(57)【要約】【課題】熱交換効率の低下を防止しつつ、熱輸送機能の停止が円滑であり、熱輸送機能を再始動させる際に、蒸発部の変形や破損を防止できるループヒートパイプを提供することを目的とする。【解決手段】蒸発部と、凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部へ前記気相の作動流体が流通する蒸気流路と、前記凝縮部から前記蒸発部へ前記液相の作動流体が流通する液体流路と、を有するループヒートパイプであって、前記液体流路が、前記凝縮部から前記蒸発部へ流通している前記液相の作動流体が保持される液溜まり部と前記液相の作動流体の流量を調整する流量調整部とを有し、前記液溜まり部から前記蒸発部の内部まで、ウィックが設けられているループヒートパイプ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発部と、凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部へ前記気相の作動流体が流通する蒸気流路と、前記凝縮部から前記蒸発部へ前記液相の作動流体が流通する液体流路と、を有するループヒートパイプであって、
前記液体流路が、前記凝縮部から前記蒸発部へ流通している前記液相の作動流体が保持される液溜まり部と前記液相の作動流体の流量を調整する流量調整部とを有し、前記液溜まり部から前記蒸発部の内部まで、ウィックが設けられているループヒートパイプ。
【請求項２】
前記流量調整部が、バルブである請求項１に記載のループヒートパイプ。
【請求項３】
前記バルブが、サーモスタットである請求項２に記載のループヒートパイプ。
【請求項４】
前記ウィックが、多孔質体または粉末の焼結体である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のループヒートパイプ。
【請求項５】
前記蒸気流路の外面に断熱材が設けられている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のループヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉ループ構造を有し、ループ構造内を一方向に循環する作動流体の潜熱を利用して、蒸発部側から凝縮部側へ効率的に熱を輸送することができ、かつ円滑に熱輸送を停止することができるループヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ループヒートパイプは、内部空間に作動流体が封入されたパイプが閉ループ構造を形成し、相対的に高温の外部環境に配置された蒸発部にて、該外部環境から受熱して作動流体を蒸発させ、作動流体の蒸気が、蒸発部から相対的に低温の外部環境に配置された凝縮部へ導かれて凝縮し、凝縮した作動流体が凝縮部から蒸発部へ循環するヒートパイプである。従来のループヒートパイプとして、蒸発部外面の結露による熱交換の阻害を防止するために、高い方の温度の流体またはその成分が蒸発部によって冷却され該蒸発部の外表面へ固相体化することに応じて作動液の循環を停止しうるバルブを有するループヒートパイプが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
つまり、特許文献１では、パイプに設けたバルブを閉鎖し作動液の循環を停止させることによって、ループヒートパイプの熱輸送機能を停止させる。これによって、蒸発部外面の結露は蒸発部内部から冷却されることがなくなり、蒸発部を取り囲む温暖な雰囲気によって、蒸発部外面の結露は自然に溶けて除去され、結果、エネルギーを投入せずに熱交換可能な状態に回復させる。
【０００４】
そして、ループヒートパイプが熱交換可能な状態に回復したら、バルブを再び開けて熱輸送機能を再始動させるというものである。
【０００５】
しかし、特許文献１では、蒸発部と凝縮部の高さの関係によっては、効率的な熱輸送を行えないという問題があった。すなわち、凝縮部が蒸発部より低い位置にある、いわゆるトップヒート型では、ヒートパイプ作動中に蒸発部がドライアウトしないように作動液を増やす必要があるが、作動液を増やすと、凝縮部が作動液で満たされることになり、作動液の凝縮効率が極端に悪くなるという問題があった。さらに、特許文献１では、バルブを開けてループヒートパイプの熱輸送機能を再始動させると、ループヒートパイプの熱輸送機能を停止させている間に高温となった蒸発部に、低温の作動液が一気かつ多量に流入することとなるので、蒸発部に変形や破損が発生する恐れもあるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１４７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、熱交換効率の低下を防止しつつ、熱輸送機能の停止が円滑であり、熱輸送機能を再始動させる際に、蒸発部の変形や破損を防止できるループ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】
【０００８】
本発明の態様は、蒸発部と、凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部へ前記気相の作動流体が流通する蒸気流路と、前記凝縮部から前記蒸発部へ前記液相の作動流体が流通する液体流路と、を有するループヒートパイプであって、前記液体流路が、前記凝縮部から前記蒸発部へ流通している前記液相の作動流体が保持される液溜まり部と前記液相の作動流体の流量を調整する流量調整部とを有し、前記液溜まり部から前記蒸発部の内部まで、ウィックが設けられているループヒートパイプである。
【０００９】
この態様では、ループヒートパイプの液体流路に液溜まり部が存在し、この液溜まり部に流量調整部が配置されている。ループヒートパイプの稼働時、液溜まり部において、流量調整部は開放状態となっている。凝縮部から流出した液相の作動流体は、蒸発部へ導入される前に、一度、液溜まり部に滞留する。また、流量調整部は液溜まり部に配置されているので、開放状態の流量調整部の凝縮部側も蒸発部側も液相の作動流体で満たされた状態となっている。
【００１０】
さらに、ウィックが、液溜まり部から蒸発部内部へと延びているので、液溜まり部に滞留した作動流体は、ウィックの毛細管力によって、蒸発部内部へ輸送される。一方で、流量調整部を閉鎖状態にすることで、凝縮部から蒸発部への液相の作動流体の供給が遮断され、ルートヒートパイプの熱輸送機能が停止される。
【００１１】
本発明の態様は、前記流量調整部が、バルブであるループヒートパイプである。
【００１２】
本発明の態様は、前記バルブが、サーモスタットであるループヒートパイプである。
【００１３】
本発明の態様は、前記ウィックが、多孔質体または粉末の焼結体であるループヒートパイプである。
【００１４】
本発明の態様は、前記蒸気流路の外面に断熱材が設けられているループヒートパイプである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の態様によれば、液溜まり部から蒸発部内部へと延びているウィックによって、液相の作動流体が液体流路から蒸発部へ供給される。よって、流量調整部を開けてループヒートパイプの熱輸送機能を再稼働または始動させる際に、ループヒートパイプの熱輸送機能を停止させている間に高温となった蒸発部に、低温の作動流体は毛細管力に応じて徐々に流入するので、蒸発部に変形や破損が発生することを防止できる。また、本発明の態様によれば、ウィックが液溜まり部から蒸発部内部へと延びているので、凝縮部と蒸発部の高低関係に関わらず、作動流体を確実に継続して凝縮部から蒸発部へ供給できる。特に、蒸発部が凝縮部よりも高い位置に配置されていても、作動流体を確実に凝縮部から蒸発部へ供給できる。さらに、本発明の態様によれば、ウィックにより、蒸発部へ供給される液相の作動流体の流量をウィックの毛細管力及び／または流量調整部で制御できるので、蒸発部の過剰な冷却を防止でき、ループヒートパイプの熱交換効率の低下を防止できる。
【００１６】
さらに、本発明の態様によれば、液相の作動流体の液溜まり部に流量調整部が配置されているので、流量調整部を閉鎖することで、確実かつ速やかにルートヒートパイプの熱輸送機能を停止でき、また、流量調整部を開放することで確実かつ速やかにルートヒートパイプの熱輸送機能を再稼働できる。
【００１７】
本発明の態様によれば、バルブで液相の作動流体の流量を調整できるので、ルートヒートパイプの蒸発部から凝縮部への熱移動量の調整が容易である。また、流量調整部がバルブであることにより、より円滑に、ルートヒートパイプの熱輸送機能の停止と再稼働を行うことができる。
【００１８】
本発明の態様によれば、バルブが、サーモスタットであることにより、液相の作動流体の温度に応じてバルブの開閉を選択、調整できるので、蒸発部から凝縮部への熱移動量を作動流体の温度に応じて調整することができる。
【００１９】
本発明の態様によれば、ウィックが、多孔質体または粉末の焼結体であることにより、蒸発部へ供給される液相の作動流体の流量を容易に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態例に係るループヒートパイプの作動時の説明図である。
【図２】本発明の実施形態例に係るループヒートパイプの停止時の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態例に係るループヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。まず、図１を用いて、本発明の実施形態例に係るループヒートパイプの熱輸送システムについて説明する。
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施形態例に係るループヒートパイプ１は、第１の外部環境からの入熱により液相の作動流体Ｌを気相に相変化させる蒸発部２と、蒸発部２から気相の作動流体Ｇが導入されて、気相の作動流体Ｇから第２の外部環境への放熱によって、気相の作動流体Ｇを液相の作動流体Ｌに相変化させる凝縮部３と、一方の端部が蒸発部２と連通し、他方の端部が凝縮部３と連通した、管状体である蒸気流路４と、一方の端部が凝縮部３と連通し、他方の端部が蒸発部２と連通した、管状体である液体流路５と、を有する。蒸気流路４内は、蒸発部２から凝縮部３へ気相の作動流体Ｇが流動する。液体流路５内は、凝縮部３から蒸発部２へ液相の作動流体Ｌが流動する。
【００２３】
ループヒートパイプ１のコンテナは、ループ管からなる密閉された循環経路であり、該循環経路の内部に減圧（脱気された）状態で、作動流体が封入されている。上記の通り、作動流体が、相変化を繰り返しながら、循環経路を一方向（図１では、反時計回り）に循環する。
【００２４】
凝縮部３が配置された第２の外部環境の流体Ｆ２は、蒸発部２が配置された第１の外部環境の流体Ｆ１よりも低い温度となっている。従って、蒸発部２内において、液相の作動流体Ｌは相対的に流体Ｆ２よりも高い温度を有する流体Ｆ１から受熱して蒸発し、気相の作動流体Ｇに相変化する。気相の作動流体Ｇが、圧力差を利用して、蒸発部２と凝縮部３を連絡する蒸気流路４を介して、蒸発部２から凝縮部３へ輸送される。凝縮部３内において、気相の作動流体Ｇは、相対的に流体Ｆ１よりも低い温度を有する流体Ｆ２へ放熱して凝縮し液相の作動流体Ｌに相変化する。
【００２５】
上記作用により、ループヒートパイプ１は、蒸発部２から凝縮部３へ熱輸送をする。すなわち、ループヒートパイプ１は、相対的に高い温度を有する第１の外部環境の熱を相対的に低い温度を有する第２の外部環境へ輸送をする。凝縮部３にて凝縮した液相の作動流体Ｌは、凝縮部３と蒸発部２を連絡する液体流路５を介して、凝縮部３から蒸発部２へ還流する。
【００２６】
図１に示すように、ループヒートパイプ１は、液体流路５に、凝縮部３から蒸発部２へ還流する液相の作動流体Ｌが、蒸発部２へ導入される前に一時的に滞留する液溜まり部６を有している。液溜まり部６では、液体流路５の配管内部は液相の作動流体Ｌによって充填された状態となっている。例えば、ループヒートパイプ１では、液体流路５の配管は、側面視略Ｕ状となっており、略Ｕ状のうち、水平方向に形成された底部全体と、垂直方向に形成された２つの側部のうち蒸発部２近傍と凝縮部３近傍を除いた部位とが、液相の作動流体Ｌによって充填された液溜まり部６となっている。従って、液体流路５のうち、液溜まり部６の蒸発部側端面９と液体流路５の蒸発部２側端部との間及び液溜まり部６の凝縮部側端面１０と液体流路５の凝縮部３側端部との間は、いずれも、液相の作動流体Ｌは滞留していないので、空間部となっている。
【００２７】
また、液体流路５のうち、液溜まり部６の、液相の作動流体Ｌの流程の中央部に、流量調整部としてバルブ７が設けられている。従って、バルブ７は、蒸発部２側も凝縮部３側も液溜まり部６に滞留した液相の作動流体Ｌによって閉塞された状態となっている。
【００２８】
さらに、液溜まり部６の蒸発部側端面９よりも液体流路５の配管の上記底部側から蒸発部２の内部までの領域に、長尺に形成されたウィック８が設置されている。すなわち、バルブ７が開放されてループヒートパイプ１が稼働している状態では、ウィック８の液溜まり部６側端部は、その先端１１を含め、液相の作動流体Ｌに浸漬した状態となっている。また、上記した蒸発部側端面９と液体流路５の蒸発部２側端部との間に形成された空間部は、ウィック８の中央部が位置している。従って、液体流路５の上記空間部内に位置するウィック８の部位は、空間部内にて露出した状態となっている。さらに、蒸発部２内には、ウィック８の蒸発部２側端部が位置している。
【００２９】
図１では、ウィック８は、液体流路５の径方向の断面積よりも、小さな断面積（長尺方向に対して直交方向の断面積）を有している。ウィック８の毛細管力によって、液溜まり部６の蒸発部側端面９近傍から蒸発部２内部へ液相の作動流体Ｌが輸送される。従って、凝縮部３と蒸発部２の間の高低差に関わらず、液相の作動流体Ｌを確実に継続して液溜まり部６から蒸発部２へ供給できる。
【００３０】
また、ウィック８の毛細管力の強弱により、蒸発部２へ輸送される液相の作動流体Ｌの流量を調整することができる。さらに、蒸発部２への液相の作動流体Ｌの供給をウィック８によって行うことで、蒸発部２が凝縮部３よりも高い位置にあっても、液相の作動流体Ｌを蒸発部２へ確実に供給することができ、効率的に熱輸送をすることができる。
【００３１】
図１に示すように、バルブ７を開放状態とすることで、凝縮部３にて凝縮した液相の作動流体Ｌは、液体流路５を介して凝縮部３から蒸発部２へ還流するので、ループヒートパイプ１の蒸発部２から凝縮部３への熱輸送機能が継続して作動する。また、バルブ７が開放状態の場合には、液溜まり部６の凝縮部側端面１０と蒸発部側端面９は概ね同じ高さとなっている。
【００３２】
次に、ループヒートパイプ１の熱輸送機能の停止について、図２を用いて説明する。
【００３３】
図２に示すように、バルブ７を閉鎖状態とすることで、凝縮部３にて凝縮した液相の作動流体Ｌは、凝縮部３から蒸発部２へ還流することができなくなる。よって、凝縮部３にて凝縮した液相の作動流体Ｌは、液溜まり部６の凝縮部側端面１０と液体流路５の凝縮部３側端部との間に貯留されていく。すなわち、バルブ７を閉鎖すると、ループヒートパイプ１の蒸発部２から凝縮部３への熱輸送機能が依然として作動している間は、液溜まり部６の凝縮部側端面１０の位置は上昇していき、液溜まり部６の蒸発部側端面９の位置は下降していく。凝縮部側端面１０の上昇と蒸発部側端面９の下降が進んでいくと、ある時点で、ウィック８の液溜まり部６側の先端１１が液溜まり部６から露出する。
【００３４】
ウィック８の液溜まり部６側の先端１１が液溜まり部６から露出すると、蒸発部２への液相の作動流体Ｌの供給が阻害されるで、ループヒートパイプ１の熱輸送機能が停止される。
【００３５】
このように、ルートヒートパイプ１では、バルブ７を閉鎖することで、熱輸送機能を確実かつ速やかに停止できる。また、液溜まり部６の蒸発部側端面９に対するウィック８の先端１１の位置を調整することで、バルブ７の閉鎖操作と熱輸送機能の停止との間の時間を調整できる。
【００３６】
一方、閉鎖状態のバルブ７を開放状態とすることで、バルブ７の閉鎖時には上昇していた液溜まり部６の凝縮部側端面１０の位置は下降し、下降していた液溜まり部６の蒸発部側端面９の位置は上昇して、凝縮部側端面１０と蒸発部側端面９は同じ高さに戻る。すると、ウィック８の液溜まり部６側端部は、その先端１１を含め、液溜まり部６に浸漬された状態に戻るので、ウィック８の毛細管力によって、液溜まり部６の蒸発部側端面９近傍から蒸発部２内部へ、液相の作動流体Ｌが、再び、輸送されることとなる。従って、閉鎖状態のバルブ７を開放状態とすることで、液相の作動流体Ｌの凝縮部３から蒸発部２への還流が可能となり、ルートヒートパイプ１の熱輸送機能を再稼働させることができる。
【００３７】
ループヒートパイプ１の熱輸送機能を停止させている間も、蒸発部２は、流体Ｆ１から受熱しているので、蒸発部２内は昇温していき、高温状態となっている。上記のように、ルートヒートパイプ１の熱輸送機能を再稼働させるとき、低温の液相の作動流体Ｌは、ウィック８の毛細管力に応じて緩やかに高温状態の蒸発部２内へ流入していくので、蒸発部２に変形や破損が発生することを防止できる。
【００３８】
ループヒートパイプ１のコンテナの材質は、特に限定されず、例えば、銅、銅合金、ステンレス鋼等の金属を挙げることができる。また、長尺に形成されたウィック８は、毛細管構造を有する物質であれば、特に限定されず、例えば、金属等の粉末を用いた焼結体、多孔質体、金属メッシュ、金属ワイヤ等を挙げることができる。さらに、ループヒートパイプ１の作動流体は、特に限定されず、例えば、水、アルコール、代替フロン等を挙げることができる。ここで、コンテナの材質と作動流体の種類は、どちらも熱交換効率が良くなるように選択することが好ましく、また、コンテナの材質と作動流体の組み合わせは、互いに影響を及ぼして劣化や分解や変性等が発生することを防止するように選択することが好ましい。
【００３９】
また、バルブは、液相の作動流体Ｌの循環を停止できるものであれば、特に限定されず、開閉のみの機能を有するものでもよく、開閉だけではなく液相の作動流体Ｌの流量調整機能を有するものでもよい。バルブの例としては、電磁弁、サーモスタット、仕切り弁、玉形弁、ニードルバルブ等を挙げることができる。サーモスタットを使用すると、液相の作動流体の温度に応じて、バルブの開閉を選択、調整できる。
【００４０】
次に、本発明のループヒートパイプの使用方法例について、説明する。本発明のループヒートパイプは、熱輸送機能の搭載が要求されうる装置であれば、いずれも使用可能であり、例えば、車両に搭載された内燃機関に接続された排気管内にループヒートパイプの蒸発部を設置し、ループヒートパイプの凝縮部をエンジンの暖気装置と熱的に接続することにより、車両の省エネルギー化を図ることができる。
【００４１】
次に、本発明のループヒートパイプについて、他の実施形態例について説明する。上記実施形態例では、ウィック８を設置したが、これに代えて、管状体である液体流路５の、液溜まり部６の蒸発部側端面９近傍から蒸発部２内部までの領域の内面に、毛細管力を有する溝（グルーブ）を形成してもよい。また、上記実施形態例では、ウィック８は、液体流路５の径方向の断面積よりも小さな長尺方向に対して直交方向の断面積を有していたが、これに代えて、液体流路５の径方向の断面積と同じ断面積であり、かつ液体流路５の径方向の断面形状と同じ断面形状としてもよい。つまり、ウィックの配置された液体流路の領域は、ウィックで充填されていてもよい。また、上記実施形態例では、流体Ｆ１から蒸発部２へ、直接、入熱していたが、これに代えて、ヒートシンクやその他の伝熱部材を介して入熱してもよい。さらに、上記実施形態例では、凝縮部３から流体Ｆ２へ、直接、放熱していたが、これに代えて、ヒートシンクやその他の伝熱部材を介して放熱してもよい。
【００４２】
さらに、上記実施形態例のループヒートパイプでは、蒸気流路の外面に断熱部材を備えてもよい。断熱部材を蒸気流路の外面に設けることにより、蒸発部から凝縮部への熱輸送を効率的に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のループヒートパイプは、熱輸送機能の停止が円滑であり、熱輸送機能を再始動させる際に、蒸発部の変形や破損を防止できるので、例えば、車両に搭載して排ガスの排熱を冷却水やオイルの暖気に再利用する分野や、レーザー発振器やバッテリーの温度調整の分野等、広汎な分野で利用価値が高い。
【符号の説明】
【００４４】
１ ループヒートパイプ
２ 蒸発部
３ 凝縮部
４ 蒸気流路
５ 液体流路
６ 液溜まり部
７ バルブ
８ ウィック
【図１】
2016211773.tif 000003
【図２】
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