JP6896255B2 - 熱サイフォン - Google Patents

Description

本発明は、主として地熱の抽出に用いる熱サイフォンに関する。

熱サイフォンはヒートパイプとも呼ばれ、真空脱気した密閉管の内部に、作動流体として水やアルコール等の凝縮性の流体を封入し、その密閉管を鉛直方向に立設したものである。そして、密閉管の下端部側を外部から熱を与える吸熱部とし、かつ上端部側を、熱を奪う放熱部としている。

熱サイフォンは、吸熱部に与えられた熱によって作業流体が蒸発し、その蒸気が放熱部まで上昇した後に放熱・凝縮することにより、作動流体の潜熱として熱を輸送する。

このように熱サイフォンは、下から上への熱輸送を、動力を用いることなく行うことができるため、高温の地熱を地上に抽出する装置等に採用され、その熱は冷暖房や融雪に利用されている。

特開平8-327259号公報

上述した熱サイフォンは、地下１００ｍ〜３００ｍの地熱帯に向けて掘られた掘削孔に密閉管を挿入し、下端部で地熱によって加熱され蒸発した作動流体が地上側の端部に移動し、そこで放熱することによって地熱を抽出している（特許文献１参照）。

しかし、従来の熱サイフォンでは、密閉管が長尺であったり熱源の温度が低かったりすると、作動流体の蒸気の上昇が十分に行われないために、熱輸送効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成を付加することで高い熱輸送効率を実現できる熱サイフォンを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る熱サイフォンは、
下端部を熱源に挿入した状態で略鉛直方向に設置され、かつ中空部に凝縮性の作業流体および非凝縮性のガスが封入された有底の主管と、
前記主管の上端部に、主管の開口を覆うように連結された熱交換器と、
前記熱交換器によって凝縮され、液化した作動流体を、前記主管の下方に形成された孔を通して管内に戻す液戻し管と、
前記主管の中空部に、当該主管と間隔を隔てて設置され、かつ上端部が前記熱交換器内に開放され、下端部が前記主管の底部に溜まった作動流体に接しない位置に保持された内管と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記熱交換器には、チューブを介して蓄熱機およびポンプが接続されており、当該ポンプによって前記チューブ内を循環する冷媒により、前記作動流体によって熱源から輸送された熱を前記蓄熱機に蓄えることが好ましい。

また前記作動流体として水を用い、かつ前記非凝縮性のガスとして空気を用いることが好ましい。

また前記熱交換器として、円筒型の筐体の中空部に螺旋状のチューブが収容されたシェル＆チューブ型の熱交換器を用いることが好ましい。

また前記主管の上端部は、前記熱交換器の筐体との連結部から上方に突出して、当該主管と前記筐体との間に溝が形成され、当該溝に溜まった作動流体は、前記筐体の底部に形成された注入口から前記液戻し管に注入されることが好ましい。

本発明に係る熱サイフォンは、蒸発管に二重円管構造を採用すると共に、作動流体以外に非凝縮性のガス（空気または不活性ガス）を管内に封入している。そして非凝縮性のガスを管内で循環させることによって作動流体の蒸気の上昇を促進し、結果として、従来の熱サイフォンと比較して、地熱を抽出する際の熱輸送効率を大幅に向上させている。

本発明の実施の形態に係る熱サイフォンの全体構成を示す図である。 断熱部に単一円管構造または二重円管構造を採用した熱サイフォンにおける作動流体と蒸気の流れを説明する概略断面図である。 断熱部に単一円管構造または二重円管構造を採用した熱サイフォンの熱輸送効率の実験結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態に係る熱サイフォンについて、図面を参照して説明する。

＜熱サイフォンの構成と機能＞
図１に、本実施の形態に係る熱サイフォンの基本的な構成を示す。熱サイフォン１は、蒸発管２、熱交換器３および液戻し管４で構成され、熱交換器３には蓄熱機５およびポンプ６が接続されている。図中、蒸発管２および熱交換器３は、管の軸心を通る平面で切断した断面を示している。

蒸発管２は、下端部を地中の熱源に挿入した状態で略鉛直方向に設置された長尺・有底の主管２１と、主管２１の中空部に、円筒の軸心を一致するように収容された内管２２とで構成されている。また主管２１の中空部には作動流体ＷＦが封入されている。主管２１は、基本的に鉛直方向に設置されるが、若干傾いていても熱サイフォンの機能に支障が生じることはない。

主管２１は複数の管を縦方向に連結して構成されており、接合部にはフランジ２４が形成されている。内管２２は、主管２１の上端部において、図示しない冶具により主管２１と軸心が一致する状態で支持されている。また当該冶具には、蒸気が通過できるように開口が設けられている。

本実施の形態では、主管２１として、耐熱性と強度の観点、更には軽量であることからアルミニウム製のパイプを用い、内管２２として、断熱性の観点からポリカーボネート製のパイプを用いている。また、作動流体ＷＦとして水を用いている。主管２１として、重量の点で若干不利であるが、ステンレス製のパイプを用いてもよい。また内管２２としてポリカーボネート製のパイプを用いたが、断熱性に優れた他の材質のパイプを用いてもよい。

前述したように、熱サイフォン１は、通常の使用状態では、地中の熱源に届く長さの縦孔を掘り、その縦孔に蒸発管２を収容している。本実施の形態では、熱サイフォン１の性能を確認するため、熱源として主管２１の底部の周囲にヒータ７を配置し、ヒータ７によって作動流体である水を加熱し蒸発させている。

主管２１の上端の開口部には、熱交換器３が取り付けられている。本実施の形態では、熱交換器３として、シェル＆チューブ型の熱交換器を用いており、円筒型の筐体３１の中空部に螺旋状の銅製チューブ３３が収容されている。図に示すように、熱交換器３の中空部は蒸発管２の中空部と連結されており、かつ筐体３１および蓋３２によって密閉されている。

従来の熱サイフォンでは、主管２１、熱交換器３の筐体３１および蓋３２で囲まれた空間には、非凝縮性ガスを真空脱気した後、作動流体を封入していたが、本実施の形態では、非凝縮性ガスである空気が、作動流体ＷＦである水と共に封入されている。蒸発管２をヒータ７で加熱しない状態では、空気の圧力は大気圧と略等しい。

熱交換器３のチューブ３３は、蓋３２に形成された孔を介して、蓄熱機５に接続されたチューブ５１に連結されており、チューブ３３および５１を流れる冷媒は、ポンプ６の駆動力によって熱交換器３と蓄熱機５との間を循環する。

本実施の形態では、冷媒として純水を用いており、熱交換器３のチューブ３３を流れる純水は、主として内管２２の中空部を上昇してきた水蒸気によって加熱された後、チューブ５１内を流れて蓄熱機５に運ばれ、蓄熱機５内に熱を蓄える。

熱交換器３の筐体３１の底面と主管２１の下部側面との間には液戻し管４が取り付けられており、熱交換器３で冷却され、凝縮・液化した作動流体ＷＦは、注入口４１から注入され、液戻し管４を通って吐出口４４から主管２１に戻され、主管２１の底部に溜まる。

液戻し管４の上部に設けられた調節弁４２は、主管２１に戻される作動流体ＷＦの流量を調節する弁である。またタンク４３は、蒸発管２内に収容される作動流体の量を調節するものであり、量を減らしたい場合には、タンク４３から作動流体を外部に排出する。

熱サイフォン１の構成のうち、ヒータ７に囲まれた蒸発管２の下部は、一般に「蒸発部」と呼ばれ、ヒータ７によって作動流体ＷＦを加熱・蒸発させ、蒸気を発生させる。

熱サイフォン１の構成のうち蒸発管２の中間部は、一般に「断熱部」と呼ばれ、外周部を断熱材２３で覆うことにより、蒸気によって輸送される熱が蒸発管２の外部に放出されるのを防止している。後に詳述するが、蒸発部においてヒータ７によって加熱され、蒸発した作動流体ＷＦの蒸気は、主として内管２２の中空部を通って断熱部を上昇し、熱交換器３に到達する。

熱サイフォン１の構成のうち熱交換器３は、一般に「凝縮部」と呼ばれ、蒸気の熱を、チューブ３２を流れる純水に移動させ、蓄熱機５まで輸送する。以下の説明では、必要に応じて上述した「蒸発部」「断熱部」および「凝縮部」を用いる。

熱交換器３の中空部に到達した作動流体の蒸気は、純水によって冷却されたチューブ３３に接触することによって凝縮・液化し、筐体３１の底に溜まる。図１に示すように、主管２１の上端部２１ａは、筐体３１内に突き出ており、筐体３１との間にリング状の溝３４が形成されている。熱交換器３内で凝縮・液化した作動流体ＷＦは溝３４に溜まる。

図１に示すように、溝３４の底には、液戻し管４の注入口４１が形成されているため、筐体３１の溝３４に溜まった作動流体ＷＦは、液戻し管４を通って下方に運ばれ、吐出口４４から主管２１内に戻される。

なお、ヒータ７によって加熱・蒸発され、内管２２の中空部を上昇する作動流体の蒸気の一部は、内管２２の内周面に接触することによって冷やされ、凝縮・液化した後、重力によって液膜流となって主管２１の底部に戻される。

＜作動流体の流れ＞
次に、図２を参照して、本発明の熱サイフォンにおける作動流体およびその蒸気の流れを、従来の熱サイフォンと比較して説明する。

図２（ａ）は、断熱部に単一円管構造を採用した従来の熱サイフォンにおける作動流体の流れを示す概略断面図、図２（ｂ）は、断熱部に二重円管構造を採用した本発明に係る熱サイフォンおける作動流体の流れを示す概略断面図である。図中、黒色の矢印は作動流体ＷＦの流れを示し、白抜きの矢印は作動流体の蒸気および空気の流れを示す。

図では、煩雑さを避けるため、熱交換器３内のチューブを省略している。また作動流体および蒸気の流れが見やすいように、蒸発管の鉛直方向の長さを極端に短く表示している。

図２（ｂ）に示す本発明に係る熱サイフォン１は、断熱部に二重円管構造を採用している点において、図２（ａ）に示す、断熱部に単一円管構造を採用した従来の熱サイフォン１Ａと相違している。一方、熱サイフォン１および１Ａの中空部には、共に非凝縮性のガスである空気と作動流体である水が封入されている。

最初に、図２（ａ）を参照して、断熱部に単一円管構造を採用した従来の熱サイフォン１Ａにおける作動流体およびその蒸気の流れを説明する。従来の熱サイフォン１Ａでは、有底の蒸発管２Ａの上端を熱交換器３の筐体３１で覆い、中空部に空気と水を封入している。

ヒータ７によって加熱され、蒸発した水蒸気は蒸発管２Ａの中空部を上昇して熱交換器３に到達する。そして熱交換器３のチューブ３３に接触し、チューブ内を流れる純水によって冷却され、凝縮・液化する。液化した水は、筐体３１底部の溝３４に溜められた後、液戻し管４を通って蒸発管２Ａの底部に戻され、再度、ヒータ７によって加熱される。

なお、水蒸気の一部は蒸発管２Ａの中空部を上昇する間に管の内周面に接触して冷やされ、凝縮・液化して水に戻った後、液膜流となって蒸発管２Ａの底部まで戻る。

次に、図２（ｂ）を参照して、断熱部に二重円管構造を採用した本発明に係る熱サイフォン１における作動流体およびその蒸気の流れを説明する。図１を用いて説明したように、本発明に係る熱サイフォン１では、蒸発管２の断熱部に、主管２１内に内管２２を配置した二重円管構造を採用すると共に、蒸発管２内に、作動流体ＷＦである水と非凝縮性ガスである空気を封入している。

更に、内管２２の上端部は主管２１の上端部より上方に位置して熱交換器４内に開放され、下端部は主管２１の底部に溜まった作動流体（水）ＷＦに接しない位置に保持されている。

ヒータ３によって加熱され、蒸発した水蒸気は、大半が内管２２の中空部を通って熱交換器３に到達する。そして熱交換器３のチューブ３３に接触し（図１参照）、チューブ内を流れる純水によって冷却され、凝縮・液化する。液化した作動流体（水）ＷＦは、筐体３１の底部に形成されたリング状の溝３４に溜められた後、液戻し管４を通って主管２１の底部に戻され、再度、ヒータによって加熱される。

熱交換器３の筐体３１内の空気は、内管２２内を上昇した蒸気に押され、白抜きの矢印で示すように、主管２１と内管２２との間隙を通って下降した後、作動流体の蒸気と共に内管２２内を上昇し、主管２１と内管２２の間を循環する。

上述したように、本発明に係る熱サイフォン１は、空気が蒸発管２の中空部を循環することによって蒸気の上昇が促進され、更に、主管２１と内管２２との間隙を還流する空気層による断熱効果が得られる。これに対し、従来の熱サイフォン１Ａは、空気の循環による蒸気の上昇促進効果が得られない。結果として、本発明に係る熱サイフォン１は、従来の熱サイフォン１Ａに比較して地熱抽出の熱輸送効率が向上する。

＜熱輸送効率の比較＞
図２（ａ）に示した従来の熱サイフォン１Ａおよび図２（ｂ）に示した本発明に係る熱サイフォン１について、それぞれ実験を行い、各熱サイフォンの熱輸送効率を算出した。その結果を図３のグラフに示す。

図において、横軸は入熱量を示し、縦軸は熱輸送効率を示す。図中、実線は本発明に係る熱サイフォン１の熱輸送効率を示し、破線は従来の熱サイフォン１Ａの熱輸送効率を示す。以下、熱輸送効率の算出方法について説明する。

熱サイフォンの熱輸送効率η_allは、下記（１）式で表される。

（１）式において、ｑ_inは蒸発管の蒸発部における単位時間当たりの入熱量（Ｗ）を表し、下記（２）式を用いて算出する。

ここで、Ｖはヒータの入力電圧（Ｖ）、Ｒはヒータの抵抗（Ω）、ｑ_lossはヒータの単位時間当たりの放熱量（Ｗ）を示す。

そして単位時間当たりの放熱量ｑ_lossは下記（３）式を用いて算出する。

ここで、λは、図示しないが、ヒータを取り巻くように配置された断熱材の熱伝導率（Ｗ/（ｍ・Ｋ））、Ｔ₁およびＴ₂は、当該断熱材の内周側および外周側に設置された２つの熱電対で測定した温度（Ｋ）で、Ｔ₁は内周側、Ｔ₂は外周側の値を示す。またΔｘは熱電対間の距離（ｍ）、Ａはヒータの外周面の表面積（ｍ²）を示す。

また（１）式において、ｑ_outは熱交換器での単位時間当たりの熱回収量（Ｗ）を表し、下記（４）式を用いて算出する。

ここで、ｔは熱交換時間（ｓ）、ｍは冷却水の流量（ｇ/ｓ）、ｃ_pは冷却水の比熱（Ｊ/（ｇ・Ｋ））、Ｔ₁は冷却水の入口温度（Ｋ）、Ｔ₂は冷却水の出口温度（Ｋ）を示す。

本実施の形態では、長さ４００ｍｍの熱交換器を含め、全長１７６０ｍｍ、直径５２ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウム製の主管を用いて、実験を行った。その際の冷却水の流量は約１５ｍＬ、初期の冷却水の温度は２０℃であった。

図３のグラフから明らかなように、破線で示した単一円管構造の従来の熱サイフォン１Ａは、入熱量の低下に伴って熱輸送効率が低下しており、熱輸送効率も低い値を示している。これに対し、実線で示した本発明に係る二重円管構造の熱サイフォン１は、全般的に熱輸送効率が高く、また入熱量に対して安定した値を示している。この結果より、本発明に係る熱サイフォン１は、従来の熱サイフォン１Ａに比較し、地熱抽出の熱輸送効率が大幅に向上していることがわかる。

図３に示したグラフは、全長１．８ｍ程度の小型の熱サイフォンを用い、かつ熱源としてヒータを用いたものであるが、断熱部に二重円管構造を採用した本発明に係る熱サイフォンは、断熱部に単一円管構造を採用した従来のものに比較して熱輸送効率が明らかに優れていることから、地下１００ｍ〜３００ｍの地熱帯から地熱を抽出する場合にも、十分な効果が期待できる。

なお、本実施の形態では、上述した非凝縮性のガスとして、蒸発管に大気圧の空気を封入したが、窒素や、アルゴン等の不活性ガスを用いても同様の効果が得られる。またガスの圧力についても、低すぎる場合にはガス封入の効果が低下するが、適切な圧力のガスを封入すれば、大気圧の空気を封入した場合と同様の循環効果が得られる。

１ 熱サイフォン
２ 蒸発管
３ 熱交換器
４ 液戻し管
５ 蓄熱機
６ ポンプ
７ ヒータ
２１ 主管
２２ 内管
２３ 断熱材
２４ フランジ
３１ 筐体
３２ 蓋
３３、５１ チューブ
３４ 溝
４１ 注入口
４２ 調節弁
４３ タンク
４４ 吐出口
ＷＦ 作動流体

Claims (5)

1. 下端部を熱源に挿入した状態で略鉛直方向に設置され、かつ中空部に凝縮性の作業流体および非凝縮性のガスが封入された有底の主管と、
   前記主管の上端部に、主管の開口を覆うように連結された熱交換器と、
   前記熱交換器によって凝縮され、液化した作動流体を、前記主管の下方に形成された孔を通して管内に戻す液戻し管と、
   前記主管の中空部に、当該主管と間隔を隔てて設置され、かつ上端部が前記熱交換器内に開放され、下端部が前記主管の底部に溜まった作動流体に接しない位置に保持された内管と、を備えたことを特徴とする熱サイフォン。
2. 前記熱交換器には、チューブを介して蓄熱機およびポンプが接続されており、
   当該ポンプによって前記チューブ内を循環する冷媒により、前記作動流体によって熱源から輸送された熱を前記蓄熱機に蓄える、請求項１に記載の熱サイフォン。
3. 前記作動流体として水を用い、かつ前記非凝縮性のガスとして空気を用いる、請求項１または２に記載の熱サイフォン。
4. 前記熱交換器として、円筒型の筐体の中空部に螺旋状のチューブが収容されたシェル＆チューブ型の熱交換器を用いる、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱サイフォン。
5. 前記主管の上端部は、前記熱交換器の筐体との連結部から上方に突出して、当該主管と前記筐体との間に溝が形成され、
   当該溝に溜まった作動流体は、前記筐体の底部に形成された注入口から前記液戻し管に注入される、請求項４に記載の熱サイフォン。

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