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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-12
(45)【発行日】2024-04-22
(54)【発明の名称】蒸発器
(51)【国際特許分類】
F28D 1/047 20060101AFI20240415BHJP
F28F 27/02 20060101ALI20240415BHJP
F28F 1/00 20060101ALI20240415BHJP
【ＦＩ】
F28D1/047 B
F28F27/02 A
F28F1/00 E
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020022558
(22)【出願日】2020-02-13
(65)【公開番号】P2021127853
(43)【公開日】2021-09-02
【審査請求日】2023-01-10
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004314
【氏名又は名称】弁理士法人青藍国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100107641
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 耕一
(74)【代理人】
【識別番号】100163463
【弁理士】
【氏名又は名称】西尾 光彦
(72)【発明者】
【氏名】本間 雅也
(72)【発明者】
【氏名】倉本 哲英
【審査官】大谷 光司
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－２０３５３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－００７８６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭４８－０５２０４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１５１５０３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２８Ｄ１／０４７
Ｆ２８Ｆ１／００－１／４４，２７／０２
Ｆ２５Ｂ３９／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
液相の作動流体を受け入れる第一部位と、前記第一部位を通過した前記作動流体を受け入れる第二部位と、前記第二部位を通過した前記作動流体を受け入れて外部に導く第三部位とを有する作動流体経路と、前記作動流体経路における前記作動流体を加熱する熱媒体が通過する熱媒体経路と、を備え、
前記第一部位は、並列に配置された第一流路及び第二流路を含み、
前記第二部位は、前記作動流体を重力方向に沿って導く下降流路を含み、
前記第二部位は、下記（Ia）及び（Ib）の条件を満たす、
蒸発器。
（Ia）前記第二部位は、前記第一流路の断面積よりも小さい断面積を有する前記下降流路を有し、前記第一流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く第三流路を含む。
（Ib）前記第二部位は、前記第二流路の断面積よりも小さい断面積を有する前記下降流路を有し、前記第二流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く第四流路を含む。
【請求項2】
前記第三部位は、前記第三流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記作動流体経路の外部に向かって導く第五流路と、前記第四流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記作動流体経路の外部に向かって導く第六流路とを含み、前記第五流路の断面積は、前記第三流路における前記下降流路の断面積よりも大きく、
前記第六流路の断面積は、前記第四流路における前記下降流路の断面積よりも大きい、
請求項１に記載の蒸発器。
【請求項3】
前記作動流体経路は、前記作動流体が前記熱媒体の流れに対して対向流をなす配置を有する、請求項１又は２に記載の蒸発器。
【請求項4】
前記作動流体経路は、前記第一流路及び前記第二流路に接続された１つのみの入口流路をさらに有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸発器。
【請求項5】
並列に配置された複数の流路を含む第一部位に液相の作動流体を受け入れて前記複数の流路を通過させることと、前記複数の流路のそれぞれを通過した前記作動流体を、前記複数の流路のそれぞれの断面積よりも小さい断面積を有し、かつ、前記作動流体を重力方向に沿って導く下降流路を含む第二部位に受け入れて前記下降流路を通過させることと、
前記第一部位及び前記第二部位を有する作動流体経路の周囲に熱媒体を供給して前記作動流体を蒸発させることと、
前記下降流路において前記作動流体を気液二相状態で通過させることと、を含む、
蒸発器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、蒸発器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、分岐管を有する熱交換器が知られている。
【0003】
例えば、特許文献１には、空気調和機の室外熱交換器が記載されている。その室外熱交換器は、フィンと、伝熱管と、接続配管とを備えている。複数段の伝熱管が上下方向に配置されている。接続配管は、伝熱管を互いに接続している。室外熱交換器は、蒸発器として使用した場合に、冷媒が流入する冷媒流入口に近い接続配管にて上下方向に分流を行うＴ型分岐管を備える。室外熱交換器は、下側接続配管と、上側接続配管とを有する。下側接続配管は、Ｔ型分岐管の下側接続口と、Ｔ型分岐管よりも高い位置の伝熱管の接続口とを接続する。上側接続配管は、Ｔ型分岐管の上側接続口と、Ｔ型分岐管よりも低い位置の伝熱管の接続口とを接続する。上側接続配管の管径は、下側接続配管の管径よりも大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１９－１０５４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示は、作動流体の流速が低い状態で作動流体が重力方向に流れることによって作動流体の流量がばらつくことを防止する観点から有利な蒸発器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示における蒸発器は、
液相の作動流体を受け入れる第一部位と、前記第一部位を通過した前記作動流体を受け入れる第二部位と、前記第二部位を通過した前記作動流体を受け入れて外部に導く第三部位とを有する作動流体経路と、
前記作動流体経路における前記作動流体を加熱する熱媒体が通過する熱媒体経路と、を備え、
前記第一部位は、並列に配置された第一流路及び第二流路を含み、
前記第二部位は、前記作動流体を重力方向に沿って導く下降流路を含み、
前記第二部位は、下記（Ia）及び（Ib）の条件を満たす、又は、下記（II）の条件を満たす。
（Ia）前記第二部位は、前記第一流路の断面積よりも小さい断面積を有する前記下降流路を有し、前記第一流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く第三流路を含む。
（Ib）前記第二部位は、前記第二流路の断面積よりも小さい断面積を有する前記下降流路を有し、前記第二流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く第四流路を含む。
（II）前記第二部位は、前記第一流路を通過した前記作動流体及び前記第二流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く単一の流路のみを含む。
液相の作動流体を受け入れる第一部位と、前記第一部位を通過した前記作動流体を受け入れる第二部位と、前記第二部位を通過した前記作動流体を受け入れて外部に導く第三部位とを有する作動流体経路と、
前記作動流体経路における前記作動流体を加熱する熱媒体が通過する熱媒体経路と、を備え、
前記第一部位は、並列に配置された第一流路及び第二流路を含み、
前記第二部位は、前記作動流体を重力方向に沿って導く下降流路を含み、
前記第二部位は、下記（Ia）及び（Ib）の条件を満たす、又は、下記（II）の条件を満たす。
（Ia）前記第二部位は、前記第一流路の断面積よりも小さい断面積を有する前記下降流路を有し、前記第一流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く第三流路を含む。
（Ib）前記第二部位は、前記第二流路の断面積よりも小さい断面積を有する前記下降流路を有し、前記第二流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く第四流路を含む。
（II）前記第二部位は、前記第一流路を通過した前記作動流体及び前記第二流路を通過した前記作動流体を受け入れて前記第三部位に導く単一の流路のみを含む。
【発明の効果】
【0007】
上記の蒸発器は、作動流体の流速が低い状態で作動流体が重力方向に流れることによって作動流体の流量がばらつくことを防止する観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らが本開示を想到するに至った当時、蒸発器において流体が流れる流路を複数に分岐させることによって流体の流速を下げて、流体の流れの圧力損失を低減する技術があった。特に、気液二相状態の流体又は気相状態の流体の流速は高く、流体の流れの圧力損失が大きくなりやすいので、通常、そのような状態の流体が流れる流路の断面積を大きくして流体の流速を低くすることが有利であると考えられる。
本発明者らが本開示を想到するに至った当時、蒸発器において流体が流れる流路を複数に分岐させることによって流体の流速を下げて、流体の流れの圧力損失を低減する技術があった。特に、気液二相状態の流体又は気相状態の流体の流速は高く、流体の流れの圧力損失が大きくなりやすいので、通常、そのような状態の流体が流れる流路の断面積を大きくして流体の流速を低くすることが有利であると考えられる。
【0010】
例えば、ランキンサイクルを用いて発電を行う場合、発電出力を高めるために作動流体の圧力損失を低減することが重要である。しかし、蒸発器において、気液二相状態の作動流体が重力方向に流れる場合にその流速が低くなると、気液二相状態の作動流体を押し出す力が小さくなり、作動流体の流量のばらつきが発生するという課題を本発明者らは発見した。本発明者らは、この課題を解決するために本開示の主題を構成するに至った。
【0011】
そこで、本開示は、作動流体の流速が低い状態で作動流体が重力方向に流れることによって作動流体の流量がばらつくことを防止する観点から有利な蒸発器を提供する。
【0012】
以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細な説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
【0013】
【0014】
［１－１．構成］
図１及び２に示す通り、蒸発器１ａは、作動流体経路１０と、熱媒体経路３０とを備えている。作動流体経路１０は、第一部位１１と、第二部位１２と、第三部位１３とを有する。第一部位１１は、液相の作動流体Ｒを受け入れる。第一部位１１は、並列に配置された第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを含んでいる。第二部位１２は、第一部位１１を通過した作動流体Ｒを受け入れる。第二部位１２は、下降流路１２ｋを含んでいる。下降流路１２ｋは、作動流体Ｒを重力方向に導く。第三部位１３は、第二部位１２を通過した作動流体Ｒを受け入れて蒸発器１ａの外部に導く。熱媒体経路３０において、作動流体経路１０における作動流体Ｒを加熱する熱媒体Ｇが通過する。
図１及び２に示す通り、蒸発器１ａは、作動流体経路１０と、熱媒体経路３０とを備えている。作動流体経路１０は、第一部位１１と、第二部位１２と、第三部位１３とを有する。第一部位１１は、液相の作動流体Ｒを受け入れる。第一部位１１は、並列に配置された第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを含んでいる。第二部位１２は、第一部位１１を通過した作動流体Ｒを受け入れる。第二部位１２は、下降流路１２ｋを含んでいる。下降流路１２ｋは、作動流体Ｒを重力方向に導く。第三部位１３は、第二部位１２を通過した作動流体Ｒを受け入れて蒸発器１ａの外部に導く。熱媒体経路３０において、作動流体経路１０における作動流体Ｒを加熱する熱媒体Ｇが通過する。
【0015】
第二部位１２は、第三流路１２ａを含む。第三流路１２ａは、第一流路１１ａの断面積よりも小さい断面積を有する下降流路１２ｋを有する。第三流路１２ａは、第一流路１１ａを通過した作動流体を受け入れて第三部位１３に導く。第二部位１２は、第四流路１２ｂを含む。第四流路１２ｂは、第二流路１１ｂの断面積よりも小さい断面積を有する下降流路１２ｋを有する。第四流路１２ｂは、第二流路１１ｂを通過した作動流体を受け入れて第三部位１３に導く。
【0016】
第三部位１３は、例えば、第五流路１３ａを含む。第五流路１３ａは、第三流路１２ａを通過した作動流体Ｒを受け入れて作動流体経路１０の外部に向かって導く。第五流路１３ａの断面積は、例えば、第三流路１２ａにおける下降流路１２ｋの断面積よりも大きい。第三部位１３は、例えば、第六流路１３ｂを含む。第六流路１３ｂは、第四流路１２ｂを通過した作動流体Ｒを受け入れて作動流体経路１０の外部に向かって導く。第六流路１３ｂは、例えば、第四流路１２ｂにおける下降流路１２ｋの断面積よりも大きい。
【0017】
作動流体経路１０は、例えば、作動流体Ｒが熱媒体Ｇの流れに対して対向流をなす配置を有する。例えば、蒸発器１ａにおいて、作動流体経路１０の入口は、作動流体経路１０の出口よりも上方に位置している。一方、熱媒体経路３０において熱媒体Ｇは、ｚ軸正方向に流れる。
【0018】
図２に示す通り、第二部位１２は、例えば、第一部位１１の下方に位置している。加えて、第三部位１３は、例えば、第二部位１２の下方に位置している。
【0019】
図１に示す通り、作動流体経路１０は、例えば、１つのみの入口流路１５をさらに有する。入口流路１５は、第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂに接続されており、第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂに作動流体Ｒを導く。入口流路１５を通過した作動流体Ｒの流れは２つに分かれて第一流路１１ａ又は第二流路１１ｂに導かれる。蒸発器１ａは、例えば分岐管１７を有する。入口流路１５をなす管と、第一流路１１ａをなす管と、第二流路１１ｂをなす管とが分岐管１７によって接続されている。分岐管１７は、例えばＹ字管である。
【0020】
分岐管１７は、実質的に水平な平面に沿って配置されている。これにより、分岐管１７の内部を通過した作動流体Ｒが第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂに均等に導かれやすい。
【0021】
図２に示す通り、作動流体経路１０は、例えば、１つのみの出口流路１６をさらに有する。出口流路１６は、第三部位１３を通過した作動流体Ｒを蒸発器１ａの外部に導く。例えば、第五流路１３ａにおける作動流体Ｒの流れ及び第六流路１３ｂにおける作動流体Ｒの流れが合流して出口流路１６に導かれる。蒸発器１ａは、例えばジョイント管１８を有する。出口流路１６をなす管と、第五流路１３ａをなす管と、第六流路１３ｂをなす管とがジョイント管１８によって接続されている。ジョイント管１８は、例えばＹ字管である。
【0022】
例えば、作動流体経路１０において、第一部位１１、第二部位１２、及び第三部位１３によってサーペンタイン流路が形成されている。サーペンタイン流路において、作動流体は、水平方向に沿って流れることと重力方向に沿って流れることとを交互に繰り返す。第一部位１１、第二部位１２、及び第三部位１３をなす管は、例えば、複数の直管及び複数のＵベンドを含む。複数の直管は、例えば、ｙ軸に沿って延びている。加えて、複数の直管は、重力方向に複数段をなすように配置されている。Ｕベンドは、重力方向に隣り合う２つの直管を接続している。一部のＵベンドによって下降流路１２ｋが形成されている。複数の直管及び複数のＵベンドは、伝熱性を有する。複数の直管及び複数のＵベンドの材料は、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼である。
【0023】
第一流路１１ａをなす管の形状及び第二流路１１ｂをなす管の形状は、特定の形状に限定されない。第一流路１１ａをなす管及び第二流路１１ｂをなす管のそれぞれは、例えば、円管である。第一流路１１ａをなす管の内径及び第二流路１１ｂをなす管の内径は、特定の値に限定されない。第一流路１１ａをなす管の内径及び第二流路１１ｂをなす管の内径のそれぞれは、例えば１９．１ｍｍである。第一流路１１ａをなす管の肉厚及び第二流路１１ｂをなす管の肉厚は、特定の値に限定されない。第一流路１１ａをなす管の肉厚及び第二流路１１ｂをなす管の肉厚は、例えば、１．５ｍｍである。第一流路１１ａをなす管の内面の形状及び第二流路１１ｂをなす管の内面の形状は特定の形状に限定されない。第一流路１１ａをなす管の内面及び第二流路１１ｂをなす管の内面のそれぞれは、例えば平滑である。
【0024】
第三流路１２ａをなす管の形状及び第四流路１２ｂをなす管の形状は、特定の形状に限定されない。第三流路１２ａをなす管及び第四流路１２ｂをなす管のそれぞれは、例えば、円管である。第三流路１２ａをなす管の内径は、第三流路１２ａの下降流路１２ｋが第一流路１１ａの断面積よりも小さい断面積を有する限り、特定の値に限定されない。第四流路１２ｂをなす管の内径は、第四流路１２ｂの下降流路１２ｋが第二流路１１ｂの断面積よりも小さい断面積を有する限り、特定の値に限定されない。第三流路１２ａをなす管の内径及び第四流路１２ｂをなす管の内径のそれぞれは、例えば１５．９ｍｍである。第三流路１２ａをなす管の内面の形状及び第四流路１２ｂをなす管の内面の形状は特定の形状に限定されない。第三流路１２ａをなす管の内面及び第四流路１２ｂをなす管の内面のそれぞれは、例えば平滑である。
【0025】
第五流路１３ａをなす管の形状及び第六流路１３ｂをなす管の形状は、特定の形状に限定されない。第五流路１３ａをなす管及び第六流路１３ｂをなす管のそれぞれは、例えば、円管である。第五流路１３ａをなす管の内径及び第六流路１３ｂをなす管の内径は、特定の値に限定されない。第五流路１３ａをなす管の内径及び第六流路１３ｂをなす管の内径のそれぞれは、例えば１９．１ｍｍである。第五流路１３ａをなす管の肉厚及び第六流路１３ｂをなす管の肉厚は、特定の値に限定されない。第五流路１３ａをなす管の肉厚及び第六流路１３ｂをなす管の肉厚のそれぞれは、例えば１．５ｍｍである。第五流路１３ａをなす管の内面の形状及び第六流路１３ｂをなす管の内面の形状は特定の形状に限定されない。第五流路１３ａをなす管の内面及び第六流路１３ｂをなす管の内面のそれぞれは、例えば平滑である。
【0026】
第一部位１１、第二部位１２、及び第三部位１３をなす管に含まれるＵベンドのピッチは、特定の値に限定されない。Ｕベンドのピッチは、例えば３７．５ｍｍである。
【0027】
図１及び図２に示す通り、蒸発器１ａは、例えばフィン２０をさらに備えている。蒸発器１ａにおいて、フィン２０は、例えば矩形状の板材によって形成されている。フィン２０は、例えば平坦な表面を有する。フィン２０の厚みは特定の値に限定されない。フィン２０の厚みは、例えば０．２ｍｍである。フィン２０の材料は、特定の材料に限定されない。フィン２０の材料は、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼である。
【0028】
蒸発器１ａにおいて、例えば、複数のフィン２０がｙ軸に沿って所定の間隔で互いに平行に配置されている。各フィン２０の長手方向は、例えば重力方向と一致している。第一部位１１、第二部位１２、及び第三部位１３に含まれる複数の直管は、複数のフィン２０に形成された開口に圧入されて複数のフィン２０に固定されている。これにより、蒸発器１ａの伝熱性能が高くなりやすい。
【0029】
蒸発器１ａに供給される作動流体Ｒは、例えば、ランキンサイクルで使用可能な作動流体である。ランキンサイクルで使用可能な作動流体は、例えば、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系の作動流体、又はイソペンタン等の炭化水素系の作動流体である。
【0030】
熱媒体経路３０における熱媒体Ｇは、例えば、工場から排出される排ガスである。熱媒体Ｇは、例えば２００℃であり、熱媒体経路３０における熱媒体Ｇの流量は、例えば３００Ｎｍ3／時間である。熱媒体Ｇは、例えば、Ｎ2、Ｏ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、ＳＯ2、及びＮＯ2からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。
【0031】
［１－２．動作］
以上のように構成された蒸発器１ａについて、以下その動作、作用を説明する。作動流体Ｒは、熱媒体Ｇから熱を吸収しながら作動流体経路１０を流れる。液相の作動流体Ｒは、入口流路１５及び分岐管１７の内部を通過して２つの流れに分かれ、第一部位１１における第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂに導かれる。作動流体Ｒは、例えば、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）である。蒸発器１ａにおける作動流体Ｒの圧力は、例えば１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下である。液相の作動流体Ｒの温度は、例えば２０℃以上１００℃以下である。蒸発器１ａへの作動流体Ｒの供給量は、例えば１００ｋｇ／時間以上４００ｋｇ／時間である。
以上のように構成された蒸発器１ａについて、以下その動作、作用を説明する。作動流体Ｒは、熱媒体Ｇから熱を吸収しながら作動流体経路１０を流れる。液相の作動流体Ｒは、入口流路１５及び分岐管１７の内部を通過して２つの流れに分かれ、第一部位１１における第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂに導かれる。作動流体Ｒは、例えば、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）である。蒸発器１ａにおける作動流体Ｒの圧力は、例えば１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下である。液相の作動流体Ｒの温度は、例えば２０℃以上１００℃以下である。蒸発器１ａへの作動流体Ｒの供給量は、例えば１００ｋｇ／時間以上４００ｋｇ／時間である。
【0032】
図２における破線の矢印は、ｙ軸方向における作動流体経路１０の両端部において作動流体Ｒが流れる方向を示す。第一部位１１において作動流体は、例えば、液相状態である。第一部位１１を通過した作動流体Ｒは、第二部位１２に導かれる。第一流路１１ａを通過した作動流体Ｒは第三流路１２ａに導かれ、第二流路１１ｂを通過した作動流体Ｒは第四流路１２ｂに導かれる。第二部位１２において作動流体Ｒは、例えば気液二相状態である。このため、第三流路１２ａ及び第四流路１２ｂにおける下降流路１２ｋを気液二相状態の作動流体Ｒが通過する。下降流路１２ｋにおいて、作動流体Ｒは重力方向に沿って導かれる。このため、下降流路１２ｋにおいて、気液二相状態の作動流体Ｒに含まれる気泡に作用する浮力は、作動流体Ｒの流れ方向と逆方向に働く。第三流路１２ａにおける下降流路１２ｋは、第一流路１１ａの断面積よりも小さい断面積を有する。第四流路１２ｂにおける下降流路１２ｋは、第二流路１１ｂの断面積よりも小さい断面積を有する。このため、下降流路１２ｋを流れる作動流体Ｒの流速が高くなりやすい。これにより、下降流路１２ｋにおいて、作動流体Ｒの流れにより発生する力は、気液二相状態の作動流体Ｒに含まれる気泡に作用する浮力よりも大きくなりやすい。その結果、下降流路１２ｋから気泡が押し出されやすく、下降流路１２ｋにおいて気泡の滞留が抑制される。
【0033】
第二部位１２を通過した作動流体Ｒは、第三部位１３に導かれる。第三流路１２ａを通過した作動流体Ｒは第五流路１３ａに導かれ、第四流路１２ｂを通過した作動流体Ｒは第六流路１３ｂに導かれる。第三部位１３において、作動流体Ｒは、例えば気相状態である。第五流路１３ａの断面積は、第三流路１２ａにおける下降流路１２ｋの断面積よりも大きく、第六流路１３ｂの断面積は、第四流路１２ｂにおける下降流路１２ｋの断面積よりも大きい。このため、第三部位１３において作動流体Ｒの流速は低下する。その後、気相の作動流体Ｒは、ジョイント管１８及び出口流路１６を通過して蒸発器１ａの外部に導かれる。気相の作動流体Ｒの温度は、例えば７０℃以上２００℃以下である。
【0034】
［１－３．効果等］
以上のように、本実施形態において、蒸発器１ａは、作動流体経路１０と、熱媒体経路３０とを備えている。作動流体経路１０は、第一部位１１と、第二部位１２と、第三部位１３とを有する。第一部位１１は、液相の作動流体Ｒを受け入れる。第一部位１１は、並列に配置された第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを含んでいる。第二部位１２は、第一部位１１を通過した作動流体Ｒを受け入れる。第二部位１２は、下降流路１２ｋを含んでいる。下降流路１２ｋは、作動流体Ｒを重力方向に導く。第三部位１３は、第二部位１２を通過した作動流体Ｒを受け入れて蒸発器１ａの外部に導く。熱媒体経路３０において、作動流体経路１０における作動流体Ｒを加熱する熱媒体Ｇが通過する。第二部位１２は、第三流路１２ａを含む。第三流路１２ａは、第一流路１１ａの断面積よりも小さい断面積を有する下降流路１２ｋを有する。第三流路１２ａは、第一流路１１ａを通過した作動流体を受け入れて第三部位１３に導く。第二部位１２は、第四流路１２ｂを含む。第四流路１２ｂは、第二流路１１ｂの断面積よりも小さい断面積を有する下降流路１２ｋを有する。第四流路１２ｂは、第二流路１１ｂを通過した作動流体を受け入れて第三部位１３に導く。
以上のように、本実施形態において、蒸発器１ａは、作動流体経路１０と、熱媒体経路３０とを備えている。作動流体経路１０は、第一部位１１と、第二部位１２と、第三部位１３とを有する。第一部位１１は、液相の作動流体Ｒを受け入れる。第一部位１１は、並列に配置された第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを含んでいる。第二部位１２は、第一部位１１を通過した作動流体Ｒを受け入れる。第二部位１２は、下降流路１２ｋを含んでいる。下降流路１２ｋは、作動流体Ｒを重力方向に導く。第三部位１３は、第二部位１２を通過した作動流体Ｒを受け入れて蒸発器１ａの外部に導く。熱媒体経路３０において、作動流体経路１０における作動流体Ｒを加熱する熱媒体Ｇが通過する。第二部位１２は、第三流路１２ａを含む。第三流路１２ａは、第一流路１１ａの断面積よりも小さい断面積を有する下降流路１２ｋを有する。第三流路１２ａは、第一流路１１ａを通過した作動流体を受け入れて第三部位１３に導く。第二部位１２は、第四流路１２ｂを含む。第四流路１２ｂは、第二流路１１ｂの断面積よりも小さい断面積を有する下降流路１２ｋを有する。第四流路１２ｂは、第二流路１１ｂを通過した作動流体を受け入れて第三部位１３に導く。
【0035】
これにより、下降流路１２ｋにおいて、重力方向に沿って導かれる作動流体Ｒの流速が高くなりやすく、作動流体Ｒの流れにより発生する力が気液二相状態の作動流体Ｒの気泡に作用する浮力よりも大きくなりやすい。このため、下降流路１２ｋにおいて、気泡が押し出され、気泡の滞留が抑制される。その結果、第三流路１２ａの流路抵抗と第四流路１２ｂの流路抵抗との差が小さくなり、作動流体の流速が低い状態で作動流体が重力方向に流れることによって作動流体の流量がばらつくことを防止できる。なお、作動流体の流速が低い状態で作動流体が重力方向に流れる場合、気液二相状態の作動流体に含まれる気泡を押し出す力が小さくなり、気液二相状態の作動流体が流れる流路において気泡が滞留しやすい。これにより、各流路における流路抵抗差が生じ、流路間の流量のばらつきが生じうる。
【0036】
本実施形態のように、第三部位１３は、第五流路１３ａと、第六流路１３ｂとを含んでいてもよい。第五流路１３ａは、第三流路１２ａを通過した作動流体Ｒを受け入れて作動流体経路１０の外部に向かって導く。第六流路１３ｂは、第四流路１２ｂを通過した作動流体Ｒを受け入れて作動流体経路１０の外部に向かって導く。第五流路１３ａの断面積は、第三流路１２ａにおける下降流路１２ｋの断面積よりも大きくてもよい。第六流路１３ｂの断面積は、第四流路１２ａにおける下降流路１２ｋの断面積よりも大きくてもよい。
【0037】
これにより、気相状態の作動流体Ｒの流速が低くなりやすく、第三部位１３における気相の作動流体の流れの圧力損失が低くなりやすい。このため、蒸発器における作動流体の流れの圧力損失を低く保ちつつ、作動流体の流量のばらつきを防止できる。
【0038】
本実施形態のように、作動流体経路１０は、作動流体Ｒが熱媒体Ｇの流れに対して対向流をなす配置を有していてもよい。
【0039】
これにより、作動流体Ｒが熱媒体Ｇの流れに対して対向流をなした状態で作動流体Ｒと熱媒体Ｇとの間の熱交換が行われる。このため、作動流体Ｒと熱媒体Ｇとの間の平均温度差が大きくなり、蒸発器１ａが高い熱交換性能を発揮しやすい。このため、蒸発器１ａにおける熱交換量を高めつつ、作動流体の流量のばらつきを防止できる。
【0040】
本実施形態のように、作動流体経路１０は、第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂに接続された１つのみの入口流路１５をさらに有していてもよい。
【0041】
これにより、液相の作動流体Ｒを蒸発器１ａに供給するための配管を取り付ける作業を簡素化できる。
【0042】
以上のように、本実施形態において、蒸発器１ａは、以下の（ｉ）、（ii）、（iii）、及び（iv）の事項を含む方法に従って、運転される。
（ｉ）並列に配置された第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを含む第一部位１１に液相の作動流体Ｒを受け入れて第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを通過させる。
（ii）第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂのそれぞれを通過した作動流体Ｒを、下降流路１２ｋを含む第二部位１２に受け入れて下降流路１２ｋを通過させる。下降流路１２ｋは、第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂのそれぞれの断面積よりも小さい断面積を有し、かつ、作動流体Ｒを重力方向に沿って導く。
（iii）第一部位１１及び第二部位１２を有する作動流体経路１０の周囲に熱媒体Ｇを供給して作動流体Ｒを蒸発させる。
（iv）下降流路１２ｋにおいて作動流体Ｒを気液二相状態で通過させる。
（ｉ）並列に配置された第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを含む第一部位１１に液相の作動流体Ｒを受け入れて第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂを通過させる。
（ii）第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂのそれぞれを通過した作動流体Ｒを、下降流路１２ｋを含む第二部位１２に受け入れて下降流路１２ｋを通過させる。下降流路１２ｋは、第一流路１１ａ及び第二流路１１ｂのそれぞれの断面積よりも小さい断面積を有し、かつ、作動流体Ｒを重力方向に沿って導く。
（iii）第一部位１１及び第二部位１２を有する作動流体経路１０の周囲に熱媒体Ｇを供給して作動流体Ｒを蒸発させる。
（iv）下降流路１２ｋにおいて作動流体Ｒを気液二相状態で通過させる。
【0043】
これにより、下降流路１２ｋにおいて、重力方向に沿って導かれる作動流体Ｒの流速が高くなりやすく、作動流体Ｒの流れにより発生する力が気液二相状態の作動流体Ｒの気泡に作用する浮力よりも大きくなりやすい。このため、下降流路１２ｋにおいて、気泡が押し出され、気泡の滞留が抑制される。その結果、第三流路１２ａの流路抵抗と第四流路１２ｂの流路抵抗との差が小さくなり、作動流体の流速が低い状態で作動流体が重力方向に流れることによって作動流体の流量がばらつくことを防止できる。
【0044】
【0045】
［２－１．構成］
実施の形態２に係る蒸発器１ｂは、特に説明する部分を除き、蒸発器１ａと同様に構成されている。蒸発器１ａの構成要素と同一又は対応する蒸発器１ｂの構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。蒸発器１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、蒸発器１ｂにも当てはまる。
実施の形態２に係る蒸発器１ｂは、特に説明する部分を除き、蒸発器１ａと同様に構成されている。蒸発器１ａの構成要素と同一又は対応する蒸発器１ｂの構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。蒸発器１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、蒸発器１ｂにも当てはまる。
【0046】
図３及び図５に示す通り、蒸発器１ｂにおける第二部位１２は、第三流路１２ａ及び第四流路１２ｂを含んでおらず、単一の流路１２ｓのみを含んでいる。流路１２ｓは、第一流路１１ａを通過した作動流体Ｒ及び第二流路１１ｂを通過した作動流体Ｒを受け入れて第三部位１３に導く。図４に示す通り、第二部位１２は、下降流路１２ｋを含んでいる。下降流路１２ｋは、作動流体Ｒを重力方向に沿って導く。
【0047】
蒸発器１ｂにおける第三部位１３は、例えば、並列に配置された複数の流路１３ｍを含む。第三部位１３は、例えば、並列に配置された２つの流路１３ｍを含んでいる。
【0048】
流路１２ｓをなす管の形状は、特定の形状に限定されない。流路１２ｓをなす管は、例えば円管である。流路１２ｓをなす管の内径は特定の値に限定されない。流路１２ｓをなす管の内径は、例えば１９．１ｍｍである。流路１２ｓをなす管の内面の形状は特定の形状に限定されない。流路１２ｓをなす管の内面は、例えば平滑である。
【0049】
複数の流路１３ｍのそれぞれをなす管の形状は、特定の形状に限定されない。複数の流路１３ｍのそれぞれをなす管は、例えば円管である。複数の流路１３ｍのそれぞれをなす管の内径は特定の値に限定されない。複数の流路１３ｍのそれぞれをなす管の内径は、例えば１９．１ｍｍである。複数の流路１３ｍのそれぞれをなす管の内面の形状は特定の形状に限定されない。複数の流路１３ｍのそれぞれをなす管の内面は、例えば平滑である。
【0050】
［２－２．動作］
以上のように構成された蒸発器１ｂについて、以下その動作、作用を説明する。図５における破線の矢印は、ｙ軸方向における作動流体経路１０の両端部における作動流体Ｒが流れる方向を示す。第一部位１１において作動流体は、例えば、液相状態である。第一部位１１を通過した作動流体Ｒは第二部位１２に導かれる。第一流路１１ａを通過した作動流体Ｒ及び第二流路１１ｂを通過した作動流体Ｒは、合流して単一の流路１２ｓに導かれる。第二部位１２において作動流体Ｒは、例えば気液二相状態である。第二部位１２を通過した作動流体Ｒの流れは２つに分かれ、２つの流路１３ｍを流れる。
以上のように構成された蒸発器１ｂについて、以下その動作、作用を説明する。図５における破線の矢印は、ｙ軸方向における作動流体経路１０の両端部における作動流体Ｒが流れる方向を示す。第一部位１１において作動流体は、例えば、液相状態である。第一部位１１を通過した作動流体Ｒは第二部位１２に導かれる。第一流路１１ａを通過した作動流体Ｒ及び第二流路１１ｂを通過した作動流体Ｒは、合流して単一の流路１２ｓに導かれる。第二部位１２において作動流体Ｒは、例えば気液二相状態である。第二部位１２を通過した作動流体Ｒの流れは２つに分かれ、２つの流路１３ｍを流れる。
【0051】
［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、蒸発器１ｂにおける第二部位１２は、単一の流路１２ｓのみを含む。流路１２ｓは、第一流路１１ａを通過した作動流体Ｒ及び第二流路１１ｂを通過した作動流体Ｒを受け入れて第三部位１３に導く。
以上のように、本実施の形態において、蒸発器１ｂにおける第二部位１２は、単一の流路１２ｓのみを含む。流路１２ｓは、第一流路１１ａを通過した作動流体Ｒ及び第二流路１１ｂを通過した作動流体Ｒを受け入れて第三部位１３に導く。
【0052】
これにより、気液二相状態の作動流体Ｒは単一の流路１２ｓのみを流れるので、作動流体Ｒの流量のばらつきが発生することを防止できる。
【0053】
本実施形態のように、第三部位１３は、並列に配置された複数の流路１３ｍを含んでいてもよい。
【0054】
これにより、気相状態の作動流体Ｒの流速が低くなりやすく、第三部位１３における気相の作動流体の流れの圧力損失が低くなりやすい。このため、蒸発器１ｂにおける作動流体の流れの圧力損失を低く保ちつつ、作動流体Ｒの流量のばらつきを防止できる。
【0055】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び実施の形態２を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び実施の形態２を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【0056】
例えば、蒸発器１ａを用いて、図６に示すランキンサイクル装置１００を提供できる。ランキンサイクル装置１００は、蒸発器１ａと、ポンプ２と、膨張機３と、凝縮器４とを備えている。ランキンサイクル装置１００において、ポンプ２、蒸発器１ａ、膨張機３、及び凝縮器４が配管９によって接続され作動流体が循環する閉じた回路が形成されている。ランキンサイクル装置１００は、例えば、第一流路部材７ａ及び第二流路部材７ｂをさらに備えている。第一流路部材７ａ及び第二流路部材７ｂのそれぞれは、その内部に熱媒体Ｇの流路を有する。蒸発器１ａは、第一流路部材７ａと第二流路部材７ｂとの間に配置されている。第一流路部材７ａを通過した熱媒体Ｇは、蒸発器１ａにおける熱媒体経路３０に導かれる。
【0057】
ポンプ２は、作動流体Ｒを吸い込んで加圧し、加圧した作動流体Ｒを吐き出す。ポンプ２は、例えば、ギヤポンプ等の容積型のポンプである。
【0058】
膨張機３には蒸発器１ａから排出された気相の作動流体Ｒが供給される。膨張機３において、作動流体Ｒは膨張して低圧の状態になる。膨張機３は、作動流体Ｒの膨張に伴い外部に放出されるエネルギーを回転トルクとして動力を生じさせる。例えば、この動力によって発電が行われる。膨張機３は、例えば、スクロール式、レシプロ式、又はロータリー式の流体機械である。
【0059】
凝縮器４は、例えば、空冷式の熱交換器である。凝縮器４は、膨張機３から排出された作動流体Ｒを外気と熱交換させることによって作動流体Ｒを冷却して凝縮させ、外気へ熱を放出する。ランキンサイクル装置１００は、例えばファン５をさらに備えている。ファン５の作動により、凝縮器４に向かって外気が送られる。凝縮器４は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。凝縮器４は水冷式の熱交換器であってもよい。
【0060】
以上のように構成されたランキンサイクル装置１００について、以下その動作、作用を説明する。ランキンサイクル装置１００は、例えば以下の手順で運転される。まず、ポンプ２を動かしてランキンサイクル装置１００の運転を開始させる。ポンプ２は、作動流体Ｒを吸い込んで加圧し、加圧された作動流体Ｒを吐き出す。ポンプ２から吐出された作動流体Ｒは、蒸発器１ａに導かれる。蒸発器１ａにおいて作動流体Ｒは、熱媒体Ｇから熱を受け取り、過熱状態の気相の作動流体Ｒへと変化する。高温かつ気相の作動流体は、膨張機３へと送られる。膨張機３において、作動流体Ｒの圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、その機械エネルギーによって発電機が駆動され電力が生成される。なお、図６において発電機の図示を省略している。膨張機３から吐出された作動流体Ｒは、凝縮器４に導かれる。作動流体Ｒは、凝縮器４３において外気によって冷却され凝縮する。凝縮した作動流体Ｒは、ポンプ２によって加圧され、再び蒸発器１ａに送られる。
【0061】
以上のように、蒸発器１ａは、ランキンサイクル装置１００に適用できる。なお、蒸発器１ａに代えて蒸発器１ｂを用いてランキンサイクル装置を提供してもよい。
【0062】
実施の形態１及び２では、フィン２０の材料並びに作動流体経路１０に含まれる直管及びＵベンドの材料の一例として、ステンレス鋼を示した。フィン２０の材料並びに作動流体経路１０に含まれる直管及びＵベンドの材料は、高い熱伝導率を有する材料であればよい。このため、フィン２０の材料並びに作動流体経路１０に含まれる直管及びＵベンドの材料は、ステンレス鋼に限定されない。一方、フィン２０の材料並びに作動流体経路１０に含まれる直管及びＵベンドの材料がステンレス鋼であることにより、これらの部材の耐腐食性を向上させることができ、蒸発器１ａ又は１ｂの信頼性及び耐久性を高めることができる。
【0063】
フィン２０の材料並びに作動流体経路１０に含まれる直管及びＵベンドの材料は、アルミニウムであってもよい。この場合、アルミニウムの密度が低いので、蒸発器１ａ又は１ｂを軽量化できる。
【0064】
フィン２０の材料並びに作動流体経路１０に含まれる直管及びＵベンドの材料は、銅であってもよい。この場合、銅の熱伝導率が高いので、蒸発器１ａ又は１ｂの小型化を図ることができる。
【0065】
実施の形態１及び２では、フィン２０の厚みの一例を０．２ｍｍと説明した。フィン２０の厚みは、加工時の変形及び亀裂が生じない厚みであればよい。従って、フィン２０の厚みは０．２ｍｍに限定されない。フィン２０の厚みは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲であってもよい。
【0066】
実施の形態１では、作動流体経路１０に含まれるＵベンドのピッチの一例を３７．５ｍｍと説明した。Ｕベンドのピッチは、加工時の変形及び亀裂が生じない値であればよい。従って、Ｕベンドのピッチは３７．５ｍｍに限定されない。Ｕベンドのピッチは、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲であってもよい。
【0067】
実施の形態１及び２において作動流体経路１０に含まれる直管とフィン２０との間の伝熱性能を高める手段として、フィン２０に形成された開口に直管を圧入することを説明した。直管とフィン２０との間の伝熱性能を高める手段は、直管とフィン２０との密着性を向上させる手段であればよい。従って、直管とフィン２０との間の伝熱性能を高める手段は、フィン２０に形成された開口に直管を圧入することに限定されない。一方、フィン２０に形成された開口に直管を圧入することによれば、直管の材料が硬くても直管とフィン２０との密着性を高く保つことができる。
【0068】
直管とフィン２０との間の伝熱性能を高める手段は、直管の拡管を伴う手段であってもよい。この場合、直管の拡管により直管とフィン２０との密着性を高めることができる。
【0069】
直管とフィン２０との間の伝熱性能を高める手段は、直管とフィン２０との溶接であってもよい。この場合、直管とフィン２０との間に生じる接触熱抵抗を低くできる。
【0070】
実施の形態１及び２では、分岐管１７及びジョイント管１８の一例として、Ｙ字管を示した。分岐管１７及びジョイント管１８は、それぞれ、作動流体Ｒの分岐及び合流を行う機能が備えた部品であればよい。従って、分岐管１７及びジョイント管１８はＹ字管に限定されない。一方、分岐管１７及びジョイント管１８がＹ字管であると、低コストで作動流体Ｒの分岐及び合流がなされる流路を形成できる。
【0071】
分岐管１７及びジョイント管１８のそれぞれは、ディストリビュータ（分流器）であってもよい。この場合、分流性能等の性能を向上させることができる。
【0072】
分岐管１７及びジョイント管１８のそれぞれは、ヘッダーであってもよい。この場合、作動流体Ｒの流れの分岐の数及び合流する作動流体Ｒの流れの数が多い場合でも、作動流体Ｒの流れの分岐及び合流を行いやすい。
【0073】
実施の形態１及び２では、熱媒体Ｇの一例として、工場からの排ガスを説明した。熱媒体Ｇはこれに限定されない。熱媒体Ｇは、例えば、温泉排熱を有する熱媒体、自動車排熱を有する熱媒体、又はバイオマス燃焼熱を有する熱媒体であってもよい。
【0074】
実施の形態１及び２では、熱媒体Ｇの温度及び流量の一例を、それぞれ、２００℃及び３００Ｎｍ3／時間と説明した。熱媒体Ｇの温度及び流量はこれらに限定されない。熱媒体Ｇの温度は１００℃以上６００℃以下の範囲であってもよい。熱媒体Ｇの流量は１００Ｎｍ3／時間以上２０００Ｎｍ3／時間以下の範囲であってもよい。
【0075】
実施の形態１では、第一流路１１ａをなす管の内径及び第二流路１１ｂをなす管の内径のそれぞれの一例を１９．１ｍｍと説明した。加えて、第三流路１２ａをなす管の内径及び第四流路１２ｂをなす管の内径のそれぞれの一例を１５．９ｍｍと説明した。さらに、第五流路１３ａをなす管及び第六流路１３ｂをなす管のそれぞれの一例を１９．１ｍｍと説明した。各流路をなす管の内径はこれらの値に限定されない。これらの流路をなす管の内径は、６．４ｍｍ以上２５．４ｍｍ以下の範囲であってもよい。
【0076】
実施の形態２では、第三部位１３が並列に配置された複数の流路１３ｍを含む例を示した。蒸発器１ｂにおいて第三部位１３はこの例に限定されない。蒸発器１ｂにおいて第三部位１３は単一の流路として形成されていてもよい。
【0077】
なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【0078】
本開示は、熱媒体の熱によって作動流体を蒸発させる蒸発器に適用可能である。具体的には、工場、温泉、又は自動車等の排熱から熱を回収して電気を生成するランキンサイクル装置、冷凍装置、空調装置、ヒートポンプ装置、又はＣＨＰなどのコジェネレーションシステムにおける蒸発器として本開示は適用可能である。
【符号の説明】
【0079】
１ａ、１ｂ 蒸発器
１０ 作動流体経路
１１ 第一部位
１１ａ 第一流路
１１ｂ 第二流路
１２ 第二部位
１２ａ 第三流路
１２ｂ 第四流路
１２ｋ 下降流路
１２ｓ 単一の流路
１３ 第三部位
１３ａ 第五流路
１３ｂ 第六流路
１５ 入口流路
３０ 熱媒体経路
１０ 作動流体経路
１１ 第一部位
１１ａ 第一流路
１１ｂ 第二流路
１２ 第二部位
１２ａ 第三流路
１２ｂ 第四流路
１２ｋ 下降流路
１２ｓ 単一の流路
１３ 第三部位
１３ａ 第五流路
１３ｂ 第六流路
１５ 入口流路
３０ 熱媒体経路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】