(57)【要約】【課題】  毛管圧力により十分な量の被蒸発液体を蒸発面に供給して濡れ性を改善した蒸発器を提供する。【解決手段】  離脱気泡の直径より狭い被蒸発液体の通路を有する蒸発器において、被蒸発液体を加熱する伝熱基板２の被蒸発液体側表面に溝３を設け、溝３と加熱表面とを連通する複数の開孔５を有する表皮４を伝熱基板の表面に接合面６で拡散接合する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
離脱気泡の直径より狭い被蒸発液体の通路を有する蒸発器において、
被蒸発液体を加熱する伝熱基板の被蒸発液体側表面に溝を設け、前記溝と加熱表面とを連通する複数の開孔を有する表皮を前記伝熱基板の前記表面に接合したことを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
前記溝は、被蒸発液体の流れに沿って設けられたことを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
被蒸発液体の流れの上流から下流に向かって前記溝の断面積を減少させたことを特徴とする請求項２に記載の蒸発器。
【請求項４】
前記被蒸発液体の流れに沿う溝同士を連通する溝を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸発器。
【請求項５】
伝熱基板に設けた溝の前記流れに直交する断面形状を末広がりまたは末狭まりと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項に記載の蒸発器。
【請求項６】
前記溝の断面形状を略円形としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の蒸発器。
【請求項７】
前記開孔の断面が鈍角により構成されるよう加工を施したことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の蒸発器。
【請求項８】
前記伝熱基板と前記表皮とを拡散接合にて一体化したことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の蒸発器。
【請求項９】
前記伝熱基板と前記表皮との表面に親水処理を施したことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被蒸発液体の通路が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型の蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より蒸発器の性能を向上させる方法には、大別して２つの方法がある。第１の方法はフィンチューブに見られるような伝熱面積の拡大による性能向上であり、第２の方法は加熱板の表面に設けた焼結粒子層のような沸騰伝熱機構から見た伝熱性能の向上である。
【０００３】
第２の方法の従来技術として、例えば蒸発器の被蒸発液側の加熱板の構造として、図１２に示すような多孔質伝熱面を用いたものがある（特許文献１）。
【０００４】
この多孔質伝熱面は、焼結粒子層１１と、焼結粒子層の表面上に、規則的な開孔１３を持った表皮１２により構成されている。伝熱壁１０の上には焼結粒子層１１を設け、更にそれを、多数の規則的な開孔１３が設けられた表皮１２で覆っている。この多孔質伝熱面を蒸発器に用いれば、表皮１２の開孔１３が焼結粒子層へ出入りする気泡及び沸騰液の抵抗となる。このため、気泡及び沸騰液の挙動に対して焼結粒子層１１内の圧力が支配因子として加わることになり、この圧力を介して気泡の成長、離脱と液の流入がリンクする。従って、気泡の放出量に応じて液の流入量が決まるというように、気液の流出入がセルフコントロールされるため、広い熱流束範囲で焼結粒子層１１内に薄い液膜が形成され、高い熱伝達率が得られるとしている。
【特許文献１】特公平５−０５９３５７号公報（第３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載のような構造の伝熱面を蒸発器の被蒸発液側に適用しようとすると、下記のような３つの問題点があった。
【０００６】
（１）空隙の断面積が均一でないので流体抵抗が大きく、毛管圧力による十分な被蒸発液体の質量輸送能力が得られない。
【０００７】
（２）表皮と焼結粒子、または伝熱壁と焼結粒子との十分な接触面積が確保されず、熱抵抗が大きい。
【０００８】
（３）開孔部を焼結粒子が塞いでしまう部位が存在し、液滴の取り込み及び焼結粒子部空隙からの蒸発など開孔部を介しての効率的な熱及び物質の移動が阻害される。
【０００９】
〔マイクロチャネルの定義〕
本発明では、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離脱気泡の直径がチャネル間隙と比較して大きい場合をマイクロチャネルと定義する。言い換えれば気泡が壁により離脱径より小さい段階で押しつぶされ気泡と加熱面間にマイクロレイヤを形成する場合をマイクロチャネルと定義する。
【００１０】
離脱気泡直径は表面性状、過熱度によって異なる。具体的には図７に示す様に、例えば親水性が高い酸化チタン皮膜の場合には０．８〔mm〕程度、疎水性が高いシリコーン皮膜場合には２．５〔mm〕程度の離脱気泡直径を示しており、すなわちその値以下がその加熱面におけるマイクロチャネルの寸法ということになる。
【００１１】
〔伝熱面における薄液膜形成の必要性〕
図８（ａ）は、平行平板型蒸発器における伝熱面同士の間隙が狭い（実線）場合と広い（破線）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８（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。
【００１２】
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８（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。
【００１３】
また図８（ｃ）には、蒸発管における加熱熱流束と熱伝達率分布を示す。図中Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順で熱流束が大きくなる。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。
【００１４】
図９は、高熱流束領域におけるマイクロチャネルの沸騰様相を示す模式図である。伝熱面１０１の図中下方（上流）から被蒸発液体１０６が供給され、蒸気１０７は上方（下流）から排出される。被蒸発液体１０６は、伝熱面１０１で加熱され、気液界面１０４より上方では、被蒸発液体は、噴霧流１０５となっている。
【００１５】
伝熱面１０１のウエット領域（ドライアウト位置より上流）１０２と噴霧流領域１０３との界面である気液界面１０４は、熱流束の増大に伴い下方（上流）に移動し、熱移動として効率的に利用できる伝熱面のウエット領域１０２は限られ、伝熱面全体での熱交換効率は低下する。熱交換効率を向上させるには、伝熱面中の熱伝達率の高いウエット領域１０２の比率を高める必要がある。
【００１６】
図１０は、（ａ）９〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｂ）１４〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｃ）１９〔ｋＷ／ｍ2 〕の各熱流束における沸騰の様子を撮影した写真を図式化したものである。図１０に示すように、熱流束の増大に伴い伝熱表面のぬれ面積が小さくなっている。すなわち伝熱表面のぬれ性を確保するには、熱流束を図１１（ａ）に示すように限界熱流束以下に制御するか、または伝熱表面のぬれ性を向上させ限界熱流束を図１１（ｂ）の実線から破線のように改善させるための構造、構成を提供する必要がある。本発明は、後者のアプローチで蒸発器の性能を向上させるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記問題点を解決するため、離脱気泡の直径より狭い被蒸発液体の通路を有する蒸発器において、被蒸発液体を加熱する伝熱基板の被蒸発液体側表面に溝を設け、前記溝と加熱表面とを連通する複数の開孔を有する表皮を前記伝熱基板の前記表面に接合したことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被蒸発液体の気液二相領域において、毛細管現象によって被蒸発液体が溝を伝って伝熱面下流まで供給され、この溝から孔を介して伝熱面表面に薄液膜が供給されるので、高い熱伝達率を維持することが可能となり、熱交換性能の向上により蒸発器のコンパクト化と蒸発器コア温度の均一化が図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に図面を参照して、本発明に係る蒸発器の実施例を詳細に説明する。尚、特に限定されないが本発明に係る蒸発器は、水や炭化水素系の原燃料を蒸発させて燃料電池用の燃料改質器に供給する蒸発器に好適なものである。
【実施例１】
【００２０】
図１は、本発明に係る蒸発器の実施例１を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。図１に示すように、本実施例における加熱板１は、溝３が形成された伝熱基板２と、複数の孔５を設けた表皮４とを接合面６で接合して構成される。伝熱基板２と表皮４とは、両者を接合面５で拡散接合したものである。
【００２１】
伝熱基板２の溝３の幅及び表皮４の孔５の直径は、被蒸発液体を水とした場合、蒸発器の温度（言い換えれば、蒸気圧力）にもよるが、それぞれ０．５〔mm〕以下、好ましくは、０．２〔mm〕〜０．３〔mm〕程度が毛管現象の効果を期待できると考えられる。また、孔５の経は、溝３の幅以下とすることが好ましい。
【００２２】
さらに、伝熱基板２及び表皮４の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用い、それぞれ溝３，孔５をエッチングにて形成した。
【００２３】
孔５は、好ましくは伝熱基板２の縦横の溝３が交わる位置に対応して設けられ、毛管圧力により溝３を介して上昇した薄液膜７を加熱表面へ浸透させ、また加熱表面上流からの液滴をトラップする。溝３に形成された薄液膜７は、表面張力により圧力が上昇し、その飽和蒸気温度は外部のそれと比較し高い。その結果、加熱表面の薄液膜が蒸発しても溝３の薄液膜７は維持され、加熱表面へ液を供給し薄液膜の形成を可能にする。
【００２４】
さらに、加熱板１の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。
【００２５】
また本発明においては、溝３は伝熱基板２に形成し、表皮４に孔５を設けたため、伝熱基板２と表皮４との拡散接合時の高温高圧状態においても、溝３、孔５の変形が抑制される。表皮４に溝と孔を形成した場合には、拡散接合時の高温高圧状態において変形を起こしてしまい、溝の形状が維持できないという問題が発生する。
【実施例２】
【００２６】
図２は、本発明に係る蒸発器の実施例２を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）Ａ−Ａ断面図である。本実施例は、被蒸発液体の流れ方向に沿って溝３を設けるとともに、上流から下流へ向かって順次溝３の断面積を減少させた例を示す。加熱板１を構成する伝熱基板２及び表皮４の材質、溝３及び孔５を形成する方法、伝熱基板２と表皮４との接合方法等は、実施例１と同様である。
【００２７】
本実施例では、被蒸発液体の上流側の（ｃ）Ａ−Ａ断面図に示す溝３の断面の大きさが同下流側の（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図に示す溝３の断面より大きくしてある。また孔５の大きさも溝３の大きさと対応させ、上流から下流へ行くに従って、孔５の大きさを小さくしている。
【００２８】
このような構成をとることにより、被蒸発液体上流側のより大きな溝断面によって、より多量の液膜を上昇させ、下流においても溝３の表面からの薄液膜７の分離を抑制し毛管圧力の維持を図ることが可能となる。
【実施例３】
【００２９】
図３は、本発明に係る蒸発器の実施例３を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図（ａ＜ｂ）、（ｃ）Ａ−Ａ断面図（ａ＞ｂ）である。本実施例は、伝熱基板２に設けた溝の断面形状を末広がり（図３（ｂ））または末狭まり（図３（ｃ））にした加熱板１を示す。加熱板１を構成する伝熱基板２及び表皮４の材質、溝３及び孔５を形成する方法、伝熱基板２と表皮４との接合方法等は、実施例１と同様である。
【００３０】
図３（ｂ）に示すように、溝底部の幅ｂを溝上部の幅ａより広くすることにより、伝熱基板２に設けた溝の断面形状を末広がりとした場合、伝熱基板２と表皮４との接触面積を維持しながら溝３の断面積の拡大が可能となり、伝熱基板２から表皮４への熱抵抗を小さく維持しながら、より多量の液膜の上昇を可能にすることができる。
【００３１】
また図３（ｃ）に示すように、溝底部の幅ｂを溝上部の幅ａより狭くすることにより、伝熱基板２に設けた溝の断面形状を末狭まりとした場合、伝熱基板２に溝３を形成するエッチングが容易となり、生産コスト低減が可能となる。
【実施例４】
【００３２】
図４は、本発明に係る蒸発器の実施例４を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）Ａ−Ａ断面図である。本実施例は、加熱板１に形成した溝３の断面形状を円形状にした実施例を示す。加熱板１を構成する伝熱基板２及び表皮４の材質、溝３及び孔５を形成する方法、伝熱基板２と表皮４との接合方法等は、実施例１と同様である。
【００３３】
本実施例では、溝３の被加熱液体の流れ方向に垂直な断面形状を円形とすることにより、溝表面に保持される被蒸発液体薄膜の厚さの均一性が改善され、より薄い液膜厚さまで薄液膜の溝からの分離を抑制し、毛管圧力の維持を図ることが可能となる。
【実施例５】
【００３４】
図５は、本発明に係る蒸発器の実施例５を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。本実施例は、被蒸発液体の流れ方向に沿って設けた溝である縦溝３ａを横溝３ｂで連通させた例を示す。加熱板１を構成する伝熱基板２及び表皮４の材質、溝３ａ、溝３ｂ及び孔５を形成する方法、伝熱基板２と表皮４との接合方法等は、実施例１と同様である。
【００３５】
図５の例では、縦溝３ａと横溝３ｂとが直交する加熱板１の例を示しているが、隣り合う縦溝３ａ間を連通する溝は、必ずしも縦溝３ａと直交する必要はなく、縦溝３ａに対して斜めに連通する溝でもよい。
【００３６】
本実施例によれば、被蒸発液体の流れ方向に沿って設けた溝である縦溝３ａを連通する横溝３ｂを設けたことにより、縦溝３ａにおける被蒸発液体の液膜のバラツキを補正し、限界熱流束の向上が可能となる。
【実施例６】
【００３７】
図６は、本発明に係る蒸発器の実施例６を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。本実施例は、溝と加熱表面とを結ぶ孔５を面取りして、孔５の断面が鈍角により構成されるよう加工を施した例を示す。このような構造とすることにより溝３から加熱表面への薄液膜７の浸透を促進し、限界熱流束の向上が可能となる。
【００３８】
以上述べた実施例１から実施例６の加熱板において、その溝と加熱表面とを結ぶ孔を有する表皮を拡散接合にて一体化することにより、鑞付けする場合の接合鑞詰まりによる溝及び孔の断面積の低下・変形を回避することが可能となる。
【００３９】
また、同様に実施例１から実施例６の加熱板において、その溝と孔の加工をエッチングとすることにより０．５〔mm〕以下の微細な形状とし、且つ酸化チタン等の親水処理を施すことにより、より大きな毛管圧力、加熱表面への浸透力を得ることが可能となり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る蒸発器の実施例１を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図２】本発明に係る蒸発器の実施例２を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）Ａ−Ａ断面図である。
【図３】本発明に係る蒸発器の実施例３を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図（ａ＜ｂ）、（ｃ）Ａ−Ａ断面図（ａ＞ｂ）である。
【図４】本発明に係る蒸発器の実施例４を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）Ａ−Ａ断面図である。
【図５】本発明に係る蒸発器の実施例５を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図６】本発明に係る蒸発器の実施例６を説明する加熱板１の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図７】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。
【図８】（ａ）マイクロチャネル型蒸発器の過熱度と熱流束の関係を説明する図、（ｂ）蒸発管における流動及び伝熱様式の変化を説明する図、（ｃ）加熱熱流束と熱伝達分布の関係を説明する図である。
【図９】高熱流束領域におけるマイクロチャネルの沸騰様相を説明する図である。
【図１０】（ａ）９〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｂ）１４〔ｋＷ／ｍ2 〕、（ｃ）１９〔ｋＷ／ｍ2 〕の各熱流束における沸騰の様子を撮影した写真を図式化したものである。
【図１１】（ａ）気液二相のクオリティに対する熱伝達係数、（ｂ）気液二相のクオリティに対する限界熱流束（ＣＨＦ）を示す図である。
【図１２】従来例の蒸発器用加熱面を説明する断面斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…加熱板
２…伝熱基板
３…溝
４…表皮
５…孔
６…接合面
７…薄液膜
８…面取り部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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