(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するとともに、小型化を図る。【解決手段】蒸発器１は、加熱板２と被加熱板３とが交互に複数組配置されている。加熱板２には、高温ガス等の加熱媒体が通過する加熱媒体通路５が複数設けられ、加熱媒体通路５を流れる加熱媒体により加熱板２及び隣接する被加熱板３を加熱する。被加熱板３には、通路間隙ｄ２を有する被蒸発液体通路６が設けられている。また被加熱板３の被蒸発液体通路６側の面には、高さｄ１の畝状の凸部７が複数設けられている。凸部７の高さｄ１が通路間隙ｄ２より低く設定されているので、被蒸発液体から発生した気泡は、凸部７を越えて容易に成長することができるので、伝熱面に被蒸発液体の薄層が形成され、熱伝達効率を高めることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱面から離脱する気泡の直径より被蒸発液体の通路間隙が小さいマイクロチャネル型蒸発器において、
前記被蒸発液体の通路を構成する面に、前記通路間隙よりも低いフィンまたは凸部を設けたことを特徴とするマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項２】
前記フィンまたは凸部の高さを前記通路間隙の３０％以下に設定し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】
前記通路の液体入口部または蒸気出口部のフィンまたは凸部の高さを前記通路間隙の３０％以上に設定し、前記液体入口部または蒸気出口部以外の領域のフィンまたは凸部の高さを前記通路間隙の３０％以下に設定し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４】
前記フィンまたは凸部を前記通路の片面に設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項５】
前記通路が略水平に設置され、前記通路の重力方向下側の面に前記フィンまたは凸部を設けたことを特徴とする請求項４記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【請求項６】
前記通路の重力方向上側の面から加熱することを特徴とする請求項５記載のマイクロチャネル型蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロチャネル型蒸発器に係り、特に燃料改質型燃料電池に好適なマイクロチャネル型蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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熱交換器としては、コルゲートフィンを２枚の板状フィンで両側から挟み込んだ熱交換器が知られている（例えば特許文献１）。この従来技術によれば、各板状フィンは、コルゲートフィンに対向する面に多数の突起を備え、それぞれの突起がコルゲートフィンの凹部底部に当接し、各板部がコルゲートフィンの凸部に当接している。この構造により冷却器内側の伝熱媒体通路の通路間隔を０．２５［ｍｍ］程度まで狭めたマイクロチャネル型熱交換器を精度よく提供することができるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３２４８８４号公報（第４頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱交換器にあっては、内側媒体通路がそれぞれ独立しており、このような構造を蒸発器に適用しようとすれば、液体から発生した気泡が通路を閉塞して通路表面に被蒸発液体が供給されない領域が生じるために、蒸発器としての十分な熱交換性能が得られないという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、伝熱面から離脱する気泡の直径より被蒸発液体の通路間隙が小さいマイクロチャネル型蒸発器において、前記被蒸発液体の通路を構成する面に、前記通路間隙よりも低いフィンまたは凸部を設けたことを要旨とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、フィンまたは凸部の高さが通路間隔より低く設定されているので、被蒸発液体から発生した気泡がフィンまたは凸部を越えて広がることができ、被加熱液体の薄層（ｍｉｃｒｏｌａｙｅｒ）が常に伝熱面に供給され、伝熱面の全領域において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。
【０００９】
また、本発明によれば、マイクロチャネル型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。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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。
最初に、本発明で用いる「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。
【００１１】
離脱気泡直径は、同じ被蒸発液体として水を用いた場合でも、伝熱面の表面性状、過熱度によって異なる。具体的には、図９に示すように、例えば親水性が高い酸化チタン被膜（図中□表示）の伝熱面の場合には、０．８［ｍｍ］程度、疎水性が高いシリコーン樹脂被膜（図中◇表示）の伝熱面の場合には、２．５［ｍｍ］程度の離脱気泡直径を示しており、即ち、その直径以下の通路間隙を有する蒸発器がマイクロチャネル型蒸発器である。
【００１２】
図１は、本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器（以下、単に蒸発器と略す）の実施形態の構成を説明する図であり、図１（ａ）は、第１実施形態の蒸発器の構成を示す断面図、図１（ｂ）は、第１実施形態の蒸発器の要部断面図、図１（ｃ）は、第２実施形態の蒸発器の要部断面図である。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、第１実施形態の蒸発器１は、図中左から加熱板２と被加熱板３とが交互に複数組配置され、図中最も右側の加熱板２の右には、加熱板の加熱媒体通路５を閉じる終端板４が配置されている。
【００１４】
加熱板２には、高温ガス等の加熱媒体が通過する加熱媒体通路５が複数設けられ、加熱媒体通路５を流れる加熱媒体により加熱板２及び隣接する被加熱板３を加熱する。被加熱板３には、通路間隙ｄ２を有する被蒸発液体通路６が設けられている。また被加熱板３の被蒸発液体通路６側の面には、高さｄ１の畝状の凸部７が複数設けられている。
【００１５】
この凸部７により被蒸発流体通路６における被加熱板３と被蒸発流体との伝熱面積が増加するので、熱伝達特性が向上する。そして、通路間隙ｄ２より凸部の高さｄ１は低く設定されているので、被蒸発液体から発生する気泡は、凸部７を越えて広がることができ、常に被蒸発液体通路６を構成する伝熱面の表面には、途切れることなく被蒸発液体の薄層が存在してドライアウトすることがないので、伝熱面の全領域において高い熱流束を維持し、効率の高い蒸発器となる。
【００１６】
この蒸発器１において、通路間隙ｄ２に対する凸部７の高さｄ１の比：ｄ１／ｄ２は、後述するように３０％以下が望ましい。
【００１７】
図１（ｂ）は、第１実施形態の蒸発器１の重力方向に対する配置を示し、蒸発器１の被蒸発液体通路６を略水平に配置した例を示している。このように蒸発器１を略水平に配置する場合、被蒸発流体通路６の重力方向下側の伝熱面に凸部７を配置している。このように、重力方向下側の伝熱面に凸部７を配置することにより、被加熱液体通路６中に気泡が上側伝熱面、下側伝熱面のいずれから発生しても、気泡の浮力により重力方向上側の伝熱面に近接して気泡が成長するため、凸部７が気泡の成長を阻害することが最小限に抑制され、結果として高い熱交換性能が得られる。
【００１８】
また、図１（ｃ）の第２実施形態のように、上から順に加熱板２、被加熱板３、断熱層９、加熱板２、被加熱板３を積層して、被加熱板３の下側と加熱板２の上側の間に断熱板９を挟み込んで蒸発器１を構成してもよい。これにより、それぞれの被加熱板３の被蒸発液体通路６が重力方向上側からのみ加熱されるようになり、言い換えれば、上側からのみ熱流束８が加えられるので、被蒸発液体通路６の上側の伝熱面から気泡成長が始まり、凸部７が気泡成長を阻害することがより一層抑制され、更に熱交換性能を向上させることができるという効果がある。
【００１９】
次に、図２を参照して、第３、第４実施形態の蒸発器を説明する。
図２（ａ）は、第３実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、図２（ｂ）は同Ａ−Ａ断面図である。第３実施形態の蒸発器１は特に限定されないが水や液体燃料用の蒸発器である。この蒸発器１は、略正方形の浅い箱状をなし、その一辺（図中上辺）に被蒸発液体の入口である液体入口１０と、蒸気の出口である蒸気出口１１とが設けられている。
【００２０】
液体入口１０と蒸気出口１１とは、箱の内部へ続く仕切壁１２で仕切られている。仕切壁１２は、箱状の対辺（図中下辺）まで達することなく、約８０％の長さで途切れている。また、液体入口１０及び蒸気出口１１から内部へ向かって畝状の凸部７が複数並行に設けられている。これら凸部７の長さは、仕切壁１２の長さと同じとしてある。凸部７の底面からの高さは、下側伝熱面１３と上側伝熱面１４との間隔である通路間隙の３０％以下が望ましい。
【００２１】
この蒸発器１の液体入口１０から入った水は、凸部７により熱交換効率よく加熱されて気液混合の二相となり、折り返し部１５を経て完全に気化され、蒸気出口１１から蒸気として排出される。
【００２２】
図２（ｃ）は、第４実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、図２（ｄ）は同Ｂ−Ｂ断面図、図２（ｅ）は同Ｃ−Ｃ断面図である。第４実施形態の蒸発器１は、第３実施形態の蒸発器の凸部の高さをその位置により変化させたものである。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。
【００２３】
本実施形態における凸部は、液体入口部及び蒸気出口部で高さが通路間隙の３０％以上（本実施形態では、６０％）を越える７ｂの部分と、この部分を除く高さが通路間隙の３０％以下（本実施形態では２５％）とした７ａの部分からなる。即ち、液体入口１０に近い部分、及び蒸気出口１２に近い部分の凸部７ｂの高さを６０％とし、これ以外の凸部７ａの高さを通路間隙の２５％とした。
【００２４】
このように、凸部の位置でその高さを変えるのは、被蒸発流体入口部では、被蒸発流体は液相の単相のみであり、蒸気出口部では、被蒸発流体は気相の単相のみであるので、凸部７ｂの高さが通路間隙の３０％を越えても気泡成長を阻害することはないからである。このような液相または気相の単相領域では、凸部７ｂの高さが高いほど、熱交換面積が増加し伝熱性能が向上する。
【００２５】
しかしある程度蒸発器１の内部へ入ると、気液二相領域となり、凸部７ａが気泡成長を阻害しない方が伝熱性能が向上するので、凸部７ａの高さは、通路間隙の２５％とした。
【００２６】
次に、図３を参照して、第５、第６実施形態の蒸発器を説明する。
図３（ａ）は、第５実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、図３（ｂ）は同Ａ−Ａ断面図である。第５実施形態の蒸発器は、通路間隙を形成する両伝熱面にそれぞれ畝状の凸部を設けた点にある。その他の構成は、第３実施形態と同様である。
【００２７】
図３（ａ）、（ｂ）において、第５実施形態の蒸発器１は、下側伝熱面１３に畝状の凸部７ｄ、上側伝熱面１４に畝状の凸部７ｅをそれぞれ設けている。
【００２８】
このように、通路間隙を挟んで対向する両伝熱面の双方に凸部を設けても、伝熱面の片方に凸部を設ける場合と同様に、伝熱面積の拡大、底部と凸部との間のメニスカス効果による被蒸発液体の薄層形成の促進による熱伝達特性の向上という効果がある。
【００２９】
図３（ｃ）は、第６実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、図３（ｄ）は同Ｂ−Ｂ断面図である。第６実施形態の蒸発器は、図２（ａ）、（ｂ）に示した第３実施形態の蒸発器１を凸部７を設けた伝熱面１３を重力方向下側に配置したことに特徴がある。
【００３０】
このように、被蒸発流体通路６の重力方向で下側伝熱面に１３凸部７を配置したことにより、被加熱液体通路６中に気泡が上側伝熱面１４、下側伝熱面１３のいずれから発生しても、気泡の浮力により重力方向上側の凸部のない伝熱面に近接して気泡が成長するため、凸部７が気泡の成長を阻害することが最小限に抑制され、結果として高い熱交換性能が得られる。
【００３１】
次に、図４乃至図８を参照して、上記各実施形態における通路間隙に対する凸部またはフィンの高さの割合について説明する。
【００３２】
図４は、（１）通路間隙が０．５［ｍｍ］の平面伝熱板の場合（白の□印）、（２）通路間隙が０．５［ｍｍ］で凸部高さが０．１［ｍｍ］（通路間隙に対する凸部高さの比率：２０％）の溝付伝熱板の場合（黒の□印）、（３）通路間隙が０．２５［ｍｍ］の平面伝熱板の場合（白の△印）、（４）通路間隙が０．２５［ｍｍ］で凸部高さが０．１［ｍｍ］（通路間隙に対する凸部高さの比率：４０％）の溝付伝熱板の場合（黒の△印）のそれぞれの沸騰曲線を示す図である。これらの溝形状は、図５（ｂ）に示すように、被蒸発液体の通路底面から垂直に高さ１００［μｍ］、凸部の幅２００［μｍ］、凸部と凸部との間隔５００［μｍ］で溝を形成したものを溝付伝熱板とした。
【００３３】
図４において、凸部高さと通路間隙の比率が２０％の場合には、限界熱流束（ＣＨＦ）を含めた全ての過熱度の領域で、溝付伝熱板が平面伝熱板に対して熱伝達特性が向上している。しかし、凸部高さと通路間隙の比率が４０％の場合には、限界熱流束（ＣＨＦ）を含めた全ての過熱度の領域で溝付伝熱板が平面伝熱板に対して熱伝達特性が低下している。
【００３４】
図６は、上記の凸部高さと通路間隙の比率が２０％及び４０％の場合に加えて、凸部高さと通路間隙の比率を変化させて、平面伝熱面のＣＨＦに対する溝付伝熱面のＣＨＦを測定した結果を示す図である。同図に示すように、凸部高さと通路間隙との比率が３０％以下では、平面伝熱板に対して溝付伝熱板のＣＨＦが向上しているので、伝熱特性が向上するという効果がある。
【００３５】
また、凸部高さと通路間隙との比率が３０％以上では、平面伝熱板に対して溝付伝熱板のＣＨＦが低下する傾向にある。
【００３６】
しかしながら、特許文献１のような従来のマイクロチャネル型蒸発器では、各通路間隙が微小な部分に分割されていることより、凸部高さと通路間隙との比率が１００％に相当すると考えられるので、この従来技術に比べれば、凸部高さと通路間隙との比率が１００％未満の全領域で伝熱特性が向上するという効果がある。
【００３７】
次いで、凸部高さと通路間隙との比率により凸部による伝熱特性の効果が異なるメカニズムについて説明する。
【００３８】
図７は、凸部高さと通路間隙との比率が２０％の場合、図８は、凸部高さと通路間隙との比率が４０％の場合の、それぞれの平加熱面と溝付加熱面における沸騰の様相を石英ガラス板を介して高速度撮影した写真を元に描いた図である。
【００３９】
図７（ｂ）に示した比率が２０％の場合、平加熱面及び溝付加熱面共に、気泡は加熱面全体に広がっている様子が示されている。溝により気泡成長が阻害されることなく被蒸発液体の薄層が形成され、溝または凸部による伝熱面積の拡大、及び加熱面底部と凸部側面との間のメニスカス効果による薄層の形成が熱伝達特性の向上に寄与したものと考えられる。
【００４０】
一方、図８（ｂ）に示した比率が４０％の場合、溝付加熱面には、加熱面全体に広がる気泡の存在は見られない。この場合、通路間隙に対する凸部高さが４０％と比較的高いので、凸部により気泡成長が阻害され、被蒸発液体の薄層が加熱面全体に形成されず、また気泡成長が溝内に限られる。このため、気泡の溝方向への成長速度が速く、気泡内圧力がより高くなるため被蒸発液体が供給されにくいことにより、熱伝達特性が低下したと考えられる。
【００４１】
以上、好ましい実施の形態について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。被蒸発液体の通路間隙の形状寸法や、凸部またはフィンの形状寸法は、蒸発器の目的、被蒸発液体の種類、沸点、粘性、または蒸発器の容量等によって、適宜決めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の第１実施形態の構成を説明する断面図、（ｂ）は、第１実施形態の重力方向に対する配置を説明する要部断面図、（ｃ）は、第２実施形態の蒸発器の要部断面図である。
【図２】（ａ）は、第３実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、（ｂ）は、同Ａ−Ａ断面図、（ｃ）は、第４実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、（ｄ）は同Ｂ−Ｂ断面図、（ｅ）は同Ｃ−Ｃ断面図である。
【図３】（ａ）は、第５実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、（ｂ）は同Ａ−Ａ断面図、（ｃ）は、第６実施形態の蒸発器の構成を示す部分分解平面図、（ｄ）は同Ｂ−Ｂ断面図である。
【図４】通路間隙が０．５［ｍｍ］と通路間隙が０．２５［ｍｍ］における平面伝熱板の場合と、凸部高さが０．１［ｍｍ］の溝付伝熱板の場合の、それぞれの沸騰曲線を示す図である。
【図５】（ａ）平面加熱面の拡大図、（ｂ）同Ａ−Ａ断面図、（ｃ）垂直溝付加熱面の拡大図、（ｄ）同Ｂ−Ｂ断面図である。
【図６】凸部高さと通路間隙の比率を変化させて、平面伝熱面のＣＨＦに対する溝付伝熱面のＣＨＦを測定した結果を示す図である。
【図７】凸部高さと通路間隙との比率が２０％の場合の、平加熱面と溝付加熱面における沸騰の様相を示す図である。
【図８】凸部高さと通路間隙との比率が４０％の場合の、平加熱面と溝付加熱面における沸騰の様相を示す図である。
【図９】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。
【符号の説明】
１…蒸発器
２…加熱板
３…被加熱板
４…終端板
５…加熱媒体通路
６…被蒸発液体通路
７…凸部
８…熱流束
９…断熱層
ｄ１…凸部高さ
ｄ２…通路間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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