JPH0311294A - 蒸発式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明の宇宙往還機等に搭載される微小重力下で用いら
れる蒸発式熱交換器に関する。

（従来の技術） 衛星や宇宙ステーション等の宇宙軌道上装置内で発生す
る熱を放出する手段として放熱板が多く（す用されるが
、場合によっては放熱板が使用不可能であったり、放熱
板による放熱量が要求排熱量以下になることがある。そ
のような状況では放熱阪以外の排熱手段が必要となり、
その中の一つの有力な手段が冷却媒体の蒸発潜熱を利用
した蒸発式熱交換器である。しかし、蒸発式熱交換器内
では冷却媒体の気相が混在した状態になることが多く、
宇宙軌道上のような微小重力の環境下では、地上機器と
して使用されている蒸発式熱交換器のうち多くの形式の
ものが使用困難になってしまう。

微小重力下においても比較的容易に使用できる形式とし
ては、冷却媒体を噴霧するフラッシュ蒸発成熱交換器、
細管内に冷却媒体を高速で流す高速強制対流蒸発式熱交
換器等が挙げられる。

ところで、宇宙往還機（例えば米国のスペースシャトル
）では機体の一部を開いて股熱板として使用するが、上
昇および帰還時には放熱板を開くことができない。この
ため上昇および帰還時には放熱板以外の放熱装置が必要
となる。第３図にはスペースシャトルで使用された蒸発
式熱交換器と同形式の蒸発式熱交換器を従来例として示
しである。この従来例では、両端を閉じた円筒形の容器
１内に複数の直管形伝熱管２が収納され、伝熱管２は両
端を管板３、その間を支えＩｆ２４で支持されている。

被冷却媒体ａ（スペースシャトルではフロン）は、肢冷
却媒体人口５より容器１内に入り、伝熱管２の外側を流
れる間に伝熱管２内を流れる冷却媒体（スペースシャト
ルではアンモニア）により所定の温度まで冷却された後
、披冷ｉｌ＋媒体出口６より出る。一方、冷ｉｌｌ媒体
すは、冷却媒体人ロアより、伝熱管２内を流れる間に伝
熱管２の壁面を介して被冷却媒体ａから熱を偉い蒸発す
る。

蒸発し気相となった冷却媒体すは、冷却媒体用［］８か
ら宇宙空間に通している配置へとＩＪ「出される。

（発明か解決しようとする課題） 宇宙往還機では、冷却媒体すは地上より搭載して行くた
めに、搭載重量低減の意味からも冷却媒体すの重量を可
能な限り減らすことか望まれる。

このため、冷却媒体すの保有する蒸発潜熱を完全にｆｌ
Ｊ用する、即ち蒸発式熱交換器の出口で冷却媒体すを完
全に蒸気単ｔ（Ｊとすることか必要である。

このような蒸発式熱交換器では、冷却媒体すは管内を流
れる間に被冷却媒体ａにより加熱され、冷却媒体すの管
内における流動様式は気泡流、スラグ流、環状流、噴霧
流、蒸気１１１相流へと順次変化する。これに伴って冷
却媒体す側の熱伝達係数も変化し、気泡流から環状流ま
での間は高い熱伝達係数を示すが、噴霧流、蒸気単相流
に移行すると熱伝達係数は、気泡流から環状流までの熱
伝達係数のｌ／１０ないしｉ／１００程度にまで急激に
低下する。気泡流、スラグ流、環状流では、伝熱面上に
液膜が形成されているため、高い熱伝達係数を示ずが、
噴霧流になると伝熱面上に液膜が形成されず、気相中に
液層か同伴される流動様式となるため、熱伝達係数は上
述の如く著しく低下する。このことは、噴霧流域におけ
る熱交換器としての効率低下を意味する。熱交換器とし
ての効率低下による容積、重量の増大は、衛星や宇宙往
還機のような限られた空間を利用する軌道上装置の搭載
機器としては、大きな欠点であり、時には致命的ともな
りかねない。

したがって、本発明の目的は熱交換器としての効率低下
を最少限に保持し、これによる容積、重量の増大を防止
するようにした蒸発式熱交換器を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記した目的を達成するために、円筒形の容器
内に両端を管板にて支持された複数の伝熱管が収納され
、伝熱管外側の容器内を被冷却媒体が流れ、伝熱管内を
冷却媒体が流れるようになっている蒸発式熱交換器にお
いて、被冷却媒体と接する伝熱管の全ての部分又は冷却
媒体の流動方向に沿っである部分から伝熱管出口までの
部分を螺旋状に構成したことを特徴とするしのである。

（作用） 伝熱管内に流入した冷却媒体は、次第に蒸ｔしながら流
れ、伝熱管外側の被冷却媒体を冷ＪｕｌＩする。

ここで、伝熱管は螺旋状に構成されているから、伝熱管
中央部を流れる気相中に同１ｔされている液層は遠心力
の作用により、螺旋状伝熱着外周内壁面に押付けられ、
壁面上に形成されている液膜に付谷する。従来、−旦、
気相中に含まれだ液滴は、伝熱面上の液膜に再付貴する
ことは、殆ど期待できず、周囲の気相との熱伝達によっ
てのみ加熱、蒸発していたので、熱伝達効率が極めて°
ｕ１かったが、本発明では、伝熱面上の液膜に再付６し
た液滴は、伝熱面を介して直接、被冷却媒体により加熱
されることになるので、特に、噴霧流域における伝熱特
性の改善が図れ、伝熱管長さの減少による機器Ｔｌ１ｉ
瓜の低減、併せて冷却媒体搭載必要重量が減少するとい
う副次的効果も期待できる。

方、かかる螺旋状伝熱管を用いたｆＡ７成は、容器と伝
熱管との間の熱膨張差および伝熱管（■互の熱膨張差を
吸収しうるという点においても優れてＨ利な方法である
ということができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図において、符号１は円筒状に構成された容器であり、
この容器１内にはその両端を管板３にて支［ｊｆされた
複数の伝熱管１１か収納されている。伝熱管１１は冷却
媒体すの人口に近い側は直管部１１ａ５出口に近い側は
螺旋管部１１ｂとから構成されている。螺旋管部１　］
、　ｂの起点は管内をながれる冷却媒体の流動様式か噴
霧流域へと遷移する個所に相当する。

上記の構成において、冷却媒体人ロアより流入した冷却
媒体すから熱を作い蒸発する。冷却媒体すは、先ず直管
部１．１　ａに流入し、この部分を流れるｌｌｌ’ｌに
気泡流、スラブ流、環状流へと冷却媒体すの流動様式は
順次変化していく。次に、直管部１１ａを出た冷却媒体
すは、これに続く螺旋状管部１１ｂに流入する。螺旋管
部１　Ｆ、　ｂを流れる冷却媒体すの流動様式は、噴霧
流となっている。管中央部を流れる気相中に含まれるｉ
ｆ＆ｒＪは、螺旋により生ずる遠心力の作用により螺旋
管部１１　ｂ外周内壁面に押付けられるので、液ＩｈＯ
は伝熱管壁を介して直接加熱されることになるため、噴
霧流域における伝熱特性を改善することができる。

次に、第２図を参ｊｉｊＪ　Ｌで本発明の別な実施例を
説明する。上記実施例は、特に冷却媒体す側の伝熱効率
が低下する噴霧流域における伝熱特性改善に大いに役立
つものといえるが、被冷却媒体ａの置皿、温度条件が変
わった場合には、噴霧流域の起点が移動するため、必ず
しも全ての運転条件に対し有効とは言えない。そこで、
第２図に示されるように、伝熱管１２の全長を螺旋管部
とするように構成する。このような（１５１成とするこ
とにより、全ての運転条件に刑しＦＴ効なものとするこ
とができる。

［発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、本発明は伝熱管の一部
又は全長にわたる部分を螺旋状に構成するようにしてい
るから、噴霧流域における冷却媒体側の伝熱特性を改善
することができ、蒸発式熱交換器の伝熱面積を低減でき
る。このことは、熱交換器の容積、重量の低減に寄与す
るところ大である。一方、伝熱管を螺旋状に構成したこ
とにより容器と伝熱管、伝熱管相互に発生する熱膨張伸
び差を容易に解消することができ、熱交換器のｆＭ造健
全性を高めるのに大いに効果があり、優れてａ用なもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る蒸発式熱交換器の一実施例を示す
構成図、第２図は本発明の他の実施例を示す構成図、第
３図は従来の蒸発式熱交換器の一例を示す構成図である
。 １・・・・・・・・容器 ２．１１．１２・・・伝熱板 ３・・・・・・・・・管板 ４・・・・・・・・支え板 ５・・・・・・・・被冷却媒体入口 ６　・・ ７　・・ ８　・ １ａ １ｂ ・・・被冷却媒体出口 ・・冷却縁体入口 ・・・・冷却媒体出口 ・・・・直管部 ・・・・・螺旋管部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状容器内にその両端を管板にて支持された複
   数の伝熱管が収納され、冷却すべき被冷却流体は前記円
   筒状容器の一端から容器内へと導かれて、前記伝熱管内
   を流れる冷却流体の蒸発潜熱により冷却され、前記円筒
   状容器の他端より容器外へと導かれ、一方伝熱管内を流
   れる冷却流体は管内を流れる間に次第に蒸発していくよ
   うになっている蒸発式熱交換器において、前記伝熱管は
   冷却流体の入口側に近い部分は直管形伝熱管、これより
   後流の出口側に至るまでの部分は螺旋状伝熱管とから構
   成されていることを特徴とする蒸発式熱交換器。
2. （２）前記伝熱管の冷却流体入口側から出口側に至る全
   ての部分が螺旋状伝熱管から構成されていることを特徴
   とする請求項１記載の蒸発式熱交換器。