(57)【要約】【課題】従来提案されているトップヒート型ヒートパイプの欠点を解決し、ヒートパイプの高さを高くとることができ、安定的に作動するトップヒート型ヒートパイプ、およびそれを用いた冷却システムを提供すること。【解決手段】高所に設置された熱交換タンク、この熱交換タンクよりも低所に設置された熱交換ゾーン、熱交換タンクの液相領域と熱交換ゾーンとを連通する温熱液管、熱交換タンクの最高液面レベルより高所に設置され、熱交換タンクの気相領域と気相領域とが気体連結管で連通され、かつ熱交換タンクの気相又は液相領域と液相領域とが液体供給管で連通された貯液タンク、熱交換ゾーンと貯液タンクとを連通する冷熱液管、気体連結管に設置された開閉弁、および、液体供給管に設置された流路制御弁とを備えたことを特徴とするトップヒート型ヒートパイプ、およびそれを用いた冷却システム。【選択図】図１
2005221200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高所に設置された熱交換タンク、この熱交換タンクよりも低所に設置された熱交換ゾーン、前記熱交換タンクの液相領域と前記熱交換ゾーンとを連通する温熱液管、前記熱交換タンクの最高液面レベルより高所に設置され、前記熱交換タンクの気相領域と気相領域とが気体連結管で連通され、かつ熱交換タンクの気相又は液相領域と液相領域とが液体供給管で連通された貯液タンク、前記熱交換ゾーンと前記貯液タンクとを連通する冷熱液管、前記気体連結管に設置され、前記熱交換タンクの液面が所定のレベル以下になったとき又は前記貯液タンクの液面が所定のレベル以上になったときに開く開閉弁、および、前記液体供給管に設置され、液体が前記貯液タンクから熱交換タンク方向にのみ流れるように制御する流路制御弁とを備えたことを特徴とする、トップヒート型ヒートパイプ。
【請求項２】
高所に設置され、被冷却体の熱を吸収する熱交換タンク、この熱交換タンクよりも低所に設置された系外に熱を放出する熱交換ゾーン、前記熱交換タンクの液相領域と前記熱交換ゾーンとを連通する温熱液管、前記熱交換タンクの最高液面レベルより高所に設置され、前記熱交換タンクの気相領域と気相領域とが気体連結管で連通され、かつ熱交換タンクの気相又は液相領域と液相領域とが液体供給管で連通された貯液タンク、前記熱交換ゾーンと前記貯液タンクとを連通する冷熱液管、前記気体連結管に設置され、前記熱交換タンクの液面が所定のレベル以下になったとき又は前記貯液タンクの液面が所定のレベル以上になったときに開く開閉弁、および、前記液体供給管に設置され、液体が前記貯液タンクから熱交換タンク方向にのみ流れるように制御する流路制御弁とを備えたことを特徴とする、トップヒート型ヒートパイプを用いた冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプに関する。本発明は特に温熱を下方に、冷熱を上方に輸送する、いわゆるトップヒート型ヒートパイプ、およびこのヒートパイプを利用した冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプは離れた場所に熱を高速で移動させる特徴があり、例えばノート型パソコン等で局所的に発生する熱を除去したり、あるいは道路の凍結防止、融雪等のため使用されている。ヒートパイプのうち温熱を下方に、冷熱を上方に輸送する、いわゆるトップヒート型ヒートパイプが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１および特許文献２には、図２に示したような蒸発器１ａより高所に貯液タンク２ａを設置し、前記蒸発器１ａの気相領域と前記蒸発器１ａより低所に設置された凝縮器３ａとを蒸気管４ａで連通させるとともに、前記凝縮器３ａと前記貯液タンク２ａとを液管５ａで連通させ、前記蒸発器１ａと前記貯液タンク２ａとを気体連結管６ａおよび液体供給管７ａで連通し、前記気体連結管６ａに、前記蒸発器１ａの液面が所定のレベル以下になったとき、又は前記貯液タンク２ａの液面が所定のレベル以上になったときに開く開閉弁８ａを設置し、前記液体供給管７ａに、液体が前記貯液タンク２ａから前記蒸発器１ａの方向にのみ流れるように制御する流路制御弁９ａを設置したトップヒート型ヒートパイプが提案されている。
【特許文献１】特開平７−９１８７０
【特許文献２】特開平７−２１８１６４
【０００４】
しかし、従来提案されているトップヒート型ヒートパイプは、動力を用いることなく冷却、又は加熱が可能である点で優れたヒートパイプであるが、実際に操作する際には多くの問題点が残っている。例えば、ヒートパイプの熱伝達特性（＝蒸発器と凝縮器の温度差）に及ぼす熱輸送距離（＝蒸発器と凝縮器の高さの差）の影響が大きいという問題がある。ヒートパイプとしては、蒸発器と凝縮器の温度差をできるだけ小さくして熱輸送するものが望まれるが、従来のトップヒート型ヒートパイプの場合、ヒートパイプの高さが高くなるとこの温度差が大きくなるので、ヒートパイプの高さを高くできないという問題があった。
【０００５】
また、特許文献１および特許文献２ではヒートパイプを安定的に作動させるため、補助タンクを設けたりしているが、構造が複雑でメンテナンスに手間がかかるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前記従来提案されているトップヒート型ヒートパイプの欠点を解決することを目的としており、ヒートパイプの高さを高くとることができるトップヒート型ヒートパイプ、およびそれを用いた冷却システムを提供することにある。本発明の他の目的は、安定的に作動しうるトップヒート型ヒートパイプ、およびそれを用いた冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明は、高所に設置された熱交換タンク、この熱交換タンクよりも低所に設置された熱交換ゾーン、前記熱交換タンクの液相領域と前記熱交換ゾーンとを連通する温熱液管、前記熱交換タンクの最高液面レベルより高所に設置され、前記熱交換タンクの気相領域と気相領域とが気体連結管で連通され、かつ熱交換タンクの気相又は液相領域と液相領域とが液体供給管で連通された貯液タンク、前記熱交換ゾーンと前記貯液タンクとを連通する冷熱液管、前記気体連結管に設置され、前記熱交換タンクの液面が所定のレベル以下になったとき又は前記貯液タンクの液面が所定のレベル以上になったときに開く開閉弁、および、前記液体供給管に設置され、液体が前記貯液タンクから熱交換タンク方向にのみ流れるように制御する流路制御弁とを備えたことを特徴とする、トップヒート型ヒートパイプである。
【０００８】
本発明は、別の面から見ると、高所に設置され、被冷却体の熱を吸収する熱交換タンク、この熱交換タンクよりも低所に設置された系外に熱を放出する熱交換ゾーン、前記熱交換タンクの液相領域と前記熱交換ゾーンとを連通する温熱液管、前記熱交換タンクの最高液面レベルより高所に設置され、前記熱交換タンクの気相領域と気相領域とが気体連結管で連通され、かつ熱交換タンクの気相又は液相領域と液相領域とが液体供給管で連通された貯液タンク、前記熱交換ゾーンと前記貯液タンクとを連通する冷熱液管、前記気体連結管に設置され、前記熱交換タンクの液面が所定のレベル以下になったとき又は前記貯液タンクの液面が所定のレベル以上になったときに開く開閉弁、および、前記液体供給管に設置され、液体が前記貯液タンクから熱交換タンク方向にのみ流れるように制御する流路制御弁とを備えたことを特徴とする、トップヒート型ヒートパイプを用いた冷却システムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるトップヒート型ヒートパイプ、および冷却システムは、熱交換タンクより低部の、温熱液管、熱交換ゾーン、冷熱液管内が常に作動液で満たされているため、ヒートパイプの高さに関係なく作動する。すなわち、本発明によるトップヒート型ヒートパイプは、前記従来提案されているトップヒート型ヒートパイプにおける欠点を解決したものである。又、本発明によるトップヒート型ヒートパイプにおいては、後述のように外部動力の導入無くして作動液が循環するので、より低コストで熱輸送することができる。更に、本発明によるトップヒート型ヒートパイプは、簡単な構造をしており、メンテナンスを容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施例を、図面に沿って説明する。図１は本発明の第１実施例を示す。図１において、１１は熱交換タンク、１２は温熱液管、１３は熱交換ゾーン、１４は冷熱液管、１５は貯液タンク、１６は気体連結管、１７は液体供給管、１８は開閉弁、１９は流路制御弁、２０は排出口、２１は作動液である。
【００１１】
本発明のヒートパイプの材質としては、機械的強度があり、かつ作動液により腐食されない材質、例えば、ステンレス等を選定するとよい。
【００１２】
熱交換タンク１１は、内部に作動液が貯液可能なタンクの構造をしている。一方では、作動液に熱を吸収させやすいように外部にフィン等が設けられていてもよい。熱交換タンク１１内部では被冷却体からの熱を受けて作動液の一部が蒸発し、その圧力によりタンク内の作動液を液相領域、好ましくはタンク底部に設けられた排出口２０から温熱液管１２を経て熱交換ゾーン１３へと流下させる。次に熱交換タンク１１内の作動液の量が一定量以下になったら、貯液タンク１５から作動液を受け入れる。熱交換タンク１１はヒートパイプ全体では上部に位置している。
【００１３】
本発明のヒートパイプで用いられる作動液２１としては、水、アンモニア水、メタノール、エタノール、これらの混合物等の各種低粘度液媒体を用いることができる。ヒートパイプの使用目的に応じて、液の温度と蒸気の圧力との関係を考慮し、選定するとよい。
【００１４】
作動液の量は、熱交換タンク１１、温熱液管１２、熱交換ゾーン１３、冷熱液管１４の大きさに左右されるが、ヒートパイプが順調に作動するためには、熱交換タンク１１より低部の、温熱液管１２、熱交換ゾーン１３、冷熱液管１４内が常に作動液で満たされてなければならない。
【００１５】
本発明のヒートパイプで冷却されうる被冷却体は、特に限定されないが、例えばビルディングに設置される温水冷却装置や太陽電池パネル等、高所に設置されており、高さ方向に熱を移動させる必要がある対象に対して好ましく用いることができる。
【００１６】
熱交換タンク１１の液相領域、好ましくは熱交換タンク１１の底と、前記熱交換タンク１１より低所に設置されている熱交換ゾーン１３との間には温熱液管１２が設けられている。熱交換タンク１１で加熱された作動液は、温熱液管１２内を経て熱交換ゾーン１３に流下される。
【００１７】
熱交換ゾーン１３は、作動液を系外の冷却媒体と熱交換させることにより冷却するゾーン（場所）である。熱交換ゾーン１３は、作動液が冷却されやすいように、例えば、いくつかのパイプを束ねた構造としていてもよい。熱交換ゾーン１３の内容積は充分大きくすべきである。具体的には、熱交換タンク１１の内容積と温熱液管１２の内容積の合計量より、熱交換ゾーン１３の内容積を大きくとることが好ましい。後述のように、本発明のヒートパイプは周期的な作動を繰り返すが、熱交換ゾーン１３内に１サイクルの時間以上作動液が滞留しないと、作動液と冷却媒体との熱交換が充分に行われず、系の温度が次第に上昇する恐れがある。このように熱交換ゾーン１３内の内容積を大きくとるためには、例えば図３に示したような、パイプをコイル状に曲げた熱交換器を用いれば良い。
【００１８】
熱交換ゾーン１３で作動液を冷却する冷却媒体としては、海水、河川水、地下水等の自然の冷熱源を用いるか、あるいは、冷媒、例えば、冷却水を好ましくは向流に流すことにより作動液を冷却する。熱交換ゾーン１３で冷却に用いた冷却水は、温水として風呂、洗面、食器洗浄、あるいは融雪等に用いてもよい。
【００１９】
熱交換ゾーン１３は、冷熱液管１４により貯液タンク１５と連通している。熱交換ゾーン１３で冷却された作動液は、熱交換タンク１１内の圧力により、冷熱液管１４内を上昇して貯液タンク１５に到達し、貯液される。
【００２０】
貯液タンク１５内の作動液が熱交換ゾーン１３の方へ逆流しないようにするため、熱交換ゾーン１３と貯液タンク１５とを連通する冷熱液管１４の途中に逆止弁を設置してもよい。
【００２１】
貯液タンク１５は冷却された作動液を貯蔵して、熱交換タンク１１内の作動液の量が所定のレベル以下になったとき、あるいは、貯液タンク１５内の作動液の量が所定のレベル以上になったとき、熱交換タンク１１に作動液をヘッド差により供給する役割をもつ。従って、貯液タンク１５は、熱交換タンク１１よりも高所に位置するように設置される。また、貯液タンク１５の内容積は、熱交換タンク１１の内容積と同等か、それ以上であることが好ましい。
【００２２】
貯液タンク１５はまた、後述の気体連結管１６の途中に設置された開閉弁１８が開放された後、作動液の蒸気が作動液中に吸収されやすくするため、同じ内容積であれば、縦、横を長く、深さを浅くし、気液界面の表面積が大きくなる形状とすることが好ましい。
【００２３】
貯液タンク１５と熱交換タンク１１とは気体連結管１６と液体供給管１７との２本の管で連結されている。気体連結管１６は貯液タンク１５の気相領域と熱交換タンク１１の気相領域とを連結している。一方、液体供給管１７は貯液タンク１５の液相領域と熱交換タンク１１の気相又は液相領域とを連結するよう構成されている。
【００２４】
気体連結管１６には、開閉弁１８が設けられており、弁の作用により貯液タンク１５と熱交換タンク１１の気相部同士を連結させたり、遮断したりする。開閉弁としては、例えば電磁弁が好ましい。
【００２５】
液体供給管１７には、液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁１９が設けられており、液体は貯液タンク１５から熱交換タンク１１方向へのみ流れ、その反対方向には流れないようにされている。前記の作用をする弁としては、例えばチェッキ弁が知られている。
【００２６】
本発明によるトップヒート型ヒートパイプ、および冷却システムにおいて、前記開閉弁１８は、熱交換タンク１１の液面が所定のレベル以下になったとき、又は貯液タンク１５の液面が所定のレベル以上になったときに開くように制御されるものであり、このような制御のための最も一般的な手段は、前記熱交換タンク１１又は貯液タンク１５の液面の変化を検出するフロートその他のレベルセンサーを設置し、このレベルセンサーの検出値により前記開閉弁１８を開閉するように構成することである。
【００２７】
本発明のトップヒート型ヒートパイプは、冷却を必要とする場所に設置し、前記ヒートパイプ内に適量の作動液を封入することにより製作できる。このとき、ヒートパイプ内を真空脱気してから作動液を封入してもよいし、貯液タンク１５を大気開放にして作動液を封入してもよい。
【００２８】
本発明のヒートパイプの作動原理について説明すると、被冷却体から温熱が熱交換タンク１１に供給され、その熱により熱交換タンク１１内で作動液が蒸発する。蒸気の発生により、熱交換タンク１１内の圧力が上昇すると、作動液が熱交換タンク１１の排出口２０から温熱液管１２、熱交換ゾーン１３、冷熱液管１４を経て貯液タンク１５へと流入する。その間熱交換ゾーン１３で冷却媒体と熱交換されて作動液の熱が系外に放出されることにより、温熱が下方に、冷熱が上方に輸送される。
【００２９】
熱交換タンク１１から温熱液管１２への作動液の流下が進み、熱交換タンク１１内の作動液の液面が所定のレベル以下になるか、又は貯液タンク１５の液面が所定のレベル以上になると、気体連結管１６の開閉弁１８が開き、熱交換タンク１１内の蒸気が貯液タンク１５に移動するとともに、熱交換タンク１１と貯液タンク１５の圧力が同じになるので、貯液タンク１５内の作動液がヘッド差により液体供給管１７を経て熱交換タンク１１に流れる。熱交換タンク１１内の液面が所定のレベル以上になるか、又は貯液タンク１５内の液面が所定のレベル以下になると、開閉弁１８は閉じる。
【００３０】
前記開閉弁１８が閉じているときは、熱交換タンク１１内の圧力の方が貯液タンク１５内の圧力より高いため、液体供給管１７に設置されている流路制御弁１９の働きにより、作動液は貯液タンク１５から熱交換タンク１１へと流下することはない。開閉弁１８が開き、熱交換タンク１１内の圧力と貯液タンク１５内の圧力が等しくなってはじめて、作動液は貯液タンク１５から熱交換タンク１１へと流下する。
【００３１】
また、熱交換タンク１１内の圧力と貯液タンク１５内の圧力との差によって、作動液を熱交換タンク１１から熱交換ゾーン１３を経て貯液タンク１５へと押し上げるため、この発明によるトップヒート型ヒートパイプは、作動液を循環させるための外部動力無くして、円滑にかつ連続して作動する。
【００３２】
冷却対象の空間もしくは物体に熱交換タンク１１を設置し、冷熱源に熱交換ゾーン１３を設置すると、冷熱源から冷熱が輸送されるので、冷却対象の空間もしくは物体を冷却することができる。このようにして、本発明のヒートパイプを用いることにより、冷却システムを構成することができる。
【実施例】
【００３３】
次に実施例を挙げて本発明につき更に詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれらの実施例になんら制約されるものではない。
【００３４】
（実施例１）
図４に示した実験装置を用いて実験を行った。なお、この実施例において、熱交換タンク１１の内容積は１２０００cm3 、貯液タンク１５の内容積は１２０００cm3（縦：３０cm、横：４０cm、深さ：１０cm）であり、温熱液管１２は内径１．４cm、長さ３８０cmのアクリルパイプ、冷熱液管１４は内径１．４cm、長さ４３０cmのアクリルパイプで製作し、熱交換ゾーン１３の内容積は３６００cm3に設定している。
【００３５】
この実施例のトップヒート型ヒートパイプの系内に１０５００cm3 の作動液（アンモニア水）を封入し、熱交換タンク１１の内底部に挿入した発熱量４００Ｗのヒーター３１により熱交換タンク１１内の作動液を加熱した。
【００３６】
一方、熱交換ゾーン１３は、図４のように、チューブを巻くことにより製作し、これを恒温槽３２内の２０℃に保たれた水の中に入れ、実験に供した。
【００３７】
実験結果を図５に示す。図において、Ｔ１は貯液タンク１５液相領域の温度、Ｔ２は熱交換タンク１１液相領域の温度、Ｔ３は熱交換ゾーン１３出口の温度、Ｔ４は恒温槽３２内の水温である。
【００３８】
図５より明らかなように、熱交換タンク１１内の作動液の温度Ｔ２は、ヒーター３１での加熱により３７℃まで上昇するが、貯液タンク１５から２１℃の作動液が流入することにより、直ちに２８℃まで冷却される。その繰り返しが約４５０秒間隔で行われていることがわかる。また、熱交換ゾーン１３出口の温度Ｔ３は２１℃前後の温度を示しており、系の冷却が問題無く行われていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のヒートパイプは、太陽熱温水器による太陽熱の有効利用、建物の冷却システム、あるいは太陽電池パネル等の高所にある熱源の冷却に利用することができる。特に太陽電池パネルの冷却に本発明のヒートパイプを用いることにより太陽電池パネルの発電効率の大幅な向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明のトップヒート型ヒートパイプの一例を示した概要図である。
【図２】図２は、従来のトップヒート型ヒートパイプの一例を示した概要図である。
【図３】図３は、本発明のトップヒート型ヒートパイプにおける熱交換ゾーンの一例を示した概要図である。
【図４】図４は、本発明のトップヒート型ヒートパイプの実施例１において用いた実験装置の概要図である。
【図５】図５は、本発明のトップヒート型ヒートパイプの実施例１において得られた実験結果を示した図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１：熱交換タンク
１２：温熱液管
１３：熱交換ゾーン
１４：冷熱液管
１５、２ａ：貯液タンク
１６、６ａ：気体連結管
１７、７ａ：液体供給管
１８、８ａ：開閉弁
１９、９ａ：流路制御弁
２０：排出口
２１：作動液
３１：ヒーター
３２：恒温槽
１ａ：蒸発器
３ａ：凝縮器
４ａ：蒸気管
５ａ：液管
Ｔ１：貯液タンク液相領域の温度
Ｔ２：熱交換タンク液相領域の温度
Ｔ３：熱交換ゾーン出口の温度
Ｔ４：恒温槽内の水温
【図１】
2005221200.tif 000003
【図２】
2005221200.tif 000004
【図３】
2005221200.tif 000005
【図４】
2005221200.tif 000006
【図５】
2005221200.tif 000007