JPH0849991A - クローズドシステム温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液冷式クロズドシステム温度制御装置の小型
軽量化を測るとともに機器筐体内部をクリーンに保つこ
とを可能にする。 【構成】熱媒液の強制循環方式に換えて、受放熱部分離
型の蛇行ループ型細管ヒートパイプを適用し、作動液と
しては二相凝縮性熱媒流体を適用すると共にその強制循
環手段としてはマグネットカップリング式ポンプに代表
される完全シールドポンプを適用した。 【効果】 二相凝縮性熱媒流体に依る潜熱熱輸送と顕熱
熱輸送との複合熱輸送が行われる蛇行細管ヒートパイプ
の熱媒流体の循環がポンプの強力な強制循環に依り高速
化され、熱輸送能力が大幅に増大し、気液熱交換器、固
液間熱量授受器が小型化するとともに、各種付属装置が
不要となり、機器筐体及びシステム全体が小型軽量化さ
れ、筐体内もクリーンになり完全に目的を達成すること
が出来た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は熱交換器応用の温度制
御装置の構造に関するもので、特に機器筐体内において
被温度制御体から熱量を授受する固液間熱量授受器とそ
の熱量を気相熱媒流体の強制対流と熱交換せしめる為の
気液熱交換器と、それらを連結して閉ループを形成する
連結管及び熱媒液循環手段とからなる、被温度制御体の
温度制御の為のループ型細管ヒートパイプ応用構造のク
ローズドシステム温度制御装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近来機器高密度化実装の進展及び半導体
素子の高性能化と共に機器装置の冷却は益々困難にな
り、強制対流風による冷却では対応できなくなりつつあ
る。その対策として最近は液冷冷却方式に依る発熱素子
の温度制御が多用されつつある。これはコールドプレー
ト内に冷媒液の流路となるトンネルを形成した構造のも
のや金属プレートで蛇行細管を挟持した構造のものが多
い。冷媒液としては水またはエチレングリコールの水溶
液等が多く用いられる。これらの場合は水の熱容量が大
きく且つ熱伝達率が大きいので冷却効率が高く、強制対
流風方式に比較して冷却性能は十倍にも改善されると共
に、冷却装置が大幅に小型化される利点があった。また
冷媒液の流量流速を加減することにより自在に冷却性能
を制御することが可能になると云う利点もあった。

【０００３】上述の如く液冷冷却方式は空冷冷却方式に
比較して極めて高性能であり、コールドプレート、冷却
器そのもの等を小型軽量高性能化することについては極
めて効果的であった。然し空冷方式の場合排気廃熱の処
理が極めて簡易であるのに対して液冷方式には各種の問
題点が発生する。水冷の場合に例を採ると、（１）被冷
却体、管路の腐食、発錆等に起因して適用機器の信頼性
を低下することがある。（２）水質に依っては水垢の発
生等により管路が閉塞することがある。（３）低温環境
において凍結する恐れがあり機器作動中は問題の無いこ
とが多いが、作業停止時や輸送時等の機器保存時には厄
介な問題が発生する。（４）導電性があるので漏水が発
生した場合、電子機器には短絡による素子や回路の破
損、重電機器では漏電による感電の危険等が伴う恐れが
ある。（５）冷却水供給源としてのタンク、供給用の管
路等を必要とし、また排水管路を必要とするからそれに
因り適用機器の設計の自由度が低下し、また適用機器の
移動性、可搬性を悪化せしめる。またそれらの管路には
継ぎ手による多くの接続部があり、長年の間にはそれら
の継ぎ手部分からの漏水が発生することは避けられない
ので事務所内、工場内の環境悪化の問題が発生すること
もある。（６）水以外の冷媒液を使用して（１）〜
（４）の問題点を解決することは容易ではあるが冷媒液
の価格が高いので水の如く安易に捨て去ることは出来な
い。捨て去る場合は環境上の点から廃液処理装置が必要
になる。等多くの問題点が発生するものであった。

【０００４】それらの問題点の解決策として最善の対策
として通例は図２に例示の如きクローズドシステム液冷
方式が適用される。このシステムはその全てが機器筐体
Ｃの内部に格納されてあり、冷媒液Ｌが内部を循環して
被冷却体１２の熱量を吸収し冷却する液冷熱吸収器（固
液間熱量授受器）Ｈと、液冷熱吸収器Ｈの高温廃液Ｌ−
Ｈを冷却し熱量を機器外に排出するする空冷熱交換器
（気液熱交換器）Ｅと、それらの間をループ状に連結し
て冷媒液Ｌの循環サイクルを形成する高温連結管４−１
及び低温管路４−２からなり、それらの管路に冷媒液循
環ポンプ１４、冷媒液の液質保全手段（超純水製造装
置）１５、冷媒液補給タンク１６、ドレーンパット１
７、各種の安全装置、等が併設され、それらの全てが被
冷却体１２と共に同一の機器筐体内に格納される。図に
おいてＡｏは放熱用強制対流外気である。冷媒液Ｌとし
ては絶縁性冷媒液、超純水、防錆対策が施された不凍
液、等がシステムの用途に応じて適用される。空冷熱交
換器Ｅに替えて冷凍機が使用される場合もあるがこれら
には圧縮機、凝縮器等を必要とし、その運転のために多
くのエネルギーを消費し、更にその排熱を冷却する為の
空冷装置を必要とするので規模の大きな場合に適用され
る。クローズドシステム液冷装置は各種付帯装置や冷媒
液の適切な選択により従来の液冷システムの問題点の殆
どを解決することが出来る。即ちクローズドシステムの
適用は、移動性、可搬性、据付け性、職場環境、排水処
理、安全性、等大きな問題点の殆どを解決する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は被温度制御体
の冷却、加熱の何れにも適用出来るものではあるが、そ
の何れも原理的には全く同じであり、説明の簡略化の為
以下の説明は冷却方式温度制御について進めるものとす
る。クローズドシステムによる液冷冷却方式は上述のご
とく極めて優れたものである。然しその為の代償は極め
て大きく、液冷熱吸収器（固液間熱量授受器）Ｈについ
ては大幅に小型高性能化されるものの、空冷熱交換器
（気液間熱交換機）Ｅ及び冷媒液循環用ポンプ１４を初
めとして、液質保全装置１５、冷媒液補給タンク１６、
各種安全対策手段、機器筐体Ｃの熱放散部分Ｃ−１と冷
却部分Ｃ−２の間の熱絶縁手段（隔壁）Ｃ−３、等各種
の付加手段を必要とし、冷媒液が水の場合は更に純水製
造装置１５、濾過装置、不凍液の場合はＰＨチェック装
置、等の併設が必要であり、それらを格納する為機器筐
体が大型化し、重量が増加し、保全費用が増大する等大
きな問題点が付加されることは免れないものであった。
また長い年月の間には循環用ポンプを初めとする各種の
水処理装置及びそれらを接続する管路の数多くの接続部
等からの漏水や結露による水滴の滴下等はは避けられ
ず、機器筐体内の雰囲気を良好に保持する為には機器筐
体を気密に密閉することが出来ない点、ドレーンパット
１７を設ける必要がある点等も問題点であった。更に最
も大きな付加的問題点は主たる液冷冷却器Ｈで被冷却体
１２を冷却するにも拘らず液冷冷却器Ｈで吸収した熱量
を最終的には大型の空冷熱交換器Ｅに依り大気中に捨て
去る必要がある点である。熱収支的には液冷冷却器Ｈで
吸収する熱量と空冷熱交換器Ｅに依り捨て去る熱量は等
量であり、従って液冷熱吸収器Ｈの適用に依り機器筐体
Ｃの容積は小型軽量化されることはなく、かえって大型
重量化せざるを得ないものであった。

【０００６】本発明はそれらの付加的問題点を軽減する
もので特に容積増大の最も大きな要因となる空冷熱交換
器Ｅを大幅に小型化すると共に、冷媒液循環ポンプ１４
を小型化し、純水製造装置１５、濾過器、冷媒液補給タ
ンク１６、ドレーンパット１７等の付加手段を省略また
は大幅に小型化せしめ更に筐体内雰囲気を低湿度で且つ
クリーンに保持せしめることを可能にするヒートパイプ
式クローズドシステム温度制御装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】課題を解決し上述のごとき
目的を達成する為のための、本発明に係るクローズドシ
ステムの基本的構成の第一の特徴は、熱媒流体を循環せ
しめる手段として特願平２−３１９４６１号または特公
平６−３３５４号を応用したループ型蛇行細管ヒートパ
イプを適用して構成されてある点にある。基本的構成の
第二の特徴は適用されてあるループ型蛇行細管ヒートパ
イプは受放熱部分離型のヒートパイプとして構成されて
ある点である。基本的構成の第三の特徴は受放熱部分離
型ヒートパイプに於ける熱媒流体の循環補助手段として
液体ポンプが使用されてある点であり、且つこの液体ポ
ンプとしては通常使用されるメカニカルシールポンプに
替えてマグネットカップリング型流体ポンプまたは電磁
流体ポンプに代表される完全シール型の液体ポンプが使
用される点である。

【０００８】ループ型蛇行細管ヒートパイプは二相凝縮
性熱媒流体の受熱部に於ける核沸騰により発生する二相
凝縮性熱媒流体の蒸気泡及び流体液滴の軸方向振動と循
環流により、外部エネルギーの助けを必要とすることな
く自ら効率的に熱量を輸送する。然し受放熱部分離型ヒ
ートパイプとして構成した場合には通常のループ型蛇行
細管ヒートパイプの場合と異なり受放熱部間を連結する
連結管は往復２本のみとなり、ヒートパイプ内の熱媒流
体が自身で循環する循環流量が極めて少なくなり、また
更に連結距離が長くなることにより、管内圧力損失が増
加し熱媒流体の軸方向振動エネルギーが大幅に減衰す
る。これ等の理由から受放熱部分離型のループ型蛇行細
管ヒートパイプは通常のループ型蛇行細管ヒートパイプ
に比較して熱輸送能力が激減する。本発明においてはこ
の熱輸送量の減少の問題をループ内に強制循環手段（流
体ポンプ）を設け熱媒流体を強制循環せしめることによ
り解決する。この様にヒートパイプであるにも拘らず流
体ポンプヲ適用することが出来る点は作動液が二相流体
のままで循環するループ型蛇行細管ヒートパイプの重要
な特徴である。この熱媒流体の循環流量が充分に大きく
且つ充分に高速であればこの手段は熱輸送能力が減少す
ることを補うだけはでなく、通常の蛇行ループ型細管ヒ
ートパイプ方式に依る場合や通常の冷媒液強制循環方式
に依る受放熱部分離型ヒートパイプの場合より熱輸送能
力を大幅に増加せしめることが可能になる。この熱輸送
能力の増加は、単純にループ型蛇行細管内における蒸気
泡及び流体液滴の循環速度が向上するだけに因るもので
はなく、二相凝縮性熱媒流体の受熱部細管内に於ける高
速移動により受熱部細管内表面の内圧が降下し、これに
より熱媒流体蒸気泡の発生量が激増し、したがって放熱
部における凝縮量も激増し、全体として熱媒流体の潜熱
熱輸送量が激増することに因るものである。

【０００９】本発明に適用される受放熱部分離型のルー
プ型蛇行細管ヒートパイプは従来の受放熱部分離型のヒ
ートパイプとはその作動も構成も全く異なるものであ
る。図３に例示する従来の受放熱部分離型ヒートパイプ
は作動液の蒸気発生器（熱吸収器）ｅと凝縮器（放熱
器）ｃと蒸気発生器ｅ内に凝縮作動液ｌ−１を送入する
為の作動液循環ポンプ１４とそれらを連結してループを
構成する冷媒液管路４−３と蒸気管路４−４とからなる
ことが基本的構造であり、その作動液循環は液相作動液
の循環とは云えないものである。即ちループ状連結管路
の中の蒸気発生器（熱吸収器）ｅから凝縮器（放熱器）
ｃに向かう蒸気管路４−４内を移動する作動液は気相
（蒸気）であり、飽和蒸気圧を有している。凝縮器（放
熱器）ｃから蒸気発生器（熱吸収器）ｅに向かう冷媒液
管路４−３内を移動する作動液は液相であり一般には重
力のサイホン作用が加わっている。また蒸気発生器（熱
吸収器）ｅ内には蒸気圧が発生するからポンプ１４に依
る圧入力無しには作動液は蒸気発生器ｅ内に供給するこ
とは出来ない。図においてＡｏ強制対流外気、Ｈｏは加
熱手段である。この様な従来の受放熱部分離型ヒートパ
イプの熱輸送は一見するとポンプに依る液相作動液循環
に依って為される如く思われるが、その熱輸送能力は蒸
気発生器ｅにおける蒸気発生量に依存し、または凝縮器
ｃの蒸気凝縮能力に依存するものである。ポンプにより
蒸気発生器ｅに供給される液相作動液循環量は蒸気発生
器ｅの蒸気発生能力を超えても、また凝縮器（放熱器）
ｃの蒸気凝縮能力を超えてもヒートパイプの熱輸送性能
はかえって低下する。熱量輸送は結局作動液の相変化即
ち作動液の潜熱輸送のみに依つて為されるものであり液
循環による熱輸送ではない。また他の相違点としては圧
力損失を防ぐ為冷媒液管路４−３及び蒸気管路４−４に
は細管は使用されない。従って受放熱には各種のフィン
群を装着する必要がある。

【００１０】これに対して本発明に係る受放熱部分離型
のループ型蛇行細管ヒートパイプではその全てが蛇行細
管で構成されてあり、管路内はその全ての部分に於て、
液相作動液（液滴）と気相作動液（蒸気泡）とが管路内
を充填閉塞せしめた状態で自ら交互に配列され、その状
態を維持した侭で、自ら軸方向に振動し且つ所定の方向
に循環し、熱量は自ら高温部から低温部に向かって移動
する。この間蒸気泡は放熱と共に縮小または消滅するが
受熱部で続々と発生する圧力蒸気泡により補充される。
従って熱量の輸送は二相流体の相変化に依る潜熱輸送だ
けでなく、液相流体の熱容量に依る顕熱輸送が共に行わ
れる。この様な蛇行細管ヒートパイプの作動液は液体ポ
ンプにより加圧強制循環せしめることが出来る点でも通
常のヒートパイプとは全くまったく異なっている。更に
蛇行細管ヒートパイプでは蛇行細管自身が受放熱フィン
として作用するのでフィン群を装着する必要がない。こ
の様であるから、本発明に係る受放熱部分離型のループ
型蛇行細管ヒートパイプは前述の如き従来の受放熱部分
離型ヒートパイプとはその構成、作動原理、作用等全て
の点に於て全く異なるものである。

【００１１】この様な新規な構成の受放熱部分離型のル
ープ型蛇行細管ヒートパイプを適用した本発明のクロー
ズドシステム温度制御装置の基本構成について図１に依
って説明する。図はシステムを説明する為の略図であ
り、機器筐体は断面に依り示してあり、また図面の複雑
化を避ける為細管は全て線図で示してある。図は本発明
の基本構造の説明図であると共に本発明の第一実施例の
説明図をも兼ねている。図に於て、機器筐体Ｃ内に於け
る被温度制御体３のクローズドシステム温度制御装置
は、被温度制御体３と二相凝縮性熱媒流体ｌとの間で熱
量を授受せしめる固液間熱量授受器Ｈと、二相凝縮性熱
媒流体ｌが授受した熱量と外気の強制対流ａとの間で熱
量を交換せしめる気液熱交換器Ｅと、それらの間を閉ル
ープ状に連結する連結管４と、ループ内に封入されてあ
る二相凝縮性熱媒流体ｌを所定の方向に強力に循環せし
める熱媒流体強制循環用の完全シール型のポンプ５とを
主たる構成要素としている。固液間熱量授受器Ｈと気液
熱交換器Ｅとは蛇行長尺細管１ー１、１−２で形成さ
れ、それらの夫々は受放熱部分離型のループ型蛇行細管
ヒートパイプの受熱部と放熱部に相当する部分として、
相互に高温連結管４−１と低温連結管４−２により連結
されてあり、低温連結管４−２に配設されてあるポンプ
はヒートパイプとしての長期信頼性を保証することので
きる構造のものが適用されて構成されてあることを特徴
としている。これらのシステム構成要素は気液熱交換器
Ｅの熱量交換部２を除き原則的に総て機器筐体Ｃ内に格
納されてあり、熱量交換部２は機器筐体Ｃの内部または
外部に設けられてある対流制御手段（風洞）１１の対流
内に位置するよう配設されてある。

【００１２】

【作用】上述の如き本発明の構成は次の各項の如き作用
を発揮する。 （１）受放熱部分離型のループ型細管ヒートパイプとし
て構成したことに依る作用。 （１−１） 従来型のヒートパイプ及び従来型の受放熱
部分離型ヒートパイプと異なり、液相熱媒流体と気相熱
媒流体が共に循環または振動して熱輸送が行われるか
ら、液体の熱容量に依る顕熱熱輸送と蒸気の相変化にに
依る潜熱熱輸送が共に行われる。このような状態の２相
流体作動液は液体ポンプによる強制循環が可能であるか
ら従来型のヒートパイプの如き熱媒流体の潜熱のみによ
る輸送能力に対して、液相熱媒流体に依る顕熱熱輸送が
加わり、更にそれらの熱輸送能力が熱媒流体の強制循環
に依り強力に増幅されるから熱輸送能力は極めて強力な
ものとなる。更にループ型細管ヒートパイプ応用の気液
熱交換器に於てフィン群の装着を必要とせず、蛇行細管
の細管群がそのまま放熱器として適用できるから、図２
に例示の従来型のクローズドシステム温度制御装置の空
冷熱交換器Ｅの大幅な小型化を可能にする。 （１−２） 通常のヒートパイプの如き、温度差に依る
固定的な熱輸送能力ではなく、熱媒流体の循環速度、循
環量の制御に依り熱輸送能力を自在に制御することが出
来る。従って従来のヒートパイプ式温度制御装置では不
可能であった被温度制御体の温度の自在な制御が可能に
なる。 （１−３） ループ型細管ヒートパイプ（作動液として
ＨＦＣ１３４ａ、化学式ＣＨ_２ＦＣＦ_３を使用したも
の。）は実験的に連続３０年の長期使用に耐えることが
確認されている。従って本発明のクローズドシステム温
度制御装置は冷媒液循環用完全シール型ポンプの寿命の
限界に至るまで連続長期使用に耐えることが推定され
る。このことは本発明のクローズドシステム温度制御装
置に於ては、図２に例示の従来型クローズドシステム温
度制御装置に於ける液質保全手段または超純水製造装置
１５、冷媒液補給タンク１６、ドレーンパット１７、及
び其らに付随する各種安全装置等を省略することを可能
にし、図１に例示の如くシステム全体を格納する機器筐
体の構造を簡素化せしめると共に大幅に小型化せしめ
る。 （２） 完全シール型ポンプ適用に依る作用。 （２−１） 熱媒流体が汚染されたり漏洩することがな
いからループ型細管ヒートパイプとしての長期寿命が保
証される。 （２−２） 熱媒流体の漏洩の恐れがないから機器筐体
内が常にクリーンに保たれるから機器筐体を密閉型にす
ることが可能になる。

【００１３】（３） 総合作用 （３−１）総合的にシステム全体が小型化されるから熱
媒流体の循環経路が短くなり、循環経路からの漏洩放熱
量が少なく、また循環管路の構成が簡易であるから断熱
被覆が効果的にかつ容易に施すことが出来るから漏洩熱
量は相乗的に少なくなり、熱量授受部の冷却効率、気液
熱交換器の交換効率が向上する。また機器筐体内部温度
が低くなり、筺体内各種部品の信頼性が向上する。

【００１４】

【実施例】

第一実施例 図１は本発明のクローズドシステム温度制御装置の第一
実施例の説明図を兼ねている。図は機器筐体Ｃ及び対流
制御手段１１は断面で示してあり、システムの内部構造
を略図で示してある。また図面簡略化の為蛇行長尺細管
１−１、１−２は全て線図で示してある。図１に於て熱
量授受部１及び熱量交換部２に相当する部分は、熱伝導
性の良好な金属で形成され、且つ最大でも外径５ｍｍ以
下の蛇行長尺細管１−１、１−２で構成されてあり、そ
の内径は、その中を流れる熱媒流体ｌが、その表面張力
により発生する凝集力により、熱媒流体ｌが微少量であ
っても常に管内を充填閉塞せしめ、細管の保持姿勢の如
何に拘らずその状態のままで管内を移動するよう充分に
細径化された内径になっている。そのように細径化され
た長尺細管１−１、１−２で構成された細管コンテナを
高真空に脱気の後に二相凝縮性熱媒流体ｌを封入する
と、熱媒流体ｌはその表面張力により自ら複数の液相熱
媒流体と複数の気相熱媒流体とに分離され交互に配置さ
れるようになる。その気相熱媒流体群はその温度に対応
した飽和蒸気圧になっており常に液相熱媒流体群に圧力
を加えつつ相互にバランスを保った状態になっている。
細管の一部に熱吸収または放熱が発生するとそのバラン
スが崩れ液相熱媒流体は細管内の低温部に向かい急速で
移動推進せしめられる。またこの様な状態の細管内二相
熱媒流体ｌは吸熱放熱により自ら発生する循環推進力や
振動エネルギー及びポンプにより加えられる循環推進力
を極めて敏感に且つ効率よく細管の全長に亙り伝播せし
める。

【００１５】そのような長尺細管１−１、１−２は、所
定の距離の間を往復蛇行せしめられて夫々に所定のター
ン数からなる熱量授受部１と熱量交換部２が構成されて
あり、所定の距離を隔てて位置する熱量授受部１と熱量
交換部２とを構成する蛇行長尺細管１−１、１−２は、
夫々に所定の回数の蛇行ターン毎に単位細管ユニットｕ
として形成されて全体としては複数単位細管ユニットｕ
−１、ｕ−２、・・・、ｕ−ｎの集合体になっている。
このような細管群で構成されてある熱量授受部１と熱量
交換部２はフィン群を装着する必要なく細管群はそのま
まで有効に熱量授受及び熱量交換機能を発揮せしめるこ
とが出来る。

【００１６】上記各単位細管ユニットＵを構成する蛇行
長尺細管１−１、１−２の夫々の全長は内部を循環する
熱媒流体ｌの示す圧力損失が熱媒流体ｌの循環推進力を
所定の数値以下に減少せしめない長さになっている。更
に各単位細管ユニットｕの両端末は夫々に二相凝縮性熱
媒流体ｌの流入口６及び排出口７になっており、全ての
単位細管ユニットの熱媒流体流入口群及び排出口群は夫
々に流入側ヘッダー８及び排出側ヘッダ９に気密に整列
連結されてあり、更にそれらの流入側ヘッダ８及び排出
側ヘッダ９は熱量授受部１と熱量交換部２とを所定の距
離を隔てて連結する高温連結管４−１と低温連結管４−
２により気密に連結されてあり、高温連結管４−１は熱
量授受部１の排出側ヘッダ９と熱量交換部２の流入側ヘ
ッダ８とを気密に連結し、低温連結管４−２は熱量交換
部２の排出側ヘッダ９と熱量授受部１の流入側ヘッダ８
とを気密に連結しており、全体として閉ループ管路が密
閉コンテナとして構成されてある。このように構成され
ることにより閉ループ管路内を流れる二相凝縮性熱媒流
体ｌに加えられた循環推進力及び軸方向振動の振動エネ
ルギーは均一確実に各単位細管ユニットｕ内に送入さ
れ、熱量授受部１及び熱量交換部２の機能を確実ならし
める。

【００１７】低温連結管４−２の所定の部分には、高度
に気密を保持したまま運転することの出来ると共に熱媒
流体ｌを汚染することのない熱媒流体循環用の完全シー
ル型ポンプ５が気密に配設されてある。このように構成
されてある熱量授受部１と熱量交換部２とを含む閉ルー
プ管路の密閉コンテナは高真空に排気の後所定の二相凝
縮性熱媒流体ｌの所定量が封入されて全体として受放熱
部分離型のループ型蛇行細管ヒートパイプとして構成さ
れてあり、ヒートパイプとしての作動液となる熱媒流体
ｌは熱量交換部２の排出側から熱量授受部１の流入側に
向う方向に強制循環せしめられてあり、熱量授受部１は
金属平板と組み合わせてコールドプレート１０が形成さ
れてあり、このコールドプレートには被温度制御体３が
熱伝導性良好な手段で搭載されてあり、蛇行長尺細管１
−１内を循環する二相凝縮性熱媒流体ｌと被温度制御体
３との相互間に細管壁を介して熱量が授受される固液間
熱量授受器Ｈとして構成されてあり、熱量交換部２は蛇
行長尺細管１−２の細管群がそのまま熱交換フィンとし
て適用されて熱量交換部２として構成され、その供給流
路に設けられた強制対流発生手段Ｆにより、系外から供
給され強制対流外気として熱交換器２に送入排出される
気相熱媒流体Ａと、蛇行長尺細管１−２内を循環する二
相凝縮性熱媒流体ｌとが細管壁を介して相互間に熱量が
交換される気液熱交換器Ｅとして構成されてある。この
様なような二相凝縮性熱媒流体のループ状循環管路は信
頼性の高い蛇行細管ヒートパイプとして構成され長期間
に亙り高性能を発揮せしめる。

【００１８】図１に於ては気液熱交換器Ｅは図面簡略化
のため平面的に示してあり、蛇行長尺細管１−２に因り
形成される各単位蛇行細管の各細管ユニットｕ−１、ｕ
−２、ｕ−３、・・・、ｕ−ｎは平面的に示されてある
が、実際は平面図で示せば段列状に多数が配置されてあ
り、図１の側面図としてはその正面側の第一層が示され
てあるに過ぎない。同様に流入側ヘッダ８排出側ヘッダ
９も多数本が配設されてある。また同様に固液間熱量授
受器Ｈも図の如く一枚だけではなく多数枚が適用されて
あっても良い。

【００１９】従って本発明のクローズドシステム温度制
御装置は冷媒液循環用完全シール型ポンプの寿命の限界
に至るまで連続長期使用に耐えることが推定される。こ
のことは本発明のクローズドシステム温度制御装置に於
ては、図２に例示の従来型クローズドシステム温度制御
装置に於ける液質保全手段または超純水製造装置１５、
冷媒液補給タンク１６、ドレーンパット１７、及び其ら
に付随する各種安全装置等を省略することを可能にし、
図１に例示の如くシステム全体を格納する機器筐体の構
造を簡素化せしめシステムの信頼性を向上せしめると共
に大幅な小型化を可能ならしめる。

【００２０】第二実施例 機器筐体内にはクローズドシステムが対象とする被温度
制御体の他にも発熱部品が実装されてある例が多い。本
発明に係るクローズッドシステムは本発明の作用効果に
依り熱媒流体循環系の管路が大幅に短縮されて管路から
の漏洩熱量が大幅に減少するが、機器筐体も大幅に小型
化されるため、漏洩熱量及び被温度制御体以外の発熱体
による熱量の影響は大きくなり筐体内部温度が大きく上
昇する。特に筐体がその内部雰囲気と外部雰囲気とが気
密に隔絶されてある密閉筐体である場合はこの温度上昇
が極めて大きくなるのでその蓄積熱量を筐体外に排出す
る必要がある。図４に例示の第２実施例はそのような密
閉筐体に於けるクローズドシステムの気液熱交換機Ｅの
構造を示す。図面簡略化の為蛇行細管は全て線図で示し
てある。図における筐体Ｃは密閉筐体であって、気液熱
交換器Ｅの熱交換部２は筐体外に設けられてある風洞１
１の内部に配置せしめられて筐体壁に気密に装着されて
ある。熱交換部２に於ける蛇行細管群１−２の中の所定
の群は細管長さが延長されて、筐体壁を貫通して密閉筐
体Ｃの内部に突出配置せしめられあり、この内部蛇行細
管１−２ｉの群は密閉筐体内空気冷却の為の自然対流型
または強制対流型の内部熱交換器Ｅｉとして構成されて
あり、強制対流型の場合は、内部細管１−２ｉの群には
筐体内空気の強制対流Ａｉをこの内部熱交換器Ｅｉ内に
送入排出する為の強制対流発生手段が併設されて構成さ
れてあることを特徴としている。この様に構成されるこ
とにより密閉筐体Ｃ内の付属部品からの発生熱量、及び
クローズドシステムからの漏洩熱量は内部蛇行長尺細管
１−２ｉの群を介して、気液熱交換器Ｅ内に送出され、
更に気液熱交換器Ｅを介して密閉筐体Ｃ外に排出され
る。それらの熱量が密閉筐体Ｃ内に滞留することは、気
液熱交換器Ｅの冷却効率が低下したと同等の結果を齎
し、気液熱交換器Ｅの大型化を必要ならしめる。第２実
施例の施されたこのようなクローズドシステム液冷装置
は筐体の気密性を完全ならしめて筐体Ｃ内をクリーンに
維持することを可能にすると共に筐体内部の温度上昇を
防ぎこ筐体Ｃ内部の実装部品の信頼性を向上せしめる。

【００２１】第三実施例 本発明に係るクローズドシステム温度制御装置はループ
型蛇行細管ヒートパイプの応用システムであるから、そ
の基本特許となる特公平６−３３５４号の作動原理によ
りループ内に逆止弁を配設することにより熱媒流体は自
ら所定の方向に循環する。特公平６−３３５４号に於て
は配設する逆止弁は少数であるが、その数を多数に増加
せしめることにより、逆止弁により分割されて形成され
る多数の圧力室は夫々に強力な流体ポンプとして作動
し、全体として熱媒流体の循環推進力は強力なものとな
る。これにより第一実施例の図１に於ける完全シール型
ポンプ５を省略または補助的な小型ポンプにすることが
出来る。このような本発明の第３実施例を図５の斜視図
により説明する。図に於ては図面簡略化の為細管は全て
線図で示されてある。図の熱量授受部１於てそれを構成
する蛇行長尺細管１−１の各単位ユニットｕ−１、ｕ−
２、・・・、ｕ−ｎの各熱媒流体流入口６に近接する部
分に流入逆止弁Ｖ−１が装着されてあるか、または各単
位ユニットの各熱媒流体流入口６に近接する部分に流入
逆止弁Ｖ−１が装着されてあると同時に各熱媒流体排出
口７に近接する部分にも排出逆止弁Ｖ−２が装着されて
あるか、何れかの構造になっており、これらの逆止弁Ｖ
による流れ方向規制方向は熱媒流体の流入口６から排出
口７に向かう方向に一致していることを特長としてい
る。

【００２２】このように構成されてある場合熱量授受部
１の熱吸収により、蛇行長尺細管１−１内で発生する熱
媒流体ｌの核沸騰により軸方向の双方向にむけて発生す
る圧力波は、流入逆支弁Ｖ−１の作用により、全て循環
流に対して順方向の圧力波に変換され、圧力波の全てが
順方向圧力波となり熱媒流体の循環推進力として作用す
る。また核沸騰により発生する蒸気泡も逆支弁Ｖ−１の
作用により全て熱媒流体の循環推進力の発生源となる。
排出逆支弁Ｖ−２が併設されてある場合は蒸気泡発生時
の断熱膨張による瞬間的温度降下による蒸気泡の瞬間的
収縮に起因する熱媒流体の逆流を防止し循環推進力を更
に強化せしめる作用がある。

【００２３】第四実施例 本発明の第四実施例について図５の斜視図によって説明
する。本実施例はコールドプレート型の熱量授受部１を
有する固液間熱量授受器Ｈに関するものである。本図も
図面簡略化の為他の各図と同様に蛇行長尺細管１−１は
線図で示してある。図に於て熱量授受部１は、蛇行長尺
細管１−１の各単位細管ユニットｕ−１、ｕ−２、ｕ−
３、・・・、ｕ−ｎ及びそれぞれのユニットを形成する
蛇行細管の直線部群は全てが平行並列に且つ同一平面を
なすようにに整列配置されてあり、その平面は熱伝導性
の良好な二枚の金属平板１０−１、１０−２に挟持され
るかまたは金属平板１０−１か１０−２に切削されてあ
る条溝群に埋設されて、接着されて全体として平板状の
コールドプレート１０として構成されてあり、コールド
プレート１０の平面には被温度制御体３が伝熱性良好な
手段で接着搭載されて構成されて全体として固液間熱量
授受器Ｈとして構成されてあることを特徴としている。
蛇行細管の直線部群の細管間隙に多少のむらがあった
り、夫々の細管を流れる熱媒流体の流量に多少のむらが
あっても、金属平板１０−１、１０−２の熱拡散によっ
てコールドプレート１０の平面の各部は均一な熱量授受
性能を発揮する。このように構成されたコールドプレー
ト１０は同一のプリント配線基板に搭載された同一高さ
の多数の発熱体、即ち発熱体群の頂部が全体として平面
をなす場合これらを一括してコールドプレート１０の平
面で一斉に冷却する場合や、コールドプレート１０の平
面に多数の発熱体を直接搭載して一斉に冷却する場合等
に極めて効果的である。

【００２４】第五実施例 本発明の第五実施例について図６の斜視図に依って説明
する。本実施例もコールドプレート型の熱量授受部１を
有する固液間熱量授受器Ｈに関するものである。本図も
図面簡略化の為蛇行長尺細径トンネル１−３は線図で示
してある。図に於て熱量授受部１は、蛇行長尺細管１−
１の各単位細管ユニットｕ−１、ｕ−２、ｕ−３、・・
・、ｕ−ｎ及びそれぞれのユニットを形成する蛇行細管
の直線部群の全てが平行並列に且つ同一平面上に整列配
置されてあり、そのターン部をも含む平面状体と実質的
に同等形状のパターンに形成された、蛇行長尺細径トン
ネル１−３が熱伝導性の良好な金属平板１０−１の中に
作り込まれて、全体としてコールドプレート１０として
構成されてあり、コールドプレートの１０の平面には被
温度制御体３が伝熱性良好な手段で接着搭載されて全体
として固液間熱量授受器Ｈとして構成されてあることを
特徴としている。このように構成された固液間熱量授受
器Ｈはターン部の曲率がが細管曲げの数分の一に小さく
することが出来るから、パターンを高密度に整列せしめ
ることが可能になり第四実施例の場合より熱輸送性能を
大幅に向上せしめるか、熱量授受部１を小型化せしめる
ことが可能になる。また細径トンネル１−３は細管に比
較して管の肉厚を必要としないから、同一径でもコール
ドプレート１０の厚さを十分に薄くすることが出来る。
更に第四実施例に於ける細管群と金属平板１０−１、１
０−２の間に於ける如き接触熱抵抗が発生しないので高
性能の熱伝導能力及び熱拡散性能を有するコールドプレ
ート１０を構成することが出来る。このような薄肉高性
能のコールドプレート１０は高密度実装機器に適用する
場合に極めて有効である。このような第五実施例は本発
明のクローズドシステム温度制御装置の小型軽量化に貢
献する。

【００２５】第六実施例 本発明は、熱媒流体を循環せしめる手段として特願平２
−３１９４６１号または特公平６−３３５４号を応用し
た受放熱部分離型のループ型蛇行細管ヒートパイプを適
用して高性能を発揮せしめる。しかしヒートパイプの放
熱部に相当する気液熱交換部に特願平４−１３５５０７
号（ｌ字形状ピン群を有する剣山形状ヒートシンク）、
及び特願平４−２１４４５６号（剣山型ヒートシンクの
適用構造）、を併せて適用して構成することにより更に
小型化高性能化を図ることが出来る。その様に構成した
第六実施例の気液熱交換器の構造を図７に依って説明す
る。図７は熱交換部以外の部分を省略した斜視図であ
り、対流制御風洞１１及び機器筐体Ｃの一部を除去して
内部状態が分かるように示してある。また図面簡略の為
蛇行細管は線図で示してある。熱交換部２に於ける蛇行
長尺細管１−２の直管部の群は相互に平行並列になるよ
うに且つ高密度に整列配置されてあり、それらの直管部
の群はその長手方向の片側端末に近接した箇所において
所定の平板形状の保持手段２−１によつてその平面上に
直立して整列保持されてあり、この直立細管の群の夫々
の細管の先端に於てターン部曲管により連結されて対を
なす細管を各一本のピンとして見なした場合、熱交換部
２の全体としては保持手段２−１の平面上に形成された
剣山形状体と見なされる様に構成されてあり、且つ保持
手段２−１が剣山形状直立細管の群を保持する保持手段
の両平面間は相互に気密に形成されてあり、剣山形状直
立細管の群の直立高さの半ば付近から、直立細管の群の
先端部からやや突出した位置に至る迄、剣山形状細管群
の外周を覆って対流制御風洞１１が配設されてあり、熱
交換部２に送入される気相熱媒流体の強制対流Ａの流れ
方向は保持手段２−１の平面の周囲全方向から保持手段
２−１の平面に添ってその中央部に向かい、その中央部
から方向を変えて剣山形状細管群の先端側に向かう流れ
であるか、又は剣山形状細管群の先端側から保持手段２
−１の平面に向かい、平面に衝突の後方向を変えて平面
の周囲全方向に向かう流れであるか、の何れかであるよ
うに構成されてあり、全体として気液熱交換器Ｅとして
構成されてあり、この熱交換器Ｅは上記平板状保持手段
２−１により密閉筐体Ｃの筐体外壁面に気密に装着され
て構成されてある。通常の放熱器の如く細管群に対し直
交する対流が一方向のみに流れる熱交換の場合は、上流
側での熱交換により対流熱媒流体が温度上昇し、下流に
至る程熱交換効率が低し全体としての熱交換効率が低下
するのが常である。然し本実施例の場合は対流熱媒流体
の流れは全方向からの流入または全方向に向かう排出と
なるから、熱交換効率の低下が少なく全体的に大幅に熱
交換効率が向上する。

【００２６】

【発明の効果】ループ型蛇行細管ヒートパイプ内に発生
する気泡群により分割され気泡群と液滴群が交互配置さ
れて自ら循環する二相熱媒流体が、流体ポンプによる強
制循環により、気泡発生量が大幅に増加し受熱部に相当
する固液間熱量授受器、放熱部に相当する気液熱交換
器、が共に熱交換能力が大幅に向上し、液冷循環ループ
全体がヒートパイプになることにより、液補給タンク、
液質保全装置、ドレーンパット、その他の付属機器が省
略されシステム全体は更に小型軽量化されると共に構造
が簡素化されてシステムの保全が容易になる。液の漏洩
が皆無となるから機器内がクリーンに保たれ、完全密閉
型の機器筐体内にシステムを格納することも可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るクローズドシステム温度制御装置
の基本原理及び第一実施例の構造を示す説明図である。

【図２】従来型のクローズドシステム液冷装置の構成を
示す説明図である。

【図３】従来型の受放熱部分離型ヒートパイプの構造を
示す説明図である。

【図４】本発明に係るクローズドシステム温度制御装置
の第二実施例の気液熱交換器の構造を示す説明図であ
る。

【図５】本発明に係るクローズドシステム温度制御装置
の第三実施例、及び第四実施例の固液間熱量授受器の構
造を示す斜視図である。

【図６】本発明に係るクローズドシステム温度制御装置
の第五実施例の固液間熱量授受器の構造を示す斜視図で
ある。

【図７】本発明に係るクローズドシステム温度制御装置
の第六実施例の気液熱交換器の構造を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 熱量授受部 １−１ 蛇行長尺細管 １−２ 蛇行長尺細管 １−２ｉ内部蛇行長尺細管 １−３ 蛇行長尺細径トンネル ２ 熱量交換部 ２−１ 保持手段 ３ 被温度制御体 ４−１ 低温連結管 ４−２ 高温連結管 ５ 完全シール型ポンプ ６ 流入口 ７ 排出口 ８ 流入側ヘッダ ９ 排出側ヘッダ １０ コールドプレート １０−１ 金属平板 １０−２ 金属平板 １１ 対流制御手段（風洞） １１ｉ 内部対流制御手段（内部風洞） Ａｏ 強制対流外気 Ａｉ 内部強制対流空気 Ａ 気相熱媒流体 Ｃ 機器筐体 ｃ 凝縮器（放熱器） ｅ 蒸気発生器（熱吸収器） Ｅ 気液熱交換器 Ｅｉ 内部熱交換器 Ｆ 強制対流発生手段 Ｆｉ 内部強制対流発生手段 Ｈ 固液間熱量授受器（液冷熱吸収器） Ｌ 冷媒液 ｌ 二相凝縮性熱媒流体 ｌ−１ 凝縮作動液 ｌ−２ 気相作動液 ｕ−ｎ 単位細管ユニット Ｖ−１ 流入逆止弁 Ｖ−２ 排出逆止弁

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機器筐体内に於ける被温度制御体の温度
   を制御する為のクローズドシステム温度制御装置であっ
   て、このシステムは被温度制御体と二相凝縮性熱媒流体
   との間で熱量を授受せしめる固液間熱量授受器と、二相
   凝縮性熱媒流体が授受した熱量と外気の強制対流との間
   で熱量を交換せしめる気液熱交換器と、それらの間を閉
   ループ状に連結する連結管と、ループ内に封入されてあ
   る二相凝縮性熱媒流体を所定の方向に循環せしめる熱媒
   流体強制循環用ポンプとを主たる構成要素としており、
   これらのシステム構成要素は気液熱交換器の熱量交換部
   を除き原則的に総て機器筐体内に格納されてあり、熱量
   交換部は機器筐体の内部または外部に設けられてある対
   流制御手段内に位置するよう配設されてあり、熱量授受
   部及び熱量交換部に相当する部分は、熱伝導性の良好な
   金属で形成されてある最大でも外径５ｍｍ以下の長尺蛇
   行細管で構成されてあり、その内径は、その中を流れる
   熱媒流体が、その表面張力により発生する凝集力によ
   り、封入量が微少量であっても常に管内を充填閉塞せし
   め、細管の保持姿勢の如何に拘らずその状態のままで管
   内を移動するよう充分に細径化された内径であって、そ
   のような長尺細管が所定の距離の間を往復蛇行せしめら
   れて夫々に多数且つ所定の蛇行数からなる熱量授受部及
   び熱量交換部として構成されてあり、所定の距離を隔て
   て位置する熱量授受部と熱量交換部とを構成する蛇行長
   尺細管は、夫々に所定の回数の蛇行ターン毎に単位ユニ
   ットとして形成されて全体としては複数単位ユニットの
   集合体になっており、各単位ユニットの両端末は夫々に
   二相凝縮性熱媒流体の流入口及び排出口になっており、
   全ての単位ユニットの熱媒流体流入口群及び排出口群は
   夫々に流入側ヘッダー及び排出側ヘッダに気密に連結さ
   れてあり、更にそれらの流入側ヘッダ及び排出側ヘッダ
   は熱量授受部と熱量交換部とを所定の距離を隔てて連結
   する高温連結管と低温連結管により気密に連結されてあ
   り、高温連結管は熱量授受部の排出側ヘッダと熱量交換
   部の流入側ヘッダとを気密に連結し、低温連結管は熱量
   交換部の排出側ヘッダと熱量授受部の流入側ヘッダとを
   気密に連結しており、全体として閉ループ管路の密閉コ
   ンテナとして構成されてあり、低温連結管の所定の部分
   には、高度に気密を保持したまま運転することの出来る
   と共に熱媒流体を汚染することの無い構造の熱媒流体強
   制循環用の完全シール型ポンプが気密に連結配設されて
   あり、このように構成されてある閉ループ管路の密閉コ
   ンテナ内は、高真空に排気の後所定の二相凝縮性熱媒流
   体の所定の量が封入され、全体としてループ型蛇行細管
   ヒートパイプとして構成されてあり、このループ型蛇行
   細管ヒートパイプの作動液である二相凝縮性熱媒流体は
   熱量交換部の排出側から熱量授受部の流入側に向う方向
   に強制循環せしめられてあり、熱量授受部の所定の部分
   には被温度制御体が所定の熱伝導性の良好な手段で接着
   搭載されてあり、蛇行細管内を循環する二相凝縮性熱媒
   流体と被温度制御体との相互間に細管壁を介して熱量が
   授受される固液間熱量授受器として構成されてあり、熱
   量交換部は蛇行細管の群がそのまま熱交換器として構成
   され、系外から供給され強制対流として熱交換器に送入
   排出される気相熱媒流体と、蛇行細管内を循環する二相
   凝縮性熱媒流体とが細管壁を介して相互間に熱量を交換
   せしめられる気液熱交換器として構成されてあることを
   特徴とするクローズドシステム温度制御装置。
2. 【請求項２】 機器筐体は内部空気が外気と完全に遮断
   されてある密閉筐体であって、気液熱交換器は熱交換部
   を筐体外に設けられてある風洞内に配設せしめられて筐
   体壁に気密に装着されてあり、熱交換部に於ける蛇行細
   管群の中の所定の群は細管長さが延長されて、筐体壁を
   貫通して密閉筐体内に突出せしめられてあり、この突出
   細管群は密閉筐体内空気冷却の為の自然対流型または強
   制対流型の熱交換器として構成されてあり、強制対流型
   の場合は、突出細管群には筐体内空気の強制対流をこの
   熱交換部内に送入排出する為の強制対流発生手段が併設
   されて構成されてあることを特徴とする請求項１に記載
   のクローズドシステム温度制御装置。
3. 【請求項３】熱量授受部に於てそれを構成する蛇行長尺
   細管の各単位細管ユニットの熱媒流体流入口に近接する
   部分に逆止弁が装着されてあるか、または各単位ユニッ
   トの熱媒流体流入口に近接する部分と熱媒流体排出口に
   近接する部分の双方に逆止弁が装着されてあるかの何れ
   かの構造になっており、これらの逆止弁による流れ方向
   規制方向は熱媒流体の流入口から排出口に向かう方向に
   一致していることを特徴とする請求項１に記載のクロー
   ズドシステム温度制御装置。
4. 【請求項４】 熱量授受部は、蛇行細管の各ターンの細
   管の群が平行並列に且つ同一平面上に整列配置されて、
   熱伝導性の良好な二枚の金属平板に挟持されるかまたは
   金属平板に切削されてある条溝群に埋設されて全体とし
   てコールドプレートとして構成されてあり、コールドプ
   レートの平面には被温度制御体が伝熱性良好な手段で接
   着搭載されて構成されてあり、全体として固液間熱量授
   受器として構成されてあることを特徴とする請求項１に
   記載のクローズドシステム温度制御装置。
5. 【請求項５】 熱量授受部は、蛇行細管の各ターンの細
   管の群が平行並列に且つ同一平面上に整列配置されてあ
   ると実質的に同等のパターンに形成された、蛇行長尺細
   径トンネルが熱伝導性の良好な金属平板の中に作り込ま
   れて、全体としてコールドプレートとして構成されてあ
   り、コールドプレートの平面には被温度制御体が伝熱性
   良好な手段で接着搭載されて構成されてあり、全体とし
   て固液間熱量授受器として構成されてあることを特徴と
   する請求項１に記載のクローズドシステム温度制御装
   置。
6. 【請求項６】 熱交換部を構成する蛇行細管の各ターン
   の細管の群は相互に平行並列になるように且つ高密度に
   整列配置されてあり、それらの細管の群はその長手方向
   の片側端末に近接した箇所において所定の平板形状の保
   持手段によつてその平面上に直立して整列保持されてあ
   り、直立細管の群の夫々の細管の先端に於てターン部曲
   管により連結されて対をなす対細管を各一本のピンとし
   て見なした場合、熱交換部の全体としては保持手段の平
   面上に形成された剣山形状体と見なされる様に構成され
   てあり、且つ平板形状保持手段が剣山形状対細管群を保
   持する保持平面は機器筐体の内外間を気密に隔離するよ
   う形成されてあり、剣山形状対細管群の直立対細管の群
   の半ば付近から、先端部からやや突出した位置に至る
   迄、剣山形状対細管群の外周を覆って対流制御風洞が配
   設されてあり、熱交換部に送入される気相熱媒流体の強
   制対流の流れ方向は、保持手段の平面の周囲全方向から
   保持手段の平面に添ってその中央部に向かい、その中央
   部から方向を変えて剣山形状対細管群の先端側に向かう
   流れであるか、又は剣山形状対細管群の先端側から保持
   手段の平面に向かい、平面に衝突の後方向を変えて平面
   の周囲全方向に向かう流れであるか、その何れかである
   ように構成され、全体として気液熱交換器として構成さ
   れてあり、この熱交換器は上記平板状保持手段により密
   閉筐体の筐体外壁面に気密に装着されてあることを特徴
   とする請求項１に記載のクローズドシステム温度制御装
   置。