JPH0631702B2 - 二相流体ル−プ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、蒸発と凝縮との相変化を伴う熱力学サイク
ルによって熱輸送する二相流体ループに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

宇宙ステーション等の熱輸送方式としては、その大熱輸
送能力の要求から液ループが有望である。

しかし、単相流体ループでは、顕熱を利用して熱を輸送
するので、加熱部の温度をせまい温度幅に保持するため
には、大量の作動流体を循環させなければならず、ポン
プ、配管等の大型化が必要となり、重量等の点また、ポ
ンプ動力の点から実用性が小さい。

そこで、宇宙ステーションのように、少ない動力で大量
の熱を輸送し、加熱部の温度をせまい温度幅に保持しな
ければならない場合には、作動流体の相変化による潜熱
を利用して熱を輸送する二相流体ループが有利と考えら
れている。

すなわち、二相流体ループは潜熱を利用するため、作動
流体の循環量が小さくてすみ、従って、配管、ポンプを
小型・軽量化できる利点があり、循環駆動力も少なくて
すみ、充分実用性のある方式である。この二相液体ルー
プでは、循環流体が電子機器等の発熱部へ液相で送ら
れ、ここで吸熱して蒸気相に変化する。この蒸気相は放
熱部へ送られ、ここで放熱して再び液相に戻される。こ
ような二相の作動流体を駆動する方法としては、例えば
メカニカルポンプを用いる方法、あるいはキャピラリポ
ンプを用いる方法等がある。

そして、従来メルニカルポンプを用いた二相流体ループ
としては、例えば第５図に示すようなものがある。すな
わち、この二相流体ループは、放熱部としての凝縮部１
０１、吸熱部としての蒸発器１０３，作動流体を駆動す
るためのメルニカルポンプ１０５及び調整弁１０７等に
より構成されている。従って、吸熱部としての蒸発器１
０３で電子機器等から吸熱して蒸発した蒸気は、管路を
経て放熱部としての凝縮器１０１に輸送され、ここで熱
を放出して凝縮される。凝縮された液体は、メルニカル
ポンプ１０５により駆動され還流される。

このように構成された二相流体ループは、小さなポンプ
で大量の熱を遠くまで輸送する能力を持っており、ま
た、ポンプの回転数や調整弁操作による能動的な制御が
可能であり、大きな熱量変動にも対応できるという特徴
がある。しかし、気液二相が共存している流れでは、種
々の流動不安定、あるいは振動現象が起り易い。例えば
蒸発管では流量増加に対する圧力損失が負の領域で流量
が不安定となる逸走型不安定のほか、種々の流動不安定
現象が予想される。また凝縮部においても、例えば、蒸
気が過冷却水に流入する部分では、蒸気の液中凝縮に伴
う振動が発生することが予想される。このように基本的
に不安定な二相流体ループに対し安定した制御を行なう
ことは極めて困難である。さらに宇宙空間のように無重
力場での二相流の特性が不明であるため、二相流体ルー
プの制御は難かしい問題となっている。また、作動流体
のキャビテーション，モータの潤滑及び信頼性にも問題
がある。

そこで、ヒートパイプと同様に蒸発した液量を毛細管力
により自動的に補う方式の二相流体ループであるキャピ
ラリポンプシステムが開発されている。

このキャピラリポンプシステムとして、例えば第６図に
示すようなものがある。すなわち、このシステムは、吸
熱部としての蒸発部２０１にキャピラリ２０１ａを設
け、毛細管力により放熱部としての凝縮２０３の液体を
引き込むものである。

このように構成されたキャピラリポンプは、作動流体の
駆動に外部ポンプ動力が不要であることと、蒸発しただ
けの液体が供給されるという自己制御性を有するという
特徴がある。しかし、流体駆動力を毛細管力に頼ってい
るため液体の輸送能力が小さく、大熱量、あるいは遠距
離の熱輸送ができないという問題がある。

〔発明の目的〕

この発明は上記従来の問題点に鑑み創案されたもので、
大熱量を遠距離輸送することができ、しかも、宇宙空間
のような無重力場においても安定した制御特性を有する
二相流体ループの提供を目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、この発明は、ポンプで液相
の作動流体を循環させるメインループと、メインループ
の高圧側に設けられメインループから液体が供給される
毛細管構造を有する蒸発部と、メインループの低圧側に
設けられメインループに液体を還流する凝縮部と、前記
蒸発部で蒸発した蒸気を前記凝縮部へ輸送するバイパス
とにより二相流体ループを構成した。

〔発明の効果〕

この発明の構成によれば、メインループの作動流体の駆
動力はポンプにより与えられるので、大熱量を遠距離ま
で輸送することができるとともに、蒸発部で蒸発した液
体の供給は蒸発部の毛細管力によって自己制御的に行な
われるので、制御を容易に行なうことができる。

また、蒸気相と液相とが混合して流れる部分がないた
め、宇宙空間のような無重力場においても流動不安定等
の現象を起すことがなく、安定した制御を行なうことが
できる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基づいて説明す
る。

第１図は二相流体ループの概略構成図を示し、この二相
流体ループは、宇宙空間へ放熱する放熱部としての凝縮
部１と、電子機器等から吸熱して液相の作動流体を蒸発
させる吸熱部としてし蒸発部３と、作動流体を循環する
メインループ５と、液循環の駆動力を与えるポンプ７
と、バイパス９とを有している。

前記蒸発部３はキャピラリ３ａを有して毛細管構造をな
し、メインループ５の高圧側５ａに接続され、キャピラ
リ３ａが高圧側５ａの作動流体に接している。また、前
記凝縮部１は同じくキャピラリ１ａを有して毛細管構造
をなし、メインループ５の低圧側５ｂに接続され、キャ
ピラリ１ａが低圧側５ｂの作動流体に接している。そし
て、蒸発部３と凝縮部１とは前記バイパス９により接続
されている。

つぎに、上記一実施例の作用について述べる。

メインループ５内の液相の作動流体は、ポンプ７によっ
て駆動力が与えられメインループ５を循環する。

そして、蒸発部３においてキャピラリ３ａの毛細管力に
よって高圧側５ａ内の作動流体が導入される。導入され
た液相としての作動流体は蒸発部３において電子機器等
から吸熱して蒸発する。蒸発部３で蒸発した蒸気相は、
バイパス９を通つて低温の凝縮部１に至る。この凝縮部
１でバイパス９と低圧側５ａとの圧力差で蒸気相が凝縮
部１側のキャピラリ１ａ内に入り込み、放熱凝縮して再
び液相となり、低圧側１ａからメインループ５に還流す
る。

前記蒸発部３においては、キャピラリ３ａによる毛細管
力によって、蒸発した液体と同量の液体をメインループ
５の低圧側５ａから取り込む。

このときのメインループ５とバイパス９の圧力変位は、
第２図に示す状態となり、上記作動が裏付けられる。

このように、メインループ５の作動流体はポンプ７によ
って駆動力が与えられるため、大熱量を遠距離まで輸送
することができる。

また、蒸発部３で蒸発した液体の供給は、キャキャピラ
リ３ａの毛細管力によって自己制御的に行われるため、
安定した制御を容易に行なうことができる。

さらに、液相はメインループ５を循環され、蒸気相はバ
イパス９を流されて、蒸気相と液相とが混合して流れる
部分がないため、宇宙空間のような無重力場においても
流動不安定等の現象を起すことがなく、安定した制御を
行なうこうができる。

なお、この発明は、二相流体ループのシステムに係るも
のであり、凝縮部１及び蒸発部３の構造，ソインループ
５とバイパス９との連通構造等は任意に構成できるもの
である。例えば、第３図に示すような断面構造を有する
モノグルーブヒートパイプ１１を用いて、第４図に示す
ように構成することもできる。すなわち、前記モノグル
ーブヒートパイプ１１の液体流路１３をメインループ５
に接続して凝縮部１及び蒸発部３を構成し、毛細管構造
をなす軸方向グループ及び周方向グループを備えた蒸気
流路１５をバイパス９に連通した構成としてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る二相流体ループの該
略構成図、第２図は第１図の構成による流体ループ各部
の圧力分布模式図、第３図はモノグルーブーヒートパイ
プの断面図、第４図はモノグルーブヒートパイプを用い
た二相流体ループの概略構成図、第５図は従来例による
ポンプ二相流体ループの概略構成図、第６図は従来例に
よるキャピラリポンプシステムの概略構成図である。 （図面の主要部を表わす符号の説明） １……凝縮部、３……蒸発部 ５……メインループ、７……ポンプ ９……バイパス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポンプで液相の作動流体を循環させるメイ
   ンループと、メインループの高圧側に設けられメインル
   ープから液体が供給される毛細管構造を有する蒸発部
   と、メインループの低圧側に設けられメインループに液
   体を還流する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した蒸気を前
   記凝縮部へ輸送するバイパスとにより構成したことを特
   徴とする二相流体ループ。