JP2022006611A - 蒸発器及びループ型ヒートパイプ - Google Patents
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Abstract
【課題】発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器及びそれを備えるループ型ヒートパイプであって、蒸発器の姿勢が変化しても、受熱体と接触している発熱体を効率的に冷却できるものを提案する。【解決手段】発熱体からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器が、内部に作動流体を収容する収容室が設けられた筐体と、筐体の底面に設けられて、発熱体と熱的に接続される受熱体とを備える。筐体は、収容室を上部室と下部室とに仕切るとともに上部室と下部室とを連通する多数の細孔を有する多孔板と、上部室に開口した少なくとも1つの作動流体入口と、下部室の底部を複数の液溜部に区画する壁部材と、下部室であって壁部材より上方に開口した少なくとも1つの作動流体出口とを有する。【選択図】図3
Description
本発明は、蒸発器、及び、それを備えたループ型ヒートパイプに関する。
従来、作動流体の相変化を利用して高密度な熱輸送を行うループ型ヒートパイプの技術が知られている。このようなループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システムは、例えば、コンピュータや家電などの電子機器の冷却に利用されている。ループ型ヒートパイプとしては、毛細管力及び/又は重力を利用して作動流体を循環させるものがある。
ループ型ヒートパイプは、蒸発器、凝縮器、蒸発器と凝縮器とを連絡する蒸気管、及び、凝縮器と蒸発器とを連絡する液管によって形成された閉ループを有する。閉ループには、作動流体が封入される。蒸発器では、液相の作動流体が発熱体から伝わる熱で加熱されて、その一部が気体に変化する。気液二相の作動流体は圧力差や浮力によって蒸気管内を移動し、凝縮器に到達する。凝縮器では、作動流体が冷却されて液体に変化する。この液相の作動流体は毛細管力及び/又は重力によって蒸発器へ還流する。このようにして、ループ型ヒートパイプでは、作動流体が二相閉ループを循環することで蒸発器から凝縮器へ熱が輸送され、蒸発器と熱的に接続された発熱体が冷却される。
特許文献1では、上記のループ型ヒートパイプに用いられる蒸発器であって、その下部に配置されたウィックを備えるものが提案されている。このウィックの孔内は作動流体で満たされており、ループ型ヒートパイプが停止した状態においても蒸発器内に液相の作動流体が残留する。
電子機器の高性能化及び小型化が急速に進み、近年では、電子機器を多数搭載した船舶、鉄道車両、自動車、及び航空機などの輸送機におけるサーマルマネージメントへの要求も高まりつつある。上記のような作動流体の循環に重力を利用したループ型ヒートパイプを搭載した輸送機では、機体の姿勢が時々刻々と変化することから、姿勢の変化により作動流体を循環させる駆動力が低下し、熱輸送量が低下するという課題がある。
蒸発器には、作動流体の収容された容器の底部に受熱体が配置され、この受熱体と発熱体とが熱的に接続されたものがある。このような蒸発器では、当該蒸発器の姿勢が傾くと、容器の底部に溜まった液相の作動流体と受熱体の一部とが接触しない状態となることが想定される。つまり、受熱体には、液相の作動流体と接触していないドライ部分と、液相の作動流体と接触しているウエット部分とが生じることとなる。ドライ部分では作動流体の蒸発が生じないことから、ドライ部分はウエット部分と比較して吸熱が小さい。これにより、ドライ部分ではウェット部分と比較して発熱体を冷却する能力が低く、発熱体に冷却ムラが生じる可能性がある。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器及びそれを備えるループ型ヒートパイプであって、蒸発器の姿勢が変化しても、受熱体と接触している発熱体を効率的に冷却できるものを提案することにある。
本発明の一態様に係る蒸発器は、発熱体からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器であって、内部に前記作動流体を収容する収容室が設けられた筐体と、前記筐体の底面に設けられて、前記発熱体と熱的に接続される受熱体とを備える。そして、前記筐体が、前記収容室を上部室と下部室とに仕切るとともに前記上部室と前記下部室とを連通する多数の細孔を有する多孔板と、前記上部室に開口した少なくとも1つの作動流体入口と、前記下部室の底部を複数の液溜部に区画する壁部材と、前記下部室であって前記壁部材より上方に開口した少なくとも1つの作動流体出口とを有することを特徴としている。
また、本発明の一態様に係るループ型ヒートパイプは、液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる上記の蒸発器と、気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器の前記作動流体出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管と、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の前記作動流体入口とを連絡する液管とを備えることを特徴としている。
上記構成の蒸発器及びループ型ヒートパイプでは、蒸発器の収容室のうち上部室に流入した液相の作動流体は、多孔板の細孔を通過して下部室へ侵入し、下部室の液溜部へ落下する。ここで、上部室の作動流体は、細孔を通過する際に生じる流れ抵抗により、直ちに下部室へ流下するのではなく、多孔板上で拡散する。これにより、上部室の作動流体は、作動流体入口の直下の細孔だけでなく、作動流体入口直下から離れた細孔にも分配されてから、下部室へ落下する。このようにして、作動流体入口直下の液溜部のみならず、作動流体入口直下から離れた液溜部にも作動流体が分配される。
蒸発器の筐体の底面が水平から傾いたときに、液溜部の液相の作動流体は底面の傾きに沿って下方へ流れようとするが、壁部材によってその流れが阻害されて液溜部に留まる。このように、蒸発器の姿勢が変化して筐体の底面が水平から傾いても、作動流体が収容室の底部に残留し、受熱体と作動流体とが熱的に接触した状態が維持される。また、受熱体と作動流体とが熱的に接触しないドライ部分が生じても、ドライ部分は受熱体が熱的に接触している発熱体に対し分散して、偏在しない。よって、蒸発器の姿勢の変化に拘わらず、発熱体の受熱体と接触している領域全体を効率的に冷却することができる。
本発明によれば、発熱体と熱的に接続される受熱体が底部に配置された蒸発器及びそれを備えるループ型ヒートパイプであって、蒸発器の姿勢が変化しても、受熱体と接触している発熱体を効率的に冷却できるものを提案することができる。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るループ型ヒートパイプ10を搭載した航空機50の概略構成を示す図である。
図1に示すループ型ヒートパイプ10は、閉ループを形成する蒸発器2、蒸気管4、凝縮器3、及び、液管5を備える。閉ループ内には、凝縮性の流体である作動流体が封入されている。作動流体は、ループ型ヒートパイプ10を相変化と重力を利用して自然循環する。なお、作動流体は、特に限定されず、従来ヒートパイプの作動流体として使用されている凝縮性の流体(例えば、水、アルコール、アンモニア、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、及び、それらの混合液など)であってよい。
蒸発器2は、熱源である発熱体99と熱的に接続される。この蒸発器2では、液相の作動流体が発熱体99から吸熱し、その一部が沸騰して気体に変化する。気液二相の作動流体は、蒸発器2の出口と凝縮器3の入口とを連絡する蒸気管4を圧力差や浮力によって移動し、凝縮器3へ到達する。
凝縮器3は、蒸発器2よりも上方に設置される。凝縮器3には冷却流路(図示略)が形成されており、二相の作動流体は冷却流路を通過するうちに放熱し、冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は、凝縮器3の出口と蒸発器2の入口とを連絡する液管5を重力によって降下し、蒸発器2へ還る。
上記構成のループ型ヒートパイプ10は、輸送機に搭載される。このような輸送機として、船舶(潜水艇を含む)、鉄道車両、自動車、及び航空機などが例示される。本実施形態では、輸送機の一例としての航空機50にループ型ヒートパイプ10が搭載されている。この航空機50は、通常運行時の傾転許容角度がα°であって、通常運行時に水平から傾転許容角度までの範囲内での傾動が許容される。
図1には、航空機50の胴体51及び主翼53の一部が示されている。胴体51は、外板52と、外板52より客室側に設けられた内壁54とを含む複層構造を有する。外板52と内壁54との間には、冷却室55が形成されている。冷却室55内は、飛行中に地上よりも著しく低温の外気に晒される外板52から伝わる冷熱によって低温となっている。或いは、外板52に冷却室55と連通される空気入口と空気出口とが設けられ、飛行中の冷却室55に外気が導入されてもよい。
上記の航空機50において、凝縮器3は冷却室55内に配置され、発熱体99及びこれと熱的に接続された蒸発器2は内壁54よりも客室側に配置されている。冷却室55内には、凝縮器3に強制的に通気させるためのファン56が設けられている。この凝縮器3では、外気の冷熱を利用して作動流体を凝縮させる。発熱体99は、特に限定されないが、例えば、制御盤やエンジンコントロールユニット(ECU)やその他コンピュータなどの発熱部品を含む電子機器、軸受などの摩擦熱が生じる機械部品、及び、電池などが挙げられる。また、発熱体99に代えて、客室空気が熱源とされてもよい。
〔蒸発器2の構成〕
以下、上記構成のループ型ヒートパイプ10が備える蒸発器2の構成について説明する。図2は本実施形態に係る蒸発器2の斜視図、図3は蒸発器2の内部構造を説明する側面図、図4は液溜部66を説明する蒸発器2内部の平面図、図5は液溜部66の変形例を説明する蒸発器2内部の平面図である。
以下、上記構成のループ型ヒートパイプ10が備える蒸発器2の構成について説明する。図2は本実施形態に係る蒸発器2の斜視図、図3は蒸発器2の内部構造を説明する側面図、図4は液溜部66を説明する蒸発器2内部の平面図、図5は液溜部66の変形例を説明する蒸発器2内部の平面図である。
図2及び図3に示すように、本実施形態に係る蒸発器2は、筐体6と、筐体6の底面62に設けられた受熱体28とを備える。
筐体6は、上面61及び底面62が最大面積の直方体形状を呈する。筐体6の内部には、作動流体の収容室23が形成されている。筐体6の底面62の一部又は全部は、受熱体28で形成されている。受熱体28は、銅などの熱伝導率の高い金属材料からなる板状部材である。受熱体28は、筐体6の外に表れる受熱面281と、筐体6内の収容室23内に表れる沸騰面282とを有する。受熱面281は、蒸発器2の下方に配置された発熱体99と熱的に接続され、発熱体99から熱を受け取る。
収容室23は、多孔板22によって、多孔板22よりも上側の上部室24と、多孔板22よりも下側の下部室25とに仕切られている。多孔板22は、筐体6の上面61及び底面62と平行である。多孔板22は、多数の細孔を有し、各細孔を通じた作動流体の通過が許容される。
上部室24には、少なくとも1つの作動流体入口67が開口している。作動流体入口67は、上部室24のうち最も高い位置に開口していることが望ましい。本実施形態に係る作動流体入口67は、筐体6の上面61に開口している。作動流体入口67は上方へ延びる液管5と接続されている。
下部室25には、少なくとも1つの作動流体出口68が開口している。作動流体出口68は、下部室25のうち最も高い位置に開口していることが望ましい。本実施形態に係る作動流体出口68は、下部室25の天井を形成している多孔板22に開口している。但し、作動流体出口68は、筐体6の側壁や、筐体6を通じて下部室25内へ挿入された管部材の先端などに形成されていてもよい。作動流体出口68は上方へ延びる蒸気管4と接続されている。
下部室25の底部は、壁部材65によって複数の液溜部66に区画されている。各液溜部66には液相の作動流体が収容される。壁部材65は、例えば、銅などの熱伝導率の高い金属材料から成る。但し、壁部材65の材料は金属材料に限定されない。本実施形態に係る壁部材65は、収容室23(下部室25)の床面である受熱体28の沸騰面282から起立した板状部材である。
複数の液溜部66は、輸送機の傾転方向(傾き方向)に並ぶ複数の凹部である。本実施形態では、図4に示すように、下部室25の底面から起立した格子状の壁部材65によって、下部室25の底部に複数の矩形状の液溜部66が形成されている。但し、液溜部66の態様はこれに限定されない。例えば、図5に示すように、下部室25の床面から起立した平行な複数の壁部材65によって、下部室25の底部に複数の長方形状の液溜部66が形成されていてもよい。
なお、壁部材65は、下部室25の底部に複数の液溜部66を形成するものであれば、その態様は上記に限定されない。例えば、壁部材65は、受熱体28の沸騰面282から起立する板状を呈していてよい。また、例えば、壁部材65は、沸騰面282と接触している伝熱ブロックから複数の液溜部66が削り出されることによって形成されていてもよい。
上記構成の蒸発器2において、液管5及び作動流体入口67を通じて液相の作動流体が上部室24へ流入する。上部室24の作動流体は、多孔板22の細孔を通過して下部室25へ侵入し、下部室25の液溜部66へ落下する。ここで、上部室24の作動流体は、細孔を通過する際に生じる流れ抵抗により、直ちに下部室25へ流下するのではなく上部室24で一時的に滞留して、多孔板22上で水平方向へ拡散する。その結果、上部室24に滞留している液相の作動流体によって、上部室24に上下方向の厚みを有する液層71が形成されている。そして、上部室24の作動流体は、作動流体入口67の直下の細孔だけでなく、作動流体入口67から離れた細孔にも分配される。
上記のようにして、多孔板22の全面に偏りなく配置された多数の細孔の各々から作動流体が落下する。これにより、作動流体入口67直下の液溜部66のみならず、作動流体入口67直下から離れた液溜部66にも作動流体が分配される。液溜部66に収容された液相の作動流体の液面Lは、沸騰面282が水平な状態において壁部材65より低い位置にある。但し、液面Lは壁部材65と同じ又はそれより高い位置にあってもよい。
受熱体28が発熱体99から受け取った熱は、沸騰面282及び壁部材65から作動流体へ放出される。その熱によって液溜部66にある液相の作動流体の少なくとも一部は沸騰して気相となる。その結果、下部室25内の液面Lより上方は気相(又は、気相及び液相の気液二相)の作動流体で満たされる。なお、二相流体では厳密には液面Lは存在しないが、下部室25内の作動流体は上方に向かうに従って液体中に存在する気体の体積の割合が大きくなるので、気液二相流の中で気体の占める体積比率(ボイド率)が所定比率(例えば、50%)となる境界面が仮想的な液面Lと規定されてもよい。
〔多孔板22の構造〕
多孔板22は、多数の細孔が全面に亘って偏りなく規則的に配置されている。細孔の形状は円形に限定されず、多孔板22は、例えば、パンチングメタルや金属網であってよい。多孔板22の総面積は蒸発器2の筐体6のサイズによって定まることから、選択し得る多孔板22のパラメータは細孔数、細孔径(細孔の平均径)、及び板厚である。
多孔板22は、多数の細孔が全面に亘って偏りなく規則的に配置されている。細孔の形状は円形に限定されず、多孔板22は、例えば、パンチングメタルや金属網であってよい。多孔板22の総面積は蒸発器2の筐体6のサイズによって定まることから、選択し得る多孔板22のパラメータは細孔数、細孔径(細孔の平均径)、及び板厚である。
多孔板22の細孔の上部室24側の圧力を一次圧力P1とし、細孔の下部室25側の圧力を二次圧力P2と表す。一次圧力P1は、上部室24及び液管5内の作動流体が多孔板22に及ぼす水頭圧から、作動流体が液管5を通過する際の圧力損失、作動流体が液管5から上部室24へ流路が急激に拡大する際の圧力損失、及び、作動流体の表面張力による圧力損失等を差し引いたものである。一次圧力P1は水頭圧で近似されてもよい。二次圧力P2は、下部室25内の作動流体が多孔板22に及ぼす圧力であり、下部室25での作動流体の蒸発量によって変動する。
作動流体が上部室24から下部室25へ通過するためには、一次圧力P1は、二次圧力P2と多孔板22を通過する作動流体の圧力損失Δpとの和よりも大きくなくてはならない(P1>P2+Δp)。そこで、定格運転時の一次圧力P1が定格運転時の二次圧力P2と圧力損失Δpの和よりも大きくなるように、多孔板22の開口率εが設定されてよい。但し、一次圧力P1が、二次圧力P2と多孔板22を通過する作動流体の圧力損失Δpとの和と比較して著しく大きい場合には、上部室24に流入した作動流体は上部室24に滞留することなく下部室25へ流れ出てしまう。そこで、多孔板22を通過する作動流体の圧力損失Δpは、数1で示される公知の式で求めることができ、目的の運転状態における作動圧力を保つための圧力損失を適切に設定できる。
多孔板22の細孔を通過する作動流体の圧力損失Δpのパラメータは、作動流体の密度ρ、作動流体の平均流速u0、及び、抵抗係数ζである。抵抗係数ζのパラメータは、多孔板22の開口率ε、摩擦抵抗係数λ、細孔の等価直径dh、及び多孔板22の板厚(厚さl)と細孔径の比に関する関数τである。圧力損失Δpから多孔板22の開口率εが定まる。多孔板22の開口率εは、多孔板22の全面積に対する細孔の面積の総和の割合と定義される。開口率εに適切な強度から多孔板22の板厚が定まる。多孔板22の厚さlは、薄いほうが望ましいが、0.01mm未満であると強度が不十分となるおそれがある。
多孔板22の圧力損失Δpは、多孔板22の開口率ε及び等価直径dhの変動に敏感である。等価直径dhは、細孔の流路断面積をパラメータとしており、細孔径の関数となる。開口率εに基づいて細孔径と細孔数の組み合わせを定めることができるが、細孔径は0.01mm以上が望ましい。作動流体の種類にもよるが、細孔径が0.01mm未満であると揚程が過剰となり作動流体の流れが滞るおそれがある。
蒸発器2では、適切な開口率εの多孔板22を採用することにより、上部室24から多孔板22を通じて下部室25へ偏りなく作動流体を浸出させることができる。
例えば、上部室24の液層71が所定厚さとなるまで、作動流体が多孔板22を通過しないように、多孔板22の圧力損失Δpを設定することができる。これにより、図6に示すように、上部室24の作動流体が所定厚さとなるまで作動流体の多孔板22の通過が抑制されるので、作動流体は多孔板22で均一に拡散する。その結果、上部室24から多孔板22を通じて下部室25へ偏りなく作動流体を浸出させることができる。
また、例えば、下部室25の作動流体が上部室24へ逆流しないように、多孔板22の圧力損失Δpを設定することができる。この場合、蒸発器2へ流入する作動流体の流量が所定の定格範囲、又は、蒸発器2の作動流体の蒸発量が所定の定格範囲の場合に、液相の作動流体が多孔板22を通って下部室25へ浸出する。そして、作動流体の蒸発量の急激な増加に伴って下部室25の作動流体の圧力が急激に上昇する場合に、その圧力変動(脈動)が多孔板22及び上部室24の作動流体によって緩和される。
以上に説明したように、本実施形態に係る蒸発器2は、発熱体99からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器2であって、内部に作動流体を収容する収容室23が設けられた筐体6と、筐体6の底面62に設けられて、発熱体99と熱的に接続される受熱体28とを備える。そして、筐体6は、収容室23を上部室24と下部室25とに仕切るとともに上部室24と下部室25とを連通する多数の細孔を有する多孔板22と、上部室24に開口した少なくとも1つの作動流体入口67と、下部室25の底部を複数の液溜部66に区画する壁部材65と、下部室25であって壁部材65より上方に開口した少なくとも1つの作動流体出口68とを有する。
また、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ10は、液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる上記の蒸発器2と、気相の作動流体を液体に変化させる凝縮器3と、蒸発器2の作動流体出口68と凝縮器3の入口とを連絡する蒸気管4と、凝縮器3の出口と蒸発器2の作動流体入口67とを連絡する液管5とを備える。
上記構成の蒸発器2及びループ型ヒートパイプ10では、蒸発器2の収容室23のうち上部室24に流入した液相の作動流体は、多孔板22の細孔を通過して下部室25へ侵入し、下部室25の液溜部66へ落下する。ここで、上部室24の作動流体は、細孔を通過する際に生じる流れ抵抗により、直ちに下部室25へ流下するのではなく、多孔板22上で拡散する。これにより、上部室24の作動流体は、作動流体入口67の直下の細孔だけでなく、作動流体入口67直下から離れた細孔にも分配されてから、下部室25へ落下する。このようにして、作動流体入口67直下の液溜部66のみならず、作動流体入口67直下から離れた液溜部66にも作動流体が分配される。
これにより、上記構成の蒸発器2及びループ型ヒートパイプ10では、蒸発器2の筐体6の底面62が水平から傾いたときに、液溜部66の液相の作動流体は底面62の傾きに沿って下方へ流れようとするが、壁部材65によってその流れが阻害されて液溜部66に留まる。このように、蒸発器2の姿勢が変化して筐体6の底面62が水平から傾いても、作動流体が収容室23の底部に残留し、受熱体28と作動流体とが熱的に接触した状態が維持される。また、受熱体28と作動流体とが熱的に接触しないドライ部分が生じても、ドライ部分は受熱体28が熱的に接触している発熱体99に対し分散して、偏在しない。よって、蒸発器2の姿勢の変化に拘わらず、発熱体99の受熱体28と接触している領域全体を効率的に冷却することができる。
また、本実施形態に係る蒸発器2及びループ型ヒートパイプ10において、上部室24には、作動流体入口67から流入した液相の作動流体が一時的に滞留することにより所定厚さの液層71が形成されている。そのために、本実施形態に係る蒸発器2及びループ型ヒートパイプ10において、多孔板22は、上部室24に一時的に滞留する液相の作動流体によって所定厚さの液層71が形成されるような、開口率εを有する。
これにより、蒸発器2の上部室24へ流入した液相の作動流体による水頭圧によって、下部室25の作動流体への上部室24への逆流を防ぐことができる。また、多孔板22の全面に亘って配置された多数の細孔を通じて、上部室24から下部室25へ作動流体を浸出させることができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び/又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。
2 :蒸発器
3 :凝縮器
4 :蒸気管
5 :液管
6 :筐体
10 :ループ型ヒートパイプ
22 :多孔板
23 :収容室
24 :上部室
25 :下部室
28 :受熱体
62 :底面
65 :壁部材
66 :液溜部
67 :作動流体入口
68 :作動流体出口
71 :液層
99 :発熱体
3 :凝縮器
4 :蒸気管
5 :液管
6 :筐体
10 :ループ型ヒートパイプ
22 :多孔板
23 :収容室
24 :上部室
25 :下部室
28 :受熱体
62 :底面
65 :壁部材
66 :液溜部
67 :作動流体入口
68 :作動流体出口
71 :液層
99 :発熱体
Claims (4)
- 発熱体からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器であって、
内部に前記作動流体を収容する収容室が設けられた筐体と、
前記筐体の底面に設けられて、前記発熱体と熱的に接続される受熱体とを備え、
前記筐体は、
前記収容室を上部室と下部室とに仕切るとともに前記上部室と前記下部室とを連通する多数の細孔を有する多孔板と、
前記上部室に開口した少なくとも1つの作動流体入口と、
前記下部室の底部を複数の液溜部に区画する壁部材と、
前記下部室であって前記壁部材より上方に開口した少なくとも1つの作動流体出口とを有する、
蒸発器。 - 前記上部室には、前記作動流体入口から流入した液相の前記作動流体が一時的に滞留することにより所定厚さの液層が形成されている、
請求項1に記載の蒸発器。 - 前記多孔板は、前記上部室に一時的に滞留する液相の前記作動流体によって所定厚さの液層が形成される開口率を有する、
請求項1に記載の蒸発器。 - 液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる請求項1~3のいずれか一項に記載の蒸発器と、
気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器の前記作動流体出口と前記凝縮器の入口とを連絡する蒸気管と、
前記凝縮器の出口と前記蒸発器の前記作動流体入口とを連絡する液管とを備える、
ループ型ヒートパイプ。
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