JP2003240462A - 自己調節ウィックを備えた伝熱装置および該伝熱装置の製造方法 - Google Patents
自己調節ウィックを備えた伝熱装置および該伝熱装置の製造方法Info
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- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
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- F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
Abstract
(57)【要約】
【課題】ウィックの毛管圧を組み立て後に調節し、それ
によりヒートパイプのドライアウトや故障を防止するこ
と。 【解決手段】多層の形状記憶合金（ＳＭＡ）をウィック
構造として使用するヒートパイプ１００の各層１０５，
１０７は異なる変態温度を有している。ヒートパイプ１
００の表面に沿って熱が加えられると、ＳＭＡの内層１
０５がまず収縮し始める。その収縮により、ウィックの
有効毛細管半径ｒｃは減小し、そのため毛細管１０８の
ポンプ圧と、従って熱を除去する能力とが維持または増
大される。ヒートパイプ１００の温度が上昇し続ける
と、毛細管半径ｒｃをさらに減小するために外層１０７
が収縮し始める。その結果、局所ポンプ圧は維持される
か、あるいはより高い局所熱流束に適合し且つ「ドライ
アウト」を防止すべく熱を除去するために増大される。
によりヒートパイプのドライアウトや故障を防止するこ
と。 【解決手段】多層の形状記憶合金（ＳＭＡ）をウィック
構造として使用するヒートパイプ１００の各層１０５，
１０７は異なる変態温度を有している。ヒートパイプ１
００の表面に沿って熱が加えられると、ＳＭＡの内層１
０５がまず収縮し始める。その収縮により、ウィックの
有効毛細管半径ｒｃは減小し、そのため毛細管１０８の
ポンプ圧と、従って熱を除去する能力とが維持または増
大される。ヒートパイプ１００の温度が上昇し続ける
と、毛細管半径ｒｃをさらに減小するために外層１０７
が収縮し始める。その結果、局所ポンプ圧は維持される
か、あるいはより高い局所熱流束に適合し且つ「ドライ
アウト」を防止すべく熱を除去するために増大される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に伝熱装置の分
野に関し、より詳細には自己調整ウィックを備えた伝熱
装置および該伝熱装置の製造方法に関する。
野に関し、より詳細には自己調整ウィックを備えた伝熱
装置および該伝熱装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】「ヒートパイプ」と一般に呼ばれる伝熱
装置は、ある地点から別の地点に効率的に熱を伝達でき
る装置である。ヒートパイプは、ほとんど温度降下する
ことなく非常に高い熱伝達能力および熱伝達率を有する
ため、しばしば熱の超伝導体と称される。ヒートパイプ
は、通常、内部表面が毛細管ウィック材料を有する、密
封されたアルミニウムまたは銅製のコンテナから成る。
ヒートパイプは、流体の閉ループでの蒸発／沸騰および
凝縮の原理に基づいている。ヒートパイプの内部の液体
は、（ヒートパイプに外付けされた）電子部品により熱
が分散される領域から蒸発および／または沸騰する。蒸
気は、凝縮スペース内を均一に広がり、熱を周囲へと逃
がすことにより液体形式に戻って凝縮する。凝縮された
液体は、ヒートパイプの内側の多孔性ウィック構造体を
通って、毛管作用により加熱セクションに戻る。ウィッ
クの質と種類が通常ヒートパイプの性能を決定する。ヒ
ートパイプを使用する用途に応じて、異なる種類のウィ
ックが選択される。
装置は、ある地点から別の地点に効率的に熱を伝達でき
る装置である。ヒートパイプは、ほとんど温度降下する
ことなく非常に高い熱伝達能力および熱伝達率を有する
ため、しばしば熱の超伝導体と称される。ヒートパイプ
は、通常、内部表面が毛細管ウィック材料を有する、密
封されたアルミニウムまたは銅製のコンテナから成る。
ヒートパイプは、流体の閉ループでの蒸発／沸騰および
凝縮の原理に基づいている。ヒートパイプの内部の液体
は、（ヒートパイプに外付けされた）電子部品により熱
が分散される領域から蒸発および／または沸騰する。蒸
気は、凝縮スペース内を均一に広がり、熱を周囲へと逃
がすことにより液体形式に戻って凝縮する。凝縮された
液体は、ヒートパイプの内側の多孔性ウィック構造体を
通って、毛管作用により加熱セクションに戻る。ウィッ
クの質と種類が通常ヒートパイプの性能を決定する。ヒ
ートパイプを使用する用途に応じて、異なる種類のウィ
ックが選択される。
【０００３】従来のヒートパイプのウィック構造体はそ
の動作温度範囲の全域にわたって一定のままである。従
って、操作中にウィック構造体の孔隙率や孔径を変更す
ることができない。これはヒートパイプ内の地点に沿っ
て温度条件に従い毛管圧を調節する能力を妨げ、これは
ヒートパイプ内のある地点に大きな局所的熱流束が存在
した場合に局所的「ドライアウト」（作動液が完全に乾
いてしまう現象）を生じさせる恐れがある。このドライ
アウトの状態によりヒートパイプが完全に故障すること
がある。いくつかの可変ウィックのヒートパイプが知ら
れている。そのようなヒートパイプでは、特定のウィッ
ク構造体が、期待された熱流束分布のために特別に仕立
てられる。最も高い熱流束が予想される位置では、毛管
力を増大させるために孔径が小さくされる。他の位置で
の孔径は、液体を流す低い抵抗を許容するために大きく
される。上記ヒートパイプは、ヒートパイプが一旦組み
立てられると、ウィック構造体を調節する能力を有しな
い。従って、既知の可変ウィックヒートパイプの有用性
は、それらの使用対象である熱流束分布および温度に厳
密に制限される。
の動作温度範囲の全域にわたって一定のままである。従
って、操作中にウィック構造体の孔隙率や孔径を変更す
ることができない。これはヒートパイプ内の地点に沿っ
て温度条件に従い毛管圧を調節する能力を妨げ、これは
ヒートパイプ内のある地点に大きな局所的熱流束が存在
した場合に局所的「ドライアウト」（作動液が完全に乾
いてしまう現象）を生じさせる恐れがある。このドライ
アウトの状態によりヒートパイプが完全に故障すること
がある。いくつかの可変ウィックのヒートパイプが知ら
れている。そのようなヒートパイプでは、特定のウィッ
ク構造体が、期待された熱流束分布のために特別に仕立
てられる。最も高い熱流束が予想される位置では、毛管
力を増大させるために孔径が小さくされる。他の位置で
の孔径は、液体を流す低い抵抗を許容するために大きく
される。上記ヒートパイプは、ヒートパイプが一旦組み
立てられると、ウィック構造体を調節する能力を有しな
い。従って、既知の可変ウィックヒートパイプの有用性
は、それらの使用対象である熱流束分布および温度に厳
密に制限される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、ヒートパイプのドライアウトや故障を防止すべくウ
ィックの毛管圧を組み立て後に調節できる、改良型ヒー
トパイプを提供することにある。
は、ヒートパイプのドライアウトや故障を防止すべくウ
ィックの毛管圧を組み立て後に調節できる、改良型ヒー
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】上記問題点を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、ヒートパイプであっ
て、内部領域を区画形成する内部表面を有するコンテ
ナ；コンテナの内部表面に配置されたウィック材料であ
って、第１の変態温度を有する第１の形状記憶合金から
構成された内層と、第１の変態温度よりも高い第２の変
態温度を有する第２の形状記憶合金から構成された外層
とを備えたウィック材料；およびコンテナの内部領域に
配置された流体；から成るヒートパイプを要旨とする。
めに、請求項１に記載の発明は、ヒートパイプであっ
て、内部領域を区画形成する内部表面を有するコンテ
ナ；コンテナの内部表面に配置されたウィック材料であ
って、第１の変態温度を有する第１の形状記憶合金から
構成された内層と、第１の変態温度よりも高い第２の変
態温度を有する第２の形状記憶合金から構成された外層
とを備えたウィック材料；およびコンテナの内部領域に
配置された流体；から成るヒートパイプを要旨とする。
【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のヒートパイプにおいて、第１の変態温度が６０℃であ
ることを要旨とする。
のヒートパイプにおいて、第１の変態温度が６０℃であ
ることを要旨とする。
【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項３に記載
のヒートパイプにおいて、第２の変態温度が８０℃であ
ることを要旨とする。
のヒートパイプにおいて、第２の変態温度が８０℃であ
ることを要旨とする。
【０００８】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
のヒートパイプにおいて、第１および第２の形状記憶合
金がニッケル−チタン合金であることを要旨とする。請
求項５に記載の発明は、請求項１に記載のヒートパイプ
において、第１および第２の形状記憶合金が銅−亜鉛−
アルミニウム合金であることを要旨とする。
のヒートパイプにおいて、第１および第２の形状記憶合
金がニッケル−チタン合金であることを要旨とする。請
求項５に記載の発明は、請求項１に記載のヒートパイプ
において、第１および第２の形状記憶合金が銅−亜鉛−
アルミニウム合金であることを要旨とする。
【０００９】請求項６に記載の発明は、請求項１に記載
のヒートパイプにおいて、ある特定位置の温度が第１の
所定温度を超えた時に、内層がその位置で収縮し始める
ことを要旨とする。
のヒートパイプにおいて、ある特定位置の温度が第１の
所定温度を超えた時に、内層がその位置で収縮し始める
ことを要旨とする。
【００１０】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
のヒートパイプにおいて、前記第１の所定温度が６０℃
であることを要旨とする。請求項８に記載の発明は、請
求項６に記載のヒートパイプにおいて、前記特定位置の
温度が第２の所定温度を超えた時に、外層がその位置で
収縮し始めることを要旨とする。
のヒートパイプにおいて、前記第１の所定温度が６０℃
であることを要旨とする。請求項８に記載の発明は、請
求項６に記載のヒートパイプにおいて、前記特定位置の
温度が第２の所定温度を超えた時に、外層がその位置で
収縮し始めることを要旨とする。
【００１１】請求項９に記載の発明は、請求項８に記載
のヒートパイプにおいて、第２の所定温度が８０℃であ
ることを要旨とする。
のヒートパイプにおいて、第２の所定温度が８０℃であ
ることを要旨とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態は、完
全なウィック構造体を形成するように各層が異なる変態
温度を有する、多層形状記憶合金（ＳＭＡ）多孔質構造
を使用するヒートパイプおよび方法を提供する。ヒート
パイプに沿って局所的「ホットスポット」が存在してい
るところであっても、ＳＭＡの最内層はそのホットスポ
ットの位置で局所的に収縮し始め、そのため毛管圧は最
大となる。ホットスポットの温度がある特定温度を超え
て上昇すると、さらに毛管圧を増大させるためにＳＭＡ
の外層が収縮し始める。従って、ウィックの孔隙率と孔
径は局所的動作条件に適合するように調節される。その
結果、局所ポンプ圧は維持されるか、あるいはより高い
局所熱流束に適合し且つ「ドライアウト」を防止すべく
熱を除去するために増大される。
全なウィック構造体を形成するように各層が異なる変態
温度を有する、多層形状記憶合金（ＳＭＡ）多孔質構造
を使用するヒートパイプおよび方法を提供する。ヒート
パイプに沿って局所的「ホットスポット」が存在してい
るところであっても、ＳＭＡの最内層はそのホットスポ
ットの位置で局所的に収縮し始め、そのため毛管圧は最
大となる。ホットスポットの温度がある特定温度を超え
て上昇すると、さらに毛管圧を増大させるためにＳＭＡ
の外層が収縮し始める。従って、ウィックの孔隙率と孔
径は局所的動作条件に適合するように調節される。その
結果、局所ポンプ圧は維持されるか、あるいはより高い
局所熱流束に適合し且つ「ドライアウト」を防止すべく
熱を除去するために増大される。
【００１３】毛細管ポンプ圧はヒートパイプを設計する
際の重要な考慮事項である。毛細管ポンプ圧ΔＰｃ，Ｍ
は、液体の表面張力（σ）、液体物質と固体物質の間の
接触角（θ）、および有効毛細管半径（ｒｃ）の関係の
関数である。この関係を以下の方程式で定義する。
際の重要な考慮事項である。毛細管ポンプ圧ΔＰｃ，Ｍ
は、液体の表面張力（σ）、液体物質と固体物質の間の
接触角（θ）、および有効毛細管半径（ｒｃ）の関係の
関数である。この関係を以下の方程式で定義する。
【００１４】ΔＰｃ，Ｍ＝２σｃｏｓθ／ｒｃ
式中
σ≡表面張力＝関数（作動液、温度）
θ≡接触角＝関数（液体／物質相互作用、表面粗度、お
よび表面汚染） ｒｃ≡有効毛細管半径＝関数（ウィック構造体孔径）
よび表面汚染） ｒｃ≡有効毛細管半径＝関数（ウィック構造体孔径）
【００１５】大きな局所熱流束がある場合、局所温度の
増加は表面張力を低下させる。上記の方程式に示される
ように、表面張力の低下は毛細管ポンプ圧を減小させ
る。局所熱負荷が十分に大きい場合、毛細管ポンプ圧の
減小は、作動液の供給不足につながる可能性がある。こ
のシナリオ下でドライアウトが生じ得る。
増加は表面張力を低下させる。上記の方程式に示される
ように、表面張力の低下は毛細管ポンプ圧を減小させ
る。局所熱負荷が十分に大きい場合、毛細管ポンプ圧の
減小は、作動液の供給不足につながる可能性がある。こ
のシナリオ下でドライアウトが生じ得る。
【００１６】図１には、本発明の好ましい実施形態によ
る多層形状記憶合金（ＳＭＡ）ヒートパイプ１００の部
分断面側面図が示される。好ましくは、ＳＭＡはニッケ
ル−チタン（ＮｉＴｉ）または銅−亜鉛−アルミニウム
（ＣｕＺｎＡｌ）合金である。これらの合金は、カリフ
ォルニア州サンホゼのShape Memory Application, Inc
より得ることができる。ヒートパイプは蒸発器セクショ
ン１０２と凝縮器セクション１０４を備えている。ヒー
トパイプ１００の外側ケーシング１０１の内部表面上に
は、複数の毛細管１０８と作動液１０６とを備えた多層
ウィック構造体が形成される。図１に示されるように、
多層ウィック構造体は内層１０５と外層１０７を有す
る。内層１０５は、外層１０７よりも低い変態温度を有
する。好ましくは、内層１０５の変態温度は６０℃であ
り、外層１０７の変態温度は８０℃である。
る多層形状記憶合金（ＳＭＡ）ヒートパイプ１００の部
分断面側面図が示される。好ましくは、ＳＭＡはニッケ
ル−チタン（ＮｉＴｉ）または銅−亜鉛−アルミニウム
（ＣｕＺｎＡｌ）合金である。これらの合金は、カリフ
ォルニア州サンホゼのShape Memory Application, Inc
より得ることができる。ヒートパイプは蒸発器セクショ
ン１０２と凝縮器セクション１０４を備えている。ヒー
トパイプ１００の外側ケーシング１０１の内部表面上に
は、複数の毛細管１０８と作動液１０６とを備えた多層
ウィック構造体が形成される。図１に示されるように、
多層ウィック構造体は内層１０５と外層１０７を有す
る。内層１０５は、外層１０７よりも低い変態温度を有
する。好ましくは、内層１０５の変態温度は６０℃であ
り、外層１０７の変態温度は８０℃である。
【００１７】ヒートパイプの内部で、作動液１０６は毛
細管材料１０８の孔に入る。ヒートパイプ１００の表面
に沿って熱が加えられると、作動液１０６は蒸発し始め
て蒸気状態に入り、それにより蒸発潜熱を獲得する。先
の状態の液体よりも高い圧力を有するガスは、ヒートパ
イプ１００の中をより冷たい位置である凝縮器セクショ
ン１０４まで移動し、そこで凝縮する。かくしてガスは
蒸発潜熱を放出し、ヒートパイプ１００の入力端（蒸発
器セクション１０２）から出力端（凝縮器セクション１
０４）まで熱を移動させる。
細管材料１０８の孔に入る。ヒートパイプ１００の表面
に沿って熱が加えられると、作動液１０６は蒸発し始め
て蒸気状態に入り、それにより蒸発潜熱を獲得する。先
の状態の液体よりも高い圧力を有するガスは、ヒートパ
イプ１００の中をより冷たい位置である凝縮器セクショ
ン１０４まで移動し、そこで凝縮する。かくしてガスは
蒸発潜熱を放出し、ヒートパイプ１００の入力端（蒸発
器セクション１０２）から出力端（凝縮器セクション１
０４）まで熱を移動させる。
【００１８】本発明のヒートパイプでは、ヒートパイプ
の表面に沿って熱が加えられ、その位置での温度がある
温度、好ましくは６０℃を超えると、内層１０５がある
特定位置で収縮し始める。収縮によりウィックの有効毛
細管半径ｒｃが減小し、それにより毛細管ポンプ圧と、
従って熱除去能とが維持または増大される。特定位置で
のヒートパイプの温度が過度の入熱により上昇し続ける
場合、内層１０５は遂にはドライアウトを経験し得る。
しかしながら本発明の好ましい実施形態によれば、特定
位置での温度が８０℃を超過すると、外層１０７がその
毛細管半径を減小するために収縮し始める。これは特定
位置での完全なドライアウトの防止または遅延を支援す
る。各層１０５，１０７は、好ましくは約０．５ｍｍと
いうように薄いので、連続的な温度／熱流束依存性のウ
ィック構造体を達成するのに多層を使用することができ
る。説明を簡単にするために、図１では二層だけを示し
ている。
の表面に沿って熱が加えられ、その位置での温度がある
温度、好ましくは６０℃を超えると、内層１０５がある
特定位置で収縮し始める。収縮によりウィックの有効毛
細管半径ｒｃが減小し、それにより毛細管ポンプ圧と、
従って熱除去能とが維持または増大される。特定位置で
のヒートパイプの温度が過度の入熱により上昇し続ける
場合、内層１０５は遂にはドライアウトを経験し得る。
しかしながら本発明の好ましい実施形態によれば、特定
位置での温度が８０℃を超過すると、外層１０７がその
毛細管半径を減小するために収縮し始める。これは特定
位置での完全なドライアウトの防止または遅延を支援す
る。各層１０５，１０７は、好ましくは約０．５ｍｍと
いうように薄いので、連続的な温度／熱流束依存性のウ
ィック構造体を達成するのに多層を使用することができ
る。説明を簡単にするために、図１では二層だけを示し
ている。
【００１９】好ましくは、本発明のヒートパイプは、最
終組み立てに先立ってヒートパイプの内部表面上の層に
異なる複数のＳＭＡ合金の組み合せをフレーム溶射する
ことにより製造される。ヒートパイプは、詰め固めたＳ
ＭＡ粉末金属をヒートパイプの内部表面上の層に焼結し
たり、最終組み立てに先立ってヒートパイプの内部表面
上に多層の可変合金ＳＭＡ多数ワイヤスクリーンやＳＭ
Ａ繊維ウール層を詰め固めたりすることによっても製造
することができる。
終組み立てに先立ってヒートパイプの内部表面上の層に
異なる複数のＳＭＡ合金の組み合せをフレーム溶射する
ことにより製造される。ヒートパイプは、詰め固めたＳ
ＭＡ粉末金属をヒートパイプの内部表面上の層に焼結し
たり、最終組み立てに先立ってヒートパイプの内部表面
上に多層の可変合金ＳＭＡ多数ワイヤスクリーンやＳＭ
Ａ繊維ウール層を詰め固めたりすることによっても製造
することができる。
【００２０】層状のＳＭＡウィックを備えた平板ヒート
パイプを形成する好ましい方法は、以下のステップを含
む。好ましくは、約２００ｍｍ×３００ｍｍ測定値の銅
またはチタンの６ｍｍ厚のプレート（メインプレート）
に５ｍｍの深い空洞を機械加工する。この空洞は、プレ
ートの外周に約１０ｍｍ幅の縁を残し、平板ヒートパイ
プの構造的要素として使用される複数のボス２０９（図
２）を残すように機械加工する。２００ｍｍ長、３００
ｍｍ幅および１ｍｍ厚の一致するカバープレートも機械
加工により準備する。２つの部分としてのメインプレー
トとカバープレートが、ヒートパイプの外側ケーシング
１０１を形成する。
パイプを形成する好ましい方法は、以下のステップを含
む。好ましくは、約２００ｍｍ×３００ｍｍ測定値の銅
またはチタンの６ｍｍ厚のプレート（メインプレート）
に５ｍｍの深い空洞を機械加工する。この空洞は、プレ
ートの外周に約１０ｍｍ幅の縁を残し、平板ヒートパイ
プの構造的要素として使用される複数のボス２０９（図
２）を残すように機械加工する。２００ｍｍ長、３００
ｍｍ幅および１ｍｍ厚の一致するカバープレートも機械
加工により準備する。２つの部分としてのメインプレー
トとカバープレートが、ヒートパイプの外側ケーシング
１０１を形成する。
【００２１】層状ＳＭＡウィックは以下の方法で形成さ
れる。まず、８０℃の遷移温度を得るように指定された
組成を有するＳＭＡ合金をフレーム溶射することによ
り、空洞の内部とカバープレートの一側に外層１０７を
形成する。外層１０７について、フレーム溶射プロセス
に使用されるＳＭＡ合金の粒径は約１２０μｍである。
この粒径とフレーム溶射パラメータは、外層１０７が４
０μｍの孔径と約０．５ｍｍの厚さとを得るように制御
される。その後、６０℃の遷移温度を得るように指定さ
れた組成を有するＳＭＡ合金をフレーム溶射することに
より、同様のやり方で内層１０５を形成する。内層１０
５について、フレーム溶射プロセスに使用されるＳＭＡ
合金の粒径は約１６０μｍである。この粒径とフレーム
溶射パラメータは、内層１０５が６０μｍの孔径と約
０．５ｍｍの厚さとを得るように制御される。
れる。まず、８０℃の遷移温度を得るように指定された
組成を有するＳＭＡ合金をフレーム溶射することによ
り、空洞の内部とカバープレートの一側に外層１０７を
形成する。外層１０７について、フレーム溶射プロセス
に使用されるＳＭＡ合金の粒径は約１２０μｍである。
この粒径とフレーム溶射パラメータは、外層１０７が４
０μｍの孔径と約０．５ｍｍの厚さとを得るように制御
される。その後、６０℃の遷移温度を得るように指定さ
れた組成を有するＳＭＡ合金をフレーム溶射することに
より、同様のやり方で内層１０５を形成する。内層１０
５について、フレーム溶射プロセスに使用されるＳＭＡ
合金の粒径は約１６０μｍである。この粒径とフレーム
溶射パラメータは、内層１０５が６０μｍの孔径と約
０．５ｍｍの厚さとを得るように制御される。
【００２２】フレーム溶射プロセスの完了後、ケーシン
グ１０１の２つの部分の上には層状のＳＭＡウィックが
配置されている。２つのケーシング部分を一つに組み立
て、内部表面に層状ＳＭＡウィックを有する平板密封ハ
ウジングを鑞付けで形成する。約３ｍｍ径の穴を空ける
ことにより、ハウジング１０１の一面に小さな開口部を
形成する。この開口部上に、平板ヒートパイプのための
排出・充填ポート２１０（図２）を作成するために、銅
またはチタンの５０〜１００ｍｍ長のチューブを溶接す
る。この時点でヒートパイプ作製の第１のステップは完
了する。続くステップを、遷移温度より低い温度と高い
温度で層状ウィックの異なる孔径を設定するために行
う。そのステップを、管状ヒートパイプに層状ウィック
を形成する代替方法の説明に続いて説明する。
グ１０１の２つの部分の上には層状のＳＭＡウィックが
配置されている。２つのケーシング部分を一つに組み立
て、内部表面に層状ＳＭＡウィックを有する平板密封ハ
ウジングを鑞付けで形成する。約３ｍｍ径の穴を空ける
ことにより、ハウジング１０１の一面に小さな開口部を
形成する。この開口部上に、平板ヒートパイプのための
排出・充填ポート２１０（図２）を作成するために、銅
またはチタンの５０〜１００ｍｍ長のチューブを溶接す
る。この時点でヒートパイプ作製の第１のステップは完
了する。続くステップを、遷移温度より低い温度と高い
温度で層状ウィックの異なる孔径を設定するために行
う。そのステップを、管状ヒートパイプに層状ウィック
を形成する代替方法の説明に続いて説明する。
【００２３】管状ヒートパイプの内部表面上の層に詰め
固めたＳＭＡ粉末金属を焼結させる方法は、以下のステ
ップを含む。最初に、好ましくは固定長１００〜３００
ｍｍ長の１／４インチ（約６．３５ｍｍ）径の銅または
チタン合金チューブを、グリース、揮発性物質および酸
化物層を除去するために清掃する。次に、グラファイト
のような高温材料で作られたマンドレルを、チューブの
内部表面と同軸にしてチューブの内部に配置する。焼結
プロセスの第１のステップについて、マンドレルの直径
は最外層１０７の内部表面の直径と等しく、好ましくは
１／４インチ（約６．３５ｍｍ）径チューブに対し約
０．１５インチ（約３．８１ｍｍ）である。ウィックの
外層１０７については、マンドレルとチューブの間の開
放空間が、約１００μｍの平均サイズのＳＭＡ粒子によ
り充填される（ＳＭＡ合金の組成は８０℃の遷移温度を
得るように特定される）。次に、そのアセンブリを、Ｓ
ＭＡ材料の融点（好ましくはＣｕＺｎＡｌでは９５０
℃、ＮｉＴｉでは１２５０℃）よりほんの少し低い温度
で維持した高温炉の中で処理する。第１の焼結プロセス
後にマンドレルを取外し、生じたチューブに対して、よ
り小径（好ましくは０．１２５インチ（約３．１７５ｍ
ｍ））のマンドレルを用いて全焼結プロセスを繰り返
し、６０℃の遷移温度と約１５０μｍの平均粒径を備え
たＳＭＡ合金を使用して内層１０５を形成する。選択し
たヒートパイプ長さのための最適の孔径を得るために、
粒径を変えることができる。好ましい実施形態では、粒
径は、内層１０５と外層１０７で６０μｍと５０μｍの
孔径をそれぞれ得るように指定される。第２の焼結プロ
セスの後に２つのウィック層を備えたヒートパイプチュ
ーブが得られる。第２の焼結プロセスは好ましくはＣｕ
ＺｎＡｌでは９５０℃、ＮｉＴｉでは１２５０℃の温度
で行われる。
固めたＳＭＡ粉末金属を焼結させる方法は、以下のステ
ップを含む。最初に、好ましくは固定長１００〜３００
ｍｍ長の１／４インチ（約６．３５ｍｍ）径の銅または
チタン合金チューブを、グリース、揮発性物質および酸
化物層を除去するために清掃する。次に、グラファイト
のような高温材料で作られたマンドレルを、チューブの
内部表面と同軸にしてチューブの内部に配置する。焼結
プロセスの第１のステップについて、マンドレルの直径
は最外層１０７の内部表面の直径と等しく、好ましくは
１／４インチ（約６．３５ｍｍ）径チューブに対し約
０．１５インチ（約３．８１ｍｍ）である。ウィックの
外層１０７については、マンドレルとチューブの間の開
放空間が、約１００μｍの平均サイズのＳＭＡ粒子によ
り充填される（ＳＭＡ合金の組成は８０℃の遷移温度を
得るように特定される）。次に、そのアセンブリを、Ｓ
ＭＡ材料の融点（好ましくはＣｕＺｎＡｌでは９５０
℃、ＮｉＴｉでは１２５０℃）よりほんの少し低い温度
で維持した高温炉の中で処理する。第１の焼結プロセス
後にマンドレルを取外し、生じたチューブに対して、よ
り小径（好ましくは０．１２５インチ（約３．１７５ｍ
ｍ））のマンドレルを用いて全焼結プロセスを繰り返
し、６０℃の遷移温度と約１５０μｍの平均粒径を備え
たＳＭＡ合金を使用して内層１０５を形成する。選択し
たヒートパイプ長さのための最適の孔径を得るために、
粒径を変えることができる。好ましい実施形態では、粒
径は、内層１０５と外層１０７で６０μｍと５０μｍの
孔径をそれぞれ得るように指定される。第２の焼結プロ
セスの後に２つのウィック層を備えたヒートパイプチュ
ーブが得られる。第２の焼結プロセスは好ましくはＣｕ
ＺｎＡｌでは９５０℃、ＮｉＴｉでは１２５０℃の温度
で行われる。
【００２４】ＳＭＡ層状ウィックヒートパイプを上述の
いずれかの方法で得た後、ヒートパイプ全体を約５００
℃で加熱処理し、その後水中で急冷し、ＳＭＡ形状を決
定する。ひとたび決定すると、ＳＭＡウィックの層１０
５，１０７は、それらの遷移温度（好ましくは内層１０
５では６０℃、外層１０７では８０℃）を超えるいかな
る温度でも、それらの形状または孔径を保持する。層１
０５，１０７はそれらの遷移温度より低い温度では可撓
性である。その後、ヒートパイプのＳＭＡ合金を、遷移
温度より低い温度で異なる孔径を維持するように鍛錬す
る。この異なる孔径とは、通常の条件、つまりホットス
ポットが存在しない条件下で望まれる孔径である。鍛錬
プロセスは以下の方法で行なわれる。最初に、ヒートパ
イプ１００を水通しすることによりウィック層１０５，
１０７を水で飽和させる。その後、ヒートパイプ１００
を冷却して水を凍結させ、それにより層状ウィック構造
体を膨張させる。層状ウィック構造体はこの時遷移温度
より低い可撓性の段階にある。次に、氷を溶かすために
ヒートパイプを解凍し、常温（遷移温度未満）での所望
の孔径を得るまでこのサイクルを繰り返す。常温での所
望の孔径は好ましくは７０μｍである。その後、最大遷
移温度（８０℃、この温度点でＳＭＡウィック層はその
元の孔径に戻る）より高い温度にヒートパイプを加熱す
る。ＳＭＡ合金が両方向記憶を達成するように、つまり
合金が遷移温度より低い温度と遷移温度より高い温度で
異なる形状（この場合孔径）を達成するように、水飽和
および凍結プロセスを繰り返す。この説明したプロセス
を、形状記憶合金の分野では両方向鍛錬プロセスと称す
る。その後、鍛錬されたＳＭＡ層状ヒートパイプ１００
を、適当な流体、好ましくは水で、当該技術分野で周知
の方法で清掃および充填する。
いずれかの方法で得た後、ヒートパイプ全体を約５００
℃で加熱処理し、その後水中で急冷し、ＳＭＡ形状を決
定する。ひとたび決定すると、ＳＭＡウィックの層１０
５，１０７は、それらの遷移温度（好ましくは内層１０
５では６０℃、外層１０７では８０℃）を超えるいかな
る温度でも、それらの形状または孔径を保持する。層１
０５，１０７はそれらの遷移温度より低い温度では可撓
性である。その後、ヒートパイプのＳＭＡ合金を、遷移
温度より低い温度で異なる孔径を維持するように鍛錬す
る。この異なる孔径とは、通常の条件、つまりホットス
ポットが存在しない条件下で望まれる孔径である。鍛錬
プロセスは以下の方法で行なわれる。最初に、ヒートパ
イプ１００を水通しすることによりウィック層１０５，
１０７を水で飽和させる。その後、ヒートパイプ１００
を冷却して水を凍結させ、それにより層状ウィック構造
体を膨張させる。層状ウィック構造体はこの時遷移温度
より低い可撓性の段階にある。次に、氷を溶かすために
ヒートパイプを解凍し、常温（遷移温度未満）での所望
の孔径を得るまでこのサイクルを繰り返す。常温での所
望の孔径は好ましくは７０μｍである。その後、最大遷
移温度（８０℃、この温度点でＳＭＡウィック層はその
元の孔径に戻る）より高い温度にヒートパイプを加熱す
る。ＳＭＡ合金が両方向記憶を達成するように、つまり
合金が遷移温度より低い温度と遷移温度より高い温度で
異なる形状（この場合孔径）を達成するように、水飽和
および凍結プロセスを繰り返す。この説明したプロセス
を、形状記憶合金の分野では両方向鍛錬プロセスと称す
る。その後、鍛錬されたＳＭＡ層状ヒートパイプ１００
を、適当な流体、好ましくは水で、当該技術分野で周知
の方法で清掃および充填する。
【００２５】本発明の装置は、ホットスポットの位置が
用途に応じて変わり得る平板ヒートパイプにおいて最も
有用である。しかしながら、本発明の装置は、例えば管
状のヒートパイプのような他の種類のヒートパイプにも
適用できる。本発明では様々な改変形式および代替形式
が可能であるが、特定の実施形態を、図面に例として示
すと共に本明細書で詳細に説明した。しかしながら本発
明は開示された特定の形式に限定されるべきではなく、
本発明は特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨
および範囲内にあるすべての改変物、等価物および代替
物を包含するものとする。
用途に応じて変わり得る平板ヒートパイプにおいて最も
有用である。しかしながら、本発明の装置は、例えば管
状のヒートパイプのような他の種類のヒートパイプにも
適用できる。本発明では様々な改変形式および代替形式
が可能であるが、特定の実施形態を、図面に例として示
すと共に本明細書で詳細に説明した。しかしながら本発
明は開示された特定の形式に限定されるべきではなく、
本発明は特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨
および範囲内にあるすべての改変物、等価物および代替
物を包含するものとする。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、ウィックの毛管圧を組
み立て後に調節でき、それによりヒートパイプのドライ
アウトや故障を防止することができる。
み立て後に調節でき、それによりヒートパイプのドライ
アウトや故障を防止することができる。
【図１】本発明の好ましい実施形態によるヒートパイプ
の部分断面側面図。
の部分断面側面図。
【図２】本発明の好ましい実施形態による図１のヒート
パイプの平面図。
パイプの平面図。
１００…ヒートパイプ、１０１…コンテナ、１０５…内
層、１０７…外層。
層、１０７…外層。
フロントページの続き
(72)発明者 ジェイムズ、ピー．チェン
アメリカ合衆国 60193 イリノイ州 シ
ャンバーグ ホーク コート 232
Claims (9)
- 【請求項１】ヒートパイプであって、 内部領域を区画形成する内部表面を有するコンテナ；コ
ンテナの内部表面に配置されたウィック材料であって、 第１の変態温度を有する第１の形状記憶合金から構成さ
れた内層と、 第１の変態温度よりも高い第２の変態温度を有する第２
の形状記憶合金から構成された外層とを備えたウィック
材料；およびコンテナの内部領域に配置された流体；か
ら成るヒートパイプ。 - 【請求項２】第１の変態温度が６０℃である、請求項１
に記載のヒートパイプ。 - 【請求項３】第２の変態温度が８０℃である、請求項３
に記載のヒートパイプ。 - 【請求項４】第１および第２の形状記憶合金がニッケル
−チタン合金である、請求項１に記載のヒートパイプ。 - 【請求項５】第１および第２の形状記憶合金が銅−亜鉛
−アルミニウム合金である、請求項１に記載のヒートパ
イプ。 - 【請求項６】ある特定位置の温度が第１の所定温度を超
えた時に、内層がその位置で収縮し始める、請求項１に
記載のヒートパイプ。 - 【請求項７】前記第１の所定温度が６０℃である、請求
項６に記載のヒートパイプ。 - 【請求項８】前記特定位置の温度が第２の所定温度を超
えた時に、外層がその位置で収縮し始める、請求項６に
記載のヒートパイプ。 - 【請求項９】第２の所定温度が８０℃である、請求項８
に記載のヒートパイプ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/074284 | 2002-02-12 | ||
| US10/074,284 US6460612B1 (en) | 2002-02-12 | 2002-02-12 | Heat transfer device with a self adjusting wick and method of manufacturing same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003240462A true JP2003240462A (ja) | 2003-08-27 |
Family
ID=22118750
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003033456A Ceased JP2003240462A (ja) | 2002-02-12 | 2003-02-12 | 自己調節ウィックを備えた伝熱装置および該伝熱装置の製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6460612B1 (ja) |
| JP (1) | JP2003240462A (ja) |
| KR (1) | KR100517401B1 (ja) |
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