JPH02258500A - 蒸発熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、蒸発熱交換器に係り、特に宇宙軌道上のよ
うな微小重力環境下で用いる蒸発熱交換器に関する。

（従来の技術） 衛星や宇宙ステーション等の宇宙軌道上装置内で発生す
る熱は、宇宙空間へ排熱する必要がある。この排熱手段
として従来放熱板が多く利用されるが、場合によっては
放熱板が使用不可能であったり、放熱板による放熱量が
要求排熱ω以下になることがある。そのような状況では
放熱板以外の可熱手段が必要となり、その中の一つの有
力な排熱手段として冷ｌＪｌ媒体の蒸発潜熱を利用した
蒸発熱交換器がある。しかし、蒸発熱交換器内では冷Ｉ
ｎ媒体の気相と液相が混在した状態になることが多く、
宇宙軌道上のＪ：つな微小重力環境下では地上機器とし
て使用されている蒸発熱交換器のうち多くの形式のもの
が使用困難になってしよう、。

微小重力環境下において比較的容易に使用できる形式と
しては、冷却媒体を噴霧する「フラッシュ蒸発熱交換器
」、冷却媒体を高速で細管内を流す「高速強制対流蒸発
交換器１１表面張力により気液分離する「ウィック付き
蒸発熱交換器」等がある。

ところで、例えば米国のスペースシャトルのような宇宙
往還ｄでは様体の一部を開いて放熱板として使用するが
、上昇及び帰還ときには放熱板を開くことができない。

このため、上ｄ及び帰還時には放熱板以外の排熱手段が
必要となり、スペースシトトルでは蒸発熱交換器が使用
されている。

このスペースシャトルで使用された蒸発熱交換器と同形
式の従来の蒸発熱交換器としては、例えば第５図に示す
ようなものがある。

第５図に示す蒸発熱交換器は円筒形の容器１０１の外側
に被冷却媒体ａが流れる流路１０３が設けられており、
前記容器１０１の上方には冷Ｗ媒体すを噴霧する噴霧ノ
ズル１０５が設けられ、また、前記容器１０１と流路１
０３とは円筒隔壁１０７で仕切られている。そして、冷
却媒体すは噴霧ノズル１０５から容器１０１内に液相の
状態で噴霧され、容器１０１内の飽和温度に略等しい温
度で容器１０１の円筒隔壁１０７の内面に衝突し、円筒
隔壁１０７を介して被冷却媒体ａから熱を奪い蒸発する
。蒸発して気相となった冷却媒体］）は容器１０１の下
方に設（プられた蒸気出口１０９から出口配管に排出さ
れる。

方、被冷却媒体ａは入口ヘッダ１１１から流路１０３に
供給され、円筒隔壁１０７を介して冷ｉｎ媒体すと熱交
換し、冷却されて出口ヘッダ１１３から蒸発熱交換器の
外へ取出される。

このような蒸発熱交換器では、被冷却媒体ａは流路１０
３に沿って徐々に温度が低下Ｊ−るが冷却媒体すは円筒
隔壁１０７上のいずれの地点においても略等しい温度に
なっている。従って、被冷却媒体ａと冷却媒体すは円筒
隔壁１０７の各地点で温度差が異なる。すなわち、被冷
却媒体ａが供給される入口ヘッダ１１１に近い地点はど
温度差が大きくなる。このため熱交換器にも場所によっ
て大きな差が生じ、熱交換器としての効率が著しく低下
する。また、冷却媒体すの温度は被冷却媒体ａの出口温
度よりも低いので被冷却媒体ａの入口ヘッダ１１１付近
では、被冷却媒体ａと冷却媒体すとの間の温度差が大き
くなり過ぎて冷Ｗ媒ｖＡｂの液滴が円筒隔壁１０７から
離脱さぜられ、蒸発熱交換器の性能が更に低下すること
がある等の問題点があった。

これに対し、第５図に示した従来の蒸発熱交換器を複数
台用いてそれらを被冷却媒体ａが各急発交換器を順番に
流れるように接続し、冷却媒体すの温度も各蒸発熱交換
器毎に変える。という方法がζえられるが、この場合に
は円筒形の容１Ｍ１０１が？！１２数個並ぶことになり
、複数の蒸発熱交換器全体が占める体積が大きくなる。

衛星や宇宙往還はのような限られた空間を利用する宇宙
軌道上装置の搭載機器としては、体積の増加は大きな欠
点であり、時には致命的ともなりかねないので実用性が
極めて小さい。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の微小重力環境下において有効な熱交
換器は、熱交換効率を上げようとするときには大型化す
る恐れがあった。

そこでこの発明は、微小重力環境下において高い熱交換
効率を有し、かつ小へ２に構成することができる蒸発熱
交換器の提供を目的とする。

［発明の（Ｉが成１ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するためにこの発明は、冷却媒体と液冷
１」媒体とが隔壁を介して接触し、前記冷却媒体と前記
液冷！Ｄ媒体が熱交換し、前記冷却媒体の全流Ｇあるい
は一部流帛が液相から気相へ変化する蒸発熱交換器にお
いて、前記冷却媒体と前記被冷却媒体との熱交換部が第
１熱交換部ど第２熱交換部とに分割され、前記第２熱交
換部を筒形に形成し、前記第１熱交換部を前記冷７１］
ＴＲ体が流れる流路と前記被冷ＦＡ媒体が流れる流路お
よび両流路間の隔壁とから形成すると共に該第１熱交換
部を前記第２熱交換部の外周に冶って設置して蒸発熱交
換器を構成した。

（作用） 上記の構成によれば、第１熱交換部におよび第２熱交換
部によって熱交換が行なわれるので蒸発熱交換全体の熱
交換効率を向上させることができ、しかも、蒸発熱交換
器の体積を減少せしめ小型化することができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例係る蒸発熱交換器の縦断面
説明図、第２図は第１図の平面図を示すものである。

この蒸発熱交換器１は、第１熱交換部３と第２熱交換部
５とから構成されており、第１熱交換部３の内側に第２
熱交換部５が配置されている。

前記第１熱交換部３は、第１冷却媒体ｂｂが流れる第１
冷却媒体流路７の外周に沿って被冷却媒体ａが流れる被
冷却媒体流路９が設けられ、両流路７．９を隔壁１１で
仕切って構成されている。前記′ＰＳｌ冷ＦｉＩ媒体流
路７の入口と出口にはそれぞれ第１冷却媒体入ロヘツダ
１３と第１冷却媒体出ロヘツダ１５とが設（′ｌられて
おり、また前記液冷Ｗ媒体流路９の入口と出口には被冷
却媒体入口ヘッダ１７と被冷却媒体出口ヘッダ１９どが
設（ブられている。

この実施例にお番〕る前記第１冷却媒体流路７は第３図
に示すように、複数の流路７ａ、７ｂ・・・から形成さ
れ、さらに、各流路７ａ、７ｂ・・・を略螺旋状に形成
している。このように第１冷却媒体流路７を形成するこ
とにより、第１冷却媒体ｂｂに遠心力が作用し、液相が
隔壁１１に押し付けられて隔壁１１上での熱伝達が促進
される。

前記第２熱交換部５は前記第１熱交換部３の内側に配置
されており、従来例と同様に円筒形の容器２１の外周に
沿って液冷」媒体ａが流れる被冷却媒体流路２３が設り
られ、また、容器２１の上方には第２冷却媒体すを噴霧
する噴霧ノズル２５が設けられている。そして、容器２
１と液冷ＴＡ媒体流路２３とは円筒隔壁２７で仕切られ
ている。

前記被冷却媒体流路２３の入口と出口にはそれぞれ被冷
却媒体入口ヘッダ２９と被冷却媒体出口ヘッダ３１が設
けられており、前記被冷却媒体入口ヘッダ２９は接続管
３３を介して第１熱交換部３の被冷却媒体流路９の出口
ヘッダ１９に接続されている。また、容器２１の下方に
は蒸気出口３５が設けられている。

つぎに上記一実施例の作用について）ホベる。

被冷却媒体ａは第１熱交換部３の被冷却媒体入口ヘッダ
１７から被冷却媒体流路９に入り該流路９を流れる間に
隔壁１１を介して第１冷却媒体流路７を流れる第１冷却
媒体ｂｂと熱交換をし、冷却されて被冷却媒体出口ヘッ
ダ１９から接続管３３を通って第２熱交換部５の被冷却
媒体入口ヘッダ２つに入る。

方、第１冷ｆＡ媒体ｂｂは第１冷却媒体入ロヘツダ１３
から第１冷却媒体流路７に入り、同流路７の入口に近い
地点で蒸発を開始し、隔壁１１を介して被冷却媒体流路
９を流れる液冷ＩＪ媒体ａから熱を奪って蒸発を続け、
同流路７の出口に近い地点では気相の割合の大きい気液
二相流あるいは気相の単相流となり、第１冷却媒体出ロ
ヘツダ１５から第１熱交換部３の外部へ排出される。

このようにして被冷却媒体ａを冷却するとき第１冷却媒
体流路７内における第１冷却媒体ｂｂは大部分が気液二
相流であり、該流路７内の圧力１０失によって流れ方向
に減圧し、飽和圧力の低減により飽和温度すなわち第１
冷却媒体ｂｂの温度も低下する。従って、特に水のよう
な冷却媒体では、飽和圧力の低下に対する飽和温度の低
下が顕著であるので、第１図に示ずように第１冷却媒体
流路７内の第１冷却媒体ｂｂと被冷却媒体流路９内の被
冷却媒体ａの流れる方向を路間−にしかつ適切な第１冷
却媒体流路７の設五１によって第１冷却媒体ｂｂの圧力
損失を制御することにより、被冷却媒体ａと第１冷ＩＡ
媒体ｂｂの温α差を第１熱交換部３仝体で略一定とする
ことかでき、第１熱交換部３の熱交換効率を高めること
ができる。

このようにして第１熱交換部３で相当量の熱交換が行わ
れた被冷却媒体ａは続いて第２熱交換部５の被冷却媒体
入口ヘッダ２９から被冷却媒体流路２３に入り、該流路
２３を流れる間に円筒隔壁２７を介して第２冷却媒体す
と熱交換をし、冷却されて被冷却媒体出口ヘッダ３１か
ら蒸発熱交換器１の外へ取出される。

方、液相の状態で噴霧ノズル２５から容器２１内に噴霧
された第２冷却媒体すは容器２１内の飽和温度に略等し
い温度で円筒隔壁２７の内面にｉ付文し、該円筒隔壁２
７を介して液冷ｆＡ媒体流路２３を流れる被冷却媒体ａ
から熱を奪って蒸発する。ぞして、蒸発して気相となっ
た第２冷却媒体すは容器２１の下方に設（ｊられた蒸気
出口３５から第２熱交換部５の外部に排出される。

この実施例によれば、上述のように第１熱交換部３で相
当量の熱交換が行われるので、第２熱交換部５は従来例
の蒸発熱交換器に比べその体積を大幅に減少することが
でき、かつ、′ＫＳ１熱交換部３は、第１冷却媒体流路
７と被冷却流路９および両流路７，９との隔壁１１から
なり、これらを第２熱交換部５の外側に沿って設置され
ているので、第１熱交換部３の占める体積は第２熱交換
部５の体積に比べると殆ど無視できる程度のものである
。

従って、蒸発熱交換器１全体の体積を大幅に減少するこ
とができ、ずなわら、具体的には、従来の蒸発熱交１！
！！器を複数台用いた場合と比較すると、２台の従来の
蒸発熱交換器を１台の蒸発熱交換器に置換えることによ
り、大幅な体積の減少を図ることができる。

この発明は、上述の実施例に限定されるものではない。

例えば、第４図に示すように、第１冷却媒体流路７を往
復流路７ａ、７ｂ・・・　７ａ′　７ｂ−・・・とする
こともできる。この場合には液相の割合が多く高い熱伝
達率が期待できる往路の流路７ａ、７ｂ・・・を流れる
第１冷却媒体ｂｂを隔壁１１と接触させている。

また、第１冷ｆＪ］媒体ｂｂとしてアンモニアのような
高圧媒体を使用する場合には圧力損失による温度の低下
が少ないので、第１熱交換部３での第１冷Ｎ１媒体ｂｂ
と被冷却媒体ａの流れの方向を略反対方向とし、第１冷
却媒体ｂｂが気相になった後の顕然も同時に利用する構
成にすることもできる。

また、第１図に示す実施例では、第１冷却媒体ｂｂと第
２冷却媒体すを別々にそれぞれ第１熱交換部３　Ｊ５よ
び第２熱交換部５へ供給し、気相の単相流あるいは気相
が大部分を占める気液二相流になった第１冷却奴休ｂｂ
および第２冷却媒体すを別々に排出しているが第１冷却
媒体、ｂｂと第２冷」媒体すの両方をまず第１熱交換部
３へ供給し、被冷却媒体ａと熱交換をして相当量の液相
が残った気液相流とし、これを第２熱交換部５の噴霧ノ
ズル２５に導いて容器２１内へ噴霧させるようにするこ
ともできる。なお、この場合には噴霧ノズル２５を二相
流ノズルに置換える。

［発明の効果コ 以上の説明より明らかなように、この発明の構成によれ
ば、蒸発熱交換器の冷却媒体と被冷却媒体の熱交換部が
第１熱交換部と第２熱交換部に分割され、第２熱交換部
を略円筒形に形成し、第１熱交換部が冷却媒体が流れる
流路と液冷ＪＪ′ｌ媒体が流れる流路および両流路間の
隔壁とから形成されると共に該第１熱交換部が前記第１
熱交換部の外周に泊って設置されているため、蒸発熱交
換器の熱交換効率を高めることができ、しかも、蒸発熱
交換器全体の体積を大幅に減少することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る蒸発熱交換器の縦断
面説明図、第２図は第１図の平面図、第３図は第１図に
示した実施例の第１熱交摸部の流路を示す断面説明図、
第４図は他の実施例の第１熱交換部の流路を示す断面説
明図、第５図は従来側に係る蒸発熱交換器の断面図であ
る。 ａ・・・被冷却媒体　ｂ　、　ｂｂ・・・冷ＩＪｌ媒体
１・・・蒸発熱交換器　３・・・第１熱交換部５・・・
第２熱交換部　７・・・第１冷却媒体流路９・・・液冷
ＰＩｌ媒体流路　１１・・・隔壁２１・・・容器（第２
熱交換部）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷却媒体と被冷却媒体とが隔壁を介して接触し、
   前記冷却媒体と前記被冷却媒体が熱交換し前記冷却媒体
   の全流量あるいは一部流量が液相から気相へ変化する蒸
   発熱交換器において、前記冷却媒体と前記被冷却媒体と
   の熱交換部が第１熱交換部と第２熱交換部とに分割され
   、前記第２熱交換部を筒形に形成し、前記第１熱交換部
   と前記冷却媒体が流れる流路と前記被冷却媒体が流れる
   流路および両流路間の隔壁とから形成すると共に該第１
   熱交換部を前記第２熱交換部の外周に沿つて設置したこ
   とを特徴とする蒸発熱交換器。
2. （２）請求項１記載の蒸発熱交換器において、第１熱交
   換部の冷却媒体の流路を複数の流路で形成すると共に、
   これら流路を第２熱交換部の外周に沿つて略螺旋状に設
   置したことを特徴とする蒸発熱交換器。