(57)【要約】【課題】高熱流束領域においても熱交換能力が低下しない蒸発器を提供する。【解決手段】蒸発器１は、１対の加熱板２の間に、１枚の中間板３が挿入されて、基本単位を構成している。中間板３は、中空で伝熱面側の開口部５及び下端開口部６を有する。伝熱面側の開口部５は、被蒸発液体の蒸気が中間板３から放出される開口部であり、加熱板２に面した位置に、多数の開口部５が形成されている。加熱板２と中間板３との間の空間には、圧力Ｐ１で被蒸発液体が供給される。中間板３の下端開口部６から被蒸発流体が圧力Ｐ２（＞Ｐ１）で、中間板３の中空部８へ注入される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱流体を蒸発させる蒸発器において、対向する伝熱面を形成する２枚の加熱板の間に、中空で且つ被加熱流体の上流及び伝熱面側に開口部を有する中間板を挿入したことを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
前記伝熱面側の開口部が伝熱面に占める割合を前記被加熱流体の下流方向に増加させたことを特徴とする請求項１記載の蒸発器。
【請求項３】
前記伝熱面側の開口部を前記被加熱流体の下流の領域に備えたことを特徴とする請求項１記載の蒸発器。
【請求項４】
前記中間板へ供給する被加熱流体の圧力を蒸発器の運転条件に応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の蒸発器。
【請求項５】
前記中間板の中空部、開口部及び伝熱表面に濡れ性改善の表面処理を施したことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の蒸発器。
【請求項６】
前記表面処理は、酸化チタン（ＴｉＯ２）膜を形成する処理であることを特徴とする請求項５記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸発器に係り、特に燃料改質型燃料電池に好適な蒸発器に関する。
【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】
車載用に小型化した蒸発器としては、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。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７８６７２８号（第３頁、第１図）
【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。
【０００７】
図７（ａ）は、平行平板型蒸発器における伝熱面間ギャップが狭い（太実線）場合と広い（細実線）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７（ａ）に示す様にある温度と熱流束の点で２本の実線が交差し、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。
【０００８】
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７（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。
【０００９】
また図７（ｃ）には、加熱熱流束と熱伝達率分布を示す。（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ：熱流束大）。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。
【００１０】
【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、被加熱流体を蒸発させる蒸発器において、対向する伝熱面を形成する２枚の加熱板の間に、中空で且つ被加熱流体の上流及び伝熱面側に開口部を有する中間板を挿入したことを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱面の全熱流束領域において、蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、蒸発器を小型化することができる。
【００１２】
【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。
図１は、本発明に係る蒸発器の一実施形態の構成を説明する図であり、図１（ａ）は、蒸発器の基本単位を示す要部断面図、図１（ｂ）は、蒸発器に用いる中間板の平面図である。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、蒸発器１は、１対の加熱板２の間に、１枚の中間板３が挿入されて、基本単位を構成している。実際の蒸発器は、この基本単位を複数積層して構成される。中間板３は、中空で伝熱面側の開口部５及び下端開口部６を有する。伝熱面側の開口部５は、被蒸発液体の蒸気が中間板３から放出される開口部であり、加熱板２に面した位置に、図１（ｂ）に示すように、多数の開口部５が形成されている。下端開口部６は、被蒸発流体が中間板３の中空部８へ注入されるための開口部である。
【００１４】
中間板３を挟んで対向する２枚の加熱板２は、高温ガスまたは発熱体により熱を供給され、中間板３と加熱板２との間の空間及び中間板３を加熱し、被蒸発液体に気化熱を与えて蒸発させる。
【００１５】
本発明の蒸発器によれば、加熱板の間に設けた中間板の中空部に被蒸発液体を供給して加熱、蒸発させることができるので、伝熱面の全熱流束領域において、蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、蒸発器を小型化することができる。
【００１６】
図２は、中間板３の詳細例を説明する図であり、図２（ａ）は、中間板３の開口部５の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢＢ線に沿う断面図である。中間板３は、板厚２００〔μｍ〕の例えばステンレス鋼板の両面から対称に直径３０〔μｍ〕の開口部５が縦横３５〔μｍ〕のピッチで、周知のフォトリソグラフィ技術により形成されている。フォトリソグラフィによるエッチング部分は、中間板３の表面から内部へ入るに従って直径が大きくなり、板厚の中央部分で最大径４５〔μｍ〕に達し、隣接する上下左右の孔と連通して、中空部８を形成している。エッチングされずに残った部分は、中空部８の形状を保持する柱７となる。
【００１７】
中間板３の中央部の連通する中空部８は、被蒸発液体を吸い上げる毛管現象が充分発生するように、寸法が設定されている。また中間板３の表面及び中空部の表面には、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の膜を形成するなど、濡れ性改善のための表面処理が施されている。中間板に濡れ性改善の表面処理を施すと、中間板の中空部に生じる毛管現象を促進して、中間板の下流部まで被蒸発液体を輸送し、熱伝達特性の良好な領域を拡大し、伝熱特性をさらに向上させることができる。
【００１８】
濡れ性向上の表面処理として、酸化チタン膜を形成する場合、中間板の材質が純チタンやチタン合金であれば、陽極酸化法により酸化チタン膜を形成することができる。中間板の材質がチタン系材質以外のステンレス鋼板等の場合には、パイロゾルプロセス（常圧ＣＶＤ）により、気相輸送したチタンの有機化合物（例えば、チタンテトライソプロポキシド）を熱分解することで酸化チタンを析出させ、中間板の表面に酸化チタン膜を形成することができる。
【００１９】
加熱板２と中間板３との空間及び中間板３の中空部８には、被蒸発液体が供給される。中間板３の中空部８に供給された被蒸発液体は毛管現象により下流に供給される。
【００２０】
図３は、中間板３の開口部５の配置例を示す図であり、図３（ａ）に示すように、伝熱面側の開口部の径を下流ほど拡大させた配置、または図３（ｂ）に示すように、伝熱面側の上流部には開口部がない（中央の中空部は有り）配置を用いることにより、高熱流束域でドライアウトが発生しやすい下流部で被蒸発液の供給が容易となる。
【００２１】
図４は、加熱板２と中間板３との間の空間へ被蒸発流体の供給圧力Ｐ１と、中間板３の中空部８への被蒸発流体の供給圧力Ｐ２とを異ならせ、その差圧ΔＰ（ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１）を蒸発器の負荷（または総熱流束）に応じて変化させる蒸発器システムの構成を示す構成図である。
【００２２】
図４において、蒸発器システムは、加熱板２の下流部に設けられた熱電対等の温度計４と、加熱板２と中間板３との間の空間に被蒸発液体を供給するポンプ１１と、中間板３の中空部に被蒸発液体を供給するポンプ１２と、被蒸発液体である燃料を貯蔵する燃料タンク１３と、温度計４が検出した温度と蒸発器に対する要求負荷に基づいてポンプ１１，１２を制御するコントロールユニット１０とを備えている。
【００２３】
コントロールユニット１０は、ポンプ１１，１２を制御して供給圧力Ｐ１，Ｐ２を以下のように制御する。蒸発器の負荷に対して、差圧ΔＰは、図５に示すように、負荷が一定値までは差圧ΔＰを０とし、Ｐ１とＰ２とは同じ圧力で供給する。しかし一定値を超えると、負荷と一定値との差に比例して、差圧ΔＰを増加させるように制御する。このような制御を行うことにより適正な被蒸発液体の供給が可能となる。
【００２４】
図６は、コントロールユニットによる被蒸発液体の供給圧力制御を説明するフローチャートである。まずステップＳ１０において、圧力Ｐ１，Ｐ２及び運転条件を入力する。次いで、ステップＳ１２で、圧力Ｐ１における被蒸発液体の飽和蒸気温度Ｔｓａｔを予め記憶したマップ等を参照して算出し、算出した飽和蒸気温度Ｔｓａｔに所定値（例えば１０〔℃〕）を加算した目標温度Ｔｔａｇと圧力差ΔＰ（ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１）を算出する。
【００２５】
次いでステップＳ１４で、温度計４の検出温度Ｔｏｕｔが目標温度Ｔｔａｇから所定の制御誤差範囲内（Ｔｔａｇ−α≦Ｔｏｕｔ≦Ｔｔａｇ＋α、αは例えば５〔℃〕）か否かを判定する。検出温度Ｔｏｕｔが目標温度Ｔｔａｇから所定の制御誤差範囲内であれば、何も変更せずに終了する。
【００２６】
ステップＳ１４の判定で、検出温度Ｔｏｕｔが目標温度Ｔｔａｇから所定の制御誤差範囲外であれば、ステップＳ１６で検出温度Ｔｏｕｔが低い方に外れているか否かを判定する。ステップＳ１６の判定がＮｏであれば、ステップＳ１８へ進んで、差圧ΔＰを増加するため、Ｐ２を上昇（又はＰ１を低下）させるようにポンプ１１，１２を制御する。ステップＳ１６の判定がＹｅｓであれば、ステップＳ２０へ進んで、差圧ΔＰを減少するため、Ｐ２を低下（又はＰ１を上昇）させるようにポンプ１１，１２を制御する。
【００２７】
このように蒸発器の運転条件に応じて中間板に供給する被蒸発液体の供給圧力を変化させることにより、常に熱伝達特性が高い状態を維持し、高効率で被蒸発液体を蒸発させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明に係る蒸発器の第１実施形態の構成を説明する要部断面図、（ｂ）第１実施形態における中間板の概略平面図である。
【図２】（ａ）第１実施形態における中間板の詳細を説明する平面図、（ｂ）同断面図である。
【図３】（ａ）中間板における開口部の配置例を示す平面図、（ｂ）中間板における開口部の他の配置例を示す平面図である。
【図４】蒸発器制御システムの構成図である。
【図５】蒸発器の負荷ｑに対する被蒸発流体の供給圧力差ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を説明する図である。
【図６】蒸発器に供給する被蒸発流体の圧力制御を説明するフローチャートである。
【図７】（ａ）蒸発器の間隙の大小による過熱度に対する熱流束を説明する図である。
（ｂ）蒸発管における流動、伝熱様式の変化を説明する図である。（ｃ）加熱熱流束と熱伝達率分布を説明する図である。
【符号の説明】
１…蒸発器
２…加熱板
３…中間板
４…温度計
５…開口部
６…下端開口部
７…柱
８…中空部
【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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