JPH11257882A

JPH11257882A - ヒートパイプ及び集熱装置

Info

Publication number: JPH11257882A
Application number: JP6117398A
Authority: JP
Inventors: Satsuki Suo; 五月周防; Akira Takushima; 朗多久島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、蒸発部における冷媒管を無駄なく
配置したヒートパイプ、入力熱量の大幅な変動時や立ち
上がり時、また定常時にも良好な熱輸送効率を示すヒー
トパイプを提供することを目的とする。【解決手段】外部から熱が与えられる蒸発部(Ｂ)と外
部へ熱を放出する凝縮部(Ａ)から成るパネルであり、内
部に冷媒が封入された冷媒管１が凝縮部(Ａ)と蒸発部
(Ｂ)に跨って形成されており、凝縮部(Ａ)よりも蒸発部
(Ｂ)の方が低くなるように傾斜して設置されるヒートパ
イプにおいて、蒸発部(Ｂ)では冷媒管１の本管１ａから
分岐する分岐管１ｂが形成されており、該分岐管１ｂの
先端では冷媒の滞留部１ｃが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒の蒸発、凝縮
によって熱輸送を行うもので、凝縮した冷媒の還流に重
力を用いる地上用ヒートパイプ及びヒートパイプを用い
た集熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より実用化されている代表的なヒー
トパイプはウィック式ヒートパイプ、密閉二相熱サイフ
ォン式ヒートパイプ、及びループ式ヒートパイプであ
る。ウィック式ヒートパイプは主に宇宙用で、多孔質の
ウィック材が冷媒管内壁に貼られており、その毛細管力
で凝縮した冷媒が還流する。また、密閉二層熱サイフォ
ン式ヒートパイプ、及びループ式ヒートパイプは地上用
で、地面に対してある程度の角度をつけて設置すること
により、凝縮した冷媒の還流に重力を利用する。

【０００３】ヒートパイプの従来技術としては、特開平
９−９６４５１号公報に太陽電池の光電変換時に発生す
る熱や太陽熱によって冷媒を蒸発させる集熱装置が開示
されている。また、特開平８−２１０７９０号公報で
は、張り合わされた２枚の金属板に膨管加工を施して成
るロールボンドパネル形式のヒートパイプで、ウィック
機能を有するものが開示されている。尚、ヒートパイプ
は太陽熱以外にも、電子部品、電子機器などの発熱部か
ら熱を取り除く冷却用に用いられたりなど、様々な用途
に応用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、ヒートパイプ
を太陽熱及び太陽電池の集熱装置として用いる場合や、
ヒートパイプを設けた電子機器の発熱部形状が縦長であ
る場合、ヒートパイプ及び集熱装置のコンパクト化をめ
ざすことは必至であるが、外部から熱が与えられて冷媒
管内の冷媒が蒸発するヒートパイプの蒸発部では、その
大きさが制約される。故に、蒸発部に形成される冷媒管
パターンを無駄なく配することで、蒸発部における冷媒
管長さを短くせずにヒートパイプを小型化できる。

【０００５】また、太陽光や太陽電池、電子機器からの
受熱量は日射の変化や電力変化などによって急激にもし
くは大幅に変化することがあり、常に安定した熱量が得
られるものではない。このような場合、冷媒管内ので冷
媒の動作がうまく行われず、集熱効率が低下する。

【０００６】ここでは、従来のヒートパイプを備えた集
熱装置を用いて実際の冷媒動作について調べ、その問題
点を明らかにする。図１９は太陽熱集熱装置の概略図で
あり、各部位の寸法も表記している。ヒートパイプ１０
はアルミ製のロールボンドパネルで、その膨管路(冷媒
管)には適量の冷媒ＨＣＦＣ−１２３が封入されてい
る。表面は黒色塗装されており、裏面は断熱材１１でカ
バーされている。また、ロールボンドパネル１０には矩
形の集熱タンク１２が取り付けられており、該タンク内
に定量の水を循環させることで冷媒より吸熱する構造と
なっている。

【０００７】図２０はこのロールボンドパネルにおける
冷媒管パターンを示している。パネルは凝縮部(Ａ)、蒸
発部(Ｂ)と断熱部(Ｃ)に分かれており、該凝縮部(Ａ)上
に集熱タンク１２(図１９参照)が取り付けられている。
互いに平行な複数の冷媒管１が凝縮部(Ａ)から蒸発部
(Ｂ)に跨って形成されており、蒸発部(Ｂ)の下端と凝縮
部(Ａ)では冷媒管１が連通している。２は冷媒封入口で
あり、冷媒管１内を真空引きした後にここから冷媒が注
入されて封止される。

【０００８】このロールボンドパネルにおいて冷媒の熱
輸送は次のようにして行われる。即ち、冷媒は蒸発部
(Ｂ)で熱を受けて蒸発する。この蒸気は圧力が上昇した
蒸発部(Ｂ)から低圧の凝縮部(Ａ)に流入し、そこで集熱
タンク１２(図１９参照)に吸熱されることによって凝縮
して液化する。このとき、図１９に示すように、ロール
ボンドパネル１０は凝縮部(集熱タンク１２形成付近)が
高くなるように傾斜して設置されているので、冷媒は重
力により内壁を液膜となって蒸発部(Ｂ)へ流下する。そ
して、蒸発部(Ｂ)で再び蒸気となる。

【０００９】上記構成の集熱装置を実験棟の屋根に設置
し、定日射(約８６０W/m²)、定外気温度(約２０℃)の条
件下で、ロールボンドパネル１０表面における蒸発部
(Ｂ)上部、中部、下部、及び集熱タンク１２裏(凝縮部
(Ａ))の温度の経時変化を測定する。図２１はその表面
温度の経時変化を示すグラフである。最初、ロードボン
ドパネルは日射が当たらないように遮蔽されており、Ｓ
ＴＡＲＴ時で遮蔽が除去される。

【００１０】図２１では、ＳＴＡＲＴ時より蒸発部(Ｂ)
下部の温度だけが急激に上昇し続けるが、ある時点で急
にその温度が下がり、ほかの部分と温度差がなくなって
定常状態となることが認められる。これは、蒸発部(Ｂ)
で冷媒の吸熱が開始すると蒸発部(Ｂ)上部では液体の冷
媒が不足して(ドライアウト)、気体の冷媒だけが蒸発部
(Ｂ)上部と凝縮部(Ａ)の間を循環し、また蒸発部(Ｂ)下
部では多量の冷媒が液体のまま温度上昇するからであ
る。集熱装置が定常状態となるまでの時間は５分強で、
この間の集熱量は低いものとなる。故に、この立ち上が
り時間の短縮が集熱効率向上につながる。

【００１１】次に、上記太陽熱集熱装置において、与え
られる熱量ごとにロールボンドパネル１０の蒸発部(Ｂ)
の表面温度を測定する。図２２はロールボンドパネル１
０の蒸発部(Ｂ)表面における温度測定位置を示してお
り、図中左側の数字はロールボンドパネル下端からの距
離を示す。環境温度３０℃の条件下で蒸発部(Ｂ)を一定
温度で加熱し(４０℃、５０℃、６０℃、７０℃)、定常
時の表面温度を測定した。また、集熱タンク１２(図１
９参照)に供給される水は３０℃とする。

【００１２】図２３は蒸発部(Ｂ)の加熱温度ごとの表面
温度分布を示したグラフである。この図によると、ロー
ルボンドパネル中央ではいずれの加熱温度でも比較的均
一な温度分布となっている。また、ロールボンドパネル
サイド側では、加熱温度が高くなると蒸発部(Ｂ)下部で
温度が高くなっている。

【００１３】これは、ロールボンドパネル１０における
冷媒管１パターンから分かるように(図２０参照)、凝縮
部(Ａ)で液化した冷媒はロードボンドパネル１０中央へ
向かいながら蒸発部(Ｂ)に流下するので、ロードボンド
パネル１０サイド側の下部には冷媒が不足して温度上昇
する。これによって、冷媒の熱輸送効率が低下する。

【００１４】また、上述したように、特開平８−２１０
７９０号公報では金属管の内壁の表面を粗くしたウィッ
ク機能を有するヒータパイプが開示されているが、ヒー
トパイプ内壁の表面の粗さが大きいと曲げ作用によって
金属板に割れが生じるという問題があり、信頼性に欠け
る。特に、ヒートパイプの材料として比較的薄い金属板
(１mm程度のアルミ板)を用いる場合は、割れによる金属
破損は著しい。

【００１５】また、ヒートパイプの冷媒管パターンが複
雑化した場合、凝縮部では凝縮した冷媒が蒸発部へ流下
しにくくなり、また蒸気となった冷媒が蒸発部から凝縮
部へ移動しにくくなるという問題があった。

【００１６】また、ヒートパイプの蒸発部に太陽電池を
敷設した集熱装置では、太陽電池で太陽エネルギーが使
用されるだけに、ヒートパイプに与えられる太陽エネル
ギーは、太陽電池が敷設されていない集熱装置に比べて
必然的に少なくなる。ハイブリッドパネル型集熱装置は
実用例が少なく、このような問題は解決されていない。

【００１７】ここでは、ロールボンドパネルのみ型集熱
装置(図１９参照)と、ロールボンドパネルの蒸発部に太
陽電池を敷設したハイブリッドパネル型集熱装置のそれ
ぞれについて、その集熱性能とロールボンドパネル表面
の温度分布を測定して比較する。

【００１８】ハイブリッドパネル型集熱装置については
図２４に斜視図、図２５に分解斜視図を示す。断熱材１
１上には、冷媒管(図２０参照)を形成したロールボンド
パネル１０と、両面からエバ樹脂１３によって挟まれた
太陽電池セル１４と、ガラス板１５とが設けられてお
り、該ガラス板１５の上面には凝縮部に熱回収手段であ
る集熱タンク１２が設置されている。

【００１９】いずれの集熱装置も冷媒管には等量の冷媒
が封入されており、常温下での冷媒(液体)の容積は蒸発
部における冷媒管の容積の約５０％となっている。ま
た、ロールボンドパネル表面の温度測定は、蒸発部の上
部、中部、下部、及び集熱タンク１２裏(凝縮部)にて行
う。

【００２０】図２６は、各集熱装置におけるロールボン
ドパネル１０の表面温度分布を示したグラフである。こ
の図によると、ハイブリッドパネル型はロールボンドパ
ネルのみ型に比べて各部分での表面温度は低い。また、
蒸発部下部ほど温度が高く、凝縮部との温度差が大きい
ことが認められる。

【００２１】冷媒管内で冷媒が正常に作動している場合
は、各部分の温度が均一になる傾向にある。しかしなが
ら、ハイブリッドパネル型では太陽電池で太陽エネルギ
ーを使用する分、蒸発部に与えられる熱量が少なくなる
ので、蒸発部下部では冷媒が液体のまま温度が上昇し、
冷媒がうまく作動していない。

【００２２】また、図２７は各集熱装置における集熱効
率線図である。横軸は集熱効率変数、縦軸は集熱効率で
あり、ハイブリッドパネル型で太陽電池を発電させない
場合、ハイブリッドパネル型で太陽電池を発電させた場
合、ロールボンドパネルのみ型についての集熱効率を示
している。

【００２３】この図によると、ロールボンドパネルのみ
型が最も集熱性能がよく、発電させないハイブリッドパ
ネル型はロールボンドパネルのみ型よりも集熱効率が約
３０％も低下している。さらに、発電させたハイブリッ
ドパネル型では発電なしの場合に比べて約２０％も集熱
効率が低下している。

【００２４】このハイブリッドパネル型の集熱効率低下
の原因として、ロールボンドパネル表面の受ける熱量
(太陽エネルギー)が太陽電池セルやエバ樹脂などにより
遮られることもあるが、それだけで約３０％の低下は大
きすぎる。また、太陽電池が発電した場合についても、
太陽電池の発電効率(１０数％)に見合う集熱量減少は予
想されても、約２０％の低下はそれ以上の集熱効率低下
となっている。

【００２５】蒸発部への入力熱量、冷媒管内に封入する
冷媒量、及び集熱量の間には密接な関係があり、集熱装
置の集熱効率を向上させるには最適な冷媒の封入量を決
定する必要がある。しかしながら、現在では詳細な検討
は行われていない。

【００２６】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、蒸発部における冷媒管を無駄なく配置したヒート
パイプ、入力熱量の大幅な変動時や立ち上がり時、また
定常時にも良好な熱輸送効率を示すヒートパイプ、破損
しにくいヒートパイプ、及び冷媒の還流がスムーズに行
われるヒートパイプを提供することを目的とする。ま
た、そのほかの目的は集熱効率が向上したハイブリッド
パネル型集熱装置を提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１のヒートパイプは、外部から熱が与えられ
る蒸発部と外部へ熱を放出する凝縮部から成るパネルで
あり、内部に冷媒が封入された冷媒管が凝縮部と蒸発部
に跨って形成されており、凝縮部よりも蒸発部の方が低
くなるように傾斜して設置されるヒートパイプにおい
て、蒸発部では冷媒管の本管から分岐する分岐管が形成
されており、該分岐管の先端では冷媒の滞留部が設けら
れていることを特徴とする。

【００２８】また、請求項２のヒートパイプは、請求項
１に記載のヒートパイプにおいて、滞留部は分岐管の先
端が閉じて成ることを特徴とする。

【００２９】また、請求項３のヒートパイプは、請求項
１に記載のヒートパイプにおいて、冷媒管は複数設けら
れており、分岐管は隣接する本管の分岐管と連通して滞
留部を共用することを特徴とする。

【００３０】上記ヒートパイプの構成によると、凝縮部
で凝縮した冷媒は重力によって蒸発部側へ流下する際
に、その一部が分岐管に流れ込んで滞留部で滞留して、
そこで蒸発、凝縮を行う。故に、蒸発部上部でも絶えず
冷媒が存在することとなる。

【００３１】請求項４のヒートパイプは、請求項１乃至
請求項３のいずれかに記載のヒートパイプにおいて、蒸
発部では本管又は分岐管の少なくともいずれか一方の内
壁に凸部を設けることを特徴とする。この構成による
と、凝縮部で凝縮した冷媒は重力によって蒸発部へ流下
する際に、蒸発部の本管や分岐管に設けられている凸部
によって滞留する。故に、蒸発部では冷媒が存在しやす
い状態になる。

【００３２】請求項５のヒートパイプは、外部から熱が
与えられる蒸発部と外部へ熱を放出する凝縮部から成る
パネルであり、内部に冷媒が封入された冷媒管が凝縮部
と蒸発部に跨って形成されていて、凝縮部よりも蒸発部
の方が低くなるように傾斜して設置されるヒートパイプ
において、蒸発部の凝縮部に近い側では凝縮部に遠い側
よりも冷媒管の容積を大きくしたことを特徴とする。

【００３３】また、請求項６のヒートパイプは、請求項
１に記載のヒートパイプにおいて、本管の蒸発部におけ
る凝縮部に近い側では凝縮部に遠い側よりも分岐管を密
に形成したことを特徴とする。

【００３４】上記ヒートパイプの構成によると、蒸発部
下部では冷媒管の容積が小さいのでそこにに溜まる凝縮
した冷媒の液面はより上方に位置することになる。ま
た、凝縮した冷媒が冷媒管の内壁を液膜となって流下す
るときは必然と横方向に広がるが、蒸発部上部ではヒー
トパイプの容積が大きいことから内壁の表面積も大き
く、それだけ冷媒の流下速度は遅くなる。故に、蒸発部
上部には冷媒が存在しやすい状態になる。

【００３５】請求項７のヒートパイプは、請求項１乃至
請求項４のいずれかに記載のヒートパイプにおいて、蒸
発部の凝縮部に近い側では凝縮部に遠い側よりも本管の
断面積を大きくし、かつ分岐管の長さを短くしたことを
特徴とする。

【００３６】上記構成のヒートパイプによると、蒸発部
上部ほど分岐管長さは短いため、分岐管では一定量の冷
媒が流れ込むと残りはあふれて下方へ流れ出す。故に、
各分岐管に流れ込んで滞留する冷媒の量は蒸発部上部ほ
ど少なく、蒸発部全体としては冷媒は一様に滞留してい
ることとなる。また、流路断面積が蒸発部上部ほど大き
いため、上記請求項５及び請求項６の発明と同様に、蒸
発部上部には冷媒が存在しやすい状態になる。

【００３７】請求項８のヒートパイプは、外部から熱が
与えられる蒸発部と外部へ熱を放出する凝縮部から成る
パネルであり、内部に冷媒が封入された冷媒管が凝縮部
と蒸発部とに跨って形成されていて、凝縮部よりも蒸発
部の方が低くなるように傾斜して設置されるヒートパイ
プにおいて、記冷媒管の内壁の少なくとも一部に表面が
凹凸状のシートを接着したことを特徴とする。また、冷
媒と内壁との接触面積も大きくなる。

【００３８】上記構成のヒートパイプによると、冷媒管
内に接着したシートによって内壁が粗面化されるので、
冷媒は横方向に広がりながら流下してその速度が遅くな
る。故に、蒸発部上部にも冷媒が存在しやすくなり、ま
た冷媒と内壁との接触面積が大きくなる。

【００３９】請求項９のヒートパイプは、外部から熱が
与えられる蒸発部と外部へ熱を放出する凝縮部から成る
パネルであり、冷媒が封入された冷媒管が凝縮部と蒸発
部とに跨って形成されていて、凝縮部よりも蒸発部の方
が低くなるように傾斜して設置されるヒートパイプにお
いて、凝縮部の冷媒管内にある突起部又は内壁が上下面
で接着した部分は、該流下方向と平行な方向に向かって
細くなっていることを特徴とする。

【００４０】上記構成のヒートパイプによると、前記突
起部又は内壁が上下面で接着した部分が冷媒の流下方向
に向かって細くなっている場合、凝縮した冷媒はこれに
沿って流下する。また、流下方向と逆の方向に向かって
細くなっている場合は、気化した冷媒が下方からこれに
沿って流入する。故に、凝縮部での冷媒の移動が容易に
行われる。

【００４１】請求項１０のヒートパイプは、外部から熱
が与えられる蒸発部と外部へ熱を放出する凝縮部からな
るパネルであり、内部に冷媒が封入された冷媒管が凝縮
部と蒸発部に跨って形成されていて、凝縮部よりも蒸発
部の方が低くなるように傾斜して設置されるヒートパイ
プと、ヒートパイプの蒸発部に設置された太陽電池と、
ヒートパイプの前記凝縮部に設置された熱回収手段とを
備えた集熱装置において、冷媒管に封入される冷媒の量
は、常温下、液体で前記蒸発部における前記冷媒管の容
積の約２０〜３０％であることを特徴とする。

【００４２】上記構成のヒートパイプによると、最適な
封入冷媒量によって熱輸送が行われることから、蒸発部
下部における冷媒の液溜まりや液不足(ドライアウト)が
極力抑えられる。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。尚、従来技術と同じ構成
及び名称の部材には同一の符号を付し、その説明は省略
する。

【００４４】本発明に係るヒートパイプの第１実施形態
について説明する。図１は本実施形態のヒートパイプに
おける冷媒管パターンを示した図である。このヒートパ
イプは、銅又はアルミニウム製の金属管を用いて押し出
し形成や溶接加工などを行う方法や、２枚の金属板間に
膨管路を形成する方法(ロールボンドパネル)などによっ
て製造されものである。

【００４５】該ヒートパイプの蒸発部(Ｂ)では、冷媒管
１である本管１ａから凝縮した冷媒が流れ込むための分
岐管１ｂが、斜め下方に向かって延びるように形成され
ている。該分岐管１ｂの先端は閉じており、冷媒が滞留
する滞留部１ｃとなっている。尚、冷媒封入口２の位置
は真空引き、冷媒封入、組立などを考慮して決定され、
図１に示した位置に限定されるものではない。

【００４６】凝縮した冷媒が本管１ａの内壁を液膜とな
って下降するとき、その一部が分岐管１ｂに流入して滞
留部１ｃで滞留し、そこで冷媒が蒸発、凝縮を行う。こ
の分岐管１ｂは、集熱装置としての能力に応じて、形成
ピッチ、長さ、流路容積などの仕様が決定される。形成
位置は特に液が残留しにくい蒸発部(Ｂ)上部とすること
が望ましいが、その位置や分岐管１ｂの配置形態などは
本実施形態に限定されるものではない。

【００４７】例えば、図２には第１実施形態と同様に分
岐管１ｂを形成した他の例を示している。第１実施形態
では本管１ａより両側に延びる分岐管１ｂを互い違いに
形成していたが、ここでは同じ位置から両側に分岐管１
ｂが延びている。このように、分岐管１ｂを無駄の少な
いレイアウトで形成するのであれば、どのような形態で
もよい。

【００４８】また、図２では実際に太陽集熱装置として
用いる場合の実用サイズの一例についても示している。
ここでは、パネル面積(９８３mm×８０７mm)であり、伝
熱面積が(６９０mm×１００mm)の集熱タンクと、ハイブ
リッド型集熱装置であれば太陽電池モジュール(８０７m
m×７８３mm)を設置することが可能である。尚、本実施
形態のヒートパイプは太陽熱集熱装置にとどまらず、電
子機器の発熱部に設けられる集熱装置にも適用できるこ
とはいうまでもない。

【００４９】本実施形態のヒートパイプでは、凝縮した
冷媒は各分岐管１ｂに流れ込んで滞留部１ｃで滞留し、
そこで蒸発、凝縮を行う。故に、従来では起動時、入力
熱量の小さいときや変動時など冷媒が不足していた蒸発
部上部においても絶えず冷媒が存在するので、冷媒動作
の定常状態を簡単に得ることができ、良好な熱輸送効率
が得られる。また、蒸発部における冷媒管パターンを無
駄のないレイアウトとすることができるので、ヒートパ
イプを小型化しても蒸発部における冷媒管長さを十分に
とることができる。

【００５０】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。図３は本実施形態のヒートパイプの流路パターン
を示した図である。ここでは、冷媒管１の本管１ａに形
成された分岐管１ｂは隣接する冷媒管１の分岐管１ｂと
連通しており、そこで冷媒の流下方向へ延びる凹状の滞
留部１ｃが形成されている。

【００５１】図４〜図６は第２実施形態と分岐管１ｂ及
び滞留部１ｃの構成が異なる他の例を示している。図４
に示すヒートパイプの形成パターンでは分岐管１ｂがＶ
字型をなしており、その頂部に凹状の滞留部１ｃが設け
られている。また、図５及び図６に示すヒートパイプの
形成パターンでは分岐管１ｂがＶ字型及びＵ字型をなし
ており、頂部のところで冷媒が滞留する滞留部１ｃとな
る。

【００５２】上記第２実施形態と図４〜図６に示すヒー
トパイプでは、冷媒が残留しにくい蒸発部上部に冷媒管
を形成することが望ましいが、その形成位置や分岐管の
配置形態などはこれらに限定されない。また、滞留部１
ｃは冷媒が滞留できる位置であればその形成位置はどこ
でもよく、各分岐管１ｂ内に一箇所とは限らず、数カ所
設けてもよい。

【００５３】本実施形態のヒートパイプでは、凝縮した
冷媒は各分岐管１ｂに流れ込んで滞留部１ｃで滞留し、
そこで蒸発、凝縮を行う。故に、従来では起動時、入力
熱量が小さいときや変動時など冷媒が不足していた蒸発
部上部においても絶えず冷媒が存在するので、冷媒動作
の定常状態を簡単に得ることができ、良好な熱輸送効率
が得られる。また、冷媒は蒸発部(Ｂ)の左右両サイド方
向に偏りなく流下することができ、集熱効率が向上す
る。

【００５４】次に、本発明の第３実施形態について説明
する。図７は本実施形態のヒートパイプの蒸発部の一部
を示した図である。この冷媒管１では第１実施形態と同
様に本管１ａより分岐管１ｂが形成されており、これら
の本管１ａもしくは分岐管１ｂの内部に凸部３を設けて
いる。

【００５５】このヒートパイプは、例えば２枚の金属板
が張り合わされ、該金属板の一方又は両方の一部が膨管
加工して成るロールボンドパネルの場合、予めその金属
板の冷媒管内壁となる部分に凸部を設けるとよい。ま
た、金属管などを局所的に潰しても形成可能である。

【００５６】この凸部３は冷媒が蒸発部下部へと流下す
る際に凸部３で滞留できる構造であればよく、例えば、
波型、ギザギザ型、のこぎり歯形、歯車歯形などでもよ
い。また、凸部３の形成位置はランダムであったり、冷
媒管１内の一部のみにしてもよい。

【００５７】本実施形態のヒートパイプでは、凝縮した
冷媒は本管１ａや分岐管１ｂの凸部３で滞留し、そこで
蒸発、凝縮を行う。故に、従来では起動時、入力熱量が
小さいときや変動時など冷媒が不足していた蒸発部上部
においても絶えず冷媒が存在するので、冷媒動作の定常
状態を簡単に得ることができ、良好な熱輸送効率が得ら
れる。

【００５８】次に、本発明の第４実施形態について説明
する。図８は本実施形態のヒートパイプの形成パターン
を示した図である。このヒートパイプは図２のヒートパ
イプにおいて、分岐管１ｂの形成密度を蒸発部(Ｂ)上部
で密とし、下部では粗としている。これによって、冷媒
管１の容積は凝縮部(Ａ)に近い側で大きくなり、凝縮部
(Ａ)に遠い側で小さくなる。

【００５９】尚、蒸発部(Ｂ)上部と下部でヒートパイプ
の容積を異ならせる手段として、図８に示すように分岐
管１ｂの形成密度を変化させる方法のほかに、蒸発部
(Ｂ)における本管１ａもしくは分岐管１ｂの径を凝縮部
(Ａ)に近い側で大きくし、凝縮部(Ａ)に遠い側で小さく
してもよい。

【００６０】本実施形態のヒートパイプでは、蒸発部
(Ｂ)下部でのヒートパイプの容積が小さいことから、冷
媒の液面がより上方に位置することができる。また、蒸
発部(Ｂ)上部ではヒートパイプの容積が大きいことから
内壁の表面積も大きく、液膜となった冷媒は必然と横方
向に広がりながら流下するため、冷媒の流下速度が遅い
ものとなる。

【００６１】故に、従来では起動時、入力熱量が小さい
ときや変動時など冷媒が不足していた蒸発部上部におい
ても絶えず冷媒が存在するので、冷媒動作の定常状態を
簡単に得ることができ、良好な熱輸送効率が得られる。
また、冷媒と内壁との接着面積が大きくなるので熱交換
効率も向上する。

【００６２】図９は第４実施形態に関連して一部構成が
異なる他の例を示している。このヒートパイプは上述し
た図２０のヒートパイプにおいて、隣接する冷媒管本管
１ａに連通する連通管の形成密度が蒸発部(Ｂ)の上部で
密とし、下部では粗としている。

【００６３】次に、本発明の第５実施形態について説明
する。図１０は本実施形態のヒートパイプの蒸発部(Ｂ)
の一部を示した図である。このヒートパイプでは第１実
施形態と同様に、蒸発部(Ｂ)には本管１ａより分岐管１
ｂが形成されている。この冷媒管１では本管１ａの径が
凝縮部に近い側で大きく、遠い側で小さい。また、分岐
管１ｂはその長さが凝縮部に近い側で短くし、遠い側で
長く形成している。

【００６４】本実施形態の構成によると、凝縮した冷媒
が本管１ａを下降して分岐管１ｂ内へ流れ込むと、蒸発
部上部での分岐管１ｂでは長さが短いため、一定量流れ
込んで残りはあふれて下方へ流れ出す。故に、分岐管１
ｂに流れ込んで滞留する冷媒の量は蒸発部上部になるほ
ど少なくなる。

【００６５】本実施形態のヒートパイプでは蒸発部下部
で冷媒が不足することがなく、また蒸発部上部にも冷媒
が存在する。故に、従来では起動時や入力熱量が比較的
小さなときなどでも冷媒動作の定常状態を簡単に得るこ
とができ、良好な熱輸送効率が得られる。また、蒸発部
における冷媒管パターンを無駄のないレイアウトとする
ことができるので、ヒートパイプを小型化しても蒸発部
における冷媒管長さを十分にとることができる。

【００６６】次に、本発明の第６実施形態について説明
する。図１１は本実施形態のロールボンドパネルのヒー
トパイプを示しており、図１２は図１１におけるａ−
ａ′線での断面図である。このヒートパイプでは第１実
施形態と同様に、膨管路(冷媒管)１の本管１ａから先端
の閉じた分岐管１ｂが形成されており、膨管路１の内壁
の一部に表面が溝加工されたシート５が接着されてい
る。該ロールボンドパネルは、例えば、２枚の金属板４
ａ，４ｂのうち一方の金属板４ａに溝加工シート５を接
着してから金属板４ａ，４ｂを貼り合わせ、膨管加工す
る方法によって製造される。

【００６７】この溝加工シート５は金属が熱間圧延を施
す際に変形しない耐熱性のものであり、冷媒に対して腐
食性がないシートであればよい。溝加工シート５の溝の
大きさや接着位置などは、ヒートパイプの大きさ、集熱
能力に応じたものにするとよく、膨管路１内全面に溝加
工シート５を接着することも可能である。尚、ここでは
シート表面に溝を形成したものを用いたが、これに限ら
ず凹凸状であればどのようなものでもよい。

【００６８】本実施形態のヒートパイプでは、膨管路１
内に接着された溝加工シート５によって内壁面が粗くな
るので、液膜となった冷媒は必然と横方向に広がりなが
ら流下するため、冷媒の流下速度が遅いものとなる。故
に、従来では起動時、入力熱量が小さいときや変動時な
ど冷媒が不足していた蒸発部上部においても絶えず冷媒
が存在するので、冷媒動作の定常状態を簡単に得ること
ができ、良好な熱輸送効率が得られる。また、冷媒と内
壁との接着面積が大きくなるので熱交換効率も向上す
る。さらに、溝加工シート５の接着によって冷媒管１の
強度が向上する。

【００６９】次に、本発明の第７実施形態について説明
する。図１３は本実施形態のヒートパイプの凝縮部を示
した図である。この凝縮部では複数の冷媒管１の本管１
ａが一体となっており、その内部には突起部、又は内壁
が上下面で接着した部分６が形成されている。従来、こ
の突起部、又は内壁が上下面で接着した部分は円筒形で
あった(図２０参照)。

【００７０】本実施形態では、この突起部６(又は、内壁
が上下面で接着した部分)が冷媒の流下方向と平行な方
向に向かって細くなっており、図に示すようにひし形に
なっている。尚、内壁の上下面で接着した部分とは、例
えば、２枚の金属板が貼り合わされて膨管加工されるこ
とから形成される接着面のことである。

【００７１】上記構成のヒートパイプによると、突起部
６(又は、内壁が上下面で接着した部分)が冷媒の流下方
向に向かって細くなっているので、凝縮した冷媒はこれ
に沿って流下する。さらに、流下方向と逆の方向に向か
って細くなっているので、気化した冷媒が下方からこれ
に沿って流入する。従って、凝縮部での冷媒の移動が容
易に行われる。

【００７２】突起部６(又は、内壁が上下面で接着した部
分)は、冷媒の移動が潤滑に行われるように冷媒の流下
方向と平行な方向に向かって細くなっていればよく、例
えば三角型や釣り鐘型など、流下方向と該流下方向と逆
方向のいずれか一方が細くてもよいし、本実施形態のよ
うに両方で細くてもよい。

【００７３】本実施形態のヒートパイプでは、蒸発部に
冷媒を還流しやすくして凝縮部での冷媒が残留すること
を極力少なくする。また、蒸発した冷媒が凝縮部内で塞
ぎ止められることがなく、より凝縮部に流入しやすくな
る。よって、冷媒の動作が潤滑になり、良好な熱輸送効
率が得られる。

【００７４】本発明に係る集熱装置ではヒートパイプの
冷媒管に封入される冷媒の量を、常温下、液体で蒸発部
における冷媒管の容積の約２０〜３０％とすることを特
徴とする。常温下、液体での容積とは、冷媒管内に冷媒
を封入するときの環境温度下(約３０℃)での冷媒重量を
液容積に換算した値である。

【００７５】ここで、冷媒封入量と蒸発部に与えられる
熱量の変化が集熱性能にどのような影響を与えるかにつ
いて検討し、最適な封入冷媒量を求めた実験の結果を示
す。ロールボンドパネルは図２０に示すものを用いる。
パネル全長９８３mm×８０７mmで、蒸発部(Ｂ)長さ７８
３mm、凝縮部(Ａ)長さ１００mmであり、また蒸発部(Ｂ)
における冷媒管１の容積は１３８ccである。

【００７６】このロールボンドパネルの蒸発部(Ｂ)及び
凝縮部(Ａ)には、アルミ板に銅パイプを装着した加熱パ
ネルをそれぞれ貼り付け、銅パイプ内に定温水を流通さ
せる。このとき、凝縮部側加熱パネルに供給される水の
温度と外気温度は３０℃、蒸発部側加熱パネルに供給さ
れる水の温度は４０℃と６０℃に設定し、凝縮部側加熱
パネルの銅パイプより排出される水の温度を測定する。
封入した冷媒はＨＣＦＣ−１２３であり、封入冷媒量は
０ｇ，２５.７２ｇ，４２.９ｇ，５６.５６ｇ，１０２.
４６ｇ,１４８.０７ｇ(蒸発部容積の０〜約７０％)に変
化させる。

【００７７】集熱量は以下の式によって算出される。Ｑ＝Ｃpw・ρw・(Ｔwo−Ｔwi)・Ｖ／６０このとき、Ｑ：集熱量(W) Ｃpw：水の比熱(J/kg・K) ρw：水の密度(kg/m³) Ｔwo：凝縮部側排水温度(℃) Ｔwi：凝縮部側給水温度(℃) Ｖ：凝縮部側の水流量(L/min) である。

【００７８】図１４は、蒸発部側パネルに供給される水
の温度が４０℃のときの封入冷媒量と集熱量との関係を
示すグラフである。これによると、封入冷媒量が４０ｇ
(蒸発部容積２０％の液量)のときに集熱量が最大とな
り、それより多くなるに従って集熱量は減少する。ま
た、少なすぎても集熱量は小さいことが分かる。

【００７９】図１５は、蒸発部側パネルに供給される水
の温度が４０℃のときのロールボンドパネル表面の温度
分布について示したグラフであり、グラフの上方にはロ
ールボンドパネル中央での温度測定位置を示している。
これによると、冷媒量が少ないときはロールボンドパネ
ルの表面温度は一様になる。また、冷媒量が多いとロー
ルボンドパネル下部で温度上昇がみられる。特に、１０
２ｇ〜１４８ｇの場合については、ロールボンドパネル
下部の温度は冷媒量０ｇ(加熱温度)に等しい温度であ
り、熱輸送がなされていないことが分かる。

【００８０】図１６は、蒸発部側パネルに供給される水
の温度が６０℃のときの封入冷媒量と集熱量の関係を示
すグラフである。これによると、加熱温度が高くなって
も、加熱温度が４０℃のときと傾向は変わっておらず、
集熱量に対する封入冷媒量の影響は顕著にみられない。

【００８１】図１７は、蒸発部側パネルに供給される水
の温度が６０℃のときのロールボンドパネル表面の温度
分布について示したグラフである。加熱温度が高くなる
と、冷媒量が少ない(２５.７２ｇ)場合はロールボンド
パネル下部の温度が急上昇し、また冷媒量が多い場合は
ロールボンドパネルの表面温度がほぼ一様になることが
認められる。

【００８２】上記の結果から、封入冷媒量は多すぎても
少なすぎても適切でなく、最適な封入冷媒量において集
熱性能は最大となることが認められる。ここでは、封入
冷媒量が約４０ｇ(蒸発部容積２０％の液量)のときに集
熱量は最大となった。封入冷媒量が約４０ｇよりも多い
場合は、加熱温度が低いとき(４０℃)にロールボンドパ
ネル下部の温度が高く、加熱温度の上昇に伴ってロール
ボンドパネル温度は均一な温度分布となっており、ロー
ルボンドパネル下部では液体の冷媒が滞留していると考
えられる。

【００８３】また、封入冷媒量が約４０ｇよりも少ない
場合は、加熱温度が低いとき(４０℃)にロールボンドパ
ネル温度は均一な温度分布であり、加熱温度の上昇に伴
ってロールボンドパネル下部の温度が高くなっており、
ロールボンドパネル下部では冷媒が不足してドライアウ
トしていると考えられる。故に、ロールボンドパネル下
部での液溜まりやドライアウトの少ない約４０ｇ(蒸発
部容積の約２０％)が最適であり、このとき最大の集熱
量が得られる。

【００８４】次に、ヒートパイプの封入冷媒量が約６０
ｇ(蒸発部容積の約３０％)の集熱装置を用いて、フィー
ルド実験によりその集熱性能評価を行った。ここでは、
図２４に示す集熱装置を利用している。図１８はこの集
熱装置の集熱効率線図である。この図によると、破線で
示す従来型(封入冷媒量が蒸発部容積の約５０％)に比べ
て、集熱効率が１５％強向上することが認められる。
尚、ここで封入される冷媒の種類は限定されず、純粋、
メタノール・アセトンなどの有機溶媒、フロンなど従来
使用されているいかなる冷媒を使用してもよい。

【００８５】本発明の集熱装置では冷媒が最適な量だけ
封入されているので、蒸発部下部の液溜まりや液不足
(ドライアウト)が極力抑えられ、冷媒の動作が潤滑にな
り、良好な熱輸送効率が得られることから、集熱効率も
向上する。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１から請求
項３のヒートパイプでは、凝縮した冷媒は各分岐管に流
れ込んで滞留部で滞留し、そこで蒸発、凝縮を行う。故
に、従来では起動時、入力熱量が小さいときや変動時な
ど冷媒が不足していた蒸発部上部においても絶えず冷媒
が存在するので、冷媒動作の定常状態を簡単に得ること
ができ、良好な熱輸送効率が得られる。また、蒸発部に
おける冷媒管パターンを無駄のないレイアウトとするこ
とができるので、ヒートパイプを小型化しても蒸発部に
おける冷媒管長さを十分にとることができる。

【００８７】請求項４のヒートパイプでは、凝縮した冷
媒は本管や分岐管の凸部で滞留し、そこで蒸発、凝縮を
行う。故に、従来では起動時、入力熱量が小さいときや
変動時など冷媒が不足していた蒸発部上部においても絶
えず冷媒が存在するので、冷媒動作の定常状態を簡単に
得ることができ、良好な熱輸送効率が得られる。

【００８８】請求項５から請求項７のヒートパイプで
は、蒸発部下部でのヒートパイプの容積が小さいことか
ら、冷媒の液面がより上方に位置することができる。ま
た、蒸発部上部ではヒートパイプの容積が大きいことか
ら内壁の表面積も大きく、液膜となった冷媒は必然と横
方向に広がりながら流下するため、冷媒の流下速度が遅
いものとなる。

【００８９】故に、従来では起動時、入力熱量が小さい
ときや変動時など冷媒が不足していた蒸発部上部におい
ても絶えず冷媒が存在するので、冷媒動作の定常状態を
簡単に得ることができ、良好な熱輸送効率が得られる。
また、冷媒と内壁との接触面積が大きくなるので熱交換
効率も向上する。

【００９０】請求項８のヒートパイプでは、ヒートパイ
プ内に接着された凹凸状のシートによって内壁面が粗く
なるので、液膜となった冷媒は必然と横方向に広がりな
がら流下するため、冷媒の流下速度が遅いものとなる。
故に、従来では起動時、入力熱量が小さいときや変動時
など冷媒が不足していた蒸発部上部においても絶えず冷
媒が存在するので、冷媒動作の定常状態を簡単に得るこ
とができ、良好な熱輸送効率が得られる。また、冷媒と
内壁との接触面積が大きくなるので熱交換効率も向上す
る。さらに、シートの接着によって冷媒管の強度が向上
する。

【００９１】請求項９のヒートパイプでは、蒸発部に冷
媒を還流しやすくして凝縮部での冷媒が残留することを
極力少なくする。また、蒸発した冷媒が凝縮部内で塞ぎ
止められることがなく、より凝縮部に流入しやすくな
る。よって、冷媒の動作が潤滑になり、良好な熱輸送効
率が得られる。

【００９２】請求項１０の集熱装置では、冷媒が最適な
量だけ封入されているので、蒸発部下部の液溜まりや液
不足(ドライアウト)が極力抑えられ、冷媒の動作が潤滑
になり、良好な熱輸送効率が得られることから、集熱効
率も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態のヒートパイプの冷媒管パターン
を示した平面図。

【図２】第１実施形態の他の例のヒートパイプの冷媒管
パターンを示した平面図。

【図３】第２実施形態のヒートパイプの冷媒管パターン
を示した平面図。

【図４】第２実施形態の他の例のヒートパイプの冷媒管
パターンを示した平面図。

【図５】第２実施形態のさらに他の例のヒートパイプの
冷媒管パターンを示した平面図。

【図６】第２実施形態のさらに他の例のヒートパイプの
冷媒管パターンを示した平面図。

【図７】第３実施形態のヒートパイプの一部冷媒管パタ
ーンを示した平面図。

【図８】第４実施形態のヒートパイプの冷媒管パターン
を示した平面図。

【図９】第４実施形態に関連した例のヒートパイプの冷
媒管パターンを示した平面図。

【図１０】第５実施形態のヒートパイプの一部冷媒管パ
ターンを示した平面図。

【図１１】第６実施形態のヒートパイプの一部冷媒管パ
ターンを示した平面図。

【図１２】図１１におけるａ−ａ′線での断面図。

【図１３】第７実施形態のヒートパイプの一部冷媒管パ
ターンを示した平面図。

【図１４】蒸発部加熱温度が４０℃のとき、集熱装置の
冷媒封入量に対する集熱量の変化を示したグラフ。

【図１５】蒸発部加熱温度が４０℃のとき、パネル表面
の温度分布を示したグラフ。

【図１６】蒸発部加熱温度が６０℃のとき、集熱装置の
冷媒封入量に対する集熱量の変化を示したグラフ。

【図１７】蒸発部加熱温度が６０℃のとき、パネル表面
の温度分布を示したグラフ。

【図１８】集熱装置の封入冷媒量が３０％のときの集熱
効率線図。

【図１９】従来の集熱装置の斜視図。

【図２０】従来の集熱装置のパネル表面の温度分布を示
したグラフ。

【図２１】従来のヒートパイプの冷媒管パターンを示し
た平面図。

【図２２】ヒートパイプの蒸発部における表面温度測定
位置を示した平面図。

【図２３】従来の集熱装置において、加熱温度ごとのパ
ネル表面の温度分布を示したグラフ。

【図２４】従来の太陽熱集熱装置の斜視図。

【図２５】従来の太陽熱集熱装置の分解斜視図。

【図２６】従来のロールボンドパネルのみ型集熱装置と
ハイブリッドパネル型集熱装置のパネル表面の温度分布
を示したグラフ。

【図２７】従来のロールボンドパネルのみ型集熱装置と
ハイブリッドパネル型集熱装置の集熱効率線図。

【符号の説明】

１冷媒管１ａ本管１ｂ分岐管１ｃ滞留部２冷媒注入口３凸部４ａ金属板４ｂ金属板５溝加工シート６突起部(又は、内壁の上下面での接着部分) １０ヒートパイプ１１断熱材１２集熱タンク１３エバ樹脂１４太陽電池セル１５ガラス板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部から熱が与えられる蒸発部と外部へ
熱を放出する凝縮部から成るパネルであり、内部に冷媒
が封入された冷媒管が前記凝縮部と蒸発部に跨って形成
されており、前記凝縮部よりも前記蒸発部の方が低くな
るように傾斜して設置されるヒートパイプにおいて、前記蒸発部では前記冷媒管の本管から分岐する分岐管が
形成されており、該分岐管の先端では冷媒の滞留部が設
けられていることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】前記滞留部は前記分岐管の先端が閉じて
成ることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】前記冷媒管は複数設けられており、前記
分岐管は隣接する本管の分岐管と連通して前記滞留部を
共用することを特徴とする請求項１に記載のヒートパイ
プ。
【請求項４】前記蒸発部では前記本管又は前記分岐管
の少なくともいずれか一方の内壁に凸部を設けることを
特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒ
ートパイプ。
【請求項５】外部から熱が与えられる蒸発部と外部へ
熱を放出する凝縮部から成るパネルであり、内部に冷媒
が封入された冷媒管が前記凝縮部と蒸発部に跨って形成
されていて、前記凝縮部よりも前記蒸発部の方が低くな
るように傾斜して設置されるヒートパイプにおいて、前記蒸発部の前記凝縮部に近い側では前記凝縮部に遠い
側よりも前記冷媒管の容積を大きくしたことを特徴とす
るヒートパイプ。
【請求項６】前記本管の前記蒸発部における前記凝縮
部に近い側では前記凝縮部に遠い側よりも前記分岐管を
密に形成したことを特徴とする請求項１に記載のヒート
パイプ。
【請求項７】前記蒸発部の前記凝縮部に近い側では前
記凝縮部に遠い側よりも前記本管の断面積を大きくし、
かつ前記分岐管の長さを短くしたことを特徴とする請求
項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒートパイプ。
【請求項８】外部から熱が与えられる蒸発部と外部へ
熱を放出する凝縮部から成るパネルであり、内部に冷媒
が封入された冷媒管が前記凝縮部と蒸発部に跨って形成
されていて、前記凝縮部よりも前記蒸発部の方が低くな
るように傾斜して設置されるヒートパイプにおいて、前記冷媒管の内壁の少なくとも一部に表面が凹凸状のシ
ートを接着したことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項９】外部から熱が与えられる蒸発部と外部へ
熱を放出する凝縮部から成るパネルであり、内部に冷媒
が封入された冷媒管が前記凝縮部と蒸発部に跨って形成
されていて、前記凝縮部よりも前記蒸発部の方が低くな
るように傾斜して設置されるヒートパイプにおいて、前記凝縮部の前記冷媒管内にある突起部又は内壁が上下
面で接着した部分は、該流下方向と平行な方向に向かっ
て細くなっていることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項１０】外部から熱が与えられる蒸発部と外部
へ熱を放出する凝縮部から成るパネルであり、内部に冷
媒が封入された冷媒管が前記凝縮部と蒸発部に跨って形
成されていて、前記凝縮部よりも前記蒸発部の方が低く
なるように傾斜して設置されるヒートパイプと、前記ヒ
ートパイプの前記蒸発部に設置された太陽電池と、前記
ヒートパイプの前記凝縮部に設置された熱回収手段とを
備えた集熱装置において、前記冷媒管に封入される冷媒の量は、常温下、液体で前
記蒸発部における前記冷媒管の容積の約２０〜３０％で
あることを特徴とする集熱装置。