JPS6354981B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽熱集熱器のヒートパイプに関す
る。特に、水を熱媒体とする太陽熱集熱器のヒー
トパイプにおいて、その形状を改良したものに関
する。

従来の太陽熱集熱器のヒートパイプ２の形状
は、第１図に示すように、ほぼ直線状の直管をな
している。このようなヒートパイプ２が、真空ガ
ラス管１の内部に配置される。このヒートパイプ
２中の封入水３の水面４は、ヒートパイプ２の先
端２１においては、ほぼパイプの上面に接するよ
うになつている。ヒートパイプ２と冷却水との熱
交換部（ヘツダー）は第１図の右方にあり、ヒー
トパイプ２を作動させるためには、パイプ２のヘ
ツダー側を図示矢印Ａの如く少し持上げて傾斜さ
せ、封入水４が十分Ｂ方向に移動し得るようにし
て、水がパイプ２の先端にまで至るようにするの
が有利なので、水面４は水平である結果、先端２
１での水位はパイプ２に対してどうしても上がら
ざるを得ないからである。実際はパイプ２は図の
右がわを1゜程度上げて傾斜させるのが通常であ
る。左方のヒートパイプ２の水位は、さらに表面
張力で内壁に沿つて上昇する。

このようにヒートパイプ２の先端２１は、水が
パイプ２の上面にまで至るので、封入水３が冬期
に凍結してその体積が９％増加した場合、ヒート
パイプ２容器が破裂し易くなるという問題が生じ
ている。

本発明の目的は、太陽熱集熱器のヒートパイプ
封入水が凍結しても、パイプ容器が破裂する虞の
ないヒートパイプを提供することにある。

この目的を達成するため本発明のヒートパイプ
は、ヒートパイプ集熱部の内径を全長にわたつて
ほぼ同一にするとともに、ヒートパイプをほぼ水
平に設置し、そのヒートパイプ先端部を上方に曲
げ上げて、ヒートパイプに熱媒体用の水をいれた
場合、先端部におけるその水位の上に余裕空間が
形成されるように構成する。

かかる構成をとれば、水が万一凍結して体積が
増えた場合でも、それは余裕空間に対して増加す
ることになり、氷はパイプ内壁を衝圧することな
く、従つてパイプ破損は確実に防止できる。

以下本発明の実施例の内の若干につき、図面を
参照して説明する。

第２図に示すのは、本発明の第１の実施例であ
る。

このヒートパイプ２は、先端部６を上方に曲げ
上げて、熱媒体用の水３を入れた時その水面４の
水位上に余裕空間７が形成される構成としたもの
である。このような構成により、水３が凍ること
があつても、それは余裕空間７で膨張し、パイプ
破損をもたらすことは防止できる。

本実施例では、先端における水位４１が、パイ
プ２の内径の70％以下になるように、先端部６を
曲げ上げ構成してある。また、本実施例では、先
端部６を曲げ上げるための折曲部５における水位
４２が、パイプ２の内径の85％以下になるように
設ける。

即ち本例においては、ヒートパイプ３内の封入
水の水面４が、先端部６特にその端板８の位置で
低くなり、余裕空間７ができるようパイプ容器を
折曲部５で鉛直上方（つまりパイプ２を水平の配
置状態にした場合における鉛直方向での上方）に
折曲げて、先端部６を鼻曲管状の形状にするもの
であるが、その際ヒートパイプ内径をｄ、先端水
位をｙ、折曲部５の水位をｘとすると、下記条件
を満足するパイプの折曲げを行うように、折曲げ
傾斜角を設定する。

ｘ／ｄ＜0.7 …(1) ｙ／ｄ＜0.85 …(2) このような条件で曲げ上げ先端部６を構成する
と、設置の際に、先端まで水３が行くようにヒー
トパイプ２を水平から少し傾斜させても、水蒸気
がヘツダー部に行つて凝縮後に帰つて来る作動条
件と、所期の凍結対策とを良好に両立させ得る。
即ち、ヒートパイプの性能は、構造上、熱媒体の
蒸気及び凝縮液とヒートパイプの内部形状との流
動抵抗のバランスによつて左右されるため、ヒー
トパイプの構造は、熱媒体の蒸気及び凝縮液が循
環するときに妨げとならない、内部形状の円滑な
ものが良い。本発明のヒートパイプは、内径が全
長にわたつてほぼ同一のヒートパイプを用い、そ
のヒートパイプ先端部を上方に曲げ上げて凍結破
損防止対策を行つているので内部形状を円滑にす
ることが出来る。しかも、本発明のヒートパイプ
はほぼ水平に設置しているので、加熱面全体に熱
媒体を分布させることができ、集熱開始時の起動
性を良くすることが出来る。このように、本発明
では、ヒートパイプの性能を確保しながら所期の
凍結対策をすることが出来る。

本例の如きヒートパイプ２は、例えば直管部
に、所定条件で曲げ上がるように形成した先端部
６を銀蝋付けすることなどにより、容易に製造す
ることができる。

第３図は、本例と従来例について、水位に応じ
ての凍結時歪の変化を測定したデータである。被
検体は、本例のものが外径22.2mm、肉厚0.8mmの
銅管から成る先端部６（曲げ上げ先端部）を備え
たヒートパイプ、従来例が第１図の如き直管のヒ
ートパイプである。各々先端に歪ゲージを設置し
て測定を行つた。この図からわかるように、黒点
で示す従来例の直管では、水位75％程度から歪が
増え、80％ではかなりの歪となり、水位85％で水
を入れると大きな歪発生となる。これに対し、白
点で示す本実施例の場合は、水位85％程度までは
殆んど歪の増加はない。90％以上で歪増加となる
だけである。

試験条件は、温度変化幅が±15℃サイクル、設
置角は水平設置で、ともに全長250mm（本実施例
のものは曲げ上げ先端部６が30mm）のものを用い
た。

このデータから、本例の如きヒートパイプを用
いれば、水平設置の場合でも少なくとも最高水位
85％までは、凍結時歪の問題は全く発生しないこ
とがわかる。上記した(1)、(2)式の条件は、具体的
に実施するに当たつてこのような各種実験により
求めて設定した設定条件である。

従つて本構成によれば、水位が最大となるヒー
トパイプ折曲部５における水位ｙも、直管の場合
より高くできるため、結局ヒートパイプの許容設
置角をも大きくできるという利点を有することに
なる。

即ち、第６図を参照して、ヒートパイプを傾斜
させた時の効果について述べれば、次のとおりで
ある。第６図は、本例構成の形状を有するヒート
パイプと、従来の直管のヒートパイプとにつき、
ともに水平から0.9゜傾斜して設置して、１日±20
℃の熱サイクルを印加後、その外径を測定した結
果である。被検体はともに長さ2.5mの銅製のも
ので、直径22.2mm、肉厚0.8mmであり、水は150cm³
封入されている。白点で示した本発明の実施例
（曲げ上げ先端部５長さ100mm）の方は、熱サイク
ル回数が24回経過後でも、つまり24日経過後で
も、外径に変化はみられなかつた。ところが従来
の直管の場合は、サイクル回数に応じて外径は変
化しており、24サイクル経過後には外径は６mm増
加して、破裂段階に近づいている。

このように本構成を用いれば、0.9゜の傾斜を行
つても、ヒートパイプ凍結時には、従来の直管ヒ
ートパイプと比較して凍結による破損の発生の虞
はきわめて小さく、破損することは殆んどあり得
ないものである。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、曲
げ上げた先端部６は円みを有している。このため
このヒートパイプ２は絞り出し加工で製造でき、
折曲部５を溶接する必要がない。第２図の例の形
状であれば、その折曲部は溶接せざるを得ない場
合が多いが、本例の場合は絞り加工でき、溶接不
要で、大量生産用に適するという効果がある。な
お、θは傾斜角である。

第５図は、更に別の実施例である。この例のヒ
ートパイプ２は、２か所の折曲部５ａ，５ｂにお
いて曲げ上げたものである。特にヒートパイプ２
の管径が比較的小さい場合は、折り曲げ場所の数
を多くすると、許容設定誤差を大きくできるとい
う利点がある。

第４図、第５図の例とも、折曲部５，５ａ，５
ｂの水位は内径の85％以下、先端の水位は75％に
なるように先端部６の曲げ上げのための折曲げ角
度を設定して、実際の使用に供することができ
る。

上記説明した各ヒートパイプ２は、例えば第７
図及び第８図に示すようにして実際に使用するこ
とができる。

第７図は、ヒートパイプ２の配設状態を示すも
ので、ガラス管１の内部にヒートパイプ２が封入
されている。該ヒートパイプ２の他端がわはガラ
ス管１が出て、熱交換用のヘツダー９に接続され
ている。図中符号１０はヒートパイプ凝縮部であ
り、１１は冷却水であつて、この凝縮部１０で蒸
発した熱媒体（水）が凝縮して、熱交換が行われ
る。ガラス管１の内部は真空になつている。ヒー
トパイプ２内の封入水３は、図の状態では相当部
分が蒸発していることを想定しており、少ない量
で図示してある。

第８図は、このような太陽熱集熱器を屋根１２
の上に設置した状態を示す。図における左右方向
は南北方向であり、従つて図示の如く屋根の南北
方向に対して、真空ガラス管１は東西方向に設置
される。このような設置であると、夏至、春秋
分、冬至の各時期の光線はそれぞれ符号，，
で示すようになり、東西方向にほぼ水平に設置
したヒートパイプ２に対し、一日中効率の良い光
照射が行われる。図中１２は反射鏡であつて、光
を能率良くヒートパイプ２に集光させる役割を果
たす。

上述の如く本発明に係る太陽熱集熱器のヒート
パイプは、その先端部を上方に曲げ上げて、熱媒
体用の水を入れた場合その水位の上に余裕空間が
形成される構成としたので、パイプ内の水が凍結
した場合でもその体積膨張は余裕空間内において
増加し、従つてパイプ破損をもたらすことが防止
される。かつこのような効果は、ヒートパイプを
水平からやや傾斜させた時にも維持され、従つて
凍結の虞を防止しつつヒートパイプ設置の傾斜角
度を大きくすることができて、効率が良いという
効果をも有する。

なお当然のことではあるが、本発明は図示の各
実施例にのみ限定されるのではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の断面図である。第２図は本発
明の第１の実施例の側面図である。第３図は従来
例と該実施例との歪測定結果を示すグラフであ
る。第４図及び第５図は各々本発明の他の実施例
を示す側面図である。第６図は従来例と第３図の
実施例とについてのヒートパイプ外形変化の測定
結果を表すグラフである。第７図及び第８図は、
上記各例の設置状態の一例を示す図である。 ２…ヒートパイプ、３…水（封入水）、４…水
面、４１…（先端部における）水位、４２…（折
曲部における）水位、５…折曲部、６…（曲げ上
げ）先端部、７…余裕空間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水を熱媒体とする太陽熱集熱器に用いるヒー
   トパイプにおいて、該ヒートパイプ集熱部の内径
   を全長にわたつてほぼ同一にするとともに、該ヒ
   ートパイプをほぼ水平に設置し、かつ該ヒートパ
   イプ先端部を上方に曲げ上げて、ヒートパイプに
   熱媒体用の水をいれた場合、ヒートパイプ集熱部
   の全長にわたつてその水位の上に余裕空間が形成
   される構成としたことを特徴とする太陽熱集熱器
   のヒートパイプ。 ２ ヒートパイプ先端における水位がパイプ内径
   の70％以下になるように先端部を曲げ上げて構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の太陽熱集熱器のヒートパイプ。 ３ 先端部を曲げ上げるために折り曲げた該曲部
   における水位が、パイプ内径の85％以下になるよ
   うに先端部を曲げ上げて構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の太
   陽熱集熱器のヒートパイプ。