(57)【要約】【課題】  トップヒートモードで使用した場合であっても、熱輸送能力が高くかつ始動性に優れたループ型ヒートパイプを提供する。【解決手段】  外部から加熱される蒸発部３と該蒸発部３より低い位置に配置され外部に熱を放散する凝縮部５とが、蒸気管９と液戻り管８とによって環状流路を形成するように連通され、その環状流路の内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体１０が封入されたループ型ヒートパイプであって、前記液戻り管８の上端部側に該液戻り管８が連通した第一のウイック１１が配置されるとともに、この第一のウイック１１よりも内部の空隙の開口幅が大きいことにより前記第一のウイック１１よりも小さい毛細管圧力を生じる第二のウイック１２が、前記第一のウイック１１に連通しかつ前記蒸発部３の内面に沿わせて配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から加熱される蒸発部と該蒸発部より低い位置に配置され外部に熱を放散する凝縮部とが、蒸気管と液戻り管とによって環状流路を形成するように連通され、その環状流路の内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入されたループ型ヒートパイプであって、
前記液戻り管の上端部側に該液戻り管が連通した第一のウイックが配置されるとともに、この第一のウイックよりも内部の空隙の開口幅が大きいことにより前記第一のウイックよりも小さい毛細管圧力を生じる第二のウイックが、前記第一のウイックに連通しかつ前記蒸発部の内面に沿わせて配置されていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
前記液戻り管の上端部が、前記第一のウイックに向けて次第に内径が増大する円錐形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載されている前記ループ型ヒートパイプにおける前記蒸発部が、車両における内装材から熱を伝達される位置に配置されるとともに、前記凝縮部が前記車両の車室の外部もしくは前記蒸発部より低い車両下部のいずれかに配置されていることを特徴とする車両用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、作動流体の潜熱として熱を輸送するループ型ヒートパイプおよびそのヒートパイプを用いた車両用の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のようにヒートパイプは、脱気したコンテナの内部に、水やアルコールなどの凝縮性の流体を作動流体として封入し、また液相の作動流体を蒸発部分に還流させるための圧力を生じさせる細溝や極細線束あるいは多孔質体などのウイックをコンテナの内部に設けた熱輸送装置である。したがって、ヒートパイプにおいては、蒸発と凝縮とをおこなって蒸発部と凝縮部との間を循環流動する作動流体が、その潜熱として熱を輸送するので、熱輸送能力に優れている。
【０００３】
この種のヒートパイプのうち、作動流体蒸気と液相の作動流体とがその流動過程で干渉しないように構成したループ型ヒートパイプが知られている。ループ型ヒートパイプは、外部からの入熱によって作動流体の蒸発が生じる蒸発部と、作動流体蒸気が外部に放熱して凝縮する凝縮部とを、蒸気管と液戻り管とによって環状に連結したヒートパイプであり、液相の作動流体が蒸気流によって吹き戻されたり、飛散させられたりするいわゆる飛散限界の制約を受けず、一般的な直管型のヒートパイプと比較して熱輸送能力が高い。その一例が特許文献１に記載されている。
【０００４】
この特許文献１に記載されたヒートパイプでは、蒸発器容器の内面に溝山を形成し、その溝山にウイックを密着させて、ウイックの外周側に蒸気流路を形成するとともに、そのウイックの内周側に液溜めを形成し、その蒸気流路を蒸気管によって凝縮器に連通させる一方、その凝縮器を液管によって前記蒸発器容器のウイックの内側すなわち液溜めに連通させている。そして、その蒸発器容器の配置したウイックは、多孔質材で構成されるとともに、そのウイックの気孔の大きさを、ウイックの内側すなわち液溜め側で大きくし、蒸発器容器の内面側すなわち溝山に接する側で小さく設定している。その結果、液相の作動流体がウイックに均等に浸透する、としている。
【特許文献１】特開平１０−２４６５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に記載されたループ型のヒートパイプでは、蒸発器容器の内部をウイックによって液溜めと蒸気流路とに区画し、その蒸気流路に連通している蒸気管の圧力が最も高く、かつ液溜めの圧力が最も低くなるようにし、その結果、凝縮器から蒸発器容器の液溜めに液相の作動流体を還流させている。このような圧力関係および流動状態は、蒸発器容器に対する入熱と凝縮器での放熱とが生じているいわゆる動作状態で生じるが、このような熱の出入りが生じていない停止状態では、液相の作動流体を流動させる圧力が生じない。そのため、蒸発器容器を凝縮器より高い位置に配置して、重力方向で上から下に熱を輸送する場合、液相の作動流体が凝縮器側に滞留したままとなり、蒸発器容器を加熱してもヒートパイプが円滑に始動しない可能性がある。
【０００６】
また、特許文献１に記載されているループ型ヒートパイプは、その蒸発器容器の内部に、毛細管圧力を生じるウイックを設けているので、そのウイックの毛細管圧力を利用して、液管の内部に液相の作動流体を吸引して保持しておくことが考えられる。しかしながら、そのウイックは特許文献１に記載されているように、液相の作動流体を蒸発器容器の内部に分散させるためのものであるから、作動流体の流動性を良好にする必要があり、そのため、必ずしも高い毛細管圧力を発生させることができないので、いわゆるトップヒートモードで熱輸送をおこなう場合に液相の作動流体を液管の内部に十分に保持することは困難である。
【０００７】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、いわゆるトップヒートモードであっても熱輸送能力や始動性に優れたループ型ヒートパイプおよびそのループ型ヒートパイプを利用した車両用冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、外部から加熱される蒸発部と該蒸発部より低い位置に配置され外部に熱を放散する凝縮部とが、蒸気管と液戻り管とによって環状流路を形成するように連通され、その環状流路の内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入されたループ型ヒートパイプであって、前記液戻り管の上端部側に該液戻り管が連通した第一のウイックが配置されるとともに、この第一のウイックよりも内部の空隙の開口幅が大きいことにより前記第一のウイックよりも小さい毛細管圧力を生じる第二のウイックが、前記第一のウイックに連通しかつ前記蒸発部の内面に沿わせて配置されていることを特徴とするループ型ヒートパイプである。
【０００９】
その液戻り管の上端部の形状は、請求項２に記載されているように、前記第一のウイックに向けて次第に内径が増大する円錐形状とすることができる。
【００１０】
さらに、請求項３の発明は、前記請求項１または２に記載されている前記ループ型ヒートパイプにおける前記蒸発部が、車両における内装材から熱を伝達される位置に配置されるとともに、前記凝縮部が前記車両の車室の外部もしくは前記蒸発部より低い車両下部のいずれかに配置されていることを特徴とする車両用冷却装置である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、蒸発部と凝縮部と、これらを連通させる蒸気管および液戻り管とによって循環流路が形成され、その循環流路の内部に凝縮性の流体が作動流体として封入されている。したがって、蒸発部に対して外部から熱を与えると、その熱によって作動流体が蒸発し、その蒸気が蒸気管を通って凝縮部に流れ、ここで放熱して凝縮する。ループ型ヒートパイプが動作している状態では、作動流体が循環流動しているので、各ウイックの全体に作動液が湿潤した状態となっており、また各ウイックが互いに連通するとともに、蒸発部側の第二のウイックで作動流体が蒸発してメニスカスの低下およびそれに伴う毛細管圧力が発生するので、液管および第一のウイックを介して蒸発部に作動液が還流させられる。これに対して、熱輸送が停止した場合、液戻り管の内部の作動液にはこれを凝縮部側に落下させる重力が作用するが、その液戻り管の上端部側に設けられている第一のウイックにおける空隙で作動液のメニスカスが生じて毛細管圧力が発生する。その第一のウイックの空隙の開口幅が小さいことにより、毛細管作用による大きい負圧が生じ、その結果、液戻り管の内部の作動液は、重力に抗して引き上げられた状態に維持される。そのため、ループ型ヒートパイプを再始動する際に、蒸発部に対して迅速に十分な量の作動液が供給され、ループ型ヒートパイプを円滑に始動させることができ、また作動液を十分に還流させて高い熱輸送能力を得ることができる。
【００１２】
また、請求項２の発明によれば、液戻り管の流路断面積に対して第一のウイックの断面積が大きくなるので、第一のウイックに浸透した作動液により毛細管作用が生じる領域が広くなる。その結果、液戻り管の内部に作動液に対するいわゆるポンプ力が大きくなり、液戻り管の内部に確実に作動液を保持することが可能になる。
【００１３】
一方、請求項３の発明によれば、車両の内装材の熱を車室の外部もしくは車両下部に輸送して放出できるので、車室の温度を下げてその冷却をおこなうことができ、その場合、重力方向で下向きに熱を輸送することになるが、使用される請求項１または２のループ型ヒートパイプは液戻り管を介した作動液の還流を促進できるものであるから、車室の冷却を効率よくおこなうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。先ず、この発明に係るループ型ヒートパイプ（以下、単にヒートパイプと記す）１について説明すると、図１はその一例を模式的に示しており、蒸発部３と凝縮部５とが、液戻り管８とこれより大径の蒸気管９とによって、全体として循環流路を形成するように連通されている。このヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気された後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体１０として封入されている。
【００１５】
蒸発部３の容器（コンテナ）は円筒形に構成されており、好ましくは、その内周面に軸線方向に沿う溝を形成する。その円筒形容器の内周面に沿わせて、すなわち前記溝の開口端に密着するように、円筒形状のウイック１２が配置されている。このウイック１２は、本発明における第二のウイックに相当するものであって、蒸発部３の全体に作動液を分散させて供給することを主たる機能とするものであるから、作動液の流動性を良好にする構成とされている。具体的には、メッシュや空孔径の大きい多孔質体など、内部に形成されている空隙の開口幅の大きい材料によって構成されている。
【００１６】
なお、このウイック１２は、前記蒸気管９側の端部が閉じたいわゆる有底円筒状に形成されており、ウイック１２の中心側の液溜めとなる中空部１４と、蒸発部３の容器内面で生じた蒸気が蒸気管９に向けて流れるいわゆる蒸気流路（図示せず）とが、ウイック１２によって区画されている。
【００１７】
作動液１０を凝縮部５から吸引することを主たる目的もしくは機能としたウイック１１が、液戻り管８の上端部側で前記蒸発部３との接続箇所に設けられている。このウイック１１は、本発明の第一のウイックに相当するものであって、前記蒸発部３の容器を接続した容器３Ａの内部に収容されている。また、ウイック１１は、その主たる機能を奏するように、前記ウイック１２よりも大きい毛細管圧力を生じるように構成されている。具体的には、空孔径や目の粗さなどの内部の空隙の開口幅が、蒸発部３のウイック１２よりも小さく設定されている。例えば、ウイック１１がニッケルによって形成された場合には、その粒径を１〜２０μｍ、気孔率５０〜８０％とすることが好ましく、特に、ウイック全体としての密度が１．９８ｇ／ｃｍ3、ニッケルのみの密度が８．８５ｇ／ｃｍ3、気孔率７８％のウイック、あるいは、ウイック全体としての密度が２．２３ｇ／ｃｍ3、ニッケルのみの密度が８．８５ｇ／ｃｍ3、気孔率７５％のウイックとすることができる。
【００１８】
さらに、上記のウイック１１に前記液戻り管８および蒸発部３のウイック１２が連通されている。その状態を図２に模式的に示してあり、液戻り管８の上端部８Ａが前記ウイック１１を収容している容器３Ａの内部に挿入されて固定されている。したがって液戻り管８の上端開口部を接触させた状態で前記ウイック１１が配置され、そのウイック１１の空隙と液戻り管８の内部とが連通している。また、蒸発部３のウイック１２が容器３Ａを貫通してその内部に延びており、したがってウイック１２の端部が、ウイック１１の内部に挿入された状態となっており、その結果、ウイック１２の空隙および中空部１４と、ウイック１１の空隙とが連通されている。
【００１９】
なお、液戻り管８を介して汲み上げた作動液１０を蒸発部３に供給するのであるから、図２に示すように、液戻り管８の上端開口部と蒸発部３側のウイック１２の端部とは互いに接近した位置に配置されている。
【００２０】
また一方、凝縮部５は、中空の容器からなるものであって、その放熱面積を拡大するために、外面に多数のフィンを設けることが好ましい。また、作動流体１０を必要に応じて補充するために、前記凝縮部コンテナ５の出口近傍の適宜の箇所に、作動流体１０を貯留しているリザーバ５Ａが接続されている。
【００２１】
つぎに上記のヒートパイプ１をいわゆるトップヒートモードで使用する場合の作用について説明する。トップヒートモードは、外部から加熱される蒸発部３を、外部に対して放熱する凝縮部５より高い位置に配置し、熱の輸送を下向きに生じさせる熱の輸送形態である。このような熱輸送の形態で、ヒートパイプ１が動作していない状態すなわち蒸発部３に対して入熱がない状態では、作動流体１０の流動は生じていない。
【００２２】
その場合、前述した各ウイック１１，１２に作動液１０が浸透しているので、ウイック１１，１２のいずれかの箇所に作動液１０で満たされない箇所が生じると、その部分の空隙の開口端に作動液１０のメニスカスにより毛細管圧力が発生する。その毛細管圧力は、液戻り管８の上端部側に設けたウイック１１の空隙の開口幅が相対的に小さいことによりこのウイック１１で大きくなる。そのため、ヒートパイプ１の動作時に液戻り管８を満たしていた作動液１０が、そのウイック１１で発生する毛細管圧力によって上方に吸引されたままとなる。すなわち、熱輸送が生じていない状態でも液戻り管８の内部に作動液１０が保持される。
【００２３】
なお、蒸発部３におけるウイック１２が、その一端部１２Ａを、液戻り管８側のウイック１１に差し込んで互いに連通した状態となっており、しかもウイック１２の中空部１４が液溜めとして機能するので、蒸発部３の内部にも作動液１０が保持される。
【００２４】
このようないわゆる非動作状態から、蒸発部３に入熱がありかつ凝縮部５で放熱できる状態のいわゆる動作状態になると、蒸発部３に与えられた熱によってその内部の作動流体１０が蒸発する。作動流体１０の蒸発は、蒸発部３の容器の内周面で生じ、液溜めとなるウイック１２の中空部１４とは隔絶されているので、その蒸気は、蒸気管９に向けて流れる。
【００２５】
このようにして作動流体１０の蒸発が生じると、凝縮部５に滞留している作動液１０に対してこれを液戻り管８側に押圧する圧力が生じ、作動液１０が液戻り管８からウイック１１および蒸発部３側に流動させられる。その結果、容器３Ａの内部が作動液１０で満たされてウイック１１でのメニスカスが解消もしくは減少するとともに、蒸発部３のウイック１２では、作動流体１０が蒸発することによるメニスカスの低下が生じて、毛細管圧力（作動液１０を吸引する負の圧力）が増大するために、ウイック１１側から作動液１０が蒸発部３の内部に吸引される。すなわち、蒸発部３に対する入熱量に応じて作動流体１０が蒸発するとともに、その蒸発量に応じた作動液１０が蒸発部３に対して供給されるので、蒸発部３のウイック１２におけるドライアウトが生じることなく、継続して熱輸送をおこなうことができる。
【００２６】
なお、蒸気管９を介して凝縮部５に流れた作動流体１０の蒸気は、凝縮部５において放熱して凝縮するので、作動流体１０の潜熱として、蒸発部３側から凝縮部５側に熱が輸送される。また、上述した全体としての循環流路の内部における作動流体１０の量が不足した場合には、リザーバ５Ａから作動流体１０を補充することができる。
【００２７】
ここで、液戻り管８の内部に作動液１０を吸引して保持するための前記ウイック１１の形状もしくはそのウイック１１を収容する容器３Ａの形状の例を挙げると、図３に示す容器３Ａは、上側での直径が大きくなる円錐形状をなしており、それに伴い、液戻り管８の上端部８Ａが容器３Ａに向けて次第に大径となるテーパー状（もしくは円錐形状）に形成されている。
【００２８】
また、図４に示す例は、容器３Ａを液戻り管８および蒸発部３の容器より大径の円筒状とし、かつ液戻り管８の上端部８Ａを容器３Ａに向けて次第に大径となるテーパー状（もしくは円錐形状）に形成した例である。
【００２９】
これら図３あるいは図４に示す構成とした場合、液戻り管８の内径（すなわち流路断面積）に対してウイック１１の全体としての断面積が大きくなる。その結果、作動液１０がウイック１１に浸透することにより生じるメニスカスの総面積、言い換えれば毛細管圧力の生じる箇所が増大するので、ウイック１１によって作動液１０を液戻り管８の内部に吸引し、あるいは保持するのに必要十分な圧力を発生させることができる。
【００３０】
この発明に係る上記のループ型ヒートパイプ１は、いわゆるトップヒートモードでの熱輸送特性に優れるので、従来ではヒートパイプが使用されていない箇所の冷却に好適に使用することができる。その例を以下に説明する。図５は、車両の車室冷却装置として構成した例を模式的に示しており、ヒートパイプ１の一部を構成している蒸発部３が、車両２における内装材の一例であるインストルメントパネル４の裏面に取り付けられている。このインストルメントパネル４は、フロントウィンド４Ａを通して照射する太陽光を受けて温度が上昇することがあるので、ヒートパイプ１に対していわゆる発熱部となる部分である。
【００３１】
また、前記凝縮部５が、車室７の外部であるボンネット６の下側あるいは上側に配置されている。すなわち、凝縮部５が、車両２における車室７の外部であって、外気に曝される箇所に配置されている。なお、蒸発部３は凝縮部５よりも相対的に上方に配置されており、したがってトップヒートモードとして使用されている。
【００３２】
上記の車両２において、車室７内に太陽光が差し込むなどの状態となると、そのインストルメントパネル４が加熱され、その温度が高くなる。その結果、インストルメントパネル４の裏面に接触している蒸発部３にインストルメントパネル４から熱が伝達され、その内部の作動流体１０が蒸発する。これに対して凝縮部５は、外気に曝され、あるいは太陽光から遮蔽されているので、蒸発部３に対して相対的に低温となっており、したがって作動流体１０の蒸気は、蒸気管９を介して凝縮部５に流動し、かつ凝縮部５で放熱して凝縮する。
【００３３】
一方、凝縮部５から蒸発部３に対しては、前述したように、ウイック１１，１２による毛細管圧や作動流体蒸気による作動液１０の加圧などによって、作動液１０が液戻り管８を通って還流している。したがって、蒸発部３が凝縮部５に対して相対的に高い位置に配置されていても、蒸発部３に対して作動液１０が十分に還流し、蒸発部３から凝縮部５、すなわち車室７の内部から外部に向けた熱輸送が継続して生じる。その結果、インストルメントパネル４の熱が車室７の外部に放散されるので、車室７を冷却することができる。
【００３４】
なお、この発明は上述した各具体例に限定されない。例えば車両用冷却装置として構成する場合、その冷却対象とする内装材は、パーセルシェルフボード、トノカバー、ドアウエスト、シートなどであってもよい。さらに、凝縮部は車両の床下、フェンダーパネル、ドアパネルに配置してもよい。また、車両のエンジンルームをこの発明の冷却装置によって冷却することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明に係るループ型ヒートパイプの一例を示す模式図である。
【図２】その液戻り管の内部に作動液を吸引して保持するためのウイックに対する液戻り管と蒸発部のウイックとの接続状態を説明するための模式的な部分斜視図である。
【図３】その液戻り管の内部に作動液を吸引して保持するためのウイックあるいはそのウイックを収容した容器の形状の他の例を示す一部破断した斜視図である。
【図４】その液戻り管の内部に作動液を吸引して保持するためのウイックあるいはそのウイックを収容した容器の形状の更に他の例を示す一部破断した斜視図である。
【図５】この発明のループ型ヒートパイプを使用した車両用冷却装置の一例の模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…ループ型ヒートパイプ、  ２…車両、  ３…蒸発部、  ４…インストルメントパネル、  ５…凝縮部、  ８…液戻り管、  ８Ａ…（液戻り管の）上端部、  ９…蒸気管、  １０…作動流体、  １１，１２…ウイック。
【図１】
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【図２】
2006125782.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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