JPH09303984A - 熱素子 - Google Patents
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- JPH09303984A JPH09303984A JP8114515A JP11451596A JPH09303984A JP H09303984 A JPH09303984 A JP H09303984A JP 8114515 A JP8114515 A JP 8114515A JP 11451596 A JP11451596 A JP 11451596A JP H09303984 A JPH09303984 A JP H09303984A
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- heating
- cooling
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/06—Control arrangements therefor
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温部から低温部への熱の流れを任意に断続
することができ、これにより、任意の時に、任意の熱量
を、任意の場所へ移動できる熱素子を提供する。 【解決手段】 加熱部１１と冷却部１２とを有するヒー
トパイプ用中空管１３と、中空管の冷却部側に連通して
設けられたガス室１４と、加熱冷却器１６（例えば電気
ヒータ）及び電気スイッチ１８からなる。中空管１３の
内壁に毛細管構造１３ａ（ウイック）が形成され内部に
加熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱媒体４が封入されて
いる。また、ガス室１４の内部に使用温度範囲で凝縮し
ない不凝縮ガス８が封入されている。電気スイッチ１８
により、加熱冷却器への通電をオン／オフし、ガス室の
不凝縮ガスを加熱／冷却させる。熱媒体と不凝縮ガス
は、その界面９が、不凝縮ガスの放熱時（冷却時）にガ
ス室と冷却部の中間位置Ａにあり、不凝縮ガスの加熱時
に冷却部より加熱部側Ｂに位置するように設定されてい
る。
することができ、これにより、任意の時に、任意の熱量
を、任意の場所へ移動できる熱素子を提供する。 【解決手段】 加熱部１１と冷却部１２とを有するヒー
トパイプ用中空管１３と、中空管の冷却部側に連通して
設けられたガス室１４と、加熱冷却器１６（例えば電気
ヒータ）及び電気スイッチ１８からなる。中空管１３の
内壁に毛細管構造１３ａ（ウイック）が形成され内部に
加熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱媒体４が封入されて
いる。また、ガス室１４の内部に使用温度範囲で凝縮し
ない不凝縮ガス８が封入されている。電気スイッチ１８
により、加熱冷却器への通電をオン／オフし、ガス室の
不凝縮ガスを加熱／冷却させる。熱媒体と不凝縮ガス
は、その界面９が、不凝縮ガスの放熱時（冷却時）にガ
ス室と冷却部の中間位置Ａにあり、不凝縮ガスの加熱時
に冷却部より加熱部側Ｂに位置するように設定されてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱の流れを任意に
断続することができる熱素子に関する。
断続することができる熱素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は、ヒートパイプ(heat pipe) の模
式的構成図である。ヒートパイプ１は、密閉された管内
に作動流体（熱媒体２）が封入されており、蒸発部３で
作動流体が蒸発して外部から吸熱し、この蒸気が圧力差
で凝縮部４に流れ、凝縮部４で凝縮して放熱し、凝縮液
が、内壁に設けられた毛細管構造５（ウイック、溝、金
網等）の中を、毛細管力によって駆動されて蒸発部に戻
るようになっている。従って、管内に封入した熱媒体
（液）が、加熱部で沸騰し、冷却部で凝縮して、その間
で凝縮液の還流、蒸発ガスの移動を繰り返し、熱輸送す
る機能を有するものである。なお、この図において６は
断熱部である。
式的構成図である。ヒートパイプ１は、密閉された管内
に作動流体（熱媒体２）が封入されており、蒸発部３で
作動流体が蒸発して外部から吸熱し、この蒸気が圧力差
で凝縮部４に流れ、凝縮部４で凝縮して放熱し、凝縮液
が、内壁に設けられた毛細管構造５（ウイック、溝、金
網等）の中を、毛細管力によって駆動されて蒸発部に戻
るようになっている。従って、管内に封入した熱媒体
（液）が、加熱部で沸騰し、冷却部で凝縮して、その間
で凝縮液の還流、蒸発ガスの移動を繰り返し、熱輸送す
る機能を有するものである。なお、この図において６は
断熱部である。
【０００３】ヒートパイプは、熱伝達率の非常に大きい
沸騰伝熱と凝縮伝熱の組み合わせからなることから、極
めて高い熱輸送性能を有しており、例えば熱伝導率の高
い純銅の数百倍〜千数百倍に相当する。
沸騰伝熱と凝縮伝熱の組み合わせからなることから、極
めて高い熱輸送性能を有しており、例えば熱伝導率の高
い純銅の数百倍〜千数百倍に相当する。
【０００４】上述したように通常のヒートパイプは、極
めて高い熱輸送性能を有しているが、その伝熱量を調節
することができず、例えばヒートパイプを放熱手段に用
いる場合に、低温時の大きな放熱により保温が困難にな
る問題点がある。そこで、この問題点を解決し、伝熱量
を調節することができるヒートパイプ（以下、可変コン
ダクタンスヒートパイプ，ＶＣＨＰ：Variable Conduct
ance Heat Pipeという）が提案され一部で使用されてい
る（例えば「ヒートパイプの理論と応用」、ｐ１６６〜
ｐ１８５、ジャテック出版、昭和５３年６月２３日発
行）。
めて高い熱輸送性能を有しているが、その伝熱量を調節
することができず、例えばヒートパイプを放熱手段に用
いる場合に、低温時の大きな放熱により保温が困難にな
る問題点がある。そこで、この問題点を解決し、伝熱量
を調節することができるヒートパイプ（以下、可変コン
ダクタンスヒートパイプ，ＶＣＨＰ：Variable Conduct
ance Heat Pipeという）が提案され一部で使用されてい
る（例えば「ヒートパイプの理論と応用」、ｐ１６６〜
ｐ１８５、ジャテック出版、昭和５３年６月２３日発
行）。
【０００５】ＶＣＨＰは、図６に模式的に示すように、
ヒートパイプ１に連通したガス溜７内に窒素、アルゴン
などの不凝縮ガス８を封入したものであり、不凝縮ガス
８により凝縮伝熱面の一部を覆うようにしたものであ
る。図７はこのＶＣＨＰの作動説明図である。この図に
おいて、（Ａ）の初期、冷態状態では、不凝縮ガス８が
管内に充満して、凝縮部を含めて管内のほとんどすべて
の伝熱面を不凝縮ガス８が覆っており、ヒートパイプと
しては非機能状態にある。（Ｂ）加熱部の温度上昇に伴
って、ヒートパイプ内の熱媒体２が蒸発を開始して管内
圧力が上昇すると、不凝縮ガス８が圧縮されてその容積
が減少して、凝縮面４の一部が機能回復する。（Ｃ）更
に、加熱部温度が上昇すると、凝縮面４のすべてが機能
回復して通常のヒートパイプとして作動する。
ヒートパイプ１に連通したガス溜７内に窒素、アルゴン
などの不凝縮ガス８を封入したものであり、不凝縮ガス
８により凝縮伝熱面の一部を覆うようにしたものであ
る。図７はこのＶＣＨＰの作動説明図である。この図に
おいて、（Ａ）の初期、冷態状態では、不凝縮ガス８が
管内に充満して、凝縮部を含めて管内のほとんどすべて
の伝熱面を不凝縮ガス８が覆っており、ヒートパイプと
しては非機能状態にある。（Ｂ）加熱部の温度上昇に伴
って、ヒートパイプ内の熱媒体２が蒸発を開始して管内
圧力が上昇すると、不凝縮ガス８が圧縮されてその容積
が減少して、凝縮面４の一部が機能回復する。（Ｃ）更
に、加熱部温度が上昇すると、凝縮面４のすべてが機能
回復して通常のヒートパイプとして作動する。
【０００６】従って、図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の動作を
効果的に作用させて、特定の温度以下では熱輸送が極め
て少ないが、その温度を越すと熱輸送量が急増するよう
にして、結果的に、加熱部の発熱量によらず、その温度
を特定の温度範囲に維持することができる。
効果的に作用させて、特定の温度以下では熱輸送が極め
て少ないが、その温度を越すと熱輸送量が急増するよう
にして、結果的に、加熱部の発熱量によらず、その温度
を特定の温度範囲に維持することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の可変コ
ンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）では、極めて高
い熱輸送性能を有し、かつ作動中の伝熱量をある程度調
節することができるが、熱の流れを任意に断続すること
はできない。これは、ヒートパイプを含むあらゆる伝熱
における熱流は、温度差（ポテンシャル）と伝熱係数
（コンダクタンス）に応じて消極的に定まり、電気機器
のようにスイッチにより積極的にオン／オフすることが
できないからである。
ンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）では、極めて高
い熱輸送性能を有し、かつ作動中の伝熱量をある程度調
節することができるが、熱の流れを任意に断続すること
はできない。これは、ヒートパイプを含むあらゆる伝熱
における熱流は、温度差（ポテンシャル）と伝熱係数
（コンダクタンス）に応じて消極的に定まり、電気機器
のようにスイッチにより積極的にオン／オフすることが
できないからである。
【０００８】もし、電気機器におけるスイッチ、流体に
おける弁類のように、熱流を積極的（アクティブ）にオ
ン／オフできる「熱スイッチ」が実現できれば、高温部
から低温部への熱の流れを任意に断続でき、任意の時
に、任意の熱量を、移動することができる。更に、この
熱スイッチを複数設けることにより、熱の流れを複数設
けて、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移動で
きることになり、熱制御関係者にとって、夢の熱シーケ
ンスを組むことが可能となる。
おける弁類のように、熱流を積極的（アクティブ）にオ
ン／オフできる「熱スイッチ」が実現できれば、高温部
から低温部への熱の流れを任意に断続でき、任意の時
に、任意の熱量を、移動することができる。更に、この
熱スイッチを複数設けることにより、熱の流れを複数設
けて、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移動で
きることになり、熱制御関係者にとって、夢の熱シーケ
ンスを組むことが可能となる。
【０００９】本発明は、かかる要望に応えるために創案
されたものである。すなわち本発明の目的は、高温部か
ら低温部への熱の流れを任意に断続することができ、こ
れにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移
動できる熱素子を提供することにある。
されたものである。すなわち本発明の目的は、高温部か
ら低温部への熱の流れを任意に断続することができ、こ
れにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移
動できる熱素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、加熱部
と冷却部とを有し内壁に毛細管構造が形成され内部に加
熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱媒体が封入されたヒー
トパイプ用中空管と、該中空管の冷却部側に連通して設
けられ内部に使用温度範囲で凝縮しない不凝縮ガスが封
入されたガス室と、ガス室の不凝縮ガスを加熱冷却する
加熱冷却器と、該加熱冷却器への通電をオン／オフする
電気スイッチと、からなり、前記熱媒体と不凝縮ガス
は、その界面が、不凝縮ガスの放熱時にガス室と冷却部
の中間位置にあり、不凝縮ガスの加熱時に冷却部より加
熱部側に位置するように設定されている、ことを特徴と
する熱素子が提供される。
と冷却部とを有し内壁に毛細管構造が形成され内部に加
熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱媒体が封入されたヒー
トパイプ用中空管と、該中空管の冷却部側に連通して設
けられ内部に使用温度範囲で凝縮しない不凝縮ガスが封
入されたガス室と、ガス室の不凝縮ガスを加熱冷却する
加熱冷却器と、該加熱冷却器への通電をオン／オフする
電気スイッチと、からなり、前記熱媒体と不凝縮ガス
は、その界面が、不凝縮ガスの放熱時にガス室と冷却部
の中間位置にあり、不凝縮ガスの加熱時に冷却部より加
熱部側に位置するように設定されている、ことを特徴と
する熱素子が提供される。
【００１１】上記本発明の構成によれば、電気スイッチ
で加熱冷却器（例えば電気ヒータ、ペルチェ素子）への
通電をオン／オフすることにより、不凝縮ガスを加熱／
冷却することができ、熱膨張／熱収縮により容積を増加
／減少させて、不凝縮ガスで冷却部を覆い／或いは冷却
部を熱媒体の蒸気に露出させることができる。不凝縮ガ
スの放熱時（冷却時）には、熱媒体と不凝縮ガスの界面
が、ガス室と冷却部の中間位置にあり、冷却部が熱媒体
の蒸気に露出しているので、冷却部で熱媒体が凝縮し、
加熱部から冷却部への通常のヒートパイプとしての熱輸
送が行われる。一方、不凝縮ガスの加熱時には、熱媒体
と不凝縮ガスの界面が冷却部より加熱部側に位置し、冷
却部を不凝縮ガスが覆っているので、冷却部での熱媒体
の凝縮が停止し、ヒートパイプの作動が停止する。従っ
て、電気スイッチのオン／オフにより、ヒートパイプを
停止／作動させ、高温部から低温部への熱の流れを任意
に断続することができる。また、この熱素子を複数用い
ることにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所
へ移動することができる。
で加熱冷却器（例えば電気ヒータ、ペルチェ素子）への
通電をオン／オフすることにより、不凝縮ガスを加熱／
冷却することができ、熱膨張／熱収縮により容積を増加
／減少させて、不凝縮ガスで冷却部を覆い／或いは冷却
部を熱媒体の蒸気に露出させることができる。不凝縮ガ
スの放熱時（冷却時）には、熱媒体と不凝縮ガスの界面
が、ガス室と冷却部の中間位置にあり、冷却部が熱媒体
の蒸気に露出しているので、冷却部で熱媒体が凝縮し、
加熱部から冷却部への通常のヒートパイプとしての熱輸
送が行われる。一方、不凝縮ガスの加熱時には、熱媒体
と不凝縮ガスの界面が冷却部より加熱部側に位置し、冷
却部を不凝縮ガスが覆っているので、冷却部での熱媒体
の凝縮が停止し、ヒートパイプの作動が停止する。従っ
て、電気スイッチのオン／オフにより、ヒートパイプを
停止／作動させ、高温部から低温部への熱の流れを任意
に断続することができる。また、この熱素子を複数用い
ることにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所
へ移動することができる。
【００１２】前記加熱冷却器は、電気ヒータ及び／又は
ペルチェ素子であるのがよい。電気ヒータにより熱媒体
の加熱ができ、ペルチェ素子により熱媒体の冷却ができ
る。従って、この両方又はいずれか一方を用いることに
より、不凝縮ガスの加熱及び／又は冷却を電気スイッチ
で制御することができる。
ペルチェ素子であるのがよい。電気ヒータにより熱媒体
の加熱ができ、ペルチェ素子により熱媒体の冷却ができ
る。従って、この両方又はいずれか一方を用いることに
より、不凝縮ガスの加熱及び／又は冷却を電気スイッチ
で制御することができる。
【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
中空管は、加熱部とこれに連通して分岐した複数の冷却
部とを有し、前記ガス室、加熱冷却器、及び電気スイッ
チは、中空管のそれぞれの冷却部側に連通して複数設け
られている。この構成により、複数の電気スイッチのオ
ン／オフにより、それぞれの冷却部における熱媒体の凝
縮を停止／作動させることができ、単一の熱素子によ
り、加熱部から複数の冷却部への熱の流れを別々に断続
することができ、任意の時に、任意の熱量を、任意の場
所へ移動することができる。
中空管は、加熱部とこれに連通して分岐した複数の冷却
部とを有し、前記ガス室、加熱冷却器、及び電気スイッ
チは、中空管のそれぞれの冷却部側に連通して複数設け
られている。この構成により、複数の電気スイッチのオ
ン／オフにより、それぞれの冷却部における熱媒体の凝
縮を停止／作動させることができ、単一の熱素子によ
り、加熱部から複数の冷却部への熱の流れを別々に断続
することができ、任意の時に、任意の熱量を、任意の場
所へ移動することができる。
【００１４】前記熱媒体は、水、ダウサム、アンモニ
ア、フレオン、エタノール、メタノール、水銀、又はナ
トリウムから選択され、前記不凝縮ガスは、アルゴン、
窒素、空気、又はヘリウムから選択される。これらの熱
媒体及び不凝縮ガスを用いることにより、不凝縮ガスが
熱媒体やヒートパイプ用の中空管と反応せず、かつ温度
による変質がないので、通常のヒートパイプの熱輸送性
能を長期間安定して保持することができる。
ア、フレオン、エタノール、メタノール、水銀、又はナ
トリウムから選択され、前記不凝縮ガスは、アルゴン、
窒素、空気、又はヘリウムから選択される。これらの熱
媒体及び不凝縮ガスを用いることにより、不凝縮ガスが
熱媒体やヒートパイプ用の中空管と反応せず、かつ温度
による変質がないので、通常のヒートパイプの熱輸送性
能を長期間安定して保持することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。ここで提案する「熱素子」は、ヒートパイプ（Ｈ
Ｐ：Heat Pipe ）にアルゴン、窒素などの不凝縮ガスを
封入したもので、微弱な電力量でガス容積を操作し、ヒ
ートパイプとしての機能をオン／オフしようとするもの
である。前述したようにヒートパイプは、極めて高い熱
輸送性能を有していることが知られている。熱輸送性を
熱伝導率に換算してみると、一般に銅材の数百倍〜千数
百倍に相当する。従って、ヒートパイプの機能がオン／
オフされれば、これが「熱輸送のスイッチ」になると期
待される。
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略す
る。ここで提案する「熱素子」は、ヒートパイプ（Ｈ
Ｐ：Heat Pipe ）にアルゴン、窒素などの不凝縮ガスを
封入したもので、微弱な電力量でガス容積を操作し、ヒ
ートパイプとしての機能をオン／オフしようとするもの
である。前述したようにヒートパイプは、極めて高い熱
輸送性能を有していることが知られている。熱輸送性を
熱伝導率に換算してみると、一般に銅材の数百倍〜千数
百倍に相当する。従って、ヒートパイプの機能がオン／
オフされれば、これが「熱輸送のスイッチ」になると期
待される。
【００１６】図１は、本発明による熱素子の構成図であ
る。この図において、本発明の熱素子１０は、加熱部１
１と冷却部１２とを有するヒートパイプ用中空管１３
と、この中空管１３の冷却部１２の側に連通して設けら
れたガス室１４と、ガス室内を加熱冷却する加熱冷却器
１６と、加熱冷却器１６への通電をオン／オフする電気
スイッチ１８とからなる。
る。この図において、本発明の熱素子１０は、加熱部１
１と冷却部１２とを有するヒートパイプ用中空管１３
と、この中空管１３の冷却部１２の側に連通して設けら
れたガス室１４と、ガス室内を加熱冷却する加熱冷却器
１６と、加熱冷却器１６への通電をオン／オフする電気
スイッチ１８とからなる。
【００１７】加熱冷却器１６は、電気ヒータ及び／又は
ペルチェ素子であるのがよい。電気ヒータにより熱媒体
の加熱ができ、ペルチェ素子により熱媒体の冷却ができ
る。従って、この両方又はいずれか一方を用いることに
より、不凝縮ガスの加熱及び／又は冷却を電気スイッチ
１８で制御することができる。なお、以下の例では、加
熱冷却器１６として電気ヒータのみを用いた場合につい
て説明する。
ペルチェ素子であるのがよい。電気ヒータにより熱媒体
の加熱ができ、ペルチェ素子により熱媒体の冷却ができ
る。従って、この両方又はいずれか一方を用いることに
より、不凝縮ガスの加熱及び／又は冷却を電気スイッチ
１８で制御することができる。なお、以下の例では、加
熱冷却器１６として電気ヒータのみを用いた場合につい
て説明する。
【００１８】ヒートパイプ用中空管１３には、内壁に毛
細管構造１３ａ（例えばウイック）が形成され、かつ内
部に加熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱媒体２が封入さ
れている。この熱媒体２は、例えば、水、ダウサム、ア
ンモニア、フレオン、エタノール、メタノール、水銀、
又はナトリウムであり、使用温度範囲により適宜選択す
ることができる。なお、本発明の熱媒体２は、これらの
ものに限定されず、ヒートパイプに用いられる周知の熱
媒体を用いることができる。
細管構造１３ａ（例えばウイック）が形成され、かつ内
部に加熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱媒体２が封入さ
れている。この熱媒体２は、例えば、水、ダウサム、ア
ンモニア、フレオン、エタノール、メタノール、水銀、
又はナトリウムであり、使用温度範囲により適宜選択す
ることができる。なお、本発明の熱媒体２は、これらの
ものに限定されず、ヒートパイプに用いられる周知の熱
媒体を用いることができる。
【００１９】加熱部１１は、封入された熱媒体２の沸点
以上の温度で加熱され、冷却部１２は、凝縮点以下の温
度に冷却されている。更に、加熱部１１と冷却部１２の
間には、断熱部６が設けられ、その間を断熱するように
なっている。上述した構成により、中空管１３を通常の
ヒートパイプとして作動させることができる。
以上の温度で加熱され、冷却部１２は、凝縮点以下の温
度に冷却されている。更に、加熱部１１と冷却部１２の
間には、断熱部６が設けられ、その間を断熱するように
なっている。上述した構成により、中空管１３を通常の
ヒートパイプとして作動させることができる。
【００２０】ガス室１４には、内部に使用温度範囲で凝
縮しない不凝縮ガス８が封入されている。この不凝縮ガ
ス８は、アルゴン、窒素、空気、又はヘリウムから選択
される。これらの不凝縮ガス８は、熱媒体２やヒートパ
イプ用の中空管１３と反応せず、かつ温度による変質が
ないので、中空管１３を通常のヒートパイプとして作動
させ、その熱輸送性能を長期間安定して保持することが
できる。
縮しない不凝縮ガス８が封入されている。この不凝縮ガ
ス８は、アルゴン、窒素、空気、又はヘリウムから選択
される。これらの不凝縮ガス８は、熱媒体２やヒートパ
イプ用の中空管１３と反応せず、かつ温度による変質が
ないので、中空管１３を通常のヒートパイプとして作動
させ、その熱輸送性能を長期間安定して保持することが
できる。
【００２１】電気ヒータ１６は、電気スイッチ１８を介
して外部に設置された電源１９に接続され、電気スイッ
チ１８により電気ヒータ１６への通電をオン／オフし、
ガス室１４の不凝縮ガス８を加熱／放熱するようになっ
ている。スイッチをオフ（ＯＦＦ）し、不凝縮ガス８を
放熱させると、ガス室１４からの放熱及び／又は冷却部
１２からの放熱により、不凝縮ガス８の温度は、冷却部
１２の温度に近い低温（以下Ｔ1 とする）となる。逆に
スイッチをオン（ＯＮ）し、不凝縮ガス８を加熱する
と、ヒータによる加熱とその他の放熱とのバランスによ
り、不凝縮ガス８の温度は、Ｔ1 より高い温度（以下、
Ｔ2 とする）になる。なお、Ｔ1 ，Ｔ2 の温度は、加熱
部１１及び冷却部１２の温度とは独立して設定すること
ができる。また、これらの温度をヒータの入力またはそ
の断続等を制御して所定の一定温度に保持することが好
ましい。
して外部に設置された電源１９に接続され、電気スイッ
チ１８により電気ヒータ１６への通電をオン／オフし、
ガス室１４の不凝縮ガス８を加熱／放熱するようになっ
ている。スイッチをオフ（ＯＦＦ）し、不凝縮ガス８を
放熱させると、ガス室１４からの放熱及び／又は冷却部
１２からの放熱により、不凝縮ガス８の温度は、冷却部
１２の温度に近い低温（以下Ｔ1 とする）となる。逆に
スイッチをオン（ＯＮ）し、不凝縮ガス８を加熱する
と、ヒータによる加熱とその他の放熱とのバランスによ
り、不凝縮ガス８の温度は、Ｔ1 より高い温度（以下、
Ｔ2 とする）になる。なお、Ｔ1 ，Ｔ2 の温度は、加熱
部１１及び冷却部１２の温度とは独立して設定すること
ができる。また、これらの温度をヒータの入力またはそ
の断続等を制御して所定の一定温度に保持することが好
ましい。
【００２２】熱媒体２と不凝縮ガス８は、上述したよう
に、互いに連通した中空管１３とガス室１４にそれぞれ
封入されており、その界面９が混合することなく形成さ
れる。熱媒体２と不凝縮ガス８は、その界面９が、不凝
縮ガス８の放熱時に（すなわち温度Ｔ1 において）ガス
室１４と冷却部１２の中間位置Ａにあり、不凝縮ガス８
の加熱時に（すなわち温度Ｔ2 において）冷却部１２よ
り加熱部側Ｂに位置するように設定されている。
に、互いに連通した中空管１３とガス室１４にそれぞれ
封入されており、その界面９が混合することなく形成さ
れる。熱媒体２と不凝縮ガス８は、その界面９が、不凝
縮ガス８の放熱時に（すなわち温度Ｔ1 において）ガス
室１４と冷却部１２の中間位置Ａにあり、不凝縮ガス８
の加熱時に（すなわち温度Ｔ2 において）冷却部１２よ
り加熱部側Ｂに位置するように設定されている。
【００２３】上述した構成により、電気スイッチ１８で
電気ヒータ１６への通電をオン／オフすることにより、
不凝縮ガス８を加熱／放熱することができ、熱膨張／熱
収縮により容積を増加／減少させて、不凝縮ガス８で冷
却部１２を覆い／或いは冷却部を熱媒体の蒸気に露出さ
せることができる。不凝縮ガス８の放熱時には、熱媒体
２と不凝縮ガス８の界面９が、ガス室１４と冷却部１２
の中間位置Ａにあり、冷却部１２が熱媒体２の蒸気に露
出しているので、冷却部１２で熱媒体２が凝縮し、加熱
部１１から冷却部１２への通常のヒートパイプとしての
熱輸送が行われる。一方、不凝縮ガス８の加熱時には、
熱媒体２と不凝縮ガス８の界面９が冷却部１２より加熱
部側Ｂに位置し、冷却部１２を不凝縮ガス８が覆ってい
るので、冷却部１２での熱媒体２の凝縮が停止し、ヒー
トパイプの作動が停止する。従って、電気スイッチ１８
のオン／オフにより、ヒートパイプを停止／作動させ、
高温部から低温部への熱の流れを任意に断続することが
できる。
電気ヒータ１６への通電をオン／オフすることにより、
不凝縮ガス８を加熱／放熱することができ、熱膨張／熱
収縮により容積を増加／減少させて、不凝縮ガス８で冷
却部１２を覆い／或いは冷却部を熱媒体の蒸気に露出さ
せることができる。不凝縮ガス８の放熱時には、熱媒体
２と不凝縮ガス８の界面９が、ガス室１４と冷却部１２
の中間位置Ａにあり、冷却部１２が熱媒体２の蒸気に露
出しているので、冷却部１２で熱媒体２が凝縮し、加熱
部１１から冷却部１２への通常のヒートパイプとしての
熱輸送が行われる。一方、不凝縮ガス８の加熱時には、
熱媒体２と不凝縮ガス８の界面９が冷却部１２より加熱
部側Ｂに位置し、冷却部１２を不凝縮ガス８が覆ってい
るので、冷却部１２での熱媒体２の凝縮が停止し、ヒー
トパイプの作動が停止する。従って、電気スイッチ１８
のオン／オフにより、ヒートパイプを停止／作動させ、
高温部から低温部への熱の流れを任意に断続することが
できる。
【００２４】すなわち、上述した熱素子１０は、以下の
特徴を有している。 電気信号を送ることで、任意に大量の熱輸送量にオ
ン／オフできる。 電気ヒータにより付加する電力は、ガス室中のガス
を凝縮部まで拡張するだけ容積増加をさせるに必要な加
熱量で決まり、 電力量＝ガス重量×比熱×（Ｔ2 −Ｔ1 ）＋熱損失 となる。ここでガス重量は数グラムであり、右辺第１項
は無視しうる程度の電力である。第２項は、中空管１３
／ガス室１４の容積比を小さくする構造とすれば、放熱
はガス室１４に集約されることになり、ガス室１４の熱
損失を防止すればよい。いずれも設計次第であるが、投
入電力量は、信号レベルの数Ｗ〜１０ｗ程度に抑えられ
る。 従来のＶＣＨＰは、自己温度制御型であり、ＶＣＨＰ
設計段階で特定温度が決定される（言い換えると、特定
温度（作動温度）に応じてＶＣＨＰを設計する）。これ
に対して本発明の「熱素子」は、外部信号を受けて電気
接点がオン／オフすることで、ヒートパイプの機能（熱
輸送）をオン／オフさせるものであり、ヒートパイプ作
動温度範囲であれば、その制限を受けるものではない。
特徴を有している。 電気信号を送ることで、任意に大量の熱輸送量にオ
ン／オフできる。 電気ヒータにより付加する電力は、ガス室中のガス
を凝縮部まで拡張するだけ容積増加をさせるに必要な加
熱量で決まり、 電力量＝ガス重量×比熱×（Ｔ2 −Ｔ1 ）＋熱損失 となる。ここでガス重量は数グラムであり、右辺第１項
は無視しうる程度の電力である。第２項は、中空管１３
／ガス室１４の容積比を小さくする構造とすれば、放熱
はガス室１４に集約されることになり、ガス室１４の熱
損失を防止すればよい。いずれも設計次第であるが、投
入電力量は、信号レベルの数Ｗ〜１０ｗ程度に抑えられ
る。 従来のＶＣＨＰは、自己温度制御型であり、ＶＣＨＰ
設計段階で特定温度が決定される（言い換えると、特定
温度（作動温度）に応じてＶＣＨＰを設計する）。これ
に対して本発明の「熱素子」は、外部信号を受けて電気
接点がオン／オフすることで、ヒートパイプの機能（熱
輸送）をオン／オフさせるものであり、ヒートパイプ作
動温度範囲であれば、その制限を受けるものではない。
【００２５】図２は、本発明による熱素子の別の構成図
である。この図において、中空管１３は、加熱部１１と
これに連通して分岐した複数の冷却部１２とを有し、ガ
ス室１４、電気ヒータ１６、及び電気スイッチ１８は、
中空管のそれぞれの冷却部側に連通して複数設けられて
いる。加熱部１１は、この図では１つであるが、複数で
あってもよい。その他の構成は、図１の実施形態と同様
である。
である。この図において、中空管１３は、加熱部１１と
これに連通して分岐した複数の冷却部１２とを有し、ガ
ス室１４、電気ヒータ１６、及び電気スイッチ１８は、
中空管のそれぞれの冷却部側に連通して複数設けられて
いる。加熱部１１は、この図では１つであるが、複数で
あってもよい。その他の構成は、図１の実施形態と同様
である。
【００２６】この構成により、複数の電気スイッチ１８
のオン／オフにより、それぞれの冷却部１２における熱
媒体の凝縮を停止／作動させることができ、単一の熱素
子１０により、単一又は複数の加熱部１１から複数の冷
却部１２への熱の流れを別々に断続することができ、任
意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移動することが
できる。
のオン／オフにより、それぞれの冷却部１２における熱
媒体の凝縮を停止／作動させることができ、単一の熱素
子１０により、単一又は複数の加熱部１１から複数の冷
却部１２への熱の流れを別々に断続することができ、任
意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移動することが
できる。
【００２７】図３は、本発明の熱素子の使用形態を示す
図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は図１の熱素
子を用いた例、（Ｃ）は図２の熱素子を用いた例であ
る。図３に示すように、本発明の熱素子を複数用いるこ
とにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移
動することができ、「熱素子」として使用することがで
きる。例えば（Ａ）のように、図１の熱素子１０を用
い、高温流体１から２つの低温流体２、３に選択的に伝
熱することができる。また、（Ｂ）のように、図１の熱
素子１０を多数設け、任意のルートで選択的に伝熱する
ようにすることもできる。なお、この場合には必要に応
じて異なる熱媒体を使用する。更に（Ｃ）のように、図
２の熱素子１０を用い、加熱源から複数の被加熱部１〜
５に選択的に伝熱することもできる。
図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は図１の熱素
子を用いた例、（Ｃ）は図２の熱素子を用いた例であ
る。図３に示すように、本発明の熱素子を複数用いるこ
とにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場所へ移
動することができ、「熱素子」として使用することがで
きる。例えば（Ａ）のように、図１の熱素子１０を用
い、高温流体１から２つの低温流体２、３に選択的に伝
熱することができる。また、（Ｂ）のように、図１の熱
素子１０を多数設け、任意のルートで選択的に伝熱する
ようにすることもできる。なお、この場合には必要に応
じて異なる熱媒体を使用する。更に（Ｃ）のように、図
２の熱素子１０を用い、加熱源から複数の被加熱部１〜
５に選択的に伝熱することもできる。
【００２８】
【実施例】図４は、本発明の熱素子の実施例を示す図で
ある。この図において、（Ａ）は中温用（２００℃以
下）の熱素子、（Ｂ）は高温用（３００℃以上）の熱素
子を示している。図４（Ａ）の例では、ガスとしてアル
ゴンを用い、作動熱媒体として水を用いている。ヒー
トパイプの動作時の内部圧力を１７ａｔａ、ガス封入量
を１．６ｇ（アルゴン）とすると、熱遮断時に、ガス
溜中のアルゴンが凝縮部を覆うために必要な温度上昇
は、試算によると約２５０℃となる。ただし、実際は２
５０℃まで昇温する間に、ヒートパイプ内の内圧が増加
することになって、沸点温度が上がり、蒸発条件が損な
われ、２５０℃以下においてヒートパイプは作動しなく
なる。
ある。この図において、（Ａ）は中温用（２００℃以
下）の熱素子、（Ｂ）は高温用（３００℃以上）の熱素
子を示している。図４（Ａ）の例では、ガスとしてアル
ゴンを用い、作動熱媒体として水を用いている。ヒー
トパイプの動作時の内部圧力を１７ａｔａ、ガス封入量
を１．６ｇ（アルゴン）とすると、熱遮断時に、ガス
溜中のアルゴンが凝縮部を覆うために必要な温度上昇
は、試算によると約２５０℃となる。ただし、実際は２
５０℃まで昇温する間に、ヒートパイプ内の内圧が増加
することになって、沸点温度が上がり、蒸発条件が損な
われ、２５０℃以下においてヒートパイプは作動しなく
なる。
【００２９】また、加熱量はガス封入量が小さいこと
から、０．１Ｗｈ以下であり、熱損失を考慮してもヒー
タは１０ｗ程度となり、応答時間は１０秒前後となる。
ヒートパイプによる熱移動量は、ウイックの構造（液
の還流の抵抗によって、ドライアウトすることが限界と
なる）によって異なるが、この例において、約１ｋＷ以
上が可能である。
から、０．１Ｗｈ以下であり、熱損失を考慮してもヒー
タは１０ｗ程度となり、応答時間は１０秒前後となる。
ヒートパイプによる熱移動量は、ウイックの構造（液
の還流の抵抗によって、ドライアウトすることが限界と
なる）によって異なるが、この例において、約１ｋＷ以
上が可能である。
【００３０】図４（Ｂ）の例では、ガスとしてアルゴン
を用い、作動熱媒体として、ダウサーモＡ（封入圧２．
４ａｔａ、沸点約３００℃）を用いる。ヒートパイプ
の動作時の内部圧力は、２．４ａｔａであり、ガス封入
量は約０．５ｇとなる。熱遮断時に必要な昇温は、約
１２０℃であり、ヒータ容量は０．０１Ｗｈ以下とな
る。凝縮部でアルゴンガスが冷却されるが、ガス溜内の
ガスを断熱すれば、放熱量が相当低減できるので、ヒー
タは１０ｗ程度とすることができる。熱移動量は、実
測値からみて約３００Ｗ程度と見込まれる。
を用い、作動熱媒体として、ダウサーモＡ（封入圧２．
４ａｔａ、沸点約３００℃）を用いる。ヒートパイプ
の動作時の内部圧力は、２．４ａｔａであり、ガス封入
量は約０．５ｇとなる。熱遮断時に必要な昇温は、約
１２０℃であり、ヒータ容量は０．０１Ｗｈ以下とな
る。凝縮部でアルゴンガスが冷却されるが、ガス溜内の
ガスを断熱すれば、放熱量が相当低減できるので、ヒー
タは１０ｗ程度とすることができる。熱移動量は、実
測値からみて約３００Ｗ程度と見込まれる。
【００３１】なお、本発明は上述した実施形態及び実施
例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変更できることは勿論である。
例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変更できることは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】上述したように、本発明の熱素子は、高
温部から低温部への熱の流れを任意に断続することがで
き、これにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場
所へ移動できる、等の優れた効果を有する。
温部から低温部への熱の流れを任意に断続することがで
き、これにより、任意の時に、任意の熱量を、任意の場
所へ移動できる、等の優れた効果を有する。
【図１】本発明による熱素子の構成図である。
【図２】本発明による熱素子の別の構成図である。
【図３】本発明の熱素子の使用形態を示す図である。
【図４】本発明の熱素子の使用例を示す図である。
【図５】ヒートパイプ(heat pipe) の模式的構造図であ
る。
る。
【図６】可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）
の模式的構成図である。
の模式的構成図である。
【図７】ＶＣＨＰの作動説明図である。
１ ヒートパイプ ２ 熱媒体（作動流体） ３ 蒸発部 ４ 凝縮部 ５ 毛細管構造 ６ 断熱部 ７ ガス溜 ８ 不凝縮ガス ９ 界面 １０ 熱素子 １１ 加熱部 １２ 冷却部 １３ ヒートパイプ用中空管 １３ａ 毛細管構造 １４ ガス室（ガス溜） １６ 加熱冷却器（電気ヒータ） １８ 電気スイッチ １９ 電源
Claims (4)
- 【請求項１】 加熱部と冷却部とを有し内壁に毛細管構
造が形成され内部に加熱部で沸騰し冷却部で凝縮する熱
媒体が封入されたヒートパイプ用中空管と、該中空管の
冷却部側に連通して設けられ内部に使用温度範囲で凝縮
しない不凝縮ガスが封入されたガス室と、ガス室の不凝
縮ガスを加熱冷却する加熱冷却器と、該加熱冷却器への
通電をオン／オフする電気スイッチと、からなり、 前記熱媒体と不凝縮ガスは、その界面が、不凝縮ガスの
放熱時にガス室と冷却部の中間位置にあり、不凝縮ガス
の加熱時に冷却部より加熱部側に位置するように設定さ
れている、ことを特徴とする熱素子。 - 【請求項２】 前記加熱冷却器は、電気ヒータ及び／又
はペルチェ素子である、ことを特徴とする請求項１に記
載の熱素子。 - 【請求項３】 前記中空管は、加熱部とこれに連通して
分岐した複数の冷却部とを有し、前記ガス室、加熱冷却
器、及び電気スイッチは、中空管のそれぞれの冷却部側
に連通して複数設けられている、ことを特徴とする請求
項１に記載の熱素子。 - 【請求項４】 前記熱媒体は、水、ダウサム、アンモニ
ア、フレオン、エタノール、メタノール、水銀、又はナ
トリウムから選択され、前記不凝縮ガスは、アルゴン、
窒素、空気、又はヘリウムから選択される、ことを特徴
とする請求項１乃至３に記載の熱素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8114515A JPH09303984A (ja) | 1996-05-09 | 1996-05-09 | 熱素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8114515A JPH09303984A (ja) | 1996-05-09 | 1996-05-09 | 熱素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09303984A true JPH09303984A (ja) | 1997-11-28 |
Family
ID=14639691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8114515A Pending JPH09303984A (ja) | 1996-05-09 | 1996-05-09 | 熱素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09303984A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009525437A (ja) * | 2006-02-02 | 2009-07-09 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 熱的に負荷された環境で使用するためのボルト |
| KR102063035B1 (ko) * | 2018-08-31 | 2020-01-07 | 한국항공대학교산학협력단 | 가변열전도도 히트파이프 구조체, 그 제조 방법 및 그에 적용되는 작동유체 |
| CN111207296A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-05-29 | 上海亘满科技有限公司 | 可变导热管混合工质的简易充注装置及充注方法 |
| CN114593620A (zh) * | 2020-12-04 | 2022-06-07 | 佛山市飞成金属制品有限公司 | 一种均温板的加工方法和可相变工作介质的填充方法 |
| CN115790221A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-03-14 | 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 | 一种可变导热管式换热器 |
| CN120027627A (zh) * | 2025-04-24 | 2025-05-23 | 成都理工大学 | 一种抑制高温热管倾角下间歇沸腾的方法及其装置 |
-
1996
- 1996-05-09 JP JP8114515A patent/JPH09303984A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009525437A (ja) * | 2006-02-02 | 2009-07-09 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 熱的に負荷された環境で使用するためのボルト |
| KR102063035B1 (ko) * | 2018-08-31 | 2020-01-07 | 한국항공대학교산학협력단 | 가변열전도도 히트파이프 구조체, 그 제조 방법 및 그에 적용되는 작동유체 |
| CN111207296A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-05-29 | 上海亘满科技有限公司 | 可变导热管混合工质的简易充注装置及充注方法 |
| CN114593620A (zh) * | 2020-12-04 | 2022-06-07 | 佛山市飞成金属制品有限公司 | 一种均温板的加工方法和可相变工作介质的填充方法 |
| CN115790221A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-03-14 | 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 | 一种可变导热管式换热器 |
| CN120027627A (zh) * | 2025-04-24 | 2025-05-23 | 成都理工大学 | 一种抑制高温热管倾角下间歇沸腾的方法及其装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050208 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050223 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050419 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050526 |