JPH06257417A - ヒートパイプタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高性能のヒートパイプタービンを提供する。 【構成】 下部が蒸発部１１ａとなる蒸発管１１の上方
に凝縮部１３を設け、この凝縮部１３と蒸発管１１内上
部との間に、蒸発部１１ａで発生した作動流体Ｌの蒸気
Ｖを凝縮部１３に送るための蒸気管２０と、凝縮した作
動流体Ｌを蒸発部１１ａに還流させる液戻し管１４とを
備えた熱サイフォン式ループ型ヒートパイプの前記凝縮
部１３の上部に軸流タービン１７を設置するとともに、
蒸気管２０の出口側の端部を、その端部から下向きに噴
出する蒸気Ｖが軸流タービン１７を駆動した後に凝縮部
１３に流入するように接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱サイフォン式ルー
プ型ヒートパイプの作動流体の蒸気によってタービンを
回転させて発電機等を駆動するヒートパイプタービンに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】作動中のヒートパイプ内を、蒸発部から
凝縮部に向けて高速で移動する作動流体の蒸気の流れを
利用してタービンを回転させ、その回転によって発電機
を駆動することが提案されている。特に、ある程度の発
電量を確保するためには、大量の蒸気を発生させる必要
があるので、熱サイフォン式ヒートパイプの使用が適し
ており、特に、飛散限界や沸騰限界によって最大熱輸送
量が制限されることを防ぐためには、蒸気流路と液還流
路とが分離されたループ型の熱サイフォン式ヒートパイ
プの使用が適している。

【０００３】図２は、特開昭６２−２９４７０５号公報
に記載されているウィック式ヒートパイプの発電装置を
示すもので、このヒートパイプは、銅等の金属からなる
密閉管１の内部に凝縮性の作動流体２のみが封入されて
いる。また、密閉管１の内周面には、金属網や炭素繊維
等の極細線材等からなる毛細管構造のウィック３を設け
る。この密閉管１を上下方向に立設し、その下端部外周
に、内部に高温流体４が流通するジャケット５を取付け
て蒸発部６として構成し、前記密閉管１内の上部に、発
電機７を駆動する軸流タービン８を配設する。さらに、
密閉管１の軸流タービン８より上側の部分と、蒸発部６
の下端側に形成される作動流体２の液溜りの液面下とに
連通するバイパス管９を設け、このバイパス管９の中間
部の外周に、内部に冷却水Ｗの流通するジャケット１０
を取付けて凝縮部１０ａとして構成されている。

【０００４】そして、ジャケット５内を流通する高温流
体４によって蒸発部６内の作動流体２が加熱されると蒸
気Ｖが発生する。発生した作動流体２の蒸気Ｖは、密閉
管１の上部に連通接続されたバイパス管９の中間部に形
成された凝縮部１０ａに移動する。このとき、密閉管１
内の上部に設けられた軸流タービン８が、密閉管１内を
上昇する蒸気流に駆動される。軸流タービン８が回転す
ると、密閉管１の上端から外部へ延出された回転軸８ａ
に連結されている発電機７の入力軸が回転駆動されて発
電が行われる。そして、軸流タービン８を駆動した蒸気
流は、バイパス管９の凝縮部１０ａにおいて、ジャケッ
ト１０内を流通する冷却水Ｗに熱を奪われて凝縮し、液
相の作動流体２に戻ってバイパス管９内を下降して蒸発
部６に還流する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のヒート
パイプ式発電装置においては、飛散限界等によって熱輸
送能力が制限を受けるウィック式ループ型ヒートパイプ
を使用しているため、熱サイフォン式ループ型ヒートパ
イプを使用した場合に比べて熱輸送能力があまり高くな
く、また、凝縮部１０ａが、密閉管１の上部に接続され
たバイパス管９の中間部に設けられているため、密閉管
１内の蒸気は、重力に抗して上向きに流れる際に軸流タ
ービン７を駆動することとなるため効率が良くない等の
問題があった。

【０００６】この発明は、上記の事情に鑑みなされたも
ので、高性能のヒートパイプタービンを提供することを
目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段としてこの発明は、下部の蒸発部に液溜まりが
形成される蒸発管の上部に凝縮部を設け、この凝縮部と
前記蒸発管との間に、蒸発部で発生した作動流体の蒸気
を前記凝縮部に送るための蒸気管と、前記凝縮部で液相
に戻った作動流体を重力の作用で前記蒸発部に還流させ
るよう、その下端を前記蒸発部の液溜まり内に配設した
液戻し管とを備えた熱サイフォン式ループ型ヒートパイ
プの前記凝縮部の上部に軸流タービンを設置するととも
に、前記蒸気管の出口側端部を、その端部から下向きに
噴出する作動流体の蒸気が前記タービンを駆動した後に
前記凝縮部に流入するように、前記軸流タービンの上方
に配設したことを特徴としている。

【０００８】また、前記液戻し管を断熱被覆して前記蒸
発管内に配設することができる。また、前記凝縮部の内
部に蒸気冷却手段を配設することができる。

【０００９】

【作用】上記のように、下部が蒸発部となる蒸発管の上
部に凝縮部を設け、この凝縮部と前記蒸発管内上部との
間に蒸気管と、作動流体を重力の作用で前記蒸発部に還
流させる液戻し管とを備えた熱サイフォン式ループ型ヒ
ートパイプの前記凝縮部の上部に軸流タービンを設置す
るとともに、前記蒸気管の出口側端部を、タービンの上
方に配設したので、大量の蒸気が発生して軸流タービン
を駆動する。

【００１０】また、前記液戻し管を断熱被覆して前記蒸
発管内に配設すれば、凝縮した作動流体が蒸発部へ還流
し易くなる。また、前記凝縮部の内部に蒸気冷却手段を
配設すれば、凝縮部における蒸気の凝縮量が増大し、ヒ
ートパイプの熱輸送能力が向上するため大量の蒸気が発
生し、この蒸気の流れに駆動される軸流タービンの出力
がアップする。

【００１１】

【実施例】以下、この発明のヒートパイプタービンを、
熱サイフォン式ループ型ヒートパイプを用いた発電装置
に適用した一実施例について図１を参照して説明する。

【００１２】この装置は、熱サイフォン式ループ型ヒー
トパイプの内部にタービンを設けて、ヒートパイプの蒸
発部から凝縮部へ流れる作動流体の蒸気によりタービン
を駆動して発電を行う装置で、金属製で密閉状態の蒸発
管１１は、その下部の蒸発部１１ａに作動流体Ｌの液溜
まりが形成されるとともに、その上方には、ブラケット
１２を介して凝縮管１３が同軸上に配設されており、こ
の凝縮管１３の内底部には、液戻し管１４の上端が連通
接続されるとともにその下部側は、ブラケット１２の下
部から前記蒸発管１１内に水密に挿入されるとともに、
中心を経由してその下端が底部付近に位置するように配
設されている。また、この液戻し管１４の大気中に露出
している部分および蒸発管１１内に配設されている部分
は、その外周を断熱材１５によって被覆されている。

【００１３】また前記凝縮管１３は、その上部に開口１
３ａを備えている。またこの凝縮管１３内には、蒸気を
積極的に冷却するために、冷却水Ｗがその中を流通する
九十九折り状の複数のコンデンサチューブ１６が配設さ
れるとともに、このコンデンサチューブ１６の上方に
は、前記開口１３ａに遊嵌するように軸流タービン１７
がそのブレードを上側にするとともに、開口１３ａの内
周縁の前記ブレードと対応する位置に開口する、円弧状
の複数のスリット１８ａを残して閉塞する蓋体１８上に
設置された発電機１９の入力軸に軸着して回転可能に設
けられている。

【００１４】そして、凝縮管１３の開口１３ａを塞ぐ蓋
体１８に形成されている円弧状の各スリット１８ａに
は、その下端を蒸発管１１の上部に連通接続した蒸気管
２０の蒸気吹出し側となる上端が下向きに形成されると
ともに、スリット１８ａの数と同数に分割され、かつ細
く絞ったノズル２０ａの先端が、それぞれ気密に接続さ
れて、凝縮管１３と液戻し管１４と蒸発管１１と蒸気管
２０とによって閉ループが形成されるとともに、その内
部には凝縮性の作動流体Ｌのみが封入されている。

【００１５】次に、上記のように構成されるこの実施例
の作用を説明すると、蒸発管１１の下部の蒸発部１１ａ
が加熱されると、内部に封入されている作動流体Ｌが加
熱され、沸騰して蒸気Ｖを発生する。発生した蒸気Ｖ
は、蒸気管２０を経由して低圧の凝縮管１３内に移動
し、凝縮管１３内の冷却水Ｗが内部を流通するコンデン
サチューブ１６に接触して凝縮し、液相の作動流体Ｌに
戻って凝縮管１３内の下部に一旦滞留した後、液戻し管
１４内を流下して蒸発部１１ａに形成されている作動流
体Ｌの液溜まりの液面下に還流する。このとき、液戻し
管１４が断熱被覆されているため、高温の作動流体Ｌお
よびその蒸気Ｖが充満している蒸発管１１内に配設され
ていても、作動流体Ｌが流下する途中で蒸発することな
く、蒸発部１１ａへ円滑に還流させることができる。

【００１６】また、凝縮管１３内にコンデンサチューブ
１６が設けられているため凝縮能力が高く、大量の蒸気
Ｖを凝縮することができる。そのため大量の蒸気が凝縮
してその容積を減ずることにより凝縮管１３の内圧と蒸
発管１１の内圧との差が大きくなり、さらに熱輸送能力
が向上する。

【００１７】したがって、蒸発部１１ａにおいて大量に
発生した作動流体Ｌの蒸気Ｖが、低圧の凝縮管１３内を
目指して蒸気管２０内を上昇し、この蒸気管２０の先端
に形成されたノズル２０ａから、スリット１８ａを経由
して凝縮管１３内に下向きに噴出して、軸流タービン１
７のブレードに当たる。このとき、ノズル２０ａから蒸
気Ｖが高速で噴出するとともに、吹出す方向が重力と同
じ方向であり、また凝縮管１３の内圧が低いため噴出し
た蒸気が急激に膨張することにより、これらの相乗効果
によって軸流タービン１７が高速で回転する。その結
果、軸流タービン１７が軸着している発電機１９の入力
軸が高速で回転駆動されて高出力の発電が行われる。

【００１８】なお、上記実施例においては、本発明のヒ
ートパイプタービンを発電装置に適用した場合について
説明したが、他の回転機器や装置類の動力源等として利
用することもできる。

【００１９】

【発明の効果】以上、説明したようにこの発明は、蒸発
管の上部と、その上方の凝縮部との間に、蒸発部で発生
した蒸気を凝縮部に送る蒸気管と、凝縮した作動流体を
前記蒸発部に還流させる液戻し管とを備えた熱サイフォ
ン式ループ型ヒートパイプの凝縮部の上部に軸流タービ
ンを設置するとともに、前記蒸気管の出口側端部を、こ
こから噴出する蒸気が前記タービンを駆動した後に凝縮
部に流入するように、タービンの上方に配設し、蒸気が
重力方向に噴出するようにしたので、回転運動への変換
率を高めることができる。

【００２０】また、液戻し管を断熱被覆して蒸発管内に
配設すれば、装置のコンパクト化が図れるとともに、凝
縮した作動流体を、蒸発部へ円滑に還流させることがで
きる。また、凝縮部内に蒸気冷却手段を配設すれば、凝
縮能力が大幅に向上するため蒸気の発生量が増大し、軸
流タービンの出力をアツプすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のヒートパイプタービンを発電装置に
適用した一実施例を示す断面図である。

【図２】従来のヒートパイプタービンを示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１１…蒸発管、 １１ａ…蒸発部、 １３…凝縮管、
１４…液戻し管、 １５…断熱材、 １６…コンデンサ
チューブ、 １７…軸流タービン、 １８ａ…スリッ
ト、 １９…発電機、 ２０…蒸気管、 ２０ａ…ノズ
ル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 青山 文明 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部の蒸発部に液溜りが形成される蒸発
   管の上部に凝縮部を設け、この凝縮部と前記蒸発管との
   間に、蒸発部で発生した作動流体の蒸気を前記凝縮部に
   送るための蒸気管と、前記凝縮部で液相に戻った作動流
   体を重力の作用で前記蒸発部に還流させるよう、その下
   端を前記蒸発部の液溜まり内に配設した液戻し管とを備
   えた熱サイフォン式ループ型ヒートパイプの前記凝縮部
   の上部に軸流タービンを設置するとともに、前記蒸気管
   の出口側端部を、その端部から下向きに噴出する作動流
   体の蒸気が前記タービンを駆動した後に前記凝縮部に流
   入するように、前記軸流タービンの上方に配設したこと
   を特徴とするヒートパイプタービン。
2. 【請求項２】 前記液戻し管は、断熱被覆されて前記蒸
   発管内に配設されていることを特徴とする請求項１記載
   のヒートパイプタービン。
3. 【請求項３】 前記凝縮部は、その内部に蒸気冷却手段
   が配設されていることを特徴とする請求項１記載のヒー
   トパイプタービン。