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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 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P120007929
整理番号 FU428
掲載日 2012年9月26日
出願番号 特願2012-055038
公開番号 特開2012-215375
登録番号 特許第5887682号
出願日 平成24年3月12日(2012.3.12)
公開日 平成24年11月8日(2012.11.8)
登録日 平成28年2月26日(2016.2.26)
優先権データ
  • 特願2011-075859 (2011.3.30) JP
発明者
  • 鳥取 章二
  • 永井 二郎
出願人
  • 公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター
  • 国立大学法人福井大学
発明の名称 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 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 【課題】 バルブを開閉操作するだけでトップヒートとボトムヒートを簡単に切り替えることができ、また熱輸送性にも優れ、地熱を利用した冷暖房システムにも問題なく使用でき、しかも、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を提供すること。
【解決手段】 熱媒液Lとの熱交換が可能な部位として、第一熱交換部1と;高位タンク2と;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、第一の液上昇管4と;第一の液下降管5と;第二の液上昇管6と;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。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要


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。



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。



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。



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。



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。



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。



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。

産業上の利用分野


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。

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。
国際特許分類(IPC)
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