JPH07127982A - 熱輸送パイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 沸騰圧力が大きく、したがって流体を循環さ
せるための圧力が大きく、かつ逆止弁のない熱輸送パイ
プを提供する。 【構成】 発熱部３は細管３と一体化して製造されてい
る。冷却部２は細管３と接触している。細管３の発熱部
４近傍にリザーバ５が取付けられており、冷却部２で凝
縮された作動液がここに貯められた後、発熱部４へ帰還
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱制御を行なうための熱
輸送装置に関し、特に発熱体を冷却するために用いられ
るループ型ヒートパイプ構造の熱輸送パイプに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８はこの種の熱輸送パイプの従来例の
断面図、図９は図８中の逆止弁１４の断面図である。

【０００３】細管１３は環状になり、内部には一定量の
凝縮性の作動液が封入されている。細管３の内部には凝
縮性の作動液の循環方向を決定するための逆止弁１４が
取り付けられている。発熱体１１は熱制御すべきもので
発熱量の大きい物体であり、細管１３に接触するように
取付けられている。冷却フィン１２は発熱体１１からの
熱を放出させるための冷却部であって、細管１１に接触
して取付けられており、発熱体１１が所定の温度となる
ような面積を有している。逆止弁１４は、図９に示すよ
うに、小さな球１５とスロート１６とストッパー１７と
からなっている。この逆止弁１４は、作動液がスロート
１６の方向からきた場合には球１５がストッパー１７に
ひっかかり、球１５とストッパー１７の隙間から作動液
が流れ出、逆にストッパー１７の方から作動液が流れて
きた場合には球１５がスロート１６の方向へ流れ、球１
５がスロート１６に密着して流れを止めるようになって
いる。

【０００４】次に、図８に示す熱輸送パイプにおいて発
熱体１１の冷却が生じる原理を説明する。発熱体１１か
ら発生した熱は細管１３の壁へ熱伝導して内部に封入さ
れている凝縮性の作動液を沸騰させる。凝縮性の作動液
が沸騰して蒸発する際に蒸発潜熱として蒸気内に取り込
まれて冷却部１２まで流れ、そこで凝縮されて液になる
際に凝縮熱として細管１３の外部へ放出される。発熱体
１１と接触している細管１３内での沸騰圧力によって、
流体が冷却部１２へ押し出され、細管１３内に存在する
逆止弁１４の作用とによって凝縮性の作動液の循環方向
が決定される。発熱体１１が発熱していない状態では凝
縮性の作動液が細管１３の底に溜まり、上部に空間が存
在している状態となっているが、沸騰が始まると上部に
形成された空間を蒸気が通過する。すると、細管１３が
細いので、液面に蒸気が流れることによって作動液が波
立ち、蒸気速度が大きいと、波も大きくなり管断面を閉
塞する状態となる。管断面を閉塞した作動液はある程度
の長さを持つ液溜まりとなる。すなわち、流れは蒸気と
作動液が交互になったスラグ流の状態で冷却部１２まで
流れる。冷却部１２から発熱部１１への凝縮性の作動液
の帰還は、冷却部１２で凝縮された液が溜まり、この液
溜まり端で形成される液曲面と蒸発部１１近傍で形成さ
れている液曲面の違いから生じる毛細管圧力差、および
逆止弁１４の効果によって生じる。図１０は液曲面の違
いから生じる毛細管圧力差を説明する図であり、１８は
発熱部１１近傍での液曲面、１９は冷却部１２近傍での
液曲面、２０は液曲面での曲率半径を示す。蒸気圧力と
液圧力の差は曲率半径に逆比例し、気液圧力差は発熱部
１１で大きくなる。図１０のように発熱部と冷却部が近
在する場合での液の曲率半径を比較すると、発熱部の半
径が冷却部の半径より小さくなる。管上部に空間が存在
する場合には蒸気が冷却部まで移動し易いため、蒸気圧
力は発熱部と冷却部間でほぼ等しい。したがって、冷却
部１２での液圧力が発熱部１１より大きくなり、凝縮性
の作動液は発熱部１１へ帰還する。

【０００５】ただし、管が太い場合には作動液が波立つ
際に管の断面を閉塞するようなスラグ流になることは困
難で、凝縮性の作動液は重力によって下部に溜まり、上
部にできた空間を蒸気が通過して冷却部まで移動するた
め、流体は二相に分れて流れる状態となる。この流動状
態では下部に溜まった凝縮性の作動液の温度が低いた
め、通過する蒸気が液に凝縮されて蒸気圧力が落ちる。
すると冷却部にある液溜まりが蒸発部へ帰還する力が小
さくなり、管径が大きいため、毛細管圧力が弱くなって
液が帰還できる量も少なくなる。すなわち、多量の熱量
を輸送することが困難となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８の熱輸送パイプで
は、熱伝導率が流体の循環速度によって決定され、循環
速度が遅い場合には発熱体と冷却部１２間で温度差が大
きくなってしまい有効な冷却効果が得られない。循環速
度は沸騰圧力に依存し、沸騰する液が多い場合には循環
速度も大きくなる。しかし、発熱体と接触している細管
１３の径は細いため、内部に存在する液量も少なくなっ
て流体を循環させるだけの圧力を得られない。図８の場
合では発熱体から冷却部１２まで細管１３を複数本並列
に配置することによって沸騰圧力を得ている。しかし、
発熱体の面積が細管１３より極度に広い場合や発熱が大
きい場合には、接触させる細管のターン数を多くして熱
を奪う必要があり、並列にする細管の数が増えて熱輸送
パイプのサイズが大きくなってしまう。また、ターン数
を増加させることによって逆止弁を多くしても流れが複
雑になって流れ方向の制御ができず、流体が常に循環す
る状態にできない。さらに、逆止弁を取付ける際にも高
度な加工技術が必要となる。たとえば内径３ｍｍあるい
は２ｍｍの細管内に直径１ｍｍの球を挿入して、かつス
トッパーやスロートを取付けることは精密加工が必要と
なり、製作工程が複雑で困難となり、さらに複数の逆止
弁を環状である細管に装着することは熔接箇所も多くな
り、熱輸送パイプを長期使用する場合に信頼性が低下す
る。

【０００７】本発明の目的は、沸騰圧力が大きく、かつ
逆止弁のない熱輸送パイプを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の熱輸送パイプ
は、発熱部と、冷却部と、該発熱部と該冷却部とを連結
する環状になった細管と、該細管内に封入された凝縮性
の作動液と、前記細管の途中で、前記発熱部の近傍に設
けられ、前記作動液を貯めるためのリザーバを含み、前
記発熱部と前記細管が一体となっている。

【０００９】

【作用】発熱体を取付けるためのたとえば箱型となって
いる発熱部に細管を一体化させて連結することにより、
発熱部を発熱体の大きさに合わせることができ発熱部の
内容積も厚さ方向（細管の横断面方向）に変化させるこ
とができ、作動液量を発熱量に応じた液量に調整でき
る。排熱量が多く細管を複数本並列に配置するときも、
ひとつの発熱部に複数本の細管を接続することによっ
て、発熱体を発熱部に設置することも容易になり、沸騰
空間がひとつであるため、発熱部寸法の決定が容易にな
る。これによって沸騰圧力が増大して作動液が循環する
ための大きな駆動量を得ることができる。また、発熱部
の近傍にリザーバを取付けることによって、発熱部から
の作動液は冷却部を通ってリザーバに貯められる。そし
て、リザーバに常に作動液が存在するため、発熱部に作
動液を送り易い構造となる。このようにして、作動液の
循環方向が決定され、逆止弁は不要となる。

【００１０】また、発熱体の冷却効果は発熱体と冷却部
間の熱抵抗が小さくなるほど大きい。誘電率の小さい凝
縮性の液体を作動液として用いることができれば、発熱
体を発熱部内に設置して、発熱体を作動液と直接接触さ
せることができ、発熱体からの熱を発熱部の管壁を介さ
ずして作動液を蒸発させることができる。すなわち、凝
縮性の作動液と発熱体間の熱抵抗を小さくできる。した
がって、発熱体から冷却部までの熱抵抗は、発熱体から
発熱部の管壁、および発熱部の管壁と作動液間の熱抵抗
を取り除いた分だけ小さくなり、冷却効果も増大する。

【００１１】さらに、発熱体からの発熱量が大きくなる
場合には発熱体と冷却部を接続する細管が１本だけでは
内径が小さく、発熱部へ帰還する液流量が制限される。
そこで、発熱量が大きい場合にはリザーバと発熱部間に
複数本の細管を接続することにより、凝縮性の作動液が
帰還する流量を大きくできる。リザーバと発熱部間では
作動液の帰還を容易にするため、細管の内径を小さくし
て毛細管圧力を高める。また、発熱部と冷却部間、およ
び冷却部とリザーバ間では毛細管圧力効果はリザーバと
発熱部間での細管ほどは重要でなくなるため、細管は作
動液が管内部を閉塞するだけの内径があればよい。この
内径のものを複数本並列に配置することによって蒸気や
作動液の流量を多くできるため、発熱量が大きい発熱体
でも冷却効果を大きくすることができる。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１３】図１は本発明の第１の実施例の熱輸送パイ
プの平面図であり、図２はその斜視図である。なお、図
２（１），（２）では一部が破断されている。発熱部４
は細管３と一体化して製造されており、発熱体１を設置
できるサイズである。冷却部２は細管３と接触してお
り、その寸法は発熱する熱量と熱輸送能力によって決定
できる。細管３の、発熱部４の近傍にリザーバ５が取付
けられており、ここに冷却部２で凝縮した作動液を貯め
ておくことができる。

【００１４】作動液を保持したリザーバ５が発熱部４の
近傍に存在することによって、発熱部４から発生した蒸
気はリザーバ５がない方向から冷却部２へ流れ、作動液
が冷却部２で凝縮される。凝縮された作動液はリザーバ
５へ毛細管圧力と沸騰圧力の伝播作用によって流れ、さ
らに発熱部４で発生した蒸気を補うため、リザーバ５と
発熱部４の近傍での細管３’にある作動液の曲率から生
じる毛細管圧力差によってリザーバ５から発熱部４へ作
動液が流れる。

【００１５】本実施例では、発熱部４が細管３と一体的
に接続されているので発熱体１のサイズに合わせて発熱
部４を製作でき、かつ作動液の封入量を厚さによって決
定できるため、沸騰圧力が増大して作動液を駆動するた
めの大きな駆動力が得られる。

【００１６】図３は本発明の第２の実施例の熱輸送パイ
プの平面図である。本実施例は、蒸気が送り出される、
発熱部４とリザーバ５間を２本の細管３で連結し、作動
液が発熱部４に帰還される、リザーバ５と発熱部４間を
細管３より内径が小さい３本の細管３’で連結したもの
である。管内に働く毛細管圧力は管の内径が小さいほど
大きくなるため、またリザーバ５では作動液が溜まって
おり、細管３’と発熱部４の接続部では作動液が発熱部
４へ流れ込んでいるため、そこでの細管３’内にある曲
率を持った液面形状ができる。毛細管圧力はこの曲率半
径に反比例するため、細管３の内径を小さくすることに
よってリザーバ５と発熱部４間の毛細管圧力差が大きく
なり、リザーバ５からの作動液の発熱部４への帰還が容
易である。また、細管３，３’の本数が多いため帰還す
べき液量が多くなる。したがって、冷却効果が大きくな
る。

【００１７】図４は本発明の第３の実施例の熱輸送パイ
プの平面図、図５はその斜視図である。なお、図５
（２），（３）では一部が破断されている。本実施例
は、図５（２）に示すように、発熱体１を発熱部４内部
へ装着したものであり、小面積で高発熱する発熱体１を
熱制御するための実施例である。発熱体１を発熱部４の
外側に取付けた場合には接触の熱抵抗がこの間に存在
し、この値が大きく発熱体１と発熱部４間の温度差が著
しくなる。発熱体１がある程度の大きさでも発熱部４を
設けることによって内部への装着が可能となる。本実施
例では、発熱体１が作動液と直接接触するため、作動液
と発熱体１間の熱抵抗が小さくなり、発熱体１と冷却部
２間の熱抵抗も小さくなり、冷却効果が大きくなる。

【００１８】図６及び図７はリザーバ５の内部構造を説
明する図であって、その一部が破断して示されている。
作動液を毛細管圧力によって保持できるようにたとえば
メッシュ６をリザーバ５の内面に装着したり（図６）、
薄板７をリザーバ５の内部に並べることによって（図
７）毛細管圧力を大きくでき、作動液を冷却部２からリ
ザーバ５へ流動し易くして作動液をリザーバ５に常に保
持できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、以下の効
果がある。 （１）請求項１の発明 発熱部と細管を一体的に接続することによって発熱体の
サイズに合わせて発熱部を製作でき、かつ凝縮性の作動
液の封入量を発熱部の厚さによって決定できる。これに
よって、沸騰圧力が増大して流体が循環するための大き
な駆動力を得ることができる。また、リザーバを発熱部
近傍に設置することによって流体の流れの方向を規定で
き、逆止弁のない循環型の熱輸送パイプを実現できる。 （２）請求項２の発明 発熱体を凝縮性の作動液と直接接触させることにより、
発熱部の管壁と発熱体間の熱抵抗が取り除かれて作動液
と発熱体間の熱抵抗が小さくなることにより、発熱体と
冷却部間の熱抵抗も小さくなり、冷却効果も大きくな
る。 （３）請求項３の発明 発熱量が大きい場合には、リザーバと発熱部間の、作動
液を帰還させる細管の内径と本数を、発熱部とリザーバ
間の、蒸気を送り出す細管の内径よりも小さくし、本数
を多くし、細管を細くして毛細管圧力を高めることによ
り、凝縮性の作動液が帰還する流量を大きくできる。ま
た、発熱部と冷却部間、および冷却部とリザーバ間には
作動液が管内部を閉塞する内径の細管を複数本並列に配
置することによって蒸気や作動液の流量が多くできるた
め、冷却効果を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の熱輸送パイプの平面図
である。

【図２】第１の実施例の熱輸送パイプ（図２（１））、
発熱部４、リザーバ５の一部を破断した斜視図（図２
（２），（３））である。

【図３】本発明の第２の実施例の熱輸送パイプの平面図
である。

【図４】本発明の第３の実施例の熱輸送パイプの平面図
である。

【図５】第３の実施例の熱輸送パイプ（図５（１））、
発熱部４、リザーバ５の一部を破断した斜視図（図５
（２），（３））である。

【図６】リザーバ５の内部構造の一例を示す斜視図であ
る。

【図７】リザーバ５の内部構造の他の例を示す斜視図で
ある。

【図８】熱輸送パイプの従来例の平面図である。

【図９】図８中の逆止弁１４の断面図である。

【図１０】従来の熱輸送パイプにおける凝縮部から発熱
部へ液が帰還する原理を説明する図である。

【符号の説明】

１，１１ 発熱体 ２，１２ 冷却部 ３，３’，１３ 細管 ４ 発熱部 ５ リザーバ ６ メッシュ ７ 薄板 １４ 逆止弁 １５ 球 １６ スロート １７ ストッパ １８ 発熱部近傍での液曲面 １９ 冷却部近傍での液曲面 ２０ 液曲面での曲率半径

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱部と、冷却部と、該発熱部と該冷却
   部とを連結する環状になった細管と、該細管内に封入さ
   れた凝縮性の作動液と、前記細管の途中で、前記発熱部
   の近傍に設けられ、前記作動液を貯めるためのリザーバ
   を含み、前記発熱部と前記細管が一体となっている熱輸
   送パイプ。
2. 【請求項２】 発熱体が前記発熱部内に設置され、前記
   作動液と接触する、請求項１記載の熱輸送パイプ。
3. 【請求項３】 前記発熱部と前記リザーバの間に接続さ
   れ、前記作動液を前記発熱部に帰還させる細管の内径と
   本数が、前記リザーバと前記発熱部の間に接続され、蒸
   気を送り出す細管の内径よりも小さく、本数よりも多
   い、請求項１または２記載の熱輸送パイプ。