JPS58500537A - ２相熱サイホンヒ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ２相熱サイホンヒータ 技術の分野 本発明は一般に伝熱装置、特に２相熱サイホン伝熱装５　置に関する。

技術の背景 伝熱流体が２つの異なる相、すなわち気相と液相とをとるヒートパイプ装置は従 来から知られている。伝熱は伝熱流体の気相の潜熱を用いて行なわれるが、液相 の伝熱流体は主として凝縮蒸気を熱源にもどす手段として用いられる。これらの 努力の典型的なものはラザリデイス（Ｌａｚａｒｉｄｉｅ　）の米国特許第３． ８５４，４５４号である。ラザリデイスの特許ておいては水が加熱されて蒸気と なり、それから上昇して凝縮室にはいる。加熱水蒸気は凝縮室の壁に凝縮し、そ れ眞よって熱を蒸気から凝縮室の壁に伝達する。凝縮室は凝縮した水が重力また は心によってヒートパイプの熱源部分に流れもどるように位置させる。

ラザリデイスの特許ではヒートパイプはＬ形の部材で、水平部分は熱源領域、鉛 直部分は凝縮室である。加熱水蒸気は水平部分から上昇して凝縮室にはいる。冷 却された凝縮物は凝縮室の壁に沿って流下して熱源領域にもどる。

この型のヒートパイプにおける伝熱は熱が気相から液相への変化によって伝達さ れるとき最も効果的であると一般に信じられている。本発明においては、唯一の 伝熱機構として気相から液相への伝熱機構を用いることなく、従来の装置と同じ かそれよシ良好な伝熱性能が達成できることを発見した。

上記のような単一導管の気相から液相への変化を用いる技法の１つの重要な欠点 は、蒸発器部分にもどる凝縮液体には逆方向に流れる蒸気が伴なうことである。

このだめに蒸発器が乾燥して効果的な熱交換が阻害される。

このことを避けるためには蒸気の速度を低く保たなければならないが、そのため には直径の大きい導管が必要である。

他の欠点は、凝縮室の側面を流下する凝縮液は加熱蒸気と凝縮室の冷却壁との間 の障壁として作用することである。この凝縮物層の熱伝導度は凝縮室のそれよシ 大巾に低い。そのため、蒸気と凝縮室の壁との間の伝熱の効率は厚い凝縮物層の 存在によって低下する。

家庭用「サイドアーム」ウォータヒータにおけるよって熱源から熱の吸込みに熱 を伝達するのにポンプ作用液体ループもしばしば用いられてきた。これらは付加 的なポンプの費用を必要とし、硬水の場合には内面に水あかができる。装置を止 めるとき熱の漏れが大きく、止めるとポンプ、熱源の構成要素、および熱源の構 成要素内に含まれる液体の冷却によってかなりの量の熱が失なわれる。

発明の開示 従来の伝熱装置の前記および他の問題は、気化できる液体を用いる、本発明の熱 源から熱の吸込みへの伝熱装置に、よって解決される。この装置は気化できる液 体を加熱して加熱した液体と蒸気との混合物の流れを発生させる、熱源にある気 化装置を含む。入口と出口とを持つ凝縮装置が熱の吸込みＫある。加熱された液 体と蒸気との混合物を受け取るために凝縮装置の入口は蒸発装置と連通している 。凝縮装置は加熱された混合物から顕熱と潜熱とを取り出して混合物の蒸気部分 を凝縮させる。凝縮装置の出口は蒸発装置と連通して液体混合物を蒸発器にもど して再加熱する。凝縮装置内に蒸気の蒸発装置から凝縮装置の出口を通って凝縮 装置への流れを制限する装置がある。

本発明においては主要な伝熱機構は加熱された液体の強制対流であって、「プー ルボイリング」や「フイルムコンデンセーション」のような機構はわずかな役割 しか演じない。高速の蒸気がポンプ機構となり、加熱された液体と気体との混合 物は蒸発器から凝縮器に汲み込まれて加熱された液体と凝縮器との間に強制対流 伝熱を行なう。蒸気と液体とは同じ方向に一緒に動くので、液体が伴なっても凝 縮物が蒸発器にもどるのを妨害しない。その反対に実際には随伴は加熱された液 体を凝縮器に送る機構である。高速蒸気によって起こされた随伴は、液体を凝縮 器に送ることによって熱サイホンポンプ機構を増進させるので、有利である。凝 縮物のもとシライン中に何インチかの凝縮物の柱ができることができ、流れ機構 を駆動し、蒸気を高速にするポンプヘッドを構成する。

したがって、小さい流れ導管を高い伝熱率に用いることができる。本発明のよう に加熱液体を伝熱媒体として用いるときは凝縮物の厚い障壁層の問題は低減され る。凝縮器の壁面上の加熱された液体の流れは壁面に隣接した冷却用液体層を加 熱された液体と混合させ、それによって凝縮物層の熱抵抗を大巾に低下させる。

装置を止めると凝縮物は完全に蒸発器にはいろ。したがって重力によって凝縮物 がもどるヒートパイプと類似のサーモダイオードを持つことになり、伝熱性能は 一方向にはきわめて高いが逆方向の熱損失は無視できる程度である。ポンプを用 いず、使用する気化できる液体の量はきわめて小さいので、装置を止めたとき失 なわれる熱はきわめて少なく、熱源に近い部品は冷却することができる。

したがって本発明の目的は、熱の吸込みへの伝熱は加熱された液体から強制対流 で行なわれ、加熱された蒸気が加熱された液体匠装置を貫流させるポンプとして 作用し、気相から液相への変化によって伝熱に寄与する、熱源から熱の吸込みへ の伝熱装置を得ることである。

本発明の他の目的は、加熱された液体が高速蒸気によって気化器から凝縮器へル ープの供給膜を通って汲み上げられ、冷却された液体と凝縮された蒸気とが凝縮 器から重力または他の手段によってループのもどり胸中ノ蒸発器へもどされるよ うに凝縮器と蒸発器とがループ中に接続された、熱源から熱の吸込みへの伝熱装 置を得ることである。

本発明のさらに他の目的は、加熱された蒸気と液体とが気化器からループのもど り脚を通って凝縮器へ流れるのを防止する、循環ループのもどり部分に設けられ た制限手段を含む、熱源から熱の吸込みへの伝熱装置を得ることである。

本発明のなお他の目的は、加熱された液体が高速蒸気によって気化器から凝縮器 へ汲み込まれ、伝熱効率が８０チを越える、熱源と熱の吸込みとの間の伝熱装置 を得ることである。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点は図を用いてする本発明のある 好ましい実施例の以下の詳細な説明を考慮することによりもつと容易に理解され るであろう。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の簡単化した構成図である。

第２図は本発明の断面図である。

第３図は第２図の線３−６に沿って見た図である。

発明を実施するための最良の態様 第１図を用いて本発明の構成要素を論じる。凝縮器（１０）と蒸発器（１２）と は接続されてシールされたル−ゾを形成する。凝縮器（１０）は熱の吸込み（１ ４）内にあり、蒸発器（１２）は熱の吸込み（１４）の外部にある。蒸発器（１ ２）は熱源（１６）の隣だあるので熱は熱源（１６）から蒸発器（１２）に伝達 される。気化できる液体を凝縮器（１０）と蒸発器（１２）との間で循環させる 。液体を蒸発器（１２）において加熱して蒸発器（１２）から供給管（１８）を 経て凝縮器（１０）の入口（２０）Ｋ流入させる。液体は凝縮器（１０）におい て冷却されて出口（２２）から流出してもと導管（２４）を通って蒸発器（１２ ）にもどる。

もど導管（２４）内に制限手段（２６）を設けて加熱された液体と蒸気とが蒸発 器（１２）から凝縮器（１０）の出口（２２）へ流れるのを制限する。

蒸発器（１２）内如おいて、蒸発できる伝熱液体は熱源（１６）によって加熱さ れるので、加熱された液体と蒸気とができる。加熱された蒸気はポンプ作用を行 なって加熱された液体を供給管（１８）を通って凝縮器（１０）に送る。制限手 段（２６）は蒸発器からの液体流に十分な背圧を加えて加熱された液体または蒸 気が蒸発器から流出してもと導管を通って凝縮器（１０）の出口（２２）に流入 するのを防止する。

凝縮器（１０）内においては加熱された液体は強制対流によって熱を凝縮器の壁 如伝達する。加熱された蒸気も凝縮しである程度熱を伝達する。冷却した液体と 凝縮した蒸気とは重力その他によって凝縮器（１０）から出口（２２）ともどり 管（２４）とを通って蒸発器（１２）にもどる。

もつと詳しくは第２図を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。この実施 例においては凝縮器（１０）はフィンのついたヘアピン形凝縮器（１１０）であ る。ヘアピン凝縮器（１１［１）は熱の吸込み（１４）内にあり、１つの脚が他 方の脚の上方にある。上側の脚はヘアピン凝縮器（１１０）の入口（１２０）と なり、下側の脚は出口（１２２）となる。ヘアピン凝縮器（１１０）はゴムのガ スケツ）　（３０）を挟んで熱の吸込み（１４）にボルトで締められたフランジ （２８）　Ｋよって所定位置に取り付けられている。この構成によってへ゛アビ ン凝縮器（１１０）のとりはずし、修理または交換、およびあかの清掃または除 去が可能になる。ヘアピン凝縮器（１１０）の両脚は傾斜させて液体が上側の脚 から下側の脚を通って流れることができるようにする。

好ましい実施例においては、蒸発器（１２）はヘアピン凝縮器（１１０）の下方 に置き、複数のフィン付き管（４１）を含んで多管蒸発器（１１２）を構成する 。管（４１）は互いに平行に並べ、入口（３４）を持つヘッダ（６２）でそれら を一端で連通ずるように結合する。フィン付き管（４１）の他端は出口（３８） を持つヘッダ（３６）で連通ずるように互いに結合する。

管（４１）のフィン（４０）ｔ・ま熱源（１６）から多管蒸発器（１１２）内の 液体への熱の伝達を増進させる。

本発明の好ましい実施例においては供給管（１８）は多管蒸発器（１１２）の出 口（３８）をヘアピン凝縮器（１１０）の入口（１２０）に連通ずるように結合 する。供給管（１８）は最初多管蒸発器（１１２）の出口（６８）から鉛直に立 ち上がシ、それからヘアピン凝縮器（１１０）の上側の脚（１２０）と連通ずる ように結合する前にヘアピン凝縮器（１１０）の方眞向力）って上向きに傾斜す る。

本発明の好ましい実施例においてはもどり’！（２４）＆！ヘアピン凝縮器（１ １０）の出口（１２２）を多管蒸発器（１１２）の入口（３４）に連通ずるよう に結合する。もどり管（２４）内に制限手段（１２６）を設ける。これはたとえ ば所定の直径のオリフィスを持つ構造体または所定の内径を持つ管とすることが できる。これらの直径は蒸気が多管蒸発器（１１２）からヘアピン凝縮器（１１ ０）までもどり管（２４）を上昇するのを防止し、安定な運転を増進させるよう に選ぶ。加熱率５０，０００　ＢＴＵ／４（Ｒに対して設計された本発明の一実 施例如おいては、直径が約１．／８インチ（Ｑ、３２センチメートル）のオリフ ィスまたは内径が約３／１６インチ（０４８センチメートル）の管は、もどり管 （１２４）の内径が約１インチ（２，５４センチメートル）のとき、装置を満足 に運転させる。

上記の実施例の多管蒸発器（１１２）とヘアピン凝縮器（１１ｏ）の両方に用い たフィン付き管の内径は約７／８インチ（２２２センチメートル）、フィン（４ ０）の外径は約１・７重８インチ（４，７６センチメードル）、１インチ（２， ５４センチメートル）Ｋつき７個の間隔である。蒸発器は５本の約７インチ（１ ７８センチメートル）の長さのフィン付き管を持つ。

出口ヘッダ（３６）は長方形で、外側の寸法は約１２ンチ×２インチ（２，５４ センチメートルＸ５．０８センチメートル）である。入口ヘッダ（６２）も長方 形で、約１２ンチ×１インチの外側寸法である。ヘアピン凝縮器（１１０）の各 脚の長さは約１３インチ（３３，０２センチメートル）である。

他の実施例においては２本のヘアピン形管を２重にしてヘアピン凝縮器（１１０ ）を構成する。

好ましい実施例においては熱の吸込み（１４）は携帯用水タンクで、熱源（１６ ）はガスバーナである。本発明の装置は電気素子、木または石炭を燃やす熱源、 または種々の熱源の任意のもののような他の熱源とともに用いることができるこ とを埋−解されたい。さらに、熱の吸込み（１４）は携帯用水タンクである必要 はない。たとえば、熱の吸込み（１４）は加熱すべき空気のような何か他の材料 のタンク、部屋、または熱入力を必要とする多くの用途の任意のものでもよい。

本発明の好ましい実施例においては伝熱液体は水であるが、他の気化できる液体 を用いても満足な結果が得られる。

運転如おいては、多管蒸発器（１１２）は、液体と蒸気との両方を連続的に通す 強制対流水平管ホイラとほとんど同じように働く。蒸発器内においては質量部分 は流ｊ１．の方向に減少し、運転条件と蒸発管の形状寸法によりあわ、衝撃、攪 拌、環状およびミスト流状態が存在する。正常な条件下では蒸発器の出口（３８ ）　Ｋおける液体／蒸気流は環状で、厚い膜が高速で供給管（１８）を通ってヘ アピン凝縮器（ｊｌｏ）にはいる。

凝縮器内部における伝熱は強制対流と蒸発／凝縮との両方によるもので、前者が おもである。したがって、システムは本質的如強制対流「ループ」で、蒸気は「 ポンプ」として働く。

本発明の適正な運転の間に水の柱がもどり管（２４）中にできる。この水柱はシ ステムの圧力降下と同等である。

制限手段（１２６）の大きさは他の構成要素の幾何学的特性、加熱速度、および 作用温度と同様に水柱の高さを部分的に決定する。

本発明の５０．００　Ｄ　ＢＴＵ／ＨＲの加熱速度の実施例においては、多管蒸 発器（１１２）は約１２インチ（６０５センチメートル）ヘアピン凝縮器（１１ ０）の下方にある。全流れループは銅でつくる。システムは完全な真空で安定に 運転されるが、少量の非凝縮ガス、たとえば空気、窒素、またはアルゴンを加え るともどり管（２４）中の水柱の高さが減少して蒸発器と凝縮器との間隔が小さ くなり、伝熱液体の体積が小さくなる。本発明の上記の実施例忙おいては約２０ ０立方センチメートルの水が必要なだけである。この体積の水では蒸発管は半分 も満たされず、凍結による破壊の可能性を大巾に減少させる。

実験の結果、よく絶縁された燃焼室を多管蒸発器（１１２）の周りに設けると、 １気圧の天然カスバーナで５０，０ＤＤＢＴＵ／）ＩＨの割合で加熱するとき、 本発明装置によれば８０係を越える加熱効率（天然ガスのより高い加熱値に基づ いて）が達成できることが示された。

熱源から熱の吸込みへ熱を伝達する方法は、液体の一部が気化するように蒸発可 能な液体を蒸発器内、で加熱し、気化した液体の圧力で加熱された、気化しなか った液体を凝縮器に送り、凝縮器内で熱を液体および蒸気から熱の吸込みに伝達 させることによって加熱された液体と蒸気とを冷却し、冷却した液体と凝縮した 蒸気とを熱源でさらに加熱するためにもと９管を経てもどし、もどり管内に背圧 を発生させて蒸気が蒸発器からもどり管を通って凝縮器に流れるのを制限するこ とを含む。

ここで用いた用語と表現とは説明のためのもので、限定のためのものではない。

このような用語と表現の使用は図示し説明した特徴またはその部分と同等なもの を除外しようとするものではない。請求された発明の範囲内で種々の変形が可能 であることを認識されたい。

浄書（内容に変更なし）特貞昭５８−５００５３７（５）ＦＩＧ、Ｊ。

手続補正書 昭和５８年　１月２Ｚ日 特許庁長官　殿 １、事件の表示 国際出願番号　ＰＣＴ／ＵＳ８２１００４４３２、発明の名称 ２相熱サイホンヒータ ３、補正をする者 事件との関係　出願人 名　称　アルタス・コーポレーション ４、代理人 住　所　東京都千代田区永田町１丁目１１番２８号特許法第１８４条の５第１項 の規定による書面中特許出願人の代表者の欄、タイプ浄書した明細書及び請求の 範囲の翻訳文（内容に変更なし）、正式図面〈内容に変更なし）、並びに代即権 をｇ−ｙるＵ：面。

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Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　気化可能な液体を加熱して加熱された液体と蒸気との混合物の流れを発生 させるだめの、熱源における蒸発装置と、 入口と出口とを持ち、入口は加熱された混合物を受取るために蒸発装置に連通ず るように結合され、（凝縮装置は）加熱された混合物から顕熱と潜熱との両方を 取シ出して混合物の蒸気部分を凝縮させ、出口は再加熱のために液体混合物を蒸 発装置にもどすために蒸発装置に連通ずるように結合され、（凝縮装置は）さら に蒸気が蒸発装置から出口を通って凝縮器まで流れるのを制限する装置を含む凝 縮装置と を備えた、気化（蒸発）可能な液体によって熱のから熱の吸込みへ熱を伝達する 装置。 ２、　凝縮装置は蒸発装置より高い位置にある請求の範囲第１項の伝熱装置。 ろ、　熱源はガスバーナで、熱の吸込みは流体の貯蔵および供給タンクである、 請求の範囲第１項の伝熱装置。 ４、　熱源は電気ヒータコイルで、熱の吸込みは流体の貯蔵および供給タンクで ある、請求の範囲第１項の伝熱装置。 ５、　気化可能な液体混合物は凝縮温度がシステムの運転温度より低いカスを含 む請求の範囲第１項の伝熱装置。 いたい平行な共通平面内で互いに平行で間隔をとった複数のフィン付き管と、 入口と複数の結合口とを持ち、入口を容管の第１端に連通ずるように結合する第 １へツタと、出口と複数の結合口とを持ち、容管の第２端を出１］と連通ずるよ うに結合する第２ヘツダとを備えている、請求の範囲第１項の伝熱装置。 Ｚ　凝縮装置は、上側の脚と下側の脚とを持つヘアピン形のフィン付き管状部材 を備え、各脚の端は開いていて、管状部材は、自由に存在する液体が上側の脚の 口から上側の脚を通って下側の脚に流入し、最後に下側の脚の口から流出するよ うに熱の吸込み内に設けである請求の範囲第１項の伝熱装置。 ８、　凝縮装置の出口を蒸発装置に結合するもどり装置を含み、もどり装置は所 定の内径を持ち、制限装置はもどり装置にそう人する形をした、オリフィスを持 つ構造体を含み、オリフィスは所定の直径を持ち、もどり装置を流れる流体はオ リフィスの直径で決定される、請求の範囲第１項の伝熱装置。 ２　凝縮装置の出口を蒸発装置に結合するもどり装置を含み、もどり装置４は所 定の断面積を持ち、制限装置はもどり装置内に結合されてもどり装置の断面積よ り小さい断面積を持つ管を含む、請求の範囲第１項の伝熱装置。 のト方にして両脚が貯蔵タンクの壁から外部に突き出るようにして貯蔵タンク内 に取り付けられ、両脚は傾斜して液体が上側の脚から下側の脚を通って流れるよ うになった、フィン付きヘアピン形の管状凝縮器と、熱源の上方で凝縮器の下側 に懸吊された多管蒸発器と、 蒸発器から鉛直に立ち上シ、それから凝縮器の上側の脚と連通するように結合さ 糺る前に凝縮器の方に向って上向きに傾斜するように多管蒸発器と連通して結合 された供給管と、 凝縮器の下側の脚と蒸発器と如連通して結合されたもどり管と、 液体の流れを調節し、もどり管を流れる蒸気を制限する、もどシ管内に設けられ た制限装置とを備えた、熱源と水・貯蔵タンクとの間で熱を伝達する装置。 １１、蒸発装置と熱源とはよく絶縁された燃焼室内に設けられた請求の範囲第１ 項の伝熱装置。 １２、気化可能な液体の一部が蒸発するように気化可能な液体を蒸発器内で熱源 によって加熱することと、蒸発した液体の圧力で、加熱された、気化しなかった 液体を凝縮器に送ることと、 熱を液体と蒸気とから熱の吸込みに移すことによって凝縮器内で加熱された液体 と蒸気とを冷却することと、 熱）によってさらに加熱するために冷却した液体と凝縮した蒸気とをもどり管を 経てもどすことと、もどり管内に背圧を発生させて蒸発器からもどり管を通って 凝縮器に流れる蒸気を制限することとを含む、熱源から熱の吸込みへ熱を伝達す る方法。