JPS6129629A - 熱媒体の搬送方法及びその装置 - 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】 ・産業上の利用分野 木発門は、温水暖房基−ｌ）は浴槽、給湯用の水を加熱
する熱媒体の搬送方法及びその装置に関するものである
。

・ぜ末技術とその欠点 従来の熱媒体の搬送方法としての温水暖房装置を例にす
ると、温水ボイラーと放熱器間を往復路から成る温水循
環パイプで連結し、温水は循環ポンプを利用して強制的
に循環させている。

このため、循環ポンプに関係するトラブルが多いと共に
循環ポンプ運転用の電力費も嵩む。

そこで、循環ポンプを使用しなｌ、）温水暖房装置とし
て、第１図に示すような熱気泡ポンプ方式力く公知であ
る。

この熱気泡ポンプ方式とは、受熱器Ｏ１からの入熱で発
生する熱気泡により、気液上昇管０２を介して気液分離
槽０３に熱液が溢流し、この熱液は熱液連絡管０７から
放熱器０１０に流入して放熱を行ない、放熱の終了した
熱液は気液分離槽０３の液面と貯水槽０４の液面との間
に生じてＩ／する水頭差圧Ｈにより連絡管０８を介して
貯水槽０４内に戻るという自然循環作用である。図中０
５は連絡管、０６は蒸気連絡管、０９は熱液発生器、０
１１は加熱器である。

上記熱気泡ポンプ方式は熱液の自然循環量は加熱器０１
１の熱量を増加すれば増量できるが、同時に気液分離槽
０３に放出される蒸気量も増加し、系全体の蒸気圧が上
昇するため、放熱器０１０の設置数に限界があり、小型
の温水暖房装置にしか適用できないという欠点がある。

第２図は上記熱気泡ポンプ方式の欠点を解消する方法の
一つであり、蒸気連絡管０６の一部を凝縮器０１３とな
し、冷却ファン０１２で蒸気を強制的に凝縮させて系全
体の蒸気圧の上昇を妨ぐというものである。

しかしこの場合、凝縮器０１３での熱利用が難しく、熱
損失の大きな要因の一つとなる。しかも熱液循環量を大
きくするには熱気泡の発生を増大しなければならず、熱
効率に多大な影響を及ぼすと共にファン０１２において
は電力も消費する。

その他、特公昭５９−１８６２９及び特開昭５０−４２
４５１には、上記と同じように気泡の移動により熱媒体
を移動させるという技術が開示されているが、この二つ
の例も原理的には熱気泡ポンプ方式である。

・本発明の目的 本発明の目的は、循環ポンプを使用しないで自然循環に
より熱媒体を循環させるものであって、熱損失が少なく
、比較的大型の暖房或いは給湯等に対しても適用するこ
との出来る熱媒体の搬送方法及びその装置を提供するこ
とである。

・本発明の構成 本発明は、上記目的を達成するために、従来の熱気泡利
用のように見かけ上の比重差により熱媒体を搬送（上昇
）させるのではなく、搬送路の内径を気泡の最大直径よ
りも小さく設定して気泡間に熱媒体を封じ込め、例見ば
ピストン或いはピグのような作用で熱媒体を移送すると
共に推進力は見かけ上の比重差ではなく、後続して連続
的に発生する気８（本発明では「核沸騰気泡」という）
の膨脹力に基づく押し上げ作用に依存している。

又、上記核沸騰気泡は、放熱部において凝縮させること
により消滅させるもので、この消滅時に潜熱を周囲の気
体又は液体に与える。

本発明は上記核沸騰気泡による熱媒体の封じ込めと後続
して発生する核沸騰気泡による押し上げ作用で系路内に
熱媒体の自然循環をつくるもので、具体的な技術手段は
、ガス、電気等の加熱源を付属した受熱管と、この受熱
管に続いて垂直又は昇り勾配をつけて延長された気液上
昇管及びこの上昇管から水平又は下り勾配をつけて延長
された横引き管及びこの横引き管から垂直又は下り勾配
をつけて延長された下降管と、下降管の途中において前
記受熱器内に封入された熱媒体の液面よりも上部に位置
する凝縮部と、前記凝縮部の出口と前記受熱管とを結ぶ
戻り管と、から成り、更に、気液上昇管の内径を核沸騰
気泡の最大直径よりも小さく設定して成るものである。

そして、上記構成の熱媒体搬送装置は、受熱管内の熱媒
体中において連続的に核沸騰気泡を発生させて熱媒体を
加熱すると共にこの熱媒体を気液上昇管内において核Ｓ
騰気泡間に封じ込め、後続する核沸騰気泡の膨脹力によ
る押し上げの作用で気液上昇管内に上昇流を作り、この
流れが凝縮部に至った処で周囲に放熱し、この放熱によ
る冷却の作用で核沸騰気泡を消滅させて系内を減圧し、
凝縮液は戻り管を介して再び受熱管に戻る自然循環作用
を行なうものである。

・実施例そのｌ 以下に本発明方法の一実施例について図面とともに説明
する。第３図（ａ）は本実施例において、熱負荷を加え
る前の状態である。１は加熱器であり、受熱管８の内部
は作動液（熱媒体）で充たされており、熱源は、受熱管
８の内部又は外部に設置される。受熱管８の上部には作
動液の物性及び加熱インプットで特定される気泡の最大
直径以下の気液上昇管５が接続され、気液上昇管５の外
周は熱放散を抑制するための保温材９で断熱されている
。気液上昇管５の最頂部までの管径は前記特定された直
径以下でなければならないが、最頂部以後の管径は気液
流の状態の変化を無視すれば、太くすることもできる。

気液上昇管５の後段には凝縮器２が接続され凝縮器２の
下部に接続する放熱器３および凝縮液戻り管４を介して
凝縮液６を受熱管８に返送する。本実施例における作動
液の密封ループ内への張り込み方は、受熱管８の頂部よ
り上で定常作動時に凝縮液戻り管４内の凝縮液６の最上
面が娘に受熱管８の頂部より上に保持されるようＨだけ
高い部位まで充填する。

次に本実施例の動作について説明する。

第３図（ｂ）は定常加熱時における気液上昇管５内の気
液泥流の作動を示している。管径に膨張した核沸騰気泡
１０は後続して発生する核沸騰気泡の膨脹力により気泡
の上に沸点に近い温度の作動液１１をのせ、さらに後続
して発生する核沸騰気泡の膨脹力で気液上昇管５内を上
昇しつづけ、凝縮器２に達する。凝縮器２に達した核沸
騰気泡は凝縮して作動液１１と合体し凝縮液管６および
放熱器３を介して加熱器１内の受熱管８に還流する。

定常作動時における凝縮液戻り管４液面と受熱管８底部
との水頭差Ｈ′は、気液上昇管５内の気液ＲＩ＆頂部か
ら受熱管８底部が受ける水頭圧力であり、このバランス
を保てる範囲で、気液上昇ｖ５の高さは有効である。

本実施例において、気液上昇管５内の核沸騰気泡ＩＯと
作動液１１とじて水を使用した場合の容積比は約９０：
１０であり、質量比はｌ：９９となるため、凝縮器２で
気泡が凝縮・消滅することは急激な圧力の低下となり、
気液上昇管内の圧力分布が受熱管８から凝縮器２に向っ
て低下する勾配となるため、核沸騰気泡のＷ脹によって
生じる抑圧による液体の移送、すなわち核沸騰ポンプ作
７用がスムーズに継続できる。

第４図（ａ）から（ｆ）は核沸騰気泡の膨張によって生
じる抑圧による液体の移送、すなわち核沸騰ポンプ作用
を加熱初期から経時的に図解したものである。

第４図（ａ）において１２は沸点にある液体であり、１
５は加熱源である。１４は加熱源１５から受熱した液体
の一部が核沸騰を開始する時点であり、１３は核沸騰気
泡がやや成長した状態を示している。ここで入熱速度が
大きい場合、管径が充分には大きくない場合、気泡が浮
力によって熱源から離脱する以前に管径のサイズに膨張
し、管壁と蒸気球とで液相を２分する。この蒸気球は浮
力を受けにくく、後発の核沸騰気泡の膨脹力に押され、
熱源から離脱するまで、熱源から受熱して膨張するか、
隣接する蒸気球と合体したり、分裂することもある。

逆に加熱速度が小さな場合、核沸騰気泡の膨張速度が小
さく管壁に達する前に浮力を受け、熱源から離脱するた
め気泡が成長しないことがあり、この場合には核沸騰ポ
ンプ作用が得られない。

第１表は熱媒体に水を使用し、気液上昇管５の内径を５
／８Ｂ、３／４Ｂ、ＩＢに設定した場合の水の循環量と
蒸気比を示したものである。

以丁余白 第１表 〔但し、全循環系の長さ７，０００　ｍｍ、加熱源から
気液上昇管頂部までの高ざ３，０００ｍｍ） ・実施例その２ 第５図は本発朗を温水暖房装置に実施した実施例を示し
、第５図において１は受熱器であり、本実施例では直径
ＩＢ、長さ７００ｍｍの銅パイプに２ＫＷのマイクロヒ
ーターを内蔵させてあり、こり受熱器ｌの上部には保温
材９で充分に断熱した気液上昇管５が導設されている。

受熱器ｌに続く気液上昇管５は直径５／８Ｂの鋼管が使
用され、最頂部より同径の横引き管７が導設されている
。

横引き管７の立下り部で、封入液面ＬＬより高い位置に
凝縮器２を接続、設置し、封入液面ＬＬより低い位置に
放熱器３を配し、放熱器３の後方に配する凝縮液だめ１
３を介して凝縮液を受熱器１に自然循環させる。

本実施例で封入液面ＬＬは地面Ｃ点より１ｍ高所のＡ点
に設定し、受熱器ｌはＡＣ間に設置された。また気液上
昇管５の最頂部Ｂ点はＡ点の上方２．５ｍとした。

次に上記実施例の動作にっ″いて説明する。

受熱器１が作動し、核′ｓＩ！ｌが開始すると受熱管内
で連続的に発生する核沸騰気泡の膨張によるポンプ作用
と、断熱された気液上昇管５内での過熱気泡の弁作用と
によって、過熱気泡と管壁との隙間に封じ込まれた熱液
は気液上昇管５内を移動し、横引き管７とその立下り管
１４を経て凝縮器２に達する。弁作用を終えた過熱気泡
は凝縮器２で潜熱を放出して消滅し、凝縮液となって下
方の放熱器３に達し、顕熱の一部を放出した後、凝縮液
だめ１３を介して受熱器１に還流する。

本実施例においては特定直径以下の受熱管で発生する核
沸騰気泡の［１１脹によって生じるポンプ作用と、断熱
した気液上昇管内の過熱気泡による弁作用を熱液の管輸
送に利用しており、受熱器の構造・機能が極めて重要な
要素となっている。

第６図（ａ）から（Ｃ）は本実施例において試験した受
熱器ｌの構造を示しており、（ａ）　、　（ｂ）は受熱
管１、気液上昇ｖ５とも直径５／８Ｂの鋼管とし、外部
からの電気加熱で作動させ、全く同等の特性を示した。

（ｃ）は気液上昇管５は直径５／８Ｂの鋼管であるが受
熱器ｌは直径６Ｂの鋼管を加工したものであり、加熱器
８内の頂部に発生する蒸気溜１６の過剰蒸気が気液上昇
管５に熱気泡として流入するときに巻き込まれる熱液１
５を管輸送するもので、核沸騰気泡ポンプ作用とは異な
り、一般的に熱気泡ポンプ作用と称せられる現象に属し
ている。

本実施例では第６図（ａ）とＣｃ）の受熱器１を第５図
の受熱器ｌとして使用し、いずれも約２ＫＷの熱入力で
試験し、乾き度によって性能比較した。

第２表は、両者の熱液輸送性能の差を乾き度によって示
したものであり、乾き度が小さいということは少量の蒸
気泡で多量の熱液を輸送することを意味し、液体輸送ポ
ンプとしての性能の良さを示す指標となる。

第２表　ｏＪ麺、インプット１７３０Ｋｃａｌ／ｈ）け Ｐ゛ ポン 響 ・実施例その３ 次に第７図に自然循環式暖房装置の実施例を示す。

木実施例の構成において最も重要なことは、気液上昇管
５の横引き管に凹部をつくらないことであり、次に重要
なことは、封入液面ＬＬを基準として凝縮管が常にその
上部にあり、しかも凝縮液が下方に自然落下でき、放熱
管１８に液柱として連絡できる構造とすることである。

図中１７はファン、１９は温風吹出口を示す。

・実施例その４ 第８図は本発明方法を利用して給湯タンク内の木を加熱
する実施例を示し、給湯タンク２ｏ内に凝縮部２と放熱
部３を装入し、潜熱と顕熱により給湯タンク２０内の水
を加熱する。図中２１は出湯管、２２は給水管を示す。

なお、」１記実施例と同一の方法により、浴槽加熱を行
なうことができる。この場合には、上記給湯タンク２０
が浴槽となり、出湯管２１、給水管２２がなくなる。

・本発明の効果 本発明は以上のように、核沸騰気泡により気液上昇管内
において熱媒体を封じ込め、後続して発生する核沸騰気
泡の膨脹力（成長）とこの押し上げ作用により気液に上
昇流を発生させ、次に核沸騰気泡を凝縮（消滅）させて
系内の減圧を行ない、周囲に潜熱を与え、更に顕熱を与
えて系内を自然循環するようにしたので、次の如き効果
を期待できる。

（ａ）核沸騰気泡の膨脹力によるポンプ作用と過熱気泡
の弁作用とを利用した液体輸送方法であり、液体輸送量
に対する蒸気量の割合が、従来の熱気泡ポンプに比較し
て極めて小さい。

（ｂ）従来の熱気泡ポンプでは蒸気泡は単に熱液を上昇
させる動力としてのみ利用しているが、末法は液体輸送
の動力として利用している蒸気を利用端で熱回収できる
ため、熱効率が極めて高い。

（ｃ）末法は熱搬送媒体の主体である熱液と、動力とし
ての蒸気泡とを、ポンプを使用せず、自然循環できるた
め、機械故障がなく、かつ騒音も発しないため、極めて
安定した熱利用装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱気泡ポンプの説明図である。第２図は熱気泡
ポンプの改良型の説明図である。第３図は本発明方法の
説明図にして、（ａ）は熱負荷を加える前、（ｂ）は熱
負荷を加えた後の状態図である。第４図（ａ）〜（ｆ）
は本発明の原理説明図である。第５図は温水暖房装置に
本発明を実施した実施例図である。第６図（ａ）〜（Ｃ
）は受熱器の実施例図である。第７図は自然循環式暖房
装置に本発明を実施した実施例図である。第８図は給湯
装置に本発明を実施した実施例図である。 １・・・・・・加熱器、２・・・・・・凝縮器、３・・
・・・・放熱器、４・・・・・・凝縮液戻り管、５・・
・・・・気液上昇管、６・・・・・・凝縮液、７・・・
・・・横引き管、８・・・・・・受熱管、９・旧・・保
温材、１０・・・・・・核沸騰気泡、１１・・・・・・
作動液、１２・・・・・・液体、１３・旧・・凝縮液だ
め、１４・旧・・立下り管、１５・・・・・・熱液、１
６・旧・・蒸気溜、１７・・・・・・ファン、１８・・
・・・・放熱管、１９・旧・・温風吹出口、２０・旧・
・給湯タンク、２１・・・・・・出湯管、２２・・・・
・・給水管。 第１図 第２図 第３図 （Ｑ） 第６図 （Ｑ）　　　　　（ｂ） （Ｃ） ε二睡− 手続補正書（方式） 昭和６０年２月７日 １、　事件の表示 特願昭５９−１５１５３３ ２、　発明の名称 熱媒体の搬送方法及びその装置 ３、補正をする者 事件との関係　出願人 東京都港区海岸１丁目５番２０号 東京瓦斯株式会社 代表者　　渡辺　　宏 ４、代理人 東京都文京区本駒込５丁目７３番２号 明細書区面の簡単な説明の欄　　　　−６、補正指令の
日付 昭和５９年１０月　９日 昭和５９年１０月３０日　発送 ７、　補正の内容 （１）明細書１７ペ一ジ図面の簡単な説明の欄において
、「第４図（ａ）〜（ｆ）は本発明の・・・」とあるの
を［第４図は本発明の・・・」に訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核沸騰作用により熱媒体内に気泡を発生させ、この
   気泡により気液上昇管内に熱媒体を封じ込めると共に後
   続して発生する気泡の膨脹力により気液上昇管内に上昇
   流を発生させて一定の高さまで気液を持ち上げ、次に流
   下させながらその途中において気泡を凝縮させることに
   より潜熱を周囲に与えると共に系内の減圧を行ない、凝
   縮液は更に顕熱を周囲に与えて核沸騰作用部に戻す熱媒
   体の搬送方法。 ２、ガス、電気等の加熱源を付属した受熱管と、この受
   熱管に続いて垂直又は昇り勾配をつけて延長された気液
   上昇管及びこの上昇管から水平又は下り勾配をつけて延
   長された横引き管及びこの横引き管から垂直又は下り勾
   配をつけて延長された下降管と、 下降管の途中において前記受熱器内に封入された熱媒体
   の液面よりも上部に位置する凝縮部と、前記凝縮部の出
   口と前記受熱管とを結ぶ戻り管と、 から成り、更に、気液上昇管の内径を核沸騰気泡の最大
   直径よりも小さく設定して成る熱媒体の搬送装置。 ３、凝縮部の下部に放熱部を介在させて成る特許請求の
   範囲第２項記載の熱媒体の搬送装置。