JPH081199B2 - 低沸点媒体による液体押上装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、フロン等の低沸点媒体の沸騰気泡のエアリ
フト効果を駆動源として温水等の加温液体を押上げる装
置において、温液中に低沸点媒体の沸騰気泡を放出する
注入ノズルの改良に関する。

〔従来の技術〕

熱需要地に温水を送り、この温水により需要地で給湯
・暖房等に利用する方法は数多く提案されている。最近
では工場や火力発電所から排出される不用の温・排水を
蓄熱槽内に蓄え、この蓄熱槽内で温めた温水をいわゆる
熱サイフォン原理によって循環駆動させる方法特願昭58
-223846号（特公平2-5977号公報）等の温水輸送方法も
提案されている。

しかしながら前記の温水輸送方法は、専用の駆動装置
を必要としないが、水の沸騰蒸気を駆動源として温水を
輸送するため輸送する温水量が少なく、かつ輸送速度も
緩慢となる等温水輸送の実効性が低かった。

そこで、発明者等は先に特願昭60-213058号（特開昭6
2-75100号公報）として、循環する水の沸騰蒸気を駆動
源とする代わり、低沸点媒体であるフロンを廃熱により
沸騰させて気泡とし、この気泡によって温水を押し上げ
いわゆるエアーリフト効果を用いて輸送駆動とし、適宜
温水を熱需要地まで輸送する方法を提案した。

第８図はその一例を示すもので、図中２は気液分離ド
ラムで、支柱により地上から適宜の高さ（約５〜10m）
に立上げられ、外周にはフィン付チューブを用いた空冷
コンデンサ３を設けている。

該気液分離ドラム２に、立上げた上昇管10の上端と、
温水の輸送管9aの立下がり部分の上端とを連通させる
が、この上昇管10はフロン循環路４の上昇管となり、該
循環路４の下降管4bの下端はバルブ８を介して上昇管10
の下端に連通する。

また地面近くの地中に熱源Ａとして温水を貯溜する貯
湯槽１を設け、前記循環路４の途中、例えば上昇管10と
下降管4bの連結部をこの貯湯槽１内に配設した。この配
設部分には、フィン付きチューブ又はシェルチューブ型
の熱交換器７を設ける。

なお、貯湯槽１へは50℃程度の湯を循環させるが、こ
の湯には温水の湯や工場からの排湯等を利用できる。

また、前記気液分離ドラム２に輸送管9a及び戻り管9b
からなる温水の循環路９を連通させ、このうち前記のご
とくドラム２への戻り管9bの立上がり部分は上昇管10と
してフロンの上昇管を共用する。かかる温水の循環路９
で、輸送管9a及び戻り管9bの連通部は熱需要地Ｃにおけ
る放熱部Ｂとして形成する。

このようにして、バルブ８を開いておくと、下降管4b
内の液体フロン113（比重1.6沸点47.6℃）は自重により
下降して上昇管10の根本部より上昇管10内に入り込み、
貯湯槽１内の温水（約50℃）によって沸点以上の温度に
なるので沸騰する。

沸騰して気体となったフロンは上昇管10を上昇する
が、この上昇管10は温水の戻り管9bの立上がり部でもあ
るので、温水はフロン気泡のエアーリフト効果によって
汲み上げられて、フロン蒸気とともに気液分離ドラム２
に流入する。

気液分離ドラム２では、温水と分かれたフロン蒸気は
空冷コンデンサ３により冷却され凝縮して液化し、下降
管4b内を自重によって降下して残存している液体フロン
に加わる。

一方、フロン蒸気とは分離された温水は輸送管9aに入
り、重力差によって熱需要地Ｃの放熱部Ｂへ送られ、こ
こで放熱する。

放熱を終えて低温化した温水は戻り管9b内を経由し
て、上昇管10（戻り管9bの立上がり部）の根本部に戻
り、上昇管10での液体フロンの沸騰によって再び高温化
される。

以上のように温水とフロンとはそれぞれの変化サイク
ルを繰り返すもので、貯湯槽１に温水（約50℃）があれ
ば自然に稼働し、温水の温度がある温度以下に下がれば
自然に運転を停止する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べた低沸点媒体の沸騰気泡のエアーリフト効果
を駆動源として温水を循環させる方法では、低沸点媒体
としてのフロンは先細注入ノズルを介して温水中に直接
噴出し、該ノズル先端で沸騰を起こすようにしている。
従って、注入ノズルの性能の良否が熱供給システムの効
率を大きく左右する。

ところで、従来の先細ノズルを用いた場合その性能は
第５図Ｃに示すように、低沸点媒体（フロン113）はノ
ズル先端で沸点（46.6℃）に達しているにもかかわらず
完全には沸騰せず、未沸騰の低沸点冷媒体が液体のまま
下部の熱交換器７内に溜まり、それが突沸を起こして沸
騰が不安定となり、また沸騰気泡は大型であって、その
沸騰が間欠的であるため、上昇管10内の温水流は脈動す
る傾向にあり、また大型気泡の場合は気泡の上昇速度が
温水の上昇速度に比べて大きいため温水の揚水効率が悪
いことが実験的にもわかった。

それゆえ、第７図に示すように温水温度を低沸点媒体
（フロン113）の沸点（47,6℃）よりも10℃以上高くす
ることによって低沸点媒体の沸騰率をあげることにして
きたが、これでは低温度の温水を循環させることが困難
になってランニングコスト高を招くという問題を生じ
る。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、上昇さ
せるべき液体の温度が低沸点媒体の沸点プラス数度Ｃ以
内であっても低沸点媒体の沸騰率が完璧となり、しかも
沸騰気泡の径が小さくかつ密度が均一化された沸騰を起
こすことにより、沸騰の不安定及び温められた液体流の
脈動を防止できる低沸点媒体による液体押上装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記目的を達成するため、温液上昇管下部か
らフロン等の低沸点媒体を沸騰注入し、該上昇管上端の
気液分離ドラムで該低沸点媒体を回収する液体押上装置
において、上昇管内への低沸点媒体注入ノズルは、注入
管先端を20〜100ミクロンの金属粒子による焼結金属成
形体で囲ったことを要旨とするものである。

〔作用〕

本発明によれば、注入管端から出た低沸点媒体は焼結
金属成形体内の金属粒子間の空隙で温水と混合して予熱
され、さらに熱伝導率の高い金属粒子間を通過すること
で沸点まで加熱される。このとき、焼結金属成形体の空
隙率は大きく、しかも個々の空隙は微小で均一に存在し
ているから、低沸点媒体は微小な沸騰気泡を形成しなが
ら焼結金属成形体の外表面で一様に安定した沸騰を実現
し、生じた気泡は小径であって、かつ密となる。

〔実施例〕

以下、図面について本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の低沸点媒体による液体押上装置の１
実施例を示す説明図で、この液体押上装置を温水等温液
の熱需要地への輸送手段に用いた場合である。この第１
図で前記従来例を示す第８図と同一構成要素には同一参
照符号を付した。

輸送システムとしては前記従来例と同じであり、温水
等の温液の循環路９は、気液分離ドラム２からの輸送管
9aと戻り管9bからなり、輸送管9aと戻り管9bとの間に放
熱部Ｂを形成し、また戻り管9bの途中に熱交換器７を設
ける。

そして、熱交換器７を出た戻り管9bは後述のフロンの
上昇管を兼用する上昇管10となり、気液分離ドラム２を
経て輸送管9aに接続する。

一方、低沸点媒体としてのフロン循環路４は、上昇管
10と気液分離ドラム２と空冷コンデンサ３及びバルブ８
を有する下降管4bとで形成され、下降管4bの下端はバル
ブ８を介して上昇管10の下端に連通する。

第２図はこの連通部の詳細を示すもので、フロンの下
降管4bは熱交換器７内へ入り、温水の逆流防止のための
Ｕ字管による注入管11として上昇管10内へ向けられる。

そして、注入管11の先端は第３図に示すように、外径
20〜30mm、厚さ２〜3mm、長さ50〜75mmの円柱体状のス
テンレス焼結金属成形体12で囲んで、注入ノズルを形成
した。図中13は、このノズルの下方に置かれるフロン液
受けである。

前記焼結金属成形体12は、金属粒子の径を20〜100ミ
クロンのものとする。これはかかる焼結金属粒子の径が
20ミクロン以下ではステンレス焼結金属成形体12の空隙
率が小さ過ぎてフロン蒸気量が少なくなるため蒸気圧の
損失が大きくなり過ぎ、また100ミクロン以上ではステ
ンレス焼結金属成形体12の金属粒子間の空隙が大きくな
り過ぎて沸騰気泡の径が大きくなってエアリフト効果が
減少することによるものである。

また、焼結金属成形体12の高さはフロン注入量に合わ
せて調節するが、フロン注入量が200cc以下では50mm、2
00cc以上では75mmが適当である。

さらに、フロン注入量が200cc以下の場合では第２図
に示すような基本的な注入ノズルでよいが、200ccを越
えると注入ノズルの上部と下部とで沸騰量に差ができる
ので、第３図に示すように焼結金属成形体12内に入る注
入管11の先端側面外周に鍔体を複数段形成して、ラビリ
ンス構造とし、フロン通過量を均一化するようにした。

次に、使用法及び動作について説明する。

温水等の温液の循環及び低沸点媒体であるフロンの還
流に関しては従来例の場合と同様であるので説明を省略
し、フロンの上昇管10への注入の動作を述べる。

ステンレス焼結金属成形体12の内部の注入管11端から
流出するフロン113はステンレス焼結金属成形体12の全
域において金属粒子間の微小空隙で温水と混合して予熱
を蓄え、さらに熱伝導率の高いステンレス金属粒子間を
通過する途中に加熱されて沸点に達し、ステンレス焼結
金属成形体12の全表面から沸騰気泡となって噴出し、上
昇管10内を温水とともに上昇する。そのフロン気泡は１
〜2mm程度の小径のものとなる。

第５図は本発明の効果を従来例と比較して示すもの
で、使用フロンはフロン113、温水温度は55℃の場合の
フロン注入管と沸騰率の関係を示すグラフである。この
第５図においてａは前記成形体12の焼結金属の粒子径が
40ミクロン、ｂは120ミクロンのノズルとした場合であ
るが、いずれの場合もフロン注入量を増加させても沸騰
率（１−未沸騰の液体フロン量／フロン注入量×100）
は略100％の高効率が得られることがわかる。

また、第６図は本発明で成形体12の焼結金属の粒子径
を40ミクロンとした場合のフロン流量と温水流速との関
係を示すグラフで、フロン113を使用した場合である。

この第６図から知見できるように、上昇管10の温水中
に噴出したフロン蒸気泡は小気泡で温水中に密に混在す
るので気泡の上昇速度と温水の上昇速度はほぼ等しいた
め、従ってフロン流量に対して温水流量が多く、それは
特にフロン流量が多い場合に顕著である。

さらに、温水の脈動流は認められない。

なお、前記実施例は温送すべき液体として温水の場合
を述べたが、油その他の液体で加温可能なものであれば
同様に本発明を応用し得る。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の低沸点媒体による液体押
圧装置は、温液上昇管下部からフロン等の低沸点媒体を
沸騰注入し、該上昇管上端の気液分離ドラムで該低沸点
媒体を回収する液体押上装置において、押上げるべき温
液の温度が低沸点媒体の沸点を越える数度Ｃ以内であっ
ても低沸点媒体の沸騰率が完璧となり、しかも沸騰気泡
が小径のもので密度が大きくかつ均一に温液と混在する
ので、沸騰気泡のエアリフト効果を高め、温液流に脈動
を起こすこともなく、流量を多量にすることができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の低沸点媒体による液体押上装置の１実
施例を示す説明図、第２図は同上要部を示す縦断正面
図、第３図は注入ノズルの１例を示す正面図、第４図は
同上他例を示す正面図、第５図は各注入ノズルのフロン
注入量と沸騰率の関係図、第６図は本発明の注入ノズル
でのフロン流量と温水流速の関係図、第７図は従来ノズ
ルでのフロン流量と温水流速の関係図、第８図は従来例
を示す説明図である。 １……貯湯槽、２……気液分離ドラム ３……空冷コンデンサ、４……循環路 4b……下降管 ７……熱交換器、８……バルブ ９……循環路、9a……輸送管 9b……戻り管、10……上昇管 11……注入管、12……焼結金属成形体 13……フロン液受け、14……鍔体 Ａ……熱源、Ｂ……放熱部 Ｃ……熱交換器需要地

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温液上昇管下部からフロン等の低沸点媒体
   を沸騰注入し、該上昇管上端の気液分離ドラムで該低沸
   点媒体を回収する液体押上装置において、上昇管内への
   低沸点媒体注入ノズルは、注入管先端を20〜100ミクロ
   ンの金属粒子による焼結金属成形体で囲ったことを特徴
   とする低沸点媒体による液体押上装置。