JPH0552491A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換、冷却等の熱交換装置に使用され、作
動液の蒸気流と液流とを分離することにより、大量の熱
輸送能力を有する小形な熱交換装置を得る。 【構成】 上端に開口１２ｃが形成された蒸発管１２を
設ける。蒸発管１２より大径を成し下端に開口部１３ａ
が形成され、蒸発管１２の上部１２ｂを覆いかぶせて囲
繞するよう配設された凝縮管１３を設ける。蒸発管１２
の下端部と連通して配設された液溜めヘッダ１４を設け
る。凝縮管１３の下端の開口部１３ａと液溜めヘッダ１
４に連通された連通管１５を設ける。蒸発管１２、凝縮
管１３、液溜めヘッダ１４、連通管１５より構成される
容器内に作動液１８を封入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱交換、冷却等を目的
として高温側の流体と低温側の流体間で熱交換を行わせ
る熱交換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えば実開昭４８−７９４４２号
公報に示された第１の従来の熱交換装置を示す断面図で
あり、図８において、１は真空容器、１ａは真空容器１
の下部であり、図示しない高温側の流体と接触する。１
ｂは真空容器１の上部であり、図示しない低温側の流体
と接触する。２は真空容器１の外周に設けたフィン、３
は真空容器１内に少量充填された作動液、３ａは作動液
３の蒸気、３ｂは凝縮液化した作動液３の液体である。

【０００３】次に、第１の従来装置の動作について説明
する。真空容器１の下部１ａが高温側の流体により加熱
されると、真空容器１内の作動液３が沸騰・気化し、潜
熱を奪い蒸気３ａとなる。この作動液３の蒸気３ａは真
空容器１の下部１ａから真空容器１の上部１ｂへ移動
し、低温側の流体により真空容器１の上部１ｂの内面で
液化して潜熱を放出し液体３ｂとなる。液化した作動液
３の液体３ｂは真空容器１の内面に沿って真空容器１の
上部１ｂから真空容器１の下部１ａへ重力により還流す
る。ところで、真空容器１の内部は真空状態で作動液３
を封入しているため真空容器１内の作動液３は同温同圧
の蒸気３ａと液体３ｂの気液二相状態にあり、僅かな温
度差で蒸発・凝縮を繰り返し、作動液３は真空容器１の
内部を何ら動力を必要とせず還流して、真空容器１の下
部１ａから真空容器１の上部１ｂへ効率良く熱を輸送
し、優れた熱輸送能力を有する伝熱素子として、熱交換
装置を初めとして、電力機器、電子機器等の冷却、など
多様な応用がなされている。

【０００４】図９は例えば実開昭５２−７８１６９号公
報に示された第２の従来の熱交換装置を示す断面図であ
り、図９において、１は真空容器、１ａは真空容器１の
下部であり、高温側の流体と接触する。１ｂは真空容器
１の上部であり、低温側の流体と接触する。２は真空容
器１の外周に設けられたフィン、３は真空容器１内に少
量充填された作動液、３ａは作動液３の蒸気、３ｂは凝
縮液化した作動液３の液体、４は真空容器１の内面に内
張りされた毛細管作用を発揮するウイックである。

【０００５】次に、第２の従来装置の動作について説明
する。第２の従来装置の動作は第１の従来装置の動作と
ほとんど同じであるが、第２の従来装置の場合、真空容
器１の内面に毛細管作用を発揮するウイック４を有して
おり、例えば焼結金属を真空容器１の内面に内張りした
ものや金網、あるいは真空容器１の内面に設けた溝など
によりウイック４が構成される。このウイック４により
真空容器１の上部１ｂで凝縮液化した作動液３の液体３
ｂの真空容器１の下部１ａへの還流が毛細管力により促
進される。

【０００６】図１０は例えば特開昭５３−６０７５８号
公報に示された第３の従来の熱交換装置を示す断面図で
あり、図１０において、５は蒸発管であり、図示しない
高温側の流体と接触する。６は蒸発管５よりも上部に配
設された凝縮管であり、図示しない高温側の流体と接触
する。７、８はそれぞれ蒸発管、凝縮管の表面積を拡大
するためのフィン、９は蒸発管５の上部と凝縮管６の上
部を連結する蒸気管、１０は蒸発管５の下部と凝縮管６
の下部を連結する液管であり、蒸気管９は液管１０より
も通常太い径の管を用いる。１１は蒸発管５、凝縮管
６、蒸気管９、液管１０より構成される真空容器内に封
入された作動液である。

【０００７】次いで、第３の従来装置の動作について説
明する。蒸発管５が高温側の流体により加熱されると、
蒸発管５内の作動液１１が沸騰・気化し、高温側の流体
から潜熱を奪い蒸気となる。この作動液１１の蒸気は高
温側の蒸発管５と低温側の凝縮管６の圧力差により蒸発
管５から蒸気管９を通って凝縮管６へ移動する。凝縮管
６へ移動した作動液１１の蒸気は低温側の流体により凝
縮管６の内壁で凝縮・液化し、低温側の流体へ潜熱を放
出する。凝縮管６にて液化した作動液１１は重力の作用
により凝縮管６から液管１０を通って蒸発管５へ還流す
る。ところで，蒸発管５、凝縮管６およびそれをつなぐ
蒸気管９、液管１０から構成される真空容器の内部は真
空状態で作動液１１を封入しているため、蒸発管５の温
度が凝縮管６の温度に僅かな温度差がつくと、何ら動力
を必要とせず前述の作動液１１の還流を生じ、高温側の
蒸発管５から凝縮管６へ効率良く熱を輸送する。蒸発管
５と凝縮管６を完全に分離できる特長を生かして、排熱
回収等の熱交換用途、電力機器の冷却などに応用されて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
第１の従来の熱交換装置では、真空容器１内において作
動液３の蒸気の流れは下部１ａから上部１ｂへ、作動液
３の液体３ｂの流れは上部１ｂから下部１ａへと対向流
となるため、蒸気の流れは液の帰還を妨げる方向とな
る。したがって、熱輸送量が増加して蒸気量が増える
と、ついには真空容器１の上部１ｂで凝縮した液体３ｂ
が真空容器１の下部１ａへ戻れなくなり、熱輸送量に限
界を生じる。

【０００９】また、第２の従来の熱交換装置では、第１
の熱交換装置の上述の問題点を幾分改善しうるものであ
り、毛細管作用を発揮するウイック４の毛細管力により
作動液３の液体３ｂの真空容器１の上部１ｂから下部１
ａへの帰還を促進できる。しかし、この場合も、蒸気流
と液流の間の剪断力が重力と毛細管力による液戻りの推
進力よりも大きくなるとやはり真空容器１の上部１ｂで
凝縮した作動液３の液体３ｂが下部１ａへ戻れなくな
り、熱輸送量の限界を生じる。

【００１０】さらに、第３の従来の熱交換装置では、上
記第１の熱交換装置と第２の熱交換装置の問題点を解決
するものであり、蒸気流と液流がループを形成している
ため上記のような熱輸送量の限界は生じず、蒸気流が音
速となる限界まで熱輸送量を増加することができる。し
かし、第３の従来の熱交換装置の場合、蒸発管５から凝
縮管６へ蒸気を輸送するための蒸気管９と、凝縮管６か
ら蒸気管５へ凝縮液化した作動液１１を輸送する液管１
０が不可欠であるが、蒸気管９は蒸気を輸送するため圧
力損失を小さくするために太い管を使う必要があり、熱
交換装置が大きくなるという問題点があった。

【００１１】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、大量の熱輸送能力を有する小
形な熱交換装置を得ることを目的する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる熱交換
装置は、上端が開口された蒸発管の上部を覆いかぶせて
囲繞するように凝縮管を配設し、凝縮管の下部開口端か
ら蒸発管の下部に配設した液溜めヘッダを連通管で接続
し、これら蒸発管、凝縮管、液溜めヘッダ、連通管から
構成される容器内に作動液を封入したものである。

【００１３】また、上端が開口され上部が下部よりも細
径の蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するように凝縮管
を配設し、凝縮管の下部開口端から蒸発管の下部に配設
した液溜めヘッダを連通管で接続し、これら蒸発管、凝
縮管、液溜めヘッダ、連通管から構成される容器内に作
動液を封入したものである。

【００１４】また、蒸発管の内面に作動液の核沸騰を促
進させる核沸騰促進部材を設けたものである。

【００１５】

【作用】この発明における熱交換装置は、上端が開口さ
れた蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するように凝縮管
を配設したことにより、凝縮管内の蒸気の流れと液の流
れの相対する流れを分離でき、蒸気と液の間で剪断力が
生じない。また、連通管により凝縮管下部の開口部から
蒸発管下部の液溜めヘッダへ作動液を戻す。

【００１６】また、上端が開口され上部が下部よりも細
径の蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するように凝縮管
を配設したことにより、凝縮管内の蒸気の流れと液の流
れの相対する流れを分離でき、蒸気と液の間で剪断力が
生じない。また、連通管により凝縮管下部の開口部から
蒸発管下部の液溜めヘッダへ作動液を戻す。さらに、蒸
発管の上部を下部よりも細径にしたことにより、装置自
体の重量を軽減する。

【００１７】また、蒸発管の内面に作動液の核沸騰を促
進させる核沸騰促進部材を設けたことにより、蒸発管内
の作動液の核沸騰が促進され、熱輸送効率がより一層向
上する。

【００１８】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例１を図１に基づいて
説明する。図１において、１２は上端に開口１２ｃが形
成され、下部１２ａが図示しない高温側の流体と接触す
ると共に上部１２ｂが図示しない低温側の流体領域に配
設された蒸発管であり、例えば複数設けられている。１
３はこの蒸発管１２よりも大径を成し下端に開口部１３
ａが形成され、蒸発管１２の上部１２ｂを覆いかぶせて
囲繞すると共に蒸発管１２の外周面との間が所定の間隔
を置いて配設され，図示しない低温側の流体と接触する
凝縮管であり、凝縮管１３の上部の閉塞部１３ｂは蒸発
管１２の開口１２ｃと所定の間隔を置いて配置されてい
る。１４は蒸発管１２の下端部と連通して配設された液
溜めヘッダ、１５は凝縮管１３の下端の開口部１３ａと
液溜めヘッダ１４を連結する連通管、１６は蒸発管１２
の下部１２ａに設けられ、表面積を拡大するフィン、１
７は凝縮管１３に設けられ、表面積を拡大するフィン、
１８は蒸発管１２、凝縮管１３、液溜めヘッダ１４、連
通管１５より構成される真空容器に封入された作動液で
ある。

【００１９】次に動作について説明する。蒸発管１２の
下部１２ａが図示しない高温側の流体により加熱される
と、蒸発管１２の下部１２ａ内部の作動液１８は高温の
流体から潜熱を受けて沸騰・気化する。沸騰して蒸気と
なった作動液１８は波線の矢印で示すように蒸発管１２
の下部１２ａから蒸発管１２の上部１２ｂへ上昇し、や
がて、蒸発管１２の上端の開口１２ｃを経て、凝縮管１
３の内壁と蒸発管１２の外壁との間隙内へ移動する。凝
縮管１３の内壁と蒸発管１２の外壁との間隙内へ移動し
た蒸気状態の作動液１８は高温の流体よりも温度の低い
図示しない低温の流体へ潜熱を与えて凝縮・液化する。
凝縮管１３の内壁で液化した作動液１８は実線の矢印で
示すように凝縮管１３の下部の開口部１３ａから連通管
１５を通って蒸発管１２の下部１２ａに連通して配設さ
れた液溜めヘッダ１４内へ還流する。ところで、容器内
部は真空状態で作動液１８を封入しているため、高温側
の流体と低温側の流体との間に僅かな温度差があると、
容器内部の作動液１８は、上記蒸発・凝縮を繰り返し、
作動液１８は容器内部を何ら動力を要せず自然的に還流
して、蒸発管１２の下部１２ａから凝縮管１３へ効率良
く熱を輸送する。

【００２０】また、開口１２ｃを有する蒸発管１２の上
部を囲繞するように凝縮管１３を配設して凝縮管１３の
内壁と蒸発管１２の外壁との間隙を凝縮液化した作動液
１８の通路としたことにより、蒸発管１２内を上昇する
作動液１８の蒸気の流れと、凝縮管１３の内壁で凝縮液
化して凝縮管１３の内壁を伝って下降する作動液１８の
流れは完全に分離できるため、熱輸送量が増加して蒸気
量が増えても液の還流を妨げることがないので蒸気流が
音速となる限界まで熱輸送量を増加でき、上述した第１
の従来例や第２の従来例のように蒸気流が液の還流を妨
げることによる熱輸送量の限界は生じない。

【００２１】また、連通管１５は液を輸送するための管
であるので細い管であって差し支えない。したがって、
上述した第３の従来例のように蒸気を輸送するための太
い蒸気管を必要とせず、熱交換装置が大きくなるという
問題がない。むしろ、熱輸送量の限界が高いので蒸発
管、凝縮管の管径を小さくすることにより、熱交換装置
自体を小形化することが可能である。

【００２２】また、凝縮管１３の内壁の液膜厚さが薄い
ほど凝縮熱伝達特性が良くなることはよく知られている
が、この発明の熱交換装置の場合、凝縮管１３の内壁の
液の流れ方向が重力の働く方向と同じ下降方向であり、
しかも、蒸発管１２の上端の開口１２ｃから凝縮管１３
へ下降する蒸気の流れが液の下降を促進し液膜を薄くす
る作用をもたらすため、優れた凝縮熱伝達特性が得られ
るという効果も得られる。

【００２３】また、核沸騰状態では蒸発熱伝達は熱流束
が大きいほど良く、また、膜状凝縮状態では凝縮熱伝達
は熱流束が小さいほど良くなるが、この発明の熱交換装
置の場合、蒸発管１２よりも凝縮管１３を大径にしてい
るので、蒸発管１２で熱流束が大きく、凝縮管１３で熱
流束が小さくなり、蒸発熱伝達特性、凝縮熱伝達特性と
も優れた熱交換装置が得られる。

【００２４】実施例２．また、上記実施例１では凝縮管
１３の下部の開口部１３ａと蒸発管１２の下部１２に連
通して配設された液溜めヘッダ１４を１本の連通管１５
で連結したものを示しているが、複数の連通管１５を設
けても良く、例えば、図２に示すように２本の連通管１
５を設けた場合、熱交換装置本体が右に傾いた場合、凝
縮管１３の作動液１８は凝縮管１３の下部の開口部１３
ａから右側の連通管１５を通って蒸発管１２の下部の液
溜めヘッダ１４に還流する。また、逆に、熱交換装置本
体が左に傾いた場合、凝縮管１３の作動液１８は左側の
連通管１５を通って液溜めヘッダ１４に還流する。した
がって、車輌等に搭載される熱交換装置のように前後左
右に傾斜する熱交換器に対しても、作動液１８の還流に
ついて何等の問題もなく使用することができる。

【００２５】実施例３．この発明の実施例３を図３に基
づいて説明する。図３において、１４〜１８は上述した
実施例１の構成と同様である。１９は上端に開口１９ｃ
が形成され且つ上部１９ｂが下部１９ａよりも細径に形
成され、下部１９ａが図示しない高温側の流体と接触す
ると共に上部１９ｂが図示しない低温側の流体領域に配
設された蒸発管であり、例えば複数設けられている。２
０はこの蒸発管１９の上部１９ｂより大径を成し下端に
開口２０ａが形成され、蒸発管１９の上部１９ｂを覆い
かぶせて囲繞すると共に蒸発管１９の上部１９ｂの外周
面との間が所定の間隔を置いて配設され、図示しない低
温側の流体と接触する凝縮管であり、凝縮管２０の上部
の閉塞部２０ｂは蒸発管１９の開口１９ｃと所定の間隔
を置いて配置されている。

【００２６】次に動作について説明する。蒸発管１９の
下部１９ａが図示しない高温側の流体により加熱される
と、蒸発管１９の下部１９ａ内部の作動液１８は高温の
流体から潜熱を受けて沸騰・気化する。沸騰して蒸気と
なった作動液１８は波線の矢印で示すように蒸発管１９
の下部１９ａから細径の蒸発管１９の上部１９ｂへ上昇
し、やがて、蒸発管１９の上端の開口１９ｃを経て、凝
縮管２０の内壁と蒸発管１９の外壁との間隙内へ移動す
る。凝縮管２０の内壁と蒸発管１９の外壁との間隙内へ
移動した蒸気状態の作動液１８は高温の流体よりも温度
の低い図示しない低温の流体へ潜熱を与えて凝縮・液化
する。凝縮管２０の内壁で液化した作動液１８は、実線
の矢印で示すように凝縮管２０の下部の開口部２０ａか
ら連通管１５を通って蒸発管１９の下部１９ａに連通し
て配設された液溜めヘッダ１４内へ還流する。ところ
で、容器内部は真空状態で作動液１８を封入しているた
め、高温側の流体と低温側の流体との間に僅かな温度差
があると、容器内部の作動液１８は、上記蒸発・凝縮を
繰り返し、作動液１８は容器内部を何ら動力を要せず自
然的に還流して、蒸発管１９の下部１９ａから凝縮管２
０へ効率良く熱を輸送する。

【００２７】また、この実施例３においても上述した実
施例２と同様の効果を奏することは勿論のことである。
この実施例３は、さらに、蒸発管１９の上部１９ｂがそ
の下部１９ａよりも細径に形成したことにより、熱交換
装置自体の重量を小さくできる効果を奏する。また、蒸
発管１９の上部１９ｂは圧力がかからないので、蒸発管
１９の上部１９ｂの肉厚をその下部１９ａの肉厚よりも
薄くしてもよく、より一層の重量の低減が図れる。

【００２８】実施例４．また、上記実施例３では凝縮管
２０の下部の開口部２０ａと蒸発管１９の下部に連通し
て配設された液溜めヘッダ１４を１本の連通管１５で連
結したものを示しているが、複数の連通管１５を設けて
も良く、例えば、図４に示すように２本の連通管１５を
設けた場合５おいて、熱交換装置本体が右に傾いた場
合、凝縮管２０の作動液１８は凝縮管２０の下部の開口
部２０ａから右側の連通管１５を通って蒸発管１９の下
部の液溜めヘッダ１４に還流する。また、逆に、熱交換
装置本体が左に傾いた場合、凝縮管２０の作動液１８は
左側の連通管１５を通って液溜めヘッダ１４に還流す
る。したがって、車輌等に搭載される熱交換装置のよう
に前後左右に傾斜する熱交換装置に対しても、作動液１
８の還流について何等の問題もなく使用することができ
る。

【００２９】実施例５．また、この発明の実施例５を図
５に基づいて説明する。蒸発管、凝縮管の本数について
も制約がなく、１本であっても図５に示すように縦、横
に密に並べても良い。図５において、凝縮管１３の下部
の開口部を一旦中間ヘッダ１４ａに連結して中間ヘッダ
１４ａに作動液１８を溜た後、中間ヘッダ１４ａから連
通管１５を通して蒸発管下部の液溜めヘッダ１４へ作動
液１８を還流させるようにしても良い。この場合、中間
ヘッダは高温流体と低温流体を分離する仕切りの役割を
兼ね備えたものとしても良い。また、この実施例５は上
述した各実施例に適用できることは言うまでもない。

【００３０】実施例６．また、実施例６を示す図６、図
７のように、蒸発管１２の下部１２ａ、蒸発管１９の下
部１９ａのそれぞれの内面に円周溝や縦溝等の核沸騰を
促進する核沸騰促進部材２１、２２を設け、蒸発管１
２、１９内の作動液１８の核沸騰が促進され、熱輸送効
率がより一層向上し、蒸発熱伝達のより優れた熱交換装
置を得ることができる。また、蒸発管１２、１９の下部
１２ａ、１９ａ内に金網状体を巻着したものを配置して
核沸騰促進部材２１、２２を構成してもよく、上記実施
例６と同様の効果を奏する。

【００３１】実施例７．また、凝縮管１３、２０のそれ
ぞれの内面に円周溝や縦溝等の伝熱面拡大部材を設けて
も良く、凝縮熱伝達のより優れた熱交換装置を得ること
ができる。

【００３２】実施例８．また、高温流体と低温流体の組
み合わせは何であっても良く、例えば高温空気−低温空
気として、筐体等冷却用の熱交換装置として使用しても
良く、あるいは高温流体を油、低温流体を水、空気など
を用いて油冷却用の熱交換装置として使用してもよく、
上記各実施例と同様の効果を奏する。

【００３３】実施例９．また、高い熱輸送能力を有する
小形な熱交換装置とすることができるので、自動車のエ
ンジンオイル冷却用の熱交換装置として狭いエンジンル
ームにおさめることも可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、上端
が開口された蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するよう
に凝縮管を配設したことにより、凝縮管内の蒸気の流れ
と液の流れの相対する流れを分離でき、蒸気と液の間で
剪断力が生じないので、熱輸送量の限界が著しく高く、
しかも熱特性の優れた熱交換装置が得られるという効果
がある。

【００３５】また、上端が開口され上部が下部よりも細
径の蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するように凝縮管
を配設したことにより、凝縮管内の蒸気の流れと液の流
れの相対する流れを分離でき、蒸気と液の間で剪断力が
生じないいので、熱輸送量の限界が著しく高く、しかも
熱特性の優れた熱交換装置が得られると共に、さらに蒸
発管の上部を下部よりも細径にしたことにより、装置自
体の重量を軽減することができる。

【００３６】また、蒸発管の内面に作動液の核沸騰を促
進させる核沸騰促進部材を設けたことにより、蒸発管内
の作動液の核沸騰が促進され、熱輸送効率がより一層向
上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例２を示す断面図である。

【図３】この発明の実施例３を示す断面図である。

【図４】この発明の実施例４を示す断面図である。

【図５】この発明の実施例５を示す断面図である。

【図６】この発明の実施例６を示す断面図である。

【図７】この発明の実施例６を示す断面図である。

【図８】第１の従来の熱交換装置を示す断面図である。

【図９】第２の従来の熱交換装置を示す断面図である。

【図１０】第３の従来の熱交換装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１２ 蒸発管 １３ 凝縮管 １４ 液溜めヘッダ １５ 連通管 １８ 作動液 １９ 蒸発管 ２０ 凝縮管 ２１ 核沸騰促進部材 ２２ 核沸騰促進部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端が開口された蒸発管、上記蒸発管よ
   り大径を成し下端が開口され上記蒸発管の上部を覆いか
   ぶせて囲繞するよう配設された凝縮管、上記蒸発管の下
   端部と連通して配設された液溜めヘッダ、上記凝縮管の
   下端開口部と上記液溜めヘッダとに連通された連通管を
   備え、上記蒸発管、凝縮管、液溜めヘッダ、連通管より
   形成される容器内に作動液を封入したことを特徴とする
   熱交換装置。
2. 【請求項２】 上端が開口され上部が下部よりも細径の
   蒸発管、上記蒸発管の上部より大径を成し下端が開口さ
   れ上記蒸発管の上部を覆いかぶせて囲繞するように配設
   された凝縮管、上記蒸発管の下端部と連通して配設され
   た液溜めヘッダ、上記凝縮管の下端開口部と上記液溜め
   ヘッダとに連通された連通管を備え、上記蒸発管、凝縮
   管、液溜めヘッダ、連通管より形成される容器内に作動
   液を封入したことを特徴とする熱交換装置。
3. 【請求項３】 蒸発管の内面に設けられ、作動液の核沸
   騰を促進させる核沸騰促進部材を設けたことを特徴とす
   る請求項第１項または請求項第２項記載の熱交換装置。