(57)【要約】【課題】流路構造の変更、構成部品の追加等をすることなく、高い始動特性を有する自励振動ヒートパイプを提供する。【解決手段】加熱部１４と冷却部１６の間に配された作動流体流路１０を有するヒートポンプ本体部１２と、作動流体流路１０に封入される冷媒とを備え、前記冷媒は、非相溶な２種類以上の冷媒を含む自励振動ヒートパイプ１を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱部と冷却部の間に配された作動流体流路を有するヒートパイプ本体部と、前記作動流体流路に封入される冷媒とを備える自励振動ヒートパイプであって、
前記冷媒は、非相溶な２種類以上の冷媒を含むことを特徴とする自励振動ヒートパイプ。
【請求項２】
前記非相溶な２種類以上の冷媒は、少なくとも第１冷媒と前記第１冷媒より封入量の少ない第２冷媒を含み、前記第２冷媒は、前記第１冷媒より沸点が低いことを特徴とする請求項１記載の自励振動ヒートパイプ。
【請求項３】
前記第２冷媒は、前記第１冷媒より飽和蒸気圧差が大きいことを特徴とする請求項２記載の自励振動ヒートパイプ。
【請求項４】
前記第２冷媒は、フッ素系冷媒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
【請求項５】
前記第１冷媒は、水、エタノール、アセトンのうちの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の自励振動ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励振動ヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、マイクロプロセッサ、インバータ、モータ、内燃機関及び二次電池等の発熱部品の熱を、自励振動ヒートパイプを介してヒートシンクや放熱板等の受熱部材で放熱することにより冷却する技術が知られている。
【０００３】
自励振動ヒートパイプは、発熱部と接する加熱部と、受熱部材と接する冷却部との間に配される作動流体流路に冷媒を封入したものであり、加熱部により流路の一端が加熱され、冷却部により流路の他端が冷却されると、圧力変動とボイド率変化の相互作用等で自励的な冷媒振動が生じ、加熱部から冷却部へ熱輸送が行われる装置である。
【０００４】
例えば、特許文献１〜４及び非特許文献１には、流路構造の変更、自励振動ヒートパイプの構成部品の追加等により、冷媒の振動・循環流形成、振動制御等を行い、自励振動ヒートパイプの性能を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９８３４２号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３２４６号公報
【特許文献３】特開２００３−３０２１８０号公報
【特許文献４】特開２００２−３６４９９１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】福田俊大等、第４５回日本伝熱シンポジウム講演論文集、２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、自励振動ヒートパイプの始動時においては、加熱部側の冷媒の沸騰、蒸発による流路内の圧力変動、ボイド率変化等が起こり難いため、低温時における始動特性が悪いという問題がある。なお、特許文献４の自励振動ヒートパイプは、強制的に冷媒を振動させる方法が採用されているが、そのためには外部動力等が必要であったり、システムが複雑化したりすることが懸念される。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、流路構造の変更、構成部品の追加等をすることなく、高い始動特性を有する自励振動ヒートパイプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、加熱部と冷却部の間に配された作動流体流路を有するヒートポンプ本体部と、前記作動流体流路に封入される冷媒とを備える自励振動ヒートパイプであって、前記冷媒は、非相溶な２種類以上の冷媒を含む。
【００１０】
また、前記自励振動ヒートパイプにおいて、前記非相溶な２種類以上の冷媒は、少なくとも第１冷媒と前記第１冷媒より封入量の少ない第２冷媒を含み、前記第２冷媒は、前記第１冷媒より沸点が低いことが好ましい。
【００１１】
また、前記自励振動ヒートパイプにおいて、前記第２冷媒は、前記第１冷媒より飽和蒸気圧差が大きいことが好ましい。
【００１２】
また、前記第２冷媒は、フッ素系冷媒であることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１冷媒は、水、エタノール、アセトンのうちの少なくともいずれか１つであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、流路構造の変更、構成部品の追加等をすることなく、高い始動特性を有する自励振動ヒートパイプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る自励振動ヒートパイプの構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】流路内に封入した第１冷媒及び第２冷媒の状態を説明するための作動流体流路の断面模式図である。
【図３】流路内に封入した１種の冷媒の状態を説明するための作動流体流路の断面模式図である。
【図４】第１及び第２冷媒の温度と表面張力との関係を示す図である。
【図５】第１及び第２冷媒の温度と飽和蒸気圧曲線との関係を示す図である。
【図６】流路内に封入される冷媒の沸騰曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る自励振動ヒートパイプの構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、自励振動ヒートパイプ１は、作動流体流路１０が形成されたヒートパイプ本体部１２と、作動流体流路１０に封入された冷媒と、を備える。ヒートパイプ本体部１２は、アルミニウム、銅、ステンレス等の金属、耐熱性の樹脂等から構成された板状部材である。ヒートパイプ本体部１２には、温度が高い外部熱源と接する加熱部１４と、温度が低い受熱部材と接する冷却部１６がある。そして、ヒートパイプ本体部１２内には、加熱部１４と冷却部１６との間に配された作動流体流路１０が形成されている。作動流体流路１０の流路パターンは、加熱部１４と冷却部１６との間に配置されていればどのようなパターンであってもよい。例えば、図１に示す作動流体流路１０は、加熱部１４と冷却部１６との間で直線状に延びる直線部Ａと、加熱部１４側及び冷却部１６側で、直線部Ａ同士を連結するターン部Ｂと、冷却部１６側に形成される折返し部Ｃとから構成されており、加熱部１４と冷却部１６との間で蛇行する閉ループ流路となっている。図１に示すヒートパイプ本体部１２は、例えば、流路パターンが形成された２枚の板状部材を接合することにより作製されたものであるが、例えば、ヒートパイプ本体部１２は、加熱部１４と冷却部１６との間を複数回往復して蛇行状に配されたパイプ状部材であってもよい。この場合、パイプ状部材の内部が作動流体流路１０となる。
【００１８】
また、ヒートパイプ本体部１２には、外部から作動流体流路１０内に冷媒を封入するための冷媒封入口１８が設けられている。冷媒の封入は、例えば、作動流体流路１０内部を真空脱気後、冷媒封入口１８より作動流体流路１０内へ冷媒が注入され、冷媒封入口１８が封止されることにより行われる。そして、本実施形態では、非相溶な２種類以上の冷媒が、作動流体流路１０に封入される。
【００１９】
以下に、本実施形態の自励振動ヒートパイプ１の動作について説明する。本実施形態では、第１冷媒と第２冷媒の２種類の冷媒を流路内に封入した自励振動ヒートパイプを例について説明するが、これに制限されるものではなく、非相溶の関係にあれば第３冷媒等さらに複数の冷媒を流路内に封入してもよい。なお、冷媒の種類、物性については後段で詳述するが、第１冷媒としては例えば水（沸点１００℃）、第２冷媒としては、例えば第１冷媒に対して非相溶なフッ素系冷媒（例えば、沸点６０℃）等が用いられる。
【００２０】
図２は、流路内に封入した第１冷媒及び第２冷媒の状態を説明するための作動流体流路の断面模式図である。図３は、流路内に封入した１種の冷媒の状態を説明するための作動流体流路の断面模式図である。
【００２１】
図３に示すように、作動流体流路１０内に１種の冷媒を封入すると、作動流体流路１０内には、冷媒から構成される液プラグ２０と、冷媒の蒸気から構成される蒸気プラグ２２とが分布した状態となる。すなわち、液プラグ２０両端の表面張力は、温度差が生じない限り、同じ値（σ１）となる。
【００２２】
一方、図２に示すように、作動流体流路１０内に第１及び第２冷媒を封入すると、作動流体流路１０内には、主に第１冷媒から構成される第１液プラグ２４及び主に第２冷媒から構成される第２液プラグ２６を有する連結液プラグ２８と、第１及び第２冷媒の蒸気から構成される蒸気プラグ３０とが分布した状態となる。すなわち、連結液プラグ２８の一端の表面張力は第１液プラグ２４の表面張力σ１、連結液プラグ２８の他端の表面張力は第２液プラグ２６の表面張力σ２となり、それぞれ異なる表面張力が働くことになる。
【００２３】
本実施形態では、作動流体流路１０内に上記のような液プラグ（２４，２６，２８）及び蒸気プラグ３０を効率的に形成させるため、作動流体流路１０内の内径を冷媒（第１冷媒、第２冷媒）に対するラプラス直径以下に設定している。ラプラス直径は、下式（１）により求められる。
Ｄ＝１．８４［σ／（ｇ・（ρＬ−ρｖ））］０．５                      （１）
Ｄ：ラプラス直径
σ：冷媒表面張力
ｇ：重力加速度
ρＬ：液密度
ρｖ：蒸気密度
【００２４】
通常、自励振動ヒートパイプ１では、外部加熱源により加熱部１４が加熱され、受熱部材により冷却部１６が冷却されると、加熱部１４での冷媒蒸発による圧力上昇と冷却部１６での蒸気凝縮による圧力降下による流路内の圧力変化及びボイド率（気液の体積割合）変化の相互作用により、加熱部１４と冷却部１６との間で冷媒が振動しながら移動し、熱輸送が行われる。したがって、作動流体流路１０内に１種の冷媒を封入した自励振動ヒートパイプでは、加熱部１４の加熱初期段階、具体的には、冷媒の沸点前後の低温域では、流路内での圧力変化及びボイド率変化の相互作用が生じ難く、自励振動ヒートパイプの始動特性には改善の余地がある。
【００２５】
これに対し、作動流体流路１０内に第１及び第２冷媒を封入した場合では、外部加熱源により加熱部１４が加熱され、受熱部材により冷却部１６が冷却されると、加熱部１４近傍の作動流体流路１０内で静止していた連結液プラグ２８の両端に働く表面張力σ１，σ２が変化する。図４は、第１及び第２冷媒の温度と表面張力との関係を示す図である。例えば、第１冷媒を水、第２冷媒をフッ素系冷媒とした場合、各冷媒の温度上昇と共に、表面張力σ１とσ２との差がさらに大きくなり、連結液プラグ２８の両端に働く力のバランスが崩れ、冷媒は小さな振動を開始し、加熱部１４と冷却部１６との間を移動する。なお、作動流体流路１０内に１種の冷媒を封入した場合では、液プラグ２０の両端の表面張力は同じであるため（σ１）、加熱部１４が加熱され、加熱部１４近傍の冷媒に温度変化があっても、通常、液プラグ２０の両端の温度差はほとんどないため（両端の表面張力の差はほとんどないため）、冷媒の振動は起こり難い。したがって、非相溶の２種の冷媒を用いた自励振動ヒートパイプ１は、加熱量が小さい状態でも、１種の冷媒を用いた自励振動ヒートパイプより、冷媒の振動が起きやすいため、低温領域等でのヒートパイプの始動特性を高めることが可能となる。
【００２６】
第１冷媒及び第２冷媒を作動流体流路１０内に封入した自励振動ヒートパイプ１では、更に加熱部１４での加熱量が増加すると、加熱部１４と冷却部１６での冷媒の飽和蒸気圧差が大きくなり、加熱部１４と冷却部１６間で、流路内の圧力変化に起因したポンプ効果が作用し、冷媒の振動が促進される。図５は、第１及び第２冷媒の温度と飽和蒸気圧曲線との関係を示す図であり、飽和蒸気圧曲線の傾きが飽和蒸気圧差である。特に、図５に示すように、第１冷媒より第２冷媒の飽和蒸気圧差が大きい場合、第１冷媒のみを封入した自励振動ヒートパイプと比べて、流路内の圧力変化に起因したポンプ効果が大きく作用するため、低温領域等での自励振動ヒートパイプ１の始動特性を大きく改善することが可能となる。そして、流路内の第２冷媒が沸騰を開始する温度に達すると、流路内の圧力変化及びボイド率変化が大きくなり、流路内全体に振動が波及する。さらに、第１冷媒より沸点が低い、又は飽和蒸気圧差が大きい第２冷媒が第１冷媒より先に沸騰することにより、加熱部１４近傍の流路内の圧力が上昇するため、後述するように、冷媒が沸騰を開始する表面過熱度が低下する。その結果、作動流体流路１０内の連結液プラグ２８或いは第１液プラグ２４の沸騰開始が促進され、より低温・低熱流速条件で流路内の気液プラグ群の振動が開始される。
【００２７】
なお、第１冷媒より沸点の低い第２冷媒のみを作動流体流路１０内に封入した自励振動ヒートパイプの場合、液プラグ２０両端の表面張力の差による冷媒の振動はほとんど期待できないため、冷媒が沸騰を開始する温度に達するまでは、流路内での振動は起こり難く、１種の冷媒を用いた自励振動ヒートパイプの始動特性は、非相溶の冷媒を２種以上用いた自励振動ヒートパイプ１の始動特性より劣る結果となる。
【００２８】
以下に、第１及び第２冷媒の種類、物性等について説明する。
【００２９】
第１冷媒は、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒、アセトン等のケトン系冷媒、エチレングリコール等が挙げられる。特に、第１冷媒は、自励振動ヒートパイプ１の熱輸送を受け持つ主冷媒として、自励振動ヒートパイプ１の設置場の温度領域に応じて選定されることが好ましく、設置場の温度が室温付近の温度領域であれば、水、エタノール、アセトン等が好ましく、自励振動ヒートパイプ１における熱物性の良好な水を選択することがより好ましい。なお、第１冷媒は、相溶性のある冷媒同士であれば、例えば水とエタノールを混合した冷媒等も含まれる。第２冷媒は、第１冷媒に対して非相溶な溶媒であれば特に制限されるものではなく、フッ素系冷媒、炭化水素系冷媒等が挙げられる。例えば、水等を第１冷媒として用いる場合には、水との非相溶性、水との沸点又は飽和蒸気圧との関係等から、フッ素系冷媒を用いることが好ましい。第２冷媒としては、例えば、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、ブタン等の炭化水素冷媒等が挙げられる。第２冷媒も第１冷媒と同様に、相溶性のある冷媒同士であれば、混合した冷媒等も含まれる。第１冷媒及び第２冷媒の上記物質は例示であってこれに制限されるものではなく、第１冷媒と第２冷媒とが非相溶の関係にあれば、自励振動ヒートパイプに適用可能な全ての冷媒を採用することができる。
【００３０】
本明細書における非相溶とは、完全に相溶性がない場合に限定されるものではなく、流路内に形成される連結液プラグ２８において、第１液プラグ２４と第２液プラグ２６との間に界面が存在していれば非相溶であり、第１液プラグ２４中に第２冷媒が微量に含まれていたり、第２液プラグ２６中に第１冷媒が微量に含まれていたりしてもよい。また、第１冷媒と第２冷媒との非相溶性は、溶媒に対する溶解度を考慮することが好ましい。
【００３１】
第１冷媒と第２冷媒の封入量の割合は、熱特性の良好な冷媒を第１冷媒として用いる場合、自励振動ヒートパイプ１の熱輸送量は主に第１冷媒に受け持たせることが望ましいため、第２冷媒は第１冷媒より少ない割合（量）で封入されることが好ましい。そして、第１冷媒より第２冷媒の封入割合が少ない場合、第２冷媒は第１冷媒の沸点より低い冷媒を選択することが好ましい。また、第２冷媒は第１冷媒より飽和蒸気圧差が大きい冷媒であることが好ましい。このように、封入量の少ない第２冷媒が低沸点であったり、大きい飽和蒸気圧差であったりすると、加熱部１４と冷却部１６での冷媒の飽和蒸気圧差が大きくなり、加熱部１４と冷却部１６間で、流路内の圧力変化に起因したポンプ効果が大きく作用するため、熱輸送率を向上させることが可能となる。その結果、自励振動ヒートパイプの始動特性を向上させることができる。上記のような沸点及び飽和蒸気圧の関係を満たす組み合わせとしては、第１冷媒として水を用い、第２冷媒としてフッ素系冷媒を用いることが好ましい。
【００３２】
図６は、流路内に封入される冷媒の沸騰曲線を示す図である。図６に示すように、通常、圧力が高い状態にあるほど、冷媒が沸騰を開始する表面過熱度が低下する。したがって、第１冷媒より沸点の低い、或いは飽和蒸気圧差の大きい第２冷媒が先に沸騰することにより、加熱部１４近傍の流路内の圧力が上昇するため、連結液プラグ２８或いは第１液プラグ２４の沸騰を開始する表面過熱度が低下し、作動流体流路１０内の連結液プラグ２８或いは第１液プラグ２４の沸騰開始が促進される。その結果、低温・低熱流速条件で流路内の気液プラグ群の自励振動が開始される。
【００３３】
本実施形態の自励振動ヒートパイプは、マイクロプロセッサ、インバータ、モータ、内燃機関及び二次電池等の発熱部品の放熱装置や、種々の温度調節装置等に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  自励振動ヒートパイプ、１０  作動流体流路、１２  ヒートパイプ本体部、１４  加熱部、１６  冷却部、１８  冷媒封入口、２０  液プラグ、２２  蒸気プラグ、２４  第１液プラグ、２６  第２液プラグ、２８  連結液プラグ、３０  蒸気プラグ。
【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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