JP2014527153A - キャピラリポンプ型熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、二相の作動流体を用いて、熱源（１１）から吸熱し、この熱を冷熱源（１２）へと放熱するのに適した、熱輸送装置に関する。該装置は、液相の流体を毛細管力により確実に吸い上げるミクロ多孔質体（１０）を有する蒸発器（１）と、凝縮器（２）と、入口ポートおよび／または出口ポート（３１；３１ａ、３１ｂ）を有するリザーバ（３）と、蒸発器（１）の出口を凝縮器（２）の入口に連結する蒸気伝達通路（４）と、凝縮器（２）の出口をリザーバ（３）および蒸発器（１）の入口に連結する液体伝達通路（５）とを備える。リザーバ（３）は、流体連通が維持されている複数の独立した液相チャンバを有する。

Description

本発明は、キャピラリポンプ型熱輸送装置、特に、二相流体ループの受動装置に関する。

キャピラリポンプ型熱輸送装置が、電力変換装置を冷却する手段として使用されることは、フランス国特許２９４９６４２号により知られている。

しかしながら、該装置では、その起動時に、高い熱出力レベルが存在するために、特に問題が多く、毛細管ウィックの乾燥が生じて、その起動が失敗する可能性がある。

さらに、装置が加速を受けた際に、リザーバ内で「低温衝撃」現象が起きる可能性があり、これにより急速な圧力の低下が起こり、その性能を悪化させる。

フランス国特許第２９４９６４２号

したがって、本発明は、キャピラリポンプ型熱輸送装置における、二相流体ループの起動時および作動時の信頼性を高めることを目的としている。

本発明は、一般的な閉回路に含有された二相の作動流体により、熱源から吸熱し、該熱を冷熱源へと放熱するよう構成された、キャピラリポンプ（毛細管力駆動）型の熱輸送装置を対象とする。該装置は、
−入口と出口、および、液相の流体をキャピラリポンプ現象（毛細管力）により吸い上げるミクロ多孔質体を有する、少なくとも１つの蒸発器と、
−入口と出口を有する、少なくとも１つの凝縮器と、
−内部チャンバ、および、少なくとも１つの入口ポートおよび／または出口ポートを有し、気相部を液相部の上に位置させている、リザーバと、
−前記蒸発器の出口を前記凝縮器の入口に連結する、主として蒸気相の流体のための第１の伝達通路と、
−前記凝縮器の出口を前記リザーバおよび前記蒸発器の入口に連結する、主として液相の流体のための第２の伝達通路、とを備える。

特に、本発明では、
前記リザーバは、流体連通が維持されている、複数の独立した液相チャンバを備え、
前記リザーバは、前記複数の独立した液相チャンバを分離するのに適した仕切り構造を形成する内部壁を備え、
前記複数の独立した液相チャンバは、該独立した液相チャンバの間において水力減衰を生じさせるために、小断面通路を介して連通している。

本発明では、このような構成により、また、このように水力減衰が生じるため、装置が運搬車両に積載されている場合のように、装置が加速を受けた場合でも、リザーバ内における液相流体の過剰な移動が回避され、また、低温衝撃、すなわち、圧力の低下やループ性能の低下につながる、リザーバ内における液体の自由面温度の低下を引き起こす可能性のある、リザーバ内での混合を阻止することができる。同様に、液体を複数の独立した液相チャンバに分離することにより、特に起動時において、熱出力の急激な上昇を引き起こす可能性のある混合も、回避することができる。

さらに、本発明の様々な実施態様において、以下に示す構成のうち１つ以上が、任意選択的に適用されうる。

−液相は、前記内部壁の上端を越えることがない。この構成により、加速が生じた場合でも、液体の混合が阻止される。

−前記複数の独立した液相チャンバは、前記小断面通路、好ましくは、該リザーバの最大断面積の１／１０以下の断面積を有する小断面通路を介して連通する。この構成により、前記液相チャンバの１つから他の液相チャンバへの流動が、流量が制限された状態で可能となる。

−前記複数の内部壁は、規則的な仕切り構造を形成する。この構成により、前記内部壁は相互に支え合うことが可能となる。

−前記リザーバは、マクロ多孔性構造を備え、かつ、前記仕切り構造は、ミクロ多孔性構造を備えてない。

−前記仕切り構造は、ハニカム構造の形態を採る。この構成により、該構造は効率化され、費用対効果に優れた装置が提供される。

−前記装置は、主として地上における重力の影響下で使用され、前記仕切り構造は、傾斜した、または、垂直な隔壁を備える。この構成により、水平方向に加速した場合に流体の移動が制限される。

−前記仕切り構造は、ステンレス鋼製である。この構成により、非常に優れた耐久性を得ることができる。

−前記仕切り構造は、作動流体、特にメタノールと相性のよいプラスチック製である。この構成により、通常使用される流体に適合し、製品寿命を十分に長くし、かつ、装置を低コスト化できる。

−前記複数の独立した液相チャンバを、目の詰まったメッシュ構造（金属布）により形成する。この構成は、前記内部壁構造に代替可能である。

−前記仕切り構造を、熱慣性を付与する相変化物質により構成する。この構成により、低温衝撃の影響をさらに減じることができる。

−前記リザーバは、入力流ディフレクタを備える。この構成により、液体がリザーバ内に入る際に起こる液体流の影響を、限られた領域にとどめることができる。

−前記リザーバを、前記蒸発器に隣接させる、あるいは、前記蒸発器に組み込むことができる。この構成により、該リザーバの機械的統合性が改善される。

−前記装置は、さらに、前記リザーバの前記内部チャンバと前記蒸発器の前記ミクロ多孔質体との間に配置され、前記蒸発器内にある液体が、前記リザーバの前記内部チャンバへと逆流することを防止する逆流防止装置を備える。

−前記装置は、主として重力の影響下で使用され、前記逆流防止装置はフロートを備える。

−前記熱輸送装置は、特に機械的ポンプを必要としない。この構成より、該装置の信頼性が向上する。

−前記装置は、さらに、起動に際して前記ループの圧力状態を制御するためのエネルギ供給エレメントを前記リザーバに備える。この構成により、前記ループ起動時の信頼性がより向上する。

本発明のその他の態様、目的および作用効果は、以下、図面と共に示すいくつかの実施態様により明らかになる。ただし、これらの態様は、単なる例示であり、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施例の全体図である。 図２は、図１の一変形例を示す。 図３は、図２に示した装置のリザーバについての拡大詳細図である。 図４ａおよび図４ｂは、図１および図２におけるリザーバ内の仕切り構造の１例を示す。 図５は、図２の装置におけるリザーバの一変形例を示す、図３と同様の図である。 図６は、図１の装置の一変形例を示す。

図１は、二相流体ループを用いた、キャピラリポンプ（毛細管力駆動）型熱輸送装置を示す。この装置は、入口１ａと、出口１ｂと、キャピラリポンプを作動させる（毛細管力を駆動する）ためのミクロ多孔質体１０とを有する蒸発器１を備える。この目的ため、ミクロ多孔質体１０が、入口１ａと連通する中央長手方向に伸長する凹部１５を取り囲んでおり、液体状態の作動流体９をリザーバ３から受け取るようになっている。

蒸発器１は、電源部品アセンブリやその他の発熱エレメントの熱源と、たとえばジュール効果あるいはその他の手段により熱的に連結されている。

液体で満たされたミクロ多孔質体の接触部１６における熱の供給により、流体は液体状態から蒸気状態になり、移転チャンバ１７、および、第１の伝達通路４を通じて排出される。第１の伝達通路４は、入口２ａおよび出口２ｂを有する凝縮器２へと、前記蒸気を伝達する。

蒸発器１内では、蒸気が排出されてできた空洞が、前述の中央凹部１５からミクロ多孔質体１０により吸収された液体で満たされる。なお、これが周知のキャピラリポンプ現象である。

凝縮器２内では、熱が、蒸気相の流体から冷熱源１２へと放出される。これにより、蒸気相の流体は冷却され、液相へと相変化する。すなわち凝縮が起こる。

凝縮器２において、作動流体９の温度は、液体−蒸気の平衡温度以下まで下げられる。このような「サブ冷却」により、相当量の入熱がない限り、流体は蒸気状態に戻らなくなる。

蒸気圧が、凝縮器２の出口２ｂの方向へと液体を押し、出口２ｂを、リザーバ３に連結された第２の伝達通路５へと開く。

リザーバ３は、少なくとも１つの入口および／または出口ポート３１を有するが、図１の例では、入口ポート３１ａと出口ポート３１ｂを独立して備えている。また、リザーバ３は、作動流体（冷却液）９で満たされた内部チャンバ３０を有する。作動流体９としては、たとえばアンモニアやその他の適切な流体を選択できるが、メタノールを用いることが最も好ましい。作動流体９は、部分的には液相９ａ、部分的には蒸気相９ｂで存在する二相流体である。重力が作用する環境において、Ｚに沿った鉛直方向において、気相部９ｂは液相部９ａの上に位置し、液体−蒸気の界面（リザーバ３内の液体の自由表面）１９が２つの相を分離する。

該ループ内の圧力を決定するのは、この分離面１９における温度であり、該圧力は、分離面１９における温度での流体の飽和圧力に相当する。

リザーバ３の底部３４における液体の温度は、通常、分離面１９における温度よりも低い。

キャピラリポンプを備えたループが正しく作動するためには、分離面１９における温度が、急速に変化することを回避する必要があり、特に、リザーバ３の底部の冷たい液体を上部へと移動させる、表面の温度を低下させ、さらに圧力の低下を招くことになる、液相９ａの混合を回避する必要がある。

このような「低温衝撃」と呼ばれる、温度および圧力が急速に低下する現象は、回避されなければならない。

第１および第２の流体伝達通路４、５は、円筒管により構成されることが好ましいが、その他の種類の流体連通可能な配管や輸送管（長方形導管、弾性導管など）を用いることもできる。

また、第２の流体伝達通路５として、２つの独立した導管５ａ、５ｂ（図１）を用いることもできるが、Ｔ字継手を伴う単一の導管５ｃ（図２）を用いることもできる。

こうした導管構成は、複数の蒸発器および／または複数の凝縮器を平行に連結する場合にも適用される。

いずれの場合でも、２つの独立した導管の場合にはリザーバ３を介して間接的に、あるいは、Ｔ字継手による単独の導管の場合には直接的に、第２の流体伝達通路５は、凝縮器の出口２ｂと蒸発器の入口１ａとを連結する。

低温衝撃現象を引き起こす可能性の高いリザーバ３内の混合現象を回避するという観点から、互いに分離されながらも流体連通を維持する複数の独立した液体チャンバが、リザーバ３内に設けられる。より詳細には、複数のチャンバを仕切るために、リザーバ３内に複数の内部壁７が配置される。

代替的に、複数の独立チャンバを、目の詰まったメッシュ構造（図示せず）、たとえばスチールウール構造、スポンジ構造、マクロ多孔質構造、あるいは小孔を穿孔した中空球体の集積などによって形成することも可能である。

さらに、好ましくは、本発明のリザーバ３は、第２の流体伝達流路５が採用する構成に応じて、入口ポート３１ａあるいは入口／出口ポート３１の付近に、流入時の流れを変えるディフレクタ８を備える。

この入力流ディフレクタ８は、リザーバ３内に急速に到着した液体が、泡立ち現象や液体の混合を生じさせる流れを発生させてしまうことを阻止する。このディフレクタ８には、下向きのＵ字形状や皿蓋状などの、入力流の軌道を十分に迂回させることが可能な形状が採用される。

図３は、重力の方向に伸長する垂直壁７を備えた仕切り構造７１を示す。しかしながら、これらの壁７を、僅かに傾けたり、図１に示すように大きく傾けたりすることも可能である。仕切り構造７１は、規則的な構造からなる、すなわち、一定の幾何学的パターンが繰り返されて構成されることが好ましい。リザーバ３には、任意の形状を採用でき、具体的には、平行六面体形状や円筒形状を採用できる。さらに、仕切り構造７１は、良好な耐久性を得るため、ステンレス鋼製とすることが好ましい。さらに、仕切り構造７１は、作動流体、特にメタノールに適合したプラスチック性とすることも可能であり、このような構成により、地上で通常使用される流体に適合し、製品寿命が十分に長く、かつ、低コストの仕切り構造が提供される。

本発明の一態様によれば、前記複数の独立チャンバは、小断面通路、好ましくは、リザーバ３の最大断面積の１／１０以下の断面積を有する通路を介して連通する。たとえば、図３に示すように、内部壁７は、小断面通路の開口部７０を有しており、これにより、前記複数の独立チャンバの液体間において、水力減衰が生じる。

仕切り構造７１に開口部７０を設ける代わりに、前記複数の独立チャンバ間の通路を、仕切り構造７１の底部に設けることもできる。この場合、小断面積の孔を多数穿孔したグリッド２８により、前記流体は、リザーバ３のベース領域３４に位置する移動チャンバ２９を通って、前記仕切り構造間を移動することが可能である。ディフューザとも呼ばれるこのグリッド２８は、仕切り構造７１を支持するためにも利用できる点で、有利である。

内部壁７の高さは、リザーバ３の高さの３０％〜９０％の高さとすることができ、好ましくは、前記液体の上面１９が内部壁７の上端を越えないように選択される。

図４ａおよび図４ｂにそれぞれ示す、断面が六角形のハニカム構造または断面が四角形のメッシュ構造を採用することが好ましい。六角形の仕切り構造７７または四角形の仕切り構造７８は、下部の開口部７６または開口部７９を通じて連通する。

さらに、前記複数の内部壁７を、互いに異なる方向を向いた壁により構成することもできる。具体的には、複数の内部壁７を、いくつかの内部壁はＸＺ平面に平行、別のいくつかの内部壁はＸＹ平面に平行、また別のいくつかの内部壁はＹＺ平面に平行となるように構成することもできる。このような構成は、空間的にあらゆる方向の動きを制限することが可能となるため、航空機内で使用される装置の場合に有利である。

また、各セル（独立チャンバ）のサイズは小さすぎず、１ミリメートル未満にならないようにする。各セルのサイズが小さすぎると、前記構造は、毛細管現象により流体を捉えてしまうため、低温状態での起動中にループが枯渇したり、出力が低下したりすることを避けるため、流体を過剰に充填する必要が生じてしまう。このように、リザーバ３がマクロ多孔性構造を形成することは可能であるが、仕切り構造７１は、ミクロ多孔性構造を有さない。

本発明の別の好適態様によれば、仕切り構造７１は、該構造に熱慣性を付与する相変化物質により構成され、このような構成により、その突然の温度変化が制限される。

図５は、図３と同様に、リザーバ３の一変形例を示す。ここでは、流体の入口がリザーバ３の底部の側面３５に設けられており、このような構成により、入力流ディフレクタ８を簡素化することが可能となる。この場合、入力流ディフレクタ８は、単に水平に伸長するプレートにより構成することができ、あるいは、チューブ５に多数の孔が穿孔された延長部を設けることにより構成することもできる。

さらに、当該装置では、図６に示すように、図１に示した構造に対して、リザーバ３の内部チャンバ３０と蒸発器１のミクロ多孔質体１０との間に、逆流防止装置６を追加的に配置して、蒸発器１内の流体が、リザーバ３の内部チャンバ３０に逆流してしまうことを防止することができる。逆流防止装置６は、システムの起動段階において、突発的な沸騰により、液体が蒸発器１からリザーバ３の方向に向かってしまうことを阻止する。

好ましくは、逆流防止装置６は、液相にある流体の密度よりも僅かに低い密度のフロート（詳細は図示せず）を備える。

当該装置では、起動時に前記ループの圧力状態を制御する、加熱エレメントまたは加圧エレメントなどのエネルギ供給エレメント３６を、リザーバ３に設置することができる。加熱エレメントの場合、制御（ＣＴＲＬ）システム３８が、センサ（図示せず）から伝達される温度情報および／または圧力情報に基づき、加熱エレメント３６の熱供給量を管理し、二相ループを確実に起動させる。

加熱エレメント３６は、液相および／または蒸気相に設置可能である。好ましくは、加熱エレメント３６を液相に設置し、リザーバ３の上部に向けて蒸気を発生させる。加熱エレメント３６による調整は、冷熱源（周囲大気など）が接触状態で存在することにより容易化される。さらに、この制御システム３８は、相当量の熱量が急激に蒸発器へ至る場合にも、二相ループがこれに対応できるようにして、熱散逸の必要性に対する二相ループの反応を早めることを可能としている。該ループのサイズは、排出すべき多量の熱を考慮して最適化される。

本発明によれば、当該装置は機械的ポンプの使用を必要としない。ただし、本発明は、機械的補助ポンプの使用を排除するものではない。

１ 蒸発器
１ａ 入口
１ｂ 出口
２ 凝縮器
２ａ 入口
２ｂ 出口
３ リザーバ
４ 第１の伝達通路
５ 第２の伝達通路
５ａ 導管
５ｂ 導管
５ｃ 導管
６ 逆流防止装置
７ 内部壁
７０ 開口部
７１ 仕切り構造
７６ 下部開口部
７７ 断面六角形の仕切り構造
７８ 断面四角形の仕切り構造
７９ 下部開口部
８ ディフレクタ
９ 作動流体
９ａ 液相
９ｂ 蒸気相
１０ ミクロ多孔質体
１１ 熱源
１２ 冷熱源
１５ 凹部（空洞）
１９ 自由表面
２８ グリッド
２９ 移動チャンバ
３０ 内部チャンバ
３１ 入口／出口ポート
３１ａ 入口ポート
３１ｂ 出口ポート
３４ ベース領域
３６ エネルギ供給エレメント
３８ 制御システム

Claims (14)

1. 一般的な閉回路に含有された二相の作動流体により、熱源（１１）から吸熱し、該熱を冷熱源（１２）へと放熱するよう構成された、重力の影響下で使用される、キャピラリポンプ型の熱輸送装置であって、
   入口と出口、および、液相の流体をキャピラリポンプ現象により吸い上げるミクロ多孔質体（１０）を有する、少なくとも１つの蒸発器（１）と、
   入口と出口を有する、少なくとも１つの凝縮器（２）と、
   内部チャンバ（３０）、および、少なくとも１つの入口ポートおよび／または出口ポート（３１；３１ａ、３１ｂ）を有し、気相部を液相部の上に位置させている、リザーバ（３）と、
   前記蒸発器（１）の出口を前記凝縮器（２）の入口に連結する、主として蒸気相の流体のための第１の伝達通路（４）と、
   前記凝縮器（２）の出口を、前記リザーバ（３）および前記蒸発器（１）の入口に連結する、主として液相の流体のための第２の伝達通路（５）と、
   を備え、
   前記リザーバ（３）は、流体連通が維持されている、複数の独立した液相チャンバと、該複数の独立した液相チャンバを分離する仕切り構造（７１）を形成する内部壁（７）とを備え、かつ、
   前記独立した液相チャンバの間において水力減衰を生じさせるために、前記複数の独立した液相チャンバは、小断面通路を介して連通している、
   ことを特徴とする、熱輸送装置。
2. 前記液相が、前記内部壁（７）の上端を越えることがない、請求項１に記載の熱輸送装置
3. 前記複数の内部壁（７）は、規則的な仕切り構造を形成する、請求項１または２に記載の熱輸送装置。
4. 前記リザーバ（３）は、マクロ多孔性構造を備え、前記仕切り構造は、ミクロ多孔性構造を備えていない、請求項１〜３のいすれかに記載に記載の熱輸送装置。
5. 主として地上における重力の影響下で使用され、前記内部壁（７）が、傾斜した、または、垂直な隔壁を形成している、請求項４に記載の熱輸送装置。
6. 前記仕切り構造（７１）は、ハニカム構造の形態をとる、請求項４または５に記載の熱輸送装置。
7. 前記仕切り構造は、熱慣性を付与する相変化物質により構成されている、請求項４〜６のいずれかに記載の熱輸送装置。
8. 前記リザーバ（３）は、前記入口ポート（３１、３１ａ）付近に入力流ディフレクタ（８）を備える、請求項１〜７のいずれかに記載の熱輸送装置。
9. 前記リザーバ（３）は、前記蒸発器（１）に隣接して、あるいは、前記蒸発器（１）に組み込まれて、設置されている、請求項１〜８のいずれかに記載の熱輸送装置。
10. 前記リザーバ（３）の内部チャンバ（３０）と前記蒸発器（１）のミクロ多孔質体（１０）との間に、前記蒸発器（１）内の流体が、前記リザーバ（３）の内部チャンバ（３０）に逆流することを防止する逆流防止装置が備えられている、請求項１〜９のいずれかに記載の熱輸送装置。
11. 主として地上の重力の影響下で使用され、前記逆流防止装置はフロートを備える、請求項１０に記載の熱輸送装置。
12. 機械的ポンプを備えていない、請求項１〜１１のいずれかに記載の熱輸送装置。
13. 起動に際して前記ループの圧力状態を制御するためのエネルギ供給エレメント（３６）が、前記リザーバ（３）に備えられている、請求項１〜１２のいずれかに記載の熱輸送装置。
14. 前記小断面通路の断面積は、前記リザーバ（３）の最大断面積の１／１０以下である、請求項１〜１３のいずれかに記載の熱輸送装置。

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