JP6662340B2 - ヒートパイプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプ装置に係わり、特に、管に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部から吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部へ熱を輸送するヒートパイプ装置に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及により、車両に駆動用や発電用の電気モータが搭載されることが多くなってきている。この種の電気モータにおいては、ステータのコイルが通電時に発熱するので、所望の性能と信頼性を実現するために、ステータを冷却する必要がある。そこで、空冷や液冷の各種冷却方法が採用されているが、特にコイルの電気絶縁を維持しつつ大量の熱を迅速に排熱可能な熱輸送デバイスとして、作動流体の相変化を利用したヒートパイプの適用が検討されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−９５９６１号公報

しかしながら、車両用の電気モータの高出力化及び小型化が進められた結果、電気モータにおける発熱密度が増大しており、また、車両用の電気モータの制御がより緻密化していることに応じて電気モータの発熱量の変化も一層急激になっている。したがって、最大熱輸送能力の向上や、吸熱部と放熱部との間の熱抵抗低減等により、ヒートパイプの熱輸送性能をさらに向上させることが求められている。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、熱輸送性能をさらに向上することができる、ヒートパイプ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、ヒートパイプ装置は、管に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部から、吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部へ熱を輸送するヒートパイプ装置であって、管は、吸熱部を含む主管と、主管から分岐した複数の分岐管であってそれぞれが放熱部を含む分岐管とを有し、複数の分岐管は、第１分岐管と、この第１分岐管の長さより長い第２分岐管と、この第２分岐管の長さより長い第３分岐管とを有し、各分岐管で凝縮された作動流体が主管に流入し始めるタイミングが、第１分岐管、第２分岐管、第３分岐管の順になるように設定され、複数の分岐管は、主管の上端に設けられた集合部において集合し、主管の断面積は、複数の分岐管のそれぞれの断面積の合計に等しいことを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、ヒートパイプ装置の管は、吸熱部を含む主管と、それぞれが放熱部を含み主管から分岐した複数の分岐管を有しているので、単一の管に吸熱部及び放熱部が設けられている場合と比較して、放熱部における作動流体の凝縮面積を拡大することができる。これにより、放熱部と作動流体蒸気との温度差を縮小することができ、ヒートパイプ装置の熱抵抗を低減することができる。
また、各分岐管は、それぞれ異なる長さを有するので、各分岐管の放熱部において冷却され凝縮した作動流体液を異なるタイミングで主管に還流させることができる。したがって、主管に流れ込む液量が急激に増大して作動流体蒸気の上昇を阻害し、放熱部における作動流体の凝縮量を妨げることを防止できる。これにより、ヒートパイプ装置の熱輸送能力を向上させることができる。
また、分岐管は、主管の断面積は、複数の分岐管のそれぞれの断面積の合計に等しいので、主管に流れ込む液量が急激に増大することによって集合部近傍で主管を閉塞し、作動流体蒸気の上昇を阻害することを確実に防止することができる。これにより、ヒートパイプ装置の熱輸送能力をより確実に向上させることができる。

本発明によるヒートパイプ装置によれば、熱輸送性能をさらに向上することができる。

本発明の実施形態によるヒートパイプ装置を示す概略断面図である。 比較例によるヒートパイプ装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態によるヒートパイプ装置における、吸熱部への入熱量と集合部における還流液量との時間変化を示したタイムチャートである。 比較例によるヒートパイプ装置における、吸熱部への入熱量と集合部における還流液量との時間変化を示したタイムチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるヒートパイプ装置を説明する。

まず、図１により、本発明の実施形態によるヒートパイプ装置の構成を説明する。図１は本発明の実施形態によるヒートパイプ装置を示す概略断面図である。

図１において、符号１はヒートパイプ装置を示す。このヒートパイプ装置１は、作動流体を封入した管２を有し、この管２における放熱部４が吸熱部６よりも重力方向上方に配置されたサーモサイフォン式のヒートパイプ装置である。
管２は、長手方向の両端が封止されており、内部に所定の作動流体が封入されている。管２は、熱伝導性の良好な材料、例えば銅やアルミニウムにより形成される。また、作動流体は、ヒートパイプ装置１に要求される作動温度範囲や熱輸送性能に応じて適宜選択することができ、例えば、ハイドロフルオロエーテルが用いられる。

管２の一端側に設けられた吸熱部６は、所望の熱源から熱を受け取る部分であり、熱源に接触するように配置される。例えば、熱源が車両に搭載された電気モータである場合、ヒートパイプ装置１の管２における吸熱部６は高熱伝導性フィラーを介して電気モータのハウジングに接触するように配置される（図示省略）。

管２の他端側に設けられた放熱部４は、作動流体により吸熱部６から輸送された熱を外部に放出する部分であり、吸熱部６よりも重力方向上方に配置される。この放熱部４の外面には、例えば放熱部４における冷却性能を向上させるために複数の放熱フィンが設けられている（図示省略）。

本実施形態における管２は、吸熱部６を含む主管８と、この主管８から分岐しそれぞれが放熱部４を含む第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃの３本の分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃとを有している。
図１に示すように、本実施形態における分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、主管８の上端の集合部１２において集合している。これらの分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの長さは、それぞれ異なっている。具体的には、第２分岐管１０ｂは第１分岐管１０ａよりも長く、第３分岐管１０ｃは第２分岐管１０ｂよりも長い。即ち、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおける放熱部４から集合部１２までの管路長は、第１分岐管１０ａが最も短く、第２分岐管１０ｂ、第３分岐管１０ｃが最も長い。
また、主管８の断面積は、第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃのそれぞれの断面積の合計値と等しくなっている。

ヒートパイプ装置１の内部は、作動流体の液Ｌと飽和蒸気Ｖとで満たされている。吸熱部６が電気モータ等の熱源により加熱され、放熱部４が冷却用の空気流等により冷却されると、吸熱部６における管壁の内面まで伝達された熱により作動流体の液Ｌが加熱されて沸騰し、作動流体の蒸気Ｖが生じる。この蒸気Ｖは管２内を放熱部４に向かって移動し、放熱部４における管壁の内面において冷却されて凝縮する。凝縮した作動流体の液Ｌは、重力により管壁の内面に沿って吸熱部６まで還流する。即ち、作動流体は、蒸発→蒸気移動→凝縮→液還流のサイクルを形成し、これにより、吸熱部６から放熱部４への熱輸送が行われる。

特に、本実施形態によるヒートパイプ装置１では、３本の分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃがそれぞれ放熱部４を有している。これにより、単一の管に放熱部が設けられている場合と比較して、放熱部４における作動流体の凝縮面積を拡大し、ヒートパイプ装置１の熱輸送性能を向上させている。

次に、図２により、比較例によるヒートパイプ装置１を説明する。図２は比較例によるヒートパイプ装置１を示す概略断面図である。

図２に示した比較例によるヒートパイプ装置１は、上述した本発明の実施形態によるヒートパイプ装置１と基本的な構成は共通しており、管２は、本発明によるヒートパイプの管２と同様に主管８と第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃの３本の分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃとを有している。しかし、比較例による第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃは、同一の長さを有している。即ち、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおける放熱部４から集合部１２までの管路長は等しい。

次に、図３及び図４により、ヒートパイプ装置１による熱輸送を説明する。図３は本発明の実施形態によるヒートパイプ装置１における、吸熱部６への入熱量と集合部１２における還流液量との時間変化を示したタイムチャートであり、図４は比較例によるヒートパイプ装置１における、吸熱部６への入熱量と集合部１２における還流液量との時間変化を示したタイムチャートである。
これらの図３及び図４では、ヒートパイプ装置１の吸熱部６への入熱量がステップ的に変化する場合を例示している。

図３に示すように、時刻ｔ１において吸熱部６への入熱量がステップ的に増大すると、吸熱部６の管壁内面において作動流体液Ｌが沸騰して作動流体の蒸気Ｖが発生し、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの放熱部４に向かって移動する。各放熱部４の管壁内面において冷却され凝縮した作動流体液Ｌは、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの管壁内面に沿って集合部１２に向かって下降する。
上述したように、各分岐管における放熱部４から集合部１２までの管路長は、第１分岐管１０ａが最も短く、第２分岐管１０ｂ、第３分岐管１０ｃが最も長い。したがって、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの放熱部４において冷却され凝縮した作動流体液Ｌが集合部１２に還流するタイミングは異なる。

具体的には、管路長が最も短い第１分岐管１０ａの放熱部４において冷却され凝縮した作動流体液Ｌが時刻ｔ２において集合部１２に到達して主管８に流入する。続いて、管路長が第１分岐管１０ａよりも長い第２分岐管１０ｂの放熱部４において冷却され凝縮した作動流体液Ｌが、時刻ｔ３において集合部１２に到達して主管８に流入する。次に、管路長が最も長い第３分岐管１０ｃの放熱部４において冷却され凝縮した作動流体液Ｌが、時刻ｔ４において集合部１２に到達して主管８に流入する。
時刻ｔ４において吸熱部６への入熱量が０になると、吸熱部６における作動流体液Ｌの沸騰が収まるので、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの放熱部４への蒸気Ｖの供給が停止する。これにより、管路長の最も短い第１分岐管１０ａから集合部１２への還流液量が時刻ｔ５に０となり、続いて時刻ｔ６に第２分岐管１０ｂから集合部１２への還流液量が０となり、最後に時刻ｔ７において第３分岐管１０ｃから集合部１２への還流液量が０となる。

このように、本実施形態のヒートパイプ装置１においては、分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの長さがそれぞれ異なっているので、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの放熱部４において凝縮した作動流体液Ｌが異なるタイミングで順次集合部１２から主管８に流入する。これにより、集合部１２近傍において還流液量が急激に増大して作動流体蒸気Ｖの上昇を阻害し、放熱部４における作動流体の凝縮を妨げることを防止できるので、ヒートパイプ装置１の熱輸送能力が低下することを防止できる。

一方、比較例のヒートパイプ装置１においては、第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃの長さが同一となっているので、図４に示すように、第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃのそれぞれの放熱部４において冷却され凝縮した作動流体液Ｌが、時刻ｔ２において同じタイミングで集合部１２に到達し、主管８に流入する。この場合、集合部１２の近傍において還流液量が急激に増大することにより、作動流体蒸気Ｖの上昇が阻害され、放熱部４における作動流体の凝縮が妨げられるので、吸熱部６から放熱部４への熱輸送が一時的に制限される。即ち、比較例のヒートパイプ装置１では、図１に示した本発明の実施形態によるヒートパイプ装置１と比較して熱輸送性能が低下する場合がある。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上述した実施形態においては、ヒートパイプ装置１が第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃの３本の分岐管を有する場合を例として説明したが、分岐管の本数は３本に限られず、複数であればよい。
また、図１においては、主管８及び各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃが直管である場合を例示しているが、主管８及び各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃは曲がり部を含んでいてもよい。

また、上述した実施形態においては、第１分岐管１０ａ〜第３分岐管１０ｃが１つの集合部１２において分岐する場合を例として説明したが、管２が複数の集合部から多段階に分岐するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、各分岐管の長さを異ならせることにより、作動流体液Ｌを異なるタイミングで主管８に還流させているが、各分岐管の長さの他、断面積、表面積、体積等を異ならせて、各分岐管の管内流動抵抗及び管外流動抵抗を変化させることにより、作動流体液Ｌが主管８に還流するタイミングが異なるようにしてもよい。

次に、上述した本実施形態のヒートパイプ装置１による作用効果を説明する。

まず、ヒートパイプ装置１の管２は、吸熱部６を含む主管８と、それぞれが放熱部４を含み主管８から分岐した３つの分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃを有しているので、単一の管に吸熱部６及び放熱部４が設けられている場合と比較して、放熱部４における作動流体の凝縮面積を拡大することができる。これにより、放熱部４と作動流体蒸気Ｖとの温度差を縮小することができ、ヒートパイプ装置１の熱抵抗を低減することができる。
また、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ異なる長さを有するので、各分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃの放熱部４において冷却され凝縮した作動流体液Ｌを異なるタイミングで主管８に還流させることができる。したがって、主管８に流れ込む液量が急激に増大して作動流体蒸気Ｖの上昇を阻害し、放熱部４における作動流体の凝縮量を妨げることを防止できる。これにより、ヒートパイプ装置１の熱輸送能力を向上させることができる。

特に、分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、主管８の上端に設けられた集合部１２において集合し、主管８の断面積は、複数の分岐管１０ａ、１０ｂ、１０ｃのそれぞれの断面積の合計に等しいので、主管８に流れ込む液量が急激に増大して主管８を閉塞し、作動流体蒸気Ｖの上昇を阻害することを確実に防止することができる。これにより、ヒートパイプ装置１の熱輸送能力をより確実に向上させることができる。

１ ヒートパイプ装置
２ 管
４ 放熱部
６ 吸熱部
８ 主管
１０ａ 第１分岐管
１０ｂ 第２分岐管
１０ｃ 第３分岐管
１２ 集合部
Ｌ 液
Ｖ 蒸気

Claims (1)

1. 管に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部から前記吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部へ熱を輸送するヒートパイプ装置であって、
   前記管は、前記吸熱部を含む主管と、前記主管から分岐した複数の分岐管であってそれぞれが前記放熱部を含む分岐管とを有し、
   前記複数の分岐管は、第１分岐管と、この第１分岐管の長さより長い第２分岐管と、この第２分岐管の長さより長い第３分岐管とを有し、各分岐管で凝縮された作動流体が前記主管に流入し始めるタイミングが、前記第１分岐管、前記第２分岐管、前記第３分岐管の順になるように設定され、
   前記複数の分岐管は、前記主管の上端に設けられた集合部において集合し、前記主管の断面積は、前記複数の分岐管のそれぞれの断面積の合計に等しい、ことを特徴とするヒートパイプ装置。