JP2016148511A - ループ型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】流動している流体からの熱を効率よく蒸発器に伝達することができるループ型ヒ
ートパイプを提供する。
【解決手段】外部から熱が伝達されて液相の作動流体から気相の作動流体に相変化させる
蒸発器２と、該蒸発器２から気相の作動流体が供給されかつ該気相の作動流体の熱を外部
に放熱して液相の作動流体に相変化させる凝縮器３とを備えたループ型ヒートパイプ１に
おいて、前記蒸発器２は、円筒状に形成され前記作動流体が封入されたコンテナ６を備え
、該コンテナ６に熱を伝達する流体が、該コンテナ６の軸線方向に沿って中空部６ａを流
動するように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、潜熱として熱輸送することにより冷却対象部を冷却するループ型ヒートパ
イプに関するものであり、特に、作動流体が相変化しながら蒸発器と凝縮器とを循環して
熱輸送するループ型ヒートパイプに関するものである。

従来知られたループ型ヒートパイプは、特許文献１ないし特許文献３に記載されている
ように、外壁面から伝達された熱によって液相の作動流体を気相の作動流体に相変化させ
る円筒状の蒸発器と、その蒸発器から流入した液相の作動流体の熱を冷却して液相の作動
流体に相変化させる凝縮器と、それら蒸発器と凝縮器とを気密状に連結する蒸気管および
液戻り管とによって構成されている。また、蒸発器の内部には、毛管圧によって液相の作
動流体を蒸発器の外周側に送るウイックが設けられている。この種のループ型ヒートパイ
プは、気相の作動流体に相変化したことによって高圧となった作動流体が凝縮器に流動す
ることや毛管圧によって液相の作動流体をウイックが吸引することによって、作動流体が
内部を循環する。

特開２０１２−３７０９７号公報 特開平１０−２４６５８３号公報 特開２００６−１２５７８３号公報

各特許文献１，２，３に記載されたループ型ヒートパイプは、蒸発器の外周側から熱が
伝達されるように構成されている。そのため、気体や液体などの流体の熱によって蒸発器
が加熱されて作動流体を循環させる場合には、流体と蒸発器との接触面積を増大させるた
めに流体の流動方向に対して蒸発器の軸線方向が垂直となるように配置することとなる。
そのように蒸発器を配置した場合には、蒸発器の外周面における所定の箇所から流体が離
隔するように流動するため、流体の流動方向に対向する蒸発器の外周面には流体の熱が伝
達されるが、流体の流動方向に対向する外周面とは反対側の外周面には、流体から直接熱
が伝達されない。また、蒸発器の外周面を流れる流体の熱は外部にも放熱する。そのため
、流体の熱の回収効率が低くなってしまう可能性がある。

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、流動している流体からの
熱を効率よく蒸発器に伝達することができるループ型ヒートパイプを提供することを目的
とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、外部から熱が伝達されて液相の作動
流体から気相の作動流体に相変化させる蒸発器と、該蒸発器から気相の作動流体が供給さ
れかつ該気相の作動流体の熱を外部に放熱して液相の作動流体に相変化させる凝縮器とを
備えたループ型ヒートパイプにおいて、前記蒸発器は、円筒状に形成され前記作動流体が
封入されたコンテナを備え、該コンテナに熱を伝達する流体が、該コンテナの軸線方向に
沿って中空部を流動するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記コンテナは、前記液相の作動流体が
浸透するウイックと、該ウイックの表裏両面に形成された前記気相の作動流体が流動する
第１流路および第２流路とを有していることを特徴とするループ型ヒートパイプである。

請求項３の発明は、外部から熱が伝達されて液相の作動流体から気相の作動流体に相変
化させる蒸発器と、該蒸発器から気相の作動流体が供給されかつ該気相の作動流体の熱を
外部に放熱して液相の作動流体に相変化させる凝縮器とを備えたループ型ヒートパイプに
おいて、前記蒸発器は、平板状に形成され前記作動流体が封入され、かつ厚み方向に積層
された複数のコンテナと、該複数のコンテナの間にそれぞれ形成され、該コンテナに熱を
伝達する流体が流動する複数の第３流路とを備え、前記複数の第３流路に挟まれたコンテ
ナは、前記液相の作動流体が浸透するウイックと、該ウイックの表裏両面に形成された前
記気相の作動流体が流動する第４流路および第５流路とを有することを特徴とするもので
ある。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記蒸発器は、前記
コンテナに熱を伝達する流体から熱が伝達されるように形成された複数のフィンを更に備
えていることを特徴とするループ型ヒートパイプである。

この発明によれば、外部から熱が伝達されて液相の作動流体から気相の作動流体に相変
化させる蒸発器が、円筒状に形成され作動流体が封入されたコンテナを備え、そのコンテ
ナに熱を伝達する流体が、コンテナの軸線方向に沿って中空部を流動する。そのため、コ
ンテナに熱を伝達する流体が、コンテナから離隔するように流動してしまうことを抑制も
しくは防止することができる。その結果、コンテナへの熱の伝達効率を向上させること、
言い換えると流体からの熱の回収効率を向上させることができる。また、コンテナの中空
部を流動する流体の熱が、大気などに放熱してしまうことを抑制もしくは防止することが
できる。そのため、流動する流体からコンテナへの熱の伝達効率をより一層向上させるこ
と、言い換えると流体からの熱の回収効率をより一層向上させることができる。さらに、
コンテナの軸線方向に沿ってコンテナに熱を伝達する流体が流動するので、その流体とコ
ンテナとの接触面積を増大させることができる。そのため、流動する流体からコンテナへ
の熱の伝達効率をより一層向上させること、言い換えると流体からの熱の回収効率をより
一層向上させることができる。

そして、液相の作動流体が浸透するウイックの表裏両面に気相の作動流体が流動する流
路をそれぞれ形成することによって、コンテナの中空部を流動する流体およびコンテナの
外周側の表面を流動する流体のそれぞれから熱が伝達される。そのため、流動する流体と
の接触面積を向上させることができる。そのため、中空部を流動する流体からコンテナへ
の熱の伝達効率をより一層向上させること、言い換えると流体からの熱の回収効率をより
一層向上させることができる。

また、蒸発器が、平板状に形成され作動流体が封入され、かつ厚み方向に積層された複
数のコンテナを備え、それら複数のコンテナに熱を伝達する流体が、それらコンテナの間
にそれぞれ形成された複数の第３流路を流動するので、コンテナに熱を伝達する流体が、
コンテナから離隔するように流動してしまうことを抑制もしくは防止することができる。
その結果、コンテナへの熱の伝達効率を向上させること、言い換えると流体からの熱の回
収効率を向上させることができる。さらに、複数の第３流路に挟まれたコンテナの表裏両
面に気相の作動流体が流動する流路をそれぞれ形成することによって、蒸発器と流体との
接触面積を増大させることができる。その結果、コンテナへの熱の伝達効率をより一層向
上させること、言い換えると流体からの熱の回収効率をより一層向上させることができる
。

この発明における蒸発器の一例を説明するための断面図であり、（ａ）は蒸発器の軸線方向に対して垂直な平面上での断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるB-B線に沿う断面図である。 蒸発器を並列的に配置した例を示す図である。 蒸発器を直列的に配置した例を示す図である。 外周側を流動する流体から熱が伝達される蒸発器の構成を説明するための断面図であり、（ａ）は蒸発器の軸線方向に対して垂直な平面上での断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるB-B線に沿う断面図である。 平板状に形成された蒸発器の構成を説明するための断面図であり、（ａ）は蒸発器の軸線方向に対して垂直な平面上での断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるB-B線に沿う断面図である。 平板状のコンテナを積層した構成を説明するための概略図である。 表裏両面を流れる流体から熱が伝達される平板状の蒸発器の構成を説明するための断面図であり、（ａ）は蒸発器の軸線方向に対して垂直な平面上での断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるB-B線に沿う断面図である。 ループ型ヒートパイプの構成を説明するための図である。

つぎに、この発明に係るループ型ヒートパイプの一例について説明する。図８は、ルー
プ型ヒートパイプ１の構成を説明するための斜視図である。図８に示すループ型ヒートパ
イプ１は、外部から伝達された熱によって液相の作動流体を気相の作動流体に相変化させ
る蒸発器２と、その蒸発器２から排出された気相の作動流体の熱を放熱して液相の作動流
体に相変化させる凝縮器３と、凝縮器３から蒸発器２に向けて液相の作動流体が流動する
液管４と、蒸発器２から排出された気相の作動流体が凝縮器３に向けて流動する蒸気管５
とを有している。これら各部材２，３，４，５は、作動流体を封入した状態でそれぞれ気
密状に連結されている。

上述したように構成されたループ型ヒートパイプ１は、外部から伝達された熱によって
液相の作動流体が蒸発器２で気相の作動流体に相変化するとともに、その気相の作動流体
が蒸気管５を流動して凝縮器３に供給される。そして、凝縮器３で気相の作動流体が冷却
されることにより液相の作動流体に相変化する。そのため、蒸発器２で作動流体に伝達さ
れた熱は、潜熱として作動流体によって凝縮器３に熱輸送されて放熱される。さらに、凝
縮器３内の液相の作動流体は、上述した気相の作動流体に押圧され、あるいは後述するウ
イックで生じる毛管圧によって吸引されるなどによって液管４を流動して蒸発器２に供給
される。

このように作動流体が相変化しながらループ型ヒートパイプ１の内部を流動することに
よって、蒸発器２から凝縮器３に熱輸送する。また、ウイックで生じる毛管圧を大きくし
たり、蒸発器２への熱伝達の効率を向上させたりすることにより、作動流体の還流特性を
向上させることができる。

そのため、図８に示すループ型ヒートパイプ１は、蒸発器２への熱伝達の効率を向上さ
せるように、より具体的には、流動する流体の熱が蒸発器２に効率よく伝達されるように
構成されている。図１には、その蒸発器２の断面図を示している。なお、図１（ａ）は、
蒸発器の軸線方向に対して垂直な平面上での断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）にお
けるB-B線に沿う断面図である。図１に示す蒸発器２は、銅などの熱伝達率の良好な金属
材料を円筒状に形成したコンテナ６と、そのコンテナ６の内部に設けられたウイック７と
によって構成されている。具体的には、円筒状の外周壁８と、その外周壁８より外径が小
さく外周壁８と同心円上に配置された円筒状の内周壁９と、それら外周壁８と内周壁９と
の間の空間を気密状に封止するように、軸線方向における外周壁８と内周壁９との両端側
に配置された環状の側壁面１０，１１とによってコンテナ６が形成されている。また、コ
ンテナ６の内周壁９における内壁面、言い換えると外周壁８と対向する面には、軸線方向
に向けて複数の溝１２が形成されており、またそれらの溝１２は円周方向に所定の間隔を
空けて形成されている。さらに、内周壁９における外壁面には、円周方向に所定の間隔を
空けて複数のフィン１３が設けられている。

また、ウイック７は、ニッケルや銅などの熱伝達率の良好な材料の粉体を焼結して形成
された多孔質材や、それら熱伝達率の良好な材料の細線を束ねてあるいは捩って形成され
たものを円筒状に形成したものであって、コンテナ６の内周壁９と外周壁８との間に配置
されている。具体的には、ウイック７の内周面がコンテナ６の内周壁９に形成された溝１
２の開口部、具体的には外周側に開口した開口部を閉じ、かつコンテナ６の外周壁８とウ
イック７の外周面とに所定の間隔を空けるように、ウイック７が配置されている。言い換
えると、コンテナ６の内周壁９とウイック７とが部分的に接触している。そして、ウイッ
ク７の外周面とコンテナ６の外周壁８との間に連通するようにコンテナ６の一方側の側壁
面１０に液管４が連結され、また、ウイック７の内周面とコンテナ６の内周壁９とに囲わ
れた溝１２に連通するようにコンテナ６の他方側の端部の側壁面１１に蒸気管５が連結さ
れている。

そして、上述したように構成された蒸発器２が、その蒸発器２に熱を伝達する流体の流
動方向とコンテナ６の軸線方向とが平行となるように、言い換えると、コンテナ６の中空
部６ａを流体が流れるように蒸発器２が配置されている。すなわち、図１に示す蒸発器２
は、流体が流動する流路を有している。

ここで、図１に示す蒸発器２の作用について説明する。図１に示す蒸発器２は、まず、
コンテナ６の外周壁８とウイック７の外周面との間に、液管４を介して凝縮部３から液相
の作動流体が供給される。ついで、その蒸発器２に供給された液相の作動流体は、ウイッ
ク７に浸透してウイック７の内部を内周側へ向けて流動する。これは、ウイック７の内周
側が加熱されて液相の作動流体が気相の作動流体に相変化するとともに、その気相の作動
流体がウイック７から排出されるため、ウイック７の内周側では毛管圧が生じて液相の作
動流体が内周側に吸引されるためである。そして、ウイック７の内周面とコンテナ６の内
周壁９とが部分的に接触しているためウイック７の内周面には、コンテナ６の中空部６ａ
を流動する流体の熱が伝達されて高温となっており、その熱によって液相の作動流体が気
相の作動流体に相変化するとともに、上記溝１２にウイック７から排出される。その後、
気相の作動流体は、凝縮部３に向けて蒸気管５を流動する。

上述したように流体がコンテナ６の中空部６ａを流動するように蒸発器２を構成するこ
とにより、流体と蒸発器２との接触面積を大きくすることができるとともに、流体が蒸発
器２から離隔する方向に流動してしまったり流体の熱が外気に放熱されてしまったりする
ことを抑制もしくは防止することができる。言い換えると、蒸発器２での熱回収効率を向
上させることができる。また、コンテナ６の内周壁９にフィン１３を設けることによって
、流体との接触面積をより一層向上させることができる。なお、上述した例では、蒸気管
５が溝１２に連通していればよいので、それぞれの溝１２に蒸気管５を連結してもよく、
あるいは軸線方向における蒸気管５側にそれぞれの溝１２が連通する環状の溝を形成して
、その環状の溝に蒸気管５を連結してもよい。

また、流体との接触面積をより一層増大させて、熱回収効率を向上させるために、図２
あるいは図３に示すように構成してもよい。具体的には、図２に示すように上述した蒸発
器２を並列的に連結してもよい。すなわち、中心軸線が平行となるように各コンテナ６を
配置して、液管４および蒸気管５を各コンテナ６に分岐して連結してもよい。また、図３
に示すようにコンテナ６を直列的に連結してもよい。すなわち、中心軸線が同一直線上と
なるように各コンテナ６を配置して、液管４および蒸気管５を各コンテナ６に連結しても
よい。

さらに、上述した例では、流体をコンテナ６の中空部６ａに流動させるように構成され
ているが、図４に示すようにコンテナ６の中空部６ａおよび外表面に沿って流体が流動す
るように構成してもよい。なお、図４（ａ）は、蒸発器の軸線方向に対して垂直な平面上
での断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるB-B線に沿う断面図である。その場
合には、外表面を流動する流体から熱が伝達されるため、ウイック７の外周面側にも気相
の作動流体が流動する溝１４を形成することが望ましく、あるいは液相の作動流体を外表
面から遠ざけることが望ましい。そのため、図４に示すように蒸発器２を構成することが
好ましい。具体的には、図１に示す例における構成に加え、外周壁８の内壁面には、軸線
方向に沿って円周方向に所定の間隔を空けて複数の溝１４が形成されており、それらの溝
１４の開口部、具体的には、内周側に開口したそれらの溝１４の開口部を閉じるようにウ
イック７が外周壁８と部分的に接触している。言い換えると、外周壁８と内周壁９とのそ
れぞれにウイック７が部分的に接触するとともに、外周壁８と内周壁９とにウイック７が
挟まれている。また、そのウイック７には、円周方向に所定の長さを有し軸線方向に貫通
した複数の孔１５が、円周方向に所定の間隔を空けて形成されている。そして、上記溝１
４には蒸気管５が連結され、上記孔１５には液管４が連結されている。

そのため、図４に示す蒸発器２は、液管４からウイック７の内部に形成された孔１５に
液相の作動流体が供給され、その液相の作動流体が、ウイック７の内周側および外周側に
向けて浸透していく。そして、ウイック７の内周側および外周側に浸透した液相の作動流
体が外気から伝達された熱によって加熱されて、気相の作動流体に相変化するとともに、
各溝１２，１４を介して蒸気管５に排出される。

このように蒸発器２を構成することによって、流体流に蒸発器２を晒した状態であって
も、その流体から熱を効率よく回収することができる。また、コンテナ６の中空部６ａと
外表面とを流動する流体から熱が伝達されるように構成されているため、流体とコンテナ
６との接触面積を増大させることができ、流体の熱の回収効率をより一層向上させること
ができる。そのため、ループ型ヒートパイプ１の還流特性を向上させることができる。な
お、図４に示す蒸発器２の外表面にフィンを設けてもよい。

なお、蒸発器２は円筒状に形成されたものに限らず、平板状に形成されたものであって
もよい。図５には、蒸発器２が平板状に形成された例を説明するための断面図を示してい
る。なお、図５（ａ）には流体の流動方向と平行な平面上での断面図を示し、図５（ｂ）
は図５（ａ）におけるB-B線に沿う断面図を示している。図５に示す蒸発器２は、コンテ
ナ６が直方体に形成されており、そのコンテナ６の下面が受熱部となっているものである
。具体的には、コンテナ６の下面側を流動する流体の熱が伝達されるように構成されてい
る。ここで、図５に示す蒸発器２の構成について具体的に説明する。図５に示す蒸発器２
は、熱伝達率の良好な材料によって形成された直方体のコンテナ６と、ニッケルや銅など
の粉体あるいは細線によって形成され、コンテナ６の内部に配置されたウイック７と、流
体が流動するダクト１６とによって構成され、そのダクト１６とコンテナ６の下面とが接
触している。また、コンテナ６の受熱部における内面には、複数の溝１２，１２が形成さ
れ、ウイック７は、その複数の溝１２，１２における上方側の開口部を閉じるように設け
られている。すなわち、ウイック７は方形に形成されている。さらに、そのウイック７の
上面とコンテナ６の上面とには隙間が空いており、その隙間に液管４を介して凝縮器３か
ら液相の作動流体が供給されるように構成されている。このように蒸発器２を構成するこ
とによって流動する流体の熱を蒸発器２に伝達することができる。

また、図６に示すように上述した平板状の蒸発器２を厚み方向に複数積層するとともに
、それら各受熱部の間に流体が流動するように構成されたものであってもよい。なお、図
６には、便宜上、コンテナ６の外観およびダクト１６を示している。また、各ダクト１６
のそれぞれに複数のフィン１３が設けられている。図６に示すように平板状の蒸発器２を
厚み方向に複数積層した構成の場合には、上下双方に流体が流動する箇所の蒸発器２は、
表裏両面から熱が伝達されるため、気相の作動流体が流動する溝１２，１４を表裏両面側
に、言い換えると、ウイック７を挟んで両面側に溝１２，１４が形成されていることが好
ましい。そのようにウイック７を挟んで両面側に溝１２，１４を形成した平板状の蒸発器
２の構成例を図７に示している。なお、図７（ａ）に鉛直平面上での断面図を示しており
、図７（ｂ）に図７（ａ）におけるB-B線に沿う断面図を示している。ここで、図７に示
す蒸発器２は、直方体に形成されたコンテナ６における上下両面の内面、すなわち互いに
対向する側の面に溝１２，１４が複数形成されている。この複数の溝１２，１４は、隣り
合う溝と平行となるように形成されており、その溝の長手方向におけるいずれかの位置で
、各溝が連通する環状の溝が形成されていてもよい。そして、各溝１２，１４と連通する
ように蒸気管５が連結されている。

また、それら溝１２，１４の開口部、より具体的には、コンテナ６の内部に向けて開口
した開口部を閉じるように、金属材料の粉体や細線によって形成されたウイック７が設け
られている。言い換えると、コンテナ６の上下両面に挟まれるようにウイック７が設けら
れている。さらに、ウイック７の内部には、それぞれ所定の間隔を空けて形成された孔１
５が複数設けられている。この孔１５は、液管４を介して凝縮器３から供給された液相の
作動流体がウイック７に供給されるように設けられたものであって、各孔１５同士が連通
していてもよい。

上述したように蒸発器２を構成することにより、表裏両面から流体の熱が伝達されるこ
とができ、その結果、流動する流体からの熱回収率を向上させることができる。

なお、上述した各蒸発器の構成例では、コンテナ６の内面に溝１２（１４）を形成する
ことにより気相の作動流体が流動する流路を形成しているが、ウイック７の外表面に溝を
形成し、その溝を気相の作動流体が流動する流路とした構成であってもよい。

１…ループ型ヒートパイプ、 ２…蒸発器、 ３…凝縮器、 ６…コンテナ、 ６ａ…
中空部、 ７…ウイック、 １２，１４…溝、 １３…フィン、 １５…孔。

Claims (2)

1. 外部から熱が伝達されて液相の作動流体から気相の作動流体に相変化させる蒸発器と、該蒸発器から気相の作動流体が供給されかつ該気相の作動流体の熱を外部に放熱して液相の作動流体に相変化させる凝縮器とを備えたループ型ヒートパイプにおいて、
   前記蒸発器は、平板状に形成され前記作動流体が封入され、かつ厚み方向に積層された複数のコンテナと、
   該複数のコンテナの間にそれぞれ形成され、該コンテナに熱を伝達する流体が流動する複数の第３流路と
   を備え、
   前記複数の第３流路に挟まれたコンテナは、前記液相の作動流体が浸透するウイックと、該ウイックの表裏両面に形成された前記気相の作動流体が流動する第４流路および第５流路とを有する
   ことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 前記蒸発器は、前記コンテナに熱を伝達する流体から熱が伝達されるように形成された複数のフィンを前記複数の第３流路に備えていることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。

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