JPH04148190A - ループ型細管ヒートパイプ - 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】 イ１発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明はヒートパイプの構造に関するものであり、特に
ループ型細管ヒートパイプの性能改善の為の新規な構造
に関する。

［従来の技術］ 従来のループ型細管ヒートパイプは第４図に例示の如く
細管の両端末が相互に連結されてなる密閉ループ型細管
コンテナｌの中の所定の部分に、逆止弁２が配設され、
ループ上の所定の部分が受熱部１−１として、他の所定
の部分が放熱部ｌ−２として構成されてあり、該ループ
型細管コンテナ１の中に２相凝縮性作動液の所定量が封
入されて構成されてあった。この様なループ型細管ヒー
トパイプは受熱部１−１にて作動液の核沸騰により発生
しループ内作動液中を伝播される圧力波により逆止弁の
弁体が振動し、又逆止弁で仕切られた複数の圧力室間の
呼吸作用が発生し、作動液はループ型細管コンテナｌの
中を自ずから連続的に矢印の方向に循環して受熱部１−
１から放熱部ｌ−２に熱量を輸送する。作動液の循環は
、第３図及び第４図の放熱部拡大図に示す如く細管コン
テナｌの管内を充填閉塞する作動液６−２が蒸気泡群６
−１の圧力により推進されるものであって、受熱部１−
１から放熱部１−２の間に至る間の作動液は気相リッチ
の状態で蒸気泡と液滴が交互に存在して循環し、放熱部
１−２で冷却された作動液の蒸気泡はその多くが凝縮し
て失なわれ、放熱部１−２から受熱部１−１に還流する
作動液は液相リッチの状態となって推進される。

上述の如き２相殺縮性作動液封入のループ型細管ヒート
パイプの作動については特開昭６３−３１８４９３号及
び米国特許４，９２１，０４１号に詳述されてある。

［発明が解決しようとする問題点］ 第２図及び第３図の放熱部の部分拡大図に示されてある
如く、−作動液の蒸気泡として発生した気相作動液６−
１ば液相作動液（液滴）６−２を推進せしめ乍ら放熱部
１−２に到達すると放熱により液化凝縮されて収縮又は
消滅する。この場合の作動液の容積縮小は受熱部で発生
する多量の蒸気により忽ち補充されて作動液は内圧が維
持されて推進力が失なわれることはない。特に第４図例
示の如（ループ型細管コンテナｌが多数回のターンを繰
返し、多数の受熱部１−１と多数の放熱部１−２が交互
に存在する場合には、作動液の容積縮小は前後多数の受
熱部で発生する多量の蒸気とその圧力により瞬時に補充
されて作動液が内圧を失なったり、推進力を失なうこと
はない。

然し第５図に例示の如き単一ループのループ型細管ヒー
トパイプの場合や特願平２−１４８８０９号に詳述され
てある第６図の如き受放熱部分離式ループ型細管ヒート
パイプの如きの場合は作動液蒸気の補充が不充分となり
、作動液の内圧及び推進力が失なわれループ型細管ヒー
トパイプとしての作動が不確実なものとなる場合がある
。この様な状態は次の様な場合に発生する。

（ａ）受熱部における蒸気発生面積が小さく、放熱部に
対する蒸気圧補充が不足した場合。

（ｂ）受熱部と放熱部の離間距離があまりに長（、管内
圧力損失により受熱部からの蒸気移動速度が遅（なり凝
縮部に対する補充に時間を要する場合、この場合は逆止
弁附近の作動液が内圧を失ない逆止弁が機能を失なうこ
とにより還流作動液が逆流して作動液の一部の循環方向
が逆転する場合も発生する。

（ｃ）受熱部長さに対して放熱部長さがあまりに長く、
従って放熱部の圧力損失が大きい為、受熱部で発生する
作動液推進力及び吸引力（核沸騰膨張と収縮の振動状態
を発生し、逆止弁の順方向の推進力と還流作動液を吸収
する吸引力を交互に発生する。）が圧力損失を補なう能
力が不足する場合。

（ｄ）受熱部における受熱量に対し放熱部の放熱能力が
あまりに大きく、適冷状態となり、受熱部から供給され
る蒸気圧が放熱部入口で失なわれ、放熱部の殆どが液相
作動液のみとなってしまう場合。

口９発明の構成 ［問題点を解決する為の手段］ 問題点解決の手段としてはループ型線コンテナ中に封入
される気液２相の作動流体として、２相殺縮性作動液と
該作動液の作動温度領域内において該作動液に対して不
活性である非凝縮性気体の圧縮気体との混合流体を封入
する。この様な混合流体の封入方法としては先ず非凝縮
性気体を所定の圧力で圧縮封入し、然る後に２相殺縮性
作動液を圧入封止することにより容易に封入することが
出来る。ループ型細管コンテナの作動と共に非凝縮性気
体と２相凝縮性ガスは自ずから均一に混合される。ルー
プ型線コンテナに対する非凝縮性ガスの封入量はコンテ
ナ温度を所定の温度に維持し乍ら所定の圧力で注入する
ことにより自ずから定まる。又続いて封入される２相殺
縮性作動液の封入量も封入圧力によって自ずから定ま６
゜更に該２相殺縮性流体の内圧は流体の温度による飽和
蒸気圧によって定まるから２相殺縮性作動液の封入量は
封入時の液温調節によって容易に定量することが出来る
。

［作用］ ループ型細管ヒートパイプの作動中ループ型細管コンテ
ナ内を循環する作動流体は気相流体の気泡と液相流体の
液滴が交互に配置された状態で、コンテナ細管内を充填
閉塞した状態で循環する。

気泡は圧縮された非凝縮性気体と２相殺縮性流体の沸騰
蒸気の混合気体である。循環作動流体が放熱部に到達す
ると放熱により冷却された気泡中の凝縮性流体の蒸気成
分は凝縮により縮小又は消滅する。圧縮非凝縮性気体は
膨張して、凝縮による作動流体の容積減少分を補充して
、作動流体が内圧を喪失して推進力を失なうことを防止
する。この容積補充は圧縮気体の膨張であるから弾性的
であり、受熱部で発生する蒸気圧に弾力的に対応して膨
張収縮するから、受熱部における核沸騰を妨げることは
無い。従って沸騰による圧力波の伝播にも悪影響を与え
ることなく、冷却による作動液の内圧低下を防止して、
ループ型細管ヒートパイプの活発な作動を保障する。

第１図は本発明に係るループ型細管ヒートバイブの放熱
部の作動状況を示す断面略図である。１２は放熱部細管
コンテナ、６−１は気相作動液（蒸気泡）を示す。蒸気
泡６−１は本来は作動液の蒸気と圧縮非凝縮性気体との
混合気体の気泡ではあるが、説明を容易にする為蒸気泡
６−１の内側には非凝縮性気体の気泡７を便宜的に示し
である。６−２は液相作動液の液滴で細管内を充填閉塞
して循環する。矢印は２相作動流体の流れ方向を示す。

放熱部細管コンテナは所定の手段で冷却されているが図
面では省略されてある。

第２図及び第３図では冷却により蒸気泡は凝縮液化され
て次第に減少し又は消滅し作動液全体としては気相リッ
チ状態から液の流れと共に液相リッチに変化している。

特に第３図においては途中からは完全に液化している。

この様にして蒸気の容積が減少又は消滅した場合は作動
液は内圧の殆どを失ない推進力の大部分が失なわれる。

然し本発明に係る第１図例示の如く、圧縮された非凝縮
性が混合された作動液においては、放熱後も気相リッチ
のまま気泡は減少も消滅もすることなく循環する。図に
示しである如く、気泡内における２相殺縮性流体の蒸気
泡６−１は放熱部を通過する距離が長くなると共に凝縮
して縮小し最終的には消滅するが、その代りに非凝縮性
気体の気泡７は膨張して、蒸気泡６−１の容積縮小部を
補充し、気泡全体の容積としては大幅には変化すること
なく受熱部に向って還流する。従って放熱部を通過した
２相作動流体はその一部の凝縮により内圧が減少するこ
とはあっても全く失なわれることは無い。従って受熱部
から矢印の方向に加えられる推進力が失なわれることが
無く又受熱部から矢印の反対方向に向って加えられる吸
引力も失なわれることが無い。又核沸騰により発生する
圧力波の伝播も消失することなく逆止弁に伝達されルー
プ型細管ヒートパイプとしての機能が低下することはな
い。

この様に２相作動流体中に圧縮非凝縮性気体が混入され
て作動液としであるループ型細管ヒートパイプは第５図
の如き単ループのものであっても、又第６図の如く受熱
部及び放熱部が多数ターンの細管コンテナで構成されて
ある受放熱部分離式ループ型細管ヒートパイプであって
も活発に作動することが可能となる。

又第７図の如き通常のループ型細管ヒートパイプにはそ
の水平ヒートモード特性を改善し、トップヒートモード
に対してはその性能を大幅に改善せしめる。

本発明に係る２相作動流体が封入されたループ型細管ヒ
ートパイプにおいては非凝縮性気体により、２相殺縮性
作動液の潜熱による熱輸送が若干犠牲になる。然しこの
点は多くの場合作動状態の活性化によって補なわれ性能
は低下しない。然し更に高性能を与える必要ある場合は
非凝縮性気体として熱伝導率の高いＨｅを使用すること
により更に良好な結果を得ることが出来る。

［実施例］ 第１実施例 外径４１内径３．２１ループの全長８００１Ｉ１１の細
管を用いて第５図例示の如き単ループのループ型細管ヒ
ートパイプを製作し、所定の加熱手段と冷却手段を用い
て水平ヒートモードで熱抵抗値３５℃／Ｗの放熱器を構
成した。使用作動液はＨＣＦＣ１４２ｂであった。該ヒ
ートバイブはトップヒートモードでは全く作動しないも
のであった。該ヒートバイブの作動液を１旦排出した後
Ａｒガスを２　ｋｇｆ　／　ｃ＋ｎ２の圧力で充満充填
した。然る後ＨＣＦＣ１４２ｂを４２℃、注入圧力５．
５Ｊｆ／ｃｍ”で追加圧入した所ＨＣＦＣ１４２ｂはル
ープ型細管コンテナの全内容積の６４％相当量を封入す
ることが出来た。この様にして本発明を実施した該放熱
器の熱抵抗特性を測定した所水平ヒートモードにおける
熱抵抗値は１．１’Ｃ／Ｗに改善され、通常作動液では
全く作動しなかったトップヒートモードにおいても活発
に作動しその熱抵抗値は１．２５℃／Ｗと良好な作動性
能が得られるに至った。

第２実施例 外径３ｍ１１１内径２．４＋ｎｍの細管によって構成さ
れ受熱部１−１及び放熱部１−２は何れも長さ１５０酊
ｍ毎にターンを繰返す１８ターンの蛇行細管コンテナか
らなり、連結部１−３は往復２本、長さ１２０ｍｍの連
結細管からなる第６図例示の如き受放熱部分離式ループ
型ヒートバイブを製作し、受熱部１−１を高熱液体中に
浸漬し放熱部を他の流体中に浸漬して使用する熱輸送装
置を構成した。

作動液として始めにＨＣＦＣ１４２ｂのみを使用した場
合、加熱手段１−１の高温流体の温度が８５℃の時に放
熱部細管の表面温度は垂直ボトムヒートモードで６７．
５℃であった。熱輸送状態のまま受熱部１−１と放熱部
１−２の水位を同時に保ち第６図例示の姿勢の如き水平
ヒートモードに変更した所放熱部細管の表面温度は５２
．６℃迄低下するに至った。更に始めから水平ヒートモ
ードで起動した場合は該ループ型細管ヒートパイプの作
動は困難で、作動する場合もあれば作動不能の場合もあ
り不安定であった。

次に該ループ型細管ヒートバイブの作動液を一旦排出し
た後Ａｒガスを４　ｋｇｆ　／　ｃｍ２の圧力で細管コ
ンテナが充満する迄圧縮封入した。

次にＨＣＦＣ１４２ｂを６５℃に加熱し、圧力１０、２
ｋｇｆ　７ｃｍ２で追加圧入することにより細管コンテ
ナの全容量の５５％相当量のＨＣＦＣ１４２ｂを封入し
た。この様にして実施した本発明に係るループ型細管ヒ
ートパイプは受熱部流体温度８５℃の時の放熱部細管コ
ンテナの表面温度を８３．９℃迄上昇せしめることが可
能となった。

又水平ヒートモードのままで起動することが可能となり
放熱部細管コンテナの表面温度を８３．０℃迄上昇せし
めることが出来た。

第３実施例 外径３ｍｍ＋内径２．４ＪｌｌＩＩの細管を用いて第７
図例示の如き通常のループ型細管ヒートパイプを製作し
、受熱部１−１は両面に１２５＋ｎｍＸ　１２５ｍｍ厚
さ３膳ｍの銅板をはんだ付けして受熱平板５とした、ル
ープは４６０ｍｍ毎にターンを繰返す３８ターンの蛇行
ループで放熱部１−２の長さは３００ｍｍとした。この
ループ型細管ヒートパイプにＨＣＦＣ１４２ｂを作動液
とした場合と本発明に係る２相作動流体である圧縮Ａｒ
ガスとＨＣＦＣ１４２ｂの混合流体を作動液とした場合
の熱抵抗値を比較して次表に示す。放熱部１−２を冷却
する風速は３　ｍ／ｓとし、受熱平板５に加える熱入力
は５゜ＯＷ及びＩＫＷとした。又測定モードは受熱部ｌ
−１を底部、頂部、横倒に保持して夫々をボトムヒート
モード、トップヒートモード、水平ヒートモードとして
測定した。ＨＣＦＣ１４２ｂ及びＡｒガスの注入法及び
注入量（％）は第１実施例と全く同じである。熱抵抗値
［℃／　Ｗ　］は放熱部細管コンテナ表面から受熱平面
に至る迄の全熱抵抗である。

通常ヒートバイブにおいても各測定モードにおいて性能
が改善され、特にトップヒートモードの性能が大幅に改
善されることが分かる。

ハ１発明の効果 本発明に係る圧縮非凝縮性気体混入の２相作動液が封入
されたループ型細管ヒートパイプは従来のループ型細管
ヒートパイプに比較して総ての適用姿勢において秀れた
性能を発揮し、特にトップヒートモードにおける性能を
大幅に改善し、又従来作動困難であった単ループのルー
プ型細管ヒートパイプや受放熱分離式ループ型細管ヒー
トバイブについてもその作動を活発ならしめ、性能を向
上せしめる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るループ型細管ヒートパイプの放熱
部内の作動状況を示す放熱部細管コンテナの断面略図で
ある。 第２図及び第３図は従来構造のループ型細管ヒトパイプ
の放熱部内の作動状況を示す放熱部細管コンテナの断面
略図である。 第４図はループ型細管ヒートパイプの一般構造を示す側
面略図である。 第５図は単ループのループ型細管ヒートパイプの構造を
示す側面略図である。 第６図は受放熱部分離式ループ型細管ヒートバイブの構
造を示す側面略図である。 第７図は一般構造のループ型細管ヒートパイプの他の例
の構造を示す側面略図である。 ｌ・・・ループ型細管コンテナ、１−１・・・受熱部、
ｌ−２・・・放熱部、１−３・・・連結部、２−１２−
２２−３・・・逆止弁、３・・・加熱手段、４・・・冷
却手段。 ５・・・受熱平板、６−１・・・気相作動液、６−２・
・・液相作動液、７・・・非凝縮性気体。 特許出願人アクトロニクス株式会社 （ばか１名） 第 図 第 図 第 図 狽ｈｔ−Ｐ 条粕ｒ 第４図 放ｓｉＰ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）細管の両端末が相互に連結されてなる密閉ループ
   型細管コンテナ内の所定の部分に逆止弁が配設され、ル
   ープ上の所定の部分が受熱部として、他の所定の部分が
   放熱部として構成されてあり、該ループ型細管コンテナ
   内に所定量の気液２相の作動流体が封入されて構成され
   てあるループ型細管ヒートパイプにおいて、封入作動流
   体は、２相凝縮性作動液と、ヒートパイプの適用温度領
   域内においては、該２相凝縮性作動液と化学的に全く反
   応することのない非凝縮性気体の圧縮気体とが混合封入
   された気液２相流体であることを特徴とするもの。