JPH0631704B2

JPH0631704B2 - ヒ−トパイプ

Info

Publication number: JPH0631704B2
Application number: JP15564686A
Authority: JP
Inventors: 正紀知念; 直久綿引; 守昭塚本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1986-07-02
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS6314087A

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係り、特に従来のヒートパイプ
では熱輸送距離の限界のために困難であつた長距離熱輸
送、あるいは大きな伝熱能力の要求される高熱負荷での
使用に好適なヒートパイプに関する。

〔従来の技術〕

従来の長距離熱輸送あるいは細径のヒートパイプに必要
とされる凝縮液の供給のための大きな駆動圧を発生する
ヒートパイプとしては、浸透圧を利用する米国特許3561
52号，367737号が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上述した従来のヒートパイプ構造において
は、浸透膜出入口の圧力損失が大きいため、伝熱性能が
悪いという問題があつた。したがつて、従来のヒートパ
イプは、凝縮液の供給のために大きな駆動圧を必要とす
る航空機（特に戦闘機）の積載電子機器の冷却等の用途
に限定されていた。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたもので、長距
離熱輸送が可能で、しかも伝熱性能のようヒートパイプ
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のヒートパイプは、凝縮液通路と蒸気通路をそれ
ぞれ独立に構成し、凝縮液通路入口端を浸透膜で仕切る
とともに凝縮液通路出口端をウイツクで仕切り、かつ前
記浸透膜周囲に溶媒を配置しかつ浸透膜内に溶質と溶媒
の混合液を収容した構成とし、もつて上述した目的を達
成せんとするものである。

〔作用〕

上記本発明によれば、浸透膜周囲に溶媒を配置し、かつ
浸透膜内に溶質と溶媒の混合液を収容しているために、
圧力損失を大幅に低減でき、浸透圧により大きな凝縮液
の駆動圧力が発生する。

〔実施例〕

以下、図に示す実施例を用いて本発明の詳細を説明す
る。

第１図は、本発明に係るヒートパイプの一実施例を示す
概略構成図である。本実施例は、それぞれ独立した凝縮
液通路１と蒸気通路２を連結した構造のループ型ヒート
パイプである。なお、通路管壁は熱伝導率の高い銅また
はアルミを材質とする。

凝縮液通路１の入口には、浸透膜隔壁３が設けられ、こ
の浸透膜隔壁３の周囲には溶媒５が配置されており、か
つ浸透膜隔壁３内には溶質と溶媒の混合液４が封入され
ている。本実施例では、地上での使用を前提としてお
り、動力方向は同図に示すように、紙面下方向とする。
なお、溶質，溶媒の組み合わせとしては、水とＮａＣｌ
（食塩），水とＣ₁₂Ｈ₂₂Ｏ₁₁（蔗糖），水とアルカリ金
属のホウ酸塩（例えば、ＮａＢＯ_２）等が適当である。
浸透膜としては、アセチルセルロース膜，セルロース系
あるいはナイロン系の中空状膜が適当である。以上の浸
透膜は、いずれも９０℃以下で使用する必要がある。さ
らに高温で使用する場合は、沸石（ＷｍＺｎＯ_2n・sＨ₂
Ｏ；ＷはＮａ，Ｃｌ，Ｋ、ＺはＳｉ＋Ａｌ）の結晶水を
加熱して除去した半透膜を用い、溶媒として水以外の液
体（例えば、フレオン）を用いるとよい。

さらに、３０〜４０００原子数程度の金属の超微粉末
（粒子径１０〜５０Å）の焼結体を用いると、ほとんど
全ての組み合わせの溶質，溶媒の組み合わせで、高温で
使用が可能となる。

凝縮液通路１，蒸気通路２には、それぞれ蒸気加熱部８
と凝縮冷却部７が設けられ、熱輸送が行われるように構
成されている。

次に、本実施例にかかるヒートパイプの動作を説明す
る。浸透膜隔壁３を介して溶媒５と溶質と溶媒の混合液
４の濃度差による浸透圧が発生し、溶媒５が浸透膜隔壁
３を通って凝縮液通路１側に流入する。流入した溶媒５
の量に相当する量の混合液４は、蒸発加熱部８で蒸発さ
れることになる。ここで、ウイツク６は、蒸発加熱部で
の蒸発を促進するために、加熱壁面に混合液を均一に分
配するための機能をもつ。なお、蒸発の際に発生する混
合液４の飛沫は重力で落下し、混合液４側に戻るため、
溶媒５の蒸気のみが蒸気通路２を通過する。この蒸気は
混縮冷却部７で凝縮されたのち溶媒５に戻り、凝縮潜熱
を冷却部７へ放熱し、熱輸送をする。浸透圧による駆動
圧は、例えば５％の食塩水の場合は、約５kg／cm²とな
るため、従来のウイツク型ヒートパイプ（駆動圧は約0.
002kg／cm²）では不可能な５０ｍの落差のあるトツプヒ
ートモード（上部加熱，下部加熱）での動作が可能とな
る。

また、従来の浸透圧型ヒートパイプは、単管型となつて
おり浸透膜で凝縮液通路と蒸気通路が分離されており、
ヒートパイプの細径化が困難であつたが、本実施例で
は、凝縮液通路１，蒸気通路２のそれぞれが独立してい
るため、細径化が容易である。また、凝縮冷却が管壁よ
り直接行われるため、熱交換性能に優れている。さら
に、凝縮液通路１の出口に気液の分離膜が不用であるこ
と、および浸透膜を、第１図に示すように、ひだ状に形
成することにより、浸透膜面積を増大でき、その結果、
圧力損失を大幅に低減することができる。また、凝縮液
通路１の出口側の浸透膜隔壁を不要にできるため、さら
に圧力損失を低減できる。このため、浸透圧により大き
な凝縮液の駆動圧が発生し、熱交換性能に優れるばかり
か、圧力損失が小さいため、凝縮液の駆動圧が大きいこ
とが必要な長距離輸送が可能となる。さらに、熱交換性
能が大きいので、凝縮液の流量が増大して圧力損失が増
大しても、充分に凝縮液を供給することが必要な高熱負
荷での使用も可能となる。

第２図は、本発明の実施例で、外径が約１mmの中空状浸
透膜３′の複数個が円筒ケース９に挿入されている。こ
のような構造とすることにより、例えば直径が３cm、長
さが２０cmの浸透膜３′を円筒形に束ねた場合に、総表
面積が約１０００cm²となる。このため、各々の中空状
浸透膜３′内を流れる流速は非常に低速となり、圧力損
失は小さくなる。円筒形に束ねられた中空状浸透膜３′
の両端部は合成樹脂材で接着されている。また、溶媒凝
縮液の流入側１０は、中空状浸透膜３′の開口部が接着
されているが、溶質と溶媒の混合液出口側１１は、浸透
膜３′の開口部は接着されていない。

溶媒凝縮入口２′から流入した溶媒は、浸透膜３′の外
周部から流入し、中空状浸透膜３′内部を通り、凝縮液
通路１側へ送り出される。ここで、浸透していた溶媒
は、前記出口側１１直後の広い空間内の混合液４と充分
に混合された後に、凝縮液通路１へ送り出されるととも
に、中空状浸透膜３′内の流速は非常にゆつくりした流
れである。このため、混合液の拡散速度が充分に速くな
り、高熱負荷で流量が増加しても、安定して凝縮液を送
り出すことができる。浸透膜３′は、１０〜５０Åと非
常に小さな穴を有した構成となつており、目づまりしや
すいが、凝縮した清浄な溶媒が常に外部から流入し内部
を流れるため、洗浄作用があり、目づまりしにくい。し
かし、容器内部壁面に不純物が存在した場合は、浸透膜
３′の外表面が目づまりし、圧力損失が増大し、熱輸送
効率低下の原因となる。このように、目づまりした場合
でも、簡単に浸透膜が交換できるように、本実施例にお
いては、交換蓋１２を設けた構造としている。

第３図は、凝縮液の駆動圧源となる浸透圧と混合液濃度
の関係を示す図である。同図に示されるように、海水の
濃度の食塩水でも、その浸透圧は約3.5kg／cm²となり、
凝縮水を供給する駆動圧を大きくすることができる。従
来のウイツク型の表面張力を利用するヒートパイプの駆
動圧は、0.02〜0.05kg／cm²であるから、その差は大き
い。

このように、浸透圧型ヒートパイプは、凝縮液の駆動圧
が大きく、ヒートパイプを細径化して圧力損失が増大し
ても、充分な駆動圧を発生するため、ヒートパイプを細
径化する必要のある電子機器の冷却の用途に適合する。

第１表は従来のウイツク型で、電子機器の冷却の用途に
開発した細径ヒートパイプの仕様の実施例を示す（外径
3.1mm，長さ３０cm）。

同表で、No.１は比較のための標準径のヒートパイプ
（外径4.7mm）、No.２は電子機器冷却用の細径ヒートパ
イプの仕様で、両ヒートパイプともに、内部に銅製の１
００メツシユの金網ウイツクが封入されている。第４図
（ａ），（ｂ）は、前記No.１，No.２のヒートパイプの
熱輸送量の実測例で、同図からヒートパイプを細径化す
ると、従来のウイツク型ヒートパイプの熱輸送能力は、
極端に低下することがわかる。外径を3.1mmに細径化し
た場合の最大の熱輸送能力は約２Ｗであり、この径が実
用上の限界と思われる。外径が3.1mmの場合は、ウイツ
ク内の圧力損失の影響が支配的であるため、ヒートパイ
プの設置角度の最大熱輸送量への影響は、それほど顕著
に現われないが、標準径のヒートパイプでは設置角の影
響が大きく現われ、重力に逆つて凝縮液を供給するトツ
プヒートモードでのウイツク型の使用は非常に不利であ
ることがわかる。

第２表は、本発明の浸透圧型ヒートパイプと、従来のヒ
ートパイプの比較を示す表である。いずれのヒートパイ
プも凝縮液の通過する部分の断面積と長さが内径５mmで
長さ１ｍに相当するものとした。

同表に示されるように、本発明の浸透圧による駆動圧の
増大と圧力損失の低減効果により、従来のウイツク型あ
るいはループ型で凝縮通路出入口端にウイツクを設けた
低圧力損失型ヒートパイプに比べ、本発明のヒートパイ
プの熱輸送能力が著しく改善されているのがわかる。

同様に、内径５mmで２００Ｗの熱輸送距離を比較したの
が第３表である。

同表から、本発明による熱輸送距離の改善効果が著しい
ことがわかる。

このように、本発明は、ヒートパイプを細径化するのに
適している。

第５図（ａ），（ｂ）は、本発明の他の実施例で、高密
度集積回路の冷却に応用した例である。冷却板１３内
を、混合液通路１４が導通して冷却し、蒸気出口１５か
ら気液分離室１６に流入し、凝縮冷却部１７で凝縮さ
れ、中空状浸透膜３′の外部から凝縮液は浸透し、内部
を通つて混合液通路１４に供給されるようになつてい
る。冷却板１３はムカデ型高密度集積回路１８の上面に
熱伝導性の接着剤で固定され、冷却板１３に放熱するよ
うに構成されている。混合液通路１４内は、蒸気と液体
が混相した２相流の流れとなるため、圧力損失が大きく
なるが、駆動圧自体が大きいため、充分な熱輸送能力を
もつ。

第６図は、本発明のさらに他の実施例で、冷却板１３′
を一枚の大きな板状とし、その内部に混合液通路１４′
を設けた例である。冷却板１３′は、多数のフラツトパ
ツケージ型の高密度集積回路１８′を覆い、回路基板１
９とネジ止めによりとも締めされ、フラツトパツケージ
型の高密度集積回路１８′を固定し、接触面から冷却板
１３′へ放冷するよう構成されている。このような構造
とすることにより、回路の保守点検が容易になる。

第７図は、本発明の他の実施例で、宇宙用機器の冷却に
応用した例である。宇宙の無重力環境下では、凝縮液通
路１の出口端で混合液４が外力で容易に流出するため、
ウイツク６で塞ぐ構造とした。さらに、ウイツク６で混
合液４を沸騰させる際に飛散した液滴は、同様に容易に
蒸気通路２に移動するため、螺旋型のガイドベーン２０
を設け、蒸気流に回転運動を与え、遠心力で液滴を壁面
に集め、せき止め板２１の部分に溜めるようにしてい
る。溜められた混合液は、せき止め板２１の近傍とウイ
ツク６に設けられた開口部を結ぶ還流用のウイツク通路
２２により蒸発部であるウイツク６に戻されるようにな
つている。なお、第７図において、符号３は浸透膜隔
壁、５は溶媒を示す。

第８図は、本発明のさらに他の実施例を示すものであ
る。本実施例は、熱負荷が非常に小さく、蒸気の流速が
遅いため、遠心力の作用が小さい動作時に大きな外力が
かかり、混合液４が溶媒５側に移動した場合の対策を施
したものである。還流用のウイツク通路２２′は、溶媒
５側と蒸発側ウイツク６を連結した構造となつている。
すなわち、浸透膜隔壁３の上流側とウイツク６に開口部
を設け、これら開口部を前記ウイツク通路２２′で結ん
だ構造となつている。

本実施例構造において、混合液４と溶媒５の濃度差の大
きい、通常の使用時には凝縮液は主として凝縮液通路１
を通つて蒸発部に運ばれる。しかし、溶質が次第に溶媒
５側に移動し、溶媒５と混合液４の濃度差が減少し、浸
透圧が低下すると、還流用のウイツク通路２２′を通
り、濃度の高くなつた溶媒５が蒸発側ウイツク６に還流
されるとともに、凝縮液により希釈されるため、混合液
４は溶媒５の濃度差が元の状態に回復する。なお、同図
において、符号２は蒸気通路である。

宇宙用冷却機器は重量が軽く、熱輸送能力に優れている
ことが望ましい。その性能の目安として、単位重量当り
の輸送熱量と輸送距離の積を各熱交換機器について比較
したのが、第９図である。同図に示されるように、本発
明のヒートパイプは、従来のウイツク型のヒートパイプ
に比べ、単位重量当りの熱輸送量が大きいことがわか
る。また、熱交換機器を用いているので、ポンプ駆動に
よる熱輸送に比べ、浸透膜部の圧損が加わるために、長
距離の輸送能力が劣るか、重量の大きいポンプが不要で
あるため、放熱機器の需要の多い短距離での熱輸送能力
は、本発明が優れている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係るヒートパイプによれ
ば、凝縮液通路と蒸気通路をそれぞれ独立に構成し、凝
縮液通路入口端を浸透膜で仕切るとともに、凝縮液通路
出口端をウイツクで仕切り、かつ前記浸透膜周囲に溶媒
を配置し、かつ浸透膜内に溶質と溶媒の混合液を収容し
た構成としたので、従来に比べて圧力損失を低減するこ
とができるようになり、したがつて伝熱性能の向上を図
ることができるという効果を有する。また、凝縮部の熱
交換が管壁を通して直接行われるため、熱輸送効率の向
上をも図れるという効果も有する。加えて、ポンプ等で
供給している長距離熱輸送システムに、本ヒートパイプ
を使用すれば、ポンプ，バルブ等の可動部分が不要にな
るため、熱輸送システムの信頼性を向上できる。さら
に、凝縮液の駆動圧が高く、圧力損失が小さいため、細
径のヒートパイプが可能となり、重量を軽減できる。こ
のため、積載機器の重量が小さいことが要求される航空
機あるいは宇宙船等の用途にも適合する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明る係るヒートパイプの一実施例を示す概
略構成図、第２図は本発明の他の実施例を示す一部破断
斜視図、第３図は混合液濃度と浸透圧の関係を示す図、
第４図（ａ），（ｂ）はウイツク型ヒートパイプの性能
を示す図、第５図（ａ），（ｂ）および第６図はそれぞ
れ本発明ヒートパイプの他の実施例を示す概略構成図、
第７図および第８図はそれぞれ本発明ヒートパイプのさ
らに他の実施例を示す概略構成図、第９図は熱輸送距離
と単位重力当りの熱輸送量との関係を示す図である。１……凝縮液通路、２……蒸気通路、３……浸透膜隔
壁、３′……中空状浸透膜、４……混合液、５……溶
媒、６……ウイツク、２０……ガイドベーン、２１……
せき止め板、２２，２２′……ウイツク通路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凝縮液通路と蒸気通路をそれぞれ独立に構
成し、凝縮液通路入口端を浸透膜で仕切るとともに凝縮
液通路出口端をウイツクで仕切り、かつ前記浸透膜周囲
に溶媒を配置しかつ浸透膜内に溶質と溶媒の混合液を収
容したことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】前記浸透膜はひだ状に形成されていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のヒートパイ
プ。
【請求項３】蒸気通路壁面に、蒸気流に旋回運動を与え
るための螺旋形のベーンを設けるとともにこのベーンの
下流側に、中央部に開口部を有するせき止め板を設け、
このせき止め板部に溜つた液体を還流するように、せき
止め板近傍とウイツク隔壁部に開口部を設け、これら開
口部を、内部にウイツクを備えた流路で結んだ還流路を
設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
２項記載のヒートパイプ。
【請求項４】溶媒凝縮液の溜まる浸透膜上流側とウイツ
ク隔壁に開口部を設け、これら開口部を内部にウイツク
を備えた流路で結んだ還流路を設けたことを特徴とする
特許請求の範囲第１項または第２項記載のヒートパイ
プ。