(57)【要約】  本発明は、二相の作動流体を用いて、熱源（１１）から吸熱し、該熱を冷熱源（１２）へと放熱するよう構成された、キャピラリポンプ型の熱輸送装置に関する。該装置は、液相の流体をキャピラリポンプ現象（毛細管力）により吸い上げるミクロ多孔質体（１０）を有する蒸発器（１）、凝縮器（２）と、内部チャンバ（３０）および入口ポートおよび／または出口ポート（３１；３１ａ、３１ｂ）を有するリザーバ（３）と、蒸発器（１）の出口を凝縮器（２）の入口に連結する蒸気伝達通路（４）と、液体伝達通路（５）とを備える。該装置は、リザーバ（３）の内部チャンバ（３０）と蒸発器（１）のミクロ多孔質体（１０）との間に、蒸発器（１）内の流体が、リザーバ（３）の内部チャンバ（３０）に逆流することを防止する逆流防止装置（６）を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般的な閉回路に含有された二相の作動流体により、熱源（１１）から吸熱し、該熱を冷熱源（１２）へと放熱するよう構成された、キャピラリポンプ型熱輸送装置であって、
入口と出口、および、液相の流体をキャピラリポンプ現象により吸い上げるミクロ多孔質体（１０）を有する、少なくとも１つの蒸発器（１）と、
入口と出口を有する、少なくとも１つの凝縮器（２）と、
内部チャンバ（３０）、および、少なくとも１つの入口ポートおよび／または出口ポート（３１；３１ａ、３１ｂ）を有する、リザーバ（３）と、
前記蒸発器（１）の出口を前記凝縮器（２）の入口に連結する、主として蒸気相の流体のための第１の伝達通路（４）と、
前記凝縮器（２）の出口を前記リザーバ（３）および前記蒸発器（１）の入口に連結する、主として液相の流体のための第２の伝達通路（５）と、
を備え、
前記リザーバ（３）の内部チャンバ（３０）と前記蒸発器（１）のミクロ多孔質体（１０）との間に、前記蒸発器（１）内の流体が、前記リザーバ（３）の内部チャンバ（３０）に逆流することを防止するための逆流防止装置（６）をさらに備え、かつ、該逆流防止装置は、重力の影響下で使用される場合に、浮力によって閉状態の位置に押し戻されるフロート（６０）を備えることを特徴とする、
熱輸送装置。
【請求項２】
前記フロート（６０）は、前記流体の液相における密度よりも低く、該液相の流体密度の６０％〜９０％の密度を有する、請求項１に記載の熱輸送装置。
【請求項３】
前記フロート（６０）は、ステンレススチール製である、請求項１または２に記載の熱輸送装置。
【請求項４】
前記逆流防止装置（６）は、前記リザーバ（３）の下部領域に配置される、請求項１〜３のいずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項５】
前記逆流防止装置（６）は、前記蒸発器（１）の上部領域に配置される、請求項１〜３のいずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項６】
前記リザーバ（３）は、前記入口ポート付近に入力流ディフレクタ（８）を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項７】
前記リザーバ（３）は、流体連通を維持する複数の独立チャンバを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項８】
前記複数の独立チャンバを仕切るための仕切り構造を形成する複数の内部壁（７）を備える、請求項７に記載の熱輸送装置。
【請求項９】
機械的ポンプを備えていない、請求項１〜８のいずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項１０】
起動時に、前記ループの圧力状態を制御するためのエネルギ供給エレメント（３６）をリザーバ（３）内に付加的に備える、請求項１〜９のいずれかに記載の熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャピラリポンプ型熱輸送装置、特に、二相流体ループの受動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
キャピラリポンプ型熱輸送装置が、電力変換装置を冷却する手段として使用されることは、フランス国特許２９４９６４２号により知られている。
【０００３】
しかしながら、該装置では、その起動時に、高い熱出力が存在するために、特に問題が多く、毛細管ウィックの乾燥が生じて、その起動が失敗する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】フランス国特許第２９４９６４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明は、キャピラリポンプ型熱輸送装置における、二相流体ループの起動時および作動時の信頼性を高めることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、一般的な閉回路に含有された二相の作動流体により、熱源から吸熱し、該熱を冷熱源へと放熱するよう構成された、キャピラリポンプ（毛細管力駆動）型の熱輸送装置を対象とする。該装置は、
−入口と出口、および、液相の流体をキャピラリポンプ現象（毛細管力）により吸い上げるミクロ多孔質体を有する、少なくとも１つの蒸発器と、
−入口と出口を有する、少なくとも１つの凝縮器と、
−内部チャンバ、および、少なくとも１つの入口ポートおよび／または出口ポートを有し、気相部を液相部の上に位置させている、リザーバと、
−前記蒸発器の出口を前記凝縮器の入口に連結する、主として蒸気相の流体のための第１の伝達通路と、
−前記凝縮器の出口を前記リザーバおよび前記蒸発器の入口に連結する、主として液相の流体のための第２の伝達通路、とを備える。
【０００７】
特に、本発明では、該装置は、前記リザーバの前記内部チャンバと前記蒸発器の前記ミクロ多孔質体との間に配置され、前記蒸発器内にある液体が、前記リザーバの前記内部チャンバへと逆流することを防止する逆流防止装置を備える。該装置は、記装置は、主として重力の影響下で使用され、前記逆流防止装置は、浮力によって閉状態の位置に押し戻されるフロートを備える。
【０００８】
このような構成により、液体が前記蒸発器から前記リザーバへと逆流することが防止される。よって、強い熱負荷下における起動がより確実に行われる。さらに、前記フロートは、気泡を通過させるため、ガスロックの発生を阻止することができる。また、蒸気やガスを通過させることが可能でありながら、該逆流防止装置は、簡単な構造でかつ信頼性が高い。
【０００９】
本発明の様々な実施態様においては、以下に示す１つ以上の構成が選択的に適用されうる。
【００１０】
−前記フロートは、液相における流体密度よりも低い密度を示し、液相の流体密度の６０％〜９０％の密度で構成される。このため、前記逆流防止装置がキャピラリポンプによる吸い上げを妨害することはない。
【００１１】
−前記フロートは、ステンレススチール製とすることができ、これにより、非常に良好な耐久性を得ることができる。
【００１２】
−前記逆流防止装置を、前記第２の伝達通路に配置して、前記リザーバや前記蒸発器から独立させることが可能である。
【００１３】
−前記逆流防止装置を、前記リザーバの下部領域に配置して、前記リザーバと連結することが可能である。
【００１４】
−前記逆流防止装置を、前記蒸発器の上部領域に配置して、前記蒸発器と連結することが可能である。
【００１５】
−前記流体伝達回路を管状導管により構成することができ、これにより、低コストで装置を提供できる。
【００１６】
−前記入口／出口ポートは、前記リザーバの下部領域、好ましくは該リザーバの下側側部に配置される。
【００１７】
−前記第２の流体通路は、Ｔ字に結合した単一の導管、あるいは、２つの独立した導管により構成することが可能である。
【００１８】
−前記リザーバは、前記入口ポート付近に入力流ディフレクタを備え、これにより、入力流による液体の混合を回避することができる。
【００１９】
−前記リザーバは、流体連通を維持した複数の独立した液相チャンバを備え、これにより、前記リザーバ内に蓄えられた液体の混合を制限することができる。
【００２０】
−前記リザーバは、前記複数の独立した液相チャンバを分離する仕切り構造を形成する複数の内部壁を備える。
【００２１】
−前記複数の内部壁は、ハニカム構造の仕切り構造を形成することができ、この場合、コストと効率のバランスが最適化する。
【００２２】
−前記熱輸送装置は、機械的ポンプを備えなくてもよい。これにより、装置の信頼性が向上する。
【００２３】
−前記熱輸送装置は、さらに、起動に際してループの圧力状態を制御するため、エネルギ供給エレメントを前記リザーバに設置し、これにより、ループ起動時の信頼性をより向上させることができる。
【００２４】
本発明のその他の態様、目的および作用効果は、以下、図面と共に示すいくつかの実施態様により明らかになる。ただし、これらの態様は、単なる例示であり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の一実施例の全体図である。
【図２】図２は、図１の一変形例を示す。
【図３】図３は、図１のさらなる一変形例を示す。
【図４】図４ａおよび図４ｂは、図１〜図３における逆流防止装置を示す。
【図５】図５は、逆流防止装置をリザーバの底部に設置した場合の詳細図である。
【図６】図６は、逆流防止装置の断面図である。
【図７】図７ａおよび図７ｂは、複数の蒸発器を配した図１の装置の変形例をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、二相流体ループを用いた、キャピラリポンプ（毛細管力駆動）型熱輸送装置を示す。この装置は、入口１ａと、出口１ｂと、キャピラリポンプを作動させる（毛細管力を駆動する）ためのミクロ多孔質体１０とを有する蒸発器１を備える。このため、ミクロ多孔質体１０が、入口１ａと連通する中央長手方向に伸長する凹部１５を取り囲んでおり、液体状態の作動流体９をリザーバ３から受け取るようになっている。
【００２７】
蒸発器１は、電源部品アセンブリやその他の発熱エレメントの熱源と、たとえばジュール効果あるいはその他の手段により熱的に連結されている。
【００２８】
液体で満たされたミクロ多孔質体の接触部１６における熱の供給により、流体は液体状態から蒸気状態になり、移動チャンバ１７、および、第１の伝達通路４を通じて排出される。第１の伝達通路４は、入口２ａおよび出口２ｂを有する凝縮器２へと、前記蒸気を伝達する。
【００２９】
蒸発器１内は、排出された蒸気の代わりに、中央凹部１５からミクロ多孔質体１０により吸収された液体で満たされる。なお、これが周知のキャピラリポンプ現象である。
【００３０】
凝縮器２内では、熱が、蒸気相の流体から冷熱源１２へと放出される。これにより、蒸気相の流体は冷却され、液相へと相変化する。すなわち凝縮が起こる。
【００３１】
凝縮器２において、作動流体９の温度は、液体−蒸気の平衡温度以下まで下げられる。このような「サブ冷却」により、相当量の入熱がない限り、流体は蒸気状態に戻らなくなる。
【００３２】
蒸気圧が、凝縮器２の出口２ｂの方向へと液体を押し、出口２ｂを、リザーバ３に連結された第２の伝達通路５へと開く。
【００３３】
リザーバ３は、少なくとも１つの入口および／または出口ポート３１を有するが、図１の例では、入口ポート３１ａと出口ポート３１ｂを独立して備えている。また、リザーバ３は、作動流体（冷却液）９で満たされた内部チャンバ３０を有する。作動流体９としては、たとえばアンモニアやその他の適切な流体を選択できるが、メタノールを用いることが最も好ましい。作動流体９は、部分的には液相９ａ、部分的には蒸気相９ｂで存在する二相流体である。重力が作用する環境において、Ｚに沿った鉛直方向において、気相部９ｂは液相部９ａの上に位置し、液体−蒸気の界面１９が２つの相を分離する。
【００３４】
該ループ内の圧力を決定するのは、この分離面１９における温度であり、該圧力は、分離面１９における温度での流体の飽和圧力に相当する。
【００３５】
リザーバ３の底部３４における液体の温度は、通常、分離面１９における温度よりも低い。
【００３６】
キャピラリポンプを備えたループが正しく作動するためには、分離面１９における温度が、急速に変化することを回避する必要があり、特に、リザーバ３の底部の冷たい液体を上部へと移動させて、表面の温度を低下させ、さらに圧力の低下を招くことになる、液相９ａの混合を回避する必要がある。
【００３７】
第１および第２の流体伝達通路４、５は、管状導管により構成されることが好ましいが、その他の種類の伝達流体用の導管や輸送管を用いることもできる。
【００３８】
また、第２の流体伝達通路５として、２つの独立した導管５ａ、５ｂ（図１）を用いることもできるが、Ｔ字継手を伴う単一の導管５ｃ（図２）を用いることもできる。
【００３９】
いずれの場合でも、２つの独立した導管の場合にはリザーバ３を介して間接的に、あるいは、Ｔ字継手による単独の導管の場合には直接的に、第２の流体伝達通路５は、凝縮器の出口２ｂと蒸発器の入口１ａとを連結する。
【００４０】
本発明によれば、当該熱輸送装置は、蒸発器１内の流体が、リザーバ３の内部チャンバ３０へと逆流することを防止するため、リザーバ３の内部チャンバ３０と蒸発器１のミクロ多孔質体１０との間に、逆流防止装置６を備える。逆流防止装置６は、前記液体が蒸発器１からリザーバ３へと戻ることを阻止する。ほんの僅かな液体が蒸発器１からリザーバ３へと逆流するだけで、ミクロ多孔質体に局部的な乾燥を引き起こす可能性があり、二相ループのキャピラリポンプ機能の停止を招くおそれがあるが、このような現象は、逆流防止装置６によって防止される。この現象は、起動時の出力が高い（数キロワットおよび／またはｃｍ2につき数十ワット）場合ほど顕著である。このように、逆流防止装置６は、システム起動時の信頼性をより向上させる。
【００４１】
逆流防止装置６の位置は、用途や要求される最適化の程度に応じて、いくつかの適切な位置から選択することが可能である。
【００４２】
図１において、逆流防止装置６は、リザーバ３と記蒸発器１とを連絡する導管５ｂに設置されている。このように、蒸発器３とリザーバ１がその変更が難しい既定コンポーネントである場合には、逆流防止装置６を二相ループに挿入することが可能である。
【００４３】
図２に示すように、逆流防止装置６を蒸発器１に隣接させ、蒸発器１と連結した状態で設置することも可能である。これにより、該システムのサイズを最適化できる。
【００４４】
図３に示すように、逆流防止装置６リザーバ３に隣接させ、後述するように、リザーバ３と連結した状態で設置することも可能である。これによっても、システムのサイズを最適化できる。
【００４５】
逆流防止装置６は、液相における前記流体の密度よりも少し低い密度を有するフロート６０を備え、後述するように、液体の通路を閉鎖する位置に当接可能となっている。
【００４６】
ただし、逆流防止装置６は、バルブと、弁座と、該バルブを前記弁座に向けて押圧する弾性体を備えた、より古典的な逆流防止弁（図示せず）の形態をとることも可能である。この場合、前記弾性体の強さは、前記キャピラリポンプの吸い上げ力（毛細管力）を妨害することがないよう、適度である必要がある。
【００４７】
逆流防止装置６が、図４ａおよび図４ｂに示すようなフロートである場合、フロート６０を構成するユニットは、中空体６３の内部に配置され、フロート６０は、この中空体６３の中を、少なくとも長手方向に動くことができる。ここでの長手方向は、Ｚの方向であり、浮力および重力が作用する方向である。
【００４８】
図示の例において、中空体６３およびフロート６０は、このＺ軸を中心に回転対称であるが、その他の構成を採用することも可能である。
【００４９】
フロート６０は、環状の支持面６７を有し、これに対応する環状の支持部６６（径方向内側に向いたショルダー部を中空体６３内に形成する）を押圧するようになっている。フロート６０が支持部６６を押圧すると、第２の伝達通路５の上流スペース６４は、第２の伝達通路５の下流スペース６５と隔絶される。これが閉状態である。
【００５０】
図４ａに示すように、前記ループが既定の作動状態にある場合、キャピラリポンプ（毛細管力）が作用して吸引効果をもたらすため、下流スペースの圧力が僅かに低くなり、この吸引作用Ｓが、フロート６０を下流へと引き寄せる。これにより、支持部６６の位置で液体通路が開き、液体は上流６４から下流６５へと流れる。
【００５１】
凝縮不能な蒸気やガスによる気泡が、下流域６５で前記液体に発生した場合、これらを反対方向へ（下流から上流へ）と逃がすことができ、これにより、蒸発器１への新鮮な液体の供給が遮断されることがなくなる。このように、フロート６０は、気泡を通過させて、ガスロックの発生を阻止する。これはガス抜き機能とも呼ばれる。
【００５２】
本発明の有利な一態様によれば、フロート６０は、液相における前記流体の密度よりも低い密度を示し、（たとえば、約１００℃の最高温度において）液相の流体密度の６０％〜９０％で構成される。このように、重さと浮力との合力により、上流方向に押す力Ｐが発生する。
【００５３】
しかしながら、この押す力Ｐの強度は、キャピラリポンプ（毛細管力）の吸引作用よりも、低く抑える必要がある。
【００５４】
過渡的な作動段階において、具体的には、初始動時や、排出すべき熱負荷が急激に増加した場合において、蒸発器１内に発生する蒸気の急激な増加は、凹部１５に蓄えられた液体をリザーバ１の方向へと押し返す傾向がある。こうしたことは、ミクロ多孔質体（ウィックとして知られる）の乾燥を引き起こし、前記ループの作動停止を招く可能性があるため、回避しなければならない。
【００５５】
図４ｂに示すように、蒸発器１の凹部１５から液体が流れ出る場合、上流へと向かう圧力Ｆにより、フロート６０は支持部６６へと十分に押しつけられ、液体の通路を閉鎖する。その結果、リザーバ内部３０へと向かう液体の逆流は、回避される。
【００５６】
逆流防止装置６をリザーバ３の下部エリアに有する、特に有利な構成の１つにおいて、逆流防止装置６は、リザーバ３の底部の、出口ポート３１ｂ（図３および図５参照）に配置される。この場合、本体部６３は、鍔部６８を備える。そして鍔部６８が、公知の固定手段により、しっかりとリザーバ３の底部３７に固定される。さらに、底部３７のポート３１ｂの位置は、そのまま閉鎖用支持部６６として使用される。
【００５７】
本発明によれば、フロート６０は、きわめて良好な耐久性を得るためには、ステンレススチール製であることが好ましい。図６に示すように、フロート６０は、２つのハーフシェル６１、６２の最外部同士を、溶接６８により相互につなぎ合わせることにより、形成される。２つのハーフシェル６１、６２は、大気またはガス、好ましくは不活性ガスで満たされた内部チャンバ８９を形成する。２つのハーフシェル６１、６２の壁の厚さ、および、内部チャンバ８９のサイズは、フロート６０全体が所望の密度となるように選択される。
【００５８】
さらに、低温衝撃現象を導くリザーバ３内部における混合現象を回避するため、図７ａおよび図７ｂに示すように、互いに独立するものの流体連通が維持されている複数の独立チャンバを、リザーバ内に設けることができる。より詳細には、リザーバ３内に、複数の内部壁７を配置して、前記複数の独立チャンバを仕切るようにする。
【００５９】
さらに、本発明の好適な態様によれば、リザーバ３は、第２の導管５の構成に応じて、入口ポート３１ａまたは入口／出口ポート３１付近に、入力流ディフレクタ８を備えることができる。
【００６０】
入力流ディフレクタ８は、リザーバ３内に急速に到着した液体が、液体の混合を促進してしまう泡立ち現象や水流が生じることを阻止する。入力流ディフレクタ８の形状には、下向きＵ字状や皿蓋状などの、入力流の軌道を十分に迂回させることができる任意の形状が採用される。
【００６１】
仕切り構造７１は、垂直、すなわち重力の方向に向いた内部壁７で構成される。ただし、これらの内部壁７を、僅かに傾けたり、図７ａに示すようにかなり大きく傾けたりすることも可能である。
【００６２】
好ましくは、仕切り構造７１として、六角形メッシュのハニカム構造が選択される。
【００６３】
リザーバ３の形状は任意であり、具体的には、平行六面体形状や円筒形状を採りうる。さらに、仕切り構造７１を、ステンレススチール製とすることが好ましい。
【００６４】
本発明の一態様によれば、前記複数の独立チャンバは、小断面通路、好ましくはリザーバの最大断面積の１／１０以下の断面積を有する小断面通路により、連通される。
【００６５】
本発明の好適態様によれば、仕切り構造７１は、該構造が急激に温度変化しないように、該構造に熱慣性を付与する相変化物質により構成される。
【００６６】
図７ａおよび図７ｂに示した、熱排出能力を高め、および／または、可能な限り熱源に近接させて蒸発器１を配置するために、複数の蒸発器１を平行に設置した構成も、本発明の範囲に含まれる。
【００６７】
図７ａの構成によれば、蒸発器１のそれぞれが、その液体供給通路に、１つずつ逆流防止装置６を備える。一方、図７ｂの構成の場合、逆流防止装置６は、分岐部５ｅ、５ｆの上流の蒸発器１へと向かう共通の導管５ｄに、１つだけ設置されており、逆流防止装置６の共通化を図ることで、複数の蒸発器１を備えたシステムのコストを最適化している。
【００６８】
さらに、当該装置は、リザーバ３に設置された加熱エレメントや加圧エレメントのような、エネルギ供給エレメント３６を備えることにより、起動時のループの圧力状態を制御することができる。加熱エレメントの場合、制御（ＣＴＲＬ）システム３８が、センサ（図示せず）から伝達される温度情報および／または圧力情報に基づき、加熱エレメント３６の熱供給を管理し、二相ループの起動を確実に行わせる。さらに、この制御（ＣＴＲＬ）システムは、相当量の熱が蒸発器へ到達した場合でも、二相ループがこれに対応できるようにすることもできる。これにより、熱散逸の必要性に対する二相ループの反応を早めることができる。したがって、ループのサイズは、排出すべき相当の熱量を考慮して最適化される。
【００６９】
本発明によれば、当該装置には機械的ポンプの使用は必要とされない。ただし、本発明は、当該装置において、機械的補助ポンプの使用を排除するものではない。
【符号の説明】
【００７０】
１  蒸発器
１ａ  入口
１ｂ  出口
２  凝縮器
２ａ  入口
２ｂ  出口
３  リザーバ
４  第１の伝達通路
５  第２の伝達通路
５ａ  導管
５ｂ  導管
５ｃ  導管
６  逆流防止装置
７  仕切り構造
８  入力流ディフレクタ
９  作動流体
９ａ  液相
９ｂ  蒸気相
１０  ミクロ多孔質体
１１  熱源
１２  冷熱源
１５  凹部（空洞）  
１９  自由表面
２８  グリッド
２９  移動チャンバ
３０  内部チャンバ
３１  入口／出口ポート
３１ａ  入口ポート
３１ｂ  出口ポート
３４  ベース領域
３６  エネルギ供給エレメント
３８  制御システム
６０  フロート
６１  ハーフシェル
６２  ハーフシェル
６３  中空体
６４  上流スペース
６５  下流スペース
６６  環状支持部
６７  環状支持面
６８  鍔部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
2014526670.tif 000009
【図７ａ】
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【図７ｂ】
2014526670.tif 000011
【国際調査報告】
2014526670.tif 000012
2014526670.tif 000013
2014526670.tif 000014
2014526670.tif 000015
2014526670.tif 000016
2014526670.tif 000017