JPH0579915B2 - - Google Patents

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1988-10-19

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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- F28D15/0258—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 means to remove contaminants, e.g. getters
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

請求の範囲１作用空間を限定するエンクロージヤーを有
し、該作用空間内に導入された作用流体として、
前記エンクロージヤーと反応して水素を放出する
蒸発可能な流体を使用するヒートパイプにおい
て、前記作用空間内に、該作用空間から放出され
た水素を酸化して水とする酸化手段を配置し、該
酸化手段を、前記作用流体に不溶でかつ水素ガス
を水に酸化する物質で構成したことを特徴とす
る、ヒートパイプ。

２請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段
が、水素の電極電位よりも高い電極電位を有する
金属酸化物を包含してなるものである、ヒートパ
イプ。

３請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段
が、水素の電極電位よりも高い電極電位を有する
金属酸化物を含有する物質を包含してなるもので
ある、ヒートパイプ。

４請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段
が、ヒートパイプの作用温度に加熱される際、水
素の電極電位よりも高い電極電位を有する金属酸
化物を生成する物質を包含してなるものである、
ヒートパイプ。

５請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段
が、酸化銅（）及び酸化銅（）含有混合物で
なる群から選ばれる物質を包含してなるものであ
る、ヒートパイプ。

６請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段
が、空気中、温度約800℃において１ないし２時
間焼結した銅及び酸化銅（）の混合物を包含し
てなるものである、ヒートパイプ。

７請求項６記載のものにおいて、前記銅及び酸
化銅（）の混合物が銅約１重量部及び酸化銅
（）約４重量部でなるものである、ヒートパイ
プ。

８請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段
が、空気中、温度約820℃において約２ないし４
時間焼結して、表面上に酸化銅（）の層を形成
した銅を包含してなるものである、ヒートパイ
プ。

９請求項８記載のものにおいて、前記銅が銅ワ
イヤの複数のストランドでなるものである、ヒー
トパイプ。

１０作用流体として水を使用すると共に、該作
用流体を収容する作用空間を限定し、凝縮器部及
び蒸発器部を有し、かつ水と反応して水素ガスを
発生する鉄又は鉄合金で形成されたエンクロージ
ヤーと、前記エンクロージヤーの作用空間内に配
置され、水に不溶であつて、かつ水素を酸化して
水を生成する物質でなる発生した水素ガスを水に
酸化する酸化手段とを包含してなる、ヒートパイ
プ。

１１請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段が、水素の電極電位よりも高い電極電位を有
する金属酸化物を包含してなるものである、ヒー
トパイプ。

１２請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段が、水素の電極電位よりも高い電極電位を有
する金属酸化物を含有する物質を包含してなるも
のである、ヒートパイプ。

１３請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段が、ヒートパイプの作用温度に加熱される
際、水素の電極電位よりも高い電極電位を有する
金属酸化物を生成する物質を包含してなるもので
ある、ヒートパイプ。

１４請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段が、酸化銅（）及び酸化銅（）含有混合
物である群から選ばれる物質を包含してなるもの
である、ヒートパイプ。

１５請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段が、空気中、温度約800℃において１ないし
２時間焼結した銅及び酸化銅（）の混合物を包
含してなるものである、ヒートパイプ。

１６請求項１５記載のものにおいて、前記銅及
び酸化銅（）の混合物が銅約20重量％及び酸化
銅（）約80重量％でなるものである、ヒートパ
イプ。

１７請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段が、空気中、温度約820℃において約２ない
し４時間焼結して、表面上に酸化銅（）の層を
形成した銅を包含してなるものである、ヒートパ
イプ。

１８請求項１７記載のものにおいて、前記銅が
銅ワイヤの複数のストランドでなるものである、
ヒートパイプ。

１９請求項１０記載のものにおいて、前記酸化
手段を、ヒートパイプの凝縮器部の端において作
用空間内に配置してなる、ヒートパイプ。

２０請求項１９記載のものにおいて、前記酸化
手段が、不溶性の水素酸化物質で形成された多孔
性ブロツクでなり、該ブロツクをヒートパイプの
凝縮器部の端において作用空間内に挿入してな
る、ヒートパイプ。

２１請求項１９記載のものにおいて、前記酸化
手段を構成する不溶性の水素酸化物質が粉末状、
粒状又は繊維状であり、ヒートパイプの凝縮器部
の端における作用空間に挿入される多孔性構造体
に圧縮成形される、ヒートパイプ。

２２請求項１９記載のものにおいて、前記作用
空間に配置される際、前記酸化手段をヒートパイ
プの作用温度よりも高い温度に加熱する、ヒート
パイプ。

明細書本発明は、ヒートパイプ、特に作用流体として
水又は他の水素含有流体を使用すると共に、該作
用流体と反応して非凝縮性の水素ガスを生成する
物質で形成されたヒートパイプに係る。さらに詳
述すれば、本発明は、ヒートパイプの凝縮器部内
に、ヒートパイプの作動の間に生成される水素ガ
スを酸化する手段を設けることによつてヒートパ
イプの性能を改善することに係る。

銅−水ヒートパイプ（該ヒートパイプは鋼製の
エンクロージヤーを有し、作用流体として水を使
用する）は、各種工業での熱交換の用途において
広く使用されている。このようなヒートパイプに
は、たとえば封止サーモサイホン、多孔性ウイツ
クを有するヒートパイプ及び回転式ヒートパイプ
が含まれる。鋼ヒートパイプには、ヒートパイプ
の作用空間を限定するヒートパイプエンクロージ
ヤーが炭素鋼又はステンレス鋼の如き鉄合金、鉄
又は電気化学列において水素よりも上位に位置す
る金属（たとえばニツケル、クロム、マンガン
等）を含有する鉄合金で形成されるものである。
かかる鋼ヒートパイプを作動状態に置く際には、
ヒートパイプが一般的に使用される温度において
作用流体の水素とヒートパイプ空間の鋼壁との間
で一連の化学反応が生ずることが知られている。
一般に、主反応は下記のものと考えられる。

Fe＋2H₂O加熱 ―――→ Fe（OH）₂＋H₂↑ 3Fe（OH）₂＞120℃ ――――→ Fe₃O₄・xH₂O ＋H₂↑＋H₂O これらの反応の結果、非凝縮性の水素ガスが発
生し、ヒートパイプの凝縮器部内の作用空間に
徐々に蓄積する。このように水素ガスがヒートパ
イプの作用空間の凝縮器部に蓄積するため、該水
素ガスはヒートパイプの凝縮器部内の作用流体の
気相の流れを妨げると共に、絶縁体としても作用
し、作用流体の気相への熱移動を阻止して凝縮相
への変化を妨げ、その結果、ヒートパイプの熱交
換率を低下させる。熱交換率の低下したヒートパ
イプでは、水素ガスは、作用空間の凝縮器部内の
ウイツクにおける作用空間の凝縮器壁の周囲に水
素ガスの環状層が形成され、これによつて作用流
体の蒸気相の凝縮を阻害するようになる程度まで
蓄積するものと考えられる。

このようなヒートパイプにおける水素ガスの蓄
積の問題を解決するために、いくつかの対策が提
案されている。１つの方法は、ヒートパイプのエ
ンクロージヤーと作用流体との間の化合的適合性
を改善するものである。作用流体として水を使用
する場合には、ヒートパイプの空間を効果的に分
画して水と鋼製エンクロージヤーとの間の接触を
阻止するために、鋼製ヒートパイプエンクロージ
ヤーの内表面上に保護層を設けることが知られて
いる。この保護層は水と反応しない材料で作製さ
れなければならない。代表的には、工業的使用に
当たつて遭遇する代表的な作動温度において水と
反応しないため、保護ライニングとして銅が選択
される。このようなヒートパイプの１つ（二重管
ヒートパイプとして公知）は、外方のステンレス
鋼パイプ内に固定された内方銅管で形成される。
かかる二重管ヒートパイプは、一般的に、化石燃
料蒸気発生器における燃焼の予熱に使用されるガ
ス−空気熱交換器の如き工業的な熱交換器におい
て使用される。しかしながら、このような二重管
ヒートパイプの製造は困難かつ高価である。さら
に、銅ライニングの完全な一体性も長期間の作動
にわたつて確保されるものではなく、鋼と水との
間における不測の接触を完全に阻止できるもので
もない。従つて、このような銅ライニングヒート
パイプにおいても、作用流体として水が使用され
る場合には、水素ガスが生成され、徐々に蓄積す
ることになる。

ヒートパイプ空間のエンクロージヤーの形成に
当たつて作用流体と適合性のある金属を選択する
代わりに、鋼製ヒートパイプエンクロージヤーと
化学的に適合性のある作用流体を選択することも
提案されている。たとえば、アンモニアは鋼製エ
ンクロージヤーと反応して非凝縮性の水素ガスを
生成することがないため、鋼製ヒートパイプにお
ける作用流体としてアンモニアを使用することが
提案されている。作用流体としてのアンモニアの
使用は理論的には問題を解決するが、実際には、
少量の水がアンモニア中に不可避的に含有されて
おり、米国特許第4586561号で検討されているよ
うに鋼管と反応して望ましくない非凝縮性の水素
ガスを生成する。ヒートパイプにおいて使用され
る他の一般的な作用流体は、炭化水素系のもので
ある。これら炭化水素流体は時間の経過につれて
分解又は劣化するため、炭化水素流体の分解から
直接的に、又は分解生成物と鋼製エンクロージヤ
ーとの反応から水素ガスが放出されうる。さら
に、炭化水素系作用流体中には、不純物として水
が少量存在する。

鋼−水ヒートパイプにおける水素ガスの蓄積を
解消する他の方法は、水素の生成を阻止するより
もむしろ、ヒートパイプ空間内における水素ガス
の蓄積を緩和する手段を設けるものである。この
ような方法の１つは、換気手段によつて、蓄積し
た水素ガスをヒートパイプ空間から放出するもの
である。たとえば、ヒートパイプの作動の間に蓄
積した水素ガスを定期的に放出するために、ヒー
トパイプの凝縮器部の端に取付けられた弁を使用
できる。しかしながら、この方法は、たとえば弁
の操作が煩雑かつ不便であること、第２に弁から
の漏れが避けられず、ヒートパイプの作動寿命を
短かくすること等、明らかに不利である。米国特
許第3503438号に開示されているように、他の例
は、ヒートパイプの壁に気密固定され、閉止内方
端と開放外方端とを有し、水素ガスをパラジウム
を透過せしめて連続的にヒートパイプの外に排出
させるパラジウム換気管である。しかしながら、
パラジウムは高価な金属であり、コスト及び入手
性の両方の理由から工業的にはあまり広くは利用
されない。

他の方法は、吸着によつて水素ガスをヒートパ
イプ空間から除去するものである。この目的のた
め、ヒートパイプの凝縮器部のヒートパイプ空間
に水素吸収物質を配置する。吸収物質は、その表
面上にガスを結合しうる物質である。ヒートパイ
プでの使用を目的とする水素吸収物質としては、
米国特許第4043387号に開示された如きタンタル、
チタン及びニオブ；米国特許第4159737号に開示
された如きバリウム、カルシウム又はリチウムと
組合されたランタン、イツトリウム又はスカンジ
ウム；又は米国特許第4586561号に開示された如
きジルコニウム金属間合金（たとえばZrMn₂合
金）がある。しかしながら、工業用のヒートパイ
プでの使用に当たつては非常にコスト高であるこ
とに加えて、このような水素吸収物質は、温度の
上昇につれて少量の水素ガスしか吸収できない。
このように、当該水素吸収物質は、上述の米国特
許第4586561号で検討されているように、パーマ
フロスト・スタビライゼーシヨン（permafrost
stabilization）用に使用される際に経験される如
き比較的低い作動温度条件下においてのみヒート
パイプに関して有効であり、ガス−ガス熱交換の
如き工業的用途で使用されるヒートパイプ（ヒー
トパイプの凝縮器部は少なくとも260℃（500〓）
の温度のガスにさらされる）では、有効性はかな
り低い。

本発明の目的は、工業的な熱交換の用途（特に
ガス−ガス熱交換）に好適なヒートパイプであつ
て、ヒートパイプ空間で生成した水素ガスを酸化
して水とすることにより、ヒートパイプ空間から
水素ガスを除去する低コストの手段を具備してな
るヒートパイプを提供することにある。

発明の概要本発明のヒートパイプは、閉止作用空間を限定
するエンクロージヤー及び作用流体として作用空
間に導入された水を包含し、このエンクロージヤ
ーは、水と反応して水素ガスを発生する材料で構
成される。このヒートパイプの凝縮器部内の作用
空間には酸化手段が配置されており、この酸化手
段は、ヒートパイプの作動の間に発生される水素
ガスと反応し、この水素ガスを酸化して水とする
物質でなる。一般に、このような物質に関して要
求される条件は、ヒートパイプの作動温度で分解
しないこと、水に溶解しないこと及び水又は水蒸
気と反応しないこと、水素と反応して水又は他の
生成物（物理化学特性が安定であつて、かつ飽和
蒸気圧がヒートパイプの作用温度においてほぼ０
である）を生成することである。

このような酸化剤物質としては、水素よりも高
い電極電位（又は還元電位）を有する金属酸化物
がある。すなわち、このような好適な金属酸化物
の電極電位（又は還元電位）は、水素の０電極電
位に対してプラスの電位でなければならない。か
かる金属酸化物は水素によつてレドツクス反応を
生じうるものであり、本発明のヒートパイプにお
ける酸化剤としての作用に適している。

好適な金属酸化物の例としては、CuO、PbO₂、
MnO₂及びHgOがある。これら金属酸化物の混合
物及びこれら金属酸化物を含有する化合物又は加
熱によつて当該金属酸化物を放出する化学物質
を、本発明のヒートパイプにおける酸化剤として
使用することも可能である。効果及びコストの点
から好ましい酸化剤は、CuO又はCuO含有混合物
であり、最も好適には、少量のCr₂O₃と共にCu及
びCuOを含有する焼結混合物である。

本発明の酸化剤は、ブロツク状、粒状、繊維
状、粉末状又は配置に容易な特殊な形状の各種形
状でヒートパイプ内に導入される。好ましくは、
該酸化剤は、水素との接触有効面積が増大するよ
うに多孔構造を有する。酸化剤は良好な構造強度
を有するガス透過性容器、たとえば細かい目の鉄
線又は銅線金網でなるポケツト、又はヒートパイ
プの凝縮器部の端に導入される特殊なブロツク形
状で形成されたポケツト内に配置される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ヒートパイプの凝縮器端の作用空間
に配置された水素ガス酸化手段を有する本発明の
ヒートパイプの断面図である。

好適な実施例の説明図面には、一般に閉止サーモサイホンタイプと
して知られているヒートパイプ１０が図示されて
いる。このヒートパイプ１０は、閉止作用空間
（この中に作用流体７０が封入される）を限定す
る管状エンクロージヤー２０を包含してなる。管
状エンクロージヤー２０の両端には、管状エンク
ロージヤー２０の開放端を密閉し、作用流体７０
の液体又は蒸気相が作用空間から漏出することを
防止するために作用空間５０を閉止するように気
密関係で端部キヤツプ８０及び９０が挿入してあ
る。

ヒートパイプ１０の外表面には、ヒートパイプ
のガス−金属接触表面を増大させ、これにより加
熱ガスと被加熱ガス及びヒートパイプ１０との間
における熱移動効率を増大させるよう機能するフ
イン４０（ら線状に巻付けられ、外方に突出する
表面として図示されている）が設けてある。好適
には、エンクロージヤー２０の内表面には、エン
クロージヤー２０を介して作用空間５０内の作用
流体７０への熱移動を増大させるために、一般的
に公知のウイツクが設けてある。

作動において（たとえば図示の如くガス−ガス
熱交換器において）、ヒートパイプ１０は、熱交
換器を加熱ガス５用の第１流路と、これに対向す
る被加熱ガス７用の第２流路とに分離する熱交換
器の分画壁上に搭載される。高温の加熱ガス５が
ヒートパイプ１０の蒸発器部１５の上を通過する
ため、作用流体７０はエンクロージヤー４０の蒸
発器部１５の壁を通つて加熱流体５から移動され
る熱を吸収し、その一部が蒸発する。作用流体７
０の蒸気相はヒートパイプ１０の凝縮器部２５に
移動する。低温の被加熱ガス７はヒートパイプ１
０の凝縮器部２５上を通過する間に、作用流体７
０の蒸気相がエンクロージヤー４０の凝縮器部２
５の壁を介して低温ガス７に熱を放出するため、
作用流体の蒸気相が凝縮する。ついで、作用流体
の凝縮した液相はヒートパイプ１０の蒸発器部１
５に流入し、このサイクルが繰返される。

前述の如く、作用流体７０が水素含有流体であ
り、ヒートパイプのエンクロージヤー４０が作用
流体と反応する材料で作られている場合には、エ
ンクロージヤーと作用流体との反応の結果、作用
空間５０内で非凝縮性の水素ガスが生成される。
作用空間内での水素ガスの発生は、水が作用流体
７０であり、エンクロージヤー４０がたとえば炭
素鋼、ステンレス鋼又は鉄−ニツケル合金の如き
鉄又は鉄合金で形成されている場合に特に活発で
ある。

本発明に従つて作用空間５０内における非凝縮
性の水素ガスの蓄積を防止するため、ヒートパイ
プ１０の凝縮器部２５内の作用空間５０に水素酸
化手段を設置する。図面に示した例では、酸化手
段３０はプラグ様ブロツクの形状であり、上方端
キヤツプ９０の中央孔に挿入、ねじ止めされてお
り、ヒートパイプ１０の凝縮器部２５の作用空間
４０内に伸長、位置する。ついで、作動に供され
る際、ヒートパイプ１０上を流動ガスから酸化手
段３０の基底端を保護するため、酸化手段３０の
基底部を覆つて保護キヤツプ１００をねじ止めす
る。

本発明の酸化手段３０は、作用流体に対して不
溶性であり、水素ガスと反応し、水素を酸化して
水とする物質でなる。本発明の酸化手段３０を形
成する物質として特に好適なものは、水素よりも
高い電極電位（又は還元電位）、すなわち水素と
比べてプラスの電極電位を有する金属酸化物であ
る。好適な金属酸化物の例としては、CuO、
PbO₂、MnO₂及びHgOがある。酸化手段３０は、
このような金属酸化物を含有する混合物又は化合
物、又はヒートパイプの作動温度に加熱される際
に、かかる金属酸化物を生成する物質でも構成さ
れる。

鋼−水ヒートパイプにおける本発明の酸化手段
３０として特に有利に使用されるものは、酸化銅
（）（CuO）又は酸化銅（）含有混合物であ
る。酸化銅（）又は酸化銅（）含有混合物は
作動温度約160℃において水素の酸化剤として最
も有効であることが認められた。ヒートパイプ１
０の凝縮器部２５が実質的に160℃以下の温度で
作動される用途では、水素酸化剤としての酸化銅
（）の有効性は増大し、水素ガスの除去は、酸
化手段３０が配置される作用空間部を加熱し、こ
れにより酸化手段３０の温度を上昇させることに
よりスピードアツプされる。

さらに、銅及び酸化銅（）の混合物を空気中
で焼結することによつて、約115℃程度の低い温
度において水素酸化剤としての有効性を発揮する
銅−酸化銅（）混合物が得られるとの知見を得
た。さらに詳述すれば、効果的な低温用水素酸化
剤は、銅１重量部及び酸化銅（）４重量部でな
り、この混合物を多孔性形状、一般にプラグ形状
のブロツクに圧縮成形し（各種の所望形状を利用
できる）、ついで空気中、温度約800℃、約１ない
し２時間で焼結する。少量（好ましくは約３重量
％）の酸化クロム（Cr₂O₃）の添加は、得られる
焼結体の水素酸化剤としての有効性をさらに増大
させる（本発明のヒートパイプにおける酸化手段
として使用される際）との知見を得た。

本発明の酸化手段としての使用に好適な他の低
温用水素酸化剤は、焼結銅ワイヤの束でなる。焼
結銅ワイヤの調製に当たり、複数の銅ワイヤを空
気中、温度約820℃、約２ないし４時間で焼結し
て、銅ワイヤ上に酸化銅（）の層を生成する。

酸化手段３０は鋼−水ヒートパイプにおける水
素の蓄積を解消するための単独のメカニズムとし
て使用され、又はエンクロージヤーの化学性を改
善する他の方法（たとえば、作用空間４０の内表
面を不動態層でコーテイングすること、又は作用
流体中に腐食抑制剤を溶解させること；これらの
方法では、水７０と鋼エンクロージヤー４０との
間の反応を抑制することによつて水素ガスの発生
速度を低減させる）と組合せて使用される。

本発明のヒートパイプは、ヒートパイプ作用空
間で発生する水素ガスを酸化して水とする酸化手
段３０（従来の装置とは異なり、水を生成する）
を包含する。このように、酸化手段３０を具備す
る鋼−水ヒートパイプは、鋼エンクロージヤーと
の反応によつて分解された作用流体（すなわち
水）が酸化手段３０によつて再生される「回収形
（recovery type）」ヒートパイプである。従来の
パラジウム又はパラジウム合金換気管を使用する
ヒートパイプでは、ヒートパイプの作用空間内に
蓄積する水素ガスは、作用流体として回収される
よりもむしろヒートパイプの外に排出される。同
様に、各種の水素吸収剤を使用する従来のヒート
パイプでは、水素ガスは作用流体としては回収さ
れず、吸収剤上に集められ、又は吸着される。

本発明のヒートパイプは製造が簡単かつ安価で
あり、各種工業において一般的に使用されている
従来の鋼−水ヒートパイプとは、作用空間内に少
量の酸化剤が配置されている点でのみ異なる。し
かしながら、酸化剤の存在は、鋼−水ヒートパイ
プの有効寿命を数倍増大させ、本発明のヒートパ
イプは、摩耗及び腐食によつてエンクロージヤー
が偶発的に破壊されるまで良好な熱伝導性を保持
するため、その利点は明白である。本発明のヒー
トパイプを利用するヒートパイプ形熱交換器は、
特にガス−ガス熱交換による工業排熱回収（たと
えば焼結空気の予熱又は煙道ガスの再加熱）の分
野で用途を有する。

本発明のヒートパイプを図面に示した特殊な具
体例を参照して述べたが、本発明の精神及び範囲
を逸脱することなく、各種の変形、変更をなすこ
とができる。たとえば、酸化手段３０は、ヒート
パイプの凝縮器端部において作用空間の末端に挿
入されるプラグ形である必要はない。むしろ、酸
化手段３０は所望の各種形状が可能であり、ヒー
トパイプ１０の凝縮器部２５内における作用空間
５０の各種部位に設置される。たとえば、酸化手
段３０は、粒状、粉末状又は繊維状の金属酸化物
で構成されてもよく、ヒートパイプ１０の凝縮器
部内の作用空間５０の少なくとも１の部位に配置
され、又は好ましくは端キヤツプ９０に近接する
凝縮器部２５の端におけるヒートパイプ１０の作
用空間内に設置されたガス透過性容器（たとえば
ステンレス鋼又は銅の金網でなる容器）内に収容
される。さらに、本発明のヒートパイプ１０は、
図示した如く垂直方向で設置される必要はなく、
凝縮器２５がヒートパイプの蒸発器部の上方に位
置するかぎり、水平方向に対して鋭角をもつて配
置されればよい。

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