JPH0599580A - ル―プ形ヒ―トパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極低温領域においてル―プ形ヒ―トパイプの
動作に適当な量の作動媒体を封入すると共にパイプ中の
不純物を除去し、極低温機器の冷却または保冷に良好な
特性を有するル―プ形ヒートパイプを実現する。 【構成】 閉ループ状に接続した細管によって形成され
るコンテナ（６）の途中に逆止弁（７）を設け、内部を
作動媒体が一方向に循環して受熱部（４）から放熱部
（５）に熱を運搬するループ形ヒートパイプにおいて、
コンテナ（６）の長手方向に近接した２箇所からコンテ
ナ（６）外に引出す入口および出口の２本のバルブ（1
4）付き導管（９），（10）を分岐し、前記２本の導管
（９），（10）の中間にあたるコンテナ部にも逆止弁
（7a）を設置し、前記導管の途中にヒートシンクを設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温機器において構
成部品の冷却または保冷に用いる熱伝達手段として好適
なヒートパイプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の直線形ヒートパイプの一例を図６
に示す。ヒートハイプは概ね、両端を閉じた直線状コン
テナ（１）内に少量の作動液（２）が封入され、管壁内
側にウイック（３）が装着された構成になっている。こ
のコンテナ（１）の一端を加熱し、他の一端を冷却する
と、矢印で示すように、受熱部（４）では作動液（２）
が蒸発して潜熱を奪い、蒸気（2a）は中空状の管内を受
熱部（４）から放熱部に向かって移動し、放熱部（５）
では蒸気が凝集して潜熱を放出する。凝集した作動液
は、ウイック（３）に浸潤し、毛細管現象によって再び
受熱部（４）に移動し、コンテナ（１）内を循環する。
以上の様に作動媒体が同一管内の空間と管壁を往復する
ことによって、熱の輸送が行なわれる。常温での作動媒
体は、主に水または各種フロンガスである。

【０００３】しかし、極低温では作動媒体として使用可
能な液体窒素や液体ヘリウムの表面張力が一般の作動媒
体に比べてはるかに小さいため、ウイックの毛細管現象
による作動媒体の循環が十分ではない。液体窒素等を作
動媒体とした従来形ヒートパイプも発表されているが、
作動条件の制約、特に姿勢制限が大きく、熱輸送量もあ
まり大きくないため、広く実用化されるには至っていな
い。そのため、現在のところ極低温機器の冷却は、伝
熱、冷却配管を使っての極低温冷媒の圧送、もしくは冷
媒中への浸漬によって行なうのが一般的である。

【０００４】従来の直線形ヒートパイプの持ついくつか
の欠点を改善するものとして、特開昭63−318493号公報
に示されたループ形細管ヒートパイプがある。図７にそ
れを示す。このヒートパイプは閉ループ状に接続された
細管によって形成されるループ状コンテナ（６）の途中
に受熱部（４）と、放熱部（５）をはさんで幾つかの流
れ方向規制手段である逆止弁（７）を設置した構造のも
ので、動作が従来の直線形ヒートパイプとは全く異な
り、作動媒体（８）がル―プ状コンテナ内を一方向に循
環して熱を輸送するようになっている。そのため、従来
の直線形ヒートパイプに比べ姿勢制限が緩和され、形状
の自由度も向上するほか、ドライアウトが起こりにくく
なっている。また、基本的に、ヒートパイプ動作は作動
媒体の表面張力によらないので、液体窒素や液体ヘリウ
ムといった極低温冷媒の使用にも適している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このル―プ形
のヒートパイプの欠点としては、以下の点が挙げられ
る。

【０００６】（ａ） 常温付近での作動媒体としてよく
用いられているフレオンガス等は圧縮することにより常
温でも容易に液化し、ループ内に所定量を封入できるの
に対して、極低温用の作動媒体の窒素、ヘリウム等のガ
スは、臨界温度（各々126 Ｋ、5.6 Ｋ）以上では液化し
ない。そのため、例えば窒素の場合、常温における気体
の体積は液体状態の600 倍以上にもなるため、動作に必
要な量の作動媒体を室温でヒートパイプ内だけに貯蔵し
ておくには非常に高圧で封入しておく必要があり、技術
的に困難である。

【０００７】（ｂ） 常温でのヒートパイプの封じ切り
が困難である以上、低温に冷却してから作動媒体を封入
できるよう、極低温部から常温部に封入用の導管を引き
出しておくことが考えられる。しかし、その場合、導管
を通して極低温部への熱侵入が問題となる恐れがある。

【０００８】本発明はこのループ形ヒートパイプを極低
温用として改良したもので、極低温領域においてル―プ
形ヒ―トパイプの動作に適当な量の作動媒体を封入する
と共にパイプ中の不純物を除去し、極低温機器の冷却ま
たは保冷に良好な特性を有するル―プ形ヒートパイプを
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、閉ループ状に接続した細管によ
って形成されるコンテナの途中に逆止弁を設け、内部を
作動媒体が一方向に循環して受熱部から放熱部に熱を運
搬するループ形ヒートパイプにおいて、コンテナの長手
方向に近接した２箇所からコンテナ外に引出す入口およ
び出口の２本のバルブ付き導管を分岐し、前記２本の導
管の中間にあたるコンテナ部にも逆止弁を設置し、前記
導管の途中にヒートシンクを設ける。

【００１０】

【作用】本発明のループ形ヒートパイプは、閉ループ状
に両端を接続された細管によって形成されるコンテナの
途中に流れ方向規制手段である逆止弁が設けられ、内部
を作動媒体が一方向に循環して受熱部から放熱部に熱を
運搬するが、常温部から極低温にあるコンテナに作動媒
体を封入する必要から、コンテナから分岐した導管を常
温部に引き出す構造になっている。そして、導管の途中
にヒートシンクを設けることにより、常温部から極低温
部へ導管の熱伝導によって侵入する熱を低減することが
出来る。また、作動媒体封入に際して、不純物である空
気や水分などをコンテナから追い出し、作動媒体で置換
する必要があるが、コンテナの長手方向に近接した位置
から２本の導管を分岐し、その間に逆止弁を設ける構造
であるので、導管の一方をコンテナへのガスの入口に、
他方を出口にすることが出来るので、真空排気装置など
を使用しなくても置換が完全に行える。

【００１１】また、本発明によるヒートパイプの使用で
は、バルブの開閉によりのコンテナ内の作動媒体量を調
整できるから、冷却能力の自己調整により作動媒体使用
量の最適化が図られ、作動媒体の流量不足、過剰などの
現象が殆ど起こらない。また、コンテナ内部の作動媒体
の純度を管理することにより水や、炭酸ガス等コンテナ
中で凝結して作動を阻害する不純物は除去出来るので配
管の途中で詰まることもない。

【００１２】

【実施例】

（第１実施例）図１に本発明の第１実施例を示す。閉ル
ープ状に接続された細管によって形成されるコンテナ
（６）の途中に複数の逆止弁（流れ方向規制手段）
（７）を設けたループ形細管ヒートパイプにおいて、コ
ンテナ（６）から分岐する２本の導管（９）、（10）が
真空断熱空間（11）から常温部間（12）に真空断熱容器
壁（13）を気密に貫通して引き出され、端部はバルブ
（14）によって開閉可能になっている。この入口および
出口の導管（９）、（10）の途中、極低温部であるヒー
トパイプのコンテナ（６）の常温部である真空断熱容器
壁（１３）との中間にヒートシンク（15）が設置されて
いる。また、２本の導管（９）、（10）は近接した位置
でコンテナ（６）から引き出され、その中間にあたる部
分には逆止弁（7a）が設置されている。

【００１３】ループ形ヒートパイプを極低温で用いよう
とする場合、常温で所定量の作動媒体を封入し、コンテ
ナを密封するには相当の困難がある。従って、作動媒体
はコンテナの一部を予め極低温にしておき、液化しなが
らコンテナ内に封入するという手段をとる必要がある
が、極低温部と常温部の間の温度差は例えば低温部に液
体窒素温度を選択したとすると200 Ｋ以上にもなり、細
い導管を用いても熱侵入が問題となる恐れがある。そこ
で、導管の途中に極低温部に近い温度のヒートシンクを
設置すれば図１の矢印の方向に作動媒体が流れてこの問
題を解決できる。また、このヒートシンクの温度が作動
媒体の液体温度より低ければ、液化した作動媒体をコン
テナに送り込むことが出来る。

【００１４】発明者は、外径１mm、内径0.5 mmの銅パイ
プで、１ループ中で受熱部（４）を５箇所、放熱部
（５）を５箇所、両者の間隔180 mmの往復型コンテナ
（一つのループ中で放熱部、受熱部が交互に並んだ構
造）を試作し、窒素を作動媒体とし、バルブ（14）を操
作して性能試験を行ない、以下のような結果を得てい
る。

【００１５】１） 伝熱とは有意な差がみられ、ヒート
パイプ動作が確認された。

【００１６】２） コンテナ内に所定量の作動液が溜る
とヒートパイプ動作が始まる。

【００１７】３） コンテナ内が全て作動液で満たされ
るとヒートパィプ動作は停止する。

【００１８】図２に実験結果の一例を示す。この実験は
受熱部（４）にあたる銅ブロックを０℃（273 Ｋ）迄加
熱した後、放熱部（５）を液体窒素温度（77.4Ｋ）とし
て受熱部（４）冷却時の温度変化を測定したものであ
る。図中（16）はヒートパイプを停止させた場合で伝熱
による冷却を示し、（17）はヒートパイプを作動させた
場合である。

【００１９】（第２実施例）図３はループ形細管の極低
温用ヒートパイプを極低温機器の熱シールドに適用した
ものである。ここでは極低温機器の例として一般的な超
電導磁石と真空断熱容器（クライオスタット）を取り上
げる。

【００２０】現在、酸化物高温超電導材料による超電導
磁石はまだ実用に供されていないため、一般に超電導磁
石（18）は温度4.2 Ｋの液体ヘリウム（19）によって冷
却する必要がある。超電導磁石（18）及び液体ヘリウム
容器（20）への装置の周囲の常温空間（12）からの対流
及び伝導による熱侵入を防ぐためには、真空断熱容器
（クライオスタット）（21）を使用するが、それでもな
お輻射による熱侵入が残されている。それを低減するた
め、通常は、液体ヘリウム容器（20）の周囲に液体窒素
温度（77.4Ｋ）まで冷却したシールド板（22）を置く。
輻射熱は絶対温度の４乗に比例するため、液体ヘリウム
容器（20）への液体窒素温度からの輻射による熱侵入は
常温からのそれに比べて大幅に少なくなる。従来の例で
は図８の如く、液体窒素タンク（23）から送出された液
体窒素は冷却配管（24）を巡った後、排出口（25）から
大気中に放出されていた。液体窒素の流量は絞り弁（2
6）と液体窒素タンク（23）の送出圧力によって調整さ
れているが、熱負荷の変動に対応するのは難しいうえ、
液体窒素の消費量が過大になる傾向がある。

【００２１】図３では従来の様な循環後の冷媒を放出す
るだけの冷却構造に代わってループ形細管からなるコン
テナ（６）を有するル―プ形ヒートパイプ（27）（以下
ヒートパイプとする）を適用したもので、ヒートパイプ
の放熱部は液体窒素溜（28）中に露出し、シールド板
（22）を冷却している。また、コンテナから分岐した導
体（９），（10）は液体窒素溜（28）をヒートシンク
（15）として利用する構造となっている。こうすること
によって、真空断熱容器（21）外の常温空間（12）から
導管（９），（10）を通じて侵入する熱をほぼ完全に遮
断できる。熱負荷に変動があった場合も速やかに対応で
きるとともに、液体窒素（31）の消費量も必要最低限に
抑えられるので、特に長時間の保冷などでは液体窒素
（31）の消費が少なくてすむ利点がある。なお図３中で
コンテナの逆止弁は図示を省略してあり、便宜上コンテ
ナのループは一つだけを示しているが、これが複数個配
置されていても何等差し支えはなく、また、一つのルー
プ中に受熱部、放熱部が何箇所か配置された構造であっ
てもよい。

【００２２】（第３実施例）図４はループ形ヒートパイ
プを冷凍機に直結して極低温機器の冷却及び熱シールド
として使用した例である。

【００２３】従来例ではシールド板（22）等の冷却を伝
熱によって行なっていた大形の機器、例えば核磁気共鳴
画像診断装置（ＭＲＩ装置）などでは全体を完全に冷却
するのに約１週間を要している。しかし、極低温用ルー
プ形細管の極低温用コンテナ（27）を図のように冷凍機
（33）のコールドヘッド（34）に直結して、シールド板
（22）に沿って設置することにより、シールド板（22）
の冷却に要する時間を従来例に比べ大幅に短縮できる。
図では極低温用コンテナ（27）を短ループで多数設置す
る形式を採っているが、これはソレノイド巻きであって
もよい。なお、図４では逆止弁、ヒートシンク及び出入
口導管等は図示を省略している。

【００２４】（第４実施例）図５は熱負荷の変動が大き
い機器の一例として磁気浮上列車の熱シールド板にルー
プ形細管の極低温用コンテナ（27）を適用した例を示し
ている。磁気浮上列車の超電導磁石（18）及び真空断熱
容器（21）は走行に伴う機械的な振動に加えて、推進、
浮上コイルからの電磁気的な擾乱を受ける。特に外部磁
場の変動によるシールド板（22）での渦電流の発生は、
超電導磁石（18）への熱侵入を増加させ、走行状態によ
ってその量も変動する。このような熱負荷に対応するに
は極低温ヒートパイプの特性は最適であり、また、コン
テナの材質を選択することにより、構造上脆弱によりや
すいシールド板（22）の補強を兼ねることもできる。な
お、図５ではコンテナの逆止弁、ヒートシンク、出入口
導管等は図示を省略してある。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ループ形のコンテナを用いたヒートパイプおいて、窒
素、ヘリウム等、極低温で液化する作動媒体をコンテナ
の一部を所定温度以下に冷却することで容易に封入する
ことが出来る。また、作動媒体をコンテナ内に導入する
ための導管の途中にヒートシンクを設けることにより、
常温空間からの熱侵入が低減できる。更に、導管をバル
ブ付きの２本にしてその間のコンテナに逆止弁を設ける
ことにより、コンテナ内のガス置換が容易に、かつ確実
に行なわれるようになり、作動媒体への不純物の混入を
避けることが出来る。

【００２６】かくして、極低温領域において従来にない
良好な特性を持った伝熱手段としてのル―プ形ヒートパ
イプが得られる。このヒートパイプはドライアウトが起
こりにくく、従来と同様に細径・長尺のものが作れ、姿
勢の制約が殆どなく、可塑性があり、直線以外の形状で
も性能に変化がないといった長所を持つ上、極低温にお
いて非常に高い熱伝導性を有するという特長がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のル―プ形ヒートパイプの第１実施例を
示す模式図。

【図２】図１の装置における場合と伝熱のみによる場合
の温度変化を比較して示す曲線図。

【図３】第２実施例として液体窒素冷却した極低温用ヒ
ートパイプを超電導磁石装置に適用した場合を示す縦断
面図。

【図４】第３実施例として冷凍機に直結した極低温用ヒ
ートパイプを超電導磁石装置に適用した場合を示す要部
破断斜視図。

【図５】第４実施例として磁気浮上列車のシールド板に
極低温用ヒートパイプを適用した場合を示す要部破断立
面図。

【図６】従来の直線形ヒートパイプを示す縦断面図。

【図７】従来のループ形ヒートパイプを示す立面図。

【図８】図３の装置を適用する以前の従来の超電導磁石
装置を示す縦断面図。

【符号の説明】

４…受熱部 ５…放熱部 ６，27…コンテナ ７，7a…逆止弁 ９…入口導管 10…出口導管 12…常温部 14…バルブ 15…ヒートシンク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 閉ループ状に接続した細管によって形成
   されるコンテナの途中に逆止弁を設け、内部を作動媒体
   が一方向に循環して受熱部から放熱部に熱を運搬するル
   ープ形ヒートパイプにおいて、コンテナの長手方向に近
   接した２箇所からコンテナ外に引出す入口および出口の
   ２本のバルブ付き導管を分岐し、前記２本の導管の中間
   にあたるコンテナ部にも逆止弁を設置し、前記導管の途
   中にヒートシンクを設けたことを特徴とするル―プ形ヒ
   ートパイプ。