JP7811491B2

JP7811491B2 - evaporator

Info

Publication number: JP7811491B2
Application number: JP2022040071A
Authority: JP
Inventors: 知寿若杉; 英晃大川
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2026-02-05
Anticipated expiration: 2042-03-15
Also published as: JP2023135058A

Description

本発明は、蒸発器に関する。 The present invention relates to an evaporator.

高温水蒸気を電気分解することにより水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyser Cell：固体酸化物形電解セル）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された水素製造装置では、外部熱源である原子炉から供給される９００℃の熱との熱交換により予熱された水蒸気がＳＯＥＣへと供給される。 SOECs (Solid Oxide Electrolyzer Cells) are known that produce hydrogen by electrolyzing high-temperature steam (see, for example, Patent Document 1). In the hydrogen production device described in Patent Document 1, steam is preheated by heat exchange with 900°C heat supplied from a nuclear reactor, which is an external heat source, and is then supplied to the SOEC.

特開２０１０－９０４２５号公報JP 2010-90425 A

原子炉のような高温熱源を利用すると、沸騰により液体の水から蒸気を生成できる。しかしながら、沸点よりも多少温度が高い中温熱源を利用すると、沸騰ではなく蒸発が主体となって、液体の水から蒸気が生成される。そのため、中温熱源を利用する蒸発器では、液体の水から蒸気を生成するための流路が長くなり、蒸発器が大型化してしまう。 When using a high-temperature heat source such as a nuclear reactor, steam can be generated from liquid water by boiling. However, when using a medium-temperature heat source, which is slightly higher than the boiling point, steam is generated from liquid water mainly through evaporation rather than boiling. As a result, in evaporators that use medium-temperature heat sources, the flow path for generating steam from liquid water becomes longer, resulting in a larger evaporator.

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、蒸発により蒸気を生成する蒸発器の大型化を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve at least some of the above-mentioned problems, and aims to prevent the evaporator that generates steam through evaporation from becoming larger.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させる螺旋状のフィンであり、前記流路形成部とは別体で形成され、前記流体の流れ方向を前記流路形成部の内壁に向かわせる力を発生させる、蒸発器。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する第１の方向の旋回流を発生させる第１フィンと、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる第２フィンであって、前記第１フィンよりも前記流路の下流側に配置された第２フィンと、を有する、蒸発器。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記流路における前記構造物よりも上流側の前記流路形成部の内壁は、親水化処理されている、蒸発器。蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部であって、前記管の内壁が親水化処理された流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備え、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させる螺旋状のフィンであり、前記流路形成部とは別体で形成され、前記流体の流れ方向を前記流路形成部の内壁に向かわせる力を発生させる、蒸発器。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。 The present invention has been made to solve at least part of the above-mentioned problems, and can be realized in the following form: An evaporator comprising: a flow path forming portion having a tubular shape and forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows, and a structure disposed within the flow path and connected to the flow path forming portion to enable heat exchange between the flow path forming portion and the flow path forming portion, the structure generating a flow intersecting the flow direction of the fluid flowing through the flow path, the structure being a spiral fin generating a swirling flow intersecting the flow direction of the fluid, the structure being formed separately from the flow path forming portion, and generating a force that urges the flow direction of the fluid toward an inner wall of the flow path forming portion. An evaporator comprising: a flow path forming portion having a tubular shape and forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows; and a structure arranged within the flow path and connected to the flow path forming portion to enable heat exchange between the flow path forming portion and the structure, which generates a flow in the fluid flowing through the flow path that intersects with the flow direction of the fluid, wherein the structure has: a first fin that generates a swirling flow in the fluid flowing through the flow path in a first direction that intersects the flow direction of the fluid; and a second fin that generates a swirling flow in a direction opposite to the first direction, the second fin being arranged downstream of the flow path relative to the first fin. An evaporator comprising: a flow path forming section having a tubular shape, which forms a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows; and a structure disposed within the flow path and connected to the flow path forming section, which is capable of heat exchange with the flow path forming section, and which generates a flow in the fluid flowing through the flow path that intersects with the flow direction of the fluid, wherein an inner wall of the flow path forming section upstream of the structure in the flow path is hydrophilically treated. an evaporator comprising: a flow path forming part having a tubular shape, forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows, the flow path forming part having an inner wall of the tube that has been hydrophilized; and a structure disposed within the flow path and connected to the flow path forming part to enable heat exchange between the flow path forming part and the flow path forming part, the structure causing the fluid flowing through the flow path to flow in a direction intersecting the flow direction of the fluid, the structure being a spiral fin that causes a swirling flow in the fluid flowing through the flow path that intersects the flow direction of the fluid, the structure being formed separately from the flow path forming part and generating a force that urges the flow direction of the fluid toward the inner wall of the flow path forming part.

（１）本発明の一形態によれば、蒸発器であって、管形状を有し、前記管の内側に蒸発対象である流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置され、前記流路形成部と接続されることにより前記流路形成部との間で熱交換が可能な構造物であって、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物と、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, an evaporator includes a flow path forming section having a tubular shape that forms a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows, and a structure that is disposed within the flow path and is connected to the flow path forming section to enable heat exchange with the flow path forming section, and that generates a flow in the fluid flowing through the flow path that intersects the flow direction of the fluid.

この構成によれば、蒸発対象である流体が流れる流路内に、構造物が配置される。流体が構造物に衝突することより、流路内を流れる流体の流れ方向は、流路形成部の内壁に向かう力を受ける。これにより、流路内に構造物が配置されていない場合と比較して、流体は、流路形成部の内壁または構造物に衝突しやすくなる。流体を蒸発させるために流路形成部が加熱されると、流路形成部に接続されている構造物も昇温する。流路内を流れる流体は、加熱された流路形成部の内壁または構造物により衝突しやすくなるため、蒸発しやすくなる。この結果、流路内に構造物が配置されることにより、蒸発していない液滴の発生を抑制して噴霧流域の長さを短縮でき、蒸発器の大型化を抑制できる。 With this configuration, a structure is placed within the flow path through which the fluid to be evaporated flows. When the fluid collides with the structure, the direction of flow of the fluid within the flow path is subjected to a force directed toward the inner wall of the flow path forming portion. This makes it easier for the fluid to collide with the inner wall of the flow path forming portion or the structure compared to when no structure is placed within the flow path. When the flow path forming portion is heated to evaporate the fluid, the structure connected to the flow path forming portion also rises in temperature. The fluid flowing within the flow path is more likely to collide with the heated inner wall or structure of the flow path forming portion, making it easier for it to evaporate. As a result, by placing a structure within the flow path, the generation of unevaporated droplets can be suppressed, shortening the length of the spray flow area and preventing the evaporator from becoming larger.

（２）上記態様の蒸発器において、前記構造物は、前記流路を流れる前記流体に対して、前記流体の流れ方向に交差する旋回流を発生させてもよい。
この構成によれば、流路内を流れる流体に、規則的な旋回流が発生する。これにより、流体に対する圧力損失を抑制した上で、流体を流路形成部の内壁または構造物に衝突させることができる。この結果、流体を流すための動力（例えば、ポンプ動力）を抑制できる
。 (2) In the evaporator according to the above aspect, the structure may generate a swirling flow in the fluid flowing through the flow path, the swirling flow intersecting the flow direction of the fluid.
This configuration generates a regular swirling flow in the fluid flowing through the flow path. This allows the fluid to collide with the inner wall of the flow path forming section or a structure while suppressing pressure loss for the fluid. As a result, the power required to flow the fluid (e.g., pump power) can be reduced.

（３）上記態様の蒸発器において、前記構造物は、前記流路の下流側に配置され、同一方向の旋回流を発生させる螺旋状のフィンであってもよい。
この構成によれば、螺旋状のフィンにより、流路内を流れる流体には同一方向の旋回流が発生する。そのため、流路の横断面内の速度成分が増幅して、液体は、運動量により流路形成部の内壁に更に衝突しやすくなる。本構成では、流路形成部が加熱される場合に、流路形成部の内壁温度は、フィンの温度よりも高くなる。特に、流体の温度が低い場合に、低温のフィンへの液滴付着を抑制しつつ、より高温の流路形成部の内壁への液滴衝突を促進させることができる。これにより、低温のフィンでの捕集液滴の蓄積および液だれの発生を抑制し、高温の内壁への液滴捕集および蒸発を活発化させる。この結果、本構成の蒸発器は、流体の温度が低くても、安定した液滴蒸発性能を発揮できる。すなわち、低圧損で流路内の液滴分布を不均質化できるため、より短い噴霧流域で蒸発が完結し、蒸発器を小型化できる。 (3) In the evaporator according to the above aspect, the structure may be a spiral fin that is disposed downstream of the flow path and generates a swirling flow in the same direction.
With this configuration, the spiral fins generate a unidirectional swirling flow in the fluid flowing through the flow channel. This amplifies the velocity component within the cross section of the flow channel, making the liquid more likely to collide with the inner wall of the flow channel-forming section due to its momentum. With this configuration, when the flow channel-forming section is heated, the temperature of the inner wall of the flow channel-forming section becomes higher than the temperature of the fins. Particularly when the fluid temperature is low, droplet adhesion to the low-temperature fins can be suppressed while droplet collision with the higher-temperature inner wall of the flow channel-forming section can be promoted. This suppresses the accumulation of collected droplets and the occurrence of dripping on the low-temperature fins, and promotes droplet collection and evaporation on the high-temperature inner wall. As a result, the evaporator with this configuration can exhibit stable droplet evaporation performance even when the fluid temperature is low. In other words, the droplet distribution within the flow channel can be made heterogeneous with low pressure loss, allowing evaporation to be completed in a shorter spray region, enabling the evaporator to be made more compact.

（４）上記態様の蒸発器において、前記構造物は、第１の方向の旋回流を発生させる第１フィンと、前記第１の方向とは逆方向の旋回流を発生させる第２フィンであって、前記第１フィンよりも前記流路の下流側に配置された第２フィンと、を有してもよい。
この構成によれば、第１フィンと第２フィンとにより発生する旋回流の向きが逆方向である。そのため、第１フィン以降の下流側では、流路形成部の内壁に衝突する液滴の量が減少し、第２フィンに衝突する液滴の量が増加する。特に、内壁の温度が高い場合に、内壁に液滴が衝突すると、噴霧流中の液滴から発生する蒸気が妨げとなるライデンフロスト現象が発生する。そのため、内壁の温度が高い場合に、噴霧流中の液滴を、高温の内壁の代わりに、内壁よりも低温の第２フィンに衝突させる。これにより、ライデンフロスト現象を発生させずに液滴を蒸発させることができる。この結果、流路の出口からの液滴の吹き抜けを抑制しつつ、熱伝導率を向上させて噴霧域の長さを低減できる。 (4) In the evaporator of the above aspect, the structure may have a first fin that generates a swirling flow in a first direction, and a second fin that generates a swirling flow in a direction opposite to the first direction, the second fin being positioned downstream of the flow path from the first fin.
With this configuration, the swirling flows generated by the first fin and the second fin are oriented in opposite directions. Therefore, downstream of the first fin, the number of droplets colliding with the inner wall of the flow path forming section decreases, while the number of droplets colliding with the second fin increases. In particular, when the temperature of the inner wall is high, droplets colliding with the inner wall cause the Leidenfrost phenomenon, in which the vapor generated from the droplets in the spray flow interferes with the droplets. Therefore, when the temperature of the inner wall is high, the droplets in the spray flow are made to collide with the second fin, which is cooler than the inner wall, instead of the high-temperature inner wall. This allows the droplets to evaporate without causing the Leidenfrost phenomenon. As a result, the thermal conductivity can be improved and the length of the spray area can be reduced while suppressing droplets from passing through the outlet of the flow path.

（５）上記態様の蒸発器において、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、前記第１フィンと前記第２フィンとのそれぞれの厚みは、前記構造物の前記流れ方向における長さと、前記流路の前記横断面における径と、前記第１フィンと前記第２フィンとの熱伝導率と、前記第１フィンの上流側に流入する、前記流体中の液体と蒸気との合計に対する蒸気の割合と、に応じていてもよい。
この構成によれば、第１フィンと第２フィンとのそれぞれの厚みは、構造物の長さなどのパラメータに応じて決定される。液滴が第２フィンに衝突して蒸発すると、第２フィンの表面上の温度が低下する。第２フィンの厚みが小さいと、第２フィンと流体の飽和蒸気温度との温度差が得られずに、液滴が第２フィンの表面で蒸発しないおそれがある。それに対し、本構成では、第１フィンの上流側に流入する蒸気の割合に応じて、構造物の流れ方向における長さと、流路の横断面における径と、第１フィンおよび第２フィンの熱伝導率とを用いて、第１フィンおよび第２フィンの厚みが決定される。すなわち、第１フィンの上流側に流入する蒸気の割合に応じて、第１フィンおよび第２フィンの表面に衝突した液滴を蒸発させるために、第１フィンおよび第２フィンの必要な厚さを設定できる。 (5) In the evaporator of the above aspect, the cross section of the flow path may be circular and have the same diameter throughout the entire flow direction of the fluid, and the thickness of each of the first fin and the second fin may depend on the length of the structure in the flow direction, the diameter of the cross section of the flow path, the thermal conductivity of the first fin and the second fin, and the proportion of steam to the total of liquid and steam in the fluid flowing upstream of the first fin.
According to this configuration, the thicknesses of the first and second fins are determined based on parameters such as the length of the structure. When droplets collide with the second fin and evaporate, the temperature on the surface of the second fin decreases. If the second fin is too thin, the temperature difference between the second fin and the saturated vapor temperature of the fluid may not be sufficient, and droplets may not evaporate on the surface of the second fin. In contrast, in this configuration, the thicknesses of the first and second fins are determined based on the proportion of steam flowing upstream of the first fin using the length of the structure in the flow direction, the diameter of the cross section of the flow path, and the thermal conductivity of the first and second fins. In other words, the necessary thicknesses of the first and second fins can be set based on the proportion of steam flowing upstream of the first fin to evaporate droplets that collide with the surfaces of the first and second fins.

（６）上記態様の蒸発器において、前記流路における前記構造物よりも上流側の前記流路形成部の内壁は、親水化処理されていてもよい。
この構成によれば、構造物よりも上流側の流路形成部の内壁が親水化処理されているため、内壁において固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角が小さくなる。これにより、内壁において液膜の一部が破断して内壁が露出するドライパッチが発生しても、ドライパッチの周りの液膜または液スラグから張力により液体がドライパッチ部分に輸送されて、内壁全体に安定した液膜が形成される。この結果、構造物が配置される流路よりも下流側において、核沸騰の発生や環状流における蒸気せん断力
による液膜からの液滴形成などの直接的な液滴の発生を抑制できる。すなわち、ドライパッチの発生が抑制されるため、流路の長さを短縮でき、蒸発器の大型化を抑制できる。 (6) In the evaporator according to the above aspect, an inner wall of the flow path forming portion on an upstream side of the structure in the flow path may be subjected to a hydrophilic treatment.
According to this configuration, the inner wall of the flow channel upstream of the structure is hydrophilized, which changes the balance of interfacial tension between the solid, liquid, and gas on the inner wall, thereby reducing the contact angle. Even if a dry patch occurs, where a portion of the liquid film breaks on the inner wall and exposes the inner wall, tension transports liquid from the liquid film or liquid slug surrounding the dry patch to the dry patch, forming a stable liquid film on the entire inner wall. As a result, direct droplet formation, such as nucleate boiling and droplet formation from the liquid film due to vapor shear forces in annular flow, can be suppressed downstream of the flow channel where the structure is located. In other words, the suppression of dry patch formation allows for a shorter flow channel length and a smaller evaporator.

（７）上記態様の蒸発器において、前記流路の横断面は、前記流体の流れ方向の全体に亘って同一の径を有する円形状であり、前記流路の前記横断面における径は、キャピラリー数と、前記構造物の上流側に流入する前記流体の流速および液膜の厚みとに応じていてもよい。
この構成によれば、制御したい流体の液膜の厚みを、流路の横断面の径と、流体の粘性力と表面張力とで決定されるキャピラリー数と、流体の流速とを用いて決定できる。スラグ流および環状流で形成され液膜の厚みが薄いほど、ドライパッチの発生や蒸気流のせん断力を起因として発生する液滴を小さくできる。本構成では、蒸発器が生成する蒸気の利用に応じて制御したい液膜の厚みを設定し、圧力損失の増加を抑制した上で流路の横断面の径などのパラメータを設定できる。 (7) In the evaporator of the above aspect, the cross section of the flow path may be circular and have the same diameter throughout the entire flow direction of the fluid, and the diameter of the cross section of the flow path may depend on the number of capillaries, the flow velocity of the fluid flowing into the upstream side of the structure, and the thickness of the liquid film.
This configuration allows the thickness of the liquid film of the fluid to be controlled to be determined using the cross-sectional diameter of the flow channel, the capillary number (determined by the viscosity and surface tension of the fluid), and the flow velocity of the fluid. The thinner the liquid film formed by slug flow and annular flow, the smaller the droplets generated by dry patches and the shear force of the steam flow can be. This configuration allows the thickness of the liquid film to be controlled to be set according to the use of the steam generated by the evaporator, and parameters such as the cross-sectional diameter of the flow channel can be set while suppressing increases in pressure loss.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、蒸発器、蒸気生成装置、水素製造システム、ＳＯＥＣ、蒸気生成方法、蒸発器の設計方法、およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, such as an evaporator, a steam generating device, a hydrogen production system, an SOEC, a steam generating method, an evaporator design method, a system including these devices, a computer program for executing these devices, a server device for distributing this computer program, and a non-transitory storage medium storing the computer program.

本発明の一実施形態としての蒸発器の説明図である。1 is an explanatory diagram of an evaporator according to an embodiment of the present invention; フィンの概略斜視図である。FIG. フィンの効果の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of the effect of the fins. 比較例１の蒸発器の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an evaporator according to Comparative Example 1. 比較例２の蒸発器の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of an evaporator of Comparative Example 2. 比較例２の蒸発器の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of an evaporator of Comparative Example 2. 第２実施形態の蒸発器の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of an evaporator according to a second embodiment. 第２実施形態のフィンの概略斜視図である。FIG. 10 is a schematic perspective view of a fin according to a second embodiment. 温度差と蒸気生成との関係についての説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of the relationship between temperature difference and steam generation. 第２実施形態のフィンの効果の説明図である。10A and 10B are diagrams illustrating the effect of the fins of the second embodiment. フィンの厚みの算出方法の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a method for calculating the thickness of a fin. フィンの厚みの算出方法の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a method for calculating the thickness of a fin. 入口の蒸気クオリティとフィンの厚みとの関係についての説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of the relationship between the steam quality at the inlet and the thickness of the fin. 第３実施形態の蒸発器の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of an evaporator according to a third embodiment. 図１４における領域の概略拡大図である。FIG. 15 is a schematic enlarged view of the area in FIG. 14 . 親水化処理された流路形成部の効果の説明図である。10A and 10B are diagrams illustrating the effect of a flow path forming portion that has been subjected to a hydrophilic treatment. キャピラリー数と無次元液厚みとの関係の説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the relationship between the capillary number and the dimensionless liquid thickness. 代表直径に応じて変化する蒸気変動と平均熱流束との関係についての説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of the relationship between steam fluctuations that change depending on the representative diameter and the average heat flux.

＜第１実施形態＞
１．蒸発器の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての蒸発器１００の説明図である。本実施形態の蒸発１００は、蒸発対象である水が流れる流路１１を形成する流路形成部１０を加熱することにより、液体の水から蒸気を生成する。流路１１内を流れる水に旋回流を発生させるフィン（構造物）２０が配置されている。旋回流が発生した水は、加熱された流路形成部１０の内壁１２と、流路形成部１０に接続されたフィン２０とに衝突しやすくなり、蒸発しやすくなる。この結果、流路１１内を流れる水を蒸発させやすくなり、蒸発器１００の大型
化が抑制される。 First Embodiment
1. Evaporator configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram of an evaporator 100 according to one embodiment of the present invention. The evaporator 100 of this embodiment generates steam from liquid water by heating a flow path forming section 10 that forms a flow path 11 through which water to be evaporated flows. Fins (structures) 20 are provided to generate a swirling flow in the water flowing within the flow path 11. The water that generates the swirling flow is more likely to collide with the heated inner wall 12 of the flow path forming section 10 and the fins 20 connected to the flow path forming section 10, facilitating evaporation. As a result, the water flowing within the flow path 11 is more easily evaporated, and the size of the evaporator 100 is reduced.

図１には、蒸発器１００が備える一部の構成のブロック図と、流路１１の概略断面図とが示されている。図１に示されるように、流路形成部１０と、フィン２０と、流路１１に供給する液体の水を貯留しているタンク４０と、タンク４０から流路１１へと水を供給するポンプ５０と、流路形成部１０を加熱するヒータ３０と、ヒータ３０およびポンプ５０を制御する制御部６０と、を備えている。 Figure 1 shows a block diagram of part of the configuration of the evaporator 100 and a schematic cross-sectional view of the flow path 11. As shown in Figure 1, the evaporator 100 includes a flow path forming section 10, fins 20, a tank 40 that stores liquid water to be supplied to the flow path 11, a pump 50 that supplies water from the tank 40 to the flow path 11, a heater 30 that heats the flow path forming section 10, and a control section 60 that controls the heater 30 and the pump 50.

流路形成部１０は、横断面が円であり、中心軸が直線である管形状を有する。本実施形態では、流路形成部１０が形成する円柱状の入口から出口を結ぶ方向を、流路１１を流れる水の流れ方向として定義している。流路１１の円形の横断面は、流れ方向の全体に亘って同一の径を有している。流路１１のうちの下流側の一部には、図１に示されるように、フィン２０が配置されている。 The flow path forming section 10 has a tubular shape with a circular cross section and a straight central axis. In this embodiment, the direction from the cylindrical inlet to the outlet formed by the flow path forming section 10 is defined as the flow direction of water flowing through the flow path 11. The circular cross section of the flow path 11 has the same diameter throughout the entire flow direction. Fins 20 are arranged in a portion of the downstream side of the flow path 11, as shown in Figure 1.

図２は、フィン２０の概略斜視図である。図２に示されるように、フィン２０は、流路１１内を流れる水に対して、同一方向の旋回流ＤＲ１（図１）を発生させる螺旋状のフィンである。換言すると、フィン２０は、流路１１を流れる水に対して、流れ方向に交差する流れとしての旋回流ＤＲ１を発生させる。フィン２０は、図１に示されていない部分で流路形成部１０の内壁１２と接続している。そのため、ヒータ３０により流路形成部１０が加熱されると、流路形成部１０からフィン２０へと熱が伝わり、フィン２０の温度が上昇する。すなわち、フィン２０は、流路形成部１０と接続されることにより、流路形成部１０との間で熱交換が可能な構造物である。本実施形態では、流路１１の中心軸ＯＬと平行なＺ軸と、Ｚ軸に直交するＸ軸およびＹ軸とを有する直交座標系ＣＳが定義されている。図１に示される直交座標系ＣＳと、図２以降で示される直交座標系ＣＳとは対応している。 Figure 2 is a schematic perspective view of the fin 20. As shown in Figure 2, the fin 20 is a spiral fin that generates a swirling flow DR1 (Figure 1) in the same direction as the water flowing through the flow path 11. In other words, the fin 20 generates a swirling flow DR1 in the water flowing through the flow path 11, as a flow that intersects the flow direction. The fin 20 is connected to the inner wall 12 of the flow path forming section 10 at a portion not shown in Figure 1. Therefore, when the flow path forming section 10 is heated by the heater 30, heat is transferred from the flow path forming section 10 to the fin 20, causing the temperature of the fin 20 to rise. In other words, the fin 20 is a structure that can exchange heat with the flow path forming section 10 by being connected to the flow path forming section 10. In this embodiment, a Cartesian coordinate system CS is defined, having a Z-axis parallel to the central axis OL of the flow path 11 and X- and Y-axes perpendicular to the Z-axis. The Cartesian coordinate system CS shown in Figure 1 corresponds to the Cartesian coordinate system CS shown in Figure 2 and subsequent figures.

図１に示される流路１１の一部では、液体の水と蒸気とが存在する２相域が示されている。流路１１内では、上流側から沸騰域から噴霧域へと変化する。本実施形態では、下流側の噴霧域にフィン２０が含まれるように、制御部６０がポンプ５０およびヒータ３０を制御する。フィン２０により、流路１１の中心軸ＯＬに沿う旋回流ＤＲ１が発生する。旋回流ＤＲ１は、Ｚ軸正方向側から見て、ＸＹ平面上における反時計回りの流れである。 A portion of the flow path 11 shown in Figure 1 shows a two-phase region where liquid water and steam exist. Within the flow path 11, the region changes from a boiling region to a spray region from the upstream side. In this embodiment, the control unit 60 controls the pump 50 and heater 30 so that the fins 20 are included in the downstream spray region. The fins 20 generate a swirling flow DR1 that flows along the central axis OL of the flow path 11. The swirling flow DR1 flows counterclockwise on the XY plane when viewed from the positive Z-axis direction.

制御部６０は、蒸発器１００で生成された蒸気を利用する蒸気利用装置（図１では不図示）からの要求に応じて、流路１１内で生成する蒸気量を決定する。制御部６０は、決定した蒸気量に応じて、ポンプ５０の回転と、ヒータ３０の加熱とを制御することにより、流路１１内を流れる水を蒸気へと生成する。生成された水蒸気は、蒸気利用装置へと供給される。 The control unit 60 determines the amount of steam to be generated in the flow path 11 in response to a request from a steam utilization device (not shown in Figure 1) that utilizes the steam generated in the evaporator 100. The control unit 60 generates steam from the water flowing in the flow path 11 by controlling the rotation of the pump 50 and the heating of the heater 30 in accordance with the determined amount of steam. The generated water vapor is supplied to the steam utilization device.

図３は、フィン２０の効果の説明図である。図３には、流れ方向における長さが１２０ｍｍのフィン２０が配置され、内壁１２の温度が２００℃である場合に、流路１１内における液滴捕集率の変化Ｃ１が実線で示され、圧力損失（Pressure Drop）の変化Ｃ２が破線で示されている。液滴捕集率は、フィン２０の上流側から流入した液滴のうち、フィン２０の下流側で捕集される液滴の割合である。液滴捕集率が小さいほど、より多くの液滴が蒸気として生成されていることを表している。フィン２０は、中心軸ＯＬに沿って４０ｍｍ進むと中心軸ＯＬ回りに１回転している。１回転分のフィンを１セグメントとすると、長さ１２０ｍｍのフィンは、３セグメントのフィンにより形成されている。 Figure 3 is an explanatory diagram of the effect of the fins 20. In Figure 3, when a fin 20 120 mm long in the flow direction is placed and the temperature of the inner wall 12 is 200°C, the change in droplet collection rate C1 within the flow path 11 is shown by a solid line, and the change in pressure drop C2 is shown by a dashed line. The droplet collection rate is the proportion of droplets that flow in from the upstream side of the fin 20 and are collected downstream of the fin 20. A smaller droplet collection rate indicates that more droplets are generated as vapor. The fin 20 completes one rotation around the central axis OL when it travels 40 mm along the central axis OL. If one rotation of the fin is considered one segment, a 120 mm long fin is formed by three fin segments.

図３の横軸は、流路１１内におけるフィン２０上流側（Ｚ軸負方向側）の端部の位置をゼロとした場合の下流側への距離である。図３の液滴捕集率の変化Ｃ１で示されるように、距離が約４０ｍｍの液滴捕集率は１０^-2（１％）であり、距離が約６０ｍｍの液滴捕集率は１０^-3（０．１％）である。すなわち、距離が約６０ｍｍの位置では、９９．９％が
蒸気への気化が完了している。図３の圧力損失の変化Ｃ２で示されるように、流体がフィン２０を通過するまでの圧力損失は約０．５４ｋＰａである。なお、図３に示される数値は、流路１１内の流体の流速Ｖｚが２０ｍ／ｓの条件である。 The horizontal axis of Figure 3 represents the distance downstream from the upstream end of the fin 20 (negative Z-axis direction) in the flow path 11, with zero being the position. As shown by the change in droplet collection efficiency C1 in Figure 3, the droplet collection efficiency at a distance of approximately 40 mm is 10 ^-2 (1%), and the droplet collection efficiency at a distance of approximately 60 mm is 10 ^-3 (0.1%). In other words, at a distance of approximately 60 mm, 99.9% of the droplets have been vaporized into vapor. As shown by the change in pressure loss C2 in Figure 3, the pressure loss until the fluid passes through the fin 20 is approximately 0.54 kPa. The values shown in Figure 3 are for a condition in which the flow velocity Vz of the fluid in the flow path 11 is 20 m/s.

図４は、比較例１の蒸発器１００ｘの概略断面図である。図４には、比較例１の蒸発器１００ｘが備える構成のうち、流路形成部１０の一部の概略断面が示されている。比較例１の蒸発器１００ｘでは、本実施形態の蒸発器１００と比較して、流路１１ｘ内にフィン２０が配置されていない点のみが異なる。本実施形態の蒸発器１００は、フィン２０を備えることにより、フィン２０を備えない蒸発器１００ｘと比較して、流路１１内を流れる水がフィン２０および流路形成部１０の内壁１２に衝突しやすい。そのため、本実施形態の蒸発器１００では、比較例１の蒸発器１００と比較して、水から蒸気を生成するまでに必要な流路１１の長さを短縮できる。 Figure 4 is a schematic cross-sectional view of the evaporator 100x of Comparative Example 1. Figure 4 shows a schematic cross-section of a portion of the flow path forming section 10, which is one of the components of the evaporator 100x of Comparative Example 1. The evaporator 100x of Comparative Example 1 differs from the evaporator 100 of this embodiment only in that fins 20 are not arranged within the flow paths 11x. By providing the fins 20, the evaporator 100 of this embodiment is more likely to cause water flowing within the flow paths 11 to collide with the fins 20 and the inner wall 12 of the flow path forming section 10, compared to the evaporator 100x that does not have fins 20. Therefore, the evaporator 100 of this embodiment can shorten the length of the flow paths 11 required to generate steam from water, compared to the evaporator 100 of Comparative Example 1.

図５および図６は、比較例２の蒸発器１００ｙの説明図である。図５には、比較例２の蒸発器１００ｙが備える構成のうち、流路形成部１０の一部の概略断面が示されている。比較例２の蒸発器１００ｙは、本実施形態の蒸発器１００と比較して、フィン２０の代わりにフィルタ２０ｙを備えている点のみが異なる。フィルタ２０ｙの空隙率εは０．９である。フィルタ２０ｙは、ＸＹ平面において、一辺が１００μｍである正方形の格子を形成している。すなわち、フィルタ２０ｙの目開きＤｐは１００μｍである。なお、比較例２の流路１１ｙの長さと、上記実施形態の流路１１の長さとは同じである。 Figures 5 and 6 are explanatory diagrams of the evaporator 100y of Comparative Example 2. Figure 5 shows a schematic cross section of a portion of the flow path forming section 10, which is one of the components of the evaporator 100y of Comparative Example 2. The evaporator 100y of Comparative Example 2 differs from the evaporator 100 of this embodiment only in that it includes a filter 20y instead of the fins 20. The porosity ε of the filter 20y is 0.9. The filter 20y forms a square lattice with sides of 100 μm in the XY plane. In other words, the mesh opening Dp of the filter 20y is 100 μm. Note that the length of the flow path 11y of Comparative Example 2 is the same as the length of the flow path 11 of the above embodiment.

図６には、図３に示される条件と同条件の場合に、フィルタ２０ｙの厚さに応じた圧力損失が示されている。図６に示されるように、フィルタ２０ｙの流れ方向（Ｚ軸方向）に沿う厚さが５ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍへの増加に応じて、圧力損失が増加する。比較例２では、フィルタ２０ｙの厚さが５ｍｍの場合の圧力損失が１３．１ｋＰａである。一方で、本実施形態の蒸発器１００では、流体がフィン２０を通過するまでの圧力損失が約０．５４ｋＰａであり、比較例２よりも非常に小さい。 Figure 6 shows the pressure loss depending on the thickness of the filter 20y under the same conditions as those shown in Figure 3. As shown in Figure 6, the pressure loss increases as the thickness of the filter 20y along the flow direction (Z-axis direction) increases to 5 mm, 10 mm, and 20 mm. In Comparative Example 2, the pressure loss is 13.1 kPa when the thickness of the filter 20y is 5 mm. On the other hand, in the evaporator 100 of this embodiment, the pressure loss until the fluid passes through the fins 20 is approximately 0.54 kPa, which is much smaller than that of Comparative Example 2.

以上説明したように、本実施形態の蒸発器１００は、流路１１内に配置されたフィン２０を備えている。フィン２０は、流路形成部１０と接続されることにより、流路形成部１０との間で熱交換が可能な構造物である。フィン２０は、流路１１を流れる水に対して、流れ方向に交差する流れを発生させる。本実施形態では、流路１１内を流れる水はフィン２０に衝突することより、水の流れ方向は、流路形成部１０の内壁１２に向かう力を受ける。これにより、流路１１内にフィン２０が配置されていない場合と比較して、流体としての水は、流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０に衝突しやすくなる。水を蒸発させるために流路形成部１０が加熱されると、流路形成部１０に接続されているフィン２０も昇温する。流路１１内を流れる水は、加熱された流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０により衝突しやすくなるため、蒸発しやすくなる。この結果、流路１１内にフィン２０が配置されることにより、蒸発していない液滴の発生を抑制して噴霧流域の長さを短縮でき、蒸発器１００の大型化を抑制できる。 As described above, the evaporator 100 of this embodiment includes fins 20 arranged within the flow path 11. The fins 20 are structures connected to the flow path forming section 10, enabling heat exchange between the fins 20 and the flow path forming section 10. The fins 20 generate a flow that intersects the flow direction of water flowing through the flow path 11. In this embodiment, water flowing within the flow path 11 collides with the fins 20, and the flow direction of the water is subjected to a force toward the inner wall 12 of the flow path forming section 10. This makes it easier for the water as a fluid to collide with the inner wall 12 of the flow path forming section 10 or the fins 20, compared to when the fins 20 are not arranged within the flow path 11. When the flow path forming section 10 is heated to evaporate the water, the fins 20 connected to the flow path forming section 10 also rise in temperature. The water flowing within the flow path 11 is more likely to collide with the heated inner wall 12 of the flow path forming section 10 or the fins 20, making it easier to evaporate. As a result, by placing the fins 20 inside the flow path 11, the generation of unevaporated droplets can be suppressed, shortening the length of the spray area and preventing the evaporator 100 from becoming too large.

また、本実施形態のフィン２０は、流路１１のうちの下流側に配置されている。フィン２０は、流路１１内を流れる水に対して、同一方向の旋回流を発生させる螺旋状のフィンである。本実施形態では、流路１１内を流れる水に、規則的な旋回流が発生する。これにより、水の流れに対する圧力損失を抑制した上で、水を流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０に衝突させることができる。この結果、水を流すための動力（例えば、ポンプ動力）を抑制できる。また、本実施形態では、流路１１内を流れる水に同一方向の旋回流が発生するため、流路１１の横断面内の速度成分が増幅して、液滴は、運動量により流路形成部１０の内壁１２に更に衝突しやすくなる。本実施形態では、流路形成部１０が加熱される場合に、流路形成部１０の内壁１２の温度は、フィン２０の温度よりも高くなる。
特に、水の温度が低い場合に、低温のフィン２０への液滴付着を抑制しつつ、より高温の流路形成部１０の内壁１２への液滴衝突を促進させることができる。これにより、低温のフィン２０での捕集液滴の蓄積および液だれの発生を抑制し、高温の内壁１２への液滴捕集および蒸発を活発化させる。この結果、本実施形態の蒸発器１００は、水の温度が低くても、安定した液滴蒸発性能を発揮できる。すなわち、低圧損で流路１１内の液滴分布を不均質化できるため、より短い噴霧流域で蒸発が完結し、蒸発器１００を小型化できる。 Furthermore, the fins 20 in this embodiment are disposed downstream of the flow path 11. The fins 20 are spiral fins that generate a unidirectional swirling flow in the water flowing through the flow path 11. In this embodiment, a regular swirling flow is generated in the water flowing through the flow path 11. This allows the water to collide with the inner wall 12 of the flow path forming section 10 or the fins 20 while suppressing pressure loss in the water flow. As a result, the power required to move the water (e.g., pump power) can be reduced. Furthermore, in this embodiment, because a unidirectional swirling flow is generated in the water flowing through the flow path 11, the velocity component in the cross section of the flow path 11 is amplified, and the momentum of the droplets makes them more likely to collide with the inner wall 12 of the flow path forming section 10. In this embodiment, when the flow path forming section 10 is heated, the temperature of the inner wall 12 of the flow path forming section 10 becomes higher than the temperature of the fins 20.
In particular, when the water temperature is low, droplet adhesion to the low-temperature fins 20 can be suppressed while droplet collision with the higher-temperature inner wall 12 of the flow path forming portion 10 can be promoted. This suppresses the accumulation of collected droplets and the occurrence of dripping on the low-temperature fins 20, and promotes droplet collection and evaporation on the high-temperature inner wall 12. As a result, the evaporator 100 of this embodiment can exhibit stable droplet evaporation performance even when the water temperature is low. In other words, since the droplet distribution in the flow path 11 can be made non-uniform with low pressure loss, evaporation is completed in a shorter spray region, and the evaporator 100 can be made smaller.

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態の蒸発器１００ａの説明図である。図７には、蒸発器１００ａが備える流路形成部１０の一部の概略断面図が示されている。第２実施形態では、流路１１ａ内に配置されるフィン２０ａの形状が第１実施形態のフィン２０と異なる。そのため、第２実施形態では、フィン２０ａおよびフィン２０ａによる影響について説明し、第１実施形態と同じ構成等についての説明を省略する。 Second Embodiment
7 is an explanatory diagram of an evaporator 100a according to a second embodiment. A schematic cross-sectional view of a portion of the flow path forming portion 10 included in the evaporator 100a is shown in FIG. In the second embodiment, the shape of the fins 20a arranged in the flow paths 11a is different from that of the fins 20 in the first embodiment. Therefore, in the second embodiment, only the fins 20a and the influence of the fins 20a will be described, and a description of the same configuration as in the first embodiment will be omitted.

図７に示されるように、第２実施形態のフィン２０ａは、第１フィン２１と、第２フィン２２とを備えている。第１フィン２１は、第１実施形態のフィン２０と同一方向の旋回流ＤＲ１を発生させるフィンである。一方で、第２フィン２２は、第１フィンが発生させる旋回流ＤＲ１とは逆方向の旋回流ＤＲ２を発生させるフィンである。換言すると、Ｚ軸正方向側から見て、第１フィン２１は、ＸＹ平面上における反時計回りの流れを発生させ、第２フィン２２は、ＸＹ平面上における時計回りの流れを発生させる。なお、旋回流ＤＲ１の向きが第１の方向に相当し、旋回流ＤＲ２の向きが第２の方向に相当する。 As shown in FIG. 7 , the fin 20a of the second embodiment includes a first fin 21 and a second fin 22. The first fin 21 generates a swirling flow DR1 in the same direction as the fin 20 of the first embodiment. On the other hand, the second fin 22 generates a swirling flow DR2 in the opposite direction to the swirling flow DR1 generated by the first fin. In other words, when viewed from the positive Z-axis direction, the first fin 21 generates a counterclockwise flow on the XY plane, and the second fin 22 generates a clockwise flow on the XY plane. The direction of the swirling flow DR1 corresponds to the first direction, and the direction of the swirling flow DR2 corresponds to the second direction.

図８は、第２実施形態のフィン２０ａの概略斜視図である。第２実施形態のフィン２０ａのＺ軸に沿う長さは、第１実施形態のフィン２０と同じ１２０ｍｍである。フィン２０ａは、中心軸回りに半回転する第１フィン２１と、第１フィン２１に連結して中心軸回りに半回転する第２フィン２２とを１つのセグメントとして、３セグメントから構成されている。そのため、１つのセグメントのＺ軸に沿う長さは４０ｍｍである。フィン２０ａが流路１１内に配置された場合に、各セグメントにおいて、第１フィン２１は、第２フィン２２よりも下流側に配置される。 Figure 8 is a schematic perspective view of the fin 20a of the second embodiment. The length along the Z axis of the fin 20a of the second embodiment is 120 mm, the same as the fin 20 of the first embodiment. The fin 20a is composed of three segments, each segment consisting of a first fin 21 that rotates halfway around the central axis and a second fin 22 that is connected to the first fin 21 and rotates halfway around the central axis. Therefore, the length along the Z axis of one segment is 40 mm. When the fin 20a is arranged in the flow path 11, the first fin 21 is arranged downstream of the second fin 22 in each segment.

流路１１ａ内を流れる水の温度と、流路形成部１０の内壁１２またはフィン２０ａとの温度との差に応じて、液体の水から蒸気への蒸発量が変化する。図９は、温度差ΔＴｓと蒸気生成との関係についての説明図である。図９には、内壁１２の温度Ｔｗ（Ｋ：ケルビン）から水の飽和温度Ｔｓ（Ｋ）を差し引いた温度差ΔＴｓを横軸に取り、内壁１２の表面を通過する熱流束ｑｗを縦軸に取った場合の沸騰曲線Ｃ３が示されている。図９に示されるように、温度差ΔＴｓが核沸騰の範囲内の温度であれば、温度差ΔＴｓが上昇するほど、熱流束ｑｗが増加するため、内壁１２との熱交換により液滴から生成される蒸気量が増加する。一方で、温度差ΔＴｓが１００Ｋを超えて蒸気膜沸騰に遷移すると、高温の内壁１２の表面が液滴から蒸発した蒸気に覆われやすくなり、液滴の内壁１２への衝突を阻害するライデンフロスト現象が発生し始める。そのため、蒸気膜沸騰に遷移すると、温度差ΔＴｓが増加しても、熱流束ｑｗが増加せず、生成される蒸気量が減少する。図９に示されるライデンフロスト点Ｐｌのライデンフロスト温度よりも高くなると、温度差ΔＴｓの増加に応じて、生成される蒸気量も増加する。 The amount of evaporation of liquid water into vapor varies depending on the temperature difference between the water flowing through the flow path 11a and the temperature of the inner wall 12 or fin 20a of the flow path forming section 10. Figure 9 illustrates the relationship between the temperature difference ΔTs and vapor generation. Figure 9 shows a boiling curve C3, where the horizontal axis represents the temperature difference ΔTs, calculated by subtracting the saturation temperature Ts (K) of water from the temperature Tw (K: Kelvin) of the inner wall 12, and the vertical axis represents the heat flux qw passing through the surface of the inner wall 12. As shown in Figure 9, if the temperature difference ΔTs is within the range of nucleate boiling, the higher the temperature difference ΔTs, the greater the heat flux qw, thereby increasing the amount of vapor generated from droplets through heat exchange with the inner wall 12. On the other hand, when the temperature difference ΔTs exceeds 100 K and the system transitions to vapor film boiling, the surface of the high-temperature inner wall 12 becomes more likely to be covered with vapor evaporated from the droplets, and the Leidenfrost phenomenon, which inhibits droplets from impinging on the inner wall 12, begins. Therefore, when the temperature transitions to vapor film boiling, even if the temperature difference ΔTs increases, the heat flux qw does not increase and the amount of vapor generated decreases. When the temperature rises above the Leidenfrost temperature at the Leidenfrost point Pl shown in Figure 9, the amount of vapor generated also increases as the temperature difference ΔTs increases.

第２実施形態のフィン２０ａは、異なる向きの旋回流ＤＲ１，ＤＲ２を発生させる第１フィン２１と第２フィン２２とを有している。そのため、流路１１ａ内を流れる水は、フィン２０ａにより、内壁１２ではなくフィン２０ａに衝突しやすくなる。フィン２０ａ温度は、直接加熱されている流路形成部１０の内壁１２の温度よりも低い。そのため、流路形成部１０の内壁１２の温度が高く、温度差ΔＴｓが大きい場合に、内壁１２の代わりに低温のフィン２０ａに液滴を衝突させることにより、液滴が蒸発しやすくなる。 The fins 20a of the second embodiment have a first fin 21 and a second fin 22 that generate swirling flows DR1 and DR2 in different directions. Therefore, the fins 20a make it easier for water flowing through the flow path 11a to collide with the fins 20a rather than the inner wall 12. The temperature of the fins 20a is lower than the temperature of the inner wall 12 of the flow path forming section 10, which is directly heated. Therefore, when the temperature of the inner wall 12 of the flow path forming section 10 is high and the temperature difference ΔTs is large, colliding the droplets with the low-temperature fins 20a instead of the inner wall 12 makes it easier for the droplets to evaporate.

図１０は、第２実施形態のフィン２０ａの効果の説明図である。図１０には、内壁１２の温度が４００℃である場合に、第２実施形態の液滴捕集率の変化Ｃ１ａ（実線）と、圧力損失の変化Ｃ２ａ（破線）とが、図３に対して追加で示されている。なお、図１０では、第１実施形態の液滴捕集率の変化Ｃ１と、圧力損失の変化Ｃ２とが細線で示されている。 Figure 10 is an explanatory diagram of the effect of the fin 20a of the second embodiment. Figure 10 additionally shows, in addition to Figure 3, the change in droplet collection efficiency C1a (solid line) and the change in pressure loss C2a (dashed line) of the second embodiment when the temperature of the inner wall 12 is 400°C. Note that in Figure 10, the change in droplet collection efficiency C1 and the change in pressure loss C2 of the first embodiment are shown with thin lines.

図１０の液滴捕集率の変化Ｃ１ａで示されるように、距離が約３０ｍｍの液滴捕集率は１０^-3（０．１％）未満である。すなわち、距離が約３０ｍｍの位置では、９９．９％が蒸気への気化が完了している。図１０の圧力損失の変化Ｃ２ａで示されるように、水がフィン２０ａを通過するまでの圧力損失は、約１．１ｋＰａであり、図６に示される比較例２のフィルタ２０ｙを配置した場合よりも十分に小さい。 As shown by the change in droplet collection efficiency C1a in Fig. 10, the droplet collection efficiency at a distance of approximately 30 mm is less than ^10-3 (0.1%). In other words, at a distance of approximately 30 mm, 99.9% of the droplets are vaporized into steam. As shown by the change in pressure loss C2a in Fig. 10, the pressure loss until the water passes through the fins 20a is approximately 1.1 kPa, which is significantly smaller than when the filter 20y of Comparative Example 2 shown in Fig. 6 is installed.

次に、フィン２０ａの厚みδ（ｍｍ）について評価した。流路形成部１０の内壁１２の代わりにフィン２０ａの表面上で液滴捕集・蒸発を活発化させるためには、フィン２０ａの断面には高い熱流束ｑｗで熱伝導により必要な熱を輸送する必要がある。例えば、フィン２０ａの熱伝導率が低く、フィン２０ａが十分な厚みδを有していないと、異なる向きの旋回流ＤＲ１，ＤＲ２により液滴分布が密になる中心軸ＯＬ側のフィン２０ａの温度が低くなるおそれがある。この場合に、フィン２０ａの中心軸ＯＬ側で十分な温度差ΔＴｓが得られずに、フィン２０ａの表面で捕集された液滴が気化しない。気化しなかった液滴は、フィン２０ａの表面に堆積して、高温の内壁１２へと移動・接触し、突沸などの蒸気不安定現象を招くおそれがある。そのため、フィン２０ａの厚みδとして、一定以上の厚みが必要である。 Next, the thickness δ (mm) of the fins 20a was evaluated. To promote droplet collection and evaporation on the surface of the fins 20a instead of on the inner wall 12 of the flow path forming section 10, the cross section of the fins 20a must transport the necessary heat through thermal conduction at a high heat flux qw. For example, if the thermal conductivity of the fins 20a is low and the thickness δ of the fins 20a is insufficient, the temperature of the fins 20a on the central axis OL side, where the droplet distribution is dense due to the swirling flows DR1 and DR2 flowing in different directions, may decrease. In this case, a sufficient temperature difference ΔTs cannot be obtained on the central axis OL side of the fins 20a, and droplets collected on the surface of the fins 20a do not vaporize. Unvaporized droplets accumulate on the surface of the fins 20a and may migrate to and come into contact with the high-temperature inner wall 12, potentially causing steam instability, such as bumping. Therefore, a certain thickness or greater is required for the thickness δ of the fins 20a.

図１１および図１２は、フィン２０ａの厚みδの算出方法の説明図である。図１１には、フィン２０ａの厚みδを算出するために、簡略化したフィン２０ａのモデルの一部の断面形状が示されている。図１１に示される簡略化されたモデルでは、流路１１ａ内のフィン２０ａの径方向の長さであるフィン２０ａの高さＨ（＝１０ｍｍ）と、フィン２０ａの厚みδと、が定義されている。また、第２実施形態では、熱伝導率λが１８（Ｗ／ｍ／Ｋ）として定義されている。 Figures 11 and 12 are explanatory diagrams of a method for calculating the thickness δ of the fin 20a. Figure 11 shows the cross-sectional shape of a portion of a simplified model of the fin 20a in order to calculate the thickness δ of the fin 20a. In the simplified model shown in Figure 11, the height H (= 10 mm) of the fin 20a, which is the radial length of the fin 20a within the flow path 11a, and the thickness δ of the fin 20a are defined. In addition, in the second embodiment, the thermal conductivity λ is defined as 18 (W/m/K).

図１２には、フィン２０ａと、フィン２０ａに衝突して気化する液滴ＡＤとの熱量のイメージが示されている。第２実施形態では、流路形成部１０からフィン２０ａへと伝わる熱量Ｑｗ、液滴の全潜熱量Ｌ、フィン２０ａの全長を１２０ｍｍと定義して、入口の蒸気クオリティＸｉｎが０．６と０．８との場合について厚みδを評価した。入口の蒸気クオリティＸｉｎとは、フィン２０ａの上流側に流入する、液体の水と蒸気との合計に対する蒸気の割合である。すなわち、第２実施形態では、第１フィン２１と第２フィン２２とのそれぞれの厚みδは、フィン２０ａの流れ方向における長さ（１２０ｍｍ）と、流路１１の径としての高さＨと、熱伝導率λと、入口の蒸気クオリティＸｉｎとに応じている。 Figure 12 shows an image of the heat quantity of the fin 20a and the droplets AD that evaporate upon impact with the fin 20a. In the second embodiment, the heat quantity Qw transferred from the flow path forming section 10 to the fin 20a, the total latent heat quantity L of the droplets, and the total length of the fin 20a were defined as 120 mm, and the thickness δ was evaluated when the inlet steam quality Xin was 0.6 and 0.8. The inlet steam quality Xin is the ratio of steam to the total of liquid water and steam flowing upstream of the fin 20a. That is, in the second embodiment, the thickness δ of each of the first fin 21 and the second fin 22 depends on the length of the fin 20a in the flow direction (120 mm), the height H as the diameter of the flow path 11, the thermal conductivity λ, and the inlet steam quality Xin.

図１３は、入口の蒸気クオリティＸｉｎとフィン２０ａの厚みδとの関係についての説明図である。図１３には、フィン２０ａの中心温度として１２０℃を確保する場合に、フィン２０ａの厚みδに応じて変化する、径方向（高さＨ方向）におけるフィン２０ａの各位置での温度が示されている。図１３では、入口の蒸気クオリティＸｉｎが０．６の温度が黒丸を接続する４種類の太い直線で示されている。具体的には、厚みδが２ｍｍの温度が二点鎖線の変化直線Ｌ６２で示され、厚みδが３ｍｍの温度が破線の変化直線Ｌ６３で示され、厚みδが４ｍｍの温度が実線の変化直線Ｌ６４で示され、厚みδが５ｍｍの温度が一点鎖線の変化直線Ｌ６５で示されている。同じように、図１３では、入口の蒸気クオリティＸｉｎが０．８の温度が黒い四角を接続する３種類の細い直線で示されている。具体的には、厚みδが３ｍｍの温度が破線の変化直線Ｌ８３で示され、厚みδが４ｍｍの温
度が実線の変化直線Ｌ８４で示され、厚みδが５ｍｍの温度が一点鎖線の変化直線Ｌ８５で示されている。なお、蒸気クオリティＸｉｎが０．８で厚みδが２ｍｍの変化直線は、変化直線Ｌ６４とほぼ同じであったため、図示が省略されている。 FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the inlet steam quality Xin and the thickness δ of the fin 20a. FIG. 13 shows the temperature at each position on the fin 20a in the radial direction (height H direction) that changes depending on the thickness δ of the fin 20a when a central temperature of 120°C is maintained. In FIG. 13, the temperature at which the inlet steam quality Xin is 0.6 is represented by four thick lines connecting the black circles. Specifically, the temperature at which the thickness δ is 2 mm is represented by the two-dot chain change line L62, the temperature at which the thickness δ is 3 mm is represented by the dashed change line L63, the temperature at which the thickness δ is 4 mm is represented by the solid change line L64, and the temperature at which the thickness δ is 5 mm is represented by the dashed change line L65. Similarly, in FIG. 13, the temperature at which the inlet steam quality Xin is 0.8 is represented by three thin lines connecting the black squares. Specifically, the temperature when the thickness δ is 3 mm is indicated by a dashed change line L83, the temperature when the thickness δ is 4 mm is indicated by a solid change line L84, and the temperature when the thickness δ is 5 mm is indicated by a dashed change line L85. Note that the change line when the steam quality Xin is 0.8 and the thickness δ is 2 mm is almost the same as the change line L64, so it is not shown in the figure.

フィン２０ａの表面上で、ライデンフロスト現象を発生させないために、図９の沸騰曲線Ｃ３から、フィン２０ａの温度が最も高い内壁１２付近の温度を３００℃未満に抑制することが好ましい。図１３に示されるように、変化直線Ｌ６２，６３では、内壁１２における温度が３００℃を超えている。そのため、フィン２０ａの厚みδは、４ｍｍ以上であることが好ましい。 To prevent the Leidenfrost phenomenon from occurring on the surface of the fin 20a, it is preferable to keep the temperature near the inner wall 12, where the temperature of the fin 20a is highest, below 300°C, based on the boiling curve C3 in Figure 9. As shown in Figure 13, the temperature at the inner wall 12 exceeds 300°C on the change lines L62 and L63. Therefore, it is preferable that the thickness δ of the fin 20a be 4 mm or more.

以上説明したように、第２実施形態の蒸発器１００ａでは、第１フィン２１と、第２フィン２２とを有するフィン２０ａを備えている。第２フィン２２は、第１フィン２１よりも下流側に配置され、第１フィン２１が発生させる旋回流ＤＲ１とは逆方向の旋回流ＤＲ２を発生させる。そのため、第２実施形態では、第１フィン２１の下流側では、流路形成部１０の内壁１２に衝突する液滴の量が減少し、第２フィン２２に衝突する液滴の量が増加する。特に、内壁１２の温度が高い場合に、内壁１２に液滴が衝突すると、噴霧流中の液滴から発生する蒸気が妨げとなるライデンフロスト現象が発生する。そのため、内壁１２の温度が高い場合に、噴霧流中の液滴を、高温の内壁１２の代わりに、内壁１２よりも低温の第２フィン２２に衝突させる。これにより、ライデンフロスト現象を発生させずに液滴を蒸発させることができる。この結果、流路１１の出口からの液滴の吹き抜けを抑制しつつ、熱伝導率を向上させて噴霧域の長さを低減できる。 As described above, the evaporator 100a of the second embodiment is equipped with fins 20a including a first fin 21 and a second fin 22. The second fin 22 is positioned downstream of the first fin 21 and generates a swirling flow DR2 in the opposite direction to the swirling flow DR1 generated by the first fin 21. Therefore, in the second embodiment, downstream of the first fin 21, the amount of droplets colliding with the inner wall 12 of the flow path forming section 10 decreases, while the amount of droplets colliding with the second fin 22 increases. In particular, when the temperature of the inner wall 12 is high, if droplets collide with the inner wall 12, the Leidenfrost phenomenon occurs, in which the vapor generated from the droplets in the spray flow interferes with the droplets. Therefore, when the temperature of the inner wall 12 is high, the droplets in the spray flow collide with the second fin 22, which is cooler than the inner wall 12, instead of the high-temperature inner wall 12. This allows droplets to evaporate without causing the Leidenfrost phenomenon. As a result, it is possible to reduce the length of the spray area by improving thermal conductivity while suppressing droplets from blowing through the outlet of the flow path 11.

また、第２実施形態では、第１フィン２１と第２フィン２２とのそれぞれの厚みδは、フィン２０ａの流れ方向における長さ（１２０ｍｍ）と、流路１１の径としての高さＨと、熱伝導率λと、入口の蒸気クオリティＸｉｎとに応じている。第２実施形態では、液滴ＡＤが第１フィン２１または第２フィン２２に衝突して蒸発すると、第２フィン２２の表面上の温度が低下する。フィン２０ａの厚みδが小さいと、フィン２０ａと水の飽和蒸気温度との温度差ΔＴｓが得られずに、液滴ＡＤがフィン２０ａの表面で蒸発しないおそれがある。それに対し、第２実施形態では、フィン２０ａの上流側に流入する蒸気クオリティＸｉｎに応じて、フィン２０ａの流れ方向における長さと、フィン２０ａの高さＨと、フィン２０ａの熱伝導率λとを用いて、フィン２０ａの厚みδが決定される。すなわち、フィン２０ａの上流側に流入する蒸気クオリティＸｉｎに応じて、フィン２０ａの表面に衝突した液滴ＡＤを蒸発させるために、フィン２０ａの必要な厚さを設定できる。 In the second embodiment, the thickness δ of each of the first fin 21 and the second fin 22 is determined based on the length of the fin 20a in the flow direction (120 mm), the height H (diameter of the flow path 11), the thermal conductivity λ, and the inlet steam quality Xin. In the second embodiment, when droplets AD collide with the first fin 21 or the second fin 22 and evaporate, the temperature on the surface of the second fin 22 decreases. If the thickness δ of the fin 20a is small, the temperature difference ΔTs between the fin 20a and the saturated steam temperature of water may not be obtained, and the droplets AD may not evaporate on the surface of the fin 20a. In contrast, in the second embodiment, the thickness δ of the fin 20a is determined based on the steam quality Xin flowing upstream of the fin 20a, using the length of the fin 20a in the flow direction, the height H of the fin 20a, and the thermal conductivity λ of the fin 20a. In other words, the necessary thickness of the fins 20a can be set according to the steam quality Xin flowing upstream of the fins 20a in order to evaporate the droplets AD that collide with the surfaces of the fins 20a.

＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態の蒸発器１００ｂの説明図である。図１４には、第１実施形態の蒸発器１００が備える流路形成部１０のうち、流路１１内のフィン２０よりも上流側の流路１１ｂの概略断面図が示されている。第３実施形態では、第１実施形態と比較して、フィン２０が配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されている点が異なる。そのため、第３実施形態では、親水化処理された内壁１２ｂについて説明し、第１実施形態と同じ構成等についての説明を省略する。 Third Embodiment
Fig. 14 is an explanatory diagram of an evaporator 100b of the third embodiment. Fig. 14 shows a schematic cross-sectional view of a flow path 11b upstream of the fins 20 in the flow path 11 of the flow path forming portion 10 included in the evaporator 100 of the first embodiment. The third embodiment differs from the first embodiment in that the inner wall 12b of the flow path forming portion 10b on the upstream side where the fins 20 are not arranged is hydrophilically treated. Therefore, in the third embodiment, only the hydrophilically treated inner wall 12b will be described, and a description of the same configuration as in the first embodiment will be omitted.

図１４に示されるように、流路１１ｂに供給された液体の水は、内壁１２ｂを介して加熱されると下流になるにつれて、気泡スラグＳａを含む気泡流を発生させ、スラグ流から環状流を発生させる。その後、図示されていないフィン２０により、液滴から蒸気が生成される。圧力損失の抑制および蒸発器１００，１００ｂの小型化を実現するために、フィン２０に送られる液滴の量が少ない方が好ましい。 As shown in Figure 14, liquid water supplied to flow path 11b is heated through inner wall 12b, generating a bubbly flow containing a bubble slug Sa as it travels downstream, and the slug flow generates an annular flow. Subsequently, steam is generated from the droplets by fins 20 (not shown). To minimize pressure loss and achieve compact evaporators 100 and 100b, it is preferable to minimize the amount of droplets sent to fins 20.

図１５は、図１４における領域ＡＲ１の概略拡大図である。第３実施形態の流路形成部１０ｂは、金属製の多孔質体の表面に親水化処理が行われた材料により形成されている。
具体的には、流路形成部１０ｂは、厚み０．５ｍｍ、気孔率６０％のＳＵＳ３１６Ｌの金属繊維の焼結体に、ＳＩＯ₂ベース材により親水化コートした材料で形成されている。 Fig. 15 is a schematic enlarged view of an area AR1 in Fig. 14. The flow path forming portion 10b of the third embodiment is formed from a material in which a hydrophilic treatment is performed on the surface of a porous metal body.
Specifically, the flow path forming portion 10b is formed from a material obtained by coating a 0.5 mm thick, 60% porosity SUS316L metal fiber sintered body with a hydrophilic coating using an _SiO2 -based material.

ここで、流路１１ｂ内を流れる水に供給される熱量Ｑは、図１５に示されるパラメータを用いて、下記式（１）のように表される。なお、式（１）における温度差ΔＴｓは、下記式（２）のように表される。
Here, the amount of heat Q supplied to the water flowing in the flow path 11b is expressed as in the following formula (1) using the parameters shown in Fig. 15. The temperature difference ΔTs in formula (1) is expressed as in the following formula (2).

相変化に伴い、内壁１２ｂに形成されている液膜は、薄くなる。液膜が消滅して内壁１２ｂの温度が高くなるドライパッチが発生すると、上記式（１）における液膜面積Ａｆが小さくなり、内壁１２ｂから水に供給される熱量Ｑが減少する。この場合に、薄い液膜内で沸騰核の発生や、環状流における蒸気せん断力による液膜からの液滴形成などの直接的に液滴を発生させる要因となる。この要因に対して、第３実施形態では、流路形成部１０ｂにより、固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角（動的接触角）が小さくなる。この結果、ドライパッチが発生しても周りの液膜または液スラグからの張力により、液体の水が輸送されて、内壁１２ｂに安定して液膜が形成される。 As the phase change occurs, the liquid film formed on the inner wall 12b becomes thinner. If a dry patch occurs in which the liquid film disappears and the temperature of the inner wall 12b rises, the liquid film area Af in the above formula (1) decreases, and the amount of heat Q supplied to the water from the inner wall 12b decreases. This can lead to direct droplet generation, such as the generation of boiling nuclei within the thin liquid film or droplet formation from the liquid film due to vapor shear forces in the annular flow. In response to this factor, in the third embodiment, the flow path forming section 10b changes the balance of tension at the three-phase interface formed by the solid, liquid, and gas, reducing the contact angle (dynamic contact angle). As a result, even if a dry patch occurs, liquid water is transported by the tension from the surrounding liquid film or liquid slug, and a stable liquid film is formed on the inner wall 12b.

図１６は、親水化処理された流路形成部１０ｂの効果の説明図である。図１６には、流路１１ｂの単位長さで蒸発可能な質量速度（ｋｇ／ｍ²／ｓ）を変化させた場合の蒸気流量変動（％）が示されている。蒸気流量変動とは、フィン２０，２０ａに流入する液滴を格子状のフィルタで蒸発させることにより、液滴の量を流量変動として検出した指標である。すなわち、蒸気流量変動の値が大きいほど、液滴を多く含んで、より多くの内壁１２ｂでドライパッチが発生している。なお、流路１１ｂの単位長さは、流れ方向における１００ｍｍである。質量速度が大きいほど、流路１１ｂ内で水が蒸発しやすい。 FIG. 16 is an explanatory diagram of the effect of the hydrophilic-treated flow path forming portion 10b. FIG. 16 shows the steam flow rate fluctuation (%) when the mass rate (kg/m ² /s) at which water can evaporate per unit length of the flow path 11b is changed. The steam flow rate fluctuation is an index obtained by detecting the amount of water droplets as a flow rate fluctuation by evaporating the water droplets flowing into the fins 20, 20a through a lattice filter. In other words, the larger the value of the steam flow rate fluctuation, the more water droplets are contained, and the more dry patches occur on the inner wall 12b. The unit length of the flow path 11b is 100 mm in the flow direction. The higher the mass rate, the easier it is for water to evaporate within the flow path 11b.

図１６には、第３実施形態の流路形成部１０ｂを備える実施例１と、親水化処理されていない金属の内壁を備える比較例３との蒸気流量変動がプロットで示されている。実施例１と比較例３とにおける各４つのプロットは、内壁の温度が１１０℃，１２０℃，１３０℃，１４０℃に対応したプロットである。各プロットに対応する温度は、グラフ中に数字として示されている。実施例１のプロットが黒丸で示され、比較例３のプロットが黒色の四角で示されている。 Figure 16 shows plots of steam flow rate fluctuations for Example 1, which includes the flow path forming portion 10b of the third embodiment, and Comparative Example 3, which includes a metal inner wall that has not been hydrophilically treated. The four plots in each of Example 1 and Comparative Example 3 correspond to inner wall temperatures of 110°C, 120°C, 130°C, and 140°C. The temperatures corresponding to each plot are indicated by numbers in the graph. The plots for Example 1 are indicated by black circles, and the plots for Comparative Example 3 are indicated by black squares.

図１６に示されるように、実施例１に対応する実線の楕円で囲まれた領域と、比較例３に対応する破線の楕円で囲まれた領域とを比較すると、実施例１の方が、質量速度が大きく、かつ、蒸気流量変動が小さい。すなわち、実施例１では、流路１１ｂの下流側に配置されたフィン２０，２０ａに流入する液滴の量が、比較例３よりも少ない。 As shown in Figure 16, when comparing the area surrounded by the solid ellipse corresponding to Example 1 with the area surrounded by the dashed ellipse corresponding to Comparative Example 3, Example 1 has a higher mass velocity and smaller fluctuations in steam flow rate. That is, in Example 1, the amount of droplets flowing into the fins 20, 20a located downstream of flow path 11b is smaller than in Comparative Example 3.

液膜厚みδｗを、流路１１ｂの管の代表直径ｄｅで除した無次元液膜厚み（δｗ／ｄｅ）は、液体の粘性係数μ_L（Ｐａ・ｓ）と、表面張力σ_L（Ｎ／ｍ）との比で決定される下記式（３）示されるキャピラリー数Ｃａにより表される。式（３）に示されるように、物性値と液流速（質量速度）とが一定である場合、流路１１ｂの径が小さいほど液膜厚みδｗが小さくなる。 The dimensionless liquid film thickness (δw/de), obtained by dividing the liquid film thickness δw by the representative diameter de of the tube of flow path 11b, is expressed by the capillary number Ca shown in the following equation (3), which is determined by the ratio of the liquid's viscosity coefficient μ _L (Pa·s) to its surface tension σ _L (N/m). As shown in equation (3), when the physical property values and liquid flow velocity (mass velocity) are constant, the smaller the diameter of flow path 11b, the smaller the liquid film thickness δw.

図１７は、キャピラリー数Ｃａと無次元液厚みδｗ／ｄｅとの関係の説明図である。図１７には、キャピラリー数Ｃａに応じて変化する無次元液厚みδｗ／ｄｅが示されている。無次元液厚みδｗ／ｄｅは、最小二乗法により算出された定数α，βを用いて、下記式（４）のように表される。図１７に示されるように、無次元液厚みδｗ／ｄｅは、キャピラリー数Ｃａが増えるほど増加する。 Figure 17 is an explanatory diagram of the relationship between the capillary number Ca and the dimensionless liquid thickness δw/de. Figure 17 shows the dimensionless liquid thickness δw/de, which changes depending on the capillary number Ca. The dimensionless liquid thickness δw/de is expressed as in equation (4) below, using constants α and β calculated by the least squares method. As shown in Figure 17, the dimensionless liquid thickness δw/de increases as the capillary number Ca increases.

第３実施形態では、上記式（３），（４）に示される関係を用いて、流路１１ｂの代表直径ｄｅが算出される。換言すると、代表直径ｄｅは、キャピラリー数Ｃａと、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路１１ｂを流れる水の気泡速度ｕ_bと、液膜厚みδｗとに応じて決定される。 In the third embodiment, the representative diameter de of the flow path 11b is calculated using the relationships shown in the above formulas (3) and (4). In other words, the representative diameter de is determined according to the number of capillaries Ca, the bubble velocity u _b of the water flowing through the upstream flow path 11b where the fins 20 and 20a are not arranged, and the liquid film thickness δw.

図１８は、代表直径ｄｅに応じて変化する蒸気変動と平均熱流束との関係についての説明図である。図１８では、横軸に蒸気変動（％）をとり、縦軸に平均熱流束（Ｗ／ｍ²）をとった場合の、代表直径ｄｅを１，２，３ｍｍに設定した実施例２と比較例４との各値がプロットされている。実施例２と比較例４とにおける各４つのプロットは、内壁の温度が１１０℃，１２０℃，１３０℃，１４０℃に対応したプロットである。実施例２では、第３実施形態のように流路形成部１０ｂが親水化処理された多孔質体で形成されている。一方で、比較例４では、比較例３のように流路形成部が親水化処理されていない金属の内壁を備えている。 FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating the relationship between steam fluctuation and average heat flux, which changes depending on the representative diameter de. In FIG. 18, the horizontal axis represents steam fluctuation (%) and the vertical axis represents average heat flux (W/m ² ), and values for Example 2 and Comparative Example 4 are plotted when the representative diameter de is set to 1, 2, and 3 mm. The four plots in Example 2 and Comparative Example 4 correspond to inner wall temperatures of 110°C, 120°C, 130°C, and 140°C. In Example 2, the flow path forming portion 10b is formed of a hydrophilically treated porous material, as in the third embodiment. On the other hand, in Comparative Example 4, the flow path forming portion has a metal inner wall that is not hydrophilically treated, as in Comparative Example 3.

図１８では、実施例２における代表直径ｄｅが１ｍｍのプロットが黒い三角で示され、代表直径ｄｅが２ｍｍのプロットが黒丸で示され、代表直径ｄｅが３ｍｍのプロットが黒い四角で示されている。一方で、比較例４における代表直径ｄｅが１ｍｍのプロットが白抜きの三角で示され、代表直径ｄｅが２ｍｍのプロットが白抜きの丸で示され、代表直径ｄｅが３ｍｍのプロットが白抜きの四角で示されている。図１８の実線（１ｍｍ）と、破
線（２ｍｍ）と、一点鎖線（３ｍｍ）とのそれぞれの楕円で囲まれた実施例２は、比較例４よりも蒸気変動が小さく、かつ、平均熱流束が大きい。すなわち、実施例２では、比較例４よりもフィン２０が配置された下流側の流路１１に流入する液滴の量を低減できる。 In Figure 18, the plots for Example 2 where the representative diameter de is 1 mm are shown as black triangles, the plots for Example 2 where the representative diameter de is 2 mm are shown as black circles, and the plots for Example 2 where the representative diameter de is 3 mm are shown as black squares. On the other hand, the plots for Example 2 where the representative diameter de is 1 mm are shown as white triangles, the plots for Example 2 where the representative diameter de is 2 mm are shown as white circles, and the plots for Example 2 where the representative diameter de is 3 mm are shown as white squares. Example 2, which is surrounded by the ellipses of the solid line (1 mm), dashed line (2 mm), and dashed line (3 mm) in Figure 18, has smaller steam fluctuations and a larger average heat flux than Example 4. That is, Example 2 can reduce the amount of droplets flowing into the downstream flow path 11 where the fin 20 is arranged more than Example 4.

以上説明したように、第３実施形態の蒸発器１００ｂでは、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されている。第３実施形態では、フィン２０，２０ａよりも上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されているため、内壁１２ｂにおいて固体と液体と気体とで形成される３相界面張力バランスが変化して、接触角が小さくなる。これにより、内壁１２ｂにおいて液膜の一部が破断して内壁１２ｂが露出するドライパッチが発生しても、ドライパッチの周りの液膜または液スラグから張力により液体の水がドライパッチ部分に輸送されて、内壁１２ｂ全体に安定した液膜が形成される。この結果、フィン２０，２０ａが配置される流路１１ｂよりも下流側において、核沸騰の発生や環状流における蒸気せん断力による液膜からの液滴形成などの直接的な液滴の発生を抑制できる。すなわち、ドライパッチの発生が抑制されるため、流路１１ｂの長さを短縮でき、蒸発器１００ｂの大型化を抑制できる。 As described above, in the third embodiment of the evaporator 100b, the inner wall 12b of the flow path forming section 10b upstream of the fins 20 and 20a is hydrophilized. In the third embodiment, the hydrophilized inner wall 12b of the flow path forming section 10b upstream of the fins 20 and 20a changes the three-phase interfacial tension balance between solid, liquid, and gas on the inner wall 12b, reducing the contact angle. Even if a dry patch occurs on the inner wall 12b, where a portion of the liquid film breaks and exposes the inner wall 12b, tension transports liquid water from the liquid film or liquid slug surrounding the dry patch to the dry patch, forming a stable liquid film across the entire inner wall 12b. As a result, direct droplet generation, such as nucleate boiling and droplet formation from the liquid film due to vapor shear forces in annular flow, can be suppressed downstream of the flow path 11b where the fins 20 and 20a are located. In other words, the occurrence of dry patches is suppressed, which allows the length of the flow path 11b to be shortened and prevents the evaporator 100b from becoming larger.

さらに、第３実施形態では、流路形成部１０ｂは、親水化処理に加えて、多孔質体で形成されている。流路形成部１０ｂが多孔質体で形成されることにより、内壁１２ｂの接触角が更に小さくなる。これにより、ドライパッチが内壁１２ｂに発生することを更に抑制できる。 Furthermore, in the third embodiment, the flow path forming portion 10b is formed from a porous material in addition to being hydrophilized. By forming the flow path forming portion 10b from a porous material, the contact angle of the inner wall 12b is further reduced. This further prevents dry patches from occurring on the inner wall 12b.

また、第３実施形態では、流路１１ｂの径である代表直径ｄｅは、キャピラリー数Ｃａと、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路１１ｂを流れる水の気泡速度ｕ_bと、液膜厚みδｗとに応じて決定される。この構成によれば、スラグ流および環状流で形成され液膜の厚みが薄いほど、ドライパッチの発生や蒸気流のせん断力に起因として発生する液滴を小さくできる。第３実施形態では、蒸発器１００ｂが生成する蒸気の利用に応じて制御したい液膜の厚みを設定し、圧力損失の増加を抑制した上で流路の横断面の径などのパラメータを設定できる。 In the third embodiment, the representative diameter de of the flow path 11b is determined based on the number of capillaries Ca, the bubble velocity u _b of water flowing through the upstream flow path 11b where the fins 20 and 20a are not located, and the liquid film thickness δw. With this configuration, the thinner the liquid film formed by the slug flow and the annular flow, the smaller the size of the droplets generated due to dry patches and the shear force of the steam flow. In the third embodiment, the desired liquid film thickness can be set based on the use of the steam generated by the evaporator 100b, and parameters such as the cross-sectional diameter of the flow path can be set while suppressing an increase in pressure loss.

＜上記実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。 <Modifications of the above embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention, including, for example, the following modifications: In the above-described embodiment, part of the configuration realized by hardware may be replaced by software, and conversely, part of the configuration realized by software may be replaced by hardware.

＜変形例１＞
上記第１実施形態から第３実施形態までの蒸発器１００，１００ａ，１００ｂは、流路１１の流れ方向に交差する流れを発生させる構造物を備える範囲で変形可能である。例えば、蒸発器１００は、流体としての水が流れる流路１１を形成する流路形成部１０を備えていればよく、ヒータ３０と、タンク４０と、ポンプ５０と、制御部６０とを備えていなくてもよい。ヒータ３０等は、他の装置が備えており、当該装置と、蒸発器１００とが接続されていてもよい。 <Modification 1>
The evaporators 100, 100a, 100b of the first to third embodiments can be modified as long as they include a structure that generates a flow that intersects the flow direction of the flow path 11. For example, the evaporator 100 only needs to include the flow path forming unit 10 that forms the flow path 11 through which water flows as a fluid, and does not need to include the heater 30, the tank 40, the pump 50, and the control unit 60. The heater 30 and the like may be included in another device, and the other device may be connected to the evaporator 100.

上記第１実施形態および第２実施形態では、旋回流ＤＲ１を発生させるフィン２０と、旋回流ＤＲ１，ＤＲ２を発生させるフィン２０ａとについて説明したが、流路１１内に発生する流れは旋回流ＤＲ１，ＤＲ２でなくてもよい。例えば、流路１１内に、中心軸に対して所定の角度傾いた金属板が構造物として、流路形成部１０に接続されている状態で配置されてもよい。この場合に、流れ方向に沿って流れる流体が金属板に衝突することにより、流体には、旋回流ＤＲ１および旋回流ＤＲ２とは異なる、流れ方向に交差する流れが
発生する。当該交差する流れにより、流体がより内壁１２に衝突することで、流体が蒸発しやすくなる。 In the first and second embodiments, the fin 20 that generates the swirling flow DR1 and the fin 20a that generates the swirling flows DR1 and DR2 are described. However, the flow generated in the flow path 11 does not have to be the swirling flows DR1 and DR2. For example, a metal plate inclined at a predetermined angle with respect to the central axis may be disposed as a structure in the flow path 11 and connected to the flow path forming unit 10. In this case, when the fluid flowing along the flow direction collides with the metal plate, a flow that intersects the flow direction, different from the swirling flows DR1 and DR2, is generated in the fluid. This intersecting flow causes the fluid to collide more with the inner wall 12, making the fluid more likely to evaporate.

構造物としてのフィン２０，２０ａは、流路１１の下流側に配置されたが、上流側に配置されてもよいし、流路１１の全体に亘って配置さてもよい。この場合に、フィン２０，２０ａが配置された流路１１とは別の流路を形成する他の流路形成部の下流側に、フィン２０，２０ａが配置された流路形成部１０が組み合わされてもよい。上記実施形態のフィン２０，２０ａのセグメント数（流れ方向の長さ）や流路１１に対する径方向の大きさについては種々変形可能である。 The fins 20, 20a as structures are arranged downstream of the flow path 11, but they may also be arranged upstream or throughout the entire flow path 11. In this case, the flow path forming section 10 on which the fins 20, 20a are arranged may be combined downstream of another flow path forming section that forms a flow path different from the flow path 11 on which the fins 20, 20a are arranged. Various modifications are possible regarding the number of segments (length in the flow direction) of the fins 20, 20a in the above embodiment and their radial size relative to the flow path 11.

上記第１実施形態から第３実施形態では、流路形成部１０は、横断面が円形状であると共に中心軸ＯＬが直線状の流路１１を形成したが、流路１１の形状については変形可能である。流路１１の横断面の形状が矩形であってもよく、八角形などの多角形であってもよい。この場合に、管径は、流路１１の断面の重心から各辺までの距離であってもよい。また、流路１１の中心軸ＯＬは、直線状ではなく、例えば湾曲していてもよい。この場合に、流れ方向とは、各横断面を接続した中心軸に沿う流れとして定義できる。 In the first to third embodiments described above, the flow path forming section 10 formed a flow path 11 having a circular cross section and a linear central axis OL, but the shape of the flow path 11 can be modified. The cross section of the flow path 11 may be rectangular, or may be polygonal, such as an octagon. In this case, the pipe diameter may be the distance from the center of gravity of the cross section of the flow path 11 to each side. Furthermore, the central axis OL of the flow path 11 may not be linear, but may be curved, for example. In this case, the flow direction can be defined as the flow along the central axis connecting each cross section.

上記第２実施形態では、フィン２０ａに衝突した液滴ＡＤを蒸発させるために、フィン２０ａの厚みδが、フィン２０ａの流れ方向における長さと、流路１１の径としての高さＨと、熱伝導率λと、蒸気クオリティＸｉｎとを用いて設定されたが、その他の方法により設定されてもよい。フィン２０ａは、全体に亘って均一の厚みδを有していなくてもよいし、図１３に示される０．２ｍｍや０．３ｍｍの厚みδを有していてもよい。厚みδについては、フィン２０ａの上流側に流入する蒸気クオリティＸｉｎ等の設定により適宜設定されればよい。 In the second embodiment described above, the thickness δ of the fin 20a was set using the length of the fin 20a in the flow direction, the height H as the diameter of the flow path 11, the thermal conductivity λ, and the steam quality Xin in order to evaporate the droplets AD that collide with the fin 20a, but it may also be set using other methods. The fin 20a does not have to have a uniform thickness δ throughout, and may have a thickness δ of 0.2 mm or 0.3 mm as shown in Figure 13. The thickness δ may be set appropriately based on the steam quality Xin flowing upstream of the fin 20a, etc.

＜変形例２＞
上記第３実施形態では、フィン２０，２０ａが配置されていない上流側の流路形成部１０ｂの内壁１２ｂが親水化処理されていたが、親水化処理される内壁１２ｂは、上流に限られず、内壁１２ｂの全体に亘って親水化処理されていてもよい。親水化処理される内壁１２ｂの上流側の流路１１ｂ内に、フィン２０，２０ａなどの構造物が配置されていなくてもよい。この場合であっても、親水化処理された内壁１２ｂにより、スラグ流から環状流へと遷移する流路１１ｂ内において、ドライパッチの発生を抑制して、蒸気を生成するための流路１１ｂを短縮できる。 <Modification 2>
In the third embodiment, the inner wall 12b of the flow path forming portion 10b on the upstream side, where the fins 20 and 20a are not disposed, is hydrophilized. However, the hydrophilized inner wall 12b is not limited to the upstream side, and the entire inner wall 12b may be hydrophilized. Structures such as the fins 20 and 20a may not be disposed in the flow path 11b on the upstream side of the hydrophilized inner wall 12b. Even in this case, the hydrophilized inner wall 12b can suppress the occurrence of dry patches in the flow path 11b where the slug flow transitions to the annular flow, thereby shortening the flow path 11b for generating steam.

第３実施形態では、流路形成部１０ｂは、親水化処理された多孔質体で形成されたが、多孔質体で形成されておらず、例えば、金属の内壁の表面が親水化処理されていてもよい。また、流路形成部１０ｂに施された親水化処理として、例えば、アルミナの無機質膜コートやシリカ等の無機質膜コートなど、周知技術を適用できる。流路形成部１０ｂを形成する多孔質体は、ＳＵＳ３１６Ｌに親水化コートされた材質で形成されたが、周知の多孔質体の材料を適用できる。 In the third embodiment, the flow path forming portion 10b is formed from a porous body that has been hydrophilically treated, but it may not be formed from a porous body; for example, the surface of the metal inner wall may be hydrophilically treated. Furthermore, well-known techniques can be applied as the hydrophilic treatment applied to the flow path forming portion 10b, such as inorganic film coating of alumina or inorganic film coating of silica, etc. The porous body that forms the flow path forming portion 10b is formed from SUS316L that has been hydrophilically coated, but well-known porous body materials can also be applied.

第３実施形態では、流路１１ｂの径である代表直径ｄｅが、キャピラリー数Ｃａと、気泡速度ｕ_bと、液膜厚みδｗとに応じて設定されたが、その他の方法により設定されてもよい。蒸発器に要求される蒸気生成能力に応じて、代表直径ｄｅが設定されてもよいし、設定された代表直径ｄｅに対して、マニホールドやフィルタを用いて代表直径ｄｅを小さくしてもよい。 In the third embodiment, the representative diameter de, which is the diameter of the flow path 11b, is set according to the capillary number Ca, the bubble velocity u _b , and the liquid film thickness δw, but it may be set by other methods. The representative diameter de may be set according to the steam generation capacity required of the evaporator, or the representative diameter de may be reduced by using a manifold or a filter.

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると
共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 This aspect has been described above based on embodiments and modifications. However, the above-described embodiments are intended to facilitate understanding of this aspect and are not intended to limit this aspect. This aspect may be modified or improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents thereof are included in this aspect. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it may be deleted as appropriate.

１０，１０ｂ…流路形成部
１１，１１ｂ，１１ｘ…流路
１２，１２ｂ…内壁
２０，２０ａ…フィン（構造物）
２０ｙ…フィルタ
２１…第１フィン
２２…第２フィン
３０…ヒータ
４０…タンク
５０…ポンプ
６０…制御部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｘ，１００ｙ…蒸発器
ＡＤ…液滴
ＡＲ１…領域
Ａｆ…液膜面積
Ｃ１，Ｃ１ａ…液滴捕集率の変化
Ｃ２，Ｃ２ａ…圧力損失の変化
Ｃ３…沸騰曲線
ＣＳ…直交座標系
Ｃａ…キャピラリー数
ＤＲ１，ＤＲ２…旋回流
σ_L…表面張力
μ_L…粘性係数
Ｌ…全潜熱量
Ｌ６２～Ｌ６４，Ｌ８３～Ｌ８５…変化直線
Ｌ６３…変化直線
Ｌ６４…変化直線
Ｌ６５…変化直線
Ｌ８３…変化直線
Ｌ８４…変化直線
Ｌ８５…変化直線
ＯＬ…流路の中心軸
Ｐｌ…ライデンフロスト点
Ｑ，Ｑｗ…熱量
ｑｗ…熱流束
ΔＴｓ…温度差
Ｔｓ…飽和温度
Ｔｗ…内壁の温度
Ｖｚ…流速
Ｘｉｎ…蒸気クオリティ
ｄｅ…代表直径
ｕ_b…気泡速度
δｗ…液膜厚み
δｗ／ｄｅ…無次元液厚み 10, 10b... Flow path forming portion 11, 11b, 11x... Flow path 12, 12b... Inner wall 20, 20a... Fin (structure)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20y...Filter 21...First fin 22...Second fin 30...Heater 40...Tank 50...Pump 60...Control unit 100, 100a, 100b, 100x, 100y...Evaporator AD...Droplet AR1...Area Af...Liquid film area C1, C1a...Change in droplet collection rate C2, C2a...Change in pressure loss C3...Boiling curve CS...Cartesian coordinate system Ca...Capillary number DR1, DR2...Swirl flow σ _L ...Surface tension μ _L ...Viscosity coefficient L...Total latent heat L62 to L64, L83 to L85...Change line L63...Change line L64...Change line L65...Change line L83...Change line L84...Change line L85...Change line OL...Center axis of flow path Pl...Leidenfrost point Q, Qw...heat quantity qw...heat flux ΔTs...temperature difference Ts...saturation temperature Tw...temperature of inner wall Vz...flow velocity Xin...steam quality de...representative diameter u _b ...bubble velocity δw...liquid film thickness δw/de...dimensional liquid thickness

Claims

An evaporator comprising:
a flow path forming portion having a tubular shape and forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows;
a structure that is disposed in the flow path and is connected to the flow path forming portion to enable heat exchange between the structure and the flow path forming portion, the structure generating a flow that intersects with the flow direction of the fluid flowing through the flow path;
Equipped with
The structure is
a spiral fin that generates a swirling flow in the fluid flowing through the flow path, the swirling flow intersecting the flow direction of the fluid,
The flow path forming portion is formed separately from the flow path forming portion,
An evaporator that generates a force that directs the flow direction of the fluid toward the inner wall of the flow path forming portion .

10. The evaporator of claim 1 ,
The structure is
Located downstream of the flow path,
An evaporator that generates swirling flow in the same direction.

An evaporator comprising:
a flow path forming portion having a tubular shape and forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows;
a structure that is disposed in the flow path and is connected to the flow path forming portion to enable heat exchange between the structure and the flow path forming portion, the structure generating a flow that intersects with the flow direction of the fluid flowing through the flow path;
Equipped with
The structure is
a first fin that generates a swirling flow in a first direction intersecting a flow direction of the fluid flowing through the flow path ;
a second fin that generates a swirling flow in a direction opposite to the first direction, the second fin being disposed downstream of the first fin in the flow path;
an evaporator having

4. The evaporator according to claim 3 ,
a cross section of the flow path is a circle having a constant diameter throughout the flow direction of the fluid,
The thickness of each of the first fin and the second fin is
The length of the structure in the flow direction;
a diameter of the flow path at the cross section;
the thermal conductivity of the first fin and the second fin;
a ratio of vapor to the total of liquid and vapor in the fluid flowing upstream of the first fin;
Depending on the evaporator.

An evaporator comprising:
a flow path forming portion having a tubular shape and forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows;
a structure that is disposed in the flow path and is connected to the flow path forming portion to enable heat exchange between the structure and the flow path forming portion, the structure generating a flow that intersects with the flow direction of the fluid flowing through the flow path;
Equipped with
An evaporator, wherein an inner wall of the flow path forming portion upstream of the structure in the flow path is subjected to a hydrophilic treatment.

6. The evaporator according to claim 5 ,
a cross section of the flow path is a circle having a constant diameter throughout the flow direction of the fluid,
An evaporator, wherein the diameter of the flow path in the cross section depends on the number of capillaries and the flow rate and thickness of the liquid film of the fluid flowing into the upstream side of the structure.

An evaporator comprising:
a flow path forming section having a tubular shape and forming a flow path inside the tube through which a fluid to be evaporated flows, the flow path forming section having an inner wall that has been subjected to a hydrophilic treatment;
a structure that is disposed in the flow path and is connected to the flow path forming portion to enable heat exchange between the structure and the flow path forming portion, the structure generating a flow that intersects with the flow direction of the fluid flowing through the flow path;
Equipped with
The structure is
a spiral fin that generates a swirling flow in the fluid flowing through the flow path, the swirling flow intersecting the flow direction of the fluid,
The flow path forming portion is formed separately from the flow path forming portion,
An evaporator that generates a force that directs the flow direction of the fluid toward the inner wall of the flow path forming portion .

8. The evaporator of claim 7 ,
a cross section of the flow path is a circle having a constant diameter throughout the flow direction of the fluid,
An evaporator, wherein the diameter of the flow path in the cross section depends on the number of capillaries and the flow rate and thickness of the liquid film of the fluid flowing into the upstream side of the structure.