JPH0755373A - 熱交換輸送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱回収効率を向上させる。 【構成】 熱源部の有する熱が直接的もしくは間接的に
与えられて動作させられる廃熱回収用ヒートパイプ３
と、熱源部の熱が直接的もしくは間接的に与えられると
ともにその熱を吸熱部に輸送する熱輸送用ヒートパイプ
８とが設けられている。廃熱回収用ヒートパイプ３に
は、その作動流体６の蒸気流によって駆動されるタービ
ン７が内蔵されている。他方、熱輸送用ヒートパイプ８
には、作動流体１２の蒸気流を吸熱部側の端部に向けて
流動させる蒸気流路と、吸熱部側の端部で凝縮した作動
流体１２を入熱のある蒸発側端部に還流させる還流管１
１と、液相の作動流体１２を蒸発側端部に送るポンプ１
３とが備えられている。さらにタービン７の駆動力をポ
ンプ１３に伝達する伝動手段１４が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工場廃熱や地熱など
の熱源部から採熱するとともに、この熱を空調装置など
の吸熱部に輸送するシステムに関し、特にその採熱およ
び熱輸送をヒートパイプを介して行うシステムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】工場からの廃熱の回収や地熱の採取は、
省エネルギ化を図り、また自然環境を保護するなどの観
点から、最近では積極的に進められている。この様な熱
回収あるいは採熱のための装置は、その設置目的が省エ
ネルギ化を図ることであるから、駆動装置を必要としな
いものが好ましく、従来では、ヒートパイプを使用した
熱交換装置が多用されている。すなわちヒートパイプ
は、気密状態に密閉したパイプなどのコンテナの内部を
脱気した状態でその内部に水やアルコール、フロンなど
の凝縮性の流体を作動流体として封入したものであり、
そのコンテナのいずれかの箇所に入熱があると、作動流
体が蒸発し、その蒸気が低温低圧の箇所に流動した後に
放熱して凝縮することにより、作動流体がその潜熱とし
て熱を輸送する。

【０００３】ヒートパイプはこのように基本的には、温
度差が生じることにより動作して熱輸送を行うが、熱輸
送を継続して行わせるには、凝縮した作動流体を蒸発の
生じる箇所（蒸発部）に還流させる必要があり、そこで
従来では、作動液の還流を以下のようにして行ってい
た。最も簡単な還流方法は、重力を利用する方法であっ
て、熱源部より吸熱部が高い位置にある場合、ヒートパ
イプをこれら熱源部と吸熱部との間に上下方向に沿って
配置すれば、吸熱部側の上端部で凝縮した作動流体は、
重力によりコンテナの内面を伝って下端部すなわち蒸発
部に還流する。この種のヒートパイプは、サーモサイホ
ンとして知られており、これは地熱の回収に効果的に使
用することができる。

【０００４】また細溝やメッシュなどの毛細管圧力の生
じるウイックをコンテナの内面に沿わせて配置する還流
手段が広く知られている。すなわち蒸発部では、作動流
体の蒸発によってメニスカスが下がるために、液相の作
動流体を汲み上げる圧力が生じ、その圧力によって凝縮
部から液相の作動流体を還流させる。この種のウイック
を設けたヒートパイプは最も一般的であり、工場発熱の
回収用熱交換器などに広く用いられている。

【０００５】上述した駆動装置を要さないヒートパイプ
で回収した熱を利用する場合、さらに他の熱交換器およ
び熱輸送手段を介して他の熱機器に熱輸送するのが一般
的であるが、その間の熱輸送は、必ずしも下方から上方
に向けた熱輸送とならないので、多くの場合、熱媒体を
強制循環させるためのポンプやファンなどの駆動装置を
備えた熱輸送装置を使用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように熱源部
からの直接、熱を回収もしくは採取する場合には、サー
モサイホンやウイック型のヒートパイプを使用すること
ができるが、回収もしくは採取した熱を更に他の設備で
利用するために熱輸送する場合には、高低差や熱輸送距
離が長いなどの熱輸送の阻害要因があるために、ポンプ
やファンなどの駆動装置を使用することになる。しかし
ながら廃熱回収や地熱の採熱などは、本来、省エネルギ
化を図ることを目的とするものであるから、そのシステ
ムにおいて外部からエネルギを供給して駆動する手段を
採用したのでは、全体としての熱終始はプラスになると
しても、その程度が低くなってしまい、熱回収や熱採取
などを行う本来の目的が損なわれてしまう不都合があっ
た。

【０００７】この発明は上記の事情を背景としてなされ
たもので、外部動力を要さずに熱回収や熱採取を行うこ
とができ、より効果的に省エネルギ化を図ることのでき
るシステムを提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題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、熱源部とこの熱源部より低温の吸熱
部との間に、コンテナ内に封入した作動流体によって熱
輸送するヒートパイプを配置し、このヒーパイプにより
前記熱源部から熱を吸熱部に輸送する熱交換輸送システ
ムにおいて、前記熱源部の有する熱が直接的もしくは間
接的に与えられて動作させられる第１のヒートパイプ
と、前記熱源部の熱が直接的もしくは間接的に与えられ
るとともにその熱を前記吸熱部に輸送する第２のヒート
パイプとが設けられ、前記第１のヒートパイプにその作
動流体の蒸気流によって駆動されるタービンが内蔵さ
れ、また前記第２のヒートパイプは、作動流体の蒸気流
を前記吸熱部側の端部に向けて流動させる蒸気流路と吸
熱部側の端部で凝縮した作動流体を入熱のある蒸発側端
部に還流させる還流管と液相の作動流体を前記蒸発側端
部に送るポンプとを備え、さらに前記タービンの駆動力
を前記ポンプに伝達する伝動手段が設けられていること
を特徴とするものである。

【０００９】

【作用】この発明の熱交換輸送システムにおいて、第１
のヒートパイプは熱源部から入熱があると動作し、その
コンテナの内部に封入した作動流体が蒸発し、所定の方
向に向けて流動する。作動流体がこのように流動するこ
とによりこの第１のヒートパイプに内蔵されたタービン
が駆動され、その動力は伝動手段を介して、第２のヒー
トパイプにおけるポンプに伝達される。この第２のヒー
トパイプは放熱して凝縮した作動流体を還流管を介して
蒸発部に還流させるよう構成されており、ポンプが駆動
されることにより、液相の作動流体が還流管を通って蒸
発部に戻される。すなわち第２のヒートパイプは、作動
液を強制還流させるから、その蒸発部分が高い位置にあ
るいわゆるトップヒートモードであっても支障なく動作
して熱輸送を行う。またその駆動力は、第１のヒートパ
イプによって熱源部から受けたエネルギに基づくから、
外部動力を必要としない。したがって総じて熱回収効率
が良好となる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明を工場廃熱の回収システムに
適用した例について図面を参照して説明する。図１にお
いて、所定の工場から発生した燃焼廃ガスを煙突などの
排出口に導く排ガス管路１に、熱回収用熱交換器２が設
けられている。この熱交換器２は、第１のヒートパイプ
である廃熱回収用ヒートパイプ３の一方の端部を、燃焼
廃ガスに曝すように前記排ガス管路１に上側から差し込
み、かつそのヒートパイプ３の他方の端部を蓄熱体４に
熱授受可能に臨ませて構成されている。このヒートパイ
プ３は真空脱気したコンテナ５の内部に目的温度範囲で
蒸発および凝縮する所定の作動流体６を封入したもので
あり、排ガス管路１側の下端部が加熱されて作動流体６
が蒸発することから、この廃熱回収用ヒートパイプ３は
いわゆるボトムヒートモードに設置されている。そして
そのコンテナ５の内部には、作動流体６の蒸気流によっ
て駆動させられるタービン７が配置されている。なお、
このタービン７としては膨張型タービンが好ましい。

【００１１】前記蓄熱体４は、顕熱の形で熱を蓄えるも
の、あるいは潜熱の形で熱を蓄えるもののいずれでもよ
く、この蓄熱体４には更に第２のヒートパイプである熱
輸送用ヒートパイプ８が熱授受可能に臨ませて配置され
ている。この熱輸送用ヒートパイプ８は、長距離に亘っ
て熱輸送を行うためにループ型ヒートパイプとして構成
されている。すなわち比較的大径のコンテナ９の一端部
が蓄熱体４に臨まされており、そのコンテナ９の他方の
端部は、前記排ガス管路１から離れた箇所に設置してあ
る熱交換器１０に熱授受可能に臨まされている。したが
って蓄熱体４側の端部が蒸発部となり、かつ熱交換器１
０側の端部が凝縮部となっており、一方の端部がこの凝
縮部に開口し、かつ他方の端部が蒸発部に開口した比較
的小径の還流管１１が前記コンテナ９の内部を通って配
置されている。そしてこのコンテナ９の内部には、真空
脱気した状態で水やアルコール、フロンなどの目的温度
範囲で蒸発および凝縮する作動流体１２が封入されてい
る。また還流管１１の途中には液相の作動流体１２を蒸
発部に送るポンプ１３が介装されている。

【００１２】このポンプ１３と前記タービン７とが、タ
ービン７の駆動力をポンプ１３に伝達する伝動手段１４
によって連結されている。この伝動手段１４は、要はト
ルクの伝達を行うことのできるものであればよく、歯車
やリングなどの機械的手段および磁気カップリングなど
を含む機構や油圧を介してトルクを伝達する機構などを
採用することができる。

【００１３】また前記熱交換器１０は、ビルディング１
５の空調を行うための吸収式ヒートポンプ１６に連結さ
れている。

【００１４】つぎに上述したシステムの作用について説
明する。排ガス管路１の内部を流れる燃焼廃ガスは例え
ば２００℃程度の高温であって、これに対して蓄熱体４
の温度が低いために、廃熱回収用ヒートパイプ３は下端
部を蒸発部とし、かつ上端部を凝縮部として動作する。
すなわちそのコンテナ５の内部に封入した作動流体６
は、燃焼廃ガスから熱を受けて蒸発し、これに対して蓄
熱体４側の凝縮部は温度および圧力が低いために、作動
流体蒸気はコンテナ５の内部を上端部に向けて流動す
る。そして作動流体蒸気は凝縮部において蓄熱体４に熱
を与えて凝縮し、その結果生じた液相の作動流体は、重
力によって下端部に還流する。蒸発部に還流した作動流
体６は再度、燃焼廃ガスによって加熱されて蒸発し、こ
のように作動流体６が蒸発と凝縮とを伴って循環流動す
ることにより、燃焼廃ガスの有する熱が蓄熱体４に運ば
れ、ここに蓄えられる。

【００１５】またこの熱回収用ヒートパイプ３の内部に
おいては、蒸気流中に置かれているタービン７が回転駆
動され、そのトルクが伝動手段１４を介してポンプ１３
に伝達され、ポンプ１３を駆動する。

【００１６】一方、熱輸送用ヒートパイプ８において
は、その一端部が蓄熱体４に接続されていることによ
り、熱交換器１０側の端部で熱出力すれば、これら両端
部の間で温度差が生じ、その結果、作動流体１２の蒸発
が生じてヒートパイプ８が動作を開始する。すなわち蓄
熱体４側の端部で作動流体１２が蓄熱体４の熱によって
加熱されて蒸発し、その蒸気が熱交換器１０側の端部に
流れ、ここで熱交換器１０に熱を奪われて凝縮し、結
局、前記熱回収用ヒートパイプ３と同様に作動流体１２
がその潜熱として熱を輸送する。

【００１７】熱交換器１０側の端部すなわち凝縮部で液
化した作動流体１２は、ここに開口させてある還流管１
１に流入する。この還流管１１に介装してあるポンプ１
３は、前述したようにタービン７から駆動力を受けて動
作するから、凝縮部の液相作動流体１２を蓄熱体４側の
端部すなわち蒸発部に強制的に還流させる。したがって
凝縮部が蒸発部より低い位置に設置されていたり、ある
いは蒸発部と凝縮部との間の距離が長くても、ポンプ１
３が作動液を汲み上げるので、熱輸送を継続的に行わせ
ることができる。そして熱交換器１０に与えられた熱に
よってヒートポンプ１６が動作してビルディング１５の
空調が行われる。

【００１８】したがって上述したシステムでは、外部動
力を使用せずに、熱源である燃焼廃ガスの有する熱エネ
ルギのみで、その熱源部から離れて設置され、あるいは
低い位置に設置されている吸熱部としての熱交換器１０
に熱を輸送することができる。そのためこの熱交換輸送
システムによれば、従来のシステムに比較して、外部エ
ネルギを消費しない分、熱回収効率が向上する。

【００１９】図２はこの発明の他の実施例を示す図であ
り、ここに示す例は、廃熱回収用ヒートパイプ３とは別
に、タービン７を内蔵した動力取出し用ヒートパイプ３
０を設けた例である。すなわち排ガス管路１には、サー
モサイホン型の複数本の熱回収用ヒートパイプ３１が、
上方から挿入されて配置されており、これらのヒートパ
イプ３１の上端部は、熱輸送用ヒートパイプ８の蓄熱体
４側の端部に熱授受可能に連結されている。また排ガス
管路１には、更に、軸流タービン７０を内蔵した動力取
出し用ヒートパイプ３０が、その上方から挿入されて配
置されており、この動力取出し用ヒートパイプ３０の上
端部も、熱輸送用ヒートパイプ８の加熱部側の端部に熱
授受可能に連結されている。

【００２０】なお、図２に示す例では、熱輸送用ヒート
パイプ８の凝縮部側の端部は、温水の形で熱を取り出す
ための熱輸送プラント５０に連結されている。すなわち
図２において符号５１は温水槽を示し、符号５２は昇温
用ヒートポンプを示し、更に符号５３は熱交換器を示し
ている。

【００２１】したがって図２に示すシステムにおいて
は、燃焼廃ガスの熱によって熱回収用ヒートパイプ３１
および動力取出し用ヒートパイプ３０のそれぞれが動作
することにより、燃焼廃ガスの有する熱が熱輸送用ヒー
トパイプ８に伝達される。この場合、動力取出し用ヒー
トパイプ３０の内部出は、作動流体の蒸気流によってタ
ービン７０が駆動され、その動力が伝動手段４を介して
ポンプ１３に伝達されるから、熱輸送用ヒートパイプ８
においては、凝縮部の作動液がポンプ１３によって蒸発
部に強制的に還流させられる。そのため加熱部と凝縮部
との間の距離が大きくても、あるいは凝縮部が低い位置
にあっても、継続して熱輸送を行うことができ、またそ
の場合、外部動力を必要としないので、熱回収効率が極
めて高くなる。

【００２２】なお、上述した各実施例では、燃焼廃ガス
から熱回収する場合を例にとって説明したが、この発明
は、蒸気の各実施例に限定されないのであって、地熱か
ら熱回収する場合や排水から熱を回収する場合など、各
種の熱源から熱を回収する場合に適用することができ
る。またこの発明では、熱輸送用ヒートパイプは熱源部
から直接熱を受けて、その熱を吸熱部に輸送する構成で
あってもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明の熱交換輸
送システムによれば、回収するべき熱の一部を動力に変
換し、これを利用してヒートパイプの作動液を強制還流
させるから、外部動力を必要とせずに長距離に亘る熱輸
送、あるいはトップヒートモードでの熱輸送を行うこと
ができ、したがって熱回収効率を従来になく向上させる
ことができ、ひいては熱回収システムの利用可能分野を
拡大することができるなど、実用上、優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す概念図である。

【図２】この発明の他の実施例を示す概念図である。

【符号の説明】

１…排ガス管路、 ２…熱回収用熱換器、 ３…廃熱回
収用ヒートパイプ、４…蓄熱体、 ５…コンテナ、 ６
…作動流体、 ７…タービン、 ８…熱輸送用ヒートパ
イプ、 ９…コンテナ、 １０…熱交換器、 １１…還
流管、 １２…作動流体、 １３…ポンプ、 １４…伝
動手段、 １５…ビルディング、 １６…吸収式ヒート
ポンプ、 ３０…動力取出し用ヒートパイプ、 ３１…
熱回収用ヒートパイプ、 ５０…熱輸送プラント、 ５
１…温水槽、 ５２…昇温用ヒートポンプ、 ５３…熱
交換器、 ７０…軸流タービン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 益子 耕一 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 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 長谷川 仁 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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱源部とこの熱源部より低温の吸熱部と
   の間に、コンテナ内に封入した作動流体によって熱輸送
   するヒートパイプを配置し、このヒーパイプにより前記
   熱源部から熱を吸熱部に輸送する熱交換輸送システムに
   おいて、 前記熱源部の有する熱が直接的もしくは間接的に与えら
   れて動作させられる第１のヒートパイプと、前記熱源部
   の熱が直接的もしくは間接的に与えられるとともにその
   熱を前記吸熱部に輸送する第２のヒートパイプとが設け
   られ、前記第１のヒートパイプにその作動流体の蒸気流
   によって駆動されるタービンが内蔵され、また前記第２
   のヒートパイプは、作動流体の蒸気流を前記吸熱部側の
   端部に向けて流動させる蒸気流路と吸熱部側の端部で凝
   縮した作動流体を入熱のある蒸発側端部に還流させる還
   流管と液相の作動流体を前記蒸発側端部に送るポンプと
   を備え、さらに前記タービンの駆動力を前記ポンプに伝
   達する伝動手段が設けられていることを特徴とする熱交
   換輸送システム。