JPH10503580A - 温熱源、冷熱源間エネルギー移動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 温熱源Ａは、少なくとも１台の毛細管蒸発器１Ａと少なくとも１台の大きな曲率半径を有する凝縮器２Ｂとからなるアッセンブリを有する。また、冷熱源Ｂは、上記と同様のもの１Ｂ，２Ｂのアッセンブリを有する。凝縮器は蒸気配管３により相互に接続され、毛細管蒸発器は液体配管４により相互に接続され、一定量の流体を充填した密閉回路を構成している。そして、暖かい蒸発器で完全な蒸発が行われ、冷たい凝縮器で完全な凝縮が行われ、他の機器は不作動とされる。本システムは可逆であり、従って、重量軽減に寄与し、スペースの有効利用が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】温熱源、冷熱源間エネルギー移動システム 本発明は、温熱源と冷熱源との間のエネルギーの移動システム、特に毛細管汲 み上げを備えた２相ループを使用するものに関する。 毛細管汲み上げを備えた２相ループは、次の物理的現象を利用する。即ち、適 切な特性を有する液体が、加熱されているキャピラリーッチューブの一端に送ら れた場合、その液体は全体が蒸発する点までキャピラリーチューブに入る。液相 と気相の分離表面は曲面を呈し、メニスカスと呼ばれている。メニスカスの位置 の蒸気相において、好ましい蒸気圧力の増加が見られるが、この圧力増加は、毛 細管蒸発器以外に適切な凝縮器を有する密閉循環回路の流体の循環力に使用され る。 この現象は、キャピラリーチューブの代わりに毛細管体、即ち、典型的には２ 〜２０μｍの実質的に同じ大きさの通路を備えた開放性の多孔性を示す材料が用 いられた場合も同じである。 圧力の増加は、表面張力現象から生ずる。また、それは流体の温度、流体の性 質および流体が接触している固体壁面によって左右される。また、メニスカスの 半径、或いは、メニスカスが球面でない場合はその相当半径に反比例する。メニ スカスの半径或いは相当半径は、毛細管（キャピラリー）の半径に極めて密接に 関係している、或いは、表面で状態変化が生ずる固体表面の曲率半径により密接 に関係している。そして、液−蒸気境界面が数百μｍの曲率半径の固体表面に接 触している場合、圧力増加は無視する程度となる。 本明細書においては、毛細管蒸発装置及び凝縮器の語は、常に密閉回路に並列 に接続された毛細管蒸発装置群或いは凝縮器群を表す語として用いられる。 より概念を明確にするために、メニスカスの約１０μｍの相当半径を持つ、− １０℃〜６０℃のアンモニアを使用したシステムが本原理に関してセットされて いる。メニスカスに発生する圧力は約５ｋＰａであって、回路内の圧力降下を補 うには十分である。凝縮器は、宇宙空間にエネルギーを放出するラジエータ、ま たはボイラーや蒸発器のように相変化する装置に連結された熱交換器からなる。 このようなシステムは今日宇宙技術の分野に用いられている。 これらのシステムは、一つ或いは複数の毛細管が温熱源にのみ配置され、一方 向にのみ循環する密閉回路においてしか機能しないという欠点がある。宇宙船に おいては、例えば、日光の毎日の変化、或いは、季節による変化が生じたときの ように、時には一方向に、また、時には反対方向に熱移動が行わなければならな いことが起こる。このような場合、二つの独立ループを設置して、交互に、且つ 反対方向に作用させる必要があるが、これは装置を複雑にし、積み荷を増加させ ることになる。 本発明の目的は、簡単な方法で、且つ限られた容積で二つの相反する方向にエ ネルギーを移動させる装置を提供することにある。 このような結果を得るために、本発明は、温熱源と冷熱源との間のエネルギー 移動のためのシステムを提供するものである。このシステムは、流体を液体で導 入して、これを全体的に蒸気に変換するための温熱源に配置された毛細管蒸発器 と、蒸気配管と、流体を液体に変換する凝縮器と、毛細管蒸発器に流体を返戻す る液体配管とを含む。そして、このシステムにおいて、流体は、蒸発器において 毛細管の液−蒸気境界面を構成するメニスカスで発生した圧力の作用により、密 閉回路を循環する。また、本システムは、密閉循環回路に二つのユニットを含み 、該各ユニットは、液体配管に接続された毛細管蒸発器と、毛細管蒸発器と蒸気 配管との間に介装された凝縮器とにより形成され、また、これら二つのユニット の内の一つは温熱源に配設され、他のものは冷熱源に配設されており、また、温 熱源に配設された毛細管蒸発器の毛細管通路において蒸発が完全に行われ、冷熱 源に配設された凝縮器の中で全ての凝縮が行われるものとして、流体の流量が計 算されているという特徴を有する。 温熱源において、毛細管蒸発器における蒸発は、流体を作動させるに必要な圧 力上昇を発生している。また、冷熱源において、もし仮に凝縮が毛細管蒸発器の 中で行われたとすると、同じ程度の反対方向の圧力差が蒸発器の中に生ずる。こ の圧力差は主に温熱源と冷熱源との温度差に基づく。実際上は、凝縮が冷熱源の 凝縮器において行われるとすると、流体の循環方向の後流側に接続された蒸発器 は、蒸発器の通路が完全に液体で満たされるため、単純な通過抵抗のように作用 する。曲率半径が大きい凝縮面における凝縮は、反作用的に圧力は生じるが無視 し得るほどである。 循環回路の流体の充填は、流体の状態変化が予定の場所で行われるように正確 な量として成されなければならないが、ある程度の余裕は、毛細管蒸発器の通路 長さ及び凝縮器の大きさにより許される。この余裕は、液体の温度が低下した場 合、液体の収縮により過剰となる。本システムは、充填量不足の場合であっても 、通常液体と接触している毛細管蒸発器の側に蒸気の泡が形成されている場合、 正常に作動し続ける。また、この泡が毛細管蒸発器の毛細管に保有された液体に よって蒸気配管と完全に分離されている限り、正しく作動している。 あらゆる作動条件において、少なくとも一つの液−蒸気の境界面が毛細管蒸発 器の中に存在するように、流体の量が用意されているならば、蒸気の泡は、蒸気 配管と繋がることなしに存在し、例えば、毛細管蒸発器の液体側に存在する。 好ましい実施例によれば、毛細管蒸発器は、小さい半径又は相当半径のメニス カスが形成されることによって、液体が蒸発するように調節された多孔性の集合 体からなる、この集合体は、二つのチャンバーの間の部分に配置される。一つの チャンバーは液体配管に接続され、他のチャンバーは蒸気配管に接続される。冷 熱源の凝縮器は、少なくとも一部分は、蒸気配管に接続された前記チャンバーの 内の一つからなる。また、全ての凝縮がこのチャンバー内、即ち、通常の毛細管 蒸発装置の容器内で行われる場合、極めて簡便なユニットが得られる。 より改良された実施例によれば、複数の温熱源または冷熱源があり、各温熱源 及び冷熱源には、一つの毛細管蒸発器及び一つの凝縮器により形成された前記ユ ニットの一つが少なくとも存在する。 本システムは、意外にも、温熱源と冷熱源との温度差を好ましい値に安定させ るものであることが分かる。 本発明は、以下の図面を参照しながら、より詳細に記述される。 図１は従来技術のシステム基本図である。 図２は本発明によるシステム基本図である。 図３は及び図４は、それぞれ通常の毛細管蒸発装置の縦断面図および横断面図 である。 図５は多くの毛細管蒸発装置を配列したものの斜視図である。 図６はメニスカスを示す図である。 図１は、所謂温熱源と呼ばれるＡゾーンから所謂低温の冷熱源と呼ばれるＢゾ ーンの方へエネルギーを移動させるシステムの基本図を示す。 本システムは、使用温度により水、アンモニア、フレオン等の流体が循環する 密閉循環回路を含む。本循環回路は、並列に接続された毛細管蒸発装置１、同じ く並列に（又は直列に且つ並列に）接続された凝縮器２、蒸気配管３及び液体配 管４を含み、流体の流通方向は矢印５で示される。 図３及び４は、通常の毛細管蒸発装置の構造を示す。 本装置は、一端に入口７を、他端に出口８を備えた金属管６を有する。そして 、内部には円筒状のポーラス材９がスペーサ１０によって金属管６と同軸に支持 されている。このポーラス材９は平行の繊維質からなり、この繊維質の間には最 大サイズ、例えば約２０ミクロンに調整された通路を形成し、所謂キャピラリー ウィック（capillary wick）として知られているものを構成する。 このポーラス材９は、均等で、適正なサイズの孔を有する材料、例えば、焼結 金属、プラスチック、セラミックのような材料からなる。 図５は、一枚の板からなる温熱源を示しており、その一方の面上には、熱を放 出してそれ自身は冷却される複数の装置１２が搭載されている。また、反対側の 面には、毛細管蒸発装置１が保持され、その入口は液体配管に接続され、キャピ ラリーウィック９の内部空洞１３（図４参照）に連通し、また、その出口８は、 蒸気配管３に接続され、金属管６とキャピラリーウィック９との間に位置する環 状空間１４と連通している。 通常の作動中、内部空洞１３は、液体で満たされ、環状空間１４は蒸気で満た されている。液体と蒸気の境界面は、一組のメニスカス１５（図６参照）からな り、それらは実質的に同一半径であり、ポーラス体９の厚みの中にある。 従来の技術において、今ここに述べている毛細管蒸発装置(capillary evapora tion devices)１は毛細管蒸発器（capillary evaporators）として知られている 。 上記から、本明細書においては、ポーラス体９は、実際の毛細管蒸発器を構成 する。そして、空洞１３及び空間１４は、機能的には液体配管及び蒸気配管の拡 張部分である。 流体の循環は、毛細管蒸発器における蒸気圧力の上昇により行われる。また、 この圧力上昇は、液体の完全蒸発が行われるメニスカスで生成される。液体がキ ャピラリーウィックを通過するとき、液体は迅速に加熱され（流量は非常に少な いが）、メニスカスで実際的に一定温度の下に完全に蒸発する。圧力の上昇は流 体の表面張力に比例し、（１０μｍ以下の半径で作動する）メニスカスの相当半 径に反比例する。各蒸発器における流体の流量は、各蒸発器の出口で純粋蒸気が 得られるように一定に自動調整される。 毛細管蒸発器を正しく機能させるためには、各蒸発装置の入口では液体のみと することが重要である。それ故これら蒸発器は平行にのみ接続される。更に、分 離器１６（図１）は、各蒸発器の入口に配置されていなければならない。この分 離器の目的は、（ループにおける主液体配管から）蒸気が帰還するのを妨げるこ とにある。このような蒸気の帰還はプライミングによる偶然の損失のとき（例え ば、過剰出力噴射の場合）蒸発器で起こることがある。 純粋蒸気は、流体の吸収したエネルギーが、宇宙空間へエネルギーを放出する 放熱器、他のループと連結した熱交換器、ボイラーや蒸発器の様な相変化システ ムによって、放出される凝縮器２の方へ搬送される。 図１の装置に戻ると、過冷却器１７が液体出口管に配置されている。この過冷 却器の機能は、異常時最後の凝縮器の出口で完全に凝縮しなかった蒸気を凝縮さ せるためのものである。 このループの作動温度は、２相の蓄圧器１８により制御される。この蓄圧器は （加熱または冷却システムにより）熱制御されており、このシステムの蒸発温度 、即ち、冷却板１１及び熱交換器（圧力損失は極めて小さい）における蒸発温度 の制御を確実にしている。 この種ループに関しては、セット温度は、このループが蒸発器や凝縮器におい て晒されているパワーの変化がどのようなものであれ、通常のものより正確に制 御されている。 このシステムが搬送できる最大のパワーは、毛細管蒸発器が保証する最大圧力 の上昇によって、また予定最大パワーのときの循環回路における合計圧力損失に よって決められる。アンモニアが使用され、メニスカスの相当半径が１０μｍの 場合、５０００Ｐａ程度の圧力上昇が達成される。 図２は、本発明によるエネルギー移動システム図である。 熱源ＡおよびＢの各々において、循環回路は凝縮器２Ａ，２Ｂを直列に接続し た蒸発器１Ａ，１Ｂからなるユニットと、各凝縮器２Ａ，２Ｂに接続された蒸気 配管３と、各毛細管蒸発器に接続された液体配管４とを含んでいる。低パワー蒸 気配管２０には加熱装置が設けられている。蓄圧器１８及び分離器１６は備えて いない。 熱源Ａの温度が熱源Ｂの温度より高いとき、流体の循環方向は矢印２１で示さ れた方向となる。蒸発器１Ａは作動している。蒸発器の入口の液体はキャピラリ ーウィック９を通過してそこで蒸発する。蒸気は（毛細管圧力の増加とともに） 各蒸発装置を出て、作動していない暖かい凝縮器２Ａを通過する。蒸気はこれら 凝縮器の出口に集められて、配管３により冷たい凝縮器２Ｂまで搬送される。蒸 気はこれら凝縮器において部分的に或いは完全に凝縮する。２相或いは単相の液 体混合流体が通常蒸発器として作動する蒸発装置１Ｂに逆の方向から入る。未凝 縮の蒸気は蒸発装置１Ｂの環状スペース１４で完全に凝縮される。液体のみがこ れら蒸発器を出る。液体は集められ配管４により蒸発器１Ａの入口まで搬送され る。そして、ループを閉じる。液体の部分気化は液体配管内において一時的には 許容される。 熱源Ｂが熱源Ａより暖かくなったときは、流体の循環方向は矢印２２の方向と なる。予定通りに蒸発器として作用するのは蒸発器１Ｂであり、凝縮器２Ｂは不 作動であり、凝縮器２Ａは作動し、蒸発器１Ａは環状スペース１４が補助凝縮器 として作用する。 毛細管蒸発器に内蔵されたこれら環状スペースは、機能面から凝縮器２Ａの一 部として作用する。 色々な熱源間を熱移動させたいときや熱移動が行われないときには、蒸気配管 ３は、その中に存在する液冷媒を追い出すために、代表的には１時間加熱装置２ ０によって僅かに（代表的には１ｗ／ｍ）加熱される。 作動していない蒸発器の環状スペース１４の凝縮能力が十分大きい場合は全て の凝縮器を廃止することができる。このようにするとループは、在来の蒸発装置 のみからなり、一部は蒸発器として作用し、他のものは凝縮器として作用する。 二つの熱源に対して提案されたこのコンセプトは、多熱源用のコンセプトに拡 張させることができる（蒸発器−凝縮器毎に異なる熱源をもつシステムとするこ とは可能である）。熱源Ａ，Ｂの毛細管蒸発器１Ａ、１Ｂまたは凝縮器２Ａ，２ Ｂは数量、性能の点で同一である必要はなく、また、蒸発器−凝縮器ユニットの 数も全てのユニットにおいて同一である必要はない。 宇宙技術分野において、本発明によるシステムは、時間の要素（毎日の日光、 季節毎の日光、熱消費量等）によって熱の流れが異なり易い宇宙船の各部間の熱 移動を行わせるために用いられる。現在のコンセプトと比較したとき本ループの 特徴は、基本的には単一ループによって二つの方向の熱移動を行わせることがで きる点にある。この特徴は簡略化、かさの減少に貢献する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィラトル、ミッシェル フランス国、31400 トルーズ、リュー・ ブジア 34 (72)発明者 モードュイ、ジャック フランス国、31320 オズヴィル、アレ ー・デュ・プレ−トロザン １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．温熱源に配置され、流体を液体で導入して、毛細管通路内で全体的に蒸気 に変化させる毛細管蒸発器と、蒸気配管と、冷熱源に配置され、大きな曲率半径 の表面上での凝縮により流体を液体に変化させる凝縮器と、流体を毛細管蒸発器 へ返戻させる液体配管とを具備し、蒸発器の毛細管通路における液体と蒸気の境 界面を構成するメニスカスで発生する圧力の作用により密閉循環回路に流体を循 環させてなる温熱源、冷熱源間エネルギー移動システムにおいて、 密閉流体回路は、液体配管に接続された毛細管蒸発器と、前記毛細管蒸発器と 蒸気配管との間に介装された凝縮器とにより形成された二つのユニットを含み、 その内の一つユニットは温熱源に配設され、他の一つユニットは冷熱源に配設さ れ、 流体の量は、温熱源に配設された毛細管蒸発器の毛細管通路において蒸発が完 全に行われ、冷熱源に配設された凝縮器において凝縮が行われるように計算され ていることを特徴とする温熱源、冷熱源間エネルギー移動システム。 ２．あらゆる運転条件において、少なくとも一つの液体と蒸気との境界面存在 し、それにも拘わらず、蒸気の泡が蒸気配管と繋がらずに、例えば、毛細管蒸発 器の液体側に存在するように、流体の量が計算されることを特徴とする請求項１ 記載の温熱源、冷熱源間エネルギー移動システム。 ３．毛細管蒸発器は、小さい半径又は相当半径のメニスカス１５を形成するこ とにより液体が蒸発されるように調整された多孔性を持った集合体からなり、そ の集合体が二つのチャンバー１３、１４間の部分に配設されており、 前記二つのチャンバーの内の一つが液体配管に接続され、他の一つが蒸気配管 ３に接続され、冷熱源の凝縮器が、少なくとも部分的には、前記蒸気配管３に接 続された前記チャンバーの内の一つ１４から構成されていることを特徴とする請 求項１記載の温熱源、冷熱源間エネルギー移動システム。 ４．複数の温熱源と複数の冷熱源があり、少なくとも前記ユニットの一つが、 毛細管蒸発器と凝縮器により形成され、各温熱源及び冷熱源に配設されているこ とを特徴とする請求項１記載の温熱源、冷熱源間エネルギー移動システム。