JP7205970B2 - 熱輸送システム及び輸送機 - Google Patents

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Description

本発明は、ループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システム、及び、それを備えた輸送機に関する。
従来、作動流体の相変化を利用して高密度な熱輸送を行うループ型ヒートパイプの技術が知られている。このようなループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システムは、例えば、コンピュータや家電などの電子機器の冷却に利用されてきた。ループ型ヒートパイプとしては、毛細管力及び／又は重力を利用して作動流体を循環させるものがある。
ループ型ヒートパイプは、蒸発器、凝縮器、蒸発器と凝縮器とを連絡する蒸気管、及び、凝縮器と蒸発器とを連絡する液管によって形成された閉ループを有する。閉ループには、作動流体が封入される。蒸発器では、液相の作動流体が発熱体から伝わる熱で加熱されて、その一部が気体に変化する。気液二相の作動流体は圧力差や浮力によって蒸気管内を移動し、凝縮器に到達する。凝縮器では、作動流体が冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は毛細管力及び／又は重力によって蒸発器へ還流する。このようにして、ループ型ヒートパイプでは、作動流体が二相閉ループを循環することで蒸発器から凝縮器へ熱が輸送され、蒸発器と熱的に接続された発熱体が冷却される。
上記のループ型ヒートパイプのうち、作動流体の循環に重力を利用するものにおいては、凝縮器よりも蒸発部を下方に配置することで効果的な熱輸送能力が得られるが、それが設置の制約となる。そこで、特許文献１では、ループ型ヒートパイプの設置自由度を高めるために、ループ型ヒートパイプの戻り液管にポンプを設置し、ポンプで作動流体を強制循環させることが提案されている。
特開２０１７－１７１９９号公報
電子機器の高性能化及び小型化が急速に進み、近年では、これらの機器を多数搭載した船舶、鉄道車両、自動車、及び航空機などの輸送機におけるサーマルマネージメントへの要求も高まりつつある。上記のような作動流体の循環に重力を利用したループ型ヒートパイプを含む熱輸送システムを搭載した輸送機では、機体の姿勢が時々刻々と変化することから、姿勢の変化により作動流体を循環させる駆動力が低下し、熱輸送量が低下するという課題がある。
特許文献１のようにポンプを備えたループ型ヒートパイプであれば、作動流体が定量的に循環することから安定した熱輸送量が確保されるが、ポンプの駆動のために外部エネルギーを常時必要とする。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、ループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システム及びそれを備える輸送機において、ループ型ヒートパイプの姿勢が変化しても安定した熱輸送量が得られること、及び、外部エネルギーの消費量を抑えることを両立するものを提案することにある。
本発明の一態様に係る熱輸送システムは、輸送機に搭載される熱輸送システムであって、
熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器、前記蒸発器より上方に配置され気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管、及び、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡する液管を含み、前記作動流体が封入されたループ型ヒートパイプと、
前記液管又は前記蒸気管に設けられて、前記作動流体へ循環駆動力を与えるポンプと、
前記ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きを検出する傾斜センサと、
前記傾きに基づいて前記ポンプの動作を制御するコントローラとを備え、
前記液管内の前記作動流体は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプからの作用を受けずに前記凝縮器から前記蒸発器へ流れ、前記ポンプの稼働時に、前記ポンプからの作用を受けて前記凝縮器から前記蒸発器へ強制的に流れるものである。
そして、前記コントローラは、前記傾きが所定の傾き閾値を超えるときは前記ポンプを稼働させ、前記傾きが前記傾き閾値以下のときは前記ポンプを停止させる。
上記の熱輸送システムによれば、ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きが閾値以下のとき、つまり、定常運転時は、ポンプは停止しており、外部エネルギーを必要とすることなく作動流体がループ型ヒートパイプを巡る。ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きが閾値を超えるときは、重力による作動流体の循環駆動力が低下するが、それを補うようにポンプによって作動流体に循環駆動力が与えられる。このようにして、熱輸送システムでは、ループ型ヒートパイプの姿勢の変化に拘わらず、安定して作動流体が循環するので、安定した熱輸送量が得られる。また、上記の熱輸送システムではポンプの稼働のために外部エネルギーを必要とするが、ポンプは所定の条件のときにのみ稼働しそれ以外では停止しているので、ポンプが常時稼働する場合と比較して外部エネルギーの消費量を抑えることができる。このように、本発明の熱輸送システムでは、ループ型ヒートパイプの姿勢が変化しても安定した熱輸送量を得ること、及び、外部エネルギーの消費量を抑えることを両立できる。
また、本発明の一態様に係る熱輸送システムは、輸送機に搭載される熱輸送システムであって、
熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器、前記蒸発器より上方に配置され気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管、及び、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡する液管を含み、前記作動流体が封入されたループ型ヒートパイプと、
前記液管又は前記蒸気管に設けられて、前記作動流体へ循環駆動力を与えるポンプと、
前記ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きを検出する傾斜センサと、
前記熱源の温度を検出する温度センサと、
前記ポンプの動作を制御するコントローラとを備え、
前記液管内の前記作動流体は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプからの作用を受けずに前記凝縮器から前記蒸発器へ流れ、前記ポンプの稼働時に、前記ポンプからの作用を受けて前記凝縮器から前記蒸発器へ強制的に流れるものである。
そして、前記コントローラは、
前記傾きが所定の傾き閾値を超えた場合に、前記熱源の温度が所定の第１の温度閾値を超えていれば前記ポンプを稼働させ、前記熱源の温度が第１の温度閾値以下であれば前記ポンプを停止させ、
前記傾きが所定の傾き閾値以下の場合に、前記熱源の温度が所定の第２の温度閾値を超えていれば前記ポンプを稼働させ、前記熱源の温度が前記第２の温度閾値以下であれば前記ポンプを停止させる。
上記の熱輸送システムでは、ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きが傾き閾値を超える場合であっても、熱源の温度が第１の温度閾値以下であれば、冷却が十分であるとしてポンプ６を停止させる又は停止を継続させることにより、外部エネルギーを必要とすることなく作動流体がループ型ヒートパイプを巡る。よって、より経済的にループ型ヒートパイプの熱輸送量を安定化させることができる。一方、上記の熱輸送システムでは、ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きが傾き閾値以下の場合であっても、熱源の温度が第２の温度閾値を超えていれば、ポンプを稼働させる又は稼働を継続させることにより、作動媒体の循環駆動力が補助される。よって、蒸発器による熱源の冷却能力を安定化させることができる。このように、上記の熱輸送システムでは、ポンプの稼働のために外部エネルギーを必要とするが、ポンプ６は所定の条件のときにのみ稼働しそれ以外では停止しているので、ポンプ６が常時稼働する場合と比較して外部エネルギーの消費量を抑えることができる。よって、上記の熱輸送システムでは、ループ型ヒートパイプの姿勢が変化しても安定した伝熱特性を発揮すること、及び、外部エネルギーの消費量を抑えることを両立できる。
また、本発明の一態様に係る輸送機は、発熱体と、前記発熱体を熱源として前記作動流体を蒸発させる前記蒸発器を含む前記熱輸送システムとを備えることを特徴としている。
前述の通り、熱輸送システムでは、ループ型ヒートパイプの姿勢の変化に拘わらず、安定して作動流体が循環し、安定した熱輸送量が得られる。よって、このような熱輸送システムは、姿勢が逐次変化する輸送機に搭載された発熱体の冷却のために好適である。
本発明によれば、ループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システム及びそれを備える輸送機であって、ループ型ヒートパイプの姿勢が変化しても安定した熱輸送量を得ること、及び、外部エネルギーの消費量を抑えることを両立するものを提供できる。
図１は、本発明の一実施形態に係る熱輸送システムの概略構成を示す図である。 図２は、図１のポンプとして電動式ポンプを採用した熱輸送システムの概略構成を示す図である。 図３は、図１のポンプとして磁性流体駆動式ポンプを採用した熱輸送システムの概略構成を示す図である。 図４は、図１のポンプとしてタンク圧式ポンプを採用した熱輸送システムの概略構成を示す図である。 図５は、熱輸送システムにおける傾き監視処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、熱輸送システムにおける温度監視処理の流れを示すフローチャートである。 図７は、熱輸送システムにおける温度監視処理の流れの変形例を示すフローチャートである。 図８は、熱輸送システムを航空機に適用した例を示す図である。
〔熱輸送システム１の構成〕
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る熱輸送システム１の概略構成を示す図である。
図１に示す熱輸送システム１は、ループ型ヒートパイプ１０と、ループ型ヒートパイプ１０に設けられたポンプ６と、傾斜センサ７と、温度センサ８と、コントローラ９とを備える。
〔ループ型ヒートパイプ１０〕
ループ型ヒートパイプ１０は、自然循環型のループ型サーモサイフォン式ヒートパイプである。ループ型ヒートパイプ１０は、蒸発器２、蒸気管４、凝縮器３、及び、戻り液管５により形成された二相閉ループを有する。二相閉ループ内は、空気などの非凝縮性ガスが脱気されたうえで、作動流体が封入されている。作動流体は、特に限定されず、従来ヒートパイプの作動流体として使用されている凝縮性の流体（例えば、水、アルコール、アンモニア、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、及び、それらの混合液など）であってよい。
蒸発器２は、例えば、伝熱板２１と、内部に作動流体収容室２３を形成するハウジング２２とを備える。伝熱板２１は、例えばサーマルグリスや伝熱シートを介して熱源９９と熱的に接続される。熱源９９は、例えば、電子部品などの発熱体であってよい。この蒸発器２では、作動流体収容室２３内の作動流体が伝熱板２１を介して熱源９９から吸熱し、その一部が沸騰して気体に変化する。このようにして沸騰蒸気と液体の二相の作動流体は、蒸発器２の出口と凝縮器３の入口とを連絡する蒸気管４内を圧力差や浮力によって移動し、凝縮器３へ到達する。
凝縮器３は、蒸発器２よりも上方に設置される。凝縮器３には冷却流路（図示略）が形成されており、二相の作動流体は冷却流路を通過するうちに放熱し、冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は、凝縮器３の出口と蒸発器２の入口とを連絡する液管５内を重力によって降下し、蒸発器２へ還流する。
上記のループ型ヒートパイプ１０は、作動流体の循環方式をパッシブモードとアクティブモードとに切り替え可能である。パッシブモードでは、ポンプ６は停止しており、作動流体は相変化と重力を利用してループ型ヒートパイプ１０を自然循環する。つまり、パッシブモードのループ型ヒートパイプ１０では、ヘッドによる圧力差によって作動流体が循環する。また、アクティブモードでは、ポンプ６が稼働しており、作動流体はポンプ６から与えられた循環駆動力と重力とによってループ型ヒートパイプ１０を循環する。
〔ポンプ６〕
ポンプ６は、ループ型ヒートパイプ１０の液管５に設けられるが、ポンプ６は気体が通過すると動作が不安定となるため、確実に液相の作動流体が流れる液管５の下流側部分に設けられるとよい。液管５には、ポンプ６の停止時に、作動流体がポンプ６からの作用を受けずに凝縮器３から蒸発器２へ流れ、ポンプ６の稼働時に、作動流体がポンプ６からの作用を受けて凝縮器３から蒸発器２へ強制的に流れるように流路５ａが形成されている。
ポンプ６は、作動流体にループ型ヒートパイプ１０を流れる駆動力（循環駆動力）を与える装置と定義される。ポンプ６は、特に限定されないが、例えば、電動式ポンプ６Ａ（図２、参照）、磁性流体駆動式ポンプ６Ｂ（図３、参照）、又は、タンク圧式ポンプ６Ｃ（図４、参照）が採用されてよい。また、本実施形態においては、ポンプ６は液管５に設けられているが、ポンプ６は蒸気管４に設けられていてもよい。
図２は、図１のポンプ６として電動式ポンプ６Ａを採用した熱輸送システム１の概略構成を示す図である。図２に示す電動式ポンプ６Ａは、液管５中に配置されたケーシング６５と、ケーシング６５に収容された羽根車６６と、羽根車６６を回転駆動する電動モータ６７とを含む。但し、電動式ポンプ６Ａの構成はこれに限定されず、公知の電動式ポンプが採用されてよい。電動モータ６７の駆動と停止、即ち、電動式ポンプ６Ａの稼働と停止は、コントローラ９によって制御される。停止中の電動式ポンプ６Ａは作動流体の流れを阻害することから、液管５には作動流体が電動式ポンプ６Ａを迂回して蒸発器２へ流れるバイパス管５９が設けられている。
上記構成のポンプ６Ａが設けられたループ型ヒートパイプ１０において、液管５の作動流体は、パッシブモードではポンプ６Ａを迂回してバイパス管５９を流れ、アクティブモードではポンプ６Ａによって蒸発器２へ圧送される。
図３は、図１のポンプ６として磁性流体駆動式ポンプ６Ｂを採用した熱輸送システム１の概略構成を示す図である。図３に示す磁性流体駆動式ポンプ６Ｂは、液管５を流れる作動流体を加熱するヒータ６２と、液管５を流れる作動流体に磁場を印加する電磁石６１とを含む。なお、電磁石６１は永久磁石であっても良い。ヒータ６２の加熱と非加熱との切り替え、及び、電磁石６１による磁場の印加と非印加との切り替えは、コントローラ９によって制御される。作動流体は、母液に磁性微粒子が分散した感温性磁性流体であって、常温域において温度上昇に伴い磁化が著しく減少する性質をもつ。液管５のうちヒータ６２で加熱されている部分を加熱領域と称し、電磁石６１により磁場が印加されている部分を磁場印加領域と称する。磁気印加領域の下流側部分と加熱領域の上流側部分とが重複している。但し、液管５において凝縮器３と接続される側を上流側とし、蒸発器２と接続される側を下流側とする。
上記構成のポンプ６Ｂにおいて、アクティブモード（即ち、ポンプ稼働時）では、電磁石６１によって磁気印加領域に非一様磁場が印加され、当該磁気印加領域のうち磁場の強さが最大の位置よりも下流側がヒータ６２によって加熱される。感温性磁性流体は、その感温磁化特性により温度上昇に伴って磁化の大きさが減少し、磁気体積力が小さくなる。そのため、加熱領域の作動流体は下流側へ向かうに従って磁気体積力が減少し、これによって作動流体を下流側へ流す駆動力が生じる。なお、作動流体の循環駆動力の大きさは、加熱領域の加熱の程度（温度）によって調整することが可能である。
また、上記構成のポンプ６Ｂにおいて、パッシブモード（即ち、ポンプ停止時）では、電磁石６１による磁気印加とヒータ６２による加熱とが停止される。これにより、作動流体はポンプ６Ｂから何らの作用を受けることなく液管５を流れる。なお、電磁石６１が永久磁石である場合は、ヒータ６２による加熱が停止されることで、上流と下流の磁気体積力の差が無くなり、作動流体の循環が停止される。
図４は、図１のポンプ６としてタンク圧式ポンプ６Ｃを採用した熱輸送システム１の概略構成を示す図である。図４に示すタンク圧式ポンプ６Ｃは、液管５の途中に設けられたタンク６４と、液管５においてタンク６４よりも上流側に設けられたヒータ６３とを含む。ヒータ６３の加熱と非加熱との切り替えは、コントローラ９によって制御される。
上記構成のポンプ６Ｃにおいて、アクティブモード（即ち、ポンプ稼働時）では、ヒータ６３によって液管５を流れる作動流体が加熱される。これにより、作動流体の一部が気体に変化し、気泡を含む作動流体がタンク６４へ流入してタンク６４内の圧力が上昇し、タンク６４から蒸発器２へ作動流体が強制的に流れる。
また、上記構成のポンプ６Ｃにおいて、パッシブモード（即ち、ポンプ停止時）では、ヒータ６３による加熱が停止される。これにより、作動流体はポンプ６Ｃから何らの作用を受けることなく液管５を流れる。
〔傾斜センサ７〕
傾斜センサ７は、ループ型ヒートパイプ１０の所定の基準姿勢からの傾きを計測するための傾き情報を検出する。ループ型ヒートパイプ１０では、重力の作用で作動流体を循環させるために、作動流体循環に伴う圧力損失と、蒸発器２よりも凝縮器３に液作動流体が偏ることで生じるヘッド差とが釣り合っていなければならない。一般に、ループ型ヒートパイプ１０は、水平面に設置され、蒸発器２と凝縮器３とが上記ヘッド差が釣り合うような高低差をもって配置される。そこで、ループ型ヒートパイプ１０の基準姿勢は、例えば、ループ型ヒートパイプ１０が水平面に設置されたときのループ型ヒートパイプ１０の姿勢としてよい。傾斜センサ７は、ループ型ヒートパイプ１０自身に取り付けられていてよい。或いは、傾斜センサ７は、ループ型ヒートパイプ１０が据え付けられる床などの、ループ型ヒートパイプ１０と一体的に挙動する要素に取り付けられていてよい。傾斜センサ７として、加速度センサ、又はジャイロセンサを利用したものが知られている。
一般的な輸送機は、機体の傾きを検出する傾斜センサと、その傾斜センサの検出値に基づいて機体の傾きを表示する指示計とを備える。そこで、熱輸送システム１が輸送機に搭載される場合には、機体の傾きを表示する指示計の値が傾き情報として用いられてよい。
また、一般的な輸送機は、機体の姿勢を変化させるために、その指令を入力する操縦器（例えば、操縦桿、操舵輪など）を備える。そこで、熱輸送システム１が輸送機に搭載される場合には、操縦器に入力された機体の操縦指令（浮上指令、潜水指令、降下指令、旋回指令など）が傾き情報として用いられてよい。
〔温度センサ８〕
温度センサ８は、蒸発器２へ熱を与える熱源９９（即ち、冷却対象）の温度を計測するための温度情報を検出する。温度センサ８は、様々な種類の公知の温度センサの中から熱源９９の温度を計測するために適したものが選択される。
〔コントローラ９〕
コントローラ９は、傾斜センサ７及び温度センサ８と有線又は無線で電気的に接続されており、これらの検出値を取得する。また、コントローラ９は、ポンプ６と有線又は無線で電気的に接続されており、ポンプ６に制御信号を送信することにより、ポンプ６の動作を制御する。
コントローラ９は、いわゆるコンピュータであって、例えば、マイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＰＬＣ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ等の演算処理装置９０ａ（プロセッサ）と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の揮発性及び不揮発性の記憶装置９０ｂとを有する（いずれも図示せず）。記憶装置９０ｂには、演算処理装置が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。コントローラ９では、記憶装置９０ｂに記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理装置９０ａが読み出して実行することにより、前述の機能部を実現するための処理が行われる。なお、コントローラ９は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。
〔傾き監視処理の流れ〕
ここで、コントローラ９によるループ型ヒートパイプ１０の傾き監視処理の流れを説明する。コントローラ９では、演算処理装置９０ａが記憶装置９０ｂから傾き監視プログラムを読み出してそれを実行することにより、傾き監視部９１、温度監視部９２、及び、ポンプ制御部９３としての機能するための各種処理を行う。傾き監視プログラムは、傾き監視モジュール、温度監視モジュール、及びポンプ制御を含み、コントローラ９に傾き監視処理を行わせる。図５は、コントローラ９による傾き監視処理の流れを示すフローチャートである。
図５に示すように、コントローラ９の傾き監視部９１は、傾斜センサ７から傾きに係る情報を取得する（ステップＳ１）。傾き監視部９１は、取得した傾きと所定の傾き閾値とを比較することにより、ループ型ヒートパイプ１０の傾きを監視する（ステップＳ２）。
ループ型ヒートパイプ１０では、基準姿勢から姿勢が変化すると、蒸発器２と凝縮器３との高低差の変化によりヘッド差が変化し、作動流体の流動特性の低下や熱抵抗の変化に伴って伝熱性能が低下する。このようなループ型ヒートパイプ１０の伝熱性能の低下の許容範囲に基づいて、傾き閾値が設定されてよい。ループ型ヒートパイプ１０の傾きが増大すると、やがてドライアウト（蒸発器２に作動流体が戻らなくなる現象）が生じ、熱輸送が停止する。このようなドライアウトが生じないように、傾き閾値が設定されてもよい。傾き閾値は、ループ型ヒートパイプ１０に固有の値であり、ループ型ヒートパイプ１０の設計値（即ち、蒸発器２及び凝縮器３の構造、基準姿勢における蒸発器２と凝縮器３との高低差、蒸気管４及び液管５の長さや径、作動流体封入量など）に基づいて実験により又はシミュレーションにより予め求められ、コントローラ９に設定される。
定常状態の熱輸送システム１はパッシブモードにある。ループ型ヒートパイプ１０の傾きが傾き閾値以下であれば（ステップＳ２でＮＯ）、熱輸送システム１はパッシブモードとされ、ポンプ６が停止（又は、停止が維持）される（ステップＳ３）。一方、ループ型ヒートパイプ１０の傾きが傾き閾値を超える値であれば（ステップＳ２でＹＥＳ）、熱輸送システム１はアクティブモードとされ、ポンプ６が稼働（又は、稼働が維持）される（ステップＳ４）。具体的には、傾き監視部９１は、傾きが傾き閾値を超える値であれば、ポンプ制御部９３にポンプ６を稼働させる信号を出力する。ここで、ポンプ６は、作動流体の循環流量が所定の値に維持されるように、作動流体に循環駆動力を与えてよい。傾き監視部９１は、処理をステップＳ１に戻して、ループ型ヒートパイプ１０の傾きの監視を継続し、求めた傾きが傾き閾値以下となれば、ポンプ制御部９３にポンプ６を停止させる信号を出力する。
〔温度監視処理の流れ〕
続いて、コントローラ９による温度監視処理の流れを説明する。図６は、コントローラ９による温度監視処理の流れを示すフローチャートである。前述の傾き監視処理と温度監視処理とは、並行して行われてもよいし、それらのうち一方の処理が優先されてもよい。
図６に示すように、コントローラ９の温度監視部９２は、温度センサ８から熱源９９の温度情報を取得し（ステップＳ１１）、取得した温度情報に基づいて熱源９９の温度を求める（ステップＳ１２）。ここで、温度監視部９２は、温度センサ８から取得した情報が熱源９９の温度を直接的に示すものであれば、上記のステップＳ１１，Ｓ１２は温度センサ８から熱源９９の温度を取得するステップとして併合されてよい。温度監視部９２は、熱源９９の温度と所定の温度閾値とを比較することにより、熱源９９の温度を監視する（ステップＳ１３）。
定常状態の熱輸送システム１はパッシブモードにある。熱源９９の温度が温度閾値以下であれば（ステップＳ１３でＮＯ）、熱輸送システム１はパッシブモードとされ、ポンプ６が停止（又は、停止が維持）される（ステップＳ１４）。一方、熱源９９の温度が温度閾値を超える値であれば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、熱輸送システム１はアクティブモードとされ、ポンプ６が稼働（又は、稼働が維持）される（ステップＳ１５）。具体的には、温度監視部９２は、取得した温度が温度閾値を超える値であれば、ポンプ制御部９３にポンプ６を稼働させる信号を出力する。温度監視部９２は、処理をステップＳ１１に戻して熱源９９の温度の監視を継続し、求めた温度が温度閾値以下となれば、ポンプ制御部９３にポンプ６を停止させる信号を出力する。
以上に説明したように、本実施形態に係る熱輸送システム１は、熱源９９からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器２、蒸発器２より上方に配置され気相の作動流体を液体に変化させる凝縮器３、蒸発器２の出口と凝縮器３の入口とを連絡する蒸気管４、及び、凝縮器３の出口と蒸発器２の入口とを連絡する液管５を含み、作動流体が封入されたループ型ヒートパイプ１０と、液管５又は蒸気管４に設けられて、作動流体へ循環駆動力を与えるポンプ６と、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の傾きを検出する傾斜センサ７と、傾きに基づいてポンプ６の動作を制御するコントローラ９とを備える。液管５内の作動流体は、ポンプ６の停止時に、ポンプ６からの作用を受けずに凝縮器３から蒸発器２へ流れ、ポンプ６の稼働時に、ポンプ６からの作用を受けて凝縮器３から蒸発器２へ強制的に流れる。コントローラ９は、傾きが所定の傾き閾値を超えるときはポンプ６を稼働させ、傾きが傾き閾値以下のときはポンプ６を停止させる。
換言すれば、コントローラ９は、傾き監視プログラム及び傾き閾値を記憶した記憶装置９０ｂと、傾き監視プログラムを実行する演算処理装置９０aとを備え、傾き監視プログラムは、演算処理装置９０ａに、傾きが所定の傾き閾値を超えるときはポンプ６を稼働させ、傾きが傾き閾値以下のときはポンプ６を停止させるように構成されている。
上記の熱輸送システム１によれば、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の傾きが閾値以下のとき、つまり、定常運転時は、ポンプ６は停止しており、外部エネルギーを必要とすることなく作動流体がループ型ヒートパイプ１０を巡る。ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の傾きが閾値を超えるときは、重力による作動流体の循環駆動力が低下するが、それを補うようにポンプ６によって作動流体に循環駆動力が与えられる。このようにして、熱輸送システム１では、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の変化に拘わらず、安定して作動流体が循環するので、安定した熱輸送量が得られる。また、上記の熱輸送システム１ではポンプ６の稼働のために外部エネルギーを必要とするが、ポンプ６は所定の条件のときにのみ稼働しそれ以外では停止しているので、ポンプ６が常時稼働する場合と比較して外部エネルギーの消費量を抑えることができる。このように、本発明の熱輸送システム１では、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢が変化しても安定した伝熱特性を発揮すること、及び、外部エネルギーの消費量を抑えることを両立できる。
本実施形態に示したように、上記の熱輸送システム１は、蒸発器２の作動流体へ熱を与える熱源９９の温度を検出する温度センサ８を更に備えていてよい。この場合、コントローラ９は、温度センサ８から熱源９９の温度を取得して、温度が所定の温度閾値を超えるときはポンプ６を動作させ、温度が温度閾値以下のときはポンプ６を停止させる。
このように、作動流体の自然循環流量では熱源９９を十分に冷却できないとき、即ち、作動流体の循環流量が不足しているときには、不足する循環流量を補うようにポンプ６によって作動流体に駆動力が与えられることにより、作動流体の循環流量が増大し、熱輸送システム１の熱輸送量を増大させることができる。その結果、熱輸送システム１の伝熱特性を高め、熱源９９を確実に所望の温度へ冷却することができる。
また、本実施形態に示したように、上記の熱輸送システム１において、ポンプ６は液管５に設けられた電動式ポンプ６Ａであって、液管５はポンプ６を迂回して作動流体を流すバイパス管５９を含んでいてよい。
これにより、ポンプ６Ａの停止時は、作動流体はポンプ６Ａを迂回してバイパス管５９を流れるので、作動流体の流れがポンプ６Ａによって阻害されない。
また、本実施形態に示したように、上記の熱輸送システム１において、作動流体が感温性磁性流体であり、ポンプ６Ｂは、液管５を流れる作動流体に非一様磁場を印加する磁石６１と、磁場の印加によって磁化された作動流体を加熱するヒータ６２とを有していてよい。
このようなポンプ６Ｂでは、停止中のポンプ６Ｂが当該ポンプ６Ｂが設置された液管５を流れる作動流体に作用しない。よって、ポンプ６Ａを迂回するバイパス管５９を備える場合と比較して、圧力損失を抑え、その結果、熱輸送システム１の伝熱特性を高めることができる。また、作動流体が磁石６１やヒータ６２と直接に接触しなく、機械駆動部がないためメンテナンスが容易であり、耐久性も高い。その上、上記構成のポンプ６Ｂは、電動ポンプを使用する場合と比較して、省電力である。
また、本実施形態に示したように、上記の熱輸送システム１において、ポンプ６Ｃは、液管の途中に設けられたタンク６４と、タンク６４内又はタンク６４よりも作動流体の流れの上流側に設けられたヒータ６３とを含み、ヒータ６３の加熱により発生した蒸気の圧力によって作動流体へ循環駆動力を与えるものであってよい。
このようなポンプ６Ｃでは、停止中のポンプ６Ｃが当該ポンプ６Ｃが設置された液管５を流れる作動流体に作用しない。よって、ポンプ６Ａを迂回するバイパス管５９を備える場合と比較して、圧力損失を抑え、その結果、熱輸送システム１の伝熱特性を高めることができる。また、ポンプ６Ｃは駆動部を含まないのでメンテナンスが容易であり、高寿命である。
〔傾き監視処理の流れの変形例〕
前述の通り、熱輸送システム１で傾き監視処理と温度監視処理とが独立して行われてもよいが、これらの処理を組み合わせることによって、より経済的にループ型ヒートパイプ１０の熱輸送量を安定化させることができ、蒸発器２による熱源９９の冷却能力を安定化させることができる。
図７は、コントローラ９による傾き監視処理の流れの変形例を示すフローチャートである。なお、コントローラ９の記憶部には、傾き閾値、第１の温度閾値、及び、第２の温度閾値が予め記憶されている。
図７に示すように、コントローラ９の傾き監視部９１は、傾斜センサ７から傾きに係る情報を取得する（ステップＳ３１）。傾き監視部９１は、取得した傾きと所定の傾き閾値とを比較することにより、ループ型ヒートパイプ１０の傾きを監視する（ステップＳ３２）。
傾き監視部９１は、傾きが所定の傾き閾値を超えた場合に（ステップＳ３２でＹＥＳ）、温度センサ８から熱源９９の温度を取得して（ステップＳ３３）、熱源９９の温度と所定の第１の温度閾値とを比較する（ステップＳ３４）。傾き監視部９１は、熱源９９の温度が第１の温度閾値を超えていれば（ステップＳ３４でＹＥＳ）、ポンプ制御部９３にポンプ６を稼働させる信号を出力して（ステップＳ３５）、処理をステップＳ３１に戻す。傾き監視部９１は、熱源９９の温度が第１の温度閾値以下であれば（ステップＳ３４でＮＯ）、ポンプ制御部９３にポンプ６を停止させる信号を出力する（ステップＳ３６）、処理をステップＳ３１に戻す。
一方、傾き監視部９１は、傾きが所定の傾き閾値以下の場合に（ステップＳ３２でＮＯ）、温度センサ８から熱源９９の温度を取得して（ステップＳ３７）、熱源９９の温度と所定の第２の温度閾値とを比較する（ステップＳ３８）。傾き監視部９１は、熱源９９の温度が第９の温度閾値を超えていれば（ステップＳ３８でＹＥＳ）、ポンプ制御部９３にポンプ６を稼働させる信号を出力して（ステップＳ３９）、処理をステップＳ３１に戻す。傾き監視部９１は、熱源９９の温度が第１の温度閾値以下であれば（ステップＳ３８でＮＯ）、ポンプ制御部９３にポンプ６を停止させる信号を出力して（ステップＳ４０）、処理をステップＳ３１に戻す。
ループ型ヒートパイプ１０の傾きが傾き閾値を超えた場合は、傾きが傾き閾値以下の場合と比較して熱輸送能力が低いので、後者の場合よりも熱源９９の温度が低いときから作動媒体の循環駆動力をポンプ６で補助して熱輸送能力を高めておくのがよい。そこで、第１の温度閾値は、第２の温度閾値と同じであるか、それよりも低いことが望ましい。これにより、作動媒体の循環駆動力が低下して熱源９９の冷却が不十分となる前にポンプ６を動作させることができるので、熱源９９の過度な温度上昇を予防することができる。
以上に説明した通り、熱輸送システム１のコントローラ９は、傾きが所定の傾き閾値を超えた場合に、熱源９９の温度が所定の第１の温度閾値を超えていればポンプ６を稼働させ、熱源９９の温度が第１の温度閾値以下であればポンプ６を停止させ、傾きが所定の傾き閾値以下の場合に、熱源９９の温度が所定の第２の温度閾値を超えていればポンプ６を稼働させ、熱源９９の温度が第２の温度閾値以下であればポンプ６を停止させる。
換言すれば、コントローラ９は、変形例に係る傾き監視プログラム、傾き閾値、第１温度閾値及び第２温度閾値を記憶した記憶装置９０ｂと、変形例に係る傾き監視プログラムを実行する演算処理装置９０ａとを備え、変形例に係る傾き監視プログラムは、演算処理装置９０ａに、傾きが所定の傾き閾値を超えた場合に、熱源９９の温度が所定の第１の温度閾値を超えていればポンプ６を稼働させ、熱源９９の温度が第１の温度閾値以下であればポンプ６を停止させ、傾きが所定の傾き閾値以下の場合に、熱源９９の温度が所定の第２の温度閾値を超えていればポンプ６を稼働させ、熱源９９の温度が第２の温度閾値以下であればポンプ６を停止させるように構成されている。
上記の熱輸送システム１では、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の傾きが傾き閾値を超える場合であっても、熱源９９の温度が第１の温度閾値以下であれば、冷却が十分であるとしてポンプ６を停止させる又は停止を継続させることにより、外部エネルギーを必要とすることなく作動流体がループ型ヒートパイプを巡る。よって、より経済的にループ型ヒートパイプ１０の熱輸送量を安定化させることができる。一方、上記の熱輸送システム１では、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の傾きが傾き閾値以下の場合であっても、熱源９９の温度が第２の温度閾値を超えていれば、ポンプ６を稼働させる又は稼働を継続させることにより、作動媒体の循環駆動力が補助される。よって、蒸発器２による熱源９９の冷却能力を安定化させることができる。このように、上記の熱輸送システム１では、ポンプ６の稼働のために外部エネルギーを必要とするが、ポンプ６は所定の条件のときにのみ稼働しそれ以外では停止しているので、ポンプ６が常時稼働する場合と比較して外部エネルギーの消費量を抑えることができる。よって、上記の熱輸送システム１では、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢が変化しても安定した伝熱特性を発揮すること、及び、外部エネルギーの消費量を抑えることを両立できる。
〔熱輸送システム１を搭載した輸送機〕
次に、上記の熱輸送システム１を輸送機に適用した例を説明する。熱輸送システム１は、船舶（潜水艇を含む）、鉄道車両、自動車、及び航空機などの輸送機に搭載された発熱体を冷却するために利用することができる。図８は、熱輸送システム１を輸送機の一例としての航空機５０に適用した例を示す図である。
図８には、航空機５０の胴体５１及び主翼５３の一部が示されている。胴体５１は、外板５２と、外板５２より客室側に設けられた内壁５４とを含む複層構造を有する。外板５２と内壁５４との間には、冷却室５５が形成されている。冷却室５５内は、飛行中に地上よりも著しく低温の外気（外部流体の一例）に晒される外板５２から伝わる冷熱によって低温となっている。或いは、外板５２に冷却室５５と連通される空気入口と空気出口とが設けられ、飛行中の冷却室５５にラムエアが導入されてもよい。また、飛行中に地上よりも著しく低温の外気に晒される主翼５３の内部には燃料タンク５７が設けられている。燃料タンク５７及びそれに貯溜された燃料は外気によって冷却される。
上記の航空機５０には、２組の熱輸送システム１が搭載されている。一方の熱輸送システム１は、胴体５１の床上に設置された熱源９９を冷却するためのものであり、熱源９９と熱的に接続された蒸発器２と、冷却室５５内に配置された凝縮器３と、蒸発器２と凝縮器３との間を接続する蒸気管４及び液管５と、液管５に設けられたポンプ６とを含む。冷却室５５内には、凝縮器３に強制的に通気させるためのファン５６が設けられている。この凝縮器３は、外気により冷却される冷却室５５内の気体に放熱する。換言すれば、凝縮器３では、外気の冷熱を利用して作動流体を凝縮させることができる。しかも、航空機５０では、飛行中に外気が常温よりも著しく低くなるので、蒸発器２が熱的に接続された熱源９９と凝縮器３が放熱する媒体（冷却室５５内の気体）との温度差が大きくなり、熱輸送システム１で高効率な熱輸送を行うことができる。
もう一方の熱輸送システム１は、胴体５１内の床下に設置された熱源９９を冷却するためのものであり、熱源９９と熱的に接続された蒸発器２と、燃料タンク５７内の液相内に配置された凝縮器３と、蒸発器２と凝縮器３との間を接続する蒸気管４及び液管５と、液管５に設けられたポンプ６とを含む。この凝縮器３は、外気により冷却される燃料に放熱する。換言すれば、凝縮器３では、外気の冷熱を利用して作動流体を凝縮させることができる。しかも、航空機５０では、飛行中に外気が常温よりも著しく低くなるので、蒸発器２が熱的に接続された熱源９９と凝縮器３が放熱する媒体（燃料）との温度差が大きくなり、熱輸送システム１で高効率な熱輸送を行うことができる。但し、燃料タンク５７は外部流体と積極的な熱交換を行うものでなくてもよい。
以上に説明したように、本実施形態に係る輸送機（例えば、航空機５０）は、熱源９９と、熱源９９からの受熱により作動流体を蒸発させる蒸発器２を含む熱輸送システム１とを備える。前述の通り、熱輸送システム１では、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢の変化に拘わらず、安定して作動流体が循環し、安定した熱輸送量が得られる。よって、このような熱輸送システム１は、姿勢が逐次変化する輸送機に搭載された熱源９９の冷却のために好適である。なお、熱源９９は、特に限定されないが、例えば、制御盤やエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）やその他コンピュータなどの発熱部品を含む電子機器、軸受などの摩擦熱が生じる機械部品、及び、電池などの発熱体や、客室空気などが挙げられる。
本実施形態に示したように、上記輸送機は、外部流体に晒される外板５２、及び、外板５２の内側に配置された室内壁５４を有し、外板５２と室内壁５４との間に形成された冷却室５５に凝縮器３が配置されていてよい。
このように、輸送機に搭載される熱輸送システム１では、外部流体（外気）の冷熱を利用して作動流体を凝縮させることができる。特に、外気が常温よりも著しく低くなるような環境で使用される輸送機では、蒸発器２が熱的に接続された熱源９９と凝縮器３が放熱する媒体との温度差が大きくなり、熱輸送システム１で高効率な熱輸送を行うことができる。
また、本実施形態に示したように、上記輸送機は、燃料タンク５７を有し、燃料タンク５７の液相内に凝縮器３が配置されていてよい。
このように、輸送機に搭載される熱輸送システム１では、熱容量の大きい燃料タンク５７を利用して作動流体を凝縮させることができる。特に、燃料タンク５７が低温の外部流体と積極的な熱交換を行う場合には、蒸発器２が熱的に接続された熱源９９と凝縮器３が放熱する媒体との温度差が大きくなり、熱輸送システム１でより高効率な熱輸送を行うことができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。
例えば、上記実施形態のループ型ヒートパイプ１０はサーモサイフォン式に限られずウィック式が採用されてもよい。ウィック式のループ型ヒートパイプでは、凝縮器３から蒸発器２への作動流体を還流させるために、ウィックにおける作動流体の毛細管力を利用するが、重力も利用する。よって、本発明をウィック式のループ型ヒートパイプを備える熱輸送システムに適用しても前述と同様の効果が得られる。
１ ：熱輸送システム
２ ：蒸発器
３ ：凝縮器
４ ：蒸気管
５ ：液管
５ａ ：流路
６ ：ポンプ
７ ：傾斜センサ
８ ：温度センサ
９ ：コントローラ
９０ａ ：演算処理装置
８９ｂ ：記憶装置
１０ ：ループ型ヒートパイプ
２１ ：伝熱板
２２ ：ハウジング
２３ ：作動流体収容室
５０ ：航空機（輸送機の一例）
５１ ：胴体
５２ ：外板
５３ ：主翼
５４ ：内壁
５５ ：冷却室
５６ ：ファン
５７ ：燃料タンク
５９ ：バイパス管
６１ ：電磁石
６２，６３ ：ヒータ
６４ ：タンク
６５ ：ケーシング
６６ ：羽根車
６７ ：電動モータ
９１ ：傾き監視部
９２ ：温度監視部
９３ ：ポンプ制御部
９９ ：熱源

Claims (10)

  1. 輸送機に搭載される熱輸送システムであって、
    熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器、前記蒸発器より上方に配置され気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管、及び、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡する液管を含み、前記作動流体が封入されたループ型ヒートパイプと、
    前記液管又は前記蒸気管に設けられて、前記作動流体へ循環駆動力を与えるポンプと、
    前記ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きを検出する傾斜センサと、
    前記傾きに基づいて前記ポンプの動作を制御するコントローラとを備え、
    前記液管内の前記作動流体は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプからの作用を受けずに前記凝縮器から前記蒸発器へ流れ、前記ポンプの稼働時に、前記ポンプからの作用を受けて前記凝縮器から前記蒸発器へ強制的に流れ、
    前記コントローラは、前記傾きが所定の傾き閾値を超えるときは前記ポンプを稼働させ、前記傾きが前記傾き閾値以下のときは前記ポンプを停止させる、
    熱輸送システム。
  2. 輸送機に搭載される熱輸送システムであって、
    熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器、前記蒸発器より上方に配置され気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管、及び、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡する液管を含み、前記作動流体が封入されたループ型ヒートパイプと、
    前記液管又は前記蒸気管に設けられて、前記作動流体へ循環駆動力を与えるポンプと、
    前記ループ型ヒートパイプの姿勢の傾きを検出する傾斜センサと、
    前記熱源の温度を検出する温度センサと、
    前記ポンプの動作を制御するコントローラとを備え、
    前記液管内の前記作動流体は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプからの作用を受けずに前記凝縮器から前記蒸発器へ流れ、前記ポンプの稼働時に、前記ポンプからの作用を受けて前記凝縮器から前記蒸発器へ強制的に流れ、
    前記コントローラは、
    前記傾きが所定の傾き閾値を超えた場合に、前記熱源の温度が所定の第１の温度閾値を超えていれば前記ポンプを稼働させ、前記熱源の温度が第１の温度閾値以下であれば前記ポンプを停止させ、
    前記傾きが所定の傾き閾値以下の場合に、前記熱源の温度が所定の第２の温度閾値を超えていれば前記ポンプを稼働させ、前記熱源の温度が前記第２の温度閾値以下であれば前記ポンプを停止させる、
    熱輸送システム。
  3. 前記第１の温度閾値は前記第２の温度閾値より低い、請求項２に記載の熱輸送システム。
  4. 前記液管は、前記ポンプを迂回して前記作動流体を流すバイパス管を含む、
    請求項１又は２に記載の熱輸送システム。
  5. 前記作動流体が感温性磁性流体であり、前記ポンプは、前記液管を流れる前記作動流体に非一様磁場を印加する磁石と、磁場の印加によって磁化された前記作動流体を加熱するヒータとを有する、
    請求項１又は２に記載の熱輸送システム。
  6. 前記ポンプは、前記液管の途中に設けられたタンクと、前記タンク内又は前記タンクよりも前記作動流体の流れの上流側に設けられたヒータとを含み、前記ヒータの加熱により発生した蒸気の圧力によって前記作動流体へ循環駆動力を与える、
    請求項１又は２に記載の熱輸送システム。
  7. 前記熱源の温度を検出する温度センサを更に備え、
    前記コントローラは、前記温度センサから前記熱源の温度を取得して、前記温度が所定の温度閾値を超えるときは前記ポンプを動作させ、前記温度が前記温度閾値以下のときは前記ポンプを停止させる、
    請求項１に記載の熱輸送システム。
  8. 発熱体と、前記発熱体を熱源として前記作動流体を蒸発させる前記蒸発器を含む請求項１～７のいずれか一項に記載の熱輸送システムとを備える、
    輸送機。
  9. 外部流体に晒される外板、及び、前記外板の内側に配置された室内壁を有し、前記外板と前記室内壁との間に形成された冷却室に前記凝縮器が配置されている、
    請求項８に記載の輸送機。
  10. 燃料タンクを有し、前記燃料タンクの液相内に前記凝縮器が配置されている、
    請求項８に記載の輸送機。
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