(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換用循環溶液５と蒸気６を収容する気液分離器２と，熱交換用循環溶液５を収容する循環溶液収納容器４とをテーパーパイプ３を介して連通した熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送出口８に設けた溶液送出パイプ９と熱交換器併用気泡ポンプ１内を通過する容器内パイプ１０と熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送入口１１に設けた溶液送入パイプ１２とを連接する一連の循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ９路に顕熱放出熱交換器１５を設け，さらに熱交換器併用気泡ポンプ１外面に加熱熱交換器１６を設け，前記テーパーパイプ３は，細口部分が前記気液分離器２側にあり，広口部分が前記循環溶液収納容器４側にあることを特徴とする気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器。
【請求項２】
熱交換用循環溶液５と蒸気６と磁性流体１４を収容し磁石１３を内蔵した気液分離器２と，熱交換用循環溶液５を収容する循環溶液収納容器４とをテーパーパイプ３を介して連通した熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送出口８に設けた溶液送出パイプ９と熱交換器併用気泡ポンプ１内を通過する容器内パイプ１０と熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送入口１１に設けた溶液送入パイプ１２とを連接する一連の循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ９路に顕熱放出熱交換器１５を設け，さらに熱交換器併用気泡ポンプ１外面に加熱熱交換器１６を設け，前記テーパーパイプ３は，細口部分が前記気液分離器２側にあり，広口部分が前記循環溶液収納容器４側にあることを特徴とする気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，高熱源から低熱源へ熱を輸送する熱交換熱輸送機器に関するものである．
【０００２】
【従来技術】
熱交換器はその使途や伝熱形態によって，加熱器，予熱器，蒸発器，冷却器，凝縮器などとも呼ばれている．熱交換器としては数多くのものが広く実用化に供され，シェルアンドチューブ熱交換器やフィンアンドチューブ熱交換器などの様に熱交換媒体が固体壁で隔離され直節接触しないものを表面熱交換器あるいは換熱器とも呼ばれ，また水と空気を接触させる空調冷却設塔のように液体と気体あるいは沸点の異なる２種の液体の様に接触後分離し易い熱媒体を直接接触させて熱交換する接触熱交換器とも呼ばれ，さらにこれらの熱交換器にもコイル式，多重管式，注水式など多種多様の構造がある．またこれらの熱交換器を利用した熱輸送機器も開発されている．
【０００３】
その一つの例として，「第３８回日本伝熱シンポジウム講演論文集，Ｖｏｌ．ＩＩＩ，Ｄ３２３（２００１）」で紹介された，図４で示す様な，トップヒート型ループ熱サイフォンがある．この機器においては，機器内を流動しながら循環する高温度の熱を保有する熱交換用循環溶液２１が，循環溶液輸送パイプＢの溶液送出パイプ２２を通過する際に顕熱放出熱交換器２３で顕熱を放出し熱交換し低温度に冷却された後，熱交換循環溶液収納容器２４に収容された熱交換用循環溶液２１内を貫通する容器内パイプ２５を通過する際に熱交換用循環溶液２１から相変化した高温度の蒸気２６で予熱されて昇温し，さらに気液二相流体送入パイプ２７を流動する途中路に設けられた加熱熱交換器２８によってさらに高温度に昇温させられて沸騰し蒸気泡２９を発生させながら，熱交換循環溶液収納容器２４に戻る．熱交換循環溶液収納容器２４に戻った熱交換用循環溶液２１は循環溶液輸送パイプＢを流動しながら再び冷却され予熱された後，さらに沸騰する高温度に昇温する．この機器は，熱交換用循環溶液２１の相変化，加熱熱交換器２８から気液二相流体送入口３０までの気液二相流体送入パイプ２７内と容器内パイプ２５および熱交換循環溶液収納容器２４下方気液二相流体送入パイプ２７内との間の熱交換用循環溶液２１の密度差（つまり，この密度差により生じる浮力）を利用し，熱交換用循環溶液２１が機器内を循環し，またこの循環を繰り返しながら加熱熱交換器２８から伝達された高温度の熱が，顕熱放出熱交換器２３から熱を必要とする別の機器に輸送するもので，外部動力を使用する必要がない利点を有する．
【０００４】
他の一つの例として，例えば「Ｐｒｏｃ．  ＡＩＡＡ  ２７ｔｈ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ  Ｃｏｎｆ．，  ＡＩＡＡ  ９２−２９１０（１９８８）」で紹介された，図５で示す様な，ＣＰＬ（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｌｏｏｐ）ヒートパイプ型熱交換熱輸送機器がある．この熱交換熱輸送機器は，焼結金属の様な多孔性物質３１を内蔵した加熱熱交換器３２を流通する熱交換用循環溶液３３が，加熱されつつ蒸気３４となって循環し，誘導する溶液輸送ループパイプ３５の途中路に設けられた凝縮器３６の熱交換機能によって保有する潜熱および顕熱を放出しつつ冷却され，再び低温度の熱交換用循環溶液３３に戻る構造になっている．またこの機器に使用される熱交換用循環溶液３３には，共沸を示す二つ以上の液体を混合した複合液の他に蒸留水，アルコール，液体金属などの様な気液相変化を生じる液体が使用される．この様なＣＰＬヒートパイプ型熱交換熱輸送機器は，加熱熱交換器３２の多孔性物質３１を通過する熱交換用循環溶液３３とその蒸気３４との気液界面で生ずる毛管作用により該熱交換用循環溶液３３を循環させようとするものであって，熱交換用循環溶液３３の気液相変化を利用して高熱源から低熱源へ熱輸送するもので，外部動力の使用を必要としない利点がある．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
文献に記載された上記の二つの熱交換熱輸送機器は，それ以前の熱交換器を利用した熱輸送機器に較べて熱交換用溶液やその蒸気を輸送するための外部動力を使用しないため安価な稼動費用で操業できる利点を有するが，トップヒート型ループ熱サイフォンでは，浮力を利用するため体積力場での使用に制限される問題があった．また，ＣＰＬヒートパイプ型熱交換熱輸送機器は，熱交換用循環溶液の流通能力が比較的小さい毛管作用を利用するため熱輸送量が小さく，また蒸発現象を利用しているため比較的小さい加熱熱流束での使用に制限される問題があった．
【０００６】
そこで，本発明は，上記の様な問題点を解決し，外部動力を必要としない小型軽量でかつメンテナンスフリーな，無重力場においても大量の熱を長距離輸送する事のできる気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器を提供する事を目的としたものである．
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成したもので，その要旨は，熱交換用循環溶液５と蒸気６を収容するまたは熱交換用循環溶液５と蒸気６と磁性流体１４を収容し磁石１３を内蔵した気液分離器２と，熱交換用循環溶液５を収容する循環溶液収納容器４とをテーパーパイプ３を介して連通した熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送出口８に設けた溶液送出パイプ９と熱交換器併用気泡ポンプ１内を通過する容器内パイプ１０と熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送入口１１に設けた溶液送入パイプ１２とを連接する一連の循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ９路に顕熱放出熱交換器１５を設け，さらに熱交換器併用気泡ポンプ１外面に加熱熱交換器１６を設け，前記テーパーパイプ３は，細口部分が前記気液分離器２側にあり，広口部分が前記循環溶液収納容器４側にあることを特徴とする気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下，本発明について，図面を参照しながら詳細に説明する．
図１は本発明の一実施例を示したものである．図１において，１は熱交換器併用気泡ポンプである．熱交換器併用気泡ポンプ１は，気液分離器２とテーパーパイプ３と循環溶液収納容器４とを連接して構成する．気液分離器２は，熱交換用循環溶液５と該溶液５が相変化した蒸気６を収容し分離する容器である．テーパーパイプ３は，気液分離器２と循環溶液収納容器４とを連通するパイプであり，熱交換用循環溶液５と該溶液５が相変化して潜熱を保有する蒸気泡７を収容する．循環溶液収納容器４は，熱交換用循環溶液５を収容する容器である．その熱交換用循環溶液５には，蒸留水，アルコール，液体金属などの単一成分あるいは磁性流体または蒸留水とエタノールを混合した複合成分などの様に気液の相変化を起こす流体が使用され収容されている．また，熱交換器併用気泡ポンプ１の溶液送出口８には溶液送出パイプ９を設け，熱交換器併用気泡ポンプ１内を通過（または貫通）する容器内パイプ１０を設け，さらに該ポンプ１の溶液送入口１１には溶液送入パイプ１２を設けると共に，しかもこれらのパイプを一連状に連接する循環溶液輸送パイプＡに設けられている．すなわち，熱交換器併用気泡ポンプ１には，収容された熱交換用循環溶液５が該ポンプ１を出て，溶液送出パイプ９から容器内パイプ１０を経て溶液送入パイプ１２から該ポンプ１に戻る一連の循環溶液輸送パイプＡが設けられている．図２は本発明の他の一実施例を示したもので，図１の気液分離器２の中に，図３で拡大断面図を示す様に気液分離器２内面と適当な間隔を有するように磁石１３が気液分離器２内の所要位置に装着され，熱交換用循環溶液５と蒸気６に加え磁性流体１４が収容された場合を示す．すなわち，図３で示す様に，熱交換器併用気泡ポンプ１の気液分離器２内に設けられた磁石１３と該磁石１３に被着した磁性流体１４を介して熱交換用循環溶液５と蒸気６が隔てられてもよい．１５は顕熱放出熱交換器で，循環溶液輸送パイプＡを形成する溶液送出パイプ９の流通路を高温度の熱を保有して流通する熱交換用循環溶液５の顕熱を放出させて熱交換し，低温度に冷却するものである．１６は加熱熱交換器である．加熱熱交換器１６は，溶液送入口１１から気液分離器２を経てテーパーパイプ３へ送入される熱交換用循環溶液５を，熱交換器併用気泡ポンプ１のテーパーパイプ３の流通路で，気液二相域の高温度に加熱するものである．
【０００９】
上記のように構成された本発明においては，次の様にして熱が輸送される．
図１で示す様な気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器において，機器内を流動しながら循環する高温度の熱を保有する熱交換用循環溶液５は，循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ９を通過する際に顕熱放出熱交換器１５で顕熱を放出し熱交換し低温度に冷却された後，熱交換器併用気泡ポンプ１に収容された熱交換用循環溶液５内を貫通する容器内パイプ１０を通過する際に熱交換用循環溶液５から相変化した高温度の蒸気泡７で予熱されて昇温し，溶液送入パイプ１２に導かれ熱交換器併用気泡ポンプ１に戻る．熱交換器併用気泡ポンプ１に戻った熱交換用循環溶液５は気液分離器２を経てテーパーパイプ３へ流入し，加熱熱交換器１６によってさらに高温度に昇温させられて沸騰し蒸気泡７を発生させる．該蒸気泡７は，循環溶液収納容器４（つまりテーパーパイプ３の広口）方向に成長しながら高温度の熱交換用循環溶液５をテーパーパイプ３から循環溶液収納容器４を経て溶液送出パイプ９へ送出する．その際，溶液送入口１１より熱交換用循環溶液５が気液分離器２に送入され，気液分離器２内の蒸気６が収縮する．該蒸気泡７は容器内パイプ１０に接すると凝縮し，熱交換用循環溶液５に戻る．その際，熱交換用循環溶液５が気液分離器２からテーパーパイプ３へ送入され，また気液分離器２内の蒸気６が膨張する．熱交換器併用気泡ポンプ１から送り出された熱交換用循環溶液５は，再び冷却され予熱され，沸騰する高温度に昇温され，凝縮し液化される循環を繰り返す．すなわち本発明においては，重力，熱交換用循環溶液５の相変化に伴う蒸気６と蒸気泡７の膨張と収縮，テーパーパイプ３内に生じる蒸気泡７の気液分離器２（つまりテーパーパイプ３の細口）側と循環溶液収納容器４（つまりテーパーパイプ３の広口）側の気液界面が形成する曲面のなす曲率半径の差（すなわち，これにより生じる毛細管圧力の差）を利用し，熱交換用循環溶液５が機器内を循環し，またこの循環を繰り返しながら加熱熱交換器１６から伝達された高温度の熱が，顕熱放出熱交換器１５から熱を必要とする別の機器に輸送される．
【００１０】
また，図２で示す様な気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器において，熱交換器併用気泡ポンプ１から循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ９を通過する熱交換用循環溶液５は，その流通路に設けた顕熱放出熱交換器１５を通過する際に顕熱を放出し熱交換し低温度に冷却された後，熱交換器併用気泡ポンプ１に収容された熱交換用循環溶液５内を貫通する容器内パイプ１０を通過する際に熱交換用循環溶液５から相変化した高温度の蒸気泡７で予熱されて昇温し，溶液送入パイプ１２に導かれ熱交換器併用気泡ポンプ１に戻る．熱交換器併用気泡ポンプ１に戻った熱交換用循環溶液５は，気液分離器２を経てテーパーパイプ３へ流入し，加熱熱交換器１６によってさらに高温度に昇温させられて沸騰し蒸気泡７を発生させる．該蒸気泡７は，循環溶液収納容器４方向に成長しながら高温度の熱交換用循環溶液５をテーパーパイプ３から循環溶液収納容器４を経て溶液送出パイプ９へ送出する．その際，溶液送入口１１より熱交換用循環溶液５が気液分離器２に送入され，気液分離器２内の磁性流体１４が磁石１３に被着しつつ蒸気６側に流動し，蒸気６が収縮する．該蒸気泡７は容器内パイプ１０に接すると凝縮し，熱交換用循環溶液５に戻る．その際，熱交換用循環溶液５が気液分離器２からテーパーパイプ３へ送入され，また気液分離器２内の磁性流体１４が磁石１３に被着しつつ熱交換用循環溶液５側へ流動し，蒸気６が膨張する．熱交換器併用気泡ポンプ１から送り出された熱交換用循環溶液５は，再び冷却され予熱され，沸騰する高温度に昇温され，凝縮し液化される循環を繰り返す．すなわち本発明においては，熱交換用循環溶液５の相変化に伴う蒸気６と蒸気泡７の膨張と収縮，テーパーパイプ３内に生じる蒸気泡７の気液分離器２側と循環溶液収納容器４側の気液界面が形成する曲面のなす曲率半径の差（すなわち，これにより生じる毛細管圧力の差），磁石１３と磁性流体１４との間に生じる磁力を利用し，無重力場においても熱交換用循環溶液５が機器内を循環し，またこの循環を繰り返しながら加熱熱交換器１６から伝達された高温度の熱が，顕熱放出熱交換器１５から熱を必要とする別の機器に輸送される．
【００１１】
【発明の効果】
以上述べた様な本発明の気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器は，これまでに良好な熱輸送ができることを確認されたトップヒート型ループ熱サイフォンと類似の機構により熱を輸送することができるが，熱交換用循環溶液５を循環させる駆動源として重力（すなわち浮力）を利用するのではなく，毛細管圧力を利用していることから無重力場においても熱を輸送することができる．本発明は，外部動力を用いない機器であるとともに，メンテナンスフリーでかつシンプルな構造であることから，その製作は容易であり，比較的廉価な熱輸送機器となることから幅広い分野で使用されると考えられる．使用例としては，人工衛星および宇宙ステーション内の発熱する集積回路またはノートパソコン内ＣＰＵからの熱輸送に本発明を用い，更なる機器の集積化および軽量化が可能になる．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器の一実施例を示す．
【図２】本発明の気泡ポンプ型熱交換熱輸送機器で，他の一実施例を示す．
【図３】気液分離器の断面図である．
【図４】従来のトップヒート型ループ熱サイフォンを示す．
【図５】従来のＣＰＬヒートパイプ型熱交換熱輸送機器を示す．
【符号の説明】
１  熱交換器併用気泡ポンプ
２  気液分離器
３  テーパーパイプ
４  循環溶液収納容器
５  熱交換用循環溶液
６  蒸気
７  蒸気泡
８  溶液送出口
９  溶液送出パイプ
１０  容器内パイプ
１１  溶液送入口
１２  溶液送入パイプ
１３  磁石
１４  磁性流体
１５  顕熱放出熱交換器
１６  加熱熱交換器
Ａ  循環溶液輸送パイプ
２１  熱交換用循環溶液
２２  溶液送出パイプ
２３  顕熱放出熱交換器
２４  熱交換循環溶液収納容器
２５  容器内パイプ
２６  蒸気
２７  気液二相流体送入パイプ
２８  加熱熱交換器
２９  蒸気泡
３０  気液二相流体送入口
３１  多孔性物質
３２  加熱熱交換器
３３  熱交換用循環溶液
３４  蒸気
３５  溶液輸送ループパイプ
３６  凝縮器
Ｂ  循環溶液輸送パイプ
【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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