(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱部(Ｈ)と放熱部(Ｃ)の間で熱媒液(Ｌ)を循環させて熱輸送を行うヒートパイプであって、
熱媒液(Ｌ)との熱交換が可能な部位として、受熱部(Ｈ)としても放熱部(Ｃ)としても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する第一熱交換部(１)と；この第一熱交換部(１)よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する高位タンク(２)と；前記第一熱交換部(１)よりも下側に配置され、かつ、受熱部(Ｈ)および放熱部(Ｃ)に兼用できる第二熱交換部(３)とを備える一方、
これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部(１)と高位タンク(２)とを連結する第一の液上昇管(４)と；高位タンク(２)と第二熱交換部(３)とを連結する第一の液下降管(５)と；第二熱交換部(３)と第一熱交換部(１)とを連結する第二の液上昇管(６)と；前記第一の液下降管(５)とは別に第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)とを連結する第二の液下降管(７)とを配設し、
更に、前記第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)には、受熱に応じて第一の液上昇管(４)または第二の液上昇管(６)中に気泡(Ｂ)を供給する気泡供給手段を設けると共に、少なくとも第一の液上昇管(４)と第一の液下降管(５)の何れか一方にバルブ(Ｖ)を配設して構成したことにより、
前記第一熱交換部(１)を受熱部(Ｈ)とするトップヒートや第二熱交換部(３)を受熱部(Ｈ)とするボトムヒートの使用モードに応じて前記バルブ(Ｖ)を開または閉の状態として熱媒液(Ｌ)の循環路を選択可能としたことを特徴とする熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項２】
受熱部(Ｈ)と放熱部(Ｃ)の間で熱媒液(Ｌ)を循環させて熱輸送を行うヒートパイプであって、
熱媒液(Ｌ)との熱交換が可能な部位として、受熱部(Ｈ)としても放熱部(Ｃ)としても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する第一熱交換部(１)と；この第一熱交換部(１)よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する高位タンク(２)と；前記第一熱交換部(１)よりも下側に配置され、かつ、受熱部(Ｈ)および放熱部(Ｃ)に兼用できる第二熱交換部(３)とを備える一方、
これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部(１)と高位タンク(２)とを連結する第一の液上昇管(４)と；第二熱交換部(３)と第一熱交換部(１)とを連結する第二の液上昇管(６)と；高位タンク(２)と第二熱交換部(３)とを連結する第一の液下降管(５)、および第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)とを連結する第二の液下降管(７)が中間部位で統合された液下降管とを配設し、
更に、前記第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)には、受熱に応じて第一の液上昇管(４)または第二の液上昇管(６)中に気泡(Ｂ)を供給する気泡供給手段を設けると共に、前記第一の液上昇管(４)、および前記統合された液下降管の合流部位よりも第一熱交換部(１)に近い位置にそれぞれバルブ(Ｖ)を配設して構成したことにより、
前記第一熱交換部(１)を受熱部(Ｈ)とするトップヒートや第二熱交換部(３)を受熱部(Ｈ)とするボトムヒートの使用モードに応じて前記バルブ(Ｖ)を開または閉の状態として熱媒液(Ｌ)の循環路を選択可能としたことを特徴とする熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項３】
受熱部(Ｈ)と放熱部(Ｃ)の間で熱媒液(Ｌ)を循環させて熱輸送を行うヒートパイプであって、
熱媒液(Ｌ)との熱交換が可能な部位として、受熱部(Ｈ)としても放熱部(Ｃ)としても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する第一熱交換部(１)と；この第一熱交換部(１)よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する高位タンク(２)と；前記第一熱交換部(１)よりも下側に配置され、かつ、受熱部(Ｈ)および放熱部(Ｃ)に兼用できる第二熱交換部(３)とを備える一方、
これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部(１)と高位タンク(２)とを連結する第一の液上昇管(４)と；第二熱交換部(３)と第一熱交換部(１)とを連結する第二の液上昇管(６)と；高位タンク(２)と第二熱交換部(３)とを連結する第一の液下降管(５)、および第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)とを連結する第二の液下降管(７)が中間部位で統合された液下降管とを配設し、
更に、前記第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)には、受熱に応じて第一の液上昇管(４)または第二の液上昇管(６)中に気泡(Ｂ)を供給する気泡供給手段を設けると共に、前記統合された液下降管の合流部位よりも高位タンク(２)に近い位置および合流部位よりも第一熱交換部(１)に近い位置にそれぞれバルブ(Ｖ)を配設して構成したことにより、
前記第一熱交換部(１)を受熱部(Ｈ)とするトップヒートや第二熱交換部(３)を受熱部(Ｈ)とするボトムヒートの使用モードに応じて前記バルブ(Ｖ)を開または閉の状態として熱媒液(Ｌ)の循環路を選択可能としたことを特徴とする熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項４】
統合された液下降管の合流部位よりも第一熱交換部(１)に近い位置に配設されたバルブ(Ｖ)に、熱媒液(Ｌ)の第一熱交換部(１)から第二熱交換部(３)への移動のみが可能な逆止弁(Ｖ2)を用いたことを特徴とする請求項２または３に記載の熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項５】
液上昇管への気泡供給手段として、第一熱交換部(１)或いは第二熱交換部(３)の上壁または側壁に、内部に蒸気が収容される上向きに突き出た窪みであって、出口幅が１mm以上の気泡生成部(Ｐ)を設け、更にこの気泡生成部(Ｐ)から発生した気泡(Ｂ)を導入できるように液上昇管の端部を配置したことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項６】
液上昇管への気泡供給手段として、第一熱交換部(１)或いは第二熱交換部(３)の上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を形成し、更に液上昇管の端部を、前記第一熱交換部(１)または第二熱交換部(３)の上側から蒸気の滞留スペース(Ｓ)を通して熱媒液(Ｌ)中に差し込んで構成したことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項７】
第二の液上昇管(６)に、第一の液上昇管(４)と熱交換が行えるように迂回させたバイパス路(61)を設けると共に、このバイパス路(61)とバイパス路(61)の分岐・合流部位に挟まれた本流路(62)とにバルブ(Ｖ)(Ｖ)を設けて構成したことにより、
トップヒート時にはバイパス路(61)のバルブ(Ｖ)のみを開の状態として、バイパス路(61)を流れる熱媒液(Ｌ)で第一の液上昇管(４)を冷却可能とする一方、ボトムヒート時には本流路(62)のバルブ(Ｖ)のみを開の状態として、第二熱交換部(３)で発生した気泡(Ｂ)を第一熱交換部(１)へと移送可能としたことを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載の熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ。
【請求項８】
受熱部(Ｈ)と放熱部(Ｃ)の間で熱媒液(Ｌ)を循環させて熱輸送を行うヒートパイプであって、
熱媒液(Ｌ)との熱交換が可能な部位として、受熱部(Ｈ)としても放熱部(Ｃ)としても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する第一熱交換部(１)と；この第一熱交換部(１)よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する高位タンク(２)と；前記第一熱交換部(１)よりも下側に配置され、かつ、受熱部(Ｈ)および放熱部(Ｃ)に兼用できる第二熱交換部(３)とを備える一方、
これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部(１)と高位タンク(２)とを連結する第一の液上昇管(４)と；高位タンク(２)と第二熱交換部(３)とを連結する第一の液下降管(５)と；第二熱交換部(３)と第一熱交換部(１)とを連結する第二の液上昇管(６)と；第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)とを連結する第二の液下降管(７)とを配設し、
更に、前記第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)に、受熱に応じて第一の液上昇管(４)または第二の液上昇管(６)中に気泡(Ｂ)を供給する気泡供給手段を設けると共に、
第一の液上昇管(４)に、第一熱交換部(１)から高位タンク(２)にのみ熱媒液(Ｌ)が移動可能な逆止弁(Ｖ4)を、また第二の液下降管(７)に、第一熱交換部(１)から第二熱交換部(３)にのみ熱媒液(Ｌ)が移動可能な逆止弁(Ｖ2)を配設して、第二の液下降管(７)の逆止弁(Ｖ2)の最小開弁圧力差を、第一の液上昇管(４)の逆止弁(Ｖ4)よりも小さく設定したことにより、
前記第一熱交換部(１)が受熱部(Ｈ)となるトップヒートの温度環境や第二熱交換部(３)が受熱部(Ｈ)となるボトムヒートの温度環境に応じて、対応する逆止弁(Ｖ4)(Ｖ2)が開いて熱媒液(Ｌ)の循環路が自動的に切り替わることを特徴とする逆止弁により熱輸送方向の自動切替が可能なヒートパイプ。
【請求項９】
受熱部(Ｈ)と放熱部(Ｃ)の間で熱媒液(Ｌ)を循環させて熱輸送を行うヒートパイプであって、
熱媒液(Ｌ)との熱交換が可能な部位として、受熱部(Ｈ)としても放熱部(Ｃ)としても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する第一熱交換部(１)と；この第一熱交換部(１)よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペース(Ｓ)を有する高位タンク(２)と；前記第一熱交換部(１)よりも下側に配置され、かつ、受熱部(Ｈ)および放熱部(Ｃ)に兼用できる第二熱交換部(３)とを備える一方、
これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部(１)と高位タンク(２)とを連結する第一の液上昇管(４)と；高位タンク(２)と第二熱交換部(３)とを連結する第一の液下降管(５)と；第二熱交換部(３)と第一熱交換部(１)とを連結する第二の液上昇管(６)と；第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)とを連結する第二の液下降管(７)とを配設し、
更に、前記第一熱交換部(１)と第二熱交換部(３)に、受熱に応じて第一の液上昇管(４)または第二の液上昇管(６)中に気泡(Ｂ)を供給する気泡供給手段を設けると共に、
第一の液下降管(５)と第二の液下降管(７)にそれぞれ独立した配管を使用して、第一の液上昇管(４)に、高位タンク(２)から第二熱交換部(３)にのみ熱媒液(Ｌ)が移動可能な逆止弁(Ｖ4)を配設したことにより、
前記第一熱交換部(１)が受熱部(Ｈ)となるトップヒートの温度環境や第二熱交換部(３)が受熱部(Ｈ)となるボトムヒートの温度環境に応じて、逆止弁(Ｖ4)が開閉して熱媒液(Ｌ)の循環路が自動的に切り替わることを特徴とする逆止弁により熱輸送方向の自動切替が可能なヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプの改良、詳しくは、トップヒートとボトムヒートの切り替えが可能で、また切り替えを自動的に行うこともでき、しかも、地熱利用の用途にも問題なく使用でき、イニシャル・ランニングコストの低減も図れる熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ、及び逆止弁により熱輸送方向の自動切替が可能なヒートパイプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のとおり、ヒートパイプは実用性に優れた熱輸送手段として、装置の加熱・冷却機構や冷暖房システム、熱回収システムなどの多くの分野で利用されている。また、ヒートパイプにおける上下方向の熱輸送方式としては、下側の受熱部から上方に熱を運ぶボトムヒートと、上側の受熱部から下方に熱を運ぶトップヒートがある。
【０００３】
一方、地熱を利用した冷暖房システムは、冬は暖かい地中から室内に熱を運んで暖房とし、また夏は室内の熱を冷たい地中に逃がして冷房とするため、ボトムヒートとトップヒートの両方を用いる必要があるが、各方式専用のヒートパイプを使用すると少なくとも２本分以上の埋設スペースを確保しなければならなくなる。
【０００４】
そこで、ボトムヒートでもトップヒートでも使用できるモード切替型のヒートパイプを使用して、上記ヒートパイプの埋設スペースを１本分に抑えることも考えられたが、従来開発されたモード切替型のヒートパイプは、性能面やコスト面に課題があったため、実用化には至らなかった。
【０００５】
具体的に説明すると、まず特許文献１にあるような、メインの蒸気流路とは別に熱媒液を環流させるための迂回路を備えたヒートパイプでは、トップヒートで使用する際、迂回路の下部において気泡を発生させる必要があったため、迂回路をヒータ装置で常時加熱しなければならなくなり、ランニングコストが高く付き易かった。
【０００６】
また、特許文献２にあるような、上下の中間位置にある受熱部で加熱された熱媒液を気泡と共に最上部の放熱タンクに移動させ、その後、熱媒液のみを最下部の放熱部に移動させるヒートパイプでは、中間位置の受熱部から上下の放熱部に熱輸送が可能であったものの、最下部を受熱部とすることができなかったため、地熱利用には向かなかった。
【０００７】
他方また、特許文献３にあるような、トップヒート時に下側の放熱部で凝縮した熱媒液を内圧差により最上部のタンクに一旦押し上げ、そのタンクから受熱部に熱媒液を補給するヒートパイプでは、最上部のタンクから受熱部に熱媒液が断続的にしか補給されなかったため、充分な熱輸送量を得られなかった。
【０００８】
しかも、上記文献３に係るヒートパイプは、トップヒート時において受熱部の液量をセンサで感知しながらバルブを開閉する複雑な制御プログラムが必要なだけでなく、モード切替時に操作するバルブの数も多かったため、ヒートパイプの製造やメンテナンスに多くの手間がかかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６３−２４７５９５号公報（第１−９頁、第１〜７図）
【特許文献２】特開２００５−１９５２２６号公報（第１−１８頁、第１〜２０図）
【特許文献３】特開平９−１７８３７６号公報（第１−９頁、第１〜４図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、上記の如き問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、トップヒートとボトムヒートの切り替えが可能で、また切り替えを自動的に行うこともでき、熱輸送性にも優れ、しかも、地熱を利用した冷暖房システムにも問題なく使用でき、イニシャル・ランニングコストも低減できる熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ、及び逆止弁により熱輸送方向の自動切替が可能なヒートパイプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。
【００１２】
即ち、本発明は、受熱部Ｈと放熱部Ｃの間で熱媒液Ｌを循環させて熱輸送を行うヒートパイプにおいて、熱媒液Ｌとの熱交換が可能な部位として、受熱部Ｈおよび放熱部Ｃに兼用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペースＳを有する第一熱交換部１と；この第一熱交換部１よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペースＳを有する高位タンク２と；前記第一熱交換部１よりも下側に配置され、かつ、受熱部Ｈとしても放熱部Ｃとしても使用できる第二熱交換部３とを備える一方、これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部１と高位タンク２とを連結する第一の液上昇管４と；高位タンク２と第二熱交換部３とを連結する第一の液下降管５と；第二熱交換部３と第一熱交換部１とを連結する第二の液上昇管６と；前記第一の液下降管５とは別に第一熱交換部１と第二熱交換部３とを連結する第二の液下降管７とを配設し、更に、前記第一熱交換部１と第二熱交換部３には、受熱に応じて第一の液上昇管４または第二の液上昇管６中に気泡Ｂを供給する気泡供給手段を設けると共に、少なくとも第一の液上昇管４と第一の液下降管５の何れか一方にバルブＶを配設して構成したことにより、前記第一熱交換部１を受熱部Ｈとするトップヒートや第二熱交換部３を受熱部Ｈとするボトムヒートの使用モードに応じて前記バルブＶを開または閉の状態として熱媒液Ｌの循環路を選択可能とした点に特徴がある。
【００１３】
また本発明では、上記ヒートパイプの構成に代えて、熱媒液Ｌとの熱交換が可能な部位として、受熱部Ｈとしても放熱部Ｃとしても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペースＳを有する第一熱交換部１と；この第一熱交換部１よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペースＳを有する高位タンク２と；前記第一熱交換部１よりも下側に配置され、かつ、受熱部Ｈおよび放熱部Ｃに兼用できる第二熱交換部３とを備える一方、これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部１と高位タンク２とを連結する第一の液上昇管４と；第二熱交換部３と第一熱交換部１とを連結する第二の液上昇管６と；高位タンク２と第二熱交換部３とを連結する第一の液下降管５、および第一熱交換部１と第二熱交換部３とを連結する第二の液下降管７が中間部位で統合された液下降管とを配設し、更に、前記第一熱交換部１と第二熱交換部３には、受熱に応じて第一の液上昇管４または第二の液上昇管６中に気泡Ｂを供給する気泡供給手段を設けると共に、前記第一の液上昇管４、並びに前記統合された液下降管の合流部位よりも第一熱交換部１に近い位置にそれぞれバルブＶを配設して構成したことにより、前記第一熱交換部１を受熱部Ｈとするトップヒートや第二熱交換部３を受熱部Ｈとするボトムヒートの使用モードに応じて前記バルブＶを開または閉の状態として熱媒液Ｌの循環路を選択できるようにすることもできる。
【００１４】
また本発明は、上記ヒートパイプの構成に代えて、熱媒液Ｌとの熱交換が可能な部位として、受熱部Ｈとしても放熱部Ｃとしても使用でき、かつ、上部に蒸気の滞留スペースＳを有する第一熱交換部１と；この第一熱交換部１よりも上側に配置され、かつ、上部に蒸気の滞留スペースＳを有する高位タンク２と；前記第一熱交換部１よりも下側に配置され、かつ、受熱部Ｈおよび放熱部Ｃに兼用できる第二熱交換部３とを備える一方、これらの部位を繋ぐ配管として、前記第一熱交換部１と高位タンク２とを連結する第一の液上昇管４と；第二熱交換部３と第一熱交換部１とを連結する第二の液上昇管６と；高位タンク２と第二熱交換部３とを連結する第一の液下降管５、および第一熱交換部１と第二熱交換部３とを連結する第二の液下降管７が中間部位で統合された液下降管とを配設し、更に、前記第一熱交換部１と第二熱交換部３には、受熱に応じて第一の液上昇管４または第二の液上昇管６中に気泡Ｂを供給する気泡供給手段を設けると共に、前記統合された液下降管の合流部位よりも高位タンク２に近い位置および合流部位よりも第一熱交換部１に近い位置にそれぞれバルブＶを配設して構成したことにより、前記第一熱交換部１を受熱部Ｈとするトップヒートや第二熱交換部３を受熱部Ｈとするボトムヒートの使用モードに応じて前記バルブＶを開または閉の状態として熱媒液Ｌの循環路を選択できるようにすることもできる。
【００１５】
一方、本発明では、統合された液下降管の合流部位よりも第一熱交換部１に近い位置に配設されたバルブＶに、熱媒液Ｌの第一熱交換部１から第二熱交換部３への移動のみが可能な逆止弁Ｖ2を使用することもできる。
【００１６】
また本発明では、上記液上昇管への気泡供給手段として、第一熱交換部１或いは第二熱交換部３の上壁または側壁に、内部に蒸気が収容される上向きに突き出た窪みであって、出口幅が１mm以上の気泡生成部Ｐを設け、更にこの気泡生成部Ｐから発生した気泡Ｂを導入できるように液上昇管の端部を配置して構成することができる。
【００１７】
また他にも、本発明では、上記液上昇管への気泡供給手段として、第一熱交換部１或いは第二熱交換部３の上部に蒸気の滞留スペースＳを形成し、更に液上昇管の端部を、前記第一熱交換部１または第二熱交換部３の上側から蒸気の滞留スペースＳを通して熱媒液Ｌ中に差し込んで構成することができる。
【００１８】
そしてまた、本発明では、上記第二の液上昇管６に、第一の液上昇管４と熱交換が行えるように迂回させたバイパス路61を設けると共に、このバイパス路61とこのバイパス路61の分岐・合流部位に挟まれた本流路62とにバルブＶ・Ｖを設けて、
トップヒート時にはバイパス路61のバルブＶのみを開の状態として、バイパス路61を流れる熱媒液Ｌで第一の液上昇管４を冷却可能とする一方、ボトムヒート時には本流路62のバルブＶのみを開の状態として、第二熱交換部３で発生した気泡Ｂを第一熱交換部１へと移送可能とすることもできる。なお、トップヒート時に第一の液上昇管４を冷却すれば、管中を流れる気泡が縮小・消滅するためヒートパイプの熱輸送性が向上する。
【００１９】
他方、本発明では、外部の温度環境の変化によってヒートパイプの熱輸送方向が自動的に切り替わるように、上記第一の液上昇管４に、第一熱交換部１から高位タンク２にのみ熱媒液Ｌが移動可能な逆止弁Ｖ4を、また第二の液下降管７には、第一熱交換部１から第二熱交換部３にのみ熱媒液Ｌが移動可能な逆止弁Ｖ2を配設して、第二の液下降管７の逆止弁Ｖ2の最小開弁圧力差を、第一の液上昇管４の逆止弁Ｖ4よりも小さく設定することができる。
【００２０】
これにより、第一熱交換部１が受熱部Ｈとなるトップヒートの温度環境や第二熱交換部３が受熱部Ｈとなるボトムヒートの温度環境に応じて、対応する逆止弁Ｖ4・Ｖ2が開の状態となるため熱媒液Ｌの循環路が自動的に切り替わる。なお、上記「最小開弁圧力差」とは、逆止弁が開くために最低限必要な圧力差を意味する。
【００２１】
また、上記のように第一の液上昇管４に逆止弁Ｖ4を設ける場合には、第一の液下降管５と第二の液下降管７にそれぞれ独立した配管を使用すれば、第二の液下降管７に逆止弁を設けなくても自動的な熱輸送方向の切り替えが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、気泡発生手段を備えた上下の熱交換部と蒸気を溜める最上部のタンクと、それらを繋ぐ配管とからヒートパイプを構成したことにより、上側の熱交換部と最上部のタンクとを繋ぐ配管、或いは最上部のタンクと下側の熱交換部を繋ぐ配管に設けたバルブを開閉するだけで、トップヒートとボトムヒートのモード切替を極めて容易に行うことができる。また、逆止弁を用いることで、自動的な切り替えも可能となる。
【００２３】
しかも、本発明のヒートパイプは、使用時において受熱部と放熱部の間で熱媒液を継続的に循環させることができるため、熱輸送効率も向上できる。また、ヒートパイプの最下部の熱交換部を受熱部として使用できるため、地熱を利用する冷暖房システム等にも問題なく使用できる。
【００２４】
また更に、本発明のヒートパイプは、複雑なバルブ制御を行うためのセンサやプログラム等も不要で、操作するバルブの数も１、２個でよいため、ヒートパイプの構造を単純化して製造コストの低減、メンテナンスの容易化も図れる。また、受熱部以外でヒータ装置を稼働させる必要もないため、ラニングコストも低減できる。
【００２５】
したがって、本発明により、トップヒートとボトムヒートのモード切替が可能なだけでなく、性能面およびコスト面にも優れ、特に地熱利用の用途に適したヒートパイプを提供できることから、本発明の実用的利用価値は頗る高い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図２】本発明の実施例１におけるヒートパイプの気泡生成手段を表わす概略図である。
【図３】本発明の実施例１におけるヒートパイプの使用状態を表わす状態説明図である。
【図４】本発明の効果の実証試験(Ｉ)に用いたヒートパイプを表わす全体正面図である。
【図５】本発明の効果の実証試験(Ｉ)に用いたヒートパイプの受熱部および放熱部の構造を表わす断面図である。
【図６】本発明の効果の実証試験(Ｉ)で得られたデータを示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図８】本発明の実施例３におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図９】本発明の実施例３におけるヒートパイプの使用状態を表わす状態説明図である。
【図１０】本発明の効果の実証試験(II)に用いたヒートパイプの熱交換部の構造を表わす断面図である。
【図１１】本発明の効果の実証試験(II)で得られたデータを示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例４におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図１３】本発明の実施例５におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図１４】本発明の実施例６におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図１５】本発明の実施例６におけるヒートパイプの使用状態を表わす状態説明図である。
【図１６】本発明の実施例７におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【図１７】本発明の実施例７におけるヒートパイプの使用状態を表わす状態説明図である。
【図１８】本発明の効果の実証試験(III)で得られたデータを示すグラフである。
【図１９】本発明の実施例８におけるヒートパイプを表わす概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
『実施例１』
本発明の実施例１について、図１から図６に基いて説明する。同図において、符号１で指示するものは、第一熱交換部であり、符号２で指示するものは、高位タンクである。また符号３で指示するものは、第二熱交換部であり、符号４で指示するものは、第一の液上昇管である。また符号５で指示するものは、第一の液下降管であり、符号６で指示するものは、第二の液上昇管である。また符号７で指示するものは、第二の液下降管である。
【００２８】
[ヒートパイプの構成]
この実施例１では、ヒートパイプに収容された熱媒液Ｌの熱交換を行う部位として、受熱部Ｈにも放熱部Ｃにもなる第一熱交換部１を上下方向の中間位置に設けると共に、この第一熱交換部１の上側には高位タンク２を、下側には第一熱交換部１と同じく受熱部Ｈにも放熱部Ｃにもなる第二熱交換部３を設けている(図１参照)。
【００２９】
また本実施例では、上記第一熱交換部１、高位タンク２および第二熱交換部３に、伝熱性を有する金属容器を使用して、容器内の熱媒液Ｌ(或いは熱媒液Ｌの蒸気)に対し外部から加熱や冷却を行えるようにしている。
【００３０】
一方、上記部位を繋ぐ配管としては、上記第一熱交換部１の上部と高位タンク２の下部を連結する第一の液上昇管４、高位タンク２の下部と第二熱交換部３の下部とを連結する第一の液下降管５、第二熱交換部３の上部と第一熱交換部１の下部を連結する第二の液上昇管６、第一熱交換部１の下部と第二熱交換部３の下部を連結する第二の液下降管７を配設している。
【００３１】
また本実施例では、上記第一の液下降管５と第二の液下降管７とを中間部位でＴ型ジョイントを用いて統合しており、これによって第二熱交換部３の下部に一本に纏めた液下降管を接続するだけよいため、第二熱交換部３を地中に設置する際に都合が良い。
【００３２】
また更に、上記第一熱交換部１と第二熱交換部３には、受熱に応じて第一の液上昇管４または第二の液上昇管６中に気泡Ｂを供給する気泡供給手段を設けており、この気泡供給手段から供給した気泡Ｂを液上昇管中で浮上させることによってヒートパイプ内での熱媒液Ｌの循環が開始される。
【００３３】
ちなみに本実施例では、上記第一熱交換部１の気泡供給手段として、第一熱交換部１の上部に蒸気の滞留スペースＳを形成し、更に第一の液上昇管４の端部を第一熱交換部１の上側から蒸気の滞留スペースＳを通して熱媒液Ｌ中に差し込んで固定している。
【００３４】
そしてこれにより、図２(a)に示すように、第一熱交換部１を加熱した際、滞留スペースＳ内の蒸気の膨張及び熱媒液Ｌの蒸発による蒸気量の増加によって液面レベルを押し下げ、第一の液上昇管４の端部に蒸気を導入することができ、また、蒸気を導入した後は液面レベルが一時的に上昇し、導入が断続的となるため、結果的に液上昇管中に気泡Ｂを連続的に供給することが可能となる。
【００３５】
また、上記第二熱交換部３の気泡供給手段としては、第二熱交換部３の上壁に、内部に蒸気を収容可能な上向きに突き出た窪みであって出口幅が１mm以上の気泡生成部Ｐを設けており、これによって、図２(b)に示すように、受熱時に気泡生成部Ｐから発生した気泡Ｂを近くに配置した第二の液上昇管６の端部に供給することができる。
【００３６】
もちろん、図示しないが上記第一熱交換部１の気泡供給手段を第二熱交換部３に採用することもでき、また、上記第二熱交換部３の気泡供給手段を第一熱交換部１に採用することもできる。
【００３７】
そして、上記気泡供給手段から供給された気泡Ｂは、第一の液上昇管４または第二の液上昇管６中を移動した後、最終的に高位タンク２や第一熱交換部１の上部に形成された蒸気の滞留スペースＳに到達して、スペース内の蒸気に取り込まれ消滅する。
【００３８】
また更に、本実施例においては、上記第一の液上昇管４と第二の液下降管７にバルブＶを配設している。なお、第二の液下降管７には、第一の液下降管５との合流部位よりも第一熱交換部１に近い位置にバルブＶを設けており、また、バルブＶには手動で操作できる開閉弁Ｖ1を使用している。
【００３９】
[ヒートパイプの使用方法]
次に、上記ヒートパイプの使用方法について簡単に説明する。まず、第一熱交換部１を受熱部Ｈとし、第二熱交換部３を放熱部Ｃとしてトップヒートで使用する場合には、使用前に第二の液下降管７のバルブＶを閉じて、第一の液上昇管４のバルブＶのみが開いた状態とする。
【００４０】
そして、その状態で第一熱交換部１を加熱すれば、図３(a)に示すように、熱媒液Ｌが第一の液上昇管４を通って高位タンク２に移動し、更に第一の液下降管５を通って第二熱交換部３に移動した後、第二の液上昇管６を通って第一熱交換部１に環流するため、受熱部Ｈと放熱部Ｃの間で熱媒液Ｌを継続的に循環させることができる。
【００４１】
一方、第二熱交換部３を受熱部Ｈとし、第一熱交換部１を放熱部Ｃとしてボトムヒートで使用する場合には、使用前に第一の液上昇管４のバルブＶを閉じ、第二の液下降管７のバルブＶを開いてバルブＶの開閉状態をトップヒートと逆の状態にする。
【００４２】
そして、その状態で第二熱交換部３を加熱すれば、図３(b)に示すように、熱媒液Ｌが第二の液上昇管６を通って第一熱交換部１に移動した後、第二の液下降管７を通って第二熱交換部２に環流するため、こちらも受熱部Ｈと放熱部Ｃの間で熱媒液Ｌを継続的に循環させることができる。
【００４３】
このように、使用前の準備段階において二つのバルブＶを開閉操作するだけで、熱媒液Ｌの循環路を選択してトップヒートやボトムヒートの使用モードを切り替えることができる。また、使用中は熱媒液Ｌを常時循環させることができるため、単純な構造で熱輸送性の向上も図れる。
【００４４】
[効果の実証試験(Ｉ)]
次に、上記ヒートパイプを用いて行った効果の実証試験(Ｉ)について説明する。まずこの実証試験(Ｉ)では、図４に示すように第一熱交換部１、高位タンク２、第二熱交換部３をラック上に配置してヒートパイプを組み立てた。
【００４５】
また、液上昇管や液下降管の配管の一部には透明な窓部Ｗを設けて管内を流れる熱媒液Ｌ及び気泡Ｂを確認できるようにし、また高位タンク２には液面計Ｅを設けて液面レベルの確認を行えるようにした。
【００４６】
そして、熱媒液Ｌには、エタノール(70％)・水(30％)の混合液を使用し、この熱媒液Ｌを高位タンク２の給液口Ｓからヒートパイプ内に充填した後、ヒートパイプ内に残った不凝縮気体(空気等)をできる限り排除するために真空引きを行った。また、使用後は第二熱交換部３に設けた排液口Ｄから熱媒液Ｌを排出できるようにした。
【００４７】
また更に、第一熱交換部１と第二熱交換部３は、図５(a)及び(b)に示す形状・サイズ(図面の寸法はmm単位で記載)で作製し、それをジャケットＪで覆って構成した。そして、受熱部ＨのジャケットＪ内に高温水を入れ、放熱部ＣのジャケットＪ内に冷水を入れて冷水の温度変化を調べることにより、熱媒液Ｌの熱輸送量を測定した。
【００４８】
その結果、図６に示すように、トップヒートにおいてもボトムヒートにおいても充分な熱輸送量の数値が得られた。ちなみに、ボトムヒートがトップヒートよりも熱輸送量が大きいのは、トップヒートが完全な顕熱輸送なのに対し、ボトムヒートが顕熱輸送と同時に気泡による潜熱輸送が行われるためだと考えられる。
【００４９】
『実施例２』
次に、本発明の実施例２について、図７に基いて説明する。この実施例２では、実施例１のヒートパイプにおけるバルブＶの配置を、第一の液上昇管４から第一の液下降管５に変更している。また第一の液下降管５のバルブＶは、第一の液下降管５と第二の液下降管７の合流部位よりも第一熱交換部１に近い位置に配置している。
【００５０】
また本実施例では、第二の液下降管７に配設するバルブＶに、熱媒液Ｌの第一熱交換部１から第二熱交換部３への移動のみが可能な逆止弁Ｖ2を使用しており、これによって開閉制御するバルブＶの数を減らすことができる。
【００５１】
また、上記のようにバルブＶの配置を変更した場合でも、実施例１と同様、バルブＶの開閉を行うことで熱媒液Ｌの循環路を選択することができるため、トップヒートとボトムヒートの切り替えを容易に行うことができる。
【００５２】
『実施例３』
次に、本発明の実施例３について、図８から図１１に基いて説明する。この実施例３では、第一の液下降管５と第二の液下降管７を統合せずに配設している(図８参照)。具体的には、高位タンク２の下部と第二熱交換部３の下部を第一の液下降管５で連結し、第一熱交換部１の下部と第二熱交換部３の上部を第二の液下降管７で連結している。
【００５３】
また、上記第二の液下降管７については、第二熱交換部３の気泡生成部Ｐから気泡Ｂが入り込まないように端部を熱媒液Ｌ中に深く差し込んでいる。そしてまた、バルブＶについては第一の液上昇管４に手動の開閉弁Ｖ1を設けている。
【００５４】
[ヒートパイプの使用方法]
次に、上記ヒートパイプの使用方法について簡単に説明する。まず、トップヒートで使用する場合には、使用前に第一の液上昇管４に設けたバルブＶを開いた状態とする。これにより、図９(a)に示すように、第一熱交換部１内の熱媒液Ｌを高位タンク２や第二熱交換部３を経由して循環させることができる。
【００５５】
また本実施例では、上記第二の液下降管７の端部を第二熱交換部３の上側から差込んで構成したことにより、トップヒートで使用する際、第二の液上昇管６だけでなく第二の液下降管７も熱媒液Ｌの液上昇管として使用することができる。
【００５６】
また、上記ヒートパイプをボトムヒートで使用する場合には、使用前に第一の液上昇管４に設けたバルブＶを閉じた状態とする。これにより、図９(b)に示すように、第一熱交換部１内の熱媒液Ｌを、第二の液下降管７、第二熱交換部３、第二の液上昇管６を経由して循環させることができる。
【００５７】
［効果の実証試験(II)］
次に、上記ヒートパイプを用いて行った効果の実証試験(II)について説明する。この実証試験(II)では、実証試験(Ｉ)と同じく第一熱交換部１、高位タンク２、第二熱交換部３をラック上に配置してヒートパイプを組み立て、配管には内部を流動する熱媒液Ｌ及び気泡を確認するための窓部を設けた(図示せず)。
【００５８】
また、熱媒液Ｌには、エタノール(70％)・水(30％)の混合液を使用し、この熱媒液Ｌのヒートパイプに充填した。また、第一熱交換部１は実施例１と同じものを使用し、第二熱交換部３については、図１０に示す形状・サイズで作製した。そして、受熱部ＨのジャケットＪ内に高温水を入れ、放熱部ＣのジャケットＪ内には冷水を入れて冷水の温度変化を調べることにより、冷水が得た熱量を計測した。
【００５９】
その結果、図１１に示すように、トップヒートにおいてもボトムヒートにおいても実証試験(Ｉ)と同じく充分な熱輸送量の数値が得られた。これにより、本実施例の形態であっても実施例１と同様の効果が得られることが確認できた。
【００６０】
『実施例４』
次に、本発明の実施例４について、図１２に基いて説明する。この実施例４では、実施例３のヒートパイプにおけるバルブＶの配置を、第一の液上昇管４から第一の液下降管５に変更して構成している。そして、このようにバルブＶの配置を変更した場合でも、実施例３と同様、バルブＶの開閉によってトップヒートとボトムヒートの切り替えを容易に行うことができる。
【００６１】
『実施例５』
次に、本発明の実施例５について、図１３に基いて説明する。この実施例５では、第一の液上昇管４と第二の液下降管７とを第一熱交換部１に連結した一本の配管を分岐させて構成し、更にこの分岐点に三方弁Ｖ3を配設することによって、第一の液上昇管４と第二の液下降管７のバルブを一つに纏めた。
【００６２】
これにより、バルブの数を減らすことができるため部品コストを削減でき、また第一熱交換部１の熱媒液Ｌの送出し口も一箇所で済むため、本実施例のような水平管状のコンパクトな容器を第一熱交換部１に使用することも可能となる。なお、第一熱交換部１にはＵ字管等も使用できる。
【００６３】
なお、本実施例では、第一熱交換部１の気泡生成手段として、水平管の上壁部に上側に突き出た突起状の気泡生成部Ｐを設けている。そして、トップヒートの起動時には、この気泡生成部Ｐ中の蒸気が膨張して水平管内の液面を押し下げることにより、第一の液上昇管４に気泡が供給される。
【００６４】
『実施例６』
次に、本発明の実施例６について、図１４及び図１５に基いて説明する。この実施例６では、図１４に示すように、第二の液上昇管６に第一の液上昇管４と熱交換が行えるように迂回させたバイパス路61を設け、更にこのバイパス路61とこのバイパス路61の分岐・合流部位に挟まれた本流路62の両方にバルブＶ・Ｖを設けた。
【００６５】
これにより、図１５(a)に示すように、トップヒート時においてバイパス路61のバルブＶのみを開けば、バイパス路61を流れる熱媒液Ｌで第一の液上昇管４を冷却することが可能となる。また、ボトムヒート時には、図１５(b)に示すように本流路62のバルブＶのみを開くことで、第二熱交換部３で発生した気泡Ｂをバイパス路61を経由させずに第一熱交換部１に直接移送できる。
【００６６】
そして、上記のようにトップヒート時に第一の液上昇管４を冷却することで、第一熱交換部１で発生した気泡を第一の液上昇管４中で縮小・消滅させることができるため、熱媒液の流動がよりスムーズになってヒートパイプの熱輸送性が向上する。
【００６７】
『実施例７』
次に、本発明の実施例７について、図１６及び図１７に基いて説明する。この実施例７では、図１６に示すように、第一の液上昇管４に第一熱交換部１から高位タンク２への熱媒液Ｌの移動が可能な逆止弁Ｖ4を配設すると共に、第二の液下降管７に第一熱交換部１から第二熱交換部３への熱媒液Ｌの移動が可能な逆止弁Ｖ2を配設した。そして、第二の液下降管７の逆止弁Ｖ2よりも第一の液上昇管４の逆止弁Ｖ4の方が、最小開弁圧力差が小さくなるようにした。
【００６８】
これにより、第一熱交換部１の周囲が、第二熱交換部２の周囲よりも温度が高い場合には、図１７(a)に示すように第一の液上昇管４の逆止弁Ｖ4及び第二の液下降管７の逆止弁Ｖ2の両方が開の状態となるため、ヒートパイプは第一熱交換部１を受熱部Ｈ、第二熱交換部３を放熱部Ｃとするトップヒートとして機能する。
【００６９】
一方、第一熱交換部１の周囲が、第二熱交換部２の周囲よりも温度が低い場合には、図１７(b)に示すように第二の液下降管７の逆止弁Ｖ4のみが開の状態となるため、ヒートパイプは第二熱交換部３を受熱部Ｈ、第一熱交換部１を放熱部Ｃとするボトムヒートとして機能する。
【００７０】
このように、ヒートパイプ周囲の温度環境によって熱輸送方向が変わるようにしたことにより、地熱を利用した住宅の冷暖房にヒートパイプを用いた際に、夏(室温＞地中温度)と冬(室温＜地中温度)とでトップヒートとボトムヒートを自動的に切り替えることが可能となるため、熱輸送方向の切り替えにバルブの開閉操作や温度センサを用いた制御装置等が不要となる。
【００７１】
［効果の実証試験(III)］
次に、実施例７のヒートパイプを使用して行った効果の実証試験(III)について説明する。この実証試験(III)では、実証試験(Ｉ)(II)と同様にラック上にヒートパイプを組み立て(図示せず)、熱媒液Ｌにエタノール(70％)・水(30％)の混合液を使用した。
【００７２】
また、第一の液上昇管４の逆止弁Ｖ4には、最小開弁圧力差が2kPaのものを使用し、第二の液下降管７の逆止弁Ｖ2には、最小開弁圧力差が1kPaのものを使用した。そして、受熱部Ｈのジャケット内に高温水を入れ、放熱部Ｃのジャケット内に冷水を入れて冷水の温度変化を調べることにより、冷水が得た熱量を計測した。
【００７３】
その結果、図１８に示すように、実施例２のヒートパイプ(第一の液上昇管４に開閉弁を設け、第二の液下降管７に逆止弁を設けたもの)と同程度の熱輸送量が得られた。またこれにより、実施例７のヒートパイプは実用化できるレベルの熱輸送性能を発揮することが確認できた。
【００７４】
『実施例８』
次に、本発明の実施例８について、図１９に基いて説明する。この実施例８では、実施例７と同じく第一の液上昇管４に逆止弁Ｖ4を設ける一方、第一の液下降管５と第二の液下降管７にそれぞれ独立した配管を使用した。これにより、第二の液下降管７に逆止弁を設けなくても自動的な熱輸送方向の切り替えが可能となった。
【００７５】
また本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明のヒートパイプは図示の実施形態に限定されるものではなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、受熱部Ｈや放熱部Ｃに使用する第一熱交換部１や第二熱交換部３は、容積の大きい容器を使用せずとも配管と同じ径の管材から構成することもできる。また、バルブＶの開閉弁Ｖ1に、遠隔操作が可能な電磁弁を用いることもできる。
【００７６】
また更に、第一熱交換部１や第二熱交換部３の気泡供給手段に関しても、上向きに突き出た気泡生成部Ｐを第一熱交換部１や第二熱交換部３の側壁に設けたり、第一熱交換部１や第二熱交換部３の内壁や空間に気泡発生を促進する仕組み(例えば、リエントラント型キャビティ等)を設けることもできる。
【００７７】
また、第一の液下降管５や第二の液下降管７については、端部を第一熱交換部１や第二熱交換部３の上側から差し込んで固定することもできる。但し、気泡生成手段として、滞留スペースＳ内の蒸気膨張を利用する場合には、気泡Ｂが入らないように液上昇管の端部よりも深く差し込む必要がある。
【００７８】
そしてまた、ヒートパイプに使用する熱媒液Ｌについても、単一成分の液体あるいは複数成分が混合した液体であって、ヒートパイプの使用温度範囲内で凝固せずに、蒸発・凝縮が可能な液体(例えば、ハイドロフルオロカーボンやアンモニア等)を使用することができ、上記何れのものも本発明の技術的範囲に属する。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
近年、石油資源の枯渇や地球温暖化やの問題により、地熱や太陽熱等の自然エネルギーを利用する取り組みが進められている。また自然エネルギーを利用した冷暖房システムを実用化するためには、高性能で施工性にも優れたヒートパイプが必要となる。
【００８０】
そのような中で、本発明の熱輸送方向を切替可能なヒートパイプ及び逆止弁により熱輸送方向の自動切替が可能なヒートパイプは、基本性能の向上を図れるだけでなく、設置・運用コストの低減して使用者の経済的負担も軽減できる有用な技術であるため、その産業上の利用価値は非常に高い。
【符号の説明】
【００８１】
１  第一熱交換部
２  高位タンク
３  第二熱交換部
４  第一の液上昇管
５  第一の液下降管
６  第二の液上昇管
61  バイパス路
62  本流路
７  第二の液下降管
Ｌ  熱媒液
Ｈ  受熱部
Ｃ  放熱部
Ｐ  気泡生成部
Ｖ  バルブ
Ｖ1  開閉弁
Ｖ2・Ｖ4  逆止弁
Ｖ3  三方弁
Ｂ  気泡
Ｗ  窓部
Ｅ  液面計
Ｊ  ジャケット
Ｓ  給液口
Ｄ  排液口
【図１】
0005887682.tif 000002
【図２】
0005887682.tif 000003
【図３】
0005887682.tif 000004
【図４】
0005887682.tif 000005
【図５】
0005887682.tif 000006
【図６】
0005887682.tif 000007
【図７】
0005887682.tif 000008
【図８】
0005887682.tif 000009
【図９】
0005887682.tif 000010
【図１０】
0005887682.tif 000011
【図１１】
0005887682.tif 000012
【図１２】
0005887682.tif 000013
【図１３】
0005887682.tif 000014
【図１４】
0005887682.tif 000015
【図１５】
0005887682.tif 000016
【図１６】
0005887682.tif 000017
【図１７】
0005887682.tif 000018
【図１８】
0005887682.tif 000019
【図１９】
0005887682.tif 000020