JPH0814775A - ヒートパイプ式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体が蒸発部によって冷却され該蒸発部の外
表面へ凝固または昇華し固相体として生成しても、特別
なエネルギーの付与を必要とせず、容易にこれを除去す
ることが可能なヒートパイプ式熱交換器を付与するこ
と。 【構成】 蒸発部１、蒸気管２、凝縮部３、還流管４が
閉ループ状路を形成するように接続され、作動液が該路
内を循環しうる構造を有するヒートパイプ式熱交換器で
あって、高い方の温度の流体Ｈ２またはその成分が蒸発
部によって冷却され該蒸発部の外表面へ固相体化するこ
とに応じて作動液の循環を停止しうるバルブ５を有する
ことを特徴とする。蒸発部と蒸気管は共に終端側が始端
側より高く、凝縮部と還流管は共に終端側が始端側より
低く配置されるのがよい。本発明は主として温度調整装
置Ｓ１に付帯され、固相体の例としては霜が挙げられ
る。バルブの開閉は、自動制御されるのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒートパイプ式熱交換
器に関し、特に、冷房・暖房等の温度調整装置への付帯
に好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヒートパイプ式熱交換器は、閉ループ状
路内を作動液（熱媒体、冷媒ともいう）が循環する構成
を有する装置であって、温度の異なる物体間の熱交換等
に用いられるものである。このヒートパイプ式熱交換器
を、冷房や暖房等を行なう温度調整装置に付帯させてそ
の廃熱を利用し、該温度調整装置のエネルギー利用効率
を向上させることは従来より良く知られている。例え
ば、暖房の場合では、図４に示すような構成が具体的な
一例として挙げられる。図４は、外気を導入するタイプ
の暖房装置とこれに取り付けられたヒートパイプ式熱交
換器の従来の構成を模式的に示す図である。同図では、
寒冷な室外の環境下において室内の暖房を行なう状況で
あって、暖房装置Ｓ１によって室内に導入された低温の
外気Ｌ１が、該暖房装置の熱源ｈによって加熱され、熱
風Ｈ１となって室内に吹き出して暖房し、室温の空気Ｈ
２が室外に排出されＨ３となる状況である。この例にお
けるヒートパイプ式熱交換器は、吸入口における寒冷な
外気Ｌ１と接触するように凝縮部３が配置され、排出口
における温暖な室内の空気Ｈ２と接触するように蒸発部
１が配置され、これらを通過して作動液が循環するよう
に設けられている。作動液は、蒸発部１において室温の
空気Ｈ２から熱を吸収して蒸発し、気相となって蒸気管
２を移動し、凝縮部３において寒冷な外気Ｌ１に熱を放
出して凝縮し、液相となって還流管４を移動し、蒸発部
１に戻る。蒸発部１と凝縮部３には、管路の蛇行やフィ
ン１ｆ、３ｆを施す等、管外雰囲気と管内作動液との間
での熱の授受がより効率良く行われるような工夫が加え
られている。このような構成によって、ヒートパイプ式
熱交換器は、室外へ排出される温暖な空気Ｈ２から多く
の熱を奪い、室内へ導入される寒冷な外気Ｌ１にこの熱
を与えるように機能する。従って、室内の空気は、熱だ
けを室内に残して排出されたことになり、室内の熱の無
駄な流出が抑制されるのである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な従来のヒートパイプ式熱交換器の使用において、凝縮
部が置かれる低温側の気温が０℃以下となる場合には、
この温度状態が蒸発部に伝達されて蒸発部の外面に氷が
生成し問題となる。この氷は、大気中の水蒸気が昇華
し、所謂、霜として直接発生したものや、０℃付近の低
温で生じた結露がさらに気温の低下によって凍結したも
の等、種々の過程を経て生成される。問題は、この氷が
障害となって、この部分における管外の流体と管内の作
動液との間での熱の授受が阻害され、熱交換器としての
機能が損なわれることである。このような問題は、上記
構成例だけでなく、冷房装置とヒートパイプ式熱交換器
とを組み合わせる場合においても、氷の発生箇所は異な
るが同様に発生する問題である。このような問題に対し
て、電気ヒーター等の新たな熱源を使用すれば氷を除去
することは可能であるが、ヒートパイプ式熱交換器を用
いて廃熱を利用するということの意義が失われてしま
う。また、本発明者らは、このような問題が、従来問題
となっていた上記のような室内の冷暖房だけでなく、全
ての流体に対する温度調整にヒートパイプ式熱交換器を
付帯させる場合においても、流体またはその成分の固相
体化が問題となることを見いだした。

【０００４】本発明の目的は、ヒートパイプ式熱交換器
を取り囲む流体またはその成分が蒸発部によって冷却さ
れ該蒸発部の外表面へ凝固または昇華し固相体として生
成しても、特別なエネルギーの付与を必要とせず、容易
にこれを除去することが可能なヒートパイプ式熱交換器
を付与することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のヒートパイプ式
熱交換器は、以下の構成を有するものである。 (1) 温度の異なる２つの流体のうち、高い方の温度の流
体内に配置され作動液が蒸発する蒸発部と、低い方の温
度の流体内に配置され作動液が凝縮する凝縮部とが、蒸
気管と還流管を介して閉ループ状路となるように接続さ
れ、作動液がこの閉ループ状路内を循環しうる構造を有
するヒートパイプ式熱交換器であって、高い方の温度の
流体またはその成分が蒸発部によって冷却され該蒸発部
の外表面へ固相体化することに応じて作動液の循環を停
止しうるバルブを有することを特徴とするヒートパイプ
式熱交換器。 (2) 蒸発部と蒸気管が共に終端側が始端側より高い位置
となるように配置され、凝縮部と還流管が共に終端側が
始端側より低い位置となるように配置されるものである
(1)記載のヒートパイプ式熱交換器。 (3) バルブが、固相体を検知するセンサーと、このセン
サーから発せられる信号を処理する制御回路とによって
自動的に開閉されるものである (1)記載のヒートパイプ
式熱交換器。 (4) 流体が大気であり、流体の成分が水蒸気であり、固
相体が氷である(1) 記載のヒートパイプ式熱交換器。

【０００６】本発明のヒートパイプ式熱交換器がおかれ
るべき環境を先に説明する。本発明のヒートパイプ式熱
交換器が配置される流体は、水・アルコール等の液体
や、空気・ガス等の気体を問わず、温度調整の対象とな
るものであればどのようなものであってもよい。また、
固相体はこれらの流体またはその成分が凝固、昇華する
ことによって形成されるものである。特に、流体が大気
であって、固相体が大気に含まれる水蒸気や霧状の水で
ある場合、蒸発部表面に氷が生成することは最もよく発
生しうる問題である。上記のように、この氷は、大気中
の水蒸気が昇華し発生したもの（霜）や、０℃付近の低
温で生じた結露がさらに気温の低下によって凍結したも
の等、種々の過程を経て生成される。本発明のヒートパ
イプ式熱交換器は、流体が水蒸気を含む大気である場合
に、最も有用な排熱利用の手段となる。

【０００７】温度の異なる２つの流体とは、ヒートパイ
プ式熱交換器の蒸発部と凝縮部を配置するために多くの
温度の流体から選択された２つを意味する。また、温度
の異なる２つの流体間の温度差は、どのような過程で生
じたものであってもよいが、特に、温度調整装置の作動
によって生じたものである場合が重要である。即ち、温
度調整装置が暖房機器等の加熱装置である場合は、温度
調整前が低い方の温度、温度調整後が高い方の温度であ
り、温度調整装置がクーラー等の冷却装置である場合
は、その逆である。温度調整装置が加熱装置または冷却
装置のいずれであっても、ヒートパイプ式熱交換器の凝
縮部は低い方の温度の流体中に、蒸発部は高い方の温度
の流体中に配置される。

【０００８】

【作用】蒸発部を取り囲む温暖な流体またはその成分
は、該蒸発部によって冷却され凝固または昇華し、該蒸
発部の外面へ固相体として生成される場合がある。特
に、大気中の水蒸気は従来より問題となっているよう
に、１気圧、０℃以下において霜等の氷となり、該蒸発
部の外面を覆う。このとき、その固相体の生成に対応し
て、管路中に設けたバルブを閉鎖し作動液の循環を停止
させることによって、ヒートパイプ式熱交換器の熱交換
機能は停止する。これによって、該固相体は内部から冷
却されることがなくなり、蒸発部を取り囲む温暖な流体
によって自然に溶けて除去される。バルブの開放による
熱交換機能の始動は、固相体が適度に除去された後に任
意に行えばよい。

【０００９】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に
説明する。 実施例１ 本実施例では、本発明のヒートパイプ式熱交換器を、暖
房装置に付帯させた場合の一例について説明する。図１
は、本発明の一実施例によるヒートパイプ式熱交換器を
模式的に示す図である。室内外の温度等、ヒートパイプ
式熱交換器が置かれる状況設定は図４の場合と同様であ
る。同図に示すように、本発明のヒートパイプ式熱交換
器は、温度の異なる２つの流体Ｌ１とＨ２のうち、高い
方の温度の流体Ｈ２内に配置され作動液が蒸発する蒸発
部１と、その蒸発した作動液を移送する蒸気管２と、低
い方の温度の流体Ｌ１内に配置され蒸気管２によって移
送された作動液が凝縮する凝縮部３と、その凝縮した作
動液を蒸発部１へ移送する還流管４とが、閉ループ状に
接続された閉ループ状路内を作動液が循環しうる構造を
有するものである。そして、作動液の循環を止めるバル
ブ５が前記閉ループ状路のいずれかの位置（同図では還
流管４）に設けられている。このバルブは、蒸発部を取
り囲む流体またはその成分が蒸発部によって冷却され該
蒸発部の外表面へ凝固または昇華し固相体化することに
応じて閉鎖されるものである。

【００１０】蒸発部および凝縮部は、作動液と周囲の雰
囲気である流体との間で熱の授受が行われる部分であっ
て、管や細かく仕切られた流路等によって構成される。
高い方の温度の流体内に配置される蒸発部では、作動液
は外部の流体から熱を与えられ蒸発し、低い方の温度の
流体内に配置される凝縮部では、作動液は外部の流体に
熱を奪われ凝縮する。従って、蒸発部および凝縮部の材
料は、上記熱の授受が効率良く行われるように熱伝導性
が良好なものが好ましく、機械的強度、耐食性等に優れ
るものがより好ましい。このような材料としては、銅、
アルミ、またはこれらの合金、さらにこれらの金属の上
にメッキ等の表面処理を施したもの等が挙げられる。ま
た、蒸発部および凝縮部に管を用いる場合、図１に示す
ように、管を蛇行・分岐させることや、フィン１ｆ、３
ｆを管の外側に設けること等によって、管表面と外部流
体との接触面積を増大させ、作動液と流体との間で熱の
授受が効率良くなされるようにすることが好ましい。

【００１１】蒸気管および還流管を形成する管の材料
は、管内外の断熱性が良好であるものが好ましく、蒸発
部・凝縮部と同様に機械的強度、耐食性等に優れるもの
がより好ましい。このような材料としては、銅管上に発
砲ポリエチレン等の断熱材を巻きつける等によって被覆
したもの等が挙げられる。

【００１２】蒸発部、凝縮部、蒸気管、還流管を接続
し、閉ループ状路を形成するに際しては、蒸発部と蒸気
管が共にその終端側を始端側より高い位置となるように
配置され、凝縮部と還流管が共にその終端側を始端側よ
り低い位置となるように配置されることが好ましい。例
えば、図２（ａ）では、蒸発部１と凝縮部３が共に鉛直
線方向を向くように設けられ、蒸気管２と還流管４が共
に凝縮部側を高い方とする勾配を呈するよう設けられ
る。また、図２（ｂ）では、蒸気管２と還流管４が共に
鉛直線方向を向くように設けられ、蒸発部１と凝縮部３
が共に蒸気管２を高い方とする勾配を呈するよう設けら
れる。ただし、図２（ｂ）における蒸発部１と凝縮部３
の管路の蛇行状態は、図示の便宜上、鉛直線方向に振幅
するように表現しているが、水平方向に振幅し蛇行する
態様が好ましい。また、図２（ａ）、図２（ｂ）に示す
態様の他に、これらの中間的な配置が例示される。この
ような配置によって、蒸発部１において外部から熱を奪
い蒸発した作動液（気相）は、上方に位置する終端側
（蒸気管側）へ上昇するように自ら移動し、同様に蒸気
管内を終端側へ自ら移動し凝縮部に達する。次に、凝縮
部３において外部に熱を奪われ凝縮した作動液（液相）
は、下方に位置する終端側（還流管側）へ流れ降りるよ
うに自ら移動し、同様に還流管内を終端側へ自ら移動し
蒸発部に達する。このような動作が繰り返されることに
よって、図２の例では時計回りの方向に作動液が自然に
循環し、ポンプ等の循環用の動力を必要としない好まし
い態様となる。

【００１３】作動液は、ヒートパイプ中を循環する熱媒
体（冷媒とも呼ばれる）であって、公知のものが用いら
れるが、特にフロンが好ましく、具体的には、Ｒ１２、
Ｒ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ５０２等が挙げられる。

【００１４】バルブは、蒸発部の管路の外表面やフィン
等の付帯部分に対する固相体の発生に応じて閉鎖され、
作動液の循環を停止させ得るものであればよく、その閉
鎖と開放は、手動、自動、およびこれらの複合を問わな
い。バルブが手動で開閉される場合、バルブの開閉は人
間が霜や氷等の発生状況を自ら判断し適当に行なう。使
用されるバルブとしては、仕切弁や玉形弁等の人力で開
閉されるバルブだけでなく、電磁弁等の人間のスイッチ
操作によって開閉されるバルブや、そのバルブの開閉に
よって二次的に開閉されるバルブ等が例示される。ま
た、バルブの閉鎖を手動で行った後の再度の開放は、タ
イマー等による自動開放であってもよい。バルブが自動
で開閉される場合、装置が霜や氷等の発生状況を判断
し、バルブの開閉を自動的に行なうものとなり、本発明
の好ましい態様である。そのための主な装置として、固
相体を検知するセンサーと、このセンサーから発せられ
る検知信号を処理しバルブ開閉をコントロールする制御
回路と、この制御回路によって自在に開閉されるバルブ
とからなる開閉装置が挙げられる。具体的なバルブとし
ては、電磁弁や、該電磁弁の開閉によって二次的に開閉
されるバルブ等が例示される。

【００１５】センサーは、電気的、化学的、機械的な検
出法、さらには画像処理によるもの等、固相体を検知し
うる手段であればどのようなものであってもよい。具体
的なセンサーとしては、固相体が霜等の氷である場合、
セラミックセンサーやイオン交換膜型センサー等の水分
や湿度を検知するセンサーと、温度センサーとの併用に
よって氷を検知するセンサー等が挙げられる。

【００１６】制御回路は、上記センサーから発せられる
検知信号に対して、予め設定された判断基準に基づいて
適当にバルブを開閉させうるものであればよく、シーケ
ンス回路のようにバルブ開閉の判断が実体的な回路配線
によってなされるものや、コンピュータのようにソフト
上で処理されるもの等が例示される。

【００１７】実施例２ 本実施例では、本発明のヒートパイプ式熱交換器を、冷
凍室に付帯させた場合の一例について説明する。図３
は、本実施例によるヒートパイプ式熱交換器を模式的に
示す図である。室内外の温度等、ヒートパイプ式熱交換
器が置かれる状況設定は実施例１および図１の場合と全
く逆であり、温暖な室外の空気Ｈ１が冷却装置Ｓ２によ
って導入され、冷却コイルＣによって冷却された極低温
の空気Ｌ１が室内に吹き出されて室温の空気Ｌ２とな
り、これが排出されてＬ３となる冷房系に対してヒート
パイプ式熱交換器が付帯する構成である。同図に示すよ
うに、本実施例では、室外から流入する高温（室温）の
空気Ｈ１内に蒸発部１が配置され、室内から流出する低
温の空気Ｌ２内に凝縮部３が配置され、これらが蒸気管
２と還流管４とによって閉ループ状に接続され、作動液
がこの閉ループ状の管路内を循環しうる構造を有するも
のである。そして、作動液の循環を止めるバルブ５が前
記閉ループ状の管路に設けられている。このバルブは、
室内の水蒸気が蒸発部によって冷却され該蒸発部の外表
面へ凝固または昇華した氷に応じて開閉されるものであ
る。

【００１８】上記の様な構成によって、ヒートパイプ式
熱交換器は吸入口において温暖な空気Ｈ１から多くの熱
を奪って冷却装置の前段で冷却し、この熱を排出口にお
いて低温の空気Ｈ２に与え温暖な排気Ｈ３として室外へ
排出させるように機能する。従って、室内の冷却された
空気の無駄な流出が抑制される。そして、冷却装置によ
って室内が０℃以下に冷却される場合、蒸発部の外表面
には、外気Ｈ１に含まれる水蒸気が結露しさらに氷とな
るか、または直接霜として生成するが、これに対して、
上記実施例１と同様に、バルブを閉鎖することによっ
て、生成した氷を容易に除去することが可能となる。

【００１９】本発明のヒートパイプ式熱交換器は、上記
実施例１、２に示すようなバルブの開閉例とは逆に、通
常は閉じられたバルブが、固相体の発生によって開かれ
るものであってもよい。例えば、冷凍庫の冷却コイル近
傍と庫外とを循環する構成とし、冷却コイルが冷却動作
を行う時は、これに支障無きように通常はバルブは閉じ
られ、冷却コイルに霜が付着した場合にバルブが開かれ
庫外の熱を庫内に伝えて霜を除去する構成である。

【００２０】

【発明の効果】本発明のヒートパイプ式熱交換器は、従
来問題となっていた室内の冷暖房において発生する霜だ
けでなく、全ての流体の温度調整に対してヒートパイプ
式熱交換器を付帯させる場合に、流体が該ヒートパイプ
式熱交換器の外表面へ凝固または昇華して生成する固相
体を、特別なエネルギーの付与を必要とせず、容易に除
去することが可能であり、排熱の利用に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるヒートパイプ式熱交換
器を模式的に示す図である。

【図２】本発明のヒートパイプ式熱交換器の管を閉ルー
プ状に接続する場合の好ましい態様を示す模式図であ
る。

【図３】本発明の一実施例によるヒートパイプ式熱交換
器を模式的に示す図である。

【図４】従来の、外気を導入するタイプの暖房装置とこ
れに取り付けられたヒートパイプ式熱交換器の構成を模
式的に示す図である。

【符号の説明】

１ 蒸発部 ２ 蒸気管 ３ 凝縮部 ４ 還流管 ５ バルブ Ｈ２ 高い方の温度の流体 Ｌ１ 低い方の温度の流体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度の異なる２つの流体のうち、高い方
   の温度の流体内に配置され作動液が蒸発する蒸発部と、
   低い方の温度の流体内に配置され作動液が凝縮する凝縮
   部とが、蒸気管と還流管を介して閉ループ状路となるよ
   うに接続され、作動液がこの閉ループ状路内を循環しう
   る構造を有するヒートパイプ式熱交換器であって、高い
   方の温度の流体またはその成分が蒸発部によって冷却さ
   れ該蒸発部の外表面へ固相体化することに応じて作動液
   の循環を停止しうるバルブを有することを特徴とするヒ
   ートパイプ式熱交換器。
2. 【請求項２】 蒸発部と蒸気管が共に終端側が始端側よ
   り高い位置となるように配置され、凝縮部と還流管が共
   に終端側が始端側より低い位置となるように配置される
   ものである請求項１記載のヒートパイプ式熱交換器。
3. 【請求項３】 バルブが、固相体を検知するセンサー
   と、このセンサーから発せられる信号を処理する制御回
   路とによって自動的に開閉されるものである請求項１記
   載のヒートパイプ式熱交換器。
4. 【請求項４】 流体が大気であり、流体の成分が水蒸気
   であり、固相体が氷である請求項１記載のヒートパイプ
   式熱交換器。