JP2005114179A - Heat pipe - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば人工衛星など宇宙の無重力空間で使用され、搭載電子機器の冷却に用いるヒートパイプに関するものである。 The present invention relates to a heat pipe that is used in a space-free space such as an artificial satellite and is used for cooling an onboard electronic device.
従来のヒートパイプは、銅やアルミからなる真空密閉された円筒容器の内周壁面に軸方向に微細溝が切られたウイックと称する毛管体が形成されており、その毛管体の内部に充満するように作動流体としてアンモニアが適量封入された構成を持っている(例えば、非特許文献1参照)。この発明の図1を引用して説明すると、ヒートパイプ100は、その一端が、例えば人工衛星などに搭載される電子機器側に位置付けられ、その熱により加熱される蒸発部103を形成している。他端は、宇宙空間側に位置付けられることにより冷却される凝縮部105を形成しており、その中間は断熱状態におかれる断熱部104を形成している。蒸発部103において、加熱された作動流体は蒸発して蒸気となり、蒸気圧力が増すことにより、その力でヒートパイプ100内を凝縮部105側へと音速に近い速度で移動する。凝縮部105に入った蒸気は冷却されて凝縮し、液体となる。液体に戻った作動流体は、円筒容器101の内周壁面に施された毛管体102の毛管作用により、毛管体102を伝わって断熱部105を経て蒸発部103へと還流し、加熱により再び蒸発する。このような作動流体の循環運動により、気化熱が蒸発部103から凝縮部105へ低温度差で輸送され、蒸発部103を効果的に冷却することができる。
In a conventional heat pipe, a capillary body called a wick having fine grooves cut in the axial direction is formed on the inner peripheral wall surface of a vacuum-sealed cylindrical container made of copper or aluminum, and the capillary body fills the inside of the capillary body. Thus, it has a configuration in which an appropriate amount of ammonia is sealed as a working fluid (see, for example, Non-Patent Document 1). Referring to FIG. 1 of the present invention, one end of the
従来のヒートパイプは、以上のように構成されているので、次のような問題があった。人工衛星に搭載されたヒートパイプの周囲環境温度は、人工衛星が地球を1周する間に太陽熱の影響により変化する。それに伴ってヒートパイプの動作温度も変動することになる。ヒートパイプの動作温度が変動すると、作動流体の温度も変化し、それに伴って作動流体の液相部分の体積が変動する。このため、作動流体の量はどのような条件でも毛管体の内部に液体が充満するように設定されている。したがって、どのような環境条件でも毛管体の内部に充満した残りの余分な作動流体の液体が存在することになる。この余剰液体は、蒸気流に押されて流動し、凝縮部の端部に溜まり、液体スラグ(図1では107に相当)を形成する。この液体スラグが存在する部分には蒸気空間がないため、作動流体の蒸気が凝縮することができない。すなわち、液体スラグの部分は放熱に寄与せず、ヒートパイプが有効に作用する部分とはならず、凝縮部の有効長を低下させる。その結果、ヒートパイプによる蒸発部の冷却効果を低減させていた。 Since the conventional heat pipe is configured as described above, it has the following problems. The ambient temperature of the heat pipe mounted on the artificial satellite changes due to the influence of solar heat while the artificial satellite makes one round of the earth. Along with this, the operating temperature of the heat pipe also fluctuates. When the operating temperature of the heat pipe varies, the temperature of the working fluid also changes, and accordingly, the volume of the liquid phase portion of the working fluid varies. For this reason, the amount of the working fluid is set so that the liquid is filled in the capillary body under any conditions. Thus, there will be a surplus of working fluid liquid remaining inside the capillary body under any environmental conditions. This surplus liquid flows by being pushed by the vapor flow and accumulates at the end of the condensing part to form a liquid slag (corresponding to 107 in FIG. 1). Since there is no vapor space in the portion where the liquid slag exists, the vapor of the working fluid cannot be condensed. That is, the liquid slag portion does not contribute to heat dissipation, does not become a portion where the heat pipe acts effectively, and reduces the effective length of the condensing portion. As a result, the cooling effect of the evaporation part by the heat pipe is reduced.
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、凝縮部に形成される液体スラグの領域を低減し凝縮部の有効長増大させる構造のヒートパイプを得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a heat pipe having a structure in which the area of liquid slag formed in the condensing part is reduced and the effective length of the condensing part is increased.
この発明に係るヒートパイプは、長手方向に延び密閉された容器の内周壁面に第1の毛管体が設けられ、この毛管体の内部に充満するように作動流体が封入され、当該円筒容器を、熱が加えられる蒸発部と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部と、蒸発部と凝縮部の間に設けられた断熱部とに分けて使用するヒートパイプにおいて、一端が液体スラグを吸い込むように当該液体スラグが形成される凝縮部の端部に位置し、他端が円筒容器の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有する第2の毛管体を備えたものである。 In the heat pipe according to the present invention, a first capillary body is provided on an inner peripheral wall surface of a sealed container extending in a longitudinal direction, a working fluid is sealed so as to fill the inside of the capillary body, and the cylindrical container is sealed. The heat pipe is divided into a heat-applied evaporation part, a condenser part for cooling the working fluid vapor to return it to a liquid, and a heat insulating part provided between the evaporation part and the condensation part. The liquid slag is located at the end of the condensing part where the liquid slag is formed so as to suck in the slag, the other end is supported so as to open in the longitudinal hollow of the cylindrical container, and remains in the condensing part. A second capillary body having an effective pore radius and length for adjusting the volume within a predetermined range is provided.
この発明によれば、第2の毛管体により液体スラグを吸い込むようにしたことにより、凝縮部に形成される液体スラグが占める容積を所定の範囲に低減でき、その結果、ヒートパイプの凝縮部の有効長を増大させる効果がある。 According to this invention, since the liquid slag is sucked by the second capillary body, the volume occupied by the liquid slag formed in the condensing part can be reduced to a predetermined range. As a result, the condensing part of the heat pipe There is an effect of increasing the effective length.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるヒートパイプの構成を示す断面図、図2は凝縮部の構成を示す断面図である。図において、ヒートパイプ100は、長手方向に延び密閉された容器(ここでは円筒容器とするが、円筒には限らない)101の内周壁面に毛管体102が設けられ、この毛管体102の内部に充満するように作動流体が封入されている。円筒容器101は、熱が加えられる蒸発部103と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部105と、蒸発部103と凝縮部105の間に設けられた断熱部104とに分けて使用され、作動流体が循環運動を行うことで冷却を行うように構成されている。この実施の形態1では、毛管体102を第1の毛管体とすると、中央に第2の毛管体1を備えている。
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat pipe according to
この第2の毛管体1の毛管材料は金属多孔質体からなり、例えばアルミやニッケル系の発泡金属からなり、高い気孔率と連結空孔からなる弾性を有する多孔質材料で、セルメット(住友電気工業(株)商品名)などの名前で商品化されている。金属多孔質体からなる第2の毛管体1は弾性を有しているため、一端を凝縮部105の端部に設けられた凹部108に圧入することにより支持され、液体スラグ107を吸い込むように位置付けられている。また、第2の毛管体1は、他端が円筒容器101の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、凝縮部105の端部に形成され残留する液体スラグ107の容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有している。
The capillary material of the second
次に、第2の毛管体1に与える有効気孔半径について説明する。有効気孔半径(気孔半径)は、毛管圧力差と表面張力を用いて式(1)〜(3)から求めることができる。尚、式(1)〜(3)におけるσは表面張力を表す。
第2の毛管体1の持つ毛管圧力差ΔPcpは式(1)で表される。
ΔPcp=2σ/rp (1)
ここに、rpは第2の毛管体1の持つ有効気孔半径である。また、図2に示すように液体スラグ107の気孔半径をrsとすると、液体スラグ107の持つ毛管圧力差ΔPsは式(2)で表される。
ΔPcs=2σ/rs (2)
同様に、第1の毛管体102の持つ有効気孔半径をrgとすると、第1の毛管体102の持つ毛管圧力差ΔPgは式(3)で表される。
ΔPcg=2σ/rg (3)
Next, the effective pore radius given to the second
The capillary pressure difference ΔP cp possessed by the second
ΔP cp = 2σ / r p (1)
Here, r p is the effective pore radius having a second
ΔP cs = 2σ / r s (2)
Similarly, when the effective pore radius having a first capillary 102 and r g, the capillary pressure difference [Delta] P g with the
ΔP cg = 2σ / r g (3)
ヒートパイプ100に封入された作動流体の液体がまず第1の毛管体102に浸透し、その後残りの液体スラグ107が第2の毛管体1に吸収されるためには式(4)の条件を満たすことが必要である。
ΔPcg>ΔPcp>ΔPcs (4)
したがって、第2の毛管体1の有効気孔半径rpは式(5)を満たすように選択されることが必要となる。
rg<rp<rs (5)
すなわち、第2の毛管体1の有効気孔半径rpを、第1の毛管体102の有効気孔半径rgより大きく、かつ第1の毛管体と第2の毛管体の相互位置関係により凝縮部105の蒸気空間に形成される気孔半径rsよりも小さく設定する。
このことにより、凝縮部105の端部に生じる液体スラグ107が第2の毛管体1に有効に吸引され、残される液体スラグ107の容積が減少する。その結果、液体スラグ107の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部105の全長の多くを用いて放熱を行うことができることで、蒸発部103の冷却効果が増大する。
In order for the working fluid liquid sealed in the
ΔP cg > ΔP cp > ΔP cs (4)
Accordingly, the effective pore radius r p of the second
r g <r p <r s (5)
That is, the condensing unit and the second effective pore radius r p of the
As a result, the
以上のように、この実施の形態1によれば、第2の毛管体1を備え、一端が液体スラグ107を吸い込むように当該液体スラグが形成される凝縮部105の端部に位置し、他端が円筒容器101の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有するようにしたので、凝縮部の液体スラグ形成部に形成される液体スラグが占める容積を低減でき、ヒートパイプの凝縮機能を行う有効長の増大を図る効果が得られる。また、第2の毛管体1は金属多孔質体からなる弾性であるため、凝縮部の端部に設けられた凹部に圧入することにより容易に固定支持できるという効果も得られる。
As described above, according to the first embodiment, the second
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2によるヒートパイプの凝縮部の構成を示す断面図である。図において、図2と同一の部分には同一符号を付して示す。ここでは、第2の毛管体として、細管2が用いられている。細管2は、式(5)を満足するように内径が調整された円管で構成されたもので、一端が液体スラグ107を吸い込むように凝縮部105の端部に近接され、他端が円筒容器101の長手方向中空に延びて開放されるように適当な支柱3a,3bを用いて支持されている。
FIG. 3 is a sectional view showing the structure of the condensing part of the heat pipe according to
凝縮部105を以上のような構成にすることにより、凝縮部105の端部に生じる液体スラグ107が細管2に吸収され、残される液体スラグ107の占める容積が減少する。その結果、液体スラグ107の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その容積を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部105の全長の多くを用いて放熱を行うことができるようになり、蒸発部103の冷却効果が増大する。また、第2の毛管体として構造が簡単な円管を用いているため、安価に製作できる効果が得られる。
By configuring the condensing
実施の形態3.
図4はこの発明の実施の形態3によるヒートパイプの凝縮部の構成を示す断面図である。図において、図2と同一の部分には同一符号を付して示す。ここでは第2の毛管体として、平行平板4が用いられている。平行平板4は、式(5)を満足するように両板の間隙の幅が調整されたもので、一端が液体スラグ107を吸い込むように凝縮部105の端部に固定され、他端が円筒容器101の長手方向中空に延びて開放されるように支持されている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the condensing part of the heat pipe according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. Here, a
凝縮部105を以上のような構成にすることにより、凝縮部105の端部に生じる液体スラグ107が平行平板4に吸収され、残される液体スラグ107の容積が減少する。その結果、液体スラグ107の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部105の全長の多くを用いて放熱を行うことができるようになり、蒸発部103の冷却効果が増大する。また、この場合、第2の毛管体として構造が簡単な平行平板4を用いているため、安価に製作できる効果が得られる。
By configuring the condensing
実施の形態4.
図5はこの発明の実施の形態4によるヒートパイプの凝縮部の構成を示す断面図である。図において、図2と同一の部分には同一符号を付して示す。ここでは第2の毛管体として長手方向に伸びる複数の溝が両面に設けられた溝付き板5を用いている。溝付き板5は、式(5)を満足するように溝の幅が調整されたもので、一端が液体スラグ107を吸い込むように凝縮部105の端部に固定され、他端が円筒容器101の長手方向中空に延びて開放されるように支持されている。
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the condensing part of the heat pipe according to
凝縮部105を以上のような構成にすることにより、凝縮部105の端部に生じる液体スラグ107が溝付き板5に吸収され、残される液体スラグ107の容積が減少する。その結果、液体スラグ107の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部105の全長の多くを用いて放熱を行うことができるようになり、蒸発部103の冷却効果が増大する。また、この場合、第2の毛管体として構造が簡単な溝付き板5を用いているため、安価に製作できる効果が得られる。
By configuring the condensing
実施の形態5.
図6はこの発明の実施の形態5によるヒートパイプの構成を示す断面図である。図において、図1と同一および相当する部分には同一符号を付して示す。ここでは、ヒートパイプ100は、円筒容器101の両端に蒸発部103を備え、凝縮部105が円筒容器101の中央部に位置するように構成されている。第2の毛管体としては、実施の形態1で述べた金属多孔質体、テフロン(登録商標)やセラミックからなる多孔質体が用いられている。第2の毛管体は、凝縮部105の中央部を介し、両端がそれぞれ断熱部104を通して蒸発部103に達するよう、円筒容器101の長手方向中空に延びて開放されるように支持される。この場合も第2の毛管体1の有効気孔半径rpは式(5)を満足させるよう選択される。
6 is a sectional view showing the structure of a heat pipe according to
この場合、液体スラグ107は凝縮部105の中央部に形成されようとするが、液体スラグ107は第2の毛管体1に吸収される。凝縮部105がヒートパイプの中央部に位置する構成においても、中央部に生じる液体スラグ107の容積は減少する。その結果、液体スラグ107の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、蒸発部103も2個有し、凝縮部105が全長の多くを用いて放熱を行うことができるため、冷却効果を増大させる効果が得られる。
In this case, the
1 第2の毛管体、2 細管、3a,3b 支柱、4 平行平板、5 溝付き板、100 ヒートパイプ、101 円筒容器、102 毛管体(第1の毛管体)、103 蒸発部、104 断熱部、105 凝縮部、107 液体スラグ。
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