JPS6314087A - ヒ−トパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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った長距離熱輸
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３５
６１５２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
いという問題があった。したがって、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ィックで仕切り、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、もっ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訂し、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１図に示す実施例を用いて本発明の詳細な説明する
。

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０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０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ＮａＣＱ
Ｃ食塩）。

水とＣ工ｚＨｚｚＯｔｔ　（蔗糖）、水とアルカリ金属
のホウ酸塩（例えば、ＮａＢＯｚ）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（Ｗｍ　Ｚ　ｎ　０２
ｎ−ｓ　ＨｘＯ；　ＷはＮａ、ＣＲ。

Ｋ、ＺはＳｉ＋Ａｕ）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１０〜５０人）の焼結体を用いると、はとんど全
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１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、ウィック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。この蒸気は混綿冷却部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／■２となるため、従来の
ウィック型ヒートパイプ（駆動圧は約０．００２　ｋｇ
、／ａｎ”）では不可能な５０！ｎの落差のあるトップ
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、単管型となって
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ったが、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筒が不用であること、
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ＩＩＩＩＩ＋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
３ａｌｌ、長さが２０１の浸透膜３′を円筒形に束ねた
場合に、総裏面精が約１０００ｃｎ”となる、このため
、各々の中空状浸透膜３′内を流れる疏速は非常に低速
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。

浸透してきた溶媒は、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
にゆっ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、１０〜５０人と非常に小さな
穴を有した構成となっており、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　、５　ｋｇ　／
　ｃｘａ　２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。従来のウィッ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／ｃｎｚ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表は従来のウィック型で、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　、１　＋ｍ　、　　長さ３０ｄｌ）。

第　　１　　表 同表で、Ｎ（１１は比較のための標準径のヒートパイプ
（外径４．７＋ｍ＋）、Ｎ１１２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１００メツシユの金網ウィックが封入されてい
る。第４図（ａ）、（ｂ）は、前記Ｎｃｌ、Ｎｎ２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、従来のウィッ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．
１閣の場合は、ウィッ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１重力に逆って
凝縮液を供給するトップヒートモードでのウィック型の
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５−で
長さ１ｍに相当するものとした。

第　　　２　　　表 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、従来のウィック型あ
るいはループ型で凝縮液通路出入口端にウィックを設け
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５Ｉで２００Ｗの熱輸送距離を比較したの
が第３表である。

第　　　３　　　表 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１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１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１
７で凝縮され、中空状浸透膜３′の外部から凝縮液は浸
透し、内部を通って混合液通路１４に供給されるように
なっている。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漬剤で固定され、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、多数のフラットパ
ッ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、フラットパッケージ
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、
ウィック６で塞ぐ構造とした、さらに、ウィック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２ｏ
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の近傍とウィッ
ク６に設けられた開口部を結ぶ還流用のウィック通路２
２により蒸発部であるウィック６に戻されるようになっ
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。還流用のウィック通路２２′は、溶媒５
側と蒸発側ウィック６を連結した構造となっている。す
なわち、浸透膜隔壁３の上流側とウィック６に開口部を
設け、これら開口部を前記ウィック通路２２′で結んだ
構造となっている。

本実施例１．゛４造においては、混合液４と溶媒５の濃
度差の大きい、通常の使用時にはｉｇ縮液は主として凝
縮液通路１を通っ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。

還流用のウィック通路２２′を通り、濃度の高くなった
溶媒５が蒸発側ウィック６に還流されるとともに、凝縮
液により希釈されるため一混合液４と溶媒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雇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１本発
明のヒートパイプは、従来のウィッ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１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
出口端をウィックで仕切り。

かつ前記浸透［／ｉ！ｉｔ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、したがっ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、　ＶＣ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図は本発明に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）はウィッ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・・・ウィック、２０・・・ガイドベー
ン、２１・・・せき止め板、２２．２２’　・・・ウィ
ック通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。 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。 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。 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。