JP2005121298A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱面の熱交換効率を高め、蒸発器を小型軽量化するとともに、蒸発器の過渡応答性を向上させる。
【解決手段】 蒸発器１は、主伝熱板２と加熱ガス伝熱板２１とを交互に複数積層した積層体として構成される。主伝熱板２の左右側方に側板３、４、上下にそれぞれ天板５と底板６が配置され、浅い直方体の空間を形成している。底板６の右端部には切り欠き部が設けられ、被蒸発液体入口７となっている。天板５の左端部には同様な切り欠き部が設けられ、蒸気出口８となっている。主伝熱板２の被蒸発液体側（図中手前側）には、隔壁９が設けられ、被蒸発液体側の伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。被蒸発液体入口７から供給された被蒸発液体は、被蒸発液体供給通路１２を介して各小区画１１に供給され、各小区画１１で蒸発した蒸気は、蒸気集合部１３を介して蒸気出口８に達する。
【選択図】 図１

Description

本発明は蒸発器に係り、特に熱交換効率を向上させ小型軽量化が可能な蒸発器に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。

燃料電池に水素を供給する方法としては、高圧水素タンクや水素吸蔵合金タンク等の水素貯蔵装置から直接水素を供給する方法と、メタノールや炭化水素等の原燃料から水素を取り出して供給する燃料改質法とがある。燃料改質法では、原燃料が液体の場合、蒸発器により燃料や水を蒸発させて燃料改質器に導き、燃料改質器における燃料改質反応により水素を生成している。

車載用に小型化した蒸発器としては、冷媒を蒸発させる自動車空気調和用の蒸発器が知られている（例えば特許文献１）。この従来技術によれば、中実の中間プレートを介在させて、一対のコアプレートを重ね合わせた積層型構造としている。この積層構造により、一方のコアプレートと中間プレートの一面に挟まれた往側流路と、他方のコアプレートと中間プレートの他面に挟まれた復側流路とを形成している。被蒸発流体である冷媒は、まず往側流路を加熱されながら流下し、次いで中間プレート下部の透孔を介して往側流路から復側流路へ移動し、最後に復側流路を上昇する際に蒸発するようになっている。
特許第２７８６７２８号（第３頁、第１図）

しかしながら、上記従来の蒸発器にあっては、高熱流束領域において熱交換能力が低下するという問題点があった。以下、この問題点について説明する。

図６（ａ）は、平行平板型蒸発器における伝熱面同士の間隙が狭い（実線）場合と広い（破線）場合との伝熱面の過熱度と熱流束との関係を示すグラフである。図６（ａ）に示す様にある温度と熱流束の点で２本の実線が交差し、伝熱面同士の間隙が狭い場合、熱流束が低い領域では良好な熱伝達特性を示すが、熱流束が高い領域では熱伝達特性が低下し、それに伴い限界熱流束（Critical Heat Flux）も低下する特性を示す。逆に、伝熱面同士の間隙が広い場合には、熱流束が高い領域では良好な熱伝達特性を示すが、熱流束が低い領域では熱伝達特性が低下する。

このメカニズムとして、伝熱面のドライアウトによる熱伝達率の低下があげられる。図６（ｂ）に蒸発管における流動、伝熱様式の変化を示す。蒸発管内の液体は、上流（図中下方）ではほぼ１００％液相であるが、下流（図中上方）へ行くに従って、徐々に液相中に気泡分が増加する２相状態となり、ドライアウト位置より下流（ポスト・ドライアウト）では、伝熱面上に被蒸発液体は存在せず、完全に乾いた伝熱面となる。ポストドライアウトの噴霧流域では、伝熱面に常に接触する液体がないので、著しい熱伝達特性の低下が示されている。

また図６（ｃ）には、蒸発管における加熱熱流束と熱伝達率分布を示す。図中Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順で熱流束が大きくなる。熱流束の増大に伴い熱伝達率低下（噴霧流）の領域が上流へと移動していることが示されている。これら熱伝達率の低下を改善するためには、噴霧流（ポストドライアウト）領域に被蒸発液体を供給して伝熱面が濡れた状態を保持する必要がある。

ここで、「マイクロチャネル」を以下のように定義する。伝熱面から離脱する気泡（以下、離脱気泡と呼ぶ）の直径より被蒸発液体の通路間隙が小さい場合に、その通路をマイクロチャネルと定義する。言い換えれば、伝熱面から成長した被蒸発液体の気泡が離脱径より小さい段階で伝熱面により押しつぶされて、気泡と伝熱面間に被蒸発液体の薄層（microlayer；マイクロレイヤ）が形成される場合をマイクロチャネルと定義する。

図７は、高熱流束領域におけるマイクロチャネルの沸騰様相を示す模式図である。伝熱面１０１の図中下方（上流）から被蒸発液体１０６が供給され、蒸気１０７は上方（下流）から排出される。被蒸発液体１０６は、伝熱面１０１で加熱され、気液界面１０４より上方では、被蒸発液体は、噴霧流１０５となっている。

伝熱面１０１のウエット領域（ドライアウト位置より上流）１０２と噴霧流領域１０３との界面である気液界面１０４は、熱流束の増大に伴い下方（上流）に移動し、熱移動として効率的に利用できる伝熱面のウエット領域１０２は限られ、伝熱面全体での熱交換効率は低下する。熱交換効率を向上させるには、伝熱面中の熱伝達率の高いウエット領域１０２の比率を高める必要がある。

本発明は、上記問題点を解決するため、被蒸発液体側の伝熱面鉛直方向を複数の小区画に分割する隔壁を備え、各小区画にそれぞれ被蒸発液体を供給することを要旨とする蒸発器である。

本発明によれば、伝熱面がドライアウトすることなく、伝熱面の熱交換効率を高めることができるので、蒸発器を小型軽量化することができるとともに、蒸発器の過渡応答性を向上させることができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の各実施形態で示す蒸発器は、炭化水素系原燃料及び又は水を蒸発させて燃料改質器に供給する蒸発器に好適なものである。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る蒸発器の第１実施形態を説明する要部分解斜視図である。同図において、蒸発器１は、主伝熱板２と加熱ガス伝熱板２１とを交互に複数積層した積層体として構成されている。この積層体の端部には、図示しないエンドプレートが配置されている。主伝熱板２の左右側方に側板３、４、上下にそれぞれ天板５と底板６が配置され、浅い直方体の空間を形成している。

底板６の右端部には切り欠き部が設けられ、被蒸発液体入口７となっている。天板５の左端部には同様な切り欠き部が設けられ、蒸気出口８となっている。

主伝熱板２の被蒸発液体側（図中手前側）には、隔壁９が設けられ、被蒸発液体側の伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。

一方、加熱ガス伝熱板２１には、加熱ガスの流れ方向に複数のフィン２２が設けられている。高温の加熱ガスは、加熱ガス入口２３から蒸発器１に入り、加熱ガス出口２４から導出される。加熱ガスは、加熱ガス伝熱板２１を直接に、またはフィン２２を介して間接に加熱するとともに、隣接する主伝熱板２を加熱するようになっている。

隔壁９で分割された主伝熱板２の各小区画１１には、被蒸発液体入口７から被蒸発液体供給通路１２を介して被蒸発液体が供給される。従って、被蒸発液体の流れを複数の小区画に分割して、流れ方向に短い距離で熱交換できるため、各小区画１１の伝熱面全域にウエット領域を形成することが容易にでき、低熱流束はもとより高熱流束領域においても、気泡により伝熱が妨げられることなく、良好な伝熱特性を有することができる。

そして、各小区画１１で被蒸発液体から蒸発した蒸気は、蒸気集合部１３に集められ、蒸気出口８から蒸発器１の外部へ導出される。

隔壁９には、それぞれ空洞部１０が設けられ、隔壁９の上下の小区画１１間の伝熱特性を低下させている。即ち、隔壁９の空洞部１０が断熱作用を有し、隔壁９を介してその下方の小区画からその上方の小区画への熱流束が減少し、下方の小区画で生成された被蒸発液体の蒸気が上方の小区画の被蒸発液体を蒸発することなく、より効果的に伝熱面にウエット領域を形成することができる。

また隔壁９を介してその下方の小区画からその上方の小区画への熱流束が減少し、下方の小区画で生成された被蒸発液体の蒸気が上方の小区画の被蒸発液体で冷却されて凝結することなく、蒸気出口８へ到達することができる。

本実施形態によれば、高熱流束領域においても伝熱面がドライアウトすることなく、伝熱面の熱交換効率を高めることができるので、蒸発器を小型軽量化することができるとともに、蒸発器の過渡応答性を向上させることができるという効果がある。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明に係る蒸発器の第２実施形態を説明する要部分解斜視図である。同図において、蒸発器１は、主伝熱板２と加熱ガス伝熱板２１とを交互に複数積層した積層体として構成されている。積層体の端部には、図示しないエンドプレートが配置されている。主伝熱板２の左右側方に側板３、４、上下にそれぞれ天板５と底板６が配置され、対角状に凹部を有する浅い直方体の空間を形成している。

底板６の右端部には切り欠き部が設けられ、被蒸発液体入口７となっている。天板５の左端部には同様な切り欠き部が設けられ、蒸気出口８となっている。

底板６の左端部には、内側に直角に曲がる折曲部６ａが設けられ、側板３の下端部には、内側に直角に曲がる折曲部３ａが設けられ、折曲部６ａの上端と折曲部３ａの右端とが接合されている。同様に、天板５の右端部には、内側に直角に曲がる折曲部５ａが設けられ、側板４の上端部には、内側に直角に曲がる折曲部４ａが設けられ、折曲部５ａの下端と折曲部４ａの左端とが接合されている。

主伝熱板２の被蒸発液体側（図中手前側）には、隔壁９が設けられ、被蒸発液体側の伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。隔壁９の図中左端部は上方に立ち上がる起立部９ａとなっている。逆に隔壁９の図中右端部は下方に垂れ下がる垂下部９ｂとなっている。

垂下部９ｂの先端部は、直ぐ下方の隔壁９または底板６と隙間１４だけ離れていて、この隙間１４は被蒸発液体供給通路１２から小区画１１への入口となっている。一方起立部９ａの先端部は、直ぐ上方の隔壁９または天板５と隙間１５だけ離れていて、この隙間１５は小区画１１から蒸気集合部１３への出口となっている。

これにより第１実施形態の効果に加え、被蒸発液体供給通路１２の液体が隙間１４を介して小区画１１へ確実に流入することができ、また、小区画１１に流入した液体が未蒸発のまま蒸気集合部１３へ供給されることを防止し、確実に蒸発を行うことができる。

隔壁９の水平部には、第１実施形態と同様にそれぞれ空洞部１０が設けられ、隔壁９の上下の小区画１１間の伝熱特性を低下させている。

一方、加熱ガス伝熱板２１にも側板３、４、天板５、底板６、隔壁９が設けられ、主伝熱板２と同様な形状となっている。底板６の右端部には切り欠き部が設けられ、加熱ガス入口２３となっている。天板５の左端部には同様な切り欠き部が設けられ、加熱ガス出口２４となっている。本実施形態では、被蒸発液体の流れる方向と加熱ガスの流れる方向とが並行する並流型の蒸発器としている。

底板６の左端部には、内側に直角に曲がる折曲部６ａが設けられ、側板３の下端部には、内側に直角に曲がる折曲部３ａが設けられ、折曲部６ａの上端と折曲部３ａの右端とが接合されている。同様に、天板５の右端部には、内側に直角に曲がる折曲部５ａが設けられ、側板４の上端部には、内側に直角に曲がる折曲部４ａが設けられ、折曲部５ａの下端と折曲部４ａの左端とが接合されている。

加熱ガス伝熱板２１の加熱ガス流路側（図中手前側）には、隔壁９が設けられ、加熱ガス流路側の伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。隔壁９の図中左端部は上方に立ち上がる起立部９ａとなっている。逆に隔壁９の図中右端部は下方に垂れ下がる垂下部９ｂとなっている。

垂下部９ｂの先端部は、直ぐ下方の隔壁９または底板６と隙間１４だけ離れていて、この隙間１４は加熱ガス供給通路２５から小区画１１への入口となっている。一方起立部９ａの先端部は、直ぐ上方の隔壁９または天板５と隙間１５だけ離れていて、この隙間１５は小区画１１から加熱ガス排出通路２６への出口となっている。

隔壁９は、加熱ガス伝熱板２１伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。加熱ガス伝熱板２１の隔壁にもそれぞれ起立部９ａ、垂下部９ｂが設けられている。隔壁９には、それぞれ空洞部１０が設けられ、隔壁９の上下の小区画１１間の伝熱特性を低下させている。

〔第３実施形態〕
図３は、本発明に係る蒸発器の第３実施形態を説明する図面であり、図３（ａ）は要部分解斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線断面図、図３（ｃ）はＢ−Ｂ線断面図、図３（ｄ）はＣ−Ｃ線断面図である。

本実施形態は、第２実施形態の蒸発器１において、主伝熱板２の各小区画１１に上下方向の複数フィン１７、加熱ガス伝熱面２１の各小区画１１に上下方向の複数フィン１８をそれぞれ設けたものである。また、被蒸発液体供給通路１２の断熱を図るため、被蒸発液体供給通路１２に面する主伝熱板２の部分に断熱材２０を設けて断熱している。同様に、加熱ガス排出通路２６に面する加熱ガス伝熱板２１の部分に断熱材２０を設け、隣接する主伝熱板２の被蒸発液体供給通路１２を断熱している。

さらに、第２実施形態とは異なり、被蒸発液体が流れる方向と加熱ガスが流れる方向とが対向する向流型の蒸発器とした。その他の点は、第２実施形態と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

被蒸発液体は、底板６の右端部に設けられた被蒸発液体入口７から蒸発器１に入り、被蒸発液体供給通路１２を通り、複数の被蒸発液体通路１６に分岐し、さらに隣接するフィン１７の間の被蒸発液体通路１９を上昇しながら蒸発する。

加熱ガス伝熱面２１の各小区画１１に設けた複数のフィン１８は、図３（ｄ）のＣ−Ｃ断面図に示すように、加熱ガス伝熱面２１からの高さが隔壁９と等しくなるように設定されている。これにより加熱ガスからフィン１８に伝えられた熱は、主伝熱板２の裏面から効果的に主伝熱板２へ伝えられる。

主伝熱板２の各小区画１１に設けた複数のフィン１７は、図３（ｃ）のＢ−Ｂ断面図に示すように、主伝熱板２からの高さが隔壁９より少し低く設定してもよい。この場合、フィン１７の先端部と図中紙面手前側で隣接する加熱ガス伝熱板２１の裏面との間に小さい隙間が生じ、この隙間を越えて気泡が成長することができる。尚、隣り合うフィン１７同士の空間は、溝と見なすこともできる。この場合、主伝熱板２に形成された溝は、非独立であり、溝の上下で隣り合う溝と接続されているとともに、紙面上方に配置される加熱ガス伝熱板２１との間にも溝同士を接続する隙間がある。

以上説明した本実施形態によれば、主伝熱板２にフィン１７を設け、加熱ガス伝熱板２１にフィン１８を設け、被蒸発液体供給通路１２を断熱材２０により断熱したことにより、流れ方向により短い距離で伝熱面を形成でき、伝熱面にウェット領域を形成することができ、第２実施形態より一層、蒸発器の伝熱性能を向上させることができる。

〔第４実施形態〕
図４は、本発明に係る蒸発器の第４実施形態を説明する図面であり、図４（ａ）は要部分解斜視図、図４（ｂ）はＡ−Ａ−Ａ−Ａ線断面図である。

第４実施形態は、加熱ガス伝熱板２１の底板６及び隔壁３０に空洞部３１を設け、隣接する主伝熱板２の各被蒸発液体通路１６における被蒸発液体の加熱量を低下させたものである。その他の構成は、第３実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

加熱ガス伝熱板２１には、空洞部３１を有する隔壁３０が設けられ、加熱ガス伝熱板２１の伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。

空洞部３１は、図３に示した第３実施形態の隔壁９の空洞部１０より幅広く形成されていて、図４（ｂ）に示すように、隣接する主伝熱板２の被蒸発液体通路１６に対応する部分を空洞部３１とし、被蒸発液体通路１６に対する伝熱特性を低下させている。これにより、より高熱流束領域で蒸発器を動作させても、被蒸発液体通路１６における気泡発生が抑制されて、蒸発器性能を高めることができる。

〔第５実施形態〕
図５は、本発明に係る蒸発器の第５実施形態の構成を説明する図であり、図５（ａ）は、蒸発器１の要部断面と蒸発器への被蒸発液体の供給構造を示す図、図５（ｂ）、（ｃ）は、主伝熱板２の隔壁９で分割された小区画１１の表面粗さ分布の例を説明する図である。

図５（ａ）において、蒸発器１は、主伝熱板２と図示しない加熱ガス伝熱板とを交互に複数積層した積層体として構成されている。積層体の端部には、図示しないエンドプレートが配置されている。主伝熱板２の左右側方に側板３、４、上下にそれぞれ天板５と底板６が配置され、浅い略直方体の空間を形成している。

底板６の右端部には、被蒸発液体入口７が設けられ、天板５の左端部には、蒸気出口８が設けられている。

主伝熱板２の被蒸発液体側（図中手前側）には、隔壁９が設けられ、被蒸発液体側の伝熱面を鉛直方向に複数の小区画１１に分割している。隔壁９の図中左端部は上方に立ち上がる起立部９ａとなっている。逆に隔壁９の図中右端部は下方に垂れ下がる垂下部９ｂとなっている。

垂下部９ｂの先端部は、直ぐ下方の隔壁９または底板６と隙間１４だけ離れていて、この隙間１４は被蒸発液体供給通路１２から小区画１１への入口となっている。一方起立部９ａの先端部は、直ぐ上方の隔壁９または天板５と隙間１５だけ離れていて、この隙間１５は小区画１１から蒸気集合部１３への出口となっている。

蒸発器１の下方には、被蒸発液体を貯留する被蒸発液体タンク４１と、ポンプ４２と、被蒸発液体供給管４３と、ドレイン管４４が設けられている。

ポンプ４２は、被蒸発液体タンク４１から被蒸発液体を汲み上げ、被蒸発液体供給管４３を介して、蒸発器１の被蒸発液体入口７へ被蒸発液体を供給する。蒸発器１へ供給された被蒸発液体は、被蒸発液体供給通路１２を上昇しながら、隙間１４を介して被蒸発液体通路１６に分岐し、フィン１７で加熱されて蒸発する。蒸気は、各小区画１１から隙間１５を介して蒸気集合部１３に集まり、蒸気出口８から蒸発器１の外部へ導出される。また、蒸発器１に供給された被蒸発液体の内、蒸発しなかった余分の被蒸発液体や、蒸気集合部１３から落下する液滴は、ドレイン管４４を介して、被蒸発液体タンク４１へ戻るようになっている。

隔壁９により分割された主伝熱板２の複数の小区画１１は、ぞれぞれ図５（ｂ）または（ｃ）に示すような表面粗さ分布を備えている。図５（ｂ）に示すタイプＩの表面粗さ分布は、小区画１１の被蒸発液体入口側が細かく、蒸気出口側を荒くしている。これにより、加熱ガスとの熱交換に伴う温度低下による熱交換性能の低下を粗さ分布により補い、主伝熱面でより均一な沸騰現象を実現し、熱交換効率の向上を図ることができる。これは特に向流型の蒸発器の場合に効果的である。

図５（ｃ）に示すタイプIIの表面粗さ分布は、小区画１１の被蒸発液体入口側が荒く、蒸気出口側を細かくしている。これにより、小区画１１と蒸気集合部１３とを連通する隙間１５付近での発泡の頻度を向上させることができ、蒸気出口８からの液滴吐出を防止することができる。これは特に並向流型の蒸発器の場合に効果的である。

なお、蒸発器が並向流型の場合には、より上流で被蒸発液体が発泡する頻度が増えるため、これまで説明したように被蒸発液体供給通路に断熱構造を設けることにより、並向流の有する高い熱伝達特性を有効に利用することができる。一方、蒸発器が向流型の場合には、被蒸発液体と加熱流体との温度差を蒸発器の全域に亘って一定に確保できるため、被蒸発液体通路に断熱構造を設けなくても被蒸発液体を均一に発泡させることができる。

本発明に係る蒸発器の第１実施形態の構成を説明する要部分解斜視図である。 本発明に係る蒸発器の第２実施形態の構成を説明する要部分解斜視図である。 （ａ）本発明に係る蒸発器の第３実施形態の構成を説明する要部分解斜視図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｄ）Ｃ−Ｃ断面図である。 （ａ）本発明に係る蒸発器の第４実施形態の構成を説明する要部分解斜視図、（ｂ）Ａ−Ａ−Ａ−Ａ断面図である。 （ａ）本発明に係る蒸発器の第５実施形態の構成を説明する構成図、（ｂ）、（ｃ）隔壁で分割された主伝熱面の小区画の表面粗さの分布例を示す図である。 （ａ）マイクロチャネル型蒸発器の過熱度と熱流束の関係を説明する図、（ｂ）蒸発管における流動及び伝熱様式の変化を説明する図、（ｃ）加熱熱流束と熱伝達分布の関係を説明する図である。 高熱流束領域におけるマイクロチャネルの沸騰様相を説明する図である。

符号の説明

１…蒸発器
２…主伝熱板
３…側板
４…側板
５…天板
６…底板
７…被蒸発液体入口
８…蒸気出口
９…隔壁
１０…空洞部
１１…小区画
１２…被蒸発液体供給通路
１３…蒸気集合部
２１…加熱ガス伝熱板
２２…フィン
２３…加熱ガス入口
２４…加熱ガス出口

Claims (9)

1. 被蒸発液体側の伝熱面鉛直方向を複数の小区画に分割する隔壁を備え、各小区画にそれぞれ被蒸発液体を供給することを特徴とする蒸発器。
2. 前記小区画の形状が矩形であり、被蒸発液体は該矩形の左右の一方の辺の下方から供給され、他方の辺の上方から蒸気が排出されることを特徴とする請求項１記載の蒸発器。
3. 前記伝熱面の小区画に上下方向の独立溝又はフィンを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蒸発器。
4. 熱源側の伝熱面に上下方向の独立溝又はフィンを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の蒸発器。
5. 前記被蒸発液体と加熱流体とが向流形または並流形で熱交換することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の蒸発器。
6. 前記小区画の表面に粗さの分布を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の蒸発器。
7. 前記隔壁に、空洞部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の蒸発器。
8. 前記複数の小区画から被蒸発液体の蒸気が集合する蒸気集合部の鉛直方向下部に未蒸発の被蒸発液体を回収するドレイン通路を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の蒸発器。
9. 前記複数の小区画へそれぞれ被蒸発液体を供給する被蒸発液体供給通路が他の部分より低温となるように加熱流体通路を構成するか或いは断熱構造を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の蒸発器。

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