(57)【要約】【課題】  トップヒートモードで使用された場合でも作動流体を良好に循環させ、その結果、室内の温度の上昇を低減することができる冷却装置を提供する。【解決手段】  パネルに蒸発部コンテナ３が配置されるとともに、パネルより低い箇所に設けられている放熱部に凝縮部コンテナ５が配置され、熱を輸送して冷却を行う冷却装置１であって、蒸発部コンテナ３と凝縮部コンテナ５とが、全体として環状流路を形成するように液戻り管８と蒸気管９とによって連通され、その環状流路内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、さらに蒸発部コンテナ３内部にウイックが配置されることにより、ループ型ヒートパイプ１Ａが形成されるとともに、パネルに対して、複数の蒸発部コンテナ３が配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却部に蒸発部が配置されるとともに、前記被冷却部より低い箇所に設けられている放熱部に凝縮部が配置され、前記被冷却部から前記放熱部に熱を輸送して冷却を行う冷却装置であって、
前記蒸発部と前記凝縮部とが、全体として環状流路を形成するように液戻り管と蒸気管とによって連通され、その環状流路内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、さらに前記蒸発部内部に液相の前記作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせるウイックが配置されることにより、ループ型ヒートパイプが形成されるとともに、少なくとも１つの前記被冷却部に対して、複数の前記蒸発部が配置されることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記複数の各蒸発部に対してそれぞれ前記凝縮部、前記液戻り管、前記蒸気管が連通されることにより、複数の前記ループ型ヒートパイプが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記複数の各蒸発部に対して連通する前記凝縮部が１つとされていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記各液戻り管同士、および各蒸気管同士が隣接するように前記複数のループ型ヒートパイプが配置されることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記被冷却部および前記複数の各蒸発部と熱授受可能に接続される受熱板が配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、潜熱として熱を輸送する作動流体を蒸発させる蒸発部と、その作動流体蒸気を凝縮させる凝縮部とが、循環管路によって連結されたループ型ヒートパイプ（あるいは熱輸送ループ）式の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
密閉した容器や管路の内部に封入した流体を、外部から供給した熱によって蒸発させ、その蒸気を低温かつ低圧の箇所に流動させた後放熱させ、その結果凝縮した流体を、外部から熱の入力される蒸発部に還流させることにより、前記流体の潜熱として熱を輸送する装置が、従来、知られている。この種の最も一般的な構成は、パイプ状のコンテナの内部に、作動温度では凝縮することのない空気などのガスを脱気した後、水やアルコール、アンモニアなどの凝縮性の流体を封入したヒートパイプである。
【０００３】
いわゆるサーモサイホンと称されるヒートパイプは、凝縮した液相の作動流体を重力によって下方の蒸発部に還流させるように構成されているので、毛細管圧力をポンプ力として発生するウイックは設けられていないが、一般的なヒートパイプは、外部から入熱のある蒸発部が必ずしも下側となるボトムヒートモードで使用されるわけではないので、液相の作動流体を蒸発部に還流させるためのポンプ作用を生じるウイックを設けている。
【０００４】
ウイックは、毛細管圧力を生じるものであるから、開口部に生じるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小径となる構造のものであることが好ましく、従来では、作動流体を封入したコンテナ（容器）の内面に形成した細溝やメッシュ材、結束した極細線、多孔質材などが使用されている。このウイックにおける蒸発部側の部分において、作動流体の蒸発に伴うメニスカスの低下が生じ、それに伴って毛細管圧力が生じるので、液相の作動流体はウイックの内部を蒸発部側に向けて還流することになる。これに対して作動流体の蒸気は、蒸発部側から作動流体の凝縮の生じる凝縮部に向けて流動するので、ウイックに沿って還流する液相の作動流体の流動方向と作動流体蒸気の流動方向とが互いに反対となる。そのために、ウイックの表面において液相の作動流体が作動流体蒸気によって吹き飛ばされ、あるいは吹き戻され、これがいわゆる飛散限界となってヒートパイプの熱輸送能力が制限されることがある。
【０００５】
従来、このような不都合を解消できるヒートパイプとしてループ型のものが開発されている。これは、外部から入熱のある蒸発部と作動流体が放熱して凝縮する凝縮部とを分離して構成し、かつこれらの液相の作動流体が蒸発部に向けて貫流する液流管と作動流体蒸気の流動する蒸気流管とによって環状（ループ状）に連結した構造のヒートパイプである。このような構造であれば、液相の作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、上述した飛散限界などによる熱輸送能力の制約がなくなる。
【０００６】
この種のループ型のヒートパイプの一例が特許文献１に記載されている。この公報に記載されたヒートパイプは、液管と蒸気管とが接続された蒸発器を備えており、その蒸発器に、円筒状のウイックが収納されている。
【０００７】
したがって上記の公報に記載されたヒートパイプでは、蒸発器に伝達された熱によって、その容器の内面に接している作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は蒸気管を介して蒸発器から送り出される。一方、液相の作動流体は、液管からウイックに供給され、ウイックで毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体は前記容器に供給される。そして、その液相の作動流体が加熱蒸発して蒸気管を経て凝縮部に流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。
【０００８】
上記構造のループ型ヒートパイプが、例えば、室内外に該室内の空気を冷却する冷却装置として設置され、蒸発部が凝縮部よりも相対的に上側となるトップヒートモードで使用される。このような場合、前記蒸発部内部のウイックに生じる毛細管圧力によって、液相の作動流体が上方に吸引されて前記環状の流路を循環する。その結果、室内の熱が外部に放出される。
【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】
【０００９】
上述の冷却装置では、蒸発器における入熱面積すなわち外部の熱源との間の熱交換面積を増大させれば、冷却装置の全体としての熱輸送能力を増大させることができる。その場合、蒸発器の軸長を長くしてその表面積を増大することになり、同時にその蒸発部容器における軸長も増大する。しかしながら、前記蒸発部容器の軸長が増大すると、前記蒸発部容器の軸線方向の両端部における圧力差が増大し、また作動流体の流動距離が増大するので不可避的に圧力損出が増大してしまう。その結果、作動流体が循環し難くなり冷却装置の冷却性能を維持できず、室内における快適性が阻害されるおそれがある。
【００１０】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、トップヒートモードで使用された場合でも作動流体を良好に循環させ、その結果、室内の温度の上昇を低減することができる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】
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、被冷却部に蒸発部が配置されるとともに、前記被冷却部より低い箇所に設けられている放熱部に凝縮部が配置され、前記被冷却部から前記放熱部に熱を輸送して冷却を行う冷却装置であって、前記蒸発部と前記凝縮部とが、全体として環状流路を形成するように液戻り管と蒸気管とによって連通され、その環状流路内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、さらに前記蒸発部内部に液相の前記作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせるウイックが配置されることにより、ループ型ヒートパイプが形成されるとともに、少なくとも１つの前記被冷却部に対して、複数の前記蒸発部が配置されることを特徴とする冷却装置である。
【００１２】
また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記複数の各蒸発部に対してそれぞれ前記凝縮部、前記液戻り管、前記蒸気管が連通されることにより、複数の前記ループ型ヒートパイプが形成されていることを特徴とする冷却装置である。
【００１３】
さらに、請求項３の発明は、請求項１の構成に加えて、前記複数の各蒸発部に対して連通する前記凝縮部が１つとされていることを特徴とする冷却装置である。
【００１４】
そして、請求項４の発明は、請求項２の構成に加えて、前記各液戻り管同士、および各蒸気管同士が隣接するように前記複数のループ型ヒートパイプが配置されることを特徴とする冷却装置である。
【００１５】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの構成に加えて、前記被冷却部および前記複数の各蒸発部と熱授受可能に接続される受熱板が配置されていることを特徴とする冷却装置である。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、冷却装置として設置されるループ型ヒートパイプの複数の蒸発部を被冷却部に配置したので、従来よりも前記蒸発部を小さく形成できる。そのため、前記蒸発部における作動流体の入口と出口との圧力差を低減できる。その結果、前記蒸発部における圧力損出を低減できるので、前記ループ型ヒートパイプの動作が安定する。そのため、前記被冷却部に対する前記蒸発部の設定の自由度が向上する。さらに、前記被冷却部の熱を各蒸発部によって分割して凝縮部に輸送し冷却できるので、前記ループ型ヒートパイプの動作温度を低く設定できる。その結果、冷却装置全体の動作を安定なものとすることができるので、前記冷却装置の冷却能力を向上できる。そのため、室内の熱を外部に放熱することができ、室内の継続的な温度上昇が防止できる。
【００１７】
また、請求項２の発明によれば、前記複数の各蒸発部に対してそれぞれ前記凝縮部、前記液戻り管、前記蒸気管が連通され、複数の前記ループ型ヒートパイプが形成されている。そのため、前記各ループ型ヒートパイプを冷却装置を構成する部品として共通化できる。
【００１８】
さらに、請求項３の発明によれば、前記複数の各蒸発部に対して前記凝縮部が形成されている。そのため、前記蒸発部を共通化できるとともに、室内の被冷却部に応じた前記蒸発部を形成できる。
【００１９】
そして、請求項４の発明によれば、複数のループ型ヒートパイプにおける隣接する各管同士の内部の温度の差が微少なものとなり、隣接する各管同士における熱交換を低減できる。その結果、各ループ型ヒートパイプの環状の流路を作動流体が効率良く循環し、冷却装置の冷却性能をさらに向上できる。
【００２０】
また、請求項５の発明によれば、さらに、前記被冷却部に熱伝導の良好な受熱板が設けられており、かつ、前記各蒸発部に接続されているので、被冷却部の熱を効率良く各ループ型ヒートパイプに伝達して冷却できる。その結果、冷却装置の冷却性能をさらに向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明による冷却装置１は、室内外（筐体の内外）に取り付けられている。具体的には、冷却装置１は、複数のループ型ヒートパイプ１Ａによって構成されており、このループ型ヒートパイプ１Ａを形成している蒸発部コンテナ３が、室内（筐体の内部）に設けられた図示しないパネルの表面に取り付けられている。なお、そのパネルは、直射日光の当たる場所や発熱する器具の近くに配置されている。また、凝縮部コンテナ５が、室外（筐体の外部）に設けられた図示しない放熱部に配置されている。放熱部はパネルよりも下方に位置しており、そのため、前記蒸発部コンテナ３が凝縮部コンテナ５よりも相対的に上方に配置されている。つまり、冷却装置１はトップヒートモードとして使用されている。なお、この具体例によれば、前記パネルがこの発明の被冷却部に相当し、蒸発部コンテナ３がこの発明の蒸発部に相当し、凝縮部コンテナ５がこの発明の凝縮部に相当する。
【００２２】
ループ型ヒートパイプ１Ａは、蒸発部コンテナ３と凝縮部コンテナ５とが、液戻り管８と、これより大径の蒸気管９とによって連通され、全体として密閉された環状に形成されている。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。
【００２３】
蒸発部コンテナ３は円筒形に構成されており、その内部に複数のウイック１１とウイック１２とが収納されている。ウイック１１は、作動流体１０をループ型ヒートパイプ１内部に循環させるための毛細管圧力を生じるものであり、例えばセラミックやニッケル、銅、銅酸化物等を原料とした多孔質材、あるいはポリエチレン樹脂（例えばUltra High Molecular Weightポリエチレン）などの高分子材料を原料とした多孔質材であって、ウイック１２よりも実効毛細管半径が小さく毛細管圧力が大きい構成となっている。一方、ウイック１２は、例えば金網やファイバーウイックであって、ウイック１１よりも実効毛細管半径が大きく、相対的に流路が大きい構成となっている。ウイック１１の外周方向にウイック１２が配置されている。また、ウイック１１の内周方向には中空部分１３が形成されている。
【００２４】
図２に蒸発部コンテナ３の断面図を示してある。蒸発部コンテナ３の内周面には、多数の溝３Ａが形成されている。これらの溝３Ａは、蒸発部コンテナ３の内周面の面積を増大するように機能し、作動流体蒸気の流路となるものであって、蒸発部コンテナ３の軸線方向に向けて形成されている。なお、この溝３Ａは、螺旋状に形成してもよく、またウィック１１の内周面の一部に形成されていてもよい。また、ウイック１２の外周面に形成されていてもよい。
【００２５】
ここで、室内における各ループ型ヒートパイプ１Ａの配置について説明する。パネルには、図示しない受熱板が設けられている。この受熱板は、銅合金やアルミニウム合金などの熱伝導性の良好な素材によって形成されている。一方、パネルには、上述したように、複数のループ型ヒートパイプ１Ａにおける各蒸発部コンテナ３が配置されている。この各蒸発部コンテナ３は、パネルの外縁に沿って配置されており、受熱板と接続されている。具体的には、各蒸発部コンテナ３は、蒸発部コンテナ３における軸線方向に沿って配置されており、ループ型ヒートパイプ１Ａにおける蒸気管９と前記ループ型ヒートパイプ１Ａと隣接して配置される他のループ型ヒートパイプ１Ａの液戻り管８とが隣接している。つまり、各ループ型ヒートパイプ１Ａは同じ向きに配置されている。
【００２６】
冷却装置１の液戻り管８の内部には、その半径方向の管壁面にウイック１４が配置されている。このウイック１４としては、ファイバーウイック、セラミックあるいは金属粉末などを用いた多孔質焼結体が例示される。
【００２７】
上記の各ループ型ヒートパイプ１Ａは、蒸発部コンテナ３に対して入熱がない場合、作動流体１０は蒸発しない。そのため、作動流体１０は液相の状態で、蒸発部コンテナ３よりも相対的に下方に配置されている凝縮部コンテナ５の内部に滞留する。この凝縮部コンテナ５と液戻り管８とが連通されている。そのため、作動流体１０が液戻り管８内部のウイック１４に接触し、ウイック１４に毛細管圧力が発生する。この毛細管圧力によって、作動流体１０が上方に吸引される。
【００２８】
一方、室内に入り込む入射光等によって、パネルが加熱されると、受熱板を経由して各蒸発部コンテナ３に対して外部から熱Ｑが与えられる。液戻り管８内部には、ウイック１４によって液相の作動流体１０が保持されているので、蒸発部コンテナ３に対する入熱の当初から、前記液戻り管８から蒸発部コンテナ３の内部に、前記保持されている液相の作動流体１０が効率よく供給され、ウイック１２が作動流体１０で湿潤した状態となっている。
【００２９】
各蒸発部コンテナ３に対して外部から熱Ｑが与えられると、前記蒸発部コンテナ３の内面に接触し、もしくはその近辺にある液相の作動流体１０が加熱されて蒸発する。各ウイック１１の外周部において生じた作動流体蒸気１５は、ウイック１２の外周面と蒸発部コンテナ３の内周面との間の空間を通って、前記蒸発部コンテナ３の流出口から蒸気管９に流出する。ウイック１２に対しては、ウイック１１から前記中空部分１３を通って液相の作動流体１０が供給されるとともに、それぞれの外周面に向けて分散するように供給される。その結果、前記蒸発部コンテナ３の内周面のほぼ全体に対して液相の作動流体１０が供給され、蒸発部コンテナ３における実質的な入熱面積を広くすることができる。そして、作動流体蒸気１５は蒸気管９を介して凝縮部コンテナ５に至る。ここで室外に熱Ｑを放出して作動流体蒸気１５が凝縮し、液相になる。
【００３０】
一方、各蒸発部コンテナ３内部のウイック１２の外周部において作動流体１０の蒸発が生じることによって、ウイック１２の空孔における開口端にメニスカスが生じ、あるいは空孔での液面が低下するので、毛細管圧力によるポンプ力が生じる。このポンプ圧によって液戻り管８内部の作動流体１０が上方に吸引される。
【００３１】
上述の冷却装置１では、複数のループ型ヒートパイプ１Ａにおける蒸発部コンテナ３をパネルに配置したので、パネルを各ループ型ヒートパイプ１Ａによって分割して冷却できる。そのため、各ループ型ヒートパイプ１Ａの冷却性能を低く設定できるとともに、その動作温度を低く設定できる。その結果、冷却装置１全体の動作を安定なものとすることができる。
【００３２】
また、パネルに複数のループ型ヒートパイプ１Ａを配置したことにより、パネルに１つのループ型ヒートパイプを配置した場合よりも、蒸発部コンテナ３を縮小して形成できる。そのため、蒸発部コンテナ３における液戻り管８との連結部分と、蒸気管９との連結部分との圧力差を低減できる。さらに、作動流体が蒸発部コンテナ３の内部を流動する際の圧力損失が低減され、ループ型ヒートパイプ１Ａの環状の流路に作動流体が効率良く円滑に循環する。その結果、ループ型ヒートパイプ１Ａの動作が安定し、パネルを効率良く冷却できる。そのため、パネルの熱を室外に放熱することができ、効率良く前記パネルを冷却できる。その結果、室内の継続的な温度上昇が防止でき、室内を快適な温度にすることができる。
【００３３】
また、複数の各蒸発部コンテナ３に対してそれぞれ凝縮部コンテナ５、液戻り管８、蒸気管９が連通され、複数のループ型ヒートパイプ１Ａが形成されている。そのため、前記各ループ型ヒートパイプ１Ａを冷却装置１を構成する部品として共通化できる。さらに、パネルの形状や発熱量に応じた蒸発部コンテナを形成できるので、設定の自由度が向上する。
【００３４】
さらに、パネルに熱伝導の良好な受熱板が設けられており、かつ、各蒸発部コンテナ３と連結されているので、パネルの熱を効率良く各ループ型ヒートパイプ１Ａに伝達して冷却できる。
【００３５】
また、ループ型ヒートパイプ１Ａにおける蒸気管９と他のループ型ヒートパイプ１Ａの液戻り管８とが隣接するように配置され、各ループ型ヒートパイプ１Ａが同じ向きに配置されているので、冷却装置１の製造時の作業ミスを低減できる。その結果、冷却装置１の製造性が向上する。
【００３６】
図３に冷却装置１の他の例を示す。図３に示す例では、各ループ型ヒートパイプ１Ａにおける液戻り管８同士、および蒸気管９同士が隣接するように前記各ループ型ヒートパイプ１Ａが配置されている。
【００３７】
図３に示すように各ループ型ヒートパイプ１Ａを配置した場合、隣接する各管同士の内部の温度の差が微少なものとなり、隣接する各管同士における熱交換を低減できる。その結果、各ループ型ヒートパイプ１Ａの環状の流路を作動流体１０が効率良く循環し、冷却装置１の冷却性能をさらに向上できる。
【００３８】
なお、この発明は上記の具体例に限定されない。すなわち、上記の具体例では、蒸発部コンテナ３がパネルに取り付けられ、凝縮部コンテナ５が室外の所定の場所に取り付けられたが、この発明の冷却装置は、この具体例に限定されない。すなわち、蒸発部コンテナ３もしくは凝縮部コンテナ５が取り付け可能な部位であれば、如何なる形状の部位に取り付けても良い。したがって、例えば各種パネルやシールド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】
【００３９】
【図１】この発明のループ型ヒートパイプの一具体例を示す正面図である。
【図２】図１のループ型ヒートパイプの蒸発部コンテナを示す断面図である。
【図３】この発明の冷却装置の他の具体例を示す簡略的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…冷却装置、  １Ａ…ループ型ヒートパイプ、  ３…蒸発部コンテナ、  ５…凝縮部コンテナ、  ８…液戻り管、  ９…蒸気管、  １０…作動流体、  １１，１２，１４…ウイック。
【図１】
2007071425.tif 000003
【図２】
2007071425.tif 000004
【図３】
2007071425.tif 000005