JP2013148251A - ヒートパイプおよび集熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体の取扱いが容易で、熱伝達性能に優れたヒートパイプと、同ヒートパイプを用いた集熱体を提供する。
【解決手段】上下または傾斜姿勢に配置される密閉構造の長尺な管体１０１の内部に熱媒体１０２が封入され、管体の一方に集熱部１０３および管体の他方に凝縮部１０４が設けられたヒートパイプ１００において、熱媒体１０２として溶存気体が脱気された脱気水を用いる。管体１０１の周囲に、同軸状にかつ所定の間隔を設けて、内筒２０２と外筒２０３との間に真空層２０４をもつ縦断面Ｕ字形の二重ガラス管を配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、取扱いが容易で熱伝達性能に優れたヒートパイプと、同ヒートパイプを用いた集熱体に関するものである。

従来より、太陽熱を利用した集熱器が広く知られている（例えば特許文献１、２参照）。かかる集熱器においては、太陽熱の集熱および熱交換の手段としてヒートパイプを用いる方式がある。ヒートパイプ内には作動媒体が封入され、太陽熱により内部の作動媒体を加熱すると、加熱された作動媒体がヒートパイプの端部に熱を移動させ、同端部において外部を流れる流路（給湯水等）に熱を付与し、凝縮して元に戻るようになっている。

特許公開２００６−３４９３２９号公報 特許公開２００８−１５７４８３号公報

ところで、上記ヒートパイプの作動媒体として、水やアルコール、フロン等が用いられるが、なかでも水は取扱いが容易であるという特徴がある。しかしながら、水道水などの通常の水を用いると、酸素や窒素などの溶存気体が多く、太陽熱を集熱してヒートパイプ内の水を沸騰させると、前記溶存気体から大きな気泡に拡大し、同気泡の存在が、ヒートパイプ内の熱伝達を妨げ、熱伝達性能を低下させるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱媒体の取扱いが容易で、熱伝達性能に優れたヒートパイプと、同ヒートパイプを用いた集熱体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るヒートパイプは、上下または傾斜姿勢に配置される密閉構造の長尺な管体の内部に熱媒体が封入され、管体の一方に集熱部および管体の他方に凝縮部が設けられたヒートパイプであって、
前記熱媒体として、溶存気体が脱気された脱気水を用いることを主要な特徴とする。

熱媒体として、溶存気体が脱気された脱気水を用いることにより、一方の集熱部に太陽熱等の外部熱を集熱して管体内の水を沸騰させても、熱媒体中の溶存気体が脱気されているから、沸騰により生じる気泡が小さく、したがって、管体の一方の集熱部において沸騰された熱媒体が往路を他方の凝縮部に容易に移動して外部の熱媒体との間で熱交換を効率よく行い、凝縮部から凝縮された熱媒体が復路を容易に元の集熱部に戻り、かかる循環を繰り返す。これによって、従来のヒートパイプに比べて熱伝達性能が格段にアップする。

また、熱媒体として脱気水を用いることにより、熱媒体としての取扱いが容易であり、しかも安全でもある。

本発明に係るヒートパイプは、前記熱媒体の溶存酸素濃度が０．２〜１．０ｍｇ／リットルであることを第２の特徴とする。

ここで０．２ｍｇ／リットルを下回ると、溶存酸素濃度が少なすぎて、集熱開始時の熱媒体沸騰によるヒートパイプ上部への熱移動が弱く、また、１．０ｍｇ／リットルを上回ると、溶存酸素濃度が多すぎて、沸騰により熱媒体中に発生する気泡が大きく、蒸気と液の効率的循環が阻害され、熱伝達性を低下させる。

本発明に係るヒートパイプは、管体内部に一方の集熱部および他方の凝縮部との間で熱媒体を往復移動させる移動通路が設けられ、かつ管体内周面の少なくとも一部に、移動通路の長手方向にまたは長手方向と斜めに交差する方向に延びる溝またはウイックが設けられていることを第３の特徴とする。

管体内周面の少なくとも一部に溝またはウイックを設けることにより、凝縮部から熱交換後の凝縮水を効率的に集熱部に戻すことが可能となる。溝またはウイックは管体内周面の全面に設けることが望ましい。

本発明に係るヒートパイプは、管体の集熱部における内径よりも管体の凝縮部における内径の寸法が大きく、かつ、双方向の移動通路における内径の寸法が６．０ｍｍ〜１１．２ｍｍであることを第４の特徴とする。

凝縮部における熱伝達性を確保して熱交換効率の向上を図りながら、ヒートパイプの軽量化を同時に図ることができる。

本発明に係るヒートパイプは、管体の集熱部に太陽熱を集熱させることを第５の特徴とする。

本発明に係るヒートパイプは、管体の周囲に、同軸状にかつ所定の間隔を設けて、内筒と外筒との間に真空層をもつ縦断面Ｕ字形の二重ガラス管が配置されていることを第６の特徴とする。

本発明に係る集熱体は、上下または傾斜姿勢に配置された密閉構造の長尺な管体の内部に溶存空気を脱気させた脱気水からなる熱媒体が封入され、管体の一方に集熱部および他方に凝縮部が設けられたヒートパイプと、当該ヒートパイプの前記管体の周囲に同軸状にかつ所定の間隔を設けて配置され、内筒と外筒との間に真空層をもつ縦断面Ｕ字形の二重ガラス管とを備えることを主要な特徴とする。

本発明に係る集熱体は、前記熱媒体の溶存酸素濃度が０．２〜１．０ｍｇ／リットルであることを第２の特徴とする。

本発明に係る集熱体は、二重ガラス管における内筒の外筒側表面に選択吸収膜が全周に亘り取り付けられていることを第３の特徴とする。

本発明に係る集熱体は、内筒および外筒がいずれも断面円形状であることを第４の特徴とする。

本発明に係る集熱体は、二重ガラス管の内筒の内部空間に太陽熱を集熱させることを第５の特徴とする。

以上説明したように、本発明に係るヒートパイプによると、管体内部に封入された熱媒体に、溶存気体が脱気された脱気水を用いることで、太陽熱等の外部熱を集熱部に集熱して管体内の水を沸騰させる際に生じる熱媒体中の気泡を小さく抑制することができ、したがって、管体の集熱部から凝縮部への熱媒体による熱移動と、凝縮部から集熱部への凝縮された熱媒体の移動を、気泡により阻害されることなく、スムーズに行わせしめ、熱伝達性能を大幅にアップさせることができるという優れた効果を奏する。

また、熱媒体として脱気水を用いるから、取扱いが極めて容易で保守性に優れ、しかも安全であるという効果を奏する。

また、本発明に係る集熱体によると、上記ヒートパイプに加えて、その管体の周囲に、同軸状にかつ所定の間隔を設けて、内筒と外筒との間に真空層をもつ縦断面Ｕ字形の二重ガラス管を配置するようにしたから、太陽熱等の外部熱の集熱効率が高く、熱伝達性能の大幅アップとの相乗効果により、省エネルギー化を大きく推進させることができるという優れた効果を奏する。

本発明の第１の実施形態におけるヒートパイプの構造を示す説明図、 図１のヒートパイプのヘッダー管への設置状態を示す断面図、 図１のヒートパイプを用いた集熱体の構造を示す説明図、 図３に示す集熱体を複数設置した状態を示す説明図、 図４に示す集熱体のＡ−Ａ線矢視断面図、 本発明の第２の実施形態におけるヒートパイプの構造を示す断面図である。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１ないし図５は本発明の第１の実施形態を示すもので、これらの図において、符号１００は本発明に係るヒートパイプ、符号Ｓは本発明に係る集熱体を示している。

図１に示すように、ヒートパイプ１００は、傾斜姿勢に配置される密閉構造の長尺な管体１０１を有している。管体１０１の内部には脱気水（熱媒体）１０２が封入されている。管体１０１には、一方に太陽熱により脱気水１０２を加熱して沸騰させる集熱部１０３と、他方に集熱部１０３で加熱された脱気水１０２をヘッダー管（給湯管）３００を流れる水Ｗとの間で熱交換させる凝縮部１０４が設けられている。

上記ヒートパイプ１００において、管体１０１の集熱部１０３における長さ寸法および内径寸法は、軽量化、集熱および熱伝達性能の観点から、それぞれ１９９〜２０１ｃｍおよび６．０〜１１．２ｍｍとされ、凝縮部１０４における長さ寸法および内径寸法は、軽量化および熱伝達性の観点から、それぞれ７〜８ｃｍおよび１０．７〜１２．８ｍｍとされている。

上記管体１０１において、下端の脱気水貯留部１０５に貯留された脱気水１０２が外部の太陽熱により加熱されて沸騰すると、脱気水１０２の蒸気成分１０２’が、脱気水貯留部１０５とヘッダーの凝縮部１０４を結ぶ移動通路１０６の上側を上昇移動して、ヘッダーの凝縮部１０４に至り、同凝縮部１０４においてヘッダー管３００内を流れる水Ｗとの間で熱交換されるようになっている。一方、熱交換後に凝縮された脱気水１０２’’は、移動通路１０６の下側を落下移動して下方の集熱部１０３へと戻るようになっている。

上記管体１０１の材質としては、熱伝導性に優れる材料、例えば銅製からなる。

熱媒体に用いられる脱気水１０２は、溶存気体（酸素、窒素）が脱気された水からなり、その溶存酸素濃度が０．２〜１．０ｍｇ／リットルのものが用いられる。ここで溶存酸素濃度を０．２〜１．０ｍｇ／リットルとするのは、０．２ｍｇ／リットルを下回ると、溶存酸素濃度が少なすぎて、集熱開始時の熱媒体沸騰によるヒートパイプ上部への熱移動が弱く、１．０ｍｇ／リットルを上回ると、溶存酸素濃度が多すぎて、沸騰により熱媒体中に発生する気泡が大きく、蒸気と液の効率的循環が阻害され、熱伝達性を低下させるからである。溶存酸素濃度はさらには０．３〜０．７ｍｇ／リットルの範囲が望ましい。

ここで、脱気水中の溶存酸素濃度は市販の溶存酸素濃度計を用いて測定する。また、脱気水は水を沸騰させる等して製造し、脱気水の製造と同時に連続的にヒートパイプ内に注入する。

集熱体Ｓは、図３に示すように、上記ヒートパイプ１００と、同ヒートパイプ１００に対し外装された真空Ｕ字管２００とを有している。真空Ｕ字管２００は、上端開口部２００Ａを有すると共に内部にヒートパイプ収容部２０１を有する有底の内筒２０２と、この内筒２０２の周囲に配置される有底の外筒２０３とからなる縦断面Ｕ字形の二重管構造をしており、内筒２０２の上端部と外筒２０３の上端部は全周に亘り互いに接続され、内筒２０２と外筒２０３の間には密閉され真空引きされた真空層２０４が形成されている。かかる内筒２０２と外筒２０３はともに太陽光を少なくとも９０％以上透過させる透明なガラス管からなる。

内筒２０２の外筒２０３側表面にはヒートパイプ収容部２０１の周囲を覆うようにして選択吸収膜２０５が全周に亘り設けられている。この選択吸収膜２０５は、外筒２０３を透過し、真空層２０４を通過した太陽光線をヒートパイプ収容部２０１内に取り込んで集熱する役目をする。

選択吸収膜２０５には、可視から近赤外線域で高い吸収率を持ち、赤外線域で低い放射率を持つ材料を用いた、いわゆる選択吸収材料を用いることが望ましく、同選択吸収材料は内筒２０２の外筒２０３側表面に真空蒸着により皮膜として施される。太陽光線を効率良く吸収して吸収材料自体の熱放射による損失を抑制することができる。そして、選択吸収膜２０５による集熱作用と真空層２０４による断熱（熱損失の抑制）作用の組合せによって、ヒートパイプ収容部２０１内の温度を約２２０〜２５０℃程度まで昇温することができるようになっている。

上記の集熱体Ｓは、太陽光線の当たる場所、例えば建物の屋上や屋根等に配置される太陽熱集熱システムにおいて、当該システムの一部であるヘッダー管３００に対して取り付けられ設置される。

図１ないし図３に示すように、ヘッダー管３００の通路３０１には、支持管３０２を介してヒートパイプ１００の凝縮部１０４が水Ｗが流れる方向と直角向きに配置されている。ヘッダー管３００にはヒートパイプ１００の凝縮部１０４を支持する逆Ｕ字形の支持管３０２が設けられている。支持管３０２とヒートパイプ１００の凝縮部１０４との間には、図示しないが熱伝導性の良いグリース（熱伝導グリース）が介在されている。

支持管３０２は、伝熱性に優れた材料、例えば銅製からなり、下端開口部３０２ａにヒートパイプ１００の凝縮部１０４を挿入し、同凝縮部１０４全体をヘッダー管３００の通路３０１に位置させ、かつ、ヒートパイプ１００の集熱部１０３がヘッダー管３００に対し垂直でかつ重心方向に対しては傾斜姿勢となるように取り付け支持するようになっている。また、支持管３０２の側周面に沿ってその外側を水Ｗがヒートパイプ１００の凝縮部１０４と熱交換されながら矢印方向に流れるようになっている。

図３に示すように、ヘッダー管３００の周囲には厚みのある断熱材３０４が設けられ、同断熱材３０４が内蔵されたヘッダー３０５の下部に、上記ヒートパイプ１００がヒートパイプ収容部２０１内に周囲に所定の隙間Ｓを残して同軸的に配置されるようにして、真空Ｕ字管２００の上端部２００Ｂが取付支持されている。これにより、真空Ｕ字管２００の上端開口部２００Ａは断熱材３０４の外面により密閉され、真空Ｕ字管２００のヒートパイプ収容部２０１内の空気が外部の太陽光線により２２０〜２５０℃まで高温に加熱されるようになっている。

太陽熱集熱システムにおいて、ヘッダー管３００に一定間隔で支持管３０２を設けることにより、図４に示すように、ヘッダー３０５を介して複数の集熱体Ｓ_１〜Ｓ_ｎを並べて設置し、集熱効率を上げることができる。

次に、上記構造の集熱体Ｓ_１〜Ｓ_ｎを用いて、太陽熱を集熱し、熱交換する方法について、説明する。

屋上又は屋根に配設されたヘッダー管３００に取り付けられた集熱体Ｓ_１〜Ｓ_ｎの各真空Ｕ字管２００に太陽光線Ｌが照射すると、太陽光線Ｌが真空Ｕ字管２００の透明ガラス製の外筒２０３を９７％以上透過し、真空層２０４を通過し、透明ガラス製の内筒２０２の内周面に設けられた選択吸収膜２０５に吸収される。選択吸収膜２０５で集熱された太陽熱は、内筒２０２内部の空気を加熱し、同空気を２２０〜２５０℃まで昇温させる。

ここで、真空Ｕ字管２００の外筒２０３および内筒２０２は、図５に示すように、いずれも断面円形状で曲面をもつ透明ガラス管であるから、直接入射する太陽光線や集熱体Ｓ周辺で散乱する太陽光線を効率よく吸収し、したがって、朝方・夕方の低日射時間帯や、曇り・雨天時の低日射日においても、太陽熱を効率よく集熱し、ヒートパイプ収容部２０１内に蓄熱し、速やかにヒートパイプ１００の管体１０１内の脱気水１０２に熱を伝達できる。また、真空Ｕ字管２００の真空層２０４の真空断熱効果により、ヒートパイプ収容部２０１内に集熱した熱が外部に逃げるのを抑制し、ヒートパイプ収容部２０１内を２２０〜２５０℃の高温になるように集熱できる。なお、図５において、符号Ｌ_１は朝方の太陽光線、符号Ｌ_２は昼間の太陽光線、符号Ｌ_３は夕方の太陽光線を示している。

そして、ヒートパイプ収容部２０１内に蓄熱された熱は、ヒートパイプ１００の集熱部１０３における管体１０１壁面を通して内部に集熱され、ヒートパイプ１００内部の脱気水（熱媒体）１０２を速やかに加熱する。ヒートパイプ１００内部の脱気水（熱媒体）１０２は、溶存酸素濃度が０．２〜１．０ｍｇ／リットルと低く、熱伝達性能に優れる。

集熱部１０３における脱気水１０２は、ヒートパイプ収容加熱部２０１内が２２０〜２５０℃の高温になることにより、加熱されて沸騰し、高温の蒸気成分１０２’が移動通路１０６の上側を上昇移動し、上方の凝縮部１０４に至る。脱気水１０２は、沸騰しても発生する気泡が非常に小さく、気泡が蒸気成分１０２’の移動を妨げることがない。

凝縮部１０４に達した高温の蒸気成分１０２’は、ヘッダー管３００を流れる水Ｗとの間で熱交換を行う。加熱された水Ｗは、温水となってヘッダー管３００の下流へと送られる。ヘッダー管３００には隣接して複数箇所に集熱体Ｓが設置されているので、ヘッダー管３００を流れる水Ｗは順次熱交換されて、温度が上昇する。

熱交換により凝縮された脱気水１０２の凝縮成分１０２’’は、移動通路１０６の下側を落下移動し、速やかに集熱部１０３に戻る。この場合、集熱部１０３において沸騰により発生する気泡は前述のように非常に小さいことから、凝縮部１０４から凝縮された脱気水１０２が移動通路１０５を落下するのを気泡が妨げることがない。したがって、集熱部１０３と凝縮部１０４との間を脱気水１０２が効率よく循環することになり、従来のヒートパイプに比べて熱伝達性能が大幅に向上する。

ヒートパイプ１００は、集熱部１０３部分の内径が６．０〜１１．２ｍｍ、外径が８〜１２ｍｍ、凝縮部１０４部分の内径が１０．７〜１２．８ｃｍ、外径が１３〜１５ｍｍであり、全長が２０６〜２０９ｃｍであり、全体として軽量で、細くコンパクトな大きさである。

本実施形態の集熱体によれば、真空Ｕ字管２００のガラス管に熱媒体を封入せず、ヒートパイプ収容部２０１内に収容したヒートパイプ１００内の熱媒体１０２を加熱するようにしたから、通水管を急激な熱変動や熱膨張・収縮により変形させたり、亀裂を生じさせたりする心配がなく、取扱いが容易で耐久性に優れた集熱体を実現することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態を示すもので、図６において、符号１００’はヒートパイプを示している。同図において、前記実施形態と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

図６において、ヒートパイプ１００’の管体１０１’の内周面には、全周に亘り多数の小さい溝１０７が移動通路１０６の長手方向に沿って設けられている。同溝１０７は、移動通路の長手方向と斜めに交差する方向に螺旋状に設けても良い。同溝１０７の存在により、凝縮部１０４において凝縮された脱気水１０２の凝縮成分１０２’’は、凝縮部１０４へ上昇する蒸気成分１０２’と干渉することなく、溝１０７に沿って円滑に集熱部１０３まで落下する。

溝１０７は、管体１０１’の内周面の少なくとも一部に設ければよいが、全周に亘り設けることにより、脱気水１０２の凝縮成分１０２’’の表面張力による毛管作用により、凝縮部１０４へ上昇する蒸気成分１０２’と干渉することなく、同凝縮成分１０２’’を管体１０１’の内周面全面に沿って降下させることができる。なお、溝１０７の代わりに網状のウイックを設けるようにしてもよい。

上記の実施形態の集熱体によれば、エネルギー効率の高い太陽熱を利用することにより、省エネルギーの推進と地球温暖化対策（ＣＯ_２排出量の削減）を大いに図ることができるようになる。本実施形態では、ヘッダー管３００を流れる給水との間で熱交換を行ったが、家庭用あるいは工場、事務所、ビル向け等の給湯設備に用いることができる。また、ヘッダー管３００に加温された空気を通して暖房設備に用いたり、発電装置用の熱源に用いることもできる。

上記の実施形態では、集熱体を屋根やビルの屋上に設置するようにしたが、太陽光線が当たる地上等に設置してよいことはもちろんである。また、ヒートパイプおよび集熱体の大きさは上記の実施形態に限られず、必要に応じて寸法を拡大等してよい。

本発明に係るヒートパイプおよび集熱体は、太陽熱等の外部熱を集熱して水等を熱媒体とするヒートパイプおよび集熱体として、家庭用、事業用、産業分野、農業分野（例えばビニールハウスの暖房や土壌殺菌用途など）、幅広く利用可能である。

１００ ヒートパイプ
１０１ 管体
１０２ 脱気水
１０２’ 蒸気成分
１０２’’ 凝縮成分
１０３ 集熱部
１０４ 凝縮部
１０５ 貯留部
１０６ 移動通路
１０７ 溝
２００ 真空Ｕ字管
２００Ａ 上端開口部
２００Ｂ 上端部
２０１ ヒートパイプ収容部
２０２ 内筒
２０３ 外筒
２０４ 真空層
２０５ 選択吸収膜
３００ ヘッダー管
３０１ 給水通路
３０２ 支持管
３０４ 断熱材
３０５ ヘッダー
Ｓ 集熱体

Claims (11)

1. 上下または傾斜姿勢に配置される密閉構造の長尺な管体の内部に熱媒体が封入され、管体の一方に集熱部および管体の他方に凝縮部が設けられたヒートパイプであって、
   前記熱媒体として、溶存気体が脱気された脱気水が用いられることを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記熱媒体の溶存酸素濃度が０．２〜１．０ｍｇ／リットルであることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。
3. 管体内部に一方の集熱部および他方の凝縮部との間で熱媒体を往復移動させる移動通路が設けられ、かつ管体内周面の少なくとも一部に、移動通路の長手方向にまたは長手方向と斜めに交差する方向に延びる溝またはウイックが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 管体の集熱部における内径よりも管体の凝縮部における内径の寸法が大きく、かつ、双方向の移動通路における内径の寸法が６．０ｍｍ〜１１．２ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
5. 管体の集熱部に太陽熱を集熱させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
6. 管体の周囲に、同軸状にかつ所定の間隔を設けて、内筒と外筒との間に真空層をもつ縦断面Ｕ字形の二重ガラス管が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のヒートパイプ。
7. 上下または傾斜姿勢に配置された密閉構造の長尺な管体の内部に溶存空気を脱気させた脱気水からなる熱媒体が封入され、管体の一方に集熱部および他方に凝縮部が設けられたヒートパイプと、当該ヒートパイプの前記管体の周囲に同軸状にかつ所定の間隔を設けて配置され、内筒と外筒との間に真空層をもつ縦断面Ｕ字形の二重ガラス管とを備えていることを特徴とする集熱体。
8. 前記熱媒体の溶存酸素濃度が０．２〜１．０ｍｇ／リットルであることを特徴とする請求項７記載の集熱体。
9. 二重ガラス管における内筒の外筒側表面に選択吸収膜が全周に亘り取り付けられていることを特徴とする請求項７または請求項８記載の集熱体。
10. 内筒および外筒がいずれも断面円形状であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか一項に記載の集熱体。
11. 二重ガラス管の内筒の内部空間に太陽熱を集熱させることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか一項に記載の集熱体。

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