JP2005517894A

JP2005517894A - ヒートパイプ

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Publication number: JP2005517894A
Application number: JP2003570077A
Authority: JP
Inventors: ムッチアルディフランク; グルツレスキージョン; グォフイチェン; チュンフイチャン; チョンセンヤン
Original assignee: マクギルユニヴァーシティ
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2005-06-16
Also published as: US20050077660A1; KR20040104460A; CA2477334A1; WO2003071215A1; CN100335858C; US7115227B2; CN1623076A; AU2002325736A1; DE10297663T5; CA2477334C

Abstract

真空下で内部に作動流体を有するヒートパイプ組立体であって、通常、作動流体を蒸発させるのに適合させた蒸発部(12/112)および凝縮部(16/116)を具える。凝縮部(16/116)は液化した作動流体を収集するために、蒸発部(12/112)よりも高い位置に配置したリザーバ(30/130)を有する。個々に分離した不浸透性の液体戻り流路(36/136,20/120)は、リザーバ(30/130)から蒸発部(12/112)への液化した作動流体の重力による流れを許容する。液体戻り流路は蒸発部(12/112)を通して延在し、該蒸発部の閉鎖した先端部近傍で終端し、また戻り流路には凝縮部(16/116)へと上昇する蒸気を散逸させる排出路(38/138)が嵌め込まれている。流れ変更部材(24/124)が蒸発部(12/112)内部に配置され、この流れ変更部材は蒸発部内の作動流体に旋回を生じさせ、それによって流れ変更部材(24/124)は蒸発部(12/112)の内壁を液体で覆うことを確実にするために、気化していない作動流体を気化した作動流体と共に前記蒸発部の内壁に対して遠心力によって押し付け、それにより膜沸騰の開始を遅らせる。

Description

発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般にヒートパイプに関するものであり、より詳細には、蒸発部内で並行かつ旋回する二相流と、凝縮部からの不浸透性の戻り流路を有する準ループ型ヒートパイプに関するものである。

２．従来技術の説明
ヒートパイプは、その内部の作動流体の蒸発および凝縮を利用する装置であって、熱を吸収する蒸発部から熱を放出する凝縮部までエネルギーを輸送するためのものである。ヒートパイプは1960年代初期に超伝導の熱伝導装置として、例えば米国特許第3,229,759号や同第4,485,670号に詳細が述べられているように注目を得ている。多数のヒートパイプの構成や応用分野が、それらの初期の発明以来提案されているが、基本的なヒートパイプは、現在でも比較的小さい温度勾配で大量のエネルギーを輸送できるユニットであると認識されている。

ヒートパイプは作動流体を満たした封入容器であり、熱を蒸発部に加えて凝縮部で熱を除去することで作動流体を連続的に蒸発および凝縮させるものである。蒸気の割合はヒートパイプ内を流れる熱流量に直接比例する。効率的にエネルギーを輸送するためのヒートパイプの能力は、チャンバー内の非凝縮性のガス類を動作に先立ってヒートパイプから除去すると言う事実にかかっている。そのためヒートパイプを熱輸送装置として使用する前に真空引きを行う。チャンバーから非凝縮性のガスを除去することにより、蒸発部内で発生した蒸気は、圧力勾配によって、ポンプが封入容器を通して流体を移動させるのと全く同様に凝縮部へと流れる。非凝縮性のガスが存在することにより、気化した作動流体は密度勾配の下で分子拡散により移動することとなる。気化した作動流体の移動をより効率的にできる大きさの、流れを生じさせる圧力を与えるために、通常、ヒートパイプを真空引きする。逆に、ヒートパイプのチャンバーが漏れを生じた場合には、ヒートパイプは機能を失う。したがって、高温環境でのヒートパイプの使用は、蒸発部で不十分な冷却しかなされない場合には問題が生じやすくなり、このことは密封容器に穴が開き、その後にヒートパイプの破損を生じさせるものとなる。

ヒートパイプは通常二つのカテゴリーに分けることができる。すなわち、蒸気流および液体流を相互に対向させて流動させるものと、液体流と蒸気流とを並行して流動させるものである。対向流型のヒートパイプは従来より良く知られている。図1は単純な対向流型のヒートパイプを示すものであり、蒸気流は底部にある蒸発部から中央部を上昇し、上部で凝縮して蒸発部の液体プールへと、側部を液体として下方へ流れる。こうした動作はGroverによる米国特許第3,229,759号およびCamardaらによる米国特許第4,485,670号に明確に記載されている。重力と、ヒートパイプ内壁のウィックで発生する毛細管力との組み合わせは蒸発部から凝縮部へと液状の作動流体を戻すのに使用する。

並行流型のヒートパイプは、通常、ループ型ヒートパイプとして言及され、その例が米国特許第4,515,209号および同第5,911,272号に開示されており、これらをそれぞれ図2および図3に示す。対向流型および並行流型のヒートパイプ双方は、しばしば蒸発部表面の内側にウィックを収容しているが、これは液体を広げるためにウィックによって発生する毛細管力を利用することにより均一な被覆を確実にするためである。

ループ型および非ループ型（すなわち並行流型）のヒートパイプは共に多数の製品が多くの応用分野で使用されているが、高い動作温度での高い熱流束に遭遇するようなユニットには未だ組み込まれておらず、また大型のユニットには一般に使用されていない。これは、このようなシステムが、ヒートパイプを形成する封入物質が破損し易いことによるものが大である。封入容器が耐久性と長寿命を有することを保証するためには、ヒートパイプユニットの蒸発部全体が、ユニット内の作動流体によって適切に冷却される必要がある。これは従来のヒートパイプでは未だに不可能である。

従って、比較的小さな領域(例えば10mm²)であっても、ヒートパイプユニットの穴空きと、その後の破損に至る可能性がある。従来のヒートパイプは高い動作温度での使用をほとんど意図しておらず、そのため、上昇した温度に晒された結果としてのヒートパイプチャンバーの破損に対しては適切な取り組みが行われていなかった。

米国特許第5,159,972号に記載された制御可能なヒートパイプは、図4に示すように液体用のリザーバと、蒸発部の頂部へ向かう分離した戻り流路を具える。しかしながら、このヒートパイプは、それでもなお、高い熱流束を有する応用分野で使用する全ての対向流型ヒートパイプの有する基本的な困難性を克服できてはいない。

高温の適用分野で使用可能とするために克服しなければならない従来のヒートパイプにおける三つの主な制約は、蒸発部の壁での膜沸騰、蒸発部へ戻る液体の浮遊および、ある種の適用分野のためのループ型ヒートパイプにおける構成の複雑さ、である。

蒸発部先端からの液体の浮遊は熱伝導率を減少させ、温度が十分高い場合には乾燥によるパイプの破損を生じさせる。蒸発部を相当の大きさにすることができる大型のユニットにおける液体の浮遊は最も大きな検討事項である。こうしたユニットにおいて、液体の蒸発部底部への還流が主な検討事項となり得る。なぜならば、熱流束が適度なものであっても、ユニットでの熱負荷の総計が大きなものとなる可能性があるからである。熱負荷は蒸気流として明らかになるので、大型ユニットにおける蒸発部頂部での蒸気の速度を、ある程度の液体の流動化を生じさせるために十分なものとすることができる。

熱流束が高い適用分野でのヒートパイプの使用に伴う他の基本的な困難性は、蒸発部の壁における膜沸騰の発生である。当業者には周知のように、このことは熱取り出しの割合をかなりのオーダーで減少させることとなり得る。このことは熱伝導率の劇的な減少をもたらし、また幾つかの場合には蒸発部の密封した壁を破壊することともなる。

反応物輸送ユニットにおけるヒートパイプ利用の一つの可能性は、例えばランス(lance)である。米国特許第5,310,966号にヒートパイプによるランスまたは羽口(tuyer)が記載されている。しかしながら、この米国特許第5,310,966号記載のヒートパイプ型ランスは、蒸発部の先端部からの液体の浮遊をどのようにして除去するか、あるいは蒸発部の内壁での安定した蒸気膜の形成をどのようにして除去するか、について教示していない。

ループ型ヒートパイプは巻き込みの問題を克服することができる。しかしながら、ループ型ヒートパイプは、その構造が複雑であるために幾つかの実際の適用分野ではしばしば実施することができない。戻りループ管が主ヒートパイプ本体の外側に延在し、これがヒートパイプに必要とされる空間を非常に増加させるからである。また、それでもなお、対向流型ヒートパイプと同様に蒸発部表面での膜沸騰の問題が依然として残る。

蒸発の機構、特に熱流束が高い適用分野におけるものが、ヒートパイプを制約する重要な要素として残る。作動流体の熱伝導率が低く、熱流束が比較的高い場合には、作動流体は液体と熱源との間の界面で沸騰することとなる。蒸気の発生が十分に激しい場合、最終的に作動流体の液相と蒸発部の壁との間に安定した蒸気膜が形成される。蒸発部はその後沸騰の制限を達成し、それに続く結果としての連続的な熱流束への露出が蒸発部の壁の過熱とヒートパイプの破損の可能性をもたらすこととなり得る。

発明の概要
本発明の一つの目的は改良したヒートパイプを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は高温のシステムから熱を取り出すことのできるヒートパイプを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は蒸発部に流れ変更部材を有するヒートパイプを提供することにある。

本発明のさらなる目的は凝縮部から蒸発部までの固体壁の戻り管を有するヒートパイプを提供することにある。

したがって、本発明により提供されるヒートパイプ組立体は、真空下で内部に収容した作動流体を有するものであって、作動流体を蒸発させるのに適合させた、閉鎖した先端部を有する蒸発部と、作動流体の流れによって前記蒸発部と連通し、液化した前記作動流体を収集するために前記蒸発部よりも高い位置に配置したリザーバを内部に有する、前記蒸発部から流入した、気化した前記作動流体を凝縮させるのに適合させた熱交換器型の凝縮部と、前記リザーバから前記蒸発部への液化した作動流体の重力による流れを許容する、前記蒸発部を通して延在し、該蒸発部の閉鎖した先端部近傍で終端する、個々に分離した不浸透性の液体戻り流路と、前記蒸発部内で作動流体を旋回させる、該蒸発部内部に配置した流れ変更部材とを具え、それによって、前記蒸発部の内壁を液体で覆うことを確実にするために、前記流れ変更部材が気化していない作動流体を気化した作動流体と共に前記蒸発部の内壁に対して遠心力によって押し付け、それにより膜沸騰の開始を遅らせるものである。

本発明によれば、物体から熱を取り出すための方法が提供され、この方法は、蒸発部および、該蒸発部と流体の流れによって連通する熱取り出し用凝縮部とを有し、該蒸発部がその内部で作動流体の旋回を発生させるために適合させた流れ変更部材を具え、前記凝縮部が前記蒸発部から流入した気化した前記作動流体を凝縮させるために冷却されるヒートパイプ組立体を設置する工程、前記凝縮部と前記蒸発部の先端部との間の分離した不浸透性の液体戻り流路を設置する工程、前記液体戻り流路を通して前記凝縮部から前記蒸発部へと液状の前記作動流体を重力によって流動させることを選択的に許容する工程および、前記蒸発部を冷却させる物体と熱伝導を行わせるように配置する工程を具えるものである。

また本発明によれば、高温の物質へ反応物を注入する方法が提供され、この方法は、蒸発部および、該蒸発部と流体の流れによって連通する熱取り出し用凝縮部とを有し、該蒸発部がその内部で作動流体の旋回を発生させるために適合させた流れ変更部材を具え、前記凝縮部が前記蒸発部から流入した気化した前記作動流体を凝縮させるために冷却されるヒートパイプ組立体を設置する工程、前記凝縮部と前記蒸発部の先端部との間の分離した不浸透性の液体戻り流路を設置する工程、前記液体戻り流路を通して前記凝縮部から前記蒸発部へと液状の前記作動流体を重力によって流動させることを許容する工程、前記蒸発部を貫通して該蒸発部の先端部から突出する反応物輸送用導管を設置する工程および、前記反応物を前記反応物輸送用導管を通して輸送し、高温の物質へ注入する工程を具えるものである。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面と組み合わせた以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

好適な実施形態の説明
本発明によるヒートパイプは主として蒸発部、結合部材および凝縮部を具え、通常二つの主な形態を具える。適用の主な分野は、図5に示すようなエネルギー取り出し装置としてのものであり、また図6に示すような注入ユニットとしてのものである。後者においては、ヒートパイプは反応物を輸送するためのユニットを通過して延在する一つまたはそれ以上の導管を有する。このようなヒートパイプの使用例は注入用のランス、羽口およびバーナーである。適用の前者の分野においては、ヒートパイプはその内部に反応物輸送用の導管は有しておらず、例えば熱抽出装置のようなエネルギー伝達のために用いられる。このように二つの実施形態は、ヒートパイプユニットを通して反応物を輸送するかしないかによって異なるものとなる。

本発明の第一の実施形態を示す図5を参照すると、エネルギー抽出用ヒートパイプ10は、通常、蒸発部12、結合要素14および凝縮部16を具える。

蒸発部12は高温の、時には過酷な環境中に配置される。蒸発部は、ヒートパイプを図6に示すような注入装置として用いる場合には、反応物を輸送するための一つまたはそれ以上の導管を含むことができる。蒸発部には結合要素14を取り付けており、この結合要素は蒸発部と凝縮部との間で流体が連通することを許容する。結合要素14は剛体でも可撓性を有するもののいずれも可能であり、形状や構成も一つの適用分野から他の分野まで必要に応じて変更することができる。このヒートパイプは、蒸発部の位置や方向にかかわらず、凝縮部が垂直な方向を維持するように使用する。結合要素14の壁の上側延長部は凝縮部内部へ突出し、液体リザーバの形成を補助する。

蒸発部12よりも高い位置に配置した凝縮部16はヒートパイプの一部分をなし、気相状態の作動流体を凝縮させるものである。蒸気の凝縮は、凝縮部を熱交換器として形成することにより達成する。凝縮部の外部からの冷却は、内側の冷却用流路の使用ならびに凝縮部外壁上の冷却用ジャケットの使用により達成されるが、これらについては後述する。凝縮部は、その断面積が蒸発部の断面積よりも実質的に大きくすることができるように選択する。それによって、凝縮部内部の液体中の浮遊物が完全に除去される。

作動流体が熱に晒されることによって蒸発部12内で生成する二相流は、結合要素14を通して、外壁28を有する凝縮部16内へと上方へ移動する。凝縮部は蒸気／液体の作動流体を収容かつ冷却し、二相流を液体に凝縮してリザーバ部30内へ収容する。リザーバ部30は凝縮部の外壁28と結合要素14の上側部分の延長壁32との間に形成される。凝縮部16に集められた液体は、その後重力によって、排出孔34を通して上側戻り流路36内へと流れる。戻り流路36は可撓性を有する管とすることが可能である。戻り流路36はＴ字接続管40において排出路38と連結する。排出路38は可撓性の管とすることができ、上側戻り流路と凝縮部の頂部とを接続する。これにより、戻り流路内へ侵入するいかなる蒸気も排出路へ逸らされ、凝縮部の低圧領域で解放される。上側戻り流路36はまた、蒸発部12の先端部21へ作動流体を、上昇流から防護され、それによって影響されない分離した流れとして戻すために、不透性の下側戻り流路20と接続する。戻り流路20は蒸発部12の先端部21近傍で終端する。好適な終端距離は、戻り流路20の内径の二倍である。ヒートパイプの戻り流路の排出端部におけるこの不連続性は、本発明において「準ループ型」ヒートパイプとして言及されるものをもたらすこととなる。

蒸発部の領域内に硬質の壁を有する戻り流路を組み込むことにより、従来のループ形式を導入することなく液体を先端部へ戻すことが可能となる。戻り流路およびリザーバにおける適切な液体ヘッドを維持し、これと戻り流路の排出端部での十分高い液体の速度を組み合わせることが、戻り流路へ侵入し得る蒸気の量を最小化する。さらに、戻り流路を排出路に固定することは、蒸発部への液体の安定した流れをもたらすのに十分なものとなる。

流れ変更部材24を蒸発部12内に、蒸発部壁22の内面23に沿って配置する。流れ変更部材24は、通常らせん形状であることが好適であり、また図8a〜8cにそれぞれ示すように、らせん形の旋回翼、ねじれた帯およびつる巻きバネの一つを具えることが好適である。蒸発部の壁22が熱流束に晒されて作動流体が気化されると、流れ変更部材24は蒸発部の壁を越える旋回流を生成させ、気化していない全ての過剰な液体は蒸発部の内壁23全体の上で遠心力によって旋回し、壁を効果的に冷却し、それによって膜沸騰の発生を防ぐ。それゆえ二相流は蒸発部を上昇し、蒸発部の壁を覆う液体および、上昇中の気化していない全ての液体は、凝縮部16内に配置したリザーバ30で容易に集められる。

所定のヒートパイプに用いる、旋回する流れ変更部材24の形式および寸法は、与えられた適用分野における幾つかのパラメータ、例えば単位時間あたりに生成する気化した作動流体の流量およびヒートパイプの断面積によって決定される。

蒸発部の壁全体が液体と接触することを確実にするために、液体を蒸発部の底部へ、好ましくは、液体を圧力が最も低い旋回流の「目」の中にある蒸発部の中心部を通して戻す必要がある。戻すべき液体の過剰量は、気化させるのに必要な液体量の10倍程度かそれ以上とすることが望ましい。このことは、旋回流から生じる遠心力が、蒸発部の壁全体を液体で覆うことを保証する。例えば、4kW出力の水ベースのヒートパイプでは約2g/sの水を気化させることとなる。こうしたユニットの戻り流路では、最小2g/sで水を戻さなければならず、非常に速い戻り流量(10〜20g/s)とすることが望ましい。

蒸気粒子によって蒸発部から凝縮部へと輸送される熱を散逸させるために外部の冷却剤、例えば空気、水または油を用いる。図5，6および7を参照すると、外部の冷却剤は入口42を通してリザーバ30下に配置したヘッダ44内へ供給する。その後冷却剤は一連の通路または冷却管46を通して流れる。これらの各管には捩れたテープ状のインサート材48が内面47上に固定されており、これらインサート材は、冷却剤を旋回させることによって熱伝導を高める。これにより、遠心力の効果は冷却剤を、作動流体の凝縮による熱を冷却剤が吸収できる管の壁に対してより高密度でより冷却させるものとなる。

冷却管46を出た冷却剤は排出ヘッダ50へ流入し、ここで冷却剤は外側部材52および凝縮部の壁28によって形成されるジャケット内へと拡散する。冷却剤はポート54を経てジャケットから流出する。外側ジャケットにはまたばね式の旋回器具56が固定されており、この旋回器具は乱流と、それによる熱伝導を促進するものである。凝縮部の他の実施形態においては、入口ヘッダ44および出口ヘッダ50に沿った冷却管46を省略することができる。この場合の冷却は、凝縮部の壁28と、これを取り囲む外側部材52によって形成されるジャケット内での冷却剤の流れによって達成される。他のこれに代わる実施形態において、ジャケットもまた省略することができ、凝縮部の壁28からの自然な、あるいは強制的な冷却は全ての必要な熱の散逸をもたらすこととなる。当業者であれば、与えられたシステムのためにどのような形態が適切であるか選択することができるであろう。

凝縮部はまた充填および排出用の管58を含む。これは、その名称が示すように、ヒートパイプに作動流体を充填し、あらゆる非凝縮性の気体を排出させるためのものである。さらに、凝縮部には熱電対の取付孔60を固定することができ、ここにはヒートパイプの動作を監視するために用いる一つまたはそれ以上の熱電対を収容することができる。排出管58および熱電対取付孔60は共に、熱膨張による効果を補償するように形成する。

高い熱流束の適用分野で使用する従来のヒートパイプの顕著は制約の一つとして、蒸発部で非常に早い時期に膜沸騰が生じることがあるが、本発明における流れ変更用スワーラーは実質的にこの問題を解決するものであり、これは本発明によるヒートパイプの重要で好適な特徴である。そこで、所望の結果をもたらすことを保証するための実験的な試験を行った。

単純な捩れた帯状の流れ変更部材の効果を示すため、水を作動流体とする二本の仮想的なヒートパイプを以下の手順で試験を行った。ヒートパイプの蒸発部を溶融亜鉛中に浸漬し、その後亜鉛を凝固かつ冷却できるようにした。次いで亜鉛を再加熱して各ヒートパイプによる熱取り出し量を亜鉛の温度の関数として測定した。この試験の結果を「グラフ１」に示す。亜鉛を加熱すると、両方のパイプからは、これに対応する、より大きな熱量を取り出した。しかしながら、亜鉛の融点(419℃)に達し、亜鉛とヒートパイプとの間の界面での接触抵抗が消失すると、流れ変更部材を有するヒートパイプの熱取り出し量は急激に上昇し、一方、流れ変更部材を有していないパイプでは急激に減少した。したがって、この結果は、膜沸騰を抑制するという流れ変更部材の効果を示すものである。この試験は、流れ変更部材の使用が、熱の取り出しをある程度の大きさまたはそれ以上に向上させることを示すものである。

グラフ１

本発明によるヒートパイプにおいても、従来のものと同様、図9に示すように蒸発部の内壁にウィック163を配置することができ、本発明の好適な実施形態においては蒸発部12の内壁23にはウィックを嵌め込んでいないが、その代わりに多数の溝を内壁に形成している。溝は流れ変更部材と同じピッチを有することが望ましい。溝の畝部は、例えば1mmまたはそれ以下の高さとすることができ、その幅もまた1mmまたはそれ以下とすることができる。こうした模様を形成した表面を組み込むことは、上昇する流体の流れによって壁が均一に覆われることを促進させるという利点となり得るものであり、それ故、作動流体が動作条件によって膜沸騰しがちであり、および／または作動流体の熱伝導率が比較的低い場合、例えば水やサーメックス(thermex)およびアンモニアの場合に特に有用である。試験結果は、ウィックが蒸気膜の物理的なトラップとなり得て、旋回流の場合でさえも熱伝導を相当量減少させることができることを示している。したがって、蒸発部の内壁にウィックを組み込むことよりも、旋回する上昇流と遠心力を組み合わせた効果による完全な被覆を保証するように過剰な液体を戻すことが望ましい。

図5に示すように上側戻り流路36には弁41を取り付けることができる。このことはヒートパイプの動作をオン／オフする必要があるような場合に特に有利である。したがって、弁41を閉じることによりヒートパイプの動作をオフにすることができ、これはリザーバ30に凝縮した液体全てを収容することを保証する。熱の取り出しが必要なときには、弁41を開き、液体を蒸発部へと流入させて熱を取り出し可能とする。熱の取り出しを終了させるときには弁を閉じるだけ良い。こうした形の構成は、鋳造用金型の冷却において特に有利である。さらに、必要に応じて弁の開度を調整することにより、熱の取り出しの割合を制御することも可能である。

ヒートパイプのこうしたオン／オフ特性を示すために、本発明による水ベースのヒートパイプによる工具鋼製の鋳造用金型の冷却試験を行った。金型は対称な二つの半割型で作製し、一方の半割型に直径25mmのヒートパイプを設けた。もう一方の半割型にはヒートパイプを設けていない。溶融アルミニウムを金型内に注入した。結果を下記の「グラフ２」に示す。金型の分割線に対して対称な二つの位置における二つの温度変化の曲線を示す。弁41を開くことによりヒートパイプをオンにしたとき、熱の取り出しが半割型から開始することが理解できよう。またヒートパイプをオフにしたときには、金型の一部が再加熱されることが明らかとなっている。さらに、アルミニウムを注入したキャビティのコアにおいて対応する温度となっていることが示されている。

グラフ２

本発明の好適な実施形態のわずかな変形においては、蒸発部の壁22を固形材料に孔を開けることにより形成し、次いで結合要素14を直接孔に取り付けることが可能である。それによってこの孔はヒートパイプの蒸発部を構成することとなる。このような構成は、非常に大きな接触抵抗を生じさせ得る空洞内へヒートパイプを挿入する際に有利なものとなり得る。ヒートパイプの蒸発部を穿孔による空洞で作製することにより、接触抵抗を除去することができる。こうした構成の可能な適用例は、鋳造用金型、加熱炉の壁、タップ孔、エンジン、熱交換器およびこれらの類似物のような固体物の冷却を含む。

初めに述べたように、本発明については二つの主要な適用分野が予見される。一つはエネルギー取り出し装置であり、もう一つは図6に示す注入ユニットである。ヒートパイプは、上述したように、エネルギー取り出し装置として働くためのみならず、注入ユニットとして反応物を分配するために構成することが可能であり、ここで、より詳細に説明する。こうしたヒートパイプ式注入ユニットへの適用のために、ヒートパイプは、単に反応物を輸送するためにユニットを通過して延在する一つまたはそれ以上の導管を有し、冶金への適用のための注入用ランス、羽口およびバーナーとして使用することができる。

したがって、図6に示す本発明の実施形態において、ヒートパイプ110は反応物分配管170に固定される。ここでは一本の導管のみを示しているが、当業者であれば種々の反応物を輸送できるように多数の導管を使用することもできることは明らかであろう。以下の反応物分配用ヒートパイプの説明においては、簡単化のために一種類の反応物のみを輸送するものと仮定する。

蒸発部112は中央の反応物導管170を具え、この導管170は作動流体の戻り流路120に取り囲まれている。戻り流路120は反応物導管170に嵌め込む必要は無く、また図9に示すように導管に隣接して分離した管を配置することもできるが、戻り流路120は、旋回流の対称性を維持するためにヒートパイプの蒸発部の中心に反応物導管170を配置するように、反応物導管170の外側かつ同心に配置することが望ましい。蒸発部本体の外壁122は、特定の適用分野のために適切であると判断された場合には、型模様を付けた内壁123を有することとしても良い。これに対して、型模様を付けた表面をウィックに置き換えても良い。通常、ウィックは液状の作動流体がナトリウムなどのアルカリ金属のような高い熱伝導率を有する場合に使用可能であるが、水やサーメックスのような熱伝導率の低い作動流体を含むヒートパイプの場合には、ウィックを使用しないことが望ましい。流れ変更部材124をさらに蒸発部の中心部に挿入する。前述したように、流れ変更部材はバネ、捩れた帯材またはらせん状で刃形の旋回器具とすることができる。図6に示す流れ変更部材124はバネである。

ウィックおよび流れ変更部材の選択は、使用するヒートパイプ／作動流体の組み合わせに依存する。作動流体の流速が高い場合にはばねが好適であり、一方低流速のシステムではらせん形がより好ましい。これら双方の場合、戻り流路組立体は流れ変更部材の中心部を貫通する。ウィックは、網または、当業者が必要に応じて選択した大きさの空隙と空隙率を有する焼結材料から作製することができる。

図6において、戻り流路120は中央の反応物導管170上に配置する。エネルギーの取り出しのための実施形態である図5に示したものと同様に、戻り流路120の役割は作動流体をヒートパイプ先端部へ輸送することである。そのため、戻り流路の先端部へ入り込む蒸気の量を最小化する必要がある。このことを達成するために幾つかの方法がある。一つは反応物導管170上に戻り流路120を延在させることである。これにより、戻り流路内の作動流体は冷却され、戻り流路内を移動しようとする全ての蒸気が凝縮されることとなる。

戻り流路が分離した流路である、すなわち図9に示すように反応物導管172が分離して延在する場合には、液体は反応物によって冷却されない。したがって、戻り流路の蒸気の流れはより大きな可能性を有する。この蒸気の流れを戻り流路を通して達成することができ、凝縮部へと流入する場合、液体は戻らないこととなり得る。この潜在的な問題を修正するため、戻り流路120を、上昇する蒸気を引き出して圧力が最も低い凝縮部の頂部へと輸送する排出路138に固定する。リザーバ130および排液管136での液体ヘッドが十分な大きさに達すると、液体は戻り流路へと流出し始める。一旦、戻り流が十分な速度で集積すると、蒸気が戻り流路の先端部へ流入することが妨げられる。排液管136および排出路138はＴ字形接続管140で互いに接続する。

戻り流路が個々の反応物輸送用導管172から分離していることは、液体が反応物によって冷却されないという不利な点を有していることは明らかである。しかしながら、液体が、与えられた断面積よりも小さな壁面抵抗でこの戻り流路をより容易に流れることができるという利点を有している。したがって、比較的小さい寸法のヒートパイプユニットでは、図9に示す分離した戻り流路および反応物流路を使用すべきであり、一方、より大きなユニットでは図6に示す同心形の戻り流路の設計が使用可能である。

凝縮部116は熱交換器であり、前述した凝縮部16に実質的に類似したものである。多数の構成が実施可能であるが、好適な構成を図6に示す。凝縮部116の外側本体128は蒸気／液体の作動流体を収容する。リザーバ130は外壁128と結合要素114の延長部の壁132との間に形成する。凝縮部で集められた液体は排出孔134を通して上側戻り流路136へと排出される。上側戻り流路136は必要に応じて可撓性を有するものとすることができる。上側戻り流路136はＴ字形接続管140で排出路138と接続する。この組立体はベローズ形の延長接続部129を介して環状の戻り流路120へと接続する。この延長接続部129は蒸発部112、反応物導管170および蒸発部112を通して延在する戻り流路120との間の熱膨張の差を補償するものである。

反応物のための分配用ヘッダ144を凝縮部チャンバーの真下に配置している。これは反応物を供給ポート142を通して供給するものである。その後反応物は一組の冷却管146を通して流れる。各冷却管には、反応物に旋回流を生じさせることによる熱伝導を促進するため、捩れた帯状のインサート材148が嵌め込まれている。これにより、遠心力の効果として、より凝縮かつ、より冷却された反応物を、作動流体の凝縮により熱を吸収可能な壁に対して押しつけることとなる。

冷却管146を出た反応物は排出用ヘッダ150へ進入し、ここで反応物は外側部材152および凝縮部の壁128を囲むことにより形成されるジャケット内へと拡散する。反応物は出口ポート154を経てジャケットから流出し、反応物分配用導管170の上端部と接続する管路155を通して流れる。外側ジャケットにはまた、流れの乱れとそれによる熱伝導を増加させるためのバネ式の旋回器具156が嵌め込まれている。

凝縮部にはまた、充填および排出用の管158が組み込まれている。さらに、凝縮部には熱電対の取付孔60が固定されており、ここにはヒートパイプの動作を監視するために用いる一つまたはそれ以上の熱電対を収容することができる。

反応物を輸送するための注入ヒートパイプユニットについての記載では、図6に示す傾斜したユニットに焦点を合わせていたが、図9に示すような垂直型のユニットにも同様に適用が可能である。これら二つのユニットの基本的な違いは蒸発部の方向と結合セグメントの形状である。先に述べたもう一つの違いは戻り流路の構成である。しかしながら、これは凝縮部の構造には含まれない。

幾つかの場合において、反応物が凝縮部をより冷却することが望ましい。この状態は、蒸発部への熱負荷が一つの反応物による冷却のみでは不十分な程度に大きい場合に生じ得る。これを克服するため、凝縮部を多数の冷却回路に分割することが可能である。こうした凝縮部の例を図10に示す。この場合、反応物は入口242を経て供給ヘッド244に進入する。反応物は冷却管246を通して上昇し、頂部ヘッダ248へと流入し、ポート251を経てヘッダから流出し、さらに、その後反応物導管170へと管で輸送し、反応物導管へ供給することが可能である。もう一つの冷却剤、例えば空気を入口253へ供給し、凝縮部の壁228および外側ジャケット部材252によって形成した外側ジャケットを通して流し、そして出口255を経て流出させる。これにより、ヒートパイプの熱取り出し能力を、反応物の固定した供給のために制御することができる。さらに、液体状の作動流体を凝縮部から蒸発部へと戻すための上側戻り流路236に取り付けた弁241を、ヒートパイプ組立体の熱取り出しを制御するのに用いることができる。勿論、凝縮部の他の取り得る構成も実施可能である。図10に示す構成は、単に概念を図示するために用いているものである。

ヒートパイプユニットを反応物の輸送に利用する、しないにかかわらず、ヒートパイプユニットに用いる作動流体の選択は、熱流束および動作温度を含む複数の要素に依存する。作動流体の様々な選択が可能であるが、高い熱流束に好適な作動流体は、ナトリウムまたはカリウムのような他のアルカリ金属である。ナトリウムを用いたヒートパイプユニットは、約600℃の温度での動作における高い熱流束を取り扱うことが可能である。動作温度が実質的にそれよりも低い場合には、水またはサーメックスのような有機物質を作動流体として使用可能である。

準備段階中にはヒートパイプユニットを排気しなければならず、それによってユニット内部の大量の非凝縮性の不活性ガスが、ヒートパイプをシールする前に引き出される。ユニット内に不活性ガスが存在しない場合には、凝縮のための最大領域が使用できる。さらに、気化した作動流体の分子は、気化および凝縮の過程が進行するために生じる圧力差によって凝縮部へと移動することとなる。

ヒートパイプ内に充填する作動流体の量は変化させることができる。従来技術においては、通常、比較的少量を充填することが提唱されていたが、本発明では過剰な量の充填を許容している。充填する作動流体の最低量は、動作中に蒸発部を十分に覆うことが確実になるようなものとする。使用のための最大量はリザーバの寸法で規定される。作動流体の全体量はリザーバ内部に適合するものでなければならない。好適な充填量はリザーバ体積の50〜90％であり、この量は蒸発部の体積にほぼ等しい。

凝縮部の冷却剤の選択は、基本的な熱伝導の検討に依存することとなろう。空気が好適な選択であっても、冷却剤として水または油もまた使用可能である。結局、冷却剤の選択は利用可能性や経済性と言った要素によって決定される。一般的な規則として、ヒートパイプを高温で動作させる場合には空気のようなガスが利用可能である。しかしながら、ヒートパイプを低温で動作させる場合には、水のような液体がより適切な冷却剤となる。

従来の単純な並流型ヒートパイプの断面図である。従来の循環型ヒートパイプの部分断面図である。従来の循環型ヒートパイプの部分断面図である。従来の非循環型ヒートパイプの模式的な断面図である。本発明によるヒートパイプの垂直方向断面図である。本発明によるヒートパイプの第二の実施形態を示す垂直方向断面図である。図５および図６の7-7線に沿った水平方向断面の平面図である。図8a〜8cは、本発明に用いる、利用可能な流れ変更部材の概略を示す斜視図である。本発明によるヒートパイプの他の実施形態を示す垂直方向断面図である。本発明に関連して使用する凝縮部の他の形態を示す垂直方向断面図である。

Claims

真空下で内部に収容した作動流体を有するヒートパイプ組立体であって、
作動流体を蒸発させるのに適合させた、閉鎖した先端部を有する蒸発部と、
作動流体の流れによって前記蒸発部と連通し、液化した前記作動流体を収集するために前記蒸発部よりも高い位置に配置したリザーバを内部に有する、前記蒸発部から流入した、気化した前記作動流体を凝縮させるのに適合させた熱交換器型の凝縮部と、
前記リザーバから前記蒸発部への液化した作動流体の重力による流れを許容する、前記蒸発部を通して延在し、該蒸発部の閉鎖した先端部近傍で終端する、個々に分離した不浸透性の液体戻り流路と、
前記蒸発部内で作動流体を旋回させる、該蒸発部内部に配置した流れ変更部材とを具え、
それによって、前記蒸発部の内壁を液体で覆うことを確実にするために、前記流れ変更部材が気化していない作動流体を気化した作動流体と共に前記蒸発部の内壁に対して遠心力によって押し付け、それにより膜沸騰の開始を遅らせるヒートパイプ組立体。
前記凝縮部がその外面での輻射および対流によって冷却される、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記凝縮部が、該凝縮部中心部を通して延在する、内部を冷却用の流体が流れる少なくとも一つの冷却管によって旧強制的に冷却される、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記冷却管が少なくとも一つの冷却剤ヘッダと流体の流れによって連通する、請求項３記載のヒートパイプ組立体。
前記冷却管が前記凝縮部の中心部を通して、底部の前記冷却剤ヘッダと頂部の冷却剤ヘッダとの間で長手方向に延在する、請求項４記載のヒートパイプ組立体。
前記冷却剤ヘッダが強制的に冷却される、請求項５記載のヒートパイプ組立体。
前記蒸発部および前記凝縮部が円筒形である、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記凝縮部の内面に溝を有する、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記溝が前記流れ変更部材に対応するピッチを有する、請求項８記載のヒートパイプ組立体。
前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、これらの間で流体の流れにより連通させる結合要素を具える、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
排出路が液体戻り流路と前記凝縮部の上部との間を流体の流れによって連通させ、それによって前記蒸発部の先端部から前記液体戻り流路を上昇する全ての蒸気を前記凝縮部の上部へと移動させる、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
少なくとも一つの前記結合要素および前記液体戻り流路が可撓性を有する、請求項１０記載のヒートパイプ組立体。
前記排出路が可撓性を有する、請求項１１記載のヒートパイプ組立体。
前記凝縮部が、該組立体の性能の監視および不具合を検出するために用いる少なくとも一つの熱電対を収容するのに適合させた熱電対取付孔を具える、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記凝縮部が前記蒸発部の断面積の約1〜50倍の内側断面積を有する、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記液体戻り流路が前記蒸発部内部での前記作動流体が蒸発する割合よりも約1〜100倍の割合で液体を流動させるのに十分な寸法を有する、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記流れ変更部材がらせん形のスワーラー、捩れた帯材およびつる巻バネの内の一つである、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
高温での適用においては前記作動流体が好ましくはアルカリ金属である、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
低温での適用においては前記作動流体が水、サーメックスおよびメタノールの内の一つである、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
冷却用の流体が好ましくは空気、水および油の内の一つである、請求項３記載のヒートパイプ組立体。
当該組立体がエネルギー取り出し装置である、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記液体戻り流路が、前記蒸発部への液体の流れをそれぞれ許容および遮断することにより該組立体の動作をオンおよびオフするのに適合させた弁を該流路内に具える、請求項２１記載のヒートパイプ組立体。
前記弁が熱取り出しの割合を制御するために液体の流れを部分的に制限することが可能である、請求項２２記載のヒートパイプ組立体。
前記エネルギー取り出し装置が好ましくは加熱した液体金属、加熱炉から出たガスおよび加熱炉の壁およびダクトの少なくとも一つを冷却するのに適合させた、請求項２１記載のヒートパイプ組立体。
前記蒸発部が固形の不浸透性の物体内に形成した孔で規定され、該組立体が前記固形の物体を冷却するのに適合させた、請求項２１記載のヒートパイプ組立体。
該組立体が前記蒸発部の中心部を貫通して該蒸発部の先端部で突出し、反応物を輸送するのに適合させた少なくとも一つの反応物分配用導管を有する反応物注入装置である、請求項１記載のヒートパイプ組立体。
前記反応物注入装置を気体状の反応物を変化する排出高さまで、およびサブマージ注入を含んで溶融物へ注入するためのランスおよび羽口として用いる、請求項２６記載のヒートパイプ組立体。
前記反応物注入装置を熱発生のために可燃物および酸化物を注入するためのバーナーとして用いる、請求項２６記載のヒートパイプ組立体。
前記反応物を前記凝縮部を冷却するために用い、それによって前記蒸発部から取り出したエネルギーにより前記反応物の予熱を行う、請求項２９記載のヒートパイプ組立体。
前記凝縮部が多数の冷却回路を具え、各冷却回路を反応物および補助冷却剤の内の一つを収容するのに適合させた、請求項２６記載のヒートパイプ組立体。
前記補助冷却剤が水、空気および油の内の一つを具える、請求項３０記載のヒートパイプ組立体。
反応物輸送用導管の異なる膨張および収縮を補償するための拡張型継手を該導管に配置した、請求項２６記載のヒートパイプ組立体。
物体から熱を取り出すための方法であって、
蒸発部および、該蒸発部と流体の流れによって連通する熱取り出し用凝縮部とを有し、該蒸発部がその内部で作動流体の旋回を発生させるために適合させた流れ変更部材を具え、前記凝縮部が前記蒸発部から流入した気化した前記作動流体を凝縮させるために冷却されるヒートパイプ組立体を設置する工程、
前記凝縮部と前記蒸発部の先端部との間の分離した不浸透性の液体戻り流路を設置する工程、
前記液体戻り流路を通して前記凝縮部から前記蒸発部へと液状の前記作動流体を重力によって流動させることを選択的に許容する工程および、
前記蒸発部を冷却させる物体と熱伝導を行わせるように配置する工程を具える方法。
高温の物質へ反応物を注入する方法であって、
蒸発部および、該蒸発部と流体の流れによって連通する熱取り出し用凝縮部とを有し、該蒸発部がその内部で作動流体の旋回を発生させるために適合させた流れ変更部材を具え、前記凝縮部が前記蒸発部から流入した気化した前記作動流体を凝縮させるために冷却されるヒートパイプ組立体を設置する工程、
前記凝縮部と前記蒸発部の先端部との間の分離した不浸透性の液体戻り流路を設置する工程、
前記液体戻り流路を通して前記凝縮部から前記蒸発部へと液状の前記作動流体を重力によって流動させることを許容する工程、
前記蒸発部を貫通して該蒸発部の先端部から突出する反応物輸送用導管を設置する工程および、
前記反応物を前記反応物輸送用導管を通して輸送し、高温の物質へ注入する工程を具える方法。