JP2008008512A

JP2008008512A - ループ型ヒートパイプ

Info

Publication number: JP2008008512A
Application number: JP2006176987A
Authority: JP
Inventors: Satoru Sadahiro; 哲貞廣
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】蒸気管や液戻り管の管径サイズを大きくしても、作動液及び気体の動作停止やノイズ音の発生防止を行い、トップヒート時の動作の安定性を図る。
【解決手段】ループ型ヒートパイプ１は、作動液３Ｌが気化する際の潜熱を利用して冷却する蒸発器５と、この蒸発器５で気化された気体が蒸気管７を経て移動すると共にこの気体３Ｖを放熱して液化する凝縮器９と、この凝縮器９で液化した作動液３Ｌが液戻り管１１を経て移動すると共にこの作動液３Ｌを前記蒸発器５に供給するために保留するリザーバ部１３と、を備える。さらに、前記蒸発器５が前記凝縮器９より高い位置に配置されると共に、前記蒸気管７が前記蒸発器５より液戻り管１１に接続されており、前記凝縮器９は、前記液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＬＨＰ（ループヒートパイプ）およびＣＰＬ（Capillary Pumped Loop）等のループ型ヒートパイプに関し、特に蒸発器が凝縮器より高い位置するトップヒートで使用されるときの熱交換効率（特に冷却性能）を向上せしめるループ型ヒートパイプに関する。

従来、ループ型ヒートパイプには、例えばＬＨＰ（ループヒートパイプ）やＣＰＬ（Capillary Pumped Loop）がある。

例えば、ＬＨＰ１０１は、図７に示されているように、作動液が気化する際の潜熱を利用して冷却する蒸発器１０３と、この蒸発器１０３で気化された気体が蒸気管１０５（Vapor Line）を経て移動すると共にこの気体を放熱して液化する凝縮器１０７（Condenser）と、この凝縮器１０７で液化した作動液が液戻り管１０９（Liquid Line）を経て移動すると共にこの作動液を前記蒸発器１０３に供給するために保留するリザーバ部１１１〔あるいは、アキュームレータ、ＣＣ（Compensation Chamber）など〕と、前記液戻り管１０９から戻ってきた作動液を前記蒸発器１０３の内部に供給するバイオネット管１１３と、を備えるシステムで、一つのループを形成しており、前記蒸発器１０３とリザーバ部１１１は一体的に構成されている。例えば、図７のＬＨＰ１０１は、蒸発器１０３が凝縮器１０７より高い位置にあり、前記蒸気管１０５と液戻り管１０９のそれぞれの一端は前記蒸発器１０３に連通され、蒸気管１０５、液戻り管１０９はそれぞれ蒸発器１０３と凝縮器１０７との間の高さ方向例えば垂直方向に配置され、前記蒸気管１０５と液戻り管１０９の他端は前記凝縮管１０７に連通されている。

また、前記蒸発器１０３とリザーバ部１１１との間には前記蒸発器１０３で気化された気体がリザーバ部１１１に逆戻りしないようにするための作動液逆流防止用のＯリング１１５が装着されている。さらに、ＬＨＰ１０１の内部には作動液が投入されている。作動液としてはアルコール、アンモニア、水などがある。なお、ＣＰＬでは蒸発器１０３とリザーバ部１１１が別体で構成される。

ＬＨＰ１０１では、蒸発器１０３が周囲で発生した熱により加熱されると、作動液としての例えば水が蒸発器１０３内で蒸気となり、このときの潜熱を利用して周囲の温度を冷却するものである。蒸発器１０３内で生じた蒸気が蒸気管１０５を経て凝縮器１０７へ移動し、凝縮器１０７で放熱されることにより蒸気が水に戻される。この水は液戻り管１０９を経て再びリザーバ部１１１と蒸発器１０３へ移動することになり、上記の作用を繰り返すことになる。

上記の凝縮器１０７は、蒸気管１０５と液戻り管１０９が連通する水平部の管路１０７Ａの外周に多数枚のフィン１０７Ｂが並列して設けられた構成である。

また、上記の蒸発器１０３は、基本的には、例えば特許文献１の中で示されている原理と同様であり、一端側を開口し且つ他端側を蒸気管１０５に連通して閉塞する円筒形状のグルーブ管１１７と、このグルーブ管１１７の円筒形状の内部に接触して挿入する円筒形状をなすと共にこの円筒形状の内部に作動液を供給するウィック１１９と、を備えている。

なお、前記グルーブ管１１７の内周面には、当該グルーブ管１１７の長手方向に垂直な断面において円周方向に交互に凹凸形状をなし、且つ前記長手方向に延伸されるグルーブ部１２１が備えられている。一方、前記ウィック１１９の外周面は前記グルーブ管１１７のグルーブ部１２１の凸部の内周面に接触する構成であり、前記グルーブ部１２１の凹部が蒸気流路１２３となる。

また、前記ウィック１１９の円筒形状の内部は上述したリザーバ部１１１に連通し且つ前端が閉塞した液貯留室１２５を構成している。また、液戻り管１０９に連通するバイオネット管１１３がリザーバ部１１１の内部を経て液貯留室１２５の前端部の少し手前まで挿入されているので、液戻り管１０９から戻ってきた水は、バイオネット管１１３の前端から液貯留室１２５に供給される。この水はバイオネット管１１３の前端から１８０°反転して液貯留室１２５とバイオネット管１１３の間を通過して液貯留室１２５内に充満する状態となり、リザーバ部１１１へ保留される。

なお、前記ウィック１１９には、例えば多孔質性の焼結金属体、金属繊維、ガラス繊維などが使用されている。

したがって、グルーブ管１１７が蒸発器１０３の周囲の熱で加熱されると、グルーブ管１１７の熱がグルーブ部１２１の凸部の内周面との接触部分からウィック１１９に熱伝導し、ウィック１１９が加熱される。その結果、前記液貯留室１２５からウィック１１９の内部に浸透した水が加熱されて蒸気になり、グルーブ管１１７のグルーブ部１２１、すなわち蒸気流路１２３を経て前述したように蒸気管１０５へ移動することになる。
特開２００４−５３０６２号公報

ところで、従来のＬＨＰ１０１は、一般的に、図７に示されているように凝縮器１０７が水平部の管路１０７Ａに設けられた位置関係で配置されており、この配置では、ＬＨＰ１０１の冷却性能を向上させるために、蒸気管１０５や液戻り管１０９の管径サイズを大きくした場合、蒸発器１０３が凝縮器１０７より高い位置にあるトップヒートで使用したときには、図７の実線の矢印で示されているように、液戻り管１０９の水が容易に凝縮器１０７へ逆流し、場合によっては蒸気管１０５の側まで逆流し、一方、蒸気が凝縮器１０７で相変化しないでそのまま、図７の点線の矢印で示されているように、液戻り管１０９へ流れ込むために、水及び蒸気が動作停止、ドライアウト、あるいは“カタカタ”といったノイズ音が発生するなどの問題点があった。

上記の理由で、蒸気管１０５や液戻り管１０９の管径サイズを大きくするには制約があるという問題点があった。

上記発明が解決しようとする課題を達成するために、この発明のループ型ヒートパイプは、作動液が気化する際の潜熱を利用して冷却する蒸発器と、この蒸発器で気化された気体が蒸気管を経て移動すると共にこの気体を放熱して液化する凝縮器と、この凝縮器で液化した作動液が液戻り管を経て移動すると共にこの作動液を前記蒸発器に供給するために保留するリザーバ部と、を備えるループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発器が前記凝縮器より高い位置に配置されると共に、前記蒸気管が前記蒸発器より液戻り管に接続されており、前記凝縮器は、前記液戻り管の最下点より高い位置に設けられていることを特徴とするものである。

また、この発明のループ型ヒートパイプは、前記ループ型ヒートパイプにおいて、前記凝縮器が、多数のフィンを設けた構成であることが好ましい。

また、この発明のループ型ヒートパイプは、前記ループ型ヒートパイプにおいて、前記凝縮器が、ヒートパイプを備えた冷却用構造体であることが好ましい。

以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、この発明によれば、前記蒸発器が前記凝縮器より高い位置に配置されると共に、前記蒸気管が前記蒸発器より液戻り管に接続されており、前記凝縮器は、前記液戻り管の最下点より高い位置に設けられているので、凝縮器において、液戻り管の作動液が逆流することや蒸気が液戻り管へ流入することを防止できる。

その結果、トップヒートであっても、蒸気管や液戻り管の管径サイズを大きくすることができ、システムの冷却性能を向上できる。

また、蒸気と作動液の相変化が凝縮器内だけで行われることから、ループ型ヒートパイプ内における蒸気と作動液の入力熱量に対する体積の調整を凝縮器で行うことができるので、ループ型ヒートパイプのシステムの動作を安定させることできる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）を参照するに、この実施の形態に係るループ型ヒートパイプには、例えばＬＨＰ（ループヒートパイプ）やＣＰＬ（Capillary Pumped Loop）がある。

例えば、ＬＨＰ１は、冷媒としての作動液３Ｌが気化する際の潜熱を利用して冷却する蒸発器５と、この蒸発器５で気化された気体３Ｖが蒸気管７（VaporLin
e）を経て移動すると共にこの気体３Ｖを放熱して液化する凝縮器９（Ｃondens
er）と、この凝縮器９で液化した作動液３Ｌが液戻り管１１（Liquid Line）を経て移動すると共にこの作動液３Ｌを前記蒸発器５に供給するために保留するリザーバ部１３〔あるいは、アキュームレータ、ＣＣ（Compensation Chamber）など〕と、前記液戻り管１１から戻ってきた作動液３Ｌを前記蒸発器５の内部に供給するバイオネット管１５と、を備えるシステムで、一つのループを形成しており、前記蒸発器５とリザーバ部１３は一体的に構成されている。

なお、この実施の形態のＬＨＰ１は、蒸発器５が凝縮器９より高い位置にあるトップヒートで使用される構成であり、前記蒸気管７の一端が図１において前記蒸発器５の左端に連通されている。また、液戻り管１１の一端は図１において前記蒸発器５の右端に連通され、他端は前記蒸気管７の他端に連通されてループを形成している。前記凝縮器９は液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置例えば蒸気管７の高さ方向の例えば垂直部の一部に位置して設けられている。なお、本実施の形態においては、図１（Ａ）において凝縮器９より川上側（図１において上方）を蒸気管７、凝縮器９より川下側（図１において下方水平部および右側上方部）を液戻り管１１と定義する。

また、前記蒸発器５とリザーバ部１３との間には前記蒸発器５で気化された気体３Ｖがリザーバ部１３に逆戻りしないようにするための作動液逆流防止用のＯリング１７が装着されている。さらに、ＬＨＰ１の内部には作動液３Ｌが投入されている。作動液３Ｌとしてはアルコール、アンモニア、水などがある。この実施の形態では、地球環境の観点から、作動液３Ｌは水としている。図１では作動液３Ｌである水の流れ方向は実線の矢印で示されており、作動液３Ｌが気化された気体３Ｖである蒸気の流れ方向は点線の矢印で示されている。

また、ＣＰＬとしては、上記の蒸発器５とリザーバ部１３が別体で構成されており、その他の基本的な構成はＬＨＰ１と同じである。

すなわち、ＬＨＰ１では、蒸発器５が周囲で発生した熱により加熱されると、作動液３Ｌとしての例えば水が蒸発器５内で蒸気となり、このときの潜熱を利用して周囲の温度を冷却するものである。蒸発器５内で生じた蒸気が蒸気管７を経て凝縮器９へ移動し、凝縮器９で放熱されることにより蒸気が水に戻される。この水は液戻り管１１を経て再びリザーバ部１３と蒸発器５へ移動することになり、上記の作用を繰り返すことになる。したがって、ＬＨＰ１やＣＰＬは潜熱を利用しており、外部電源無しに高い熱輸送能力を有している。また、熱の伝送方向は蒸発器５から凝縮器９への一方向でダイオードのような振る舞いをするものである。

上記の蒸発器５は、図２および図３を併せて参照するに、一端側を開口し且つ他端側を蒸気管７に連通して閉塞する円筒形状のグルーブ管１９と、このグルーブ管１９の円筒形状の内部に接触して挿入する円筒形状をなすと共にこの円筒形状の内部に作動液３Ｌを供給するウィック２１と、を備えている。

なお、前記グルーブ管１９の内周面には、当該グルーブ管１９の長手方向に垂直な断面において凹部２３Ａと凸部２３Ｂで円周方向に交互に凹凸形状をなし、且つこの凹凸形状がグルーブ管１９の長手方向に延伸されるグルーブ部２３が備えられている。一方、前記ウィック２１の外周面は前記グルーブ管１９のグルーブ部２３の凸部２３Ｂの内周面に接触する構成であり、前記グルーブ部２３の凹部２３Ａが蒸気流路２５となる。

また、前記ウィック２１の円筒形状の内部は上述したリザーバ部１３に連通し且つ前端が閉塞した液貯留室２７を構成している。また、液戻り管１１に連通するバイオネット管１５がリザーバ部１３の内部を経て液貯留室２７の前端部の少し手前まで挿入されているので、液戻り管１１から戻ってきた水は、バイオネット管１５の前端から液貯留室２７に供給される。この水はバイオネット管１５の前端から１８０°反転して液貯留室２７とバイオネット管１５の間を通過して液貯留室２７内に充満する状態となり、リザーバ部１３へ保留される。

なお、前記ウィック２１は、この実施の形態では、軽量化を図るために高分子体の材質が使用されている。この高分子体としては、例えば直径１０〜２０μｍのポリエチレンパウダを焼結したものが用いられる。その他に、ニッケル金属からなる例えば直径５μｍのパウダを焼結したニッケル焼結体、銅のパウダを焼結した銅焼結体、あるいはその他の金属からなる金属焼結体も用いられる。このような高分子体は、一つ一つのパウダが親水基を有しているので、濡れ性の向上と表面張力に＋αのポンプ力が加えられるために、ウィック２１内の蒸気の移動する力が大きくなる。

なお、その他のウィック２１の材質としては、多孔質性の焼結金属体、金属繊維、ガラス繊維などが使用されてもよいが、上述した理由で高分子体が望ましい。

次に、この実施の形態の主要部を構成する凝縮器９について詳しく説明する。

上記の凝縮器９は、図１（Ａ），（Ｂ）に示されているように、液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置（高さ方向）例えば垂直部の一部分に位置している。より詳しくは、蒸気管７は前記蒸発器５より接続された液戻り管１１と前記蒸発器５との間の高さ方向例えば垂直部に連通して配置されており、前記凝縮器９は液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置である蒸気管７における垂直部の一部分に設けられている。しかも、凝縮器９は管路９Ａの外周に、多数枚のフィン９Ｂが直接的に並列して例えば半田付けして設けられた構成である。前記凝縮器９は図１（Ａ）において液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置である蒸気管７の垂直部の他の位置に設けられていても構わない。

なお、凝縮器９を蒸気管７に設ける位置は、液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置であって、図５（Ａ）に示されているように傾斜部と垂直部とで構成された蒸気管７のうちの垂直部であっても、あるいは図４における実線で示した蒸気管７の傾斜部や、図５（Ｂ）に示されているように蒸気管７の全体が傾斜部からなり、その傾斜部の一部であってもよい。さらには、図５（Ｃ）に示されているように蒸気管７の全体が湾曲部からなり、その湾曲部の一部であってもよい。

また、図４のＬＨＰ１では、蒸気管７と液戻り管１１の配管形状が二点鎖線のように湾曲形状である場合、凝縮器９が液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置である図４の実線の位置、あるいは二点鎖線の位置に設けられても良い。いずれにしても、この実施の形態の特徴の主要部をなす凝縮器９は、液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置にある蒸気管７に設けることができる。

これにより、例えば扇風機のファンで多数枚のフィン９Ｂの周囲に風を発生させると、多数枚のフィン９Ｂで放熱される熱交換効率が高くなるので、前記管路９Ａ内で蒸気が水に相変化する。すなわち、凝縮器９を設けた管路９Ａ内に蒸気と水の界面Ｃが生じるので、必然的に、蒸気と水の界面Ｃより上方（上流側）の蒸気の管路すなわち、液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置が蒸気管７に該当するものであり、蒸気と水の界面Ｃより下方（下流側）の水の管路が液戻り管１１に該当することとなる。

また、上記の凝縮器９の他の例としては、図６に示されているように、例えば冷却水を通す熱交換用のヒートパイプ９Ｃを蒸気管７の管路９Ａの周囲に卷回し、前記蒸気管７の外周およびヒートパイプ９Ｃにサーマルグリースを塗布した後に、冷却用構造体としての例えば半割の取付用ブロック９Ｄで前記ヒートパイプ９Ｃの外側から押さえて、前記半割の取付用ブロック９Ｄ同士をビス止めして前記管路９Ａの外周に固定する構成とすることもできる。この場合は、前記ヒートパイプ９Ｃに冷却水を供給することにより、前記管路９Ａ内の熱がヒートパイプ９Ｃの冷却水に吸収されるので、管路９Ａ内で蒸気が水に相変化する。

上記構成により、ＬＨＰ１では、蒸発器５のグルーブ管１９が周囲の熱で加熱されると、ウィック２１とグルーブ管１９のグルーブ部２３の凸部２３Ｂとの接触面からグルーブ管１９の熱が熱伝導してウィック２１が加熱される。

一方、前記液貯留室２７の水は、上述したようにウィック２１の高分子体の各パウダが親水基を有しているために濡れ性の向上と表面張力に＋αのポンプ力が加えられて真空引きされる。この真空引きにより浸透したウィック２１の内部の水は圧力が下がっているので、加熱されると水が低い沸点で沸騰して蒸気になる。水が蒸気になるときの潜熱により周囲の温度が冷却されることになる。

この蒸気は前述したように水がウィック２１の高分子体内に真空引きされる力により押し出されてウィック２１の高分子体内を移動し、ウィック２１の表面からグルーブ管１９のグルーブ部２３との接触面を経て蒸気流路２５へ流れることになる。さらに、蒸気流路２５内の蒸気は、前述したように蒸気管７を経て凝縮器９へ移動し、この凝縮器９で放熱されることにより蒸気が水に戻される。

このとき、凝縮器９が液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置にある蒸気管７に取り付けられているので、この液戻り管１１の最下点１１Ａより高い位置の管路９Ａでは、蒸気と水の混合状態（蒸気と水の相変化）が図１（Ａ）に示されている高さＨの間のみで行われることとなる。すなわち、図１（Ｂ）に示されているように、液戻り管１１からの水の逆流（矢印Ａ）と蒸気管７からの蒸気流（矢印Ｂ）の押合いによる蒸気と水の界面Ｃが、二点鎖線のように上下しながらも凝縮器９内で相変化を行うこととなるので、液戻り管１１の水が蒸気管７の側まで逆流したり、その逆に蒸気が液戻り管１１へ流れ込んだりするような事態を防止できる。なお、図６の場合でも同様である。

その結果、たとえ蒸気管７や液戻り管１１の管径サイズを大きくしても、水及び蒸気の動作停止が生じることなく、トップヒート時の動作の安定性を図ることができ、また、“カタカタ”といったノイズ音の発生防止を行うことができる。したがって、トップヒートであっても蒸気管７や液戻り管１１の管径サイズを大きくすることができ、システムの冷却性能を向上できる。

また、蒸気と水の相変化が凝縮器９内だけで行われることから、ＬＨＰ１内における蒸気と水の入力熱量に対する体積の調整を凝縮器９で行うことができるので、ＬＨＰ１のシステムの動作を安定させることできる。

次いで、凝縮器９内の水は液戻り管１１を経て再びリザーバ部１３と蒸発器５のウィック２１の液貯留室２７へ戻ることになり、上記の作用を繰り返すことになる。

（Ａ）は、この発明の実施の形態のループヒートパイプの概略的な構成を示す正面図で、（Ｂ）は、（Ａ）の凝縮器の拡大断面図である。図１（Ａ）のループヒートパイプにおける蒸発器の要部断面を含む概略的な斜視図である。図２の矢視ＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。図１（Ａ）のループヒートパイプにおいて、蒸発管の異なる実施の形態の配管形状を示している。（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ａ）のループヒートパイプの左側面図であり、蒸発管の異なる実施の形態の配管形状を示している。この発明の実施の形態のループヒートパイプにおける凝縮器の他の例を示す拡大断面図である。従来のループヒートパイプの概略的な構成を示す正面図である。

符号の説明

１ＬＨＰ（ループヒートパイプ）
３Ｌ作動液
３Ｖ気体
５蒸発器
７蒸気管
９凝縮器
９Ａ管路
９Ｂフィン
９Ｃヒートパイプ
９Ｄ取付用ブロック
１１液戻り管
１１Ａ最下点
１３リザーバ部
１５バイオネット管
１７Ｏリング（作動液逆流防止用の）
１９グルーブ管
２１ウィック
２３グルーブ部
２３Ａ凹部
２３Ｂ凸部
２５蒸気流路
２７液貯留室

Claims

作動液が気化する際の潜熱を利用して冷却する蒸発器と、この蒸発器で気化された気体が蒸気管を経て移動すると共にこの気体を放熱して液化する凝縮器と、この凝縮器で液化した作動液が液戻り管を経て移動すると共にこの作動液を前記蒸発器に供給するために保留するリザーバ部と、を備えるループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発器が前記凝縮器より高い位置に配置されると共に、前記蒸気管が前記蒸発器より液戻り管に接続されており、前記凝縮器は、前記液戻り管の最下点より高い位置に設けられていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
前記凝縮器が、多数のフィンを設けた構成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。
前記凝縮器が、ヒートパイプを備えた冷却用構造体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。