JPH0367996A - 二重管型二相熱サイフォン - 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） 本発明は排熱回収装置、太陽熱集熱器なとの各種熱交換
器や冷中性子源設備なとの極低温装置に（１） 利用される密閉型二相熱サイフオンに係り、特に伝達熱
量を制御し、・熱交換器を通過する低温側流体または高
温側流体の熱交換器からの排出温度を広範囲に変化させ
るに好適な密閉型の二重管型二相熱サイフオンに関する
ものである。

（従来の技術） 従来の密閉型二相熱サイフオンにおいては、熱サイフオ
ン内に生じる作動流体の気液対向二相流によるフラッデ
ィングに起因して、熱輸送限界が生じるという欠点があ
った。また、この熱輸送限界による限界熱流束は、プー
ル沸騰やボイラー伝熱管などの対流沸騰系のそれと比較
して著しく低い欠点があったため、適用される製品に制
限があった。

ところで、上述のフラッディングの発生を回避し、熱輸
送限界を大幅に向上させるために、内部下降管を挿入し
た密閉型の二重管型二相熱サイフオンが、既に本発明者
らによって提案されている（特願昭６３−２６３６５１
）。　しかしながら、上記発明においても、熱サイフオ
ンそれ自身の機能により（２） 伝達熱量を制御し、熱交換器を通過する高温側流体及び
低温側流体の熱交換器からの排出温度を広範囲に変化さ
せることは極めて困難である欠点があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上述の事実に基づきなされたものであり、密閉
型の二重管壁二相熱サイフオンの伝達熱量を制御するこ
とにより、熱交換器を通過する高温側流体及び低温側流
体の熱交換器からの排出温度を広範囲に変化させ得る方
法と、それを実施するに最も好適な密閉型の二重管壁二
相熱サイフオンを提案することにある。

（課題を解決するための手段） 上述の目的を達成させるために、本発明は密閉型の二重
管壁二相熱サイフオンの内部下降管の任意の部分（上端
及び下端の開口部を含む）に、この内部下降管内を流下
する気液混合物の流量を変化させ得る弁及び弁開度調節
装置を設けたものである。

いま、本発明による構成の典型的−例を、第１（３） 図に従って説明すると次のようである。

直径の異なる冷却部１と加熱部３を、」二部にテーパ一
部２ａを有する断熱部２て結合して密閉容器とし、その
内部に漏斗状の人口部４ａを有する両端の開いた内部下
降管４を挿入し、」二部支持具５及び下部支持具６て固
定した密閉型の二重管型二相熱りイフォンにおいて、内
部下降管４の下端に、内部下降管４の下端の開口面積を
変化さぜ得る弁７及び弁７の開度を調節する弁開度調節
装置８を設ける。また、管内には比較的高い充填率ζこ
なるような量の作動流体を１４人する。

弁７の開度調節は、弁７を熱ザイフォンの管軸方向に移
動させる方法により行なう。そのための最も簡単な方法
は、ハント″ル９を設け、これを管軸方向に移動するこ
とにより弁７の開度を調節する方法である。あるいは、
弁開度調節装置８にネジや歯車装置などを組み込み、ハ
ンドル９の回転運動を管軸方向の直進運動に変換する機
構を採用しても良い。一般に、弁開度調節装置８は種々
の構造が考えられるため、任意でよい。しかるに、（４
） 本実施例における弁開度調節装置８は、密封機構と弁７
の開度調節機構を有することが必要である。

更に、第１図に示す実施例では、冷却部１は低温側流体
の通路ｌＯ内に、また加熱部３は高温側流体の通路１１
内に挿入されており、排熱回収用熱交換器などに本発明
による熱サイフオンを適用した場合に相当する。

以上のように装置する。

（作用） 次に、第１図に示した一実施例の作用について、第２図
、第３図及び第４図に従って説明する。

加熱部３と内部下降管４の間に形成されている環状流路
内の作動流体が沸騰を開始すると、作動流体は蒸気と液
が混合した気液混合物となってこの環状流路内を上昇し
、断熱部２を経て、断熱部２の上部にあるテーパ一部２
ａに至る。沸騰が安定して持続するようになると、気液
混合物はテーパ一部２ａ付近に安定して保持され、気液
混合物の自由表面により蒸気と液が分離され、蒸気の流
れＤは冷却部１に向かって上昇し、そこで凝縮さ（５） れ、冷却部１の内壁に沿って流下する液の流れＥとなり
、再びテーパ一部２ａ付近に保持されている気液混合物
内に戻る。この気液混合物内には内部下降管４の上端に
ある漏斗状をした人口部４ａがあるｋめ、気液混合物は
この人口部４ａより内部下降管４に取り込まれ、気液混
合物の下降流Ｇとして内部下降管４の下端まで流下する
。このようにして、連続的に内部下降管４の下端から作
動流体が加熱部３へ供給され、安定した内部循環が実現
できる。同時に、物理的な通路である内部下降管４によ
り、気液混合物の上昇流Ｆと気液混合物の下降流Ｇとが
分離されているため、従来の単一管型の密閉型二相熱サ
イフオンに存在したフラッディングが原理的に発生しな
くなるため、熱輸送限界が大幅に向上することは既に公
知である。

本発明では、上述の内部下降管４の下端部に、弁７及び
弁開度調節装置８が設けられている。この弁開度調節装
置８は、内部下降管４の下端の弁開度Ｃを増減させるこ
とにより、作動流体の内部循環量を増減させる機能、す
なわち作動流体の内（６） 部循環量を制御する機能を有している。

まず、弁開皮調ｌＩ？Ｉ装置８により、弁７の弁開度Ｃ
をゼロ（すなわち、全開状態）にすると、作動流体は内
部下降管４の下端から加熱部３には供給されないように
なる。この場合の作動状態は、従来の単一管型の密閉型
二相熱サイフオンの内部に、内部下降管４及び人口部４
ａと同し外形形状をした中実の棒を挿入した場合とほと
んど同じ作動状態となる。この状態では、第２図に示す
ように、断熱部２より加熱部３と内部下降管４の間に形
成される環状流路に流下する液の流れＥが生じるが、こ
の液の蒸発により発生した上昇する蒸気の流れＤが生し
るためブラッディングが発生し、加熱部３の大部分は液
が存在しない領域、すなわちドライアウト域Ｈとなる。

このト′ライアウト域Ｈが生しると、加熱部３の内壁面
からは対流により熱が蒸気に伝えられるため、熱伝達係
数が極めて低くなり、伝達熱量は大幅に低下する。同時
に、加熱部３のトライアウト域Ｈの壁温は高温側熱源の
温度とほぼ等しくなるため、高温側熱瀞として排熱（７
） なとを利用する場合は、排熱回収用熱交換器の高温側流
体の出口温度は、人口温度に比較してほとんど低下せず
、また逆に低温側流体の出口温度は、人口温度に対して
ほとんど上昇しなくなる。

次に、弁開度調節装置８により、弁７の弁開度Ｃをある
程度大きくシ？、＝場合の作動状態を、第３図に従って
説明する。この場合は、作動流体が内部下降管４の下端
より加熱部３へ供給されるので、加熱部３と内部下降管
４の間の環状流路部では、沸騰を伴う気液混合物の上昇
流Ｆが生じる。しかるに、弁７の弁開度Ｃが小さく、作
動流体の内部循環量が少ない場合は、第３図に示すよう
に、液が全て蒸発して蒸気の流れＤのみとなるトライア
ウト域Ｈが、加熱部３の上部になお発生ずる。第２図に
示した場合と比較すると、加熱部３に生じるドライアウ
ト域Ｈの割合は小さくなり、一方沸騰域Ｉの割合は大き
くなるため、伝達熱量はより大きくなり、熱交換器の高
温側流体の出口温度はより低く、また低温側流体の出口
温度はより高くなる。

（８） このように、弁開度調節装置８により、弁７の弁開度Ｃ
を調節し、作動流体の内部循環量を調節することにより
、加熱部３に生じる沸騰域Ｉとドライアウト域Ｈの割合
を変化させることが可能であるので、これにより熱サイ
フオン自身の伝達熱量及び熱交換器の高温側流体と低温
側流体の出口温度を広い範囲で変化させることが可能で
ある。

これにより、高温側システム及び低温側システムにおけ
る熱源流体の運転点流量を変化させることなく、これら
の熱源流体間の伝達熱量や出口温度を、熱交換器に取り
付けた二重管壁二相熱サイフオンの弁７の弁開度Ｃを変
化させることにより、制御することが可能となる。

第４図（ａ）、（ｂ）には、上述した弁７の弁開度Ｃと
伝達熱量及び熱交換器内を流れる高温側流体、低温側流
体の出口温度の関係を示している。なお、第４図（ａ）
、（ｂ）に示すように、加熱部３にトライアウト域Ｈが
生じなくなると、弁開度Ｃをそれ以上大きくしても、伝
達熱量や高温側流体、低温側流体の出口温度の変化は小
さくなり、ある値に（９） 漸近するようになる。

（実施例） 本発明による構成の典型的−例はすてに第１図に示した
通りであるが、更に、第５図、第６図、第７図、及び第
８図に従って、本発明の他の実施例について説明する。

まず、第５図は、第１図に示した一実施例における弁７
の代わりに、内部下降管４の内部に中実の円柱状の弁７
ａを挿入し、かつ内部下降管４の下端の側面に作動流体
の通路１２を設けた場合である。作動流体の内部循環量
の制御は、弁７ａを管軸方向に移動させて、作動流体の
通路１２の開口面積を変化させることにより行なう。

第６図は、内部下降管４の下端の側面及び中空の円柱状
の弁７ｂの側面に作動流体の通路１２を設け、内部下降
管４に弁７ｂを挿入し、この弁７１〕を回転させること
により、作動流体の通路１２０開口面積を変化させ、内
部循環量を制御する方法の実施例である。

第５図、第６図に示した実施例では、第１図の（１０） 実施例に比較して、内部下降管４と弁７ａ及び弁７ｂの
組み立て精度の向上が計れるため、特に弁の全閉状態時
における作動流体のもれを極めて小さくする効果がある
。更に、第５図、第６図に示した実施例の他に、内部下
降管４の中央付近に内部循環量を制御する弁を設けるこ
とも可能であるし、また場合によっては、加熱部３と内
部下降管４０間の環状流路部に弁を設けることも可能で
ある。また、第５図、第６図の実施例では、密封装置と
してＯリング１３を使用する場合を示しているが、これ
に相当するものであれば何でも良い。

第７図は、加熱部３全体が高温熱源１６内に挿入され、
加熱部３の下端に弁開度調節装置８を設けることが不可
能な場合の実施例を示す。この場合、作動流体の内部循
環量の制御は、内部下降管４の入口部４ａに弁７Ｃを設
けることにより行ない、弁７ｃの開度調節は冷却部１の
上部に設けた弁開度調節装置８で行なう。

第８図は、排熱回収用熱交換器などにおいて、弁開度調
節装置８にステップモータまたは油圧な（１１） どによる駆動装置１７を付加し、コントローラ１８を介
して外部信号を人力することにより、弁開度Ｃの調節を
遠隔操作にて行なうｋめの一実施例を示す。更に、温度
計１９及び流量計２０を高温側流体の通路１１及び低温
側流体の通路１０内に設け、各センサーからの信号をコ
ントローラ１８に入力することにより、伝達熱量や高温
側流体及び低温側流体の出口温度が目的の値になるよう
に、弁開度Ｃを自動的に制御するための一実施例を示し
ている。また、このような制御系は他の実施例にも、当
然適用し得るものである。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明においては、従来の密閉型の
二重管壁二相熱サイフオンに、弁及び弁開度調節装置を
設けたので、内部下降管下端より加熱部へ供給される作
動流体の内部循環量を変化させることが可能である。こ
れにより、加熱部で生じる沸騰域とドライアウト域の割
合を変化させ得るので、本発明による熱サイフオンを紐
み込んだ熱交換装置などにおいては、伝達熱量や高温側
（１２） 又は低温側流体の出口温度を、高温側及び低温側システ
ムの運転状態に依存することなく変化させることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の二重管壁二相熱サイフオンの一実施例
の断面図、第２図は第１図において、弁が全閉時の作用
を示す説明図、第３図は第１図において、弁が開いた時
の作用を示す説明図、第４図の（ａ）図は、第１図に示
す一実施例の弁開度と伝達熱量の関係を示す説明図、第
４図の（ｂ）図は、第１図に示ず一実施例の弁開度と流
体の出口温度の関係を示す説明図、第５図は本発明の第
２の実施例を示す断面図、第６図は本発明の第３の実施
例を示す断面図、第７図は本発明の第４の実施例を示す
断面図、第８図は本発明の第５の実施例及びその制御系
を示す説明図である。 １は冷却部、２は断熱部、２ａはテーパ一部、３は加熱
部、４は内部下降管、４ａは入口部、５は上部支持具、
６は下部支持具、７．７ａ、７ｂ、（１３） ７ｃは弁、８は弁開度調節装置、９はハンドル、１０は
低温側流体の通路、１１は高温側流体の通路、１２は作
動流体の通路、Ｉ３はＯリング、１４は軸側装置、１５
は高温熱源の容器、１６は高温熱源、１７は駆動装置、
１８はコントローラ、１９は温度計、２０は流量計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 冷却部と、それと直径の異なる加熱部を、上部がテーパ
   ー状になった断熱部で結合して密閉容器として、その内
   部に作動流体を封入し、この密閉容器内に上端に漏斗状
   の入口部を有する両端の開いた内部下降管を挿入した二
   重管型二相熱サイフォンにおいて、内部下降管または加
   熱部と内部下降管の間に形成される環状流路の任意の部
   分に、作動流体の内部循環量を変化させ得る弁及び弁開
   度調節装置を設けたことを特徴とする二重管型二相熱サ
   イフォン。