JP2016507043A - 二相流体による熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的な閉回路に含有される二相の作動流体を用いた熱輸送装置に関する。該装置は、キャピラリポンプ現象により液相流体を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、液体部分(6)と気体部分(7)を含む内部チャンバ(30)および該液体部分に設けられた入口／出口(31)を有するリザーバ(3)とを備える。液体部分(6)の容積は、最小容積（Ｖｍｉｎ）と最大容積（Ｖｍａｘ）との間で変化するようになっており、リザーバ(3)の気体部分(7)は、第１の分圧（Ｐ１）を有する作動流体の蒸気相と、第２の分圧（Ｐ２）を有する非凝縮性補助ガス(8)とを含み、少なくとも液体部分(6)が最小容積にある場合、第２の分圧は第１の分圧よりも高くなるように構成される。

Description

本発明は、二相流体による熱輸送装置、特に、キャピラリポンプまたは重力を利用した二相流体ループの受動装置に関する。

このような熱輸送装置が、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。

これらの熱輸送装置は、確立された運転条件の下では、申し分なく満足に機能する。しかしながら、「冷」状態（最低周囲温度で熱流束がゼロの状態）から始まる起動段階では、十分な熱出力を得るため、極めてデリケートな配慮が必要であり、たとえば、予めタンクを温めておくといった事前調整ステップが必要となる。こうした調整をしない場合、回路内の圧力は不十分となるため、十分な熱輸送を提供できない。

フランス国特許第２９４９６４２号 欧州特許第０８３２４１１号

本発明は、二相ループ起動時の有効性を改良することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、能動的な調整を必要とすることなく、一般的な閉回路に含有された二相の作動流体により、熱源から熱を吸熱し、該熱を冷熱源へと放熱するよう構成された熱輸送装置を対象とする。該装置は、入口と出口を有する蒸発器と、該蒸発器とは別個に離れて設けられた凝縮器と、液体部分および気体部分を含む内部チャンバを有するリザーバとを備え、該リザーバは、前記液体部分に設けられた少なくとも１つの入口／出口オリフィスとを有し、前記気体部分の容積は、最小容積Ｖｍｉｎと最大容積Ｖｍａｘとの間で変化するようになっており、さらに、
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、本発明の熱輸送装置において、前記リザーバの気体部分は、第１の分圧Ｐ１（前記リザーバの温度によって定まる圧力）を有する作動流体の蒸気相と、第２の分圧Ｐ２を有する非凝縮性補助ガスとを含み、一般的閉回路全体の前記液体部分が、最小総容積である場合、リザーバ内の全圧が予め定めた最低作動圧力よりも高いか同等となるよう、第２の圧力Ｐ２は調整される。

このような構成により、とりわけ第２の分圧Ｐ２の存在のおかげで、液体部分が最小である場合や、装置が完全な低温にある場合でも、リザーバ内の気体部分に非凝縮性補助ガスが存在するため、長時間にわたって蒸発器に熱を付与しなくても、リザーバ内の最低圧力は保証される。リザーバ内に非凝縮性補助ガスが存在することによる最低圧力は、第２の伝達通路（気体導管）における飽和温度を高めることを可能とし、これにより作動流体蒸気相の密度を最低にすることができ、ループの熱輸送能力は、蒸気相の密度に比例するため、ループを低温で起動する際でも、即座に、より効率のよい熱輸送が可能となる。

さらに、このような構成により、能動的指令システムを必要とせずに、受動的調整が可能となり、この種の装置の信頼性を増大させる。能動的ポンピングも、能動的指令システムも有さないこうしたシステムは、メンテナンスの必要がなく、非常に高い信頼性を実現できる。さらに、そのエネルギー消費量は、ごく僅かであり、ゼロの場合ですらある。

非凝縮性補助ガスとしては、該装置の温度／圧力の全範囲において、気体状態を保持できるものを選択することが好ましく、さらに、液体への拡散係数が非常に低いものが、選択される。

本発明の様々な実施態様において、場合に応じて、さらに以下アレンジのいずれか１つ以上を用いることができる。

ヘリウムの物理および化学的特性は、前記非凝縮性補助ガスに求められる条件に最も適合しており、また工業的に入手しやすいため、前記非凝縮性補助ガスとしては、ヘリウムを採用することができる。

メタノールは、十分な温度範囲において作動することが可能であり、また十分な毛細管現象を実現できるため、前記作動流体としてメタノールを採用することができる。

相当量の熱負荷を与えて準備しなくても、迅速な起動が可能なよう、最低圧力を十分高くするため、液体部分が最小容積である場合の第２の分圧Ｐ２を、第１の分圧の少なくとも数倍高くすることができる。

リザーバの容積を、前記液体部分の最大容積の１．３倍〜２．５倍とし、これにより、液体部分の容積が最大のとき、リザーバおよびループ内の圧力と温度は制限され、蒸発器付近から熱を採取し続けることが可能となる。

主として地上における重力の影響下で使用される場合、補助ガスが蒸発器の方向に吸引されないよう、入口／出口オリフィスは前記リザーバの少なく１つの最下点に配置される。

主として微小重力下で使用される場合、前記リザーバは、少なくとも入口オリフィスの付近に多孔質体を備え、これにより該多孔質体内に液体のバリアを形成し、補助ガスが蒸発器の方向に吸引されるのを回避することができる。

前記蒸発器は、液相の流体をキャピラリポンプ現象（毛細管力）により吸い上げる多孔質体を備え、これにより、メンテナンスの必要のない受動システムが実現される。

主として地上における重力の影響下で使用される場合、キャピラリ構造を有さない蒸発器を、前記凝縮器および前記リザーバの下に配置し、重力を利用して液体を蒸発器の方向へ促し、これにより、非常にシンプルで頑丈な信頼性の高い装置が提供可能となる。

逆流防止弁を蒸発器の入口に配置し、これにより液体が正常な循環方向とは逆方向に向かうことを阻止して、重い負荷がかかる起動時に、蒸発器が乾燥することを防止することができる。

本発明のこのような構成により、能動的調整の必要がなく、非常に信頼性の高い、熱輸送装置が提供される。

図１は、本発明の第１実施形態の一例の概略図である。 図２は、流体の温度−圧力における一般的相転移をグラフで示す。 図３Ａは、液相部が最低時のリザーバを示す。 図３Ｂは、液相部が最大時のリザーバを示す。 図４は、本発明の第２実施形態の一例の概略図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、周囲温度との関連における飽和圧力、飽和温度のグラフである。

以下、２つの実施形態を用いて、図面を参照しながら、本発明の詳細な説明を行うが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはない。

図１は、二相流体ループを用いた熱輸送装置を示す。第１の実施形態において、ポンピングは、毛細管現象を利用して行われる。該装置は、入口１ａと、出口１ｂと、キャピラリポンピング（毛細管力による揚水）を提供するミクロ多孔質体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は、入口１ａと連通する中央長手方向の凹部１５を取り囲んでおり、液体状態の作動流体を、液相流体導管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などの熱源１１と、たとえばジュール効果（抵抗発熱）あるいはその他のプロセス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に熱を供給することより、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。凝縮器２は蒸発器１と隣接しておらず離れており、第１の伝達通路４は、前記蒸気を、入口２ａおよび出口２ｂを有する凝縮器２へと伝達する。

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。これが周知のキャピラリポンプ現象である。なお、熱源から採取される熱量Ｑは、熱流に作動流体の蒸発時の潜熱Ｌを乗じた値となる（Ｑ＝Ｌ・ｄＭ／ｄｔ）。

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、蒸発器１の入り口１ａに連結された第２の伝達通路５へと開く。このようにして、熱源１１から熱を吸熱し、この熱を冷熱源１２に放熱する二相ループ循環が得られる。

蒸気相により第１の伝達通路を輸送される熱は、Ｑ＝ρＶＳで示すことができる。ここで、ρは蒸気相の密度、Ｖは蒸気相の移動速度、Ｓは伝達通路の断面積を表す。

第２の伝達通路５は、一方ではリザーバ３と連結されている。リザーバ３は、作業流体の膨張器の役割を果たすものであり、作業流体を液相および蒸気相の両相で含有する。リザーバ３は、第１の伝達通路４、第２の伝達通路５、蒸発器１および凝縮器２とともに、一般的な閉回路、すなわち密閉回路を形成する。

リザーバ３は、少なくとも１つの入口／出口オリフィス３１を有し、その容積３０は、一般的に、用途に合わせて決定される。この容積は、場合に応じて、手作業または自動的に操作される機械装置により調整可能である。さらにリザーバ３は、最初に回路を充填するための注入オリフィス３６を備えるが、注入オリフィス３６は、最初の充填時以外は、閉じられている。リザーバ３は、任意の形状とすることができ、具体的には平行６面体、円筒形などの任意の形状とし得る。

熱輸送装置は、ある一定範囲の周囲温度で運転可能なように設計されており、ここに示された例において、この温度範囲は［−５０℃、＋５０℃］である。さらに、熱源１１は、排出する熱量に関わりなく、予め定めた最高温度を超えないことが望ましい。この既定の最高温度は、たとえば１００℃である。こうした温度は、微小重力下における宇宙用途であるか、車両や固定位置などにおける地上の用途であるかなど、目的とする用途のタイプに合わせて設定される。

ループの作動流体として、前述した温度範囲（図２の符号１４を参照）に基づく二相ループの流体温度および圧力の範囲において、常時潜在的に二相である流体が選択される。

このように作動流体は、アンモニア、アセトン、メタノール、水、ＨＦＥ７２００型の誘電性流体、またはその他の適切な流体を含むリストの中から選択される。後述の実施形態の場合には、メタノールを選択することが好ましい。

リザーバ３の内部には、本質的に、液相の作動流体（ここではメタノール）からなる液体部分６と、蒸気相の作動流体からなる気体部分７が存在するが、さらに非凝縮性の補助ガス８（これについては後述する）が含まれている。非凝縮性補助ガス８（ＮＣＧと表記される）は、熱交換に直接的に関与することなく、リザーバ３の気体部分に閉じ込められており、その効果は、気体部分に最低圧力をもたらすことである。この非凝縮性補助ガス８の分圧はＰ２で表される。使用時の温度および圧力範囲において、この非凝縮性補助ガス８は気体状態を保持し続ける（図２の右参照）。

周知の従来技術によれば、作動回路に非凝縮性ガスが存在することは好ましくないとされてきた。なぜなら、非凝縮性ガスの気泡がキャピラリ蒸発器のエリアに侵入した場合、気化の熱性能を低下させることになり、さらには、キャピラリ蒸発器が起動しなくなる可能性があるため、ある種の重大な用途の場合、最悪の事態を招きうるからである。

重力が作用する環境においては、気体部分７は液体部分６の上に位置し、一般的に水平な液体−蒸気の界面１９により、二つの相は分離される（リザーバ内の液体の自由表面）。

微小重力が作用する環境においては（無重力状態）、液体部分は多孔質材の中に含有され、気体部分が、リザーバの残りの容積を占有する。このようなモデルケースにおいても、液体−蒸気の界面１９は存在するが、平坦ではない。

この界面１９の温度は、気体部分における作動流体の分圧Ｐ１と一義的に結びついており、図２の左側に示されるとおり、この圧力は、界面１９を支配する温度Ｔｓａｔにおける流体の飽和圧力Ｐｓａｔに相当する。

実際には、液体部分の温度、気体部分の温度、およびリザーバの周囲温度は、比較的均一である。リザーバ内には、ほとんど、あるいは全く温度勾配がない。さらに、リザーバの温度は、リザーバが置かれている場所の気温と大差はない。

本発明の好適な態様の１つによれば、気体部分が液体伝達通路５と直接的に連絡することがないよう、入口／出口オリフィス３１は液体部分のエリアに配置される。リザーバと多孔質体の毛細管現象による結びつきの構造は、欧州特許第０８３２４１１号に記載された構造と同様である。

本発明に特徴的な態様、とりわけ微小重力下で使用するケース（ただし限定的ではない）においては（このモデルケースは図示していない）、液体を保持する機能を有する多孔質体９を、入口／出口オリフィス３１付近に配置し、これにより結果的に気体相の成分が液体伝達通路５に吸引されるのをブロックするバリアを形成する。

重力が作用する地上における応用では、入口／出口オリフィス３１はリザーバの最下点に配置される。なお、リザーバの最下点は複数存在しうる。

リザーバ内における液体部分６の容積は、図３Ａに示す最小容積（Ｖｍｉｎ）と図３Ｂに示す最大容積（Ｖｍａｘ）との間で変化する。なお、Ｖｍｉｎは、一般的回路全体における液体の最小総容積に相当し、Ｖｍａｘは、一般的回路全体における液体の最大総容積に相当する。

ＶｍａｘとＶｍｉｎとの差は、少なくとも以下の２つの容積の和と一致する。すなわち、液体の熱膨張を表す、膨張容積（Ｖ０ｃ）と呼ばれる容積と、蒸気伝達通路４および凝縮器２の一部に存在する蒸気によって追い出される、排出容積（Ｖｐｕｒｇｅ）と呼ばれる容積の和である。換言すれば、二相ループがしばらく停止状態にあるとき、ループ内に蒸気は存在しなくなり、ループ内部の容積を液体が占領するため、リザーバ内の液体部分は少量となる。反対に、熱量が最大のとき（Ｑ＝Ｑｍａｘ）、第１の伝達通路４の全体、および凝縮器２の通路の一部は蒸気で満たされるため、液体はリザーバ内に押し戻され、これによりリザーバ内の液体容積は大きくなる。周囲温度も液体部分の容積に影響を与え、膨張容積Ｖ０ｃへと導く。

より詳細には、最小容積Ｖｍｉｎは、周囲温度が最低で蒸発器の熱量がゼロ（Ｑ＝０）の場合に相当し、この状態は、図５Ａおよび図５Ｂにおける点６１である。気体部分を支配する圧力は、非常に低い作動流体の分圧Ｐ１ではなく、本質的に補助ガス８（圧力Ｐ２）の存在に因るものである。リザーバに作用する全圧は、Ｐｒｅｓ＝Ｐ１＋Ｐ２であり、これは実質的に二相ループのその他いたるところに作用する圧力でもある。

蒸発器に熱の付与が無い状態（熱量ゼロ、Ｑ＝０）のまま、周囲温度を最高にした場合、液体の膨張が認められ、液体部分の容積は、Ｖｍｉｎよりも大きいＶ０ｃで示す容積となる。この状態は、図５Ａおよび図５Ｂに点６２で示す。

周囲温度が最高で、熱量も最大（Ｑ＝Ｑｍａｘ）の場合、液体部分の容積は、排出容積Ｖｐｕｒｇｅ相当分増加する。この状態は、図５Ａおよび図５Ｂに点６４で示す。

以上より、液体部分６が最小容積Ｖｍｉｎ（これは、一般的回路全体における液体の最小総容積に相当する）である場合、第２の圧力Ｐ２は、リザーバ内の全圧が予め定めた最低作動圧力よりも高いか同等となるよう設定される（図５Ｂに示す例においては、０．７バールであるが、この数値は限定的なものではなく、実際、この最低値は、目的とする用途に合わせて決定することができる）。

同様に、図示の実施形態において、液体部分６が最小容積Ｖｍｉｎである場合、第２の分圧Ｐ２（ＮＣＧ）は、第１の分圧Ｐ１よりも高い。この条件は、Ｑ＝０における周囲温度範囲の大部分において満たされる。さらにＱ＝Ｑｍａｘの場合であっても、冷温ゾーンにおいて、前記条件は満たされる。

さらに、液体部分６が最小容積Ｖｍｉｎである場合、第２の分圧（ＮＣＧ）は、第１の分圧の数倍、たとえば、５倍、あるいは１０倍も高いことが分かる（点６１参照）。

リザーバ内に非凝縮性補助ガスを存在させることによる最低圧力（図５Ｂの例では０．７バール）は、第２の伝達通路における飽和温度を高めることを可能とし（図５Ａの例では５０℃）、これにより作動流体蒸気相の密度ρを最低にすることができる。ループの熱輸送能力は、蒸気相の密度ρに比例するため（Ｑ＝ρＶＳ）、ループを低温で起動する際、即座に、蒸発器の作動停止を回避するのに十分な熱輸送が可能であり、効率のよいループを得ることができる。

点６４で示される最も制約的な熱状況（最高周囲温度で、最大熱量の場合）でも、十分な熱排出効率を維持するためには、気体部分７の容積を、液体部分の容積Ｖｍａｘよりも十分上に設定する必要ある。

リザーバの全容積３０は、前記液体部分の最大容積Ｖｍａｘ（液相が最大総容積の場合）の１．３倍〜２．５倍に設定することが好ましい。これにより、周囲温度が５０℃で最大熱量Ｑｍａｘの場合の飽和温度Ｔｓａｔは、９０℃以下に維持され、これにより熱源１１から熱を採取し続けることが可能となる。

非凝縮性補助ガス８の選択に関しては、該ガスはループの全作動範囲において、とりわけリザーバ内の圧力および温度の全条件下において、蒸気相であり続ける必要があり、非常に低い沸点を有していなければならない。さらに、液体への拡散係数およびオズワルド係数もまた、非常に低くなければならない。これは、リザーバ内の液体部分６や、ループのその他の部分に、該補助ガスが侵入することを回避するためである。

補助ガスとしては、ヘリウムを選択することが好ましい。ヘリウムは、化学的に中性であり、工業的に入手しやすい。ただし、窒素、アルゴン、ネオンなど、その他のガスを用いることも可能である。

図４は、熱サイフォン型の第２の実施形態の一例を示している。ここでは、凝縮器２は蒸発器１の上部に配置され、重力が自然に液体を蒸発器の方向へ促すようになっており、こうした条件下において、蒸発器内の多孔質体の役割は、毛細管現象によるポンプ機能それ自体ではなく、熱交換および蒸発を促進することである。液体運動の起因、および構成要素の配置を除いて、作動原理を含むその他の事項は、第１の実施形態と同一なので、ここでは繰り返さない。

補助ガス８の存在によりもたらされる加圧により、効果的な熱起動に先立って二相ループを調整するための発熱体を設ける必要がなくなる。

前記のような二相ループは、能動的調整を必要としない。このことは、信頼性という観点からも非常に効果的である。

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。

なお、図面におけるそれぞれの構成要素の大きさは、必ずしも実際の構成部材の相対的な大きさや寸法を表すものではない。

第１および第２の流体伝達通路４、５は、円筒導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伝達管（長方形導管、弾性導管など）を用いることもできる。同様に、入口／出口オリフィス３１を、別々の入口、出口とすることもできる。

二相ループの蒸発器の入口に、逆流防止弁１８を設け、起動時の出力を最大限に高めることも可能である。実際、逆流防止弁１８は、液体が正常な循環方向とは逆方向に向かうことを阻止し、これにより、重い負荷がかかる起動時に、蒸発器が乾燥することを防止する。

重力下における使用の場合、逆流防止弁１８は、浮力により通路を閉じるゲートへと押し戻されるフロートとして形成することができ、これにより液体逆流を防止する。

本発明の二相流体システムは、完全な自己適応型であり、いかなる制御やセンサを必要としない。したがって、本発明により、構造も製造もきわめてシンプルであり、メンテナンスの必要のない、比類のない信頼性を有するシステムが実現される。

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
６ 液体部分
７ 気体部分
８ 非凝縮性補助ガス
９ 多孔質体
１０ ミクロ多孔質体
１１ 熱源
１２ 冷熱源
１５ 凹部（空洞）
１６ 接触部
１７ 移転チャンバ
１８ 逆流防止弁
１９ 分離面
３０ 内部チャンバ
３１ 入口／出口オリフィス
３６ 注入オリフィス

Claims (9)

1. 一般的な閉回路に含有された二相の作動流体により、能動的な調整を必要とすることなく、熱源から吸熱した熱を冷熱源へと放熱するよう構成された熱輸送装置であって、
   入口と出口を有する、少なくとも１つの蒸発器と、
   前記蒸発器とは別個に離れて設けられた少なくとも１つの凝縮器と、
   液体部分および気体部分を含む内部チャンバと、該液体部分に設けられた少なくとも１つの入口／出口オリフィスとを有し、前記気体部分の容積は、最小容積（Ｖｍｉｎ）と最大容積（Ｖｍａｘ）との間で変化するようになっているリザーバと、
   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、
   前記リザーバの気体部分は、第１の分圧（Ｐ１）を有する作動流体の蒸気相と、第２の分圧（Ｐ２）を有する非凝縮性補助ガスとを含み、一般的閉回路全体の前記液体部分が最小容積である場合、リザーバ内の全圧が予め定めた最低作動圧力よりも高いか同等となるよう、第２の圧力Ｐ２が調整されている、
   熱輸送装置。
2. 前記非凝縮性補助ガスがヘリウムである、請求項１に記載の熱輸送装置
3. 前記作動流体がメタノールである、請求項１または２に記載の熱輸送装置。
4. 前記リザーバの全容積は、前記液体部分の最大容積Ｖｍａｘの１．３倍〜２．５倍に構成される、請求項１〜３のいず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、前記入口オリフィスが前記リザーバの最下点に配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の熱輸送装置。
6. 主として微小重力下で使用され、前記リザーバは、少なくとも前記入口オリフィスの付近に配置された多孔質体を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の熱輸送装置。
7. 前記蒸発器が、液相の流体をキャピラリポンプ現象により吸い上げる多孔質体を備える、請求項１〜６のいずれかに記載の熱輸送装置。
8. 主として地上における重力の影響下で使用され、前記蒸発器は、前記凝縮器および前記リザーバの下に配置され、重力を利用して液体を蒸発器の方向へ促すようになっている、請求項１〜５のいずれかに記載の熱輸送装置。
9. 逆流防止弁が前記蒸発器の入口に配置される、請求項１〜８のいずれかに記載の熱輸送装置。
   
   

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