JPH0961074A - クローズド温度制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蛇行細管ヒートパイプ式クローズドシステム
温度制御装置の小型軽量化及びその構成の簡素化を図る
と共にその大幅なコスト低減を可能にする。 【構成】 システムの主要部分を占める熱交換部の構成
素材を蛇行細管に替えて細径の貫通細孔群を有する軽金
属の多孔扁平管を用いて構成した。 【効果】 リボン状扁平管の中に多数の細径管通孔を有
するアルミ多孔扁平管の一本はその内部の細径トンネル
効果において、細管の数１０本に匹敵し、外表面の熱伝
達性能において細管のほぼ１０本に匹敵し、その可撓
性、柔軟性はその厚さと同等径の純銅細管に勝る。これ
により簡素化されたシステムの熱交換部は管の使用長さ
が１０％に低減され、構成容積が５０％に小型化され
た。更に素材の長さ当たり単価がほぼ同等であり、これ
らの総合効果として熱交換部の材料費を９０％、加工費
を８０％、システム全体としてコストを７０％も削減す
ることに成功した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱交換器応用の温度制御
装置の構造に関するもので、特に受熱用熱交換器と、排
熱用熱交換器と、それらを連結して熱媒流体の循環流路
の閉ループ系を形成する連結管と、熱媒流体循環手段
と、二相凝縮性熱媒流体強制循環型のループ型細管ヒー
トパイプとしての構成、の五構成要素を含んでなるクロ
ーズド温度制御システムにおける、熱交換部に多孔扁平
管が有効利用されて構成されてあるクローズド温度制御
システムの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近来の機器の高密度化実装の進展及び半
導体素子の高性能化と共に、これらに対応する機器装置
の冷却は益々困難になり、強制空冷による冷却では対応
困難になりつつある。その対策として水冷方式に依る発
熱素子の温度制御が多用されていた。水冷方式は水の熱
容量が大きく且つ熱伝達率が大きいので冷却効率が高
く、強制空冷方式に比較して冷却性能は十倍にも改善さ
れると共に、冷却装置が大幅に小型化される利点があっ
た。また冷却水の流量流速を加減することにより自在に
冷却性能を制御することが可能になると云う利点もあっ
た。

【０００３】然し空冷方式はその適用及び排熱処理が極
めて簡易であるのに対して水冷方式は（１）被冷却体、
管路の腐食、発錆等に起因して適用機器の信頼性が低下
する。（２）水垢の発生等による管路の閉塞の恐れがあ
る。（３）低温時に凍結する。（４）周囲の温度と湿度
によって冷却管路に結露が発生する。（５）漏水の場合
に電気回路の短絡や漏電の危険が発生する。（６）給排
水管路配接の為の機器設計の自由度が低下する。（７）
適用機器の移動性、可搬性が悪い。（８）廃水処理に問
題が発生することが多い。等多くの問題点が発生するも
のであった。

【０００４】それらの問題点の解決策としてクローズド
液冷システムが多用される。このシステムは受熱用熱交
換器を第一の構成要素とし、排熱用熱交換器を第二の構
成要素とし、それらの間をループ状に連結して冷媒液の
循環流路を形成する連結管路を第三の構成要素とし、冷
媒液強制循環用ポンプを第四の構成要素とする、四構成
要素をを主構成要素として構成され、冷媒液の受放熱サ
イクルに依って被冷却体を冷却する。クローズド液冷シ
ステムは付属構成要素や冷媒液の適切な選択により従来
の水冷システムの問題点の殆どを解決することが出来
る。即ちクローズド液冷システムの採用は、水冷方式の
利点を維持したまま、移動性、可搬性、据付け性、等を
改善し同時に環境問題、排水処理問題、等大きな問題点
の殆どを解決するものであった。

【０００５】然しその為の代償は極めて大きく、第一の
構成要素の受熱用熱交換器については水冷と同様に小型
高性能化されるものの、第二の構成要素として大型の排
熱用空冷熱交換器及び第四の構成要素として強力大型の
循環用ポンプを新たに必要とし、更に液質保全装置、冷
媒液補給タンク、ドレーンパッド、各種安全手段、等の
必須付属構成要素を必要とし、冷媒液が水の場合は更に
超純水製造装置、濾過装置、不凍液の場合はＰＨチェッ
ク装置、等の併設が必要であり、それらの全てを格納す
る為機器筐体が大型化し、重量が増加し、保全費用が増
大する等大きな問題点が付加されるものであった。また
長い年月の間には循環用ポンプを初めとする各種の付属
構成要素等を接続する管路の数多くの接続部からの漏水
や、結露による水滴の発生等はは避けられず、機器筐体
内の雰囲気が悪化し、またそれにより機器筐体を気密に
密閉することが出来ない点、ドレーンパットを設ける必
要がある点等も問題点であった。更に大きな問題点は主
たる受熱用熱交換器で被冷却体を効率よく冷却するにも
拘らず、最終的には熱量を大型の排熱用熱交換器に依り
大気中に捨て去る必要があることの宿命的な欠点であ
る。熱収支的には受熱用熱交換器で吸収する熱量と排熱
用熱交換器に依り捨て去る熱量とは、機器筐体表面から
の放熱を除けばほぼ等量であり、従って液冷受熱用熱交
換器を採用しても機器筐体の全容積としては小型軽量化
されることはなく、むしろ大型重量化せざるを得ないも
のであった。

【０００６】発明者は上述の如きクローズド液冷システ
ムの問題点を解決する為に特願平６−２１０３３９号
（クローズドシステム温度制御装置）を発案して実用化
した。このシステムは従来のクローズド液冷システムの
四構成要素に第五の構成要素として二相凝縮性熱媒流体
の気泡群と液滴群が交互に配置されて循環する強制循環
サイクルを構成し、熱媒流体の相変化及び熱媒流体の熱
容量によって、被温度制御物質の温度を制御する受放熱
部分離型のループ型蛇行細管ヒートパイプとしての構成
要素を附加したクローズド温度制御システムである。こ
のシステムの構成は第一、第二、第三、及び第四の構成
要素は従来の液冷クローズドシステムの場合と大差はな
いが、従来システムと決定的に異なる点は第五の必須構
成要素としてシステムの全体が受放熱部分離型の蛇行細
管ヒートパイプとして構成してある点である。即ち付加
されるに第五の構成要素は、熱媒流体流路の全ては高気
密に密閉されたヒートパイプコンテナとして構成されて
あり、このコンテナには高真空に排気された後に内容積
に対して所定の割合の二相凝縮性流体が封入されてヒー
トパイプとした構成であり、システム全体としては受放
熱部分離型のループ型蛇行細管ヒートパイプとして構成
されてある。

【０００７】この様な特願平６−２１０３３９号に掛る
クローズドシステム温度制御装置の適用例の一つの説明
図を図１０に示す。Ｈは受熱用熱交換器、Ｈ−１は受熱
用熱交換部、Ｃは排熱用熱交換器、Ｃ−１は排熱用熱交
換部である。１−１は受熱用熱交換部Ｈ−１を構成する
蛇行長尺細管で、ｕ−６〜ｕ−１０はその単位細管ユニ
ットである。１−２は排熱用熱交換部Ｃ−１を構成する
蛇行長尺細管で、ｕ−１〜ｕ−５ はその単位細管ユニ
ットである。７−ｎは発熱体であって、コールドプレー
ト１０を介して、単位細管ユニットｕ−１〜ｕ−５で冷
却液化されて循環してきた二相凝縮性熱媒流体Ｌと熱交
換され冷却される。３は連結管で受熱用熱交換部から熱
媒流体が流出する高温連結管３−１と排熱用熱交換部か
ら熱媒流体が流出する低温連結管３−２とがある。４は
強制循環ポンプであって完全シール型になっている。５
は熱交換部の流入側及び流出側ヘッダである。排熱用熱
交換部Ｃ−１の蛇行長尺細管１−２内を循環する熱媒流
体Ｌは受熱用熱交換部１から運搬した熱量を気相熱媒流
体Ａの対流と熱交換されて風洞１４を介して機器筐体１
５の外部に排熱する。受熱用熱交換器Ｈ、高温連結管３
−１、排熱用熱交換器Ｃ、低温連結管３−２とその管路
中に配設された強制循環ポンプ４とは高気密に連結され
てループ状の熱媒流体循環流路を形成しており、この循
環流路は高真空のヒートパイプコンテナとして形成さ
れ、所定の二相凝縮性作動液の所定量が封入されて受放
熱部分離型の蛇行細管ヒートパイプが構成されてある。
この様に構成されたこのクローズドシステム温度制御装
置は極めて優れた温度制御機能を有する。

【０００８】このシステムがクローズド液冷システムと
異なる点は、受熱用熱交換器と排熱用熱交換器とは共に
内径４ｍｍ以下の如き細径の蛇行細管で構成されてあ
り、熱媒流体を循環せしめる手段として特願平２−３１
９４６１号または特公平６−３３５４号を応用したルー
プ型蛇行細管ヒートパイプを適用して構成されてあり、
このループ型蛇行細管ヒートパイプは特開平４−５２４
９５（ループ型細管ヒートパイプ）応用の受放熱部分離
型のヒートパイプとして構成されてあり、自らも熱媒流
体の循環機能を有する受放熱部分離型の細管ヒートパイ
プに対して更に熱媒流体の循環補助手段として、電磁流
体ポンプに代表される完全シール型の強制循環ポンプ４
が使用されてある点である。

【０００９】ループ型蛇行細管ヒートパイプは二相凝縮
性熱媒流体の受熱部に於ける核沸騰により発生する二相
凝縮性熱媒流体の蒸気泡及び流体液滴の軸方向振動と循
環流により、外部エネルギーの助けを必要とすることな
く自ら効率的に熱量を輸送する。然し受放熱部分離型ヒ
ートパイプとして構成した場合には通常のループ型蛇行
細管ヒートパイプの場合と異なり受放熱部間を連結する
連結管は基本的に往復２本のみまたはその倍数本の極め
て少ない本数となり、ヒートパイプ内の熱媒流体が自身
で循環する循環流量が極めて少なくなり、また更に連結
距離が長くなることにより、管内圧力損失が増加し、熱
輸送能力の発生源となる熱媒流体の軸方向振動エネルギ
ー及び循環推力が大幅に減衰する。これ等の理由から受
放熱部分離型のループ型蛇行細管ヒートパイプは通常の
ループ型蛇行細管ヒートパイプに比較して熱輸送能力が
激減する。このシステムにおいてはこの熱輸送量の減少
の問題はループ内に強制循環用の流体ポンプを設け熱媒
流体を高速度で循環せしめることにより解決している。
この様にヒートパイプであるにも拘らず流体ポンプを適
用することが出来る点は作動液が高圧気泡と液滴が交互
に配置された状態で循環する細管ヒートパイプ独特の機
能によるものであり、ループ型蛇行細管ヒートパイプの
重要な特徴である。このシステムはヒートパイプである
から封入される循環熱媒流体の液量は従来の冷媒液循環
システムの四分の一程度に少なくても良いから、強制循
環用流体ポンプを小型化することが可能でありその為の
消費エネルギーも極めて少なくすることが出来る。

【００１０】この熱媒流体の循環流量が充分に大きく且
つ充分に高速であればこの手段は受放熱部分離型ヒート
パイプの熱輸送能力が蛇行細管ヒートパイプより低下す
ることを補うだけはでなく、通常の蛇行ループ型細管ヒ
ートパイプ方式に依る場合や通常の冷媒液強制循環方式
に依る受放熱部分離型ヒートパイプの場合より熱輸送能
力を大幅に増加せしめることが可能になる。この熱輸送
能力の増加は、単純にループ型蛇行細管内における高圧
蒸気泡及び流体液滴の循環速度が向上するだけに因るも
のではなく、媒流体の受熱部細管内に於ける二相凝縮性
熱媒流体が高速移動することにより受熱部細管内表面の
内圧が降下し、これにより熱媒流体蒸気泡の発生量が激
増し、従って放熱部における凝縮量も激増し、全体とし
て熱媒流体の潜熱熱輸送量が激増することに因るもので
ある。

【００１１】上述のごとく構成されたこのシステムの効
果はクローズド液冷システムの問題点をすべて解決する
もので、小型軽量化を困難ならしめる最も大きな要因と
なる空冷熱交換器を大幅に小型化すると共に、冷媒液循
環ポンプを数分の一に小型化し、純水製造装置、濾過
器、冷媒液補給タンク、ドレーンパット等の付加装置を
省略せしめ更に筐体内雰囲気を低湿度で且つクリーンに
保持せしめることを可能にする。更に重要な点はシステ
ム全体がヒートパイプであるから極めて信頼性が高く、
長年に亙って全く保守を必要としないことである。この
システムの他の特徴として熱輸送能力が通常ヒートパイ
プの如く温度差に依り定まるものではなく、熱媒流体の
循環速度、循環量の制御に依り熱輸送能力を自在に制御
し、被温度制御体の温度を自在に制御することが可能に
なる点がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の如き特願平６−
２１０３３９号（クローズドシステム温度制御装置）は
極めて高性能であり、従来の問題点をすべて解決するも
のではあったが、システムの大容量化に際して各種の困
難があり、基本的な構成素材として蛇行細管を使用する
限りコストが大幅に上昇しこの点が大きな問題点となっ
ていた。

【００１３】即ち数十ＫＷの如き大容量システムを構成
する場合、熱交換部における単位細管ユニットの蛇行タ
ーン数を通常より増加せしめ、更に、または、単位細管
ユニットの配置数を通常より増加せしめて構成する必要
があり、従って多数のヘッダを必要とし、受熱用熱交換
器と排熱用熱交換器とそれらの間を連結するヘッダ及び
連結管の相互連結部の数が激増し、配管構成が複雑化せ
ざるを得ないものであった。この配管構成の複雑化は、
連結部のすべてを完全気密化し、システムの信頼性を維
持する為の溶接接続作業を極めて困難なものとし、シス
テム全体の製作費用を大幅に増加せしめるものであっ
た。更に全体的に細管の本数及び蛇行回数が激増し、従
って細管の蛇行曲げ加工時間が激増することになる。細
管の蛇行曲げ加工は現状では手作業に依存せざるを得ず
加工時間の短縮が困難で、このことはシステム全体の製
作費を益々高価ならしめるものであった。

【００１４】また細管の総延長長さの増加及び蛇行総回
数の増加は、細管内熱媒流体の圧力損失を増加せしめ、
これは熱媒流体循環用ポンプを大型強力化せしめること
になりシステム全体を大型化せしめると共にシステム稼
働の為のエネルギー損失を増加せしめるものであった。

【００１５】また熱交換部が強制空冷の熱交換である場
合は、大型化された熱交換部の多数の蛇行細管群は管外
圧力損失を激増せしめ、その為に対流発生用ファンが大
型化したり、騒音が増加したりする点も問題であった。

【００１６】更に大きな問題点として、近来の業界にお
けるコスト低減競争の激化により、このクローズドシス
テム温度制御装置に対しても、その優れた機能にも拘ら
ず、製造コスト削減の要求が厳しくなり始めている。ま
た業界のこのコスト削減の要望はシステムの容量に関わ
らないものであり小容量のシステムに対しても何らかの
コスト削減対策が必要となっている。特に蛇行細管の蛇
行屈曲加工は自動化が極めて困難で、現状では手作業に
頼らざるを得ず、製造コストの大半を占めており、その
加工時間の削減が大きな課題となっている。

【００１７】

【課題を解決する為の手段】軽金属のプレス押出成型技
術の近来の進歩は目覚ましく、薄肉広幅のリボン形状プ
レートの内部に多数の貫通細孔を設けた多孔扁平管の製
作が容易になりつつある。その押出し技術は未だ進歩を
続けつつあるが、現状では厚さ１．３ｍｍ、幅５０ｍ
ｍ、貫通細孔の内径０．７ｍｍ、細孔数が４９本の多孔
扁平管の製作も可能になっている。この様な多孔扁平管
はその所定の長さの、所定の枚数を平行並列に同一平面
上にて連結して所望の薄肉広幅の大型平板を容易に構成
することが出来る。また厚さ１．３ｍｍ、幅１９ｍｍ、
貫通細孔の内径０．６ｍｍ、細孔数２１本の長尺のリボ
ン状多孔扁平管も製作可能である。この様なリボン状長
尺多孔扁平管は所望の蛇行形状に構成したり、螺旋形状
に構成することが容易である。図１はこの様な多孔扁平
管の構造を示す斜視図である。１は多孔扁平管で現在技
術では厚さ１．３ｍｍの場合で幅は５０ｍｍ程度である
が、その長さは数百米に製造することが出来る。２−ｎ
は貫通細孔群でありその各細孔の流体直径は０．５ｍｍ
程度まで小さくすることが出来る。

【００１８】これらの貫通細孔の内径は何れも流体直径
２ｍｍ以下であり蛇行細管ヒートパイプとしての必要条
件を満足している。即ちこのような細径の貫通細孔にお
いては、蛇行細管ヒートパイプとして構成した場合、封
入作動液量が如何に少量であっても、ヒートパイプ作動
時にコンテナ内において作動液は細孔内を常に充填閉塞
し、蒸気泡と液滴が交互に配置され、作動液が移動した
り振動を発生したりするに際し、移動速度や振動の激し
さの大小に拘わらず、そのままの状態で継続的に移動や
振動をすることが可能である。

【００１９】本発明のクローズド温度制御システムにお
いては、課題を解決する為の手段として上述の如き多数
の細径貫通細孔を有する多孔扁平管を有効利用して、熱
交換器の熱交換部を構成する。即ち本発明の基本的構造
は、受熱用熱交換器を第一の構成要素とし、排熱用熱交
換器を第二の構成要素とし、それらを連結して熱媒流体
の循環流路の閉ループ系を形成する連結管を第三の構成
要素としと、熱媒流体循環手段を第四の構成要素とし、
二相凝縮性熱媒流体強制循環型のループ型細管ヒートパ
イプとしての構成を第五の構成要素とする五つの構成要
素を含んで構成されてあり、このクローズド温度制御シ
ステムにおける第一及び第二の構成要素の双方または何
れかの熱交換部に細径貫通細孔群を有する多孔扁平管が
有効利用されて構成されてあることを特徴とする。本発
明のクローズド温度制御システムの基本的構造を以下に
説明する。

【００２０】第一及び第二の構成要素の双方若しくは少
なくとも何れか一方の構成要素の熱交換部は、流体直径
４ｍｍ以下の貫通細孔群を有する熱伝導性の良好な軽金
属を素材とする多孔扁平管を主材料として構成されてあ
り、貫通細孔の内径は、所定の保持姿勢に維持された状
態で、その中を循環する熱媒流体が、その流量が微少量
であっても、また流体の移動条件の如何に拘らず、その
表面張力により常に細孔内を充填閉塞せしめ、そのまま
の状態で細孔内を移動する径に到る迄細径化されてあ
る。

【００２１】内径４ｍｍ以上の比較的太径の細孔の場合
は凝縮作動液または未気相化作動液は気相作動液の循環
流に逆らって管内壁に沿って管内を流下して熱交換器の
低水位部分に滞留し気相作動液の循環及び管内圧力をを
不安定ならしめ性能を低下せしめる。それに対して十分
に細径化された本発明に適用される細孔においてはその
あらゆる部分に気泡群と液滴群が交互に配置され、作動
液の蒸発凝縮は気泡の拡大収縮を引き起こすのみで、液
相作動液が低水位部に流下したり停滞することが無く、
また作動液の循環に依ってもその状態は維持されたまま
で移動するから管内の圧力分布は常に均一化され、液相
作動液（液滴群）も気相作動液（気泡群）も安定して循
環される。即ち蛇行細管に替えて適用した場合の多孔扁
平管は蛇行細管と同等に作動することになり、従って多
数の貫通細孔を有する多孔扁平管は多数並列の蛇行細管
として作動するから遥かに少ない本数または長さで代替
することが出来る。

【００２２】熱交換部を形成する扁平管群の両端末は夫
々にヘッダにより連通連結され、夫々のヘッダの延長部
は第三の構成要素の連結管路に気密に連結されてある。

【００２３】第四の構成要素である強制循環用気密ポン
プは、熱媒流体の循環流路中の連結管路が、排熱用熱交
換器出口と受熱用熱交換器入り口との間を連結する部分
に配設され、排熱用熱交換器から受熱用熱交換器に向か
って作動液が循環するように配置されてある。この強制
循環用気密ポンプは熱媒流体循環流路とその循環系外部
との間を、システムに要求される期間以上の年月にわた
り高度の気密を保持することの出来る構造のポンプであ
る。

【００２４】それらの四構成要素の全てを含んで形成さ
れてある熱媒流体の閉ループ循環系の全ての接続部は完
全気密に接続連結されてあって、これにより循環流路の
全体は一体の密閉コンテナとして形成され、このコンテ
ナは高真空に排気された後その全内容積に対する所定の
割合の二相凝縮性作動液が封入封止されて、第五の構成
要素である二相凝縮性熱媒流体強制循環型のループ型細
管ヒートパイプとして構成されてあることを特徴として
いる。

【００２５】本発明を適用された場合に構成される受放
熱部分離型のループ型蛇行細管ヒートパイプは従来の受
放熱部分離型のヒートパイプとはその作動も構成も全く
異なるものである。図１１に例示する従来の受放熱部分
離型ヒートパイプは作動液の蒸気発生器（熱吸収器）ｅ
と凝縮器（放熱器）ｃと蒸気発生器ｅ内に凝縮作動液Ｌ
を送入する為の作動液循環ポンプ１４とそれらを連結し
てループを構成する冷媒液管路３−２と蒸気管路３−１
とからなることが基本的構造であり、その作動液循環は
液相作動液Ｌと気相作動液Ｖとは夫々分離して循環す
る。即ちループ状連結管路の中の蒸気発生器（熱吸収
器）ｅから凝縮器（放熱器）ｃに向かう蒸気管路３−１
内を移動する作動液は気相（蒸気）であり、飽和蒸気圧
を有している。凝縮器（放熱器）ｃから蒸気発生器（熱
吸収器）ｅに向かう冷媒液管路３−２内を移動する作動
液は液相であり一般には重力のサイホン作用が加わって
いる。また蒸気発生器（熱吸収器）ｅ内には蒸気圧が発
生するから作動液循環ポンプ１４に依る圧入力無しには
作動液は蒸気発生器ｅ内に供給することは出来ない。図
においてＡは気相熱媒流体の強制対流、Ｈは加熱手段で
ある。この様な従来の受放熱部分離型ヒートパイプの熱
輸送は一見するとポンプに依る液相作動液循環に依って
為される如く思われるが、その熱輸送能力は蒸気発生器
ｅにおける蒸気圧と蒸気発生量に依存し、また凝縮器ｃ
の蒸気凝縮による負圧力（吸引力）に依存するものであ
る。ポンプにより蒸気発生器ｅに供給される液相作動液
循環量は蒸気発生器ｅの蒸気発生能力を超えても、また
凝縮器（放熱器）ｃの蒸気凝縮能力を超えてもヒートパ
イプの熱輸送性能はかえって低下する。熱量輸送は結局
作動液の相変化即ち作動液の潜熱輸送のみに依って為さ
れるものであり液循環によるその熱容量による顕熱熱輸
送は為されない。また他の相違点としては圧力損失を防
ぐ為、従来の通常の受放熱部分離型ヒートパイプにおい
ては、凝縮器ｃ、冷媒液管路３−２、及び蒸気発生器
ｅ、蒸気管路３−１には細管は使用されない。従って対
流受放熱の場合は受放熱部には各種のフィン群を装着す
る必要がある。

【００２６】これに対して本発明を適用した場合に構成
される受放熱部分離型のループ型細管ヒートパイプにお
いてはその熱交換部の全てが多孔扁平管の貫通細孔で形
成された蛇行細孔で構成されてあり、細孔内の二相熱媒
流体はその全ての部分に於て、液相作動液（液滴）と気
相作動液（蒸気泡）とが自ら交互に分離配列され、常に
管路内を充填閉塞せしめた状態を維持し、その侭の状態
で、自ら軸方向に振動し且つ所定の方向に循環し、熱量
は自ら高温部から低温部に向かって移動する。この間蒸
気泡は放熱と共に縮小または消滅し、液化しながら循環
するが、受熱部で続々と発生する圧力蒸気泡により補充
され、液相のみとなることはない。このヒートパイプに
おいては熱量の輸送は気相流体の相変化に依る潜熱の熱
輸送と液相流体の熱容量による顕熱熱輸送も併せて行わ
れる。また圧力気泡と液滴とが交互配置される、本発明
の蛇行細孔ヒートパイプの作動液は液体ポンプにより強
制循環せしめることが出来る点でも通常のヒートパイプ
とは全くまったく異なっている。更に蛇行細孔ヒートパ
イプでは多孔扁平管自身が受放熱フィンとして作用する
のでフィン群を装着しない場合でも十分に対流放熱部と
して適用することが出来る。この様であるから、本発明
を適用して構成される受放熱部分離型のループ型蛇行細
孔ヒートパイプ（扁平管ヒートパイプ）は前述の如き従
来の受放熱部分離型ヒートパイプとはその構成、作動原
理、作用等全ての点に於て本質的に異なるものである。

【００２７】この様な新規な構成の本発明のクローズド
システム温度制御装置の基本構成について図２に依って
説明する。図は本発明のシステム基本構造を説明する斜
視図であって機器筐体は一部を残して切除省略してあ
る。図の如く本発明の基本構造は第一の構成要素である
受熱用熱交換器Ｈと、第二の構成要素である排熱用熱交
換器Ｃと、それらを閉ループ状に且つ気密に連結する第
三の構成要素である連結管３と、ループ内の作動液を循
環せしめる為の第四の構成要素である強制循環用ポンプ
４と、図示されてはいないが、そのループ状管路内は高
真空に排気されてヒートパイプコンテナとなされてあ
り、コンテナにはその内容積に未満の所定量の二相凝縮
性作動液が封入されて、二相凝縮性熱媒流体強制循環型
のループ型細孔ヒートパイプとして構成されてあること
の第五の構成要素の五構成要素から成り立っている。

【００２８】本発明の特徴とする所はそれらの構成要素
の第一及び第二の構成要素である熱交換器の熱交換部を
多孔扁平管を有効利用して構成する所にある。図２にお
いては受熱用熱交換部Ｈ−１には多孔扁平管は平板状に
並列に整列配置されてあり、平板状並列多孔扁平管１−
１として有効利用されてある。また排熱用熱交換部Ｃ−
１には多孔扁平管は蛇行成形されたユニットの多数が並
列に配置されて蛇行多孔扁平管ユニット１−３の群とし
て有効利用されてある。この適用の仕方は一例に過ぎず
各種多様な適用態様が考えられる。図２のシステムの作
動は特願平６−２１０３３９号（クローズドシステム温
度制御装置）と全く同じであり、受熱用熱交換器Ｈにお
いて発熱体７−ｎの熱量を吸収した高温作動液は発生す
る蒸気気泡と液滴とが交互に分散配置された気相リッチ
の状態でヘッダ５連結管３を経て排熱用熱交換器Ｃに至
り、冷却ファン８により対流空気Ａの中に作動液の熱量
を排熱し、液相リッチの低温作動液に変化して、図示さ
れていないヘッダ５、連結管３を経て、強制循環ポンプ
４により受熱用熱交換器Ｈに還流せしめられ循環サイク
ルが形成されている。強制循環ポンプ４は循環系外に対
して高度の気密が保持されてあり、長年に亙りヒートパ
イプとしての機能を損なわないよう維持することが出来
る。

【００２９】

【作用】上述の如き本発明の構成は当然のこととして特
願平６−２１０３３９号と全く同等な作用があるが、そ
れに加えて多孔扁平管の有効利用はクローズドシステム
温度制御装置として以下の各項の如き作用を発揮する。 （１）多孔扁平管の適用は熱交換部の構成を簡素化せし
め、小型軽量化を達成せしめ、対流熱交換する熱媒流体
の圧力損失を低下せしめて機能を向上せしめる作用があ
る。これらは多孔扁平管の一本は細管の数倍以上の表面
積を有し、１０本以上の貫通細孔を内蔵するから、その
一本の配設は細管ヒートパイプの数本以上を配設したと
同等の効果があることにより、多孔扁平管の使用長さが
数分の一で目的を達することが出来ることによる。 （２）多孔扁平管ヒートパイプの両平面には各種のフィ
ン群を容易に装着することが出来る。外表面の対流熱交
換性能を数倍に増加せしめることを可能ならしめる。こ
れはフィンの装着が不可能な細管ヒートパイプに比較し
て数倍の熱交換性能を発揮せしめるか、または数分の一
に小型軽量化せしめることをを可能ならしめる。 （３）多孔扁平管は細管に比較してヒートパイプとして
数倍以上の高性能を発揮せしめるにも拘らず、その長さ
当たりの単価は１．５倍にも達しない。このことは前述
の如く必用長さが数分の一になる点と相俟って熱交換部
の材料費用を拾分の一以下に低減せしめる。 （４）蛇行成形して使用する場合必要長さが数分の一に
なり更に構成が極めて簡素化されるので、成形加工費用
及び組立加工費用が数分の一に低減される。

【００３０】

【実施例】

［第一実施例］ 図３は本発明のクローズドシステム温
度制御装置の第一実施例を示す斜視図である。本実施例
は図２に例示の如き本発明の基本構造における受熱用熱
交換部Ｈ−１または排熱用熱交換部Ｃ−１が、所定の長
さの多数の多孔扁平管が平行並列に且つ全体として平板
状になるよう整列配置されて構成された構造であること
を特徴としている。図において平板状並列多孔扁平管群
１−１は多孔扁平管１−ｎが平行並列に且つ全体として
平板状になるよう整列配置されて形成されてある。多孔
扁平管群１−１は本図においては所定の間隔を開けて並
列化されてあるが、これは多孔扁平管１−ｎ内を還流す
る作動液を集約するヘッダ５の耐内圧強度を強化する為
に間隔を開けて配置されてあるものであり、ヘッダの肉
厚が十分に厚い場合や、強度上十分に強い金属材料で形
成されてある場合は各多孔扁平管１−ｎは密に並列配置
されてあっても良い。この実施例の熱交換器は平板状並
列多孔扁平管群１−１の平面において熱交換がなされ
る。その場合はその平面上に直接発熱素子を取りつけて
金属間熱伝導に依って受熱熱交換せしめたり、液冷ジャ
ケットを取りつけて排熱熱交換せしめる例が多い。また
この実施例の他の特徴としてヘッダ５を比較的細径にす
ることが出来る点がある。

【００３１】［第二実施例］ 図４は本発明のクローズ
ドシステム温度制御装置の第二実施例を示す部分斜視図
である。本実施例は図２に例示の如き本発明の基本構造
における受熱用熱交換部Ｈ−１または排熱用熱交換部Ｃ
−１が、所定の長さの多数の多孔扁平管が平行並列にか
つその平面側が相互に対向せしめられて配置されて構成
された構造であることを特徴とする。図の例においては
所定の長さの多数の多孔扁平管１−ｎがその両端部にお
いて夫々ヘッダ５−１、５−２の軸方向に対して多孔扁
平管１−ｎの端縁が直交するように接合されてある。こ
れに依り多数の多孔扁平管１−ｎが平行並列にかつその
平面側が相互に対向せしめられて配置される。この構造
はヘッダ５が比較的大径にならざるを得ない問題点はあ
るものの、同一面積内により多数の多孔扁平管１−ｎを
配置せしめて、より高い熱交換性能を発揮せしめること
が出来る利点がある。この熱交換部は主として対流熱交
換に用いられ特に空冷熱交換に多く用いられる。対流の
流れ方向は通常は多孔扁平管１−ｎの面に平行な流れで
使用される例が多い。特殊な場合は多孔扁平管１−ｎの
端縁とヘッダ５−１、５−２の軸方向に対し所定の角度
をなして配列され、面対向形状多孔扁平管群１−２は所
謂ルーバ形状に配列される場合もある。その場合には対
流の流れ方向は多孔扁平管群が形成する面に平行で且つ
各多孔扁平管に直交する流れを与えて適用される。

【００３２】［第三実施例］ 図５は本発明のクローズ
ドシステム温度制御装置の第三実施例を示す斜視図であ
る。本実施例は図２に例示の如き本発明の基本構造にお
ける受熱用熱交換部Ｈ−１または排熱用熱交換部Ｃ−１
が、夫々に所定の距離間を所定の回数の往復蛇行を繰り
返す蛇行多孔扁平管を単位ユニット１−３とする単位ユ
ニット１−３の多数が所定の間隔で並列に配置されて構
成されてあることを特徴としている。図５はその単位ユ
ニット１−３を斜視図で示してあり。図２の基本構造に
おいてはこの単位ユニット１−３の複数が並列に配置さ
れてある状態が示してある。図５における６は仕切板で
あって対流熱交換の対流の流れを単位ユニット１−３に
効率よく流入させる為の仕切板である。図５においては
単位ユニット１−３の多孔扁平管１の両端末が仕切板６
を貫通した位置でヘッダ５−１、５−２に接続されてあ
る例が示してあるがこの接続位置は図５により限定され
るものではない。本実施例は主として対流熱交換に使用
されるが、本実施例の特徴として対流の流れ方向が如何
なる方向であっても適用することが出来る利点がある。
即ち対流が図５の仕切板６に平行な流れである場合、多
孔扁平管１の直立面に平行する流れでも良く、また多孔
扁平管１の直立面に直交する流れであっても良く、更に
直立面に傾斜角を有する方向の流れであっても良い。更
に重要な利点として図２に例示の如く仕切板６に沿って
全方向から蛇行多孔扁平管単位ユニット１−３の列群内
に流入し、中心部にて流れ方向を転換して直立する多孔
扁平管１の群に沿ってその先端方向に向かって流れ、先
端部から排出される如き流れであっても良く、逆に多孔
扁平管１の群の先端部から流入し、直立する多孔扁平管
１の群に沿って仕切板６に向かって流れ、仕切板６に衝
突して流れ方向を転換して仕切板６に沿って全方向に向
かって排出される如き流れであっても良い。これらのよ
うな流れの場合は数十パーセントも熱交換性能が向上す
るデータが経験的に得られている。本実施例の他の特徴
として蛇行多孔扁平管単位ユニット１−３の蛇行反転距
離を十分に長くして熱交換性能を向上せしめることが出
来る利点がある。この事は図５の例で言えば単位ユニッ
ト１−３の高さを十分に高くすることが出来ることを意
味する。従来の蛇行細管ヒートパイプで本実施例の如く
構成する場合は各細管が柔軟に過ぎる事により２５０ｍ
ｍ程度が実用限界であった。本実施例の場合は多孔扁平
管の強度が大きい事により５００ｍｍの高さでも実用が
可能であり、更に高くする必要があり蛇行多孔扁平管ユ
ニット群の強度に懸念が生じた場合は適切な補強手段を
講じることも容易である。

【００３３】［第四実施例］ 図６は本発明のクローズ
ドシステム温度制御装置の第四実施例を示す断面図であ
る。本実施例は図２に例示の如き本発明の基本構造の第
四の構成要素である強制循環ポンプにおいてその被駆動
部は第三の構成要素である熱媒流体の循環流路の中に、
駆動部は循環流路の外部に配置されてあり、両者の間は
完全気密に隔離されてあると共に、両者の間の駆動力の
伝達は電磁気的な手段、または超音波振動的な手段にて
伝達される様構成されてあることを特徴としている。図
６の断面図はその一例を示すものであり３は連結管、９
はシリンダでありそれらは液相熱媒流体（作動液）Ｌの
循環流路になっている。１１は中空振動子（被駆動部）
であってシリンダ内に滑合状態に挿入されてあり、その
中空部は液相熱媒流体の流路になっている。中空部の両
口元には夫々に逆止弁が設けられてあり両逆止弁は同一
方向に流れを規制している。１０−１、１０−２は共に
発振コイルであって電磁的に中空振動子を液相熱媒流体
の流れ方向の前後方向に振動せしめる。振動子の振動は
設けられた逆止弁とシリンダの前後の空隙部との相互作
用により直列２個の流体ポンプとして作動する。このよ
うなポンプの気密性は完全であり、本発明のクローズド
システムのヒートパイプとしての真空度をポンプの機械
的寿命の限界まで保証する。図６は相互に完全に気密に
保持された駆動部と被駆動部が電磁的に結合されて作動
する例を示したものであるが、このようなポンプは他の
構造例も数例実用化されており、更に最近は超音波的に
結合された駆動装置も提案されている。

【００３４】［第五実施例］ 図７及び図８は本発明の
クローズドシステム温度制御装置の第五実施例を示す側
面略図である。蛇行細管ヒートパイプにはフィン群を装
着することが極めて困難であるが多孔扁平管ヒートパイ
プには容易にフィン群を装着することが出来る。特に図
４第二実施例及び図５第三実施例の如く多孔扁平管の平
面が対向して平行に配設された部分が有る場合はその対
向する両面に共通のフィン群を装着することによりその
熱交換性能を極めて大幅に増加せしめることが出来る。
第五実施例の図７及び図８は夫々図４第二実施例及び図
５第三実施例の多孔扁平管１−ｎ、１−３に蛇行する極
薄肉金属テープが一括して共通フィン群１３として装着
されて有る。この高密度の共通フィン群１３の装着は全
てのフィン群が一括して一工程で炉中ろう接により実施
出来るから低コストで実施出来る特徴が有る。また共通
フィ群であるから両面から熱量が供給されるので極めて
フィン効率が高く従って高性能で有ることも重要な特徴
で有る。更にこのフィン群は極めて軽量な点もその特徴
になっている。

【００３５】［第六実施例］ 図９は本発明のクローズ
ドシステム温度制御装置の第六実施例の説明図で側面略
図である。本実施例は多数列の蛇行多孔扁平管ユニット
１−３で構成されるが図においてはその第一列目の側面
略図を示してある。本実施例は基本構成における第一の
構成要素と第二の構成要素とは合体して構成されてあ
り、受熱用熱交換部Ｈ−１と排熱用熱交換部Ｃ−１とは
同一の蛇行多孔扁平管ユニット１−３が共用されて合体
熱交換部ＣＨとして構成されてある。多数の合体熱交換
部ＣＨの夫々の両端末の群はヘッダ５−１、５−２に連
結されてあり、夫々のヘッダは連結管３で気密に連結さ
れてあり、更に連結管３には強制循環ポンプ４が気密に
装着されてある。これにより構成要素の全てはループ状
密閉コンテナとして形成され、所定量の二相凝縮性熱媒
流体Ｌが封入されて蛇行細孔ヒートパイプとして構成さ
れてある。二相凝縮性熱媒流体Ｌは排熱用熱交換部Ｃ−
１の端末側から受熱用熱交換部Ｈ−１の端末に向かう方
向に強制循環される。図において破線Ｈ−２、及びＣ−
２は夫々加熱手段及び冷却手段を示している。本実施例
は受熱用熱交換部Ｈ−１と排熱用熱交換部Ｃ−１とが距
離を設ける必要がない場合に適用されるが、本システム
の基本構成に比較して次のような利点がある。 （１）受熱用熱交換部Ｈ−１と排熱用熱交換部Ｃ−１と
が直接連結され、即ち多数の多孔扁平管で連結されてあ
るから、二相凝縮性熱媒流体Ｌは蛇行細管ヒートパイプ
の原理によりポンプの助け無しでも強力な循環推力を発
揮する。強制循環ポンプ４は小型のものであってもシス
テム全体の温度制御性能は強力なものとなる。 （２）二相凝縮性熱媒流体Ｌの循環経路を最短にするこ
とが出来るからループ内の圧力損失が極めて少なく、こ
の点からも強制循環ポンプ４は小型化しても強力な性能
を発揮する。 （３）全体的に小型化されるので二相凝縮性熱媒流体Ｌ
の封入量が少なくなりこの点からも強制循環ポンプ４の
負担が大幅に軽減される。 （４）大幅な小型化高性能化が可能になり適用機器の小
型軽量化に貢献する。

【００３６】

【発明の効果】リボン状扁平管の中に多数の細径貫通孔
を有するアルミ多孔扁平管の一本はその内部の細径トン
ネル効果において、細管の数１０本に匹敵し、外表面の
熱伝達性能において細管のほぼ１０本に匹敵し、その可
撓性、柔軟性はその厚さと同等径の純銅細管に勝る。こ
れにより簡素化されたシステムの熱交換部は管の使用長
さが１０％に低減され、構成容積が５０％に小型化され
た。更に素材の長さ当たり単価がほぼ同等であり、これ
らの総合効果として熱交換部の材料費を９０％、加工費
を８０％、システム全体としてコストを７０％も削減す
ることに成功した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成素材の多孔扁平管の構造を示す斜
視図である。

【図２】本発明のクローズドシステム温度制御装置の基
本構造を示す斜視図である。

【図３】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
一実施例を示す斜視図である。

【図４】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
二実施例を示す斜視図である。

【図５】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
三実施例を示す部分斜視図である。

【図６】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
四実施例を示す断面図である。

【図７】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
五実施例の一例を示す側面略図である。

【図８】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
五実施例の他の一例を示す側面略図である。

【図９】本発明のクローズドシステム温度制御装置の第
六実施例の構成を示す説明図の側面略図である。

【図１０】従来のクローズドシステム温度制御装置の構
成を示す説明図である。

【図１１】従来の受放熱部分離型ヒートパイプの構成を
示す説明図である。

【符号の説明】

１ 多孔扁平管 １−１ 平板状並列多孔扁平管 １−２ 面対向形状多孔扁平管 １−３ 蛇行多孔扁平管ユニット ２−ｎ 貫通細孔群 ３ 連結管 ３−１ 蒸気管路 ３−２ 冷媒液管路 ４ 強制循環ポンプ ５−１ ヘッダ ５−２ ヘッダ ６ 仕切板 ７−ｎ 発熱体 ８ 冷却ファン ９ シリンダ １０−１ 発振コイル １０−２ 発振コイル １１ 中空振動子 １２−１ 逆止弁 １２−２ 逆止弁 １３ 共通フィン群 １４ 風洞 １５ 機器筐体 ２１−１ 蛇行長尺細管 ２１−２蛇行長尺細管 ｕ−ｎ 単位細管ユニット Ａ 気相熱媒流体（対流空気） Ｌ 液相熱媒流体（凝縮作動液） Ｃ 排熱用熱交換器 Ｃ−１ 排熱用熱交換部 Ｃ−２ 冷却手段 Ｈ 受熱用熱交換器 Ｈ−１ 排熱用熱交換部 Ｈ−２ 加熱手段 ＣＨ 合体熱交換部 ｅ 凝縮器（放熱器） ｃ 蒸気発生器（熱吸収器）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱媒流体の循環サイクルに依って被温度
   制御物質の温度を制御するクローズド温度制御システム
   であって、被温度制御物と熱媒流体との間で熱量を授受
   交換せしめる受熱用熱交換器を第一の構成要素とし、循
   環熱媒流体と外部熱媒流体との間で熱量を授受交換して
   系外に熱量を排出する排熱用熱交換器を第二の構成要素
   とし、両構成要素の間を閉ループ状に且つ気密に連結
   し、熱媒流体の循環サイクルを構成する連結管路を第三
   の構成要素とし、熱媒流体を排熱用熱交換器の熱媒流体
   排出口から受熱用熱交換器の熱媒流体送入口に向かう方
   向に循環せしめる強制循環ポンプを第四の構成要素と
   し、これらの四構成要素を含んで構成されてある熱媒流
   体循環サイクル系の全体が二相凝縮性熱媒流体強制循環
   型のループ型細管ヒートパイプとして構成されてあるこ
   とを第五の構成要素とし、これらの五要素を主たる構成
   要素としており、第一及び第二の構成要素の双方若しく
   は何れかの構成要素の熱交換部は、熱伝導性の良好な軽
   金属を素材とし貫通細孔群を有する多孔扁平管を主材料
   として構成されてあり、その貫通細孔は流体直径が４ｍ
   ｍ以下であり、所定の保持姿勢に維持された状態で、そ
   の中を循環する熱媒流体が、その流量が微少量であって
   も、また流体の移動条件の如何に拘らず、その表面張力
   により常に細孔内を充填閉塞せしめ、そのままの状態で
   細孔内を移動する径に到る迄細径化されてある貫通細孔
   であって、熱交換部を形成する扁平管群の夫々の貫通細
   孔群はそれらの両端末において夫々にヘッダにより連通
   連結され、夫々のヘッダの延長部は第三の構成要素の連
   結管路に気密に連結されてあり、第四の構成要素である
   強制循環ポンプは、第三の構成要素の連結管路が、排熱
   用熱交換器出口と受熱用熱交換器入り口との間を連結す
   る流路間に配設されてあり、この強制循環ポンプは熱媒
   流体循環系と循環系外部との間を、少なくともシステム
   に要求される期間以上の長年にわたりヒートパイプとし
   ての機能を維持するに必要な高度の気密を保持すること
   の出来る構造のポンプであることを特徴とするクローズ
   ド温度制御システム。
2. 【請求項２】 熱交換部は、所定の長さの多数の多孔扁
   平管が平行並列に且つ全体として平板状になるよう整列
   配置されて構成された構造であることを特徴とする請求
   項１に記載のクローズド温度制御システム。
3. 【請求項３】 熱交換部は、所定の長さの多数の多孔扁
   平管が平行並列に且つその平面側が相互に対向せしめら
   れて配置されて構成された構造であることを特徴とする
   請求項１に記載のクローズド温度制御システム。
4. 【請求項４】 熱交換部は、夫々に所定の距離間を所定
   の回数の往復蛇行を繰り返す蛇行多孔扁平管を単位ユニ
   ットとする単位ユニットの多数が所定の間隔で並列に配
   置されて構成された構造であることを特徴とする請求項
   １に記載のクローズド温度制御システム。
5. 【請求項５】 第四の構成要素である強制循環ポンプの
   被駆動部は第三の構成要素である熱媒流体の循環流路の
   中に、駆動部は循環流路の外部に配置されてあり、両者
   の間は完全気密に隔離されてあると共に、両者の間の駆
   動力の伝達は電磁気的な手段、または超音波振動的な手
   段にて伝達される様構成されてあることを特徴とする請
   求項１に記載のクローズド温度制御システム。
6. 【請求項６】 熱交換部における多孔扁平管群の直管部
   群の所定の部分は平行並列にかつ扁平管の平面側が相互
   に対向せしめられて配置されて構成されてあり、対向す
   る両平面には相互に共通するフィン群がろう接配設され
   てあり、このフィン群は蛇行する極薄肉の金属リボンで
   あることを特徴とする請求項１に記載のクローズド温度
   制御システム。
7. 【請求項７】 第一の構成要素と第二の構成要素とは合
   体して構成されてあり、両者の熱交換部は同一の多孔扁
   平管群が共通適用されるようになっており、合体熱交換
   部の循環熱媒流体流路の排熱側ヘッダ出口と受熱側ヘッ
   ダ入り口とは連結管路と強制循環ポンプとにより連結さ
   れて作動液循環路の閉ループ系が形成されてあることを
   特徴とする請求項１に記載のクローズド温度制御システ
   ム。