JP2003222480A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属製のコンテナの円筒状内面に螺旋状の多
数の溝を有するヒートパイプであって、熱伝達率および
限界熱輸送量の一層の向上を図ることができる加工性の
良いヒートパイプを提供することにある。 【解決手段】断面内形がほぼ円形である金属製のコンテ
ナ１の内面に、当該コンテナ１の軸線に対して５〜５０
°のリード角θを有しかつ溝深さｈが０．２ｍｍ以上の
多数の平行な溝１０を形成し、前記溝深さｈと各溝１０
の底部が形成する前記コンテナ１の内径ｄとの比ｈ／ｄ
を０．０２０〜０．０８０としたことを特徴としてい
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す
るものであり、さらに具体的には、断面内形が円形であ
る金属製のコンテナの内面に多数の平行な微細溝が形成
されたヒートパイプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のヒートパイプは、水平方向に対
して垂直状態又は傾斜させ、蒸発部を下方にした状態で
主として機器類に組み込まれた発熱体の冷却に使用さ
れ、コンテナ内に形成された溝（グルーブ）の毛細管力
で内部の作動液（純水等）を蒸発部に移動させることに
より、熱輸送を行う構造である。例えば特開平８−１４
７８５号公報には、金属管の内周面に軸線方向に沿って
延び、かつ、溝深さが１０〜１００μｍとなるように溝
および突条を形成した伝熱管が提案されている。また、
例えば実開昭５６−１４９２８８号公報には、金属管の
内面へ螺旋状に多数の案内溝を形成したヒートパイプが
提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−１４７８５号で開示されている伝熱管は、内面溝の
溝深さが浅く管内周面積の増加率が小さいため、高入力
時の蒸発部熱伝達率および使用状態での傾斜角が大きい
場合の限界熱輸送量が小さい。他方、実開昭５６−１４
９２８８号公報で開示されているヒートパイプは、前述
のように内面に螺旋状に案内溝が形成されているもので
あるが、溝形状、特に溝深さによっては十分な性能向上
が達成されなかった。

【０００４】本発明の目的は、金属製のコンテナの円筒
状内面に螺旋状の多数の溝を有するヒートパイプであっ
て、一層の性能（熱伝達率および限界熱輸送量）向上を
図ることができる加工性の良いヒートパイプを提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るヒートパイ
プは、前述の課題を解決するため以下のように構成した
ものである。すなわち、請求項１に記載のヒートパイプ
は、断面内形がほぼ円形である金属製のコンテナ１の内
面に、当該コンテナ１の軸線に対して５〜５０°のリー
ド角θを有しかつ溝深さｈが０．２ｍｍ以上の多数の平
行な溝１０を形成し、前記溝深さｈと各溝１０の底部が
形成する前記コンテナ１の内径ｄとの比ｈ／ｄを０．０
２０〜０．０８０としたことを特徴としている。

【０００６】請求項２に記載のヒートパイプは、請求項
１のヒートパイプにおいて、前記各溝１０相互間の各突
条１１の根元方向部分の側面に、当該突条１１の頂部方
向部分の側面に対して末広がり状になるように緩斜面部
１１ａを形成し、当該緩斜面部１１ａの溝底からの高さ
ｈｔを溝深さｈの１／２以下としたことを特徴とするも
のである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら、本発明
に係るヒートパイプの好ましい実施形態を説明する。 第１実施形態 図１は本発明に係る第１実施形態のヒートパイプの部分
断面図、図２は図１のヒートパイプの矢印Ａ−Ａに沿う
部分拡大断面図である。

【０００８】このヒートパイプは、蒸発部で液涸れを起
こさないように、少なくとも一部が水平方向に対して５
°以上（９０°まで）傾斜し、蒸発部を凝縮部よりも下
位に位置させた状態で使用されるものであって、銅又は
銅合金からなるコンテナ１はほぼ円筒状である。コンテ
ナ１の円筒状内面には、当該コンテナ１の軸線（長さ方
向）に対するリード角θが５〜５０°である多数の平行
な溝１０が形成されており、溝１０相互間には溝深さｈ
に対応する高さの突条１１がそれぞれ形成されている。

【０００９】各溝１０の溝深さｈは０．２ｍｍ以上であ
って、溝深さｈと、各溝１０の底部が形成するコンテナ
１の内径ｄ（図１）との比ｈ／ｄは、０．０２０〜０．
０８０の範囲内である。図２で示すように、コンテナ１
の展開状態における各溝１０の断面は逆台形形状であっ
て、各突条１１の頂角βは鋭角である。

【００１０】この実施形態のヒートパイプを製造するに
は、例えば、金属管の内面に前述のような溝１０を加工
した後、金属管を所定長さに切断したコンテナ１の片端
を封止し、当該コンテナ１内に所定量の作動液を注入
し、その内部を脱気しつつ当該コンテナ１の他端部を封
止する。金属管の内面に溝１０を加工するには、外周面
に突条１１や溝１０に対応する螺旋状の溝ないし突条を
有する図示しない溝付プラグを金属管内へ回転自在に挿
入し、当該金属管を前記溝付プラグの位置よりも上流側
に配置した図示しないダイスに通して引抜きながら、前
記溝付プラグに対して複数のロール又はボールからなる
図示しない転造工具を金属管に押し当てて公転させつつ
自転させ、溝付プラグの外周面の溝ないし突条を金属管
の内面に転写する。

【００１１】ヒートパイプは、内部の毛細管力により限
界熱輸送量が、また蒸発部および凝縮部の液膜厚さによ
り熱伝達率が、それぞれ大きく変化する。前記実施形態
のヒートパイプによれば、内面に形成された溝１０のリ
ード角θが５〜５０°で、溝深さｈが０．２ｍｍ以上で
あり、かつ、溝深さｈと溝底部が形成するコンテナ１の
内径ｄとの比ｈ／ｄが０．０２０〜０．０８０の範囲内
であるので、限界熱輸送量および熱伝達率がともに向上
する。

【００１２】コンテナ１の軸線に対する溝１０のリード
角θが５°未満では、蒸発部で蒸発して凝縮部へ移動す
る作動液の蒸気が、凝縮部で凝縮した作動液の蒸発部へ
の戻りを阻害しやすく、沸騰限界を早める。他方、溝１
０のリード角θが５０°を超えると、凝縮部から蒸発部
への作動液の戻りが遅くなり、凝縮部での熱伝達率が低
下する。また、内面に溝加工する際に、溝付プラグの溝
が破損し易くなることや溝付プラグの損耗が激しくなる
ことなどにより加工性が低下し、加工コストが増大す
る。

【００１３】溝深さｈが０．２ｍｍ未満では、溝１０を
螺旋状に形成した効果（限界熱輸送量の増大）が十分に
得られない。これは、溝が浅いことにより毛細管力が著
しく低下し、さらに凝縮液の流路通過時に、その流れが
逆方向に移動する蒸気によって影響され易くなることに
よるものと考えられる。

【００１４】溝深さｈと溝底が形成するコンテナ内径ｄ
との比ｈ／ｄが０．２０未満では、溝１０による熱伝達
率および限界熱輸送量の向上が不十分である。他方、溝
深さｈとコンテナ内径ｄとの比ｈ／ｄが０．０８０を超
えると、加工性が著しく低下し、溝加工中に溝付プラグ
の溝や金属管の破損が発生することがある。したがっ
て、前記の比ｈ／ｄは０．０２０〜０．０８０の範囲内
とすることが必要であるが、より好ましくは、これを
０．０２９〜０．０７０の範囲内に設定することによ
り、より顕著な性能の向上と安定した加工性が得られ
る。

【００１５】さらに、溝深さｈは０．２０ｍｍ以上とす
る必要があるが、より好ましくは、０．２６ｍｍ以上と
することにより、溝内のメニスカスの状態から、毛細管
力の効果、さらには流路通過時に凝縮液の流れが逆方向
に移動する蒸気によって影響を受けず、一層顕著な効果
が発揮される。

【００１６】その他の実施形態 図３の（ａ），（ｂ），（ｃ）各図は、ヒートパイプ内
のそれぞれ異なる形態の突条を示す部分拡大断面図であ
る。（ａ）図において、溝１０，１０相互の間の突条１
１はその頂角βが鋭角であり、各突条１１の根元方向部
分の両側面には、当該突条１１の頂部方向部分における
側面に対して末広がり状になるように緩斜面部１１ａが
形成されている。図示の形態の緩斜面部１１ａはそれぞ
れ単一の平滑な傾斜面であり、緩斜面部１１ａ相互が形
成する角度β１は、突条１１の頂角βよりも大きく設定
されている。前記緩斜面部１１ａの溝底からの高さｈｔ
は、溝深さｈの１／２以下に設定されている。

【００１７】図３（ａ）図で示した実施形態のヒートパ
イプによれば、各突条１１の根元方向の側面には、その
上方（コンテナ１の軸心方向）の側面傾斜に対して末広
がり状になるように緩斜面部１１ａが形成されており、
かつ、緩斜面部１１ａの溝底からの高さｈｔが溝深さｈ
の１／２以下に設定されているので、溝深さｈが深くて
も、前述のような金属管内への溝加工時に溝付プラグの
溝内に金属材料が押し込まれる際、金属材料の流れがよ
り円滑で塑性加工が迅速・容易になるとともに、溝付プ
ラグなどの工具の消耗が抑制されそれらの寿命が向上す
る。ただし、緩斜面部１１ａの溝底からの高さｈｔが溝
深さｈの１／２を超えると、溝深さｈを深くした（突条
１１の高さを高くした）効果が緩斜面部１１ａにより減
殺され、その性能が相対的に低下する。

【００１８】図３（ａ）図の形態は、突条１１の根元方
向の側面の緩斜面部１１ａは単一の平面により形成され
ているが、この緩斜面部１１ａは、（ｂ）図のように複
数の平面的な傾斜面からなる断面多角形状であっても、
あるいは、（ｃ）図のように単一の円弧状の傾斜面で構
成されていても差し支えない。

【００１９】図１〜図３各図に示した実施形態のヒート
パイプでは、溝１０がコンテナ１の軸心方向に向かって
ほぼ逆台形を呈するように、すなわち突条１１の頂部方
向部分の両側面が傾斜するように形成したが、溝加工時
の加工性を阻害しない限り、突条１１の前記側面は垂直
に形成することができる。

【００２０】前記各実施形態のヒートパイプでは、内面
の溝１０の全容量に対して９０〜６００ｖｏｌ％の作動
液を封入することにより、限界熱輸送量および熱伝達率
のいずれの面においてもより安定した性能を発揮させる
ことができる。また、コンテナ１の材質を銅および銅合
金とすることにより、熱伝達率がより向上し、前述の各
効果が一層良く発揮される。さらに、作動液には潜熱の
大きい水を使用することが、限界熱輸送量の一層の向上
を図り、かつ、フロンなどの化学物質と異なって環境に
無害である意味でより好ましい。

【００２１】試験例−１ 表１で示すように、外径＝１５．８８ｍｍ，溝底肉厚ｔ
＝０．５ｍｍ，溝数＝４５，突条の頂角β＝４０°であ
って、リード角θと溝深さｈが種々異なった銅管からな
る各コンテナ内に、内面溝の全容量に対して２５０ｖｏ
ｌ％の純水（作動液）を封入した全長４００ｍｍのヒー
トパイプのサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１５を試作した。
Ｎｏ．１〜１１は本発明の実施例のサンプルであり、そ
の他は比較例のサンプルである。

【００２２】前記各サンプルのヒートパイプについて、
限界熱輸送量を以下の要領で測定した。図４で示されて
いるように、垂直（９０°）に設置したヒートパイプ
１’の下部側１００ｍｍの蒸発部１ａにヒータ２を巻き
付け、入熱ムラが生じないように当該蒸発部１ａ全体を
伝熱セメント２ａで覆った。他方、ヒートパイプ１’の
上部側２０５ｍｍの凝縮部１ｂを、下部に流入口３１を
有し上部に流出口３０を有する流水ユニット３内に配置
した。ヒートパイプ１’の中央部９５ｍｍを断熱部１ｃ
とし、この断熱部１ｃと前記蒸発部１ａの外周にテープ
状の断熱材４を巻き付けて完全に覆い、これらの部分か
ら放熱されないように十分に断熱した。そして、断熱部
１ｃ中央の外表面側の温度を作動液温度として５０℃に
保ちつつ、ヒータ２の加熱量と流水ユニット３内の流水
の放熱量を次第に増加させ、蒸発部１ａ側の温度が急上
昇してヒートパイプが作動しなくなる直前のヒータ２の
加熱量を求め、これを限界熱輸送量とした。

【００２３】ヒータの加熱量と冷水の放熱量を監視する
ためのヒートパイプの表面温度は、蒸発部１ａでは、軸
線方向に沿って１６ｍｍ，４０ｍｍ，６４ｍｍおよび８
８ｍｍの各レベル位置で四箇所、各レベル位置における
管周方向で三箇所、都合十二箇所で測定した。他方、凝
縮部１ｂでは、軸線方向に沿って２１８ｍｍ，２６４ｍ
ｍ，３１０ｍｍ，３５６ｍｍの各レベル位置で四箇所、
管周方向で三箇所、都合十二箇所で測定した。また、断
熱部１ｃではその軸線方向の中央部において管周方向の
三箇所で温度を測定した。

【００２４】前述のように測定した各ヒートパイプの限
界熱輸送量と、それらのヒートパイプにおけるコンテナ
の溝の加工性の評価とを表１に示した。限界熱輸送量
は、溝のリード角θが０°で比較例の一つであるＮｏ．
１２の限界熱輸送量を１とした場合の比でそれぞれ表し
た。加工性の評価は、それぞれ複数回溝加工試験を行
い、いずれも溝加工が支障なく行われたケースを○印、
数回の加工試験中の一部で溝加工中に溝付プラグが破損
したケースを△印、全ての加工試験で溝加工中に溝付プ
ラグが破損したケースを×印を付して示した。

【００２５】表１

【００２６】本発明の実施例であるＮｏ．１〜１１は、
いずれも比較例であるＮｏ．１２〜１５よりも、限界熱
輸送量が優れていた。これに対し、比較例であるＮｏ．
１２は溝のリード角θが０°であるため、Ｎｏ．１３は
溝のリード角θが５５°と大きく蒸発部への凝縮液の戻
りが蒸気により阻害されるため、Ｎｏ．１４は溝深さｈ
とコンテナ内径ｄとの比ｈ／ｄが小さいため、各実施例
のサンプルと比較していずれも限界熱輸送量が低下して
いる。また、比較例であるＮｏ．１３は溝のリード角θ
が大きいため、溝加工中に溝付プラグの溝が破損するケ
ースがあった。さらに、比較例であるＮｏ．１５は溝深
さｈが深すぎるため、溝加工試験の全てのケースで加工
中に溝付プラグの溝が破損し、溝加工ができなかった。

【００２７】試験例−２ 以下のような四種の溝付プラグを試作した。 溝付プラグ（イ） 溝数＝４５、突条１１の頂角β＝４０°、溝１０のリー
ド角θ＝２０°、溝深さｈ＝０．６ｍｍの溝が素管内に
加工できるように設計された溝付プラグ。 溝付プラグ（ロ） 突条１１の根元方向部分両側の緩斜面部１１ａの高さｈ
ｔ＝ｈ／３、緩斜面部１１ａ相互が形成する角度β１＝
９０°であって、他は溝付プラグ（イ）と同様な溝が素
管内に加工できるように設計された溝付プラグ。 溝付プラグ（ハ） 突条１１の根元方向部分両側の緩斜面部１１ａの高さｈ
ｔ＝ｈ／２であって、他は溝付プラグ（ロ）と同様な溝
が素管内に加工できるように設計された溝付プラグ。 溝付プラグ（ニ） 突条１１の根元方向部分両側の緩斜面部１１ａの高さｈ
ｔ＝２ｈ／３であって、他は溝付プラグ（ロ）と同様な
溝が素管内に加工できるように設計された溝付プラグ。

【００２８】前記溝付プラグ（イ）を使用して、通常の
引抜き速度で銅素管内に溝加工したコンテナにより、外
径＝１５．８８ｍｍ、溝底肉厚ｔ＝０．５ｍｍ、全長４
００ｍｍのヒートパイプのサンプル（１）を試作すると
ともに、前記溝付プラグ（イ）〜（ハ）を使用し、通常
の２．０倍の引抜き速度で銅素管内に溝加工することに
より、同様なヒートパイプのサンプル（２）〜（５）を
試作した。前記サンプル（１）〜（５）の各ヒートパイ
プについて、試験例１と同様な要領で限界熱輸送量を測
定するとともに、それらのコンテナの溝加工状態を評価
した。表２に、サンプル（１）の限界熱輸送量を１とし
たときの限界熱輸送量比と、各コンテナの溝加工状態を
示した。溝加工状態の評価は、設計通りに突条１１が加
工されていたケースを○、設計通りに突条１１が加工で
きていなかったケースを△でそれぞれ示した。

【００２９】表２

【００３０】表２で示す結果によれば、Ｎｏ．（２）は
溝深さｈが前述のように０．６ｍｍと深いため、溝加工
の際の素管の引抜き速度が速いと、引抜き時に溝付プラ
グの溝内に素管の金属材料が充満せず、コンテナに突条
１１が設計通りに加工されず、限界熱輸送量が低下し
た。他方、Ｎｏ．（３）〜（５）は引抜き時に突条１１
の根元方向部分に緩斜面１１ａが形成されるため、引抜
き速度が速くても溝付プラグの溝内に金属材料が円滑に
充満し、コンテナに突条１１が円滑に加工された。ま
た、Ｎｏ．（５）は緩斜面部１１ａの溝底からの高さｈ
ｔが溝深さｈの２／３であるため、限界熱輸送量が低下
した。したがって、溝加工時に、突条１１の根元方向部
分の側面に頂部方向部分の側面に対して末広がり状にな
るように緩斜面部１１ａを形成することにより、加工性
がより向上し、緩斜面部１１ａを形成する場合のその溝
底からの高さｈｔは、溝深さｈの１／２以下であること
が必要である。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の発明に係るヒートパイプによ
れば、コンテナ内面の溝のリード角θ、溝深さｈ、及び
溝深さｈとコンテナの溝底部が形成する内径ｄとの比等
の適正化が図られているので、限界熱輸送量および熱伝
達率がともにより向上する。

【００３２】請求項２の発明に係るヒートパイプによれ
ば、溝１０相互間の突条１１の根元方向部分の側面に、
その頂部方向部分の側面に対して末広がり状になるよう
に緩斜面部１１ａが形成されており、かつ、緩斜面部１
１ａの溝底からの高さｈｔが溝深さｈの１／２以下に設
定されているので、溝深さｈが深くてもコンテナ内への
溝加工が円滑に行われるとともにその加工性が向上し、
溝付プラグなどの工具の消耗が抑制されそれらの寿命が
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施形態のヒートパイプの部
分展開平面図である。

【図２】図１の矢印Ａ−Ａに沿う部分拡大断面図であ
る。

【図３】（ａ）図はコンテナ内部の突条の変形形態を示
す部分拡大断面図、（ｂ）図は突条の他の変形形態を示
す部分拡大断面図、（ｃ）図は突条のさらに他の変形形
態を示す部分拡大断面図である。

【図４】ヒートパイプサンプルの性能測定の要領を示す
概略正面図である。

【符号の説明】

１ コンテナ １’ ヒートパイプ １０ 溝 １１ 突条 １１ａ 緩斜面部 １ａ 蒸発部 １ｂ 凝縮部 １ｃ 断熱部 ２ ヒータ ２ａ 伝熱セメント ３ 流水ユニット ３０ 流出口 ３１ 流入口 ４ 断熱材 θ リード角 β 突条の頂角 β１ 緩斜面部相互の角度 ｄ 溝底部が形成するコンテナ内径 ｈ 溝深さ ｈｔ 緩斜面部の高さ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面内形がほぼ円形で金属製のコンテナ
   １の内面には、当該コンテナ１の軸線に対して５〜５０
   °のリード角θを有する多数の平行な溝１０が形成さ
   れ、前記溝１０の溝深さｈは０．２ｍｍ以上であって、
   当該溝深さｈと各溝１０の底部が形成する前記コンテナ
   １の内径ｄとの比ｈ／ｄが０．０２０〜０．０８０であ
   ることを特徴とする、ヒートパイプ。
2. 【請求項２】 前記各溝１０相互間の各突条１１の根元
   方向部分の側面には、当該突条１１の頂部方向部分の側
   面に対して末広がり状になるように緩斜面部１１ａが形
   成され、当該緩斜面部１１ａの溝底からの高さｈｔは溝
   深さｈの１／２以下であることを特徴とする、請求項１
   に記載のヒートパイプ。