JPH1163867A - 可変コンダクタンスヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した性能を示す可変コダンタクタンスヒ
ートパイプを提供すること。 【解決手段】 ヒートパイプ本体部１０の内部には、作
動流体と不凝縮性ガスが封入されている。その凝縮部側
の先にはフィルター部３０を経てガス溜め部４０が取り
付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコンダクタンスが可
変型のヒートパイプに関する。

【０００２】

【従来の技術】放熱機構にヒートパイプを適用する技術
は既に実用化されて久しい。通常のヒートパイプの場
合、その熱輸送量は、ヒートパイプの蒸発部（加熱され
る側、即ち被放熱対象側である）と凝縮部との温度差に
より決定される。しかし、被放熱対象によっては、ある
温度までは保温したままの状態で維持し、それを越えた
場合に放熱する、という場合もあった。

【０００３】例えば、ある種の反応炉を含む化学プラン
トや、バッテリ等、或いは原子力発電関連の装置等にお
いてその用途がある。このような場合、ヒートパイプの
蒸発部と凝縮部の温度差により作動が開始されてしまう
と都合が悪い。そこで通常のヒートパイプに替わり、コ
ンダクタンスが可変型である、可変コンダクタンスヒー
トパイプを適用することが考えられる。

【０００４】可変コンダクタンスヒートパイプはある温
度において所定の熱ダイオード特性を示すもので、所定
の温度に至らないと実質、作動しないようなヒートパイ
プである。そのようなヒートパイプとして、形状記憶合
金を応用したもの、不凝縮性ガスを混入させたヒートパ
イプ等が知られている。後者の場合、構造が比較的簡易
で、また適用温度の範囲も比較的広い等の利点から、一
般的に使用されている。元来、この種の可変コンダクタ
ンスヒートパイプは、宇宙用の熱輸送デバイスとして開
発が進められてきた経緯があるが、最近は、上述した電
池用途や化学プラント等、地上での利用も進みつつあ
る。

【０００５】従来の、不凝縮性ガスを混入したタイプの
可変コンダクタンスヒートパイプについて簡単に説明す
る。このようなヒートパイプでは、その内部の作動液の
蒸発が開始されると、作動液の蒸発流に押されるような
状態で、内部に封入された不凝縮性ガスが凝縮部側に押
される。その不凝縮性ガスと作動液の蒸発流の界面が、
凝縮部にまで到達していないと、作動液蒸気の凝縮は開
始されない。従って、ヒートパイプは作動しない。尚、
界面に多少の拡散が起きているので、ヒートパイプの作
動が厳密に起きていない訳ではない。実用的には、概
ね、ヒートパイプの作動が起きていない、という意味で
ある。

【０００６】さて温度を高くすると、不凝縮性ガスと作
動液の蒸発流の界面は、凝縮部側に移動することにな
る。これは不凝縮ガスに比べ作動液の飽和圧力に係わる
温度依存性が極めて大きいためである。界面が凝縮部側
に移動し、それが凝縮部の一部に達すると、今度は作動
液蒸気の凝縮が始まる。こうして、ある温度から実質作
動するヒートパイプになるのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】可変コンダクタンスヒ
ートパイプの可変コンダクタンス機能は理論的には作動
流体と不凝縮性ガスとの界面の移動によって生ずる。こ
の界面の移動が完全になされていれば、理論的には可変
コンダクタンス機能が発現することになる。しかし現実
には、作動流体や不凝縮性ガスの拡散効果や、作動流体
の沸騰によって、作動流体の一部が不凝縮性ガスの存在
する領域（ガス領域と呼ぶことにする）に入り込んでし
まう。このため、ヒートパイプとしての熱移動がなされ
ない温度状態においても、若干ながらヒートパイプとし
ての熱移動がなされていることになる。

【０００８】また、上述したような作動流体と不凝縮性
ガスの混在領域では、その不凝縮性ガスの影響により、
作動流体の凝縮が起こりにくくなってしまう。このた
め、当該ヒートパイプの熱輸送能力が低下してしまうと
いう問題があった。

【０００９】加えて上記混在領域に作動流体が残るの
で、作動流体の蒸発部への還流量も低減してしまう。蒸
発部に還流する作動流体の量が減少すると、ヒートパイ
プとしての熱移動性能が低下することを意味する。蒸発
部に還流する作動流体の量が低下すると、場合によって
は蒸発部の過熱を招くドライアウト現象を起こすことも
あり問題であった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述のような課題を踏ま
え、本発明者らは、温度制御範囲で可変コンダクタンス
機能を精度良く発現し、また十分な熱輸送性能を実現さ
せ得ることができる可変コンダクタンスヒートパイプの
研究開発を行った。その結果、下記の発明に至った。

【００１１】即ち、コンテナとその内部に収容される作
動液および不凝縮性ガスとを有し、凝縮部に対し蒸発部
の反対側にはガス溜め部が設けられ、そのガス溜め部と
凝縮部との間のコンテナ内部にはフィルターが備わって
いる、可変コンダクタンスヒートパイプを提供する。

【００１２】前記フィルターとしては、前記作動流体が
難透過性で前記不凝縮性ガスは透過性であるものが用い
られる。例えば焼結金属体、線状体の集合体、メッシュ
シートの積層体、細径孔または細かい切り込みが設けら
れた板状体等が好適に適用できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の可変コンダクタン
スヒートパイプを説明するための概念図である。可変コ
ンダクタンスヒートパイプ１は、パイプ本体部１０と、
フィルター部３０とガス溜め部４０が備わっている。パ
イプ本体部１０とフィルター部３０、およびガス凝縮部
４０はその内部に連通する空間を形成している。この空
間内には不凝縮性ガスが所定量封入されている。不凝縮
性ガスとは通常の使用状況下では、凝縮しないガスを指
す。

【００１４】パイプ本体部１０内の空間とガス溜め部４
０内の空間はフィルター部３０の内部に設けられたフィ
ルターに隔てられており、パイプ本体部１０に相当する
内部空間には作動流体が所定量封入されている。

【００１５】さてパイプ本体部１０の蒸発部を加熱し、
その温度が作動液の沸点以上になると、作動流体は蒸発
し、その蒸気が凝縮部の方へ移動する。しかし、可変コ
ンダクタンスヒートパイプ１の動作開始温度より低い温
度である場合は、不凝縮性ガスのために蒸気は凝縮部ま
で至ることができず、事実上、作動流体の蒸発と凝縮に
よる熱移動がなされていない状態となっている。

【００１６】蒸発部の加熱温度を上昇させていけば、作
動流体の液の蒸発圧力は上昇する。その加熱温度が所定
温度以上になると、作動流体の蒸気と不凝縮性ガスとの
界面は凝縮部に到達する。凝縮部に到達した作動流体の
蒸気は冷却されて再び液相状態に戻る。こうしてヒート
パイプとしての熱移動が開始される。

【００１７】上述した熱移動が開始される温度から更に
温度を高めていけば、作動流体の蒸気の圧力も更に高く
なっていき、いずれ作動流体の蒸気と不凝縮性ガスとの
界面は凝縮部の右端にまで到達する。

【００１８】このとき（最大熱輸送時）、不凝縮性ガス
は理論的にはその全てがガス溜め部４０中に収容される
ことになるであろう。このとき、凝縮部はその全領域が
凝縮部として機能することになる。

【００１９】ところで蒸発部での加熱量が少ないとき
は、作動流体の蒸気量も少なく、また蒸気流速も低いも
のになる。このような場合は、凝縮部に到達した蒸気は
速やかに冷却され、凝縮部に深く入る前にその大部分の
凝縮が完了するであろう。しかし蒸発部での加熱量が多
いと、作動流体の蒸気量と蒸気流速が大きくなり、従っ
て凝縮部に到達した蒸気は凝縮部の深くまで入り込んで
凝縮が完了するであろう。

【００２０】このような場合、蒸気流の勢いや突沸効
果、或いは拡散効果によって、作動流体の蒸気若しくは
飛沫液滴がガス溜め部４０に入り込もうとする。しかし
本発明の可変コンダクタンスヒートパイプでは、フィル
ター部３０の効果によって、作動流体の蒸気やその飛沫
液滴のガス溜め部４０への侵入が抑制される。フィルタ
ー部内に設けられたフィルターは、不凝縮性ガスは透過
するが、作動流体は実質透過しないものを用いる。

【００２１】このように作動流体の蒸気やその飛沫液滴
がガス溜め部４０へ侵入することが抑制されているの
で、理論的には、この可変コンダクタンスヒートパイプ
にて運ばれる最大熱輸送時において、不凝縮性ガスはそ
の全てがガス溜め部４０に収容されることになる。その
フィルターの部分を境に作動流体と不凝縮性ガスとの界
面が幅狭く形成されるので、この際、理論的には凝縮部
において作動流体と不凝縮性ガスとが混在した領域がな
くなる。

【００２２】作動流体がガス溜め部４０に留まることが
抑制されるので、作動流体の蒸発部への還流量の低下が
起きにくい。従って還流する作動流体の量が減少するこ
とによる熱移動性能が低下や、蒸発部の過熱を招くドラ
イアウト現象の発生が起こりにくいものになる。

【００２３】

【実施例】本発明を実施例に則して説明する。 本発明例１ 図１は本発明の実施例を説明する概念図である。可変コ
ンダクタンスヒートパイプ１は図の左からパイプ本体部
１０、フィルター部３０、ガス溜め部４０を備えてい
る。パイプ本体部１０は図の左端側が蒸発部で、同じく
図の右端側が凝縮部としている。蒸発部と凝縮部の間は
グラスウール製は断熱材（図示しない）で覆っており、
ここでは断熱部と称しておく。

【００２４】パイプ本体部１０は、全長約１０００ｍｍ
で、蒸発部３００ｍｍ、凝縮部３００ｍｍである。凝縮
部にはアルミ製のフィン２０が取り付けられている。図
１（イ）は、図１（ア）のＡ−Ａ’部の断面を示すもの
である。

【００２５】パイプ本体部１０の右端部にはフィルター
部３０とガス溜め部４０が取り付けられている。ガス溜
め部４０は外径５０．８ｍｍ、長さ２００ｍｍのＳＵＳ
製で、その内部は空洞になっている。フィルター部３０
は、ほぼパイプ本体部１０と同等の径のパイプの中にス
テンレス製のガスフィルターが挿入されたものである。

【００２６】これらパイプ本体部１０、フィルター部３
０およびガス溜め部４０は内部に連通する空間（空洞
部）を形成している。その空間は真空脱気され、更に作
動流体（水）と不凝縮性ガス（ヘリウムガス）が所定量
封入されている。

【００２７】パイプ本体部１０内の空間とガス溜め部４
０内の空間はフィルター部３０の内部に設けられたフィ
ルターに隔てられている。ヘリウムはこのフィルターを
容易に透過するが、作動流体である水は、液相状態はも
ちろん、蒸気になってもこのフィルターを容易には透過
できない。

【００２８】さて蒸発部から熱を加えると、内部の水が
蒸発し、その水蒸気が凝縮部の方へ移動する。しかし加
熱温度が低い場合（可変コンダクタンスヒートパイプ１
の動作開始温度より低い温度である場合）は、ヘリウム
ガスのために水蒸気は凝縮部まで至ることができず、事
実上、ヒートパイプ作用による熱移動はなされていない
状態となる。更に蒸発部の加熱温度を上昇させていけ
ば、水蒸気の圧力が上昇するため、水蒸気とヘリウムガ
スとの界面は図の右方に移動していき、いずれその界面
は凝縮部にまで到達する。凝縮部に到達した水蒸気は冷
却されて再び水（液相状態の水）に戻る。こうしてヒー
トパイプとしての熱移動が開始される。

【００２９】ヒートパイプとして熱移動が開始される温
度より更に高い温度に蒸発部を加熱すると、水蒸気の圧
力が更に高くなっていき、いずれ水蒸気とヘリウムガス
との界面は凝縮部の右端にまで到達する。しかしフィル
ター３０の存在により、水蒸気や液相に戻った水の粒
（飛沫液滴）がガス溜め部４０内に実質上入らない。こ
のように水蒸気やその飛沫液滴がガス溜め部４０へ侵入
することが抑制されているので、作動流体である水の蒸
発部への還流量の低下が起きにくい。従って還流する水
の減少による熱移動性能の低下や、蒸発部の過熱を招く
ドライアウト現象の発生が起こりにくいという効果が実
現した。

【００３０】本発明例２ 図２は本発明の他の実施例を説明する概念図である。可
変コンダクタンスヒートパイプ１２は図１に示した例と
同様、パイプ本体部１１、ガス溜め部４１を備えてい
る。図２（ア）のＣ−Ｃ’部の断面を図３に示すが、ガ
ス溜め部４１とパイプ本体部１１との接続部分（フィル
ター部３１）の内部にはフィルター３２が挿入されてい
る。このフィルター３２の存在する部分が、図１のフィ
ルター部３０に相当する。作動流体、不凝縮性ガス等は
実施例１と同様である。

【００３１】このガス溜め部４１は、パイプ本体部１１
のパイプ径と同等のパイプ４２を４本並列させ、それを
ヘッダ管４３で連通させて形成したものである。このよ
うなガス溜め部４１は、可変コンダクタンスヒートパイ
プ１２として、図の奥行き方向の厚さを薄くしたい場合
等に有効に適用できる。尚、この場合、フィン２１も厚
さを薄くすることが望まれるので、Ｂ−Ｂ’部の断面図
である図２（イ）に示すように薄型のフィン２１を用い
ると良い。

【００３２】この実施例ではフィルター３２として、金
属細線（ステンレス製の径１００μｍ）をランダムに集
合させ、それをプレスして密度を高めたものを用いた。
ここではフィルター３２の厚さは１ｃｍとした。

【００３３】この実施例２の可変コンダクタンスヒート
パイプ１２も実施例１の場合と同様、還流する水の減少
による熱移動性能の低下や、蒸発部の過熱を招くドライ
アウト現象の発生が起こりにくいという効果が実現し
た。

【００３４】本発明例３ 図４（ア）は本発明の他の実施例を説明する概念図であ
る。実施例３の可変コンダクタンスヒートパイプは、実
施例１と同様の構成において、フィルター部３０の部分
を、図４（イ）に示すような円板型フィルター３３を取
り付けた構造としたものである。この円板型フィルター
３３は、厚さ２ｍｍの円板の周囲６箇所に深さ２ｍｍ程
度の切り欠き３３０を設けたものである。その他は実施
例１の場合と同様である。この実施例３の可変コンダク
タンスヒートパイプも実施例１と同様、還流する水の減
少による熱移動性能の低下や、蒸発部の過熱を招くドラ
イアウト現象の発生が起こりにくいという効果が実現し
た。尚、図４の符号３００はフィルター部３０の筒体、
３４は固定棒、３４０は固定棒取り付け部である。

【００３５】本発明例４ 図５は本発明の他の実施例を説明する概念図である。実
施例４の可変コンダクタンスヒートパイプは、実施例１
と同様の構成において、フィルター部３０の部分を、図
５に示すような編組３５を積層させた構造としたもので
ある。図中の符号３０１は筒体である。この編組３５
は、線径６０μｍのステンレス線を平織りしたもので、
１５０メッシュに編み込まれたものである。この例では
編組３５を２０枚積層させた。この実施例４の可変コン
ダクタンスヒートパイプも実施例１と同様、還流する水
の減少による熱移動性能の低下や、蒸発部の過熱を招く
ドライアウト現象の発生が起こりにくいという効果が実
現した。

【００３６】上述の実施例ではフィルターの例として３
種類挙げたが、その他の形態のフィルターを用いても構
わない。実施例１、３ではステンレス製のフィルターを
用いたが、材質はその他、例えばニッケル材等も好適に
適用できる。また実施例１、３のように、金属細線を集
合させたものの他、テープ状のものを集合させたもの等
も適用できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明による可変コンダクタンスヒート
パイプは、作動流体の還流量の減少による熱移動性能が
低下や、蒸発部の過熱を招くドライアウト現象の発生が
起こりにくいという優れた効果を実現したもので、所定
温度に制御したい場合の放熱機構に好適に適用できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変コンダクタンスヒートパイプを説
明する概念図である。

【図２】本発明の可変コンダクタンスヒートパイプを説
明する概念図である。

【図３】本発明の可変コンダクタンスヒートパイプの要
部を説明する概念図である。

【図４】本発明の可変コンダクタンスヒートパイプの要
部を説明する概念図である。

【図５】本発明の可変コンダクタンスヒートパイプの要
部を説明する概念図である。

【符号の説明】

１、１２ 可変コンダクタンスヒートパイプ １０、１１ パイプ本体部 ２０、２１ フィン ３０、３１ フィルター部 ３２ フィルター ３３ 円板型フィルター ３４ 固定棒 ３００、３０１ 筒体 ３３０ 切り欠き ３４０ 固定棒取り付け部 ３５ 編組 ４０、４１ ガス溜め部 ４２ パイプ ４３ ヘッダ管

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンテナとその内部に収容される作動液
   および不凝縮性ガスとを有し、凝縮部に対し蒸発部の反
   対側にはガス溜め部が設けられ、そのガス溜め部と凝縮
   部との間のコンテナ内部にはフィルターが備わってい
   る、可変コンダクタンスヒートパイプ。
2. 【請求項２】 前記フィルターが前記作動流体は難透過
   性で前記不凝縮性ガスは透過性である、請求項１記載の
   可変コンダクタンスヒートパイプ。
3. 【請求項３】 前記フィルターが焼結金属体である請求
   項１または２記載の可変コンダクタンスヒートパイプ。
4. 【請求項４】 前記フィルターが、線状体の集合体であ
   る請求項１または２に記載の可変コンダクタンスヒート
   パイプ。
5. 【請求項５】 前記フィルターがメッシュシートの積層
   体である請求項１または２に記載の可変コンダクタンス
   ヒートパイプ。
6. 【請求項６】 前記フィルターが細径孔または細かい切
   り込みが設けられた板状体である請求項１または２に記
   載の可変コンダクタンスヒートパイプ。