JP2006275424A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トップヒートモードで使用された場合でも作動流体を良好に循環させることができる冷却装置を提供する。
【解決手段】 蒸発部３と凝縮部５とが、全体として環状流路を形成するように液戻り管７と蒸気管８とによって連通され、その環状流路内に加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体９が封入され、さらに蒸発部コンテナ１３の内部に液相の作動流体９を浸透させて毛細管圧力を生じさせるウイック１４，１５が配置される冷却装置１において、蒸発部コンテナ１３の内部に、蒸気管８が連通され蒸発部コンテナ１３の内部に対して開口される溝１６と、液戻り管７が連通され蒸発部コンテナ１３の内部に対して開口される流入ポート１７とが形成され、溝１６と流入ポート１７とがウイック１４，１５を介して連通されるとともに、溝１６の開口部１６Ａ周縁に接触し気密状態に封止する封止部材２０，２４が配置されている。
【選択図】 図１

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部と、その作動流体蒸気を凝縮させる凝縮部とが、循環管路によって連結されたループ型ヒートパイプ（あるいは熱輸送ループ）式の冷却装置に関するものである。

密閉した容器や管路の内部に封入した流体を、外部から供給した熱によって蒸発させ、その蒸気を低温かつ低圧の箇所に流動させた後放熱させ、その結果凝縮した流体を、外部から熱の入力される蒸発部に還流させることにより、前記流体の潜熱として熱を輸送する装置が、従来、知られている。この種の最も一般的な構成は、パイプ状のコンテナの内部に、作動温度では凝縮することのない空気などのガスを脱気した後、水やアルコール、アンモニアなどの凝縮性の流体を封入したヒートパイプである。

いわゆるサーモサイホンと称されるヒートパイプは、凝縮した液相の作動流体を重力によって下方の蒸発部に還流させるように構成されているので、毛細管圧力をポンプ力として発生するウイックは設けられていないが、一般的なヒートパイプは、外部から入熱のある蒸発部が必ずしも下側となるボトムヒートモードで使用されるわけではないので、液相の作動流体を蒸発部に還流させるためのポンプ作用を生じるウイックを設けている。

ウイックは、毛細管圧力を生じるものであるから、開口部に生じるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小径となる構造のものであることが好ましく、従来では、作動流体を封入したコンテナ（容器）の内面に形成した細溝やメッシュ材、結束した極細線、多孔質材などが使用されている。このウイックにおける蒸発部側の部分において、作動流体の蒸発に伴うメニスカスの低下が生じ、それに伴って毛細管圧力が生じるので、液相の作動流体はウイックの内部を蒸発部側に向けて還流することになる。これに対して作動流体の蒸気は、蒸発部側から作動流体の凝縮の生じる凝縮部に向けて流動するので、ウイックに沿って還流する液相作動流体の流動方向と作動流体蒸気の流動方向とが互いに反対となる。そのために、ウイックの表面において液相の作動流体が作動流体蒸気によって吹き飛ばされ、あるいは吹き戻され、これがいわゆる飛散限界となってヒートパイプの熱輸送能力が制限されることがある。

従来、このような不都合を解消できるヒートパイプとしてループ型のものが開発されている。これは、外部から入熱のある蒸発部と作動流体が放熱して凝縮する凝縮部とを分離して構成し、かつこれらの液相の作動流体が蒸発部に向けて貫流する液流管と作動流体蒸気の流動する蒸気流管とによって環状（ループ状）に連結した構造のヒートパイプである。このような構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、上述した飛散限界などによる熱輸送能力の制約がなくなる。

この種のループ型のヒートパイプの一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されたヒートパイプは、液管と蒸気管とが接続された蒸発器を備えており、その蒸発器に、円筒状のウイックが収納されている。

したがって、特許文献１に記載されたヒートパイプでは、蒸発器に伝達された熱によって、その容器の内面に接している作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は蒸気管を介して蒸発器から送り出される。一方、液相の作動流体は、液管からウイックに供給され、ウイックで毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体は前記容器に供給される。そして、その液相作動流体が加熱蒸発して蒸気管を経て凝縮部に流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。
特開平１０−２４６５８３号公報 （段落（００４０）〜（００４９）、図１４）

上述の冷却装置が、例えば、トップヒートモードによって使用された場合、重力などの影響によって、作動流体に対して循環する方向と反対の方向の力が不可避的に生じる。しかしながら、上記の構造の冷却装置では、蒸発部内部の気相の作動流体と液相の作動流体が、流動の際に混在してしまうおそれがあり、その結果、前記冷却装置における環状の流路に作動流体を循環させるために充分な毛細管圧力を得ることができない可能性がある。そのため、作動流体が循環し難くなり冷却装置の冷却性能を維持できないおそれがある。

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、トップヒートモードで使用された場合でも作動流体を良好に循環させることのできる冷却装置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、蒸発部と凝縮部とが、全体として環状流路を形成するように液戻り管と蒸気管とによって連通され、その環状流路内に加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、さらに蒸発部容器の内部に液相の前記作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせるウイックが配置される冷却装置において、前記蒸発部容器の内部に、前記蒸気管が連通され前記蒸発部容器の内部に対して開口される管状の蒸気流路と、前記液戻り管が連通され前記蒸発部容器の内部に対して開口される管状の液流路とが形成され、前記液戻り管が連通され前記蒸発部容器の内部に対して開口される管状の液流路とが形成され、前記蒸気流路と前記液流路とが前記ウイックを介して連通されるとともに、前記蒸気流路を形成する管状部材の開口周縁に接触し、前記蒸気流路を気密状態に封止する封止部材が配置されていることを特徴とする冷却装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記封止部材にＯリングが含まれることを特徴とする冷却装置である。

さらに、請求項３の発明は、請求項２の構成に加えて、前記封止部材が、前記蒸発部容器の両端部に設けられたシール用のキャップと、前記Ｏリングとによって構成され、前記シール用のキャップと前記Ｏリングとが固着されていることを特徴とする冷却装置である。

さらに、請求項４の発明は、請求項３の構成に加えて、前記シール用のキャップの外側にカバーが設けられるとともに、前記カバーと前記シール用のキャップとの間に弾性体が配置されていることを特徴とする冷却装置である。

請求項１の発明によれば、冷却装置の蒸発部容器の内部に開口された蒸気流路の開口周縁に封止部材が接触しているので、蒸気流路が気密状態に封止される。そのため、作動流体の気相と液相とを隔離するいわゆる界面処理が行われ、作動流体に対する毛細管圧力を一定に保つことができる。その結果、冷却装置がトップヒートモードで使用された場合においても、冷却装置内部に作動流体を効率良く流動できる。その結果、冷却装置全体としての熱輸送能力を向上できる。

また、請求項２の発明によれば、Ｏリングを含む前記封止部材によって前記蒸発部容器の内部における界面処理が効率良く行われ、作動流体に対する毛細管圧力を一定に保つことができる。

また、請求項３の発明によれば、前記封止部材が、前記蒸発部容器の両端部に設けられたシール用のキャップと、前記Ｏリングとによって構成され、前記シール用のキャップと前記Ｏリングとが固着されているので、前記作動流体における気相と液相とをさらに効率良く隔離できる。その結果、作動流体に対する毛細管圧力を一定に保つことができるので、冷却装置全体としての熱輸送能力を向上できる。

また、請求項４の発明によれば、前記シール用のキャップの外側に設けられるカバーと前記シール用のキャップとの間に弾性体が配置されているので、シール用のキャップが弾性体によって押圧される。その結果、前記Ｏリングが所定の流路以外の他の流路に密着し、前記作動流体における気相と液相とをさらに効率良く隔離できる。

以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明による冷却装置１は、図４に示す車両２に取り付けられている。具体的には、冷却装置１は、ループ型ヒートパイプであって、このループ型ヒートパイプを形成している蒸発部３が、車両２における内装パネルの一例であるインストルメントパネル４の裏面に取り付けられている。一方、冷却装置１を形成している凝縮部５が、車両２における車室の外部であって、外気に曝される箇所に配置されている。前記蒸発部３は凝縮部５よりも相対的に上方に配置されており、冷却装置１はトップヒートモードとして使用されている。

冷却装置１は、図３に示すように、蒸発部３と凝縮部５とが、液戻り管７と、これより大径の蒸気管８とによって連通され、全体として密閉された環状に形成されている。このヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気された後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体９として封入されている。

この発明のループ型ヒートパイプの蒸発部３の一例を図１に示す。ここに示す蒸発部３は、円筒形に構成された金属製のチューブ１０と、その一端部を閉じるように取り付けられた流入カバー１１と、他方の端部を閉じるように前記チューブ１０に取り付けられた流出カバー１２とによってコンテナ１３が構成されている。このコンテナ１３の内部には、ウイック１４とウイック１５とが収容されている。このコンテナ１３を構成している各チューブ１０の内周面には、多数の溝１６が形成されている。これらの溝１６は、コンテナ１３の内周面の面積を増大するように機能し、また後述するように作動流体９の蒸気流路となるものであって、チューブ１０の軸線方向に向けて形成されている。なお、この溝１６は、螺旋状に形成してもよく、またチューブ１０の内周面の一部に形成されていてもよい。

チューブ１０の一方の端部に取り付けられている流入カバー１１には、前述した液戻り管４を接続するための流入ポート１７が形成されている。流入ポート１７はガラス管とされており、このガラス管の一方の端部がコンテナ１３内部に挿入され、前記ウイック１４と連通している。そのため、コンテナ１３内部における前記流入ポート１７の内部が、作動流体９の液流路とされている。また、チューブ１０の他方の端部に取り付けられている流出カバー１２には、前述した蒸気管５を接続するための流出ポート１８が形成されている。したがってこれらの各ポート１７，１８がそれぞれ接続部となっている。

前記ウイック１４は、例えばセラミックあるいは金属粉末を原料とした多孔質焼結体であって、好ましくは気孔率が５０％以上で、気孔の平均開口径が１０μｍ程度の多孔質体である。また、ウイック１４は、ウイック１５よりも実効毛細管半径が小さく毛細管圧力が大きい構成となっている。一方、ウイック１５は、例えば金網やファイバーウイックであって、ウイック１４よりも実効毛細管半径が大きく、相対的に流路が大きい構成となっている。ウイック１４、１５は、コンテナ１３の内部に収容されており、ウイック１４の外周方向にウイック１５が配置されている。そして、これらのウイック１５の外周面が、チューブ１０の内周面（より正確には溝１６同士の間のいわゆる山の部分）に密着している。そのため、溝１６の一端部は蒸発部コンテナ１３の内部に対して開口されており、開口部１６Ａとされている。また、ウイック１４の内周方向には中空部分１９が形成されている。この中空部分１９に前記流入ポート１７の一端部が挿入され、配置されている。

コンテナ１３の内部であって、溝１６の開口部１６Ａの周辺には封止部材２０が設けられており、開口部１６Ａの開口周縁に接触している。具体的には、封止部材２０はキャップ２１とＯリング２２とによって構成されている。このキャップ２１の中心には貫通孔２３が形成されており、この貫通孔２３に流入ポート１７が挿入されている。また、キャップ２１は開口部１６Ａの開口周縁に接触している。また、Ｏリング２２はウイック１５とキャップ２１との間に配置されており、液密状態で相互に接触している。さらに、キャップ２１とＯリング２２とは、所定の接着剤や超音波による融着等によって固着されている。

一方、流出カバー１２とウイック１４，１５との間には、封止部材２４が設けられている。封止部材２４はキャップ２５とＯリング２２と弾性体２７とによって構成されている。キャップ２５はウイック１４、１５と接触している。また、Ｏリング２２はウイック１５とキャップ２５との間に配置されており、相互に接触している。さらに、キャップ２５とＯリング２２とは、所定の接着剤や超音波による融着等によって固着されている。そして、キャップ２５と流出カバー１２との間に弾性体２７が配置されている。この弾性体２７は弾性力を有する状態で配置されておりキャップ２５をコンテナ１３の内側方向に対して押圧している。

上記の冷却装置１による冷却の状態を説明する。車室７内部に入り込む入射光等によって、車室７内のインストルメントパネル４が加熱されると、コンテナ１３に対して外部から熱Ｑが与えられる。蒸発部３のコンテナ１３の内部には、液相の作動流体９が供給されていてウイック１５が作動流体９で湿潤した状態となっている。この状態で蒸発部３に対して外部から熱Ｑが与えられると、コンテナ１３の内面に接触し、もしくはその近辺にある液相の作動流体９が加熱されて蒸発する。その場合、前記チューブ１０の内周面に溝１６が形成されているので、チューブ１０と作動流体９との熱交換面積が広く、したがって効率よく作動流体９に対して熱を伝達することができる。

ウイック１５の外周部において作動流体９の蒸発が生じることによって、ウイック１５の空孔における開口端にメニスカスが生じ、あるいは空孔での液面が低下するので、毛細管圧力によるポンプ力が生じる。したがって、ウイック１５においては液相の作動流体９が、その外周面に分散するように供給される。その結果、前記コンテナ１３の内周面のほぼ全体に対して液相の作動流体９が供給され、蒸発部３における実質的な入熱面積を広くすることができる。

一方、加熱されて蒸発した作動流体９は溝１６に流れ込む。そして作動流体９はその蒸気流路である溝１６から流出ポート１８を介して蒸気管８に流出する。その際、コンテナ１３の内部における溝１６の開口部１６Ａが封止部材２４によって遮断されているため、気相の作動流体９のみが蒸気管８に流出する。その結果、作動流体９における気相と液相とが隔離されるいわゆる界面処理が行われ、気相の作動流体９のバックフローが防止される。その結果、冷却装置１全体としての熱輸送能力が向上する。そして、気相の作動流体９は蒸気管８を介して凝縮部５に至る。ここで外部に熱Ｑを放出して気相の作動流体９が凝縮し、液相になる。

一方、コンテナ１３内部のウイック１５の外周部において作動流体９の蒸発が生じることによって、ウイック１５の空孔における開口端にメニスカスが生じ、あるいは空孔での液面が低下するので、毛細管圧力によるポンプ圧が生じる。このポンプ圧によって液戻り管８内部の作動流体９が上方に吸引され、コンテナ１３の流入ポート１７に至る。流入ポート１７は熱伝達性の低いガラス管で形成されているので、作動流体９はコンテナ１３に至るまで液相の状態とされる。

コンテナ１３内部に吸引された液相の作動流体９は、封止部材２０によって再び界面処理される。すなわち、流入ポート１７がウイック１４に連通しており、それ以外の部分がキャップ２１、あるいはＯリング２２によって遮断されることによって、ウイック１４に発生する毛細管圧力が流入ポート１７のみに伝達される。その結果、液相の作動流体９に対する吸引力が一定に保たれ、前記作動流体９が上方に流動する。また、前記作動流体９における気相と液相とが隔離され、液相の作動流体９がウイック１４に供給される。

したがって、上記の冷却装置１では、冷却装置１の蒸発部コンテナ１３の内部の溝１６の開口周縁に封止部材２０が接触しているので、溝１６に形成される蒸気流路が気密状態に封止される。そのため、作動流体９の気相と液相とが隔離されるいわゆる界面処理が行われ、作動流体に対する毛細管圧力を一定に保つことができる。その結果、冷却装置１がトップヒートモードで使用された場合においても、冷却装置１内部に作動流体９を効率良く流動できる。その結果、冷却装置１全体としての熱輸送能力を向上できる。

また、各封止部材が、キャップ２１，２５と、各Ｏリング２２とによって構成され、さらに各キャップと各Ｏリング２２とが固着されているので、作動流体９の気相と液相とをさらに効率良く隔離できる。その結果、ウイック１４と接触する液相の作動流体９が一定量となり、作動流体９に対する毛細管圧力による吸引力を一定に保つことができるので、冷却装置１全体としての熱輸送能力を向上できる。

そして、キャップ２５の外側に設けられるカバー１２と、前記キャップ２５との間に弾性体２７が配置されているので、キャップ２５が弾性体２７によって押圧される。その結果、Ｏリング２２が所定の流路以外の他の流路に密着するので、液相および気相の作動流体をさらに効率良く隔離できる。

また、冷却装置１によって、インストルメントパネル４の熱を車室外部に放熱することができるので、インストルメントパネル４を冷却することができる。その結果、車室内部の継続的な温度上昇が防止でき、車室内部を快適な温度にすることができる。

さらに、前記蒸発部３が運転席前方のインストルメントパネル４に取り付けられており、凝縮部５が車両外部に設置されているので、車両の走行中に生じる風に凝縮部５を曝すことができる。その結果、凝縮部５を強制冷却することができるので、インストルメントパネル４を効率よく冷却することができる。

なお、この発明は上記の具体例に限定されない。すなわち、上記の具体例では、コンテナ１３がインストルメントパネル４に取り付けられ、凝縮部コンテナ５が車両２外部の所定の場所に取り付けられたが、この発明の冷却装置は、車両であればどの部位であっても取り付けることができる。したがって、コンテナ１３がパーセルシェルフボード、トノカバー、ドアウエスト、シートに蒸発部が配置されてもよい。また、凝縮部コンテナ５が自動車の床下、フェンダーパネル、ドアパネルに配置されてもよい。

この発明の冷却装置の一具体例を簡略的に示す平面図である。 図１のII−II線による断面図である。 図１の冷却装置の全体を簡略的に示す平面図である。 この発明の冷却装置が車両に使用された例を簡略的に示す平面図である。

符号の説明

１…冷却装置、 ３…蒸発部、 ５…凝縮部、 ７…液戻り管、 ８…蒸発管、 ９…作動流体、 １３…コンテナ、 １４，１５…ウイック、 １６…溝、 １６Ａ…開口部、 １７…流入ポート、 ２０，２４…封止部材、 ２２…Ｏリング、 ２１，２５…キャップ。

Claims (4)

1. 蒸発部と凝縮部とが、全体として環状流路を形成するように液戻り管と蒸気管とによって連通され、その環状流路内に加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、さらに蒸発部容器の内部に液相の前記作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせるウイックが配置される冷却装置において、
   前記蒸発部容器の内部に、前記蒸気管が連通され前記蒸発部容器の内部に対して開口される管状の蒸気流路と、前記液戻り管が連通され前記蒸発部容器の内部に対して開口される管状の液流路とが形成され、前記蒸気流路と前記液流路とが前記ウイックを介して連通されるとともに、前記蒸気流路を形成する管状部材の開口周縁に接触し、前記蒸気流路を気密状態に封止する封止部材が配置されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記封止部材にＯリングが含まれることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記封止部材が、前記蒸発部容器の両端部に設けられたシール用のキャップと、前記Ｏリングとによって構成され、前記シール用のキャップと前記Ｏリングとが固着されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記シール用のキャップの外側にカバーが設けられるとともに、前記カバーと前記シール用のキャップとの間に弾性体が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。

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