| 【発明の名称】 |
蒸気発生器 |
| 【発明者】 |
【氏名】田中 外治
【氏名】新長 秀孝
【氏名】平山 諭輝照
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| 【要約】 |
【課題】コンパクトで伝熱性が良く且つ耐久性の高い蒸気発生器の提供。
【解決手段】高温の熱交換媒体が導入される本体１内に、複数のＵ字状パイプ２をそのＵ曲げ部が重力方向下方に位置するように挿入する。そして液体供給パイプ４に液体噴射孔３を設け、それをＵ字状パイプ２の一端開口に臨ませる。そしてＵ字状パイプ２の他端開口を蒸気排出パイプ５に連通する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高温の熱交換媒体を導入して内部が加温される本体１と、重力方向下方がＵ曲げ部となるように、その本体１に挿入された複数のＵ字状パイプ２と、そのＵ字状パイプ２に比べて著しく小なる直径の液体噴射孔３が、夫々のＵ字状パイプ２の一端開口に臨んで配置された液体供給パイプ４と、夫々のＵ字状パイプ２の他端開口が連通される蒸気排出パイプ５と、を具備する蒸気発生器。
【請求項２】 請求項１において、夫々前記Ｕ字状パイプ２の直径以上の直径を有し且つ、前記本体１を水平方向に貫通する前記蒸気排出パイプ５と、両端閉塞の入口パイプ６とを有し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端が、その入口パイプ６に互いにその軸線方向に離間して連通されると共に、他端が前記蒸気排出パイプ５に互いにその軸線方向に離間して接続され且つ、そのＵ字状パイプ２が下方に熱膨張可能なように、そのＵ字曲折部下端が本体１の底面の上方に位置され、前記入口パイプ６に、同軸にそれより直径が小なる前記液体供給パイプ４が挿通され、前記夫々のＵ字状パイプ２の一端開口に整合する位置で、その液体供給パイプ４に前記液体噴射孔３が夫々配置された蒸気発生器。
【請求項３】 請求項１において、夫々前記Ｕ字状パイプ２の直径以上の直径を有する前記蒸気排出パイプ５と、両端閉塞の入口パイプ６とを有し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端開口が、その入口パイプ６に互いにその軸線方向に離間して連通されると共に、他端開口が前記蒸気排出パイプ５に互いにその軸線方向に離間して接続され、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端開口位置に整合して、前記入口パイプ６にそれに比べて著しく小なる直径の前記液体供給パイプ４の先端部が夫々貫通され、その軸線上の先端に前記液体噴射孔３が設けられた蒸気発生器。
【請求項４】 請求項１において、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端開口が閉塞されると共に、その閉塞端にそのＵ字状パイプ２に比べて直径の著しく小なる前記液体供給パイプ４の先端が夫々挿通され、その先端に前記液体噴射孔３が設けられ、前記Ｕ字状パイプ２の直径以上の直径を有する前記蒸気排出パイプ５を有し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の他端開口が前記蒸気排出パイプ５に互いにその軸線方向に離間して接続された蒸気発生器。
【請求項５】 請求項１〜請求項４記載のいずれかにおいて、前記本体１は、その両側に配置された一対のタンク７と、両タンク７のチューブプレート８に夫々両端が貫通固定されて並列された多数のチューブ９と、両タンク７に連通する出入口パイプ10と、両タンク７間で前記チューブ９の外面側に充填された蓄熱剤と、を具備し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２が、並列された前記チューブ９の列間に挿入され、夫々のＵ字状パイプ２の一端に前記液体供給パイプ４から液体燃料12が供給され、前記出入口パイプ10には加熱媒体として自動車用燃料電池装置における高温のオフガス13が導かれる蒸気発生器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主としてメタノール改質器搭載自動車用燃料電池システムにおける蒸気発生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用燃料電池システムにおける蒸気発生用の蒸発器は、改質用の蒸気を得るためのものであり、液体燃料として水とメタノール液とを噴射し、それを高温ガスよって瞬時に蒸発させるものである。これは自動車用燃料電池システムにおける自動車のアクセルに相当し、蒸気発生の応答の良否で車の動力性能が決まるため重要な部品である。その高温ガスとしてはオフガス（ＯＦＦ ＧＡＳ）が用いられ、それが多数のチューブ内を流通する。夫々のチューブ外周にはフィンが配置され、それらに水及びメタノールが噴射される。そしてそれらを蒸発させ改質用の蒸気を得るものであった。このような蒸発器としてチューブ＆フィンタイプのもの或いはプレートタイプのものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】自動車用燃料電池システムにおける蒸気発生用の蒸発器は、必要最小限の加熱で短時間に昇温し、低負荷から高負荷まで応答性の良い蒸発性能が求められる。それと共に、５００℃〜９００℃程度の高温ガスがチューブ内を流通し、その蒸発器のコア部分に熱応力が生じ易い。従って、それらを充分吸収できる耐久性の高いものが求められていた。そこで本発明は、これらの課題を解決するため次の構成をとる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明は、高温の熱交換媒体を導入して内部が加温される本体１と、重力方向下方がＵ曲げ部となるように、その本体１に挿入された複数のＵ字状パイプ２と、そのＵ字状パイプ２に比べて著しく小なる直径の液体噴射孔３が、夫々のＵ字状パイプ２の一端開口に臨んで配置された液体供給パイプ４と、夫々のＵ字状パイプ２の他端開口が連通される蒸気排出パイプ５と、を具備する蒸気発生器である。
【０００５】請求項２に記載の本発明は、請求項１において、夫々前記Ｕ字状パイプ２の直径以上の直径を有し且つ、前記本体１を水平方向に貫通する前記蒸気排出パイプ５と、両端閉塞の入口パイプ６とを有し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端が、その入口パイプ６に互いにその軸線方向に離間して連通されると共に、他端が前記蒸気排出パイプ５に互いにその軸線方向に離間して接続され且つ、そのＵ字状パイプ２が下方に熱膨張可能なように、そのＵ字曲折部下端が本体１の底面の上方に位置され、前記入口パイプ６に、同軸にそれより直径が小なる前記液体供給パイプ４が挿通され、前記夫々のＵ字状パイプ２の一端開口に整合する位置で、その液体供給パイプ４に前記液体噴射孔３が夫々配置された蒸気発生器である。
【０００６】請求項３に記載の本発明は、請求項１において、夫々前記Ｕ字状パイプ２の直径以上の直径を有する前記蒸気排出パイプ５と、両端閉塞の入口パイプ６とを有し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端開口が、その入口パイプ６に互いにその軸線方向に離間して連通されると共に、他端開口が前記蒸気排出パイプ５に互いにその軸線方向に離間して接続され、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端開口位置に整合して、前記入口パイプ６にそれに比べて著しく小なる直径の前記液体供給パイプ４の先端部が夫々貫通され、その軸線上の先端に前記液体噴射孔３が設けられた蒸気発生器である。
【０００７】請求項４に記載の本発明は、請求項１において、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の一端開口が閉塞されると共に、その閉塞端にそのＵ字状パイプ２に比べて直径の著しく小なる前記液体供給パイプ４の先端が夫々挿通され、その先端に前記液体噴射孔３が設けられ、前記Ｕ字状パイプ２の直径以上の直径を有する前記蒸気排出パイプ５を有し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２の他端開口が前記蒸気排出パイプ５に互いにその軸線方向に離間して接続された蒸気発生器である。
【０００８】請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４記載のいずれかにおいて、前記本体１は、その両側に配置された一対のタンク７と、両タンク７のチューブプレート８に夫々両端が貫通固定されて並列された多数のチューブ９と、両タンク７に連通する出入口パイプ10と、両タンク７間で前記チューブ９の外面側に充填された蓄熱剤と、を具備し、夫々の前記Ｕ字状パイプ２が、並列された前記チューブ９の列間に挿入され、夫々のＵ字状パイプ２の一端に前記液体供給パイプ４から液体燃料12が供給され、前記出入口パイプ10には加熱媒体として自動車用燃料電池装置における高温のオフガス13が導かれる蒸気発生器である。
【０００９】
【発明の実施の形態】次に、図面に基づいて本発明の蒸気発生器の実施の形態につき説明する。図１は本蒸気発生器の一部破断要部斜視図であり、図２はその全体的斜視図、図３は図２における III− III矢視断面図である。また、図４は同蒸気発生器の一部破断正面図、図５は図４におけるＶ部拡大図、図６は同蒸気発生器の左側面図、図７は同蒸気発生器の一部破断平面図である。この蒸気発生器は図２〜図４に示す如く、本体１と多数のＵ字状パイプ２とを有する。本体１は一対のタンク７が左右に離間し、夫々のチューブプレート８に多数のチューブ９の両端が貫通し、その貫通部がろう付け固定されている。夫々のチューブ９は図４に示す如く、上下方向に互いに離間して整列され多数のチューブ列が一定間隔を開けて配置されている。そして各チューブ９の列間に多数のＵ字状パイプ２が挿入される。
【００１０】Ｕ字状パイプ２は図３に示す如く、重力方向下方がＵ曲げ部となるように本体１に挿入され、その上端部は図１の如く入口パイプ６と蒸気排出パイプ５とに連通し、その連通部が液密にろう付け固定されている。即ち、Ｕ字状パイプ２の直径より大なる直径を有する入口パイプ６，蒸気排出パイプ５に定間隔でＵ字状パイプ２に整合する孔が穿設され、その孔にＵ字状パイプ２の端部が挿通固定される。Ｕ字状パイプ２の両端外周には環状膨出部２ａが形成され、それが入口パイプ６，蒸気排出パイプ５に挿通される際のストッパーを形成する。入口パイプ６は図４の如くその両端が端蓋16で閉塞され、その入口パイプ６にそれよりも著しく径の小なる液体供給パイプ４が挿通される。そして、液体供給パイプ４の右端は栓17で閉塞されている。またＵ字状パイプ２の一端開口に隣接して、液体供給パイプ４に液体噴射孔３が図１、図５の如く穿設される。液体噴射孔３の直径は極めて小なるものであり、この蒸気発生器をメタノール改質器搭載自動車用燃料システムにおける蒸気発生器とする場合には、液体噴射孔３の直径は０．５〜１ｍｍ程度で充分である。また、液体供給パイプ４の直径は３〜５ｍｍ程度で良い。さらには入口パイプ６，蒸気排出パイプ５の直径は１０ｍｍ程度で良い。そしてＵ字状パイプ２の直径は６〜７ｍｍ程度で良い。
【００１１】また蒸気排出パイプ５の一端は、図７の如く端蓋16により閉塞され、その他端は他の機器に連結される。そして入口パイプ６および蒸気排出パイプ５の夫々の両端は、図４に示す如く、本体１の上端部を貫通してている。一対のタンク７には出入口パイプ10が接続され、その先端に接続用のフランジ部15が設けられている。本体１の上面には一対の蓄熱剤充填用パイプ20が突設され、その上端がキャップ19により閉塞されている。その蓄熱剤充填用パイプ20からは、高温に耐え得る適宜な蓄熱剤が本体１内に充填される。しかしながら蓄熱剤は必ずしも必要なものではなく、それを省略することもできる。また、一対のチューブプレート８間の下部位置には、Ｕ字状パイプ支持プレート18が水平に配置されている。そのＵ字状パイプ支持プレート18には多数の偏平孔が穿設され、その偏平孔内にＵ字状パイプ２の下部が挿入されその下部を外周から支持している。
【００１２】Ｕ字状パイプ２の下端は本体１の底面から空間を開けて位置し、Ｕ字状パイプ２が下方に熱膨張できるように配置されている。なお、入口パイプ６と液体供給パイプ４、その液体噴射孔３及びＵ字状パイプ２との関係は、図５の如く形成されＵ字状パイプ２の先端が液体供給パイプ４に接触し、そのＵ字状パイプ２の軸線上に液体供給パイプ４の液体噴射孔３が開口する。また、これら各部品はステンレス鋼材からなり、各部品の接合部はニッケルろう材により液密及び気密にろう付け固定されている。
【００１３】
【使用方法】図２〜図４において高温のオフガス13が一方の出入口パイプ10からそれに接続されたタンク７に流入し、夫々のチューブ９を流通して他方のタンク７から出入口パイプ10を介してそれが流出する。そして本体１内を高温に保持し、夫々のＵ字状パイプ２の外周を加熱する。次に、メタノール及び水からなる混合された液体燃料12が液体供給パイプ４から供給され、夫々の液体噴射孔３を介し各Ｕ字状パイプ２の一方の開口に供給される。その供給量は、負荷に応じて極めて僅か水滴状に供給される場合と、一定以上噴射される場合とがある。何れにしてもＵ字状パイプ２内に供給された液体燃料12は瞬間的に蒸発され、メタノールと水蒸気の混合ガスからなる蒸気燃料14として図示しない改質反応器に供給され、そこで改質反応により水素を主成分とするガスを得るものである。
【００１４】次に、図８は本発明の蒸気発生器における他の例を示す要部斜視図であって、図１の変形例である。この例は多数の液体供給パイプ４が入口パイプ６を貫通し、その先端開口に液体噴射孔３が設けられ、それがＵ字状パイプ２の一方の開口に望んでいる。また、図９はさらに他の蒸気発生器の要部斜視図であり、Ｕ字状パイプ２の一方の端部が閉塞されその閉塞端に液体供給パイプ４が貫通する。そしてその液体供給パイプ４の先端に液体噴射孔３が設けられたものである。これらの例における使用方法も前記使用例に準じて行われる。
【００１５】
【発明の作用・効果】請求項１に記載の本発明によれば、本体１に収納されるＵ字状パイプ２は、重力方向下方にＵ曲げ部が配置され、その一端開口に液体供給パイプ４の液体噴射孔３が配置され、Ｕ字状パイプ２の他端開口が蒸気排出パイプ５に連通されたものであるから、小さな液体噴射孔３から噴射または滴下された液体がＵ字状パイプ２内で効率良く蒸発し、蒸気燃料としてそれが蒸気排出パイプ５から排出される。即ち、小さな直径の液体噴射孔３から噴射した液体は、Ｕ字状パイプ２の一端開口部に散布または滴下され、パイプ内壁に付着して、直ちにその外面からの加熱により蒸発し蒸気排出パイプ５に導かれる。また、液体噴射孔３からＵ字状パイプ２へ噴射される燃料液の供給量が過剰になると、その液は自重によりＵ字状パイプ２のＵ曲げ部に溜まる。そのため液体の状態で蒸気排出パイプ５から流出することはなく、蒸気のみが蒸気排出パイプ５から流出する。それにより、信頼性の高い蒸気発生器となり得る。
【００１６】請求項２に記載の本発明よれば、Ｕ字状パイプ２の両端が蒸気排出パイプ５と入口パイプ６とによって吊り下げられる構造となり、Ｕ字状パイプ２が下方に熱膨張可能なように配置されているから、Ｕ字状パイプ２に熱応力が加わり難く寿命の長い蒸気発生器となる。また、入口パイプ６には液体供給パイプ４が同軸に収納され、その液体供給パイプ４に夫々液体噴射孔３が形成されたものであるから、簡単な構造で複数のＵ字状パイプ２に夫々の液体噴射孔３から同時に液を噴射供給することができる。そのため、コンパクトな製造し易い蒸気発生器となり得る。さらには、Ｕ字状パイプ２の両端が蒸気排出パイプ５と入口パイプ６とに夫々支持され且つ、蒸気排出パイプ５及び入口パイプ６が本体１に貫通されたものであるから、それらの支持構造を丈夫に形成できる。
【００１７】請求項３に記載の本発明によれば、入口パイプ６を貫通する液体供給パイプ４の先端部がＵ字状パイプ２の一端開口に位置され、その先端に液体噴射孔３が形成されたものであるから、液体をＵ字状パイプ２の一端開口部に均等に分散して噴射することができる。そして、Ｕ字状パイプ２の一端開口と入口パイプ６と液体供給パイプ４との相互の支持構造を丈夫に維持できる。請求項４に記載の本発明は、Ｕ字状パイプ２の一端開口が閉塞されその閉塞端に液体供給パイプ４の先端が挿入され、その先端に液体噴射孔３が設けられたものであるから、構造が極めて簡単なものとなり且つ液体噴射孔３から液体をＵ字状パイプ２の一端開口に均一に分散して噴射供給することができる。請求項５に記載の本発明は、本体１に並列された多数のチューブ９の列間にＵ字状パイプ２が挿入され、チューブ９に高温のオフガス13が流通すると共に、Ｕ字状パイプ２に液体燃料12が供給され、Ｕ字状パイプ２とチューブ９との間には蓄熱剤が充填されたものであるから、コンパクトで効率の良い蒸気発生器を提供できる。そして液体燃料を蒸気燃料に効率良く変換し、蒸気排出パイプ５からそれを流出させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２２４８４
【氏名又は名称】東洋ラジエーター株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月２９日（１９９９．１０．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８２８４３
【弁理士】
【氏名又は名称】窪田 卓美
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３２９０１（Ｐ２００１−１３２９０１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３０８９７４ |
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