(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換用循環溶液およびその蒸気を収納し前記熱交換用循環溶液とその蒸気とを分離する熱交換循環溶液収納容器と，
前記熱交換循環溶液収納容器の溶液送出口に設けた溶液送出パイプと，
前記熱交換循環溶液収納容器の気液二相流体入口に設けた気液二相流体送入パイプと，
一端を前記溶液送出パイプに連結され他端を前記気液二相流体送入パイプに連結され前記熱交換循環溶液収納容器内を通過する容器内パイプと，
前記溶液送出パイプに設けた顕熱放出熱交換器と，
前記気液二相流体送入パイプに設けた加熱熱交換器とを有し，
前記加熱熱交換器からの熱により発生した前記蒸気による前記熱交換用循環溶液の二相流体変化に伴い生じる，前記熱交換用循環溶液の前記加熱熱交換器の上流側と下流側との密度差により，熱交換用循環溶液は，前記熱交換循環溶液収納容器，前記溶液送出パイプ，前記容器内パイプ，前記気液二相流体送入パイプ及び前記熱交換循環溶液収納容器の順序で循環するようになっていることを特徴とするループ熱交換熱輸送機器。
【請求項２】
熱交換用循環溶液およびその蒸気を収納し前記熱交換用循環溶液とその蒸気とを分離する熱交換循環溶液収納容器と，
前記熱交換循環溶液収納容器の溶液送出口に設けた溶液送出パイプと，
前記熱交換循環溶液収納容器の気液二相流体入口に設けた気液二相流体送入パイプと，
一端を前記溶液送出パイプに連結され他端を前記気液二相流体送入パイプに連結され前記熱交換循環溶液収納容器内の外周に接する容器囲繞パイプと，
前記溶液送出パイプに設けた顕熱放出熱交換器と，
前記気液二相流体送入パイプに設けた加熱熱交換器とを有し，
前記加熱熱交換器からの熱により発生した前記蒸気による前記熱交換用循環溶液の二相流体変化に伴い生じる，前記熱交換用循環溶液の前記加熱熱交換器の上流側と下流側との密度差により，熱交換用循環溶液は，前記熱交換循環溶液収納容器，前記溶液送出パイプ，前記容器囲繞パイプ，前記気液二相流体送入パイプ及び前記熱交換循環溶液収納容器の順序で循環するようになっていることを特徴とするループ熱交換熱輸送機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，高熱源から低熱源へ熱を輸送する熱交換熱輸送機器に関するものである．
【０００２】
【従来技術】
熱交換器はその使途や伝熱形態によって，加熱器，予熱器，蒸発器，冷却器，凝縮器などとも呼ばれている．熱交換器としては数多くのものが広く実用化に供され，シェルアンドチューブ熱交換器やフィンアンドチューブ熱交換器などの様に熱交換媒体が固体壁で隔離され直節接触しないものを表面熱交換器あるいは換熱器とも呼ばれ，また水と空気を接触させる空調冷却設塔のように液体と気体あるいは沸点の異なる２種の液体の様に接触後分離し易い熱媒体を直接接触させて熱交換する接触熱交換器とも呼ばれ，さらにこれらの熱交換器にもコイル式，多重管式，注水式など多種多様の構造がある．またこれらの熱交換器を利用した熱輸送機器も開発されている．
【０００３】
その一つの例として，「日本機械学会論文集，６１−５９１，Ｂ（１９９５）」で紹介された図４で示す様な浸透ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器がある．気液分離器併用熱交換器２１で加熱された熱交換用循環溶液２２は，高温度で高濃度の熱交換用循環液２３と蒸気２４に分離する．熱交換用循環液２３は，循環液輸送パイプ２５に誘導（矢印方向）されながら，顕熱放出熱交換器２６で保有する顕熱を放出しつつ冷却されながら，膜モジュール２７に送入される．一方の蒸気２４は，蒸気輸送パイプ２８に誘導されながら，輸送途中の凝縮器２９の中で保有する潜熱および顕熱を放出しつつ冷却されて凝縮液つまり溶媒３０となって膜モジュール２７に送入される．膜モジュール２７に送入された溶媒３０は，膜モジュール２７の内部を半透膜３１で仕切られた溶液通路３２を通過する高濃度の熱交換用循環液２３との濃度差による浸透作用によって，半透膜３１を通って濃度を低下させながら該熱交換用循環液２３に流入し，低濃度の熱交換用循環溶液２２となって気液分離器併用熱交換器２１に戻り，再び機器内を循環する．この機器は，気体と液体の相変化および半透膜３１で隔てられた熱交換用循環液２３と蒸気２４から変成した溶媒３０との間の濃度差によって生じる浸透作用を利用した熱交換熱輸送機器であることから，熱交換用循環溶液２２に蒸留水の様な気液相変化を生じる液体の溶媒３０と塩化ナトリウム，塩化カリウム，蔗糖，ポリエチレングリコールなどの様な溶媒３０に溶解し，共沸を生せずしかも半透膜３１を透過できない固体または液体などの溶質とを混合したものが使用される．この様な構造の浸透ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器は，熱交換用循環液２３と溶媒３０に分離する相変化を利用して高熱源から下部の低熱源へと熱輸送するもので，外部動力を使用する必要がない利点を有する．
【０００４】
他の一つの例として，例えば「Ｐｒｏｃ．  ＡＩＡＡ  ２７ｔｈ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ  Ｃｏｎｆ．，  ＡＩＡＡ  ９２−２９１０（１９８８）」で紹介された，図５で示す様な，ＣＰＬ（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｌｏｏｐ）ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器がある．この熱交換熱輸送機器は，燒結金属の様な多孔性物質３３を内蔵した加熱熱交換器３４を流通する熱交換用循環溶液３５が，加熱されつつ蒸気３６となって循環し，誘導する溶液輸送ループパイプ３７の途中路に設けられた凝縮器３８の熱交換機能によって保有する潜熱および顕熱を放出しつつ冷却され，再び低温度の熱交換用循環溶液３５に戻る構造になっている．またこの機器に使用される熱交換用循環溶液３５には，共沸を示す蒸留水とエタノールを混合した複合液の他に蒸留水，アルコール，液体金属などの様な気液相変化を生じる液体が使用される．この様なＣＰＬヒートパイプ型熱交換熱輸送機器は，加熱熱交換器３４の多孔性物質３３を通過する熱交換用循環溶液３５とその蒸気３６との気液界面で生ずる毛管作用により該熱交換用循環溶液３５を循環させようとするものであって，前記した浸透ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器と同様に，熱交換用循環溶液３５の気液相変化を利用して高熱源から低熱源へ熱輸送するもので，外部動力の使用を必要としない利点がある．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
文献に記載された上記の二つの熱交換熱輸送機器は，それ以前の熱交換器を利用した熱輸送機器に較べて熱交換用溶液やその蒸気を輸送するための外部動力を使用しないため安価な稼動費用で操業できる利点を有するが，浸透ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器では，膜モジュールの半透膜に酢酸セルロース膜の様な有機膜を使用するため，有機膜の圧密化（長期間の使用において，有機膜の両面に作用する圧力の差により有機膜が収縮すること）また微生物による有機膜の破壊に伴う半透性の劣化（溶質漏れ）などによる溶媒浸透性能の低下により，長期間にわたる熱輸送が困難であった．またＣＰＬヒートパイプ型熱交換熱輸送機器は，熱交換用循環溶液の流通能力が比較的小さい毛管作用を利用するため，熱輸送量が小さくまたその使用が比較的小さい熱輸送高さに制限される問題があった．
【０００６】
そこで，本発明は，上記の様な問題点を解決し，外部動力を必要としないシンプルな構造でかつメンテナンスフリーで，しかも大量の熱を長距離輸送する事のできるループ熱交換熱輸送機器を提供する事を目的としたものである．
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成したもので，その要旨は，高温度に昇温した熱交換用循環溶液２を収容する熱交換循環溶液収納容器１の溶液送出口４に設けた溶液送出パイプ５と熱交換循環溶液収納容器１内を通過する容器内パイプ６または該熱交換循環溶液収納容器１の外周を巡回する容器囲繞パイプ９と熱交換循環溶液収納容器１の気液二相流体送入口７に設けた気液二相流体送入パイプ８とを連接する一連の循環溶液輸送パイプＡまたはＢの溶液送出パイプ５路に顕熱放出熱交換器１０を設け，さらに気液二相流体送入パイプ８路に加熱熱交換器１１を設けて構成した事を特徴とするループ熱交換熱輸送機器である．
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下，本発明について，図面を参照しながら詳細に説明する．
図１は本発明の一実施例を示したものである．図１において，１は熱交換循環溶液収納容器である．熱交換循環溶液収納容器１は，熱交換用循環溶液２と該溶液２が相変化して潜熱を保有する蒸気３とを収容する容器で，その熱交換用循環溶液２には，蒸留水，アルコール，液体金属などの単一成分あるいは共沸を示す蒸留水とエタノールを混合した複合成分などの様に気液の相変化を起こす流体が使用され収容されている．また，熱交換循環溶液収納容器１の溶液送出口４には溶液送出パイプ５を設け，熱交換循環溶液収納容器１内を通過（または貫通）する容器内パイプ６を設け，さらに該容器１の気液二相流体送入口７には気液二相流体送入パイプ８を設けると共に，しかもこれらのパイプを一連状に連接する循環溶液輸送パイプＡに設けられている．すなわち，熱交換循環溶液収納容器１には，収容された熱交換用循環溶液２が該容器１を出て，溶液送出パイプ５から容器内パイプ６を経て気液二相流体送入パイプ８から該容器１に戻る一連の循環溶液輸送パイプＡが設けられている．図２は本発明の他の一実施例を示したもので，図１の容器内パイプ６の代わりに，熱交換循環溶液収納容器１の外周を巡回する容器囲繞パイプ９を設けた場合の循環溶液輸送パイプＢを設けた場合を示す．すなわち，図２で示す様に，熱交換循環溶液収納容器１には，該容器１から送り出された熱交換用循環溶液２が溶液送出パイプ５，容器囲繞パイプ９を経て気液二相流体送入パイプ８から該容器１に戻る一連の循環溶液輸送パイプＢが設けられてもよい．１０は顕熱放出熱交換器で，循環溶液輸送パイプＡまたはＢを形成する溶液送出パイプ５の流通路を高温度の熱を保有して流通する熱交換用循環溶液２の顕熱を放出させて熱交換し，低温度に冷却するものである．１１は加熱熱交換器である．加熱熱交換器１１は顕熱放出熱交換器１０を通って低温度となった熱交換用循環溶液２を，循環溶液輸送パイプＡまたはＢを形成する気液二相流体送入パイプ８の流通路で，気液二相域の高温度に加熱するものである．
【０００９】
上記のように構成された本発明は，次のようにして熱輸送される。
図１に示す様なループ熱交換熱輸送機器において，機器内を流動しながら循環する高温度の熱を保有する熱交換用循環溶液２は，循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ５を通過する際に顕熱放出熱交換器１０で顕熱を放出し熱交換し低温度に冷却された後，熱交換循環溶液収納容器１に収納された熱交換用循環溶液２内を貫通する容器内パイプ６を通過する際に熱交換用循環溶液２から相変化した高温度の蒸気３で予熱された昇温し，さらに気液二相流体送入パイプ８を流動する途中路に設けられた加熱熱交換器１１によってさらに高温度に昇温させられて沸騰し蒸気泡１２を発生させながら，熱交換循環溶液収納容器１に戻る。熱交換循環溶液収納容器１に戻った熱交換用循環溶液２は循環溶液輸送パイプＡを流動しながら再び冷却された後，さらに沸騰する高温度に昇温する。すなわち本発明においては，熱交換用循環溶液２の相変化，加熱熱交換器１１から気液二相流体送入口７までの気液二相流体送入パイプ８内と容器内パイプ６および熱交換用循環溶液収納容器１下方気液二相流体送入パイプ８内との間の熱交換用循環溶液２の密度差（つまり，この密度差により生じる浮力）を利用し，熱交換用循環溶液２が機器内を循環し，またこの循環を繰り返しながら加熱熱交換器１１から伝達された高温度の熱が，顕熱放出熱交換器１０から熱を必要とする別の機器に輸送される。
【００１０】
また，図２で示す様なループ熱交換熱輸送機器において，熱交換循環溶液収納容器１から循環溶液輸送パイプＢの溶液送出パイプ５を通過する熱交換用循環溶液２は，その流通路に設けた顕熱放出熱交換器１０を通過する際に顕熱を放出し熱交換し低温度に冷却された後，熱交換循環溶液収納容器１の外周を巡回する容器囲繞パイプ９を流動する間に該熱交換循環溶液収納容器１から放散される熱で予熱された後，気液二相流体送入パイプ８の加熱熱交換器１１でさらに高温度に昇温されて沸騰し，蒸気泡１２を発生させながら，熱交換循環溶液収納容器１に戻る．熱交換循環溶液収納容器１から送り出された熱交換用循環溶液２は，再び冷却され予熱され，沸騰する高温度に昇温される循環を繰り返す．
【００１１】
【発明の効果】
以上述べた様な本発明のループ熱交換熱輸送機器は，以下説明する様な顕著な熱輸送能力を有する．
図３は，図１で示す本発明のループ熱交換熱輸送機器を用いて熱輸送量を測定した場合の実験結果を示す．
このときの実験条件は，熱交換循環溶液収納容器１と顕熱放出熱交換器１０の間の循環溶液輸送ループ移送高さを３．２５ｍとし，その間を内径８ｍｍのパイプで連接した．また，熱交換用循環溶液２には蒸留水を使用し，顕熱放出熱交換器１０の出口における熱交換用循環溶液２の温度を４０℃になる様にした．この実験によって得られた熱輸送量（顕熱放出熱交換器１０における放熱量：Ｗ）と熱負荷（加熱熱交換器１１から熱交換用循環溶液２への伝熱量：Ｗ）の関係を図３で示す．熱輸送量と熱負荷の関係は，±１０％以内の誤差内で関係付けられており，加熱熱交換器１１から顕熱放出熱交換器１０へ熱輸送する事ができた．また，この実験では熱負荷が２０００Ｗまでの熱輸送実験を行ったが，上記した熱交換用循環溶液２の循環原理から，気液二相流送入口７と加熱熱交換器１１の設置位置間の距離をより長くし，また各パイプ内径をより大きくすることにより，熱交換用循環溶液２の循環流量が増大するので，より大きな熱輸送高さでさらに大きな熱負荷における熱輸送を行うことは可能であり，本発明は大きな熱輸送能力を有している．
【００１２】
上記の結果から，従来の熱交換熱輸送機器は，熱輸送高さが小さい，熱輸送量が小さい，または長期間の熱輸送ができないなどのいずれかの問題を有していたが，本発明は数メートル以上の熱輸送高さおよび数千ワット以上の熱輸送能力を有し，また長期間の熱輸送が可能であり，実使用に供する．使用例としては，夏季に道路に降り注ぐ太陽熱により高い温度になった路面から地下十数メートルに位置する低い温度の蓄熱帯へ，本発明を用い熱を輸送し蓄熱し，冬季に路面に降り積もる雪を，従来提案されている熱サイフォンなどを用いて該蓄熱帯が保有する熱を路面へ輸送することにより融雪し，積雪による道路の不通およびスリップ事故などを防止することができる．また，建物の側壁または内部に本発明の加熱熱交換器１１を設置し，地下の土壌，生活使用排水，地下水または河川などに顕熱放出熱交換器１０を設置することにより，夏季における建物周囲から内部へ流入する熱を排熱することができ，冷房費を削減することができる．さらに，現在使用されているポンプ等の外部動力を用いて顕熱または潜熱輸送を行う熱交換熱輸送機器の代わりに，本発明を用いることにより，外部動力に使用されていたエネルギーをゼロにすることができ，省エネルギーに貢献することができる．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のループ熱交換熱輸送機器の一実施例を示す．
【図２】本発明のループ熱交換熱輸送機器で，他の一実施例を示す．
【図３】本発明における実験結果で，熱輸送量と熱負荷の関係を示す．
【図４】従来の浸透ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器を示す．
【図５】従来のＣＰＬヒートパイプ型熱交換熱輸送機器を示す．
【符号の説明】
１  熱交換循環溶液収納容器
２  熱交換用循環溶液
３  蒸気
４  溶液送出口
５  溶液送出パイプ
６  容器内パイプ
７  気液二相流体送入口
８  気液二相流体送入パイプ
９  容器囲繞パイプ
１０  顕熱放出熱交換器
１１  加熱熱交換器
１２  蒸気泡
Ａ  循環溶液輸送パイプ
Ｂ  循環溶液輸送パイプ
２１  気液分離器併用熱交換器
２２  熱交換用循環溶液
２３  熱交換用循環液
２４  蒸気
２５  循環液輸送パイプ
２６  顕熱放出熱交換器
２７  膜モジュール
２８  蒸気輸送パイプ
２９  凝縮器
３０  溶媒
３１  半透膜
３２  溶液通路
３３  多孔性物質
３４  加熱熱交換器
３５  熱交換用循環溶液
３６  蒸気
３７  溶液輸送ループパイプ
３８  凝縮器
【図１】
0003970514.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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