山崎保輔

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密閉型二相サーモサイフォンの研究

山崎保輔

ExperimentalResearchonaTwo‑Phase CIosedThermosyphon

YasusukeYAMAzAKI

（昭和62年10月31日受理）

Anexperimentalstudyontheheattransferperformanceofatwophaseclosedthermosy‑

phonmade()fglasshasbeencarriedout・Distilledwaterwasusedastheworkingfluids.Under theconstantheated.lengtheffectsoftheamountofworkingfluidsinthetubegoverningheat transfercharacteristicswithintherangeoftheheatedsectiontemperature(20℃〜90℃),were

investigated

1 ． はじめに

I

3． 実験方法

自作したガラス製サーモサイフォンで蒸留水を作

動液とし，加熱部温度(100℃),加熱部長さ一定の

させると， それに対応する熱輸送量も変化し最大熱 輸送辻は,V+=0.45〜0.70の範囲で得られる。又､他 のV+に対しては，熱輸送量が多かれ少かれ減少し

前に報告した。

本実験で･は新たに自作した全長2mのガラス製 サーモサイフォンを用いて，加熱部温度，封入比の

ンの熱輸送量はV+=0.02, 0.50で以前の実験から予

期される特性を示した。

実験手順を以下に述べる。

(a)サーモサイフォン内部をアセトンで洗浄する

(b)真空ポンプによりサーモサイフオンからの排

(c) 0.02Torrに到達後，十分に脱気した(30分間 沸騰）蒸留水の封入を行なう （最初の封入比V+は封 入量/加熱部容積で0．02である｡)。

(d)冷却水を冷却ジャケットへ流し， その入口，

出口の温度が定常になった状態をそれぞれの熱電対

で確認する。

(e) ヒーターに通電し，加熱水温度を確認しサー

冷却水入口，出口温度を測定する。

(f)封入比V+を順次増加させ(e)で述べた操作を

繰返す。

(g)熱輸送量は次式により求める。

Q(W)=4.19×Gz{) (ら迦 一吟")×C/S ここでGzOは冷却水量，島ut及びムnは冷却水出口，入 口の温度,Cは蒸留水の比熱,SはG"の流出時間

である。

ｌ Ｉ

■■■■■■Ⅱ■■■■００︲１１１ⅡⅡⅡ■ⅡⅡＦ１６Ⅱｌ︲凸■Ｂａ日ロロⅡⅡ■０１Ａ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ｐ■■■■■■■■■■■ｐ１■■■■日日・■日日■■■■■ローｐ・■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ｒ

2． 実験装置

実験装置の概要を図2に示す。

装置はガラス製サーモサイフォン本体，加熱部，

冷却部および熱輸送量測定部などから構成されてい る。それらの主要寸法は図2に示し，特に冷却部は 透明アクリル管を用い凝縮部の観察が容易になるよ う配慮した｡加熱部への熱入力は図1に示すように，

ガラス容器に入れた加熱水を通じて行なうが，加熱 部の垂直方向加熱温度均一化のため，容器の下部よ

l)空気を送り攪梓する装置を加えた。

I

4． 実験結果と考察

4． 1 蒸留水を作動液体とした場合

(a)封入比V+=,0.02〜0.06

︒■巳■■■■■■■■■■■■■Ｌ■■ＦＩｂ■■ワザ■■■■■矛〃且Ｐ︲ＩｏＰ０ｐ■■■■■

1 1 1

昭和63年2月

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河

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山崎 保 輔

図2 実験装喬の寸法

以前の報告')と同様， 突然沸騰が生じそのサイクル は加熱温度の上昇と共に増加するが，時間間隔も次 第に安定してくるようである。

V+=0.02は図5に示すようにV+=0.06より熱輸 送量が加熱温度全体に渡って小さく 70℃以上で特 に熱輸送量の増加が減少している。 この主因は観察 から把えられるが，加熱温度の上昇と共に環流液量 が減少し， 80℃を超えると下部には作動液である蒸 留水がほとんど無くなる状態に依るもので，蒸発は 加熱部上部で行なわれるのみとなる。従ってこの

のとはならずV十=0.06程度の封入比に至って加熱 温度と共に滑らかな上昇を示す。この二つの封入比 では凝縮液環流状況．加熱部蒸発挙動（熱輸送量は 異なるが)，に大きな違いは観られず，これ以上の封 入比による熱輸送量よりも図5から知れるように小

⑳

①サーモサイフォン

②真空ポンプ

③冷却管

④作動水

⑤ピラニ真空計

⑥冷却水入口熱電対

⑦冷却水出口熱電対

⑧加熱水熱電対

⑨サーモサイフォン内凝縮部熱電対

⑩サーモサイフォン内蒸発部熱電対

⑪作動水注入用メスシリンダー

⑫冷却水水槽

⑬ペンレコーダー

⑭零接点

⑮流量測定装置

⑯水道．",ク

⑰真空．ソク

⑬加熱水

⑲圧力センサー

⑳アンプ°

⑳ヒーター

⑳エアコンープレソサー

(b)封入比V+=0．ll〜0.25

(a)と同様突然沸騰が観られ，そのサイクルは40℃程

クルの間隔は小さく規則的になってくる様子が明確 に把えられる。加熱部の温度が70℃を超えても凝縮．

液の環流がサーモサイフオン下部の蒸留水に達し突 沸時を除けば安定した作動状況が観察される。これ

等の状況から熱輸送量(図5)の増加は加熱温度上昇 実験装置の概要

図1

秋田高専研究紀要第23号

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1m

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密閉型二相サーモサイフォンの研究

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△

1.‐封へ81t加熱部容愉】

△0．23

▲0．50

９８７６５ム３

△

△

沸購回数一回／／分言 △△△

(a) (b) (c)

図3 凝縮の様子

に対し滑らかでV+=0.llと0.25の間に差が見ら れない。

以上， 異なる4種類の封入比に於けるサーモサイ フオンi疑鏥状態を図3(a), (b)に示す。環流液最の差 はあるが， いずれも滴状唖鏥を呈し封入比による明 確な相違は特に無い。サーモサイフォン加熱部から 上昇した蒸気は冷却部で滴状暁縮を起こし，樅縮し た非常に小さな粒子と呼ぶべき液滴が急速に短時間 (10秒前後)で成長する過程があI) ,成長した液滴は 一体化し重力によ )加熱部へ環流する。 この環流直 後，その壁面に再び滴状齪縮が飴ま￨) ，図3(a)(b)の ようにいったん環流路が定まると(a)→(b), (b)→(a)の 凝縮，環流の隣接した形態が発生し， この状態を大

きく乱すことなく持続する。

△

△

△

△

△

△△

▲

1

0

▲ ▲

△

℃

→加熱温度(℃）

図4 沸騰回数一加熱温度

1．.(対人敬加熱部容積）

○0. 1)2

① （).()6

● 11．11

△ I).25

▲ 11．50

吋人前サーモサイフォン内圧力 0.O25Torr 伽

Ｌ■■■ＤＩＩ巳Ⅱ１日ⅡｒＩ０ｒｌＩＩｌｌＩｐｌｌⅡⅡｐｌｈ？１日■■■■■■■ⅡⅡⅡ８７ｌ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■８０二口且Ｕ６■■■Ⅱ１１■■Ｉ■■■■■■■ｒ﹂■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ＩⅡⅡ−

(c)封入比V+=0.50

二の封入比では，作動液自体の圧力が特に下部に於 いて大きくなるので沸騰が抑えられるためサーモサ イフォンの始動が特に悪<, 70℃程度まで沸騰は1 分間に1回程度であI)熱輸送量も他のV+に対する 場合に比べ低下している （図4， 5)。

しかし70℃を超えると沸騰回数が10回を超え急激 に熱輸送量も増大し80℃以上では他の4種類のV+

に対し勝る結果となっている。 この事実は以前に報 告')した，加熱部温度100℃に対する封入比の熱輸送 量への影響で，熱輸送量の最大値がV+=0.45〜0.

70の範囲にある事から裏付けられる。

又， この場合の作動状態は突然沸騰によI)作動液の 相当量が冷却部上端まで上昇，下降し下部の液を刺

見られる。冷却部では滴状凝縮による熱輸送から，

上昇する作動液による顕熱輸送への傾向が強まる。

図3(c)はその冷却部の様子である。

剛 ▲

●①一Ｃ一− ４

①▲●四○

●ら

●︑

●

さご熱輸送量？

剛

4㈹

期

卿

1㈹

１１

→加熱温度(℃）

1 1

図5$ 黙輸送量一加熱温度

1 1 I

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昭和63年2月

0−

年』

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で滑らかに増加する。特にV+=0.5()の場合,加熱部 温度60℃以下ではサーモサイフォンがほとんど作 動しない。

一

5． 結 員閥

作動液として蒸留水を用いたガラス製密閉型二相 サーモサイフォンによI) 5種類の封入比に対する熱 輸送量一加熱部温度の関係を求め，作動状況観察

も含めて実験を進めた。要点を以下に述べる。

(l) 平滑面から成るガラス製サーモサイフォンで は沸騰が間欠的である。

(2) V+=0.02, 0.50の熱輸送量は加熱部温度 (20℃〜90℃）に対し変動が大きくV+=0.06〜0.25

参考文献

・相場，秋田工業高等専門学校研究紀要，

21,pp・ 17‑20, 1986.

Casarosa・ 他2名． Int, J, HeatMass l) 山崎・相場，秋圧

No.21,pp・17‑20,

Transfer,26‑6,p 2）

933（1983）

秋田高専研究紀要第23号

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