JP2622603B2 - ヒートパイプ式熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、熱・電気複合供給システム（コ・ジェネ
レーションシステム）の蒸気発生器等に適する、ヒート
パイプを用いた熱交換器に関するものである。

従来の技術 従来の熱・電気複合供給システムの蒸気発生器には、
チューブラ型またはシェルアンドチューブ型の熱交換器
が多く使用されており、廃ガス等の熱源から直接水に熱
を与えて蒸気を発生させる方法を採用している。

第４図はチューブラ型熱交換器を使用した従来の熱・
電気複合供給システムの一例を示すもので、この装置
は、発電機１をガスエンジン２で駆動し、電気を発生さ
せて供給するとともに、発電機１を駆動するガスエンジ
ン２の廃ガス通路３に蒸気発生器としてのチューブラ型
熱交換器４を介設し、このチューブラ型熱交換器４にお
いて、そのチューブ５内を流れる水に直接熱を与えて蒸
発させ、発生した蒸気を吸収式冷却器（図示せず）等に
供給するようになっている。また前記ガスエンジン２の
加熱部分に水を流通させて冷却を行ない、加熱された冷
却水を給湯設備等に送って利用するようにもなってい
る。

発明が解決しようとする課題 しかし、前述した従来のチューブラ型熱交換器４を蒸
気発生器として使用した熱・電気複合供給システムにお
いては、熱源である廃ガスを供給するガスエンジン２の
負荷が低下した場合に、それに伴って廃ガスの熱エネル
ギも低下するため、必要とする蒸気量を確保できなくな
るという問題があった。そのため、従来のこの種の装置
では、熱（蒸気）を必要とする場合には、電気を必要と
しない時であってもガスエンジン２の負荷を高めて、熱
源である廃ガスの熱エネルギを増加させてやる必要があ
るため、エネルギの無駄が多かった。

この発明は上記した技術的背景の下になされたもの
で、熱源の熱エネルギに変動があっても安定した熱供給
を達成できるヒートパイプ式熱交換器を提供することを
目的としている。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明のヒー
トパイプ式熱交換器は、凝縮性の作動流体が封入された
コンテナパイプ内の凝縮部の端部側に、非凝縮性ガスを
作動流体の蒸気圧の変動に応じて圧縮膨張可能に封入し
た可変コンダクタンス型の第１ヒートパイプと、この第
１ヒートパイプに凝縮部の端部側の外周に設けられた蓄
熱材と、この蓄熱材中に一端側を配設して他端側を高く
して重力動作型熱流ダイオードヒートパイプの第２ヒー
トパイプとを備え、前記第１ヒートパイプの蒸発部を高
温熱媒体中に配設し、かつ低温熱媒体中に前記凝縮部の
蓄熱材を外周に設けた部分を除いた部分を配設するとと
もに、前記第２ヒートパイプの他端側を前記低温熱媒体
中に配設したことを特徴としている。

作用 上記のように、凝縮部の端部側に蓄熱材を設けた可変
コンダクタンス型の第１ヒートパイプは、その内部に非
凝縮性ガスが封入されている凝縮部の端部側は、この非
凝縮性ガスによって凝縮部として機能することが妨げら
れ、凝縮部の非凝縮性ガスのない部分だけが凝縮部とし
て有効に機能する。また、封入されている非凝縮性ガス
は、蒸発部が配設されている高温熱媒体の熱エネルギの
変動に伴う作動流体の蒸気圧の変化に応じて圧縮または
膨張してその容積が変化し、作動流体の蒸気圧が上昇す
ると非凝縮性ガスの容積が減少し、その分だけ凝縮部の
有効長が自動的に拡大し、逆に作動流体の蒸気圧が降下
すると非凝縮性ガスの容積が拡大し、その分だけ凝縮部
の有効長が自動的に減少する。

また、第２ヒートパイプは、重力動作型熱流ダイオー
ドヒートパイプであるため、蓄熱材中に配設された低い
側が蒸発部となり、低温熱媒体中に配設された高い側が
凝縮部となる、いわゆるボトムヒートモードでのみ作動
し、蓄熱材側の温度より低温熱媒体側の温度が高い、い
わゆるトップヒートモードでは作動しない。

したがって、このヒートパイプ式熱交換器は、高温熱
媒体の熱エネルギが充分大きい場合には、作動流体が蒸
発部で活発に蒸発するため、第１ヒートパイプ内の作動
流体の蒸気圧が上昇し、非凝縮性ガスを圧縮してその容
積を減少させ、それに伴ってヒートパイプの凝縮部の有
効長が拡長する。その結果、第１ヒートパイプの凝縮部
のうちで、蓄熱材が設けられていない部分において作動
流体の蒸気が凝縮することにより、蒸発潜熱として作動
流体の蒸気が輸送してきた熱によって低温熱媒体を充分
に加熱させるとともに、蓄熱材が設けられている凝縮部
の端部側においても作動流体の蒸気が凝縮することによ
り、蒸発潜熱として輸送されてきた熱が蓄熱材に蓄積さ
れる。このとき第２ヒートパイプは、蓄熱材の温度より
加熱された低温熱媒体の蒸気の温度が高いため、トップ
ヒートモードとなって作動せず、そのため蓄熱材に蓄積
された熱は消費されない。

一方、高温熱媒体の熱エネルギが減少した場合には、
作動流体の蒸発が減衰し、第１ヒートパイプ内の作動流
体の蒸気圧が下降し、非凝縮性ガスが膨張してその容積
を拡大させ、それに伴ってヒートパイプの凝縮部の有効
長が減少し、凝縮部の端部側の蓄熱材が設けられている
範囲全てが非凝縮性ガスで満され、この部分が凝縮部と
しての機能を失う。その結果、第１ヒートパイプの凝縮
部で、蓄熱材が設けられていない部分だけが凝縮部とし
て有効に機能し、この部分のみで作動流体の蒸気が凝縮
することにより、蒸発潜熱として運ばれてきた全ての熱
が低温熱媒体を加熱するためにのみ使われ、蓄熱材への
熱の蓄積は行なわれない。

また、高温熱媒体から受取った熱を全て低温熱媒体を
加熱するために使っても、低温熱媒体を充分に加熱でき
ないまでに入力される熱エネルギが減少し、不足した場
合には、加熱される低温熱媒体の温度が上昇しないこと
となる。その結果、第２ヒートパイプは、蓄熱材の温度
が加熱された低温熱媒体の温度より高くなるため、ボト
ムヒートモードとなってヒートパイプとして作動する。
そのため蓄熱材に蓄積された熱は第２ヒートパイプの凝
縮部として機能する低温熱媒体中に配設された部分に運
ばれ、低温熱媒体の加熱に使われ、入力される熱エネル
ギの不足を、この第２ヒートパイプによって運ばれる蓄
熱材の熱によって補充されて、安定した低温熱媒体の加
熱が達成される。

実 施 例 以下、この発明のヒートパイプ式熱交換器を、ガスエ
ンジンの廃ガスを熱源とする蒸気発生器に適用した一実
施例を第１図ないし第３図に基づいて説明する。

蒸気発生器であるヒートパイプ式の熱交換器11は、発
電機を駆動するガスエンジンの廃ガスＨの熱をヒートパ
イプにより熱輸送し、水を加熱して蒸気を発生させるも
ので、廃ガスゾーンＡと蒸気発生ゾーンＢおよび蓄熱ゾ
ーンＣの３つの部分に区分されており、前記廃ガスゾー
ンＡには熱源となる廃ガスＨが流通し、また蒸気発生ゾ
ーンＢには、加熱して蒸気化する水がその内部を下方か
ら上方へ流通する通水管12が設けられ、また蓄熱ゾーン
Ｃには、蓄熱材として200℃級で作用するペンタエリス
リトール等を充填した蓄熱槽13が設けられている。

そして、廃ガスゾーンＡ内には、第１ヒートパイプ14
の蒸発部（第１図において右側部分）が配置されてお
り、この第１ヒートパイプ14の凝縮部は、廃ガスゾーン
Ａに隣接する蒸気発生ゾーンＢの通水管12内を貫通して
その端部側が蓄熱ゾーンＣの蓄熱槽13内に配置されると
ともに、廃ガスゾーンＡ側が低く、蓄熱ゾーンＣ側が高
くなるように若干傾斜させて設けられている。

この第１ヒートパイプ14は、可変コンダクタンス型の
ヒートパイプで、蒸気発生ゾーンＢおよび蓄熱ゾーンＣ
側に配設された凝縮部側の内部には非凝縮性ガス15が封
入されており、この第１ヒートパイプ14内の凝縮性の作
動流体の蒸気圧の変動に応じて圧縮あるいは膨張してそ
の容積を変化させることにより、凝縮部の有効長Ｌが自
動的に調整されるようになっている。また、廃ガスゾー
ンＡ内に配設された前記蒸発部の外周に多数の受熱フィ
ン16を設けて熱源である廃ガスＨから効率良く受熱でき
るようになっている。

また、蓄熱ゾーンＣの前記蓄熱槽13内には第２ヒート
パイプ17の一端（第１図において左端）が配置され、こ
の第２ヒートパイプ17の他端側は蒸気発生ゾーンＢの通
水管12内に配置されるとともに、蓄熱槽13内の一端側が
低く、通水管12内の他端側が高くなるように配設されて
いる。

この第２ヒートパイプ17は、重力動作型熱流ダイオー
ドヒートパイプで、蓄熱槽13内に配置された低い側の一
端側が蒸発部となり、通水管12内に配設された他端側が
凝縮部となる、いわゆるボトムヒートモードの場合のみ
ヒートパイプとして作動するもので、全長のほぼ中央に
急勾配部17aを設けて、逆のトップヒートモード時の誤
作動が防止されるようになっている。

次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説
明する。

可変コンダクタンス型の第１ヒートパイプ14は、廃ガ
スゾーンＡ内に配設された蒸発部において高温の廃ガス
Ｈの熱を受熱フィン16で受取って作動流体が加熱されて
蒸発し、作動流体の蒸気となって蒸気発生ゾーンＢ内お
よび蓄熱ゾーンＣ内に配設されている凝縮部側に瞬時に
移動し、この凝縮部において蒸発潜熱を奪われて凝縮
し、再び液相の作動流体に戻る。このとき、非凝縮性ガ
ス15が封入されている凝縮部の端部側は、この非凝縮性
ガス15によって凝縮部として機能することが妨げられ、
非凝縮性ガス15のない部分だけが有効長Ｌとなって凝縮
部として機能する。また、重力動作型熱流ダイオードヒ
ートパイプの第２ヒートパイプ17は、凝縮した液相の作
動流体を重力の作用で蒸発部へ移動させるため、蓄熱ゾ
ーンＣ内に配設された低い側が蒸発部となり、蒸気発生
ゾーンＢ内に配設された高い側が凝縮部となるボトムヒ
ートモードの場合にのみヒートパイプとして作動する。

したがって、この熱交換器11は、発電機を駆動するガ
スエンジンが高出力で稼動し、熱源である廃ガスＨの熱
エネルギが充分多い場合には、第１ヒートパイプ14内の
作動流体が蒸発部で活発に蒸発するため、作動流体の蒸
気圧が上昇し、非凝縮性ガス15を圧縮してその容積を減
少させ、それに伴って凝縮部が有効長L₁までが拡長する
（第２図参照）。その結果、第１ヒートパイプ14の凝縮
部のうちで、通水管12内に設けられた部分において作動
流体の蒸気が凝縮することにより、蒸発潜熱として作動
流体の蒸気が輸送してきた熱によって水を加熱して活発
に蒸気を発生させるとともに、第１ヒートパイプ14の蓄
熱槽13内に設けられている凝縮部の端部側においても作
動流体の蒸気が凝縮することにより、蒸発潜熱として輸
送されてきた熱が余剰熱として蓄熱槽13に蓄積される。
このとき第２ヒートパイプ17は、蓄熱槽13の温度より通
水管12内の加熱された蒸気の温度が高いため、トップヒ
ートモードとなって作動せず、そのため蓄熱槽13に蓄積
された熱は消費されない。

一方、電気の需要が減り、発電機を駆動するガスエン
ジンの出力で低下すると、廃ガスＨの熱密度が小さくな
って熱交換器11への熱入力が減少するが、このような場
合には、第１ヒートパイプ14内の作動流体の蒸発が減衰
し、作動流体の蒸気圧が下降し、非凝縮性ガス15が膨張
してその容積を拡大させる。それによって第１ヒートパ
イプ14の凝縮部が有効長L₂まで減少し、凝縮部の端部側
の蓄熱ゾーンＣ内に配置されている部分が非凝縮性ガス
15に満されて、この部分が凝縮部としての機能を失う。
その結果、第１ヒートパイプ14の凝縮部で、蒸気発生ゾ
ーンＢ内に配置されている部分だけが凝縮部として有効
に機能し、この部分のみで作動流体の蒸気が凝縮するこ
とにより、蒸発潜熱として運ばれてきた熱の全てが、通
水管12内を流通する水を加熱するためにのみ使われ、蓄
熱槽13への熱の蓄積は行なわれない。

また、廃ガスＨから受取った熱をすべて水を加熱する
ために使っても、必要とする蒸気量が得られないまでに
廃ガスＨの熱エネルギが減少した場合には、蒸気発生ゾ
ーンＢにおいて発生する蒸気が減少して蒸気の温度が低
下することとなる。その結果、第２ヒートパイプ17は、
低い側が配置された蓄熱ゾーンＣの温度が、蒸気発生ゾ
ーンＢの蒸気温度より高くなり、ボトムヒートモードと
なってヒートパイプとして作動する（第３図参照）。そ
のため、蓄熱槽13に蓄積された熱は第２ヒートパイプ17
の凝縮部として機能する蒸気発生ゾーンＢ内に配設され
た部分に運ばれて水を加熱し、廃ガスＨの熱エネルギの
不足を、この第２ヒートパイプ14によって運ばれる蓄熱
槽13からの熱によって補充されて、必要量の蒸気が確保
され、熱・（蒸気）の安定供給が図られる。

したがって、この実施例の熱交換器11は、電力負荷は
変動するが、安定した熱（蒸気）の供給が必要とされる
ホテルや病院等における熱・電気複合供給システムの蒸
気発生器として最適である。

発明の効果 以上説明したようにこの発明のヒートパイプ式熱交換
器は、コンテナパイプ内に非凝縮性ガスを作動流体の蒸
気圧の変動に応じて圧縮膨張可能に封入した可変コンダ
クタンス型の第１ヒートパイプと、この第１ヒートパイ
プの凝縮部の端部側の外周に設けられた蓄熱材と、この
蓄熱材中に一端側を配設して他端側を高くした重力動作
型熱流ダイオードヒートパイプの第２ヒートパイプとを
備え、第１ヒートパイプの蒸発部を高温熱媒体中に配設
し、かつ低温熱媒体中に前記凝縮部の蓄熱材を外周に設
けた部分を除いた部分を配設するとともに、前記第２ヒ
ートパイプの他端側を前記低温熱媒体中路内に配設した
ので、熱源の熱エネルギが充分多い場合には、第１ヒー
トパイプ内の蒸気圧が上昇して非凝縮性ガスの容積を縮
小させて凝縮部の有効長が拡大すると、低温熱媒体を加
熱するとともに余剰熱が蓄熱材に蓄えられ、また、熱源
の熱エネルギが減少すると、第１ヒートパイプ内の蒸気
圧が下降して非凝縮性ガスの容積を拡大させて凝縮部の
有効長が減少し、入力された熱を低温熱媒体の加熱にの
み用いるように自動制御されるとともに、高温熱媒体の
熱エネルギが不足した場合には、第２ヒートパイプの蓄
熱材中に配置された部分が蒸発部となるボトムヒートモ
ードとなって、蓄熱材に蓄えられている熱を低温熱媒体
中に配置された部分に輸送して熱エネルギの不足を補充
して、低温熱媒体の安定した加熱が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示すもの
で、第１図は熱交換器の縦断面図、第２図は熱源温度が
充分高い状態を示す説明図、第３図は熱源温度が低下し
た状態を示す説明図、第４図は従来の熱・電気複合供給
システムの一例を示す説明図である。 11……熱交換器、12……通水管、13……蓄熱槽、14……
第１ヒートパイプ、15……非凝縮性ガス、16……受熱フ
ィン、17……第２ヒートパイプ、Ａ……廃ガスゾーン、
Ｂ……蒸気発生ゾーン、Ｃ……蓄熱ゾーン、Ｈ……廃ガ
ス、L,L₁,L₂……有効長。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凝縮性の作動流体が封入されたコンテナパ
   イプ内の凝縮部の端部側に、非凝縮性ガスを作動流体の
   蒸気圧の変動に応じて圧縮膨張可能に封入した可変コン
   ダクタンス型の第１ヒートパイプと、この第１ヒートパ
   イプの凝縮部の端部側の外周に設けられた蓄熱材と、こ
   の蓄熱材中に一端側を配設して他端側を高くした重力動
   作型熱流ダイオードヒートパイプの第２ヒートパイプと
   を備え、前記第１ヒートパイプの蒸発部を高温熱媒体中
   に配設し、かつ低温熱媒体中に前記凝縮部の蓄熱材を外
   周に設けた部分を除いた部分を配設するとともに、前記
   第２ヒートパイプの他端側を前記低温熱媒体中に配設し
   たことを特徴とするヒートパイプ式熱交換器。