JPH11514081A - 温熱源、冷熱源間のエネルギー移動２相ループ用毛細管蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蒸発器は、ａ）液状の熱伝導性流体の入口を有する多孔性材料からなる容器（１２）と、ｂ）内部に前記容器（１２）を配置し、その周囲に蒸気状の前記流体を集めるためのチャンバ（１５）を画定し、かつ前記チャンバ（１５）に集められた蒸気を放出する出口を備えたシェル（９）とを有する。また、該蒸発器は、液状の熱伝導性流体用の容器（１２）の入口を構成する管の一端（２４）から、多孔性壁を備えた容器（１２）内部のスペース全体にわたって延在する管（２２）を有し、該管（２２）は、その全長にわたって、容器（１２）の壁に液状の熱伝導性流体を放出するための孔（３３）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 温熱源、冷熱源間のエネルギー移動２相ループ用毛細管蒸発器 本発明は、温熱源と低温源との間でエネルギーを移動するための２相ループ用 毛細管蒸発器に関し、特に、ａ）液状の熱伝導性流体の入口を備えた多孔性材料 からなる容器と、ｂ）内部に容器を配置し、該容器の周囲に蒸気状流体を集積す るためのチャンバーを形成したジャケットとを備え、該ジャケットには前記チャ ンバーに集積された蒸気を排出するための排出口を有する形式の毛細管蒸発器に 関する。 上記種類の毛細管蒸発器は、出願人によって１９９４年７月２９日に出願され たフランス特許出願第９４０９４５９号により公知である。また、上記種類の蒸 発器は、添付の図１に示したような「温熱源」領域Ａから低温度の「冷熱源」領 域Ｂに熱エネルギーを移動するために使用される２相ループの一部をなす。また 、該２相ループは、動作温度によるが、水、アンモニア、「フレオン」などの熱 伝導性液体を循環させる閉回路を構成する。この閉回路は、並列に接続された「 毛細管」蒸発器１、１’…と、同様に並列に（または直列かつ並列に）接続され た凝縮器２と、蒸気配管３と、液配管４とを有する。流体の流通方向は矢印５に より示されている。アイソレータ６は各蒸発器１、１´の入口に配設され、パイ プ４への蒸気の偶発的な逆流を防いでいる。過冷却器７は液配管４に介装され、 凝縮器２の出口で完全に凝縮していない蒸気を凝縮させ、また、蒸発器の上流側 が部分的に温度上昇して飽和温度になり蒸気の泡を発生することに対する安全手 段として温度をより一層低下させている。 ２相ループの動作温度は、配管４に取り付けられた２相蓄圧容器８により制御 される。この蓄圧容器８は、（図示してない手段により）温度制御され、蒸発温 度を制御している。 この種２相ループを用いると、２相ループの蒸発器１、１´または凝縮器２に おける熱量の変化如何に拘わらず、殆どの場合に温熱源Ａの設定温度を１度以下 の高い精度で制御することが可能となる。温熱源Ａは熱発生機器であって、宇宙 船または地上に、例えば、機器の温度を適正な作動を行わせるに適した値に維持 する２相ループに設置される。 伝達される最大能力は、毛細管蒸発器が発生する最大圧力上昇と、この最大能 力時の当該回路の総圧力損失とによって調節される。前述のフランス特許出願で 説明されているように、アンモニアであれば５０００Ｐａ程度まで圧力上昇する 。 図２及び図３は、図１のループに使用するのに適した蒸発器１を示している。 これは、１９８７年ロングビーチで開催されたＩＣＥＳ会議資料「毛細管汲み上 げ式ループ技術の発展」J．Kroliczek and R．McIntosh著で説明されている。上 記種類の蒸発器は、米国企業ＯＡＯにより販売されている。 蒸発器１は、一端に入口１０を有し、他端に出口１１を備えた、熱伝導性が良 好な金属性管状ジャケット９を有する。多孔性材料の壁を備えた円筒状の容器１ ２は、スペーサー１３によってジャケット９の内部に同軸に保持されている。 前記多孔性材料は、「キャピラリーウィック」として知られるが、適切な大き さのほぼ均一な孔を有するものであれば、例えば、焼結した金属またはプラスチ ック（ポリエチレン）、またはセラミック材料などいかなる材料でもよい。 前述のフランス特許出願で説明されているように、より詳細な情報を得るため にこれを参照すべきであるが、通常の作動時においては、容器１２の内部スペー ス１４は、液状の熱伝導性流体で満たされ、環状チャンバ１５は、温熱源Ａの加 熱作用によりチャンバ内で形成された液状流体の蒸気を集めている。この蒸気の 圧力は、液状流体の圧力よりも高く、これにより、ループ内において冷熱源Ｂの 方への熱伝導性流体の流れが生じ、熱が除去される。この装置の能力は、図１に 示されるように複数の蒸発器を並列に配設することにより増大する。 しかしながら、ループ内を流れる熱伝導性の流体は、実質的には純粋ではなく 、水素のようにループ内で凝縮することがないガスを含むことがある。このよう なガスは、熱伝導性流体、例えばアンモニア、の分解から発生する。また、この ようなガスは、例えば、アンモニアとループを構成するアルミニウム製の金属部 分との化学反応からも発生する。重力が非常に低い条件下では、この非凝縮性ガ スは、図２に示したように、容器１２の底部のポケット１６に集まる。 容器１２内部のスペース１４も、熱伝導性流体の未凝縮蒸気の泡１７を含むこ とがある。この未凝縮蒸気は、流体の流れを局所的に遮断し、従ってループから 熱が放散される。ポケット１６が未凝縮または非凝縮の蒸気またはガスで満たさ れていることにより、容器１２の壁を構成する毛細管材料の部分に容器１２の内 部から直接的に液体が供給されない場合には、この毛細管材料の部分が温熱源Ａ からの熱の作用を受けているため、この毛細管材料の部分に含まれる液体が素早 く蒸発する。そして、容器１２において「突きぬけ現象(punch-through)」１８ が起こり、加圧された蒸気が容器１２内部のスペース１４を直ちに満たし、熱伝 導性流体の流れを遮断する。 図４は、１９９４年に米国コロラドスプリングにて開催されたＩＣＥＳ会議の 資料「ループ式ヒートパイプ及び毛細管汲み上げ式ループのための蒸発の信頼性 を向上させる方法」（E.Yu.Kotliarov、G.P．Serov著）に記載されている異なっ た種類の蒸発器の概略図である。この種蒸発器は、ロシア企業Lavotchkinにより 販売されている。 添付の図４以降の図面において、図１〜３で使用した参照番号と同一の番号は 、同一または類似の部材または装置を示す。 図４の蒸発器は、蒸発器本来の入り口に緩衝用貯留器１９を組み込んでいる点 で図２及び３の蒸発器と異なるが、図２の蒸発器のものと類似のジャケット９及 び多孔性材料の容器１２を有する。更に、この蒸発器は、加圧貯留器１９を軸方 向に貫通する充実壁の配管２０と、容器１２とを有し、この配管２０は容器１２ の底部近傍で開放されている。 配管２０の入口１０から流入する熱伝導性流体が非凝縮性ガスの泡１７または 蒸気の泡１７’を含んでいる場合には、泡１７、１７´は、配管２０を通過し容 器１２の多孔性壁の作動を妨げることなく、貯留器１９に「流れと逆方向」に戻 るが、これにより流れの抵抗は生じない。 一方、図４の蒸発器は、加圧貯留器１９を組み込んでいるため、図１のループ のように複数の蒸発器を並列に配置することは実質的に不可能である。即ち、２ つの貯留器間の圧力が不均衡になると、一方が空になり、他方が満杯となる。こ れにより、ループの伝達能力は制限される。 図５は、１９９５年米国カリフォルニア州サンジェゴで行われたＩＣＥＳ会議 の資料「信頼性と高性能とを備えた毛細管式多蒸発凝縮器ループの試験結果」（ S．Van Ost，M．Dubois、G．Beckaert著）に記載されているもう一つの種類の蒸 発器の概略図である。この種蒸発器は、ベルギー企業ＳＡＢＣＡにより販売され ている。 この蒸発器は、回路の分岐管に配設されるものであって、各分岐管には１個の 蒸発器が配置され、また、各分岐管は加圧貯留器８に連通されている。また、こ の蒸発器は、前記のものと同様、ジャケット９と多孔性壁の容器１２とを有する 。前記貯留器８とこの蒸発器とは、織物金属管からなる「毛細管カップリング」 ２１を配設した管状パイプによって接続されている。通常作動時において、凝縮 器２に達した液状の熱伝導性流体は、加圧貯留器８を通過して全ての配管３及び 容器１２内部のスペースを満たす。 ループ内には非凝縮性ガスが存在するが、蒸発器の中心部において蒸気の発生 がない状況においては、即ち、能力が大なる運転条件の場合（典型的には、アン モニアについて５０Ｗを超える場合）、非凝縮性ガスは、蒸発器内において毛細 管カップリング２１内の容器１２に集積する。そして、容器１２の多孔性材料に は、液状の熱伝導性流体が引き続き供給され、蒸発器の作動が確保される。 非凝縮性ガスが存在し、かつ、容器１２において蒸気が発生する場合、即ち、 能力が小さい運転条件の場合、容器１２で発生する蒸気は、発生圧力が十分に高 ければ、図５に図示したように加圧貯留器８に戻り、非凝縮性ガスを運び去る。 そして、液状流体が毛細管カップリング２１の周囲を流れ、容器１２の多孔性材 料に導かれ、これにより蒸発器の作動が確実となる。 このようにして複数の蒸発器を並列に置くことが可能になり、その結果、ルー プは、蒸発器の多孔性材料からなる容器１２内における非凝縮性ガスまたは蒸気 の存在に対する抵抗力が高くなる。 一方、蒸発器の導出配管３内に毛細管カップリング２１が存在するため、蒸発 器の導出配管３が堅いものとなり、嵩張るものになる（直径１０ｍｍ程度）、こ れは、例えば宇宙船の場合のように、狭くかつ込み入った複雑なスペースにルー プを配設しなければならない場合には、受け入れ難い欠点となる。 本発明の目的は、多孔性材料からなる容器の内部に非凝縮性ガスや蒸気の存在 を許容する毛細管汲み上げ式２相ループ用蒸発器を提供することにある。 本発明の他の目的は、複数の蒸発器を並列に接続する二相ループへの組み込み に適合し、かつ、その形状大きさが、狭く込み入った複雑なスペースへの設置に 適合する毛細管汲み上げ式２相ループ用蒸発器を提供することにある。 本発明のこれら目的及びその他の目的は、以下の記述を読むに従い明かとなり 、本明細書の前文で説明した種類の蒸発器を用いて達成される。即ち、この蒸発 器は、容器の液状の熱伝導性流体の入口を構成する管の一端から、多孔性壁の容 器の内部スペースに延在する管を有し、該管は、その全長にわたって、熱伝導性 流体を容器の壁の中に注入するための孔を備えているという特徴を有している。 以下により詳細に説明しているように、全ての状況において、この管は多孔性 壁容器のあらゆる位置に液状の熱伝導性流体を供給し、これにより、前記容器に 未凝縮または非凝縮性のガスまたは蒸気が存在している場合であっても、蒸発器 で必要な蒸気の発生を確実にする。 本発明の他の特徴及び利点は、以下の記述を読み、以下の添付図面を参照する ことにより明らかになるであろう。 図１は、本明細書の前文で説明した毛細管蒸発器を有する２相エネルギー移動 ループの概略図である。 図２乃至図５は、同様に、本明細書の前文で説明した先行技術の毛細管蒸発器 を示す。 図６は、本発明による少なくとも一つの毛細管蒸発器（軸断面で示す）を有す る２相ループの線図である。 図７乃至９は、図６のものと類似の本発明毛細管蒸発器の線図であり、この蒸 発器がどのように作動するかを説明するのに用いられる。 添付の図６は、図１の２相ループの基本的部分、即ち、本発明の１以上の毛細 管蒸発器１、１’、１”、更に、ガス及び蒸気配管３、４、凝縮器２、並びに、 加圧貯留器８を再度示している。 本発明の蒸発器は、従来のものと同様に、管状ジャケット９と多孔性壁の容器 １２とを有する。この多孔性壁の容器１２は、図３に示したスペーサー１３のよ うなスペーサーによって、または、ジャケット９の内面に形成された溝によって 、ジャケット９と間隔をおいてジャケット９内に支持されている。また、このよ うに構成することにより、ジャケット９と容器１２との間に、蒸発器内で形成さ れた蒸気を集めるためのチャンバ１５が画成されている。また、この蒸発器は、 液状の熱伝導性流体の入口１０と、この熱伝導性流体の蒸気の出口１１とを有す る。 本発明の蒸発器の一つの特徴によると、蒸発器は、螺旋状の管２２を有する。 この螺旋状の管２２は、例えば、容器１２の内部スペースを通って、容器１２の 底部まで軸方向に延在する（図６参照）。また、螺旋状の管２２は、容器１２の 底部近傍でその端部２２’を閉じているが、その全長にわたって孔２３を、例え ば、規則的に間隔をおいた孔を有している。また、螺旋状の管２２は、容器１２ の多孔性壁に密接して沿うように、容器１２の多孔性壁の内面にほぼ密着してい る。孔２３は、容器１２内部のスペース１４に注入された熱伝導性流体を、以下 で説明するように、絶えず容器１２の多孔性壁に噴射するように、この壁に面し ている。 管２２の開口端２４は、不浸透性材料の仕切り２５を貫通し、この仕切り２５ により支えられている。なお、この仕切り２５は、本発明に従い蒸発器の入口１ ０と、ジャケット９及び容器１２の組み合わせ物との間に配置されたチャンバ２ ６内に、横断的に設けられている。また、この仕切り２５は、チャンバ２６を第 １区画（２６₁、２６₂）（図７参照）と、第２区画２６₃とに分割している。ま た、第１区画（２６₁、２６₂）は、容器１２の多孔性壁を構成するものと類似の 多孔性材料の仕切り２７を有している。この仕切り２７は、蒸発器の軸Ｘと直角 方向にあり、従って、不浸透性の仕切り２６にほぼ並行している。これにより、 第１の区画（２６₁、２６₂）を二つの小区画２６₁と２６₂とに分割している。 本発明の他の特徴によると、チャンバ２６を冷却するための手段２８は、チャ ンバ２６内に設けられている。以下に記述するように、この手段２８は、蒸発器 のある動作モードにおいて、チャンバ２６内に存在する蒸気状の熱伝導性流体を 凝縮するのに使用される。例示的に説明すると、手段２８は、ペルチェ効果の冷 熱源となる。この場合には、放熱器（ヒートシンク）２９は、手段２８と金属ジ ャケット２９との間に配設されている。 本発明の蒸発器は、以下のように動作する。 非凝縮性ガス及び蒸気が蒸発器の容器１２内または入口１０に存在しない状態 、即ち、図６に示した理想的な状態では、凝縮器２から帰還した液状の熱伝導性 流体は、多孔性の仕切り２７を通過し、蒸発器の中心に延在する孔明き管２２に 流入する。そして、この液状流体は、管２２の孔２３から外へ噴射され、孔２３ に面する容器１２の多孔性壁に液状の熱伝導性流体を注入する。蒸発器の容器１ ２は液状流体で満たされ、その多孔性壁には常に液状流体が供給される。従って 、凝縮器２８は不要であり、不作動とされる。一方、蒸発器は通常どおり運転さ れる。 次に、ループ内に非凝縮性ガスの泡３０が有り、容器１２内にで蒸気が形成さ れない場合について、本発明による蒸発器の動作を、図７を参照して説明する。 この状況においては、蒸発器は高能力で作動している（典型的には、アンモニア については５０Ｗを超える）。この場合、非凝縮性ガスの泡３０は、図示した蒸 発器入口の多孔性の仕切り２７によって阻止される。しかし、例えば、非常に低 い重力の状態では、大量の非凝縮性ガスが、液体に溶解したガスの放出によって 容器１２の一部分３１に集積する。それにも拘わらず、孔明き管２２により、容 器１２の多孔性壁は、非凝縮性ガスが集積した容器のこの部分３１においてさえ 、液体によって絶えず濡れている。この場合に、冷熱源２８を不作動とすること ができ、蒸発器の能力は僅かである。 ループ内に非凝縮性ガスの泡３０があり、容器１２内で蒸気の泡３２が形成さ れている場合について、本発明の蒸発器の動作を図８を参照しながら説明する。 この状況は低能力での動作で生ずる（典型的には、アンモニアについては５０Ｗ 未満）。この場合、多孔性の仕切り２７は、熱伝導性流体の流れ作用により蒸発 器に入る非凝縮性ガス３０および蒸気３２を阻止する。それにも拘わらず、前述 の状況と同様に、容器１２の一部分３１に大量の非凝縮性ガスが集積することが あり、また、少量であるものと推測されるが、容器１２中で形成される蒸気３２ が容器１２内に存在するものと推測される。それにも拘わらず、孔を有する管２ ２のために、容器１２の多孔性の壁は、非凝縮性ガスや蒸気が集積した容器の一 部分３１においてさえ、熱伝導性流体によって引き続き濡れている。また、蒸気 が多孔性仕切り２７の上流側に集積し、その全表面を覆い蒸発器の動作を妨げる のを防止するために、本発明は、ペルチェ効果の冷熱源２８を作動させてこの蒸 気を凝縮する。その冷却能力は明らかに、蒸発器の容器１２で生成されて蒸発器 の入口に達する蒸気の全流量を凝縮するのに必要な熱量に匹敵するはずである（ それにも拘わらず非常に低い）。アンモニア蒸発器に要求される典型的な冷却能 力は、例えば数ワット程度である。 図９は、容器１２が非凝縮性ガス及び蒸気で満たされており、孔明き管２２の みが容器１２の多孔性の壁の内部表面に噴射するための液状の熱伝導性流体で満 たされ場合における本発明の蒸発器の極端な動作の概略図であり、蒸発器の作動 を確保している。この極端な場合には、冷熱源２８により伝達される熱量は、多 孔性の仕切り２７に衝突する未凝縮蒸気全てを凝縮するのに必要な熱量と全く等 しい。 このようにして、本発明は、前述の目的、即ち、図４に示した先行技術の蒸発 器とは異なり、２相の温度エネルギー移動ループにおいて他の蒸発器と並列に配 置できる蒸発器を提供するという目的を達成することは明らかである。本発明の 蒸発器は、図２及び３に示した蒸発器とは異なり、蒸発器の多孔性壁の容器内に おいて非凝縮性ガス及び蒸気の生成を許容するという意味で、さらに強いもので ある。２相ループに対する入口の接続は、図５に示した先行技術の蒸発器とは異 なり、単純かつ柔軟で固くない配管を必要とするもので、これにより、宇宙船用 機器が遭遇するような、狭くかつ複雑な形状のスペースに、この種のループを組 み込むことが容易となる。 勿論、本発明は、例示として説明され示された実施例に限定されるものではな い。従って、本発明は宇宙船用の機器の温度調節回路の応用に限定されるもので はなく、地上で動作する機器への応用も可能である。さらに、本発明の蒸発器は 、制御される温度レベルに関係なく、あらゆる種類の毛細管汲み上げ式２相ルー プにも組み込むことができる。 同様に、本発明の蒸発器は、地上での試験を容易にするように変更できる。こ れらの条件の下で、蒸発器を頂部に出口を設けて垂直に配置した場合には、容器 １２および管２２において、液体は底部に集められ、ガスが頂部に集められるの で、容器の上端に液状の熱伝導性流体は供給されず、管２２は液状の熱伝導性流 体を容器１２の上部に噴射することができない。この問題を回避するために、真 っすぐな固体壁の管３３を容器１２内に置くと（図６の鎖線で示したように）、 液体が容器に入って、容器の底部近傍の管２２の端部を通って螺旋状の管２２に 入ることを可能にする。この場合、仕切り２５近傍にある管２２の他端が閉じら れるのは明らかである。従って、管２２に入った液状の熱伝導性流体は、図７の ３１で示したように、非凝縮性ガスのポケットを含む容器の壁に噴射される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）液状の熱伝導性流体用の入口を有する多孔性材料の容器（１２）と、 ｂ）内部に前記容器（１２）が配置され、その周囲に蒸気状の熱伝導性流体を集 めるためのチャンバ（１５）を画成し、かつ、前記チャンバ（１５）によって集 められた蒸気を排出する排出口を有するジャケット（９）とを含むタイプの温熱 源（Ａ）と冷熱源（Ｂ）との間でエネルギーを移動するための２相ループ用の毛 細管蒸発器において、容器（１２）の液状の熱伝導性流体の入口を構成する管の 一端（２４）から多孔性壁の容器（１２）の内部スペース（１４）に延在する管 （２２）を有し、前記管（２２）は、その全長にわたって、熱伝導性流体を容器 （１２）の壁に注入するための孔（３３）を有することを特徴とする毛細管蒸発 器。 ２．多孔性壁の容器（１２）の入口にチャンバ（２６）を有し、該チャンバ（２ ６）は不浸透性材料の仕切り（２５）によって第１区画（２６₁、２６₂）及び第 ２区画（２６₃）に分割され、熱伝導性流体は、液状で第１区画（２６₁、２６₂ ）に入り、前記仕切り（２５）と第２区画（２６₃）を貫通する孔明き管（２２ ）の入口（２４）から容器（１２）に入ることを特徴とする請求項１記載の毛細 管蒸発器。 ３．前記第１区画（２６₁、２６₂）は、不浸透性材料の仕切り（２５）にほぼ並 行な多孔性材料の仕切り（２７）によって第１小区画（２６₁）及び第２小区画 （２６₂）に分割され、第１小区画（２６₁）の入口と孔明き管（２２）の入口（ １０）とは、前記多孔性材料の仕切り（２７）の両側に別れて存在することを特 徴とする請求項２記載の毛細管蒸発器。 ４．第１小区画（２６₁）に存在する全ての熱伝導性流体の蒸気を凝縮するため の手段（２８）を有することを特徴とする請求項３記載の毛細管蒸発器。 ５．前記凝縮器手段（２８）はペルチェ効果タイプであることを特徴とする請求 項３記載の毛細管蒸発器。 ６．前記凝縮器手段（２８）と蒸発器のジャケット（９）との間にヒートシンク （２９）を有し、該ジャケット（９）は熱の良好な伝導体である材料からなるこ とを特徴とする請求項５記載の毛細管蒸発器。 ７．孔明き管（２２）は螺旋状であり、容器（１２）の多孔性壁の環状内面近傍 に配置され、前記管（２２）の孔（２３）は前記壁の方に向けられ、液状流体の 入口側端部の反対側の管（２２）の端部は閉じられていることを特徴とする請求 項１〜６の何れか１項に記載の毛細管蒸発器。 ８．容器（１２）に入る液体は、容器（１２）の底部近傍の孔明き管（２２）の 端部に接続された充実壁の管（３３）をまず通過する請求項２〜７の何れか１項 に記載の毛細管蒸発器。 ９．請求項１〜８の何れか１項に記載の毛細管蒸発器を少なくとも一つ有するこ とを特徴とする温熱源と冷熱源との間でエネルギーを移動するための２相ループ 。