(57)【要約】【課題】冷媒循環型の冷却装置の熱交換効率を向上させ、受熱部と冷却部の上下逆転を可能にする。【解決手段】管１ａ〜１ｄ内により形成された密封空間内に冷媒が封入されており、上下方向の管のうち、管径の小さな管１ａの端部が熱源２と熱交換可能に近接する受熱空間を形成している。管１ａには、水平方向の管１ｃと連通する小孔４が設けられており、この小孔４の径は、熱源２からの熱量により受熱空間において冷媒中に発生した蒸気を選別し、水平方向の管１ｃを介して、上下方向の管１ｂに噴出させる。水平方向の管１ｄ、上下方向の管１ｂのうち、低温領域２と熱伝達可能に接触する部分が冷却空間を形成し、水平方向の管１ｄを介して、凝縮した冷媒を管１ａに還流させ、小孔４に常時循環供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒を封入した密封空間と、
この密封空間内に区画された、熱源と熱交換可能に近接する受熱空間及び低温領域と熱交換可能に接触する冷却空間と、
前記受熱空間と前記冷却空間とを連通する開口とを備え、
前記開口の径あるいは幅と、前記受熱空間の幅及び長さを選定することで、熱源からの熱量により前記受熱空間において冷媒中に発生した蒸気を前記開口から前記冷却空間に噴出させるとともに、前記冷却空間で凝縮した冷媒を前記受熱空間に還流させ、前記開口に常時循環供給するようにしたことを特徴とする冷媒循環型の冷却装置。
【請求項２】
前記受熱空間が、小孔を備えた一本の管、あるいは複数の管を組み合わせることにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載された冷媒循環型の冷却装置。
【請求項３】
前記密封空間が、上下方向に延びる２本の管と、水平方向に延びる２本を互いに接合することにより構成され、上下方向に延びる２本の管のうち、管径の小さな管の端部を前記受熱空間とし、管径の大きな管の内部空間を前記冷却空間としたことを特徴する請求項２に記載された冷媒循環型の冷却装置。
【請求項４】
前記密封空間の内部のうち、熱源に近接する部分に、前記開口を備えた細管を配置することにより受熱空間を形成し、その他の空間を冷却空間としたことを特徴する請求項２に記載された冷媒循環型の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばヒートパイプのように、密閉空間内に冷媒を封入し、熱源周辺の内壁で冷媒を加熱・気化させ、低温部周辺の内壁で冷却・凝縮させ、これを再度熱源周辺の内壁に供給することで、熱源の冷却を行う冷媒循環型の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプに代表される冷媒循環型の冷却装置においては、密閉空間の内部においては、熱源周辺の内壁との接触で冷媒が加熱・気化し、気化したガスが低温部周辺の内壁で冷却・凝縮され、再度液状化した冷媒を毛細管現象を利用して熱源に循環させている。
【０００３】
特許文献１には、パイプ内に、液相の作動流体が熱源から受熱して沸騰、蒸発する沸騰部と、気相の作動流体が潜熱を奪われて凝縮する凝縮部からなる密閉空間を形成し、このパイプの内圧や内部温度が一方値に達したときに、パイプ内のガスを排出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−００３１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特に熱源が高温に達する場合、熱源との接触部において密閉空間内の冷媒が急激に気化して、大量の気泡が発生する。この気泡が熱源周辺の内壁に付着した状態で蓄積すると、断熱層を形成し、新たな液相冷媒が内壁に接触するのを妨げ、冷却効率の悪化を招いてしまう。
したがって、こうした冷媒循環型の冷却装置においては、熱源周辺の内部空間内に停留する気泡をスムースに冷媒流とともに低温部に移送させることが有効である。
【０００６】
一方、発明者らは、特願２０１７−２１７１４５号において、自ら開発した精密加工技術を活用し、生理的食塩水が充填される管状電極に、切開進行方向に向けて微細な小孔を形成する技術を提案した。小孔の径を厳密に制御することにより、組織切開時における管状電極の発熱によって生理的食塩水の蒸気圧が所定の圧力を超えたときのみ、小孔から組織に向けて生理的食塩水を吐出させ、管状電極を所定温度以下に冷却することが可能となった。
【０００７】
ここで、この小孔は、管内圧力が所定の圧力以下の場合は穴周辺の表面と生理食塩水との表面張力や摩擦力などによって吐出が制限される。一方、温度上昇に伴う生理食塩水の膨張で管内圧が上昇、所定の圧力以上になることで、表面張力や摩擦力などの抗力を打ち破ったときのみ、生理的食塩水が最適量吐出されるよう定められている。
さらに生理食塩水の温度が上昇すると、蒸発が発生し、これに伴い体積の増加に伴い管内圧も増加するとともに、発生した蒸気周辺の表面張力、摩擦力も急激に低下する。
したがって、管内の液体の濡れ性や粘性などに応じて、小孔の径を選定すれば、液体内に発生した蒸気のみを吐出させ、気液を分離することができる。
【０００８】
この原理を利用すれば、冷媒循環型の冷却装置において、液相冷媒を吸熱部分で気化させることで大量の熱を吸収させ、発生した蒸気のみを分離し、この部分に液相の冷媒を循環供給させれば冷却効率を大きく向上させることができる。
また、ヒートパイプに代表される冷媒循環型の冷却装置においては、受熱部で気化した冷媒を冷却部で凝縮した後、重力で受熱部に還流させるようにすることが冷却効率上好ましく、受熱部を上方、冷却部を下方に配置すると冷却効率の悪化を招いてしまう。
そこで、本発明の目的は、特別な機構を要することなく、熱源周辺の内部空間内に停留する気泡をスムースに冷媒流とともに低温部に移送させ、冷媒循環型の冷却装置の熱交換効率を高めるとともに、受熱部と冷却部を上下に逆転させても、冷媒流の循環を可能として、冷却効率の悪化を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するため、本発明による冷媒循環型の冷却装置は、内部に冷媒を封入した密封空間と、この密封空間内に区画された、熱源と熱交換可能に近接する受熱空間及び低温領域と熱交換可能に接触する冷却空間と、受熱空間と冷却空間とを連通する開口とを備え、開口の径あるいは幅と、前記受熱空間の幅及び長さを選定することで、熱源からの熱量により受熱空間において冷媒中に発生した蒸気を開口から冷却空間に還流させるとともに、冷却空間で凝縮した冷媒を受熱空間に還流させ、開口に常時循環供給するようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、径が選定された小孔から、熱源からの熱量により受熱空間で発生した冷媒中蒸気を冷却空間に噴出させるとともに、冷却空間で凝縮した冷媒を受熱空間に圧送することができるので、液相の冷媒が小孔に常時循環供給され、熱交換効率を向上させるとともに、受熱部と冷却部を上下に逆転させても、冷媒流を循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明に基づく実施例の全体構造を示す図である。
【図２】図２は、本発明に基づく実施例を上下逆転させて使用する場合を示す図である。
【図３】図３は、区画壁により受熱空間を形成した変形例を示す図である。
【図４】図４は、図３の変形例を上下逆転させて使用する場合を示す図である。
【図５】図５は、密封空間を断面８の字状にした例を示す図である。
【図６】図６は、図５の変形例を上下逆転させて使用する場合を示す図である。
【図７】図７は、密封空間を断面Ｔの字状にした例を示す図である。
【図８】図８は、図７の変形例を上下逆転させて使用する場合を示す図である。
【図９】図９は、密封空間内部の隔壁により、底部に凝縮した冷媒を貯留し、細管に循環させる例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施例は、図１に示すように、上面に冷却対象の熱源を接触させ、下面で冷却を行うトップヒート形式の冷却装置に適用したものである。
垂直方向左右に配置された２本の管１ａ、１ｂと、それらの上端と下端に接続される水平方向の管１ｃ、１ｄは、互いに気密に接合されることで、長方形の辺に沿うような形態の密閉空間を形成している。これが本実施例における冷却素子の１ユニットを形成し、図において、垂直方向左側の管１ａの上面部に冷却対象の熱源２が、そして、水平方向上側の管１ｃの上面が、それぞれ熱伝達可能に近接している。この実施例では、垂直方向左側の管１ａの上方部が受熱空間、水平方向の管１ｃおよび垂直方向右側の管１ｂのうち、低温領域３と熱伝達可能に接触している部分が冷却空間を構成する。
【００１３】
垂直方向左側の管１ａの上端と水平方向上側の管１ｃの左端、そして、垂直方向右側の管１ｂの上端と水平方向上側の管１ｃの右端とは、それぞれ開口としての小孔４、小孔５を介して連通している。また、水平方向下側の管１ｄには、図において右方の圧力が上昇したときのみ左方に圧力を放出する逆止弁６が設けられている。
【００１４】
熱源２が常温で冷却装置稼働前では、冷媒(本実施例では水)は、垂直方向左側の管１ａ、水平方向下側の管１ｄ、垂直方向右側の管１ｂに充填されており、表面張力により、内径(以下、「管径」という。)の小さい垂直方向左側の管１ａは、ほぼ上端まで冷媒が充填され管径の大きい垂直方向右側の管１ｂの水位より高くなっている。なお、本実施例では、冷却装置稼働前では、水平方向上側の管１ｃと、垂直方向右側の管１ｂの上方部は真空状態としている。
このとき、液面の上昇高さｈは、以下の式で与えられる。
ｈ＝２Ｔ・ｃｏｓθ／ρｇｒ
ただし、Ｔは表面張力、θは接触角、ρは冷媒密度、ｇは重力加速度、ｒは管径である。
なお、垂直方向左側の管１ａと垂直方向右側の管１ｂの管径は10μm-100mmの範囲で、管１ａの管径＜管１ｂの管径、且つ上式に基づく液面上昇の高さの差を満たすよう選定されており、水平方向上側の管１ｃと、水平方向下側の管１ｄの管径は任意に選定可能である。
【００１５】
この状態で、熱源２の温度が上昇し冷却装置を稼働させると、熱源２に接触する垂直方向左側の管１ａの上面部で冷媒温度の急上昇に伴い、冷媒が気化して大量の熱を吸収する。これに伴って突沸が発生し、垂直方向左側の管１ａ内において、小孔４周辺の内部圧力が断続的に急上昇する。このように、本実施例では、垂直方向左側の管１ａ上方部の空間が受熱空間を構成する。
内部圧力の急上昇に伴い、冷媒は細管１ａ内部を介して１ｄ側、もしくは小孔４を介して空間１ｃ側に移動しようとする。本発明では主に細管１ａ及び小孔４に関して、内径、長さ、冷媒と管内面との摩擦、表面張力、冷媒の慣性力などを調整することで、冷媒の多くが小孔４を通過して水平方向上側の菅１ｃ内に噴出するように、小孔４の直径などが設定されている。
【００１６】
ここで、熱源加熱による蒸発に伴って冷媒の体積が膨張する際、細管内、小孔内それぞれの膨張に抗する摩擦による圧力損失はダルシーワイズバッハの式より、
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ただし、ｆは管摩擦係数、Ｌは配管長さ(m)、Ｄは管径(m)、Ｖは管内流速(m/s)、ρは 流体の密度(kg/m3)である。
管内径0.1mm、長さ20mmの細管にあけられた小孔４の直径を0.02mm、管厚さ0.05mmとし、流体密度、管摩擦係数、管内流速を一定と仮定すると、細管内面と冷媒の摩擦による圧力損失は、小孔の内面と冷媒の摩擦による圧力損失の80倍となる。つまり、小孔４周辺の圧力上昇は主に小孔４を介して解放されようとする。
さらに流体が水で密度可変とすると、管径の小さい管１ａ内のほとんどが水で満たされている状態で、密度比が約1700分の1の蒸気が小孔４の周辺に発生すると、両者の圧力損失の差の飛躍的な拡大に伴い、発生した蒸気は、垂直方向左側の管１ａ内に滞留することなく小孔４から排出されることになる。
【００１７】
小孔４から噴出した冷媒蒸気は、真空状態であった水平方向上側の管１ｃを冷媒の蒸気圧で満たした後、小孔５を通過して垂直方向右側の管１ｂ内に進入する。水平方向上側の管１ｃと垂直方向右側の管１ｂは、低温領域３と熱伝達可能に接触していることから、冷媒蒸気は、水平方向下側の管１ｄとの接続部に向けて、低温領域３により徐々に凝縮しながら下降することになる。本実施例では、低温領域３と接触する、水平方向上側の管１ｃの一部と、垂直方向右側の管１ｂの内部空間が冷却空間を構成する。
水平方向下側の管１ｄでは、垂直方向右側の管１ｂ内は、冷媒蒸気の進入に伴い、内部圧力が上昇し、凝縮した冷媒は、逆止弁６を介して垂直方向左側の管１ｂとの接続部側に排出され、再度垂直方向左側の管１ａに還流し、小さな管径による表面張力の作用も加わり、気化した冷媒を補填し、上述の作動を繰り返すことになる。
【００１８】
小孔４の直径は、冷媒の物性(粘性、表面張力等)や、冷却装置の用途、仕様により異なるが、1-1000μmの範囲で選定され、発明者らが開発した超精密加工により穴開け加工を行うことで上述の作用を実現することが可能となる。なお、実施例では、蒸気により効率的に熱を拡散させるため、小孔４を上下２段に設けているが、小孔４の個数、配置は任意に選定することができる。さらに、細管１ａの上部表面に、例えば螺旋状の開口を形成し、冷媒蒸気をこの開口から水平方向上側の管１ｃに噴出させるようにしてもよい。開口を長くしても、開口幅が上記の条件を満たせば、冷媒蒸気を選択的に排出することができる。小孔と比較して、開口幅/表面積を大きくすることができるので、冷媒蒸気の排出効率を向上できる場合がある。
また、垂直方向右側の管１ｂへの小孔５は、冷媒の循環を促進する作用を奏するが、必ずしも管径を厳密に設定する必要はなく、冷媒の材質や、冷却装置の用途、仕様によっては、水平方向上側の管１ｃと垂直方向右側の管１ｂを直結させてもよい。
また、熱源２に隣接している垂直方向左側の管１ａの内部において、管内の冷媒の慣性、管内壁との流体抵抗が小孔４のそれを無視できるほど大きい場合、必ずしも逆止弁６を設ける必要はない。
【００１９】
図２は、冷却装置の上下を反転させ、底面に冷却対象の熱源２を接触させ、上面で冷却を行うボトムヒート形式の冷却装置に適用した場合を示すものである。
この場合、垂直方向右側に位置することになる管１ａの下方部が受熱空間、垂直方向左側に位置することになる管１ｂ、水平方向上方に位置することになる管１ｄのうち、低温領域３と熱伝達可能に接触している部分が冷却空間を構成する。
この状態で、熱源２の温度が上昇し冷却装置を稼働させると、熱源２に接触する垂直方向左側に位置する管１ａにおいて、底面部で冷媒温度の急上昇に伴い突沸が発生し、冷媒の蒸気により、小孔４周辺の内部圧力が断続的に急上昇する。
【００２０】
この内部圧力の急上昇に伴い、蒸気の多くが小孔４を通過して水平方向下側に位置する菅１ｃ内に噴出するように設定されている。
小孔４から噴出した冷媒蒸気は、真空状態であった水平方向下側に位置する管１ｃを冷媒の蒸気圧で満たし、小孔５を通過して垂直方向左側に位置する管１ｂ内に進入し、水平方向上側に位置する管１ｄとの接続部に向けて上昇することになる。なお、小孔５の直径を厳密に制御することで、管１ｃから管１ｂへの蒸気の移動を実現しつつ、逆方向からの液体冷媒の侵入を防ぐことができる。
【００２１】
垂直方向左側に位置する管１ｂと、水平方向上側に位置する管１ｄの周辺に、低温領域３に熱伝達可能に接触させれば、冷媒蒸気は順次凝縮され、水平方向下側に位置する管１ｃからの管内圧力上昇により、逆止弁６を介して、垂直方向右側に位置する管１ａとの接続部側に排出され、再度垂直方向右側の管１ａに還流し、上述の作動を繰り返すことになる。
なお、垂直方向右側に位置する管１ａにおいて、冷媒の水位が常時冷媒の供給口である管１ａの上側開口(管１ｄとの境界)よりも高く維持されるようにすれば、冷媒の循環を実現することができる。
【００２２】
また、以上の実施例では、４本の管を組み合わせることで冷却素子の１ユニットを形成したが、図３に示すように、円筒等の密閉空間の内部に冷媒を充填し、その上面のうち、熱源２と熱伝達可能に接触する範囲のみ第１区画壁７により細管状に区画して受熱空間とする。そして、密閉空間のうち、低温領域３と熱伝達可能に接触する他の空間を冷却空間とし、第１区画壁７の上部に、この冷却空間に向けて小孔４を形成してもよい。
図４に示すように、この変形例の上下を逆転させた場合でも、図２と同様の原理で冷媒を循環させることができる。
なお、小孔４から吐出された蒸気気泡が細管状に区画された部分を伝って出口部へ移動することを防ぐために、図４には、小孔４の上方に水平方向に延びる第２区画壁８、細管出口付近に細管軸方向平行に延びる第３区画壁９が設けられているが、小孔４の周辺に気泡が定常的に存在しなければ、第１区画壁７の高さは必要最小限でよい。
【００２３】
以上の実施例では、１ユニットの冷却素子で説明したが、複数ユニットの冷却素子を集積化してもよい。
図５は、密封空間を断面８の字状とし、その底面中央部を熱源との接触部とし、その周辺に、部分拡大図に示すように、それぞれ直径が厳密に調整された小孔４を下部に備えた細管１０の束を設けた例である。この場合、各細管１０の底面部側が受熱空間を形成し、底面以外に低温領域と熱交換を行う冷却フィン１１を設けた他の部分が冷却空間を形成する。
このように構成することで、ることで、図５の状態でも、図６のように直立しても、冷媒が冷媒の供給口である細管１０の出口(を常時覆うよう、冷媒の量を設定すればよい。
なお、この例では、細管１０の束を上下方向に覆い、細管１０の出口に冷媒蒸気が付着するのを防止する隔壁１２が設けられている。
【００２４】
さらに、図７のように、密閉空間を、断面Ｔの字として、その上面の熱源接触部周辺に、それぞれ直径が厳密に調整された小孔を下部に備えた細管１０)の束を設け、その他の面に低温領域と熱交換を行う冷却フィン１１を設けることで、図８のように反転させても、冷却装置として機能することが可能となる。なお、この例でも、細管１０の出口に冷媒蒸気が付着するのを防止する隔壁１２が設けられている。
なお、図７の場合は、細管１０の小孔から噴出される冷媒蒸気の圧力上昇と、細管１０内の表面張力により、液相の冷媒が熱源２に向けて上方に供給されることになる。
さらに、隔壁１２の形状を工夫することで、図８の状態では、落下してくる凝縮冷媒を効率的に受け、隔壁１２０内の冷媒液面をなるべく高くすることで細管１０の出口へ継続した冷媒の供給や、水圧により冷媒を高速に熱源近くまで供給することができる。
そのほか、熱源の大きさに応じて冷却素子を放射状に結合するなど、さまざまな変形が可能である。
【００２５】
また、冷却素子の向きがある程度限定され、少量冷媒で冷却器を駆動させる場合などでは、図９に示すように、細管１０の長さと位置を調整することで、凝縮した冷媒を隔壁１２の底部に貯留して細管１０に還流させることで、冷媒を循環させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、熱源からの熱量により受熱空間で発生した冷媒中蒸気を冷却空間に噴出させるとともに、冷却空間で凝縮した冷媒を受熱空間に圧送することができるので、熱交換効率を向上させるとともに、受熱部と冷却部を上下に逆転させても、冷媒流を循環させることができるので、上下が逆転する機器、無重力空間を含め、冷却装置として広く採用されることが期待される。
【符号の説明】
【００２７】
１ａ〜１ｄ：管
２：冷却対象の熱源
３：低温領域
４、５：小孔
６：逆止弁
７：第１区画壁
８：第２区画壁
９：第３区画壁
１０：細管
１１：冷却フィン
１２：隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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