JPH102616A - 蓄熱型ヒートパイプ式給湯装置用蒸発ブロック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄熱体の内部に蒸発部を一体的に鋳包む構造
において、蒸発部にかかる熱応力を回避するとともに伝
熱性能を低下させない。 【解決手段】 ループ状のヒートパイプ１の蒸発部２に
蓄熱体２０が設けられるとともに、ヒートパイプ１の凝
縮部３に水との熱交換で温水を得る熱交換器４が設けら
れた蓄熱型ヒートパイプ式給湯装置において、蒸発部２
はヘッダ管１１，１２とこれらを連通する多数本の蒸発
管１３とから構成され、蓄熱体２０はヘッダ管１１，１
２との間に空隙ｄを設けるよう蒸発管１３を蒸発部２よ
り低い融点の金属により鋳包んで構成し、蓄熱体２０に
鋳包まれないヘッダ管１１，１２を被覆しかつ蓄熱体２
０に当接される熱伝導性が良好な部材２６が蓄熱体２０
との間に遊嵌するよう設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、蓄熱体に蓄えた
熱を必要時にヒートパイプにより取り出して温水を得る
型式の給湯装置に関し、特にその蒸発部分の構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば家庭用の小規模な給湯装置とし
て、温水ボイラを備えた型式、貯湯槽を備えた型式、蓄
熱体を備えた型式等が知られている。温水ボイラを備え
た型式は、全体として設備が大型化するので、個人住宅
等の小容量の給湯装置としては、設備コスト（イニシャ
ルコスト）が高くなる不都合がある。また貯湯槽を備え
た型式は、比較的安価な深夜電力等を利用して運転コス
ト（ランニングコスト）を低廉化することができるが、
その反面、容量の大きい貯湯槽を設置する必要があるの
で、スペース上の制約を受ける不都合がある。

【０００３】一方、蓄熱体を備えた型式の蓄熱型ヒート
パイプ式給湯装置は、蓄熱体により設備を小型化するこ
とができ、この蓄熱体に安価な深夜電力を利用して高温
の熱エネルギを安定して蓄えることができる。またヒー
トパイプにより高温を効率良く輸送し、かつ水との間で
熱交換して安全に温水を得ることができる等の種々の利
点がある。ところでこの型式では、蓄熱体が重要な構成
要件であり、蓄熱体を設置場所の選択自由度が大きく、
熱応答性が良く、蓄熱特性の長期安定性が大きいように
構成することが望まれる。そこでこの要求に応えること
のできる給湯装置が、既に本件出願人により開発して提
案されている。

【０００４】従来、この種の蓄熱型ヒートパイプ式給湯
装置を示すと、図５のように構成されている。すなわち
真空脱気した後にフロン等の凝縮性の作動液Ａを封入し
たループ型ヒートパイプ１を有し、このヒートパイプ１
の蒸発部２に蓄熱体２０が設けられるとともに、凝縮部
３に水を温水に熱交換する熱交換器４が配設されてい
る。蒸発部２は例えばステンレス製のパイプ群１０とし
て、平行配置される上部ヘッダ管１１と下部ヘッダ管１
２を有し、これらのヘッダ管１１，１２の間に多数本の
蒸発管１３が格子状に接続されている。そして上部ヘッ
ダ管１１が蒸気管５を介して熱交換器４の蛇行管６の流
入口に接続され、蛇行管６の流出口が戻り管７を介して
下部ヘッダ管１２に接続されて閉ループを構成してい
る。

【０００５】蓄熱体２０は、蓄熱特性の優れた金属ブロ
ック２１を有し、金属ブロック２１で蓄熱してパイプ群
１０を加熱するため、金属ブロック２１の内部に電熱ヒ
ータ２２が装着され、金属ブロック２１の周囲が蓄熱レ
ンガ等で覆われている。そして金属ブロック２１の内部
に蒸発部２のパイプ群１０が収容されている。

【０００６】ここで金属ブロック２１と蒸発部２のパイ
プ群１０の接触状態が熱伝達に大きく影響する。そこで
金属ブロック２１の金属として、パイプ群１０より低融
点の例えば鋳鉄やアルミ合金を使用し、金属ブロック２
１の内部に上下の各ヘッダ管１１，１２や蒸発管１３の
パイプ全体を鋳造により一体的に鋳包んで構成されてい
る。そしてパイプ群１０の表面全域に金属ブロック２１
を密着させて熱伝達を良好に確保し、蓄熱体２０を容易
に製造することが可能である。なお、図中符号７０はバ
ルブを示す。

【０００７】上記構成により、蓄熱体２０では熱伝ヒー
タ２２により金属ブロック２１を加熱することにより、
小さい容積で高温の熱が安定して蓄えられ、この金属ブ
ロック２１の熱が効率良く蒸発部２の上下の各ヘッダ管
１１，１２や蒸発管１３に伝達する。そこでヒートパイ
プ１の蒸発部２では作動液Ａが熱的ロスの少ない状態で
蒸発して、温度の低い熱交換器４に良好に熱輸送され、
この熱により水Ｗが温水Ｂに熱交換して給湯される。

【０００８】上記従来技術のものにあっては、金属ブロ
ック２１がアルミ合金等の熱膨張の大きい金属で形成さ
れる容量の大きい単一物であり、この金属ブロック２１
の内部に蒸発部２のステンレス等の熱膨張の小さい金属
のパイプ群１０、すなわち、上下の各ヘッダ管１１，１
２の間に蒸発管１３が連通するように接続されて一体的
に鋳包まれている。このため金属ブロック２１の高温蓄
熱時や、ヒートパイプ１の作動液Ａによる給湯時には、
熱伝達効率は良いが、金属ブロック２１と蒸発部２のパ
イプ群１０の熱膨張差によりパイプ群１０に熱応力がか
かる。したがって、長期に亘って使用すると、蒸発部２
のパイプ群１０が熱応力により変形して種々の不具合を
生じるおそれがある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、特に熱応力が
発生しやすい上下の各ヘッダ管１１，１２を金属ブロッ
ク２１に鋳包まないように構成するとともに、各ヘッダ
管１１，１２と金属ブロック２１との間に空隙を設ける
ように構成すれば、上記金属ブロック２１を形成する金
型の構造が簡単になり、安価に前記不具合を回避するこ
とができる。

【００１０】しかしながら、上記のように各ヘッダ管１
１，１２を金属ブロック２１から露出するよう構成した
場合、当然ながら、各ヘッダ管１１，１２と金属ブロッ
ク２１との伝熱面積が減少して伝熱性能が低下する。

【００１１】この発明は、このような点に鑑み、金属ブ
ロックの内部に蒸発部のパイプ群を一体的に鋳包む構造
において、パイプ群にかかる熱応力を回避するととも
に、蓄熱体と蒸発部との伝熱性能の低下を防止すること
を目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段およびその作用】この目的
を達成するためこの発明の蓄熱型ヒートパイプ式給湯装
置用蒸発ブロックは、実質的に凝縮性の作動液のみを封
入したループ状のヒートパイプの蒸発部に熱源を有する
蓄熱体が設けられるとともに、前記ヒートパイプの凝縮
部に水との熱交換で温水を得る熱交換器が設けられた蓄
熱型ヒートパイプ式給湯装置において、前記蒸発部は上
記ヘッダ管と下部ヘッダ管とこれらを連通する多数本の
蒸発管とから構成され、前記蓄熱体は少なくとも一方の
ヘッダ管との間に所定の空間を設けるよう前記蒸発管と
他方のヘッダ管とを前記蒸発部より低い融点の金属によ
り一体的に鋳包んで構成し、前記蓄熱体に鋳包まれない
他方のヘッダ管を被覆しかつ前記蓄熱体に当接される熱
伝導性が良好な部材が前記蓄熱体との間に遊嵌するよう
設けられていることを特徴とするものである。

【００１３】したがって上記構成によるこの発明では、
蒸発部の蒸発管群が熱源を備えた蓄熱体の内部に一体的
に鋳包んで収容されるとともに、熱膨張を吸収するため
に露出させた上部ヘッダ管もしくは下部ヘッダ管も蓄熱
体と接触する熱伝導性が良好な部材により被覆されて構
成されているので、蓄熱体から蒸発部への伝熱性能が低
下せず、作動液が効率良く蒸発する。

【００１４】さらにヘッダ管を被覆する部材は、蓄熱体
に遊嵌されているため、言い換えると蓄熱体に固着され
ないため、蓄熱体と蒸発管群との間の熱膨張差が発生し
ても余計な熱応力が発生しないため長期使用してもパイ
プ群の変形や損傷が確実に防止される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の具体例を図面に
基づいて説明する。図１において、蓄熱型ヒートパイプ
式給湯装置の概略について説明すると、減圧状態でフロ
ン等の凝縮性の作動液Ａを封入したループ型ヒートパイ
プ１を有し、このヒートパイプ１の高温の蒸発部２に蓄
熱体２０が、低温の凝縮部３に水Ｗを温水Ｂに熱交換す
る熱交換器４がそれぞれ配設されている。

【００１６】図２および図３において、蒸発部２と蓄熱
体２０について詳細に説明する。蒸発部２は上下に平行
配置される上部ヘッダ管１１と下部ヘッダ管１２とを有
し、これらヘッダ管１１，１２の間に多数本の蒸発管１
３が接続されている。そして上部ヘッダ管１１が蒸気管
５を介して熱交換器４の蛇行管６の流入口に接続され、
蛇行管６の流出口が戻り管７を介して下部ヘッダ管１２
に接続して閉ループに構成されている。

【００１７】これらパイプ群１０は例えばステンレスパ
イプであって、熱膨張が少なくて、高い剛性や耐食性を
有する。また下部ヘッダ管１２には、凝縮部３で凝縮し
た液相の作動液Ａが流入し、これに対して、上部ヘッダ
管１１には、蒸発気化した作動液Ａが集合するから、上
部ヘッダ管１１の方が大径に形成され、多数本の蒸発管
１３で蓄熱体２０の熱により作動液Ａを効率良く蒸発す
るように構成されている。 蓄熱体２０は、蓄熱特性の
優れた金属ブロック２１を有し、この金属ブロック２１
は全体として、蒸発部２の複数本の蒸発管１３の全域を
覆うことが可能な幅の狭い直方体に形成されている。こ
こで蒸発部２のパイプ群１０が例えば図３のように２組
設けられる場合は、金属ブロック２１が２個設けられ、
各金属ブロック２１毎にその内部に蒸発管１３が収容さ
れている。

【００１８】また金属ブロック２１に蓄熱し、かつ蒸発
管１３での作動液Ａの蒸発を促進するため、金属ブロッ
ク２１の内部で蒸発管１３の上、中、下の３箇所の左右
に電熱ヒータ２２が直交して装着されている。そして２
個の金属ブロック２１は、両者の間および外側に配置し
た蓄熱レンガ２３と共に一体的に締結してブロック状に
構成され、小さい容積で多量の熱を蓄えることが可能に
なっている。

【００１９】上記のように構成される金属ブロック２１
とパイプ群１０との熱膨張差による熱応力を低減するに
は、上下の各ヘッダ管１１，１２と蒸発管１３との軸線
方向でそれぞれ個別に熱膨張差を吸収すればよい。

【００２０】そこで金属ブロック２１が、上下の各ヘッ
ダ管１１，１２の軸線方向に沿い例えば１本の蒸発管１
３毎に、複数のブロック２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１
ｄに分割されている。そして各ブロック２１ａ，２１
ｂ，２１ｃ，２１ｄの内部にパイプ群１０が一体的に鋳
包んで収容され、ブロック相互の間に個々の熱膨張を吸
収する空隙ｃが設けられている。

【００２１】また各ブロック２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，
２１ｄでは、上下の各部に断面Ｕ字形の溝２４，２５が
形成されている。これらの溝２４，２５には、上下の各
ヘッダ管１１，１２がそれぞれ遊嵌されている。これに
より金属ブロック２１は実質的に作動液Ａを蒸発させる
蒸発管１３のみに密着し、この蒸発管１３の部分の金属
ブロック２１Ａと蒸発管１３の軸線方向の上下の各ヘッ
ダ管１１，１２との間に、両者の熱膨張差を吸収する空
隙ｄが設けられている。

【００２２】ここで、各ヘッダ管１１，１２は金属ブロ
ック２１から露出しているため、伝熱面積が低下してい
る。そこで図３および図４に示すように、金属ブロック
２１の溝２４，２５と各ヘッダ管１１，１２とに遊嵌す
る部材２６を設け、各ヘッダ管１１，１２を覆うように
構成する。つまりこの遊嵌部材２６は金属ブロック２１
と各ヘッダ管１１，１２とに当接するよう構成されてい
るので、この遊嵌部材２６を介して金属ブロック２１と
各ヘッダ管１１，１２との伝熱が行われるようになって
いる。

【００２３】上記金属ブロック２１の具体的な製造方法
について説明する。まず、鋳型内に予め格子状に接続し
たパイプ群１０をセットし、かつ空隙ｃ，ｄや溝２４，
２５に相当する箇所に砂型や板または緩衝材でスリット
部を形成する。そしてアルミ合金等の金属を鋳込んで鋳
造し、その後にスリット部を除去すれば、容易に製造で
きる。なお、上述の金属ブロック２１の鋳造時には、適
当な中子を使用して金属ブロック２１に中空部が形成さ
れ、この中空部に電熱ヒータ２２を挿入して内蔵され
る。また、遊嵌部材２６は熱伝導性が良好な物質例えば
アルミニウム等から上記金属ブロック２１と別の工程で
製造される。

【００２４】次に、上記のように構成された蓄熱型ヒー
トパイプ式給湯装置の作用について説明する。まず、深
夜電力を利用して蓄熱体２０の電熱ヒータ２２に通電す
る子とにより、金属ブロック２１が蒸発管１３に沿って
均一に加熱される。また金属ブロック２１の熱は蓄熱レ
ンガ２３に伝達されてここにも蓄熱され、こうして蓄熱
体２０には、小さい容積であっても数百度の高温の多量
の熱が安定して蓄えられる。

【００２５】また金属ブロック２１の内部では、蒸発部
２のパイプ群１０における蒸発管１３の表面全域が一体
的に密着し、また上下の各ヘッダ管１１，１２も金属ブ
ロック２１と接触している遊嵌部材２６を介して伝熱さ
れる。したがって、金属ブロック２１からパイプ群１０
に熱が高い伝達効率で伝達され、これにより蓄熱体２０
に蓄えられる熱が蒸発部２に効率良く供給される。

【００２６】そこで給湯時にヒートパイプ１の作動液Ａ
を流すと、蒸発部２において下部ヘッダ管１２に流入す
る液状の作動液Ａが、主として多数本の垂直な蒸発管１
３で蓄熱体２０の熱により熱的ロスの少ない状態で加熱
蒸発し、１本の上部ヘッダ管１１に集合される。そして
上部ヘッダ管１１の作動液Ａの蒸気が、蒸気管５により
温度の低い凝縮部３の熱交換器４に流れて良好に熱輸送
され、かつ熱交換器４の蛇行管６でこの熱により水Ｗが
温水Ｂに熱交換して給湯される。また熱交換器４では作
動液Ａが凝縮して液化し、この液相の作動液Ａが戻り管
７により再び下部ヘッダ管１２に戻り、このようなサイ
クルを繰返すことにより、蓄熱体２０の熱により連続し
て給湯される。

【００２７】上述の蓄熱体２０の加熱蓄熱時や、ヒート
パイプ１の作動液Ａによる給湯時には、アルミ合金等の
金属ブロック２１とその内部のステンレスのパイプ群１
０とが、両者の容量や熱膨張率により異なって熱膨張
し、金属ブロック２１の方が容量が大きく、熱膨張率も
大きいことから多く熱膨張するようになる。しかし金属
ブロック２１は、空隙ｃにより複数のブロック２１ａ，
２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに分割されているため、各ブロ
ック２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはそれぞれ空隙ｃ
で独立して熱膨張してその膨張分が吸収される。そこで
金属ブロック２１の上下の各ヘッダ管１１，１２の軸線
方向では、全体の熱膨張が上下の各ヘッダ管１１，１２
と同等に小さくなる。

【００２８】また各ブロック２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，
２１ｄにおいては金属ブロック２１が蒸発管１３の軸線
方向にも熱膨張するが、上下各ヘッダ管１１，１２の部
分の金属ブロック２１Ｂは溝２４，２５によりヘッダ管
１１，１２と無関係に熱膨張する。このとき遊嵌部材２
６は、溝２４，２５に固着されていないので、蒸発管１
３の軸線方向の熱膨張を妨げることはない。したがっ
て、蒸発管１３の部分では金属ブロック２１Ａが空隙ｄ
により、上下の各ヘッダ管１１，１２と干渉しないよう
に熱膨張してその差が吸収される。

【００２９】こうして金属ブロック２１と、上下の各ヘ
ッダ管１１，１２および蒸発管１３との縦横の軸線方向
の熱膨張差がいずれも吸収されるので、その熱膨張差に
よる熱応力がパイプ群１０にはかからなくなり、このた
め長期使用してもパイプ群１０の変形や損傷が確実に防
止される。

【００３０】以上、この発明の実施例について説明した
が、蒸発部のパイプ群は螺旋状や蛇行したものでもよ
い。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したようにこの発明による
と、蒸発部の蒸発管群が熱源を備えた蓄熱体の内部に一
体的に鋳包んで収容されるとともに、熱膨脹を吸収する
ために露出させた上部ヘッダ管もしくは下部ヘッダ管も
蓄熱体と接触する熱伝導性が良好な部材により遊嵌され
て被覆されるので、蓄熱体から蒸発部への伝熱性能が低
下することなく、良好に作動液が蒸発するとともに、蓄
熱体と蒸発管群との間の熱膨張差が発生しても余計な熱
応力が発生することがないため、長期使用してもパイプ
群の変形や損傷が確実に防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る蓄熱型ヒートパイプ式給湯装置
の具体例を示す構成図である。

【図２】同具体例の要部の断面図である。

【図３】図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図で
ある。

【図４】図４は図３の要部断面図である。

【図５】従来の蓄熱型ヒートパイプ式給湯装置を示す構
成図である。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、 ２…蒸発部、 ３…凝縮部、 ４
…熱交換器、 １０…パイプ群、 １１…上部ヘッダ
管、 １２…下部ヘッダ管、 １３…蒸発管、２０…蓄
熱体、 ２１…金属ブロック、 ２６…遊嵌部材、 ｄ
…空隙。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 益子 耕一 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に凝縮性の作動液のみを封入した
   ループ状のヒートパイプの蒸発部に熱源を有する蓄熱体
   が設けられるとともに、前記ヒートパイプの凝縮部に水
   との熱交換で温水を得る熱交換器が設けられた蓄熱型ヒ
   ートパイプ式給湯装置において、 前記蒸発部は上記ヘッダ管と下部ヘッダ管とこれらを連
   通する多数本の蒸発管とから構成され、前記蓄熱体は少
   なくとも一方のヘッダ管との間に所定の空間を設けるよ
   う前記蒸発管と他方のヘッダ管とを前記蒸発部より低い
   融点の金属により一体的に鋳包んで構成し、前記蓄熱体
   に鋳包まれない他方のヘッダ管を被覆しかつ前記蓄熱体
   に当接される熱伝導性が良好な部材が前記蓄熱体との間
   に遊嵌するよう設けられていることを特徴とする蓄熱型
   ヒートパイプ式給湯装置用蒸発ブロック。