JPS6183895A - 伝熱面およびその製造方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は低沸点媒体を作動流体としたランキンサイクル
の蒸発器、冷凍機の蒸発器、電子機器の冷却器および原
子力発電プラントの蒸気発生器などの熱交器の伝熱面お
よびその製造方法に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、最も広く用いられている蒸発器は、多数の円管を
円筒形用の内部に収納した、いわゆるシェルチューブ形
式の熱交換器である。この熱交換器は、前記円筒形胴内
部に作動流体の低沸点媒体液を充満させ、前記円筒形胴
内の円筒表面から媒体液を沸騰させる形式のものである
。

近年は廃熱、地熱および海洋温度差などの温度差エネル
ギーの有効利用をはかるために、低沸点媒体を作動流体
としたランキンサイクル発電プラントが注目され、さら
に高性能である、いわゆる薄膜式蒸発器が提案されてい
る。

上記蒸発器は伝熱面上に低沸点媒体液の薄液膜を形成し
、これを蒸発させる方式である。すなわち第７図に示す
ように水平に設置した任意数の伝熱管２に、この上方よ
り液１をスプレー状に降り注ぎ、伝熱管２の外周面に液
膜４を形成させる。

この液膜４からの蒸発伝熱機構は、まず伝熱管２内を流
通する加熱流体５から管壁に熱が伝達され、この熱は管
壁内部、管壁と液膜との境界面６および液膜４を経て液
膜表面７に達し、との液膜表面７における蒸発潜熱を供
給する作用を行う。

この際、伝熱管２の表面上の液［４を薄く保つことがで
きれば、熱流に対する液膜部分の抵抗が城少し、熱伝達
率を向上させることができる。

化学工業および食品工業などで用いられる薄膜蒸発器は
第８図に示すように、垂直な円管２の外周に液の薄［４
を形成して流下させて蒸発させるものである。例えば果
汁の濃縮のように、液と加熱面との接触時間を短くし、
液の品質劣化を防止する場合に適用されている。

さらに、第９図に示すように加熱流体５が流通する偏平
管８を積層してなる熱交換器９では、この上方より液１
を流下させて熱交換器９の側面上に形成される簿膜４上
で蒸発が行われる。このように偏平管８を積層すること
により、熱交換器の小形化をはかることができる。また
薄膜蒸発を利用した熱交換器では、伝熱面の構造として
多孔伝熱面を用いることにより、伝熱性能を高めること
ができる。前記多孔伝熱面は１機械的加工によるものお
よび微細粒子を焼結したものなどが利用されている。

現在では上記の機械的加工法と焼結法の優劣の差異は明
確でない、ｖｌ細粒子を焼結する方法は。

特公昭４９−４７３４９号、特公昭４９−４７３５０に
記述さ九でいるように、沸騰液の種類２作動状況に応じ
て高い伝熱性能かえられる粒子径１粒子層の厚さおよび
空隙率などの最適値が異なり１品質管理をかなり厳格に
行わねばならない。また前記文献では。

熱伝導性の良好な金属板上に金属粉粒を散布し。

所定の粒子層厚さを形成させた後、炉内において、無加
圧状態で焼結を行っている。この際、金属粒子の平均粒
径はメツシュにより揃えられるが、粒径が小さすぎると
金属粉粒を散布するときに、粒子は飛散するから焼結層
の生産性が低下する。一方、粒径が大きすぎると、粒子
の飛散は起りにくいが、金属板上で一様な厚さで粒子層
を設けることが容易でなく、品質管理は困難となる恐れ
がある。

また、従来より伝熱表面に水の薄膜流を形成し、この薄
液膜を蒸発させる薄膜蒸発熱伝達では、プール沸騰熱伝
達より伝熱性能が向上することは既に公知である。

一方、フレオンなどの有機冷媒により、上記の薄膜蒸発
熱伝達を行うとする場合には、フレオン液の蒸発潜熱、
比熱および熱伝導率などが水に比べて小さいため、水の
場合はど伝熱促進効果が現われないと考えられてきた。

ところが、エメリー＃　１０００で磨かれた平滑面を用
い、大気圧状態下の飽和フレオンＲ−１１を作動流体と
して、薄膜蒸発を行わせた結果によると、プール沸騰の
場合に比べて、特に熱流束が小さい領域で高い熱伝達率
かえられている。

一方、上記薄膜蒸発熱伝達の伝熱面に平滑面を用いた場
合、伝熱面上での冷媒液膜の広がり性が悪い。したがっ
て、伝熱面上に乾いた部分ができ易いため、多くの液冷
媒を伝熱面上に流さなければならない。このため、伝熱
面上での冷媒液膜の広がり性を良好にし、できるだけ少
ない液流量でも乾いた部分が伝熱面上に現われにくく、
高い伝熱性能を有する伝熱面が必要となる。

このような伝熱面として、冷媒液をその表面張力で引き
込み、伝熱面上の隅々まで冷媒液膜を形成する多孔質伝
熱面が考えられる。平滑面に比べて飛刈的に高い性能を
示しているし、また、多孔質伝熱面は流下液流量の影響
をあまり受けず、安定した性能を維持でき熱交換器の設
計上、優れた特性を有している。

〔発明の目的〕

本発明は上記にかんがみ焼結多孔質伝熱面を利用し、は
ぼ一様な高い伝熱性能をうろことができ、かつ生産性と
品質管理の優れた伝熱面およびその製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するために、伝熱壁面に沿って
冷媒液を流下させて、前記伝熱壁面上に薄液膜流を形成
し、この薄液膜の蒸発により前記伝熱壁面を冷却するよ
うにした熱交換器において、前記伝熱壁面上に１００〜
３００μｍの直径の金属粉粒を焼結してなる焼結多孔質
層を形成して伝熱面を構成したことを特徴とする。

一方、上記伝熱面の製造方法は、前記伝熱壁面上に１０
０〜３００μｍの直径の金属粉粒を焼結して厚さ０，９
〜１．１ｍｍの焼結多孔質層を形成すると共に、その焼
結多孔質の空隙率を２０〜５０％に構成することを特徴
とする。

【発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面について説明する。

第１図は本実施例を適用した熱交換器の斜視図で、２は
加熱流体５の流通する伝熱管、３は伝熱管２の外周面上
に１００〜３００μｍの直径の金属粉粒を焼結して形成
された焼結多孔質層、４は伝熱管２の上方より流下され
た冷媒液１により。

前記多孔質層の外側面に形成された薄液膜である。

上記のような構成からなる伝熱管の伝熱面の製造方法に
ついて下記に詳述する。

まず、アルミニウム粉末を標準ふるいにより粒子径の一
様な粒子群を選び、この粒子群を金属板上に散布して一
様な厚さの粒子層を形成し、炉内で焼結して前記金属板
上に焼結多孔質層を形成する。このようにして試作した
５種類の伝熱管の伝熱面の構造特性を下記表に示す。

第　　１　　表 上記第１表において１例えば供試伝熱面Ｎａ　ｌの場合
、２００〜８５０μｍの間の粒子数が全体の９５％存在
する１粒径分布欄の上段と下段は、標準ふるいのメツシ
ュ数および粒径存在パーセントをそれぞれ示す。すなわ
ち３０〜４０メツシュ間に３８，３％、４０〜７０メツ
シュ間に１７．８％それぞれ存在し、７０メツシユ以下
が０．５　　％存在する。そして焼結多孔質の厚さは１
．、ｉｎ＋ｍである。

例えば、Ｎα１の場合、まず平均粒度３０メツシユのＡ
ｆｌ−１％Ｍｇ−０，１％５ｉ−１−％Ｃｕ−０，２％
ＭｎのＡｆ１合金粉をベース材とし、これ１００重量部
に対し、平均粒度１５０メツシユのＡＱ−２０％Ｍｇの
ＡＱ合金粒を粉粒状材とし、これ２５重量部添加し、混
合した後、金属平板（この場合アルミニウム板）に散布
し、セラミック製容器の中に入れる。この場合、ベース
材の融点は６５３℃であり、粉粒状材の融点は５７０℃
。

あり、６００〜６２０℃の範囲において加熱し、完全な
水素雰囲気（露点−５０℃）特に、水素を流動させつつ
焼結した。

この結果得られた多孔質焼結体の空隙は全て連通してお
り、空隙率は５５％であった。Ｎａｌ以外の場合も同様
にして焼結する。そのときの空隙率を表１に示す。

前記第１表の各伝熱面を製作した焼結粉粒の粒度分布は
第２図に示すとおりで、横軸は粒子径を。

縦軸は各粒子径の頻度（百分率）をそれぞれ表わす０図
中の１０、〜１４は供試伝熱面＆１〜＆５の粒径分布を
示す曲線である。

前記焼結に使用する金＠（この場合はＡｎ）は、Ａｎも
しくはＡＩ２合金の粉粒状ベース材と、このベース材よ
りも少なくとも融点が１０℃低く、かつ粒子径の細かい
ＡＱ合金の粉粒状であり、この粒子径の異なる２種類の
粉粒状材を混合して金属平板に散布し１粒子層厚さを１
ｍ＋ｗに制御する。散布するときに１粒子径がほぼ１０
０μｍ以下であると、焼結すべき金属板面以外の場所へ
飛散する量が飛」的に増加し、粒子径が小さいほど、そ
の量が増大するため生産性が悪い。

一方、粒子径が約２００〜３００μｍ程度を超えると、
散布する手段によってのみでは、金属板上の粒子層厚さ
を一様にすることは困戴となる。

ある程度に一様な面をえようとすると、満足すべき粒子
層厚さを形成する金属板面精が狭くなる。

このため、粒子径が２００〜３００μｍ以上の場合には
、生産性あるいは品質管理の見地からみると劣ってくる
。

上記のように金属平板に散布後、前記ベース材の融点よ
り少なくとも１０℃低く、かっ細粉粒の融点よりも高い
温度で、実質的に無加圧状態において非酸化性雰囲気中
で焼結する。このようにしてえられた焼結多孔質層の空
隙はすべて連通しており、空隙率は約２０〜５０％程度
であった。

次に供試伝熱面を用いて、沸騰液フレオンＲ−１１およ
び大気圧下のプール沸騰実験を行ったところ、第３図に
示すような結果かえられた。同図の曲Ｍｃ１６〜２０は
前記表の供試伝熱面＆１〜Ｎα５の大きさが２０Ｘｂ 曲線である。また、第３図の横軸には温度差ΔＴ、すな
わち伝熱面表面温度と沸騰液の温度との温度差が、縦軸
には単位面積（投影面積）当りに伝わる熱量がそれぞれ
とられている。参考までに焼結層を設けない平滑面の場
合の沸騰曲線を１５に示す。第３図より明らかなように
、プール沸騰においては、曲線１７〜１９すなわち供試
伝熱面２〜４では高い伝熱性能かえられ、性能の異なり
方も小さく一様に高性能である。

第４図は第２図の粒子径分布がら各試験伝熱面構造の平
均粒子径を求め、平均粒子径と伝熱性能の関係を表わし
たものである。縦軸の熱伝達率（Ｗ／ｍ２．’ｃ）は単
位伝熱面および単位温度差（伝熱壁面と沸騰液との温度
差）当りに伝えられる熱量であり、熱伝達率が高い伝熱
面はど伝熱性能が高い６温度差ΔＴをパラメータにとり
、ΔＴが０．５　　℃と２℃の場合を示している。ΔＴ
＝２℃のときには、曲線２２で示すように平均粒子径が
約１００〜３５０μｍの範囲で高い伝熱性能かえられる
。また１、ＪＴ＝０．５　℃のときには１曲線２１で示
すように平均粒子径が１５０〜２５０μｍの範囲で高い
伝熱性能がえら九る。このように最も高い伝熱性能かえ
られる粒子径の最適値の範囲が存在する。

最近の石油代替エネルギーの開発が進むなかで。

廃熱回収あるいは地熱および海洋温度差などを利用し、
電気エネルギーをうる方式が幾つが検討されている。こ
の場合、低沸点有機媒体を作動熱媒体としてタービンを
駆動するわけであるが、高温源側と低温源側の温度差が
小さいために、発電効率が従来の火力発電に比べて極端
に低い０発電効率を高めるには、低沸点有機媒体を蒸発
あるいは凝縮させる熱交換器における２流体間の温度差
をできるだけ小さくして、タービン駆動部での温度落差
をつける必要がある。

したがって１例えば蒸発器においては、伝熱管の管壁温
度と熱媒体である低沸点有機媒体温度との温度差をでき
るだけ小さくしたい。ところが。

前記第１表に示す最適な粒子径で構成された供試伝熱面
Ｎａ　２〜Ｈａ　４は、同表の伝熱性能の低い伝熱面Ｎ
α１．５に比べて横＠（第３図）の温度差が小さくなる
と、縦＃（第３図）の伝熱性能（熱流束）は急激に低下
する。

上記Ｎα２〜Ｎｃ４の伝熱面で薄膜蒸発伝熱を行わせる
と１次に述べる理由により小温度差域でも高い性能かえ
られる。

すなわち、薄膜蒸発熱伝達において、伝熱面から流下液
膜への熱の輸送機構には、次の４項目の形態がある。

（１）　４２面における気泡の成長と離脱に伴う熱伝達
（核沸騰熱伝達）による熱移動、 （２）壁面から液膜流への強制対流熱伝達による熱移動
、 （３）液膜表面からの蒸発による潜熱移動、（４）蒸気
泡が気液界面から放出される際に発生する液滴による顕
熱移動、 上記の各熱移動は、それぞれが単体として働くのではな
く、相互に作用して熱移動を促進する。

ところが、このような薄膜蒸発伝熱の場合、伝熱面表面
温度と１作動流体との温度差が小さくなると、伝熱壁面
からの気泡生成は相対的に少なくなるので、上記４項目
の伝熱機構のうち、第１゜第４項目による熱移動は小さ
くなる。

すなわち、第２項目の液膜流の強制対流熱伝達および第
３項目の液膜表面からの蒸発による熱移動が強力となる
。この両者は、液膜流が薄くなるほど、熱抵抗が減少す
る性質を有しており、温度差が小さいほど、前記性質が
有効に働き、プール沸騰熱伝達に比べて、その効果が顕
著である。

第５図はアルミニウム粒子を焼結した伝熱面のプール沸
騰熱伝達と、同伝熱面を垂直に配列して上方からフレオ
ンＲ−１１の薄膜流を流下させた場合の薄膜蒸発熱伝達
との伝熱性能を比較して示したもので、流下液流量Ｐが
Ｐ　＝　０．２６４ｋｇ／　ｍｓの場合である。同図の
曲線２３は前記伝熱面のプール沸騰熱伝達性能を、曲線
２４は前記伝熱面の薄膜蒸発熱伝性能をそれぞれ示す、
予期通り温度差ＡＴが小さい場合には、伝熱性能は改善
されており１．ｄＴ＝１°Ｃのときには、熱流束ｑが２
．２倍に、ΔＴ＝０．５　℃のときには、熱流束ｑが３
倍に向上している。

第６図は流下液量Ｐが薄膜蒸発熱伝達に及ぼす影響を示
したもので、流下する液流量Ｐを変えた場合には、熱流
束ｑ（熱伝達率）は２通りの薄膜蒸発熱伝達性能面、ｖ
Ｘ２５，２６をそれぞれ示す。

これらの曲ａ２５，２６は熱流束ｑがそれぞれ１．７Ｗ
／ｃｍ２．ｏ、８７Ｗ／ａｍ”場合である。

上記流下液流量Ｐがある限界値以上の場合、熱伝達率は
前記Ｐの値によらずにほぼ一定の値かえられ、限界値以
下になると急激に熱伝達率が低下する。この限界値は、
伝熱面上に乾き面が発生を開始する点である。第６図は
伝熱面の垂直長さが３０ｃ＋ｎの場合、すなわち垂直長
さが３０ｃｍの伝熱面に熱流束ｑ”１．７Ｗ／Ｃｍ”の
熱を伝える場合には、伝熱面の単位水平長さ当りの流下
液流量Ｐの値が、Ｐ＝０．０５〜０．０６　（ｋｇ／ｍ
ｓ）付近で伝熱面上に乾き面が発生することになり、こ
の値よりも流下液流量を減少すると、乾き面の面積が広
がり伝熱性能の低下を招く。

薄膜蒸発を利用する場合には、上記限界値以上の液量を
伝熱面上に流下させて作動させなければならない。この
限界値は当然に熱流束によっても影響を受ける。すなわ
ち熱流束が高ければ、伝熱面からの液の蒸発量が増加す
るため、熱流速が低い場合に比べれば、流下液流量の限
界値は高い値を示す。

したがって、焼結伝熱面を薄膜蒸発に利用する場合には
、伝熱量の長さと熱流束に応じた流下液流量を選定する
必要がある。焼結伝熱面は伝熱面構造内に設けられた微
細通路の毛細管力によって液が伸張するため、平滑面お
よび溝付面に比べると乾き面が発生することが困難であ
る。

実験によれば、乾き面が発生する限界流下液流量は蒸発
液量の約１．１〜１．２倍である。例えば第１図に示す
ように、歪面伝熱管２の上方から液１を流下させる場合
、伝熱面から加熱されて薄液膜４が蒸発するため、流下
液流量は最上段が一番多く流下方向に向って減少するの
で、最下部の流下液流量が一番少ないから乾き面を発生
し易い。

したがって、垂直伝熱面最下部の流下液流量が、最下部
の蒸発液ｉ（最下部の熱流束×最下部の伝熱面績／蒸発
潜熱に等しい量）よりも１０〜２０％多くなるように最
上段から振りかける流下液流量を選定すればよい。

水平円管により管群を構成した場合（図示せず）には、
管群の上部から熱媒体液が振りかけられ、水平伝熱管上
を下方に向って流下されるため、各伝熱管表面から液冷
媒が蒸発するので、管群中の最下段に位置する伝熱管に
おける流下液流量が最も減少する。したがって、この場
合には、最下段の伝熱管の流下液流量が上記の限界液量
よりも多くなるように最上段への振りかけ流量を選定す
ればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、１００〜３００
μｍの金属粉粒により、金属板上（壁面上）に０．９〜
１゜ｌｌｌｌ１１の焼結多孔層を形成することにより、
はぼ一様な高い伝熱性能を有し、かつ生産性と品質管理
の優れた伝熱面をうろことができる。また、薄膜蒸発式
の伝熱面として使用することにより、高い伝熱性能を前
記多孔層により安定にうろことができるばかりでなく、
壁面と作動流体間の温度差が小さくなっても、高い伝熱
性能をうろことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の伝熱面の一実施例を適用した垂直円管
の斜視図、第２図および第３図は同実施例の粒径分布説
明図および沸騰曲線の説明図、第４図は同実施例の平均
粒子径と熱伝達率との関係を示す説明図、第５図は同実
施例の薄膜蒸発熱伝達の一例を示す図、第６図は同実施
例の流下液流量と熱伝達率との関係を示す図、第７図お
よび第８図と第９図は従来の伝熱面を適用した各従来例
の縦断面図および斜視図である。 １・・・冷媒液、２・・・熱交換器、３・・・焼結多孔
質層、４・・・薄液膜流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、伝熱壁面に沿つて冷媒液を流下させて、前記伝熱壁
   面上に薄液膜流を形成し、この薄液膜の蒸発により前記
   伝熱壁面を冷却するようにした熱交換器において、前記
   伝熱壁面上に１００〜３００μｍの直径の金属粉粒を焼
   結してなる焼結多孔質層を形成したことを特徴とする伝
   熱面。 ２、伝熱壁面に沿つて冷媒液を流下させて、前記伝熱壁
   上に薄液膜流を形成し、この薄液膜の蒸発により前記伝
   熱壁面を冷却するようにした熱交換器において、前記伝
   熱壁面上に１００〜３００μｍの直径の金属粉粒を焼結
   して焼結多孔質層を形成すると共に、その焼結多孔質の
   空隙率を２０〜５０％に構成することを特徴とする伝熱
   面の製造方法。 ３、上記焼結金属は、アルミニウムまたはアルミニウム
   合金の粉粒状ベース材と、このベース材よりも融点が少
   なくとも１０℃低く、かつその粒子径より小径のアルミ
   ニウム合金の粉粒状材とを混合して生成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の伝熱面の製造方法。 ４、上記ベース材の融点よりも少なくとも１０℃低く、
   かつ上記細粉粒の融点よりも高い温度で、しかも実質的
   に無加圧状態において非酸化性雰囲気中で焼結すること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の伝熱面の製造
   方法。