JPH09273877A

JPH09273877A - ヒートパイプ式空冷装置

Info

Publication number: JPH09273877A
Application number: JP8106292A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hasegawa; 仁長谷川; Mikiyuki Ono; 幹幸小野; Masataka Mochizuki; 正孝望月; Koichi Masuko; 耕一益子; Kazuhiko Goto; 和彦後藤; Yuji Saito; 祐士斎藤; Shinichi Sugihara; 伸一杉原
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒートパイプの放熱面積が小さく、全体の構
成がコンパクトな密閉筐体の冷却構造を提供する。【解決手段】内部雰囲気が高温の筐体６の内部に、作
動流体の潜熱として熱輸送するヒートパイプ７の一端部
が、気密性を担保した状態で挿入され、かつそのヒート
パイプ７の他方の端部が筐体６の外部に露出したヒート
パイプ式空冷装置であって、筐体６の内部に、固相・液
相の相変化に伴う潜熱を吸収・放出し、かつ融点が筐体
６の内部雰囲気温度より低い温度の潜熱蓄熱材１２が設
けられている。この潜熱蓄熱材１２は、ヒートパイプ７
のうちの筐体６の内部に配設された端部および筐体６の
内部雰囲気とのそれぞれとの間で熱授受可能となってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、作動流体の潜熱
として熱輸送するヒートパイプを用いて筐体の内部を冷
却する冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ヒートパイプを使用した空冷装置の一般
的な構造を図３に示してある。ここに示す例は、廃ガス
などの高温流体により高温雰囲気とされた密閉筐体１の
内部を冷却するよう構成したものであり、この密閉筐体
１の内部には、ヒートパイプ２の蒸発部３となる端部が
外壁面を貫通して挿入されている。

【０００３】このヒートパイプ２の他端部、すなわち凝
縮部４となる端部は密閉筐体１の外部に突出しており、
ヒートパイプ２は、その凝縮部４が前記蒸発部３に対し
て上方に位置するように配置されている。換言すれば、
ヒートパイプ２は傾斜させた状態で適宜の手段によって
密閉筐体１に固定されている。さらにヒートパイプ２の
両端部には、リング状のフィン５が多数枚取り付けられ
ている。したがって、ヒートパイプ２を介して密閉筐体
１の内部と外気とが熱授受するよう構成されている。

【０００４】したがって、上記の空冷装置によれば、密
閉筐体１の外部の大気温度が密閉筐体１の内部の温度よ
り低いので、ヒートパイプ２の両端部で温度差が生じ、
密閉筐体１の内部に配置されている蒸発部３において作
動流体が加熱されて蒸発する。そしてその作動流体蒸気
は、コンテナのうちの温度と内部圧力とが共に低い密閉
筐体１の外部に配設された凝縮部４に向けて流動し、フ
ィン５を介して外気に熱を奪われる。

【０００５】密閉筐体１の外部に放熱して凝縮した作動
流体は、再度液相になって重力およびウィックの毛細管
圧力によってコンテナのうちの蒸発部３となる端部まで
還流する。つまり、ヒートパイプ２の作動流体によって
密閉筐体１の内部の熱が外部に運ばれ、密閉筐体１の内
部が外気によって間接的に空冷される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のヒートパイプ２
を介して外部に輸送される熱量は、ヒートパイプ２から
大気に対して放出される熱量によって決まり、またその
ヒートパイプ２からの放出熱量は、ヒートパイプ２と外
気との間の熱伝達率によって大きく影響される。その熱
伝達率は、放熱面積および温度差などを要因として定ま
る状態係数であり、したがって上記のように構成される
空冷装置でヒートパイプ２の放熱面積、具体的にはフィ
ン５の枚数や外径は、密閉筐体１に要求される冷却温度
に基づいて設定上、定められる。

【０００７】その場合、外気を冷却源としているから、
外気温度の変動が前記熱伝達率の変動となり、したがっ
て温度差が最も小さい状態であっても要求される冷却温
度を得られるようヒートパイプ２の放熱面積を設定する
ことになる。しかるに、日中の平均気温が夜間の平均気
温より高いから、ヒートパイプ２の放熱面積は、日中の
平均温度差に基づいて決定することになるが、昼夜の温
度差が大きい地域に設置される上述の空冷装置では、夜
間での冷却能率が良いにも拘わらず、日中では外気温度
が高く、内外温度差が小さくなるために、放熱フィンを
大型化しなければならない。すなわち従来のヒートパイ
プ式の空冷装置では、温度差が最も小さい状態を想定し
て放熱面積を設定することになるので、総じて外気に対
する放熱部分の構成が大型化する不都合があった。

【０００８】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、ヒートパイプの放熱面積が小さく、全体の構成が
コンパクトな空冷装置を提供することを目的とするもの
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するためにこの発明は、内部雰囲気が高温の筐
体の内部に、作動流体の潜熱として熱輸送するヒートパ
イプの一端部が、気密性を担保した状態で挿入され、か
つそのヒートパイプの他方の端部が前記筐体の外部に露
出したヒートパイプ式空冷装置において、前記筐体の内
部に、固相・液相の相変化に伴う潜熱を吸収・放出し、
かつ融点が前記筐体の内部雰囲気温度より低い温度の潜
熱蓄熱材が、前記ヒートパイプのうちの筐体の内部に配
設された端部と前記筐体の内部雰囲気とのそれぞれとの
間で熱授受可能に設けられていることを特徴とするもの
である。

【００１０】したがってこの発明によれば、筐体の内部
が高温雰囲気であるから、ヒートパイプのうち筐体の内
部に配設した端部内で液相作動流体が蒸発する。この作
動流体蒸気は、内部温度と内部圧力とが共に低い他端部
すなわち筐体の外部に配設された端部に向けて流動し、
そこで外気に熱を奪われて凝縮する。再度液相になった
作動流体は、ウィックに生じる毛細管圧力または重力に
よってヒートパイプの端部のうち筐体内に配設された端
部に還流する。

【００１１】作動流体によるこのような一連の熱輸送サ
イクルは、筐体の内部温度と外気温度とに温度差がある
間、継続されるが、外気の温度が低いことによりヒート
パイプを介した熱輸送量が増大すると、ヒートパイプの
作動流体温度が次第に低くなる。これは、ヒートパイプ
の均温特性によるものであり、それに伴ってヒートパイ
プの筐体側の端部と熱授受可能に設けてある潜熱蓄熱材
の温度が低下し、液体の状態から凝固する。すなわち外
気温度の低下に伴って潜熱蓄熱材がいわゆる冷熱を蓄熱
する。

【００１２】一方、日中などに外気温度が高くなると、
ヒートパイプと外気との温度差が小さくなるが、潜熱蓄
熱材が凝固していてその温度が低くなっているので、筐
体の内部と潜熱蓄熱材との温度差が、夜間などの外気温
度との間の温度差と同程度に維持され、この潜熱蓄熱材
によって筐体の内部が冷却される。そしてこの潜熱蓄熱
材の熱容量と筐体の内部の熱量との関係で潜熱蓄熱材が
次第に溶解し、ついにはその全量が液状となり、その温
度が筐体の内部温度に近づくように次第に上昇する。そ
して時間の経過と共に外気温度が再度低くなり、ヒート
パイプと外気との温度差すなわち筐体の内部温度と外気
温度との差が大きくなる。

【００１３】このように潜熱蓄熱材を設けることによ
り、外気温度が変動しても筐体の内部を冷却するための
箇所、すなわち外気や潜熱蓄熱材との温度差が常時大き
くなり、その結果、ヒートパイプに要求される放熱面積
を最低温度差によらずに決めることができ、その小型化
を図ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図面を参照して
具体的に説明する。図１は、この発明の一実施例を示す
図であり、廃ガスなどの高温流体を貯留しもしくは流動
させる密閉筐体６が、金属板などの所定の耐熱性材料に
よって中空直方体状に構成されており、その密閉筐体６
の上方の側面には、ヒートパイプ７の蒸発部８となる端
部が、外壁面を貫通してその内部に挿入されている。な
お、ヒートパイプ７としてはここでは円形断面の単管タ
イプのものが採用されており、そのコンテナの内部に封
入する作動流体としては、後述する潜熱蓄熱材の融点に
近い動作開始温度のものが選定されている。また前記ヒ
ートパイプ７の他端部、すなわち凝縮部９となる端部
は、密閉筐体６の外部に突出した状態に配置されてい
る。

【００１５】また、ヒートパイプ７は、蒸発部８から凝
縮部９に向けて上向きなるように傾斜させた状態で適宜
の手段により密閉筐体６に固定されている。なお、前記
外壁面のヒートパイプ７が貫通している部分には、シー
ル手段（図示せず）が設けられており、これにより密閉
筐体６における気密性が担保されている。したがって、
ヒートパイプ７を介して密閉筐体６の内部と外気とが熱
授受可能となっている。

【００１６】ヒートパイプ７のうち密閉筐体６の内部に
挿入された箇所の外周部には、蓄熱部材１０が取り付け
られている。より詳細には図２に示すように、この蓄熱
部材１０は、可及的に熱伝導特性に優れた材料によって
形成された密閉二重管構造の容器１１の内部に、後述す
る所定量の潜熱蓄熱材１２を封入したものであり、図に
示す具体例では、２個の蓄熱部材１０が備えられてい
る。したがって、潜熱蓄熱材１２はヒートパイプ７の蒸
発部８および密閉筐体６の内部雰囲気とそれぞれ熱授受
可能となっている。

【００１７】なお、潜熱蓄熱材１２としては、融解熱が
多くかつ熱伝導率が高い物質がよく、例えばポリエチレ
ングリコール（＃１０００、融点３７．１℃）が用いら
れている。ここで、２個の蓄熱部材１０に封入される潜
熱蓄熱材１２の合計量は、一例として２０００ｇ程度に
設定されている。これは、例えば昼間（９：００〜１
７：００）の８時間のうちに５０Ｗ・ｈの熱量を充分に
吸収し得る蓄熱容量であり、また、夜間のうちにほぼ全
量が凝固し得る量である。

【００１８】他方、ヒートパイプ７の蒸発部８には、リ
ング状のフィン１３が複数枚取り付けられている。ま
た、凝縮部９にも同様のフィン１３が複数枚、取り付け
られている。

【００１９】つぎに、上記のように構成されたヒートパ
イプ式空冷装置の作用について説明する。夜間における
外気温度を例えば３０℃とすると、密閉筐体６の内部温
度が例えば７０℃であるから、これらの温度差に基づい
てヒートパイプ７が自動的に動作する。すなわち、ヒー
トパイプ７のうち蒸発部８の内部で液相作動流体が蒸発
し、この作動流体蒸気が凝縮部９に向けて流動する。凝
縮部９は密閉筐体６の外部に露出しているため、前記作
動流体蒸気は外気に熱を奪われて凝縮する。

【００２０】この液相になった作動流体は、ウィックに
生じる毛細管圧力または重力によって蒸発部８に向けて
還流し、密閉筐体６の内部雰囲気の有する熱によって再
度蒸発する。この一連の熱輸送サイクルは、密閉筐体６
の内部温度と外部温度とに温度差がある間、継続して生
じる。

【００２１】その場合、ヒートパイプ７を介した外気に
よる冷却が充分生じるために、ヒートパイプ７の内部温
度が次第に低下し、それに伴ってその端部の外周に取り
付けた潜熱蓄熱材１２の温度が下がり、凝固点の３７．
１℃まで低下した後は次第に凝固し始める。すなわちこ
の潜熱蓄熱材１２にいわゆる冷熱が蓄熱される。

【００２２】そして、夜間の外気温度が低い間に潜熱蓄
熱材１２のほぼ全量が凝固した状態で昼間になって外気
温度が高くなると、外気に接している凝縮部９の温度が
潜熱蓄熱材１２の温度より高くなるために、ヒートパイ
プ７は夜間における熱輸送方向とは反対方向に、すなわ
ち外気から潜熱蓄熱材１２に向けて熱輸送を行う。しか
しながら密閉筐体６の内部温度は、依然、７０℃程度の
高温になっており、これに対して潜熱蓄熱材１２は凝固
状態であって３０℃程度の低温であるから、密閉筐体６
の内部は、その温度差をもって冷却される。

【００２３】潜熱蓄熱材１２は、密閉筐体６の内部から
熱を受けることにより次第に溶解し、溶解熱として１時
間に５０Ｗ程度の熱を吸収する。このようにして溶解し
ている間は、融点に維持され、従前と同様の温度差で密
閉筐体６の内部を冷却することになる。そしてその全量
が溶解すると、顕熱として熱を吸収するからその温度が
次第に高くなり、それに伴ってヒートパイプ７の作動流
体の温度も高くなる。こうしてヒートパイプ７の動作温
度が密閉筐体６の内部温度とほぼ等しくなると、ヒート
パイプ７は密閉筐体６の内部温度と外気温度との温度差
に応じて放熱するが、潜熱蓄熱材１２の熱容量が前述の
通り充分多く設定されているため、昼間では潜熱蓄熱材
１２の融解熱で密閉筐体６の内部を冷却でき、密閉筐体
６の内部と潜熱蓄熱材１２との温度差を、夜間における
密閉筐体６の内部温度と外気温度との温度差程度に維持
して冷却を行うことができる。

【００２４】そして夜間においては、外気温度が低くな
るために、ヒートパイプ７と外気温度との温度差が、密
閉筐体６の内部温度と外気温度との温度差とほぼ等しく
なり、充分高い温度差をもって冷却を行うことができ
る。またそのようにして冷却を継続した結果、前記潜熱
蓄熱材１２が再度凝固していわゆる冷熱を蓄熱し、上述
したと同様にして昼間での冷却の用に供される。

【００２５】このように、上述した空冷装置では、ヒー
トパイプ７からの放熱は、夜間の外気の温度と密閉筐体
６の内部の温度との温度差で行われるから、ヒートパイ
プ７と外気との間の熱伝達率を決定する要因の一つであ
る温度差を充分大きくすることができ、したがってフィ
ン１３などによる放熱面積を小さくしても充分な放熱量
を確保できる。すなわち上記の空冷装置では、夜間など
の外気温度の低い状態をもとに放熱面積を決定でき、フ
ィン１３などの放熱部の構造を小型化することができ
る。

【００２６】なお、この発明で対象とする筐体は、上記
の例で示したような廃ガスを対象としたものに限定され
ないのであり、要は、空冷可能な箇所であればよい。ま
たヒートパイプやフィンの形状あるいはその数は任意で
ある。また潜熱蓄熱材を設ける箇所は、上記の例で示し
たように密閉筐体の内である必要は特にはなく、要は、
ヒートパイプとの間で熱授受できる構成であればよい。
さらに、潜熱蓄熱材の他の例としては、パラフィンが挙
げられる。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、冷熱源の温度が低い状態で蓄熱材がいわゆ
る冷熱を蓄熱し、外気などの冷熱源の温度が高くなって
場合には、その蓄熱材のよって筐体の内部を冷却するの
で、外気に放熱する際のヒートパイプとの温度差は、外
気など冷熱源の温度が低い状態での温度差に維持でき、
したがって放熱部分での熱伝達率を温度差によって大き
くできるので、フィンなど放熱のための機械的な構成を
小さくすることができ、結局、この発明によれば、ヒー
トパイプ式空冷装置の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を一部切り欠いて示す概略図
である。

【図２】ヒートパイプおよび容器を示す断面図である。

【図３】従来例を示す概略図である。

【符号の説明】

６…密閉筐体、７…ヒートパイプ、８…蒸発部、
９…凝縮部、１２…潜熱蓄熱材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者益子耕一東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者後藤和彦東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者斎藤祐士東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者杉原伸一東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部雰囲気が高温の筐体の内部に、作動
流体の潜熱として熱輸送するヒートパイプの一端部が、
気密性を担保した状態で挿入され、かつそのヒートパイ
プの他方の端部が前記筐体の外部に露出したヒートパイ
プ式空冷装置において、前記筐体の内部に、固相・液相の相変化に伴う潜熱を吸
収・放出し、かつ融点が前記筐体の内部雰囲気温度より
低い温度の潜熱蓄熱材が、前記ヒートパイプのうちの筐
体の内部に配設された端部と前記筐体の内部雰囲気との
それぞれとの間で熱授受可能に設けられていることを特
徴とするヒートパイプ式空冷装置。