JP4998933B2 - Heat transfer system - Google Patents

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Description

本明細書は、周期的熱交換システムにおいて使用するための熱伝達システムに関する。   This specification relates to a heat transfer system for use in a periodic heat exchange system.

本出願は、参考文献としてここ組み入れられた2002年10月28日付け特許文献1の恩典を請求する。   The present application claims the benefit of US Pat.

2003年10月28日付け特許文献2(「周期的熱交換システム用の熱伝達システム(HEAT TRANSFER SYSTEM FOR A CYCLICAL HEATE EXCHANGE SYSTEM)」)が、参考文献としてここに組み入れられる。   US Pat. No. 6,099,033 (“HEAT TRANSFER SYSTEM FOR A CYCLICAL HEATE EXCHANGE SYSTEM”) dated Oct. 28, 2003, is incorporated herein by reference.

本出願は、同様に参考文献としてここに組み入れられた2003年10月2日付け特許文献4に先行して請求された特許文献3(2003年10月2日付け実用新案出願「熱伝達システム用蒸発器(EVAPORATOR FOR HEAT TRANSFER SYSTEM)」)の一部継続出願である。   The present application is similar to that of Patent Document 3 (prior to Patent Document 3 dated October 2, 2003, "Application for Heat Transfer System", which was claimed prior to Patent Document 4 dated October 2, 2003, which was incorporated herein by reference. It is a continuation-in-part application of an evaporator (EVAFORATOR FOR HEAT TRANSFER SYSTEM).

本出願は、2002年6月24日付け特許文献6の恩恵を請求しかつ2000年6月30日付け特許文献8の恩恵を請求する2001年6月29日付け特許文献7の一部継続出願である2003年6月24日付け特許文献5の一部継続出願である。   This application is a continuation-in-part of Patent Document 7, dated June 29, 2001 claiming the benefit of Patent Document 6, dated June 24, 2002 and claiming the benefit of Patent Document 8, dated June 30, 2000. This is a continuation-in-part application of Patent Document 5 dated June 24, 2003.

熱伝達システムは、ある位置(熱源)から別の位置(ヒートシンク)に熱を輸送するために使用される、熱伝達システムは、地球上又は地球外での用途に使用することができる。例えば、熱伝達システムは、ゼロ重力環境又は低重力環境内で作動する衛星用設備に組み込むことができる。別の例としては、熱伝達システムは作動中に低温であることが要求されることの多い電子設備において使用することができる。   A heat transfer system is used to transport heat from one location (heat source) to another location (heat sink). The heat transfer system can be used for on- or off-earth applications. For example, the heat transfer system can be incorporated into a satellite installation that operates in a zero or low gravity environment. As another example, a heat transfer system can be used in electronic equipment that is often required to be cold during operation.

ループヒートパイプ(LHP)及び毛管ポンプループ(CPL)は受動的な2相形の熱伝達システムである。各が、熱源と熱的に結合された蒸発器、ヒートシンクと熱的に結合された凝縮器、蒸発器と凝縮器との間を流れる流体、及び流体の膨張のための流体容器を備える。熱伝達システム内の流体は作動流体と呼ぶことができる。蒸発器は、1次ウィック及び流体の流路を有するコアを備える。蒸発器により獲得された熱は凝縮器に輸送されそこで放散される。これらのシステムは、蒸発器から凝縮器に至り蒸発器に戻る作動流体の循環を推進するために、蒸発器内の細孔ウィック内で発生する毛管圧力を利用する。LHPとCPLとの間を区別する第1の特徴は、運転中にループから排出される余分の流体の貯蔵に使用されるループの容器の位置である。一般に、CPLの容器は蒸発器から遠くに置かれ、一方、LHPの容器は蒸発器と同じ場所に置かれる。
米国暫定特許出願第60/421,737号 明細書 米国暫定特許出願(番号不記載) 米国実新出願(番号不記載) 米国特許第60/415,424号 明細書 米国特許出願第10/602,022号 明細書 米国暫定特許出願第60/391,006号 明細書 米国特許出願第09/896,561号 明細書 米国暫定特許出願第60/215,588号 明細書 米国特許第6,382,309号 明細書
The loop heat pipe (LHP) and capillary pump loop (CPL) are passive two-phase heat transfer systems. Each comprises an evaporator thermally coupled with a heat source, a condenser thermally coupled with a heat sink, a fluid flowing between the evaporator and the condenser, and a fluid container for expansion of the fluid. The fluid in the heat transfer system can be referred to as the working fluid. The evaporator includes a core having a primary wick and a fluid flow path. The heat gained by the evaporator is transported to the condenser where it is dissipated. These systems utilize the capillary pressure generated in the pore wick in the evaporator to drive the circulation of the working fluid from the evaporator to the condenser and back to the evaporator. The first feature that distinguishes between LHP and CPL is the location of the container of the loop used to store excess fluid that is drained from the loop during operation. Generally, the CPL container is placed far from the evaporator, while the LHP container is placed in the same location as the evaporator.
US Provisional Patent Application No. 60 / 421,737 Specification US provisional patent application (number not shown) US new application (no number) U.S. Patent No. 60 / 415,424 US patent application Ser. No. 10 / 602,022 US Provisional Patent Application No. 60 / 391,006 US patent application Ser. No. 09 / 896,561 US Provisional Patent Application No. 60 / 215,588 Specification US Pat. No. 6,382,309 Specification

一般的な一態様においては、周期的熱交換システム用の熱伝達システムは、周期的熱交換システムのある一部分に結合されるように構成された壁及びこの壁に結合された1次ウィックを有する蒸発器、並びに作動流体を収容する閉ループを形成するように蒸発器に結合された凝縮器を備える。   In one general aspect, a heat transfer system for a periodic heat exchange system has a wall configured to be coupled to a portion of the periodic heat exchange system and a primary wick coupled to the wall. An evaporator and a condenser coupled to the evaporator to form a closed loop that contains the working fluid are provided.

蒸発器には以下の態様の一以上が含まれる。例えば、凝縮器は蒸気入り口及び液体出口を有し、熱伝達システムは蒸気出口と蒸気入り口との間を連通させる蒸気管路、及び液体出口と液体入り口との間を連通させる液体戻り管路を備える。   The evaporator includes one or more of the following aspects. For example, the condenser has a vapor inlet and a liquid outlet, and the heat transfer system has a vapor line that communicates between the vapor outlet and the vapor inlet, and a liquid return line that communicates between the liquid outlet and the liquid inlet. Prepare.

蒸発器は、液体障壁の内側に作動流体を収容している液体障壁を備え、この作動流体は液体障壁の内側に沿ってのみ流れ、1次ウィックが加熱された壁と液体障壁の内側との間に位置決めされる。更に、蒸発器は、1次ウィックと加熱された壁との間に置かれかつ蒸気出口に伸びている蒸気排出通路、及び液体障壁と1次ウィックとの間に置かれかつ液体入り口から液体を受け入れる液体流路を備える。   The evaporator comprises a liquid barrier containing a working fluid inside the liquid barrier, the working fluid flowing only along the inside of the liquid barrier and between the wall where the primary wick is heated and the inside of the liquid barrier. Positioned between. In addition, the evaporator is located between the primary wick and the heated wall and extends to the vapor outlet, and the vapor discharge passage is located between the liquid barrier and the primary wick and draws liquid from the liquid inlet. A liquid flow path is provided.

作動流体は、熱伝達システムを経て受動的に動かされる。   The working fluid is passively moved through the heat transfer system.

作動流体は、外部ポンプを使用することなしに熱伝達システムを通して動かされる。   The working fluid is moved through the heat transfer system without using an external pump.

熱伝達システム内の作動流体は、作動流体が蒸発器、凝縮器、蒸気管路、及び液体戻り管路の1個以上を通過するとき又はその中にあるとき、液体と蒸気との間で変化する。   The working fluid in the heat transfer system varies between liquid and vapor when the working fluid passes through or is in one or more of the evaporator, condenser, vapor line, and liquid return line. To do.

作動流体は受動的に熱伝達システムを通過して動かされる。   The working fluid is moved passively through the heat transfer system.

作動流体は、ウィックの使用により熱伝達システムを通して動かされる。   The working fluid is moved through the heat transfer system through the use of a wick.

熱伝達システムは、周囲環境に熱を排出するように凝縮器と熱的に結合されたフィンを更に備える。   The heat transfer system further comprises fins that are thermally coupled to the condenser to discharge heat to the surrounding environment.

別の一般的な態様においては、熱力学システムは、周期的熱交換システム、及び周期的熱交換システムのある部分を冷却するために周期的熱交換システムに結合された熱伝達システムを備える。熱伝達システムは、周期的熱交換システムのある部分に結合されるように構成された壁、及びこの壁に結合された1次ウィック、及び作動流体を収容する閉ループを形成するように蒸発器に結合された凝縮器を備える。   In another general aspect, a thermodynamic system comprises a periodic heat exchange system and a heat transfer system coupled to the periodic heat exchange system to cool a portion of the periodic heat exchange system. The heat transfer system is connected to the evaporator to form a wall configured to be coupled to a portion of the periodic heat exchange system, a primary wick coupled to the wall, and a closed loop containing the working fluid. With a coupled condenser.

実施例には、以下の特徴の一つ以上が含まれる。蒸発器が周期的熱交換システムと一体化される。蒸発器が周期的熱交換システムの部分と熱的に結合される。周期的熱交換システムがスターリング熱交換システムを備える。周期的熱交換システムが冷凍システムを含む。熱伝達システムが周期的熱交換システムの高温側に結合される。熱力学システム熱伝達システムが周期的熱交換システムの低温側に結合される。   Examples include one or more of the following features. An evaporator is integrated with the periodic heat exchange system. An evaporator is thermally coupled to parts of the periodic heat exchange system. The periodic heat exchange system comprises a Stirling heat exchange system. The periodic heat exchange system includes a refrigeration system. A heat transfer system is coupled to the hot side of the periodic heat exchange system. A thermodynamic system heat transfer system is coupled to the cold side of the periodic heat exchange system.

別の一般的態様においては、方法は上述のシステムを利用する。   In another general aspect, the method utilizes the system described above.

蒸発器は、地球上又は地球外の用途における使用のために適宜の2相熱伝達システムにおいて使用することができる。例えば、熱伝達システムは、運転中又はレーザーダイオード応用の際に冷却を要することの多い電子設備において使用することができる。   The evaporator can be used in a suitable two-phase heat transfer system for use in terrestrial or extraterrestrial applications. For example, heat transfer systems can be used in electronic equipment that often requires cooling during operation or during laser diode applications.

熱源が平面として形成された適宜の熱伝達システムにおいては、平面形の蒸発器を使用することができる。熱源が円筒面として形成された適宜の熱伝達システムにおいては環状の蒸発器を使うことができる。   In a suitable heat transfer system in which the heat source is formed as a plane, a planar evaporator can be used. An annular evaporator can be used in any suitable heat transfer system in which the heat source is formed as a cylindrical surface.

環状蒸発器を使用する熱伝達システムは、地球上の用途に使用されたとき重力の利点を得ることができ、従って量産についてはLHPが適切である。地球上での用途は、熱の獲得面及びヒートシンクの方向を指定することが多く、環状の蒸発器が重力内での運転に有利である。   A heat transfer system using an annular evaporator can gain the advantage of gravity when used in terrestrial applications, and therefore LHP is appropriate for mass production. Earth applications often specify the heat capture surface and the direction of the heat sink, and an annular evaporator is advantageous for operation in gravity.

熱伝達システムは、熱伝達システムの蒸発器と熱伝達システムにより冷却される熱交換システムの部分とが熱的及び空間的に結合されるため、周期的熱交換システムを冷却するための熱的に効率よくかつ空間的に効率のよいシステムを提供する。例えば、(熱源としも知られる)冷却すべき部分が円柱状である場合は、熱伝達システムは環状の蒸発器を備えることができる。熱伝達システムの使用は、円筒状の熱交換システムの活用を可能とし、これによりキャビネットを冷却するための商業的な実際用途における使用が可能となる。   The heat transfer system is thermally coupled to cool the periodic heat exchange system because the evaporator of the heat transfer system and the part of the heat exchange system cooled by the heat transfer system are thermally and spatially coupled. To provide an efficient and spatially efficient system. For example, if the part to be cooled (also known as a heat source) is cylindrical, the heat transfer system can comprise an annular evaporator. The use of a heat transfer system allows the use of a cylindrical heat exchange system, which allows it to be used in commercial practical applications for cooling cabinets.

周期的熱交換システムの熱源に対する蒸発器又は凝縮器の一体式の組み込みは、パッケージ寸法を最小にすることができる。一方、蒸発器又は凝縮器が熱源上にクランプされる場合は、部品の配置及び交換が容易である。   Integrated integration of the evaporator or condenser into the heat source of the periodic heat exchange system can minimize package dimensions. On the other hand, if the evaporator or condenser is clamped on the heat source, the placement and replacement of parts is easy.

熱伝達システムは、例えばフリーピストン方式のスターリングサイクルのような円筒状構造を有する周期的熱交換システムを冷却するために使用することができる。熱伝達システムは、等しく効率的にパッケージされた環状の凝縮器組立体への又はここからの効率的な流体管路連結(一方の蒸気相及び半冷却された液体戻り管路の連結具)を提供する。   The heat transfer system can be used to cool a periodic heat exchange system having a cylindrical structure, such as a free piston Stirling cycle. The heat transfer system provides an efficient fluid line connection (one vapor phase and semi-cooled liquid return line connection) to or from an annular condenser assembly that is equally efficiently packaged. provide.

熱伝達システムは、波形フィン材料のような広い空気熱交換面が取り付けられた環状断面に形成された平面型凝縮器のように効率的にパッケージされた凝縮器を組み入れる。   The heat transfer system incorporates a condenser that is efficiently packaged, such as a planar condenser formed in an annular cross section with a wide air heat exchange surface attached, such as a corrugated fin material.

熱伝達システムは、スターリングサイクルの流体(ヘリウム)を最後のヒートシンク(周囲空気)に結合させるために、効果的な熱伝達機構(蒸発器及び凝縮器)を組み合わせる。必然的に、(例えば50%までの)スターリングサイクルの効率における大きな向上が提供される。   The heat transfer system combines an effective heat transfer mechanism (evaporator and condenser) to couple the Stirling cycle fluid (helium) to the final heat sink (ambient air). Naturally, a great improvement in the efficiency of the Stirling cycle (for example up to 50%) is provided.

熱伝達システムの蒸発器及び凝縮器は独立して設計できかつ最適化することができる。これにより、周期的熱交換システムに適宜の数を取り付ける選択が可能である。更に、熱伝達システムは、ウイックが蒸発器に組み込まれているため、重力の方向による影響を受けない。   The evaporator and condenser of the heat transfer system can be independently designed and optimized. This allows the option of attaching an appropriate number to the periodic heat exchange system. Furthermore, the heat transfer system is not affected by the direction of gravity because the wick is built into the evaporator.

熱伝達システムは、小パッケージの、冷蔵庫又は自動販売機のようなキャビネットに対して商業的に容認できる費用で効率的な冷却を提供する。   The heat transfer system provides efficient cooling at a commercially acceptable cost for a small package cabinet such as a refrigerator or vending machine.

一実施例によれば、周期的熱交換システム上に環状の蒸発器がクランプされ、そして組立及び保守を容易にするためにサーマルグリスにより熱的に結合される。別の実施例によれば、改良された熱効率を有する容易な組立を提供するために、周期的熱交換システム上に環状の蒸発器が締まり嵌めされる。更なる実施例によれば、更に改良された熱効率を提供するために環状の蒸発器が周期的熱交換システムと一体に形成される。   According to one embodiment, an annular evaporator is clamped on a periodic heat exchange system and is thermally coupled with thermal grease to facilitate assembly and maintenance. According to another embodiment, an annular evaporator is an interference fit over a periodic heat exchange system to provide easy assembly with improved thermal efficiency. According to a further embodiment, an annular evaporator is formed integrally with the periodic heat exchange system to provide further improved thermal efficiency.

熱伝達システムは、縮小されたパッケージ空間内で効率的に空気に熱を伝達するために、フィン付きの内側及び外側の環状部分を有する凝縮器を備える。凝縮器はロールによる曲げ又は押し出しにより形成することができる。   The heat transfer system includes a condenser having finned inner and outer annular portions to efficiently transfer heat to the air in a reduced package space. The condenser can be formed by bending or extruding with a roll.

本発明のループヒートパイプは、LHP蒸発器の伝統的な円筒状の形態を、環状に巻くことのできる平らな「平板」形状に適合させることにより円筒状冷凍機と共に効率的なパッケージを提供する。   The loop heat pipe of the present invention provides an efficient package with a cylindrical refrigerator by adapting the traditional cylindrical form of the LHP evaporator to a flat “flat” shape that can be rolled into an annulus. .

数種の実施例に関連して熱伝達システムのパッケージが説明されたが、これら実施例に限定すべきことを意味するものではない。家庭用冷蔵庫、自動販売機、又は店頭の冷凍装置のようなキャビネット冷却用の使用に関して説明されたが、本技術熟練者は、ここに説明された熱伝達システムを利用する小型で、ネネルギー効率がよくかつ環境に優しい冷凍装置の多くの別の有用な応用を認めるであろう。   Although heat transfer system packages have been described in connection with several embodiments, it is not meant to be limited to these embodiments. Although described with respect to the use of cabinet cooling such as home refrigerators, vending machines, or over-the-counter refrigeration systems, those skilled in the art will be small and energy efficient using the heat transfer system described herein. Many other useful applications of good and environmentally friendly refrigeration equipment will be appreciated.

その他の特徴及び長所は説明、図面及び請求項より明らかとなるであろう。   Other features and advantages will be apparent from the description, drawings, and claims.

上記のように、ループ・ヒート・パイプ(loop heat pipe:LHP)内では、リザーバー(reservoir)が蒸発器と共存している。それゆえ、リザーバーがヒート・パイプ状導管を通じて蒸発器に熱的にも流体的にも接続している。この方法で、リザーバーからの流体が蒸発器に送られるので、蒸発器の第一の芯は起動中に十分に濡れる又は「プライム(primed)」状態になることができる。さらに、LHPの設計でも、熱輸送システム内で蒸発器の定常状態中又は過渡的運転の間に、蒸発器の第一の芯から液体が無くなるのを低減している。さらに、不凝縮ガスの蒸気又は泡(NCGの泡)が、蒸発器のコア(core)からヒート・パイプ状導管を通ってリザーバーに放出される。   As described above, in the loop heat pipe (LHP), the reservoir coexists with the evaporator. Therefore, the reservoir is thermally and fluidly connected to the evaporator through a heat pipe conduit. In this way, the fluid from the reservoir is sent to the evaporator so that the first core of the evaporator can become fully wet or “primed” during activation. In addition, the LHP design also reduces the loss of liquid from the evaporator's first core during steady state or transient operation of the evaporator within the heat transport system. In addition, non-condensable gas vapors or bubbles (NCG bubbles) are discharged from the evaporator core through the heat pipe conduit to the reservoir.

従来のLHPは起動即ちLHPの蒸発器にパワー(power)を用いる前に、リザーバー内に液体が存在する必要がある。しかしながら、LHP内の作動流体がLHPの起動前に超臨界状態である場合、液体は起動前にリザーバー内に存在しないだろう。超臨界状態はLHPの温度が作動流体の臨界温度より高い状態である。流体の臨界温度とは、その流体が液体−蒸気の平衡状態を示すことができる最高温度である。例えば、もし、作動流体が低温流体、即ち、−150℃より低い沸点を持つ流体であれば、又は、もし、作動流体がサブ・アンビエント(sub−ambient)流体即ちLHPが運転している環境の温度を下回る沸点を有する流体の場合、LHPは超臨界状態になる。   Prior LHPs require liquid to be present in the reservoir before starting or using power to the LHP evaporator. However, if the working fluid in the LHP is in a supercritical state prior to activation of the LHP, no liquid will be present in the reservoir prior to activation. The supercritical state is a state where the temperature of the LHP is higher than the critical temperature of the working fluid. The critical temperature of a fluid is the highest temperature at which the fluid can exhibit a liquid-vapor equilibrium. For example, if the working fluid is a cryogenic fluid, i.e. a fluid with a boiling point lower than -150 <0> C, or if the working fluid is a sub-ambient fluid, i.e. an environment where the LHP is operating. For fluids with boiling points below temperature, LHP becomes supercritical.

従来のLHPは蒸発器に戻る液体がサブクール(subcooled)状態、即ち、作動流体の沸点より低い温度に冷却されていることが必要である。そのような制約により、LHPを周辺温度以下で運転することは実際的でない。例えば、もし、作動流体が低温流体である場合、LHPはその流体の沸点より高い温度を有する環境で運転する可能性がある。   Conventional LHP requires that the liquid returning to the evaporator be subcooled, that is, cooled to a temperature below the boiling point of the working fluid. Due to such constraints, it is not practical to operate the LHP below ambient temperature. For example, if the working fluid is a cryogenic fluid, the LHP may operate in an environment having a temperature above the boiling point of the fluid.

図1を参照すると、熱輸送システム100は従来のLHPの制約を克服するように設計されている。熱輸送システム100には、熱伝達システム105とプライミング・システム(priming system)110が含まれる。プライミング・システム110は熱伝達システム105内の流体を液体に変換するように構成されているので、熱伝達システム105のプライミングが行なわれる。この説明で用いる場合、「流体」の用語は飽和状態で平衡している液体及び蒸気の両方の物質を意味している一般的用語である。   Referring to FIG. 1, heat transport system 100 is designed to overcome the limitations of conventional LHP. The heat transport system 100 includes a heat transfer system 105 and a priming system 110. Since the priming system 110 is configured to convert the fluid in the heat transfer system 105 to a liquid, the heat transfer system 105 is primed. As used in this description, the term “fluid” is a generic term that refers to both liquid and vapor substances that are in equilibrium at saturation.

熱伝達システム105には主蒸発器115及びその主蒸発器115に液体配管125と蒸気配管130により接続している凝縮器120が含まれる。凝縮器120はヒート・シンク(heat sink)165に熱的に通じていて、主蒸発器115は熱源Qin116に熱的に通じている。さらに、システム105には必要な場合に追加の圧力閉じ込めになるように蒸気配管130に接続した高温リザーバー147も含まれている。特に、高温リザーバー147はシステム100の体積を高めている。もし、作動流体が臨界温度即ち作動流体が液体−蒸気の平衡状態を示せる最高温度より高い温度の場合、その圧力はシステム100の質量(充填量)に比例し、システムの体積に反比例する。高温リザーバー147の体積を増加すると、充填圧力が低くなる。   The heat transfer system 105 includes a main evaporator 115 and a condenser 120 connected to the main evaporator 115 by a liquid pipe 125 and a vapor pipe 130. The condenser 120 is in thermal communication with a heat sink 165 and the main evaporator 115 is in thermal communication with a heat source Qin 116. In addition, the system 105 includes a high temperature reservoir 147 connected to the steam line 130 to provide additional pressure confinement when needed. In particular, the high temperature reservoir 147 increases the volume of the system 100. If the working fluid is at a critical temperature or higher than the maximum temperature at which the working fluid can exhibit a liquid-vapor equilibrium, its pressure is proportional to the mass of the system 100 (filling amount) and inversely proportional to the volume of the system. Increasing the volume of the hot reservoir 147 decreases the filling pressure.

主蒸発器115には、内部にコア135が形成されている第一の芯140を収容するコンテナー117が含まれる。主蒸発器115にはバヨネット・チューブ(bayonete tube)142とコア135内の第二の芯135が含まれる。バヨネット・チューブ142、第一の芯140、第二の芯145が液体通路143、第一の蒸気通路144、第二の蒸気通路146を形成する。第二の芯145が相制御即ちコア135内の液体/蒸気の分離を行なう。これは特許文献7に論じている通りで、その全体を参照用に本出願書に組込んでいる。示されているように、主蒸発器115は3個のポート(ports)を有する。それは、液体通路143への液体入口137、第二の蒸気通路146から蒸気配管130への蒸気出口132、液体通路143からの流体出口139(及び多分以下で論じるように第一の蒸気通路144)である。3ポートの蒸発器の構造に関しては図5A及び5Bについて以下で詳細に論じている。   The main evaporator 115 includes a container 117 that houses a first core 140 in which a core 135 is formed. The main evaporator 115 includes a bayonet tube 142 and a second core 135 within the core 135. The bayonet tube 142, the first core 140, and the second core 145 form a liquid passage 143, a first vapor passage 144, and a second vapor passage 146. The second core 145 provides phase control or liquid / vapor separation within the core 135. This is as discussed in U.S. Patent No. 6,057,096, which is incorporated herein by reference in its entirety. As shown, the main evaporator 115 has three ports. It includes a liquid inlet 137 to the liquid passage 143, a vapor outlet 132 from the second vapor passage 146 to the vapor line 130, a fluid outlet 139 from the liquid passage 143 (and possibly the first vapor passage 144 as discussed below). It is. The structure of the three-port evaporator is discussed in detail below with respect to FIGS. 5A and 5B.

プライミング・システム110には、蒸気配管130に接続した第二又はプライミング蒸発器150及びその第二の蒸発器150と共存しているリザーバー155が含まれている。リザーバー155は第二の流体配管160と第二の凝縮器122により主蒸発器115のコア135に接続している。第二の流体配管160は主蒸発器115の流体出口139に接続している。さらに、プライミング・システム110には第二の蒸発器150と熱的に通じている制御された熱源Qsp151が含まれる。   The priming system 110 includes a second or priming evaporator 150 connected to the steam line 130 and a reservoir 155 coexisting with the second evaporator 150. The reservoir 155 is connected to the core 135 of the main evaporator 115 by the second fluid pipe 160 and the second condenser 122. The second fluid pipe 160 is connected to the fluid outlet 139 of the main evaporator 115. In addition, the priming system 110 includes a controlled heat source Qsp 151 that is in thermal communication with the second evaporator 150.

第二の蒸発器150には、第一の芯190を収容するコンテナー152が含まれ、その第一の芯190の中にはコア185が形成されている。第二の蒸発器150には、バヨネット・チューブ153と第二の芯180が含まれ、それはコア185から導管175を通って、リザーバー155に伸びている。第二の芯180はリザーバー155と第二の蒸発器150の間の毛細管接続を行なっている。バヨネット・チューブ153、第一の芯190及び第二の芯180が流体配管160に接続した流体通路182、リザーバー155に接続した第一の蒸気通路181、蒸気配管130に接続している第二の蒸気通路183を形成している。リザーバー155は、液体通路182、第二の芯180、第一の蒸気通路181を経由して、第二の蒸発器150のコア185に熱的にも、流体的にも接続している。第二の蒸発器150のコア185からの蒸気及び(又は)NCGの泡が第一の蒸気通路181を通ってリザーバー155に排出される。又、凝縮できる液体はリザーバー155から第二の芯180を通って第二の蒸発器150に戻される。第一の芯190はコア185内から熱源Qsp151への液体に流体的に接続していて、第二の蒸発器150が加熱されたとき、第一の芯190の外面にある液体が蒸発して、第二の蒸気通路183内で蒸気を形成する。   The second evaporator 150 includes a container 152 that houses a first core 190, and a core 185 is formed in the first core 190. The second evaporator 150 includes a bayonet tube 153 and a second wick 180 that extends from the core 185 through the conduit 175 to the reservoir 155. The second wick 180 provides a capillary connection between the reservoir 155 and the second evaporator 150. The bayonet tube 153, the first core 190 and the second core 180 are connected to the fluid passage 182 connected to the fluid pipe 160, the first steam passage 181 connected to the reservoir 155, and the second pipe connected to the steam pipe 130. A steam passage 183 is formed. The reservoir 155 is thermally and fluidly connected to the core 185 of the second evaporator 150 via the liquid passage 182, the second core 180, and the first vapor passage 181. Vapor and / or NCG bubbles from the core 185 of the second evaporator 150 are discharged to the reservoir 155 through the first vapor passage 181. The condensable liquid is returned from the reservoir 155 to the second evaporator 150 through the second core 180. The first core 190 is fluidly connected to the liquid from the core 185 to the heat source Qsp151, and when the second evaporator 150 is heated, the liquid on the outer surface of the first core 190 evaporates. The steam is formed in the second steam passage 183.

リザーバー155は予冷しているので、冷却源により冷却され、加熱されなければ、熱伝達システム105が動作する温度より低い温度で動作できる。一実施例では、リザーバー155及び第二の凝縮器122は、凝縮器120に熱的に接続したヒート・シンク165に熱的に通じている。例えば、シャント(shunt)170を用いて、リザーバー155をヒート・シンク165に取付けられる。シャント170はアルミ又は熱伝導が良い材料から作られる。この方法で、リザーバー155の温度が凝縮器120の温度に追随する。   Since the reservoir 155 is pre-cooled, it can operate at a lower temperature than the temperature at which the heat transfer system 105 operates if it is cooled and not heated by a cooling source. In one embodiment, the reservoir 155 and the second condenser 122 are in thermal communication with a heat sink 165 that is thermally connected to the condenser 120. For example, the shunt 170 can be used to attach the reservoir 155 to the heat sink 165. The shunt 170 is made from aluminum or a material with good thermal conductivity. In this way, the temperature of the reservoir 155 follows the temperature of the condenser 120.

図2は、熱輸送システム100の実施例を示す。この実施例で、凝縮器120及び122がクライオクーラー(cryocooler)200に取付けられている。これは冷凍機として機能して、凝縮器120、122からヒート・シンク165に熱を伝える。さらに、図2の実施例では、熱輸送システム100の必要スペースを減らすために、配管125、130、160を巻いている。   FIG. 2 shows an embodiment of the heat transport system 100. In this embodiment, condensers 120 and 122 are attached to a cryocooler 200. This functions as a refrigerator and conducts heat from the condensers 120, 122 to the heat sink 165. Further, in the embodiment of FIG. 2, the pipes 125, 130, and 160 are wound in order to reduce the necessary space of the heat transport system 100.

図1及び2に示していないけれども、例えば、リザーバー155及び主蒸発器115のような要素には温度センサーを取付けていて、診断及び検査用に使用できる。   Although not shown in FIGS. 1 and 2, for example, elements such as the reservoir 155 and the main evaporator 115 are equipped with temperature sensors and can be used for diagnostics and testing.

さらに、図3を参照すると、システム100は熱源Qin116から熱を輸送するために、又、主蒸発器115が起動前に液体で濡らされるように手順300を実行する。熱伝達システム105が超臨界状態のときに手順300が特に有用である。手順300の開始前に、システム100に、「充填圧力」と呼ばれる特定の圧力で作動流体を充填する。   Still referring to FIG. 3, the system 100 performs the procedure 300 to transport heat from the heat source Qin 116 and so that the main evaporator 115 is wetted with liquid prior to activation. Procedure 300 is particularly useful when heat transfer system 105 is in a supercritical state. Prior to the start of the procedure 300, the system 100 is filled with a working fluid at a specific pressure called “filling pressure”.

最初に、リザーバー155は例えばそのリザーバー155をヒート・シンク165に取付けることにより予冷する(ステップ305)。リザーバー155は作動流体の臨界温度を下回る温度まで予冷して良い。論じているように、臨界温度はその作動流体が液体−蒸気の平衡状態を示せる最高温度である。例えば、流体がエタンの場合、臨界温度は33℃であり、リザーバー155を33℃未満に冷却する。リザーバー155の温度が作動流体の臨界温度を下回って低くなるので、リザーバー155は作動流体により形成された凝縮液で部分的に充填される。リザーバー155内の液体形成で、第二の蒸発器150の第二の芯180と第一の芯190を濡らす(ステップ310)。   Initially, the reservoir 155 is pre-cooled, for example, by attaching the reservoir 155 to the heat sink 165 (step 305). The reservoir 155 may be precooled to a temperature below the critical temperature of the working fluid. As discussed, the critical temperature is the highest temperature at which the working fluid can exhibit a liquid-vapor equilibrium. For example, if the fluid is ethane, the critical temperature is 33 ° C. and the reservoir 155 is cooled below 33 ° C. Since the temperature of the reservoir 155 is lowered below the critical temperature of the working fluid, the reservoir 155 is partially filled with the condensate formed by the working fluid. The liquid formation in the reservoir 155 wets the second wick 180 and the first wick 190 of the second evaporator 150 (step 310).

その一方で、熱伝達システム105内の流体の循環を促進又は開始するために熱源Qsp151からの熱を第二の蒸発器150に加えることにより、プライミング・システム110にパワーが加えられる(ステップ315)。第二の蒸発器150による発生蒸気は、第一の芯190と第二の蒸気通路183の間の境界での毛細管圧力により、蒸気配管130を通り、凝縮器120を通って送られる(ステップ320)。蒸気が凝縮器120に達すると、液体に転換される(ステップ325)。凝縮器120に形成された液体は熱伝達システム105の主蒸発器115に送られる(ステップ330)。主蒸発器115がその流体の臨界温度より高い温度のとき、主蒸発器115に入る液体が蒸発して、主蒸発器115を冷却する。このプロセス(ステップ315−330)は続いて、主蒸発器115が設定点温度に達する(ステップ335)。その設定点で、主蒸発器は液体を保持し、濡れて、毛細管ポンプとして動作できる。一実施例では、その設定点温度が、リザーバー155が冷却される温度である。他の実施例では、その設定点温度が作動流体の臨界温度を下回る温度である。別の実施例では、その設定点温度がリザーバー155が冷却される温度より高い温度である。   Meanwhile, power is applied to the priming system 110 by applying heat from the heat source Qsp 151 to the second evaporator 150 to facilitate or initiate the circulation of fluid in the heat transfer system 105 (step 315). . The vapor generated by the second evaporator 150 is sent through the vapor pipe 130 and through the condenser 120 by the capillary pressure at the boundary between the first core 190 and the second vapor passage 183 (step 320). ). When the vapor reaches the condenser 120, it is converted to a liquid (step 325). The liquid formed in the condenser 120 is sent to the main evaporator 115 of the heat transfer system 105 (step 330). When the main evaporator 115 is at a temperature higher than the critical temperature of the fluid, the liquid entering the main evaporator 115 evaporates and cools the main evaporator 115. This process (steps 315-330) continues with the main evaporator 115 reaching the set point temperature (step 335). At that set point, the main evaporator holds the liquid, gets wet, and can operate as a capillary pump. In one embodiment, the set point temperature is the temperature at which reservoir 155 is cooled. In other embodiments, the set point temperature is below the critical temperature of the working fluid. In another embodiment, the set point temperature is higher than the temperature at which the reservoir 155 is cooled.

設定温度に達した場合(ステップ335)、システム100はメイン・モード(main mode)で運転し(ステップ340)、メイン・モードでは主蒸発器115に用いられる熱源Qin116からの熱は熱伝達システム105により伝達される。特に、メイン・モードでは、主蒸発器115は毛細管によるポンプ作用を生じて、熱伝達システム105を通る作動流体の循環を促進する。さらに、メイン・モードでは、このリザーバー155の設定点温度を低くする。主蒸発器115の温度はリザーバー155の温度に密接に追随するので、メイン・モード中に熱伝達システム105が冷却する率はリザーバー155の予冷に依存する。さらに、求められてはいないけれども、メイン・モード中にリザーバー155の温度をさらに制御ないし調節するためにヒーター(heater)を使用できる。さらに、メイン・モードでは、熱源Qsp151により第二の蒸発器150に加えられるパワーが低減するので、熱伝達システム105を流体に対する通常運転温度に下げる。例えば、メイン・モードで、熱源Qsp151から第二の蒸発器150への熱負荷は以下に示す熱状態と等しいかそれを超える値で維持される。一実施例では、熱源Qspからの熱負荷は熱源Qin116から主蒸発器115に加えられる熱負荷の約5ないし10%に維持される。   When the set temperature is reached (step 335), the system 100 operates in the main mode (step 340), and heat from the heat source Qin 116 used for the main evaporator 115 is transferred to the heat transfer system 105 in the main mode. Is transmitted by. In particular, in the main mode, the main evaporator 115 is pumped by a capillary to facilitate the circulation of the working fluid through the heat transfer system 105. Further, in the main mode, the set point temperature of the reservoir 155 is lowered. Since the temperature of the main evaporator 115 closely follows the temperature of the reservoir 155, the rate at which the heat transfer system 105 cools during the main mode depends on the precooling of the reservoir 155. In addition, although not required, a heater can be used to further control or regulate the temperature of the reservoir 155 during the main mode. Further, in the main mode, the power applied to the second evaporator 150 by the heat source Qsp 151 is reduced, so that the heat transfer system 105 is lowered to the normal operating temperature for the fluid. For example, in the main mode, the heat load from the heat source Qsp151 to the second evaporator 150 is maintained at a value equal to or exceeding the heat state shown below. In one embodiment, the heat load from the heat source Qsp is maintained at about 5-10% of the heat load applied from the heat source Qin 116 to the main evaporator 115.

この特別な実施例では、メイン・モードは設定点温度に達したという決定により開始される(ステップ335)。他の実施例では、メイン・モードは他の時点又は他の開始要因により開始される。例えば、メイン・モードは、プライミング・システムが濡れた後(ステップ310)、又は、リザーバーが予冷された後(ステップ305)に開始される。   In this particular embodiment, the main mode is initiated by a determination that the set point temperature has been reached (step 335). In other embodiments, the main mode is initiated at other times or other initiation factors. For example, the main mode is initiated after the priming system is wet (step 310) or after the reservoir is pre-cooled (step 305).

運転中の任意の時点で、熱伝達システム105は、第一の芯140全域の熱状態及び液体配管125に加えられる寄生的熱から生じるような熱状態を経験することがある。両方の条件が蒸発器の液側に蒸気を形成させる。特に、第一の芯140の全域の熱状態はコア135内に液体を生じ、蒸気の泡を形成する。泡がコア135内に残されると、成長して、第一の芯140への液体供給を阻止するので、主蒸発器115の故障になる。液体配管125への寄生的熱の流入は(「寄生的熱ゲイン(gains)と呼ばれ)、液体配管125内の液体から蒸気を形成する。   At any point during operation, the heat transfer system 105 may experience a thermal condition that results from a thermal condition across the first core 140 and parasitic heat applied to the liquid piping 125. Both conditions cause vapors to form on the liquid side of the evaporator. In particular, the thermal condition across the first core 140 creates a liquid in the core 135 and forms a vapor bubble. If bubbles are left in the core 135, they will grow and prevent liquid supply to the first wick 140, resulting in a failure of the main evaporator 115. The inflow of parasitic heat into the liquid line 125 (referred to as “parasitic heat gains”) forms vapor from the liquid in the liquid line 125.

上記の熱状態の悪影響を低減するために、プライミング・システム110はその熱状態と寄生的熱ゲインの和以上のパワー・レベルQsp151で運転する。例えば、上記のように、プライミング・システム110は熱伝達システム105へのパワーの5ないし10%で運転できる。特に、第二の凝縮器122に通じる第二の流体配管160に送出するために、上記の泡と液体の混合体を含む流体をコア135から排出する。特に、コア135内に形成した蒸気がバヨネット・チューブ143の周囲を流体出口ポート139に直接移動する。第一の上記通路144内に形成した蒸気は、(第二の芯145の孔のサイズが蒸気の泡を受入れるのに十分な大きさの場合)第二の芯145を通って移動するか、又は、第一の蒸気通路144から出口ポート139への明白な通路になる出口ポート139付近にある第二の芯145の端部の開口部を通って移動することにより、流体出口ポート139に流れる。第二の凝縮器122は流体内の泡を凝縮し、熱伝達システム105に再導入するために、その流体をリザーバー155に押し込む。   In order to reduce the adverse effects of the above thermal conditions, the priming system 110 operates at a power level Qsp 151 that is greater than or equal to the sum of its thermal conditions and parasitic thermal gain. For example, as described above, the priming system 110 can operate at 5-10% of the power to the heat transfer system 105. In particular, the fluid containing the foam and liquid mixture is discharged from the core 135 for delivery to the second fluid line 160 leading to the second condenser 122. In particular, the vapor formed in the core 135 moves directly around the bayonet tube 143 to the fluid outlet port 139. The steam formed in the first passage 144 moves through the second core 145 (if the hole size of the second core 145 is large enough to accept the steam bubbles), or Alternatively, it flows to the fluid outlet port 139 by moving through an opening at the end of the second core 145 in the vicinity of the outlet port 139 that becomes an obvious passage from the first vapor passage 144 to the outlet port 139. . The second condenser 122 condenses the bubbles in the fluid and pushes the fluid into the reservoir 155 for reintroduction into the heat transfer system 105.

同様に、液体配管125への寄生的熱の流入を低減するために、第二の流体配管160と液体配管125を同軸配置とし、第二の流体配管160が液体配管125を囲んで、周囲の熱から絶縁する。この実施例は図8A及び8Bを参照して以下で詳細に論じている。この構成の結果として、周辺の熱が、液体配管125内の代わりに第二の流体配管160内に蒸気の泡を形成する可能性がある。論じられているように、第二の芯145で生じた毛管作用により、流体が主蒸発器115から第二の凝縮器122に流れる。この流体の流れと、第二の凝縮器122の温度が比較的低いことにより、第二の流体配管160内の蒸気の泡が凝縮器122を通り、そこで凝縮して液体になり、リザーバー155に送られる。   Similarly, in order to reduce the inflow of parasitic heat to the liquid pipe 125, the second fluid pipe 160 and the liquid pipe 125 are coaxially arranged, the second fluid pipe 160 surrounds the liquid pipe 125, Insulate from heat. This embodiment is discussed in detail below with reference to FIGS. 8A and 8B. As a result of this configuration, ambient heat may form vapor bubbles in the second fluid line 160 instead of in the liquid line 125. As discussed, fluid flows from the main evaporator 115 to the second condenser 122 due to capillary action that occurs in the second core 145. Due to the flow of this fluid and the temperature of the second condenser 122 being relatively low, the vapor bubbles in the second fluid line 160 pass through the condenser 122 where they condense into liquid and enter the reservoir 155. Sent.

図4には試験時のデータが示されている。この実施例では、時刻410で主蒸発器115の起動の前に、主蒸発器115の温度400が、設定点温度まで予冷(ステップ305)されているリザーバー155の温度405より有意に高い。プライミング・システム110が濡れているので(ステップ310)、パワーQsp450が時刻452で第二の蒸発器150に適用され(ステップ315)、液体が主蒸発器115に送られる(ステップ330)。主蒸発器115の温度400が時刻410にリザーバー155の温度405に達するまで低下する。パワーQin460が時刻462に主蒸発器115に適用される。そのときにシステム100がLHPモードで運転する(ステップ340)。示されているように、主蒸発器115が冷却されている間、主蒸発器115へのパワー入力Qin460が比較的低く保持される。さらに、第二の流体配管160と液体配管125の温度470及び475がそれぞれ示されている。時刻410の後で、温度470及び475がそれぞれ主蒸発器115の温度400に追随している。さらに、第二の蒸発器150及びリザーバー155の間の伝熱により、第二の蒸発器150の温度415はリザーバー155の温度405に密接に追随する。   FIG. 4 shows data at the time of the test. In this example, prior to activation of main evaporator 115 at time 410, temperature 400 of main evaporator 115 is significantly higher than temperature 405 of reservoir 155 that has been pre-cooled (step 305) to the set point temperature. Since the priming system 110 is wet (step 310), power Qsp 450 is applied to the second evaporator 150 at time 452 (step 315) and liquid is sent to the main evaporator 115 (step 330). The temperature 400 of the main evaporator 115 decreases until the temperature 405 of the reservoir 155 is reached at time 410. Power Qin 460 is applied to main evaporator 115 at time 462. At that time, the system 100 operates in the LHP mode (step 340). As shown, the power input Qin 460 to the main evaporator 115 is kept relatively low while the main evaporator 115 is cooled. Furthermore, the temperatures 470 and 475 of the second fluid line 160 and the liquid line 125 are shown, respectively. After time 410, temperatures 470 and 475 follow temperature 400 of main evaporator 115, respectively. Furthermore, due to heat transfer between the second evaporator 150 and the reservoir 155, the temperature 415 of the second evaporator 150 closely follows the temperature 405 of the reservoir 155.

述べられているように、一実施例では、熱伝達システム105内の流体としてエタンを使用することがある。上記に一般的に示された理由として、エタンの臨界温度が33℃であるけれども、システム100が70℃の温度で臨界状態から起動できる。パワーQspが第二の蒸発器150に適用されるので、凝縮器120とリザーバー155の温度が(時刻452と410の間で)急速に低下する。トリム・ヒーター(trim heater)を使用して、リザーバー155の、それゆえ、凝縮器120の温度を−10℃に制御できる。主蒸発器115を70℃の臨界温度から起動するために、10ワットの熱負荷又はパワー入力Qspが第二の蒸発器150に適用される。主蒸発器115が濡れると、熱源Qsp151から第二の蒸発器150へのパワー入力及びトリム・ヒーターに加えられたパワーの両方を低減して、システム100の温度を約−50℃の公称運転温度に下げる。例えば、メイン・モードの間、40ワットのパワー入力Qinが主蒸発器115に加えられている場合、−45℃で運転している間、第二の蒸発器150へのパワー入力Qasを約3ワットに低減して、(上記の)熱状態により失われる3ワットを軽減する。他の例として、主蒸発器115を約10ワットから約40ワットのパワー入力Qinで運転でき、5ワットを第二の蒸発器150に加え、リザーバー155の温度405を約−45℃とする。   As mentioned, in one embodiment, ethane may be used as the fluid in the heat transfer system 105. The reason generally indicated above is that the critical temperature of ethane is 33 ° C., but the system 100 can be started from the critical state at a temperature of 70 ° C. Since power Qsp is applied to the second evaporator 150, the temperature of the condenser 120 and reservoir 155 rapidly decreases (between times 452 and 410). A trim heater can be used to control the temperature of the reservoir 155 and hence the condenser 120 to -10 ° C. A 10 watt heat load or power input Qsp is applied to the second evaporator 150 to start the main evaporator 115 from a critical temperature of 70 ° C. When the main evaporator 115 gets wet, both the power input from the heat source Qsp 151 to the second evaporator 150 and the power applied to the trim heater are reduced to bring the temperature of the system 100 to a nominal operating temperature of about −50 ° C. To lower. For example, if a 40 watt power input Qin is applied to the main evaporator 115 during main mode, the power input Qas to the second evaporator 150 is approximately 3 while operating at -45 ° C. Reduce to watts to reduce the 3 watts lost due to thermal conditions (above). As another example, the main evaporator 115 can be operated with a power input Qin of about 10 watts to about 40 watts, 5 watts is added to the second evaporator 150, and the temperature 405 of the reservoir 155 is about -45 ° C.

図5A及び5Bを参照すると、一実施例では、主蒸発器115が(図1に示された設計の)3ポート型蒸発器500として設計されている。一般に、3ポート型蒸発器500では、第一の芯540により形成されたコア510への液体入口505に液体が流れる。又、コア510からの流体が流体出口512から(リザーバー155のような)予冷されたリザーバーに流れる。流体とコア510は例えばアルミで作られたコンテナー515内に収容されている。特に、液体入口505からコア510に流れる流体はそのバヨネット・チューブ520を通って又回りを流れる液体流路521に流れる。流体は芯材料530から作られた(蒸発器115の第二の芯145のような)第二の芯525と環状動脈535を通って流れることができる。その芯材料530が環状動脈535を第一の蒸気流路560から分離する。熱源Qin116からのパワーが蒸発器500に適用されるので、コア510からの液体が第一の芯540に入り、蒸発して、形成された蒸気が1以上の蒸気用溝545を含む第二の蒸気流路565に沿って自由に流れ、蒸気配管130への蒸気出口550から出る。コア510の第一の蒸気通路560内で形成された蒸気の泡はコア510から第一の蒸気通路560を通って流体出口512に出て行く。上記のように、第一の上記通路560内の蒸気の泡は、第二の芯525の孔のサイズが蒸気の泡を受入れるのに十分な大きさである場合、第二の芯525を通過しうる。代わりに又は追加的に、第一の蒸気通路560内の蒸気の泡が、第二の芯525に沿った適当な位置に形成された第二の芯525の開口部を通って液体通路521又は流体出口512に入る。   5A and 5B, in one embodiment, main evaporator 115 is designed as a three-port evaporator 500 (of the design shown in FIG. 1). In general, in the three-port evaporator 500, the liquid flows to the liquid inlet 505 to the core 510 formed by the first core 540. Also, fluid from the core 510 flows from a fluid outlet 512 to a pre-cooled reservoir (such as reservoir 155). The fluid and the core 510 are accommodated in a container 515 made of, for example, aluminum. In particular, fluid flowing from the liquid inlet 505 to the core 510 flows through the bayonet tube 520 to the liquid flow path 521 that flows around. Fluid can flow through the second core 525 and the annular artery 535 (such as the second core 145 of the evaporator 115) made from the core material 530. The core material 530 separates the annular artery 535 from the first vapor channel 560. Since the power from the heat source Qin 116 is applied to the evaporator 500, the liquid from the core 510 enters the first core 540 and evaporates, and the formed vapor includes one or more vapor grooves 545. It flows freely along the steam flow path 565 and exits from the steam outlet 550 to the steam pipe 130. Vapor bubbles formed in the first vapor passage 560 of the core 510 exit from the core 510 through the first vapor passage 560 to the fluid outlet 512. As described above, the vapor bubbles in the first passage 560 pass through the second core 525 if the hole size of the second core 525 is large enough to accept the vapor bubbles. Yes. Alternatively or additionally, the vapor bubbles in the first vapor passage 560 may pass through the liquid passage 521 or through the opening in the second wick 525 formed at an appropriate location along the second wick 525. Enters fluid outlet 512.

図6の別の実施例を参照すると、主蒸発器115は特許文献7に示された設計である4ポート型蒸発器600として設計されている。要約すると、又、3ポート型蒸発器の構造とは異なる側面を強調すると、液体が蒸発器600に入り、流体入口605を通り、バヨネット610を通り、コア615に入る。コア615内の液体は第一の芯620と蒸発器に入り、形成した蒸気が蒸気用溝625に沿って自由に流れ、蒸気出口630を出て蒸気配管130に入る。コア615内の第二の芯633がコア内の液体を(コア615内の液体を加熱するとき生じる)コア内の蒸気又は泡から分離する。第二の芯633内の第一の流体通路635内に形成された泡を含む液体は流体出口640から流出し、第二の芯633及び第一の芯620の間に位置する蒸気通路642内に形成される蒸気又は泡は蒸気出口645から流出する。   Referring to another embodiment of FIG. 6, the main evaporator 115 is designed as a 4-port evaporator 600, which is the design shown in US Pat. In summary, also highlighting aspects that are different from the structure of a three-port evaporator, liquid enters the evaporator 600, through the fluid inlet 605, through the bayonet 610, and into the core 615. The liquid in the core 615 enters the first core 620 and the evaporator, and the formed steam freely flows along the steam groove 625, exits the steam outlet 630, and enters the steam pipe 130. A second core 633 in the core 615 separates the liquid in the core from the vapor or bubbles in the core (which occurs when heating the liquid in the core 615). Liquid containing bubbles formed in the first fluid passage 635 in the second core 633 flows out of the fluid outlet 640 and in the vapor passage 642 located between the second core 633 and the first core 620. Vapor or bubbles formed in the vapor flow out of the vapor outlet 645.

さらに、図7も参照すると、熱輸送システム700が示され、その中の主蒸発器は4ポート型蒸発器600である。システム700には1以上の熱伝達システム705とプライミング・システム710が含まれ、プライミング・システム710は熱伝達システム705内の流体を熱伝達システム705を濡らす液体に転換するように構成されている。4ポート型蒸発器600は蒸気配管720と流体配管725により1以上の凝縮器715に接続している。プライミング・システム710にはプライミング蒸発器735に流体的・熱的に接続され、予冷されたリザーバー730が含まれている。   Still referring to FIG. 7, a heat transport system 700 is shown, in which the main evaporator is a four-port evaporator 600. The system 700 includes one or more heat transfer systems 705 and a priming system 710 that is configured to convert the fluid in the heat transfer system 705 to a liquid that wets the heat transfer system 705. The 4-port evaporator 600 is connected to one or more condensers 715 by a steam pipe 720 and a fluid pipe 725. The priming system 710 includes a pre-cooled reservoir 730 that is fluidly and thermally connected to the priming evaporator 735.

熱輸送システム100の設計条件には、主蒸発器115の超臨界状態からの起動、寄生的熱漏洩の管理、第一の芯140全域の熱伝導、低温リザーバー155の予冷、及び、熱伝達システム105内の作動流体を臨界温度より高い周辺温度で閉じ込めること、が含まれる。これらの設計条件を受入れるために、蒸発器115又は150のボディ(body)又は(コンテナ515のような)コンテナを6063規格のアルミ押出し材から製作できる。又、第一の芯140及び(又は)190を微細な孔付きの芯から製作できる。一実施例では、蒸発器115又は150の外径は約0.625インチであり、コンテナの長さは約6インチである。リザーバー155はアルミ製シャント170を用いて放熱器165の端板を予冷しうる。さらに、(カプトン・ヒーター(kapton heater))のようなヒーターをリザーバー155の側面に取付けられる。   The design conditions of the heat transport system 100 include activation of the main evaporator 115 from a supercritical state, management of parasitic heat leakage, heat conduction across the first core 140, precooling of the low temperature reservoir 155, and heat transfer system. Confining the working fluid in 105 at an ambient temperature above the critical temperature. To accommodate these design requirements, the body of the evaporator 115 or 150 or the container (such as the container 515) can be made from 6063 standard aluminum extrusion. Also, the first core 140 and / or 190 can be manufactured from a core with a fine hole. In one embodiment, evaporator 115 or 150 has an outer diameter of about 0.625 inches and a container length of about 6 inches. The reservoir 155 may use an aluminum shunt 170 to pre-cool the end plate of the radiator 165. In addition, a heater such as (kapton heater) can be attached to the side of the reservoir 155.

一実施例では、蒸気配管130を外径(OD)3/16インチの平滑壁のステンレス鋼管で製作し、液体配管125と第二の流体配管160を外径1/8インチの平滑壁のステンレス鋼管で製作している。配管125、130、160は曲がりくねったルート(route)に曲げて、寄生的熱ゲインを最小限にするために金メッキを行なう。さらに、配管125、130、160はステンレス鋼の箱内に入れて、ヒーターを用いて試験中の特定環境を模擬しうる。ステンレス鋼の箱は多層断熱材(MLI)で断熱して、ヒート・シンク165の壁板を通した熱の漏洩を最小限にしうる。   In one embodiment, the steam pipe 130 is made of a smooth wall stainless steel pipe having an outer diameter (OD) of 3/16 inch, and the liquid pipe 125 and the second fluid pipe 160 are made of smooth wall stainless steel having an outer diameter of 1/8 inch. Made of steel pipe. The pipes 125, 130, 160 are bent to a tortuous route and are gold plated to minimize parasitic thermal gain. Further, the pipes 125, 130, 160 can be placed in a stainless steel box and the heater can be used to simulate the specific environment under test. The stainless steel box may be insulated with multilayer insulation (MLI) to minimize heat leakage through the wall of the heat sink 165.

一実施例では、凝縮器122と第二の流体配管160は外径0.25インチの管から製作される。その管は例えばエポキシを用いて、ヒート・シンク165の壁板に接着する。ヒート・シンク165の各壁板は厚みが1/16インチの表面板を用いた8×19インチの直接凝縮用アルミ放熱板である。カプトン・ヒーターを凝縮器120の近くのヒート・シンク165の壁板に取付けて、作動流体の偶発的凍結を防止する。運転中に熱電対のような温度センサーを用いて、システム100全体の温度を監視する。   In one embodiment, the condenser 122 and the second fluid line 160 are fabricated from a 0.25 inch outer diameter tube. The tube is bonded to the wall of the heat sink 165 using, for example, epoxy. Each wall plate of the heat sink 165 is an 8 × 19 inch aluminum heat sink for direct condensation using a surface plate having a thickness of 1/16 inch. A Kapton heater is attached to the wall plate of the heat sink 165 near the condenser 120 to prevent accidental freezing of the working fluid. During operation, the temperature of the entire system 100 is monitored using a temperature sensor such as a thermocouple.

熱輸送システム100は、熱伝達システム105の作動流体の臨界温度がそのシステム100が動作している周辺温度より低い環境で実施しうる。熱輸送システム100を使用して、低温冷却を必要とする要素の冷却を行なえる。   The heat transport system 100 may be implemented in an environment where the critical temperature of the working fluid of the heat transfer system 105 is lower than the ambient temperature in which the system 100 is operating. The heat transport system 100 can be used to cool elements that require cryogenic cooling.

図8A−8Dを参照すると、熱輸送システム100を超小型低温システム800内で実施しうる。超小型システム800では、配管125、130、160は柔軟材料で作られ、スペース節減のためにコイル構造805としうる。超小型システム800はネオンの流体を用いて−238℃で運転できる。パワー入力Qin116は約0.3から2.5ワットである。超小型システム800では低温要素(又は低温冷却を必要とする熱源)816を凝縮器120、122を冷却するように接続されたクライオクーラー(cryocooler)810のような低温冷却源に接続する。   With reference to FIGS. 8A-8D, the heat transport system 100 may be implemented in a microminiature cryogenic system 800. In the micro system 800, the pipes 125, 130, 160 are made of a flexible material and can be a coil structure 805 to save space. The micro system 800 can be operated at −238 ° C. using neon fluid. The power input Qin 116 is about 0.3 to 2.5 watts. In the microminiature system 800, a low temperature element (or heat source that requires low temperature cooling) 816 is connected to a low temperature cooling source such as a cryocooler 810 connected to cool the condensers 120, 122.

超小型システム800は、伝統的なサーマル・スイッチング(thermal switching)を行なえて、振動を隔離したシステムと比較したとき、質量を低減し、柔軟性を高め、サーマル・スイッチング機能を与えられる。伝統的なサーマル・スイッチングを行なえて、振動を隔離したシステムは、低温要素から低温冷却源に熱を伝えるループを形成するために、2個の柔軟な伝導リンク(flexible conductive links: FCLs)、低温サーマル・スイッチ(cryogenic thermal switch:CTSW)、伝導棒(conduction bar:CB)を必要とする。超小型システム800では、機械的境界の数が低減するので、熱的性能が向上する。伝統的なサーマル・スイッチングを行なえて、振動を隔離するシステムでは、機械的境界での熱状態が熱ゲインで高い比率を占めている。CB及び2個のFCLは、超小型システム800のコイル構造805に用いられる低質量で、柔軟で、薄肉の管により置換えられる。   The micro system 800 can perform traditional thermal switching to reduce mass, increase flexibility, and provide thermal switching capability when compared to a system that isolates vibrations. Traditional thermal switching and vibration-isolated systems have two flexible conductive links (FCLs), low temperature to form a loop that conducts heat from the cold element to the cold source. It requires a thermal switch (CTSW) and a conduction bar (CB). In the micro system 800, the thermal performance is improved because the number of mechanical boundaries is reduced. In systems that perform traditional thermal switching and isolate vibration, the thermal state at the mechanical boundary accounts for a high proportion of thermal gain. The CB and the two FCLs are replaced by low mass, flexible, thin-walled tubes used in the coil structure 805 of the micro system 800.

さらに、超小型システム800は広範囲の熱輸送距離で機能でき、(クライオクーラー810のような)冷却源を低温要素816から遠隔に配置した構造にできる。コイル構造805は低質量であり、低表面積なので、配管125及び160を通じた寄生的熱ゲインを低減する。超小型システム800内の冷却源810の構成がシステム800の一体化とパッケージ化を容易にし、冷却源810での振動を低減する。これが赤外線センサーの使用で特に重要になる。一実施例では、超小型システム800がネオンを用いて試験され、25−40Kで動作する。   Furthermore, the micro-system 800 can function over a wide range of heat transport distances and can have a structure in which a cooling source (such as a cryocooler 810) is remotely located from the cryogenic element 816. The coil structure 805 has a low mass and low surface area, thus reducing the parasitic thermal gain through the pipes 125 and 160. The configuration of the cooling source 810 in the microminiature system 800 facilitates integration and packaging of the system 800 and reduces vibration at the cooling source 810. This is especially important when using infrared sensors. In one embodiment, the micro system 800 is tested with neon and operates at 25-40K.

図9A−9Cを参照すると、熱輸送システム100は調節可能に取付けられた又はGimbaledシステム1005内で実施しうる。その中で、主蒸発器115及び配管125、160、130の一部が高さ方向の軸1020の回りに±45度の範囲内で回転するように取付けられていて、配管125、160、130の一部がアジマス(azimuth)軸1025の回りで±220度の範囲内で回転するように取付けられる。配管125、160,130は薄肉管から形成され、各回転軸の回りにらせんに巻かれる。システム1005が、低温要素(又は低温冷却を必要とする熱源)1016に熱的に接続する。低温要素1016は、低温望遠鏡のセンサーのようなものから凝縮器120、122を冷却するように接続されたクライオクーラー1010のような低温冷却源のようなものである。冷却源1010は静止宇宙船1060に位置しているので、低温望遠鏡での質量を低減する。配管125、160、130の回転を制御するためのモーターのトルク、システム1005のパワー要件、宇宙船1060に必要な制御、及び、センサー1016の位置決め精度が改善される。クライオクーラー1010及び放熱器ないしヒート・シンク165をセンサー1016から動かして、センサー1016内の振動を低減する。一実施例では、作動流体が窒素の場合、システム1005を70−115Kの範囲内で動作するように試験される。   With reference to FIGS. 9A-9C, the heat transport system 100 may be adjustably mounted or implemented in a Gimbaled system 1005. Among them, the main evaporator 115 and a part of the pipes 125, 160, 130 are attached so as to rotate within a range of ± 45 degrees around the height axis 1020, and the pipes 125, 160, 130 are attached. Are attached to rotate around an azimuth axis 1025 within a range of ± 220 degrees. The pipes 125, 160, and 130 are formed of thin-walled pipes and are wound around a spiral around each rotation axis. System 1005 is thermally connected to a cryogenic element (or a heat source that requires cryogenic cooling) 1016. The cryogenic element 1016 is like a cryogenic cooling source such as a cryocooler 1010 connected to cool the condensers 120, 122 from something like a cryogenic telescope sensor. Since the cooling source 1010 is located on the geostationary spacecraft 1060, it reduces the mass at the cryogenic telescope. The motor torque to control the rotation of the pipes 125, 160, 130, the power requirements of the system 1005, the controls required for the spacecraft 1060, and the positioning accuracy of the sensor 1016 are improved. The cryocooler 1010 and the radiator or heat sink 165 are moved from the sensor 1016 to reduce vibrations in the sensor 1016. In one example, when the working fluid is nitrogen, the system 1005 is tested to operate within the range of 70-115K.

熱伝達システム105は医療用に、又は、機器を周辺温度以下に冷却しなければならない用途に使用しうる。他の例として、熱伝達システム105は赤外線(IR)センサーを冷却するのに用いられる。赤外線センサーは周辺ノイズを低減するために低温度で使用される。熱伝達システム105は自販機を冷却するのに使用しうる。多くの場合、自販機は周辺温度以下に冷却するのが好ましい物品を収容している。熱伝達システム105は、ラップトップ・コンピューター、ハンドヘルド・コンピューター又はデスクトップ・コンピューターのようなコンピューターのディスプレー又はハード・ドライブのような要素を冷却するのに使用しうる。熱伝達システム105は自動車又は航空機のよう輸送装置内の1以上の要素を冷却するのに使用しうる。   The heat transfer system 105 may be used for medical purposes or for applications where the equipment must be cooled below ambient temperature. As another example, the heat transfer system 105 is used to cool an infrared (IR) sensor. Infrared sensors are used at low temperatures to reduce ambient noise. The heat transfer system 105 can be used to cool the vending machine. In many cases, vending machines contain items that are preferably cooled below ambient temperature. The heat transfer system 105 may be used to cool elements such as a computer display or hard drive such as a laptop computer, handheld computer or desktop computer. The heat transfer system 105 may be used to cool one or more elements in a transportation device such as an automobile or aircraft.

他の実施例は請求項の範囲内にある。例えば、凝縮器120とヒート・シンク165を例えば、放熱器のような一体システムとして設計できる。同様に、第二の凝縮器122とヒート・シンク165を1台の放熱器から形成できる。ヒート・シンク165は(放熱器のような)受動的ヒート・シンク又は凝縮器120、122を能動的に冷却するクライオクーラーとすることができる。   Other embodiments are within the scope of the claims. For example, the condenser 120 and the heat sink 165 can be designed as an integrated system, such as a radiator. Similarly, the second condenser 122 and the heat sink 165 can be formed from a single radiator. The heat sink 165 can be a passive heat sink (such as a radiator) or a cryocooler that actively cools the condensers 120, 122.

他の実施例では、リザーバー155の温度がヒーターを用いて制御される。別の実施例では、リザーバー155が寄生的熱を用いて加熱される。   In other embodiments, the temperature of the reservoir 155 is controlled using a heater. In another embodiment, reservoir 155 is heated using parasitic heat.

他の実施例では、同軸の絶縁リング(ring)が形成されて、液体配管125と第二の流体配管160の間に置かれ、第二の流体配管160がその絶縁リングを囲んでいる。   In another embodiment, a coaxial insulating ring is formed and placed between the liquid line 125 and the second fluid line 160, and the second fluid line 160 surrounds the insulating ring.

蒸発器の設計
蒸発器は二相熱伝達システム内に内蔵した要素である。例えば、上記の図5A及び5Bに示されているように、蒸発器500には、蒸発器ボディないしコンテナ515が含まれ、コア510を囲んでいる第一の芯540に接触している。コア510は作動流体の流路を形成している。第一の芯540はその周辺部で、複数の周辺流動チャンネル又は蒸気用溝545により囲まれている。チャンネル545は芯540と蒸発器のボディ515の間の境界で蒸気を集める。チャンネル545は蒸気の出口550と接触している。蒸発器115内に形成された蒸気の排出を行なうために、蒸気配管内に供給されてから、凝縮器内に供給される。
Evaporator design The evaporator is an integral part of the two-phase heat transfer system. For example, as shown in FIGS. 5A and 5B above, the evaporator 500 includes an evaporator body or container 515 that is in contact with a first core 540 surrounding the core 510. The core 510 forms a flow path for the working fluid. The first core 540 is surrounded at its periphery by a plurality of peripheral flow channels or steam grooves 545. Channel 545 collects vapor at the boundary between wick 540 and evaporator body 515. Channel 545 is in contact with vapor outlet 550. In order to discharge the steam formed in the evaporator 115, the steam is supplied into the steam pipe and then supplied into the condenser.

蒸発器500及び上記の他の蒸発器は多くの場合円筒形をしている。即ち、蒸発器のコアが作動流体を通す円筒形通路を形成している。蒸発器が円筒形であることは伝熱面を円筒形の中空にした冷却用途に有用である。多くの冷却用途では、平坦面を有する熱源から熱を除去する必要がある。この種の用途には、平坦面を有する熱源の設置部分に合うように蒸発器を、平坦な伝導性サドル(saddle)を含めるように修正しうる。例えば、そのような設計は特許文献9に示されている。   The evaporator 500 and the other evaporators described above are often cylindrical. That is, the evaporator core forms a cylindrical passage through which the working fluid passes. The fact that the evaporator is cylindrical is useful for cooling applications in which the heat transfer surface is cylindrical and hollow. In many cooling applications, it is necessary to remove heat from a heat source having a flat surface. For this type of application, the evaporator may be modified to include a flat conductive saddle to fit the installed portion of the heat source having a flat surface. For example, such a design is shown in US Pat.

円筒形の蒸発器はLHP運転の熱力学的制約に適合しやすい(即ち、リザーバーへの熱の漏洩を最小限にする)。LHPのサブクーリング(subcooling)量によるLHP運転の制約から通常の平衡状態運転を生じる必要がある。さらに、円筒形の蒸発器は加工、取扱い、機械加工及び処理が比較的容易である。   Cylindrical evaporators tend to meet the thermodynamic constraints of LHP operation (ie, minimize heat leakage to the reservoir). Normal equilibrium operation needs to occur due to LHP operation constraints due to the amount of LHP subcooling. Furthermore, cylindrical evaporators are relatively easy to process, handle, machine and process.

しかしながら、以後に示すように、平坦な熱源にもっと自然に取付けるために平坦な形状に設計できる。   However, as will be shown later, it can be designed in a flat shape for more natural attachment to a flat heat source.

平面的設計
図10を参照すると、熱伝達システムのための蒸発器1000には加熱壁1005、液体障壁1010、加熱壁と液体障壁1010の内側の間の第一の芯1015、蒸気除去チャンネル1020、液体流動チャンネル1025が含まれる。
Planar Design Referring to FIG. 10, an evaporator 1000 for a heat transfer system includes a heating wall 1005, a liquid barrier 1010, a first core 1015 between the heating wall and the inside of the liquid barrier 1010, a vapor removal channel 1020, A liquid flow channel 1025 is included.

加熱壁1005は第一の芯1015に密接に接続している。液体障壁1010は、作動流体が液体障壁1010の内側に沿ってのみ流れるように、その液体障壁1010の内側に作動流体を保持している。液体障壁1010は蒸発器のエンベロープ(envelope)を閉じて、液体流動チャンネル1025を通る作動流体をまとめて、分配する。蒸気除去チャンネル1020は第一の芯1015の蒸発面1017と加熱壁1005の間の境界に位置している。液体流動チャンネル1025は液体障壁1010と第一の芯1015の間に位置している。   The heating wall 1005 is intimately connected to the first core 1015. The liquid barrier 1010 holds the working fluid inside the liquid barrier 1010 so that the working fluid flows only along the inside of the liquid barrier 1010. The liquid barrier 1010 closes the evaporator envelope to collect and distribute the working fluid through the liquid flow channel 1025. The vapor removal channel 1020 is located at the boundary between the evaporation surface 1017 of the first core 1015 and the heating wall 1005. A liquid flow channel 1025 is located between the liquid barrier 1010 and the first core 1015.

加熱壁1005は熱源のための伝熱面として機能する。例えば、加熱壁1005は金属薄板のような熱伝導性材料から作られている。加熱壁1005のために選ばれた材料は典型的に作動流体の内圧に耐えることができる。   The heating wall 1005 functions as a heat transfer surface for the heat source. For example, the heating wall 1005 is made of a thermally conductive material such as a thin metal plate. The material chosen for the heating wall 1005 can typically withstand the internal pressure of the working fluid.

蒸気除去チャンネル1020は、チャンネル1020の流体抵抗と加熱壁1005を通って第一の芯1015への熱伝導がバランスするように設計されている。チャンネル1020は電気エッチング(etced)、機械加工、又は他の便利な方法で表面に形成できる。   The steam removal channel 1020 is designed to balance the fluid resistance of the channel 1020 and the heat conduction through the heating wall 1005 to the first core 1015. The channel 1020 can be formed on the surface by electroetching, machining, or other convenient method.

蒸気除去チャンネル1020は加熱壁1005の内側に溝として示されている。しかしながら、蒸気除去チャンネルは選ばれた設計方法に基づき、いくつかの異なる方法で設計し、配置できる。例えば、他の実施例に基づくと、蒸気除去チャンネル1020は第一の芯1015の外面に溝を形成するか、又は、第一の芯1015に埋め込んで、それらが第一の芯の表面より下になるようにする。蒸気除去チャンネル1020の設計は製造が容易で便利になるように、又、以下のガイドラインの1以上に密に近づくように選択される。   The vapor removal channel 1020 is shown as a groove inside the heating wall 1005. However, the vapor removal channel can be designed and arranged in several different ways based on the chosen design method. For example, according to other embodiments, the vapor removal channel 1020 can be grooved or embedded in the outer surface of the first core 1015 so that they are below the surface of the first core 1015. To be. The design of the vapor removal channel 1020 is selected to be easy and convenient to manufacture and to closely approach one or more of the following guidelines.

第一に、蒸気除去チャンネル1020の水力直径は、有意な圧力低下を生じないで第一の芯1015の蒸発面1017に発生した蒸気の流れを十分取り扱えるようにすべきである。第二に、加熱壁1005と第一の芯1015の間の接触面を最大限にして、熱源から第一の芯1015の蒸発面に効果的な熱伝達を行なえるようにすべきである。第三に、第一の芯1015と接触した加熱壁1005の厚み1030を最小限にすべきである。厚み1030が増すと共に、第一の芯1015の表面での蒸発が低下し、蒸気除去チャンネル1020を通る蒸気の輸送が低減する。   First, the hydraulic diameter of the steam removal channel 1020 should be sufficient to handle the steam flow generated on the evaporation surface 1017 of the first core 1015 without causing a significant pressure drop. Second, the contact surface between the heating wall 1005 and the first core 1015 should be maximized to allow effective heat transfer from the heat source to the evaporation surface of the first core 1015. Third, the thickness 1030 of the heated wall 1005 in contact with the first core 1015 should be minimized. As the thickness 1030 increases, evaporation at the surface of the first core 1015 decreases and vapor transport through the vapor removal channel 1020 decreases.

蒸発器1000は別々の部品から組立てられる。代わりに、蒸発器1000は、芯の両側にチャンネルを形成するために特別なマンドレル(mandrel)を有する2枚の壁の間に第一の芯1015の現場焼結により単一部品として作ることができる。   The evaporator 1000 is assembled from separate parts. Instead, the evaporator 1000 can be made as a single piece by in-situ sintering of the first wick 1015 between two walls having a special mandrel to form channels on both sides of the wick. it can.

第一の芯1015は蒸発面1017を提供し、液体流動チャンネル1025から第一の芯1015の蒸発面に作動流体を圧送又は供給する。   The first wick 1015 provides an evaporation surface 1017 to pump or supply working fluid from the liquid flow channel 1025 to the evaporation surface of the first wick 1015.

第一の芯1015のサイズと設計にはいくつかの条件が関係する。第一の芯1015の熱伝導度を十分に低くして、蒸発面1017から第一の芯1015を通って液体流動チャンネル1025への熱漏洩を低減すべきである。さらに、熱漏洩は第一の芯1015の直線的寸法によっても影響を受ける。この理由で、第一の芯1015の直線的寸法は熱漏洩を低減するために最適にすべきである。例えば、第一の芯1015の厚み1019を高めることで熱漏洩を低減できる。しかしながら、厚み1019を高めることで作動流体の流れに対する第一の芯1015の流体抵抗が高められる。使用中のLHP設計で、第一の芯1015による作動流体の流体抵抗が有意になることがあり、これらの要因を適当にバランスさせることが重要である。   Several conditions are related to the size and design of the first core 1015. The thermal conductivity of the first wick 1015 should be sufficiently low to reduce heat leakage from the evaporation surface 1017 through the first wick 1015 to the liquid flow channel 1025. Furthermore, heat leakage is also affected by the linear dimensions of the first core 1015. For this reason, the linear dimensions of the first core 1015 should be optimized to reduce heat leakage. For example, heat leakage can be reduced by increasing the thickness 1019 of the first core 1015. However, increasing the thickness 1019 increases the fluid resistance of the first core 1015 against the flow of the working fluid. With the LHP design in use, the fluid resistance of the working fluid by the first core 1015 can be significant, and it is important to properly balance these factors.

熱伝達システムの作動流体を圧送する力は第一の芯の蒸気側と液体側の間の温度又は圧力の差である。その圧力差は第一の芯により保持されていて、流入する作動流体の熱バランスを適切に管理することにより維持される。   The force that pumps the working fluid of the heat transfer system is the difference in temperature or pressure between the vapor side and the liquid side of the first core. The pressure difference is maintained by the first core and is maintained by appropriately managing the heat balance of the incoming working fluid.

凝縮器から蒸発器に戻る液体が液体戻り配管を通過し、僅かにサブクーリングされる。そのサブクーリングがある程度、第一の芯を通る熱漏洩及び周辺から液体戻り配管内のリザーバーへの熱漏洩を相殺する。液体のサブクーリングがリザーバーの熱バランスを維持する。しかしながら、リザーバーの熱バランスを維持するには他の有用な方法が存在する。   Liquid returning from the condenser to the evaporator passes through the liquid return line and is slightly subcooled. The subcooling to some extent cancels out heat leakage through the first core and from the surroundings to the reservoir in the liquid return line. Liquid subcooling maintains the thermal balance of the reservoir. However, there are other useful ways to maintain the thermal balance of the reservoir.

ひとつの方法はリザーバーと環境の間の組織的熱交換である。地上用にしばしば用いられるような平面的設計を有する蒸発器の場合、熱伝達システムにはリザーバー及び(又は)蒸発器1000の液体障壁1010に熱交換フィン(fin)が含まれる。これらのフィンでの自然対流の力がサブクーリングを行ない、熱伝達システムの凝縮器とリザーバーへの応力を低減する。   One method is a systematic heat exchange between the reservoir and the environment. In the case of an evaporator having a planar design such as is often used for ground use, the heat transfer system includes a heat exchange fin in the reservoir and / or the liquid barrier 1010 of the evaporator 1000. The natural convection forces at these fins provide subcooling and reduce stress on the condenser and reservoir of the heat transfer system.

該リザーバー(reservoir)の温度か、又は該リザーバーと該第1ウイック(primary wick)1015の蒸発面(vaporization surface)1017との間の温度差か、が該熱伝達システム(heat transfer system)を通る該作動流体(working fluid)の循環(circulation)をサポートする。或る熱伝達システムは追加量のサブクーリング(subcooling)を要する。例え該コンデンサー(凝縮器)が完全にブロックされても、該必要量は該コンデンサーが作り得るより大きい。   Either the temperature of the reservoir or the temperature difference between the reservoir and the evaporation surface 1017 of the primary wick 1015 passes through the heat transfer system. Supports circulation of the working fluid. Some heat transfer systems require an additional amount of subcooling. Even if the condenser is completely blocked, the required amount is larger than the condenser can make.

該エバポレーター(蒸発器)1000の設計では、3つの変化要因(variables)が管理される必要がある。第1に、液体流れチャンネル(liquid flow channels)1025の編成と設計が決定される必要がある。第2に、該蒸気の該液体流れチャンネル1025からの放出(venting)が説明される必要がある。第3に該エバポレーター1000は、液体が該液体流れチャンネル1025を充たすことを保証するよう設計されるべきである。これら3つの変動要因は相互に関係しており、かくして有効な熱伝達システムを形成するよう一緒に、考慮され、最適化されるべきである。   In the design of the evaporator 1000, three variables need to be managed. First, the organization and design of the liquid flow channels 1025 needs to be determined. Second, the venting of the vapor from the liquid flow channel 1025 needs to be accounted for. Third, the evaporator 1000 should be designed to ensure that liquid fills the liquid flow channel 1025. These three variables are interrelated and thus should be considered and optimized together to form an effective heat transfer system.

既述の様に、該エバポレーターの液体側への熱洩れ(heat leak)と該第1ウイックのポンプ作用能力との間の適切なバランスを得ることが重要である。このバランスする過程は、サブクーリングを提供する該コンデンサーの最適化から独立しては行われ得ず、何故ならば、該エバポレーターの設計でより大きい熱洩れが許される程、該コンデンサー内でより大きいサブクーリングが行われる必要があるからである。該コンデンサーが長い程、流体ライン内の水力学的損失(hydraulic losses)が大きく、それはより良いポンプ作用能力を有する種々のウイック材料を要求する。   As already mentioned, it is important to obtain an appropriate balance between the heat leak to the liquid side of the evaporator and the pumping capability of the first wick. This balancing process cannot be performed independently of the optimization of the condenser providing subcooling because it is larger in the condenser to allow greater heat leakage in the evaporator design. This is because sub-cooling needs to be performed. The longer the condenser, the greater the hydraulic losses in the fluid line, which requires various wick materials with better pumping capability.

動作では、熱源からの動力(power)が該エバポレーター1000に印加されると、該液体流れチャンネル1025からの液体は該第1ウイックに入り、蒸発し、該蒸気除去チャンネル1020に沿って自由に流れる蒸気を形成する。該エバポレーター1000内への液体流れは該液体流れチャンネル1025により提供される。該液体流れチャンネル1025は該第1ウイック1015の蒸気側上で蒸発した液体を置き換え、かつ、該第1ウイック1015の液体側上で蒸発した液体を置き換えるのに充分な液体を該第1ウイック1015に供給する。   In operation, when power from a heat source is applied to the evaporator 1000, liquid from the liquid flow channel 1025 enters the first wick, evaporates, and flows freely along the vapor removal channel 1020. Vapor is formed. Liquid flow into the evaporator 1000 is provided by the liquid flow channel 1025. The liquid flow channel 1025 replaces liquid evaporated on the vapor side of the first wick 1015 and sufficient liquid to replace the liquid evaporated on the liquid side of the first wick 1015. To supply.

該エバポレーター1000は、該エバポレーター1000の液体側での相運営(phase management)を提供し、臨界モード動作(critical modes of operation)で第1ウイック1015の供給をサポートする第2ウイック1040を有してもよい(上記で論じた様に)。該第2ウイック1040は該液体流れチャンネル1025と該第1ウイック1015の間に形成される。該第2ウイックはメッシスクリーン(mesh screen)(図10で示す様に)か、又は進歩した複雑なアーテリー(artery)か、又はスラブウイック構造体(slab wick structure)とすることが出来る。加えて、該エバポレーター1000は該第1ウイック1015と該第2ウイック1040の間のインターフエースに蒸気放出チャンネル(vapor vent channel)1045を有してもよい。   The evaporator 1000 has a second wick 1040 that provides phase management on the liquid side of the evaporator 1000 and supports the supply of the first wick 1015 in critical modes of operation. (As discussed above). The second wick 1040 is formed between the liquid flow channel 1025 and the first wick 1015. The second wick can be a mesh screen (as shown in FIG. 10), an advanced complex artery, or a slab wick structure. In addition, the evaporator 1000 may have a vapor vent channel 1045 at the interface between the first wick 1015 and the second wick 1040.

該第1ウイック1015を通しての熱伝導は該液体流れチャンネル1025の近く又はその中の該エバポレーター1000の液体側での不適当な場所での作動流体の蒸発を始動(initiate)する。該蒸気放出チャンネル1045は該ウイックから離れ該2相リザーバー(two−phase reservoir)内への該望ましくない蒸気を供給する。   Heat conduction through the first wick 1015 initiates the evaporation of the working fluid at an inappropriate location near or in the liquid side of the evaporator 1000 in the liquid flow channel 1025. The vapor release channel 1045 provides the undesired vapor away from the wick and into the two-phase reservoir.

該第1ウイック1015の精細な微孔構造(fine pore structure)は該液体用の可成りの流れ抵抗を創り得る。従って、該液体流れチャンネル1025の数、形状及び設計を最適化することは重要である。この最適化の目標は該蒸発面(vaporization surface)1017への均一な又は均一に近い供給流れをサポートすることである。更に、該第1ウイック1015の厚さ1019が減じられると、該液体流れチャンネル1025は遠く離れた空間となり得る。   The fine pore structure of the first wick 1015 can create significant flow resistance for the liquid. It is therefore important to optimize the number, shape and design of the liquid flow channels 1025. The goal of this optimization is to support a uniform or near uniform feed flow to the vaporization surface 1017. Further, when the thickness 1019 of the first wick 1015 is reduced, the liquid flow channel 1025 can be a far away space.

該エバポレーター1000は該エバポレーター1000内の特定の作動流体で動作するためには可成りの蒸気圧力を要する。高い蒸気圧力を有する作動流体の使用は該エバポレーターエンベロープ(envelope)の圧力封じ込め(containment)に伴う幾つかの問題を引き起こし得る。該エバポレーター壁を厚くする様な、従来の該圧力封じ込め問題への解決策は必ずしも有効でない。例えば、可成りの平坦面積を有する平面状エバポレーターでは、その壁は余り厚くなるので、その温度差が増大し、該エバポレーターの熱伝導が低下する。加えて、該圧力封じ込めによる壁の例え顕微鏡的変形(microscopic deformation)でも該壁と該第1ウイックとの間の接触を失うことに帰着する。この様な接触の喪失は該エバポレーターを通る熱伝達に影響を与える。そして、該壁の顕微鏡的変形は該エバポレーターと該熱源と何等かの外部冷却機器との間のインターフエースに於ける困難(difficulties)を創出する。   The evaporator 1000 requires significant vapor pressure in order to operate with a particular working fluid within the evaporator 1000. The use of a working fluid having a high vapor pressure can cause several problems associated with pressure containment of the evaporator envelope. Conventional solutions to the pressure containment problem, such as thickening the evaporator wall, are not always effective. For example, in a planar evaporator having a considerable flat area, the wall becomes too thick, so that the temperature difference increases and the heat conduction of the evaporator decreases. In addition, even a microscopic deformation of the wall due to the pressure containment results in a loss of contact between the wall and the first wick. Such loss of contact affects the heat transfer through the evaporator. The microscopic deformation of the wall then creates difficulties in the interface between the evaporator, the heat source and any external cooling equipment.

環状設計(Annular design)
図10−13を参照すると、環状エバポレーター1100は、該第1ウイック1015がそれ自身内へ戻るよう廻り、環状の形状を形成するように、該平面状エバポレーター1000を有効にロールすることにより形成される。該エバポレーター1100は、熱源が円筒形外部プロフアイルを有する応用品、又は該熱源が円柱として形作られる応用品で使われ得る。該環状の形状は、圧力封じ込め用の円柱の強度(strength)と、該円柱状に形作られた熱源との出来る最良の接触用のカーブしたインターフエース面(curved interface surface)と、を組み合わせる。
Annular design
Referring to FIGS. 10-13, the annular evaporator 1100 is formed by effectively rolling the planar evaporator 1000 so that the first wick 1015 is turned back into itself to form an annular shape. The The evaporator 1100 can be used in applications where the heat source has a cylindrical outer profile, or in applications where the heat source is shaped as a cylinder. The annular shape combines the strength of the pressure containment cylinder with the curved interface surface for best contact with the cylindrically shaped heat source.

該エバポレーター1100は、被加熱壁(heated wall)1105,該被加熱壁1105と該液体バリア壁(liquid barrier wall)1110の内側との間に位置付けられた第1ウイック1115、蒸気除去チャンネル(vapor removal channels)1120,そして液体流れチャンネル1125を有する。該液体バリア壁1110は該第1ウイック1115及び該被加熱壁1105と同軸である。   The evaporator 1100 includes a heated wall 1105, a first wick 1115 positioned between the heated wall 1105 and the liquid barrier wall 1110, a vapor removal channel (vapor removal channel). channels) 1120 and a liquid flow channel 1125. The liquid barrier wall 1110 is coaxial with the first wick 1115 and the heated wall 1105.

該被加熱壁1105は該第1ウイック1115と密接(intimately)に接触する。該液体バリア壁1110は、該作動流体が該液体バリア壁1110の内側に沿ってのみ流れるように、該液体バリア壁1110の内側に作動流体を有する。該液体バリア壁1110は該エバポレーターのエンベロープを閉じ、該作動流体を該液体流れチャンネル1125を通るよう編成し、分布させるのを助ける。   The heated wall 1105 is in intimate contact with the first wick 1115. The liquid barrier wall 1110 has a working fluid inside the liquid barrier wall 1110 such that the working fluid flows only along the inside of the liquid barrier wall 1110. The liquid barrier wall 1110 closes the envelope of the evaporator and helps to organize and distribute the working fluid through the liquid flow channel 1125.

蒸気除去チャンネル1120は該第1ウイック1115の蒸発面1117と該非加熱壁1105との間のインターフエースに配置される。該液体流れチャンネル1125は該液体バリア壁1110と該第1ウイック1115の間に配置される。該被加熱壁1105は熱取得面(heat acquisition surface)を演じ、この面に発生された蒸気は該蒸気除去チャンネル1120により除去される。   A vapor removal channel 1120 is disposed at the interface between the evaporation surface 1117 of the first wick 1115 and the unheated wall 1105. The liquid flow channel 1125 is disposed between the liquid barrier wall 1110 and the first wick 1115. The heated wall 1105 acts as a heat acquisition surface, and the steam generated on this surface is removed by the steam removal channel 1120.

該第1ウイック1115は信頼性のある逆メニスカス蒸発を提供するよう該エバポレーター1100の該被加熱壁1105と該液体バリア壁1110の間の容積を充たす。   The first wick 1115 fills the volume between the heated wall 1105 and the liquid barrier wall 1110 of the evaporator 1100 to provide reliable reverse meniscus evaporation.

又、エバポレーター1100は、該液体バリア壁1110をコールド偏倚(cold bias)するよう該液体バリア壁1110に接触する熱交換フイン1150を装備することが出来る。該液体流れチャンネル1125は液体入り口1155から液体を受け、該蒸気除去チャンネル1120は蒸気出口1160へ延びそれに蒸気を提供する。   The evaporator 1100 can also be equipped with a heat exchange fin 1150 that contacts the liquid barrier wall 1110 to cold bias the liquid barrier wall 1110. The liquid flow channel 1125 receives liquid from a liquid inlet 1155 and the vapor removal channel 1120 extends to a vapor outlet 1160 to provide vapor to it.

該エバポレーター1100は、第1ウイック1115に隣接する環状リザーバー1165を有する熱伝達システム内で使用出来る。該リザーバー1165は該リザーバー1165を横切って延びる熱交換フイン1150でコールド偏倚されてもよい。該リザーバー1165の該コールド偏倚は、該コンデンサーでのサブクーリングを発生する必要無しに全コンデンサー面積(entire condenser area)の利用を可能にする。該リザーバー1165及び該エバポレーター1100をコールド偏倚することにより提供される過剰冷却(excessive cooling)は、該エバポレーター1100の液体側への該第1ウイック1115を通しての寄生的熱洩れ(parasitic heat leakages)を補償する。   The evaporator 1100 can be used in a heat transfer system having an annular reservoir 1165 adjacent to the first wick 1115. The reservoir 1165 may be cold biased with heat exchange fins 1150 that extend across the reservoir 1165. The cold bias of the reservoir 1165 allows utilization of the entire condenser area without having to generate subcooling in the condenser. Excessive cooling provided by cold biasing the reservoir 1165 and the evaporator 1100 compensates for parasitic heat leaks through the first wick 1115 to the liquid side of the evaporator 1100. To do.

もう1つの実施例では、該エバポレーターの設計は逆にされ(inverted)得て、蒸発の特徴は外周(outer perimeter)上で与えられ、液体戻りの特徴は内周(inner perimeter)で与えられ得る。   In another embodiment, the evaporator design can be inverted, evaporation characteristics can be provided on the outer periphery, and liquid return characteristics can be provided on the inner periphery. .

該エバポレーター1100の環状の形状は下記の又は追加の利点の1つ以上を提供する。第1に、圧力封じ込めに伴う問題が該環状エバポレーター1100内では減じられるか、除去される。第2に、該第1ウイック1115は内部を焼結(sintered inside)される必要がなく、かくして該第1ウイック1115の蒸気及び液体側のより複雑な設計用により多くの空間を提供する。   The annular shape of the evaporator 1100 provides one or more of the following or additional advantages. First, problems associated with pressure containment are reduced or eliminated within the annular evaporator 1100. Second, the first wick 1115 does not need to be sintered inside, thus providing more space for a more complex design on the vapor and liquid side of the first wick 1115.

又、図14A−Hを参照すると、液体入り口1455と蒸気出口1460とを有する環状エバポレーター1400が示されている。該環状エバポレーター1400は、被加熱壁1700(図14G、14H、及び17A−D)、液体バリア壁1500(図14G、14H、15A及び15B)、該被加熱壁1700と該液体バリア壁1500の内側との間に位置付けられた第1ウイック1600(図14G、14H及び16A−D)、蒸気除去チャンネル1465(図14H)、そして液体流れチャンネル1505(図14H及び15B)を有する。又該環状エバポレーター1400は該被加熱壁1700と該液体バリア壁1500の間の間隔を保証するリング1800(図14G及び18A−D)と、該液体バリア壁1500及び該第1ウイック1600用のサポートを提供する、該エバポレーター1400のベースにあるリング1900(図14G、14H及び19A−D)と、を有する。該被加熱壁1700,該液体バリア壁1500,該リング1800,該リング1900,及び該ウイック1600はステンレス鋼で形成するのが好ましい。   14A-H, an annular evaporator 1400 having a liquid inlet 1455 and a vapor outlet 1460 is shown. The annular evaporator 1400 includes a heated wall 1700 (FIGS. 14G, 14H, and 17A-D), a liquid barrier wall 1500 (FIGS. 14G, 14H, 15A, and 15B), an inner side of the heated wall 1700 and the liquid barrier wall 1500. A first wick 1600 (FIGS. 14G, 14H and 16A-D), a vapor removal channel 1465 (FIG. 14H), and a liquid flow channel 1505 (FIGS. 14H and 15B). The annular evaporator 1400 also includes a ring 1800 (FIGS. 14G and 18A-D) that ensures a spacing between the heated wall 1700 and the liquid barrier wall 1500, and a support for the liquid barrier wall 1500 and the first wick 1600. A ring 1900 at the base of the evaporator 1400 (FIGS. 14G, 14H and 19A-D). The heated wall 1700, the liquid barrier wall 1500, the ring 1800, the ring 1900, and the wick 1600 are preferably formed of stainless steel.

該エバポレーター1400の上部部分(すなわち、ウイック1600の上)は膨張容積(expansion volume)1470を有する(図14H)。該液体バリア壁1500内に形成される該液体流れチャンネル1505は該液体入り口1455により供給される。該ウイック1600は該液体流れチャンネル1505を該蒸気除去チャンネル1465から分離するが、該蒸気除去チャンネルは該リング1900内に形成された蒸気用環(vapor annulus)1475(図14H)を通って蒸気出口1460へ通じている。該蒸気チャンネル1465は該被加熱壁1700の面にフオトエッチ(photo−etched)されてもよい。   The upper portion of the evaporator 1400 (ie, above the wick 1600) has an expansion volume 1470 (FIG. 14H). The liquid flow channel 1505 formed in the liquid barrier wall 1500 is supplied by the liquid inlet 1455. The wick 1600 separates the liquid flow channel 1505 from the vapor removal channel 1465, which vapor removal channel passes through a vapor annulus 1475 (FIG. 14H) formed in the ring 1900. To 1460. The vapor channel 1465 may be photo-etched on the surface of the heated wall 1700.

ここで開示したエバポレーターは、それらが上記で説明した特徴を具現する限り、材料、寸法及び配置のどんな組み合わせででも動作出来る。上述の基準の他に何の制限もなく、該エバポレーターはどんな形状寸法及び材料で作られることも可能である。唯一の設計的制限は、適用可能な材料が相互に両立可能であり、作動流体が、構造的制限、腐食、非凝縮性ガス(noncondensable gases)の発生、そして寿命問題(lifetime issues)を考慮して選択されることである。   The evaporators disclosed herein can operate with any combination of materials, dimensions and arrangements as long as they embody the features described above. Without any limitation besides the above criteria, the evaporator can be made of any geometry and material. The only design limitations are that the applicable materials are compatible with each other, and the working fluid takes into account structural limitations, corrosion, non-condensable gas generation, and lifetime issues. Is to be selected.

多くの地球上の応用品は環状エバポレーター1100を有するエルエイチピー(LHP)を組み込み得る。重力場での環状エバポレーターの配向は応用品の性質及びホットな面(hot surface)の形状により予め決められる。   Many terrestrial applications may incorporate an LHP (LHP) with a ring evaporator 1100. The orientation of the annular evaporator in the gravitational field is predetermined by the nature of the application and the shape of the hot surface.

サイクリカルな熱交換システム(Cyclical Heat Exchange System)
サイクリカルな熱交換システムは、熱交換システムの領域での温度を制御するために1つ以上の熱伝達システムで構成される。該サイクリカルな熱交換システムは、例えば、サイクリカルな熱交換システム、スターリング熱交換システム(Stirling heat exchange system){又、スターリングエンジン(Stirling engine)として知られている}、又は空調システム(air conditioning system)、の様な熱力学的サイクル(thermodynamic cycle)を使用して動作するどんなシステムであってもよい。
Cyclic heat exchange system (Cyclic Heat Exchange System)
A cyclic heat exchange system consists of one or more heat transfer systems to control the temperature in the area of the heat exchange system. The cyclic heat exchange system may be, for example, a cyclic heat exchange system, a Stirling heat exchange system (also known as a Stirling engine), or an air conditioning system. Any system operating using a thermodynamic cycle such as

図20を参照すると、スターリング熱交換システム2000は公知の種類の環境的に優しく、効率的な冷凍サイクル(refrigeration cycle)を利用する。該スターリングシステム2000は4つの繰り返し動作、すなわち、一定温度の熱付加動作(heat addition operation at constant temperature)と、一定容積の熱除去動作(constant volume heat rejection operation)と、一定温度の熱除去動作(constant temperature heat rejection operation)とそして一定容積の熱付加動作(heat addition operation at constant temperature)と、を通るよう作動流体(例えば、ヘリウム)を導くことにより機能する。   Referring to FIG. 20, the Stirling heat exchange system 2000 utilizes a known type of environmentally friendly and efficient refrigeration cycle. The Stirling system 2000 has four repeated operations: a heat addition operation at a constant temperature (constant temperature heat rejection operation), a constant volume heat rejection operation, and a heat removal operation at a constant temperature ( It works by directing a working fluid (eg, helium) through a constant temperature heat rejection operation and a constant volume heat addition operation at constant temperature.

スターリングシステム2000はグローバルクーリングモデルエム100ビー(Global Cooling’s model M100B ){オハイオ州、アセン、94エヌ.コロンバスロードの、グローバルクーリング製造(Global Cooling Manufacturing, 94N.Columbus Rd., Athens, Ohio)から入手可能}の様な、フリーピストンスターリングクーラー(Free Piston Stirling Cooler){エフピーエスシー(FPSC)}として設計される。該エフピーエスシー2000は交流電力入力(AC power input)2010を受けるリニアモーター(示されてない)を収容するリニアモーター部分(linear motor portion)2005を有する。該エフピーエスシー2000は熱受け入れ部(heat acceptor)2015,再生部(regenerator)2020、そして熱除去部(heat rejecter)2025を有する。該エフピーエスシー2000は、該エフピーエスシーの動作中振動を吸収するため該リニアモーター部分2005内に該リニアモーターのボデイに結合されたバランス質量(balance mass)2030を有する。又該エフピーエスシー2000はチャージポート(charge port)2035を有する。該エフピーエスシー2000は図21のエフピーエスシー2100内に示すそれらの様な内部部品を有する。   The Stirling System 2000 is a Global Cooling Model's model M100B {Asen, Ohio, 94N. Free Piston Stirling Cooler {designed as FPSC), such as Global Cooling Manufacturing (available from Global Cooling Manufacturing, 94N. Columbias Rd., Athens, Ohio), Columbus Road The The FPSC 2000 has a linear motor portion 2005 that houses a linear motor (not shown) that receives an AC power input 2010. The FPSC 2000 includes a heat acceptor 2015, a regenerator 2020, and a heat remover 2025. The FP2000 has a balance mass 2030 coupled to the body of the linear motor in the linear motor portion 2005 to absorb vibration during operation of the FPSC. The FCC 2000 has a charge port 2035. The FP2000 has internal components such as those shown in FPSC 2100 in FIG.

該エフピーエスシー2100は該リニアモーター部分2110内に収容されたリニアモーター2105を有する。該リニアモーター部分2110は1端で平坦ばね2120にそしてもう1端でデイスプレーサー(displacer)2125に結合されたピストン2115を収容する。該デイスプレーサー2125は、それぞれコールド及びホット側を形成する膨張空間2130及び圧縮空間2135と結合される。該熱受け入れ部2015は該コールド側2130に設置され、該熱除去部は該ホット側2135に設置される。又該エフピーエスシー2100は、該エフピーエスシー2100の動作中振動を吸収するために該リニアモーター部分2110に結合されたバランス質量2140を有する。   The FPSC 2100 has a linear motor 2105 housed in the linear motor portion 2110. The linear motor portion 2110 houses a piston 2115 coupled at one end to a flat spring 2120 and at the other end to a displacer 2125. The displacer 2125 is coupled to an expansion space 2130 and a compression space 2135 that form the cold and hot sides, respectively. The heat receiving unit 2015 is installed on the cold side 2130, and the heat removing unit is installed on the hot side 2135. The FP 2100 also has a balance mass 2140 coupled to the linear motor portion 2110 to absorb vibration during operation of the FP 2100.

又、図22を参照すると、1実施例では、エフピーエスシー2200は銅スリーブ(copper sleeve)製の熱除去部2205と、銅スリーブであってもよい熱受け入れ部2210と、を有する。該熱除去部2205は、20−70℃の温度範囲で動作する時、6W/cmの熱流束(flux)を提供出来る166cmの熱除去面を提供するために約100mmの外径{オーデー(OD)}と約53mmの幅とを有する。該熱受け入れ部2210は、−30−5℃の温度範囲で5.2W/cmの熱流束を提供出来る115cmの熱受け入れ面を提供するために約100mmのオーデーと約37mmの幅を有する。 Referring to FIG. 22, in one embodiment, the SFP 2200 includes a heat removing portion 2205 made of copper sleeve and a heat receiving portion 2210 which may be a copper sleeve. The heat removal unit 2205 has an outer diameter of about 100 mm to provide a heat removal surface of 166 cm 2 that can provide a heat flux of 6 W / cm 2 when operating in a temperature range of 20-70 ° C. (OD)} and a width of about 53 mm. The heat receiving portion 2210 has an order of about 100 mm and a width of about 37 mm to provide a 115 cm 2 heat receiving surface capable of providing a heat flux of 5.2 W / cm 2 in a temperature range of −30-5 ° C. .

要するに、動作ではエフピーエスシーは冷却剤(例えば、ヘリウムガスの様な)で充たされ、該剤はピストンとデイスプレーサーの組み合わせ運動により前後にシャトル運動(shuttled)する。理想的システムでは、熱エネルギーは、該冷却剤が該ピストンにより圧縮される間に該熱除去部を通して環境へ除去され、そして熱エネルギーは該冷却剤が膨張する間に該熱受け入れ部を通して環境から抽出される。   In short, in operation, the FCC is filled with a coolant (such as helium gas), which is shuttled back and forth by the combined motion of the piston and the displacer. In an ideal system, heat energy is removed to the environment through the heat removal section while the coolant is compressed by the piston, and heat energy is removed from the environment through the heat receiving section while the coolant expands. Extracted.

図23を参照すると、熱力学的システム2300はサイクリカルな熱交換システム2305の様なサイクリカルな熱交換システム(例えば、システム2000,2100,2200)と、該サイクリカルな熱交換システム2305の部分2315に熱的に結合された熱伝達システム2310と、を有する。該サイクリカルな熱交換システム2305は円筒形であり、該熱伝達システム2310は、該部分2315からの熱を除去するために該サイクリカルな熱交換システム2305の部分2315を囲むよう形作られている。この実施例では、該部分2315は該サイクリカルな熱交換システム2305のホット側(すなわち、該熱除去部)である。該熱力学的システム2300は又、該熱伝達システム2310のコンデンサー上に空気を圧送(force)し、かくして付加的対流冷却を提供するために、該サイクリカルな熱交換システム2305のホット側に位置付けられたフアン2320を有する。   Referring to FIG. 23, a thermodynamic system 2300 includes a cyclic heat exchange system (eg, systems 2000, 2100, 2200) such as a cyclic heat exchange system 2305 and a portion 2315 of the cyclic heat exchange system 2305 with heat. Coupled heat transfer system 2310. The cyclic heat exchange system 2305 is cylindrical and the heat transfer system 2310 is shaped to surround a portion 2315 of the cyclic heat exchange system 2305 to remove heat from the portion 2315. In this embodiment, the portion 2315 is the hot side of the cyclic heat exchange system 2305 (ie, the heat removal section). The thermodynamic system 2300 is also positioned on the hot side of the cyclic heat exchange system 2305 to force air over the condenser of the heat transfer system 2310 and thus provide additional convective cooling. It has a fan 2320.

該サイクリカルな熱交換システム2305のコールド側2335(すなわち、熱受け入れ部)はサーモサイフオン(thermosyphon)2345のCOリフラクサー(refluxer)2340に熱的に結合されている。該サーモサイフオン2345は、フアン2355により該熱交換器2350を横切って圧送(force)される該熱力学的システム2300内の空気を冷却するよう構成されたコールド側熱交換器(cold−side heat exchanger)2350を有する。 The cold side 2335 of the cyclic heat exchange system 2305 (ie, the heat receiver) is thermally coupled to a CO 2 reluxer 2340 of a thermosyphon 2345. The thermosyphon 2345 is a cold-side heat exchanger configured to cool air in the thermodynamic system 2300 that is forced across the heat exchanger 2350 by a fan 2355. exchanger) 2350.

図24を参照すると、もう1つの実施例で、熱力学的システム2400はサイクリカルな熱交換システム2405(例えば、該システム2000,2100,2200)の様なサイクリカル熱交換システムと、該サイクリカルな熱交換システム2405のホット側2415に熱的に結合された熱伝達システム2410と、を有する。該熱力学的システム2400は該サイクリカルな熱交換システム2405のコールド側2425に熱的に結合された熱伝達システム2420を有する。又該熱力学的システム2400はフアン2430,2435を有する。該フアン2430は該熱伝達システム2410のコンデンサーを通して空気を圧送するために該ホット側2415に位置付けられる。該フアン2435は該熱伝達システム2420のコンデンサーを通して空気を圧送するためにコールド側2425に位置付けられる。   Referring to FIG. 24, in another embodiment, the thermodynamic system 2400 includes a cyclic heat exchange system such as a cyclic heat exchange system 2405 (eg, the system 2000, 2100, 2200) and the cyclic heat exchange. A heat transfer system 2410 thermally coupled to the hot side 2415 of the system 2405. The thermodynamic system 2400 includes a heat transfer system 2420 that is thermally coupled to the cold side 2425 of the cyclic heat exchange system 2405. The thermodynamic system 2400 also includes fans 2430 and 2435. The fan 2430 is positioned on the hot side 2415 for pumping air through the condenser of the heat transfer system 2410. The fan 2435 is positioned on the cold side 2425 for pumping air through the condenser of the heat transfer system 2420.

図25を参照すると、1実施例で、熱力学的システム2500はサイクリカルな熱交換システム2510の様なサイクリカルな熱交換システムと結合された熱伝達システム2505を有する。該熱伝達システム2505は該サイクリカルな熱交換システム2510のホット側を冷却するため使われる。該熱伝達システム2505は、膨張容積(又はリザーバー)2525を有する環状エバポレーター2520,コンデンサー2540の液体出口2535と該エバポレーター2520の液体入り口との間の流体流通を提供する液体戻りライン(liquid return line)2530、を備える。又該熱伝達システム2505は該エバポレーター2520の蒸気出口と該コンデンサー2540の蒸気入り口2550との間の流体流通を提供する蒸気ライン2545を有する。   Referring to FIG. 25, in one embodiment, the thermodynamic system 2500 includes a heat transfer system 2505 coupled with a cyclic heat exchange system, such as a cyclic heat exchange system 2510. The heat transfer system 2505 is used to cool the hot side of the cyclic heat exchange system 2510. The heat transfer system 2505 includes an annular evaporator 2520 having an expansion volume (or reservoir) 2525, a liquid return line that provides fluid flow between the liquid outlet 2535 of the condenser 2540 and the liquid inlet of the evaporator 2520. 2530. The heat transfer system 2505 also has a vapor line 2545 that provides fluid flow between the vapor outlet of the evaporator 2520 and the vapor inlet 2550 of the condenser 2540.

該コンデンサー2540はスムーズな壁の管(tubing)で作られ、該管の外側での熱交換を強化するため熱交換フイン(heat exchange fins)2555又はフインストック(fin stock)を装備している。   The condenser 2540 is made of smooth wall tubing and is equipped with heat exchange fins 2555 or fin stock to enhance heat exchange outside the tube.

該エバポレーター2520は被加熱壁2565と液体バリア壁2570の間にサンドウイッチにされ、該液体と該蒸気を分離する第1ウイック2560を有する。該液体バリア壁2570は該壁2565の外面に沿って形成された熱交換フイン2575によりコールド偏倚されている。該熱交換フイン2575は該リザーバー2525と、該エバポレーター2520の全体の液体側と、にサブクーリングを提供する。該エバポレーター2520の熱交換フイン2575は該コンデンサー2540の熱交換フイン2555から分離するよう設計されてもよい。   The evaporator 2520 is sandwiched between the heated wall 2565 and the liquid barrier wall 2570 and has a first wick 2560 that separates the liquid and the vapor. The liquid barrier wall 2570 is cold biased by heat exchange fins 2575 formed along the outer surface of the wall 2565. The heat exchange fin 2575 provides subcooling to the reservoir 2525 and the entire liquid side of the evaporator 2520. The heat exchange fin 2575 of the evaporator 2520 may be designed to be separated from the heat exchange fin 2555 of the condenser 2540.

液体戻りライン2530は第1ウイック2560の上に配置されたリザーバー2525内に延び、該液体戻りライン2530と、該第1ウイック2560と該被加熱壁とのインターフエースに於ける蒸気除去チャンネルと、からの、もし幾らかでもあれば、蒸気バブルは該リザーバー2525内へ放出される。該熱伝達システム2505用の典型的作動流体はメタノール、ブタン、CO、プロピレンそしてアンモニアを含む(しかしそれらに限定されない)。 A liquid return line 2530 extends into a reservoir 2525 disposed above the first wick 2560, and the liquid return line 2530 and a vapor removal channel at the interface between the first wick 2560 and the heated wall; If any, vapor bubbles are released into the reservoir 2525. Typically the working fluid for the heat transfer system 2505 includes methanol, butane, CO 2, propylene and ammonia (but not limited to).

エバポレーター2520は該サイクリカルな熱交換システム2510のホット側2515に取り付けられる。1実施例では、この取り付けは、該エバポレーター2520が該サイクリカル熱交換システム2510の一体部品であるよう、一体になっている。もう1つの実施例では、取り付けは、該エバポレーター2520がホット側2510の外面にクランプされ得るように、一体でない。該熱伝達システム2505は簡単なフアン2580により提供され得る、強制対流シンク(forced convection sink)により冷却される。代わりでは、該熱伝達システム2505は自然又はドラフト(draft)対流で冷却される。   An evaporator 2520 is attached to the hot side 2515 of the cyclic heat exchange system 2510. In one embodiment, this attachment is integral so that the evaporator 2520 is an integral part of the cyclic heat exchange system 2510. In another embodiment, the attachment is not integral so that the evaporator 2520 can be clamped to the outer surface of the hot side 2510. The heat transfer system 2505 is cooled by a forced convection sink, which can be provided by a simple fan 2580. Alternatively, the heat transfer system 2505 is cooled by natural or draft convection.

初期に、液相の作動流体は該エバポレーター2520,該液体戻りライン2530,そして該コンデンサー2540の下部部分に集められる。第1ウイック2560は、毛細管力(capillary forces)のためにウエット(wet)である。熱が印加される(例えば、サイクリカルな熱交換システム2510がオンに切り替えられる)や否や、該第1ウイック2560は蒸気を発生し始め、該蒸気は該エバポレーター2520の蒸気除去チャンネル(エバポレーター1100の蒸気除去チャンネル1120と同様な)を通り、該エバポレーター2520の蒸気出口を通り、そして蒸気ライン2545内へ進む。   Initially, liquid phase working fluid is collected in the evaporator 2520, the liquid return line 2530, and the lower portion of the condenser 2540. The first wick 2560 is wet because of capillary forces. As soon as heat is applied (eg, the cyclic heat exchange system 2510 is switched on), the first wick 2560 begins to generate steam, which is the steam removal channel of the evaporator 2520 (steam of the evaporator 1100). (Similar to removal channel 1120), through the vapor outlet of the evaporator 2520, and into the vapor line 2545.

蒸気は次いで該コンデンサー2540の上部で該コンデンサー2540に入る。該コンデンサー2540は該蒸気を液体に凝縮させ、該液体は該コンデンサー2540の下部に集められる。該液体は、該リザーバー2525と該コンデンサー2540の下部との間の圧力差のために該リザーバー2525内へ押し込まれる。該リザーバー2525からの液体は該エバポレーター2520の液体流れチャンネルに入る。該エバポレーター2520の該液体流れチャンネルは該エバポレーター1100のチャンネル1125の様に構成され、気化された液体用に適当な液体取り換えをもたらすように、適当に寸法を与えられ、かつ配置される。該第1ウイック2560により創られる毛細管圧力は、エルエイチピー圧力降下全体(overall LHP pressure drop)に耐え(withstand)、蒸気バブルが第1ウイック2560を通り該液体流れチャンネルの方へ進むのを防止するのに充分である。   Steam then enters the condenser 2540 at the top of the condenser 2540. The condenser 2540 condenses the vapor into a liquid that is collected at the bottom of the condenser 2540. The liquid is forced into the reservoir 2525 due to a pressure differential between the reservoir 2525 and the bottom of the condenser 2540. Liquid from the reservoir 2525 enters the liquid flow channel of the evaporator 2520. The liquid flow channel of the evaporator 2520 is configured like the channel 1125 of the evaporator 1100 and is appropriately sized and arranged to provide an appropriate liquid replacement for the vaporized liquid. The capillary pressure created by the first wick 2560 withstands the overall LHP pressure drop and prevents vapor bubbles from traveling through the first wick 2560 toward the liquid flow channel. Enough.

もし上記で論じたコールド偏倚が、該液体流れチャンネルの表面積に対する環(annulus)の熱交換面の表面積の増加により引き起こされる該第1ウイック2560を横切る増加した熱洩れ、を補償するのに充分であるならば、該エバポレーター2520の液体流れチャンネルは簡単な環により置き換えられる得る。   If the cold bias discussed above is sufficient to compensate for increased heat leakage across the first wick 2560 caused by an increase in the surface area of the annulus heat exchange surface relative to the surface area of the liquid flow channel. If present, the liquid flow channel of the evaporator 2520 can be replaced by a simple ring.

図26−28を参照すると、熱伝達システム2600はサイクリカルな熱交換システム2610に結合されたエバポレーター2605と、該エバポレーター2605に結合された膨張容積(expansion volume)2615と、を有する。該エバポレーター2605の蒸気チャンネルは、コンデンサー2630の1連のチャンネル2625に供給する蒸気ライン2620へ供給する。該コンデンサー2630からの凝縮された液体は液体戻りチャンネル2635内に集められる。該熱伝達システム2600は又該コンデンサー2630に熱的に結合されたフインストック2640を有する。   Referring to FIGS. 26-28, the heat transfer system 2600 has an evaporator 2605 coupled to a cyclic heat exchange system 2610 and an expansion volume 2615 coupled to the evaporator 2605. The vapor channel of the evaporator 2605 feeds a vapor line 2620 that feeds a series of channels 2625 in the condenser 2630. The condensed liquid from the condenser 2630 is collected in a liquid return channel 2635. The heat transfer system 2600 also has a fin stock 2640 that is thermally coupled to the condenser 2630.

エバポレーター2605は被加熱壁2700、液体バリア壁2705,該被加熱壁2700と該液体バリア壁2705の内側と間に位置付けられた第1ウイック2710,蒸気除去チャンネル2715,そして液体流れチャンネル2720を有する。該液体バリア壁2705は該第1ウイック2710及び該被加熱壁2700と同軸である。該液体流れチャンネル2720は液体戻りチャンネル2725により供給され、該蒸気除去チャンネル2715は蒸気出口2730内へ供給する。   The evaporator 2605 includes a heated wall 2700, a liquid barrier wall 2705, a first wick 2710 positioned between the heated wall 2700 and the inside of the liquid barrier wall 2705, a vapor removal channel 2715, and a liquid flow channel 2720. The liquid barrier wall 2705 is coaxial with the first wick 2710 and the heated wall 2700. The liquid flow channel 2720 is supplied by a liquid return channel 2725 and the vapor removal channel 2715 is supplied into a vapor outlet 2730.

該被加熱壁2700は第1ウイック2710に密接に接触する。該液体バリア壁2705は、作動流体が該液体バリア壁2705の内側に沿ってのみ流れるように、該液体バリア壁2705の内側上に作動流体を含んでいる。該液体バリア壁2705は該エバポレーターのエンベロープを閉じ、該液体流れチャンネル2720を通して作動流体を編成し、分布させるのを助ける。   The heated wall 2700 is in intimate contact with the first wick 2710. The liquid barrier wall 2705 contains a working fluid on the inside of the liquid barrier wall 2705 so that the working fluid flows only along the inside of the liquid barrier wall 2705. The liquid barrier wall 2705 closes the evaporator envelope and helps to organize and distribute the working fluid through the liquid flow channel 2720.

1実施例では、該エバポレーター2605は背丈が約5.08cm(約2インチ)であり、膨張容積2615は高さが約2.54cm(約1インチ)である。該エバポレーター2605と該膨張容積2615とは外径10.16cm(4インチ)を有するサイクリカルな熱交換システム2610の部分の廻りに捲かれている。蒸気ライン2620は約3.175mm(1/8インチ)の半径を有する。該サイクリカルな熱交換システム2610は約58のコンデンサーチャンネル2625を有し、各コンデンサーチャンネル2625は約5.04cm(2インチ)の長さと約0.305mm(0.012インチ)の半径を有し、該チャンネル2625は該コンデンサー2630の幅が約101.6cm(40インチ)となるように、広げられている。該液体戻りチャンネル2725は約1.58mm(1/16インチ)の半径を有する。該熱交換器2800(該コンデンサー2630と該フインストック2640を有する)は長さ約101.6cm(40インチ)で、約20.32cm(8インチ)の外径を有する円筒形熱交換器を作るよう内部及び外部ループに捲かれている(図30,33,そして34参照)。該エバポレーター2605は、被加熱壁2700と該液体バリア壁2705とにより規定された、約3.175mm(1/8インチ)の断面幅2750を有する。蒸気除去チャンネル2715は約0.508mm(0.020インチ)の幅と約0.508mm(0.020インチ)の深さを有し、25.4mm(1インチ)当たり25チャンネルを作るために約0.508mm(0.020インチ)だけ相互から分離されている。   In one embodiment, the evaporator 2605 has a height of about 2 inches and the expansion volume 2615 has a height of about 1 inch. The evaporator 2605 and the expansion volume 2615 are wound around a portion of a cyclic heat exchange system 2610 having an outer diameter of 10.16 cm (4 inches). The steam line 2620 has a radius of about 1/8 inch. The cyclic heat exchange system 2610 has about 58 condenser channels 2625, each condenser channel 2625 having a length of about 2 inches and a radius of about 0.012 inches. The channel 2625 is widened so that the width of the capacitor 2630 is approximately 40 inches. The liquid return channel 2725 has a radius of about 1/16 inch. The heat exchanger 2800 (with the condenser 2630 and the finstock 2640) is approximately 101.6 cm (40 inches) long and produces a cylindrical heat exchanger having an outer diameter of approximately 20.32 cm (8 inches). (See FIGS. 30, 33, and 34). The evaporator 2605 has a cross-sectional width 2750 defined by the heated wall 2700 and the liquid barrier wall 2705 of about 1/8 inch. The vapor removal channel 2715 has a width of about 0.020 inches and a depth of about 0.020 inches, and is about 25 channels per 25.4 mm to make 25 channels. They are separated from each other by 0.508 mm (0.020 inches).

上述の様に、該熱伝達システム(システム2310の様な)は該サイクリカルな熱交換システムの部分(部分2315の様な)と熱的に結合されている。該熱伝達システムと該部分の間の熱的結合は何等かの適当な方法によって可能である。1実施例では、もし該熱伝達システムのエバポレーターが該サイクリカルな熱交換システムのホット側に熱的に結合されれば、該エバポレーターは該ホット側を囲み、それと接触し、該ホット側と該エバポレーターの間に付けられた熱伝導グリースコンパウンド(thermal grease compound)により該熱的結合が可能とされてもよい。もう1つの実施例では、もし該熱伝達システムのエバポレーターが該サイクリカルな熱交換システムのホット側と熱的に結合されれば、該エバポレーターは、該サイクリカルな熱交換システムのホット側内へ蒸気チャンネルを直接形成することにより該サイクリカルな熱交換システムの該ホット側と一体に作られてもよい。   As described above, the heat transfer system (such as system 2310) is thermally coupled to a portion of the cyclic heat exchange system (such as portion 2315). Thermal coupling between the heat transfer system and the part is possible by any suitable method. In one embodiment, if the evaporator of the heat transfer system is thermally coupled to the hot side of the cyclic heat exchange system, the evaporator surrounds and contacts the hot side, and the hot side and the evaporator The thermal coupling may be made possible by a thermal grease compound placed between the two. In another embodiment, if the evaporator of the heat transfer system is thermally coupled to the hot side of the cyclic heat exchange system, the evaporator is connected to a steam channel into the hot side of the cyclic heat exchange system. May be made integrally with the hot side of the cyclic heat exchange system.

図30−32を参照すると、熱伝達システム3000はサイクリカルな熱交換システム3005の周りにパッケージされる。該熱伝達システム3000はエバポレーター3015を取り囲むコンデンサー3010を有する。気化された作動流体は、該コンデンサー3010に接続された蒸気出口3020を通って該エバポレーター3015を出る。該コンデンサー3010は回るよう輪になり(loops around)、ジャンクション3025でそれ自身の内側で戻るよう2重になる(doubles back inside itself)。   With reference to FIGS. 30-32, the heat transfer system 3000 is packaged around a cyclic heat exchange system 3005. The heat transfer system 3000 has a condenser 3010 that surrounds an evaporator 3015. Vaporized working fluid exits the evaporator 3015 through a steam outlet 3020 connected to the condenser 3010. The capacitor 3010 loops around and doubles back inside itself at junction 3025 (doubles back inside itself).

該サイクリカルな熱交換システム3005はその熱除去面3100付近をエバポレーター3015により囲まれている。該エバポレーター3015は該熱除去面3100と密接に接触している。チューブ3205内には(サイクリカルな熱交換システム3005と熱伝達システム3000の組み合わせである)冷凍用組立体が設置されており、フアン3210は、該コンデンサー3010のフインを通して排気チャンネル3035へ空気を圧送するために該チューブ3205の端部に設置されている。   The cyclic heat exchange system 3005 is surrounded by an evaporator 3015 in the vicinity of the heat removal surface 3100. The evaporator 3015 is in intimate contact with the heat removal surface 3100. A refrigeration assembly (which is a combination of a cyclic heat exchange system 3005 and a heat transfer system 3000) is installed in the tube 3205, and the fan 3210 pumps air to the exhaust channel 3035 through the fin of the condenser 3010. Therefore, it is installed at the end of the tube 3205.

該エバポレーター3015はウイック3215を有するが、該ウイック内では作動流体が該熱除去面3100から熱を吸収し、液体から蒸気に相変化する。熱伝達システム3000は該エバポレーター3015の頂部に、膨張容積を提供するリザーバー3220を有する。図解を簡単にするために、該エバポレーター3015は内部詳細を示さない簡単なハッチングしたブロックとしてこの図では図解されている。この様な内部詳細はこの説明の他の所で論じられる。   The evaporator 3015 has a wick 3215 in which the working fluid absorbs heat from the heat removal surface 3100 and changes phase from liquid to vapor. The heat transfer system 3000 has a reservoir 3220 at the top of the evaporator 3015 that provides an expanded volume. For simplicity of illustration, the evaporator 3015 is illustrated in this figure as a simple hatched block that does not show internal details. Such internal details are discussed elsewhere in this description.

気化した作動流体は蒸気出口3020を通って該エバポレーター3015を出て、コンデンサー3010の蒸気ライン3040に入る。該作動流体は該蒸気ライン3040から下方へ流れ、コンデンサー3010のチャンネル3045を通り、液体戻りライン3050へ流れる。作動流体が該コンデンサー3010のチャンネル3045を通って流れると、それは該フインを通して、フイン間を過ぎる空気へ熱を失い、蒸気から液体へ相変化する。該コンデンサー3010のフイン3030を通過した空気は排気チャンネル(exhaust channel)3035を通って流れ去る。液化した作動流体{及びことによると幾らかの凝縮されない(uncondensed)蒸気}は該液体戻りライン3050から液体戻りポート3055を通って該エバポレーター3015内へ流れて戻る。   The vaporized working fluid exits the evaporator 3015 through the vapor outlet 3020 and enters the vapor line 3040 of the condenser 3010. The working fluid flows down from the vapor line 3040 and through the channel 3045 of the condenser 3010 to the liquid return line 3050. As the working fluid flows through the channel 3045 of the condenser 3010, it loses heat through the fins to the air passing between the fins and changes phase from vapor to liquid. The air that has passed through the fin 3030 of the condenser 3010 flows away through an exhaust channel 3035. The liquefied working fluid {and possibly some uncondensed vapor} flows from the liquid return line 3050 through the liquid return port 3055 and back into the evaporator 3015.

図33及び34を参照すると、熱輸送システム(heat transport system)3300はサイクリカルな熱交換システム3302の部分を囲み、該熱交換システムは、今度は、排気チャンネル3305により囲まれる。該熱輸送システム3300は該サイクリカルな熱交換システム3302を囲む上部部分を有するエバポレーター3310を備える。蒸気ポート3315はエバポレーター3310をコンデンサー3320の蒸気ライン3312へ接続する。該蒸気ライン3312は、該エバポレーター3310の周りを旋回する外側領域を有しており、そして次いで、ジャンクション3325でそれ自身上に戻るよう2重化し、反対方向で該エバポレーター3310の周りを戻り旋回する内部領域を形成する。又該熱輸送システム3300は該コンデンサー3320上に冷却フイン3330を有する。   Referring to FIGS. 33 and 34, a heat transport system 3300 surrounds a portion of a cyclic heat exchange system 3302 that is in turn surrounded by an exhaust channel 3305. The heat transport system 3300 includes an evaporator 3310 having an upper portion surrounding the cyclic heat exchange system 3302. A steam port 3315 connects the evaporator 3310 to the steam line 3312 of the condenser 3320. The steam line 3312 has an outer region that swivels around the evaporator 3310 and then doubles back on itself at junction 3325 and swivels back around the evaporator 3310 in the opposite direction. Form an internal region. The heat transport system 3300 also has a cooling fin 3330 on the condenser 3320.

又該熱輸送システム3300は該コンデンサー3320の液体ライン3405からの凝縮された作動流体が該エバポレーター3310へ戻るための通路を提供する液体戻りポート3400を有する。   The heat transport system 3300 also has a liquid return port 3400 that provides a path for condensed working fluid from the liquid line 3405 of the condenser 3320 to return to the evaporator 3310.

上述した様に、該エバポレーター3310と、該サイクリカルな熱交換システム3302の熱除去面と、の間のインターフエースは幾つかの代わりの実施例の1つにより実施されてもよい。   As described above, the interface between the evaporator 3310 and the heat removal surface of the cyclic heat exchange system 3302 may be implemented by one of several alternative embodiments.

図35を参照すると、1実施例では、エバポレーター3500はサイクリカルな熱交換システム3505の熱除去面3502上をスリップする。該エバポレーター3500は被加熱壁3510,液体バリア壁3515,そして該壁3510と3515との間にサンドウイッチにされたウイック3520を有する。該ウイック3520は蒸気チャンネル3525を装備しており、液体流れチャンネル3530は、明確化のため簡単な形で該液体バリア壁3515に形成される。   Referring to FIG. 35, in one embodiment, the evaporator 3500 slips over the heat removal surface 3502 of the cyclic heat exchange system 3505. The evaporator 3500 has a heated wall 3510, a liquid barrier wall 3515, and a wick 3520 sandwiched between the walls 3510 and 3515. The wick 3520 is equipped with a vapor channel 3525 and a liquid flow channel 3530 is formed in the liquid barrier wall 3515 in a simple manner for clarity.

該エバポレーター3500は該サイクリカルな熱交換システム3505上を滑らされ、クランプ3600の使用で位置的に保持されてもよい(図36に示す)。熱伝達を助けるために、該サイクリカルな熱交換システム3050と該エバポレーター3500の被加熱壁3510との間に熱伝導グリース(thermally conductive grease)が付けられる。代わりの実施例では、該蒸気チャンネル3525は該ウイック3520の中の代わりに該被加熱壁3510の中に形成される。   The evaporator 3500 may be slid over the cyclic heat exchange system 3505 and held in position using a clamp 3600 (shown in FIG. 36). A thermally conductive grease is applied between the cyclic heat exchange system 3050 and the heated wall 3510 of the evaporator 3500 to assist in heat transfer. In an alternative embodiment, the vapor channel 3525 is formed in the heated wall 3510 instead of in the wick 3520.

図37を参照すると、もう1つの実施例では、エバポレーター3700はサイクリカルな熱交換システム3705の熱除去面3702上に締まりばめで填められる。該エバポレーター3700は被加熱壁3710,液体バリア壁3715、そして該壁3710と3715との間にサンドウイッチにされたウイック3720を有する。該エバポレーター3700は該サイクリカルな熱交換システム3705の熱除去面3702と締まりばめを有する寸法に作られる。   Referring to FIG. 37, in another embodiment, the evaporator 3700 is fitted with an interference fit onto the heat removal surface 3702 of the cyclic heat exchange system 3705. The evaporator 3700 includes a heated wall 3710, a liquid barrier wall 3715, and a wick 3720 sandwiched between the walls 3710 and 3715. The evaporator 3700 is sized to have an interference fit with the heat removal surface 3702 of the cyclic heat exchange system 3705.

該エバポレーター3700は加熱されるので、その内径は該エバポレーターが該加熱されない熱除去面3702上をスリップすることを可能にするよう膨張する。該エバポレーター3700が冷えると、それは該サイクリカルな熱交換システム3705上に締まりばめ関係を有して固定するよう収縮する。該嵌合の堅さ(tightness of the fit)のため熱伝達を高めるために何等熱伝導グリースを要しない。該ウイック3720は蒸気チャンネル3725を装備している。代わりの実施例では、該蒸気チャンネルは該ウイック3720内の代わりに該被加熱壁3710内に形成される。液体流れチャンネル3730は明確化のため簡単な形で該液体バリア壁3715に形成される。   As the evaporator 3700 is heated, its inner diameter expands to allow the evaporator to slip over the unheated heat removal surface 3702. As the evaporator 3700 cools, it contracts to secure it in an interference fit on the cyclic heat exchange system 3705. Because of the tightness of the fit, no heat transfer grease is required to enhance heat transfer. The wick 3720 is equipped with a steam channel 3725. In an alternative embodiment, the vapor channel is formed in the heated wall 3710 instead of in the wick 3720. A liquid flow channel 3730 is formed in the liquid barrier wall 3715 in a simple form for clarity.

図38を参照すると、もう1つの実施例では、エバポレーター3800はサイクリカルな熱交換システム3805の熱除去面3802上に填められ、該エバポレーター3800内の前に設計された特徴は今度は該熱除去面3802内に一体的に形成される。特に、該エバポレーター3800と該熱除去面3802は集積化された組立体として一緒に作られる。該熱除去面3802は蒸気チャンネル3825を有するよう変型され、この仕方では該熱除去面3802は該エバポレーター3800用の被加熱壁として作用する。   Referring to FIG. 38, in another embodiment, the evaporator 3800 is fitted onto a heat removal surface 3802 of a cyclic heat exchange system 3805, and the previously designed features in the evaporator 3800 are now the heat removal surface. It is integrally formed in 3802. In particular, the evaporator 3800 and the heat removal surface 3802 are made together as an integrated assembly. The heat removal surface 3802 is modified to have a vapor channel 3825, and in this manner the heat removal surface 3802 acts as a heated wall for the evaporator 3800.

該エバポレーター3800はウイック3820と、該変型された熱除去面3802の周りに形成された液体バリア壁3815と、を有し、該ウイック3820と該液体バリア壁3815とは、シールされたエバポレーター3800を形成するために該熱除去面3802に一体的にボンド(bonded)される。液体流れチャンネル3830は明確化のため簡単な形で描かれている。この仕方で、集積化されたエバポレーターを有する混成のサイクリカルな熱交換システムが形成される。この一体構造(integral construction)は該クランプオン構造(clamp−on construction)及び締まりばめ構造に比較して向上した熱的特性を提供するものであり、何故ならば該サイクリカルな熱交換システムと該エバポレーターのウイックとの間の熱抵抗が減じられるからである。   The evaporator 3800 has a wick 3820 and a liquid barrier wall 3815 formed around the modified heat removal surface 3802, the wick 3820 and the liquid barrier wall 3815 comprising a sealed evaporator 3800. Bonded integrally to the heat removal surface 3802 to form. Liquid flow channel 3830 is drawn in a simplified form for clarity. In this way, a hybrid cyclical heat exchange system with an integrated evaporator is formed. This integral construction provides improved thermal properties compared to the clamp-on construction and the interference fit structure because the cyclic heat exchange system and the clump-on construction. This is because the thermal resistance with the evaporator wick is reduced.

図29を参照すると、グラフ2900と2905は、該サイクリカルな熱交換システムの該熱伝達システムにより冷却されるべき部分の表面の最高温度と、該熱伝達システムと該サイクリカル熱交換システムの冷却されるべき該部分との間のインターフエースの表面積と、の間の関係を示す。該最高温度は熱除去の最大量を示す。グラフ2900で、該部分と該熱伝達システムの間のインターフエースは熱伝導グリースコンパウンド(thermal grease compound)で仕上げられた(accomplished)。グラフ2905では、該熱伝達システムは該部分と一体に作られた。   Referring to FIG. 29, graphs 2900 and 2905 show the maximum temperature of the surface of the cyclic heat exchange system to be cooled by the heat transfer system and the cooling of the heat transfer system and the cyclic heat exchange system. The relationship between the surface area of the interface between the part and the power is shown. The maximum temperature indicates the maximum amount of heat removal. In graph 2900, the interface between the portion and the heat transfer system was accomplished with a thermal grease compound. In graph 2905, the heat transfer system was made integral with the part.

示される様に、約8.495m/min(300CFM)の空気流れで、もし該インターフエースが熱伝導グリースインターフエースなら、熱除去の最大量は熱交換表面積2910{例えば、約9.29m(100ft)}で最大熱除去表面温度2907(例えば、70℃)内に入るだろう。該エバポレーターが蒸気チャンネルを直接該熱除去面内に形成することにより該部分と一体に作られると、熱除去面は、可成り小さい熱交換表面積で該熱伝導グリースインターフエースの最高熱除去面温度より下で動作するであろう。 As shown, with an air flow of about 8.495 m 3 / min (300 CFM) and if the interface is a thermally conductive grease interface, the maximum amount of heat removal is the heat exchange surface area 2910 {eg, about 9.29 m 2 (100 ft 2 )} will fall within a maximum heat removal surface temperature 2907 (eg, 70 ° C.). When the evaporator is made integral with the part by forming a vapor channel directly in the heat removal surface, the heat removal surface has a very small heat exchange surface area and the highest heat removal surface temperature of the thermal grease interface. Will work below.

図39を参照すると、コンデンサー3900はフイン3905を有して形成され、該フインは空気又は環境と、該コンデンサー3900の蒸気ライン3910と、の間の熱的流通を提供する。該蒸気ライン3910は、該コンデンサー3900内に位置付けられたエバポレーター3920に接続する蒸気出口3915と結合している。   Referring to FIG. 39, a condenser 3900 is formed with fins 3905 that provide thermal communication between the air or environment and the vapor line 3910 of the condenser 3900. The steam line 3910 is coupled to a steam outlet 3915 that connects to an evaporator 3920 positioned within the condenser 3900.

図40−43を参照すると、1実施例では、該コンデンサー3900は積層されており、蒸気ヘッド(vapor head)3925と液体ヘッド(liquid head)3930の間の該コンデンサー3900の平坦なプレート4000を通って延びる流れチャンネルを有して形成されている。銅は該積層コンデンサーの製作での使用に好適な材料である。該積層構造コンデンサー3900はその中に形成された流体流れチャンネル4205を有するベース4200を備え、頂部層(top layer)4210は該流体流れチャンネル4205をカバーし、シールするために該ベース4200にボンドされている。該流体流れチャンネル4205は該ベース4200内に形成される溝(trench)として設計され、該頂部層4210の下でシールされる。該流体流れチャンネル4205用の該溝は、化学的エッチング、電気化学的エッチング、機械加工、又は放電加工過程により形成されてもよい。   40-43, in one embodiment, the condenser 3900 is stacked and passes through a flat plate 4000 of the condenser 3900 between a vapor head 3925 and a liquid head 3930. Are formed with extending flow channels. Copper is a suitable material for use in making the multilayer capacitor. The laminated capacitor 3900 includes a base 4200 having a fluid flow channel 4205 formed therein, and a top layer 4210 is bonded to the base 4200 to cover and seal the fluid flow channel 4205. ing. The fluid flow channel 4205 is designed as a trench formed in the base 4200 and is sealed under the top layer 4210. The grooves for the fluid flow channel 4205 may be formed by chemical etching, electrochemical etching, machining, or electrical discharge machining processes.

図44−45を参照すると、もう1つの実施例では、該コンデンサー3900は押し出し加工(extruded)され、小さな流れチャンネル4400が該コンデンサー3900の平坦な板4405を通って延びている。アルミニウムはこの様な押し出し品コンデンサーでの使用に好適な材料である。該押し出し加工され微小チャンネルのある平坦な板4405は蒸気ヘッダー4410と液体ヘッダー4415の間に延びている。更に、コルゲート(corrugated)されたフインストック4420が該平坦な板4405の両側にボンド{例えば、蝋付け(brazed)又はエポキシ剤付け(epoxied)}される。   44-45, in another embodiment, the condenser 3900 is extruded and a small flow channel 4400 extends through the flat plate 4405 of the condenser 3900. Aluminum is a suitable material for use in such extruded capacitor. The extruded flat plate 4405 with microchannels extends between the vapor header 4410 and the liquid header 4415. In addition, corrugated finstock 4420 is bonded {eg, brazed or epoxyd) to both sides of the flat plate 4405.

サイクリカルな熱交換システム4605に結合された熱伝達システム4600の1つの側の断面図である図46を参照する。この図は該熱伝達システムの特にコンパクトなパッケージングを提供する相対的寸法を示す。この図で、フイン4610は図解の容易さのために90度位相外れで描かれている。約10.16cm(4インチ)の直径を有する該サイクリカルな熱交換システム4605の熱除去面4615を冷却するために、該エバポレーター4620は約6.35mm(0.25インチ)の厚さを有し、該コンデンサーの半径方向厚さは約4.45cm(1.75インチ)である。これは全体的寸法で約20.32cm(8インチ)のパッケージング(熱伝達システム4600とサイクリカル熱交換システム4605の組み合わせ)を提供する。   Reference is made to FIG. 46, which is a cross-sectional view of one side of a heat transfer system 4600 coupled to a cyclic heat exchange system 4605. This figure shows the relative dimensions that provide a particularly compact packaging of the heat transfer system. In this figure, fins 4610 are drawn 90 degrees out of phase for ease of illustration. In order to cool the heat removal surface 4615 of the cyclic heat exchange system 4605 having a diameter of about 10.16 cm (4 inches), the evaporator 4620 has a thickness of about 0.25 inches. The radial thickness of the capacitor is approximately 1.75 inches. This provides an overall dimension of about 8 inches of packaging (combination of heat transfer system 4600 and cyclic heat exchange system 4605).

論じた様に、該熱伝達システムで使われる該エバポレーターはウイックを装備している。該熱伝達システムのエバポレーター内でウイックが使われるので、コンデンサーは該エバポレーターに対し、そして重力に対しどんな場所に位置付けられてもよい。例えば、該コンデンサーは該エバポレーターの上{重力のプル(pull)に対し}、該エバポレーターの下(重力のプルに対し)、或いは該エバポレーターに隣接して位置付けられてもよく、かくしてエバポレーターと同じ重力のプルを受ける。   As discussed, the evaporator used in the heat transfer system is equipped with a wick. Since a wick is used in the evaporator of the heat transfer system, the condenser may be located anywhere with respect to the evaporator and with respect to gravity. For example, the condenser may be positioned above the evaporator (relative to the pull of gravity), below the evaporator (relative to the pull of gravity), or adjacent to the evaporator, and thus the same gravity as the evaporator Receive a pull.

他の実施例は別記請求項の範囲内にある。   Other embodiments are within the scope of the following claims.

注意として、用語のスターリングエンジン(Stirling engine)、スターリング熱交換システム(Stirling heat exchange system)、及びフリーピストンスターリングクーラー(Free Piston Stirling Cooler)が上記幾つかの実施例で引用された。しかしながら、それらの実施例に関連して説明された特徴と主要点(principals)は機械的エネルギーと熱的エネルギーの間の変換を行い得る他のエンジンに適用されてもよい。   Note that the terms Stirling engine, Stirling heat exchange system, and free piston Stirling cooler were cited in the above examples. However, the features and principals described in connection with these embodiments may be applied to other engines that can convert between mechanical energy and thermal energy.

更に、上記説明の特徴と主要点は、サイクル、すなわち、究極的にそれをその元の状態へ戻らせる変換のシーケンス、を経験することが出来る熱力学的システムである様な、どんな熱エンジン(heat engine)にも適用されてよい。もし該サイクル内の全ての変換が可逆的なら、該サイクルは可逆的でありそして該熱伝達は反対方向にも起こり、行われる仕事(work done)の量は記号を切り替える。最も簡単な可逆サイクルはカルノー(Carnot)サイクルであり、該サイクルは2つの熱リザーバーで熱交換する。   Furthermore, the features and main points of the above description are that any heat engine, such as a thermodynamic system that can experience a cycle, ie a sequence of transformations that ultimately returns it to its original state ( (heat engine) may also be applied. If all transformations in the cycle are reversible, the cycle is reversible and the heat transfer occurs in the opposite direction, and the amount of work done switches the symbol. The simplest reversible cycle is the Carnot cycle, which exchanges heat with two heat reservoirs.

熱伝達システムの略図である。1 is a schematic diagram of a heat transfer system. 図1により図式的に示された熱伝達システムの実施例の線図である。FIG. 2 is a diagram of an embodiment of a heat transfer system schematically illustrated by FIG. 1. 熱伝達システムを使用した熱伝達の進行の流れ図を示す。Fig. 2 shows a flow diagram of the progress of heat transfer using a heat transfer system. 図3のプロセスの流れ中の熱伝達システムの種々の構成要素の温度変化を示すグラフである。4 is a graph showing temperature changes of various components of the heat transfer system during the process flow of FIG. 図1の熱伝達システム内に示された3ポート型の主蒸発器の線図である。FIG. 2 is a diagram of a three-port main evaporator shown in the heat transfer system of FIG. 1. 図5Aの5B−5Bに沿って得られた主蒸発器の断面図である。It is sectional drawing of the main evaporator obtained along 5B-5B of FIG. 5A. 図1に示された熱伝達システム内に統一し得る4ポート型の主蒸発器の線図である。FIG. 2 is a diagram of a 4-port main evaporator that can be integrated into the heat transfer system shown in FIG. 1. 熱伝達システムの一実施例の略図である。1 is a schematic diagram of one embodiment of a heat transfer system. 熱伝達システムを使用した応用例の斜視図である。It is a perspective view of the application example which uses a heat transfer system. 図8Aの8C−8Cに沿って得られた流体管路の断面図である。FIG. 8C is a cross-sectional view of the fluid conduit taken along 8C-8C of FIG. 8A. それぞれ図8A及び9Aの熱伝達システムの実施例の略図である。9 is a schematic diagram of an embodiment of the heat transfer system of FIGS. 8A and 9A, respectively. 熱伝達システムを使用した応用例の斜視図である。It is a perspective view of the application example which uses a heat transfer system. 平面状蒸発器の断面図である。It is sectional drawing of a planar evaporator. 環状蒸発器の軸方向断面図である。It is an axial sectional view of an annular evaporator. 図11の環状蒸発器の半径方向断面図である。It is radial direction sectional drawing of the annular evaporator of FIG. 図12の環状蒸発器の半径方向断面の一部分の拡大図である。FIG. 13 is an enlarged view of a portion of the radial cross section of the annular evaporator of FIG. 12. 図11の環状蒸発器の斜視図である。It is a perspective view of the annular evaporator of FIG. 図14Aの環状蒸発器の部分的に切り取られた平面図である。FIG. 14B is a partially cut away plan view of the annular evaporator of FIG. 14A. 図14Bの環状蒸発器の一部分の拡大断面図である。FIG. 14B is an enlarged cross-sectional view of a portion of the annular evaporator of FIG. 14B. 図14Bの環状蒸発器の線14D−14Dに沿って得られた断面図である。14D is a cross-sectional view taken along line 14D-14D of the annular evaporator of FIG. 14B. 図14Dの環状蒸発器の部分の拡大図である。FIG. 14D is an enlarged view of a portion of the annular evaporator of FIG. 14D. 図14Aの環状蒸発器の切断斜視図である。FIG. 14B is a cut perspective view of the annular evaporator of FIG. 14A. 図14Gの環状蒸発器の詳細な切断斜視図である。14B is a detailed cut perspective view of the annular evaporator of FIG. 14G. FIG. 図14Aの環状蒸発器のシェルリング要素内に形成された液体障壁の平坦な詳細図である。14B is a flat detail view of a liquid barrier formed in the shell ring element of the annular evaporator of FIG. 14A. FIG. 図15Aの流体障壁の線15B−15Bに沿って得られた断面図である。FIG. 15B is a cross-sectional view taken along line 15B-15B of the fluid barrier of FIG. 15A. 図14Aの環状蒸発器の1次ウイックの斜視図である。FIG. 14B is a perspective view of a primary wick of the annular evaporator of FIG. 14A. 図16Aの1次ウイックの平面図である。FIG. 16B is a plan view of the primary wick of FIG. 16A. 図16Bの1次ウイックの線16C−16Cに沿って得られた断面図である。FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line 16C-16C of the primary wick of FIG. 16B. 図16Cの1次ウイックの一部分の拡大図である。FIG. 17D is an enlarged view of a portion of the primary wick of FIG. 16C. 図14Aの環状蒸発器の環状リング内に形成された加熱された壁の斜視図である、FIG. 14B is a perspective view of a heated wall formed in the annular ring of the annular evaporator of FIG. 14A. 図17Aの加熱された壁の平面図である。FIG. 17B is a plan view of the heated wall of FIG. 17A. 図17Bの加熱された壁の線17C−17Cに沿って得られる断面図である。FIG. 18B is a cross-sectional view taken along line 17C-17C of the heated wall of FIG. 17B. 図17Cの加熱された壁の一部分の拡大図である。FIG. 17B is an enlarged view of a portion of the heated wall of FIG. 17C. 図17Aの加熱された壁を図15Aの液体障壁から分離しているリングの斜視図である。FIG. 17B is a perspective view of the ring separating the heated wall of FIG. 17A from the liquid barrier of FIG. 15A. 図18Aのリングの平面図である。FIG. 18B is a plan view of the ring of FIG. 18A. 図18Bのリングの線18−18Cに沿って得られた断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view taken along line 18-18C of the ring of FIG. 18B. 図18Cのリングの一部分の拡大図である、FIG. 18C is an enlarged view of a portion of the ring of FIG. 18C. 図14Aの環状蒸発器のリングの斜視図である。FIG. 14B is a perspective view of the ring of the annular evaporator of FIG. 14A. 図19Aのリングの平面図である。FIG. 19B is a plan view of the ring of FIG. 19A. 図19Bのリングの線19C−19Cに沿って得られた断面図である。FIG. 19B is a cross-sectional view taken along line 19C-19C of the ring of FIG. 19B. 図19Cのリングの一部分の拡大図である。FIG. 20 is an enlarged view of a portion of the ring of FIG. 19C. 熱伝達システムを使用し冷却し得る周期的熱交換システムの斜視図である。1 is a perspective view of a periodic heat exchange system that can be cooled using a heat transfer system. FIG. 図20の周期的熱交換システムのような周期的熱交換システムの断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view of a periodic heat exchange system, such as the periodic heat exchange system of FIG. 図20の周期的熱交換システムのような周期的熱交換システムの側面図である。FIG. 21 is a side view of a periodic heat exchange system, such as the periodic heat exchange system of FIG. 20. 周期的熱交換システムと熱伝達システムとを有する周期的熱交換システムの第1の実施例の略図である。1 is a schematic illustration of a first embodiment of a periodic heat exchange system having a periodic heat exchange system and a heat transfer system. 周期的熱交換システムと熱伝達システムとを有する周期的熱交換システムの第2の実施例の略図である。2 is a schematic diagram of a second embodiment of a periodic heat exchange system having a periodic heat exchange system and a heat transfer system. 図10−13の原理により設計された蒸発器を使用する熱伝達システムの略図である。14 is a schematic diagram of a heat transfer system using an evaporator designed according to the principles of FIGS. 図25の熱伝達システムの機能による分解図である。It is an exploded view by the function of the heat transfer system of FIG. 図25の熱伝達システムにおいて使用される蒸発器の部分的な詳細断面図である。FIG. 26 is a partial detailed cross-sectional view of an evaporator used in the heat transfer system of FIG. 25. 図25の熱伝達システムにおいて使用される熱交換器の斜視面である。It is a perspective view of the heat exchanger used in the heat transfer system of FIG. 周期的熱交換システムの熱源の温度に対する、周期的熱交換システムの熱伝達システムと熱源との間の中間面の表面積のグラフである。FIG. 6 is a graph of the surface area of an intermediate surface between a heat transfer system and a heat source of a periodic heat exchange system versus temperature of the heat source of the periodic heat exchange system. 周期的熱交換システムの一部分の周りにパッケージされた熱伝達システムの平面図である。1 is a plan view of a heat transfer system packaged around a portion of a periodic heat exchange system. FIG. 図30の周期的熱交換システムの周りにパッケージされた熱伝達システムの(線31−31に沿って得られた)部分的な断面の立面図である。FIG. 31 is a partial cross-sectional elevational view (taken along line 31-31) of a heat transfer system packaged around the periodic heat exchange system of FIG. 30. 図30の熱伝達システムと周期的熱交換システムとの間の中間面の(詳細3200において得られた)部分的な断面の立面図である。FIG. 31 is an elevational view in partial section (obtained in detail 3200) of an intermediate surface between the heat transfer system of FIG. 30 and a periodic heat exchange system. 周期的熱交換システムに取り付けられた熱伝達システムの上方の斜視図である。2 is a top perspective view of a heat transfer system attached to a periodic heat exchange system. FIG. 図33の周期的熱交換システムに取り付けられた熱伝達システムの下方の斜視図である。FIG. 34 is a bottom perspective view of a heat transfer system attached to the periodic heat exchange system of FIG. 33. 蒸発器が周期的熱交換システム上にクランプされた状態の熱伝達システムの蒸発器と周期的熱交換システムとの間の中間面の部分的な断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of an intermediate surface between an evaporator and a periodic heat exchange system of a heat transfer system with the evaporator clamped on the periodic heat exchange system. 図35の周期的熱交換システムの上に蒸発器をクランプするために使用されるクランプの側面図である。FIG. 36 is a side view of a clamp used to clamp an evaporator on the periodic heat exchange system of FIG. 35. 熱伝達システムの蒸発器と周期的熱交換システムとの間の中間面であって、蒸発器と周期的熱交換システムとの間の締まり嵌めにより形成される前記中間面の部分的な断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of an intermediate surface between an evaporator and a periodic heat exchange system of the heat transfer system, formed by an interference fit between the evaporator and the periodic heat exchange system; is there. 熱伝達システムの蒸発器と周期的熱交換によりシステムとの中間面であって、周期的熱交換システムと一体に蒸発器を形成することにより形成される前記中間面の部分的な断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of an intermediate surface between an evaporator of a heat transfer system and the system by periodic heat exchange and formed by forming an evaporator integrally with the periodic heat exchange system; . 熱伝達システムの凝縮器の平面図である。It is a top view of the condenser of a heat transfer system. 図39の凝縮器の線40−40に沿って得られる部分的な断面図である。FIG. 40 is a partial cross-sectional view taken along line 40-40 of the condenser of FIG. 39. 積層構造を有する凝縮器の詳細断面図である。It is detailed sectional drawing of the condenser which has a laminated structure. 押出し構造を有する凝縮器の詳細断面図である。It is detail sectional drawing of the condenser which has an extrusion structure. 押出し構造を有する凝縮器の詳細な断面斜視図である。It is a detailed cross-sectional perspective view of the condenser which has an extrusion structure. 周期的熱交換システムの周りをパッケージしている熱伝達システムの一方の側の断面図である。種々の図面において同様な番号は同様な構成要素を示す。FIG. 2 is a cross-sectional view of one side of a heat transfer system that is packaged around a periodic heat exchange system. Like numbers refer to like elements in the various drawings.

Claims (18)

熱力学的サイクルを用いて作動する、周期的熱交換システム用の熱伝達システムであって、
周期的熱交換システムの一部分の温度を制御するように該周期的熱交換システムの一部分に熱的に結合されるように構成された壁と、該壁に流体結合された1次ウィックとを有する、膨張容積に結合された蒸発器、及び
熱伝達システムのための作動流体を収容する閉ループを形成するように該蒸発器に流体結合された凝縮器、を備え、
該凝縮器は、蒸気入り口及び液体出口、蒸気出口と蒸気入り口との間の連通を設けている蒸気管路、及び液体出口と液体入り口との間の連通を設けている液体戻り管路、を備え、
該蒸発器及び膨張容積は、周期的熱交換システムの一部分の周りを包むべく配設されており、
該蒸発器は、
作動流体が液体障壁の内側にのみ沿って流れるように液体障壁の内側に作動流体を収容していて1次ウィックが壁と液体障壁の内側との間に配置された液体障壁と、
1次ウィックと壁との間の中間共通面に配置されている蒸気排出通路と、
液体障壁の壁と1次ウィックとの間に配置されて液体入り口から液体を受け入れている流体流路と、を備えていることを特徴とする熱伝達システム。
A heat transfer system for a periodic heat exchange system, operating using a thermodynamic cycle,
A wall configured to be thermally coupled to a portion of the periodic heat exchange system to control a temperature of the portion of the periodic heat exchange system, and a primary wick fluidly coupled to the wall An evaporator coupled to the expansion volume, and a condenser fluidly coupled to the evaporator to form a closed loop containing a working fluid for the heat transfer system;
The condenser comprises a vapor inlet and a liquid outlet, a vapor line providing communication between the vapor outlet and the vapor inlet, and a liquid return line providing communication between the liquid outlet and the liquid inlet. Prepared,
The evaporator and expansion volume are arranged to wrap around a portion of the periodic heat exchange system;
The evaporator
A liquid barrier containing the working fluid inside the liquid barrier such that the working fluid flows only along the inside of the liquid barrier and having a primary wick disposed between the wall and the inside of the liquid barrier;
A steam discharge passage disposed in an intermediate common plane between the primary wick and the wall;
And a fluid flow path disposed between the wall of the liquid barrier and the primary wick and receiving liquid from the liquid inlet .
作動流体が熱伝達システムを通して受動的に動かされる請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1, wherein the working fluid is passively moved through the heat transfer system. 作動流体が、外部ポンプの使用なしに熱伝達システムを通して動かされる請求項2記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 2, wherein the working fluid is moved through the heat transfer system without the use of an external pump. 作動流体が、蒸発器、凝縮器、蒸気管路及び液体戻り管路の1個又はそれ以上を通過するとき又はその中にあるときに、作動流体が液体と蒸気との間で変化する請求項1記載の熱伝達システム。  The working fluid changes between liquid and vapor when the working fluid passes or is in one or more of an evaporator, a condenser, a vapor line and a liquid return line. The heat transfer system according to claim 1. 蒸発器が環状形状で、周期的熱伝達システムの一部分を取り囲んでいる請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1, wherein the evaporator is annular in shape and surrounds a portion of the periodic heat transfer system. 作動流体が、ウィックの使用により熱伝達システムを通して動かされる請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1, wherein the working fluid is moved through the heat transfer system by use of a wick. 周囲環境に熱を排除するために凝縮器に熱的に結合されたフィンを更に備える請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1, further comprising fins thermally coupled to the condenser for removing heat to the surrounding environment. 周期的熱交換システム、そして
該周期的熱交換システムの一部分を冷却するために周期的熱交換システムに熱的に結合された熱伝達システムを備え、
該熱伝達システムは、周期的熱交換システムの一部分の周りを囲む蒸発器を備え、
該蒸発器は、
周期的熱交換システムの一部分に熱的に結合されるように構成された壁と、
該壁に流体結合された1次ウィックと、
該1次ウィックと壁の間の中間に配置された蒸気排出通路と、
作動流体が液体障壁の内側にのみ沿って流れるように液体障壁の内側に作動流体を収容していて1次ウィックが壁と液体障壁の内側との間に配置された液体障壁と、
1次ウィックと壁との間の中間共通面に配置されている蒸気排出通路と、
液体障壁の壁と1次ウィックとの間に配置されて液体入り口から液体を受け入れている流体流路と、を備えており、
熱伝達システムのための作動流体を収容する閉ループを形成するように該蒸発器に流体結合された凝縮器、を備え、
該凝縮器は、蒸気入り口及び液体出口、蒸気出口と蒸気入り口との間の連通を設けている蒸気管路、及び液体出口と液体入り口との間の連通を設けている液体戻り管路、を備えていることを特徴とする熱力学的システム。
A periodic heat exchange system , and a heat transfer system thermally coupled to the periodic heat exchange system to cool a portion of the periodic heat exchange system;
The heat transfer system comprises an evaporator that surrounds a portion of the periodic heat exchange system;
The evaporator
A wall configured to be thermally coupled to a portion of the periodic heat exchange system;
A primary wick fluidly coupled to the wall;
A steam discharge passage disposed intermediate between the primary wick and the wall;
A liquid barrier containing the working fluid inside the liquid barrier such that the working fluid flows only along the inside of the liquid barrier and having a primary wick disposed between the wall and the inside of the liquid barrier;
A steam discharge passage disposed in an intermediate common plane between the primary wick and the wall;
A fluid flow path disposed between the wall of the liquid barrier and the primary wick and receiving liquid from the liquid inlet;
A condenser fluidly coupled to the evaporator to form a closed loop containing a working fluid for a heat transfer system;
The condenser comprises a vapor inlet and a liquid outlet, a vapor line providing communication between the vapor outlet and the vapor inlet, and a liquid return line providing communication between the liquid outlet and the liquid inlet. A thermodynamic system characterized by comprising.
蒸発器が周期的熱交換システムと一体化された請求項8記載の熱力学的システム。  The thermodynamic system of claim 8, wherein the evaporator is integrated with a periodic heat exchange system. 蒸発器が周期的熱交換システムに締着される請求項8記載の熱力学的システム。  The thermodynamic system of claim 8, wherein the evaporator is fastened to the periodic heat exchange system. 周期的熱交換システムがスターリング熱交換システムを有する請求項8記載の熱力学的システム。  The thermodynamic system of claim 8, wherein the periodic heat exchange system comprises a Stirling heat exchange system. 周期的熱交換システムが冷凍システムを有する請求項8記載の熱力学的システム。  The thermodynamic system of claim 8, wherein the periodic heat exchange system comprises a refrigeration system. 熱伝達システムが、周期的熱交換システムの高温側に結合される請求項8記載の熱力学的システム。  The thermodynamic system of claim 8, wherein the heat transfer system is coupled to a high temperature side of the periodic heat exchange system. 熱伝達システムが、周期的熱交換システムの低温側に結合される請求項8の熱力学的システム。  The thermodynamic system of claim 8, wherein the heat transfer system is coupled to a cold side of the periodic heat exchange system. 周期的熱交換システムの一部分の温度を制御する方法であって、
周期的熱交換システムの一部分の温度を制御するように膨張容積に結合された蒸発器の壁を周期的熱交換システムに熱的に結合する過程、
1次ウィックを壁に流体結合する過程、
熱伝達システムのための作動流体を収容する閉ループを形成するように蒸発器に凝縮器を流体結合する過程、を具備し、
該凝縮器は、蒸気入り口及び液体出口、蒸気出口と蒸気入り口との間の連通を設けている蒸気管路、及び液体出口と液体入り口との間の連通を設けている液体戻り管路、を備え、
該蒸発器及び膨張容積は、壁を周期的熱交換システムに熱的に結合するように周期的熱交換システムの一部分の周りを包むべく配設されており、
該蒸発器は、作動流体が液体障壁の内側にのみ沿って流れるように液体障壁の内側に作動流体を収容していて1次ウィックが壁と液体障壁の内側との間に配置された液体障壁と、1次ウィックと壁との間の中間共通面に配置されている蒸気排出通路と、液体障壁の壁と1次ウィックとの間に配置されて液体入り口から液体を受け入れている流体流路と、を備えていることを特徴とする方法。
A method for controlling the temperature of a portion of a periodic heat exchange system comprising:
Thermally coupling the evaporator wall coupled to the expansion volume to the periodic heat exchange system to control the temperature of a portion of the periodic heat exchange system;
Fluidly coupling the primary wick to the wall,
Fluidly coupling the condenser to the evaporator to form a closed loop containing a working fluid for the heat transfer system;
The condenser comprises a vapor inlet and a liquid outlet, a vapor line providing communication between the vapor outlet and the vapor inlet, and a liquid return line providing communication between the liquid outlet and the liquid inlet. Prepared,
The evaporator and expansion volume are arranged to wrap around a portion of the periodic heat exchange system to thermally couple the wall to the periodic heat exchange system;
The evaporator contains a working fluid inside the liquid barrier so that the working fluid flows only along the inside of the liquid barrier, and a liquid barrier in which a primary wick is disposed between the wall and the inside of the liquid barrier. And a vapor discharge passage disposed on an intermediate common surface between the primary wick and the wall, and a fluid flow path disposed between the wall of the liquid barrier and the primary wick and receiving liquid from the liquid inlet And a method comprising:
一部分が円筒形熱交換システムの熱除去面であり、蒸発器が該部分の上を滑るように膨張する内径を有している請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1 wherein a portion is a heat removal surface of a cylindrical heat exchange system and the evaporator has an inner diameter that expands to slide over the portion. 円筒形熱交換器が、1つの円筒形熱交換システムを有する請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1, wherein the cylindrical heat exchanger has one cylindrical heat exchange system. 蒸発器の壁が、円筒形熱交換システム部分の外側壁に熱的に連接されている請求項1記載の熱伝達システム。  The heat transfer system of claim 1 wherein the evaporator wall is thermally connected to the outer wall of the cylindrical heat exchange system portion.
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