(57)【要約】      （修正有）【課題】横置きで使用して熱交換の効率の良い蒸発器を提供する。【解決手段】蒸発器は、熱流体８が流れる熱流体管、及び熱流体管に隣接し、液相の蒸発流体９Ｌが一側から注入され、その蒸発流体が蒸発して生じる気相の蒸発流体９Ｇが他側から排出される蒸発流体管１ｂを備え、蒸発流体管１ｂは、熱流体８が流れる方向に接続する３以上の区画１ｂ１〜１ｂ５を有する。３以上の区画が、少なくとも１つの区画（例えば区画１ｂ２）を除いて、液相、気液混合相、及び気相の蒸発流体の２以上を含むことがなく、液相及び気相の蒸発流体のいずれかのみを含む。それにより、蒸発流体管１ｂに隣接する熱流体管を流れる熱流体８が流れる方向に交差する方向に関して、液相及び気相の蒸発流体のいずれかのみを含む区画１ｂ１，１ｂ３〜１ｂ５内の蒸発流体と一様に熱交換することとなり、熱交換の効率が向上する。【選択図】図５
0003208651.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
熱流体が流れる熱流体管と、
前記熱流体管に隣接し、液相の蒸発流体が一側から注入され、該蒸発流体が蒸発して生じる気相の蒸発流体が他側から排出される蒸発流体管と、を備え、
前記蒸発流体管は、前記一側から前記他側に向けて略水平であり、前記熱流体が流れる方向に隔壁によって区分された３以上の区画を有することを特徴とする、蒸発器。
【請求項２】
前記熱流体が流れる方向は、前記蒸発流体管の前記他端から前記一端に向かう方向であることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
前記蒸発流体管が有する３以上の区画のうち互いに隣接する２つの区画は、上側で接続することを特徴とする、請求項１又は２に記載の蒸発器。
【請求項４】
前記蒸発流体管が有する３以上の区画はのうち互いに隣接する２つの区画は、前記蒸発流体管の一側の区画の上側と前記蒸発流体管の他側の区画の下側とが接続することを特徴とする、請求項１又は２に記載の蒸発器。
【請求項５】
前記蒸発流体管は、前記３以上の区画のうちの前記一側の端に位置する区画の下側に液相の蒸発流体が注入される注入口を有し、前記他側の端に位置する区画の上側に気相の蒸発流体が注出される注出口を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸発器。
【請求項６】
前記３以上の区画のうちの前記他側の端に位置する区画は、気相の蒸発流体のみを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸発器。
【請求項７】
前記３以上の区画のうちの前記一側の端に位置する区画は、液相の蒸発流体のみを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の蒸発器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸発器は、熱流体の熱によって蒸発流体を気化させる熱交換器の１つであり、例えば火力発電、地熱発電等において火力、地熱等により加熱された熱流体の熱によって蒸発流体を気化させ、その気体（タービンに接触して凝縮しないよう気液転換温度よりも高温となったいわゆるスーパーヒート状態のもの）によりタービンを駆動することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このとき、蒸発流体が吸収する熱量は、液相の蒸発流体、気相の蒸発流体、液相から気相への変化途中（気化中）の気液混合相の蒸発流体の３つの状態でそれぞれ相違する。熱流体が部分的に３つの状態の一部のみの蒸発流体と熱交換すると、例えば熱流体の一部は液相の蒸発流体と熱交換し、別の一部は気液混合相の蒸発流体と熱交換し、また別の一部は気相の蒸発流体と熱交換すると、熱流体に温度ムラが生じて熱交換の効率が低下する。すなわち、熱流体の一部のいずれかが他の一部よりも少ない量の熱のみを蒸発流体に与えることとなり、熱交換を十分に行うことなく排出される。
【０００４】
ここで、蒸発器を縦置きにすれば、下方に液相、上方に気相、中間に気化中の蒸発流体が存在する。上下方向に熱流体を流すことで熱流体のいずれの部分も全ての状態の蒸発流体との熱交換を行うこととなり、温度ムラを回避することができる。しかし、蒸発器の長さだけの空間を縦方向に設けることは容易でない。蒸発器を横置きにする（例えば、特許文献２参照）ことが好まれている。しかし、横置きにして熱流体の温度ムラが生じない蒸発器は知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２１２５８７号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５５３１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
本考案は、横置きで使用して、熱交換の効率の良い蒸発器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本考案の蒸発器は、
熱流体が流れる熱流体管と、
前記熱流体管に隣接し、液相の蒸発流体が一側から注入され、該蒸発流体が蒸発して生じる気相の蒸発流体が他側から排出される蒸発流体管と、を備え、
前記蒸発流体管は、前記一側から前記他側に向けて略水平であり、前記熱流体が流れる方向に隔壁によって区分された３以上の区画を有することを特徴とする。
【０００８】
この特徴によれば、一側から注入される液相の蒸発流体が３以上の区画を順に満たして他側に向かって蒸発流体管を流れる。このとき、３以上の区画が、いずれも、液相、気液混合相、及び気相の蒸発流体のいずれか１のみを含む。熱流体は、全体が３以上の区画の全ての蒸発流体との間でほぼ一様に熱交換することとなる。熱流体の温度ムラが少なく、熱交換の効率が向上する。
【０００９】
本考案の蒸発器は、
前記熱流体が流れる方向は、前記蒸発流体管の前記他端から前記一端に向かう方向であることを特徴とする。
【００１０】
この特徴によれば、熱流体と蒸発流体とが逆向きに流れる。すなわち、熱交換器から注出直前の高温の蒸発流体が、熱交換器に注入直後の高温の熱流体との間で熱交換する。熱交換器から排出される蒸発流体をより高温にすることができる。
【００１１】
本考案の蒸発器は、
前記蒸発流体管が有する３以上の区画のうち互いに隣接する２つの区画は、上側で接続することを特徴とする。
【００１２】
この特徴によれば、蒸発流体が蒸発流体管を流れる際、蒸発流体は３以上の区画のうちの１つの区画内に満たされてその上側から隣の区画に移動する。蒸発流体が液相又は気相であれば加熱後の高温のものが、気液混合相であれば気体が、比重が小さいので上側にある。すなわち、加熱に従って順次に区画を移動する。
【００１３】
本考案の蒸発器は、
前記蒸発流体管が有する３以上の区画はのうち互いに隣接する２つの区画は、前記蒸発流体管の一側の区画の上側と前記蒸発流体管の他側の区画の下側とが接続することを特徴とする。
【００１４】
この特徴によれば、蒸発流体が蒸発流体管を流れる際、蒸発流体は３以上の区画のうちの１つの区画内に満たされてその上側から隣の区画の下側に移動する。移動する蒸発流体は、移動前の区画の蒸発流体よりも高温、移動後の区画の蒸発流体よりも低音なので、移動前の区画の上側と移動後の区画の下側とを接続することで、加熱に従った区画の順次の移動がより効率的となる。
【００１５】
本考案の蒸発器は、
前記蒸発流体管は、前記３以上の区画のうちの前記一側の端に位置する区画の下側に液相の蒸発流体が注入される注入口を有し、前記他側の端に位置する区画の上側に気相の蒸発流体が注出される注出口を有することを特徴とする。
【００１６】
この特徴によれば、加熱前の蒸発流体を一側の下側から注入し、加熱後の蒸発流体を他側の上側から注出することができる。蒸発流体管内における蒸発流体の流れに従った設計となる。
【００１７】
本考案の蒸発器は、
前記３以上の区画のうちの前記他側の端に位置する区画は、気相の蒸発流体のみを含むことを特徴とする。
【００１８】
この特徴によれば、注出直前の気相の蒸発流体を加熱する区画が、少なくとも１つ存在する。注出される蒸発流体が気液転換温度よりも高温となったいわゆるスーパーヒート状態となる。タービンを駆動するために好ましい。
【００１９】
なお、この構成は、熱流体の種類（化学成分）、蒸発流体の種類（化学成分）、注入する熱流体及び蒸発流体の量及び温度、熱流体と蒸発流体との間の熱交換量（例えば区画の数及び幅）を特定して設計することで実現可能である。一方、技術的思想としては、かかる特定のない一般的な本考案の蒸発器の使用方法であると解することもできる。
【００２０】
本考案の蒸発器は、
前記３以上の区画のうちの前記一側の端に位置する区画は、液相の蒸発流体のみを含むことを特徴とする。
【００２１】
この特徴によれば、注入直後の蒸発流体を気化前に加熱する区画が、少なくとも１つ存在する。気液混合相の蒸発流体を保持する区画に十分に高温の蒸発流体を送ることができる。
【考案の効果】
【００２２】
本考案の蒸発器によれば、横置きで使用して、熱交換の効率の良い蒸発器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、蒸発器の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、熱流体と蒸発流体との熱交換を示す図である。
【図３】図３は、蒸発流体管の構成を示す水平断面図である。
【図４】図４は、蒸発流体管の構成を示す垂直断面図である。
【図５】図５は、蒸発流体管に流れる蒸発流体を示す垂直断面図である。
【図６】図６は、熱流体管及び蒸発流体管にそれぞれ流れる熱流体及び蒸発流体の温度の変化を示す図である。
【考案を実施するための形態】
【００２４】
以下、本考案の一実施例について説明する。
【００２５】
図１に、本実施例に係る蒸発器１の構成を示す。蒸発器１は、熱流体８の熱によって蒸発流体９を気化させる器具であり、筒体２、内板３、及び隔壁３ａ，３ｂ（図３参照）を備える。これらは、一例として、アルミニウム製の板材を用いて構成することができる。
【００２６】
筒体２は、Ｙ軸方向の両側が開き、Ｚ軸方向を長手とする矩形状の断面を有する矩形筒である。ここで、筒体２は、−Ｘ側面２ａ及び＋Ｘ側面２ｂを有する。
【００２７】
内板３は、ＸＺ面内で凹凸を交互に繰り返して折り曲げられた板状部材である。内板３は、−Ｘ面を筒体２の−Ｘ側面２ａに対向し、ただし−Ｘ側面２ａから離間し、＋Ｘ面を筒体２の＋Ｘ側面２ｂに接合して筒体２内に配される。内板３により筒体２の内空間が二分され、筒体２の−Ｘ側面２ａと内板３とにより熱流体管１ａが形成され、筒体２の＋Ｘ側面２ｂと内板３とにより蒸発流体管１ｂが形成される。なお、図には蒸発流体管１ｂが３つとなるように描いているが、任意の数の蒸発流体管１ｂを形成するように内板３を折り曲げてよい。
【００２８】
熱流体管１ａに熱流体８を図中黒矢印の方向に流し、蒸発流体管１ｂに蒸発流体９を図中白矢印の方向に流し、内板３を介して熱流体８と蒸発流体９との間の熱交換を行う。熱流体８と蒸発流体９とが逆方向に流れるとしたが、同方向に流れるものとしてもよい。ただし、逆方向に流れることが好ましい。なお、複数の蒸発器１を図面左右方向に並べて配置し、熱流体８蒸発器１の間にも流して＋Ｘ側面２ｂを介して熱流体８と蒸発流体９との間の熱交換（蒸発流体９への加熱）を行うことを追加してもよい。
【００２９】
図２に、熱流体と蒸発流体との熱交換を示す。
【００３０】
図２（Ａ）は、蒸発器１を縦置きする場合のものである。図１における−Ｙ方向を上に配置する。蒸発流体９は、液相９Ｌが気相９Ｇよりも比重が大きく、液相９Ｌ及び気相９Ｇ内では低温のほうが比重が大きい。図に示すように、液相９Ｌが下に気相９Ｇが上になり、液相９Ｌ及び気相９Ｇ内では上に行くにしたがって高温になる。
【００３１】
熱流体８は、図の上から下に流れるが、図面左右方向に幅があり、別々の一部が流れる、説明のため、３つに分け、８Ａ、８Ｂ、８Ｃとする、熱流体８Ａ、８Ｂ、８Ｃは、いずれも、液相９Ｌ及び気相９Ｇの双方と熱交換し、熱交換する熱量は等しい。
【００３２】
図２（Ｂ）は、蒸発器１を横置きする場合のものである。図１における−Ｘ方向を上に配置する。蒸発流体９は、図に示すように、液相９Ｌが下に気相９Ｇが上になる。
【００３３】
熱流体８は、図の右から左に流れるが、図面上下方向に幅があり、別々の一部が流れる、説明のため、３つに分け、８Ａ、８Ｂ、８Ｃとする、熱流体８Ａは高温の気相９Ｇと熱交換し、熱流体８Ｂは低温の気相９Ｇと熱交換し、熱流体８Ｃは液相９Ｌと熱交換する。熱交換する熱量は等しくならない。液相９Ｌと熱交換する熱流体８Ｃが最大の熱量を蒸発流体９に与え、高温の気相９Ｇと熱交換する熱流体８Ａが最小の熱量を蒸発流体９に与える。
【００３４】
このように、熱流体８Ａ、８Ｂ、８Ｃの蒸発流体９に与える熱量が相違すると、熱交換の効率が低下する。熱流体８Ｃが必要とする熱量となるように熱流体８を予熱するが、熱流体８Ａ、８Ｂはそれだけの熱を蒸発流体９に与えず、高音のまま排出されてしまう。予熱に用いた熱量の一部が浪費されることとなる。
【００３５】
本考案は、上述した横置きの場合における熱交換の効率低下を、蒸発流体管の構成によって解決するものである。
【００３６】
図３に、蒸発流体管の構成を示す。図１のＡ−Ａ線による水平断面を示したものである。蒸発流体管１ｂは、内板３に設けられた隔壁３ａ，３ｂにより、５つの区画１ｂ１〜１ｂ５が形成されている。
【００３７】
隔壁３ａ，３ｂは、板状部材であり、蒸発流体管１ｂ内に一例として４組の隔壁３ａ，３ｂ及び１の隔壁３ａが配される。なお、隔壁３ａ，３ｂの数（区画の数）は任意に定めることができる。熱交換の効率を高めるためには多数であることが好ましい。
【００３８】
隔壁３ｂは、必ずしも設けなくともよい。その意義については後述する。
【００３９】
図４に、蒸発流体管の構成を別の視点から示す。図１のＢ−Ｂ線による垂直断面を示したものである。
【００４０】
隔壁３ａは、蒸発流体管１ｂの下面上に立設して上側を開け、隔壁３ｂは、蒸発流体管１ｂの上面から垂設して下側を開け、それらの内に区画１ｂ１〜１ｂ５が形成される。隔壁３ａ，３ｂにより、互いに隣接する２つの区画のうちの＋Ｙ側の区画の上側と−Ｙ側の区画の下側とを接続する。
【００４１】
＋Ｙ側の端に位置する区画１ｂ１の下側に、液相の蒸発流体９が注入される注入口５が設けられている。また、−Ｙ側の端に位置する区画１ｂ１の下側に、気相の蒸発流体９が注出される注出口６が設けられている。また、注入口５の外側には、ポンプ（非図示）が設けられ、蒸発流体９を図面右方から図面左方に流す圧力が加えられている。
【００４２】
図５に、蒸発流体管に流れる蒸発流体を示す。図４に蒸発流体８を加えて描いたものである。蒸発流体管１ｂは、ポンプにより、液相の蒸発流体９が＋Ｙ側の注入口５から注入され、その蒸発流体９が蒸発して生じる気相の蒸発流体９が−Ｙ側の注出口６から排出される。
【００４３】
蒸発流体９は、まず、液相で区画１ｂ１内に満たされ、加熱される。加熱されて高温となった蒸発流体９は区画１ｂ１内で上側に移動し、ポンプからの圧力によって隔壁３ａを越えて隣の区画１ｂ２に移動する。
【００４４】
区画１ｂ２内に移動した蒸発流体９は、加熱されて気化する。気化した蒸発流体９は、ポンプからの圧力によって隔壁３ａを越えて隣の区画１ｂ３に移動する。すなわち、区画１ｂ２に気液混合層の蒸発流体９が存することとなる。なお、２番目の区画１ｂ２において気化するものとしたが、いずれの区画で気化してもよい。蒸発流体９は、液相で区画１ｂ１内に満たされ、加熱されつつ区画を移動するので、液相で区画１ｂ１内に満たされる蒸発流体９の温度、蒸発流体９の比熱、熱流体８の温度、その他の要因によって定まるいずれか１つの区画で気化することとなる。いずれの区画で気化させるかを決定しておく必要はない。
【００４５】
蒸発流体９は、さらに、区画１ｂ３、区画１ｂ４において加熱され、加熱されて高温となった蒸発流体９が区画１ｂ３、区画１ｂ４内で上側に移動し、ポンプからの圧力によって隔壁３ａを越えて隣の区画１ｂ４、１ｂ５に移動する。
【００４６】
区画１ｂ５において加熱されて高温となった蒸発流体９が注出口６から排出される。
【００４７】
１の区画のみが気液混合相の蒸発流体９を含む。これに対して図面右方の区画は液相の、図面左方の区画は気相の蒸発流体を含む。多くの区画において、液相又は気相の蒸発流体のいずれかのみを含むこととなる。
【００４８】
ここで、隔壁３ａは、隣の区画に移動する蒸発流体９が高温のものであるようにする。隔壁３ｂは、隣の区画から移動してくる蒸発流体９がその区画では加熱前で最低温なので、下側に置くものである。流体の温度差に基づく比重差によって低温の流体は下側に移動するので、隔壁３ｂは必ずしも必要ではない。ポンプからの圧力の大小、流体の比重差の大小、その他によって、隣の区画から移動してくる蒸発流体９が加熱されずにさらに隣の区画に移動してしまうことがない場合には省略することもできる。
【００４９】
なお、区画の数を５としたが、３以上であれば任意でよい。以下、区画の数は本実施例では５であるが、本考案では５に限定されないので、「５の区画」を「３以上の区画」と記す。
【００５０】
上述の構成の蒸発流体管１ｂにおいて、３以上の区画のうち＋Ｙ側の端に位置する区画１ｂ１を液相の蒸発流体９により満たすことで、比較的低温の蒸発流体９を加熱して気化させることができる。また、−Ｙ側の端に位置する区画１ｂ５が気相の蒸発流体９を含むことで、区画１ｂ５において加熱されたスーパーヒート状態の蒸発流体９を排出することができる。
【００５１】
排出される蒸発流体９を高温にするためには、３以上の区画のうちの多くで気相の蒸発流体９に加熱することが望ましい。本実施例では１ｂ３〜１ｂ５の３つの区画で気相の蒸発流体９に加熱している。
【００５２】
３以上の区画１ｂ１〜１ｂ５の内の両端の区画１ｂ１，１ｂ５を除く少なくとも１つの区画（本実施例では区画１ｂ２）内のみで蒸発流体９が蒸発し、その区画内のみ気液混合相の蒸発流体９を含み、他の区画（本実施例では区画１ｂ１，１ｂ３〜１ｂ５）は液相又は気相の蒸発流体９のいずれかのみを含むこととなる。
【００５３】
蒸発流体９が熱流体８から受ける熱量（熱交換量）を検討する。液相又は気相のみの蒸発流体９を含む区画１ｂ１，１ｂ３〜１ｂ５において、熱交換量は、Ｚ位置（熱流体８の部分）に関しておおよそ一様である。低温の蒸発流体９である下側が、高温の蒸発流体である上側に比して若干多くの熱量を受けるが、１の区画内での蒸発流体９の温度差は小さく、熱交換量がおおよそ一様であると考えてよい。なお、区画の数を増やし、各々の区画の蒸発流体９の体積を小さくすれば一様性が増す。
【００５４】
気液混合相を含む区画１ｂ２については、蒸発前の液相部に多くの熱量（気化熱）を受ける。Ｚ位置（熱流体８の部分）に関して、液相と気相の境界部付近で多くの熱量を受ける。しかし、液相と気相の境界は、Ｚ位置に関して変動すると考えられ、また、内板３及び蒸発流体９の熱伝導により周辺からの熱量を受けることも考えられ、特定の１つのＺ位置のみで極めて多くの熱量を受けるものではない。
【００５５】
以上、区画１ｂ１〜１ｂ５の全体として、熱交換量は、Ｚ位置に依存して大きく変化するものではない。少なくとも、図２（Ｂ）に示した単純な横置きを比して一様性が高い。熱交換の効率の良い熱交換器となる。
【００５６】
図６に、熱流体管１ａ及び蒸発流体管１ｂにそれぞれ流れる熱流体８及び蒸発流体９の温度の変化を示す。
【００５７】
熱流体８は熱流体管１ａ内を＋Ｙ方向に流れ、隣接する蒸発流体管１ｂ内を流れる蒸発流体９と熱交換することで、位置Ｙに対しておよそ一様に温度を下げる。
【００５８】
これに対して、蒸発流体９は、蒸発流体管１ｂ内を、液相状態で＋Ｙ側から注入され、３以上の区画１ｂ１〜１ｂ５を順に満たして−Ｙ側に向かって流れつつ、隣接する熱流体管１ａ内を流れる熱流体８と熱交換することで温度を位置Ｙに対して、熱流体８との温度差、相の比熱の相違により、不均等に温度を上げる。なお、気液混合相を含む区画１ｂ２については、温度がほとんど変化しない。
【００５９】
以上詳細に説明したように、本実施例に係る蒸発器１は、熱流体８が流れる熱流体管１ａ、及び熱流体管１ａに隣接し、液相の蒸発流体９が一側から注入され、その蒸発流体９が蒸発して生じる気相の蒸発流体９が他側から排出される蒸発流体管１ｂを備え、蒸発流体管１ｂは、熱流体８が流れる方向に接続する３以上の区画１ｂ１〜１ｂ５を有する。これによれば、一側から注入される液相の蒸発流体９が３以上の区画１ｂ１〜１ｂ５を順に満たして他側に向かって蒸発流体管１ｂを流れる。このとき、３以上の区画１ｂ１〜１ｂ５が、少なくとも１つの区画（例えば区画１ｂ２）を除いて、液相、気液混合相、及び気相の蒸発流体の２以上を含むことがなく、液相及び気相の蒸発流体のいずれかのみを含むこととなる。それにより、蒸発流体管１ｂに隣接する熱流体管１ａを流れる熱流体８が、熱流体８が流れる方向に交差する方向に関して、蒸発流体９とほぼ一様に熱交換することとなり、熱交換の効率が向上する。蒸発器１を横置きにして、縦置きの場合とほぼ同等に熱交換効率が実現される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
横置きで使用して、熱交換の効率の良い蒸発器である。発電機関その他における利用が考えられる。
【符号の説明】
【００６１】
１    蒸発器
１ａ  熱流体管
１ｂ  蒸発流体管
１ｂ１〜１ｂ５  区画
２    筒体
２ａ  −Ｘ側面
２ｂ  ＋Ｘ側面
３    内板
３ａ  隔壁
３ｂ  隔壁
５    注入口
６    注出口
８    熱流体
９    蒸発流体
９Ｌ  蒸発流体（液相）
９Ｇ  蒸発流体（気相）
【図１】
0003208651.tif 000003
【図２】
0003208651.tif 000004
【図３】
0003208651.tif 000005
【図４】
0003208651.tif 000006
【図５】
0003208651.tif 000007
【図６】
0003208651.tif 000008