(57)【要約】【課題】本発明は、高い冷却能力を確保できるループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。【解決手段】本発明のループ型ヒートパイプ１は、外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部２と、外部に放熱して前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部３と、前記蒸発部２から前記凝縮部３に気相の作動流体を流通させる蒸気管４と、前記凝縮部３から前記蒸発部２に液相の作動流体を流通させる液管５とを備え、前記蒸発部２は、前記凝縮部３よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びる蒸発管１３と、前記蒸発管１３の下端１３ａと前記液管５を接続する下部ヘッダー部３０とを有し、前記下部ヘッダー部３０と前記液管の接続箇所３０近傍に気相の作動流体が前記下部ヘッダー部３０から前記液管５への逆流を防止するための多孔質体１６が充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、外部に放熱して前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部に気相の作動流体を流通させる蒸気管と、前記凝縮部から前記蒸発部に液相の作動流体を流通させる液管とを備え、
前記蒸発部は、前記凝縮部よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びる蒸発管と、前記蒸発管の下端と前記液管を接続する下部ヘッダー部とを有し、前記下部ヘッダー部と前記液管の接続箇所近傍に気相の作動流体が前記下部ヘッダー部から前記液管への逆流を防止するための多孔質体が充填されていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
前記下部ヘッダー部が、前記蒸発管の下端と接続するヘッダー接続部及び前記液管と接続するヘッダー本体部からなり、前記ヘッダー本体部が前記ヘッダー接続部よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項１記載のループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
前記多孔質体が金属焼結体又は発泡金属であることを特徴とする請求項１又は２記載のループ型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ型ヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ループ型ヒートパイプは、上部ヘッダーと下部ヘッダーとを接続する複数の垂直流路を有する加熱器に、上部ヘッダーから接続されるガス管と下部ヘッダーへ接続される液戻り管とによって気液分離器が接続されている。さらに加熱器の上方には放熱器が設けられ、放熱器と加熱器の下部ヘッダーの液戻り管が接続する端部と反対側の端部とを復管で接続し密閉回路を構成し内部に水またはフロン等の様な蒸発性潜熱媒体が封入されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のループ型ヒートパイプ（熱搬送装置）は、加熱器内で加熱された蒸発性潜熱媒体は垂直流路内で蒸発し、気液二相状態になって上部ヘッダー管及びガス管を通って気液分離器に導入され、ガスは往管を通って放熱器へ導かれ凝縮し、復管を通って下部ヘッダーの一方へ重力作用により戻されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２１３９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ループ型ヒートパイプは加熱器（本発明における「蒸発部」に相当する）に伝わった熱が下部ヘッダーまで伝熱するため、下部ヘッダーで蒸発性潜熱媒体（本発明における「作動流体」に相当する）が蒸発する場合もある。上記特許文献１に記載のように、ほぼ水平に設置された下部ヘッダーとほぼ同じ高さの位置で複管（本発明の「液管」に相当する）が接続されているループ型ヒートパイプでは、下部ヘッダーで蒸発性潜熱媒体が蒸発したガス（本発明の「気相の作動流体」に相当する）が復管を通って放熱器（本発明の「凝縮部」に相当する）へ導かれ凝縮することがあった。蒸発したガスが復管を通って放熱器に向かうということは、ガスが本来は上部ヘッダーから往管（本発明の「蒸気管」に相当する）を通って放熱器に向かわなければいけないところ、ガスが逆流してしまい、蒸発性潜熱媒体の循環を阻害することになる。その結果、ループ型ヒートパイプの効率の低下を引き起こしてしまい、高い冷却能力を確保することができなくなる。
【０００６】
本発明は、高い冷却能力を確保できるループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、以下の発明により、上記課題を解決し得ることを見出した。すなわち、本発明に係るループ型ヒートパイプは、外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部と、外部に放熱して前記作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部に気相の作動流体を流通させる蒸気管と、前記凝縮部から前記蒸発部に液相の作動流体を流通させる液管とを備え、前記蒸発部は、前記凝縮部よりも下方に配置されると共に、鉛直方向に延びる蒸発管と、前記蒸発管の下端と前記液管を接続する下部ヘッダー部とを有し、前記下部ヘッダー部と前記液管の接続箇所近傍に気相の作動流体が前記下部ヘッダー部から前記液管への逆流を防止するための多孔質体が充填されている。
【０００８】
本発明に係るループ型ヒートパイプによれば、下部ヘッダー部と液管の接続箇所近傍に気相の作動流体が前記下部ヘッダー部から前記液管への逆流を防止するための多孔質体が充填されている。ここで、多孔質体は液体や気体の移動を妨げる部材である。液体も気体も多孔質体を通過することは可能であるが、多孔質体を通過するためには所定の圧力が必要となる。つまり、多孔質体は液体や気体の流通抵抗として機能し、液体や気体の流通を調整することができる。蒸発部は凝縮部よりも下方に配置されており、液相の作動流体には凝縮部から蒸発部に向かって重力による鉛直方向の所定の圧力がかかっているため、液相の作動流体は凝縮部から液管を通って多孔質体を通過し蒸発部に移動することができる。しかし、下部ヘッダー部で蒸発した気相の作動流体が、蒸気管に向かわず、液管に向かって移動したとしても、気相の作動流体に蒸発部から液管の方向へ所定の圧力がかかっていないので、気相の作動流体は多孔質体によって止められ、液管には移動できない。その結果、気相の作動流体が液管から凝縮部に逆流することを防止することが可能となり、高い冷却能力を確保することができる。
【０００９】
また、本発明に係るループ型ヒートパイプは、前記下部ヘッダー部が、前記蒸発管の下端と接続するヘッダー接続部及び前記液管と接続するヘッダー本体部からなり、前記ヘッダー本体部が前記ヘッダー接続部よりも下方に配置されていることが好ましい。
これにより、下部ヘッダー部が、蒸発管の下端と接続するヘッダー接続部及び液管と接続するヘッダー本体部からなり、ヘッダー本体部がヘッダー接続部よりも下方に配置されているため、液管は蒸発管よりも下方でヘッダー本体部と接続されていることになる。その結果、気相の作動流体が蒸発管から液管へより移動しにくいため、高い冷却能力を確保することができる。
【００１０】
また、本発明に係るループ型ヒートパイプは、前記多孔質体が金属焼結体又は発泡金属であることが好ましい。
これにより、気相の作動流体が蒸発管から液管に移動しにくく、高い冷却能力を確保することに加え、多孔質体が金属からなるため、加熱された高温状況下でも多孔質体が変形したり、分解してしまうおそれがない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高い冷却能力を確保できるループ型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】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るループ型ヒートパイプの基本構成を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係るループ型ヒートパイプの基本構成を示す図である。図１に示すようにループ型ヒートパイプ１は、外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部２と、外部に放熱して作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部３と、蒸発部２から凝縮部３に気相の作動流体（以下、「蒸気」という）を送る蒸気管４と、凝縮部３から蒸発部２に液相の作動流体（以下、「凝縮液」という）を送る液管５とを備えている。
【００１５】
また、ループ型ヒートパイプ１内には液相及び気相の間で相変化する作動流体が充填されている。充填に際しては、ループ型ヒートパイプ１の内部から空気等の非凝縮性ガスを脱気した状態で封入されている。この作動流体は、例えば、水、アルコール、アンモニア、代替フロン等が用いられる。作動流体を内部で流通させるループ型ヒートパイプ１は、例えば、銅や銅合金等の熱伝導性の良好な金属によって構成されている。
【００１６】
ループ型ヒートパイプ１内の動作を説明する。発熱体（図示せず）等において発生する熱は、蒸発部２に伝達される（図１矢印Ｃ１）。そして、蒸発部２において熱を吸収した凝縮液は気化し、蒸気管４を通って（図１矢印Ａ１）凝縮部３へ送られる。凝縮部３へ送られた蒸気は、外部に熱を放出して（図１矢印Ｃ２）液化して凝縮液となる。凝縮液は、液管５を通って（図１矢印Ｂ１）再び蒸発部２へと送られる。このように作動流体（凝縮液及び蒸気）がループ型ヒートパイプ１内を一方向に循環しながら蒸発部２から凝縮部３に熱輸送を行っている。
【００１７】
また、本実施形態のループ型ヒートパイプ１では、凝縮部３が、蒸発部２よりも高い位置に配置されており、凝縮した凝縮液を重力により積極的に還流させることができる。なお、凝縮部３には放熱効率を高める熱交換フィンが設けられてもよい。更に、熱交換フィンに送風して冷却する冷却ファンが設けられてもよい。
【００１８】
また、本実施形態では、凝縮液が蒸発部２に流れる液管５には、制御バルブ５１が設けられてる。この制御バルブ５１は、作動流体の量や流れ、圧力等を調整する。なお、制御バルブ５１を省略していもよい。また、蒸気管４の内部で蒸気が放熱し凝縮して凝縮液に変相することを抑制するために、蒸気管４には断熱材が設けられていてもよい。更に、蒸気管４の内面には、その内部で蒸気が放熱し凝縮した凝縮液を鉛直方向において下方に流れるように、その内部で生じた凝縮液を撥水する処理が施されていてもよい。液管５の内面にも凝縮液を蒸発部２に流れ易くするために凝縮液を撥水する処理が施されていてもよい。
【００１９】
次に凝縮部３について詳細に説明する。凝縮部３は、蒸発部２からの蒸気が流入する管状の第１蒸気ヘッダー本体部６と、第１蒸気ヘッダー本体部６に連通し、第１蒸気ヘッダー本体部６から水平方向に並列に延びる複数（本実施形態では５本）の第１蒸気ヘッダー接続部７と、各第１蒸気ヘッダー接続部７に一端８ａ側で連通し各第１蒸気ヘッダー接続部７から鉛直下方向に並列に延びる複数（本実施形態では全３５本（各第１蒸気ヘッダー接続部当たり７本））の凝縮管８とを備えている。更に凝縮部３は、各第１蒸気ヘッダー接続部７に対向するように凝縮管８の他端８ｂ側に連通し水平方向に並列に延びる複数の第１凝縮液ヘッダー接続部９と、複数の第１凝縮液ヘッダー接続部９と一端で連通する管状の第１凝縮液ヘッダー本体部１０とを備えている。また、凝縮部３は、蒸発部２と比較して温度及び圧力が低い状態になっている。
【００２０】
このような構成の凝縮部３においては、第１蒸気ヘッダー本体部６に流入した蒸気が、複数の第１蒸気ヘッダー接続部７に分流される。そして分流された蒸気は、複数の凝縮管８に更に分流（本実施形態では最大３５本の凝縮管８に分流）されると共に放熱して凝縮し凝縮液となる。各凝縮管８内で凝縮された凝縮液は下方に流れ、各第１凝縮液ヘッダー接続部９で合流し更に第１凝縮液ヘッダー本体部１０に集約される。
【００２１】
蒸発部２について詳細に説明する。蒸発部２は、凝縮部３からの凝縮液が流入する管状の第２凝縮液ヘッダー本体部１１（本発明の「ヘッダー本体部」に相当する）と、第２凝縮液ヘッダー本体部１１に連通しこの第２凝縮液ヘッダー本体部１１から水平方向に並列に延びる複数（本実施形態では５本）の第２凝縮液ヘッダー接続部１２（本発明の「ヘッダー接続部」に相当する）と、各第２凝縮液ヘッダー接続部１２に下端１３ａ側で連通し各第２凝縮液ヘッダー接続部１２から鉛直上方向に並列に延びる複数（本実施形態では全３５本（各第２凝縮液ヘッダー接続部当たり７本））の蒸発管１３とを備えている。更に蒸発部２は、各第２凝縮液ヘッダー接続部１２に対向するように蒸発管１３の上端１３ｂ側に連通し水平方向に平行に並んで延びる複数の第２蒸気ヘッダー接続部１４と、複数の第２蒸気ヘッダー接続部１４と一端で連通する第２蒸気ヘッダー本体部１５とを備えている。また、蒸発部２は、凝縮部３と比較して温度及び圧力が高い状態になっている。本実施形態において、第２凝縮液ヘッダー本体部１１（本発明の「ヘッダー本体部」に相当する）及び第２凝縮液ヘッダー接続部１２（本発明の「ヘッダー接続部」に相当する）を合わせて下部ヘッダー部３０と称し、これが本発明における下部ヘッダー部に相当する。
【００２２】
次に、図１及び図２を参照しつつ本実施形態の下部ヘッダー部３０について詳細に説明する。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１に示すように、管状の第２凝縮液ヘッダー本体部１１と液管５との接続箇所４０近傍であって、第２凝縮液ヘッダー本体部１１の液管５側の内部に多孔質体１６が配置されている。また、図２に示すように、多孔質体１６は、第２凝縮液ヘッダー本体部１１の管内に充填されている。なお、本実施形態における第２凝縮液ヘッダー本体部１１と液管５との接続箇所４０は、水平方向に延びる第２凝縮液ヘッダー本体部１１と鉛直方向に延びる液管５との接続部分をいう。
【００２３】
多孔質体１６は所定の圧力をかけることにより作動流体が通過できる部材であればよく、金属粉末を焼結させた金属焼結体又は溶融させた金属内部でガスを発生させて内部に気孔を形成させた発泡金属により構成されていることが好ましい。金属焼結体を形成する金属粉末は銅、アルミニウム、鉄、銅合金など作動流体の種類やループ型ヒートパイプ１の材質に応じて適宜利用できる。第２凝縮液ヘッダー本体部１１と金属焼結体からなる多孔質体１６を焼結により接合させる場合は、第２凝縮液ヘッダー本体部１１と金属焼結体に同じ金属を使用することがより好ましい。この場合、金属粉末を焼結させて金属焼結体からなる多孔質体１６を製造する工程と、第２凝縮液ヘッダー本体部１１と多孔質体１６とを焼結により接合する工程を同時に行ってもよい。これにより製造工程数を減らし、製造工程を簡略化することができる。金属発泡体を形成する金属は銅、アルミニウム、鉄、銅合金など作動流体の種類やループ型ヒートパイプ１の材質に応じて適宜利用できる。第２凝縮液ヘッダー本体部１１と金属発泡体からなる多孔質体１６を焼結により接合させる場合は、第２凝縮液ヘッダー本体部１１と金属発泡体に同じ金属を使用することがより好ましい。多孔質体１６が金属焼結体や発泡金属のように金属からなる場合、発熱体等において発生する熱が多孔質体１６に伝わって、多孔質体１６が加熱されたとしても、多孔質体１６が変形や分解してしまうおそれがない。
【００２４】
また、作動流体の種類や発熱体から受熱する熱量に応じて、多孔質体１６は数枚の金属メッシュを組み合わせた金属メッシュ積層からなる多孔質体を使用することも可能である。また、金属酸化物や金属窒化物などのセラミックスからなる多孔質体なども利用できるし、多孔質炭素材料などの金属を含まない非金属からなる多孔質体を利用してもよい。さらに、受熱温度が低い場合は、スポンジのような樹脂材料からなる多孔質体を利用してもよい。
【００２５】
本実施形態において、多孔質体１６は液体も気体も通過することは可能であるが、作動流体の移動を妨げる流体抵抗として機能しており、多孔質体１６を通過するためには、作動流体の移動方向に対して所定の圧力が必要となるように調整されている。例えば、液管５から第２凝縮液ヘッダー本体部１１側に向かっては、重力による圧力がかかるが、第２凝縮液ヘッダー本体部１１から液管５に向かっては、重力ほどの圧力がかからないので、この所定の圧力は、蒸気が第２凝縮液ヘッダー本体部１１から液管５に向う圧力を超えて凝集液が液管５から第２凝縮液ヘッダー本体部１１側に向う圧力以下の間で適宜選択される。そのため、凝集液は液管５側から第２凝縮液ヘッダー本体部１１内の多孔質体１６を通って第２凝縮液ヘッダー接続部１２に移動することができる。しかし、第２凝縮液ヘッダー本体部１１から液管５に向かっては、上記所定の圧力ほどの圧力がかからないため、蒸気は第２凝縮液ヘッダー接続部１２側から第２凝縮液ヘッダー本体部１１内の多孔質体１６を通過することができず、液管５に移動することができない。つまり、多孔質体１６は、蒸気が蒸発部２から液管５を通って凝縮部３に逆流することを防止している。
【００２６】
本実施形態の蒸発部２における作動流体の流れ及び本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１の作用について説明する。凝縮液は液管５から第２凝縮液ヘッダー本体部１１に流入した凝縮液が、多孔質体１６を通って、複数の第２凝縮液ヘッダー接続部１２に分流される。そして分流された凝縮液は、複数の蒸発管１３に更に分流（本実施形態では最大３５本の蒸発管１３に分流）されると共に受熱して蒸発し蒸気となる。各蒸発管１３内で蒸発された蒸気は上方に流れ、各第２蒸気ヘッダー接続部１４で合流し更に第２蒸気ヘッダー本体部１５に集約される。このとき、蒸発管１３と接続している第２凝縮液ヘッダー接続部１２及び第２凝縮液ヘッダー接続部１２と接続している第２凝縮液ヘッダー本体部１１にも蒸発管１３で受熱した熱が伝達する。そのため、第２凝縮液ヘッダー本体部１１内及び第２凝縮液ヘッダー接続部１２内においても、凝縮液が受熱して蒸発し蒸気となる場合がある。第２凝縮液ヘッダー本体部１１内及び第２凝縮液ヘッダー接続部１２内において発生した蒸気は場合によっては蒸発管１３側に向かわず、液管５側に逆流する場合もある。
【００２７】
しかしながら、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１では、下部ヘッダー部３０と液管５の接続箇所４０近傍（本実施形態では、第２凝縮液ヘッダー本体部１１の液管５側の内部）に蒸気が下部ヘッダー部３０から液管５への逆流を防止するための多孔質体１６が充填されている。この多孔質体１６は、上述した通り、重力による圧力で作動流体が通過する流体抵抗として機能する。
【００２８】
そして、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１では、蒸発部２は凝縮部３よりも下方に配置されており、凝縮液には凝縮部３から蒸発部２に向かって（より具体的には、凝縮液には液管５から第２凝縮液ヘッダー本体部１１側に、さらに、第２凝縮液ヘッダー本体部１１から複数の第２凝縮液ヘッダー接続部１２に向かって）重力による鉛直方向の所定の圧力がかかっているため、凝縮液は凝縮部３から液管５を通って多孔質体１６を通過し蒸発部２に移動することができる。しかし、下部ヘッダー部３０で蒸発した蒸気が、蒸発管１３に向かわず、液管５に向かって移動したとしても、蒸気に蒸発部２から液管５の方向へ所定の圧力がかかっていないので、蒸気は多孔質体１６によって止められ、液管５には移動できない。その結果、蒸気が液管５から凝縮部３に逆流することを防止することが可能となり、高い冷却能力を確保することができる。
【００２９】
続いて、他の実施形態に係るループ型ヒートパイプについて説明する。図３は、発明の他の実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発部を示す図である。他の実施形態に係るループ型ヒートパイプ２１は、第２凝縮液ヘッダー本体部１１が第２凝縮液ヘッダー接続部１２よりも下方に配置されている点が上記実施形態に係るループ型ヒートパイプ１と異なる。
【００３０】
第２凝縮液ヘッダー接続部１２は蒸発管１３と接続しているため、第２凝縮液ヘッダー本体部１１内の凝縮液よりも、第２凝縮液ヘッダー接続部１２内の凝縮液のほうが、加熱されて、蒸気が発生しやすい。しかしながら、第２凝縮液ヘッダー本体部１１は、第２凝縮液ヘッダー接続部１２よりも下方に配置されているため、第２凝縮液ヘッダー接続部１２から第２凝縮液ヘッダー本体部１１に蒸気が移動しにくい。したがって、第２凝縮液ヘッダー本体部１１内及び第２凝縮液ヘッダー接続部１２内において、凝縮液が受熱して蒸発し蒸気となったとしても、第２凝縮液ヘッダー接続部１２内において発生した蒸気は第２凝縮液ヘッダー本体部１１に逆流することができない。よって、多孔質体１６が逆流を防止しなければならない蒸気は第２凝縮液ヘッダー本体部１１内で発生した蒸気のみとなる。つまり、第２凝縮液ヘッダー本体部１１が、第２凝縮液ヘッダー接続部１２よりも下方に配置されているため、多孔質体１６が逆流を防止しなければならない蒸気の量が減る。したがって、多孔質体１６にかかる負担が少なくなり、多孔質体１６は劣化しにくくなる。また、より薄い多孔質体１６を利用することが可能となる。
【００３１】
以上のように、他の実施形態に係るループ型ヒートパイプ２１は、前記下部ヘッダー部３０が、前記蒸発管１３の下端１３ａと接続する第２凝縮液ヘッダー接続部１２及び前記液管５と接続する第２凝縮液ヘッダー本体部１１からなり、前記第２凝縮液ヘッダー本体部１１が前記第２凝縮液ヘッダー接続部１２よりも下方に配置されている。
【００３２】
これにより、下部ヘッダー部３０が、蒸発管１３の下端１３ａと接続する第２凝縮液ヘッダー接続部１２及び液管５と接続する第２凝縮液ヘッダー本体部１１からなり、第２凝縮液ヘッダー本体部１１が第２凝縮液ヘッダー接続部１２よりも下方に配置されているため、液管５は蒸発管１３よりも下方に設置されていることになる。その結果、蒸気が蒸発管１３から液管５により移動しにくいため、高い冷却能力を確保することができる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、管状の第２凝縮液ヘッダー本体部１１の液管５側のみに多孔質体１６が充填されているが、多孔質体１６は、第２凝縮液ヘッダー本体部１１と液管５との接続箇所４０近傍に配置されるのであれば、特に限定されない。例えば、液管５の内部のみに充填されていてもよいし、液管５と第２凝縮液ヘッダー本体部１１にまたがって充填されてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１，２１…ループ型ヒートパイプ
２…蒸発部
３…凝縮部
４…蒸気管
５…液管
６…第１蒸気ヘッダー本体部
７…第１蒸気ヘッダー接続部
８…凝縮管
９…第１凝縮液ヘッダー接続部
１０…第１凝縮液ヘッダー本体部
１１…第２凝縮液ヘッダー本体部
１２…第２凝縮液ヘッダー接続部
１３…蒸発管
１４…第２蒸気ヘッダー接続部
１５…第２蒸気ヘッダー本体部
１６…多孔質体
３０…下部ヘッダー部
４０…接続箇所
５１…制御バルブ
【図１】
2016191509.tif 000003
【図２】
2016191509.tif 000004
【図３】
2016191509.tif 000005