JP2677883B2 - ヒートパイプ - Google Patents

ヒートパイプ

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JP2677883B2
JP2677883B2 JP1271348A JP27134889A JP2677883B2 JP 2677883 B2 JP2677883 B2 JP 2677883B2 JP 1271348 A JP1271348 A JP 1271348A JP 27134889 A JP27134889 A JP 27134889A JP 2677883 B2 JP2677883 B2 JP 2677883B2
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は一般的にはヒートパイプに関し、さらに具体
的には、内面にグルーブを形成した管をコンテナとし、
宇宙空間のような無重力下で使用するのに適するヒート
パイプに関するものである。
「従来の技術」 宇宙空間のような無重力下で使用するヒートパイプに
は、作動液の移動のためウイックが不可欠であり、この
ウイックの構造は最大熱輸送量を決める重要な要素であ
る。
一般に宇宙用ヒートパイプのウイックには、無重力下
における性能を地上で推定することが容易であること
と、毛細管力が比較的大きいにも拘らず流路抵抗が小さ
いため、軸方向のグルーブ(溝)形ウイックが多く使用
されている。
また、最近では第8図のように、内面に軸方向へ多数
のグルーブ11を形成した管よりなるコンテナ1内に、筒
状の網51に支持されたアーテリー5を軸方向に設け、液
の輸送の大部分をこのアーテリー5で行なわせる構造の
ヒートパイプが提案されてる。
「発明が解決しようとする課題」 第8図のようなアーテリー付きのヒートパイプは、ア
ーテリーが無い構造のものと比較すると最大熱輸送量を
増大させることができるが、気液の流れが対向流になる
ため性能が低下する。また、液の周方向への分配を行な
わせるように構成しようとすると、アーテリーを多く必
要として内部構造が極めて複雑になり、熱伝達率も低下
する。
本発明の目的は、無重力下で使用されるヒートパイプ
において、サイズを大きくせずに最大熱輸送量を飛躍的
に増大させることができるものを提供することにある。
「課題を解決するための手段及び作用」 本発明に係るヒートパイプの一つは、前述の目的を達
成するため、内面にグルーブ11を有する管をコンテナ1
としたヒートパイプにおいて、前記コンテナ1内には加
熱部aの途中から断熱部bを経て冷却部cの途中まで連
続しかつ両端が解放された内管2が設けられ、前記コン
テナ1内のグルーブ11と内管2との間には、前記断熱部
bの領域のみにウイック層3が設けられていることを特
徴としている。
この構造のヒートパイプにおいて、加熱部aで蒸発し
た作動液の蒸気は内管2内を通って冷却部cへ移動し、
冷却部cで凝縮した液はコンテナ1のグルーブ11及び断
熱部bにおける前記ウイック層3により加熱部aへ運ば
れる。
したがって、気液の流れは対向方向において内管2に
より完全に分離され、互いに接触することはない。
また、前記ウイック層3の存在により、毛細管力が全
体的に増大するとともに、断熱部bにおける液の流速は
前記ウイック層3の存在により緩慢で流路抵抗は大幅に
低下する。
加熱部aに運ばれた作動液が蒸発すると、気化膨張に
より蒸気は内管2の加熱部a側端部方向に流れ、このと
きの蒸気の圧力は他の気化していない作動液の流れに対
してその順方向へ作用し、液の順方向への流れを促進す
る。
内管2の端部のうち少なくとも加熱部a側の端部を、
円錐状周面を有する先細り状の管22に形成すると、前記
蒸気は液の順方向への流れを一層よく促進するので好ま
しい。
コンテナ2内の冷却部cで凝縮した液が余剰になった
ときは、断熱部bから最も遠距離に位置する冷却部cの
内端部には溜らず、内管2を経て流れる蒸気の圧力を受
けて冷却部cの断熱部b側端部に溜り、この余剰の液は
グルーブ11を含む前記ウイック層11により順次加熱部へ
運ばれる。
したがって、前記コンテナ1内の冷却部c側に接する
断熱部bの端部において、前記グルーブ1と内管2との
間にウイック層3のない余剰作動液の溜り部b′を設け
ると、前記余剰の液はこの溜り部に溜り、余剰液による
冷却部cの性能低下を防ぐことができる。
前記コンテナ1内の断熱部bと加熱部aとの境界部に
おいて、前記グルーブ11間のフィン12と内管2との間に
仕切板4を設けると、加熱部aでの作動液の気化膨張に
よる圧力が前記仕切板4に妨げられ、当該圧力が、断熱
部a領域のウイック層3を加熱部aの方向へ流れている
作動液に対して逆方向に作用することがないので好まし
い。
このことは、前記内管2の加熱部b側に位置する部分
を、前記加熱部aと前記断熱部bとの境界部において前
記コンテナ1内のグルーブ11間のフィン12とほぼ内接す
る仕切板状の鍔23と、この鍔23と一体で周面が円錐面状
に形成された先細り状の管22で形成しても同様に作用す
る。
本発明に係るヒートパイプの他の一つは、前述の目的
を達成するため、内面にグルーブ11を有する管をコンテ
ナ1としたヒートパイプにおいて、当該コンテナ1内に
加熱部aの途中から断熱部bを経て冷却部cの途中まで
連続し、かつ両端が解放された内管2を前記グルーブ11
間のフィン12とほぼ内接する状態に設け、前記内管2の
加熱部a及び冷却部c側の端部を、円錐状周面を有する
先細り状の管22又は小径な管24で構成している。
この構造のヒートパイプは、加熱部aで作動液が蒸発
した蒸気は当該加熱部aから内管2を経て冷却部cへ流
れ、冷却部cで凝縮した液はコンテナ1内のグルーブ11
により加熱部に運ばれる。
したがって、気液の流れは対向方向において内管1に
より完全に分離され、互いに接触することはない。
加熱部aに運ばれた作動液が蒸発すると、蒸気は気化
膨張により内管2の外周を加熱部aの端部方向に流れ、
このときの蒸気の圧力は他の気化していない作動液の流
れに対してその順方向へ作用し、液の順方向への流れを
促進する。
「実施例」 第1図及び第2図は、本発明に係るヒートパイプの一
実施例を拡大して示すものである。
アルミニウム合金よりなるコンテナ1は、外径20mm、
肉厚tが1.5mm、全長500mmのサイズに押出し成形され、
内部には平均深さdが1.5mmの軸方向に沿う30条のグル
ーブ11が形成されている。
前記コンテナ1内には、両端が解放されていて加熱部
aから断熱部bを経て冷却部cまで連続する内管2が設
けられ、断熱部bにおいては、コンテナ1内におけるグ
ルーブ11相互間のフィン12と内管2との間に、アルミニ
ウム合金繊維のフエルトからなるウイック層3が形成さ
れ、加熱部aと断熱部bの境界部には、フィン12と内管
2とに接するようにアルミニウム合金からなる仕切板4
を設けている。
前記加熱部aと冷却部cの長さは100mm、断熱部bの
長さは300mmにそれぞれ設定され、ウイック層3の厚み
d′は2.5mmに設定されている。
内管2には外径9mm、肉厚0.4mmに製造されたアルミニ
ウム合金からなる溶接管が使用されている。
この実施例では、コンテナ1内の断熱部bに相当する
部分に前記フエルトを挿入してウイック層3とし、仕切
板4を挿入するとともに、それらの内部に内管2を挿入
した後当該内管2を拡管して、ウイック層3により内管
2をコンテナ1内に固定し、内部へアンモニアからなる
作動液を真空状態で封入している。
この実施例のヒートパイプにおいては、加熱部aで作
動液が蒸発した蒸気は内管2内を通って冷却部cへ移動
し、冷却部cで凝縮した液はコンテナ1のグルーブ11及
び断熱部bにおける前記ウイック層3により加熱部aへ
運ばれる。
したがって、気液の流れは対向方向においては内管2
により完全に分離され、互いに接触することはないか
ら、気液の対向流が接触して蒸気の流れにより作動液の
加熱部a側への流れが阻害されることはなく、この点で
最大熱輸送量の低下を防止することができる。
加熱部aに運ばれた作動液が蒸発すると、気化膨張に
よる蒸気の圧力は、仕切板4によって断熱部bの領域を
加熱部aに向けて流れている作動液に対して逆流方向に
は作用せず、しかも、蒸気がコンテナ1内の加熱部aの
空間を矢印イのように端部1a方向に流れるとき、当該蒸
気の圧力は作動液の流れに対してその順方向にのみ作用
し、作動液の順方向への流れを促進するので最大熱輸送
量をより増大させることができる。
また、断熱部bにおける前記ウイック層3の存在によ
り、全体的な毛細管力が増大するとともに、断熱部bに
おける液の流速は緩慢で流路抵抗が大幅に低下する(流
路抵抗は、流速のほぼ2乗に比例する。)ので、最大熱
輸送量も大幅に増大する。
前記実施例のヒートパイプと、内面にグループを有す
る前記実施例のコンテナ1のサイズと同じに製造したヒ
ートパイプとについて、作動液にアンモニアを使用し、
蒸気温度を40℃に設定して最大熱輸送量を測定したが、
前者は後者の2.5倍強の最大熱輸送量を示した。
第3図は他の実施例を示すものであり、この実施例の
内管2は、断熱部cの長さよりやや短くかつ両端に鍔2
3,23を形成した小径な管21と、大径部がそれぞれ前記鍔
23の周縁に溶接された円錐状周面を有する先細り状の管
22,22から構成されている。先細り状の管22には、大径
の管を円錐台状に絞り加工したものが使用されている。
前記内管2における小径な管21の外周に、両端の鍔2
3,23のサイズと同じ厚みのウイック層3を形成し、前記
実施例と同様に製造したコンテナ1内に、ウイック層3
と各鍔23とがコンテナ1内のフィン12へほぼ内接し、か
つ一方の鍔23が加熱部aと断熱部bとの境界部へ位置す
る状態に内管2を挿入している。
したがって、断熱部bにおける冷却部c側の端部には
ウイック層3の無い部分が形成され、この部分を余剰に
なった作動液の溜り部b′としている。
第3図のヒートパイプにおいて、加熱部aで作動液が
蒸発すると、気化膨張による蒸気の圧力は、加熱部a側
に位置する先細り状の管22の大径部側外周部で阻止さ
れ、ウイック層3内を加熱部aの方向に流れている作動
液に対して逆方向に作用することはない。
また、先細り状の管22の外周テーパー面により、加熱
部aにおけるコンテナ1内と先細り状の管22の外周テー
パー面とで構成する空間は、加熱部aの端部1a方向へ徐
々に広がっており、加熱部aで蒸発した蒸気の矢印イ方
向への流れはより円滑でかつ速くなるので、この蒸気の
圧力は作動液に対し流れ方向に一層強く作用し、最大熱
輸送量をさらに増大させることができる。
一般に宇宙空間のような無重力下では、作動液の作動
温度領域が広いので、作動液を適量封入しても、その時
々の作動温度により作動液が冷却部で余剰になったり加
熱部で不足になったりする現象がしばしば起こり、この
ような現象が起こると、冷却部又は加熱部の性能を低下
させて最大熱輸送量が低下する。
作動液が余剰になると、当該余剰の液は冷却部の端部
(第3図の例で言えば、断熱部bから最も離れた冷却部
cの端部1b)に溜るのが普通であるが、この実施例のヒ
ートパイプでは、内管2内を経て冷却部c内を矢印ロの
方向に流れる蒸気の圧力により、冷却部cの端部1bで凝
縮した作動液はグルーブ11内を矢印ロに沿って流れるの
で、冷却部cにおいて断熱部bと最も遠距離の端部1bに
溜ることなく、断熱部bにおける冷却部c側の端部に形
成された溜り部b′に溜る。したがって余剰の作動液
は、冷却部cの性能を低下させることはないので、最大
熱輸送量の低下を防止することができる。
冷却部c側の内管2は、第3図のように先細り状の管
22に形成しなくても性能的にはほとんど変らないが、第
3図のように構成すると最大熱輸送量がわずかに向上す
る。
第3図の実施例のヒートパイプにおいて、その他の構
成及び作用は第1図及び第2図の実施例のものと同様な
ので、それらの説明は省略する。
本発明に係るヒートパイプにおいて、内管2の加熱部
a側の端部を第3図のように先細り状に形成したり、あ
るいは、冷却部c側における断熱部bの端部に余剰液の
溜り部b′を設ける手段は、第1図及び第2図の実施例
においてもこれを採用し、最大熱輸送量を増大させるこ
とができる。
ウイック層3を構成するウイック材としては、前述の
ようにアルミニウム合金繊維からなるフエルトのほか、
ワイヤ、発泡体、焼結金属その他毛細管力を生ずるもの
を使用することができる。
したがって、第4図のように、内管2の断熱部b対応
する部分の外周に軸方向のグルーブ31を多数形成してこ
れをウイック層3とすることができ、この場合には、グ
ルーブ31の外周に図示しないメッシュを巻いて内管2を
コンテナ1内に挿入することができる。
第5図及び第6図は本発明に係る他のヒートパイプの
実施例を示すものであり、内部に軸方向に沿う多数のグ
ルーブ11を形成した管よりなるコンテナ1内には、加熱
部aから断熱部bを経て冷却部cまで連続し、断熱部b
においてコンテナ1のフィン12へほぼ内接する内管2を
挿入している。
前記内管2は、断熱部bにおいてコンテナ1のフィン
12へほぼ内接する大径の管20と、これに連続して加熱部
a及び冷却部c側に突出する円錐台のような先細り状の
管22,22とで構成している。
この実施例のヒートパイプにおいて、加熱部aで蒸発
した蒸気は、内管2内を加熱部a側の端部から冷却部c
側の端部へ矢印イ及びロのように流れ、冷却部cで凝縮
した液はグルーブ11内を通って加熱部aへ運ばれる。し
たがって、気液の流れが対向方向において接触すること
はなく、蒸気の流れが作動液の流れに対して逆方向に作
用することはないので、最大熱輸送量の低下を防止する
ことができる。
加熱部aで作動液が蒸発すると、気化膨張による蒸気
の圧力は、加熱部a側に位置する内管2の先細り管22に
より、断熱部bにおいてグルーブ11内を加熱部aの方向
に流れている作動液に対し逆方向に作用することはほと
んどない。
また、先細り状の管22の外周テーパー面により、加熱
部aにおけるコンテナ1内と先細り状の管22の外周テー
パー面とで構成する空間が、加熱部aの端部1a方向へ徐
々に広がっているため、加熱部aで蒸発した蒸気の矢印
イ方向への流れは円滑かつ速くなり、この蒸気の圧力は
作動液に対し流れ方向へ強く作用するので、最大熱輸送
量を増大させることができる。
内管2の冷却部c側に位置する端部は、例えば第7図
のように、前述の先細り状の管22に代えて、大径な管20
の端部と連続する小径な管24で構成することができる
し、加熱部a側の先細り状の管22も、同図二点鎖線で例
示するように同様に小径な管24で構成することができ
る。
第7図のヒートパイプは、内管2の大径な管20が断熱
部bの冷却部c側端部まで達しないように短く形成さ
れ、この短かくなっている部分を余剰な作動液の溜り部
b′としているので、冷却部cに余剰の液があるときは
当該余剰の液が前記溜り部b′に溜り、当該凝縮部cの
性能を低下させない。
第7図のヒートパイプの他の構造及び作用は、第5図
のヒートパイプと同様であるのでそれらの説明は省略す
る。
なお、本発明は前記各実施例の構造に限定されず、特
許請求の範囲に記載されている限度で各部を適宜変更し
て実施することができる。
「発明の効果」 本発明に係るヒートパイプは、特許請求の範囲に記載
された構成により、全体のサイズを大型化しないで最大
熱輸送量を大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るヒートパイプの一実施例を示す部
分拡大横断面図、第2図は第1図のヒートパイプの断熱
部における縦断面図、第3図は他の実施例のヒートパイ
プを示す部分拡大横断面図、第4図はさらに他の実施例
のヒートパイプにおける断熱部の拡大縦断面図、第5図
は本発明に係る他のヒートパイプの実施例を示す拡大横
断面図、第6図は第5図のヒートパイプの断熱部の拡大
縦断面図、第7図はさらに他の実施例を示す拡大横断面
図、第8図は従来のヒートパイプの一例を示す拡大断面
図である。 主要図中符号の説明 1はコンテナ、11はグルーブ、12は各グルーブ11間のフ
ィン、2は内管、21は小径な管、22は先細り状の管、23
は鍔、24は小径な管、3はウイック層、4は仕切板、a
は加熱部、bは断熱部、cは冷却部、b′は溜り部、
イ,ロは上記の流れ方向である。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内面にグルーブ11を有する管をコンテナ1
    としたヒートパイプにおいて、 前記コンテナ1内には加熱部aの途中から断熱部bを経
    て冷却部cの途中まで連続しかつ両端が解放された内管
    2が設けられ、 前記コンテナ1内のグルーブ11と内管2との間には、前
    記断熱部bの領域のみにウイック層3が設けられている
    ことを特徴とする、 ヒートパイプ。
  2. 【請求項2】前記コンテナ1内の冷却部c側に接した断
    熱部bの端部において、前記グルーブ11と内管2との間
    にウイック層3のない余剰作動液の溜り部b′が設けら
    れていることを特徴とする、請求項1に記載のヒートパ
    イプ。
  3. 【請求項3】前記内管2の端部のうち少なくとも加熱部
    b側の端部は、周面が円錐面状に形成された先細り状の
    管22で形成されていることを特徴とする、請求項1に記
    載のヒートパイプ。
  4. 【請求項4】前記コンテナ1内の断熱部bと加熱部aと
    の境界部には、前記グルーブ11間のフィン12と内管2と
    の間に仕切板4が設けられていることを特徴とする、請
    求項1〜3のいずれかに記載のヒートパイプ。
  5. 【請求項5】前記内管2の加熱部b側に位置する部分
    は、前記加熱部aと前記断熱部bとの境界部において前
    記コンテナ1内のグルーブ11間のフィン12とほぼ内接す
    る仕切板状の鍔23と、この鍔23と一体で周面が円錐面状
    に形成された先細り状の管22とで形成され、請求項1又
    は2に記載のヒートパイプ。
  6. 【請求項6】内面にグルーブ11を有する管をコンテナ1
    としたヒートパイプにおいて、 前記コンテナ1内に加熱部aの途中から断熱部bを経て
    冷却部cの途中まで連続し、かつ両端が解放された内管
    2を前記グルーブ11間のフィン12とほぼ内接する状態に
    設け、 前記内管2の加熱部a及び冷却部c側の端部を、円錐状
    周面を有する先細り状の管22又は小径な管24で形成した
    ことを特徴とする、 ヒートパイプ。
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