(57)【要約】【課題】  ヒートパイプの凝縮部に形成される液体スラグの領域を低減し、凝縮機能を行う凝縮部の有効長の増大を図る。【解決手段】  長手方向に延びた密閉容器の内周壁面に第１の毛管体が設けられら、この毛管体の内部に充満するように作動流体が封入され、当該容器を、熱が加えられる蒸発部と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部と、蒸発部と凝縮部の間に設けられた断熱部とに分けて使用するヒートパイプにおいて、一端が液体スラグを吸い込むように当該液体スラグが形成される凝縮部の端部に位置し、他端が容器の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有する第２の毛管体を備えたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延び密閉された容器の内周壁面に第１の毛管体が設けられ、この毛管体の内部に充満するように作動流体が封入され、当該容器を、熱が加えられる蒸発部と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部の間に設けられた断熱部とに分けて使用するヒートパイプにおいて、一端が液体スラグを吸い込むように当該液体スラグが形成される前記凝縮部の端部に位置し、他端が前記容器の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ前記凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有する第２の毛管体を備えたことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
第２の毛管体の有効気孔半径が第１の毛管体の有効気孔半径より大きく、かつ前記第１の毛管体と第２の毛管体の相互位置関係により凝縮部の蒸気空間に形成される気孔半径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。
【請求項３】
第２の毛管体は、弾性を有する毛管材料で形成され、一端が凝縮部の端部に形成された凹部に圧入されることにより支持されるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートパイプ。
【請求項４】
第２の毛管体は、金属多孔質体で形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のヒートパイプ。
【請求項５】
第２の毛管体は、円管状の細管で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートパイプ。
【請求項６】
第２の毛管体は、平行平板で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートパイプ。
【請求項７】
第２の毛管体は、長手方向に伸びる複数の溝が設けられた溝付き板で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートパイプ。
【請求項８】
長手方向に延び密閉された容器の内周壁面に第１の毛管体が設けられ、この毛管体の内部に充満するように作動流体が封入され、当該容器を、熱が加えられる蒸発部と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部の間に設けられた断熱部とに分けて使用するヒートパイプにおいて、前記凝縮部を前記容器の中央に設け、前記凝縮部の両側にそれぞれ断熱部と蒸発部を設け、液体スラグが形成される前記凝縮部を介し両端が前記容器の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ前記凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有する多孔質体からなる第２の毛管体を備えたことを特徴とするヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば人工衛星など宇宙の無重力空間で使用され、搭載電子機器の冷却に用いるヒートパイプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートパイプは、銅やアルミからなる真空密閉された円筒容器の内周壁面に軸方向に微細溝が切られたウイックと称する毛管体が形成されており、その毛管体の内部に充満するように作動流体としてアンモニアが適量封入された構成を持っている（例えば、非特許文献１参照）。この発明の図１を引用して説明すると、ヒートパイプ１００は、その一端が、例えば人工衛星などに搭載される電子機器側に位置付けられ、その熱により加熱される蒸発部１０３を形成している。他端は、宇宙空間側に位置付けられることにより冷却される凝縮部１０５を形成しており、その中間は断熱状態におかれる断熱部１０４を形成している。蒸発部１０３において、加熱された作動流体は蒸発して蒸気となり、蒸気圧力が増すことにより、その力でヒートパイプ１００内を凝縮部１０５側へと音速に近い速度で移動する。凝縮部１０５に入った蒸気は冷却されて凝縮し、液体となる。液体に戻った作動流体は、円筒容器１０１の内周壁面に施された毛管体１０２の毛管作用により、毛管体１０２を伝わって断熱部１０５を経て蒸発部１０３へと還流し、加熱により再び蒸発する。このような作動流体の循環運動により、気化熱が蒸発部１０３から凝縮部１０５へ低温度差で輸送され、蒸発部１０３を効果的に冷却することができる。
【０００３】
【非特許文献１】「ヒートパイプの理論と応用」Ｓ．Ｗ．Ｃｈｉ著、翻訳  大島耕一，松下正，村上正秀、ジャテック出版、昭和５３年６月２３日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のヒートパイプは、以上のように構成されているので、次のような問題があった。人工衛星に搭載されたヒートパイプの周囲環境温度は、人工衛星が地球を１周する間に太陽熱の影響により変化する。それに伴ってヒートパイプの動作温度も変動することになる。ヒートパイプの動作温度が変動すると、作動流体の温度も変化し、それに伴って作動流体の液相部分の体積が変動する。このため、作動流体の量はどのような条件でも毛管体の内部に液体が充満するように設定されている。したがって、どのような環境条件でも毛管体の内部に充満した残りの余分な作動流体の液体が存在することになる。この余剰液体は、蒸気流に押されて流動し、凝縮部の端部に溜まり、液体スラグ（図１では１０７に相当）を形成する。この液体スラグが存在する部分には蒸気空間がないため、作動流体の蒸気が凝縮することができない。すなわち、液体スラグの部分は放熱に寄与せず、ヒートパイプが有効に作用する部分とはならず、凝縮部の有効長を低下させる。その結果、ヒートパイプによる蒸発部の冷却効果を低減させていた。
【０００５】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、凝縮部に形成される液体スラグの領域を低減し凝縮部の有効長増大させる構造のヒートパイプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るヒートパイプは、長手方向に延び密閉された容器の内周壁面に第１の毛管体が設けられ、この毛管体の内部に充満するように作動流体が封入され、当該円筒容器を、熱が加えられる蒸発部と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部と、蒸発部と凝縮部の間に設けられた断熱部とに分けて使用するヒートパイプにおいて、一端が液体スラグを吸い込むように当該液体スラグが形成される凝縮部の端部に位置し、他端が円筒容器の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有する第２の毛管体を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、第２の毛管体により液体スラグを吸い込むようにしたことにより、凝縮部に形成される液体スラグが占める容積を所定の範囲に低減でき、その結果、ヒートパイプの凝縮部の有効長を増大させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるヒートパイプの構成を示す断面図、図２は凝縮部の構成を示す断面図である。図において、ヒートパイプ１００は、長手方向に延び密閉された容器（ここでは円筒容器とするが、円筒には限らない）１０１の内周壁面に毛管体１０２が設けられ、この毛管体１０２の内部に充満するように作動流体が封入されている。円筒容器１０１は、熱が加えられる蒸発部１０３と、作動流体の蒸気を冷却して液体に戻す凝縮部１０５と、蒸発部１０３と凝縮部１０５の間に設けられた断熱部１０４とに分けて使用され、作動流体が循環運動を行うことで冷却を行うように構成されている。この実施の形態１では、毛管体１０２を第１の毛管体とすると、中央に第２の毛管体１を備えている。
【０００９】
この第２の毛管体１の毛管材料は金属多孔質体からなり、例えばアルミやニッケル系の発泡金属からなり、高い気孔率と連結空孔からなる弾性を有する多孔質材料で、セルメット（住友電気工業（株）商品名）などの名前で商品化されている。金属多孔質体からなる第２の毛管体１は弾性を有しているため、一端を凝縮部１０５の端部に設けられた凹部１０８に圧入することにより支持され、液体スラグ１０７を吸い込むように位置付けられている。また、第２の毛管体１は、他端が円筒容器１０１の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、凝縮部１０５の端部に形成され残留する液体スラグ１０７の容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有している。
【００１０】
次に、第２の毛管体１に与える有効気孔半径について説明する。有効気孔半径（気孔半径）は、毛管圧力差と表面張力を用いて式（１）〜（３）から求めることができる。尚、式（１）〜（３）におけるσは表面張力を表す。
第２の毛管体１の持つ毛管圧力差ΔＰｃｐは式（１）で表される。
ΔＰｃｐ＝２σ／ｒｐ                  （１）
ここに、ｒｐは第２の毛管体１の持つ有効気孔半径である。また、図２に示すように液体スラグ１０７の気孔半径をｒｓとすると、液体スラグ１０７の持つ毛管圧力差ΔＰｓは式（２）で表される。
ΔＰｃｓ＝２σ／ｒｓ                  （２）
同様に、第１の毛管体１０２の持つ有効気孔半径をｒｇとすると、第１の毛管体１０２の持つ毛管圧力差ΔＰｇは式（３）で表される。
ΔＰｃｇ＝２σ／ｒｇ                  （３）
【００１１】
ヒートパイプ１００に封入された作動流体の液体がまず第１の毛管体１０２に浸透し、その後残りの液体スラグ１０７が第２の毛管体１に吸収されるためには式（４）の条件を満たすことが必要である。
ΔＰｃｇ＞ΔＰｃｐ＞ΔＰｃｓ            （４）
したがって、第２の毛管体１の有効気孔半径ｒｐは式（５）を満たすように選択されることが必要となる。
ｒｇ＜ｒｐ＜ｒｓ                    （５）
すなわち、第２の毛管体１の有効気孔半径ｒｐを、第１の毛管体１０２の有効気孔半径ｒｇより大きく、かつ第１の毛管体と第２の毛管体の相互位置関係により凝縮部１０５の蒸気空間に形成される気孔半径ｒｓよりも小さく設定する。
このことにより、凝縮部１０５の端部に生じる液体スラグ１０７が第２の毛管体１に有効に吸引され、残される液体スラグ１０７の容積が減少する。その結果、液体スラグ１０７の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部１０５の全長の多くを用いて放熱を行うことができることで、蒸発部１０３の冷却効果が増大する。
【００１２】
以上のように、この実施の形態１によれば、第２の毛管体１を備え、一端が液体スラグ１０７を吸い込むように当該液体スラグが形成される凝縮部１０５の端部に位置し、他端が円筒容器１０１の長手方向中空に延びて開放されるように支持され、かつ凝縮部に残留する液体スラグの容積を所定の範囲に調節する有効気孔半径と長さを有するようにしたので、凝縮部の液体スラグ形成部に形成される液体スラグが占める容積を低減でき、ヒートパイプの凝縮機能を行う有効長の増大を図る効果が得られる。また、第２の毛管体１は金属多孔質体からなる弾性であるため、凝縮部の端部に設けられた凹部に圧入することにより容易に固定支持できるという効果も得られる。
【００１３】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるヒートパイプの凝縮部の構成を示す断面図である。図において、図２と同一の部分には同一符号を付して示す。ここでは、第２の毛管体として、細管２が用いられている。細管２は、式（５）を満足するように内径が調整された円管で構成されたもので、一端が液体スラグ１０７を吸い込むように凝縮部１０５の端部に近接され、他端が円筒容器１０１の長手方向中空に延びて開放されるように適当な支柱３ａ，３ｂを用いて支持されている。
【００１４】
凝縮部１０５を以上のような構成にすることにより、凝縮部１０５の端部に生じる液体スラグ１０７が細管２に吸収され、残される液体スラグ１０７の占める容積が減少する。その結果、液体スラグ１０７の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その容積を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部１０５の全長の多くを用いて放熱を行うことができるようになり、蒸発部１０３の冷却効果が増大する。また、第２の毛管体として構造が簡単な円管を用いているため、安価に製作できる効果が得られる。
【００１５】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３によるヒートパイプの凝縮部の構成を示す断面図である。図において、図２と同一の部分には同一符号を付して示す。ここでは第２の毛管体として、平行平板４が用いられている。平行平板４は、式（５）を満足するように両板の間隙の幅が調整されたもので、一端が液体スラグ１０７を吸い込むように凝縮部１０５の端部に固定され、他端が円筒容器１０１の長手方向中空に延びて開放されるように支持されている。
【００１６】
凝縮部１０５を以上のような構成にすることにより、凝縮部１０５の端部に生じる液体スラグ１０７が平行平板４に吸収され、残される液体スラグ１０７の容積が減少する。その結果、液体スラグ１０７の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部１０５の全長の多くを用いて放熱を行うことができるようになり、蒸発部１０３の冷却効果が増大する。また、この場合、第２の毛管体として構造が簡単な平行平板４を用いているため、安価に製作できる効果が得られる。
【００１７】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４によるヒートパイプの凝縮部の構成を示す断面図である。図において、図２と同一の部分には同一符号を付して示す。ここでは第２の毛管体として長手方向に伸びる複数の溝が両面に設けられた溝付き板５を用いている。溝付き板５は、式（５）を満足するように溝の幅が調整されたもので、一端が液体スラグ１０７を吸い込むように凝縮部１０５の端部に固定され、他端が円筒容器１０１の長手方向中空に延びて開放されるように支持されている。
【００１８】
凝縮部１０５を以上のような構成にすることにより、凝縮部１０５の端部に生じる液体スラグ１０７が溝付き板５に吸収され、残される液体スラグ１０７の容積が減少する。その結果、液体スラグ１０７の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、凝縮部１０５の全長の多くを用いて放熱を行うことができるようになり、蒸発部１０３の冷却効果が増大する。また、この場合、第２の毛管体として構造が簡単な溝付き板５を用いているため、安価に製作できる効果が得られる。
【００１９】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５によるヒートパイプの構成を示す断面図である。図において、図１と同一および相当する部分には同一符号を付して示す。ここでは、ヒートパイプ１００は、円筒容器１０１の両端に蒸発部１０３を備え、凝縮部１０５が円筒容器１０１の中央部に位置するように構成されている。第２の毛管体としては、実施の形態１で述べた金属多孔質体、テフロン（登録商標）やセラミックからなる多孔質体が用いられている。第２の毛管体は、凝縮部１０５の中央部を介し、両端がそれぞれ断熱部１０４を通して蒸発部１０３に達するよう、円筒容器１０１の長手方向中空に延びて開放されるように支持される。この場合も第２の毛管体１の有効気孔半径ｒｐは式（５）を満足させるよう選択される。
【００２０】
この場合、液体スラグ１０７は凝縮部１０５の中央部に形成されようとするが、液体スラグ１０７は第２の毛管体１に吸収される。凝縮部１０５がヒートパイプの中央部に位置する構成においても、中央部に生じる液体スラグ１０７の容積は減少する。その結果、液体スラグ１０７の吸収後の部分に蒸気空間が形成され、その部分を占める作動流体の蒸気が凝縮できるようになる。したがって、蒸発部１０３も２個有し、凝縮部１０５が全長の多くを用いて放熱を行うことができるため、冷却効果を増大させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１によるヒートパイプの構成を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る凝縮部の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る凝縮部の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る凝縮部の構成を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る凝縮部の構成を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係る凝縮部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  第２の毛管体、２  細管、３ａ，３ｂ  支柱、４  平行平板、５  溝付き板、１００  ヒートパイプ、１０１  円筒容器、１０２  毛管体（第１の毛管体）、１０３  蒸発部、１０４  断熱部、１０５  凝縮部、１０７  液体スラグ。
【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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