WO2005008161A1 - 熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法ならびに植物の栽培方法 - Google Patents

熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法ならびに植物の栽培方法 Download PDF

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WO2005008161A1
WO2005008161A1 PCT/JP2004/010313 JP2004010313W WO2005008161A1 WO 2005008161 A1 WO2005008161 A1 WO 2005008161A1 JP 2004010313 W JP2004010313 W JP 2004010313W WO 2005008161 A1 WO2005008161 A1 WO 2005008161A1
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WO
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pipe
wall surface
tube
inner pipe
heat
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PCT/JP2004/010313
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English (en)
French (fr)
Inventor
Toshio Takehara
Hiroaki Kosai
Original Assignee
Takehara, Chikara
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/0226—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with an intermediate heat-transfer medium, e.g. thermosiphon radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular

Definitions

  • the present invention relates to a thermal siphon, and more particularly, to a double-pipe type thermal siphon apparatus which is used by penetrating an inner pipe for flowing heat source fluid in an outer pipe, and is used for either cooling or heating (heating).
  • the present invention also relates to a multifunctional thermosyphon device that can be used, cooling using it, a warming device and method thereof, and a method of cultivating plants.
  • thermosyphon For a heat conversion device such as a heat pump whose heat exchange efficiency decreases as the temperature difference between heat exchange fluids decreases, a large amount of heat is transported with a small temperature difference using evaporation and condensation phase change.
  • Thermosyphons that can be used are being put to practical use in recent years.
  • a thermal siphon can be regarded as one form of a heat pipe in principle, and has excellent heat transfer characteristics and temperature uniformity of the heat pipe.
  • Japanese Utility Model 62- 1367 7 7 No. of double tube type heat pipe (thermosyphon) is disclosed.
  • one of the inner peripheral surface of the inner pipe and the outer peripheral surface of the outer pipe of the double pipe configuration is a heat receiving surface
  • the other peripheral surface is a heat radiating surface.
  • a heat medium which is vaporized by heat reception and which radiates heat to the heat dissipation surface by condensation is accommodated in a sealed space formed between the inner pipe and the outer pipe, whereby the heat transfer area of the heat receiving portion and the heat discharging portion is It is intended to reduce the size of the system and improve the heat transfer efficiency.
  • Patent Document 1 Japanese Utility Model Application Publication No. 62-136777 (claim for utility model registration, Fig. 1) Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and one object of the present invention is to simplify the installation work with an extremely simple configuration, eliminate the need for adjustment work, and reduce the manufacturing cost.
  • Thermosyphon device which can reduce the heat transfer efficiency as well as realize cooling and heating of the surroundings, cooling using the same, heating device and its method, and plant cultivation method It is to provide.
  • another object of the present invention is a thermo-silicon apparatus capable of performing ambient cooling or heating at a practical level by changing a heat source fluid while being one apparatus, a cooling / heating apparatus using the same, and a method thereof And to provide methods for cultivating plants.
  • Another object of the present invention is to provide a thermosiphon device excellent in peripheral cooling or heating function as compared with a conventional thermosiphon, a cooling using it, a heating device and its method, and a method of cultivating plants. It is to provide.
  • an inner pipe 14 is disposed longitudinally penetrating in a horizontally arranged outer pipe 12 and an operation between the outer pipe 12 and the inner pipe 14 is performed. It is a double-tube type thermal siphon that encloses and seals the working fluid Q in the space S, and allows heat exchange with the outside of the outer tube while flowing the heat source fluid U inside the inner tube 14.
  • a thermal siphon apparatus comprising: an outer tube that cools or heats while being evaporated in one part and condensed on the other wall surface.
  • the thermal siphon device of the present invention is a double-piped thermal siphon device disposed horizontally long, and is capillary force of a large number of narrow concave grooves in the circumferential direction of the outer tube wall surface and the outer tube outer wall surface facing the closed operation space. Raise the hydraulic fluid, and directly contact any tube wall that receives heat to evaporate the hydraulic fluid.
  • the surface tension and capillary force of the working fluid for groove width, groove cross-sectional shape, pitch width interval, spiral continuous or one loop complete groove, continuous in the longitudinal direction of the tube or intermittent, etc. It may be set arbitrarily as long as it holds the function that can be raised in the circumferential direction via.
  • As the hydraulic fluid water, ammonia, etc. may be used besides alcohol.
  • the thermal siphon apparatus of the present invention can be applied as cooling from the lower floor part of a house or a building, heating, heat exchange with another fluid or gas, and various other cooling / heating (heating) apparatuses.
  • the narrow groove may be a groove having a groove width Wg shown in a predetermined relational expression as a maximum allowable groove width and having a predetermined groove depth Hg at that time. .
  • the inner pipe 14 is an eccentric double pipe in which the axial center CS is disposed at a position eccentric from the axial center CL of the outer pipe 12, and the inner pipe 14 has its axial center CS being an outer pipe. It is better to place it at a position below the center of gravity CL.
  • the surrounding heat source can be cooled or heated with one device by switching the heat source fluid u to cold energy or heat energy. It consists of cooling and heating equipment.
  • the inner pipe 14 is disposed by penetrating the inside of the horizontally arranged outer pipe 12 in the longitudinal direction, and the working fluid Q is introduced into the working space S between the outer pipe and the inner pipe.
  • a double-pipe thermal siphon that is sealed and sealed and exchanges heat with the outside of the outer pipe while flowing heat source fluid U inside the inner pipe 14, and is a part of the outer pipe 12 facing the working space S.
  • a large number of narrow grooves G circumferentially engraved on either the inner wall surface 121 or the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 are provided, and the operating fluid Q is formed by capillary force via the narrow groove G.
  • a thermal siphon apparatus 101, 102 characterized in that it evaporates in either the evaporation section of the wall surface 121 or the outer wall surface 141 of the inner pipe and cools or heats the outer area of the outer pipe while condensing on the other wall surface. Be done.
  • the inner pipe is disposed longitudinally penetrating the outer pipe disposed laterally long, and the working fluid is sealed and sealed in the working space between the outer pipe and the inner pipe,
  • a double-tube type thermal siphon that exchanges heat with the outside of the outer tube while letting the heat source flow inside the inner tube, and the inner wall surface of the outer tube facing the working space and the outer wall surface of the inner tube
  • a large number of narrow concave grooves engraved in the circumferential direction are formed on both sides, and the hydraulic fluid is always carried on the pipe surface through the narrow concave grooves, and the vertical movement guide of the hydraulic fluid along each pipe surface
  • the method comprises a cooling and heating method using a thermosiphon characterized in performing cooling or heating of the outer tube outside area corresponding to the heat source fluid through performing the heat treatment.
  • the present invention comprises a plant cultivation method which is carried out by embedding the thermosyphon device according to any one of claims 1 to 4 in a plant cultivation soil.
  • the inner pipe is disposed longitudinally through the horizontally arranged outer pipe, and the working fluid is sealed in the working space between the outer pipe and the inner pipe.
  • a dual-tube thermal siphon that exchanges heat with the outside of the outer tube while letting the heat source fluid flow inside the inner tube, the inner wall surface of the outer tube facing the working space and the inner tube
  • On each of the outer wall surfaces there are provided a large number of narrow recessed grooves which are engraved in the circumferential direction, and the working fluid is raised in the circumferential direction of the wall surface by the capillary force through the narrow recessed grooves.
  • the mesh wick is formed on the inside of the tube by configuring the narrow groove to be a groove having a predetermined groove width Wg as the allowable maximum groove width and a predetermined groove depth Hg.
  • the inner pipe is an eccentric double pipe whose axis is disposed at a position eccentric to the axis of the outer pipe, and the inner pipe has its axis centered on the axis of the outer pipe.
  • the working fluid is efficiently evaporated from the narrow groove on the outer wall surface of the inner pipe, and condensed on the entire outer wall surface including the groove and other parts in the condensation process. Therefore, heat transfer efficiency is improved.
  • thermosiphon device is used as a refrigerator, and a heat source fluid is switched to heat or cold, thereby cooling or heating the surroundings with one device.
  • a heating device by using a heating device, it can be installed in various parts where cooling and heating of the surroundings are required, and switching between cooling and heating can be realized effectively.
  • the inner pipe is disposed longitudinally penetrating the horizontally arranged outer pipe, and the working fluid is sealed in the working space between the outer pipe and the inner pipe for sealing.
  • a double-pipe thermal siphon that exchanges heat with the outer area of the outer pipe while flowing heat source fluid into the inner pipe, the inner wall surface of the outer pipe facing the working space and the outer wall surface of the inner pipe.
  • the inner wall surface or the inner surface of the outer tube is provided while a large number of narrow recessed grooves cut in the circumferential direction are provided for any of the above and the hydraulic fluid is raised in the circumferential direction of the wall surface by capillary force via the narrow recessed grooves.
  • thermosiphon device Since the thermosiphon device is characterized in that it evaporates in any evaporation section of the outer wall of the tube and condenses on the other wall while cooling or heating the outer region of the outer tube, the outer tube Even if it is a double-pipe thermosiphon in which narrow grooves are provided only on either the inner wall surface or the outer wall surface of the inner pipe, Retirement, performed effectively their cooling or heating as needed for heating.
  • the inner pipe is disposed longitudinally penetrating the outer pipe disposed in a horizontally long manner, and the working fluid is sealed in the working space between the outer pipe and the inner pipe to seal it.
  • a double-tube type thermal siphon that exchanges heat with the outside of the outer tube while letting the heat source flow inside the inner tube, and the inner wall surface of the outer tube facing the working space and the outer wall surface of the inner tube
  • a large number of narrow concave grooves engraved in the circumferential direction are formed on both sides, and the hydraulic fluid is always carried on the pipe surface through the narrow concave grooves, and the vertical movement guide of the hydraulic fluid along each pipe surface
  • the cooling and heating method using a thermal siphon is characterized by performing cooling or heating of the outer tube outside area corresponding to the heat source fluid through the heat treatment. For practical use It is possible to realize cooling and heating around the device that can be used in a simple configuration. In addition, it is possible to freely select either ambient cooling or heating by simply changing the heat source fluid supplied into the inner pipe.
  • the present invention comprises a method of cultivating a plant by carrying the thermosiphon device according to claim 1 into a plant cultivation soil, growth promotion of the cultivated plant can be realized. At the same time, expensive crops such as highland vegetables can be grown, especially in flatlands or any area.
  • FIG. 1 is a partially omitted longitudinal sectional view of a thermal siphon apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (a), (b) and (c) are enlarged explanatory views of main parts showing various aspects of the grooved configuration of the narrow groove.
  • FIG. 3 (a), (b), (c) and (d) are diagrams showing various cross-sectional examples of the narrow groove.
  • Fig. 4 is a configuration explanatory view of the thermal siphon device of the first embodiment and at the time of cooling.
  • FIG. 5 is a configuration explanatory view of the thermal siphon device of the first embodiment and also at the same time heating.
  • FIG. 6 A partially omitted explanatory view of a connection example of the thermal siphon devices of FIG.
  • FIG. 7 is a partially cutaway perspective view of the case where heating under the floor and installation of a cooling device are performed using the thermal siphon device of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a thermal siphon apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of a thermal siphon apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • thermal siphon apparatus the working space between the inner and outer double tubes is filled with the working fluid and sealed, the heat transfer area of the outer tube is widely secured, and the surrounding through the heat or cold fluid passing through the inner tube.
  • a step of closely attaching to the inner wall surface of the tube, such as a mesh wick, is unnecessary in this embodiment, and good heat transfer through the tube is eliminated. It is a thermal siphon system that can cool and heat the outside of the tube.
  • FIG. 1 shows a longitudinal cross section of a thermal siphon device according to a first embodiment of the present invention, in which the thermal siphon device 10 comprises an outer tube 12 arranged laterally long and an outer tube 12 An inner pipe 14 disposed longitudinally through the pipe and an intermediate portion between the outer pipe 12 and the inner pipe 14 is an operation space S, and the operation space is sealed to enclose the working fluid Q enclosed therein. And a narrow groove group 16, 17 having a plurality of narrow grooves G circumferentially engraved on the inner wall surface 121 of the outer tube 12 and the outer wall surface 141 of the inner tube 14.
  • the outer tube 12 is formed of a horizontally long hollow cylindrical shape and made of a material of aluminum, and an inner tube 14 of the same material as the outer tube penetrates the outer tube 12 in the longitudinal direction in parallel with the outer tube 12. Are arranged.
  • the inner pipe 14 is disposed at a position slightly downward from the center inside the outer pipe. When the working space S between the outer pipe 12 and the inner pipe 14 is filled with the working fluid Q, both ends are closed by the end wall 18 such as a cap and the inside is sealed in a watertight manner. As shown in FIGS.
  • the hydraulic fluid Q is filled to such an extent that a part of the inner pipe 14 is infiltrated, that is, half or less of the inner pipe is infiltrated.
  • the inner pipe 14 is an eccentric double pipe whose axial center CS is arranged at a position eccentric to the axial center CL of the outer pipe 12 and the inner pipe 14 is its axial center CS Is disposed below the axial center CL of the outer pipe 12.
  • the heat source fluid U is supplied to the inner pipe 14 to heat the outer region of the outer pipe 12 In this case, the heat source fluid is passed, and the cold heat source fluid is supplied when the outer region is cooled.
  • the working fluid Q filled in the working space S is a working fluid that carries out a phase change heat transfer without phase change between the evaporation part and the condensation part of the closed space, and for example, in the embodiment, alcohol is introduced to .
  • one characteristic feature is that a large number of narrow grooves G are circumferentially formed on both the inner wall surface 121 of the outer pipe 12 facing the working space S and the outer wall surface 141 of the inner pipe 14.
  • the efficiency of evaporation of the working fluid Q and thus the efficiency of heat transport are improved.
  • the apparatus 10 having a horizontally long cylindrical configuration is used to effectively add surrounding air while utilizing gravity action. Switch the temperature and cooling freely.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of the inner wall surface 121 of the outer tube 12 or the outer wall surface 141 of the inner tube 14, and in the present embodiment, as shown in FIG.
  • a narrow continuous groove G is formed on the inner wall surface 121 of the outer pipe 12 and the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 at a predetermined pitch width in the longitudinal direction thereof.
  • these narrow recessed grooves G are formed long in the circumferential direction of both the outer pipe and the inner pipe formed in the transverse direction.
  • a large number of narrow grooves G formed on the inner wall surface of the outer pipe and a large number of narrow grooves G formed on the outer wall surface of the inner pipe are the first and second narrow groove groups 16, 17 respectively.
  • the narrow groove G raises the working fluid Q filled in the working space S along the groove G by capillary force, and the working fluid film is distributed substantially uniformly in a uniform distribution over the entire surface of the tube wall. In the present embodiment, this is realized by covering the entire surface of the tube with a minute hydraulic fluid muscle.
  • the groove width Wg and the groove depth Hg of the narrow groove G are set to the width and depth where the hydraulic fluid Q can rise the surface of the pipe through capillary action, and when each specification is constant, It is better to be narrow.
  • the groove width is 0.2 mm and the groove depth is 0.2 mm with respect to the inner diameter of 27 mm and the outer diameter of 12 mm, and the pitch width between those grooves is set to 0.2 mm.
  • the hydraulic fluid may use, for example, water, ammonia, etc., as the force of alcohol, and the groove width and groove depth are determined in consideration of the surface tension of the fluid. These specific dimensions are fixedly selected for implementation It may be selected as long as it can perform the pump-up function of the hydraulic fluid that can withstand practical use in consideration of the workability, processing efficiency, economy, etc. in the groove machining.
  • the maximum groove width Wg with respect to the pipe diameter at which the hydraulic fluid can be raised by capillary force is given by the following equation (3).
  • Wg ⁇ (1) Wg is the groove width of the narrow groove
  • ⁇ is the surface tension of the working fluid
  • ⁇ ⁇ ⁇ is the minimum contact angle
  • D is the pipe diameter ( Maximum capillary height).
  • FIG. 3 exemplifies various groove shapes which can be selected as the narrow groove G.
  • the rectangular groove (U-shaped groove) of (a), the V-shaped intermittent groove of (b), (c V-shaped continuous groove (saw blade-like groove), U-shaped groove of (d), or any other groove shape may be selected as long as the above function can be achieved.
  • the circumferential direction of the pipe is a continuous spiral groove, as shown in FIG. 2 (b), and the groove may be a complete loop of a complete loop, and as shown in FIG. 2 (c). It may be formed.
  • FIG. 4 shows the function of cooling the floor when the temperature is high in the summer room.
  • cold water as a cold heat source is connected to the inside of the inner pipe 14 via a pipe (not shown) communicating outside the pipe. It is cyclically supplied by the drive mechanism.
  • the cold water is generated, for example, via a chiller or a heat pump system (not shown).
  • the outer wall surface of the outer tube 12 is a heat receiving surface in contact with high temperature (eg, 30 ° C. or more) to receive heat
  • the inner wall surface of the inner tube 14 is a heat dissipation surface.
  • the working fluid Q filled in the working space S between the outer pipe 12 and the inner pipe 14 ascends the inner wall surface 121 of the outer pipe 12 by capillary force (si), and the membrane is spread over the entire inner wall surface of the outer pipe 12 Stick to the shape.
  • the working fluid in the liquid phase evaporates in contact with the inner wall surface 121 of the outer tube 12 heated to the surrounding high temperature (s2), changes into a gas phase and diffuses into the working space S.
  • the hydraulic fluid changes into a gas phase and is cooled in contact with the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 through which cold water flows and condensed (s3), and the narrow concave of the outer wall surface of the inner pipe 14 Go down the groove G along the circumferential direction and return to the hydraulic fluid reservoir 20. Then, the hydraulic fluid in the liquid reservoir ascends on the inner wall surface 121 of the outer pipe 12, sticks in a film form over the entire inner wall surface of the outer pipe 12, evaporates and diffuses to the working space, and condenses on the outer wall surface of the inner pipe. Thereafter, the outer pipe is cooled while repeating this cycle.
  • the inner wall surface 121 of the outer tube 12 is provided with a large number of narrow recessed grooves in the circumferential direction and in the longitudinal direction of the tube, and the working fluid can be stored in the form of streaks in the individual narrow recessed grooves.
  • a minute and equal amount of working fluid is evenly distributed and stuck on the tube wall surface, so that it evaporates efficiently, and it operates by capillary force. Pump up the fluid.
  • a large number of narrow grooves are formed circumferentially in both the inner wall surface of the pipe and the outer wall surface of the inner pipe, and the working fluid is always carried on the pipe surface through the narrow grooves.
  • the hydraulic fluid is guided up and down along the surface of each tube, so that the rise by capillary force and the flow of the condensed liquid phase can be smoothly performed.
  • the outer tube heated from the surroundings is a part of it Because it directly contacts the thin liquid film of the working fluid in the narrow groove and evaporates it, the heat transfer coefficient of the evaporation part which heat resistance is extremely small is remarkably improved. Further, the hydraulic fluid is supplied to the evaporation section by the pumping action of the narrow groove and the axial center CS of the inner pipe 14 is positioned lower than the axial center CL of the outer pipe 12 structurally.
  • the heat transfer in the condensation section can be synergistically improved.
  • the wall surface 121 of the outer pipe serves as the evaporation part
  • the outer surface 141 of the inner pipe serves as the condensation part.
  • Cold water supplied into the inner pipe for example, has no activity when it is used during summer sleep, and it cools the part near the back to achieve this by cooling to about 27 ° C to 28 ° C.
  • Simple degree of cooling setup and implementation For example, by supplying water of about 15 ° C. to the inner pipe, it is not only easy to cool the floor or the surface of the tatami mat to 27 ° C. or 28 ° C., it is also possible to cool it to a lower temperature.
  • FIG. 5 shows the case where the floor is heated when winter temperature is low.
  • hot water or hot water as a heat source is not shown in the inner pipe 14 as a heat source, a boiler or hot water.
  • the inner wall surface of the inner pipe 14 is a heat receiving surface
  • the outer wall surface of the outer pipe is in contact with cold air to be a heat dissipating surface.
  • the working fluid Q ascends the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 by capillary force (s21), and sticks to the entire outer wall surface of the inner pipe 14 in a film shape.
  • the working fluid in the liquid phase evaporates in contact with the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 heated to a high temperature fluid in the inner pipe (s22), changes into a gas phase, and diffuses into the working space S.
  • the hydraulic fluid changes into a gas phase, is cooled in contact with the inner wall surface 121 of the outer pipe 12 in contact with cold air and condenses (s23), and the narrow groove G of the inner wall surface of the outer pipe 12 Along the way, it flows down circumferentially and returns to hydraulic fluid reservoir 20.
  • the working fluid is accumulated in the form of streaks in the individual narrow grooves of the many narrow grooves of the outer wall surface 141 of the inner pipe 14, and the heat from the inside of the inner pipe is directly It is transferred to the hydraulic fluid, and minute and equal amounts of the hydraulic fluid are evenly distributed and stuck on the tube wall surface and evaporate efficiently, and the capillary force is used to pump up the hydraulic fluid to improve the heat transfer in the evaporation section. Effectively heat the outer tube area.
  • the inner pipe outer wall surface 141 is an evaporation portion
  • the outer pipe wall surface 121 is a condensation portion.
  • the pipe circumference is provided on both the outer pipe wall surface and the inner pipe outer wall surface. Since a large number of narrow grooves are provided in the direction, it is possible in particular to switch the supply of heat from the heat source fluid or cooling fluid, which causes heating or cooling around the device to flow through the inner pipe. It is possible to achieve practical use of heating and cooling devices with one device.
  • FIG. 7 shows an example of installation where the thermal siphon device 10 described above is installed on the lower surface of a floor in a room to be used as a floor heating and cooling device, and the thermal insulation installed on the lower surface of the floor 22
  • the thermal siphon system 10 is brought into the space of the mat 24 to heat or cool the floor 22.
  • a connecting hose made of a synthetic resin flexible pipe or the like having high strength and corrosion resistance between the projecting portions of the inner pipe. Insert and connect to both ends of 26. Therefore, even when connecting several or several tens of communicating curved pipes as shown in FIG. Also, the maintenance can be done easily.
  • thermal siphon apparatus 101 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
  • the same members as those of the thermal siphon apparatus of the first embodiment described above will be described.
  • the same reference numerals are given and the description thereof is omitted.
  • the thermal siphon apparatus 101 of the second embodiment shown in FIG. 8 is a double-pipe type thermal siphon apparatus installed in the same horizontal direction as the first embodiment, and the inside of the outer tube 12 facing the working space S.
  • a large number of narrow grooves G are formed in the circumferential direction only on the wall surface 121, and the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 is simply formed as a smooth cylindrical outer surface.
  • the working fluid film adheres to the wall surface of the outer tube by capillary force via the narrow groove G in the wall surface of the outer tube, so when cooling the periphery of the device, the diagram of the first embodiment This can be effectively implemented as in the fourth example.
  • a large number of narrow grooves G are formed in the circumferential direction only on the outer wall surface 141 of the inner pipe 14 facing the working space S.
  • the inner wall surface 121 of the pipe 12 is simply a cylindrical inner surface.
  • the working fluid film adheres to the outer wall surface of the inner pipe by capillary force via the narrow recessed groove G of the outer wall surface of the inner pipe, so when heating or heating the periphery of the device, This can be effectively realized by the same operation as the example of FIG. 5 of one embodiment.
  • thermosiphon device When the thermosiphon device according to any one of the first to second embodiments described above is embedded in plant cultivation soil for agricultural cultivation and can be planted, it can be favorably grown, and in particular It is effective for cultivating plants that dislike plateau vegetables and high-temperature soil because it can reliably perform the cooling action. Therefore, these crops can be grown on flat land or any area.
  • the maximum heat transfer rate was calculated by the capillary pressure limit when water was used.
  • the maximum hydraulic fluid depth Hp was 6 mm, and the minimum distance between the inner and outer pipes He was 5.5 mm.
  • Qmax / L (W / m) is the maximum heat transfer per unit length
  • Wg is the outer tube group (thin groove) width
  • Hmax is the maximum capillary height
  • Hg is the outer tube group depth
  • Sg is the pitch width between the outer tube and the groove
  • Ng is the number of outer tube groups per unit length.
  • thermosiphon device according to the present invention the cooling and heating device using the same, and the method and the plant cultivation method of the present invention are not limited to the configuration of the above-described embodiment, and the scope of the invention is not limited to the claims. Modifications without departing from the essence of the described invention are also included in the present invention.
  • the thermal siphon apparatus of the present invention can be applied as cooling from the lower floor part of a house or a building, heating, heat exchange with another fluid or gas, and various other cooling / heating (heating) apparatuses. Furthermore, the thermosiphon device of the present invention can be introduced into plant cultivation soil and used to promote plant cultivation.

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Abstract

　簡単な構成により、施工作業を簡易化し、調整作業を不要とし、製造コストを低減しさらに熱輸送効率を良好にさせ得る冷却、加温（熱）両用熱サイホン装置を提供する。 　横長に配置された二重管式の熱サイホンの作動空間Ｓに面する外管１２の内壁面１２１と内管１４の外壁面１４１のそれぞれについて周方向に刻設された多数の細幅凹溝Ｇを設ける。該細幅凹溝Ｇを介した毛細管力によって作動液Ｑを壁面（１２１，１４１）の周方向に上昇させつつ外管の内壁面１２１または内管の外壁面１４１のいずれかの蒸発部で蒸発させ、かつ、他方の壁面で凝縮させつつ外管外域を冷却または加温させる構成とする。周囲を冷却するか加温するかにより、冷媒か熱媒かの熱源流体が内管内に供給される。

Description

明 細 書
熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法ならびに植 物の栽培方法
技術分野
[0001] 本発明は、熱サイホンに関し、特に、外管内に熱源流体通流用の内管を貫通させ て使用する二重管タイプの熱サイホン装置であり、冷却、加温 (加熱）のいずれにも 使用可能な多機能の熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法 ならびに植物の栽培方法に関する。
背景技術
[0002] 熱交換流体間の温度差が小さいほど、熱交換効率が低下するヒートポンプ等の熱 変換機器に対して、蒸発、凝縮相変化を利用して大量の熱を小温度差で運ぶことの できる熱サイホンが近時、実用化されつつある。一方、熱サイホンは原理的にはヒート パイプの一形態とも見なせ、ヒートパイプの優れた熱伝達特性、温度均一性を有する 。従来、二重管タイプのヒートパイプ (熱サイホン）の例として例えば実開昭 62— 1367 77号のものが開示されている。この装置は、二重管構成の内管の内周面と外管の外 周面とのいずれか一方の周面を受熱面とし、かつ、他方の周面を放熱面とし、受熱 面からの受熱により気化するとともに、凝縮により放熱面へ放熱する熱媒体を内管と 外管との間に形成した密閉空間に収容したものであり、それによつて、受熱部および 放熱部の伝熱面積を大きくとって装置の小型化、伝熱効率の向上を企図したもので feる。
特許文献 1 :実開昭 62 - 136777号公報 (実用新案登録請求の範囲、第 1図） 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 上記実用新案文献 1では、例えば内管に高温流体を供給して外管の外周を加熱 する場合には、同文献の第 2図のように内管表面と熱媒体 (作動液）が接する面積が 小さぐ内管外壁の熱伝達率ならびに熱輸送限界が低ぐ外管外域の加熱について 実用レベルの機能を果たすことができなかった。また、この文献 1の装置では、外管 外周が高温で受熱し、内管内周側に放熱する構成も示されているが、この場合には 、外管に対して内管を上方に偏心配置する必要があり、装置の適用場所に応じて周 囲の加熱あるいは冷却のいずれかの配管を施工時に選択し、施工後の冷却、加熱 の切り替え変更に際しては、配管変更に大掛力 な工事が必要となるおそれがあつ た。これに対し、内管外壁および外管内壁に金網や焼結金属などの多孔質材料から なるウィックを装着し、作動液を蒸発部へ還流させることも考えられる。しかしながら、 これらのウィックを管壁に密着させた状態を保持することが難しく製造及び施工調整 が容易でない点、電食の関係力 容器と同材質とする必要があり高コストとなる点、 等の難点があった。さらに、多孔質のウィック自体の構造および管壁へのウィックの 密着不良等による熱抵抗のために特に外管外周が高温でこれを冷却させる場合に は殆ど実用に耐える程度の効果を得ることができず、一般的には熱サイホンは、管外 の加温あるいは加熱用としての利用に限られる場合が多いものであった。
[0004] 本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その 1つの目的は、極め て簡単な構成により、施工作業を簡単にでき、調整作業を不要とし、製造コストを低 減し得るのみならず熱輸送効率を良好にさせて周囲の冷却、加温 (加熱）を実現し得 る熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法ならびに植物の栽培 方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、一つの装置でありながら 熱源流体を変えることにより周囲の冷却あるいは加温を実用レベルで行える熱サイホ ン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法ならびに植物の栽培方法を提 供することにある。さらに、本発明の他の目的は、従来の熱サイホンに比較して周囲 の冷却あるいは加温機能に優れた熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及 びその方法ならびに植物の栽培方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0005] 上記目的を達成するために、本発明は、横長に配置された外管 12内を長手方向 に貫通して内管 14を配置させ、外管 12と内管 14との間の作動空間 Sに作動液 Qを 封入させて密閉し、内管 14の内部に熱源流体 Uを通流させつつ外管外域との熱交 換を行う二重管式の熱サイホンであって、作動空間 Sに面する外管 12の内壁面 121 と内管 14の外壁面 141のそれぞれについて周方向に刻設された多数の細幅凹溝 G を設け、該細幅凹溝 Gを介した毛細管力によって作動液 Qを壁面（121, 141)の周 方向に上昇させつつ外管の内壁面 121または内管の外壁面 141のいずれかの蒸発 部で蒸発させ、かつ、他方の壁面で凝縮させつつ外管外域を冷却または加温させる ことを特徴とする熱サイホン装置力 構成される。本発明の熱サイホン装置は、横長 に配置した二重管式熱サイホン装置であり、密閉作動空間に面した外管内壁面及び 内管外壁面の周方向の多数の細幅凹溝の毛細管力によって作動液を上昇させ、受 熱するいずれかの管壁に直接に接して作動液を蒸発させる。細幅凹溝の溝幅、溝断 面形状、ピッチ幅間隔、らせん状連続か 1ループ完結溝か、管の長手方向に連続か 間欠的か、などについては、作動流体の表面張力ならびに毛細管力を介して周方向 に上昇させうる機能を保持する限り任意に設定してよい。また、作動液もアルコール のほか、水、アンモニア等を用いてもよい。さらに、管の材質も適用部位の条件に応 じて耐久性、耐食性を考慮して任意に設定してよい。本発明の熱サイホン装置は、 住居やビルの床下部分からの冷却、加温、他の流体や気体との熱交換、その他種々 の冷却、加温 (加熱)装置として適用しうる。
[0006] また、細幅凹溝は所定の関係式に示される溝幅 Wgを許容最大溝幅とし、かつ、そ の際の所定の溝深さ Hgを有するような溝であるようにするとよい。
[0007] その際、内管 14は外管 12の軸心 CLから偏心した位置にその軸心 CSが配置され た偏心二重管であり、かつ、内管 14はその軸心 CSが外管の軸心 CLよりも下方とな る位置に配置させるとよい。
[0008] また、本発明は、請求項 1ないし 3のいずれかに記載の熱サイホン装置 10を用い、 熱源流体 uを冷熱または温熱に切り替えることにより、一つの装置で周囲の冷却また は加温を行う冷却、加温装置から構成される。
[0009] さらに、本発明は、横長に配置された外管 12内を長手方向に貫通して内管 14を配 置させ、外管と内管との間の作動空間 Sに作動液 Qを封入させて密閉し、内管 14の 内部に熱源流体 Uを通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホン であって、作動空間 Sに面する外管 12の内壁面 121と内管 14の外壁面 141のいず れかについて周方向に刻設された多数の細幅凹溝 Gを設け、該細幅凹溝 Gを介した 毛細管力によって作動液 Qを壁面（121 , 141)の周方向に上昇させつつ外管の内 壁面 121または内管の外壁面 141のいずれかの蒸発部で蒸発させ、かつ、他方の 壁面で凝縮させつつ外管外域を冷却または加温させることを特徴とする熱サイホン 装置 101、 102から構成される。
[0010] また、本発明は、横長に配置された外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ 、外管と内管との間の作動空間に作動液を封入させて密閉し、内管の内部に熱源流 体を通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、作動 空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面との両方に周方向に刻設された多数の 細幅凹溝を形成し、該細幅凹溝を介して常時作動液を管表面に担持させるとともに 作動液の各管表面に沿った上下動案内を行わせることを通じて熱源流体に対応した 外管外域の冷却、または加温を行うことを特徴とする熱サイホンを用いた冷却、加温 方法から構成される。
[0011] さらに、本発明は、請求項 1ないし請求項 4のいずれかに記載の熱サイホン装置を 植物栽培土中に埋め込んで行う植物の栽培方法から構成される。
発明の効果
[0012] 本発明に係る熱サイホン装置によれば、横長に配置された外管内を長手方向に貫 通して内管を配置させ、外管と内管との間の作動空間に作動液を封入させて密閉し 、内管の内部に熱源流体を通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱 サイホンであって、作動空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面のそれぞれにつ レ、て周方向に刻設された多数の細幅凹溝を設け、該細幅凹溝を介した毛細管力に よって作動液を壁面の周方向に上昇させつつ外管の内壁面または内管の外壁面の いずれかの蒸発部で蒸発させ、かつ、他方の壁面で凝縮させつつ外管外域を冷却 または加温させる構成であるから、高価で装着が容易でない金網ウィック等を用いる ことなぐ極めて簡単な構造で容易に製造でき、低コストでありながら、効率の良い熱 輸送による装置周囲の冷却、加温を行える。また、内管内に供給する熱源流体を変 更するだけで自在に、周囲の冷却力加温力を選択して実施できる。
[0013] また、細幅凹溝は所定の溝幅 Wgを許容最大溝幅とし、かつ、所定の溝深さ Hgを 有するような溝である構成とすることにより、管の内側にメッシュウィックを密着させつ つ装着させる作業を不要とし簡単な構成、低コストによる横置き二重管タイプの熱サ ィホンを実用化させ得る。
[0014] また、その際、内管は外管の軸心から偏心した位置にその軸心が配置された偏心 二重管であり、かつ、内管はその軸心が外管の軸心よりも下方となる位置に配置され た構成であるから、内管の外壁面の細幅凹溝から効率よく作動液を蒸発させ、凝縮 工程では溝およびそれ以外の部分を含む外壁面全体において凝縮させるから熱輸 送効率が良好となる。
[0015] また、本発明は、請求項 1または 2に記載の熱サイホン装置を用レ、、熱源流体を温 熱または冷熱に切り替えることにより、一つの装置で周囲の冷却または加温を行う冷 却、加温装置から構成することにより、周囲の冷却、加温を必要とする種々の部分に 設置して有効にその冷却、加温の切り替え自在使用を実現させることができる。
[0016] さらに、本発明は、横長に配置された外管内を長手方向に貫通して内管を配置さ せ、外管と内管との間の作動空間に作動液を封入させて密閉し、内管の内部に熱源 流体を通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、作 動空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面のいずれかについて周方向に刻設さ れた多数の細幅凹溝を設け、該細幅凹溝を介した毛細管力によって作動液を壁面 の周方向に上昇させつつ外管の内壁面または内管の外壁面のいずれかの蒸発部 で蒸発させ、かつ、他方の壁面で凝縮させつつ外管外域を冷却または加温させるこ とを特徴とする熱サイホン装置から構成されるから、外管の内壁面または、内管の外 壁面のいずれかにのみ細幅凹溝を設けた二重管式熱サイホンであっても、周囲の冷 却、加温の必要性に応じて有効にそれらの冷却、または加温を行える。
[0017] また、本発明は、横長に配置された外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ 、外管と内管との間の作動空間に作動液を封入させて密閉し、内管の内部に熱源流 体を通流させつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、作動 空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面との両方に周方向に刻設された多数の 細幅凹溝を形成し、該細幅凹溝を介して常時作動液を管表面に担持させるとともに 作動液の各管表面に沿った上下動案内を行わせることを通じて熱源流体に対応した 外管外域の冷却または加温を行うことを特徴とする熱サイホンを用いた冷却、加温方 法力 構成されるから、高価で装着が容易でない金網ウィックを用レ、ることなぐ実用 に供しうる装置周囲の冷却、加温を簡単な構成で実現し得る。また、内管内に供給 する熱源流体を変更するだけで自在に、周囲の冷却か加温かを選択して実施できる
[0018] また、本発明は、請求項 1または 2に記載の熱サイホン装置を植物栽培土中に坦め 込んで行う植物の栽培方法から構成されるから、栽培植物の生育促進を実現し得る とともに、特に、平地やあるいはいずれの地域についても高原野菜等の高価な作物 を育成させることができる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の第 1実施形態に係る熱サイホン装置の一部省略縦断面図である。
[図 2] (a)， （b)， （c)は、細幅凹溝の溝付け構成の種々の態様を示す要部拡大説明 図である。
[図 3] (a) , (b) , (c)、（d)は、細幅凹溝の種々の断面形状例を示す図である。
[図 4]第 1実施形態の熱サイホン装置の構成兼冷却時の作用説明図である。
[図 5]同じく第 1実施形態の熱サイホン装置の構成兼加温時の作用説明図である。
[図 6]図 1の熱サイホン装置どうしの接続例の一部省略説明図である。
[図 7]図 1の熱サイホン装置を用いて床下加温、冷却装置として施工した場合の一部 切欠き斜視説明図である。
[図 8]本発明の第 2実施形態の熱サイホン装置の断面説明図である。
[図 9]本発明の第 3実施形態の熱サイホン装置の断面説明図である。
符号の説明
[0020] 10, 101 , 102 熱サイホン装置
12 外管
14 内管
16 細幅凹溝群
17 細幅凹溝群
121 外管の内壁面
141 内管の外壁面
G 細幅凹溝 Q 作動液
S 作動空間
Wg 溝幅
Hg 溝深さ
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、添付図面に基づいて本発明に係る熱サイホン装置の実施の形態をそれを用 レ、た冷却、加温装置及びその方法とともに、説明する。本発明の熱サイホン装置は、 内外二重管の中間の作動空間に作動液を充填して密閉し、外管の伝熱面積を広く 確保し、内管内を通す冷熱あるいは温熱流体を介して周囲を冷却または加温させる 冷却、加温手段であり、本実施形態においては、特にメッシュウィックのように管内壁 面に密着して装着させる工程を不要とし、かつ、良好な管内熱輸送を介した管外域 の冷却、加温を行える熱サイホン装置である。
[0022] 図 1は、本発明の第 1の実施形態にかかる熱サイホン装置の縦断面を示しており、 図において、熱サイホン装置 10は、横方向に長く配置された外管 12と、外管内を長 手方向に貫通して配置された内管 14と、外管 12と内管 14との中間部を作動空間 S とし、該作動空間を密閉して内部に封入された作動液 Qと、外管 12の内壁面 121と 内管 14の外壁面 141のそれぞれについて周方向に刻設された多数の細幅凹溝 Gを 備える細幅凹溝群 16， 17を含む。
[0023] 実施形態において、外管 12は横長の中空円筒形でアルミニウムの材質で構成され 、この外管 12に平行に外管と同材質の内管 14が該外管 12を長手方向に貫通して 配設されている。図 4， 5にも示すように内管 14は外管内部で中心から若干下方に偏 心した位置に配置されている。外管 12と内管 14との中間の作動空間 Sに作動液 Qが 充填された状態で両端はキャップ等の端壁 18により閉鎖され内部は水密状に密閉さ れている。作動液 Qは、図 4, 5に示すように内管 14の一部が浸力、る程度、すなわち、 内管の半分以下が浸力る程度の量で充填されている。実施形態の熱サイホン装置で は、内管 14は外管 12の軸心 CLから偏心した位置にその軸心 CSが配置された偏心 二重管であり、かつ、内管 14はその軸心 CSが外管 12の軸心 CLよりも下方となる位 置に配置されている。内管 14には熱源流体 Uが供給され、外管 12の外域を加温す る場合には温熱源流体を通すとともに、外域を冷却させる場合には冷熱源流体が供 給される。
[0024] 作動空間 Sに充填される作動液 Qは、密閉空間の蒸発部と凝縮部とで相変化しな 力 ¾熱輸送を行う作動流体であり、例えば実施形態ではアルコールが投入されてレ、 る。
[0025] 本発明において、一つの特徴的なことは作動空間 Sに面する外管 12の内壁面 121 と内管 14の外壁面 141の両方について、周方向に多数の細幅凹溝 Gを設け、作動 液 Qの蒸発効率ひいては熱輸送効率を向上させたことであり、特に、この実施形態で は横長筒状の構成の装置 10を用い、重力作用を利用しつつ効果的に周囲の加温、 冷却を自在に切り替えさせる。
[0026] すなわち、図 2は、外管 12の内壁面 121あるいは内管 14の外壁面 141の一部を拡 大して示したものであり、本実施形態において、図 2 (a)に示すように細小幅の連続ら せん溝 Gが所定のピッチ幅で外管 12の内壁面 121および内管 14の外壁面 141のい ずれにも、それらの長手方向にわたって刻設されている。これらの細幅凹溝 Gは、例 えば 1周に着目するときには横長方向に形成した外管、内管両方についてそれらの 周方向に長く形成されている。外管の内壁面に形成された多数の細幅凹溝 Gおよび 内管の外壁面に形成された多数の細幅凹溝 Gは、それぞれ第 1、第 2の細幅凹溝群 16, 17を形成している。
[0027] 細幅凹溝 Gは、作動空間 Sに充填された作動液 Qを毛細管力により該溝 Gに沿って 上昇させて管壁表面全体に均一な分布で略均等量の作動液膜分布を生起させる液 膜張設手段であり、本実施形態ではその際、微小の作動液筋で管表面全体を覆うこ とでこれを実現する。細幅凹溝 Gの溝幅 Wgならびに溝深さ Hgは、毛細管現象を介 して作動液 Qが管表面を上昇しうる幅と深さに設定されており、各仕様を一定とする 場合は、細幅であるほうがよい。例えば一つの実施形態では、外管内径 27mm、内 管外径 12mmに対して溝幅 0. 2mm、溝深さ 0. 2mmに設定されそれらの溝間ピッ チ幅は 0. 2mmに設定されている。作動液はアルコールのほ力に、例えば水やアン モニァ等を用いる場合もあり、それらの流体の表面張力をも考慮に入れた溝幅およ び溝深さが決定される。これらの具体的な寸法サイズは実施にあたり固定的に選択さ れる必要はなぐ溝加工上の作業性、加工効率、経済性等を考慮して実用に耐えう る作動液のポンプアップ機能を行える範囲において任意に選択してよい。毛細管力 で作動液を上昇させうる管径に対する最大の溝幅 Wgは、下記式（3)より 式 3
[0028]
2び
Figure imgf000011_0001
次の式（1)で与えられる c
式 4
[0029]
2 σ cos Θ min
Wg < ( 1 ) 上式中、 Wgは、細幅凹溝の溝幅、 σは作動液の表面張力、 Θπήηは最小接触角、 は作動液の密度、 gは重力加速度、 Dは管径 (最大毛管高さ）である。その際、溝 深さ Hgは、次の式（2)に示される。
式 5
[0030]
Wg
(2)
し力、しながら、上記の式に示される数値以外でも上記したような機能を保持しうる限り においてある程度の許容幅をもって設定してよい。図 3は、この細幅凹溝 Gとして選 択し得る種々の溝形状を例示したものであり、（a)の矩形溝 (コ字状溝）、（b)の V字 間欠溝、（c)の V字連続溝 (鋸刃状溝)、（d)の U字溝、その他上記機能を果たしうる 範囲において任意の溝形状のものを選択してよい。さらに、管の周方向について本 実施形態では連続らせん溝としている力 図 2 (b)のように 1周完結ループの溝として もよレ、し、また、（c)のように管長手方向にいずれの場合にも間欠的に形成させるよう にしてもよい。
次に、図 1、図 4、図 5を参照して本実施形態の熱サイホン装置 10の作用について 説明する。説明をわかり易くするために、例えば本実施形態の熱サイホン装置 10を 例えば図 7に示すようなウッドフロアのフローリングの下面に設置した床部冷却、加温 両用の装置として用いる場合について説明する。図 4は、夏季室内高温時に床部を 冷却する場合の作用を示しており、この場合、内管 14内には冷熱源としての冷水が 管外でループ状に連通する図示しない配管を介して駆動機構により循環供給される 。冷水は例えば図示しないチラ一やヒートポンプシステムを介して生成される。図 4に おいて、外管 12の外壁面は高温 (例えば 30°C以上）に接して熱を受ける受熱面とな り、内管 14内壁面が放熱面となる。外管 12と内管 14との中間の作動空間 Sに充填さ れた作動液 Qは、毛細管力により外管 12の内壁面 121を上昇し (si)、外管 12の内 壁面全体に膜状に張り付く。この液相の作動流体は、周囲の高温に熱せられる外管 12の内壁面 121に接して蒸発し (s2)、気相に変化して作動空間 S内に拡散する。こ の作動液が変化して気相となったものは、冷水が通流する内管 14の外壁面 141に 接して冷却されて凝縮し (s3)、内管 14の外壁面の細幅凹溝 Gを伝って周方向に流 下し、作動液溜まり 20に還る。そして、液溜まりの作動液は外管 12の内壁面 121を 上昇し、外管 12の内壁面全体に膜状に張り付き、蒸発して作動空間に拡散し、内管 外壁面で凝縮する。以下、このサイクルを繰り返しながら外管周囲を冷却する。この 実施形態では、外管 12の内壁面 121に、周方向に長くかつ管長手方向に多数の細 幅凹溝を設けており、個々の細幅凹溝内に筋状に作動液が溜められるから外管周 囲からの熱が直接に作動液に伝達されるうえに、微小で等しい量の作動液が均等に 管壁表面に分布し張り付くから効率的に蒸発し、かつ、毛細管力により作動液をボン プアップさせる。特に、この実施形態では、管の内壁面と内管の外壁面との両方に周 方向に多数の細幅凹溝を形成し、該細幅凹溝を介して常時作動液を管表面に担持 させるとともに作動液の各管表面に沿った上下動案内を行わせるから、毛細管力に よる上昇と、凝縮液相の流下を円滑に行える。周囲から熱せられた外管が、その一部 である細幅凹溝内の作動液の薄い液膜に直接に接してこれを蒸発させるから熱抵抗 がきわめて小さぐ蒸発部熱伝達率を格段に向上させる。また、蒸発部への作動液の 供給が細幅凹溝の毛細管力によるポンプ作用によって行われるとともに構造的にも 内管 14の軸心 CSが外管 12の軸心 CLより下方に位置していることから作動液量が 少なくてすみ、さらに内管外壁がほとんど蒸気に接しているため相乗的に凝縮部熱 伝達の向上を果たせる。この場合、外管内壁面 121が蒸発部となり、内管外表面 14 1が凝縮部となる。内管内に供給する冷水は例えば、夏季睡眠時に使用する場合に は活動がなく背中に近い部分を冷却するから 27°C— 28°C程度に向けての冷却を行 えばよぐこれを実現する程度の冷却設定および実行を簡単に行える。例えば内管 に 15°C程度の水を供給することにより、床や畳表面部分を 27°C 28°C程度に冷却 することは容易であるばかりか、より低温に冷却することもできる。
[0032] 図 5は、冬季低温時に床部を加温する場合を示しており、この場合、内管 14内には 温熱源としての例えば温水あるいは熱水が図示しなレ、ボイラや温熱水生成装置を介 して供給される。この場合、内管 14内壁面が受熱面となり、外管外壁面が冷気に接 して放熱面となる。作動液 Qは、毛細管力により内管 14の外壁面 141を上昇し (s21 )、内管 14の外壁面全体に膜状に張り付く。この液相の作動流体は、内管内の高温 流体に熱せられる内管 14の外壁面 141に接して蒸発し (s22)、気相に変化して作動 空間 S内に拡散する。この作動液が変化して気相となったものは、冷気に接する外管 12の内壁面 121に接して冷却されて凝縮し（s23)、外管 12の内壁面の細幅凹溝 G を伝って周方向に流下し、作動液溜まり 20に還る。このサイクルを繰り返す中で、内 管 14の外壁面 141の多数の細幅凹溝のうち、個々の細幅凹溝内に筋状に作動液が 溜められ、内管内部からの熱が直接に作動液に伝達され、微小で等しい量の作動液 が均等に管壁表面に分布し張り付くから効率的に蒸発し、かつ、毛細管力により作 動液をポンプアップさせ蒸発部熱伝達を向上させて外管周囲を有効に加温させる。 この場合、内管外壁面 141が蒸発部となり、外管内壁面 121が凝縮部となる。例えば 内管に 60°C程度の温水を供給することにより、室温 15°C程度の室内の床や畳表面 を 25°C程度に加温させることができる。
[0033] また、このように、本実施形態では外管内壁面ならびに内管外壁面の両方に管周 方向に多数の細幅凹溝を設けているので、特に、装置の周囲の加温あるいは冷却を その内管に通流させる熱源流体の温熱力または冷熱流体かの供給切り替えを行うだ けで自在に設定でき、一つの装置で加温、冷却両用の装置の実用化を達成しうる。
[0034] 図 7は、上記の熱サイホン装置 10を室内のフローリングの下面に設置して床部加温 、冷却装置として用いる場合の施工例を示しており、床 22の下面に敷設された断熱 マット 24の間隙に熱サイホン装置 10を坦め込んで床 22を加温あるいは冷却する。そ の際、必要に応じて熱サイホン装置どうしを接続する場合には、例えば図 6に示すよ うに内管の突設部どうしを高強度で耐食性のある合成樹脂製フレキシブル管等から なる接続ホース 26の両端に差し込み接続させる。したがって、図 7のような数本、ある いは数十本の連通状の曲がり配管接続に際しても簡易に施工し得る。また、そのメン テナンスも簡単に行える。
[0035] 次に、図 8、図 9を参照して本発明の他の実施形態に係る熱サイホン装置 101につ いて説明するが、上記した第 1実施形態の熱サイホン装置と同一部材には同一符号 を付してその説明は省略する。図 8の第 2実施形態の熱サイホン装置 101では、第 1 実施形態と同様の横長方向で設置される二重管式の熱サイホン装置であって、作動 空間 Sに面する外管 12の内壁面 121のみについて周方向に刻設された多数の細幅 凹溝 Gを設け、内管 14の外壁面 141は単なる滑面状の円筒外面としたものである。 この場合、第 1実施形態と同様に外管内壁面の細幅凹溝 Gを介して毛細管力により 外管内壁面に作動液膜が張り付くので、装置の周囲を冷却させるときには、第 1実施 形態の図 4の例と同様にこれを有効に実現しうる。また、図 9の第 3実施形態の熱サイ ホン装置 102では、作動空間 Sに面する内管 14の外壁面 141のみについて周方向 に刻設された多数の細幅凹溝 Gを設け、外管 12の内壁面 121は単なる円筒内面と したものである。この場合、第 1実施形態と同様に内管外壁面の細幅凹溝 Gを介して 毛細管力により内管外壁面に作動液膜が張り付くので、装置の周囲を加温あるいは 加熱させるときには、第 1実施形態の図 5の例と同様の作用でこれを有効に実現しう る。
[0036] 上記した第 1ないし第 2のいずれかの実施形態の熱サイホン装置を農業用の植物 栽培土中に埋め込んで植物栽培を行うと良好に生育を行わせうるとともに、特に土の 冷却作用を確実に行わせうるから、高原野菜や高温土を嫌う植物栽培に有効である 。よって、平地やあるいはいずれの地域についてもそれらの作物栽培が可能となる。
[0037] 設計例
内径 dio = 27mm、外径 doo = 30mmの外管および内径 dii = 9mm、外径 doi= 12mm の内管から構成される円周方向矩形グループ付き偏心二重管熱サイホンにおいて、 作動流体としてエタノールおよび水を用いた場合の毛細管圧力限界による最大熱輸 送量の計算を行った。なお、作動液最大深さ Hpは 6mm、内外管最小距離 Heは 5.5mmとした。
[設計例 1、 2] 冷却時（内管内流体として冷水を使用）における最大熱輸送量周囲 冷却の場合、外管が蒸発部、内管が凝縮部となるので、最大吸熱量としては、外管 グノレーブの毛細管圧力限界による最大熱輸送量を算出すればよい。そこで、作動流 体としてエタノールおよび水を用いた場合の冷却時における単位長さ当たりの最大 熱輸送量の計算値 Qmax/L (W/m)を設計例 1、設計例 2としてそれぞれ表 1およ び表 2に示す。なお、計算においては、作動温度（蒸気温度) Tvは 10°Cとした。表中 、 Qmax/L (W/m)は単位長さあたりの最大熱輸送量、 Wgは外管グループ（細幅 凹溝）幅、 Hmaxは最大毛管高さ、 Hgは外管グループ深さ、 Sgは外管グルーブ間ピ ツチ幅、 Ng ( = l/ (Wg + Sg) )は単位長さあたりの外管グループ本数である。
[0038] [表 1]
¾ 1 冷却時における外管グループの最大熟輪送量 （作動流体：ェタノ一ル）
Figure imgf000015_0001
単位： W/m
[0039] [表 2] 表 2 冷却時における外管グループの最大熱輪送 ft (作動流体：水）
Figure imgf000016_0001
単位： W/m
上記の計算結果より、周辺冷却時に偏心二重管タイプで作動液としてエタノールを 用いた場合、外管內径側グループの溝幅 Wg = 0. 1mm、溝深さ Hg= 0. 4mmのと きに最も大きな熱輸送量を確保しうると決定され、これらの近似サイズで実用上有効 に機能しうる点を選択して決定するとよい。また、作動液として水を用いた場合は、外 管内径側グループの溝幅 Wg = 0. 4mm、溝深さ Hg = 0. 5mmのときに最も大きな 熱輸送量を確保しうる。
[設計例 3、 4] 加熱時（内管内流体として温水を使用）における最大熱輸送量 周囲加熱の場合、外管が凝縮部、内管が蒸発部となるので、最大放熱量としては、 内管グノレーブの毛細管圧力限界による最大熱輸送量を算出すればよい。そこで、作 動流体としてエタノールおよび水を用いた場合の加熱時における単位長さ当たりの 最大熱輸送量の計算値 Qmax/L (W/m)を表 3および表 4に示す。なお、計算に おいては、作動温度（蒸気温度) Tvは 40°Cとした。
[表 3] 表 3 加熱時における內管グループの最大熱输送 St (作動流体：エタノール）
Figure imgf000017_0001
単位： W/m [表 4] 表 4 加熱時における内管グループの ¾大熱輪送 (作動流体：水）
Figure imgf000017_0002
単位： W/m 上記の計算結果より、周辺加温 (加熱）時に偏心二重管タイプで作動液としてエタノ ールを用いた場合、内管外径側グループの溝幅 Wg = 0. 2mm、溝深さ Hg = 0. 4m mのときに最も大きな熱輸送量を確保しうると決定され、これらの近似サイズで実用上 有効に機能しうる点を選択して決定するとよい。また、作動液として水を用いた場合 は、内管外径側グループの溝幅 Wg = 0. 9mm、溝深さ Hg = 0. 7mmのときに最も 大きな熱輸送量を確保しうる。
[0042] 本発明に係る熱サイホン装置、それを用いた冷却、加温装置及びその方法ならび に植物の栽培方法は、上記した実施例の構成にのみ限定されるものではなぐ特許 請求の範囲に記載した発明の本質を逸脱しない範囲における改変も本発明に含ま れる。
産業上の利用可能性
[0043] 本発明の熱サイホン装置は、住居やビルの床下部分からの冷却、加温、他の流体や 気体との熱交換、その他種々の冷却、加温 (加熱)装置として適用しうる。さらに、本 発明の熱サイホン装置を植物栽培土中に坦め込んで植物の栽培促進にも利用でき る。

Claims

請求の範囲
[1] 横長に配置された外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との 間の作動空間に作動液を封入させて密閉し、内管の内部に熱源流体を通流させつ つ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、
作動空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面のそれぞれについて周方向に刻 設された多数の細幅凹溝を設け、
該細幅凹溝を介した毛細管力によって作動液を壁面の周方向に上昇させつつ外 管の内壁面または内管の外壁面のいずれかの蒸発部で蒸発させ、かつ、他方の壁 面で凝縮させつつ外管外域を冷却または加温させることを特徴とする熱サイホン装 置。
[2] 細幅凹溝は次式（1)に示される溝幅 Wgを許容最大溝幅とし、かつ、式（2)に示され る溝深さ Hgを有するような溝であることを特徴とする請求項 1記載の熱サイホン装置 ほ 1]
2び cos Θ mm
Wg ≤ ( 1 )
[式 2]
( 2)
[3] 内管は外管の軸心から偏心した位置にその軸心が配置された偏心二重管であり、か つ、内管はその軸心が外管の軸心よりも下方となる位置に配置されたことを特徴とす る請求項 1または 2記載の熱サイホン装置。
[4] 請求項 1ないし 3のいずれかに記載の熱サイホン装置を用レ、、熱源流体を冷熱また は温熱に切り替えることにより、一つの装置で周囲の冷却または力卩温を行う冷却、加
[5] 横長に配置された外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との間 の作動空間に作動液を封入させて密閉し、内管の内部に熱源流体を通流させつつ 外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、
作動空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面のいずれかについて周方向に刻 設された多数の細幅凹溝を設け、
該細幅凹溝を介した毛細管力によって作動液を壁面の周方向に上昇させつつ外 管の内壁面または内管の外壁面のいずれかの蒸発部で蒸発させ、かつ、他方の壁 面で凝縮させつつ外管外域を冷却または加温させることを特徴とする熱サイホン装 置。
[6] 横長に配置された外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との間 の作動空間に作動液を封入させて密閉し、内管の内部に熱源流体を通流させつつ 外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイホンであって、
作動空間に面する外管の内壁面と内管の外壁面との両方に周方向に刻設された 多数の細幅凹溝を形成し、
該細幅凹溝を介した毛細管力によって常時作動液を管表面に担持させるとともに 作動液の各管表面に沿った上下動案内を行わせることを通じて熱源流体に対応した 外管外域の冷却、または加温を行うことを特徴とする熱サイホンを用いた冷却、加温 方法。
[7] 請求項 1ないし請求項 4のいずれかに記載の熱サイホン装置を植物栽培土中に坦め 込んで行う植物の栽培方法。
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