JPH02302593A - ヒートパイプ式熱交換器の蒸発部パイプ及びその使用方法 - 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」 本発明は、一般的にはヒートパイプ式熱交換器の蒸発部
に使用される蒸発部パイプの改良に関するものであり、
さらに具体的には、熱交換器の蒸発部における熱流束か
低いときにも好適するようにした蒸発部パイプ、及びそ
の使用方法に関するものである。

「従来の技術」 最近１例えば第７図のように、低い場所に設置したダク
ト内に相互に連通ずる蒸発部パイプ群７１を設けて蒸発
部７を構成し、高い場所に設置したダクト内に相互に連
通ずる凝縮部パイプ群８１を設けて凝縮部８を構成し、
蒸発部パイプ群７１と凝縮部パイプ群８１とを連絡配管
９１，９２て連通させた、セパレート形のヒートパイプ
式熱交換器か提案されている。

この熱交換器は、蒸発部７のダクトに高温排ガスを通す
とともに、凝縮部８のダクト内に低温ガスを通し、蒸発
部パイプ群７１で作動液（フロン）を蒸発させて、その
蒸気を連絡配管９１を通して自然上昇させ、これを凝縮
部パイプ群８１て凝縮して高温排ガスから低温ガスへ熱
交換し、その凝縮液を連絡配管９２を通じて蒸発部ノ＜
イブ群７１へ自然還流させるようになっており、構造カ
イ簡単で設計の自由度が高いため、各分野で使用されつ
つある。

そして、この熱交換器で使用されている蒸発部パイプは
、従来の他のヒートパイプ式熱交換器と同様に第６図の
ような単一のパイプであった。

「発明が解決しようとする課題」 蒸発部パイプな、蒸発部で直立又は水平方向に対して急
傾斜に保って使用する場合、従来の単一の蒸発部パイプ
ては、高熱流束のときは内部で作動液の沸騰か定常的に
起こり、したがって熱伝達率も高いが、熱流束か低下す
るにつれて、第６図のように、蒸発部ｄ内の作動液すの
液面には、表面に沸騰によって生じた気泡Ｃが溜るよう
になるとともに、蒸発部分における作動液すに温度分布
を生じ、これらによって熱伝達率も著しく低下する。

そして、時間の経過により作動液すの沸騰は間欠的にな
り、突沸を発生して作動が不安定になる（このとき、し
ばしばハンマリングのような大きな音を発する）のみな
らず、熱伝達率はさらに低下する。

さらに、この種の熱交換器では、沸騰を生じ易くするた
め、蒸発部パイプ内の作動液の液面レベルをなるべく高
くする必要がり、内部に封入する作動液の量もそれだけ
増大するので、全体か定常に運転されるまての立上り時
間が長くなる。

本発明の目的は、前述のような欠点を解消し、ヒートパ
イプ式熱交換器の蒸発部に使用した場合において、低熱
流束下でも熱伝達率の高い蒸発部パイプを提供すること
にある。

本発明の他の目的は、突清か生じにくく、したかって作
動がより安定した蒸発部パイプを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、蒸発部における作動液の液
面レベルをより低くでき、したかって、内部に封入する
作動液の量がより少なく、定常運転までの立上り時間が
より短かい蒸発部パイプな提供することであり、また、
このような蒸発部パイプの使用方法を提供することであ
る。

「課題を解決するための手段」 本発明に係る蒸発部パイプは、前述の目的を達成するた
め、外管とこの外管より短かし１内管とて構成し、当該
外管と内管との間に、内管の一端から他端へ通ずる狭い
流通間隙を有する構造にしている。

内管と外管との流通間隙は、内管の全長各部において必
ずしも一定である必要はなく、またその間隙は、内管の
一端から他端へ通じていれば充分であるから、外管と内
管との間の全面にわたって連通している必要はない。

内管と外管との間隙の大きさは、熱流束の高低によって
適宜設定するか、０．１〜１．５ｍｍ程度の範囲である
のか望ましい。

外管の材質には、従来の蒸発部パイプと同様に、銅、ア
ルミニウム又はその合金類のような熱伝導性のよい金属
を選択する。他方、内管の材質は、作動液との適合性を
有していれば、金属でもプラスチックその他のものでも
よい。

前述のような蒸発部パイプは、例えば次の方法によって
容易に製造することができる。

その−は、適宜の手段により内面か平滑な外管と外面が
平檜な内管とを製造し、外管に内管を挿入した後、外管
と内管との間に数個のスペーサを圧入するか、若しくは
内管を数箇所において外周方向へ突出させるか、又は外
管を数箇所において内周方向へ突出させることにより、
外管と内管とを固定する方法である。

その二は、適当な手段により内面に適数のフィン又は凹
凸を宥する外管を製造し、この外管へ内管を圧入するか
、あるいは前記外管へ内管を挿入した後に６該内管を拡
管する方法である。

その王は、適当な手段により外周面に適数のフィン又は
凹凸を有する内管を製造し、この内管な外管内に圧入す
るか、あるいは前記内管を外管へ挿入した後に当該内管
を拡管する方法等である。

また、外管と内管との間の流通間隙か、例えば平均０．
２ｍｍ以下のように非常に狭い場合は、多くの場合管の
断面は厳密に相似形ではないので、内管を外管へ挿入す
るたけてよい。

外管と内管の断面は相似形であるのが望ましいが、両者
の相互間に前述のように流通間隙か形成てきれば、相似
形である必要はない。

さらに、本発明に係る蒸発部パイプを構成する外管と内
管は、断面か円形でなく、楕円その他の断面形状のもの
でも実施することができる。

本発明の蒸発部パイプの使用方法は、熱交換器に組込ん
だ状態において、前記内管の両端の間の適宜レベルに作
動液の液面を位置させて運′転することを特徴としてい
る。

「作用」 本発明に係る蒸発部パイプは、外管か他の配管と連通し
、かつ、直立又は水平方向に対し急傾斜の角度になる状
態で、ヒートパイプ式熱交換器の蒸発部へ組込んて使用
される。またこの蒸発部パイプは、冷凍機やヒートポン
プの蒸発管としても使用できる。

本発明に係る蒸発部パイプは、外管と内管とて構成し、
外管とこの外管より短かい内管の間に、当該内管の一端
から他端へ連通する流通間隙を有するものであるから、
これを前述のようにヒートパイプ式熱交換器の蒸発部に
組込んて使用した場合、低熱流束下における沸騰のほと
んどは、外管と内管との間の流通間隙内の作動液に生ず
る。

前記流通間隙内で沸騰か起こると、気相に変化した作動
液は液相のままにある作動液内て気泡となり、この気泡
は一箇所に留まらず、急速に膨張しつつ間隙内を上昇し
、沸騰できないて液相のままにある作動液を前記間隙の
上端まで押し上げ。

押し上げられた作動液は内管の中に落下する。

このように沸騰が繰り返されることにより、流通間隙内
に乱流が生じ、前記流通間隙内の作動液には温度分布か
生じにくく、突沸も生じにくいため、低熱流束下でも熱
伝達率か高く、かつ蒸発部の作動も安定する。

また、内管内の低いレベルに作動液の液面か位置してい
ても、前述のように流通間隙内で沸騰か繰り返されるこ
とによって、熱伝達に悪影響を与えないので、それたけ
熱交換器内に封入する作動液の量を少なくすることかで
き、定常運転までの立上り時間を短かくすることができ
る。

「実施例」 以下、本発明に係る蒸発部パイプ及びその使用方法の実
施例を具体的に説明する。

第１図はその一例であり、外径２５．４ｍｍ、内径２３
Ｉｌｌ長さ５５０■の銅管よりなる外管１内に、外径２
２．２ｍｍ、内径２０．２＋＊ｍ、長さ５００ｍｍの鋼
管よりなる。

内管２を挿入し、外管ｌの長さ方向のほぼ中央部に位置
させ、内管２の下端部分をほぼ等角度間隔で四箇所、外
管ｌの内周壁へ接触するまで突出させて突部３を形成し
、外管１と内管２との間に平均０．４１の流通間隙１１
を有する蒸発部パイプを製造した。

第２図のように、外周にヒータ５を設けた蒸発部（加熱
部）ｄと、フィン６を形成した凝縮部（冷却部）ｅとを
有する循環配管４を形成し、内部をエア抜き、飽和状態
にした後、内部にフレオンＲ−１１３を封入して、ヒー
トパイプ式の実験用熱交換器を二種準備した。

その一方の熱交換器の蒸発部ｄには、外管ｌか循環配管
４と連通ずるように第１図の実施例の蒸発部パイプを組
込み、他方の熱交換器の一発部ｄには、第１図の実施例
における外管１だけの従来の単一の蒸発部パイプな組込
んだ。

この二種の実験用熱交換器において、前記実施例の蒸発
部パイプを使用した前者の熱交換器では、作動液すの液
面を第１図における内管２の下端からｌｏｏ＋ｓ■のレ
ベルに設定し、内管の無い従来の単一の蒸発部パイプを
使用した後者の熱交換器ては、作動液すの液面レベルを
蒸発部の上端部（熱伝達率が最も大きい）位置に設定し
、蒸気温度を４０°Ｃに保って蒸発部ｄを加熱し、蒸発
した気相の作動液を凝縮部ｅて冷却する要領で実験を行
なったところ、第５図のような結果を得た。

第５図は、縦軸に蒸発部（加熱部）ｄにおける蒸発部パ
イプの壁面（前記実施例の蒸発部パイプを使用したもの
については、外管１の壁面）温度と蒸気温度との差を、
横軸に蒸発部（加熱部）の長さをそれぞれ表わしたもの
であるか、同図で明らかなように、前記実施例の蒸発部
パイプを使用すると、低熱流束下においても熱伝達率か
大きく向上する。

すなわち、従来の蒸発部パイプにおいては、低熱流束の
とき、作動液の液面部分外周部のみの沸騰により、この
液面部分に第６図のように気泡Ｃが溜って￥ｉ４後の８
腸が抑制され、同時にこの気泡Ｃ以下の部分で温度分布
を生じて熱伝達率か低下する。

これに対し、前記実施例の蒸発部パイプにおいては、沸
騰はほとんど外管１と内管２との間の流通間隙ｌｌ内に
ある作動液すに起こり、気相変化した部分は多数の気泡
Ｃとなり、この気泡Ｃは周囲の液相部分の沸忌により、
急速に膨張しながら作動液すの当初の液面レベルを超え
て間隙１１内を上昇し、同時に作動液すのＳＳしない液
相のままの部分を押し上げる。流通間隙ｌｌ内を上端ま
で押し上げられだ液相の作動液すは内管２内に落下する
。

以上のように、流通間隙ｌｌ内でｉ統して生ずるｓｍに
より、８該間隙１１内に生ずる気泡Ｃは一箇所に留まら
ず、同時に辞８しない液相の部分も一箇所に留まらない
から、沸騰が阻害されないだけでなく、間隙１１内の乱
流により熱伝達か促進されて熱伝達率か向上し、同時に
作動も非常に安定する。

また１作動液の液面レベルを低くてきるので、配管内に
封じ込める作動液の量を少なくでき、立上りに要する時
間をより短縮することができる。

外管ｌと内管２との間の流通間隙１１は、大きすぎると
効果かなくなり、小さすぎるとドライアウト現象を生ず
るので、熱流束の高低や、間隙ｌｌ内の状態（凹凸ない
しフィン、又はスペーサ等の疎密）によって適切に設定
すべきであるか、前記実施例のような構造である場合は
、熱流束１ｘ１０’ｗ／ｍ２のときに、平均０．２〜０
．８　ａｍ程度の間隙であるのが望ましく、この値を一
応の目安として間隙１１の幅を設定する。

作動液すの液面レベルは、内管２の両端間に位置するよ
うに設計する必要かあるか、なるべく内管２の両端の中
間より低位にあるのか好ましく、上端まで近づけると、
内管２の内部の作動液すに温度分布を生じ易い。

本発明に係る蒸発部パイプにおいては、第３図及び第４
図のように、外管ｌの内面又は内管２の外面に適数の凹
凸又はフィン３′を形成し、この凹凸ないしフィン３′
をスペーサとすることができる。

また、このような凹凸ないしフィン３゛に代えて、外管
１と内管２との間に適数のスペーサを別に介在させても
実施できる。

前記のような突部３、凹凸ないしフィン３′又はスペー
サを下端近くに設けると、これらにより沸騰キャビティ
が生じ、特に、より低熱流束下においては、この沸騰キ
ャビティの低位置から廓腸か起こるので、これらが無い
場合に比べ熱伝達率をさらに高めることかできる。

「発明の効果」 本発明に係る蒸発部パイプは、これをヒートパイプ式熱
交換器の蒸発部に使用すると、低熱流束下においても熱
伝達率が低下しないとともに、突沸が生じにくいので作
動がより安定し、かつ、勤人する作動液の量を少なくす
ることができるから、定常運転までの立上り時間をより
短かくすることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る蒸発部パイプの実施例を示す断面
図、第２図は第１図の実施例の蒸発部パイプの効果を試
す実験用熱交換器の配管図、第３図は本発明の蒸発部パ
イプに３ける外管の変形例を示す端面図、第４図は本発
明の蒸発部パイプにおける内管の変形例を示す端面図、
第５図は、第１図の実施例の蒸発部パイプを使用した第
２図の実験用熱交換器と、従来の蒸発部パイプを使用し
た第２図の、実験用熱交換器との、低熱流束下における
沸騰実験の結果を示す線図、第６図は従来の蒸発部パイ
プの断面図、第７図は第６図の蒸発部パイプを使用した
セパレート形のヒートパイプ式熱交換器の配管図である
。 図中主要符号の説明 ｌは外管、１１は流通間隙、２は内管、３は突第１図　
　　　　　　　第２図 ■ 第３図　　　　　　男４区 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、外管とこの外管より短かい内管とからなり、当
   該外管と内管との間に内管の一端から他端へ通ずる狭い
   流通間隙を有することを特徴とする、ヒートパイプ式熱
   交換器の蒸発部パイプ。
2. （２）、請求項１の蒸発部パイプを熱交換器に組込んだ
   状態において、前記内管の両端の間に作動液の液面を位
   置させることを特徴とする、ヒートパイプ式熱交換器の
   蒸発部パイプの使用方法。