JPS61250490A - 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】 （発明の背景） 本発明はヒートパイプに関し、更に詳細には熱を供給で
きる外部熱源からの熱搬送を増大させるために蒸発器部
分の表面を拡張させたヒート、パイプに関するものであ
る。

（発明の要約） 本発明の改良ヒートパイプは蒸発器の内外の画表面積を
増すために前記ヒートパイプの蒸発器部分に、ウィック
を内張すした拡張する波形をなした中空フィンを追加す
る点に特徴を有する。

一般にヒートパイプは一端に蒸発器をもち反対端に凝縮
器をもつ管からなり、外部熱源が蒸発器に熱を供給し、
外部ヒートシンクが凝縮器から熱を抽出するように構成
する。ヒートパイプの実質的にすべての内表面は微細な
多孔質材料からなるウィックで内張すされる。ウィック
は毛管作用により液体を搬送し、分散させることができ
なければならない。最後に、ヒートパイプは成る量の熱
搬送媒体を充たされる。

安定状態の作動中、液体の熱搬送媒体は外部熱源から供
給される熱により蒸発器内で蒸発させられる。蒸発の潜
熱を含む蒸気状の熱搬送媒体は管を通って蒸発器から凝
縮器へ流れ、そこで前記潜熱が放出され、その後外部ヒ
ートシンクへ伝達される。熱搬送媒体は蒸発潜熱を放出
したときに凝縮し、凝縮物がウィックに集められる。ウ
ィック内で、熱搬送媒体が毛管作用及び／又は重力によ
ってダクトを通過し、凝縮器から蒸発器へ、次の作動サ
イクルのために、搬送される。

蒸発器と凝縮器内の熱搬送率は実質的に同じである。と
いうのはそれらの間の熱損失は搬送される熱全体に比し
て小さく、無視し得るからである。

この無視し得る熱損失を無視すれば、次式が成立する。

Ｑ　＝ＡｅＱ＊＝Ａｃｑｃ 但し、Ｑ＝全熱搬送率 Ａ、＝蒸発器面積 ｑ０＝蒸発器に対する熱フラツクス ＡＣ・凝縮器の面積 ｑｃ・凝縮器からの熱フラツクス この結果、任意の所定のヒートパイプ形状に対しては、
もし全熱搬送量ｑを、蒸発器に対する熱フラツクスｑ８
を一定に保っておきながら蒸発器の面積へ〇を増すこと
によって、増大させれば、凝縮器面積＾。を増さずに、
凝縮器ｑｃからの熱フラツクスはそれに比例して増大し
なければならない。ヒートパイプのこの特性は熱フラツ
クス変換として知られ、この特性は大量の熱を小面積に
供給するために有用である。本発明の目的は、蒸発器の
表面積が凝縮器の表面積より大きくなるように蒸発器を
形成することにより蒸発器の比較的低い熱フラツクスを
凝縮器の高い熱フラツクスに変換させることにある。蒸
発器に中空フィンを追加すれば、その大きさをほんの僅
かだけ追加するだけで、簡単にその表面積を大きく追加
することができる。

外表面積を増すが内表面積を増さない慣例のフィンは、
ヒートパイプの蒸発器部分に追加されたとき、一定限度
の有用性しか与えない。というのは熱入力の増加はほん
の僅かだからである。更に、温度勾配は、各フィンを通
る熱伝導からくる局部的に高い熱フラツクスによりフィ
ンと直角に蒸発器に沿って生ずる。この温度勾配は、ウ
ィック内における液体状熱搬送媒体の沸騰制限に因り、
ヒートパイプを最大効率以下で作動せしめる。この沸騰
制限はヒートパイプ内における蒸発率のための熱フラッ
クス限度である。もし蒸発器の壁を通る熱フラツクスが
増大すれば、気泡がウィック内の液体に発生して液体の
流れにホットスポットや障害を生ぜしめることになる。

この現象の結果、通常型まれる伝導性蒸発、即ち液体−
蒸気界面でのその後の液体の蒸発をもたらす液体を通し
ての熱の伝導が、ウィック内の気泡とフィン近くの高い
熱フラックスの領域でのひからびとに因る減少した液体
流と置替えられる。

これと反対に、ウィック内の沸騰を排除するために熱フ
ラックスを減少すれば、フィン間の領域が伝導性蒸発を
持続するのに必要な熱フラツクスレベルより小さいレベ
ルを与えられて、ヒートパイプの全効率を低下させる結
果となる。

ヒートパイプへの熱人力を増すために蒸発器表面に追加
される拡張された波形の中空フィンは通常の型式のフィ
ンに生じる問題を排除する。追加された中空フィンをも
つ蒸発器の壁面を通る熱抵抗はすべての個所で実質的に
等しい。これは蒸発器の内表面積と共に外表面積が増大
するという特徴に因る。それ故、均一温度においては、
蒸発器に沿っての熱フラツクスは均一のままであり、あ
らゆる温度勾配を除去し、更にウィック内の沸騰に起因
するひからびの確立を最小にする。

慣例型式のフィンをしのぐ中空フィンにより得られる主
な利益は、蒸発器に入る熱がかなり増大することである
。慣例のフィンでは、蒸発器への熱の供給は、フィンの
縦に沿ってかつフィンの基部を通してフィンを取付けた
蒸発器の表面積に至る熱伝導により増大する。

中空フィンでは、蒸発器への熱供給は、伝導よりはむし
ろフィンに沿うエンタルピ伝達によって増大する。特に
、熱入力は、熱がそれを通して伝達されている表面積の
増大に比例して増大せしめられる。安定状態の作動中に
、各中空フィンの内表面すべてに沿って、液状熱搬送媒
体は蒸発せしめられている。蒸発後熱搬送媒体は中空フ
ィンに沿って流れて、蒸発器に入る。それ故、追加の蒸
発器表面積からくる熱フラツクスは急速にエンタルピ伝
達により蒸発器に入って行く。

ヒートパイプは前述の如く蒸発器から凝縮器への熱搬送
のために成る量の熱搬送媒体を収容している。水素の如
き冷却剤ガスからナト、リウムの如き液体金属までの媒
体を、なかんずく所要の作動温度と熱フラツクスに依存
して、ヒートパイプ内に使うために選択することができ
る。作動温度と熱フラツクスを選択した後、使用する熱
搬送媒体用のヒートパイプの作動圧力が選択温度での飽
和圧力となるように決められる。この飽和圧力はヒート
バイブ外の周囲圧力より小さいか又は大きくすることが
できる。従って本発明の目的は、ヒートパイプを周囲圧
力より低い圧力で作動させなければならない場合にへこ
みを防止するために蒸発器と中空フィンを構造的に剛性
となす手段を提供することにある。

中空フィンは圧縮荷重を支持することのできる粗い多孔
質のガーゼを蒸発器の内面に、ウィックを間に挟んで、
取付けることにより剛性化される。

粗いガーゼの厚さはほぼ中空フィンの幅の半分とし、制
作後に各中空フィン中のウィック表面間の容積に粗いガ
ーゼを完全に充たして、構造的な剛性を与えるようにな
す。粗いガーゼのワイヤ間の十分な間隔は蒸気の流れの
妨害を最小にするために必要である。

本発明の他の目的は、粗いガーゼを中空フィンに組合せ
る場合に中空フィンを簡単に、低コストで制作できるよ
うになすことにある。制作中にフィンを折り曲げたとき
、ガーゼは、粗いガーゼの厚さの２倍にウィック厚さの
２倍を加えた値となるようにフィンの内側幅を自動的に
決める。更に、粗いガーゼがフィンに囲まれた容積を完
全に占めるために、組立て用のダイの設計が簡単になる
。

（好適実施例の説明） 改良したヒートパイプは第１，２図に１０で示す。

詳細には、このヒートパイプは両端に堅固に配置した蒸
発器１２と凝縮器１３をもつ管１１からなる。複数の、
ウィックを内張すした拡張した波形の、実質的に平行に
延在する中空のフィンは蒸発器１２に堅固に結合してい
る。

第１図は中空フィン１４を示し、これらは波形を蒸発器
１２の表面から実質的に管１１と平行に延在するように
向けている。しかし、管１１に直角、又は他の角度をな
すフィンの向きも、特定の用途で熱搬送を最適にするた
めに、採用可能である。中空フィン１４の端と、蒸発器
の対応する表面は堅固に結合した端板により周囲からシ
ールされる。第２゜３図は、中空フィン１４が蒸発器１
２の壁１５に堅固に取付けられ、かつ蒸発器１２に対し
て開いていてその内外表面積を有効に増すスペースを作
る表面をもつことを示す。蒸発器１２に開いた各中空フ
ヘン１４内のスペースはヒートパイプ１０内に収容した
、液体状又は蒸気状の熱搬送媒体を各スペースと蒸発器
１２間で連通せしめる。

各中空フィン１４は蒸発器１２の表面から直角に外方に
延在する実質的に平らな平行側面をもつ。平行側面は蒸
発器１２に堅固に取付けた基端と、頂面に結合される頂
端をもつ。

凝縮器１３は第１，４図に示し、これは管１１に対し実
質的に直角に向いた円筒形の管型の熱交換器である。貫
通孔１６が凝縮器１３の頂面と底面に設けられる。凝縮
器１３内に置いたヒーター管１７は、流体をヒートバイ
ブ１０内の熱搬送媒体と混合させることなく流体媒体を
通過させるために貫通孔１６で頂面と底面に堅固に取付
けられる。

毛管作用により液体を搬送することのできるウィック１
８が蒸発器１２と管１１の全内面に取付けられ、第２，
３図に示す如く、各中空フィン１４の円面にも取つけら
れる。凝縮器１３の大部分の内面はつイック１８を内張
すされており、その主な例外はヒーター管１７の外面で
ある。

第５図は、粗い、多孔質の材料１９の単一の層が、ウィ
ック１８を間に挾んで、蒸発器１２に取付けられ、中空
フィン１４を作るとき粗い多孔質材料１９が蒸発器１２
に開いた各中空フィン１４内のスペースを完全に充たす
ようになしている状態を示す。粗いガーゼ（又は多孔質
材料）１９の層を付けることにより３つの利点がもたら
される。第一には、簡単な、低コストの作製が可能であ
る・。というのは蒸発器１２に開いた各中空フィン１４
内のスペースの幅は粗い多孔質材料１９の厚さの２倍に
ウィック１８の厚さの２倍を合計した値に決められるか
らである。第二に、粗い多孔質材料１９はウィック１８
を蒸発器１２の壁にしっかりと押付けて、ヒートパイプ
作動に悪影響を与えるウィックと壁間の間隙を取除く。

最後に、粗い多孔質材料１９の付着は中空フィン１４に
剛性を与えて、ヒートパイプが真空圧においてもへこむ
ことなく作動できるようになす。粗い多孔質材料１９は
ステンレス鋼ガーゼ又は他の材料であって、十分に多孔
質であり、蒸気状の熱搬送媒体の、それを通る流れの妨
害を最小となすと共に圧縮強度をもつ如き材料からなる
ものとする。

第５．７図は真空圧におけるヒートパイプの作動中のへ
こみを防止するために蒸発器１２に挿入される、圧縮荷
重を支えることのできる手段を示す。

第６図はウィック１８と粗い多孔質材料１９を中に配置
した後に蒸発器１２の残りの内部容積を完全に占める多
孔質物質２０を示す。この物質２０の多孔度は、蒸気を
最小の圧力降下でそれを通して流すのに十分なものとす
る。多孔質物質２０は例えば、蒸気状の熱搬送媒体を最
小の流れ妨害でもってそれを通して流すのに十分の多孔
性をもつステンレス鋼製のガーゼ又はその他の織物材料
から構成することができる。第７図に示す如く、ヒート
パイプの作動中の蒸発器のへこみを防止するために、蒸
発器１２の壁の対向した内面間に延在しかつこれらの内
面に固定された構造部材２１の如き、圧縮荷重を支え得
る他の手段を使うこともできる。第８図は、構造部材２
１が離間していて、蒸気状の熱搬送媒体が蒸発器１２を
通る実質的に拘束されない流れを生じるようになした構
成を示す。かかる部材２１は真空圧におけるヒートパイ
プの作動中の蒸発器１２のへこみを防止するために任意
の適切な形状に、図示の如くかどのある配列となすこと
ができる。内部に延在する構造部材２１は、ヒートパイ
プが周囲圧力より大きな圧力で作動する場合に引張荷重
を支えるために蒸発器１２の壁に固定される。

熱は外部熱源により蒸発器に与えられる。一般に、熱源
は、伝導、対流、輻射によって、又は使用する燃料の種
類、熱源のデザイン及び所要温度に依存するこれらの熱
伝達法の組合せによって熱を蒸発器に供給する。例えば
、ナ）　ＩＪウムヒートパイプ用には、８００℃乃至１
０００℃の温度を与えるガス又はオイルだきされる燃焼
器が代表的なものである。

本発明の利益は、蒸発器面上の熱フラツクス（ｈｅａｔ
　ｆｌｕｘ）を増さずに、ヒートパイプへの熱入力を増
すために大きな外部と内部の蒸発器面を与えることにあ
る。この利益は、主として対流、例えばガス又はオイル
だきされる燃焼器により熱を与える熱源と組合わせた場
合に特に有用である。

この種の代表的燃焼器は一般に、材料及び燃焼過程の生
成物により余熱した空気を供給する燃焼チャンバと、ス
タック（ｓｔａｃｋ）の如き燃焼生成物を処分するため
の手段を含む。ウィック内張りした中空フィンをもった
ヒートパイプの蒸発器部分は燃焼器の内部容積内に配置
されて、その中に含まれる熱が蒸発器のすべてのフィン
付き面に接触してそれ゛への熱入力を最大にするように
なしている。

特に第９．１０．１１図は内部容積を限定する剛性の壁
面をもったガスだき燃焼器を示す。ウィック内張りした
中空フィン付き面を有する蒸発器部分と管をもったヒー
トパイプ２３は、蒸発器部分を燃焼器２２の内部容積内
に配置しかつダクトがその壁面を通して延在するように
なして、堅固に配置される。燃焼チャンバ２４はヒート
パイプ２３の蒸発器部分の下で内部容積の底に置かれ、
蒸発器部分を均一に加熱する。燃料ノズル２５は燃焼チ
ャンバ２４に堅固に結合され、それに燃焼用の燃料をお
くる。

内部容積内に堅固に配置した熱交換器２６はヒートパイ
プ２３の蒸発器部分の上方に置く。ヒートパイプ２３の
蒸発器部分の中空フィン間の流れスペース２７は頂部と
底部で開き、かつ頂部と底部で開いた熱交換器２６内の
第一通路２８と整列していて、燃焼ガスが直線経路に沿
って自由に流れて、流れの妨害を最小となすようにする
ことができる。熱交換器２６内に置かれた第二通路３２
は、第一通路２８と密接して熱接触し、頂部と底部で閉
鎖され、頂部近くで送風器２９に連結され、底部近くで
ダクト３０に連結されていて、周囲空気が燃焼生成物と
混合するのを防止する。送風器２９は熱交換器２６の頂
部近くで燃焼器２２の壁面に取付けられる。ダクト３０
は熱交換器２６の下部分に第一端を、燃焼チャンバ２４
に第二端をもった燃焼器２２の壁の外面に沿って延在し
ていて、両端間を空気が通るようになす。各端は空気の
流れを容易にするように燃焼器に設けた開口で燃焼器２
２の壁面に堅固に取付けられる。

作動中、周囲条件下の取入れ空気は送風器２９に吸込ま
れ、予熱のために熱交換器２６内の第二通路３２内に圧
送される。予熱された空気は熱交換器２６からダクト３
０に入り、これを通って燃焼チャンバ２４に流れて行く
。燃料は、その後予熱空気で燃焼するために、燃料ノズ
ル２５を通って燃焼チャンバ２４に入れられる。熱い燃
焼ガスが流れスペース２７を通って中空フィン間を均等
に流れるにつれて、熱がヒートバイブ２３内に入れられ
た熱搬送媒体に伝達される。流れスペース２７から熱い
燃焼ガスは、この熱い燃焼ガスに対して逆流関係で第二
通路３２を流れる取入れ空気を予熱するために、熱交換
器２６内の第一通路２８を通過する。排気用スタック３
１は燃焼ガスのための大気への出口を与える。

燃焼器２２は多くの型式のヒートパイプに使用できる。

例えば、所望の作動温度と選択された熱搬送媒体に依存
して、ヒートパイプは周囲温度より高い又は低い圧力で
作動させるこきができる。

第６．７図に示す蒸発器は中空フィン１４を強化しかつ
その製作を簡単にするために粗い多孔質材料１８を収容
しかつ構造強度を与えるための多孔質の物質２０を収容
している。各用途に対して、長さ、幅等の中空フィンの
パラメータはヒートパイプの性能を最適ならしめるため
に変えることができる。

別の型式の外部熱源を、ウィック内張りした中空フィン
をもつヒートパイプの蒸発器に熱を供給するために使用
できる。かかる他の熱源には流動床熱源が含まれ、この
場合蒸発器は内部容積内に収容され、この内部容積内で
シリカ小粒子の如き不活性媒体が垂直上向きに流れる空
気により流動化されて、支持される。微小な石炭粒子が
流動化した媒体内に噴射され、その中で燃焼して蒸発器
を加熱する。この熱供給法は蒸発器への効率のよい、均
等な熱搬送を行い、また燃焼過程で生じる生成物は一般
に低濃度の一酸化炭素、窒素酸化物及び二酸化硫黄を含
む。

かかる使用例では、上記のものに実質的に似た熱交換器
が蒸発器の上方に置かれて、燃焼用の予熱空気を提供す
る。

以上本発明の好適例につき説明したが、本発明は発明の
精神と範囲を逸脱することなく種々の変更をなし得るも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸発器に取付けた中空フィンを示す改良ヒート
パイプの全体斜視図； 第２図は前記ヒートパイプの縦断面図；第３図はウィッ
クを具えた中空フィンの拡大部分断面図： 第４図は第２図の凝縮器の線Ｉ−■上でとった断面図； 第５図は粗いガーゼを具えた中空フィンの拡大部分断面
図； 第６図は多孔質物質を具えた蒸発器の部分縦断面図； 第７図は構造部材の配列を示す蒸発器の部分縦断面図； 第８図は第７図の線■−■上でとった断面図；第９図は
ガス又はオイルだき燃焼器の全体図；第１Ｏ図は燃焼器
内の改良ヒートパイプの蒸発器部分を示す第９図の線■
−■上でとった断面図；第１１図は燃焼器の熱交換器を
示す第９図の段付きの線ＩＶ−ＩＶ上でとった断面図で
ある。 １０・・・ヒートパイプ　　　１１・・・管１２・・・
蒸発器　　　　　　１３・・・凝縮器１４・・・中空フ
ィン　　　　１６・・・貫通孔１７・・・ヒーター管１
８−・・ウィック１９・・・粗い多孔質材料　　２０・
・・多孔質物質２２・・・燃焼器　　　　　　２４・・
・燃焼チャンバ２６・・・熱交換器　　　　　２８・・
・第一通路２９・・・送風器　　　　　　３０・・・ダ
クト３２・・・第二通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　対向した端に蒸発器と凝縮器をもつダクトと；前記ダ
   クトの内面に内張りした、毛管作用で液体を搬送するウ
   ィックと；前記蒸発器と前記凝縮器間で熱を搬送するた
   めの前記ダクト内に収容した熱搬送媒体；とを含むヒー
   トパイプにおいて、複数の中空フィンを具え、前記中空
   フィンは前記ウィックで内張りされ、かつ圧縮荷重を支
   持することのできる粗い多孔質材料の内張りを有してい
   て、前記フィンの構造的剛性を増しており、前記中空フ
   ィンの内側幅は粗い多孔質材料の厚さの２倍にウィック
   厚さの２倍を加えた値となし、前記ダクトの内部と流体
   連通して前記ダクトの蒸発器端に置かれ、前記フィンは
   実質的に平らな側面をもち、お互いにほぼ平行に離間し
   て配置されていて、前記平らな側面を通してかつこの側
   面により熱源から前記フィンの内部を加熱できるように
   なしており、前記中空フィン内のスペースは前記ダクト
   に開いていて、液体及び蒸気状の前記熱伝達媒体をそれ
   らの間で連通せしめるように構成したことを特徴とする
   ヒートパイプ。