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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】2026-01-28
(45)【発行日】2026-02-05
(54)【発明の名称】蒸発器
(51)【国際特許分類】
F28F 13/12 20060101AFI20260129BHJP
F28F 13/18 20060101ALI20260129BHJP
【ＦＩ】
F28F13/12 C
F28F13/18 B
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022040071
(22)【出願日】2022-03-15
(65)【公開番号】P2023135058
(43)【公開日】2023-09-28
【審査請求日】2025-01-23
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(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】100157277
【弁理士】
【氏名又は名称】板倉 幸恵
(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
(72)【発明者】
【氏名】大川 英晃
【審査官】河野 俊二
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－１６２３８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１６２３３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国実用新案第２０２９１７１８６（ＣＮ，Ｕ）
【文献】特開２００６－０３８３０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５７－１９０２８８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】国際公開第２０１８／０４３０９７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第０５６５５５９９（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開平０８－０４２８０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国実用新案第２０２３２９３４５（ＣＮ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２８Ｆ １３／１２
Ｆ２８Ｆ １３／１８
Ｆ２８Ｄ ７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、
前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、
を備え、
前記構造物は、
前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させる螺旋状のフィンであり、
前記流路形成部とは別体で形成され、
前記流体の流れ方向を前記流路形成部の内壁に向かわせる力を発生させる、蒸発器。
【請求項2】
請求項１に記載の蒸発器であって、前記構造物は、
前記流路の下流側に配置され、
同一方向の旋回流を発生させる、蒸発器。
【請求項3】
蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、
前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、
を備え、
前記構造物は、
前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する第１の方向の旋回流を発生させる第１フィンと、
前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる第２フィンであって、前記第１フィンよりも前記流路の下流側に配置された第２フィンと、
を有する、蒸発器。
【請求項4】
請求項３に記載の蒸発器であって、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、
前記第１フィンと前記第２フィンとのそれぞれの厚みは、
前記構造物の前記流れ方向における長さと、
前記流路の前記横断面における径と、
前記第１フィンと前記第２フィンとの熱伝導率と、
前記第１フィンの上流側に流入する、前記流体中の液体と蒸気との合計に対する蒸気の割合と、
に応じている、蒸発器。
【請求項5】
蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、
前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、
を備え、
前記流路における前記構造物よりも上流側の前記流路形成部の内壁は、親水化処理されている、蒸発器。
【請求項6】
請求項５に記載の蒸発器であって、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、
前記流路の前記横断面における径は、キャピラリー数と、前記構造物の上流側に流入する前記流体の流速および液膜の厚みとに応じている、蒸発器。
【請求項7】
蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部であって、前記管の内壁が親水化処理された流路形成部と、
前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、
を備え、
前記構造物は、
前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させる螺旋状のフィンであり、
前記流路形成部とは別体で形成され、
前記流体の流れ方向を前記流路形成部の内壁に向かわせる力を発生させる、蒸発器。
【請求項8】
請求項７に記載の蒸発器であって、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、
前記流路の前記横断面における径は、キャピラリー数と、前記構造物の上流側に流入する前記流体の流速および液膜の厚みとに応じている、蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、蒸発器に関する。
【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】
【文献】特開２０１０－９０４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
原子炉のような高温熱源を利用すると、沸騰により液体の水から蒸気を生成できる。しかしながら、沸点よりも多少温度が高い中温熱源を利用すると、沸騰ではなく蒸発が主体となって、液体の水から蒸気が生成される。そのため、中温熱源を利用する蒸発器では、液体の水から蒸気を生成するための流路が長くなり、蒸発器が大型化してしまう。
【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、蒸発により蒸気を生成する蒸発器の大型化を抑制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。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させる螺旋状のフィンであり、前記流路形成部とは別体で形成され、前記流体の流れ方向を前記流路形成部の内壁に向かわせる力を発生させる、蒸発器。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する第１の方向の旋回流を発生させる第１フィンと、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる第２フィンであって、前記第１フィンよりも前記流路の下流側に配置された第２フィンと、を有する、蒸発器。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記流路における前記構造物よりも上流側の前記流路形成部の内壁は、親水化処理されている、蒸発器。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部であって、前記管の内壁が親水化処理された流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させる螺旋状のフィンであり、前記流路形成部とは別体で形成され、前記流体の流れ方向を前記流路形成部の内壁に向かわせる力を発生させる、蒸発器。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。
【0007】
（１）本発明の一形態によれば、蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備える。
【0008】
この構成によれば、蒸発対象である流体が流れる流路内に、構造物が配置される。流体が構造物に衝突することより、流路内を流れる流体の流れ方向は、流路形成部の内壁に向かう力を受ける。これにより、流路内に構造物が配置されていない場合と比較して、流体は、流路形成部の内壁または構造物に衝突しやすくなる。流体を蒸発させるために流路形成部が加熱されると、流路形成部に接続されている構造物も昇温する。流路内を流れる流体は、加熱された流路形成部の内壁または構造物により衝突しやすくなるため、蒸発しやすくなる。この結果、流路内に構造物が配置されることにより、蒸発していない液滴の発生を抑制して噴霧流域の長さを短縮でき、蒸発器の大型化を抑制できる。
【0009】
（２）上記態様の蒸発器において、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させてもよい。
この構成によれば、流路内を流れる流体に、規則的な旋回流が発生する。これにより、流体に対する圧力損失を抑制した上で、流体を流路形成部の内壁または構造物に衝突させることができる。この結果、流体を流すための動力（例えば、ポンプ動力）を抑制できる
。
この構成によれば、流路内を流れる流体に、規則的な旋回流が発生する。これにより、流体に対する圧力損失を抑制した上で、流体を流路形成部の内壁または構造物に衝突させることができる。この結果、流体を流すための動力（例えば、ポンプ動力）を抑制できる
。
【0010】
（３）上記態様の蒸発器において、前記構造物は、前記流路の下流側に配置され、同一方向の旋回流を発生させる螺旋状のフィンであってもよい。
この構成によれば、螺旋状のフィンにより、流路内を流れる流体には同一方向の旋回流が発生する。そのため、流路の横断面内の速度成分が増幅して、液体は、運動量により流路形成部の内壁に更に衝突しやすくなる。本構成では、流路形成部が加熱される場合に、流路形成部の内壁温度は、フィンの温度よりも高くなる。特に、流体の温度が低い場合に、低温のフィンへの液滴付着を抑制しつつ、より高温の流路形成部の内壁への液滴衝突を促進させることができる。これにより、低温のフィンでの捕集液滴の蓄積および液だれの発生を抑制し、高温の内壁への液滴捕集および蒸発を活発化させる。この結果、本構成の蒸発器は、流体の温度が低くても、安定した液滴蒸発性能を発揮できる。すなわち、低圧損で流路内の液滴分布を不均質化できるため、より短い噴霧流域で蒸発が完結し、蒸発器を小型化できる。
この構成によれば、螺旋状のフィンにより、流路内を流れる流体には同一方向の旋回流が発生する。そのため、流路の横断面内の速度成分が増幅して、液体は、運動量により流路形成部の内壁に更に衝突しやすくなる。本構成では、流路形成部が加熱される場合に、流路形成部の内壁温度は、フィンの温度よりも高くなる。特に、流体の温度が低い場合に、低温のフィンへの液滴付着を抑制しつつ、より高温の流路形成部の内壁への液滴衝突を促進させることができる。これにより、低温のフィンでの捕集液滴の蓄積および液だれの発生を抑制し、高温の内壁への液滴捕集および蒸発を活発化させる。この結果、本構成の蒸発器は、流体の温度が低くても、安定した液滴蒸発性能を発揮できる。すなわち、低圧損で流路内の液滴分布を不均質化できるため、より短い噴霧流域で蒸発が完結し、蒸発器を小型化できる。
【0011】
（４）上記態様の蒸発器において、前記構造物は、第１の方向の旋回流を発生させる第１フィンと、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる第２フィンであって、前記第１フィンよりも前記流路の下流側に配置された第２フィンと、を有してもよい。
この構成によれば、第１フィンと第２フィンとにより発生する旋回流の向きが逆方向である。そのため、第１フィン以降の下流側では、流路形成部の内壁に衝突する液滴の量が減少し、第２フィンに衝突する液滴の量が増加する。特に、内壁の温度が高い場合に、内壁に液滴が衝突すると、噴霧流中の液滴から発生する蒸気が妨げとなるライデンフロスト現象が発生する。そのため、内壁の温度が高い場合に、噴霧流中の液滴を、高温の内壁の代わりに、内壁よりも低温の第２フィンに衝突させる。これにより、ライデンフロスト現象を発生させずに液滴を蒸発させることができる。この結果、流路の出口からの液滴の吹き抜けを抑制しつつ、熱伝導率を向上させて噴霧域の長さを低減できる。
この構成によれば、第１フィンと第２フィンとにより発生する旋回流の向きが逆方向である。そのため、第１フィン以降の下流側では、流路形成部の内壁に衝突する液滴の量が減少し、第２フィンに衝突する液滴の量が増加する。特に、内壁の温度が高い場合に、内壁に液滴が衝突すると、噴霧流中の液滴から発生する蒸気が妨げとなるライデンフロスト現象が発生する。そのため、内壁の温度が高い場合に、噴霧流中の液滴を、高温の内壁の代わりに、内壁よりも低温の第２フィンに衝突させる。これにより、ライデンフロスト現象を発生させずに液滴を蒸発させることができる。この結果、流路の出口からの液滴の吹き抜けを抑制しつつ、熱伝導率を向上させて噴霧域の長さを低減できる。
【0012】
（５）上記態様の蒸発器において、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、前記第１フィンと前記第２フィンとのそれぞれの厚みは、前記構造物の前記流れ方向における長さと、前記流路の前記横断面における径と、前記第１フィンと前記第２フィンとの熱伝導率と、前記第１フィンの上流側に流入する、前記流体中の液体と蒸気との合計に対する蒸気の割合と、に応じていてもよい。
この構成によれば、第１フィンと第２フィンとのそれぞれの厚みは、構造物の長さなどのパラメータに応じて決定される。液滴が第２フィンに衝突して蒸発すると、第２フィンの表面上の温度が低下する。第２フィンの厚みが小さいと、第２フィンと流体の飽和蒸気温度との温度差が得られずに、液滴が第２フィンの表面で蒸発しないおそれがある。それに対し、本構成では、第１フィンの上流側に流入する蒸気の割合に応じて、構造物の流れ方向における長さと、流路の横断面における径と、第１フィンおよび第２フィンの熱伝導率とを用いて、第１フィンおよび第２フィンの厚みが決定される。すなわち、第１フィンの上流側に流入する蒸気の割合に応じて、第１フィンおよび第２フィンの表面に衝突した液滴を蒸発させるために、第１フィンおよび第２フィンの必要な厚さを設定できる。
この構成によれば、第１フィンと第２フィンとのそれぞれの厚みは、構造物の長さなどのパラメータに応じて決定される。液滴が第２フィンに衝突して蒸発すると、第２フィンの表面上の温度が低下する。第２フィンの厚みが小さいと、第２フィンと流体の飽和蒸気温度との温度差が得られずに、液滴が第２フィンの表面で蒸発しないおそれがある。それに対し、本構成では、第１フィンの上流側に流入する蒸気の割合に応じて、構造物の流れ方向における長さと、流路の横断面における径と、第１フィンおよび第２フィンの熱伝導率とを用いて、第１フィンおよび第２フィンの厚みが決定される。すなわち、第１フィンの上流側に流入する蒸気の割合に応じて、第１フィンおよび第２フィンの表面に衝突した液滴を蒸発させるために、第１フィンおよび第２フィンの必要な厚さを設定できる。
【0013】
（６）上記態様の蒸発器において、前記流路における前記構造物よりも上流側の前記流路形成部の内壁は、親水化処理されていてもよい。
この構成によれば、構造物よりも上流側の流路形成部の内壁が親水化処理されているため、内壁において固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角が小さくなる。これにより、内壁において液膜の一部が破断して内壁が露出するドライパッチが発生しても、ドライパッチの周りの液膜または液スラグから張力により液体がドライパッチ部分に輸送されて、内壁全体に安定した液膜が形成される。この結果、構造物が配置される流路よりも下流側において、核沸騰の発生や環状流における蒸気せん断力
による液膜からの液滴形成などの直接的な液滴の発生を抑制できる。すなわち、ドライパッチの発生が抑制されるため、流路の長さを短縮でき、蒸発器の大型化を抑制できる。
この構成によれば、構造物よりも上流側の流路形成部の内壁が親水化処理されているため、内壁において固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角が小さくなる。これにより、内壁において液膜の一部が破断して内壁が露出するドライパッチが発生しても、ドライパッチの周りの液膜または液スラグから張力により液体がドライパッチ部分に輸送されて、内壁全体に安定した液膜が形成される。この結果、構造物が配置される流路よりも下流側において、核沸騰の発生や環状流における蒸気せん断力
による液膜からの液滴形成などの直接的な液滴の発生を抑制できる。すなわち、ドライパッチの発生が抑制されるため、流路の長さを短縮でき、蒸発器の大型化を抑制できる。
【0014】
（７）上記態様の蒸発器において、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、前記流路の前記横断面における径は、キャピラリー数と、前記構造物の上流側に流入する前記流体の流速および液膜の厚みとに応じていてもよい。
この構成によれば、制御したい流体の液膜の厚みを、流路の横断面の径と、流体の粘性力と表面張力とで決定されるキャピラリー数と、流体の流速とを用いて決定できる。スラグ流および環状流で形成され液膜の厚みが薄いほど、ドライパッチの発生や蒸気流のせん断力を起因として発生する液滴を小さくできる。本構成では、蒸発器が生成する蒸気の利用に応じて制御したい液膜の厚みを設定し、圧力損失の増加を抑制した上で流路の横断面の径などのパラメータを設定できる。
この構成によれば、制御したい流体の液膜の厚みを、流路の横断面の径と、流体の粘性力と表面張力とで決定されるキャピラリー数と、流体の流速とを用いて決定できる。スラグ流および環状流で形成され液膜の厚みが薄いほど、ドライパッチの発生や蒸気流のせん断力を起因として発生する液滴を小さくできる。本構成では、蒸発器が生成する蒸気の利用に応じて制御したい液膜の厚みを設定し、圧力損失の増加を抑制した上で流路の横断面の径などのパラメータを設定できる。
【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、蒸発器、蒸気生成装置、水素製造システム、ＳＯＥＣ、蒸気生成方法、蒸発器の設計方法、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発器の説明図である。
【図2】フィンの概略斜視図である。
【図3】フィンの効果の説明図である。
【図4】比較例１の蒸発器の概略断面図である。
【図5】比較例２の蒸発器の説明図である。
【図6】比較例２の蒸発器の説明図である。
【図7】第２実施形態の蒸発器の説明図である。
【図8】第２実施形態のフィンの概略斜視図である。
【図9】温度差と蒸気生成との関係についての説明図である。
【図10】第２実施形態のフィンの効果の説明図である。
【図11】フィンの厚みの算出方法の説明図である。
【図12】フィンの厚みの算出方法の説明図である。
【図13】入口の蒸気クオリティとフィンの厚みとの関係についての説明図である。
【図14】第３実施形態の蒸発器の説明図である。
【図16】親水化処理された流路形成部の効果の説明図である。
【図17】キャピラリー数と無次元液厚みとの関係の説明図である。
【図18】代表直径に応じて変化する蒸気変動と平均熱流束との関係についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
＜第１実施形態＞
１．蒸発器の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての蒸発器１００の説明図である。本実施形態の蒸発１００は、蒸発対象である水が流れる流路１１を形成する流路形成部１０を加熱することにより、液体の水から蒸気を生成する。流路１１内を流れる水に旋回流を発生させるフィン（構造物）２０が配置されている。旋回流が発生した水は、加熱された流路形成部１０の内壁１２と、流路形成部１０に接続されたフィン２０とに衝突しやすくなり、蒸発しやすくなる。この結果、流路１１内を流れる水を蒸発させやすくなり、蒸発器１００の大型
化が抑制される。
１．蒸発器の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての蒸発器１００の説明図である。本実施形態の蒸発１００は、蒸発対象である水が流れる流路１１を形成する流路形成部１０を加熱することにより、液体の水から蒸気を生成する。流路１１内を流れる水に旋回流を発生させるフィン（構造物）２０が配置されている。旋回流が発生した水は、加熱された流路形成部１０の内壁１２と、流路形成部１０に接続されたフィン２０とに衝突しやすくなり、蒸発しやすくなる。この結果、流路１１内を流れる水を蒸発させやすくなり、蒸発器１００の大型
化が抑制される。
【0018】
図１には、蒸発器１００が備える一部の構成のブロック図と、流路１１の概略断面図とが示されている。図１に示されるように、流路形成部１０と、フィン２０と、流路１１に供給する液体の水を貯留しているタンク４０と、タンク４０から流路１１へと水を供給するポンプ５０と、流路形成部１０を加熱するヒータ３０と、ヒータ３０およびポンプ５０を制御する制御部６０と、を備えている。
【0019】
流路形成部１０は、横断面が円であり、中心軸が直線である管形状を有する。本実施形態では、流路形成部１０が形成する円柱状の入口から出口を結ぶ方向を、流路１１を流れる水の流れ方向として定義している。流路１１の円形の横断面は、流れ方向の全体に亘って同一の径を有している。流路１１のうちの下流側の一部には、図１に示されるように、フィン２０が配置されている。
【0020】
図２は、フィン２０の概略斜視図である。図２に示されるように、フィン２０は、流路１１内を流れる水に対して、同一方向の旋回流ＤＲ１（図１）を発生させる螺旋状のフィンである。換言すると、フィン２０は、流路１１を流れる水に対して、流れ方向に交差する流れとしての旋回流ＤＲ１を発生させる。フィン２０は、図１に示されていない部分で流路形成部１０の内壁１２と接続している。そのため、ヒータ３０により流路形成部１０が加熱されると、流路形成部１０からフィン２０へと熱が伝わり、フィン２０の温度が上昇する。すなわち、フィン２０は、流路形成部１０と接続されることにより、流路形成部１０との間で熱交換が可能な構造物である。本実施形態では、流路１１の中心軸ＯＬと平行なＺ軸と、Ｚ軸に直交するＸ軸およびＹ軸とを有する直交座標系ＣＳが定義されている。図１に示される直交座標系ＣＳと、図２以降で示される直交座標系ＣＳとは対応している。
【0021】
図１に示される流路１１の一部では、液体の水と蒸気とが存在する２相域が示されている。流路１１内では、上流側から沸騰域から噴霧域へと変化する。本実施形態では、下流側の噴霧域にフィン２０が含まれるように、制御部６０がポンプ５０およびヒータ３０を制御する。フィン２０により、流路１１の中心軸ＯＬに沿う旋回流ＤＲ１が発生する。旋回流ＤＲ１は、Ｚ軸正方向側から見て、ＸＹ平面上における反時計回りの流れである。
【0022】
制御部６０は、蒸発器１００で生成された蒸気を利用する蒸気利用装置（図１では不図示）からの要求に応じて、流路１１内で生成する蒸気量を決定する。制御部６０は、決定した蒸気量に応じて、ポンプ５０の回転と、ヒータ３０の加熱とを制御することにより、流路１１内を流れる水を蒸気へと生成する。生成された水蒸気は、蒸気利用装置へと供給される。
【0023】
図３は、フィン２０の効果の説明図である。図３には、流れ方向における長さが１２０ｍｍのフィン２０が配置され、内壁１２の温度が２００℃である場合に、流路１１内における液滴捕集率の変化Ｃ１が実線で示され、圧力損失（Pressure Drop）の変化Ｃ２が破線で示されている。液滴捕集率は、フィン２０の上流側から流入した液滴のうち、フィン２０の下流側で捕集される液滴の割合である。液滴捕集率が小さいほど、より多くの液滴が蒸気として生成されていることを表している。フィン２０は、中心軸ＯＬに沿って４０ｍｍ進むと中心軸ＯＬ回りに１回転している。１回転分のフィンを１セグメントとすると、長さ１２０ｍｍのフィンは、３セグメントのフィンにより形成されている。
【0024】
図３の横軸は、流路１１内におけるフィン２０上流側（Ｚ軸負方向側）の端部の位置をゼロとした場合の下流側への距離である。図３の液滴捕集率の変化Ｃ１で示されるように、距離が約４０ｍｍの液滴捕集率は１０-2（１％）であり、距離が約６０ｍｍの液滴捕集率は１０-3（０．１％）である。すなわち、距離が約６０ｍｍの位置では、９９．９％が
蒸気への気化が完了している。図３の圧力損失の変化Ｃ２で示されるように、流体がフィン２０を通過するまでの圧力損失は約０．５４ｋＰａである。なお、図３に示される数値は、流路１１内の流体の流速Ｖｚが２０ｍ／ｓの条件である。
蒸気への気化が完了している。図３の圧力損失の変化Ｃ２で示されるように、流体がフィン２０を通過するまでの圧力損失は約０．５４ｋＰａである。なお、図３に示される数値は、流路１１内の流体の流速Ｖｚが２０ｍ／ｓの条件である。
【0025】
図４は、比較例１の蒸発器１００ｘの概略断面図である。図４には、比較例１の蒸発器１００ｘが備える構成のうち、流路形成部１０の一部の概略断面が示されている。比較例１の蒸発器１００ｘでは、本実施形態の蒸発器１００と比較して、流路１１ｘ内にフィン２０が配置されていない点のみが異なる。本実施形態の蒸発器１００は、フィン２０を備えることにより、フィン２０を備えない蒸発器１００ｘと比較して、流路１１内を流れる水がフィン２０および流路形成部１０の内壁１２に衝突しやすい。そのため、本実施形態の蒸発器１００では、比較例１の蒸発器１００と比較して、水から蒸気を生成するまでに必要な流路１１の長さを短縮できる。
【0026】
図５および図６は、比較例２の蒸発器１００ｙの説明図である。図５には、比較例２の蒸発器１００ｙが備える構成のうち、流路形成部１０の一部の概略断面が示されている。比較例２の蒸発器１００ｙは、本実施形態の蒸発器１００と比較して、フィン２０の代わりにフィルタ２０ｙを備えている点のみが異なる。フィルタ２０ｙの空隙率εは０．９である。フィルタ２０ｙは、ＸＹ平面において、一辺が１００μｍである正方形の格子を形成している。すなわち、フィルタ２０ｙの目開きＤｐは１００μｍである。なお、比較例２の流路１１ｙの長さと、上記実施形態の流路１１の長さとは同じである。
【0027】
図６には、図３に示される条件と同条件の場合に、フィルタ２０ｙの厚さに応じた圧力損失が示されている。図６に示されるように、フィルタ２０ｙの流れ方向（Ｚ軸方向）に沿う厚さが５ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍへの増加に応じて、圧力損失が増加する。比較例２では、フィルタ２０ｙの厚さが５ｍｍの場合の圧力損失が１３．１ｋＰａである。一方で、本実施形態の蒸発器１００では、流体がフィン２０を通過するまでの圧力損失が約０．５４ｋＰａであり、比較例２よりも非常に小さい。
【0028】
以上説明したように、本実施形態の蒸発器１００は、流路１１内に配置されたフィン２０を備えている。フィン２０は、流路形成部１０と接続されることにより、流路形成部１０との間で熱交換が可能な構造物である。フィン２０は、流路１１を流れる水に対して、流れ方向に交差する流れを発生させる。本実施形態では、流路１１内を流れる水はフィン２０に衝突することより、水の流れ方向は、流路形成部１０の内壁１２に向かう力を受ける。これにより、流路１１内にフィン２０が配置されていない場合と比較して、流体としての水は、流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０に衝突しやすくなる。水を蒸発させるために流路形成部１０が加熱されると、流路形成部１０に接続されているフィン２０も昇温する。流路１１内を流れる水は、加熱された流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０により衝突しやすくなるため、蒸発しやすくなる。この結果、流路１１内にフィン２０が配置されることにより、蒸発していない液滴の発生を抑制して噴霧流域の長さを短縮でき、蒸発器１００の大型化を抑制できる。
【0029】
また、本実施形態のフィン２０は、流路１１のうちの下流側に配置されている。フィン２０は、流路１１内を流れる水に対して、同一方向の旋回流を発生させる螺旋状のフィンである。本実施形態では、流路１１内を流れる水に、規則的な旋回流が発生する。これにより、水の流れに対する圧力損失を抑制した上で、水を流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０に衝突させることができる。この結果、水を流すための動力（例えば、ポンプ動力）を抑制できる。また、本実施形態では、流路１１内を流れる水に同一方向の旋回流が発生するため、流路１１の横断面内の速度成分が増幅して、液滴は、運動量により流路形成部１０の内壁１２に更に衝突しやすくなる。本実施形態では、流路形成部１０が加熱される場合に、流路形成部１０の内壁１２の温度は、フィン２０の温度よりも高くなる。
特に、水の温度が低い場合に、低温のフィン２０への液滴付着を抑制しつつ、より高温の流路形成部１０の内壁１２への液滴衝突を促進させることができる。これにより、低温のフィン２０での捕集液滴の蓄積および液だれの発生を抑制し、高温の内壁１２への液滴捕集および蒸発を活発化させる。この結果、本実施形態の蒸発器１００は、水の温度が低くても、安定した液滴蒸発性能を発揮できる。すなわち、低圧損で流路１１内の液滴分布を不均質化できるため、より短い噴霧流域で蒸発が完結し、蒸発器１００を小型化できる。
特に、水の温度が低い場合に、低温のフィン２０への液滴付着を抑制しつつ、より高温の流路形成部１０の内壁１２への液滴衝突を促進させることができる。これにより、低温のフィン２０での捕集液滴の蓄積および液だれの発生を抑制し、高温の内壁１２への液滴捕集および蒸発を活発化させる。この結果、本実施形態の蒸発器１００は、水の温度が低くても、安定した液滴蒸発性能を発揮できる。すなわち、低圧損で流路１１内の液滴分布を不均質化できるため、より短い噴霧流域で蒸発が完結し、蒸発器１００を小型化できる。
【0030】
＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態の蒸発器１００ａの説明図である。図７には、蒸発器１００ａが備える流路形成部１０の一部の概略断面図が示されている。第２実施形態では、流路１１ａ内に配置されるフィン２０ａの形状が第１実施形態のフィン２０と異なる。そのため、第２実施形態では、フィン２０ａおよびフィン２０ａによる影響について説明し、第１実施形態と同じ構成等についての説明を省略する。
図７は、第２実施形態の蒸発器１００ａの説明図である。図７には、蒸発器１００ａが備える流路形成部１０の一部の概略断面図が示されている。第２実施形態では、流路１１ａ内に配置されるフィン２０ａの形状が第１実施形態のフィン２０と異なる。そのため、第２実施形態では、フィン２０ａおよびフィン２０ａによる影響について説明し、第１実施形態と同じ構成等についての説明を省略する。
【0031】
図７に示されるように、第２実施形態のフィン２０ａは、第１フィン２１と、第２フィン２２とを備えている。第１フィン２１は、第１実施形態のフィン２０と同一方向の旋回流ＤＲ１を発生させるフィンである。一方で、第２フィン２２は、第１フィンが発生させる旋回流ＤＲ１とは逆方向の旋回流ＤＲ２を発生させるフィンである。換言すると、Ｚ軸正方向側から見て、第１フィン２１は、ＸＹ平面上における反時計回りの流れを発生させ、第２フィン２２は、ＸＹ平面上における時計回りの流れを発生させる。なお、旋回流ＤＲ１の向きが第１の方向に相当し、旋回流ＤＲ２の向きが第２の方向に相当する。
【0032】
図８は、第２実施形態のフィン２０ａの概略斜視図である。第２実施形態のフィン２０ａのＺ軸に沿う長さは、第１実施形態のフィン２０と同じ１２０ｍｍである。フィン２０ａは、中心軸回りに半回転する第１フィン２１と、第１フィン２１に連結して中心軸回りに半回転する第２フィン２２とを１つのセグメントとして、３セグメントから構成されている。そのため、１つのセグメントのＺ軸に沿う長さは４０ｍｍである。フィン２０ａが流路１１内に配置された場合に、各セグメントにおいて、第１フィン２１は、第２フィン２２よりも下流側に配置される。
【0033】
流路１１ａ内を流れる水の温度と、流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０ａとの温度との差に応じて、液体の水から蒸気への蒸発量が変化する。図９は、温度差ΔＴｓと蒸気生成との関係についての説明図である。図９には、内壁１２の温度Ｔｗ（Ｋ：ケルビン）から水の飽和温度Ｔｓ（Ｋ）を差し引いた温度差ΔＴｓを横軸に取り、内壁１２の表面を通過する熱流束ｑｗを縦軸に取った場合の沸騰曲線Ｃ３が示されている。図９に示されるように、温度差ΔＴｓが核沸騰の範囲内の温度であれば、温度差ΔＴｓが上昇するほど、熱流束ｑｗが増加するため、内壁１２との熱交換により液滴から生成される蒸気量が増加する。一方で、温度差ΔＴｓが１００Ｋを超えて蒸気膜沸騰に遷移すると、高温の内壁１２の表面が液滴から蒸発した蒸気に覆われやすくなり、液滴の内壁１２への衝突を阻害するライデンフロスト現象が発生し始める。そのため、蒸気膜沸騰に遷移すると、温度差ΔＴｓが増加しても、熱流束ｑｗが増加せず、生成される蒸気量が減少する。図９に示されるライデンフロスト点Ｐｌのライデンフロスト温度よりも高くなると、温度差ΔＴｓの増加に応じて、生成される蒸気量も増加する。
【0034】
第２実施形態のフィン２０ａは、異なる向きの旋回流ＤＲ１，ＤＲ２を発生させる第１フィン２１と第２フィン２２とを有している。そのため、流路１１ａ内を流れる水は、フィン２０ａにより、内壁１２ではなくフィン２０ａに衝突しやすくなる。フィン２０ａ温度は、直接加熱されている流路形成部１０の内壁１２の温度よりも低い。そのため、流路形成部１０の内壁１２の温度が高く、温度差ΔＴｓが大きい場合に、内壁１２の代わりに低温のフィン２０ａに液滴を衝突させることにより、液滴が蒸発しやすくなる。
【0035】
図１０は、第２実施形態のフィン２０ａの効果の説明図である。図１０には、内壁１２の温度が４００℃である場合に、第２実施形態の液滴捕集率の変化Ｃ１ａ（実線）と、圧力損失の変化Ｃ２ａ（破線）とが、図３に対して追加で示されている。なお、図１０では、第１実施形態の液滴捕集率の変化Ｃ１と、圧力損失の変化Ｃ２とが細線で示されている。
【0036】
図１０の液滴捕集率の変化Ｃ１ａで示されるように、距離が約３０ｍｍの液滴捕集率は１０-3（０．１％）未満である。すなわち、距離が約３０ｍｍの位置では、９９．９％が蒸気への気化が完了している。図１０の圧力損失の変化Ｃ２ａで示されるように、水がフィン２０ａを通過するまでの圧力損失は、約１．１ｋＰａであり、図６に示される比較例２のフィルタ２０ｙを配置した場合よりも十分に小さい。
【0037】
次に、フィン２０ａの厚みδ（ｍｍ）について評価した。流路形成部１０の内壁１２の代わりにフィン２０ａの表面上で液滴捕集・蒸発を活発化させるためには、フィン２０ａの断面には高い熱流束ｑｗで熱伝導により必要な熱を輸送する必要がある。例えば、フィン２０ａの熱伝導率が低く、フィン２０ａが十分な厚みδを有していないと、異なる向きの旋回流ＤＲ１，ＤＲ２により液滴分布が密になる中心軸ＯＬ側のフィン２０ａの温度が低くなるおそれがある。この場合に、フィン２０ａの中心軸ＯＬ側で十分な温度差ΔＴｓが得られずに、フィン２０ａの表面で捕集された液滴が気化しない。気化しなかった液滴は、フィン２０ａの表面に堆積して、高温の内壁１２へと移動・接触し、突沸などの蒸気不安定現象を招くおそれがある。そのため、フィン２０ａの厚みδとして、一定以上の厚みが必要である。
【0038】
図１１および図１２は、フィン２０ａの厚みδの算出方法の説明図である。図１１には、フィン２０ａの厚みδを算出するために、簡略化したフィン２０ａのモデルの一部の断面形状が示されている。図１１に示される簡略化されたモデルでは、流路１１ａ内のフィン２０ａの径方向の長さであるフィン２０ａの高さＨ（＝１０ｍｍ）と、フィン２０ａの厚みδと、が定義されている。また、第２実施形態では、熱伝導率λが１８（Ｗ／ｍ／Ｋ）として定義されている。
【0039】
図１２には、フィン２０ａと、フィン２０ａに衝突して気化する液滴ＡＤとの熱量のイメージが示されている。第２実施形態では、流路形成部１０からフィン２０ａへと伝わる熱量Ｑｗ、液滴の全潜熱量Ｌ、フィン２０ａの全長を１２０ｍｍと定義して、入口の蒸気クオリティＸｉｎが０．６と０．８との場合について厚みδを評価した。入口の蒸気クオリティＸｉｎとは、フィン２０ａの上流側に流入する、液体の水と蒸気との合計に対する蒸気の割合である。すなわち、第２実施形態では、第１フィン２１と第２フィン２２とのそれぞれの厚みδは、フィン２０ａの流れ方向における長さ（１２０ｍｍ）と、流路１１の径としての高さＨと、熱伝導率λと、入口の蒸気クオリティＸｉｎとに応じている。
【0040】
図１３は、入口の蒸気クオリティＸｉｎとフィン２０ａの厚みδとの関係についての説明図である。図１３には、フィン２０ａの中心温度として１２０℃を確保する場合に、フィン２０ａの厚みδに応じて変化する、径方向（高さＨ方向）におけるフィン２０ａの各位置での温度が示されている。図１３では、入口の蒸気クオリティＸｉｎが０．６の温度が黒丸を接続する４種類の太い直線で示されている。具体的には、厚みδが２ｍｍの温度が二点鎖線の変化直線Ｌ６２で示され、厚みδが３ｍｍの温度が破線の変化直線Ｌ６３で示され、厚みδが４ｍｍの温度が実線の変化直線Ｌ６４で示され、厚みδが５ｍｍの温度が一点鎖線の変化直線Ｌ６５で示されている。同じように、図１３では、入口の蒸気クオリティＸｉｎが０．８の温度が黒い四角を接続する３種類の細い直線で示されている。具体的には、厚みδが３ｍｍの温度が破線の変化直線Ｌ８３で示され、厚みδが４ｍｍの温
度が実線の変化直線Ｌ８４で示され、厚みδが５ｍｍの温度が一点鎖線の変化直線Ｌ８５で示されている。なお、蒸気クオリティＸｉｎが０．８で厚みδが２ｍｍの変化直線は、変化直線Ｌ６４とほぼ同じであったため、図示が省略されている。
度が実線の変化直線Ｌ８４で示され、厚みδが５ｍｍの温度が一点鎖線の変化直線Ｌ８５で示されている。なお、蒸気クオリティＸｉｎが０．８で厚みδが２ｍｍの変化直線は、変化直線Ｌ６４とほぼ同じであったため、図示が省略されている。
【0041】
フィン２０ａの表面上で、ライデンフロスト現象を発生させないために、図９の沸騰曲線Ｃ３から、フィン２０ａの温度が最も高い内壁１２付近の温度を３００℃未満に抑制することが好ましい。図１３に示されるように、変化直線Ｌ６２，６３では、内壁１２における温度が３００℃を超えている。そのため、フィン２０ａの厚みδは、４ｍｍ以上であることが好ましい。
【0042】
以上説明したように、第２実施形態の蒸発器１００ａでは、第１フィン２１と、第２フィン２２とを有するフィン２０ａを備えている。第２フィン２２は、第１フィン２１よりも下流側に配置され、第１フィン２１が発生させる旋回流ＤＲ１とは逆方向の旋回流ＤＲ２を発生させる。そのため、第２実施形態では、第１フィン２１の下流側では、流路形成部１０の内壁１２に衝突する液滴の量が減少し、第２フィン２２に衝突する液滴の量が増加する。特に、内壁１２の温度が高い場合に、内壁１２に液滴が衝突すると、噴霧流中の液滴から発生する蒸気が妨げとなるライデンフロスト現象が発生する。そのため、内壁１２の温度が高い場合に、噴霧流中の液滴を、高温の内壁１２の代わりに、内壁１２よりも低温の第２フィン２２に衝突させる。これにより、ライデンフロスト現象を発生させずに液滴を蒸発させることができる。この結果、流路１１の出口からの液滴の吹き抜けを抑制しつつ、熱伝導率を向上させて噴霧域の長さを低減できる。
【0043】
また、第２実施形態では、第１フィン２１と第２フィン２２とのそれぞれの厚みδは、フィン２０ａの流れ方向における長さ（１２０ｍｍ）と、流路１１の径としての高さＨと、熱伝導率λと、入口の蒸気クオリティＸｉｎとに応じている。第２実施形態では、液滴ＡＤが第１フィン２１または第２フィン２２に衝突して蒸発すると、第２フィン２２の表面上の温度が低下する。フィン２０ａの厚みδが小さいと、フィン２０ａと水の飽和蒸気温度との温度差ΔＴｓが得られずに、液滴ＡＤがフィン２０ａの表面で蒸発しないおそれがある。それに対し、第２実施形態では、フィン２０ａの上流側に流入する蒸気クオリティＸｉｎに応じて、フィン２０ａの流れ方向における長さと、フィン２０ａの高さＨと、フィン２０ａの熱伝導率λとを用いて、フィン２０ａの厚みδが決定される。すなわち、フィン２０ａの上流側に流入する蒸気クオリティＸｉｎに応じて、フィン２０ａの表面に衝突した液滴ＡＤを蒸発させるために、フィン２０ａの必要な厚さを設定できる。
【0044】
＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態の蒸発器１００ｂの説明図である。図１４には、第１実施形態の蒸発器１００が備える流路形成部１０のうち、流路１１内のフィン２０よりも上流側の流路１１ｂの概略断面図が示されている。第３実施形態では、第１実施形態と比較して、フィン２０が配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されている点が異なる。そのため、第３実施形態では、親水化処理された内壁１２ｂについて説明し、第１実施形態と同じ構成等についての説明を省略する。
図１４は、第３実施形態の蒸発器１００ｂの説明図である。図１４には、第１実施形態の蒸発器１００が備える流路形成部１０のうち、流路１１内のフィン２０よりも上流側の流路１１ｂの概略断面図が示されている。第３実施形態では、第１実施形態と比較して、フィン２０が配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されている点が異なる。そのため、第３実施形態では、親水化処理された内壁１２ｂについて説明し、第１実施形態と同じ構成等についての説明を省略する。
【0045】
図１４に示されるように、流路１１ｂに供給された液体の水は、内壁１２ｂを介して加熱されると下流になるにつれて、気泡スラグＳａを含む気泡流を発生させ、スラグ流から環状流を発生させる。その後、図示されていないフィン２０により、液滴から蒸気が生成される。圧力損失の抑制および蒸発器１００，１００ｂの小型化を実現するために、フィン２０に送られる液滴の量が少ない方が好ましい。
【0046】
図１５は、図１４における領域ＡＲ１の概略拡大図である。第３実施形態の流路形成部１０ｂは、金属製の多孔質体の表面に親水化処理が行われた材料により形成されている。
具体的には、流路形成部１０ｂは、厚み０．５ｍｍ、気孔率６０％のＳＵＳ３１６Ｌの金属繊維の焼結体に、ＳＩＯ2ベース材により親水化コートした材料で形成されている。
具体的には、流路形成部１０ｂは、厚み０．５ｍｍ、気孔率６０％のＳＵＳ３１６Ｌの金属繊維の焼結体に、ＳＩＯ2ベース材により親水化コートした材料で形成されている。
【0047】
ここで、流路１１ｂ内を流れる水に供給される熱量Ｑは、図１５に示されるパラメータを用いて、下記式（１）のように表される。なお、式（１）における温度差ΔＴｓは、下記式（２）のように表される。
【数1】
【数2】
【0048】
相変化に伴い、内壁１２ｂに形成されている液膜は、薄くなる。液膜が消滅して内壁１２ｂの温度が高くなるドライパッチが発生すると、上記式（１）における液膜面積Ａｆが小さくなり、内壁１２ｂから水に供給される熱量Ｑが減少する。この場合に、薄い液膜内で沸騰核の発生や、環状流における蒸気せん断力による液膜からの液滴形成などの直接的に液滴を発生させる要因となる。この要因に対して、第３実施形態では、流路形成部１０ｂにより、固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角（動的接触角）が小さくなる。この結果、ドライパッチが発生しても周りの液膜または液スラグからの張力により、液体の水が輸送されて、内壁１２ｂに安定して液膜が形成される。
【0049】
図１６は、親水化処理された流路形成部１０ｂの効果の説明図である。図１６には、流路１１ｂの単位長さで蒸発可能な質量速度（ｋｇ／ｍ2／ｓ）を変化させた場合の蒸気流量変動（％）が示されている。蒸気流量変動とは、フィン２０，２０ａに流入する液滴を格子状のフィルタで蒸発させることにより、液滴の量を流量変動として検出した指標である。すなわち、蒸気流量変動の値が大きいほど、液滴を多く含んで、より多くの内壁１２ｂでドライパッチが発生している。なお、流路１１ｂの単位長さは、流れ方向における１００ｍｍである。質量速度が大きいほど、流路１１ｂ内で水が蒸発しやすい。
【0050】
図１６には、第３実施形態の流路形成部１０ｂを備える実施例１と、親水化処理されていない金属の内壁を備える比較例３との蒸気流量変動がプロットで示されている。実施例１と比較例３とにおける各４つのプロットは、内壁の温度が１１０℃，１２０℃，１３０℃，１４０℃に対応したプロットである。各プロットに対応する温度は、グラフ中に数字として示されている。実施例１のプロットが黒丸で示され、比較例３のプロットが黒色の四角で示されている。
【0051】
図１６に示されるように、実施例１に対応する実線の楕円で囲まれた領域と、比較例３に対応する破線の楕円で囲まれた領域とを比較すると、実施例１の方が、質量速度が大きく、かつ、蒸気流量変動が小さい。すなわち、実施例１では、流路１１ｂの下流側に配置されたフィン２０，２０ａに流入する液滴の量が、比較例３よりも少ない。
【0052】
液膜厚みδｗを、流路１１ｂの管の代表直径ｄｅで除した無次元液膜厚み（δｗ／ｄｅ）は、液体の粘性係数μL（Ｐａ・ｓ）と、表面張力σL（Ｎ／ｍ）との比で決定される下記式（３）示されるキャピラリー数Ｃａにより表される。式（３）に示されるように、物性値と液流速（質量速度）とが一定である場合、流路１１ｂの径が小さいほど液膜厚みδｗが小さくなる。
【0053】
【数3】
【0054】
図１７は、キャピラリー数Ｃａと無次元液厚みδｗ／ｄｅとの関係の説明図である。図１７には、キャピラリー数Ｃａに応じて変化する無次元液厚みδｗ／ｄｅが示されている。無次元液厚みδｗ／ｄｅは、最小二乗法により算出された定数α，βを用いて、下記式（４）のように表される。図１７に示されるように、無次元液厚みδｗ／ｄｅは、キャピラリー数Ｃａが増えるほど増加する。
【0055】
【数4】
【0056】
第３実施形態では、上記式（３），（４）に示される関係を用いて、流路１１ｂの代表直径ｄｅが算出される。換言すると、代表直径ｄｅは、キャピラリー数Ｃａと、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路１１ｂを流れる水の気泡速度ｕbと、液膜厚みδｗとに応じて決定される。
【0057】
図１８は、代表直径ｄｅに応じて変化する蒸気変動と平均熱流束との関係についての説明図である。図１８では、横軸に蒸気変動（％）をとり、縦軸に平均熱流束（Ｗ／ｍ2）をとった場合の、代表直径ｄｅを１，２，３ｍｍに設定した実施例２と比較例４との各値がプロットされている。実施例２と比較例４とにおける各４つのプロットは、内壁の温度が１１０℃，１２０℃，１３０℃，１４０℃に対応したプロットである。実施例２では、第３実施形態のように流路形成部１０ｂが親水化処理された多孔質体で形成されている。一方で、比較例４では、比較例３のように流路形成部が親水化処理されていない金属の内壁を備えている。
【0058】
図１８では、実施例２における代表直径ｄｅが１ｍｍのプロットが黒い三角で示され、代表直径ｄｅが２ｍｍのプロットが黒丸で示され、代表直径ｄｅが３ｍｍのプロットが黒い四角で示されている。一方で、比較例４における代表直径ｄｅが１ｍｍのプロットが白抜きの三角で示され、代表直径ｄｅが２ｍｍのプロットが白抜きの丸で示され、代表直径ｄｅが３ｍｍのプロットが白抜きの四角で示されている。図１８の実線（１ｍｍ）と、破
線（２ｍｍ）と、一点鎖線（３ｍｍ）とのそれぞれの楕円で囲まれた実施例２は、比較例４よりも蒸気変動が小さく、かつ、平均熱流束が大きい。すなわち、実施例２では、比較例４よりもフィン２０が配置された下流側の流路１１に流入する液滴の量を低減できる。
線（２ｍｍ）と、一点鎖線（３ｍｍ）とのそれぞれの楕円で囲まれた実施例２は、比較例４よりも蒸気変動が小さく、かつ、平均熱流束が大きい。すなわち、実施例２では、比較例４よりもフィン２０が配置された下流側の流路１１に流入する液滴の量を低減できる。
【0059】
以上説明したように、第３実施形態の蒸発器１００ｂでは、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されている。第３実施形態では、フィン２０，２０ａよりも上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されているため、内壁１２ｂにおいて固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角が小さくなる。これにより、内壁１２ｂにおいて液膜の一部が破断して内壁１２ｂが露出するドライパッチが発生しても、ドライパッチの周りの液膜または液スラグから張力により液体の水がドライパッチ部分に輸送されて、内壁１２ｂ全体に安定した液膜が形成される。この結果、フィン２０，２０ａが配置される流路１１ｂよりも下流側において、核沸騰の発生や環状流における蒸気せん断力による液膜からの液滴形成などの直接的な液滴の発生を抑制できる。すなわち、ドライパッチの発生が抑制されるため、流路１１ｂの長さを短縮でき、蒸発器１００ｂの大型化を抑制できる。
【0060】
さらに、第３実施形態では、流路形成部１０ｂは、親水化処理に加えて、多孔質体で形成されている。流路形成部１０ｂが多孔質体で形成されることにより、内壁１２ｂの接触角が更に小さくなる。これにより、ドライパッチが内壁１２ｂに発生することを更に抑制できる。
【0061】
また、第３実施形態では、流路１１ｂの径である代表直径ｄｅは、キャピラリー数Ｃａと、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路１１ｂを流れる水の気泡速度ｕbと、液膜厚みδｗとに応じて決定される。この構成によれば、スラグ流および環状流で形成され液膜の厚みが薄いほど、ドライパッチの発生や蒸気流のせん断力に起因として発生する液滴を小さくできる。第３実施形態では、蒸発器１００ｂが生成する蒸気の利用に応じて制御したい液膜の厚みを設定し、圧力損失の増加を抑制した上で流路の横断面の径などのパラメータを設定できる。
【0062】
＜上記実施形態の変形例＞
本発明は上記の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。
本発明は上記の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。
【0063】
＜変形例１＞
上記第１実施形態から第３実施形態までの蒸発器１００，１００ａ，１００ｂは、流路１１の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物を備える範囲で変形可能である。例えば、蒸発器１００は、流体としての水が流れる流路１１を形成する流路形成部１０を備えていればよく、ヒータ３０と、タンク４０と、ポンプ５０と、制御部６０とを備えていなくてもよい。ヒータ３０等は、他の装置が備えており、当該装置と、蒸発器１００とが接続されていてもよい。
上記第１実施形態から第３実施形態までの蒸発器１００，１００ａ，１００ｂは、流路１１の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物を備える範囲で変形可能である。例えば、蒸発器１００は、流体としての水が流れる流路１１を形成する流路形成部１０を備えていればよく、ヒータ３０と、タンク４０と、ポンプ５０と、制御部６０とを備えていなくてもよい。ヒータ３０等は、他の装置が備えており、当該装置と、蒸発器１００とが接続されていてもよい。
【0064】
上記第１実施形態および第２実施形態では、旋回流ＤＲ１を発生させるフィン２０と、旋回流ＤＲ１，ＤＲ２を発生させるフィン２０ａとについて説明したが、流路１１内に発生する流れは旋回流ＤＲ１，ＤＲ２でなくてもよい。例えば、流路１１内に、中心軸に対して所定の角度傾いた金属板が構造物として、流路形成部１０に接続されている状態で配置されてもよい。この場合に、流れ方向に沿って流れる流体が金属板に衝突することにより、流体には、旋回流ＤＲ１および旋回流ＤＲ２とは異なる、流れ方向に交差する流れが
発生する。当該交差する流れにより、流体がより内壁１２に衝突することで、流体が蒸発しやすくなる。
発生する。当該交差する流れにより、流体がより内壁１２に衝突することで、流体が蒸発しやすくなる。
【0065】
構造物としてのフィン２０，２０ａは、流路１１の下流側に配置されたが、上流側に配置されてもよいし、流路１１の全体に亘って配置さてもよい。この場合に、フィン２０，２０ａが配置された流路１１とは別の流路を形成する他の流路形成部の下流側に、フィン２０，２０ａが配置された流路形成部１０が組み合わされてもよい。上記実施形態のフィン２０，２０ａのセグメント数（流れ方向の長さ）や流路１１に対する径方向の大きさについては種々変形可能である。
【0066】
上記第１実施形態から第３実施形態では、流路形成部１０は、横断面が円形状であると共に中心軸ＯＬが直線状の流路１１を形成したが、流路１１の形状については変形可能である。流路１１の横断面の形状が矩形であってもよく、八角形などの多角形であってもよい。この場合に、管径は、流路１１の断面の重心から各辺までの距離であってもよい。また、流路１１の中心軸ＯＬは、直線状ではなく、例えば湾曲していてもよい。この場合に、流れ方向とは、各横断面を接続した中心軸に沿う流れとして定義できる。
【0067】
上記第２実施形態では、フィン２０ａに衝突した液滴ＡＤを蒸発させるために、フィン２０ａの厚みδが、フィン２０ａの流れ方向における長さと、流路１１の径としての高さＨと、熱伝導率λと、蒸気クオリティＸｉｎとを用いて設定されたが、その他の方法により設定されてもよい。フィン２０ａは、全体に亘って均一の厚みδを有していなくてもよいし、図１３に示される０．２ｍｍや０．３ｍｍの厚みδを有していてもよい。厚みδについては、フィン２０ａの上流側に流入する蒸気クオリティＸｉｎ等の設定により適宜設定されればよい。
【0068】
＜変形例２＞
上記第３実施形態では、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されていたが、親水化処理される内壁１２ｂは、上流に限られず、内壁１２ｂの全体に亘って親水化処理されていてもよい。親水化処理される内壁１２ｂの上流側の流路１１ｂ内に、フィン２０，２０ａなどの構造物が配置されていなくてもよい。この場合であっても、親水化処理された内壁１２ｂにより、スラグ流から環状流へと遷移する流路１１ｂ内において、ドライパッチの発生を抑制して、蒸気を生成するための流路１１ｂを短縮できる。
上記第３実施形態では、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されていたが、親水化処理される内壁１２ｂは、上流に限られず、内壁１２ｂの全体に亘って親水化処理されていてもよい。親水化処理される内壁１２ｂの上流側の流路１１ｂ内に、フィン２０，２０ａなどの構造物が配置されていなくてもよい。この場合であっても、親水化処理された内壁１２ｂにより、スラグ流から環状流へと遷移する流路１１ｂ内において、ドライパッチの発生を抑制して、蒸気を生成するための流路１１ｂを短縮できる。
【0069】
第３実施形態では、流路形成部１０ｂは、親水化処理された多孔質体で形成されたが、多孔質体で形成されておらず、例えば、金属の内壁の表面が親水化処理されていてもよい。また、流路形成部１０ｂに施された親水化処理として、例えば、アルミナの無機質膜コートやシリカ等の無機質膜コートなど、周知技術を適用できる。流路形成部１０ｂを形成する多孔質体は、ＳＵＳ３１６Ｌに親水化コートされた材質で形成されたが、周知の多孔質体の材料を適用できる。
【0070】
第３実施形態では、流路１１ｂの径である代表直径ｄｅが、キャピラリー数Ｃａと、気泡速度ｕbと、液膜厚みδｗとに応じて設定されたが、その他の方法により設定されてもよい。蒸発器に要求される蒸気生成能力に応じて、代表直径ｄｅが設定されてもよいし、設定された代表直径ｄｅに対して、マニホールドやフィルタを用いて代表直径ｄｅを小さくしてもよい。
【0071】
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。
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。
【符号の説明】
【0072】
１０，１０ｂ…流路形成部
１１，１１ｂ，１１ｘ…流路
１２，１２ｂ…内壁
２０，２０ａ…フィン（構造物）
２０ｙ…フィルタ
２１…第１フィン
２２…第２フィン
３０…ヒータ
４０…タンク
５０…ポンプ
６０…制御部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｘ，１００ｙ…蒸発器
ＡＤ…液滴
ＡＲ１…領域
Ａｆ…液膜面積
Ｃ１，Ｃ１ａ…液滴捕集率の変化
Ｃ２，Ｃ２ａ…圧力損失の変化
Ｃ３…沸騰曲線
ＣＳ…直交座標系
Ｃａ…キャピラリー数
ＤＲ１，ＤＲ２…旋回流
σL…表面張力
μL…粘性係数
Ｌ…全潜熱量
Ｌ６２～Ｌ６４，Ｌ８３～Ｌ８５…変化直線
Ｌ６３…変化直線
Ｌ６４…変化直線
Ｌ６５…変化直線
Ｌ８３…変化直線
Ｌ８４…変化直線
Ｌ８５…変化直線
ＯＬ…流路の中心軸
Ｐｌ…ライデンフロスト点
Ｑ，Ｑｗ…熱量
ｑｗ…熱流束
ΔＴｓ…温度差
Ｔｓ…飽和温度
Ｔｗ…内壁の温度
Ｖｚ…流速
Ｘｉｎ…蒸気クオリティ
ｄｅ…代表直径
ｕb…気泡速度
δｗ…液膜厚み
δｗ／ｄｅ…無次元液厚み
１１，１１ｂ，１１ｘ…流路
１２，１２ｂ…内壁
２０，２０ａ…フィン（構造物）
２０ｙ…フィルタ
２１…第１フィン
２２…第２フィン
３０…ヒータ
４０…タンク
５０…ポンプ
６０…制御部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｘ，１００ｙ…蒸発器
ＡＤ…液滴
ＡＲ１…領域
Ａｆ…液膜面積
Ｃ１，Ｃ１ａ…液滴捕集率の変化
Ｃ２，Ｃ２ａ…圧力損失の変化
Ｃ３…沸騰曲線
ＣＳ…直交座標系
Ｃａ…キャピラリー数
ＤＲ１，ＤＲ２…旋回流
σL…表面張力
μL…粘性係数
Ｌ…全潜熱量
Ｌ６２～Ｌ６４，Ｌ８３～Ｌ８５…変化直線
Ｌ６３…変化直線
Ｌ６４…変化直線
Ｌ６５…変化直線
Ｌ８３…変化直線
Ｌ８４…変化直線
Ｌ８５…変化直線
ＯＬ…流路の中心軸
Ｐｌ…ライデンフロスト点
Ｑ，Ｑｗ…熱量
ｑｗ…熱流束
ΔＴｓ…温度差
Ｔｓ…飽和温度
Ｔｗ…内壁の温度
Ｖｚ…流速
Ｘｉｎ…蒸気クオリティ
ｄｅ…代表直径
ｕb…気泡速度
δｗ…液膜厚み
δｗ／ｄｅ…無次元液厚み
【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】
【図18】