WO2010110410A1

WO2010110410A1 - 反応部往復路ダクトを有する熱交換部一体型反応器

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Publication number: WO2010110410A1
Application number: PCT/JP2010/055322
Authority: WO
Inventors: 小渕　存; 内澤　潤子; 難波　哲哉; 大井　明彦; 則夫飯島
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2011-09-27
Also published as: US20120031599A1; JPWO2010110410A1; US8574507B2; JP5679457B2

Abstract

　熱交換部と反応部を備えた一体型反応器において、反応器全体の容積をあまり大きくすることなく少数の往復路の反応部ダクトを形成し、かつ、高い熱回収性能が得られる反応器を提供するものであって、プレート積層型熱交換部に近接する反応部ダクトを設けた熱交換部一体型反応器において、熱交換部と反応部ダクトの間に、処理流体が流出する開口部のある複数の領域と少なくとも一つの反応部往路ダクトを連通させる集約ダクト、および少なくとも一つの反応部復路ダクトと熱交換部が流入する開口部のある複数の領域とを連通させる分配ダクトを設けた、コンパクトな熱交換部一体型反応器を提供する。該集約、分配ダクトは熱交換部の一側面と反応部往復路ダクトの間にあって、熱交換部および反応部ダクトと接する面の一部を開口させることにより、上記の構造が得られる。

Description

反応部往復路ダクトを有する熱交換部一体型反応器

　本発明は、自己熱交換機能と反応機能の両方を備えた反応器、より詳しくは、反応部で生じた熱を熱交換部で回収して反応前の流体を効率的に予熱することにより、該反応に必要な加熱のためのエネルギーを少なくしたり、反応部の温度を上昇ならびに安定化させて目的とする反応を高効率に進行させることを可能にする反応器に関する。

　化学反応、特に流体中に含まれる有害成分を分解したり酸化したりして無害化する反応を行うためには、一般に、処理する流体を加熱し高温にして、目的とする化学反応の速度を増大させている。さらに、この加熱を効率的に行うため、熱交換器を用いて処理済みの高温流体から処理前の低温流体へと熱を回収して処理前の流体を予熱することが比較的大型の装置、例えば蓄熱式ＶＯＣ（揮発性有機化合物）除去装置などとして実用化されている。しかし、小規模、例えば処理流量１０ｍ^３／ｍｉｎ以下のような気体に対して無害化反応を行う場合は、装置が小型になるため、それぞれの装置要素やこれらを連結する配管部における放熱割合が相対的に大きく、また、小型、高効率で耐熱性の高い熱交換器が得られないため、高い熱回収性能を有する省エネルギー性に優れた反応装置は未だ実用化していない。

　上記の技術課題解決に向けて、熱交換部と反応部の連結構造を工夫して性能向上を図る提案がこれまでになされている。例えば、下記の特許文献１及び２では、多管円筒型の熱交換構造と反応を行わせる触媒構造体のそれぞれの開口部の一端を直結した反応器が提示されている。
　さらに、特許文献３ないし５では、プレート型熱交換構造の流路内に発熱反応を促進する触媒を直接配置したものが提案されている。

特開２００４－２８５５６号公報米国特許第５４６６４２１号明細書特開２０００－１８９７５７号公報米国特許出願公開第２００６／００９６２８２号明細書特開２００８－１５７５９２号公報ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０７１４５５号

　しかし、特許文献１、２のいずれの場合も、熱交換部と触媒構造体のそれぞれの開口部の一端は互いに直結されているものの、それぞれの他端同士は構造上直結することができず、パイプ状あるいは外套と触媒構造体との間のすき間状の連結流路を設けて間接的に結びつけられている。このため、この部分を形成させるため反応器全体の容積が大きくなるとともに、全体としての放熱度が増して、熱回収による反応部昇温効果がそれほど得られないという問題がある。また、多管円筒型熱交換構造では、一般に、小型の場合、高い熱回収性能が期待できない。

　一方、特許文献３ないし５の場合は、対向流プレート型熱交換構造であるため高い熱回収性能が期待できるが、いずれも触媒等の発熱手段を熱交換構造の内部に直接配置したものであるため、触媒反応と熱交換作用が相互に干渉し合って熱交換構造の内部、特に触媒を配置した部分での温度の不均一性が大きくなり、その結果、相対的に温度が低い部分の流速が大きくなるなどして、目的とする反応の効率、例えば有害成分除去率などが低下するという欠点が生じる。
　特許文献４の場合には、対向流プレート型熱交換構造と反応部を分離した構造も提案されているが（同文献の図１５参照）、この場合には熱交換部と触媒構造体の開口部を結ぶ比較的大きな連結流路が必要になって、特許文献1、２と同様に放熱による熱の損失が大きくなるおそれがある。

　以上のような事情を踏まえ、本発明者らは先に、プレート型積層構造熱交換部の一側面に処理する流体の出入口を設け、この面に直結する、ハニカム触媒等の反応要素を収納する反応部ダクトを設けた反応器を提案した（上記特許文献６）。図１は、その実施形態を示す断面図である。図中、２は、プレート型積層構造熱交換部、１７及び２０は、それぞれ反応器の流体流入口及び流体の流出口に隣接する空間の一部、２３及び２４は、それぞれ反応部ダクト内に配置した反応要素及び発熱要素、１２は、反応部ダクトの往路と復路を連通させるための空間であって、プレート型積層構造熱交換部２の一側面に流体出入口が設けられており、流体が、プレート型積層構造熱交換部２から、反応ダクトに出入りする様子を矢印で示している。
　しかしながら、この反応器では前述の問題点は解消されるが、以下に述べるように、新たに改良すべき課題があることが判明した。

　図１に示す反応器において、熱交換性能を高くする場合、熱交換部内部での往復路の流れをなるべく完全な対向流に近づけることが必要であり、そのためには、熱交換部の流体出入口領域を、図１ａに示すような各々１箇所ずつではなく、図１ｂに図示するように、２箇所以上設けることが望ましい。しかし、このようにすると、熱交換部の流体出入り口領域に直結させる反応部ダクトも多数必要になってしまう。すなわち、図１ａでは反応部ダクトが往復路に各々１つしかない比較的単純な構造となっているが、熱交換部での往・復流れが互いに完全な対向とはならず、熱交換性能の劣る直交流に近い形になってしまう。これに対して、往路ダクトを３箇所、復路ダクトを２箇所設けた図１ｂでは、熱交換部における往・復の流れがより完全対向流に近づき、高い熱交換性能が得られる。しかし、反応部ダクトが５箇所もあり、反応要素内の温度分布に偏りが生じて、目的とする反応の制御に支障をきたすおそれがある。また、流路が複数に並列的に分割されるため反応要素や発熱要素を複数箇所に設置することが必要になり、装置が複雑化してしまう。

　本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、熱交換部と反応部を備えた一体型反応器において、反応器全体の容積をあまり大きくすることなく互いに連通する少数の往復路反応部ダクトを形成し、かつ、高い熱回収性能が得られる反応器を提供することを目的とするものである。

　本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、複数の面状流路からなる熱交換部を備えた一体型自己熱交換構造体において、該熱交換部と、往路と復路の開口部のあるその一側面に直結した反応部ダクトを配置し、さらに該ダクト内部に発熱要素及び反応要素を配置するという前記先行特許出願内容を改良し、熱交換部と反応部ダクトの間に空間部を設け、該空間部を、熱交換部の複数の領域から出てきた往路の流体を該領域と同数あるいはそれより少数の少なくとも一つの反応部往路ダクトに導くための新たな集約ダクト、及び少なくとも一つの少数の反応部復路ダクトを通過した復路の流体を同ダクトと同数あるいはそれより多数の熱交換部の複数の復路用開口部を設けた領域に分配するための新たな分配ダクトに分割することにより、反応部ダクトを往復路ごとに適宜集約できる構造を見出した。

　上記課題を解決するための本発明は、これら知見に基づいて完成に至ったものであり、以下の技術的手段から構成される。
［１］熱交換部と反応部を一体的に組み合わせた反応器において、
　該熱交換部は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有し、
　前記複数の面状流路は、同一流体の往路と復路となる二種類の流路が互いに一つ置きに隣り合って一方向に伸長しており、
　該伸長方向の一端に位置する前記熱交換部の一つの側面に、往路の出口がある領域及び復路の入口がある領域を設け、
　往路の出口がある領域には、前記複数の面状流路断面に流体排出のための開口部を積層の一つ置きに設け、一方、復路の入口がある領域には、前記開口部が設けられていない積層の一つ置きの複数の面状流路断面に流体流入のための開口部を設け、
　前記反応部は、その内部に反応要素及び／又は発熱要素が配置されたものであって、少なくとも一つの反応部往路ダクトと少なくとも一つの反応部復路ダクトからなり、
　さらに、該反応部往路ダクトと該反応部復路ダクトを連通させる空間部を前記熱交換部と対向する側に設けた熱交換部一体型反応器であって、
　前記往路の出口のある領域及び前記復路の入口がある領域の少なくともいずれか一方が二箇所以上あり、
　前記熱交換部と前記反応部の間に空間部を設け、該空間部を、前記流体排出のための開口部からの流体の流れを前記反応部往路ダクトに集約する少なくとも一つの集約ダクトと、前記反応部復路ダクトからの流体の流れを、前記流体流入のための開口部へ分配するための少なくとも一つの分配ダクトに分割するとともに、すべての集約ダクトと前記反応部往路ダクトを連通させる開口部、及びすべての分配ダクトと前記反応部復路ダクトを連通させる開口部を設けたことを特徴とする熱交換部一体型反応器。
［２］前記熱交換部の一つの側面が、往路の開口部及び復路の開口部のそれぞれの一方だけが並んだ一方向に伸長する複数列の谷状をなしており、それぞれの窪んだ空間部が前記の往復路それぞれの流れを集約するダクト又は分配ダクトあるいはその一部をなすことを特徴とする上記［１］の熱交換部一体型反応器。

　本発明により、反応させる流体を著しく予熱して目的とする反応の速度を促進したり、反応部における温度を安定させて反応の選択性を高度に制御することなどが可能になり、反応器としての性能を著しく向上させることができる。また、反応に必要な加熱エネルギーを節約することが可能になる。さらに、熱交換部の往復路出口を多数に分割してその熱回収性能を高めた場合にも、反応部ダクトを往復路各一箇所にまで集約した場合、反応要素、たとえば劣化したハニカム触媒などを詰め替えるに際して、その数を1ないし２個にまで少なくできるので、交換の手間を小さくできるとともに、往復路の反応要素や流体を本装置の内部で加熱する場合にも、反応部が１本の連なった流路構成となっているので、発熱要素を１箇所に設けるだけで目的を達成することができる。また、反応部ダクトを往復路で各一箇所にまで集約しなかった場合でも、集約を全くしない従来技術と比べ、反応部ダクト数が減った分だけ発熱要素数を少なくすることができる。このため、装置が複雑化しない。本発明は、気体中の有害成分を除去する小型で高性能の反応装置としての利用に好適で、特に、低濃度ＶＯＣを含む空気の浄化や、比較的低温度の自動車排ガスの浄化手段として好適な技術である。

先行特許出願に係る反応器において、熱交換部の各端における出入口がそれぞれ１箇所しかない場合を模式的に示す断面図。先行特許出願に係る反応器において、熱交換部の各端で出入口が計５箇所ある場合を模式的に示す断面図。本発明の反応器の一実施形態を模式的に示す立体透視図であり、熱交換部と反応部往復路ダクトの間に設けた空間部を分割して集約、分配ダクトを設けた例を示す。図２に示す反応器を、該図のa方向から見た透視断面図。図２に示す反応器を、該図のｂ方向から見た透視断面図。本発明の反応器の他の実施形態を模式的に示す立体透視図であり、側面３が複数列の谷状となっている場合の一例を示す。図５に示す反応器を、同図のa方向から見た透視断面図。本発明の反応器の他のもう一つの実施形態を模式的に示す図であって、図６と同じ方向から見た透視断面図であり、側面３が複数列の谷状となっており、さらに熱交換部と反応部往復路ダクトの間に設けた空間部を分割して集約、分配ダクトを設けた例を示す。図５と同様に側面３が複数列の谷状となっている別の例を示す立体透視図で、往路の集約ダクト数が３個、復路の分配ダクト数が４個、往路の反応部ダクト数が２個、復路の反応ダクト数が１個の場合を示す。本発明の試作反応器の熱交換部中央部付近の断面図。

　以下、本発明の反応器について、その実施形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

　（第１の実施形態）
　図２～４は、本発明の反応器の一実施形態を模式的に示す透視図であり、熱交換部の往路側出口のある領域及び復路側入口のある領域がそれぞれ２つある場合について、熱交換部と反応部往復路ダクトの間に設けた空間部を分割して集約、分配ダクトを設けた例を示している。図３及び図４は、それぞれ図２のa方向及びｂ方向から見た透視断面図であり、主に反応器内部の流れの経路を示したものである。
　図中、１は、熱交換部一体型反応器であり、熱交換部２と、１つの往路ダクト９と１つの復路ダクト１１からなる反応部（符号なし）、該反応部と前記熱交換部２の間に設けられた空間部６、及び反応部往路ダクト９と反応部復路ダクト１１を連通させるための空間部１２とから構成されている。なお、図１に図示したと同様に、反応部内には反応要素及び発熱要素が配置されるが、図２～４では、これらの記載を省略してある。

　熱交換部２は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有し、それぞれ、流体流入口１６と流体排出口１９を共有する往路と復路が互いに交互に積層されている。これらの流路はいずれも一方向に伸長しており、この伸長方向の一端に位置する該熱交換部の一つの側面３上には、熱交換部の往路出口のある領域４と、熱交換部の復路入口のある領域５とが、それぞれ２つずつ設けられている。そして、一方の領域４には、積層された複数の面状流路断面の一つ置きに、往路出口となる複数の往路の開口部が設けられ、他方の領域５には、該往路の開口部が設けられていない複数の面状流路断面に、復路入口となる複数の復路の開口部が一つ置きに設けられている。

　図２中、６は、熱交換部の側面３に隣接する空間部であり、７は、その一部であり、領域４にある、熱交換部２の往路の開口部からの流れを集約するダクトで、この例では２つある。８は、空間部６の別の一部で、反応部復路ダクト１１からの流れを、領域５にある、熱交換部２の復路の開口部へ分配するためのダクトであり、この例ではやはり２つある。これら２種類のダクトを、それぞれ「集約ダクト」及び「分配ダクト」と呼ぶことにする。集約ダクト７と分配ダクト８は、熱交換部の一部及び必要に応じて設けた壁１３によって互いに隔てられている。さらに、これらのダクトはすべて、熱交換部と接しているのとは別の一面の一部が開口して反応部ダクトと連通している。すなわち、集約ダクト７はいずれも反応要素や発熱要素など（以下、反応要素等）を収めるための反応部往路ダクト９と連通口１４によってつながり、分配ダクト８はいずれも反応要素等を収めるための反応部復路ダクト１１と連通口１５によってつながっている。反応部往路ダクト９及び反応部復路ダクト１１はそれぞれ１つずつあり、壁１０を隔てて互いに隣接しているとともに、空間部１２を介して連通している。
　図２ではその構造の詳細を省略しているが、１８は、分配ダクト８と同様の構造により反応器１の流体流入口１６が開口している空間部１７から流体を熱交換部２の往路入口の開口部に分配させるための分配ダクトであり、２１は集約ダクト７と同様の構造により熱交換部２の復路出口の開口部からの排出流体を空間部２０に集約するためのダクトである。空間部２０は、さらに、反応器の流体排出口１９へつながっている。

　以上の構造により、反応対象とする流体は、流体流入口１６から反応器に流入した後、空間部１７、分配ダクト１８、熱交換部２の往路内、領域４、集約ダクト７、連通口１４、反応部往路ダクト９を通り、空間部１２を折り返し部としてさらに反応部復路ダクト１１、連通口１５、分配ダクト８、領域５、熱交換部２の復路内、集約ダクト２１、空間部２０、流体排出口１９の順序で流れ、その間に熱交換作用による予熱、反応要素等によるさらなる加熱および化学反応、再び熱交換作用による冷却を経て反応器外に排出される。

　反応要素とは、ハニカム、フォーム、ペレット、メッシュ状などの触媒構造体、あるいはバーナー、あるいは高電圧を印加して生じさせる非熱平衡プラズマなど、流体に含まれる成分に対して目的とする化学反応を進行させる反応手段を意味する。また、発熱要素とは、電気抵抗加熱、マイクロ波や電磁誘導加熱、バーナー、流体中の発熱反応成分と当該反応を促進する触媒の組み合わせ、高電圧を印加して生じさせる非熱平衡プラズマなど、ダクト内部で熱を発生させうるさまざまな加熱手段を意味する。流体中の発熱反応成分と触媒の組み合わせの例としては、Ｈ_２、ＣＯ、プロパンをはじめとする炭化水素類とＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎなどを活性成分とする固体触媒との組み合わせなど、一般的な酸化触媒反応を利用することができる。また、反応要素が発熱要素を兼ねてもかまわない。なお、これらの反応手段や発熱手段がなくても、流体中のいずれかの成分が温度上昇により自発的に分解や酸化などして目的とする反応が進行するとともに発熱するならば、反応部ダクト空間部そのものを反応要素等としてもよい。さらに、ダクト９および１０内部には、これらの反応要素等に加えて、他の要素あるいは機能をつけ加えてもよい。たとえば、大きな熱容量を有するセラミックのペレットなどを蓄熱要素として配置することも可能である。また、流体中の目的成分を吸着する多孔性の吸着材料を配置してもよい。

　流体が、反応部ダクト内に配置した発熱機能あるいは反応要素における反応熱によって加熱されると、熱交換部２内の復路入口のある領域５を通過する流体は、同往路出口のある領域４を通過する流体より多少なりとも温度が高くなる。この温度差により熱交換部２の往復流路間では復路側から往路側に熱移動が起こり、その結果、往路出口のある領域４における流体温度は、本反応器に流入したときよりも高くなる。すなわち、この反応器構造により、処理すべき流体は、反応部ダクト内の反応要素に流入する以前に熱交換作用により予熱され、大きく温度上昇する。この上昇温度は熱交換部の熱回収性能が高ければ高いほど高くなる。例えば、本装置が完全断熱条件、すなわち装置外表面や配管を伝わっての放熱が全くなく、また熱回収率が８０％の場合、この上昇温度は、反応部ダクト内の加熱だけによってもたらされる上昇温度の５倍にも達する。一般的に化学反応は温度が高いほど高くなるので、このような大きな上昇温度により、目的とする反応の速度を促進することができる。

　また、反応部ダクト内に蓄熱要素を配置すれば、本反応器に流入する流体の温度が経時的に変動してもその変動率を小さくすることができ、さらにその効果は、熱回収性能が高いほど大きくなる。このようにして反応部の温度をほぼ一定に保つことができれば、昇温による反応促進効果を絶えず維持したり、目的とする反応に最適な温度を実現して、反応の選択率を高くすることなどが可能になる。また、反応部ダクト内部で反応要素及び発熱要素の上流に吸着材料を配置すれば、目的とする反応をより確実に行うことも可能になる。例えば、空気中に含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を酸化触媒を搭載した本反応器で酸化分解処理する場合、装置を使用する初期、装置内部の温度が低く目的とする酸化触媒反応が進行しないときにＶＯＣを吸着捕捉しておき、その後、発熱要素を用いて吸着材料下流の反応要素を加熱すれば、熱交換部で流入空気が加熱され、これにより吸着材料からＶＯＣが脱離し、さらに、十分加熱された反応要素において脱離したＶＯＣの酸化分解処理を行うことができる。

　本発明の構造を取ることにより、熱回収性能が高い積層構造を有する熱交換部と反応部を最小限の容積の集約、分配ダクトを介して連通させることができ、しかもこれらの集約、分配ダクトは熱交換部と反応部に挟まれた形で配置されており、全体形状としてもコンパクトな直方体とすることができるので、放熱の度合いが小さくなる。これにより、小型でありながら従来の装置では得られなかった高い予熱性能、すなわち高い昇温効果が得られる。さらに、熱交換部での往復路の流れ方向を完全な対向流に近づけつつ、すなわち高い熱交換性能を発揮しつつ反応部ダクトを連続した往、復路各１箇所あるいは少数の箇所に集約することができるので、反応要素、発熱要素あるいは他の蓄熱要素や吸着材料を流路の１箇所あるいは少数の箇所に配置することで、流体に対して目的とする操作、すなわち反応、加熱、吸着などを行うことができる。このため、反応部ダクトが熱交換部の流体出入口のある領域の数に応じて多数ある場合と比べて反応の制御が容易になるとともに、反応部ダクト内部の構造が単純化されて、反応器の製作コストを下げることもできる。なお、本実施形態では集約、分配ダクトはそれぞれ２つであるが、さらに多くしてもよく、多くすればするほど熱交換部における熱回収率を高くすることができる。また、集約ダクトと分配ダクトは同数ではなく、どちらか一方が他方よりも１つ多くなっていても構わない。むしろこのようにした方がダクト構造の対称性がよく、より高い性能が期待できる。

　（第２の実施形態）
　前述の図２では、熱交換部の往路出口の開口部のある領域と復路入口のある開口部が同一平面上にあるが、この箇所が１つの平面でなく、複数列の谷状の窪みが伸長する畝状となっていてもよい。図５及び図６はその一つの実施形態を模式的に示したものであり、図５は全体構造の立体透視図であり、図６は同じ反応器を図５のa’方向からみた透視断面図である。なお、図５、６では、図２～４の符号と同一の符号を用いており、反応要素及び発熱要素の記載を省略してある。

　図５、６に示す反応器では、図２の側面３に対応する面の中央部に、断面形状が斜度４５°、底の開き角度が９０°の直角二等辺三角形をし、その斜面に熱交換部２の復路入口の開口部が多数並んだ谷があり、その左右に、一方が反応器外壁をなし、他方が斜度４５°の直角二等辺三角形をし、その斜面部分の面に熱交換部２の往路出口の開口部が多数並んだ谷がある。すなわち側面３が、断面が直角二等辺三角形の２列の畝状となっている（図６参照）。そして、この窪みの上部稜線と同一平面の一部を開口（１４、１５）することにより、熱交換部の往路出口のある領域４と反応部往路ダクト９、あるいは反応部復路ダクト１１と熱交換部２の復路入口のある領域５とを連通させている。また、反応器の流体流入口１６に直結した空間部１７ともう一つの分配ダクト１８の流れに関する位置関係は、反応部復路ダクト１１と分配ダクト８の位置関係と同じであり、反応器の流体排出口１９に直結した空間部２０ともうひとつの集約ダクト２１の位置関係も、反応部往路ダクト９と集約ダクト７の位置関係と同じである。

　以上の実施形態では、熱交換部側面の谷状の窪みが、熱交換部の複数の開口部領域と１対の反応部往復路ダクトおよび一対の反応器出入口とを連通させるダクトを形成している。このため、図２の空間部６及び空間部２２に相当する厚みの半分が直交型の熱交換構造をなすことになり、同じ体積でより高い熱交換性能を発揮することができる。また、熱交換部各出入口のある領域が斜めになっているため、その幾何学的表面積が図２と比べて大きくなり、この部分における流れの圧力損失を小さくすることができる。

　本実施形態では、中央部の谷の断面が直角二等辺三角形であったが、谷底の開き角度は９０°に限定されるものではない。また、谷の断面形状は二等辺三角形に限定されるものではなく、熱交換部の開口部を一方向に並べることができれば、他の形状の三角形、あるいは台形、半円形、弓形などとしてもかまわない。また、ここでは谷列の数が３つの場合を記載したが、４つ以上あってもかまわない。むしろ谷列数が多いほど熱交換部における熱回収率がよくなり、本発明の効果がより大きく発揮される。

　（第３の実施形態）
　図７は、図５のような流体出入り口が開口する側面が複数列の谷状の熱交換部を有する場合について、図２と同様の仕切壁１３を設けた別の実施形態を、図３および図６と同様の方向から見た透視断面図である。

　この実施形態はいわば、図２と図５の形状を組み合わせたもの、すなわち、集約、分配ダクトが熱交換部の谷の窪みと、反応部ダクトと熱交換部との間に設けたすきま空間の両方からなっているものである。このような形状を取ることにより、集約、分配ダクトの断面積を窪みの形状に制限されることなく、すきま空間の高さにより調節することができる。これにより、このダクト部分における流れの圧力損失を、必要とするまで小さくすることが可能になる。

　（第４の実施形態）
　図８は、図５、６に示す装置と同様に、集約ダクトおよび分配ダクトを有する本発明の別の例を示す立体透視図であって、図５、６の符号と同一の符号を用いており、反応要素及び発熱要素の記載を省略してある。
　この例では、反応部ダクト側の熱交換部の側面が、断面が直角二等辺三角形の６列の畝状となっており、その谷状のすきまに往路の集約ダクト７が３個、復路の分配ダクト８が４個形成されている。さらに、往路の反応部ダクト９が２個、復路の反応ダクト１１が１個となっている。先行技術（特許文献６）に基づいて同様の熱交換部構造を有する熱交換部一体型反応器を製作すると、反応部ダクト側における熱交換部の流体出口および入口領域の数に対応して、往路の反応部ダクト数が３個、復路の反応部ダクト数が４個、計７個の反応部ダクトが形成されることになり、この数に見合った反応要素等を配置する必要が生じ、装置がきわめて複雑化してしまう。一方、本実施形態の場合は、往復路の反応部ダクトの総数を３個にまで減少できるので、反応要素等（図示せず）の配置が大幅に簡略化できる。特に、復路の反応部ダクトは１個であり、ここを流体全量が通過するので、たった１つの発熱要素をここに配置することにより流体の補助加熱を行うことができ、実用上たいへん便利になる。

（実施例：低濃度水素の触媒燃焼による熱回収性能試験）
　本発明の効果を検証するため、図８に示すような、側面３が、断面が直角二等辺三角形の６列の畝状になっており、往路ダクトが２個、復路ダクトが１個の熱交換部一体型反応器を試作した。図９に、本試作反応器の熱交換部付近の中央部断面図を示す。熱交換器部は幅約１８０ｍｍ、流れ方向の全長約１３０ｍｍ、積層方向の厚さ約１８０ｍｍ、各すきま流路の幅２．０ｍｍである。図に記入した流線からわかるように、本試作器では、熱交換部の出入口領域を多数に分割したことにより、熱交換部内での往復路の流れが互いに完全な対向流にかなり近くなっている。さらに、この反応器の復路の反応部ダクトに、白金触媒を担持したコージェライト製ハニカム（セル密度１平方インチ当たり４００個、体積７８０ｃｍ^３、白金担持量５．９ｇ）を収納し、ここに水素を０～１％含む空気を４９９Ｌ／ｍｉｎ流すことにより触媒燃焼を行い、その際の熱交換部出入り口における温度を測定することにより、熱回収性能を評価した。

　実験の結果、水素濃度０．９８６％を含む空気の触媒燃焼において、熱交換部外部からの入気温度Ｔ_０＝２６℃、熱交換部往路出口温度Ｔ_１=２６４℃、同復路の入口温度Ｔ_２=３３６℃で、各温度が定常状態になった。これより本反応器の熱交換部における熱回収率φは、φ=（Ｔ_１－Ｔ_０／Ｔ_２－Ｔ_０）より、０．７７（７７％）と見積もられた。これは加熱効率Ｆ（＝１／（１－φ)）に換算すると４．３となる。すなわち、熱交換機能を持たない通常の反応器と比べて同じ補助加熱エネルギーで４．３倍もの温度上昇が得られることを意味するものであり、本発明の構造が高い熱回収性能、ひいては高い反応部昇温効果を有することが実証された。

　１：一対の往復路ダクトを反応部とする熱交換部一体型反応器
　２：積層構造を有する熱交換部
　３：熱交換部の一側面
　４：側面３の一部に設けた熱交換部の往路出口がある領域
　５：側面３の一部に設けた熱交換部の復路入口がある領域
　６：側面３に隣接する空間部
　７：熱交換部の往路出口からの流れを集約する集約ダクト
　８：反応部復路ダクト１１からの復路の流れを熱交換部の各復路開口部へ分配する分配ダクト
　９：反応要素等を収めるための反応部往路ダクト
　１０：反応部往路ダクト９と反応部復路ダクト１１を隔てる壁
　１１：反応要素等を収めるための反応部復路ダクト
　１２：反応部往路ダクト９と反応部復路ダクト１１を連通させるための空間部
　１３：空間部６，２２における集約ダクト７，２１と分配ダクト８，１８を隔てる壁
　１４：複数の集約ダクト７の流れを反応部往路ダクト９に集約するための連通口
　１５：反応部復路ダクト１１の流れを複数の分配ダクト８に分配するための連通口
　１６：反応器の流体流入口
　１７：流体流入口１６に隣接する反応器内空間の一部
　１８：分配ダクト８と同様の構造により流入流体を熱交換部の往路入口に分配させるための分配ダクト
　１９：反応器の流体排出口
　２０：流体排出口１９と隣接する反応器内空間の一部
　２１：集約ダクト７と同様の構造により熱交換部開口部からの排出流体を反応器内空間の一部２０に集約するための集約ダクト
　２２：分配ダクト１８と集約ダクト２１を形成するための空間部
　２３：反応要素
　２４：発熱要素

Claims

　熱交換部と反応部を一体的に組み合わせた反応器において、
　該熱交換部は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有し、
　前記複数の面状流路は、同一流体の往路と復路となる二種類の流路が互いに一つ置きに隣り合って一方向に伸長しており、
　該伸長方向の一端に位置する前記熱交換部の一つの側面に、往路の出口がある領域及び復路の入口がある領域を設け、
　往路の出口がある領域には、前記複数の面状流路断面に流体排出のための開口部を積層の一つ置きに設け、一方、復路の入口がある領域には、前記開口部が設けられていない積層の一つ置きの複数の面状流路断面に流体流入のための開口部を設け、
　前記反応部は、その内部に反応要素及び／又は発熱要素が配置されたものであって、少なくとも一つの反応部往路ダクトと少なくとも一つの反応部復路ダクトからなり、
　さらに、該反応部往路ダクトと該反応部復路ダクトを連通させる空間部を前記熱交換部と対向する側に設けた熱交換部一体型反応器であって、
　前記往路の出口のある領域及び前記復路の入口がある領域の少なくともいずれか一方が二箇所以上あり、
　前記熱交換部と前記反応部の間に空間部を設け、該空間部を、前記流体排出のための開口部を有する領域からの流体の流れを該領域と同数あるいはこれより少数の前記反応部往路ダクトに集約する少なくとも一つの集約ダクトと、前記反応部復路ダクトからの流体の流れを、該ダクトと同数あるいはこれより多数の前記流体流入のための開口部を有する領域へ分配するための少なくとも一つの分配ダクトに分割するとともに、すべての集約ダクトと前記反応部往路ダクトを連通させる開口部、及びすべての分配ダクトと前記反応部復路ダクトを連通させる開口部を設けたことを特徴とする熱交換部一体型反応器。
　前記熱交換部の一つの側面が、往路の開口部及び復路の開口部のそれぞれの一方だけが並んだ一方向に伸長する複数列の谷状をなしており、それぞれの窪んだ空間部が前記の往復路それぞれの流れを集約するダクト又は分配ダクトあるいはその一部をなすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換部一体型反応器。