(57)【要約】【課題】沸騰の促進とともに、沸騰によって生ずる気泡の最適化によって、熱源から熱媒体への熱伝達率が向上された熱交換器を提供すること。【解決手段】熱源から液体への伝熱部材を介する伝熱によって前記液体を沸騰させて熱交換を行う熱交換器であって、伝熱部材１５のうちの、液体５０と接触して液体５０を沸騰させる側の表面１０に、高熱伝導領域１１と低熱伝導領域１２とが交互にストライプ状に存在する、熱交換器１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から液体への伝熱部材を介する伝熱によって前記液体を沸騰させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記伝熱部材のうちの、前記液体と接触して前記液体を沸騰させる側の表面に、高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する、
前記熱交換器。
【請求項２】
前記高熱伝導領域のストライプの幅が２．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下である、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記低熱伝導領域のストライプの幅が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記低熱伝導領域を構成する低熱伝導材料の熱伝導率が、前記高熱伝導領域を構成する高熱伝導材料の熱伝導率の１／５０以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記低熱伝導領域を構成する低熱伝導材料の耐熱温度が１２０℃以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記伝熱部材が高熱伝導材料で構成されており、前記低熱伝導領域が、前記伝熱部材のうちの、前記液体と接触して前記液体を沸騰させる側の面内に埋め込まれた低熱伝導材料である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記液体を、前記伝熱部材のうちの前記液体と接触して前記液体を沸騰させる側の表面上に供給する液体供給口と、
前記液体を収容して沸騰させるための容器と、
前記液体の沸騰により発生した気体を前記容器から排出させる気体排出口と、
を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器を用いて、前記熱源と前記液体との間の熱交換を行う、熱交換方法。
【請求項９】
前記熱交換器における前記高熱伝導領域の温度が、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点よりも高く、その温度差が１０℃以上である、請求項８に記載の熱交換方法。
【請求項１０】
前記熱交換器における前記高熱伝導領域の温度と、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点との温度差が５０℃以下である、請求項９に記載の熱交換方法。
【請求項１１】
前記液体が水又はフッ素系溶媒である、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の熱交換方法。
【請求項１２】
前記熱源が気体である、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の熱交換方法。
【請求項１３】
請求項７に記載の熱交換器、
気体凝縮容器と、気体を前記気体凝縮容器に供給する気体供給口と、前記気体が凝縮した液体を前記気体凝縮容器から排出する液体排出口と備える、凝縮器、並びに
前記凝縮器の前記液体排出口と前記熱交換器の前記液体供給口とを連結する液体流路、及び
前記熱交換器の前記気体排出口と前記凝縮器の前記気体供給口とを連結する気体流路
を備える熱輸送システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱輸送システムを用いて行う、
熱輸送方法。
【請求項１５】
前記熱交換器における高熱伝導領域の温度が、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点よりも高く、その温度差が１０℃以上である、請求項１４に記載の熱輸送方法。
【請求項１６】
前記熱交換器における前記高熱伝導領域の温度と、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点との温度差が５０℃以下である、請求項１５に記載の熱輸送方法。
【請求項１７】
前記液体が水又はフッ素系溶媒である、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の熱輸送方法。
【請求項１８】
前記熱源が気体である、請求項１４〜１７のいずれ一項に記載の熱輸送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱媒体の沸騰を利用して熱交換を行う熱交換器において、熱源から熱媒体に熱を伝える伝熱部材に溝等を形成して伝熱効率をより高くしようとの試みがなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、内面に複数の溝部が形成されていて、管内部を流れる流体と外部との間で熱交換を行うように構成された内面溝付き管であって、上記溝部の側面及び底面のうち少なくとも一方の面には、上記流体の沸騰を促進するための凹凸部が形成されている、内面溝付き管が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５７５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、伝熱部材である管の内面に溝及び凹凸を形成することにより、気泡を生じ易くして、熱媒体である流体の沸騰を促進する技術に関する。
【０００６】
しかし、理論計算によると、熱媒体の沸騰を利用する熱交換器における熱源から熱媒体への熱伝達率の向上には、沸騰の促進とともに、沸騰によって生ずる気泡の制御も重要なファクターであることが示されている。気泡の制御とは、例えば、気泡の発生位置、径、数、発生頻度等を制御することを意味する。
【０００７】
従来技術においては、例えば特許文献１のように沸騰促進に関する報告例は多いが、気泡の制御は困難であると考えられており、気泡を制御することを含む熱伝達率の向上に関しては、ほとんど検討されていない。
【０００８】
本発明の目的は、沸騰によって生ずる気泡を制御し、特にそのことによって、熱源から熱媒体への熱伝達率が向上された熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は以下のとおりである。
【００１０】
［１］  熱源から液体への伝熱部材を介する伝熱によって前記液体を沸騰させて熱交換を行う熱交換器であって、
前記伝熱部材のうちの、前記液体と接触して前記液体を沸騰させる側の表面に、高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する、
前記熱交換器。
［２］  前記高熱伝導領域のストライプの幅が２．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下である、
［１］に記載の熱交換器。
［３］  前記低熱伝導領域のストライプの幅が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である、［１］又は［２］に記載の熱交換器。
［４］  前記低熱伝導領域を構成する低熱伝導材料の熱伝導率が、前記高熱伝導領域を構成する高熱伝導材料の熱伝導率の１／５０以下である、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の熱交換器。
［５］  前記低熱伝導領域を構成する低熱伝導材料の耐熱温度が１２０℃以上である、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の熱交換器。
［６］  前記伝熱部材が高熱伝導材料で構成されており、前記低熱伝導領域が、前記伝熱部材のうちの、前記液体と接触して前記液体を沸騰させる側の面内に埋め込まれた低熱伝導材料である、［１］〜［５］のいずれか一項に記載の熱交換器。
［７］  前記液体を、前記伝熱部材のうちの前記液体と接触して前記液体を沸騰させる側の表面上に供給する液体供給口と、
前記液体を収容して沸騰させるための容器と、
前記液体の沸騰により発生した気体を前記容器から排出させる気体排出口と、
を有する、［１］〜［６］のいずれか一項に記載の熱交換器。
［８］  ［１］〜［７］のいずれか一項に記載の熱交換器を用いて、前記熱源と前記液体との間の熱交換を行う、熱交換方法。
［９］  前記熱交換器における前記高熱伝導領域の温度が、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点よりも高く、その温度差が１０℃以上である、［８］に記載の熱交換方法。
［１０］  前記熱交換器における前記高熱伝導領域の温度と、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点との温度差が５０℃以下である、［９］に記載の熱交換方法。
［１１］  前記液体が水又はフッ素系溶媒である、［８］~［１０］のいずれか一項に記載の熱交換方法。
［１２］  前記熱源が気体である、［８］〜［１１］のいずれか一項に記載の熱交換方法。
［１３］  ［７］に記載の熱交換器、
気体凝縮容器と、気体を前記気体凝縮容器に供給する気体供給口と、前記気体が凝縮した液体を前記気体凝縮容器から排出する液体排出口とを備える、凝縮器、並びに
前記凝縮器の前記液体排出口と前記熱交換器の前記液体供給口とを連結する液体流路、及び
前記熱交換器の前記気体排出口と前記凝縮器の前記気体供給口とを連結する気体流路
を備える熱輸送システム。
［１４］  ［１３］に記載の熱輸送システムを用いて行う、
熱輸送方法。
［１５］  前記熱交換器における高熱伝導領域の温度が、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点よりも高く、その温度差が１０℃以上である、［１４］に記載の熱輸送方法。
［１６］  前記熱交換器における前記高熱伝導領域の温度と、前記熱交換器内の圧力における前記液体の沸点との温度差が５０℃以下である、［１５］に記載の熱輸送方法。
［１７］  前記液体が水又はフッ素系溶媒である、［１４］〜［１６］のいずれか一項に記載の熱輸送方法。
［１８］  前記熱源が気体である、［１４］〜［１７］のいずれか一項に記載の熱輸送方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱交換器は、沸騰によって生ずる気泡を制御することができ、特にそのことによって、沸騰を促進し、熱源から熱媒体への熱伝達率を向上することができる。従って、好ましくは本発明の熱交換器の熱伝達率は、従来技術に比べて有意に高い。
【００１２】
上記のような本発明の熱交換機を用いる本発明の熱輸送システムは、極めて高い効率で熱媒の熱を他所に輸送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の熱交換器の構成の一例を説明するための概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の熱輸送システムの構成の一例を説明するための概略図である。
【図３】図３は、実施例及び比較例において用いた実験装置の概要を説明するための模式図である。
【図４】図４は、実施例において得られた、ストライプ状沸騰面における高熱伝導領域の幅と、熱伝達率ｈ（相対値）との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例３において、沸騰面上で沸騰により気泡が成長する様子を継時的に撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の熱交換器は、
熱源から液体への伝熱部材を介する伝熱によって液体を沸騰させて熱交換を行う熱交換器であって、
伝熱部材のうちの、液体と接触して液体を沸騰させる側の表面に、高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する。
【００１５】
以下、本発明の熱交換器について、その好ましい実施形態を例として説明する。
【００１６】
＜熱交換器＞
本実施形態の熱交換器は、熱源から、熱媒体である液体への伝熱部材を介する伝熱により、液体を沸騰させて熱交換を行う。本実施形態の熱交換器における伝熱部材は、液体と接触して液体を沸騰させる側の表面に、高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する。本明細書において、伝熱部材のうちの高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する表面領域を、以下、「沸騰面」として参照する。
【００１７】
［伝熱部材］
本実施形態の熱交換器における伝熱部材は、熱媒体である液体と接触して液体を沸騰させる側の表面に、沸騰面を有する。伝熱部材において、液体と接触する側の表面の全面積に対する沸騰面の面積が占める割合は、熱交換の効率をできるだけ高く維持しつつ、安定した沸騰を行うとの観点から、できるだけ高いことが望まれる。伝熱部材における液体と接触する側の表面の全面積に対する沸騰面の面積が占める割合は、例えば、８０％以上、９０％以上、又は９５％以上であってよく、１００％であってもよい。
【００１８】
伝熱部材は、液体と接触する側の表面に上記の沸騰面を有する他、その大きさ及び形状等は、熱交換器の規模、使用する熱源の性状等に応じて、適宜に設定されてよい。伝熱部材の形状は、例えば、円板状、管状等であってよい。
【００１９】
伝熱部材を構成する材料は、低熱伝導領域の部分を除いて、高熱伝導領域を構成する材料と同じであってよい。低熱伝導領域を構成する材料、及び高熱伝導領域を構成する材料については、後述する。
【００２０】
［沸騰面］
本実施形態の熱交換器における伝熱部材の沸騰面には、高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する。
【００２１】
（高熱伝導領域）
高熱伝導領域は、熱伝導率の高い、高熱伝導材料から構成されていてよい。高熱伝導領域材料の熱伝導率は、熱伝達率を高くすべき要請から、例えば、１００Ｗ／ｍＫ以上、２００Ｗ／ｍＫ以上、２５０Ｗ／ｍＫ以上、３００Ｗ／ｍＫ以上、又は３５０Ｗ／ｍＫ以上であってよい。一方でこの熱伝導率を過度に高くする必要はなく、熱伝導率が極めて高い材料は高価である。これらのことを考慮すると、高熱伝導材料の熱伝導率は、例えば、５，０００Ｗ／ｍＫ以下、３，０００Ｗ／ｍＫ以下、１，０００Ｗ／ｍＫ以下、５００Ｗ／ｍＫ以下、又は４００Ｗ／ｍＫ以下であってよい。
【００２２】
このような高熱伝導材料は、例えば、炭素系材料、金属、半金属等であってよい。炭素系材料は、例えば、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、人造黒鉛等であってよい。金属は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム等であってよく、例えば真鍮等の合金であってもよい。半金属は、例えば、シリコンであってよい。
【００２３】
本実施形態の熱交換器において、熱媒体である液体の沸騰によって発生する気泡の径は、高熱伝導領域のストライプの幅によって制御されると考えられる。従って、高熱伝導領域のストライプ幅としては、一定の径の気泡が安定して発生するような幅を選択して設定することが望まれる。
【００２４】
本実施形態では、高伝熱領域の幅の最適値を、表面張力と気泡の浮力との釣り合いに関するＦｒｉｔｚの式から推定することができる。即ち、熱媒体として用いる液体の表面張力σ、当該液体の沸騰面上における接触角θ、並びに当該液体の密度ρｌ及び当該液体が沸騰したときの気体の密度ρｇの値と、重力加速度ｇとを下記のＦｒｉｔｚの式に代入することにより、表面張力と釣り合う浮力を有する気泡の径、即ち、沸騰面からの離脱気泡直径ｄを推定することができる。
ｄ＝０．２０９θ・［σ／｛ｇ（ρｌ−ρｇ）｝］１／２
【００２５】
本実施形態の熱交換器では、沸騰面のストライプにおける高熱伝導領域の幅を、上記Ｆｒｉｔｚの式によって算出される離脱気泡直径ｄの値と等しい値、又はこれに近い値とすることにより、熱交換器の熱伝達率を極めて高いものとすることができる。
【００２６】
Ｆｒｉｔｚの式による離脱気泡直径ｄの値は、熱媒体として使用する液体の種類、沸騰面を構成する高熱伝導材料の種類、熱交換条件等によって変わるため、すべての場合に妥当する高熱伝導領域の幅の具体的な推奨範囲を提示することは困難である。
【００２７】
常圧で熱交換を行う場合、高熱伝導領域のストライプの幅は、例えば、１．０ｍｍ以上、１．２ｍｍ以上、１．４ｍｍ以上、１．６ｍｍ以上、又は１．８ｍｍ以上であってよく、例えば、１０．０ｍｍ以下、９．５ｍｍ以下、９．０ｍｍ以下、又は８．５ｍｍ以下であってよい。
【００２８】
沸騰潜熱を利用する熱交換器において一般的に使用される熱媒体、例えば、水、フッ素系溶媒等、を使用する場合、高熱伝導領域のストライプの幅を２．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下とすると、高い熱伝達率を示す。高熱伝導領域のストライプの幅は、例えば、２．６ｍｍ以上、２．７ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上、２．９ｍｍ以上、又は３．０ｍｍ以上であってよく、例えば、７．０ｍｍ以下、６．０ｍｍ以下、５．０ｍｍ以下、４．５ｍｍ以下、又は４．０ｍｍ以下であってよい。
【００２９】
本実施形態の熱交換器における沸騰面を構成する高熱伝導領域のストライプの幅は、高い熱伝達率で安定した沸騰を行い、これによって熱交換の効率をできるだけ高くするとの観点から、沸騰面の全部にわたって略同一であってよい。
【００３０】
（低熱伝導領域）
低熱伝導領域は、熱伝導率の低い低熱伝導材料から構成されていてよい。低熱伝導材料の熱伝導率は、高熱伝導材料の熱伝導率の１／５０以下、１／１００以下、又は１／２００以下であってよい。
【００３１】
低熱伝導材料の熱伝導率は、具体的には、例えば、１０Ｗ／ｍＫ以下、５Ｗ／ｍＫ以下、３Ｗ／ｍＫ以下、１Ｗ／ｍＫ以下、０．５Ｗ／ｍＫ以下、又は０．３Ｗ／ｍＫ以下であってよい。一方で、この値を過度に低くすると、低熱伝導領域の機械的強度が損なわれるおそれがあることから、低熱伝導材料の熱伝導率は、例えば、０．０２５Ｗ／ｍＫ以上、０．０３Ｗ／ｍＫ以上、０．０４Ｗ／ｍＫ以上、又は０．０５Ｗ／ｍＫ以上であってよい。
【００３２】
低熱伝導材料は、熱交換器内の圧力における、熱媒体として使用する液体の沸点又はこれを超える温度において使用される。従って、この温度において十分な耐久性を有することが望まれる。この観点から、低熱伝導材料の耐熱温度は、１２０℃以上又は１５０℃以上であることが好ましい。この値は、熱媒体として水を使用し、常圧において、過熱度を２０℃に設定して運転する場合を想定して算出した値である。
【００３３】
このような低い熱伝導率及び高度の耐熱性の双方を示す低熱伝導材料は、例えば、ガラス、金属又は半金属の酸化物、木材、天然樹脂、合成樹脂等であってよい。ガラスは、例えば、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等であってよい。金属又は半金属の酸化物は、例えば、水晶等であってよい。合成樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、シリコーン等であってよい。
【００３４】
本実施形態の熱交換器における低熱伝導領域のストライプの幅は、低熱伝導領域の熱伝達性と高熱伝導領域の熱伝達性との差を顕著なものとし、高熱伝導領域のストライプによる沸騰気泡径の制御を効率よく行うために、例えば、０．０１ｍｍ以上、０．０２ｍｍ以上、０．０４ｍｍ以上、０．０６ｍｍ以上、又は０．０８ｍｍ以上であってよい。一方で、低熱伝導領域のストライプの幅を過度に大きくすると、沸騰面全体としての熱伝達率が損なわれ、効率的な熱交換が困難になる場合がある。この観点から、低熱伝導領域のストライプ幅は、例えば、２．０ｍｍ以下、１．８ｍｍ以下、１．６ｍｍ以下、１．４ｍｍ以下、又は１．２ｍｍ以下であってよい。
【００３５】
一般的な熱媒体、例えば、水、フッ素系溶媒等、を使用する場合、低熱伝導領域のストライプの幅は、例えば、０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以上、又は０．３ｍｍ以上であってよく、例えば、１．０ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、又は０．６ｍｍ以下であってよい。
【００３６】
本実施形態の熱交換器における沸騰面を構成する低熱伝導領域のストライプの幅は、熱交換の効率をできるだけ高く維持しつつ、安定した沸騰を行うとの観点から、沸騰面の全部にわたって略同一であってよい。
【００３７】
沸騰面における低熱伝導領域は、低熱伝導領域の熱伝達性と高熱伝導領域の熱伝達性との差を顕著なものとする観点から、好ましくは、高熱伝導材料で構成されている伝熱部材中の沸騰面に埋め込まれた低熱伝導材料であることが望まれる。この観点から、低熱伝導領域における埋め込み深さは、伝熱部材における沸騰面からの距離として、例えば、０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以上、又は０．３ｍｍ以上であってよい。一方で、低熱伝導領域の深さを過度に大きくすると、沸騰面全体としての熱伝達率が損なわれ、効率的な熱交換が困難になる場合がある。この観点から、低熱伝導領域の深さは、例えば、１．０ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、又は０．６ｍｍ以下であってよい。
【００３８】
（沸騰面の形状）
沸騰面は、平滑な平面状であってもよいし、表面に溝若しくは凹凸又はこれらの双方を有する非平面であってもよい。沸騰面が、上記に説明したような高熱伝導領域及び低熱伝導領域からなるストライプ構造と、溝若しくは凹凸又はこれらの双方による非平面構造と、を併有するものである場合、両構造の効果が重畳的に発揮され、最大限に高い熱伝達率を示すことができる点で有利である。
【００３９】
［熱交換器のその他の構成要素］
本実施形態の熱交換器は、上記のような伝熱部材を具備するものである限り、その他の態様については公知の熱交換器と同様であってよい。
【００４０】
本実施形態の熱交換器は、例えば、
熱媒体である液体を沸騰面上に供給する液体供給口と、
液体を収容して沸騰させるための容器と、
液体の沸騰により発生した気体を容器から排出させる気体排出口と、
を有するものであってよい。
【００４１】
図１に、本実施形態の熱交換器の構成の一例を示した。図１（ａ）は熱交換器１００を鉛直面で切断した断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００４２】
図１の熱交換器１００は、伝熱部材１５と、液体供給口３０と、容器２０と、気体排出口４０と、を有する。本明細書において、「容器」とは、周囲を隔壁によって区画された室であってよく、又は周囲が明確に区画されていない空間部であってよい。
【００４３】
伝熱部材１５は、高熱伝導領域１１の材料中に低熱伝導領域１２が埋め込まれている構成を有する。このことにより、伝熱部材１５の液体５０と接触する側は、高熱伝導領域１１と低熱伝導領域１２とが交互にストライプ状に存在する沸騰面１０を構成している。
【００４４】
液体供給口３０は、熱媒体である液体を伝熱部材１５の沸騰面１０上に供給する。液体は、熱源（図示せず）からの伝熱部材１５を介する伝熱によって沸騰面１０上で沸騰し、沸騰面１０のストライプ構造によって径が制御された気泡５１を生ずる。気泡５１は、液体５０中を上昇し、容器２０の気相中で蒸気５２となり、気体排出口４０から排出される。
【００４５】
＜熱交換方法＞
本実施形態の熱交換方法は、上記に説明した本実施形態の熱交換器を用いて行われてよい。熱交換器における高熱伝導領域の温度は、熱交換器内の圧力における、熱媒体である液体の沸点よりも高く設定されてよい。高熱伝導領域の温度と、熱交換器内の圧力における液体の沸点との温度差は、例えば、１０℃以上、１５℃以上、又は２０℃以上であってよく、例えば、５０℃以下、４５℃以下、又は４０℃以下であってもよい。
【００４６】
熱媒体である液体は、例えば、水、フッ素系溶媒、アンモニア、アセトン、メタノール等であってよい。これらのうち、水又はフッ素系溶媒が好ましい。
【００４７】
熱源としては、気体、液体、若しくは固体、又はこれらのうちの２つ以上であってよい。気体としては、例えば、空気、水蒸気、アンモニア、フロン、二酸化炭素等を挙げることができる。液体としては、例えば、水、ブライン、オイル、ダウサムＡ（登録商標）等を挙げることができる。固体としては、例えば、ヒータ等を挙げることができる他、廃熱冷却のための空冷器等であってもよい。
【００４８】
本実施形態の熱交換方法における熱源としては、気体を使用してよい。
【００４９】
本実施形態における熱源としては、任意の気体を特別に加熱して用いてもよい。しかしながら、これまでに廃棄されていた熱を有効利用するとの観点から、熱源として、例えば、内燃機関から排出される排ガス、ボイラーから排出される排ガス、工場設備から排出される温水等を使用することが好ましい。特に内燃機関から排出される排ガスは、入手が容易であること、排出量が多いこと、温度が高いこと等から好適である。
【００５０】
本実施形態の熱交換方法において、熱源は、図１の熱交換器１００において、伝熱部材１５の、液体５０と接しない側の面と接触するように流通させてよい。これによって、熱源の熱を、伝熱部材１５を介して液体５０に伝達することができる。
【００５１】
＜熱輸送システム＞
本実施形態の熱輸送システムは、
上記に説明した本実施形態の熱交換器、
気体凝縮容器と、気体を気体凝縮容器に供給する気体供給口と、気体が凝縮した液体を気体凝縮容器から排出する液体排出口を備える、凝縮器、並びに
凝縮器の液体排出口と熱交換器の液体供給口とを連結する液体流路、及び
熱交換器の気体排出口と凝縮器の気体供給口とを連結する気体流路
を備える。
【００５２】
図２に、本実施形態の熱輸送システムの構成の一例を説明するための概略図を示した。
【００５３】
図２の熱輸送システム５００は、本実施形態の熱交換器１００、凝縮器２００、液体流路３２、及び気体流路４２を備える。
【００５４】
凝縮器２００は、気体凝縮容器２１０と、気体を気体凝縮容器２１０に供給する気体供給口４１と、気体が凝縮した液体を気体凝縮容器２１０から排出する液体排出口３１と、を備える。液体流路３２は、凝縮器２００の液体排出口３１と熱交換器１００の液体供給口３０とを連結する。気体流路４２は、熱交換器１００の気体排出口４０と凝縮器２００の気体供給口４１とを連結する。
【００５５】
＜熱輸送方法＞
本実施形態の熱輸送方法は、上記に説明した本実施形態の熱輸送システムを用い、熱交換器における高熱伝導領域の温度を、熱交換器内の圧力における、熱媒体である液体の沸点よりも１０〜５０℃高い温度に制御して行われてよい。熱交換器における高熱伝導領域の温度は、熱交換器内の圧力における、熱媒体である液体の沸点よりも、高い温度に設定されてよい。高熱伝導領域の温度と、熱交換器内の圧力における液体の沸点との温度差は、例えば、１０℃以上、１５℃以上、又は２０℃以上であってよく、例えば、５０℃以下、４５℃以下、又は４０℃以下であってもよい。
【００５６】
本実施形態の熱輸送方法において使用される熱媒体である液体、及び熱源については、熱交換反応について上述したところと同様であってよい。
【実施例】
【００５７】
本実施形態の熱交換器の効果を検証するために、熱交換器の沸騰面を模したプレートを有する実験装置を試作して、評価を行った。
【００５８】
実験装置の構成の概要を図３に示した。図３の実験装置は、底面プレート１及び蓋体２を有する水槽３と、沸騰面１０と、を有する。水槽３の内径は１００ｍｍであり、沸騰面１０の直径は４０ｍｍである。沸騰面１０は、ヒータ４に接続され、底面プレート１の水槽３内部側表面に露出している。ヒータ４は電源５によって稼働する。水槽３の内部には熱媒体である液体としての水６０が充填されており、水６０はヒータ４によって沸騰面１０を介して加熱されると、沸騰面１０上で沸騰して気泡６１を生ずる。
【００５９】
＜比較例１＞
沸騰面１０を銅の鏡面として、沸騰面１０の過熱度ΔＴｓａｔを３０℃に設定し、常圧下で沸騰実験を行った。
【００６０】
沸騰面１０の中心点から面に垂直な仮想直線を想定し、該仮想直線上に、沸騰面１０に接する点からの距離ｘが２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、及び８ｍｍとなる４点の測定点を設定した。これら４点の測定点の温度Ｔを測定して温度勾配ｄＴ／ｄｘの直線を求めた。得られた直線を用いて外挿法によって推定したｘ＝０の点の温度を、沸騰面１０の表面温度Ｔｗとした。
【００６１】
上記とは別に、水槽３内の水６０のバルク水温Ｔ∞を、２点の測定点における実測温度の平均値として求めた。
【００６２】
上記の値を用いて、下記数式によって計算により求めた熱伝達率ｈを、相対比較の基準値「１」とした。
ｈ＝ｑ／ΔＴ
ｑ＝−λｄＴｄｘ
λ：銅の熱伝導率、３９１Ｗ／ｍＫ
ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔ∞
【００６３】
過熱度ΔＴｓａｔは、沸騰面１０の表面温度Ｔｗと蒸気温度Ｔｓａｔとの差であり、下記数式によって算出される。
ΔＴｓａｔ＝Ｔｗ−Ｔｓａｔ
【００６４】
＜実施例１＞
直径４０ｍｍの銅板の片側表面に、フライスを用いて、幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、断面の形状が矩形の溝を、ピッチ２．０ｍｍのストライプ状に形成した。
【００６５】
上記で形成した溝内に、２液系の硬化型エポキシ樹脂を充填し、常温硬化及びポストキュアを順次に行って、幅１．５ｍｍの銅領域と幅０．５ｍｍのエポキシ樹脂領域とが交互にストライプ状に存在する沸騰面１０を形成した。このエポキシ樹脂領域におけるエポキシ樹脂の熱伝導率は０．１Ｗ／ｍＫであった。
【００６６】
上記の沸騰面１０を使用した他は、比較例１と同様に、沸騰面１０の過熱度ΔＴｓａｔを３０℃に設定して常圧下で沸騰実験を行い、熱伝達率ｈを求めた。得られた熱伝達率ｈは、比較例１における熱伝達率ｈに対する相対値として、０．６５であった。
【００６７】
＜実施例２〜７＞
形成するストライプ状の溝のピッチをそれぞれ表１に記載のとおりに変更した他は実施例１と同様にして、銅領域の幅が異なるストライプ状の沸騰面１０を形成した。
【００６８】
上記の沸騰面１０を使用した他は、比較例１と同様に、沸騰面１０の過熱度ΔＴｓａｔを３０℃に設定して常圧下で沸騰実験を行い、熱伝達率ｈを計算により求めた。得られた熱伝達率ｈの計算結果を、比較例１における熱伝達率ｈに対する相対値として、表１及び図４に示した。
【００６９】
【表１】
2018138853.tif 000003
【００７０】
図４には、Ｆｒｉｔｚの式から推定された離脱気泡直径ｄの値を合わせて示した。Ｆｒｉｔｚの式から推定された離脱気泡直径ｄは、極めて高い熱伝達率を示した実施例２及び３における高熱伝導領域の幅と、近い値であることが検証された。
【００７１】
上記実施例３において、沸騰面１０上で水の沸騰によって気泡が成長する様子を継時的に撮影した写真を図５に示した。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）の順に時間が経過して行き、各写真間の時間間隔は１０〜３０ミリ秒程度である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）を順番に参照すると、太い濃色の高熱伝導領域と細い淡色の低熱伝導領域とが交互にストライプ状に存在する沸騰面１０上で、濃淡を有する略円形に見える気泡が継時的に成長していく様子が理解できる。
【００７２】
図５（ａ）では、小径の気泡が多数生成している。図５（ａ）中には、径の大きな気泡も少数見受けられる。これらは、小径の気泡が複数合体したものであると考えられる。図５（ｂ）及び図５（ｃ）へと時間が経過すると、気泡の径は大きくなっている。これらの写真における気泡の径は、いずれも、高熱伝導領域の幅よりも小さい。この時点までは、気泡の径のばらつきは大きい。
【００７３】
図５（ｄ）に至ると、気泡の径は更に大きくなっている。しかしながら、径が高熱伝導領域の幅を超えて成長した気泡は見受けられず、気泡径の最大値が制御されており、気泡径のバラつきは小さいことが理解される。この気泡径の制御は、高熱伝導領域と低熱伝導領域とが交互に存在するストライプ状の沸騰面構造によるものと考えられる。
【００７４】
図５（ｄ）では、高熱伝導領域の幅と略同一の径を有する大きな気泡の他に、極めて小さい径の気泡も複数観察される。これらは、新たに生成した若い気泡であって、今後成長して行くものと考えられる。
【００７５】
図５を参照すると、本発明の熱交換器によって、気泡の発生位置、径、数、及び発生頻度を制御できることが理解される。更に、図４を参照すると、気泡についてこれらのパラメータを適切に制御することにより、熱交換の際の熱伝達率を向上できることが理解される。
【符号の説明】
【００７６】
１    底面プレート
２    蓋体
３    水槽
４    ヒータ
５    電源
１０    沸騰面
１１    高熱伝導領域
１２    低熱伝導領域
１５    伝熱部材
２０    容器
３０    液体供給口
３１    液体排出口
３２    液体流路
４０    気体排出口
４１    気体供給口
４２    気体流路
５０    液体
５１    気泡
５２    蒸気
６０    水
６１    気泡
１００    熱交換器
２００    凝縮器
２１０    基体凝縮容器
５００    熱輸送システム
【図１】
2018138853.tif 000004
【図２】
2018138853.tif 000005
【図３】
2018138853.tif 000006
【図４】
2018138853.tif 000007
【図５】
2018138853.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月22日(2018.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
上記の値を用いて、下記数式によって計算により求めた熱伝達率ｈを、相対比較の基準値「１」とした。
ｈ＝ｑ／ΔＴ
ｑ＝−λｄＴ／ｄｘ
λ：銅の熱伝導率、３９１Ｗ／ｍＫ
ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔ∞