JPH02187594A - ヒートパイプ式熱交換器 - 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 この発明は、熱・電気複合供給システム（コ・ジェネレ
ーションシステム）の蒸気発生器等に適する、ヒートパ
イプを用いた熱交換器に関するものである。

従来の技術 従来の熱・電気複合供給システムの蒸気発生器には、チ
ューブラ型またはシェルアンドチューブ型の熱交換器が
多く使用されており、廃ガス等の熱源から直接水に熱を
与えて蒸気を発生させる方法を採用している。

第４図はチューブラ型熱交換器を使用した従来の熱・電
気複合供給システムの一例を示すもので、この装置は、
発電機１をガスエンジン２で駆動し、電気を発生させて
供給するとともに、発電機１を駆動するガスエンジン２
の廃ガス通路３に蒸気発生器としてのチューブラ型熱交
換器４を介設し、このチューブラ型熱交換器４において
、そのデユープ５内を流れる水に直接熱を与えて蒸発さ
せ、発生した蒸気を吸収式冷却器（図示せず）等に供給
するようになっている。また前記ガスエンジン２の加熱
部分に水を流通させて冷却を行ない、加熱された冷却水
を給温設備等に送って利用するようにもなっている。

発明が解決しようとする課題 しかし、前述した従来のチューブラ型熱交換器４を蒸気
発生器として使用した熱・電気複合供給システムにおい
ては、熱源である廃ガスを供給するガスエンジン２の負
荷が低下した場合に、それに伴って廃ガスの熱エネルギ
も低下するため、必要とする蒸気量を確保できなくなる
という問題があった。そのため、従来のこの種の装置で
は、熱く蒸気）を必要とする場合には、電気を必要とし
ない時であってもガスエンジン２の負荷を高めて、熱源
である廃ガスの熱エネルギを増加させてやる必要がある
ため、エネルギの無駄が多かった。

この発明は上記した技術的背景の下になされたもので、
熱源の熱エネルギに変動があっても安定した熱供給を達
成できるヒートパイプ式熱交換器を提供することを目的
としている。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明のヒート
パイプ式熱交換器は、凝縮性の作動流体が封入されたコ
ンテナパイプ内の凝縮部の端部側に、非凝縮性ガスを作
動流体の蒸気圧の変動に応じて圧縮膨張可能に封入した
可変コンダクタンス型の第１ヒートパイプと、この第１
と−トパイプの凝縮部の端部側の外周に設けられた蓄熱
材と、この蓄熱材中に一端側を配設して他端側を高くし
た重力動作型熱流ダイオードヒートパイプの第２ヒート
パイプとを備え、前記第１ヒートバイブの蒸発部を高温
熱媒体中に配設し、かつ低温熱媒体中に前記凝縮部の蓄
熱材を外周に設けた部分を除いた部分を配設するととも
に、前記第２ヒートパイプの他端側を前記低温熱媒体中
に配設したことを特徴としている。

作　　　用 上記のように、凝縮部の端部側に蓄熱材を設けた可変コ
ンダクタンス型の第１ヒートバイブは、その内部に非凝
縮性ガスが封入されている凝縮部の端部側は、この非凝
縮性ガスによって凝縮部として機能することが妨げられ
、凝縮部の非凝縮性ガスのない部分だけが凝縮部として
有効に機能する。また、封入されている非凝縮性ガスは
、蒸発部が配設されている高温熱媒体の熱エネルギの変
動に伴う作動流体の蒸気圧の変化に応じて圧縮または膨
張してその容積が変化し、作動流体の蒸気圧が上ｉする
と非凝縮性ガスの容積が減少し、その分だけ凝縮部の有
効長が自動的に拡大し、逆に作動流体の蒸気圧が降下す
ると非凝縮性ガスの容積が拡大し、その分だけ凝縮部の
有効長が自動的に減少する。

また、第２ヒートパイプは、重力動作型熱流ダイオード
ヒートパイプであるため、蓄熱材中に配設された低い側
が蒸発部となり、低温熱媒体中に配設された高い側が凝
縮部となる、いわゆるボトムヒートモードでのみ作動し
、蓄熱材側の温度より低温熱媒体側の温度が高い、いわ
ゆるトップヒートモードでは作動しない。

したがって、このヒートパイプ式熱交換器は、高温熱媒
体の熱エネルギが充分大きい場合には、作動流体が蒸発
部で活発に蒸発するため、第１ヒートパイプ内の作動流
体の蒸気圧が上昇し、非凝縮性ガスを圧縮してその容積
を減少させ、それに伴ってヒートパイプの凝縮部の有効
長が拡長する。

その結果、第１ヒートパイプの凝縮部のうちで、蓄熱材
が設けられていない部分において作動流体の蒸気が凝縮
することにより、蒸発潜熱として作動流体の蒸気が輸送
してきた熱によって低温熱媒体を充分に加熱させるとと
もに、蓄熱材が設けられている凝縮部の端部側において
も作動流体の蒸気が凝縮することにより、蒸発潜熱とし
て輸送されてきた熱が蓄熱材に蓄積される。このとき第
２ヒートパイプは、蓄熱材の温度より加熱された低温熱
媒体の蒸気の温度が高いため、トップヒートモードとな
って作動せず、そのため蓄熱材に蓄積された熱は消費さ
れない。

一方、高温熱媒体の熱エネルギが減少した場合には、作
ｖＪ流体の蒸発が減衰し、第１ヒートパイプ内の作ａｌ
ｌ流体の蒸気圧が下降し、非凝縮性ガスが膨張してその
容積を拡大させ、それに伴ってヒ−ドパイブの凝縮部の
有効長が減少し、凝縮部の端部側の蓄熱材が設けられて
いる範囲全てが非凝縮性ガスで満され、この部分が凝縮
部としての機能を失う。その結果、第１ヒートパイプの
凝縮部で、蓄熱材が設けられていない部分だけが凝縮部
として有効に機能し、この部分のみで作動流体の蒸気が
凝縮することにより、蒸発潜熱として運ばれてきた全て
の熱が低温熱媒体を加熱するためにのみ使われ、蓄熱材
への熱の蓄積は行なわれない。

また、高温熱媒体から受取った熱を全て低温熱媒体を加
熱するために使っても、低温熱媒体を充分に加熱できな
いまでに入力される熱エネルギが減少し、不足した場合
には、加熱される低温熱媒体の温度が上昇しないことと
なる。ぞの結果、第２ヒートパイプは、蓄熱材の温度が
加熱された低温熱媒体の温度より高くなるため、ボトム
ヒートモードとなってヒートパイプとして作動する。

そのため蓄熱材に蓄積された熱は第２ヒートパイプの凝
縮部として機能する低温熱媒体中に配設された部分に運
ばれ、低温熱媒体の加熱に使われ、入力される熱エネル
ギの不足を、この第２ヒートパイプによって運ばれる蓄
熱材の熱によって補充されて、安定した低温熱媒体の加
熱が達成される。

実施例 以下、この発明のヒートパイプ式熱交換器を、ガスエン
ジンの廃ガスを熱源とする蒸気発生器に適用した一実施
例を第１図ないし第３図に基づいて説明する。

蒸気発生器であるヒートパイプ式の熱交換器１１は、発
電機を駆動するガスエンジンの廃ガスＨの熱をヒートパ
イプにより熱輸送し、水を加熱して蒸気を発生させるも
ので、廃ガスゾーンＡと蒸気発生ゾーンＢおよび蓄熱ゾ
ーンＣの３つの部分に区分されており、前記廃ガスゾー
ンＡには熱源となる開ガスＨが流通し、また蒸気発生ゾ
ーンＢには、加熱して蒸気化する水がその内部を下方か
ら上方へ流通する通水管１２が設けられ、また蓄熱ゾー
ンＣには、蓄熱材として２００’Ｃ級で作用するペンタ
エリスリトール等を充填した蓄熱槽１３が設けられてい
る。

そして、廃ガスゾーンＡ内には、第１ヒートバイブ１４
の蒸発部（第１図において右側部分）が配置されており
、この第１ヒートパイプ１４の凝縮部は、廃ガスゾーン
Ａに隣接する蒸気発生ゾーンＢの通水管１２内を貫通し
てその端部側が蓄熱ゾーンＣの蓄熱！Ｎ１３内に配置さ
れるとともに、廃ガスゾーンＡ側が低く、蓄熱ゾーンＣ
側が高くなるように若干傾斜させて設けられている。

この第１ヒートバイブ１４は、可変コンダクタンス型の
ヒートパイプで、蒸気発生ゾーンＢおよび蓄熱ゾーンＣ
側に配設された凝縮部側の内部には非凝縮性ガス１５が
封入されており、この第１ヒートパイプ１４内の凝縮性
の作動流体の蒸気圧の変動に応じて圧縮あるいは膨張し
てその容積を変化させることにより、凝縮部の有効長し
が自動的に調整されるようになっている。また、廃ガス
ゾーンＡ内に配設された前記蒸発部の外周に多数の受熱
フィン１６を設けて熱源である廃ガスＨから効率良く受
熱できるようになっている。

また、蓄熱ゾーンＣの前記蓄熱槽１３内には第２ヒート
パイプ１７の一端（第１図において左端）が配置され、
この第２ヒートパイプ１７の他端側は蒸気発生ゾーンＢ
の通水管１２内に配置されるとともに、蓄熱槽１３内の
一端側が低く、通水管１２内の他端側か高くなるように
配設されている。

この第２ヒートパイプ１７は、重力動作型熱流ダイオー
ドヒートパイプで、蓄熱槽１３内に配置された低い側の
一端側が蒸発部となり、通水管１２内に配設された他端
側か凝縮部となる、いわゆるボトムヒートモードの場合
のみヒートパイプとして作動するもので、全長のほぼ中
央に急勾配部１７ａを設けて、逆のトップヒートモード
時の誤作動が防止きれるようになっている。

次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説明
する。

可変フンダクタンス型の第１ヒートパイプ１４は、廃ガ
スゾーンＡ内に配設された蒸発部において高温の廃ガス
Ｈの熱を受熱フィン１６で受取って作−動流体が加熱さ
れて蒸発し、作動流体の蒸気となって蒸気発生ゾーンＢ
内および蓄熱ゾーンＣ内に配設されている凝縮部側に瞬
時に移動し、この凝縮部において蒸発潜熱を奪われて凝
縮し、再び液相の作動流体に戻る。このとき、非凝縮性
ガス１５が封入されている凝縮部の端部側は、この非凝
縮性ガス１５によって凝ａｍとして機能することが妨げ
られ、非凝縮性ガス１５のない部分だけが有効長りとな
って凝縮部として機能する。また、重力動作型熱流ダイ
オードヒートパイプの第２ヒートパイプ１７は、凝縮し
だ液相の作動流体を重力の作用で蒸発部へ移動させるた
め、蓄熱ゾーンＣ内に配設された低い側が蒸発部となり
、蒸気発生ゾーンＢ内に配設された高い側が凝縮部とな
るボトムヒートモードの場合にのみヒートパイプとして
作動する。

したがって、この熱交換器１１は、発電機を駆動するガ
スエンジンが高出力で稼動し、熱源である廃ガスＨの熱
エネルギが充分多い場合には、第１ヒートパイプ１４内
の作動流体が蒸発部で活発に蒸発するため、作ｖＪ流体
の蒸気圧が上昇し、非凝縮性ガス１５を圧縮してその容
積を減少させ、それに伴って凝縮部が有効長し１までが
拡長する（第２図参照）。その結果、第１ヒートパイプ
１４の凝縮部のうちで、通水管１２内に設けられた部分
において作動流体の蒸気が凝縮することにより、蒸発潜
熱として作動流体の蒸気が輸送してきた熱によって水を
加熱して活発に蒸気を発生させるとともに、第１ヒート
パイプ１４の蓄熱槽１３内に設けられている凝縮部の端
部側においても作動流体の蒸気が凝縮することにより、
蒸発潜熱として輸送されてきた熱が余剰熱として蓄熱槽
１３に蓄積される。このとき第２ヒートパイプ１７は、
蓄熱ｌ！１３の温度より通水管１２内の加熱された蒸気
の温度が高いため、トップヒートモードとなって作動せ
ず、そのため蓄熱槽１３に蓄積された熱は消費されない
。

一方、電気の需要が減り、発電機を駆動するガスエンジ
ンの出力で低下すると、廃ガスＨの熱密度が小さくなっ
て熱交換器１１への熱入力が減少するが、このような場
合には、第１ヒートパイプ１４内の作動流体の蒸発が減
衰し、作動流体の蒸気圧が下降し、非凝縮性ガス１５が
膨張してその容積を拡大させる。それによって第１ヒー
トパイプ１４の凝縮部が有効長Ｌ２まで減少し、凝縮部
の端部側の蓄熱ゾーンＣ内に配置されている部分が非凝
縮性ガス１５に満されて、この部分が凝縮部としての機
能を失う。その結果、第１ヒートパイプ１４の凝縮部で
、蒸気発生ゾーンＢ内に配置されている部分だけが凝縮
部として有効に機能し、この部分のみで作ｌｌｌ流体の
蒸気が凝縮することにより、蒸発潜熱として運ばれてき
た熱の全てが、通水管１２内を流通する水を加熱するた
めにのみ使われ、蓄熱ｌ１１３への熱の蓄積は行なわれ
ない。

また、廃ガスＨから受取った熱をすべて水を加熱するた
めに使っても、必要とする蒸気量がをられないまでに廃
ガスＨの熱エネルギが減少した場合には、蒸気発生ゾー
ンＢにおいて発生する蒸気が減少して蒸気の温度が低下
することとなる。その結果、第２ヒートパイプ１７は、
低い側が配置された蓄熱ゾーンＣの温度が、蒸気発生ゾ
ーンＢの蒸気温度より高くなり、ボトムヒートモードと
なってヒートパイプとして作動する（第３図参照）。そ
のため、蓄熱槽１３に蓄積された熱は第２ヒートパイプ
１７の凝縮部として機能する蒸気発生ゾーンＢ内に配設
された部分に運ばれて水を加熱し、廃ガスＨの熱エネル
ギの不足を、この第２ヒートパイプ１゛４によって運ば
れる蓄熱槽１３からの熱によって補充されて、必要量の
蒸気が確保され、熱・（蒸気）の安定供給が図られる。

したがって、この実施例の熱交換器１１は、電力負荷は
変動するが、安定した熱（蒸気）の供給が必要とされる
ホテルや病院等における熱・電気複合供給システムの蒸
気発生器として最適である。

発明の詳細 な説明したようにこの発明のヒートパイプ式熱交換器は
、コンテナパイプ内に非凝縮性ガスを作動流体の蒸気圧
の変動に応じて圧縮膨張可能に封入した可変コンダクタ
ンス型の第１ヒートパイプと、この第１ヒートパイプの
凝縮部の端部側の外周に設けられた蓄熱材と、この蓄熱
材中に一端側を配設して他端側を高くした重力動作型熱
流ダイオードヒートパイプの第２ヒートパイプとを備え
、第１ヒートパイプの蒸発部を高温熱媒体中に′配設し
、かつ低温熱媒体中に前記凝縮部の蓄熱材を外周に設け
た部分を除いた部分を配設するとともに、前記第２ヒー
トパイプの他端側を前記低温熱媒体中路内に配設したの
で、熱源の熱エネルギが充分多い場合には、第１ヒート
バイブ内の蒸気圧が上昇して非凝縮性ガスの容積を縮小
させて凝縮部の有効長が拡大すると、低温熱媒体を加熱
するとともに余剰熱が蓄熱材に蓄えられ、また、熱源の
熱エネルギが減少すると、第１ヒートパイプ内の蒸気圧
が下降して非凝縮性ガスの容積を拡大させて凝縮部の有
効長が減少し、入力された熱を低温熱媒体の加熱にのみ
用いるように自動制御されるとともに、高温熱媒体の熱
エネルギが不足した場合には、第２ヒートパイプの蓄熱
材中に配置された部分が蒸発部となるボトムヒートモー
ドとなって、蓄熱材に蓄えられている熱を低温熱媒体中
に配置された部分に輸送して熱エネルギの不足を補充し
て、低温熱媒体の安定した加熱が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示すもので
、第１図は熱交換器の４１！断面図、第２図は熱源温度
が充分高い状態を示す説明図、第３図は熱源温度が低下
した状態を示す説明図、第４図は従来の熱・電気複合供
給システムの一例を示す説明図である。 １１・・・熱交換器、　１２・・・通水管、　１３・・
・蓄熱槽、　１７１・・・第１ヒートパイプ、　１５・
・・非凝縮性ガス、　１６・・・受熱フィン、　１７・
・・第２ヒートパイプ、　Ａ・・・廃ガスゾーン、　Ｂ
・・・蒸気発生ゾーン、　Ｃ・・・蓄熱ゾーン、　Ｈ・
・・廃ガス、Ｌ、Ｌｌ　、Ｌ２・・・有効長。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　凝縮性の作動流体が封入されたコンテナパイプ内の凝
   縮部の端部側に、非凝縮性ガスを作動流体の蒸気圧の変
   動に応じて圧縮膨張可能に封入した可変コンダクタンス
   型の第１ヒートパイプと、この第１ヒートパイプの凝縮
   部の端部側の外周に設けられた蓄熱材と、この蓄熱材中
   に一端側を配設して他端側を高くした重力動作型熱流ダ
   イオードヒートパイプの第２ヒートパイプとを備え、前
   記第１ヒートパイプの蒸発部を高温熱媒体中に配設し、
   かつ低温熱媒体中に前記凝縮部の蓄熱材を外周に設けた
   部分を除いた部分を配設するとともに、前記第２ヒート
   パイプの他端側を前記低温熱媒体中に配設したことを特
   徴とするヒートパイプ式熱交換器。