JPH05322461A - 冷却ユニット用伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱流束が極めて低くても作動液の突沸が生じ
にくく、作動液を連続的に沸騰させることができ、熱伝
達率がより高い冷却ユニット用伝熱管を提供すること。 【構成】 外管とこの外管より短く当該外管の蒸発部の
内部に位置する内管とからなり、前記外管と内管との間
には内管の下端から上端へ通ずる狭い流通間隙が形成さ
れ、前記流通間隙には下端部分の全周又は一部へ毛細管
部材を挿入したことを特徴としている。前記毛細管部材
には、好ましくは金属メッシュ又は金属フェルトを使用
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には冷却ユニッ
ト用伝熱管に関するものであり、さらに具体的には、蒸
発部における熱流束が低いときにも適するようにした冷
却ユニット用伝熱管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発明者らは、特願平１−１２２４６２号
において、外管とこの外管より短く当該外管の蒸発部の
内部に位置する内管とからなり、前記外管と内管との間
に内管の下端から上端へ通ずる狭い流通間隙を形成した
冷却ユニット用伝熱管を既に提案している。

【０００３】特願平１−１２２４６２号の冷却ユニット
用伝熱管は、外管と内管との間の狭い流通間隙内で作動
液の沸騰が起こり、一重の管と比較して、外管の内壁の
温度と作動液の温度との差（以下「過熱度」と言う。）
が小さいとき、すなわち低熱流束のときでも、突沸が起
こりにくく作動液が定常的に沸騰し易いことと、熱伝達
率が著しく向上するという効果を奏するものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱流束
がより低いとき（管や流通間隙のサイズにもよるが、例
えば流通間隙が０．８mmで熱流束が１ｘ１０⁴ Ｗ／ｍ²
以下のような場合）は前記流通間隙内で作動液の沸騰が
間欠的になり易い。そして、この構造の伝熱管を複数本
並べ、各伝熱管相互の上下端をそれぞれヘッダ−管で連
通させて冷却ユニットを構成し、これを冷却システムに
組み込んで使用しているとき、前述のように作動液が突
沸する（間欠的に沸騰する）と、その沸騰自体が強力に
なるため上部ヘッダ−管へ蒸気とともに液が噴き上げら
れ、液が上部ヘッダ−管と連通している蒸気配管内に流
れ込んで溜まる場合があり、この液が蒸気配管内に大量
に溜まると冷却システムが作動しなくなる。

【０００５】本発明の目的は、前述のような問題点を解
決し、より一層低熱流束のときでも作動液の沸騰が間欠
的でなく連続して起こり、熱伝達率がより大きい冷却ユ
ニット用伝熱管を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る冷却ユニッ
ト用伝熱管は、前述の目的を達成するため、外管と内管
との間の狭い流通間隙内の下端部分に毛細管部材を挿入
したものである。この毛細管部材の材質は特に限定され
ないが、熱伝導性のよい銅や銅合金からなる金属メッシ
ュや金属フェルトを使用するのが好ましい。

【０００７】前記伝熱管の内管と外管との流通間隙は、
内管の全長各部において必ずしも一定である必要はな
く、またその間隙は、内管の下端から上端へ通じていれ
ば充分であるから、外管と内管との間の全面にわたって
連通している必要はない。この流通間隙の大きさは、熱
流束の高低によって適宜設定するが、０．１〜１．５mm
程度の範囲であるのが望ましい。

【０００８】外管の材質には、従来のこの種の伝熱管と
同様に、銅，アルミニウム又はそれらの合金類のような
熱伝動性のよい金属を選択する。他方、内管の材質は、
作動液との適合性を有していれば、金属でもプラスチッ
クその他の材料でもよい。

【０００９】前述のような伝熱管は、例えば、外管内に
内管及び毛細管部材を挿入し、毛細管部材が位置する部
分において、適宜の手段により内管に外管の方向へ突出
する部分的な突出部を複数設けるか、あるいは、外管に
内管の方向へ没入する部分的な没入部を複数設けること
により、前記毛細管部材を前記流通間隙の下端部分へ保
持させ、内外管相互を固定する要領で製造することがで
きる。

【００１０】毛細管部材に金属メッシュを使用する場合
のメッシュ数，線径，及び毛細管部材を管の長手方向に
沿いどの程度の長さ挿入するかは、熱流束や流通間隙の
大きさによって適宜設定するが、おおよその目安として
は、メッシュ数３０〜１５０、線径０．０１〜０．０５
mmのものを使用し、毛細管部材を挿入する長さは、内管
の下端から上端の方向へ１０〜３０mm程度とするのが望
ましい。

【００１１】さらに、本発明に係る冷却ユニット用伝熱
管を構成する外管と内管は、断面が円形でなく、楕円そ
の他の断面形状のものでも実施することができる。

【００１２】

【作用】本発明に係る冷却ユニット用伝熱管は、一定長
さのものを複数本直立又は急傾斜させて所定間隔に並
べ、これらの上下の端部をそれぞれヘッダ−管で連通し
て冷却ユニットを構成するか、あるいは冷凍器やヒート
ポンプのような冷却ユニットに組み込み、作動液の液位
が内管内の一定のレベルに位置する状態で使用される。

【００１３】本発明に係る伝熱管を前述のように使用す
る場合、外管と内管との流通間隙の下端部分の毛細管部
材が沸騰キャビティ−となり、この部分で作動液が沸騰
しはじめ、この沸騰は外管と内管との間の流通間隙内全
域に及ぶに到る。

【００１４】前記流通間隙内で作動液が沸騰し始める
と、当該部分で気化した作動液は液相のままにある作動
液内で気泡となり、この気泡は近隣に発生した気泡と次
々に合体して急速に膨張しつつ間隙内を上昇し、沸騰し
ないで液相のままにある近くの作動液を前記間隙の上端
まで押し上げ、押し上げられた作動液は内管の内側に落
下する。

【００１５】流通間隙内の毛細管部材により、この部分
に付着残留した気泡が沸騰核になるので、この部分にお
いて沸騰が最も盛んになるとともに、過熱度がより低く
ても沸騰は連続し易くなる。

【００１６】このように沸騰が繰り返されることによ
り、流通間隙内に乱流が生じ、前記流通間隙内の作動液
には温度分布が生じにくく、突沸も生じにくいため、低
熱流束下でも熱伝達率が高く、かつ蒸発部の作動も安定
する。

【００１７】万一強い突沸が生じた場合、流通間隙内に
おいて前記毛細管部材から上の部分にある液は、蒸気に
勢いよく噴き上げられて上部のヘッダ−管に入るが、毛
細管部材より下にある液は、毛細管部材による流体抵抗
で当該毛細管部材を急に通過することができず、通過す
る液量はわずかであるため、上部ヘッダ−管内に入る液
の量は極めて少なく、上部のヘッダ−管に通じている蒸
気配管内に溜まることはほとんどない。

【００１８】また、内管内の低いレベルに作動液の液位
が位置していても、流通間隙内で気液の乱流が生じて沸
騰が繰り返されることにより、熱伝達に悪影響を与えな
いので、それだけシステム内に封入する作動液の量を少
なくすることができ、定常運転までの立上り時間も極め
て短くなる。

【実施例】

【００１９】図１及び図２はこの実施例の伝熱管を使用
した冷却ユニットの一例である。冷却ユニット３は、直
立状態で平行に並べた一定長さの数本の伝熱管３０と、
各伝熱管３０の上下の端部を相互に連通する上部ヘッダ
ー管３１及び下部ヘッダー管３２から構成されており、
上部ヘッダー管３１の一端部の上部には、気液分離パイ
プ３４を設けている。

【００２０】この実施例では、伝熱管３０及びヘッダー
管３１，３２をアルミニウム合金で押出し成形した感熱
枠３３で支持させている。この感熱枠３３は、前面の感
熱板３３ａと、その両側の断面アングル状の側壁板３３
ｂと、感熱板３３ａの裏面へ所定間隔で縦方向に形成さ
れた断面円弧状の支持溝３３ｃとで構成されており、上
下のヘッダー管３１，３２は側壁板３３ｂを貫通し、各
伝熱管３０は円弧状の支持溝３３ｃ内に内接した状態で
支持されている。

【００２１】各伝熱管３０は、図３のように、銅管より
なる外管３０ａと、この外管３０ａの蒸発部ｃ内に狭い
流通間隙３０ｃを介して設けた銅管よりなる内管３０
ｂ、及び流通間隙３０ｃの下端部分に挿入された金属メ
ッシュ（銅合金）よりなる毛細管部材３０ｄから構成さ
れ、外管３０ａ内に内管３０ｂと毛細管部材３０ｄを挿
入した後、図示しない適当な工具により内管３０ｂへ外
周方向へ部分的に突出する複数の突出部３０ｅを形成
し、内管３０ｂを外管３０ａ内に固定し、かつ毛細管部
材３０ｄを流通間隙３０ｃの下端部分で保持させる要領
で製造している。内管３０ｂへ複数の突出部３０ｅを形
成することに代えて、外管３０ａに内側へ没入する複数
の没入部を形成してもよい。

【００２２】この実施例の外管３０ａは長さ５５０mm，
外径１２．７mm，肉厚０．７mmであり、内管３０ｂは長
さ５００mm，外径９．７mm，肉厚０．５mmであって、流
通間隙３０ｃは０．８mmに設定されている。また、毛細
管部材３０ｄを構成する金属メッシュは、線径０．０３
mm，１２０メッシュで幅ｗが２０mmのものを内管３０ｂ
の下端部へ二回巻きしたものである。

【００２３】蒸発部ｃの長さは内管３０ｂの長さとほぼ
等しくなっていて、内管３０ｂの上端は上部ヘッダ−管
３１まで達しないように設計されており、内部の作動液
ｂ（フレオンＲ−１１３）の液位は、内管３０ｂの下端
からほぼ１００mmの位置に設定している。

【００２４】図４は、前記実施例の伝熱管３０を使用し
た冷却ユニット３、及び別の構造の冷却ユニット３’に
よって構成した個別冷却システムの例である。

【００２５】同図のように、ビルの各階ａには間仕切１
で仕切られた部分に、情報機器やＯＡ機器等の発熱機器
２が設置されており、他の部分には、間仕切１のほかに
当該間仕切１より高さの高い他の間仕切１ａが設置され
ている。

【００２６】各発熱機器２の近傍には、その発熱部分に
前記感熱板３３ａが面するように、それぞれ冷却ユニッ
ト３が設置されており、間仕切１及び１ａはそれ自体が
別の冷却ユニット３’を構成している。

【００２７】間仕切１及び１ａを構成する冷却ユニット
３’は、前記冷却ユニット３とほぼ同様に構成されてい
るが、前記冷却ユニット３とは感熱枠３３の構造を若干
異にしている。すなわち、冷却ユニット３’の感熱枠３
３は、図５のようにアルミニウム合金を押出し成形した
中空パネル状であり、両側に側壁板３３ｅを有し、裏面
へ所定間隔に支持溝３３ｆを有する同一断面形状の両面
の感熱板３３ｄ，３３ｄを、前記側壁板３３ｅの先端に
形成された凹凸嵌合部３３ｇの部分で相互に嵌合一体化
したもので、各支持溝３３ｆが両側からパイプ３０を保
持しており、上下のヘッダー管３１，３２は側壁板３３
ｅへ貫通した状態で支持されている。前記感熱板３３ｄ
の表面には、適当な断面形状の多数の吸熱フィン３３ｈ
が形成されている。

【００２８】図４のように、各階ａの床スラブ４内に
は、実線で示す液体配管５と、一点鎖線で示す蒸気配管
６が設置され、各冷却ユニット３及び３’の上部ヘッダ
ー管３１は、気液分離パイプ３４及び管継手７を介して
蒸気配管６と連通し、各冷却ユニット３，３’の下部ヘ
ッダ−管３２は前記管継手７を介して液体配管５と連通
している。

【００２９】これらの配管５及び６は、床スラブ４内に
設けたコンジェット管（図示しない）内に配管すること
ができるし、住宅のように二重床になっている場合は、
この二重床内に配管することができる。

【００３０】液体配管５には液面調節器９が設けられ
て、各冷却ユニット３，３’内の作動液の液位を当該階
ａの床面より十数cm上位に保っており、液体配管５と蒸
気配管６とは、各階ａの適所に設置したターミナル熱交
換器８を介して連通している。

【００３１】ビルの適所には冷熱源装置１０を設置し、
この冷熱源装置１０から、各階ａのターミナル熱交換器
８を経て冷熱源装置１０に戻るように循環する冷水管１
１を設けている。この冷熱源装置１０には、深夜電力を
有効利用できるように、あるいは非常時におけるバック
アップ熱源として利用できるように、氷蓄熱ユニットが
使用されている。

【００３２】この個別冷却システムでは、各冷却ユニッ
ト３，３’の下部ヘッダー管３２と液体配管５との間に
図示しないバルブを設け、それぞれの冷却ユニット３，
３’をそれが設置されている空間に居る者が、前記バル
ブを操作することにより自己の体感温度に合わせて作動
させ得るようになっている。

【００３３】この個別冷却システムは、各冷却ユニット
３，３’における伝熱管３０が所定温度になると、伝熱
管３０の蒸発部ｃで作動液ｂが沸騰し、沸騰した作動液
ｂの蒸気は、図４の蒸気配管６を経てターミナル熱交換
器８に達し、凝縮して自重で液体配管５内に流れ込み、
当該配管５を経て冷却ユニット３，３’に戻るように循
環する。

【００３４】前記のような冷却システム内の冷却ユニッ
ト３，３’の作用について説明すると、伝熱管３０の蒸
発部ｃが一定温度以上に加熱され、過熱度すなわち外管
３０ａの壁面温度と流通間隙３０ｃ内の作動液ｂの温度
との差が３℃前後になると、流通間隙３０ｃ内の毛細管
部材３０ｄが沸騰キャビティの作用をなし、この部分で
作動液ｃが沸騰し始め、沸騰はやがて流通間隙３０ｃ内
の全域に及ぶ。

【００３５】沸騰によって発生した気泡ｄは、急速に膨
張しながら流通間隙３０ｃ内を上昇し、それに伴って気
化していない作動液ｂを押し上げるので、当該間隙３０
ｃ内で気液の乱流を生ずる。このようにして、作動液ｂ
は間隙３０ｃ内を上昇しながら沸騰し、内管３０ｂの上
端に達するまでに沸騰しなかった作動液ｂは、内管３０
ｂの内側に落下する。

【００３６】一度沸騰し始めると、毛細管部材３０ｄに
付着残留している気泡ｄが沸騰核となるので、過熱度が
１℃程度になっても沸騰は止むことなく連続する。この
ように、低熱流束でも狭い間隙３０ｃ内で蒸発部におけ
る作動液ｂが常に沸騰し、気泡ｄの動きによって当該部
分の作動液ｂが乱流状態になるので、熱伝達率は低下せ
ず安定して作動する。

【００３７】実験によれば、内管がなく外管のみのパイ
プを使用した場合、過熱度が１０℃以上にならないと気
泡を生じない（沸騰しない）。外管３０ａと内管３０ｂ
との間に流通間隙３０ｃを設け、この流通間隙３０ｃの
下端部分に毛細管部材３０ｄを挿入しない場合は、過熱
度が５〜１０℃程度でも流通間隙３０ｃ内で沸騰し始
め、過熱度が３℃以下になると沸騰が停止し、過熱度が
５℃以上に上昇すると再度沸騰した。すなわち、沸騰が
間欠的になった。

【００３８】このように、流通間隙３０ｃ内での沸騰が
間欠的に起こる（突沸を生ずる）と、一度沸騰が停止し
て再度沸騰し始める初期においては、過熱度が大きく気
泡ｃの上昇力が大きいため、流通間隙３０ｃ内の未沸騰
の作動液ｂが蒸気とともに上部ヘッダー管３１内に噴き
上げられ、上部ヘッダー管３１内に噴き上げられた液の
一部が気液分離パイプ３４を経て蒸気配管６に溜まり、
液が図４の床スラブ４における配管６内に満ちると冷却
システムは作動を停止する。

【００３９】前記実施例の伝熱管３０でも、熱流束が非
常に低い段階から急に高くなった場合、初期段階では流
通間隙３０ｃ内で突沸が起こり、間隙３０ｃ内における
毛細管部材３０ｄより上の未沸騰の作動液ｂを勢いよく
噴き上げ、この液が上部ヘッダ−管３１内入るが、毛細
管部材３０ｄより上の流通間隙３０ｃが空になると、そ
れより下の作動液ｂは毛細管部材３０ｄによって大きな
流体抵抗を受け、作動液ｄが連続的に沸騰するようにな
るまでの僅かな間に、毛細管部材３０ｄの下方の液が毛
細管部材３０ｄを通過して流通間隙３０ｃに移動する量
は微量であるので、気泡ｄによって噴き上げられた液が
上部ヘッダ−管３１から蒸気配管６内に流入することは
ほとんどなく、したがって冷却システムの停止は防止で
きる。

【００４０】図３において、沸騰によって発生した気泡
ｄが流通間隙３０ｃ内で沸騰して作動液ｂを押し上げる
力は、そのときの熱流束に変化がないものとすると、流
通間隙３０ｃの広狭によって異なり、間隙３０ｃが狭け
れば狭いほど押し上げる力は大きくなる。したがって、
図４の冷却システムでは各冷却ユニット３，３’におけ
る作動液ｂの液位は同一であるにも拘らず、それぞれの
蒸発部の長さ、すなわち伝熱管３０における内管３０ｂ
が挿入されている部分の長さは一様ではないが、蒸発部
が長い冷却ユニットにおける伝熱管３０は、蒸発部の短
い冷却ユニットにおける伝熱管３０よりも、内管３０ｂ
と外管３０ａとの流通間隙３０ｃを狭くすることによっ
て、各ユニット３，３’における蒸発部が同様に機能す
るように調整することができる。

【００４１】前記個別冷却システムは、発熱機器２毎に
冷却ユニット３を設けているので、発熱機器２の過熱を
適切に防止することができるとともに、間仕切１，１’
を冷却ユニット３’に構成したことによって、その周辺
部分が輻射冷却され冷却効果がさらに高まる。

【００４２】図６は冷却ユニットにおける感熱枠３３の
変形例であって、感熱板３３ａに多数のフィン３３ｊを
形成することにより表面積を増大させたものである。

【００４３】図７は前記実施例の伝熱管３０を使用した
冷却ユニット３の他の例であり、上下のヘッダ−管３
１，３２の両端部を支持枠３３ｐへ貫通させて支持さ
せ、各伝熱管３０には、銅やアルミニウム又はそれらの
合金からなる多数のフィン３５を取り付けており、他の
部分は前記実施例のものとほぼ同様に構成している。

【００４４】図８は前記実施例の伝熱管３０を使用した
冷却ユニット３，３’のさらに他の例を示すもので、各
伝熱管３０には、銅やアルミニウム又はこれらの合金よ
りなるルーバー状の多数のフィン３３ｋを取り付け、上
下の縁枠３３ｌ，３３ｍの両側に取付けた側枠３３ｎに
上下のヘッダー管３１，３２を貫通した状態で支持させ
ており、他の構成部分は前記各冷却ユニットと同様に構
成している。

【００４５】図７及び図８の冷却ユニット３又は３’
は、ルーバー状の多数のフィン３３ｋ又は３５をパイプ
３０に取付けたことにより、熱の吸収がより効率的であ
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明に係る冷却ユニット用伝熱管は、
より低熱流束下においても作動液が連続して沸騰し、こ
れを使用した冷却システムを安定して作動させることが
できるし、低熱流束下においても突沸が非常に少ないこ
とと、熱流束が急に高くなって突沸が起こっても流通間
隙から上方に噴き上げられる液量が微量であることとに
よって、作動液が蒸気配管内に入ることがなく、冷却シ
ステムに組み込んだ場合にシステムの作動停止その他の
トラブルもほとんど生じない。

【００４７】また、蒸発部における作動液の液位を低い
レベルに設定できるので、システム内に封入する作動液
の量がより少なくて済み、経済的であるとともに定常運
転に到るまでの立上り時間が非常に短かい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の伝熱管を使用した冷却ユニット
の一例を示す部分正面図である。

【図２】図１の矢印Ａ−Ａに沿う部分拡大断面図である

【図３】図１の冷却ユニットに使用されているパイプの
部分拡大断面図である。

【図４】図１の冷却ユニット及び他の例の冷却ユニット
を使用した個別冷却システムの部分概略図である。

【図５】本発明実施例の伝熱管を使用した冷却ユニット
の他の例を示す部分平断面図である。

【図６】冷却ユニットにおける感熱枠の変形例を示す平
面図である。

【図７】本発明実施例の伝熱管を使用した冷却ユニット
のさらに他の例を示す部分正面図である。

【図８】本発明実施例の伝熱管を使用した冷却ユニット
のさらに他の例を示す部分正面図である。

【符号の説明】

１，１ａ 間仕切 ２ 発熱機器 ３，３’冷却ユニット ３０ 冷却ユニット用伝熱管 ３０ａ 内管 ３０ｂ 内管 ３０ｃ 流通間隙 ３０ｄ 毛細管部材 ３０ｅ 突出部 ３１ 上部ヘッダー管 ３２ 下部ヘッダー管 ３３ 感熱枠 ３３ａ，３３ｄ 感熱板 ３３ｂ，３３ｅ 側壁板 ３３ｃ，３３ｆ 支持溝 ３３ｇ 凹凸嵌合部 ３３ｈ，３３ｊ フィン ３３ｋ ルーバー状のフィン ３３ｌ，３３ｍ 上下の縁枠 ３３ｎ 側枠 ３３ｐ 支持枠 ４ 床スラブ ５ 液体配管 ６ 蒸気配管 ８ ターミナル熱交換器 ９ 液面調節器 １０ 冷熱源装置 １１ 冷水配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥山 哲夫 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外管とこの外管より短く当該外管の蒸発
   部の内部に位置する内管とからなり、前記外管と内管と
   の間には内管の下端から上端へ通ずる狭い流通間隙が形
   成され、前記流通間隙には下端部分の全周又は一部へ毛
   細管部材を挿入したことを特徴とする、冷却ユニット用
   伝熱管。
2. 【請求項２】 前記毛細管部材が、金属メッシュ又は金
   属フェルトである、請求項１に記載の冷却ユニット用伝
   熱管。