(57)【要約】【課題】熱輸送性能をさらに向上することができる、ヒートパイプ装置を提供する。【解決手段】ヒートパイプ装置(1)は、管(2)に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部(6)から、吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部(4)へ熱を輸送するヒートパイプ装置であって、管は、吸熱部と放熱部との間において管の軸方向における熱伝導を遮断する断熱部(8)を有し、断熱部は、管内の作動流体の気液界面近傍に位置している。好ましくは、断熱部は、管内の作動流体の気液界面よりも重力方向上方且つ放熱部よりも重力方向下方に位置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部から、前記吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部へ熱を輸送するヒートパイプ装置であって、
前記管は、前記吸熱部と前記放熱部との間において前記管の軸方向における熱伝導を遮断する断熱部を有し、
前記断熱部は、前記管内の前記作動流体の気液界面近傍に位置している、
ことを特徴とするヒートパイプ装置。
【請求項２】
前記断熱部は、前記管内の前記作動流体の気液界面よりも重力方向上方且つ前記放熱部よりも重力方向下方に位置している請求項１に記載のヒートパイプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプ装置に係わり、特に、管に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部から、吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部へ熱を輸送するヒートパイプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及により、駆動用や発電用の電気モータが車両に搭載されることが多くなってきている。この種の電気モータにおいては、ステータのコイルが通電時に発熱するので、所望の性能と信頼性を実現するために、ステータを冷却する必要がある。そこで、空冷や液冷の各種冷却方法が採用されているが、特にコイルの電気絶縁を維持しつつ大量の熱を迅速に排熱可能な熱輸送デバイスとして、作動流体の相変化を利用したヒートパイプの適用が検討されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−９５９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、車両用の電気モータの高出力化及び小型化が進められた結果、電気モータにおける発熱密度が増大しており、また、車両用の電気モータの制御がより緻密化していることに応じて電気モータの発熱量の変化も一層急激になっているため、ヒートパイプの熱輸送性能をさらに向上させることが求められている。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、熱輸送性能をさらに向上することができる、ヒートパイプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために本発明によれば、ヒートパイプ装置は、管に封入された作動流体の相変化を介して、吸熱部から、吸熱部よりも重力方向上方に配置されている放熱部へ熱を輸送するヒートパイプ装置であって、管は、吸熱部と放熱部との間において管の軸方向における熱伝導を遮断する断熱部を有し、断熱部は、管内の作動流体の気液界面近傍に位置していることを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、管は、吸熱部と放熱部との間において管の軸方向における熱伝導を遮断する断熱部を有し、断熱部は、管内の作動流体の気液界面近傍に位置しているので、断熱部よりも下方においては、吸熱部と断熱部との間で管壁の温度をほぼ一定として、管壁の内面に接している作動流体液における管の軸方向に沿った温度勾配を低減し、管の軸方向における作動流体液の自然対流を発生し難くすることができる。これにより、管壁から作動流体液に伝達された熱が運動エネルギーとして作動流体液内に散逸することを抑制して、作動流体液の沸騰を促進することができ、熱を放熱部側へ効率よく輸送することができる。
また、断熱部よりも上方においては、断熱部と放熱部との間で管壁の温度をほぼ一定として、作動流体蒸気を断熱部と放熱部との間における管壁の内面全体で凝縮させることができる。これにより、作動流体蒸気の凝縮速度を増大させることができ、熱を放熱部側へ効率よく輸送することができる。
これにより、ヒートパイプ装置の熱輸送性能をさらに向上することができる。
【０００７】
また、本発明において、好ましくは、断熱部は、管内の作動流体の気液界面よりも重力方向上方且つ放熱部よりも重力方向下方に位置している。
このように構成された本発明においては、気液界面上において気泡の生成速度が消滅速度を上回り、気泡の塊が放熱部側へ成長した場合でも、気泡が断熱部を超えて放熱部とほぼ同じ温度の管壁に接触し急激に冷却されることにより破裂し易くなる。したがって、それ以上の気泡の塊の成長を抑制することができ、管内の作動流体の気相領域が気泡に占有されることにより作動流体蒸気の移動による熱輸送が妨げられることを防止できる。これにより、ヒートパイプ装置の熱輸送性能をさらに向上することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によるヒートパイプ装置によれば、熱輸送性能をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態によるヒートパイプ装置を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態によるヒートパイプ装置の軸方向温度分布を示す図である。
【図３】従来のヒートパイプ装置の軸方向温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるヒートパイプ装置を説明する。
【００１１】
まず、図１により、本発明の実施形態によるヒートパイプ装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態によるヒートパイプ装置を示す概略断面図である。
【００１２】
図１において、符号１はヒートパイプ装置を示す。このヒートパイプ装置１は、作動流体を封入した管２を有し、この管２における放熱部４が吸熱部６よりも重力方向上方に配置されたサーモサイフォン式のヒートパイプ装置である。
管２は、長手方向の両端が封止された円管や角管であり、内部に所定の作動流体が封入されている。管２は、熱伝導性の良好な材料、例えば銅やアルミニウムにより形成される。また、作動流体は、ヒートパイプ装置１に要求される作動温度範囲や熱輸送性能に応じて適宜選択することができ、例えば、ハイドロフルオロエーテルが用いられる。
【００１３】
管２の一端側に設けられた吸熱部６は、所望の熱源から熱を受け取る部分であり、熱源に接触するように配置される。例えば、熱源が車両に搭載された電気モータである場合、ヒートパイプ装置１の管２における吸熱部６は高熱伝導性フィラーを介して電気モータのハウジングに接触するように配置される（図示省略）。
【００１４】
管２の他端側に設けられた放熱部４は、作動流体により吸熱部６から輸送された熱を外部に放出する部分であり、吸熱部６よりも重力方向上方に配置される。この放熱部４の外面には、例えば放熱部４における冷却性能を向上させるために複数の放熱フィンが設けられている（図示省略）。
【００１５】
また、ヒートパイプ装置１の管２は、吸熱部６と放熱部４との間において管２の軸方向における熱伝導を遮断する断熱部８を有している。断熱部８は、管２内の作動流体の気液界面Ｂよりも重力方向上方且つ放熱部４よりも重力方向下方に位置している。作動流体の気液界面Ｂは、管２内に封入される作動流体の量、ヒートパイプ装置１の動作温度、熱輸送量等により予測することができる。
断熱部８は、熱伝導率が小さく且つ作動流体による内部圧力に耐えうる樹脂やセラミックス等の材料により形成される。
【００１６】
次に、図２及び図３により、ヒートパイプ装置１における軸方向の温度分布を説明する。図２は本発明の実施形態によるヒートパイプ装置１の軸方向温度分布を示す図であり、図３は従来のヒートパイプ装置１の軸方向温度分布を示す図である。
【００１７】
図１に示したように、ヒートパイプ装置１の内部は、作動流体の液Ｌと飽和蒸気Ｖとで満たされている。吸熱部６が電気モータ等の熱源により加熱され、放熱部４が冷却用の空気流等により冷却されると、吸熱部６における管壁の内面まで伝達された熱により作動流体の液Ｌが加熱されて沸騰し、作動流体の蒸気Ｖが生じる。この蒸気Ｖは管２内を放熱部４に向かって移動し、放熱部４における管壁の内面において冷却されて凝縮する。凝縮した作動流体の液Ｌは、重力により管壁の内面に沿って吸熱部６まで還流する。即ち、作動流体は、沸騰→蒸気移動→凝縮→液還流のサイクルを形成し、これにより、吸熱部６から放熱部４への熱輸送が行われる。
【００１８】
図２に示した本発明の実施形態によるヒートパイプ装置１では、管２内の作動流体の気液界面Ｂよりも重力方向上方且つ放熱部４よりも重力方向下方において、管２に断熱部８が設けられている。したがって、管２の軸方向における管壁を介した熱伝導は断熱部８においてほぼ遮断される。
【００１９】
この場合、図２において実線により示すように、断熱部８よりも下方においては、吸熱部６と断熱部８との間で管壁の温度がほぼ一定となっている。その結果、図２において破線により示すように、管壁の内面に接している作動流体液Ｌにおいて、管２の軸方向に沿った温度勾配が非常に小さくなる。したがって、管２の軸方向における作動流体液Ｌの自然対流が発生し難くなるので、管壁から作動流体液Ｌに伝達された熱が運動エネルギーとして作動流体液Ｌ内に散逸することが抑制され、作動流体の沸騰が促進される。これにより、熱が放熱部４側へ効率よく輸送されるようになる。
また、図２において実線により示すように、断熱部８よりも上方においては、断熱部８と放熱部４との間で管壁の温度がほぼ一定となっている。即ち、作動流体蒸気Ｖが断熱部８と放熱部４との間における管壁の内面全体で凝縮可能となるので、作動流体蒸気Ｖの凝縮速度が増大すると共に、作動流体蒸気Ｖと管壁との温度差が縮小する。これにより、熱が放熱部４側へ効率よく輸送されるようになる。
【００２０】
また、作動流体液Ｌが沸騰することにより発生した気泡は気液界面Ｂで消滅するが、気泡の生成速度が消滅速度を上回ると、気泡の塊が放熱部４側へ成長する。そのまま気泡の塊の成長が継続すると、管２内の作動流体の気相領域が気泡に占有され、作動流体蒸気Ｖの移動による熱輸送が妨げられる可能性がある。
しかしながら、本実施形態のヒートパイプ装置１では、断熱部８が気液界面Ｂよりも重力方向上方且つ放熱部４よりも重力方向下方に位置しているので、成長した気泡の塊が断熱部８を超えると、放熱部４とほぼ同じ温度の管壁に接触し急激に冷却され、破裂し易くなる。したがって、それ以上の気泡の塊の成長を抑制することができ、気泡の塊によって作動流体蒸気Ｖの移動による熱輸送が妨げられることを防止できる。
【００２１】
一方、図３に示した従来のヒートパイプ装置１では、断熱部８が管２に設けられていないので、図３において実線により示すように、吸熱部６と放熱部４との間で管２の軸方向に沿って管壁に温度勾配が生じている。
その結果、図３において破線により示すように、気液界面Ｂよりも下方では、管壁の内面に接している作動流体液Ｌにおいて、管２の軸方向に沿って温度勾配が生じる。したがって、管２の軸方向における作動流体液Ｌの自然対流が、上述の本発明によるヒートパイプ装置１と比較して強くなるので、管壁から作動流体液Ｌに伝達された熱の一部が運動エネルギーとして作動流体液Ｌ内に散逸し易くなる。その結果、作動流体の沸騰が抑制される。
また、図３において破線により示すように、気液界面Ｂより上方においても、管２の軸方向に沿って管壁に温度勾配が生じている。即ち、作動流体蒸気Ｖが凝縮可能な領域が放熱部４とその近傍に限定されるので、作動流体蒸気Ｖの凝縮速度が低下すると共に、作動流体蒸気Ｖと管壁との温度差が拡大する。
したがって、従来のヒートパイプ装置１では、図２に示した本発明によるヒートパイプ装置１と比較して熱輸送性能が低い。
また、従来のヒートパイプ装置１は断熱部８を有していないので、気泡の生成速度が消滅速度を上回ると、気泡の塊が放熱部４に向かって成長を続けてしまう。その結果、管２内の作動流体の気相領域が気泡に占有され、作動流体蒸気Ｖの移動による熱輸送が妨げられる。
【００２２】
次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上述した実施形態においては、ヒートパイプ装置１が直管形の管２を有する場合を例として説明したが、管２の構造は直管形に限られず、環状であってもよく、曲がり管や分岐管であってもよい。管２が環状である場合には、管内の２箇所において気液界面Ｂが形成されるが、それぞれの気液界面Ｂ近傍において管２に断熱部８を設けることが好ましい。
【００２３】
次に、上述した本実施形態のヒートパイプ装置１による作用効果を説明する。
【００２４】
まず、ヒートパイプ装置１の管２は、吸熱部６と放熱部４との間において管２の軸方向における熱伝導を遮断する断熱部８を有し、断熱部８は、管２内の作動流体の気液界面Ｂ近傍に位置している。したがって、断熱部８よりも下方においては、吸熱部６と断熱部８との間で管壁の温度をほぼ一定として、管壁の内面に接している作動流体液Ｌにおける管２の軸方向に沿った温度勾配を低減し、管２の軸方向における作動流体液Ｌの自然対流を発生し難くすることができる。これにより、管壁から作動流体液Ｌに伝達された熱が運動エネルギーとして作動流体液Ｌ内に散逸することを抑制して、作動流体の沸騰を促進することができ、熱を放熱部４側へ効率よく輸送することができる。
また、断熱部８よりも上方においては、断熱部８と放熱部４との間で管壁の温度をほぼ一定として、作動流体蒸気Ｖを断熱部８と放熱部４との間における管壁の内面全体で凝縮させることができる。これにより、作動流体蒸気Ｖの凝縮速度を増大させることができ、熱を放熱部４側へ効率よく輸送することができる。
【００２５】
特に、断熱部８は、管２内の作動流体の気液界面Ｂよりも重力方向上方且つ放熱部４よりも重力方向下方に位置している。これにより、気液界面Ｂ上において気泡の生成速度が消滅速度を上回り、気泡の塊が放熱部４側へ成長した場合でも、気泡が断熱部８を超えて放熱部４とほぼ同じ温度の管壁に接触し急激に冷却されることにより破裂し易くなる。したがって、それ以上の気泡の塊の成長を抑制することができ、管２内の作動流体の気相領域が気泡に占有されることにより作動流体蒸気Ｖの移動による熱輸送が妨げられることを防止できる。これにより、ヒートパイプ装置１の熱輸送性能をさらに向上することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  ヒートパイプ装置
２  管
４  放熱部
６  吸熱部
８  断熱部
Ｌ  液
Ｖ  蒸気
Ｂ  気液界面
【図１】
2018169106.tif 000003
【図２】
2018169106.tif 000004
【図３】
2018169106.tif 000005