JP4796129B2 - マイクロエバポレータ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の序文にしたがったマイクロエバポレータに関している。

液体媒体、たとえば、水、アルコールまたはアルコール／水混合物、液体ガス、または、液体アルカン等を、さらなる処理用に、蒸発させるために,
マイクロエバポレータが使用されている。そのようなマイクロエバポレータは、たとえば、燃料電池エンジニアリングの分野に使用されている。

エバポレータの種々の設計が知られている。いわゆるプレート式熱交換器は、フィルタープレス（ｆｉｌｔｅｒ ｐｒｅｓｓ）のように、液体を移送するためのチャネルが設けられた波形鋼プレートから構成されている。抵抗ゴムシールが、プレートを互いに一定の距離で保持し、２つの流体のチャネルを互いに封止している。ゴムシールのため、プレート式熱交換器の最高温度は、２５０℃に制限されている。２つの流体は、薄層として並行流れまたは逆行流れに、一連のチャンバを通って交互に上向き、下向きに流れ、両方のチャンバ壁で互いに接触している。波形プレートの形状が、乱流を増加させ、熱の移動を向上させる。そのようなエバポレータは小型ではなく、加熱気体で操作されるときには、出力密度が低い。そのようなプレート熱移動システムは、たとえば、Ｖａｕｃｋ／Ｍｕｌｌｅｒ；Grundoperationen der Verfahrenstechnik；ライプチヒ１９９４から公知である。

液体の部分蒸発または完全蒸発用のマイクロ構造構成要素を備えたエバポレータは、たとえば、米国特許第６，１２６，７２３号から公知である。リアクタは、第１および第２の流体用の２つの流体チャンバから構成され、流体チャンバは、多孔性であるかまたはマイクロ構造の穴が設けられたプレートによって接続されている。リアクタは、第１の流体に含まれた作動流体を第２の流体内に移動させるためのものであり、マイクロ構造の穴が設けられたプレートは、作動流体のみを通すことができる。このリアクタはまた、エバポレータとしても使用することができる。

媒体を導くためのマイクロ構造装置は、独国特許第１９９６３５９４Ａ１号および独国特許第１００１０４００Ｃ２号から公知である。これらの装置は、液体媒体を蒸発させるのに、特に適している。

独国特許第１９９６３５９４Ａ１号の装置は、層状構造を有し、少なくとも１つの層が多数のマイクロチャネルを有し、これを通って、蒸発させる媒体が流れる。第２の層もまた、多数のマイクロチャネルを有し、これを通って、熱移動媒体が流れる。マイクロチャネルは各々が、入口および出口を有している。液体媒体を満足に蒸発させるために、マイクロチャネルの出口は、それぞれの入口に対して、蒸発させる媒体用により小さな区域を有し、且つ／または、異なる幾何学構造を有している。これにより、液体媒体の圧力は、マイクロチャネル内で増加し、これにより、過熱され依然として液体の媒体は、より小さな区域の出口を出た後に、突然、液体から蒸気に転移している。

独国特許第１００１０４００Ｃ２号にしたがって、熱装置の熱出力は、少なくとも他の区域から独立した区域で調整可能であり、少なくとも流れの方向における流れチャネルの個々の区域で、流れチャネルの表面上の所望の温度プロファイルに調整している。

この最新技術によれば、蒸発させる液体をガイドするためのマイクロチャネルは、平行である。このマイクロエバポレータの不利点は、最適温度範囲に調整されない場合には蒸気爆発または蒸気気泡が発生する可能性があることである。最適操作点を、維持しなければならず、そのためには、たとえば、蒸発させる媒体の流れスピードおよび圧力、熱出力等のいくつかのパラメータを調和させることが必要である。したがって、そのようなマイクロエバポレータは誤動作しやすく、柔軟に使用することができない。

本発明の課題は、比較的取り扱い易く、比較的広い温度範囲にわたって問題なく操作することができるマイクロエバポレータを提供することである。

この課題は、供給チャンバに小さな断面で終端する入口区域と、蒸気収集チャンバに大きな断面で終端する出口区域とを有する台形区域に、複数のマイクロエバポレータチャネルがあるマイクロエバポレータで解決される。

台形区域にマイクロエバポレータチャネルを配置することによって、マイクロチャネルの入口同士は、互いにすぐ隣にある。マイクロエバポレータチャネルを分離するセグメントの幅は、台形区域の入口区域で０になることができる。したがって、供給チャンバ内の液体は、非常に速く排出され、これは、供給チャンバ内の早期蒸発を効果的に抑制している。

台形区域の出口区域は、入口区域よりも大きく、マイクロチャネルの出口同士がはっきりと間隔をおかれ、これによって、容量が初期液体よりもかなり多い（過熱された）蒸気が、対応して大容量の蒸気収集チャンバ内に制限なく出ることができるという利点を備える。これは、出口区域の過圧を防止し、液体カラムが、流れの方向とは反対にマイクロチャネルに押し戻されるのを防止し、これが問題のない操作を高める。

マイクロエバポレータは、水に関して１００ないし５００℃の広い温度範囲にわたってスムーズに動作できることが例証されている。このマイクロエバポレータは、パラメータの変化に敏感でなく、蒸発させる媒体の質量流量の変化は、所与の加熱温度では問題にならない。

マイクロエバポレータの別の利点は、使用の際に独立して位置決めすることができるということである。

実質的な小型さおよび高エネルギ密度は、さらなる利点である。加えて、システムは、キャリアガスなしで動作することができる。システムは、蒸発させる液体の沸点よりも摂氏数百度上であることができる温度の加熱気体で加熱することができる。さらに、反応温度が蒸発させる液体の沸点よりも摂氏数百度上であることができる化学反応を、加熱の使用することもできる。液体は、また蒸発させる媒体の蒸発温度よりもわずかに上の加熱温度で蒸発させることもでき、これは、エネルギ消費に関して有利である。

マイクロエバポレータは、蒸発させる液体の可変圧力範囲内で動作することができる。

マイクロエバポレータチャネルは、ファン状に配置された台形区域に位置することが好ましい。これは、マイクロエバポレータチャネルが、液体供給チャンバから半径方向に導き、互いに目立つ距離で蒸気収集チャンバに入ることを意味している。

マイクロエバポレータチャネルは、好ましくは、１００μｍ²ないし０．０１ｍｍ²の断面積を有している。断面積の範囲は、より好ましくは、１００μｍ²ないし０．００５ｍｍ²および１００μｍ²ないし０．００２５ｍｍ²である。矩形マイクロエバポレータチャネルは、１０μｍないし１００μｍ、または、特に１０μｍないし５０μｍの範囲の対応するエッジ長さを有している。マイクロエバポレータチャネルの小さな寸法のため、接触表面／容量率は非常に高く、熱の高移動が達成され、これが液体を即座に蒸発させる。マイクロエバポレータチャネルのこの小さな寸法は、特に、液体／気体転移が発生する区域における沸騰遅延を防止し、これは、液体が均一に蒸発するのを可能にしている。

マイクロエバポレータチャネルは、好ましくは、長さ全体にわたって一定の断面を有している。マイクロエバポレータチャネルは、たとえば、放電加工、成形、レーザーアブレーションその他の処理方法によって生成することができる。

マイクロエバポレータチャネルは、直線でまたは蛇行して走行することができる。蛇行式または波形状のマイクロエバポレータチャネルの利点は、チャネルの湾曲のため、液体が流れている間に、蒸発させる液体とチャネル壁との間に比較的大きな接触があることである。これは実質的に、熱の移動を改良している。マイクロエバポレータチャネルの蛇行式配置および設計の別の利点は、マイクロエバポレータチャネルが比較的長い長さであるにもかかわらず、設計が比較的小型でありうることである。

別の実施形態において、マイクロエバポレータチャネルは、順次交互に大きな断面および小さな断面のセクションを有している。マイクロエバポレータチャネルのこの実施形態はまた、マイクロエバポレータチャネルの必要な迂回路による、液体の増加する接触から比較的大きな熱が移動されるという利点も有している。

マイクロエバポレータチャネルのこれらの実施形態において、マイクロエバポレータチャネル同士の間の距離は、蒸気収集チャンバへ向けて増加している。

代替の実施形態は、各マイクロエバポレータチャネルがずれた順次チャネルセクションから構成されることを提供している。この実施形態の展開において、隣接するチャネルセクションは、互いに接続されることができる。結果として、マイクロエバポレータチャネルの区域の蒸気に利用可能な容量は、蒸気収集チャンバへ向けて増加している。これは、蒸気の増加する容量を考慮に入れ、（過熱された）蒸気が、蒸気収集チャンバ内に即座に排出されるのを助ける。

蒸気収集チャンバは、好ましくは、液体供給チャンバよりも大きな容量を有している。

蒸発させる液体を加熱するための手段は、好ましくは、少なくともマイクロエバポレータチャネルより上および／または下の区域に位置している。この配列によって、加熱すべき区域は、好ましくは、マイクロエバポレータチャネルが位置する区域に集中することができる。蒸発させる液体が供給チャンバからマイクロエバポレータチャネル内に比較的速く排出されれば、マイクロエバポレータ全体は、必ずしも対応して加熱される必要はない。

加熱するための手段は、好ましくは、マイクロ構造の加熱チャネル、電気加熱カートリッジまたは石英灯等のランプを備える。この場合、熱は、放射エネルギによって提供される。

マイクロエバポレータの好適な実施形態は、正面に設けられ、液体供給チャンバ、マイクロエバポレータチャネルおよび蒸気収集チャンバの構造物を備える少なくとも１つのエバポレータプレートによって特徴づけられる。必須構成要素は、したがって、プレートに位置することができ、これは、マイクロエバポレータの生産を簡略化し、また、多数のそのようなプレートを積み重ねることができるモジュール式設計を可能にし、蒸発プレートは、簡単な、好ましくは非構造的な、中間プレートによって、互いに分離されるのみである。

エバポレータプレートがマイクロ構造加熱チャネルを背部に有する、好ましい場合には、さらに小型設計、および、マイクロエバポレータの生産の簡略化に寄与している。

加熱チャネルの断面積は、好ましくは、０．１ｍｍないし１０ｍｍの範囲である。

加熱チャネルは、触媒材料でコーティングされることができる。この場合、加熱は、触媒燃焼によって提供され得る。

加熱チャネル同士は、好ましくは平行であり、好ましくは、マイクロエバポレータチャネルと同一方向に延びる。加熱チャネルのこの同一の整列配置は、加熱チャネルおよびマイクロエバポレータチャネルの両方が、基本的にプレートの長さ方向に延びることを意味している。加熱チャネルは、蒸発させる液体の流れの方向に対して並行流れでまたは逆行流れで動作することができる。これは、加熱液体、蒸発させる液体、および、熱の必要な移動に依存している。

エバポレータプレートの残り壁厚は、好ましくは、≦１ｍｍである。利点は、加熱媒体と蒸発させる液体との間に良好な熱の移動があることである。

本発明の例示的な実施形態は、図面を参照してさらに説明されている。以下の図面が示されている。

図１は、（上から下へ）加熱要素４を受けるための穴３を備えた加熱プレート２と、カバープレート５と、マイクロエバポレータプレート１０と、基部プレート６とを有するマイクロエバポレータ１を示している。カバープレート５は、この後の図面を参照して詳細に説明されるように、台形区域１５にマイクロ構造のマイクロエバポレータチャネルを有するマイクロエバポレータプレート１０上にある。

マイクロエバポレータプレート１０は、そこで液体が蒸発するものであり、蒸発させる液体用の供給ライン３０と、蒸気を除去するための排出ライン３１と、に接続されている。マイクロエバポレータプレート１０は、基部プレート６の溝状窪み８内にある。これにより、全体として５０ｍｍ未満の外部寸法であって、図９ａおよび９ｂを参照して説明されるように、追加のマイクロエバポレータプレート１０および挿入される中間プレート７で拡張可能な外部寸法の立方形のマイクロエバポレータが得られる。

図２は、図１に示されたマイクロエバポレータプレート１０の正面１１の平面図を示し、上記プレートは、鋼等の高熱伝導性の材料により構成されている。入口１２は、底部から上方に走り、液体供給チャンバ１３で終端している。液体供給チャンバ１３は、流れの方向に延びて、湾曲した端区域を有し、これは台形区域１５の同様に湾曲した入口区域１４に接続し、中に、図３ａないし３ｃに最も良く示されるマイクロエバポレータチャネル２０が位置している。

台形区域１５の対向する端は出口区域１６を有し、出口区域１６は、出口１８が設けられている蒸気収集チャンバ１７に接続している。蒸気収集チャンバ１７もまた、台形形状を有し、蒸気収集チャンバ１７は、台形区域１５の出口区域１６から出口１８へ向けて狭くなる。すべてのマイクロ構造物の深さは、３０μｍである。

図３ａは、台形区域１５の入口区域１４の拡大断面を示している。多数の真っ直ぐなマイクロエバポレータチャネル２０が、対応する数のセグメント２１によって互いに分離されている。セグメント２１の幅は、入口区域１４で最小であり、これにより、マイクロエバポレータチャネル２０の入口開口は互いに対してすぐ隣にあり、供給チャンバ１３内に液体を即座に取り入れ、液体をマイクロエバポレータチャネル２０内に導く。

本実施形態のマイクロエバポレータチャネル２０は、ファン状であり、これにより、マイクロエバポレータチャネル２０同士の間の距離は、セグメント２１が対応して広がる結果として、蒸気収集チャンバ１７へ向けて増加している。これは、台形区域１５の中間区域および出口区域１６のセクションを示している図３ｂおよび図３ｃを比較することによって、見ることができる。マイクロエバポレータチャネル２０の断面積は、長さ全体にわたって同一のままである。マイクロエバポレータチャネル２０の断面積寸法は、３０μｍ×３０μｍである。このようにして、数百（たとえば、２００）のエバポレータチャネルを、互いに隣り合うように配置することができる。

図４は再度、図３ａないし図３ｃに示された実施形態を概略的に例示している。放射状の、または、ファン状の、マイクロエバポレータチャネル２０の幅Ｂは、台形区域１５の長さ全体にわたって一定のままであり、一方、マイクロエバポレータチャネル２０を分離するセグメント２１の幅は、幅Ａ₁ないし幅Ｂの倍数であることができる幅Ａ₂へ増加しているのがわかる。

図５は、マイクロエバポレータチャネル２０’が波形状または蛇行式に設計されている別の実施形態を概略的に示している。蒸発させる液体は、必然的に、蛇行式マイクロエバポレータチャネル２０’の湾曲に従い、流れによりマイクロエバポレータチャネル壁の左側部および右側部を交互に圧し、熱の移動を改良している。同時に、構造は小型であり、マイクロエバポレータチャネル２０’の長さは比較的長い。この実施形態においても、蛇行式マイクロエバポレータチャネル２０’は、類似の波形状セグメント２１’の、増加した幅から生じるファン状である。

図６に示された参考例によれば、マイクロエバポレータチャネル２０”は、比較的小さな寸法のチャネルセクション２２と、比較的大きな寸法のチャネルセクション２３と、を有している。この実施形態もまた、流れにより、蒸発させる液体とチャネル壁との接触を増加させ、それによって、熱の移動を改良している。隣接するマイクロエバポレータチャネル２０”の個々のチャネルセクション２２、２３は、空間を節約するために、互いに対してずれた関係である。セグメント２１”の設計は、この配置に従っている。

図７は、個別の、隣接し、ずれたカラム形状のセグメント２５が順次配列されている別の実施形態を示している。個々のマイクロチャネルは、チャネルセクション２４によって形成され、ここで、２つのチャネルセクションは、明瞭化のために、２つのカラム形状セグメント２５の間に点線で示されている。これらのチャネルセクション２４はまた、隣接するチャネルセクション２４に接続されていることが明らかにわかる。マイクロエバポレータチャネル内の容量は、それによって、台形区域１５の蒸気の膨張を考慮に入れて、入口区域１４から出口区域１６へ増加している。

図８は、マイクロエバポレータプレート１０の下側１９の拡大図を示している。加熱マイクロチャネル２７はまた、セグメント２８で互いに分離されている。アンテチャンバ２６およびポストチャンバ２９が設けられ、これらは、加熱チャネル２７によって互いに接続されている。これらのチャンバ２６、２９は、加熱チャネル２７を通って流れる加熱気体を分配し収集するように作用する。加えて、図８はまた、加熱気体用の供給ライン３２および排出ライン３３、さらに中間プレート７を示し、これは、蒸気または蒸発させる液体の供給および排出の区域に構成されるだけである。

図９ａおよび９ｂは、非構造的中間プレート７によって互いに分離されている多数のエバポレータプレート１０を備えたマイクロエバポレータの別の実施形態を示している。このモジュール設計により、マイクロエバポレータが所望の処理量を有するように構造化することができる。

マイクロエバポレータ１は、カバープレート５によって頂部で封止されている。基部プレート６は、この図面では示されていない。蒸発させる液体は、マイクロエバポレータプレート１０に垂直である供給および排出ライン３０および３１によって、供給され排出されている。加熱気体は、供給ライン３２によって供給され、加熱気体は、排出ライン３３によって排出されている。個々のライン３０ないし３３の断面積は、使用される媒体の要件に適応されている。

図９ｂにおいて、エバポレータプレート１０の底部に加熱チャネル２７の構造を見ることができる。

マイクロエバポレータ１を使用する蒸発システムが、図１０に示されている。液体（この場合は、水）が、加圧タンク（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）４０によって保持された。蒸発していない液体の流れは、熱質量流量調整弁４１によって判断された。蒸発後、二次ヒータ４２（太い矢印によって示されている）が、液体が凝縮するのを防止している。生成された蒸気の質は、コリオリ流量計４３で判断された。蒸発した水の量は、予備圧力調整弁４４によって調整することができる。

第１の実施形態のマイクロエバポレータの拡大図である。 図１に示されたマイクロエバポレータのマイクロエバポレータプレートの平面図である。 図２に示されたマイクロエバポレータの平面図からの拡大断面図である。 図２に示されたマイクロエバポレータの平面図からの拡大断面図である。 図２に示されたマイクロエバポレータの平面図からの拡大断面図である。 マイクロエバポレータチャネルの異なる実施形態を例示するマイクロエバポレータプレートの概略表示の拡大断面図である。 マイクロエバポレータチャネルの異なる実施形態を例示するマイクロエバポレータプレートの概略表示の拡大断面図である。 マイクロエバポレータチャネルの参考例を例示するマイクロエバポレータプレートの概略表示の拡大断面図である。 マイクロエバポレータチャネルの異なる実施形態を例示するマイクロエバポレータプレートの概略表示の拡大断面図である。 エバポレータプレートの下側の斜視図である。 別の実施形態のマイクロエバポレータの斜視平面図および底面図である。 別の実施形態のマイクロエバポレータの斜視平面図および底面図である。 本発明によるマイクロエバポレータを使用するエバポレータシステムの概略図である。

符号の説明

１ マイクロエバポレータ
２ 加熱プレート
３ 穴
４ 加熱要素
５ カバープレート
６ 基部プレート
７ 中間プレート
８ 溝状窪み
１０ マイクロエバポレータプレート
１１ 正面
１２ 入口
１３ 液体供給チャンバ
１４ 入口区域
１５ 台形区域
１６ 出口区域
１７ 蒸気収集チャンバ
１８ 出口
１９ 下側
２０、２０’、２０” マイクロエバポレータチャネル
２１、２１’ ２１” セグメント
２２ 比較的小さな断面のチャネルセクション
２３ 比較的大きな断面のチャネルセクション
２４ チャネルセクション
２５ カラム形状のセグメント
２６ アンテチャンバ
２７ 加熱チャネル
２８ セグメント
２９ ポストチャンバ
３０ 液体用供給ライン
３１ 蒸気用排出ライン
３２ 加熱気体用供給ライン
３３ 加熱気体用排出ライン
４０ タンク
４１ 質量流量コントローラ
４２ 二次ヒータ
４３ コリオリ流量計
４４ 上流圧力調整弁

Claims (17)

1. 熱伝導性材料からなるハウジングと、蒸発させる液体を加熱する手段とを具備し、前記ハウジングには、液体供給チャンバ（１３）と蒸気収集チャンバ（１７）とが設けられ、これら液体供給チャンバ（１３）と蒸気収集チャンバ（１７）との間に、互いに隣接する複数のマイクロエバポレータチャネル（２０,２０’，２０”）が、一平面に設けられ、各マイクロエバポレータチャネルは、１００μｍ ² ないし０．０１ｍｍ ² の範囲の断面積を有しているマイクロエバポレータ（１）において、
   前記複数のマイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、前記液体供給チャンバ（１３）に小さな断面積で終端する入口区域（１４）と、前記蒸気収集チャンバ（１７）に大きな断面積で終端する出口区域（１６）とを有する台形区域（１５）に配置されており、
   前記各マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）の断面積は、マイクロエバポレータチャネルの長さ全体にわたって同一であることを特徴とするマイクロエバポレータ。
2. 前記複数のマイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、前記台形区域（１５）にファン状に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロエバポレータ。
3. 前記各マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、１００μｍ²ないし０．００５ｍｍ²の断面積を有することを特徴とする、請求項１もしくは２に記載のマイクロエバポレータ。
4. 前記各マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、１００μｍ²ないし０．００２５ｍｍ²の断面積を有することを特徴とする、請求項３に記載のマイクロエバポレータ。
5. 前記各マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、直線の流路を有することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
6. 前記各マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、蛇行の流路を有することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
7. 前記複数のマイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）の間の距離は、前記蒸気収集チャンバ（１７）へ向けて増加することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
8. 前記複数のマイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）は、互いにずれた順次チャネルセクション（２４）を有することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
9. 前記互いにずれたチャネルセクション（２４）の隣接したチャネルセクション（２４）は、接続されていることを特徴とする、請求項８に記載のマイクロエバポレータ。
10. 前記蒸気収集チャンバ（１７）は、前記液体供給チャンバ（１３）よりも大きな容量を有することを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
11. 前記加熱する手段は、少なくとも前記マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）より下および／または上の区域に位置することを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
12. 前記加熱する手段は、加熱マイクロチャネル（２７）であることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
13. 前記液体供給チャンバ（１３）と、前記マイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）と、前記蒸気収集チャンバ（１７）との構造物を正面（１１）に有する少なくとも１つのエバポレータプレート（１０）によって特徴づけられる、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。
14. 前記エバポレータプレート（１０）は、背面に、複数の加熱マイクロチャネル（２７）を有することを特徴とする、請求項１３に記載のマイクロエバポレータ。
15. 前記加熱マイクロチャネル（２７）は、触媒材料でコーティングされていることを特徴とする、請求項１４に記載のマイクロエバポレータ。
16. 前記複数の加熱マイクロチャネル（２７）同士は、平行であることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載のマイクロエバポレータ。
17. 前記複数の加熱マイクロチャネル（２７）の整列配置は、前記複数のマイクロエバポレータチャネル（２０、２０’、２０”）の整列配置に対応することを特徴とする、請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載のマイクロエバポレータ。

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