(57)【要約】【課題】  マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率を向上し、小型化する。【解決手段】蒸発器１は、２枚の対向する伝熱板２の間が被蒸発液体通路３となり、伝熱板２の外側は加熱ガス通路４となっている。被蒸発液体通路３の下端部には、蒸発器１に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口５が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口６が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器１の下から上へ向かって流れながら蒸発する。加熱ガスは、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス入口７から供給され、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス出口８から排出される。被蒸発流体通路３の通路間隙ｓの寸法は、気液二相領域１１において、下方から上方へ向かって徐々に大きくなっている。【選択図】    図１
2006015323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被蒸発液体通路の間隙寸法が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型蒸発器において、
前記被蒸発液体通路が鉛直に設置され、
前記被蒸発液体通路の気液二相領域における前記間隙寸法が、クオリティに対して限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法であることを特徴とするマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項２】
被蒸発液体通路の間隙寸法を蒸発器内の位置によって徐々に変化させたことを特徴とする請求項１記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項３】
被蒸発液体通路の間隙寸法を被蒸発液体の流れ方向に徐々に変化させたことを特徴とする請求項２記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項４】
被蒸発液体通路の気相単相領域の間隙寸法を被蒸発液体の流れ方向に徐々に縮小したことを特徴とする請求項２記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項５】
被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れとが対向流となり、
被蒸発液体用通路の気液二相領域の間隙寸法を被蒸発液体の流れ方向に徐々に拡大したことを特徴とする請求項３記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項６】
被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れとが並向流となり、
被蒸発液体用通路の気液二相領域のチャネル間隙を被蒸発液体の流れ方向に徐々に縮小したことを特徴とする請求項３記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項７】
被蒸発流体の流れと加熱ガスの流れとが直交流となり、
被蒸発液体のチャネル間隙を高温ガスの流れ方向に徐々に変化させたことを特徴とする請求項２記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項８】
加熱ガス用通路に複数の折り返し部を設けて、加熱ガスを蛇行させたことを特徴とする請求項７記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項９】
被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れが並向流とし、
被蒸発液体の質量流量及び温度に対応した加熱ガスの質量流量及び温度のマップを用いて、加熱ガスの質量流量及び／又は温度を制御することにより、
被蒸発液体の伝熱表面に薄液膜を形成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項に記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のマイクロチャネル型蒸発器と、
該マイクロチャネル型蒸発器からの蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、を備え、
前記マイクロチャネル型蒸発器において被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れが並向流となり、
加熱ガスの質量流量が規定以上の場合に、前記過熱器と前記マイクロチャネル蒸発器とに並列に加熱ガスを供給することを特徴とするマイクロチャネル蒸発器を用いたシステム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のマイクロチャネル型蒸発器と、
該マイクロチャネル型蒸発器からの蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、を備え、
前記マイクロチャネル型蒸発器において被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れが並向流となり、
加熱ガスの温度が規定以上の場合に、前記加熱ガスを前記過熱器に供給した後に前記マイクロチャネル蒸発器に供給することを特徴とするマイクロチャネル蒸発器を用いたシステム。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のマイクロチャネル型蒸発器と、
該マイクロチャネル型蒸発器からの蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、を備え、
加熱ガスの質量流量及び温度が規定以上の場合、前記加熱ガスを前記過熱器と前記マイクロチャネル蒸発器に並列に供給し、
さらに前記過熱器から排出された加熱ガスを前記マイクロチャネル蒸発器に供給することを特徴とするマイクロチャネル蒸発器を用いたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被蒸発液体通路が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型蒸発器及びそれを用いたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
車載用として好適な小型高効率の蒸発器としては、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。
【特許文献１】特許第２７８６７２８号（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
〔マイクロチャネルの定義〕
本発明では、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離脱気泡の直径がチャネル間隙と比較して大きい場合をマイクロチャネルと定義する。言い換えれば気泡が壁により離脱径より小さい段階で押しつぶされ気泡と加熱面間にマイクロレイヤを形成する場合をマイクロチャネルと定義する。
【０００７】
離脱気泡直径は、被蒸発液体の種類、伝熱板の表面性状、過熱度によって異なる。具体的には図１２に示す様に、例えば、被蒸発液体を水とし、親水性が高い酸化チタン皮膜の場合には０．８〔mm〕程度、疎水性が高いシリコーン皮膜場合には２．５〔mm〕程度の離脱気泡直径を示しており、すなわちその値以下がその加熱面におけるマイクロチャネルの間隙寸法ということになる。
【０００８】
〔伝熱面における薄液膜形成の必要性〕
図１３（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１３（ａ）に示す様にある温度と熱流束の点で２本の線が交差し、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。
【０００９】
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１３（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。
【００１０】
また図１３（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。
【００１１】
図１４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。
【００１２】
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。
【００１３】
図１５は、（ａ）９〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｂ）１４〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｃ）１９〔ｋＷ／ｍ2 〕の各熱流束における沸騰の様子を撮影した写真を図式化したものである。図１５に示すように、熱流束の増大に伴い伝熱表面のぬれ面積が小さくなっている。
【００１４】
図１６（ａ）は、被蒸発液体のクオリティに対応する熱伝達率、（ｂ）は被蒸発液体のクオリティに対応する熱流束をそれぞれ示す図である。図１６（ａ）に示すように、伝熱表面がドライアウト点Ａ（このＡ点のクオリティをＸa とする）よりクオリティが小さい濡れた（ウエット）状態の領域を維持することが蒸発器の熱伝達率向上に必要である。また図１６（ｂ）に示すように、ドライアウト前の領域とドライアウト後の領域との境界の熱流束は、クオリティの増加に対して右下がりとなる。そしてクオリティＸa に対する熱流束は、ｑcaとなり、これより小さい熱流束に制御することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記問題点を解決するため、被蒸発液体通路の間隙寸法が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型蒸発器において、前記被蒸発液体通路が鉛直に設置され、前記被蒸発液体通路の気液二相領域における前記間隙寸法が、クオリティに対して限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に図面を参照して、本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器（単に蒸発器とも略す）の実施例を詳細に説明する。尚、特に限定されないが本発明に係る蒸発器は、水や炭化水素系原燃料を蒸発させて燃料電池用の燃料改質器に供給する蒸発器に好適なものである。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る蒸発器の実施例１の基本構成単位を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施例における蒸発器１は、２枚の対向する伝熱板２の間が被蒸発液体通路３となる蒸発器である。伝熱板２の外側は、加熱ガス通路４となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。
【００２０】
被蒸発液体通路３の下端部には、蒸発器１に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口５が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口６が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器１の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス入口７から供給され、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス出口８から排出される。従って、本実施例１の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが対向する対向流型の蒸発器である。そして、蒸発器１の作動中、被蒸発液体通路３の内部は、下方から順に、液相領域１０、気液二相（沸騰二相）領域１１、気相領域１２となる。
【００２１】
そして、被蒸発流体通路３の通路間隙ｓの寸法は、気液二相領域１１において、下方から上方へ向かって徐々に大きくなっている。
【００２２】
尚、伝熱板２の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用いることができる。
【００２３】
さらに、伝熱板２の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。
【００２４】
本実施例１においては、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて十分多く、加熱ガスの温度が加熱ガス入口７と加熱ガス出口８とでほぼ変化が無いものとする。
【００２５】
図２は、本実施例１の蒸発器における気液二相領域１１における被蒸発液体通路３の通路間隙ｓの変化を説明する図である。図２の横軸は、被蒸発液体の全質量流量に対する気相質量流量の比であるクオリティ、縦軸は、熱流束または限界熱流束ｑc 〔ｋＷ／ｍ2 〕を示す。クオリティが０なら被蒸発液体の全質量流量が液体、即ち液相であり、クオリティが１なら被蒸発液体の全質量流量が気体、即ち気相（蒸気単相）である。
【００２６】
図１の気液二相領域１１は、その下端におけるクオリティが０、その上端におけるクオリティが１であり、その中間は徐々にクオリティが上昇する領域と考えることができる。
【００２７】
このようなクオリティを横軸とし、縦軸に限界熱流束をとり、並行平板型のマイクロチャネル型蒸発器における被蒸発液体の通路間隙ｓA 、ｓB 、ｓC （ｓA ＞ｓB ＞ｓC ）におけるクオリティＸと限界熱流束ｑC との相関関係を示すと、図２となる。
【００２８】
同一間隙寸法であれば、クオリティの小さい方が液体の比率が大きく、伝熱板から多くの熱量が伝えられるので限界熱流束は大きくなる傾向があり、間隙寸法を大きくすると、間隙に保持される被蒸発液体の量が多くなり限界熱流束が増加する傾向となる。
【００２９】
ここで、基準の通路間隙ｓB からみて、通路間隙を増加すると、限界熱流束は増加し、その増加の割合は、クオリティが小さい方が大きい。逆に通路間隙を減少すると、限界熱流束は減少し、その減少の割合は、クオリティが小さい方が大きい。
【００３０】
本実施例では、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて十分多く、加熱ガスの温度が加熱ガス入口７と加熱ガス出口８とでほぼ変化が無いものとしたので、加熱ガスから伝熱板を介して被蒸発液体に与えられる熱流束はクオリティによらず一定となり、図２の破線で示すものとする。この熱流束を示す破線と、通路間隙ｓB の限界熱流束を示す線とは、クオリティＸB で交差している。これは、通路間隙ｓB の蒸発器のクオリティＸB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティＸB 以上の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は一点鎖線で示すように急激に低下する。
【００３１】
本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、クオリティＸがＸB 以上の領域では、クオリティがＸB＋１ ，ＸB＋２ ，ＸB＋３ と増加するに連れて、通路間隙をｓB＋１_case1 ，ｓB＋２_case1 ，ｓB＋３_case1 と拡大する。これによりクオリティがＸB から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００３２】
同様に、クオリティＸがＸB 以下の領域では、クオリティがＸB−１ ，ＸB−２ と減少するに連れて、通路間隙をｓB−１_case1 ，ｓB−２_case1 と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがＸB から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００３３】
このように、対向流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティＸに対して被蒸発液体通路の通路間隙ｓを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。
【実施例２】
【００３４】
図３は、本発明に係る蒸発器の実施例２の基本構成単位を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【００３５】
実施例２の蒸発器１自体の構成は、実施例１の蒸発器の構成と同様に、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが対向する対向流型である。但し、本実施例は、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて無視できなく、加熱ガス入口７から加熱ガス出口８にかけて、加熱ガスの温度が低下する場合の実施例である。
【００３６】
図４は、本実施例における加熱ガスから被蒸発液体側への熱流束の変化（破線）と、各通路間隙のおける限界熱流束を示す図である。図４の破線で示すように、クオリティが小さいところでは、熱流束が小さく、クオリティが大きいところでは、熱流束が大きくなっている。これは、クオリティが大きいところでは、加熱ガスの温度が高くて、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が大きいため熱流束が大きくなり、クオリティが小さいところでは、加熱ガスの温度が低下し、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が小さいため熱流束が小さくなることによる。
【００３７】
図４において、加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙ｓB の限界熱流束を示す線とは、クオリティＸB で交差している。これは、通路間隙ｓB の蒸発器のクオリティＸB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティＸB 以上の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は一点鎖線で示すように急激に低下する。
【００３８】
本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、クオリティＸがＸB 以上の領域では、クオリティがＸB＋１ ，ＸB＋２ ，ＸB＋３ と増加するに連れて、通路間隙をｓB＋１_case２ ，ｓB＋２_case２ ，ｓB＋３_case２ と拡大する。これによりクオリティがＸB から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００３９】
同様に、クオリティＸがＸB 以下の領域では、クオリティがＸB−１ ，ＸB−２ と減少するに連れて、通路間隙をｓB−１_case２ ，ｓB−２_case２ と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがＸB から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００４０】
このように、対向流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティＸに対して被蒸発液体通路の通路間隙ｓを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。
【実施例３】
【００４１】
図５は、本発明に係る蒸発器の実施例３の基本構成単位を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【００４２】
図５に示すように、本実施例における蒸発器１は、２枚の対向する伝熱板２の間が被蒸発液体通路３となる蒸発器である。伝熱板２の外側は、加熱ガス通路４となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。
【００４３】
被蒸発液体通路３の下端部には、蒸発器１に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口５が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口６が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器１の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス入口７から供給され、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス出口８から排出される。従って、本実施例の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが並行する並行流型の蒸発器である。そして、蒸発器１の作動中、被蒸発液体通路３の内部は、下方から順に、液相領域１０、気液二相（沸騰二相）領域１１、気相領域１２となる。
【００４４】
そして、被蒸発流体通路３の通路間隙ｓの寸法は、気液二相領域１１において、下方から上方へ向かって徐々に小さくなっている。
【００４５】
尚、伝熱板２の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用いることができる。
【００４６】
さらに、伝熱板２の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。
【００４７】
本実施例は、加熱ガスの質量流量ｍ〔ｇ／ｓ〕が被蒸発液体の質量流量に比べて無視できなく、加熱ガス入口７から加熱ガス出口８にかけて、加熱ガスの温度が低下する場合の実施例である。
【００４８】
図６は、本実施例における加熱ガスから被蒸発液体側への熱流束の変化（破線）と、各通路間隙のおける限界熱流束を示す図である。図６の破線で示すように、クオリティが小さいところでは、熱流束が大きく、クオリティが大きいところでは、熱流束が小さくなっている。これは、クオリティが小さいところでは、加熱ガスの温度が高くて、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が大きいため熱流束が大きくなり、クオリティが大きいところでは、加熱ガスの温度が低下し、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が小さいため熱流束が小さくなることによる。
【００４９】
図６において、加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙ｓB の限界熱流束を示す線とは、クオリティＸB で交差している。これは、通路間隙ｓB の蒸発器のクオリティＸB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティＸB 以下の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は一点鎖線で示すように急激に低下する。
【００５０】
本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、クオリティＸがＸB 以下の領域では、クオリティがＸB−１ ，ＸB−２ と減少減少するに連れて、通路間隙をｓB−１_case３ ，ｓB−２_case３ と拡大する。これによりクオリティがＸB から減少しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００５１】
同様に、クオリティＸがＸB 以上の領域では、クオリティがＸB＋１ ，ＸB＋２ ，ＸB＋３ と増加するに連れて、通路間隙をｓB＋１_case３ ，ｓB＋２_case３ ，ｓB＋３_case３ と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがＸB から増加しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００５２】
このように、並向流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティＸに対して被蒸発液体通路の通路間隙ｓを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。
【実施例４】
【００５３】
図７は、本発明に係る蒸発器の実施例４の基本構成単位を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図、（ｄ）Ａ−Ａ線断面図である。
【００５４】
図７に示すように、本実施例における蒸発器１は、２枚の対向する伝熱板２の間が被蒸発液体通路３となる蒸発器である。伝熱板２の外側は、加熱ガス通路４となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。
【００５５】
被蒸発液体通路３の下端部には、蒸発器１に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口５が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口６が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器１の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器右端部に設けられた加熱ガス入口７から供給され、蒸発器左端部に設けられた加熱ガス出口８から排出される。従って、本実施例の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが直交する直交流型の蒸発器である。そして、蒸発器１の作動中、被蒸発液体通路３の内部は、下方から順に、液相領域１０、気液二相（沸騰二相）領域１１、気相領域１２となる。
【００５６】
そして、被蒸発流体通路３の通路間隙ｓの寸法は、気液二相領域１１において、下方から上方へ向かって徐々に小さくなるとともに、右方から左方へ向かって徐々に小さくなる３次元変化をしている。
【００５７】
尚、伝熱板２の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用いることができる。
【００５８】
さらに、伝熱板２の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。
【００５９】
図８は、本実施例の蒸発器１の加熱ガス上流側の位置Ｌ−Ｌ、蒸発器１の中央部の位置Ｍ−Ｍ、蒸発器１の加熱ガス下流側の位置Ｎ−Ｎのそれぞれにおける加熱ガスから被蒸発液体側への熱流束の変化（破線）と、各通路間隙のおける限界熱流束を示す図である。
【００６０】
本実施例において、蒸発器の加熱ガスから被蒸発液体側に伝えられる熱流束は、加熱ガスの上流側の位置Ｌ−Ｌで大きく、中流側の位置Ｍ−Ｍ、下流側の位置Ｎ−Ｎへ進むに従って、加熱ガスの温度低下と共に低下する。本実施例では、実施例１と同様に、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて十分多く、加熱ガスの温度が加熱ガス入口７と加熱ガス出口８とでほぼ変化が無いものとしたので、加熱ガスから伝熱板を介して被蒸発液体に与えられる熱流束はクオリティによらず一定となり、図８の破線で示すものとする。
【００６１】
図８において、位置Ｍ−Ｍにおける加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙ｓB の限界熱流束を示す線とは、クオリティＸB で交差している。これは、通路間隙ｓB のクオリティＸB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティＸB 以下の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は図示しないが実施例２と同様に急激に低下する。
【００６２】
本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、位置Ｍ−ＭのクオリティＸがＸB 以上の領域では、クオリティがＸB＋１ ，ＸB＋２ ，ＸB＋３ と増加するに連れて、通路間隙をｓB＋１ ，ｓB＋２ ，ｓB＋３ と拡大する。これによりクオリティがＸB から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。また、クオリティＸがＸB 以下の領域では、クオリティがＸB−１ ，ＸB−２ と減少するに連れて、通路間隙をｓB−１ ，ｓB−２ と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがＸB から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００６３】
同様に、蒸発器１の位置Ｌ−Ｌにおける加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙ｓA の限界熱流束を示す線とは、クオリティＸA で交差している。これは、通路間隙ｓA のクオリティＸA の位置において限界熱流束が供給され、クオリティＸA 以下の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は図示しないが実施例２と同様に急激に低下する。
【００６４】
このような熱流束の低下を回避するため、位置Ｌ−ＬのクオリティＸがＸA 以上の領域では、クオリティがＸA＋１ ，ＸA＋２ ，ＸA＋３ と増加するに連れて、通路間隙を拡大する。これによりクオリティがＸA から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。また、クオリティＸがＸA 以下の領域では、クオリティがＸA−１ ，ＸA−２ と減少するに連れて、通路間隙を縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがＸA から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。
【００６５】
本実施例においては、蒸発器１の全領域において、位置Ｌ−Ｌ、位置Ｍ−Ｍで行った処理と同じ処理を行うことにより、蒸発器１の気液二相領域１１の全域において、クオリティに応じた限界熱流束以下の最小の被蒸発液体通路の通路間隙寸法とする。
【００６６】
このように、直交流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティＸに対して被蒸発液体通路の通路間隙ｓを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。
【実施例５】
【００６７】
図９は、実施例２の変形例である実施例５の蒸発器の基本構成単位を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。本実施例の蒸発器と実施例２の蒸発器との相違は、被蒸発液体通路３の気相領域１２において、通路間隙ｓが徐々に狭められていることである。その他の構成は、実施例２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。これにより蒸気出口６から被蒸発液体の液滴が排出されることを防止できるという効果がある。
【００６８】
尚、実施例５のように、被蒸発液体通路３の気相領域１２において、通路間隙ｓを徐々に狭めることは、実施例２のみならず、他の実施例にも適用することができる。
【実施例６】
【００６９】
図１０は、図７に示した実施例４の直交流型の蒸発器において、隔壁９により加熱ガス用通路４に複数の折り返し部を設けて、加熱ガスを蛇行させた実施例６である。その他の構成は、実施例４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。
【００７０】
実施例４では、気相領域１２−気液二相領域１１の境界線、および気液二相領域１１−液相領域１０の境界線が傾斜していたが、本実施例によれば、実施例４と比較して、これらの境界線を加熱ガス流れ方向とより平行に保つことができる。これにより蒸気出口６の端部から生成される蒸気の過熱度をより均一なものとすることができるという効果がある。
【実施例７】
【００７１】
図１１は、図７に示した実施例４の直交流型の蒸発器において、隔壁９により加熱ガス用通路４に複数の折り返し部を設けて、加熱ガスを蛇行させた実施例７である。実施例６との相違は、加熱ガス入口７を被蒸発液体入口５の近傍とし、加熱ガス出口８を蒸気出口６の近傍としたことである。これにより、加熱ガスの最も高温部から最も限界熱流束が高い液相領域１０を加熱することになるので、被蒸発液体通路３の通路間隙ｓを実施例６より狭くすることができ、蒸発器１の形状をより小型化できるという効果がある。その他の構成は、実施例４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。
【実施例８】
【００７２】
本実施例を、図１７から図２３を用いて説明する。図１７は、本発明に係る蒸発器の実施例８の基本構成単位を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。図１８は図１７に示す蒸発器における被蒸発液体としての純水及び高温ガスの入口条件においての限界熱流束特性を、図１９は図１８の特性を基づいた純水の入口条件と沸騰領域の関係を、図２０から図２２は図１９のマップに基づいて制御された場合の加熱ガスのフローパターンを、夫々示している。
【００７３】
図１７に示すように、本実施例における蒸発器１は、２枚の対向する伝熱板２の間が被蒸発液体通路３となる蒸発器である。伝熱板２の外側は、加熱ガス通路４となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。
【００７４】
被蒸発液体通路３の下端部には、蒸発器１に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口５が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口６が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器１の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス入口７から供給され、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス出口８から排出される。従って、本実施例の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが並行する並行流型の蒸発器である。そして、蒸発器１の作動中、被蒸発液体通路３の内部は、下方から順に、液相領域１０、気液二相（沸騰二相）領域１１、気相領域１２となる。そして、被蒸発流体通路３の通路（マイクロチャネル）間隙ｓの寸法は、蒸発器１の全領域において、一定寸法である。
【００７５】
次に、図１９のマップについて、図１７及び図１８を用いて説明する。
【００７６】
本実施例８では、図１７に示すように、マイクロチャネル間隙が一定（ｓ）の並流型の蒸発器で、純水入口における条件を質量流量ｍw ［g／s］、温度Ｔw ［K］、加熱ガス入口における条件を質量流量ｍg ［g／s］、温度Ｔg ［K］とする。また、図１８に示す限界熱流束特性は、前述の通りマイクロチャネル間隙ｓによって異なり、間隙ｓが大きいほど高い特性を示している。
【００７７】
例えば、間隙をｓB とした場合についてのクオリティと熱流束の関係を、以下５通り説明する。まず、高温ガス入口の質量流量がｍg2、温度がＴg2場合は、高温ガスと被蒸発液体との熱流束はクオリティの変化に伴って破線のように変化して，ゼロから１のクオリティにおいて間隙ｓB の限界熱流束特性以下にある。また同様に、（ｍg2，Ｔg1）と（ｍg1，Ｔg2）の場合（各々一点鎖線）も、上記と同様に間隙ｓB の限界熱流束特性以下にある。これらは薄液膜の形成が可能になり効率的な熱交換が可能となることを示している。
【００７８】
一方、（ｍg2，Ｔg3）と（ｍg3，Ｔg2）場合（各々破線），クオリティの増加に伴ない、高温ガスと被蒸発液体との熱流束は限界熱流束特性と交差して，その後ドライアウト領域に推移して熱流束は大幅に低下する。これによって、熱交換率が悪化することとなる。
【００７９】
以上の結果を、高温ガス入口の（ｍg ，Ｔg ）条件と沸騰領域（ドライアウト，ウェット）の関係で、図１９にまとめた。このマップは、純水の入口条件が（ｍw[g/s]Ｔw,[K])のものである。なお、図１９のマップは、ドライアウト領域に推移するか否かの判断し、ドライアウト領域に推移すると判断した場合には、ウェット領域に移行させるための定量的なΔＴg 、Δｍg を決定するために用いる。また、図１９のドライアウト領域とウェット領域を区別するラインはｍw[g/s]、Ｔw[K]を使用範囲で変化させ，実験または計算により求めたクオリティに対する熱流束特性が限界熱流束特性と接するｍw[g／s],Ｔw[K]の条件をプロットすることにより作成される。
【００８０】
次に、図２３（ａ）から図２３（ｃ）を用いて、本実施例の蒸発器を用いたシステムの構成・作用を説明する。
【００８１】
図２３（ａ）から図２３（ｃ）に示した各システムは、蒸発器本体１と、過熱器２１と、システムとしての加熱ガス入口３１と、加熱ガスの流路を切り換える３方弁を用いたバルブ３２，３３，３４と、システムとしての加熱ガス出口３５とを備えている。
【００８２】
図２３（ａ）のシステムは、加熱ガスの質量流量が規定以上の場合に、過熱器２１と蒸発器本体１とに並列に加熱ガスを供給することを特徴とするシステムである。
【００８３】
図２３（ｂ）のシステムは、加熱ガスの温度が規定以上の場合に、加熱ガスを過熱器２１に供給した後に蒸発器本体１に供給することを特徴とするシステムである。
【００８４】
図２３（ｃ）のシステムは、加熱ガスの質量流量及び温度が規定以上の場合、加熱ガスを過熱器２１と蒸発器本体１に並列に供給し、さらに過熱器２１から排出された加熱ガスを蒸発器本体１に供給することを特徴とするシステムである。
【００８５】
なお、図中太線で記載されている箇所は、ガスの流れを示し、三方弁の黒色の部分はガス流を閉止している方向である。本実施例は、二つの熱交換器で構成される。一方は前述したウェット領域で使用することを旨とするマイクロチャネル型蒸発器を用いた蒸発器本体１、他方は過熱蒸気を生成するための過熱器２１である。これら１又は２１の熱交換器を通過したガスは、図示しないＡＴＲ（Auto Thermal Reactor）への水素生成要素へと供給される。また、下記で説明をしない通常状態（Wet Rigionの場合）は、過熱器２１をバイパスさせて供給される。なお、図２３（ａ）は図２０と、図２３（ｂ）は図２１と、図２３（ｃ）は図２２と、が対応しており、図２０から図２２は簡素的に模式化したものである。また、図２３（ａ）から図２３（ｃ）に示した構成図は一例であり、本発明を限定するものではない。
【００８６】
次に、図１９から図２２を用いて、具体的な制御について説明する。なお、図２０は図１９中Ａ方向の条件（ｍg3，Ｔg2）から条件（ｍg2，Ｔg2）方向に変化させる場合を、図２１は図１９中Ｂ方向の条件（ｍg2，Ｔg3）から条件（ｍg2，Ｔg2）方向に変化させる場合を、図２２は図１９中Ｃ方向の条件（ｍg3，Ｔg2）から条件（ｍg2，Ｔg1）方向に変化させる場合をそれぞれ示している。
【００８７】
図２０では、条件（ｍg3，Ｔg2）で供給された加熱ガスは、蒸発器本体１には条件（ｍg2，Ｔg2）で、過熱器２１には条件（Δｍg ，Ｔg2）で、夫々供給される。蒸発器本体１及び過熱器２１からそれぞれ排出された加熱ガスは合流し、ＡＴＲに送られる。なお、蒸発器本体１から排出された加熱ガスを、過熱器２１を通過させるようにしてもよい。
【００８８】
図２１では、条件（ｍg2，Ｔg3）で供給された加熱ガスは、過熱器２１に条件（ｍg2，Ｔg3）で供給され、過熱器２１でΔＴg 温度低下して、その後蒸発器本体１に条件（ｍg2，Ｔg2）で供給される。蒸発器本体１から排出された加熱ガスは、ＡＴＲに送られる。なお、蒸発器本体１から排出された加熱ガスを、再び過熱器２１を通過させるようにしてもよい。
【００８９】
図２２では、条件（ｍg3，Ｔg2）で供給された加熱ガスは、蒸発器本体１には条件（Δｍg，Ｔg2）で、過熱器２１には条件（ｍg3−Δｍg，Ｔg2）で、夫々供給される。過熱器２１から排出された加熱ガスは、蒸発器本体１に温度（Ｔg2−ΔＴg）で供給され、ＡＴＲに送られる。なお、蒸発器本体１から排出された加熱ガスを、過熱器２１を通過させるようにしてもよい。
【００９０】
このように、本実施例では、以下の効果を得ることができる。
【００９１】
均一な断面を有する狭い間隙で伝熱面をウェット状態に保つこと、その結果、より小さな蒸発器容積で且つ被蒸発液体気液二相領域において高い熱伝達率を維持することが可能となる。高効率・コンパクトな蒸発器の実現が可能となる。
【００９２】
なお、本実施例８では間隙ｓを一定にしたが、実施例１乃至実施例７のように変化させてもよい。
【００９３】
また、本発明において、被蒸発液体通路を鉛直に設置するとは、マイクロチャネルを形成する左右の伝熱面の伝熱特性が傾斜により大きく対象性を失わない角度をいい、例えば鉛直±２０度程度までの角度を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例１の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図２】実施例１におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。
【図３】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例２の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図４】実施例２におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。
【図５】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例３の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図６】実施例３におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。
【図７】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例４の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図８】実施例４におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。
【図９】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例５の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図１０】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例６の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図１１】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例７の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図１２】伝熱面の表面性状及び過熱度による離脱気泡の直径を示す図である。
【図１３】（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。
【図１４】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。
【図１５】（ａ）９〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｂ）１４〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｃ）１９〔ｋＷ／ｍ2 〕の各熱流束における沸騰の様子を撮影した写真を図式化したものである。
【図１６】（ａ）気液二相のクオリティに対する熱伝達係数、（ｂ）気液二相のクオリティに対する限界熱流束（ＣＨＦ）を示す図である。
【図１７】本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例８の構成を説明する（ａ）断面図、（ｂ）被蒸発液体通路概念図、（ｃ）加熱ガス通路概念図である。
【図１８】実施例８の蒸発器におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。
【図１９】図１８の特性を基づいた純水の入口条件と沸騰領域の関係を示す図である。
【図２０】蒸発器と過熱器とを備えたシステムにおける加熱ガスフローパターン（ケースＡ）を示す図である。
【図２１】蒸発器と過熱器とを備えたシステムにおける加熱ガスフローパターン（ケースＢ）を示す図である。
【図２２】蒸発器と過熱器とを備えたシステムにおける加熱ガスフローパターン（ケースＣ）を示す図である。
【図２３】（ａ）ケースＡの加熱ガスフローパターン、（ｂ）ケースＢの加熱ガスフローパターン、（ｃ）ケースＣの加熱ガスフローパターンをそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１…蒸発器
２…伝熱板
３…被蒸発液体通路
４…加熱ガス通路
５…被蒸発液体入口
６…蒸気出口
７…加熱ガス入口
８…加熱ガス出口
９…隔壁
【図１】
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【図２】
2006015323.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006015323.tif 000007
【図６】
2006015323.tif 000008
【図７】
2006015323.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006015323.tif 000011
【図１０】
2006015323.tif 000012
【図１１】
2006015323.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2006015323.tif 000015
【図１４】
2006015323.tif 000016
【図１５】
2006015323.tif 000017
【図１６】
2006015323.tif 000018
【図１７】
2006015323.tif 000019
【図１８】
2006015323.tif 000020
【図１９】
2006015323.tif 000021
【図２０】
2006015323.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2006015323.tif 000024
【図２３】
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