JPH03294786A - 二重管型熱サイフォン - 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） 本発明は各種の排熱、太陽熱、地熱などの熱源からの熱
エネルギーの有効利用を目的とした各種熱交換器、ある
いは原子炉の冷却および残留熱除去系、高レベル放射性
廃棄物貯蔵施設における冷却系や冷中性子源設備などに
おける各種熱交換器、さらには高密度集積回路に代表さ
れる各種電子（気）機器の冷却などの広範囲の分野にお
いて、伝熱素子として利用、もしくは利用が考えられる
密閉型熱サイフオンに係るものである。その内、特に、
熱輸送限界の大幅な向上と、伝達熱量の完全な制御を同
時に実現させることが可能な密閉型の二重管型熱サイフ
オンに関するものである。

（従来の技術） 従来の密閉型熱サイフオン、特に、作動流体の相変化を
伴う密閉型二相熱サイフオンにおいては、熱サイフオン
内に生じる作動流体の気液対向二相流によるフラッディ
ングに起因して、熱輸送限界が生じるという欠点があっ
た。また、この熱輸送限界による限界熱流束は、プール
沸騰やボイラー伝熱管などの対流沸騰系のそれと比較し
て著しく低い欠点があったため、適用される製品に制限
があった。

ところで、上述のフラッディングの発生を回避し、熱輸
送限界を大幅に向上させるために、内部下降管を挿入し
た密閉型の二重背型二相熱サイフオンが、既に本発明者
らによって提案されている（特願昭６３−２６３６５］
　）。さらに、上記発明における二重背型二相熱サイフ
オンに、作動流体の内部循環量を変化させ得る弁と弁開
度調節装置を設け、熱サイフオンそれ自身にある程度の
伝達熱量の制御機能を持たせ、熱交換器を通過する高温
側流体および低温側流体の熱交換器からの排出温度を変
化させ得る、密閉型の二重背型二相熱サイフオンが、既
に本発明者によって提案されている（特願平］−２０３
４３９１゜ しかしながら、これら従来の二重背型二相熱サイフオン
には次のような欠点があった。

（１）０作動流体の安定した内部循環を実現するために
は、気液混合物を内部下降管の入口部付近に、安定して
保持する必要がある。そのためには、断熱部にテーパ一
部を設ける必要があり、これにより冷却部直径が加熱部
課径より大きくなる。これは冷却部と加熱部の直径が同
じである、従来のヒートバイブまたは熱サイフオンとの
完全な幾何学的互換性を損ない、適用される製品の範囲
が限定される可能性がある。

（２）、気液分離を完全に行なうことが困難であるため
、気液二相流として作動流体が内部下降管に取込まれる
。これは内部循環力の減少をもたらす欠点があり、ひい
ては限界熱流束の向上を阻害する。

（３）、伝達熱量をゼロにすることができない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上述の事実に基づきなされたものであり、密閉
型の二重背型熱サイフオンの伝達熱量を、ゼロから限界
熱流束に相当する熱量まで自由に制御することにより、
熱交換器を通過する高温側流体および低温側流体の熱交
換器からの排出温度を、従来の二重背型熱サイフオンの
場合と比較して、より広範囲に変化させ得る方法と、そ
れを実施するに最も好適な、冷却部と加熱部の直径が等
しい場合をも含んだ密閉型の二重背型熱サイフオンを提
案することにある。

（３） （４） （課題を解決するための手段） 上述の目的を達成させるために、本発明は密閉型の熱サ
イフオンの断熱部に仕切板を設け、この仕切板に内部下
降管を加熱部方向に、また、一つ、あるいは複数の内部
上昇管を冷却部方向に設ける。

さらに内部下降管または内部上昇管の入口部、出口部を
含む任意の位置に、内部下降管または内部上昇管内を流
れる作動流体の流量を変化させ得る弁を設け、さらにこ
の弁の開度を調節する弁開度調節装置を設けたものであ
る。

いま、本発明による構成の典型的−例を、第１図（ａｌ
、（ｂｌに従って説明すると次のようである。

冷却部１、断熱部２および加熱部３からなる密閉型の熱
サイフオンにおいて、断熱部２の任意の位置に仕切板６
を設ける。この仕切板６の中央の漏斗状の入口部先端に
は内部下降管４が接続され、また仕切板６の外周部には
内部上昇管５〔第１図に示す実施例では、２本設けた場
合を示している）を設ける。さらに、仕切板６の中央の
漏斗状の入口部には、内部下降管４の入口の開口面積（
弁開度に相当する）を変化させ得る弁７を設け、冷却部
１の上端部には弁７の開度を調節する弁開度調節装置８
を設ける。また、管内には作動流体を封入する。

一般に、弁７の構造と弁７の開度調節方法および弁開度
調節装置８の構造は種々考えられるため、任意でよい。

しかるに、本実施例における弁開度調節装置８は、作動
流体の密封機構と弁７の開度調節機構を有することが必
要である。

さらに、第１図に示す実施例では、冷却部１は低温側流
体の通路１０内に、また加熱部３は熱源である高温側流
体の通路１１内に挿入されており、排熱回収用熱交換器
などに本発明による熱サイフオンを適用した場合に相当
する。

以上のように装置する。

（作用） 次に、第１図に示した一実施例の作用について、第２図
、第３図、第４図および第５図に従って説明する。なお
、第２図、第３図および第４図においては、作動流体の
蒸気相を示す部分には黒点を施しており、それ以外の部
分は作動流体の液相の部分に相当する。

まず、弁開度調節装置８により、弁７の弁開度Ｃを大き
くした場合の作動状態を、第２図に従って説明する。加
熱部３と内部下降管４の間に形成されている環状流路内
の作動流体が沸騰を開始すると、作動流体は蒸気と液が
混合した気液混合物となってこの環状流路内を上昇し、
断熱部２に取り付けられた仕切板６の外周部にある内部
上昇管５内に取り込まれる。その復、この気液混合物は
内部上昇管５内を上昇し、その上端より断熱部２の上端
部および冷却部１の下端部内の空間へ放出されることに
より、気液が分離され、液は仕切板６および弁７の上部
に形成される液たまりＡ内に重力の作用により落下し、
また蒸気は冷却部１内を上昇する。冷却部１内を上昇す
る蒸気の流れは、冷却部１の内壁面にて凝縮され、冷却
部１の内壁面に沿って流下する液の流れとなり、仕切板
６および弁７の上部に形成される液だまりＡに至る。

仕切板６の中央部には、内部下降管４に至る漏斗（７） 状の入口部があり、この入口部の開口面積は弁７により
変化させられるので、弁７の弁開度Ｃの大きさに従った
量の液が、液だまりＡから内部下降管４内へ取り込まれ
る。内部下降管４内へ取り込まれた液は、その下端まで
流下し、作動流体の通路１２を経て、再び加熱部３の下
端へ供給され、以徨安定した内部循環が実現される。第
２図に示した状態は、弁開度Ｃが十分に大きく、従って
内部循環量も大きく、加熱部３の全域が沸騰域工である
場合を示している。

次に、弁開度調節装置８により、弁７の弁開度Ｃを十分
小さくした場合の作動状態を、第３図に従って説明する
。この場合も、第２図に示した場合と同様に、液が内部
下降管４の下端の作動流体の通路１２より加熱部３の下
端へ供給されるので、加熱部３と内部下降管４の間の環
状流路部では、沸騰を伴う気液混合物の上昇流が生じ、
沸騰域工が形成される。しかるに、弁７の弁開度Ｃが十
分に小さく、従って作動流体の内部循環量が少ないので
、第３図に示すように、液が全て蒸発してしく８） まい、蒸気の流れのみとなるドライアウト域Ｈが、加熱
部３の上部にあらたに発生する。加熱部３にドライアウ
ト域Ｈが生じると、第２図に示した作動状態の場合と比
較して、伝達熱量は小さくなり、従って熱交換器の高温
側流体の出口温度はより高く、また低温側流体の出口温
度はより低くなる。

この沸騰域■とドライアウト域Ｈの割合は、弁７の弁開
度Ｃを調節することにより、変化させることができる。

最後に、弁開度調節装置８により、弁７の弁開度Ｃをゼ
ロ（すなわち、全開状態）にした場合の作動状態を、第
４図に従って説明する。この場合は、液は内部下降管４
の下端の作動流体の通路１２より加熱部３の下端へは供
給されなくなる。従って、第４図に示すように、内部下
降管４内に残っていた液、および加熱部３と内部下降管
４の間の環状流路部に残っていた液は全て蒸発し、最終
的には蒸気のみとなり、加熱部３は全域にわたってドラ
イアウト域Ｈとなる。加熱部３より蒸気が冷却部１に供
給されなくなるので、冷却部１においても凝縮が行なわ
れなくなり、液は全て仕切板６と弁７の上部に形成され
る液だまりＡ内に保持され、冷却部１内もまた蒸気のみ
となり、熱サイフオン内での作動流体の内部循環は停止
する。加熱部３と冷却部１が蒸気のみになると、それぞ
れの内壁面では対流により熱が伝えられるようになる。

よって、第４図に示す作動状態における伝達熱量は、内
部の蒸気の自然対流による伝達熱量と熱サイフオン管そ
れ自身の伝導による伝達熱量の和となり、第２図および
第３図に示した相変化を伴う場合の伝達熱量に比較して
無視できる程度の量となり、笑事上、熱サイフオンはそ
の機能を停止し、伝達熱量はほぼゼロとなる。第４図に
示す作動状態より分るように、密閉型二相熱サイフオン
においては、内部上昇管５の高さＦＴ＋は、液だまりＡ
内の液が内部上昇管５の上端よりその内部に逆流しない
だけの高さを確保することが必要であり、これは初期の
作動流体の充填量により決定される。

このように、弁開度調節装置８により、弁７の弁開度Ｃ
を調節し、作動流体の内部循環量を調節することにより
、加熱部３に生じる沸騰域■とドライアウト域Ｈの割合
を変化させることが可能であるので、これにより熱サイ
フオンによる伝達熱量をほぼゼロまで変化させることが
でき、従って熱交換器の高温側流体と低温側流体の出口
温度を、従来の二重背型二相熱サイフオンの場合と比較
して、より広い範囲で変化させることが可能である。

これにより、高温側システム及び低温側システムにおけ
る熱源流体の運転点流量を変化させることなく、これら
の熱源流体間の伝達熱量や両流体の出口温度を、熱交換
器に取り付けた二重背型二相熱サイフオンの弁７の弁開
度Ｃを変化させることにより、自由に制御することが可
能となる。

第５図（ａ）、（ｂｌには、上述した弁７の弁開度Ｃと
伝達熱量および熱交換器内を流れる高温側流体、低温側
流体の出口温度の関係を示している。

第５図（ａ）、（ｂｌにおいて、−点鎖線が従来の二重
背型二相熱サイフオンの場合、実線が本発明による二重
背型二相熱サイフオンの場合である。本図に示すように
、本発明による二重背型二相熱サイフオンは、従来のそ
れに対して、弁が全開の場合において伝達熱量をほぼゼ
ロにすることが可能で、また内部下降管内に取り込まれ
る作動流体がほぼ完全に液のみとなるため、内部循環力
が従来型に対して大きくなり、従って弁開度Ｃが大きい
場合の伝達熱量の増大が実現できる。従って、第５図（
ｂ）に示すように、熱交換器を通過する高温側流体およ
び低温側流体の出口温度は、従来型と比較してより広い
範囲にわたって変化させることが可能となる。なお、第
５図（ａｌ、（ｂ）に示すように、加熱部３にドライア
ウト域Ｈが生じなくなると、弁開度Ｃをそれ以上大きく
しても、伝達熱量や高温側流体、低温側流体の出口温度
の変化は小さくなり、ある値に漸近するようになる。

（実施例） 本発明による構成の典型的−例はすでに第１図に示した
通りであるが、さらに、第６図、第７図および第８図に
従って、本発明の他の実施例について説明する。

まず、第６図は、弁７を内部下降管４の出口部（１１） （下端部）に設けた場合の実施例を示している。本実施
例は機器の構造上の理由により、熱サイフオン管の冷却
部１の上端に弁開度調節装置８が設けられない場合に相
当する。第６図に示す実施例において、弁７が全閉状態
である場合には、内部下降管４内にある液は、加熱部３
と内部下降管４との間に形成される環状空間内にある蒸
気の自然対流により加熱され、沸騰が開始しないように
することが必要である。弁７の全開時に、内部下降管４
内の液が沸騰すると、開放型二相熱サイフオンに非常に
似た作動状態となり、弁７の弁開度はゼロであるにもか
かわらず、相変化による熱の伝達が再開されるようにな
るので注意が必要である。

しかしながら、一方、この特性を積極的に利用すること
も可能である。すなわち、加熱部３の壁温がある温度以
上になり、内部下降管４内の液が沸騰を開始すると、熱
を加熱部から冷却部へ相変化による潜熱により伝達する
ようになるため、加熱部３の壁温はこの温度を超えて急
激に上昇しなくなる。これは、弁７が全開時に、高温側
流体の（１２） 温度が何等かの原因により急上昇した場合、加熱部壁温
をある許容温度以下に抑える機能、すなわち安全装置の
役割を果すことになる。作動流体が決っていれば、内部
下降管４内の液体が沸騰を再開する時の加熱部壁面温度
は、加熱部３および内部下降管４の材質、厚さおよび表
面性状で主に決定されるので、これらの設計パラメータ
を適宜選択することにより、決定できる。

第７図は、加熱部３ａの直径が冷却部１の直径に比べて
小さく、かつ、モータを組み込んだ弁開度調節装置８ａ
を熱サイフオン管の内部に設けた場合の実施例を示して
いる。さらに、加熱部３ａには円盤状のフィンを設け、
また内部上昇管５ａの入口部をベルマウス状にして、流
動抵抗の低減をはかる構造としている。

第８図は、各々１本の内部下降管４と内部上昇管５ｂを
同心状に配置した場合の実施例を示している。仕切板６
ａは、右側に内部下降管４への入口、左側に内部上昇管
５ｂへの入口を設けた構造となっている。本実施例は、
特に、内部上昇管での流動抵抗の低減がはかれる。

ところで、これまで述べてきた実施例は、作動流体の相
変化を伴う密閉型の二重背型二相熱サイフオンに関する
ものであるが、作動流体が相変化を伴わない、単相の熱
サイフオンに対しても、そのまま適用できるものである
。しかしながら、単相の熱サイフオンでは、作動流体の
温度差による密度差に起因して内部循環が生じるため、
上述した実施例における内部上昇管５．５ａ、５ｂを、
冷却部１の上端部付近まで延長し、冷却部１内の上昇流
と下降、流を完全に分離することにより、伝達熱量をよ
り増大させることが可能である。

密閉型の二重背型単相熱サイフオンの一実施例を第９図
に示す。この実施例は、第１図に示す二重背型二相熱サ
イフオンの２本の内部上昇管５を延長し、途中で１本に
まとめ、その出口を冷却部１の上端部付近に設けたもの
である。さらに、作動流体の内部循環量を調節する弁７
を内部上昇管５Ｃの出口端に設け、この弁７の弁開度Ｃ
を調節する弁開度調節装置８を冷却部１の上端に設けて
いる。

なお、本発明における実施例において、伝達熱量を制御
する必要がない場合は、弁７および弁開度調節装置８．
８ａは設ける必要はない。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明においては、密閉型の二相熱
サイフオンの断熱部に仕切板を設け、この仕切板に内部
下降管を加熱部方向に、また、つ、あるいは複数の内部
上昇管を冷却部方向に設け、さらに内部下降管の入口部
（上端部）あるいは出口部（下端部）に内部下降管内を
流下する作動流体の流量を変化させ得る弁を設け、さら
にこの弁の開度を調節する弁開度調節装置を設けたもの
である。従って、内部下降管下端より加熱部へ供給され
る作動流体の内部循環量を変化させることが可能であり
、加熱部で生じる沸騰域とドライアウト域の割合を変化
させ得るので、本発明による熱サイフオンを組み込んだ
熱交換装置などにおいては、伝達熱量や高温側又は低温
側流体の出口温度を、高温側および低温側システムの運
転状態に依（１５） 存することなく変化させることが可能である。

さらに、弁が全開時には、加熱部への作動流体の供給は
完全に停止し、加熱部は蒸気のみとなるため、伝達熱量
をほぼゼロにすることができる。

また、従来の二重背型二相熱サイフオンに比べて、内部
下降管入口において、気液分離が完全に行なわれ、液の
みが内部下降管に取り込まれるので、内部循環力が大き
くなり、従って、限界熱流束の向上がはかれる。

本発明における二重背型二相熱サイフオンは、基本的に
は、加熱部、断熱部および冷却部の直径は等しいので、
従来のヒートバイブおよび熱サイフオンとの幾何学的互
換性が高く、直ちに熱交換装置等に組み込んで使用する
ことができる。

また、作動流体の相変化を伴わない、単相の熱サイフオ
ンに対しても、本発明は適用可能である。

その際、内部上昇管を冷却部上端付近まで延長すること
により、上昇流と下降流を完全に分離できるため、従来
型に対して、伝達熱量の増大をはかることが可能である
。さらに、内部上昇管に設け（１６） た弁で内部循環量を制御することにより、伝達熱量を制
御することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図の（ａ１図は本発明の二重管型熱サイフオンの一
実施例の断面図、第１図の（ｂ）図は第１図の（ａ）図
のｘ−Ｘ線矢視断面図、第２図は第１図において、弁開
度が大きい時の作用を示す説明図、第３図は第１図にお
いて、弁開度が小さい時の作用を示す説明図、第４図は
第１図において、弁が全開時の作用を示す説明図、第５
図のｆａ１図は第１図に示す一実施例の弁開度と伝達熱
量の関係を、従来の二重背型二相熱サイフオンの場合と
比較して示す説明図、第５図の（ｂ）図は、第１図に示
す一実施例の弁開度と流体の出口温度の関係を、従来の
二重背型二相熱サイフオンの場合と比較して示す説明図
、第６図は本発明の第２の実施例を示す断面図、第７図
は本発明の第３の実施例を示す断面図、第８図の（ａ）
図は本発明の第４の実施例を示す断面図、第８図のｆｂ
１図は第８図の（ａ１図のＸ−Ｘ線矢視断面図、第８図
のＣａ２図は第８図の（ａ）図のＹ−Ｙ線矢視断面図、
第９図の（ａ）図は本発明の第５の実施例を示す断面図
、第９図のｔｂ＞図は第９図のＣａ１図のｘ−Ｘ線矢視
断面図、第９図の（ｃ）図は第９図の（ａ）図のＹ−Ｙ
線矢視断面図である。 １は冷却部、２．２ａは断熱部、３．３ａは加熱部、４
は内部下降管、５．５ａ、５ｂ、５Ｃは内部上昇管、６
．６ａは仕切板、７は弁、８．８ａは弁開度調節装置、
９は密封装置、１０は低温側流体の通路、１１は高温側
流体の通路、１２は作動流体の通路、＋３は電気ケーブ
ル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　冷却部、断熱部および加熱部よりなり、その内部に作
   動流体を封入した密閉型の熱サイフォンにおいて、断熱
   部に仕切板を設け、この仕切板に内部下降管を加熱部方
   向に、また、内部上昇管を冷却部方向に設け、さらに内
   部下降管または内部上昇管の入口部、出口部を含む任意
   の位置に、内部下降管または内部上昇管内を流れる作動
   流体の流量を変化させ得る弁を設け、さらにこの弁の開
   度を調節する弁開度調節装置を設けたことを特徴とする
   二重管型熱サイフォン。