JPH031595B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、平板あるいは伝熱管の外表面に接す
る液体を相変化させて伝熱する熱交換壁に係り、
特にエバポレータや放熱器に用いるに適した熱交
換壁に関する。 〔従来の技術〕 沸騰熱伝達や蒸発熱伝達を高める熱交換壁に関
する技術は数多く提案されている。 まず、焼結法、溶射法、エシジングなどによつ
て、熱交換壁面上を多孔質層にする方法がある。 一方、第１図及び第２図に示すように、伝熱面
１上にトンネル２と開孔３及び上蓋４を有する熱
交換壁も知られており、一方、特開昭52−14260
号公報には、上記の「孔の大きさを制限する代り
に孔の深さを大きくすることによりそこを通過す
る蒸気泡に対して摩擦抵抗を増大させ冷媒液がそ
の通路を通過する間にまわりの面で加熱され気泡
となつて吹き出すようにしたもの」が提案されて
いる。 また、特開昭51−45353号公報においては、「隣
接するフインとの間に狭い開口部を通して外部と
連通する表皮下空洞を有する沸騰伝熱面に於い
て、開口部の幅（Ｄmm）、開口部の深さ（Ｌmm）
及び空洞断面積（Ｓmm²）の関係をＳ・Ｌ／Ｄ＜３
（但しＤ＜0.12とする）に設定して成ることを特
徴とする伝熱面。」が提案されている。 〔発明が解決しようとする課題〕 上記多孔質層にする方法を用いた熱交換壁は平
滑な面に比べると高い伝熱性能を有するが、多孔
質層の空隙が狭いために沸騰液中に含まれている
不純物、あるいは溶け込んでいる非沸騰液が空隙
に目詰りして、性能劣化をまねく。また、多孔質
によつて形成される空隙はその大きさが不均一な
ので、場所によつて伝熱性能がばらつく。 第１図及び第２図に示す熱交換壁も高い性能を
有する。開孔３の大きさも焼結法などによる多孔
質層に比べると大きく、不純物、非沸騰液などの
目詰りによる性能低下は小さい。しかし、この開
孔とトンネルを有する熱交換壁は、伝熱面への熱
負荷に応じて最適な開孔径が存在する。したがつ
て、熱負荷が小さすぎたり、大きすぎたりすると
伝熱性能が低下する。 例えば、第１図に示す構造を持つ伝熱面の沸騰
性能曲線は、第３図のようになる。沸騰冷媒液は
CFCl₃（フロンＲ−11）であり、図の横軸は熱流
束q_w（ｗ／cm²）、縦軸は熱伝達率α（ｗ／ｋcm²）を
表す。また、３本の曲線Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ
異なる沸騰冷媒液の飽和圧力Ps（＝0.23、0.1、
0.04MPa）における性能曲線である。低い熱流束
（q_w＜2_w／cm²）で熱伝達率は低下し、この傾向
は、低い圧力下（例えばPs＝0.04MPa）ほど顕
著となる。このような低熱流束下、低圧力下で性
能が低下するという性能は、他の多孔質構造を有
する伝熱面（例えば金属粒子焼結面）にも現れて
おり、工業上問題となつている。 又、特開昭52−14260号公報に開示の熱交換壁
は、その実施例に見られるように孔の大きさが制
限されたものではないため、トンネル内部に蒸気
泡を補促するという効果はなく、トンネル及び深
い孔によつて構成される通路によるサイフオン効
果の促進及び深い（長い）孔部での液冷媒の加
熱、蒸気化を促進するものである。しかし、本提
案の熱交換壁は、低熱流束下、低圧力下での安定
した気泡柱を維持することには配慮されておら
ず、特に、低熱流束下、低圧力下での熱伝達率の
向上は望めないものであつた。 又、特開昭51−45353号公報に開示のものは、
表面が平滑な管の２倍以上の沸騰熱伝達率を達成
している。しかしながら、本提案による伝熱面
は、連続したスリツト状の開口部を有する伝熱面
の形状寸法最適化に関するものであり、この種の
伝熱面が持つ欠点即ち空洞よりの気泡の放出及び
空洞への液の供給場所が固定されず空洞内の蒸気
泡が不安定に存在すること、また、低熱流束、低
圧力下では空洞内に多量の液が浸入してしまうこ
とによる著しい熱伝熱率の低下を解決するもので
はない。 本発明の目的は、気泡柱を安定に維持させて流
体の相変化を効率的に行わせる構造を備え、特に
低い熱流束或いは飽和圧力で高い伝熱性能を有す
る熱交換壁を提供することにある。 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、制限された開口と空洞とを有する熱
交換壁において、空洞と熱交換壁外表面の間を仕
切る上蓋の肉厚を所定の範囲内で厚くするととも
に、空洞より熱交換壁外表面に至る（沸騰液及び
蒸気の）通路の長さを所定の範囲内で設定したこ
とを特徴とする。 〔作用〕 熱交換壁の空洞と熱交換壁外表面の間を仕切る
上蓋の肉厚と、空洞より熱交換壁外表面に至る通
路の長さを所定の範囲内に設定しているので、低
熱流束下、低圧力下においても気泡柱が維持され
るので、伝熱性能が低熱流束下、低圧力下におい
ても向上する。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
まず、第４図の実施例について説明する。 熱交換壁の表皮層１１に細長いトンネル状の空
洞１３が多数平行に設けられている。空洞１３と
熱交換壁外表面１０とが、（断面積が空洞１３の
最大断面積より小さく細長いチユーブ状の）通路
１５及び制限開口１６を通して連通している。上
蓋９に細長いチユーブ状の通路１５及び制限開口
１６がトンネルに沿つて一定間隙で多数設けられ
ている。なお、空洞１３の横断面形状、細長いチ
ユーブ状の通路１５及び制限開口１６の横断面形
状は、必ずしも実施例に示すものに限定される必
要はない。円形、多角形、矩形、だ円形などから
適宜選択すればよい。ただし、いずれの場合も、
空洞１３の横断面積の最大値は細長いチユーブ状
の通路１５及び制限開口１６の横断面積より大き
いものでなければならない。 第４図の熱交換壁は以下に述べるように容易に
製作することができる。まず、第５図に示すよう
に多数のフイン１２が鋤き起こされた熱交換壁の
表皮層１１のフイン先端部１２ａに実質的に互い
に平行な多数の細長い溝１５を有するＶ字状の板
１４を重ねる。この板は上蓋９となるもので、表
皮層１１と同一の材料からなる。次に、第６図に
示すように、Ｖ字状の板１４をかぶせられた熱交
換壁の表皮層１１のフイン先端部１２ａを例えば
ローラなどにより、互いに隣接するフインによつ
て区切られた溝１３の中あるいは上方に折り曲げ
ることにより第４図の熱交換壁が得らえる。 第７図に本発明による熱交換壁の伝熱性能を示
す。熱交換壁の材質は銅、開口径d₀＝0.02cm、上
蓋の肉厚Ｚ＊＝0.1cm、空洞より熱交換壁外表面
に至る沸騰液及び蒸気通路の長さｌ＝0.1cm、空
洞は0.025cm×0.04cmの略方形であり、CFCl₃（フ
ロンＲ−11）中における飽和圧力0.04MPaでの測
定結果である。図の縦軸は熱伝達率（ｗ／ｋcm²）、
横軸は熱流束（ｗ／cm²）であり、本発明による熱
交換壁をＡ、従来品（上蓋厚さＺ＊＝0.01cm）を
Ｂで表わす。特に1w／cm²以下の低い熱流束域で
本発明による熱交換壁は従来品に比べ３倍以上の
高い伝熱性能を有する。このように、低圧力下、
低熱流束下においても高い伝熱性能を有するの
は、第８図に示すように、空洞１３内壁に常に薄
い液膜７が維持されていることによる。 第１図、第２図の従来例に示すような連結され
た空洞と開口を有する熱交換壁の空洞内を可視化
した本件発明者等の可視化実験によると、熱交換
壁がこれと接触し沸騰する液体より比較的高い温
度で過熱されると、第９図に示すように（Ｅモー
ド）空洞２内に蒸気泡６が発生し、この蒸気泡の
一部が開口５より気泡６ａとなつて熱交換壁外へ
放出されるのが観察された。また、空洞２内で
は、蒸気泡６が空洞内の液を空洞内壁へおしや
り、空洞内壁に薄い液膜７が形成されるのが観察
された。一方、壁面の過熱度を上記の状態より順
次下げていくと、ついには第１０図に示すよう
に、空洞２内の蒸気泡６の部分が縮少し、蒸気泡
と蒸気泡との間に液部８が存在するようになる
（Ｆモード）のが観察された。 連結された空洞２と開口３を有する熱交換壁に
おいては、上記第６図の空洞内壁に貼り付いた薄
い液膜７が、小さな過熱度で蒸発し、したがつて
高い蒸発熱伝達率を有しているため、その効果に
よつて高い伝熱性能を有する。したがつて、熱負
荷が小さく、壁面過熱度が小さい状態即ち空洞内
に多量の液が入り込み、薄液膜の占有面積が減少
するＦモードでは高い伝熱性能が得られない。 上記Ｆモードの出現に関して発明者等が検討を
行つた結果、その原因として次の２つがあること
が分つた。即ち、(A)気泡６ａの放出に伴い温度の
低い外部沸騰液８が、空洞上部の上蓋４を洗い、
上蓋を局所的に冷却し、この冷却された上蓋４へ
の空洞内蒸気泡６の凝縮による蒸気泡の縮少、(B)
開口部３より空洞２内に吸込まれた温度の低い沸
騰液８中への蒸気泡の凝縮により蒸気泡６の縮少
である。 上記(A)の上蓋４への凝縮は、本発明の実施例に
示す上蓋の肉厚Ｚ＊を厚くすることによつて防げ
ることができる。即ち、熱交換壁外表面における
温度の低い液の出現は、熱交換壁よりの気泡６の
放出周期に同期して行われ、この低い温度は熱伝
導によつて上蓋４の厚み方向（外表面から空洞へ
の方向）へ減衰しながら伝播する。 ここで、熱交換壁の温度伝導率a_w（cm²／ｓ）、
熱交換壁外表面に温度の低い液体が現れている時
間τ（ｓ）、熱交換壁外表面より空洞方向へとつた
距離Ｚ（cm）、上蓋の各位置Ｚの温度と沸騰液の飽
和温度との温度差Δθ（Ｚ）、熱交換壁の過熱度
ΔT_w、とすると、Δθ（Ｚ）は誤差関数erfを用い
て、 で表される。 一方、熱交換壁の過熱度は、空洞内壁に貼り付
いた液膜における温度降下ΔT_lと開口において気
泡を形成するのに必要な過熱度ΔT_bとに分解され
る。そして、空洞壁（Ｚ＝Ｚ＊）における上記
ΔθがΔT_b以下になると開口において気泡を形成
することができなくなり、顕著な凝縮が行われ、
空洞内の蒸気泡は収縮する。 即ち、空洞内の蒸気泡が安定して存在するため
の条件は、 で表される。 ここに、 ΔT_b＝Ts／ρv・h_fg・4σ／d₀・10^-7 ΔT_l＝δ・q_w／λ_l a_w；熱交換壁の温度伝導率（cm²／ｓ） Ts；沸騰液の飽和温度(k) ρv；沸騰液蒸気の密度（ｇ／cm³） h_fg；沸騰液の蒸発潜熱（Ｊ／ｇ） σ；沸騰液の表面張力（dyn／cm） λ_l；沸騰液の熱伝導率（ｗ／ｋcm） d₀；開口径（cm） ；熱交換壁の表面積拡大率 Ｚ＊；上蓋の肉厚（cm） δ；空洞表面の液膜厚さ（cm） q_w；使用熱流束（ｗ／cm²） また、発明者等が行つた実験では、(2)式の時間
ｔは熱流束の関数となるが、実用熱流束域ではｔ
≒0.02secである。また、δ≒0.002cm、＝３で
ある。 以上の実験値を(2)式に代入して整理し、上蓋の
肉厚Ｚ＊を決定する条件式を求めると、 erf（Ｚ＊／0.28a_w）T_s・σ・λ_l／1667・q_w・ρv・h
_fg・d₀＋Ts・λ_l・σ……(2)′ となる。 したがつて、CFCl₃をTs＝273(k)の条件下で使
用した場合、開口径0.02cmを有する銅製の熱交換
壁に必要な最少上蓋肉厚は0.073cmとなる。 次に前記(B)の熱交換壁外表面より開口部を通じ
て空洞内へ引き込まれた温度の低い沸騰液中への
凝縮は、液の通路ｌを長くし、この通路で液を加
熱することによつて防ぐことができる。発明者等
の可視化実験によると、液の引き込みは、気泡の
発生開口及びその両側に隣接する開口の３つの開
口において顕著でありその他の開口ではわずかで
ある。 したがつて、上記３つの開口より吸い込まれる
液が通路を通過する間に熱交換壁温度にまで加熱
される条件は、 で表わされる。ここに、ｌ；通路長さ（cm）、
q_w；熱流束（ｗ／cm²）、h_fg；沸騰液の蒸発潜熱
（Ｊ／ｇ）、C_pl；沸騰液の比熱（Ｊ／ｇ・ｋ）、
λ_l；沸騰液の熱伝導率（ｗ／cm・ｋ）、N_A／Ａ；
発泡点密度（１／cm²）、d₀；開口径（cm）、C_b；定
数（フレオン；C_b＝８、N₂；C_b＝8a、H₂O；C_b
＝95）、沸騰液＝CFCl₃、ｑ＝1w／cm²、d₀＝0.01
cmを式(3)に代入するとｌ0.022cmとなる。 一方、通路を長くすると、熱交換壁外へ蒸気を
放出する際の蒸気の流動抵抗が増加するため、通
路の長さｌには上限がある。通路部分での圧力損
失は、空洞内の最高蒸気圧より低くなければなら
ず、したがつてその条件は、 ｌπ／32・d₀ ³・１／νv・h_fg／q_w・N_A／Ａ・σ……(
4) で表わされる。ここに、νv；蒸気の動粘性係数
（cm²／ｓ）。 式(3)と同様の条件下で式(4)を求めると、ｌ
0.12cmとなる。 表１に(1)から(4)式を用いて計算した CFCl₃（Ｒ−11）、C₂Cl₃F₃（Ｒ−113）、C₂Cl₂F₄（Ｒ
−114）の場合の例を示す。この表から分るよう
に、熱交換壁材料が銅またはアルミニウムなどの
ように温度伝導率a_wが0.7〜1.2cm²／secの範囲の
ものでは開口径を0.01〜0.02cmとしたとき、Ｚ
＊、ｌを 0.02Ｚ＊＜1.5（cm）、0.02ｌ1.5（cm） とするのがよい。 又、熱交換壁材料がチタン、ステンレス、キユ
プロニツケルなどのように温度伝導率a_wが0.01〜
0.1cm²／secの範囲のものでは開口径を0.01〜0.02
cmとしたとき、Ｚ＊、ｌを 0.006Ｚ＊1.5（cm）、0.02ｌ1.5（cm） とするのがよい。

〔発明の効果〕

本発明によると、従来技術においては不可能で
あつた低飽和圧力、低熱流束域での著しい伝熱性
能の向上を果すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は各々従来の熱交換壁の一例の
斜視図、第３図は第１図の熱交換壁の伝熱特性を
示す図、第４図は本発明の一実施例になる熱交換
壁の斜視図、第５図、第６図は第４図の熱交換壁
の製法を説明する図、第７図は第４図の実施例の
伝熱特性を示す図、第８図は第４図の実施例の作
用を説明する図、第９図、第１０図は第１図の実
施例の作用を説明する図、第１１図は本発明の他
の実施例の斜視図、第１２図は第１１図の製法を
説明する図、第１３図は本発明の他の実施例の斜
視図である。 ９……上蓋、１０……熱交換壁外表面、１１…
…熱交換壁表皮層、１３……空洞、１５……通
路、１６……制限開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱交換壁の表皮層に形成された細長い多数の
   空洞と、前記熱交換壁の一部をなし、前記空洞と
   熱交換壁外表面との間とを仕切る上蓋と、該上蓋
   に設けられ、かつ該各々の空洞と熱交換壁表面と
   を連通させる通路とを備え、かつ該通路に設けら
   れた制限開口は空洞の最大断面積より小さい断面
   積を有し、互いに独立しておりさらに、熱交換壁
   が単一種類の熱伝導性材料からなるものにおい
   て、熱交換壁材料と流体の組合せに応じて前記上
   蓋の肉厚すなわち空洞の上端と熱交換壁外表面と
   の距離をＺ＊（単位cm）、空洞より熱交換壁外表
   面に至る通路の長さをｌ（単位cm）とすると、Ｚ
   ＊、ｌが、 Ｚ＊π／32・do³・１／V_V・h_fg／qw・N_A／Ａ・σ 及び ｌ0.174・qw／h_fg・Ａ／3N_A・C_Pl・１／λl ｌπ／32・do³・１／V_V・h_fg／qw・N_A／Ａ・σ の関係を同時に満たす数値範囲内にあることを特
   徴とする熱交換壁。 ここに、erf；誤差関数 【式】a_w；熱交換 壁の温度伝導率（cm²／sec）、Ts；沸騰液の飽和
   温度(k)、ο；沸騰液の表面張力（dyn／cm）、λ_l；
   騰液の熱伝導率（ｗ／ｋcm）、ρv；沸騰液蒸気の
   密度（ｇ／cm³）、h_fg；沸騰液の蒸発潜熱（Ｊ／
   ｇ）、Vv；沸騰液蒸気の動粘性係数（cm²／sec）、
   d₀；制限開口径（cm）、q_w；使用熱流束（ｗ／
   cm²）、N_A／Ａ；発泡点密度（N_A／Ａ＝C_b・
   d₀ ^0.4・q_w ^0.5、C_b＝80（フレオン、液体窒素）、C_b＝
   95（水））。 ２ 熱交換壁の表皮層に形成された細長い多数の
   空洞と、前記熱交換壁の一部をなし、前記空洞と
   熱交換壁外表面との間とを仕切る上蓋と、該上蓋
   に設けられ、かつ該各々の空洞と熱交換壁表面と
   を連通させる通路とを備え、かつ該通路に設けら
   れた制限開口は空洞の最大断面積より小さい断面
   積を有し、互いに独立しており、さらに、熱交換
   壁材料が銅またはアルミニウムに代表されるよう
   な、温度伝導率a_Wが0.7〜1.2cm²／secの範囲の単
   一種類の高温度伝導率材料であり、かつ、沸騰液
   がフレオン系冷媒である熱交換壁において、開口
   径を0.01〜0.02cmとしたとき、前記上蓋の肉厚す
   なわち空洞の上端と熱交換壁外表面との距離をＺ
   ＊（単位cm）、空洞より熱交換壁外表面に至る通
   路の長さをｌ（単位cm）とすると、上記Ｚ＊及び
   ｌが 0.02Ｚ＊1.5（cm） 0.02ｌ1.5（cm） の数値範囲内にあることを特徴とする熱交換壁。 ３ 熱交換壁の表皮層に形成された細長い多数の
   空洞と、前記熱交換壁の一部をなし、前記空洞の
   熱交換壁外表面との間とを仕切る上蓋と、該上蓋
   に設けられ、かつ該各々の空洞と熱交換壁表面と
   を連通させる通路とを備え、かつ該通路に設けら
   れた制限開口は空洞の最大断面積より小さい断面
   積を有し、互いに独立しておりさらに、熱交換壁
   材料がチタン、ステンレス、キユプロニツケルな
   どに代表されるような、温度伝導率a_wが0.01〜
   0.1cm²／secの単一種類の低温度伝導率材料であ
   り、かつ、沸騰液がフレオン系冷媒である熱交換
   壁において、開口径を0.01〜0.02cmとしたとき前
   記上蓋の肉厚すなわち空洞の上端と熱交換壁外表
   面との距離をＺ＊（単位cm）、空洞より熱交換壁
   外表面に至る通路の長さをｌ（単位cm）とすると、 Ｚ＊、ｌが、 0.006Ｚ＊1.5（cm） 0.02ｌ1.5（cm） の数値範囲内にあることを特徴とする熱交換壁。