JPH0286906A

JPH0286906A - 放熱システムおよびそれを用いた熱機関

Info

Publication number: JPH0286906A
Application number: JP5783289A
Authority: JP
Inventors: Tomiya Sasaki; 富也佐々木; Masaru Ishizuka; 勝石塚; Tatsuo Araki; 荒木　達雄; Akira Kudo; 工藤　章
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-06-20
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1990-03-27
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JP3147352B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、電子機器の主要構成要素である電子素子等の
発熱体の冷却や、地中の地熱により発電を行なう地熱発
電等に利用できる熱機関およびそれを用いた放熱システ
ムに関する。

（従来の技術）従来のこの種の放熱システムとしては例えば第１２図、
第１３図に示すようなものがある。まず第１２図は、−
面側に電子素子１０１を取り付けた回路基板１０３の他
面側に複数の放熱フィン１０５をそなえた放熱体１０７
が接着されている。そして電子素子１０１での発熱は回
路基板１０３から放熱体１０７へ熱伝導され、放熱フィ
ン１０５から外部へ放熱されて電子素子１０１及び回路
基板１０３の冷却が行なわれる。

しかしながらこのような放熱システムの構造では、回路
基板１０３と放熱体１０７との接着による熱抵抗が大き
く放熱フィン１０５からの放熱を効率良く行なわせるこ
とを困難なものとなっている。また電子素子１０１など
が局部的に加熱した場合には複数の放熱フィン１０５の
局部的な数枚に主に熱伝導が行なわれる為に十分な放熱
が出来ないという問題点があった。

これに対し第１３図の放熱システムは回路基板１０３上
にコンテナ状のヒートパイプ１０９が固定され、回路基
板１０３上に蒸発室１１１が区画されている。そしてこ
の蒸発室１１１の底部の回路基板１０３側には冷媒１１
３が収容され、また前記ヒートパイプ１０９の外面には
複数の放熱フィン１１５が設けられているものである。

従ってこの従来例では電子素子１０１での発熱は冷媒１
１３に吸熱される。そして冷媒１１３は吸熱によって蒸
発する一方、放熱フィン１１５の放熱によりヒートパイ
プ１０９上側にて冷却され、　凝縮液化されて再び蒸発
室１１１の底部に滴下する。

従って第１２図の従来例のように熱抵抗が大きくなるこ
ともなく、　また電子素子１０１などに局部的な加熱が
あっても、　これに応じて冷媒１１３の蒸発が促進され
、電子素子１０１及び回路基板１０３の冷却を第１２図
の従来例に比較して十分に行なわせることができる。

ところでこの第１３図の従来例において、更に冷却効果
を上げるためにはファンプロペラ１１７を設け、このフ
ァンプロペラ１１７の冷却風によって強制冷却を行なう
ことが考えられる。しかしながらこの場合は、　ファン
プロペラ１１７を駆動する駆動モータ１１９が必要とな
る上、電子素子１０１等の発熱温度変化に応じてファン
プロペラ１１７による冷却風を制御するために、電子素
子１０１などの発熱温度を検出するセンサ、このセンサ
に基ずいて駆動モータ１１９を制御する制御装置等が必
要となり、コストアップの恐れがあった。

このような問題点に対して、本出願人は既に第１４図の
ような新規の放熱システムを提案している。

この第１４図は概念的に示したものであり、ヒートパイ
プ１０９に軸受１２１を介して回転自在に支持されたタ
ービンプロペラ１２３が、冷媒１１３の蒸発流によって
回転させ、　このタービンプロペラ１２３と一体的に回
転するインナー磁石１２５の回転により、　このインナ
ー磁石１２５と磁気カップリングされているアウター磁
石１２７が回転する。そして、このアウター磁石１２７
の回転によりヒートパイプ１０９の外部に軸受１２９を
介して回転自在に軸支されたファンプロペラ１３１を回
転するようにしたものである。

したがって、駆動モータ等の外部駆動源を必要とするこ
となく、　ファンプロペラ１３１を回転させることがで
きて効率の良い放熱を行なわせることができると共に、
電子素子１０１等の発熱状態に応じて冷媒１１３の蒸発
流の発生が制御され、制御装置等を必要とすることなく
ファンプロペラ１３１の自動的な回転制御を行なわせる
ことができ、コストアップを押さえながら放熱効率の向
上を図ることができる。

しかしながら、このように改善された放熱システムにお
いても、　ファンプロペラ１３１の回転速度が遅いため
電子機器等の冷却に用いた場合には冷却効率が悪くまた
、地熱発電等に用いた場合には発電効率が悪く実用的な
エネルギー変換効率を有した熱機関を得ることは比較的
困難であった。

（発明が解決しようとする課題）このように従来の熱機関は放熱効率の点および発電効率
の点においても実用的な放熱あるいは発電等のエネルギ
ー変換効率を満足するものではなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、コストアップを押さえながらさらに放
熱効率あるいは発電効率等のエネルギー変換効率を向上
させた実用的な熱機関およびそれを用いた放熱システム
を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明の放熱システムにおいては、内部に発熱体から吸
熱して蒸発する冷媒が収容されている蒸発室と、この蒸
発室から蒸発した冷媒が導かれるタービン羽室と、前記
蒸発室から前記タービン羽室まで前記蒸発した冷媒を導
く案内流路と、前記タービン羽室内に回転自在に軸支さ
れ前記冷媒の蒸気流により回転するタービン羽と、この
タービン羽の回転に応じて回転するように回転自在に軸
支されるファン羽と、前記タービン羽室内に前記蒸気流
を噴出させて前記タービン羽を回転させるための噴出口
と、を具備することを特徴としている。

また、内部に発熱体から吸熱して蒸発する冷媒が収容さ
れている蒸発室と、この蒸発室から蒸発した冷媒が導か
れるタービン羽室と、前記蒸発室から前記タービン羽室
まで前記蒸発した冷媒を導く案内流路と、前記タービン
羽室内に回転自在に軸支され前記冷媒の蒸気流により回
転するタービン羽と、このタービン羽の回転に応じて回
転するよう［二回転自在に軸支されるファン羽と、前記
タービン羽を回転させた後の蒸気流を前記蒸発室に戻す
ために前記タービン羽室と前記蒸発室とを連結する戻り
流路と、この戻り流路の途中に設けられて前記蒸気を凝
縮液化させるための冷却手段と、を具備することを特徴
としている。

また、本発明の熱機関においては、内部に発熱源から吸
熱して蒸発する冷媒が収容されている蒸発室と、この蒸
発室から蒸発した冷媒が導かれるタービン室と、前記蒸
発室から前記タービン室まで前記蒸発した冷媒を導く案
内流路と、前記タービン室内に回転自在に軸支され前記
冷媒の蒸気流により回転するタービン羽と、このタービ
ン羽の回転の運動エネルギーを他のエネルギーに変換す
るエネルギー変換手段と、前記タービン室内に前記蒸気
流を噴出させて前記タービン羽を回転させるための噴出
口と、を具備することを特徴としている。

また、前記案内流路の流路断面積を前記噴出口に向けて
徐々に狭くしたことを特徴としている。

また、タービン羽は複数の羽を有した羽根車であること
を特徴としている。

また、噴出口の先端にノズルを設け、このノズルによっ
て蒸気流をタービン羽に案内するように構成したことを
特徴としている。

また、噴出口を複数形成し、タービン羽の周囲にほぼ等
間隔で配設したことを特徴としている。

また、タービン羽を回転させた後の蒸気流が蒸発室に戻
るための戻り流路を蒸発室及び蒸発室外部に設けたこと
を特徴としている。

また、戻り流路に蒸気を凝縮液化するための冷却手段を
設けたことを特徴としている。

また、戻り流路を筐体の外部に形成すると共に、戻り流
路内の蒸気の凝縮液面の高さが調節可能なように戻り流
路の配置位置を移動自在としたことを特徴としている。

また、前記蒸発室と前記タービン羽室とを各々独立に構
成し、前記案内流路および前記戻り流路をフレキシブル
なパイプにより形成したことを特徴としている。

また、前記蒸発室と前記タービン羽室とを各々独立に構
成し、前記案内流路をフレキシブルなパイプにより形成
したことを特徴としている。

また、前記戻り流路の途中に任意の設定温度で開閉自在
な逆止機能を有したバルブ手段を設けたことを特徴とし
ている。

また、前記案内流路の途中に任意の設定温度で開閉自在
なバルブ手段を設けたことを特徴としている。

また、前記蒸発室もしくは前記タービン羽室の少なくと
もどちらか一方を断熱材で覆ったことを特徴としている
。

（作　　用）請求項１または、請求項３または請求項４のように構成
されたものにおいては、蒸発室で蒸気となった冷媒の蒸
気流が流路面積が狭くなった噴出口から勢い良く噴出す
るためタービン羽を回転させるエネルギーを十分大きく
でき、それによって効率が向上する。

請求項２のように構成されたものにおいては、回転に寄
与した後の蒸気が凝縮液化して落下し、タービン羽の回
転を妨げないように戻り流路が形成され、さらにこの戻
り流路内で蒸気が飽和してしまわないように冷却手段を
設けているので、水滴でタービン羽の回転が妨げられず
、さらに冷媒の蒸発→凝縮の工程がスムーズに行なわれ
タービン羽の回転効率が良好となる。

また、請求項５のように構成されたものにおいては流路
面積の小さな噴出口から蒸気の噴出流に対して効率良く
タービン羽が回転するようにタービン羽を羽根車として
いるのでタービン羽の回転効率が向上する。

また、諸項項６のように構成されたものにおいては、噴
出口の先端にノズルを設けて、噴出流をタービン羽の最
適位置まで案内するようにしたのでさらにタービン羽の
回転効率が向上する。

また、請求項７のように構成されたものにおいては、噴
出口を複数バランス良く配設したために噴出流の衝突に
よって生じるタービン羽の回転無動が低減されてタービ
ン羽の回転効率が向上し、安定した回転が実現できる。

また、請求項８のように構成されたものにおいては回転
に寄与した後の蒸気が凝縮して落下し、タービン羽の回
転を妨げないように戻り流路が形成されているためター
ビン羽の回転効率が低下することはない。

また、請求項２または請求項９のように構成されたもの
においては、戻り流路内で蒸気が飽和しまた、請求項１
０のように構成されたものにおいて効率を高めることが
できる。

また、請求項１１または、請求項１２のように構成され
たものにおいては、蒸気室とタービン室を離れた場所や
任意の場所に配置できるため自由度が向上する。

また、請求項１３乃至１５のように構成されたものにお
いては、冷媒の蒸発→凝縮の循環が初期段階からスムー
ズに行なえる。

ては、蒸発室もしくはタービン羽室を断熱材で覆ったこ
とによりこれらの室内では蒸気の液化が起こりにくく、
水滴による悪影響を除去できる。

（実　施　例）以下図面を参照して本発明の熱機関を放熱システムに応
用した実施例について説明する。

第１図と第２図は本発明の第１の実施例を示すものであ
り、それぞれ縦断面図、およびＡ−Ａ線切断による横断
面図である。

第１図と第２図において、発熱体としての電子素子３１を取付けた回路基板３２は
電子機器の主要構成要素であり、回路基板３２上にはヒ
ートパイプを構成するための筐体１が例えばボルト３３
によって固定されている。

筐体１内は、断熱材４により蒸発室２とタービン羽室５
とに区画されている。蒸発室２の底部は回路基板２２で
構成され、蒸発室２内に収容されている冷媒３は回路基
板３２に接触している。この冷媒３は回路基板３２側か
ら吸熱して蒸発するものであり、減圧した蒸発室２内に
水を入れたり、あるいはフレオン等の冷媒である。この
蒸発室１とタービン羽室５との連結部には蒸発した冷媒
の噴出口６が形成されており、この実施例においては噴
出口６の先端にノズル７が接続されている。このノズル
７はタービン羽室５内に突出して設けられている。

一方、タービン羽室５内にはタービン羽８がタービン軸
９によって支持されている。このタービン軸９の一端（
下端）には例えば非磁性体の円錐形軸受１０によって断
熱材４に回転自在に支持され、他端（上端）は後述する
インナー磁石１３が設けられている。

また、タービン羽室５からは、蒸発室２で蒸発した冷媒
３が冷却されて凝縮し蒸発室２に戻るための戻り流路１
１が形成されている。そして戻り流路１１は蒸発室２と
連結されているためタービン羽室５とで閉ループを構成
している。

なお、戻り流路１１の途中には蒸気を冷却し凝縮するた
めの熱交換用の冷却手段１２が設けられている。この冷
却手段１２は、放熱フィンのようなものでもよいし、積
極的に冷却する水冷手段のようなものでもよい。

この冷却手段１２を設けることによって、冷媒３の蒸発
→凝縮の過程がスムーズに行なわれる。仮にこの冷却手
段１２を設けないと、凝縮手段としては後述するファン
羽１６だけとなり、この冷却力が不足すると、戻り流路
１１の中で蒸気が飽和してしまい冷媒３の蒸発が促進さ
れないおそれがあり、噴出口６からの噴出エネルギーの
不足原因になる。

したがって、冷却手段１２により戻り流路１１内の蒸気
を強制冷却し、凝縮して冷媒３の蒸発を促進させている
。

前述したタービン軸９の上端に設けられたインナー磁石
１３には戻り流路１１をはさんで対向するようにアウタ
ー磁石１４が筐体１の外側に設けられ、支軸１５を介し
て冷却用のファン羽１６が回転自在に支持されている。

次にこのように構成された本発明の放熱システムの動作
を説明する。

電子素子３１の発熱により吸熱、暖められた冷媒３は蒸
気流となって蒸発室２を上昇する。本発明における蒸発
室２はその区画形状が、蒸発室２の下部から噴出口６に
向かって段階的にあるいは徐々に蒸気流路が狭くなる形
状をしており、ここで蒸気流が加速される。この蒸発室
２で加速された蒸気流は噴出口６の先端に設けられたノ
ズル７でさらに加速されて、タービン羽８へ向けて噴出
させられる。この噴出された蒸気流によってタービン羽
８は勢い良く回転する。

そして、蒸気流はタービン羽室５の上方に連結された戻
り流路１１は通過し、途中に設けられた熱交換用の冷却
手段１２によって冷却されて凝縮し重力によって戻り流
路１１中を落下し、蒸発室２の下部に戻る。そしてこの
過程を繰り返すことによって、タービン羽８が回転する
。

一方、タービン羽８の回転はタービン軸９を介してイン
ナー磁石１３を回転させる。このインナー磁石１３の回
転により筐体１の外側に設けられたアウター磁石１４が
回転する。そしてアウター磁石１４の回転により支軸１
５を介してファン羽１６が回転し、このファン羽１６に
より冷却風が発生して電子素子３１およびタービン羽室
５を冷却する。なお、インナー磁石１３とアウター磁石
１４の回転は、非磁性体軸受１７．１８により許容され
ている。

なお、蒸発室２の底部と噴出口６の大きさの比は例えば
１００　：　６程度に形成されているが、これは種々の
条件により幅があり、これに限定されるものではない。

このような放熱システムにあっては、蒸発室２に設けら
れた噴出口６は十分小さく形成されているのでタービン
羽８を回転させるのに十分なエネルギーを有している。

またタービン羽８も噴出流により最も効率的に回転する
ことに羽根車を用いている。

また先端のノズル７によって、噴出流をタービン羽８の
最適位置まで案内、さらに噴出圧力を高めているのでタ
ービン羽８の回転力を十分大きくでき、それによってフ
ァン羽１６も十分な回転力が得られる。

このファン羽１６の回転により筐体１冷却用の風が起こ
され、筐体１の外壁面が冷却される。こうして筐体１の
外壁面が強制冷却されると、筐体１からの放熱が促進さ
れ蒸発室２内の蒸気から筐体１を介して外部へ効率よく
放熱が行なわれ、電子素子３１の冷却を効果的に行なわ
せることができる。

また、凝縮して液状となった冷媒の戻りの流れがタービ
ン羽８の回転を妨げないように戻り流路１１を蒸発室２
とは別に形成しであるため、タービン羽８ひいてはファ
ン羽１６の回転のエネルギーを有効に利用できる。

一方、電子素子３１の発熱が高くなるときにはこれに応
じて冷媒３の蒸発が促進される。したがって、ファン羽
１６の回転が速くなり、発熱の大きさに応じてファン羽
１６による冷却風が強くなる。また、電子素子３１の発
熱がそれほど高くないときには冷媒３の蒸発も少なくな
り、これに応じてファン羽１６による冷却風が弱くなる
。

したがって電子素子３１の発熱状態に応じて自動的に冷
却風の調節が行なわれる。つまり、自動冷却調節機能を
有していることになる。

また、タービン羽８とファン羽１６をそれぞれ回転支持
するための軸受１７．１８には非磁性体軸受を用いてお
り、インナー磁石１３．アウター磁石１４の影響はまっ
たく受けない。そのため磁気力の無理な力が作用せず、
磁性体軸受の使用時と比較するとタービン効率とファン
効率の低下を防止できて円滑な軸回転が得られる。この
場合円錐軸受を用いると特に回転抵抗を低減できる。

次に第３図は本発明の第１の実施例の変形例に係る横断
面図であり、第２図と同一あるいは相等する部分には同
一符号を付して詳細な説明は省略する。この変形例が、
先の実施例と異なる箇所は、蒸発室２からの噴出口６を
複数設けたことにある。

この噴出口６を複数、しかもバランス良くタービン羽８
の周囲に配設することにより、タービン羽８の回転振動
を低減させることができ、タービン効率とファン効率の
向上に多大な効果がある。

具体的には、例えば第３図に示すように噴出口をタービ
ン羽８の周囲にほぼ１８００位相をずらして２個設けた
り、あるいはほぼ１２０°間隔で３個設けるとよい。

同様にして、はぼ等間隔で４個以上の噴出口６を設けて
もよい。そして先の実施例と同様に噴出口６にノズル７
を設けて蒸気をタービン羽８の最適位置へ案内している
。

次に第４図は、本発明の第２の実施例に係る縦断面図で
あり、第１図と同一あるいは相等する部分には同一符号
を付して詳細な説明は省略する。

この変形例が第１の実施例と異なる箇所は、戻り流路１
１を形成するパイプを一部フレキシブルパイプ１９とし
て凝縮液面の高さを可変としたことにある。

タービン羽６をさらに効率良く回転させるには冷媒３の
蒸発と凝縮の各々の蒸気圧の差（ｐｉ　−Ｐ２）の他に
凝縮液面の高さの差（図中高さＨ）が重要となる。この
実施例では、放熱システムの使用状況によってこの凝縮
液面の高さＨを可変とし、冷却効率が低い場合には、凝
縮液面高さの差Ｈをも回転のエネルギーとして利用し、
冷却効率を高めるものである。

さらに第５図は本発明の第３の実施例を示すものであり
、第１図と同一部分あるいは相等する部分には同一符号
を付して詳細な説明は省略する。

この実施例が、先の実施例と異なる箇所は蒸発室の噴出
口６をあらかじめタービン羽８を回転させるのに最適位
置に形成し、ノズル７を省略したものである。また戻り
流路１１も筐体１内部に蒸発室２とは別に形成すると共
にタービン羽室５内に溜まった冷媒３の戻り流路、すな
わち液溜まり戻り流路１９を形成したものである。この
ような構成であっても本発明の作用、効果は得られる。

ここで液溜まり戻り流路１９を設けた理由について説明
すると、タービン羽室５内に噴出された蒸気はタービン
羽室５の周囲が断熱材４で覆われているために凝縮液化
する可能性はほとんどないが、仮にわずかに液化して長
時間の使用に対して冷媒３がタービン羽室５に溜まった
場合を考慮し、あるいは断熱材４を設けないがために、
タービン羽室５に冷媒３が溜まった場合のために、冷媒
３の液溜まり戻り流路１９を、途中に例えば逆上弁等の
一方向性のバルブ２０を介して設けたものである。

このように冷媒の液溜まり戻り流路１９を設けておけば
長時間の使用によってもタービン羽室５に冷媒３が溜ま
ることはなくタービン羽８の回転に悪影響を与えること
はない。

第６図は、本発明の第３の実施例の変形例を示すもので
あり、第５図の構成と異なる箇所は、液溜まり戻り流路
１９を断熱材４外に設けたものである。この場合には第
３の実施例と同様の作用・効果が得られると共に断熱材
４の断熱効果に悪影響を及ぼさない。

次に第７図は、本発明の第４の実施例を示す概略構成縦
断面図である。

第４図の実施例が第１乃至第３の実施例と基本的に異な
る箇所は、蒸発室２とタービン羽室５を独立分離させ、
各々をフレキシブルパイプ２１を連結したことにある。

この第７図においては、第１図と同一部分あるいは相等
する部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

筐体１ａ内には蒸発室２が形成されて冷媒３が封入され
ている。この筐体１ａは、例えば発熱体としての電子素
子３１を取付けた回路基板３２に固定されている。

一方、筐体ｌｂ内には、タービン羽８が配置されるター
ビン羽室５が形成されている。

そしてこれら蒸発室２とタービン羽室５は、例えばテフ
ロン等から成るフレキシブルパイプ２１で連結されてお
り、蒸発室２内で蒸発した冷媒３は蒸気流となり、フレ
キシブルパイプ２１内を流れる。

この実施例では、フレキシブルパイプ２１は途中で、２
つのパイプ２１ａ、　２１ｂに分流してタービン羽室５
に設けられる２つの噴出口６の先端に形成された２つの
ノズル７から蒸気流が加速して噴出される。

このように構成されたものにおいて、蒸発室２とタービ
ン羽室５がフレキシブルパイプ２１を介して分離されて
おり、それぞれの配置場所が自由に設定でき、取付けの
自由度が格段に向上する。

また、電子素子３１の冷却効率を向上させるために、フ
ァン羽１６による冷却風が直接電子素子３１を冷却でき
るように電子素子３１とファン羽１６を近づけて配置す
ることもでき、その冷却効率は格段に向上する。

なお、この実施例においては、戻り流路１１が液溜まり
戻り流路１９を兼ねている。つまり、戻り流路１１がタ
ービン羽室５の下部に形成された凹部５ａと連結されて
おり、ノズル７から気液二相流として噴出した蒸気流の
うちあるいはタービン羽室内で凝縮液化してしまった冷
媒３が凹部５ａに溜まり、この液が戻り流路１１を通し
て戻ってくるように構成されている。この構成において
は液溜まり戻り流路１９を新たに設ける必要がないため
簡単な構成となる。

第８図は、本発明の第５の実施例を示す概略構成縦断面
図であり、第１図および第７図と同一部分あるいは相等
する部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略す
る。

この実施例で最も特徴とする部分は、蒸発室２とタービ
ン羽室５とを連結するフレキシブルパイプ２１の途中あ
るいは戻り流路１１の途中に所定の設定温度で開閉する
ように例えば形状記憶合金や形状記憶樹脂で形成された
逆止付きバルブ２２．２３を設けたことにある。

次にこのバルブ２２．２３を設ける理由について説明す
る。前述したように冷媒３の蒸発→ファン羽１６の回転
→冷媒３の凝縮の過程がスムーズに行なわれるのは定常
運転時の流れである。実際は、電子素子３１の発熱で上
記サイクルの停止と始動が交互に繰り返される。ここで
問題になるのは始動時である。冷媒３が蒸発すると、何
もさえぎるものがなければ蒸発室２とタービン羽室５は
同じ圧力となる。すなわち冷媒４の凝縮がないため蒸気
は循環しない。そうなるとタービン羽８、ファン羽１６
を回転させることができず冷却風を起こすことが出来な
い。よって電子素子３１の冷却ができない恐れが生じ、
初期始動時はやはりなんかの形で冷却をする必要が生じ
るおそれがある。そこで、本実施例では、蒸発側のフレ
キシブルパイプ２１の途中に任意の設定温度で開閉する
例えば形状記憶合金を用いたバルブ２２と、戻り流路１
１のパイプの途中には、バルブ２２と同じく形状記憶合
金を用いた逆止弁付きバルブ２３を設ける。流れを見る
と、バルブ２２、バルブ２３は蒸気温度がある温度にな
るまで閉じている。温度が高くなれば蒸発室３の圧力が
高くなりタービン室２との圧力差がつく。任意の設定温
度になればバルブ２２が開き蒸気はタービン羽室５へと
流れタービン羽８、フィン羽１６を回転させ冷却風を作
り始動ができる。そして流れが定常になればバルブ２３
の逆止弁が開き安定した流れを作る。

このように電子素子３１の発熱によって暖められた、蒸
発室２内の冷媒３は蒸気流となって上昇する。しかし、
バルブ２２、バルブ２３によりせきとめられタービン羽
室５内へはいけない。そのうち温度が高くなりバルブ２
２とバルブ２３が開く。このときバルブ２３は逆止弁が
付いているため戻り流路１１のパイプからは逆流しない
。蒸気は蒸発側のフレキシブルパイプ２１を介しタービ
ン羽室５内にあるノズル７から吹き出す。吹き出された
蒸気流はタービン羽８を回転させ、インナー磁石１３、
アウター磁石１４を介してファン羽１６を回転させ冷却
風を起こす。そして、タービン羽室５及び熱交換器たる
冷却手段１２を冷やし、蒸気流は凝縮し一定方向の流れ
を作る。これによりバルブ２３のタービン羽室５から蒸
発室２への一定方向の流れになるため開き閉ループを形
成する。そしてこの過程を繰り返す。

このように蒸発室２とタービン羽室５とを連結するフレ
キシブルパイプ２１および戻り流路１１を形成する長さ
可変のパイプの途中にそれぞれ所定の設定温度で開閉す
るバルブ２２および逆止弁付きバルブ２３を設けること
により初期始動がスムーズに行なえ、特に発熱が一定で
はなく、始動、停止のサイクルが頻繁に行なわれるもの
に多大な効果がある。

次に第９図は、本発明の第５の実施例の変形例を示す概
略構成図である。

この構成が第８図に示す構成と異なる箇所は、ファン羽
１６を取付ける位置を設置場所に応じて調整できるよう
にしたことにある。

第９図において、アウター磁石１４には傘歯車２４、軸
２６、傘歯車２５、軸２７を介してファン羽１６が回転
自在に支持されており、ファン羽１６は冷却手段として
の熱交換器１２の近傍に配置されて、熱交換器１２を冷
却風により冷却するように構成されている。

このように蒸気室２とタービン羽室５を分離してかつフ
ァン羽１６を動力伝達手段を介して任意の位置に配置で
きるように構成することにより設計および配置の自由度
が大幅に向上して、その工業的効果は大きい。

次に第１０図を参照して本発明の第６の実施例について
説明する。

この第６の実施例にあっては、第１４図の従来例の構成
において、本発明の第１図、第４図、第５図に示した戻
り流路１１及び冷却手段１２を設けた構成とした。

第１４図の従来例にあっては、タービンプロペラ１２３
を回転させるための蒸気流のエネルギが不足すること及
び蒸発室１１１の上部で凝縮液化した冷媒の重力落下に
よってタービンプロペラ１２３の回転が妨害されること
によって冷却効率が低下することが問題である。

したがって、蒸気及び液体の戻り流路１１を設け、さら
に戻り流路１１の途中に冷却手段１２を設けておれば、
冷媒１１３の蒸気は戻り流路１１を通り冷却手段１２に
より強制的に凝縮液化し、これによって圧力が低下し蒸
気の流れは戻り流路１１へと向かうことになる。

さらに蒸発室１１１の上部での凝縮液化を防止するため
に蒸発室１１１内部を断熱材で覆うと共に蒸発室１１１
上部に凝縮液化した水滴を戻り流路１１１へ案内するた
めに蒸発室１１１上部に傾斜部等の水滴案内を形成すれ
ばよい。

次に第１１図は、本発明の熱機関装置を地熱発電装置に
応用した実施例である。

従来の地熱発電装置では、地下の蒸気井からパイプを介
して蒸気を採集し、この蒸気によりタービンを駆動させ
、該タービンに連結した発電機を回転させて発電を行い
、タービンを駆動した後の蒸気は凝縮器で凝縮させて一
部を凝縮器用の冷却水として使用し、余剰水は河川へ放
流するか或いは注水坑により地下へ還流している。

ところが、本発明に係る地熱発電装置においては、地下
の熱源により冷却が加熱されて蒸発、この蒸気流でター
ビンを駆動し、その後蒸気は凝縮して循環する。

なお、本発明の地熱発電のための熱源としては、従来か
ら用いられている地中のマグマ等により加熱された高温
蒸気および熱水あるいは水を含んでいないが高温に加熱
されている地中の乾燥高温岩体等が用いられる。

第１１図に地熱発電装置の一実施例として、第７図に示
した熱機関装置の基本構成を採用しているものであり、
第７図と同一部分あるいは相等する部分には同一符号を
付して詳細な説明は省略する。

筐体ｌａ内には蒸発室２が形成されて冷媒３が封入され
ている。この筐体１ａは地中に埋設され前述のごとく地
下の熱源から熱を吸収して冷媒３が蒸発する。

一方筐体１ｂは、例えば地上に配置されて、内部にはタ
ービン室５が形成されている。このタービン室５内には
、タービン軸９に軸支されて回転自在なタービン羽８が
設けられ、さらにタービン軸９は同軸的に発電機２９の
シャフトに連結されている。つまり、筐体１ｂ内には、
発電機２９も収容されており、タービン軸９に直結して
、タービン羽８の回転に伴なって高効率で回転する。な
お、発電機２９は筐体ｌｂ外に設けられてもよい。

そして、地中の蒸発室２と地上のタービン室５はパイプ
２１で連結されており、蒸発室２内で蒸発した冷媒３は
蒸気流となりパイプ２１内を流れ、タービン室５に形成
された噴出口６の先端に形成されたノズル７から高速で
噴出する。

この高速蒸気流で効率の良い発電が行なえる。

このような地熱発電装置においても、先の放熱シテスム
に適用した熱機関装置の作用・効果は全て得られるため
効率の良い発電を行なえることは明白であるが、地熱発
電装置に適用した場合には、従来の地熱発電装置と比較
して次のような作用・効果も得られる。

従来の地熱発電装置にあっては、ｉ）蒸気中に包含されている成分中、Ｃａ、Ｓｉ等がタ
ービンに付着してスケールになり、タービン羽根がアン
バランスになって、ついにはタービン破損の原因となる
、却されるが、その際、ＳＯ□等の非凝縮性ガスが大気中
へ放散されて公害を招来する虞れがある、１ｉｉ）蒸気
を外部へ取出すので地下の発源が短期間で枯渇する虞れ
がある、Ｋ）凝縮水の余池水を地下へ還元するために注水坑が必
要となり、設備が大掛かりとなる。

等の問題があった、ところが、本発明の地熱発電装置によれば、蒸発室２内
で蒸発させた冷媒３は蒸気流となり蒸気はパイプ２１か
らタービン室５内に送られ噴出口６から高速に噴出し、
タービン駆動後の蒸気は凝縮されて戻り流路１１により
蒸発室２内に戻され、地下熱源からは熱のみが取出され
る構成であるため、■）タービンにスケールが付着する
ことがなく、従ってタービン破損の虞れがなく、設備の
安定性、信頼性が向上する、ｎ）ｓｏ２等の非凝縮性ガスが大気中へ放散されること
がなく、公害を防止できる、 ■）熱流を取出すだけであり、従って地下の熱源が短期
間で枯渇する虞れがない、 ■）余剰水が地下へ還元するための注水坑が不要である
から、設備が簡単且つ安価になる、等種々の優れた効果
を奏し得る。

なお、上記実施例においては、先の第７図の構成を地熱
発電装置として用いたが、他の第１図乃至第１０図の構
成を地熱発電装置に適用してもよいことはもちろんであ
る。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えば蒸発室２の形状は底部から噴出口６に向かってな
めらかにあるいは段階的に等、蒸気流路が狭くなってお
り、その形状等は限定されない。また筐体１あるいは１
ｂの外面に放熱フィン等を設けて冷却効率を上げること
もできる。

またタービン羽とフィン羽をカップリングする手段は磁
気的カップリングに限定されない。

さらに本発明の熱機関は上記放熱システム、地熱発電装
置に用途を限定されるものでなく熱エネルギーを電気あ
るいは運動エネルギー等に変換する装置として種々適用
できる。

その他事発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して適
用することができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、コストアップを押
さえ放熱効率を向上させた放熱システムあるいは、発電
効率を向上させた地熱発電装置、あるいはエネルギー変
換効率の良い熱機関が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は、本発明の熱機関を放熱システムに適
用した第１の実施例を示す縦断面図とＡＡ線切断横断面
図、第３図は、本発明の放熱システムに係る第１の実施
例の変形例を示す横断面図、第４図は、本発明の放熱シ
テスムに係る第２の実施例を示す縦断面図、第５図は、
本発明の放熱システムに係る第３の実施例を示す縦断面
図、第６図は、本発明の放熱システムに係る第３の実施
例の変形例を示す縦断面図、第７図は、本発明の放熱シ
ステムに係る第４の実施例を示す縦断面図、第８図は、
本発明の放熱システムに係る第５の実施例を示す縦断面
図、第９図は、本発明の第５の実施例の変形例を示す縦
断面図、第１０図は、本発明の放熱システムに係る第６
の実施例を示す縦断面図、第１１図は、本発明の熱機関
を地熱発電装置に適用した実施例を示す縦断面図、第１
２図乃至第１４図は、従来の放熱システムを示す縦断面
図である。１、　ｌａ、　ｌｂ・・・筐体、　　　２・・・蒸発室
、３・・・冷媒、　　　　　　４・・断熱材、５・・・
タービン羽室（タービン室）、６・・・噴出口、　　　
　　　７・・・ノズル、８、タービン羽、　　　　９・
・タービン軸、１１・・・戻り流路、　　　　１２・・
・冷却手段、１３、１４・・・インナー磁石、アウター
磁石（カップリング手段）１６・・・ファン羽、２１・・・フレキシブルパイプ、２２・・・バルブ、２３・・・逆止機能付バルブ、２９・・・発電機。代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　松山光之第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内部に発熱体から吸熱して蒸発する冷媒が収容さ
れている蒸発室と、この蒸発室から蒸発した冷媒が導かれるタービン羽室と
、前記蒸発室から前記タービン羽室まで前記蒸発した冷媒
を導く案内流路と、前記タービン羽室内に回転自在に軸支され前記冷媒の蒸
気流により回転するタービン羽と、このタービン羽の回
転に応じて回転するように回転自在に軸支されるファン
羽と、前記タービン羽室内に前記蒸気流を噴出させて前記ター
ビン羽を回転させるための噴出口と、を具備することを
特徴とする放熱システム。
（２）内部に発熱体から吸熱して蒸発する冷媒が収容さ
れている蒸発室と、この蒸発室から蒸発した冷媒が導かれるタービン羽室と
、前記蒸発室から前記タービン羽室まで前記蒸発した冷媒
を導く案内流路と、前記タービン羽室内に回転自在に軸支され前記冷媒の蒸
気流により回転するタービン羽と、このタービン羽の回
転に応じて回転するように回転自在に軸支されるファン
羽と、前記タービン羽を回転させた後の蒸気流を前記蒸発室に
戻すために前記タービン羽室と前記蒸発室とを連結する
戻り流路と、この戻り流路の途中に設けられて前記蒸気を凝縮液化さ
せるための冷却手段と、を具備することを特徴とする放熱システム。
（３）内部に発熱源から吸熱して蒸発する冷媒が収容さ
れている蒸発室と、この蒸発室から蒸発した冷媒が導かれるタービン室と、前記蒸発室から前記タービン室まで前記蒸発した冷媒を
導く案内流路と、前記タービン室内に回転自在に軸支され前記冷媒の蒸気
流により回転するタービン羽と、このタービン羽の回転の運動エネルギーを他のエネルギ
ーに変換するエネルギー変換手段と、前記タービン室内
に前記蒸気流を噴出させて前記タービン羽を回転させる
ための噴出口と、を具備することを特徴とする熱機関。
（４）前記案内流路の流路断面積を前記噴出口に向けて
徐々に狭くしたことを特徴とする請求項１または請求項
２記載の放熱システムあるいは請求項３記載の熱機関。
（５）前記タービン羽は複数の羽を有した羽根車である
ことを特徴とする請求項１記載の放熱システムまたは請
求項３記載の熱機関。
（６）前記噴出口の先端にノズルを設け、このノズルに
よって前記蒸気流をタービン羽に案内するように構成し
たことを特徴とする請求項１記載の放熱システムまたは
請求項３記載の熱機関。
（７）前記噴出口を複数形成し、前記タービン羽の周囲
にほぼ等間隔で配設したことを特徴とする請求項１記載
の放熱システムまたは請求項３記載の熱機関。
（８）前記タービン羽を回転させた後の前記蒸気流が前
記蒸発室に戻るための戻り流路を設けたことを特徴とす
る請求項１記載の放熱システムまたは請求項３記載の熱
機関。
（９）前記戻り流路に前記蒸気を凝縮液化するための冷
却手段を設けたことを特徴とする請求項８記載の放熱シ
ステムあるいは請求項８記載の熱機関。
（１０）前記戻り流路を前記蒸発室およびタービン室の
外部に形成すると共に、前記戻り流路内の蒸気の凝縮液
面の高さが調節可能なように前記戻り流路の配置位置を
移動自在としたことを特徴とする請求項２もしくは請求
項８記載の放熱システムあるいは請求項８記載の熱機関
。
（１１）前記蒸発室と前記タービン羽室とを各々独立に
構成し、前記案内流路および前記戻り流路をフレキシブ
ルなパイプにより形成したことを特徴とする請求項２ま
たは請求項８記載の放熱システムあるいは請求項８記載
の熱機関。
（１２）前記蒸発室と前記タービン羽室とを各々独立に
構成し、前記案内流路をフレキシブルなパイプにより形
成したことを特徴とする請求項１記載の放熱システムま
たは請求項３記載の熱機関。
（１３）前記戻り流路の途中に任意の設定温度で開閉自
在な逆止機能を有したバルブ手段を設けたことを特徴と
する請求項２または請求項８記載の放熱システムあるい
は請求項８記載の熱機関。
（１４）前記案内流路の途中に任意の設定温度で開閉自
在なバルブ手段を設けたことを特徴とする請求項１また
は請求項２記載の放熱システムあるいは請求項３記載の
熱機関。
（１５）前記バルブ手段は、形状記憶材料から成ること
を特徴とする請求項１３または請求項１４記載の放熱シ
ステムあるいは請求項１３または請求項１４記載の熱機
関。
（１６）前記タービン羽室内の重力方向最低位置に凝縮
液化した前記冷媒を溜める凹部を形成し、前記戻り流路
をこの凹部と前記蒸発室とで連通させるように構成した
ことを特徴とする請求項２または請求項８記載の放熱シ
ステムあるいは請求項８記載の熱機関。
（１７）前記ファン羽は動力伝達手段により任意の位置
に配置できるように構成したことを特徴とする請求項１
または請求項２記載の放熱システム。
（１８）前記蒸発室もしくは前記タービン羽室の少なく
ともどちらか一方を断熱材で覆ったことを特徴とする請
求項１または請求項２記載の放熱シテスムあるいは請求
項３記載の熱機関。