JP2007309639A - ループヒートパイプのための多層ウィック、ループヒートパイプ、および多層ウィックを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明の１つの局面においては、ループヒートパイプのための多層ウィックが提供される。この発明の別の局面では、多層ウィックを製造する方法が提供される。
【解決手段】多層ウィックは、一次ウィックを備え、一次ウィックは第１の層と第２の層とを含み、第１の層は第２の層を取囲み、多層ウィックはさらに二次ウィックを備え、一次ウィックの第２の層は二次ウィックを取囲む。多層ウィックの製造方法は、内側層の外径を外側層の内径よりも大きく機械加工することと、外側層を加熱して内径を拡大することと、内側層を外側層内に挿入することと、内側層と外側層を冷却することとを含む。
【選択図】図６

Description

関連出願への相互参照
なし
背景
１．発明の分野
この発明は一般に熱輸送装置に関し、特に、ループヒートパイプのための多層ウィックに関する。

２．発明の背景
ループヒートパイプは、作動流体の蒸発および凝縮を利用して熱を輸送し、微細多孔ウィックにおいて生ずる毛細管力を利用してその作動流体を循環させる２相熱輸送装置である。ループヒートパイプは、閉じたシステムにおいて流体を用いて一方の源から別の源へ熱を輸送するよう空間における適用例において用いられる非常に効率的な熱輸送層である。ループヒートパイプが従来のヒートパイプと異なる点は、ウィック構造が蒸発器部においてしか必要とされないという点である。このウィック構造は、微細多孔材料から形成されるが、典型的には、作動液体／蒸気をループヒートパイプにおいて循環させるための駆動力を与える一次ウィックおよび二次ウィックからなる。

図１は、ウィック構造が、双方とも金属からなる一次ウィック６および二次ウィック２０を有する、従来のループヒートパイプ２の概略を示す。ループヒートパイプ２においては、熱を蒸発器４に対してループ構成において与え、液体を一次ウィック６内において液体／蒸気界面において蒸発させる。飽和した蒸気８は蒸発器４において蒸気溝を通って流れ、蒸気線１０および凝縮器１２に合流し、そこにおいて、熱が取除かれる。換言すると、ウィック構造を用いることにより作動液体／蒸気をループヒートパイプ２において駆動し、熱輸送のため相変化界面を与える。

蒸気８は溝のシステムにおいて集められるが、それはウィック構造内に位置し得、蒸気８は蒸気線１０を流れて凝縮器１２に到達し、そこにおいて、蒸気８は、熱が凝縮器１２内において取除かれるにつれ、凝縮する。溝により、蒸気８は蒸発器４から逃れ出て蒸気線１０に入り得る。補償室１４は、蒸発器４の端部にあり、蒸発器４の液体供給を補償し、ループヒートパイプ動作温度を調整するよう設計される。補償室１４の下側飽和圧力は凝縮された液体を蒸発器４に戻す。液体／流体は、次いで、中央パイプ１８に流れ込み、そこにおいてそれは一次ウィック６および二次ウィック２０に対し供給を行なう。過剰な流体は補償室１４に排水される。

補償室１４および二次ウィック２０における液体はサイクルを閉じるよう一次ウィック６に戻されなければならない。毛細管力はこれを受動的に達成し、ちょうど水がスポンジに吸上げられるように、液体を表面に吸い戻す。

図２は、図１のループヒートパイプ２におけるさまざまな位置において温度測定値により証明される、ループヒートパイプ２における熱漏洩の発生のグラフを示す。下の表１は、ループヒートパイプ２における、温度が測定された位置を示す。図２からわかるように、温度における変化（ΔＴ）が大きいほど、より大きな熱漏洩がもたらされる結果となる。たとえば、補償室温度（ＴＣ８）と蒸気線温度（ＴＣ５）との間における温度の変化は、大きな熱漏洩が生じていることを示す。この熱漏洩は、金属から形成される一次ウィッ
ク６の高い熱伝導率の結果である。

熱漏洩を低減するため、先行技術のシステムでは一次ウィック６の金属がセラミックと置き換えられた。図３は、一次ウィック６がセラミックからなるウィック構造の例を示す。一次ウィック６に対してセラミックを用いることは蒸発器４から補償室１４への熱漏洩を減ずるが、それは、加熱表面において熱輸送抵抗を引起こすという否定的な副作用も有する。

図４ａ〜図４ｂにおいて、一次ウィックがセラミックからなるループヒートパイプの部分を示す。各部分は、ループヒートパイプのさまざまな場所において蒸気溝を利用することにより、蒸気が蒸発器２２から逃れ出て蒸気線（図示せず）内に入ることを可能にする。図４ａにおいて見られ得るように、大きな温度差（ΔＴ）が蒸発器２２と蒸気線との間にあり、この場合、溝２４は蒸発器２２に位置する。この大きな温度差は、セラミック材料が持つ小さな熱伝導率のため加熱表面から液体／蒸気界面への大きな熱抵抗を示す。同様に、図４ｂでは、溝２４はウィック構造２６にあり、大きな熱漏洩をもたらす結果となる大きな温度差（ΔＴ）が、セラミック材料の持つ小さな熱伝導率およびセラミックウィックのドライゾーンを渡る熱輸送により引起こされる。

図５は図４ａ〜図４ｂのウィック構造２６を利用するループヒートパイプの熱漏洩を示すグラフである。一次ウィックがセラミックからなるウィック構造を用いることは熱漏洩を減ずるが、セラミックウィック構造は低い熱伝導率を有するので、大きな温度差（ΔＴ）が蒸発器２２と蒸気線１０との間にある。

上記に鑑み、ループヒートパイプにおいて蒸発器から補償室への熱漏洩を低減し、熱輸送を増加させ、セラミックウィックにおける熱輸送抵抗を低減する、ループヒートパイプのための多層ウィックが必要とされる。

発明の概要
この発明の１つの局面において、ループヒートパイプのための多層ウィックが提供される。この多層ウィックは、一次ウィックを備え、一次ウィックは、第１の層と、第２の層とを含み、第１の層は第２の層を取囲み、多層ウィックはさらに、二次ウィックを備え、一次ウィックの第２の層は第２のウィックを取囲む。

この発明の別の局面においては、ループヒートパイプが提供される。このループヒートパイプは、補償室と、蒸発器と、補償室を蒸発器に接続する多層ウィックとを備え、多層ウィックは、一次ウィックを含み、一次ウィックは、第１の層と、第２の層とを有し、第１の層は第２の層を取囲み、さらに、二次ウィックを備え、一次ウィックの第２の層は二次ウィックを取囲む。

この発明のさらに別の局面においては、多層ウィックを製造する方法が提供される。こ
の方法は、内側層の外径を外側層の内径よりも大きく機械加工することと、外側層を加熱して内径を拡大することと、内側層を外側層内に挿入することと、内側層と外側層とを冷却することとを含む。

この発明のさらに別の局面では、ループヒートパイプのための多層ウィックが提供される。この多層ウィックは、一次ウィックを備え、一次ウィックは、第１の層と、第２の層とを含み、第１の層は第２の層を取囲む。

この短い概要は発明の性質をすぐに理解できるように与えられる。この発明のより完全な理解はその好ましい実施例の以下の詳細な説明を添付の図面に関連付けて参照することにより得られ得る。

この発明の前記の特徴および他の特徴をここで好ましい実施例の図面を参照して記載する。示される実施例はこの発明を例示するよう意図されるものであり、この発明を限定するよう意図されるものではない。

好ましい実施例の詳細な説明
この発明はループヒートパイプのための改良されたウィック構造を提供する。あるループヒートパイプの構造および性能は上において図１を参照して記載される。ウィック構造はヒートパイプの熱源から補償室への熱損失を防ぐ多層ウィックである（つまり、異なる材料を伴う２つ以上の層を有する）。

図６はこの発明の１つの局面に従って多層ウィック２７を示す。好ましい実施例では、多層ウィック２７は、二次ウィック３４を取囲む第１の層３０および第２の層３２を有する一次ウィック２８を含む。一次ウィック２８の第１の層３０は高熱伝導率材料、たとえばニッケルなどからなる。二次ウィック３４は低熱伝導率材料または高熱伝導率材料のいずれからもなり得る。二次ウィック３４は低熱伝導率材料、たとえばセラミックなどからなる一次ウィック２８の第２の層３２内に挿入され、一次ウィック２８の第１の層３０は一次ウィック３２の第２の層を取囲む。一次ウィック２８の第１の層３０の材料の熱伝導率は、蒸発器から液体／蒸気界面への輸送抵抗を低減するよう高くなければならない。

多層ウィックは第１および第２の層を有する一次ウィックを有するものとして記載されるが、一次ウィックは３つ以上の層を有し得る。さらに、多層ウィックは二次ウィックを伴って、または伴わずに形成され得、二次ウィックは金属または非金属多孔材料から形成され得る。

ある好ましい実施例では、一次ウィック２８の第１の層３０の厚みは０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの間である。一次ウィック２８の第１の層３０の孔サイズは０．５〜１０．０μｍの間であり、一次ウィック２８の第２の層３２の多孔度は４０％〜７５％の間である。一次ウィック２８の第１の層３０の材料は金属粉末、たとえば多孔性の銅、ニッケル、アルミニウム、真鍮、および銀などの金属粉末、または非金属高熱伝導率金属、たとえばカーボン−カーボンなどから焼結され得る。

多層ウィック２７の結果、蒸発器から補償室への熱漏洩が一次ウィック３０の第２の層３２のセラミック材料の断熱（つまり低い熱伝導率）のため低減される。ある好ましい実施例では、一次ウィック２８の第２の層３２の厚みは２．０ｍｍから１０．０ｍｍに変動し得る。第２の層３２の孔のサイズは１．０μｍから１５．０μｍに変動し得、多孔度は４０％から７５％に変動し得る。第２の層３２の材料は、多孔性の低熱伝導率材料、たとえばセラミック、シリカ、複合ポリマー、およびプラスチックなどの材料であり得る。（
セラミックはカリフォルニア州（CA）サンタ・バーバラ（Santa Barbara）のソイルモイスチャ・イクイプメント・コープ（Soilmoisture Equipment Corp.）により製造される０６４０多孔性セラミックシリンダであり得る。)
多層ウィック２７の長さおよび径は総入力熱負荷により決定される。他のものでは、その長さおよび径はループヒートパイプが用いられることになる適用例によって決定される。

さらに、多層ウィックにおける熱輸送は、補償室と液体線との間の温度差を低減する（サブ冷却）一方、増大する。一次ウィック２８の第１の層３０は高い熱伝導率（金属）を有さなければならず、一方、一次ウィック２８の第２の層３２は（非金属である）低い熱伝導率を有さなければならない。用いられる金属製および非金属製材料は流れる液体の種類に基づいて決定され、実際の寸法および長さは熱負荷に依存するであろう。下の表２は、具体的な流体とともに用いられ得る一次ウィックおよび二次ウィック双方に対する材料の例を示す。

図７は図６の多層ウィック２８の端部図である。図８は、図６の線８−８に沿った多層ウィックの断面図である。

図９は蒸気溝を蒸発器４４において伴う多層ウィック２７を用いるループヒートパイプ蒸発器の上面図である（図１１参照）。補償室４５はステンレス鋼からなり、多層ウィック２７は補償室４５を蒸発器４４に接続する。二次ウィック３４のある部分は補償室４５内にある。

図１０は、図９の線１０−１０に沿ったループヒートパイプの補償室４５の断面図である。図１１は図９の線１１−１１に沿ったループヒートパイプの蒸発器４４の断面図である。

図１２は蒸気溝が多層ウィック２７に位置する多層ウィック２７を用いる蒸発器４４の
上面図である（図１５参照）。図１３は蒸気溝が多層ウィック２７に位置する多層ウィック２７を用いる補償室４５を示す。図１４は図１３の線１４−１４に沿った補償室４５の断面図である。図１５は、図１２の線１５−１５に沿った蒸発器４４の断面図である。

溝により、蒸気は蒸発器を逃れ出て蒸気線内に入り得る。蒸気チャネルならびに長手方向および周方向溝は一次ウィック２８の第２の層３２または蒸発器４４の内側表面のいずれかに形成される。ループヒートパイプの性能は、どこに溝が位置するかにかかわらず、同じである。

図１６はこの発明の多層ウィック２７を利用するループヒートパイプ３８の第１の実施例を示す。第１の実施例では、液体線４０および蒸気線４２は分離されている。蒸気線４２は蒸発器４４の端部から始まり、蒸気線４２および液体線４０は互いから遠く離れている。

図１７はこの発明の多層ウィック２７を利用するループヒートパイプ４６の第２の実施例を示す。第２の実施例では、液体線４０および蒸気線４２は互いに接近している。蒸気線は蒸発器４４の始まりから始まり、蒸気線４２および液体線４０は互いに接近している。

ループヒートパイプの性能は、液体線および蒸気線が互いに接近しているかどうかにかかわらず同じである。図１６および図１７の設計は適用例に特化している。

多層ウィック２８（つまり外側層３１と内側層３３との間の界面）の製造は熱処理アプローチにより完成される。内側層３３は一次ウィック２８の第１の層３２および二次ウィック３４からなり、外側層３１は第２の層からなる。

図１８に示されるように、内側層３３の外径Ｄ１は外側層３１の内径Ｄ２よりもわずかに大きくなるよう機械加工される。外側層３１を加熱し、その内径Ｄ２を拡大することにより、内側層３３はすばやく設置される。双方の層が冷却された後、緊密な接続（界面嵌め）が構築される。同じプロセスを用いて多層一次ウィック２８を蒸発器４４内へ設置する。内側層３３材料と外側層３１材料との組合せは作動流体に対するそれらの親和性により選択される。

外側層３１の長さは蒸発器４４の長さと等価であり、つまり、ずっと終わりまで続く。内側層の長さは外側層よりも長く、補償室４５から蒸発器４４までの長さと等価である（低熱伝導率層はずっと終わりまで続く）。伝導による補償室４５への熱漏洩を防ぐため、補償室４５と蒸発器４４との間における多層ウィック２７の部分は、内側層材料と同じである、低熱伝導率材料からなる１つの層を用いるに過ぎない。全多層ウィックの外径は材料変動にかかわらず一様である。

この発明は、上記において、現在その好ましい実施例であると考えられるものに関し記載されているが、この発明は上記のものに限定されないことを理解されたい。逆に、この発明は特許請求の範囲の精神および範囲内におけるさまざまな修正物および等価な構成を包含するよう意図されるものである。

従来のウィック構造を利用する従来のループヒートパイプの図である。 図１のループヒートパイプの熱漏洩の発生を示すグラフの図である。 一次ウィックが非金属材料であるセラミックからなるウィック構造を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は異なる種類の蒸気溝を利用する蒸発器および補償室を示す図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）のセラミック一次ウィック構造を利用するループヒートパイプの熱漏洩を示すグラフの図である。 この発明の１つの局面に従う、ループヒートパイプのための多層ウィックを示す図である。 図６の多層ウィックの端部図である。 図６の線８−８に沿った多層ウィックの断面図である。 蒸気溝を蒸発器に伴う多層ウィックを利用するループヒートパイプ蒸発器の上面図である。 図９の線１０−１０に沿ったループヒートパイプの補償室の断面図である。 図９の線１１−１１に沿ったループヒートパイプの蒸発器の断面図である。 蒸気溝を多層ウィックに伴う多層ウィックを用いる蒸発器の上面図である。 この発明の第２の局面に従う、多層ウィックを用いる補償室を示す図である。 図１３の線１４−１４に沿った補償室の断面図である。 図１２の線１５−１５に沿った蒸発器の断面図である。 この発明の１つの局面に従う、液体線および蒸気線が分離されたループヒートパイプの図である。 この発明の１つの局面に従う、液体線および蒸気線が互いに接近するループヒートパイプの図である。 この発明の１つの局面に従う、多層ウィックの製造を示す図である。

符号の説明

２ ループヒートパイプ
６ 一次ウィック
２０ 二次ウィック
２７ 多層ウィック
２８ 一次ウィック
３０ 第１の層
３２ 第２の層
３４ 二次ウィック
３８ ループヒートパイプ
４６ ループヒートパイプ

Claims (21)

1. ループヒートパイプのための多層ウィックであって、
   一次ウィックを備え、前記一次ウィックは、
   第１の層と、
   第２の層とを含み、前記第１の層は前記第２の層を取囲み、前記多層ウィックはさらに、
   二次ウィックを備え、前記一次ウィックの前記第２の層は前記第２のウィックを取囲む、多層ウィック。
2. 前記一次ウィックの前記第１の層はたとえば金属などの高熱伝導率材料からなる、請求項１に記載の多層ウィック。
3. 前記高熱伝導率材料はニッケルである、請求項２に記載の多層ウィック。
4. 前記一次ウィックの前記第２の層は低熱伝導率材料からなる、請求項１に記載の多層ウィック。
5. 前記低熱伝導率材料はセラミックである、請求項５に記載の多層ウィック。
6. 前記多層ウィックは前記ループヒートパイプにおいて補償室を蒸発器に接続する、請求項１に記載の多層ウィック。
7. 前記二次ウィックのある部分は補償室内にある、請求項６に記載の多層ウィック。
8. 前記一次ウィックは第３の層をさらに含み、前記一次ウィックの前記第２の層は前記一次ウィックの前記第３の層を取囲んでいる、請求項１に記載の多層ウィック。
9. 補償室と、
   蒸発器と、
   前記補償室を前記蒸発器に接続する多層ウィックとを備え、前記多層ウィックは、
   一次ウィックを含み、前記一次ウィックは、
   第１の層と、
   第２の層とを有し、前記第１の層は前記第２の層を取囲み、さらに、
   二次ウィックを備え、前記一次ウィックの前記第２の層は前記二次ウィックを取囲む、ループヒートパイプ。
10. 前記一次ウィックの前記第１の層は高熱伝導率材料である、請求項９に記載のループヒートパイプ。
11. 前記高熱伝導率材料はニッケルである、請求項１０に記載の多層ウィック。
12. 前記一次ウィックの前記第２の層は低熱伝導率材料からなる、請求項９に記載の多層ウィック。
13. 多層ウィックを製造する方法であって、
    内側層の外径を外側層の内径よりも大きく機械加工することと、
    前記外側層を加熱して前記内径を拡大することと、
    前記内側層を前記外側層内に挿入することと、
    前記内側層および前記外側層を冷却することとを含む、方法。
14. 前記多層ウィックは、
    一次ウィックを備え、前記一次ウィックは、
    第１の層と、
    第２の層とを含み、前記第１の層は前記第２の層を取囲み、前記多層ウィックはさらに、
    二次ウィックを備え、前記一次ウィックの前記第２の層は前記第２のウィックを取囲む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記内側層は一次ウィックの第２の層および二次ウィックからなる、請求項１３に記載の方法。
16. 前記外側層は一次ウィックの第１の層からなる、請求項１３に記載の方法。
17. 一次ウィックの第１の層は高熱伝導率材料からなる、請求項１４に記載の方法。
18. 内側層は低熱伝導率材料からなる、請求項１３に記載の方法。
19. ループヒートパイプのための多層ウィックであって、
    一次ウィックを備え、前記一次ウィックは、
    第１の層と、
    第２の層とを含み、前記第１の層は前記第２の層を取囲む、多層ウィック。
20. 二次ウィックをさらに備え、前記一次ウィックの前記第２の層は前記二次ウィックを取り囲む、請求項１８に記載の多層ウィック。
21. 前記一次ウィックは第３の層をさらに含み、前記一次ウィックの前記第２の層は前記一次ウィックの前記第３の層を取囲む、請求項１９に記載の多層ウィック。