JPS61165591A - 電気絶縁形ヒ−トパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明はコンテナの受熱部と放熱部と、これらを連結す
る断熱部を有し、この断熱部の一部が電気的に絶縁され
ており、上記受熱部と放熱部の両者間に電気的なエネル
ギー授受は行われず熱エネルギーの交換のみが行われる
絶縁形ヒートパイプの改良に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ ヒートパイプは熱の伝導体として使用されるので、その
コンテナは熱伝導性能を良好ならしめる為に銅、アルミ
、ステンレス等の金属が用いられることが多く、この内
で特にコンテナを純銅で構成し、この内部に純水作動液
を封入した銅水系ヒ−トパイブが卓越した熱伝導性能を
発揮することが良く知られている。ところが、コンテナ
を構成している銅は極めて良好な電気伝導体であるから
用途に依っては楊めて不都合な場合があった。例えば大
喜−サイリスタ素子スタックを上記調水系ヒートパイプ
群に依って冷却する場合には、サイリスタ素子を金属ブ
ロックからなる冷却体に加圧接触せしめ、この冷却体に
ヒートパイプの吸熱部を挿着して冷却を実施しているも
のがある。

このような構成のものでは各サイリスタ素子と冷却体、
ヒートパイプ、及びヒートパイプの放熱フィンは何れも
電気的に一体化され何れも高い電圧が印加される。従っ
て、隣接のサイリスタ素子のヒートパイプ及びそのフィ
ン群との放電防止や短絡の危険を防止する必要があり、
この為には冷却体を大形化したり隣接フィン群間の距離
を保つ為に構造上特別な対策を必要とする。

さらに、上記純水は当初電気絶縁性液体であるが、長時
間経過するうちにコンテナやこの内壁面のウィックの金
属イオンが溶存して絶縁性能が低下する。

このようなことから従来コンテナの受熱部と放熱部との
間を絶縁体からなる断熱部で連結し、作動液として例え
ばフレオンを使用した電気絶縁形ヒートパイプが実公昭
５８−３３４２９号公報、実公昭５９−１９８９７号公
報に示されるように公知である。

このような構成の問題点としては作動液として純水を使
用することが出来ないことに依る熱伝導性能低下の問題
がある。この問題点は最も重要な点であって絶縁形ヒー
トパイプの実用化が進展しない大きな要因の一つとなっ
ている。ヒートパイプの卓越した熱移送性能はコンテナ
内で蒸発、凝縮の相変化のサイクルを連続的に繰返す作
動液に固有の潜熱の吸収、放出量に依って殆んど決定さ
れる。従って、ヒートパイプ用の作動液としては蒸発、
凝縮の潜熱が大きいことが望まれる。一般的に最も多用
される温度範囲である１０℃〜２００℃で用いられる作
動液として最大の潜熱を有するのは水であって他の作動
液は桁違いに小さいことが知られている。例えば従来絶
縁形ヒートパイプ用作動液として適当とされているフレ
オン１１３の２０℃における潜熱は３５ＫＣａＭ／Ｋｇ
Ｉ’あって、これは２０℃における水の潜熱が５８６Ｋ
ｃａｎ／／（９であるのに対して約１／１７に過ぎない
。この潜熱の違いは同一構造のヒートパイプでフレオン
１１３を作動液とし用いた場合は、水を作動液を使用し
た場合に比較して熱移動性能は１／１７に低下すること
になる。この作動液に依る性能の低下を防ぐ為の対策と
してはヒートバイブコンテナの内部表面積を拡大せしめ
、作動液量を増加せしめたりする必要があるが、その為
にはコンテナが大形且つ複雑なものとなり高価で実用性
に乏しいものであった。作動液として水を使用出来ない
場合に生ずる他の問題点としてはコンテナの内圧上昇の
問題がある。ヒートパイプのコンテナ内圧は作動温度に
対する作動液の飽和蒸気圧にほぼ等しい。一般に１０℃
／２００℃で用いられる作動液では水が最も小さな飽和
蒸気圧を示す。

例えば絶縁形ヒートバイブに従来用いられているフレオ
ン１１３の１７０℃における飽和蒸気圧は２０に１１０
ｉ、フレオン１１４は同温度で６０Ｋｇ／ｄに達する。

これに対して水の飽和蒸気圧は１７０℃においてほぼ１
０Ｋｇ／−に過ぎない。従って水以外の作動液を使用す
る絶縁形ヒートパイプは１５０℃以上で使用する場合、
爆発、破損等の恐れが有り充分な安全対策を講じる必要
がある。

［発明の目的］ 本発明は上記事情に基いてなされたもので、作動液とし
て純水又は純水に近いものを使用でき、熱伝達性能の低
下およびコンテナ内圧増加の問題点を解決できる電気絶
縁形ヒートパイプを提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明は上記目的を達成するために、受熱部と放熱部お
よびこの両者間に連結され、かつこの少なくとも一部に
電気絶縁部を含んだ断熱部からなり、その内部に作動液
収納用空間を有した電気絶縁形ヒートパイプにおいて、
上記受熱部の作動液収納用空間に純水又は純水に近い作
動液が封入され、上記断熱部の空間であって、上記作動
液の還流する方向とはほぼ直角方向に上記作動液が流れ
こんで連続通路を形成することがなく、しかも上記作動
液が滞留することがない溝又は突部を形成したものであ
る。

［発明の実施例］ 以下、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明による絶縁形ヒートバイブの第１の実施
例を示す断面図であり、これは垂直で使用される型の実
施例である。これは放熱部ａ、断熱部す、受熱部Ｃから
なり、放熱部ａは放熱側コンテナ１とこの内壁面に設け
られた放熱側ウィック２により構成されている。受熱部
Ｃは受熱側コンテナ３とこの内壁面に設けられた受熱側
ウィック４と、この内部に封入される純水又は純水に近
い作動液８とから構成されている。断熱部すはウィック
６と、この外周面であって、上記コンテナ１と３の連結
部に連結された絶縁物５とこの絶縁物５の外周に配設さ
れた加熱手段７とからなっている。上記コンテナ１と３
は何れも純銅のごとき熱伝導性の良好でかつ作動液８と
適合性の良好な金属゛からなっている。上記ウィック２
，４．６は金属細線で形成された金網や焼結金属粉末で
形成された多孔質層等の毛管層からなっている。この毛
管層は垂直使用型のヒートバイブでは省略されることも
ある。上記絶縁物５は、セラミック、ＦＲＰ等の如く耐
＾温絶縁体であって且つ水作動液との適合性の良好な、
更に通気性の無い材料で形成されである。図示されてい
ないが絶縁物５はコンテナ２．３の全集に、コンテナ２
．３の横断面形と相似に設けられ、コンテナ２．３の放
熱側と受熱側との間を電気的に完全に絶縁している。

上記断熱部すの絶縁物５の内壁面上の内周に沿って断面
凹形溝９が形成されており、この凹形溝９はヒートバイ
ブ作動時に放熱部ａから受熱部Ｃに向って内壁面上を還
流する作動液８の流路を横切って形成されている。

なお、作動液８は受熱部Ｃのウィック４内に所定量封入
されているが、この量はヒートバイブの形状、大きさ、
および作動時における最大熱移送量によって決定される
。

上記凹形溝９は断熱部すにおける絶縁物５の範囲内に設
けられるか、凹形溝９の溝幅の範囲内に絶縁物を含んで
形成されであるか何れかの状態に設けられである。この
ことは凹形溝９の溝底を挟んで両壁は相互に電気的に絶
縁された構造であることを意味している。上記凹形溝９
としては還流作動液が溝内に流れ込んで連続流路を形成
することのない形状であることが必須条件であり、更に
流入した作動液が溝内に滞留して溝内に充満することが
ない形状であることも必須条件である。この凹形溝９の
断面形状は作動液８の液量粘度等を勘案して決定する必
要がある。この様な条件を満足する凹形溝９に依って作
動液流路が横切られた場合、液流は凹形溝９内をバイパ
スして通過する様になる。第２図は上記凹形溝９部を拡
大して示す断面図である。なお、図ではコンテナ１．３
と絶縁物５の接着部の接着材や締付用ボルトナツト等は
省略されている。

以下、このように構成された第１の実施例の電気絶縁形
ヒートバイブの作用について説明する。

いま受放熱せしめた場合電気絶縁形ヒートパイプは作動
を開始して受熱部Ｃから吸収した熱量を放熱部ａから放
出する。その際受熱部Ｃのコンテナ３内では作動液８は
潜熱として熱吸収して蒸気流１０となって放熱部ａに上
昇し、潜熱を放出し乍ら液化され作動液流１１として放
熱部内壁又はウィック２内を受熱部Ｃに向って降下する
そして作動液流１１はウィック２の下端部及び凹形溝９
に到達し、凹形溝９に流入することなく凹形溝９の入口
で短絡し、作動液滴１２となって受熱部Ｃのウィック４
内又は内壁面上に滴下し、作動液流１１となり、潜熱を
吸収して蒸発し乍ら降下する。

蒸発残分は液溜りとしてヒートバイブ底に蓄積される。

液溜り量は受熱量に依り増減し、最大入力時には消失す
る。コンテナ１．３は絶縁物５に依り絶縁されてあり、
作動液８は蒸気及び滴下部分で絶縁され、ヒートバイブ
全体として放熱部ａ。

受熱部Ｃ間は電気的に完全に絶縁された状態を保持して
いることになる。

なお、図中１３の矢印群は放熱熱流、１４は矢印群は受
熱熱流を示している。

上記の作用は、作動液８の量が所定量であることが必要
で、作動液８があまり多量であると、作動液滴１２の間
隔が微少となったり、連続流となり絶縁が破壊される。

このようなことがら、受熱部Ｃ内に封入される作動液８
の液量は、凹形溝９を通過する際、作動液滴１２となっ
て落下する量以下に制限する必要がある。

以上のように受熱部Ｃコンテナ３と放熱部ａのコンテナ
１間での電気伝導は、絶縁物５で遮断され、又作動液８
としては電気絶縁の良好な液体である純水が用いられて
いるので初期には完全に絶縁形ヒートバイブとして作動
させることが出来る。

又純水の作動液８がコンテナ１，３及びウィック２．４
．６の金属イオンが溶存して徐々に電気絶縁性を失い、
作動液８が電気伝導性液体に変化した場合でも凹形溝９
を通過する際に滴下に依り連続性が失われ、絶縁物５の
助けによって受熱部Ｃと放熱部ａの間は完全に電気的な
絶縁が保証されるものである。従って、放熱部ａとの間
に電流は流れない。

この様に本発明の実施例による絶縁形に一ドパイブは作
動液として水を使用することが可能となり、完全な絶縁
形ヒートパイプとして実用することが可能となる。従っ
て、水オ蒸気の相変化の際の実大でかつ他種の作動液に
比べて多量の潜熱を吸収、放出するので、従来の絶縁形
ヒートパイプに比較して１桁以上も高い熱伝達性能が得
られる。

また、作動液８として水を使用しているので、２００℃
以下の使用範囲でフレオンに比べて飽和蒸気圧がかなり
小さいことから爆発、破損等の恐れも少なく完全である
。さらに、ウィック２．４が断熱部すにおいて分離され
ているので、蒸気作動液流１１の滴下を妨げたり、凹形
溝９内に作動液流１１を導入せしめたりすることがなく
、放熱部ａと受熱部Ｃの間の電気絶縁が確実であり、し
かもウィック２．４の毛管作用により作動液８の連続流
を形成することもないので、電気絶縁がさらに確実とな
る。また、上記絶縁物５の外周部に加熱手段７が設けら
れているので、凹形溝９の表面温度を少なくとも放熱部
ａより高く（この温度差はそれ程大きくする必要はなく
放熱部ａ内壁温度より僅かに高ければ充分である）保持
できることから、何らかの理由で凹形溝９の表面が作動
液８によって濡れても、この作動液８を瞬時に蒸発せし
めて乾燥状態を保持できることから絶縁破壊を防止でき
、これによりさらに信頼性が向上する。

さらにまた凹形溝９の内面又は内面およびこの周辺を作
動液に対し濡れの生じない絶縁材料で形成したり、凹形
溝９の表面に漏れの生じない処理が施しであるので、作
動液８により凹形溝９が濡れることがなく、上記加熱手
段７を設けた場合と同様に絶縁破損を防止でき、信頼性
が向上する。

上記凹形溝９の内面又は内面およびこの周辺に特にテフ
ロン樹脂のｆｉｌ膜を形成するが又は凹形溝９を形成す
る部分にテフロン樹脂を用いた場合には、作動液８の瀧
れを防止できるだけでなく、その秀れた撥水性により凹
形溝９の表面に流入した純水を液滴化せしめる利点があ
る。

第３図は本発明による電気絶縁形ヒートパイプの第２の
実施例を示す断面図であり、上記第１図。

第２図の第１の実施例は凹形溝９が絶縁物５に形成され
ているが、第３図はコンテナ１の下部に外側に延びるつ
ばａを形成し、コンテナ３の上部に延びるつば３ａを形
成し、このつば１ａ、３８間に設けられる絶縁物５の内
側の穴径をコンテナ１゜３の内径より大きくし、このコ
ンテナ１，３のつば１ａ、３ａと上記絶縁物５により凹
形溝９Ａを形成したものである。第４図は凹形溝９八部
を拡大して示す部分断面図である。

第５図は本発明による電気絶縁形ヒートパイプの第３の
実施例を示すもので、上記第１．第２の実施例はいずれ
も垂直に使用される型のものであるが、第５図は水平で
使用される型のものである。

この場合は上記放熱側コンテナ１と受熱側コンテナ２の
直径を相互に変えるか、又は形状を相互に変え、これに
より作動液８の還流路に段差を設け、この段差部に絶縁
物５を設けて連結し、この絶縁物５に凹形溝９を形成し
たものである。この第３の実施例の場合はウィック２，
４は凹形溝９を挟んで放熱部ａと受熱部Ｃが分離されて
いる。第６図は第５図の凹形溝９部分を拡大して示す断
面図である。以上述べた第２および第３の実施例は第１
の実施例と同様な効果が得られることはいうまでもない
。

以上“述べた第１〜第３の実施例はいずれも断熱部に有
する絶縁物５に直接又は間接的に凹形溝９を形成したが
、これの代りに突部例えば凸形部を形成しても、上記し
た実施例と同様な効果が得られる。また、上記した実施
例では凹形溝９の内壁の乾燥状態を保持するために加熱
手段７を設けたが、この代りに断熱材被覆による保温手
段をもうけてもよく、この場合には凹形溝９の内面が受
熱部Ｃから伝導熱によって加熱されて乾燥状態が保持さ
れる。その他この発明の長日を変更しない範囲で種々変
形して実施できる。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば受熱部の作動液収納用空間に
純水又は純水に近い作動液が封入され、断熱部の空間で
あって、上記作動液の還流する方向とはほぼ直角方向に
上記作動液が流れこんで連続通路を形成することがなく
、しかも上記作動液が滞留することがない溝又は突部を
形成したので、熱伝達性能が高く、コンテナ内圧２増加
にともなう爆発破損等の恐れがなく安全の高い電気絶縁
形ヒートパイプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電気絶縁形ヒートバイブの第１の
実施例を示す断面図、第２図は第１図凹形溝部を拡大し
て示す断面図、第３図は本発明による電気絶縁形ヒート
パイプの第２の実施例を示す断面図、第４図は第３図の
凹形溝部を拡大して示す断面図、第５図は本発明による
電気絶縁形ヒートパイプの第３の実施例を示す断面図、
第６図は第５図の凹形溝部を拡大して示す断面図である
。 １．３・・・コンテナ、２．４．６・・・ウィック、５
・・・絶縁物、７・・・加熱手段、８・・・作動液、９
・・・凹形・溝、１０・・・蒸気流、１１・・・作動液
流、１２・・・作動液滴、１３・・・放熱熱流、１４・
・・受熱熱流。 第１図 第２図 第４図 第５図 ＣＱ　　　　　　　　　　　　　　ｄ 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）受熱部と放熱部およびこの両者間に連結され、か
   つこの少なくとも一部に電気絶縁部を含んだ断熱部から
   なり、その内部に作動液収納用空間を有した電気絶縁形
   ヒートパイプにおいて、上記受熱部の作動液収納用空間
   に純水又は純水に近い作動液が封入され、上記断熱部の
   空間であつて、上記作動液の還流する方向とはほぼ直角
   方向に上記作動液が流れこんで連続通路を形成すること
   がなく、しかも上記作動液が滞留することがない溝又は
   突部を形成した電気絶縁形ヒートパイプ。
2. （２）断熱部に有する絶縁部は、この内壁面に純水又は
   純水に近い作動液によって濡れの生じない絶縁材料で形
   成した特許請求の範囲第（１）項記載の電気絶縁形ヒー
   トパイプ。
3. （３）断熱部に有する絶縁部は、内壁面に純水又は純水
   に近い作動液によつて濡れの生じない表面処理が施され
   たものである特許請求の範囲第（１）項記載の電気絶縁
   形ヒートパイプ。
4. （４）断熱部に有する絶縁部はこの内壁面の温度を、放
   熱部の内壁面の温度より高温に保持させるための手段が
   設けられている特許請求の範囲第（１）項記載の電気絶
   縁形ヒートパイプ。