JP5622449B2

JP5622449B2 - ヒートパイプ

Info

Publication number: JP5622449B2
Application number: JP2010137122A
Authority: JP
Inventors: 一法師　茂俊; 茂俊一法師; 廣瀬　達朗; 達朗廣瀬; 一夫門脇; 拓己貴島; 貴行中尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: JP2012002417A

Description

本発明はヒートパイプに関し、特に使用温度が比較的低温であるヒートパイプに関する。

従来のヒートパイプは、銅製のパイプに水が封入された構造からなり、ヒートパイプの一端が熱源に接続され、他端が放熱器に接続される。熱源からヒートパイプに伝えられた熱は、熱輸送や熱拡散によりヒートパイプ中を伝わり、放熱器から放出される。一般に、使用温度は５０〜１００℃程度であり、銅製のパイプの内壁に多数の細線を内張りし、その内側をコイルを用いて押さえ、熱輸送能力を向上させた構造が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１７０８８８公報（５頁、図１）

しかしながら、近年、レーザダイオード素子等の冷却にヒートパイプが用いられ、使用温度（冷却部の温度）は、従来に比較して低い例えば４０℃以下となる。このため、ヒートパイプ中での水蒸気の蒸気圧が、高温で使用する場合の１０分の１以下となり、相対的にヒートパイプ中に混入していた水素等の微量の不凝縮ガス（動作温度において液化できない気体）の影響が大きくなり、冷却特性の低下等が問題となっていた。

そこで、本発明は、比較的低い使用温度でも冷却特性の良好なヒートパイプの提供を目的とする。

本発明は、密閉されたパイプからなり、第１端部と第２端部とを有するコンテナと、コンテナの内部に配置されたコイルと、コンテナとコイルの間に保持されたウイックと、コンテナ内に保持された作動流体とを含み、第１端部で蒸発した作動流体が第２端部で凝縮して、第１端部から第２端部への熱移動を行うヒートパイプであって、コイルは、表面が銅の被覆層で覆われた銅合金からなることを特徴とするヒートパイプである。

本発明にかかるヒートパイプでは、ヒートパイプ中での不凝縮ガスの発生に起因する放熱特性の劣化を抑制し、比較的低い使用温度でも信頼性の高いヒートパイプの提供が可能となる。

本発明の実施の形態にかかるヒートパイプの概略図である。本発明の実施の形態にかかるヒートパイプの断面図である。本発明の実施の形態にかかるコイルの断面図である。本発明の実施の形態にかかる他のコイルの断面図である。

図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかるヒートパイプの概略図であり、一部に破断面を示す。また、図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

ヒートパイプ１００は、密閉したパイプからなるコンテナ１を含む。コンテナ１は、例えば銅、好適には無酸素銅からなる。ここでは、円筒状のコンテナ１を示したが、角柱等の形状でもよい。また、コンテナ１は屈曲した形状であっても良い。また、コンテナ１の内壁に多数の溝が設けられていても良い。

コンテナ１の内部には、内壁に沿ってウイック２が配置される。ウイック２は、例えば銅や銅合金、好適には無酸素銅の細線や、網目状に編んだ細線からなる。

ウイック２の内側には、コイル３が設けられ、ウイック２は、コンテナ１の内壁とコイル３との間に挟まれて保持される。図３は、コイル３の断面図である。コイル３は、例えばバネ用りん青銅（ＪＩＳＣ５２１０）からなる本体部１３と、その表面に形成され、例えば銅メッキからなる被覆部１４からなる。コイル３の本体部１３の材料として、銅を主成分として、亜鉛、りんを含む銅合金、銅を主成分として、すず、亜鉛、りんを含む銅合金、銅を主成分として、すず、亜鉛、りん、鉄を含む銅合金のような他の銅合金を用いることもできる。

コイル３の中は、中空の蒸気通路４となり、蒸発した気体の作動流体が移動する。

ヒートパイプ１００の製造工程では、コンテナ１の内部にウイック２とコイル３を配置した後、コンテナ１の内部の気体（主に空気）を排気して真空状態にする。続いて、真空状態のコンテナ１中に例えば水からなる作動流体を入れ、端部を封止して密閉状態のパイプとする。これでヒートパイプ１００が完成する。

ヒートパイプ１００は、図１中に示す第１端部を半導体素子等の発熱体に接触させ、第２端部を放熱フィンのような放熱器に接触させて使用する。第１端部で加熱された作動流体は蒸発し、蒸気通路４を通って第２端部に移動する。第２端部では作動流体が冷却されて凝縮し、液体に戻る。この蒸発と凝縮に伴う潜熱移動により、第１端部から第２端部に熱輸送が行われ、第１端部が冷却される。第２端部で液体に戻った作動流体は、ウイック２の毛管作用により、液体通路５を通って第１端部に環流される。

ここで、上述のように、ヒートパイプ１００は、製造過程で内部の気体（主に空気）を排出し、真空状態にしてから作動流体を封入する。このため、外気の侵入の無い構造であっても、真空引きする際に排出できずに一部の気体が残留する場合がある。また、コンテナ１の内壁等が気体を吸着、保持し、時間の経過と共に気体が流出する場合がある。更に、ヒートパイプ１００を構成する材料と作動流体が化学的に反応し、気体が発生し続ける場合がある。

このような残留気体は不凝縮ガスとなり、ヒートパイプ１００の中で凝縮することができず、凝縮部（第２端部）に停滞して放熱特性を劣化させる。通常、最初の２つの不凝縮ガスは、初期特性を低下させるが、経時変化が殆ど無いため、寿命に関しては大きな問題とならない。しかし、最後の不凝縮ガスは、化学反応にともない不凝縮ガスが発生し続けるため、時間と共に放熱特性を悪化させ、経年劣化として使用者が正しく認識していない場合、電子機器等の故障を引き起こす原因となる。

かかる不凝縮ガスについては、最初の２つは、初期残留気体が原因であり、製造工程を改良することで低減できる。また、最後の１つは、ヒートパイプ１００の材料と作動流体の組み合わせが原因であり、材料選択により低減できる。例えば作動流体として水を用いる場合は、コンテナ１やウイック２を構成する材料に無酸素銅を使用することにより低減できる。

従来はヒートパイプの使用温度は、上述のように５０〜１００℃程度であり、作動流体の蒸気圧が比較的高かったため、上述のような不凝縮ガスを減らす対策が有効であった。しかしながら、近年、発熱体としてレーザダイオード等が用いられる場合、冷却温度（第１端部の温度）は例えば室温から４０℃程度となる。このため、作動流体の蒸気圧が低くなり相対的に不凝縮ガスの影響が大きくなり、従来では問題とならないような少量の不凝縮ガスでも問題となってきた。

例えば、作動流体に水を用いる場合、従来のように５０℃以上の高温環境下で使用すると蒸気圧が０．１２３ｂａｒ以上となるが、電気−光変換素子（例えばレーザダイオード）の冷却のようにほぼ常温（２０℃）に冷却しなければならない場合、蒸気圧は０．０２３ｂａｒ程度となる。この結果、不凝縮ガスは、大気圧下における容積に比べて４４倍になり、従来のように比較的高温で使用する場合に比べて、不凝縮ガスによる影響が大きくなる。

即ち、作動流体として水を用いる場合、環境温度に対して対数的に蒸気圧が小さくなることから、低温領域での不凝縮ガスの膨張率は著しく大きくなる。このためヒートパイプを低温で使用する場合、不凝縮ガスが放熱部で停滞、膨張し、ヒートパイプの放熱部での熱交換面積を小さくし、放熱特性を悪化させるという問題が生じる。

このように、本発明は、従来のように比較的高温で使用する場合には問題とはならなかったが、室温から４０℃程度の低温で使用する場合には問題となる不凝縮ガスを低減して、低温においても良好な放熱特性を有するヒートパイプを提供するものである。

本実施の形態では、図３に示すように、バネ用りん青銅（ＪＩＳＣ５２１０）からなる本体部１３を銅メッキからなる被覆部１４で覆ってコイル３を形成することにより、作動流体と本体部１３の直接接触を防止している。この結果、バネ用りん青銅に含まれるりんや亜鉛と水が接触することによる不凝縮ガス（例えば水素）の発生を防止し、かかる不凝縮ガスの発生によるヒートパイプの放熱特性の経時変化（劣化）を防止できる。

図４は、本発明の実施の形態にかかる他のコイル３の断面図である。図４のコイル３は、バネ用りん青銅からなるコイル３を予め水などの液体に直接浸漬して保持することにより、または高温の液に浸漬し化学反応を促進することにより、コイル表面に存在するりんや亜鉛を化学反応で除去し、コイル３の表面を空孔９を含む銅の含有率が高い表面層としたものである。

このように、コイル３の表面からりんや亜鉛を除去し、銅の含有率の高い表面層とすることで、バネ用りん青銅に含まれるりんや亜鉛と水が接触することによる不凝縮ガスの発生を防止し、かかる不凝縮ガスの発生によるヒートパイプの放熱特性の経時変化（劣化）を防止できる。

なお、図３、４では、コイル３に含まれるりん７と亜鉛８の分子を、代表的な分子として模式的に表したが、更に、コイル３にすず等が含まれる場合にも、りん７や亜鉛８と同様に取り扱うことができる。また、コイル３の材料として、上述のような他の銅合金を用いても構わない。

なお、残留気体が原因である不凝縮ガスは、製造工程を改良することで低減できる。また、不凝縮ガスの抑制方法としては、コイル３の材料の変更も考えられるが、力学的特性と化学的特性（水素ガスの発生）の双方を満足する材料としては、バネ用りん青銅を用いるのが最も好ましい。

また、予め本体部１３が被覆部１４で覆われたコイル３を用いてもよく、またヒートパイプの封止前に、本体部１３を被覆部１４で被覆しても良い。

更に、コンテナ１やウイック２が、亜鉛等を含む銅から形成される場合、これらの表面を銅メッキで被覆しても構わない。

１コンテナ、２ウイック、３コイル、４蒸気通路、５液体通路、７りん、８亜鉛、９空孔、１３本体部、１４被覆部、１００ヒートパイプ。

Claims

密閉されたパイプからなり、第１端部と第２端部とを有するコンテナと、
コンテナの内部に配置されたコイルと、
コンテナとコイルの間に保持されたウイックと、
コンテナ内に保持された作動流体とを含み、
第１端部で蒸発した作動流体が第２端部で凝縮して、第１端部から第２端部への熱移動を行うヒートパイプであって、
コイルは銅合金からなり、含有銅濃度が中心部より高い表面層を含むことを特徴とするヒートパイプ。
上記銅合金は、少なくとも亜鉛およびりんを含み、その濃度が中心部より表面層で低くなることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
上記銅合金は、バネ用りん青銅からなることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。
上記第１端部の温度を４０℃以下に冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートパイプ。
上記作作動流体は、水であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートパイプ。