JPH0559357B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はオルガニツク・ランキンサイクルの蒸
気発生器、冷凍機の蒸発器、電子機器の冷却器な
どに利用される多孔質伝熱面に関するものであ
る。

〔従来技術〕

従来蒸発器に用いられている伝熱面の伝熱性能
向上方法には、フインチユーブに見られるような
伝熱面積の拡大による性能向上、および、焼結粒
子層のような多孔質構造による性能向上の２つに
大別された方法がある。前者は単に拡大伝熱面と
いう消極的なものであるが、後者は沸騰伝熱機構
上から見て非常に有効な積極的な伝熱性能向上方
法である。現在までにこの多孔質構造を有する伝
熱面として、特開昭57−164292号公報に記載のよ
うに焼結粒子によるもの、機械、塑性両加工を併
用して製作したものなど多くの種類のものが造ら
れてきた。

第１図は、多孔質伝熱面における沸騰原理を示
す。多数の焼結粒子１からなる多孔質層８には活
性開孔２と不活性開孔４が形成される。活性な開
孔２では気泡の成長、離脱が行われ、これに伴う
多孔質層８内の圧力変動および、沸騰液７の表面
張力により不活性な開孔４では矢印５で示す多孔
質層８内への沸騰液の流入が起こる。この流入液
は、多孔質層８内の連結した空洞部に存在するコ
ーナ９部を経て非常に薄い液膜を形成しながら多
孔質層８内全域に広がる。このコーナ９では、液
膜が薄いため非常に小さな熱抵抗で熱伝達が行わ
れ、液が蒸発する。この蒸発蒸気６は、活性開孔
２より沸騰気泡３となつて沸騰液７の伴流を起こ
しながら吹き出される。この液の伴流は、多孔質
層８最外面における対流熱伝達を促進する。上記
コーナ９における蒸発伝熱および、最外面におけ
る対流伝熱の２つにより、多孔質伝熱面の熱伝達
率は向上する。

従来技術に挙げた２つの方法のうち拡大伝熱面
は、伝熱面積の拡大に制限があり、飛躍的な性能
向上は望めない。一方、現在製品化されている多
孔質伝熱面には次の問題点がある。即ち、気泡が
成長、離脱する活性開孔及び液が流入する不活性
開孔が、多孔質層の不均一性によつてのみ形成さ
れ、この作用の異なつた２種類の開孔が、伝熱面
上に不確定に分散しているということである。し
たがつて、多孔質伝熱面の製造の出来合いにまか
せられているため、個々の伝熱面の伝熱性能のバ
ラツキが大きく、信頼性に乏しいものとなる。ま
た、多孔質層よりの気泡の放出及び層内への液の
流入が、層内の蒸気圧と液の表面張力とのバラン
スのもとに行われることが高い伝熱性能を維持す
るためには必要であるが、開孔数が非常に多く、
気液の流出入に対する抵抗が小さいため、表面張
力のみが支配因子となつている。したがつて、特
に低熱流束域では、多孔質層内での蒸発量が少な
くなり、活性開孔数が急激に減少し、多孔質層内
へ大量の液が流入する。したがつて、多孔質層内
の空洞部が液で満たされた状態となり、コーナで
の薄い液膜が形成されなくなるため、伝熱性能の
低下が著しくなる。液を多孔質層内に入りにくく
する方法として細かい粒子を密に焼結することが
考えられる。この様にすると、確かに液供給開孔
が小さくなり、多孔質層内への液の引き込み量は
減少する。しかし、同時に多孔質層内の空洞の体
積も減少するため、多孔質層内に蒸発蒸気を捕捉
するだけの空洞容積が得られなくなる。さらに、
空洞の断面積が小さくなることにより、気液の流
動に対する抵抗が極度に増加するため、多孔質層
内層部からの蒸気の抜けが悪くなると共に、内層
部への液の供給がとだえがちになる。

一方、高い熱流束域では、開孔の大部分が活性
開孔となり、多孔質層内は蒸気で満たされた状態
となる。したがつて、伝熱性能は低下すると共
に、ドライアウトしやすくなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高い伝熱性能を有し、かつ伝
熱性能の安定した、信頼性のある多孔質伝熱面を
提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明は、伝熱壁
上に形成された多孔質粒子層と、この多孔質粒子
層の上部の一部分を規則的に発泡抑制部材でおお
うことにより形成された表皮とから多孔質伝熱面
を構成し、この表皮に溝または孔を形成し、多孔
質粒子層内への気液の流出入をセルフコントロー
ルするようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

まず、第２図の実施例は、焼結粒子層１１と焼
結粒子層表面上に、規則的な開孔１３を持つた表
皮１２により構成された多孔質伝熱面である。伝
熱壁１０の上には焼結粒子層１１を設け、更にそ
れを、多数の規則的な開孔１３が開けられた表皮
１２で覆つている。従つて、焼結粒子層１１内へ
の沸騰液の流入及び焼結粒子層１１内よりの気泡
の放出に対して制限を加えることができる。即
ち、表皮１２がなく、焼結粒子層１１が沸騰液に
露出している場合、気泡発生点における気泡の成
長、離脱には、浮力と気液界面の表面張力とが支
配的因子として関係しており、焼結粒子層１１内
の空洞部の圧力（蒸気圧）はさほど関与しない。
一方、焼結粒子層１１表面の大部分をしめる沸騰
液供給点では、焼結粒子層１１内に形成された狭
い〓間での毛細管現象（表面張力）が支配因子と
なつて、沸騰液を焼結粒子層１１内に導く。した
がつて、気泡の成長、離脱と液の供給は個々バラ
バラに単独に行われることになり、熱流束によつ
て、焼結粒子層１１内が液で満たされてしまつた
り、蒸気で充満してしまつたりする。そこで、焼
結粒子層１１上部に表皮を設け、気泡及び液の流
出入に抵抗をつけると、それぞれ挙動に対して、
焼結粒子層１１内の圧力が支配因子として加わる
ことになり、この圧力を介して気泡の成長、離脱
と液の流入とが互いに従属となる。したがつて、
気泡の放出量に応じて液の流入量が決まるという
様に気液の流出入がセルフコントロールされるた
め、広い熱流束範囲で焼結粒子層１１内に常に薄
い液膜が形成され高い熱伝達率が得られる。ここ
で、表皮１２に設けられた開孔１３の大きさを大
小組み合わせることにより、大開孔からは気泡の
放出、小開孔はからは液の流入が行われ、気液の
流出入開孔が一意的に決定されてしまうため、焼
結粒子層１１内の気液の交換がより円滑に行われ
る様になり、より効果的となる。第２図に示す様
な規則的な開孔１３の代わりに第３図に示す様な
帯状の薄板１５を焼結粒子層１１上に一定の間隔
で規則的に配置することによつて得られるスリツ
ト状の狭い〓間１４を設けることによつても同様
の効果が得られる。即ち、スリツト状の狭い〓間
１４が気液の流出入口として働くが、その間隔が
十分に狭いため、気液の流出入に対して抵抗とな
り、焼結粒子層１１内の圧力が気液の流出入に対
する支配因子となる。したがつて、第２図に示す
開口１３と同様の働きをスリツト状の狭い〓間１
４が持つ。この場合においても、スリツト状の狭
い〓間１４の幅が広い部分と狭い部分との組合わ
せとすることにより、気液の流出入路が一意的に
決定される様になり、気液の交換がより円滑に行
われる様になる。また、第３図に示す様な帯状の
薄板１５の代わりにワイヤーを用いても同様の効
果が得られる。第４図は、開孔１３とスリツト状
の狭い〓間１４を組み合わせたものである。この
場合も上記の２例と同様の効果を持つが、それぞ
れ抵抗係数の異なる開孔１３とスリツト状の狭い
〓間１４の双方を設けたことにより、気液の流出
入路の分離を更に進めたものである。

上記第２図、第３図、第４図に示した表皮１２
は焼結粒子層１１と熱的に接続されている必要は
なく、例えば、伝熱面がパイプの場合、表皮１２
を焼結伝熱管上に巻くという操作によつて本発明
による高い伝熱性能を有する多孔質伝熱管が得ら
れる。

また、表皮１２として非金属材料を用いると、
伝熱面外表面が断熱状態となり、したがつて、大
部分の熱が焼結粒子層１１内の蒸発によつて移動
するため、特に低い熱流束域においても活発な発
泡が行われる。

さらに本発明の他の実施例を第５図により説明
する。

第５図は、一定の間隔で畝状に形成された焼結
粒子層１１と、この焼結粒子層１１部を覆う液不
浸透性から成る表皮１２とを伝熱壁１０上に構成
して得られる多孔質伝熱面の一例を示す。この表
皮１２は、その下部に形成されている焼結粒子層
１１と同様一定間隔に設けられたものである。し
たがつて、スリツト状の狭い〓間、即ち表面開口
２３を持ち、この表面開口２３を通して外表面と
連結させられた表皮下空洞２４を形成する。焼結
粒子層１１内部のコーナに形成された液膜は、焼
結粒子から熱を受け、蒸発する。一方、この蒸発
蒸気は表皮下空洞２４に導かれ、そこで、一定時
間捕捉された後、気泡となつて表面開口２３より
外表面へ放出される。一方、沸騰液は、表皮１２
によつて焼結粒子層１１内への供給が抑制されて
おり、上記気泡の放出と入れ代わりに表面開口２
３より放出気泡に見合つた量の沸騰液が表皮下空
洞２４へ導かれる。表面開口２３より入つた沸騰
液は、畝状の焼結粒子層１１の内部を毛細管現象
で伝わりながら表皮下空洞２４の側壁全面を濡ら
すように広がる。即ち、本実施例によると、伝熱
面中で最も温度の高い伝熱壁側の焼結粒子層が常
に液で濡らされた状態に保つことができ、さら
に、液及び蒸気は、表皮下空洞２４と表面開孔２
３によつて気液の流出入量がセルフコントロール
される。

また、表皮１２の幅を畝状の焼結粒子層１１の
幅より大きくすることにより、表皮下空洞２４に
保持された蒸気及び液がより安定的に存在するよ
うになる。

第６図に、本発明の他の実施例を示す。本実施
例は、畝状に形成された焼結粒子層１１とこの焼
結粒子層１１部を覆う表皮１２とを伝熱壁１０上
に大小の間隔で交互に組み合わせて構成して得ら
れる多孔質伝熱面の一例を示す。

間隔の大きい方に形成された表面開口２７は、
この表面開口２７を通して外表面と連結された表
皮下空洞２５を有する。また、同様に、間隔の小
さい方に形成された表面開口２６は、表皮下空洞
２４を有する。焼結粒子層１１内で発生した蒸発
蒸気は、外表面までの蒸気の流動抵抗が小さい、
大きい表面開口２７と連通している表皮下空洞２
５に導かれる。そこで、一定時間捕捉された後、
気泡となつて大きい表面開口２７より外表面へ放
出される。一方、大きい表面開口２７からの発泡
に伴つて、小さい表面開口２６を通して表皮下空
洞２４内に沸騰液が流入する。表皮下空洞２４内
に導かれた沸騰液は、畝状の焼結粒子層１１の内
部を毛細管現象で伝わりながら、表皮下空洞２４
の側壁全面を濡らすように広がる。本実施例によ
ると、大きい表面開口２７から蒸気が放出され、
小さい表面開口２６から沸騰液が流入するという
様に、気液の流出入路を分離することができ、気
液の流れが安定したものとなる。

第７図に、本発明の他の実施例を示す。本実施
例は、第５図に示した実施例の表皮１２に複数個
の開孔２８を設けたものである。表皮１２に開孔
２８を設けることにより、表面開口２３からは蒸
気泡が放出され、開孔２８からは沸騰液が吸引さ
れる。したがつて、気液の流出入口が分離され、
その流動が安定となる。また、第６図に示す実施
例のように、表皮１２の間隔で沸騰液の流入量を
コントロールするものではないため製作が容易に
なる。

第８図に、本発明の他の実施例を示す。本実施
例は、第５図に示した実施例の表面開口２３部を
形成する表皮１２を波形にしたものである。表皮
１２を波形にすることにより、同一列上に、大表
面開孔３０と小表面開孔２９が形成される。大表
面開孔３０からは蒸気泡が放出され、小表面開孔
２９からは液が吸引される。したがつて、気液の
流出入口が分離され、その流動が安定となる。ま
た、第６図に示す実施例のように、表皮１２の間
隔で開口幅をコントロールするものではないため
製作が容易になる。

第９図に、本発明の他の実施例を示す。本実施
例は、畝状に形成された焼結粒子層１１の上部を
傾斜させ、この傾斜した焼結粒子層１１部を覆う
表皮１２を伝熱壁１０上に構成して得られる多孔
質伝熱面の一例を示す。この表皮１２は、伝熱壁
１０との間に上部が傾斜した焼結粒子層１１によ
つて、大きい側面開口３１、小さい側面開口３２
を形成する。大きい側面開口３１からは蒸気泡が
放出され、小さい側面開口３２からは沸騰液が吸
引される。したがつて、気液の流出入口が分離さ
れ、その流動が安定となる。

第１０図に、本発明の他の実施例を示す。第８
図に示した実施例では表面開孔２９，３０を連通
していたが、本実施例では表面開口を、個々に独
立させ、より制限された表面開孔３３としたもの
である。表面開孔３３をより制限することによ
り、蒸気泡の放出に対する抵抗が増加する。した
がつて、より多くの蒸気を表皮下空洞２４内に捕
捉することができ、表皮下空洞２４内の圧力が上
昇すると共に、蒸気泡の放出に伴う圧力変動幅が
大きくなる。このため、沸騰液の表皮下空洞２４
内への流入が制限されると共に、蒸気泡の放出分
に見合つた液量のみが流入することになり、表皮
下空洞２４及び焼結粒子層１１内が液で満たされ
るという状態を回避することができる。これによ
り、特に、多孔質層内での蒸発量が少なく、層内
が液で埋まつてしまうような低熱流束下において
も高い伝熱性能を維持できる。

第１１図に、本発明のさらに他の実施例を示
す。第９図に示した実施例では側面開口３１，３
２を焼結粒子層１１の上部を傾斜させて形成して
いたが、本実施例では表皮３４で焼結粒子層１１
の側面も覆つている。表皮３４で覆う焼結粒子層
１１の側面の大きさを変えることで、蒸気泡が放
出される大きい側面開口３７、沸騰液が吸引され
る小さい側面開口３６が形成される。表皮３４の
各間には、伝熱壁１０が底面となる矩形溝３５が
形成される。したがつて、気液の流出入口が分離
され、その流動が安定となる。また、沸騰液は、
最も温度の高い伝熱壁１０に沿つて小さい側面開
口３６から焼結粒子層１１内に流入するため、蒸
発性能が向上する。

第１２図に、本発明の他の実施例を示す。第１
１図に示した実施例では側面開口３６，３７を焼
結粒子層１１の側面を覆う表皮３４の大きさによ
つて形成していたが、本実施例では、表面に複数
個の開孔２８、両側壁に複数個の切欠き３８を有
する表皮３４で焼結粒子層１１を全体的に覆つた
ものである。焼結粒子層１１内で発生した蒸発蒸
気は、表皮３４の下面で捕捉された後、気泡とな
つて表面に設けた開孔２８から放出される。一
方、沸騰液は、開孔２８からの発泡に応じて、表
皮３４の両側壁に設けた切欠き３８から焼結粒子
層１１内に流入する。したがつて、気液の流出入
口が分離され、その流動が安定となる。また、沸
騰液は、最も温度の高い伝熱壁１０に沿つて、セ
ルフコントロールされながら表皮３４の両側壁に
設けられた切欠き３８から焼結粒子層１１内に流
入するため、蒸発性能が向上する。

上記の実施例で示した多孔質伝熱面は、液不浸
透性部材から成る短冊状の薄板の上に焼結粒子層
を形成し、伝熱壁上に焼結粒子層を下にして貼り
付けることにより製作することができる。特に、
伝熱壁がパイプ状の場合、第１３図に示すよう
に、焼結粒子層１１を形成したテープ状の薄板４
０を伝熱壁１０に巻き付けるという操作で、簡単
に高い伝熱性能を有する多孔質伝熱管が得られ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、液を蒸発させ蒸気を生成する
部分と、蒸気を気泡として放出する部分及び液を
供給する部分を分離することができ、更に、気泡
の流出流量が必要量に応じてセルフコントロール
できるため、多孔質層内が液で満たされてしまつ
たり、蒸気で満たされてしまうという状態を防ぐ
ことができ、広い熱流束範囲で高い伝熱性能を有
する多孔質伝熱面を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は多孔質伝熱面における沸騰モデル図、
第２図〜第４図は各々本発明による多孔質伝熱面
の実施例を説明する斜視断面図、第５図〜第１２
図は各々本発明による多孔質伝熱面の実施例を説
明する斜視断面図である。第１３図は本発明によ
る多孔質伝熱面をパイプに巻きつけて製作する場
合の一例を示す正面図である。 １０…伝熱壁、１１…焼結粒子層、１２…表
皮、１３…開孔、１４…スリツト状の狭い〓間、
１５…帯状の薄板、２３…表面開口、２４…表皮
下空洞。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱を伝える多孔質伝熱面において、伝熱壁上
   に形成された多孔質粒子層の上部の一部を規則的
   に覆う発泡抑制部材よりなる表皮を設け、該表皮
   に溝または孔を形成し、該表皮と前記伝熱壁間に
   前記多孔質粒子層を保有したことを特徴とする多
   孔質伝熱面。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記発泡抑
   制部材は帯状の薄板であつて、該帯状の薄板を互
   いに離隔して形成したことを特徴とする多孔質伝
   熱面。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記発泡抑
   制部材を、多数の制限された開口部を有する多孔
   板としたことを特徴とする多孔質伝熱面。 ４ 熱を伝える多孔質伝熱面において、伝熱壁上
   に畝状に離隔して多孔質粒子層を設け、前記畝状
   の多孔質粒子層を覆う液不浸透性の帯状の薄板を
   設け、該帯状の薄板または薄板間に前記多孔質粒
   子層と連通する溝または孔を形成したことを特徴
   とする多孔質伝熱面。 ５ 特許請求の範囲第４項において、前記液不浸
   透性部材から成る帯状の薄板で覆われた多孔質粒
   子層の畝間隔を交互に大小としたことを特徴とす
   る多孔質伝熱面。 ６ 特許請求の範囲第４項において、前記液不浸
   透性部材から成る帯状の薄板に長手方向に一定の
   間隔で波形の切欠きを設けたことを特徴とする多
   孔質伝熱面。 ７ 特許請求の範囲第４項において、前記液不浸
   透性部材から成る帯状の薄板で覆われた多孔質粒
   子層の上部を傾斜させたことを特徴とする多孔質
   伝熱面。 ８ 特許請求の範囲第４項において、前記液不浸
   透性部材から成る帯状の薄板に前記畝状の多孔質
   粒子層間で個々に独立した開孔を設けたことを特
   徴とする多孔質伝熱面。 ９ 特許請求の範囲第４項において、前記畝状の
   多孔質粒子層の側壁部も前記液不浸透性部材から
   成る帯状の薄板で大きさを変えて覆つたことを特
   徴とする多孔質伝熱面。 １０ 特許請求の範囲第４項において、前記畝状
   の多孔質粒子層の上部に開孔、側壁部に切欠きが
   設けられるように前記液不浸透性部材から成る帯
   状の薄板で全体的に覆つたことを特徴とする多孔
   質伝熱面。