JP5087504B2

JP5087504B2 - ヒートパイプ

Info

Publication number: JP5087504B2
Application number: JP2008230966A
Authority: JP
Inventors: 正幸岸; 茂大山
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: JP2010065879A

Description

この発明は、たとえば高温流体と低温流体との間で熱交換を行うことによって、排熱を回収したり、空調を行ったりするヒートパイプ式熱交換器に好適に用いられるヒートパイプに関する。

この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

従来、排熱回収装置に用いられるヒートパイプ式熱交換器として、フレームと、フレーム内を高温ガス通路と低温ガス通路とに区画する１枚の仕切板と、仕切板に形成されたヒートパイプ挿通穴に通されることにより両ガス通路に跨って配置された複数のヒートパイプと、各ガス通路内においてヒートパイプに並列状に取り付けられた複数のプレートフィンとよりなり、フレームの高温ガス通路内に高温の排気ガスが流され、低温ガス通路内に低温の給気が流されるようになっているものが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１記載のヒートパイプ式熱交換器に用いられているヒートパイプは、ウィックレスタイプであり、周知のごとく、アルミニウム、銅（銅合金も含む）などからなるコンテナ内に、使用温度域に応じて種々の作動液が封入されたものである。ヒートパイプに用いられる作動液には、たとえばＨＦＣ−１３４ａがある（非特許文献１参照）。

ところで、ヒートパイプに要求される主な特性として、熱抵抗が小さいこと、および限界熱輸送量が大きいことが挙げられる。熱抵抗が小さいということは、熱伝達性に優れるということであり、作動液とコンテナ内壁との熱伝達率が大きいことや、コンテナ内外の伝熱面積が大きいことなどによって達成される。一方、限界熱輸送量は、ヒートパイプの蒸発部の温度が上昇したときに、熱抵抗が増大することなく何Ｗ（ワット）までの熱量を伝えることができるかを表す指標である。限界熱輸送量は、コンテナの内面形状や、ウィックレスヒートパイプを設置する際の傾斜角などによって影響を受ける。

特許文献１記載のヒートパイプ式熱交換器によれば、各ガス通路内においてヒートパイプに並列状に取り付けられた複数のプレートフィンにより外部伝熱面積が増大させられ、その結果熱伝達特性が向上させられて熱抵抗が低減させられている。しかしながら、高温ガス通路内と低温ガス通路内、すなわち蒸発部と凝縮部との温度差や、高温ガス通路内を流れる高温ガスおよび低温ガス通路内を流れる低温ガスの流量などの排熱回収の条件によっては、ヒートパイプ１本あたりにかかる負荷が限界熱輸送量を超え、プレートフィンを設けることによる熱抵抗低減効果が十分に得られない場合がある。特に、作動液としてＨＦＣ−１３４ａを用いた場合、コンテナの仕様や作動温度条件などによっては限界熱輸送量が比較的小さくなり、入力熱量が所定量に達すると熱抵抗が急激に上昇することがある。

特許文献１記載のヒートパイプ式熱交換器の各ヒートパイプの限界熱輸送量を大きくするには、たとえば次の３つの方策を単独で、あるいは２以上組み合わせて実施することが考えられる。

a)ヒートパイプ式熱交換器を構成するヒートパイプの数を増やすことにより、ヒートパイプ１本あたりの負荷を限界熱輸送量以下に下げること。

b)フィンの数を減らしてヒートパイプの熱伝達性を低下させることにより、ヒートパイプ１本あたりの負荷を限界熱輸送量以下に下げること。

c)ヒートパイプを大型化することにより、限界熱輸送量を大きくすること。

しかしながら、上記a)またはc)の方策を実施する場合、ヒートパイプ式熱交換器が大型化するという問題があり、上記b)の方策を実施する場合、ヒートパイプ式熱交換器による排熱回収効果が低下するという問題がある。
特開平９−４９９２号公報若林邦俊、外５名、「フッ素を含むエーテル系冷媒の評価試験」、日本ヒートパイプ協会会報、日本ヒートパイプ協会、２００１年７月、Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．３、Ｓｅｒ．Ｎｏ．７６、ｐ．１〜１１

この発明の目的は、上記問題を解決し、熱抵抗を低減しうるとともに、限界熱輸送量を増大させることができるヒートパイプを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)コンテナ内に、ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合物からなる作動液が封入されており、作動液におけるＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率が、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが０．５〜１．５vol％であるヒートパイプ。

2)作動液におけるＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率が、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが１．０〜１．５vol％である上記1)記載のヒートパイプ。

上記1)のヒートパイプにおいて、作動液としてＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとが適切な比率で混合されている混合物からなるものを用いると、限界熱輸送量が増大し、入力熱量が大きくなっても熱抵抗の増加を防止することができる。ＨＦＣ−１３４ａに対するＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆの混合比率が少なすぎると、限界熱輸送量を増大させる効果が小さく、これとは逆に多すぎると、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆの沸点が高いことに起因して入力熱量が少ない場合に蒸発しにくくなって熱抵抗が増加する。したがって、ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率は、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが０．５〜１．５vol％とすべきであり、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが１．０〜１．５vol％であることが好ましい。

なお、上記1)のヒートパイプにおいて、ＨＦＣ−１３４ａはＣＨ_２ＦＣＦ_３であり、沸点は−２６．１℃である。ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆはＣＦ_３ＣＨ_２ＯＣＦ_２ＣＨＦ_２であり、沸点は５６℃である。

上記1)および2)のヒートパイプによれば、熱抵抗を低減しうるとともに、限界熱輸送量を増大させることができる。したがって、このヒートパイプを特許文献１記載のヒートパイプ式熱交換器に用いた場合に、排熱回収性能を低下させることなく小型化を図ることができる。

以下、この発明の実施形態を説明する。

実施例１〜３
外径２５ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、長さ１０００ｍｍであり、内周面に、長さ方向にのびる複数のインナーフィンが周方向に間隔をおいて形成されたパイプ状のJIS Ａ１１００製コンテナ内に、ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合物からなる作動液が９０ｃｃ封入されたヒートパイプを用意した。なお、インナーフィンが形成されているので、コンテナの流路断面積は３６３ｍｍ^２となっている。作動液におけるＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率は、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが０．５vol％（実施例１）、１．０vol％（実施例２）、１．５vol％（実施例３）である。

比較例１〜３
実施例１〜３のヒートパイプと同じコンテナ内に、ＨＦＣ−１３４ａからなる作動液が９０ｃｃ封入されたヒートパイプ（比較例１）と、ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合物からなる作動液が９０ｃｃ封入されたヒートパイプとを用意した。混合物からなる作動液におけるＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率は、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが３．０vol％（比較例２）、７．０vol％（比較例３）である。

評価試験
図１に示すように、ヒートパイプの一端側の略半部にシーズヒータ(1)を巻回し、均温化を図るために伝熱セメント(2)を塗布して隙間を埋め、さらにその上から断熱材(3)で覆って蒸発部とした。また、ヒートパイプの他端側の略半部に、シーズヒータ(1)とヒートパイプの長さ方向に間隔をおくように水冷ジャケット(4)を被せて凝縮部とした。ヒートパイプにおける蒸発部と凝縮部との間の部分が断熱部である。

そして、ヒートパイプを、蒸発部が下方に来るように傾斜角度θが３度となる傾斜状態で配置し、シーズヒータ(1)によりヒートパイプの蒸発部を加熱しながら、水冷ジャケット(4)内に冷却水を供給、循環させて凝縮部を冷却した。このとき、断熱部の位置Piの温度Taが３０℃にて安定するように水冷ジャケット(4)内に供給、循環させる冷却水量および冷却水温度を調節した。そして、シーズヒータ(1)による入力熱量(W)を種々変更し、入力熱量(W)とヒートパイプの熱抵抗（℃／Ｗ）との関係を求めた。その結果を図２に示す。

ヒートパイプの熱抵抗は、蒸発部の複数位置P1、P2およびP3の平均温度と、凝縮部の複数位置P4、P5およびP6の平均温度との差をヒータの入力熱量で除することにより求めた。

図２に示す結果から、比較例１のヒートパイプにおいては、シーズヒータ(1)の入力熱量が７００Ｗ付近で熱抵抗が急激に増加していることから、限界熱輸送量が低いことが分かる。これに対し、実施例１〜３のヒートパイプにおいては、シーズヒータ(1)の入力熱量が８００Ｗ付近まで熱抵抗の急激な増加はほとんど見られず、限界熱輸送量が高いことが分かる。特に、実施例２および３のヒートパイプにおいては、シーズヒータ(1)の入力熱量が９００Ｗ付近まで熱抵抗の急激な増加はほとんど見られず、限界熱輸送量が極めて高いことが分かる。

また、比較例２および３のヒートパイプにおいては、シーズヒータ(1)の入力熱量が低い場合での熱抵抗が大きく、しかもシーズヒータ(1)の入力熱量が大きくなった場合の熱抵抗も実施例１〜３のヒートパイプよりも大きくなっていることが分かる。これは、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆの沸点が高いことに起因して入力熱量が少ない場合に蒸発しにくくなって熱抵抗が増加していると考えられる。

実施例１〜３および比較例１〜３のヒートパイプの評価試験の方法を示す一部切り欠き正面図である。実施例１〜３および比較例１〜３のヒートパイプの評価試験の結果を示すグラフである。

Claims

コンテナ内に、ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合物からなる作動液が封入されており、作動液におけるＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率が、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが０．５〜１．５vol％であるヒートパイプ。
作動液におけるＨＦＣ−１３４ａとＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆとの混合比率が、常温においてＨＦＣ−１３４ａ１００vol％に対して、ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆが１．０〜１．５vol％である請求項１記載のヒートパイプ。