JPH09229576A - ヒートパイプ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒートパイプを利用して温度の異なる流体間
の熱交換を行う熱交換器において、熱応力を回避して耐
熱耐久性に優れた熱交換器を提供する。 【解決手段】 高温チャンバー１と低温チャンバー２と
を分ける隔壁３を貫通して高温チャンバー１と低温チャ
ンバー２とに亘りヒートパイプ９が配置され、各チャン
バー内を流れる流体間の熱交換を行うヒートパイプ型熱
交換器において、隔壁３部分を貫通したヒートパイプ９
の中間部外周に、各チャンバーからの流体の漏洩を防止
するシール部が設けられるとともに、ヒートパイプ９の
中間部が、このシール部により保持され、かつそのヒー
トパイプ９の低温チャンバー２側の端部が固定状態に保
持され、さらにヒートパイプ９の高温チャンバー１側の
端部が長手方向に移動可能に保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ヒートパイプを
用いて温度の異なる流体間の熱交換を行うヒートパイプ
型熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種の熱関連設備や製造設備において熱
交換器が多用されていることは周知のとおりであり、熱
交換される温度や熱媒体の性状などに基づいて各種の形
式の熱交換器が使用されている。これらの熱交換器のう
ち熱交換媒体の流路が互いに離隔している場合であって
も、効率よく熱交換を行う形式の装置として、ヒートパ
イプを使用した装置が従来知られている。

【０００３】すなわちヒートパイプは、密閉管などの容
器に水やアルコール、フロンなどの凝縮性の流体を作動
流体として封入し、その作動流体の蒸発潜熱として熱輸
送を行うものであり、このヒートパイプを高温部分と低
温部分とに亘って配置することにより、熱交換器が構成
される。したがってこれら高温部分と低温部分との間の
熱の移動は、ヒートパイプを介して生じるので、ヒート
パイプを長尺のものとすることにより、高温部分と低温
部分とが大きく離隔した状態であっても、効率のよい熱
交換を行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ヒートパイプは、上述
したように、密閉容器（コンテナ）の内部に作動流体封
入したものであるが、そのコンテナとしては、熱伝導率
の高い素材が使用される。一例としては銅などの金属管
が使用されるが、そのコンテナは、高温部分と低温部分
とに亘って配置されるから、一端側が加熱されて膨張
し、他端側が冷却されて熱収縮する。特に、熱交換の必
要性あるいは要求のある熱設備は、高温部分と低温部分
との温度差が大きいから、これら両方の箇所に晒される
ヒートパイプの熱膨張もしくは収縮は相当大きいものと
なる。

【０００５】これに対して熱流体の間で熱交換を行う場
合には、ヒートパイプの周囲からの流体の漏洩を防止す
る必要がある上に、流体の流動抵抗によるヒートパイプ
の変形を防止するべくヒートパイプを保持する必要があ
る。その結果、ヒートパイプ式熱交換器においては、流
体を流すチャンバーに対してヒートパイプを固定し、シ
ール性および保持強度を確保しているのが通常である。
そのため従来では、熱交換時と動作の停止時とでの温度
差に基づいてヒートパイプとチャンバーとの間に熱応力
が生じ、これが原因でシールの破損による流体の漏洩や
ヒートパイプ自体の破損による熱交換効率の低下が生
じ、あるいは頻繁な補修が必要になるなどの問題があっ
た。

【０００６】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、熱応力を回避して耐熱耐久性に優れた熱交換
器を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するためにこの発明は、高温チャンバーと低温
チャンバーとを分ける隔壁を貫通して高温チャンバーと
低温チャンバーとに亘りヒートパイプが配置され、各チ
ャンバー内を流れる流体間の熱交換を行うヒートパイプ
型熱交換器であって、前記隔壁部分を貫通したヒートパ
イプの中間部外周に、各チャンバーからの流体の漏洩を
防止するシール部が設けられるとともに、ヒートパイプ
の中間部が、このシール部により保持され、かつそのヒ
ートパイプの前記低温チャンバー側の端部が固定状態に
保持され、さらに前記ヒートパイプの高温チャンバー側
の端部が長手方向に移動可能に保持されていることを特
徴とするものである。

【０００８】上記の熱交換器は、各チャンバー内を流体
が流れるとヒートパイプ端部の外表面で熱授受が行われ
る。その際、隔壁を挟んだ各チャンバーを流れる流体
は、隔壁により確実にシールされ漏洩することはない。

【０００９】また、高温流体の温度の上昇により熱膨張
を生じ、その応力を受けても、ヒートパイプの高温チャ
ンバー側の端部が長手方向に移動可能に保持されている
から、長手方向に自由に膨張でき、ヒートパイプとチャ
ンバーとの間に生じる熱応力を回避できるとともに、シ
ール部分の破損による流体の漏洩やヒートパイプ自体の
破損による熱交換効率の低下を防止することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施例を図面を
用いて説明する。図１は、この発明の一実施例を示すも
のである。

【００１１】矩形断面のケース１０の内部で高温チャン
バー１と低温チャンバー２とを構成する二枚の隔壁３
が、対向するとともに、平行かつ所定間隔をあけて設け
られ、その二枚の隔壁３の隙間からの流体の漏洩を検知
するリーク検知装置（図示しない）が備えられている。

【００１２】そして、ヒートパイプ９が前記隔壁３を貫
通して高温チャンバー１と低温チャンバー２との両方に
突出した状態で備えられ、その貫通部分には、ヒートパ
イプ９を固定するとともに流体の漏洩を防止する円筒状
のスリーブ５が備えられている。さらに、その固定用ス
リーブ５の低温流体が流動する側には、この固定用スリ
ーブ５よりも大きい円盤状のフランジ６が取り付けられ
ている。

【００１３】フランジ６と低温流体側の隔壁３の低温流
体と接触する面との間には、環状のガスケット７が備え
られ、フランジ６と隔壁３との気密性が保持され、流体
の漏洩が防止されている。

【００１４】また、高温チャンバー１の隔壁３の固定用
スリーブ５を挟んだ部分には、Ｏリング８が備えられて
いる。そして、高温流体と低温流体との熱交換を行うヒ
ートパイプ９が、前記固定用スリーブ５およびフランジ
６を貫通し、かつケース１０の両壁から突出した状態に
備えられている。

【００１５】また、ヒートパイプ９の低温側に突出した
一端部には、弾性体となるスプリング１１が設けられ、
さらに、ヒートパイプ９の両端部のケース１０から突出
した部分には、カバー１２が設けられ流体の漏洩が防止
されている。

【００１６】なお、ヒートパイプ９は、前記固定用スリ
ーブ５およびフランジ６と、低温チャンバー２に突出し
た一端部とで、ケース１０内部に固定されるとともに支
持されており、高温チャンバー１に突出したヒートパイ
プ９の端部は、その長手方向に熱膨張可能に支持されて
いる。すなわち、高温チャンバー１に突出したヒートパ
イプ９の端部では、流体の流動抵抗による変形のみが防
止されるように支持されている。

【００１７】またここで使用するヒートパイプ９には、
例えば、コンテナ１３の内部にウイック１４として、耐
熱性の金属メッシュが備えられるとともに、作動流体１
５としては、金属ナトリウムが注入され、かつ前記コン
テナ１３の外周面の少なくとも両端側には、螺旋状のフ
ィン１６が取り付けられたものが使用されている。

【００１８】なお、そのヒートパイプ９が前記固定用ス
リーブ５および前記フランジ６を貫通した部分は、フィ
ン１６を含むヒートパイプ９の外周全体に密着するよう
嵌合し、ヒートパイプ９およびフィン１６との間隔にお
いて、気密状態が維持されている。

【００１９】次に、上記のように構成されたヒートパイ
プ型熱交換器の作用について説明すると、高温流体およ
び低温流体が各チャンバー内を流れると、ヒートパイプ
９との間で熱の授受が行われる。すなわち、ヒートパイ
プ９の外周面に設けられたフィン１６およびヒートパイ
プ９の表面を介して、両流体間の熱の授受が行われる。

【００２０】高温チャンバー１内を流れる高温流体によ
ってヒートパイプ９の蒸発部となる端部が加熱される
と、ヒートパイプ９内の作動流体１５が加熱昇温される
とともに蒸発する。作動流体１５の蒸気は、圧力の低い
ヒートパイプ９の他端部へ流動し、そこで凝縮するとと
もに放熱し、熱を伝達する。凝縮し液相となった作動流
体１５は、ヒートパイプ９内に備えたウイック１４の毛
細管圧力によって、ヒートパイプ９の作動流体１５の蒸
発側の端部すなわち高温チャンバー１側に突出した端部
へ還流する。すなわち低温チャンバー２を流れる低温流
体が、高温流体の熱により加熱昇温される。このように
して熱交換が行われ、高温チャンバー１を流れる高温流
体と低温チャンバー２を流れる低温流体との熱授受が行
われる。

【００２１】また、通常状態では、低温流体側のヒート
パイプ９の先端部に取り付けられたスプリング１１の弾
性力により、フランジ６および固定用スリーブ５を押し
付けて、ヒートパイプ９の接続部分からの流体の漏洩が
確実に防止されている。

【００２２】この熱交換器を構成する各部材が温度上昇
によって熱膨張し、高温チャンバー１側に突出したヒー
トパイプ９の端部ではその熱応力を受ける。その場合、
この高温チャンバー１側に突出したヒートパイプ９の端
部は、長手方向に移動可能に保持されているので、熱膨
張による長手方向への移動は抑制されることなく自由に
膨張される。なお、流体の流動抵抗による変形は防止さ
れているので、流動方向に曲げ変形されることはない。

【００２３】したがって、ヒートパイプ９の貫通部分す
なわちスリーブ５およびフランジ６の部分では、ヒート
パイプ９の長手方向の膨張による応力を受けることがな
いのでヒートパイプ９と各チャンバーとの間に熱応力を
生じることなく、シール部分すなわち前記スリーブ５お
よび前記フランジ６などが破損せずに流体の漏洩が確実
に防止できるとともに、ヒートパイプ９自体が破損する
ようなことはなく、熱交換効率を低下させるようなこと
はない。すなわち熱応力を回避することができる。

【００２４】高温チャンバー１内の高温流体の温度が何
等かの原因で大きく上昇した場合、ヒートパイプ９の膨
張量が大きくなるので、その先端部がカバー１２に当接
することがある。このような場合、ヒートパイプ９の長
手方向への膨張ができなくなるので、ヒートパイプ９に
軸線方向での圧縮応力が作用する。そしてその応力（押
圧力）が低温チャンバー２側に突出したヒートパイプ９
の端部に備えたスプリング１１の弾性力よりも大きくな
ると、ヒートパイプ９を固定している前記スリーブ５お
よびフランジ６が低温流体側へ移動する。すると、前記
隔壁３と固定用スリーブ５およびフランジ６との間で密
着し気密状態を保持していた前記ガスケット７部分に隙
間を生じ、低温流体が隔壁３の間に形成した隙間に流れ
込み熱交換器の外部に流体が漏洩してしまう。これを、
隔壁３の隙間からのリーク検知装置により検出し、熱交
換器の作動を停止させる。すなわち、リーク検知装置を
利用して熱交換器の作動制御を行うことができ、異常事
態に迅速に対応できる。

【００２５】また、ヒートパイプ９を使用しているの
で、フィン１６の大きさ、形状、取り付け方を変えるこ
とににより、熱伝達面積を調節できるので、必要な熱交
換量に合わせて設計でき、熱交換量の熱バランスが取り
やすくなる。

【００２６】なお、上記実施例において、ヒートパイプ
９に螺旋状のフィン１６を取り付けたが、これに限定さ
れず、ヒートパイプ外周面で軸方向に沿って延びた多数
条フィンや、環状リングをヒートパイプ軸方向に多数条
備えたフィン等でもよい。

【００２７】また、上記実施例において、ヒートパイプ
９の作動流体に金属ナトリウム１５を用いたが、これに
限定されることなく、高温域でも使用できるセシウム、
ルビジウム、カリウム、リチウム、カルシウム、イソジ
ウム、鉛、銀、水、アルコール、フロンなどを用いても
よい。

【００２８】さらに、上記実施例においては、ヒートパ
イプ９内のウイック１４に耐熱性の金属メッシュが用い
られているが、これに限定されることなく、耐熱金属材
料からできた細線や編組線、細溝、カーボンファイバー
などを用いてもよい。

【００２９】そして、上記実施例においては、弾性体と
してスプリング１１を用いたが、耐熱性のある材料から
構成された弾性のあるものであればよい。

【００３０】また上記実施例においては、円筒状の固定
用スリーブ５および円盤状のフランジ６を用いたがこれ
に限定されることなく、流体の漏洩をシールできるもの
であればよい。

【００３１】さらに、上記実施例においては、高温チャ
ンバー１側の隔壁３の固定用スリーブ５を支持している
部分にＯリング８が設けられているが、これに限定され
ず、高温チャンバー１側のヒートパイプ９の熱膨張によ
り、ヒートパイプ９および固定用スリーブ５が移動可能
でかつ確実に流体のシールができるような構成になって
いればよい。

【００３２】そして、上記実施例において、フランジ６
と低温チャンバー２側の隔壁３との間に金属ガスケット
７を設けて、この金属ガスケット７がフランジ６と隔壁
３の間に挟まれて気密状態を保持し、流体の漏洩を防止
しているが、これに限定されず、充分に密着し、気密状
態を保持できるものを備えてあればよい。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、高温域で使用しても、高温チャンバー側に
突出したヒートパイプ部分において、ヒートパイプを構
成する材料が熱膨張による応力を受けても、ヒートパイ
プ長手方向で移動可能に構成されているので、ヒートパ
イプが貫通している部分、すなわちヒートパイプと各チ
ャンバーとの間に熱応力を生じさせることがないので、
流体シール部分およびヒートパイプ自体の破損にはつな
がらず、流体の漏洩が確実に防止できるとともに熱交換
効率が維持できる。すなわち、充分にケースや隔壁さら
にはヒートパイプの応力回避ができるので、熱交換器内
の部材の熱膨張による変形によって、流体が外部に漏洩
するようなことはない。

【００３４】したがって、この発明のヒートパイプ型熱
交換器は熱膨張を回避でき耐熱耐久性に優れた構造とな
っているから、高温域で使用しても充分に流体のシール
ができ、熱交換器を安全かつ正常に作動することができ
る。

【００３５】また、何等かの原因で異常な高温状態とな
り、隔壁の隙間から流体が漏洩した場合においても、漏
洩の有無を検知する手段を備えれば、これを利用して熱
交換器の作動制御を行うことができ、異常事態に迅速に
対応できるので、異常温度時においても流体を熱交換器
外部に漏洩させることが抑制でき、保安・防災設備とし
ても利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるヒートパイプ型熱交換
器の内部構造を示す構造図である。

【符号の説明】

１…高温チャンバー、 ２…低温チャンバー、 ３…隔
壁、 ５…固定用スリーブ、 ６…フランジ、 ７…金
属ガスケット、 ８…Ｏリング、 ９…ヒートパイプ、
１０…ケース、 １１…スプリング、 １２…カバ
ー、 １３…コンテナ、 １４…ウイック、 １５…作
動流体、 １６…フィン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場１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】 高温チャンバーと低温チャンバーとを分
   ける隔壁を貫通して高温チャンバーと低温チャンバーと
   に亘りヒートパイプが配置され、各チャンバー内を流れ
   る流体間の熱交換を行うヒートパイプ型熱交換器におい
   て、 前記隔壁部分を貫通したヒートパイプの中間部外周に、
   各チャンバーからの流体の漏洩を防止するシール部が設
   けられるとともに、ヒートパイプの中間部が、このシー
   ル部により保持され、かつそのヒートパイプの前記低温
   チャンバー側の端部が固定状態に保持され、さらに前記
   ヒートパイプの高温チャンバー側の端部が長手方向に移
   動可能に保持されていることを特徴とするヒートパイプ
   型熱交換器。