のフランジ１０５を、反応管１０７の第２挟持部１０９と金属部材１１１の第１挟持部１１３とで押圧して挟持している。
As shown in FIG. 8, in the
以下、各構成について説明する。
本実施例２では、第２挟持部１０９は、前記実施例１と同様に、内側に環状に突出するフランジであるが、その第２挟持部１０９には、複数の（ガスの通過が可能な）第１貫通孔１１５が形成されている。
Each configuration will be described below.
In the second embodiment, the
また、金属部材１１１の第１挟持部１１３の表面（図８の上面：フランジ１０５側の表面）には、図９に示すように、環状の溝１１７が形成されている。
なお、溝１１７より外側（径方向外側）には、第１挟持部１１３を板厚方向に貫く第２貫通孔１１９が形成されている。この第２貫通孔１１９と一部の第１貫通孔１１５とは、軸方向において同じ位置に配置されている。
Further, as shown in FIG. 9, an
A second through-
更に、環状の溝１１７には、前記実施例１と同様なシール部材１２１（図８参照）が嵌め込まれて配置されている。
本実施例２においては、図示しないボルトを、第２貫通孔１１９と（第２貫通孔１１９に対向する）一部の第１貫通孔１１５とに通して、ナットで締め付けることによって、水素分離体１０３と反応管１０７と金属部材１１１とを一体に固定する。
Further, a seal member 121 (see FIG. 8) similar to that in the first embodiment is fitted and disposed in the
In the second embodiment, a hydrogen separator is obtained by passing a bolt (not shown) through the second through
なお、本実施例２では、反応管１０７の第２挟持部１０９の第１貫通孔１１５のうち、固定用のボルトが挿通されない第１貫通孔１１５から、残余の原料ガスを外部に取り出すことができる。
In the second embodiment, the remaining source gas can be taken out from the first through
本実施例２においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、設計の自由度が高くなるという利点がある。また、別途外部取り出し用の配管を設置する必要が無くなり、コンパクト化及び部品点数の削減ができる。 The second embodiment also has the advantages that the same effects as those of the first embodiment are obtained and the degree of freedom in design is increased. In addition, it is not necessary to install a separate piping for external extraction, and the size can be reduced and the number of parts can be reduced.
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例３は、基本的に前記実施例１と同様であるが、固定機構が前記実施例１とは異なる。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
The third embodiment is basically the same as the first embodiment, but the fixing mechanism is different from the first embodiment.
図１０（ａ）に示すように、本実施例３の水素分離装置１３１は、前記実施例１と同様に、水素分離体１３３のフランジ１３５を、反応管１３７の第２挟持部１３９と金属部材１４１の第１挟持部１４３とを挟持して固定している。
As shown in FIG. 10 (a), the
また、シール部材１４５も、実施例１と同様に、フランジ１３５と第１挟持部１４５との間に配置されている。
特に本実施例３では、第２挟持部１３９の先端は滑らかにカーブしておらず、単に（平面視で円環状の）平板の板材から構成されている。
Further, the
In particular, in the third embodiment, the tip of the
なお、第２挟持部１３９の内径は、Ｒ部１４７と接触しないような寸法に設定されている。
本実施例３においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、構成をより簡易化できるという利点がある。
Note that the inner diameter of the
The third embodiment also has the advantages that the same effects as those of the first embodiment can be obtained and the configuration can be further simplified.
次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
本実施例４は、基本的に前記実施例３と同様であるが、固定機構が前記実施例３とは異なる。
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted.
The fourth embodiment is basically the same as the third embodiment, but the fixing mechanism is different from the third embodiment.
図１０（ｂ）に示すように、本実施例４の水素分離装置１５１は、前記実施例３とは、反応管１５２の第２挟持部１５３の形状が異なる。
つまり、本実施例４では、第２挟持部１５３の先端の下面側が斜め直線上にカットされている。
As shown in FIG. 10B, the
That is, in the fourth embodiment, the lower surface side of the distal end of the
また、本実施例４では、反応管１５２と金属部材１５４とには、例えば溶接によって接合されている。つまり、実施例１のようなネジ部は設けられておらず、反応管１５２の下部と金属部材１５４の外周部分とが接合されている。
In the fourth embodiment, the
なお、反応管１５２と金属部材１５４を接合する場合には、シール部材１５５及び水素分離体１５６のフランジ１５７を挟んで、反応管１５２の第２挟持部１５３と金属部材１５４の第１挟持部１５８とを軸方向に沿って内側（フランジ側）に押圧した状態で、接合を行う。
When the
本実施例４においても、前記実施例３と同様な効果を奏する。 Also in the fourth embodiment, the same effects as in the third embodiment are obtained.
次に、実施例５について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
本実施例５は、基本的に前記実施例３と同様であるが、固定機構が前記実施例３とは異なる。
Next, the fifth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted.
The fifth embodiment is basically the same as the third embodiment, but the fixing mechanism is different from the third embodiment.
図１０（ｃ）に示すように、本実施例５の水素分離装置１６１は、前記実施例３とは、水素分離体１６３のフランジ１６５の根本部分の形状が異なる。
つまり、本実施例５では、フランジ１６５に実施例３のようなＲ部が形成されていない。
As shown in FIG. 10C, the
That is, in the fifth embodiment, the
本実施例５においても、前記実施例３と同様な効果を奏するとともに、構成をより簡易化できるという利点がある。
また、フランジ１６５にはＲ部がないので、反応管１６７の第２挟持部１６９の径方向の長さを大きくとることができる。それにより、フランジ１６５との接触面積（従って押圧面）を広くすることができるので、より確実に固定することができる。
The fifth embodiment also has the advantages that the same effects as the third embodiment can be obtained and the configuration can be simplified.
Further, since the
次に、実施例６について説明するが、前記実施例５と同様な内容の説明は省略する。
本実施例６は、基本的に前記実施例５と同様であるが、固定機構が前記実施例５とは異なる。
Next, the sixth embodiment will be described, but the description of the same contents as the fifth embodiment will be omitted.
The sixth embodiment is basically the same as the fifth embodiment, but the fixing mechanism is different from the fifth embodiment.
図１０（ｄ）に示すように、本実施例６の水素分離装置１７１は、前記実施例５とは、水素分離体１７３のフランジ１７５の根本部分の形状が異なる。
つまり、本実施例６では、筒状部１７７のフランジ１７５が張り出す根本部分に、反応管１７９の第２挟持部１８１の先端が当たらないように、径方向内側に凹む（平面視で環状の）凹部１８５が形成されている。
As shown in FIG. 10D, the
In other words, in Example 6, the base portion where the
本実施例６においても、前記実施例５と同様な効果を奏するとともに、反応管１７９の第２挟持部１８１の径方向の長さをより大きくとることができる。それにより、フランジ１７５との接触面積（従って押圧面）をより広くすることができるので、より一層確実に固定することができる。
Also in the sixth embodiment, the same effects as in the fifth embodiment can be obtained, and the radial length of the
次に、実施例７について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例７は、基本的に前記実施例１と同様であるが、固定機構が前記実施例１とは異なる。
Next, although Example 7 is demonstrated, description of the content similar to the said Example 1 is abbreviate | omitted.
The seventh embodiment is basically the same as the first embodiment, but the fixing mechanism is different from the first embodiment.
図１１（ａ）に示すように、本実施例７の水素分離装置１９１は、前記実施例１とは、反応管１９３の構成が異なる。
つまり、本実施例７では、反応管１９３は、同図上方の上部反応管１９５と下方の下部反応管１９７とが、同軸に配置されて一体に接合されたものである。なお、上部反応管１９５の下部の内側凹部１９５ａに、下部反応管１９７の上部の外側角部１９７ａが嵌合している。
As shown in FIG. 11A, the
That is, in Example 7, the
このうち、上部反応管１９５は、実施例１の反応管の上部（第２挟持部より上部）と、基本的に同様な構成である。
一方、下部反応管１９７は、筒状の部材であり、その上部には、実施例３と同様な（平面視で環状の）板状の第２挟持部１９９が形成されている。なお、その下部の内周面には、実施例１と同様なネジ部２０１が形成されている。
Of these, the
On the other hand, the
本実施例７においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。 Also in the seventh embodiment, the same effects as in the first embodiment are obtained.
次に、実施例８について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例８は、基本的に前記実施例１と同様であるが、固定機構が前記実施例１とは異なる。
Next, the eighth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
The eighth embodiment is basically the same as the first embodiment, but the fixing mechanism is different from the first embodiment.
図１１（ｂ）に示すように、本実施例８の水素分離装置２１１では、反応管２１３の第２挟持部２１５は、実施例１のような板状のフランジではなく、内周側に突出する凸部である。
As shown in FIG. 11B, in the
本実施例８においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、加工が容易であるという利点がある。 In the eighth embodiment, the same effects as in the first embodiment are obtained, and there is an advantage that processing is easy.
次に、実施例９について説明するが、前記実施例８と同様な内容の説明は省略する。
本実施例９は、基本的に前記実施例８と同様であるが、固定機構が前記実施例８とは異なる。
Next, Example 9 will be described, but the description of the same contents as in Example 8 will be omitted.
The ninth embodiment is basically the same as the eighth embodiment, but the fixing mechanism is different from the eighth embodiment.
図１１（ｃ）に示すように、本実施例９の水素分離装置２２１では、反応管２２３の第２挟持部２２５と水素分離体２２７のフランジ２２９との間に、中間部材２３１を備えている。
As shown in FIG. 11C, the
この中間部材２３１は、例えばステンレス等の金属からなり、平面視で環状の平板である。中間部材２３１は、第２挟持部２２５の下面と筒状部２３３の内周面とに当接することにより位置決めされている。
The
なお、本実施例９では、前記実施例２と同様に、金属部材２３５の上面に、環状の溝２３７が形成されており、この溝２３７にシール部材２３９が配置されている。
本実施例９においても、前記実施例８と同様な効果を奏するとともに、中間部材２３１として、各種の材料や寸法を選択できるので、設計の自由度が向上するという利点がある。
In the ninth embodiment, as in the second embodiment, an
In the ninth embodiment, the same effects as in the eighth embodiment can be obtained, and various materials and dimensions can be selected as the
また、このように中間部材２３１を設置することにより、シール部材２３９に荷重が負荷される位置を制御し、均一に荷重負荷でき、シール部材２３９の性能を十分に発揮させることができる。同時に、フランジ（特にセラミックフランジ）２２９への荷重の偏りを制御でき、フランジ２２９の破損を防ぐこともできる。
Further, by installing the
更には、中間部材２３１の熱膨張係数を制御することにより、例えば高熱膨張係数の部材を適用し、昇温時の緩み量を緩和する等の効果も期待できる。
また、第１挟持部２２６と反応管２２３とにネジ切りし、螺合により一体とする場合、中間部材２３１を用いることにより、螺合時に中間部材２３１とフランジ２２９との間で滑ることにより、フランジ２２９の回転を抑制でき、フランジ２２９とともにシール部材２３９が回転することを抑制できる。
Furthermore, by controlling the thermal expansion coefficient of the
In addition, when the
このシール部材２３９が回転すると、シール部材２３９が接触している（回転しない）相手部材によりシール部材２３９に傷が生じ、リークパスを生じてシール性が低下することがある。このため、中間部材２３１を用いることによって、シール性を確保できる。なお、中間部材２３１の潤滑性を向上させる表面処理を行うことにより、よりその効果を高めることもできる。
When the
次に、実施例１０について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例１０は、基本的に前記実施例１と同様であるが、固定機構が前記実施例８とは異なる。
Next, Example 10 will be described, but description of the same contents as Example 1 will be omitted.
The tenth embodiment is basically the same as the first embodiment, but the fixing mechanism is different from the eighth embodiment.
図１１（ｄ）に示すように、本実施例１０の水素分離装置２４１では、反応管２４３の第２挟持部２４５と水素分離体２４７のフランジ２４９との間に、シール部材２５１を備えている。
As shown in FIG. 11D, in the
従って、水素分離体２４７のフランジ２４９と金属部材２５３の第１挟持部２５５との間には、シール部材２５１は配置されておらず、フランジ２４９の下面と第１挟持部２５５の上面とが密着している。
Therefore, the
なお、第２挟持部２４５の下面には、平面視で（前記実施例２のような）環状の溝２５７が形成されており、この溝２５７にシール部材２５１が配置されている。
なお、ここでは、フランジ２４９にＲ部が形成されていないが、Ｒ部を形成してもよい。
Note that an annular groove 257 (as in the second embodiment) is formed on the lower surface of the
Here, the R portion is not formed on the
本実施例１０においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、設計の自由度が向上するという利点がある。
尚、本発明は前記実施形態や実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
The tenth embodiment also has the advantages that the same effects as the first embodiment are achieved and the degree of freedom in design is improved.
In addition, this invention is not limited to the said embodiment and Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
（１）例えば、シール部材は、フランジと第１挟持部との間だけ、又は、フランジと第２挟持部との間だけに備えていてもよいが、その両方に備えていても良い。
例えば図１１（ｄ）に示す実施例１０のシール部材の配置構成（フランジと第２挟持部との間にシール部材を配置する構成）に加え、更に、他の実施例１〜９におけるシール部材の配置構成（フランジと第１挟持部との間にシール部材を配置する構成）を備えていてもよい。
(1) For example, the seal member may be provided only between the flange and the first holding part or between the flange and the second holding part, but may be provided on both of them.
For example, in addition to the arrangement configuration of the seal member according to the tenth embodiment shown in FIG. 11D (configuration in which the seal member is disposed between the flange and the second clamping portion), the seal members according to other embodiments 1 to 9 are further provided. May be provided (a configuration in which a seal member is disposed between the flange and the first sandwiching portion).
（２）また、上述した実施例等の構成に加えて、シール部材の挟持方向（Ｘ方向）における一方の側又は他方の側に、他の板材等の部材を配置しても良い。
同様に、フランジと第１挟持部との間、又は、フランジと第２挟持部との間、或いは、その両方の間に、上述した実施例等の構成に加えて、他の板材等の部材（例えば中間部材）を配置しても良い。
(2) Further, in addition to the configuration of the above-described embodiment, a member such as another plate member may be disposed on one side or the other side in the clamping direction (X direction) of the seal member.
Similarly, in addition to the configuration of the above-described embodiment or the like, between the flange and the first clamping part, between the flange and the second clamping part, or both, other members such as plate members (For example, an intermediate member) may be disposed.
（３）なお、各実施例の構成は、適宜、他の実施例に適用することができる。 (3) In addition, the structure of each Example can be applied to another Example suitably.
１、１０１、１３１、１５１、１６１、１７１、１９１、２１１、２２１、２４１…水素分離装置
３、１０３、１３３、１５６、１６３、１７３、２２７、２４７…水素分離体
５、１０７、１３７、１５２、１６７、１９３、２１３、２２３、２４３…反応管
９、１１１、１４１、１５４、２３５、２５３…金属部材
１１、１２１、１４５、１５５、２３９、２５１…シール部材
１９…固定機構
２６、１０９、１３９、１５３、１８１、１９９、２１５、２２５、２４５…第２挟持部
３３…段差
３７、１１３、１４３、１５８、２２６、２５５…第１挟持部
４４、１７７…筒状部
４５、１０５、１３５、１５７、１６５、１７５、２４９…フランジ
４７、１４７…Ｒ部
２３１…中間部材
１１７、２３７、２５７…溝、
１１５、１１９…貫通孔
1, 101, 131, 151, 161, 171, 191, 211, 221, 241 ...
115, 119 ... through hole
Claims (8)
前記流体分離体を収容する金属製の反応管と、
前記流体分離体の開口端側にて、前記開口端を覆うように配置された金属部材と、
を備えた流体分離装置であって、
前記流体分離体は、筒状部と、該筒状部の軸方向における一端にて径方向外側に張り出すフランジとを備え、
前記金属部材は、前記フランジと対向するように設けられた第１挟持部を備え、
前記反応管は、前記流体分離体側に張り出す第２挟持部を備え、
更に、前記フランジと前記第１挟持部との間、又は、前記フランジと前記第２挟持部との間に、シール部材を備え、
前記フランジは前記第１挟持部と前記第２挟持部とで挟まれることを特徴とする流体分離装置。 A fluid separator mainly composed of ceramic that separates a predetermined fluid from a raw material fluid;
A metal reaction tube containing the fluid separator;
A metal member arranged to cover the opening end on the opening end side of the fluid separator;
A fluid separation device comprising:
The fluid separator includes a cylindrical portion, and a flange projecting radially outward at one end in the axial direction of the cylindrical portion,
The metal member includes a first sandwiching portion provided to face the flange,
The reaction tube includes a second sandwiching portion that protrudes toward the fluid separator,
Furthermore, a seal member is provided between the flange and the first clamping part or between the flange and the second clamping part,
The fluid separator according to claim 1, wherein the flange is sandwiched between the first sandwiching portion and the second sandwiching portion.
前記第２挟持部は、前記Ｒ部に当接しないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体分離装置。 Among the roots of the flange projecting from the cylindrical part of the fluid separator, an R part is formed at the base on the second clamping part side,
2. The fluid separation device according to claim 1, wherein the second clamping portion is formed so as not to contact the R portion.
前記シール部材の中心軸を含む断面において、被接触部と、前記シール部材に接触することなく前記被接触部に接触する自己接触部とを有し、
前記被接触部は、前記挟む方向の一方側において前記シール部材を挟む部材のいずれか一方と接触し、他方の側において前記自己接触部と接触することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体分離装置。 The sealing member is an annular self-contact gasket;
In a cross section including the central axis of the seal member, the contacted portion, and a self-contact portion that contacts the contacted portion without contacting the seal member,
5. The contact portion according to claim 1, wherein the contacted portion contacts one of the members sandwiching the seal member on one side in the sandwiching direction, and contacts the self-contacting portion on the other side. The fluid separation device according to claim 1.
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