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JP2006015323A - Microchannel evaporator and system using the same - Google Patents

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JP2006015323A
JP2006015323A JP2004254611A JP2004254611A JP2006015323A JP 2006015323 A JP2006015323 A JP 2006015323A JP 2004254611 A JP2004254611 A JP 2004254611A JP 2004254611 A JP2004254611 A JP 2004254611A JP 2006015323 A JP2006015323 A JP 2006015323A
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JP
Japan
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liquid
evaporated
gas
evaporator
flow
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Application number
JP2004254611A
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Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Tazaki
豊 田崎
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Priority to PCT/JP2005/007428 priority patent/WO2005116563A1/en
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Abstract

【課題】 マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率を向上し、小型化する。
【解決手段】蒸発器1は、2枚の対向する伝熱板2の間が被蒸発液体通路3となり、伝熱板2の外側は加熱ガス通路4となっている。被蒸発液体通路3の下端部には、蒸発器1に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口5が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口6が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器1の下から上へ向かって流れながら蒸発する。加熱ガスは、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス入口7から供給され、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス出口8から排出される。被蒸発流体通路3の通路間隙sの寸法は、気液二相領域11において、下方から上方へ向かって徐々に大きくなっている。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To improve heat exchange efficiency and miniaturize a microchannel evaporator.
An evaporator 1 has an evaporation liquid passage 3 between two opposing heat transfer plates 2, and a heated gas passage 4 outside the heat transfer plate 2. An evaporating liquid inlet 5 for supplying the evaporating liquid to the evaporator 1 is provided at the lower end of the evaporating liquid passage 3, and a vapor outlet 6 is provided at the upper end of the evaporating liquid passage. Evaporates while flowing from the bottom to the top of the evaporator 1. The heated gas is supplied from a heated gas inlet 7 provided at the upper end of the evaporator, and discharged from a heated gas outlet 8 provided at the lower end of the evaporator. The dimension of the passage gap s of the to-be-evaporated fluid passage 3 gradually increases from the lower side to the upper side in the gas-liquid two-phase region 11.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、被蒸発液体通路が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型蒸発器及びそれを用いたシステムに関する。   The present invention relates to a microchannel evaporator in which a liquid passage to be evaporated is smaller than a diameter of a detached bubble and a system using the same.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling.

燃料電池に水素を供給する方法としては、高圧水素タンクや水素吸蔵合金タンク等の水素貯蔵装置から直接水素を供給する方法と、メタノールや炭化水素等の原燃料から水素を取り出して供給する燃料改質法とがある。燃料改質法では、原燃料が液体の場合、蒸発器により燃料や水を蒸発させて燃料改質器に導き、燃料改質器における燃料改質反応により水素を生成している。   Hydrogen can be supplied to the fuel cell by supplying hydrogen directly from a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy tank, or by changing the fuel supplied from raw fuel such as methanol or hydrocarbons. There is a quality law. In the fuel reforming method, when the raw fuel is liquid, fuel and water are evaporated by an evaporator and led to the fuel reformer, and hydrogen is generated by a fuel reforming reaction in the fuel reformer.

車載用として好適な小型高効率の蒸発器としては、冷媒を蒸発させる自動車空気調和用の蒸発器が知られている(例えば特許文献1)。この従来技術によれば、中実の中間プレートを介在させて、一対のコアプレートを重ね合わせた積層型構造としている。この積層構造により、一方のコアプレートと中間プレートの一面に挟まれた往側流路と、他方のコアプレートと中間プレートの他面に挟まれた復側流路とを形成している。被蒸発流体である冷媒は、まず往側流路を加熱されながら流下し、次いで中間プレート下部の透孔を介して往側流路から復側流路へ移動し、最後に復側流路を上昇する際に蒸発するようになっている。
特許第2786728号(第3頁、第1図)
As a small and highly efficient evaporator suitable for in-vehicle use, an automobile air-conditioning evaporator that evaporates a refrigerant is known (for example, Patent Document 1). According to this prior art, a laminated structure in which a pair of core plates are overlapped with a solid intermediate plate interposed therebetween. This laminated structure forms an outward flow path sandwiched between one core plate and one surface of the intermediate plate, and a return flow path sandwiched between the other core plate and the other surface of the intermediate plate. The refrigerant that is the fluid to be evaporated first flows down in the forward flow path while being heated, then moves from the forward flow path to the return flow path through the through hole in the lower part of the intermediate plate, and finally passes through the return flow path. It evaporates as it rises.
Japanese Patent No. 2786728 (page 3, Fig. 1)

しかしながら、上記従来の蒸発器にあっては、高熱流束領域において熱交換能力が低下するという問題点があった。以下、この問題点について説明する。   However, the conventional evaporator has a problem in that the heat exchange capability is reduced in a high heat flux region. Hereinafter, this problem will be described.

〔マイクロチャネルの定義〕
本発明では、マイクロチャネルを以下のように定義する。伝熱面から離脱する離脱気泡の直径がチャネル間隙と比較して大きい場合をマイクロチャネルと定義する。言い換えれば気泡が壁により離脱径より小さい段階で押しつぶされ気泡と加熱面間にマイクロレイヤを形成する場合をマイクロチャネルと定義する。
[Definition of microchannels]
In the present invention, the microchannel is defined as follows. The case where the diameter of the bubble that leaves from the heat transfer surface is larger than the channel gap is defined as a microchannel. In other words, the case where the bubbles are crushed by the wall at a stage smaller than the separation diameter to form a microlayer between the bubbles and the heating surface is defined as a microchannel.

離脱気泡直径は、被蒸発液体の種類、伝熱板の表面性状、過熱度によって異なる。具体的には図12に示す様に、例えば、被蒸発液体を水とし、親水性が高い酸化チタン皮膜の場合には0.8〔mm〕程度、疎水性が高いシリコーン皮膜場合には2.5〔mm〕程度の離脱気泡直径を示しており、すなわちその値以下がその加熱面におけるマイクロチャネルの間隙寸法ということになる。   The detached bubble diameter varies depending on the type of liquid to be evaporated, the surface properties of the heat transfer plate, and the degree of superheat. Specifically, as shown in FIG. 12, for example, when the liquid to be evaporated is water and the titanium oxide film has high hydrophilicity, about 0.8 mm, and in the case of silicone film with high hydrophobicity, 2. The detached bubble diameter of about 5 [mm] is shown, that is, the value below that value is the gap size of the microchannel on the heated surface.

〔伝熱面における薄液膜形成の必要性〕
図13(a)は、平行平板型蒸発器における伝熱面同士の間隙が狭い(実線)場合と広い(破線)場合との伝熱面の過熱度と熱流束との関係を示すグラフである。図13(a)に示す様にある温度と熱流束の点で2本の線が交差し、伝熱面同士の間隙が狭い場合、熱流束が低い領域では良好な熱伝達特性を示すが、熱流束が高い領域では熱伝達特性が低下し、それに伴い限界熱流束(Critical Heat Flux)も低下する特性を示す。逆に、伝熱面同士の間隙が広い場合には、熱流束が高い領域では良好な熱伝達特性を示すが、熱流束が低い領域では熱伝達特性が低下する。
[Necessity of forming a thin liquid film on the heat transfer surface]
FIG. 13A is a graph showing the relationship between the degree of superheat and heat flux of the heat transfer surface when the gap between the heat transfer surfaces in the parallel plate evaporator is narrow (solid line) and wide (broken line). . As shown in FIG. 13 (a), when two lines intersect at a certain temperature and heat flux point and the gap between the heat transfer surfaces is narrow, the heat transfer characteristic is good in the region where the heat flux is low, In the region where the heat flux is high, the heat transfer characteristic decreases, and the critical heat flux (Critical Heat Flux) decreases accordingly. On the other hand, when the gap between the heat transfer surfaces is wide, good heat transfer characteristics are exhibited in a region where the heat flux is high, but heat transfer characteristics are degraded in a region where the heat flux is low.

このメカニズムとして、伝熱面のドライアウトによる熱伝達率の低下があげられる。図13(b)に蒸発管における流動、伝熱様式の変化を示す。蒸発管内の液体は、上流(図中下方)ではほぼ100%液相であるが、下流(図中上方)へ行くに従って、徐々に液相中に気泡分が増加する2相状態となり、ドライアウト位置より下流(ポスト・ドライアウト)では、伝熱面上に被蒸発液体は存在せず、完全に乾いた伝熱面となる。ポストドライアウトの噴霧流域では、伝熱面に常に接触する液体がないので、著しい熱伝達特性の低下が示されている。   As this mechanism, there is a decrease in heat transfer coefficient due to dryout of the heat transfer surface. FIG. 13B shows changes in flow and heat transfer mode in the evaporator tube. The liquid in the evaporator tube is almost 100% liquid phase upstream (lower part in the figure), but gradually becomes a two-phase state in which bubbles increase in the liquid phase as it goes downstream (upper part in the figure). Downstream from the position (post-dryout), there is no liquid to be evaporated on the heat transfer surface, and the heat transfer surface is completely dry. In the post-dryout spray basin, there is no liquid that is always in contact with the heat transfer surface, indicating a significant decrease in heat transfer characteristics.

また図13(c)には、蒸発管における加熱熱流束と熱伝達率分布を示す。図中A→B→C→Dの順で熱流束が大きくなる。熱流束の増大に伴い熱伝達率低下(噴霧流)の領域が上流へと移動していることが示されている。これら熱伝達率の低下を改善するためには、噴霧流(ポストドライアウト)領域に被蒸発液体を供給して伝熱面が濡れた状態を保持する必要がある。   FIG. 13C shows the heating heat flux and heat transfer coefficient distribution in the evaporation tube. In the figure, the heat flux increases in the order of A → B → C → D. It is shown that the region of reduced heat transfer coefficient (spray flow) moves upstream as the heat flux increases. In order to improve the decrease in the heat transfer coefficient, it is necessary to supply the liquid to be vaporized to the spray flow (post dry out) region to keep the heat transfer surface wet.

図14は、高熱流束領域におけるマイクロチャネルの沸騰様相を示す模式図である。伝熱面101の図中下方(上流)から被蒸発液体106が供給され、蒸気107は上方(下流)から排出される。被蒸発液体106は、伝熱面101で加熱され、気液界面104より上方では、被蒸発液体は、噴霧流105となっている。   FIG. 14 is a schematic diagram showing the boiling aspect of the microchannel in the high heat flux region. The evaporation target liquid 106 is supplied from the lower side (upstream) of the heat transfer surface 101 in the figure, and the vapor 107 is discharged from the upper side (downstream). The liquid to be evaporated 106 is heated by the heat transfer surface 101, and the liquid to be evaporated becomes a spray flow 105 above the gas-liquid interface 104.

伝熱面101のウエット領域(ドライアウト位置より上流)102と噴霧流領域103との界面である気液界面104は、熱流束の増大に伴い下方(上流)に移動し、熱移動として効率的に利用できる伝熱面のウエット領域102は限られ、伝熱面全体での熱交換効率は低下する。熱交換効率を向上させるには、伝熱面中の熱伝達率の高いウエット領域102の比率を高める必要がある。   The gas-liquid interface 104, which is an interface between the wet region (upstream from the dryout position) 102 of the heat transfer surface 101 and the spray flow region 103, moves downward (upstream) as the heat flux increases, and is efficient as heat transfer. The wet region 102 of the heat transfer surface that can be used for the heat transfer surface is limited, and the heat exchange efficiency of the entire heat transfer surface is reduced. In order to improve the heat exchange efficiency, it is necessary to increase the ratio of the wet region 102 having a high heat transfer coefficient in the heat transfer surface.

図15は、(a)9〔kW/m2 〕、(b)14〔kW/m2 〕、(c)19〔kW/m2 〕の各熱流束における沸騰の様子を撮影した写真を図式化したものである。図15に示すように、熱流束の増大に伴い伝熱表面のぬれ面積が小さくなっている。 FIG. 15 is a schematic diagram of photographs of boiling states in heat fluxes of (a) 9 [kW / m 2 ], (b) 14 [kW / m 2 ], and (c) 19 [kW / m 2 ]. It has become. As shown in FIG. 15, the wetting area of the heat transfer surface is reduced as the heat flux increases.

図16(a)は、被蒸発液体のクオリティに対応する熱伝達率、(b)は被蒸発液体のクオリティに対応する熱流束をそれぞれ示す図である。図16(a)に示すように、伝熱表面がドライアウト点A(このA点のクオリティをXa とする)よりクオリティが小さい濡れた(ウエット)状態の領域を維持することが蒸発器の熱伝達率向上に必要である。また図16(b)に示すように、ドライアウト前の領域とドライアウト後の領域との境界の熱流束は、クオリティの増加に対して右下がりとなる。そしてクオリティXa に対する熱流束は、qcaとなり、これより小さい熱流束に制御することが必要である。   FIG. 16A shows the heat transfer coefficient corresponding to the quality of the liquid to be evaporated, and FIG. 16B shows the heat flux corresponding to the quality of the liquid to be evaporated. As shown in FIG. 16 (a), the heat transfer surface maintains the wet (wet) region where the quality is lower than the dry-out point A (the quality of this point A is Xa). It is necessary to improve the transmission rate. Further, as shown in FIG. 16B, the heat flux at the boundary between the region before dryout and the region after dryout decreases to the right with respect to the increase in quality. The heat flux for the quality Xa is qca, and it is necessary to control the heat flux to be smaller than this.

本発明は、上記問題点を解決するため、被蒸発液体通路の間隙寸法が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型蒸発器において、前記被蒸発液体通路が鉛直に設置され、前記被蒸発液体通路の気液二相領域における前記間隙寸法が、クオリティに対して限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法であることを要旨とする。   In order to solve the above problems, the present invention is directed to a microchannel evaporator in which the gap dimension of the liquid passage to be evaporated is smaller than the diameter of the separation bubble, and the liquid passage to be evaporated is installed vertically, The gist is that the gap size in the gas-liquid two-phase region is the minimum gap size that satisfies the critical heat flux or less with respect to quality.

本発明によれば、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。   According to the present invention, since the thin liquid film of the liquid to be evaporated is formed on the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region of the liquid to be evaporated, the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region always has a heat transfer coefficient. The heat exchange efficiency of the microchannel evaporator can be improved, and the microchannel evaporator can be reduced in size.

次に図面を参照して、本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器(単に蒸発器とも略す)の実施例を詳細に説明する。尚、特に限定されないが本発明に係る蒸発器は、水や炭化水素系原燃料を蒸発させて燃料電池用の燃料改質器に供給する蒸発器に好適なものである。   Next, with reference to the drawings, embodiments of a microchannel evaporator (also simply referred to as an evaporator) according to the present invention will be described in detail. Although not particularly limited, the evaporator according to the present invention is suitable for an evaporator that evaporates water or a hydrocarbon-based raw fuel and supplies it to a fuel reformer for a fuel cell.

図1は、本発明に係る蒸発器の実施例1の基本構成単位を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。   FIG. 1A is a cross-sectional view, FIG. 1B is a conceptual diagram of a vaporized liquid passage, and FIG. 1C is a conceptual diagram of a heated gas passage, illustrating basic structural units of an evaporator according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、本実施例における蒸発器1は、2枚の対向する伝熱板2の間が被蒸発液体通路3となる蒸発器である。伝熱板2の外側は、加熱ガス通路4となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。   As shown in FIG. 1, the evaporator 1 in this embodiment is an evaporator in which a space between two opposing heat transfer plates 2 serves as an evaporation target liquid passage 3. The outside of the heat transfer plate 2 is a heated gas passage 4. When actually configuring the evaporator, it is preferable to have a configuration in which a plurality of basic structural units shown in this figure are arranged in parallel.

被蒸発液体通路3の下端部には、蒸発器1に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口5が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口6が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器1の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス入口7から供給され、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス出口8から排出される。従って、本実施例1の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが対向する対向流型の蒸発器である。そして、蒸発器1の作動中、被蒸発液体通路3の内部は、下方から順に、液相領域10、気液二相(沸騰二相)領域11、気相領域12となる。   An evaporating liquid inlet 5 for supplying the evaporating liquid to the evaporator 1 is provided at the lower end of the evaporating liquid passage 3, and a vapor outlet 6 is provided at the upper end of the evaporating liquid passage. Evaporates while flowing from the bottom to the top of the evaporator 1. On the other hand, the heated gas is supplied from a heated gas inlet 7 provided at the upper end of the evaporator and discharged from a heated gas outlet 8 provided at the lower end of the evaporator. Therefore, the evaporator according to the first embodiment is a counter-flow evaporator in which the flow direction of the liquid to be evaporated and the flow direction of the heating gas are opposed to each other. During the operation of the evaporator 1, the inside of the liquid passage 3 to be evaporated becomes a liquid phase region 10, a gas-liquid two phase (boiling two phase) region 11, and a gas phase region 12 in order from the bottom.

そして、被蒸発流体通路3の通路間隙sの寸法は、気液二相領域11において、下方から上方へ向かって徐々に大きくなっている。   The dimension of the passage gap s of the evaporated fluid passage 3 gradually increases from the lower side to the upper side in the gas-liquid two-phase region 11.

尚、伝熱板2の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用いることができる。   The heat transfer plate 2 can be made of a corrosion-resistant metal material such as stainless steel, titanium, titanium alloy, or the like.

さらに、伝熱板2の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。   Furthermore, by forming a film of titanium oxide or the like on the surface of the heat transfer plate 2 that contacts the liquid to be evaporated and performing a hydrophilic treatment, it becomes possible to obtain a larger capillary pressure and a penetrating power to the heating surface. The critical heat flux can be improved.

本実施例1においては、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて十分多く、加熱ガスの温度が加熱ガス入口7と加熱ガス出口8とでほぼ変化が無いものとする。   In the first embodiment, it is assumed that the mass flow rate of the heating gas is sufficiently larger than the mass flow rate of the liquid to be evaporated, and the temperature of the heating gas is substantially unchanged between the heating gas inlet 7 and the heating gas outlet 8.

図2は、本実施例1の蒸発器における気液二相領域11における被蒸発液体通路3の通路間隙sの変化を説明する図である。図2の横軸は、被蒸発液体の全質量流量に対する気相質量流量の比であるクオリティ、縦軸は、熱流束または限界熱流束qc 〔kW/m2 〕を示す。クオリティが0なら被蒸発液体の全質量流量が液体、即ち液相であり、クオリティが1なら被蒸発液体の全質量流量が気体、即ち気相(蒸気単相)である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a change in the passage gap s of the liquid passage 3 to be evaporated in the gas-liquid two-phase region 11 in the evaporator according to the first embodiment. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the quality, which is the ratio of the gas phase mass flow rate to the total mass flow rate of the liquid to be evaporated, and the vertical axis indicates the heat flux or critical heat flux qc [kW / m 2 ]. If the quality is 0, the total mass flow rate of the liquid to be evaporated is a liquid, that is, a liquid phase, and if the quality is 1, the total mass flow rate of the liquid to be evaporated is a gas, that is, a gas phase (vapor single phase).

図1の気液二相領域11は、その下端におけるクオリティが0、その上端におけるクオリティが1であり、その中間は徐々にクオリティが上昇する領域と考えることができる。   The gas-liquid two-phase region 11 in FIG. 1 can be considered as a region where the quality at the lower end is 0, the quality at the upper end is 1, and the middle is a region where the quality gradually increases.

このようなクオリティを横軸とし、縦軸に限界熱流束をとり、並行平板型のマイクロチャネル型蒸発器における被蒸発液体の通路間隙sA 、sB 、sC (sA >sB >sC )におけるクオリティXと限界熱流束qC との相関関係を示すと、図2となる。 With such quality as the horizontal axis, the vertical axis indicates the critical heat flux, and the passage gaps s A , s B , s C (s A > s B > s in the parallel plate type microchannel evaporator) The correlation between the quality X and the critical heat flux q C in C ) is shown in FIG.

同一間隙寸法であれば、クオリティの小さい方が液体の比率が大きく、伝熱板から多くの熱量が伝えられるので限界熱流束は大きくなる傾向があり、間隙寸法を大きくすると、間隙に保持される被蒸発液体の量が多くなり限界熱流束が増加する傾向となる。   If the gap size is the same, the smaller the quality, the larger the ratio of the liquid, and a larger amount of heat is transferred from the heat transfer plate, so the critical heat flux tends to increase. If the gap size is increased, the gap is held in the gap. The amount of liquid to be evaporated increases and the critical heat flux tends to increase.

ここで、基準の通路間隙sB からみて、通路間隙を増加すると、限界熱流束は増加し、その増加の割合は、クオリティが小さい方が大きい。逆に通路間隙を減少すると、限界熱流束は減少し、その減少の割合は、クオリティが小さい方が大きい。 Here, as viewed from the reference passage gap s B , when the passage gap is increased, the critical heat flux increases, and the rate of increase is larger when the quality is smaller. Conversely, when the passage gap is decreased, the critical heat flux is decreased, and the rate of the decrease is larger when the quality is smaller.

本実施例では、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて十分多く、加熱ガスの温度が加熱ガス入口7と加熱ガス出口8とでほぼ変化が無いものとしたので、加熱ガスから伝熱板を介して被蒸発液体に与えられる熱流束はクオリティによらず一定となり、図2の破線で示すものとする。この熱流束を示す破線と、通路間隙sB の限界熱流束を示す線とは、クオリティXB で交差している。これは、通路間隙sB の蒸発器のクオリティXB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティXB 以上の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は一点鎖線で示すように急激に低下する。 In this embodiment, the mass flow rate of the heating gas is sufficiently larger than the mass flow rate of the liquid to be evaporated, and the temperature of the heating gas is almost unchanged between the heating gas inlet 7 and the heating gas outlet 8. The heat flux given to the liquid to be evaporated from the heat transfer plate through the heat transfer plate is constant regardless of the quality, and is shown by a broken line in FIG. The broken line indicating the heat flux and the line indicating the limit heat flux of the passage gap s B intersect with each other with quality X B. This is because the critical heat flux is supplied at the position of the evaporator quality X B in the passage gap s B , and in the region of quality X B or higher, the supplied heat flux exceeds the critical heat flux. Since it changes from dry to dry and the heat transfer coefficient decreases, the heat flux rapidly decreases as shown by the alternate long and short dash line.

本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、クオリティXがXB 以上の領域では、クオリティがXB+1 ,XB+2 ,XB+3 と増加するに連れて、通路間隙をsB+1_case1 ,sB+2_case1 ,sB+3_case1 と拡大する。これによりクオリティがXB から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。 In this embodiment, in order to avoid such a decrease in heat flux, in the region where the quality X is X B or more, the passage gap is set to s B + 1_case1 , as the quality increases to X B + 1 , X B + 2 , X B + 3 . s B + 2_case1, to expand and s B + 3_case1. Thus without heat flux also increases quality from X B exceeds the limit heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

同様に、クオリティXがXB 以下の領域では、クオリティがXB−1 ,XB−2 と減少するに連れて、通路間隙をsB−1_case1 ,sB−2_case1 と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがXB から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。 Similarly, in the following areas Quality X is X B, As the quality decreases and X B-1, X B- 2, the heat transfer also by reducing the passage gap s B-1_case1, and s B-2_case1 The surface can be maintained in a wet state. Thus in heat flux also decreases quality from X B maintains the critical heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

このように、対向流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティXに対して被蒸発液体通路の通路間隙sを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。   As described above, in the counter-flow microchannel evaporator, the passage gap s of the liquid passage to be evaporated with respect to the quality X is set to the minimum gap dimension that satisfies the critical heat flux or less. Since a thin liquid film of the liquid to be evaporated is formed on the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region, the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region can always be maintained in a state with a high heat transfer coefficient, The heat exchange efficiency of the microchannel evaporator can be improved, and the microchannel evaporator can be reduced in size.

図3は、本発明に係る蒸発器の実施例2の基本構成単位を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。   FIGS. 3A and 3B are (a) a sectional view, (b) a vaporized liquid passage conceptual diagram, and (c) a heated gas passage conceptual diagram for explaining basic structural units of an evaporator according to a second embodiment of the present invention.

実施例2の蒸発器1自体の構成は、実施例1の蒸発器の構成と同様に、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが対向する対向流型である。但し、本実施例は、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて無視できなく、加熱ガス入口7から加熱ガス出口8にかけて、加熱ガスの温度が低下する場合の実施例である。   The configuration of the evaporator 1 itself according to the second embodiment is a counter flow type in which the flow direction of the liquid to be evaporated and the flow direction of the heating gas are opposed to each other, similarly to the configuration of the evaporator according to the first embodiment. However, the present embodiment is an embodiment in which the mass flow rate of the heating gas is not negligible compared to the mass flow rate of the liquid to be evaporated, and the temperature of the heating gas decreases from the heating gas inlet 7 to the heating gas outlet 8. .

図4は、本実施例における加熱ガスから被蒸発液体側への熱流束の変化(破線)と、各通路間隙のおける限界熱流束を示す図である。図4の破線で示すように、クオリティが小さいところでは、熱流束が小さく、クオリティが大きいところでは、熱流束が大きくなっている。これは、クオリティが大きいところでは、加熱ガスの温度が高くて、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が大きいため熱流束が大きくなり、クオリティが小さいところでは、加熱ガスの温度が低下し、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が小さいため熱流束が小さくなることによる。   FIG. 4 is a diagram showing a change in heat flux from the heated gas to the liquid to be evaporated side (broken line) and the limit heat flux in each passage gap in the present embodiment. As shown by the broken line in FIG. 4, the heat flux is small where the quality is small, and the heat flux is large where the quality is large. This is because where the quality of the heated gas is high, the temperature of the heated gas is high, and the temperature difference between the heated gas and the liquid to be evaporated is large, so the heat flux is large, and where the quality is small, the temperature of the heated gas is reduced. This is because the heat flux is small because the temperature difference between the heated gas and the liquid to be evaporated is small.

図4において、加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙sB の限界熱流束を示す線とは、クオリティXB で交差している。これは、通路間隙sB の蒸発器のクオリティXB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティXB 以上の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は一点鎖線で示すように急激に低下する。 In FIG. 4, the broken line indicating the heat flux given to the liquid to be evaporated from the heated gas and the line indicating the limit heat flux of the passage gap s B intersect with each other with quality X B. This is because the critical heat flux is supplied at the position of the evaporator quality X B in the passage gap s B , and in the region of quality X B or higher, the supplied heat flux exceeds the critical heat flux. Since it changes from dry to dry and the heat transfer coefficient decreases, the heat flux rapidly decreases as shown by the alternate long and short dash line.

本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、クオリティXがXB 以上の領域では、クオリティがXB+1 ,XB+2 ,XB+3 と増加するに連れて、通路間隙をsB+1_case2 ,sB+2_case2 ,sB+3_case2 と拡大する。これによりクオリティがXB から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。 In this embodiment, in order to avoid such a decrease in heat flux, in the region where the quality X is X B or higher, the passage gap is set to s B + 1_case2 , as the quality increases to X B + 1 , X B + 2 , X B + 3 . s B + 2_case2, to expand and s B + 3_case2. Thus without heat flux also increases quality from X B exceeds the limit heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

同様に、クオリティXがXB 以下の領域では、クオリティがXB−1 ,XB−2 と減少するに連れて、通路間隙をsB−1_case2 ,sB−2_case2 と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがXB から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。 Similarly, in the following areas Quality X is X B, As the quality decreases and X B-1, X B- 2, the heat transfer also by reducing the passage gap s B-1_case2, and s B-2_case2 The surface can be maintained in a wet state. Thus in heat flux also decreases quality from X B maintains the critical heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

このように、対向流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティXに対して被蒸発液体通路の通路間隙sを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。   As described above, in the counter-flow microchannel evaporator, the passage gap s of the liquid passage to be evaporated with respect to the quality X is set to the minimum gap dimension that satisfies the critical heat flux or less. Since a thin liquid film of the liquid to be evaporated is formed on the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region, the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region can always be maintained in a state with a high heat transfer coefficient, The heat exchange efficiency of the microchannel evaporator can be improved, and the microchannel evaporator can be reduced in size.

図5は、本発明に係る蒸発器の実施例3の基本構成単位を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。   5A is a sectional view, FIG. 5B is a conceptual diagram of a liquid to be evaporated, and FIG. 5C is a conceptual diagram of a heated gas path, illustrating basic structural units of an evaporator according to a third embodiment of the present invention.

図5に示すように、本実施例における蒸発器1は、2枚の対向する伝熱板2の間が被蒸発液体通路3となる蒸発器である。伝熱板2の外側は、加熱ガス通路4となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。   As shown in FIG. 5, the evaporator 1 according to the present embodiment is an evaporator in which a space between two opposing heat transfer plates 2 serves as an evaporation target liquid passage 3. The outside of the heat transfer plate 2 is a heated gas passage 4. When actually configuring the evaporator, it is preferable to have a configuration in which a plurality of basic structural units shown in this figure are arranged in parallel.

被蒸発液体通路3の下端部には、蒸発器1に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口5が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口6が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器1の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス入口7から供給され、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス出口8から排出される。従って、本実施例の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが並行する並行流型の蒸発器である。そして、蒸発器1の作動中、被蒸発液体通路3の内部は、下方から順に、液相領域10、気液二相(沸騰二相)領域11、気相領域12となる。   An evaporating liquid inlet 5 for supplying the evaporating liquid to the evaporator 1 is provided at the lower end of the evaporating liquid passage 3, and a vapor outlet 6 is provided at the upper end of the evaporating liquid passage. Evaporates while flowing from the bottom to the top of the evaporator 1. On the other hand, the heated gas is supplied from a heated gas inlet 7 provided at the lower end of the evaporator and discharged from a heated gas outlet 8 provided at the upper end of the evaporator. Therefore, the evaporator of the present embodiment is a parallel flow type evaporator in which the flow direction of the liquid to be evaporated and the flow direction of the heated gas are parallel. During the operation of the evaporator 1, the inside of the liquid passage 3 to be evaporated becomes a liquid phase region 10, a gas-liquid two phase (boiling two phase) region 11, and a gas phase region 12 in order from the bottom.

そして、被蒸発流体通路3の通路間隙sの寸法は、気液二相領域11において、下方から上方へ向かって徐々に小さくなっている。   The dimension of the passage gap s of the evaporated fluid passage 3 gradually decreases from the lower side to the upper side in the gas-liquid two-phase region 11.

尚、伝熱板2の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用いることができる。   The heat transfer plate 2 can be made of a corrosion-resistant metal material such as stainless steel, titanium, titanium alloy, or the like.

さらに、伝熱板2の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。   Furthermore, by forming a film of titanium oxide or the like on the surface of the heat transfer plate 2 that contacts the liquid to be evaporated and performing a hydrophilic treatment, it becomes possible to obtain a larger capillary pressure and a penetrating power to the heating surface. The critical heat flux can be improved.

本実施例は、加熱ガスの質量流量m〔g/s〕が被蒸発液体の質量流量に比べて無視できなく、加熱ガス入口7から加熱ガス出口8にかけて、加熱ガスの温度が低下する場合の実施例である。   In this embodiment, the mass flow rate m [g / s] of the heated gas is not negligible compared to the mass flow rate of the liquid to be evaporated, and the temperature of the heated gas decreases from the heated gas inlet 7 to the heated gas outlet 8. This is an example.

図6は、本実施例における加熱ガスから被蒸発液体側への熱流束の変化(破線)と、各通路間隙のおける限界熱流束を示す図である。図6の破線で示すように、クオリティが小さいところでは、熱流束が大きく、クオリティが大きいところでは、熱流束が小さくなっている。これは、クオリティが小さいところでは、加熱ガスの温度が高くて、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が大きいため熱流束が大きくなり、クオリティが大きいところでは、加熱ガスの温度が低下し、加熱ガスと被蒸発液体との温度差が小さいため熱流束が小さくなることによる。   FIG. 6 is a diagram showing a change in heat flux from the heated gas to the liquid to be evaporated side (broken line) and the limit heat flux in each passage gap in the present embodiment. As shown by the broken line in FIG. 6, the heat flux is large where the quality is small, and the heat flux is small where the quality is large. This is because where the quality of the heated gas is high, the temperature of the heated gas is high, and the temperature difference between the heated gas and the liquid to be evaporated is large, so the heat flux increases, and where the quality is large, the temperature of the heated gas decreases, This is because the heat flux is small because the temperature difference between the heated gas and the liquid to be evaporated is small.

図6において、加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙sB の限界熱流束を示す線とは、クオリティXB で交差している。これは、通路間隙sB の蒸発器のクオリティXB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティXB 以下の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は一点鎖線で示すように急激に低下する。 In FIG. 6, the broken line indicating the heat flux given to the liquid to be evaporated from the heated gas and the line indicating the critical heat flux of the passage gap s B intersect with each other with quality X B. This is because the critical heat flux is supplied at the position of the evaporator quality X B in the passage gap s B , and in the region below the quality X B , the supplied heat flux exceeds the critical heat flux. Since it changes from dry to dry and the heat transfer coefficient decreases, the heat flux rapidly decreases as shown by the alternate long and short dash line.

本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、クオリティXがXB 以下の領域では、クオリティがXB−1 ,XB−2 と減少減少するに連れて、通路間隙をsB−1_case3 ,sB−2_case3 と拡大する。これによりクオリティがXB から減少しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。 In this embodiment, in order to avoid such a decrease in the heat flux, in the region where the quality X is X B or less, the passage gap is set to s as the quality decreases and decreases to X B-1 and X B-2. B-1_case3, to expand and s B-2_case3. Thus without heat flux also decreases quality from X B exceeds the limit heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

同様に、クオリティXがXB 以上の領域では、クオリティがXB+1 ,XB+2 ,XB+3 と増加するに連れて、通路間隙をsB+1_case3 ,sB+2_case3 ,sB+3_case3 と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがXB から増加しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。 Similarly, in the region where the quality X is X B or higher, the heat transfer surface is reduced even if the passage gap is reduced to s B + 1_case3 , s B + 2_case3 , s B + 3_case 3 as the quality increases to X B + 1 , X B + 2 , X B + 3. The wet state can be maintained. Thus in heat flux also increases quality from X B maintains the critical heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

このように、並向流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティXに対して被蒸発液体通路の通路間隙sを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。   In this way, in the co-flow microchannel evaporator, the vapor gap s of the liquid passage to be evaporated with respect to the quality X is set to the minimum gap dimension that satisfies the critical heat flux or less, so that the liquid vapor passage Since a thin liquid film of the liquid to be evaporated is formed on the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region, the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region can always be kept in a high heat transfer rate state. The heat exchange efficiency of the microchannel evaporator can be improved, and the microchannel evaporator can be reduced in size.

図7は、本発明に係る蒸発器の実施例4の基本構成単位を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図、(d)A−A線断面図である。   7A is a cross-sectional view illustrating a basic structural unit of an evaporator according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 7B is a conceptual view of a liquid passage to be evaporated, FIG. 7C is a conceptual view of a heated gas passage, and FIG. FIG.

図7に示すように、本実施例における蒸発器1は、2枚の対向する伝熱板2の間が被蒸発液体通路3となる蒸発器である。伝熱板2の外側は、加熱ガス通路4となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。   As shown in FIG. 7, the evaporator 1 in the present embodiment is an evaporator in which a space between two opposed heat transfer plates 2 serves as an evaporation target liquid passage 3. The outside of the heat transfer plate 2 is a heated gas passage 4. When actually configuring the evaporator, it is preferable to have a configuration in which a plurality of basic structural units shown in this figure are arranged in parallel.

被蒸発液体通路3の下端部には、蒸発器1に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口5が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口6が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器1の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器右端部に設けられた加熱ガス入口7から供給され、蒸発器左端部に設けられた加熱ガス出口8から排出される。従って、本実施例の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが直交する直交流型の蒸発器である。そして、蒸発器1の作動中、被蒸発液体通路3の内部は、下方から順に、液相領域10、気液二相(沸騰二相)領域11、気相領域12となる。   An evaporating liquid inlet 5 for supplying the evaporating liquid to the evaporator 1 is provided at the lower end of the evaporating liquid passage 3, and a vapor outlet 6 is provided at the upper end of the evaporating liquid passage. Evaporates while flowing from the bottom to the top of the evaporator 1. On the other hand, the heated gas is supplied from a heated gas inlet 7 provided at the right end of the evaporator and discharged from a heated gas outlet 8 provided at the left end of the evaporator. Therefore, the evaporator of the present embodiment is a cross-flow type evaporator in which the flow direction of the liquid to be evaporated and the flow direction of the heated gas are orthogonal. During the operation of the evaporator 1, the inside of the liquid passage 3 to be evaporated becomes a liquid phase region 10, a gas-liquid two phase (boiling two phase) region 11, and a gas phase region 12 in order from the bottom.

そして、被蒸発流体通路3の通路間隙sの寸法は、気液二相領域11において、下方から上方へ向かって徐々に小さくなるとともに、右方から左方へ向かって徐々に小さくなる3次元変化をしている。   In the gas-liquid two-phase region 11, the dimension of the passage gap s of the evaporated fluid passage 3 gradually decreases from the lower side to the upper side and gradually decreases from the right side to the left side. I am doing.

尚、伝熱板2の材質は、耐食性の金属素材、例えばステンレススチール、チタン、チタン合金等を用いることができる。   The heat transfer plate 2 can be made of a corrosion-resistant metal material such as stainless steel, titanium, titanium alloy, or the like.

さらに、伝熱板2の被蒸発液体が接する表面に酸化チタン等の被膜を形成して親水処理することにより、より大きな毛管圧力及び加熱表面への浸透力を得ることが可能になり、更なる限界熱流束の向上を可能とする。   Furthermore, by forming a film of titanium oxide or the like on the surface of the heat transfer plate 2 that contacts the liquid to be evaporated and performing a hydrophilic treatment, it becomes possible to obtain a larger capillary pressure and a penetrating power to the heating surface. The critical heat flux can be improved.

図8は、本実施例の蒸発器1の加熱ガス上流側の位置L−L、蒸発器1の中央部の位置M−M、蒸発器1の加熱ガス下流側の位置N−Nのそれぞれにおける加熱ガスから被蒸発液体側への熱流束の変化(破線)と、各通路間隙のおける限界熱流束を示す図である。   FIG. 8 shows the position LL on the upstream side of the heating gas, the position MM on the center of the evaporator 1, and the position NN on the downstream side of the heating gas of the evaporator 1. It is a figure which shows the change (broken line) of the heat flux from heated gas to the to-be-evaporated liquid side, and the limit heat flux in each passage gap.

本実施例において、蒸発器の加熱ガスから被蒸発液体側に伝えられる熱流束は、加熱ガスの上流側の位置L−Lで大きく、中流側の位置M−M、下流側の位置N−Nへ進むに従って、加熱ガスの温度低下と共に低下する。本実施例では、実施例1と同様に、加熱ガスの質量流量が被蒸発液体の質量流量に比べて十分多く、加熱ガスの温度が加熱ガス入口7と加熱ガス出口8とでほぼ変化が無いものとしたので、加熱ガスから伝熱板を介して被蒸発液体に与えられる熱流束はクオリティによらず一定となり、図8の破線で示すものとする。   In the present embodiment, the heat flux transmitted from the heating gas of the evaporator to the liquid to be evaporated is large at the position LL on the upstream side of the heating gas, the position MM on the midstream side, and the position NN on the downstream side. As the process proceeds to, it decreases with a decrease in temperature of the heated gas. In the present embodiment, as in the first embodiment, the mass flow rate of the heated gas is sufficiently larger than the mass flow rate of the liquid to be evaporated, and the temperature of the heated gas is almost unchanged between the heated gas inlet 7 and the heated gas outlet 8. Therefore, the heat flux given to the liquid to be evaporated from the heated gas through the heat transfer plate is constant regardless of the quality, and is shown by a broken line in FIG.

図8において、位置M−Mにおける加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙sB の限界熱流束を示す線とは、クオリティXB で交差している。これは、通路間隙sB のクオリティXB の位置において限界熱流束が供給され、クオリティXB 以下の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は図示しないが実施例2と同様に急激に低下する。 In FIG. 8, the broken line indicating the heat flux given to the liquid to be evaporated from the heated gas at the position MM and the line indicating the critical heat flux of the passage gap s B intersect with each other with the quality X B. This is because the critical heat flux is supplied at the position of the quality X B of the passage gap s B , and in the region below the quality X B , the supplied heat flux exceeds the critical heat flux. Since it changes and the heat transfer coefficient decreases, the heat flux decreases rapidly as in Example 2, although not shown.

本実施例では、このような熱流束の低下を回避するため、位置M−MのクオリティXがXB 以上の領域では、クオリティがXB+1 ,XB+2 ,XB+3 と増加するに連れて、通路間隙をsB+1 ,sB+2 ,sB+3 と拡大する。これによりクオリティがXB から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。また、クオリティXがXB 以下の領域では、クオリティがXB−1 ,XB−2 と減少するに連れて、通路間隙をsB−1 ,sB−2 と縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがXB から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。 In the present embodiment, in order to avoid such a decrease in heat flux, in the region where the quality X at the position MM is equal to or higher than X B , the passage increases as the quality increases to X B + 1 , X B + 2 , X B + 3. The gap is expanded to s B + 1 , s B + 2 and s B + 3 . Thus without heat flux also increases quality from X B exceeds the limit heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient. In the region where the quality X is X B or less, the heat transfer surface is reduced even if the passage gap is reduced to s B-1 and s B-2 as the quality decreases to X B-1 and X B-2. Can be maintained in a wet state. Thus in heat flux also decreases quality from X B maintains the critical heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

同様に、蒸発器1の位置L−Lにおける加熱ガスから被蒸発液体に与えられる熱流束を示す破線と、通路間隙sA の限界熱流束を示す線とは、クオリティXA で交差している。これは、通路間隙sA のクオリティXA の位置において限界熱流束が供給され、クオリティXA 以下の領域では、供給される熱流束が限界熱流束を上回るので、伝熱面はウエットからドライに変化し熱伝達率低下するので、熱流束は図示しないが実施例2と同様に急激に低下する。 Similarly, the broken line indicating the heat flux given to the liquid to be evaporated from the heated gas at the position LL of the evaporator 1 and the line indicating the limit heat flux of the passage gap s A intersect with each other with the quality X A. . This is critical heat flux is supplied at a position of the quality X A of the passage gap s A, the following areas Quality X A, the heat flux supplied exceeds the critical heat flux, heat transfer surface to dry the wet Since it changes and the heat transfer coefficient decreases, the heat flux decreases rapidly as in the second embodiment although not shown.

このような熱流束の低下を回避するため、位置L−LのクオリティXがXA 以上の領域では、クオリティがXA+1 ,XA+2 ,XA+3 と増加するに連れて、通路間隙を拡大する。これによりクオリティがXA から増加しても熱流束が限界熱流束を超えることなく、最大の熱伝達率を得ることができる。また、クオリティXがXA 以下の領域では、クオリティがXA−1 ,XA−2 と減少するに連れて、通路間隙を縮小しても伝熱面をウエットの状態に維持することができる。これによりクオリティがXA から減少しても熱流束が限界熱流束を維持して、最大の熱伝達率を得ることができる。 In order to avoid such a decrease in heat flux, in the region where the quality X at the position LL is X A or higher, the passage gap is expanded as the quality increases to X A + 1 , X A + 2 , X A + 3 . As a result, even if the quality increases from X A , the maximum heat transfer coefficient can be obtained without the heat flux exceeding the critical heat flux. In the region where the quality X is X A or less, the heat transfer surface can be maintained in a wet state even if the passage gap is reduced as the quality decreases to X A-1 and X A-2. . Thus in heat flux also decreases quality from X A maintains the critical heat flux, it is possible to obtain the maximum heat transfer coefficient.

本実施例においては、蒸発器1の全領域において、位置L−L、位置M−Mで行った処理と同じ処理を行うことにより、蒸発器1の気液二相領域11の全域において、クオリティに応じた限界熱流束以下の最小の被蒸発液体通路の通路間隙寸法とする。   In the present embodiment, the same processing as that performed at the positions LL and MM is performed in the entire region of the evaporator 1, so that the quality of the entire region of the gas-liquid two-phase region 11 of the evaporator 1 is improved. It is set as the minimum passage gap dimension of the liquid passage to be evaporated which is equal to or less than the critical heat flux.

このように、直交流型のマイクロチャネル型蒸発器において、クオリティXに対して被蒸発液体通路の通路間隙sを限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法としたことにより、被蒸発液体通路の気液二相領域に接する伝熱面に被蒸発液体の薄液膜が形成されるので、気液二相領域に接する伝熱面が常に熱伝達率の高い状態に保持されることができ、マイクロチャネル型蒸発器の熱交換効率の向上が図れるとともに、マイクロチャネル型蒸発器を小型化することができるという効果がある。   In this way, in the cross-flow type microchannel evaporator, the passage gap s of the liquid passage to be evaporated with respect to the quality X is set to the minimum gap dimension that satisfies the critical heat flux or less, so that Since a thin liquid film of the liquid to be evaporated is formed on the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region, the heat transfer surface in contact with the gas-liquid two-phase region can always be maintained in a state with a high heat transfer coefficient, The heat exchange efficiency of the microchannel evaporator can be improved, and the microchannel evaporator can be reduced in size.

図9は、実施例2の変形例である実施例5の蒸発器の基本構成単位を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。本実施例の蒸発器と実施例2の蒸発器との相違は、被蒸発液体通路3の気相領域12において、通路間隙sが徐々に狭められていることである。その他の構成は、実施例2と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。これにより蒸気出口6から被蒸発液体の液滴が排出されることを防止できるという効果がある。   FIG. 9A is a sectional view, FIG. 9B is a conceptual diagram of a vaporized liquid passage, and FIG. 9C is a conceptual diagram of a heated gas passage, illustrating a basic structural unit of an evaporator according to a fifth embodiment which is a modification of the second embodiment. is there. The difference between the evaporator of the present embodiment and the evaporator of Embodiment 2 is that the passage gap s is gradually narrowed in the gas phase region 12 of the liquid passage 3 to be evaporated. Since the other configuration is the same as that of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted. As a result, it is possible to prevent the liquid droplets to be evaporated from being discharged from the vapor outlet 6.

尚、実施例5のように、被蒸発液体通路3の気相領域12において、通路間隙sを徐々に狭めることは、実施例2のみならず、他の実施例にも適用することができる。   Note that, as in the fifth embodiment, gradually reducing the passage gap s in the gas phase region 12 of the vaporized liquid passage 3 can be applied not only to the second embodiment but also to other embodiments.

図10は、図7に示した実施例4の直交流型の蒸発器において、隔壁9により加熱ガス用通路4に複数の折り返し部を設けて、加熱ガスを蛇行させた実施例6である。その他の構成は、実施例4と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。   FIG. 10 shows a sixth embodiment in which the heating gas is meandered by providing a plurality of folded portions in the heating gas passage 4 by the partition walls 9 in the cross flow type evaporator of the fourth embodiment shown in FIG. Since other configurations are the same as those of the fourth embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.

実施例4では、気相領域12−気液二相領域11の境界線、および気液二相領域11−液相領域10の境界線が傾斜していたが、本実施例によれば、実施例4と比較して、これらの境界線を加熱ガス流れ方向とより平行に保つことができる。これにより蒸気出口6の端部から生成される蒸気の過熱度をより均一なものとすることができるという効果がある。   In the fourth embodiment, the boundary line between the gas phase region 12 and the gas-liquid two-phase region 11 and the boundary line between the gas-liquid two-phase region 11 and the liquid-phase region 10 are inclined. Compared to Example 4, these boundaries can be kept more parallel to the heated gas flow direction. Thereby, there exists an effect that the superheat degree of the steam produced | generated from the edge part of the steam outlet 6 can be made more uniform.

図11は、図7に示した実施例4の直交流型の蒸発器において、隔壁9により加熱ガス用通路4に複数の折り返し部を設けて、加熱ガスを蛇行させた実施例7である。実施例6との相違は、加熱ガス入口7を被蒸発液体入口5の近傍とし、加熱ガス出口8を蒸気出口6の近傍としたことである。これにより、加熱ガスの最も高温部から最も限界熱流束が高い液相領域10を加熱することになるので、被蒸発液体通路3の通路間隙sを実施例6より狭くすることができ、蒸発器1の形状をより小型化できるという効果がある。その他の構成は、実施例4と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。   FIG. 11 is an embodiment 7 in which the heating gas is meandered by providing a plurality of folded portions in the heating gas passage 4 by the partition wall 9 in the cross flow type evaporator of the embodiment 4 shown in FIG. The difference from the sixth embodiment is that the heating gas inlet 7 is set in the vicinity of the vaporized liquid inlet 5 and the heating gas outlet 8 is set in the vicinity of the vapor outlet 6. As a result, the liquid phase region 10 having the highest critical heat flux is heated from the hottest portion of the heated gas, so that the passage gap s of the liquid passage 3 to be evaporated can be made narrower than that of the sixth embodiment, and the evaporator There is an effect that the shape of 1 can be further downsized. Since other configurations are the same as those of the fourth embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.

本実施例を、図17から図23を用いて説明する。図17は、本発明に係る蒸発器の実施例8の基本構成単位を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。図18は図17に示す蒸発器における被蒸発液体としての純水及び高温ガスの入口条件においての限界熱流束特性を、図19は図18の特性を基づいた純水の入口条件と沸騰領域の関係を、図20から図22は図19のマップに基づいて制御された場合の加熱ガスのフローパターンを、夫々示している。   This embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a (a) cross-sectional view, (b) a vaporized liquid passage conceptual diagram, and (c) a heated gas passage conceptual diagram for explaining a basic structural unit of an eighth embodiment of the evaporator according to the present invention. 18 shows the critical heat flux characteristics under the inlet conditions of pure water and hot gas as the liquid to be evaporated in the evaporator shown in FIG. 17, and FIG. 19 shows the inlet conditions of pure water and the boiling region based on the characteristics of FIG. FIGS. 20 to 22 show the flow patterns of the heating gas when controlled based on the map of FIG. 19, respectively.

図17に示すように、本実施例における蒸発器1は、2枚の対向する伝熱板2の間が被蒸発液体通路3となる蒸発器である。伝熱板2の外側は、加熱ガス通路4となっている。実際に蒸発器を構成する場合、本図に示した基本構成単位を複数並行して配置した構成とするのが好ましい。   As shown in FIG. 17, the evaporator 1 according to the present embodiment is an evaporator in which a space between two opposed heat transfer plates 2 serves as an evaporation target liquid passage 3. The outside of the heat transfer plate 2 is a heated gas passage 4. When actually configuring the evaporator, it is preferable to have a configuration in which a plurality of basic structural units shown in this figure are arranged in parallel.

被蒸発液体通路3の下端部には、蒸発器1に被蒸発液体を供給する被蒸発液体入口5が設けられ、被蒸発液体通路の上端部には、蒸気出口6が設けられ、被蒸発液体は、蒸発器1の下から上へ向かって流れながら蒸発する。一方加熱ガスは、蒸発器下端部に設けられた加熱ガス入口7から供給され、蒸発器上端部に設けられた加熱ガス出口8から排出される。従って、本実施例の蒸発器は、被蒸発液体の流れ方向と加熱ガスの流れ方向とが並行する並行流型の蒸発器である。そして、蒸発器1の作動中、被蒸発液体通路3の内部は、下方から順に、液相領域10、気液二相(沸騰二相)領域11、気相領域12となる。そして、被蒸発流体通路3の通路(マイクロチャネル)間隙sの寸法は、蒸発器1の全領域において、一定寸法である。   An evaporating liquid inlet 5 for supplying the evaporating liquid to the evaporator 1 is provided at the lower end of the evaporating liquid passage 3, and a vapor outlet 6 is provided at the upper end of the evaporating liquid passage. Evaporates while flowing from the bottom to the top of the evaporator 1. On the other hand, the heated gas is supplied from a heated gas inlet 7 provided at the lower end of the evaporator and discharged from a heated gas outlet 8 provided at the upper end of the evaporator. Therefore, the evaporator of the present embodiment is a parallel flow type evaporator in which the flow direction of the liquid to be evaporated and the flow direction of the heated gas are parallel. During the operation of the evaporator 1, the inside of the liquid passage 3 to be evaporated becomes a liquid phase region 10, a gas-liquid two phase (boiling two phase) region 11, and a gas phase region 12 in order from the bottom. The dimension of the passage (microchannel) gap s of the fluid passage 3 to be evaporated is a constant dimension in the entire region of the evaporator 1.

次に、図19のマップについて、図17及び図18を用いて説明する。   Next, the map in FIG. 19 will be described with reference to FIGS. 17 and 18.

本実施例8では、図17に示すように、マイクロチャネル間隙が一定(s)の並流型の蒸発器で、純水入口における条件を質量流量mw [g/s]、温度Tw [K]、加熱ガス入口における条件を質量流量mg [g/s]、温度Tg [K]とする。また、図18に示す限界熱流束特性は、前述の通りマイクロチャネル間隙sによって異なり、間隙sが大きいほど高い特性を示している。   In Example 8, as shown in FIG. 17, a co-flow type evaporator with a constant microchannel gap (s) is used, and the conditions at the pure water inlet are the mass flow rate mw [g / s] and the temperature Tw [K]. The conditions at the heating gas inlet are mass flow rate mg [g / s] and temperature Tg [K]. 18 is different depending on the microchannel gap s as described above, and shows a higher characteristic as the gap s is larger.

例えば、間隙をsB とした場合についてのクオリティと熱流束の関係を、以下5通り説明する。まず、高温ガス入口の質量流量がmg2、温度がTg2場合は、高温ガスと被蒸発液体との熱流束はクオリティの変化に伴って破線のように変化して,ゼロから1のクオリティにおいて間隙sB の限界熱流束特性以下にある。また同様に、(mg2,Tg1)と(mg1,Tg2)の場合(各々一点鎖線)も、上記と同様に間隙sB の限界熱流束特性以下にある。これらは薄液膜の形成が可能になり効率的な熱交換が可能となることを示している。 For example, the relationship between the quality and heat flux when the gap is s B will be described below. First, when the mass flow rate at the high temperature gas inlet is mg2 and the temperature is Tg2, the heat flux between the high temperature gas and the liquid to be evaporated changes as shown by the broken line with the change in quality, and the gap s in the quality from zero to one. It is below the critical heat flux characteristics of B. Similarly, in the case of (mg2, Tg1) and (mg1, Tg2) (each one-dot chain line), it is below the critical heat flux characteristic of the gap s B as described above. These indicate that a thin liquid film can be formed and efficient heat exchange is possible.

一方、(mg2,Tg3)と(mg3,Tg2)場合(各々破線),クオリティの増加に伴ない、高温ガスと被蒸発液体との熱流束は限界熱流束特性と交差して,その後ドライアウト領域に推移して熱流束は大幅に低下する。これによって、熱交換率が悪化することとなる。   On the other hand, in the case of (mg2, Tg3) and (mg3, Tg2) (each broken line), as the quality increases, the heat flux of the hot gas and the liquid to be evaporated intersects the critical heat flux characteristics, and then the dryout region As a result, the heat flux decreases significantly. As a result, the heat exchange rate deteriorates.

以上の結果を、高温ガス入口の(mg ,Tg )条件と沸騰領域(ドライアウト,ウェット)の関係で、図19にまとめた。このマップは、純水の入口条件が(mw[g/s]Tw,[K])のものである。なお、図19のマップは、ドライアウト領域に推移するか否かの判断し、ドライアウト領域に推移すると判断した場合には、ウェット領域に移行させるための定量的なΔTg 、Δmg を決定するために用いる。また、図19のドライアウト領域とウェット領域を区別するラインはmw[g/s]、Tw[K]を使用範囲で変化させ,実験または計算により求めたクオリティに対する熱流束特性が限界熱流束特性と接するmw[g/s],Tw[K]の条件をプロットすることにより作成される。   The above results are summarized in FIG. 19 in relation to the (mg, Tg) conditions at the hot gas inlet and the boiling region (dry out, wet). In this map, the pure water inlet condition is (mw [g / s] Tw, [K]). Note that the map in FIG. 19 is used to determine whether or not to move to the dryout region, and to determine quantitative ΔTg and Δmg for shifting to the wet region when it is determined to shift to the dryout region. Used for. Further, in the line for distinguishing the dry out region and the wet region in FIG. 19, mw [g / s] and Tw [K] are changed in the range of use, and the heat flux characteristic with respect to the quality obtained by experiment or calculation is the critical heat flux characteristic. Is created by plotting the conditions of mw [g / s] and Tw [K] in contact with.

次に、図23(a)から図23(c)を用いて、本実施例の蒸発器を用いたシステムの構成・作用を説明する。   Next, the configuration and operation of the system using the evaporator of this embodiment will be described with reference to FIGS. 23 (a) to 23 (c).

図23(a)から図23(c)に示した各システムは、蒸発器本体1と、過熱器21と、システムとしての加熱ガス入口31と、加熱ガスの流路を切り換える3方弁を用いたバルブ32,33,34と、システムとしての加熱ガス出口35とを備えている。   Each of the systems shown in FIGS. 23 (a) to 23 (c) uses an evaporator body 1, a superheater 21, a heating gas inlet 31 as a system, and a three-way valve for switching the heating gas flow path. Provided with valves 32, 33 and 34, and a heated gas outlet 35 as a system.

図23(a)のシステムは、加熱ガスの質量流量が規定以上の場合に、過熱器21と蒸発器本体1とに並列に加熱ガスを供給することを特徴とするシステムである。   The system shown in FIG. 23A is a system that supplies heating gas in parallel to the superheater 21 and the evaporator main body 1 when the mass flow rate of the heating gas is equal to or higher than a specified value.

図23(b)のシステムは、加熱ガスの温度が規定以上の場合に、加熱ガスを過熱器21に供給した後に蒸発器本体1に供給することを特徴とするシステムである。   The system of FIG. 23B is a system characterized in that when the temperature of the heated gas is equal to or higher than the specified temperature, the heated gas is supplied to the superheater 21 and then supplied to the evaporator body 1.

図23(c)のシステムは、加熱ガスの質量流量及び温度が規定以上の場合、加熱ガスを過熱器21と蒸発器本体1に並列に供給し、さらに過熱器21から排出された加熱ガスを蒸発器本体1に供給することを特徴とするシステムである。   23C, when the mass flow rate and temperature of the heating gas are higher than the specified value, the heating gas is supplied in parallel to the superheater 21 and the evaporator main body 1, and the heating gas discharged from the superheater 21 is further supplied. It is a system characterized in that it is supplied to the evaporator body 1.

なお、図中太線で記載されている箇所は、ガスの流れを示し、三方弁の黒色の部分はガス流を閉止している方向である。本実施例は、二つの熱交換器で構成される。一方は前述したウェット領域で使用することを旨とするマイクロチャネル型蒸発器を用いた蒸発器本体1、他方は過熱蒸気を生成するための過熱器21である。これら1又は21の熱交換器を通過したガスは、図示しないATR(Auto Thermal Reactor)への水素生成要素へと供給される。また、下記で説明をしない通常状態(Wet Rigionの場合)は、過熱器21をバイパスさせて供給される。なお、図23(a)は図20と、図23(b)は図21と、図23(c)は図22と、が対応しており、図20から図22は簡素的に模式化したものである。また、図23(a)から図23(c)に示した構成図は一例であり、本発明を限定するものではない。   In addition, the location described with the thick line in the figure shows the flow of gas, and the black portion of the three-way valve is the direction in which the gas flow is closed. This embodiment is composed of two heat exchangers. One is an evaporator main body 1 using a microchannel evaporator intended to be used in the wet region, and the other is a superheater 21 for generating superheated steam. The gas that has passed through the heat exchanger 1 or 21 is supplied to a hydrogen generation element to an ATR (Auto Thermal Reactor) (not shown). Further, in a normal state (in the case of Wet Rigion) not described below, the superheater 21 is bypassed and supplied. FIG. 23 (a) corresponds to FIG. 20, FIG. 23 (b) corresponds to FIG. 21, FIG. 23 (c) corresponds to FIG. 22, and FIGS. Is. Further, the configuration diagrams shown in FIGS. 23A to 23C are examples, and do not limit the present invention.

次に、図19から図22を用いて、具体的な制御について説明する。なお、図20は図19中A方向の条件(mg3,Tg2)から条件(mg2,Tg2)方向に変化させる場合を、図21は図19中B方向の条件(mg2,Tg3)から条件(mg2,Tg2)方向に変化させる場合を、図22は図19中C方向の条件(mg3,Tg2)から条件(mg2,Tg1)方向に変化させる場合をそれぞれ示している。   Next, specific control will be described with reference to FIGS. 19 to 22. 20 shows the case where the condition (mg3, Tg2) in the A direction in FIG. 19 is changed to the condition (mg2, Tg2) direction, and FIG. 21 shows the condition (mg2) from the condition (mg2, Tg3) in the B direction in FIG. , Tg2), and FIG. 22 shows the case of changing from the condition (mg3, Tg2) in the C direction to the condition (mg2, Tg1) in FIG.

図20では、条件(mg3,Tg2)で供給された加熱ガスは、蒸発器本体1には条件(mg2,Tg2)で、過熱器21には条件(Δmg ,Tg2)で、夫々供給される。蒸発器本体1及び過熱器21からそれぞれ排出された加熱ガスは合流し、ATRに送られる。なお、蒸発器本体1から排出された加熱ガスを、過熱器21を通過させるようにしてもよい。   In FIG. 20, the heated gas supplied under the conditions (mg3, Tg2) is supplied to the evaporator main body 1 under the conditions (mg2, Tg2) and to the superheater 21 under the conditions (Δmg, Tg2). The heated gases discharged from the evaporator main body 1 and the superheater 21 merge and are sent to the ATR. The heated gas discharged from the evaporator main body 1 may be passed through the superheater 21.

図21では、条件(mg2,Tg3)で供給された加熱ガスは、過熱器21に条件(mg2,Tg3)で供給され、過熱器21でΔTg 温度低下して、その後蒸発器本体1に条件(mg2,Tg2)で供給される。蒸発器本体1から排出された加熱ガスは、ATRに送られる。なお、蒸発器本体1から排出された加熱ガスを、再び過熱器21を通過させるようにしてもよい。   In FIG. 21, the heated gas supplied under the conditions (mg2, Tg3) is supplied to the superheater 21 under the conditions (mg2, Tg3), and the temperature of the superheater 21 decreases by ΔTg. mg2, Tg2). The heated gas discharged from the evaporator main body 1 is sent to the ATR. Note that the heated gas discharged from the evaporator body 1 may pass through the superheater 21 again.

図22では、条件(mg3,Tg2)で供給された加熱ガスは、蒸発器本体1には条件(Δmg,Tg2)で、過熱器21には条件(mg3−Δmg,Tg2)で、夫々供給される。過熱器21から排出された加熱ガスは、蒸発器本体1に温度(Tg2−ΔTg)で供給され、ATRに送られる。なお、蒸発器本体1から排出された加熱ガスを、過熱器21を通過させるようにしてもよい。   In FIG. 22, the heated gas supplied under the conditions (mg3, Tg2) is supplied to the evaporator main body 1 under the conditions (Δmg, Tg2) and to the superheater 21 under the conditions (mg3-Δmg, Tg2). The The heated gas discharged from the superheater 21 is supplied to the evaporator body 1 at a temperature (Tg2−ΔTg) and sent to the ATR. The heated gas discharged from the evaporator main body 1 may be passed through the superheater 21.

このように、本実施例では、以下の効果を得ることができる。   Thus, in the present embodiment, the following effects can be obtained.

均一な断面を有する狭い間隙で伝熱面をウェット状態に保つこと、その結果、より小さな蒸発器容積で且つ被蒸発液体気液二相領域において高い熱伝達率を維持することが可能となる。高効率・コンパクトな蒸発器の実現が可能となる。   Keeping the heat transfer surface in a wet state with a narrow gap having a uniform cross section makes it possible to maintain a high heat transfer coefficient in a vaporizer-liquid two-phase region with a smaller evaporator volume. A highly efficient and compact evaporator can be realized.

なお、本実施例8では間隙sを一定にしたが、実施例1乃至実施例7のように変化させてもよい。   Although the gap s is constant in the eighth embodiment, it may be changed as in the first to seventh embodiments.

また、本発明において、被蒸発液体通路を鉛直に設置するとは、マイクロチャネルを形成する左右の伝熱面の伝熱特性が傾斜により大きく対象性を失わない角度をいい、例えば鉛直±20度程度までの角度を含むものとする。   In addition, in the present invention, the vertical arrangement of the liquid passage to be evaporated means an angle at which the heat transfer characteristics of the left and right heat transfer surfaces forming the microchannel are not greatly lost due to the inclination, for example, about vertical ± 20 degrees. The angle up to is included.

本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例1の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 1 of the microchannel type evaporator which concerns on this invention, (b) Evaporative liquid channel | path conceptual diagram, (c) Heating gas channel | path conceptual diagram. 実施例1におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。It is a figure explaining the limit heat flux and heat flux with respect to quality in Example 1. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例2の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 2 of the microchannel type evaporator which concerns on this invention, (b) Conceptual drawing of a to-be-evaporated liquid channel | path, (c) It is a conceptual diagram of a heating gas channel | path. 実施例2におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。It is a figure explaining the limit heat flux and heat flux with respect to quality in Example 2. FIG. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例3の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 3 of the microchannel evaporator which concerns on this invention, (b) Conceptual figure of a to-be-evaporated liquid channel | path, (c) It is a conceptual diagram of a heating gas channel | path. 実施例3におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。It is a figure explaining the limit heat flux and heat flux with respect to quality in Example 3. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例4の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 4 of the microchannel type evaporator which concerns on this invention, (b) Evaporable liquid channel | path conceptual diagram, (c) Heating gas channel | path conceptual diagram. 実施例4におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。It is a figure explaining the limit heat flux with respect to the quality in Example 4, and a heat flux. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例5の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 5 of the microchannel type evaporator which concerns on this invention, (b) Conceptual figure of a to-be-evaporated liquid channel | path, (c) It is a conceptual diagram of a heating gas channel | path. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例6の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 6 of the microchannel evaporator which concerns on this invention, (b) Conceptual drawing of a to-be-evaporated liquid channel, (c) It is a conceptual diagram of a heating gas channel | path. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例7の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 7 of the microchannel type evaporator which concerns on this invention, (b) Conceptual drawing of a to-be-evaporated liquid channel | path, (c) It is a conceptual diagram of a heating gas channel | path. 伝熱面の表面性状及び過熱度による離脱気泡の直径を示す図である。It is a figure which shows the surface property of a heat-transfer surface, and the diameter of the isolation | separation bubble by superheat degree. (a)マイクロチャネル型蒸発器の過熱度と熱流束の関係を説明する図、(b)蒸発管における流動及び伝熱様式の変化を説明する図、(c)加熱熱流束と熱伝達分布の関係を説明する図である。(A) The figure explaining the relationship between the superheat degree and heat flux of a microchannel type evaporator, (b) The figure explaining the change of the flow and heat transfer mode in an evaporation pipe, (c) Heating heat flux and heat transfer distribution It is a figure explaining a relationship. 高熱流束領域におけるマイクロチャネルの沸騰様相を説明する図である。It is a figure explaining the boiling aspect of the microchannel in a high heat flux area | region. (a)9〔kW/m2 〕、(b)14〔kW/m2 〕、(c)19〔kW/m2 〕の各熱流束における沸騰の様子を撮影した写真を図式化したものである。(A) 9 [kW / m 2 ], (b) 14 [kW / m 2 ], (c) 19 [kW / m 2 ] each of which is a photograph of the state of boiling in each heat flux. is there. (a)気液二相のクオリティに対する熱伝達係数、(b)気液二相のクオリティに対する限界熱流束(CHF)を示す図である。(A) It is a figure which shows the heat transfer coefficient with respect to the quality of a gas-liquid two phase, (b) Critical heat flux (CHF) with respect to the quality of a gas-liquid two phase. 本発明に係るマイクロチャネル型蒸発器の実施例8の構成を説明する(a)断面図、(b)被蒸発液体通路概念図、(c)加熱ガス通路概念図である。It is (a) sectional drawing explaining the structure of Example 8 of the microchannel type evaporator which concerns on this invention, (b) Conceptual drawing of a to-be-evaporated liquid channel | path, (c) It is a conceptual diagram of a heating gas channel | path. 実施例8の蒸発器におけるクオリティに対する限界熱流束および熱流束を説明する図である。It is a figure explaining the limit heat flux with respect to the quality in the evaporator of Example 8, and a heat flux. 図18の特性を基づいた純水の入口条件と沸騰領域の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the entrance conditions of a pure water based on the characteristic of FIG. 18, and a boiling area. 蒸発器と過熱器とを備えたシステムにおける加熱ガスフローパターン(ケースA)を示す図である。It is a figure which shows the heating gas flow pattern (case A) in the system provided with the evaporator and the superheater. 蒸発器と過熱器とを備えたシステムにおける加熱ガスフローパターン(ケースB)を示す図である。It is a figure which shows the heating gas flow pattern (case B) in the system provided with the evaporator and the superheater. 蒸発器と過熱器とを備えたシステムにおける加熱ガスフローパターン(ケースC)を示す図である。It is a figure which shows the heating gas flow pattern (case C) in the system provided with the evaporator and the superheater. (a)ケースAの加熱ガスフローパターン、(b)ケースBの加熱ガスフローパターン、(c)ケースCの加熱ガスフローパターンをそれぞれ示す図である。(A) Heating gas flow pattern of case A, (b) Heating gas flow pattern of case B, (c) Heating gas flow pattern of case C.

符号の説明Explanation of symbols

1…蒸発器
2…伝熱板
3…被蒸発液体通路
4…加熱ガス通路
5…被蒸発液体入口
6…蒸気出口
7…加熱ガス入口
8…加熱ガス出口
9…隔壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Evaporator 2 ... Heat-transfer plate 3 ... Evaporated liquid channel 4 ... Heated gas channel 5 ... Evaporated liquid inlet 6 ... Steam outlet 7 ... Heated gas inlet 8 ... Heated gas outlet 9 ... Partition

Claims (12)

被蒸発液体通路の間隙寸法が離脱気泡の直径より小さいマイクロチャネル型蒸発器において、
前記被蒸発液体通路が鉛直に設置され、
前記被蒸発液体通路の気液二相領域における前記間隙寸法が、クオリティに対して限界熱流束以下を満足する最小の間隙寸法であることを特徴とするマイクロチャネル型蒸発器。
In a microchannel evaporator where the gap dimension of the liquid passage to be evaporated is smaller than the diameter of the detached bubble,
The evaporated liquid passage is installed vertically,
The microchannel evaporator according to claim 1, wherein the gap size in the gas-liquid two-phase region of the liquid passage to be evaporated is a minimum gap size that satisfies a critical heat flux or less with respect to quality.
被蒸発液体通路の間隙寸法を蒸発器内の位置によって徐々に変化させたことを特徴とする請求項1記載のマイクロチャネル型蒸発器。   2. The microchannel evaporator according to claim 1, wherein a gap dimension of the liquid passage to be evaporated is gradually changed depending on a position in the evaporator. 被蒸発液体通路の間隙寸法を被蒸発液体の流れ方向に徐々に変化させたことを特徴とする請求項2記載のマイクロチャネル型蒸発器。   3. The microchannel evaporator according to claim 2, wherein a gap dimension of the evaporating liquid passage is gradually changed in a flow direction of the evaporating liquid. 被蒸発液体通路の気相単相領域の間隙寸法を被蒸発液体の流れ方向に徐々に縮小したことを特徴とする請求項2記載のマイクロチャネル型蒸発器。   3. The microchannel evaporator according to claim 2, wherein the gap size of the vapor phase single phase region of the liquid passage to be evaporated is gradually reduced in the flow direction of the liquid to be evaporated. 被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れとが対向流となり、
被蒸発液体用通路の気液二相領域の間隙寸法を被蒸発液体の流れ方向に徐々に拡大したことを特徴とする請求項3記載のマイクロチャネル型蒸発器。
The flow of the liquid to be evaporated and the flow of the heated gas are counterflows,
4. The microchannel evaporator according to claim 3, wherein the gap dimension in the gas-liquid two-phase region of the vaporized liquid passage is gradually increased in the flow direction of the vaporized liquid.
被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れとが並向流となり、
被蒸発液体用通路の気液二相領域のチャネル間隙を被蒸発液体の流れ方向に徐々に縮小したことを特徴とする請求項3記載のマイクロチャネル型蒸発器。
The flow of the liquid to be evaporated and the flow of the heated gas become a parallel flow,
4. The microchannel evaporator according to claim 3, wherein the channel gap in the gas-liquid two-phase region of the vaporized liquid passage is gradually reduced in the flow direction of the vaporized liquid.
被蒸発流体の流れと加熱ガスの流れとが直交流となり、
被蒸発液体のチャネル間隙を高温ガスの流れ方向に徐々に変化させたことを特徴とする請求項2記載のマイクロチャネル型蒸発器。
The flow of the fluid to be evaporated and the flow of the heated gas become a cross flow,
3. The microchannel evaporator according to claim 2, wherein the channel gap of the liquid to be evaporated is gradually changed in the flow direction of the hot gas.
加熱ガス用通路に複数の折り返し部を設けて、加熱ガスを蛇行させたことを特徴とする請求項7記載のマイクロチャネル型蒸発器。   8. The microchannel evaporator according to claim 7, wherein the heating gas is meandered by providing a plurality of folded portions in the heating gas passage. 被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れが並向流とし、
被蒸発液体の質量流量及び温度に対応した加熱ガスの質量流量及び温度のマップを用いて、加熱ガスの質量流量及び/又は温度を制御することにより、
被蒸発液体の伝熱表面に薄液膜を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のマイクロチャネル型蒸発器。
The flow of liquid to be evaporated and the flow of heated gas are co-current flow,
By controlling the mass flow rate and / or temperature of the heated gas using a map of the mass flow rate and temperature of the heated gas corresponding to the mass flow rate and temperature of the liquid to be evaporated,
The microchannel evaporator according to any one of claims 1 to 4, wherein a thin liquid film is formed on the heat transfer surface of the liquid to be evaporated.
請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のマイクロチャネル型蒸発器と、
該マイクロチャネル型蒸発器からの蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、を備え、
前記マイクロチャネル型蒸発器において被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れが並向流となり、
加熱ガスの質量流量が規定以上の場合に、前記過熱器と前記マイクロチャネル蒸発器とに並列に加熱ガスを供給することを特徴とするマイクロチャネル蒸発器を用いたシステム。
A microchannel evaporator according to any one of claims 1 to 4,
A superheater for further heating the steam from the microchannel evaporator to generate superheated steam,
In the microchannel evaporator, the flow of the liquid to be evaporated and the flow of the heating gas become a parallel flow,
A system using a microchannel evaporator, wherein a heating gas is supplied in parallel to the superheater and the microchannel evaporator when the mass flow rate of the heated gas is equal to or greater than a specified value.
請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のマイクロチャネル型蒸発器と、
該マイクロチャネル型蒸発器からの蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、を備え、
前記マイクロチャネル型蒸発器において被蒸発液体の流れと加熱ガスの流れが並向流となり、
加熱ガスの温度が規定以上の場合に、前記加熱ガスを前記過熱器に供給した後に前記マイクロチャネル蒸発器に供給することを特徴とするマイクロチャネル蒸発器を用いたシステム。
A microchannel evaporator according to any one of claims 1 to 4,
A superheater for further heating the steam from the microchannel evaporator to generate superheated steam,
In the microchannel evaporator, the flow of the liquid to be evaporated and the flow of the heating gas become a parallel flow,
A system using a microchannel evaporator, wherein the heating gas is supplied to the superheater after being supplied to the superheater when the temperature of the heating gas is higher than a specified value.
請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のマイクロチャネル型蒸発器と、
該マイクロチャネル型蒸発器からの蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、を備え、
加熱ガスの質量流量及び温度が規定以上の場合、前記加熱ガスを前記過熱器と前記マイクロチャネル蒸発器に並列に供給し、
さらに前記過熱器から排出された加熱ガスを前記マイクロチャネル蒸発器に供給することを特徴とするマイクロチャネル蒸発器を用いたシステム。
A microchannel evaporator according to any one of claims 1 to 4,
A superheater for further heating the steam from the microchannel evaporator to generate superheated steam,
When the mass flow rate and temperature of the heating gas are not less than the specified value, the heating gas is supplied in parallel to the superheater and the microchannel evaporator,
A system using a microchannel evaporator, wherein the heated gas discharged from the superheater is supplied to the microchannel evaporator.
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