本发明涉及热交换器、热交换方法、热输送系统以及热输送方法。
背景技术：
以往，在利用热介质的沸腾来进行热交换的热交换器中，尝试了在将热从热源向热介质传递的传热部件形成槽等，以期进一步提高传热效率。
例如，专利文献1记载了一种内表面带有槽的管，其构成为在内表面形成多个槽部，在管内部流动的流体与外部之间进行热交换；该内表面带有槽的管中，在上述槽部的侧面及底面中的至少一个的面上形成有用于促进上述流体的沸腾的凹凸部。
现有技术文献
专利文献1
日本特开2008-157589号公报
技术实现要素：
发明所要解决的课题
专利文献1涉及一种在作为传热部件的管的内表面形成槽及凹凸，从而使气泡容易产生来促进作为热介质的流体的沸腾的技术。
但是，公开了根据理论计算，在改善利用热介质的沸腾的热交换器中的从热源向热介质的传热系数时，沸腾的促进以及由沸腾产生的气泡的控制也为重要的因素。气泡的控制是指例如控制气泡的产生位置、直径、数量、产生频率等。
在以往技术中，例如如专利文献1那样关于沸腾促进的报告例较多，但认为气泡的控制是困难的，关于包括控制气泡的传热系数的改善，几乎没有研究。
本发明的目的在于，提供控制由沸腾产生的气泡、特别是由此从热源向热介质的传热系数得到改善的热交换器。本发明进一步提供使用了该热交换器的热交换方法、使用了该热交换器的热输送系统以及使用了该热输送系统的热输送方法。
用于解决课题的手段
本发明如以下那样。
[1]热交换器，其是通过从热源向液体的经由传热部件的传热使上述液体沸腾来进行热交换的热交换器，在上述传热部件中的与上述液体接触以使上述液体沸腾的一侧的表面，条纹状地交替存在第一热传导区域和第二热传导区域，上述第一热传导区域的热传导率高于上述第二热传导区域的热传导率。
[2][1]中记载的热交换器，其中，上述第一热传导区域的条纹的宽度为2.5mm以上且7.5mm以下。
[3][1]或[2]中记载的热交换器，其中，上述第二热传导区域的条纹的宽度为0.1mm以上且1.0mm以下。
[4][1]～[3]的任一项中记载的热交换器，其中，构成上述第二热传导区域的第二热传导材料的热传导率为构成上述第一热传导区域的第一热传导材料的热传导率的1/50以下。
[5][1]～[4]的任一项中记载的热交换器，其中，构成上述第二热传导区域的第二热传导材料的耐热温度为120℃以上。
[6][1]～[5]的任一项中记载的热交换器，其中，上述传热部件由第一热传导材料构成，上述第二热传导区域由埋入上述传热部件中的、与上述液体接触以使上述液体沸腾的一侧的表面内的第二热传导材料构成。
[7][1]～[6]的任一项中记载的热交换器，其具有：液体供给口，将上述液体供给至上述传热部件中的与上述液体接触以使上述液体沸腾的一侧的表面上；容器，用于收容上述液体并使其沸腾；和气体排出口，使通过上述液体的沸腾而产生的气体从上述容器排出。
[8]热交换方法，其使用[1]～[7]的任一项中记载的热交换器来进行上述热源与上述液体之间的热交换。
[9][8]中记载的热交换方法，其中，上述热交换器中的上述第一热传导区域的温度高于上述热交换器内的压力下的上述液体的沸点，其温度差为10℃以上。
[10][9]中记载的热交换方法，其中，上述热交换器中的上述第一热传导区域的温度与上述热交换器内的压力下的上述液体的沸点的温度差为50℃以下。
[11][8]～[10]的任一项中记载的热交换方法，其中，上述液体为水或氟系溶剂。
[12][8]～[11]的任一项中记载的热交换方法，其中，上述热源为气体。
[13]热输送系统，其具备：[7]中记载的热交换器；冷凝器，具备气体冷凝容器、将气体供给至上述气体冷凝容器的气体供给口、以及将上述气体冷凝而成的液体从上述气体冷凝容器排出的液体排出口；液体流路，将上述冷凝器的上述液体排出口和上述热交换器的上述液体供给口连接；和气体流路，将上述热交换器的上述气体排出口和上述冷凝器的上述气体供给口连接。
[14]热输送方法，其使用[13]中记载的热输送系统进行。
[15][14]中记载的热输送方法，其中，上述热交换器中的第一热传导区域的温度高于上述热交换器内的压力下的上述液体的沸点，其温度差为10℃以上。
[16][15]中记载的热输送方法，其中，上述热交换器中的上述第一热传导区域的温度与上述热交换器内的压力下的上述液体的沸点的温度差为50℃以下。
[17][14]～[16]的任一项中记载的热输送方法，其中，上述液体为水或氟系溶剂。
[18][14]～[17]的任一项中记载的热输送方法，其中，上述热源为气体。
发明效果
本发明的热交换器能控制由沸腾而产生的气泡，特别是据此，能促进沸腾，改善从热源向热介质的传热系数。因此，本发明的热交换器的传热系数显著高于以往技术。
使用上述那样的本发明的热交换器的本发明的热输送系统能以非常高的效率将热介质的热输送至其它部位。
附图说明
图1是用于说明本发明的热交换器的构成的一例的概略剖面图。
图2是用于说明本发明的热输送系统的构成的一例的略图。
图3是用于说明实施例和比较例中使用的实验装置的概要的示意图。
图4是表示实施例中得到的、条纹状沸腾面的第一热传导区域的宽度与传热系数h(相对值)的关系的坐标图。
图5是继时地拍摄在实施例3中气泡在沸腾面上因沸腾而生长的情形的照片。
附图标记说明
1…底面板，2…盖体，3…水槽，4…加热器，5…电源，10…沸腾面，11…第一热传导区域，12…第二热传导区域，15…传热部件，20…容器，30…液体供给口，31…液体排出口，32…液体流路，40…气体排出口，41…气体供给口，42…气体流路，50…液体，51…气泡，52…蒸气，61…气泡，100…热交换器，200…冷凝器，210…气体冷凝容器，500…热输送系统
具体实施方式
本发明的热交换器是通过从热源向液体的经由传热部件的传热使液体沸腾来进行热交换的热交换器，在传热部件中的、与液体接触以使液体沸腾的一侧的表面，条纹状地交替存在第一热传导区域(高热传导区域)和第二热传导区域(低热传导区域)。
以下，对于本发明的热交换器，以其优选的实施方式为例进行说明。
＜热交换器＞
本实施方式的热交换器通过从热源向作为热介质的液体的经由传热部件的传热，使液体沸腾来进行热交换。本实施方式的热交换器中的传热部件中，在与液体接触以使液体沸腾的一侧的表面条纹状地交替存在第一热传导区域和第二热传导区域。本说明书中，以下，将传热部件中第一热传导区域和第二热传导区域条纹状地交替存在的表面区域称为“沸腾面”。
[传热部件]
本实施方式的热交换器中的传热部件在与作为热介质的液体接触以使液体沸腾的一侧的表面具有沸腾面。在传热部件中，从尽可能将热交换的效率维持较高且进行稳定的沸腾的观点考虑，沸腾面的面积占据与液体接触的一侧的表面的全部面积的比例期望尽可能高。传热部件中的沸腾面的面积占据与液体接触的一侧的表面的全部面积的比例可以为例如80％以上、90％以上或95％以上，也可以为100％。
传热部件在与液体接触的一侧的表面上具有上述的沸腾面，另外，其大小和形状等可以根据热交换器的规模、使用的热源的性状等适宜设定。传热部件的形状可以为例如圆板状、管状等。
构成传热部件的材料除了第二热传导区域的部分以外，可以与构成第一热传导区域的材料相同。对于构成第二热传导区域的材料及构成第一热传导区域的材料，在后面进行描述。
[沸腾面]
在本实施方式的热交换器中的传热部件的沸腾面，条纹状地交替存在第一热传导区域和第二热传导区域。
(第一热传导区域)
第一热传导区域可由热传导率高的第一热传导材料构成。从为了提高传热系数的要求来看，第一热传导材料的热传导率可以为例如100w/mk以上、200w/mk以上、250w/mk以上、300w/mk以上或350w/mk以上。另一方面，不需要过度提高该热传导率，热传导率非常高的材料是高价的。当考虑这些方面时，第一热传导材料的热传导率可以为例如5000w/mk以下、3000w/mk以下、1000w/mk以下、500w/mk以下或400w/mk以下。
这样的第一热传导材料可以为例如碳系材料、金属、半金属等。碳系材料可以为例如碳纳米管、金刚石、人造石墨等。金属可以为例如银、铜、金、铝等，可以为例如黄铜等合金。半金属可以为例如硅。
在本实施方式的热交换器中，认为由作为热介质的液体的沸腾而产生的气泡直径受第一热传导区域的条纹的宽度控制。因此，作为第一热传导区域的条纹宽度，期望选择并设定为一定直径的气泡稳定地产生那样的宽度。
在本实施方式中，可根据与表面张力同气泡的浮力的平衡相关的fritz公式推定高传热区域的宽度的最佳值。即，将作为热介质使用的液体的表面张力σ、该液体的沸腾面上的接触角θ和该液体的密度ρ1及该液体沸腾时的气体的密度ρg的值、以及重力加速度g代入下述的fritz公式，能推定具有与表面张力平衡的浮力的气泡的直径，即从沸腾面脱离的气泡直径d。
d＝0.209θ·[σ/{g(ρ1-ρg)}]1/2
在本实施方式的热交换器中，通过将沸腾面的条纹中的第一热传导区域的宽度设为与根据上述fritz公式算出的脱离气泡直径d的值相等的值或与其相近的值，能使热交换器的传热系数非常高。
基于fritz公式的脱离气泡直径d的值根据作为热介质使用的液体的种类、构成沸腾面的第一热传导材料的种类、热交换条件等而变，因此，难以提示在所有情况下都妥当的第一热传导区域的宽度的具体推荐范围。
当在常压下进行热交换的情况下，第一热传导区域的条纹的宽度可以为例如1.0mm以上、1.2mm以上、1.4mm以上、1.6mm以上或1.8mm以上，可以为例如10.0mm以下、9.5mm以下、9.0mm以下或8.5mm以下。
当使用在利用沸腾潜热的热交换器中通常使用的热介质(例如水、氟系溶剂等)的情况下，如果将第一热传导区域的条纹的宽度设为2.5mm以上且7.5mm以下，则呈现较高的传热系数。第一热传导区域的条纹的宽度可以为例如2.6mm以上、2.7mm以上、2.8mm以上、2.9mm以上或3.0mm以上，可以为例如7.0mm以下、6.0mm以下、5.0mm以下、4.5mm以下或4.0mm以下。
从以高的传热系数进行稳定的沸腾，由此尽可能提高热交换的效率的观点考虑，构成本实施方式的热交换器中的沸腾面的第一热传导区域的条纹的宽度可以遍及整个沸腾面大致相同。
(第二热传导区域)
第二热传导区域可以由热传导率低的第二热传导材料构成。第二热传导材料的热传导率可以为第一热传导材料的热传导率的1/50以下、1/100以下或1/200以下。
第二热传导材料的热传导率具体可以为例如10w/mk以下、5w/mk以下、3w/mk以下、1w/mk以下、0.5w/mk以下或0.3w/mk以下。另一方面，如果使该值过低，则第二热传导区域的机械强度可能受损，因此，第二热传导材料的热传导率可以为例如0.025w/mk以上、0.03w/mk以上、0.04w/mk以上或0.05w/mk以上。
第二热传导材料在热交换器内的压力下、在作为热介质使用的液体的沸点下或超过该沸点的温度下使用。因此，期望在该温度下具有充分的耐久性。从该观点考虑，第二热传导材料的耐热温度优选为120℃以上或150℃以上。该值是假定使用水作为热介质，并在常压下将过热度设定成20℃进行运转的情况而计算出的值。予以说明，耐热温度是指软化温度或玻璃化转变温度。
呈现这样的低热传导率和高度的耐热性两者的第二热传导材料可以为例如玻璃、金属或半金属的氧化物、木材、天然树脂、合成树脂等。玻璃可以为例如苏打石灰玻璃、硼硅酸玻璃、石英玻璃等。金属或半金属的氧化物可以为例如水晶等。合成树脂可以为例如聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、有机硅等。
为了使第二热传导区域的传热性与第一热传导区域的传热性的差显著，且高效地进行根据第一热传导区域的条纹的沸腾气泡直径的控制，本实施方式的热交换器中的第二热传导区域的条纹的宽度可以为例如0.01mm以上、0.02mm以上、0.04mm以上、0.06mm以上或0.08mm以上。另一方面，如果使第二热传导区域的条纹的宽度过大，则有时作为沸腾面整体的传热系数受损，难以进行有效的热交换。从该观点考虑，第二热传导区域的条纹宽度可以为例如2.0mm以下、1.8mm以下、1.6mm以下、1.4mm以下或1.2mm以下。
在使用一般的热介质(例如水、氟系溶剂等)的情况下，第二热传导区域的条纹的宽度可以为例如0.1mm以上、0.2mm以上或0.3mm以上，可以为例如1.0mm以下、0.8mm以下或0.6mm以下。
从尽可能将热交换的效率维持较高且进行稳定的沸腾的观点考虑，构成本实施方式的热交换器中的沸腾面的第二热传导区域的条纹的宽度可以遍及整个沸腾面大致相同。
从使第二热传导区域的传热性与第一热传导区域的传热性的差显著的观点考虑，优选地，沸腾面中的第二热传导区域期望为在由第一热传导材料构成的传热部件中的沸腾面中埋入的第二热传导材料。从该观点考虑，第二热传导区域中的埋入深度作为距传热部件的沸腾面的距离，可以为例如0.1mm以上、0.2mm以上或0.3mm以上。另一方面，如果使第二热传导区域的深度过大，则有时作为沸腾面整体的传热系数受损，难以进行有效的热交换。从该观点考虑，第二热传导区域的深度可以为例如1.0mm以下、0.8mm以下、或0.6mm以下。
(沸腾面的形状)
沸腾面可以为平滑的平面状，也可以为在表面具有槽或凹凸或它们两者的非平面。当沸腾面是在表面具有槽或凹凸或它们两者的非平面的情况下，能容易产生气泡，从而促进作为热介质的流体的沸腾。在沸腾面同时具有包括上述说明那样的第一热传导区域和第二热传导区域的条纹结构、以及槽或凹凸或它们两者形成的非平面结构的情况下，在能叠加地发挥两种结构的效果、最大程度地呈现高的传热系数这方面是有利的。
[热交换器的其它构成要素]
本实施方式的热交换器只要具备上述那样的传热部件，其它方式可以与公知的热交换器一样。
本实施方式的热交换器可以具有例如：将作为热介质的液体供给至沸腾面上的液体供给口、用于收容液体且使其沸腾的容器、以及使通过液体的沸腾而产生的气体从容器排出的气体排出口。
图1中示出本实施方式的热交换器的构成的一例。图1(a)是将热交换器100在铅垂面切断了的剖面图，图1(b)是图1(a)的i-i线剖面图。
图1的热交换器100具有传热部件15、液体供给口30、容器20和气体排出口40。本说明书中，“容器”可以为利用隔壁将周围区划而成的室，或者可以为周围未被明确区划的空间部。
传热部件15具有在第一热传导区域11的材料中埋入有第二热传导区域12的结构。由此，传热部件15的与液体50接触的一侧构成第一热传导区域11和第二热传导区域12条纹状地交替存在的沸腾面10。
液体供给口30将作为热介质的液体供给至传热部件15的沸腾面10上。液体通过来自热源(未图示)的经由传热部件15的传热在沸腾面10上沸腾，产生直径受到沸腾面10的条纹结构控制的气泡51。气泡51在液体50中上升，在容器20的气相中成为蒸气52，并从气体排出口40排出。
＜热交换方法＞
本实施方式的热交换方法可以使用上述说明的本实施方式的热交换器进行。热交换器中的第一热传导区域的温度可以设定为高于热交换器内的压力下的、作为热介质的液体的沸点。第一热传导区域的温度与热交换器内的压力下的液体的沸点的温度差可以为例如10℃以上、15℃以上或20℃以上，可以为例如50℃以下、45℃以下或40℃以下。
作为热介质的液体可以为例如水、氟系溶剂、氨、丙酮、甲醇等。这些液体中，优选为水或氟系溶剂。
作为热源，可以为气体、液体或固体，或者它们中的两种以上。作为气体，例如可举出空气、水蒸气、氨、碳氟化合物、二氧化碳等。作为液体，例如可举出水、盐水、油、dowtherma(注册商标)等。作为固体，除了可举出例如加热器等以外，可以为用于废热冷却的空冷器等。
作为本实施方式的热交换方法中的热源，可以使用气体。
作为本实施方式中的热源，可以将任意的气体特别加热并使用。但是，从有效利用目前为止被废弃的热的观点考虑，作为热源，优选使用例如从内燃机排出的废气、从锅炉排出的废气、从工厂设备排出的温水等。特别是从内燃机排出的废气由于容易得到、排出量多、温度高等，因而优选。
在本实施方式的热交换方法中，可以使热源流通，使得在图1的热交换器100中，与传热部件15的不接触液体50的一侧的面接触。由此，能将热源的热经由传热部件15传递至液体50。
＜热输送系统＞
本实施方式的热输送系统具备：上述说明的本实施方式的热交换器；具备气体冷凝容器、将气体供给至气体冷凝容器的气体供给口和将气体冷凝而成的液体从气体冷凝容器排出的液体排出口的冷凝器；将冷凝器的液体排出口和热交换器的液体供给口连接的液体流路；以及将热交换器的气体排出口和冷凝器的气体供给口连接的气体流路。
图2中示出用于说明本实施方式的热输送系统的结构的一例的略图。
图2的热输送系统500具备本实施方式的热交换器100、冷凝器200、液体流路32和气体流路42。
冷凝器200具备：气体冷凝容器210、将气体供给至气体冷凝容器210的气体供给口41和将气体冷凝而成的液体从气体冷凝容器210排出的液体排出口31。液体流路32将冷凝器200的液体排出口31和热交换器100的液体供给口30连接。气体流路42将热交换器100的气体排出口40和冷凝器200的气体供给口41连接。
＜热输送方法＞
本实施方式的热输送方法可以使用上述说明的本实施方式的热输送系统，将热交换器的第一热传导区域的温度控制成比热交换器内的压力下的作为热介质的液体的沸点高10～50℃的温度来进行。热交换器中的第一热传导区域的温度可设定成比热交换器内的压力下的作为热介质的液体的沸点高的温度。第一热传导区域的温度与热交换器内的压力下的液体的沸点的温度差可以为例如10℃以上、15℃以上、或20℃以上，可以为例如50℃以下、45℃以下或40℃以下。
关于本实施方式的热输送方法中使用的作为热介质的液体及热源，可以与关于热交换方法在上面描述的内容相同。
实施例
为了验证本实施方式的热交换器的效果，制作具有模拟了热交换器的沸腾面的板的实验装置，并进行了评价。
图3中示出实验装置的结构的概要。图3的实验装置具有水槽3和沸腾面10，该水槽3具有底面板1和盖体2。水槽3的内径为100mm，沸腾面10的直径为40mm。沸腾面10与加热器4连接，并在底面板1的水槽3内部侧表面露出。加热器4通过电源5进行工作。在水槽3的内部填充有作为热介质的液体的水60，当水60通过加热器4经由沸腾面10被加热时，在沸腾面10上沸腾并产生气泡61。
＜比较例1＞
将沸腾面10设为铜的镜面，将沸腾面10的过热度δtsat设定为30℃，在常压下进行沸腾实验。
假定从沸腾面10的中心点与面垂直的假想直线，在该假想直线上，设定距与沸腾面10连接的点的距离x成为2mm、4mm、6mm和8mm的4个测定点。测定这4个测定点的温度t，求出温度梯度dt/dx的直线。将使用得到的直线通过外插法推定的x＝0的点的温度设为沸腾面10的表面温度tw。
与上述不同，以2个测定点的实测温度的平均值来求出水槽3内的水60的内部(bulk)水温t∞。
使用上述的值，将通过下述数学式计算求得的传热系数h设为相对比较的基准值「1」。
h＝q/δt
q＝-λdt/dx
λ：铜的热传导率，391w/mk
δt＝tw-t∞
过热度δtsat为沸腾面10的表面温度tw与蒸气温度tsat的差，通过下述数学式进行算出。
δtsat＝tw-tsat
＜实施例1＞
在直径40mm的铜板的一侧表面上，使用铣刀，以间距2.0mm的条纹状的方式形成宽度0.5mm、深度0.5mm、剖面形状为矩形的槽。
向上述中形成的槽内填充2液体体系的固化型环氧树脂，依次进行常温固化及后固化，形成了宽度1.5mm的铜区域和宽度0.5mm的环氧树脂区域条纹状地交替存在的沸腾面10。该环氧树脂区域中的环氧树脂的热传导率为0.1w/mk。
除了使用上述的沸腾面10以外，与比较例1同样地，将沸腾面10的过热度δtsat设定成30℃，在常压下进行沸腾实验，求出传热系数h。得到的传热系数h作为相对于比较例1中的传热系数h的相对值，为0.65。
＜实施例2～7＞
除了将形成的条纹状的槽的间距分别如表1所记载那样变更以外，与实施例1同样地操作，形成铜区域的宽度不同的条纹状的沸腾面10。
除了使用上述的沸腾面10以外，与比较例1一样，将沸腾面10的过热度δtsat设定成30℃，在常压下进行沸腾实验，通过计算求出传热系数h。将得到的传热系数h的计算结果作为相对于比较例1中的传热系数h的相对值示于表1和图4。
表1.
图4中同时示出从fritz公式推定的脱离气泡直径d的值。验证了从fritz公式推定的脱离气泡直径d是与呈现非常高的传热系数的实施例2及3中的第一热传导区域的宽度相近的值。
上述实施例3中，将继时地拍摄在沸腾面10上气泡因水的沸腾而生长的情形的照片示于图5。时间按照图5(a)、(b)、(c)和(d)的顺序经过，各照片间的时间间隔为10～30毫秒左右。依次参照图5(a)、(b)、(c)和(d)时，可理解：在较粗的深色的第一热传导区域和较细的浅色的第二热传导区域条纹状地交替存在的沸腾面10上，具有深浅的呈现为大致圆形的气泡继时地生长的情形。
图5(a)中，生成多个小直径的气泡。图5(a)中，也观察到少量直径大的气泡。认为它们是多个小直径的气泡合体而成的。当时间经过至图5(b)及图5(c)时，气泡的直径变大。这些照片中的气泡的直径均小于第一热传导区域的宽度。直到该时刻，气泡的直径的偏差大。
到达图5(d)时，气泡的直径进一步变大。但可理解未观察到直径超过第一热传导区域的宽度而生长的气泡，气泡直径的最大值被控制，气泡直径的偏差小。认为该气泡直径的控制是由第一热传导区域和第二热传导区域交替存在的条纹状的沸腾面结构引起的。
在图5(d)中，除了具有与第一热传导区域的宽度大致相同的直径的大气泡以外，还观察到多个直径非常小的气泡。认为它们是新生成的新鲜气泡，以后进行生长。
参照图5时可理解，通过本发明的热交换器，能控制气泡的产生位置、直径、数量和产生频率。另外，参照图4时可理解，通过对气泡适当地控制这些参数，能改善热交换时的传热系数。