JP2002364991A - 強制振動流型ヒートパイプ及びその設計方法 - Google Patents
強制振動流型ヒートパイプ及びその設計方法Info
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- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
- F28F13/10—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by imparting a pulsating motion to the flow, e.g. by sonic vibration
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）
を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供す
る。 【解決手段】 ヒートパイプ本体１は、吸熱部７と放熱
部８との間で蛇行する閉ループ流路２を有する。ヒート
パイプ本体１の流路２内には、封入流体が封入されてい
る。流路２の両端末の連結部分２ａには、バイブレータ
３が設けられている。バイブレータ３を作動すると、流
路２内に封入された封入流体に振動流が生じる。流路２
内における封入流体の振動流は、隣り合う流路内で逆位
相となる。このコスモスヒートパイプにおいては、無次
元実効熱拡散率κef *がドリームパイプを上回る修正ウ
オマスリー数αの範囲を選択する観点から、修正ウオマ
スリー数αを０．４〜７とした。
を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供す
る。 【解決手段】 ヒートパイプ本体１は、吸熱部７と放熱
部８との間で蛇行する閉ループ流路２を有する。ヒート
パイプ本体１の流路２内には、封入流体が封入されてい
る。流路２の両端末の連結部分２ａには、バイブレータ
３が設けられている。バイブレータ３を作動すると、流
路２内に封入された封入流体に振動流が生じる。流路２
内における封入流体の振動流は、隣り合う流路内で逆位
相となる。このコスモスヒートパイプにおいては、無次
元実効熱拡散率κef *がドリームパイプを上回る修正ウ
オマスリー数αの範囲を選択する観点から、修正ウオマ
スリー数αを０．４〜７とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の発
熱体が発する熱を封入流体の振動流によって輸送する強
制振動流型ヒートパイプに関する。特には、輸送熱量と
加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とした強
制振動流型ヒートパイプに関する。また、そのようなヒ
ートパイプの設計方法に関する。
熱体が発する熱を封入流体の振動流によって輸送する強
制振動流型ヒートパイプに関する。特には、輸送熱量と
加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とした強
制振動流型ヒートパイプに関する。また、そのようなヒ
ートパイプの設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ヒートパイプは、封入流体を流動させて
大量の熱を輸送することができるデバイスであり、電子
回路基板に搭載される半導体素子等の発熱体の冷却に用
いられる。
大量の熱を輸送することができるデバイスであり、電子
回路基板に搭載される半導体素子等の発熱体の冷却に用
いられる。
【０００３】回路基板に搭載される部品の集積度は最近
一層高くなっており、ヒートパイプの小型化と熱輸送能
力の向上がより一層求められている。例えば、ノートブ
ック型パーソナルコンピュータの場合、ヒートパイプを
コンピュータ筐体内に納めるためには、パイプ径の細径
化や薄板化が求められている。さらに、液晶パネル背面
への熱輸送を図るためには、ヒートパイプのフレキシブ
ル化も求められている。
一層高くなっており、ヒートパイプの小型化と熱輸送能
力の向上がより一層求められている。例えば、ノートブ
ック型パーソナルコンピュータの場合、ヒートパイプを
コンピュータ筐体内に納めるためには、パイプ径の細径
化や薄板化が求められている。さらに、液晶パネル背面
への熱輸送を図るためには、ヒートパイプのフレキシブ
ル化も求められている。
【０００４】ヒートパイプの典型例としては、ウィック
型ヒートパイプを挙げることができる。これは、封入流
体の蒸発と凝縮とを利用し、凝縮した封入流体の吸熱部
（蒸発部）への還流を、ウィック（wick；灯心）等の毛
管力の作用によって行うものである。ところが、前述の
ウィック型ヒートパイプは、以下に述べる欠点を有して
いる。 （ａ）熱輸送量に上限界があり、この上限値がパイプ径
の減少とともに急速に低下する。 （ｂ）ヒートパイプの内部構造が、封入流体を還流させ
るためにやや複雑で特殊になる。
型ヒートパイプを挙げることができる。これは、封入流
体の蒸発と凝縮とを利用し、凝縮した封入流体の吸熱部
（蒸発部）への還流を、ウィック（wick；灯心）等の毛
管力の作用によって行うものである。ところが、前述の
ウィック型ヒートパイプは、以下に述べる欠点を有して
いる。 （ａ）熱輸送量に上限界があり、この上限値がパイプ径
の減少とともに急速に低下する。 （ｂ）ヒートパイプの内部構造が、封入流体を還流させ
るためにやや複雑で特殊になる。
【０００５】（ｃ）熱輸送量が不凝縮性ガス濃度に影響
され易い。 （ｄ）ウィック型ヒートパイプは、いわゆる受動型デバ
イス（外部から動力供給を行わずに作動するデバイス）
であり、トップヒート（top heat；吸熱部が重力方向
の上部にある状態）や微小重力場では作動することが困
難である。前記（ａ）あるいは（ｂ）の欠点を有するた
め、ウィック型ヒートパイプは細径化やフレキシブル化
が困難である。そのため、前記（ａ）〜（ｄ）の欠点を
解消した新たなヒートパイプが求められている。
され易い。 （ｄ）ウィック型ヒートパイプは、いわゆる受動型デバ
イス（外部から動力供給を行わずに作動するデバイス）
であり、トップヒート（top heat；吸熱部が重力方向
の上部にある状態）や微小重力場では作動することが困
難である。前記（ａ）あるいは（ｂ）の欠点を有するた
め、ウィック型ヒートパイプは細径化やフレキシブル化
が困難である。そのため、前記（ａ）〜（ｄ）の欠点を
解消した新たなヒートパイプが求められている。
【０００６】このような状況下で、封入流体の振動流に
よって効果的に熱輸送を行うことができる振動流型ヒー
トパイプが注目されている。この振動流型ヒートパイプ
は、以下に述べる（Ｉ）、（ＩＩ）のタイプに大きく分
けることができる； （Ｉ）封入流体の相変化を利用するタイプ このタイプは、蛇行閉ループに液体とその蒸気とをある
割合で封入し、自励的に発生する二相振動流や脈動流を
利用するものである。
よって効果的に熱輸送を行うことができる振動流型ヒー
トパイプが注目されている。この振動流型ヒートパイプ
は、以下に述べる（Ｉ）、（ＩＩ）のタイプに大きく分
けることができる； （Ｉ）封入流体の相変化を利用するタイプ このタイプは、蛇行閉ループに液体とその蒸気とをある
割合で封入し、自励的に発生する二相振動流や脈動流を
利用するものである。
【０００７】（ＩＩ）封入流体の相変化を利用しないタ
イプ このタイプは、強制振動流における拡散促進効果を利用
するもので、強制振動流型ヒートパイプと呼ばれる。こ
の強制振動流型ヒートパイプには、同位相式（ドリーム
パイプ）と逆位相式（コスモス式；Counter−Stream−M
ode Oscillating−Flow（ＣＯＳＭＯＳ））とがある。
ドリームパイプは、ヒートパイプ本体が細い管群となっ
ており、隣接する管内の振動流を同位相とするものであ
る。なお、このようなドリームパイプは、Kurzweg-Zha
o、Phys. Fluid、２７（１９８４）、２６２４−２６
２７により提案された。
イプ このタイプは、強制振動流における拡散促進効果を利用
するもので、強制振動流型ヒートパイプと呼ばれる。こ
の強制振動流型ヒートパイプには、同位相式（ドリーム
パイプ）と逆位相式（コスモス式；Counter−Stream−M
ode Oscillating−Flow（ＣＯＳＭＯＳ））とがある。
ドリームパイプは、ヒートパイプ本体が細い管群となっ
ており、隣接する管内の振動流を同位相とするものであ
る。なお、このようなドリームパイプは、Kurzweg-Zha
o、Phys. Fluid、２７（１９８４）、２６２４−２６
２７により提案された。
【０００８】コスモスヒートパイプは、ヒートパイプ本
体が蛇行閉ループとなっており、隣接する流路内の振動
流を逆位相とするものである。このコスモスヒートパイ
プは、ウィック式や相変化式のヒートパイプに比べて、
トップヒートへの対応性が高い。さらに、振動流の振幅
や周波数を変えることで熱輸送量をコントロールできる
ので、発熱体の温度コントロールが可能であるという利
点もある。さらには、パイプの細径化やフレキシブル化
への対応も可能と考えられる。
体が蛇行閉ループとなっており、隣接する流路内の振動
流を逆位相とするものである。このコスモスヒートパイ
プは、ウィック式や相変化式のヒートパイプに比べて、
トップヒートへの対応性が高い。さらに、振動流の振幅
や周波数を変えることで熱輸送量をコントロールできる
ので、発熱体の温度コントロールが可能であるという利
点もある。さらには、パイプの細径化やフレキシブル化
への対応も可能と考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コスモ
スヒートパイプは、まだ実用化されていない。本発明
は、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切
な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供すること
を目的とする。また、そのようなヒートパイプの設計方
法を提供することも目的とする。
スヒートパイプは、まだ実用化されていない。本発明
は、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切
な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供すること
を目的とする。また、そのようなヒートパイプの設計方
法を提供することも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の強制振動流型ヒートパイプは、吸熱部と放
熱部との間で蛇行する閉ループ流路を有するヒートパイ
プ本体と、 該流路内に封入された封入流体と、 該封
入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備し、
隣接する流路内の振動流を逆位相とするヒートパイプで
あって、 前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐ
ｒが１００以下であり、 以下の式で定義される修正ウ
オマスリー（Womersley）数αが０．４〜７であること
を特徴とする強制振動流型ヒートパイプ； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ） ω：振動の角周波数（単位１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
め、本発明の強制振動流型ヒートパイプは、吸熱部と放
熱部との間で蛇行する閉ループ流路を有するヒートパイ
プ本体と、 該流路内に封入された封入流体と、 該封
入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備し、
隣接する流路内の振動流を逆位相とするヒートパイプで
あって、 前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐ
ｒが１００以下であり、 以下の式で定義される修正ウ
オマスリー（Womersley）数αが０．４〜７であること
を特徴とする強制振動流型ヒートパイプ； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ） ω：振動の角周波数（単位１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【００１１】本発明の強制振動流型ヒートパイプの設計
方法は、吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路
を有するヒートパイプ本体と、 該流路内に封入された
封入流体と、 該封入流体に振動流を生じさせる加振機
構と、を具備し、 隣接する流路内の振動流を逆位相と
するヒートパイプの設計方法であって、 前記封入流体
のプラントル（Prandtle）数Ｐｒを１００以下とし、
以下の式で定義される修正ウオマスリー（Womersley）
数αを算出し、該数を０．４〜７の間で選択することを
特徴とする強制振動流型ヒートパイプの設計方法； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ） ω：振動の角周波数（単位１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
方法は、吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路
を有するヒートパイプ本体と、 該流路内に封入された
封入流体と、 該封入流体に振動流を生じさせる加振機
構と、を具備し、 隣接する流路内の振動流を逆位相と
するヒートパイプの設計方法であって、 前記封入流体
のプラントル（Prandtle）数Ｐｒを１００以下とし、
以下の式で定義される修正ウオマスリー（Womersley）
数αを算出し、該数を０．４〜７の間で選択することを
特徴とする強制振動流型ヒートパイプの設計方法； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ） ω：振動の角周波数（単位１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【００１２】本発明は、輸送熱量と加振エネルギーの比
（動作係数）を適切な範囲とする手法を提供し、強制振
動流型ヒートパイプの実用化・汎用化を促進できる。
（動作係数）を適切な範囲とする手法を提供し、強制振
動流型ヒートパイプの実用化・汎用化を促進できる。
【００１３】本発明の強制振動流型ヒートパイプにおい
ては、前記プラントル数Ｐｒが５０以下であり、 前記
修正ウオマスリー数αが０．４〜７であることが好まし
い。また、前記封入流体の比熱ｃpが、１００Ｊ／ｋｇ
・Ｋより大であることが好ましい。
ては、前記プラントル数Ｐｒが５０以下であり、 前記
修正ウオマスリー数αが０．４〜７であることが好まし
い。また、前記封入流体の比熱ｃpが、１００Ｊ／ｋｇ
・Ｋより大であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明す
る。まず、逆位相式（コスモス式）の強制振動流型ヒー
トパイプ（以下、コスモスヒートパイプという）の構成
について説明する。図１は、本発明の一実施例に係るコ
スモスヒートパイプの一例を示す模式図である。図１に
示すコスモスヒートパイプのヒートパイプ本体１は、吸
熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路２を有す
る。ヒートパイプ本体１の隣接する流路２間には、図の
上側から下側に延びる壁部１ａ（図１の例においては４
つ）と、図の下側から上側に延びる壁部１ｂ（図１の例
においては５つ）が存在する。
る。まず、逆位相式（コスモス式）の強制振動流型ヒー
トパイプ（以下、コスモスヒートパイプという）の構成
について説明する。図１は、本発明の一実施例に係るコ
スモスヒートパイプの一例を示す模式図である。図１に
示すコスモスヒートパイプのヒートパイプ本体１は、吸
熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路２を有す
る。ヒートパイプ本体１の隣接する流路２間には、図の
上側から下側に延びる壁部１ａ（図１の例においては４
つ）と、図の下側から上側に延びる壁部１ｂ（図１の例
においては５つ）が存在する。
【００１５】ヒートパイプ本体１の流路２内には、封入
流体が封入されている。この封入流体としては、後述す
る様々な液体等を用いることができる。ヒートパイプ本
体１の流路２の両端末の連結部分２ａには、バイブレー
タ（加振機構）３が設けられている。バイブレータ３と
しては、ソレノイドやダイヤフラム等を用いることがで
きる。このバイブレータ３を作動すると、流路２内に封
入された封入流体に振動流が生じる。流路２内における
封入流体の振動流は、隣り合う流路内で逆位相となる。
なお、このようなコスモスヒートパイプにおいては、長
手方向の端部、この例では図の上部が吸熱部７となり、
図の下部が放熱部８となる。
流体が封入されている。この封入流体としては、後述す
る様々な液体等を用いることができる。ヒートパイプ本
体１の流路２の両端末の連結部分２ａには、バイブレー
タ（加振機構）３が設けられている。バイブレータ３と
しては、ソレノイドやダイヤフラム等を用いることがで
きる。このバイブレータ３を作動すると、流路２内に封
入された封入流体に振動流が生じる。流路２内における
封入流体の振動流は、隣り合う流路内で逆位相となる。
なお、このようなコスモスヒートパイプにおいては、長
手方向の端部、この例では図の上部が吸熱部７となり、
図の下部が放熱部８となる。
【００１６】次に、参考例とし、同位相式（ドリーム
式）の強制振動流型ヒートパイプの構成について説明す
る。図２は、同位相式（ドリーム式）の強制振動流型ヒ
ートパイプの一例を示す模式図である。図２に示すドリ
ームパイプのヒートパイプ本体１１は、温熱貯蔵部１２
と冷熱貯蔵部１３を有する。これらの貯蔵部１２、１３
間は、パイプ群１４で繋がれている。パイプ群１４は、
この例では５つの細い管群であり、それぞれは壁部１４
ａで仕切られている。両貯蔵部１２、１３及びパイプ群
１４の流路１５内に、封入流体が封入されている。ヒー
トパイプ本体１１の冷熱貯蔵部１３には、ソレノイドや
ダイヤフラム等からなるバイブレータ（加振機構）１６
が設けられている。このバイブレータ１６を作動する
と、ヒートパイプ本体１１内に封入された封入流体に振
動流が生じる。流路１５内における封入流体の振動流
は、隣り合う流路内で同位相となる。
式）の強制振動流型ヒートパイプの構成について説明す
る。図２は、同位相式（ドリーム式）の強制振動流型ヒ
ートパイプの一例を示す模式図である。図２に示すドリ
ームパイプのヒートパイプ本体１１は、温熱貯蔵部１２
と冷熱貯蔵部１３を有する。これらの貯蔵部１２、１３
間は、パイプ群１４で繋がれている。パイプ群１４は、
この例では５つの細い管群であり、それぞれは壁部１４
ａで仕切られている。両貯蔵部１２、１３及びパイプ群
１４の流路１５内に、封入流体が封入されている。ヒー
トパイプ本体１１の冷熱貯蔵部１３には、ソレノイドや
ダイヤフラム等からなるバイブレータ（加振機構）１６
が設けられている。このバイブレータ１６を作動する
と、ヒートパイプ本体１１内に封入された封入流体に振
動流が生じる。流路１５内における封入流体の振動流
は、隣り合う流路内で同位相となる。
【００１７】次に、コスモスヒートパイプについて、輸
送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲
とするための設計条件について説明する。図１に示すよ
うなコスモスヒートパイプについて、平行平板間の幅２
Ｈの二次元流路内で、流路長さ方向ｙの圧力勾配Ｐｃｏ
ｓ[ωｔ]（Ｐ：振動流の圧力振幅（単位Ｐａ）、ω：バ
イブレータの振動の角周波数（単位１／ｓ）、ｔ：時間
（単位ｓ））によって誘起される周期定常な層流振動流
を考える。なお、以下の説明においては、簡単のため流
路壁の厚さはゼロとする。このように仮定しても、銅や
アルミニウム等の標準的な材料で通常の厚さ（例えば
０．１〜０．３ｍｍ）を選択する限りにおいては、大勢
に影響はない。
送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲
とするための設計条件について説明する。図１に示すよ
うなコスモスヒートパイプについて、平行平板間の幅２
Ｈの二次元流路内で、流路長さ方向ｙの圧力勾配Ｐｃｏ
ｓ[ωｔ]（Ｐ：振動流の圧力振幅（単位Ｐａ）、ω：バ
イブレータの振動の角周波数（単位１／ｓ）、ｔ：時間
（単位ｓ））によって誘起される周期定常な層流振動流
を考える。なお、以下の説明においては、簡単のため流
路壁の厚さはゼロとする。このように仮定しても、銅や
アルミニウム等の標準的な材料で通常の厚さ（例えば
０．１〜０．３ｍｍ）を選択する限りにおいては、大勢
に影響はない。
【００１８】本発明者等が「機論Ｂ編、６０（１９９
４）、３４９８−３５０３（史小宏・西尾茂文・舟津功
治）」及び「Int．J．Heat&Mass Transfar、３８（１
９９５）、２４５７−２４７０（S.Nishio、X.-H.Shi
and W.-M.Zhang）」に示したように、コスモスヒート
パイプの無次元実効熱拡散率κef *に関しては、次の
「数１」が成立する；
４）、３４９８−３５０３（史小宏・西尾茂文・舟津功
治）」及び「Int．J．Heat&Mass Transfar、３８（１
９９５）、２４５７−２４７０（S.Nishio、X.-H.Shi
and W.-M.Zhang）」に示したように、コスモスヒート
パイプの無次元実効熱拡散率κef *に関しては、次の
「数１」が成立する；
【数１】 なお、上式において、‘≡’は‘定義する’という意味
である。
である。
【００１９】この「数１」において、ｉは虚数単位、Ｒ
ｅ[Ｘ]はＸの実部を意味する。さらに、Ｐｒはプラント
ル（Prandtle）数を表し、αは修正ウオマスリー（Wome
rsley）数を表す。ここで、修正ウオマスリー数αは、
次式で定義される； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 但し、Ｈ：パイプ（図１参照）の流路幅の半分（単位
ｍ） ω：バイブレータ（図１参照）の振動の角周波数（単位
１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
ｅ[Ｘ]はＸの実部を意味する。さらに、Ｐｒはプラント
ル（Prandtle）数を表し、αは修正ウオマスリー（Wome
rsley）数を表す。ここで、修正ウオマスリー数αは、
次式で定義される； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 但し、Ｈ：パイプ（図１参照）の流路幅の半分（単位
ｍ） ω：バイブレータ（図１参照）の振動の角周波数（単位
１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【００２０】さらに、「数１」におけるＭuは、次の
「数２」で与えられる；
「数２」で与えられる；
【数２】 但し、β≡Ｈ√(２ω/ｖ) ｖ：封入流体の動粘性係数（単位ｍ2／ｓ） である。さらに、「数１」において、 κef：封入流体の実効熱拡散率（単位ｍ2／ｓ） Ｓ：振動流の体積振幅（単位ｍ） である。
【００２１】一方、図３に示すドリームパイプが、単位
長さと単位温度勾配（温度勾配Ω＝１（単位Ｋ／ｍ））
を有するものとし、このようなドリームパイプが輸送可
能な熱量（単位Ｗ）と振動流を駆動するための仕事との
比を基準動作係数ηseと呼ぶと、これは次の「数３」で
与えられる；
長さと単位温度勾配（温度勾配Ω＝１（単位Ｋ／ｍ））
を有するものとし、このようなドリームパイプが輸送可
能な熱量（単位Ｗ）と振動流を駆動するための仕事との
比を基準動作係数ηseと呼ぶと、これは次の「数３」で
与えられる；
【数３】 但し、Ａc：コスモスヒートパイプの流路総断面積
（ｍ2） ｃp：定圧比熱（単位Ｊ／ｋｇ・Ｋ） ｕ：封入流体の流速（単位ｍ／ｓ） である。
（ｍ2） ｃp：定圧比熱（単位Ｊ／ｋｇ・Ｋ） ｕ：封入流体の流速（単位ｍ／ｓ） である。
【００２２】「数１」によれば実効熱拡散率κefはＳ2
に比例し、「数３」によれば基準動作係数ηseはＳに依
存しないことがわかるので、振動流の体積振幅Ｓはシス
テムが許容できる最大の値とすることが妥当である。そ
こで、本実施例では、振動流の体積振幅Ｓを所与とし、
無次元実効熱拡散率κef *と動作係数を最大にする条件
について考察する。
に比例し、「数３」によれば基準動作係数ηseはＳに依
存しないことがわかるので、振動流の体積振幅Ｓはシス
テムが許容できる最大の値とすることが妥当である。そ
こで、本実施例では、振動流の体積振幅Ｓを所与とし、
無次元実効熱拡散率κef *と動作係数を最大にする条件
について考察する。
【００２３】まず、無次元実効熱拡散率を最大にする条
件について考察する。図３は、無次元実効熱拡散率κef
*を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐ
ｒをパラメータとして示したグラフである。図３のグラ
フにおいて、縦軸は無次元実効熱拡散率κef *を表し、
横軸は修正ウオマスリー数αを表す。白抜き記号はコス
モスヒートパイプを表し、○、□及び◇は、それぞれプ
ラントル数をＰｒ＝０．０１、１及び１００とした場合
の値を示す。黒塗り記号はドリームパイプを表し、●、
▲、■及び◆は、それぞれプラントル数をＰｒ＝０．０
１、０．１、１及び１００とした場合の値を示す。
件について考察する。図３は、無次元実効熱拡散率κef
*を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐ
ｒをパラメータとして示したグラフである。図３のグラ
フにおいて、縦軸は無次元実効熱拡散率κef *を表し、
横軸は修正ウオマスリー数αを表す。白抜き記号はコス
モスヒートパイプを表し、○、□及び◇は、それぞれプ
ラントル数をＰｒ＝０．０１、１及び１００とした場合
の値を示す。黒塗り記号はドリームパイプを表し、●、
▲、■及び◆は、それぞれプラントル数をＰｒ＝０．０
１、０．１、１及び１００とした場合の値を示す。
【００２４】図３のグラフからわかるように、コスモス
式ならびにドリーム式ヒートパイプの双方について、各
プラントル数Ｐｒで無次元実効熱拡散率κef *が最大と
なる修正ウオマスリー数αが存在する。最大値の具体的
な数値は、以下の通りである； （Ａ）コスモスヒートパイプの場合 （Ａ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正
ウオマスリー数α＝１．５６において無次元実効熱拡散
率κef *＝０．２２８。 （Ａ２）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝１．５６において無次元実効熱拡散率κef
*＝０．２９９。 （Ａ３）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝１．５７において無次元実効熱拡散率
κef *＝０．３００。
式ならびにドリーム式ヒートパイプの双方について、各
プラントル数Ｐｒで無次元実効熱拡散率κef *が最大と
なる修正ウオマスリー数αが存在する。最大値の具体的
な数値は、以下の通りである； （Ａ）コスモスヒートパイプの場合 （Ａ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正
ウオマスリー数α＝１．５６において無次元実効熱拡散
率κef *＝０．２２８。 （Ａ２）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝１．５６において無次元実効熱拡散率κef
*＝０．２９９。 （Ａ３）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝１．５７において無次元実効熱拡散率
κef *＝０．３００。
【００２５】（Ｂ）ドリーム式ヒートパイプの場合 （Ｂ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正
ウオマスリー数α＝１．３４において無次元実効熱拡散
率κef *＝０．００１５２。 （Ｂ２）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては修正、ウ
オマスリー数α＝１．８４において無次元実効熱拡散率
κef *＝０．０１２２。 （Ｂ３）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝２．８９において無次元実効熱拡散率κef
*＝０．０４２０。 （Ｂ４）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝３．１９において無次元実効熱拡散率
κef *＝０．０４７７。
ウオマスリー数α＝１．３４において無次元実効熱拡散
率κef *＝０．００１５２。 （Ｂ２）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては修正、ウ
オマスリー数α＝１．８４において無次元実効熱拡散率
κef *＝０．０１２２。 （Ｂ３）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝２．８９において無次元実効熱拡散率κef
*＝０．０４２０。 （Ｂ４）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝３．１９において無次元実効熱拡散率
κef *＝０．０４７７。
【００２６】本発明では、コスモスヒートパイプの無次
元実効熱拡散率κef *が、ドリームパイプを上回る修正
ウオマスリー数αの範囲を選択する観点から、修正ウオ
マスリー数αを０．４〜７とした。
元実効熱拡散率κef *が、ドリームパイプを上回る修正
ウオマスリー数αの範囲を選択する観点から、修正ウオ
マスリー数αを０．４〜７とした。
【００２７】次に、動作係数を最大にする条件について
考察する。目的の実効熱拡散率をκef、0とすると、「数
１」より次式が得られる；
考察する。目的の実効熱拡散率をκef、0とすると、「数
１」より次式が得られる；
【数４】
【００２８】この「数４」を「数３」に代入すると、次
の「数５」が得られる；
の「数５」が得られる；
【数５】
【００２９】図４は、「数５」における動作係数η
0を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐ
ｒをパラメータとして示したグラフである。同図（ａ）
がコスモスヒートパイプの場合を表し、同図（ｂ）がド
リームパイプの場合を表す。図４のグラフにおいて、縦
軸は「数５」における動作係数η0を表し、横軸は修正
ウオマスリー数αを表す。図４（ａ）のコスモスヒート
パイプについては、プラントル数をＰｒ＝０．０１、
０．１、１、１０及び１００とした場合のグラフを示
す。図４（ｂ）のドリームパイプについては、プラント
ル数をＰｒ＝０．１、１、１０及び１００とした場合の
グラフを示す。
0を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐ
ｒをパラメータとして示したグラフである。同図（ａ）
がコスモスヒートパイプの場合を表し、同図（ｂ）がド
リームパイプの場合を表す。図４のグラフにおいて、縦
軸は「数５」における動作係数η0を表し、横軸は修正
ウオマスリー数αを表す。図４（ａ）のコスモスヒート
パイプについては、プラントル数をＰｒ＝０．０１、
０．１、１、１０及び１００とした場合のグラフを示
す。図４（ｂ）のドリームパイプについては、プラント
ル数をＰｒ＝０．１、１、１０及び１００とした場合の
グラフを示す。
【００３０】図４のグラフからわかるように、コスモス
式ならびにドリーム式ヒートパイプの双方について、各
プラントル数Ｐｒでη0が最大となる修正ウオマスリー
数αが存在する。最大値の具体的な数値は、以下の通り
である；
式ならびにドリーム式ヒートパイプの双方について、各
プラントル数Ｐｒでη0が最大となる修正ウオマスリー
数αが存在する。最大値の具体的な数値は、以下の通り
である；
【００３１】（Ｃ）コスモスヒートパイプの場合（図４
（ａ）参照） （Ｃ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正
ウオマスリー数α＝１．７２において動作係数η0＝
０．５０３。 （Ｃ２）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝１．６９において動作係数η0＝０．
２１３。 （Ｃ３）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝１．８４において動作係数η0＝０．０５
０２。 （Ｃ４）プラントル数Ｐｒ＝１０に対しては、修正ウオ
マスリー数α＝１．８７において動作係数η0＝０．０
０５２５。 （Ｃ５）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝１．８７において動作係数η0＝０．
０００５２５。
（ａ）参照） （Ｃ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正
ウオマスリー数α＝１．７２において動作係数η0＝
０．５０３。 （Ｃ２）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝１．６９において動作係数η0＝０．
２１３。 （Ｃ３）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝１．８４において動作係数η0＝０．０５
０２。 （Ｃ４）プラントル数Ｐｒ＝１０に対しては、修正ウオ
マスリー数α＝１．８７において動作係数η0＝０．０
０５２５。 （Ｃ５）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝１．８７において動作係数η0＝０．
０００５２５。
【００３２】（Ｄ）ドリーム式ヒートパイプの場合（図
４（ｂ）参照） （Ｄ１）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝２．２５において動作係数η0＝２．
６７×１０-5。 （Ｄ２）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝３．２１において動作係数η0＝４．０２
×１０-4。 （Ｄ３）プラントル数Ｐｒ＝１０に対しては、修正ウオ
マスリー数α＝３．８４において動作係数η0＝８．７
３×１０-5。 （Ｄ４）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝３．８５において動作係数η0＝８．
８６×１０-6。
４（ｂ）参照） （Ｄ１）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝２．２５において動作係数η0＝２．
６７×１０-5。 （Ｄ２）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマ
スリー数α＝３．２１において動作係数η0＝４．０２
×１０-4。 （Ｄ３）プラントル数Ｐｒ＝１０に対しては、修正ウオ
マスリー数α＝３．８４において動作係数η0＝８．７
３×１０-5。 （Ｄ４）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウ
オマスリー数α＝３．８５において動作係数η0＝８．
８６×１０-6。
【００３３】この動作係数η0を最大にする条件は、
「数５」により、定圧比熱ｃpが互いに近い値の封入流
体であり、また振動流の体積振幅Ｓが固定した条件で目
的の実効熱拡散率κef、0を実現する際に、最も高い動作
係数を与える条件である。したがって、この動作係数η
0が最大になるように条件設定すると動作係数を適切な
範囲とすることができる。このように、振動流の体積振
幅Ｓが与えられたときに、動作係数η0と熱拡散率（無
次元実効熱拡散率κef）を最適にする条件が決定され
る。前述のα＝０．４〜７の範囲において、動作係数η
0はドリームパイプよりはるかに大きく、好ましい範囲
といえる。
「数５」により、定圧比熱ｃpが互いに近い値の封入流
体であり、また振動流の体積振幅Ｓが固定した条件で目
的の実効熱拡散率κef、0を実現する際に、最も高い動作
係数を与える条件である。したがって、この動作係数η
0が最大になるように条件設定すると動作係数を適切な
範囲とすることができる。このように、振動流の体積振
幅Ｓが与えられたときに、動作係数η0と熱拡散率（無
次元実効熱拡散率κef）を最適にする条件が決定され
る。前述のα＝０．４〜７の範囲において、動作係数η
0はドリームパイプよりはるかに大きく、好ましい範囲
といえる。
【００３４】次に、前述の設計条件に基づくコスモスヒ
ートパイプの具体的な数値例について述べる。強制振動
流型ヒートパイプの封入流体の平均温度を３００Ｋと
し、封入流体をＮａ−Ｋ（プラントル数Ｐｒ＝０．０４
５）、水（プラントル数Ｐｒ＝５．８５）、又は、エタ
ノール（プラントル数Ｐｒ＝２０．８）とする。また、
振動流の体積振幅はＳ＝５０ｍｍ、振動の角振動数はω
＝２π（周波数は１Ｈｚ）とする。
ートパイプの具体的な数値例について述べる。強制振動
流型ヒートパイプの封入流体の平均温度を３００Ｋと
し、封入流体をＮａ−Ｋ（プラントル数Ｐｒ＝０．０４
５）、水（プラントル数Ｐｒ＝５．８５）、又は、エタ
ノール（プラントル数Ｐｒ＝２０．８）とする。また、
振動流の体積振幅はＳ＝５０ｍｍ、振動の角振動数はω
＝２π（周波数は１Ｈｚ）とする。
【００３５】図５は、この条件下におけるコスモスヒー
トパイプについて、流路幅２Ｈ、得られる実効熱拡散率
と銅の熱拡散率との比χ、及び、基準動作係数ηseの値
をそれぞれ示す表である。なお、基準動作係数ηseの値
は、温度勾配がΩ＝１Ｋ／ｍの場合である。図５の表に
示す通り、前述した最適条件下（η0が最大になるよう
な条件下）でのコスモスヒートパイプは、封入流体がＮ
ａ−Ｋ、水、エタノールのいずれであっても、実効熱拡
散率と銅の熱拡散率との比χ＝３４〜４０となってお
り、銅に比べて高い実効熱伝導率と動作係数が実現でき
る。例えば、現実の温度勾配を１０Ｋ／ｍとし、封入流
体を水とした場合は、本発明に係る設計条件に基づくコ
スモスヒートパイプは、図５のηseと１０ｋ／ｍから熱
輸送量の１／８９であり、熱輸送量の１％程度の加振仕
事で銅の４０倍程度の熱輸送が実現できる。
トパイプについて、流路幅２Ｈ、得られる実効熱拡散率
と銅の熱拡散率との比χ、及び、基準動作係数ηseの値
をそれぞれ示す表である。なお、基準動作係数ηseの値
は、温度勾配がΩ＝１Ｋ／ｍの場合である。図５の表に
示す通り、前述した最適条件下（η0が最大になるよう
な条件下）でのコスモスヒートパイプは、封入流体がＮ
ａ−Ｋ、水、エタノールのいずれであっても、実効熱拡
散率と銅の熱拡散率との比χ＝３４〜４０となってお
り、銅に比べて高い実効熱伝導率と動作係数が実現でき
る。例えば、現実の温度勾配を１０Ｋ／ｍとし、封入流
体を水とした場合は、本発明に係る設計条件に基づくコ
スモスヒートパイプは、図５のηseと１０ｋ／ｍから熱
輸送量の１／８９であり、熱輸送量の１％程度の加振仕
事で銅の４０倍程度の熱輸送が実現できる。
【００３６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）
を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供で
きる。
によれば、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）
を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供で
きる。
【図１】本発明の一実施例に係るコスモスヒートパイプ
の一例を示す模式図である。
の一例を示す模式図である。
【図２】同位相式（ドリーム式）の強制振動流型ヒート
パイプの一例を示す模式図である。
パイプの一例を示す模式図である。
【図３】無次元実効熱拡散率κef *を、修正ウオマスリ
ー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータとして
示したグラフである。
ー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータとして
示したグラフである。
【図４】「数５」における動作係数η0を、修正ウオマ
スリー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータと
して示したグラフである。同図（ａ）がコスモスヒート
パイプの場合を表し、同図（ｂ）がドリームパイプの場
合を表す。
スリー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータと
して示したグラフである。同図（ａ）がコスモスヒート
パイプの場合を表し、同図（ｂ）がドリームパイプの場
合を表す。
【図５】コスモスヒートパイプについて、流路幅２Ｈ、
得られる実効熱拡散率と銅の熱拡散率との比χ、及び、
基準動作係数ηseの値をそれぞれ示す表である。
得られる実効熱拡散率と銅の熱拡散率との比χ、及び、
基準動作係数ηseの値をそれぞれ示す表である。
１ ヒートパイプ本体 １ａ、
１ｂ 壁部 ２ 閉ループ流路 ２ａ
両端末の連結部分 ３ バイブレータ（加振機構） ７ 吸熱部 ８ 放
熱部
１ｂ 壁部 ２ 閉ループ流路 ２ａ
両端末の連結部分 ３ バイブレータ（加振機構） ７ 吸熱部 ８ 放
熱部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 浩二 東京都狛江市岩戸北３−11−４ ティーエ ス ヒートロニクス 株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA08 BB60
Claims (4)
- 【請求項１】 吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ルー
プ流路を有するヒートパイプ本体と、 該流路内に封入された封入流体と、 該封入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備
し、 隣接する流路内の振動流を逆位相とするヒートパイプで
あって、 前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐｒが１００
以下であり、 以下の式で定義される修正ウオマスリー（Womersley）
数αが０．４〜７であることを特徴とする強制振動流型
ヒートパイプ； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ） ω：振動の角周波数（単位１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。 - 【請求項２】前記プラントル数Ｐｒが５０以下であり、 前記修正ウオマスリー数αが０．４〜７であることを特
徴とする請求項１記載の強制振動流型ヒートパイプ。 - 【請求項３】前記封入流体の比熱ｃpが、１００Ｊ／ｋ
ｇ・Ｋより大であることを特徴とする請求項1又は2記載
の強制振動流型ヒートパイプ。 - 【請求項４】 吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ルー
プ流路を有するヒートパイプ本体と、 該流路内に封入された封入流体と、 該封入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備
し、 隣接する流路内の振動流を逆位相とするヒートパイプの
設計方法であって、 前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐｒを１００
以下とし、 以下の式で定義される修正ウオマスリー（Womersley）
数αを算出し、該数を０．４〜７の間で選択することを
特徴とする強制振動流型ヒートパイプの設計方法； α＝Ｈ（ω／κ）1/2 Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ） ω：振動の角周波数（単位１／ｓ） κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001172566A JP4724317B2 (ja) | 2001-06-07 | 2001-06-07 | 強制振動流型ヒートパイプ及びその設計方法 |
| US10/160,969 US6655450B2 (en) | 2001-06-07 | 2002-05-31 | Forced oscillatory flow type heat pipe and designing method for the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001172566A JP4724317B2 (ja) | 2001-06-07 | 2001-06-07 | 強制振動流型ヒートパイプ及びその設計方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002364991A true JP2002364991A (ja) | 2002-12-18 |
| JP4724317B2 JP4724317B2 (ja) | 2011-07-13 |
Family
ID=19014169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001172566A Expired - Lifetime JP4724317B2 (ja) | 2001-06-07 | 2001-06-07 | 強制振動流型ヒートパイプ及びその設計方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6655450B2 (ja) |
| JP (1) | JP4724317B2 (ja) |
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| JP2005140492A (ja) * | 2003-06-12 | 2005-06-02 | Denso Corp | 対向振動流型熱輸送装置 |
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| JPWO2006038508A1 (ja) * | 2004-10-06 | 2008-05-15 | タマティーエルオー株式会社 | 太陽電池システムおよび熱電気複合型太陽電池システム |
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| CN101936676A (zh) * | 2010-09-13 | 2011-01-05 | 天津大学 | 多通道并联回路型脉动热管 |
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- 2001-06-07 JP JP2001172566A patent/JP4724317B2/ja not_active Expired - Lifetime
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- 2002-05-31 US US10/160,969 patent/US6655450B2/en not_active Expired - Fee Related
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