JPH08285484A - ループ式ヒートパイプの作動液の循環制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸発部内の圧力変動にかかわらず、所定量の
作動液を供給することができるループ式ヒートパイプの
作動液の循環制御装置を提供する。 【構成】 ループ式ヒートパイプ１１のリザーバ１７の
下部に、循環ポンプＰを有する配管１８と、第１自動弁
１９を有する配管２０とが、第２自動弁２１を有する液
戻り管１５に接続され、また蒸発管１２内部の圧力を検
出する第１圧力検出器１４と、液戻り管１５内部の圧力
を検出する第２圧力検出器１６と、液戻り管１５内部の
流量を検出する流量検出器２２と、第１および第２圧力
検出器１４，１６の検出信号に基づいて、第１自動弁１
９の開度を制御するとともに、流量検出器２２の検出信
号に基づいて、第２自動弁２１の開度を制御するコント
ローラ２３とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、作動液の蒸気流路と
液流路とが分離されたループ型ヒートパイプに関し、特
にヒートパイプの蒸発部に所定量の作動液を還流・循環
させる制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のようにヒートパイプは、真空脱気
したパイプなどの容器の内部に、水やアルコール、フロ
ンなどの凝縮性の流体を作動液として封入したものであ
り、温度差が生じることにより動作し、高温部で蒸発し
た作動液が低温部に流動して放熱・凝縮することによ
り、作動液の潜熱として熱輸送を行う。このようにヒー
トパイプは、僅かな温度差によって動作するうえ、熱伝
導率が銅などの金属の数十倍ないし百数十倍に達するの
で、各種の熱関連機器・設備に採用されている。

【０００３】その一例として、高温の地熱をヒートパイ
プによって地上に抽出し、その熱を融雪や発電等に有効
利用することが提案されている。この種のヒートパイプ
式地熱抽出装置は、例えば図４に示すように、地上ａか
ら地下ｂの地熱地帯ｄに深く穴ｃが掘られ、地上ａから
この穴ｃに地熱抽出装置１のヒートパイプ２を挿入して
直接埋設されている。

【０００４】そして、蒸発管３の他端にはリザーバを備
えた凝縮器５が取付けられ、この凝縮器５が流量調整弁
６を有する液戻り管７に接続されている。この液戻り管
７は、蒸気管３の内部に途中から挿入されるとともに、
蒸気管３の内面に液化した作動液Ａを噴出するよう、小
径の噴出孔が複数形成されている。したがって、このヒ
ートパイプ２は全体としてほぼ閉じたループに構成さ
れ、真空脱気した状態でフロン等の凝縮性の作動液Ａが
封入され、この作動液Ａにより蒸発部４から凝縮器５に
熱輸送するようになっている。

【０００５】一方、凝縮器５には作動液Ａにより輸送さ
れる熱により、所定の性状の蒸気を得るように管路８が
配管されている。この管路８には、発電装置（タービ
ン）９および冷却装置１０が接続されている。

【０００６】上記のように構成された従来の地熱抽出装
置１によれば、所定の開度に調整された流量調整弁６を
介して作動液Ａが重力により流下して蒸発部４に供給さ
れ、この作動液Ａが蒸発し蒸気流となって上昇して凝縮
器５に流れ、スケール等の異物を含むことなく地熱のみ
が効率良く抽出され、この抽出された地熱により、発電
装置９において発電が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の地熱抽出装
置１による発電が、地熱抽出開始直後から良好に行われ
るよう、特開平２−２８２６５３号公報に記載の発明の
ように、流量調整弁６の開度を一時的に大きくすると、
地熱地帯ｄの温度、すなわち蒸発部４の温度が極めて高
いため、蒸発した作動液Ａの圧力、すなわち液戻り管７
の外部の圧力が急激に上昇してしまい、液戻り管７の内
部の圧力では前記噴出孔から作動液Ａが噴出されないと
いう問題があった。

【０００８】またさらに、地熱地帯ｄの温度は変動する
ものであるから、蒸発部４の内部における蒸発した作動
液Ａの圧力、すなわち液戻り管７の外部の圧力が変動す
る。すなわち、液戻り管７の内部の圧力と外部の圧力と
の圧力差が変動する。そのため、所定量の作動液Ａを常
時蒸発部４に還流するように、流量調整弁６を調節する
ことが困難であった。

【０００９】この発明は、上記の事情を背景になされた
もので、蒸発部の温度の変動による蒸発部内の圧力変動
にかかわらず、所定量の作動液を供給することができる
ループ式ヒートパイプの作動液の循環制御装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、ヒートパイプの蒸発管の内側に、こ
の蒸発管の内面に凝縮部から還流する作動液を噴出する
よう、複数の噴出孔が形成されている液戻り管が配設さ
れているループ式ヒートパイプの作動液の循環制御装置
において、前記凝縮部側に設けられた作動液を貯溜する
リザーバから、循環ポンプが配設された作動液流路と、
第１の自動弁が配設された作動液流路とが、第２の自動
弁が配設された前記液戻り管に接続され、また前記蒸発
管に、この蒸発管内部の圧力を検出する第１の圧力検出
手段が設けられるとともに、前記液戻り管に、この液戻
り管内部の圧力を検出する第２の圧力検出手段と、この
液戻り管を流通する作動液の流量を検出する流量検出手
段とが設けられ、前記第１および第２の圧力検出手段の
検出信号に基づいて、前記第１の自動弁の開度を制御す
る第１の制御手段と、前記流量検出手段の検出信号に基
づいて、前記第２の自動弁の開度を制御する第２の制御
手段とを備えていることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】上記構成によるこの発明によれば、蒸発管内部
の圧力と液戻り管内部の圧力とに基づく第１の制御手段
による第１の自動弁の制御が行われるとともに、液戻り
管内部を流通する作動液の流量に基づく第２の制御手段
による第２の自動弁の制御が行われるため、液戻り管の
噴出孔から常に所定量の作動液が噴出される。

【００１２】具体的に説明すると、第１の圧力検出手段
と第２の圧力検出手段とにより、蒸発管内部の圧力と液
戻り管内部の圧力とが検出される。そして、この検出信
号により、リザーバと液戻り管との間に配設され、循環
ポンプを有する作動液流路のバイパス流路に設けられた
第１の自動弁が制御され、液戻り管内部の圧力の調節が
行われる。そのため、液戻り管内部の圧力が、蒸発管内
部の圧力に対してほぼ一定の圧力差を有するよう調節す
ることができる。したがって、液戻り管の噴出孔から常
に作動液が噴出される。

【００１３】そして、この状態で、第２の制御手段によ
り制御される第２の自動弁により、液戻り管を流通する
作動液の量が正確に調整される。そのため、蒸発管内に
おいて、その温度や圧力が変動しても、噴出孔を介して
蒸発管の内面に所定量の作動液が供給される。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１において、この実施例のループ式ヒートパ
イプ１１は、図４で説明した従来のループ式ヒートパイ
プと同様に、真空脱気した密閉管の内部に作動液Ａが封
入され、この作動液Ａにより熱源に配設された蒸発管１
２から凝縮器１３に熱輸送が行われるようになってい
る。

【００１５】この実施例のループ式ヒートパイプ１１に
は、蒸発管１２の内部の圧力Ｐ1 を検出する第１圧力検
出器１４と、液戻り管１５の内部の圧力Ｐ2 を検出する
第２圧力検出器１６が設けられている。

【００１６】そして、蒸発管１２の他端に配設された凝
縮器１３の下側に、液化した作動液Ａを貯溜するリザー
バ１７が接続され、このリザーバ１７の下側には、循環
ポンプＰが配設されている配管１８と第１自動弁１９が
配設される配管２０とが並列に接続されている。

【００１７】これら配管１８，２０は、蒸発管１２の内
側に配設される液戻り管１５に連通するよう構成されて
いて、この液戻り管１５には、第２自動弁２１と流量検
出器２２とが配設されている。そして、この液戻り管１
５は、蒸気管１２の内部に途中から挿入されるととも
に、蒸気管１２の内面に液化した作動液Ａを噴出するよ
う、小径の噴出孔１５ａが複数形成されている。

【００１８】一方、参照符号２３は、第１圧力検出器１
４および第２圧力検出器１６の検出信号に基づいて、第
１自動弁１９の開度Ｘ1 の調節を行うとともに、流量検
出器２２によって検出される作動液Ａの流量に応じて、
第２自動弁２１の開度Ｘ2 の調節を行うコントローラ
（制御手段）であり、図２に示したフローチャートに基
づいて、第１自動弁１９と第２自動弁２１とを制御する
よう構成されている。

【００１９】これを簡単に説明すると、第１圧力検出器
１４によって検出された蒸発管１２の内部の圧力Ｐ1
が、第２圧力検出器１６によって検出された液戻り管１
５の内部の圧力Ｐ2 より低いか否かが判断される（ステ
ップ１）。この判断結果が“ノー”の場合、すなわち液
戻り管１５の外部の圧力Ｐ1 がその内部の圧力Ｐ2 より
高い場合、第１自動弁１９の開度Ｘ1 を例えば５％減少
させ（ステップ２）、ステップ１に戻る。反対に、ステ
ップ１の判断結果が“イエス”の場合、すなわち液戻り
管２１の内部の圧力Ｐ2 がその外部の圧力Ｐ1 より高い
場合、ステップ３に進む。

【００２０】このステップ３では、流量検出器２２によ
って検出された作動液Ａの流量Ｆmが、所定の熱輸送量
を確保することができる作動液Ａの必要流量Ｆs と許容
流量Ｆ0 の和より大きいか否かが判断される。この判断
結果が“イエス”の場合、すなわち、液戻り管１５の噴
射口１５ａから噴出される作動液Ａの量が必要以上に大
きい場合、第２自動弁２１の開度Ｘ2 を例えば５％減少
させ（ステップ４）、ステップ３に戻る。反対に、この
ステップ３の判断結果が“ノー”の場合、ステップ５に
進む。

【００２１】このステップ５では、流量検出器２２によ
って検出された作動液Ａの流量Ｆmが、作動液Ａの必要
流量Ｆs より小さいか否かが判断される。この判断結果
が“イエス”の場合、すなわち蒸発管１２に還流する作
動液Ａの流量Ｆm が不十分な場合は、第２自動弁２１の
開度Ｘ2 を例えば５％増大させ（ステップ６）、ステッ
プ３に戻る。反対に、このステップ５の判断結果が“ノ
ー”の場合、第１および第２自動弁１９，２１の開度Ｘ
1 ，Ｘ2 を変更せずに、ステップ１に戻る。

【００２２】つぎに、上記説明したこのループ式ヒート
パイプ１１の動作につき説明する。このループ式ヒート
パイプ１１が定常状態で熱輸送を行っている場合、すな
わち熱源の温度が一定の場合、蒸発管１２内に所定量の
作動液Ａが供給され続けて、蒸発管１２から凝縮器１３
に所定の熱輸送が行われる。

【００２３】ここで、ループ式ヒートパイプ１１の起動
初期や熱源の温度が急激に上昇した場合、蒸発管１２内
の圧力Ｐ1 が、急激に上昇して、液戻り管１５の内部の
圧力Ｐ2 より高くなろうとするが、第１自動弁１９の開
度Ｘ1 が減少されて、液戻り管１５内における作動液Ａ
の圧力Ｐ2 が上昇し、この作動液Ａの圧力Ｐ2 が蒸発管
１２の圧力Ｐ1 より高くなるため、噴出孔１５ａから作
動液Ａが噴出する。ここで、第１自動弁１９の開度Ｘ1
と液戻り管１５内の液化作動液Ａの圧力Ｐ1 との関係を
図３に示す。

【００２４】このようにして、液戻り管１５内部の圧力
Ｐ2 が、液戻り管１５外部の圧力Ｐ1 より高くされて、
蒸発管１２の内面への作動液Ａの還流が確保された場
合、その還流量を設定範囲に収めるべく（Ｆs ＜Ｆm ＜
Ｆs ＋Ｆ0 ）、第２自動弁２１の開度Ｘ2 の制御が、流
量検出器２２の検出信号に基づいて、コントローラ２３
により行われる。

【００２５】すなわち、第１自動弁１９は液戻り管１５
内の液化作動液Ａの圧力を所定の圧力まで高めるための
圧力調整弁として機能し、第２自動弁２１は圧力が高め
られた液化作動液Ａの流量を調整する流量調整弁として
機能する。そのため、蒸発管１２内における気化作動液
Ａの蒸気圧力Ｐ1 の変動に対し、ほぼ一定の圧力差を有
するよう、液戻り管１５内の液化作動液Ａの圧力Ｐ2 が
調整されるとともに、液戻り管１５を流通する液化作動
液Ａの流量Ｆm が所定の範囲内に調整される。したがっ
て、このループ式ヒートパイプ１１は常に所定の熱輸送
量を行うよう制御されている。

【００２６】上記説明したループ式ヒートパイプ１１で
は、蒸発管１２内の圧力上昇のみに対応して作動液Ａの
循環流量Ｆm を調整するように構成したが、当然、蒸発
管１２内の圧力が低下した場合、第１自動弁１９もしく
は第２自動弁２１の開度Ｘ1，Ｘ2 を調節して、液戻り
管１５の噴出孔１５ａを介して噴出される作動液Ａの量
を所定の範囲内にするよう構成することもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、第１の自動弁により、蒸発管内部の蒸発した作動液
の圧力に対して、常にほぼ一定の圧力差を維持するよ
う、液戻り管内部の作動液の圧力を調整することができ
るので、液戻り管の噴出孔から常に作動液を蒸発管内面
に噴出することができ、必要とする熱輸送量を確保する
ことができる。さらに、第２の自動弁により、噴出する
作動液の流量を設定範囲内に調整することができるの
で、常時、所定の熱輸送を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す概略図である。

【図２】図１に示した実施例の制御ルーチンを示すフロ
ーチャートである。

【図３】図１に示したループ式ヒートパイプにおける第
１自動弁の開度と液戻り管内の作動液の圧力との関係を
概略的に示す図である。

【図４】従来のループ式ヒートパイプの一例を示す概略
図である。

【符号の説明】

１１…ループ式ヒートパイプ、 １２…蒸発管、 １３
…凝縮器、 １４…第１圧力検出器、 １５…液戻り
管、 １６…第２圧力検出器、 １７…リザーバ、 １
９…第１自動弁、 ２１…第２自動弁、 ２２…流量検
出器、 ２３…コントローラ、 Ａ…作動液、 Ｐ…循
環ポンプ、 Ｐ1 …蒸発管内の圧力、 Ｐ2 …液戻り管
内の圧力、 Ｘ1 …第１自動弁の開度、 Ｘ2 …第２自
動弁の開度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白石 正夫 茨城県つくば市並木一丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 小野 幹幸 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 望月 正孝 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】 ヒートパイプの蒸発管の内側に、この蒸
   発管の内面に凝縮部から還流する作動液を噴出するよ
   う、複数の噴出孔が形成されている液戻り管が配設され
   ているループ式ヒートパイプの作動液の循環制御装置に
   おいて、 前記凝縮部側に設けられた作動液を貯溜するリザーバか
   ら、循環ポンプが配設された作動液流路と、第１の自動
   弁が配設された作動液流路とが、第２の自動弁が配設さ
   れた前記液戻り管に接続され、また前記蒸発管に、この
   蒸発管内部の圧力を検出する第１の圧力検出手段が設け
   られるとともに、前記液戻り管に、この液戻り管内部の
   圧力を検出する第２の圧力検出手段と、この液戻り管を
   流通する作動液の流量を検出する流量検出手段とが設け
   られ、前記第１および第２の圧力検出手段の検出信号に
   基づいて、前記第１の自動弁の開度を制御する第１の制
   御手段と、前記流量検出手段の検出信号に基づいて、前
   記第２の自動弁の開度を制御する第２の制御手段とを備
   えていることを特徴とするループ式ヒートパイプの作動
   液の循環制御装置。