JPH02233992A - 二重管型ヒートパイプ式熱交換器 - 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】 産業上の利用分野 この発明は、外管とその内部に挿通した内情との間の空
間部をヒートパイ・ブとして構成した熱交換器に関し、
特に外管の外周側を高温流体とげるとともに内管の内部
に低温流体を流してこれらの流体の間で熱交換を行なう
熱交換器に関するものである。

従来の技術 ヒートパイプを用いた熱交換器として、高温流体流路と
低温流体流路との間にヒートパイプを配置した構成のも
のが一般に知られている。この種の熱交換器では、ヒー
トパイプがその内部に封入された作動流体の潜熱として
熱を輸送するから効率良く熱交換を行なわせることがで
きる。またヒートパイプは作ｖＪ流体が蒸発して流動す
ることにより熱の輸送を行なうものであって、熱輸送を
長距離に亘って行なうことができるために、高温流体流
路と低温流体流路とが離れていても支障なく熱交換する
ことができるなどの利点を有している。

しかしながらこの種の熱交換器では、ヒートバイブの一
端部を高温流体に曝し、かっ他端部を低温流体に曝す必
要があるために、広い熱授受面積を確保するにはヒート
パイプを長くし、また人径化づ゛る必要があり、その結
果、熱交換器が大型化するという問題がある。

このような不都合を解消するヒートバイブとして二重管
ＩＩ４造のヒートパイプが知られている。これは、外管
の内部に内管を挿通するとともに、外管の内周面と内管
の外周面との間の空間部を密閉し、その空間部を真空排
気した後に水などの凝縮性の流体を作動流体として封入
したもので、この二重管型ヒートパイプを用いた放熱器
が、例えば特開昭５６−２７８９１号公報やＵヒートパ
イプとその応用」　（オーム社允行）（第１１６頁）に
記載されている。この放熱器はフィンを外周面に設けか
つ水平に配置される外管の内部に、高温の流体を流す内
管を下側に偏心させてその一部が作！ＩＪ流体に浸漬す
るよう挿通し、この外管と内管との間の空間部をヒート
パイプとして構成したものである。したがって、蒸発部
となる内管の外周面には、該内管が作動流体に一部浸漬
していることにより、ウイックの作用によって作動流体
が充分供給され、その作動流体は内管の内部を流れる高
温流体から熱を受けて蒸発し、その蒸気が外管の内周面
に接触してここで熱を外部の低温流体に奪われ、すなわ
ち作動流体の蒸気が放熱して凝縮し、その結果生じだ液
相の作動流体は重力によって外管の内周面を伝って下側
に流れ落ち、再度液溜めを形成してウイックによって再
び内管の外周面に供給される。

このように高温流体を内管の内部に流し、かつ低温流体
を外管の外部に位置させる二重管型ヒートバイブ式放熱
器では、作動流体が外管の内部の下側に溜ってしまうた
めに、高温流体を流す内管を外管に対して下側に偏心さ
せて作動流体に一部浸漬させる必要がある。

また、上記の場合と反対に内管の内部に低温流体を流し
、外管の外部に高温流体を配置する場合には、たとえ作
動流体が外管の下部に溜ってもその作！７Ｊ流体は外管
を通して与えられる高温流体の熱によって加熱蒸発させ
られ、また作動流体の蒸気は内管の外周面に接触して熱
を奪われて凝縮するので、作動流体に対する熱の授受に
関しては、外管と内管どが同心状に配設されていても特
に支障がない。したがって、二重管構造のヒートバイブ
を用いた熱交換器であって、内管の内部に低温流体を流
し、かつ外管の外部に高温流体を配置して両者の流体の
間で熱交換を行なう場合、一般には、例えば特開昭６１
−２３５６８８号公報に記載されているように、外管に
対して内管を同心状に挿入し、その外管の内周面にウイ
ックを設けた二重管構造としている。

発明が解決しようとする課題 しかるに外管と内管とを同心状に配置した二重管構造の
ヒートパイプにより、外管の外部の高温流体から内管の
内部の低温流体に対して熱を与える場合は、そのヒート
バイブの軸線が水平となるように設置することにより、
外管の内周面の全体が蒸発部となり、したがって一般に
は外管の内周面にウイックを設けて、ウイックの毛細管
作用によって、作！ｌＪ流体が外管の下部の液溜め部か
ら外管の内周面全体に供給されるようになっている。

ところが、例えば溶融状態の高温ナトリウムと水との間
で熱交換を行なう場合においては、熱流束が極めて大ぎ
いから、ウイックの毛細管作用によって作動流体が汲み
上げられて外管の内周面に供給されるとしても、ウイン
クによる作動流体の汲み上げ能力が追い付かず、作動流
体が外管の下部の液溜め部から外管の内周面全体に行き
渡らずにその途中で蒸発してしまう。その結果、外管の
内周面の上側の部分は作Ｉ！ｌｌ流体が不足し、いわゆ
るドライアウトの状態となってしまう。

したがって、外管と内管とを同心状に配置した構成の二
重管構造のヒートバイブでは、内周面にウインクを設け
た外管の外部に高温流体を配置し、かつ内管の内部に低
温流体を流して熱交換を行なう場合に、ウイックによる
作動流体の汲み上げ能力が不足して実質的な蒸発部の面
積が狭くなって熱交換効率が低下するという問題があっ
た。

このように、二重管桶造のヒートバイブの外管の外部に
高温流体を配置し、内管の内部に低温流体を流して両流
体間で熱交換を行なわせる場合に、効率良くしかも蒸発
部にドライアウト状態が起らないように熱交換させるた
めには、液相の作動流体をこの外管の内周而全体に常時
供給する必要があるが、外管の内周而に設けられたウイ
ツクの毛細管作用では供給不足が生じ、とくに熱流東が
極めて大きな場合には、蒸発部へ充分に作！７ｌ流体を
供給するのが不可能であった。

そこで、ウイックの毛細管作用以外の手段でヒートパイ
プの蒸発部に作動流体を供給する方法として、ヒートパ
イプ内における作動流体の突？？Ｉｉ現象に看目し、こ
の突沸により急激かつ大量に生じた蒸気の爆発により作
動流体を噴き上げさせ、液相の作動流体を飛沫の状態で
蒸発部へ供給するようにしたのがこの発明の二重管型ヒ
ートパイプ式熱交換器である。

二重管構造のヒートバイブを、その外管の外部に高温流
体を配置し、内管の内部に低温流体を流して使用する場
合に、ヒートパイプ内の作動流体に突洲現象を起させる
には、蒸允部が作動流体の沸点以上の過熱状態となると
ともに蒸発部に接した作動流体が対流等の通常の熱伝達
をある程度抑制された状態を作るか、または作＊流体に
よる熱伝達能力を超えた温度まで蒸発部を過熱させるた
めに、ヒートバイブの下部に形成される作動流体の液溜
まり部分の液溜まりの深さ（液膜の厚さ）をある程度深
く（厚く）する必要がある。そのため、第２図に示すよ
うに、その外部に高温流体Ａが位＠する外管１ａに、そ
の内部に低温流休Ｂが流される内管１ｂを同心状に挿通
した二重管＠造のヒートパイブ１を、その軸心が垂直と
なるように設置する方法が考えられる。このようにヒー
トパイプ１を垂直に設置した場合には、作動流体２がす
べてヒートバイブ１の下部に果まるため、その液溜まり
の深さを突沸を起させるに充分な深さとすることができ
、高温流体Ａに接した外管１ａの内周面と接触している
作動流体２の深い位置で突沸が起き、蒸気の爆発力によ
って作動流体２の飛沫２ａを上方に噴き上げ、外管１ａ
の内周面のある程度の高さまでは作動流体２を飛沫２ａ
の状態で飛散させて供給することができる。しかし、こ
の飛沫２ａを噴き上げる高さにも限度があり、ある程度
長尺なヒー［・バイブ１においては外管１ａの上部まで
は到遅せず、上端付近がドライアウトの状態となって異
常高温となるとともに、外管１ａの内周面のうち蒸発部
として利用ざれる有効面積が減少し、熱交換効率も低下
する。

また、第３図に示すように、二重管構造のヒートパイブ
３゛をその軸線が水平となるように設置した場合には、
外管３ａ内の下側に溜まる作動流体４の液膜の厚さが突
洲を起すだけ充分に厚くならず、外管３ａから受けた熱
を作動流体に伝達して通常の沸騰を行なって蒸苑させて
しまい突沸を起さない。そのため、突沸により発生する
飛沫により作動流体を外管３ａの内周而に供給すること
ができない。また、水平に設置するヒートパイプに、突
沸を起させるに充分な厚さの液膜が外管３ａの下部内周
面に形成されるように封入する作ｖＪ流体４の量を増加
した場合には、封入する作動流体４を増量した分だけ、
外管３ａの内周面の有効な蒸発面積が減少してしまい、
熱交換効率が低下する。

この允明は上記した技術的背景の下になされたもので、
外管の外部を高温流体としかつ内管の内部に低温流体を
流して両者の間で熱交換を行なわせ、かつ熱流束が極め
て大きい場合に作動流体を突沸させることによって、飛
沫の状態で液相の作動流体を蒸発部全域に供給して熱交
換効率を向上させるとともに、装置の小型化を可能とし
た二重管型ヒートパイプ式熱交換器を捉供することを目
的とするものである。

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弁明は、高温
流体中に配設される外管の内部に、低温流体を内部に流
通させられる内管がほぼ同心状に挿通され、かつ外管の
内周面と内管の外周面との間の突間部を密閉してこの空
間部に凝縮性の作動流体を封入してヒートパイプとされ
るとともに、この内管を挿通した外管が、その内部に封
入された作動流体が突沸を起し）壮る深さを確保できる
角度で、かつ突沸によって噴き上げられた作動流体がヒ
ートパイプ内の最上部まで到達できる高さとなる所定の
角度で水平と垂直を除く角度で高温流体中に設置されて
いることを特徴としている。

作　　　用 上記のように構成することにより、外管と内管の間に作
ｖＪ流体を封入した二重管構造のヒートパイプを、その
内部に封入された作動流体が突洲を起し得る角度でかつ
水平と垂直な状態を除いた角度に設置することにより、
ヒートバイブの低い側に溜る作！ＩＪ流体の液溜りの深
さが、月入ずる作動流体を増吊せずに、突沸を起させる
のに充分な深さに確保される。また、長尺なヒートパイ
プの場合には、その設置角度を水平に対覆る角度を小さ
くすることにより、突洲によって作動流体の飛沫を到達
させるべき高さが低く抑えられる。したがって、極めて
大きな熱流束で外管の外部全体から熱入力ざれると、傾
斜下部側の液溜りで作動流体が突沸を起し、この突沸に
より発生した飛沫が広範囲に飛散して外管の内周面全体
に液相の作動流体が効率良く供給され、ドライアウトを
生じることなく高効率で然交換が行なわれる。

実施例 以下、この発明の二重管型ヒートパイプ式熱交換器を、
蒸気発生器に適用したー実施例を第１図に基づいて説明
する。

二重管型ヒートパイプ式の蒸気発生器は、外管１１ａの
外部に高温流体Ａを配置し、この外管１１ａに、内部に
低温流体Ｂを流す内管１ｌｂを同心状に挿通し、外管１
１ａの内周面と内管１ｌｂの外周面との間の空間部を密
閉するとともに、この窄間部を排気した後に水等の凝縮
性の流体を作動流体１２として封入した二重管ＷＪ造の
ヒートバイプ１１からなり、前記高温流体Ａが流通グ−
る高温流体流路１３内において高温流体Ａと接している
外管１１ａの内周面全体がヒートパイブ１１の蒸発部と
なり、また低温流体Ｂが流れる内管１１ｂの外周面全体
が；疑縮部となって、このヒートパイプ１１を介して高
温流体Ａと低温流体Ｂとの間で熱交換を行なわせるよう
になっている。

そして、前記二重管構造のとートパイブ１１は、その軸
線が水平に対して約２度ないし５度だけ傾斜させた状態
で高温流体流路１３中に設置され、高温流体Ａは高い側
（第１図において右側）から低い側へ流れ、低温流体Ｂ
は低い側（第１図において左側）から高い側に向けて内
管１１ｂ内を流れるようになっている。

また、傾斜させたヒートバイブ１１の外管１１ａの内周
面と内情１ｌｂの外周面との間の空間に封入された作ｖ
Ｊ流体１２は、外管１１ａ内の下部でかつ傾斜の低い側
（第１図において左側）に偏って液溜まりを形成してお
り、この液溜まりは、傾斜したヒートパイプ１１の低い
側が深くなっていて、ヒートパイブ１１の蒸発部（外管
の内周面）の面積に応じた適吊の作動流体１２により、
液溜まりの一定範囲においてある程度の深さが確保され
て、作動流体１２の突沸を起し易い条件に設定されてい
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。

低温流休Ｂを内部に流通させられる内管１ｌｂを外管１
１ａにほぼ同心状に挿通し、この外管と内管との間に作
動流体１２を封入した二重管ｌＩ造のヒートパイブ１１
は、水平に対して約２度ないし５度の傾斜を持たせて高
温流体Ａの流路内に浸漬状態で設置されているため、高
温流体Ａと接している外管１１ａの内周面の全体が蒸発
部となり、また内部を低温流体Ｂが流れる内管１ｌｂの
外周面全体が凝縮部となる。したがって、ヒートバイプ
１１内の作動流体１２は、高温流体八の熱により高温に
加熱された黒井部である外管１１ａの内周面に接触し、
蒸発して作動流体１２の蒸気となる。そして、作動流体
１２の蒸気は、凝縮部である内管１１ｂの外周面に周囲
において熱を奪われ、凝縮して液相の作動流体１２に戻
り、外管の外周面に結露した後、重力により下側に流れ
落ちて液溜まりを形成する。

そして、ヒートバイプ１１の外部から、高温流体Ａの温
度がさらに上昇して、極めて高い熱流束が入力されて外
＠１１ａが作動流体１２の沸点より高い温度に加熱され
ると、液溜りのある程度深い部分において外管１１ａの
内周面に接している作動流体１２が突沸を起して大吊の
蒸気を急激に生じ、その蒸気の噴き上げによって作！Ｉ
ｌ流休１２を上方に噴き上げるため、この蒸気とともに
作動流体の飛沫１２ａが、ヒートパイブ１１の蒸発部で
ある外管１１ａの内周而全体に、効率良く供給される。

したがって、突沸によって蒸允部である外管１１ａの内
周面全体に、充分な吊の作ｖＪ流体１２が供給されるこ
とにより、作動流体１２の供給不足による蒸発部のドラ
イアウトが防止される。そして、作動流体１２は、蒸発
部全体において高温流体Ａの熱を受けて加熱されて作Ｉ
ＪＩＩ流体の蒸気となり潜熱として熱輸送し、凝縮部で
ある内管１ｌｂの外周面において内管１ｌｂ内を流れる
低温流体Ｂに熱を奪われる。そして放熱した蒸気は凝縮
して液相の作動流体１２に戻り、内管１１ｂの外周面に
結露して低い側に流れて、再び液溜りを形成する。一方
、ヒートパイブ１１の蒸発部を介して作動流体に熱を奪
われて温度が低下した高温流休Ａは、高温流体流路１３
を下流に流れて、例えばボイラ等の加熱源に送られて再
び高温に加熱され、また凝縮部を介して熱を受けた低温
流体Ｂは高温に加熱され、例えば、蒸気ドライヤ等を経
由して蒸気タービンの駆動力等として利用される。

なお、ヒートバイプ１１の蒸発部となる外管１１ａの内
周面にはウイックを設けても設けなくてもどちらでも良
いが、ウイックを設ける場合には、突洲の発生を妨げな
い４ｌｉｔ造のウイックを用いる。

このように、この実施例の蒸気発生器は、極めて高い熱
流束が入力された際には、ヒートパイブ１１の蒸発部へ
の作Ｉ１ｌＩ流体１２の供給を、突沸時に発生する飛沫
１２ａの状態で効率良く供給してドライアウトを防止す
るとともに高効率で熱交換することができるので、例え
ば高速増殖炉等の原子炉の蒸気允生装置として好適に使
用でき、しかも高速増殖炉等で従来必要であった中間熱
交換器を省略することができる。

また、この実施例においては、二重管型ヒートパイプ式
熱交換器を蒸気発生器に適用した場合について説明した
が、例えば放熱器等の他の用途の機器に適用することも
できる。

発明の効果 以上説明したようにこの発明の二重管型ヒートパイプ式
熱交換器は、高温流体中に配設される外管の内部に、低
温流体を内部に流通させられる内管がほぼ同心状に挿通
され、かつ外管の内周面と内管の外周面との間の窄間部
を密閉してこの空間部に凝縮性の作ｖＪ流体を封入して
ヒートパイプとされるとともに、この内管を挿通した外
管が、その内部に封入された作ｖＪ流体が突洲を起し得
る深さを確保できる角度で、かつ突洲によって噴き上げ
られた作動流体がヒートパイプ内の最上部まで到達でき
る高さとなる所定の角度で水平と垂直を除く角度で高温
流体中に設置され、ヒートパイプに封入する作動流体を
増量ぜず、かつ蒸発部の有効面積を減少させずに、ヒー
トパイプ内の液溜りの深さとして突沸が起るに充分な深
さを確保できるので、極めて高い熱流束が入力された際
にも、作ｔｌＪ流体を蒸発面に効率良く供給でき、ドラ
イアウトを防止して熱交換効率を向上することができ、
さらに、熱交換効率が向上することによって機器の小型
化が可能となる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の蒸気発生器を模式図的に
表わした説明図、第２図および第３図はそれぞれ従来例
を示し、第２図は二重管ヒートバイブを用いた垂直型の
熱交換器を模式図的に表した説明図、第３図は二重管ヒ
ートパイプを用いた水平型の熱交換器を模式図的に表し
た説明図である。 １１・・・二重管！！４造のヒートパイブ、　１１ａ・
・・外管、　１１ｂ・・・内管、　１２・・・作ｌＩＩ
Ｉ流体、　１２ａ・・・液相の作動流体の飛沫、　１３
・・・高温流体流路、　Ａ・・・高温流体、　Ｂ・・・
低温流体。 出願人　　動力炉・核燃料開発事業団 藤倉電線株式会社 代理人　　弁理士　　豊　田　武　久 （ばか１名） 第３図 Ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　高温流体中に配設される外管の内部に、低温流体を内
   部に流通させられる内管がほぼ同心状に挿通され、かつ
   外管の内周面と内管の外周面との間の空間部を密閉して
   この空間部に凝縮性の作動流体を封入してヒートパイプ
   とされるとともに、この内管を挿通した外管が、その内
   部に封入された作動流体が突沸を起し得る深さを確保で
   きる角度で、かつ突沸によつて噴き上げられた作動流体
   がヒートパイプ内の最上部まで到達できる高さとなる所
   定の角度で水平と垂直を除く角度で高温流体中に設置さ
   れていることを特徴とする二重管型ヒートパイプ式熱交
   換器。