JP5013225B2 - 気泡循環駆動式ヒートパイプ装置 - Google Patents

Description

この発明は、封入した作動液（熱媒液）を作動液加熱部（吸熱部ないしは受熱部）と加熱作動液放熱部（冷却部）を通して循環して熱を輸送するヒートパイプ装置、特に作動液加熱部において連続的に発生する作動液の気泡（蒸気泡）の浮力を介して作動液加熱部から加熱作動液を連続的に流出させながら、作動液加熱部に放熱作動液を連続的に流入させる方式で作動液を循環させる気泡循環駆動式ヒートパイプ装置の改良に関する。

この種のヒートパイプ装置としては、加熱機構を介した加熱により作動液の気泡を連続的に発生可能な作動液加熱部から流出する加熱作動液を、気泡と共に、上方に向かってのびる加熱作動液上昇管を介して、液相上に蒸気相を形成する加熱作動液溜めに誘導した後、下方に向かってのびる加熱作動液下降管を介して加熱作動液放熱部に誘導し、加熱作動液放熱部を流出した放熱作動液は、上方に向かってのびた後加熱作動液溜めの蒸気相を貫通してのびる放熱作動液管を介して作動液加熱部に還流するように構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この既提案のヒートパイプ装置によれば、作動液加熱部と加熱作動液放熱部の高低の位置関係に関係なく、熱の輸送量、輸送速度をアップすることができるとされているが、加熱作動液溜めの上部の蒸気相部に溜まる気泡の蒸気は、該蒸気相部をのびる放熱作動液管部内を流通する放熱作動液から放熱作動液管部を介して冷却されて凝縮するとともにこれに伴って圧力が低下するものの、加熱作動液と共存しているため、凝縮熱（潜熱）の放出も圧力の低下も比較的緩慢である。

従って作動液加熱部における気泡の発生も比較的緩慢で、この気泡の浮力を介した加熱作動液の上昇速度（流出速度）及び作動液加熱部への放熱作動液の流入速度、即ち作動液の循環速度も比較的緩慢で、この結果全体として高速で高効率の熱輸送が達成し難いという問題がある。

特開２００９-５２７５７号公報

この発明は、既提案のものに認められる上記のような問題に鑑み、気泡循環駆動式ヒートパイプ装置として、作動液加熱部と加熱作動液放熱部の高低の位置関係に関係なく、高速で高効率の熱輸送が可能なものを提供することを主要な課題としている。

この発明によれば、上記の課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載のように、封入した作動液を気泡の浮力を介して循環する気泡循環駆動式ヒートパイプ装置であって、加熱機構を介して作動液の気泡を連続的に発生可能な作動液加熱部に、加熱作動液上昇管を介して、液相上に蒸気相を形成する加熱作動液溜めを接続するとともに、該加熱作動液溜めの液相部に、加熱作動液下降管を介して、加熱作動液放熱部を接続し、かつ該加熱作動液放熱部に、放熱作動液上昇管を介して、加熱作動液溜めと同等の高さ位置に設置した、液相上に気相を形成する放熱作動液溜めを接続し、さらに該放熱作動液溜めの液相部を、放熱作動液下降管を介して作動液加熱部の液相部に接続する一方、放熱作動液溜めの気相部と加熱作動液溜めの蒸気相部を蒸気管を介して接続してなる、気泡循環駆動式ヒートパイプ装置によって解決する。

この発明のヒートパイプ装置においては、なるべく請求項２に記載のごとく、作動液加熱部の液相上に発生蒸気を受容可能な気相を設けるとともに、加熱作動液上昇管の下端開口部（液流入口部）を該蒸気相直下部（液相の液面直下部）に臨ませる。

特許請求の範囲の請求項１に記載のこの発明のヒートパイプ装置においては、作動液加熱部内の作動液が、ここで発生する気泡の上昇に連動して、加熱作動液上昇管を通して加熱作動液溜めの液相部に流入し、その液面を放熱作動液溜め内の液面に比して一段と高い状態に盛り上げるとともに、作動液加熱部内にそれからの加熱作動液の流出に伴って流入する放熱作動液の放熱作動液溜め内からの流出により、放熱作動液溜め内の液面を下降化する一方、加熱作動液溜めに流入して蒸気相を占める作動液の蒸気は、蒸気管を通して、放熱作動液溜め内の気相との圧力差と温度差に基づいて、放熱作動液溜め内に流入して、同等の高さ位置を占める加熱作動液溜めと放熱作動液溜めの気相部の圧力差を減少化する。
この結果加熱作動液溜めから放熱作動液溜めに作動液が流動して、両者の液面が同一化（同高化））に向かうようにする。すなわち加熱作動液溜め内の加熱作動液が加熱作動液下降管を通して加熱作動液放熱部に流入した後、放熱作動液の状態で、放熱作動液上昇管を通して放熱作動液溜めに入る。この放熱作動溜め内の放熱作動液は、作動液加熱部からの作動液の流出に伴って、放熱作動液下降管を通して作動液加熱部に流入し、以後このような流動、すなわち循環を繰り返していく。他方蒸気管を通して放熱作動液溜め内に流入した作動液の蒸気は、放熱作動液に対する直接の接触により冷却されて凝縮し、放熱作動液と一体化する。

すなわちこの発明のヒートパイプ装置によれば、加熱作動液溜め内の作動液の蒸気は、温度と圧力が低い放熱作動液溜め内に流入して、直接放熱作動液に接触するので、放熱作動液溜め内に入った後は迅速に凝縮して、温度とともに圧力を急速に低下し、これに追従して加熱作動液溜めの蒸気の圧力も急速に低下する。この結果作動液加熱部における蒸気の発生が活発化し、加熱作動液上昇管を介した加熱作動液の上昇が高速化すると同時に放熱作動液下降管を介した作動液加熱部への放熱作動液の流入も高速化する。このように蒸気の移動と作動液の循環の両者が蒸気の凝縮熱の放出と合わせて活発化するため、高速で効率的な熱輸送が行われる。

また請求項２に記載の作動液加熱部における蒸気受容用気相の付設と蒸気相直下部に対する加熱作動液上昇管の開口構成によれば、作動液加熱部における気泡の発生及び加熱作動液上昇管に対する流入が、作動液の突沸のような異常沸騰もなく、適確に行われる。

この発明に係るヒートパイプ装置の実施例１の構成概要を示す略図である。 この発明のヒートパイプ装置の実施例２の構成概要を示す略図である。 この発明のヒートパイプ装置の実施例３の構成概要を示す略図である。

この発明に係るヒートパイプ装置における作動液としては、その使用温度域に応じて、水、アルコール、アンモニア水、フロン液、オイル類、水銀などを一種単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。またこの作動液の封入は、一般には減圧状態とするが、大気圧状態とすることもできる。

また作動液加熱部と加熱作動液放熱部の相対的な位置の高低関係は、その用途に応じて任意に選定することができる。

以下図１〜３に基づいて、作動液加熱部と加熱作動液放熱部の高低の位置関係を異にする実施例１〜３について説明する。

図１に略示する実施例１は、加熱機構２５により加熱されるタンク状の作動液加熱部１１と冷却機構２６に放熱するタンク状の加熱作動液放熱部１５を、高低差を設けず同じ高さレベルに配置したもので、作動液加熱部１１内における作動液２０の沸騰により上部の空隙部（気相部）１１ａに溜まる作動液の蒸気は、作動液２０の液面直下部に開口する加熱作動液上昇管１２内に気泡２１として流入し、温度が高い加熱作動液とともに上昇して、加熱作動液溜め１３内の液面を盛り上げながら加熱作動液の液面上の空隙部（蒸気相部）１３ａに入った後、蒸気管１９を通して、加熱作動液放熱部１５の上方の加熱作動液溜め１３と同一の高さレベルに設置した放熱作動液溜め１７内の空隙部（気相部）１７ａに流入し、温度の低い放熱作動液に接触して冷却されて凝縮する。

他方加熱作動液溜め１３内に液面を盛り上げる状態で上昇した温度の高い加熱作動液は、加熱作動液溜め１３と放熱作動液溜め１７の液面差の同高化の方向で、加熱作動液溜め１３の下部から加熱作動液放熱部１５の下部までのびる加熱作動液下降管１４を通して加熱作動液放熱部１５に流入し、ここで冷却機構２０に対して放熱して温度を低下させた後、この温度の低い放熱作動液の状態で、放熱作動液上昇管１６を介して放熱作動液溜め１７内に流入して、ここで作動液の蒸気を凝縮して取り込み、これにより加熱作動液溜め１３の蒸気の圧力も蒸気管１９を介して低下させて、作動液加熱部１１における気泡２１の発生を促進し、続いて放熱作動液溜め１７内の放熱作動液は、作動液加熱部１１からの加熱作動液の流出に連動して、その下部から作動液加熱部１１の下部までのびる放熱作動液下降管１８を介して、作動液加熱部１１に流入して、次の循環に供される。

このような作動液２０の蒸気の移動と凝縮及び作動液２０の加熱及び放熱を介した循環により、作動液２０の潜熱と顕熱を合わせた熱の輸送が迅速にかつ効率的に行われる。

図２に示すごとく、この実施例は、作動液加熱部１１を加熱作動液放熱部１５よりも高い位置に配置したもので、蒸気と作動液２０の流れは実施例１の場合と同様である。図２から明らかなように、この実施例においては、加熱作動液上昇管１２の長さを短縮できるので、温度の高い部分をコンパクトにすることができる。なお図２には加熱機構と冷却機構の図示は省略してある。

この実施例は、図３に略示するように、実施例２とは逆に、加熱作動液放熱部１５を作動液加熱部１１よりも高い位置に配置した例で、蒸気と作動液２０の流れは実施例１及び実施例２と同一である。この実施例によれば、実施例２とは逆に、放熱作動液上昇管１６の長さの短縮により、温度の低い部分をコンパクトに構成することができる。なお図３でも加熱機構と冷却機構は省略してある。

この発明に係るヒートパイプ装置は、高効率の熱輸送の点から、パーソナルコンピューターなどの電子機器類や自動車のエンジンなどの熱機関機器類の冷却、太陽熱を利用した給湯、湯水を利用した融雪など、各種の熱制御やエネルギーの有効利用等に用いることができる。

またこのヒートパイプ装置は、ガラスなどの透明な材料で形成するとともに作動液に着色したり箔を混入したりするなどの構成により、作動液の循環を目視可能にすることによって、装飾器具類として利用することもできる。

１１ 作動液加熱部
１１ａ 空隙部（気相部）
１２ 加熱作動液上昇管
１３ 加熱作動液溜め
１３ａ 空隙部（蒸気相部）
１４ 加熱作動液下降管
１５ 加熱作動液放熱部
１６ 放熱作動液上昇管
１７ 放熱作動液溜め
１７ａ 空隙部（気相部）
１８ 放熱作動液下降管
１９ 蒸気管
２０ 作動液
２１ 気泡
２５ 加熱機構
２６ 冷却機構

Claims (2)

1. 封入した作動液を気泡の浮力を介して循環する気泡循環駆動式ヒートパイプ装置であって、加熱機構を介して作動液の気泡を連続的に発生可能な作動液加熱部に、加熱作動液上昇管を介して、液相上に蒸気相を形成する加熱作動液溜めを接続するとともに、該加熱作動液溜めの液相部に、加熱作動液下降管を介して加熱作動液放熱部を接続し、かつ該加熱作動液放熱部に、放熱作動液上昇管を介して、加熱作動液溜めと同等の高さ位置に設置した、液相上に気相を形成する放熱作動液溜めを接続し、さらに該放熱作動液溜めの液相部を放熱作動液下降管を介して作動液加熱部に接続する一方、放熱作動液溜めの気相部を加熱作動液溜めの蒸気相部と蒸気管を介して接続してなる、気泡循環駆動式ヒートパイプ装置。
2. 作動液加熱部の液相上に発生蒸気を受容可能な気相を設けるとともに、加熱作動液上昇管の下端開口部を該蒸気相直下部に臨ませてなる、請求項１記載の気泡循環駆動式ヒートパイプ装置。

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