JP4705840B2 - ループ型ヒートパイプ - Google Patents

Description

この発明は、潜熱として熱を輸送する作動流体を蒸発させる蒸発器と、その作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器とが、循環管路をなすように連結されたループ型ヒートパイプに関するものである。

ループ型ヒートパイプは、蒸発器で蒸発させた作動流体の蒸気を、蒸気管を介して凝縮部に送り、その凝縮部で放熱させて凝縮させることにより、作動流体の潜熱として熱を輸送するように構成されたヒートパイプである。また、凝縮器で生じた作動液は、液戻り管を介して蒸発器に還流させるようになっている。したがって、ループ型ヒートパイプにおいては、作動液と作動流体蒸気とがそれぞれ異なる管路を流動することになるので、相互の流動が干渉したり阻害されたりすることがなく、熱輸送特性に優れている。

そこで、従来では、長い距離に亘る熱輸送や高低差のある熱輸送に使用することが試みられており、その例が特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されている。

特許文献１に記載されたループ型ヒートパイプは、相対的に高い位置に設けた蒸発部から相対的に低い位置に設けた凝縮部に熱を輸送するいわゆるトップヒートモードで使用するように構成されたものであり、作動流体の循環流動を確実に生じさせるために、ポンプを凝縮部の下流側に設け、また逆止弁を配置している。

また、特許文献２に記載されたループ型ヒートパイプでは、作動流体の循環流動を確実にするため、管路の途中に逆止弁を設け、また作動流体の不足によるいわゆるドライアウトを回避するために、バッファータンクを設けている。

さらに、特許文献３に記載されたループ型ヒートパイプでは、いわゆるトップヒートモードで使用することに伴い、休止状態で作動液が下側の凝縮部に溜まるため、起動時にその凝縮部の作動液を加熱して蒸発させる起動用のヒータを設けている。また、その起動時に生じた蒸気が蒸気管を逆流しないようにするために、多孔質仕切り板が蒸気管の内部に設けられている。

そして、特許文献４に記載されたループヒートパイプでは、上部の凝縮部で生じた液相の作動流体を、凝縮液流路に設けたバルブの開度を減じることにより、部分的に貯留し、これによって作動流体の一定方向の流動を安定的に生じさせるように構成されている。
特開平４−２８９９８号公報 特開平６−２５７９６９号公報 特開２００２−３４０４８９号公報 特開２００３−１４８８８２号公報

しかしながら、ヒートパイプの利点は、蒸発部と凝縮部との間に温度差もしくは熱エネルギー差が生じることにより自動的に動作して熱輸送する点にあり、上述した特許文献１に記載されているようにポンプを設けたのでは、蒸発部と凝縮部との高低差を大きくできるとしても、制御が必要になり、またポンプを駆動するエネルギーを要するなど、ヒートパイプの利点が損なわれる可能性がある。また、特許文献３に記載されているように、起動のためにヒータを設けた場合にも、同様の問題がある。さらに、作動流体を一方向に安定的に流動させるために、上述した逆止弁やバルブを設けると、これらが作動流体の流動抵抗となるので、熱輸送能力が阻害される可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、熱輸送能力に優れ、いわゆるトップヒートモードでの作動液の還流高さを高くすることのできるループ型ヒートパイプを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内部に封入された作動流体を外部からの入熱によって蒸発させる蒸発器と、外部に放熱することにより前記作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器とが、前記蒸気を前記蒸発器から前記凝縮器に向けて流通させる蒸気管と、液相の作動流体を凝縮器から前記蒸発器に向けて流通させる液戻り管とによって、全体として環状をなすように接続されたループ型ヒートパイプにおいて、前記液相の作動流体を貯留しかつ外周部が放熱構造とされた液溜め器が前記蒸発器に隣接して設けられ、その液溜め器から前記蒸発器に向けて延びかつ蒸発器側の端部が閉じるとともに液溜め器側の端部が開口した筒状の多孔質ウイック材が設けられ、前記液戻り管の先端部が前記ウイック材の内部にウイック材の内面を液相の作動流体が流通するように挿入されて前記液溜め器の内部に連通するとともに、前記蒸発器の内面と前記ウイック材の外面との間の空間部に前記蒸気管が連通し、前記ウイック材の外面に接触して前記空間部から前記液溜め部への前記蒸気の流通を遮蔽する遮蔽部が設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記放熱構造は、前記液溜め器の外周面積を、前記蒸発器の外周面積より大きくした構造によって構成されていることを特徴とするループ型ヒートパイプである。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記放熱構造は、前記液溜め器の外面に設けられた放熱フィンによって構成されていることを特徴とするループ型ヒートパイプである。

そして、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記放熱構造は、前記液溜め器の外面に輻射率増大処理によって形成された放熱面によって構成されていることを特徴とするループ型ヒートパイプである。

この発明によれば、蒸発器に対して外部から熱を加え、また凝縮器から放熱させることにより、蒸発器において作動流体が蒸発し、その蒸気が蒸気管を介して凝縮器に流動し、ここで放熱して凝縮する。すなわち、作動流体の潜熱として熱が輸送される。凝縮器においては、蒸気管から継続的に作動流体蒸気が供給され、これに対して液戻り管が液溜め器に連通しているので、蒸気管側と液戻り管側とのエネルギー差が大きく、そのエネルギー差によって液相との作動流体が蒸発器側もしくは液溜め器側に加圧されて還流させられる。

特に、蒸発器に対して外部から入熱があるのに対して、これに隣接する液溜め器は、積極的に放熱する放熱構造を有しているので、蒸発器の内部の圧力が高くなるとしても、液溜め器は冷却されて相対的に低圧となり、そのために液相の作動流体が積極的に還流させられる。換言すれば、液相作動流体に対する還流圧力が高くなり、その結果、いわゆるトップヒートモードで熱輸送を行う場合の液相作動流体の還流高さを高く、大きい高低差があっても良好に熱輸送することができる。

また、液溜め器と蒸発器とは、多孔質構造のウイック材で仕切られているので、蒸発器の内部圧力が液溜め部の内部圧力を高くするように影響することが少なく、さらにそのウイック材によって液溜め器から蒸発器に液相の作動流体を毛細管圧力によって供給できるので、自動的に始動させることができる。

以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明によるループ型ヒートパイプ１は、図１に示すように外部から加熱される蒸発器２と液相の作動流体を溜める液溜め器３とが一体に形成されたコンテナ４と、外部に熱を放散する凝縮器５とが、蒸気管（ベーパライン）６と液戻り管（リキッドライン）７とによって環状管路を形成するように連通されている。

上記のコンテナ４は、蒸発器２とされている小径部分と、液溜め器３とされている相対的に大径の部分とからなり、これらの各部分は、更に小径の接続部４Ａによって連通されている。この接続部４Ａの内部には、焼結金属や焼結セラミックなどからなる多孔質のウイック材８が密着して嵌合されている。このウイック材８は、図１に示すように蒸発器２側の端部が閉じ、かつ液溜め器３側が開口した筒状の部材であり、このウイック材８の内部に液戻り管７の先端部が液溜め器３側から挿入されている。

一方、ウイック材８のうち蒸発器２の内部に挿入されている部分は、蒸発器２の内面に部分的に接触している。すなわち、蒸発器２は外部から加熱され、その熱を作動流体に与えて作動流体を蒸発させる装置であり、またウイック材８は毛細管作用によって液相の作動流体を吸引してその表面に導く部材である。そのために、ウイック材８に浸透している液相の作動流体を蒸発器２に接触させるために、ウイック材８が蒸発器２の内面に接触させられている。

これに対して、蒸発器２の内面で加熱されて蒸発した作動流体蒸気を流動させるための蒸気流路９が、蒸発器２の内部に形成されている。その蒸気流路９の一例は、蒸発器２の内周面に軸線方向に沿って形成した凹溝であり、窪んでいる部分（バリー）同士の間の部分（ランド）が、ウイック材８の外径とほぼ等しい内径であり、したがってウイック材８の外周面が、そのランドの部分に接触し、この部分でウイック材８に浸透している液相の作動流体と蒸発器２との間で熱授受するように構成されている。

ウイック材８の閉じている先端部は、図に示すように、蒸発器２の端面から離隔しており、したがって蒸気流路９は蒸発器２における前記ウイック材８の先端部側の空間部を介して互いに連通している。言い換えれば、その空間部をいわゆるヘッダーとして集合している。そして、蒸発器２の前記液溜め器３とは反対側の端部に蒸気管６が接続されている。

この蒸気管６と前述した液戻り管７とが、凝縮器５の互いに反対側の端部に接続されている。この凝縮器５は、作動流体から放熱させる装置であって、前記蒸気管６および液戻り管７が接続された中空容器もしくはパイプに放熱フィン１０を取り付けた構成とされている。

このように前記液溜め器３および蒸発器２と凝縮器５とを、蒸気管６と液戻り管７とによって連通させた循環路の内部に、脱気した状態で作動流体１１が封入されている。この作動流体１１は、通常のヒートパイプにおける作動流体と同様に、加熱されて蒸発し、その蒸気が流動した後に放熱して凝縮することにより、潜熱として熱を輸送する、作動温度範囲で凝縮性を示す流体であって、水やアルコール、アンモニア水、不凍液などが採用されている。そして、その作動流体１１の封入量は、入熱および放熱の生じていない非動作状態で、前記液溜め器３での液面が、前記ウイック材８に接触し、もしくはウイック材８の一部を浸漬させる程度以上の量に設定されている。ウイック材８に常時、液相の作動流体を浸透させておくためである。

したがって、上記の蒸発器２の内部と液溜め器３の内部とは、ウイック材８によって仕切られている。そのウイック材８は多孔質構造であり、微細な空隙が迷路のように形成されているが、その空隙には液相の作動流体が毛細管作用によって浸透しているので、結局はその空隙が閉じられている。そのため、蒸発器２の内部と液溜め器３の内部とは、作動流体１１の蒸気が流通しないように互いに遮蔽されている。

このように蒸発器２から液溜め器３に作動流体蒸気が流れ込まないように構成することにより、蒸発器２の圧力が液溜め器３の内部の圧力に影響しないようになっており、これに加えて、液溜め器３の内部の圧力を下げるために、液溜め器３には放熱構造が設けられている。これは、蒸発器２に対しては外部から熱が加えられるのに対して、その蒸発器２に隣接する液溜め器３では熱を外部に逃がすことにより、内部の温度を下げて圧力を低下させるためのものであり、図１に示す構成では、液溜め器３の外周面に多数の放熱フィン１２が取り付けられている。

つぎに上記のループ型ヒートパイプの作用について説明する。図１に示すループ型ヒートパイプは、蒸発器２を凝縮器５に対して相対的に上側に配置し、蒸発器２に与えた熱をそれより下側の凝縮器５で放熱させるいわゆるトップヒートモードで使用することができる。非動作状態においても、液溜め器３に溜められた液相の作動流体１１がウイック材８に浸透し、ウイック材８を湿潤しているので、蒸発器２に外部から熱を加えると、蒸発器２の内面にウイック材８が接触している部分で、そのウイック材８に浸透している作動流体が加熱され、その結果、作動流体１１が蒸発する。蒸発器２は、ウイック材８およびこれに浸透している液相の作動流体によって液溜め器３に対して遮蔽されているので、作動流体蒸気は蒸気流路９から蒸気管６に向けて流れ、さらにその蒸気管６を通って凝縮器５に到る。そして、作動流体蒸気は凝縮器５で放熱して液化する。すなわち、潜熱の形で熱を輸送する。

一方、液溜め器３は蒸発器２に隣接しているが、蒸発器２から作動流体蒸気が流入しないうえに、放熱フィン１２によって外部に熱を逃がして内圧が高くならないようになっているので、凝縮器５側の作動流体蒸気の圧力に対して液溜め器３の圧力が相対的に低く維持されている。したがって、凝縮器５と液溜め器３との間に圧力差あるいはエネルギー差が生じ、凝縮器５で液化した作動流体が、重力に抗して液溜め器３側に還流する。そして、液戻り管７の先端部から流出した液相の作動流体１１は、ウイック材８に浸透し、また余剰の液相作動流体１１は、ウイック材８の内部を通って液溜め器３に流入する。こうしてウイック材８に浸透した作動流体１１は、その毛細管作用によって蒸発器２の内面に供給され、前述したのと同様に、加熱されて蒸発することによりその潜熱として熱を輸送する。

このように、液溜め器３と蒸発器２との間に配置されているウイック材８が多孔質構造であっても、液相の作動流体１１が浸透してその内部の空隙を閉じているので、蒸発器２の内部圧力の上昇が液溜め器３に及ぶことが防止もしくは抑制されている。また、液溜め器３が蒸発器２側に配置されているものの、その放熱構造によって内部圧力が高くなることが積極的に抑制されているので、凝縮器５と液溜め器３との相対的な圧力差もしくはエネルギー差が大きくなる。そのため、液相作動流体１１を蒸発器２側に還流させる能力を向上させることができ、いわゆるトップヒートモードでの凝縮器５から液溜め器３に液相の作動流体１１が還流する高さを高くすることができる。

なお、この発明の特徴は、液相作動流体の蒸発器側への還流を促進するために、蒸発器に隣接して設けられ、かつ液戻り管が連通している液溜め器の内圧あるいは内部のエネルギーを蒸発器に対して可及的に低下させるように構成した点にあり、したがって液溜め器における放熱構造は、上述した放熱フィンを設けた構成に限定されない。

上記の放熱フィンに替わる放熱構造としては、液溜め器を、内部温度より低い温度の雰囲気に配置するとともに、その外径を蒸発器の外径より大きくした構造を挙げることができる。このような構造であれば、放熱フィンに替わって、液溜め器の外表面から積極的に熱放散が生じ、その内部の圧力が高くなることを効果的に抑制もしくは防止することができる。

また、他の放熱構造の例を挙げると、液溜め器の外表面に輻射率増大処理による放熱面を形成する構造である。その輻射率増大処理は、例えば液溜め器の外表面に黒体膜を形成し、あるいは塗装を施す処理である。このような放熱面を形成することにより、液溜め器からの熱輻射を促進し、その内部の圧力が高くなることを効果的に抑制もしくは防止することができる。

さらに、この発明における放熱構造は、上述した放熱フィンを設けた構造、外径を相対的に大きくして放熱面積を増大させる構造、輻射率増大処理による放熱面を形成する構造を択一的に施した構造に限らず、これらを適宜に組み合わせた構造としてもよい。

この発明のループ型ヒートパイプの一具体例を簡略的に示す平面図である。

符号の説明

１…ループ型ヒートパイプ、 ２…蒸発器、 ３…液溜め器、 ５…凝縮器、 ６…蒸気管、 ７…液戻り管、 ８…ウイック材、 １１…作動流体、 １２…放熱フィン。

Claims (4)

1. 内部に封入された作動流体を外部からの入熱によって蒸発させる蒸発器と、外部に放熱することにより前記作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器とが、前記蒸気を前記蒸発器から前記凝縮器に向けて流通させる蒸気管と、液相の作動流体を凝縮器から前記蒸発器に向けて流通させる液戻り管とによって、全体として環状をなすように接続されたループ型ヒートパイプにおいて、
   前記液相の作動流体を貯留しかつ外周部が放熱構造とされた液溜め器が前記蒸発器に隣接して設けられ、その液溜め器から前記蒸発器に向けて延びかつ蒸発器側の端部が閉じるとともに液溜め器側の端部が開口した筒状の多孔質ウイック材が設けられ、前記液戻り管の先端部が前記ウイック材の内部にウイック材の内面を液相の作動流体が流通するように挿入されて前記液溜め器の内部に連通するとともに、前記蒸発器の内面と前記ウイック材の外面との間の空間部に前記蒸気管が連通し、前記ウイック材の外面に接触して前記空間部から前記液溜め部への前記蒸気の流通を遮蔽する遮蔽部が設けられていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 前記放熱構造は、前記液溜め器の外周面積を、前記蒸発器の外周面積より大きくした構造によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
3. 前記放熱構造は、前記液溜め器の外面に設けられた放熱フィンによって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 前記放熱構造は、前記液溜め器の外面に輻射率増大処理によって形成された放熱面によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のループ型ヒートパイプ。

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