JP2019015443A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の蒸気の流れと液体の還流とを分離しつつ、流路の構成を簡素化したヒートパイプを提供する。
【解決手段】ヒートパイプ１０は、収容した液体の作動流体１１を吸熱により蒸発させる外筒体２０と、この外筒体２０の上端に連結し気体の作動流体１２を放熱により凝縮させる箱体３０と、この外筒体２０の内部に配置され内周面５３に沿って形成された第１流路５１から外周面５５に沿う第２流路５２を連続形成する内筒体５０と、この内筒体５０の上端が接続して第１流路５１及び箱体３０の内部空間３１を連通する第１開口６１が設けられこの第１開口６１に向かう下り傾斜を有しつつ箱体３０を間仕切り第２流路５２から箱体の内部空間３１に通じる第２開口６２を形成する案内板６０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、作動流体を用いて高温側から低温側に熱量を移動させるヒートパイプに関する。

ヒートパイプとは、密閉容器内部に封入された作動流体を蒸発および凝縮させることによって、小さな温度差であっても、大量の熱量を輸送することができる仕組みである。
この作動流体は、密閉容器を真空排気した後に、液体状態で封入される。よってこの密閉容器の内部は、この作動流体の飽和蒸気圧で平衡状態にある蒸気と液体とが、混在した状態になっている。

このヒートパイプの一端を加熱し他端を冷却すると、この加熱部で液体から蒸発した蒸気は、冷却部に向かって速やかに流れる。そして、この冷却部に到達した蒸気は、凝縮して液体に戻り、今度は加熱部に向かって還流する。このような相変化を伴う作動流体の循環によって、熱量は加熱部から冷却部へ輸送される。

従来のヒートパイプの代表例としてウィック式ヒートパイプ、密閉二相熱サイフォン及びループ型ヒートパイプが知られている。
ウィック式ヒートパイプは、金網、繊維、焼結金属などの多孔質や細溝などといった毛細管構造が形成されたウィックで毛細管圧力を生じさせ、冷却部で凝縮した液体を加熱部に還流させる。

密閉二相熱サイフォンは、容器下端の加熱部で発生させた蒸気を、容器上端の冷却部で凝縮して液体に戻し、重力または遠心力により加熱部に還流する。
ループ型ヒートパイプは、加熱部及び冷却部の間をそれぞれ双方向に行き来する蒸気及び液体の流路を、分離したものである。

特開平４−３６６３９１号公報

密閉二相熱サイフォンがウィック式ヒートパイプよりも優れる点は、ウィックがないことによる加熱部および冷却部の熱抵抗が小さい点、液体を還流させるのに毛細管圧力を利用しないため毛細管限圧力による最大熱輸送量に限界がない点、加熱部に液膜が到達せず乾き面が現れて熱伝達率が急減少するドライアウトによる最大熱輸送量に限界がない点、等が挙げられる。

しかし、密閉二相熱サイフォンでは、蒸気の流れと液体の還流とが対向関係にあるため、蒸気の流速が増加すると、還流する液体は蒸気の流れによって吹き戻され、熱輸送量の増加に制限がかかる課題がある。
またループ型ヒートパイプは、係る密閉二相熱サイフォンの課題を解決するが、蒸気の流れと液体の還流とを分離した流路配管の引き回しの複雑さに起因し種々の課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、作動流体の蒸気の流れと液体の還流とを分離しつつ、流路の構成を簡素化したヒートパイプを提供することを目的とする。

実施形態に係るヒートパイプは、収容した液体の作動流体を吸熱により蒸発させる外筒体と、前記外筒体の上端に連結し気体の前記作動流体を放熱により凝縮させる箱体と、前記外筒体の内部に配置され、内周面に沿って形成された第１流路から外周面に沿う第２流路を連続形成する内筒体と、前記内筒体の上端が接続して前記第１流路及び前記箱体の内部空間を連通する第１開口が設けられ、前記第１開口に向かう下り傾斜を有しつつ前記箱体を間仕切り前記第２流路から前記箱体の内部空間に通じる第２開口を形成する案内板と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、作動流体の蒸気の流れと液体の還流とを分離しつつ、流路の構成を簡素化したヒートパイプが提供される。

（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）本発明の第１実施形態に係るヒートパイプの断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第２実施形態に係るヒートパイプの断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第３実施形態に係るヒートパイプの断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第４実施形態に係るヒートパイプの断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第５実施形態に係るヒートパイプの断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第６実施形態に係るヒートパイプの断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第７実施形態に係るヒートパイプの断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）は第１実施形態のヒートパイプ１０の縦断面図を示し、図１（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示し、図１（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図すなわち箱体の水平断面を示し、図１（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図すなわち外筒体の水平断面を示している。

図１に示すように第１実施形態のヒートパイプ１０は、収容した液体の作動流体１１を吸熱により蒸発させる外筒体２０と、この外筒体２０の上端に連結し気体の作動流体１２を放熱により凝縮させる箱体３０と、この外筒体２０の内部に配置され内周面５３に沿って形成された第１流路５１から外周面５５に沿う第２流路５２を連続形成する内筒体５０と、この内筒体５０の上端が接続して第１流路５１及び箱体３０の内部空間３１を連通する第１開口６１が設けられこの第１開口６１に向かう下り傾斜を有しつつ箱体３０を間仕切り第２流路５２から箱体の内部空間３１に通じる第２開口６２を形成する案内板６０と、を備えている。

外筒体２０は、収容される液体の作動流体１１が漏れないように底部分が閉止されている。また外筒体２０は、その下端及び上端が、それぞれ温度差を有する熱源（図示略）及び冷却源（図示略）に到達可能な程度にその全長が確保される。
収容されている液体の作動流体１１は、外筒体２０の壁面を介し熱源（図示略）から、熱量を吸収し蒸発する。外筒体２０の材質は、液体の作動流体１１と熱源（図示略）との熱交換が促進されるように、熱伝導率の高い材質で構成されることが望ましい。

箱体３０は、図１（Ｃ）に水平断面視で示されるように、その奥行寸法が外筒体２０の外径に略一致するように設定された対向二側面３２，３２と、その幅寸法が外筒体２０の外径よりも大きく設定された対向二正面３３，３３と、箱体３０の上面を閉止する天板３４と、箱体３０の底面を閉止する底板３５と、から構成される。箱体３０の材質は、気体の作動流体１２と冷却源（図示略）との熱交換が促進されるように、熱伝導率の高い材質で構成されることが望ましい。

このように箱体３０が設定されていることにより、その水平断面積は、外筒体２０の水平断面積よりも大きくなる。さらに、高さ寸法を抑えつつ箱体３０の比表面積（単位体積当たりの表面積）も大きくすることができる。
箱体３０の比表面積が大きく設定されることで、収容されている気体の作動流体１２の冷却源（図示略）に向けた放熱効率を高めることができ、凝縮された液体の作動流体１１の還流を円滑化することができる。

第２開口６２から箱体３０の内部空間３１に進入した気体の作動流体１２は、箱体３０の内側面に接することで、潜熱を放出して液体の作動流体１１に凝縮する。
箱体３０の内側面に凝縮した液体の作動流体１１は、液滴の成長に伴い重力の影響を強く受け、下方に流れていく。本実施形態では、箱体３０において作動媒体の気体から液体への凝集速度を増加させることができるために、その内部空間３１の負圧を大きくすることができる。これにより、気体の作動流体１２の移動速度を高めて、熱源（図示略）から冷却源（図示略）に向かう熱の移動効率を向上させることができる。

なお実施形態において、箱体３０を構成する天板３４、対向二側面３２，３２、対向二正面３３，３３は、平板であるものを例示しているが、冷却源（図示略）との接触抵抗を低減させるために曲面やその他、不定形形状を有しても良い。
また、箱体３０の表面に電熱変換モジュールなどの外部機器を設けることにより、熱源から輸送した熱を有効利用してもよい。

案内板６０は、四辺のうち一方の対向二辺が箱体３０の対向二正面３３，３３に接合され、他方の対向二辺が箱体３０の対向二側面３２，３２との間に第２開口６２を形成している。案内板６０の中央には第１開口６１が設けられ、案内板６０はその四辺からこの第１開口６１に向かう下り傾斜を有している。

これにより、箱体３０の内側面に凝縮し下方に流れた液体の作動流体１１は、案内板６０の上面に到達したのち、下り傾斜に案内されて第１開口６１に集まる。
案内板６０の第１開口６１には、内筒体５０の上端が接続されているために、集められた液体の作動流体１１は、重力の働きによりさらに第１流路５１に沿って流れ落ちる。
他方で、案内板６０で箱体３０を間仕切った結果、案内板６０の下面と箱体３０の底板３５の上面とで形成される隙間は、第２流路５２を延長して第２開口６２に通じる流路が確保される。

このように案内板６０が設けられることで、箱体３０の内部空間３１において、排出される液体の作動流体１１と、進入する気体の作動流体１２とは、第１開口６１及び第２開口６２が隔てられているために、互いに混合することはない。
なお案内板６０の材質は、その上面を流下する液体の作動流体１１とその下面を反対方向に移動する気体の作動流体１２との熱交換が互いに制限されるように、外筒体２０や箱体３０よりも熱伝導率の小さい材質で構成されることが望ましい。

内筒体５０は、その先端開口が外筒体２０の底面から浮いた状態で、外筒体２０と同軸に配置されている。なお、外筒体２０及び内筒体５０は、共にその水平断面が円形であるものが開示されているが、特に限定はなく角形やその他不定形も取り得る。
内筒体５０の内周面５３に沿って形成された第１流路５１は、その先端開口部で折り返して、その外周面５５に沿う第２流路５２に連続する。
第１流路５１を流下した液体の作動流体１１は、外筒体２０の下端に収容され、再び上述したように熱源から熱量を吸収して蒸発するというサイクルを繰り返す。

下降する液体の作動流体１１及び上昇する気体の作動流体１２は、移動方向が互いに対向関係にある。しかし、外筒体２０の内部を内筒体５０で仕切った二重管構造を採用することにより、液体の作動流体１１及び気体の作動流体１２は、第１流路５１及び第２流路５２並びに案内板６０の上面側及び下面側を、分離した状態で流動するために、互いに混合することがない。
なお内筒体５０の材質は、第１流路５１を流下する液体の作動流体１１と第２流路５２を上昇する気体の作動流体１２との熱交換が互いに制限されるように、外筒体２０や箱体３０よりも熱伝導率の小さい材質で構成されることが望ましい。

また外筒体２０は、その上端が箱体３０の底板３５に設けられた開口を塞ぐように連結されるため、箱体３０の内部空間３１と外筒体２０の内部空間とは一体化した密閉空間になる。
これによりヒートパイプ１０は、外観上、簡素な一本の線状体となり、設置が容易となるとともに多彩なレイアウトにも対応が可能となる。なお、図示されるヒートパイプ１０は、中間部を省略した直線状の形態を例示しているが、熱源（図示略）及び冷却源（図示略）の位置関係及び両者を結ぶ経路に最適化した曲線状をとってよい。

（第２実施形態）
次に図２を参照して本発明における第２実施形態について説明する。
図２（Ａ）は第２実施形態のヒートパイプ１０の縦断面図を示し、図２（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示し、図２（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図すなわち箱体の水平断面を示し、図２（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図すなわち外筒体の水平断面を示している。
なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第２実施形態のヒートパイプ１０では、箱体３０の内部空間３１に、案内板６０に対し略平行に配置される複数の冷却板３６ａ（３６）が設けられている。
図２（Ｃ）に示すように、冷却板３６ａは、四辺のうち一方の対向二辺が箱体３０の対向二正面３３，３３に接合されている。そして他方の対向二辺のうち一辺が箱体３０の側面３２に近接し、残りの一辺が第１開口６１に近接して配置される。そして冷却板３６ａは、箱体３０の側面３２からこの第１開口６１に向かう下り傾斜を有している。

第２開口６２から箱体３０の内部空間３１に進入した気体の作動流体１２は、冷却板３６ａに接することで、潜熱を放出して液体の作動流体１１に凝縮する。冷却板３６ａの表面に凝縮した液体の作動流体１１は、液滴の成長に伴い重力の影響を強く受け、下方に流れ、第１開口６１に滴下し第１流路５１を流れ落ちていく。

冷却板３６ａの材質は、気体の作動流体１２と冷却源（図示略）との熱交換が促進されるように、熱伝導率の高い材質で構成されることが望ましい。
本実施形態では、箱体３０の内部表面積を大きくすることで、作動媒体の気体から液体への凝集速度を増加させることができる。さらに、凝集した液体の作動流体１１が、第２開口６２に入って、第２流路５２を逆流することも防止できる。
これにより、気体の作動流体１２の移動速度を高めて、熱源（図示略）から冷却源（図示略）に向かう熱の移動効率を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に図３を参照して本発明における第３実施形態について説明する。
図３（Ａ）は第３実施形態のヒートパイプ１０の縦断面図を示し、図３（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示し、図３（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図すなわち箱体の水平断面を示し、図３（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図すなわち外筒体の水平断面を示している。
なお、図３において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第３実施形態のヒートパイプ１０では、冷却板３６ｂ（３６）がワイヤーメッシュで構成されている。
冷却板３６ｂの表面に凝縮した液体の作動流体１１は、液滴の成長に伴い重力の影響を強く受け、メッシュをすり抜けて案内板６０の上面に到達する。その後、液体の作動流体１１は、案内板６０の上面に沿って下方に流れ、第１開口６１から第１流路５１に流れ落ちていく。

本実施形態では、箱体３０の内部にメッシュ構造が配置されることで、凝縮核の生成速度が向上し、作動媒体の気体から液体への凝集速度を増加させることができる。これにより、気体の作動流体１２の移動速度を高めて、熱源（図示略）から冷却源（図示略）に向かう熱の移動効率を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に図４を参照して本発明における第４実施形態について説明する。
図４（Ａ）は第４実施形態のヒートパイプ１０の縦断面図を示し、図４（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示し、図４（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図すなわち箱体の水平断面を示し、図４（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図すなわち外筒体の水平断面を示している。
なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第４実施形態のヒートパイプ１０では、内筒体５０の下端５７は、第１流路５１の直径が拡径してラッパ状に構成されている。
これにより、外筒体２０の下部の圧力損失を低減し、第１流路５１から第２流路５２に切り返す液体の作動流体１１をスムーズに導くことができる。さらに、加熱されて発生した気体の作動流体１２を、第２流路５２にスムーズに上昇させ、第１流路５１に逆流することを防止する。

（第５実施形態）
次に図５を参照して本発明における第５実施形態について説明する。
図５（Ａ）は第５実施形態のヒートパイプ１０の縦断面図を示し、図５（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示し、図５（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図すなわち箱体の水平断面を示し、図５（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図すなわち外筒体の水平断面を示している。
なお、図５において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第５実施形態のヒートパイプ１０では、内筒体５０の下端において、多孔質体２２が第２流路５２に設けられている。
この多孔質体２２の存在により、外筒体２０の下端に収容されている液体の作動流体１１の接触面積が増加し、熱源（図示略）との熱交換が促進される。さらに、加熱されて発生した気体の作動流体１２が、第１流路５１に逆流することを防止する。
さらに、多孔質体２２は、内筒体５０の先端を、外筒体２０から支持することにより、ヒートパイプ１０の機械的強度を向上させることができる。

（第６実施形態）
次に図６を参照して本発明における第６実施形態について説明する。
図６（Ａ）は第６実施形態のヒートパイプ１０の縦断面図を示し、図６（Ｂ）は通常動作時のヒートパイプ１０の先端の部分拡大図であって、図６（Ｃ）は第１流路に対し第２流路の内圧が高まった異常動作時のヒートパイプ１０の先端の部分拡大図である。
なお、図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第６実施形態のヒートパイプ１０では、内筒体５０には、液体の作動流体１１の流動方向を、第１流路５１から第２流路５２に向かう順方向のみ許容する逆止弁７０が設けられている。
この逆止弁７０は、内筒体５０の内周面５３に設けられた支持部材７２と、この支持部材７２を貫通し上下方向に変位可能に支持されている弁体７３と、支持部材７２及び弁体７３を弾性的に連結する弾性部材７１と、から構成されている。

通常状態では、第２流路５２の液面レベルは蒸発により下降していき、他方、第１流路５１の液面レベルは還流により上昇していく。
このため、通常状態では図６（Ｂ）に示すように、第１流路５１から第２流路５２に向かう水圧が付与され、支持部材７２と弁体７３との隙間が開き、液体の作動流体１１が順方向に流動する。

他方において、図６（Ｃ）に示すように、第２流路５２から第１流路５１に向かう水圧が付与される場合は、支持部材７２と弁体７３との隙間が閉じられ、液体の作動流体１１の逆流が阻止される。
このように逆止弁７０が設けられることにより、加熱されて発生した気体の作動流体１２が、第１流路５１に逆流することが防止される。

（第７実施形態）
次に図７を参照して本発明における第７実施形態について説明する。
図７（Ａ）は第７実施形態のヒートパイプの縦断面図を示し、図７（Ｂ）は通常動作時のヒートパイプ１０の先端の部分拡大図であって、図７（Ｃ）は第１流路に対し第２流路の内圧が高まった異常動作時のヒートパイプの先端の部分拡大図である。
なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第７実施形態のヒートパイプ１０では、外筒体２０には、液体の作動流体１１の流動方向を、第１流路５１から第２流路５２に向かう順方向のみ許容する球体７５が配置されている。

通常状態では、第２流路５２の液面レベルは蒸発により下降していき、他方、第１流路５１の液面レベルは還流により上昇していく。
このため、通常状態では図７（Ｂ）に示すように、第１流路５１から第２流路５２に向かう水圧が付与され、球体７５は外筒体２０の底面上に位置し、内筒体５０の先端と球体７５との隙間が開き、液体の作動流体１１が順方向に流動する。

他方において、図７（Ｃ）に示すように、第２流路５２から第１流路５１に向かう水圧が付与される場合は、球体７５は外筒体２０の底面から浮上し、内筒体５０の先端開口を球体７５が塞ぎ、液体の作動流体１１の逆流が阻止される。
このように外筒体２０に球体７５が配置されることにより、加熱されて発生した気体の作動流体１２が、第１流路５１に逆流することが防止される。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のヒートパイプによれば、外筒体、箱体、内筒体及び案内板で構成されることにより、作動流体の蒸気の流れと液体の還流とを分離しつつ流路の構成を簡素化することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、第６実施形態、第７実施形態では作動流体１１の逆流を防止する逆止構造として逆止弁７０、球体７５等について説明したが、逆止構造はこれらに限定されない。

１０…ヒートパイプ、１１…液体の作動流体、１２…気体の作動流体、２０…外筒体、２２…多孔質体、３０…箱体、３１…内部空間、３２…対向二側面、３３…対向二正面、３４…天板、３５…底板、３６（３６ａ，３６ｂ）…冷却板、５０…内筒体、５１…第１流路、５２…第２流路、５３…内周面、５５…外周面、６０…案内板、６１…第１開口、６２…第２開口、７０…逆止弁、７１…弾性部材、７２…支持部材、７３…弁体、７５…球体。

Claims (8)

1. 収容した液体の作動流体を吸熱により蒸発させる外筒体と、
   前記外筒体の上端に連結し気体の前記作動流体を放熱により凝縮させる箱体と、
   前記外筒体の内部に配置され、内周面に沿って形成された第１流路から外周面に沿う第２流路を連続形成する内筒体と、
   前記内筒体の上端が接続して前記第１流路及び前記箱体の内部空間を連通する第１開口が設けられ、前記第１開口に向かう下り傾斜を有しつつ前記箱体を間仕切り前記第２流路から前記箱体の内部空間に通じる第２開口を形成する案内板と、を備えることを特徴とするヒートパイプ。
2. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、
   前記箱体の内部空間に設けられ、前記案内板に対し略平行に配置される複数の冷却板を、さらに備えることを特徴とするヒートパイプ。
3. 請求項２に記載のヒートパイプにおいて、
   前記冷却板をワイヤーメッシュで構成することを特徴とするヒートパイプ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートパイプにおいて、
   前記内筒体の下端は、前記第１流路の直径が拡径していることを特徴とするヒートパイプ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートパイプにおいて、
   前記内筒体の下端において、多孔質体が前記第２流路に設けられていることを特徴とするヒートパイプ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヒートパイプにおいて、前記液体の作動流体が前記第１流路から前記第２流路に向かう順方向の流れを許容し、前記液体の作動流体が第２流路から前記第１流路に向かう逆方向に流れようとすると流路を閉鎖する逆止構造をさらに有することを特徴とするヒートパイプ。
7. 請求項６に記載のヒートパイプにおいて、
   前記逆止構造が、前記内筒体に設けられた逆止弁であることを特徴とするヒートパイプ。
8. 請求項５に記載のヒートパイプにおいて、
   前記逆止構造が、前記外筒体内に配置され、前記液体の作動流体が第２流路から前記第１流路に向かう逆方向に流れようとする際の水圧により浮遊して前記第１流路を塞ぐ球体であることを特徴とするヒートパイプ。

Images