JP4366683B2

JP4366683B2 - 熱サイホン

Info

Publication number: JP4366683B2
Application number: JP2003280595A
Authority: JP
Inventors: 敏夫武原
Original assignee: 武原力
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005048995A; KR101051277B1; CN100447520C; KR20060055510A; WO2005010451A1; CN1833154A

Description

本発明は、熱サイホン及びその製造方法に関し、特に、母管としての外管内に熱源流体通流用の内管を貫通させる二重管タイプの熱サイホンに関する。

熱交換流体間の温度差が低いほど、熱交換効率が低下するヒートポンプ等の熱変換機器に対して、凝縮、蒸発相変化を利用して大量の熱を小温度差で運ぶことのできる熱サイホンが近時、実用化されつつある。中でも、外管内に熱源流体通流用の内管を貫通させて例えば横置きで冷、温熱伝導を行なうものが実用上優れている点から注目されている。図１１は、出願人が先に提案した特願２００２−２６２２８９号の従来の二重管タイプの熱サイホンを示しており、図１４は、その分解斜視図を示す。図１１における従来の熱サイホンは、例えば管外径５０ｍｍ、内径４７ｍｍ、管長３００ｍｍ程度の金属製外管１００の内部に外管よりも管長が長い内管１０２を長手方向に貫通して配置し、その外管の両端側から内管が通係する孔１０４を有するキャップ１０６を該孔１０４に内管１０２を挿通させながら差し入れて外管１００内を閉鎖し、さらに該キャップに設けたフランジ１１０を外管の中央側に向けて絞るように加締め付けることにより、外管１００内を気密密閉するものであった。なお、キャップ１０６の外周にはオーリング１０８が装着されている。そして、内管１０２を挿通させて両端を外管の両端から突出させた部分にオーリング１０８を介在させた小キャップ１１２を内管通係用孔１０４に嵌合させて固定させるものであった（図１４参照）。
特願２００２−２６２２８９号公報

上記の特許文献１に示された従来の熱サイホンについては、外管と内管との作動液が充填される空隙は液の相変化を円滑にするために真空としており、しかも、耐食性等の点で優れるアルミニウムでは溶接が容易でない点から、従来、図１２のようなフランジ１１０を中間に突設させたキャップ１０６を用い、これを外管の開口に挿入嵌着させた状態でフランジ１１０を外管の長手中央側に向けて絞るように加締め付けることにより、図１１のように外管の両端開口縁を袋状に収容させて外管１００に固定するものであった。しかしながら、この熱サイホンでは、図１３に示すように、加締めて横方向に曲げられたフランジ１１０Ａの肉厚ぶんだけ１つの熱サイホンの両端側部分とそれらの中間の外管部分で段差Ｆが生じ、このため、例えば横方向にして床下に配置し、上方の室内側を加温等するに際してその上面に敷設するアルミニウム板等の均等伝熱板１１４との間隙のために伝熱ロスを生じ室内側への加温、あるいは冷却効率を低下させる要因となっていた。さらに、この段差Ｆのために、フローリング材の下部に配置した熱サイホン管の支持部材との間に空隙が生じ、歩行のたびに床なり等の音を発生するおそれがあった。

さらに、上記の特許文献１に示された従来の熱サイホンについて、外管部分は例えばアルミニウムを押し出しあるいは引き抜き加工等により成型されるが、外管１００の両端を閉鎖する中実筒体のキャップ１０６は、加締め装置による加締め作業時の絞り工程での加締め力を受けるための強度を保持するために図１２、図１３のように、軸方向の厚みを薄くできず、また、真空時の気密保持のために図１２中のフランジ１１０の直径Ｄのアルミニウム棒材を切削して製作していた。したがって、このキャップの材料歩留まりが悪く、熱サイホン管自体の製造コストを高いものとしていた。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で、装置自体の外部への熱伝達効率を向上させるうえに、床の下部に設置されて加温あるいは冷却装置として適用される際に床なり音等の発生をさせないようにし得る熱サイホン及びその製造方法を提供することである。さらに、本発明の他の目的は、製造用の材料の歩留まりを良好にして製造コストを低廉にし得る熱サイホン及びその方法を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、一方向に長く形成され両端開口１０ａ，１０ｂを栓体１４で密閉させた外管１０内を長手方向に貫通して内管１２を配置させ、外管と内管との真空作動空間Ｓに作動液Ｑを封入させ、内管１２の内部に熱源流体Ｍを通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、上部外面に載置する１つの平面に同時に接するように外管１０及び栓体１４が同一外径大きさで形成され、栓体１４は、外管１０と同一外径の外栓部２０と、外栓部から段差状に縮径されて一体連結され外管１０内壁に挿入嵌合される内栓部２２と、を含み、内栓部外面に、弾性密封部材が装着される弾性密封部材装着用溝２４と、外部加圧手段による加圧を受けて外管１０の凹状変形１０１を受け容れる外管凹状変形受け容れ用凹溝２８と、が長手方向の異なる位置に周状に形成されており、外栓部と内栓部とは、外管の内壁の長手方向に内栓部を押入れて当たる段差部を介して一体連結されていることを特徴とする熱サイホン１から構成される。熱サイホン自体の外形形状を決める外管は円筒のほか、三角、四角、その他の多角形状等としてもよく、その際には栓体も同様の形状とするとよい。栓体は必ずしも外管と同じ断面形状とする必要はなく、要は伝熱板のような１つの面があてがわれるときに段差や凹陥部分などで密着しない部分ができないような態様であればよい。この意味で、下部側やその他の周囲から外管に対して面状にあてがわれる場合にその面に対して連続する接線を含む面ができるように密着しうる構成であるとよいものである。

その際、弾性密封部材装着用溝は、外管凹状変形受け容れ用凹溝より作動空間側に設けられるとよい。

本発明は、横長に配置され両端開口を栓体で密閉させた外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との真空作動空間に作動液を封入させ、内管の内部に熱源流体を通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、上部外面に載置する１つの平面に同時に接するように外管及び栓体が同一外径大きさで形成された熱サイホンから構成されるので、作動空間の密封封止あるいは内管の支持を行う栓体と外管が単一状の円筒体の構成となり、よって、例えば床下等に設置するときに上面の伝熱板に長手方向に渡って連続して密着し、伝熱ロスを減少させ伝熱効率を向上させるうえに、栓体と外管との段差がなく床鳴り等の耳障りな雑音を発生させないようにし得る。また、具体的に床下に敷設したり、その他の具体的な適用箇所において該熱サイホンの支持体による支持の構造が簡単となる。さらに、外管の表面側からの挟み付け加圧による固定構造と両立し得て製造コストを低減させることが可能である。

また、外管の両端開口内に栓体を嵌合させた状態での外部加圧手段による外管への外部加圧により外管と栓体とを固定させる構成とすることにより、栓体と外管を単一状の円筒体の構成とでき、熱伝達効率の向上、雑音発生防止ならびに製造コスト削減を具体的に実現し得る。

また、外管の両端開口とおのおのの栓体とはそれぞれ弾性密封手段で密封された構成とすることにより、例えばオーリング等を栓体に装着してこれを外管内に挿入嵌合させるだけで内部の密封ができ、気密あるいは水密のための構造を簡易に行える。

また、栓体には外部加圧手段による加圧を受けて外管の凹状変形を受け容れる凹溝が設けられた構成とすることにより、外管への栓体の装着後の挟み付け加圧のみで確実に栓体に外管を固定でき、その固定構造を簡単にしてかつ、固定作業も簡易に行える。

さらに、栓体は、外管と同一外径の外栓部と、外栓部から段差状に縮径されて一体連結され外管内壁に挿入嵌合される内栓部と、を含み、内栓部に弾性密封部材装着用溝と前記外管凹状変形受け容れ用凹溝が形成された構成とすることにより、短円筒状の簡単な構成で、しかも、密封部と固定部を同様の栓体に形成できて低コスト化を図れる。

また、本発明は、外管と同一外径の外栓部と、外栓部に一体連結され外管内壁に挿入嵌合される内栓部と、を含み、内栓部に弾性密封部材装着用溝と外管凹状変形受け容れ用凹溝を形成し、さらに内管貫通用孔を開口した栓体を用意し、外管内を長手方向に貫通して内管を配置させつつ内栓部の弾性密封部材装着用溝に弾性密封部材を装着させた状態で外管の両端開口を栓体で密閉させて外管と内管との空間に作動液を封入させ、外管の両端開口内に栓体を嵌合させた状態で外管凹状変形受け容れ用凹溝に対応する部分の外管の外面を加圧することにより、外管と栓体とを一体的に固定させることを特徴とする熱サイホンの製造方法から構成されるので、例えば床下等に設置するときに上面の伝熱板に長手方向に渡って連続して密着し、伝熱ロスを減少させ伝熱効率を向上させるうえに、栓体と外管との段差がなく床鳴り等の耳障りな雑音を発生させないようにし得る。さらに、金属の棒体からの削り出ししろが少なくてすみ、材料歩留まりを良好に保持させうる。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る熱サイホンの実施の形態をその製造方法とともに説明する。本発明の熱サイホンは、外管内に熱源流体Ｍの通流用の内管を貫通させ、熱源流体からの温、冷熱により外管内での作動液（媒体）の高速な蒸発、凝縮サイクルを通じて熱伝達を行なうことにより外管周囲を加温あるいは冷却させる熱伝達手段である。特に、本実施形態において、熱サイホンは、例えば建物の床下等に横置きで複数個連結して配置されて、熱源装置からの温熱源流体の供給により、室内暖房を行なわせる床下暖房用の装置に適用した場合の例を説明する。

図１ないし図８は、本実施形態の熱サイホン１を示しており、図１において、熱サイホン１は、外管１０と、外管内を長手方向に貫通配置された内管１２と、内管１２を外管１０に対して配置支持しつつ外管内を密封する栓体１４と、を有している。図２、図４において、外管１０と内管１２との中間空隙部分には作動液Ｑが充填されて作動空間とされ、真空とした該作動空間内での作動液の蒸発、凝縮作用を通じて外管１０の外部を加温あるいは冷却する。実施形態において、外管１０は、例えばアルミニウム合金を素材として両端を開口し、例えば管外形５０ｍｍ、内径４７ｍｍ、管長３００ｍｍ程度のサイズで中空円筒形状に構成され、種々の用途に適用される際には横長状態で配置されて使用される。そして、この外管１０に平行に外管と同材質の内管１２が該外管１０を長手方向に貫通して配設されている。外管１０は熱サイホン全体の外形を決めて種々の支持物や支持構造に支持されるとともに、内部に作動液を封止して作動液による伝達熱を外管の外域と熱交換して周囲を直接的に加温、あるいは冷却させる。

内管１２は、外管と同様のアルミニウム合金を素材とした中空円筒管からなり、内部に冷媒あるいは熱媒等の冷熱あるいは温熱源流体が供給され、それらの熱を放熱あるいは外部から受熱して作動液Ｑを蒸発あるいは凝縮させつつ液相と気相との相変化を生じさせる。図に示すように内管１２は外管の内径よりも小さい外径を有し、外管内に貫通挿入時に形成される外管内壁と内管外壁との間の空隙内に作動液を保持させる。内管の管径は作動液Ｑによる熱伝達効率が良い大きさに設定される。実施形態において、この内管１２は、外管内部で中心から若干下方に偏心した位置に配置されている。本実施形態において、内管１２は、その管長が外管の管長よりも長く設定されており、この部分が内管の接続用突設部１６とされる。内管１２は、後述する栓体１４の内管通係用孔１５を貫通しさらに外管１０内を長手方向に貫通した状態で栓体１４に支持される。

外管１０の両端開口１０ａ、１０ｂは、栓体１４によって封止され、外管内部が密閉されている。栓体１４は、外管や内管と同様のアルミニウム合金から構成され、図３に示すように、中実の略円筒体で構成されている。実施形態において、栓体１４は横長に装置を配置させた状態で、その上面に伝熱板１８のような１つの平面を載置した場合に外管１０の外面とともに同時に該平面に接するような外径大きさＫを有する中実短円筒体から構成されている。すなわち、実施形態では、外管１０の両端開口１０ａ、１０ｂにそれぞれ栓体１４Ａ、１４Ｂを挿入嵌合させたときに栓体と外管１０とが同一外径Ｋで単一の管部材のように一体的に嵌合されており、外周部分において一部のみが面状に突出したり、凹陥した部分が形成されない均等な外形形状を有している。この外径大きさ及び外径形状の均一性は円筒形にかぎることなく、たとえば、外管の形態に対応して三角筒、四角筒、その他の多角形筒体であってもよい。これによって、該熱サイホンを例えば室内外の床の下面側に多数個について面状に敷設する場合には、その支持用のマットその他の支持部材に共通に形成された保持用溝や、孔に収容配置し、同時に段差部がなくて伝熱板と熱サイホンの外面が長手方向に均等に密着して伝熱板１８への熱伝達ロスのない高効率の加温あるいは冷却が可能であるばかりでなく、上面側からの歩行の際などに加圧があった場合にも音を発生させず、施工上の障害を除去しうる。

この実施形態において、熱サイホン１は、外管１０の両端開口１０ａ、１０ｂの内部に栓体１４を嵌合させた状態での外部加圧手段による外管への外部からの加圧により外管１０と栓体１４とを固定させて構成される。

詳細には、栓体１４は、外管１０と同一外径の外栓部２０と、外栓部２０から段差状に縮径されて一体連結され外管内に挿入されて内壁１０ｃに密着嵌合する内栓部２２と、を含む。外栓部２０は、外管１０の両端開口１０ａ、１０ｂを封止する部分であり、両端開口１０ａ、１０ｂに外部からあてがわれてそれらの縁部に密着する。内栓部２２は、外管１０の内壁面に嵌合状に突入されるある程度軸方向の高さを有する中実円筒体からなり、実施形態では、この内栓部２２において外部からの加圧を受け、さらに、外管内の密閉確保のための弾性密閉部を形成させる。外栓部２０と内栓部２２とは同心の中実円筒で結合されている。

図２，３において、内栓部２２に弾性密封手段が設けられている。弾性密封手段は、作動空間Ｓを外部から直接的に密封させる密封手段であり、特に、弾性部材を用いてその形状復元力により作動空間を密封する。本実施形態において、弾性密封手段は、内栓部２２の挿入端側寄りに周状に刻設された第１の溝２４と、該溝内に嵌着される弾性密封部材としてのオーリング２６と、を含む。図２に示すように、栓体１４を外管１０に挿入嵌合させたときにはオーリング２６は圧縮されてその弾発付勢力により管内外の水密、気密状態を保持させる。

さらに、本実施形態において、栓体１４には外管１０の外部から加圧されて、その加圧を受けて外管の凹状変形を受け容れる第２の溝としての凹溝２８が設けられている。実施形態において、凹溝２８は内栓部２２であって溝２４から間隙をあけて外栓部２０との間に周状に形成されている。この凹溝は、器具や装置等を用いた外管の外部からの加締め等の加圧による凹状変形を受け容れて外管と栓体との固定を行う部位であり、溝幅及び溝深さは外管の凹状変形部と凹溝との加締め固定状態が確実である限りにおいて任意に設定してよい。この実施形態ではこの凹溝２８は周方向に一様に凹設された溝として形成されている。

さらに、栓体１４には、内管１２を貫通して通係させる通係孔１５が設けられている。この通係孔１５には内管１２を気密状に貫通させる孔を有するシール用栓体３０が嵌着される。そして、このシール用栓体３０の孔を貫通し支持された状態で外管１０内を内管１２が長手方向に貫通して配設される。なお、シール用栓体３０の挿入端側にもオーリング３２が介在されて栓体１４の通係孔１５と内管１２との気密が確保される。なお、図上３４は栓体１４で外管の両端開口を閉鎖して内部を真空吸引し、さらにアンモニア等の作動媒体Ｑを充填する際に用いられる孔を封止する止め栓であり、作動媒体の充填後に嵌合されて内部を閉鎖させる。

次に、図５ないし図８をも参照して実施形態の熱サイホンの組み付け手順及び作用について、説明すると、まず、外管１０の中空内部を長手方向に内管１２を挿通させる。その状態で、外管１０の両端開口１０ａ，１０ｂからそれぞれシール用栓体３０を介して内管１２に栓体１４Ａ，１４Ｂを両側から挿入嵌合させる。そして、溝２４にオーリング２６を装着した各栓体１４を、それぞれ外管１０の両端開口から外栓部２０と内栓部２２の段差部２１に当たるまで押し入れて挿入嵌合させる（図５、図６参照）。これにより、外管と内管の中間の作動空間Ｓを気密ならびに水密状に密封させる。この状態で予め目印を付けた外管表面であって、内部の内栓部２２の外管凹状変形受容溝２８に対応する部分を図示しない挟み加圧装置等を用いて対向２箇所Ｐ１、Ｐ２から挟み付けるように加圧させ（図７、図８参照）、外管の一部を凹状に変形させる。これによって、この外管の凹状変形部分１０１がその下部側の受容溝２８内に陥入し、栓体１４と外管１０とが強固に固定される。このように、熱サイホンの組み付けに際しては、内管１２を外管１０に通して両側から栓体１を嵌合させ、その後外管外面部から挟み加圧させるだけの極めて簡単な工程で、外管の内部を密封固定させる。そして、この後、内部を真空吸引し、さらにアルコール等の作動媒体Ｑを充填して止め栓３４で封止することにより、組み付けは完了する。作動空間Ｓに充填される作動液Ｑは、密閉空間の蒸発部と凝縮部とで相変化しながら熱輸送を行う作動流体である。使用に際しては、例えば、内管１２に熱源流体Ｍを供給することにより、内管１２の中央部分を印加源として熱が印加され熱サイホンの外部に伝達されて周囲を加温させるとともに、内管１２内に冷媒を供給する場合には、外管で受熱して蒸発した作動液が内管表面で凝縮しつつ熱運搬を行う過程で熱サイホンの周囲が冷却される。なお、外管の加圧加締めは２箇所だけでなく、４箇所その他の複数箇所で加締めてもよい。

以上のように、この実施形態において、外管１０内に長手方向に内管１２を貫通させた状態で外管の両側から栓体１４を嵌合し組み付けた状態で、その上面に伝熱板１８のような１つの平面を載置した場合に外管１０の外面とともに同時に該平面に接するような外径大きさを有する中実短円筒体から栓体１４が構成されているから、１個の熱サイホンが１つの外径の単一の円筒体のように構成され、よって、床暖房用として例えばフローリングの下部の伝熱板の下面側に敷設する場合に、上面の伝熱板の面と１つの接線を含む長方形状の接触面が得られ、伝熱ロスを生じさせずに良好に伝熱させるとともに、床なり等を有効に防止しうる。また、その際、栓体に弾性密封手段あるいは外管凹状変形受容凹溝を設けることにより、大径の金属バー材からの削り出しを行うことなく、単に少しの溝付け加工を施すだけでよいから、材料歩留まりを大幅に向上させることができる。

なお、外管凹状変形受容溝２８は、図９−１、図９−２のように、周状に形成させることなく対向２箇所のみについて設けても良いし、また、図１０−１、図１０−２のように、対向４箇所のみについて溝付けして形成しても良い。

本発明に係る熱サイホン及びその製造方法は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の本質を逸脱しない範囲における改変も本発明に含まれる。例えば、作動媒体は、アルコール、水、アセトン、フレオン、窒素、その他任意の作動流体としてもよい。外管、内管、栓体等の素材は、アルミニウムに限ることなく、ステンレス、銅、ニッケル、タングステン、チタンその他作動媒体との反応による劣化を生じないような安定した素材を選択するとよい。また、熱源流体は、冷水などの冷熱源流体であってもよく、冷熱伝達装置として用いることもできる。さらに、床暖房用としてのみでなく、その他の空調用、農業用の植物の培土周辺の保温用、培土消毒用、木材乾燥用その他適宜の熱伝達手段用として用いることもできる。

本発明の第１実施形態に係る熱サイホンの一部切欠斜視説明図である。図１の熱サイホンの縦断面図である。図１の熱サイホンの栓体の側面図である。図１の熱サイホンの分解斜視説明図である。図１の熱サイホンへの栓体嵌合状態を示す一部省略拡大断面図である。図５Ａ−Ａ線矢視図である。図１の熱サイホンへの栓体嵌合時の作用説明図である。図７のＢ−Ｂ線矢視図である。外管凹状変形受容溝の他の実施例を示す側面説明図である。図９−１のＣ−Ｃ線矢視図である。外管凹状変形受容溝のさらに他の実施例を示す側面説明図である。図１０−１のＤ−Ｄ線矢視図である。従来の熱サイホンの一部切欠斜視説明図である。従来の熱サイホンのキャップの側面図である。従来の熱サイホン上に伝熱板を配置させた状態の説明図である。従来の熱サイホンの分解斜視説明図である。

１熱サイホン
１０外管
１０ａ，１０ｂ両端開口
１２内管
１４栓体
２０外栓部
２２内栓部
２４第１の溝
２６オーリング
２８凹溝
Ｄ直径
Ｑ作動液
Ｓ作動空間

Claims

一方向に長く形成され両端開口を栓体で密閉させた外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との真空作動空間に作動液を封入させ、内管の内部に熱源流体を通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、
上部外面に載置する１つの平面に同時に接するように外管及び栓体が同一外径大きさで形成され、
栓体は、外管と同一外径の外栓部と、外栓部から段差状に縮径されて一体連結され外管内壁に挿入嵌合される内栓部と、を含み、
内栓部外面に、弾性密封部材が装着される弾性密封部材装着用溝と、外部加圧手段による加圧を受けて外管の凹状変形を受け容れる外管凹状変形受け容れ用凹溝と、が長手方向の異なる位置に周状に形成されており、
外栓部と内栓部とは、外管の内壁の長手方向に内栓部を押入れて当たる段差部を介して一体連結されていることを特徴とする熱サイホン。
弾性密封部材装着用溝は、外管凹状変形受け容れ用凹溝より作動空間側に設けられたことを特徴とする請求項１記載の熱サイホン。