JPH0648152B2 - 二重管型ヒートパイプ式熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、外管とその内部に挿通した内管との間の空
間部をヒートパイプとして構成した熱交換器に関し、特
に外管の外周側を高温流体とするとともに内管の内部に
低温流体を流してこれらの流体の間で熱交換を行なう熱
交換器に関するものである。

従来の技術 ヒートパイプを用いた熱交換器として、高温流体流路と
低温流体流路との間にヒートパイプを配置した構成のも
のが一般に知られている。この種の熱交換器では、ヒー
トパイプがその内部に封入された作動流体の潜熱として
熱を輸送するから効率良く熱交換を行なわせることがで
きる。またヒートパイプは作動流体が蒸発して流動する
ことにより熱の輸送を行なうものであって、熱輸送を長
距離に亘って行なうことができるために、高温流体流路
と低温流体流路とが離れていても支障なく熱交換するこ
とができるなどの利点を有している。しかしながらこの
種の熱交換器では、ヒートパイプの一端部を高温流体に
曝し、かつ他端部を低温流体に曝す必要があるために、
広い熱授受面積を確保するにはヒートパイプを長くし、
また大径化する必要があり、その結果、熱交換器が大型
化するという問題がある。

このような不都合を解消するヒートパイプとして二重管
構造のヒートパイプが知られている。これは、外管の内
部に内管を挿通するとともに、外管の内周面と内管の外
周面との間の空間部を密閉し、その空間部を真空排気し
た後に水などの凝縮性の流体を作動流体として封入した
もので、この二重管型ヒートパイプを用いた放熱器が、
例えば特開昭５６−２７８９１号公報や「ヒートパイプ
とその応用」（オーム社発行）（第１１６頁）に記載さ
れている。この放熱器はフィンを外周面に設けかつ水平
に配置される外管の内部に、高温の流体を流す内管を下
側に偏心させてその一部が作動流体に浸漬するよう挿通
し、この外管と内管との間の空間部をヒートパイプとし
て構成したものである。したがって、蒸発部となる内管
の外周面には、該内管が作動流体に一部浸漬しているこ
とにより、ウイックの作用によって作動流体が充分供給
され、その作動流体は内管の内部を流れる高温流体から
熱を受けて蒸発し、その蒸気が外管の内周面に接触して
ここで熱を外部の低温流体に奪われ、すなわち作動流体
の蒸気が放熱して凝縮し、その結果生じた液相の作動流
体は重力によって外管の内周面を伝って下側に流れ落
ち、再度液溜めを形成してウイックによって再び内管の
外周面に供給される。

このように高温流体を内管の内部に流し、かつ低温流体
を外管の外部に位置させる二重管型ヒートパイプ式放熱
器では、作動流体が外管の内部の下側に溜ってしまうた
めに、高温流体を流す内管を外管に対して下側に偏心さ
せて作動流体に一部浸漬させる必要がある。

また、上記の場合と反対に内管の内部に低温流体を流
し、外管の外部に高温流体を配置する場合には、たとえ
作動流体が外管の下部に溜ってもその作動流体は外管を
通して与えられる高温流体の熱によって加熱蒸発させら
れ、また作動流体の蒸気は内管の外周面に接触して熱を
奪われて凝縮するので、作動流体に対する熱の授受に関
しては、外管と内管とが同心状に配設されていても特に
支障がない。したがって、二重管構造のヒートパイプを
用いた熱交換器であって、内管の内部に低温流体を流
し、かつ外管の外部に高温流体を配置して両者の流体の
間で熱交換を行なう場合、一般には、例えば特開昭６１
−２３５６８８号公報に記載されているように、外管に
対して内管を同心状に挿入し、その外管の内周面にウイ
ックを設けた二重管構造としている。

発明が解決しようとする課題 しかるに外管と内管とを同心状に配置した二重管構造の
ヒートパイプにより、外管の外部の高温流体から内管の
内部の低温流体に対して熱を与える場合は、そのヒート
パイプの軸線が水平となるように設置することにより、
外管の内周面の全体が蒸発部となり、したがって一般に
は外管の内周面にウイックを設けて、ウイックの毛細管
作用によって、作動流体が外管の下部の液溜め部から外
管の内周面全体に供給されるようになっている。

ところが、例えば溶融状態の高温ナトリウムと水との間
で熱交換を行なう場合においては、熱流束が極めて大き
いから、ウイックの毛細管作用によって作動流体が汲み
上げられて外管の内周面に供給されるとしても、ウイッ
クによる作動流体の汲み上げ能力が追い付かず、作動流
体が外管の下部の液溜め部から外管の内周面全体に行き
渡らずにその途中で蒸発してしまう。その結果、外管の
内周面の上側の部分は作動流体が不足し、いわゆるドラ
イアウトの状態となってしまう。

したがって、外管と内管とを同心状に配置した構成の二
重管構造のヒートパイプでは、内周面にウイックを設け
た外管の外部に高温流体を配置し、かつ内管の内部に低
温流体を流して熱交換を行なう場合に、ウイックによる
作動流体の汲み上げ能力が不足して実質的な蒸発部の面
積が狭くなって熱交換効率が低下するという問題があっ
た。

このように、二重管構造のヒートパイプの外管の外部に
高温流体を配置し、内管の内部に低温流体を流して両流
体間で熱交換を行なわせる場合に、効率良くしかも蒸発
部にドライアウト状態が起らないように熱交換させるた
めには、液相の作動流体をこの外管の内周面全体に常時
供給する必要があるが、外管の内周面に設けられたウイ
ックの毛細管作用では供給不足が生じ、とくに熱流束が
極めて大きな場合には、蒸発部へ充分に作動流体を供給
するのが不可能であった。

そこで、ウイックの毛細管作用以外の手段でヒートパイ
プの蒸発部に作動流体を供給する方法として、ヒートパ
イプ内における作動流体の突沸現象に着目し、この突沸
により急激かつ大量に生じた蒸気の爆発により作動流体
を噴き上げさせ、液相の作動流体を飛沫の状態で蒸発部
へ供給するようにしたのがこの発明の二重管型ヒートパ
イプ式熱交換器である。

二重管構造のヒートパイプを、その外管の外部に高温流
体を配置し、内管の内部に低温流体を流して使用する場
合に、ヒートパイプ内の作動流体に突沸現象を起させる
には、蒸発部が作動流体の沸点以上の過熱状態となると
ともに蒸発部に接した作動流体が対流等の通常の熱伝達
をある程度抑制された状態を作るか、または作動流体に
よる熱伝達能力を超えた温度まで蒸発部を過熱させるた
めに、ヒートパイプの下部に形成される作動流体の液溜
まり部分の液溜まりの深さ（液膜の厚さ）をある程度深
く（厚く）する必要がある。そのため、第２図に示すよ
うに、その外部に高温流体Ａが位置する外管１ａに、そ
の内部に低温流体Ｂが流される内管１ｂを同心状に挿通
した二重管構造のヒートパイプ１を、その軸心が垂直と
なるように設置する方法が考えられる。このようにヒー
トパイプ１を垂直に設置した場合には、作動流体２がす
べてヒートパイプ１の下部に集まるため、その液溜まり
の深さを突沸を起させるに充分な深さとすることがで
き、高温流体Ａに接した外管１ａの内周面と接触してい
る作動流体２の深い位置で突沸が起き、蒸気の爆発力に
よって作動流体２の飛沫２ａを上方に噴き上げ、外管１
ａの内周面のある程度の高さまでは作動流体２を飛沫２
ａの状態で飛散させて供給することができる。しかし、
この飛沫２ａを噴き上げる高さにも限度があり、ある程
度長尺なヒートパイプ１においては外管１ａの上部まで
は到達せず、上端付近がドライアウトの状態となって異
常高温となるとともに、外管１ａの内周面のうち蒸発部
として利用される有効面積が減少し、熱交換効率も低下
する。

また、第３図に示すように、二重管構造のヒートパイプ
３をその軸線が水平となるように設置した場合には、外
管３ａ内の下側に溜まる作動流体４の液膜の厚さが突沸
を起すだけ充分に厚くならず、外管３ａから受けた熱を
作動流体に伝達して通常の沸騰を行なって蒸発させてし
まい突沸を起さない。そのため、突沸により発生する飛
沫により作動流体を外管３ａの内周面に供給することが
できない。また、水平に設置するヒートパイプに、突沸
を起させるに充分な厚さの液膜が外管３ａの下部内周面
に形成されるように封入する作動流体４の量を増加した
場合には、封入する作動流体４を増量した分だけ、外管
３ａの内周面の有効な蒸発面積が減少してしまい、熱交
換効率が低下する。

この発明は上記した技術的背景の下になされたもので、
外管の外部を高温流体としかつ内管の内部に低温流体を
流して両者の間で熱交換を行なわせ、かつ熱流束が極め
て大きい場合に作動流体を突沸させることによって、飛
沫の状態で液相の作動流体を蒸発部全域に供給して熱交
換効率を向上させるとともに、装置の小型化を可能とし
た二重管型ヒートパイプ式熱交換器を提供することを目
的とするものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明は、高温
流体中に配設される外管の内部に、低温流体を内部に流
通させられる内管がほぼ同心状に挿通され、かつ外管の
内周面と内管の外周面との間の空間部を密閉してこの空
間部に凝縮性の作動流体を封入してヒートパイプとされ
るとともに、この内管を挿通した外管が、その内部に封
入された作動流体が突沸を起し得る深さを確保できる角
度で、かつ突沸によって噴き上げられた作動流体がヒー
トパイプ内の最上部まで到達できる高さとなる所定の角
度で水平と垂直を除く角度で高温流体中に設置されてい
ることを特徴としている。

作用 上記のように構成することにより、外管と内管の間に作
動流体を封入した二重管構造のヒートパイプを、その内
部に封入された作動流体が突沸を起し得る角度でかつ水
平と垂直な状態を除いた角度に設置することにより、ヒ
ートパイプの低い側に溜る作動流体の液溜りの深さが、
封入する作動流体を増量せずに、突沸を起させるのに充
分な深さに確保される。また、長尺なヒートパイプの場
合には、その設置角度を水平に対する角度を小さくする
ことにより、突沸によって作動流体の飛沫を到達させる
べき高さが低く抑えられる。したがって、極めて大きな
熱流束で外管の外部全体から熱入力されると、傾斜下部
側の液溜りで作動流体が突沸を起し、この突沸により発
生した飛沫が広範囲に飛散して外管の内周面全体に液相
の作動流体が効率良く供給され、ドライアウトを生じる
ことなく高効率で熱交換が行なわれる。

実施例 以下、この発明の二重管型ヒートパイプ式熱交換器を、
蒸気発生器に適用した一実施例を第１図に基づいて説明
する。

二重管型ヒートパイプ式の蒸気発生器は、外管１１ａの
外部に高温流体Ａを配置し、この外管１１ａに、内部に
低温流体Ｂを流す内管１１ｂを同心状に挿通し、外管１
１ａの内周面と内管１１ｂの外周面との間の空間部を密
閉するとともに、この空間部を排気した後に水等の凝縮
性の流体を作動流体１２として封入した二重管構造のヒ
ートパイプ１１からなり、前記高温流体Ａが流通する高
温流体流路１３内において高温流体Ａと接している外管
１１ａの内周面全体がヒートパイプ１１の蒸発部とな
り、また低温流体Ｂが流れる内管１１ｂの外周面全体が
凝縮部となって、このヒートパイプ１１を介して高温流
体Ａと低温流体Ｂとの間で熱交換を行なわせるようにな
っている。

そして、前記二重管構造のヒートパイプ１１は、その軸
線が水平に対して約２度ないし５度だけ傾斜させた状態
で高温流体流路１３中に設置され、高温流体Ａは高い側
（第１図において右側）から低い側へ流れ、低温流体Ｂ
は低い側（第１図において左側）から高い側に向けて内
管１１ｂ内を流れるようになっている。

また、傾斜させたヒートパイプ１１の外管１１ａの内周
面と内管１１ｂの外周面との間の空間に封入された作動
流体１２は、外管１１ａ内の下部でかつ傾斜の低い側
（第１図において左側）に偏って液溜まりを形成してお
り、この液溜まりは、傾斜したヒートパイプ１１の低い
側が深くなっていて、ヒートパイプ１１の蒸発部（外管
の内周面）の面積に応じた適量の作動流体１２により、
液溜まりの一定範囲においてある程度の深さが確保され
て、作動流体１２の突沸を起し易い条件に設定されてい
る。

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。

低温流体Ｂを内部に流通させられる内管１１ｂを外管１
１ａにほぼ同心状に挿通し、この外管と内管との間に作
動流体１２を封入した二重管構造のヒートパイプ１１
は、水平に対して約２度ないし５度の傾斜を持たせて高
温流体Ａの流路内に浸漬状態で設置されているため、高
温流体Ａと接している外管１１ａの内周面の全体が蒸発
部となり、また内部を低温流体Ｂが流れる内管１１ｂの
外周面全体が凝縮部となる。したがって、ヒートパイプ
１１内の作動流体１２は、高温流体Ａの熱により高温に
加熱された蒸発部である外管１１ａの内周面に接触し、
蒸発して作動流体１２の蒸気となる。そして、作動流体
１２の蒸気は、凝縮部である内管１１ｂの外周面におい
て熱を奪われ、凝縮して液相の作動流体１２に戻り、外
管の外周面に結露した後、重力により下側に流れ落ちて
液溜まりを形成する。

そして、ヒートパイプ１１の外部から、高温流体Ａの温
度がさらに上昇し、、極めて高い熱流束が入力されて外
管１１ａが作動流体１２の沸点より高い温度に加熱され
ると、液溜りのある程度深い部分において外管１１ａの
内周面に接している作動流体１２が突沸を起して大量の
蒸気を急激に生じ、その蒸気の噴き上げによって作動流
体１２を上方に噴き上げるため、この蒸気とともに作動
流体の飛沫１２ａが、ヒートパイプ１１の発気部である
外管１１ａの内周面全体に、効率良く供給される。

したがって、突沸によって蒸発部である外管１１ａの内
周面全体に、充分な量の作動流体１２が供給されること
により、作動流体１２の供給不足による蒸発部のドライ
アウトが防止される。そして、作動流体１２は、蒸発部
全体において高温流体Ａの熱を受けて加熱されて作動流
体の蒸気となり潜熱として熱輸送し、凝縮部である内管
１１ｂの外周面において内管１１ｂ内を流れる低温流体
Ｂに熱を奪われる。そして放熱した蒸気は凝縮して液相
の作動流体１２に戻り、内管１１ｂの外周面に結露して
低い側に流れて、再び液溜りを形成する。一方、ヒート
パイプ１１の蒸発部を介して作動流体に熱を奪われて温
度が低下した高温流体Ａは、高温流体流路１３を下流に
流れて、例えばボイラ等の加熱源に送られて再び高温に
加熱され、また凝縮部を介して熱を受けた低温流体Ｂは
高温に加熱され、例えば、蒸気ドライヤ等を経由して蒸
気タービンの駆動力等として利用される。

なお、ヒートパイプ１１の蒸発部となる外管１１ａの内
周面にはウイックを設けても設けなくてもどちらでも良
いが、ウイックを設ける場合には、突沸の発生を妨げな
い構造のウイックを用いる。

このように、この実施例の蒸気発生器は、極めて高い熱
流束が入力された際には、ヒートパイプ１１の蒸発部へ
の作動流体１２の供給を、突沸時に発生する飛沫１２ａ
の状態で効率良く供給してドライアウトを防止するとと
もに高効率で熱交換することができるので、例えば高速
増殖炉等の原子炉の蒸気発生装置として好適に使用で
き、しかも高速増殖炉等で従来必要であった中間熱交換
器を省略することができる。

また、この実施例においては、二重管型ヒートパイプ式
熱交換器を蒸気発生器に適用した場合について説明した
が、例えば放熱器等の他の用途の機器に適用することも
できる。

発明の効果 以上説明したようにこの発明の二重管型ヒートパイプ式
熱交換器は、高温流体中に配設される外管の内部に、低
温流体を内部に流通させられる内管がほぼ同心状に挿通
され、かつ外管の内周面と内管の外周面との間の空間部
を密閉してこの空間部に凝縮性の作動流体を封入してヒ
ートパイプとされるとともに、この内管を挿通した外管
が、その内部に封入された作動流体が突沸を起し得る深
さを確保できる角度で、かつ突沸によって噴き上げられ
た作動流体がヒートパイプ内の最上部まで到達できる高
さとなる所定の角度で水平と垂直を除く角度で高温流体
中に設置され、ヒートパイプに封入する作動流体を増量
せず、かつ蒸発部の有効面積を減少させずに、ヒートパ
イプ内の液溜りの深さとして突沸が起るに充分な深さを
確保できるので、極めて高い熱流束が入力された際に
も、作動流体を蒸発面に効率良く供給でき、ドライアウ
トを防止して熱交換効率を向上することができ、さら
に、熱交換効率が向上することによって機器の小型化が
可能となる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の蒸気発生器を模式図的に
表わした説明図、第２図および第３図はそれぞれ従来例
を示し、第２図は二重管ヒートパイプを用いた垂直型の
熱交換器を模式図的に表した説明図、第３図は二重管ヒ
ートパイプを用いた水平型の熱交換器を模式図的に表し
た説明図である。 １１……二重管構造のヒートパイプ、１１ａ……外管、
１１ｂ……内管、１２……作動流体、１２ａ……液相の
作動流体の飛沫、１３……高温流体流路、Ａ……高温流
体、Ｂ……低温流体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉原 伸一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 置鮎 隆一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 望月 正孝 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温流体中に配設される外管の内部に、低
   温流体を内部に流通させられる内管がほぼ同心状に挿通
   され、かつ外管の内周面と内管の外周面との間の空間部
   を密閉してこの空間部に凝縮性の作動流体を封入してヒ
   ートパイプとされるとともに、この内管を挿通した外管
   が、その内部に封入された作動流体が突沸を起し得る深
   さを確保できる角度で、かつ突沸によって噴き上げられ
   た作動流体がヒートパイプ内の最上部まで到達できる高
   さとなる所定の角度で水平と垂直を除く角度で高温流体
   中に設置されていることを特徴とする二重管型ヒートパ
   イプ式熱交換器。