JP3416731B2 - 伝熱装置 - Google Patents
伝熱装置Info
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- JP3416731B2 JP3416731B2 JP2000156432A JP2000156432A JP3416731B2 JP 3416731 B2 JP3416731 B2 JP 3416731B2 JP 2000156432 A JP2000156432 A JP 2000156432A JP 2000156432 A JP2000156432 A JP 2000156432A JP 3416731 B2 JP3416731 B2 JP 3416731B2
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- Japan
- Prior art keywords
- heat pipe
- working fluid
- liquid
- aqueous solution
- evaporation
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
- F28F2245/02—Coatings; Surface treatments hydrophilic
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ウイックを廃止し
たヒートパイプ型電熱装置に関し、特に宇宙をはじめと
した小型、かつ軽量な伝熱装置を必要とする分野に利用
されるに適したものに関する。
たヒートパイプ型電熱装置に関し、特に宇宙をはじめと
した小型、かつ軽量な伝熱装置を必要とする分野に利用
されるに適したものに関する。
【0002】
【従来の技術】第3図は、従来のヒートパイプを示して
いる。1は密閉容器(例えば、ガラス製)、2aは密閉
容器に収納された作動流体(水、アンモニア等)の移動
方向(矢印方向)、3はウイック、4は熱流(加熱、放
熱)を表し、(A),(B),(C)はヒートパイプの
蒸発部、断熱部、凝縮部を表している。
いる。1は密閉容器(例えば、ガラス製)、2aは密閉
容器に収納された作動流体(水、アンモニア等)の移動
方向(矢印方向)、3はウイック、4は熱流(加熱、放
熱)を表し、(A),(B),(C)はヒートパイプの
蒸発部、断熱部、凝縮部を表している。
【0003】この従来のヒートパイプの熱伝導原理は、
蒸発部(A)で蒸発した作動流体を凝縮部(C)で凝縮
後、密閉容器1の面に設けた多孔体、メッシュ、溝等の
構造のウィック3により、凝縮部(C)から蒸発部
(A)へ循環させて熱を伝導させるものであり、外力
(電磁力,静電力,遠心力等)が無い状態では重力での
循環によるいわゆるヒートサイフォンとして適用する以
外は、常にウィックが必要であった。
蒸発部(A)で蒸発した作動流体を凝縮部(C)で凝縮
後、密閉容器1の面に設けた多孔体、メッシュ、溝等の
構造のウィック3により、凝縮部(C)から蒸発部
(A)へ循環させて熱を伝導させるものであり、外力
(電磁力,静電力,遠心力等)が無い状態では重力での
循環によるいわゆるヒートサイフォンとして適用する以
外は、常にウィックが必要であった。
【0004】しかしながら、この従来技術で上記のよう
にウィックが不可欠であるため、ウィックにおける熱抵
抗の増大,製造加工コストの増大,及び形状の制約が生
じて、ヒートパイプの一層の性能向上、応用の拡大を妨
げている。
にウィックが不可欠であるため、ウィックにおける熱抵
抗の増大,製造加工コストの増大,及び形状の制約が生
じて、ヒートパイプの一層の性能向上、応用の拡大を妨
げている。
【0005】これを解決し、特に宇宙での利用を想定し
たヒートパイプとして、ウイックのないウィックレス・
ヒートパイプが考案されている。図4は、北海道大学の
倉前らが10秒間の無重力環境を利用して実証したウィ
ックレス・ヒートパイプの実証例の概念図を示してい
る。この実証例では、作動流体(蒸気)は非共沸組成の
エタノール水溶液、アセトン水溶液等を使用するもの
で、5aは該作動流体の移動方向(矢印方向)、5bは
密閉溶液内壁に形成される該作動流体の液膜で、5cは
該作動流体(液体)の移動方向を表している。なお、本
明細書で同じ参照符号を付したものは同じもの又は相当
するものを意味している。
たヒートパイプとして、ウイックのないウィックレス・
ヒートパイプが考案されている。図4は、北海道大学の
倉前らが10秒間の無重力環境を利用して実証したウィ
ックレス・ヒートパイプの実証例の概念図を示してい
る。この実証例では、作動流体(蒸気)は非共沸組成の
エタノール水溶液、アセトン水溶液等を使用するもの
で、5aは該作動流体の移動方向(矢印方向)、5bは
密閉溶液内壁に形成される該作動流体の液膜で、5cは
該作動流体(液体)の移動方向を表している。なお、本
明細書で同じ参照符号を付したものは同じもの又は相当
するものを意味している。
【0006】図4によりウイックレス・ヒートパイプの
作動原理を説明する。エタノール水溶液、アセトン水溶
液等の作動流体は、無重力環境下でガラス管内の作動流
体が凝縮部(C)より蒸発部(A)へと、濃度差マラン
ゴニ効果(Marangoni's effect)により循環する。装置
自体は第4図に示されているように、ガラス管1内にエ
タノール水溶液、アセトン水溶液等を収容しただけの非
常に単純な構成である。
作動原理を説明する。エタノール水溶液、アセトン水溶
液等の作動流体は、無重力環境下でガラス管内の作動流
体が凝縮部(C)より蒸発部(A)へと、濃度差マラン
ゴニ効果(Marangoni's effect)により循環する。装置
自体は第4図に示されているように、ガラス管1内にエ
タノール水溶液、アセトン水溶液等を収容しただけの非
常に単純な構成である。
【0007】ここで蒸発部(A)を加熱すると、作動流
体が蒸発を始めるが、非共沸組成の混合液体であるた
め、低沸点組成であるエタノール,アセトン等の濃度差
の高い組成が蒸発を開始し、凝縮部(C)で凝縮する。
その結果、蒸発部(A)の液体は水分濃度が高くなり、
逆に凝縮部(C)の液体は水分濃度が低い状態となる
(第5図参照)。蒸発部(A)での水分濃度が高いとい
うことはその部分の表面張力が高くなり、逆に凝縮部
(B)では表面張力が低下する。気液界面に表面張力差
が生じると液体は表面張力の低い部分から高い部分に引
きずられる(この現象を当該現象の発見者の名前からマ
ランゴニ効果と呼ぶ。)。つまり、作動流体は気液界面
に近い部分を通って移動する。この現象により、ガラス
管1内の水溶液は無重力環境で、凝縮部(C)から蒸発
部(A)に循環することが初めて実証された。
体が蒸発を始めるが、非共沸組成の混合液体であるた
め、低沸点組成であるエタノール,アセトン等の濃度差
の高い組成が蒸発を開始し、凝縮部(C)で凝縮する。
その結果、蒸発部(A)の液体は水分濃度が高くなり、
逆に凝縮部(C)の液体は水分濃度が低い状態となる
(第5図参照)。蒸発部(A)での水分濃度が高いとい
うことはその部分の表面張力が高くなり、逆に凝縮部
(B)では表面張力が低下する。気液界面に表面張力差
が生じると液体は表面張力の低い部分から高い部分に引
きずられる(この現象を当該現象の発見者の名前からマ
ランゴニ効果と呼ぶ。)。つまり、作動流体は気液界面
に近い部分を通って移動する。この現象により、ガラス
管1内の水溶液は無重力環境で、凝縮部(C)から蒸発
部(A)に循環することが初めて実証された。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記のヒートパイプの
実証例においてマランゴニ効果を引き起こした主たる要
因は、蒸発部(A)と凝縮部(C)における濃度差に伴
う、いわゆる濃度差マランゴニ効果である(図2(b)
参照)が、表面張力は濃度ばかりでなく、温度によって
も変化することが知られている。図2(a)は表面張力
の温度特性を概念的に示したものである。図2に使用さ
れた水溶液を含む大半の液体は、温度上昇に伴い表面張
力が低下する(図2(a)におけるエタノール水溶液F
の特性参照)特性を有するため、異なる液体の部位に温
度差が生じている場合、気液界面付近において高温部か
ら低温部に向かってマランゴニ効果による液流が発生し
る(これは温度差マランゴニ効果と称され、濃度差マラ
ンゴニ効果と区別されている)。
実証例においてマランゴニ効果を引き起こした主たる要
因は、蒸発部(A)と凝縮部(C)における濃度差に伴
う、いわゆる濃度差マランゴニ効果である(図2(b)
参照)が、表面張力は濃度ばかりでなく、温度によって
も変化することが知られている。図2(a)は表面張力
の温度特性を概念的に示したものである。図2に使用さ
れた水溶液を含む大半の液体は、温度上昇に伴い表面張
力が低下する(図2(a)におけるエタノール水溶液F
の特性参照)特性を有するため、異なる液体の部位に温
度差が生じている場合、気液界面付近において高温部か
ら低温部に向かってマランゴニ効果による液流が発生し
る(これは温度差マランゴニ効果と称され、濃度差マラ
ンゴニ効果と区別されている)。
【0009】図4の実証例による倉前らの実証は10秒
足らずで、蒸発,凝縮が過渡的で、圧倒的に濃度差マラ
ンゴニ効果が優勢な温度領域における動作例であるが、
定常的な動作においては、蒸発部の界面温度が凝縮部に
比べ、顕著に高くなることが予想される。その場合、濃
度差マランゴニ効果とは逆に作用する温度差マランゴニ
効果の作用による流れが無視しえなくなり、凝縮部
(A)から蒸発部(C)への作動液体の循環を阻止する
作用となる(図2(b)の水溶液Fの流れ方向参照)。
足らずで、蒸発,凝縮が過渡的で、圧倒的に濃度差マラ
ンゴニ効果が優勢な温度領域における動作例であるが、
定常的な動作においては、蒸発部の界面温度が凝縮部に
比べ、顕著に高くなることが予想される。その場合、濃
度差マランゴニ効果とは逆に作用する温度差マランゴニ
効果の作用による流れが無視しえなくなり、凝縮部
(A)から蒸発部(C)への作動液体の循環を阻止する
作用となる(図2(b)の水溶液Fの流れ方向参照)。
【0010】一方、作動液体の蒸発の進行に伴い、蒸発
部の水分濃度が高くなるにつれ、液体と容器壁面との濡
れ性が低下し、又は無重力環境下で使用する最悪の環境
で動作する場合には、壁面を覆っていた液体が壁面に流
体が供給できず、液体が壁面から剥離し(図6(b)参
照)、凝縮部(C)から蒸発部(A)への作動液の移動
がなくなり、ヒートパイプとしての機能を喪失する状況
も想定される。
部の水分濃度が高くなるにつれ、液体と容器壁面との濡
れ性が低下し、又は無重力環境下で使用する最悪の環境
で動作する場合には、壁面を覆っていた液体が壁面に流
体が供給できず、液体が壁面から剥離し(図6(b)参
照)、凝縮部(C)から蒸発部(A)への作動液の移動
がなくなり、ヒートパイプとしての機能を喪失する状況
も想定される。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記ウィックレス・ヒー
トパイプの実証例における課題を解決するため、本発明
では、さらに特殊な物性を有する作動流体を使用して、
これらの問題を一挙に解決し、さらにヒートパイプを高
性能化、実用化を可能とするものである。すなわち、本
発明は、ヒートパイプの作動流体としてブタノール,ペ
ンタノールをはじめとした炭素数が4以上の非共沸組成
の多価アルコール水溶液を用い、作動流体と接する壁面
を親水性を有するフッ素化処理、親水性を有するシリコ
ン有機物のコーティングをはじめとした親水性処理を行
い、濡れ性を向上させたヒートパイプを提供する。親水
性処理は、蒸発部(高温部)についてのみ行っても良
い。
トパイプの実証例における課題を解決するため、本発明
では、さらに特殊な物性を有する作動流体を使用して、
これらの問題を一挙に解決し、さらにヒートパイプを高
性能化、実用化を可能とするものである。すなわち、本
発明は、ヒートパイプの作動流体としてブタノール,ペ
ンタノールをはじめとした炭素数が4以上の非共沸組成
の多価アルコール水溶液を用い、作動流体と接する壁面
を親水性を有するフッ素化処理、親水性を有するシリコ
ン有機物のコーティングをはじめとした親水性処理を行
い、濡れ性を向上させたヒートパイプを提供する。親水
性処理は、蒸発部(高温部)についてのみ行っても良
い。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明では、まず温度差マランゴ
ニ効果の問題を解決するため、炭素数が4を越える多価
アルコール水溶液の非共沸組成を用いる。これらの水溶
液では、大半の液体(例えば、エタノール、アセトン水
溶液)と異なり、一定温度(摂氏20〜70度)以上に
おいて表面張力が温度の上昇に伴い、著しく上昇する
(図2(a)参照)。従って、温度差マランゴニ効果と
濃度差マランゴニ効果は同一方向に作用することとなり
(図2(b)参照)、これは凝縮部から蒸発部への液の
循環を一層促進することとなる。
ニ効果の問題を解決するため、炭素数が4を越える多価
アルコール水溶液の非共沸組成を用いる。これらの水溶
液では、大半の液体(例えば、エタノール、アセトン水
溶液)と異なり、一定温度(摂氏20〜70度)以上に
おいて表面張力が温度の上昇に伴い、著しく上昇する
(図2(a)参照)。従って、温度差マランゴニ効果と
濃度差マランゴニ効果は同一方向に作用することとなり
(図2(b)参照)、これは凝縮部から蒸発部への液の
循環を一層促進することとなる。
【0013】さらに、高温に対する作動液の濡れ性の低
下は、本発明ではフッ素化、シリコン有機物等の親水性
物質で容器内壁表面をコーティングをして親水性処理
し、特に容器1内壁の高温で濡れが低下する蒸発部(高
温部)に施すことにより、水との濡れ性を高め、蒸発部
(A)での正常な蒸発の確保も図っている。親水性処理
における親水性の制御はフッ素化、シリコン有機物のコ
ーティング層の厚さ、コーティング層におけるフッ素、
シリコン有機物等の親水性物質の密度等を変動すること
により行われる。
下は、本発明ではフッ素化、シリコン有機物等の親水性
物質で容器内壁表面をコーティングをして親水性処理
し、特に容器1内壁の高温で濡れが低下する蒸発部(高
温部)に施すことにより、水との濡れ性を高め、蒸発部
(A)での正常な蒸発の確保も図っている。親水性処理
における親水性の制御はフッ素化、シリコン有機物のコ
ーティング層の厚さ、コーティング層におけるフッ素、
シリコン有機物等の親水性物質の密度等を変動すること
により行われる。
【0014】さらに、蒸発部(A)(親水性)から凝縮
部(B)(やや疎水性)にかけて親水性の勾配をつける
ことによって、作動液気液界面の表面張力を凝縮部
(C)から蒸発部(A)に渡り、ほぼ一定にすることに
より作動流体液の循環をより一層促進することができ
る。
部(B)(やや疎水性)にかけて親水性の勾配をつける
ことによって、作動液気液界面の表面張力を凝縮部
(C)から蒸発部(A)に渡り、ほぼ一定にすることに
より作動流体液の循環をより一層促進することができ
る。
【0015】図1は本発明に係るヒートパイプの実施例
を模式的に示したものである。作動液として炭素数が4
を越える多価アルコール水溶液を使用する。6aは作動
流体の移動方向、6bは作動流体液膜、7は容器内壁に
処理した親水コーティング層を表している。親水コーテ
ィング層の厚さは蒸発部(A)でほぼ一定、断熱部
(B)は温度低下に比例して薄くした例である。
を模式的に示したものである。作動液として炭素数が4
を越える多価アルコール水溶液を使用する。6aは作動
流体の移動方向、6bは作動流体液膜、7は容器内壁に
処理した親水コーティング層を表している。親水コーテ
ィング層の厚さは蒸発部(A)でほぼ一定、断熱部
(B)は温度低下に比例して薄くした例である。
【0016】最も一般的な円筒型のヒートパイプでは、
直径10mm、長さ500mm、厚さ0.3mmの薄肉
銅パイプ内に1モル%のヘプタノール水溶液を充填し、
無重力環境のもとで蒸発部を加熱すると、時間的な遅れ
なく凝縮部で速やかに発熱が開始される。また、蒸発部
側パイプ内面の接触角を0.5度程度となるよう親水処
理することによって、蒸発部が極端に高くなっていなけ
れば(作動液体が容器内壁の傾斜面をはい上がり、容器
内壁面上に液膜を形成する範囲で、例えば密閉容器の傾
斜角度20度程度以内。)、通常重力環境においても、
ヒートパイプとしての機能を十分に果たすことができ
る。
直径10mm、長さ500mm、厚さ0.3mmの薄肉
銅パイプ内に1モル%のヘプタノール水溶液を充填し、
無重力環境のもとで蒸発部を加熱すると、時間的な遅れ
なく凝縮部で速やかに発熱が開始される。また、蒸発部
側パイプ内面の接触角を0.5度程度となるよう親水処
理することによって、蒸発部が極端に高くなっていなけ
れば(作動液体が容器内壁の傾斜面をはい上がり、容器
内壁面上に液膜を形成する範囲で、例えば密閉容器の傾
斜角度20度程度以内。)、通常重力環境においても、
ヒートパイプとしての機能を十分に果たすことができ
る。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、ウィック無しのヒート
パイプでも、高性能化、実用化でき、特に無重力環境下
においても極めて正常に動作することができる。また、
容器壁面の親水性処理によって、極端に蒸発部が高くな
るように容器を傾けない限り、通常重力環境下であって
も、ヒートパイプとしての正常な動作が可能となる。現
在実用化されている溝状ウィックを有するヒートパイプ
に比べて、本願発明のヒートパイプは最大で80%程度
軽量化でき、構造も簡単で製造コストを低減できる。
パイプでも、高性能化、実用化でき、特に無重力環境下
においても極めて正常に動作することができる。また、
容器壁面の親水性処理によって、極端に蒸発部が高くな
るように容器を傾けない限り、通常重力環境下であって
も、ヒートパイプとしての正常な動作が可能となる。現
在実用化されている溝状ウィックを有するヒートパイプ
に比べて、本願発明のヒートパイプは最大で80%程度
軽量化でき、構造も簡単で製造コストを低減できる。
【図1】本発明のウイックレス・ヒートパイプ例の概念
図を示す図である。
図を示す図である。
【図2】作動液体の表面張力特性及びマランゴニ効果の
作用を説明する図である。
作用を説明する図である。
【図3】従来のウイック・ヒートパイプ例を示す図であ
る。
る。
【図4】ウイックレス・ヒートパイプ実証例を示す図で
ある。
ある。
【図5】ウイックレス・ヒートパイプ密閉容器内液体の
濃度分布を説明する図である。
濃度分布を説明する図である。
【図6】無重力環境における密閉容器内の液体の挙動を
説明する図である。
説明する図である。
1 密閉容器
6a 作動流体(多価アルコール水溶液)の移動方向
6b 同作動流体液の移動方向
6c 同作動流体液膜
7 親水コーティング層
(A) ヒートパイプの蒸発部
(C) 同凝縮部
Claims (3)
- 【請求項1】 多価アルコール水溶液を作動流体として
密閉容器内に収容し、作動流体と接する容器内壁面を親
水性処理により制御することを特徴とするヒートパイプ
型伝熱装置。 - 【請求項2】 請求項1の多価アルコール水溶液がブタ
ノール、ペンタノール水溶液であることを特徴とするヒ
ートパイプ型伝熱装置。トスrことをベンゼン高 - 【請求項3】 請求項1の親水性処理による親水性物質
被膜により制御されることを特徴とするヒートパイプ型
伝熱装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000156432A JP3416731B2 (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 伝熱装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000156432A JP3416731B2 (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 伝熱装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001336890A JP2001336890A (ja) | 2001-12-07 |
JP3416731B2 true JP3416731B2 (ja) | 2003-06-16 |
Family
ID=18661227
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000156432A Expired - Lifetime JP3416731B2 (ja) | 2000-05-26 | 2000-05-26 | 伝熱装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3416731B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10006420B2 (en) | 2012-10-15 | 2018-06-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Storage tank for liquefied fuel |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100344931C (zh) * | 2003-12-05 | 2007-10-24 | 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 | 热管 |
CN1318818C (zh) * | 2003-12-13 | 2007-05-30 | 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 | 热管及其制备方法 |
US7011145B2 (en) * | 2004-07-12 | 2006-03-14 | Industrial Technology Research Institute | Method for enhancing mobility of working fluid in liquid/gas phase heat dissipating device |
EP2003944A4 (en) | 2006-03-06 | 2011-06-22 | Univ Tokyo Sci Educ Found | METHOD AND APPARATUS FOR BOILING COOLING, FLOW CHANNEL STRUCTURE AND PRODUCTS THEREOF |
JP2009040803A (ja) * | 2007-08-06 | 2009-02-26 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 伝熱媒体 |
JP2012189260A (ja) * | 2011-03-10 | 2012-10-04 | Kiko Kagi Kofun Yugenkoshi | 親水性化合物薄膜を有する放熱ユニットおよび親水性化合物薄膜沈積方法 |
JP2017035953A (ja) * | 2015-08-07 | 2017-02-16 | 株式会社フジクラ | 車両用空調装置 |
CN108775751B (zh) * | 2018-08-07 | 2024-04-30 | 西安西热节能技术有限公司 | 一种用于增强凝汽器换热效率的水-酒精混合物循环系统 |
-
2000
- 2000-05-26 JP JP2000156432A patent/JP3416731B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10006420B2 (en) | 2012-10-15 | 2018-06-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Storage tank for liquefied fuel |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001336890A (ja) | 2001-12-07 |
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