(57)【要約】【課題】  本発明は、熱源流体の性能を高め、高効率な熱サイフォンを提供する。【解決手段】  横長に配置され両端開口１０ａ，１０ｂを栓体１４で密閉させた外管１０内を長手方向に貫通して内管１２を配置させ、外管１０と内管１２との真空作動空間Ｓに作動媒体Ｑを封入させ、内管１２の内部に熱源流体Ｍを通流しつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイフォン１において、熱源流体として二相冷媒を用いることで、立ち上がり性能と熱交換効率を高めている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
横長に配置され両端開口を栓体で密閉させた外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との真空作動空間に作動媒体を封入させ、内管の内部に熱源流体を通流しつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイフォンにおいて、
前記熱源流体として二相冷媒を用いることを特徴とする熱サイフォン。
【請求項２】
請求項１記載の熱サイフォンにおいて、
前記内管の内部に、前記内管と異なる材質であって前記熱源流体を通流する管材を挿入したことを特徴とする熱サイフォン。
【請求項３】
請求項１または２記載の熱サイフォンにおいて、
前記内管又は管材に銅管を用いたことを特徴とする熱サイフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、熱サイフォンの構造に関し、特に、吸放熱管としての外管内に熱源流体通流用の内管を貫通させる二重管タイプの熱サイフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】  熱交換流体間の温度差が低いほど、熱交換効率が低下するヒートポンプ等の熱変換機器に対して、凝縮、蒸発相変化を利用して大量の熱を小温度差で運ぶことのできる熱サイフォンが近時、実用化されつつある。中でも、外管内に熱源流体通流用の内管を貫通させて例えば横置きで冷、温熱伝導を行なうものが実用上優れている点から注目されている。
例えば、特許文献１には、金属製外管の内部に外管よりも管長が長い内管を外管の長手方向に貫通して配置し、その外管の両端側から内管が挿通する孔を有するキャップを該孔に内管を挿通させながら差し入れて外管内を閉鎖し、さらにキャップに設けたフランジを外管の中央側に向けて絞るように加締め付けることにより、外管内を気密密閉する熱サイフォンが記載されている。【０００３】
【特許文献１】特願２００２−２６２２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  特許文献１に記載されている従来の熱サイフォンにおいて、熱源流体として暖房時には温水を、冷房時には冷水を用いるが、熱サイフォンを長くした場合、放熱量が大きくなるので、流入端側と流出端側での温度差が大きくなってしまうとともに、温水などを流す際の管内での圧力損失が大きく、より効率の良い熱サイフォンが要望されている。
本発明は、熱源流体の性能を高め、高効率な熱サイフォンを提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上記目的を達成するため、本発明にかかる、横長に配置され両端開口を栓体で密閉させた外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との真空作動空間に作動媒体を封入させ、内管の内部に熱源流体を通流しつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイフォンでは、熱源流体として二相冷媒を用いることを特徴としている。
本発明にかかる熱サイフォンにおいて、内管の内部に、内管と異なる材質であって熱源流体を通流する管材を挿入したことを特徴としている。
本発明にかかる熱サイフォンにおいて、内管又は管材には銅管を用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】  本発明によれば、横長に配置され両端開口を栓体で密閉させた外管内を長手方向に貫通して内管を配置させ、外管と内管との真空作動空間に作動媒体を封入させ、内管の内部に熱源流体を通流しつつ外管外域との熱交換を行う二重管式の熱サイフォンにおいて、熱源流体として二相冷媒を用いるので、圧力と温度変化による鋭敏性が高まり、加熱、冷却時の立ち上がり性能が優れるとともに、圧力損失が温水や冷水を用いる場合よりも格段に良くなり、高効率な熱サイフォンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】  以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本発明の熱サイフォンは、外管内に熱源流体Ｍの通流用の内管を貫通させ、熱源流体からの温、冷熱により外管内での作動媒体（媒体）の高速な蒸発、凝縮サイクルを通じて熱伝達を行なうことにより外管周囲を加温あるいは冷却させる熱伝達手段である。特に本実施形態において、熱サイフォンは、例えば建物の床下や室内空間等に横置きで複数個連結して配置されて、コンプレッサからの熱源流体Ｍとなる二相冷媒の供給により、加熱と冷却を行なわせる空調用の装置に適用した場合の例を説明する。【０００８】  図１において、符号１は本実施形態の熱サイフォン１を示す。熱サイフォン１は、外管１０と、外管内を長手方向に貫通配置された内管１２と、内管１２を外管１０に対して配置支持しつつ外管内を密封する栓体１４とを備えている。【０００９】  図２，図４に示すよう、外管１０と内管１２との中間空隙部分には、作動媒体Ｑが充填されて作動空間とされ、真空とした該作動空間内での作動媒体の蒸発、凝縮作用を通じて外管１０の外部を加温あるいは冷却する。本実施形態において、外管１０は例えばアルミニウム合金を素材として両端を開口し、例えば管外形５０ｍｍ、内径４７ｍｍ、管長６００ｍｍ〜４０００ｍｍ程度のサイズで中空円筒形状に構成され、種々の用途に適用される際には横長状態で配置されて使用される。そして、この外管１０に平行に外管と同材質の内管１２が外管１０を長手方向に貫通して配設されている。【００１０】  外管１０は熱サイフォン全体の外形を決めて種々の支持物や支持構造に支持されるとともに、内部に作動媒体を封止して作動媒体Ｑによる伝達熱を外管１０の外域と熱交換して周囲を直接的に加温、あるいは冷却させる。
本形態において、外管１０の外形は筒状に限定されるものではなく、例えば中空角パイプを用いた四角形であっても良いし、別な多角形でも良い。ただコストの事を考えると、既製品で形状が多く生産されている筒状または四角形が好ましい。【００１１】  本実施形態における最大の特徴は、内管１２内の熱源流体Ｍに二相冷媒、例えばＲ４１０冷媒ガスを流す点にある。一般に冷媒ガスを流通させる場合、管内圧力は高くなるので、本形態では内管１２に銅管を用いている。内管１２内には二相冷媒が供給され、この二相冷媒の管内での状態変化により発生する熱を放熱あるいは外部から受熱して作動媒体Ｑを蒸発あるいは凝縮しつつ液相と気相との相変化を生じさせる。図１に示すように、内管１２は外管の内径よりも小さい外径を有し、外管内に貫通挿入時に形成される外管内壁と内管外壁との間の空隙内に作動媒体を保持させる。内管１２の管径は作動媒体Ｑによる熱伝達効率が良い大きさに設定している。本実施形態において、内管１２は、外管内部で中心から若干下方に偏心した位置に配置されている。本実施形態において、内管１２は、その管長が外管の管長よりも長く設定されており、この部分が内管の接続用突設部１６とされる。内管１２は、後述する栓体１４の内管通係用孔１５を貫通しさらに外管１０内を長手方向に貫通した状態で栓体１４に支持される。【００１２】  外管１０の両端開口１０ａ，１０ｂは、栓体１４によって封止され、外管内部が密閉されている。栓体１４は、外管や内管と同様のアルミニウム合金から構成され、図３に示すように、中実の略円筒体で構成されている。本実施形態において、熱サイフォン１は、外管１０の両端開口１０ａ，１０ｂの内部に栓体１４を嵌合させた状態での図示しない外部加圧手段による外管への外部からの加圧により外管１０と栓体１４とを固定させて構成される。【００１３】  詳細には、栓体１４は、外管１０と同一外径の外栓部２０と、外栓部２０から段差状に縮径されて一体連結され外管内に挿入されて内壁１０ｃに密着嵌合する内栓部２２とを備えている。外栓部２０は、外管１０の両端開口１０ａ、１０ｂを封止する部分であり、両端開口１０ａ，１０ｂに外部から当てがわれてそれらの縁部に密着する。内栓部２２は、外管１０の内壁面に嵌合状に突入される中実円筒体からなり、実施形態では、この内栓部２２において外部からの加圧を受け、さらに、外管内の密閉確保のためのシール部を形成させる。外栓部２０と内栓部２２とは同心の中実円筒で結合されている。【００１４】  図２，図３において、内栓部２２にはシール手段が設けられている。シール手段は、作動空間Ｓを外部から直接的に密封させる密封手段であり、特に、弾性部材を用いてその形状復元力により作動空間を密封する。本実施形態において、シール手段は内栓部２２の挿入端側寄りに周状に刻設された第１の溝２４と、該溝内に嵌着される弾性密封部材としてのオーリング２６とを含む。図２に示すように、栓体１４を外管１０に挿入嵌合させたときにはオーリング２６は圧縮されてその弾発付勢力により管内外の水密、気密状態を保持させる。【００１５】  栓体１４には、内管１２を貫通して挿通させる孔１５が設けられている。この孔１５には内管１２��気密状に貫通させる孔を有するシール用栓体３０が嵌着される。そして、このシール用栓体３０の孔を貫通し支持された状態で外管１０内を内管１２が長手方向に貫通して配設される。シール用栓体３０の挿入端側にもオーリング３２が介在されて栓体１４の孔１５と内管１２との気密が確保される。符号３４は、栓体１４で外管１０の両端開口１０ａ，１０ｂを閉鎖して内部を真空吸引し、さらにアルコール等の作動媒体Ｑを充填する際に用いられる孔１５を封止する止め栓であり、作動媒体の充填後に嵌合されて内部を閉鎖させる。【００１６】  次に、熱サイフォン１の組付及び作用について説明する。図５，図６に示すように、外管１０の中空内部を長手方向に内管１２を挿通させる。その状態で、外管１０の両端開口１０ａ，１０ｂからそれぞれシール用栓体３０を介して内管１２に栓体１４Ａ，１４Ｂを両側から挿入嵌合させる。そして、溝２４にオーリング２６を装着した各栓体１４を、それぞれ外管１０の両端開口から外栓部２０と内栓部２２の段差部２１に当たるまで押し入れて挿入嵌合させる。これにより、外管１０と内管１２の中間の作動空間Ｓを気密ならびに水密状に密封させる。この状態で図示しない挟み加圧装置等を用いて対向２箇所Ｐ１，Ｐ２から挟み付けるように加圧させ、外管１０の一部を凹状に変形させることで、栓体１４と外管１０とが強固に固定される。なお、外管１０の加圧加締めは２箇所だけでなく、４箇所その他の複数箇所で加締めてもよい。【００１７】  このように、熱サイフォンの組み付けに際しては、内管１２を外管１０に通して両側から栓体１を嵌合させ、その後外管外面部から挟み加圧させるだけの極めて簡単な工程で、外管１０の内部を密封固定させる。この後、内部を真空吸引し、さらにアルコール等の作動媒体Ｑを充填して止め栓３４で封止することにより組み付けは完了する。【００１８】  作動空間Ｓに充填される作動媒体Ｑは、密閉空間の蒸発部と凝縮部とで相変化しながら熱輸送を行う作動流体である。使用に際しては、内管１２に二層冷媒を供給することにより、作動媒体Ｑの温度と外管１０の温度により二相冷媒が状態変化する。
例えば、内管内の二相冷媒は内管１２で受熱して蒸発して凝縮しつつ熱運搬を行う過程で内管１２の周囲、すなわち作動媒体Ｑが冷却される。また、外管１０で受熱して蒸発した作動媒体Ｑが内管表面で凝縮しつつ熱運搬を行い、その過程で熱サイフォン１の周囲が冷却される。加温の場合、内管１２の二相冷媒が冷却時と逆に作用して内管１２を加熱し、作動空間Ｓ内の作動媒体Ｑが加熱されて膨張し、熱サイフォン１の周囲が加温される。【００１９】  以上のように、この実施形態においては、長手方向に貫通して内管１２を配置させ、外管１０と内管１２との作動空間Ｓにアルコール等の作動媒体を封入させ、内管１２の内部に二相冷媒を通流するので、圧力と温度変化による鋭敏性が高まり、加熱、冷却時の立ち上がり性能が優れるとともに、熱交換効率を温水や冷水を用いる場合よりも格段に良くなり、高効率な熱サイフォン１を製造することができる。【００２０】  本実施形態では内管１２に銅管を用いているので、二層冷媒を供給しても十分な耐圧性能を確保することができ、熱源流体として二層冷媒を使用することができ、加熱と冷却を効率よく行える。【００２１】  本実施形態の熱サイフォン１は単独でも使用可能であるが、例えば数珠繋ぎに連続して使用することもできる。この場合、熱サイフォン１同士の接続は、熱源流体に温水や冷水を用いる場合、ゴム管や樹脂管などで内管１２同士を連通させればよい。しかし、熱源流体として二相冷媒を用いる場合、水を利用する場合よりも管内圧が高くなるので、ゴム管や樹脂管などでは接続できない。そのため、本形態では内管同士を溶接等の手法で繋いで連通するようにした。【００２２】  ここで気をつけなければならないことは、溶接時の熱が内管１２を伝わってシール用栓体３０や栓体１４に伝わってシール性能を低下させてしまうことが想定される点である。このような場合、外管１０から突出する内管１２の長さを大きくとり、伝達される温度を低くすることが考えられるが、金属管を長くすると隣接する熱サイフォン１の間が長くなり、大きな設置スペースを要してしまいかねない。【００２３】  このような場合、例えば、図８に示すように、内管１２に栓体１４と同様のアルミニウム合金を使用し、その内部に、内管１２と異なる材質、例えば銅管で形成されていて内管１２の内径と略同径の管材５０を挿入し、その内部に熱源流体として二層冷媒を通流する。【００２４】  このような構成とすると三重管構造となり、隣接する熱サイフォン１の管材５０同士を溶接する場合でもシール用栓体３０や栓体１４に対する熱伝達を低減することができる。管材５０は溶接時の作業性を考慮すると、溶接作業時には内管１２の内部で長手方向に摺動可能にするのが好ましい。この場合、管材５０の外径を内管１２の内径よりも幾分小径とすればよい。そして、溶接作業終了後に内管１２と管材５０との間に熱伝導性に優れた充填剤を注入することで、内管１２から作動媒体Ｑへの熱伝達性能の低下を抑えることができる。【００２５】  本発明に係る熱サイフォン１は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の本質を逸脱しない範囲における改変も本発明に含まれる。例えば内管１２にはアルミニウム���金、管材５０には銅管を用いたが、材質の組み合わせとしてはこのようなものに限定されるものではない。外管、内管、栓体等の材質は、アルミニウム合金に限ることなく、ステンレス、ニッケル、タングステン、チタンその他作動媒体との反応による劣化を生じないような安定した材質を選択するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】  本発明の実施形態に係る熱サイフォンの一部切欠斜視説明図である。
【図２】  図１に示す熱サイフォンの縦断面図である。
【図３】  図１に示す熱サイフォンの栓体の側面図である。
【図４】  図１に示す熱サイフォンの分解斜視説明図である。
【図５】  図１に示す熱サイフォンへの栓体嵌合状態を示す一部省略拡大断面図である。
【図６】  図５Ａ−Ａ線の断面図である。
【図７】  図１に示す熱サイフォンへの栓体嵌合時の作用説明図である。
【図８】  内管の内部に管材を挿通させた熱サイフォンの一部切欠斜視説明図である。
【符号の説明】
【００２７】  １    熱サイフォン
１０    外管
１０ａ，１０ｂ  両端開口
１２    内管
１４    栓体
５０    管材
Ｍ    熱源流体
Ｑ    作動媒体
Ｓ    作動空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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