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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024064242
(43)【公開日】2024-05-14
(54)【発明の名称】蒸気発生器
(51)【国際特許分類】
F22B 1/02 20060101AFI20240507BHJP
F24H 1/10 20220101ALI20240507BHJP
F22B 3/00 20060101ALI20240507BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240507BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240507BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240507BHJP
C25B 15/02 20210101ALI20240507BHJP
【ＦＩ】
F22B1/02 Z
F24H1/10 N
F22B3/00
C25B15/08 302
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B15/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022172686
(22)【出願日】2022-10-27
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100160691
【弁理士】
【氏名又は名称】田邊 淳也
(74)【代理人】
【識別番号】100182718
【弁理士】
【氏名又は名称】木崎 誠司
(72)【発明者】
【氏名】若杉 知寿
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC01
4K021CA08
4K021DB04
4K021DB40
4K021DB43
4K021DB53
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】沸点よりも少し高い低温熱源を用いた上で、蒸気を安定的かつ高応答に生成する。
【解決手段】蒸気発生器は、流体が流通する第１流路と、第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、第１流路の上流側に配置される第２流路と、第２流路内に形成され、第２流路の一部分の断面積を前記第１流路の断面積よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、第１流路内および第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】蒸気発生器は、流体が流通する第１流路と、第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、第１流路の上流側に配置される第２流路と、第２流路内に形成され、第２流路の一部分の断面積を前記第１流路の断面積よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、第１流路内および第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
蒸気発生器であって、
流体が流通する第１流路と、前記第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、
前記第１流路の上流側に配置される第２流路と、前記第２流路内に形成され、前記第２流路の一部分の断面積を前記第１流路の断面積よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、
前記第１流路内および前記第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、
を備える、蒸気発生器。
流体が流通する第１流路と、前記第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、
前記第１流路の上流側に配置される第２流路と、前記第２流路内に形成され、前記第２流路の一部分の断面積を前記第１流路の断面積よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、
前記第１流路内および前記第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、
を備える、蒸気発生器。
【請求項2】
請求項１に記載の蒸気発生器であって、
前記噴霧化部は、上流側から下流側に向かって、前記第２流路の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部と、前記傾斜部の下流側端部から下流側に向けて流通する流体が前記第１流路の内周部と接触しないように、前記傾斜部の下流側端部と前記内周部との間に形成される段差部とを有している、蒸気発生器。
前記噴霧化部は、上流側から下流側に向かって、前記第２流路の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部と、前記傾斜部の下流側端部から下流側に向けて流通する流体が前記第１流路の内周部と接触しないように、前記傾斜部の下流側端部と前記内周部との間に形成される段差部とを有している、蒸気発生器。
【請求項3】
請求項２に記載の蒸気発生器であって、
前記構造物は、前記内周部との間に螺旋状の流路を形成する流路形成部材である、蒸気発生器。
前記構造物は、前記内周部との間に螺旋状の流路を形成する流路形成部材である、蒸気発生器。
【請求項4】
請求項３に記載の蒸気発生器であって、
前記流路形成部材は、
前記内周部との間に、第１の方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第１流路形成部と、
前記第１流路形成部の下流側に接続されて、前記内周部との間に、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第２流路形成部と、を有する、蒸気発生器。
前記流路形成部材は、
前記内周部との間に、第１の方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第１流路形成部と、
前記第１流路形成部の下流側に接続されて、前記内周部との間に、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第２流路形成部と、を有する、蒸気発生器。
【請求項5】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、さらに、
前記第１流路内および前記第２流路内において、環状流から噴霧流へと変化する境界における液体と蒸気との合計の流量に対する蒸気の流量の割合を算出する算出部と、
前記噴霧化部が前記境界よりも上流側に位置するように、前記算出部により算出される前記割合を用いて、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する前記流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
前記第１流路内および前記第２流路内において、環状流から噴霧流へと変化する境界における液体と蒸気との合計の流量に対する蒸気の流量の割合を算出する算出部と、
前記噴霧化部が前記境界よりも上流側に位置するように、前記算出部により算出される前記割合を用いて、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する前記流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
【請求項6】
請求項５に記載の蒸気発生器であって、
前記算出部は、前記噴霧化部における最小の断面積を、前記第２流路の上流側における入口の断面積で除した面積比であって、前記蒸気発生器に供給される流体の流量に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない面積比の範囲を算出し、
前記流量制御部は、前記面積比に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない範囲で、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する、蒸気発生器。
前記算出部は、前記噴霧化部における最小の断面積を、前記第２流路の上流側における入口の断面積で除した面積比であって、前記蒸気発生器に供給される流体の流量に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない面積比の範囲を算出し、
前記流量制御部は、前記面積比に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない範囲で、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する、蒸気発生器。
【請求項7】
請求項３に記載の蒸気発生器であって、さらに、
前記流路形成部材の上流側の中心の温度と、前記流路形成部材の前記上流側と流路長さに沿って同じ位置にある前記第１流路を形成する管壁の温度と、の温度差を取得する温度差取得部と、
前記流路形成部材の厚みと、前記流路長さに沿った前記流路形成部材の長さと、前記蒸気発生器に供給される流体の流量と、を用いて、前記流路形成部材が液体の流体を蒸発させる際の前記流路形成部材の温度の低下分を算出する算出部と、
前記低下分が、前記温度差取得部により取得された温度差よりも小さくなるように、前記蒸気発生器に供給される液体の流量を制御する流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
前記流路形成部材の上流側の中心の温度と、前記流路形成部材の前記上流側と流路長さに沿って同じ位置にある前記第１流路を形成する管壁の温度と、の温度差を取得する温度差取得部と、
前記流路形成部材の厚みと、前記流路長さに沿った前記流路形成部材の長さと、前記蒸気発生器に供給される流体の流量と、を用いて、前記流路形成部材が液体の流体を蒸発させる際の前記流路形成部材の温度の低下分を算出する算出部と、
前記低下分が、前記温度差取得部により取得された温度差よりも小さくなるように、前記蒸気発生器に供給される液体の流量を制御する流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、蒸気発生器に関する。
【背景技術】
【0002】
高温水蒸気を電気分解することにより水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyser Cell：固体酸化物形電解セル）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された水素製造装置では、外部熱源である原子炉から供給される９００℃の熱との熱交換により予熱された水蒸気がＳＯＥＣへと供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１０－０９０４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
原子炉などの高温熱源を用いると、液体から沸騰による蒸気生成が可能である。一方で、沸点よりも少し温度が高い低温熱源を用いると、沸騰ではなく蒸発による蒸気生成が主となるため、蒸気を供給する装置からの要求に応じて安定的かつ高応答な蒸気生成が難しい。低温熱源を用いて安定的かつ応答性の高い蒸気生成を行おうとすると、蒸気を生成する蒸発器を大型化する必要がある。
【0005】
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、沸点よりも少し高い低温熱源を用いた上で、蒸気を安定的かつ高応答に生成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。
【0007】
（１）本発明の一形態によれば、蒸気発生器が提供される。この蒸気発生器は、流体が流通する第１流路と、前記第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、前記第１流路の上流側に配置される第２流路と、前記第２流路内に形成され、前記第２流路の一部分の断面積を前記第１流路の断面積よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、前記第１流路内および前記第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、を備える。
【0008】
この構成によれば、噴霧化部により第２流路の一部分の断面積が前記第１流路の断面積よりも小さくなることにより、噴霧化部を通過した流体は、第１流路の内周部ではなく断面における中心付近を流れる。第１流路の中心付近を流れる流体は、第１流路の内周部を伝わる液膜ではなく、液滴に変換されて第１流路内に配置された構造物に衝突しやすくなる。この結果、第１流路の内周部に形成される液膜のドライアウト変動により蒸気生成が不安定になることを抑制できる。
【0009】
（２）上記態様の蒸気発生器において、前記噴霧化部は、上流側から下流側に向かって、前記第２流路の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部と、前記傾斜部の下流側端部から下流側に向けて流通する流体が前記第１流路の内周部と接触しないように、前記傾斜部の下流側端部と前記内周部との間に形成される段差部とを有していてもよい。
この構成によれば、傾斜部により、第２流路の断面積が下流側に向かって徐々に小さくなるため、第２流路を流れる流体の圧力損失を低減できる。さらに、段差部により、第２流路から第１流路へと流通する流体は、第２流路の内周部を伝わらずに液滴に変化して構造物に衝突するため、より安定的に蒸気を生成できる。
この構成によれば、傾斜部により、第２流路の断面積が下流側に向かって徐々に小さくなるため、第２流路を流れる流体の圧力損失を低減できる。さらに、段差部により、第２流路から第１流路へと流通する流体は、第２流路の内周部を伝わらずに液滴に変化して構造物に衝突するため、より安定的に蒸気を生成できる。
【0010】
（３）上記態様の蒸気発生器において、前記構造物は、前記内周部との間に螺旋状の流路を形成する流路形成部材であってもよい。
この構成によれば、流路形成部材により流体が流れる方向に交差する旋回流が流体に対して発生する。そのため、液滴に変化した流体は、流路形成部材および第１流路の内周部に衝突しやすくなる。この結果、流路形成部材または内周部からの伝熱により、液体が蒸発しやすくなり、より安定的に蒸気を生成できる。
この構成によれば、流路形成部材により流体が流れる方向に交差する旋回流が流体に対して発生する。そのため、液滴に変化した流体は、流路形成部材および第１流路の内周部に衝突しやすくなる。この結果、流路形成部材または内周部からの伝熱により、液体が蒸発しやすくなり、より安定的に蒸気を生成できる。
【0011】
（４）上記態様の蒸気発生器において、前記流路形成部材は、前記内主部との間に、前記第１流路内を流れる流体に対して第１の方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第１流路形成部と、前記第１流路形成部の下流側に接続されて、前記内周部との間に、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第２流路形成部と、を有していてもよい。
この構成によれば、流路形成部材は、それぞれ異なる向きの旋回流を発生させる第１流路形成部と、第１流路形成部に接続されている第２流路形成部とを有している。これにより、第１流路形成部を通過して第１の方向の旋回流に沿って流れる流体は、第２流路形成部に流通した時に、第１流路の内周部ではなく第２流路形成部に衝突しやすくなる。内周部が高温だと、ライデンフロスト効果により液滴が内周部に衝突しても蒸発しにくくなる。本構成によれば、内周部ではなく、第２流路形成部に流体を衝突させることにより、ライデンフロスト効果の影響を受けずに、安定的に蒸気を生成できる。
この構成によれば、流路形成部材は、それぞれ異なる向きの旋回流を発生させる第１流路形成部と、第１流路形成部に接続されている第２流路形成部とを有している。これにより、第１流路形成部を通過して第１の方向の旋回流に沿って流れる流体は、第２流路形成部に流通した時に、第１流路の内周部ではなく第２流路形成部に衝突しやすくなる。内周部が高温だと、ライデンフロスト効果により液滴が内周部に衝突しても蒸発しにくくなる。本構成によれば、内周部ではなく、第２流路形成部に流体を衝突させることにより、ライデンフロスト効果の影響を受けずに、安定的に蒸気を生成できる。
【0012】
（５）上記態様の蒸気発生器において、さらに、前記第１流路内および前記第２流路内において、環状流から噴霧流へと変化する境界における液体と蒸気との合計の流量に対する蒸気の流量の割合を算出する算出部と、前記噴霧化部が前記境界よりも上流側に位置するように、前記算出部により算出される前記割合を用いて、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する前記流量制御部と、を備えていてもよい。
この構成によれば、算出部により算出された蒸気の流量の割合を用いて、第１流路内および第２流路内における環状流と噴霧流との境界が表される。噴霧化部が当該境界よりも上流側に位置するように、蒸気発生器に供給される流体の流量が制御される。これにより、噴霧化部が、環状流の流域で第２流路の内周部に伝う液膜を、構造物に衝突させる流線上に導くことができるため、安定的に蒸気を生成できる。
この構成によれば、算出部により算出された蒸気の流量の割合を用いて、第１流路内および第２流路内における環状流と噴霧流との境界が表される。噴霧化部が当該境界よりも上流側に位置するように、蒸気発生器に供給される流体の流量が制御される。これにより、噴霧化部が、環状流の流域で第２流路の内周部に伝う液膜を、構造物に衝突させる流線上に導くことができるため、安定的に蒸気を生成できる。
【0013】
（６）上記態様の蒸気発生器において、前記算出部は、前記噴霧化部における最小の断面積を、前記第２流路の上流側における入口の断面積で除した面積比であって、前記蒸気発生器に供給される流体の流量に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない面積比の範囲を算出し、前記流量制御部は、前記面積比に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない範囲で、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御してもよい。
この構成によれば、面積比に応じて蒸気発生器に供給される流体の流量が制御される。面積比が大きい、すなわち、噴霧化部の流路の最小の断面積が大きい場合には、第２流路の内周部を伝わる液膜が、そのまま第１流路の内周部に伝わって蒸発できずに、蒸気発生装置から液滴として流出するおそれがある。一方、面積比が小さい、すなわち、噴霧化部の流路の最小の断面積が小さい場合には、第２流路から第１流路へと流通する流体に含まれる液滴の多くが構造物に衝突するが速度が高いため、比較的大きい液滴が吹き抜ける。この結果、構造物に衝突した液滴の全てが蒸発せずに蒸気発生器から液滴として流出するおそれがある。本構成では、流路の面積比の上限値と下限値とが設定された範囲内で、蒸気発生器に供給される流体の流量が制御されることにより、蒸気発生器内で安定的に蒸気を生成できる。
この構成によれば、面積比に応じて蒸気発生器に供給される流体の流量が制御される。面積比が大きい、すなわち、噴霧化部の流路の最小の断面積が大きい場合には、第２流路の内周部を伝わる液膜が、そのまま第１流路の内周部に伝わって蒸発できずに、蒸気発生装置から液滴として流出するおそれがある。一方、面積比が小さい、すなわち、噴霧化部の流路の最小の断面積が小さい場合には、第２流路から第１流路へと流通する流体に含まれる液滴の多くが構造物に衝突するが速度が高いため、比較的大きい液滴が吹き抜ける。この結果、構造物に衝突した液滴の全てが蒸発せずに蒸気発生器から液滴として流出するおそれがある。本構成では、流路の面積比の上限値と下限値とが設定された範囲内で、蒸気発生器に供給される流体の流量が制御されることにより、蒸気発生器内で安定的に蒸気を生成できる。
【0014】
（７）上記態様の蒸気発生器において、さらに、前記構造物の上流側の中心の温度と、前記構造物の前記上流側と流路長さに沿って同じ位置にある前記第１流路を形成する管壁の温度と、の温度差を取得する温度差取得部と、前記構造物の厚みと、前記流路長さに沿った前記構造物の長さと、前記蒸気発生器に供給される流体の流量と、を用いて、前記構造物が液体の流体を蒸発させる際の前記構造物の温度の低下分を算出する算出部と、前記低下分が、前記温度差取得部により取得された温度差よりも小さくなるように、前記蒸気発生器に供給される液体の流量を制御する流量制御部と、を備えていてもよい。
この構成によれば、算出部により、蒸気発生器に供給される液体を構造物が蒸発させる際に必要な熱量が、温度差取得部により取得された温度差と、構造物の厚みおよび長さとを用いて算出される。蒸気発生器に供給される流体の流量が多いと、構造物に衝突して蒸発する液滴が増加するため、構造物の温度の低下分は上昇する。本構成では、構造物の温度の低下分と、温度差取得部により取得された温度差との比較により、蒸気発生器に供給される流体の流量が制御される。これにより、構造物に衝突する液滴の全てを蒸発させることができる範囲の流量が蒸気発生器に供給されるように制御されるため、蒸気発生器からの液滴の流出を抑制できる。
この構成によれば、算出部により、蒸気発生器に供給される液体を構造物が蒸発させる際に必要な熱量が、温度差取得部により取得された温度差と、構造物の厚みおよび長さとを用いて算出される。蒸気発生器に供給される流体の流量が多いと、構造物に衝突して蒸発する液滴が増加するため、構造物の温度の低下分は上昇する。本構成では、構造物の温度の低下分と、温度差取得部により取得された温度差との比較により、蒸気発生器に供給される流体の流量が制御される。これにより、構造物に衝突する液滴の全てを蒸発させることができる範囲の流量が蒸気発生器に供給されるように制御されるため、蒸気発生器からの液滴の流出を抑制できる。
【0015】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、蒸気発生器、蒸気生成装置、水蒸気生成装置、水素製造システム、ＳＯＥＣ、蒸気発生方法、蒸気生成方法、水蒸気生成方法、蒸気発生器の設計方法、およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の一実施形態としての蒸気発生装置のブロック図である。
【図2】蒸発器の概略斜視図である。
【図3】流路内を流れる水が気化するまでの状態についての説明図である。
【図4】蒸気発生装置の効果についての説明図である。
【図5】蒸気発生装置の効果についての説明図である。
【図6】蒸気発生装置の効果についての説明図である。
【図7】蒸気発生装置の効果についての説明図である。
【図8】蒸気クオリティについての説明図である。
【図9】境界の蒸気クオリティと熱流束との関係の説明図である。
【図10】エッジ部の管径比についての説明図である。
【図11】エッジ部の管径比についての説明図である。
【図12】エッジ部の管径比についての説明図である。
【図13】エッジ部の管径比についての説明図である。
【図14】フィンの厚みについての説明図である。
【図15】温度差を用いた流量の制御方法のフローチャートである。
【図16】変形例の噴霧化部の説明図である。
【図17】変形例の噴霧化部の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての蒸気発生装置（蒸気発生器）１００のブロック図である。本実施形態の蒸気発生装置１００は、流路ＦＬを通る液体の水を加熱して気化させ、気化した水蒸気を他の装置へと供給する。本実施形態の蒸気発生装置１００では、流路ＦＬ内の管径が徐々に小さくなるエッジ部（噴霧化部）１４を通過した液体の水が、管壁（内周部）ＷＬを伝わる液膜ではなく、気体と共に流路ＦＬ内を流れる液滴としてフィンＦＮに衝突することにより蒸発する。そのため、管壁ＷＬを伝わった液膜が液体の水のまま蒸気発生装置１００から流出すること抑制でき、蒸気発生装置１００の加熱温度が低くても、蒸気発生装置１００により水蒸気を安定的に生成できる。
図１は、本発明の一実施形態としての蒸気発生装置（蒸気発生器）１００のブロック図である。本実施形態の蒸気発生装置１００は、流路ＦＬを通る液体の水を加熱して気化させ、気化した水蒸気を他の装置へと供給する。本実施形態の蒸気発生装置１００では、流路ＦＬ内の管径が徐々に小さくなるエッジ部（噴霧化部）１４を通過した液体の水が、管壁（内周部）ＷＬを伝わる液膜ではなく、気体と共に流路ＦＬ内を流れる液滴としてフィンＦＮに衝突することにより蒸発する。そのため、管壁ＷＬを伝わった液膜が液体の水のまま蒸気発生装置１００から流出すること抑制でき、蒸気発生装置１００の加熱温度が低くても、蒸気発生装置１００により水蒸気を安定的に生成できる。
【0018】
図１に示されるように、蒸気発生装置１００は、液体の水から水蒸気を生成する蒸発器１０と、蒸発器１０を加熱するヒータ（加熱部）３０と、液体の水を貯留しているタンク４０と、タンク４０から蒸発器１０へと水を供給するポンプ５０と、ヒータ３０およびポンプ４０を制御する制御装置２０と、を備えている。なお、図１には、蒸発器１０の一部の概略断面図が示されている。
【0019】
蒸発器１０は、金属の部材により、水が流れる流路ＦＬを形成する管である。流路ＦＬ内の形状については後述する。ヒータ３０は、蒸発器１０である金属製の管の外周面を加熱する。ヒータ３０の加熱により、流路ＦＬ内を流れる水が加熱される。流路ＦＬ内を流れる水は、加熱されることにより水蒸気へと気化する。
【0020】
本実施形態の制御装置２０は、パーソナルコンピュータ（Personal Computer：ＰＣ）で構成されている。制御装置２０は、図１に示されるように、ＣＰＵ（Central Proccesing Unit）２１と、記憶部２２とを備えている。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）に格納されているコンピュータプログラムをＲＡＭ（Random Access Memory）に展開して実行することにより、算出部２３、流量制御部２４、および加熱制御部２５として機能する。
【0021】
算出部２３は、蒸発器１０に供給される水の流量を、計算により算出する。なお、算出部２３により算出される水の流量の詳細については、第２実施形態で説明する。流量制御部２４は、算出部２３により算出された流量の水を蒸発器１０に供給するように、ポンプ５０を制御する。加熱制御部２５は、ヒータ３０を制御する。記憶部２２は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）などで構成され、各種データを記憶する。
【0022】
図１に示されるように、蒸発器１０は、中心軸ＯＬに沿う流路長さを有し、管壁ＷＬにより形成された流路ＦＬを有している。蒸発器１０は、上流側から順番に分割された第１領域１１と、第２領域（流体噴霧化部）１２と、第３領域（噴霧蒸発部）１３と、第１温度センサＳＳ１と、第２温度センサＳＳ２と、蒸発器１０に供給される水の流量ｍを検出する流量センサＳＳ３と、を備えている。第１温度センサＳＳ１と、第２温度センサＳＳ２との検出温度については、算出部２３の算出と共に説明する。
【0023】
第１領域１１では、同一の断面積の上流側流路ＦＬ１が形成されている。第２領域１２は、流体が流通する中間流路（第２流路）ＦＬ２と、中間流路ＦＬ２内に形成され、中間流路ＦＬ２内の一部分の断面積を下流側流路ＦＬ３の断面積よりも小さくするエッジ部（噴霧化部）１４と、を備えている。第３領域１３は、水および水蒸気が流通する下流側流路（第１流路）ＦＬ３と、管壁ＷＬとの間に螺旋状の流路を形成する下流側流路ＦＬ３内を流れる水および水蒸気に旋回流を発生させるフィン（流路形成部材）ＦＮと、を備えている。フィンＦＮは、下流側流路ＦＬ３内を流れる水および水蒸気に旋回流を発生させる。
【0024】
図２は、蒸発器１０の概略斜視図である。図２には、蒸発器１０の中心軸ＯＬを通る断面が示されている。図１，２に示されるように、エッジ部１４は、上流側から下流側に向かって、中間流路ＦＬ２の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部１４Ｉと、傾斜部１４Ｉの下流側において中間流路ＦＬ２の断面積が大きくなる段差部１４Ｕと、を有している。段差部１４Ｕは、傾斜部１４Ｉの下流側端部から下流側に向けて流通する流体が下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬと接触しないように、傾斜部１４Ｉの下流側端部と管壁ＷＬとの間に形成されている。中心軸ＯＬに直交する断面に対して、傾斜部１４Ｉが成す角度であるエッジ角は、θ（図１）である。
【0025】
フィンＦＮは、第３領域１３内を流れる流体に対して所定方向（第１の方向）の中心軸ＯＬ回りの旋回流を発生させる第１フィン（第１流路形成部）ＦＮ１と、第１フィンＦＮ１の下流側に接続されている第２フィン（第２流路形成部）ＦＮ２と、を有している。第１フィンＦＮ１は、管壁ＷＬとの間に、所定方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成している。第２フィンＦＮ２は、管壁ＷＬとの間に、所定方向とは逆回転の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成している。第１フィンＦＮ１および第２フィンＦＮ２は、金属材料で形成されている。フィンＦＮは、管壁ＷＬに接続しているため、管壁ＷＬを介してヒータ３０により加熱される。図２に示されるように、第２フィンＦＮ２は、第１フィンＦＮ１により所定方向の旋回流が発生している流体に対して、所定方向とは逆方向（第２の方向）の中心軸ＯＬ回りの旋回流を発生させるように形成されている。なお、本実施形態の第１フィンＦＮ１として、中心時ＯＬ回りに１回転半分のフィンが形成されている。同じように、第２フィンＦＮ２として、中心軸ＯＬ回りに１回転半分のフィンが形成されている。
【0026】
図３は、流路ＦＬｘ内を流れる水が気化するまでの状態についての説明図である。図３には、蒸発器１０に対してエッジ部１４を有さず、かつ、フィンＦＮが配置されていない比較例１の蒸発器１０ｘの一部の概略断面図が示されている。図３に示されるように、流路ＦＬｘの上流側から供給された液体の水は、流路ＦＬｘ内を下流側へと流れるにつれて、液体のみの液単相流、液体と気体とが混合している２相流、および気体のみのガス単相流へと変化する。２相流では、上流側から下流側へと、気泡流Ｆ１、スラグ流Ｆ２、環状流Ｆ３、噴霧流Ｆ４の順番で各流域が構成されている。図３に示されるように、環状流Ｆ３を含む上流側が沸騰域であり、噴霧流Ｆ４を含む下流側が噴霧蒸発域である。換言すると、環状流Ｆ３と噴霧流Ｆ４との境界よりも上流側が沸騰域であり、境界の下流側が噴霧蒸発域である。
【0027】
気泡流Ｆ１の流域では、管壁ＷＬ近傍で発生する沸騰核（気泡）による温度境界層の攪拌効果で流体に対して高い熱伝達率が得られる。スラグ流Ｆ２の流域では、管壁ＷＬに形成された薄い液膜ＬＦを介した広い蒸発界面により、液膜ＬＦへの高い熱伝達率を維持することができる。一方、環状流Ｆ３の流域では、液体と蒸気との流量の合計に対する蒸気の流量である蒸気クオリティが高い。そのため、液膜ＬＦには強い蒸気せん断力が作用する他、薄い液膜ＬＦ内での沸騰により液膜破断由来の液滴ＬＤが発生する。噴霧蒸発域では、管壁ＷＬを介した気相熱伝達によりガス相が加熱され、蒸気中に存在する液滴ＬＤは、液滴表面におけるガス相と液相の直接熱交換により相変化（蒸発）し、噴霧流域出口でガス相（蒸気クオリティ１００％）となる。
【0028】
ここで、管壁ＷＬと、ガス相間との熱伝達率を促進（乱流促進、流路微細化による伝熱促進や伝熱面積の拡大等）しても、液滴表面における熱伝達で蒸発速度は失速するため完全に気化するための噴霧流域長さは増大する。特に流路ＦＬｘ内の蒸気流速が速い場合では、蒸発完結までの時間と流速の積が必要噴霧流長さとなるため、流速に比例して液滴ＬＤが蒸気に変化するまでの流路長さは増大し、蒸発器体格が増大する。その他、流路ＦＬｘの圧力損失も増大し、ポンプ５０の消費エネルギーによりシステム効率が低下するおそれがある。
【0029】
蒸発器１０，１０ｘから液滴ＬＤが流出することは、蒸発器１０，１０ｘから水蒸気が提供される装置が、単に冷却を目的としている場合には大きな問題とならない。一方で、蒸発器１０，１０ｘから水蒸気が提供される装置が、生成蒸気を原料とするシステムでは、蒸発器１０，１０ｘから排出される液滴ＬＤにより、各種不具合が発生するおそれがある。例えば、水蒸気が提供され装置が、炭化水素燃料から水蒸気改質反応等により水素を製造する燃料改質システムの場合、水蒸気と燃料との比が変動して改質器内にカーボンが析出するおそれがある。また、水蒸気を原料として電力から水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyzer Cell）システムである場合、ＳＯＥＣスタックのセラミックス構成部材への液滴衝突に起因した急激な温度変動を伴う熱衝撃、膨張収縮により部材破壊を招くおそれがある。そのため、噴霧流Ｆ４の流域で液滴ＬＤを発生させない（ほぼ全て気化させる）ことが好ましい。
【0030】
一方、気泡流Ｆ１、スラグ流Ｆ２、環状流Ｆ３の流域を含む沸騰域では気泡流Ｆ１の流域における発泡点密度の向上や環状流Ｆ３の流域の液膜ＬＦの厚みの低減（液膜熱抵抗の低減）、安定化（ドライアウトパッチの抑制）が一般的な伝熱促進手法である。このように、沸騰域と噴霧蒸発域では流動状況に依存して伝熱現象は大きく異なるため、流路ＦＬ，ＦＬｘの低圧損化および小型化のためには個別の流路設計が必要となる。そのため、本実施形態の蒸気発生装置１００では、図１に示されるように、中間流路ＦＬ２内にエッジ部１４が形成され、下流側流路ＦＬ３内にフィンＦＮが配置されている。
【0031】
図４から図７までの各図は、蒸気発生装置１００の効果についての説明図である。図４には、蒸発器１０のエッジ部１４よりも下流側の流路ＦＬを領域Ｐ１～Ｐ５の５つに分割した場合の概略断面図が示されている。領域Ｐ１は、エッジ部１４の下流側の端面である段差部１４Ｕから第１フィンＦＮ１の上流側の先端までの領域である。領域Ｐ２は、第１フィンＦＮ１のうちの１回転分の領域である。領域Ｐ３は、第１フィンＦＮ１の下流側の０．５回転分と、第２フィンＦＮ２の上流側の０．５回転分とを含む領域である。領域Ｐ４は、第２フィンＦＮ２の下流側の１回転分の領域である。領域Ｐ５は、蒸発器１０の出口近傍の領域である。
【0032】
図５には、比較例１の蒸発器１０ｘにおいて、領域Ｐ５に侵入する液滴ＬＤの質量の流量が示されている。すなわち、図５には、蒸発器１０ｘから流出する液滴ＬＤの質量が示されている。図５に示される状態では、本実施形態の蒸発器１０と、比較例１の蒸発器１０ｘとの比較ため、エッジ部１４の段差部１４Ｕが環状流Ｆ３（図３）に位置するように、蒸発器１０，１０ｘに供給される水の流量を調整した場合の結果である。本実施形態の蒸発器１０では、エッジ部１４の存在により、蒸発器１０から流出する液滴ＬＤの質量はゼロであった。具体的には、領域Ｐ１に侵入しようとした液膜ＬＦは、エッジ部１４により液滴ＬＤとして領域Ｐ１に流入した。一方で、比較例の蒸発器１０ｘでは、図５に示されるように、主に直径が１．０×１０-5～６．０×１０-5の液滴ＬＤが流出した。
【0033】
図６には、蒸発器１０，１０ｘにおいて、各領域Ｐ１～Ｐ５に流入する液膜ＬＦの面内積算値が示されている。図６では、本実施形態の蒸発器１０の積算値が白丸を直線で結んだ折れ線ＬＮで示され、比較例１の蒸発器１０ｘの積算値が黒丸を破線の直線で結んだ折れ線ＬＮｘで示されている。図６におけるＹ軸の液膜厚みの面内積算値は、中心軸ＯＬに沿う流路長さにおける液膜厚みの積算値である。図６の折れ線ＬＮｘに示されるように、比較例１の蒸発器１０ｘでは、下流側の領域に進むにつれて液膜ＬＦの厚みが小さくなるが、一部の液膜ＬＦが液体のまま蒸発器１０ｘから流出している。
【0034】
一方で、本実勢形態の蒸発器１０では、エッジ部１４により、傾斜部１４Ｉに形成されていた液膜ＬＦの一部は、段差部１４Ｕにより液滴ＬＤとして領域Ｐ１に侵入する。そのため、領域Ｐ１の積算値が比較例１よりも小さくなっている。領域Ｐ２の積算値は、エッジ部１４により液膜ＬＦから変化した液滴ＬＤが第１フィンＦＮ１に付着するため、領域Ｐ１の積算値よりも増加している。領域Ｐ２において、比較例１の蒸発器１０ｘでは蒸気中に存在する液滴ＬＤはガス相と液相と直接熱交換により蒸発したが、本実施形態の蒸発器１０では、第１フィンＦＮ１に付着した液膜ＬＦは蒸発しやすい。さらに、領域Ｐ３では、第２フィンＦＮ２により発生する旋回流が第１フィンＦＮ１により発生する旋回流の逆向きであるため、第１フィンＦＮ１で周方向外側に進む力を受けた液滴ＬＤが、周方向内側に進む力を受けて第２フィンＦＮ２に付着しやすくなる。これにより、領域Ｐ３および領域Ｐ４では、折れ線ＬＮに示されるように、液滴ＬＤの積算値が減少する。この結果、本実施形態の蒸発器１０から液滴ＬＤとして流出する液体の水が存在しなくなる。
【0035】
図７には、逆向きの旋回流を発生させる第２フィンＦＮ２を含む第１フィン構造ＳＦ１と、同一方向の旋回流を発生させる第１フィンのみで構成された第２フィン構造ＳＦ２とにおける液質量比の変化が示されている。液質量比とは、全質量に対して液滴ＬＤとして残存している液質量の割合である。第１フィン構造ＳＦ１は、フィン１回転分の中心軸の長さが４０ｍｍの第１フィンとＦＮ１、フィン１回転分の長さが第１フィンＦＮ１と同じ４０ｍｍである第２フィンＦＮ２と、さらに１回転分の第１フィンＦＮ１とが接続されたフィンである。一方で、第２フィン構造ＳＦ２は、３回転分の第１フィンＦＮ１が接続されたフィンである。すなわち、第１フィン構造ＳＦ１と第２フィン構造ＳＦ２とでは、２回転目の（４０～８０ｍｍに位置する）フィンが第１フィンＦＮ１と第２フィンＦＮ２とで異なる。
【0036】
図７では、横軸に流路長さとしての距離に対する液質量比の変化が示されている。第１フィン構造ＳＦ１の液質量比が折れ線ＬＮ１で示され、第２フィン構造ＳＦ２の液質量比が破線の折れ線ＬＮ１ｙで示されている。図７に示されるように、第１フィン構造ＳＦ１は、流体に対して発生させる旋回流が異なる第２フィンＦＮ２を含んでいるため、第２フィンＦＮ２よりも液滴ＬＤをより捕集できる。すなわち、第１フィン構造ＳＦ１の上流側で液滴ＬＤを蒸発させたため、第１フィン構造ＳＦ１の下流側で液滴ＬＤを捕集する量が減る。この結果、折れ線ＬＮ１で表されるように、第１フィン構造ＳＦ１の下流側では、第２フィン構造ＳＦ２の下流側よりも液質量比が低くなっている。
【0037】
以上のように、本実施形態の蒸気発生装置１００では、蒸発器１０の第２領域１２は、流体が流通する中間流路ＦＬ２と、中間流路ＦＬ２内に形成され、中間流路ＦＬ２内の一部分の断面積を下流側流路ＦＬ３の断面積よりも小さくするエッジ部１４と、を備えている。第３領域１３は、水および水蒸気が流通する下流側流路ＦＬ３と、下流側流路ＦＬ３内を流れる水および水蒸気に旋回流を発生させるフィンＦＮと、を備えている。ヒータ３０の加熱により、流路ＦＬ内を流れる水が加熱される。そのため、本実施形態では、エッジ部１４により中間流路ＦＬ２の一部分の断面積が小さくなることにより、エッジ部１４を通過した流体は、下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬではなく中心軸ＯＬ付近を流れる。下流側流路ＦＬ３の中心付近を流れる流体は、下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬを伝わる液膜ＬＦではなく、液滴ＬＤに変換されて下流側流路ＦＬ３内に配置されたフィンＦＮに衝突しやすくなる。この結果、下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬに形成される液膜ＬＦのドライアウト変動により蒸気生成が不安定になることを抑制できる。
【0038】
また、本実施形態のエッジ部１４は、上流側から下流側に向かって、中間流路ＦＬ２の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部１４Ｉと、傾斜部１４Ｉの下流側において中間流路ＦＬ２の断面積が大きくなる段差部１４Ｕと、を有している。段差部１４Ｕは、傾斜部１４Ｉの下流側端部から下流側に向けて流通する流体が下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬと接触しないように、傾斜部１４Ｉの下流側端部と管壁ＷＬとの間には形成されている。すなわち、傾斜部１４Ｉにより、中間流路ＦＬ２の断面積が下流側に向かって徐々に小さくなるため、中間流路ＦＬ２を流れる流体の圧力損失を低減できる。さらに、段差部１４Ｕにより、中間流路ＦＬ２から下流側流路ＦＬ３へと流入する流体は、中間流路ＦＬ２の管壁ＷＬを伝わらずに液滴ＬＤに変化してフィンＦＮに衝突するため、より安定的に蒸気を生成できる。
【0039】
また、本実施形態のフィンＦＮは、下流側流路ＦＬ３内を流れる水および水蒸気に旋回流を発生させる。そのため、フィンＦＮにより流体が流れる方向に交差する旋回流が流体に対して発生する。液滴ＬＤに変化した流体は、フィンＦＮおよび下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬに衝突しやすくなる。この結果、フィンＦＮまたは管壁ＷＬからの伝熱により、液滴ＬＤが蒸発しやすくなり、蒸発器１０はより安定的に蒸気を生成できる。
【0040】
また、本実施形態では、フィンＦＮは、第３領域１３内を流れる流体に対して所定方向（第１の方向）の中心軸ＯＬ回りの旋回流を発生させる第１フィンＦＮ１と、第１フィンＦＮ１の下流側に接続されている第２フィンＦＮ２と、を有している。そのため、第１フィンＦＮ１を通過して旋回流に沿って流れる流体は、第２フィンＦＮ２に流通した時に、下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬではなく第２フィンＦＮ２に衝突しやすくなる。管壁ＷＬが高温だと、ライデンフロスト効果により液滴ＬＤが管壁ＷＬに衝突しても蒸発しにくくなる。本実施形態によれば、管壁ＷＬではなく、第２フィンＦＮ２に流体を衝突させることにより、ライデンフロスト効果の影響を受けずに、安定的に蒸気を生成できる。
【0041】
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、制御装置２０が各種パラメータを用いて第１実施形態の蒸発器１０（図１）に供給される水の流量を制御することにより、蒸発器１０から水蒸気を供給する所定の装置へと液滴ＬＤが含まれない水蒸気を供給する。
第２実施形態では、制御装置２０が各種パラメータを用いて第１実施形態の蒸発器１０（図１）に供給される水の流量を制御することにより、蒸発器１０から水蒸気を供給する所定の装置へと液滴ＬＤが含まれない水蒸気を供給する。
【0042】
図８は、蒸気クオリティＸbpについての説明図である。図８では、環状流Ｆ３と噴霧流Ｆ４との境界における蒸気クオリティＸbpを調べるための試験装置が示されている。具体的には、上流側蒸発器１０１に所定流量の蒸発潜熱がＱLである水を供給し、上流側蒸発器１０１に熱量Ｑ1を供給する。さらに、上流側蒸発器１０１から流出した流体を下流側蒸発器１０２に供給できるように、上流側蒸発器１０１と下流側蒸発器１０２とを連結した状態で、下流側蒸発器１０２に熱量Ｑ2を供給する。なお、図８では、便宜上、上流側蒸発器１０１と下流側蒸発器１０２とを切り離した状態が示されている。なお、境界の蒸気クオリティＸbpは、環状流から噴霧流へと変化する境界における液体と蒸気との合計の流量に対する蒸気の流量の割合に相当する。
【0043】
下流側蒸発器１０２の一部はガラスで形成されている。カメラＣＡによりガラスにより透過される下流側蒸発器１０２の状態を観察する。観察により、下流側蒸発器１０２を流れる流体の状態（例えば、環状流Ｆ３）を調べた。上流側蒸発器１０１に供給する水の流量と、熱量Ｑ1，Ｑ2とを変化させることにより、環状流Ｆ３と噴霧流Ｆ４との境界における蒸気クオリティＸbpを調査した。境界の蒸気クオリティＸbpは、下記式（１）のように表される。図８に示される試験装置では、主に熱量Ｑ1の制御により、下流側蒸発器１０２の壁面の熱流束ｑｗの制御と、境界の蒸気クオリティＸbpの制御とを独立に行うことができる。
【0044】
【数1】
【0045】
図９は、境界の蒸気クオリティＸbpと熱流束ｑｗとの関係の説明図である。図９には、流体の質量速度Ｇｗが２．３ｋｇ／（ｍ2・ｓ）の場合に、熱流束ｑｗに応じた境界の蒸気クオリティＸbpの変化を表す折れ線ＬＮ２が示されている。図９に示されるように、流体の質量速度Ｇｗが一定の場合には、熱流束ｑｗに応じて境界の蒸気クオリティＸbpが変化するため、蒸気クオリティＸbpは、下記式（２）のような関数として表すことができる。折れ線ＬＮ２で表されるように、熱流束ｑｗが１．０×１０4（Ｗ／ｍ2）よりも大きいと、蒸気クオリティＸbpの減少幅が大きくなる。
【0046】
【数2】
【0047】
蒸発器１０により効率的に蒸気を発生させるには、液膜ＬＦが発生している環状流Ｆ３（図３）においてドライアウトを発生させないことが好ましい。また、ドライアウトを発生させない上で、液膜ＬＦが発生しない噴霧蒸発域よりも上流側の環状流Ｆ３に、エッジ部１４が形成されることが好ましい。すなわち、エッジ部１４は、噴霧蒸発域と沸騰域との境界の蒸気クオリティＸbpよりも低い蒸気クオリティＸsetの位置に形成されることが好ましい。
【0048】
一方で、低すぎる蒸気クオリティの位置、例えば、気泡流Ｆ１の位置にエッジ部１４が形成されても、液滴ＬＤを生成することによる効率的な蒸気生成の効果を期待できない。すなわち、エッジ部１４の形成位置の蒸気クオリティＸsetには、下限となる蒸気クオリティＸcrが存在する。噴霧化限界となる下限の蒸気クオリティＸcrは、数値解析により下記式（３）のように表すことができる。下記式（３）に示されるように、下限の蒸気クオリティＸcrは、質量速度と、蒸気流速Ｕｇと、エッジ角θとの関数で表される。図９には、折れ線ＬＮ２の条件の場合の下限の蒸気クオリティＸcr＝０．６が破線で示されている。
【数3】
【0049】
以上説明したように、エッジ部１４の蒸気クオリティＸsetが、下限の蒸気クオリティＸcr以上、かつ、境界の蒸気クオリティＸbp以下となるような位置に、エッジ部１４が形成されることが好ましい。
【0050】
図１０から図１３までの各図は、エッジ部１４の管径比についての説明図である。図１，２に示されるように、断面が円形状の流路面積は、エッジ部１４により小さくなっている。エッジ部１４の傾斜部１４Ｉの上流側、すなわち、流路面積が小さくなる前の入口管径ｄｉｎ（流路の直径）に対する、傾斜部１４Ｉの下流側、すなわち、第２領域１２の流路面積を他の部分よりも小さい出口管径ｄｏｕｔの比である管径比Ｒｄ（＝ｄｉｎ／ｄｏｕｔ）と、蒸発器１０の蒸気生成との関係について調べた。
【0051】
図１０には、管径比Ｒｄが０．２５（＝２ｍｍ／８ｍｍ）の蒸発器１０ｙから流出した液滴ＬＤの径に応じた液滴ＬＤの質量流量（ｋｇ／ｓ）が棒グラフで示されている。図１１には、蒸発器１０ｙと流路長さが同じで、管径比Ｒｄが０．７５（＝６ｍｍ／８ｍｍ）の蒸発器１０ｚから流出した液滴ＬＤの径に応じた液滴ＬＤの質量流量が棒グラフで示されている。なお、図１０と、図１１とでは、横軸と縦軸との数値のオーダーが異なっている。本実施形態の蒸発器１０は、０．５０（＝４ｍｍ／８ｍｍ）の管径比Ｒｄを有し、蒸発器１０ｙ、１０ｚと同じ流路長さを有している。本実施形態の蒸発器１０から流出した液滴ＬＤは検出されなかった。なお、管径比Ｒｄから流路面積が求められるため、管径比Ｒｄを面積比とみなしてもよい。
【0052】
図１０，１１および本実施形態の蒸発器１０から、管径比が小さすぎる、または、大きすぎると、蒸発器１０ｙ、１０ｚから液滴ＬＤが流出する。具体的には、管径比Ｒｄが０．２５の蒸発器１０ｙでは、管径比Ｒｄが０．７５の蒸発器１０ｚと比較して、液滴径が大きい液滴ＬＤが流出している。これは、管径比Ｒｄを小さくすることにより、流体の流線が、フィンＦＮの径方向中心側で密になる。この場合に、流体の流速が早いと、フィンＦＮの中央への液滴ＬＤの付着が集中するため、液滴ＬＤを蒸発させるために必要な流路長さが増大する。この結果、フィンＦＮにより捕集されなかった比較的大きな径の液滴ＬＤが蒸発器１０ｙから流出する。
【0053】
一方で、管径比Ｒｄが０．７５の蒸発器１０ｚでは、液滴径が小さい液滴ＬＤが流出している。これは、管径比Ｒｄを大きくすることにより、流体の流線が、フィンＦＮの径方向外側に分散する。この場合に、エッジ部を通過した液滴ＬＤの一部は、フィンＦＮに到達する前に管壁ＷＬに付着する。この結果、管壁ＷＬを伝って蒸発しなかった一部の液膜ＬＦが、小さな径の液滴ＬＤとして蒸発器１０ｚから流出する。
【0054】
図１２には、図６と同じように、蒸発器１０，１０ｘ，１０ｙ、１０ｚにおいて、各領域Ｐ１～Ｐ５に流入する液膜ＬＦの面内積算値が示されている。なお、図１２の縦軸のオーダーは、図６の縦軸のオーダーと異なる。図１２では、図６に対して追加で、管径比Ｒｄが０．２５である蒸発器１０ｙの積算値が黒塗りの三角を一点鎖線で結んだ折れ線ＬＮｙで示され、蒸発器１０ｚの積算値が黒塗りの四角を二点鎖線の直線で結んだ折れ線ＬＮｚで示されている。
【0055】
折れ線ＬＮｙで示されるように、管径比Ｒｄが０．２５の蒸発器１０ｙでは、エッジ部のエッジ角θが最も大きいため領域Ｐ１での積算値が、他の蒸発器１０，１０ｘ，１０ｚよりも小さい。一方で、領域Ｐ５で積算値が存在する、すなわち、一部の液膜ＬＦが液体のまま蒸発器１０ｙから流出している。折れ線ＬＮｚで示されるように、管径比Ｒｄが０．７５の蒸発器１０ｚでは、図１２に示されるように、蒸発器１０ｚから液膜ＬＦは流出していない。一方で、蒸発器１０ｚからは、管径比Ｒｄが０．５０である蒸発器１０と異なり、液滴ＬＤが流出している。
【0056】
図１３には、管径比Ｒｄに応じて変化する流体の圧力損失（Pressure Drop）が棒グラフにより示されている。図１３に示されるように、管径比Ｒｄが大きいほど圧力損失が大きい。特に、管径比Ｒｄが０．２５である蒸発器１０ｙの圧力損失は、蒸発器１０，１０ｚと比較して極めて高い。
【0057】
図１０～１３を用いて説明したように、管径比Ｒｄが０．５０である本実施形態の蒸発器１０からは、他の蒸発器１０ｘ、１０ｙ、１０ｚと異なり、液滴ＬＤが流出しなかった。管径比Ｒｄを０．５０から変化させた際に、管径比Ｒｄが０．３７以上０．６３以下の場合に、蒸発器から液滴ＬＤが流出しないことが確認できた。以上から、蒸発器１０に供給される水の流量に応じて、蒸発器１０からの液滴ＬＤの流出有無が異なることがわかる。すなわち、蒸発器１０に供給される水の流量に応じて、蒸発器１０から液滴ＬＤが流出しない管径比Ｒｄを算出できる。
【0058】
第２実施形態では、算出部２３（図１）は、噴霧蒸発域と沸騰域との境界の蒸気クオリティＸbpを算出する。流量制御部２４は、エッジ部１４の形成位置の蒸気クオリティＸsetが噴霧蒸発域と沸騰域との境界の蒸気クオリティＸbpよりも低く、かつ、下限の蒸気クオリティＸcr以上となるように、蒸発器１０に供給される水の流量を制御する。そのため、第２実施形態では、算出部２３により算出された蒸気クオリティＸbpを用いて、中間流路ＦＬ２内および下流側流路ＦＬ３内における環状流Ｆ３と噴霧流Ｆ４との境界が表される。エッジ部１４が当該境界よりも上流側に位置するように、蒸発器１０に供給される流体の流量が制御される。これにより、エッジ部１４が、環状流Ｆ３の流域で中間流路ＦＬ２の管壁ＷＬに伝う液膜ＬＦを、フィンＦＮに衝突させる流線上に導くことができるため、安定的に蒸気を生成できる。
【0059】
また、算出部２３は、蒸発器１０に供給される水の流量に応じて、蒸発器１０から液滴ＬＤが流出しない管径比Ｒｄの範囲を算出する。流量制御部２４は、蒸発器１０の管径比Ｒｄに応じて、算出部２３により算出された蒸発器１０から液滴ＬＤが流出しない範囲の流量の水を蒸発器１０に供給する。すなわち、第２実施形態では、管径比Ｒｄに応じて蒸発器１０に供給される流体の流量が制御される。管径比Ｒｄが大きい、すなわち、エッジ部１４の流路の最小の断面積が大きい場合には、中間流路ＦＬ２の管壁ＷＬを伝わる液膜ＬＦが、そのまま下流側流路ＦＬ３の管壁ＷＬに伝わって蒸発できずに、蒸発器１０から液滴ＬＤとして流出するおそれがある。一方、管径比Ｒｄが小さい、すなわち、エッジ部１４の流路の最小の断面積が小さい場合には、中間流路ＦＬ２から下流側流路ＦＬ３へと流入する流体に含まれる液滴ＬＤの多くがフィンＦＮに衝突するが速度が高いため、比較的大きい液滴ＬＤが吹き抜ける。この結果、フィンＦＮに衝突した液滴ＬＤの全てが蒸発せずに蒸発器１０から液滴ＬＤとして流出するおそれがある。第２実施形態では、流路ＦＬの管径比Ｒｄの上限値と下限値とが設定された範囲内で、蒸発器１０に供給される流体の流量が制御されることにより、蒸発器１０内で安定的に蒸気を生成できる。
【0060】
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、流量制御部２４が、フィンＦＮの上流側の先端温度Ｔｆと、管壁ＷＬの管壁温度Ｔｈとの温度差ΔＴｆに応じて、蒸発器１０に供給する水の流量が制御する。図１４は、フィンＦＮの厚みｔについての説明図である。図１４には、フィンＦＮの一部の概略正面図が示されている。本実施形態のフィンＦＮの厚みは一定のｔである。
第３実施形態では、流量制御部２４が、フィンＦＮの上流側の先端温度Ｔｆと、管壁ＷＬの管壁温度Ｔｈとの温度差ΔＴｆに応じて、蒸発器１０に供給する水の流量が制御する。図１４は、フィンＦＮの厚みｔについての説明図である。図１４には、フィンＦＮの一部の概略正面図が示されている。本実施形態のフィンＦＮの厚みは一定のｔである。
【0061】
図１に示されるように、第１温度センサＳＳ１は、フィンＦＮの上流側の先端温度Ｔｆを検出する。また、第２温度センサＳＳ２は、流路長さに沿ってフィンＦＮの上流側の先端と同じ位置の管壁ＷＬの管壁温度Ｔｈを検出する。算出部２３は、先端温度Ｔｆおよび管壁温度Ｔｈを取得して、温度差ΔＴｆ（＝Ｔｈ－Ｔｆ）を算出する。なお、算出部２３と、第１温度センサＳＳ１と、第２温度センサＳＳ２とは、温度差取得部に相当する。
【0062】
エッジ部１４を通過した液膜ＬＦは、フィンＦＮに付着することにより、フィンＦＮから得た熱で蒸発する。しかしながら、フィンＦＮの先端での液膜ＬＦの付着は微量であるため（液滴ＬＤの付着・蒸発による径方向の熱流がないため）、フィンＦＮの先端温度Ｔｆと、管壁温度Ｔｈとの温度差ΔＴｆは小さい。一方で、フィンＦＮの全体に付着した液膜ＬＦを蒸発させるとフィンＦＮの熱伝導により、フィンＦＮの先端温度Ｔｆと、管壁温度Ｔｈとには、下記式（４）で表される温度差ΔＴｃが生じる。式（４）における液滴ＬＤを蒸発させるための熱量Ｑ（Ｗ）は、下記式（５）により表される。式（５）における液滴捕集率αは、流路方向に沿う長さｈ（ｍ）のフィンの０．５回転分（１セグメント分）が蒸発させる液滴ＬＤの割合である。
【0063】
【数4】
ｔ：フィンＦＮの厚み（ｍ）
【数5】
Ｌ：蒸発潜熱（ｋＪ／ｋｇ）
【0064】
算出部２３は、上記式（４），（５）に示されるように、フィンＦＮの厚みｔと、フィンＦＮの１セグメント当たりの長さｈと、蒸発器１０に供給される流体の質量速度Ｇｗとを用いて、熱伝導により低下するフィンＦＮの温度差ΔＴｃを算出する。本実施形態の流量制御部２４は、フィンＦＮの温度差ΔＴｃがフィンＦＮの先端温度Ｔｆと、管壁温度Ｔｈとの温度差ΔＴｆよりも小さくなるように、蒸発器１０に供給される流体の流量を制御する。
【0065】
図１５は、温度差ΔＴｃ，ΔＴｆを用いた流量の制御方法のフローチャートである。図１５に示される制御フローでは、初めに、制御装置２０は、他の装置から蒸発器１０に生成するように要求される要求蒸気流量ｍsetを取得する（ステップＳ１）。流量制御部２４は、蒸発器１０に供給する水の供給流量を設定する（ステップＳ２）。初期に設定される供給流量は、要求蒸気流量ｍsetに応じて設定された流量であってもよいし、記憶部２２に記憶された予め設定された初期流量であってもよい。
【0066】
水が蒸発器１０に供給され始めると、流量ｍおよび温度差ΔＴｆが検出される（ステップＳ３）。算出部２３は、第１温度センサＳＳ１および第２温度センサＳＳ２の検出温度から、フィンＦＮの先端温度Ｔｆと管壁ＷＬの温度Ｔｆとの温度差ΔＴｆを取得する。また、流量制御部２４は、流量センサＳＳ３により検出された蒸発器１０に供給された供給流量を取得する。
【0067】
流量制御部２４は、温度差ΔＴｆが算出部２３により予め算出されたフィンＦＮの温度差ΔＴｃよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ４）。温度差ΔＴｆが温度差ΔＴｃよりも小さいと判定した場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、流量制御部２４は、現時点で蒸発器１０に供給している流量ｍから流量Δｍだけ減少させ（ステップＳ５）、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。流量制御部２４が減少させる流量Δｍは、下記式（６）を用いて算出部２３により算出される。
【0068】
【数6】
なお、本実施形態では、上記式（６）における蒸気クオリティの変更量ΔＸは、０．０５～０．１０の範囲の任意の値が設定されている。変更量ΔＸの設定については、変形可能である。
【0069】
ステップＳ４の処理において、温度差Ｔｆが温度差ΔＴｃ以上と判定された場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、現時点の流量ｍが要求蒸気流量ｍsetよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ６）。流量ｍが要求蒸気流量ｍsetよりも小さいと判定された場合には、流量制御部２４は、流量ｍから流量Δｍだけ増加させ（ステップＳ７）、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。
【0070】
ステップＳ６の処理において、流量ｍが要求蒸気流量ｍset以上と判定された場合には（ステップＳ６：ＮＯ）、流量制御部２４は、蒸発器１０に水を供給する制御フローを終了するか否かを判定する（ステップＳ８）。制御フローの終了のトリガーは、例えば、制御装置２０に対するユーザーからの終了操作等であればよい。制御フローを終了しないと判定された場合には（ステップＳ８：ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理が繰り返される。制御フローを処理すると判定された場合には（ステップＳ：ＹＥＳ）、制御フローが終了する。なお、制御フローの終了判定については、ステップＳ８以外の処理が行われている時に受け付けてもよい。
【0071】
以上のように、算出部２３は、上記式（４），（５）に示されるように、フィンＦＮの厚みｔと、フィンＦＮの１セグメント当たりの長さｈと、蒸発器１０に供給される流体の質量速度Ｇｗとを用いて、熱伝導により低下するフィンＦＮの温度差ΔＴｃを算出する。本実施形態の流量制御部２４は、フィンＦＮの温度差ΔＴｃがフィンＦＮの先端温度Ｔｆと、管壁温度Ｔｈとの温度差ΔＴｆよりも小さくなるように、蒸発器１０に供給される流体の流量を制御する。すなわち、算出部２３により、蒸発器１０に供給される液体をフィンＦＮが蒸発させる際に必要な熱量Ｑが、算出部２３により算出された温度差ΔＴｆと、フィンＦＮの厚みｔおよび長さｈとを用いて算出される。蒸発器１０に供給される流体の流量が多いと、フィンＦＮに衝突して蒸発する液滴ＬＤが増加するため、フィンＦＮの温度の低下分を表す温度差ΔＴｃは上昇する。第２実施形態では、フィンＦＮの温度の低下分の温度差ΔＴｃと、算出部２３により算出された温度差ΔＴｆとの比較により、蒸発器１０に供給される流体の流量が制御される。これにより、フィンＦＮに衝突する液滴ＬＤの全てを蒸発させることができる範囲の流量が蒸発器１０に供給されるように制御されるため、蒸発器１０からの液滴ＬＤの流出を抑制できる。
【0072】
＜実施形態の変形例＞
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
【0073】
＜変形例１＞
上記第１実施形態では、下流側流路ＦＬ３内に配置される構造物として、フィンＦＮを一例に挙げたが、構造物はフィンＦＮ以外の形状を有していてもよい。構造物は、直方体形状や球状であってもよく、旋回流を発生させない形状でもよい。構造物の形状は、エッジ部１４により管壁ＷＬではなく、中心軸ＯＬ側に導かれた流体に衝突しやすい位置に配置されている範囲で変形可能である。フィンＦＮは、第１フィンＦＮ１が発生させる旋回流と逆向きの旋回流を発生させる第２フィンＦＮ２を有していたが、第２フィンＦＮ２を有していなくてもよい。換言すると、フィンＦＮは、第２フィン構造ＳＦ２のように、第１フィンのみで構成されていてもよい。
上記第１実施形態では、下流側流路ＦＬ３内に配置される構造物として、フィンＦＮを一例に挙げたが、構造物はフィンＦＮ以外の形状を有していてもよい。構造物は、直方体形状や球状であってもよく、旋回流を発生させない形状でもよい。構造物の形状は、エッジ部１４により管壁ＷＬではなく、中心軸ＯＬ側に導かれた流体に衝突しやすい位置に配置されている範囲で変形可能である。フィンＦＮは、第１フィンＦＮ１が発生させる旋回流と逆向きの旋回流を発生させる第２フィンＦＮ２を有していたが、第２フィンＦＮ２を有していなくてもよい。換言すると、フィンＦＮは、第２フィン構造ＳＦ２のように、第１フィンのみで構成されていてもよい。
【0074】
上記第１実施形態の蒸気発生装置１００は、蒸発器１０と、ヒータ３０とを備える範囲で変形可能である。蒸気発生装置１００は、例えば、制御装置２０を備えていなくてもよい。上記第２実施形態では、エッジ部１４の位置に応じて、蒸発器１０に供給される流量が制御された。しかし、他の実施形態では、蒸発器１０に要求される蒸気生成量が予めわかっている場合には、要求蒸気生成量に応じて、エッジ部１４が環状流Ｆ３と噴霧流Ｆ４との境界よりも上流側に位置するように、蒸発器１０が設計されてもよい。上記第２実施形態で説明した制御装置２０による制御は、予めわかっている仕様に基づく蒸発器１０の設計方法とも換言できる。
【0075】
＜変形例２＞
上記第１実施形態のエッジ部１４は、一例であって、中間流路ＦＬ２内に形成され、中間流路ＦＬ２の一部分の断面積を他の部分よりも小さくする範囲で変形可能である。図１６は、変形例の噴霧化部１４ａの説明図である。図１６には、変形例の蒸発器１０ａの一部の概略断面図が示されている。変形例の蒸発器１０ａでは、図１６に示されるように、中間流路ＦＬ２ａのうち噴霧化部１４ａよりも上流側の断面積は一定である。下流側流路ＦＬ３ａの断面積は、中間流路ＦＬ２ａの噴霧化部１４ａよりも上流側の断面積よりも大きく、かつ、一定である。この場合に、中間流路ＦＬ２ａの管壁ＷＬａが、下流側流路ＦＬ３ａの断面積よりも小さくする噴霧化部１４ａに相当する。噴霧化部１４ａにより、噴霧化部１４ａを通過して下流側流路ＦＬ３ａに流入した流体は、下流側流路ＦＬ３ａの管壁ＷＬａを液膜ＬＦとして伝わらずに、図１６では図示が省略されている下流側の構造物に衝突しやすくなる。
上記第１実施形態のエッジ部１４は、一例であって、中間流路ＦＬ２内に形成され、中間流路ＦＬ２の一部分の断面積を他の部分よりも小さくする範囲で変形可能である。図１６は、変形例の噴霧化部１４ａの説明図である。図１６には、変形例の蒸発器１０ａの一部の概略断面図が示されている。変形例の蒸発器１０ａでは、図１６に示されるように、中間流路ＦＬ２ａのうち噴霧化部１４ａよりも上流側の断面積は一定である。下流側流路ＦＬ３ａの断面積は、中間流路ＦＬ２ａの噴霧化部１４ａよりも上流側の断面積よりも大きく、かつ、一定である。この場合に、中間流路ＦＬ２ａの管壁ＷＬａが、下流側流路ＦＬ３ａの断面積よりも小さくする噴霧化部１４ａに相当する。噴霧化部１４ａにより、噴霧化部１４ａを通過して下流側流路ＦＬ３ａに流入した流体は、下流側流路ＦＬ３ａの管壁ＷＬａを液膜ＬＦとして伝わらずに、図１６では図示が省略されている下流側の構造物に衝突しやすくなる。
【0076】
図１７は、変形例の噴霧化部１４ｂの説明図である。図１７には、変形例の蒸発器１０ｂの一部の概略断面図が示されている。変形例の蒸発器１０ｂでは、図１７に示されるように、中間流路ＦＬ２ｂおよび下流側流路ＦＬ３ｂの断面積は、同じ、かつ、一定である。中間流路ＦＬ２ｂの一部に、複数の貫通孔ＨＬが形成された噴霧化部１４ｂが配置されている。中間流路ＦＬ２ｂを流れる流体は、噴霧化部１４ｂの貫通孔ＨＬを通って、下流側流路ＦＬ３ｂに流入する。この変形例では、噴霧化部１４ｂが、下流側流路ＦＬ３ｂの断面積よりも、中間流路ＦＬ２ｂの断面積を小さくしている。噴霧化部１４ｂにより、噴霧化部１４ｂを通過して下流側流路ＦＬ３ｂに流入した流体は、下流側流路ＦＬ３ｂの管壁ＷＬｂを液膜ＬＦとして伝わらずに、図１７では図示が省略されている下流側の構造物に衝突しやすくなる。
【0077】
上記第１実施形態のエッジ部１４は、管壁ＷＬの全周に亘って形成されていたが、周方向に沿った一部（例えば０～１８０°の範囲）に形成されていてもよい。また、流路ＦＬの断面は円形状以外の矩形状であってもよく、エッジ部１４は、流路ＦＬの断面形状に合わせて変形可能である。
【0078】
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
【0079】
本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例１］
蒸気発生器であって、
流体が流通する第１流路と、前記第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、
前記第１流路の上流側に配置される第２流路と、前記第２流路内に形成され、前記第２流路の一部分の断面積を他の部分よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、
前記第１流路内および前記第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、
を備える、蒸気発生器。
［適用例２］
適用例１に記載の蒸気発生器であって、
前記噴霧化部は、上流側から下流側に向かって、前記第２流路の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部と、前記傾斜部の下流側端部から下流側に向けて流通する流体が前記第１流路の内周部と接触しないように、前記傾斜部の下流側端部と前記内周部との間に形成される段差部とを有している、蒸気発生器。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の蒸気発生器であって、
前記構造物は、前記内周部との間に螺旋状の流路を形成する流路形成部材である、蒸気発生器。
［適用例４］
適用例１から適用例３までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、
前記流路形成部材は、
前記内周部との間に、前記第１流路内を流れる流体に対して第１の方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第１流路形成部と、
前記内周部との間に、前記第１流路形成部の下流側に接続されて、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第２流路形成部と、を有する、蒸気発生器。
［適用例５］
適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、さらに、
前記第１流路内および前記第２流路内において、環状流から噴霧流へと変化する境界における液体と蒸気との合計の流量に対する蒸気の流量の割合を算出する算出部と、
前記噴霧化部が前記境界よりも上流側に位置するように、前記算出部により算出される前記割合を用いて、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する前記流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
［適用例６］
適用例１から適用例５までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、
前記算出部は、前記噴霧化部における最小の断面積を、前記第２流路の上流側における入口の断面積で除した面積比であって、前記蒸気発生器に供給される流体の流量に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない面積比の範囲を算出し、
前記流量制御部は、前記面積比に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない範囲で、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する、蒸気発生器。
［適用例７］
適用例１から適用例６までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、さらに、
前記流路形成部材の上流側の中心の温度と、前記流路形成部材の前記上流側と流路長さに沿って同じ位置にある前記第１流路を形成する管壁の温度と、の温度差を取得する温度差取得部と、
前記流路形成部材の厚みと、前記流路長さに沿った前記流路形成部材の長さと、前記蒸気発生器に供給される流体の流量と、を用いて、前記流路形成部材が液体の流体を蒸発させる際の前記流路形成部材の温度の低下分を算出する算出部と、
前記低下分が、前記温度差取得部により取得された温度差よりも小さくなるように、前記蒸気発生器に供給される液体の流量を制御する流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
［適用例１］
蒸気発生器であって、
流体が流通する第１流路と、前記第１流路内に配置された構造物と、を有する噴霧蒸発部と、
前記第１流路の上流側に配置される第２流路と、前記第２流路内に形成され、前記第２流路の一部分の断面積を他の部分よりも小さくする噴霧化部と、を有する流体噴霧化部と、
前記第１流路内および前記第２流路内を流通する流体を加熱する加熱部と、
を備える、蒸気発生器。
［適用例２］
適用例１に記載の蒸気発生器であって、
前記噴霧化部は、上流側から下流側に向かって、前記第２流路の一部分の断面積が徐々に小さくなる傾斜部と、前記傾斜部の下流側端部から下流側に向けて流通する流体が前記第１流路の内周部と接触しないように、前記傾斜部の下流側端部と前記内周部との間に形成される段差部とを有している、蒸気発生器。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の蒸気発生器であって、
前記構造物は、前記内周部との間に螺旋状の流路を形成する流路形成部材である、蒸気発生器。
［適用例４］
適用例１から適用例３までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、
前記流路形成部材は、
前記内周部との間に、前記第１流路内を流れる流体に対して第１の方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第１流路形成部と、
前記内周部との間に、前記第１流路形成部の下流側に接続されて、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる螺旋状の流路を形成する第２流路形成部と、を有する、蒸気発生器。
［適用例５］
適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、さらに、
前記第１流路内および前記第２流路内において、環状流から噴霧流へと変化する境界における液体と蒸気との合計の流量に対する蒸気の流量の割合を算出する算出部と、
前記噴霧化部が前記境界よりも上流側に位置するように、前記算出部により算出される前記割合を用いて、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する前記流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
［適用例６］
適用例１から適用例５までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、
前記算出部は、前記噴霧化部における最小の断面積を、前記第２流路の上流側における入口の断面積で除した面積比であって、前記蒸気発生器に供給される流体の流量に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない面積比の範囲を算出し、
前記流量制御部は、前記面積比に応じて、前記第１流路の下流側から液滴が流出しない範囲で、前記蒸気発生器に供給される流体の流量を制御する、蒸気発生器。
［適用例７］
適用例１から適用例６までのいずれか一項に記載の蒸気発生器であって、さらに、
前記流路形成部材の上流側の中心の温度と、前記流路形成部材の前記上流側と流路長さに沿って同じ位置にある前記第１流路を形成する管壁の温度と、の温度差を取得する温度差取得部と、
前記流路形成部材の厚みと、前記流路長さに沿った前記流路形成部材の長さと、前記蒸気発生器に供給される流体の流量と、を用いて、前記流路形成部材が液体の流体を蒸発させる際の前記流路形成部材の温度の低下分を算出する算出部と、
前記低下分が、前記温度差取得部により取得された温度差よりも小さくなるように、前記蒸気発生器に供給される液体の流量を制御する流量制御部と、
を備える、蒸気発生器。
【符号の説明】
【0080】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｘ，１０ｙ，１０ｚ…蒸発器
１１…第１領域
１２…第２領域（流体噴霧化部）
１３…第３領域（噴霧蒸発部）
１４…エッジ部（噴霧化部）
１４Ｉ…傾斜部
１４Ｕ…段差部
１４ａ，１４ｂ…噴霧化部
２０…制御装置
２１…ＣＰＵ
２２…記憶部
２３…算出部
２４…流量制御部
２５…加熱制御部
３０…ヒータ（加熱部）
４０…タンク
５０…ポンプ
１００…蒸気発生装置（蒸気発生器）
１０１…上流側蒸発器
１０２…下流側蒸発器
ＣＡ…カメラ
Ｆ１…気泡流
Ｆ２…スラグ流
Ｆ３…環状流
Ｆ４…噴霧流
ＦＬ，ＦＬｘ…流路
ＦＬ１…上流側流路
ＦＬ２，ＦＬ２ａ，ＦＬ２ｂ…中間流路
ＦＬ３，ＦＬ３ａ，ＦＬ３ｂ…下流側流路
ＦＮ…フィン（流路形成部材）
ＦＮ１…第１フィン（第１流路形成部）
ＦＮ２…第２フィン（第２流路形成部）
ＨＬ…貫通孔
ＬＤ…液滴
ＬＦ…液膜
ＯＬ…中心軸
Ｐ１～Ｐ５…領域
Ｑ，Ｑ1，Ｑ2…熱量
Ｒｄ…管径比
ＳＦ１…第１フィン構造
ＳＦ２…第２フィン構造
ＳＳ１…第１温度センサ
ＳＳ２…第２温度センサ
ＳＳ３…流量センサ
ΔＴｃ…温度差
Ｔｆ…フィンの先端温度
ΔＴｆ…温度差
Ｔｈ…管壁温度
ＷＬ，ＷＬａ，ＷＬｂ…管壁（内周部）
ΔＸ…流量の変更量
Ｘbp…境界の蒸気クオリティ
Ｘcr…下限の蒸気クオリティ
Ｘset…蒸気クオリティ
ｄｉｎ…入口管径
ｄｏｕｔ…出口管径
ｍ…流量
ｍset…要求蒸気流量
１１…第１領域
１２…第２領域（流体噴霧化部）
１３…第３領域（噴霧蒸発部）
１４…エッジ部（噴霧化部）
１４Ｉ…傾斜部
１４Ｕ…段差部
１４ａ，１４ｂ…噴霧化部
２０…制御装置
２１…ＣＰＵ
２２…記憶部
２３…算出部
２４…流量制御部
２５…加熱制御部
３０…ヒータ（加熱部）
４０…タンク
５０…ポンプ
１００…蒸気発生装置（蒸気発生器）
１０１…上流側蒸発器
１０２…下流側蒸発器
ＣＡ…カメラ
Ｆ１…気泡流
Ｆ２…スラグ流
Ｆ３…環状流
Ｆ４…噴霧流
ＦＬ，ＦＬｘ…流路
ＦＬ１…上流側流路
ＦＬ２，ＦＬ２ａ，ＦＬ２ｂ…中間流路
ＦＬ３，ＦＬ３ａ，ＦＬ３ｂ…下流側流路
ＦＮ…フィン（流路形成部材）
ＦＮ１…第１フィン（第１流路形成部）
ＦＮ２…第２フィン（第２流路形成部）
ＨＬ…貫通孔
ＬＤ…液滴
ＬＦ…液膜
ＯＬ…中心軸
Ｐ１～Ｐ５…領域
Ｑ，Ｑ1，Ｑ2…熱量
Ｒｄ…管径比
ＳＦ１…第１フィン構造
ＳＦ２…第２フィン構造
ＳＳ１…第１温度センサ
ＳＳ２…第２温度センサ
ＳＳ３…流量センサ
ΔＴｃ…温度差
Ｔｆ…フィンの先端温度
ΔＴｆ…温度差
Ｔｈ…管壁温度
ＷＬ，ＷＬａ，ＷＬｂ…管壁（内周部）
ΔＸ…流量の変更量
Ｘbp…境界の蒸気クオリティ
Ｘcr…下限の蒸気クオリティ
Ｘset…蒸気クオリティ
ｄｉｎ…入口管径
ｄｏｕｔ…出口管径
ｍ…流量
ｍset…要求蒸気流量
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】