JP2754581B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 （１） 産業上の利用分野 本発明は熱交換器に関し、特に、宇宙のような無重力
または微小重力領域で使用するのに適した熱交換器に関
する。

（２） 従来の技術 有重力領域である地上で使用される熱交換器において
は、熱交換部で液状冷媒が熱を吸収して気化した場合、
その気化冷媒は液状冷媒よりも軽いので、重力の作用に
より上方に移動する。したがって、前記上方に移動した
気化冷媒を除去して熱交換部に新たに液状冷媒を供給す
ることは容易である。

ところが、無重力または微小重力領域では熱交換部で
液状冷媒を気化した場合、その気化冷媒は熱交換部に滞
留してしまい、その部分に液状冷媒を連続して供給する
ことができなくなる。このように無重力または微小重力
領域で使用される熱交換器では気化冷媒を除去したり液
状冷媒を連続的に熱交換部に供給したりする際に重力を
利用することができない。したがって従来、無重力また
は微小重力領域で使用される熱交換器としては、熱交換
部に連続的に液状冷媒を供給するために毛管現象を利用
したものが知られている。

次に第６〜９図により無重力または微小重力領域で使
用される従来の熱交換器について説明する。

熱交換器Ｃ′はハウジング01を備えており、ハウジン
グ01は下壁を構成する熱交換壁02、上壁03、前壁04、後
壁05および左右の側壁06,07を備えている。前記熱交換
壁02内面には多数の平行な条溝02a（第７〜９図参照）
が左右方向に延設されており、この熱交換壁02外側面が
熱交換面02bを形成している。

前記前壁04には２本の液状冷媒供給管08,08が貫通
し、この液状冷媒供給管08,08の内端は図示されていな
いが前記後壁05内面まで延設されている。この液状冷媒
供給管08,08の前記ハウジング01内に在る部分には、そ
の液状冷媒供給管08内部の液状冷媒をその外部に滲み出
させるための冷媒供給用芯材09が設けられている。この
冷媒供給用芯材09は、ガーゼまたはアルコールランプの
芯等のように毛管現象によって液体を移動させることの
できるものを適当な材料（液状冷媒に溶けない材料等）
によって製作することができる。前記冷媒供給用芯材09
の先端部は第7,8図から明らかなように、前記条溝02aに
達している。そして、前記冷媒供給用芯材09から前記条
溝02a内に滲み出た液状冷媒010は毛管現象によって前記
条溝02aの全領域にいきわたるように構成されている。

また、前記後壁05には気化冷媒排出管011が貫通して
おり、ハウジング01内の気化冷媒はこの気化冷媒排出管
011から排出されるように構成されている。第６図に示
すように気化冷媒排出管011はラジエータ012を介して前
記２本の液状冷媒供給管08,08に接続されている。

前述の従来の熱交換器Ｃ′は前記条溝02a内に毛管現
象によって液状冷媒010がいきわたっており、条溝02a内
の液状冷媒010の液面はその表面張力によって第９図の
状態に保持されている。そして、前記熱交換面02bから
の熱によって液状冷媒010の温度が上昇してくると、液
状冷媒010は前記液面から蒸発して気化する。この気化
によって条溝02a内の液状冷媒010の前記液面が下がって
も、毛管現象によって自動的に液状冷媒010が供給され
る。前記気化冷媒は前述の気化冷媒排出管011を通って
ラジエータ012に導かれ、このラジエータ012で冷却され
て液状冷媒010となる。この液状冷媒010は前記液状冷媒
供給管08,08、および冷媒供給用芯材09を通って再び前
記条溝02aに供給される。

（３） 発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来の熱交換器のように毛管現象
を利用して液状冷媒の供給を行おうとすると、液状冷媒
が条溝に滲み込む速度が遅いためにその冷媒供給量に限
界があり、大発熱量の機器等の冷却には対応できないと
いう問題点を有していた。

このような理由から、インペラーを備えた回転式ポン
プあるいはプランジャを備えた往復動式ポンプ等を用い
て液状冷媒の供給を行うことが考えられるが、上述の如
き機械的な可動部を有する送液ポンプは作動の信頼性に
問題があり、修理が極めて困難であり故障が許容されな
い宇宙空間において使用するには適さないものである。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、無重
力または微小重力領域において熱交換部で液状冷媒が気
化した場合、前記熱交換部に気化冷媒を滞留させずに液
状冷媒を連続して供給することが可能であり、しかもポ
ンプのような機械的な可動部を排除することによって高
い信頼性を備えた熱交換器を提供することを目的とす
る。

B.発明の構成 （１） 課題を解決するための手段 （第１発明） 前記目的を達成するために、本出願の第１発明の熱交
換器は、表面に多数のフィンにより仕切られた多数の条
溝を平行に形成した熱交換壁と、前記熱交換壁と共同し
て液状冷媒および前記液状冷媒が気化した気化冷媒を収
容する密閉空間を形成するハウジングと、前記条溝に連
通される液状冷媒供給管と、前記条溝と液状冷媒供給管
の接続部の近傍において前記条溝を形成するフィンの間
に配置されるとともに基端が片持ち式に支持され且つ自
由端が交流電圧を印加される圧電素子により前記フィン
に対して接近および離隔を繰り返すように振動する振動
板とを備えて成り、前記振動板を振動させることによっ
て液状冷媒を前記液状冷媒供給管から前記条溝に供給す
ることを特徴とする。

（第２発明） また、本出願の第２発明の熱交換器は、平行に配列さ
れた多数の帯状の弾性フィンと、各弾性フィン間に形成
された条溝内に配置されて各条溝を放熱側条溝と吸熱側
条溝に仕切る弾性体とを有する熱交換壁と、前記熱交換
壁と共同して液状冷媒およびその蒸発気体を収容する密
閉空間を形成するハウジングと、前記熱交換壁の放熱側
条溝に接続される液状冷媒供給管と、前記放熱側条溝と
液状冷媒供給管の接続部の近傍において隣接する弾性フ
ィン間を連結する圧電素子とを備えて成り、この圧電素
子に交流電圧を印加して上記弾性フィンに振動波を発生
せしめ、この振動波によって液状冷媒を前記液状冷媒供
給管から放熱側条溝に供給することを特徴とする。

（２） 作用 （第１発明の作用） 前述の構成を備えた本出願の第１発明によれば、交流
電圧を印加された圧電素子が伸縮すると、この圧電素子
によって条溝と液状冷媒供給管の接続部の近傍に枢支さ
れた振動板が振動される。すると、この振動板の送液作
用で液状冷媒供給管中の液状冷媒は条溝内に供給されて
熱交換壁の全体にいきわたり、その蒸発によって冷却が
行われる。

（第２発明の作用） また本出願の第２発明によれば、交流電圧を印加され
た圧電素子が伸縮すると、この圧電素子に接続された弾
性フィンに振動波が発生する。すると、この弾性フィン
の振動波の送液作用で液状冷媒供給管中の液状冷媒は上
記弾性フィン間に形成された放熱側条溝に沿って供給さ
れて熱交換壁の全体にいきわたり、その蒸発によって冷
却が行われる。

（３） 実施例 以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図および第２図は本発明による熱交換器の第１実
施例を示すもので、第1A図はその縦断面図、第1B図は第
1A図のIB−IB線断面図、第1C図は第1B図のIC−IC線断面
図、第２図はその部分斜視図である。

これらの図に示すように、電力機器等の発熱体に接触
してその熱を受ける熱交換壁１はハウジング２と共同し
て密閉された空間３を形成しており、前記熱交換壁１の
空間３側の表面には、端部がハウジング２の側壁2aに接
続する多数のフィン４が平行に形成されている。このフ
ィン４間には更に他のフィン５が形成されており、その
テーパー状端部5aは前記側壁2aとの間に所定の間隔を存
して終わっている。上記交互に配置されたフィン４とフ
ィン５によって多数の平行な条溝６が形成されており、
その内部には液状冷媒７が表面張力によって保持される
ようになっている。

ハウジング２の一方の側壁2aには、前記フィン４の中
間に位置するように、振動板８の基端8aが片持ち式に支
持されており、その自由端8bは前記フィン５のテーパー
状端部5aに対向している。この振動板８は反対方向に分
極した２枚の圧電素子9a,9bを貼り合わせた所謂バイモ
ルフ型圧電素子によって構成されている。周知のように
圧電素子は電圧を印加することによって伸縮する性質を
有しており、上記バイモルフ型圧電素子によって構成さ
れた振動板８に交流電圧を印加すると２枚の圧電素子9
a,9bが逆方向に伸縮して湾曲し、この湾曲の方向が交互
に反転することによって振動が発生する。したがって、
交流電圧を印加された振動板８は、側壁2aに支持された
基端8aを支点として自由端8bが矢印Ｐ（第２図参照）で
示すように、フィン４に対して接近および離隔を繰り返
すように振動する。

また、ハウジング２の側壁2aの近傍には液状冷媒供給
管10が沿設されており、この液状冷媒供給管10は溝状の
連通路11を介してハウジング２内の前記振動板８の両側
の空間部に連通している。

次に、前述の構成を備えた熱交換器の作用について説
明する。

圧電素子9a,9bに交流電圧を印加すると振動板８は基
端8aを支点として振動し、その送液作用によって液状冷
媒供給管10内の液状冷媒７は連通路11からハウジング２
内に吸引される。ハウジング２内に吸引された液状冷媒
７は振動板８に沿って矢印Ｑ方向に押出され、フィン５
のテーパー状端部5aで左右に分岐して条溝６に強制的に
供給される。条溝６内の液状冷媒７は熱交換壁１からの
熱を吸収して蒸発し、その際に奪われる気化熱によって
発熱体の冷却が行われる。蒸発した気化冷媒はハウジン
グ２の空間３から排出されて液化された後、再び液状冷
媒供給管10を介して熱交換壁１に供給される。

第３図は上記実施例の変形例を示す部分斜視図であっ
て、その振動板12は弾性体で構成されており、この振動
板12の一側とフィン４とは多数の圧電素子13を積み重ね
て形成した積層型圧電素子で連結されている。従って、
交流電圧を印加して上記圧電素子13を伸縮させることに
より振動板12は矢印Ｐ方向に振動して液状冷媒７を矢印
Ｑ方向に供給することができる。

第４図および第５図は本発明の第２実施例を示すもの
で、第４図はその全体斜視図、第5A図は第４図の矢印VA
方向から見た部分平面図、第5B図は第４図のVB−VB線断
面図である。

この実施例は高温ガスを冷却するための熱交換器であ
って、ハウジング14の開口部14aには第４図および第5B
図に示すように、平行に配列された多数の帯状の弾性フ
ィン15と各弾性フィン15間に形成される条溝16内に配置
されて各条溝16を放熱側条溝16aと吸熱側条溝16bに仕切
る弾性体17とを有する熱交換壁18が設けられている。

上記熱交換壁18のハウジング14の内側に形成される放
熱側条溝16aには、外部からハウジング14の内部に挿入
された液状冷媒供給管19を介して液状冷媒20が供給さ
れ、この液状冷媒20は隣接する弾性フィン15間に形成さ
れた前記放熱側条溝16aにいきわたるようになってい
る。そして、この液状冷媒20から蒸発した気化冷媒は、
ハウジング14に開口する排出管21から外部に排出され
る。尚、符号19aは液状冷媒供給管19の内面に装着され
た弾性体であって、弾性フィン15が液状冷媒供給管19と
直接接触してその移動が拘束されることを防止してい
る。

また、上記熱交換壁18のハウジング14の外側に形成さ
れる吸熱側条溝16bにおいては、被冷却物である高温ガ
スが弾性体17から外部に突出する弾性フィン15に接触し
て冷却されるようになっている。

各弾性フィン15の液状冷媒供給管19側の基部間には、
多数の圧電素子22を積み重ねて形成した積層型圧電素子
が挟持されている。そして第5A図に示すように、上記積
層型圧電素子は伸縮の方向が交互に逆になるように配置
されており、その伸縮によって弾性フィン15に振動波を
形成するよになっている。

次に、前述の構成を備えた熱交換器の作用について説
明する。液状冷媒供給管19から熱交換壁18の放熱側条溝
16aに供給された液状冷媒20は弾性フィン15間に形成さ
れた放熱側条溝16a内に流れ込む。圧電素子22に交流電
圧を印加すると弾性フィン15に振動波が形成され、その
送液作用によって放熱側条溝16a内の液状冷媒20は矢印
Ｒ方向に強制的に供給される。

一方、熱交換壁18の吸熱側条溝16bには被冷媒物であ
る高温ガスが接触しており、その熱は弾性フィン15を介
してハウジング14内部の放熱側条溝16a内の液状冷媒20
を蒸発させ、その際に奪われる気化熱によって高温ガス
の冷却が行われる。蒸発した気化冷媒は排出管21から外
部に排出されて液化された後、再び液状冷媒供給管19を
介して熱交換壁18の放熱側条溝16aに供給される。

上述のように弾性フィン15によって液状冷媒20を供給
する際、弾性フィン15の振動波の振幅は弾性体17の抵抗
によって圧電素子22から離れるに従って小さくなる。し
かしながら、液状冷媒20の量は放熱側条溝16a内を移動
する過程で蒸発して次第に減少するので、必要とする液
状冷媒20の供給量は圧電素子22から離れるほど小さくな
る。従って、上記弾性フィン15の振動波の振幅の減少に
よって、熱交換壁18の放熱側全面にわたって均一に液状
冷媒20を供給することが可能となる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記
実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記
載された本発明を逸脱することなく、種々の小設計変更
を行なうことが可能である。

例えば、圧電素子9a,9b,13,22に印加する交流の波形
は正弦波に限らず、矩形波や鋸波であってもよい。ま
た、振動板8,12や弾性フィン15を駆動する各圧電素子9
a,9b,13,22は必ずしも一斉に作動する必要はなく、これ
らを選択的に作動させることによって熱交換壁1,18を局
部的に冷却してもよい。

更に、第２実施例において、弾性フィン15の基部に積
層型圧電素子を装着する代わりに、この弾性フィン15の
側面に沿って複数のバイモルフ型圧電素子を装着し、印
加する交流の位相を順次ずらすことによって振動波を形
成することも可能である。

C.発明の効果 前述の本発明の熱交換器によれば、熱交換壁に装着し
た振動板や弾性フィンを圧電素子によって駆動し、その
振動による送液作用で積極的に液状冷媒を供給している
ので、必要な量の液状冷媒を速やかに供給することがで
き、大発熱量に機器の冷却にも対応することが可能とな
る。

また、この熱交換器は機械的な摺動部や回転部を一切
用いていないので、メンテナンスが不要であるばかり
か、高い信頼性を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明の第１実施例による熱交換器の縦断面
図、第1B図は第1A図のIB−IB線断面図、第1C図は第1B図
のIC−IC線断面図、第２図はその部分斜視図、第３図は
前記実施例の変形例の前記第２図に相当する部分斜視
図、第４図は本発明の第２実施例による熱交換器の全体
斜視図、第5A図は第４図の矢印VA方向から見た部分平面
図、第5B図は第４図のVB−VB線断面図、第６図〜第９図
は従来の熱交換器の説明図である。 １……熱交換壁、６……条溝、７……液状冷媒、８……
振動板、9a,9b……圧電素子、10……液状冷媒供給管、1
2……振動板、13……圧電素子、15……弾性フィン、16
……条溝、16a……放熱側条溝、16b……吸熱側条溝、17
……弾性体、18……熱交換壁、19……液状冷媒供給管、
20……液状冷媒、22……圧電素子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に多数のフィンにより仕切られた多数
   の条溝を平行に形成した熱交換壁と、前記熱交換壁と共
   同して液状冷媒および前記液状冷媒が気化した気化冷媒
   を収容する密閉空間を形成するハウジングと、前記条溝
   に連通される液状冷媒供給管と、前記条溝と液状冷媒供
   給管の接続部の近傍において前記条溝を形成するフィン
   の間に配置されるとともに基端が片持ち式に支持され且
   つ自由端が交流電圧を印加される圧電素子により前記フ
   ィンに対して接近および離隔を繰り返すように振動する
   振動板とを備えて成り、前記振動板を振動させることに
   よって液状冷媒を前記液状冷媒供給管から前記条溝に供
   給することを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】平行に配列された多数の帯状の弾性フィン
   と、各弾性フィン間に形成された条溝内に配置されて各
   条溝を放熱側条溝と吸熱側条溝に仕切る弾性体とを有す
   る熱交換壁と、前記熱交換壁と共同して液状冷媒の蒸発
   気体を収容する密閉空間を形成するハウジングと、前記
   熱交換壁の放熱側条溝に接続される液状冷媒供給管と、
   前記放熱側条溝と液状冷媒供給管の接続部の近傍におい
   て隣接する弾性フィン間を連結する圧電素子とを備えて
   成り、この圧電素子に交流電圧を印加して上記弾性フィ
   ンに振動波を発生せしめ、この振動波によって液状冷媒
   を前記液状冷媒供給管から放熱側条溝に供給することを
   特徴とする熱交換器。