(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設け、前記低温流体通路の上方から液状の低温流体を流下させるとともに、前記高温流体通路にはガス状の高温流体を導入させ、両流体を前記仕切板を介して熱交換させることにより、前記低温流体を蒸発気化する蒸発器において、
前記低温流体通路の入側上方に、低温流体を均一に分配して前記低温流体通路に導入する細孔を備えた分散板を設け、かつその分散板直下に繊維構造のステンレスウールを配することを特徴とする分配性能に優れた蒸発器。
【請求項２】
仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設け、前記低温流体通路の上方から液状の低温流体を流下させるとともに、前記高温流体通路にはガス状の高温流体を導入させ、両流体を前記仕切板を介して熱交換させることにより、前記低温流体を蒸発気化する蒸発器において、
前記低温流体の入側上方に、低温流体を均一に分配させるスパージパイプを設け、かつそのスパージパイプ直下に繊維構造のステンレスウールを配することを特徴とする分配性能に優れた蒸発器。
【請求項３】
前記低温流体と前記高温流体の流動方式が向流型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分配性能に優れた蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を蒸発気化させるプロセスにおいて使用される蒸発器に関し、さらに詳しくは、水を蒸発気化させて過熱水蒸気を得るためのプロセスに使用することができ、液体の蒸発にともなう流量変動に対する分配性能に優れた蒸発器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸発器は、熱交換器、燃料電池装置および水素製造装置等、広い技術分野における産業機器において、各種液体を蒸発気化させるプロセスにおいて、多数採用されている。
【０００３】
液体を蒸発気化させるプロセスで使用される蒸発器においては、小スペースで優れた熱交換効率を有し、かつ過熱蒸気を安定して供給することが必要であることから、これらの要求に対応するためには、蒸発技術が重要な開発要素である。
【０００４】
蒸発器において、小スペースで優れた熱交換効率を有するためには蒸発器そのものを小型化し、かつ熱交換に必要な伝熱面積を確保する必要がある。一般的に、蒸発器を小型化するものの優れた熱交換効率を確保するには、プレートフィン型の熱交換器コアを設けるのが有効である。
【０００５】
図１は、プレートフィン型の熱交換器コアの基本構成を説明する図であり、（ａ）は流動方式が低温流体（白抜き矢印）と高温流体（黒抜き矢印）とが向流する向流型（カウンターフロータイプ）の構成を、同（ｂ）は流動方式が、両流体が直交する直交流型（クロスフロータイプ）の構成を示す。
【０００６】
熱交換器コア４は低温流体通路と高温流体通路を仕切る板状のチューブプレート１と、伝熱促進用のフィン２が交互に積層され、また、チューブプレート１の間隔を保ち、流路を密封するためのスペーサーバー３が両側面に並べられるのが基本構造である。
【０００７】
熱交換器コア４には、液状の低温流体（以下、単に「低温流体」と表記する。）とガス状の高温流体（以下、単に「高温流体」と表記する。）の熱交換器コア４における流動方式によって、種々の構成がある。通常、蒸発器の設計においては、流動流体の流動方式は向流型を採用することによって、優れた熱交換効率を確保することができる。
【０００８】
図１に示すように、プレートフィン型の熱交換器コア４では、低温流体と高温流体とが流路を仕切っているチューブプレート（仕切板）を介して熱交換を行うように構成されている。したがって、熱交換器コアは小スペースで広い伝熱面積を確保することが可能となり、蒸発器自体を小型化することが可能になる。
【０００９】
低温流体を蒸発気化させるプロセスで用いられる蒸発器では、低温流体と高温流体とが熱交換することによって低温流体通路内で低温流体が相変化を起こして蒸発気化する。したがって、低温流体通路内の低温流体は、液体と気体が混在する状態となり、多数の流動様式が存在することから、流量等に変動が生じ易い。
【００１０】
相変化する低温流体の交換熱量は、主として相変化に伴う潜熱によって支配される。したがって、蒸発器において優れた熱交換効率を確保する上では、相変化する低温流体を複数の流体通路に対して均一に分配することが必要となる。
【００１１】
前述の通り、蒸発器における低温流体は複雑な挙動を示し、流量等が変動し易いため、蒸発器においては低温流体の流量変動に対する分配性能を向上させることが重要となる。
【００１２】
通常、蒸発器においては、低温流体は熱交換器コアへ液体状態で分配されるため、低温流体の流量等の変動に対して、低温流体を均一に分配することが必要となる。しかし、低温流体は気体に比べると偏流し易いため、低温流体を蒸発器内部の複数の流体通路へ均一に分配することは困難である。
【００１３】
このため、従来から蒸発器内を流通する低温流体を均一に分配する手段が各種検討されており、例えば、分散板、スパージパイプおよびインジェクションチューブ等が具体的な効果を発揮することができる手段として提案されている。
【００１４】
図２は、従来から用いられている分散板の平面構成を示す図である。分散板５の平面には、低温流体の流通挙動に応じるように所定の寸法条件（ピッチ、孔径）で、低温流体を均一に分配して液状流体通路に導入する細孔５ａが設けられている。図２に示す分散板５を低温流体通路の入側に設けることによって、低温流体を均一に分配し流下させることができる。
【００１５】
図３は、従来から用いられているスパージパイプの部分構成を示す図である。図３に示すスパージパイプ６は、ヘッダータンク内に内蔵される。スパージパイプ６には低温流体を均一に分配して液状流体通路に導入する細孔６ａが設けられている。図３に示すスパージパイプ６を低温流体通路の入側に設けることによって、低温流体を均一に分配し流下させることができる。
【００１６】
さらに、特許文献１では、インジェクションチューブを設けたガス加湿器を提案している。特許文献１で提案される基本構成は、流通通路に蒸気源である液体を均一に散布するために、流通通路の上部に両側のチューブプレートに沿ってほぼ水平に挿入されたインジェクションチューブを配置するものであり、ヘッダー内の低温流体を均一に分配して低温流体通路に導入することができる。
【００１７】
ところが、従来から提案されている分配手段には、それぞれの問題がある。まず、前記図２に示す分散板を蒸発器に採用する場合に、低温流体通路の入側に分散板を設けるだけの簡易構造となるため、部品交換等のメンテナンス性に優れるとともに、製造コストは低廉であるが、低温流体の分配性能においては、他の分配手段であるインジェクションチューブ等に比較すると劣っているため、さらに改善の余地がある。
【００１８】
また、スパージパイプでは、前記図３に示すように、その基本構造はパイプ６に低温流体を均一に分配して液状流体通路に導入する細孔６ａを配置するものであり、低温流体の分配性能が向上するが、構成部品の構造が複雑となり、部品交換等のメンテナンス性を悪くさせるとともに、製造コストをアップさせる要因となる。
【００１９】
さらに、蒸発器にインジェクションチューブを採用する場合には、例えば、特許文献１で提案される基本構成のように、多数のインジェクションチューブをヘッダーに取り付けることが必要になる。このため、インジェクションチューブを採用する場合も、前記スパージパイプの採用と同様に、蒸発器における部品交換等のメンテナンス性を悪くさせるとともに、製造コストを大幅にアップさせる要因となる。
【００２０】
【特許文献１】特開２００４−５３１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述の通り、液状流体を蒸発させるプロセスで使用される蒸発器では、液状流体の流動変動に対する分配性能を向上させなければ、プレートフィンタイプの熱交換器コアが本来有する優れた熱交換効率を確保できない。優れた熱交換効率を確保するためには、従来よりもさらに液状流体の分配性能を向上させることが必要であるとともに、製造コストアップを最小限に抑えることが要求される。
【００２２】
本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、液状流体を蒸発気化させるプロセスに使用される場合であっても、簡易な構造でかつ液状流体の流動変動に対して分配性能に優れた蒸発器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明者らは、上述の課題を解決するため、従来から採用されている低温流体の分配手段における分配性能等を比較して、低温流体の流量変動に対する分配性能を向上させる方法に関して種々検討した。その結果、プレートフィンタイプの熱交換器コアを設けることを前提として、低温流体の入側上方に分散板またはスパージパイプを設け、かつ分散板直下またはスパージパイプ直下に繊維構造のステンレスウール（以下、単に「ステンレスウール」と表記する。）を配することによって、低温流体の流量変動に対する分配性能を向上させることができることを知見した。
【００２４】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（３）に記載する低温流体の流動変動に対する分配性能に優れた蒸発器を要旨としている。
【００２５】
（１）仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設け、前記低温流体通路の上方から低温流体を流下させるとともに、前記高温流体通路には高温流体を導入させ、両流体を前記仕切板を介して熱交換させることにより、前記低温流体を蒸発気化する蒸発器において、
前記低温流体通路の入側上方に、低温流体を均一に分配して前記低温流体通路に導入する細孔を備えた分散板を設け、かつその分散板直下にステンレスウールを配することを特徴とする分配性能に優れた蒸発器である。（以下、「第一の蒸発器」と表記する）
（２）仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを設け、前記低温流体通路の上方から低温流体を流下させるとともに、前記高温流体通路には高温流体を導入させ、両流体を前記仕切板を介して熱交換させることにより、前記低温流体を蒸発気化する蒸発器において、
前記低温流体の入側上方に低温流体を均一に分配させるスパージパイプを設け、かつそのスパージパイプ直下にステンレスウールを配することを特徴とする分配性能に優れた蒸発器である。（以下、「第二の蒸発器」と表記する）
（３）前記（１）および（２）に記載の蒸発器においては、前記低温流体と前記高温流体の流動方式は向流型であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の蒸発器によれば、多数積層したプレートフィンタイプの熱交換器コアを前提として、低温流体の入側上方に分散板またはスパージパイプを設けるとともに、分散板直下またはスパージパイプ直下に繊維構造のステンレスウールを配しているため、液状流体の流動変動に対して優れた分配性能を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の蒸発器は、例えば、熱交換器、燃料電池装置および水素製造装置等、各種液状流体を蒸発気化させるプロセスにおいて使用される。このため、小スペースで安定して優れた熱交換効率を発揮できるように、低温流体通路と高温流体通路との熱交換部に多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアを採用している。
【００２８】
本発明の「第一の蒸発器」では、後述する図４（ａ）に示すように、まず、熱交換器コアの低温流体の入側に分散板を設けることによって低温流体を分流する。さらに、前記低温流体は分散板直下にステンレスウールを配することによって均一に分配される。
【００２９】
分散板とステンレスウールを併用する構造を採用することによって、分散板の分流作用に加えて、ステンレスウールの分流作用が加わるため、分配性能が向上する。さらに、ステンレスウールを配する部位では低温流体に適度な圧力損失が与えられるため、低温流体の流動変動に対して優れた特性を示す。
【００３０】
また、分散板直下にステンレスウールを配することにより、低温流体の分配性能を向上させるだけではなく、蒸発器の初期起動時における熱交換器コアに発生する熱衝撃を緩和するという効果も得られる。さらに、低温流体が均一に分配されることによって、蒸発器において発生する振動および異音が抑制され、機械寿命が長くなるとともに、作業環境が改善されるという効果も期待できる。
【００３１】
本発明で採用するステンレスウールは、繊維構造とすることが可能であり、耐熱性および耐食性に優れているステンレス系の材料であればよく、その材質を特に限定するものではないが、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等が望ましい。
【００３２】
本発明の「第二の蒸発器」では、前記「第一の蒸発器」における分散板をスパージパイプに置き換えた構成を採用している。
【００３３】
分散板をスパージパイプに置き換えることによっても、前述した「第一の蒸発器」と同様に低温流体の流動変動に対して優れた分配特性を示す。
【００３４】
本発明の蒸発器においては、低温流体の入側に繊維構造のステンレスウールを配するだけでも流動変動に対する分配性能を向上させる効果があるが、分散板またはスパージパイプと併用することによってさらに優れた分配性能を有するため、上記分散板またはスパージパイプと併用することが望ましい。
【００３５】
本発明の蒸発器における分配性能の向上手段は、低温流体を分配するための構成部品における低温流体の出側にステンレスウールを配するだけの簡易構造であるため、前記分散板およびスパージパイプだけでなく、低温流体を分配するための他の構成部品と組み合わせて使用することが可能である。
【００３６】
また、本発明の蒸発器における低温流体と高温流体の流動方式は特に限定するものではないが、熱交換効率に優れている向流型を用いることが望ましい。
【００３７】
さらに、本発明の蒸発器で採用しているプレートフィンタイプの熱交換器コアは、コルゲートフィンのタイプに液案内および液分配性能に優れたセレート型を用いてもよい。
【実施例】
【００３８】
本発明の蒸発器の具体的構成を分散板とステンレスウールとを組み合わせた場合について、図面に基づいて説明する。
【００３９】
図４は、実施例で用いた蒸発器の構造を説明する図であり、同（ａ）は蒸発器の全体構成を示し、同（ｂ）はステンレスウールを低温流体通路の入側に配置した状態を、同（ｃ）は熱交換器コアにおける低温流体通路の構成と低温流体の流れ方向を、同（ｄ）は熱交換器コアにおける高温流体通路の構成と高温流体の流れ方向を示している。
【００４０】
図４に示す蒸発器は、上下方向に低温流体通路が配置され、低温流体Ｌｉは熱交換コアの入側より供給され、上方から下方に流下し、過熱された低温流体Ｌｏとして熱交換器コアの出側から排出される。この低温流体が流下する方向に直交する左右方向に高温流体の入口および出口が配置され、高温流体Ｈｉは入側ディストリビュータを介して熱交換器コアの下方から導入され、低温流体と熱交換を行いながら熱交換器コア内を流通し、出側ディストリビュータを介して熱交換器出側から高温流体Ｈｏとして排出される。
【００４１】
図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、熱交換器内では低温流体と高温流体が対向して流通し、向流型を形成する。そして、蒸発器の中心部には、仕切板を介して低温流体通路と高温流体通路とが交互に隣接し積層配置されて、熱交換器コア４が構成される。
【００４２】
熱交換器コア４の上方には液溜まり容器７が設けられ、低温流体Ｌｉは分散板５を介してヘッダー８に流入する。ヘッダー８に流入した低温流体Ｌｉは図４（ｂ）に示すようにヘッダー８内に配したステンレスウール９を介することによって適度な圧力損失が与えられ、さらに均一に分配されて低温流体通路を流通する。
【００４３】
低温流体通路に流通した前記低温流体Ｌｉは前記低温流体通路において高温流体Ｈｉと熱交換を行い、蒸発気化されてガス状の低温流体Ｌｏとなって蒸発器の系外に搬出される。
【００４４】
蒸発器の初期起動時において、低温流体Ｌｉが熱交換器コアに流入する際には、熱交換コアの入り口に低温流体Ｌｉと高温流体Ｈｏとの温度差に起因する熱衝撃が加わる。本発明における蒸発器では、熱交換器コアのヘッダーにステンレスウールを配していることから、熱衝撃はステンレスウールで吸収されることとなる。ステンレスウールは繊維構造であるため熱衝撃に対する緩衝材として機能し、熱交換器コアに加わる熱衝撃を緩和することができる。
【００４５】
また、ヘッダーと分散板および液溜まり容器と分散板はそれぞれ取り外し可能な構造であるため、分散板およびステンレスウールは容易に交換可能である。
【００４６】
さらに、本実施例によって、低温流体の流動変動に対する分配性能を向上させること、および蒸発器において初期起動時に発生する熱衝撃を緩和することが確認できた。同時に、本発明の蒸発器によれば、部品交換等のメンテナンス性に優れるとともに製造コストを抑制できることも明らかになる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の蒸発器は低温流体を均一に分配するため、分散板またはスパージパイプ若しくはステンレスウールを併用する構造を採用しているため、低温流体の流動変動に対する分配性能に優れている。したがって、各種低温流体を蒸発させるプロセスにおいて使用される蒸発器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】プレートフィン型の熱交換器コアの基本構成を説明する図であり、同（ａ）は向流型（カウンターフロータイプ）の構成を、同（ｂ）は直交流型（クロスフロータイプ）の構成を示す。
【図２】従来から用いられている分散板の平面構成を示す図である。
【図３】従来から用いられているスパージパイプの部分構成を示す図である。
【図４】実施例で用いた蒸発器の構造を説明する図であり、同（ａ）は蒸発器の全体構成を示し、同（ｂ）はステンレスウールを低温流体通路の入側に配置した状態を、同（ｃ）は熱交換器コアにおける低温流体通路の構成と低温流体の流れ方向を、同（ｄ）は熱交換器コアにおける高温流体通路の構成と高温流体の流れ方向を示している。
【符号の説明】
【００４９】
１：チューブプレート、２：フィン
３：スぺーサーバー、４：熱交換器コア
５：分散板、６：スパージパイプ
７：液溜まり容器、８： ヘッダー
９：ステンレスウール 
４a：流体通路、５ａ：細孔
６ａ：細孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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