JP4771964B2 - ループ型ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプの改良、詳しくは、熱伝達性が飛躍的に向上し、かつ、作動温度範囲の拡大も可能で、しかも、構造も非常に簡単なループ型ヒートパイプに関するものである。

周知のとおり、熱交換器や冷却装置等において離れた場所に高速に熱を伝える手段としてヒートパイプが一般的に使用される。

そして、このようなヒートパイプとしては、従来において、内面にウィックが設けられた収容容器に熱媒体液を封入して構成し、容器下部で熱媒体液を加熱して蒸発させ、上昇した蒸気を容器上部の放熱部で凝縮させた後、その凝縮液を毛細管力及び重力によりウィック内を下降させて加熱部に還流することによって熱移送を行う単管構造のヒートパイプが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の単管型ヒートパイプでは毛管作用を利用していたため、熱媒体液の輸送量に限界があり、この限界を越えて加熱が行われると加熱部がドライアウトを起こして循環力が急速に低下し、熱伝達性能が急激に悪化してしまうという難点があった。

加えて、収容容器にウィックを内設したヒートパイプは構造が複雑になり易く、生産性の面でも不満があった。

一方、従来においては、環状の収容容器に気相領域を残した状態で熱媒体液を収容し、加熱部で熱媒体液を蒸発させることにより気相領域で蒸気流を発生させ、次いで、その蒸気を凝縮して熱媒体液を液相領域に還流することにより熱輸送を行うループ構造のヒートパイプも公知となっている（例えば、特許文献２参照）。

ところが、このようなループ型ヒートパイプにおいては、気相と液相の分離膜が必要となるなど、装置の複雑性が増し熱媒体の循環速度にも限界があり、また、加熱部と放熱部の温度差が小さい場合においては熱輸送性の低下が顕著に見られる。

また、従来においては、ループ構造の収容容器に蒸気圧の異なる２種の熱媒体液を充填封入し、加熱により容器内で熱媒体液を循環させることによって、加熱部で予熱した熱媒体液の顕熱を放熱部で放出して熱輸送を行うヒートパイプも公知となっている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、上記の従来技術においては、管内に閉塞された気体が停留できる条件が必要であるため、管径を約５mm程度以下に細くしなければならず、又、逆止弁の設置や外部からの液循環手段の利用が不可欠となり、熱媒体液を高速に循環させることができず、満足できる熱輸送性を得ることができなかった。
特開２０００−１７１１８１号公報（第２−７頁、第１〜９図） 特開２０００−１８００７８号公報（第２−８頁、第１図） 特開平１−１１１１９７号公報（第２−１５頁、第１〜７図）

本発明は、上記の如き問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、外部エネルギーの補助を受けることなく自動的に気体、液体およびそれらの混合した気液二層の熱媒体の循環作動可能な熱輸送手段であって、ボトムヒートにおける熱輸送性を飛躍的に向上させることができ、作動温度範囲の拡大も可能で、しかも、構造が簡単であって生産性も非常に高いループ型ヒートパイプを提供することにある。

本発明者が、上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。

即ち、熱媒体液11が減圧封入された環状パイプ１であって、当該環状パイプ１は、下部に加熱機構に連繋される受熱管部12を備え、かつ、上部に放熱管部13を備えて構成する一方、前記受熱管部12と放熱管部13は昇降管部14a・14bにて連通されて、受熱時において前記熱媒体液11が当該環状パイプ１内を循環可能とし、かつ、前記環状パイプ１の受熱管部12には、内壁上面の一部が管の肉厚以上に上向きに膨出した蒸気膨張室Ｅ及び当該蒸気膨張室Ｅから放出される気泡Ｂを上昇管部14aへと誘導せしめる傾斜部が設けられると共に、放熱管部13にも、上向きに膨出する蒸気収縮室Ｓを形成した点に特徴がある。

また、本発明においては、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、環状パイプ１に収容する熱媒体液11に界面活性剤を添加して起泡性が増大されているという技術的手段を採用することができる。

また、本発明においては、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、環状パイプ１の下降管部14bに上昇管部14aよりも管径が大きい管状部材を使用するという技術的手段を採用することができる。

また、本発明においては、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、環状パイプ１における受熱管部12と放熱管部13とに上昇管部14a及び下降管部14bを複数配設するという技術的手段を採用することができる。

また、本発明においては、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、環状パイプ１において受熱管部12の蒸気膨張室Ｅ内に沸騰石Ｆまたは極細毛管を丸めて成る塊状物を付設するという技術的手段を採用することができる。

本発明では、受熱管部を下部に備え、かつ、放熱管部を上部に備えた環状パイプに熱媒体液を真空封入し、受熱管部を加熱した際に蒸気膨張室から上昇管部下部に放出された気泡の上昇力により熱媒体液が環状パイプ内を循環するように構成したことによって、封入する液体の量を全管内容積の90％以上にまで増すことも可能であり、そのためドライアウトを引き起こす心配がなく、また、下降管部の管径を上昇管部よりも大きくすることにより、放熱管部から受熱管部への液の下降が容易となり、従来密閉サイフォン等で問題となる液の上部停留（フラッディング）も回避できた。その結果として加熱温度が不要に制限されない機能性に優れたループ型ヒートパイプを完成させた。

さらに、環状パイプの受熱管部において上方に膨出した蒸気膨張室を設けたことによって、受熱管部を加熱した際、室内の蒸気が熱膨張を起こして過剰になった蒸気が上昇管下部の熱媒体液中に気泡として放出され、この放出された気泡が浮力により気泡ポンプの役割を果たして熱媒体液の循環推進力を促進するため、熱輸送性を格段に向上することが可能となる。

なお、環状パイプの放熱管部には、受熱管部で発生した気泡を収容して収縮させる蒸気収縮室を設けていることから、この蒸気収縮室が減圧タンクの効果を奏して加熱した際に環状パイプ内の圧力が過剰に増大することを防止している。

加えて、環状パイプの放熱管部に設けた蒸気収縮室内を、受熱管部と放熱管部の温度差に合わせて熱媒体液が適度な割合で満たすことにより、環状パイプ内を循環する熱媒体液の流量の自動調節を行うこともできる。

また、本発明におけるヒートパイプは構造が極めて簡単であり、液循環の方向性を決めたり液を起動したりするための外部からの補助操作も全く必要としない。さらに、液の逆止弁や気液分離膜なども必要としないことから製造も非常に容易となる。

したがって、本発明により、高効率の熱輸送性及び優れた機能性を兼ね備え、生産性も極めて高いヒートパイプを提供することができることから、本発明の実用的利用価値は頗る高い。

『実施例１』
まず、本発明の実施例１について、図１に基いて詳細に説明する。まず、符号１で指示するものは、環状パイプである。

以下、本実施例の構成を詳しく説明する。まず、本実施例においては、熱媒体液11を収容するガラス及びステンレス製の環状パイプ１を、下部に加熱機構Ｈと連繋する受熱管部12を備え、かつ、上部には放熱管部13を備えると共に、受熱管部12と放熱管部13とを昇降管部14a・14bで連通して作製した（図１参照）。

この際、環状パイプ１の受熱管部12には上方に膨出した蒸気膨張室Ｅを設ける一方、環状パイプ１の放熱管部13にも上方に膨出した蒸気収縮室Ｓを形成した。

そして、環状パイプ１内に熱媒体液11である水を低沸点となる真空状態に減圧封入して全体を構成した。なお、熱媒体液11としてはエチルアルコールを用いることもできる。

上記のように構成したことによって、加熱機構Ｈを用いて環状パイプ１の受熱管部12を加熱し、冷却機構Ｃで放熱管部13を冷却すれば、蒸気膨張室Ｅより連続的に上昇管部14a下部に供給される気泡が上昇管部14a内の上昇する気泡ポンプ作用と放熱管部12における蒸気の凝縮による体積減少による圧力低下を推進力として熱循環液11が上昇管部14a及び下降管部14bを通り環状パイプ１内を循環するため、毛管作用は不要となり加熱温度の不要な制限を受けることなくヒートパイプの作動温度範囲を拡大することができる。

なお、上記の受熱管部12で生じた気泡Ｂの内、ある程度の割合は下降管14中にも流れることも起り得るが、気泡Ｂは放熱管部13で収縮して微小化されるため、循環速度に大きな影響を及ぼすことはない。

また、環状パイプ１の放熱管部13に設けた蒸気収縮室Ｓが減圧タンクの効果を奏して加熱により環状パイプ１内の圧力が過剰に増大することを防止することができる。

加えて、環状パイプ１の放熱管部13に設けた蒸気収縮室Ｓ内を、受熱管部12と放熱管部13の温度差に合わせて熱媒体液11が適度な割合で満たすことにより、環状パイプ１内を循環する熱媒体液11の流量の自動調節を行うことも可能となる。

そして更に、上記構成から成るヒートパイプは構造が極めて簡単であって、外部からの補助操作も全く必要としない構造であることから製造が非常に容易となり、生産性の向上を図ることもできる。

そしてまた、環状パイプ１に収容する熱媒体液11には、界面活性剤である脂肪酸塩を添加したことにより起泡性が向上して、気泡Ｂの発生が促進され気泡ポンプの効果を飛躍的に向上することができる。

加えて、界面活性剤の添加で気泡Ｂの発生を促進することによって、上昇管部14a中の気泡数密度を高めることも可能となるため、熱媒体液11の流量を増加するために上昇管部14aの管径を数センチメートル以上にまで拡大しても、気泡ポンプの効果が容易に失われることはない。

また、本実施例では、蒸気膨張室Ｅ内部に沸騰石Ｆを付設したことによって、突沸が抑制されて装置始動時における蒸気発生が抵抗なく起り、特に装置サイズを小さくした場合にあっては瞬時に気泡ポンプ作用が起って熱移動が極めて有効に開始した。

なお、上記沸騰石Ｆの代用物としては、極細毛管を丸めて成る塊状物等を使用することもできる。

『実施例２』
次に、本発明の実施例２について図２に基いて以下に説明する。本実施例では、環状パイプ１の上昇管部14aとして下降管部14bよりも管径が小さい管状部材を使用したことにより、受熱管部12を加熱した際における上昇管部14aにおける気泡ポンプ作用が強くなるとともに、放熱管部13から下降管14bへの流入抵抗が低減して、熱媒体液11の上部停留（フラッディング）を回避することができる（図２参照）。

そして、環状パイプ１に封入する熱媒体液11には、水よりも沸点の低いエチルアルコールを使用したことにより、離脱気泡の発生温度を低下させて低温度域かつ低温度差の加熱における熱輸送量を向上することができる。

『実施例３』
次に、本発明の実施例３について図３に基いて以下に説明する。本実施例では、環状パイプ１における受熱管部12と放熱管部13とに複数の上昇管部14a・14aを配設したことによって、気泡ポンプによる熱媒体液11の循環促進力を更に向上させて、より高速な熱伝達性能を実現した（図３参照）。

『実施例４』
次に、本発明の実施例４について図４に基いて以下に説明する。本実施例では、環状パイプ１の受熱管部12と放熱管部13とを複数の上昇管部14a・14a…及び下降管部14b・14b…で接続して構成したことにより、受熱領域を増加させて大量の熱輸送を行うことができるため、ヒートパイプとしての用途の拡大を図ることが可能となる（図４参照）。

また、本実施例では、環状パイプ１の受熱管部12に設けた蒸気膨張室Ｅの基部を細く形成したため、蒸気膨張室Ｅから小径の気泡Ｂが大量に放出されることとなり、上昇管部14a内の気泡数密度を向上することができる。

本発明は、概ね上記のように構成されるが、図示の実施形態に限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、環状パイプ１に充填収容する熱媒体液11には、水やエチルアルコールだけでなく、使用に適した液体であれば低融点金属等、何れを採用してもよく、環状パイプ１に関しても受熱管部12が放熱管部13よりも下方に配置されていれば、様々な形態で作製することができる。

また、環状パイプ１の熱媒体液11に添加する界面活性剤には、脂肪酸塩だけでなく、陰イオン系、陽イオン系、非イオン系、及び両性イオン系の界面活性剤の中から適宜選択して使用することができ、更に、冷却機構Ｃとしては、吸熱機構やファン等の放熱促進機構を採用することができる。

そしてまた、上昇管部14a内に有効に気泡が連続して供給されれば蒸気膨張室Ｅの数や形態、設置位置を変更してもよく、また、熱媒体液11の流速を制御する目的および流れを外部から感知する目的で上昇管部14aや下降管部14bに流れにつれて動く小球などを封入してもよく、何れも本発明の技術的範囲に属する。

近年においては、自動車のエンジンの冷却や屋根の融雪、工場廃熱の処理などで必要となる熱輸送手段として高速性に優れたヒートパイプが幅広く利用されており、特に最近では、電子機器の局所冷却においてヒートパイプの利用が活発化していることから、高機能で大量生産可能なヒートパイプの開発が産業上の大きな課題となっている。

そのような中で、本発明のループ型ヒートパイプは、効率性の高い熱輸送を実現するだけでなく、機能性の向上及び生産面での実用性をも考慮して為された用途幅が広い極めて有用な技術であることから、市場における需要は大きく、本発明の産業上の利用価値は非常に高いと云える。

本発明の実施例１におけるループ型ヒートパイプを表わした説明断面図である。 本発明の実施例２におけるループ型ヒートパイプを表わした説明断面図である。 本発明の実施例３におけるループ型ヒートパイプを表わした説明断面図である。 本発明の実施例４におけるループ型ヒートパイプを表わした説明断面図である。

符号の説明

１ 環状パイプ
11 熱媒体液
12 受熱管部
13 放熱管部
14a 上昇管部
14b 下降管部
Ｈ 加熱機構
Ｃ 冷却機構
Ｅ 蒸気膨張室
Ｓ 蒸気収縮室
Ｂ 気泡
Ｆ 沸騰石

Claims (5)

1. 熱媒体液11が減圧封入された環状パイプ１であって、当該環状パイプ１は、下部に加熱機構Ｈに連繋される受熱管部12を備え、かつ、上部には放熱管部13を備えて構成される一方、前記受熱管部12と放熱管部13は昇降管部14a・14bにて連通されて、受熱時において前記熱媒体液11及びその蒸気が当該環状パイプ１内を循環可能であり、かつ、前記環状パイプ１の受熱管部12には、内壁上面の一部が管の肉厚以上に上向きに膨出した蒸気膨張室Ｅ及び当該蒸気膨張室Ｅから放出される気泡Ｂを上昇管部14aへと誘導せしめる傾斜部が設けられると共に、放熱管部13にも、上向きに膨出する蒸気収縮室Ｓが形成されていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 環状パイプ１に収容する熱媒体液11に界面活性剤を添加して起泡性が増大されていることを特徴とする請求項１記載のループ型ヒートパイプ。
3. 環状パイプ１の下降管部14bに上昇管部14aよりも管径が大きい管状部材が使用されていることを特徴とする請求項１または２に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 環状パイプ１における受熱管部12と放熱管部13とに上昇管部14a及び下降管部14bが複数配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のループ型ヒートパイプ。
5. 環状パイプ１において受熱管部12の蒸気膨張室Ｅ内に沸騰石Ｆまたは極細毛管を丸めて成る塊状物が付設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のループ型ヒートパイプ。

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