(57)【要約】【課題】液体の沸騰を起こし易くできる伝熱装置を提供する。【解決手段】伝熱装置１０が、液体に接する伝熱面１２を有し、その液体に対して伝熱面１２から熱を伝達させる伝熱部材１１と、複数の貫通孔１３ａを有するパンチングメタル材１３とを備え、パンチングメタル材１３が伝熱面１２と間隔をおいて対面して配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に接する伝熱面を有し、当該液体に対して前記伝熱面から熱を伝達させる伝熱部材と、
複数の貫通孔を有するパンチングメタル材とを備え、
前記パンチングメタル材が前記伝熱面と間隔をおいて対面して配置される伝熱装置。
【請求項２】
前記伝熱部材は、内部に熱媒体が流れる伝熱管であり、
前記伝熱管は、平滑管、又は、前記伝熱面にフィン構造を有するローフィン管、又は、前記伝熱面にリエントラント構造を有するリエントラント管である請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の伝熱装置が、容器の内部に貯留された、吸収液と冷媒液とが混合された前記液体中に配置され、前記冷媒液を前記伝熱装置の前記伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる満液式再生器。
【請求項４】
前記冷媒液は水であり、前記吸収液は臭化リチウム水溶液である請求項３に記載の満液式再生器。
【請求項５】
前記冷媒液はアンモニアであり、前記吸収液は水である請求項３に記載の満液式再生器。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の伝熱装置が、容器の内部に貯留された前記液体中に配置され、前記液体を前記伝熱装置の前記伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる蒸発器。
【請求項７】
前記液体は、水又はフロン又は炭化水素又はアンモニア又は二酸化炭素、或いは、それら液体の内の何れか二以上の混合物である請求項６に記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体に対して熱を伝達する伝熱装置、及び、冷媒液をその伝熱装置の伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる満液式再生器、及び、蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体に対して熱を伝達する装置、例えば、冷媒液を蒸発させる蒸発器が有する伝熱面の構造例として、円錐型、円柱型、リエントラント型などの微小空間が多数形成された構造がある。特に、伝熱面にリエントラント型構造の微小空間が形成された場合、その微小空間の内部では、形成された気泡核が安定して存在するという効果が大きくなる。但し、伝熱面にリエントラント型構造を形成するためには、複雑な加工が必要であり、コストアップの要因となる。
【０００３】
伝熱面にリエントラント型構造を形成せずに沸騰伝熱特性を良好にすることを目的とした伝熱装置が、以下の特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００４】
特許文献１（特開昭５７−１７２１９３号公報）には、伝熱面の表面に溝を形成し、複数の貫通孔を有する板状部材をその溝を覆うように伝熱面に接触して載置した伝熱装置が記載されている。また、発明の目的として、「伝熱面表面に非常に簡単な方法で従来より言われているリエントラント・キャビティ、つまりは内部が広く開口部が小さい微小空間を多数形成し、もって高性能な沸騰伝熱面を容易に提供することにある。」と記載されている。
【０００５】
特許文献２（特開昭６４−０６７５９１号公報）には、複数層の金網が、伝熱面と間隔をおいて対面して配置される伝熱装置が記載されている。金網の機能として、「金網（６），（７）は伝熱面（５）と金網（８）との間に気泡（１３）が存在できる適当な間隔を維持するとともに気泡核をトラップする役割も果たすことになる。」と記載されている。また、金網（８）のみでは効果が得られず、金網（６）または（７）が必要であることも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５７−１７２１９３号公報
【特許文献２】特開昭６４−０６７５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の伝熱装置は、溝と板状部材という二つの構造を組み合わせることで、内部が広く開口部が小さい微小空間（即ち、従来のリエントラント型構造と同じ構造）を形成することを特徴としている。つまり、リエントラント型構造の作成方法が従来と異なるだけであり、微小空間内の気泡核を安定して存在させるという機能はリエントラント型構造と同じであると考えられる。
【０００８】
特許文献２に記載の伝熱装置も、気泡核を安定して存在させるために複数層の金網を設けていることが記載されており、その機能はリエントラント型構造を採用した場合と同じであると考えられる。
尚、特許文献２に記載の伝熱装置では、複数層の金網を設けることが必要とされているため、構造が複雑になり、作製にも手間がかかるようになる。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体の沸騰を起こし易くできる伝熱装置及び満液式再生器及び蒸発器を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る伝熱装置の特徴構成は、液体に接する伝熱面を有し、当該液体に対して前記伝熱面から熱を伝達させる伝熱部材と、
複数の貫通孔を有するパンチングメタル材とを備え、
前記パンチングメタル材が前記伝熱面と間隔をおいて対面して配置される点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、パンチングメタル材が伝熱面と間隔をおいて対面して配置されるので、パンチングメタル材と伝熱面との間で、伝熱面に接する液体の流動が抑制される。その結果、伝熱面近傍の液体の過熱度を高めて沸騰を起こし易くすることができる。つまり、液体を沸騰させるための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。
【００１２】
本発明に係る伝熱装置の別の特徴構成は、前記伝熱部材は、内部に熱媒体が流れる伝熱管であり、
前記伝熱管は、平滑管、又は、前記伝熱面にフィン構造を有するローフィン管、又は、前記伝熱面にリエントラント構造を有するリエントラント管である点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、平滑管又はローフィン管又はリエントラント管を伝熱管（伝熱部材）として用いて伝熱装置を構成することができる。
【００１４】
本発明に係る満液式再生器の特徴構成は、上記伝熱装置が、容器の内部に貯留された、吸収液と冷媒液とが混合された前記液体中に配置され、前記冷媒液を前記伝熱装置の前記伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる点にある。
ここで、前記冷媒液として水を用い、前記吸収液として臭化リチウム水溶液を用いることもできる。
【００１５】
上記特徴構成によれば、満液式再生器を、吸収式冷凍機用の再生器に利用できる。また、吸収液を再生するための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。
【００１６】
本発明に係る蒸発器の特徴構成は、上記伝熱装置が、容器の内部に貯留された前記液体中に配置され、前記液体を前記伝熱装置の前記伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる点にある。
ここで、前記液体は、水又はフロン又は炭化水素又はアンモニア又は二酸化炭素、或いは、それら液体の内の何れか二以上の混合物であってもよい。
【００１７】
上記特徴構成によれば、上記伝熱装置を用いて、液体の沸騰が起こり易い蒸発器を提供できる。また、液体を沸騰させるための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】伝熱装置を備える満液式再生器の構成を示す図である。
【図２】伝熱装置を備える満液式再生器の断面図である。
【図３】伝熱装置の構造を説明する斜視図である。
【図４】熱流束と熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図５】別の伝熱装置の断面図である。
【図６】別の伝熱装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る伝熱装置１０及びそれを備えた満液式再生器１について説明する。
図１は、伝熱装置１０を備える満液式再生器１の構成を示す図である。図２は、伝熱装置１０を備える満液式再生器１の断面図である。図３は、伝熱装置１０の構造を説明する斜視図である。図示するように、満液式再生器１は、伝熱装置１０が、容器２の内部に貯留された、吸収液と冷媒液とが混合された液体（混合液３）中に配置された構造になっている。そして、満液式再生器１では、冷媒液を伝熱装置１０の伝熱面１２から伝達される熱によって蒸発させる。この満液式再生器１は、冷媒を凝縮させる凝縮器と、その凝縮器で凝縮した冷媒液を蒸発させる蒸発器と、その蒸発器で蒸発した冷媒を吸収液で吸収する吸収器と、吸収器で得られた混合液（吸収液＋冷媒液）から冷媒液を蒸発させることで吸収液及び冷媒を再生する再生器とを備える吸収式冷凍機の一部を構成する再生器として用いられる。例えば、冷媒液は水であり、吸収液は臭化リチウム水溶液である。
【００２０】
伝熱装置１０は、伝熱部材１１とパンチングメタル材１３とを備える。パンチングメタル材１３は、複数の貫通孔１３ａを有する。パンチングメタル材１３は伝熱面１２と間隔をおいて対面して配置される。伝熱部材１１は、液体（本実施形態では、吸収液と冷媒液とが混合された混合液３）に接する伝熱面１２を有し、その液体に対して伝熱面１２から熱を伝達させる。本実施形態では、伝熱部材１１は、内部に熱媒体Ｈが流れる伝熱管である。伝熱管の表面の伝熱面１２は凹凸の無い滑らかな形状に形成されている。つまり、本実施形態の伝熱管は平滑管である。
【００２１】
伝熱部材１１の内部を流れる熱媒体Ｈから、伝熱部材１１の表面の伝熱面１２に熱が伝達され、その熱が伝熱面１２で、吸収液と冷媒液とが混合された混合液３に伝達される。本実施形態では、パンチングメタル材１３は、ステンレスなどの金属製の筒状の部材に複数の貫通孔１３ａが形成された構造になっている。筒状のパンチングメタル材１３の内部空間に伝熱部材１１が配置されることで、パンチングメタル材１３が伝熱部材１１の伝熱面１２と間隔Ｄをおいて対面して位置する。つまり、パンチングメタル材１３と伝熱部材１１の伝熱面１２との間では、伝熱面１２に沿った二次元面内で混合液３は自由に流動できる。これに対して、伝熱面１２に垂直な方向には、パンチングメタル材１３の貫通孔１３ａを経由して混合液３は流動できる。このように、伝熱面１２から熱の伝達を受ける混合液３は、パンチングメタル材１３によってその流動が制限されている。
【００２２】
容器２の内部では、混合液３中に伝熱装置１０が浸かるようになっている。容器２の一端側には、容器２の内部へ混合液３が流入する流入口４が設けられ、容器２の他端側には、容器２の内部から混合液３が流出する流出口５が設けられる。そして、容器２の内部では、混合液３は、伝熱装置１０によって加熱されながら流入口４から流出口５の方へと流れる。つまり、容器２の内部では、吸収液と冷媒液とが混合された混合液３は、流入口４から流出口５へと流れる間に、伝熱装置１０の伝熱面１２から伝達される熱によって冷媒液が蒸発させられる。そして、流出口５からは、冷媒液が蒸発した後の混合液３が流出する。
【００２３】
図１及び図２に示す例では、満液式再生器１が３０本の伝熱装置１０を備える例を示しているが、満液式再生器１が備える伝熱装置１０の数は適宜設定可能である。また、３０本の伝熱装置１０が縦５列及び横６列で互いに平行に配置された例を示しているが、縦及び横の列数も適宜設定可能である。更に、隣り合う伝熱装置１０との間隔も適宜設定可能である。
【００２４】
図４は、プール沸騰実験により導出された、熱流束と熱伝達率との関係を示すグラフである。このプール沸騰実験では、満液式再生器１を模擬するために、図３に示した本実施形態の伝熱管（伝熱部材１１）を模擬した平滑板と、パンチングメタル材１３を模擬したパンチングプレートＡ〜Ｃとを、間隔Ｄ＝１ｍｍを空けて配置した。パンチングプレートＡ〜Ｃには、複数の貫通孔が千鳥配置で形成されている。各パンチングプレートＡ〜Ｃでの単位面積当たりの貫通孔の開口面積の割合を示す開口率は何れも４０％である。混合液として、臭化リチウム水溶液（濃度＝５５ｗｔ％）を用い、圧力＝６ｋＰａで測定を行った。
【００２５】
パンチングプレートＡは、金属製の板に、直径３ｍｍの貫通孔を４．５ｍｍのピッチ（即ち、隣り合う貫通孔の最小間隔は１．５ｍｍ）で配置したものである。パンチングプレートＢは、金属製の板に、直径１．５ｍｍの貫通孔を２．３ｍｍのピッチ（即ち、隣り合う貫通孔の最小間隔は０．８ｍｍ）で配置したものである。パンチングプレートＣは、金属製の板に、直径１ｍｍの貫通孔を１．５ｍｍのピッチ（即ち、隣り合う貫通孔の最小間隔は０．５ｍｍ）で配置したものである。
また、比較例として、パンチングプレートを配置していない例（即ち、平滑板のみ）を示す。
【００２６】
図４に示すように、パンチングプレートを配置していない比較例と比べて、パンチングプレートＡ〜Ｃを平滑板から間隔を空けて配置した場合は、熱流束が相対的に小さい範囲で熱伝達率が大幅に向上したことが分る。特に、図中に白丸印で示すパンチングプレートＡを配置した場合には、ほとんどの熱流束の範囲で熱伝達率が大幅に向上した。従って、図１〜図３に示した伝熱装置１０でも、パンチングメタル材１３を伝熱面１２から少し離した位置に設置することで、伝熱面１２の近傍における混合液３の流動が抑制され、それによって伝熱面１２の近傍の混合液３の過熱度が高まって沸騰が起こり易くなると考えられる。つまり、満液式再生器１に供給する熱媒体Ｈを加熱するための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。
【００２７】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、伝熱装置１０の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
例えば、伝熱装置１０に関して、伝熱管（伝熱部材１１）の表面の伝熱面１２が凹凸の無い滑らかな形状に形成されている場合、即ち、伝熱管が平滑管である場合を説明したが、伝熱管（伝熱部材１１）の表面形状は別の形状であってもよい。
図５及び図６は、別の伝熱装置１０の断面図である。具体的には、図５は、伝熱部材１１が、管の表面の伝熱面１２にフィン構造を有するローフィン管である場合の例である。図６は、伝熱部材１１が、管の表面の伝熱面１２にリエントラント構造を有するリエントラント管である場合の例である。このような構造の伝熱面１２を採用しても、上記実施形態で説明したような熱伝導率の向上効果の程度は変わるが、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、上記実施形態において、満液式再生器１を吸収式冷凍機用の再生器として用いる場合、アンモニアを冷媒液として用い、水を吸収液として用いてもよい。
【００２９】
更に、上記実施形態では、伝熱部材１１が、内部に熱媒体Ｈが流れる伝熱管である場合を説明したが、伝熱部材１１は、熱源からの熱を液体に伝達できる部材であれば、そのような管でなくてもよい。
【００３０】
上記実施形態では、伝熱装置１０を備える満液式再生器１を吸収式冷凍機用の再生器として用いる例を説明したが、伝熱装置１０を吸収式冷凍機用の再生器とは別の用途の熱交換器に利用してもよい。具体的には、上記伝熱装置１０が、容器の内部に貯留された液体中に配置され、その液体を伝熱装置１０の伝熱面１２から伝達される熱によって蒸発させるタイプの蒸発器（満液式の蒸発器）に利用できる。
【００３１】
例えば、上記伝熱装置１０を、上述した吸収式冷凍機用の蒸発器に用いることができる。この場合、伝熱装置１０を有する蒸発器は、吸収式冷凍サイクルを構成する凝縮器及び蒸発器及び吸収器及び再生器のうちの蒸発器として機能し、凝縮器で得られた冷媒液を蒸発させて、その蒸気を吸収器に供給する。
【００３２】
他にも、上記伝熱装置１０を、蒸気圧縮冷凍サイクル用の蒸発器に用いることができる。この場合、伝熱装置１０を有する蒸発器は、蒸気圧縮冷凍サイクルを構成する圧縮機及び凝縮器及び減圧器及び蒸発器のうちの蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させた上で圧縮機に供給する。また、蒸気圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒としては、水又はフロン又は炭化水素又はアンモニア又は二酸化炭素、或いは、それら冷媒の内の何れか二以上の混合物などを用いることができる。
【００３３】
他にも、上記伝熱装置１０を、ランキンサイクル用の蒸発器に用いることができる。この場合、伝熱装置１０を有する蒸発器は、作動流体（本発明の「液体」）を凝縮させる凝縮器と、その凝縮器で凝縮された作動流体を昇圧するポンプと、そのポンプで昇圧された作動流体を蒸発させる蒸発器と、その蒸発器で蒸発された作動流体を膨張させる膨張器とを備えるランキンサイクルの一部を構成する蒸発器として機能する。また、このランキンサイクルを相対的に低温の熱を用いて発電が行われるバイナリー発電に利用する場合であれば、ランキンサイクルを循環する作動流体としては、相対的に低沸点のフロン等や、上記蒸気圧縮冷凍サイクルに関して説明したのと同様の作動流体の混合物（例えば、フロン同士の混合物、炭化水素同士の混合物でも可）などが用いられ、このランキンサイクルを火力発電等に利用する場合であれば、ランキンサイクルを循環する作動流体としては水などが用いられる。
【００３４】
尚、上記伝熱装置を有する蒸発器の適用例を幾つか例示したが、単に水などの液体を加熱して蒸発させるボイラーなどにもその蒸発器を利用できる。
【００３５】
＜２＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、液体の沸騰を起こし易くできる伝熱装置及び満液式再生器及び蒸発器に利用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１  満液式再生器
２  容器
１０  伝熱装置
１１  伝熱部材
１２  伝熱面
１３  パンチングメタル材
１３ａ  貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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