JP2020106209A - 蒸発器及びループ型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器及びそれを備えるループ型ヒートパイプであって、受熱体と接触している発熱体を効率的に冷却できるものを提案する。【解決手段】発熱体の熱を利用して液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器は、少なくとも１つの作動流体入口と、少なくとも１つの作動流体出口とを有し、内部に作動流体を収容する作動流体収容室が設けられた筐体と、筐体の底面に設けられ、発熱体と熱的に接続される受熱体と、作動流体収容室内において沸騰面から起立して、作動流体収容室の底部を複数に区画することにより、作動流体収容室の底部に前記作動媒体を捕捉する複数の凹部を形成する壁部材とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸発器、及び、それを備えたループ型ヒートパイプに関する。

従来、作動流体の相変化を利用して高密度な熱輸送を行うループ型ヒートパイプの技術が知られている。このようなループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システムは、例えば、コンピュータや家電などの電子機器の冷却に利用されてきた。ループ型ヒートパイプとしては、毛細管力及び／又は重力を利用して作動流体を循環させるものがある。

ループ型ヒートパイプは、蒸発器、凝縮器、蒸発器と凝縮器とを連絡する蒸気管、及び、凝縮器と蒸発器とを連絡する液管によって形成された閉ループを有する。閉ループには、作動流体が封入される。蒸発器では、液相の作動流体が発熱体から伝わる熱で加熱されて、その一部が気体に変化する。気液二相の作動流体は圧力差や浮力によって蒸気管内を移動し、凝縮器に到達する。凝縮器では、作動流体が冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は毛細管力及び／又は重力によって蒸発器へ還流する。このようにして、ループ型ヒートパイプでは、作動流体が二相閉ループを循環することで蒸発器から凝縮器へ熱が輸送され、蒸発器と熱的に接続された発熱体が冷却される。

特許文献１では、上記のループ型ヒートパイプに用いられる蒸発器であって、その下部に配置されたウィックを備えるものが提案されている。このウィックの孔内は作動流体で満たされており、ループ型ヒートパイプが停止した状態においても蒸発器内に液相の作動流体が残留する。

特許第５７４１３５４号公報

電子機器の高性能化及び小型化が急速に進み、近年では、これらの機器を多数搭載した船舶、鉄道車両、自動車、及び航空機などの輸送機におけるサーマルマネージメントへの要求も高まりつつある。上記のような作動流体の循環に重力を利用したループ型ヒートパイプを含む熱輸送システムを搭載した輸送機では、機体の姿勢が時々刻々と変化することから、姿勢の変化により作動流体を循環させる駆動力が低下し、熱輸送量が低下するという課題がある。

発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器において、その姿勢が傾くと、受熱体の一部が作動流体に接触していない状態となることが想定される。受熱体の作動流体に接触していないドライ部分では、液相の作動流体の蒸発が生じないため、その他のウエット部分と比較して吸熱が小さい。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器及びそれを備えるループ型ヒートパイプであって、蒸発器の姿勢が変化しても、受熱体と接触している発熱体を効率的に冷却できるものを提案することにある。

本発明の一態様に係る蒸発器は、輸送機に搭載され、発熱体からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器であって、
少なくとも１つの作動流体入口と、少なくとも１つの作動流体出口とを有し、内部に作動流体を収容する作動流体収容室が設けられた筐体と、
前記筐体の前記底面に設けられ、前記発熱体と熱的に接続される受熱体と、
前記作動流体収容室の底部を複数に区画することにより、前記作動流体収容室の底部に前記作動媒体を捕捉する複数の凹部を形成する壁部材とを備えるものである。

上記蒸発器によれば、筐体の底面が水平から傾いたときに、作動流体収容室内の液相の作動流体は底面の傾きに沿って下方へ流れようとするが、壁部材によってその流れが阻害され、作動流体収容室の底部に形成された各凹部に作動流体が残留する。このように、蒸発器の姿勢が変化して筐体の底面が水平から傾いても、作動流体が作動流体収容室の底部に残留し、受熱体と作動流体とが熱的に接触した状態が維持される。また、受熱体と作動流体とが熱的に接触しないドライ部分が生じても、ドライ部分は受熱体が熱的に接触している発熱体に対し分散して、偏在しない。よって、蒸発器の姿勢の変化に拘わらず、発熱体の受熱体と接触している領域全体を効率的に冷却することができる。

また、本発明の一態様に係るループ型ヒートパイプは、液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる前記蒸発器と、気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管と、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡する液管とを備えるものである。

前述の通り、蒸発器はその姿勢が変化しても受熱体と作動流体とが熱的に接触した状態が維持されるので、その蒸発器を備えるループ型ヒートパイプでは、受熱体の一部がドライとなることによる熱伝達量の低下を抑制することができる。

本発明によれば、発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器及びそれを備えるループ型ヒートパイプであって、受熱体と接触している発熱体を効率的に冷却できるものを提案することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るループ型ヒートパイプを搭載した航空機の概略構成を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る蒸発器の斜視図である。 図３は、図２に示す蒸発器の内部構造を説明する側面図である。 図４は、図２に示す蒸発器の内部構造を説明する平面図である。 図５は、図２に示す蒸発器の内部構造を説明する平面図である。 図６は、図２に示す蒸発器の内部構造の変形例を説明する平面図である。 図７は、凹部の高さを説明する図である。 図８は、図２に示す蒸発器が傾いた様子を示す図である。 図９は、第２実施形態に係る蒸発器の斜視図である。 図１０は、図９に示す蒸発器の内部構造を説明する側面図である。 図１１は、図９に示す蒸発器が傾いた様子を示す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るループ型ヒートパイプ１０を搭載した航空機５０の概略構成を示す図である。

図１に示すループ型ヒートパイプ１０は、閉ループを形成する蒸発器２、蒸気管４、凝縮器３、及び、液管５を備える。閉ループ内には、凝縮性の流体である作動流体が封入されている。作動流体は、ループ型ヒートパイプ１０を相変化と重力を利用して自然循環する。なお、作動流体は、特に限定されず、従来ヒートパイプの作動流体として使用されている凝縮性の流体（例えば、水、アルコール、アンモニア、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、及び、それらの混合液など）であってよい。

蒸発器２は、熱源である発熱体９９と熱的に接続される。この蒸発器２では、液相の作動流体が発熱体９９から吸熱し、その一部が沸騰して気体に変化する。気液二相の作動流体は、蒸発器２の出口と凝縮器３の入口とを連絡する蒸気管４を圧力差や浮力によって移動し、凝縮器３へ到達する。

凝縮器３は、蒸発器２よりも上方に設置される。凝縮器３には冷却流路（図示略）が形成されており、二相の作動流体は冷却流路を通過するうちに放熱し、冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は、凝縮器３の出口と蒸発器２の入口とを連絡する液管５を重力によって降下し、蒸発器２へ還流する。

上記構成のループ型ヒートパイプ１０は、輸送機に搭載される。このような輸送機として、船舶（潜水艇を含む）、鉄道車両、自動車、及び航空機などが例示される。本実施形態では、輸送機の一例としての航空機５０にループ型ヒートパイプ１０が搭載されている。この航空機５０は、通常運行時の傾転許容角度がα°であって、通常運行時に水平から傾転許容角度までの範囲内での傾動が許容される。

図１には、航空機５０の胴体５１及び主翼５３の一部が示されている。胴体５１は、外板５２と、外板５２より客室側に設けられた内壁５４とを含む複層構造を有する。外板５２と内壁５４との間には、冷却室５５が形成されている。冷却室５５内は、飛行中に地上よりも著しく低温の外気に晒される外板５２から伝わる冷熱によって低温となっている。或いは、外板５２に冷却室５５と連通される空気入口と空気出口とが設けられ、飛行中の冷却室５５に外気が導入されてもよい。

上記の航空機５０において、凝縮器３は冷却室５５内に配置され、発熱体９９及びこれと熱的に接続された蒸発器２は内壁５４よりも客室側に配置されている。冷却室５５内には、凝縮器３に強制的に通気させるためのファン５６が設けられている。この凝縮器３では、外気の冷熱を利用して作動流体を凝縮させる。発熱体９９は、特に限定されないが、例えば、制御盤やエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）やその他コンピュータなどの発熱部品を含む電子機器、軸受などの摩擦熱が生じる機械部品、及び、電池などが挙げられる。また、発熱体９９に代えて、客室空気が熱源とされてもよい。

以下、上記構成のループ型ヒートパイプ１０が備える蒸発器２の第１及び第２実施形態を説明する。

〔第１実施形態〕
図２は、第１実施形態に係る蒸発器２Ａの斜視図、図３は、図２に示す蒸発器２Ａの内部構造を説明する側面図、図４は、図２に示す蒸発器２Ａの内部構造を説明する平面図、図５は、図２に示す蒸発器２Ａの内部構造の変形例を説明する平面図、図６は、図２に示す蒸発器２Ａが傾いた様子を示す図である。図２及び図３に示すように、本実施形態に係る蒸発器２Ａは、筐体６と、筐体６の底面６２に設けられた受熱体２８と、筐体６の内部に設けられた壁部材６５とを備える。

筐体６は、上面６１及び底面６２が最大面積の直方体形状を呈する。筐体６の内部には、作動流体収容室２３が形成されている。筐体６の上面６１の中央部には、作動流体収容室２３と連通する作動流体入口６７及び作動流体出口６８とが設けられており、作動流体出口６８に蒸気管４が接続され、作動流体入口６７に液管５が接続されている。

受熱体２８は、銅などの熱伝導率の高い金属材料からなる板状部材であって、蒸発器２Ａの底面６２の一部又は全部を形成している。受熱体２８は、筐体６の外に表れる受熱面２８１と、筐体６内の作動流体収容室２３内に表れる沸騰面２８２とを有する。沸騰面２８２は作動流体収容室２３の床面を形成している。受熱面２８１は、蒸発器２Ａの下方に配置された発熱体９９と熱的に接続され、発熱体９９から熱を受け取る。

壁部材６５は、例えば、銅などの熱伝導率の高い金属材料から成り、作動流体収容室２３において受熱体２８の沸騰面２８２から起立した板状部材である。但し、壁部材６５の材料は金属材料に限定されない。壁部材６５は、沸騰面２８２と接触していてもよいし、沸騰面２８２に接合されていてもよい。また、図４に示すように、沸騰面２８２と接触している伝熱ブロックから複数の凹部６６を掘り出すことにより、壁部材６５が形成されていてもよい。

壁部材６５によって、作動流体収容室２３の底部が複数に区画されることにより、作動流体収容室２３の底部に複数の凹部６６が形成される。複数の凹部６６は、ループ型ヒートパイプ１０が傾いた際に、作動流体を捕捉することができる。複数の凹部６６は、輸送機の傾転方向（傾き方向）に並ぶ複数の凹部６６を含む。図５に示すように、壁部材６５は、作動流体収容室２３の底部を格子状に区画してよい。或いは、図６に示すように、壁部材６５は、作動流体収容室２３の底部を一方向に並ぶ複数の長方形の部分に区画してよい。

図７に示すように、各凹部６６の高さ６６ｈ（即ち、壁部材６５の高さ）は、凹部６６の輸送機の傾き方向と平行な方向の寸法である「凹部６６の幅６６ｗ」に、輸送機の「傾転許容角度αの正接」を掛けた値以上、且つ、前記作動流体収容室の前記作動媒体の液面Ｌの高さＬｈ以下である。つまり、次式（１）が成立する。
［凹部６６の幅６６ｗ］×ｔａｎα≦［凹部６６の高さ６６ｈ］≦［作動流体収容室２３の作動媒体の液面Ｌの高さＬｈ］ ・・・（１）

本実施形態では、沸騰面２８２が水平な状態において、壁部材６５は作動流体収容室２３内の作動流体の液面Ｌよりも低く、壁部材６５の全体が液面Ｌよりも下にある。但し、壁部材６５に隣接する凹部６６を連通させる孔が設けられる場合には、作動流体の液面Ｌが壁部材６５の高さよりも低い位置であってもよい。

上記構成の蒸発器２Ａでは、受熱体２８が発熱体９９から受け取った熱は、沸騰面２８２及び壁部材６５から作動流体に放出される。作動流体の少なくとも一部はその熱によって沸騰し、筐体６内の液面Ｌより上方は気相又は二相の作動流体で満たされる。なお、二相流体では厳密に液面Ｌは存在しないが、筐体６内の作動流体は上方に向かうに従って液体中に存在する気体の体積の割合が大きくなるので、気液二相流の中で気体の占める体積比率（ボイド率）が所定比率（例えば５０％）となる境界面を仮想的に液面Ｌとしてもよい。

以上に説明した通り、本実施形態に係る蒸発器２Ａは、輸送機に搭載され、発熱体９９からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器２Ａであって、少なくとも１つの作動流体入口６７と、少なくとも１つの作動流体出口６８とを有し、内部に作動流体を収容する作動流体収容室２３が設けられた筐体６と、筐体６の底面６２に設けられ、発熱体９９と熱的に接続される受熱体２８と、作動流体収容室２３の底部を複数に区画することにより、作動流体収容室２３の底部に作動媒体を捕捉する複数の凹部６６を形成する壁部材６５とを備える。

上記構成の蒸発器２Ａでは、図８に示すように、蒸発器２の筐体６の底面６２が水平から傾いたときに、作動流体収容室２３内の液相の作動流体は底面６２の傾きに沿って下方へ流れようとするが、作動流体の流れは壁部材６５によって阻害され、作動流体は凹部６６に捕捉される。このように、蒸発器２Ａの姿勢が変化して筐体６の底面６２が水平から傾いても、作動流体が作動流体収容室２３の底部に残留し、受熱体２８が全体に亘って作動流体と接触した状態が維持される。また、受熱体２８において作動流体と接触していないドライ部分が生じても、ドライ部分は発熱体９９に対し分散して、偏在しない。よって、蒸発器２Ａの姿勢の変化に拘わらず、発熱体９９の受熱面２８１と接触している領域全体を効率的に冷却することができる。

本実施形態に示したように、上記の蒸発器２Ａにおいて、壁部材６５によって、作動流体収容室２３の底部が格子状に仕切られていてよい。

これにより、蒸発器２Ａのあらゆる方向への傾きに対して、壁部材６５で沸騰面２８２に沿った作動流体の流れを阻害することができる。

また、本実施形態に示したように、上記の蒸発器２Ａにおいて、複数の凹部６６が、輸送機の傾き方向に並ぶ複数の凹部６６を含んでいてよい。

これにより、輸送機の傾きに伴って蒸発器２Ａ傾いたときに、作動流体収容室２３の作動流体が壁部材６５に当接して、その流れを阻害することができる。

また、本実施形態に示したように、上記の蒸発器２Ａにおいて、凹部６６の高さ６６ｈが、凹部６６の輸送機の傾き方向の寸法である凹部６６の幅６６ｗに、輸送機の傾転許容角度αの正接を掛けた値以上、作動流体収容室２３の作動媒体の液面Ｌの高さＬｈ以下であってよい。

このように凹部６６の高さ６６ｈが設計されることで、蒸発器２Ａが、輸送機の傾転許容角度α以内の角度で姿勢が傾いても、受熱体２８の沸騰面２８２が作動流体と接触した状態が維持される。

なお、αは、蒸発器２が搭載された輸送機が通常運行時に許容される傾転許容角度を表す値である。輸送機の通常運行とは、例えば、経済性や安全性を考慮した運行のことである。また、αは傾転許容角度に限られず、輸送機が傾動する際の水平に対する傾き角度の最大値、推奨値、及び平均値のうちいずれかであってよい。輸送機の通常運行時の傾転運動の範囲は、個々に異なる。航空機においては、許容されるピッチ角は１５°程度とされ、許容されるロール角（バンク角）が３０°程度とされることがある。鉄道車両においては、水平面に対する許容傾斜角度が２〜５°程度とされることがある。潜水艇を除く船舶においては、許容されるピッチ角が２５°程度とされ、許容されるロール角が２５°とされることがある。自動車が走行する道路において、最大傾斜角度は２０°程度（４０％程度）である。このように、輸送機の傾転運動の範囲は個々に異なり、各輸送機に応じて適切なαの値が定められてよい。なお、多くの輸送機において、通常運行時の許容傾斜角度は３０°以下であることから、輸送機の傾転運動の範囲に関わらずαの値を３０としてもよい。また、αの値は傾転許容角度に限られず、輸送機がが傾動する際の水平に対する傾き角度の最大値、推奨値、及び平均値のうちいずれかであってもよい。

また、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１０は、液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器２Ａと、気相の作動流体を液体に変化させる凝縮器３と、蒸発器２Ａの出口と凝縮器３の入口とを連絡する蒸気管４と、凝縮器３の出口と蒸発器２Ａの入口とを連絡する液管５とを備えるものである。

前述の通り、蒸発器２Ａはその姿勢が変化しても沸騰面２８２が作動流体と接触した状態が維持されるので、その蒸発器２Ａを備えるループ型ヒートパイプ１０では、受熱体２８から液相の作動流体への熱伝達量の低下を抑えることができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る蒸発器２Ｂについて説明する。図９は、第２実施形態に係る蒸発器２Ｂの斜視図、図１０は、図９に示す蒸発器２Ｂの内部構造を説明する側面図、図１１は、図９に示す蒸発器２Ｂが傾いた様子を示す図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

図９及び図１０に示すように、本実施形態に係る蒸発器２Ｂは、上面６１及び底面６２が最大面積の直方体形状を呈し、内部に作動流体収容室２３が設けられた筐体６と、筐体６の底面６２に設けられ、筐体６外に表れる受熱面２８１と作動流体収容室２３内に表れる沸騰面２８２とを有する受熱体２８と、作動流体収容室２３内において沸騰面２８２から起立して、作動流体収容室２３を複数に区画する壁部材６５とを備える。なお、図９．１０において、蒸発器２Ｂは、共通した１枚の受熱体２８を備えているが、受熱体２８は蒸発器２Ｂごとに設けられていてもよい。

本実施形態に係る蒸発器２Ｂは、壁部材６５が沸騰面２８２から作動流体収容室２３の天井まで延び、壁部材６５によって作動流体収容室２３が独立した複数の部屋（以下、「蒸発部２０」と称する）に分割されている点で特徴づけられる。各蒸発部２０の上面６１には、蒸気管４及び液管５が接続され、各蒸発部２０は単独で蒸発器として機能する。

上記構成の蒸発器２Ｂでは、図１１に示すように、沸騰面２８２が水平から傾くと、作動流体収容室２３内の液相の作動流体は沸騰面２８２の傾きに沿って下方へ流れる。これにより、沸騰面２８２の一部は、作動流体の液面Ｌよりも上方に位置し、作動流体と接触していないドライ部分となる。しかし、蒸発器２Ｂでは、作動流体収容室２３内が複数の蒸発部２０に分割構成されており各蒸発部２０でドライ部分が生じることから、ドライ部分が受熱面２８１と接触している発熱体９９に対して分散し、偏在しない。よって、蒸発器２Ｂの姿勢の変化に拘わらず、発熱体９９の受熱面２８１と接触している領域全体を効率的に冷却することができる。更に、各蒸発部２０で生じるドライ部分の面積の和は、作動流体収容室２３が分割されていない場合と比較して小さくなり、発熱体９９から蒸発器２への熱伝達量の低下を抑えることができる。

そして、本実施形態に係る蒸発器２Ｂは、前述の第１実施形態に係る蒸発器２Ａと同様に、ループ型ヒートパイプ１０の一構成要素となりうる。これにより、蒸発器２Ｂを備えたループ型ヒートパイプ１０によれば、前述と同様に、姿勢が変化しても、受熱体２８から液相の作動流体への熱伝達量の低下を抑えることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

例えば、上記実施形態のループ型ヒートパイプ１０はサーモサイフォン式に限られずウィック式が採用されてもよい。ウィック式のループ型ヒートパイプでは、凝縮器３から蒸発器２への作動流体を還流させるために、ウィックにおける作動流体の毛細管力を利用するが、重力も利用する。よって、本発明をウィック式のループ型ヒートパイプを備える熱輸送システムに適用しても前述と同様の効果が得られる。

２，２Ａ，２Ｂ ：蒸発器
３ ：凝縮器
４ ：蒸気管
５ ：液管
６ ：筐体
１０ ：ループ型ヒートパイプ
２０ ：蒸発部
２３ ：作動流体収容室
２８ ：受熱体
６１ ：上面
６２ ：底面
６５ ：壁部材
６６ ：凹部
６７ ：作動流体入口
６８ ：作動流体出口
９９ ：発熱体
２８１ ：受熱面
２８２ ：沸騰面

Claims (6)

1. 輸送機に搭載され、発熱体からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器であって、
   少なくとも１つの作動流体入口と、少なくとも１つの作動流体出口とを有し、内部に作動流体を収容する作動流体収容室が設けられた筐体と、
   前記筐体の前記底面に設けられ、前記発熱体と熱的に接続される受熱体と、
   前記作動流体収容室の底部を複数に区画することにより、前記作動流体収容室の底部に前記作動媒体を捕捉する複数の凹部を形成する壁部材とを備える、
   蒸発器。
2. 前記壁部材によって、前記作動流体収容室の底部が格子状に仕切られている、
   請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記複数の凹部が、前記輸送機の傾き方向に並ぶ複数の凹部を含む、
   請求項１又は２に記載の蒸発器。
4. 前記凹部の高さが、前記凹部の前記輸送機の傾き方向の寸法に、前記輸送機の傾転許容角度の正接を掛けた値以上、前記作動流体収容室の前記作動媒体の液面の高さ以下である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸発器。
5. 前記壁部材によって、前記作動流体収容室が独立した複数の部屋に分割されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸発器。
6. 液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸発器と、
   気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器と、
   前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管と、
   前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡する液管とを備える、
   ループ型ヒートパイプ。

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