JP6326899B2

JP6326899B2 - 蒸発器

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Publication number: JP6326899B2
Application number: JP2014063511A
Authority: JP
Inventors: 隆一岩田; 山内　崇史; 崇史山内; 靖樹廣田; 志満津　孝; 孝志満津
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2015183983A

Description

本発明は、蒸発器に関する。

従来より、吸着式ヒートポンプを利用した熱サイクルシステムが種々の分野で利用されており、冷暖房装置や給湯器などに応用されている。

これまでに提案されている吸着式ヒートポンプは、一対の吸着器、凝縮器及び蒸発器を備えたものが一般的であり（例えば、特許文献１参照）、ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）を高める増熱モードを利用した例として、吸着式ヒートポンプ式給湯機が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方式では、通常３方向バルブを用いた流路の切り替えによって作動モードの切り替えや給湯操作が行なわれる。具体的には、吸着器の一方で流体を吸着し他方で脱離（すなわち吸着器の再生）させる動作と、前記一方の吸着器から流体を脱離し前記他方に吸着させる動作と、を切り替えて交互に行なう。

このほか、上記と同様に動作する水系吸着式ヒートポンプなども知られている（例えば、非特許文献２参照）。

非特許文献２に記載の水系吸着式ヒートポンプは、減圧場で蒸発器を駆動する代表的な応用例である。多くの場合、沸騰を起こすことが困難であることから、流下液膜式蒸発器が用いられることが多い。

特開２００６−１２５７１３号公報

「第２４回技術開発・調査事業成果発表会［Ｐ５.１.２］吸着式ヒートポンプを用いた高効率灯油燃焼機器の開発」、[online]、平成２２年６月、一般財団法人石油エネルギー技術センター、[平成２６年３月１４日検索]、インターネット＜URL:http://www.pecj.or.jp/japanese/report/2010report/24data/p512.pdf＞「ユニオン産業の吸着式冷凍機吸着式冷凍機の原理」、[online]、ユニオン産業株式会社、[平成２６年３月１４日検索]、インターネット＜URL: http://www.union-reitouki.com/chiller/principle.html＞

上記の水系吸着式ヒートポンプでは、一般に蒸発器内の相変化媒体飽和圧力が０．９ｋＰａ以下（飽和温度５°Ｃ以下）となり、沸騰開始過熱度が２０Ｋ以上となる（大気圧環境下では４〜１０Ｋ）。従って、熱媒温度２５℃程度を境に沸騰が起こらなくなる。

流下液膜式蒸発器の場合、相変化媒体を伝熱面に噴きかけるためのポンプが必要であることと、全体の体格が大きくなることとが問題となる。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、相変化媒体の減圧環境下であっても、流体の気化を促進することができる蒸発器を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

本発明は、以下の知見に基づいて達成されたものである。すなわち、蒸発器において、減圧場では、大気圧場と比べ、沸騰開始過熱度が大きくなる。そのため、熱媒温度の低下に伴い、相変化媒体の相変化様式は壁面の沸騰から、気液界面からの蒸発へと遷移するため、伝熱効率が急激に低下する。そこで、沸騰促進用熱媒流路に沸騰開始過熱度を満たす温度の熱媒を流すことで、気泡を生成し、その気泡により、冷熱生成用熱媒流路の伝熱面上での気液界面面積を増大させ、伝熱効率を向上させることが可能となるとの知見である。

前記目的を達成するために、本発明の蒸発器は、流体を気化するための相変化媒体流路と、前記相変化媒体流路の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる冷熱生成用熱媒流路と、前記相変化媒体流路の上流側を加熱するための熱媒を流通させる沸騰促進用熱媒流路とを備え、前記沸騰促進用熱媒流路の上流が、前記流体の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続されている。

本発明では、前記蒸発器は、前記相変化媒体流路及び前記冷熱生成用熱媒流路を有する第１蒸発器と、前記相変化媒体流路及び前記沸騰促進用熱媒流路を有する第２蒸発器とであり、前記第１蒸発器の前記相変化媒体流路と前記第２蒸発器の前記相変化媒体流路とが直列に接続されているようにすることができる。

本発明では、前記冷熱生成用熱媒流路と、前記沸騰促進用熱媒流路とが空間的に分離されるようにすることができる。

本発明では、前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、５０％以下である。また、本発明では、前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、１０％以下である。

本発明において、前記相変化媒体流路の下流は、配管を介して、物理吸着材又は化学蓄熱材を収納した反応器と接続されており、前記物理吸着材又は前記化学蓄熱材の減圧作用により、前記相変化媒体流路の減圧環境が形成されるようにすることができる。

上記の流体を、水とすることができる。

本発明によれば、相変化媒体の減圧環境下であっても、流体の気化を促進することができる蒸発器が提供される。

本発明の第１実施形態のケミカルヒートポンプの構成例を示す概略図である。蒸発器の具体的な構成例を示す斜視図である。蒸発器のＡ−Ａ‘断面図である。蒸発器のＢ−Ｂ‘断面図である。沸騰開始過熱度と面積当たりの出力との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態のケミカルヒートポンプの蒸発器を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の蒸発器を、ケミカルヒートポンプに適用した実施形態について具体的に説明する。但し、本発明においては、以下に示す実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るケミカルヒートポンプを図１〜図５を参照して説明する。本実施形態では、吸着器の物理吸着材としてシリカゲルを、蓄熱反応器の化学蓄熱材として酸化カルシウム（ＣａＯ）を用い、吸着器や蓄熱反応器に供給される流体として水蒸気（水）を用いたケミカルヒートポンプ（以下、単に「ヒートポンプ」ともいう。）を一例に詳細に説明する。

本実施形態のヒートポンプ１００は、図１に示すように、蒸発器１０と、物理吸着材を有する吸着器２０と、化学蓄熱材を有し、吸着器を蒸気加熱する加熱器の機能を担う蓄熱反応器３０と、吸着器２０から排出された流体（水蒸気）を凝縮する凝縮器４０と、を備えている。

蒸発器１０は、水を気化し、気化して生成された流体である水蒸気を供給可能に吸着器２０及び蓄熱反応器３０とそれぞれ接続されている。具体的には、蒸発器１０には、流通調節弁であるバルブＶ４を有する流通配管１２の一端と、流通調節弁であるバルブＶ５を有する流通配管１４の一端と、がそれぞれ接続されており、蒸発器１０は、流通配管１２を介して吸着器２０と連通されると共に、流通配管１４を介して蓄熱反応器３０と連通されている。

蒸発器１０は、蓄熱反応器３０の反応室に配された化学蓄熱材における水の吸着量が飽和量に達していない場合や、後述するように吸着器２０に設けられた流体保持部の吸着材における水蒸気の吸着量が減少した場合に、蒸発器１０中の水の気化が進行して、水蒸気として流通配管１２、１４に供給される構造を有する。また、水を外部からの熱で加熱し、水蒸気として流通配管１２、１４に排出する。

具体的には、図２、３に示すように、蒸発器１０には、複数の相変化媒体流路３２、複数の冷熱生成用熱媒流路３４、及び複数の沸騰促進用熱媒流路３６が設けられている。相変化媒体流路３２と、冷熱生成用熱媒流路３４及び沸騰促進用熱媒流路３６とは、蒸発器１０の筐体内に交互に配置され、隣り合う相変化媒体流路３２と冷熱生成用熱媒流路３４、及び隣り合う相変化媒体流路３２と沸騰促進用熱媒流路３６が互いに熱的に接続されている。この実施形態では、蒸発器１０は、相変化媒体流路３２の開口方向（水蒸気の流れ方向）と、冷熱生成用熱媒流路３４及び沸騰促進用熱媒流路３６の開口方向（熱媒体の流れ方向）とが側面視で直交するように構成されている。

本発明における蒸発器は、蒸発器１０の例のように、相変化媒体流路３２を２つ以上有し、冷熱生成用熱媒流路３４及び沸騰促進用熱媒流路３６が少なくとも相変化媒体流路３２間に配置された構成であることが好ましく、２つ以上の相変化媒体流路３２と２つ以上の冷熱生成用熱媒流路３４及び沸騰促進用熱媒流路３６とを有し、相変化媒体流路３２と冷熱生成用熱媒流路３４及び沸騰促進用熱媒流路３６とが交互に配置された構成であることがより好ましい。

冷熱生成用熱媒流路３４は、相変化媒体流路３２の下流側に配置され、相変化媒体流路３２の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる。

沸騰促進用熱媒流路３６は、相変化媒体流路３２の上流側に配置され、相変化媒体流路３２の上流側を加熱するための熱媒を流通させる。また、沸騰促進用熱媒流路３６の上流側に接続された流通配管５０が、相変化媒体流路３２を流通する相変化媒体（水）の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続されている。

また、沸騰促進用熱媒流路３６と流通配管５０とは、蒸発器１０中の複数の沸騰促進用熱媒流路３６と流通配管５０とを気密状態で連通するマニホールド６０を介して接続されている。

また、沸騰促進用熱媒流路３６の下流側に接続された流通配管５２から、熱媒が排出される。沸騰促進用熱媒流路３６と流通配管５２とは、蒸発器１０中の複数の沸騰促進用熱媒流路３６と流通配管５２とを気密状態で連通するマニホールド６２を介して接続されている。

また、冷熱生成用熱媒流路３４の上流側に接続された流通配管５４から、冷熱生成用熱媒が流入する。冷熱生成用熱媒流路３４と流通配管５４とは、蒸発器１０中の複数の冷熱生成用熱媒流路３４と流通配管５４とを気密状態で連通するマニホールド６４を介して接続されている。

また、冷熱生成用熱媒流路３４の下流側に接続された流通配管５６から、冷熱生成用熱媒が排出される。冷熱生成用熱媒流路３４と流通配管５６とは、蒸発器１０中の複数の冷熱生成用熱媒流路３４と流通配管５６とを気密状態で連通するマニホールド６６を介して接続されている。

また、上記図３に示すように、蒸発器１０では、冷熱生成用熱媒流路３４と、沸騰促進用熱媒流路３６とが一体となって形成されており、かつ、冷熱生成用熱媒流路３４と、沸騰促進用熱媒流路３６とが空間的に分離されるように構成されている。また、冷熱生成用熱媒流路３４と沸騰促進用熱媒流路３６との間の熱移動量が、冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、５０％以下、好ましくは、１０％以下となるように構成されている。

次に、蒸発器１０で行われる相変化媒体の気化の例について図４を用いて説明する。

まず、流通配管４４から供給された相変化媒体（水）が、相変化媒体流路３２に流入し、相変化媒体流路３２内の上流側を流通する際に、沸騰促進用熱媒流路３６の伝熱面との間の熱交換により、相変化媒体が沸騰し、気泡が生成される。そして、液体である相変化媒体と気泡とが混合された状態で、相変化媒体流路３２内の下流側を流通する際に、気液界面の面積が拡大されているため、蒸発が促進され、相変化媒体が気化し、このときの気化熱が、冷熱生成用熱媒流路３４の伝熱面との間で熱交換されて、冷熱生成用熱媒が冷却される。

図５は、相変化媒体流路３２内の減圧環境における、相変化媒体である水の沸騰開始過熱度と、伝熱面の面積当たりの出力との関係を示すグラフである。例えば、上記図５に示すように、相変化媒体流路３２内の飽和圧力が、１．８ｋＰａ(飽和温度１５℃)である場合には、熱媒流入温度が２５℃であると、沸騰が始まらない。そこで、熱媒流入温度が４０℃である沸騰促進用熱媒流路３６の伝熱面との間の熱交換によって、沸騰させることにより、熱媒流入温度が２５℃である冷熱生成用熱媒流路３４の伝熱面においても、蒸発が促進される。

このように、従来、沸騰が起こらない減圧環境下で、伝熱面の一部の温度を制御することで沸騰を促進させ、伝熱効率を向上させることを可能とする。

蒸発器１０は、上記のように相変化媒体の気化により気化熱を奪うため、蒸発器１０の冷熱生成用熱媒流路３４では、水蒸気の気化熱に相当する冷熱が生成される。したがって、冷熱需要の例であるエアコン室外機などの冷熱機器を例えば熱交換管を介して熱的に接続することで、冷熱の有効利用が可能である。

吸着器２０は、蒸発器１０から水蒸気が供給され、水蒸気を吸着して保持し、吸着された水蒸気を脱離して放出する第１の流体保持室と、蓄熱反応器３０から水蒸気が供給され、水蒸気を凝縮して保持し、凝縮された水蒸気を再び水蒸気として脱離し放出する第２の流体保持部を備えている。

蓄熱反応器３０は、蒸発器１０から水蒸気が供給され、水蒸気が水和反応により固定化されるときに反応熱を放出し、水蒸気が脱離するときに蓄熱する化学蓄熱材を有する蓄熱反応部である反応室と、凝縮器４０から水が供給され、水を反応室からの熱で気化する流体気化部である気化室と、を備えている。反応室及び気化室の各々は、蓄熱反応器３０の筐体内に交互に配置され、隣り合う室が互いに熱的に接続されている。

凝縮器４０は、吸着器２０からの水蒸気の供給が可能に接続されており、吸着器２０から供給された水蒸気を凝縮する。具体的には、凝縮器４０には、流通調節弁であるバルブＶ３を有する流通配管２８の一端と、流通調節弁であるバルブＶ１を有する流通配管２９の一端と、がそれぞれ接続されている。凝縮器４０は、流通配管２８を介して吸着器２０第１の流体保持室と連通されると共に、流通配管２９を介して吸着器２０の第２の流体保持室と連通されており、第１の流体保持室及び第２の流体保持室からそれぞれ流通配管を通じて排出された水蒸気が凝縮器一箇所に回収されるようになっている。

また、凝縮器４０には、ポンプＰ１を有する流通配管４２の一端が接続されており、凝縮器は、流通配管４２によって蓄熱反応器３０の気化室と連通されている。凝縮器４０で水蒸気が凝縮されて液化した水は、ポンプＰ１を駆動させることにより、流通配管４２を通じて蓄熱反応器３０の気化室に送られ、気化室で水蒸気が生成される。ここで生成された水蒸気は、吸着器２０を水蒸気加熱するために用いられる。

更に、凝縮器４０には、ポンプＰ２を有する流通配管４４の一端が接続されており、流通配管４４によって凝縮器４０と蒸発器１０とが連通されている。凝縮器４０で凝縮された水は、ポンプＰ２を駆動させることで流通配管４４を通じて蒸発器１０にも供給される。蒸発器に供給された水は、水蒸気として蓄熱反応器３０の反応室に送られ、送られた水蒸気は化学蓄熱材に吸着され、気化室の水の気化を促進する熱の生成に用いられる。

制御装置９０は、ケミカルヒートポンプの全制御を担う制御手段であり、バルブＶ１〜Ｖ５、ポンプＰ１〜Ｐ２、及び外部熱源などと電気的に接続されており、バルブやポンプ、熱源、熱交換を制御して熱利用をコントロールできるように構成されている。

次に、本実施形態のケミカルヒートポンプ１００における、吸着器２０の流体保持室に交互に水蒸気を供給して増熱サイクルを継続し熱エネルギーを回収する動作について説明する。

まず、吸着器２０の物理吸着材による水蒸気の吸着を開始する。このとき、水蒸気の吸着により吸着熱が発生し、熱交換が可能な第２の流体保持室が加熱される。また、吸着器２０の物理吸着材の減圧作用により、相変化媒体流路３２の減圧環境が形成されるが、上述したように、減圧環境下においても、相変化媒体流路３２における水の蒸発が促進され、水蒸気が供給されるため、第２の流体保持室の加熱が行われる。

また、第１の流体保持室からの吸着熱を熱交換して加熱された第２の流体保持室では、水が気化して水蒸気として脱離し、流通配管２９を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。

次に、吸着器２０の物理吸着材に吸着した水を脱離させて物理吸着材を再生するため、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。このとき、蒸発器１０で生成された水蒸気が、流通配管１４を通じて蓄熱反応器３０の反応室に送られる。送られた水蒸気は、化学蓄熱材との間で水和反応して反応熱を生じる。また、蓄熱反応器３０の化学蓄熱材の減圧作用により、相変化媒体流路３２の減圧環境が形成されるが、上述したように、減圧環境下においても、相変化媒体流路３２における水の蒸発が促進され、水蒸気が供給されるため、反応室における化学蓄熱材の水和反応が行われる。反応熱が気化室との間で熱交換されることにより、気化室内の水が熱で気化し、高温蒸気を生成する。この高温蒸気が、流通配管３８を通じて吸着器２０の第２の流体保持室に送られると、蒸気熱が熱交換されて第１の流体保持室の吸着材が熱せられると共に、蒸気は第２の流体保持室で凝縮して液状に相変化することで保持され、さらに凝縮熱を放出する。また、第１の流体保持室の物理吸着材に吸着されていた水は、水蒸気として脱離し、脱離した水蒸気は、流通配管２８を通じて凝縮器４０に送られる。

以上説明したように、本発明のケミカルヒートポンプの第１実施形態によれば、吸着器及び蓄熱反応器の減圧作用による、相変化媒体の減圧環境下であっても、沸騰を促進し、気泡発生により気液界面の面積を拡大することにより、伝熱効率を向上させることができ、相変化媒体の気化を促進することができる。

（第２実施形態）
本発明のケミカルヒートポンプの第２実施形態について図６を参照して説明する。本実施形態は、２つの蒸発器が直列に接続されたシステム構成となっている。

なお、ケミカルヒートポンプの第２実施形態において、上記の第１実施形態と同様の構成要素となる部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態のヒートポンプでは、図６に示すように、相変化媒体流路３２及び冷熱生成用熱媒流路３４を有する第１蒸発器１０Ａと、相変化媒体流路３２及び沸騰促進用熱媒流路３６を有する第２蒸発器１０Ａとを備えている。第１蒸発器１０Ａの相変化媒体流路３２が上流側となるように、第１蒸発器１０Ａの相変化媒体流路３２と第２蒸発器１０Ｂの相変化媒体流路３２とが直列に接続されている。

液体である相変化媒体が、第２蒸発器１０Ｂの相変化媒体流路３２に流入し、第２蒸発器１０Ｂの相変化媒体流路３２内を流通する際に、気泡が生成され、液体である相変化媒体と気泡とが混合された状態となって、第１蒸発器１０Ａの相変化媒体流路３２に流入する。そして、第１蒸発器１０Ａの相変化媒体流路３２内を流通する際に、気液界面の面積が拡大されているため、蒸発が促進され、気化された相変化媒体が、第１蒸発器１０Ａから外部へ供給される。

ケミカルヒートポンプの第２実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

なお、上記の実施形態では、本発明に係る蒸発器を、ケミカルヒートポンプに適用した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ケミカルヒートポンプ以外に本発明に係る蒸発器を適用してもよい。

１０蒸発器
１０Ａ第１蒸発器
１０Ｂ第２蒸発器
２０吸着器
３０蓄熱反応器
３２相変化媒体流路
３４冷熱生成用熱媒流路
３６沸騰促進用熱媒流路
４０凝縮器
９０制御装置
１００ケミカルヒートポンプ

Claims

流体を気化するための相変化媒体流路と、
前記相変化媒体流路の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる冷熱生成用熱媒流路と、
前記相変化媒体流路の上流側を加熱するための熱媒を流通させる沸騰促進用熱媒流路と
を備え、
前記沸騰促進用熱媒流路の上流が、前記流体の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続されている、蒸発器であって、
前記蒸発器は、前記相変化媒体流路及び前記冷熱生成用熱媒流路を有する第１蒸発器と、前記相変化媒体流路及び前記沸騰促進用熱媒流路を有する第２蒸発器とであり、前記第１蒸発器の前記相変化媒体流路と前記第２蒸発器の前記相変化媒体流路とが直列に接続され、
前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、５０％以下である蒸発器。
流体を気化するための相変化媒体流路と、
前記相変化媒体流路の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる冷熱生成用熱媒流路と、
前記相変化媒体流路の上流側を加熱するための熱媒を流通させる沸騰促進用熱媒流路と
を備え、
前記沸騰促進用熱媒流路の上流が、前記流体の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続され、
前記冷熱生成用熱媒流路と、前記沸騰促進用熱媒流路とが空間的に分離され、
前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、５０％以下である蒸発器。
前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、１０％以下である請求項１又は２記載の蒸発器。
流体を気化するための相変化媒体流路と、
前記相変化媒体流路の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる冷熱生成用熱媒流路と、
前記相変化媒体流路の上流側を加熱するための熱媒を流通させる沸騰促進用熱媒流路と
を備え、
前記沸騰促進用熱媒流路の上流が、前記流体の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続され、
前記相変化媒体流路の下流は、配管を介して、物理吸着材又は化学蓄熱材を収納した反応器と接続されており、前記物理吸着材又は前記化学蓄熱材の減圧作用により、前記相変化媒体流路の減圧環境が形成される蒸発器。
前記流体は、水である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の蒸発器。