JPH05106976A - 熱サイフオン型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱輸送能力および立上り特性の良好な熱サイ
フォン型ヒートパイプをを提供する。 【構成】 上下方向に沿って配置したコンテナ１の下側
の蒸発部３の内面に、外周に微細孔構造材を設けた線条
体５を螺旋状に配置し、その線条体５によって作動液２
をコンテナ１の内面全体に分散させるとともに、作動液
２の一部を線条体５で保持して始動時に広い面積に亘っ
て作動液２の蒸発を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、水やフロンなどの凝
縮性の流体を、脱気したパイプなどのコンテナに封入し
たヒートパイプであって、下方から上方に熱輸送すると
ともに、放熱して凝縮した作動流体を重力によって還流
させる形式の熱サイフォン型のヒートパイプに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】周知のようにヒートパイプは、脱気した
密閉容器の内部に目的とする温度範囲で蒸発および凝縮
する流体（水やアルコール、フロンなど）を作動流体と
して封入し、入熱のある部分で作動流体が蒸発するとと
もにその蒸気が放熱部分に流れたのち、熱を奪われて凝
縮することにより主に作動流体の蒸発潜熱として熱を輸
送するものである。したがってヒートパイプの見掛け上
の熱伝導率は銅などの金属の熱伝導率の数十倍に及ぶこ
ともある。

【０００３】ヒートパイプは上記のように作動流体が主
にその蒸発潜熱として熱輸送するから、熱輸送を継続し
て行わせるためには、凝縮した液相の作動流体を入熱の
ある部分すなわち蒸発部に還流させる必要があり、最も
一般的なヒートパイプではその還流のためのポンプ作用
をウィックによる毛細管作用によって行わせている。こ
の種のウィックとしては、細溝や金網、多孔質焼結体な
どが知られており、これらのウィックを備えたヒートパ
イプであっても用途に応じて優れた熱輸送特性を示す
が、ウィックでの毛細管限界や沸騰限界によって最大熱
輸送量が抑えられ、また熱抵抗が大きい問題がある。

【０００４】また従来、液相作動流体の蒸発部への還流
を重力によって行うタイプのヒートパイプもあり、これ
は熱サイフォン型ヒートパイプとして知られている。こ
れは作動流体を封入したコンテナの下部を蒸発部とし、
上部を凝縮部として熱輸送を行うものであって、凝縮部
で液化した作動流体が重力で蒸発部に流下することによ
りウィックが不要であり、また蒸発部では作動流体を積
極的に沸騰させることができる。したがってこのような
熱サイフォン型ヒートパイプでは、ウィックによるポン
プ作用を利用した従来一般のヒートパイプに比較して１
０倍ないし１００倍の熱流束を達成することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した熱サイフォン
型ヒートパイプでは、凝縮部で液化した作動流体がコン
テナの壁面を伝って流下するが、その場合、作動液は幾
筋かの流れとなりやすく、コンテナの壁面全体に膜状に
広がることは殆んどない。そのため蒸発部のうち作動液
が溜っている部分より上側の部分での作動流体が蒸発す
る面積が狭くなり、この点で熱輸送能力が制限を受けて
いる。

【０００６】また蒸発部への入熱を止めている状態で
は、作動液は蒸発部の底部に溜ったままとなるので、熱
輸送を開始するべく蒸発部の全体を加熱した場合、作動
流体への伝熱は作動液の溜っている部分（すなわち液柱
部分）に限られ、それより上側には作動液が存在しない
ため、ここでは作動流体の蒸発は生じない。すなわち始
動時の作動液の伝熱面積および作動流体の蒸発が少ない
ので、いわゆる立上り特性が悪い問題があった。

【０００７】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、熱輸送能力および立上り特性のいずれもが優れた
熱サイフォン型ヒートパイプを提供することを目的とす
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、蒸発して熱を輸送する作動流体を封
入したコンテナを、上下方向に向けて配置するととも
に、そのコンテナの下部を外部から加熱されて作動流体
の蒸発する蒸発部とし、かつ上部を放熱して作動流体の
凝縮する凝縮部とし、かつ前記コンテナのうち前記蒸発
部の内面に沿って、少なくとも外表面側を微細孔構造材
で形成した線条体が、螺旋状もしくは環状に配置された
熱サイフォン型ヒートパイプにおいて、前記微細孔構造
材が、細線を撚り合せ加工もしくは編組加工して形成さ
れていることを特徴とするものである。

【０００９】またこの発明では、上記の微細孔構造材
を、細線を撚り合せ加工もしくは編組加工して形成した
ものに替えて、発泡成形により形成した多孔質体とする
ことができる。

【００１０】

【作用】この発明の熱サイフォン型ヒートパイプにおい
ても作動流体の蒸発はコンテナの下部で生じ、その蒸気
はコンテナの上部において放熱して凝縮し、作動流体の
蒸発潜熱として熱を輸送する。また凝縮した作動流体は
重力によって蒸発部に流下する。その場合、この発明の
ヒートパイプでは、コンテナの内面に螺旋状もしくは環
状の線条体が沿わせてあるから、作動液はこの線条体に
よってコンテナの内面の周方向に案内されつつ流下し、
したがって作動液はコンテナの内面すなわち蒸発部の内
面の全体に広がる。またその場合、作動液の一部は線条
体を乗越えて流下することもあり、このようにして流れ
る作動液は線条体が螺旋状に配置されていることによ
り、液膜状に広がり易く、その結果、作動液が蒸発部の
内面に接触する面積が広くなるため、作動流体の蒸発量
ひいてはヒートパイプとしての熱輸送量が増大する。ま
た線条体は、細線を撚り合せ加工もしくは編組加工して
形成し、あるいは発泡成形により形成した多孔質体の微
細孔構造材を少なくとも外表面に備えているから、作動
液をその内部に浸透させて保持する作用を行い、この作
用により作動液が蒸発部の内面に広げられるとともに、
蒸発部のうち液柱部分よりも上側に作動液を保持するこ
とになるので、蒸発部の内面に対する作動液の接触面積
が広くなることにより、停止状態から蒸発部に入熱させ
て起動した場合に蒸発する作動流体の量が多くなり、そ
の結果、立上り特性が良好になる。

【００１１】

【実施例】つぎにこの発明の実施例について図面を参照
して説明すると、図１はこの発明の一実施例を示す模式
図であって、密閉容器（コンテナ）１は軸線が上下方向
に沿うよう配置されるものであり、その内部には脱気し
た状態で水やフロンなどの目的温度範囲で蒸発および凝
縮する作動流体が封入されている。そしてコンテナ１の
うち図１に符号３で示す下側の部分が外部から加熱され
る蒸発部となり、また符号４で示す上側の部分が外部に
放熱する凝縮部となっている。

【００１２】この蒸発部３の内部には、内壁面に螺旋状
に沿わせた線条体５が配置されている。この線条体５
は、液相の作動流体（作動液）２の流れをガイドし、ま
た作動液２の一部を保持するものであって、図２に示す
ように構成されている。すなわち図２は線条体５の一例
を示す部分斜視図であって、ここに示す線条体５は金属
線等の必要な強度や弾性を備えた芯線６の外周に、金属
細線を編んだ編組あるいは撚り合せた材料からなる微細
孔構造材７を設けた構造であり、金属細線同士の間の隙
間が微細孔となり、その部分に作動液２を浸透させて保
持するとともに開口径に応じた毛細管圧力を生じるよう
になっている。したがってこの微細孔構造材７を構成す
る細線としては、作動液２のぬれ性に優れたものが採用
されている。

【００１３】図１に示す熱サイフォン型ヒートパイプで
は、蒸発部３における入熱により作動流体２が蒸発し、
その蒸気は圧力の低い凝縮部４側に流れ、その凝縮部４
の内壁面に接触して熱を奪われて凝縮する。すなわち作
動流体２は主にその蒸発潜熱として蒸発部３から凝縮部
４側に熱を輸送する。凝縮した作動液２は、コンテナ１
の内面を伝って重力により蒸発部３側に流下するが、前
記線条体５の部分に到達すると、その大半は線条体５に
沿って流下する。すなわち蒸発部３においては作動液２
は線条体５に沿って螺旋状に流れるために、蒸発部３の
上下方向および円周方向の両方向に分散されることにな
る。また同時に、線条体５の外周側の部分は前記微細孔
構造材７によって形成されているから、作動液２の一部
はその微細孔構造材７に浸透し、かつ保持されるので、
この微細孔構造材７によっても作動液２は蒸発部３の全
体に分散させられる。なお、凝縮部４から流下する作動
液２の一部は、図３に模式的に示すように、線条体５を
乗り越えて流下するが、その場合にも線条体５によって
流れ落ちる方向が円周方向に変えられるので、このよう
な作用によっても作動液２は蒸発部３の全体に分散させ
られる。

【００１４】以上のようにして蒸発部３の全体に分散さ
せられた作動液２は、それぞれの箇所で再度加熱されて
蒸発し、熱輸送を行う。したがって作動液２の蒸発が生
じる面積、すなわち蒸発部３の有効面積が広くなるの
で、作動流体２の蒸発量が多くなって熱輸送能力に優れ
たものとなる。

【００１５】また蒸発部３への入熱を止めた場合、作動
流体蒸気は凝縮部４で放熱して逐時凝縮し、その結果生
じた作動液２がコンテナ１の壁面を伝って流下する。し
たがって封入されている作動流体２の大半は蒸発部３の
底部に溜ることになるが、前述したようにコンテナ１の
壁面を伝って流下する作動液２はその途中で線条体５に
おける微細孔構造材７に浸透するので、入熱を止めた状
態においては、作動流体２の一部は線条体５により、液
溜り部分より上側の部分に保持される。そのため熱輸送
を再開するべく蒸発部３への入熱を開始すると、蒸発部
３の底部に溜っている作動液２と線条体５によって保持
されている作動液２との両方が蒸発し始めるので、その
作動流体蒸気の量すなわち熱輸送量は定常運転時の熱輸
送量に近似するものとなり、したがって始動時の熱輸送
量が多くなっていわゆる立上り特性の優れたものとな
る。

【００１６】なお、上記の実施例では、金属等の細線の
編組あるいは撚り合せたものを微細孔構造材７として用
いた例を示したが、この発明における微細孔構造材７は
要は作動液を浸透させて保持し得るものであればよいの
であって、例えば図４に示すように発泡成形して形成し
た多孔質体１０を用いてもよく、あるいは図５に示すよ
うにその多孔質体１０の外周に編組などの細線を素材と
し多孔構造材１１を設けたものであってもよい。またさ
らに上記の実施例では線条体５として芯線６を有するも
のを例に示したが、微細孔構造材７自体が形状を保持し
得るものであれば、特に芯線を用いなくてもよい。さら
にこの発明における線条体５は全体が一本に連続してい
る必要はなく、多数本の線条体を一定間隔ごとに設けて
もよい。そしてまたこの発明における「線条体」には矩
形の扁平断面を有する所謂帯状のものをも含む。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、蒸発部の内面に、微細孔構造材を外周に有す
る線条体を螺旋状に配置したから、作動液を蒸発部の内
面に広く分散させることができ、また熱輸送を停止して
いる状態でも液溜り部分より上側に作動液を保持できる
ので、始動時に蒸発する作動流体の量を多くすることが
でき、したがってこの発明によれば、熱輸送能力および
立上り特性に優れた熱サイフォン型ヒートパイプを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す模式図である。

【図２】その線条体の一例を示す部分斜視図である。

【図３】作動液が線条体を越えて流下する状況を示す模
式図である。

【図４】線条体の他の例を示す部分斜視図である。

【図５】線条体の更に他の例を示す部分斜視図である。

【符号の説明】

１ …コンテナ、 ２…作動流体、 ３…蒸発部、 ４
…凝縮部、 ５…線条体、 ７…微細孔構造材、 １０
…多孔質体、 １１…多孔構造材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白石 正夫 茨城県つくば市並木一丁目２番地 通産省 工業技術院機械技術研究所内 (72)発明者 吉田 昭太郎 東京都江東区木場一丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 望月 正孝 東京都江東区木場一丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場一丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸発して熱を輸送する作動流体を封入し
   たコンテナを、上下方向に向けて配置するとともに、そ
   のコンテナの下部を外部から加熱されて作動流体の蒸発
   する蒸発部とし、かつ上部を放熱して作動流体の凝縮す
   る凝縮部とし、かつ前記コンテナのうち前記蒸発部の内
   面に沿って、少なくとも外表面側を微細孔構造材で形成
   した線条体が、螺旋状もしくは環状に配置された熱サイ
   フォン型ヒートパイプにおいて、 前記微細孔構造材が、細線を撚り合せ加工もしくは編組
   加工して形成されていることを特徴とする熱サイフォン
   型ヒートパイプ。
2. 【請求項２】 蒸発して熱を輸送する作動流体を封入し
   たコンテナを、上下方向に向けて配置するとともに、そ
   のコンテナの下部を外部から加熱されて作動流体の蒸発
   する蒸発部とし、かつ上部を放熱して作動流体の凝縮す
   る凝縮部とし、かつ前記コンテナのうち前記蒸発部の内
   面に沿って、少なくとも外表面側を微細孔構造材で形成
   した線条体が、螺旋状もしくは環状に配置された熱サイ
   フォン型ヒートパイプにおいて、 前記微細孔構造材が、発泡成形により形成されているこ
   とを特徴とする熱サイフォン型ヒートパイプ。