JP2002327992A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一対の金属板間にヒートパイプが確実に固定
されているとともに、高い熱伝導率を備えた、特にリニ
アステージを冷却する冷却板としての熱交換装置を提供
する。 【解決手段】 対向的に組み合わせられる金属板１０，
２０の内面側にヒートパイプ３０を収納するパイプ収納
溝１１，２１を形成し、互いのパイプ収納溝１１，２１
を組み合わせたとき、パイプ収納溝１１，２１の組み合
わせ断面が多角形状になるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばリニアモー
ターコイルの冷却に用いられる熱交換装置に関し、さら
に詳しくいえば、対向的に組み合わされる一対の金属板
の内面間にヒートパイプを配置してなる熱交換装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、リニアモータの技術は、
種々の分野に取り入れられており、その１つに、工作機
械のワーク送り用リニアステージがある。リニアステー
ジは、従来の機械式ステージに比べ、高精度かつ複雑な
動きを高速に行うことができ、作業の高効率化を図るこ
とが可能である。

【０００３】通常、リニアステージを駆動させた場合、
リニアコイルには熱が発生するため、冷却を要する。そ
の冷却方法には、大別してリニアコイル間に冷却パイプ
をジグザグ状に配管して、コイルと冷却パイプを高熱伝
導性樹脂でモールドする方法や、冷却手段を有する冷却
板をリニアコイルに添設する方法などがあるが、とりわ
け後者はコスト的な面からも有用な方法として好ましく
採用されている。

【０００４】冷却手段としては、冷却板にポンプなどを
使って冷却液を循環する冷却パイプを使用する方法や、
密閉管内に封入された作動液の蒸発・凝縮による熱サイ
クルを利用したヒートパイプを使用する方法などがあ
る。特にヒートパイプは、ポンプなどの外部動力を必要
とせず、メンテナンスフリーであるため有用である。

【０００５】ヒートパイプを取り付けるにあたっては、
１対の冷却板間の対向面にその外径よりも若干大きなパ
イプ収納溝を形成しておき、その中にヒートパイプを収
納した後にその隙間にシリコングリースなどの高熱伝導
性充填材を充填することにより、熱伝導率の低下を防ぐ
とともに、併せてパイプ収納溝内での移動を防止するよ
うにしている。

【０００６】ところで、このリニアステージは非常に高
速に移動可能である反面、その最大衝撃加速度が１２Ｇ
程度になることもある。したがって、これに取り付けら
れる冷却板にも同様の衝撃加速度が加わり、さらに冷却
板内の冷却手段にも同様に負荷がかかる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな高い加速度を高頻度で動作させた場合には、いくら
充填材を封入することで移動が防止されているとはい
え、ヒートパイプはパイプ収納溝内で移動してしまうお
それがある。

【０００８】ヒートパイプが冷却板内を移動すると、そ
の外径が摩耗によってさらに小さくなるため、より移動
しやすくなるばかりでなく、さらに摩耗することによ
り、最悪の場合、管破壊に至るおそれもある。

【０００９】そこで、本発明は上述した課題を解決する
ためになされたものであって、その目的は、一対の金属
板間にヒートパイプが確実に固定されているとともに、
高い熱伝導率を備えた、特にリニアステージを冷却する
冷却板としての熱交換装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明は、対向的に組み合わせられる一対の金属
板の内面間に、ヒートパイプを配置してなる熱交換装置
において、上記一対の金属板の各内面側には、互いに組
み合わされて上記ヒートパイプの外径よりも小径な内接
円をもつ断面多角形状のパイプ収納溝が形成されてお
り、上記ヒートパイプは、その周方向の一部が変形され
て上記パイプ収納溝内に収納されていることを特徴とし
ている。

【００１１】これによれば、ヒートパイプの一部がパイ
プ収納溝の多角形状の各辺によって均等に変形されるこ
とにより、パイプ収納溝内でヒートパイプが移動するの
を効果的に防止でき、さらにその空隙間に充填材を均等
に注入することができるため、熱伝導率の低下も防止で
きる。

【００１２】パイプ収納溝を金属板の内面側にそれぞれ
２分して形成する場合には、上記パイプ収納溝は６角も
しくは８角の多角形状であることが好ましい。これによ
れば、５角形などの複雑な形状よりも簡単に作成するこ
とができる。

【００１３】さらに多軸的な移動を規制するためには、
上記パイプ収納溝の内周面には、中心方向に向けて突設
された上記ヒートパイプの移動防止用の凸部がさらに設
けられていることが好ましく、より好ましくは、上記凸
部は上記内周面に沿って環状に設けられていることが好
ましい。これによれば、ヒートパイプの軸方向に沿った
移動が規制され、さらに確実に固定することができる。

【００１４】上記金属板の少なくとも一方には、上記パ
イプ収納溝内に充填材を充填するための充填孔が設けら
れており、これによれば、充填材をパイプ収納溝内部に
均等に充填することができる。

【００１５】リニアステージに熱影響を与えないため、
上記金属板のいずれか一方は、高い熱伝導率を有する材
料からなり、いずれか他方の上記金属板は、上記一方の
金属板よりも低い熱伝導率を有する材料から構成して、
熱伝導率の低い面をリニアステージ側に添設すれば、熱
影響を抑えることができる。

【００１６】いずれか一方の上記金属板の外周面には、
上記外周面に対向的に組み合わせられる第３の金属板を
備え、上記外周面と上記第３の金属板の内周面との間に
は、冷却液を循環する冷却パイプが収納される冷却パイ
プ収納溝がさらに形成されていてもよく、これによれ
ば、ヒートパイプで吸収した熱を冷却板外へ効率的に運
び出すことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。まず、図１〜図３を参
照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は
平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ
−Ｂ線断面図である。なお、以下の各実施形態におい
て、熱交換装置はリニアステージに用いられる冷却板と
して用いられるものである。

【００１８】この冷却板１は、互いに対向的に組み合わ
せられる平板状をなす一対の金属板１０，２０を備えて
いる。材質は、例えばアルミニウム合金やベリリウム合
金などの熱伝導率が高い材料が好ましい。この実施形態
において、金属板１０，２０はともに同厚であるが、一
方が薄く他方が厚くてもよく、組み合わせたときの所望
の厚さによって任意に選択される。

【００１９】金属板１０，２０の対向する各内面側に
は、ヒートパイプ３０の形状、この実施形態では丸棒状
に沿ってパイプ収納溝１１，２１が、１つの冷却板１に
対して平行に２箇所設けられている。パイプ収納溝１
１，２１は、互いに組み合わせたとき、ヒートパイプ３
０の軸線に対する直交断面が多角形状になるように形成
されている（図３参照）。

【００２０】この実施形態において、パイプ収納溝１
１，２１は、それぞれ正８角形を中央で２分割した形状
をしている。パイプ収納溝１１，２１は多角形状であれ
ば特に限定されないが、２ｎ倍（ｎは整数）の多角形、
すなわち６角形や８角形などがより好ましく、これによ
れば、各パイプ収納溝１１，２１をそれぞれ対称に形成
すればよいため、作業性がよい。

【００２１】パイプ収納溝１１，２１は、互いに組み合
わされた状態での内接円が後述するヒートパイプ３０の
外径よりも小径になるよう設計されている。これによれ
ば、パイプ収納溝１１，２１の辺に沿ってヒートパイプ
３０が均等に微少変形することにより、パイプ収納溝１
１，２１内にガタツキなく収納することができる。

【００２２】ヒートパイプ３０は、銅管などの熱伝導性
のよい金属パイプの両端を塞いで、その中に水や代替フ
ロンなどの作動液を封入したものによって構成されてい
る。本発明において、ヒートパイプ３０の構成は一般的
なものであってよく、あくまで任意的な構成要素であ
る。この実施形態では、銅−水タイプの丸棒状ヒートパ
イプを用いている。

【００２３】冷却板１を製造するには、まず、金属板１
０，２０をそれぞれプレス手段などに取り付け、一方の
パイプ収納溝１１，２１に沿ってヒートパイプ３０を配
置する。次に、プレス手段を作動させ、金属板１０，２
０同士を互いに向き合うように徐々に押し付けていき、
完全に組み合った状態で金属板１０，２０をボルトなど
で均等に締め付けて一体化する。

【００２４】このとき、ヒートパイプ３０はパイプ収納
溝１１，２１内に押し込まれるにつれて、パイプ収納溝
１１，２１の各辺によって均等に微少変形する。この実
施形態でにおいて、そのつぶし代は、φ８，φ６のヒー
トパイプ３０を用いた場合、パイプ収納溝１１，２１の
内接円を１００％としたとき、変形後の割合が六角形の
場合で９３％、八角形の場合が９５％程度となってい
る。

【００２５】ヒートパイプ３０とパイプ収納溝１１，２
１との間に形成される空隙には、シリコングリースなど
の熱伝導性の高い充填材が充填されている。なお、充填
材は、熱伝導性がよく、充填性がよいものであれば特に
制限なく用いることができる。この第１実施形態では、
予想空隙率を算出して、あらかじめパイプ収納溝１１，
２１にグリースを塗り込んでおき、その状態でヒートパ
イプ３０ごとプレス成形している。

【００２６】ここで、この冷却板１のもう１つの作用効
果としては、パイプ収納溝１１，２１を多角形状に設計
したことにより、ヒートパイプ３０の変形が均等に行わ
るため、ヒートパイプ３０と収納溝１１，２１との間に
形成される空隙が規則的に形成される。これによれば、
充填される充填材も空隙内で偏ることなくまんべんなく
行き渡らせることができる。

【００２７】次に、図４の平面図および図５の断面図を
用いて、上記第１実施形態の変形例について説明する。
この変形例においても、一対の金属板１０，２０の各内
面側に形成されたパイプ収納溝１１，２１内にヒートパ
イプ３０を収納する構成となっているが、この場合、下
側の金属板２０の長手方向の両端側には、パイプ収納溝
２１内に連通する充填孔２２，２２が設けられている。

【００２８】すなわち、この充填孔２２，２２は、金属
板１０，２０を組み合わせてヒートパイプ３０と一体化
した後に、パイプ収納溝１１，２１とヒートパイプ３０
との間の空隙に充填材を充填するための充填孔である。

【００２９】充填材を充填するに当たっては、一方から
充填材を注入していき、他方を負圧などで吸い込むこと
により、空隙内に充填材が効率よく注入される。注入後
は、充填孔２２，２２にボールキャップ２２１，２２１
を差し込むことにより、充填材の封入が完了する。

【００３０】この実施形態では、下側の金属板２０に充
填孔２２を設けているが、図６に示すように、上側の金
属板１０に充填孔１２，１２を設けてもよく、さらに
は、その充填孔１２，１２を板厚方向に垂直に形成して
もよい。このような態様も本発明には含まれる。

【００３１】この他にヒートパイプ３０の移動を規制す
る方法としては、図７に示すように、パイプ収納溝１
１，２１の両端側に例えばウレタンゴムなどの弾性材料
からなる緩衝材４０をヒートタイプ３０との間に介装さ
せて、さらにその空隙に充填材を充填してもよい。これ
によれば、ヒートパイプ３０を傷つけずに簡単に移動を
防止できる。

【００３２】また、図８に示すように、金属板１０，２
０の両端に半円状のネジ孔１３，２３を設け、これらを
組み合わせてネジ孔を形成し、このねじ孔１３，２３に
ネジ５０，５０を螺合してヒートパイプ３０の両端を押
し付けるように固定してもよい。

【００３３】なお、ネジ５０を直接ヒートパイプ３０に
押し付けたのでは、ヒートパイプ３０が傷つくおそれが
あるため、上記図７のように間に弾性材からなる緩衝材
４０を介装してもよい。

【００３４】図９および図１０には、本発明の第２実施
形態に係る冷却板が示されている。この冷却板１ａも上
記実施形態と同じく上下一対の金属板１０，２０を備
え、それらを対向的に配置したとき、対向する内面側に
ヒートパイプ３０を収納するためのパイプ収納溝１１，
２１がそれぞれ設けられている。この実施形態において
も、パイプ収納溝１１，２１は、組み合わせたときに断
面多角形状になるように設けられている。

【００３５】パイプ収納溝１１，２１には、その軸方向
に沿って所定の間隔で凸部１１１，２１１が複数、この
実施形態では等間隔で計４カ所設けられている。凸部１
１１，２１１は、収納されるヒートパイプ３０の軸方向
に向けて突設し、さらにパイプ収納溝１１，２１の内周
面に沿って環状に設けられている。

【００３６】この第２実施形態において、凸部１１１，
２１１は内周面に沿って環状に設けられているが、例え
ばエンドミルにてパイプ収納溝１１，２１を削り出しな
がら、その先端を間欠的に上下動させることで凸部１１
１，２１１を形成することも可能であり、特に全周にわ
たって凸部１１１，２１１を設ける必要はない。

【００３７】これによれば、パイプ収納溝１１，２１に
嵌め込まれたヒートパイプ３０は、図１０に示すように
凸部１１１，２１１に相対する位置において、その一部
が凸部１１１，２１１に沿って押し出されることによ
り、さらに強固に固定することができる。なお、図面上
ではその変形状態を説明しやすくするため、極端に表現
しているが、実際は初期径の数％程度の変形量である。

【００３８】また、この第２実施形態においても、パイ
プ収納溝１１，２１とヒートパイプ３０との間の空隙に
は、金属板１０，２０との密着性をよくするために充填
材が充填されている。その充填方法は上述した方法であ
ってもよく、さらに上記図６〜図８で説明した手段を組
み合わせてもよい。

【００３９】図１１および図１２は、本発明の第３実施
形態に係る正面図およびそのＡ−Ａ線断面図である。な
お、この第３実施形態においても、上下一対の金属板１
０，２０にヒートパイプ３０を組み込む基本的な構成は
上記各実施形態と同じであるため、その詳細な説明は省
略する。

【００４０】この実施形態において特徴的なことは、上
記一対の金属板１０，２０に加えて、さらに第３の金属
板６０を備えていることである。すなわち、第３の金属
板６０は、上側の金属板１０の外面側に対向的に組み合
わされる平板状からなり、金属板１０のいずれか一方の
側面、この実施形態では左側面に沿って設けられてい
る。

【００４１】金属板１０と、第３の金属板６０との対向
面には、金属パイプ（冷却パイプ）７０の配管経路に沿
って冷却パイプ収納溝１４，６１が形成されている。冷
却パイプ収納溝１４，６１はそれぞれ半球面の樋溝であ
って、この実施形態では、正面から見てＵ字状に形成さ
れている。

【００４２】冷却パイプ収納溝１４，６１内に収納され
る、冷却パイプ７０は銅などの高熱伝導性金属からなる
金属パイプであって、そのパイプ内には一端から他端に
かけて冷却液が図示しない循環手段によって循環してい
る。

【００４３】この第３実施形態において、冷却パイプ収
納溝１４，６１は冷却パイプ７０の外径よりも若干大き
めに形成されている。したがって、冷却パイプ７０を冷
却パイプ収納溝１４，６１に収納するには、冷却パイプ
７０を冷却パイプ収納溝１４，６１に収納し、金属板１
０，６０を固定する。

【００４４】そして、冷却パイプ７０の両端を図示しな
い加圧手段に接続し、冷却パイプ７０内に所定の液圧を
かけて、冷却パイプ７０を拡径させて冷却パイプ収納溝
１４，６１内に密着させる。これによれば、金属同士の
密着により、熱伝導率はきわめてよくなる。

【００４５】この実施形態において、第３の金属板６０
は、金属板１０とほぼ同厚さの板体に半球状の冷却パイ
プ収納溝６１を形成しているが、例えば金属板１０側を
Ｕ字状に深く形成して、第１の金属板６０で蓋をするよ
うにしてもよい。これによれば、ヒートパイプ３０を有
する金属板１０側に冷却パイプ７０が配管されるため、
熱がダイレクトに伝わり、より熱交換効率がよくなる。

【００４６】このような構成の冷却板１は、冷却板１上
に載置された発熱体ＨＢからの熱をヒートパイプ３０の
右側で吸収することで、ヒートパイプ３０内の作動液が
蒸発され、ヒートパイプ３０内を移動し、左側で凝縮・
発熱される。ヒートパイプ３０から放出された熱は、冷
却パイプ７０によって熱交換され、冷却パイプ７０内を
循環する冷却液によって冷却板１外へと運び出される。

【００４７】なお、図１３に示すように、この冷却板１
ｂを実際にステージＳ上に載置してする場合には、冷却
板１からステージＳに熱が伝播しないように、金属板２
０とステージＳとの間に金属板１０よりも熱伝導率が低
い断熱スペーサー８０を介装させることが好ましい。断
熱スペーサー８０としてきわめて熱伝導率の低い樹脂板
などが考えられる。

【００４８】これ以外に、下側の金属板２０を上側の金
属板１０よりの熱伝導率の低い材料で構成しても同様の
効果が得られる。このような態様も本発明に含まれる。
なお、下側の金属板２０を低い熱伝導率の材料で構成す
ることは、上記第１および第２実施形態に適用してもよ
い。

【００４９】なお、上記各実施形態において、ヒートパ
イプ３０は丸棒状のものを例示して説明しているが、こ
れ以外に扁平な棒状を有するヒートパイプであってもよ
く。この場合、パイプ収納溝は、扁平な多角形状に形成
すればよく、このような態様も本発明に含まれる。

【００５０】また、上述した各実施形態を説明するにあ
たり、本発明の熱交換装置はリニアステージに用いられ
る冷却板１〜１ｂについて例示するとしたように、これ
以外の熱交換用途として使用可能なものであれば、その
設置場所や用途は特に限定されない。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
一対の金属板の内面間に、ヒートパイプを配置してなる
熱交換装置において、金属板の各内面側には、互いに組
み合わされてヒートパイプの外径よりも小径な内接円を
もつ断面多角形状のパイプ収納溝が形成されており、ヒ
ートパイプはその周方向の一部が変形されて上記パイプ
収納溝内に収納されていることにより、構造的に熱伝導
率が低下しにくく、さらにリニアステージなどの大きな
衝撃加速度が加わっても、ヒートパイプを金属板内に確
実に固定しておくことができる。

【００５２】さらに、パイプ収納溝内に凸部を設け、ヒ
ートパイプの組み付け時にヒートパイプの一部を凸部に
沿って変形させることにより、さらに多軸的な移動を規
制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る冷却板の正面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図。

【図４】上記第１実施形態の変形例を示す正面図。

【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図。

【図６】上記第１実施形態の変形例を示す断面図。

【図７】上記第１実施形態の変形例を示す断面図。

【図８】上記第１実施形態の変形例を示す断面図。

【図９】本発明の第２実施形態に係る冷却板の分解断面
図。

【図１０】上記第２実施形態の冷却板を組み合わせた状
態の断面図。

【図１１】本発明の第３実施形態に係る冷却板の正面
図。

【図１２】図１１のＤ−Ｄ線断面図。

【図１３】上記第３実施形態の冷却板をステージ上に載
置した状態を示す断面図。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ 冷却板 １０，２０ 金属板 １１，２１ パイプ収納溝 ３０ ヒートパイプ ４０ 緩衝材 ５０ ネジ ６０ 第３の金属板 ６１ 冷却パイプ収納溝 ７０ 冷却パイプ ８０ 断熱スペーサー ＨＢ 発熱体 Ｓ ステージ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向的に組み合わせられる一対の金属板
   の内面間に、ヒートパイプを配置してなる熱交換装置に
   おいて、 上記一対の金属板の各内面側には、互いに組み合わされ
   て上記ヒートパイプの外径よりも小径な内接円をもつ断
   面多角形状のパイプ収納溝が形成されており、上記ヒー
   トパイプは、その周方向の一部が変形されて上記パイプ
   収納溝内に収納されていることを特徴とする熱交換装
   置。
2. 【請求項２】 上記パイプ収納溝は、６角もしくは８角
   の多角形状である請求項１に記載の熱交換装置。
3. 【請求項３】 上記パイプ収納溝の内周面には、中心方
   向に向けて突設された上記ヒートパイプの移動防止用の
   凸部がさらに設けられている請求項１または２に記載の
   熱交換装置。
4. 【請求項４】 上記凸部は、上記内周面に沿って環状に
   設けられている請求項３に記載の熱交換装置。
5. 【請求項５】 上記金属板の少なくとも一方には、上記
   パイプ収納溝内に充填材を充填するための充填孔が設け
   られている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱
   交換装置。
6. 【請求項６】 上記金属板のいずれか一方は、高い熱伝
   導率を有する材料からなり、いずれか他方の上記金属板
   は、上記一方の金属板よりも低い熱伝導率を有する材料
   からなる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱交
   換装置。
7. 【請求項７】 いずれか一方の上記金属板の外周面に
   は、上記外周面に対向的に組み合わせられる第３の金属
   板を備え、上記外周面と上記第３の金属板の内周面との
   間には、冷却液を循環する冷却パイプが収納される冷却
   パイプ収納溝がさらに形成されている請求項１ないし６
   のいずれか１項に記載の熱交換装置。