JP5217414B2 - Evaporator - Google Patents

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Description

本発明は、蒸発器に関する。   The present invention relates to an evaporator.

一般に、被加熱流体が内部を流れる管を加熱する蒸発器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平6−249450号公報
Generally, an evaporator that heats a pipe through which a fluid to be heated flows is known (for example, see Patent Document 1).
JP-A-6-249450

本発明は、比較的低温度レベルの熱源に適した蒸発器を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an evaporator suitable for a heat source having a relatively low temperature level.

本発明の態様に従えば、チャンバと、前記チャンバ内に配置され、熱を有する第1流体が流れる管と、前記管の外面に第2流体を供給する機構であり、前記管の少なくとも一部の領域において前記管の軸方向における前記第2流体の供給量がさまざまである前記機構と、を備える蒸発器が提供される。   According to an aspect of the present invention, there is provided a chamber, a pipe disposed in the chamber, through which a first fluid having heat flows, and a mechanism for supplying a second fluid to an outer surface of the pipe, and at least a part of the pipe And the mechanism in which the supply amount of the second fluid varies in the axial direction of the tube in the region.

この態様によれば、管の軸方向に沿った管の全体にわたり、管の単位長さあたりの第2流体の供給量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。被加熱媒体である第2流体が管の外を流れるから、管の軸方向に沿った部分的な第2流体の流量調整が比較的容易である。これらにより、比較的低温度レベルの熱源に適した蒸発器が提供される。   According to this aspect, the supply amount of the second fluid per unit length of the pipe is optimized over the entire pipe along the axial direction of the pipe, and as a result, the heat utilization efficiency is improved. Since the second fluid, which is the medium to be heated, flows outside the pipe, it is relatively easy to partially adjust the flow rate of the second fluid along the axial direction of the pipe. These provide an evaporator suitable for a heat source at a relatively low temperature level.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図面に付したX軸及びY軸は水平面内の直交する2軸であり、Z軸は重力方向を示している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The X and Y axes attached to the drawings are two orthogonal axes in the horizontal plane, and the Z axis indicates the direction of gravity.

図1は、蒸発器10を示す断面模式図である。図1に示すように、蒸発器10は、チャンバ20と、熱交換チューブ40と、散液機構60とを備える。本実施形態において、蒸発器10は、必要に応じて、ミストセパレータ80などの他の要素を備えることができる。本実施形態において、被加熱媒体は水である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the evaporator 10. As shown in FIG. 1, the evaporator 10 includes a chamber 20, a heat exchange tube 40, and a spray mechanism 60. In the present embodiment, the evaporator 10 can include other elements such as a mist separator 80 as necessary. In the present embodiment, the medium to be heated is water.

本実施形態において、チューブ40には、熱を有する流体を供給する不図示の供給源(熱源)が流体的に接続される。本実施形態において、チャンバ20は、不図示の水の供給源に流体的に接続される。散液機構60は、チューブ40に向けて水を散布する。他の実施形態において、散液機構60が、水の供給源に対して直接的に流体的に接続することができる。   In the present embodiment, a supply source (heat source) (not shown) that supplies a fluid having heat is fluidly connected to the tube 40. In the present embodiment, the chamber 20 is fluidly connected to a water source (not shown). The spray mechanism 60 sprays water toward the tube 40. In other embodiments, the spray mechanism 60 can be fluidly connected directly to a source of water.

蒸発器10において、熱を有する流体がチューブ40内を流れるとともに、散液機構60からの水がチューブ40の外表面に供給される。チューブ40を介して熱流体の熱がチューブ40の外面に付着した水に伝わる。チューブ40の外面において、加熱された水が蒸発する。すなわち、チャンバ20の内部空間において、チューブ40の外で水が蒸発する。蒸気は、例えばチャンバ20に設けられた開口22から排出される。   In the evaporator 10, a fluid having heat flows through the tube 40, and water from the spray mechanism 60 is supplied to the outer surface of the tube 40. Through the tube 40, the heat of the thermal fluid is transferred to the water attached to the outer surface of the tube 40. On the outer surface of the tube 40, the heated water evaporates. That is, water evaporates outside the tube 40 in the internal space of the chamber 20. For example, the steam is discharged from an opening 22 provided in the chamber 20.

このような形態の蒸発器10は、被加熱媒体(水)が管内を流れる形態に比べて、水−蒸気の界面を広くできる。これは、比較的低温度レベルの熱源を用いた蒸発プロセスに有利である。   The evaporator 10 having such a configuration can widen the water-steam interface as compared with a mode in which the medium to be heated (water) flows in the pipe. This is advantageous for evaporation processes using relatively low temperature level heat sources.

また、このような形態の蒸発器10は、水又は蒸気の流れに対する圧力損失が小さいという利点を有する。水側の圧力損失に起因した蒸発温度の変化が抑制されることにより、ピンチ温度に対する懸念を抑え、蒸発プロセスの安定性の向上が図られる。   Moreover, the evaporator 10 of such a form has the advantage that the pressure loss with respect to the flow of water or steam is small. By suppressing the change in the evaporation temperature caused by the pressure loss on the water side, the concern about the pinch temperature is suppressed, and the stability of the evaporation process is improved.

また、蒸発器10では、被加熱媒体(水)がチューブ40の外を流れるので、水側で発生したスケール(scale)による詰まりが生じにくい。   Further, in the evaporator 10, since the medium to be heated (water) flows outside the tube 40, clogging due to the scale generated on the water side is unlikely to occur.

チャンバ20の内部空間は、大気圧と同等にでき、これは、チャンバ20の薄肉化・軽量化に有利である。本実施形態において、チャンバ20の内圧は、例えば約0.1MPa(1atm)である。本実施形態において、チャンバ20の内圧は、大気圧に比べて高く、又は低くすることもできる。負圧の場合、その内圧は、例えば、約0.09、0.08、0.07、又は0.06MPa以下にできる。高圧の場合、その内圧は、例えば、約0.12、0.14、0.16、0.2、0.4、0.8、1.0、又は2.0MPa以上にできる。   The internal space of the chamber 20 can be made equal to the atmospheric pressure, which is advantageous for reducing the thickness and weight of the chamber 20. In the present embodiment, the internal pressure of the chamber 20 is, for example, about 0.1 MPa (1 atm). In the present embodiment, the internal pressure of the chamber 20 can be higher or lower than the atmospheric pressure. In the case of a negative pressure, the internal pressure can be, for example, about 0.09, 0.08, 0.07, or 0.06 MPa or less. In the case of high pressure, the internal pressure can be, for example, about 0.12, 0.14, 0.16, 0.2, 0.4, 0.8, 1.0, or 2.0 MPa or more.

チャンバ20の外形は、丸みを帯びた角を必要に応じて有する、概略的な筒形状を有することができる。本実施形態において、筒形状を有するチャンバ20の軸方向は重力方向(Z方向)に実質的に一致する。チャンバ20の周面に、周方向に延びる波形あるいは凹凸を設けることにより、高い耐圧強度を有するチャンバ20を、比較的薄い材料を用いて形成することが可能である。薄い材料で形成されたチャンバ20は、装置コスト低減に有利である。例えば、チャンバ20の構成部材の厚さは、10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm、4mm、3mm、2mm、又は1mm以下である。他の実施形態において、チャンバ20の横断面形状は、円状、楕円状、矩形状、又は他の形状を有することができる。   The outer shape of the chamber 20 can have a general cylindrical shape with rounded corners as needed. In the present embodiment, the axial direction of the cylindrical chamber 20 substantially coincides with the gravitational direction (Z direction). By providing the circumferential surface of the chamber 20 with corrugations or irregularities extending in the circumferential direction, the chamber 20 having a high pressure resistance can be formed using a relatively thin material. The chamber 20 formed of a thin material is advantageous for reducing the apparatus cost. For example, the thickness of the constituent member of the chamber 20 is 10 mm, 9 mm, 8 mm, 7 mm, 6 mm, 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm, or 1 mm or less. In other embodiments, the cross-sectional shape of the chamber 20 can have a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, or other shapes.

チューブ40は、チャンバ20内に、チャンバ20の軸方向(重力方向)に沿って多段の層状に配置される。チャンバ20内には、ヘッダパイプ42,44が設けられている。ヘッダパイプ42,44は、チャンバ20の軸方向に沿って延びた筒形状を有し、互いに離間して配置されている。   The tubes 40 are arranged in a multistage layer in the chamber 20 along the axial direction (gravity direction) of the chamber 20. Header pipes 42 and 44 are provided in the chamber 20. The header pipes 42, 44 have a cylindrical shape extending along the axial direction of the chamber 20 and are spaced apart from each other.

各層のチューブ40の一端が第1ヘッダパイプ42に流体的に接続され、各層のチューブ40の他端が第2ヘッダパイプ44に流体的に接続されている。第1ヘッダパイプ42に供給された高温の熱流体が分岐し、各層のチューブ40を流れる。チューブ40からの熱流体が第2ヘッダパイプ44で合流する。チューブ40の構成部材としては、高い熱伝導率を有する金属チューブ(例えば、銅チューブ、アルミニウムチューブ)が好ましく用いられる。   One end of the tube 40 of each layer is fluidly connected to the first header pipe 42, and the other end of the tube 40 of each layer is fluidly connected to the second header pipe 44. The high-temperature hot fluid supplied to the first header pipe 42 branches and flows through the tubes 40 of each layer. The thermal fluid from the tube 40 joins at the second header pipe 44. As a constituent member of the tube 40, a metal tube (for example, a copper tube or an aluminum tube) having a high thermal conductivity is preferably used.

また、チューブ40は、表面が滑らかな素チューブ、表面に網状の部材が配設された網付チューブ、多数の溝が表面に形成された溝付チューブ、多数のフィンが表面に設けられたフィンチューブのいずれでもよい。網、溝、及びフィンなどがチューブ40の表面に設けられることにより、チューブ40における表面積の拡大、及び熱交換の促進が図られる。また、チューブ40の表面に対して熱交換に適した処理を施してもよい。チューブ40の表面の少なくとも1部を親液処理してもよく、撥液処理してもよい。例えば、チューブ40の表面のうち、上方領域を親液処理し、下方領域を撥液処理してもよい。   Further, the tube 40 includes a raw tube having a smooth surface, a netted tube having a net-like member disposed on the surface, a grooved tube having a large number of grooves formed on the surface, and a fin having a large number of fins provided on the surface. Any of the tubes may be used. By providing the nets, grooves, fins, and the like on the surface of the tube 40, the surface area of the tube 40 is increased and heat exchange is promoted. Further, the surface of the tube 40 may be subjected to a treatment suitable for heat exchange. At least a part of the surface of the tube 40 may be subjected to lyophilic treatment or lyophobic treatment. For example, the upper region of the surface of the tube 40 may be lyophilic and the lower region may be liquid repellent.

図2A、図2B、図2C、及び図2Dは、チューブ40の構成例を模式的に示す平面図である。図2A〜2Dにおいて、X方向及びY方向を含む面(XY平面)は水平面に実質的に一致する。   2A, 2B, 2C, and 2D are plan views schematically showing a configuration example of the tube 40. FIG. 2A to 2D, the plane including the X direction and the Y direction (XY plane) substantially coincides with the horizontal plane.

図2Aにおいて、チューブ40は、X方向に沿って延びかつY方向に沿って互いに並ぶ複数の線要素51と、線要素51同士を流体的につなぐ屈曲要素53とを有する。線要素51は、互いに実質的平行でもよく、互いに非平行でもよい。図2Aにおいて、チャンバ20は、矩形の断面形状を有する。第1ヘッダパイプ42は、チャンバ20における1つの角に隣接して配置される。第2ヘッダパイプ44は、第1ヘッダパイプ42に隣接する角と対向するチャンバ20における別の角に隣接して配置される。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、線要素51及び屈曲要素53を有するチューブを形成することができる。重力方向(Z方向)の各層において、チューブ40は、同様の形状を有することができる。   In FIG. 2A, the tube 40 has a plurality of line elements 51 extending along the X direction and aligned with each other along the Y direction, and a bending element 53 that fluidly connects the line elements 51 to each other. The line elements 51 may be substantially parallel to each other or non-parallel to each other. In FIG. 2A, the chamber 20 has a rectangular cross-sectional shape. The first header pipe 42 is disposed adjacent to one corner in the chamber 20. The second header pipe 44 is disposed adjacent to another corner in the chamber 20 that faces the corner adjacent to the first header pipe 42. For example, a tube having the line element 51 and the bending element 53 can be formed by using a bending process or a welding process. In each layer in the direction of gravity (Z direction), the tube 40 can have a similar shape.

図2Bにおいて、チャンバ20は、円形の断面形状を有する。チューブ40は、図2Aと同様に、X方向に沿って延びかつY方向に沿って互いに並ぶ複数の線要素55と、線要素51同士を流体的につなぐ屈曲要素57とを有する。線要素51は、互いに実質的平行でもよく、互いに非平行でもよい。第1ヘッダパイプ42は、チャンバ20の内周面に隣接して配置される。第2ヘッダパイプ44は、第1ヘッダパイプ42に対向する、チャンバ20の内周面に隣接する位置に配置される。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、線要素55及び屈曲要素57を有するチューブを形成することができる。図2Bにおいて、第1ヘッダパイプ42と第2ヘッダパイプ44とを結ぶ線は、チューブ40の線要素55の軸と交差する。チューブ40の屈曲要素57は、チャンバ20の内周面に隣接して配置される。重力方向(Z方向)の各層において、チューブ40は、同様の形状を有することができる。   In FIG. 2B, the chamber 20 has a circular cross-sectional shape. Similar to FIG. 2A, the tube 40 includes a plurality of line elements 55 that extend along the X direction and are aligned with each other along the Y direction, and a bending element 57 that fluidly connects the line elements 51 to each other. The line elements 51 may be substantially parallel to each other or non-parallel to each other. The first header pipe 42 is disposed adjacent to the inner peripheral surface of the chamber 20. The second header pipe 44 is disposed at a position facing the first header pipe 42 and adjacent to the inner peripheral surface of the chamber 20. For example, a tube having the line element 55 and the bending element 57 can be formed by using a bending process or a welding process. In FIG. 2B, the line connecting the first header pipe 42 and the second header pipe 44 intersects the axis of the line element 55 of the tube 40. The bending element 57 of the tube 40 is disposed adjacent to the inner peripheral surface of the chamber 20. In each layer in the direction of gravity (Z direction), the tube 40 can have a similar shape.

図2Cにおいて、チャンバ20は、円形の断面形状を有する。チューブ40は、スパイラル状に延びる湾曲要素59を有する。湾曲要素59のスパイラルの中心は、チャンバ20の軸心に概ね一致することができる。換言すると、チャンバ20の径方向に沿って、チューブ40の要素が同心円状に並ぶ。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、湾曲要素59を有するチューブを形成することができる。第1ヘッダパイプ42は、チャンバ20の軸心付近に配置される。第2ヘッダパイプ44は、チャンバ20の内周面に隣接して配置される。重力方向(Z方向)の各層において、チューブ40は、同様の形状を有することができる。   In FIG. 2C, the chamber 20 has a circular cross-sectional shape. The tube 40 has a curved element 59 extending in a spiral shape. The center of the spiral of the bending element 59 can generally coincide with the axis of the chamber 20. In other words, the elements of the tube 40 are arranged concentrically along the radial direction of the chamber 20. For example, the tube having the bending element 59 can be formed by using a bending process or a welding process. The first header pipe 42 is disposed near the axial center of the chamber 20. The second header pipe 44 is disposed adjacent to the inner peripheral surface of the chamber 20. In each layer in the direction of gravity (Z direction), the tube 40 can have a similar shape.

図2Dにおいて、チューブ40は、水平方向に並びかつ水がそれぞれ流れる複数の水平群40A,40Bを有する。各水平群40A,40Bは、X方向に沿って延びかつY方向に沿って互いに並ぶ複数の線要素51と、線要素51同士を流体的につなぐ屈曲要素53とを有する。線要素51は、互いに実質的平行でもよく、互いに非平行でもよい。図2Dにおいて、チャンバ20は、矩形の断面形状を有する。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、線要素51及び屈曲要素53を有するチューブを形成することができる。   In FIG. 2D, the tube 40 has a plurality of horizontal groups 40A and 40B arranged in the horizontal direction and through which water flows. Each horizontal group 40A, 40B has a plurality of line elements 51 that extend along the X direction and are lined up along the Y direction, and a bending element 53 that fluidly connects the line elements 51 to each other. The line elements 51 may be substantially parallel to each other or non-parallel to each other. In FIG. 2D, the chamber 20 has a rectangular cross-sectional shape. For example, a tube having the line element 51 and the bending element 53 can be formed by using a bending process or a welding process.

第1ヘッダパイプ42からの熱流体の一部は、第2ヘッダパイプ44に向けて水平群40Aを流れる。第1ヘッダパイプ42からの熱流体の別の一部は、第2ヘッダパイプ44に向けて水平群40Bを流れる。ある層において、チューブ40の流路が複数の水平群40A,40Bに分かれていることにより、所定領域内における、第1ヘッダパイプ42から第2ヘッダパイプ44までのチューブ40の軸長さ、すなわち熱交換長さを比較的短くできる。これにより、チューブ40を流れる熱流体が放熱に伴って温度変化する場合における、チューブ40の下流領域での熱流体の温度低下が抑制される。これは、チューブ40の下流領域での熱伝達の低下を抑制するのに有利である。   Part of the thermal fluid from the first header pipe 42 flows through the horizontal group 40 </ b> A toward the second header pipe 44. Another part of the thermal fluid from the first header pipe 42 flows through the horizontal group 40 </ b> B toward the second header pipe 44. In a certain layer, since the flow path of the tube 40 is divided into a plurality of horizontal groups 40A and 40B, the axial length of the tube 40 from the first header pipe 42 to the second header pipe 44 within a predetermined region, that is, The heat exchange length can be made relatively short. Thereby, the temperature fall of the thermal fluid in the downstream area | region of the tube 40 in the case where the temperature of the thermal fluid which flows through the tube 40 changes with heat dissipation is suppressed. This is advantageous for suppressing a decrease in heat transfer in the downstream region of the tube 40.

チューブ40の複数の水平群は、X方向、Y方向、及びその傾き方向のいずれに沿って並んでもよい。他の実施形態において、複数の水平群は、X方向、Y方向の両方に沿って並ぶことができる。水平群40A,40Bの数は2に限定されない。水平群の数は、2、3、4、5、6、7、8、9、又は10以上にできる。また、水平群40A,40Bは、図2Dに示される形態に限定されず、様々な形態が適用可能である。   The plurality of horizontal groups of the tubes 40 may be arranged along any of the X direction, the Y direction, and the tilt direction. In other embodiments, the plurality of horizontal groups can be aligned along both the X and Y directions. The number of horizontal groups 40A and 40B is not limited to two. The number of horizontal groups can be 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. Further, the horizontal groups 40A and 40B are not limited to the form shown in FIG. 2D, and various forms are applicable.

図2Dにおいて、重力方向(Z方向)の各層において、チューブ40は、同様の形状を有することができる。チューブ40の複数の層の間で、チューブ40の分割形態が異なっていてもよい。あるいは、チューブ40は、複数の水平群に分割された流路を有する層と、非分割の層との両方を有することができる。   In FIG. 2D, the tube 40 can have a similar shape in each layer in the gravitational direction (Z direction). The division | segmentation form of the tube 40 may differ between several layers of the tube 40. FIG. Alternatively, the tube 40 can have both a layer having a flow path divided into a plurality of horizontal groups and a non-divided layer.

図2A〜2Dにおいて、最も高い位置の層に属するチューブ40の真下に、次の層に属するチューブ40の少なくとも1部が位置する。同様に、他の隣接する2つの層の間でもチューブ40同士が少なくとも部分的に重なる。本実施形態において、高い位置の層に属するチューブ40の真下に次の層に属するチューブ40の概ねすべてが位置する。他の実施形態において、その真下の位置からチューブ40の一部がずれて配置できる。すなわち、隣接する2つの層の間で概ねチューブ40全体の配列位置(線要素51の配列位置)が一致してもよく、部分的に不一致でもよい。   2A to 2D, at least a part of the tube 40 belonging to the next layer is located immediately below the tube 40 belonging to the highest layer. Similarly, the tubes 40 overlap at least partially between other two adjacent layers. In the present embodiment, almost all of the tubes 40 belonging to the next layer are located directly below the tubes 40 belonging to the higher layer. In other embodiments, a portion of the tube 40 can be offset from the position directly below it. That is, the arrangement position of the entire tube 40 (arrangement position of the line elements 51) may be substantially the same between two adjacent layers, or may be partially mismatched.

なお、図2A〜2Dに示されるチューブ40の構成は例であって、他の構成も適用可能である。   The configuration of the tube 40 shown in FIGS. 2A to 2D is an example, and other configurations can be applied.

図1に戻り、本実施形態において、チューブ40の層の数は、装置仕様に応じて設定される。層の数は、2、3、4、5、6、7、8、9、又は10以上にできる。あるいは、層の数は、15、20、25、30、35、40、45、又は50以上にできる。   Returning to FIG. 1, in the present embodiment, the number of layers of the tube 40 is set according to the device specifications. The number of layers can be 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. Alternatively, the number of layers can be 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, or 50 or more.

図1に示すように、散液機構60は、ポンプ62と、複数のノズル64を有する散液配管66と、ポンプ62と配管66とを流体的につなぐ供給配管68とを有する。ポンプ62は、チャンバ20に貯溜した水を汲み上げ、供給配管68を介して散液配管66にその水を送る。配管66のノズル64から水が出る。配管66のノズル64から落下した水がチューブ40の表面(外面)に付着する。チューブ40内の高温流体の熱が、チューブ40の表面に付着した水に伝わり、水の一部がチャンバ20内で蒸発する。   As shown in FIG. 1, the spray mechanism 60 includes a pump 62, a spray pipe 66 having a plurality of nozzles 64, and a supply pipe 68 that fluidly connects the pump 62 and the pipe 66. The pump 62 pumps up the water stored in the chamber 20 and sends the water to the spray pipe 66 through the supply pipe 68. Water comes out of the nozzle 64 of the pipe 66. Water dropped from the nozzle 64 of the pipe 66 adheres to the surface (outer surface) of the tube 40. The heat of the hot fluid in the tube 40 is transferred to the water attached to the surface of the tube 40, and a part of the water is evaporated in the chamber 20.

ノズル64は、スプレーノズルでもよく、液柱用ノズル(例えば、孔)でもよい。スプレータイプでは、比較的広い範囲に水を散布することができる。液柱タイプは、液柱の調整(液柱の径、流速、空間密度などの調整)が容易であるという利点を有する。スプレータイプと液柱タイプ以外のタイプのノズルを用いてもよい。複数タイプのノズルを組み合わせてもよい。   The nozzle 64 may be a spray nozzle or a liquid column nozzle (for example, a hole). In the spray type, water can be spread over a relatively wide range. The liquid column type has an advantage that adjustment of the liquid column (adjustment of the diameter, flow rate, spatial density, etc. of the liquid column) is easy. A nozzle other than the spray type and the liquid column type may be used. A plurality of types of nozzles may be combined.

散液配管66は、最も高い位置の層に属するチューブ40に向けて水を供給する上部配管66Aと、別の層に属するチューブ40に向けて水を供給する中間配管66B,66C,66D,...とを有する。   The sprinkling pipe 66 includes an upper pipe 66A that supplies water toward the tube 40 belonging to the highest layer and intermediate pipes 66B, 66C, 66D,... That supply water toward the tube 40 belonging to another layer. .. and.

本実施形態において、上部配管66Aから最上層に属するチューブ40の外面に向けて水が供給される。最上層のチューブ40で蒸発した水の残りは落下し、次の層のチューブ40の外面に付着する。また、最上層のチューブ40からの水に加えて、次の層に属するチューブ40の外面に向けて中間配管66Bから水が供給される。残りの層に属するチューブ40についても同様に、上段のチューブ40からの水と、中間配管66C,66D,...からの水とがその外面に供給される。   In the present embodiment, water is supplied from the upper pipe 66A toward the outer surface of the tube 40 belonging to the uppermost layer. The remaining water evaporated in the uppermost tube 40 falls and adheres to the outer surface of the next tube 40. In addition to the water from the uppermost tube 40, water is supplied from the intermediate pipe 66B toward the outer surface of the tube 40 belonging to the next layer. Similarly, the water from the upper tube 40 and the water from the intermediate pipes 66C, 66D,... Are supplied to the outer surfaces of the tubes 40 belonging to the remaining layers.

チューブ40の外面に存在する水の膜厚が適正値に比べて小さいと、チューブ40の外面に濡れていない部分が生じる可能性がある。水の膜厚が適正値に比べて大きいと、チューブ40の外面から水が蒸発しにくくなる可能性がある。これらは、熱効率の点で不利である。散液機構60からの水の適切な散布が、高い熱伝達と効率的な蒸気生成とをもたらす。   If the film thickness of water present on the outer surface of the tube 40 is smaller than the appropriate value, a portion that is not wetted on the outer surface of the tube 40 may occur. If the water film thickness is larger than the appropriate value, water may not easily evaporate from the outer surface of the tube 40. These are disadvantageous in terms of thermal efficiency. Proper spraying of water from the spray mechanism 60 results in high heat transfer and efficient steam generation.

本実施形態において、中間配管66B,66C,66D,...から水が補充されることにより、各層のチューブ40の外面における水の量の最適化が図られる。高い位置の層に属するチューブ40の外面からの水の蒸発量に応じて、低い位置の層に属するチューブ40に対する中間配管66B,66C,66D,...からの水の供給量が設定される。例えば、ある中間層のチューブ40に対して、その上の層のチューブ40で蒸発した水の量に比べて同程度または多い量の水が中間配管66B,66C,66D,...から供給される。その結果、チューブ40の外表面における部分的な渇きが防止される。適切な量の水が供給された各層のチューブ40の外表面において、水が好ましく蒸発する。   In this embodiment, the amount of water on the outer surface of the tube 40 in each layer is optimized by replenishing water from the intermediate pipes 66B, 66C, 66D,. The amount of water supplied from the intermediate pipes 66B, 66C, 66D,... To the tubes 40 belonging to the lower layer is set according to the amount of water evaporated from the outer surface of the tube 40 belonging to the higher layer. . For example, a certain amount of water is supplied from an intermediate pipe 66B, 66C, 66D,... To a certain middle layer tube 40 as compared with the amount of water evaporated in the upper layer tube 40. The As a result, partial thirst on the outer surface of the tube 40 is prevented. The water preferably evaporates on the outer surface of each layer of tube 40 supplied with the appropriate amount of water.

本実施形態において、チューブ40の2つの層に対して1つの中間配管66B,66C,66D,...が配置されている。すなわち、チューブ40の2つの層ごとに、層同士の間のスペースに中間配管66B,66C,66D,...が配置されている。他の実施形態において、チューブ40の層同士の間の各スペースに中間配管が配置することができる。   In the present embodiment, one intermediate pipe 66B, 66C, 66D,... Is arranged for the two layers of the tube 40. That is, for every two layers of the tube 40, the intermediate pipes 66B, 66C, 66D,... Are arranged in the space between the layers. In other embodiments, intermediate piping can be placed in each space between the layers of tubes 40.

また、散液配管66(上部配管66A,中間配管66B,66C,66D,...)は、チューブ40から離間して配置されてもよく、チューブ40に近接あるいは密着してもよい。散液配管66とチューブ40とが、抱き合わせ構造及び/又は密着構造を有することにより、散液配管66のノズル64が確実にチューブ40の真上に配置されるとともに、散液配管66のノズル64からの水がチューブ40の表面(外面)に確実に付着する。   Further, the spray pipe 66 (upper pipe 66A, intermediate pipes 66B, 66C, 66D,...) May be disposed away from the tube 40, or may be close to or in close contact with the tube 40. Since the sprinkling pipe 66 and the tube 40 have a tying structure and / or a close-contact structure, the nozzle 64 of the sprinkling pipe 66 is surely disposed immediately above the tube 40, and the nozzle 64 of the sprinkling pipe 66. Water adheres securely to the surface (outer surface) of the tube 40.

図3は、ノズル64の配置の一例を示す模式図であり、二次元平面(水平面)内でのノズル64のそれぞれの位置を示している。図3において、ノズル64は、チューブ40に面しかつ互いに離間して配置されている。各ノズル64は、チューブ40のいずれかの部分の真上に位置することができる。こうしたノズル64の配置により、配管66からの水が確実にチューブ40上に落下する。できるだけ多くのノズル64がチューブ40の真上の位置に配置されることが好ましいが、一部のノズル64がチューブ40の真上の位置からずれていてもよい。   FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the arrangement of the nozzles 64, and shows the positions of the nozzles 64 in a two-dimensional plane (horizontal plane). In FIG. 3, the nozzles 64 face the tube 40 and are spaced apart from each other. Each nozzle 64 can be located directly above any portion of the tube 40. Such an arrangement of the nozzle 64 ensures that the water from the pipe 66 falls onto the tube 40. It is preferable that as many nozzles 64 as possible be arranged at positions directly above the tube 40, but some of the nozzles 64 may be offset from positions directly above the tube 40.

本実施形態において、散液機構60は、チューブ40の少なくとも一部の領域においてチューブ40の軸方向において水の供給量がさまざまとなるような(異なるような)形態を有する。すなわち、チューブ40の少なくとも一部の領域に対して、チューブ40内を流れる熱流体の流れ方向に沿って散液機構60からの水の供給量が変化する。本実施形態において、チューブ40における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、チューブ40における下流側の部分では水の供給量が比較的少ない。   In the present embodiment, the spray mechanism 60 has a configuration in which the amount of water supply varies (different) in the axial direction of the tube 40 in at least a partial region of the tube 40. That is, the amount of water supplied from the spray mechanism 60 varies along the flow direction of the thermal fluid flowing through the tube 40 with respect to at least a part of the region of the tube 40. In this embodiment, the supply amount of water is relatively large in the upstream portion of the tube 40, and the supply amount of water is relatively small in the downstream portion of the tube 40.

図3に示すように、チューブ40の軸方向において、ノズル64の配列ピッチがさまざまである。具体的には、チューブ40における熱流体の上流側(第1ヘッダパイプ42に近い側の部分)に配置されるノズル64(水の出口)は、比較的狭い配列ピッチを有し、下流側(第2ヘッダパイプ44に近い側の部分)に配置されるノズル64(水の出口)は、比較的広い配列ピッチを有する。図3において、各ノズル64の散液量(所定の圧力に対する時間あたりの散液量)が実質的に同程度である場合、チューブ40における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、下流側の部分では水の供給量が比較的少ない。   As shown in FIG. 3, the arrangement pitch of the nozzles 64 varies in the axial direction of the tube 40. Specifically, the nozzles 64 (water outlets) arranged on the upstream side of the thermal fluid in the tube 40 (portions close to the first header pipe 42) have a relatively narrow arrangement pitch, and the downstream side ( The nozzles 64 (water outlets) arranged in the portion close to the second header pipe 44 have a relatively wide arrangement pitch. In FIG. 3, when the amount of liquid sprayed by each nozzle 64 (the amount of liquid sprayed per time for a predetermined pressure) is substantially the same, the amount of water supplied is relatively large in the upstream portion of the tube 40, In the downstream part, the amount of water supplied is relatively small.

図4は、ノズル64の配置の別の例を示す模式図である。図4に示すように、チューブ40の軸方向において、ノズル64の種類及び/又は特性がさまざまである。具体的には、チューブ40における熱流体の上流側(第1ヘッダパイプ42に近い側の部分)には、散液量(所定の圧力に対する時間あたりの散液量)が比較的多いノズル64(水の出口)が配置され、熱流体の下流側(第2ヘッダパイプ44に近い側の部分)には、散液量が比較的少ないノズル64(水の出口)が配置される。図4において、チューブ40の軸方向に沿ったノズル64の配列ピッチが実質的にほぼ一様である場合、チューブ40における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、下流側の部分では水の供給量が比較的少ない。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another example of the arrangement of the nozzles 64. As shown in FIG. 4, the types and / or characteristics of the nozzles 64 vary in the axial direction of the tube 40. Specifically, on the upstream side of the thermal fluid in the tube 40 (portion close to the first header pipe 42), a nozzle 64 (with a relatively large amount of sprayed liquid (spattered amount per time for a predetermined pressure)) ( A water outlet) is disposed, and a nozzle 64 (water outlet) having a relatively small amount of spray is disposed on the downstream side of the thermal fluid (portion close to the second header pipe 44). In FIG. 4, when the arrangement pitch of the nozzles 64 along the axial direction of the tube 40 is substantially uniform, the supply amount of water is relatively large in the upstream portion of the tube 40 and in the downstream portion. Water supply is relatively low.

図5は、散液機構60の別の例を示す模式図である。図5に示すように、散液機構60は、チューブ40の軸方向における複数の位置での水の供給量を変化させることができる制御装置70を有する。図5において、散液配管66及びノズル64は、複数の群(ノズル群71A〜71D)にグループ化されている。制御装置70は、第1ノズル群71Aに供給される水量及び/又は圧力を調整する弁72Aと、第2ノズル群71Bに供給される水量及び/又は圧力を調整する弁72Bと、第3ノズル群71Cに供給される水量及び/又は圧力を調整する弁72Cと、第4ノズル群71Dに供給される水量及び/又は圧力を調整する弁72Dと、各弁72A〜72Dを制御するコントローラ74とを有する。   FIG. 5 is a schematic diagram illustrating another example of the spray mechanism 60. As shown in FIG. 5, the spray mechanism 60 includes a control device 70 that can change the supply amount of water at a plurality of positions in the axial direction of the tube 40. In FIG. 5, the spray pipe 66 and the nozzle 64 are grouped into a plurality of groups (nozzle groups 71A to 71D). The control device 70 includes a valve 72A for adjusting the amount and / or pressure of water supplied to the first nozzle group 71A, a valve 72B for adjusting the amount of water and / or pressure supplied to the second nozzle group 71B, and a third nozzle. A valve 72C for adjusting the amount and / or pressure of water supplied to the group 71C, a valve 72D for adjusting the amount and / or pressure of water supplied to the fourth nozzle group 71D, and a controller 74 for controlling the valves 72A to 72D Have

図5において、第1ノズル群71Aは、チューブ40における熱流体の上流側(第1ヘッダパイプ42に近い側の部分)に対応しており、第4ノズル群72Bは、熱流体の下流側(第2ヘッダパイプ44に近い側の部分)に対応している。コントローラ74は、第1ノズル群71Aからの時間あたりの散液量が比較的多く、第2ノズル群71B、第3ノズル群71C、及び第4ノズル群71Dの順に散液量が少なくなるように、各弁71A〜71Dを制御する。   In FIG. 5, the first nozzle group 71 </ b> A corresponds to the upstream side of the thermal fluid in the tube 40 (portion close to the first header pipe 42), and the fourth nozzle group 72 </ b> B corresponds to the downstream side of the thermal fluid ( Corresponding to the second header pipe 44). The controller 74 has a relatively large amount of liquid sprayed from the first nozzle group 71A per time, and the liquid spray amount decreases in the order of the second nozzle group 71B, the third nozzle group 71C, and the fourth nozzle group 71D. The valves 71A to 71D are controlled.

図3〜図5の例で示された1つの形態、または2つ以上を組み合わせた形態を用いることにより、チューブ40内を流れる熱流体の流れ方向に沿って散液機構60からの水の供給量が変化する。すなわち、散液機構60は、チューブ40の少なくとも一部の領域に対して、チューブ40における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、チューブ40における下流側の部分では水の供給量が比較的少なくなるように、チューブ40に向けて水を供給する。   The water supply from the spray mechanism 60 along the flow direction of the thermal fluid flowing in the tube 40 by using the one form shown in the examples of FIGS. 3 to 5 or the combination of two or more. The amount changes. That is, the spray mechanism 60 has a relatively large supply amount of water in the upstream portion of the tube 40 and a supply amount of water in the downstream portion of the tube 40 with respect to at least a part of the region of the tube 40. Water is supplied toward the tube 40 so as to be relatively small.

本実施形態において、チューブ40の少なくとも一部の領域に対して熱流体が流れるチューブ40の軸方向において水の供給量がさまざまであることにより、比較的低温度レベルの熱源であっても、効率的に水を蒸発させることができる。すなわち、チューブ40の軸方向に沿った全体にわたり、チューブ40の単位長さあたりの水の散布量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。   In the present embodiment, the amount of water supplied varies in the axial direction of the tube 40 through which the thermal fluid flows with respect to at least a part of the region of the tube 40, so that the efficiency can be improved even with a heat source at a relatively low temperature level. Water can be evaporated. That is, the amount of water sprayed per unit length of the tube 40 is optimized over the entire axial direction of the tube 40, and as a result, the heat utilization efficiency is improved.

チューブ40を流れる熱流体が放熱に伴って温度変化する場合、温度が比較的高いチューブ40の外面部分には、比較的多い量の水が供給され、温度が比較的低いチューブ40の外面部分には、比較的少ない量の水が供給されることができる。例えば、チューブ40を流れる熱流体の少なくとも一部が超臨界流体、もしくは気体である場合には、放熱に伴って熱流体の温度が比較的漸次的に低下しやすい。熱流体の温度変化に応じて、チューブ40の部分ごとに水の供給量が適正化されることにより、高い熱伝達と効率的な蒸気生成とがもたらされる。   When the temperature of the thermal fluid flowing through the tube 40 changes with heat dissipation, a relatively large amount of water is supplied to the outer surface portion of the tube 40 having a relatively high temperature, and the outer surface portion of the tube 40 having a relatively low temperature. A relatively small amount of water can be supplied. For example, when at least a part of the thermal fluid flowing through the tube 40 is a supercritical fluid or a gas, the temperature of the thermal fluid is likely to decrease relatively gradually with heat radiation. In accordance with the temperature change of the thermal fluid, the amount of water supplied for each portion of the tube 40 is optimized to provide high heat transfer and efficient steam generation.

本実施形態において、チューブ40に対する水の供給量のプロファイルは、層ごとに変化させることができる。すなわち、低い位置に属するチューブ40に対する軸方向における水の供給量の変化を、高い位置の層に属するチューブ40に対するそれと異なるように設定できる。これにより、チューブ40の軸方向に加え、重力方向においても、チューブ40の全体にわたり、チューブ40の単位長さあたりの水供給量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。   In the present embodiment, the profile of the amount of water supplied to the tube 40 can be changed for each layer. That is, the change in the amount of water supply in the axial direction with respect to the tube 40 belonging to the lower position can be set to be different from that for the tube 40 belonging to the higher position layer. Thereby, not only in the axial direction of the tube 40 but also in the gravity direction, the water supply amount per unit length of the tube 40 is optimized throughout the tube 40, and as a result, the heat utilization efficiency is improved.

例えば、最も高い位置の層に属するチューブ40において、軸方向における水の供給量が実質的に一定であり、少なくとも1つの他の層に属するチューブ40において、軸方向における水の供給量がさまざまであるように設定できる。最上段の層に軸方向に一定供給量の水を供給しかつチューブ40を流れる熱流体が放熱に伴って温度変化する場合、その層から落下する水の量(供給量−蒸発量)は、軸方向で異なる。これに対応して、下段の層において、散液機構60は、落下水量が比較的少ない領域に比較的多い量の水を供給することができる。これにより、チューブ40の単位長さあたりの水供給量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。   For example, in the tube 40 belonging to the highest layer, the supply amount of water in the axial direction is substantially constant, and in the tube 40 belonging to at least one other layer, the supply amount of water in the axial direction varies. It can be set to be. When a constant supply amount of water is supplied to the uppermost layer in the axial direction and the temperature of the thermal fluid flowing through the tube 40 changes with heat dissipation, the amount of water falling from that layer (supply amount−evaporation amount) is: Different in the axial direction. Correspondingly, in the lower layer, the spray mechanism 60 can supply a relatively large amount of water to a region where the amount of falling water is relatively small. Thereby, the water supply amount per unit length of the tube 40 is optimized, and as a result, the heat utilization efficiency is improved.

次に、本実施形態に応じたモデルを解析した結果について説明する。   Next, the result of analyzing the model according to the present embodiment will be described.

モデルにおいて、チューブ40(伝熱管)内を熱流体が流れ、チューブ40にシャワーされた水がチューブ40の外で蒸発する。熱流体が最初に流入するチューブ40の部分(単位長さ部分)において伝熱量を計算し、伝熱(放熱)による温度低下、及び水側の伝熱(受熱)による蒸発量を計算する。次の単位長さ部分において、温度低下した熱流体が流れるという条件で、同様の伝熱計算を行う。   In the model, a thermal fluid flows in the tube 40 (heat transfer tube), and water showered in the tube 40 evaporates outside the tube 40. The amount of heat transfer is calculated at the portion (unit length portion) of the tube 40 into which the thermal fluid first flows, and the temperature drop due to heat transfer (heat dissipation) and the amount of evaporation due to heat transfer (heat reception) on the water side are calculated. In the next unit length portion, the same heat transfer calculation is performed under the condition that the temperature-decreasing thermal fluid flows.

ここで、
NOMENCLATURE
A:伝熱面積[m2
Cp:定圧比熱[J/kg・K]
d:伝熱管直径[m]
F:汚れ係数[m2K/W]
G:質量流量[kg/s]
h:エンタルピ[J/kg]
N u:ヌッセルト数N u = αi・di /λ[−]
KAo:熱貫流率[W/K]
L:伝熱管長さ[m]
P:圧力[Pa]
Pr:プラントル数Pr:=νρCp/λ[−]
Re:レイノルズ数Re = u・di /ν[−]
T:温度[℃]
u:管内平均流速[m/s]
W:伝熱量[W]
Xo:伝熱管外面の濡れている面積の割合[−]
α:熱伝達率[W/m2・K]
Γ:伝熱管単位長さ当たりの散布水片側流量(液膜流量)[kg/m・s]
λ:熱伝導率[W/m・K]
ξ:管内摩擦係数[−]
ρ:密度[kg/m3
ν:動粘性係数[m2/s]
Subscript
evap:蒸発
f:フロン
i:管内
n:伝熱管における単位長さ部分の順番
o:管外
s:水蒸気
w:水
here,
NOMENCLATURE
A: Heat transfer area [m 2 ]
C p : Specific pressure specific heat [J / kg · K]
d: Heat transfer tube diameter [m]
F: Dirt factor [m 2 K / W]
G: Mass flow rate [kg / s]
h: Enthalpy [J / kg]
N u : Nusselt number N u = α i · d i / λ [−]
KA o : Thermal conductivity [W / K]
L: Heat transfer tube length [m]
P: Pressure [Pa]
P r : Prandtl number P r : = νρC p / λ [−]
R e : Reynolds number R e = u · d i / ν [−]
T: Temperature [° C]
u: Average pipe flow velocity [m / s]
W: Heat transfer [W]
X o : Ratio of the wetted area on the outer surface of the heat transfer tube [−]
α: Heat transfer coefficient [W / m 2 · K]
Γ: Flow rate on one side of sprayed water per unit length (liquid film flow rate) [kg / m · s]
λ: Thermal conductivity [W / m · K]
ξ: In-pipe friction coefficient [-]
ρ: Density [kg / m 3 ]
ν: Kinematic viscosity coefficient [m 2 / s]
Subscript
evap: evaporation
f: Freon
i: In the pipe
n: Order of unit length in heat transfer tube
o: Outside the tube
s: water vapor
w: water

熱交換量Wは式(1)から計算することができる。   The heat exchange amount W can be calculated from the equation (1).

W = K Ao X o( Tf − Tw )・・・・・・(1) W = KA o X o (T f − T w ) (1)

熱貫流率KAoは式(2)から計算することができる。 The heat transmissibility KA o can be calculated from equation (2).

KAo = 1 /(1/αoAo + 1/αiAi + ln(do/d i)/(2πλL)+ F/Ai)・・・・・・(2)
ここで、伝熱面積A0 =πdoL、Ai =πdiL
KA o = 1 / (1 / α o A o + 1 / α i A i + ln (d o / d i ) / (2πλL) + F / A i ) (2)
Here, heat transfer area A 0 = πd o L, A i = πd i L

次に、管外蒸発熱伝達率αoは式(3)の実験式から計算することができる。 Next, the extra-tube evaporation heat transfer coefficient α o can be calculated from the empirical formula (3).

αo = −1.18921・107Γ2 + 1.51564・105Γ + 8394 ・・・・・・(3)
(適用範囲:Γ≧0.005 kg/m・s)
α o = −1.18921 ・ 10 7 Γ 2 + 1.51564 ・ 10 5 Γ + 8394 ・ ・ ・ ・ ・ ・ (3)
(Applicable range: Γ ≧ 0.005 kg / m · s)

一方、式(4)からヌッセルト数N uを計算することができる。 On the other hand, it is possible to calculate the Nusselt number N u from equation (4).

N u = 0.57 Re 0.8 Pr 0.4 ・・・・・・(4) N u = 0.57 R e 0.8 P r 0.4 ······ (4)

管内蒸発熱伝達率αiはヌッセルト数の定義式である式(5)から計算することができる。 The in-tube evaporation heat transfer coefficient α i can be calculated from Equation (5), which is the Nusselt number definition equation.

N u = αi・di /λ ・・・・・・(5) N u = α i · d i / λ (5)

次に管内摩擦係数ξは式(6)のブラジウスの式から計算することができる。   Next, the in-pipe friction coefficient ξ can be calculated from the Blasius equation of equation (6).

ξ = 0.092・4・ Re −0.25 ・・・・・・(6) ξ = 0.092 ・ 4 ・ R e −0.25・ ・ ・ ・ ・ ・ (6)

そして、単位長さ当たりの管内圧力損失ΔPは式(7)のように計算することができる。   The in-pipe pressure loss ΔP per unit length can be calculated as shown in Equation (7).

ΔP = ξ/2・ρ・u2・ΔL/d i ・・・・・・(7) ΔP = ξ / 2 ・ ρ ・ u 2・ ΔL / d i (7)

ここで、伝熱管におけるある単位長さ部分における圧力をPnとすると、次の単位長さ部分における圧力Pn+1は式(8)ように計算することができる。 Here, when the pressure in a certain unit length portion in the heat transfer tube is P n , the pressure P n + 1 in the next unit length portion can be calculated as in Expression (8).

Pn+1 = Pn−ΔP ・・・・・・(8) P n + 1 = P n −ΔP (8)

また、伝熱管におけるある単位長さ部分におけるエンタルピhnは式(9)ように物性計算式から計算することができる。 Further, the enthalpy h n in a certain unit length portion of the heat transfer tube can be calculated from the physical property calculation formula as shown in the formula (9).

hn = h(Pn, Tn)・・・・・・(9) h n = h (P n , T n ) (9)

そして、次の単位長さ部分におけるエンタルピhn+1は式(10)ように計算することができる。 Then, the enthalpy h n + 1 in the next unit length portion can be calculated as in equation (10).

hn+1 = hn − ΔW・(ΔL/u)/(π・d i 2/4・ρ) ・・・・・・(10) h n + 1 = h n - ΔW · (ΔL / u) / (π · d i 2/4 · ρ) ······ (10)

そして、次の単位長さ部分における温度Tn+1は式(11)ように物性計算式から計算することができる。 Then, the temperature T n + 1 in the next unit length portion can be calculated from the physical property calculation formula as shown in Formula (11).

Tn+1 = T(Pn+1, hn+1)・・・・・・(11) T n + 1 = T (P n + 1 , h n + 1 ) (11)

次に管外において蒸発量ΔGevapは式(12)ように計算することができる。 Next, the evaporation amount ΔG evap outside the tube can be calculated as in equation (12).

ΔGevap = ΔW・(ΔL/u)/( hs −hw )・・・・・・(12) ΔG evap = ΔW · (ΔL / u) / (h s −h w ) (12)

所定の条件に基づく解析結果を図6、図7、図8、及び図9に示す。図6は、チューブの軸方向に沿ったチューブ内の熱流体の平均流速を示す。図7は、チューブの軸方向に沿ったチューブ内の圧力を示す。図8は、チューブの軸方向に沿ったチューブ内の温度を示す。図9は、チューブの軸方向に沿ったチューブ外の蒸発量(累積値)を示す。解析結果から、比較的低温度レベルの熱源において、本実施形態に応じたモデルが、蒸気生成に適していることが確認された。   The analysis results based on the predetermined conditions are shown in FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, and FIG. FIG. 6 shows the average flow rate of the hot fluid in the tube along the axial direction of the tube. FIG. 7 shows the pressure in the tube along the axial direction of the tube. FIG. 8 shows the temperature in the tube along the axial direction of the tube. FIG. 9 shows the amount of evaporation (cumulative value) outside the tube along the axial direction of the tube. From the analysis results, it was confirmed that the model according to the present embodiment is suitable for steam generation in a heat source at a relatively low temperature level.

図10は1段目(最上段)のチューブに軸方向に一定量の水供給をした場合における各段の水供給量(=上段への供給量−上段での蒸発量)を示す。この場合、下段に行くほど、また、管の上流であるほど、水供給量が低下することがわかった。水供給量が少なすぎるとドライアウトしてしまうため、中間段での追加供給が供給量の適正化に有効であることが確認された。   FIG. 10 shows the amount of water supplied at each stage (= the amount supplied to the upper stage−the amount of evaporation at the upper stage) when a fixed amount of water is supplied in the axial direction to the first stage (topmost) tube. In this case, it has been found that the water supply amount decreases as the level goes down and the upstream side of the pipe. It was confirmed that the additional supply at the intermediate stage is effective for optimizing the supply amount because the water supply amount is too small to dry out.

図11は、上記の蒸発器10が好ましく適用される蒸気生成システムの一例を示す概略図である。   FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of a steam generation system to which the evaporator 10 is preferably applied.

図11において、蒸気生成システムS1は、作動流体(作動媒体、第1流体)が流れるヒートポンプ110と、被加熱流体(被加熱媒体、第2流体)の供給ユニット120と、制御装置70とを備える。本実施形態において、被加熱流体は水である。制御装置70は、システム全体を統括的に制御する。蒸気生成システムS1の構成は、蒸気生成システムS1の設計要求に応じて様々に変更可能である。   In FIG. 11, the steam generation system S <b> 1 includes a heat pump 110 through which a working fluid (working medium, first fluid) flows, a supply unit 120 for a heated fluid (heated medium, second fluid), and a control device 70. . In the present embodiment, the fluid to be heated is water. The control device 70 comprehensively controls the entire system. The configuration of the steam generation system S1 can be variously changed according to the design requirements of the steam generation system S1.

ヒートポンプ110は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。   The heat pump 110 is a device that pumps heat from a low-temperature object and applies heat to the high-temperature object by a cycle including evaporation, compression, condensation, and expansion processes. A heat pump generally has the advantage of relatively high energy efficiency and, as a result, relatively low emissions of carbon dioxide and the like.

本実施形態において、ヒートポンプ110は、吸熱部111、圧縮部112、放熱部(第1放熱部113A、第2放熱部113B)、及び膨張部114を有し、これらは導管を介して接続されている。   In the present embodiment, the heat pump 110 includes a heat absorption part 111, a compression part 112, a heat radiation part (first heat radiation part 113A, second heat radiation part 113B), and an expansion part 114, which are connected via a conduit. Yes.

吸熱部111では、主経路115内を流れる作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ110の吸熱部111は、大気の熱を吸収する。ヒートポンプ110の吸熱部111が外部の装置からの熱(排熱など)を吸収する構成とすることもできる。   In the heat absorption part 111, the working fluid flowing in the main path 115 absorbs heat from a heat source outside the cycle. In the present embodiment, the heat absorption unit 111 of the heat pump 110 absorbs atmospheric heat. The heat absorption part 111 of the heat pump 110 can also be configured to absorb heat (exhaust heat or the like) from an external device.

圧縮部112は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部112は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定され、1、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10以上である。圧縮部112は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部112の圧縮比(圧力比)は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定される。   The compression unit 112 compresses the working fluid using a compressor or the like. At this time, the temperature of the working fluid usually increases. The compression unit 112 has a structure for compressing the working fluid into a single stage or a plurality of stages. The number of compression stages is set according to the specifications of the steam generation system S1, and is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. Among the various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor, a compressor suitable for compressing a working fluid is applied. Power is supplied to the compressor. The compression ratio (pressure ratio) of the compression unit 112 is set according to the specifications of the steam generation system S1.

放熱部113A,113Bは、圧縮部112で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路115内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、第1放熱部113A、及び第2放熱部113Bがその順に並んでいる。放熱部の数は、蒸気生成システムS1の仕様に応じて設定され、2、3、4、5、6、7、8、9、10、あるいは11以上である。   The heat radiating sections 113A and 113B have a conduit through which the working fluid compressed by the compression section 112 flows, and gives the heat of the working fluid flowing in the main path 115 to a heat source outside the cycle. In the present embodiment, the first heat radiating portion 113A and the second heat radiating portion 113B are arranged in that order along the flow direction of the working fluid. The number of heat radiation units is set according to the specifications of the steam generation system S1, and is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, or 11 or more.

膨張部114は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部114から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部112に供給してもよい。ヒートポンプ110に使用される作動流体として、フロン系媒体、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、蒸気生成システムS1の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。   The expansion unit 114 expands the working fluid using a pressure reducing valve, a turbine, or the like. At this time, the temperature of the working fluid usually decreases. When a turbine is used, power can be taken out from the expansion section 114, and the power may be supplied to the compression section 112, for example. As the working fluid used in the heat pump 110, various known heat media such as a chlorofluorocarbon medium, ammonia, water, carbon dioxide, and air are used according to the specifications and heat balance of the steam generation system S1.

供給ユニット120は、加温部121と、蒸発ユニット122と、圧縮機130とを有する。   The supply unit 120 includes a heating unit 121, an evaporation unit 122, and a compressor 130.

加温部121は、ヒートポンプ110の第2放熱部113Bに熱的に接続されかつ供給源(不図示)からの水が流れる導管を含む。例えば、加温部121の導管が第2放熱部113Bの導管に接触あるいは隣接して配置される。加温部121と第2放熱部113Bとを含んで第1熱交換器141が構成される。第1熱交換器141は、低温の流体(供給ユニット120内の水)と高温の流体(ヒートポンプ110内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第1熱交換器141は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。本実施形態において、ヒートポンプ110の第2放熱部113Bの導管の内部に、加温部121の導管が配設されている。加温部121において、ヒートポンプ110の第2放熱部113Bからの伝達熱によって、供給ユニット120内の水が温度上昇する。なお、他の実施形態において、第1熱交換器141は、別の熱交換構造を採用することができる。例えば、第2放熱部113Bの導管を、加温部121の導管の外周面に配設することができる。   Heating unit 121 includes a conduit that is thermally connected to second heat radiating unit 113B of heat pump 110 and through which water from a supply source (not shown) flows. For example, the conduit of the heating unit 121 is disposed in contact with or adjacent to the conduit of the second heat radiating unit 113B. The 1st heat exchanger 141 is comprised including the heating part 121 and the 2nd thermal radiation part 113B. The first heat exchanger 141 may have a countercurrent heat exchange system in which a low-temperature fluid (water in the supply unit 120) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 110) flow in opposition. Alternatively, the first heat exchanger 141 may have a parallel flow type heat exchange method in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. In the present embodiment, the conduit of the heating unit 121 is disposed inside the conduit of the second heat radiating unit 113B of the heat pump 110. In the heating unit 121, the temperature of the water in the supply unit 120 rises due to the heat transferred from the second heat radiating unit 113B of the heat pump 110. In other embodiments, the first heat exchanger 141 can employ another heat exchange structure. For example, the conduit of the second heat radiating portion 113B can be disposed on the outer peripheral surface of the conduit of the warming portion 121.

蒸発ユニット122は、図1に示した蒸発器10を備える。すなわち、蒸発ユニット122は、チャンバ20と、散液機構60とを備える。蒸発ユニット122は、必要に応じて、ミストセパレータ80などの他の要素を備えることができる。   The evaporation unit 122 includes the evaporator 10 shown in FIG. That is, the evaporation unit 122 includes the chamber 20 and the spray mechanism 60. The evaporation unit 122 can include other elements such as a mist separator 80 as required.

本実施形態において、ヒートポンプ110の第1放熱部113Aの導管の一部(熱交換チューブ40)がチャンバ20内に配置される。散液機構60は、チューブ40に向けて水を散布する。   In the present embodiment, a part of the conduit (heat exchange tube 40) of the first heat radiating portion 113 </ b> A of the heat pump 110 is disposed in the chamber 20. The spray mechanism 60 sprays water toward the tube 40.

蒸発ユニット122において、熱を有する作動流体がチューブ40内を流れるとともに、散液機構60からの水がチューブ40の外表面に供給される。チューブ40を介して熱流体の熱がチューブ40の外面に付着した水に伝わる。チューブ40の外面において、加熱された水が蒸発する。すなわち、チャンバ20の内部空間において、チューブ40の外で水が蒸発する。蒸気は、例えばチャンバ20に設けられた開口22からダクト137を介して外部に排出される。   In the evaporation unit 122, the working fluid having heat flows through the tube 40, and water from the spray mechanism 60 is supplied to the outer surface of the tube 40. Through the tube 40, the heat of the thermal fluid is transferred to the water attached to the outer surface of the tube 40. On the outer surface of the tube 40, the heated water evaporates. That is, water evaporates outside the tube 40 in the internal space of the chamber 20. For example, the vapor is discharged to the outside through the duct 137 from the opening 22 provided in the chamber 20.

ここで、チャンバ20における水の飽和温度(沸騰温度)と熱源であるチューブ40(第1放熱部113A)を流れる作動流体との温度差は、比較的小さく、例えば約5℃〜15℃、約15℃〜25℃、約25℃〜35℃、約35℃〜45℃、約45℃〜55℃、約55℃〜約65℃、約65℃〜約75℃、約75℃〜約85℃、約85℃〜約95℃、又は約95℃以上である。   Here, the temperature difference between the saturation temperature (boiling temperature) of water in the chamber 20 and the working fluid flowing through the tube 40 (the first heat radiating portion 113A) as the heat source is relatively small, for example, about 5 ° C. to 15 ° C., about 15 ° C to 25 ° C, 25 ° C to 35 ° C, 35 ° C to 45 ° C, 45 ° C to 55 ° C, 55 ° C to 65 ° C, 65 ° C to 75 ° C, 75 ° C to 85 ° C , About 85 ° C. to about 95 ° C., or about 95 ° C. or higher.

前述したように、このような形態の蒸発ユニット122は、被加熱媒体(水)が管内を流れる形態に比べて、水−蒸気の界面を広くできる。これは、比較的低温度レベルの熱源を用いた蒸発プロセスに有利である。   As described above, the evaporation unit 122 having such a configuration can widen the water-steam interface as compared with a configuration in which the medium to be heated (water) flows in the pipe. This is advantageous for evaporation processes using relatively low temperature level heat sources.

このような蒸気生成システムS1において、供給源からの水が第1熱交換器141でヒートポンプ110の第2放熱部113Bからの熱によって沸点近くまで温度上昇する。その温水は散液機構60に供給される。チャンバ20において、ヒートポンプ110の第1放熱部113Aからの熱によって水が相変化して蒸発する。   In such a steam generation system S1, the temperature of the water from the supply source rises to near the boiling point by the heat from the second heat dissipating part 113B of the heat pump 110 in the first heat exchanger 141. The warm water is supplied to the spray mechanism 60. In the chamber 20, the water changes phase and evaporates due to the heat from the first heat dissipating part 113 </ b> A of the heat pump 110.

ボイラのエネルギー効率が一般に約0.7〜0.8(70〜80%)であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数(COP:coefficient of performance)は一般に2.5〜5.0である。ヒートポンプの成績係数は、被加熱媒体(水)の入出力温度差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数(COP)が低下する場合がある。本実施形態において、被加熱媒体及び作動流体の状態に応じて、ヒートポンプが個別の加熱部(放熱部)を有する点などにより、入出力温度差を抑え、ボイラに比べて高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。加温部121への水の供給温度は例えば約20℃であり、加温部121からの水の出口温度(蒸発ユニット122への水の入口温度)は例えば約90〜95℃である。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。   The energy efficiency of the boiler is generally about 0.7 to 0.8 (70 to 80%), whereas the coefficient of performance (COP) as the energy efficiency of the heat pump is generally 2.5 to 5. 0. The coefficient of performance of the heat pump changes according to the input / output temperature difference of the medium to be heated (water), and if the temperature difference is excessively large, the coefficient of performance (COP) may decrease. In this embodiment, depending on the state of the medium to be heated and the working fluid, the heat pump has a separate heating section (heat dissipating section), etc., so that the input / output temperature difference is suppressed and steam is generated with higher energy efficiency than the boiler. Can be generated. The supply temperature of water to the heating unit 121 is, for example, about 20 ° C., and the outlet temperature of water from the heating unit 121 (the inlet temperature of water to the evaporation unit 122) is, for example, about 90 to 95 ° C. The above numerical values are examples for understanding, and the present invention is not limited thereto.

なお、ヒートポンプ110の放熱部及び供給ユニット120の蒸発部の数は、作動流体の特性に応じて適宜設定される。また、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、加温部121(第2放熱部113B)を省略することも可能である。   In addition, the number of the heat radiation part of the heat pump 110 and the evaporation part of the supply unit 120 is appropriately set according to the characteristics of the working fluid. Further, the heating unit 121 (second heat radiating unit 113B) can be omitted when the supply temperature of water from the supply source is relatively high.

本実施形態において、水の顕熱加熱が主に第1熱交換器141(加温部121)で行われ、水の潜熱加熱が主に蒸発ユニット122で行われる。そのため、第2放熱部113Bを含む第1熱交換器141が顕熱交換に適した形態であり、第1放熱部113A、蒸発ユニット122などを含む熱交換ユニットが潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。蒸気生成システムS1からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。   In the present embodiment, the sensible heat of water is mainly performed in the first heat exchanger 141 (heating unit 121), and the latent heat of water is mainly performed in the evaporation unit 122. Therefore, the first heat exchanger 141 including the second heat radiating unit 113B is in a form suitable for sensible heat exchange, and the heat exchange unit including the first heat radiating unit 113A, the evaporation unit 122, and the like is in a form suitable for latent heat exchange. Thus, the apparatus configuration is optimized, and in accordance with this, steam is generated through a preferable heating process. The steam from the steam generation system S1 is supplied to a predetermined external facility such as a manufacturing plant, a cooking facility, an air conditioning facility, a power plant, and the like.

図12は、上記の蒸発器10が好ましく適用される蒸気生成システムの別の例を示す概略図である。以下の説明では、図11のシステムと同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。   FIG. 12 is a schematic view showing another example of a steam generation system to which the evaporator 10 is preferably applied. In the following description, the same components as those in the system of FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

図12に示すように、蒸気生成システムS2において、蒸発ユニット122のチャンバ20の内部空間が、ダクト123を介して圧縮機130によって吸引される。チャンバ20内で発生した蒸気は、ダクト123を介して圧縮機130に導かれる。   As shown in FIG. 12, in the steam generation system S <b> 2, the internal space of the chamber 20 of the evaporation unit 122 is sucked by the compressor 130 through the duct 123. The steam generated in the chamber 20 is guided to the compressor 130 through the duct 123.

圧縮機130は、ダクト123及びチャンバ20の開口22を介してチャンバ20の気相空間に流体的に接続されている。圧縮機130としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。圧縮機130は、チャンバ20からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。   The compressor 130 is fluidly connected to the gas phase space of the chamber 20 via the duct 123 and the opening 22 of the chamber 20. As the compressor 130, various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor are applied, and those suitable for vapor compression are used. The compressor 130 compresses the steam from the chamber 20 and flows the pressurized steam downstream.

圧縮機130による吸引作用により、チャンバ20の内部空間が減圧される。チャンバ20の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧(陰圧)となるように、不図示の制御弁(流量制御弁など)や圧縮機130が制御される。この制御は、例えば、チャンバ20の内部圧力を計測するセンサ(不図示)の計測結果に基づいて行われる。   Due to the suction action by the compressor 130, the internal space of the chamber 20 is decompressed. Control valves (such as a flow control valve) and the compressor 130 (not shown) are controlled so that the internal pressure of the chamber 20 is a negative pressure (negative pressure) that is lower than the atmospheric pressure. This control is performed based on a measurement result of a sensor (not shown) that measures the internal pressure of the chamber 20, for example.

圧縮機130及び/又は供給ユニット120には、蒸気に対して水(温水)を供給するノズル135が、必要に応じて配設される。ノズル135の配設位置は、例えば、圧縮機130の入口及び/又は出口である。圧縮機130が多段式である場合には、ノズル135を圧縮機130の段間に配設することができる。圧縮機130の多段圧縮構造は、蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機130は、多段の各圧縮部に対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮機130は、同軸の多段圧縮構造を有することができる。各圧縮部の圧縮比(圧力比)は、蒸気生成システムS2の仕様に応じて設定される。ノズル135からの液体の排出には、ポンプなどの動力源を用いてもよく、液体が流れる導管の入口と出口との圧力差を利用してもよい。   In the compressor 130 and / or the supply unit 120, a nozzle 135 that supplies water (hot water) to the steam is disposed as necessary. The arrangement position of the nozzle 135 is, for example, an inlet and / or an outlet of the compressor 130. When the compressor 130 is a multistage type, the nozzle 135 can be disposed between the stages of the compressor 130. The multistage compression structure of the compressor 130 is advantageous for increasing the temperature and pressure of steam. The compressor 130 can have a multiaxial compression structure in which the rotation speed corresponding to each of the multistage compression units is individually controlled. Alternatively, the compressor 130 can have a coaxial multistage compression structure. The compression ratio (pressure ratio) of each compression unit is set according to the specification of the steam generation system S2. For discharging the liquid from the nozzle 135, a power source such as a pump may be used, or a pressure difference between an inlet and an outlet of a conduit through which the liquid flows may be used.

本実施形態において、供給源からの水が、ヒートポンプ110(放熱部113A,113B)による加熱で比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機130による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ110で加熱された水が、圧縮機130による圧縮によってさらに加熱され、これにより、100℃以上の高温蒸気が発生する。   In the present embodiment, water from the supply source becomes steam at a relatively low pressure and low temperature when heated by the heat pump 110 (heat dissipating units 113A and 113B), and steam at a relatively high pressure and high temperature when compressed by the compressor 130. It becomes. That is, the water heated by the heat pump 110 is further heated by the compression by the compressor 130, thereby generating high-temperature steam of 100 ° C. or higher.

図13は、図12に示す蒸発ユニット122及び圧縮機130における水の状態変化の一例を示す T-s 線図である。図13に示すように、水は、沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま相変化する。このとき、大気圧(P1=1atm=約0.1MPa)に比べて低い負圧P0の状態において、飽和蒸気d0が発生する。飽和蒸気d0の温度は標準沸点よりも低い、例えば約90℃である。   FIG. 13 is a Ts diagram showing an example of a change in the state of water in the evaporation unit 122 and the compressor 130 shown in FIG. As shown in FIG. 13, after the temperature rises to near the boiling point, water undergoes a phase change while keeping the temperature constant. At this time, saturated steam d0 is generated in a state of negative pressure P0 that is lower than atmospheric pressure (P1 = 1 atm = about 0.1 MPa). The temperature of the saturated vapor d0 is lower than the normal boiling point, for example, about 90 ° C.

次に、その飽和蒸気d0は、圧縮機130(図12参照)による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気(過熱蒸気e2)になる。すなわち、その圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気e2の圧力P2は大気圧よりも高い、例えば0.8MPaである。   Next, the saturated steam d0 becomes relatively high pressure and high temperature steam (superheated steam e2) by compression by the compressor 130 (see FIG. 12). That is, the steam rises in temperature with the compression. The pressure P2 of the superheated steam e2 is higher than atmospheric pressure, for example, 0.8 MPa.

0.8MPaの過熱蒸気e2を定圧下で冷却することにより、約160℃の飽和蒸気を得ることができる(図12の破線a)。同様に、大気圧(約0.1MPa)の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約100℃の飽和蒸気d1を得ることができる。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。   A saturated steam of about 160 ° C. can be obtained by cooling the superheated steam e2 of 0.8 MPa under a constant pressure (dashed line a in FIG. 12). Similarly, saturated steam d1 at about 100 ° C. can be obtained by cooling superheated steam at atmospheric pressure (about 0.1 MPa) under constant pressure. The above numerical values are examples for understanding, and the present invention is not limited thereto.

過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機130の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。   By directly mixing liquid water or hot water into the cooling from superheated steam to saturated steam, the volume of steam is increased. In this case, for example, water or hot water is supplied to the steam at the outlet of the compressor 130.

水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気d0から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気d2への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機130の入口で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機130の入口での飽和蒸気d0が、圧縮機130の出口で飽和蒸気d2に変化する(図12の破線c1(スプレー)及びc2(圧縮))。または、圧縮機130の中間で圧縮機130の段落ごとに適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機130の入口での飽和蒸気d0が、圧縮機130の出口で飽和蒸気d2に変化する(図12の破線b)。すなわち、圧縮機130による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、効率良く圧縮機130から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。   By optimizing the supply amount and timing of water or hot water, the change from the relatively low pressure and low temperature saturated steam d0 to the relatively high pressure and high temperature saturated steam d2 can be made more direct. For example, when an appropriate amount of water or hot water is supplied to the steam at the inlet of the compressor 130, the saturated steam d0 at the inlet of the compressor 130 changes to saturated steam d2 at the outlet of the compressor 130 (FIG. 12). Broken lines c1 (spray) and c2 (compression)). Alternatively, when an appropriate amount of water or hot water is supplied to the steam for each stage of the compressor 130 in the middle of the compressor 130, the saturated steam d0 at the inlet of the compressor 130 becomes saturated steam d2 at the outlet of the compressor 130. (Broken line b in FIG. 12). That is, by optimizing the combination of compression by the compressor 130 and cooling by water or hot water, steam close to saturation can be efficiently discharged from the compressor 130.

このように、蒸気生成システムS2では、ヒートポンプ110及び圧縮機130による順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。つまり、蒸気生成システムS2は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。蒸気生成システムS2からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。   Thus, in the steam generation system S2, both saturated steam and superheated steam can be easily generated by sequential heating by the heat pump 110 and the compressor 130. That is, the steam generation system S2 is highly flexible with respect to the steam specifications. The steam from the steam generation system S2 is supplied to a predetermined external facility such as a manufacturing plant, a cooking facility, an air conditioning facility, or a power plant.

また、蒸気生成システムS2において、蒸気発生のための加熱過程の一部を圧縮機130が補うから、高いCOPでヒートポンプ110が使用される。したがって、蒸気生成システムS2は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。   In the steam generation system S2, the compressor 130 supplements a part of the heating process for generating steam, so the heat pump 110 is used at a high COP. Therefore, the steam generation system S2 is expected to reduce the primary energy as a whole.

蒸気生成システムS2において、ヒートポンプ110はさらに、バイパス経路117と、再生器118とを有する。バイパス経路117の入口端がヒートポンプ110の主経路115における第1放熱部113Aと第2放熱部113Bとの間の導管に流体的に接続される。バイパス経路117の出口端が主経路115における第2放熱部113Bと膨張部114との間の導管に流体的に接続される。バイパス経路117の入口に、作動流体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路117において、第1放熱部113Aからの作動流体の一部が、第2放熱部113Bを迂回し、膨張部114の手前で第2放熱部113Bからの作動流体と合流する。第1放熱部113Aからの残りの作動流体は、第2放熱部113Bを流れ、第2放熱部113Bからの熱が供給ユニット120内の水に伝わる。   In the steam generation system S2, the heat pump 110 further includes a bypass path 117 and a regenerator 118. The inlet end of the bypass path 117 is fluidly connected to a conduit between the first heat radiating part 113A and the second heat radiating part 113B in the main path 115 of the heat pump 110. An outlet end of the bypass path 117 is fluidly connected to a conduit between the second heat radiating portion 113 </ b> B and the expansion portion 114 in the main path 115. A flow rate control valve that controls the bypass flow rate of the working fluid can be provided at the inlet of the bypass path 117. In the bypass path 117, a part of the working fluid from the first heat radiating portion 113A bypasses the second heat radiating portion 113B and merges with the working fluid from the second heat radiating portion 113B before the expansion portion 114. The remaining working fluid from the first heat radiating portion 113A flows through the second heat radiating portion 113B, and the heat from the second heat radiating portion 113B is transmitted to the water in the supply unit 120.

再生器118は、バイパス経路117の導管の一部と、ヒートポンプ110の主経路115の導管(吸熱部111と圧縮部112との間の導管)の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。ヒートポンプ110において、吸熱部111からの作動流体に比べて、第1放熱部113Aからの作動流体は高温である。再生器118において、バイパス経路117を流れる第1放熱部113Aからの作動流体と、ヒートポンプ110の主経路115を流れる吸熱部111からの作動流体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路117内の作動流体の温度が降下し、主経路115内の作動流体の温度が上昇する。再生器118は、低温の流体(主経路115内の作動流体)と高温の流体(バイパス経路117内の作動流体)とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、再生器118は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。   The regenerator 118 has a configuration in which a part of the conduit of the bypass path 117 and a part of the conduit of the main path 115 of the heat pump 110 (the conduit between the heat absorption unit 111 and the compression unit 112) are thermally connected. Have. For example, both conduits are placed in contact with or adjacent to each other. In the heat pump 110, the working fluid from the first heat radiating unit 113 </ b> A is hotter than the working fluid from the heat absorbing unit 111. In the regenerator 118, the working fluid from the first heat radiating part 113 </ b> A flowing through the bypass path 117 and the working fluid from the heat absorbing part 111 flowing through the main path 115 of the heat pump 110 exchange heat. By this heat exchange, the temperature of the working fluid in the bypass path 117 is lowered, and the temperature of the working fluid in the main path 115 is raised. The regenerator 118 may have a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid (working fluid in the main path 115) and a high-temperature fluid (working fluid in the bypass path 117) flow in opposition. Alternatively, the regenerator 118 may have a parallel flow type heat exchange structure in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel.

本実施形態において、バイパス経路117を介して作動流体の一部が第1熱交換器141を迂回することにより、第1熱交換器141への作動流体の流入量が制御される。バイパス経路117を流れる作動流体は、再生器118において、ヒートポンプ110の主経路115を流れる吸熱部111からの作動流体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路117内の作動流体の温度が降下し(例えば約20℃)、ヒートポンプ110の主経路115内の作動流体の温度が上昇する(例えば約95℃)。圧縮部112に対する作動流体の入力温度の上昇により、圧縮部112の動力の低減が図られる。なお、作動流体のバイパス量は、被加熱流体及び作動流体の各物性値(比熱など)に応じて定められる。   In the present embodiment, a part of the working fluid bypasses the first heat exchanger 141 via the bypass path 117, whereby the amount of working fluid flowing into the first heat exchanger 141 is controlled. The working fluid flowing through the bypass path 117 exchanges heat with the working fluid from the heat absorption unit 111 flowing through the main path 115 of the heat pump 110 in the regenerator 118. By this heat exchange, the temperature of the working fluid in the bypass passage 117 is lowered (for example, about 20 ° C.), and the temperature of the working fluid in the main passage 115 of the heat pump 110 is raised (for example, about 95 ° C.). Due to the increase in the input temperature of the working fluid to the compression unit 112, the power of the compression unit 112 is reduced. Note that the bypass amount of the working fluid is determined according to each physical property value (specific heat, etc.) of the fluid to be heated and the working fluid.

また、本実施形態において、再生器118で温度降下したバイパス経路117内の作動流体(例えば約20℃)は、膨張部114の手前で、ヒートポンプ110の主経路115を流れる第1熱交換器141(第2放熱部113B)からの作動流体と合流する。前述したように、第1熱交換器141からの作動流体の出力温度は比較的低く設定される(例えば約30℃)。膨張部114に対する作動流体の入力温度の降下により、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、その結果、吸熱部111においてサイクル外の熱源(冷熱供給装置90の放熱管191を流れる媒体)から有効に熱が吸収される。   In the present embodiment, the working fluid (for example, about 20 ° C.) in the bypass path 117 whose temperature has dropped in the regenerator 118 is in front of the expansion unit 114 and flows through the main path 115 of the heat pump 110. It merges with the working fluid from (second heat radiating portion 113B). As described above, the output temperature of the working fluid from the first heat exchanger 141 is set to be relatively low (for example, about 30 ° C.). The liquid-gas ratio of the working fluid is optimized by lowering the input temperature of the working fluid to the expansion unit 114. As a result, the heat source outside the cycle in the heat absorption unit 111 (medium flowing through the heat radiating pipe 191 of the cold heat supply device 90). Effectively absorbs heat.

このように、蒸気生成システムS2において、水の蒸発に用いた後の作動流体が水の加温と作動流体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。   As described above, in the steam generation system S2, the working fluid after being used for water evaporation is used for warming water and regenerating the working fluid, so that the heat can be effectively used.

なお、ヒートポンプ110の放熱部及び供給ユニット120の蒸発部の数は、作動流体の特性に応じて適宜設定される。また、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、加温部121(第2放熱部113B)を省略することも可能である。   In addition, the number of the heat radiation part of the heat pump 110 and the evaporation part of the supply unit 120 is appropriately set according to the characteristics of the working fluid. Further, the heating unit 121 (second heat radiating unit 113B) can be omitted when the supply temperature of water from the supply source is relatively high.

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。   The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this.

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments. The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this. Additions, omissions, substitutions, and other modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited by the above description, but only by the appended claims.

蒸発器を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an evaporator. チューブの構成例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a tube typically. チューブの構成例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a tube typically. チューブの構成例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a tube typically. チューブの構成例を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a tube typically. ノズルの配置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of arrangement | positioning of a nozzle. ノズルの配置の別の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of arrangement | positioning of a nozzle. 散液機構の別の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of a spray mechanism. 解析結果を示す図である。It is a figure which shows an analysis result. 解析結果を示す図である。It is a figure which shows an analysis result. 解析結果を示す図である。It is a figure which shows an analysis result. 解析結果を示す図である。It is a figure which shows an analysis result. 解析結果を示す図である。It is a figure which shows an analysis result. 蒸気生成システムの一例を示す概略図である。It is a schematic diagram showing an example of a steam generation system. 蒸気生成システムの別の例を示す概略図である。It is the schematic which shows another example of a steam production | generation system. 水の状態変化の一例を示す T-s 線図である。It is a Ts diagram which shows an example of the state change of water.

符号の説明Explanation of symbols

10…蒸発器、20…チャンバ、22…開口、40…チューブ、42,44…ヘッダパイプ、60…散液機構、62…ポンプ、64…ノズル、66…配管、66A…上部配管(上部ユニット)、66B,66C,66D…中間配管(中間ユニット)、68…供給配管、70…制御装置、110…ヒートポンプ、111…吸熱部、112…圧縮部、113A,113B…放熱部、114…膨張部、115…主経路、117…バイパス経路、118…再生器、120…供給ユニット、121…加温部、122…蒸発部、130…圧縮機、141,142…熱交換器、170…制御装置、S1,S2…蒸気生成システム。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Evaporator, 20 ... Chamber, 22 ... Opening, 40 ... Tube, 42, 44 ... Header pipe, 60 ... Spraying mechanism, 62 ... Pump, 64 ... Nozzle, 66 ... Piping, 66A ... Upper piping (upper unit) , 66B, 66C, 66D ... intermediate piping (intermediate unit), 68 ... supply piping, 70 ... control device, 110 ... heat pump, 111 ... heat absorption section, 112 ... compression section, 113A, 113B ... heat radiation section, 114 ... expansion section, DESCRIPTION OF SYMBOLS 115 ... Main path | route, 117 ... Bypass path, 118 ... Regenerator, 120 ... Supply unit, 121 ... Heating part, 122 ... Evaporating part, 130 ... Compressor, 141, 142 ... Heat exchanger, 170 ... Control apparatus, S1 , S2 ... Steam generation system.

Claims (11)

チャンバと、
前記チャンバ内に配置され、熱を有する第1流体が流れるとともに水平面内において屈曲した形状を有する管と、
前記管の外面に第2流体を供給する散液機構であり、前記管の少なくとも一部の領域において前記管の軸方向における前記第2流体の供給量を異ならせる前記散液機構と、を備え
前記管は、重力方向に沿って並ぶ複数の層を有し、
前記複数の層における前記管の蒸発量に応じて、各層に属する前記管に対して前記軸方向における前記第2流体の供給量が設定され、
前記散液機構は、少なくとも前記管の軸方向における複数の位置での前記第2流体の供給量を変化させることができる制御装置を有することを特徴とする蒸発器。
A chamber;
A tube disposed in the chamber and having a shape in which a first fluid having heat flows and bent in a horizontal plane ;
A spraying mechanism for supplying a second fluid to an outer surface of the tube, and the spraying mechanism for varying a supply amount of the second fluid in an axial direction of the tube in at least a partial region of the tube. ,
The tube has a plurality of layers arranged along the direction of gravity,
The supply amount of the second fluid in the axial direction is set to the tubes belonging to each layer according to the evaporation amount of the tubes in the plurality of layers,
The dispersion liquid mechanism, an evaporator, characterized in Rukoto to have a control device which can change a supply amount of the second fluid at a plurality of positions in the axial direction of at least the tube.
前記制御装置は、前記第2流体の供給量前記第1流体の温度変化に応じて制御することを特徴とする請求項1に記載の蒸発器。 Wherein the control device, an evaporator according to claim 1, characterized in that is controlled in accordance with the supply amount of the second fluid to a temperature change of the first fluid. 前記散液機構は、
前記第2流体が流れる部材と、
前記部材に設けられる複数の出口であり、前記管の軸方向における配列ピッチが変化する前記複数の出口と、
を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の蒸発器。
The spray mechanism is
A member through which the second fluid flows;
A plurality of outlets provided in the member, and the plurality of outlets in which an arrangement pitch in the axial direction of the pipe is changed;
The evaporator according to claim 1 or 2 , characterized by comprising:
前記散液機構は、複数種類のノズルを有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の蒸発器。 The dispersion liquid mechanism, an evaporator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a double several nozzles. 前記複数種類のノズルは、大きさが互いに異なる複数の供給孔を含むことを特徴とする請求項に記載の蒸発器。 The evaporator according to claim 4 , wherein the plurality of types of nozzles include a plurality of supply holes having different sizes. 前記散液機構は、最も高い位置の層に属する前記管に前記第2流体を供給する上部ユニットと、別の層に属する前記管に前記第2流体を供給する中間ユニットとを有することを特徴とする請求項から請求項のいずれかに記載の蒸発器。 The spray mechanism includes an upper unit for supplying the second fluid to the pipe belonging to the highest layer and an intermediate unit for supplying the second fluid to the pipe belonging to another layer. evaporator according to any of claims 1 to 5 to. 前記制御装置は、高い位置の層に属する前記管の外面からの前記第2流体の蒸発量に応じて、低い位置の層に属する前記管に対する前記中間ユニットからの前記第2流体の供給量を制御することを特徴とする請求項6に記載の蒸発器。 Wherein the control device, in accordance with the amount of evaporation of the second fluid from the outer surface of the tube which belongs to a layer of high position, the supply amount of the second fluid from the intermediate unit to said belonging to a layer of low position tube an evaporator according to claim 6, characterized in that the control. 低い位置の層に属する前記管に対する前記軸方向における前記第2流体の供給量の変化は、高い位置の層に属する前記管に対するそれと異なることを特徴とする請求項から請求項のいずれかに記載の蒸発器。 Change in the supply amount of the second fluid in the axial direction with respect to the tube which belongs to a layer of low position, any one of claims 1 to 7, characterized in that the different with respect to the belonging to a layer of high position tube The evaporator as described in. 比較的高い位置の層に属する前記管において前記軸方向における前記第2流体の供給量が実質的に一定であり、比較的低い位置の層に属する前記管の少なくとも一部の領域において前記軸方向における前記第2流体の供給量が異なることを特徴とする請求項から請求項のいずれかに記載の蒸発器。 The supply amount of the second fluid in the axial direction is substantially constant in the tube belonging to the layer at a relatively high position, and the axial direction is at least in a region of the tube belonging to the layer at a relatively low position. evaporator according to any of claims 1 to 8 in which the supply amount of the second fluid are different from each other in. 前記管は、水平方向に並びかつ前記第2流体がそれぞれ流れる複数の水平群を有することを特徴とする請求項から請求項のいずれかに記載の蒸発器。 The tube evaporator according to any of claims 1 to 9, characterized in that it comprises a plurality of horizontal groups flowing arrangement and the second fluid respectively in the horizontal direction. 前記第1流体の温度と前記チャンバ内における前記第2流体の飽和温度との間の差は、約5℃以上約95℃以下であることを特徴とする請求項から請求項10のいずれかに記載の蒸発器。 The difference between the saturation temperature of the second fluid at a first temperature and said chamber of fluid claim 1, characterized in that less than about 5 ° C. greater than about 95 ° C. to claim 10 The evaporator as described in.
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