JPH0633972B2

JPH0633972B2 - 毛管ポンプ式伝熱パネルおよびそれを使用した熱管理設備

Info

Publication number: JPH0633972B2
Application number: JP14468986A
Authority: JP
Inventors: エデルスタインフレッド; エイハスレットロバート; エルコーソーンロバート; ハーウェルウィリアム
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1994-05-02
Anticipated expiration: 2009-05-02
Also published as: JPS62299697A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は熱管理設備に係り、特に、ヒートパイプの原理
を応用した二相伝熱設備およびこの設備に使用される毛
管ポンプ式伝熱パネルに関するものである。

「従来の技術およびその問題点」現在の宇宙開発においては、大型かつ長寿命の宇宙設備
が米国スペースシャトルの大きな打ち上げ能力に基づい
て計画されている。これら大型の人工衛星や他の宇宙計
画事業には、種々のサブシステムから熱を集めて放熱器
へ伝達することができる大容量の熱管理設備が要求され
ている。求められる伝熱距離は１０〜３０メートルであ
る。現在の大型伝熱設備の技術は、循環液体回路を基本
としている。これら循環液体回路は重量が重く、かつ、
ピンホール等の傷を受けやすい傾向がある。また、熱効
率（熱伝達係数）が低く、さらに、かなりの大きさのポ
ンプ力を必要とする。現在使用されているポンプの寿命
は半年ないし二年足らずであるから、これらポンプやそ
のバルブが設備の信頼性を低める要因となっている。循
環液体を使用する熱管理設備に固有の多くの問題は、毛
管ポンプ式二相循環設備を使用することにより緩和され
る。熱発生器が取り付けられたパネル内へ流れ込む液体
は熱を吸収して蒸発する。この蒸気は放熱器に搬送され
て放熱し凝縮する。これを循環液体設備と比べると、流
量と液体搬送管のサイズが減少し、熱伝達係数が高ま
り、必要なポンプ力も低減する。

毛管ポンプ式ヒートパイプ設備は、地上用および宇宙空
間用の両方とも従来から良く知られた技術である。具体
的な例をあげれば、Ｊ．Ｔ．ポグソンその他の米国特許
第4,040,478号は、別々の液体搬送管および蒸気搬送管
により互いに連通させられた蒸発器と凝縮器とを有する
ヒートパイプ設備が公知であることを示している。しか
しながら、同特許は、ヒートパイプ設備において効率よ
く液体を循環させるための高い毛管圧を得ることができ
る設備、すなわち、パネル内の液体用溝と蒸気用溝の間
にシート芯を有するパネル構造の器具を持つ設備につい
てはなんら開示していない。

Ｗ．Ｐ．ペックの米国特許第3,803,688号は、液体用毛
管溝と蒸気用空間との間に一枚の「膜状芯」を有するヒ
ートパイプを開示している。しかし、その構成は本発明
のパネルに外見上似てはいるものの、この設備の毛管溝
はこの溝に沿って液体を循環させるためのものであり、
また、膜状芯は本発明のそれのように毛管ポンプ手段と
して作用するのではなく、単に蒸気を逃がす作用を持つ
だけである。加えて、ペックのものとは異なり、本発明
の溝は伝熱面のうちの一部分に設けられるだけであり、
また、溝と残りの伝熱面の両方を覆う多孔質の芯材料
は、伝熱面全体を完全に濡らすために溝を横切る方向に
液体を案内する作用を持つ。蒸発は、多孔質芯材料の露
出面近傍の気−液界面におけるメニスカス、すなわち表
面張力により曲面を形成した液体の表面で起きることに
なる。

「問題点を解決するための手段」本発明は、伝熱回路中に並列に並べられた複数の毛管ポ
ンプ式パネルを有する熱管理設備に関するものである。
各パネルの蒸気通路手段と液体通路手段は芯を介して互
いに連通している。各パネルの蒸気通路手段同士を互い
に連結する専用蒸気管は、これらパネル同士の間で蒸気
を循環させるために設けられている。また、各パネルの
液体通路手段同士を互いに連結する専用液体管は、パネ
ル同士の間で液体を循環させるために設けられるととも
に、この液体管はヒートパイプ作動流体で満たされてい
る。これらパネルは、パネル自身、およびパネルのうち
の少なくとも一枚のパネルに設けられた熱発生器、およ
び少なくとも他の一枚のパネルに設けられた放熱器と伝
熱関係にある器具を有している。従って、複数のパネル
に熱を供給することにより芯から液体が蒸発し、また、
他のパネルから熱を奪うことにより蒸気が凝縮する。こ
の結果、芯の毛管ポンプ作用により液体が循環し、回路
内に広い間隔をおいて並ぶ複数のパネルの間での熱伝導
が可能になる。

本発明の熱管理設備用毛管ポンプ式伝熱パネルは、互い
に密閉状態に重ね合わされた同じ大きさの第１，第２の
板と、第１の板に設けられた蒸気通路手段と、第２の板
に設けられかつシート芯で覆われた液体通路手段と、蒸
気通路手段をパネルの外の蒸気管に連結する手段（出入
口手段）と、液体通路手段をパネルの外の液体管に連結
する手段（出入口手段）とを備え、蒸気通路手段と液体
通路手段とはシート芯を介して互いに連通しており、液
体通路手段とシート芯とはヒートパイプ流体で満たされ
た構成となっている。

本発明の熱管理設備は、可動部分のない伝熱回路が構成
されるよう、ヒートパイプ原理を応用した毛管ポンプ式
パネルを有するものである。この設備において、毛管ポ
ンプ式パネルは、熱発生器支持手段と液体循環ポンプ手
段の両者の役目を果たす。このパネルは循環液体回路内
で吸熱器あるいは放熱器として機能する。層流圧力損失
を低減するために、設備内におけるパネルと放熱器との
連結は各々独立した液体管と蒸気管とによりなされてい
る。

パネルは互いに重ね合わされた同じ大きさの一対の平板
を備えている。一方の平板の合わせ面には液体用溝の網
目が形成され、これら溝およびこの平板の合わせ面の殆
どが、薄くかつ目の細かい孔あきシート芯で覆われてい
る。他方の平板の合わせ面には蒸気用溝の網目が形成さ
れ、二枚の平板は密閉状態に結合されている。液体用溝
と蒸気用溝とはシート芯を介して連通している。各パネ
ルは、その蒸気用溝の網目を蒸気管に連結し、また、液
体用溝の網目を液体管に連結する連結管（出入口手段）
を備えている。複数のパネルが循環液体回路において互
いに並列に連結されるよう、パネルの蒸気用溝の網目は
互いに連結され、また、同じく液体用溝の網目も互いに
連結されている。熱発生器は、好ましくはパネルの一方
の平板（液体用溝が形成される側の平板）上に設けられ
る。こうすることにより、発生した熱がシート芯の表面
から液体を蒸発させる。蒸発した液体は蒸気用溝を通
り、蒸気管を介して放熱器として作用するパネルに送り
込まれる。この放熱器（凝縮器）パネルで蒸気は凝縮さ
れて集められ、熱源（蒸発器）パネル内のシート芯の毛
管作用により液体用溝を介して元のパネルへ戻される。
このようにして液体は回路内を循環する。

「実施例」以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図および第２図は、本発明の毛管ポンプ式パネル10
の構成を詳細に示している。パネル10は同一の大きさを
持つ第１の平板14および第２の平板12を備えている。こ
れら両平板12,14はその間にシート芯16を挾んだ状態で
一体に重ね合わされている。平板12,14は、例えばアル
ミニウムや銅のように適当な熱伝導性を持つどのような
材料からも製造することができる。複数の狭溝（液体用
溝）20で形成された網目18が平板12の合わせ面22に設け
られ、狭溝20および合わせ面22のほとんどを覆うシート
芯に対応するようになっている。広溝（蒸気用溝）26で
形成された網目24が平板14の合わせ面28に設けられてい
る。狭溝20の網目18は適当な連結管または出入口手段29
により液体管30に連通し、また、広溝の網目24は適当な
連結管または出入口手段34により蒸気管32に連通してい
る。シート芯16は適当な薄いヒートパイプ芯材料ならど
んな材料で製造してもよいが、非常に薄いフェルトメタ
ルのシートで、しかも極めて目の細かい材料が好まし
い。パネル10を組み立てる際、狭溝20の網目18はシート
芯16で覆われる。また、平板の合わせ面22,28は互いに
接着されるか、さもなくば、両平板の突き合わせた縁部
38,40に設けた溶着部36により互いに密閉される。シー
ト芯の縁部42は、適切な毛管作用を確保するために、狭
溝および広溝の網目の端部よりも外側に張り出してい
る。

パネル10およびその付帯部分（例えば液体管30、蒸気管
32等）の種々の寸法的設計的指標は、この設備が使用さ
れる環境や温度に左右されるが、一例をあげれば、パネ
ル10の厚さは、および０．５インチ（１３ミリメータ）
であり、狭溝の幅はおよそ０．０６３インチ（１．６ミ
リメータ）、深さはおよそ０．０６３インチ（１．６ミ
リメータ）であり、狭溝の網目18の溝間隔はおよそ０．
５インチ（１３ミリメータ）である。

第３図は、熱管理設備の伝熱回路50に使用されているパ
ネル10を概略的に示している。この図において、斜めの
波線はシート芯16を示し、「Ｌ」は狭溝の網目18を示し、
また、「Ｖ」は広溝の網目24を示している。温度制御を必
要とする熱発生部、例えば器具44,46,48等はパネルの表
面52に設けられている。伝熱回路50を形成するために、
複数のパネル10は液体管30や狭溝網目18や蒸気管32や広
溝網目24とともに並列に並べられている。この回路は放
熱器54と熱交換できる関係に連結されており、他の伝熱
回路58の熱交換器56に連結することも可能である。

前記回路は、パネルの狭溝とシート芯とが飽和状態にな
るまで適当な量のヒートパイプ作動流体、一般的にはフ
レオン、アンモニア、あるいは水（図示せず）等を注入
することにより運転可能な状態となる。そして、この回
路は通常の手順で密閉される。パネルの狭溝20の網目18
により、多孔質金属シートであるシート芯16の液流路は
短縮されている。シート芯は、高い熱流束条件（２ワッ
ト／平方センチメートルより大きい）のもとでの核沸騰
を防ぐために、薄く保持されなければならないから、流
路が短いことが望ましい。また、小断面積流路とシート
芯の低浸透性とは過度の液圧損失につながる。

運転に際しては、例えば熱発生器からパネル10へ熱供給
を行うと、シート芯16の露出面近傍の気−液界面のメニ
スカス、すなわち表面張力により曲面を形成した液体の
表面で液体の蒸発が起きる。蒸発させられた液体は、広
溝網目24を通り、そこから蒸気管32を通って放熱器54に
連結されたパネルへと運ばれる。もし伝熱回路58が吸熱
モードにあれば、蒸気は熱交換器56に連結されたパネル
へと流れる。伝熱回路58が停止させられ、かつ、器具46
が一時的に停止させられてそのパネルが放熱器として作
用するようになされた状態が第３図に示されている。符
号60の矢印で示すように、熱発生器48に連結されたパネ
ルで発生した蒸気は、停止状態の器具46に連結されたパ
ネルと放熱器54のパネルの両方へ流れる。また、器具44
に連結されたパネルで発生した蒸気は放熱器54に連結さ
れたパネルへ流れる。放熱器54と器具46に連結されたパ
ネル内で凝縮された蒸気は各パネル内のシート芯16によ
りくみ上げられ、液体管30を介して熱発生器44,48に連
結されたパネルへ送られ、ここで毛管現象によりパネル
のシート芯に浸透してこれを飽和状態とする。パネルへ
の連続的な熱供給はシート芯の表面で液体の蒸発を引き
起こし、かくして回路内で作動流体が循環する。

なお、第４図は２５メートルの伝熱距離を持つ非常に大
きな宇宙設備のための代表的な熱管理設備の例を概略的
に示したものである。ただし、図中符号Ｑ・Ｌは負荷と
実行長の積である。

以上、最も実用的かつ好ましい実施例を示して説明した
が、本発明のパネルおよび設備は実施例に示したものに
限定されるものではない。また、当業者にとって、蒸気
実施例に設計的変更を加え得ることは自明であり、それ
は本発明の範囲を逸脱するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示し、第１図は一
方の面に器具を搭載した状態の毛管ポンプ式パネルの一
部を断面にした側面図、第２図は毛管ポンプ式パネルの
分解斜視図、第３図は熱管理設備の概略図、第４図は第
３図の熱管理設備の代表例を示す概略図である。 10……毛管ポンプ式パネル、12,14……板、16……芯、1
8……液体通路手段（網目）、20……液体用溝、22,28…
…合わせ面、24……蒸気通路手段（網目）、26……蒸気
用溝、29,34……出入口手段、30……液体管、32……蒸
気管、５０……伝熱回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウィリアムハーウェルアメリカ合衆国ニューヨークコーラムウェッジウッドドライブ 117 (56)参考文献米国特許4040478（ＵＳ，Ａ) 米国特許3803688（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝熱回路（５０）内に並列に配設された複
数の毛管ポンプ式パネル（１０）を備えて成る熱管理設
備であって、前記毛管ポンプ式パネル（１０）は、内部に、芯（１
６）を挟んで対向配置されて密閉空間を形成し、かつ該
芯を介して互いに連通する蒸気通路手段（２４）及び液
体通路手段（１８）を有し、前記伝熱回路（５０）は、前記各パネルの前記蒸気通路
手段相互間に蒸気を循環させるために蒸気通路手段同士
を連結する蒸気管（３２）と、前記各パネルの前記液体
通路手段相互間に液体を循環させるために液体通路手段
同士を連結する液体管（３０）とを備えて成り、前記伝熱回路にはヒートパイプ作動流体が充填されてい
るとともに、各パネルはこれと伝熱関係にある器具を搭
載し、これらの器具のうち少なくとも一つは熱発生器
（４４，４８）であり、かつ、少なくとも他の一つは放
熱器（４６）であり、前記パネルのうちの幾つかに熱を供給することによりそ
れらのパネル内の芯から液体を蒸発させ、かつ、他の幾
つかのパネルから熱を奪うことによりそれらのパネル内
の蒸気を凝縮させ、さらに、芯の毛管ポンプ作用により
液体を循環させ、しかして、広い間隔をおいて前記回路
内に配されたパネル同士の間での熱伝達を行うことを特
徴とする熱管理設備。
【請求項２】前記芯（１６）は、液体通路手段（１８）
の軸方向と交差する方向に液体を吸い出すとともに、完
全に湿潤して上記通路手段（２４）に臨むように等方性
多孔質であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の熱管理設備。
【請求項３】熱管理設備に使用する毛管ポンプ式伝熱パ
ネルであって、互いに密閉状態に重ね合わされた同じ大
きさの第１、第２の板（１４，１２）と、第１の板（１
４）に設けられた蒸気通路手段（２４）と、第２の板
（１２）に設けられて芯（１６）で覆われた液体通路手
段（１８）と、前記蒸気通路手段をパネル外の蒸気管
（３２）に連結する出入口手段と、前記液体通路手段を
パネル外の液体管（３０）に連結する出入口手段とを備
え、前記両通路手段（１８，２４）は芯を介して互いに
連通し、また、前記液体通路手段と芯とはヒートパイプ
作動流体で満たされていることを特徴とする毛管ポンプ
式伝熱パネル。
【請求項４】前記両板（１２，１４）は、平板状をなす
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の毛管ポン
プ式伝熱パネル。
【請求項５】前記蒸気通路手段（２４）は、第１の板
（１４）の合わせ面（２８）に網目状に形成された蒸気
用溝（２６）であり、一方、前記液体通路手段（１８）
は、第２の板（１２）の合わせ面（２２）に網目状に形
成された液体用溝（２０）であることを特徴とする特許
請求の範囲第３項または第４項記載の毛管ポンプ式伝熱
パネル。
【請求項６】前記芯（１６）は、この中を流体が通過す
る際の温度降下が小さく、かつ、高い毛管圧差を有し、
しかも、薄くて目の細かい孔を有するシート状の芯であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第３項〜第５項のい
ずれかの項記載の毛管ポンプ式伝熱パネル。
【請求項７】前記芯（１６）からの液体の蒸発は、この
芯の蒸気通路手段側の表面で起きることを特徴とする特
許請求の範囲第３項〜第６項いずれかの項記載の毛管ポ
ンプ式伝熱パネル。
【請求項８】前記芯（１６）からの液体の蒸発は、この
芯の蒸気通路手段側の気−液境界面の、表面張力により
曲面を形成した液体表面で起きることを特徴とする特許
請求の範囲第３項〜第７項いずれかの項記載の毛管ポン
プ式伝熱パネル。
【請求項９】前記液体通路手段（１８）は、芯（１６）
とほぼ同じ大きさに広がり、液の流路が短縮される結
果、芯を通過する際の圧力低下が抑さえられることを特
徴とする特許請求の範囲第３項〜第８項いずれかの項記
載の毛管ポンプ式伝熱パネル。
【請求項１０】前記芯（１６）は、液体通路手段（１
８）の軸方向と交差する方向に液体を吸い出すととも
に、完全に湿潤して蒸気通路手段（２４）に臨むように
等方性多孔質であることを特徴とする特許請求の範囲第
３項〜第９項いずれかの項記載の毛管ポンプ式伝熱パネ
ル。