JP2751051B2 - 熱伝達装置 - Google Patents

熱伝達装置

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、ヒートパイプに関する
ものである。特に大量の熱を伝達させるような場合やト
ップヒートモードで使われるような場合また長距離の熱
伝達を行なう場合などに従来のヒートパイプでは十分に
対応できないような場合に利用できる。実際には家屋の
屋根に取付けた太陽熱補集器からの熱を地下の蓄熱タン
クに伝達するような場合である。 【0002】 【従来の技術】ヒートパイプは同一形状の銅棒より数百
倍も多くの熱を伝えることができる為産業界の各分野で
利用されている。ヒートパイプでは、内部の作動液体を
高温部で蒸発させ、その蒸気は蒸気圧差により低温部へ
移送し、そこで凝縮し、このことにより気化熱に相当す
る熱を高温部から低温部へすばやく伝達する。凝縮後の
液体はヒートパイプ内壁のウィックとよばれる部分の毛
細管力によって高温部へ戻される。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしヒートパイプを
トップヒートモード(重力の作用する環境でヒートパイ
プの上部を加熱、下部を冷すような使い方)で使った
り、より大量の熱を移送させたり、長距離の熱移送に使
用すると、バーンアウトと呼ばれる現象が起き熱の移送
が制限されたり、全くできなくなる。これはヒートパイ
プの低温部において、凝縮した作動液体をウィックの毛
細管力により高温部へ戻している為で、トップモードの
場合は重力により、毛細管力を上回る高さへは液体は供
給されなくなる。また熱の移送量が大きくなったり長距
離の場合は、毛細管力を発生するウィック自身の流体力
学的抵抗の為に高温部への作動液体の戻りが著しく減少
してしまう。この問題を解決する為に回転式ヒートパイ
プや電気浸透式ヒートパイプなどがあり、前者では、ヒ
ートパイプをテーパー状に作りそれを高速で回転させ発
生する遠心力を利用して液体を高温部へ戻し、又後者で
は、ヒートパイプに高い電圧を加え電界力により液体を
高温部へ戻す。しかしこれらは、外部に動力なり電源を
必要としたり、長距離の場合は、機構が複雑になりほと
んど利用できないなど問題が残っている。 【0004】本発明はこれらの欠点を全て解決するとと
もに熱の移送量もコントロールできるような熱伝達装置
を提供することにある。 【0005】 【課題を解決するための手段】本発明による熱伝送装置
は、ヒートパイプを含む循環流路と熱による蒸気泡の成
長・収縮により作動する熱駆動ポンプを含む循環流路を
持つ2つの流路がダイヤフラム等の圧力伝達部品により
連結されることを特徴とする。 【0006】 【実施例】添附図面において、点線1で囲まれている部
分が従来から知られているヒートパイプで、銅のような
熱良導体の薄肉管でできたコンテナ2の内壁に作動液体
を良く濡らし毛細管作用を発生するような、多孔質や細
かなメッシュ等の構造を持つウィック3が全体に配置さ
れている。点線4で囲まれた部分は熱駆動ポンプで、熱
良導体でできたポンプ加熱部5を含み、内部に円錐形の
液体受容部6を有している。ポンプ加熱部5はヒートパ
イプ加熱部分でコンテナに一体、もしくはそれに近い状
態で取付けてあり両者は常に同一温度になるようにして
ある。気・液交換室7は熱伝導率のよくないステンレス
等の薄肉管などで作られ、ポンプ加熱部5からの熱を内
部の液体に伝えにくくしてある。また交換室7の内部に
は凝縮管8とその先端に複数配置した毛細管力発生用フ
ィン9が固定してある。また交換室7は吸込側逆止弁1
0と吐出側逆止弁11にそれぞれ導管を通して連結して
いる。点線13で囲まれた部分が帰環冷却器であって、
ヒートパイプ冷却部分で凝縮し集められた作動液体をさ
らに冷却し温度を下げる働をする。 【0007】このヒートパイプは地面に対して縦に設置
されその高さはHである。そしてその上端が加熱部分で
その熱を下端に伝える、トップヒートモードで作動させ
る。作動液体は全ての導管、熱駆動ポンプ4、コンテナ
2のウィック3の内部を満し、それ以外のヒートパイプ
内の空間は作動液体の蒸気で満たされている。このよう
な状態でヒートパイプ加熱部分に熱が加えられると、コ
ンテナ2の薄い壁を通してウィック3内の作動液体に熱
が伝えられ作動液体は昇温しウィック表面からヒートパ
イプ内の空間に蒸発して、行く一方冷却部分では加熱部
分より温度が低い為、両者の蒸気圧差が生じ蒸気は加熱
部分から冷却部分へ急速に移動しそこでウィック表面へ
凝縮、気化熱に相当する熱を運んだことになる。一方熱
駆動ポンプ4内ではその加熱部5がヒートパイプ加熱部
分と同じ温度まで昇温する為内部の液体受容部6に一度
に1個の蒸気泡が発生成長してゆく。すると吸込側逆止
弁10が閉じ吐出側逆止弁11が開いて成長した蒸気泡
の体積に相当する作動液体が気・液交換室7から導管に
供給される。やがて蒸気泡の成長が凝縮管8内部へ達す
ると、周囲に熱を奪われ凝縮し収縮を始める。この時フ
ィン9の毛細管力により保持されていた作動液体が液体
受容部6に浸入受容部を冷すことで蒸気泡は完全に収縮
過程に入る。そして吐出側逆止弁11を閉じ吸込側逆止
弁10を開いて十分に冷やされた作動液体を導管を通し
て吸引する。このようにして作動液体が各部を通って循
環する。 【0008】次に作動液体の温度と蒸気圧から動作を説
明する。ヒートパイプの加熱部分の作動液体の温度と蒸
気圧をそれぞれT1 、P1 とし、同様に冷却部分ではT
2 、P2 、帰環冷却器ではT3 、P3 気・液交換室内で
4 、P4 とすると、この装置が正常に動作する為には T1 >T2 >T4 >T3 温度に対応し蒸気圧も P1 >P2 >P4 >P3 の関係が成立つ。T1 −T2 は一般にあまり大きくなら
ない。これは蒸気があまり抵抗を受けずに流れる為で、
少ない蒸気圧差でも大量の蒸気がヒートパイプ内を流れ
る。一方T2 −T3 の差は非常に大きく取った方が有利
でP2 −P3 も大きくなる。T4 −T3 =aは熱駆動ポ
ンプにより与えられたものでポンプの吐出量がある程度
以上になるとほぼ一定でなり、この値は高性能の熱駆動
ポンプ程低くなる。したがってP4 −P3 =bとなるま
ず蒸気がP1 −P2 の圧力差でヒートパイプ加熱部から
冷却部へ運ばれる。そして熱駆動ポンプ内の蒸気泡収縮
の時はP2 −P4 =P2 −(P3 +b)の圧力差が、ヘ
ッドHによる圧力γHと導管や逆止弁の流体抵抗圧PD
に対向し作動流体を冷却部分から気・液交換室まで押上
げる源動力となる。 【0009】つまり押上げる圧力/P2 −(P3 +b)
=抵抗する圧力/γH+PD となる。但しγは液体の比
重量 この式から解るようにP2 とP3 の温度差が大きい程、
より高い所やより遠くまで作動液体を押し出すことがで
きる。熱駆動ポンプ中を流れる液体とヒートパイプ中を
流れる液体はダイヤフラム24によって分離される。ま
た熱駆動ポンプからの熱はヒートパイプ中を緩衝する作
動流体に伝わらない為帰環冷却器の効果が高められ、ダ
イヤフラムポンプ25とヒートパイプ冷却部分との間に
より大きな蒸気圧差を作り出すことができる。また熱駆
動ポンプ4ではポンプ放熱器26により熱駆動ポンプで
発生した熱が外部へ放熱され、受容部6での蒸気泡の成
長と収縮による容積変化のみが導管27からポンプ流量
分割弁28に入りアキュムレーター29とダイヤフラム
ポンプ25への容積変化量の分割がレバー30を回転さ
せるだけででき、これによってダイヤフラムポンプ25
の吐出量が変化しヒートパイプの熱移送能が変化する。
ダイヤフラムポンプの入口と出口にはそれぞれダイヤフ
ラム吸込逆止弁31、ダイヤフラム吐出逆止弁32があ
り、ポンプ動作を可能にしている。 【0010】 【発明の効果】本発明によればヒートパイプの性能を飛
躍的に向上することができる。すなわち従来のヒートパ
イプが作動液体の加熱部分への帰環をウィックの毛細管
力のみに頼っていた為高所の熱源を利用する場合や長距
離の熱移送の場合これがネックとなった。しかし本発明
のように熱駆動ポンプにより作動液体の帰環を間接的に
行うことで高い所や長い距離まで液体を圧送できるので
これらのネックを解消できる。また従来からあった電気
や遠心力を利用して作動液体の帰環を行なうものでなく
加熱部分の熱を利用するので構造が簡単で信頼性の高い
ものができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】添附図面は本発明による熱伝達装置の概略断面
図である。 【符号の説明】 1 ヒートパイプ 4 熱駆動ポンプ 24 ダイヤフラム

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.ヒートパイプを含む循環流路と熱駆動ポンプを含む
    循環流路を持つ2つの流路がダイヤフラム等の圧力伝達
    部品により連結されていることを特徴とする熱伝達装
    置。
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