JP4417385B2 - 流体流の均質化のための小型混合デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、流体流中の温度及び／又は濃度を均質化するための混合デバイス、この混合デバイスにおいて用いられるモジュール、クエンチ部に連結された該混合デバイスを備える合成ガスの生成装置、並びに燃料電池と該装置とを備える発電機に関する。
ＵＳ６，０００，８４１は、縦方向に細長い導管と中央本体と導管内に配置されたタブとを備えた静的混合器を開示し、これらのタブは、導管壁から半径方向内向きに延びている。このタブは、縦方向の流体流を半径方向に向けさせる。加えて、タブを通った流体流中に、一対の先端渦が発生する。その結果、タブ及び中央本体の下流に延びる導管の区域において、この流体流が混合される。この混合器は、その横の寸法全体に比べて非常に大きな軸方向の寸法を有する。
ＵＳ４，３１３，６８０は、相対的に遅い流速の流体成分を混合するための反応器を開示する。この反応器は、流体成分の流れを反応室の中心軸に沿って方向付けるための、間隔を置いて離された複数の流れ変換部材を備えた反応室を含む。これらの流れ変換部材は、中央開口を備える。この反応器はさらに、各流れ変換部材の下流に配置された流れ方向付け要素を含み、流体流の本体を反応室の中心軸から直角に分割し方向付ける。これらの流れ方向付け要素は、反応室内に偏心通路を定める。この反応器はまた、その横の寸法全体に比べて非常に大きな軸方向の寸法を有する。
ＵＳ２００３／０００７４１９は、熱交換器及び反応器を通る層流中に見られる温度勾配を分散させるための流体流トランスロケータ装置を開示する。この流体流トランスロケータは、導管を備えると共に、導管の長さを横切って配置されたディスクを含み、該ディスクは、導管の内側の側面に適合する外側の側面を有して密封嵌合を形成する。流体の中心部を導管の内側の側面に、外側の周辺流を流体の中心部に同時に方向付けるために、スロット配列がディスクの周りに延びる。これらのスロットは、移動中に流体の中心部と外側の周辺流との分離を維持すべく千鳥状に配置される。
ＵＳ６，０００，８４１ ＵＳ４，３１３，６８０ ＵＳ２００３／０００７４１９
本発明の目的は、従来技術の混合器を改良することである。特に、本発明の目的は、相対的に小型の混合デバイスを提供することである。
したがって、本発明は、流体流中の温度及び／又は濃度を均質化するための混合デバイス（６）であって、前記流体流を導くための中空要素（９）を備え、該中空要素（９）が、
（ａ）前記中空要素（９）内に配置され、偏心通路（１２）を定める第１インサート（１１）；
（ｂ）第１インサートの上流で前記中空要素（９）内に配置され、中央開口（１４）を備える第２インサート（１３）；
（ｃ）前記第１インサート（１１）及び前記第２インサート（１３）の下流で中空要素（９）中に配置された第３インサート（１６）であって、該第３インサート（１６）内で同心円に沿って均等に分布された少なくとも２つの開口（１７）を備える前記第３インサート（１６）；及び
（ｄ）前記第１インサート（１１）と前記第３インサート（１６）との間で前記中空要素（９）中に配置された第４インサート（１９）であって、少なくとも２つの半径方向に延びた第１デフレクター（２０）を含む前記第４インサート（１９）、
を備える混合デバイス（６）に関する。
偏心通路を定める第１インサートと中央開口を有する第２インサートとの組み合わせにより、第１インサートと第２インサートの間での半径方向の偏向により流体を混合できるので、相対的に小型の混合デバイスの構造が可能となる。加えて、第１インサートの周囲及び第２インサートの中央開口の周囲に沿って渦を生成でき、このことがインサートを通る流体流の混合をさらに改善する。
中央開口の面積は、偏心通路の有効面積の５０〜１５０％、好ましくは８０〜１２０％であるのが好ましく、かつ／又は第２インサートは、流体流の半径方向通路が第１インサートと第２インサートとの間に形成されるように配置されるのが好ましく、その際、第２インサート内の中央開口の周囲に沿って測定した半径方向通路の有効面積は、偏心通路の面積の５０〜１５０％、好ましくは８０〜１２０％の範囲にある。その結果、第１及び第２インサートを通る流体流内の圧力損失は相対的に小さくなる。
本発明により、第２インサートは第１インサートの上流に配置される。このことにより、流体流内に温度差及び濃度差が存在する標準的な距離を段階的に縮小させることで流体流を混合する混合デバイスが得られる。この標準的な距離の段階的な縮小は、第１インサートの中央開口、第１インサートと第２インサートの間の半径方向通路、及び偏心通路にてそれぞれ起こる。
本発明による混合デバイスはまた、第１インサート及び第２インサートの下流で中空要素内に配置された第３インサートを備え、この第３インサートは、第３インサート内で同心円に沿って均等に分布された少なくとも２つの開口を備える。第３インサートを通る流体流は、該少なくとも２つの開口による流体流内の再分配によって混合される。というのは、流体流は、第３インサート内の該少なくとも２つの開口により分割され、続いて第３インサート内の該少なくとも２つの開口を通過後に再結合されるからである。
第３インサートの開口のうち少なくとも２つは、好ましくは第３インサートの開口の外形と同じ外形を有するデフレクターを備え、これらのデフレクターは第３インサートから半径方向に延びるのが好ましい。このデフレクターは、流体流内の再分配をさらに改善し、有利には、この設けられるデフレクターは、インサート自体を製造するプレートから、例えばデフレクターの外形のレーザー切断、及びその後の曲げによるデフレクターの位置決めによって製造できる。
本発明による混合デバイスはまた、第１インサートと第３インサートとの間での中空要素内に配置された第４インサートを備え、この第４インサートは、半径方向に延びる少なくとも２つの第１デフレクターを備える。好ましくは、第４インサートは、第４インサートの少なくとも２つの第１デフレクターよりも急勾配な半径方向に延びる少なくとも２つの第２デフレクターをさらに備える。最も好ましくは、第４インサート内の該少なくとも２つの第１デフレクターは、第３インサートの少なくとも２つの開口と合うよう配置される。有利には、第４インサートが、混合デバイスの第１インサートと第３インサートの間の流体流内で再分配を起こさせる。というのは、第４インサートは、流体流を実質的に分離した流れに細分し、これらの流れが、接線方向に相互にシフトされ、続いて第３インサートの開口で部分的に再結合されるからである。さらに、傾斜したデフレクタ間の実質的に分離した流れの長さは、第４インサートのデフレクターの縁に沿って互いに異ならせることができ、このことにより、流体流内の実質的に分離した流れの混合が改善される。
本発明はさらに、上述した４つのインサートと一組のストリップなどの骨組みとを備えた、本発明による混合デバイスにおいて使用するモジュールに関するものであり、これらのインサートは骨組み内に固定される。このように、モジュールは、中空要素とは別々に製造できる。中空要素内に配置する前に、分離ブランケットをモジュールの周りに巻くのが好ましい。
本発明の上述した特徴及びその他の特徴は、本発明の好ましい実施態様を概略的に示す図面に関する以下の説明から明らかとなろう。
以下では、本発明による混合デバイスを有利に組み込むことのできる発電機の一般的な構成を簡単に説明した後、好ましい実施態様の部品を説明し、本発明による混合デバイスの好ましい実施態様における混合プロセスを詳細に説明する。
本発明による混合デバイスは、流体流、例えば、気化した水を含んだいわゆる合成ガス中の温度及び／又は濃度の均質化を意図する。有利には、本発明による混合デバイスは、炭化水素（ＣｘＨｙ）が処理される図１に概略的に示した発電機に組み込むことができる。炭化水素の処理により、電力が得られ、熱が発生する。この種の発電機は、建物に用いて主電力又はバックアップ電力を提供し、かつ建物のセントラル・ヒーティング・システムのために熱を提供することができる。
発電機はまた、電動の乗物、例えば車に用いることもでき、その際、電力は乗物の電気式主エンジンを駆動するのに用いられる。市販の車に必要な電力要件は高く、車の中で発電機に利用可能な空間が限られているので、高い能力のコンパクトな構成要素を有する小型の発電機に対するニーズが存在する。これらの構成要素の一つが、本発明に関する混合デバイスである。
上述した発電機１を図１に概略的に示す。一般にこの種の発電機は、２つの部品、すなわち、炭化水素を水素に転化させる燃料処理装置２、及び生成した水素の電気化学的酸化により電気を作る燃料電池３を備える。
燃料処理装置２は、一連の連結した構成要素を含み、一般にこの構成要素は、それぞれ触媒部分酸化器(catalyst partial oxidator)４、クエンチ部(quench)５、混合デバイス６、水性ガスシフト区域７及び選択酸化器(preferential oxidator)８である。処理中、触媒部分酸化器４は高温の合成ガスを生成する。さらなる処理を可能にするために、触媒部分酸化器４により生成された高温の合成ガスは、気化した水（Ｈ２Ｏ）により冷却、混合される必要がある、すなわち、水が高温の合成ガス流に注入され、クエンチ部により気化され、その後に、混合デバイス６により混合させられる。
混合デバイス６の好ましい実施態様の一つを図２及び図３に示す。図２によると、混合デバイス６は、矢印１０により示された好ましい方向に流体流を導くための丸管９などの中空要素を備える。
図２及び３では、混合デバイス６の好ましい実施態様は、管９内に配置され円形の周囲を有する第１インサート１１を備える。第１インサート１１は、例えばレーザー切断により作られる。インサート１１の外径は管９の内径よりも小さいので、流体流の通路の有効面積を有する偏心通路１２が、第１インサート１１と管９の内壁との間に定められる。偏心通路１２はまた、いずれの方法でも、例えばその周囲に沿って複数の開口を有するプレートによっても定めることができる。
図２及び３に示されるように、混合デバイス６の好ましい実施態様は、管９内でかつ第１インサート１１の上流に配置された第２インサート１３をさらに含む。この第２インサート１３は、中央開口１４を備える。第２インサート１３と第２インサート１３の中央開口１４の両方が、円形の周囲を有してもよく、第２インサート１３は、例えば溶接により管９の内壁に固定される。中央開口１４は、流体流の通路を定める。第１インサート１１と第２インサート１３は実質的に平らで、互いに特定距離Ａだけ離れて実質的に平行に配置されているので、流体流に対する有効面積を有する半径方向通路１５が、第１インサート１１と第２インサート１３との間に形成される。ここで、半径方向通路１５の有効面積は、半径方向の流体流に対して垂直に定義される。この実施態様では、第１インサート１１における中央開口１４の面積と、偏心通路１２の有効面積と、第２インサート１３における中央開口１４の周囲に沿って測定された半径方向通路１５の面積とは、互いに実質的に等しい。
図２及び３に示されるように、混合デバイス６の好ましい実施態様は、第１インサート１１と第２インサート１３の下流位置にてそれらに平行にて管９内に配置された第３インサート１６をさらに含む。有利には、この第３インサート１６は、円形にすることができ、また、第３インサート１６内で同心円に沿って均等に分布させた４つの開口１７を備える。４つの開口１７の面積の合計は、第２インサート１３の中央開口１４の面積の３分の２である。第３インサート１６は、例えばレーザー切断によって作られ、例えば溶接によって管２の内壁に固定される。第３インサート１６の開口１７は、第３インサート１６の開口１７と同じ外形を有して半径方向に延びるデフレクター１８を備える。有利には、デフレクター１８は、第３インサート１６が作られるのと同じ平らなプレートから、例えば、その最も内側の部分の縁を除いてデフレクター１８の外形をレーザー切断することにより製造できる。その後、デフレクター１８は、図２及び３に示される偏向位置まで縁の周りに曲げられる。
図２及び３を参照すると、混合デバイスの好ましい実施態様は、第１インサート１１と第３インサート１６との間で実質的にそれらと平行にて管９内に配置された第４インサート１９をさらに備える。この第４インサート１９は、４つの半径方向に延びる第１デフレクター２０（各々は外側延伸縁２１を有する）と４つの半径方向に延びる第２デフレクター２２（各々は外側延伸縁２３を有する）を備える。第４インサート１９の第１デフレクター２０と第２デフレクター２２は、互いに隣接して互い違いに配列されている。この実施態様では、第２デフレクター２２は、第１デフレクター２０よりも急勾配である。加えて、第１デフレクター２０の外側延伸縁２１は、第２インサート２２の外側延伸縁２３に対して半径方向に延びている。第４インサート１９の互い違い配置の第１デフレクター２０及び第２デフレクター２２は、デフレクターの隣接した縁に沿ったプラグ-ソケット継手２４により、互いに適所に維持される。第４インサート１９は、例えばレーザー切断により１つの平らなプレートから第４インサート１９を形成できるように設計される。これにより、プラグ-ソケット継手２４のスロットの外形だけでなく、第１デフレクター２０と第２デフレクター２２の外形も、第４インサート１９の製造中に同じ切断サイクル内で切断できる。切断の後、第１デフレクター２０と第２デフレクター２２は、曲げとプラグ-ソケット継手２４のはめ込みとによって形成される。有利には、第１インサート１１は、第４インサート１９の第２デフレクター２２の外側延伸縁２３に沿って例えば溶接によって第４インサート１９の第２デフレクター２２に固定される。加えて、第４インサート１９の第１デフレクター２０の外側延伸縁２１は、管９の内壁に一致するので、例えば溶接によって管９の内壁に固定される。第４インサート１９の第２デフレクター２２の外側延伸縁２３は、第１インサート１１の周囲に一致し、第４インサート１９の第２インサート２２の外側延伸縁２３は、管９の内壁に一致するので、第１インサート１１により定まる偏心通路１２は、第１インサート１１の下流で８つの軸方向サブ通路に細分される。加えて、第４インサート１９は、第４インサートの第１デフレクター２０が第３インサート１６の４つの開口１７に合うように位置決めされる。
図２及び３では、混合デバイス６の好ましい実施態様は、第３インサート１６の下流に配置された穴あきプレート２５をさらに含む。有利には、この穴あきプレート２５は、例えば溶接により管９の内壁に固定される。穴あきプレートの典型的な開口面積は、２５％とし得る。
動作中、好ましい実施態様における混合プロセスは以下の通りである。
図２及び３における矢印１０で示された方向に流体流が管９により導かれる。続いて、流体流は、第２インサート１３の中央開口１４、第１インサート１１と第２インサート１３との間の半径方向通路１５領域、第１インサート１１により定められた偏心通路１２、第４インサート１９の第１デフレクター２０及び／又は第２デフレクター２２、第３インサート１６の開口１７、第３インサート１６のデフレクター１８、並びに穴あきプレート２５を通る。
第１インサート１１と第２インサート１３を通る流体流は、第１インサート１１の周囲に沿いかつ第２インサート１３の中央開口１４の周囲に沿った流体流中での渦の発生によって混合されるのみならず、また温度差及び濃度差が存在する標準的な距離のその後の段階的な縮小によって混合されるだけでなく、第１インサート１１と第２インサート１３との間での流体流の半径方向の偏向によっても混合させられる。標準的な距離のこの段階的な縮小は、第２インサート１３の中央開口１４、第１インサート１１と第２インサート１３との間の半径方向通路１５領域、及び第１インサート１１により定められる偏心通路１２にてそれぞれ生じる。この好ましい実施態様では、第２インサート１３の中央開口１４の面積と、偏心通路１２の有効面積と、第２インサート１３の中央開口１４の周囲に沿って測定した半径方向通路１５の有効面積とが、実質的に互いに等しい。その結果、第１インサートと第２インサートを通る流体流内での圧力損失は相対的に小さい。
第１インサート１１を通った後、流体流内での再分配が生じる。というのは、流体流が、第４インサート１９の半径方向に延びる第１デフレクター２０及び第２デフレクター２２によって８つの実質的に分離した流れに細分されるからである。第４インサート１９の第１デフレクター２０及び第２デフレクター２２の互いに異なった傾斜ゆえに、かつ第３インサート１６に対する開口１７の位置ゆえに、実質的に分離した流れが接線方向にて相互にシフトし、その後に第３インサート１６の開口１７にて部分的に再結合する。実質的に分離した流れの長さは、第４インサート１９の第１デフレクター２０及び第２デフレクター２２の傾斜した縁に沿って互いに異なり得るので、流体流内での実質的に分離した流れの混合がさらに改善される。
第３インサート１６の開口１７を通った後、開口１７により案内されたこの部分的に再結合した流体流が、再結合される。また、この流体流は、第３インサート１６の半径方向に延びるデフレクター１８による流体流の半径方向の偏向によって、さらに再分配される。
最後に、この流体流は、混合デバイス６の穴あきプレート２５を通ることで、流体流内での再分配がさらに強化される。
理解されるように、本発明による混合デバイス６は、流体流中の温度及び濃度が存在する標準的な距離の段階的な縮小や、流体流内の実質的に分離した流れの再分配や、渦の発生による流体流の半径方向の偏向の組み合わせによって流体流を混合する。
混合デバイス６について説明した好ましい実施態様では、第３インサート１６は、４つのデフレクター１８を備えた４つの開口１７を含み、第４インサート１９は、４つの第１デフレクター２０と４つの第２デフレクター２２を含む。２つ又は３つのこのようなグループによっても良好な混合結果が得られるが、４グループが好ましい。
混合デバイス６について説明した好ましい実施態様では、第３インサート１６の４つの開口１７の面積の合計は、第２インサート１３の中央開口１４の面積の３分の２である。一般に、第３インサートの少なくとも２つの開口の面積の合計は、第２インサートの中央開口の面積の１５〜１１５％、好ましくは４５〜８５％であるのが好ましい。
混合デバイス６について説明した好ましい実施態様では、第２インサート１３、第３インサート１６、第４インサート１９及び穴あきプレート２５は、例えば溶接により管９の内壁に固定された。一組のストリップなどのような任意の種類の骨組み内にインサートと穴あきプレートを固定することで、モジュールを形成することも可能である。このモジュールは、管９内に埋め込むこともできる。モジュールのインサートと管９の内壁との間の十分な分離を保証するために、モジュールは該モジュールを管内に配置する前に分離ブランケットに包むのが好ましい。
もちろん、本発明による混合デバイスは、図面に示され上記説明された特定の実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内で様々に変えることができる。
本発明による混合デバイスを組み込むことができる発電機の構成図である。 本発明による混合デバイスの好ましい実施態様の断面図である。 図２の混合デバイスの分解図である。
符号の説明
１ 発電機
２ 燃料処理装置
３ 燃料電池
４ 触媒部分酸化器
５ クエンチ部
６ 混合デバイス
７ 水性ガスシフト区域
８ 選択酸化器
９ 中空要素
１１ 第１インサート
１２ 編心通路
１３ 第２インサート
１４ 中央開口
１５ 半径方向通路
１６ 第３インサート
１７ 開口
１８ デフレクター
１９ 第４インサート
２０ 第１デフレクター
２２ 第２デフレクター

Claims (12)

  1. 流体流中の温度及び／又は濃度を均質化するための混合デバイス（６）であって、前記流体流を導くための中空要素（９）を備え、該中空要素（９）が、
    （ａ）前記中空要素（９）内に配置されかつ前記中空要素（９）の内径より小さい外径を有することで偏心通路（１２）を形成する第１インサート（１１）；
    （ｂ）第１インサートの上流で前記中空要素（９）内に配置され、中央開口（１４）を備える第２インサート（１３）；
    （ｃ）前記第１インサート（１１）及び前記第２インサート（１３）の下流で中空要素（９）中に配置された第３インサート（１６）であって、該第３インサート（１６）内で同心円に沿って均一に分布された少なくとも２つの開口（１７）を備える前記第３インサート（１６）；及び
    （ｄ）前記第１インサート（１１）と前記第３インサート（１６）との間で前記中空要素（９）中に配置された第４インサート（１９）であって、少なくとも２つの半径方向に延びた第１デフレクター（２０）を含む前記第４インサート（１９）、
    を備える混合デバイス（６）。
  2. 前記中央開口（１４）の面積が、前記偏心通路（１２）の有効面積の５０〜１５０％、好ましくは８０〜１２０％の範囲にある請求項１に記載の混合デバイス（６）。
  3. 前記第１インサート（１１）と前記第２インサート（１３）との間に前記流体流の半径方向通路（１５）が形成されるように前記第２インサート（１３）が配置され、前記第２インサート（１３）内の前記中央開口（１４）の周囲に沿って測定した半径方向通路（１５）の有効面積が、前記偏心通路（１２）の面積の５０〜１５０％、好ましくは８０〜１２０％の範囲にある請求項１又は２に記載の混合デバイス（６）。
  4. 前記第３インサート（１６）の開口（１７）のうち少なくとも２つが、前記第３インサート（１６）の開口（１７）と同じ外形を有するデフレクター（１８）を備え、該デフレクター（１８）が前記第３インサート（１６）から半径方向に延びる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）。
  5. 前記第４インサート（１９）が、前記第４インサート（１９）内の前記少なくとも２つの第１デフレクター（２０）よりも急勾配な少なくとも２つの半径方向に延びる第２デフレクター（２２）をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）。
  6. 前記少なくとも２つの第１デフレクター（２０）が、前記第３インサート（１６）の少なくとも２つの開口（１７）に合うよう配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）。
  7. 前記第３インサート（１６）の下流で前記中空要素（９）中に配置された穴あきプレート（２５）を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）。
  8. 前記第３インサート（１６）の前記少なくとも２つの開口（１７）の面積の合計が、前記第２インサート（１３）の中央開口（１４）の面積の１５〜１１５％、好ましくは４５〜８５％である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）。
  9. 前記第４インサート（１９）が一部品から形成され、前記第１デフレクター（２０）と前記第２デフレクター（２２）は、互いに隣接して互い違いに配置され、前記デフレクターの隣接した縁に沿ったプラグ-ソケット継手（２４）により互いに所定の位置に維持される、請求項５〜８のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の混合デバイスにおいて使用するためのモジュールであって、前記第１インサート（１１）、第２インサート（１３）、第３インサート、及び第４インサート並びに骨組みを備え、前記インサート（１１、１３）が該骨組み中に固定される前記モジュール。
  11. クエンチ部（５）と請求項１〜１０のいずれか一項に記載の混合デバイス（６）とを含む合成ガスの生成装置（２）であって、前記混合デバイス（６）がクエンチ部（５）に連結される前記合成ガスの生成装置（２）。
  12. 少なくとも燃料電池（３）と請求項１１に記載の合成ガスの生成装置（２）とを含む発電機（１）。
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