(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ状に形成されたループ型細管内に熱輸送用の作動流体を収容し、上記ループ型細管の一部を吸熱部として用い、上記ループ型細管の一部で上記吸熱部以外の部分を放熱部として用いるループ型細管ヒートパイプにおいて、
作動流体として、へリウム、水素、ネオンの中から選ばれた１種または複数種の混合物を用い、
前記作動流体の表面張力をσ、上記作動流体の液状態下における密度をρ１ 、上記作動流体のガス状態下における密度をρV 、重力加速度をｇ、ラプラス定数ＬをＬ＝［σ／｛（ρ１ −ρV ）ｇ｝］0.5 としたとき、前記ループ型細管の内径ｄが、Ｌ＜ｄ＜３Ｌの条件を満たし、
前記細管の吸熱部の熱交換長さをｌ、この吸熱部における細管の内径をｄとした場合、このｌ及びｄは、１５ｄ＜ｌ＜８８２ｄの条件を満たし、
前記細管は、吸熱部において、水平面に対して所定角度以上傾斜して設けられていることを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項２】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
前記ループ型細管は、前記吸熱部と前記放熱部とが管軸方向に交互に到来するように形成されていることを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項３】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
複数の吸熱部を有することを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項４】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
複数の放熱部を有することを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項５】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
前記放熱部の位置が前記吸熱部の位置よりも高いことを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項６】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
前記ループ型細管は、並設された複数のループ型細管を含むことを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項７】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
前記ループ型細管は、複数回巻回されコイル状に形成されたループ型細管を含むことを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【請求項８】
請求項１記載のループ型細管ヒートパイプにおいて、
前記ループ型細管は、前記作動流体の流れ方向を基準にして、一部に断熱壁によって仕切られて往路部分と復路部分とを構成する二重管部が形成されていることを特徴とするループ型細管ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸熱側に設けられた冷凍機によって放熱側に設けられた冷却対象物を冷却するループ型細管ヒートパイプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、超電導材料は、電気抵抗がゼロという顕著な特性を持っており、この特性を電力機器などに応用することにより、電力機器の省エネルギ化が期待されている。
【０００３】
ところで、超電導材料を使用するには何らかの手段で超電導材料を臨界温度以下に冷却する必要がある。この冷却手段としては、一般に超電導材料を液体ヘリウムや液体窒素等の極低温液体中に浸漬して冷却する方式が採用されている。しかし、このような浸漬冷却方式では扱い難い液体ヘリウムや液体窒素を直接取扱う必要があるので運転コストの上昇を免れ得ない。
【０００４】
そこで最近では、冷凍機の冷却ステージと超電導材料とを熱伝導部材で熱的に接続して超電導材料を冷却する冷凍機直結冷却方式も考えられている。
しかし、電力用超電導機器では、大電流を流すこと、商用周波数の交流を使用することなどから、直流超電導機器に比べて大量の熱が発生する。また、電力用超電導機器では、大型化や耐電圧の問題などから、冷凍機と被冷却物の距離を十分に離す必要が生じている。このため、大量の熱を長距離に亙って運ぶ必要が生じ、これは冷凍機と被冷却物との間に大きな温度差がつくことになり、システムの効率を著しく低下させる。
【０００５】
そこで、長距離に亙って少ない温度差で熱を伝える長距離熱輸送素子の開発が必要となっている。このような素子のうち、期待されているものとして、ヒートパイプやドリームパイプ等の流体の動きを利用して能動的に熱を運ぶものを挙げることができる。これらの中でも特にループ型細管ヒートパイプは、格別な流体駆動源を必要としないので簡便性に富んでいること、全体を柔軟構造にすることができるので設置自由度に富んでいることなどの優れた面を備えている。
【０００６】
図１８には従来のループ型細管ヒートパイプ１が示されている。
ループ型細管ヒートパイプ１は、たとえば細い銅管などでループ状に形成された細管２の中に作動流体を封入したものとなっている。
【０００７】
そして、実際にヒートパイプとして用いるときには、細管２の一部を吸熱部３として吸熱対象であるたとえば被冷却物に熱的に接続し、また細管２の他の一部を放熱部４として放熱対象であるたとえば冷却源に熱的に接続する。これらの接続には良熱伝導材で形成されたブロックなどを用いる場合が多い。
【０００８】
吸熱部３から侵入した熱によって、吸熱領域に存在している作動流体が加熱されると、この作動流体内で気泡が発生する。このとき、この気泡が周辺の液体を押し退ける。この押し退ける力は吸熱部３を境にしてループの両側方向に働くが、構成の微妙なアンバランス等によって、一方向への力が強くなる。この結果、液体の一方向への流れの成分が増してループ内を作動流体が循環移動する。この循環する作動流体が吸熱部３と放熱部４との間の熱交換に寄与して熱輸送が行われる。特に、吸熱部３で蒸発したガスが放熱部４で凝縮することによる蒸発潜熱を利用できるので、多量の熱を運ぶことができる。このため、同じ断面積の銅材を熱伝導素子として用いた場合の10〜100 倍以上の熱を伝えることができる。
【０００９】
しかしながら、このように優れた特性を有しているループ型細管ヒートパイプにあっても、その一方では細管２の寸法が動作条件を外れると作動しなくなるという問題があった。このため、ループ型細管ヒートパイプを設計するに当っては十分な検討が必要となり、たとえば細管２の内径を決定するのに、試行錯誤により実験的に求めているのが実状である。しかも、動作させる温度領域が異なると、この温度領域に適した種類の作動流体を用いる必要があるが、作動流体の種類による物性の違いによって最適な細管内径も異なるため、再び同じ試行錯誤を繰り返す必要があった。
【００１０】
このように、ループ型細管ヒートパイプを設計するには、逐一、作動条件において試験を行う必要があり、この問題がループ型細管ヒートパイプの応用を阻害しているのが実情である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のループ型細管ヒートパイプでは、細管の内径を決定するために、温度や作動流体などの使用条件に対して最適化のための試験を個別に行う必要があり、これが原因して応用性に欠ける問題があった。
【００１２】
そこで本発明は、使用条件に応じて最適な熱輸送を行うことができるループ型細管ヒートパイプおよび熱輸送を一層効率よく行うことができるループ型細管ヒートパイプの使用方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の手段は、ループ状に形成されたループ型細管内に熱輸送用の作動流体を収容し、上記ループ型細管の一部を吸熱部として用い、上記ループ型細管の一部で上記吸熱部以外の部分を放熱部として用いるループ型細管ヒートパイプにおいて、作動流体として、へリウム、水素、ネオンの中から選ばれた１種または複数種の混合物を用い、作動流体の表面張力をσ、上記作動流体の液状態下における密度をρ１ 、上記作動流体のガス状態下における密度をρV 、重力加速度をｇ、ラプラス定数ＬをＬ＝［σ／｛（ρ１ −ρV ）ｇ｝］0.5 としたとき、前記ループ型細管の内径ｄが、Ｌ＜ｄ＜３Ｌの条件を満たしていることを特徴とするループ型細管ヒートパイプを提供する。
【００１８】
さらに、前記細管の吸熱部の熱交換長さをｌ、この吸熱部における細管の内径をｄとした場合、このｌ及びｄは、１５ｄ＜ｌ＜８８２ｄの条件を満たしている。
【００１９】
このような構成によれば、内径を適宜に設定することで、高い熱湯輸送能力を有するループ型細管ヒートパイプを得ることができる。また、前記吸熱部の伝熱面積をヒートパイプが作動する最小面積より大きく設定できるから、このループ型細管ヒートパイプを良好に作動させることが可能になる。
【００２０】
また、前記細管は、吸熱部において、水平面に対して所定角度以上傾斜して設けられており、特に、ほぼ鉛直方向にほぼ鉛直方向に延出されていればより好ましい。
このような構成によれば、吸熱部において細管内で発生した気泡の浮力が作動流体の駆動力に加味されるから高い熱輸送能力が発揮される。
【００２１】
さらに、前記ループ型細管は、前記吸熱部と前記放熱部とが管軸方向に交互に到来するに形成されていることが好ましい。
この場合、前記吸熱部及び放熱部は、それぞれ複数設けられていても良い。また、前記放熱部の位置が前記吸熱部の位置よりも高く設けられていることが好ましい。
【００２２】
このような構成によれば、細管内の気泡の浮力が作動流体の駆動力に加味されるから、高い熱輸送能力が期待できる。
【００２３】
また、前記細管は、並設された複数のループ型細管から構成されていることが好ましい。また、複数回巻回されコイル状に形成されたループ型細管から構成されていることが好ましい。
【００２４】
このような構成であれば、並設数あるいは巻回数に応じて熱輸送能力を高めることが可能である。
また、前記ループ型細管は、前記作動流体の流れ方向を基準にして、一部に断熱壁によって仕切られて往路部分と復路部分とを構成する二重管部が形成されているものであっても良好に作用する。
【００２５】
なお、前記ラプラス定数Ｌは、液体の中で、熱負荷によって伝熱面から離脱する気泡の直径であり、各種のガスにおいて上述の式によりほぼ定式化されている。
【００２６】
ループ型細管の内径がＬ以下であると、気泡と内壁との間に液体が存在せず、気泡が管内を移動するときに内壁との間に表面張力による抵抗が発生し、細管内の流体を駆動する力が減り、この結果として熱輸送量が急減する。
【００２７】
逆に、ループ型細管の内径ｄが３Ｌ以上であると、全体の液量に対して気泡の移動により押し退けられる液体の量の割合が小さくなり、同様に細管内の流体を駆動する力が減る。
【００２８】
したがって、ループ型細管の内径ｄをＬ＜ｄ＜３Ｌにすることによってループ型細管内の液体を駆動するループ駆動力が最適化され、熱輸送量を大幅に増加させることができる。
【００２９】
本発明に係るループ型細管ヒートパイプは、上述の如く伝熱面から離脱した気泡の大きさを重要視している。多量の気泡が発生する場含には気泡同士が結合して大きな気泡になる場合がある。気泡の発生割合は単位面積当たりの伝熱量に依存し、単位面積当たりの伝熱量が増加するにしたがって気泡も増加する。これは試験的にも確認されている。このことは、伝熱面積にループ型細管ヒートパイプが作動する最小面積が存在することを意味する。したがって、仕様として与えられる伝熱量を加味して吸熱部と放熱部との伝熱面積をヒートパイプが作動する最小面積よりも大きくすることが必要がある。
【００３０】
なお、このループ型細管ヒートパイプを実際に使用する際に、吸熱部の高さ位置を放熱部の高さ位置より低くすると、吸熱部で発生した気泡の浮力がループ駆動力を補助する役割を果たし、熱輸送量を一層増加させることができる。
【００３１】
また、被冷却物等の吸熱対象が独立して複数存在するとともに冷凍機等の放熱対象が１つだけの系や、吸熱対象が１つで放熱対象が独立して複数存在する系や、吸熱対象が独立して複数存在するとともに放熱対象も独立して複数存在する系にこのループ型細管ヒートパイプを組込み、ループ型細管が一巡する間に吸熱対象に熱的に接続される前記吸熱部と放熱対象に熱的に接続される前記放熱部とが管軸方向に交互に到来するようにして用いると、吸熱と放熱とのバランスをとることができ、安定した熱輸送動作を行わせることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１７を参照してこの発明の実施形態を説明する。
まず、図１〜図１２を参照してこの発明の第１の実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係るループ型細管ヒートパイプを組込んだ冷却装置の例が示されている。
【００３３】
同図において、図中１１はたとえば液体窒素温度レベルに冷却されることが望まれる被冷却物を示している。この被冷却物１１は断熱容器として機能する真空容器１２内に配置されている。
【００３４】
一方、図中１３は冷凍機を示している。この冷凍機１３は蓄冷器を備えた、たとえばギフォード・マクマホン冷凍機によって構成されている。この冷凍機１３は、第１段冷却ステージ１４と、この第１段冷却ステージ１４より低温で、液体窒素温度レベルより若干低い温度に冷却される第２段冷却ステージ１５とを備えている。そして、第１段冷却ステージ１４と第２段冷却ステージ１５とは、外気から断熱隔離されるように断熱容器として機能する真空容器１６内に位置している。
【００３５】
真空容器１２の側壁と真空容器１６の側壁とには、それぞれ連絡口１７，１８が形成されており、これら連絡口１７，１８は真空容器１６側から真空容器１２側に冷凍機１３の振動が伝わるのを抑制するフレキシブルな接続管、具体的にはベローズ構成の接続管１９を介して気密に接続されている。そして、この接続管１９内を通して被冷却物１１と冷凍機１３の第２段冷却ステージ１５とがループ型細管ヒートパイプ装置２０によって熱的に接続されている。
【００３６】
ループ型細管ヒートパイプ装置２０は、ループ型細管ヒートパイプ２１と、銅のブロックなどで形成されて各ループ型細管ヒートパイプ２１の一部分を被冷却物１１に熱的に接続する熱伝導部材２２と、同じく銅のブロックなどで形成されて各ループ型細管ヒートパイプ２１の上記一部分とは別の一部分を冷凍機１３の第２段冷却ステージ１５に熱的に接続する熱伝導部材２３，２４とで構成されている。
【００３７】
各ループ型細管ヒートパイプ２１は、フレキシブルな細いたとえば銅チューブを図中Ａ位置（以後、吸熱部Ａと称する）およびＢ位置（以後、放熱部Ｂと称する）で折返してループ状に形成し、その両端を接続封止してなるループ型細管２５を有する。このループ型細管２５内には熱輸送媒体として機能する作動流体、この例では窒素（Ｎ2 ）が封入されている。
【００３８】
このループ型細管２５は、一方の折返し点である吸熱部Ａにおいて、図２に示すように熱伝導部材２２に設けられた孔２２ａに鉛直方向に挿通され、この熱伝導部材２２に対してロウ付けされている。また同様に、このループ型配管２５は、他方の折返し点である放熱部Ｂにおいて熱伝導部材２３に設けられた孔（図示しない）に挿通され、この熱伝導部材２３に対してロウ付けされている。
【００３９】
ここで、各ループ型細管２５は、内径ｄが次の範囲に入る銅チューブで形成されている。すなわち、作動流体の表面張力をσ、作動流体の液状態下における密度（液相の密度）をρl 、作動流体のガス状態下における密度（気相の密度）をρv 、重力加速度をｇ、ラプラス定数ＬをＬ＝［σ／｛（ρl −ρv ）ｇ｝］0.5 としたとき、内径ｄが、
Ｌ＜ｄ＜３Ｌ                                …(1)
の条件を満たしている銅チューブで各ループ型細管２５が形成されている。
【００４０】
ここで、ラプラス定数Ｌとは、図２に示されるように、前記細管２５の内面（伝熱面）から離脱する気泡２６の直径に相当する。
なお、ループ型細管２５は、吸熱部Ａと放熱部Ｂに対応する部分は熱伝導性に優れた材料（良熱伝導材）、例えば銅などの金属で形成する必要があるが、他の部分は熱交換の必要がないことから金属である必要は無く、例えば樹脂などで形成しても良い。
【００４１】
図３はループ型細管２５の内径ｄと熱輸送量との関係を調べた実験結果を示すものである。この図から判るように、内径ｄがラプラス定数Ｌ以上である場合から熱輸送の効果が確認され、内径ｄ＝２Ｌの時最大の熱輸送量が得られ、内径ｄ＝３Ｌ以降は熱輸送の効果は低値で推移する。従って、式（１）を満たす場合に、良好な熱輸送効果が得られることが確認される。
【００４２】
この実施形態では、作動流体として窒素を用いているので、前記細管２５の内面（伝熱面）から離脱する気泡２６の直径、つまりラプラス定数ＬはＬ＝１(mm)となる。したがって、前記式（１）及び図３より、前記細管２５の内径ｄは１(mm)〜３(mm)のいずれかの寸法、特に２（mm）に選択されていることが好ましい。
【００４３】
一方、熱輸送の効果は、前記細管２５の内径ｄのみで決定されるものではない。細管２５内において、駆動力を得られるような気泡２６を良好に発生させるには、前記吸熱部Ａにおける伝熱面積（吸熱部Ａにおける前記細管２５の内面積）が所定の値に設定されている必要がある。
【００４４】
図４は、前記吸熱部Ａにおいて、熱流束ｑに対するコンダクタンスＱ／ΔＴの変化を調べた結果を示すものである。ここで、コンダクタンスとは、前記熱伝導部材２２と作動流体との間で交換される熱量Ｑの単位温度変化ΔＴ当たりの変化量を示すものである。
【００４５】
一方、熱流束ｑとは、単位時間、単位面積当たりの熱輸送量を示すものであるから、熱輸送の総量を一定に保った状態で、吸熱部Ａにおける細管２５の内周面積、すなわち伝熱面積を小さくすると熱流束ｑは増大する。いいかえれば、前記細管２５の内径ｄあるいは伝熱長さｌ又はその両方を小さくするとこの熱流束ｑは増大する。
【００４６】
図４は、このように、熱輸送量の総量を一定に保った状態で細管２５の伝熱面積を小さくすることで前記熱流束ｑを変化させ、これに対するコンダクタンスの変化を調べたものである。
【００４７】
この図に示すように、伝熱面積を小さくし熱流束ｑを増大させることで次第にコンダクタンスも増大する。これは、細管２５内の作動流体を良好に加熱できることを意味し、加熱された作動流体は細管２５の内面付近で気化（核沸騰）して気泡２６となり、図２に示されるように、熱輸送の駆動源となる。
【００４８】
一方、図４に示されるように、熱流束ｑが約９（kW/m2 ) 以上になると、コンダクタンスが急減する。これは、細管２５の内面付近で気化した気泡が互いに連結し、膜沸騰の状態となり、作動流体の加熱が行えなくなったことを示す。このような状態では、良好な気泡が得られないので、熱輸送は困難となる。
【００４９】
このように、伝熱面積の大きさは熱輸送の効果に非常に大きな影響を及ぼす。以下、この伝熱面積と熱輸送量との関係を検証する。
今、Crygenics, Heat Transfer During Liquid Nitrogen Cooling of High Temperature Superconductors, 1991, Vol. 31, P. 979によれば、細管内における自然体流において限界熱流束ｑmax は式（２）で与えられる。
【００５０】
【数１】
0003695892.tif 000002
【００５１】
ここで、ｑmax は、細管１本当たりの限界熱流束であり、ｄは細管２５の内径、ｌは吸熱部Ａにおける細管２５の長さ（伝熱長さ）である。
一方、伝熱面積Ｓは、Ｓ＝πｄｌで表される。
また、式（２）の分母は、この伝熱面積に影響されないものであるから、これを定数ａとおくと、式（２）は、次式（３）のように変形できる。
【００５２】
【数２】
0003695892.tif 000003
一方、配管１本当たりの最大熱輸送量Ｑmax は、＝Ｓ・ｑmax であるから、式（３）を変形し、次式（４）が得られる。
【００５３】
【数３】
0003695892.tif 000004
【００５４】
式（４）は、最大熱輸送量Ｑmax と、内径ｄ及び伝熱長さｌとの関係を表すものである。
次に、式（４）の極大点を求めるために、式（４）を一回微分してこれを０とおくと（式（５））、以下のように極大点ｌpeakが求められる。
【００５５】
【数４】
0003695892.tif 000005
【００５６】
この式から、最大熱輸送量Ｑmax の極大値、すなわちピーク最大熱輸送量Ｑpeakは、
ｌpeak＝８２．２４５ｄ                …（６）
の位置に得られることがわかり、このときのピーク最大熱輸送量は
Ｑpeak＝２５．１３０πａｄ2 となる。  …（７）
となる。
【００５７】
次に、これらの計算結果から、前記式（４）を縦軸に最大熱輸送量Ｑmax 、横軸に伝熱長さｌをとってグラフに示すと、図５に示すようになる。
ここで、細管１本あたりの好ましい熱輸送量を前記最大熱輸送量Ｑpeakの１／２以上とおくと、好ましい設計伝熱長さｌは、図６においてｌ1 とｌ2 の間となる。このｌ1 とｌ2 を計算で求めるには、まず、１／２Ｑpeakを計算し、これを最大熱輸送量Ｑmax として式（４）を解く。
【００５８】
【数５】
0003695892.tif 000006
【００５９】
この結果、ｌ1 ＝１５．０３７ｄ              …（８）
ｌ2 ＝８８１．０９ｄ              …（９）
となる。
【００６０】
従って、好ましい熱輸送の効果を得るには、前記吸熱部Ａにおいて、細管２５の内径ｄと伝熱長さｌを、次式（１０）の範囲で設計して、伝熱面積を決定すれば良い。
【００６１】
１５．０４ｄ＜ｌ＜８８１．０９ｄ  …（１０）
従ってほぼ        １５ｄ＜ｌ＜８８２ｄ        …（１０’）
と表せる。
【００６２】
なお、この際、内径ｄは、前式（１）を満たす必要があり、窒素の場合、
１（ｍｍ）＜ｄ＜３（ｍｍ）
であり、さらに好ましくはｄ＝２Ｌ＝２（ｍｍ）である。
【００６３】
次に、作動流体が窒素でかつ細管２５の内径ｄを２ｍｍとした場合の、式（４）の計算結果を図６に示す。この結果によれば、好ましい伝熱長さｌとして３１．０８mm〜１７６２．１８mmが得られる。
【００６４】
このように構成された冷却装置では、冷凍機１３を運転開始すると、被冷却物１１の熱がループ型細管ヒートパイプ装置２０を介して冷凍機１３によって吸収される。すなわち、被冷却物１１の熱は熱伝導部材２２に伝わり、この熱伝導部材２２から各ループ型細管２５の管壁を伝熱面として吸熱部Ａにおける各ループ型細管２５内の作動流体に伝わる。
【００６５】
この結果、吸熱部Ａにおいて各ループ型細管２５内の作動留置中に気泡２６が発生し、この気泡による液体の押退け力及び浮力によって各ループ型細管ヒートパイプ２１内に作動流体の循環流（矢印α）が発生する。そして、この循環流に乗って気泡２６が放熱部Ｂに到達することになる。
【００６６】
この放熱部Ｂにおける各ループ型細管２５の管壁は作動流体の凝縮温度レベル（液体窒素レベル）以下に冷却されている。このため、到達した気泡２６は凝縮する。したがって、被冷却物１１の熱がループ型細管ヒートパイプ装置２０を介して冷凍機１３に吸収されることになる。すなわち、各ループ型細管ヒートパイプ２１の吸熱部Ａが被冷却物１１から熱を吸取るように機能し、放熱部Ｂが吸取った熱を冷凍機１３に向けて放出するように機能し、この両機能によって被冷却部１１が凝縮温度レベル以下の温度に冷却されて冷却装置としての機能が発揮される。
【００６７】
なお、この第１の実施形態の構成であると、放熱部Ｂで液化した作動流体が重力により下降する方向（矢印β）と、吸熱部Ａで発生した気泡２６が浮力により上昇する方向（矢印α）とをループ経路上で一致させることができるので、作動流体の循環駆動力を大きくすることができ、熱輸送量を一層向上させることができる。
【００６８】
さらに、この例の場合には、各ループ型細管２５として式（１）で示した内径ｄでかつ、式（１０）で示される伝熱長さｌのものを用いているので、各ループ型細管２５内の作動流体に与える循環駆動力を最適に設定でき、熱輸送量を大きくとることができる。
【００６９】
なお、式（１）及び式（１０）の関係は、作動流体として窒素を用いた場合に限らず、作動流体として水、アルゴン、酸素、ネオン、水素、へリウムやこれらの混合物を用いた場合にも適用できる。
【００７０】
これらの作動流体のうち、特に超電導材料を対象とする低温工学において重要な意味を持つヘリウム、水素、ネオン、窒素の温度とラプラス定数との関係を図７に示す。また、図８には横軸に温度を、縦軸に作動流体の液状態下における密度ρl と作動流体のガス状態下における密度ρv との比を示す。
【００７１】
例えばヘリウム（Ｈｅ）を作動流体として用いる場合には、沸点４．２（ｋ）で、ラプラス定数Ｌ＝０．３１であるから、好ましい細管２５の内径ｄ＝２Ｌ＝０．６２ｍｍとして吸熱部Ａの伝熱面積の条件を求める。ヘリウムを用いた場合、最大熱輸送量Ｑmax と伝熱長さｌとの関係は、図９に示すようになり、好ましい熱輸送量として最大熱輸送量Ｑpeakの１／２以上を得るためには、前式（１０）でｄ＝０．６２（ｍｍ）とし、細管２５の伝熱長さｌを以下の範囲で設計すれば良い。
【００７２】
９．３２（ｍｍ）＜ｌ＜５４６．２８（ｍｍ）
また、作動流体としてネオン（Ｎｅ）を用いる場合には、沸点２７．１（ｋ）で、ラプラス定数Ｌ＝０．６３であるから、好ましい細管２５の内径ｄ＝２Ｌ＝１．２６ｍｍとして吸熱部Ａの伝熱面積の条件を求める。ネオンを用いた場合、最大熱輸送量Ｑmax と伝熱長さｌとの関係は、図１０に示すようになり、好ましい熱輸送量として最大熱輸送量Ｑpeakの１／２以上を得るためには、前式（１０）でｄ＝１．２６（ｍｍ）とし、細管２５の伝熱長さｌを以下の範囲で設計すれば良い。
【００７３】
１８．９５（ｍｍ）＜ｌ＜１１１０．１７（ｍｍ）
さらに、水素を作動流体として用いる場合には、沸点２０．３（ｋ）で、ラプラス定数Ｌ＝１．６６であるから、好ましい細管２５の内径ｄ＝２Ｌ＝２．３２ｍｍとして吸熱部Ａの伝熱面積の条件を求める。ヘリウムを用いた場合、最大熱輸送量Ｑmax と伝熱長さｌとの関係は、図１１に示すようになり、好ましい熱輸送量として最大熱輸送量Ｑpeakの１／２以上を得るためには、前式（１０）でｄ＝２．３２（ｍｍ）とし、細管２５の伝熱長さｌを以下の範囲で設計すれば良い。
【００７４】
３４．８９（ｍｍ）＜ｌ＜２０４４．１３（ｍｍ）
なお、この一実施形態では、好ましい熱輸送量をピーク最大熱輸送量Ｑpeakの１／２以上として式（１０）を導いたが、さらに好ましくは熱輸送量を最大熱輸送量Ｑpeakの２／３以上として式（１１）、さらに好ましくは熱輸送量を最大熱輸送量Ｑpeakの３／４以上として式（１２）、さらに好ましくは定格熱輸送量を最大熱輸送量Ｑpeakと等しくして式（１３）がそれぞれ与えられる。
【００７５】
２２．７２ｄ＜ｌ＜４３２．７９ｄ        …（１１）式
２７．８５ｄ＜ｌ＜３１４．８１ｄ        …（１２）式
ｌ＝８２．２４ｄ                        …（１３）式
なお、図１に示す例では１ターンのループ型細管ヒートパイプ２１を使用しているが、このような構成に限定されるものではなく、１ターン式のループ型ヒートパイプ２１を複数併設して用いるようにしても良く、また、１本のループ型細管を複数回巻回してなるコイル状のループ型細管ヒートパイプを用いることもできる。
【００７６】
このような構成では、前記伝熱部材２２中に前記配管２５が複数回（ｎ回）通されることになるが、この場合、このヒートパイプの最大熱輸送量は、ｎ・Ｑmax となる。
【００７７】
また、前記一実施形態では、吸熱部Ａにおいて、各細管２５は鉛直方向に延出されているから、前記気泡２６の押しのけ力及び浮力によって作動流体が駆動されていたが、前記吸熱部Ａにおける細管２５が前記鉛直方向から傾くと、前記気泡２６の浮力によって生じる駆動力が小さくなる。具体的には、吸熱部Ａにおける配管２５の水平面に対する傾斜角度をθとすると、その傾き角度での最大熱輸送量Ｑ（θ）max は、Ｑmax ＝ｃｏｓθとなる。
【００７８】
なお、窒素（沸点温度７７．３（ｋ）で、ラプラス定数１．０５）よりも作動温度（沸点温度）が低い動作流体の場合、配管２５の傾き角度θが小さいと充分な駆動力が得られない場合がある。このような場合、作動流体の動きが遅くなるため、その間に、前記吸熱部Ａにおいて細管２５内部の作動流体が全て気化して「乾き」が生じる場合がある。このような現象は、細管２５の傾き角度を５〜１０°以下にした場合に生じることが確かめられている。例えば、作動流体として水素、ネオンあるいはヘリウムを使用する場合には、前記傾き角度は５°以上である必要がある。
【００７９】
なお、図１２は、傾き角度を変化させた場合の、平均パイプ温度（横軸）と限界熱輸送量（縦軸）との関係を示すものである。図１２では、一例として傾き角度はヘリウムは５度、水素は１０度、ネオンは５度、窒素は０度の場合を示しているが、本発明者の種々の実験によれば、ヘリウムの場合は５〜９０度、水素の場合は５〜９０度、ネオンの場合は５〜９０度、窒素の場合は０〜９０度の範囲においていずれも動作することが確かめられている。
【００８０】
次に、図１３以下を参照してこの発明の他の実施形態を説明する。
図１３（ａ）、（ｂ）には本発明に係るループ型細管ヒートパイプの好ましい一使用例が第２の実施形態として示されている。なお、この図では前記第１の実施形態（図１）と同一機能を有する構成要素が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００８１】
図１３（ａ）に示される例では、前記細管２５を水平面内でループ状に形成してなる１ターン式のループ型ヒートパイプ２１を上下方向に複数並設してなる構成を採用している。また、この例では、吸熱部Ａと放熱部Ｂが同じ高さに設けられ、前記ヒートパイプの傾きはほぼ０°となっている。従って、動作流体として窒素を用いる場合には、良好に作動する。
【００８２】
一方、図１３（ｂ）に示される例は、図１３（ａ）に示した例において、吸熱部Ａよりも放熱部Ｂの側が高くなるように構成し、前記ヒートパイプを傾けたものである。
【００８３】
このような使用方法であると、放熱部Ｂから吸熱部Ａへは、液化した作動流体が重力によって吸熱部Ａ側に流れ込み、吸熱部Ａから放熱部Ｂへは吸熱部Ａで発生した気泡の浮力を作動流体の駆動力として働かせることができるので、循環駆動力が発生し、熱輸送量を向上させることができる。
【００８４】
このため、前記窒素の他、水素、ヘリウム及びネオンを作動流体として用いることができる。
なお、第２の実施形態は、１ターン式のヒートパイプ２１を上下方向に複数並設してなる構成であるが、１本の細管２５を螺旋状に複数回巻回してコイル状に成形してなる構成であっても良い。また、１ターン式のヒートパイプ２１を１組だけ使用するものであっても良い。
【００８５】
次に、図１４（ａ）、（ｂ）に本発明に係るループ型細管ヒートパイプの別の使用例を第３の実施形態として示す。なお、この実施形態においても、第１の実施形態と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００８６】
図１４（ａ）に示す例では、１台の冷凍機１３で独立した２個の被冷却物１１ａ，１１ｂを１つのループ型細管ヒートパイプ装置２０ａを介して冷却している。
【００８７】
ループ型細管ヒートパイプ装置２０ａの各ループ型細管２５には周方向の２箇所に亘って吸熱部Ａａ，Ａｂが設定されている。そして、吸熱部Ａａは熱伝導部材２２ａを介して被冷却物１１ａに熱的に接続されており、吸熱部Ａｂは熱伝導部材２２ｂを介して被冷却物１１ｂに熱的に接続されている。また、各ループ型細管２５の吸熱部Ａａと吸熱部Ａｂとの間に位置する部分には放熱部Ｂａ，Ｂｂが設定されており、これら放熱部Ｂａ，Ｂｂは熱伝導部材２３ａ，２３ｂを介して冷凍機１３の第２段冷却ステージ１５に共通に熱的に接続されている。
【００８８】
このような使用方法であると、吸熱部Ａａを通った作動流体は放熱部Ｂａで冷却された後に吸熱部Ａｂを通り、次に放熱部Ｂｂで冷却された後に再び吸熱部Ａａを通って一巡する（この逆の経路で流れることもある）。このようにすることで、吸熱と放熱とのバランスをとることができ、安定して作動流体を循環駆動することができる。
【００８９】
図１４（ｂ）に示す例は、図１４（ａ）に示す例において、放熱部Ｂａ、Ｂｂを、吸熱部Ａａ、Ａｂよりも高い位置に設けて、前記細管２５を傾斜させているものである。
【００９０】
このような使用方法であると、放熱部Ｂａから吸熱部Ａａへ、および放熱部Ｂｂから吸熱部Ａｂへは、液化した作動流体が重力によって吸熱部側に流れ込み、吸熱部Ａａから放熱部Ｂｂ、吸熱部Ａｂから放熱部Ｂａへは発生した気泡の浮力を作動流体の駆動力として働かせることができるので、循環駆動力が発生し、熱輸送量を向上させることができる。
【００９１】
このため、前記水素、ヘリウム及びネオンを作動流体として用いることができる。
なお、第３の実施形態は、１ターン式のヒートパイプ２１を上下方向に複数並設してなる構成であるが、１本の細管２５を螺旋状に複数回巻回してコイル状に成形してなる構成であっても良い。また、１ターン式のヒートパイプ２１を１組だけ使用するものであっても良い。
【００９２】
また、独立した被冷却物が２個以上の場合にもループ型細管の管軸方向に吸熱部と放熱部が交互に到来するようにすることによって適用できる。
次に、図１５（ａ）、（ｂ）に、本発明に係るループ型細管ヒートパイプのさらに別の使用例が、第４の実施形態として示されている。なお、この図では図１と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００９３】
図１５（ａ）の例では、２台の独立した冷凍機１３ａ，１３ｂで１個の被冷却物１１を１つのループ型細管ヒートパイプ装置２０ｂを介して冷却している。
ループ型細管ヒートパイプ装置２０ｂの各ループ型細管２５には周方向の２箇所に亘って放熱部Ｂａ，Ｂｂが設定されている。そして、放熱部Ｂａは熱伝導部材２３ａ，２４ａを介して冷凍機１３ａの第２段冷却ステージ１５に熱的に接続されており、放熱部Ｂｂは熱伝導部材２３ｂ，２４ｂを介して冷凍機１３ｂの第２段冷却ステージ１５に熱的に接続されている。また、各ループ型細管２５の放熱部Ｂａと放熱部Ｂｂとの間に位置する部分には吸熱部Ａａ，Ａｂが設定されており、これら吸熱部Ａａ，Ａｂは熱伝導部材２２ａ，２２ｂを介して被冷却物１１に共通に熱的に接続されている。
【００９４】
このような使用方法であると、吸熱部Ａａを通った作動流体は放熱部Ｂａで冷却された後に吸熱部Ａｂを通り、次に放熱部Ｂｂで冷却された後に再び吸熱部Ａａを通って一巡する（この逆の経路で流れることもある）。このようにすることで、吸熱と放熱とのバランスをとることができ、安定して作動流体を循環駆動することができる。
【００９５】
図１５（ｂ）に示す例は、図１５（ａ）に示す例において、放熱部Ｂａ、Ｂｂを、吸熱部Ａａ、Ａｂよりも高い位置に設けて、前記細管２５を傾斜させたものである。
【００９６】
このような使用方法であると、第２の実施形態と同様に、発生した気泡の浮力を作動流体の駆動力として働かせることができるので、循環駆動力が発生し、熱輸送量を向上させることができる。
【００９７】
このため、窒素の他、前記水素、ヘリウム及びネオンを作動流体として用いることができる。
なお、第４の実施形態は、１ターン式のヒートパイプ２１を上下方向に複数並設してなる構成であるが、１本の細管２５を螺旋状に複数回巻回してコイル状に成形してなる構成であっても良い。また、１ターン式のヒートパイプ２１を１組だけ使用するものであっても良い。
【００９８】
また、冷凍機が３台以上で被冷却物が１個の場合にも適用できる。
次に、図１６（ａ）、（ｂ）には、本発明に係るループ型細管ヒートパイプのさらに別の使用例が第５の実施形態として示されている。なお、この図においても、第１の実施形態を示した図１と同一の機能を奏する構成要素については同一符号で示し、その詳しい説明は省略する。
【００９９】
この例では、２台の独立した冷凍機１３ａ，１３ｂで２個の独立した被冷却物１１ａ，１１ｂを１つのループ型細管ヒートパイプ装置２０ｃを介して冷却している。
【０１００】
ループ型細管ヒートパイプ装置２０ｃの各ループ型細管２５には周方向の２箇所に亘って放熱部Ｂａ，Ｂｂが設定されている。そして、放熱部Ｂａは熱伝導部材２３ａ，２４ａを介して冷凍機１３ａの第２段冷却ステージ１５に熱的に接続されており、放熱部Ｂｂは熱伝導部材２３ｂ，２４ｂを介して冷凍機１３ｂの第２段冷却ステージ１５に熱的に接続されている。また、各ループ型細管２５の放熱部Ｂａと放熱部Ｂｂとの間に位置する部分には吸熱部Ａａ，Ａｂが設定されている。吸熱部Ａａは図示しない熱伝導部材を介して被冷却物１１ａに熱的に接続されており、吸熱部Ａｂは図示しない熱伝導部材を介して被冷却物１１ｂに熱的に接続されている。
【０１０１】
このような使用方法であると、吸熱部Ａａを通った作動流体は放熱部Ｂａで冷却された後に吸熱部Ａｂを通り、次に放熱部Ｂｂで冷却された後に再び吸熱部Ａａを通って一巡する（この逆の経路で流れることもある）。このようにすることで、吸熱と放熱とのバランスをとることができ、安定して作動流体を循環駆動することができる。
【０１０２】
図１６（ｂ）に示す例は、図１５（ａ）に示す例において、放熱部Ｂａ、Ｂｂを、吸熱部Ａａ、Ａｂよりも高い位置に設けて、前記細管２５を傾斜させたものである。
【０１０３】
このような使用方法であると、第２の実施形態と同様に、発生した気泡の浮力を作動流体の駆動力として働かせることができるので、循環駆動力が発生し、熱輸送量を向上させることができる。
【０１０４】
このため、窒素の他、前記水素、ヘリウム及びネオンを作動流体として用いることができる。
なお、第５の実施形態は、１ターン式のヒートパイプ２１を上下方向に複数並設してなる構成であるが、１本の細管２５を螺旋状に複数回巻回してコイル状に成形してなる構成であっても良い。また、１ターン式のヒートパイプ２１を１組だけ使用するものであっても良い。
【０１０５】
また、冷凍機が３台以上で被冷却物が冷凍機と同じ個数の場合にも適用できる。
なお、前記第１〜第５の各実施形態では、放熱部をそれぞれ冷凍機の冷却ステージに熱的に接続しているが、これに限定されるものではなく、たとえば冷媒液通路や冷媒液溜めや冷風通路に熱的に接続するようにしてもよい。
【０１０６】
次に、図１７には本発明に係るループ型細管ヒートパイプを医療用冷却具に適用した例が第６の実施形態として示されている。
この医療用冷却具は、図中Ａで示す部分が吸熱部として機能し、図中Ｂで示す部分が放熱部として機能する。そして、吸熱部Ａと放熱部Ｂとの間を構成するループ型細管２５ａは、一部に断熱壁によって仕切られ、循環する作動流体の往路部分と復路部分とを構成する二重管部２７が形成されている。また、この例では吸熱部Ａと放熱部Ｂとの間の部分の外周がフレキシブルな断熱チューブ２８によって被覆され、全体的にフレキシブルな構成となっている。また、吸熱部Ａには医療行為に適合した大きさおよび形状の吸熱片２９を着脱自在に取付けることができるようになっている。
【０１０７】
このような構成の医療用冷却具では狭い患部に対しての集中的な冷却を簡単に行うことができる。
なお、前記実施形態は、この発明の好ましい実施形態として挙げたにすぎないものであり、発明の要旨を変更しない範囲で一部の構成要素を削除したり、他の構成要素を追加することは可能である。また、その用途を適宜変更することも可能である。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、使用する各種温度条件に応じて最適な熱輸送を行うことができるループ型細管ヒートパイプを提供できる。また、本発明の使用方法によれば、熱輸送量を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るループ型細管ヒートパイプを組込んだ冷却装置を示す模式図。
【図２】同じく、ラプラス定数の意味を説明するための図。
【図３】同じく、作動流体として窒素を用いたときのループ型細管の内径と熱輸送量との関係を示すグラフ。
【図４】同じく、伝熱面での熱流束とコンダクタンスとの関係を示すグラフ。
【図５】同じく、最大熱輸送量と伝熱長さとの関係を示すグラフ。
【図６】同じく、（ａ）は作動流体として窒素を用いた場合の最大熱輸送量と伝熱長さとの関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）のグラフの一部を拡大して示すグラフ。
【図７】各種作動流体の温度とラプラス定数との関係を示すグラフ。
【図８】各種作動流体の温度と密度比（液状態下の密度／ガス状態下の密度）との関係を示すグラフ。
【図９】同じく、（ａ）は作動流体としてヘリウムを用いた場合の最大熱輸送量と伝熱長さとの関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）のグラフの一部を拡大して示すグラフ。
【図１０】同じく、（ａ）は作動流体としてネオンを用いた場合の最大熱輸送量と伝熱長さとの関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）のグラフの一部を拡大して示すグラフ。
【図１１】同じく、（ａ）は作動流体として水素を用いた場合の最大熱輸送量と伝熱長さとの関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）のグラフの一部を拡大して示すグラフ。
【図１２】同じく、作動流体と細管の傾斜角度別に、限界熱輸送量と平均ヒートパイプ温度との関係を示すグラフ。
【図１３】（ａ）は、この発明の第２の実施形態を示す模式図、（ｂ）は、その変形例を示す模式図。
【図１４】（ａ）は、この発明の第３の実施形態を示す模式図、（ｂ）は、その変形例を示す模式図。
【図１５】（ａ）は、この発明の第４の実施形態を示す模式図、（ｂ）は、その変形例を示す模式図。
【図１６】（ａ）は、この発明の第５の実施形態を示す模式図、（ｂ）は、その変形例を示す模式図。
【図１７】この発明の第６の実施形態を示す模式図。
【図１８】ループ型細管ヒートパイプの概略構成を説明するための模式図
【符号の説明】
１１，１１ａ，１１ｂ…被冷却物
１２，１６…真空容器
１３…冷凍機
１４…第２段冷却ステージ
１９…ベローズ構成の接続管
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…ループ型細管ヒートパイプ装置
２１…ループ型細管ヒートパイプ
２５…ループ型細管
２６…気泡
Ａ，Ａａ，Ａｂ…吸熱部
Ｂ，Ｂａ，Ｂｂ…放熱部
【図１】
0003695892.tif 000007
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003695892.tif 000018
【図１３】
0003695892.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
0003695892.tif 000021
【図１６】
0003695892.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
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