JPH03501998A - 水素酸化手段を使用するヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 水素酸化手段を使用する ヒートバイブ 本発明は、ヒートバイブ、特に作用流体として水又は他の水素含有流体を使用す ると共に、該作用流体と反応して非凝縮性の水素ガスを生成する物質で形成され たヒートバイブに係る。さらに詳述すれば、本発明は、ヒートバイブの凝縮器部 内に、ヒートバイブの作動の間に生成される水素ガスを酸化する手段を設けるこ とによってヒートバイブの性能を改善することに係る。

鋼−水ヒートバイブ（該ヒートバイブは鋼製のエンクロージャーを有し、作用流 体として水を使用する）は、各種工業での熱交換の用途において広く使用されて いる。このようなヒートバイブには、たとえば封止サーモサイホン、多孔性ウィ ックを有するヒートバイブ及び回転式ヒートバイブが含まれる。鋼ヒートバイブ には、ヒートバイブの作用空間を限定するヒートバイブエンクロージャーが炭素 鋼又はステンレス鋼の如き鉄合金、鉄又は電気化学列において水素よりも上位に 位置する金属（たとえばニッケル、クロム、マンガン等）を含有する鉄合金で形 成されるものである。かかる鋼ヒートバイブを作動状態に置く際には、ヒートバ イブが＝般的に使用される温度において作用流体の水とヒートバイブ空間の鋼壁 との間で一連の化学反応が生ずることが知られている。一般に、主反応は下記の ものと考えられる。

これらの反応の結果、非凝縮性の水素ガスが発生し、ヒートバイブの凝縮器部内 の作用空間に徐々に蓄積する。このように水素ガスがヒートバイブの作用空間の 凝縮器部に蓄積するため、該水素ガスはヒートバイブの凝縮器部内の作用流体の 気相の流れを妨げると共に、絶縁体としても作用し、作用流体の気相への熱移動 を阻止して凝縮相への変化を妨げ、その結果、ヒートバイブの熱交換率を低下さ せる。熱交換率の低下したヒートバイブでは、水素ガスは、作用空間の凝縮器部 内のウィックにおける作用空間の凝縮器壁の周囲に水素ガスの環状層が形成され 、これによって作用流体の蒸気相の凝縮を阻害するようになる程度まで蓄積する ものと考えられる。

このようなヒートバイブにおける水素ガスの蓄積の問題を解決するために、いく つかの対策が提案されている。１つの方法は、ヒートバイブのエンクロージャ− と作用流体との間の化合的適合性を改善するものである。作用流体として水を使 用する場合には、ヒートパイプの空間を効果的に分画して水と鋼製エンクロージ ャーとの間の接触を阻止するために、鋼製ヒートパイプエンクロージャーの内表 面上に保護層を設けることが知られている。この保護層は水と反応しない材料で 作製されなければならない。代表的には、工業的使用に当たって遭遇する代表的 な作動温度において水と反応しないため、保護ライニングとして銅が選択される 。このようなヒートパイプの１つ（二重管ヒートパイプとして公知）は、外方の ステンレス鋼パイプ内に固定された内方鋼管で形成される。かかる二重管ヒート パイプは、一般的に、化石燃料蒸気発生器における燃焼の予熱に使用されるガス −空気熱交換器の如き工業的な熱交換器において使用される。しかしながら、こ のような二重管ヒートバイブの製造は困難かつ高価である。さらに、銅ライニン グの完全な一体性も長期間の作動にわたって確保されるものではなく、鋼と水と の間における不測の接触を完全に阻止できるものでもない。従って、このような 銅ライニングヒートパイプにおいても、作用流体として水が使用される場合には 、水素ガスが生成され、徐々に蓄積することになる。

ヒートバイブ空間のエンクロージャーの形成に当たって作用流体と適合性のある 金属を選択する代わりに、鋼製ヒートパイプエンクロージャーと化学的に適合性 のある作用流体を選択することも提案されている。たとえば、アンモニアは鋼製 エンクロージャーと反応して非凝縮性の水素ガスを生成することがないため、鋼 製ヒートパイプにおける作用流体としてアンモニアを使用することが提案されて いる。作用流体としてのアンモニアの使用は理論的には問題を解決するが、実際 には、少量の水がアンモニア中に不可避的に含有されており、米国特許第４，５ ８６，５６１号で検討されているように鋼管と反応して望ましくない非線縮性の 水素ガスを生成する。ヒートパイプにおいて使用される他の一般的な作用流体は 、炭化水素系のものである。これら炭化水素流体は時間の経過につれて分解又は 劣化するため、炭化水素流体の分解から直接的に、又は分解生成物と鋼製エンク ロージャーとの反応から水素ガスが放出されうる。さらに、炭化水素系作用流体 中には、不純物として水が少量存在する。

鋼−水ヒートバイブにおける水素ガスの蓄積を解消する他の方法は、水素の生成 を阻止するよりもむしろ、ヒートパイプ空間内における水素ガスの蓄積を緩和す る手段を設けるものである。このような方法の１つは、換気手段によって、蓄積 した水素ガスをヒートパイプ空間から放出するものである。たとえば、ヒートパ イプの作動の間に蓄積した水素ガスを定期的に放出するために、ヒートパイプの 凝縮器部の端に取付けられた弁を使用できる。しかしながら、この方法は、たと えば弁の操作が煩雑かつ不便であること、第２に弁からの漏れが避けられず、ヒ ートバイブの作動寿命を短かくすること等、明らかに不利である。米国特許第３ ，５０３゜４３８号に開示されているように、他の例は、ヒートバイブの壁に気 密固定され、閉止内方端と開放外方端とを有し、水素ガスをパラジウムを透過せ しめて連続的にヒートパイプの外に排出させるパラジウム換気管である。しかし ながら、パラジウムは高価な金属であり、コスト及び入手性の両方の理由から工 業的にはあまり広くは利用されない。

他の方法は、吸着によって水素ガスをヒートバイブ空間から除去するものである 。この目的のため、ヒートバイブの凝縮器部のヒートバイブ空間に水素吸収物質 を配置する。吸収物質は、その表面上にガスを結合しうる物質である。ヒートバ イブでの使用を目的とする水素吸収物質としては、米国特許第４，０４３，３８ ７号に開示された如きタンタル、チタン及びニオブ；米国特許第４，１５９，７ ３７号に開示された如きバリウム、カルシウム又はリチウムと組合されたランタ ン、イツトリウム又はスカンジウム；又は米国特許第４，５８６，５６１号に開 示された如きジルコニウム金属間合金（たとえばｌｒＭｎｚ合金）がある。しか しながら、工業用のヒートパイプでの使用に当たっては非常にコスト高であるこ とに加えて、このような水素吸収物質は、温度の上昇につれて少量の水素ガスし か吸収できない。このように、当該水素吸収物質は、上述の米国特許第４，５８ ６，５６１号で検討されているように、バーマフロスト・スタビライゼーション （ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　５ｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）用に使用される際に経 験される如き比較的低い作動温度条件下においてのみヒートバイブに関して有効 であり、ガス−ガス熱交換の如き工業的用途で使用されるヒートバイブ（ヒート パイプの凝縮器部は少なくとも２６０℃（５００°Ｆ）の温度のガスにさらされ る）では、有効性はかなり低い。

本発明の目的は、工業的な熱交換の用途（特にガス−ガス熱交換）に好適なヒー トパイプであって、ヒートバイブ空間で生成した水素ガスを酸化して水とするこ とにより、ヒートバイブ空間から水素ガスを除去する低コストの手段を具備して なるヒートバイブを提供することにある。

発明の概要 本発明のヒートバイブは、閉止作用空間を限定するエンクロージャー及び作用流 体として作用空間に導入された水を包含し、このエンクロージャーは、水と反応 して水素ガスを発生する材料で構成される。このヒートパイプの凝縮器部内の作 用空間には酸化手段が配置されており、この酸化手段は、ヒートパイプの作動の 間に発生される水素ガスと反応し、この水素ガスを酸化して水とする物質でなる 。一般に、このような物質に関して要求される条件は、ヒートバイブの作動温度 で分解しないこと、水に溶解しないこと及び水又は水蒸気と反応しないこと、水 素と反応して水又は他の生成物（物理化学特性が安定であって、かつ飽和蒸気圧 がヒートバイブの作用温度においてほぼＯである）を生成することである。

このような酸化剤物質としては、水素よりも高い電極電位（又は還元電位）を有 する金属酸化物がある。すなわち、このような好適な金属酸化物の電極電位（又 は還元電位）は、水素の０電極型位に対してプラスの電位でなければならない。

かかる金属酸化物は水素によってレドックス反応を生じうるちのであり、本発明 のヒートバイブにおける酸化剤としての作用に適している。

好適な金属酸化物の例としては、ＣｕｂＳＰｂＯ，、ＭｎＯ。

及びＨｇＯがある。これら金属酸化物の混合物及びこれら金属酸化物を含有する 化合物又は加熱によって当該金属酸化物を放出する化学物質を、本発明のヒート バイブにおける酸化剤として使用することも可能である。

効果及びコストの点から好ましい酸化剤は、ＣｕＯ又はＣｕＯ含有混合物であり 、最も好適には、少量のＣｒ２Ｏ，と共にＣｕ及びＣｕＯを含有する焼結混合物 である。

本発明の酸化剤は、ブロック状、粒状、繊維状、粉末状又は配置に容易な特殊な 形状の各種形状でヒートバイブ内に導入される。好ましくは、該酸化剤は、水素 との接触有効面積が増大するように多孔構造を有する。酸化剤は良好な構造強度 を有するガス透過性容器、たとえば細かい目の鉄線又は銅線金網でなるポケット 、又はヒートバイブの凝縮器部の端に導入される特殊なブロック形状で形成され たポケット内に配置される。

図面の簡単な説明 第１図は、ヒートバイブの凝縮器端の作用空間に配置された水素ガス酸化手段を 有する本発明のヒートバイブの断面図である。

好適な実施例の説明 図面には、一般に閉止サーモサイホンタイプとして知られているヒートバイブｌ Ｏが図示されている。このヒートバイブ１０は、閉止作用空間（この中に作用流 体７０が封入される）を限定する管状エンクロージャー２０を包含してなる。管 状エンクロージャー２０の両端には、管状エンクロージャー２０の開放端を密閉 し、作用流体７０の液体又は蒸気相が作用空間から漏出することを防止するため に作用空間５０を閉止するように気密関係で端部キャップ８０及び９０が挿入し である。

ヒートバイブｌＯの外表面には、ヒートバイブのガス−金属接触表面を増大させ 、これにより加熱ガスと被加熱ガス及びヒートバイブ１０との間における熱移動 効率を増大させるよう機能するフィン４０（ら線状に巻付けられ、外方に突出す る表面として図示されている）が設けである。好適には、エンクロージャー２０ の内表面には、エンクロージャー２０を介して作用空間５０内の作用流体７０へ の熱移動を増大させるために、一般的に公知のウィックが設けである。

作動において（たとえば図示の如くガス−ガス熱交換器において）、ヒートバイ ブ１０は、熱交換器を加熱ガス５用の第１流路と、これに対向する被加熱ガス７ 用の第２流路とに分離する熱交換器の分画壁土に搭載される。高温の加熱ガス５ がヒートバイブｌＯの蒸発器部１５の上を通過するため、作用流体７０はエンク ロージャー４０の蒸発器部１５の壁を通って加熱流体５から移動される熱を吸収 し、その一部が蒸発する。作用流体７０の蒸気相はヒートバイブ１０の凝縮器部 ２５に移動する。

低温の被加熱ガス７はヒートバイブ１０の凝縮器部２５上を通過する間に、作用 流体７０の蒸気相がエンクロージャー４０の凝縮器部２５の壁を介して低温ガス ７に熱を放出するため、作用流体の蒸気相が凝縮する。ついで、作用流体の凝縮 した液相はヒートバイブ１０の蒸発器部１５に流入し、このサイクルが繰返され る。

前述の如く、作用流体７０が水素含有流体であり、ヒートバイブのエンクロージ ャー４０が作用流体と反応する材料で作られている場合には、エンクロージャー と作用流体との反応の結果、作用空間５０内で非凝縮性の水素ガスが生成される 。作用空間内での水素ガスの発生は、水が作用流体７０であり、エンクロージャ ー４０がたとえば炭素鋼、ステンレス鋼又は鉄−ニッケル合金の如き鉄又は鉄合 金で形成されている場合に特に活発である。

本発明に従って作用空間５０内における非凝縮性の水素ガスの蓄積を防止するた め、ヒートバイブ１０の凝縮器部２５内の作用空間５０に水素酸化手段を設置す る。図面に示した例では、酸化手段３０はプラグ様ブロックの形状であり、上方 端キャップ９０の中央孔に挿入、ねじ止めされており、ヒートバイブ１０の凝縮 器部２５の作用空間４０内に伸長、位置する。ついで、作動に供される際、ヒー トバイブ１０上を流動ガスから酸化手段３０の基底端を保護するため、酸化手段 ３０の基底部を覆って保護キャップ１００をねじ止めする。

本発明の酸化手段３０は、作用流体に対して不溶性であり、水素ガスと反応し、 水素を酸化して水とする物質でなる。本発明の酸化手段３０を形成する物質とし て特に好適なものは、水素よりも高い電極電位（又は還元電位）、すなわち水素 と比べてプラスの電極電位を有する金属酸化物である。好適な金属酸化物の例と しては、Ｃｕｂ、　ＰｂＯ２、ＭｎＯ，及びＨｇＯがある。酸化手段３ｏは、こ のような金属酸化物を含有する混合物又は化合物、又はヒートバイブの作動温度 に加熱される際に、ががる金属酸化物を生成する物質でも構成される。

鋼−水ヒートバイブにおける本発明の酸化手段３ｏとして特に有利に使用される ものは、酸化銅（■）　（Ｃｕｂ）又は酸化鋼（ＩＩ）含有混合物である。酸化 銅（ＩＩ）又は酸化銅（ｎ）含有混合物は作動温度約１６０　”Ｃにおいて水素 の酸化剤として最も有効であることが認められた。ヒートバイブ１０の凝縮器部 ２５が実質的に１６０℃以下の温度で作動される用途では、水素酸化剤としての 酸化銅（ｎ）の有効性は増大し、水素ガスの除去は、酸化手段３０が配置される 作用空間部を加熱し、これにより酸化手段３０の温度を上昇させることによりス ピードアップされる。

さらに、銅及び酸化銅（ｎ）の混合物を空気中で焼結することによって、約１１ ５℃程度の低い温度において水素酸化剤としての有効性を発揮する銅−酸化銅（ ｎ）混合物が得られるとの知見を得た。さらに詳述すれば、効果的な低温用水素 酸化剤は、銅１重量部及び酸化銅（■）４重量部でなり、この混合物を多孔性形 状、一般にプラグ形状のブロックに圧縮成形しく各種の所望形状を利用できる） 、ついで空気中、温度約８００℃、約１ないし２時間で焼結する。少量（好まし くは約３重量％）の酸化クロム（Ｃｒｏｏｎ）の添加は、得られる焼結体の水素 酸化剤としての有効性をさらに増大させる（本発明のヒートバイブにおける酸化 手段として使用される際）との知見を得た。

本発明の酸化手段としての使用に好適な他の低温用水素酸化剤は、焼結銅ワイヤ の束でなる。焼結銅ワイヤの調製に当たり、複数の銅ワイヤを空気中、温度約８ ２０℃、約２ないし４時間で焼結して、銅ワイヤ上に酸化銅（ＩＩ）の層を生成 する。

酸化手段３０は鋼−水ヒートバイブにおける水素の蓄積を解消するための単独の メカニズムとして使用され、又はエンクロージャーの化学性を改善する他の方法 （たとえば、作用空間４０の内表面を不動態層でコーティングすること、又は作 用流体中に腐食抑制剤を溶解させること；これらの方法では、水７０と鋼エンク ロージャー４０との間の反応を抑制することによって水素ガスの発生速度を低減 させる）と組合せて使用される。

本発明のヒートバイブは、ヒートバイブ作用空間で発生する水素ガスを酸化して 水とする酸化手段３０（従来の装置とは異なり、水を生成する）を包含する。こ のように、酸化手段３０を具備する鋼−水ヒートバイブは、鋼エンクロージャー との反応によって分解された作用流体（すなわち水）が酸化手段３０によって再 生される「回収形（ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｔｙｐｅ）Ｊヒートバイブである。従来 のパラジウム又はパラジウム合金換気管を使用するヒートバイブでは、ヒートバ イブの作用空間内に蓄積する水素ガスは、作用流体として回収されるよりもむし ろヒートバイブの外に排出される。同様に、各種の水素吸収剤を使用する従来の ヒートバイブでは、水素ガスは作用流体としては回収されず、吸収剤上に集めら れ、又は吸着される。

本発明のヒートバイブは製造が簡単かつ安価であり、各種工業において一般的に 使用されている従来の鋼−水ヒートバイブとは、作用空間内に少量の酸化剤が配 置されている点でのみ異なる。しかしながら、酸化剤の存在は、鋼−水ヒートバ イブの有効寿命を数倍増大させ、本発明のヒートバイブは、摩耗及び腐食によっ てエンクロージャーが偶発的に破壊されるまで良好な熱伝導性を保持するため、 その利点は明白である。本発明のヒートバイブを利用するヒートツクイブ形熱交 換器は、特にガス−ガス熱交換による工業排熱回収（たとえば燃焼空気の予熱又 は煙道ガスの再加熱）の分野で用途を有する。

本発明のヒートバイブを図面に示した特殊な具体例を参照して述べたが、本発明 の精神及び範囲を逸脱することなく、各種の変形、変更をなすことができる。

たとえば、酸化手段３０は、ヒートバイブの凝縮器端部において作用空間の末端 に挿入されるプラグ形である必要はない。むしろ、酸化手段３０は所望の各種形 状が可能であり、ヒートバイブ１０の凝縮器部２５内における作用空間５０の各 種部位に設置される。たとえば、酸化手段３０は、粒状、粉末状又は繊維状の金 属酸化物で構成されてもよく、ヒートバイブ１０の凝縮器部内の作用空間５０の 少なくとも１の部位に配置され、又は好ましくは端キャップ９０に近接する凝縮 器部２５の端におけるヒートバイブ１０の作用空間内に設置されたガス透過性容 器（たとえばステンレス鋼又は銅の金網でなる容器）内に収容される。さらに、 本発明のヒートバイブ１０は、図示した如く垂直方向で設置される必要はなく、 凝縮器２５がヒートバイブの蒸発器部の上方に位置するかぎり、水平方向に対し て鋭角をもって配置されればよい。

国際調査報告 国際調査報告　ｕｓ　８８０３６３６ ＳＡ　２５８６５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　作用空間を限定するエンクロージャーを有し、該作用空間内に導入された作 用流体として、前記エンクロージャーと反応して水素を放出する蒸発可能な流体 を使用するヒートパイプにおいて、前記作用空間内に、該作用空間から放出され た水素を酸化して水とする酸化手段を配置し、該酸化手段を、前記作用流体に不 溶でかつ水素ガスを水に酸化する物質で構成したことを特徴とする、ヒートパイ プ。 ２　請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段が、水素の電極電位よりも高い 電極電位を有する金属酸化物を包含してなるものである、ヒートパイプ。 ３　請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段が、水素の電極電位よりも高い 電極電位を有する金属酸化物を含有する物質を包含してなるものである、ヒート パイプ。 ４　請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段が、ヒートパイプの作用温度に 加熱される際、水素の電極電位よりも高い電極電位を有する金属酸化物を生成す る物質を包含してなるものである、ヒートパイプ。 ５　請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段が、酸化銅（ＩＩ）及び酸化銅 （ＩＩ）含有混合物でなる群から選ばれる物質を包含してなるものである、ヒー トパイプ。 ６　請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段が、空気中、温度約８００℃に おいて１ないし２時間焼結した銅及び酸化銅（ＩＩ）の混合物を包含してなるも のである、ヒートパイプ。 ７　請求項６記載のものにおいて、前記銅及び酸化銅（ＩＩ）の混合物が銅約１ 重童部及び酸化銅（ＩＩ）約４重量部でなるものである、ヒートパイプ。 ８　請求項１記載のものにおいて、前記酸化手段が、空気中、温度約８２０℃に おいて約２ないし４時間焼結して、表面上に酸化銅（ＩＩ）の層を形成した銅を 包含してなるものである、ヒートパイプ。 ９　請求項８記載のものにおいて、前記銅が銅ワイヤの複数のストランドでなる ものである、ヒートパイプ。 １０．作用流体として水を使用すると共に、該作用流体を収容する作用空間を限 定し、凝縮器部及び蒸発器部を有し、かつ水と反応して水素ガスを発生する鉄又 は鉄合金で形成されたエンクロージャーと、前記エンクロージャーの作用空間内 に配置され、水に不溶であって、かつ水素を酸化して水を生成する物質でなる発 生した水素ガスを水に酸化する酸化手段とを包含してなる、ヒートパイプ。 １１請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段が、水素の電極電位よりも高 い電極電位を有する金属酸化物を包含してなるものである、ヒートパイプ。 １２請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段が、水素の電極電位よりも高 い電極電位を有する金属酸化物を含有する物質を包含してなるものである、ヒー トパイプ。 １３請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段が、ヒートパイプの作用温度 に加熱される際、水素の電極電位よりも高い電極電位を有する金属酸化物を生成 する物質を包含してなるものである、ヒートパイプ。 １４．請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段が、酸化銅（ＩＩ）及び酸 化鋼（ＩＩ）含有混合物でなる群から選ばれる物質を包含してなるものである、 ヒートパイプ。 １５請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段が、空気中、温度約８００℃ において１ないし２時間焼結した銅及び酸化銅（ＩＩ）の混合物を包含してなる ものである、ヒートパイプ。 １６請求項１５記載のものにおいて、前記銅及び酸化銅（ＩＩ）の混合物が銅約 ２０重量％及び酸化銅（ＩＩ）約８０重量％でなるものである、ヒートパイプ。 １７請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段が、空気中、温度約８２０℃ において約２ないし４時間焼結して、表面上に酸化銅（ＩＩ）の層を形成した銅 を包含してなるものである、ヒートパイプ。 １８請求項１７記載のものにおいて、前記銅が銅ワイヤの複数のストランドでな るものである、ヒートパイプ。 １９請求項１０記載のものにおいて、前記酸化手段を、ヒートパイプの凝縮器部 の端において作用空間内に配議してなる、ヒートパイプ。 ２０請求項１９記載のものにおいて、前記酸化手段が、不溶性の水素酸化物質で 形成された多孔性ブロックでなり、該ブロックをヒートパイプの凝縮器部の端に おいて作用空間内に挿入してなる、ヒートパイプ。 ２１請求項１９記載のものにおいて、前記酸化手段を構成する不溶性の水素酸化 物質が粉末状、粒状又は繊維状であり、ヒートパイプの凝縮器部の端における作 用空間に挿入される多孔性構造体に圧縮成形される、ヒートパイプ。 ２２請求項１９記載のものにおいて、前記作用空間に配置される際、前記酸化手 段をヒートパイプの作用温度よりも高い温度に加熱する、ヒートパイプ。