JP3513912B2 - 熱搬送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加熱により気化昇圧する
際の相変化流体の流体エネルギーから動力を取り出して
利用する熱搬送装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱搬送方式として特公昭６０−２
３２５８号公報に示される図４の構成がある。これは低
入力で熱を搬送するため相変化流体の潜熱を利用すると
ともに、流体を循環させるため相変化流体の液域に外部
動力により駆動される循環ポンプ１を設けたものであ
る。すなわち、放熱作用を行なう凝縮器２と相変化流体
の蒸発作用を行なう加熱器３とを循環ポンプ１を介して
環状に連結して密閉回路を形成してこの密閉回路にフロ
ン系冷媒を封入したものであり、凝縮器２には送風ファ
ン４が設けられ、加熱器３には燃焼装置５が設けられて
いる。

【０００３】この構成において、循環ポンプ１と送風フ
ァン４および燃焼装置５の運転により相変化流体である
フロン系冷媒は加熱器３で加熱され蒸発気化して凝縮器
２に流入する。凝縮器２で送風ファン４との作用により
放熱し凝縮液化する。液化した相変化流体は循環ポンプ
１により搬送駆動されて加熱器３に送り込まれ、上記し
た循環を繰り返すものである。

【０００４】また、従来の他の熱搬送方式として特開平
１−１３１８２８号公報に示される図５の構成がある。
これは熱を送るため流体を循環させる動力、すなわち熱
搬送動力を図４に示した従来例よりもさらに大幅低減す
るもので、相変化流体の潜熱を利用するとともに、循環
ポンプを使用せずに加熱されて気化昇圧する相変化流体
の圧力上昇を利用して流体を微少外部動力で搬送するも
のである。すなわち、燃焼装置５により相変化流体を加
熱する加熱器３を気液分離器６より下方に配設し加熱器
３と気液分離器６とを環状に配管接続するとともに、受
液器７を気液分離器６より上方に配設し、凝縮器２、第
一逆止弁８、受液器７、第二逆止弁９、気液分離器６を
順次環状に配管接続し、さらに気液分離器６と受液器７
の間に開閉弁１０を有する均圧管１１を設け、燃焼装置
５と開閉弁１０を制御する制御装置１２を設けたもので
ある。

【０００５】この構成において、加熱器３において燃焼
装置５の燃焼熱で加熱された相変化流体は、気体と液体
の混ざった二相状態で加熱器３を出て気液分離器６へ流
入して気体と液体が分離される。分離された液体は加熱
器３に再び戻るとともに、気体は凝縮器２に流入する。
凝縮器２において放熱させ凝縮液化し過冷却液化させ
る。凝縮器２で凝縮し過冷却液となった流体は、開閉弁
１０が閉成しているときに第一逆止弁８を通って受液器
７内の気相流体を過冷却液で冷やして凝縮させることに
より受液器７に流入する。このとき受液器７内は過冷却
液で冷やされるため気液分離器６より低圧となり、第二
逆止弁９は圧力差で閉止状態となっている。

【０００６】次に、この状態で開閉弁１０を開成する
と、受液器７と気液分離器６とは均圧管１１で連通され
均圧状態となり、受液器７内の液相流体は重力および加
熱器３を出た昇圧した流体の流動圧が印加されて第二逆
止弁９を通って気液分離器６内に流出するとともに受液
器７内は加熱器３を出た気相流体で満たされる。気液分
離器６に供給された液相流体は加熱器３に再び流入す
る。次に、開閉弁１０を閉成すると蒸発圧力のわずかな
上昇および受液器７の温度低下などにより凝縮器２から
の過冷却液が流入開始するとともに、受液器７内の気相
流体がこの過冷却液により冷却されて凝縮し、気相から
液相にその体積を急縮小するため受液器７内が急減圧さ
れ受液器７内が液相流体で満たされる。このように開閉
弁１０の開成、閉成の繰り返しで循環サイクルがなされ
るもので、気液分離器６から凝縮器２へは流体の蒸発圧
力による連続的な自然圧送サイクルであり、気液分離器
６と加熱器３の間は蒸発気化した流体圧による自然循環
サイクルであり、受液器７から気液分離器６および加熱
器３への液相流体の供給は開閉弁１０の開閉周期による
間欠動作サイクルである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示した従来例では外部動力による循環ポンプで搬送する
ため相変化流体の蒸発圧力を活かした動作がされておら
ず、より一層の省エネルギー性の追求に課題がある。ま
た、図５に示した従来例では開閉弁１０の閉成のあと圧
力上昇と温度低下を待つという要因のため若干時間遅れ
で過冷却液が受液器７に流入開始するため開閉周期を早
くするのに限界があり、熱搬送量の大能力化に課題があ
った。

【０００８】本発明は上記課題を解決するもので、流体
エネルギーを有効利用して流体搬送動力の低減と熱搬送
量の大能力化を図った熱搬送装置を提供することを第一
の目的とし、さらに信頼性の向上を図った熱搬送装置を
提供することを第二の目的としたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記第一の目的
を達成するため、加熱器の入口側と出口側を気液分離器
に接続した加熱循環路と前記気液分離器の上方に設けた
受液器と、前記気液分離器の気相出口、利用部、受液
器、気液分離器の液相入口を順次配管接続した利用側循
環路と、気液分離器と受液器に連通する均圧管に設けた
開閉弁と、加熱器の出口側の加熱循環路に駆動羽根車を
設けた流体動力回収部と、利用部と受液器の間の利用側
循環路に設けたポンプ部を前記流体動力回収部に動力伝
達可能に連結した流体駆動ポンプを設け、相変化流体を
封入した構成としたものである。

【００１０】また、第二の目的を達成するため、加熱器
の入口側と出口側を気液分離器に接続した加熱循環路と
前記気液分離器の上方に設けた受液器と、前記気液分離
器の気相出口、利用部、受液器、気液分離器の液相入口
を順次配管接続した利用側循環路と、気液分離器と受液
器に連通する均圧管に設けた開閉弁と、加熱器の出口側
の加熱循環路に駆動羽根車を設けた流体動力回収部と、
利用部と受液器の間の利用側循環路に設けたポンプ部を
前記流体動力回収部に動力伝達可能に連結した流体駆動
ポンプと、前記流体動力回収部に並列に設けて前記流体
動力回収部を流動する流量を低減させる流体制御弁を有
するバイパス路を備え、相変化流体を封入した構成とし
たものである。

【００１１】

【作用】本発明は上記構成によって、第一の手段のもの
は加熱器で気化昇圧された加熱循環路内の相変化流体を
流体動力回収部に流入させて駆動羽根車を駆動し、この
流体動力回収部に動力が伝達できるように連結したポン
プ部を動作させて、液相流体を開閉弁の閉成とともに時
間遅れなしで受液器へ送り込むことで流入促進を図り、
開閉弁の開閉周期を小さく速くすることで熱搬送量の増
大を図るものである。

【００１２】また、第二の手段のものは、流体動力回収
部に併設した流体制御弁を有するバイパス路に相変化流
体を流すことにより流体動力回収部への流量を低減する
ように制御し、流体駆動ポンプへの負荷を低減すること
で信頼性の向上を図るものである。

【００１３】

【実施例】以下本発明の第一の実施例を図１〜図２を参
照して説明する。なお、従来例と同一機能、同一部材の
ところは同一符号を付与し詳細な説明は省略する。

【００１４】図１において、１３は流体通路３ａを有す
る加熱器３と流体通路１４ａを有し放熱部となる利用部
１４を環状に配管接続し相変化流体を封入した密閉循環
路である。１５は加熱器３の出口側に設けられ加熱器３
において燃焼装置５の燃焼熱で加熱され気化昇圧された
相変化流体の流体エネルギーを回収する流体動力回収部
であり、１９はポンプ部２０と流体動力回収部１５を動
力が伝達できるように連結した流体駆動ポンプである。

【００１５】この流体駆動ポンプ１９について図２で説
明する。２１は加熱器３の出口側に接続される駆動流体
通路２２に設けられ密閉循環路１３の流体を回転力の駆
動源とする駆動羽根車であり、２３は加熱器３の出口側
に接続される被駆動流体通路２４に設けられ密閉循環路
１３の流体を循環させるポンプ羽根車である。

【００１６】２５は駆動流体通路２２と被駆動流体通路
２４との間を気密に分離する隔壁である。２６は動力伝
達手段であり、駆動羽根車２１に取り付けられた駆動側
マグネット２７とポンプ羽根車２３に取り付けられたポ
ンプ側マグネット２８とが磁力により吸引および反発し
合って動力伝達が可能なように磁気結合するマグネット
カップリングで構成している。駆動羽根車２１とポンプ
羽根車２３はこの隔壁２５を介して対向して配置される
とともに動力伝達手段２６により動力が伝達できるよう
に連結されている。

【００１７】２９は駆動羽根車２１を収納する駆動羽根
車室３０を形成する駆動ケーシング３１に設けた駆動流
体入口、３２は駆動流体入口２９と羽根車室３０の間に
設けた駆動ノズル、３３は駆動ケーシング３１に設けた
駆動流体出口である。３４はポンプ羽根車２３を収納す
るポンプ羽根車室３５を形成するポンプケーシング３６
に設けたポンプ入口、３７はポンプケーシング３６に設
けたポンプ出口である。３８は駆動羽根車２１を回転自
在に支持する駆動側支持軸、３９はポンプ羽根車２３を
回転自在に支持するポンプ側支持軸である。従って、流
体駆動ポンプ１９は駆動羽根車２１、駆動ケーシング３
１、駆動ノズル３２などで構成される流体動力回収部１
５と、ポンプ羽根車２３、ポンプケーシング３６などで
構成されるポンプ部２０とを隔壁２５を介して配置し、
動力伝達手段２６により動力伝達可能に連結して構成さ
れるものである。

【００１８】次に、図１において密閉循環路１３につい
て詳述する。４０は加熱器３を気液分離器６より下方に
配設するとともに加熱器３の流体通路３ａの入口側３ｂ
と出口側３ｃをそれぞれ気液分離器６の液相出口６ａ、
気相入口６ｂに配管接続した環状の加熱循環路であり、
４１は気液分離器６の気相出口６ｃ、利用部１４、気液
分離器６の上方に設けた受液器７、気液分離器６の液相
入口６ｄを順次環状に配管接続した利用側循環路であ
る。この利用側循環路４１の受液器７の入口側７ａには
第一逆止弁８が受液器７に向かってのみ流動するように
設けられ、受液器７の出口側７ｂと気液分離器６の液相
入口６ｄの間には第二逆止弁９が気液分離器６に向かっ
てのみ流動するように設けられている。また、受液器７
の入口側７ａと気液分離器６は開閉弁１０を有する均圧
管１１により開閉弁１０の開成時に連通可能なように接
続されている。

【００１９】さらに、加熱循環路４０の加熱器３の出口
側３ｃに駆動羽根車２１を設けた流体動力回収部１５を
設けるとともに、利用部１４と受液器７の間の利用側循
環路４１に設けたポンプ部２０と流体動力回収部１５を
動力が伝達できるように連結して流体駆動ポンプ１９と
したものである。

【００２０】上記構成において、熱搬送装置の動作を説
明する。加熱器３で燃焼装置５の燃焼熱で加熱された相
変化流体は、その大部分が気化して体積膨脹することに
より昇圧し高速流となって気体と液体の混ざった二相状
態で加熱器３から連続して流出し、流体駆動ポンプ１９
の流体動力回収部１５に流入する。

【００２１】流体動力回収部１５において、流入した流
体の流動エネルギーにより駆動羽根車２１を回転駆動
し、この駆動羽根車２１に動力伝達手段２６により動力
が伝達できるように連結されたポンプ部２０のポンプ羽
根車２３を駆動羽根車２１の動作とともに回転させ、利
用側循環路４１の液相流体を受液器７の方向に加圧す
る。

【００２２】流体動力回収部１５を出た二相状態の流体
は、気相入口６ｂより気液分離器６へ流入して気体と液
体が分離される。分離された液体は液相出口６ａから加
熱器３に再び戻るとともに、気体は気相出口６ｃを出て
連続的に利用部１４に流入する。利用部１４において、
電動モータなど外部動力で駆動される送風機１８の運転
により送られてくる風に放熱させ凝縮液化し過冷却液化
させる。

【００２３】利用部１４で凝縮し過冷却液となった流体
は、開閉弁１０が開成している時は受液器７の圧力が加
熱器３の蒸発圧力にほぼ等しく利用部１４の出口側の凝
縮圧力よりも高いため、流れを停止させられた状態とな
っており、しかもポンプ部２０と第一逆止弁８の間では
流体駆動ポンプ１９のポンプ部２０によりわずかに加圧
されている。ここで開閉弁１０が閉成すると、受液器７
は加熱器３との連通が断たれて圧力が低下し、ポンプ部
２０によりわずかに加圧された過冷却液が開閉弁１０の
閉成とともに時間遅れなしで第一逆止弁８を通って受液
器７に流入し、そこで受液器７内にあった気相流体を流
入した過冷却液で冷やして凝縮させることにより気相か
ら液相に体積を瞬時に急縮小せしめて受液器７内を急減
圧させる。このとき受液器７内は過冷却液で冷やされる
ため気液分離器６より低圧となり、第二逆止弁９は圧力
差で閉止状態となり、また均圧管１１の通路は開閉弁１
０で閉止されているため受液器７への流入は第一逆止弁
８を通過するもののみ可能となる。この受液器７内の急
減圧が発生すると、この圧力差で液相流体がポンプ部２
０の加圧力には関係なしに一気に受液器７に流入し受液
器７内は液相流体で満たされる。このように流体駆動ポ
ンプ１９のポンプ部２０は、受液器７に向かう液相流体
である過冷却液を加圧し、開閉弁１０が閉成した時に過
冷却液が受液器７に流入開始するまでの時間遅れをなく
して流れ込むきっかけを与える作用を発揮するものであ
り、ポンプ部２０の加圧作用により受液器７内に最初に
わずか流入した過冷却液により受液器７内の気相流体が
凝縮開始する。気相流体の凝縮開始とともに生じた減圧
により新たな過冷却液が流入して受液器７内の気相流体
を一気に凝縮させて前述の受液器７内の急減圧が発生す
る。急減圧による圧力差はポンプ部２０による加圧力
（ポンプ揚程）よりもはるかに大きいため、受液器７へ
の液相流体の流入は急減圧による圧力差によって行われ
るのでポンプ部２０の加圧力あるいは回転数には依存し
なくなる。

【００２４】次に、受液器７が液相流体である過冷却液
で満たされた状態で開閉弁１０を開成すると、受液器７
と気液分離器６とは均圧管１１で連通され均圧状態とな
り、受液器７内の液相流体は重力および加熱器３の出口
側３ｃより噴出した流体の流動圧の付加により第二逆止
弁９を通って気液分離器６内に流入するとともに受液器
７内は加熱器３を出た気相流体で満たされる。なお、開
閉弁１０が開成している間では受液器７内は加熱器３の
圧力にほぼ同一となり、利用部１４の出口側の凝縮圧力
よりも高いため利用部１４を出た過冷却液はその流れを
停止させられた状態となっている。ところで、気液分離
器６に流入した液相流体は開閉弁１０の開閉動作に係わ
らず液相出口６ａより加熱器３に流入して加熱されて蒸
発気化が継続されものであり、気液分離器６内の液相流
体が無くなる事が無いように開閉弁１０の開閉動作で受
液器７から液相流体を供給する。

【００２５】次に再び開閉弁１０を閉成すると、前述の
ように流体駆動ポンプ１９のポンプ部２０により加圧さ
れているため従来例のように蒸発圧力のわずかな上昇お
よび受液器７の温度低下などにより利用部１４からの過
冷却液が流入するのを待つことなく時間遅れなしで受液
器７に過冷却液が流入し、再び受液器７内の気相流体を
この過冷却液により冷却凝縮させてその体積を急縮小を
発生させ、受液器７内の急減圧により受液器７内に液相
流体を一気に充填する。

【００２６】このように加熱循環路４０および利用側循
環路４１の相変化流体を液相、気相と相変化させて図中
矢印で示した方向に繰り返し循環させる。

【００２７】本実施例によれば、開閉弁を開、閉させる
のにごくわずかの入力（電磁弁で開閉動作させる場合は
５〜１０Ｗの電気入力）で熱搬送する省エネルギー性に
すぐれ低ランニングコストの熱搬送装置を提供できるだ
けでなく、加熱器で気化昇圧した相変化流体により流体
動力回収部の駆動羽根車を回転駆動し動力伝達可能に連
結されたポンプ部を動作させ、受液器の入口側の液相流
体を加圧することにより開閉弁の閉成と同時に時間遅れ
なしで過冷却液を受液器に送り込むことで閉成初期にお
ける流入促進を図り、開閉弁の開閉周期を小さく速くす
ることでより多くの液相流体を加熱器に供給し、熱搬送
量の大能力化が実現する熱搬送装置を提供できる。

【００２８】次に、図３に示す本発明の第二の実施例に
ついて説明する。なお、図１に示した実施例あるいは図
５に示した従来例と同一機能、同一部材のところは同一
符号を付与し詳細な説明は省略する。

【００２９】４２は加熱循環路４０の加熱器３の出口側
３ｃに配置した流体動力回収部１５に対して並列に設け
たバイパス路であり、このバイパス路４２には流体制御
弁４３が設けられている。なお、他の構成は図１の実施
例と同一なので説明は省略する。上記構成において熱搬
送動作は図１の実施例と同一なので説明を省略し、ここ
ではこのバイパス路４２の動作を中心に説明する。

【００３０】まず、流体制御弁４３として流体の流れる
通路を切換える流路切換弁とした場合は、開閉弁１０が
閉成する時、つまり受液器７に液相流体が流れ込む場合
は流体制御弁４３を流体動力回収部１５側に切換えて駆
動羽根車２１を駆動しポンプ部２０を動作させて受液器
７への流入時間遅れを低減させ、開閉弁１０が開成する
時、つまり受液器７内の液相流体が気液分離器６に流入
する場合は流体制御弁４３をバイパス路４２側に切換え
て加熱器３の出口側３ｃから噴出した気化した流体の流
動圧を流体動力回収部１５を介さずに直接加えて流体動
力回収部１５での流路抵抗を除いたより強い流動圧を受
液器７内の液相流体に加えて液相流体の流出を促進させ
る。このようにして受液器７への液相流体の流入時間あ
るいは流出時間を短縮させる。なお、ポンプ部２０の動
作に若干の立ち上がり時間が必要な時は開閉弁１０が閉
成する少し前に流体制御弁４３を流体動力回収部１５側
にすれば良い。

【００３１】このように流体制御弁４３により気化した
流体の流動通路を切換えることにより、ポンプ部２０の
動作と受液器７内の液相流体の流出促進を共に実行し、
ポンプ部２０の動作による受液器７への流入促進と、よ
り強い流動圧の印加による受液器７からの流出促進によ
り熱搬送装置の開閉周期をより小さく速くして熱搬送量
の一層の大能力化ができる。また流体駆動ポンプ１９を
常時運転せずにあいだに停止時を加えることにより流体
駆動ポンプ１９の積算の運転時間を短くして耐久性、信
頼性を向上できる。ここでは流体制御弁４３として流路
切換弁とした場合を示したが、バイパス路４２内に開
成、閉成の動作をする弁を設けても良い。

【００３２】次に、流体制御弁４３として流体の流量を
可変制御する流量比例弁とした場合は、搬送熱量に応じ
てポンプ部２０を動作させる。つまり、搬送熱量が大き
い時は流体動力回収部１５への流量割合を大きくしてバ
イパス路４２への流量割合を小さくし、液相流体への加
圧力を高めることで開閉弁１０が閉成した時の受液器７
への液相流体の流入遅れを低減して流入時間を短縮す
る。搬送熱量が小さくなると開閉弁１０の単位時間当り
の開閉回数は少なくても良いため開閉時間に余裕が出て
流入遅れを許容できるようになるので、流体動力回収部
１５への流量割合を小さくして流体駆動ポンプ１９への
負荷を低減する。このように搬送熱量の大きさに応じて
流体動力回収部１５への流量を変化させることで、受液
器７への液相流体の流入の促進と流体駆動ポンプ１９の
耐久性向上の両立を図る。このようにすることによりバ
イパス路４２への流量を可能な限り多くでき、流体動力
回収部１５の流路抵抗を受けていないバイパス路４２の
流動圧をより多く受液器７に印加して受液器７からの液
相流体の流出を促進して流出に要する時間である開時間
を短縮することで開閉弁１０の開閉周期の短縮ができ
る。

【００３３】このように流体制御弁４３により流体動力
回収部１５への流量を可変制御することによりポンプ部
２０を過剰な運転をさせずに最適に制御して流体駆動ポ
ンプ１９への負荷を減らして信頼性を向上できる。ま
た、より強い流動圧の印加により受液器７から液相流体
の流出促進と流体駆動ポンプ１９の最適運転による受液
器７への液相流体の流入促進により開閉弁１０の開閉周
期縮小による熱搬送量の大能力化ができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱搬送装置
は、加熱され気化膨脹し昇圧した流体の流動エネルギー
を動力エネルギーに有効利用するもので、加熱循環路の
気化昇圧した流体の流動エネルギーを回収してポンプ部
を作動させ利用側循環路で受液器への流入促進を図るも
ので、ごくわずかの入力で熱搬送する省エネルギー性に
優れランニングコストの安価で、そのうえに熱搬送量の
大能力化を実現する機器を提供できるという効果があ
る。

【００３５】また、加熱循環路の気化昇圧した流体の流
動エネルギーを回収してポンプ部を作動させる流体動力
回収部に流体制御弁をもつバイパス路を併設したもの
で、流体動力回収部への流量を制御し受液器へより大き
い流動圧を印加することにより、流体駆動ポンプへの負
荷を低減して信頼性、耐久性を向上できるという効果が
ある。さらに、熱搬送量の大能力化を向上できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における熱搬送装置のシ
ステム構成図

【図２】本発明の第一の実施例における流体駆動ポンプ
の断面図

【図３】本発明の第二の実施例における熱搬送装置のシ
ステム構成図

【図４】従来の熱搬送装置のシステム構成図

【図５】従来の他の熱搬送装置のシステム構成図

【符号の説明】

１ 循環ポンプ ３ 加熱器 ６ 気液分離器 ６ｃ 気相出口 ６ｄ 液相入口 ７ 受液器 １０ 開閉弁 １１ 均圧管 １３ 密閉循環路 １４ 利用部 １５ 流体動力回収部 １９ 流体駆動ポンプ ２０ ポンプ部 ２１ 駆動羽根車 ４０ 加熱循環路 ４１ 利用側循環路 ４２ バイパス路 ４３ 流体制御弁

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24D 7/00 F24F 5/00 101 F28D 21/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱器の入口側と出口側を気液分離器に
   接続した加熱循環路と、前記気液分離器の上方に設けた
   受液器と、前記気液分離器の気相出口、利用部、受液
   器、気液分離器の液相入口を順次配管接続した利用側循
   環路と、気液分離器と受液器に連通する均圧管に設けた
   開閉弁と、加熱器の出口側の加熱循環路に駆動羽根車を
   設けた流体動力回収部と、利用部と受液器の間の利用側
   循環路に設けたポンプ部を前記流体動力回収部に動力伝
   達可能に連結した流体駆動ポンプを設け、相変化流体を
   封入した熱搬送装置。
2. 【請求項２】 加熱器の入口側と出口側を気液分離器に
   接続した加熱循環路と前記気液分離器の上方に設けた受
   液器と、前記気液分離器の気相出口、利用部、受液器、
   気液分離器の液相入口を順次配管接続した利用側循環路
   と、気液分離器と受液器に連通する均圧管に設けた開閉
   弁と、加熱器の出口側の加熱循環路に駆動羽根車を設け
   た流体動力回収部と、利用部と受液器の間の利用側循環
   路に設けたポンプ部を前記流体動力回収部に動力伝達可
   能に連結した流体駆動ポンプと、前記流体動力回収部に
   並列に設けて前記流体動力回収部を流動する流量を低減
   させる流体制御弁を有するバイパス路を備え、相変化流
   体を封入した熱搬送装置。