JPH01111197A - 熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ８発明の目的 〔産業上の利用分野〕 本発明は流体を熱搬送媒体とする熱伝達装置に関する。

特に本発明は閉ループ管状コンテナ内を環流する液体の
強制対流による受放熱によりコンテナの受熱部と放熱部
の相互間に熱エネルギーを伝達せしめる熱伝達装置に関
する。

〔従来の技術〕

相互間に充分な距離を隔てて配設されである受放熱部間
に熱エネルギーを授受する手段の一つに分離型ヒートパ
イプ（又はループ型ヒートパイプがある。これは受熱部
（蒸発部）と放熱部（凝縮部）との間を受熱部で発生し
た作動液蒸気を放熱部に供給する蒸気供給管と放熱部で
凝縮した作動液を受熱部に帰還せしめる作動液還流管と
でループ状に連結したヒートパイプである。この方式は
放熱部が受熱部より水位的に上位にある場合は作動液は
自動循環するが放熱部が受熱部より下位にある場合は流
体ポンプ等で還流作動液を強制還流せしめる必要があっ
た。この様な分離型ヒートパイプを第６図に略図で示す
。

図は管路を総て線図で示しである。１１−Ｈは受熱部で
上下のヘッダを連結する多数の蒸発管からなる。１１−
Ｃは放熱部で同様に上下のヘッダを結ぶ多数の凝縮管か
らなる。１２は蒸気供給管路、１３は作動液還流管路で
あり、１４は受熱部に凝縮作動液を送出する流体ポンプ
である。この様な分離型ヒートパイプは大容量熱伝達に
適しており、小容量用としては装置が複雑で大型に過ぎ
るので不適当である。

発明者は先願の特願昭６２−１５５７４７号において「
ループ型細管ヒートパイプ」を提案した。該ヒートパイ
プは第７同断面略図に例示の如く閉ループ状細管コンテ
ナ１１のループ状作動液流路内に複数の循環方向規制手
段４が設けられ、これにより流路は複数の圧力室に分割
され且つ連結された状態になっている。又閉ループ状細
管コンテナ１１はその少なくも１箇所以上の部分が加熱
手段Ｈにより加熱される受熱部１１−Ｈとして、他の少
なくも１個所以上の部分が冷却手段Ｃにより冷却される
放熱部１１−Ｃとして、受放熱部がほぼ交互に配置され
て形成されである。この様に構成されたループ型細管ヒ
ートパイプにおいては循環方向規制手段と圧力室内蒸気
圧と受放熱部間温度差の三者の相互作用により圧力室は
交互に呼吸を繰返し作動液１５−Ｃ及びその蒸気１５−
Ｈは自らループ内を所定の方向に蒸発と凝縮を繰返しな
がら強力に循環して受放熱部間に熱量を伝達する。この
様なヒートパイプは小容量に適するだけでなく蛇行ルー
プ型に形成することにより無制限に多数の受放熱部を設
けることが出来るのでこれ等を集合して大容量ヒートパ
イプとして使用することが出来る。該ヒートパイプはト
ップヒート姿勢においても何等の支障なく作動する。又
重要な機能としては作動液流路内における圧力損失は受
放熱部毎に解放されて累積することがないのでループ長
さを無制限に長くすることが可能であり、又コンテナ内
圧を充分に高く即ち作動液推進力を充分に強力にして使
用することが出来る特徴がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如くループ型ヒートパイプは相互に離隔の位置に
ある受放熱部間の熱伝達装置として極めて有効なもので
はあるが、ヒートパイプを使用することにより発生する
避けることの出来ない次の如き問題点がある。

（ａ）　　作動液は種類毎に適用範囲に制限があり、又
それ等の間には性能的にも夫々に大きな差異があり、適
用温度によっては適切なヒートパイプを得ることが困難
である。

例えば高性能ヒートパイプであるナトリウム作動液の適
用範囲は６（１０）〜１２（１０）°Ｃであり、純水作
動液は３０〜２（１０）°Ｃであり、その空隙を埋め得
る作動液はその高温蒸気が極めて有毒で使用に問題があ
る水銀作動液のみである。２（１０）〜４（１０）℃の
範囲を埋める作動液としてサームエス、ナフタリン等が
あるがその熱伝達能力は純水作動液の１７１０位に過ぎ
ない。又３０℃以下の温度で使用されるヒートパイプ作
動液としてアルコール、フレオン等があるがそれ等の熱
伝達能力は純水の１７５〜１７１０位である。即ち２（
１０）〜６（１０）℃の空白を埋め又３０℃以下におけ
る。熱伝達を行なわしめる装置としては３０〜２（１０
）℃及び６（１０）〜１２（１０）℃の間における如き
良好な熱伝達装置を得ることが出来ないものであり、ヒ
ートパイプ利用上の大きな問題点となっている。

ｆｂ）　　ヒートパイプにおいてはコンテナ内の真空度
を高く保持することがヒートパイプの秀れた特性を保持
する上での最も重要な要素であり、この点がヒートパイ
プの製作を困難ならしめ且つ長年月の間高い信頼性を維
持することを困難ならしめていた。

（Ｃ１総での熱伝達は受放熱部間の温度差が小さくなれ
ばなる程困難になるが、作動液の相変化で作動するヒー
トパイプにおいては特にこの傾向が激しく、温度差が小
さくなると熱伝達能力は激減し、温度差が数℃以下では
作動が全く停止してしまうものであった。

口１発明の構成 ゛　〔問題点解決の為の手段〕 本発明の熱伝達装置における問題点解決の手段は特願昭
６２−１５５７４７号を基本とする。即ちその作動液の
組成を変更し、装置の構成を新規な作動液である熱搬送
流体に最も適した構成に変更し又熱伝達の原理も変更す
る。

（ａｌ　　熱伝達原理の変更 ヒートパイプは作動液の相変化時の潜熱の吸収放出を熱
交換の原理とし、又相変化時の飽和蒸気圧の変化による
蒸気の移動を作動液循環の基本とするものであった。こ
れに対し本発明においては液体の強制対流時の活発な顕
熱伝達を熱交換の原理とし熱担体である熱搬送流体を所
定の手段により推進循環せしめこれにより熱伝達能力を
向上せしめる。

（ｂ）　　熱担体の変更 ヒートパイプにおける熱担体は単一物質からなる作動液
の蒸気であった。これに対し本発明は複数物質からなる
気液２相の混成流体である熱搬送流体を熱担体とする。

熱搬送流体の組成は必ずしも２種の流体に限定するもの
ではないが基本的には２種の流体からなる。主たる流体
である第１の流体は液相状態のみであるか、液相を主体
とする気液２相状態であるか、何れかの状態の流体であ
り、その例として前者としては液体金属か装置の適用温
度より融点の低い金属があげられ、後者としては装置の
適用温度で液体である各種の非金属流体があげられる。

第２の流体は気相状態のみであるか、気相を主体とした
気液２相状態であるか、何れかの状態の流体であり、そ
の例として前者としては不活性ガスの如き非凝縮性ガス
があげられ、後者としてはヒートパイプ作動液の如き沸
点の低い液体の減圧蒸気があげられる。第１の流体の機
能は熱の担体としての役目であり、第２の流体は第１の
流体の膨張収縮を吸収してコンテナの変形破損を防止す
る役目があり、又時には自身の熱膨張、熱収縮又は自身
の相変化等により発生する流体推進力により、第１の流
体を循環せしめる場合もある。

又当然のことではあるが両流体は装置の作動による温度
サイクルによって、夫々及び相互に化学変化も化学反応
も引起すことのない流体であり、この様な熱搬送流体は
コンテナ内からあらゆる気体、液体及びそれ等の発生源
となる汚染物質が排除された状態で、該熱搬送流体の所
定量のみが気密に封入されである。

（Ｃ１コンテナ構成の変更 特願昭６２−１５５７４７号の各種作用効果は必ずしも
それと同等のコンテナ構造でなくても発揮させることが
出来る。即ち作動液量が管内を閉塞して流れるに充分な
量であり且つ適切な作動液循環手段がループ内に配設さ
れである場合はループ型細管ヒートパイプは必ずしも細
管に限定される必要もなければ、複数の作動液循環方向
規制手段を設ける必要もない。但しコンテナが細管でな
い場合は屈曲性及び可撓性が犠牲になることは止むを得
ない。

更に本発明の熱伝達装置における熱搬送流体が凝縮性ガ
スを含まない組成である場合は特願昭６２４５５７４７
号のコンテナ構造をそのまま採用すると受放熱部間の温
度差が小さい条件では熱搬送流体の容積変化が小さくな
り、圧力室の呼吸作用が弱化し、流体の循環推進力が弱
化することがある。

この場合はコンテナに外部エネルギーの補助による所定
の熱搬送流体循環手段を配設する必要がある。

従って本発明に係る熱伝達装置は次の如く構成される。

即ち該装置は閉ループをなす管状コンテナと熱搬送流体
と所定の流体循環手段とから構成されてあり、閉ループ
管状コンテナはそのループ上に少なくも１個所以上の受
熱部と少なくも１個所以上の放熱部とが設けられてあり
、熱搬送流体は装置の作動の間、所定の流体循環手段に
よって閉ループ内を所定の方向に常時循環せしめられで
ある様構成されである。第１図はこの様な構成の熱伝達
装置の基本構造の断面略図を示す。第１図は第７図に示
した特願昭６２−１５５７４７号の基本構造における循
環方向規制手段４が流体循環手段３に変更され、閉ルー
プ細管コンテナ１１が閉ループ管状コンテナ１に変更さ
れ、作動液１５が熱搬送流体２−に変更されであるのみ
で他の構成は全く同じである。図においてＨは加熱手段
、１−Ｈは受熱部、Ｃは冷却手段、ｉ−ｃは放熱部であ
って図の例では何れも夫々２個所ずつ設けられである。

■は閉ループ管状コンテナ、２は熱搬送流体、３は流体
循環手段である。第２図は熱搬送流体２の封入状態を示
しである。（イ）は第１の流体（液相）２−１の中に第
２の流体（気相）２−２が分散された状態を示す。即ち
熱搬送流体２は泡流状態でコンテナ１の中を貫流する。

この状態で全ループ内を流れる組成の場合もあるが、受
熱部から放熱部に到る間は図の如き泡流状態で流れ、放
熱部から受熱部に到る間は気泡（第２の流体）２−２は
第１の流体の中に溶解し液相のみで流れる如き組成の場
合もある。（ロ）（ハ）においては第１の流体（液相）
２−１と第２の流体（気相）２−２が交互に封入された
例を示す。液相と気相の形状はコンテナと液の濡れ性や
両流体の表面張力により変化し、両流体の夫々の形状は
図面の場合と逆転する場合もある。コンテナ内を閉塞し
て流れる場合２液の相互形状は図の如く封入時のままの
状態で貫流する。

流体循環手段は特願昭６２−１５５７４７号と同様に複
数の逆止め弁の如き循環方向規制手段であっても良い。

又−船釣な小型流体ポンプであっても良い。

又電磁気的な手段であっても良い。更に本発明者が出願
中の実願昭６１−１７６７１４号に記載の如き熱駆動流
体ポンプによる手段であっても良い。

〔作　用〕

前述の如く構成されである本発明の熱伝達装置において
はループ内を所定の方向に強力に循環せしめられている
熱搬送流体２は熱担体として加熱手段Ｈから受熱部１−
Ｈにより吸収した熱エネルギーを放熱部１−Ｃにより冷
却手段Ｃに放熱してこれを加熱する。又は冷却手段Ｃに
より放熱部１−Ｃを介して熱搬送流体２から熱エネルギ
ーを吸収冷却しこれにより受熱部１−Ｈを介して加熱手
段Ｈを冷却する。小径管内における強制対流に゛よる熱
伝達率は極めて強力である。内径５１ｍ、流速１１Ｔｌ
／ｓの時の熱伝達率は純水で１１（１０）０　ＫＣａ　
ｊ２　／Ｉｔ（ｈ　’ｃに達し、液体ナトリウムの場合
は１１（１０）（１０）Ｋｃａｌ　／　ｔｒｉ　ｈ　”
Ｃにも達する。これは内径５顛のヒートパイプにおける
純水作動液の熱伝達率が５（１０）０ＫＣａｊ！　／　
ｍ　ｈ　”Ｃ位であるのに対し大幅に大きいものであり
、本発明に係る熱伝達装置は特願昭６２−１５５７４７
号に係るループ型細管ヒートパイプに比較して殆ど同様
なコンテナ構成にも拘らず、純水を熱搬送流体の第１の
流体とした場合２倍の熱伝達能力を発揮し、液体金属の
熱搬送流体を使用すれば約２０倍の熱伝達能力を発揮せ
しめることになる。

ヒートパイプは作動液の蒸発凝縮の潜熱を利用する熱伝
達手段であるから、その最適作動温度範囲は作動液が相
変化を起すのに容易な温度範囲に限定される。その温度
範囲を拡大する為にコンテナを減圧して実施するが液の
凝固温度に近い温度ではヒートパイプとしては使用に耐
えない。例えばナトリウムの融点は９８０℃であるがヒ
ートパイプ作動液としては６（１０）°Ｃ以上で良好に
作動する。水銀の融点は一３９℃であるがヒートパイプ
作動液としては２５０℃以上で使用される。

純水作動液の融点は０℃であるがヒートパイプ作動液と
しての作動温度は約２０℃以上で、使用上効果的に作動
する温度は３０℃以上である。この様な液の種類毎の作
動範囲の制限の為に前述した如くヒートパイプの応用に
際しては適切な作動液が無い温度領域があり問題点とな
っている。然し本発明の熱伝達装置における熱搬送流体
は液体の顕熱の吸収放出による熱伝達であるから液相状
態である限り各種液体について融点から沸点に到る全範
囲を利用することが可能であり、又あらゆる種類の液体
を利用することが出来る。更に適用温度範囲内で相互に
化学反応や夫々に化学変化を生じない限り各種液体の混
合液体、相溶液体を利用することも可能である。又液体
中に金属、非金属の微粉末や超微粉を混入分散せしめて
液体の熱伝導率を改善せしめたり、他の所望の機能を与
えた液体を使用することも可能である。

上述の如き各種の液体を組成の第１の流体とする熱搬送
流体が封入された本発明の熱伝達装置は所望の適用温度
範囲の総てをカバーして適用することを可能にする。又
ヒートパイプの原理では全く発揮することが出来ない高
い熱伝達性能を発揮する。この様にして問題点（ａ）項
は完全に解決される。

ヒートパイプの場合には作動液を高真空の下に封入する
ことにより、作動液の沸点を低下せしめ、これにより作
動液の作動温度範囲を拡大せしめて使用する。従って真
空度の低下はヒートパイプに取って致命的な性能低下の
原因となる。然し本発明に係る熱伝達装置においては熱
搬送流体のみがコンテナ内に封入されてあれば良＜、減
圧により性能が改善される場合もあるが高真空度は必要
としない。従って製作時の作業性が良好であり、信頼性
の維持も容易である。即ち問題点Ｃｂ１項も解決される
。

ヒートパイプは受放熱部間の温度差の発生による蒸気移
動により作動するものであるから温度差が低いと作動状
態が低下する。これに対し本発明の熱伝達装置において
は所定の流体循環手段を低温度差用の手段とすることに
より解決することが出来る。即ち温度差により熱搬送流
体の受放熱部間に発生する蒸気圧差や蒸気移動とは関係
なく、常にループ内を所定の方向に強制循環せしめる流
体循環手段を採用することにより、極めて低い温度差で
あっても敏感に且つ効率的に熱伝達せしめることが出来
る。即ち問題点のｆＣ１項を完全に解決する。

本発明に係る熱伝達装置は特願昭６２−１５５７４７号
に比較すればヒートパイプ原理による熱伝達方式から液
体の強制対流熱伝達方式に変更した点による上述の如き
熱伝達能力向上を達成するだけでな（、ループ型コンテ
ナの直径を細管に限定しない構成に変更した点によって
も熱伝達能力は大幅に向上する。本熱伝達装置はヒート
パイプ方式に比較して、例えばコンテナ内容積の９０％
以上の如き大量の熱搬送流体が封入されであるので、コ
ンテナ径が細管でなくても流体がコンテナ内を閉塞した
状態で貫流せしめられ、流体循環手段の強力な推進力が
確実に伝播せしめられ、且つ熱担体の流量及び熱容量が
大きい点にも助けられ大容量の熱伝達が可能となる。

更に熱搬送流体には第２の流体（気相流体）が混入され
である点とコンテナが長尺である場合に夫々複数の受熱
部及び放熱部が配設されである点の相互作用により、熱
搬送流体はより高速度の且つより強力な循環流とするこ
とが出来る。即ちコンテナの管内圧力損失は第２の流体
（気相流体）の受熱部における膨張推進力及び放熱部に
おける収縮吸引力により吸収されて、必要以上に累積さ
れることが無いから循環流を強力且つ高速化することが
出来る。この作用は第２の流体が凝縮性気相流体の場合
はより完全に作用し、コンテナ内の圧力の異状増加を完
全に防止する。

本発明に係る熱伝達装置は上述の如く通常ヒートパイプ
及びループ型ヒートパイプの問題点を解決すると共にそ
の熱伝達性能を大幅に向上せしめ且つ従来のヒートパイ
プでは高性能を発揮することの出来なかった温度領域に
おいても充分な熱伝達性能を発揮せしめることが出来る
。又その様な性能改善には特願昭６２−１５５７４７号
に係るループ型細管ヒートパイプの卓越した特性を何等
犠牲にするものではない。即ちトップヒート姿勢でも何
等性能低下を生じることが無い。コンテナ内に生じる圧
力損失は受熱部及び放熱部で解放吸収されるので適切な
距離毎に受放熱部を設けることにより無制限にその長さ
を長尺化することが出来る。同様な作用により直径１顛
の如き細管にて長尺ヒートパイプを構成することが出来
る。蛇行ループ型細管熱伝達装置として構成することに
より被温度制御体に巻付けて装着したり、表面に貼付装
着することも可能である。又多数の並列部を有する蛇行
ループを形成し、並列部を集合して大容量熱伝達装置を
構成することが出来る。再に高温熱伝達だけでなく極低
温の熱伝達装置として超伝導用冷却手段として適用する
ことも可能である。更に重要な機能として蛇行ループ型
細管熱伝達装置における細管コンテナをそのまま電気用
巻線として自己発熱を自己吸収する秀れた電磁機器に適
用することが可能である。同様に超伝導電磁機器に超伝
導巻線として適用することも可能である。この様に特願
昭６２−１５５７４７号に係るループ型細管ヒートパイ
プのあらゆる適用範囲にそれと同様又はより効果的に適
用することが出来る。

〔実施例〕

第１実施例 該実施例は第３同断面略図に例示の如く、閉ループ管状
コンテナ１における熱搬送流体２のループ状流路内の所
定の複数の個所に循環方向規制手段４が設けられてある
ことを特徴としている。これによりコンテナは複数の圧
力室に分離されである。この様に構成されである場合は
循環方向規制手段と圧力室と各受放熱部間に発生する熱
搬送流体２の中の第２の流体（気相流体）間の圧力差の
三者間の相互作用により圧力室が呼吸作用を発生し、熱
搬送流体４は何等の外部エネルギーの補助無しで自動的
にループ内を所定の方向に循環する。

この様な流体循環手段は熱搬送流体中の第２の流体（気
相流体）が凝縮性ガスである場合にはより強力に、より
効果的に作用する。図において熱搬送流体の混成状態と
して第２の流体が第１の流体中に分散している場合を図
示しであるがこれに限定されるものではなく第２図例示
の如きどの混成状態であっても良い。又放熱部において
は相溶状態となる如き混成状態であっても良い。該実施
例は何等の外部エネルギーの消費無しに作動する点に特
徴があり、その作用効果及び適用範囲は前述の基本構造
の熱伝達装置と全く同等である。

第２実施例 該実施例は特に図示してないが第３図実施例の閉ループ
管状コンテナ１をループ型細管に変更した実施例である
。又該実施例は第７図例示の特願昭６２−１５５７４７
号に係るループ型細管ヒートパイプと構造的には全く同
様であり、作動液１５を熱搬送流体ｌと入れ換えただけ
のものである。この場合は第１実施例に比較してコンテ
ナの可撓性屈曲性が改善される。従って第１実施例に比
較して熱伝達能力は低下するが被温度制御体に巻付けた
り、曲面に貼付装着が可能となったり装着自由度が向上
する。作用効果及び適用範囲は第１実施例と同等である
。

第３実施例 第４図に例示した第３実施例は閉ループ管状コンテナ１
を長尺の細管を使用して蛇行ループ型細管コンテナとし
て形成すると共に受熱部及び放熱部を多数設けた実施例
である。図は細管コンテナを１本の線で示した略図であ
って、実線は熱搬送流体の往路を示し、破線は復路を示
す。該実施例は特願昭６２−１５５７４７号に係る蛇行
ループ型細管ヒートパイプと構造は全く同じであり、作
動液を熱搬送流体２と置換えた点が異なるのみである。

従って各種作用は全く同等であり、可撓性、屈曲性によ
り巻付けたり、表面に貼付装着して使用することも可能
である。トップヒートでの良好な熱伝達能力も効果的で
ある。図の如く並列多数の直管部を有する蛇行形状の場
合はそれ等を集合して極めて強力な熱伝達装置を構成す
ることが出来る。

細管コンテナを電気用巻線として使用し、各種電磁機器
や超伝導電磁機器に適用することが出来る点もループ型
細管ヒートパイプと同様であり、他のあらゆる作用効果
及び適用範囲もループ型細管ヒートパイプと同様である
がそれより大幅に強力な熱伝達性能を発揮する。第４図
本実施例においては熱搬送流体循環手段として複数の循
環方向規制手段４が設けられである受放熱部間の温度差
による自己循環手段を有する熱伝達装置を示しであるが
、外部エネルギー消費型の所定の循環手段が設けられて
あってもよい。特に受放熱部間の温度差が小さい場合に
は自己循環手段の作動が困難となるので、他の外部エネ
ルギー消費型の循環手段を設けて実施することが望まし
い。

第４実施例 該実施例は熱搬送流体の組成における第１の流体として
装置の適用温度の全領域で液相状態となる低融点金属又
はその合金が使用され、第２の流体は装置の適用温度範
囲内で上記金属又は合金と化学的に安定な流体であり、
該流体は非凝縮性気体であるか、装置適用温度範囲内に
沸点を有する液体の蒸気、凝縮液の２相共存の流体であ
るか、それらの何れかであることを特徴とする。本発明
の熱伝達装置の熱搬送流体としては第１の流体として如
何なる液体でも使用することが出来る。又適用温度範囲
の上限近くに沸点のある液体であっても第２の流体の飽
和蒸気圧の方が高い場合は第１の流体は蒸気化すること
なく液相を保持し、性能低下することはない。又通常の
液体であってもその強制対流熱伝達率は充分な流速が与
えられ、コンテナの内径が大きくない場合は気体の強制
対流に比較して２（１０）倍以上、凝縮性気体の潜熱に
よる熱伝達率に対しても２倍以上の高い熱伝達が得られ
る。従ってヒートパイプ方式の熱伝達装置の性能を改善
するには純水等を第１の流体とした熱搬送流体の強制対
流熱伝達方式で充分な場合が多い。然し大容量、高温発
熱体の中には通常ヒートパイプの１０倍以上も強力な熱
伝達装置が要求されることがある。その様な場合には本
実施例の如く熱搬送流体の第１の流体として液相金属が
使用される。この場合は作用の項で述べた如く純水搬送
流体よりも更に２０倍にも熱伝達率を向上せしめること
が出来る。

又ヒートパイプ方式の場合高性能熱伝達装置として適用
困難な温度領域が発生する。これに対して強制対流方式
の場合は各種の低融点金属及びその合金を適切に適用す
ることにより水銀の融点−３９°ＣからＧａ　（ガリウ
ム）の沸点２３（１０）℃迄の広範囲にわたって、隙間
なく熱搬送流体の第１の流体として適用することが出来
る。

液相金属を第１の流体とする熱搬送流体に適合性の良好
な第２の流体としては多数の物質及び無数の化合物の気
体液体中から適用温度範囲に応じて選択することが出来
る。第４実施例においてはそれ等を大別して第１の流体
に対し適用温度範囲内で化学的に安定な流体に限定し、
非凝縮性気体か、適用温度範囲内に沸点を有する凝縮性
蒸気の２相流体の何れかに限定する。第１の流体と第２
の流体の組合わせ例としてＮａ−Ｈｅ、　Ｎａ−Ｎｚ、
　Ｈｇ　−ＴｏＯ、Ｇａ−ＨｚＯ、Ｇａ−Ｎ２等があげ
られる。これらがコンテナに封入される場合、第２の流
体が非凝縮性気体の場合は適用温度における熱搬送流体
の熱膨張を考慮して必要に応じて減圧封入される。

第５実施例 該実施例は第４実施例における熱搬送流体の循環手段が
改善された構造に関する。第４実施例において第２の流
体が凝縮性蒸気の２相流体である場合は、その受熱部に
おける容積拡大、放熱部における容積縮小の比率が大き
く、循環方向規制手段と圧力室と受放熱部間の温度差と
の相互作用により発生する循環推進力は強力である。然
し第２の流体が非凝縮性気体である場合熱搬送流体の受
熱部及び放熱部における容積変化は熱膨張及び熱収縮の
みとなる。従って受放熱部間の温度差が小さい場合は上
記相互作用が弱くなり循環推進力も低下するに到る。従
ってこの様な自己エネルギーによる循環手段ではなく、
所定の循環手段としては外部エネルギー消費型の手段か
、補助手段が必要となる。第４実施例は第１の流体が液
相金属であるから各種の電磁的手段によって循環させる
ことが出来る。電磁的手段は機械的手段による場合の如
く熱搬送流体を汚染する恐れがなく、又流路の形状も簡
易で流体の圧力損失が少ない利点かある。更に流路内壁
面に凹凸のないループ型流路に形成することが出来るの
で、熱搬送流体の慣性作用に依りループ内の循環は極め
て円滑になる利点がある。特に液相金属は比重が大きい
ので慣性作用が大きく従って過渡循環速度は低速であっ
ても安定後は円滑且つ高速度の循環流が得られる。即ち
過渡時間中の熱伝達量は少ないが安定後は高能率な熱伝
達特性を発揮する。

上述の第４実施例、第５実施例は何れも閉ループ管状コ
ンテナ内を導電性流体が高速で循環する構造であるから
、高温用熱伝達装置として構成し原子炉の如き高温発熱
体の冷却に使用すると同時にＭＨＤ直接発電装置として
併用し熱エネルギーの利用効率を上昇せしめることが出
来る。

第６実施例 本発明の熱伝達装置が長尺ループ型細管コンテナ又は蛇
行ループ型細管コンテナで形成されてあり、且つコンテ
ナが導電性の良好な金属材料で形成されである場合は該
コンテナを電気用中空管電線として併用することが出来
る。特に熱搬送流体の第１の流体が液相金属である場合
はコンテナの総てが導電性になり大容量通電が可能とな
る。この様な管状電線を電磁機器の巻線として使用する
場合は自己発熱を自ら吸収冷却し、機器の大幅な小型化
を可能にする。この様な応用の場合はコンテナには電気
絶縁被覆が施される。然し放熱部に電流が流れることが
忌否される場合には外表面の電気絶縁だけでなくコンテ
ナ及び熱搬送流体も受放熱部相互間で完全に電気絶縁す
る必要がある。

第５同断面図にはその様な第６実施例における電気絶縁
部を示す。１は細管コンテナで長尺ループ型細管コンテ
ナか蛇行ループ型細管コンテナの一部である。１−Ｄは
電気絶縁細管コンテナでセラミックスの如き耐熱性（低
温用装置の場合は耐低温性）電気絶縁材料で形成されで
ある。図示されていないが該コンテナは非通気性が必須
条件となるから材料によっては非通気性を保証する為の
被覆が施される場合がある。又該細管コンテナの受熱部
が電磁機器の巻線として併用される場合は細管コンテナ
の少なくも受熱部側には電気絶縁材料が被覆される。第
５図においては該電気絶縁被覆は図示を省略しである。

２−１は熱搬送流体の組成における第１の流体であり、
装置の適用温度範囲の全領域において液相をなす低融点
金属かその合金である。２−２は第２の流体であるが本
実施例においては非凝縮性気体であるか、電気絶縁性の
凝縮性２相流体に限定される。第１の流体及び第２の流
体は夫々が小間隔で断続して交互に細管コンテナ内に封
入されてあって、熱搬送流体は少なくも電気絶縁細管コ
ンテナ内で電気的に導通不可能状態に混成されである。

この様に構成された閉ループ細管コンテナ内の搬送流体
はコンテナ内を閉塞状態で循環し、封入時の２流体の相
互間の交互断続関係を保持して循環する。但し第１の流
体である液相金属は第５図に示した如く細管コンテナ及
び電気絶縁性コンテナの両内壁面に対し濡れ性が悪いも
のである必要がある。濡れ性が良いと循環速度が早い場
合に断続した液相金属の閉塞液滴間の絶縁が破壊する恐
れがあるだけでなく液滴間の結合が起り、第１流体であ
る液相金属における閉塞液滴１個当りの長さが電気絶縁
細管コンテナ１−Ｄよりも長いものが発生すると本実施
例の基本構造が失なわれる恐れがある。この様な第６実
施例によって閉ループ内の受熱部と放熱部の間は完全に
電気絶縁される。

第７実施例 本発明の熱伝達装置の熱搬送流体の組成における第１の
流体は装置の適用温度範囲内において液相又は液相を主
体とする流体である必要がある。

然しこれは適用温度範囲内では殆ど気化することが出来
ない様な高沸点液体のみを意味するものではない。第１
の流体は低沸点液体であっても、混成されである第２の
流体の沸点が第１の流体の沸点より充分に低く、且つ第
２の流体の飽和蒸気圧が第１の流体の飽和蒸気圧より装
置の適用される温度範囲の全領域において充分に高い場
合は第１の流体はその温度範囲内で気化することが不可
能となり、液相が維持されて、気化による性能低下を起
すことがない。従って本発明に係る熱伝達装置はその熱
搬送流体を比較的低沸点の液体の２液を組合せた流体と
して構成することが出来る。この場合は適用温度範囲は
主として第２の流体の物性によって定まる。第７実施例
はこの様な熱搬送流体が使用される熱伝達装置の実施例
である。本実施例においては適用温度範囲内の第２の流
体と第１の流体の飽和蒸気圧の差を少なくも０．５気圧
以上に限定する。これは熱搬送流体を循環せしめる為の
蒸気圧の余力を少なくも８０℃の純水が真空中で発生す
る推進力以上の水準に維持せしめる為である。又第２の
流体の液化臨界温度は装置の適用温度の上限より３０℃
高く限定している。これは臨界温度９０℃〜２（１０）
℃の第２の流体につき本発明の熱伝達装置を試作した結
果に基づくもので熱伝達能力は適用温度が臨界温度に近
ずくにつれて低下し、約３０℃前から急激に悪化するこ
とが分かったことによる。この原因はこの附近から放熱
部における液化能力が急激に低下し、熱搬送流体の推進
力が低下することによると考えられる。該実施例の一例
としての熱搬送流体としては第１の流体として純水を用
い、第２の流体としてフレオン１１４を全重量に対して
２０％混入して適用可能な温度範囲４℃〜１ｏｏ℃で良
好に作動する熱伝達装置を構成することが出来た。通常
のヒートパイプでは純水作動液の場合適用受熱部温度４
０℃前後以下で熱伝達能力は急激に低下し、２５℃以下
では殆ど作動しないものであった。フレオン１１４の沸
点は３．８℃臨界温度は１４６°Ｃ１適用温度範囲５°
Ｃ〜１（１０）　”ｃにおける飽和蒸気圧は１．２〜１
６　ｋｇ／　ｃｒａｂｓ、である。

第８実施例 第８実施例は熱搬送流体の組成における第１の流体は所
定の液体の中に所定の混入割合で熱伝導性の良好な金属
の微粉体が超微粉体が混入され均一に分散されである流
体であるＣとを特徴とする熱伝達装置である。この様な
熱搬送流体においては第１の流体の熱分子運動により金
属粒子間には間断なく相互衝突が発生しこの際熱エネル
ギーを相互に伝達する。この衝突は当然コンテナ内壁と
の間にも発生する。この現象により第１の流体である所
定の液体の熱伝導性を向上せしめ、熱伝達装置の熱伝達
性能を向上せしめる。本実施例の他の効果として混入さ
れた粉体が超微粉であり第１の流体がコロイド状である
場合は粉体粒子が凝集分離される恐れがなく液体金属の
如く作用するがら、各種の電磁的手法により熱搬送流体
に推進力を与えループにおける流体循環手段を構成する
ことが出来る。

第９実施例 第９実施例は熱搬送流体の組成における第１の流体は磁
性流体であり、装置の適用温度範囲は該磁性流体の磁性
微粒子のキュリー点以下であることを特徴とする熱伝達
装置である。この様な第１の流体は第８実施例と同様に
熱伝導性の改善により装置の熱伝達性能を改善する。然
し本実施例の最も大きな効果は電磁的手段で本発明に係
る熱伝達装置の熱伝達能力を自在に制御することを可能
にする点である。即ち磁性流体でるる第１の流体の粘度
を磁界の変化により自在に制御し、これにより閉ループ
内の熱搬送流体の循環速度を自在に制御することが可能
となるもので、他の手段に比較して連窓的に且つ正確に
制御することが出来る。

又該実施例における熱搬送流体の循環は磁界の高速移動
であるから発電装置として併用し、エネルギーの有効利
用を計かることも出来る。

ハ０発明の効果 本発明に係る熱伝達装置は閉ループ管状コンテナの構造
は細管の限定が解除されであるだけで木質的に特願昭６
２−１５５７４７号のループ型細管ヒートパイプと同一
構造である。木質的な特長の差異はループ型細管ヒート
パイプが作動液の相変化時の潜熱の吸収、放出を利用す
るのに対し、本熱伝達装置は熱搬送流体の強制対流熱伝
達による熱量の授受による点である。従って本熱伝達装
置の効果としての広範囲な応用分野は特願昭６２−１５
５７４７号と全く同等である。然し本熱伝達装置におい
ては独特の作用の効果として夫々の応用分野毎にその熱
伝達容量を飛躍的に増大させる効果がある。又ヒートパ
イプにおいて各種作動液の適用温度範囲の隙間に生じる
ヒートパイプでは適用が困難であった温度領域を完全に
カバーする効果がある。即ち純水作動液領域とＮａ作動
液の隙間である２（１０）℃〜６（１０）　ｃの間には
高性能作動液が無かったがこの間を液相金属の熱搬送流
体でカバーする。又３０℃以下の４℃以上の領域を純水
作動液でカバーする。又フレオン作動液や他の低温作動
液の領域において２種熱媒液の混成による熱搬送流体の
適用により熱伝達能力を倍増せしめる。

高温超伝導装置に低温用作動液封入のヒートパイプを利
用する場合、多くの作動液は臨界温度と沸点の幅が狭く
適切な作動液の選択が困難となる。

この様な場合本発明に係る熱伝達装置を応用し、２種熱
媒液混成の熱搬送流体を使用し、ヒートパイプ式冷却方
式における作動液間の作動可能温度領域の間隙をカバー
することが可能である。

本発明に係る熱伝達装置は特願昭６２−１５５７４７号
における応用範囲の総てに適用することが可能であるが
、特に該コンテナを電気用巻線として併用し、自己発熱
を自己吸収する様構成された熱伝達装置は大容量電磁機
器に通用すればその利用価値は大きく、又トップヒート
姿勢で良好に作動する特性を利用して、大型大容量の機
器の発生する熱量を地中、地下水中、地下蓄熱槽等に放
熱する如き適用も効果的である。更に熱入力が大容量化
する程熱搬送流体の循環速度が増速され、受熱部の温度
が一定又は温度上昇が極めて少ない特性を利用して安全
な熱伝達装置として原子炉冷却用や今後益々大型大容量
化が進むと考えられる大電力用半導体冷却用として適用
する場合も極めて効果的である。又第１の流体を液相金
属とした熱搬送流体の高速循環はＭＨＤ発電に応用する
ことも可能である。この場合液体金属を作動液とするル
ープ型細管ヒートパイプより流路の電気絶縁性が良好に
出来る点や液相金属を低温化出来る等の点で有利となる
。更に熱搬送流体を磁性流体とした熱伝達装置の連窓的
な熱伝達量制御はヒートパイプ弐では得られない効果で
ある。更に外部エネルギー利用による熱搬送流体の強制
循環により低温度差の受放熱部間に大容量の熱伝達が可
能になる如き適用は地下水の冷熱利用、地下の恒温性の
利用、低温度の温泉湧水の利用等に大きな効果が期待さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱伝達装置の断面略図である。 第２図は熱搬送流体における第１流体と第２流体の混成
状態を示す１部所面略図。 第３図は第１実施例の断面略図 第４図は第３実施例の蛇行ループ型細管コンテナからな
る熱伝達装置の略図 第５図は第６実施例の電気絶縁部の断面略図第６図は分
離型ヒートパイプ 第７図は特願昭６２−１５５７４７号ループ型細管ヒー
トパイプの基本構造の断面略図。 １・・・閉ループ管状コンテナ、ｉＨ・・・受熱部、１
−Ｃ・・・放熱部、Ｈ・・・加熱手段、Ｃ・・・冷却手
段、２・・・熱搬送流体、３・・・流体循環手段、２−
１・・・第１の流体、２−２・・・第２の流体、４・・
・循環方向規制手段、１−Ｄ・・・電気絶縁細管コンテ
ナ、１１・・・閉ループ細管コンテナ、１１−Ｈ・・・
受熱部、１１−〇・・・放熱部、１２・・・蒸気供給管
路、１３・・・作動液還流管路、１４・・・流体ポンプ
、１５−Ｈ・・・作動液蒸気、１５−Ｃ・・・凝縮作動
液。 特許出願人　　アクトロニクス株式会社はか１名 手続補正書く方式） 昭和６３年１　月２９日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）管状コンテナ内を貫流する熱搬送流体の強制対流
   熱伝達による熱吸収と熱放出によってコンテナに設けら
   れた受熱部と放熱部の相互間に熱交換を行なわしめる熱
   伝達装置であって、該装置は閉ループをなす管状コンテ
   ナと熱搬送流体と所定の流体循環手段とから構成されて
   あり、閉ループ管状コンテナはそのループ上に少なくも
   １個所以上の受熱部と少なくも１個所以上の放熱部とが
   設けられてあることを特徴とし、熱搬送流体はその組成
   が液相か、液相を主体とした気液二相か、何れかの相を
   なす第１の流体と、気相か、気相を主体とした気液二相
   か、何れかの相をなす第２の流体との混成流体であり、
   該混成流体における第２の流体の混入量は、少なくも該
   装置の作動による第１の流体の容積変化を第２の流体の
   容積変化により吸収することが出来る量を最低とする量
   であり、更に両流体は該装置の作動温度範囲内において
   、夫々及び相互に化学変化も化学反応も引起すことがな
   い流体であることを特徴としており、上述の如きコンテ
   ナ内には上述の如き熱搬送流体の所定量のみが気密に封
   入されてあり、該装置の作動の間、熱搬送流体は所定の
   流体循環手段によって閉ループ流路内を所定の方向に常
   時循環せしめられてあることを特徴とする熱伝達装置。
2. （２）管状コンテナの閉ループ流路内には少なくも２個
   所以上の部分に循環方向規制手段が設けられてあり、こ
   れにより閉ループコンテナは少なくも２室以上の管状圧
   力室が連結されてループを構成している状態になってお
   り、該循環方向規制手段の作用と圧力室の作用と受放熱
   部間の温度差による作用の３作用の相互作用により発生
   する熱搬送流体推進力を熱搬送流体の循環手段としてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の熱伝
   達装置。
3. （３）閉ループ管状コンテナは管内を貫流する熱搬送流
   体の流量が少量であっても流体の凝集力によって管内を
   閉塞状体で循環する程度の細管で形成されてあり、閉ル
   ープ流路内には少なくも２個所以上の部分に循環方向規
   制手段が設けられてあり、これにより閉ループコンテナ
   は少なくも２室以上の細管状圧力室が連結されてループ
   を構成している状態になっており、循環方向規制手段と
   細管状圧力室と受熱部放熱部間の温度差の三者間の相互
   作用により発生する熱搬送流体推進力を熱搬送流体の循
   環手段としていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の熱伝達装置。
4. （４）閉ループ管状コンテナは熱搬送流体が管内を閉塞
   状態で循環する程度の細管で形成された長尺の蛇行ルー
   プ管状コンテナであり、閉ループ流路内には少なくも２
   個所以上の部分に、循環方向規制手段が設けられてあり
   、これにより閉ループコンテナは少なくも２室以上の蛇
   行長尺細管状の圧力室が連結されてループを構成してい
   る状態になっており、更に蛇行ループ管状コンテナには
   多数の受熱部と多数の放熱部がほぼ交互に配設されてあ
   り、それ等の構成要素の相互作用により発生する熱搬送
   流体推進力を熱搬送流体の循環手段としていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の熱伝達装置。
5. （５）熱搬送流体の組成における第１の流体は装置適用
   温度の全領域内において液相状態となる低融点金属又は
   その合金であり、第２の流体は装置適用温度範囲内で上
   記金属又はその合金と相互に化学的に安定な流体であり
   、該流体は非凝縮性気体であるか、装置適用温度範囲内
   に沸点を有する液体の蒸気、凝縮液２相共存の流体であ
   るか、それらの何れかであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の熱伝達装置。
6. （６）熱搬送流体の組成における第１の流体は装置適用
   温度の全領域内において液相状態をなす低融点金属又は
   その合金であり、第２の流体は不活性且つ非凝縮性の気
   体であり、流体循環手段としては電磁気的循環手段を所
   定の循環手段とするか或いは所定の循環手段の補助手段
   とするか、何れかであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の熱伝達装置。
7. （７）閉ループ管状コンテナは熱搬送流体がコンテナ内
   を常に閉塞して流れる程度の細管で形成されてあり、且
   つ受熱部と放熱部の間の所定の部分は耐熱電気絶縁材料
   で形成された電気絶縁細管コンテナとして形成されてあ
   ることを特徴としており、又熱搬送流体の組成における
   第１の流体は装置適用温度の全領域内において液相状態
   であり、且つコンテナ内壁面に対し濡れ性の悪い性質の
   低融点金属か又はその合金であり、第２の流体は非凝縮
   性の気体であるか、又は電気絶縁性の凝縮性２相流体で
   あり、第１及び第２の流体は夫々が小間隔で断続して交
   互に細管コンテナ内に封入されて熱搬送流体は電気絶縁
   細管コンテナ内で電気的に導通不可能状体に混成されて
   あることを特徴とし、全体として受熱部と放熱部は相互
   に電気的に絶縁状態に構成されてあることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の熱伝達装置。
8. （８）熱搬送流体の組成における第１の流体は装置の適
   用温度範囲内で第２の流体によりコンテナ内に発生する
   飽和蒸気圧を受けて液相が維持されている液体であり、
   第２の流体は第１の流体の沸点より充分に低い沸点を有
   すると共に装置の適用温度範囲のあらゆる領域において
   第１の流体の飽和蒸気圧より少なくも０．５気圧以上高
   い飽和蒸気圧を有し、且つその液化臨界温度は装置の適
   用温度範囲の上限より少なくも３０℃以上高い液体の気
   液２相流体であり、該熱搬送流体の所定量が高真空度に
   減圧されたコンテナ内に封入されてあることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の熱伝達装置。
9. （９）熱搬送流体の組成における第１の流体は所定の液
   体の中に所定の混入割合で熱伝導性の良好な金属の微粉
   体か超微粉体が混入され均一に分散させられてある流体
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   熱伝達装置。
10. （１０）熱搬送流体の組成における第１の流体は磁性流
    体であり、装置の適用温度範囲は該磁性流体中の磁性微
    粒子のキュリー点以下であることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項に記載の熱伝達装置。