JPH01167594A - 熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ヒートパイプに関するものである。

特に大量の熱を伝達させるような場合やトップヒートモ
ードで使われるような場合また長距離の熱伝達を行なう
場合などに従来のヒートパイプでは十分に対応できない
ような場合に利用できる。

実際には家屋の屋根に取付けた太陽熱補集器からの熱を
地下の蓄熱タンクに伝達するような場合である。

〔従来の技術〕

ヒートパイプは同一形状の銅棒より数百倍も多くの熱を
伝えることができる為産業界の各分野で利用されている
。ヒートパイプでは、内部の作動液体を高温部で蒸発さ
せ、その蒸気は蒸気圧差により低温部へ、移送しそこで
凝縮し、このことにより気化熱に相当する熱を高温部か
ら低温部へすばやく伝達する。凝縮後の液体はと一ドパ
イブ内壁のウィックとよばれる部分の毛細管力にによっ
て高温部へ戻される。

発明が解決しようとする問題点 しかしヒートパイプをトップヒートモード（重力の作用
する環境でヒートパイプの上部を加熱、下部を冷すよう
な使い方）で使ったり、より大量の熱を移送させたり、
長距離の熱移送に使用すると、バーンアウトと呼ばれる
現象が起き熱の移送が制限されたり、全くできなくなる
。これはヒートパイプの低温部において、凝縮した作動
液体をウィックの毛細管力により高温部へ戻している為
で、トップモードの場合は重力により、毛細管力を上回
る高さへは液体は供給されなくなる。また熱の移送量が
大きくなったり長距離の場合は、毛細管力を発生するウ
ィック自身の流体力学的抵抗の為に高温部への作動液体
の戻りが著しく減少してしまう。この問題を解決する為
に回転式ヒートパイプや電気浸透式ヒートパイプなどが
あり、前者では、ヒートパイプをテーパー状に作りそれ
を高速で回転させ発生する遠心力を利用して液体を高温
部へ戻し、又後者では、ヒートパイプに高い電圧を加え
電界力により液体を高温部へ戻す。しかしこれらは、外
部に動力なり電源を必要としたり、長距離の場合は、機
構が複雑になりほとんど利用できないなど問題が残って
いる。

本発明はこれらの欠点を全て解決するとともに熱の移送
量もコントロールできるような熱伝達装置を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による熱伝達装置は熱による蒸気泡の成長・収縮
により作動する熱駆動ポンプによってヒートパイプの冷
却部分で凝縮した作動液体をヒートパイプの冷却部分よ
り低い温度にしてからヒートパイプの加熱部分へ帰環さ
せるようにし、これによってヒートパイプを連続的に動
作させることを特徴とする。

本発明において熱駆動ポンプの熱源はヒートパイプの加
熱部分からなり、ヒートパイプの冷却部分で凝縮した作
動液体を該冷却部分より低温度にするため、冷却器を該
冷却部分出口と熱駆動ポンプ入口の間の流路に設置する
。

本発明の別の観点では、熱駆動ポンプの出口に流ｌを分
割する流量分割弁を設置し、分割された作動液体を放熱
器入口に導入するような導管を設置する。

本発明の更に別の観点では、ヒートパイプを含む循環流
路と熱駆動ポンプを含む循環流路を持ち２つの流路がダ
イヤプラム等の圧力伝達部品により連結される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である。

点線１で囲まれている部分が従来から知られているヒー
トパイプで、銅のような熱良導体の薄肉管でできたコン
テナ２の内壁に作動液体を良く濡らし毛細管作用を発生
するような、多孔質や細かなメッシユ等の構造を持つウ
ィック３が全体に配置されている。

点線４で囲まれた部分は熱駆動ポンプで、熱良導体でで
きたポンプ加熱部５を含み、内部に円錐形の液体受容部
６を有している。

ポンプ加熱部５はヒートパイプ加熱部分でコンテナに一
体、もしくはそれに近い状態で取付けてあり両者は常に
同一温度になるようにしである。

気・液交換室７は熱伝導率のよくないステンレス等の薄
肉管などで作られ、ポンプ加熱部５からの熱を内部の液
体に伝えに＜＜シである。また交換室７の内部には凝縮
管８とその先端に複数配置した毛細管力発生用フィン９
が固定しである。また交換室７は吸込側逆止弁１０と吐
出側逆止弁１１にそれぞれ導管を通して連結している。

それからウォーターハンマ防止逆止弁１２は熱駆動ポン
プ本体をバイパスして設置された導管中に設置されてい
る。

点線１３で囲まれた部分が帰環冷却器であって、ヒート
パイプ冷却部分で凝縮し集められた作動液体をさらに冷
却し温度を下げる働をする。そして熱駆動ポンプの吐出
逆止弁とヒートパイプ加熱部分の先端、ヒートパイプ冷
却部分下端と帰環冷却器、帰環冷却器と熱駆動ポンプ吸
込側逆止弁がそれぞれ導管１５で連結されていて、全体
で閉じた回路を形成し内部を作動液体１４が循環する。

次にこの実施例の動作を説明する。

まずこのヒートパイプは地面に対して縦に設置されその
高さはＨである。そしてその上端が加熱部分でその熱を
下端に伝える、トップヒートモードで作動させる。作動
液体は全ての導管、熱駆動ポンプ４、コンテナ２のウィ
ック３の内部を満し、それ以外のヒートパイプ内の空間
１６は作動液体の蒸気で満たされている。

このような状態でヒートパイプ加熱部分に熱が加えられ
′ると、コンテナ２の薄い壁を通してウィック３内の作
動液体に熱が伝えられ作動液体は昇温しウィック表面か
らヒートパイプ内の空間に蒸発して、行く一方冷却部分
では加熱部分より温度が低い為、両者の蒸気圧差が生じ
蒸気は加熱部分から冷却部分へ急速に移動しそこでウィ
ック表面へ凝縮、気化熱に相当する熱を運んだことにな
る。

一方熱駆動ボンプ４内ではその加熱部５がヒートパイプ
加熱部分と同じ温度まで昇温する為内部の液体受容部６
に蒸気泡が発生成長してゆく。すると吸込側逆止弁１０
が閉じ吐出側逆止弁１１が開いて成長した蒸気泡の体積
に相当する作動液体が気・液交換室７から導管を通して
ヒートパイプ加熱部分のウィックへ供給される。やがて
蒸気泡の成長が凝縮管８内部へ達すると、周囲に熱を奪
われ凝縮し収縮を始める。この時フィン９の毛細管力に
より保持されていた作動液体が液体受容部６に浸入受容
部を冷すことで蒸気泡は完全に収縮過程に入る。そして
吐出側逆止弁１１を閉じ吸込側逆止弁１０を開いて十分
に冷やされた作動液体を導管を通して吸引する。つまり
ヒートパイプの冷却部で集められた作動液体は帰環冷却
器で冷やされ熱駆動ポンプに供給される。このようにし
て作動液体が各部を通って循環する。そしてウォターハ
ンマ防止逆止弁１２は熱駆動ポンプの吸込側逆止弁１０
が閉じた時と吐出側逆止弁が閉じた時に導管内の液体の
慣性によって生じる高い圧力を逃がす為のものである。

次に作動液体の温度と蒸気圧から動作を説明する。

ヒートパイプの加熱部分の作動液体の温度と蒸気圧をそ
れぞれＴ　＋　、Ｐ　＋　　とし、同様に冷却部分では
Ｔ２　、Ｐ　２　、帰環冷却器ではＴ３、Ｐ３気・液交
換室内でＴ、　、Ｐ４　　とすると、この装置が正常に
動作する為には Ｔ＋　　＞　Ｔ２　　＞　Ｔ４　　＞　Ｔ３　温度に対
応し蒸気圧もＰＩ　　＞Ｐ２　　＞Ｐ４　　＞Ｐ３ の関係が成立つ。Ｔ　１Ｔ　２　は一般にあまり大きく
ならない。これは蒸気があまり抵抗を受けずに流れる為
で、少ない蒸気圧差でも大量の蒸気がヒートパイプ内を
流れる。一方Ｔ’２　　　Ｔ３　の差は非常に大きく取
った方が有利でＰ　２　　　Ｐ　３　　も大きくなる。

Ｔ４　−Ｔ＋　　＝ａは熱駆動ポンプにより与えられた
ものでポンプの吐出量がある程度以上になるとほぼ一定
でなり、この値は高性能の熱駆動ポンプ程低くなる。し
たがってＰ４　　　Ｐｉ＝ｂとなるまず蒸気がＰ、　　
−Ｐ２　の圧力差でヒートパイプ加熱部から冷却部へ運
ばれる。そして熱駆動ポンプ内の蒸気泡収縮の時はＰ２
　　　Ｐ４＝Ｐ２−（Ｐ３　＋ｂ）の圧力差が、ヘッド
Ｈによる圧力ｒＨと導管や逆止弁の流体抵抗圧Ｐｎ　に
対向し作動流体を冷却部分から気・液交換室まで押上げ
る源動力となる。

なる。但Ｔは液体の比重量 この式から解るようにＰ２　とＰ３　の温度差が大きい
程、より高い所やより遠くまで作動液体を押し出すこと
ができる。

また帰環冷却器１３の位置についてはヒートパイプ冷却
部分出口から熱駆動ポンプ入口までの間の導管中に設置
するか、気・液交換室７を何んらかの方法で冷すことで
もよい。しかし最もこの装置が能力を発揮できる帰環冷
却器の位置はヒートパイプ冷却部分の出口近傍である。

第２図は本発明の変形例である。

ヒートパイプ１、熱駆動ポンプ４、帰環冷却器１３、そ
してそれらを連結する導管１５は第１図の実施例と同様
である。この変形例では熱駆動ポンプ４とヒートパイプ
の加熱部分の入口を連結する導管中に流量分割弁１７を
設置し、これによって分割された熱駆動ポンプからの作
動液体の通る導管１８は帰環冷却器の人口へ連結されて
いる。

流量分割弁１７は内部に回転弁２１を持ち、これは弁の
中心に開けられた穴２２から熱駆動ポンプによって排出
された作動液体が噴出し連通孔によって左右に分割され
る。一方レバー２０を動かすことにより回転弁２１が回
転し、左右の出口孔とのかみ合い面積が変化する。これ
によって熱駆動ポンプからヒートパイプ加熱部分へ供給
される作動液体の流量を０％〜１００％まで変化させ、
ヒートパイプの熱移送能力を可変にすることができる。

一方分割され導管１８へ流れ出した作動液は帰環冷却器
人口でヒートパイプからの作動液と混合し帰環冷却器で
冷やされ導管１５を経て熱駆動ポンプへ戻る。

このような分割流路を別に設はヒートパイプを含む主流
路への流量をコントロールする方式は次きのような利点
がある。

ヒートパイプ加熱部分の温度が一定なら熱駆動ポンプの
作動液噴出量が一定になり、ヒートパイプの熱移送量に
影響されないのでヒートパイプの熱移送量のコントロー
ルが容易である。ヒートパイプの熱移送量を０、すなわ
ち全くヒートパイプへ作動液を供給しない場合でも熱駆
動ポンプは動き続け、いつでもヒートパイプへ作動液を
供給できる状態に保たれる。

第３図は本発明の更に別の変形例である。

これは熱駆動ポンプ中で流れる液体とヒートパイプ中を
流れる液体がダイヤフラム２４によって分離されていて
それぞれ異なった種類の液体を使うことができるもので
ある。また熱駆動ポンプからの熱はヒートパイプ中を緩
衝する作動流体に伝わらない為帰環冷却器の効果が高め
られ、ダイヤフラムポンプ２５とヒートパイプ冷却部分
との間により大きな蒸気圧差を作り出すことができる。

また熱駆動ポンプ４ではポンプ放熱器２６により熱駆動
ポンプで発生した熱が外部へ放熱され、受容部６での蒸
気泡の成長と収縮による容積変化のみが導管２７からポ
ンプ流量分割弁２８に入いリアキ二ムレーター２９とダ
イヤフラムポンプ２５への容積変化量の分割がレバー３
０を回転させるだけででき、これによってダイヤフラム
ポンプ２５の吐出量が変化しヒートパイプの熱移送能が
変化する。

ダイヤフラムポンプの人口と出口にはそれぞれダイヤフ
ラム吸込逆止弁３１、ダイヤフラム吐出逆止弁３２があ
り、ポンプ動作を可能にしている。

作動液体はヒートパイプで使われているものと同じもの
が使用できる。また熱駆動ポンプの熱源を、実施例では
全てヒートパイプ加熱部分に求めているが、他に利用で
きるものがあればそれでもよい。

またヒートパイプには内壁全面にウィックが設置されて
いるが加熱部分と冷却部分にのみ分割して設置するもの
でもよい。そして実施例では全てトップヒートモードで
ヒートパイプを使っているがもちろん水平、逆向でも問
題はなく、この場合熱移送量は増大する。

〔発明の効果〕

本発明によればヒートパイプの性能を飛躍的に向上する
ことができる。すなわち従来のヒートパイプが作動液体
の加熱部分への帰環をウィックの毛細管力のみに頼って
いた為高所の熱源を利用する場合や長距離の熱移送の場
合これがネックとなった。しかし本発明のように熱駆動
ポンプにより作動液体の帰環を行うことで高い所や長い
距離まで液体を圧送できるのでこれらのネックを解消で
きる。

また従来からあった電気や遠心力を利用して作動液体の
帰環を行なうものでなく加熱部分の熱を利用するので構
造が簡単で信頼性の高いものができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱伝達装置の概略断面図、第２図
および第３図は別の実施例による熱伝達装置の概略断面
図である。 １・・・・ヒートパイプ　４・・・・熱駆動ポンプ鋼１
図 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱による蒸気泡の成長・収縮により作動する熱駆
   動ポンプによってヒートパイプの冷却部分で凝縮した作
   動液体をヒートパイプの冷却部分より低い温度にしてか
   らヒートパイプの加熱部分へ帰環させるようにし、これ
   によってヒートパイプを連続的に動作させることを特徴
   とする熱伝達装置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項に記載の装置において
   、熱駆動ポンプの熱源をヒートパイプの加熱部分とし、
   ヒートパイプの冷却部分で凝縮した作動液体を該冷却部
   分より低温度にするため、冷却器を該冷却部分出口と熱
   駆動ポンプ入口の間の流路に設置したことを特徴とする
   熱伝達装置。
3. （３）特許請求の範囲第（２）項に記載の装置において
   、熱駆動ポンプの出口に流量を分割する流量分割弁を設
   置し、分割された作動液体を放熱器入口に導入するよう
   な導管を設置したことを特徴とした熱伝達装置。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項に記載の装置において
   、ヒートパイプを含む循環流路と熱駆動ポンプを含む循
   環流路を持ち２つの流路がダイヤフラム等の圧力伝達部
   品により連結していることを特徴とする熱伝達装置。