JP2016133287A

JP2016133287A - ループ型ヒートパイプ

Info

Publication number: JP2016133287A
Application number: JP2015009677A
Authority: JP
Inventors: 益子　耕一; Koichi Masuko; 耕一益子
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-25

Abstract

【課題】本発明は、高い冷却能力を確保できるループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のループ型ヒートパイプ１は、作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部２と、作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、蒸発部から凝縮部に気相の作動流体を流通させる蒸気管と、凝縮部から蒸発部に液相の作動流体を流通させる液管とを備え、蒸発部は、凝縮部よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びると共に下端から液相の作動流体が流入する蒸発管１３と、蒸発管１３の内壁面に金属粒子を焼結して管状に形成されるウィック１６と、ウィック１６の内側空間１７を上側空間１８と下側空間１９に区画する仕切部材２０と、ウィックよりも流通抵抗が小さく液相の作動流体を仕切部材よりも上方に流通させ上側空間側のウィックに供給するための液流部１６１とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ループ型ヒートパイプに関する。

ループ型ヒートパイプは、密閉構造の環状の管路内に、水、アルコール、アンモニア等の凝縮性の流体が作動流体として封入されている。そして、この管路の一部を構成する蒸発部に加えられた熱によって作動流体を蒸発させ、同様に管路の一部を構成し相対的に温度及び圧力の低い凝縮部で、蒸発部で蒸発した作動流体の蒸気が放熱して凝縮する。ループ型ヒートパイプでは、この作動流体が一方向に循環し、蒸発凝縮を繰り返して熱を輸送することができる。またループ型ヒートパイプは、蒸発部と凝縮部と分離して配置することが可能であるため長距離熱輸送や大量熱輸送が可能とされている（例えば、特許文献１参照）。

また、水平方向に延びる蒸発部の内壁に長手方向に細い溝が形成されたグルーブ管やウィックを配置することで、作動流体を内壁全体に行き渡らせて作動流体に熱を効率的に伝え大きな冷却容量を確保するループ型ヒートパイプが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−２４１９７６号公報特開２００７−２４７９３０号公報

上記特許文献１に記載されたループ型ヒートパイプは、鉛直方向に沿って延びる複数の蒸発部が、下部に配置された凝縮液ヘッダー部と上部に配置された蒸気ヘッダー部に連結されている。このような鉛直方向に沿って延びる蒸発部を有するループ型ヒートパイプでは、たとえ上記特許文献２に記載されたような蒸発部の内部にグルーブ管やウィックを配置しても、下部から流入する作動流体を蒸発部の内壁の上方に導くことが難しく、高い冷却能力を確保することができない。

そこで、本発明は、高い冷却能力を確保できるループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、以下の発明により、上記課題を解決し得ることを見出した。

すなわち本発明に係るループ型ヒートパイプは、外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、外部に放熱して前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部に気相の作動流体を流通させる蒸気管と、前記凝縮部から蒸発部に液相の作動流体を流通させる液管とを備え、前記蒸発部は、前記凝縮部よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びると共に下端から液相の作動流体が流入する蒸発管と、当該蒸発管の内壁面に金属粒子を焼結して管状に形成されるウィックと、前記管状のウィックの内側空間を上側空間と下側空間とに区画する仕切部材と、前記ウィックよりも流通抵抗が小さく液相の作動流体を前記仕切部材よりも上方に流通させ前記上側空間側の前記ウィックに供給するための液流部とを有する。

本発明に係るループ型ヒートパイプによれば、蒸発部が、前記凝縮部よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びると共に下端から液相の作動流体が流入する蒸発管と、当該蒸発管の内壁面に金属粒子を焼結して管状に形成されるウィックと、管状のウィックの内側空間を上側空間と下側空間に区画する仕切部材と、ウィックよりも流通抵抗が小さく液相の作動流体を前記仕切部材よりも上方に流通させ前記上側空間側の前記ウィックに供給するための液流部とを有している。そのため、まずは凝縮部で凝縮された液相の作動流体が蒸発管の下端から流入し、仕切部材で区画されたウィックの下側空間に貯留される。そして、液相の作動流体で下側空間が満たされた後であっても、凝縮部が蒸発部よりも上方に配置されていることから加圧された状態で更に液相の作動流体が蒸発管の下端から流入する。そうすると、液相の作動流体がウィックよりも流通抵抗の小さい液流部を流通して仕切部材よりも上方に流通する。そしてこの液流部を通じて上側空間側に形成されているウィックに供給される。その結果、ウィックの下側から上側にわたって液相の作動流体を行き渡らせることが可能となり、高い冷却能力を確保することができる。

また、本発明に係るループ型ヒートパイプは、前記液流部が、前記ウィックの下端から上端にわたって前記ウィックの内部に形成される液流空間であることが好ましい。

これにより、液流空間を形成する壁がウィックで形成されていることから、液流空間に流通する液相の作動流体を効率よくウィックに供給できる。その結果、ウィックの下側から上側にわたって液相の作動流体をより行き渡らせることが可能となり、高い冷却能力を確保することができる。

また、本発明に係るループ型ヒートパイプは、前記液流部が、前記ウィックの下側空間と連通し前記仕切部材から前記ウィックの上側空間に立設される管状部材であって、前記ウィック側に向かってノズル孔が形成された液流管であってもよい。

これにより、下側空間の液相の作動流体を液流管内を伝い上側空間に移動させつつノズル孔からウィックに向かって吐出させることで供給することができる。その結果、ウィックの下側から上側にわたって液相の作動流体をより行き渡らせることが可能となり、更に高い冷却能力を確保することができる。

本発明によれば、高い冷却能力を確保できるループ型ヒートパイプを提供することができる。

本発明の実施形態に係るループ型ヒートパイプの基本構成を示す図である。本発明の実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発部の部分断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。本発明の他の実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発部の部分断面図である。図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るループ型ヒートパイプの基本構成を示す図である。

図１に示すようにループ型ヒートパイプ１は、外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部２と、外部に放熱して作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部３と、蒸発部２から凝縮部３に気相の作動流体を送る蒸気管４と、凝縮部３から蒸発部２に液相の作動流体を送る液管５とを備えている。

また、ループ型ヒートパイプ１内には液相及び気相の間で相変化する作動流体が充填されている。充填に際しては、ループ型ヒートパイプ１の内部から空気等の非凝縮性ガスを脱気した状態で封入されている。この作動流体は、例えば、水、アルコール、アンモニア、代替フロン等が用いられる。作動流体を内部で流通させるループ型ヒートパイプ１は、例えば、銅や銅合金等の熱伝導性の良好な金属によって構成されている。

ループ型ヒートパイプ１内の動作を説明する。発熱体（図示せず）等において発生する熱は、蒸発部２に伝達される（図１矢印Ｃ１）。そして、蒸発部２において熱を吸収した液相の作動流体は気化し、蒸気管４を通って（図１矢印Ａ１）凝縮部３へ送られる。凝縮部３へ送られた気相の作動流体は、外部に熱を放出して（図１矢印Ｃ２）液化して液相の作動流体となる。液相の作動流体は、液管５を通って（図１矢印Ｂ１）再び蒸発部２へと送られる。このように作動流体がループ型ヒートパイプ１内を一方向に循環しながら蒸発部２から凝縮部３に熱輸送を行っている。

また、本実施形態のループ型ヒートパイプ１では、凝縮部３が、蒸発部２よりも高い位置に配置されており、凝縮した液相の作動流体を重力により積極的に還流させることができる。なお、凝縮部３には放熱効率を高める熱交換フィンが設けられてもよい。更に、熱交換フィンに送風して冷却する冷却ファンが設けられてもよい。

また、本実施形態では、液相の作動流体が蒸発部２に流れる液管５には、制御バルブ５１が設けられてる。この制御バルブ５１は、作動流体の量やその流れ、その圧力等を調整する。なお、制御バルブ５１を省略していもよい。また、蒸気管４には、その内部で作動流体蒸気が放熱し凝縮して凝縮液に変相することを抑制するための断熱材が設けられていてもよい。更に、蒸気管４の内面には、その内部で気相の作動流体が放熱し凝縮した液相の作動流体を鉛直方向において下方に流れるように、その内部で生じた液相の作動流体を撥水する処理が施されていてもよい。液管５の内面にも液相の作動流体を蒸発部２に流れ易くするために液相の動作流体を撥水する処理が施されていてもよい。

次に凝縮部３について詳細に説明する。凝縮部３は、蒸発部２からの気相の作動流体が流入する管状の第１蒸気ヘッダー部６と、第１蒸気ヘッダー部６に連通しこの第１蒸気ヘッダー部６から水平方向に並列に延びる複数（本実施形態では５本）の第１連通管７と、各第１連通管７に一端８ａ側で連通し各第１連通管７から鉛直下方向に並列に延びる複数（本実施形態では全３５本（各第１連通管当たり７本））の凝縮管８とを備えている。更に凝縮部３は、各第１連通管７に対向するように凝縮管８の他端８ｂ側に連通し水平方向に並列に延びる複数の第２連通管９と、複数の第２連通管９と一端で連通する管状の第１凝縮液ヘッダー部１０とを備えている。また、凝縮部３は、蒸発部２と比較して温度及び圧力が低い状態になっている。

このような構成の凝縮部３においては、第１蒸気ヘッダー部６に流入した気相の作動流体が、複数の第１連通管７に分流される。そして分流された気相の作動流体は、複数の凝縮管８に更に分流（本実施形態では最大３５本の凝縮管８に分流）されると共に放熱して凝縮し液相の作動流体となる。各凝縮管８内で凝縮された液相の作動流体は下方に流れ、各第２連通管９で合流し更に第１凝縮液ヘッダー部１０に集約される。

蒸発部２について詳細に説明する。蒸発部２は、凝縮部３からの液相の作動流体が流入する管状の第２凝縮液ヘッダー部１１と、第２凝縮液ヘッダー部１１に連通しこの第２凝縮液ヘッダー部１１から水平方向に並列に延びる複数（本実施形態では５本）の第３連通管１２と、各第３連通管１２に下端１３ａ側で連通し各第３連通管１２から鉛直上方向に並列に延びる複数（本実施形態では全３５本（各第３連通管当たり７本））の蒸発管１３とを備えている。更に蒸発部２は、各第３連通管１２に対向するように蒸発管１３の上端１３ｂ側に連通し水平方向に平行に並んで延びる複数の第４連通管１４と、複数の第４連通管１４と一端で連通する第２蒸気ヘッダー部１５とを備えている。また、蒸発部２は、凝縮部３と比較して温度及び圧力が高い状態になっている。

このような構成の蒸発部２においては、第２凝縮液ヘッダー部１１に流入した液相の作動流体が、複数の第３連通管１２に分流される。そして分流された液相の作動流体は、複数の蒸発管１３に更に分流（本実施形態では最大３５本の蒸発管１３に分流）されると共に受熱して蒸発し気相の作動流体となる。各蒸発管１３内で蒸発された気相の作動流体は上方に流れ、各第４連通管１４で合流し更に第２蒸気ヘッダー部１５に集約される。

次に、図２及び図３を参照しつつ本実施形態の蒸発部２について詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発部の部分断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

図２に示すように、蒸発部２は、鉛直方向に延びる管状の蒸発管１３を備えている。蒸発管１３の下端１３ａ側には第２凝縮液ヘッダー部１１に連通する第３連通管１２が配置され、蒸発管１３の下端１３ａと連通している。蒸発管１３の上端１３ｂ側には第２蒸気ヘッダー部１５に連通する第４連通管１４が配置され、蒸発管１３の上端１３ｂと連通している。

蒸発管１３の内壁面１３ｃにはウィック１６が形成されている。このウィック１６は、多孔質金属からなる部材であり金属粒子を焼結して形成され、蒸発管１３の内壁面１３ｃに密着している。ウィック１６は多孔質であるため、作動流体に毛細管力を発生させ、結果として作動流体を移動させる。円筒状の蒸発管１３の内壁面１３ｃに沿って形成されたウィック１６は、管状に成形された部材であり内側空間１７を有している。

また、ウィック１６の実効空孔径は、０．１〜２０μｍである。このウィック１６は、例えば銅粒子等の熱伝導率の高い材質より形成されることがが好ましい。ウィック１６の空孔率は、２５％〜７０％である。また、本実施形態では蒸発管１３の全長にわたってその内壁面１３ｃに形成されているが、この形成領域は加熱領域に応じて調整してもよい。

ウィック１６の内側空間１７には、この内側空間１７を上側空間１８と下側空間１９とに区画する仕切部材２０が設けられている。この仕切部材２０は、例えば板状の部材でありその外周面２０ａがウィック１６の内壁面１６ａに密着しウィック１６に固定されている。更に仕切部材２０は、ウィック１６とは異なり液相又は気相の作動流体を通過させないような緻密な部材である。従って、蒸発管１３の内壁面１３ｃと仕切部材２０の外周面２０ａとの間にはウィック１６が介在しており、この介在しているウィック１６の空孔を通じて上側空間１８と下側空間１９とがつながっている。仕切部材２０としては例えば、ウィック１６の内側空間１７が円筒形状であれば、仕切部材２０は円板状の金属板を用いることができる。なお、仕切部材２０は作動流体を通過させない緻密な部材であれば、その材料は特に限定されない。例えば金属材料以外にも樹脂材料、セラミックス材料等を用いることができる。

蒸発管１３の寸法は、例えば、高さが３００ｍｍであり外径がφ２０ｍｍである。特に、このような外径（Ｒ）に対して高さ（Ｈ）の比が大きい（Ｈ／Ｒが１５倍以上）蒸発管１３においては、仕切部材２０を設けることで、蒸発管１３の上側まで液相の作動流体を行き渡らせることが可能となる。

また、蒸発管１３の下端１３ａからの仕切部材２０の高さ（Ｈｐ）は、蒸発管１３の高さ（Ｈ）に対して、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度が好ましい。この範囲とすることで全体の熱性能を低減することなく、効率的に液体を第２凝縮液ヘッダー部１１から蒸発管１３へ流入できる。

また、ウィック１６には、下端から上端にわたって液流空間（液流部）１６１が形成されている。この液流空間１６１は、筒状の空間をなし蒸発管１３の延びる方向（鉛直方向）に沿って形成されている。この液流空間１６１からウィック１６に液相の作動流体を供給することになる。図３に示すように、本実施形態ではウィック１６の周方向で等間隔に４本の液流空間１６１が形成されているが、これよりも多く形成してもよい。また、液流空間１６１の開口形状（長手方向に直交する断面形状）は、本実施形態では楕円形状であるが、真円形状であってもよく矩形状であってもよい。液流空間１６１の開口面積は、１〜５ｍｍ^２程度であり、ウィック１６の流通抵抗よりも小さい。

次に、図２及び図３を参照しつつ本実施形態の蒸発部２の動作について説明する。なお、図中で液相の作動流体の流れを実線矢印で示し、気相の作動流体の流れを破線矢印で示している。

まず、第２凝縮液ヘッダー部１１から第３連通管１２へ送られた液相の作動流体は、蒸発管１３にその下端１３ａから流入し（図２矢印ｂ１）、相対的に開口面積の大きい仕切部材２０で区画された下側空間１９に貯留される。さらに流入する液相の作動流体は、ウィック１６よりも流通抵抗の小さい液流空間１６１を上昇する（図２矢印ｂ２）。このとき蒸発管１３内には、加圧状態で液相の作動流体が流入されることから、更に液相の作動流体は液流空間１６１内を上昇して、ウィック１６の上端側まで到達（図２矢印ｂ３）する。そして、液流空間１６１を形成する壁が細孔を有するウィック１６で形成されているため、流通する液相の作動流体が液流空間１６１を形成する壁からウィック１６に浸透し供給される（図２矢印ｂ４）。

また、ウィック１６内を移動している液相の作動流体には、発熱体等により外部から熱が加えられ（図２矢印Ｃ１）蒸発することで気相の作動流体となる。この気相の作動流体は、ウィック１６の上側空間１８を上昇（図２矢印ａ１）し更に第４連通管１４に移動する（図２矢印ａ２）。そして液相の作動流体は図１に示す第２蒸気ヘッダー部１５を通過して凝縮部３へと移動することで、発熱体等で発生した熱が、蒸発部２から凝縮部３へ輸送される。

本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１によれば、蒸発部２が、前記凝縮部３よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びると共に下端１３ａから液相の作動流体が流入する蒸発管１３と、当該蒸発管１３の内壁面１３ｃに金属粒子を焼結して管状に形成されるウィック１６と、管状のウィック１６の内側空間１７を上側空間１８と下側空間１９に区画する仕切部材２０と、ウィック１６の下端から上端にわたってウィック１６の内部に形成されており、ウィック１６よりも流通抵抗が小さく液相の作動流体を仕切部材２０よりも上方に流通させ上側空間１８側のウィック１６に供給するための液流空間１６１とを有している。そのため、まずは凝縮部３で凝縮された液相の作動流体が蒸発管１３の下端１３ａから流入し、仕切部材２０で区画されたウィック１６の下側空間１９に貯留されることになる。そして、液相の作動流体で下側空間１９が満たされた後であっても、凝縮部３が蒸発部２よりも上方に配置されていることから加圧された状態で更に液相の作動流体が蒸発管１３の下端から流入する。そうすると、液相の作動流体がウィック１６よりも流通抵抗の小さい液流空間１６１を流通して仕切部材２０よりも上方に流通する。そして、この液流空間１６１を通じて上側空間１８側に形成されているウィック１６に供給される。その結果、ウィック１６の下方から上方にわたって液相の作動流体を行き渡らせることが可能となり、高い冷却能力を確保することができる。

続いて、他の実施形態に係るループ型ヒートパイプについて説明する。図４は、本発明の他の実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発部の部分断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。他の実施形態に係るループ型ヒートパイプ２１は、液流部として、液流空間１６１に代えて蒸発管１３内部に液流管２２を有している点が上記実施形態に係るループ型ヒートパイプ１と異なる。

液流管２２は、管状部材からなりその側壁には管内２３と連通するノズル孔２４が形成されている。このノズル孔２４は、液流管２２の軸方向に並んで複数形成されている。また、ノズル孔２４は、液流管２２の軸方向に複数列（例えば、図５においては３列）で並んで形成されている。本実施形態の液流管２２の外径はφ５ｍｍ、内径はφ４ｍｍ、即ち開口面積は約１２．５ｍｍ^２であり、ウィック１６よりも小さな流通抵抗を有する。

液流管２２は、その一端が仕切部材２０を貫通しておりウィック１６の下側空間１９と連通している。更に液流管２２は仕切部材２０に固定され、他端側がウィック１６の上側空間１８に向かって延びるように立設されている。その際に液流管２２は、ウィック１６の内側空間１７の中心軸ＣＬと平行に延びており、更にそのノズル孔２４がウィック１６に対向するように配置されている。また、液流管２２は、ウィック１６の内側空間１７の中心軸ＣＬよりも外側、即ちウィック１６により近い位置に配置されてる。

なお、液流管２２は複数設けても良く、その場合は内側空間１７の中心軸ＣＬを中心に点対象の位置関係となるように配置することが好ましい。

以上のように、他の実施形態に係るループ型ヒートパイプ２１は、蒸発管１３の内部に液流部として、ウィック１６の下側空間１９と連通し仕切部材２０からウィック１６の上側空間１８に立設される管状部材であって、ウィック１６側に向かってノズル孔２４が形成された液流管２２が配置されている。

これにより、下側空間１９の液相の作動流体を液流管２２内を伝い上側空間１８に移動（図２矢印ｂ５）させ、ノズル孔２４からウィック１６に向かって吐出（図２矢印ｂ６）させることがで供給することができる。その結果、ウィック１６の下側から上側にわたって液相の作動流体をより行き渡らせることが可能となり、高い冷却能力を確保することができる。

なお、液流部として液流空間１６１及び液流管２２の両方を設けてもよい。また、下側空間１９側にウィック１６を形成しなくてもよい。

１，２１…ループ型ヒートパイプ、２…蒸発部、３…凝縮部、４…蒸気管、５…液管、６…第１蒸気ヘッダー部、７…第１連通管、８…凝縮管、９…第２連通管、１０…第１凝縮液ヘッダー部、１１第…２凝縮液ヘッダー部、１２…第３連通管、１３…蒸発管、１４…第４連通管、１５…第２蒸気ヘッダー部、１６…ウィック、１６１…液流空間（液流部）、１７…内側空間、１８…上側空間、１９…下側空間、２０…仕切部材、２２…液流管（液流部）、２３…管内、２４…ノズル孔、５１…制御バルブ。

Claims

外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、外部に放熱して前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部に気相の作動流体を流通させる蒸気管と、前記凝縮部から蒸発部に液相の作動流体を流通させる液管とを備え、
前記蒸発部は、前記凝縮部よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びると共に下端から液相の作動流体が流入する蒸発管と、当該蒸発管の内壁面に金属粒子を焼結して管状に形成されるウィックと、前記管状のウィックの内側空間を上側空間と下側空間とに区画する仕切部材と、前記ウィックよりも流通抵抗が小さく液相の作動流体を前記仕切部材よりも上方に流通させ前記上側空間側の前記ウィックに供給するための液流部とを有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
前記液流部が、前記ウィックの下端から上端にわたって前記ウィックの内部に形成される液流空間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。
前記液流部が、前記ウィックの下側空間と連通し前記仕切部材から前記ウィックの上側空間に立設される管状部材であって、前記ウィック側に向かってノズル孔が形成された液流管を有することを特徴とする請求項１又は２記載のループ型ヒートパイプ。