JPS5811556B2 - ブンキガタネツデンタツソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔この発明の目的〕 この発明は、天候、時間等によって変動のある太陽エネ
ルギーのような熱入力を効率よく吸熱し、安定した熱エ
ネルギーとして出力側に伝達して出力させることを目的
とする熱伝達装置に関するものである。

〔従来技術〕

太陽エネルギーを利用する技術を開発する上で大きな問
題となるのは、天候、時間、昼夜のサイクル等によって
入力となる太陽エネルギーの日射量が変動してしまうた
め、安定した熱エネルギーを効率よく出力側に伝達する
ことができない点にある。

また、従来の高密度熱エネルギー源、たとえば火力発電
所のボイラ、原子力発電所の原子炉等は人為的にある程
度まで制御することができるのに対し、低密度熱エネル
ギー源である太陽エネルギーは入力側に照射する日射量
のパターンによって決まってしまい、人為的に制御する
ことは困難である。

また、従来の熱機関においては、連続的に一定熱出力を
出す発生装置があって、これを負荷側の条件によってそ
の発生熱量を制御することができるものであった。

さらに、このような熱機関は熱伝達にしても蓄熱にして
も入力に対しては割合に平均化されてしまうという特性
がある。

例えば、蓄熱する場合、変動の激しいパターンの入力が
入ってきてもその温度は時間的に平均化されたような温
度にしかならない。

つまり入力に対して応答しにくいものとなる。

このため、このような熱機関に適合して製作されている
熱伝達システムとか、蓄熱システムとかは日射量の変動
の激しい太陽エネルギー用としては使用できない。

次に上述した変動の激しい入力となる太陽エネルギーの
日射量の代表的なパターン例を第１図ａ〜ｅに示す。

これらの図で横軸は時間（ｈｒ）を、ここでは８時〜１
６時までを示し、縦軸は日射量（ｋＷ／ｍ２）を示す。

第１図ａは８時から１６時まで連続して晴天である理想
的な場合のパターンであり、曲線Ａは水平面日射量（水
平面の面積の太陽エネルギーが照射する垂直軸に対して
１ｍ２当り１ｋＷ）を表わすもので、時間の経過ととも
に日射量も増大し、１２時が最大となりそれ以後は徐々
に減少している。

曲線Ｂは水平面日射量に対して追尾機構を備えた場合の
日射量を示し、その効率が大幅に改善された特性となる
。

第１図すは曇天の場合で曲線Ａ′はは水平面日射量、曲
線Ｂ′は追尾機構を備えたときの日射量を表わすもので
、第１図ａの場合と比べ全体として日射量そのものは大
幅に減少しているが日射量のパターンとしては変わらな
い。

第１図ｃは曇り時々晴れの場合で、日射量がパルス的に
入力されるパターンである。

第１図ｄは晴れ待時曇り（晴天に近い）の場合で、日射
量としては幾分減少している。

第１図ｅは第１図ａの理想的な場合の昼夜くり返しのパ
ターンを示す。

これらのパターン例のような入力を伝達したり、蓄熱し
たりまたは熱交換したりするそれぞれのシステムとして
は、（１）入カバターンと熱伝達特性とが速やかに応答
するものであること、（２）熱伝達システムの熱容量が
小さいこと、またある一部は極めて大きいこと（これは
直ちにシステム内の装置の温度が上がるために熱容量が
小さいか、一度上がった温度は下がらないために熱容量
が極めて大きいことが必要である）、（３）不連続な短
時間の高入力量を積分して蓄積できること、（４）断熱
特性がすぐれていて保温力がよいこと、以上の点がそれ
ぞれのシステムに不可欠の条件となる。

さて、太陽エネルギーを工業的に利用することを考えた
場合には前述した変動の激しい日射量のパターン例のよ
うな入力に対して、効率よくかつ安定した熱伝達を可能
にするものがどうしても必要となる。

まず、熱伝達装置として従来公知のヒートパイプについ
て説明する。

ヒートパイプは毛細管現象を利用して熱の輸送を行う装
置であり、加熱部で蒸発（吸熱）→蒸気の移動（圧力差
）→冷却部で凝縮（放熱）→液体の移動（毛細管現象）
のプロセスを経て熱を蒸発潜熱の形で送るものである。

蒸気を移動させる駆動力は蒸気部での温度が凝縮部での
それよりも高く、それによって生ずる圧力差である。

このヒートパイプの構成を第２図に示す。

この図で、１は密封容器、２はウィックで細かいメツシ
ュが形成された網状のものを密封容器１の内面に張り付
けるか、その部分に溝を形成するかしである。

ウィック２には動作流体３がその表面張力によってつか
まえられている。

４は蒸気通路、５は入力部（蒸発部）、６は出力部（凝
縮部）、７は蒸発気体である。

第３図ａ〜ｃはそれぞれ従来のウィック２の形状例を示
すもので、第３図ａはメツシュ状に形成されたスクリー
ンウィック、第３図すは細い溝を形成したオープンチャ
ネルウィック、第３図ｃは第３図ａ、ｂは組合せた複合
形ウィックの例である（なお、従来技術の文献は適当な
ものがないので記載は省略する）。

次にこの動作を説明する。

まず、入力部５に熱入力があると、入力部５の温度はぐ
んぐん上昇し、その部分の動作流体３は熱を吸収して蒸
発気体７に変る。

この蒸発気体７が蒸気通路４を通り、出力部６に移動す
る。

出力部６では熱出力が取り出されるのでその部分の温度
は急速に下がり、蒸発気体７は凝縮され再び動作流体３
としてウィック２に戻される。

ウィック２に戻された動作流体３は、その毛細管現象に
よる表面張力によって引張られて移動し入力部５に戻る
。

この動作をくり返すことによって出力部６から熱出力を
取り出すことができる。

動作流体３としてはアンモニア、水、セシウム、カリウ
ム、ナトリウム等適用温度によって選択すればよい。

このように構成されたヒートパイプは局部的に入力され
た熱入力を伝達するために用いられているが、このよう
なヒートパイプを加熱部が連続して長くなる太陽エネル
ギーのコレクタとして使用した場合、ウィックが十分作
用しないため、動作流体の移動が確実に行われず、した
がって効率が低下するとともに、蒸発気体の不足個所に
おいてはヒートスポットができてしまいヒートパイプそ
のものが破損してしまう危険があった。

さらに入刃部と出力部が１対１であるため複数の個所に
熱エネルギーを分配したり、複数の個所より熱エネルギ
ーを集積することができなかった。

例えば、第７図の例の如く太陽熱集熱板８において、広
い受熱面より熱を一個所に集める場合に、複数の出力部
６が利用系において熱交換される実例では、多数の密封
容器１が熱交換器９の壁面を貫通する時の密封が、既存
のヒートパイプ等では溶接が使用出来ないため極めて信
頼度の低い接着、あるいは効率の悪い単純接触等の方法
によらなければならない。

また、束にした一般の熱交換方式では伝達効率にバラツ
キが生じやすく、高い温度のパイプは集熱板も高温で損
失量が増大し全体効率の低下をまねいてしまう。

さらに、第８図の従来例で示すように太陽エネルギーを
集光レンズ１０等で集光追尾して太陽電池１０Ａに当て
、発電させる場合、素子の高温による効率低下を避ける
要求から、適度に冷却し、かつ均一に放熱することが要
求される。

また、追尾支持装置の低コスト化のため、冷却伝熱も単
純高信頼で形状も小さいことが要求される。

なお、１０Ｂは追尾体の最外部軌跡を示す。

〔この発明の技術的課題〕

この発明は、上述の点にかんがみなされたもので、太陽
エネルギーのコレクタに用いて効率のよい安定した熱伝
達と複数個所に対する熱エネルギーの分配または集積を
可能にした熱伝達装置を提供するものである。

以下この発明について説明する。

〔この発明の構成〕

この発明は、入力部と出力部にわたってウィックを配置
した熱伝達装置において、前記ウィックの金属細線を撚
線化するとともに、複数の分岐部を設けてウィックを分
岐束にし、その先端が円筒状の密封容器の内壁に十分に
接触するようにして入力部とし、出力部はウィックが内
壁に対して所要の間隙を形成するようにし、さらに入力
部と出力部の少なくとも一方を複数に構成し、この複数
に構成した部分に対応させてウィックの金属細線を分割
配置したものである。

〔この発明の実施例〕

第４図はこの発明の一実施例を示すもので、１１は銅ま
たはステンレスパイプ等からなる密封容器、１２はウィ
ックで、４〜１００μｍφのステンレス細線を束ねて多
少撚線化したもので先端部を分岐しておく。

しかし、熱伝達距離、または熱伝達量に差異のある場合
は相応の束に分岐する。

ウィック１２の分岐は基本的には単純に等分に分岐し形
を保つよう部分的に束ね結束する。

その時多少撚線化しておくことによって、温度変化によ
る伸縮を吸収し、また、二次加工に対する裕度ができて
、大きく形が変化することを防ぐことができる。

１３は動作流体、１４は蒸気通路、１５は入力部、１６
は出力部で、フィン１７が設けられる。

１８は蒸発気体を示す。

そして、入力部１５においては、ウィック１２の先端が
密封容器１１の内壁に十分接触するようにしてあり、ま
た出力部１６においては、ウィック１２が内壁に対して
所要の間隙を形成するように設けられている。

次に動作について説明すると、まず、入力部１５に熱入
力があると、入力部１５の温度は急速に上昇し、ウィッ
ク１２の分岐部に保持されていた動作流体１３は加熱さ
れて蒸発気体１８に変る。

この蒸発気体１８が蒸気通路１４を移動し、出力部１６
に集まる。

出力部１６ではフィン１７の作用で冷却されるので蒸発
気体１８の温度は急速に下がり液体にもどされる。

この液体は動作流体１３となって、第５図に拡大して示
したようにウィック１２中の隙間１２′を通って端部に
形成された分岐部に毛細管現象で見られるように浸透圧
によって移動し、再び加熱され前述のサイクルをくり返
す。

このような構成にすると、動作流体１３はウィック１２
中の隙間１２′を通り蒸発気体１８となるとともに分岐
部に達した動作流体１３も密封容器１１の内面に移動す
ることになるので蒸発気体１８になるのを促進する。

したがって、密封容器１１の長さが長くなっても安定し
た効率のよい熱伝達ができ、また、密封容器１１が展性
にすぐれたものであれば曲げなどの二次加工をしてもウ
ィック１２には無理がかゝらない。

第６図はこの発明の他の実施例を示すもので、１個の入
力部１５に対して２個の出力部１６を設けたものである
。

この実施例ではウィック１２を分割し、２個の出力部１
６，１６に対応させて配置している。

ウィック１２をステンレス細線を束ねて作成したので、
このように簡単に２分割することができるが、第２図、
第３図に示す従来の方式では工作が非常に困難で、実際
上不可能に近い。

なお、上記第６図の実施例では１個の入力部１５に対し
て２個の出力部１６を設けたが、これは一般に複数個の
出力部１６とすることができる。

さらに一般的には複数個の入力部１５に対し複数個の出
力部１６を設けることができることは明らかである。

また、ウィック１２を構成するステンレスワイヤはこれ
に限らず他の金属細線を使用してもよい。

そして、ウィック１２は必ずしも密封容器１１と同軸的
に配置することは必要でなく、ウィック１２の一部が接
することはあっても密封容器１１の器壁との間に蒸気通
路１４が形成されていればよい。

さらに、この発明によれば、広い面積より熱を集める集
熱板の場合、第９図に示す実施例のように同一の密封容
器１１が分岐した形状を構成し、一つのヒートパイプ動
作をするため、局部的温度上昇が緩和され、高温の点の
蒸発は盛んになって降温作用があり、低温部は蒸発が弱
まって昇温し、全体が均温化される。

したがって、集熱装置は損失が表面温度に対し指数画数
的に増減するため、均温化は効率を向上させることにな
る。

また、集光型太陽電池式発電コレクタは太陽電池に当る
エネルギー密度が高く、太陽電池が高温になり破損する
か、漏電流の増加により変換効率が急激に低下する等の
現象に対し、従来のヒートパイプで放熱する場合は、放
熱面を長くする方法、または、冷却水配管をして冷却す
る等故障の確立が高く低信頼性の方法であったが、この
発明は第１０図に示す実施例のように一点の高密度熱エ
ネルギーを複数の分岐にして放熱側の全面積を増すこと
ができるため、形状が小さくなり、追尾装置に適用する
ことが容易であるとともに高信頼性となる。

なお、第１０図の１８は太陽熱集熱板、１９は熱交換部
を示す。

〔この発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発明はウィックの金属
細線を撚線化するとともに、複数の分岐部を設けてウィ
ックを分岐束にし、その先端が密封容器の内壁に十分接
触するようにして入力部とし、出力部はウィックが内壁
に対して所要の間隙を形成するようにし、さらに入力部
と出力部の少なくとも一方を複数に構成し、この複数に
構成した部分に対応させてウィックの金属細線を分割配
置したので、複数の出力部に熱エネルギー入力を分配す
ることや、複数の入力部からの熱エネルギー入力を出力
部に与えることができるので、熱エネルギーの分配を非
常に簡単に行うことができる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｅは太陽エネルギーの日射量のパターン例を
示す図、第２図は従来のヒートパイプでその一部を断面
で表わした斜視図、第３図ａ〜ｅは従来のヒートパイプ
に用いられるウィックの形状例を示す断面図、第４図は
この発明の一実施例を示す縦断面図、第５図は第４図の
ウィックの部分拡大断面図、第６図はこの発明の他の実
施例を示す縦断面図、第７図、第８図は従来の集熱装置
をそれぞれ示す斜視図、第９図、第１０図はこの発明の
さらに他の実施例をそれぞれ示す斜視図である。 図中、１１は密封容器、１２はウィック、１３は動作流
体、１４は蒸気通路、１５は入力部、１６は出力部、１
８は蒸発気体である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入力部と出力部を設定した円筒状の密封容器の中心
   部分に、前記入力部と出力部に亘って金属細線を結束成
   型したウィックを配置し、前記ウィック中を毛細管現象
   によって前記出力部から前記入力部に液体で移動し、前
   記入力部で気化されて前記出力部へ圧力差を平衡させる
   ために気体で移動し、そこで凝縮熱を放出して液化する
   液体を、前記密封容器に密封してなる熱伝達装置におい
   て、前記ウィックの金属細線を撚線化するとともに、複
   数の分岐部を設け、これら分岐させた各分岐束が前記円
   筒状密封容器の内壁に先端を十分に接触するよう配置さ
   せて前記入力部とし、さらに前記出力部を前記内壁が前
   記ウィックの金属細線と所要の間隙を置いて形成し、さ
   らに前記入力部と出力部との少なくとも一方を複数に構
   成し、これら複数に構成した部分に対応させて前記ウィ
   ックの金属細線を分割配置したことを特徴とする熱伝達
   装置。