JP2682584B2

JP2682584B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP2682584B2
Application number: JP3210585A
Authority: JP
Inventors: 芳男倍田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JPH0552491A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱交換、冷却等を目的
として高温側の流体と低温側の流体間で熱交換を行わせ
る熱交換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は例えば実開昭４８−７９４４２号
公報に示された第１の従来の熱交換装置を示す断面図で
あり、図７において、１は真空容器、１ａは真空容器１
の下部であり、図示しない高温側の流体と接触する。１
ｂは真空容器１の上部であり、図示しない低温側の流体
と接触する。２は真空容器１の外周に設けたフィン、３
は真空容器１内に少量充填された作動液、３ａは作動液
３の蒸気、３ｂは凝縮液化した作動液３の液体である。

【０００３】次に、第１の従来装置の動作について説明
する。真空容器１の下部１ａが高温側の流体により加熱
されると、真空容器１内の作動液３が沸騰・気化し、潜
熱を奪い蒸気３ａとなる。この作動液３の蒸気３ａは真
空容器１の下部１ａから真空容器１の上部１ｂへ移動
し、低温側の流体により真空容器１の上部１ｂの内面で
液化して潜熱を放出し液体３ｂとなる。液化した作動液
３の液体３ｂは真空容器１の内面に沿って真空容器１の
上部１ｂから真空容器１の下部１ａへ重力により還流す
る。ところで、真空容器１の内部は真空状態で作動液３
を封入しているため真空容器１内の作動液３は同温同圧
の蒸気３ａと液体３ｂの気液二相状態にあり、僅かな温
度差で蒸発・凝縮を繰り返し、作動液３は真空容器１の
内部を何ら動力を必要とせず還流して、真空容器１の下
部１ａから真空容器１の上部１ｂへ効率良く熱を輸送
し、優れた熱輸送能力を有する伝熱素子として、熱交換
装置を初めとして、電力機器、電子機器等の冷却、など
多様な応用がなされている。

【０００４】図８は例えば実開昭５２−７８１６９号公
報に示された第２の従来の熱交換装置を示す断面図であ
り、図８において、１は真空容器、１ａは真空容器１の
下部であり、高温側の流体と接触する。１ｂは真空容器
１の上部であり、低温側の流体と接触する。２は真空容
器１の外周に設けられたフィン、３は真空容器１内に少
量充填された作動液、３ａは作動液３の蒸気、３ｂは凝
縮液化した作動液３の液体、４は真空容器１の内面に内
張りされた毛細管作用を発揮するウイックである。

【０００５】次に、第２の従来装置の動作について説明
する。第２の従来装置の動作は第１の従来装置の動作と
ほとんど同じであるが、第２の従来装置の場合、真空容
器１の内面に毛細管作用を発揮するウイック４を有して
おり、例えば焼結金属を真空容器１の内面に内張りした
ものや金網、あるいは真空容器１の内面に設けた溝など
によりウイック４が構成される。このウイック４により
真空容器１の上部１ｂで凝縮液化した作動液３の液体３
ｂの真空容器１の下部１ａへの還流が毛細管力により促
進される。

【０００６】図９は例えば特開昭５３−６０７５８号公
報に示された第３の従来の熱交換装置を示す断面図であ
り、図９において、５は蒸発管であり、図示しない高温
側の流体と接触する。６は蒸発管５よりも上部に配設さ
れた凝縮管であり、図示しない低温側の流体と接触す
る。７、８はそれぞれ蒸発管、凝縮管の表面積を拡大す
るためのフィン、９は蒸発管５の上部と凝縮管６の上部
を連結する蒸気管、１０は蒸発管５の下部と凝縮管６の
下部を連結する液管であり、蒸気管９は液管１０よりも
通常太い径の管を用いる。１１は蒸発管５、凝縮管６、
蒸気管９、液管１０より構成される真空容器内に封入さ
れた作動液である。

【０００７】次いで、第３の従来装置の動作について説
明する。蒸発管５が高温側の流体により加熱されると、
蒸発管５内の作動液１１が沸騰・気化し、高温側の流体
から潜熱を奪い蒸気となる。この作動液１１の蒸気は高
温側の蒸発管５と低温側の凝縮管６の圧力差により蒸発
管５から蒸気管９を通って凝縮管６へ移動する。凝縮管
６へ移動した作動液１１の蒸気は低温側の流体により凝
縮管６の内壁で凝縮・液化し、低温側の流体へ潜熱を放
出する。凝縮管６にて液化した作動液１１は重力の作用
により凝縮管６から液管１０を通って蒸発管５へ還流す
る。ところで，蒸発管５、凝縮管６およびそれをつなぐ
蒸気管９、液管１０から構成される真空容器の内部は真
空状態で作動液１１を封入しているため、蒸発管５の温
度が凝縮管６の温度に僅かな温度差がつくと、何ら動力
を必要とせず前述の作動液１１の還流を生じ、高温側の
蒸発管５から凝縮管６へ効率良く熱を輸送する。蒸発管
５と凝縮管６を完全に分離できる特長を生かして、排熱
回収等の熱交換用途、電力機器の冷却などに応用されて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
第１の従来の熱交換装置では、真空容器１内において作
動液３の蒸気の流れは下部１ａから上部１ｂへ、作動液
３の液体３ｂの流れは上部１ｂから下部１ａへと対向流
となるため、蒸気の流れは液の帰還を妨げる方向とな
る。したがって、熱輸送量が増加して蒸気量が増える
と、ついには真空容器１の上部１ｂで凝縮した液体３ｂ
が真空容器１の下部１ａへ戻れなくなり、熱輸送量に限
界を生じる。

【０００９】また、第２の従来の熱交換装置では、第１
の熱交換装置の上述の問題点を幾分改善しうるものであ
り、毛細管作用を発揮するウイック４の毛細管力により
作動液３の液体３ｂの真空容器１の上部１ｂから下部１
ａへの帰還を促進できる。しかし、この場合も、蒸気流
と液流の間の剪断力が重力と毛細管力による液戻りの推
進力よりも大きくなるとやはり真空容器１の上部１ｂで
凝縮した作動液３の液体３ｂが下部１ａへ戻れなくな
り、熱輸送量の限界を生じる。

【００１０】さらに、第３の従来の熱交換装置では、上
記第１の熱交換装置と第２の熱交換装置の問題点を解決
するものであり、蒸気流と液流がループを形成している
ため上記のような熱輸送量の限界は生じず、蒸気流が音
速となる限界まで熱輸送量を増加することができる。し
かし、第３の従来の熱交換装置の場合、蒸発管５から凝
縮管６へ蒸気を輸送するための蒸気管９と、凝縮管６か
ら蒸気管５へ凝縮液化した作動液１１を輸送する液管１
０が不可欠であるが、蒸気管９は蒸気を輸送するため圧
力損失を小さくするために太い管を使う必要があり、熱
交換装置が大きくなるという問題点があった。

【００１１】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、大量の熱輸送能力を有する小
形な熱交換装置を得ることを目的する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる熱交換
装置は、上端が開口され上部が下部よりも細径の複数の
蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するように凝縮管を配
設し、凝縮管の下部開口端から複数の蒸発管の下部に配
設した液溜めヘッダを連通管で接続し、これら複数の蒸
発管、凝縮管、液溜めヘッダ、連通管から構成される容
器内に作動液を封入し、また、複数の蒸発管の内面に作
動液の核沸騰を促進させる核沸騰促進部材を設けたもの
である。

【００１３】

【作用】この発明における熱交換装置は、上端が開口さ
れ上部が下部よりも細径の複数の蒸発管の上部を覆いか
ぶせて囲繞するように凝縮管を配設したことにより、凝
縮管内の蒸気の流れと液の流れの相対する流れを分離で
き、蒸気と液の間で剪断力が生じず、また、連通管によ
り凝縮管下部の開口部から複数の蒸発管下部の液溜めヘ
ッダへ作動液を戻す。さらに、個々の蒸発管の上部を下
部よりも細径にしたことにより、装置自体の重量を軽減
できると共に、複数本の蒸発管を液溜めヘッダに連通さ
せた構成としたので、大容量の熱変換装置の小形化を図
ることができる。また、複数の蒸発管の内面に作動液の
核沸騰を促進させる核沸騰促進部材を設けたことによ
り、複数の蒸発管内の作動液の核沸騰が促進され、熱輸
送効率がより一層向上する。

【００１４】

【実施例】前提技術本発明を説明する前に本発明の前提技術について説明す
る。図５において、１２は上端に開口１２ｃが形成さ
れ、下部１２ａが図示しない高温側の流体と接触すると
共に上部１２ｂが図示しない低温側の流体領域に配設さ
れた蒸発管であり、例えば複数設けられている。１３は
この蒸発管１２よりも大径を成し下端に開口部１３ａが
形成され、蒸発管１２の上部１２ｂを覆いかぶせて囲繞
すると共に蒸発管１２の外周面との間が所定の間隔を置
いて配設され，図示しない低温側の流体と接触する凝縮
管であり、凝縮管１３の上部の閉塞部１３ｂは蒸発管１
２の開口１２ｃと所定の間隔を置いて配置されている。
１４は蒸発管１２の下端部と連通して配設された液溜め
ヘッダ、１５は凝縮管１３の下端の開口部１３ａと液溜
めヘッダ１４を連結する連通管、１６は蒸発管１２の下
部１２ａに設けられ、表面積を拡大するフィン、１７は
凝縮管１３に設けられ、表面積を拡大するフィン、１８
は蒸発管１２、凝縮管１３、液溜めヘッダ１４、連通管
１５より構成される真空容器に封入された作動液であ
る。

【００１５】次に動作について説明する。蒸発管１２の
下部１２ａが図示しない高温側の流体により加熱される
と、蒸発管１２の下部１２ａ内部の作動液１８は高温の
流体から潜熱を受けて沸騰・気化する。沸騰して蒸気と
なった作動液１８は破線の矢印で示すように蒸発管１２
の下部１２ａから蒸発管１２の上部１２ｂへ上昇し、や
がて、蒸発管１２の上端の開口１２ｃを経て、凝縮管１
３の内壁と蒸発管１２の外壁との間隙内へ移動する。凝
縮管１３の内壁と蒸発管１２の外壁との間隙内へ移動し
た蒸気状態の作動液１８は高温の流体よりも温度の低い
図示しない低温の流体へ潜熱を与えて凝縮・液化する。
凝縮管１３の内壁で液化した作動液１８は実線の矢印で
示すように凝縮管１３の下部の開口部１３ａから連通管
１５を通って蒸発管１２の下部１２ａに連通して配設さ
れた液溜めヘッダ１４内へ還流する。ところで、容器内
部は真空状態で作動液１８を封入しているため、高温側
の流体と低温側の流体との間に僅かな温度差があると、
容器内部の作動液１８は、上記蒸発・凝縮を繰り返し、
作動液１８は容器内部を何ら動力を要せず自然的に還流
して、蒸発管１２の下部１２ａから凝縮管１３へ効率良
く熱を輸送する。

【００１６】また、開口１２ｃを有する蒸発管１２の上
部を囲繞するように凝縮管１３を配設して凝縮管１３の
内壁と蒸発管１２の外壁との間隙を凝縮液化した作動液
１８の通路としたことにより、蒸発管１２内を上昇する
作動液１８の蒸気の流れと、凝縮管１３の内壁で凝縮液
化して凝縮管１３の内壁を伝って下降する作動液１８の
流れは完全に分離できるため、熱輸送量が増加して蒸気
量が増えても液の還流を妨げることがないので蒸気流が
音速となる限界まで熱輸送量を増加でき、上述した第１
の従来例や第２の従来例のように蒸気流が液の還流を妨
げることによる熱輸送量の限界は生じない。

【００１７】また、連通管１５は液を輸送するための管
であるので細い管であって差し支えない。したがって、
上述した第３の従来例のように蒸気を輸送するための太
い蒸気管を必要とせず、熱交換装置が大きくなるという
問題がない。むしろ、熱輸送量の限界が高いので蒸発
管、凝縮管の管径を小さくすることにより、熱交換装置
自体を小形化することが可能である。

【００１８】また、凝縮管１３の内壁の液膜厚さが薄い
ほど凝縮熱伝達特性が良くなることはよく知られている
が、このような熱交換装置の場合、凝縮管１３の内壁の
液の流れ方向が重力の働く方向と同じ下降方向であり、
しかも、蒸発管１２の上端の開口１２ｃから凝縮管１３
へ下降する蒸気の流れが液の下降を促進し液膜を薄くす
る作用をもたらすため、優れた凝縮熱伝達特性が得られ
るという効果も得られる。

【００１９】また、核沸騰状態では蒸発熱伝達は熱流束
が大きいほど良く、また、膜状凝縮状態では凝縮熱伝達
は熱流束が小さいほど良くなるが、このような熱交換装
置の場合、蒸発管１２よりも凝縮管１３を大径にしてい
るので、蒸発管１２で熱流束が大きく、凝縮管１３で熱
流束が小さくなり、蒸発熱伝達特性、凝縮熱伝達特性と
も優れた熱交換装置が得られる。

【００２０】また、上記前提技術では凝縮管１３の下部
の開口部１３ａと蒸発管１２の下部１２に連通して配設
された液溜めヘッダ１４を１本の連通管１５で連結した
ものを示しているが、複数の連通管１５を設けても良
く、例えば、図６に示すように２本の連通管１５を設け
た場合、熱交換装置本体が右に傾いた場合、凝縮管１３
の作動液１８は凝縮管１３の下部の開口部１３ａから右
側の連通管１５を通って蒸発管１２の下部の液溜めヘッ
ダ１４に還流する。また、逆に、熱交換装置本体が左に
傾いた場合、凝縮管１３の作動液１８は左側の連通管１
５を通って液溜めヘッダ１４に還流する。したがって、
車輌等に搭載される熱交換装置のように前後左右に傾斜
する熱交換器に対しても、作動液１８の還流について何
等の問題もなく使用することができる。

【００２１】実施例１．次にこの発明の実施例１を図１に基づいて説明する。図
１において、１４〜１８は上述した前提技術の構成と同
様である。１９は上端に開口１９ｃが形成され且つ上部
１９ｂが下部１９ａよりも細径に形成され、下部１９ａ
が図示しない高温側の流体と接触すると共に上部１９ｂ
が図示しない低温側の流体領域に配設された蒸発管であ
り、複数設けられている。２０はこの蒸発管１９の上部
１９ｂより大径を成し下端に開口２０ａが形成され、蒸
発管１９の上部１９ｂを覆いかぶせて囲繞すると共に蒸
発管１９の上部１９ｂの外周面との間が所定の間隔を置
いて配設され、図示しない低温側の流体と接触する凝縮
管であり、凝縮管２０の上部の閉塞部２０ｂは蒸発管１
９の開口１９ｃと所定の間隔を置いて配置されている。
また、図２に示すように、蒸発管１９の下部１９ａの内
面には、円周溝や縦溝等の核沸騰を促進するための核沸
騰促進部材２２を設けている。

【００２２】次に動作について説明する。蒸発管１９の
下部１９ａが図示しない高温側の流体により加熱される
と、蒸発管１９の下部１９ａ内部の作動液１８は高温の
流体から潜熱を受けて沸騰・気化する。沸騰して蒸気と
なった作動液１８は波線の矢印で示すように蒸発管１９
の下部１９ａから細径の蒸発管１９の上部１９ｂへ上昇
し、やがて、蒸発管１９の上端の開口１９ｃを経て、凝
縮管２０の内壁と蒸発管１９の外壁との間隙内へ移動す
る。凝縮管２０の内壁と蒸発管１９の外壁との間隙内へ
移動した蒸気状態の作動液１８は高温の流体よりも温度
の低い図示しない低温の流体へ潜熱を与えて凝縮・液化
する。凝縮管２０の内壁で液化した作動液１８は、実線
の矢印で示すように凝縮管２０の下部の開口部２０ａか
ら連通管１５を通って蒸発管１９の下部１９ａに連通し
て配設された液溜めヘッダ１４内へ還流する。ところ
で、容器内部は真空状態で作動液１８を封入しているた
め、高温側の流体と低温側の流体との間に僅かな温度差
があると、容器内部の作動液１８は、上記蒸発・凝縮を
繰り返し、作動液１８は容器内部を何ら動力を要せず自
然的に還流して、蒸発管１９の下部１９ａから凝縮管２
０へ効率良く熱を輸送する。

【００２３】また、この実施例１においても上述した前
提技術の場合と同様の効果を奏することは勿論のことで
ある。この実施例１は、さらに、蒸発管１９の上部１９
ｂがその下部１９ａよりも細径に形成したことにより、
熱交換装置自体の重量を小さくできる効果を奏する。ま
た、蒸発管１９の上部１９ｂは圧力がかからないので、
蒸発管１９の上部１９ｂの肉厚をその下部１９ａの肉厚
よりも薄くしてもよく、より一層の重量の低減が図れ
る。また、蒸発管１９の下部１９ａの内面に円周溝や縦
溝等の核沸騰を促進する核沸騰促進部材２２を設けたの
で、蒸発管１９内の作動液１８の核沸騰が促進され、熱
輸送効率がより一層向上し、蒸発熱伝達のより優れた熱
交換装置を得ることができる。なお、蒸発管１９の下部
１９ａ内に金網状体を巻着したものを配置して核沸騰促
進部材２２を構成してもよく、上記と同様の効果を奏す
る。

【００２４】実施例２．また、上記実施例１では凝縮管２０の下部の開口部２０
ａと蒸発管１９の下部に連通して配設された液溜めヘッ
ダ１４を１本の連通管１５で連結したものを示している
が、複数の連通管１５を設けても良く、例えば、図３に
示すように２本の連通管１５を設けた場合において、熱
交換装置本体が右に傾いた場合、凝縮管２０の作動液１
８は凝縮管２０の下部の開口部２０ａから右側の連通管
１５を通って蒸発管１９の下部の液溜めヘッダ１４に還
流する。また、逆に、熱交換装置本体が左に傾いた場
合、凝縮管２０の作動液１８は左側の連通管１５を通っ
て液溜めヘッダ１４に還流する。したがって、車輌等に
搭載される熱交換装置のように前後左右に傾斜する熱交
換装置に対しても、作動液１８の還流について何等の問
題もなく使用することができる。

【００２５】実施例３．また、この発明の実施例３を図４に基づいて説明する。
蒸発管、凝縮管は、図４に示すように縦、横に密に並べ
ても良い。図４において、凝縮管１３の下部の開口部を
一旦中間ヘッダ１４ａに連結して中間ヘッダ１４ａに作
動液１８を溜めた後、中間ヘッダ１４ａから連通管１５
を通して蒸発管下部の液溜めヘッダ１４へ作動液１８を
還流させるようにしても良い。この場合、中間ヘッダは
高温流体と低温流体を分離する仕切りの役割を兼ね備え
たものとしても良い。また、この実施例３は上述した各
実施例に適用できることは言うまでもない。

【００２６】実施例４．また、凝縮管２０の内面に円周溝や縦溝等の伝熱面拡大
部材を設けても良く、凝縮熱伝達のより優れた熱交換装
置を得ることができる。

【００２７】実施例５．また、高温流体と低温流体の組み合わせは何であっても
良く、例えば高温空気−低温空気として、筐体等冷却用
の熱交換装置として使用しても良く、あるいは高温流体
を油、低温流体を水、空気などを用いて油冷却用の熱交
換装置として使用してもよく、上記各実施例と同様の効
果を奏する。

【００２８】実施例６．また、高い熱輸送能力を有する小形な熱交換装置とする
ことができるので、自動車のエンジンオイル冷却用の熱
交換装置として狭いエンジンルームにおさめることも可
能である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、上端
が開口され上部が下部よりも細径の複数の蒸発管の上部
を覆いかぶせて囲繞するように凝縮管を配設したことに
より、凝縮管内の蒸気の流れと液の流れの相対する流れ
を分離でき、蒸気と液の間で剪断力が生じないので、熱
輸送量の限界が著しく高く、しかも熱特性の優れた熱交
換装置が得られると共に、さらに個々の蒸発管の上部を
下部よりも細径にしたことにより、装置自体の重量を軽
減することができる。又、複数本の蒸発管を液溜めヘッ
ダに連通させた構成としたので、大容量の熱変換装置の
小形化を図ることができると共に、個々の蒸発管の内面
に作動液の核沸騰を促進させる核沸騰促進部材を設けた
ことにより、個々の蒸発管内の作動液の核沸騰が促進さ
れ、熱輸送効率がより一層向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す断面図である。

【図２】図１の一部の詳細図である。

【図３】この発明の実施例２を示す断面図である。

【図４】この発明の実施例３を示す斜視図である。

【図５】この発明の前提技術を示す断面図である。

【図６】この発明の前提技術を示す断面図である。

【図７】第１の従来の熱交換装置を示す断面図であ
る。

【図８】第２の従来の熱交換装置を示す断面図であ
る。

【図９】第３の従来の熱交換装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１４液溜めヘッダ、１５連通管、１８作動液、１
９蒸発管、２０凝縮管、２２核沸騰促進部材。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上端が開口され上部が下部よりも細径の
複数の蒸発管、上記複数の蒸発管の上部より大径を成し
下端が開口され上記複数の蒸発管の上部を覆いかぶせて
囲繞するよう配設された凝縮管、上記複数の蒸発管の下
端部と連通して配設された液溜めヘッダ、上記凝縮管の
下端開口部と上記液溜めヘッダとに連通された連通管を
備え、上記複数の蒸発管、凝縮管、液溜めヘッダ、連通
管より形成される容器内に作動液を封入し、上記複数の
蒸発管の内面には上記作動液の核沸騰を促進させる核沸
騰促進部材を設けたことを特徴とする熱交換装置。