JPS59131883A - 熱伝達装置 - 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】 本発明は密閉容器内にて蒸発部から凝縮部へ作動流体の
蒸気を移動させることにより、気化の潜熱のかたちで熱
を輸送する熱伝達装置の改良に関する。この種の熱伝達
装置には、すでにヒートパイプと呼ぶ一群の装置がある
。ヒートパイプは蒸発部（加熱部）と凝縮部（冷却部）
（及び必要のときは両者間の断熱部）をもち、かつ両部
間を連通する蒸気通路と還流液通路をそなえ、内部には
液の機械的駆動部分を持たない熱伝達装置であるが、熱
が気化の潜熱のかたちで蒸気通路を通過するため輸送速
度が速く、全装置（非凝縮性ガスが封入されているとき
はその所定部分）に亘つて極めて低い温度勾配をもち非
常に高い熱コンダクタンスを有するという長所を持つて
いるが、これには次記する欠点がある。

即ち、ヒートパイプは高温の低所から低温の高所へ熱を
伝達することは得意であり、ウイツクなしの熱サイフオ
ン式ヒートパイプは殊に有能であるが、高温の高所から
低温の低所へ熱を送ることは不得意である。これは低所
に生じた凝縮液を重力に抗して高所に還流させるのが困
難なためでああつて、液の還流駆動手段としてウイツク
の毛細管圧力を選ぶとき還流できる高さはせいぜい３０
〜４０ｃｍであり単位時間当りの熱運搬量も極めて抑制
される。電気流体効果を還流手段とするものもこれと大
差がない。電気浸透現象を利用するものや、砂糖水等に
半透膜を組合せる浸透式ヒートパイプでは若干の改善が
認められるがなお未だしの感が強い。英国のＮＥＬ研究
所は電気加熱で気泡を作る気泡揚水ポンプ（ＶＡＰＯＵ
Ｒ　ＬＩＦＴ　ＰＵＭＰ）で液の高所還流に成功してい
るがポンピングは気泡の交る液と交らない液の比重差を
利用するものであるため大きい揚程を得ようとすればか
なりの高さの液の溜りを必要とし装置が徒らに大きくな
る欠点がある。

またヒートパイプはこれを水平に設置するときも数十ｍ
以上の長距離に熱を輸送せんとすると困難を生ずる。液
の還流速度が遅くなつて熱輸送量に限界を生ずるのであ
る。

本発明はこれらの問題の解決を目的とする。

以下、図を用い実施例によつて本発明をその利用法とと
もに説明する。

第１図は本発明の熱伝達装置の原理を示す断面図で、こ
の装置１０は例えば銅パイプ１１を主体にして作られて
おり、その高所の加熱部２１は屋上の太陽温水器の集熱
パネル２に伝熱性を良くして溶接されており、低所の冷
却部３１は屋内の貯湯槽３の水底部に挿入されている。

図では集熱パネル２と貯湯槽３（それぞれ装置１０の１
０１及び１０２の先端部）は略示するにとゞめた。

加熱部２１で蒸発した作動流体（例えば水）は蒸気通路
１３を経由して凝縮部３１に達し、こゝで液化して１０
２を経て流下し、銅パイプ１１の下方に付設された溜り
場１０３内に溜る。

本発明ではこゝに溜つた液を機械的ポンプ１６（例えば
再生ポンプ）で吸込み、吐出口１２２に連結された送液
パイプ１２で銅パイプ１１内の所要の高所１２１に汲み
上げる点に特徴がある。

高所１２１に吐出された液は１０１を経由して加熱部２
１内に重力で落下し、こゝで再び蒸発して上述のことを
繰返し熱を連続的に運搬する。

装置１０の蒸発部２１，凝縮部３１を除いた部分が即ち
断熱部でありこゝには断熱被覆９が施される。

第１図の××断面視図を第２図に示すが、機械的ポンプ
１６は電動機１７（こゝではヒステリシスモーター）に
直結されて回転している。１６，１７は所謂水中モータ
ーポンプの構造をもち、充分な耐水，耐熱性をもつもの
である。給電線１８はパイプ１１の壁を絶縁的且気密的
に貫通導出されている。装置１０内に封入される作動流
体の量には適値がある。従来のヒートパイプと同じであ
る。

もし溜り場１０３　内の液面１４がポンプの吸入口以下
となるときは機械的ポンプ１６は空転して液面の上昇を
待つ。このとき送液パイプ１２内の液が気泡まじりにな
るが支障はない。

集熱パネル２への日照量が減つてその温度が下り貯湯槽
３の水温以下になるときは、蒸発部と凝縮部は交替し、
熱は逆方向に輸送されはじめる。

しかし新しい蒸発部３１内の液は少く、これが蒸発する
のは忽ちのうちであり、熱の逆送は短時間で終り、以後
熱は３１から外へ送られない。逆送で失う熱量は極めて
僅少である。即ち第１図の熱伝達系ではむだのない理想
的な熱輸送が行なはれる。

後述するようにこの装置１０の電動ポンプ１６，１７は
極めて小出力のもので事が足りる。年中回転させ続けて
も消費するエネルギーは僅小である。ただし集熱パネル
２に照度計４を並置して日照を計測し、照度が所定値以
上のときにだけ制御器５で電動機１７に給電することに
すれば設備は増すがエネルギ消費量は極小となる。

電動ポンプが小容量で足りることは本発明の装置の著る
しい特徴であり、本発明はこゝに著目してなされたもの
である。以下これについてやゝ詳しく述べる。

第１図の系で説明すると、現用の強制循環方式の太陽温
水器では、集熱パネル面積が４ｍ２、貯湯槽容積３００
〜５００ｌのものでは集熱用の強制循環ポンプには流量
２ｌ／ｍｉｎ（＝３３．３ｃｃ／ｓｅｃ），揚程５ｍ，
出力５０〜１００ＷＡＴＴ程度のものが使われているが
、第１図の集熱方式にては、電動ポンプ１６，１７に要
求される性能は次の如く計算される。即ち、集熱パネル
４ｍ２が直射光をうけて０．５ｋｗ／ｍ２の実効加熱を
得るとするとき、集熱される熱の量は２ｋｗである。こ
れはほゞ５００ｃａｌ／ｓｅｃに当る。水の気化熱はほ
ゞ５４０ｃａｌ／ｇｅなので、５００ｃａｌ／ｓｅｃの
熱を運ぶには集熱パネル２内の蒸発部２１では１ｃｃ／
ｓｅｃの水を気化させて送り出せばよいことになる。

従つて電動ポンプは重力に抗して揚程５ｍだけ１ｃｃ／
ｓｅｃの水を汲み上げればよく、この還流に要する動力
は０．００５ｋｍ−ｍ／ｓｅｃ即ち０．０５ｗａｔｔで
ある。

電動ポンプの全効率を極めて悪く見積つて１０％として
も０．５ｗａｔｔで足りることになり、必要出力は極め
て小さい。

電動ポンプがこれ程に小容量、低効率で足りるとすれば
、第１図の溜り場１０３はこれを第３図のようにも構成
することができる。

第３図では銅パイプ１１の下部にふくらみを持たせその
下に非通気性，非導電性，非磁性の筒形容器１１１が封
止接着剤１１２で取付けられている。

銅パイプ１１のふくらみ内に固定された歯車ポンプ１６
の回転軸に直結するヒステリシスモーターの回転子１７
１は、筒形容器１１１の外にある固定子１７４の作る回
転磁界で駆動される。歯車ポンプ１６の吐出口１２２に
は送液パイプ１２が接続されている。この構成の電動ポ
ンプでは電気部品がすべて密閉容器外となるので設計製
作が容易である。

本発明の装置は様々に応用変形することができる。以下
それについて述べる。

第１図の熱運搬系は次のように変形できる。

先づ集熱パネル部分であるが、第４図のように蒸発部を
１次（直接）と２次（間接）の２段階にわけ、１次のＴ
字形ヒートパイプ　４１〜４３で各単位集熱パネル４１
０〜４３０で集めた熱をＴ字の頂部に集め、この熱を頂
部を貫通する本発明の装置の蒸発部２１４で２次的に集
熱するのである。かゝる集熱パネル４１０〜４３０　の
集合体が複数あるときには第４図のように本発明の装置
のパイプ１１の先端部を２１５と２１４に分岐させると
共に、パイプ１１の内部でも送液パイプ１２の先端部を
２１４，２１５の内部に向つて分岐させ、第１図同様に
開口させる。このときに は分岐パイプ２１４，２１５はこれを水平にするか又は
先端に向つて若干下り勾配にするか、さもなければ全長
にウイツクを収容し液が全体を濡らせるよう考慮すべき
である。

ヒートパイプ４１〜４３と蒸発部２１４の結合は、直接
溶接することのほかに、第５図のようにＴ字形ヒートパ
イプ例えば４１の頂部にあらかじめ貫通孔５０を設けて
おき蒸発部２１４を現場組立の際に挿入して接続する方
法が採用できる。このときは両者の嵌合を良くして隙間
を作らず、また挿入のときにはサーモグリースを塗布す
る。

次に機械的ポンプであるが、これには往復式ポンプ，ダ
イアフラムポンプ，回転式ポンプ等が使用できる。回転
式ポンプは耐久性の点で有利であり、歯車ポンプ、再生
ポンプ，うず巻ポンプ，多段斜流ポンプ等高揚程型がよ
い。

一方、この機械的ポンプの駆動源には、上述の電力のほ
かに、空気圧力、水力等が使用できる。

密閉容器内の機械的ポンプを駆動するのであるから、例
えば第３図のように、容器外で磁石を往復動又は回転動
させ、これと磁気的に結合する容器内の磁石又は磁性体
で間接的にポンプを駆動するという方法を採用するのが
よい。交流電力を使用すれば誘導電動機やヒステリシス
モーターを第１〜３図のように使えるので、装置の耐熱
性，耐水性，耐久性を高めるのが容易である。

パイプ１１の経は所要の通過蒸気量に合せ，送液パイプ
１２の経は所要送液量に合せて選定するが後者は極く小
経で足りる。材料は銅のほか、送液抵抗の小さいテフロ
ンが使用できる。開口部は熱源に適合するよう分岐し、
それぞれの送液量を調節し分配する。絞りを設けて加減
するのが確実であり，密閉容器内の作動流体が極めて清
浄であるためスケールの付着等による不具合の発生の心
配はないの蒸発部が第１図の２１と違つて、上り勾配を
もつ場合は送液パイプの開口は上りの頂上に置くべきで
ある。蒸発部全面をまんべんなく液で濡らせるため、パ
イプ１１の内側にウイツクを付設したり、送液パイプに
多数の漏液孔をあけておくこともしたりする。

本発明の溜り場（及び電動ポンプ）はパイプ１１にその
経を変えることなく完全に内藏させて熱運搬系の途中に
設置することもある。系が長大となり殊に上下に屈曲を
繰返すようなときには系の途中に設置してその局部で液
を汲み上げることもある。これを第６図に示す。第６図
の本発明の装置６では、６０は加熱部、６１，６２は溜
り場、６３は凝縮部、点線６１０，６２０は送液パイプ
の布設部分を示す。凝縮部が低位のときはその未端を溜
り場ともする。

かくして本発明は、高低，距離，熱伝達量の殆んどあら
ゆる条件に過不足なく対応することができる。

本発明の熱伝達装置は上記の通りであつて、熱サイフオ
ン型ヒートパイプの改良と言うことができる。熱サイフ
オン型ヒートパイプのもつ簡素，安価，堅牢その他の長
所はすべて保有する。そしてヒートパイプの欠点であつ
た低所への熱運搬，長距離熱運搬の困難を簡単な付加装
置で完全に克服するものである。ヒートパイプに慣用さ
れている諸技術、即ちダイオード特性の付加や可変コン
ダクタンス機能の付加はこの装置でも支障なく採用でき
る。

殊に本発明の装置は太陽温水器の熱運搬に威力を発揮し
、強制循環方式の集熱ポンプ，集熱パイプの往路，弁類
，差温検出器等を省略し、しかもこれに勝る集熱制御、
熱運搬能力を現わす。このほか、装置の凝縮部を地中に
埋設し蒸発部を室内に置けば地下又は地下水の冷熱で室
内を冷房することができる。（この装置は容易に冬期（
電動ポンプを停止）に煖房装置ともなるような構成とな
しうる。）工業上極めて有益な発明ということができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を利用法と共に示す断面図。第
２図はその一部の溜り場の側断面視図。 第３図は、溜り場部分の別の実施例の断面図。 第４図は集熱パネル部分の平面図。 第５図はその一部の別の実施態様の断面図。 第６図は、本発明の熱運搬の別の実施例の骨組図。 １０：本発明の熱伝達装置。 １１：銅パイプ。　１２：送液パイプ。 １６：回転式ポンプ。　１７：その駆動電動機。 ２１：蒸発部。　３１：凝縮部。 １２１：送液パイプの開口。１２２：ポンプの吐出口。 １０３：液の溜り場。 特許出願人　灘口明ほか２名

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　密閉容器内にて蒸発部から凝縮部へ作動流体の
   蒸気を移動させることにより、気化の潜熱のかたちで熱
   を輸送する熱伝達装置において、該密閉容器内の低所に
   ある該作動流体の凝縮液の溜り場に吸入口を開口する機
   械的ポンプと、この機械的ポンプの吐出口に一端を接続
   し、他端を該密閉容器内の蒸発部方向の高所に開口する
   送液ポンプを該密閉容器内に設けたことを特徴とする熱
   伝達装置。
2. （２）　該機械的ポンプが電動機で駆動される回転式ポ
   ンプである第１項記載の熱伝達装置。
3. （３）　該電動機の回転子が該密閉容器内にある第２項
   記載の熱伝達装置。