JPS59113218A

JPS59113218A - サ−モサイフオン式発電機

Info

Publication number: JPS59113218A
Application number: JP22186682A
Authority: JP
Inventors: Koji Shiina; 孝次椎名; Haruichiro Sakaguchi; 坂口　晴一郎; Yasuaki Akatsu; 康昭赤津
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-12-20
Filing date: 1982-12-20
Publication date: 1984-06-29

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】〔発明の利用分野〕本発明はサーモサイフオン式発電機に係り、作動媒体を
封入した重力型ヒートパイプ構造の上部にタービンと発
電機を設置して、熱交換器の小型化及び構造の簡略化を
図るために好適なサーモサイフオン構造の発電システム
。

〔在米技術〕

従来の重力型ヒートパイプについて第１図により説明す
る。重力型ヒートパイプは、パイプｌとパイプｌ内を真
空引きした後封入された作動液２だけの簡単な組み合わ
せから成ル、先ず加熱部ｌａで作動液２が沸騰し１発生
蒸気は放熱部１ｃで凝縮後１重力の作用で再び加熱部に
戻る。以上のような作動液２の循環の繰シ返しによって
、大量の熱を有効且つ連続的に伝えることができるが。

熱サイフオン式の場合、この循環を維持するため加熱部
１ａが下方になるよう姿勢上の制約を受ける。また、循
環作用を促進する目的でパイプ内に毛管作用を与えるウ
ィックを形成することがあるが１本構造の場合にはウィ
ックの有無による影響は小さい。そして１本装置の熱サ
イフオン式ヒートパイプの場合、工業機器を対象とした
空気−空気の排熱回収用熱交換器として用いられ、作動
液２の相変化を利用した熱移動装置としてのみ使用され
ている。さらに、外部加熱量として工場廃熱等を利用す
る際、温度変動が大きいので、作動液２が沸騰する場合
の不安定流動を生ずる可能性がある。

また、単成分によるヒートパイプ式熱機関を第２図によ
り説明する。ヒートパイプを構成する容器４の内面をウ
ィック５により覆うと共に、下端部を蒸発部４ａに、ま
た上端部を凝縮部４ｃに形成する。そして容器４内に、
液相・気相間で状態変化する動作物質を収容する。さら
に蒸発部４ａと凝縮部４Ｃ間の断熱部４ｂの断熱流路６
の中間部６ａ内と、タービン７を設け、その回転軸８を
軸受９を介して出力取出用伝動機構ｌＯに連結する。蒸
発部４ａに熱Ａを加えると、ウィック５内部の物質が蒸
発して断熱流路６を矢印方向に流れ、中間部６ａを通る
時にそのエネルギーによ）タービン７を回転させ１回転
軸８が回転し、伝動機構１０によシ外部に取出される。

本装置の特徴は。

ヒートパイプ容器４内の動作物質の移動経路にタービン
７を設置し、動作物質の保有エネルギーを取出すように
して、ヒートパイプに熱機関の機能をもたせたものであ
る。しかし１本構造はヒートパイプの断熱部４ｂ内にタ
ービン７を設置したため、加熱部４ａと凝縮部４ｃから
断熱部４ｂをオフ・セットすることによ）、ヒートパイ
プ製作の点から通常のパイプの使用が不可能となり、構
造の単純化に関して難点がある。また、ヒートパイプ内
にタービン７を内蔵するため、パイプと回転軸８とのシ
ールが難しく、さらに動作物質の蒸発・凝縮を行なう熱
交換部と出力を取出すタービン７部の構成要素を独立に
製作することが不可能である。これらの影響により、ヒ
ートパイプ単体として考えると、伝熱面積及び断熱部の
寸法が大きくなり、全体寸法は拡大されるという欠点が
ある。

また、本方式ヒートパイプの場合、重力の作用に支配さ
れウィック５の効果はそれほど期待できない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、発電システムにおいて所内動力を低減
するために自然循環気泡ポンプ方式を用いて作動媒体を
昇圧し、さらにサーモサイフオン構造において発生した
媒体蒸気でタービンを回転させて発電するために最も単
純な構造を用いた小容量用高効率サーモサイフオン式発
電機を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明はサーモサイフオン式ヒートパイプ構造の上部あ
るいは断熱部内にタービンと発電機を設置した発電シス
テムにおいて、ヒートパイプ容器内部を液相及び蒸気相
に仕切多層を設けて作動媒体を封入し、蒸発部内部で自
然循環気泡ポンプを形成させ１発生した媒体蒸気がター
ビンを回転させて発電し、断熱膨張した作動媒体蒸気は
凝縮部内部で作動媒体液中に噴出して直接接触凝縮ある
いは管内凝縮して液化し、蒸発部で再び同じ動作を繰シ
返すことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図により説明する。本発
明の発電方式を達成するためのサーモサイフオン式発電
機の基本構造は、蒸発部４ａ、断熱部４ｂ及び凝縮部４
Ｃから成る容器４内に作動媒体を封入し、当該容器４の
上部に発電機構としてタービン７、回転軸８及び発電機
２０を設置したものである。なお容器４の内部構造は作
動媒体１１の液相と蒸気相を分割するために、仕切板１
２と下降管１３を内蔵し、また蒸発部４ａの内部には作
動媒体１１の循環作用を安定にするため二相流仕切管１
４をＶ置している。さらに凝縮部４Ｃ内部にはタービン
７前後の作動媒体蒸気ｉｉｂを収納するために１作動媒
体蒸気高圧側容器１６と低圧側容器１９を内蔵している
。それから、本容器４の取付けの点を考慮して、蒸発部
４ａと断熱部４ｂの間に蒸発部域付継手４ｄを、凝縮部
４Ｃと断熱部４ｂの間に凝縮部取付継手４ｅを設置して
外部ダクトとの接続を容易にしている。

本基本構造をもとに、本発電方式の動作について説明す
る。容器４下部の蒸発部４ａを中低温度熱源の流れるダ
クト内に蒸発部域付継手４ｄを接続して加熱Ａすると、
蒸発部４ａを通して熱量が内部へ供給され、上昇流仕切
管１４で仕切られた作動媒体液１１が加熱される。する
と、蒸発部４ａを通して予熱された蒸発部４ａ外管と上
昇流仕切管１４との間の作動媒体液１１は内壁面のある
くぼみから発核して作動媒体気泡１１ａが成長し、前記
二重管の間を作動媒体の二相上昇流Ｅとして流れ、気泡
ポンプの作用をする。その後、液面上部で気泡分離を行
い発生蒸気１１ｂは上部へ流れ、未沸騰の作動媒体液１
１は外部からの給熱により除々に沸騰・蒸発し、その蒸
発量に見合う分の作動媒体液１１が下降管１３を通して
供給される。

この際、沸騰気泡１１ａにより押し出されて飛散した作
動媒体１１は下降管１３と上昇流仕切管１４の間に溜っ
て、除々に加熱され表面沸騰する。

一方１発生した作動媒体蒸気１１ｂは断熱材で覆われた
断熱部４ｂ内部を上昇し１作動媒体蒸気上昇管１５内に
沿って上昇し、一旦作動媒体蒸気高圧側答器１６内に蓄
えられ、タービン流入管１７を通してタービン７に導入
され、ここで断熱膨張してタービン７を回転し１回転軸
８を通して発電機２０で発電する。ここでタービン７は
ラジアル・インクロータイブのタービンを用いれば、軸
流タービンに比較して効率が良い。他方、断熱膨張した
作動媒体蒸気１１ｂはタービン排気管１８を通して作動
媒体蒸気低圧側容器１９に蓄えられ、ここで作動媒体蒸
気噴出機構１９ａから作動媒体液１１中へ蒸気泡１１ａ
として噴出し、凝縮部４ｃの外部を放熱Ｂすることによ
シ、管内凝縮した作動媒体液１１中で同一成分同志の直
接接触凝縮を行なう。

その結果、凝縮液化した作動媒体液１１の水頭差及び飽
和凝縮圧力により、再び作動媒体液１１は下降管１３．
仕切板１２及び上昇流仕切管１４を通して沸騰し、同じ
作用を繰り返す。したがって、本容器４の蒸発部４ａを
外部から加熱Ａすると１作動媒体液１１は下降及び上昇
流路を通し気泡ポンプを形成して自然循環流を起こし１
発生した蒸気１１ｂでタービン７を回転して発電させた
後５本容器４の凝縮部４ｃを外部から放熱Ｂすると作動
媒体蒸気１１ｂは凝縮液化するという方式の一成分系サ
ーモサイフォンと発電機構を一体化させた発電方式であ
る。

ここで本容器４の蒸発部４ａの内部構造は、第４図（ａ
）のように下降管１３．仕切板１２及び上昇流仕切管１
４で完全に仕切られた流路を作動媒体液１１が通過する
タイプと、第４図（ｂ）のように（ａ）と同じ流路にお
いて上昇流仕切管１４の下部に孔をあけて、作動媒体１
１自体を再循環させ循環流Ｇを生じさせるタイプがある
。本構造の決定に関しては、蒸発部４ａにおけ作動媒体
の飽和蒸気圧と凝縮部４Ｃにおける作動媒体の飽和凝縮
圧力及びその両者液面間の水頭差圧による圧力バランス
。

すなわち蒸発部４ａでの加熱量及び凝縮部４ｃでの放熱
量により、沸騰する作動媒体の液面で飛翔する作動媒体
液１１の量が支配される。したがって、飛散して仕切空
間Ｈに流れ込む作動媒体液１１が少ない場合には第４図
（ａ）の方式、また多い場合には第４図（ｂ）の方式が
適する。

また、気泡ポンプによる自然循環流を形成する作動媒体
液１１と気泡１１ａの二相上昇流Ｅは第５図（ａ）及び
（ｂ）で示されるように上昇流仕切管１４と蒸発部４ａ
内壁の間を通過する。この際、気泡ポンプを安定に行な
わせるため発生蒸気泡１１ａが合体しないように、第５
図（Ｃ）のような仕切板１４ａや第５図（ｂ）のような
仕切管１４ｂを挿入することが必要である。

（９）次に１本発明の他の実施例を第６図によシ説明する。第
３図の構造に比べて、本構造の特徴は蒸発部４ａでの上
昇流を内側に、下降流を外側にし。

また凝縮部４Ｃでの縞・低圧側容器を排除して。

しかもタービン排気管１８から流出する作動媒体蒸気１
１ｂを凝縮部４Ｃの内壁に噴出させて管内凝縮を促進さ
せる方式として１本容器４の内部構造を最も簡略化した
構造である。

さらに、他の実施例を第７図により説明する。

本装置の構造の特徴は、クーピン流入管１７とタービン
排気管１８を容器４外部に取出して、凝縮液化した作動
媒体液１１と間接的に熱交換する部分を短縮して、管内
凝縮を抑制することを目的としたものである。本構造に
より、凝縮部４ｃ内及び蒸発部４ａ内の内部構造は簡単
化される利点がある。但し、タービン流入管１７の取出
し、及びタービン排気管１８の引込みは断熱部４ｂにて
配管接続する。

また、他の実施例を第８図によシ説明する。本構造の特
徴は１回転させるタービン７部をサーモ（ｌＯ）サイフオン容器４中夫の断熱部４ｂ内に設置して。

タービン流入管１７とタービン排気管１８を容器４内に
完全に収納するタイプのもので、容器４単体として見る
と配管部が外部に露出していない最も簡略構造のパイプ
である。

それから、下降管の形状効果について第９図により説明
する。直管式の下降管に対して１作動媒体の下降流速を
増加させて上昇管での初期循環流速を増加させるために
、第９図に示すような縮少管を用いる。本構造により１
作動媒体液１１の噴出による攪拌効果も得られる。また
同時に、作動媒体蒸気１１ｂの流速を上げ、発生蒸気１
１ｂのタービン流入管１７への流入効率を向上させる。

また、他の実施例を第１０図によシ説明する。

本構造の特徴は仕切空間Ｇを有効に利用するために、第
５図（ｃ）及び（ｄ）のような仕切板１４ａや仕切管１
４ｂ以外に、下降管１３と同心円の仕切管１４ｂによる
外型円管構造にして、作動媒体の二相上昇流Ｅ内のボイ
ド率を高め、二相上昇流Ｅの流速を増加させて作動媒体
の蒸発量を増加させる（１１）方式のものである。これにより、容器４内に封入する作
動媒体の量はかなシ増加するため、その分だけ余計に加
熱及び放熱が要求される。

以上１本容器４の熱伝達率は容器の外部及び内部の形状
と伝熱面積に支配される。したがって、サーモサイフオ
ン式ヒートパイプを熱交換器として考えれば、容器４の
外管は蒸発部４ａ及び凝縮部４Ｃともに加熱Ａ及び放熱
Ｂ用の流体が汚れを伴なったものが用いられる。例えば
、加熱側として工場廃熱空地熱れがあり、また放熱側と
して工業用水等がある。そこで、熱伝達率向上のために
容器４外部を微細構造にしたものは汚れの影響を受けや
すいので、第１１図（ａ）のようなハイフィン管４ａ、
ｂを用いたものや第１１図（ｂ）のような円板フィン４
ａｃを用いたものを使用して伝熱面積を考慮すれば、蒸
発部４ａや凝縮部４ｂのパイプの長さを小さくすること
ができる。さらに、凝縮部４ｃの内面は管内凝縮熱伝達
率を増加させるために第１２図（ａ）のような鋭角フィ
ン４ｆや第１２図（ｂ）のような内面溝付管４ｇを用い
ることが可能（１２）である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、中小
容量発電装置としてサーモサイフオン構造にすることに
より、構造が簡単な上に外部から加熱すれば気泡ポンプ
と重力の効果を利用して半永久的に自然循環が生じるた
め、最も効率のよいコンパクト型発電方式である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の重力型ヒートパイプの縦断面図、第２図
は従来のヒートパイプ式熱機関の縦断面図。第３図は本発明のサーモサイフオン式発電機の縦断面図
、第４図（ａ）は第３図の作動媒体の流路が上昇流のみ
の場合の蒸発部縦断面図、第４図（ｂ）は作動媒体が循
環流を形成する場合の蒸発部縦断面図、第５図（ａ）は
蒸発部の内部構造の縦断面図、第５図（ｂ）は第５図（
ａ）の■−■横断面図、第５図（Ｃ）は二相流上昇管に
仕切板を設置した場合の横断面図、第５図（ｄ）は二相
流上昇管に仕切管を設置した場合の横断面図、第６図は
他の実施例として構造を簡略（１３）化させた場合のサーモサイフオン式発電機の縦断面図、
第７図は他の実施例としてのサーモサイフオン式発電機
の縦断面図、第８図は他の実施例としてタービンを断熱
部内に設置した場合のサーモサイフオン式発電機の縦断
面図、第９図は第８図の作動媒体下降管が縮少管の場合
の縦断面図、第１０図は他の実施例として二相流上昇管
を仕切管によ多分割した場合のサーモサイフオン式発電
機の縦断面図、第１１図（ａ）は蒸発部及び凝縮部外管
にハイフィン管を用いた場合の縦断面図、第１１図（ｂ
）は蒸発部及び凝縮部外管に円板フィンを用いた場合の
縦断面図、第１２図（ａ）は凝縮部内面に鋭角フィンを
用いた場合の縦断面図、第１２図（ｂ）は凝縮部内面に
内面溝付き管を用いた場合の縦断面図である。１・・・パイプ、ｌａ・・・加熱部、ｌｂ・・・断熱部
、１ｃ・・・放熱部、２・・・作動液、３・・・仕切板
、４・・・容器、４ａ・・・蒸発部、４ａａ・・・フィ
ン機構、４ａｂ・・・ハイフィン機構、４ａｃ・・・円
板フィン機構、４ｂ・・・断熱部、４ｃ・・・凝縮部、
４ｄ・・・蒸発部数付継手。（１４）４ｆ・・・鋭角フィン機構、４ｇ・・・内面溝付管、５
・・・ウィック、６・・・断熱流路、６ａ・・・断熱流
路中間部。７・・・ｌ−ビン、８・・・回転軸、９・・・軸受、ｌ
Ｏ・・・伝動機構、１１・・・作動媒体液、ｌｌａ・・
・作動媒体気泡、ｌｌｂ・・・作動媒体蒸気、１２・・
・仕切板、１２ａ・・・作動媒体液噴出機構、１３・・
・下降管、１４・・・上昇流仕切管、１４ａ・・・二相
流上昇管仕切板、１４ｂ・・・二相流上昇管仕切管、１
５・・・作動媒体蒸気上昇管、１６・・・作動媒体蒸気
高圧側容器、１７・・・タービン流入管、１８・・・タ
ービン排気管、１９・・・作動媒体蒸気低圧側容器、１
９ａ・・・蒸気噴出機構。２０・・・発電機。宅１図（１５）弔２図もｌ＋図拓５目（α）（ｂ）（Ｃ）　　　　　　　　＜ｄ）第６図％’７図弔８図第９図范ｌＯ図

Claims

【特許請求の範囲】

１、蒸発部、断熱部及び凝縮部から成る密閉式円筒容器
において、その内部に作動媒体を封入してほぼ垂直に設
置し、蒸発部から得られた熱量で気泡ポンプが形成され
１発生した媒体蒸気によシ円筒上外部に設置されたター
ビンを回転させて発電し、その蒸気を凝縮部で凝縮液化
させることを特徴とするサーモサイフオン式発電機。