JP2540228B2 - 蒸発熱交換器 - Google Patents

蒸発熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、種々の加速度ならびに無重力下の宇宙船で
冷却回路内の熱を冷却するための蒸発熱交換器であっ
て、蒸発空間を取り囲むハウジングと、蒸発すべき媒体
を蒸発空間に導入するための少なくとも一つの入口弁
と、前記蒸発空間内に互いに間隔を置いて配列されたそ
れぞれの複数の冷却管からなる複数の管束とを備え、各
管束の冷却管は、互いに平行に延びていてかつ蒸発すべ
き媒体の主流れ方向に対しほぼ垂直に延びている長い管
脚部と、前記冷却回路の曲がりくねった管ループ形成部
分を形成するために前記長い管脚部を相互に連結する短
い管脚部とからなる蒸発熱交換器に関する。
大気圏を通って上昇位相と下降位相にあるか、または
地球の周りを囲む軌道で極端な熱負荷にさらされる宇宙
船の場合、確実なかつ信頼し得る熱の除去を確保するこ
とが肝要である。
〔従来の技術〕
ドイツ連邦共和国特許明細書第37 18 873号からすで
にそのような蒸発熱交換器が知られているが、この蒸発
熱交換器では、活性な流体回路の冷却すべき媒体を熱の
除去のために、連行される貯蔵容器に貯蔵されている蒸
発すべき媒体と接触させて熱伝達する。発生する蒸気を
宇宙船がその周囲に排出する。
蒸発すべき媒体を完全な蒸発によりできるだけ最適に
利用し尽くすために、およびそのとき十分に高い熱伝達
を蒸発すべき媒体と冷却管の間で達成するために、生ず
る蒸気を媒体の蒸発されない部分から分離しなければな
らない。これにより、その蒸発により冷却に十分に利用
されずに比較的大きな流体しずくの形の蒸発しない部分
が吹き払われるのが阻止される。
ドイツ連邦共和国特許明細書第37 18 873号から知ら
れた配置では、冷却管を流れ方向に折り重ねて形成する
ことにより、蒸発されない流体残余を慣性力により冷却
管の壁に沈殿させて、そこでそれをガス相に変えようと
した。しかしながら、この周知の蒸発熱交換器によれ
ば、蒸発すべき媒体の利用がなお最適でないことが明ら
かになった。
〔発明が解決しようとする課題〕
それ故、本発明の目的は、蒸発すべき媒体を実質的に
完全に蒸気相に変え、したがってできるだけ高い熱伝達
に利用し尽くすように冒頭に述べた種類の蒸発熱交換器
を構成することである。
〔課題を解決するための手段〕
この目的を解決するために、本発明による蒸発熱交換
器では、各管束の二つの隣合う冷却管を主流れ方向に延
びる平面に対し側方へ交互に変位させてジグザグ模様を
有する各管束を形成するように前記冷却管の短い管脚部
を配置し、管束のどの部分も他の管束の開放した空間の
中へ到達せずに、蒸発すべき媒体のためのジグザグ状流
路が隣合う管束の間に形成されるように全ての管束を互
いに平行に配列したことを特徴とする。
本発明の蒸発熱交換器は、主流れ方向に垂直な方向に
延びる束の形態の液体流路の配置によりかつ各個々の平
面の管が互いに交互に変位した位置に配置れているので
しずく分離器のように機能する。いくつかの管群が複数
の平面においていくつかの管束を形成する。これらの特
徴により、蒸発を引き起こすために利用できる表面積全
体ができるだけ完全に使用されるので、これらの液体流
路面が蒸発器に供給される全媒体の実質的に完全な蒸発
を達成する。
さらに、本発明は次のような利点を有する。高い能率
が小さな容積で達成され、この小さい容積は冷却管の高
い包装密度により達成される。冷却管の配置は単純であ
り、したがって容易に製造される。さらに、保守と周期
的なチェック作業は、蒸発熱交換器の全ての構成要素に
容易に近づくことができることにより単純化される。
個々の冷却管の特別な配置は熱伝達特性をさらに最適
化するのに役立つと共に、同時に冷却循環回路の圧力損
失ならびに入口弁から出口開口までの途中で蒸発すべき
媒体の圧力損失を低く確保する。これらの特徴により、
必要なポンプ力ができるだけ小さくなりかつ支配する圧
力が低いときに蒸発温度をかなり低くすることができ
る。
〔発明の実施の形態〕
以下、本発明を図面に示す実施の形態により詳細に説
明する。
図面において、それぞれ同じ構成部品には同じ参照数
字を付けてある。
第1図に蒸発熱交換器1の概略縦断面を示してある、
蒸発熱交換器1はハウジング2を有し、このハウジング
には、例えば宇宙船の冷却回路を流れる商標名Freonで
知られた冷媒R114のような冷却液または水を含む活性な
流体冷却回路3が、蒸発熱交換器の長さ方向に対し横ぎ
って配置された個々の冷却管4〜13からなる管束14の形
態で装入されている。
蒸発熱交換器1のハウジング2には、第1図の左側の
一端に蒸発空間15が設けられ、この蒸発空間15には、こ
こには図示されてない貯蔵容器から入口弁16と17を経て
蒸発すべき媒体、例えば水および/またはアンモニアを
導入することができる。ほぼ長方形のハウジング2の他
端が上記出口開口18により形成されている。
活性な冷却回路3は、入口19と出口20を有する。入口
19と出口20の間には、蒸発すべき媒体の流れ方向に対し
垂直に、管束14を形成する冷却管が延びている。
第2図に示したように、冷却管4〜13の管束14は長い
脚の真っ直ぐな管区分と、これらの長い管脚部を相互に
連結する短い脚の管区分とを有する。短い管脚部は、第
1図に示した曲がりくねった模様を形成する例えば半円
形の管区分である。さらに、本発明により、各短い管脚
部は第2図に示したように角度αだけ角度的に変位され
ている。角度αは平面14′と、それぞれの短い管脚部に
より区画された方向との間の角度である。次いで、平面
14′は主流れSの方向に延びておりかつ長い管脚部は主
流れに対しほぼ垂直に延びている。第1図において、例
えば平面14′は、図面の紙により形成された平面である
ことができる。結果として、各管束14の冷却管4〜13の
短い管脚部はハウジング2を通じてジグザグであり、第
5図に示したように、隣合う管束14はジグザグ状流路14
aを形成し、その際ジグザグにすることにより、媒体が
蒸発する流路長さが増加する。全ての個々の管束は入口
端で分配管21にかつ出口端で分配管22に相互連結されて
いる。分配管21は入口19に連結されると共に、分配管22
は出口20に連結されている。冷却すべき媒体は入口19に
流入して出口20から流出する。これらの入口と出口は、
閉鎖された循環回路3の一部を形成する。
第2図と第5図を参照すると、角度αが約15゜であ
り、その際隣合う二対の管の間の折り曲げ角度βは約15
0゜になる。その結果としてのジグザグによれば、全て
の隣合う管束の直接隣合う短いジグザグな管脚部がそれ
ぞれ、どの管束の部分も他の管束の開放した空間に到達
せずかつ隣合う管束14の間に必要な間隔を置いて互いに
平行に延びるように、一方の管束のジグザグを隣合う管
束のジグザグ内に重ね合わせて、第5図によく見えるよ
うにジグザグ流路を形成している。
個々の冷却管4〜13は、第4図に冷却管4の例に示さ
れているように、偏平にされて形成されている。そのと
き、種々の断面A−A、B−BおよびC−Cは冷却管の
横断面を示す。
冷却管4は、実質的に偏平にされた管からなり、その
内径は、ここに示した実施の形態では、プレス前に2.51
mmであった。冷却管は、回路の流れに乱流を発生させる
ためにくぼみ23〜25を有し、これらのくぼみは良好な熱
伝達挙動に寄与する。くぼみ23〜25は、偏平にされた冷
却管4の上側と下側に同じ間隔で交互に設けられてい
る。その間隔は、最も好都合な形成ではほぼ4.25mmにな
る。冷却管4のくぼみ23〜25により形成された横断面
は、横断面A−A、C−Cから認めることができる。
冷却管4〜13までの直線範囲のための最も好都合な長
さは95mmになる。活性な冷却回路3の束状の構成は、実
施の形態では、それぞれ10個の冷却管をもった23個の層
から、したがって230個の冷却管でできている。
蒸発熱交換器1では、蒸発すべき媒体の容積流れ、例
えば水が入口弁16と17を用いて制御され、入口弁は磁石
(図示省略)によりパルス作動でそれぞれ短時間で開放
される。
蒸発すべき媒体は、沸騰圧力以上で蒸発室に存在する
送出し圧力で入口弁16と17を通って蒸発空間15に押しこ
まれる。蒸発空間15で支配している比較的わずかな圧力
により、冷却媒体の供給温度が約60℃のときに、蒸発す
べき媒体が水である場合に約5〜8%の水質量が断熱的
に蒸発し、そしてそれによって蒸発すべき媒体が冷却す
る。
蒸発空間15でこの最初の蒸発過程により生ずるガス
が、残された流体しずくと混ざり、そしてガス膨張によ
り促進される二相流れを形成し、その容積に関する成分
は、蒸発室の圧力がほぼ5〜10mbarになる場合に、25℃
の熱水を用いたときにほぼ99.95%の水蒸気と0.05%の
水になる。
この二相流れが冷却回路3の管束14の冷却管の周りを
導かれる。そのとき、冷却回路3は、図示されてない仕
方で多数の別個の冷却流体回路からなる。
前述した冷却回路の冷却流体は、それ自体周知の仕方
で熱発生器から熱を冷却管へ移送し、その際冷却管の表
面に沿って蒸発すべき媒体に伝達してこの媒体が蒸発す
る。引き続き、蒸発熱交換器により生ずる蒸気が蒸気出
口開口18を通って宇宙船を出る。
作用を説明すると、なおガス相に存在する液体しずく
がガス相により連行されてガス相と共に移動する際に、
これらの液体しずくは、液体しずくがガス相よりいっそ
う大きい質量慣性をもっているので主ガス流れ方向Sか
らそれる傾向があり、それにより液体しずくが二つの隣
合う管束14により形成されたジグザグ状冷却流路14aの
外側管面に突き当たる。これらの表面に、液体しずくが
液体フィルムを形成し、このフィルムが部分的に蒸発す
る。管束14のジグザグする形状により引き起こされる食
い違いにより、この配置は加熱された液体しずくトラッ
プ蒸発器の風に作用し、その際管束の冷却管4〜13がそ
らせ面として機能する。折り曲げ点で、すなわち管が位
置している所では、まだ蒸発されない液体フィルムの部
分が新しい液体しずくを形成し、これらの新しい液体し
ずくが二相流れにより連行されて、再びジグザグ状冷却
液体流路14aの外面に突き当たる。このようにして、二
相流れが繰り返し分割され、その際本発明によりジグザ
グする流れ方向により、蒸発すべき媒体と冷却すべき表
面との特に激しい接触が引き起こされる。その結果とし
て、本発明による装置は熱伝達の優れた能率と共に完全
な蒸発を達成する。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、蒸発すべき媒
体と冷却管の冷却面との間の接触が効果的に増加すると
共に、なお有効な蒸発のために蒸発すべき媒体が前記ジ
グザグ状流路を通ってほぼ自由に流れることができる。
その結果として、本発明による装置は熱伝達の優れた能
率と共に、供給された蒸発すべき媒体の実質的に完全な
蒸発を達成する。
【図面の簡単な説明】 第1図は蒸発熱交換器の縦断面図、第2図は本発明によ
り曲がりくねったジグザグ模様に配列された一つの管束
の冷却管を示す側面図で、第1図の線II−Iの方向より
見た図、第3図は第1図に示した配置の線III−IIIに沿
って切断した断面図、第4図は冷却管の偏平にされた部
分の側面図および対応する部分の横断面図、第5図は第
2図と同様な図であるが、蒸発熱交換器ハウジング内の
空間を有効に利用するために、一方が他方の内に間隔を
置いて重ね合わせた三つの管束を拡大して示す図であ
る。 1……蒸発熱交換器 3……流体冷却回路 4〜13……冷却管 14……管束 15……蒸発空間 16,17……入口弁

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】種々の加速度のならびに無重力下の宇宙船
    で冷却回路内の熱を冷却するための蒸発熱交換器であっ
    て、蒸発空間(15)を取り囲むハウジング(2)と、蒸
    発すべき媒体を蒸発空間に導入するために少なくとも一
    つの入口弁(16,17)と、前記蒸発空間(15)内に互い
    に間隔を置いて配列されたそれぞれの複数の冷却管(4
    〜13)からなる複数の管束(14)とを備え、各管束の冷
    却管は、互いに平行に延びていてかつ蒸発すべき媒体の
    主流れ方向(S)に対しほぼ垂直に延びる長い管脚部
    と、前記冷却回路の曲がりくねった管ループ形成部分を
    形成するために前記長い管脚部を相互に連結する短い管
    脚部とからなる蒸発熱交換器において、 各管束(14)の二つの隣合う冷却管(4〜13)を主流れ
    方向(S)に延びる平面に対し側方へ交互に変位させて
    ジグザグ模様を有する各管束(14)を形成するように前
    記冷却管(4〜13)の短い管脚部を配置し、 管束のどの部分も他の管束の開放された空間の中へ到達
    せずに、蒸発すべき媒体のためのジグザグ状流路(14
    a)が隣合う管束の間に形成されるように全ての管束(1
    4)を互いに平行に配列したことを特徴とする蒸発熱交
    換器。
  2. 【請求項2】冷却管(4〜13)が平らにされることを特
    徴とする請求項1の蒸発熱交換器。
  3. 【請求項3】平らにされた各冷却管(4〜13)は熱伝達
    を改良するために付加的なくぼみ(23〜25)を有するこ
    とを特徴とする請求項1または2の蒸発熱交換器。
  4. 【請求項4】各冷却管(4〜13)のくぼみ(23〜25)は
    互い違いにかつ同じ間隔で冷却管の上側および/または
    下側に設けられていることを特徴とする請求項3の蒸発
    熱交換器。
  5. 【請求項5】冷却管(4〜13)の束状の構造は、噴霧さ
    れた蒸発すべき流体と接触するように設けられ、蒸発す
    べき流体に給湿の修正のために潤滑剤が添加されかつ蒸
    発すべき流体の噴霧が供給ラインで過冷され、入口弁
    (16,17)に供給されるが、蒸発空間(15)内の圧力に
    対し相対的に加熱される流体の断熱的な膨張蒸発を介し
    て行われることを特徴とする請求項1から請求項4まで
    のうちのいずれか一つの蒸発熱交換器。
  6. 【請求項6】管束の冷却管(4〜13)が氷結を避けるた
    めにハウジング壁と接触することを特徴とする請求項1
    から請求項5までのうちのいずれか一つの蒸発熱交換
    器。
  7. 【請求項7】蒸発する冷却媒体としてアンモニアが用い
    られることを特徴とする請求項1から請求項6までのう
    ちのいずれか一つの蒸発熱交換器。
  8. 【請求項8】蒸発する冷却媒体として相次いで水もアン
    モニアを用いられることを特徴とする請求項1から請求
    項6までのうちのいずれか一つの蒸発熱交換器。
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