JP7123576B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプに関する。

従来から、下記特許文献１に示されるようなヒートパイプが知られている。このヒートパイプは、作動液が封入されたコンテナと、コンテナの内壁に接触する第１ウイックと、を備えている。また、第１ウイックには、ツイスト銅細線である第２ウイックが埋設されている。この構成によれば、液流動抵抗の小さい第２ウイックを伝って、液相の作動流体を速やかに流動させることができる。

特開２０１５－１３５２１１号公報

この種のヒートパイプでは、熱輸送性能をさらに高めることについての要望がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱輸送性能を向上させたヒートパイプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係るヒートパイプは、作動液が封入された長尺状のコンテナと、前記コンテナの内壁に接触し、かつ蒸気流路に面する第１ウイックと、前記コンテナの長手方向に延びる空間を内部に有する第２ウイックと、を備えている。

上記態様に係るヒートパイプによれば、第１ウイックおよび第２ウイックの２種類のウイックを備えており、さらに第２ウイック内には長手方向に延びる空間が形成されている。この構成により、第２ウイックの空間内に液相の作動流体を流動させて、この作動流体の流動抵抗を小さくし、ヒートパイプの最大熱輸送量を向上させることができる。

また、前記第２ウイックが、前記第１ウイックに埋設されていてもよい。

この場合、第２ウイックの外周部が第１ウイックに覆われることとなり、ウイックのうち蒸気流路に面する部分、すなわち蒸発面が第１ウイックによって形成される。これにより、例えば第２ウイックが蒸気流路に露出する場合と比較して、液相の作動流体が飛散し難くなり、飛散限界を向上させてヒートパイプの最大熱輸送量を増大させることができる。

また、前記第２ウイックが、編組線によって形成されていてもよい。

この場合、例えば第２ウイックをツイスト銅細線によって形成した場合と比較して、ねじり具合のばらつきに起因する液流動抵抗のばらつきを抑えることができる。これにより、ヒートパイプの熱輸送特性の製造上のばらつきを抑えることができる。

また、前記第１ウイックが、焼結された金属粉によって形成されていてもよい。

この場合、第１ウイック内の細孔の半径を小さくして、この第１ウイック内を流動する液相の作動流体に、大きな毛管力を生じさせることができる。

また、前記第１ウイックが、複数の金属の細線を束ねて形成されていてもよい。

この場合、第１ウイックを形成するための焼結工程が不要となるため、製造効率を向上させることができる。

本発明の上記態様によれば、熱輸送性能を高めたヒートパイプを提供することができる。

第１実施形態に係るヒートパイプの横断面図である。 図１のヒートパイプのＡ－Ａ断面矢視図である。 第１実施形態の変形例に係るヒートパイプの横断面図である。 第２実施形態に係るヒートパイプの横断面図である。 図４のヒートパイプのＢ－Ｂ断面矢視図である。 （ａ）は第２実施形態の変形例に係るヒートパイプの横断面図である。（ｂ）は他の変形例に係るヒートパイプの横断面図である。 （ａ）は比較例１のヒートパイプの横断面図であり、（ｂ）は比較例２のヒートパイプの横断面図である。 実施例１に係るヒートパイプの熱輸送効率の実験結果を示すグラフである。 実施例２に係るヒートパイプの熱輸送効率の実験結果を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係るヒートパイプの構成を、図１、図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。

図１に示すように、本実施形態に係るヒートパイプ１Ａは、作動流体が封入されたコンテナ２と、コンテナ２内に配設された第１ウイック１１および第２ウイック１２と、を備えている。これら第１ウイック１１および第２ウイック１２には、液相の作動流体が含浸している。

ここで、図１および図２に示すように、コンテナ２は長尺状に形成されている。以下、コンテナ２の長手方向を単に長手方向といい、長手方向に直交する断面を単に横断面という。

コンテナ２は、横断面視で管状に形成されており、長手方向の両端部が封止されている。コンテナ２の内壁２ａは、周方向で一様な曲面に形成されている。例えばコンテナ２は、その厚さが均一であり、内壁２ａが平滑面である平滑管により形成されている。コンテナ２は、銅などの金属製のパイプ材から形成されている。

コンテナ２内に封入される作動流体は、所定の温度で相変化する物質により構成されている。作動液としては、例えば水、アルコール類、またはアンモニア水などの周知のものを用いることができる。

第１ウイック１１は、銅などの金属粉末を焼結させて形成された多孔質の構造体である。例えば、第１ウイック１１となる銅粉末の平均粒径は約１２５μｍ程度である。なお、第１ウイック１１の材質は適宜変更してもよい。
横断面視において、第１ウイック１１は環状に形成されており、その外周部は内壁２ａの全周にわたって接触している。第１ウイック１１の外周部は、コンテナ２の内壁２ａに対して、焼結により固定されている。また、第１ウイック１１の内側の空間（以下、蒸気流路Ｓ１という）は、気相の作動流体の流通経路となっている。すなわち、第１ウイック１１は蒸気流路Ｓ１に面している。蒸気流路Ｓ１は、コンテナ２内の空間の、長手方向における全長にわたって延在している。

第１ウイック１１内の細孔は、液相の作動流体の流通経路となるが、迷路のような不規則な流路となっている。また、第１ウイック１１の外周部と内壁２ａとの間に形成される隙間も、液相の作動流体の流通経路となる。

第２ウイック１２は、第１ウイック１１内に埋設されている。第２ウイック１２は、蒸気流路Ｓ１に露出していない。本実施形態では、２本の第２ウイック１２が、第１ウイック１１内に等間隔を空けて配置されている。図２に示すように、これらの第２ウイック１２は、コンテナ２内の空間の長手方向における全長にわたって、互いに平行に配置されている。第２ウイック１２は、複数の細線１２ａを編んで形成された編組線ウイックであり、横断面視で管状を呈している。横断面視において、第２ウイック１２の外径は、第１ウイック１１の厚みよりも小さい。第２ウイック１２の内部には、長手方向に延びる空間（以下、液流路Ｓ２という）が形成されている。液流路Ｓ２は、液相の作動流体の流通経路となっている。

図２に示すように、第１ウイック１１および第２ウイック１２は、ヒートパイプ１Ａにおける蒸発部Ｅと凝縮部Ｃとの間を繋ぐように、長手方向に延在している。第１ウイック１１内および第２ウイック１２内に含浸している液相の作動流体には、毛管力が作用する。ヒートパイプ１Ａの作動時、液相の作動流体は外部熱により蒸発部Ｅで蒸発して気体となり、その気体が蒸気流路Ｓ１を流通して凝縮部Ｃへ移動する（矢印Ｆ１参照）。凝縮部Ｃでは、気相の作動流体が放熱することで凝縮し、液相の作動流体が第１ウイック１１および第２ウイック１２に含浸する。そして、第１ウイック１１および第２ウイック１２の毛管力によって、液相の作動流体が、凝縮部Ｃから蒸発部Ｅへ向けて還流する（矢印Ｆ２参照）。蒸発部Ｅに到達した液相の作動流体は再び蒸発する。このようにして、ヒートパイプ１Ａは、蒸発部Ｅから凝縮部Ｃへと、熱を繰り返し輸送することができる。

ここで、液相の作動流体の還流特性について説明する。液相の作動流体の各流路内で、この作動流体が受ける毛管力の大きさは、毛管半径（隙間の大きさ）が小さいほど大きくなる。毛管半径の大きさについて、第１ウイック１１と第２ウイック１２とを比較すると、第１ウイック１１における毛管半径の方が、第２ウイック１２の毛管半径よりも小さく形成されている。つまり、第１ウイック１１の方が、第２ウイック１２よりも大きな毛管力を発揮するように形成されている。

一方、第１ウイック１１および第２ウイック１２では、液相の作動流体が流動する際に圧力損失が生じる。この圧力損失は、流路の形状が要因となる。この具体例では、第１ウイック１１内の流路は迷路状となり、第２ウイック１２内の流路は線状となる。このため、第２ウイック１２における圧力損失の方が、第１ウイック１１における圧力損失よりも小さい。これに加えて、本実施形態の第２ウイック１２は管状に形成されており、その内側が液流路Ｓ２として用いられている。液流路Ｓ２は長手方向に延びるとともに、長手方向で略一定の幅を有しており、液相の作動流体の流動抵抗が非常に小さい。

以上説明したように、本実施形態のヒートパイプ１Ａでは、大きな毛管力を発揮する第１ウイック１１の内部に、流動抵抗の小さい第２ウイック１２が埋め込まれている。これにより、輸送可能な距離を伸ばしつつ、熱輸送量を増大させて、熱輸送性能を向上させることができる。

また、第２ウイック１２が編組線によって形成されている。これにより、例えば第２ウイック１２をツイスト銅細線によって形成した場合と比較して、ねじり具合のばらつきに起因する液流動抵抗のばらつきを抑えることができる。これにより、ヒートパイプ１Ａの熱輸送特性の製造上のばらつきを抑えることができる。

また、第２ウイック１２の外周部が第１ウイック１１に覆われているので、ウイックのうち蒸気流路Ｓ１に面する部分、すなわち蒸発面が第１ウイック１１のみにより形成されている。これにより、例えば第２ウイック１２が蒸気流路Ｓ１に露出する場合と比較して、液相の作動流体が飛散し難くなり、飛散限界が向上して最大熱輸送量が増大する。

なお、第１ウイック１１に埋設される第２ウイック１２の数は、図示の例に限定されず、適宜変更可能である。例えば図３に示すヒートパイプ１Ｂのように、４つあるいは５つ以上の第２ウイック１２を、第１ウイック１１に埋設してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

図４に示すように、本実施形態のヒートパイプ１Ｃは扁平型ヒートパイプであって、第１実施形態とはウイックの形状および配置が異なる。本実施形態の第１ウイック１１は、コンテナ３の幅方向における中央部分に配置されている。また、第１ウイック１１は、コンテナ３の上面３ａには接触しておらず、コンテナ３の下面３ｂに接触している。すなわち、第１ウイック１１の幅はコンテナ３の下面３ｂの幅以下に形成され、かつ第１ウイック１１の厚みがコンテナ３の上面３ａと下面３ｂとの間の間隔よりも小さく形成されている。本実施形態では、第１ウイック１１とコンテナ３との間の空間が、蒸気流路Ｓ１として機能する。

横断面視において、第１ウイック１１は、平坦部１１ａと曲部１１ｂとを有している。平坦部１１ａはコンテナ３の下面３ｂに接触しており、曲部１１ｂは、コンテナ３の上面３ａに向けて凸となる曲面状に形成されている。図４および図５に示されるように、第１ウイック１１は、ヒートパイプ１Ｃの長手方向に伸びるように形成された略半円柱状を呈している。本実施形態では、第１ウイック１１の平坦部１１ａがコンテナ３の下面３ｂに対して、焼結により固定されている。
本実施形態のような扁平型のヒートパイプ１Ｃにおいても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、コンテナ３内に配置される第１ウイック１１および第２ウイック１２の数量は、適宜変更することができる。例えば図６（ａ）のヒートパイプ１Ｄのように、１つの第１ウイック１１内に複数の第２ウイック１２を埋設してもよい。あるいは図６（ｂ）のヒートパイプ１Ｅのように、複数の第１ウイック１１および第２ウイック１２を、コンテナ３の上面３ａおよび下面３ｂにそれぞれ接触させてもよい。

なお、第１、第２実施形態において、第１ウイック１１の構成を適宜変更してもよい。例えば、第１ウイック１１を複数の金属製の細線により形成し、この第１ウイック１１内に、編組線によって形成された第２ウイック１２を埋設してもよい。この場合、第１ウイック１１を構成する細線の材質および直径は適宜変更可能であるが、例えば直径１２５μｍ程度の銅細線を用いてもよい。また、第１ウイック１１は、複数の細線を撚り合わせずに束ねることで構成されていてもよい。この場合、第１ウイック１１の内部に第２ウイック１２を容易に埋設することができる。

複数の細線を用いて第１ウイック１１を形成した場合、細線同士の隙間が液相の作動流体の流通経路となる。従って、細線同士の隙間を小さくすることで、第１ウイック１１内を流動する液相の作動流体に、大きな毛管力を生じさせることができる。また、例えば第１ウイック１１を形成するための焼結工程が不要となるため、製造効率を向上させることができる。

以下、具体的な実施例を用いて、上記実施形態を説明する。なお、以下の実施例は本発明を限定するものではない。

（実施例１）
本実施例１では、第２実施形態で説明したものと同様のヒートパイプ１Ｃ（図４、図５参照）を作成した。実施例１における第１ウイック１１は、銅の粉末を焼結させて形成された多孔質の構造体である。蒸発部Ｅと凝縮部Ｃとの間の長手方向の距離は、約３００ｍｍとした。また、コンテナ３の幅は１１．５ｍｍとし、コンテナ３の厚みは２．５ｍｍとした。
（比較例１）
比較例１として、図７（ａ）に示すようなヒートパイプ１００Ａを作成した。ヒートパイプ１００ＡのウイックＷ１は、ヒートパイプ１Ｃの第１ウイック１１と同様に、金属粉を焼結させて形成した。その他の点は、実施例１のヒートパイプ１Ｃと同様である。
（比較例２）
比較例２として、図７（ｂ）に示すようなヒートパイプ１００Ｂを作成した。ヒートパイプ１００ＢのウイックＷ２は、銅の細線を束ねて形成した。その他の点は、実施例１のヒートパイプ１Ｃと同様である。

以上の３つのヒートパイプについて、熱輸送性能を確認した結果を図８に示す。図８の横軸は熱入力Ｑ（Ｗ）であり、図８の縦軸は熱抵抗Ｒｈｐ（Ｃ／Ｗ）である。
図８に示すように、実施例１のヒートパイプ１Ｃでは、比較例１、２のヒートパイプ１００Ａ、１００Ｂよりも大きな最大熱輸送量を得ることができた。この理由について、以下に考察する。

比較例１のヒートパイプ１００Ａでは、ウイックＷ１が焼結金属粉のみによって形成されていることで、その透過率および孔隙率が小さい。このため、ウイックＷ１内を流動する液相の作動流体の流動抵抗が大きく、液相の作動流体を凝縮部Ｃから蒸発部Ｅへと還流する能力が小さいと考えられる。
比較例２のヒートパイプ１００Ｂでは、ウイックＷ２が束ねた銅細線のみによって形成されていることで、毛管力が小さい。このため、ウイックＷ２内を流動する液相の作動流体を還流させる力が小さいと考えられる。

これらの比較例に対して、実施例１のヒートパイプ１Ｃでは、焼結金属粉によって形成されているために大きな毛管力を発揮する第１ウイック１１の内部に、流動抵抗の小さい第２ウイック１２が埋め込まれている。これにより、凝縮部Ｃから蒸発部Ｅへと、液相の作動流体を速やかに還流させることが可能となり、最大熱輸送量を増大させることができたと考えられる。

（実施例２）
実施例２として、図６（ａ）に示すような断面形状を有するヒートパイプを作成した。実施例２では、複数の銅の細線を撚り合わせずに束ねることで、第１ウイック１１を形成した。蒸発部Ｅと凝縮部Ｃとの間の長手方向の距離と、コンテナ３の幅および厚みとは、実施例１と同様である。
（比較例３）
比較例３として、実施例２から第２ウイック１２を除いたヒートパイプを作成した。比較例３の断面形状は、図７（ｂ）と同様である。

実施例２および比較例３のヒートパイプについて、熱輸送性能を確認した結果を図９に示す。図９の横軸は熱入力Ｑ（Ｗ）であり、図１０の縦軸は熱抵抗Ｒｈｐ（Ｃ／Ｗ）である。
図９に示すように、実施例２では、比較例３よりも熱抵抗が小さくなり、大きな最大熱輸送量を得ることができた。この理由について、以下に考察する。

比較例３（図７（ｂ））では、ウイックＷ２が束ねた銅細線のみによって形成されていることで、毛管力が小さい。比較例３のウイックＷ２の透過率は、３．６［ｍ^２×１０^－１０］であり、毛管半径は、０．０５６［ｍ×１０^－３］であった。
比較例３に対して、実施例２では、複数の細線を束ねて形成されているために大きな毛管力を発揮する第１ウイック１１の内部に、流動抵抗の小さい第２ウイック１２が埋め込まれている。実施例２の第１ウイック１１および第２ウイック１２の毛管半径は、０．０５６［ｍ×１０^－３］であり、比較例３と同等であった。一方で、実施例２における透過率は、４．３［ｍ^２×１０^－１０］であり、比較例３よりも大きかった。このように、実施例２では透過率が高いことで、凝縮部Ｃから蒸発部Ｅへと、液相の作動流体を速やかに還流させることが可能となり、最大熱輸送量を増大させることができたと考えられる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、第１ウイック１１および第２ウイック１２の構造や製造方法は上記実施形態に限定されず、適宜変更してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１Ａ～１Ｅ…ヒートパイプ ２、３…コンテナ １１…第１ウイック １２…第２ウイック Ｓ１…蒸気流路 Ｓ２…液流路（空間）

Claims (4)

1. 作動液が封入された長尺状のコンテナと、
   前記コンテナの内壁に接触し、かつ蒸気流路に面する第１ウイックと、
   前記コンテナの長手方向に延びて液相の前記作動液の流通経路となる空間を内部に有する第２ウイックと、を備え、
   前記第２ウイックが、編組線によって形成されている、ヒートパイプ。
2. 前記第２ウイックが、前記第１ウイックに埋設されている、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記第１ウイックが、焼結された金属粉によって形成されている、請求項１または２に記載のヒートパイプ。
4. 前記第１ウイックが、複数の金属の細線を束ねて形成されている、請求項１または２に記載のヒートパイプ。

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