JPH0242200A

JPH0242200A - 熱交換器

Info

Publication number: JPH0242200A
Application number: JP19143988A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Saito; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1988-07-30
Filing date: 1988-07-30
Publication date: 1990-02-13
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JP2754581B2

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】Ａ１発明の目的（１）産業上の利用分野本発明は熱交換器に関し、特に、宇宙のような無重力ま
たは微小重力領域で使用するのに適した熱交換器に関す
る。

（２）従来の技術有重力領域である地上で使用される熱交換器においては
、熱交換部で液状冷媒が熱を吸収して気化した場合、そ
の気化冷媒は液状冷媒よりも軽いので、重力の作用によ
り上方に移動する。したがって、前記上方に移動した気
化冷媒を除去して熱交換部に新たに液状冷媒を供給する
ことは容易である。

ところが、無重力または微小重力領域では熱交換部で液
状冷媒が気化した場合、その気化冷媒は熱交換部に滞留
してしまい、その部分に液状冷媒を連続して供給するこ
とができな（なる。このように無重力または微小重力領
域で使用される熱交換器では気化冷媒を除去したり液状
冷媒を連続的に熱交換部に供給したりする際に重力を利
用することができない。したがって従来、無重力または
微小重力領域で使用される熱交換器としては、熱交換部
に連続的に液状冷媒を供給するために毛管現象を利用し
たものが知られている。

次に第６〜９図により無重力または微小重力領域で使用
される従来の熱交換器について説明する。

熱交換器Ｃ′はハウジングＯ１を備えており、ハウジン
グ０１は下壁を構成する熱交換壁０２、上壁０３、前壁
０４、後壁０５および左右の側壁０６．０７を備えてい
る。前記熱交換壁０２内面には多数の平行な条溝０２ａ
（第４〜９図参照）が左右方向に延設されており、この
熱交換壁０２外側面が熱交換面０２ｂを形成している。

前記前壁０４には２本の液状冷媒供給管０８０８が貫通
し、この液状冷媒供給管０８，０８の内端は図示されて
いないが前記後壁０５内面まで延設されている。この液
状冷媒供給管０８，０Ｂの前記ハウジング０１内に在る
部分には、その液状冷媒供給管０８内部の液状冷媒をそ
の外部に滲み出させるための冷媒供給用芯材０９が設け
られている。この冷媒供給用芯材０９は、ガーゼまたは
アルコールランプの芯等のように毛管現象によって液体
を移動させることのできるものを適当な材料（液状冷媒
に溶けない材料等）によって装作することができる。前
記冷媒供給用芯材０９の先端部は第７，８図から明らか
なように、前記条溝０２ａに達している。そして、前記
冷媒供給用芯材０９から前記条溝０２ａ内に滲み出た液
状冷媒０１０は毛管現象によって前記条溝０２ａの全領
域にいきわたるように構成されている。

また、前記後壁０５には気化冷媒排出管０１１が貫通し
ており、ハウジング０１内の気化冷媒はこの気化冷媒排
出′ｆｔ０１１から排出されるように構成されている。

第６図に示すように気化冷媒排出管０１１はラジェータ
０１２を介して前記２本の液状冷媒供給管０８，０８に
接続されている。

前述の従来の熱交換器Ｃ′は前記条溝０２ａ内に毛管現
象によって液状冷媒ＯＩＯがいきわたっており、条溝０
２ａ内の液状冷媒０１０の液面はその表面張力によって
第９図の状態に保持されている。そして、前記熱交換面
０２ｂからの熱によって液状冷媒０１０の温度が上昇し
てくると、液状冷媒０１０は前記液面から蒸発して気化
する。

この気化によって条溝０２ａ内の液状冷媒０１゜の前記
液面が下がっても、毛管現象によって自動的に液状冷媒
０１０が供給される。前記気化冷媒は前述の気化冷媒排
出管０１１を通ってラジェータ０１２に導かれ、このラ
ジェータ０１２で冷却されて液状冷媒０１０となる。こ
の液状冷媒０１０は前記液状冷媒供給管０８，０Ｂ、お
よび冷媒供給用芯材０９を通って再び前記条溝０２ａに
供給される。

（３）発明が解決しようとする課題しかしながら、上記従来の熱交換器のように毛管現象を
利用して液状冷媒の供給を行おうとすると、液状冷媒が
条溝に滲み込む速度が遅いためにその冷媒供給量に限界
があり、大発熱量の機器等の冷却には対応できないとい
う問題点を有していた。

このような理由から、インペラーを備えた回転式ポンプ
あるいはプランジャを備えた往復動式ポンプ等を用いて
液状冷媒の供給を行うことが考えられるが、上述の如き
機械的な可動部を有する送液ポンプは作動の信頼性に問
題があり、修理が極めて困難であり故障が許容されない
宇宙空間において使用するには通さないものである。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、充分な
液状冷媒の供給量を確保することが可能であり、しかも
機械的な可動部を排除することによって高い信頼性を備
えた熱交換器を提供することを目的とする。

Ｂ０発明の構成（１）　　課題を解決するための手段前記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、表面
に多数の条溝を平行に形成した熱交換壁と、この条溝に
接続される液状冷媒供給管と、前記条溝と液状冷媒供給
管の接続部の近傍に枢支され、交流電圧が印加される圧
電素子によって駆動される振動板とを備えて成り、この
振動板の駆動によって液状冷媒を前記液状冷媒供給管が
ら条溝に供給することを第１の特徴とする熱交換器。

また、本発明の熱交換器は、平行に配列された多数の帯
状の弾性フィンと、各弾性フィン間に形成された条溝内
に配置されて各条溝を放熱側条溝と吸熱側条溝に仕切る
弾性体とを有する熱交換壁と、この熱交換壁の放熱側条
溝に接続される液状冷媒供給管と、前記放熱側条溝と液
状冷媒供給管の接続部の近傍において隣接する弾性フィ
ン間を連結する圧電素子とを備えて成り、この圧電素子
に交流電圧を印加して上記弾性フィンに振動波を発生せ
しめ、この振動波によって液状冷媒を前記液状冷媒供給
管から放熱側条溝に供給することを第２の特徴とする熱
交換器。

（２）作　用前述の構成を備えた本発明の第１の特徴によれば、交流
電圧を印加された圧電素子が伸縮すると、この圧電素子
によって条溝と液状冷媒供給管の接続部の近傍に枢支さ
れた振動板が駆動される。すると、この振動板の送液作
用で液状冷媒供給管中の液状冷媒は条溝内に供給されて
熱交換壁の全体にいきわたり、その蒸発によって冷却が
行われる。

また本発明の第２の特徴によれば、交流電圧を印加され
た圧電素子が伸縮すると、この圧電素子に接続された弾
性フィンに振動波が発生する。すると、この弾性フィン
の振動波の送液作用で液状冷媒供給管中の液状冷媒は上
記弾性フィン間に形成された放熱側条溝に沿って供給さ
れて熱交換壁の全体にいきわたり、その蒸発によって冷
却が行われる。

（３）実施例以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図および第２図は本発明による熱交換器の第１実施
例を示すもので、第１Ａ図はその縦断面図、第１Ｂ図は
第１Ａ図のＩ　Ｂ−Ｉ　Ｂ線断面図、第ｔＣ図は第１Ｂ
図のＩ　Ｃ−Ｉ　Ｃ線断面図、第２図はその部分斜視図
である。

これらの図に示すように、電力機器等の発熱体に接触し
てその熱を受ける熱交換壁１はハウジング２と共同して
密閉された空間３を形成しており、前記熱交換壁ｌの空
間３側の表面には、端部がハウジング２の側壁２ａに接
続する多数のフィン４が平行に形成されている。このフ
ィン４間には更に他のフィン５が形成されており、その
テーパー状端部５ａは前記側壁２ａとの間に所定の間隔
を存して終わっている。上記交互に配置されたフィン４
とフィン５によって多数の平行な条溝６が形成されてお
り、その内部には液状冷媒７が表面張力によって保持さ
れるようになっている。

ハウジング２の一方の側壁２ａには、前記フィ。

ン４の中間に位置するように、振動板８の基端８ａが支
持されており、その自由端８ｂは前記フィン５のテーパ
ー状端部５ａに対向している。この振動板８は反対方向
に分掻した２枚の圧電素子９ａ、９ｂを貼り合わせた所
謂バイモルフ型圧電素子によって構成されている。周知
のように圧電素子は電圧を印加することによって伸縮す
る性質を有しており、上記バイモルフ型圧電素子によっ
て構成された振動板８に交流電圧を印加すると２枚の圧
電素子９ａ、９ｂが逆方向に伸縮して湾曲し、この湾曲
の方向が交互に反転することによって振動が発生する。

したがって、交流電圧を印加された振動板８は、側壁２
ａに支持された基端８ａを支点として自由端８ｂが矢印
Ｐ（第２図参照）で示すように振動する。

また、ハウジング２の側壁２ａの近傍には液状冷媒供給
管ＩＯが沿設されており、この液状冷媒供給管ＩＯは溝
状の連通路１１を介してハウジング２内の前記振動板８
の両側の空間部に連通している。

次に、前述の構成を備えた熱交換器の作用について説明
する。

圧電素子９ａ、９ｂに交流電圧を印加すると振動板８は
基端８ａを支点として振動し、その送液作用によって液
状冷媒供給管１０内の液状冷媒７は連通路１１からハウ
ジング２内に吸引される。

ハウジング２内に吸引された液状冷媒７は振動板８に沿
って矢印Ｑ方向に押出され、フィン５のテーパー状端部
５ａで左右に分岐して条溝６に強制的に供給される。条
溝６内の液状冷媒７は熱交換壁１からの熱を吸収して蒸
発し、その際に奪われる気化熱によって発熱体の冷却が
行われる。蒸発した気化冷媒はハウジング２の空間３か
ら排出されて液化された後、再び液状冷媒供給管ｌＯを
介して熱交換９１に供給される。

第３図は上記実施例の変形例を示す部分斜視図であって
、その振動板１２は弾性体で構成されており、この振動
板１２の一側とフィン４とは多数の圧電素子１３を積み
重ねて形成した積層型圧電素子で連結されている。従っ
て、交流電圧を印加して上記圧電素子１３を伸縮させる
ことにより振動板１２は矢印Ｐ方向に振動して液状冷媒
７を矢印Ｑ方向に供給することができる。

第４図および第５図は本発明の第２実施例を示すもので
、第４図はその全体斜視図、第５Ａ図は第４図の矢印Ｖ
Ａ力方向ら見た部分平面図、第５Ｂ図は第４図のＶＢ−
ＶＢ線断面図である。

この実施例は高温ガスを冷却するための熱交換器であっ
て、ハウジング１４の開口部１４ａには第４図および第
５Ｂ図に示すように、平行に配列された多数の帯状の弾
性フィン１５と各弾性フィン１５間に形成される条溝１
６内に配置されて各条溝１６を放熱側条溝１６ａと吸熱
側条溝１６ｂに仕切る弾性体１７とを存する熱交換壁１
８が設けられている。

上記熱交換壁１８のハウジング１４の内側に形成される
放熱側条溝１６ａには、外部からハウジング１４の内部
に挿入された液状冷媒供給管１９を介して液状冷媒２０
が供給され、この液状冷媒２０は隣接する弾性フィン１
５間に形成された前記放熱側条溝１６ａにいきわたるよ
うになっている。そして、この液状冷媒２０から蒸発し
た気化冷媒は、ハウジング１４に開口する排出管２１か
ら外部に排出される。尚、符号１９ａは液状冷媒供給管
１９の内面に装着された弾性体であって、弾性フィン１
５が液状冷媒供給管１９と直接接触してその移動が拘束
されることを防止している。

また、上記熱交換壁１８のハウジング１４の外側に形成
される吸熱側条溝１６ｂにおいては、被冷却物である高
温ガスが弾性体１７から外部に突出する弾性フィン１５
に接触して冷却されるようになっている。

各弾性フィン１５の液状冷媒供給管１９例の基部間には
、多数の圧電素子２２を積み重ねて形成した積層型圧電
素子が挟持されている。そして第５Ａ図に示すように、
上記積層型圧電素子は伸縮の方向が交互に逆になるよう
に配置されており、その伸縮によって弾性フィン１５に
振動波を形成するよになっている。

次に、前述の構成を備えた熱交換器の作用について説明
する。液状冷媒供給管１９から熱交換壁１８の放熱側条
溝１６ａに供給された液状冷媒２０は弾性フィン１５間
に形成された放熱側条溝１６ａ内に流れ込む。圧電素子
２２に交流電圧を印加すると弾性フィン１５に振動波が
形成され、その送液作用によって放熱側条溝１６ａ内の
液状冷媒２０は矢印Ｒ方向に強制的に供給される。

一方、熱交換壁１８の吸熱側条溝１６ｂには被冷却物で
ある高温ガスが接触しており、その熱は弾性フィン１５
を介してハウジング１４内部の放熱側条溝１６ａ内の液
状冷媒２０を蒸発させ、その際に奪われる気化熱によっ
て高温ガスの冷却が行われる。蒸発した気化冷媒は排出
管２１から外部に排出されて液化された後、再び液状冷
媒供給管１９を介して熱交換壁１８の放熱側条溝１６ａ
に供給される。

上述のように弾性フィン１５によって液状冷媒２０を供
給する際、弾性フィンＩ５の振動波の振幅は弾性体１７
の抵抗によって圧電素子２２から離れるに従って小さく
なる。しかしながら、液状冷媒２０の量は放熱側条溝１
６ａ内を移動する過程で蒸発して次第に減少するので、
必要とする液状冷媒２０の供給量は圧電素子２２から離
れるほど小さくなる。従って、上記弾性フィン１５の振
動波の振幅の減少によって、熱交換壁１８の放熱側全面
にわたって均一に液状冷媒２０を供給することが可能と
なる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実
施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載
された本発明を逸脱することな（、種々の小設計変更を
行なうことが可能である。

例えば、圧電素子９ａ、９ｂ、１３．２２に印加する交
流の波形は正弦波に限らず、矩形波や速波であってもよ
い。また、振動板８．１２や弾性フィン１５を駆動する
各圧電素子９ａ、９ｂ、１３．２２は必ずしも一斉に作
動する必要はなく、これらを選択的に作動させることに
よって熱交換壁１．１８を局部的に冷却してもよい。

更に、第２実施例において、弾性フィン１５の基部に積
層型圧電素子を装着する代わりに、この弾性フィン１５
の側面に沿って複数のバイモルフ型圧電素子を装着し、
印加する交流の位相を順次ずらすことによって振動波を
形成することも可能である。

Ｃ１発明の効果前述の本発明の熱交換器によれば、熱交換壁に装着した
振動板や弾性フィンを圧電素子によって駆動し、その振
動による送液作用で積極的に液状冷媒を供給しているの
で、必要な量の液状冷媒を速やかに供給することができ
、大発熱量に機器の冷却にも対応することが可能となる
。

また、この熱交換器は機械的な摺動部や回転部を一切用
いていないので、メンテナンスが不要であるばかりか、
高い信頼性を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の第１実施例による熱交換器の縦断面
図、第１Ｂ図は第１Ａ図のＩＢ−ＩＢ線断面図、第１Ｃ
図は第１Ｂ図のＩ　Ｃ−＋　Ｃ線断面図、第２図はその
部分斜視図、第３図は前記実施例の変形例の前記第２図
に相当する部分斜視図、第４図は本発明の第２実施例に
よる熱交換器の全体斜視図、第５Ａ図は第４図の矢印Ｖ
Ａ力方向ら見た部分平面図、第５Ｂ図は第４図のＶＢ−
ＶＢ線断面図、第６図〜第９図は従来の熱交換器の説明
図である。 ■・・・熱交換壁、６・・・条溝、７・・・液状冷媒、
８・・・振動板、９ａ、９ｂ・・・圧電素子、１０・・
・液状冷媒供給管、１２・・・振動板、１３・・・圧電
素子、Ｉ５・・・弾性フィン、１６・・・条溝、１６ａ
・・・放熱側条溝、１６ｂ・・・吸熱側条溝、１７・・
・弾性体、１８・・・熱交換壁、１９・・・液状冷媒供
給管、２ｏ・・・液状冷媒、２２・・・圧電素子第２図第５Ａ図第５Ｂ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面に多数の条溝を平行に形成した熱交換壁と、
この条溝に接続される液状冷媒供給管と、前記条溝と液
状冷媒供給管の接続部の近傍に枢支され、交流電圧が印
加される圧電素子によって駆動される振動板とを備えて
成り、この振動板の駆動によって液状冷媒を前記液状冷
媒供給管から条溝に供給することを特徴とする熱交換器
。
（２）平行に配列された多数の帯状の弾性フィンと、各
弾性フィン間に形成された条溝内に配置されて各条溝を
放熱側条溝と吸熱側条溝に仕切る弾性体とを有する熱交
換壁と、この熱交換壁の放熱側条溝に接続される液状冷
媒供給管と、前記放熱側条溝と液状冷媒供給管の接続部
の近傍において隣接する弾性フィン間を連結する圧電素
子とを備えて成り、この圧電素子に交流電圧を印加して
上記弾性フィンに振動波を発生せしめ、この振動波によ
って液状冷媒を前記液状冷媒供給管から放熱側条溝に供
給することを特徴とする熱交換器。