JP3591339B2

JP3591339B2 - ループ型ヒートパイプ

Info

Publication number: JP3591339B2
Application number: JP32506098A
Authority: JP
Inventors: 彰矢尾; 哲朗大串; 嘉泰加茂谷; 小林　　孝; 博光増本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2018-11-16
Also published as: JP2000146471A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙用、工業用、家庭用の熱輸送装置として用いられるループ型ヒートパイプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１６（ａ）は例えばＵＳＰ４７６５３９６に記載された従来のループ型ヒートパイプの構成を示す図である。図１６（ｂ）は蒸発器の軸方向に垂直な断面を示す図である。図において、１は蒸発器であり、第１のウイック２、内壁面に溝山３を持つ蒸発器容器４、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３の間に形成された蒸気流路５、液ため６、第１のウイック２に隣接して、液ため６の内部に設けられた第２のウイック７、ウイック２，７の両端部をシールするためのウイック端板８から構成される。９は蒸気管、１０は凝縮器、１１は液管、１２は印加される熱の流れを示す矢印、１３は作動流体で１３ａは作動流体液相、１３ｂは作動流体蒸気相、１４は作動流体１３の蒸気流を示す矢印、１５は凝縮器１０から流出する熱の流れを示す矢印、１６は凝縮した作動流体液相１３ａの流れを示す矢印、１７は蒸発器容器４の溝山３と第１のウイック２の接触部、１８は第１のウイック２の端部を通じて液ため６へ流れる熱リークの流れを示す矢印である。
【０００３】
上記のように構成された従来のループ型ヒートパイプの動作原理について説明する。熱の流れを示す矢印１２に示されるように、蒸発器１に印加された熱は、蒸発器容器４に伝わり、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７で作動流体液相１３ａに伝達され蒸発する。作動流体蒸気相１３ｂが蒸気流路５、蒸気管９を通り凝縮器１０に流れ込む。凝縮器１０に流入した作動流体蒸気相１３ｂは、凝縮器１０から流出する熱の流れを示す矢印１５に示されるように冷却されて凝縮し、作動流体液相１３ａとなる。凝縮した作動流体液相１３ａは矢印１６に示すように液管１１を通り、蒸発器１に戻る。蒸発器１に戻った作動流体液相１３ａは液ため６に溜まる。液ため６の底部に溜まった作動流体液相１３ａは、図１６（ｂ）中の矢印１６に示すように、第２のウイック７中を周方向に流れ、その後第１のウイック２に浸透する。第１のウイック２の毛細管力により第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７に運ばれ、再び加熱され蒸発する。第１のウイック２は第２のウイック７より気孔径が小さくなっていて、高い毛細管力が発生させ、作動流体を循環させる機能をもち、第２のウイック７は作動流体１３が蒸発器１の周方向へ流れるための毛細管力が発生し、しかも流路抵抗が小さくなるように配慮されている。
【０００４】
上記のサイクルを繰り返すことにより熱を蒸発器１から凝縮器１０に輸送する。なお、蒸発器１の管径が小さい場合には第２のウイック７がなくても、液ため６中の作動流体液相１３ａは第１のウイック２を周方向に流れるため、同様に動作する。また、第１のウイック２に溝山３をもつ構造についても同様な効果をもつ。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のループ型ヒートパイプでは、図１６（ａ）の矢印１８で示すように、蒸発器１へ印加された熱が大きいとその一部がウイック端部から液ため６へ流入し、液ため６中の作動流体液相１３ａは加熱されて蒸発し、その結果液ため６の圧力が上がり、ひいては凝縮器１０で凝縮した作動流体液相１３ａが凝縮器１０から液管１１を通って液ため６に還流できなくなり動作が停止するという課題があった。
【０００６】
また、接触部１７において第１のウイック２と蒸発器容器４の接触力が小さいため熱抵抗が大きく、蒸発器１に熱が印加された際、蒸発器１の管壁と作動流体の温度が大きくなり、蒸発熱伝達が小さくなるという課題もあった。
【０００７】
また、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７で蒸発した作動流体蒸気相１３ｂは第１のウイック２の端部でのシールが完全でないと、端部を通って液ため６中に漏れることになる。その結果液ため６の圧力が上がり、凝縮器１０で凝縮した作動流体液相１３ａが凝縮器１０から液管１１を通って液ため６に還流できなくなり動作が停止するという課題もあった。
【０００８】
また、蒸発器管断面が円形のため、平板形状である電子発熱部品等の発熱体と蒸発器との伝熱面積を大きくとれなく、熱が効率よく蒸発器に伝導しないという課題もあった。
【０００９】
また、無重力下や重力変化する環境下では、液ため６において作動流体蒸気相１３ｂが作動流体液相１３ａの流れを阻止し、第２のウイック７に作動流体液相１３ａが流れなくなり、動作が停止するという課題もあった。
【００１０】
また、蒸発器１への印加熱量が小さい時に、凝縮器１０での液体が過冷却され許容温度を下回る低温部分ができてしまう課題があった。
【００１１】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、重力の有無、加熱量の大小に拠らず小さな温度差にて動作するループ型ヒートパイプを得ることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明によるループ型ヒートパイプは、蒸発器内ウイックの端部に金属リングを取り付けたものである。
【００１５】
この発明によるループ型ヒートパイプは、第２のウイックの作動流体入口部に邪魔板を設けたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜７，９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。１９は蒸発器容器４の材質より熱伝導の小さくウイック２，７の両端部をシールするための断熱ウイック端板である。ウイック２，７と断熱ウイック端板１９は溶接、ロー付け、溶着、接着、カシメ、ネジ止め等により接合される。蒸発器容器４の材料としては、アルミニウム（熱伝導率２００Ｗ／ｍ２／Ｋ）、銅（熱伝導率３６０Ｗ／ｍ２／Ｋ）等があり、断熱ウイック端板１９の材料としては、ステンレス鋼（熱伝導率２０Ｗ／ｍ２／Ｋ）、チタニウム（熱伝導率１７Ｗ／ｍ２／Ｋ）、フッ素樹脂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍ２／Ｋ）、ポリエチレン樹脂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍ２／Ｋ）等がある。
【００２８】
動作原理は従来のループ型ヒートパイプと同様である。液ため６中の作動流体は、蒸発器１側面とは第１のウイック２及び第２のウイック７により、蒸発器１端面とは断熱ウイック端板１９により断熱されている。このため、蒸発器容器４から液ため６への熱の流入が小さく、液ため６中の作動流体液相１３ａが加熱されて蒸発することがない。この結果、液ため６の圧力があがらず、ひいては凝縮器１０で凝縮した作動流体液相１３ａが凝縮器１０から液管１１を通って液ため６に還流できなくなり動作が停止するということがなくなる。また、断熱ウイック端板１９がウイック端部のシールも兼ねているため、構造がシンプルになっている。
【００２９】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２０は蒸発器容器４の材質より熱伝導の小さく蒸発器１端部をシールするための断熱端板である。蒸発器１の管材と断熱端板２０は溶接、ロー付け、溶着、接着、カシメ、ネジ止め等により接合される。蒸発器容器４の材料としては、アルミニウム（熱伝導率２００Ｗ／ｍ２／Ｋ）、銅（熱伝導率３６０Ｗ／ｍ２／Ｋ）等があり、断熱端板２０の材料としては、ステンレス鋼（熱伝導率２０Ｗ／ｍ２／Ｋ）、チタニウム（熱伝導率１７Ｗ／ｍ２／Ｋ）、フッ素樹脂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍ２／Ｋ）、ポリエチレン樹脂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍ２／Ｋ）等がある。
【００３０】
液ため６中の作動流体は、蒸発器１側面とは第１のウイック２及び第２のウイック７により断熱され、また、蒸発器１端面は断熱端板２０により加熱源より断熱されているため蒸発器１端面から作動流体１３への加熱は小さい。このため、蒸発器容器４から液ため６への熱の流入が小さく、液ため６中の作動流体液相１３ａが加熱されて蒸発することがない。この結果、液ため６の圧力があがらず、ひいては凝縮器１０で凝縮した作動流体液相１３ａが凝縮器１０から液管１１を通って液ため６に還流できなくなり動作が停止するということがなくなる。また、断熱端板２０が蒸発器１端部のシールも兼ねているため、構造がシンプルになっている。
【００３１】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２１は蒸発器容器４を加熱しない非加熱領域、２２は非加熱領域２１の溝山３と第１のウイック２の間のみに設けた隙間である。
【００３２】
非加熱領域２１での液ため中の作動流体は、蒸発器１の側面とは第１のウイック２、第２のウイック７及び隙間２２により断熱されて、また、蒸発器１の端面とは断熱端板２０により加熱源より断熱されているため蒸発器１の端面から作動流体への加熱は小さい。このため、加熱量が大きくても、蒸発器容器４から液ため６への熱の流入が小さく、液ため６中の作動流体液相１３ａが加熱されて蒸発することがない。この結果、液ため６の圧力があがらず、ひいては凝縮器１０で凝縮した作動流体液相１３ａが凝縮器１０から液管１１を通って液ため６に還流できなくなり動作が停止するという欠点がなくなる。
【００３３】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４を示すループ型ヒートパイプの軸方向に垂直な断面を示す図である。２〜４，７，１３ａ及び１６〜１７は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。第１のウイック２はニッケル、ステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム等の焼結材にて製作され、接触部１７で蒸発器容器４の溝山３と焼結にて接合されている。
【００３４】
蒸発器１に印加された熱は、蒸発器容器４に伝わり、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７に伝わり、第１のウイック２中の作動流体液相１３ａに伝達され蒸発が生じる。この熱伝達経路において、熱抵抗が大きくなりやすい接触部１７に焼結での接合を使用しているため熱抵抗をほぼ０にでき、蒸発器管壁と作動流体の温度が小さくすることができる。
【００３５】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２３は第２のウイック７内に挿入した周方向に変形するばねである。ばね２３は、鋼線等でつくられたコイルばねになっており、挿入後第１のウイックと第２のウイックを周方向に広げるように作用し、第１のウイック２と溝山３の接触部１７での接触圧力を確保している。
【００３６】
蒸発器１に印加された熱は、蒸発器容器４に伝わり、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７に伝わり、第１のウイック２中の作動流体液相１３ａに伝達され蒸発が生じる。この熱伝達経路において、接触部１７での接触圧力を高くするため周方向に変形するばね２３を使用しているので、接触部１７の熱抵抗が小さくでき、蒸発器管壁と作動流体の温度が小さくすることができる。特に、ウイックがクリープ等の塑性変形を生じる場合も熱抵抗を小さくできる。
【００３７】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２４は第２のウイック７内に挿入した周方向に変形する形状記憶合金ばねである。形状記憶合金ばね２４は、チタニウム／ニッケル／銅合金等でつくられたコイルばねになっており、加熱量が大きくなり、蒸発器１の温度が高温になり、ばね温度が高くなると、周方向の変形が大きくなり、接触圧力が大きくなる。加熱量が小さくなり、蒸発器１の温度が低温になり、ばね温度が低くなると、周方向の変形が小さくなり、接触圧力が小さくなる。
【００３８】
蒸発器１に印加された熱は、蒸発器容器４に伝わり、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７に伝わり、第１のウイック２中の作動流体液相１３ａの液に伝達され作動流体が蒸発する。この熱伝達経路において、接触部１７では、形状記憶合金ばね２４により、加熱量が大きい時は接触圧力が高くなるために熱抵抗を小さくなり、加熱量が小さい時は接触圧力が低くなるために熱抵抗を大きくなる。このように、加熱量が変化しても、発熱体をある温度範囲に保つことができる、温度制御機能をもつ。
【００３９】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７を示すループ型ヒートパイプの軸方向に垂直な断面を示す図である。２〜４，７，１３ａ及び１６〜１７は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２５は第２のウイック７の軸方向に設けた切り欠きである。第２のウイック７は、第１のウイック２の内径よりも若干大きい外径を有しており、切り欠き２５を設けることにより第１のウイック２に挿入できるようにしてある。切り欠き２５がなくなる状態にて第２のウイック７を第１のウイック２に挿入することにより、第２のウイック７は周方向に広がるように作用し、第１のウイック２と溝山３の接触部１７での接触圧力を確保している。
【００４０】
蒸発器１に印加された熱は、蒸発器容器４に伝わり、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７に伝わり、第１のウイック２中の作動流体液相１３ａに伝達され蒸発が生じる。この熱伝達経路において、接触部１７での接触圧力を高くするように、切り欠き２５を設けているため接触部１７の熱抵抗が小さくでき、簡単な構造で蒸発器１の管壁と作動流体の温度が小さくすることができる。
【００４１】
実施の形態８．
図８はこの発明の実施の形態８を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２６は第１のウイック２の端部のシールを行うシール用ばねで、鋼線等でつくられたコイルばねになっている。
【００４２】
第１のウイック２にフッ素樹脂、ポリエチレン樹脂等を使用した場合、ウイックがクリープをおこしても、シール用ばね２６を使用すると、ばね構造のため一定の締め付け力にてシールができ、長期間の使用でもシールが確保される。このため、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７で蒸発した作動流体蒸気相１３ｂは、第１のウイック２の端部でシールされ、端部を通って液ため６中に漏れることがなくなり、長期間の使用でも正常に動作することができる。
【００４３】
実施の形態９．
図９はこの発明の実施の形態９を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２７は第１のウイック２の端部のシールを行うシール用形状記憶合金ばねであり、チタニウム／ニッケル／銅合金等でつくられたコイルばねになっている。
【００４４】
実施形態８と同様に、シール用形状記憶合金ばね２７により、ウイック端部でのシールが行われ、長期間の使用でも正常に動作することができる。また、形状記憶合金にすることにより、例えば低温ではウイックが蒸発器管内に挿入しやすいようにシール用形状記憶合金ばね２７が端部に縮んでいて、使用時の常温下では、シール用形状記憶合金ばね２７が広がりシールが行われるように形状を記憶させると、組立作業が容易になる。
【００４５】
実施の形態１０．
図１０はこの発明の実施の形態１０を示すループ型ヒートパイプの軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１０〜１３及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２８は第１のウイック２の両端部に取り付けられた金属リングである。第１のウイック２と金属リング２８はウイック製造時に焼結等にて取り付けられるため、金属リング２８の材質は、第１のウイック２と焼結が可能なものが選択される。
【００４６】
第１のウイック２の両端に金属リング２８が接合されているため、溶接やロー付けにより第１のウイック２の両端を確実にシールできるため、第１のウイック２と蒸発器容器４の溝山３との接触部１７で蒸発した作動流体蒸気相１３ｂは、第１のウイック２の端部でのシールされ、端部を通って液ため６中に漏れることがなくなり、長期間の使用でも正常に動作することができる。
【００４７】
実施の形態１１．
図１１はこの発明の実施の形態１１を示すループ型ヒートパイプの軸方向に垂直な断面を示す図である。２〜４，７，１３ａ及び１７は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２９は蒸発器１を加熱する平な伝熱面をもつ平板型の発熱体である。蒸発器容器４の断面形状及び第１のウイック２及び第２のウイック７の断面形状が楕円形になっている。
【００４８】
蒸発器容器４の断面が楕円形であるため、発熱体２９との伝熱面を大きくすることができ、発熱体２９と蒸発器１の外表面との熱コンダクタンスを小さくできる。
【００４９】
実施の形態１２．
図１２はこの発明の実施の形態１２を示すループ型ヒートパイプの軸方向に垂直な断面を示す図である。２〜４，７，１３ａ及び１６〜１７は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。２９は蒸発器１を加熱する平な伝熱面をもつ平板型の発熱体、３０は蒸発器容器４中にある２つの作動流体流路である。各作動流体流路３０は独立しており、個別のループ型ヒートパイプの系を形成している。
【００５０】
蒸発器容器４の断面が長方形であるため、発熱体２９との伝熱面を大きくすることができ、発熱体２９と蒸発器１の外表面との熱コンダクタンスを小さくできる。また、ループ型ヒートパイプるの一方が故障しても、他方にて熱輸送ができるという、冗長構成をとることができる。
【００５１】
実施の形態１３．
図１３（ａ）はこの発明の実施の形態１３を示すループ型ヒートパイプの軸方向に垂直な断面を示す図、図１３（ｂ）は軸方向に平行な断面を示す図である。１〜９，１１〜１３及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。３１は第２のウイック７内面に設けた軸方向溝である。
【００５２】
図１３（ｂ）に示すように、ループ型ヒートパイプが無重力下にあり、液ため６中の作動流体蒸気相１３ｂが表面張力により蒸気塊を形成し、液ため６中の作動流体液相１３ａの流れを阻止する場合、蒸気塊は表面張力により幅の狭い溝中の作動流体液相には入り込むことができないため、作動流体液相１３ａは軸方向溝３１を流れ、正常に動作することができる。
【００５３】
実施の形態１４．
図１４はこの発明の実施の形態１４を示すループ型ヒートパイプの軸方向に垂直な断面を示す図である。実施形態１３に付け加え、３２は第２のウイック７の作動流体入口部に設けた邪魔板である。
【００５４】
図１４に示すように、ループ型ヒートパイプが無重力下にある場合、液管１１より供給された作動流体液相１３ａが邪魔板３２にぶつかり、第２のウイック７内面の軸方向溝３１に流れ、正常に動作することができる。特に、加熱量が大きくなり、作動流体の流速が早い場合でも確実に軸方向溝３１中を作動流体液相１３ａが流れる。
【００５５】
実施の形態１５．
図１５はこの発明の実施の形態１５を示すループ型ヒートパイプの構成を示す図である。１〜９，１１〜１４及び１６〜１８は上記従来のループ型ヒートパイプと同一である。凝縮器１０の作動流体入口部と出口部を熱的に接触させてある。
【００５６】
凝縮器１０での排熱能力が大きくなると、凝縮した作動流体液相１３ａが過冷却されるが、凝縮器１０の入口部と出口部を熱的に接触させているため、作動流体液相１３ａの過冷却される度合いが小さくてすみ、凝縮器１０の出口部が許容温度を下回る低温にならない。
【００５７】
【発明の効果】
この発明によれば、長期間動作できる効果がある。また、製造が容易になる効果もある。
【００６０】
この発明によれば、加熱量が大きくても無重力下でも動作できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１を示す図である。
【図２】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態２を示す図である。
【図３】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態３を示す図である。
【図４】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態４を示す図である。
【図５】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態５を示す図である。
【図６】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態６を示す図である。
【図７】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態７を示す図である。
【図８】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態８を示す図である。
【図９】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態９を示す図である。
【図１０】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１０を示す図である。
【図１１】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１１を示す図である。
【図１２】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１２を示す図である。
【図１３】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１３を示す図である。
【図１４】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１４を示す図である。
【図１５】この発明によるループ型ヒートパイプの実施の形態１５を示す図である。
【図１６】従来のループ型ヒートパイプを示す図である。
【符号の説明】
１蒸発器、２第１のウイック、３溝山、４蒸発器容器、５蒸気流路、６液ため、７第２のウイック、８ウイック端板、９蒸気管、１０凝縮器、１１液管、１２印加される熱の流れを示す矢印、１３作動流体、１４作動流体の蒸気流を示す矢印、１５凝縮器から流出する熱の流れを示す矢印、１６作動流体液の流れを示す矢印、１７接触部、１８熱リークの流れを示す矢印、１９断熱ウイック端板、２０断熱端板、２１非加熱領域、２２隙間、２３ばね、２４形状記憶合金ばね、２５軸方向の切り欠き、２６シール用ばね、２７形状記憶合金シール用ばね、２８金属リング、２９発熱体、３０作動流体流路、３１軸方向溝、３２邪魔板。

Claims

蒸発器、凝縮器、作動流体、上記蒸発器と上記凝縮器とを連結し液相の作動流体が流れる液管及び上記蒸発器と上記凝縮器とを連結し蒸気相の作動流体が流れる蒸気管とから構成されるループ型ヒートパイプにおいて、上記蒸発器内ウイックの端部に金属リングを取り付けたことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
蒸発器、凝縮器、作動流体、上記蒸発器と上記凝縮器とを連結し液相の作動流体が流れる液管及び上記蒸発器と上記凝縮器とを連結し蒸気相の作動流体が流れる蒸気管とから構成されるループ型ヒートパイプにおいて、上記蒸発器の容器内壁に接するウイックとこのウイック内面に接触するようにした第２のウイックを設け、第２のウイックの内面に軸方向の溝をもつ構造であり、前記第２のウイックの作動流体入口部に邪魔板を設けたことを特徴とするループ型ヒートパイプ。