JPH0252081B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ヒートパイプにより熱エネルギを
機械エネルギから電気エネルギに変換して発電を
行なう装置に関するものである。

従来の技術 周知のようにヒートパイプは、密閉管の内部に
封入した水やフロンなどの凝縮性の作動流体を外
部熱源によつて加熱蒸発させるとともに、その蒸
気を密閉管の内部の圧力の低い他端部側へ流動さ
せ、しかる後その他端部で放熱液化させることに
より、作動流体の潜熱として熱輸送を行なうもの
である。したがつてヒートパイプは見掛け上、銅
等の熱伝導率の良好な金属に比較しても数十倍な
いし百数十倍の熱伝導率を有しており、このよう
な特性を生かして熱交換器などの熱関連機器のみ
ならず電子機器や医療機器などの各種の分野で使
用されている。

このようなヒートパイプは、従来、単に熱輸送
手段として使用しているのが一般的であり、例え
ば廃熱回収の場合には、高温排ガス流路と水や空
気等の受熱媒体流路との間にヒートパイプを配置
し、ヒートパイプを介して高温排ガスと受熱媒体
との間で熱授受を行なわせる構成としている。そ
して回収した熱を他の形態のエネルギとして利用
する場合には、前記受熱媒体の有する熱によつて
何らかの機器を駆動し、あるいは前記受熱媒体と
更に他の熱媒体との間で熱交換を行なつた後にエ
ネルギ変換を行なつて所望の形態のエネルギとし
て利用している。

発明が解決しようとする問題点 しかるに回収した熱エネルギによつて発電を行
なう場合、従来のシステムでは上述したように、
熱回収のための排ガスとの間の熱交換の他に更に
熱交換を行なわなければならないから、効率が極
めて低くなるばかりか、装置の構成や制御が複雑
化する問題があつた。

ところで熱エネルギを電気エネルギに変換する
場合、温度差に基づいて起電力を生じる素子を用
いることが考えられ、このような素子を用いれ
ば、直接的に発電を行なえるから有効であると考
えられるが、このような発電が理論的もしくは実
験室的に可能であつても、効率や耐久性等の点で
実用化し得る素子は未だ存在しない。したがつて
排ガスから回収した熱によつて発電する場合、タ
ービンおよび発電機を回転させるように機械エネ
ルギに一旦変換することになる。このような発電
形態は、通常行なわれているように熱によつて高
温高圧気体を作り出し、これを冷却凝縮させる際
の圧力差によつてタービンおよび発電機を駆動す
るものである。しかるにヒートパイプの内部での
作動流体の挙動を詳細に検討してみると、作動流
体は外部から熱を受けて蒸発気化した後、圧力の
低い個所へ流動し、しかる後凝縮液化するととも
に、ウイツクにおける毛細管圧力もしくは重力に
よつて還流する。作動流体のこのような挙動は、
例えば蒸気ボイラおよびタービンならびにコンデ
ンサーの間における水の挙動と類似しており、し
たがつてヒートパイプの内部における気相作動流
体によつてタービン等の何らかの機械的な手段を
動作させて発電することが可能であると考えられ
る。その場合、ヒートパイプは一本の密閉管の中
で蒸気流と液体流とを生じさせる構成であるうえ
に、本来は単に熱輸送を行なうための手段である
から、現実に効率良く発電を行なうには、種々の
問題点を解消しなければならず、従来ではこれら
の問題点が充分明らかになつていないのみなら
ず、解明されていないのが実情である。

この発明は、ヒートパイプを直接的に発電に利
用する際の技術的な課題を検討、研究し、ヒート
パイプの内部で蒸気流と液体流とが対向流となる
ことに起因する発電効率の低下を防止し、併せて
コンパクトな構成とすることのできるヒートパイ
プ式発電装置を提供することを目的とするもので
ある。

問題点を解決するための手段 この発明は、上記の目的を達成するために、ヒ
ートパイプの内部に設けたタービンの回転軸を、
液相作動流体を蒸発部に還流させるための給液管
としたことを特徴とするものである。すなわちこ
の発明の装置は、蒸発部への入熱によつて作動流
体を蒸発気化させるとともに凝縮部での放熱によ
り作動流体を凝縮液化させるヒートパイプの内部
に、蒸発部と凝縮部とのそれぞれに連通する給液
管を、ヒートパイプの軸心に一致させて回転自在
に配置し、その給液管のうち作動流体蒸気の流動
域中に位置する部分にタービンを取付ける一方、
ヒートパイプの外部に設けた発電機を前記給液管
に連結したことを特徴とするものである。

作 用 したがつてこの発明の装置では、蒸発部に入熱
することにより作動流体が蒸発し、その蒸気が凝
縮部に向けて流れ、その場合、作動流体蒸気の流
動域中にタービンを配置してあるから、作動流体
蒸気によつてタービンが回転し、それに伴い給液
管を介してタービンに連結してある発電機が回転
して発電を行なう。断熱膨張することによりター
ビンを回転させた作動流体蒸気は、更に凝縮部ま
で流れ、ここで熱を奪われて凝縮液化する。そし
て液相の作動流体は、タービンの回転軸を兼ねる
給液管を介して蒸発部に還流する。したがつてこ
の発明の装置においては、気相作動流体流路と液
相作動流体流路とが、給液管により隔絶されるか
ら、作動流体蒸気流による液相作動流体の飛散が
生じることなく、また給液管がヒートパイプの内
部に収納されてタービンの駆動軸を兼ねているか
ら、コンパクトな構成とすることができる。

実施例 つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説明
する。

第１図はこの発明の一実施例を示す略解断面図
であり、ヒートパイプ１は従来のものと同様に、
銅やアルミニウムなどの金属製の密閉管２の内部
から空気等の非凝縮性気体を真空排気するととも
に水やフロンなどの凝縮性気体を作動流体３とし
て封入し、さらに密閉管２の内周面に炭素繊維な
どの極細線あるいは金属網もしくは細溝などから
なるウイツク４を設けた構成であり、そのヒート
パイプ１は上下方向に沿つて立設されるととも
に、下端部の所定長さの範囲が、外部から熱を与
えて作動流体３を蒸発させる蒸発部５とされてい
る。上記のヒートパイプ１の内部には、軸受６に
支持されてヒートパイプ１の軸心を中心に回転す
る給液管７が配置されており、その給液管７の下
端部が前記蒸発部５における作動流体３中に浸漬
されるとともに、上端部が前記密閉管２の上端よ
り若干下がつた個所に位置している。また給液管
７の上端部に回転軸８が同一軸線上に連結されて
おり、その回転軸８は前記密閉管２の上端部に設
けた軸受・シール部９によつて回転自在に支持さ
れるとともに、気密性を保持した状態で密閉管２
から突出し、その突出端に発電機１０が連結され
ている。そして前記給液管７に軸流タービン１１
が一体的に取付けられている。

さらにフイン１２を取付けた放熱管１３がヒー
トパイプ１の外部に設けられるとともに、その放
熱管１３の一方の端部が前記密閉管２の上端部に
連通し、また他方の端部が密閉管２の周壁を貫通
してその内部に引き込まれ、かつ前記給液管７と
前記回転軸８との間に介在させたロータリージヨ
イント１４を介して給液管７に連通している。す
なわち作動流体蒸気を放熱管１３に導いて、ここ
で凝縮液化させるよう構成され、したがつて放熱
管１３が凝縮部１５となつている。

上記の装置によつて発電を行なうには、蒸発部
５に対し工場廃熱や太陽熱あるいは地熱等の熱源
によつて入熱を行なう一方、凝縮部１５に冷水や
冷風等の冷却用熱媒体を接触させて抜熱を行な
う。その結果、蒸発部５においては、作動流体３
が蒸発気化して圧力が高くなり、これに対し凝縮
部１５においては冷却されて圧力が低くなるか
ら、作動流体蒸気は第１図に矢印Ｖで示すように
密閉管２の内部を上昇流となつて高速で流れる。
その場合、軸流タービン１１が作動流体蒸気の流
動域に配置されているから、作動流体蒸気が軸流
タービン１１の個所を通過する際に断熱膨張して
軸流タービン１１を回転させ、それに伴つて給液
管７および回転軸８を介して発電機１０が駆動さ
れ、発電を行なう。他方、断熱膨張した作動流体
蒸気は凝縮部１５とされている放熱管１３の内部
に密閉管２の上端部から流入し、その内部におい
て熱を奪われて凝縮液化する。その結果、軸流タ
ービン１１の背圧が低圧に維持される。液化した
作動流体は、放熱管１３からロータリージヨイン
ト１４を経て給液管７の内部に流入し、最終的に
は蒸発部５へ重力によつて流下し、その場合、液
相作動流体の還流路と作動流体蒸気の流路とが給
液管７によつて隔絶されているから、入熱量が多
いために蒸気流が音速程度となつても、蒸気流に
よる液相作動流体の飛散が生じず、液相作動流体
の還流を充分行なわせることができる。また上記
の装置では、作動流体の還流路となる給液管７を
ヒートパイプ１の内部に組み込んだから、コンパ
クトな構成とすることができる。

つぎにこの発明の他の実施例を第２図を参照し
て説明する。ここに示す装置は、ヒートパイプ１
の上端部を凝縮部１５とするとともに、ヒートパ
イプ１の下端部側に発電機１０を設けた構成であ
る。すなち給液管７の下端部周壁に、半径方向へ
向けて開口した液吹出し孔１６が形成されるとと
もに、軸受・シール部９により気密性・水密性を
保持してヒートパイプ１の下端部を貫通させた回
転軸８が、給液管７の下端部に連結されており、
その回転軸８が発電機１０に連結されている。他
方、給液管７の上端部側には、上側の開口径が次
第に広くなるようにテーパ状に開いた受液管１７
が配置され、その受液管１７の下端部と給液管７
の上端部とが、ロータリージヨイント１８により
回転自在に連結されている。また前記密閉管２の
上端部に冷却用ヒートパイプ１９が貫通して取付
けられ、その冷却用ヒートパイプ１９の上下各端
部にはフイン２０が取付けられるとともに、下端
部が前記受液管１７の上部開口端付近まで挿入さ
れている。そして冷却用ヒートパイプ１９の上端
部を冷却用熱媒体に接触させることにより、前記
密閉管２の上端部から熱を奪うよう構成されてお
り、したがつて密閉管２の上端部が凝縮部１５と
なつている。

しかして第２図に示す構成の装置であつても、
外部からの入熱によつて蒸発気化した作動流体
が、密閉管２の内部を上昇流となつて流れるとと
もに、軸流タービン１１の個所で断熱膨張してこ
れを回転させ、その結果、給液管７および回転軸
８を介して発電機１０が回転駆動され、発電を行
なう。また断熱膨張した作動流体蒸気は、密閉管
２の上端部において冷却用ヒートパイプ１９に熱
を奪われて凝縮液化し、軸流タービン１１に充分
低い背圧を与えるとともに、液相作動流体が受液
管１７から給液管７を経て蒸発部５に還流する。
すなわち第２図に示す構成の装置においても、作
動流体蒸気の流路と液相作動流体の還流路とが隔
絶されているから、蒸発部５に還流する液相作動
流体が高速で流れる蒸気によつて飛散することを
防止でき、また給液管７を軸流タービン１１の回
転中心軸としてヒートパイプ１の内部に組み込ん
だので、コンパクトな構成とすることができる。

発明の効果 以上説明したようにこの発明の装置によれば、
作動流体蒸気の流路と液相作動流体の蒸発部への
還流路とを隔絶できるから、蒸気流の流速が相当
速くても液相作動流体が飛散してしまうことを防
止でき、したがつて入熱量が多い場合であつても
液相作動流体を充分蒸発部に還流させて、効率良
く発電を行なうことができる。また液相作動流体
の還流路となる給液管がタービンの回転軸を兼ね
てヒートパイプの内部に組み込まれているから、
全体としてコンパクトな構成とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す略解断面
図、第２図はこの発明の他の実施例を示す略解断
面図である。 １……ヒートパイプ、３……作動流体、５……
蒸発部、７……給液管、１０……発電機、１１…
…軸流タービン、１５……凝縮部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 蒸発部への入熱により作動流体を蒸発気化さ
   せるとともに凝縮部での放熱により作動流体を凝
   縮液化させるヒートパイプと、前記蒸発部および
   凝縮部のそれぞれに連通させかつ軸心を前記ヒー
   トパイプの軸心に一致させて回転自在に配置した
   給液管と、作動流体蒸気の流動域中で前記給液管
   に取付けたタービンと、前記ヒートパイプの外部
   に配置しかつ前記給液管に連結した発電機とを具
   備していることを特徴とするヒートパイプ式発電
   装置。