JP7299017B2 - ループ型ヒートパイプ及び輸送機 - Google Patents

Description

本発明は、ループ型ヒートパイプ、及び、それを備えた輸送機に関する。

従来、作動流体の相変化を利用して高密度な熱輸送を行うループ型ヒートパイプの技術が知られている。このようなループ型ヒートパイプを利用した熱輸送システムは、例えば、コンピュータや家電などの電子機器の冷却に利用されてきた。ループ型ヒートパイプとしては、毛細管力及び／又は重力を利用して作動流体を循環させるものがある。

ループ型ヒートパイプは、蒸発器、凝縮器、蒸発器と凝縮器とを連絡する蒸気管、及び、凝縮器と蒸発器とを連絡する液管によって形成された閉ループを有する。閉ループには、作動流体が封入される。蒸発器では、液相の作動流体が発熱体から伝わる熱で加熱されて、その一部が気体に変化する。気液二相の作動流体は圧力差や浮力によって蒸気管内を移動し、凝縮器に到達する。凝縮器では、作動流体が冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は毛細管力及び／又は重力によって蒸発器へ還流する。このようにして、ループ型ヒートパイプでは、作動流体が二相閉ループを循環することで蒸発器から凝縮器へ熱が輸送され、蒸発器と熱的に接続された発熱体が冷却される。

特許文献１には、上記のようなループ型ヒートパイプを利用した電子機器冷却システムが開示されている。この電子機器冷却システムは、蒸発器と、蒸発器より上方に配置された凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを連絡する気体流路と、凝縮器と蒸発器とを連絡する液体流路とを備える。この気体流路と液体流路とは可撓性チューブで形成されており、気体流路及び液体流路の少なくとも一方が凝縮器から蒸発器に向かうに従って漸次下方に延在する。

特許第５８５７９６４号公報

電子機器の高性能化及び小型化が急速に進み、近年では、これらの機器を多数搭載した船舶、鉄道車両、自動車、及び航空機などの輸送機におけるサーマルマネージメントへの要求も高まりつつある。上記のような作動流体の循環に重力を利用したループ型ヒートパイプを含む熱輸送システムを搭載した輸送機では、機体の姿勢が時々刻々と変化することから、姿勢の変化により作動流体を循環させる駆動力が低下し、熱輸送量が低下するという課題がある。

特許文献１では、凝縮器と蒸発器とを連絡する液体流路が、凝縮器から蒸発器に向かうに従って漸次下方に延在する可撓性チューブで形成されることによって、凝縮器から蒸発器へ戻る作動流体の流れが滞らないようにしている。しかし、特許文献１では、ループ型ヒートパイプ自体が姿勢変化することは考慮されておらず、ループ型ヒートパイプが姿勢変化すると液体流路において作動流体の移動方向が重力に逆らう向きとなる箇所が生じるおそれがある。

また、輸送機の姿勢変化は多様であり、例えば航空機では、上昇下降時や通常運行時には輸送機進行方向や左右方向に傾転する。そのため、これらの多様な姿勢変化を考慮して、作動流体の移動方向が重力に逆らわないような液体流路を設けることは、設計上の制約が大きくなる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、ループ型ヒートパイプ及びそれを備える輸送機において、ループ型ヒートパイプの姿勢が傾いても作動流体の流れが滞らないものを提供することにある。

本発明の一態様に係るループ型ヒートパイプは、傾転許容角度がα°である輸送機に搭載されるループ型ヒートパイプであって、
熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器と、気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡し、前記蒸発器から出て前記凝縮器へ入る前記作動流体が流れる蒸気管と、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡し、前記凝縮器から出て前記蒸発器へ入る前記作動流体が流れる液管とを備え、
前記輸送機が水平面に置かれた状態で、前記凝縮器は前記蒸発器よりも上方に位置し、前記液管の前記蒸発器と接続された部分の管中心と前記凝縮器と接続された部分の管中心とが水平方向に離れており、前記液管の管中心線が前記凝縮器から前記蒸発器まで下向きに延び、前記管中心線上の任意の点において前記管中心線の接線と水平面との成す角度がα°以上９０°以下であることを特徴としている。

また、本発明の別の一態様に係る輸送機は、発熱体と、前記発熱体を熱源として液相の前記作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる前記蒸発器を含む前記ループ型ヒートパイプとを備えることを特徴としている。

上記のループ型ヒートパイプ及び輸送機によれば、ループ型ヒートパイプが輸送機の傾転許容角度以内の角度で傾いても、液管の管中心線上の任意の点において管中心線の接線は下向きに傾くか又は水平であり、液管には作動流体の移動方向が重力に逆らう向きとなる箇所が存在しない。よって、ループ型ヒートパイプでは、凝縮器から蒸発器へ戻る作動流体の流れが滞ることなく、作動流体の循環を維持することができる。

本発明によれば、ループ型ヒートパイプ及びそれを備える輸送機であって、ループ型ヒートパイプの姿勢が傾いても作動流体の流れが滞らないものを提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係るループ型ヒートパイプの概略構成を示す図である。 図２は、図１のループ型ヒートパイプが搭載された航空機を示す図である。 図３は、図１のループ型ヒートパイプが基準姿勢からα°傾いた様子を示す図である。 図４は、変形例１に係るループ型ヒートパイプの概略構成を示す図である。 図５は、変形例２に係るループ型ヒートパイプの概略構成を示す図である。 図６は、図５のループ型ヒートパイプのVI矢視図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るループ型ヒートパイプ１０の概略構成を示す図である。ループ型ヒートパイプ１０は、傾転許容角度がα°であって、水平から傾転許容角度までの範囲内で傾動をする輸送機に搭載されるに適している。このような輸送機として、船舶（潜水艦を含む）、鉄道車両、自動車、及び航空機などが例示される。

図１に示すループ型ヒートパイプ１０は、液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器２と、気相の作動流体を液体に変化させる凝縮器３と、蒸発器２の出口と凝縮器３の入口とを連絡し、蒸発器２から出て凝縮器３へ入る作動流体が流れる蒸気管４と、凝縮器３の出口と蒸発器２の入口とを連絡し、凝縮器３から出て蒸発器２へ入る作動流体が流れる液管５とを備える。蒸発器２、蒸気管４、凝縮器３、及び、液管５はループ状に接続されて、環状流路を形成している。環状流路内は、圧縮性の流体である作動流体が封入されている。作動流体は、特に限定されず、従来ヒートパイプの作動流体として使用されている凝縮性の流体（例えば、水、アルコール、アンモニア、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、及び、それらの混合液など）であってよい。

蒸発器２は、例えば、サーマルグリスや伝熱性シートを介して熱源（図示略）と熱的に接続されている。この蒸発器２では、作動流体が熱源から吸熱することにより、作動流体の一部が沸騰して気体に変化する。このようにして蒸発器２で沸騰蒸気と液体の二相の作動流体は、蒸気管４を圧力差や浮力によって移動し、凝縮器３へ到達する。凝縮器３には冷却流路（図示略）が形成されており、二相の作動流体は冷却流路を通過するうちに放熱し、冷却されて液体に変化する。液相の作動流体は、液管５内を重力によって降下し、蒸発器２へ還流する。

基準姿勢のループ型ヒートパイプ１０では、凝縮器３は蒸発器２よりも上方に位置する。また、基準姿勢のループ型ヒートパイプ１０では、液管５の蒸発器２と接続された部分の管中心と凝縮器３と接続された部分の管中心とが水平方向に離れている。ここで、ループ型ヒートパイプ１０の「基準姿勢」とは、ループ型ヒートパイプ１０を搭載した輸送機が水平面に置かれた状態における、ループ型ヒートパイプ１０の姿勢と規定する。

基準姿勢のループ型ヒートパイプ１０では、液管５の管中心線５ｃは、凝縮器３から蒸発器２へ下向きに延びる。更に、液管５の管中心線５ｃ上の任意の点において（つまり、管中心線５ｃ上のあらゆる点において）、管中心線５ｃの接線と水平面とのなす角度θがα°以上９０°以下である。αはループ型ヒートパイプ１０が搭載される運動体の傾動範囲を表す値であり、輸送機が通常運行時に許容される傾転許容角度である。輸送機の通常運行とは、例えば、経済性や安全性を考慮した運行のことである。また、αは傾転許容角度に限られず、輸送機が傾動する際の水平に対する傾き角度の最大値、推奨値、及び平均値のうちいずれかであってよい。なお、管中心線５ｃは、液管５の流路断面中心点を蒸発器２から凝縮器３へ繋いでなる曲線である。

上記構成のループ型ヒートパイプ１０が搭載される輸送機として、船舶（潜水艇を含む）、鉄道車両、自動車、及び航空機などが例示される。以下では、輸送機の一例としての航空機５０にループ型ヒートパイプ１０を搭載した例を説明する。

図２には、航空機５０の胴体５１及び主翼５３の一部が示されている。胴体５１は、外板５２と、外板５２より客室側に設けられた内壁５４とを含む複層構造を有する。外板５２と内壁５４との間には、冷却室５５が形成されている。冷却室５５内は、飛行中に地上よりも著しく低温の外気に晒される外板５２から伝わる冷熱によって低温となっている。或いは、外板５２に冷却室５５と連通される空気入口と空気出口とが設けられ、飛行中の冷却室５５にラムエアが導入されてもよい。

上記の航空機５０には、発熱体９９と、発熱体９９を蒸発器２の熱源とするループ型ヒートパイプ１０が搭載されている。発熱体９９は、特に限定されないが、例えば、制御盤やエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）やその他コンピュータなどの発熱部品を含む電子機器、軸受などの摩擦熱が生じる機械部品、及び、電池などが挙げられる。また、発熱体９９に代えて、客室空気が熱源とされてもよい。

蒸発器２は発熱体９９と熱的に接続され、凝縮器３は冷却室５５内に配置されている。冷却室５５内には、凝縮器３に強制的に通気させるためのファン５６が設けられている。この凝縮器３では、外気の冷熱を利用して作動流体を凝縮させる。航空機５０では、飛行中に外気が常温よりも著しく低くなるので、蒸発器２が熱的に接続された熱源と凝縮器３が放熱する媒体（冷却室５５内の気体）との温度差が大きくなり、ループ型ヒートパイプ１０で高効率な熱輸送が行われる。

航空機５０は、飛行中の旋回、上昇、及び降下などの最中にその姿勢を変化させる。この姿勢変化を伴う傾動によって、ループ型ヒートパイプ１０も基準姿勢から傾転する。図３は、図１のループ型ヒートパイプ１０が基準姿勢からα°だけ傾いた様子を示す図である。図３に示すように、基準姿勢からα°傾いたループ型ヒートパイプ１０では、液管５の管中心線５ｃ上の任意の点において、管中心線５ｃの接線は下向きに傾くか又は水平である。つまり、液管５には作動流体の移動方向が重力に逆らう向きとなる箇所が存在しない。よって、ループ型ヒートパイプ１０は、航空機５０の傾動に伴い、水平面に対してα°以内の角度で傾転しても凝縮器３から蒸発器２へ戻る作動流体の流れが滞ることなく、作動流体の循環を維持することができる。

一般に、航空機は、機体の規模や重量、航路などに応じて、離陸時の上昇角度の最大値、旋回時の揺動角度の最大値が定められている。上昇角度の最大値及び揺動角度の最大値のうち大きい方の値は、前述のαとして採用されてよい。この場合、上昇角度の最大値及び揺動角度の最大値のうち大きい方の値がαである航空機において、それに搭載されたループ型ヒートパイプ１０は、液管５の管中心線５ｃ上の任意の点において、基準姿勢における管中心線５ｃの接線と水平面とのなす角度θ（小さい方の角度）がα°以上９０°以下である。このようにαの値が定められることによって、航空機５０が上昇したり旋回したりする際にその姿勢が変化しても、航空機５０に搭載されたループ型ヒートパイプ１０では凝縮器３から蒸発器２へ戻る作動流体の流れが滞ることなく、作動流体の循環を維持することができる。

なお、輸送機の通常運行時の傾転運動の範囲は、個々に異なる。航空機５０においては、許容されるピッチ角は１５°程度とされ、許容されるロール角（バンク角）が３０°程度とされることがある。鉄道車両においては、水平面に対する許容傾斜角度が２～５°程度とされることがある。潜水艇を除く船舶においては、許容されるピッチ角が２５°程度とされ、許容されるロール角が２５°とされることがある。自動車が走行する道路において、最大傾斜角度は２０°程度（４０％程度）である。このように、輸送機の傾転運動の範囲は個々に異なり、各輸送機に応じて適切なαの値が定められてよい。なお、多くの輸送機において、通常運行時の許容傾斜角度は３０°以下であることから、輸送機の傾転運動の範囲に関わらずαの値を３０としてもよい。

〔変形例１〕
図４は、変形例１に係るループ型ヒートパイプ１０Ａの概略構成を示す図である。図４に示すように、変形例１に係るループ型ヒートパイプ１０Ａは、前述の実施形態に係るループ型ヒートパイプ１０と実質的に同一の構造を有するが、液管５Ａが可撓性を有するチューブで形成されている点で特徴づけられる。

変形例１に係る基準姿勢のループ型ヒートパイプ１０Ａは、凝縮器３は蒸発器２よりも上方に位置し、液管５Ａの蒸発器２と接続された部分の管中心と凝縮器３と接続された部分の管中心とが水平方向に離れている。液管５Ａの管中心線５ｃは凝縮器３から蒸発器２へ下向きに延び、且つ、液管５Ａの管中心線５ｃ上の任意の点において管中心線５ｃの接線と水平面との成す角度θがα°以上９０°以下である。このように、管中心線５ｃの接線と水平面とのなす角度θを調整するために、液管５Ａが可撓性チューブとリジッドなチューブとの組み合わせによって構成されてもよい。

〔変形例２〕
図５は、変形例２に係るループ型ヒートパイプ１０Ｂの概略構成を示す図、図６は、図５のループ型ヒートパイプ１０ＢのVI矢視図である。図５及び図６に示すように、変形例２に係るループ型ヒートパイプ１０Ｂの液管５Ｂは、その少なくとも一部分が図５の紙面奥行き方向に立体的に延びる。

変形例２に係る基準姿勢のループ型ヒートパイプ１０Ｂにおいて、凝縮器３は蒸発器２よりも上方に位置し、液管５Ｂの蒸発器２と接続された部分の管中心と凝縮器３と接続された部分の管中心とが水平方向に離れている。そして、図５及び図６に示すように、水平な第１方向から見たときと第１方向と直交する水平な第２方向から見たときとの双方において、液管５Ｂの管中心線５ｃ上の任意の点において、管中心線５ｃの接線と水平面との成す角度θがα°以上９０°以下である。

このように、ループ型ヒートパイプ１０Ｂの液管５Ｂが立体的な管路を有する場合にも、液管５Ｂの管中心線５ｃ上の任意の点において、管中心線５ｃの接線と水平面との成す角度θがα°以上９０°以下であることによって、ループ型ヒートパイプ１０Ｂの複数方向に対する傾きに対応することができる。例えば、ループ型ヒートパイプ１０Ｂを搭載した輸送機が走行方向と横行方向との双方へα°以内で傾転しても、液管５Ｂの管中心線５ｃ上の任意の点において管中心線Ｂの接線は下向きに傾くか又は水平であり、凝縮器３から蒸発器２へ戻る作動流体の流れが滞らない。

以上に説明した通り、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１０は、傾転許容角度がα°である輸送機に搭載されるものであって、熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器２と、気相の作動流体を液体に変化させる凝縮器３と、蒸発器２の出口と凝縮器３の入口とを連絡し、蒸発器２から出て凝縮器３へ入る作動流体が流れる蒸気管４と、凝縮器３の出口と蒸発器２の入口とを連絡し、凝縮器３から出て蒸発器２へ入る作動流体が流れる液管５とを備える。そして、輸送機が水平面に置かれた状態で、凝縮器３は蒸発器２よりも上方に位置し、液管５の蒸発器２と接続された部分の管中心と凝縮器３と接続された部分の管中心とが水平方向に離れており、液管５の管中心線５ｃが凝縮器３から蒸発器２まで下向きに延び、管中心線５ｃ上の任意の点において管中心線５ｃの接線と水平面との成す角度θがα°以上９０°以下である。

また、本実施形態に係る輸送機は、発熱体９９と、発熱体９９を熱源として液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器２を含むループ型ヒートパイプ１０とを備える。

上記ループ型ヒートパイプ１０及びそれを搭載した輸送機（航空機５０）によれば、ループ型ヒートパイプ１０が輸送機の傾転許容角度以内の角度で傾いても、液管５の管中心線５ｃ上の任意の点において管中心線５ｃの接線は下向きに傾くか又は水平であり、液管５には作動流体の移動方向が重力に逆らう向きとなる箇所が存在しない。よって、ループ型ヒートパイプ１０及びそれを搭載した輸送機では、凝縮器３から蒸発器２へ戻る作動流体の流れが滞ることなく、作動流体の循環を維持することができる。

上記ループ型ヒートパイプ１０において、本実施形態に示したように、α°が輸送機の水平に対する傾き角度の最大値、推奨値、及び平均値のうちいずれかひとつであってよい。

このように、予め想定される輸送機の傾斜角度をα°として採用することで、凝縮器３から蒸発器２へ戻る作動流体の流れが滞ることなく、作動流体の循環を適切に維持することができる。

また、上記ループ型ヒートパイプ１０において、本実施形態に示したように、α°が３０°であってよい。

このように、通常運行時の輸送機の平均的な傾斜角度をα°として採用することで、設計の自由度を確保しつつ、作動流体の循環を適切に維持することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

例えば、上記実施形態のループ型ヒートパイプ１０はサーモサイフォン式に限られずウィック式が採用されてもよい。ウィック式のループ型ヒートパイプでは、凝縮器３から蒸発器２への作動流体を還流させるために、ウィックにおける作動流体の毛細管力を利用するが、重力も利用する。よって、本発明をウィック式のループ型ヒートパイプを備える熱輸送システムに適用しても前述と同様の効果が得られる。

２ ：蒸発器
３ ：凝縮器
４ ：蒸気管
５，５Ａ，５Ｂ ：液管
５ｃ ：管中心線
１０，１０Ａ，１０Ｂ ：ループ型ヒートパイプ
５０ ：航空機（輸送機の一例）
５１ ：胴体
５２ ：外板
５３ ：主翼
５４ ：内壁
５５ ：冷却室
５６ ：ファン
９９ ：発熱体

Claims (5)

1. 傾転許容角度がα°である輸送機に搭載されるループ型ヒートパイプであって、
   熱源からの受熱により液相の作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる蒸発器と、
   気相の前記作動流体を液体に変化させる凝縮器と、
   前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口とを連絡し、前記蒸発器から出て前記凝縮器へ入る前記作動流体が流れる蒸気管と、
   前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを連絡し、前記凝縮器から出て前記蒸発器へ入る前記作動流体が流れる液管とを備え、
   前記輸送機が水平面に置かれた状態で、前記凝縮器は前記蒸発器よりも上方に位置し、前記液管の前記蒸発器と接続された部分の管中心と前記凝縮器と接続された部分の管中心とが水平方向に離れており、前記液管の管中心線が前記凝縮器から前記蒸発器まで下向きに延び、前記管中心線上の任意の点において前記管中心線の接線と水平面との成す角度がα°以上９０°以下である、
   ループ型ヒートパイプ。
2. 前記α°が前記輸送機の水平に対する傾き角度の最大値、推奨値、及び平均値のうちいずれかひとつである、請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
3. 前記α°が３０°である、請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 発熱体と、前記発熱体を熱源として液相の前記作動流体の少なくとも一部を気体に変化させる前記蒸発器を含む請求項１～３のいずれか一項に記載のループ型ヒートパイプとを備える、
   輸送機。
5. 前記輸送機は航空機である、請求項３に記載のループ型ヒートパイプ。

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