JP7263834B2 - 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熱伝達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

従来のフィン構造体は、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。このような状況は、熱伝達率の向上の妨げになる。なお、あらゆる箇所の流体を十分に加熱（冷却）するには、その流路を長くすることで対処できる。しかしながら、その場合は装置が大型化し、製造コストも上昇してしまう。

そこで本開示は、限られた長さの空間において、二流体間の総括熱伝達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、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、前記積層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。前記複数のフィンのうちの一部は、他のフィンと異なるピッチで配列していてもよい。前記フィン構造体は、前記積層方向と交差する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一対の帯部を含んでもよい。

前記フィン構造体は、前記積層方向と交差する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る一対の帯部と、前記一対の帯部の間に設けられ、前記一対の帯部を連結すると共に前記複数のフィンのうちの対応するフィンに接続する複数の支持部とを含んでもよい。前記フィン構造体は一枚の板部材によって一体的に形成されてもよい。

前記フィン構造体は、前記一対の帯部のそれぞれに支持され、前記複数のフィンが前記積層方向と交差する方向に蛇行するように前記複数のフィンを連結する複数の連結部を含んでもよい。前記複数のフィンと前記複数の連結部は一枚の板部材によって一体的に形成されてもよい。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、限られた長さの空間において、二流体間の総括熱伝達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。

本開示の実施形態に係る熱交換構造の基本構成を示す図であり、（ａ）はＹ－Ｚ面における熱交換構造の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＩＢ－ＩＢ断面図である。 熱交換構造の基本構成の変形例を示す図である。 （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。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第１構成例を示す図であり、（ａ）は第１構成例の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＩＶＢ断面図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第２構成例を示す図であり、（ａ）は第２構成例の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＶＢ断面図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第３構成例を示す図であり、（ａ）は第３構成例の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＶＩＢ断面図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第４構成例を示す図であり、（ａ）は第４構成例の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＶＩＩＢ断面図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第５構成例を示す図であり、（ａ）は第５構成例の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＶＩＩＩＢ断面図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第６構成例を示す図であり、（ａ）は第６構成例の斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＩＸＢ断面図である。 第５構成例及び第６構成例における屈曲部を示す斜視図であり、（ａ）は屈曲部の第１例を示す図、（ｂ）は屈曲部の第２例を示す図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第７構成例を示す図である。 本開示の実施形態に係るフィン構造体の第７構成例を示す図である。 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１３におけるＸＩＶ－ＸＩＶ線断面図である。 図１３におけるＸＶ－ＸＶ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。

（基本構成）
まず、本実施形態に係る熱交換構造５０の基本構成について説明する。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の基本構成を示す図であり、図１（ａ）はＹ－Ｚ面における熱交換構造５０の断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＩＢ－ＩＢ断面図である。図２は、熱交換構造５０の基本構成の変形例を示す図である。

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。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。

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６０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主流の流れを、隔壁５５に向ける。これにより、主流の一部が隔壁５５近傍の温度境界層に接近又は進入し、当該主流と隔壁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、二流体間の総括熱伝達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６０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６０について、図１に示す例を挙げて説明する。即ち、フィン構造体６０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６０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６０の幅ｗ１は、流路５１の幅ｗ３に略等しい値に設定される。また、フィン構造体６０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６０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６０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。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、局所的な総括熱伝達係数を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Ｘ方向に延伸する縁部６１ａを有する。縁部６１ａにおいて、フィン６１はＹ方向の高さｈ２を有する。この高さｈ２は、流路５１の高さｈ３未満、且つ、高さｈ３の１／２の値以上の値に設定される。流路５１の高さｈ３とフィン６１の高さｈ２の差によって、流路５１内に開口部６２が形成される。即ち、フィン６１は、縁部６１ａと流路５１の内周面（隔壁５５）との間で開口部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）に示すように縁部６１ａは、Ｘ方向の全域に形成されてもよい。また、Ｘ方向の一部の区間に形成されてもよい（図１０参照）。前者の場合、フィン６１は、Ｙ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。後者の場合、フィン６１はＺ方向に沿って配列すると共に、縁部６１ａの位置がＹ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位置する。

図１（ａ）に示すように、フィン６１は、流路５１の長手方向（Ｚ方向）に対して直交していてもよい。或いは、図２に示すように、フィン６１は、流路５１の長手方向に対して傾斜していてもよい。後者の場合、フィン６１は、開口部６２を形成する縁部６１ａが、その反対側の縁部６１ｂよりも流路５１の上流側に位置するように傾斜してもよく、その逆でもよい。

図３（ａ）～図３（ｃ）はフィン６１の配置例を示す図である。これらの図に示すように、フィン６１は、Ｘ方向に対して傾斜していてもよい。フィン６１がＸ方向に対して傾斜している場合、当該フィン６１は図３（ａ）に示すように流路５１の長手方向に対して直交していてもよく、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、流路５１の長手方向に対して傾斜していてもよい。さらに、流路５１には、上述の直交した又は傾斜したフィン６１が混在していてもよい。

フィン構造体６０は一対の帯部６３、６３を含む。一対の帯部６３、６３のそれぞれは、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。一対の帯部６３、６３は、その間に位置する複数のフィン６１を支持する。ただし、複数のフィン６１は、一対の帯部６３、６３を連結する部材（例えば図８に示す支持部６６）又は一対の帯部６３、６３を側面として有する部材（例えば図４に示す角管６４）によって支持されてもよい。

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、Ｙ方向（積層方向）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、Ｙ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、Ｙ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Ｙ方向に蛇行しながらＺ方向に流れる。

フィン構造体６０は、蛇行した流体５３の経路と隔壁５５との間の少なくとも一部に、熱伝達に干渉する構造を持たない。換言すれば、流体５３がＹ方向を往復する各区間において、フィン構造体６０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の一部を隔壁５５近傍の温度境界層ＴＢに直接、接近又は進入させることができる。これにより、熱伝達率Ｈ１が増加し、流体５３及び流体５４間の熱伝達率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。

同様の総括熱伝達係数の向上は、フィン構造体６０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６０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６０を設置することによって、流体５３と流体５４との間の熱伝達率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６０を設置することによって、流体５３と流体５４との間の総括熱伝達係数を向上させることができる。

なお、フィン構造体６０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６０を構成してもよい。

また、フィン構造体６０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１構成例）
次に、フィン構造体６０の構成例について説明する。図４は、フィン構造体６０の第１構成例としてのフィン構造体６０Ａを示す図であり、図４（ａ）は第１構成例の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＩＶＢ断面図である。

図４（ａ）に示すように、フィン構造体６０Ａは高さｈ１、幅ｗ１及び奥行きｄ１の角管６４によって形成される。角管６４は、Ｙ方向に高さｈ１の間隔を置いて設けられた上面６４Ｕ及び下面６４Ｌと、Ｘ方向に幅ｗ１の間隔を置いて設けられた２つの側面６４Ｓ、側面６４Ｓとを有する。この２つの側面６４Ｓ、６４Ｓが上述の一対の帯部６３、６３を構成し、上面６４Ｕ及び下面６４Ｌが側面６４Ｓ、６４Ｓ間の連結部材として機能する。

上面６４Ｕ及び下面６４Ｌには、複数のフィン６１を形成するように、角管６４の内側に向けた切り起こし加工が施される。つまり、複数のフィン６１は、上面６４Ｕ又は下面６４Ｌに支持された状態でＺ方向と直交するように、上面６４Ｕ又は下面６４Ｌから曲げられている。なお、フィン６１の高さｈ２は、Ｚ方向における露出部６５Ａの長さＬ１にほぼ等しい。

上述の切り起こし加工の結果、上面６４Ｕには露出部６５Ａが開口する。露出部６５Ａは、Ｚ方向におけるフィン６１の背後（前方）に位置し、流体５３が流れる角管６４の内部空間に隔壁５５を露出させる。この露出によって、流体５３と流体５４との間の総括熱伝達係数が向上する。

フィン構造体６０Ａは、角管６４に対する切り起こし加工によって形成される。つまり、複数のフィン６１は角管６４と一体的に形成される。主な加工工程は切り起こし加工だけであるため、フィン構造体６０Ａを容易に製造することができる。

（第２構成例）
図５は、フィン構造体６０の第２構成例としてのフィン構造体６０Ｂを示す図であり、図５（ａ）は第２構成例の斜視図、図５（ｂ）は図４（ａ）に示すＶＢ断面図である。第１構成例に対する第２構成例の差異は、フィン構造体６０Ｂのフィン６１がＺ方向に対して傾斜している点にある。第２構成例におけるその他の構成については、第１構成例の構成と同様である。

Ｚ方向から見たフィン６１の高さは上述の高さｈ２に設定される。従って、フィン６１をＺ方向に対して傾斜させることで、Ｚ方向における露出部６５Ｂの長さＬ２を、長さＬ１よりも長くすることができる。即ち、露出部６５Ｂの開口面積を露出部６５Ａの開口面積よりも増加させることできる。よって、少なくとも露出部６５Ｂにおける総括熱伝達係数を向上させることができる。

（第３構成例）
図６は、フィン構造体６０の第３構成例としてのフィン構造体６０Ｃを示す図であり、図６（ａ）は第３構成例の斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すＶＩＢ断面図である。第３構成例のフィン構造体６０Ｃのフィン６１はＺ方向に直交し、Ｘ方向の全域に形成された縁部６１ａを有する。即ち、フィン６１は、Ｘ方向の全域において高さｈ２を有し、流路５１の内周面（隔壁５５）との間で開口部６２を形成する。

フィン構造体６０Ｃは、一対の帯部６３、６３を含む。即ち、一対の帯部６３、６３のそれぞれは、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。一対の帯部６３、６３は、Ｘ方向における各フィン６１の両端部に接続し、一対の帯部６３、６３の間に位置する複数のフィン６１を支持する。

（第４構成例）
図７は、フィン構造体６０の第４構成例としてのフィン構造体６０Ｄを示す図であり、図７（ａ）は第４構成例の斜視図、図７（ｂ）は図６（ａ）に示すＶＩＩＢ断面図である。フィン構造体６０Ｄのフィン６１はＺ方向に対して傾斜し、Ｘ方向の全域に形成された縁部６１ａを有する。即ち、フィン６１は、Ｘ方向の全域においてＺ方向から見た高さｈ２を有し、流路５１の内周面（隔壁５５）との間で開口部６２を形成する。

第３構成例と同じく、フィン構造体６０Ｄは、一対の帯部６３、６３を含む。即ち、一対の帯部６３、６３のそれぞれは、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。一対の帯部６３、６３は、Ｘ方向における各フィン６１の両端部に接続し、一対の帯部６３、６３の間に位置する複数のフィン６１を支持する。

第３構成例及び第４構成例のフィン構造体６０Ｃ、６０Ｄは、流体５３が流れる流路５１の内部空間と隔壁５５との間を仕切る構造をもたない。従って、隔壁５５はＺ方向の略全域で、流体５３に露出する。従って、第１構成例及び第２構成例よりも、流体５３と流体５４との間の総括熱伝達係数を向上させることができる。

（第５構成例）
図８は、フィン構造体６０の第５構成例としてのフィン構造体６０Ｅを示す図であり、図８（ａ）は第５構成例の斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＶＩＩＩＢ断面図である。上述の各構成例と同じく、フィン構造体６０Ｅも一対の帯部６３、６３を含む。ただし、一対の帯部６３、６３はフィン６１を直接支持しない。その代りに、支持部６６がフィン６１を支持する。

フィン構造体６０Ｅは上述の支持部６６を複数含む。支持部６６は、一対の帯部６３、６３の間に設けられ、一対の帯部６３、６３を連結する。また、支持部６６は、複数のフィン６１のうちの対応するフィン６１に接続する。フィン６１と支持部６６の接続部分は、開口部６２を形成する縁部６１ａを構成する。

図８（ｂ）に示すように、支持部６６は、例えば、Ｙ方向における流路５１の中央に位置する。複数のフィン６１は、支持部６６を基点として、Ｙ方向の一方側と他方側とに向けて交互に延伸している。

（第６構成例）
図９は、フィン構造体６０の第６構成例としてのフィン構造体６０Ｆを示す図であり、図９（ａ）は第６構成例の斜視図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＩＸＢ断面図である。フィン構造体６０Ｄのフィン６１はＺ方向に対して傾斜する。その他の構成は、フィン構造体６０Ｅの構成と同一である。

第３構成例及び第４構成例と同様に、第５構成例及び第６構成例のフィン構造体６０Ｅ、６０Ｆも、流体５３が流れる流路５１の内部空間と隔壁５５との間を仕切る構造をもたない。従って、隔壁５５はＺ方向の略全域で、流体５３に露出する。従って、第１構成例及び第２構成例よりも、流体５３と流体５４との間の総括熱伝達係数を向上させることができる。

また、フィン構造体６０Ｅ、６０Ｆでは、フィン６１と支持部６６の接続部分がフィン６１の支点となる。従って、流路５１に対するフィン構造体６０Ｅ、６０Ｆの着脱の際に、フィン６１が流路５１の内周面（隔壁５５）と接触しても（換言すれば摩擦が大きくなっても）、フィン６１はこの支点に対して撓むことができる。つまり、フィン構造体の着脱が容易になる。

また、着脱の際にフィン６１が撓むので、フィン６１の高さｈ２を極力高く設定し、フィン構造体６０Ｅ、６０Ｆと流路５１の内周面（隔壁５５）との間の漏れを極力抑制することもできる。この場合、フィン６１は流路５１の内周面（隔壁５５）と接触してもよいので、フィン６１と流路５１の内周面（隔壁５５）との熱伝導を部分的に達成することも可能である。

第５構成例のフィン構造体６０Ｅ、及び第６構成例のフィン構造体６０Ｆは、その構造上、溶接等の接続工程を経ることなく、一枚の板部材に対する打ち抜き加工及び折り曲げ加工によって形成することが可能である。例えば、フィン６１及び帯部６３は、一枚の板部材において支持部６６となる部分に対する折り曲げによって形成される。このような一枚の板部材からの形成によって、部品点数と加工工程の削減を図ることができる。

図１０は、第５構成例及び第６構成例における屈曲部６８を示す斜視図であり、（ａ）は屈曲部６８の第１例を示す図、（ｂ）は屈曲部６８の第２例を示す図である。上述の通り、フィン構造体６０Ｅ及びフィン構造体６０Ｆは、一枚の板部材に対する打ち抜き加工及び折り曲げ加工によって形成することが可能である。この場合、帯部６３と支持部６６は、板部材の折り曲げによって形成される屈曲部６８を介して互いに接続する。

屈曲部６８は、図１０（ａ）に示すようにＺ方向の全域に亘って形成されてもよく、図１０（ｂ）に示すように、Ｚ方向において帯部６３と支持部６６との間のみに形成されてもよい。前者は、後者よりも加工が容易である。一方、後者は前者よりも、フィン６１の幅をＹ方向に亘って一定し、フィン６１と流路５１との間の漏れを低減させることが容易になる。なお、図１０（ｂ）中の二点鎖線は、図１０（ａ）に示すフィン６１と屈曲部６８の輪郭の一部を示している。

（第７構成例）
図１１及び図１２は、フィン構造体６０の第７構成例としてのフィン構造体６０Ｇを示す図である。フィン構造体６０Ｇのフィン６１は、Ｘ方向の一部の区間に高さｈ２を規定する縁部６１ａを有する。その他の区間は、流路５１の高さｈ１と同程度の高さを規定する縁部６１ｃが形成される。

他の構成例と同じく、縁部６１ａは流路５１の内周面（隔壁５５）と間に開口部６２を形成する。図１１に示すように、フィン６１は、縁部６１ａの位置がＹ方向における流路５１の一方側と他方側とに交互に位置するように、Ｚ方向に沿って配列する。

図１１に示すように、フィン構造体６０Ｇは、一対の帯部６３、６３を含む。即ち、一対の帯部６３、６３のそれぞれは、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。一対の帯部６３、６３は、Ｘ方向における各フィン６１の両端部に接続し、一対の帯部６３、６３の間に位置する複数のフィン６１を支持する。

図１２に示すように、フィン構造体６０Ｇは、複数のフィン６１を連結する複数の連結部６７を含んでもよい。複数の連結部６７は、一対の帯部６３、６３のそれぞれに支持される。また、複数の連結部６７は、複数のフィン６１がＹ方向と交差する方向（例えばＸ方向）に蛇行するように複数のフィン６１を連結する。この場合、複数の連結部６７と複数のフィン６１は、一枚の板部材によって一体的に形成されてもよい。即ち、複数の連結部６７と複数のフィン６１は、単一の帯状の板材に対する打ち抜き加工及び折り曲げ加工によって一体的に形成されていてもよい。この一体形成によって、部品点数と加工工程の削減を図ることができる。

（適用例）
本実施形態に係るフィン構造体６０は、流体が蛇行する方向に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、並行した複数の流体５４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６０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１３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１４は、図１３におけるＸＩＶ－ＸＩＶ線断面図である。図１５は、図１３におけるＸＶ－ＸＶ線断面図である。図１６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１６参照）。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６０（図１～図１２参照）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６０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１４参照）。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６０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１５参照）。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６０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１４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１６参照）を有し、奥行きｄ３の長さ（図１５参照）で一方向に延伸する。幅ｗ３はフィン構造体６０の幅ｗ１以上の値を有する。同様に、高さｈ３もフィン構造体６０の高さｈ１以上の値を有する。奥行きｄ３はフィン構造体６０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１４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１５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１６参照）を有し、奥行きｄ３の長さ（図１５参照）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１５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、６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ、６０Ｆ、６０Ｇ…フィン構造体、６１…フィン（偏向板、仕切板）、６２…開口部、６３…帯部、６４…角管、６６…支持部、６７…連結部、６８…屈曲部、Ｍ…熱媒流体、Ｇ…反応ガス、Ｒ…反応流体、ＴＢ…温度境界層

Claims (9)

1. 積層方向に積層され、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、前記積層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. 前記複数のフィンのうちの一部は、他のフィンと異なるピッチで配列している、
   請求項１～３のうちの何れか一項に記載の熱交換構造。
5. 前記フィン構造体は、前記積層方向と交差する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一対の帯部を含む、
   請求項１～４のうちの何れか一項に記載の熱交換構造。
6. 前記フィン構造体は、
   前記積層方向と交差する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る一対の帯部と、
   前記一対の帯部の間に設けられ、前記一対の帯部を連結すると共に前記複数のフィンのうちの対応するフィンに接続する複数の支持部と
   を含む、
   請求項１～４のうちの何れか一項に記載の熱交換構造。
7. 前記フィン構造体は一枚の板部材によって一体的に形成されている、
   請求項６に記載の熱交換構造。
8. 前記フィン構造体は、前記一対の帯部のそれぞれに支持され、前記複数のフィンが前記積層方向と交差する方向に蛇行するように前記複数のフィンを連結する複数の連結部を含み、
   前記複数のフィンと前記複数の連結部は一枚の板部材によって一体的に形成されている、
   請求項５に記載の熱交換構造。
9. 前記フィン構造体には触媒が担持されている
   請求項１～８のうちの何れか一項に記載の熱交換構造。

Images