JPH01296090A - 低温再起動型ヒートパイプ - 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００発明目的 〔産業上の利用分野〕 本発明はヒートパイプの構造に関するものであり、特に
放熱部コンテナ内にて作動液の殆どが凝縮凝固し、ドラ
イアップしている状態の低温度において容易に再起動せ
しめることの可能なヒートパイプの新規な構造に関する
。

〔従来技術〕

従来構造のヒートパイプにおいて、受熱部に一定の熱量
を供給しながら放熱部の熱媒体温度を連続的に低下せし
めた場合、熱媒体温度が作動液の凝固温度より大幅に低
下してもヒートパイプは支障なく作動を継続することが
出来る。然しこの様な低温度における作動中に一旦受熱
部に対する熱量の供給を停止せしめた場合は熱量の供給
を再開してもヒートパイプは全（作動しない場合が多い
。

作動する場合も短時間の作動の後急激に熱抵抗が増加し
ヒートパイプとしての機能を失なうことが多いものであ
った。同様にこの様な低温作動中に受熱部に対する供給
熱量を大幅に減少せしめた場合は暫時の間正常に作動し
た後急激に熱抵抗が増加しヒートパイプとしての機能を
失なう例が多（、この様な場合は供給熱量を再び増加せ
しめても最早ヒートパイプの機能回復は不可能であった
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如き現象は次の如き理由により発生するものであ
った。

（ａ）　　熱量の供給が停止又は減少しても加熱手段及
びヒートパイプ受熱部の熱容量により受熱部と放熱部間
の高い温度差は比較的長時間継続し、これにより作動液
蒸気の放熱部に対する移動はｍ続される。

山）　然しその凝縮による放出熱量は放熱部の放熱量を
補なうことが出来ず凝縮作動液は更に冷却されてその多
く又は総てが放熱部コンテナ内壁にて凝固し固着される
。

（Ｃ）　　これにより受熱部に還流する作動液は皆無又
は僅少となり受熱部コンテナ内はドライアウト状態とな
り、再起動又は回復不可能となる。

従来はそれ等の対策として作動液の凝固温度より低い温
度から、ヒートパイプの作動領域の最高温度より高い温
度に至る広い温度範囲で作動可能な作動液を使用するこ
とが一般に行なわれていた。

然しこの様な作動液は一般にメリット数が小さく、ヒー
トパイプの性能が大幅に低下するのが常であった。

又他の対策として上記の如き作動温度範囲が広い作動液
が封入されたヒートパイプ（一般には複数本）と低温度
では凝固するがより高い温度ではメリット数が大きく高
性能な作動液が封入されたヒートパイプ（複数本の場合
が多い）とを組合わせた複合型ヒートパイプを用い、低
温度領域では前者を作動せしめ、高温度領域では両者を
作動せしめる如き案も提唱されてはいるが、構造が複雑
で高価となる割合には各ヒートパイプ間の接触熱抵抗が
大きく且つ受放熱部における効率的な受放熱構造の構成
が困難である等の理由から実用的には採用されていない
。

本発明はヒートパイプの性能を低下せしめることなく、
又構造を複雑化せしめることなく、低温停止、低温再起
動を可能とし、更に低温における受熱部に対する供給熱
量の増減繰返しを可能とする新規な構造の低温再起動型
ヒートパイプを捷供する。

口０発明の構成 〔問題点解決の為の手段〕 本発明における問題点解決の為の手段は次の如くである
。

（８）　　ヒートパイプのコンテナ内に少なくとも１本
の補助ヒートパイプが配設されてあること。

（ｂ）　　補助ヒートパイプのコンテナ内には主ヒート
パイプ受熱部における受熱熱媒体の温度変動範囲の最高
温度より高い温度から、放熱部における放熱熱媒体の温
度変動範囲の最低温度より低い温度に至る広範囲な作動
温度領域を有する作動液が封入封止されてあること。

（０）　　補助ヒートパイプの受熱部は主ヒートバイプ
のコンテナの受熱部内壁に密着せしめて配設されてある
こと。

（ｄｌ　　補助ヒートパイプの放熱部は主ヒートパイプ
のコンテナの放熱部内壁に近接して配設されてあること
。

問題点解決の為の基本的手段としては上述の通りであり
、主ヒートパイプコンテナ内における補助ヒートパイプ
の相対的配設位置は主ヒートパイプ断面内の如何なる位
置であっても良いが、主ヒートパイプの配役姿勢が傾斜
姿勢又は水平姿勢である場合は、断面形の底部即ち還流
作動液の還流径路中で作動液流量が最も多い位置に縦添
えされてあることが望ましい、又主ヒートパイプコンテ
ナの受熱部内壁における補助ヒートパイプの受熱部を密
着せしめる位置は主ヒートパイプの断面形の底部である
ことが望ましいと同時に、主ヒートパイプ受熱部の加熱
手段に可能な限り近いことが望ましい。

第１図に本発明に係る低温再起動型ヒートパイプの縦断
面図を示す、１は主ヒートパイプであり１−Ｉ（はその
受熱部、１−Ｃは放熱部である。２は補助ヒートパイプ
であり２−Ｈはその受熱部、２−Ｃはその放熱部である
。３は主ヒートパイプの作動液、４は受熱熱媒体で多く
は受熱用金属ブロックが用いられる。５は放熱熱媒体で
あって多くは冷媒液や冷媒気体が用いられる。第２図は
横断面図であり、６は加熱手段である。補助ヒートパイ
プ２は主ヒートパイプコンテナの内壁の底部に密着（受
熱部）又は近接（放熱部）して配設されてあり又加熱手
段６は補助ヒートパイプ２に最も近い位置に配設されて
ある。第２図における１−３，２−３は夫々主ヒートパ
イプ及び補助ヒートパイプの作動液である。

〔作　用〕

補助ヒートパイプ２の作用は次の如くである。

（ａ）　　受熱部１−Ｈに対する熱供給が停止され、ヒ
ートパイプ１の全体が放熱熱媒体５により低温に冷却さ
れ、作動液３の凝固温度以下になっている主ヒートパイ
プ１に熱供給を再開し、低温再起動せしめるにあたり、
受熱熱量の一部を主ヒートパイプの作動液の蒸発潜熱に
よらず補助ヒートパイプの放熱部２−Ｃに輸送する。補
助ヒートパイプの放熱部２−Ｃに到達した熱量は伝熱及
び輻射によって主ヒートパイプの放熱部１−Ｃの内壁面
に凝固し固着している作動液の一部を融解し液化せしめ
る。相互に近接配置せしめられである補助ヒートパイプ
２の外壁面と主ヒートパイプｌの内壁面とにより形成さ
れてある微細間隙の毛細管作用により融解作動液は受熱
部１−Ｈに還流せしめられる。還流作動液は蒸発により
再び放熱部ｌ−Ｃに移動し、凝縮潜熱によって凝固作動
液を融解し液化せしめる。

液化作動液は補助ヒートパイプの熱により再凝固するこ
とな（受熱部１−１（に還流する。この様なサイクルの
繰返しによってヒートパイプの作動は活発化せしめられ
その再起動は完成される。この様にしてなされる低温再
起動は熱量の再供給開始時点において受熱部１−Ｈ内の
作動液が完全にドライアップしていても何等の支障な〈
実施することが出来る。

山）　放熱部熱媒体温度が作動液の凝固温度より低い条
件下で作動中のヒートパイプに対し、受熱部に供給中の
熱入力を大幅に減少せしめた場合に発生する熱抵抗増加
やドライアップ現象に対しても、その原因となる作動液
の凝固を防止し、又は凝固層の発達を抑止することによ
り、熱抵抗増加及びドライアップを防止する。又受熱部
に対する熱供給量を再び増加せしめる場合のヒートパイ
プの熱輸送能力の回復も容易となる。

但し上述の作用（ａ）、　（ｂ）は何れも供給熱量があ
まりに少なく、放熱熱量があまりに多い場合、供給熱量
の減少があまりに大きな場合等は上記の作用は期待出来
ない場合がある。

本発明に係る低温再起動型ヒートパイプは前記の如く構
成され、上記の如（作用するから、従来構造ヒートパイ
プの低温使用の際の問題点の殆どを解決することが出来
る。

〔実施例〕

第１実施例 本発明に係る低温再起動型ヒートパイプの極めて効果的
な実施例として寒冷地の戸外に設置される電力制御装置
に用いられる電力半導体素子冷却用自冷式放熱器に対す
る応用例が挙げられる。該放熱器は電力半導体の損失電
力により発生する大きな熱量を筐体内に配置されたヒー
トパイプ受熱部により吸収し、これを筐体外（一般には
風洞）に配置されてあるヒートパイプ放熱部に輸送し、
放熱部から外気中に自然対流により放熱する。放熱の為
に何等の機械的駆動部も、電気的手段も必要とせず、従
って何等の消耗部品が使用されることなく、現時点で考
えられる最高の信頼性を有する放熱手段である。

第３図に該第１実施例の正面図を示す。図において１は
主ヒートパイプ、２は補助ヒートパイプであり、それ等
の構成は第１図の基本構造と全く同等である。第３図に
は図示されていないが主ヒートパイプ１には純水作動液
が、補助ヒートパイプ２には１００℃から一５０℃に至
る作動領域を有する作動液、例えばフレオン１）４、ア
ンモニア等の作動液が封入されてある。４−１は受熱用
金属ブロックであって第１図基本構造における受熱熱媒
体４に相当する。６−１は電力半導体であって受熱部に
対する熱量供給源である。ヒートパイプ１の受熱部１−
Ｈは受熱用金属ブロック４−１に挿着されて電力制御装
置内に配置され、放熱部１−Ｃは該装置の筐体外壁８を
貫通して該外壁８と風洞外壁９とにより形成される放熱
風洞内に配置されてある。ヒートパイプの放熱部１−Ｃ
には放熱フィン群７が設けられてあり、これに依り受熱
部１−Ｈから輸送されて来た熱量を自然対流外気５−１
内に放熱する。該外気５−１は第１図基本構造における
放熱熱媒体５に相当し、年間においては４０℃〜−５０
℃の広範囲に温度変化する。

上述の如く構成された電力半導体用自冷式放熱器は夏期
の炎天下の高温時から、冬期の氷雪中の寒冷時に至る四
季を通じて半導体の発熱を大気中に放熱して半導体の寿
命を保証する。その為には受熱用金属ブロック４−１の
温度は通常は７０℃以下、比較的短かい時間の過負荷時
において９０〜１００℃以下、極めて短時間の異常時に
おいて１２０℃以下に保持される必要がある。主ヒート
パイプの純水作動液はその為の極めて高性能な作動液で
あって他種作動液に対し桁違いに大きなメリット数によ
って、又１００〜１８０℃においての比較的低い飽和蒸
気圧によって、小型高性能で且つ安全な自冷式放熱器を
提供する。上述の作動領域の作動液としてアンモニアが
あるが、何等かの異常事態の発生によって受熱用金属ブ
ロック４−１の温度が１００℃を越した場合、その飽和
蒸気圧は６０気圧を越えることになり、主ヒートパイプ
を破裂せしめる恐れがある。又同様な作動領域の作動液
としてフレオン１）、フレオン１）３、フレオン１）４
等があるがこれ等は純水作動液に比較してあまりにメリ
ット数が小さく、放熱器を大型化する必要が生じ、実用
的ではない、純水作動液封入の主ヒートパイプは受熱部
から適正な熱量が継続して供給される限り大気温度が極
寒温度になっても作動することが出来る。この様に自冷
式放熱器に適した純水作動液の唯一の欠点は氷点下の寒
冷大気中で作動中の放熱器において半導体６−１に対す
る電力供給が一旦停止すると再起動が不可能となる恐れ
がある点である。即ち電力半導体６−１及び受熱用金属
ブロック４−１の熱容量により、それ等は電力損失によ
る発熱停止後も余熱により主ヒートパイプ受熱部１−Ｈ
に対する熱量供給を暫時の間継続する。ヒートパイプの
原理により受熱部内の残存作動液は放熱部ｉ−ｃに移動
し氷結し、受熱部１−Ｈはドライアウトし通常構造のヒ
ートパイプの場合は全く再起動不可能となる。然し本実
施例に係るヒートパイプにおいては補助ヒートパイプ２
の作用によって主ヒートパイプは再起動時に放熱部１−
Ｃのコンテナ内壁面上の氷結作動液が融解されて循環の
引金となり容易に再起動せしめることが出来る。補助ヒ
ートパイプ２の極寒温度中における作動の詳細は前記作
用の項に述べた如くであり、その様な作動は補助ヒート
パイプコンテナ中に封入されてあるアンモニア、フレオ
ン１）４等により保証される。補助ヒートパイプ２は細
管ヒートパイプであるから極めて耐圧性に冨む様構成す
ることが可能であり、アンモニアの如く飽和蒸気圧の高
い作動液を使用することが可能であり、又該ヒートパイ
プは氷結作動液の総てを融解せしめるのではな（、作動
の引金となる量の純水作動液を融解せしめればよいので
あって高い熱輸送能力を必要としないから、メリット数
の小さいフレオン１）４の如き作動液を使用することが
可能となる。

第２実施例 第４図は本発明に係る低温再起動型ヒートパイプの第２
実施例を示す一部縦断面図である。該実施例の特徴とす
る所は補助ヒートパイプ２の少なくとも一端は主ヒート
パイプ１の端面側壁１−４を貫通して突出せしめられて
あり、該貫通部において補助ヒートパイプ２の外周と主
ヒートパイプ１の端面側壁１−４とは相互に気密に熔接
かろう接されてあり、上記突出部の少なくとも一端面に
は補助ヒートパイプ作動液２−３の注入封止手段が設け
られであることにある０図において１−５及び２−５は
夫々主ヒートパイプ及び補助ヒートパイプの作動液注入
封止手段である。第１図基本構造及び第３図第１実施例
においては補助ヒートパイプ２はその全長が主ヒートパ
イプ１のコンテナ内に挿入配設されてある。この場合は
補助ヒートパイプ２は主ヒートパイプ１の端面側壁のろ
う接又は熔接が実施される前に作動液２−３を封入封止
し起動用補助ヒートパイプとして完成されてある必要が
ある。これにより次の如き問題点が発生するものであっ
た。

（ａ）　　主ヒートパイプの端面側壁形成の為の熔接又
はろう接待の数１００℃に達する高温による補助ヒート
パイプ破損防止の為、補助ヒートパイプの端面ば主ヒー
トパイプの端面内壁と充分な距離を設ける必要があり、
又補助ヒートパイプには作動液の封入封止手段が突出せ
しめられてありヒートパイプとして作動しない部分があ
る。

従って主ヒートパイプコンテナ内における補助ヒートパ
イプの起動補助の為の実効長さは主ヒートパイプ長さに
比較して短かいものとなる。

特に放熱部における無効部分には起動補助作用が及ばず
、起動時にはこの部分に多量の凝固作動液が融解される
ことなく残置されて再起動性能低下の原因となる。

山）　主ヒートパイプの端面側壁の形成に際しては補助
ヒートパイプの破損防止の為、端面の熔接ろう接による
高温によって主ヒートパイプコンテナ内の温度が上昇せ
ぬ様特殊な対策を構じて実施する必要があり、その場合
の作業性はあまり良好ではない。

（Ｃ）　　低温にて作動中にも主ヒートパイプの放熱側
端面側壁は大気温度近く迄冷却されその内壁面には常に
相当量の作動液が凝固し、固着して実効作動液量を減少
せしめヒートパイプの性能を低下せしめる。

本実施例の如（構成されてある場合は次の如く作用して
上記（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）の各項問題点を解決するこ
とが出来る。

（ａ）　　補助ヒートパイプは主ヒートパイプコンテナ
内の全長にわたり配設されてあるから起動補助作用はヒ
ートパイプ全長に及び、起動時の凝固作動液の溶解は効
率的に行なわれる。

山）　補助ヒートパイプ内の作動液の注入封止は該低温
再起動型ヒートパイプ製造の最終工程に冥界を恐れるこ
となく、従って特殊な対策を構じる必要な（熔接作業又
はろう接作業を容易安全に実施することが出来る。

（Ｃ）　　低温作動中も、再起動時も主ヒートパイプの
放熱部端面側壁は充分に加熱され凝固作動液は凝固する
ことなく、又は完全に溶解され、作動液量の総てが有効
に利用され、ヒートパイプの性能が低下することがない
。

本実施例の構造には次の如き作用も発揮する。

（ｄ）　　主ヒートパイプの端面における補助ヒートパ
イプの突出長さを充分に長くすることにより、主ヒート
パイプ端面形成と補助ヒートパイプ端面形成が熱的に切
離して実施することが可能となり、それ等の一方の熔接
作業又はろう接作業の高温が他方の熔接部又はろう接部
を熔解セしめて、相互の接合信鯨性を低下せしめること
を防止することが出来る。

第３実施例 第５図は本発明に係る低温再起動型ヒートパイプの第３
実施例を示す横断面図である０本実施例は主ヒートパイ
プ１のコンテナ内壁面と補助し−トバイプ２の外周壁面
の間隙に、熱伝導性の良好な金属からなる螺旋状スプリ
ング１０が圧入されてあることを特徴としている。該螺
旋状スプリングには次の如き役目が与えられである。

（ａ）　　受熱部２−Ｈにおいては主ヒートパイプの受
熱部内壁面から、補助ヒートパイプの受熱部２−Ｈに対
する供給熱量を増加せしめて補助ヒートパイプ２の作動
を活発ならしめる。

（ｂｌ　　放熱部２−Ｃにおいては凝固作動液の固着は
ヒートパイプの原理によって、主ヒートパイプコンテナ
内壁面における補助ヒートパイプから距離の遠い部分に
より多く固着する。補助ヒートパイプの放熱部２−Ｈに
よる融解は近い部分は熱伝導によって、遠い部分は輻射
によってなされるが、本実施例においては遠い部分の凝
固作動液をも熱伝導により効率的に融解せしめ補助ヒー
トパイプの作動を活発化せしめる。

第４実施例 該実施例はその図示は省略されてあるが、各実施例にお
ける主ヒートパイプは純銅コンテナで形成され且つ純水
作動液が注入封止されてあり、補助ヒートパイプは純銅
コンテナで形成され且つフレオン作動液が注入封止され
てあることを特徴としている。

純水作動液は１０℃〜２００℃の間で他種作動液に比較
して１桁以上も良好なメリット数を有し卓越した高性能
の主ヒートパイプを提供し、大きな最大熱輸送量を与え
ると共に、特に主ヒートパイプを小型コンパクトにする
ことが出来る点で大きな利点がある。フレオン作動液は
１２０℃〜−５０℃の範囲で作動し、特に純水作動液の
氷点下において効率的な起動補助性能を発揮せしめる。

純銅コンテナは純水作動液及びフレオン作動液の双方に
対し極めて良好な適合性を有し、良好に製作されたヒー
トパイプに対し２０年以上に及ぶ長期信頼性を与えるこ
とが出来る０以上の如き第４実施例は性能的にも、信鯨
性保証の点からも極めてバランスの取れた秀れた低温再
起動型ヒートパイプを提供する。

ハ１発明の効果 本発明に係る低温再起動型ヒートパイプは化学プラント
等における温度変化が大きく、主ヒートパイプ作動液の
凝固温度以下に温度降下することのある流体温度制御に
使用されるヒートパイプに適用する場合に、作動中の加
熱入力制御、停止後の再起動等を容易ならしめ効果的で
ある。

又寒冷地における水道凍結防止用ヒートパイプに適用す
る場合は純水作動液の強力な熱輸送能力が利用出来るの
で、使用停止後の再使用時における急速解凍能力を付与
することが出来る。

この様な場合水平又はこれに近い傾斜姿勢に設置された
ヒートパイプの場合は同等問題無いが垂直又はこれに近
い傾斜姿勢に設置される場合は作動液の凍結膨張による
コンテナ変形の恐れがある。この様な場合はヒートパイ
プコンテナに伸縮性を付与する為コルゲート管を使用す
る等の対策が必要である。

本発明に係る低温再起動型ヒートパイプの最も効果的な
適用分野は極寒地方における工場の電力制御盤や寒冷地
、高地等の屋外設置の電力制御装置における電力半導体
素子の自冷式放熱器（第１実施例）に使用されるヒート
パイプである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る低温再起動型ヒートパイプの基本
構造を示す縦断面図である。 第２図は第１図基本構造の受熱部における断面図を示す
。 第３図は第１実施例の電力半導体素子冷却用自冷式放熱
器の構造を示す一部断面図である。 第４図は第２実施例を示す一部縦断面図である。 第５図は第３実施例を示す横断面図である。 １・・・主ヒートツメイブ、１−Ｈ・・・受熱部、１−
Ｃ・・・放熱部、２・・・補助ヒートパイプ、２−）（
・・・補助ヒートパイプの受熱部、２−Ｃ・・・補助ヒ
ートパイプの放熱部、３・・・作動液、１−３・・・主
ヒートパイプ作動液、２−３・・・補助ヒートパイプ作
動液、４・・・受熱熱媒体、４−１・・・受熱用金属ブ
ロック、５・・・放熱熱媒体、５−１・・・自然対流外
気、６・・・加熱手段、６−１・・・電力半導体、７・
・・放熱フィン群、８・・・筐体外壁、９・・・風洞外
壁、１０・・・螺旋状スプリング、１−４・・・端面側
壁、■−５・・・注入封止手段、２−５−・・注入封止
手段。 特許出願人　　アクトロニクス株式会社第　　１　図　
（跣末ｉ偽遁） 第２図 第　３　ｒ３丁　　　　　　　　１）ジ→ットメロ艷第
４図 第　５　図 手続補正書く方式） 昭和６３年８月３０日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）受熱部における受熱熱媒体の最低温度は作動液の
   凝固温度より高温度であり、放熱部における放熱熱媒体
   の最低温度は作動液の凝固温度より低温度であり、ヒー
   トパイプ作動中の放熱熱媒体の温度が作動液の凝固温度
   より大幅に低い状態において受熱部に対する熱量供給が
   、停止され、再供給され、又は大幅に増減される状態が
   頻発する、低温再起動の可能なヒートパイプであって、
   そのコンテナ内には少なくとも１本の起動用補助ヒート
   パイプが配設されてあり、該補助ヒートパイプ内に封入
   されてある作動液としては、主ヒートパイプの受熱熱媒
   体の最高温度より高い温度から、放熱熱媒体の最低温度
   より充分に低い温度に至る、広い作動温度領域を有する
   作動液が使用されてあり、又補助ヒートパイプの受熱部
   は主ヒートパイプのコンテナの受熱部内壁面に密着して
   配設されてあり、更に補助ヒートパイプの放熱部は主ヒ
   ートパイプのコンテナの放熱部内壁面に近接して配設さ
   れてあることを特徴とする低温再起動型ヒートパイプ。
2. （２）補助ヒートパイプの少なくとも一端は主ヒートパ
   イプの端面側壁を貫通して突出せしめられてあり、該貫
   通部において補助ヒートパイプの外周と主ヒートパイプ
   の端面側壁とは相互に気密に熔接かろう接されてあり、
   上記突出部の少なくとも一端面には補助ヒートパイプ作
   動液の注入封止手段が設けられてあることを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項に記載の低温再起動型ヒート
   パイプ。
3. （３）主ヒートパイプのコンテナ内壁面と補助ヒートパ
   イプの外周壁面との間隙には熱伝導性の良好な金属から
   なる螺旋状スプリングが圧入されてあることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項に記載の低温再起動型ヒー
   トパイプ。
4. （４）主ヒートパイプは純銅コンテナと純水作動液とか
   らなるヒートパイプであり、補助ヒートパイプは純銅コ
   ンテナとフレオン作動液とからなるヒートパイプである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の低
   温再起動型ヒートパイプ。