JP2005214580A - ループ型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のループ型ヒートパイプでは、ループ型ヒートパイプを動作させた時に発生する不凝縮性ガスを捕集する手段をもたず、その結果蓄積した不凝縮性ガスによって系全体の熱抵抗が増加する、起動時間が長くなるなど熱的性能が低下するという問題があった。
【解決手段】 蒸発器１の外部から内部に通じるガス抜き管１４を設け、ループ型ヒートパイプを動作させて十分に不凝縮性ガスを発生させた後にガス抜き管１４を開放することで、蒸発器１内部に蓄積した不凝縮性ガスを捕集するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、宇宙用・工業用・家庭用の熱輸送装置として用いられるループ型ヒートパイプに関するものである。

宇宙用・工業用・家庭用の熱輸送装置として用いられるループ型ヒートパイプにおいては、蒸発器、この蒸発器から気相の作動流体を導く蒸気管、この蒸気管と接続された凝縮器、この凝縮器から液相の作動流体を蒸発器に還流する液管により構成され、その内部に封入された作動流体の相変化および循環により熱輸送を行う従来技術が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

米国特許第４５１５２０９号公報（第１図） 特開平１０−２４６５８３号公報（第１図）

然るに、ループ型ヒートパイプを動作させると内部で不凝縮性ガスが発生する事により熱的性能が低下するという問題がある。不凝縮性ガスが発生する原因として、ループ型ヒートパイプに作動流体を充填する際に混入する不純物等が作動流体やループ型ヒートパイプの構成材料と反応すること、作動流体の分解、ループ型ヒートパイプに吸着されていたガスの放出といったことが挙げられる。不凝縮性ガスが発生すると、蒸発器における蒸発熱伝達率および凝縮器における凝縮熱伝達率が低下し、ループ型ヒートパイプの系全体としての熱抵抗が増加してしまう。これはすなわち蒸発器と凝縮器との間の温度差が大きくなることを意味する。蒸発器と凝縮器との間の温度差が大きくなるということは熱輸送装置としてのループ型ヒートパイプの性能が悪くなるということである。またループ型ヒートパイプの起動に要する時間も長くなる。
また、不凝縮性ガスがループ型ヒートパイプの蒸発器内部に蓄積すると、蒸発器内部における作動流体蒸気と作動流体液との間の熱伝達率が小さくなる。そのため作動流体蒸気が作動流体液によって十分冷却されず、その結果蒸発器温度が上昇し、やはり蒸発器と凝縮器との間の温度差が大きくなる。
こうした問題が起こることを防ぐためには、発生した不凝縮性ガスを除去する必要がある。

従来のループ型ヒートパイプは、作動流体を充填した後に作動流体の注入口を封止している。この時、ループ型ヒートパイプを動作させないと不凝縮性ガスは発生しないという性質から、作動流体の充填後注入口を封止する前に不凝縮性ガスを捕集することができず、不凝縮性ガスをループ型ヒートパイプ内部に封入したままとなってしまう問題があった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、ループ型ヒートパイプにおいて不凝縮性ガスを十分に発生させた後にこの不凝縮性ガスを捕集できるようにしたことを目的とする。

この発明のループ型ヒートパイプは、蒸発器と凝縮器とを連結し液相の作動流体が流れる液管及び蒸発器と凝縮器とを連結し蒸気相の作動流体が流れる蒸気管とから構成されるループ型ヒートパイプにおいて、上記ループ型ヒートパイプを動作させて十分に不凝縮性ガスを発生させた後に、上記ループ型ヒートパイプの作動流体中に含まれる不凝縮性ガスをガス抜きを可能にするガス抜き手段を具備したものである。

ループ型ヒートパイプにおいて、ループ型ヒートパイプを動作させて十分に不凝縮性ガスを発生させた後にガス抜き管を開放することで、この不凝縮性ガスを捕集できるという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるループ型ヒートパイプの構成を示すものである。また図２は図１における蒸発器１の軸方向に垂直な断面を示すものである。
図において、１は蒸発器であり、蒸発器１は蒸発器容器２、外周に突起３を持ち蒸発器容器２に密着するように設けられたウィック４、蒸発器容器２とウィック４の突起３の間に設けられた蒸気流路５、ウィック４に囲まれ液相の作動流体を溜める液溜め６からなる。７は液管で、液相の作動流体を蒸発器１に導くものであり、８は蒸気管で、気相の作動流体を凝縮器９に導くものである。１０は蒸発器１に印加される熱の流れを示す矢印、１１は凝縮器９から流出する熱の流れを示す矢印、１２は気相の作動流体の流れを示す矢印、１３は液相の作動流体の流れを示す矢印である。１４は不凝縮性ガスを捕集するための手段として蒸発器１の外部から内部に通じるように設けられたガス抜き管、１５は不凝縮性ガスの流れを示す矢印である。

上記のように構成された実施の形態１のループ型ヒートパイプの動作原理について説明する。
印加される熱の流れを示す矢印１０に示されているように蒸発器１に印加された熱は、蒸発器容器２およびウィック４の外周突起３を経由してウィック４に伝導される。この熱によりウィック４の外周部において液相の作動流体が蒸発し、気相の作動流体は蒸気流路５および蒸気管８を経由して気相の作動流体の流れを示す矢印１２に示されるように凝縮器９に流入する。凝縮器９に流入した気相の作動流体は、流出する熱の流れを示す矢印１１に示されるように凝縮器９から熱が流出することによって冷却され凝縮する。

凝縮して液化した作動流体は液管７を通って蒸発器１に戻り、蒸発器１に戻った液相の作動流体は液溜め６に導かれて溜まる。液溜め６に溜まった作動流体はウィック４に浸透し、ウィック４の毛細管力によって液溜め６の半径方向に流れて蒸発器容器２とウィック４の接触部まで運ばれ、再び加熱されて蒸発する。上記のサイクルを繰り返すことにより、熱を蒸発器１から凝縮器９まで輸送する。

上記のサイクルを繰り返していると、作動流体をループ型ヒートパイプに充填する際に混入した不純物と、作動流体やループ型ヒートパイプの材料との反応や、ループ型ヒートパイプに吸着されていたガスの放出、もしくは作動流体の分解といった原因によりループ型ヒートパイプ内に不凝縮性ガスが発生する。

蒸発器１で発生した不凝縮性ガスは気相の作動流体と共に凝縮器９へと流れ、さらに凝縮した液相の作動流体に押されて液溜め６まで導かれる。不凝縮性ガスは液溜め６の内部で液相の作動流体と分離する形で滞留する。

一定時間動作させ、不凝縮性ガスが十分蓄積したところでガス抜き管１４を開放すると、不凝縮性ガスの流れを示す矢印１５で示されているように、不凝縮性ガスが液溜め６から蒸発器１の外部に作動流体の一部と共に排出される。不凝縮性ガスが排出されたところでガス抜き管１４を封止することにより、不凝縮性ガスの含有量が極めて少ないループ型ヒートパイプを実現することができる。

このように構成されたループ型ヒートパイプでは、一度ループ型ヒートパイプを動作させて不凝縮性ガスを十分に発生させた後にそれを捕集することができる。
したがって内部に残留する不凝縮性ガスが少ないために熱的性能が高く、さらに新たに不凝縮性ガスが発生して熱的性能が低下する恐れが小さいために信頼性の高いループ型ヒートパイプが実現できる。

図３は本実施の形態における他の例を説明するための図であり、蒸発器の軸方向に平行な断面を示した。
１６はガス抜き管１４を通過する不凝縮性ガスと気相の作動流体の混合気を冷却するためにガス抜き管１４に設置された冷却器である。このようにガス抜き管１４を通過する前に冷却をおこなうことで作動流体のみが凝縮して液相となるので、凝縮せずに取り残された不凝縮性ガスを効率よく捕集することができる。

図４は本実施の形態における他の例を説明するための図であり、蒸発器の軸方向に平行な断面を示した。
１７はガス抜き管１４の蒸発器１内部側に設けられた拡大部である。この様に拡大部を設けることにより、液溜め６に滞留している不凝縮性ガスをまとめて効率よく捕集することができる。

図５は本実施の形態における他の例を説明するための図であり、蒸発器の軸方向に平行な断面を示した。
１８はガス抜き管１４の蒸発器１外部側に設けられた不凝縮性ガス容器である。
また、この容器の直前もしくは容器全体に冷却器を設置することも良い。

ループ型ヒートパイプを動作させつつ冷却器１６によってガス抜き管１４もしくは不凝縮性ガス容器１８を冷却すると、作動流体が冷却部分で凝縮するため圧力が下がり、液溜め６から不凝縮性ガス容器１８に向かう気相の作動流体と不凝縮性ガスの流れができる。

不凝縮性ガス容器１８では作動流体のみが凝縮し、不凝縮性ガスは凝縮しないまま不凝縮性ガス容器１８内に滞留する。十分不凝縮性ガスが溜まった後にガス抜き管１４を開放することで、不凝縮性ガスのみを効率よく捕集することができる。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２におけるループ型ヒートパイプの構成を示すものであり、蒸発器１の軸方向に平行な断面を示した。
不凝縮性ガスを捕集するための手段である蒸気管８に取り付けられたガス抜き管１９の構成以外は、実施の形態１と同様の構成である。

蒸発器１で発生した不凝縮性ガスは、気相の作動流体と共に作動流体の流れを示す矢印１２に示されているように蒸気管８に流入する。ここで蒸気管８に不凝縮性ガスを捕集するためのガス抜き管１９を設けておくことで、流入した不凝縮性ガスを捕集することができる。図ではガス抜き管１９を蒸気管８と蒸発器１の接合部近くに設けてあるが、蒸気管８上の他の場所に設けても同じ効果が得られることは言うまでもない。

図７は本実施の形態における他の例を説明するための図であり、蒸発器１の軸方向に平行な断面を示した。
２０はガス抜き管１９を通過する不凝縮性ガスと気相の作動流体の混合気を冷却するために設置された冷却器である。ガス抜き管１９は蒸気管８に接続されているため、不凝縮性ガスを捕集しようとした場合に気相の作動流体が多く混入してしまう可能性がある。
そこでこのようにガス抜き管１９を通過する前に冷却をおこなうことで作動流体のみが凝縮して液相となるので、凝縮せずに取り残された不凝縮性ガスを効率よく捕集することができる。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３におけるループ型ヒートパイプの構成を示すものである。不凝縮性ガスを捕集するための手段である凝縮器９に通じるガス抜き管２１の構成以外は、実施の形態１と同様の構成である。

蒸発器１で発生した不凝縮性ガスは、気相の作動流体と共に作動流体の流れを示す矢印１２に示されているように蒸気管８に流入する。

さらに凝縮器９において気相の作動流体は凝縮して液相となるが、不凝縮性ガスは気相のまま液相の作動流体と共に液管７へ流れる。ここで凝縮器９と接続されるガス抜き管２１を設けることにより、気相の不凝縮性ガスのみを効率よく捕集することができる。

本発明の実施の形態１に関わるループ型ヒートパイプの概略図である。 本発明の実施の形態１に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。 本発明の実施の形態１のその他の例に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。 本発明の実施の形態１のその他の例に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。 本発明の実施の形態１のその他の例に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。 本発明の実施の形態２に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。 本発明の実施の形態２のその他の例に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。 本発明の実施の形態３のその他の例に関わるループ型ヒートパイプの蒸発器の概略図である。

符号の説明

１ 蒸発器、 ２ 蒸発器容器、 ３ 外周突起、 ４ ウィック、 ５ 蒸気流路、 ６ 液溜め、 ７ 液管、 ８ 蒸気管、 ９ 凝縮器、 １０ 印加される熱の流れを示す矢印、 １１ 流出する熱の流れを示す矢印、 １２ 気相の作動流体の流れを示す矢印、 １３ 液相の作動流体の流れを示す矢印、 １４ ガス抜き管、 １５ 不凝縮性ガスの流れを示す矢印、 １６ 冷却器、 １７ ガス抜き管拡大部、 １８ 不凝縮性ガス容器、 １９ 蒸気管に通じるガス抜き管、 ２０ 冷却器、 ２１ 凝縮器に通じるガス抜き管。

Claims (8)

1. 蒸発器と凝縮器とを連結し液相の作動流体が流れる液管及び蒸発器と凝縮器とを連結し蒸気相の作動流体が流れる蒸気管とから構成されるループ型ヒートパイプにおいて、
   上記ループ型ヒートパイプを動作させて不凝縮性ガスを発生させた後に、
   上記ループ型ヒートパイプの作動流体中に含まれる不凝縮性ガスを排出するガス抜き手段
   を具備したことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 上記ガス抜き手段が上記蒸発器外部から蒸発器内部に通じるガス抜き管を設けたことを特徴とする請求項２記載のループ型ヒートパイプ。
3. 上記蒸発器外部から蒸発器内部に通じる管に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項２項記載のループ型ヒートパイプ。
4. 上記蒸発器外部から蒸発器内部に通じる管の上記蒸発器内部側に拡大部を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３記載のループ型ヒートパイプ。
5. 上記蒸発器外部から蒸発器内部に通じる管の上記蒸発器外部側に上記不凝縮性ガスを溜めるための容器を設けたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいづれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
6. 上記ガス抜き手段が上記蒸気管に通じる管であることを特徴とする請求項１記載のループ型ヒートパイプ。
7. 上記蒸気管に通じる管に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項６記載のループ型ヒートパイプ。
8. 上記ガス抜き手段が上記凝縮器に通じる管であることを特徴とする請求項１記載のループ型ヒートパイプ。

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