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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-07-27
(54)【発明の名称】液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法
(51)【国際特許分類】
F28D 15/02 20060101AFI20220720BHJP
G01N 25/18 20060101ALI20220720BHJP
【ＦＩ】
F28D15/02 104Z
G01N25/18 D
F28D15/02 101A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021568906
(86)(22)【出願日】2020-06-29
(85)【翻訳文提出日】2021-11-18
(86)【国際出願番号】 CN2020098716
(87)【国際公開番号】W WO2021031699
(87)【国際公開日】2021-02-25
(31)【優先権主張番号】201910770503.X
(32)【優先日】2019-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(31)【優先権主張番号】201921354543.8
(32)【優先日】2019-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515352847
【氏名又は名称】大連海事大学
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100148633
【弁理士】
【氏名又は名称】桜田 圭
(74)【代理人】
【識別番号】100147924
【弁理士】
【氏名又は名称】美恵 英樹
(72)【発明者】
【氏名】紀 玉龍
(72)【発明者】
【氏名】呉 梦珂
(72)【発明者】
【氏名】肖 秀
(72)【発明者】
【氏名】李 延涛
(72)【発明者】
【氏名】▲ユー▼ 春栄
(72)【発明者】
【氏名】孫 玉清
【テーマコード（参考）】
2G040
【Ｆターム（参考）】
2G040AB08
2G040BA14
2G040BA22
2G040CA02
2G040CB03
2G040CB08
(57)【要約】
本発明は、液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法を提供し、高温自励振動ヒートパイプ、高温自励振動ヒートパイプに接続される高温加熱炉、冷却液ブロック、高圧ポンプ、恒温液槽、流量計、フィルタ、冷却液弁及び上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、恒温液槽、高圧ポンプ、フィルタ、冷却液弁、冷却液供給口Ｔ継手、冷却液ブロック、冷却液排出口Ｔ継手及び流量計が順次接続され、流量計が恒温液槽に接続され、上記の全ての部材が循環接続回路を構成し、前記冷却液ブロックの前側に溝が設けられ、溝が高温自励振動ヒートパイプの凝縮部に接続され、高温自励振動ヒートパイプの断熱部が高温加熱炉に接続されている。本発明は高温自励振動ヒートパイプの高温環境での試験要件を満たすことができ、設計した高温自励振動ヒートパイプが高温環境で長時間にわたって安定的に動作可能である。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
三方向作動液封入口（３０）と、加熱部（３４）、断熱部（３３）、凝縮部（３２）を一体に集積したステンレスパイプアレイ（３１）とを含み、前記三方向作動液封入口（３０）の２つの水平方向での連通口がステンレスパイプアレイ（３１）の２つの管路口に接続され、前記ステンレスパイプアレイ（３１）内の作動流体は、カリウムの質量分率が２５％～７５％のナトリウムカリウム合金、金属ナトリウム、金属カリウム、金属セシウム又は金属ルビジウムから選ばれる１種又は１種以上の組合せである液体金属である、ことを特徴とする液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
【請求項2】
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の作動液の封入率が１０％～９０％である、ことを特徴とする請求項１に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
【請求項3】
液体金属高温自励振動ヒートパイプ（２１）であって、ステンレス、ニッケル基合金又はＩｎｃｏｎｅｌニッケル基合金から選ばれる１種又は１種以上の組合せを管材とし、肉厚が０．５～３ｍｍであり、内径が次式を満たし、
【数1】
ことを特徴とする請求項１に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
【請求項4】
高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能の測定に用いられ、下記試験システムによって測定する液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法であって、前記試験システムは、高温自励振動ヒートパイプ（２１）に接続される高温加熱炉（２０）、冷却液ブロック（２２）、高圧ポンプ（２７）、恒温液槽（２６）、流量計（２５）、フィルタ（２８）、冷却液弁（２９）及び上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、
前記恒温液槽（２６）が前記高圧ポンプ（２７）の一方側に接続され、前記高圧ポンプ（２７）の他方側が前記フィルタ（２８）の一方側に接続され、前記フィルタ（２８）の他方側が前記冷却液弁（２９）の一方側に接続され、前記冷却液弁（２９）の他方側が設置された冷却液供給口Ｔ継手（２３）を介して前記冷却液ブロック（２２）の一方側に接続され、前記冷却液ブロック（２２）の他方側が設置された冷却液排出口Ｔ継手（２４）を介して前記流量計（２５）の一方側に接続され、前記流量計（２５）の他方側が前記恒温液槽（２６）に接続され、前記の全ての部材が循環接続回路を構成し、前記恒温液槽（２６）の排出する冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽（２６）に戻り、冷却液が前記高圧ポンプ（２７）によって循環往復流動を実現し、前記冷却液ブロック（２２）の外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の外径寸法に合致する溝が設けられ、前記溝が前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の凝縮部（３２）に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の断熱部（３３）が前記高温加熱炉（２０）に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱部（３４）が前記高温加熱炉（２０）内に配置され、
前記試験方法は、高圧ポンプ（２７）を起動して冷却液の循環を開始させ、冷却液弁（２９）の開度を調節し且つ流量計（２５）のデータを読み取ることによって冷却液流量を調節し、フィルタ（２８）によって冷却液をろ過して不純物を除去する工程と、恒温液槽（２６）を起動して冷却液温度を調節して高温自励振動ヒートパイプ（２１）に安定的な冷却環境を提供する工程と、高温加熱炉（２０）を低出力加熱状態に調節して暖機させ、暖機プロセスで熱電対、ＲＴＤ温度センサー、測定制御システムのデバッギングを行ってデータの正確性を確保する工程と、高温加熱炉（２０）のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節し、高温加熱炉（２０）の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定し、加熱速度と目標炉温を調節し且つ保温し、高温自励振動ヒートパイプ（２１）が安定的に動作した後加熱出力を一定に保ち、実験データを記録する工程と、高温加熱炉（２０）をオフにし、恒温液槽（２６）の温度を低く調節して降温プロセスに移行し、降温プロセスが終了すると、実験を終了とする工程とを含む、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【請求項5】
前記恒温液槽（２６）の排出する冷却液の温度範囲が５℃～３００℃である、ことを特徴とする請求項４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【請求項6】
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）と冷却液ブロック（２２）の外周は全体的に、内外のいずれにもその内外壁の温度を測定してヒートリークを取得するための少なくとも４つの熱電対が設置された耐高温保温材料の保温層によって覆われている、ことを特徴とする請求項４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【請求項7】
前記冷却液供給口Ｔ継手（２３）と冷却液排出口Ｔ継手（２４）のどちらにも冷却液管路の中心位置に延びるＲＴＤ温度センサーが接続されている、ことを特徴とする請求項４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【請求項8】
前記高温加熱炉（２０）は密封箱体構造となり、頂部に階段孔（３５）を開設した炉床カバーが設けられ、前記階段孔（３５）の中部貫通孔が前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）に接続され、前記階段孔（３５）と炉床カバーに垂直な高温自励振動ヒートパイプ（２１）の間で形成された側面隙間内に耐高温保温材料を封入して密封させ、前記高温加熱炉（２０）の炉本体両側の中心位置には、歯車伝動機構で構成される、高温加熱炉（２０）の全体的な傾斜角度を０～１８０°の傾斜角度範囲に調節するための角度調節装置を取り付けたフランジが溶接されている、ことを特徴とする請求項４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【請求項9】
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱部（３４）、断熱部（３３）及び凝縮部（３２）にはそれぞれ少なくとも１つの熱電対が設けられ、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の凝縮部（３２）の上方の横方向管には、高温自励振動ヒートパイプの温度変化を取得してその伝熱特性を分析することに用いられ且つ高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗を計算可能な熱電対が少なくとも１つ設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【請求項10】
前記高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗は次式を満たし、【数2】
前記高温自励振動ヒートパイプの加熱出力は次式を満たし、
【数3】
前記ヒートリークは次式を満たし、
【数4】
ことを特徴とする請求項９に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自励振動ヒートパイプの研究の技術分野に関し、具体的には、特に液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法に関する。
【背景技術】
【0002】
自励振動ヒートパイプ（ＯＨＰ）は１９９０年代初頭にＡｋａｃｈｉにより提案された、新規で効率的で微小な空間、高熱流束密度条件に利用可能な伝熱素子である。自励振動ヒートパイプは曲がった毛細管で構成され、管内を真空に引いてから適量の作動流体を封入したものである。動作する時に、作動流体は加熱部で吸熱して膨張して圧力が上昇し、低温凝縮部へ流れ、気柱が冷却して収縮して破裂し、両端間に圧力差が存在し且つ隣接する管の間の圧力が不平衡であるため、作動流体が加熱部と凝縮部の間で振動運動して、熱の伝達を実現する。
【0003】
一般的には、動作温度が５００℃を上回る自励振動ヒートパイプは高温自励振動ヒートパイプと呼ばれている。現在、生産、研究中の自励振動ヒートパイプの多くは動作温度が２００℃を上回っていないため、自励振動ヒートパイプの航空宇宙等の高温伝熱分野への応用が制限されている。従って、高温で長時間にわたって安定的に動作可能な自励振動ヒートパイプを製作することは重要な意味を有する。
【0004】
工学用途を指導し、高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能の規律を把握し、異なる動作条件に適用する高温自励振動ヒートパイプを設計するために、高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能を研究する必要があり、研究過程で、実験データの正確性と信頼性を保証しなければならない。しかしながら、従来の自励振動ヒートパイプ試験方法は、中低温環境での試験要件のみを満たすことができ、高温環境での試験要件を満たすことができないため、新規な高温自励振動ヒートパイプ試験システムを構築することは重要な意味を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来技術において自励振動ヒートパイプが高温で長時間にわたって安定的に動作することが困難であり、また、従来の自励振動ヒートパイプ試験方法が高温環境での試験要件を満たせない上記の技術的問題に応じて、液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法を提供する。本発明は主に試験システムを用いて高温自励振動ヒートパイプに高温環境での試験条件を提供し、高温自励振動ヒートパイプが冷却液によって運び去る熱を測定し計算すると共に、ヒートリークを測定し計算して、高温自励振動ヒートパイプの伝達する熱をより正確に測定して、高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能をより正確に評価する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の技術的手段は、以下の通りである。
【0007】
本発明の一態様である液体金属高温自励振動ヒートパイプは、三方向作動液封入口と、加熱部、断熱部、凝縮部を一体に集積したステンレスパイプアレイとを含み、前記三方向作動液封入口の２つの水平方向での連通口がステンレスパイプアレイの２つの管路口に接続されており、前記ステンレスパイプアレイ内の作動流体は、カリウムの質量分率が２５％～７５％のナトリウムカリウム合金、金属ナトリウム、金属カリウム、金属セシウム又は金属ルビジウムから選ばれる１種又は１種以上の組合せである液体金属である、前記液体金属は常温で液体状態となるという特徴を有し、加熱プロセスで溶解プロセスが不要であり、高温自励振動ヒートパイプの起動をより簡単にし、高温自励振動ヒートパイプの起動性能を高くし、作動液の封入難度を低くする。
【0008】
更に、前記高温自励振動ヒートパイプの作動液の封入率が１０％～９０％である。
【0009】
更に、前記高温自励振動ヒートパイプはステンレス、ニッケル基合金又はＩｎｃｏｎｅｌニッケル基合金から選ばれる１種又は１種以上の組合せを管材とし、上記管材はいずれも耐高温性、耐腐食性が高いという特徴を有し、高温で作動流体に対して好適な適合性を有すると共に、高温自励振動ヒートパイプの動作温度範囲で性能が安定的で、高温自励振動ヒートパイプが高温環境で長時間にわたって安定的に稼働できることを保証可能である、肉厚が０．５～３ｍｍであり、内径が次式を満たし、
【数1】
【0010】
本発明の他の一態様ではさらに高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能を測定するための液体金属高温自励振動ヒートパイプ試験方法を提供し、この試験方法は下記試験システムによって測定し、前記試験システムは高温自励振動ヒートパイプに接続される高温加熱炉、冷却液ブロック、高圧ポンプ、恒温液槽、流量計、フィルタ、冷却液弁及び上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、
前記恒温液槽が前記高圧ポンプの一方側に接続され、前記高圧ポンプの他方側が前記フィルタの一方側に接続され、前記フィルタの他方側が前記冷却液弁の一方側に接続され、前記冷却液弁の他方側は設置された冷却液供給口Ｔ継手を介して前記冷却液ブロックの一方側に接続され、前記冷却液ブロックの他方側は設置された冷却液排出口Ｔ継手を介して前記流量計の一方側に接続され、前記流量計の他方側が前記恒温液槽に接続され、上記の全ての部材が循環接続回路を構成しており、前記恒温液槽の排出する冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽に戻り、冷却液が前記高圧ポンプによって循環往復流動を実現し、前記冷却液ブロックの外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプの外径寸法に合致する溝が設けられ、前記溝が前記高温自励振動ヒートパイプの凝縮部に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプの断熱部が前記高温加熱炉に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプの加熱部が前記高温加熱炉内に配置され、前記冷却液ブロックの内部に複数層の溝が設けられ、冷却液が前記溝を流動することで高温自励振動ヒートパイプ凝縮部の熱が冷却液に伝達されて高温自励振動ヒートパイプの冷却が実現され、前記フィルタは冷却液中の不純物をろ過して流量計を保護するためのものであり、前記流量計は冷却液流量を測定するためのものであり、前記冷却液弁は冷却液流量を調節するためのものであり、前記恒温液槽は排出された冷却液温度を一定に保つためのものであり、恒温液槽、高圧ポンプ、冷却液弁のパラメータを設定することによって冷却液の温度と流量を制御可能であり、
前記試験方法は、高圧ポンプを起動して冷却液の循環を開始させ、冷却液弁の開度を調節し且つ流量計のデータを読み取ることによって冷却液流量を調節し、フィルタによって冷却液をろ過して不純物を除去する工程と、恒温液槽を起動して冷却液温度を調節して高温自励振動ヒートパイプに安定的な冷却環境を提供する工程と、高温加熱炉を低出力加熱状態に調節して暖機させ、暖機プロセスで熱電対、ＲＴＤ温度センサー、測定制御システムのデバッギングを行ってデータの正確性を確保する工程と、高温加熱炉のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプの加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節し、高温加熱炉の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定し、加熱速度と目標炉温を調節し且つ保温し、高温自励振動ヒートパイプが安定的に動作した後加熱出力を一定に保ち、実験データを記録する工程と、高温加熱炉をオフにし、恒温液槽の温度を低く調節して降温プロセスに移行し、降温プロセスが終了すると、実験を終了とする工程とを含む。
前記恒温液槽が前記高圧ポンプの一方側に接続され、前記高圧ポンプの他方側が前記フィルタの一方側に接続され、前記フィルタの他方側が前記冷却液弁の一方側に接続され、前記冷却液弁の他方側は設置された冷却液供給口Ｔ継手を介して前記冷却液ブロックの一方側に接続され、前記冷却液ブロックの他方側は設置された冷却液排出口Ｔ継手を介して前記流量計の一方側に接続され、前記流量計の他方側が前記恒温液槽に接続され、上記の全ての部材が循環接続回路を構成しており、前記恒温液槽の排出する冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽に戻り、冷却液が前記高圧ポンプによって循環往復流動を実現し、前記冷却液ブロックの外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプの外径寸法に合致する溝が設けられ、前記溝が前記高温自励振動ヒートパイプの凝縮部に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプの断熱部が前記高温加熱炉に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプの加熱部が前記高温加熱炉内に配置され、前記冷却液ブロックの内部に複数層の溝が設けられ、冷却液が前記溝を流動することで高温自励振動ヒートパイプ凝縮部の熱が冷却液に伝達されて高温自励振動ヒートパイプの冷却が実現され、前記フィルタは冷却液中の不純物をろ過して流量計を保護するためのものであり、前記流量計は冷却液流量を測定するためのものであり、前記冷却液弁は冷却液流量を調節するためのものであり、前記恒温液槽は排出された冷却液温度を一定に保つためのものであり、恒温液槽、高圧ポンプ、冷却液弁のパラメータを設定することによって冷却液の温度と流量を制御可能であり、
前記試験方法は、高圧ポンプを起動して冷却液の循環を開始させ、冷却液弁の開度を調節し且つ流量計のデータを読み取ることによって冷却液流量を調節し、フィルタによって冷却液をろ過して不純物を除去する工程と、恒温液槽を起動して冷却液温度を調節して高温自励振動ヒートパイプに安定的な冷却環境を提供する工程と、高温加熱炉を低出力加熱状態に調節して暖機させ、暖機プロセスで熱電対、ＲＴＤ温度センサー、測定制御システムのデバッギングを行ってデータの正確性を確保する工程と、高温加熱炉のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプの加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節し、高温加熱炉の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定し、加熱速度と目標炉温を調節し且つ保温し、高温自励振動ヒートパイプが安定的に動作した後加熱出力を一定に保ち、実験データを記録する工程と、高温加熱炉をオフにし、恒温液槽の温度を低く調節して降温プロセスに移行し、降温プロセスが終了すると、実験を終了とする工程とを含む。
【0011】
更に、前記恒温液槽の排出する冷却液の温度範囲が５℃～３００℃である。
【0012】
更に、高温自励振動ヒートパイプ凝縮部の熱が冷却液に伝達されることを確保し、高温自励振動ヒートパイプの伝達した熱を正確に計量可能であることを保証するように、前記高温自励振動ヒートパイプと冷却液ブロックの外周は全体的に、保温層によって覆われており、前記保温層の材料は耐高温保温材料であり、前記保温層の内外のいずれにも少なくとも４つの熱電対が設置され、保温層の内外における熱電対の示度によって保温層の内外平均温度を得てヒートリークを取得する。
【0013】
更に、前記冷却液供給口Ｔ継手と冷却液排出口Ｔ継手のどちらにも冷却液管路の中心位置に延びるＲＴＤ温度センサーが接続されている。
【0014】
更に、前記高温加熱炉は、高温自励振動ヒートパイプを加熱するためのものであり、密封箱体構造となり、頂部に階段孔を開設した炉床カバーが設けられており、前記高温自励振動ヒートパイプは階段孔の中部貫通孔を介して高温加熱炉内部に延び、その断熱部が耐高温保温材料によって覆われ且つ前記炉床カバーに垂直な方向において前記中部貫通孔内に取り付けられており、前記高温加熱炉は頂部に炉床カバーが設置されており、高温自励振動ヒートパイプが均一に受熱するように、高温加熱炉の前後左右の４つの面に加熱ロッドを取り付けてもよい。前記階段孔と鉛直に取り付けられた高温自励振動ヒートパイプが側面隙間を形成しており、前記側面隙間内に耐高温保温材料を封入して密封させ、階段孔の加工及びその中への耐高温保温材料の封入によって、保温材料の固定がより安定的になり、鉛直に上下に延在する孔による保温材料の落下現象を回避可能である。前記高温加熱炉の炉本体両側の中心位置には、歯車伝動機構で構成される、高温加熱炉の全体的な傾斜角度を０～１８０°の傾斜角度範囲に調節し更に高温自励振動ヒートパイプの傾斜角度を調節するための角度調節装置を取り付けたフランジが溶接されている。高温加熱炉のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプの加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節可能であり、高温加熱炉の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定可能であり、加熱速度と目標炉温を調節して保温し、且つ高温自励振動ヒートパイプが安定的に動作した後加熱出力が一定に保たれることを保証する。
【0015】
更に、前記高温自励振動ヒートパイプの加熱部、断熱部及び凝縮部にそれぞれ少なくとも１つの熱電対が設けられ、前記高温自励振動ヒートパイプの凝縮部上方の横方向管に少なくとも１つの熱電対が設けられている。前記高温自励振動ヒートパイプに設けられた熱電対は、高温自励振動ヒートパイプにおける各管の加熱部、断熱部及び凝縮部の温度変化状況を検出して温度曲線を得、高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗を得、更に高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能を研究するためのものであり、加熱部、凝縮部の熱電対の示度により加熱部、凝縮部の温度を取得可能であり、複数本の熱電対の示度の平均値を取ることによって加熱部、凝縮部の平均温度を算出可能である。
【0016】
更に、前記高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗は次式を満たし、
前記高温自励振動ヒートパイプの加熱出力は次式を満たし、
前記ヒートリークは次式を満たし、
【数2】
前記高温自励振動ヒートパイプの加熱出力は次式を満たし、
【数3】
前記ヒートリークは次式を満たし、
【数4】
【発明の効果】
【0017】
従来技術に比べると、本発明は以下のメリットを有する。
１．本発明による液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法は、高温自励振動ヒートパイプの高温環境での試験要件を満たすことができ、また、設計した高温自励振動ヒートパイプが５００℃以上の高温環境で長時間にわたって安定的に動作可能である。
１．本発明による液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法は、高温自励振動ヒートパイプの高温環境での試験要件を満たすことができ、また、設計した高温自励振動ヒートパイプが５００℃以上の高温環境で長時間にわたって安定的に動作可能である。
【0018】
２．本発明による液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法は、試験システムの冷却液管路に２つのＲＴＤ温度センサー、フィルタ、高精度流量計を設置し、冷却液供給口、冷却液排出口Ｔ継手の上部管路口を介してＲＴＤ温度センサーを挿入して冷却液出入口の温度を測定して冷却液出入口温度差を得ることができ、フィルタによって冷却液中の不純物をろ過して流量計を保護すると共に、安定的な流量を保証することができ、流量計によって流量を測定し、上記データによって高温自励振動ヒートパイプの伝達する熱を算出することができる。
【0019】
３．本発明による液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法は、高温自励振動ヒートパイプ凝縮部を覆う保温層内外のいずれにも複数本の熱電対を設置して保温層内外壁の温度を測定することによって、ヒートリークを算出できる。
【0020】
４．本発明による液体金属高温自励振動ヒートパイプ及び試験方法は、冷却液システムを採用して高温自励振動ヒートパイプの冷却液により運び去る熱を測定し計算すると共に、ヒートリークを測定し計算することで、高温自励振動ヒートパイプの伝達する熱をより正確に測定し、高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能をより正確に評価することができる。
【0021】
以上をまとめると、本発明の技術的解決手段を用いれば、従来技術において自励振動ヒートパイプが高温で長時間にわたって安定的に動作することが困難で、従来の自励振動ヒートパイプ試験方法が高温環境での試験要件を満たせないという問題を解決することができる。
【0022】
上記理由から、本発明は、自励振動ヒートパイプを用いて高温伝熱を行う航空宇宙等の分野に広く普及可能である。
【図面の簡単な説明】
【0023】
本発明の実施例又は従来技術における技術的解決手段をより明らかに説明するために、以下、実施例又は従来技術の記述に必要とされる添付の図面を簡単に紹介するが、下記の添付の図面が本発明の一部の実施例であり、当業者であれば、創造的労動を行わずに更にこれらの添付の図面によって他の添付の図面を得るのができることはいうまでもない。
【0024】
【図1】本発明における高温自励振動ヒートパイプの構成図である。
【図2】本発明に係る試験システムの構成図である。
【図3】本発明に係る高温自励振動ヒートパイプと冷却液ブロックアセンブリの構成図である。
【図4】本発明に係る高温加熱炉の炉床カバーの構成図である。
【図5】本発明に係る高温自励振動ヒートパイプにおける熱電対の取り付け位置の分布図である。
【図6】本発明に係る高温自励振動ヒートパイプの起動及び高温加熱炉の炉温が８５０℃の時の温度曲線グラフである。
【図7】本発明に係る高温加熱炉の炉温がそれぞれ９００℃、９５０℃及び１０００℃の段階の時の温度曲線グラフである。
【図8】本発明に係る高温加熱炉の炉温がそれぞれ１０５０℃と１１００℃の段階の時の温度曲線グラフである。
【図9】本発明に係る高温加熱炉の炉温がそれぞれ１１５０℃と１２００℃の段階の時の温度曲線グラフである。
【図10】本発明に係る高温自励振動ヒートパイプのコールドホットエンドの温度差が出力に伴って変化した曲線グラフである。
【図11】本発明に係る高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗が出力に伴って変化した曲線グラフである。
【発明を実施するための形態】
【0025】
矛盾しない限り、本発明における実施例及び実施例中の特徴を互いに組み合わせても良いことを説明する必要がある。以下、添付の図面を参照しながら実施例と関連付けて本発明を詳細に説明する。
【0026】
本発明の実施例の目的、技術的解決手段及びメリットをより明らかにするために、以下、本発明の実施例における添付の図面と関連付けて、本発明の実施例における技術的解決手段をより明らか且つ完全に記述するが、記述される実施例が全部の実施例ではなく本発明の一部の実施例に過ぎないことはいうまでもない。以下の少なくとも１つの例示的実施例についての記述は実際に説明するためのものに過ぎなく、本発明及びその応用又は使用に決して何の制限も加えない。当業者が本発明における実施例に基づいて創造的労動を行わずに得る他の実施例は全て本発明の保護範囲に含まれるものとする。
【0027】
［実施例１］
図１に示すように、本発明は、三方向作動液封入口３０と、加熱部３４、断熱部３３、凝縮部３２を一体に集積したステンレスパイプアレイ３１とを含み、前記三方向作動液封入口３０の２つの水平方向での連通口がステンレスパイプアレイ３１の２つの管路口に溶接接続され、前記ステンレスパイプアレイ３１内に作動流体として高温で高い気化潜熱を有する液体金属が封入されている液体金属高温自励振動ヒートパイプ２１を提供する。前記液体金属はカリウムの質量分率が２５％～７５％のナトリウムカリウム合金であり、ナトリウムカリウム合金は常温で液体状態となるという特徴を有し、加熱プロセスで溶解プロセスが不要であり、高温自励振動ヒートパイプ２１の起動をより簡単にし、高温自励振動ヒートパイプ２１の起動性能を高くし、作動液の封入難度を低くした。
図１に示すように、本発明は、三方向作動液封入口３０と、加熱部３４、断熱部３３、凝縮部３２を一体に集積したステンレスパイプアレイ３１とを含み、前記三方向作動液封入口３０の２つの水平方向での連通口がステンレスパイプアレイ３１の２つの管路口に溶接接続され、前記ステンレスパイプアレイ３１内に作動流体として高温で高い気化潜熱を有する液体金属が封入されている液体金属高温自励振動ヒートパイプ２１を提供する。前記液体金属はカリウムの質量分率が２５％～７５％のナトリウムカリウム合金であり、ナトリウムカリウム合金は常温で液体状態となるという特徴を有し、加熱プロセスで溶解プロセスが不要であり、高温自励振動ヒートパイプ２１の起動をより簡単にし、高温自励振動ヒートパイプ２１の起動性能を高くし、作動液の封入難度を低くした。
【0028】
本実施例では、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の作動液の封入率が１０％～９０％である。
【0029】
本実施例では、前記高温自励振動ヒートパイプ２１はステンレス３１０ｓを管材とし、それは耐高温性、耐腐食性が高いという特徴を有し、高温で作動流体に対して好適な適合性を有すると共に、高温自励振動ヒートパイプ２１の動作温度範囲で性能が安定的で、高温自励振動ヒートパイプ２１が高温環境で長時間にわたって安定的に稼働できることを保証可能である。本実施例では、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の肉厚が０．５～３ｍｍであり、内径が次式を満たし、
【数5】
【0030】
［実施例２］
図２～４に示すように、本発明は実施例１を基に更に高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能を測定するための液体金属高温自励振動ヒートパイプ試験方法を提供し、この試験方法は下記試験システムによって測定し、前記試験システムは高温自励振動ヒートパイプ２１に接続される高温加熱炉２０、冷却液ブロック２２、高圧ポンプ２７、恒温液槽２６、流量計２５、フィルタ２８、冷却液弁２９及びデータケーブルによって上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、
前記恒温液槽２６の右側は管路を介して前記高圧ポンプ２７の左側に接続され、前記高圧ポンプ２７の排水口は管路を介して前記フィルタ２８の左側に接続され、前記フィルタ２８の右側は管路を介して前記冷却液弁２９の左側に接続され、前記冷却液弁２９の右側は管路、設置された冷却液供給口Ｔ継手２３を介して前記冷却液ブロック２２の左側に接続され、前記冷却液ブロック２２の右側は設置された冷却液排出口Ｔ継手２４、管路を介して前記流量計２５の左側に接続され、前記流量計２５の右側は管路を介して恒温液槽２６に接続され、上記全ての部材が循環接続回路を構成しており、前記恒温液槽２６を経由して排出される冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽２６に戻り、冷却液は前記高圧ポンプ２７によって循環往復流動を実現する。前記冷却液ブロック２２の外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプ２１の外径寸法に合致する溝が設けられており、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の凝縮部３２を前記溝に嵌入し、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の中部の断熱部３３が前記高温加熱炉２０に接続され、且つ高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱部３４が高温加熱炉２０の内部に延びている。冷却液ブロック２２の高さと高温自励振動ヒートパイプ２１の高温加熱炉２０に延びる長さを調節することによって、加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２の取り付け長さを調節する。前記冷却液ブロック２２の内部に複数層の溝が設けられており、冷却液が前記溝を流動することで高温自励振動ヒートパイプ２１の凝縮部３２の熱が冷却液に伝達され、これにより高温自励振動ヒートパイプ２１が冷却される。前記フィルタ２８は冷却液中の不純物をろ過して流量計２５を保護するためのものであり、前記流量計２５は冷却液流量を測定するための高精度質量流量計であり、前記冷却液弁２９は流量計の計測範囲内で冷却液流量を調節する。前記恒温液槽２６は排出される冷却液温度を一定に保つためのものである。恒温液槽２６、高圧ポンプ２７、冷却液弁２９のパラメータを設定することによって冷却液の温度と流量を制御可能である。
図２～４に示すように、本発明は実施例１を基に更に高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能を測定するための液体金属高温自励振動ヒートパイプ試験方法を提供し、この試験方法は下記試験システムによって測定し、前記試験システムは高温自励振動ヒートパイプ２１に接続される高温加熱炉２０、冷却液ブロック２２、高圧ポンプ２７、恒温液槽２６、流量計２５、フィルタ２８、冷却液弁２９及びデータケーブルによって上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、
前記恒温液槽２６の右側は管路を介して前記高圧ポンプ２７の左側に接続され、前記高圧ポンプ２７の排水口は管路を介して前記フィルタ２８の左側に接続され、前記フィルタ２８の右側は管路を介して前記冷却液弁２９の左側に接続され、前記冷却液弁２９の右側は管路、設置された冷却液供給口Ｔ継手２３を介して前記冷却液ブロック２２の左側に接続され、前記冷却液ブロック２２の右側は設置された冷却液排出口Ｔ継手２４、管路を介して前記流量計２５の左側に接続され、前記流量計２５の右側は管路を介して恒温液槽２６に接続され、上記全ての部材が循環接続回路を構成しており、前記恒温液槽２６を経由して排出される冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽２６に戻り、冷却液は前記高圧ポンプ２７によって循環往復流動を実現する。前記冷却液ブロック２２の外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプ２１の外径寸法に合致する溝が設けられており、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の凝縮部３２を前記溝に嵌入し、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の中部の断熱部３３が前記高温加熱炉２０に接続され、且つ高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱部３４が高温加熱炉２０の内部に延びている。冷却液ブロック２２の高さと高温自励振動ヒートパイプ２１の高温加熱炉２０に延びる長さを調節することによって、加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２の取り付け長さを調節する。前記冷却液ブロック２２の内部に複数層の溝が設けられており、冷却液が前記溝を流動することで高温自励振動ヒートパイプ２１の凝縮部３２の熱が冷却液に伝達され、これにより高温自励振動ヒートパイプ２１が冷却される。前記フィルタ２８は冷却液中の不純物をろ過して流量計２５を保護するためのものであり、前記流量計２５は冷却液流量を測定するための高精度質量流量計であり、前記冷却液弁２９は流量計の計測範囲内で冷却液流量を調節する。前記恒温液槽２６は排出される冷却液温度を一定に保つためのものである。恒温液槽２６、高圧ポンプ２７、冷却液弁２９のパラメータを設定することによって冷却液の温度と流量を制御可能である。
【0031】
本実施例では、前記恒温液槽２６の排出する冷却液温度範囲が５℃～３００℃である。
【0032】
本実施例では、高温自励振動ヒートパイプ２１の凝縮部３２の熱が冷却液に伝達されることを確保し、高温自励振動ヒートパイプ２１の伝達する熱を正確に計量可能であることを保証するように、前記高温自励振動ヒートパイプ２１と冷却液ブロック２２の外周は全体的に保温層で覆われている。前記保温層は、耐高温保温材料であり、内外のいずれにも耐高温セラミックＮｅｘｔｅｌスリーブＫ型熱電対が４つ設置されており、保温層の内外における熱電対の示度により保温層の内外平均温度を得てヒートリークを得る。
【0033】
本実施例では、前記冷却液供給口Ｔ継手２３と前記冷却液排出口Ｔ継手２４にはいずれもねじ山によってＲＴＤ温度センサーが接続されており、ＲＴＤ温度センサーは、その型番がＰＴ１００であり、冷却液管路の中心位置に延びている。
【0034】
本実施例では、前記高温加熱炉２０は高温自励振動ヒートパイプ２１を加熱するためのものであり、密封箱体構造となり、その頂部には階段孔３５が開設されている炉床カバーが設けられており、前記高温自励振動ヒートパイプ２１は階段孔３５の中部貫通孔を介して高温加熱炉２０の内部に延び、その断熱部３３が耐高温保温材料で覆われ、前記炉床カバーに垂直な方向において前記中部貫通孔内に取り付けられており、前記高温加熱炉２０は頂部に炉床カバーが設置されており、高温自励振動ヒートパイプ２１が均一に受熱するように、高温加熱炉の前後左右の４つの面に加熱ロッドを取り付けてもよい。前記階段孔３５と鉛直に取り付けられた高温自励振動ヒートパイプ２１が側面隙間を形成しており、前記側面隙間内に耐高温保温材料を封入して密封させ、階段孔３５への耐高温保温材料の封入によってより安定的になり、鉛直に上下に延在する孔による保温材料の落下現象を回避可能である。前記高温加熱炉２０の炉本体両側の中心位置には、歯車伝動機構で構成される、高温加熱炉２０の全体的な傾斜角度を０～１８０°の傾斜角度に調節し更に高温自励振動ヒートパイプ２１の傾斜角度を調節する角度調節装置を取り付けたフランジが溶接されている。高温加熱炉２０のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節可能であり、高温加熱炉２０の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定可能であり、加熱速度と目標炉温を調節して保温し、且つ高温自励振動ヒートパイプ２１が安定的に動作した後加熱出力が一定に保たれることを保証する。
【0035】
本実施例では、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ少なくとも１つの熱電対が設けられ、前記高温自励振動ヒートパイプ２１の凝縮部３２の上方の横方向管に少なくとも１つの熱電対が設けられている。前記高温自励振動ヒートパイプ２１に設けられる熱電対は、全て耐高温セラミックＮｅｘｔｅｌスリーブＫ型熱電対であり、高温自励振動ヒートパイプ２１における加熱部３４と凝縮部３２の温度変化状況を検出して温度曲線を得て、高温自励振動ヒートパイプ２１の熱抵抗を得て、更に高温自励振動ヒートパイプ２１の伝熱性能を研究することに用いられ、加熱部３４、凝縮部３２の熱電対の示度により加熱部３４、凝縮部３２の温度を取得可能であり、複数本の熱電対の示度の平均値を取ることによって加熱部３４、凝縮部３２の平均温度を計算できる。
【0036】
［実施例３］
本実施例では、内径６ｍｍ、肉厚１ｍｍのステンレス３１０ｓを管材とした高温自励振動ヒートパイプ２１を選択して実験を行い、高温自励振動ヒートパイプ２１内の作動流体の体積封入率を４５％とし、カリウムの質量分率が７５％のナトリウムカリウム合金を作動流体とした。本実施例では、高温自励振動ヒートパイプ２１での熱電対の取り付け位置の分布図である図５に示すように、高温自励振動ヒートパイプ２１に１９個の熱電対が設けられ、ステンレスパイプアレイ３１の三方向作動液封入口３０における横方向管路に１９番目の熱電対１９が設けられている。左側の第１エルボの２本の隣接管の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ１番目の熱電対１と２番目の熱電対２、７番目の熱電対７と８番目の熱電対８、１３番目の熱電対１３と１４番目の熱電対１４が設けられ、右側の第１エルボの２本の隣接管の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ５番目の熱電対５と６番目の熱電対６、１１番目の熱電対１１と１２番目の熱電対１２、１７番目の熱電対１７と１８番目の熱電対１８が設けられている。その中央のエルボのうち、２つのエルボのそれぞれから１本の管を選択して熱電対を設置し、２本の管の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ３番目の熱電対３と４番目の熱電対４、９番目の熱電対９と１０番目の熱電対１０、１５番目の熱電対１５と１６番目の熱電対１６が設けられており、上記熱電対は全て耐高温セラミックＮｅｘｔｅｌスリーブＫ型熱電対である。
本実施例では、内径６ｍｍ、肉厚１ｍｍのステンレス３１０ｓを管材とした高温自励振動ヒートパイプ２１を選択して実験を行い、高温自励振動ヒートパイプ２１内の作動流体の体積封入率を４５％とし、カリウムの質量分率が７５％のナトリウムカリウム合金を作動流体とした。本実施例では、高温自励振動ヒートパイプ２１での熱電対の取り付け位置の分布図である図５に示すように、高温自励振動ヒートパイプ２１に１９個の熱電対が設けられ、ステンレスパイプアレイ３１の三方向作動液封入口３０における横方向管路に１９番目の熱電対１９が設けられている。左側の第１エルボの２本の隣接管の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ１番目の熱電対１と２番目の熱電対２、７番目の熱電対７と８番目の熱電対８、１３番目の熱電対１３と１４番目の熱電対１４が設けられ、右側の第１エルボの２本の隣接管の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ５番目の熱電対５と６番目の熱電対６、１１番目の熱電対１１と１２番目の熱電対１２、１７番目の熱電対１７と１８番目の熱電対１８が設けられている。その中央のエルボのうち、２つのエルボのそれぞれから１本の管を選択して熱電対を設置し、２本の管の加熱部３４、断熱部３３及び凝縮部３２にそれぞれ３番目の熱電対３と４番目の熱電対４、９番目の熱電対９と１０番目の熱電対１０、１５番目の熱電対１５と１６番目の熱電対１６が設けられており、上記熱電対は全て耐高温セラミックＮｅｘｔｅｌスリーブＫ型熱電対である。
【0037】
［動作プロセス］
（１）まず、高温自励振動ヒートパイプ２１の断熱部３３を高温加熱炉２０の炉床カバーの階段孔３５内に固定し、高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱部３４の高温加熱炉２０での長さを調節し、続いて階段孔３５と取り付けられた後の高温自励振動ヒートパイプ２１が形成した側面隙間に耐高温保温材料を封入して密封させ、高温自励振動ヒートパイプ２１の断熱部３３が固定された後高温加熱炉２０を所定の傾斜角度に調整し、本実施例で傾斜角度を９０°にした。続いて高温自励振動ヒートパイプ２１と冷却液ブロック２２を耐高温保温材料で全体的に複数層覆い、且つ試験システムにおける全ての部材を連通させる。
（１）まず、高温自励振動ヒートパイプ２１の断熱部３３を高温加熱炉２０の炉床カバーの階段孔３５内に固定し、高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱部３４の高温加熱炉２０での長さを調節し、続いて階段孔３５と取り付けられた後の高温自励振動ヒートパイプ２１が形成した側面隙間に耐高温保温材料を封入して密封させ、高温自励振動ヒートパイプ２１の断熱部３３が固定された後高温加熱炉２０を所定の傾斜角度に調整し、本実施例で傾斜角度を９０°にした。続いて高温自励振動ヒートパイプ２１と冷却液ブロック２２を耐高温保温材料で全体的に複数層覆い、且つ試験システムにおける全ての部材を連通させる。
【0038】
（２）高圧ポンプ２７を起動して冷却液の循環を開始させ、冷却液弁２９の開度を調節し且つ流量計２５のデータを読み取ることによって冷却液流量を調節して、冷却液流量を所定値にし、且つ、１０分間安定化させ、ここで、フィルタ２８により冷却液をろ過して不純物を除去する。
【0039】
（３）恒温液槽２６を起動して冷却液温度を調節して、冷却液温度を所定温度５８℃にして、高温自励振動ヒートパイプ２１に安定的な冷却環境を提供する。
【0040】
（４）低温状態で高温加熱炉２０の速すぎる加熱速度はグロバーを損害させやすいので、高温加熱炉２０を低出力加熱状態に調節して暖機させ、暖機プロセスで、熱電対、ＲＴＤ温度センサー、測定制御システムのデバッギングを行ってデータの正確性を確保する。高温加熱炉２０の暖機が終了すると、次のステップを行う。
【0041】
（５）高温加熱炉２０の加熱出力を向上し、高温加熱炉２０の目標温度を８５０℃に調節して昇温させ、高温加熱炉２０の炉内温度が８５０℃に達すると、２０分間保持し、このプロセスで、高温自励振動ヒートパイプ２１の熱負荷を一定に保持させる。実験データを記録し、続いて次のステップを行う。
【0042】
（６）高温加熱炉２０の目標温度を９００℃に調節して昇温させ、高温加熱炉２０内の温度が９００℃に達すると、２０分間保持し、このプロセスで、高温自励振動ヒートパイプ２１の熱負荷を一定に保持させる。実験データを記録し、次のステップを行う。上記加熱プロセスを繰り返し、高温加熱炉２０内の温度をそれぞれ９５０℃、１０００℃、１０５０℃、１１００℃に昇温させ、異なる加熱出力での高温自励振動ヒートパイプ２１の伝熱性能を試験し、実験データを記録し、次のステップを行う。
【0043】
（７）高温加熱炉２０をオフにし、恒温液槽２６の温度を低く調節して降温プロセスに移行させ、降温プロセスが終了すると、実験を終了とする。
【0044】
（８）高温自励振動ヒートパイプ２１の熱負荷を計算し、その加熱出力は次式を満たす。
【数6】
【0045】
（９）ヒートリークを計算する。
保温層の内外に設置された熱電対の示度によって保温層内外平均温度を得てヒートリークを得、ヒートリークは次式を満たし、
保温層の内外に設置された熱電対の示度によって保温層内外平均温度を得てヒートリークを得、ヒートリークは次式を満たし、
【数7】
【0046】
（１０）高温自励振動ヒートパイプ２１の熱抵抗を計算し、その熱抵抗は次式を満たし、
【数8】
【0047】
図６は高温自励振動ヒートパイプ２１の起動及び高温加熱炉２０の炉温が８５０℃の時の温度曲線グラフを示す。図６から分かるように、高温加熱炉２０が２７００秒の時に暖機を終了し、加熱段階を開始し、温度上昇速度が速くなり、加熱部３４の温度が７９０℃に達した時、加熱部３４と断熱部３３の温度が急に下がり、凝縮部３２の温度が急に上がり、高温自励振動ヒートパイプ２１が起動し、この時に高温加熱炉２０の炉温が所定の８５０℃に到達しておらず、加熱炉出力が上昇段階にあり、この時に高温自励振動ヒートパイプ２１の熱負荷が安定的な自励振動運動を保持できなく、３３００秒の時に高温自励振動ヒートパイプ２１の一部のエルボが動作を停止した現象が発生した。測定したところ、１番目の熱電対１、２番目の熱電対２、３番目の熱電対３及び４番目の熱電対４の温度が上がり、１３番目の熱電対１３、１４番目の熱電対１４、１５番目の熱電対１５及び１６番目の熱電対１６の温度が下がっており、この管に自励振動減衰現象が発生したことが示された。測定したところ、１５番目の熱電対５と６番目の熱電対６の温度が安定的であり、それらに対応するコールドエンドの温度に急な変化が発生しておらず、これら２本の管が正常に動作していることが示された。加熱炉が持続的に昇温するにつれて、高温自励振動ヒートパイプ２１が再度起動し、且つ３９００秒に所定温度に達し、高温自励振動ヒートパイプ２１が安定的な動作を開始した。
【0048】
図７は高温加熱炉２０の炉温がそれぞれ９００℃、９５０℃及び１０００℃の段階の時の温度曲線グラフである。図７から分かるように、高温加熱炉２０の炉温が９００℃と９５０℃の段階の時に、高温自励振動ヒートパイプ２１の動作が安定的であり、断熱部３３の層化現象が小さく、この時に加熱部３４の温度が炉温の向上に伴って上がると同時、凝縮部３２の温度が上がり、コールドホットエンドの温度差が小さくなり、熱負荷が大きくなり、熱抵抗が小さくなった。左の１番目のエルボの凝縮部３２の層化現象が弱くなった時に、右の１番目のエルボの凝縮部３２に層化現象が依然として存在し、測定したところ、１７番目の熱電対１７と１８番目の熱電対１８の間の温度差が大きく、その原因は高温自励振動ヒートパイプ２１が安定的に動作する時にあるエルボにおいて単一の管が熱を伝達するという現象が発生したことにあり、測定したところ、１９番目の熱電対１９の温度が安定的であった。高温加熱炉２０の炉温が１０００℃の段階の時に、加熱部３４の温度が変動し始め、断熱部３３が層化し、左の１番目のエルボの１３番目の熱電対１３と１４番目の熱電対１４が激しく変動し且つ逆な変化傾向を示し、測定したところ、１９番目の熱電対１９の温度が速く上がり、この時の自励振動が激しく、環流する傾向があった。
【0049】
図８は高温加熱炉２０の炉温がそれぞれ１０５０℃と１１００℃の段階の時の温度曲線グラフである。図８から分かるように、高温加熱炉２０の炉温が１０５０℃の段階の時に、測定したところ、７番目の熱電対７と１１番目の熱電対１１の温度が下がり、８番目の熱電対８と１２番目の熱電対１２の温度が速く上がり、９番目の熱電対９と１０番目の熱電対１０が高い温度を保持し続け、また、８番目の熱電対８と１２番目の熱電対１２の温度が７番目の熱電対７と１１番目の熱電対１１の温度より高く、また、測定したところ、１９番目の熱電対１９の温度が速く上がり、断熱部３３が明らかに層化し、それに対応する凝縮部３２の温度に同様な変化傾向があり、良好且つ安定的な環流状態が形成され、伝熱効果が強化された。高温加熱炉２０の炉温が１１００℃の段階の時に、各熱電対の温度は炉温１０５０℃の段階での温度に対して変動が発生し且つ温度に上昇変化が現れ、環流状態も変動した。
【0050】
図９は高温加熱炉２０の炉温がそれぞれ１１５０℃と１２００℃の段階の時の温度曲線グラフである。図９から分かるように、高温加熱炉２０の炉温が１１５０℃の段階の時に、測定したところ、７番目の熱電対７と１１番目の熱電対１１の温度が速く上がり、１８番目の熱電対１８の温度が速く下がり、１３番目の熱電対１３と１４番目の熱電対１４の温度が上り、１９番目の熱電対１９の温度が速く下がり、加熱部３４の温度変動が消え、その後、動作状態が安定化する傾向が現れ、この時に一方向循環が消え、自励振動状態が再度回復した。高温加熱炉２０の炉温が１２００℃の段階の時に、測定したところ、７番目の熱電対７と１１番目の熱電対１１の温度が激しく変動し、１８番目の熱電対１８の温度が上り、高温自励振動ヒートパイプ２１の動作が不安定になり、性能が悪化した。
【0051】
図１０は高温自励振動ヒートパイプ２１のコールドホットエンドの温度差が出力に伴って変化した曲線グラフである。図１０から分かるように、高温自励振動ヒートパイプ２１のコールドホットエンドの温度差が熱負荷の向上に伴って小さくなってから大きくなり、高温自励振動ヒートパイプ２１の加熱出力が３３０６．４Ｗ（炉温１０５０℃）の時に最小値が現れた。
【0052】
図１１は高温自励振動ヒートパイプ２１の熱抵抗が出力に伴って変化した曲線グラフである。図１１から分かるように、高温自励振動ヒートパイプ２１の熱抵抗が加熱出力の向上に伴って小さくなってから大きくなり、高温自励振動ヒートパイプ２１の熱負荷が３３０６．４Ｗ（炉温１０５０℃）の時に最小値が現れた。
【0053】
図６～９から分かるように、本実施例における高温自励振動ヒートパイプ２１は５００℃を上回った高温環境で動作する能力を有する。図１０～１１によって、高温自励振動ヒートパイプ２１の熱抵抗が小さいほど、性能が優れることが分かった。
【0054】
図６～１１から分かるように、全試験システムを使用することで高温自励振動ヒートパイプ２１の異なる動作条件での実験データを正確に測定でき、そのため、本実施例における試験システムは高温自励振動ヒートパイプ２１の高温環境での試験要件を満たす。
【0055】
最後に以下のことを説明すべきである。以上の各実施例は本発明の技術的解決手段を説明するためのものに過ぎなく、それを限定することがなく、上記の各実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、上記の各実施例に記載の技術的解決手段に修正を施したり、その一部又は全部の技術的特徴に対して同等な取り替えを行ったりすることも可能であるのが当業者に理解されるべきであり、対応する技術的解決手段の本質はこれらの修正又は取り替えによって本発明の各実施例の技術的解決手段の範囲を逸脱することがない。
【0056】
（付記）
（付記１）
三方向作動液封入口（３０）と、加熱部（３４）、断熱部（３３）、凝縮部（３２）を一体に集積したステンレスパイプアレイ（３１）とを含み、前記三方向作動液封入口（３０）の２つの水平方向での連通口がステンレスパイプアレイ（３１）の２つの管路口に接続され、前記ステンレスパイプアレイ（３１）内の作動流体は、カリウムの質量分率が２５％～７５％のナトリウムカリウム合金、金属ナトリウム、金属カリウム、金属セシウム又は金属ルビジウムから選ばれる１種又は１種以上の組合せである液体金属である、ことを特徴とする液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
（付記１）
三方向作動液封入口（３０）と、加熱部（３４）、断熱部（３３）、凝縮部（３２）を一体に集積したステンレスパイプアレイ（３１）とを含み、前記三方向作動液封入口（３０）の２つの水平方向での連通口がステンレスパイプアレイ（３１）の２つの管路口に接続され、前記ステンレスパイプアレイ（３１）内の作動流体は、カリウムの質量分率が２５％～７５％のナトリウムカリウム合金、金属ナトリウム、金属カリウム、金属セシウム又は金属ルビジウムから選ばれる１種又は１種以上の組合せである液体金属である、ことを特徴とする液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
【0057】
（付記２）
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の作動液の封入率が１０％～９０％である、ことを特徴とする付記１に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の作動液の封入率が１０％～９０％である、ことを特徴とする付記１に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
【0058】
（付記３）
液体金属高温自励振動ヒートパイプ（２１）であって、
ステンレス、ニッケル基合金又はＩｎｃｏｎｅｌニッケル基合金から選ばれる１種又は１種以上の組合せを管材とし、肉厚が０．５～３ｍｍであり、内径が次式を満たし、
ことを特徴とする付記１に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
液体金属高温自励振動ヒートパイプ（２１）であって、
ステンレス、ニッケル基合金又はＩｎｃｏｎｅｌニッケル基合金から選ばれる１種又は１種以上の組合せを管材とし、肉厚が０．５～３ｍｍであり、内径が次式を満たし、
【数9】
ことを特徴とする付記１に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプ。
【0059】
（付記４）
高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能の測定に用いられ、下記試験システムによって測定する液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法であって、
前記試験システムは、高温自励振動ヒートパイプ（２１）に接続される高温加熱炉（２０）、冷却液ブロック（２２）、高圧ポンプ（２７）、恒温液槽（２６）、流量計（２５）、フィルタ（２８）、冷却液弁（２９）及び上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、
前記恒温液槽（２６）が前記高圧ポンプ（２７）の一方側に接続され、前記高圧ポンプ（２７）の他方側が前記フィルタ（２８）の一方側に接続され、前記フィルタ（２８）の他方側が前記冷却液弁（２９）の一方側に接続され、前記冷却液弁（２９）の他方側が設置された冷却液供給口Ｔ継手（２３）を介して前記冷却液ブロック（２２）の一方側に接続され、前記冷却液ブロック（２２）の他方側が設置された冷却液排出口Ｔ継手（２４）を介して前記流量計（２５）の一方側に接続され、前記流量計（２５）の他方側が前記恒温液槽（２６）に接続され、前記の全ての部材が循環接続回路を構成し、前記恒温液槽（２６）の排出する冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽（２６）に戻り、冷却液が前記高圧ポンプ（２７）によって循環往復流動を実現し、前記冷却液ブロック（２２）の外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の外径寸法に合致する溝が設けられ、前記溝が前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の凝縮部（３２）に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の断熱部（３３）が前記高温加熱炉（２０）に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱部（３４）が前記高温加熱炉（２０）内に配置され、
前記試験方法は、高圧ポンプ（２７）を起動して冷却液の循環を開始させ、冷却液弁（２９）の開度を調節し且つ流量計（２５）のデータを読み取ることによって冷却液流量を調節し、フィルタ（２８）によって冷却液をろ過して不純物を除去する工程と、恒温液槽（２６）を起動して冷却液温度を調節して高温自励振動ヒートパイプ（２１）に安定的な冷却環境を提供する工程と、高温加熱炉（２０）を低出力加熱状態に調節して暖機させ、暖機プロセスで熱電対、ＲＴＤ温度センサー、測定制御システムのデバッギングを行ってデータの正確性を確保する工程と、高温加熱炉（２０）のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節し、高温加熱炉（２０）の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定し、加熱速度と目標炉温を調節し且つ保温し、高温自励振動ヒートパイプ（２１）が安定的に動作した後加熱出力を一定に保ち、実験データを記録する工程と、高温加熱炉（２０）をオフにし、恒温液槽（２６）の温度を低く調節して降温プロセスに移行し、降温プロセスが終了すると、実験を終了とする工程とを含む、ことを特徴とする付記１～３のいずれか一つに記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
高温自励振動ヒートパイプの伝熱性能の測定に用いられ、下記試験システムによって測定する液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法であって、
前記試験システムは、高温自励振動ヒートパイプ（２１）に接続される高温加熱炉（２０）、冷却液ブロック（２２）、高圧ポンプ（２７）、恒温液槽（２６）、流量計（２５）、フィルタ（２８）、冷却液弁（２９）及び上記各部材に信号接続される測定制御システムを含み、
前記恒温液槽（２６）が前記高圧ポンプ（２７）の一方側に接続され、前記高圧ポンプ（２７）の他方側が前記フィルタ（２８）の一方側に接続され、前記フィルタ（２８）の他方側が前記冷却液弁（２９）の一方側に接続され、前記冷却液弁（２９）の他方側が設置された冷却液供給口Ｔ継手（２３）を介して前記冷却液ブロック（２２）の一方側に接続され、前記冷却液ブロック（２２）の他方側が設置された冷却液排出口Ｔ継手（２４）を介して前記流量計（２５）の一方側に接続され、前記流量計（２５）の他方側が前記恒温液槽（２６）に接続され、前記の全ての部材が循環接続回路を構成し、前記恒温液槽（２６）の排出する冷却液が逆時計回り方向に沿って流動し、最後に前記恒温液槽（２６）に戻り、冷却液が前記高圧ポンプ（２７）によって循環往復流動を実現し、前記冷却液ブロック（２２）の外部前側に前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の外径寸法に合致する溝が設けられ、前記溝が前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の凝縮部（３２）に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の断熱部（３３）が前記高温加熱炉（２０）に接続され、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱部（３４）が前記高温加熱炉（２０）内に配置され、
前記試験方法は、高圧ポンプ（２７）を起動して冷却液の循環を開始させ、冷却液弁（２９）の開度を調節し且つ流量計（２５）のデータを読み取ることによって冷却液流量を調節し、フィルタ（２８）によって冷却液をろ過して不純物を除去する工程と、恒温液槽（２６）を起動して冷却液温度を調節して高温自励振動ヒートパイプ（２１）に安定的な冷却環境を提供する工程と、高温加熱炉（２０）を低出力加熱状態に調節して暖機させ、暖機プロセスで熱電対、ＲＴＤ温度センサー、測定制御システムのデバッギングを行ってデータの正確性を確保する工程と、高温加熱炉（２０）のパラメータ設定を調節することによって高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱温度、加熱速度、加熱出力及び傾斜角度を制御調節し、高温加熱炉（２０）の加熱プログラムを調節することによって多段加熱プロセスパラメータを設定し、加熱速度と目標炉温を調節し且つ保温し、高温自励振動ヒートパイプ（２１）が安定的に動作した後加熱出力を一定に保ち、実験データを記録する工程と、高温加熱炉（２０）をオフにし、恒温液槽（２６）の温度を低く調節して降温プロセスに移行し、降温プロセスが終了すると、実験を終了とする工程とを含む、ことを特徴とする付記１～３のいずれか一つに記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【0060】
（付記５）
前記恒温液槽（２６）の排出する冷却液の温度範囲が５℃～３００℃である、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
前記恒温液槽（２６）の排出する冷却液の温度範囲が５℃～３００℃である、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【0061】
（付記６）
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）と冷却液ブロック（２２）の外周は全体的に、内外のいずれにもその内外壁の温度を測定してヒートリークを取得するための少なくとも４つの熱電対が設置された耐高温保温材料の保温層によって覆われている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）と冷却液ブロック（２２）の外周は全体的に、内外のいずれにもその内外壁の温度を測定してヒートリークを取得するための少なくとも４つの熱電対が設置された耐高温保温材料の保温層によって覆われている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【0062】
（付記７）
前記冷却液供給口Ｔ継手（２３）と冷却液排出口Ｔ継手（２４）のどちらにも冷却液管路の中心位置に延びるＲＴＤ温度センサーが接続されている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
前記冷却液供給口Ｔ継手（２３）と冷却液排出口Ｔ継手（２４）のどちらにも冷却液管路の中心位置に延びるＲＴＤ温度センサーが接続されている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【0063】
（付記８）
前記高温加熱炉（２０）は密封箱体構造となり、頂部に階段孔（３５）を開設した炉床カバーが設けられ、前記階段孔（３５）の中部貫通孔が前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）に接続され、前記階段孔（３５）と炉床カバーに垂直な高温自励振動ヒートパイプ（２１）の間で形成された側面隙間内に耐高温保温材料を封入して密封させ、前記高温加熱炉（２０）の炉本体両側の中心位置には、歯車伝動機構で構成される、高温加熱炉（２０）の全体的な傾斜角度を０～１８０°の傾斜角度範囲に調節するための角度調節装置を取り付けたフランジが溶接されている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
前記高温加熱炉（２０）は密封箱体構造となり、頂部に階段孔（３５）を開設した炉床カバーが設けられ、前記階段孔（３５）の中部貫通孔が前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）に接続され、前記階段孔（３５）と炉床カバーに垂直な高温自励振動ヒートパイプ（２１）の間で形成された側面隙間内に耐高温保温材料を封入して密封させ、前記高温加熱炉（２０）の炉本体両側の中心位置には、歯車伝動機構で構成される、高温加熱炉（２０）の全体的な傾斜角度を０～１８０°の傾斜角度範囲に調節するための角度調節装置を取り付けたフランジが溶接されている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【0064】
（付記９）
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱部（３４）、断熱部（３３）及び凝縮部（３２）にはそれぞれ少なくとも１つの熱電対が設けられ、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の凝縮部（３２）の上方の横方向管には、高温自励振動ヒートパイプの温度変化を取得してその伝熱特性を分析することに用いられ且つ高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗を計算可能な熱電対が少なくとも１つ設けられている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の加熱部（３４）、断熱部（３３）及び凝縮部（３２）にはそれぞれ少なくとも１つの熱電対が設けられ、前記高温自励振動ヒートパイプ（２１）の凝縮部（３２）の上方の横方向管には、高温自励振動ヒートパイプの温度変化を取得してその伝熱特性を分析することに用いられ且つ高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗を計算可能な熱電対が少なくとも１つ設けられている、ことを特徴とする付記４に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【0065】
（付記１０）
前記高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗は次式を満たし、
前記高温自励振動ヒートパイプの加熱出力は次式を満たし、
前記ヒートリークは次式を満たし、
ことを特徴とする付記９に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
前記高温自励振動ヒートパイプの熱抵抗は次式を満たし、
【数10】
前記高温自励振動ヒートパイプの加熱出力は次式を満たし、
【数11】
前記ヒートリークは次式を満たし、
【数12】
ことを特徴とする付記９に記載の液体金属高温自励振動ヒートパイプのための試験方法。
【符号の説明】
【0066】
１ １番目の熱電対
２ ２番目の熱電対
３ ３番目の熱電対
４ ４番目の熱電対
５ ５番目の熱電対
６ ６番目の熱電対
７ ７番目の熱電対
８ ８番目の熱電対
９ ９番目の熱電対
１０ １０番目の熱電対
１１ １１番目の熱電対
１２ １２番目の熱電対
１３ １３番目の熱電対
１４ １４番目の熱電対
１５ １５番目の熱電対
１６ １６番目の熱電対
１７ １７番目の熱電対
１８ １８番目の熱電対
１９ １９番目の熱電対
２０ 高温加熱炉
２１ 高温自励振動ヒートパイプ
２２ 冷却液ブロック
２３ 冷却液供給口Ｔ継手
２４ 冷却液排出口Ｔ継手
２５ 流量計
２６ 恒温液槽
２７ 高圧ポンプ
２８ フィルタ
２９ 冷却液弁
３０ 三方向作動液封入口
３１ ステンレスパイプアレイ
３２ 凝縮部
３３ 断熱部
３４ 加熱部
３５ 階段孔
２ ２番目の熱電対
３ ３番目の熱電対
４ ４番目の熱電対
５ ５番目の熱電対
６ ６番目の熱電対
７ ７番目の熱電対
８ ８番目の熱電対
９ ９番目の熱電対
１０ １０番目の熱電対
１１ １１番目の熱電対
１２ １２番目の熱電対
１３ １３番目の熱電対
１４ １４番目の熱電対
１５ １５番目の熱電対
１６ １６番目の熱電対
１７ １７番目の熱電対
１８ １８番目の熱電対
１９ １９番目の熱電対
２０ 高温加熱炉
２１ 高温自励振動ヒートパイプ
２２ 冷却液ブロック
２３ 冷却液供給口Ｔ継手
２４ 冷却液排出口Ｔ継手
２５ 流量計
２６ 恒温液槽
２７ 高圧ポンプ
２８ フィルタ
２９ 冷却液弁
３０ 三方向作動液封入口
３１ ステンレスパイプアレイ
３２ 凝縮部
３３ 断熱部
３４ 加熱部
３５ 階段孔
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【国際調査報告】