JPH02133796A - ヒートパイプ動作流体導管組立体 - 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】 （技術分野） 本発明は遠隔の供給源から熱入力を受ける形式のスター
リング機関に関し、特にかかる機関に連結したヒートバ
イブ伝達チューブに関する。

（背景技術） スターリングサイクル機関では多数のシリンダ内の往復
動ピストンは四角形に一団をなして略平行に配列する。

各シリンダの頂部はガスダクトに取（ｑけられ、このダ
クトは端、：！：端を接して重ねた熱交換器、蓄熱器、
冷却器をもつ円筒形コラムに連結する。このスターリン
グ機関に熱入力エネルギーを供給する１手段は遠隔配置
した蒸発器をもつヒートパイプを用い、この蒸発器が太
陽エネルギー、燃焼煙道ガス等のような供給源から熱を
吸収し、動作流体を蒸発せしめることである。蒸発した
動作流体は機関の熱交換器に送られ、そこで凝縮してそ
の蒸発の潜熱を与え、次いでヒートバイブ蒸発器へ戻る
。

従来のかかる装置は動作流体を蒸発器から機関の熱交換
器（即ち凝縮器）に送るヒートバイブ伝導体の設計に多
くの欠点がある。動作流体の蒸気相と液体相は典型的に
は１個の導管内で移送され、互いに反対方向に進むので
、液状の動作流体は特に機関が高出力設定値で作動して
いるときには、蒸気内に連行されるようになる。かかる
連行は機関への熱伝達速度を減らすと共に液状の動作流
体がヒートバイブ蒸発器へ適切に戻ることを妨げ、この
ため蒸発器の局部区域を゛′乾燥′°させ、過度に加熱
して機械的破壊をもたらす可能性がある。

更に、スターリング機関熱交換器は極めてコンパクトで
あるため凝縮したし−トバイプ動作流体は毛管作用によ
り熱交換器に集まる傾向があり、このため成る量の動作
流体は無駄になり、また熱交換器内の有効表面積を減ら
ず。このため改良されたヒートバイブ導管と、スターリ
ング機関熱交換器内に保持される液状動作流体の量を減
らず手段が必要となる。

スターリングサイクル機関の最初の起動中、汚染ガスが
熱入力を機関に供給するヒートバイブ内に生じがぢであ
る。かかるガスは機関とヒートパイプ部品やその他の発
生源からのガス抜きに起因して生じる。蒸発したヒート
バイブ動作流体の流れ方向は凝縮路に向かうので、汚染
ガスは凝縮器の区域でヒートパイプ組立体の上部に集ま
りがちとなる。かかるガスはパ栓パを作り、ヒートパイ
プ動作流体が機関熱交換器と接触するのを妨げ、機関へ
の熱人力を妨害する。不純ガスを吸収するために種々の
物質を使ったゲッターを用いることは既知である。ラン
タンやカルシウム元素は例えば、６００〜８００℃の高
温に加熱すると多くの不純物を吸収することができる。

かかるゲッターは機関熱交換器の上部に集まる不純ガス
と連通ずる必要がある。しかし初期動作中、ヒートパイ
プ動作流体は前記不純ガス栓のため前記上部に流れてい
かない。従ってスターリング機関の最初の起動中に不純
ガスを吸収するゲッター組立体を準備する必要がある。

上記特色は本発明により改良された構造のヒートバイブ
動作流体導管組立体により達成される。

この組立体は外殻・チューブ構造に特徴を有するもので
、末広形の外殻が熱交換器に接続し、蒸発したヒートパ
イプ動作流体が熱交換器に入る時この動作流体の速度を
減らす手段を具えている。この速度の減少は蒸気内に液
体を連行する難点を最小限度となす。前記連行を減らす
第二段階として、別個の液状のヒートパイプ動作流体戻
しダクトを前記両相の絶縁をなす導管の外側チューブ内
に具える。表面張力遮断材を使用し、これが機関熱交換
器を液体戻しパイプと連通させ、熱交換器により保持さ
れる液状の動作流体の量を減らず手段となる。本発明の
他の特色として、ゲッターユニットをヒートパイプの凝
縮器に隣接して具え、それはゲッターの活性化合物を加
熱する補助ヒータをもち、ヒートパイプ動作流体がゲッ
ター組立体を加熱する前に不純物ガスを吸収できるよう
になす。

本発明の他の利点は好適実施例についての以下の説明か
ら明らかになるだろう。

（実施例） 第１図に１０で示すスターリングザイクル機関は誘導発
電機１２を駆動するものである。スクリング機関１０は
本願発明者の有する米国特許明細書箱４．４８１．７７
１号に開示した形式のものである。

スターリング機関１０は四角い一団に配列された４個の
平行な動作シリンダ１４を有し、各シリンダはアーチ形
の高温連結ダクト１６を経て熱交換器１８、蓄熱器２０
、冷却閤２２を含む円筒形コラムと連通ずる。スターリ
ング機関１０への熱入ツノは遠隔設置したヒートパイプ
蒸発器組立体２４により与えられる。この蒸発器組立体
２４は炭化水素燃料バーナ（図示せず）からくる煙道ガ
ス又はその他の熱源により加熱される。蒸発詔組立体２
４は本願発明者の有する米国特許明細書箱４，５２３、
６３６号に開示した如き内部中空フィン２８をもつ蒸発
器２６を含む。

作動中、蒸発器２Ｇへの熱人力は例えば、ナトリウム又
はその他の物質とするヒートパイプ動作流体を導管組立
体３２を経て熱交換器１８へ移送せしめる。熱交換器１
８はヒートパイプ凝縮器として作用し、そこで熱が蒸発
した動作流体から除かれ、この流体を凝縮せしめる。凝
縮した動作流体はその後蒸発器組立体２６へ加熱される
ために戻され、」二記ザイクルが続行される。

第２図は機関のヘッド組立体２６の構造を示す。

熱交換器１８はヒートパイプ凝縮器として作用し、比較
的小さい直径のチューブのコンパクトな内部束３８を含
む。前記チューブはスターリング機関の動作流体を導き
、それをヒートパイプの動作流体から絶縁する。円筒形
外殻４０はチューブ東３８を取り囲み、導管組立体３２
と接続する。導管組立体３２が円筒形外殻４０と接続す
る領域には特に機関１０の高出力設定時に高粘度の蒸発
動作流体が存在する。前述の如く、従来の構造では蒸気
内に液状のヒートパイプ動作流体が連行されてくるとい
う問題がある。本発明によれば、かかる動作流体の連行
を最小限度となすための幾つかの手段が提供される。導
管組立体３２は末広形の外殻４４を成し１、これは導管
が束３８に近づくにつれて横断面積が増大する。導管組
立体３２の残余部分を成す主チューブセクション４６の
横断面積より大きい前記横断面積は入来する蒸発動作流
体の速度をぞれが束３８に接触する区域で減少せしめる
。この速度減少は液体の連行を減らすことが分かった。

連行を防止するために用いる他の対抗手段は主チューブ
４６と外殻４４内に配置されかつ主チューブ４６よりか
なり小さい横断面積をもつ別個の液体戻しダクト４８を
使用することである。液体戻しダクト４８は外殻４４の
最下面に沿って位置し、それ故、重力によりその区域に
集まる液体がダクＩ・４８に導かれる。液体戻しダクト
４８は前記導管間の圧力を均等化する長手方向スリント
５０の如き開Ｌ］を有する点に特色を有する。第１゜２
図に示す４個のシリンダ・コラム組立体の各々は前記の
如く構成した自身のヒートパイプ導管組立体３２を含む
。

チューブ東３８はコンパクトでかつ大きな表面積をもつ
ため、液状のヒートパイプ動作流体を毛管作用により熱
交換器１８内に集める傾向をもつ。

これに保持される液体量を減らず手段として織っ１　；
（ た金網帯の形をなす表面張力遮断材５２を具える。

これはチューブ東３８内を延びて液体戻しダクト４８内
へ入る。色々な数の表面張力遮断材を使うことができ、
好適には東３８を形成する各チューブ列に１個づつ使用
する。表面張力遮断材５２は液状のヒートパイプ流体の
動作流体を液体戻しダクト４８内へ゛吸い上げ作用″を
なしくｗｉｃｋｓ）、このダクトは前記区域内に保持さ
れた液量を減少させる。

第２図に示すように、そらせ板５４はチューブ東３８の
一部を遮蔽する。そらせ板５４は適切に配置して、導管
組立体３２を通過するガスがチューブ東に直接衝突しな
いがチューブ東の上部へ導かれ、そこでチューブ東を通
って下方へ流れることができるようになす。凝縮したヒ
ートパイプ動作流体は液体戻しダクト４８内に落とされ
る。そらせ板５４はヒートパイプ動作流体の液相と気相
を連続循環方式で同方向に流し続け、従って連行の生じ
る可能性を増す向流状態を回避せしめる。

最初にスターリング機関１０を起動する前に、必ずヒー
トパイプ系内に集まる汚染ガスは排気しなければならな
い。水素、酸素、窒素、−酸化炭素、二酸化炭素の如き
かかるガスは多数の発生源例えば、ヒートパイプ材料の
ガス抜きやヒートパイプ動作流体から与えられる。かか
るガスの存在はヒートパイプの適切な動作を妨げる。と
いうのは汚染ガスはチューブ東３８の周囲に集まるため
動作流体の流れを拘束するガス栓′”を作り、スターリ
ング機関ザイクルへの十分な熱伝達を妨害するからであ
る。かかる汚染ガスの存在を回避又は軽減する手段とし
てスターリング機関１０はゲッター５６を具える。この
ゲッター５６は液体密封状に円筒形外殻４０に取付ける
。ゲッター外殻５８は内部区画を形成これにはカルシウ
ムとランタンの如き化学説ガス剤を満たず。外殻５８の
内容物は金網６０により定位置に保持される。加熱され
たカラー６２は外殻５８を取り囲み、ゲッタ５６の内容
物を好適には６００乃至８００℃間の温度に加熱し、そ
のガス吸収性を高めさせる。

第２図の加熱されたカラー６２の仮想線はゲッタ一外殻
５８０周りにそれを設置した状態を示す。

ゲッター５６は汚染ガスが集まろうとする熱交換器１８
の上部の置かれる。熱交換器１８の区域に生じる汚染ガ
スはヒートパイプ蒸発器２６からの加熱された動作流体
の移送を妨げ、それ故、それが動作流体により直接加熱
されるのを妨げる。カラーの外部熱源を用いることによ
ってゲッタ５６が汚染ガスを直ちに吸収してヒートパイ
プ動作流体が熱交換器１８に到達できるようになすこと
ができる。ゲッター５６と加熱されたカラー６２の最初
の動作後、加熱されたカラーは機関から除去することが
できる。というのは機関１０とヒートパイプの最初の起
動後に集まる汚染ガスは比較的少量であるためゲッター
５６はその後ヒートパイプ動作流体により十分に加熱さ
れるからである。追加の内部ゲッター６４は直接蒸気流
路内に具え、連行される不純物が内部ゲッターを通して
押し流されるようにする。

以上本発明を図面に示す実施例について説明したが１本
発明はこれらの実施例のみに限定されるものではなく１
本発明の要旨を逸脱しない改変は本発明の範囲に含まれ
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は発電機を駆動し、煙道ガスにより加熱する蒸発
器をもつヒートパイプから人力エネルギーを受けるスタ
ーリング機関を示す図、第２図は第１図の矢印２−２方
向に見たスターリング機関のヘンド組立体の上面図、 第３図は第２図の線３−３上の断面図である。 １０・・・スターリングづイクル機関 １２・・・誘導発電機　　　　１４・・・動作シリンダ
１６・・・高温連結ダクト１８・・・熱交換器２０・・
・蓄熱器　　　　　　２２・・・冷却器２４・・・ヒー
トパイプ蒸発器組立体 ２６・・・蒸発器　　　　　　３２・・・導管組立体３
８・・・チューブ東　　　　４０・・・円筒形外殻４４
・・・末広形の外殻　　　４６・・・主チューフ４８・
・・液体戻しダクト５０・・・長手方向スリット５２・
・・表面張力遮断材　　５４・・・そらせ板５６・・・
ゲッター　　　　　５８・・・ゲッター外殼６０・・・
金網　　　　　　　６２・・・カラー６４・・・内部ゲ
ッター

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸発した動作流体をヒートパイプ蒸発器から熱交換
   器へ移送するため及び液状の動作流体を前記熱交換器か
   ら前記蒸発器へ戻すためのヒートパイプ動作流体導管組
   立体において、前記蒸発した動作流体を移送するため前
   記蒸発器と熱交換器に連通する導管を具え、前記導管は
   前記熱交換器に接続する末広形の外殻をもち、前記導管
   の横断面積は前記導管が前記熱交換器に近づくにつれて
   増大し、更に、前記液状の動作流体を前記熱交換器から
   受けそして前記液状流体を前記蒸発器へ戻すために前記
   導管内に配置したダクトを具えることを特徴とするヒー
   トパイプ動作流体導管組立体。 ２、前記ダクトは前記導管と前記ダクト間の圧力を均等
   化するため全長に沿って開口をもつ、請求項１に記載の
   ヒートパイプ動作流体導管組立体。 ３、前記開口は長手方向のスリットとする、請求項２に
   記載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 ４、前記液状の動作流体を前記熱交換器から前記ダクト
   へ吸い上げ作用させるため前記熱交換器を前記ダクトと
   連通させる少なくとも１つの表面張力遮断材を具える、
   請求項１に記載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 ５、前記スターリング機関は複数のシリンダを具え、各
   シリンダは冷却器、蓄熱器及び前記熱交換器により形成
   される隣接コラムをもち、前記コラムを前記シリンダと
   連通させる連結ダクトをもつ、請求項１に記載のヒート
   パイプ動作流体導管組立体。 ６、前記熱交換器は複数のチューブを具え、前記ヒート
   パイプ動作流体が前記チューブの外側に凝縮する、請求
   項１に記載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 ７、前記ダクトは入口をもち、この入口は前記外殼に配
   置され、かつ凝縮した液状のヒートパイプ動作流体を受
   けるため前記外殻の下部区域に位置する、請求項１に記
   載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 ８、前記蒸発動作流体を前記熱交換器の上部へ導くため
   前記熱交換器を部分的に遮蔽するそらせ板を具え、前記
   蒸発動作流体が前記熱交換器を通して下方へ流れるよう
   に向けられ、前記動作流体が前記熱交換器内で凝縮し、
   前記ダクト内へ落下する、請求項１に記載のヒートパイ
   プ動作流体導管組立体。 ９、蒸発した動作流体をヒートパイプ蒸発器から熱交換
   器へ移送するため及び液状の動作流体を前記熱交換器か
   ら前記蒸発器へ戻すためのヒートパイプ動作流体導管組
   立体であって、前記機関が複数のシリンダを具え、各シ
   リンダが前記熱交換器を取り囲む隣接した円筒形外殻を
   有して成るヒートパイプ動作流体導管組立体において、
   前記蒸発した動作流体を移送するため前記蒸発器と熱交
   換器に連通する導管を具え、前記導管は前記熱交換器に
   接続する末広形の外殻をもち、前記導管の横断面積は前
   記導管が前記熱交換器に近づくにつれて増大し、更に、
   前記液状の動作流体を前記熱交換器から受けそして前記
   液体を前記蒸発器へ戻すために前記導管内に配置したダ
   クトを具え、前記ダクトは凝縮した液状のヒートパイプ
   動作流体を受けるため前記末広形の外殻内に配置されか
   つ前記末広形外殻の下部区域に置かれた入口をもつこと
   を特徴とするヒートパイプ動作流体導管組立体。 １０、前記ダクトは前記導管と前記ダクト間の圧力を均
   等化するため全長に沿って開口をもつ、請求項７に記載
   のヒートパイプ動作流体導管組立体。 １１、前記開口は長手方向のスリットとする、請求項１
   ０に記載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 １２、前記液状の動作流体を前記熱交換器から前記ダク
   トへ吸い上げ作用させるため前記熱交換器を前記ダクト
   と連通させる少なくとも１つの表面張力遮断材を具える
   、請求項９に記載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 １３、前記熱交換器は複数のチューブを具え、前記ヒー
   トパイプ動作流体が前記チューブの外側を流れる、請求
   項９に記載のヒートパイプ動作流体導管組立体。 １４、前記蒸発動作流体を前記熱交換器の上部へ導くた
   め前記熱交換器を部分的に遮蔽するそらせ板を具え、前
   記蒸発動作流体が前記熱交換器を通して下方へ流れるよ
   うに向けられ、前記動作流体が前記熱交換器内で凝縮し
   、前記ダクト内へ落下する、請求項９に記載のヒートパ
   イプ動作流体導管組立体。 １５、蒸発した動作流体を蒸発器から凝縮器へ移送する
   ためのヒートパイプ組立体であって、前記凝縮器で前記
   動作流体が凝縮しそして前記蒸発器へ重力により戻され
   て成るヒートパイプ組立体において、前記ヒートパイプ
   内の汚染ガスを吸収するガス吸収材をもつ前記ヒートパ
   イプ凝縮器に連通するゲッターと、前記ゲッターガス吸
   収材の吸収特性を高めるため前記吸収材を加熱する補助
   ヒーターを具えることを特徴とするヒートパイプ組立体
   。 １６、前記汚染ガスが前記ヒートパイプ凝縮器内に集ま
   り、前記ヒーターは前記吸収材を前記ヒートパイプ動作
   流体と連通させることなく加熱せしめる、請求項１５に
   記載のヒートパイプ組立体。 １７、前記補助ヒーターは前記ゲッターから除去できる
   、請求項１５に記載のヒートパイプ組立体。 １８、前記ゲッターは前記吸収材を含む外殼から成り、
   補助熱は外部からゲッター外殼に加える、請求項１５に
   記載のヒートパイプ組立体。 １９、前記吸収材はランタンを含む、請求項１５に記載
   のヒートパイプ組立体。 ２０、前記吸収材はカルシウムを含む、請求項１５に記
   載のヒートパイプ組立体。 ２１、前記補助ヒーターは前記ガス吸収材を６００〜８
   ００℃の範囲内の温度に加熱する、請求項１５に記載の
   ヒートパイプ組立体。 ２２、前記蒸発した動作流体の流動部分内に内部ゲッタ
   ーを具える、請求項１５に記載のヒートパイプ組立体。