JPH04240392A - ループ型ボトムヒート細管ヒートパイプ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はループ型細管ヒートパイ
プに関するもので、特に受熱部と放熱部が距離を隔てて
配設される受放熱部分離型熱輸送装置を構成するに際し
、その構成を容易にするボトムヒート専用のループ型細
管ヒートパイプの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６及び図５の説明図に従来の受放熱分
離型熱輸送装置を示す。図６の従来のループ型ヒートパ
イプ応用の熱輸送装置においてはヘッダで並列に組合わ
せられた管群により構成された受熱部管群１１が低水位
に配置され、放熱部管群１２が高水位に配置され、これ
等が高温連結管１３と低温連結細管１４により図の如く
連結されてループが構成されてある構造が基本となって
いた。封入作動液が自から循環することが不可能で作動
液循環ポンプで強制循環せしめ、これにより作動液蒸気
を放熱部に強制送入し熱量を受熱部から放熱部に輸送す
るもので、小型小容量化が困難で機器内における適用は
不可能であった。又ポンプによる作動液の強制循環は故
障発生率が大きく信頼性の点で問題点があった。

【０００３】図５は特開昭６３−３１８４９３号のルー
プ型細管ヒートパイプを適用した受放熱部分離型熱輸送
装置であって、蛇行する長尺細管コンテナ１の中を逆止
弁２−１，２−２，から２−３の作用により作動液が自
から循環して熱量を受熱部から放熱部に輸送するので、
信頼性が向上し、又細管で構成されるから小型小容量化
が可能で機器内での使用も可能となった。然し受熱部コ
ンテナ１−１と放熱部１−２を連結する断熱部細管コン
テナ１−３が多数本となる為、機器内配設時の取扱いが
繁雑となる点が大きな問題点であった。

【０００４】これ等の点を解決する為に発明者は特願平
２−１４８８０９号の如きループ型細管ヒートパイプ応
用の受放熱部分離型熱輸送装置を案出し、一部実用に供
している。図４は、その基本構造を示す説明図である。 ループ型細管ヒートパイプは受熱部１−１と放熱部１−
２が所定の距離を隔てて配設されてあり、それ等の間は
断熱部１−３で連結されてある。受熱部１−１及び放熱
部１−２は何れも封入作動液の作動を容易にする為に、
螺旋形状又は蛇行形状に成形されてある。これ等を連結
する断熱部細管コンテナは２本のみでありその１本は蒸
気リッチの作動液を受熱部１−１から放熱部１−２に移
送する高温細管であり、他の１本は液相リッチの作動液
を放熱部１−２から受熱部１−１に還流せしめる低温細
管である。その様な作動液の循環は逆止弁２−１，２−
２と受熱部１−１内で発生する核沸騰による圧力波と蒸
気圧の相互作用により発生する。この様な受放熱部分離
型熱輸送装置は従来の問題点をほぼ解決するものであっ
た。

【０００５】しかし、特開昭６３−３１８４９３号の応
用例である図５の例においてはループ型細管コンテナ内
の作動液が受放熱部を１往復する毎に細管コンテナの管
内圧力損失は恢復せしめられるので低い熱抵抗で熱量を
輸送することが出来たが、特願平２−１４８８０９号に
よる図４の例においては管内圧力損失の累積による熱抵
抗が大きいのでこれを補う為、実用に際しては各種の対
策が必要となり、それが新規な問題点を発生せしめてい
た。

【０００６】その第１の問題点としては細管内径の大径
化である。図５の例の場合内径１．４ｍｍ外径２．０ｍ
ｍの細管で構成したものと同等の性能のループ型細管ヒ
ートパイプを得る為、図４の例の場合には内径３．２ｍ
ｍ外径４ｍｍの如く大径化した細管で構成する必要が発
生した。それは累積する管内圧力損失を緩和する為であ
って、このことはループ型細管ヒートパイプを全体的に
大型化させるものであった。

【０００７】その第２の問題点は逆止弁の構造であった
。図５の例に使用する逆止弁は特開昭６３−３１８４９
３号に詳述されてある通り、ルビー球弁体の弁体浮遊型
の逆止弁を使用して、長年月の使用に耐えるものとして
いた。然し浮遊型弁体は作動液推進力の漏洩損失は免れ
られないもので、受放熱部分離式ループ型細管ヒートパ
イプの如く、大きな管内圧力損失に抗して作動液を循環
せしめる為には逆止能力が不足となり、良好な熱輸送能
力を発揮することが困難であった。その対策として図４
の例においては逆止弁としては漏洩の無い開閉型の逆止
弁を使用する必要があった。その為に発生する問題点と
してはスプリング付弁体を内蔵することに起因する逆止
弁の大型化の点があり、又開閉時に発生する衝撃が大き
く、磨耗や疲労の発生が避けられないので長年月にわた
る寿命の保証が困難となる点もあった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は管内圧力損失の累積緩和の為に細管コンテナが大径
化し、ループ型細管ヒートパイプ全体が大型化する点、
及び浮遊型逆止弁が使用出来ない為逆止弁が大型化し、
又耐用年数低下の怖れがある点である。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】熱輸送を作動液の循環流量
及び流速に依存することは管内圧力損失の累積の影響を
受け易いので、循環流依存性の少ない作動液の管内の軸
方向振動による熱輸送方式に変更することによりコンテ
ナの大径化を防ぐ。又これに依り逆止弁を不要とする構
造となることにより、逆止弁の大型化、耐用年数低下の
問題も解決せしめる。

【００１０】管路内に封入された作動流体の軸方向振動
により該管路が熱輸送機能を発揮することを理論的に解
明した文献として特公平２−３５２３９号がある。該公
報においては管路外に設けられてある発振装置により管
路内に封入されてある作動流体に軸方向振動を与え、こ
れにより管路一端の高温容器から他の一端の低温容器に
熱量のみを輸送するものであった。従って熱量の輸送に
外部エネルギーを消費するものでエネルギー収支の点か
らは効率的とは言えなかった。

【００１１】これに対して本発明者は特願平２−３１９
４６１号において同原理のヒートパイプ応用を創案し実
用化に成功した。このループ型細管ヒートパイプはその
受熱部における核沸騰によりループ内作動液が軸方向振
動を発生し、これにより受熱部から放熱部に向って熱量
が移動するものであった。又核沸騰と共に発生する蒸気
圧は逆止弁の配設無しでも作動液を抵抗の少ない方向に
ゆるやかな循環流を生ぜしめ、これにより気泡群を細管
コンテナ内の全般に配分する作用があり、この気泡群の
圧縮性が核沸騰による作動液の軸方向振動の発生を容易
ならしめ、又熱輸送量の受熱部温度に対する依存性を良
好ならしめるものであった。更にこのループ型細管ヒー
トパイプ内の作動液の軸方向振動の発生には何等余分の
外部エネルギーの供給の必要が無く、輸送されるべき熱
量が自ら発生する核沸騰により、熱量が輸送されるので
エネルギーの損失が無い点も大きな特徴である。又他の
重要な特徴として熱量の輸送能力が作動液の循環流量流
速に依存しないので管内圧力損失の増加を考慮すること
無く、細管径を細くすることが出来る。

【００１２】本発明は上述の如き特願平２−３１９４６
１号を応用して、逆止弁を使用することなく受放熱分離
型のループ型細管ヒートパイプを構成し、これにより図
４の受放熱部分離型熱輸送装置の問題点を解決する。然
し図４の例からも分かる通り本発明の場合にも受熱部か
ら放熱部を経て受熱部に至る１ターンの長さが従来例に
比べ長いので、封入作動液量を内容積の８０％以上の如
く増加せしめた場合は、軸方向振動を与えるべき作動液
量が過多となり、受熱部における核沸騰エネルギーが不
足して充分な作動が困難となる。作動を確実にする為封
入液量を６０％以下とした場合はトップヒート姿勢時に
受熱部の作動液量が不足となり作動困難となる。この理
由から本発明の適用はボトムヒート姿勢で使用されるル
ープ型細管ヒートパイプに限定される。

【００１３】

【実施例】図１説明図の第１実施例によって本発明の基
本的な構成について説明する。本発明のループ型細管ヒ
ートパイプを構成するループ型細管コンテナ１の内径は
封入されてある作動液がその表面張力によって常に管内
を閉塞した状態で流動する様充分に細径化されてあり、
これが受熱部における核沸騰により作動液の軸方向振動
が発生するための基本構造となる。本発明において熱輸
送は作動液の流量流速に依存することが極めて少ないか
ら管内圧力損失の増加を気にすることなく細径化を計る
ことが出来る。受熱部１−１及び放熱部１−２は何れも
ループ型細管コンテナ１が螺旋形状又は蛇行形状に成形
されてあり、何れもそれ等の上部端末から下部端末に向
って作動液が停滞することなく重力により流動降下する
形状とそれが可能な姿勢に保持されてある。これは作動
時に作動液がゆるやかな循環をする為に必要なだけでな
く、作動液の軸方向振動を良好に伝播せしめる為にも必
要な条件である。又これは受熱部内に発生した蒸気泡が
スムースに上昇する為にも必要な条件となる。放熱部１
−２の細管コンテナの下部端末の水位が受熱部１−１の
細管コンテナの上部端末の水位より低水位となることの
ない配設即ちボトムヒート姿勢に配設されてあることも
重要な条件である。これも作動液のゆるやかな循環を生
ぜしめる為の必要条件でもある。受熱部１−１と放熱部
１−２を構成している細管コンテナ１の夫々の両端末は
断熱部１−３の２本の細管コンテナで連結されてループ
として構成されている。断熱部１−３の長さが受放熱部
間の所定の距離を決定している。図１においては放熱部
細管コンテナの上部端末と受熱部細管コンテナの上部端
末とが連結され、同様に下部端末も相互に連結されてあ
る。これは望ましい連結状態が示されてあるものであっ
て、双方の上部端末が相互に、双方の下部端末が相互に
連結されてあっても良いがこの場合は若干性能が低下す
る。この様に構成されたループ型細管ヒートパイプは破
線で示されてある受熱手段３で受熱部１−１が加熱され
、放熱手段４により放熱部１−２が冷却されることによ
り作動する。ループ型細管コンテナ内には通常その全内
容積のほぼ６０％以下の所定量が封入される。作動は受
熱部１−１内で加熱により作動液の核沸騰が発生し、そ
れにより振動的に変化する圧力波が管内の全作動液に伝
播されながら作動液を軸方向に振動せしめる。この軸方
向振動が熱量を受熱部１−１から放熱部１−２に向って
輸送することは特公平２−３５２３９号に記載の理論の
通りである。又核沸騰と同時に発生する蒸気泡は抵抗の
少ない経路を通って、放熱部１−２に向って移動するか
ら、管内を閉塞している作動液を推進せしめ、ループ内
にはゆるやかな循環流が発生する。これにより細管コン
テナは全体にわたり気泡と液滴が交互に混在した状態の
作動液が充満した状態となる。これは作動液の軸方向振
動をループ内全体に伝播することを容易ならしめ、更に
蒸気泡の圧縮性は核沸騰と軸方向振動の発生を容易なら
しめ、且つ熱輸送量の受熱部温度に対する依存性を良好
ならしめる。

【００１４】特願平２−１４８８０９号のループ型細管
ヒートパイプ応用の受放熱部分離型熱輸送装置、図４と
本発明のループ型ボトムヒート細管ヒートパイプ、図１
応用の受放熱部分離型熱輸送装置について分離距離及び
受放熱部表面積が同一条件のモデルＡ及びＢを製作し、
熱輸送性能を比較した。性能測定方法は受熱部１−１を
受熱手段３として電気ヒータ内蔵の金属平板２枚で狭持
し、放熱部１−２を風速４ｍ／ｓの風洞中に蛇行平面が
風の流れに直交する様に挿入し、熱入力１００Ｗ及び２
００Ｗにおける金属平板の平衝温度を調べた。性能の評
価は入力熱量が受熱金属平板から熱輸送装置を通過し風
洞中に放熱するに至る全熱抵抗値Ｒ［℃／Ｗ］によって
行った。全熱抵抗値Ｒは受熱部平衝温度をｔ１［℃］と
し、風洞入口の周囲温度をｔ２［℃］とし、入力熱量を
Ｑ［Ｗ］として下記の数１の数式によって求められる。

【００１５】

【数１】

【００１６】表１にモデルＡ及びモデルＢの構成を示し
、表２に両モデルの測定データを比較する。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】表２から図１のモデルＢは細管コンテナ内
径が図４のモデルＡの約１／２と細いにもかかわらず熱
輸送性能が良好なことが分かる。即ち図１の本発明のル
ープ型ボトムヒート細管ヒートパイプは受放熱部分離型
熱輸送装置として応用する場合も細管コンテナの径を大
径化する必要がない。

【００２０】図２は本発明の第２実施例の説明図であっ
て、受熱部１−１、放熱部１−２、断熱部１−３のあら
ゆる部分において、第１実施例と全く同じ細管コンテナ
１が２本並列又は２層の構造に構成されてある。但しル
ープ型細管コンテナとしては１本の細管で連結したルー
プとなっていることを特徴としている。本実施例の場合
は１ループの中に２個所の放熱部１−２及び２個所の受
熱部１−１が受放熱部交互に配設されてあることになる
。２個所の受熱部で発生する作動液の軸方向振動が相互
に増幅し合ったり、干渉し合ったりするが、この様な場
合結果的には大幅に振幅が増大され、軸方向振動による
熱輸送能力が増加することが実験的に知られている。 第２実施例は第１実施例の２本並列化ではあるが熱輸送
能力は３倍前後に増加する。

【００２１】図３は本発明の第３実施例及び第４実施例
を示す説明図である。本発明においては放熱能力を大幅
に増大させる場合、放熱部１−２を形成する細管コンテ
ナ１のターン数を増加せしめて放熱面積を拡大すること
によっては対処することが出来ない場合がある。即ちタ
ーン数の増大は放熱面積を拡大する反面、封入作動液の
増量を必要とし、それにより作動液の軸方向振動に附加
的なエネルギーを必要となる。又細管コンテナの長さ増
大により軸方向振動が減衰する。これ等によりターン数
増加がかえって放熱能力を低下せしめる場合がある。こ
の様な場合は目標とする熱入力で最も軸方向減衰が少な
く、即ち受放熱部温度と放熱部温度の温度差の小さなタ
ーン数に限定して、受放熱分離式ループ型細管ヒートパ
イプを構成し、放熱量の不足分は他の手段で放熱部の放
熱面積を拡大することにより目標を達成することが出来
る。図３はその様な場合の放熱面積拡大手段の１例を示
してある。図において放熱面積拡大手段５として特願平
２−３１９４６１号に係る小型のループ型細管ヒートパ
イプを放熱部１−２において蛇行細管コンテナ１に直交
してはんだ接着してある。図においては放熱用ループ型
細管ヒートパイプはボトムヒート条件で接着してあって
性能の向上を計っている。

【００２２】第３実施例において受放熱部間の温度差を
小さくする為のターン数があまりに小さくなる場合は放
熱面積拡大手段５の効果が減少することがある。その様
な場合はターン数を削減するかわりに短絡細管６により
、受熱部１−１の所定の部分と放熱部１−２の所定の部
分を短絡連結せしめ、受熱部の蒸気泡及び圧力波を直接
放熱部に送入して、減衰した軸方向振動を活性化せしめ
放熱部温度を上昇せしめるとよい。以上が本発明の第４
実施例である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明のループ型ボ
トムヒート細管ヒートパイプは作動液の軸方向振動とゆ
るやかな循環により熱輸送を行なう型の細管ヒートパイ
プを採用し且つボトムヒートモード専用に限定すること
により、細管を大径化することなく、且つ長年月の使用
に耐える、又簡易な構造の受放熱部分離式のループ型細
管ヒートパイプを提供することが出来る。この様な本発
明のループ型ボトムヒート細管ヒートパイプ応用の受放
熱部分離型熱輸送装置は従来の問題を総て解決する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のループ型ボトムヒート細管ヒートパイ
プの基本構造である第１実施例の説明図である。

【図２】ループ型ボトムヒート細管ヒートパイプの第２
実施例を示す説明図である。

【図３】ループ型ボトムヒート細管ヒートパイプの第３
実施例及び第４実施例を示す説明図である。

【図４】特願平２−１４８８０９号応用の受放熱部分離
型熱輸送装置の説明図である。

【図５】特開昭６３−３１８４９３号応用の受放熱部分
離型熱輸送装置の説明図である。

【図６】従来型の受放熱部分離型熱輸送装置の説明図で
ある。

【符号の説明】

１　　　　　　細管コンテナ １−１　　受熱部 １−２　　放熱部 １−３　　断熱部 ２　　　　　　逆止弁 ３　　　　　　受熱手段 ４　　　　　　放熱手段 ５　　　　　　放熱面積拡大手段 １１　　　　　　受熱部管群 １２　　　　　　放熱部菅群 １３　　　　　　高温連結管 １４　　　　　　低温連結管 １５　　　　　　作動液循環ポンプ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定量の２相凝縮性作動液が封入され
   てあるループ型細管コンテナを構成する長尺細管の内径
   は作動液がその表面張力により常に管内を閉塞した状態
   で流動する様充分に細径化された内径であり、ループ上
   の所定の部分は受熱部として他の所定の部分は放熱部と
   して残余の部分は断熱部として構成されてあり、受熱時
   の受熱部内作動液の核沸騰によってコンテナ内に発生す
   る作動液の軸方向振動とゆるやかな作動液の循環とによ
   って熱量を受熱部から放熱部に輸送するループ型細管ヒ
   ートパイプにおいて、受熱部と放熱部とは所定の距離を
   隔てて配設され且つ放熱部を構成する細管コンテナの下
   端末の水位は受熱部を構成する細管コンテナの上端末の
   水位より低水位となることがない条件で配設されてあり
   、受熱部及び放熱部は何れも細管コンテナが螺旋形状又
   は蛇行形状に成形されて成り、且つそれらの形状及び保
   持姿勢はそれらの細管コンテナの上部端末から下部端末
   に向って作動液が重力のみによって停滞することなく作
   動降下する形状及び保持姿勢であり、それ等受熱部と放
   熱部の夫々の細管コンテナの上下両端は相互に細管コン
   テナの断熱部により連結されてループが構成されてある
   ことを特徴とするループ型ボトムヒート細管ヒートパイ
   プ。
2. 【請求項２】　　放熱部の螺旋又は蛇行のターン数は受
   熱部温度と放熱部温度の温度差がほぼ最小となるターン
   数に限定されてあり、放熱部には放熱面積拡大手段が配
   設されてあることを特徴とする請求項１のループ型ボト
   ムヒート細管ヒートパイプ。
3. 【請求項３】　　放熱部を構成する細管コンテナの所定
   の部分と、受熱部を構成する細管コンテナの所定の部分
   との間を短絡して連結する短絡細管が配設されてあるこ
   とを特徴とする請求項１のループ型ボトムヒート細管ヒ
   ートパイプ。