JPH0631702B2 - Two-phase fluid loop - Google Patents

Two-phase fluid loop

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JPH0631702B2
JPH0631702B2 JP21514085A JP21514085A JPH0631702B2 JP H0631702 B2 JPH0631702 B2 JP H0631702B2 JP 21514085 A JP21514085 A JP 21514085A JP 21514085 A JP21514085 A JP 21514085A JP H0631702 B2 JPH0631702 B2 JP H0631702B2
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phase
heat
liquid
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main loop
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芳郎 宮崎
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、蒸発と凝縮との相変化を伴う熱力学サイク
ルによって熱輸送する二相流体ループに関する。
Description: TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a two-phase fluid loop for heat transfer by a thermodynamic cycle involving phase changes of evaporation and condensation.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

宇宙ステーション等の熱輸送方式としては、その大熱輸
送能力の要求から液ループが有望である。
As a heat transport method for space stations and the like, a liquid loop is promising because of the requirement for its large heat transport capacity.

しかし、単相流体ループでは、顕熱を利用して熱を輸送
するので、加熱部の温度をせまい温度幅に保持するため
には、大量の作動流体を循環させなければならず、ポン
プ、配管等の大型化が必要となり、重量等の点また、ポ
ンプ動力の点から実用性が小さい。
However, in the single-phase fluid loop, heat is transported by utilizing sensible heat, so a large amount of working fluid must be circulated in order to keep the temperature of the heating section within a narrow temperature range. However, it is not practical in terms of weight and pump power.

そこで、宇宙ステーションのように、少ない動力で大量
の熱を輸送し、加熱部の温度をせまい温度幅に保持しな
ければならない場合には、作動流体の相変化による潜熱
を利用して熱を輸送する二相流体ループが有利と考えら
れている。
Therefore, when it is necessary to transport a large amount of heat with a small amount of power and to keep the temperature of the heating part within a narrow temperature range, such as a space station, heat is transported using latent heat due to the phase change of the working fluid. Two-phase fluid loops are considered advantageous.

すなわち、二相流体ループは潜熱を利用するため、作動
流体の循環量が小さくてすみ、従って、配管、ポンプを
小型・軽量化できる利点があり、循環駆動力も少なくて
すみ、充分実用性のある方式である。この二相液体ルー
プでは、循環流体が電子機器等の発熱部へ液相で送ら
れ、ここで吸熱して蒸気相に変化する。この蒸気相は放
熱部へ送られ、ここで放熱して再び液相に戻される。こ
ような二相の作動流体を駆動する方法としては、例えば
メカニカルポンプを用いる方法、あるいはキャピラリポ
ンプを用いる方法等がある。
In other words, since the two-phase fluid loop uses latent heat, it requires only a small amount of working fluid to be circulated, and therefore has the advantage that the pipes and pumps can be made smaller and lighter, and has a small circulation driving force, which is sufficiently practical. It is a method. In this two-phase liquid loop, the circulating fluid is sent in a liquid phase to a heat generating portion such as an electronic device, where it absorbs heat and changes into a vapor phase. This vapor phase is sent to the heat radiating portion, where it radiates heat and is returned to the liquid phase again. As a method of driving such a two-phase working fluid, for example, there is a method using a mechanical pump, a method using a capillary pump, or the like.

そして、従来メルニカルポンプを用いた二相流体ループ
としては、例えば第5図に示すようなものがある。すな
わち、この二相流体ループは、放熱部としての凝縮部1
01、吸熱部としての蒸発器103,作動流体を駆動す
るためのメルニカルポンプ105及び調整弁107等に
より構成されている。従って、吸熱部としての蒸発器1
03で電子機器等から吸熱して蒸発した蒸気は、管路を
経て放熱部としての凝縮器101に輸送され、ここで熱
を放出して凝縮される。凝縮された液体は、メルニカル
ポンプ105により駆動され還流される。
And, as a two-phase fluid loop using a conventional mechanical pump, there is one as shown in FIG. 5, for example. In other words, this two-phase fluid loop has a condenser part 1 as a heat dissipation part.
01, an evaporator 103 as a heat absorbing portion, a melical pump 105 for driving a working fluid, a regulating valve 107, and the like. Therefore, the evaporator 1 as the heat absorbing section
The vapor that has absorbed and evaporated from the electronic device or the like in 03 is transported to the condenser 101 as a heat radiating portion via the pipe, and releases heat to be condensed therein. The condensed liquid is driven by the mechanical pump 105 to be refluxed.

このように構成された二相流体ループは、小さなポンプ
で大量の熱を遠くまで輸送する能力を持っており、ま
た、ポンプの回転数や調整弁操作による能動的な制御が
可能であり、大きな熱量変動にも対応できるという特徴
がある。しかし、気液二相が共存している流れでは、種
々の流動不安定、あるいは振動現象が起り易い。例えば
蒸発管では流量増加に対する圧力損失が負の領域で流量
が不安定となる逸走型不安定のほか、種々の流動不安定
現象が予想される。また凝縮部においても、例えば、蒸
気が過冷却水に流入する部分では、蒸気の液中凝縮に伴
う振動が発生することが予想される。このように基本的
に不安定な二相流体ループに対し安定した制御を行なう
ことは極めて困難である。さらに宇宙空間のように無重
力場での二相流の特性が不明であるため、二相流体ルー
プの制御は難かしい問題となっている。また、作動流体
のキャビテーション,モータの潤滑及び信頼性にも問題
がある。
The two-phase fluid loop configured in this way has the ability to transport a large amount of heat to a long distance with a small pump, and it can be actively controlled by the number of rotations of the pump and the operation of a regulating valve. It has the feature that it can respond to fluctuations in heat quantity. However, in a flow in which gas-liquid two phases coexist, various flow instabilities or vibration phenomena are likely to occur. For example, in an evaporation tube, various flow instability phenomena are expected in addition to the runaway instability in which the flow rate becomes unstable in the region where the pressure loss with respect to the increase in flow rate is negative. Further, also in the condensing part, for example, in the part where the steam flows into the supercooled water, it is expected that vibration accompanying the submerged condensation of the steam will occur. Thus, it is extremely difficult to perform stable control on the basically unstable two-phase fluid loop. Furthermore, since the characteristics of the two-phase flow in a weightless field such as outer space are unknown, control of the two-phase fluid loop has become a difficult problem. There are also problems with cavitation of working fluid, lubrication of motors, and reliability.

そこで、ヒートパイプと同様に蒸発した液量を毛細管力
により自動的に補う方式の二相流体ループであるキャピ
ラリポンプシステムが開発されている。
Therefore, a capillary pump system, which is a two-phase fluid loop of a type that automatically compensates for the amount of vaporized liquid by a capillary force, similar to a heat pipe has been developed.

このキャピラリポンプシステムとして、例えば第6図に
示すようなものがある。すなわち、このシステムは、吸
熱部としての蒸発部201にキャピラリ201aを設
け、毛細管力により放熱部としての凝縮203の液体を
引き込むものである。
An example of this capillary pump system is shown in FIG. That is, in this system, a capillary 201a is provided in the evaporation section 201 as a heat absorption section, and the liquid of the condensation 203 as a heat dissipation section is drawn in by a capillary force.

このように構成されたキャピラリポンプは、作動流体の
駆動に外部ポンプ動力が不要であることと、蒸発しただ
けの液体が供給されるという自己制御性を有するという
特徴がある。しかし、流体駆動力を毛細管力に頼ってい
るため液体の輸送能力が小さく、大熱量、あるいは遠距
離の熱輸送ができないという問題がある。
The capillary pump configured as described above is characterized in that it requires no external pump power to drive the working fluid, and has a self-controllability that only the vaporized liquid is supplied. However, since the fluid driving force relies on the capillary force, the liquid transport capacity is small, and there is a problem that a large amount of heat or long-distance heat transport cannot be performed.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

この発明は上記従来の問題点に鑑み創案されたもので、
大熱量を遠距離輸送することができ、しかも、宇宙空間
のような無重力場においても安定した制御特性を有する
二相流体ループの提供を目的とする。
This invention was created in view of the above-mentioned conventional problems,
An object of the present invention is to provide a two-phase fluid loop capable of transporting a large amount of heat over a long distance and having stable control characteristics even in a weightless field such as outer space.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

上記目的を達成するために、この発明は、ポンプで液相
の作動流体を循環させるメインループと、メインループ
の高圧側に設けられメインループから液体が供給される
毛細管構造を有する蒸発部と、メインループの低圧側に
設けられメインループに液体を還流する凝縮部と、前記
蒸発部で蒸発した蒸気を前記凝縮部へ輸送するバイパス
とにより二相流体ループを構成した。
In order to achieve the above object, the present invention has a main loop that circulates a liquid-phase working fluid with a pump, and an evaporator having a capillary structure that is provided on the high-pressure side of the main loop and that is supplied with liquid from the main loop. A two-phase fluid loop was constituted by a condensing section provided on the low-pressure side of the main loop for returning liquid to the main loop and a bypass for transporting the vapor evaporated in the evaporating section to the condensing section.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

この発明の構成によれば、メインループの作動流体の駆
動力はポンプにより与えられるので、大熱量を遠距離ま
で輸送することができるとともに、蒸発部で蒸発した液
体の供給は蒸発部の毛細管力によって自己制御的に行な
われるので、制御を容易に行なうことができる。
According to the configuration of the present invention, since the driving force of the working fluid of the main loop is given by the pump, a large amount of heat can be transported to a long distance, and the supply of the liquid evaporated in the evaporating unit can be performed by the capillary force of the evaporating unit. Since the control is performed by the self-control method, the control can be easily performed.

また、蒸気相と液相とが混合して流れる部分がないた
め、宇宙空間のような無重力場においても流動不安定等
の現象を起すことがなく、安定した制御を行なうことが
できる。
Further, since there is no portion where the vapor phase and the liquid phase are mixed and flowing, stable control can be performed without causing phenomena such as flow instability even in a weightless field such as outer space.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、この発明の一実施例を第1図に基づいて説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

第1図は二相流体ループの概略構成図を示し、この二相
流体ループは、宇宙空間へ放熱する放熱部としての凝縮
部1と、電子機器等から吸熱して液相の作動流体を蒸発
させる吸熱部としてし蒸発部3と、作動流体を循環する
メインループ5と、液循環の駆動力を与えるポンプ7
と、バイパス9とを有している。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a two-phase fluid loop. This two-phase fluid loop evaporates a working fluid in a liquid phase by absorbing heat from a condenser section 1 as a heat radiation section that radiates heat to outer space and electronic equipment. A vaporization section 3 as a heat absorption section, a main loop 5 for circulating a working fluid, and a pump 7 for providing a driving force for liquid circulation.
And a bypass 9.

前記蒸発部3はキャピラリ3aを有して毛細管構造をな
し、メインループ5の高圧側5aに接続され、キャピラ
リ3aが高圧側5aの作動流体に接している。また、前
記凝縮部1は同じくキャピラリ1aを有して毛細管構造
をなし、メインループ5の低圧側5bに接続され、キャ
ピラリ1aが低圧側5bの作動流体に接している。そし
て、蒸発部3と凝縮部1とは前記バイパス9により接続
されている。
The evaporation part 3 has a capillary 3a and has a capillary structure, is connected to the high pressure side 5a of the main loop 5, and the capillary 3a is in contact with the working fluid on the high pressure side 5a. The condensing unit 1 also has a capillary 1a and has a capillary structure, is connected to the low-pressure side 5b of the main loop 5, and the capillary 1a is in contact with the working fluid on the low-pressure side 5b. The evaporator 3 and the condenser 1 are connected by the bypass 9.

つぎに、上記一実施例の作用について述べる。Next, the operation of the above embodiment will be described.

メインループ5内の液相の作動流体は、ポンプ7によっ
て駆動力が与えられメインループ5を循環する。
The liquid-phase working fluid in the main loop 5 is given a driving force by the pump 7 and circulates in the main loop 5.

そして、蒸発部3においてキャピラリ3aの毛細管力に
よって高圧側5a内の作動流体が導入される。導入され
た液相としての作動流体は蒸発部3において電子機器等
から吸熱して蒸発する。蒸発部3で蒸発した蒸気相は、
バイパス9を通つて低温の凝縮部1に至る。この凝縮部
1でバイパス9と低圧側5aとの圧力差で蒸気相が凝縮
部1側のキャピラリ1a内に入り込み、放熱凝縮して再
び液相となり、低圧側1aからメインループ5に還流す
る。
Then, in the evaporator 3, the working fluid in the high pressure side 5a is introduced by the capillary force of the capillary 3a. The introduced working fluid as a liquid phase absorbs heat from the electronic device or the like in the evaporator 3 and evaporates. The vapor phase evaporated in the evaporator 3 is
It passes through the bypass 9 and reaches the low temperature condenser section 1. In this condenser 1, the vapor phase enters into the capillary 1a on the condenser 1 side due to the pressure difference between the bypass 9 and the low-pressure side 5a, radiatively condenses and becomes a liquid phase again, and returns from the low-pressure side 1a to the main loop 5.

前記蒸発部3においては、キャピラリ3aによる毛細管
力によって、蒸発した液体と同量の液体をメインループ
5の低圧側5aから取り込む。
In the evaporation section 3, the same amount of liquid as the evaporated liquid is taken in from the low pressure side 5a of the main loop 5 by the capillary force of the capillary 3a.

このときのメインループ5とバイパス9の圧力変位は、
第2図に示す状態となり、上記作動が裏付けられる。
The pressure displacement of the main loop 5 and the bypass 9 at this time is
The state shown in FIG. 2 is obtained, and the above operation is confirmed.

このように、メインループ5の作動流体はポンプ7によ
って駆動力が与えられるため、大熱量を遠距離まで輸送
することができる。
As described above, since the driving fluid is applied to the working fluid in the main loop 5 by the pump 7, a large amount of heat can be transported to a long distance.

また、蒸発部3で蒸発した液体の供給は、キャキャピラ
リ3aの毛細管力によって自己制御的に行われるため、
安定した制御を容易に行なうことができる。
Further, the supply of the liquid evaporated in the evaporation unit 3 is performed in a self-controlled manner by the capillary force of the capillaries 3a.
Stable control can be easily performed.

さらに、液相はメインループ5を循環され、蒸気相はバ
イパス9を流されて、蒸気相と液相とが混合して流れる
部分がないため、宇宙空間のような無重力場においても
流動不安定等の現象を起すことがなく、安定した制御を
行なうこうができる。
Furthermore, since the liquid phase is circulated in the main loop 5 and the vapor phase is caused to flow through the bypass 9, there is no portion where the vapor phase and the liquid phase are mixed, so that the flow is unstable even in a weightless field such as outer space. It is possible to perform stable control without causing such phenomena.

なお、この発明は、二相流体ループのシステムに係るも
のであり、凝縮部1及び蒸発部3の構造,ソインループ
5とバイパス9との連通構造等は任意に構成できるもの
である。例えば、第3図に示すような断面構造を有する
モノグルーブヒートパイプ11を用いて、第4図に示す
ように構成することもできる。すなわち、前記モノグル
ーブヒートパイプ11の液体流路13をメインループ5
に接続して凝縮部1及び蒸発部3を構成し、毛細管構造
をなす軸方向グループ及び周方向グループを備えた蒸気
流路15をバイパス9に連通した構成としてもよい。
The present invention relates to a two-phase fluid loop system, and the structures of the condenser 1 and the evaporator 3, the communication structure between the soin loop 5 and the bypass 9, and the like can be arbitrarily configured. For example, the monogroove heat pipe 11 having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 may be used to form the structure shown in FIG. That is, the liquid flow path 13 of the mono-groove heat pipe 11 is connected to the main loop 5
It may be configured such that the vapor passage 15 having the axial group and the circumferential group forming a capillary structure is connected to the bypass 9 by connecting to the to form the condensing section 1 and the evaporating section 3.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の一実施例に係る二相流体ループの該
略構成図、第2図は第1図の構成による流体ループ各部
の圧力分布模式図、第3図はモノグルーブーヒートパイ
プの断面図、第4図はモノグルーブヒートパイプを用い
た二相流体ループの概略構成図、第5図は従来例による
ポンプ二相流体ループの概略構成図、第6図は従来例に
よるキャピラリポンプシステムの概略構成図である。 (図面の主要部を表わす符号の説明) 1……凝縮部、3……蒸発部 5……メインループ、7……ポンプ 9……バイパス
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a two-phase fluid loop according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic pressure distribution diagram of each portion of the fluid loop according to the configuration of FIG. 1, and FIG. 3 is a monogroove heat pipe. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a two-phase fluid loop using a mono-groove heat pipe, FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a pump two-phase fluid loop according to a conventional example, and FIG. 6 is a capillary pump according to a conventional example. It is a schematic block diagram of a system. (Explanation of the symbols indicating the main parts of the drawing) 1 ... Condensing part, 3 ... Evaporating part 5 ... Main loop, 7 ... Pump 9 ... Bypass

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ポンプで液相の作動流体を循環させるメイ
ンループと、メインループの高圧側に設けられメインル
ープから液体が供給される毛細管構造を有する蒸発部
と、メインループの低圧側に設けられメインループに液
体を還流する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した蒸気を前
記凝縮部へ輸送するバイパスとにより構成したことを特
徴とする二相流体ループ。
1. A main loop for circulating a liquid-phase working fluid by a pump, an evaporator having a capillary structure provided on the high pressure side of the main loop and supplied with liquid from the main loop, and provided on the low pressure side of the main loop. A two-phase fluid loop comprising a condensing part for returning liquid to the main loop and a bypass for transporting vapor evaporated in the evaporating part to the condensing part.
JP21514085A 1985-09-30 1985-09-30 Two-phase fluid loop Expired - Lifetime JPH0631702B2 (en)

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US07/285,311 US4898231A (en) 1985-09-30 1988-11-10 Heat-pipe system and method of and apparatus for controlling a flow rate of a working fluid in a liquid pipe of the heat pipe system

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