JP2002022376A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受放熱面積が大きく、簡素な構造と優れた熱
輸送性能とを有する、放熱等の用途に適したヒートパイ
プを提供する。 【解決手段】 所定の空隙ｈ1、ｈ2を隔てて互いに離間
する複数のプレート１１〜１３の内部にそれぞれ管路１
１ａ、１２ａ、１３ａを形成し、その管路１１ａ〜１３
ａ内に作動流体２１の複数の液溜り部２１ａと蒸気泡部
２１ｂとが交互に存在し、前記プレート内管路１１ａ〜
１３ａ同士を互いに連通させる連通管路１６ａ、１７ａ
を設けるよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートパイプに関
し、管路内にその管路を閉塞する多数の液溜り部と蒸気
泡部が交互に存在するヒートパイプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱輸送性能を高めるべく細径管路
を採用し、その細径管路中にいかなる設置姿勢において
も管路を閉塞する多数の作動液溜り（液相）と蒸気泡
（気相）とが交互に存在するように作動流体を所定圧力
で気液二相に封入したヒートパイプが知られている。

【０００３】この種のヒートパイプとしては、例えば蛇
行溝を形成した複数の単位薄板を積層することにより、
その熱輸送性能を高めたプレート型のものがある（特許
第２５４４７０１号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のプレート型ヒートパイプにあっては、積層された各
層間での熱移動を良好ならしめるべく、各層間の作動流
体の振動や循環が妨害されないように各層間の連通管路
が非常に短く形成され、プレート同士が密着する積層形
態が採られていた。

【０００５】そのため、積層されたプレート間に外気に
さらされる放熱面を十分に確保することが困難であっ
た。

【０００６】また、管路内に多数の液溜り部と蒸気泡部
が交互に存在するようにしたこの種のヒートパイプは管
路を小径にする必要があるため、大径の棒状のヒートパ
イプ形状を採ることができず、熱輸送性能が十分でなか
った。

【０００７】そこで、本発明は、ヒートパイプにおいて
構成を簡素にしながらその熱輸送性能の向上を図ること
を目的とするものであり、管路内に液溜り部と蒸気泡部
が交互に存在するよう作動流体が封入されたヒートパイ
プにおいては静圧伝播があれば少なくとも潜熱が輸送で
きる点に着目して、放熱等の用途に適したヒートパイプ
を実現するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題解決のため、本
発明は、所定の空隙を隔てて互いに離間する複数のプレ
ートの内部にそれぞれ管路を形成し、該管路内に作動流
体の複数の液溜り部と蒸気泡部とが交互に存在し、前記
プレート内管路同士を互いに連通させる連通管路を設け
たことを特徴とするものである。

【０００９】本発明のヒートパイプでは、所定の空隙を
隔てて互いに離間する複数のプレートの内部にそれぞれ
管路が形成され、そのプレート内管路同士を連通させる
連通管路が設けられることから、プレート間に放熱面を
容易に確保することができる。

【００１０】また、前記複数のプレートの間にフィンが
設けられた構成にすると、放熱用途に適したヒートパイ
プとなる。

【００１１】本発明は、あるいは、２重同軸構造体の軸
と軸との間の嵌入周面に沿って管路を形成し、該管路内
に作動流体の複数の液溜り部と蒸気泡部とが交互に存在
することを特徴とするものである。このヒートパイプで
は、同軸部材間に細長い管路を容易に設けることがで
き、また、容易に大径・長尺化できる。

【００１２】本発明は、また、少なくとも３つの軸部材
からなる多重同軸構造体の軸と軸との各嵌入周面に管路
を形成し、該管路同士を連通させる連通管路を前記軸部
材に設け、前記各管路内に作動流体の複数の液溜り部と
蒸気泡部とが交互に存在することを特徴とするものであ
る。このヒートパイプでは、同軸配置された３つ以上の
軸部材によって細長い管路を同軸の複数の嵌入周面上に
配置することができるとともに、各円周面上の管路同士
が連結管路で構成されているので、さらに大容量で熱輸
送性能の優れたヒートパイプとすることができる。

【００１３】さらに、前記管路が前記嵌入周面の軸線を
中心とする螺旋状に形成されると、ヒートパイプの軸方
向長さの長短にかかわらず、螺旋形状を適宜設定して所
要の管路長さを確保することができ、管路形成用の溝加
工等を容易に行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面に基づいて説明する。

【００１５】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係るヒートパイプを示す図であり、本発明を
プレート型に適用した例を示している。

【００１６】図１に示すように、ヒートパイプ１０は、
所定の空隙ｈ1、ｈ2を隔てて互いに離間する複数のプレ
ート１１、１２、１３と、これら複数のプレート１１〜
１３のうち対向する各一対のプレートの間に設けられた
フィン１４、１５と、プレート１１〜１３を相互に連結
する複数の連結部材１６、１７と、によって構成されて
いる。

【００１７】プレート１１の内部には、図２（ａ）に示
すような蛇行部１１ｂ、１１ｃを有する無端のプレート
内管路１１ａが形成されており、他のプレート１２、１
３にもそれぞれプレート内管路１１ａと同一形状のプレ
ート内管路１２ａ、１３ａ（詳細平面形状は図２（ａ）
に示す形状と同様であるので図示していない）が形成さ
れている。

【００１８】フィン１４、１５は、プレート１１と同一
又はそれに近い高熱伝導率を有する材料からなもので、
例えば図１に示すようにジグザグに屈曲又は湾曲した断
面形状を有している。また、フィン１４は最上のプレー
ト１１の下面とこれに対向するプレート１２の上面とに
それぞれ多数個所で当接するよう固着されている。同様
に、フィン１５はプレート１２の下面とこれに対向する
プレート１３の上面とにそれぞれ多数個所で当接するよ
う固着されている。

【００１９】連結部材１６、１７はフィン１４、１５と
共に、あるいは更に図示しない他の連結部材と共に複数
のプレート１１〜１３を互いに連結しており、これら連
結部材１６、１７の内部にはプレート内管路１１ａ、１
２ａ、１３ａ同士を互いに連通させる連通管路１６ａ、
１７ａがそれぞれ形成されている。

【００２０】これらプレート内管路１１ａ、１２ａ、１
３ａおよび連通管路１６ａ、１７ａは全体として密閉さ
れた一つの管路２０を形成しており、図２（ｂ）に示す
ように、その管路２０の内部には所定の作動流体２１が
気液二相に封入されている。この作動流体２１は、管路
２０の軸方向で管路２０内に交互に存在する多数の液溜
り部２１ａと蒸気泡部２１ｂとを形成し、その各液溜り
部２１ａによって管路２０の各部を閉塞している。

【００２１】このヒートパイプ１０においては、例えば
プレート１１の上面やプレート１３の下面が受熱面部と
なり、プレート１２が放熱面部となる。あるいは、各プ
レート１１〜１３のプレート内管路１１ａ、１２ａ、１
３ａのうち蛇行部１１ｂ側の一端が受熱面部、蛇行部１
１ｃ側の一端が放熱部となる。

【００２２】ここで、その受熱部から放熱部への熱の輸
送原理について説明する。

【００２３】作動流体の振動や循環による顕熱輸送も可
能ではあるが、本実施形態における受熱部から放熱部へ
の熱輸送は、作動流体における受熱部から放熱部への圧
力伝播が支配的で、主として次のような圧力伝播による
熱輸送がなされる。

【００２４】管路２０内を熱媒である作動流体の流動に
よる圧力損失がきわめて小さく無視できる状態となるよ
うに形成した場合、密封された管路２０内の圧力はほぼ
均一であるということができる。なお、管路２０を閉塞
している作動流体２１の液溜り部２１ａの全体積および
蒸気泡部２１ｂの全体積が受熱部・放熱部の温度変化に
かかわらずほぼ不変状態に保たれる範囲が、通常作動温
度範囲として設定されている。

【００２５】この場合、受熱部（高温部）での飽和蒸気
圧をＰh、放熱部（低温部）での飽和蒸気圧をＰlとする
と、密封された管路２０内の圧力は静的には均一である
から、管路内圧力Ｐm は、Ｐh＞Ｐm ＞Ｐlである。受熱
部では、蒸気泡部２１ｂの内部圧力はＰm であるから、
飽和蒸気圧Ｐhより低いので、飽和蒸気圧Ｐｌに近付く
よう、受熱部作動流体の気化が進み、これに伴って受熱
部の周囲から大量の熱（潜熱）が吸収される。すなわ
ち、受熱部では、作動流体の一部で液相から気相への相
変換がなされ、蒸気泡部２１ｂの圧力と体積の増加が生
じる。

【００２６】この受熱部における蒸気泡部２１ｂの圧力
増加は、中間にある多数の作動流体の液溜り部２１ａお
よび蒸気泡部２１ｂを介して放熱部の蒸気泡部２１ｂに
伝播され、放熱部の蒸気泡部２１ｂの内部圧力が飽和蒸
気圧Ｐ1より高くなるので、その飽和蒸気圧Ｐ1に近付く
ように作動流体蒸気の凝縮が進み、周囲に大量の熱が放
出される。すなわち、放熱部では、受熱部からの圧力伝
播により気相から液相への相変換が行われ、蒸気泡部２
１ｂの体積が減少する。

【００２７】このように、一部の蒸気泡部２１ｂにおい
てはその体積が増加し、また、他の部分の蒸気泡部２１
ｂではその体積が減少して、多数の蒸気泡部２１ｂ全体
としてはほぼ一定の体積が維持されることになる。ま
た、受熱部から放熱部への熱の輸送作用の始まりは管路
２０内の静圧伝播に準拠することから、この熱の輸送作
用はきわめて短時間のうちに開始されることになる。そ
の後の熱輸送は、受熱部での気化と放熱部での媒体の凝
縮の進行に依存するので、若干の時間を要する。

【００２８】このような原理で熱輸送が行われるとする
と、受熱部と放熱部が相当距離を隔てている場合でも、
中間の筐体が十分な断熱性を有する場合にはその管路２
０の大きさにさほど依存されることなくきわめて短時間
に熱輸送を行うことができる。したがって、受熱部と放
熱部の間に長い管路２０を形成した場合でも、その管路
２０内での静圧伝播によって、ヒートパイプとして要求
される熱輸送性能（例えば放熱部の温度の立ち上がり特
性で表される）を十分に確保することができる。

【００２９】なお、管路を全体としてループ形状にした
気泡密封型の熱輸送器を構成した場合には、気泡の生成
成長および減衰消滅等により熱媒体の循環流が発生する
ことが知られているが、その場合には、受熱部で熱せら
れた作動流体が放熱部に循環・移動することで顕熱によ
る熱輸送もなされることになる。しかし、この顕熱によ
る熱輸送は、熱媒体液の流れの速さ、管路壁と作動流体
の間の熱伝達等によるものであることから、潜熱による
熱輸送に対してその立ち上がりは遅く、通常、熱伝達の
容量も比較的小さいと思われる。

【００３０】上述のように構成された本実施形態のヒー
トパイプ１０においては、所定の空隙ｈ1、ｈ2を隔てて
離間するプレート１１〜１３の内部にそれぞれプレート
内管路１１ａ〜１３ａが形成され、これらがプレート１
１〜１３を連結する連結部材１６、１７の内部の連通管
路１６ａ、１７ａによって接続されているので、プレー
ト１１〜１３の間に放熱面を容易に確保するとともに、
プレート１１〜１３間における熱輸送をプレート内管路
１１ａ〜１３ａおよび連通管路１６ａ、１７ａによって
迅速に行うことができ、優れた放熱性能を得ることがで
きる。しかも、プレート１１〜１３の間の連通管路１６
ａ、１７ａの配置により折り返した管路２０の間に空隙
を確保したり、管路２０を各プレート１１〜１３内に平
面的に配置した無端管路の接続という形態でなく、複数
のプレートに跨る無端管路として立体的に配置させるよ
うなプレート内管路の形状およびそれら相互の連通接続
も可能である。

【００３１】このように、本実施形態においては、受放
熱面積の比較的大きなヒートパイプにおいてその構成を
簡素にしながらも、放熱性能や熱輸送性能の向上を図る
ことができるものである。

【００３２】なお、本実施形態における各プレート内管
路の形状は図２に示す形状に限らず、図３に示すよう
に、複数の平行管路３１の両端をそれぞれ直交管路３
３、３４で接続した管路３０としたり、図４に示すよう
に、波形に蛇行した管路４１の両端を直線管路４２で接
続した管路４０としたりすることができ、さらに、他の
任意の管路形状にすることができる。勿論、管路の断面
形状も円形に限らず、非円形（例えば矩形、半円形な
ど）断面形状とすることができる。

【００３３】（第２の実施形態）図５は本発明の第２の
実施形態に係るヒートパイプを示す図であり、本発明を
中空丸棒状の２重同軸型ヒートパイプに適用した例を示
している。なお、上述と同一の構成については上述例と
同一の符号を用いて説明する。

【００３４】本実施形態のヒートパイプ５０において
は、管路６０内に上述したヒートパイプ１０と同様の作
動流体２１が気液二相に封入されており、管路６０内に
作動流体２１の多数の液溜り部２１ａと蒸気泡部２１ｂ
とが交互に存在し、その各液溜り部２１ｂによって管路
６０が閉塞されている。

【００３５】また、このヒートパイプ５０は、管状体５
１と、管状体５１の内側又は外側、例えば外側に同軸に
圧入により結合された円筒状の同軸部材５２と、によっ
て多重同軸構造体（同軸な内外複数の軸部材からなる構
造体）として構成されており、これら内外に対向する管
状体５１および同軸部材５２によって管路６０が形成さ
れている。具体的には、管路６０は、管状体５１の軸線
を中心とする螺旋状に形成されており、例えば管状体５
１の外周部に形成された螺旋溝５１ｇと管状体５１の外
周に嵌合した同軸部材５２の円筒内周面５２ａ（嵌入周
面）とによって長方形断面の螺旋状の細長い管路６０が
所定半径の円筒面上に配置されている。

【００３６】さらに、管状体５１の一端側には管状体５
１の軸方向に延びる所定長さの連通管路が６３が配置さ
れており、互いに１８０度位相をずらして同軸配置され
た一対の螺旋管路６１、６２が連通管路６３を介して接
続され、他端側も同様に接続されることによって管路６
０が構成されている。なお、同軸管路６１、６２が管状
体５１の一端部で互いに折り返すように接続されただけ
の構成であってもよい。

【００３７】本実施形態のヒートパイプ５０において
は、管状体５１の外周に管路形成用の螺旋溝５１ｇを例
えば二条のねじ溝を形成する要領で容易に溝加工でき、
その加工が容易であるとともに、多数の直線状ヒートパ
イプを円筒配置したりすることなく容易に大径・長尺の
円筒型ヒートパイプを容易に作製できる。さらに、ヒー
トパイプ５０の軸方向長さの長短にかかわらず、管路６
０の螺旋形状を適宜設定して所要の管路長さを確保する
ことができるとともに、所定の嵌入周面に沿った立体的
な管路配置が可能になる。また、嵌入周面上の管路配置
は、螺旋以外の蛇行や折返し形状等、プレート型の場合
と同様に任意であるから、管路配置の自由度も高くな
る。

【００３８】（第３の実施形態）図６および図７は本発
明の第３の実施形態に係るヒートパイプを示す図であ
り、本発明を大径の多重同軸円筒型ヒートパイプに適用
した例を示している。なお、上述と同一の構成について
は上述例と同一の符号を用いて説明する。

【００３９】本実施形態のヒートパイプ７０においても
作動流体２１が管路８０内に気液二相に封入されてお
り、その管路８０内に作動流体２１の複数の液溜り部２
１ａと蒸気泡部２１ｂとが交互に存在し、各液溜り部２
１ａによって管路８０が閉塞されている。

【００４０】このヒートパイプ７０は、内外に隣接する
３つ以上の管状体、例えば４つの円筒形の管状体７１、
７２、７３、７４を互いに圧入嵌合させて同軸に配置
し、これら管状体７１〜７４により、隣接する各一対の
管状体７１、７２、管状体７２、７３あるいは管状体７
３、７４に沿って同軸的に配置された複数の同軸管路８
１、８２、８３を形成した構成となっている。

【００４１】具体的には、管状体７２、７３、７４の外
周にはそれぞれ軸方向両端部で屈曲した蛇行管路形成用
溝７２ｇ、７３ｇ、７４ｇが形成されており、管状体７
１の円筒内周面７１ａ（嵌入周面）と管状体７２の外周
（溝部７２ｇを含む）の間、管状体７２の円筒内周面７
２ａ（嵌入周面）と管状体７３の外周（溝部７３ｇを含
む）の間、並びに管状体７３の円筒内周面７３ａ（嵌入
周面）と管状体７４の外周（溝部７４ｇを含む）の間
に、それぞれ蛇行した同軸の管路８１、８２、８３が形
成されている。そして、図７に示すように、管状体７２
には内外同軸に配置された管路８１、８２を互いに接続
する半径方向の連通管路８４が、管状体７３には内外同
軸に配置された管路８２、８３を互いに接続する（その
結果管路８１〜８３を相互に接続する）半径方向の連通
管路８５が、それぞれ形成されている。

【００４２】本実施形態のヒートパイプ７０において
は、同軸配置された３つ以上の管状体７１〜７４によっ
て、細長い管路８１〜８３を同軸な円筒面（嵌入周面）
上に配置するとともに、それら同軸の管路８１〜８３同
士を連通管路８４、８５により連通させているので、多
数の直線状ヒートパイプを円筒配置したりすることな
く、大径・長尺のヒートパイプ７０を非常に簡素な構成
で容易に作製することができる。また、管状体７１〜７
４の間における熱輸送を同軸配置された管路８１〜８３
および連通管路８４、８５によって迅速に行うことがで
き、優れた熱輸送性能を得ることができる。さらに、内
外各層の嵌入周面上に配置された管路をそれぞれ容易に
無端管路とすることができ、作動流体の振動や循環によ
る顕熱輸送をも期待できるものとなる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、プレート型や同軸円筒
型の受放熱面積の比較的大きなヒートパイプの構成を簡
素にしながらも、その熱輸送性能の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るヒートパイプを
示すその正面断面図である。

【図２】一実施形態のヒートパイプの管路形状を示す平
面図である。

【図３】第１の実施形態に係るヒートパイプのプレート
内管路の変形態様を示す図２と同様な平面図である。

【図４】第１の実施形態に係るヒートパイプのプレート
内管路の他の変形態様を示す図２と同様な平面図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施形態に係るヒートパイプを
示すその縦断面図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係るヒートパイプの
内部構造を示す一部破断面を含む斜視図である。

【図７】第３の実施形態に係るヒートパイプの横断面図
である。

【符号の説明】

１０、５０、７０ ヒートパイプ １１、１２、１３ プレート １１ａ、１２ａ、１３ａ プレート内管路 １４、１５ フィン １６ａ、１７ａ、８４、８５ 連通管路 ２０、３０、４０、６０、７０、８０ 管路 ２１ａ 液溜り部 ２１ｂ 蒸気泡部 ５１、７１、７２、７３ 管状体 ６１、６２、８１、８２、８３ 同軸管路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の空隙を隔てて互いに離間する複数の
   プレートの内部にそれぞれ管路を形成し、該管路内に作
   動流体の複数の液溜り部と蒸気泡部とが交互に存在し、
   前記プレート内管路同士を互いに連通させる連通管路を
   設けたことを特徴とするヒートパイプ。
2. 【請求項２】前記複数のプレートの間にフィンが設けら
   れたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 【請求項３】２重同軸構造体の軸と軸との間の嵌入周面
   に沿って管路を形成し、該管路内に作動流体の複数の液
   溜り部と蒸気泡部とが交互に存在することを特徴とする
   ヒートパイプ。
4. 【請求項４】少なくとも３つの軸部材からなる多重同軸
   構造体の軸と軸との各嵌入周面に管路を形成し、該管路
   同士を連通させる連通管路を前記軸部材に設け、前記各
   管路内に作動流体の複数の液溜り部と蒸気泡部とが交互
   に存在することを特徴とするヒートパイプ。
5. 【請求項５】前記管路が前記嵌入周面の軸線を中心とす
   る螺旋状に形成されたことを特徴とする請求項３又は４
   に記載のヒートパイプ。