JPH09196579A - ヒートパイプを凍結から保護するための可撓性インサート - Google Patents

ヒートパイプを凍結から保護するための可撓性インサート

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JPH09196579A
JPH09196579A JP8356373A JP35637396A JPH09196579A JP H09196579 A JPH09196579 A JP H09196579A JP 8356373 A JP8356373 A JP 8356373A JP 35637396 A JP35637396 A JP 35637396A JP H09196579 A JPH09196579 A JP H09196579A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒートパイプ型の熱交換器内での作動流体の
凍結によるヒートパイプの損傷を防止するための新たな
構造を提供することである。 【解決手段】 作動流体２０の凍結によってヒートパイ
プが損壊しないようにするための可撓性のインサート２
２がヒートパイプ１０の高温側１６に配置される。イン
サート２２には作動流体２０と一般的には同一の液体２
６を少量充填し、インサート２２内の残余の容積部分に
は不活性のガス２８を充填し、インサート２２の内圧は
ヒートパイプ１０の残余の容積部分の圧力よりも高くす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はヒートパイプ型の熱
交換器に関し、詳しくは、ヒートパイプを、内部の作動
流体が凍結した際に破裂しないようにするための構造に
関する。
【０００２】
【従来の技術】ヒートパイプ型の熱交換器は良く知られ
ており、気体や液体を共に加熱及び冷却するために一般
的に使用される。ヒートパイプ型の熱交換器は、作動流
体を内部に収納したヒートパイプ列に高温の流体を通過
させることにより作動される。作動流体が伝熱媒体とし
て作用して熱交換器の高温側から熱を吸収し、吸収した
熱を冷却側に送りそこで冷却させる。冷却側で冷却され
た作動流体は熱交換器の高温側から熱を吸収するために
再度高温側に入り、次いでこのサイクルが反復される。
ヒートパイプ型の熱交換器に関連する大きな問題の１つ
は、熱交換器不作動時に作動流体が凍結することであ
る。作動流体（一般的には水）は、凍結すると膨張して
ヒートパイプを破裂せしめ、熱交換器の或は少なくとも
その一部分の破滅的故障を招く。
【０００３】従来から、この問題に対処するために、以
下に説明する３つの一般的な方法がある。１つは、ヒー
トパイプの壁厚を増大し、凍結する水により加えられる
力に耐えるようにする方法である。しかし、想像できる
ように、そうすると熱交換器の製造コストは著しく増大
する。他の１つは、作動流体の凍結点を、予想される最
低運転温度以下に引き下げるための化学添加物を作動流
体に追加する方法である。残念なことに、そうした化学
添加物はしばしば危険であり、暴露温度或は周囲温度が
補正しようとする凍結点よりもかなり低いある用途では
凍結点を十分に低くすることができない。更には、そう
した化学物質は時間の経過と共に分解し、凍結点を要求
通りに引き下げるための能力が低下する（そうした化学
的分解の進行はヒートパイプが破裂するまでオペレター
には分からない）。しかも、化学物質を作動流体に加え
ると、ヒートパイプの内壁がそうした化学物質でコーテ
ィングされ、その結果、ヒートパイプがガスシールされ
有効性が低下する。化学添加物はヒートパイプの壁面を
腐蝕させるばかりか、逆に作動流体或はこのヒートパイ
プに収納したガスと反応することもある。
【０００４】更に他の１つは、制御された熱源、例えば
電気ヒーターを使用し、ヒートパイプ内の作動流体の温
度をその凍結温度以上に維持することである。そのよう
な外部ヒーターは熱交換器を複雑化するのみならず、風
雨から保護しつつも尚、露呈されたヒートパイプを加熱
できるようにしなくてはならないことから、熱交換器の
コストを著しく増大させる原因となる。しかもそうした
ヒーターは、電力を得られない搬送時、或は停電時（通
例、突然の寒波襲来によって生じる）には作動流体凍結
に対する保護を提供しない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ヒートパイプ型の熱交
換器内の作動流体の凍結によるヒートパイプの損壊を防
止するための新たな構造を提供することであり、電力或
は外部との関わりを持たず、熱交換器組立及び搬送中、
停電時、また、補修或は保守に際しての運転停止時にさ
えも、作動流体の凍結から保護され得るような装置を提
供することであり、ヒートパイプ内部における熱交換を
妨害せず、作動流体の凍結からヒートパイプを保護する
装置を提供することであり、作動流体の凍結からのヒー
トパイプ保護のための能力が長時間失われず且つ低下し
ない前記装置を提供することであり、低コストでしかも
製造及び材料コストの増大を僅かに抑える前記装置を提
供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ヒート
パイプ型の熱交換器の内部等に通常見られる傾斜したヒ
ートパイプを、このヒートパイプに収納した作動流体が
凍結した場合でさえも破裂しないように保護するための
方法が提供される。本方法には、ヒートパイプ内の、作
動流体が常集するところの高温側の、全体的に中央にイ
ンサートを位置付けることが含まれる。インサートは作
動流体に浸漬され、ヒートパイプ内でのこの作動流体の
液面まで或は液面を若干越えて伸延される。インサート
中にはガス／液体の混合物が収納され、このガス／液体
の混合物は非凍結状態の作動流体の圧力（即ち、ヒート
パイプに於ける常圧）よりも大きな圧力とされる。イン
サートは、可撓性を有し且つ損壊せずに変形され得る薄
肉材料或は枕状の箔（foilpillow ）から全体が構成さ
れる。作動流体が凍結しつつ膨張するに従い、膨張する
作動流体からの大きな圧力が結局、このインサートに加
わりインサートが圧縮される。従ってそうした大きな圧
力でヒートパイプが過圧され或は損壊するのが回避され
る。インサートは、その内部に収納したガス／液体の混
合物が更に加圧されることにより圧縮される。圧縮され
たインサートは、作動流体が解凍され、インサート内部
の圧力が作動流体の圧力よりも大きくなると可撓的に原
形に復帰する。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１を参照するに、ヒートパイプ
型の熱交換器１２の内部に通常見られるヒートパイプ１
０の概略側方断面図が示される。通常、こうした熱交換
器１２にはデバイダプレート１４が組み込まれ、高温側
或は吸熱側１６を低温側或は放熱側１８から分離してい
る。例示されるように、ヒートパイプ１０はこれらの高
温側１６と低温側１８とを横断する方向に、高温側１６
から低温側１８に向けて若干傾斜しつつ伸延する。この
傾斜は、作動流体２０（通常は水であるが、メタノー
ル、アンモニアその他としてもよい）を高温側１６に自
然に重力降下或は集合させるために設けられる。この結
果、熱交換器１２が運転されない場合（例えば補修時、
保守時或は製造時）、高温側１６に集合した作動流体２
０は凍結温度に露呈されると凍結する。
【０００８】凍結によってヒートパイプが損壊しないよ
うにするための可撓性のインサート２２が、ヒートパイ
プ１０の高温側１６に配置される。インサート２２は、
ヒートパイプ１０の内部の中央に位置付け、傾斜したヒ
ートパイプ１０内部の、図示されるように集合する作動
流体２０の濡らす長さの範囲に沿って伸延させるのが理
想的である。インサート２２は、作動流体２０の静止液
面位置２４まで或はそれよりも若干高くなるようにする
のが好ましい。図２には、ヒートパイプ１０の内部でそ
うした中央位置に位置決めしたインサート２２が例示さ
れる。図２ではインサート２２は薄肉の、枕状の箔のよ
うなチューブ状のものとして示され、くびれた形状を有
し、また、側部と端部の全てが完全にシールされてい
る。図３には、インサート２２の使用可能なその他の形
状が示される。インサート２２が任意の所望の形状を有
し得、ここに例示した形状に限定されるものではないこ
とは言うまでも無い。インサート２２の重要な特徴は、
シールされた、薄肉の、不透性と変形の容易さとを有す
る、例えば金属箔その他から作製することである。
【０００９】その形状に関わらず、インサート２２には
作動流体２０と一般的には同一の液体２６を少量充填す
る。インサート２２内の残余容積部分には不活性ガス２
８を充填し、インサート２２の内圧をヒートパイプ１０
の残余容積部分よりも高くする（即ち、インサート２２
を横断して正の差圧を存在させる）。つまり、作動流体
２０が凍結していない場合にはインサート２２の内圧は
このインサート２２に作用する外圧よりも大きい。しか
し、作動流体２０が凍結し膨張するとインサート２２に
はこのインサートの内圧よりも高い圧力が作動流体２０
により加わる。そのような作動流体の凍結及び膨張によ
りインサートに加えられる作動流体２０からの圧力は、
結局、ヒートパイプ１０が破裂することによってでは無
く、インサート２２が圧縮されることにより容易に収受
される。
【００１０】作動流体２０が凍結していない状態でのイ
ンサート２２の内圧を正に保つのは、作動流体の凍結膨
張時の圧力がもはやインサートに加わらなくなる或は減
少した時にインサートが素早く原形に復帰できるように
するためである。インサート２２をそのように過圧して
おかないと、インサート２２は最初の凍結サイクル後に
もおそらくは変形したままの状態となり、次ぎの凍結サ
イクルのために要求される保護を提供しない（或は与え
ない）。
【００１１】インサート２２の断面形状は、インサート
２２が、凍結し膨張する作動流体２０からの外圧を受け
るに際し撓みを生じ得るようなものとする。そうした形
状とすることにより、インサートは、損壊或は破裂する
ことなく可塑的及び或は弾性的に変形できるようにな
り、結局、外側のヒートパイプ１０は作動流体２０から
の圧力を受けずに済むようになり、かくして損壊する恐
れがなくなる。言い換えると、凍結し膨張する作動流体
２０からの圧力は、その残余の圧力がヒートパイプ１０
を損壊させるには不十分であるほどにインサート２２に
より十分に吸収される。インサート２２のくびれた形状
は、インサートの腰部を絞り込み、前述の如き外圧をそ
うした“腰部”に受けないようにするために設計される
ものであるが、こうしたくびれ形状は、図３に示すよう
な楕円形状のインサート２２が最初の凍結サイクル後に
可塑的に変形することによっても得られる。
【００１２】先に説明したように、インサート２２はヒ
ートパイプ１０の内部で高温側１６の内部のみを伸延
し、作動流体２０中に浸漬される。凍結から保護するべ
きヒートパイプ部分は、作動流体２０が集合する範囲の
みであることから、インサート２２をヒートパイプ１０
の内部でその長手方向全体に渡り伸延させても意味がな
い。作動流体２０は、凍結することにより膨張し、イン
サート２２を圧縮する。これが、ヒートパイプ１０の壁
面への、そうした作動流体の凍結による圧力の蓄積を防
ぎ、凍結し膨張する作動流体２０によってヒートパイプ
１０が破裂する恐れが排除される。そうした凍結により
発生する圧力はむしろインサート２２によって収受され
るのである。しかしながらインサート２２は、作動流体
２０が解凍するとインサート２２内の過剰な圧力により
元の形に復帰し、次ぎの凍結サイクルにより発生する外
圧に対する準備状態となる。
【００１３】図３乃至図５には 別態様のインサート
（図３では楕円形、図４では十文字形、図５では涙形）
が示されるが、その他の形状を同様に使用することがで
きる。任意の形状のインサート２２の重要な特徴は以下
の通りである。 （ａ）その構成材料が、枕状の箔その他の如く、シール
され、不透性及び可撓性を有し、薄肉なことであり、
（ｂ）作動流体２０に関し（即ち、ヒートパイプ１０の
内側で）、非凍結状態においては過圧されていることで
あり、（ｃ）可撓性を有し、作動流体２０が凍結した場
合でも尚、そうした凍結の恐れがもはやなくなった場合
には原形に復帰することができることであり、（ｄ）イ
ンサート２２の内部に少量の液体２６（一般的には作動
流体２０と同一の）を収納し、インサートの残余部分
が、加圧された不活性ガスで充満されることであり、
（ｅ）インサート２２を、ヒートパイプ１０の高温側１
６の領域内のみを伸延させたこと、である。
【００１４】インサート２２はストラップ或はサポート
（図示せず）によりその長手方向に沿って支持されるこ
とにより、ヒートパイプ１０内部の全体的に中央位置に
保持される。そうしたストラップ或はサポートは連続的
なものでは無くむしろ、インサート２２の長手方向に沿
って間欠的或は間隔を置いて設け、ヒートパイプ１０の
内部での作動流体２０の流れ或は移動を妨害しないよう
にするのが好ましい。インサート２２は実際には薄厚の
カーボン或はステンレススチール構造とし得るが、作動
流体の凍結膨張による反復しての外圧（即ち反復しての
変形）に耐えるに十分な強さ及び可撓性を有し、また作
動流体２０或はヒートパイプ１０と反応しない限りに於
て、その他の材料を同様に使用することができる。以上
本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内で多
くの変更を成し得ることを理解されたい。
【００１５】
【発明の効果】ヒートパイプ型の熱交換器内の作動流体
の凍結によるヒートパイプの損壊を防止するための新た
な構造が提供され、電力或は外部との関わりを持たず、
熱交換器組立及び搬送中、停電時、また、補修或は保守
に際しての運転停止時にさえも、作動流体の凍結から保
護され得るような装置が提供され、ヒートパイプ内部に
おける熱交換を妨害せず、作動流体の凍結からヒートパ
イプを保護する装置が提供され、作動流体の凍結からの
ヒートパイプ保護のための能力が長時間失われず且つ低
下しない前記装置が提供され、低コストでしかも製造及
び材料コストの増大を僅かに抑える前記装置 電力或は
外部との関わりを持たず、熱交換器組立及び搬送中、停
電時、また、補修或は保守に際しての運転停止時に於て
さえも、作動流体凍結に対する保護を得られるような装
置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に従うヒートパイプ型の熱交換器
の概略側方断面図である。
【図２】ヒートパイプ内部における本発明に従う構造及
び動作を例示するための、図１を線２−２で切断した概
略断面図である。
【図３】本発明に従う別態様における構造を例示する、
図２と類似の概略断面図である。
【図４】本発明に従う別態様における構造を例示する、
図２と類似の概略断面図である。
【図５】本発明に従う別態様における構造を例示する、
図２と類似の概略断面図である。
【符号の説明】
１０ ヒートパイプ １２ 熱交換器 １４ デバイダプレート １６ 高温側 １８ 低温側 ２０ 作動流体 ２２ インサート ２４ 静止液面位置 ２６ 液体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハロルド・ウォルター・ワーレ アメリカ合衆国オハイオ州ノース・カント ン、ビーチムーア・ドライブ2314、ノース ウエスト

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作動流体を収納する細長のパイプを凍結
    から保護するための、液体／ガス混合物を収納し、前記
    パイプ内部の作動流体中を伸延する、細長の、シールさ
    れた、薄肉の、可撓性のインサートであって、作動流体
    が非凍結状態の時は該作動流体の圧力よりも高い内圧を
    有し、作動流体が凍結する際には該作動流体の圧力によ
    り圧縮されそれにより、前記パイプ内部での作動流体の
    凍結による膨張を収受し、作動流体の凍結により生じた
    圧力が減少した時には容積が膨張するインサート。
  2. 【請求項２】 インサート内部の液体／ガス混合物の液
    体が作動流体と同一であり、前記ガスが不活性である請
    求項１のインサート。
  3. 【請求項３】 インサートがパイプの全体的に中央に位
    置付けられ、前記パイプ内の作動流体の液面位置で或は
    その若干上方の位置で終端している請求項２のインサー
    ト。
  4. 【請求項４】 インサートの長手方向軸線がパイプの長
    手方向軸線と全体的に平行である請求項３のインサー
    ト。
  5. 【請求項５】 インサートの長手方向軸線がパイプの長
    手方向軸線と同軸である請求項４のインサート。
  6. 【請求項６】 インサートが金属箔から形成される請求
    項４のインサート。
  7. 【請求項７】 作動流体が水或は水ベースのものである
    請求項４のインサート。
  8. 【請求項８】 凍結に対して保護されたヒートパイプで
    あって、 （ａ）作動流体を内部に収納してなる細長の、閉じたヒ
    ートパイプにして、第１の圧力を有するヒートパイプ
    と、 （ｂ）該ヒートパイプ内の作動流体中を伸延し、液体及
    びガスを内部に収納してなる細長の、閉じた、薄肉の、
    可撓性のインサートにして、前記第１の圧力よりも高い
    圧力を有し、前記作動流体が凍結し膨張するに際して圧
    縮されそれにより、作動流体のそうした膨張を、パイプ
    を過圧させることなく収受し、作動流体が解凍される
    時、全体が原形に復帰してなるインサートと、 を含んでなるヒートパイプ。
  9. 【請求項９】 インサート内部の液体が作動流体と同一
    であり、ガスが不活性である請求項８のヒートパイプ。
  10. 【請求項１０】 インサートが、ヒートパイプの全体的
    に中央に位置付けられ、該ヒートパイプ内の作動流体の
    液面位置或はその若干上方の位置で終端されてなる請求
    項９のヒートパイプ。
  11. 【請求項１１】 インサートの長手方向軸線がヒートパ
    イプの長手方向軸線と全体的に平行である請求項１０の
    ヒートパイプ。
  12. 【請求項１２】 インサートの長手方向軸線がヒートパ
    イプの長手方向軸線と全体に同軸である請求項１１のヒ
    ートパイプ。
  13. 【請求項１３】 インサートが金属箔から作製される請
    求項１１のヒートパイプ。
  14. 【請求項１４】 作動流体が水或は水ベースのものであ
    る請求項１１のヒートパイプ。
  15. 【請求項１５】 凍結から保護された、ヒートパイプ式
    の熱交換器であって、 （ａ）熱交換器の高温側から低温側に傾斜状態で伸延す
    る複数の細長のヒートパイプにして、前記低温側には第
    １の圧力を有する作動流体を収納してなるヒートパイプ
    と、 （ｂ）該ヒートパイプの高温側内の作動流体に浸漬され
    た、細長の、閉じた、薄肉の、可撓性のインサートにし
    て、前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力を内部有
    し、液体とガスとを収納し、前記作動流体が凍結するに
    際して圧縮されそれにより、ヒートパイプ内部での、凍
    結による作動流体の膨張を、ヒートパイプを過圧するこ
    となく収受し、作動流体が解凍するに際しては全体が原
    形に復帰するインサートと、 から構成される熱交換器。
  16. 【請求項１６】 インサート内部の液体が作動流体と同
    一であり、インサート内部のガスが不活性である請求項
    １５の熱交換器。
  17. 【請求項１７】 インサートが、熱交換器の高温側から
    低温側に傾斜状態で伸延するヒートパイプの内部で該ヒ
    ートパイプの全体的に中央に位置付けられ且つ作動流体
    の液面位置或は該液面位置の若干上方の位置で終端する
    請求項１６の熱交換器。
  18. 【請求項１８】 インサートの長手方向軸線がヒートパ
    イプの長手方向軸線と全体的に平行である請求項１７の
    熱交換器。
  19. 【請求項１９】 インサートの長手方向軸線がヒートパ
    イプの長手方向軸線と全体的に同軸である請求項１８の
    熱交換器。
  20. 【請求項２０】 インサートが金属箔から作製される請
    求項１８の熱交換器。
  21. 【請求項２１】 作動流体が水或は水ベースのものであ
    る請求項１８の熱交換器。
JP8356373A 1996-01-16 1996-12-26 作動流体を収納する細長のパイプを凍結から保護するためのインサート、凍結に対して保護されたヒートパイプ、凍結から保護されたヒートパイプ式の熱交換器 Expired - Lifetime JP3051687B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US586104 1996-01-16
US08/586,104 US5579828A (en) 1996-01-16 1996-01-16 Flexible insert for heat pipe freeze protection

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