JP5990564B2 - 作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための請求項１の冒頭部分に記載の方法、ならびにそのような方法を実施するための請求項５の冒頭部分に記載の装置に関する。

この種の装置は、例えば、空調技術において使用されており、特に熱吸着ヒートポンプまたは冷却プラントにおいて使用されている。この形式のプラントにおいては、冷媒の形態の作動媒体が、周期的に吸着および脱着される。そのようにされるとき、冷媒は、気相から液体の物理的状態へと変換され、あるいは液体の状態から気相へと再び変換される。この場合に放出される凝縮熱は、外部へと放散され、外部から装置へと供給される必要がある。

凝縮および蒸発は、熱的な挙動に関して類似しているが、良好な熱伝達の達成に異なる前提条件を必要とすることが事実である。それらは、作動媒体の膜を介した熱の伝達により実質的に決定される。膜が厚いほど、克服しなければならない熱伝達の抵抗は、大きくなる。

したがって、従来技術から公知の凝縮器および凝縮プロセスにおいては、形成される膜が、適切な手段（特に、表面のコーティングまたは表面の構造）によって熱伝達表面から取り除かれる。しかしながら、蒸発の際には、熱伝達表面に可能な限り薄い膜を生成することが試みられる。したがって、そのような装置は、例えば作動媒体を可能な限り細かく分散させる流下膜型蒸発器（falling film evaporator）または回転蒸発器（rotary evaporator）として実現される。

一方では凝縮プロセスにおいて膜が除去され、他方では蒸発の際に作動媒体の薄い膜厚を形成する必要があることにより、両方のプロセスを単一の装置で実行することが妨げられ、あるいは装置において２つのプロセスのうちの一方が優先され、他方が限られた効率でしか実行されない。凝縮および蒸発の両方を実行する組み合わせの装置が、コンパクトかつ費用効率に優れた熱技術の機器（特に、ヒートポンプまたは冷却器）を実現可能にするがゆえに、特に加熱および冷却などの技術において主として実施される吸着プロセスにおいて、依然として大いなる関心の対象である。

したがって、同時に蒸発および凝縮の表面として提供される熱伝達表面において作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための方法であって、凝縮プロセスおよび蒸発プロセスの両方が同じ効率で実行される方法を提案することが課題である。さらに、作動媒体を交互に蒸発および凝縮させるためのコンパクトかつ効率的に作動する装置を生み出すという課題が存在する。装置は、特に作動媒体をまさに同じ装置で蒸発および凝縮させる循環プロセスにおいて使用でき、両方のプロセス段階において可能な限り高い有効性を確保するように意図される。

この課題は、作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための請求項１の特徴部分に記載の特徴を有する方法によって解決される。従属請求項は、本発明による方法の意図的な構成および／または好都合な構成を含んでいる。装置の態様に関しては、上記課題の解決策は、請求項５の特徴部分に記載の特徴を有する装置によってもたらされる。やはり従属請求項は、装置の意図的な実施形態および／または好都合な実施形態を含んでいる。

同時に蒸発および凝縮の表面として提供される熱伝達表面上において作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための方法は、各々の凝縮プロセスおよび各々の蒸発プロセスからのそれぞれの動作サイクルにおいて、凝縮プロセスの際に形成される作動媒体の凝縮物の膜が、熱伝達表面上に取り外せないように（恒久的に）残り、その後に蒸発プロセスの際に熱伝達プロセスから蒸発させられることを特徴とする。

したがって、本発明の方法の基本的な考え方は、凝縮プロセスの際に形成される作動媒体の凝縮物の膜を熱伝達表面に残して一時的に貯蔵することである。蒸発の際に、この凝縮物の膜が、気相へと再び変換される。これにより、２つの効果が達成される。一方では、凝縮の際の熱伝達は、凝縮物の膜の全体が形成されるまでに限って実行される。この時点で、作動媒体が完全に凝縮し、凝縮が終わりに達する。これにより、作動媒体から熱伝達表面への熱伝達は、凝縮の最中には膜がまだ完全に形成されてはいないため、わずかしか影響されない。他方で、作動媒体を凝縮物の膜の形態で貯蔵することで、蒸発プロセスにとって好都合な液体の作動媒体の微細かつ一様な分散が半自動的に生じ、それを追加の器具または方法の工程によって生成する必要がない。したがって、凝縮プロセスおよび蒸発プロセスの両方は、まさに同じ熱伝達表面において同じ有効性にて実行され、いかなる中間の工程も必要とせずに生じることができる。

適切には、作動媒体の量と熱伝達表面のサイズとの間の比は、凝縮物の膜の厚さが凝縮物の膜の滴下が始まる臨界膜厚を常に下回るように、少なくとも調節される。そのような状況においては、作動媒体の全体は、熱伝達表面上に凝縮し、その場に貯蔵される。したがって、貯蔵の工程および後の分配の工程が、もはや不要である。同様に、凝縮物の収集手段も省略される。熱伝達表面そのものが、貯蔵の場所として機能する。

この方法のさらなる実施形態においては、作動媒体の量と熱伝達表面のサイズとの間の比は、熱伝達表面の基本的に均質な被覆が凝縮物の膜の最小限の厚さで達成されるように、調節される。そのような実施例は、可能な限り高い蒸発プロセスの効率と、凝縮物のための貯蔵場所としての熱伝達表面の最大限の利用とを、同時に保証する。

この方法の好都合な構成においては、凝縮物の膜による熱伝達表面の被覆は、熱伝達表面の吸湿性／拡散性および／または表面拡大の構成によって達成される。これにより、凝縮物の膜が一様に広がり、熱伝達表面の表面拡大により、その貯蔵容量が大きくなる。

同時に蒸発および凝縮の表面として提供される熱伝達表面上において作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための装置は、本発明によれば、熱伝達表面が、凝縮プロセスの際に熱伝達表面に残り、蒸発プロセスの際に蒸発し、熱伝達表面を覆って滴下することがない作動媒体の、凝縮物の膜のための貯蔵場所の形態であることを特徴とする。

適切には、熱伝達表面のサイズと凝縮物の膜へと変換される作動媒体の量との間の比は、凝縮物の膜の厚さが熱伝達表面の基本的に均質な被覆において最小限であるように、構成される。これは、特に蒸発プロセスの効率を向上させる。

適切な実施形態においては、熱伝達表面は、作動媒体を引き付ける、および／または作動媒体を拡散させる吸湿性の表面コーティングの形態における表面の改質を呈する。これにより、均質かつ一様な凝縮物の膜が達成される。

適切な実施形態においては、熱伝達表面は、表面拡大の構成を呈する。これにより、熱伝達表面の貯蔵容量が大きくなる。表面拡大の構成は、多孔質および／または繊維質構造のような適切な実施形態で実現される。

本発明の装置および本発明の方法を、以下で典型的な実施形態に基づいてさらに詳しく説明する。図１〜図３は、説明の目的を果たす。同一の部分または同一の作用の部分については、同じ参照符号が使用されている。

本発明の装置の基本的な構成を示している。 多孔性の被覆材料を備える熱伝達媒体のための典型的な管を示している。 蒸発および凝縮プロセスの図を示しており、安定した膜が示されている。 時間の関数として動作サイクルにおいて凝縮した作動媒体の膜厚の典型的な時間曲線を示している。

図１は、本発明の装置の主要な構成を示している。装置は、ここでは概略的に示されており、作動媒体の流れが通過する空間を囲んでいる容器の壁１を備えている。容器の壁の内側に、蛇行のような様相で配管された管２ａに配置されたマルチセグメント熱伝達表面２が位置している。作動媒体の凝縮熱を放散し、あるいは必要な蒸発熱を作動媒体へと供給する熱伝達媒体が、管２ａを通って流れる。

熱伝達表面は、ここでは、単独の薄板のユニットとして形成されている。薄板は、作動媒体を可能な限り効果的に適用できるように向けられている。薄板は、可能な限り広い表面積を形成している。

熱伝達表面、すなわちここで使用されている薄板の各々は、表面の改質３を呈している。この例では、表面の改質は、異なるやり方で形成されている。しかしながら、装置について実現される実施形態の特定の形態において、表面の改質についてただ１つの個別の好ましい一様な構成だけが存在してもよいことは、明らかである。

ここで示される例における表面の改質は、熱伝達表面２（すなわち、個別の薄板）へと適用される拡散性の親水性表面コーティング４ならびに一連の多孔質充填材料または多孔質被覆５で構成される。この場合、親水性コーティングまたは多孔質被覆を、単独または組み合わせにて設けることができる。充填材料または多孔質被覆を、表面コーティング４の材料で含浸または少なくとも表面的にコーティングすることができる。多孔質被覆は、良好な熱伝導率を呈する。例えば、金属スポンジまたは発泡体の形態で実現することができる。ゼオライト材料の使用も可能であり、きわめて多くの場合に好都合であることが分かっている。スポンジまたは発泡体の代わりに、繊維質マット、特にスチールウールまたは同様の材料を、使用することも可能である。管の束、格子、粒、しわのある箔、および当業者にとって公知のさらなる同様の手段を、表面の拡大のために使用することも可能である。

管２ａが横切っており、やはり親水性のコーティングによって含浸され、あるいは親水性のコーティングが少なくとも表面的に設けられている単独の多孔質ブロックを使用することも、可能である。

親水性の表面コーティング４は、付着（すなわち、表面に凝縮）する作動媒体の液滴が熱伝達表面全体を覆うコヒーレントな膜へと広がり凝縮プロセスの完了後も表面に残るように、形成される。特に、この目的のために、一方では耐熱性であり、付着した凝縮物の液滴について可能な限り小さい接触角（理想的な場合には、無視しうる接触角）を保証する親水性材料が使用される。

多孔質充填材料が、装置の内表面の増大を保証する。親水性の充填剤と併せて、これらの材料は、スポンジのように振る舞い、凝縮および蒸発する作動媒体の全量について凝縮物リザーバとして機能する。

さらに、熱伝達表面の形状は、液体の膜の破れおよび滴下につながりかねない尖った角および縁を避けるように構成される。

図１ａは、典型的な管２ａを示しており、管の壁そのものは、多孔質被覆として形成されている。しかしながら、管の壁は、内側と外側との間で質量交換が生じず、もっぱら熱伝達が生じるよう、管の内側の空間に向かうにつれて締まっている。そのような管を、薄肉の初期の管への粒子の焼結または任意の他のコーティング方法によって製造することができる。当然ながら、親水性のコーティングを追加で設けることも可能である。

装置への作動媒体の導入が、図１の図において、ブロック矢印ならびに側面の入り口および出口５ａによって示されている。凝縮の際には、気体の作動媒体が装置に進入し、熱伝達表面に凝結する。この場合に、作動媒体が、熱伝達表面へと凝縮熱を放出する。凝縮プロセスの完了後に、作動媒体の全体が、可能な限り均質な薄い凝縮物の膜として熱伝達表面に付着する。その厚さは、凝縮物の膜が滴下せず、付着力によって熱伝達表面に付着したままであるよう、具体的に実行されるプロセスの型とは無関係に、作動媒体の量および熱伝達表面のサイズによって、調節される。しかしながら、同時に、凝縮物の膜は、可能な限り効率的な蒸発時の熱の入力を実行するために充分に薄い。このように、熱伝達表面は、凝縮した作動媒体の貯蔵場所を形成する。これは、作動媒体がさらなるリザーバへと移されることがなく、まさにそれぞれの凝縮および蒸発が実際に生じる場所に貯蔵されることを意味する。

凝縮および蒸発プロセスの流れが、図２にさらに詳しく示されている。図３は、熱伝達表面に付着した作動媒体の液体膜の厚さの関連の時間曲線を示している。

蒸発プロセスが、図２の左側に示され、凝縮プロセスが、図２の右側部分の図によって示されている。作動媒体の蒸発の際に、充分な量の蒸発熱Ｑ_Ｖが、容器の壁１を介して外部から供給される。これが、表面コーティング４に位置する作動媒体の量の少なくとも一部を気相へと変換する。通常、蒸発は、作動媒体が熱伝達表面から気相へと完全に変換されるように、実行される。

凝縮プロセスは、蒸発プロセスの逆に相当する。蒸気の作動媒体は、気相から熱伝達表面へと凝結し、そこで凝縮熱Ｑ_Ｋを放出する。この場合に、表面の膜６は、表面コーティング４上に再び蓄積する。

図３は、熱伝達表面に存在する表面の膜の厚さの関連の時間曲線を示している。表面の膜は、凝縮プロセスにおいて連続的に成長し、最終的に作動媒体の凝縮物の膜の最大膜厚Ｄ_ｍａｘに達している。熱伝達表面における作動媒体の完全な凝縮時に、厚さＤ_ｍａｘは、基本的に、利用可能な熱伝達表面のサイズに対する作動媒体の総体積の比によってのみ決定される。プロセスに存在する作動媒体の総体積がＶ_ｇｅｓであり、熱伝達表面が有効表面積Ａ_ｅｆｆを有する場合、厚さＤ_ｍａｘについて、単純な関係Ｄ_ｍａｘ＝Ｖ_ｇｅｓ／Ａ_ｅｆｆがほぼ当てはまる。Ｄ_ｍａｘに達すると、凝縮プロセスが絶対的な終わりに到達し、作動媒体の全量が、今や凝縮物の膜に凝結済みである。その後に、作動媒体は、完全に熱伝達表面上の場所に貯蔵される。

凝縮物の膜は、続く蒸発プロセスにおいて分解される。作動媒体が、再び気相へと変換され、したがって表面の膜の厚さが、特定の時間の後に値Ｄ_０へと減少する。作動媒体の完全な蒸発において、Ｄ_０＝０である。この場合、表面の膜が完全に消滅しており、蒸発プロセスが絶対的な終わりに達している。

凝縮プロセスおよび蒸発プロセスが完全に実行される場合、熱伝達表面に付着した作動媒体の液体膜は、値Ｄ_０と最大膜厚Ｄ_ｍａｘとの間を時間につれて変動する。したがって、両方の値が、動作サイクルの種々の時点において周期的に到達される貯蔵される液体膜の厚さの絶対的な限界値を構成する。

凝縮物の膜は、凝縮プロセスの終わりにおいてのみ完全な厚さＤ_ｍａｘに達するため、熱伝達表面への熱伝達は、基本的には凝縮プロセスそのものの最中に妨げられることがない。容器内の気相と熱伝達表面との間の熱の伝達に関する伝達抵抗は、凝縮および蒸発の際に基本的に同一の値を有することを示している。結果として、両方のプロセスが基本的に同じ効率で進行する。

上述のプロセスの各段階は、特定の広い制御範囲を呈する装置において進行する限界プロセスを表している。したがって、さまざまな種類のプロセス管理を使用して、動作サイクルの最中に達成される膜の厚さを、Ｄ_０とＤ_ｍａｘとの間の所与の範囲内で変化させることができる。この場合に、特に、蒸発プロセスにおいて液体膜のすべてを気相へと変換するのではなく、有限の残余の膜厚Ｄ_Ｒｅｓｔが熱伝達表面上に残るように、蒸発プロセスを設計することが可能である。そのような場合は、特に蒸発プロセスが時期尚早に終わる場合に生じうる。

凝縮プロセスも同様に、その完了後に最大膜厚Ｄ_ｍａｘが生じず、それに及ばない付着の厚さＤ_Ｋが生じるように実行することができる。この形式のプロセスの型は、装置の環境との熱接触における熱負荷内の特定の変動を補償する機会を提供し、あるいは装置に連動した熱力学的プロセスの動作条件を選択的に調節する機会を提供する。

装置およびプロセスの手順を、実施形態に基づいてさらに詳しく説明した。さらなる実施形態が、当業者の行為の枠組みにおいて可能である。さらなる実施形態は、特に従属請求項からもたらされる。

１ 容器および装置の壁
２ 熱伝達表面
２ａ 管
３ 表面の改質
４ 親水性の表面の改質
５ 多孔質充填材料、多孔質被覆
５ａ 作動媒体の入り口および出口
６ 表面の膜
Ｑ_Ｋ 凝縮熱
Ｑ_Ｖ 蒸発熱
Ｄ_ｍａｘ 最大膜厚
Ｄ_０ 最小膜厚
Ｒ_Ｒｅｓｔ 残余の膜厚
Ｄ_Ｋ 付着した膜の厚さ

Claims (9)

1. 同時に蒸発および凝縮の表面として提供される熱伝達表面上において作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための方法であって、
   各々の凝縮プロセスおよび各々の蒸発プロセスからのそれぞれの動作サイクルにおいて、凝縮プロセスの際に形成される作動媒体の凝縮物の膜は、熱伝達表面上の場所に取り外せないように貯蔵され、次いで蒸発プロセスの際に熱伝達表面から蒸発させられ、
   熱伝達表面の少なくとも一つは、多孔質に形成される管の壁であって、
   管の壁は、管の内側に向かうにつれて締まることを特徴とする方法。
2. 作動媒体の量と熱伝達表面のサイズとの間の比は、凝縮物の膜の厚さが凝縮物の膜の滴下が始まる臨界膜厚を下回るように、少なくとも調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 作動媒体の量と熱伝達表面のサイズとの間の比は、熱伝達表面の基本的に均質な被覆がこの場合において凝縮物の膜の最小限の厚さで達成されるように、調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 凝縮物の膜による被覆は、熱伝達表面の吸湿性／拡散性および／または表面拡大の構成によって達成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 同時に蒸発および凝縮の表面（２）として提供される熱伝達表面上において作動媒体の交互の蒸発および凝縮プロセスを実行するための装置であって、
   熱伝達表面（２）は、熱伝達表面を覆い、凝縮プロセスの際に滴下することなく熱伝達表面上に残り、蒸発プロセスの際に蒸発する作動媒体の、凝縮物の膜（６）のための貯蔵場所の形態であり、
   熱伝達表面（２）の少なくとも一つは、多孔質に形成される管（２ａ）の壁であって、
   管（２ａ）の壁は、管（２ａ）の内側に向かうにつれて締まることを特徴とする装置。
6. 熱伝達表面（２）のサイズと凝縮物の膜へと変換される作動媒体の量との間の比は、凝縮物の膜の厚さが熱伝達表面の基本的に均質な被覆において最小限であるように、構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 熱伝達表面は、作動媒体を引き付ける、および／または作動媒体を拡散させる吸湿性の表面コーティング（４）の形態における表面の改質（３）を呈する請求項５または６に記載の装置。
8. 熱伝達表面は、表面拡大の構成を呈する請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 表面拡大の構成は、多孔質および／または繊維質構造の形態で実現されている請求項８に記載の装置。
   

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