JP2009246290A - ヒートパイプ用内面溝付管及びヒートパイプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】管1内面に管軸と平行又は傾斜して伸びるフィン3が形成された銅又は銅合金製のヒートパイプ用内面溝付管において、管外径が4乃至10mm、フィン3のリード角βは0乃至20°、フィン高さHは0.05乃至0.30mmである。フィン3は隣接する1対ずつが互いに接近する方向に傾斜し、フィン3の根元幅L1は0.10乃至0.25mm、溝2の底幅L2は0.10乃至0.35mmであり、管の中心Oからフィン3の互いに接近した斜面に引いた2本の接線の斜面との2接点間距離をsとするとき、接点間距離と溝底幅との比s/L2は0.85以下である。連続して並ぶ5個のフィンの内2個以上の割合で、フィン3の斜面の片側又は両側に管軸と平行、斜面を上る方向若しくは下る方向に切り欠き状の凹み4を有する。
【選択図】図1
Description
内面溝付管を偏平加工すると、図3(a)に示すように、内面溝付管1は直線部11a及び曲線部11bを有する形状となる。この偏平加工した内面溝付管をヒートパイプとして使用する場合においては、図3(b)に示すように管の曲線部にあるフィン同士は接近し、フィン間の溝の幅は狭まるため、溝部を凝縮部側から蒸発部側へと流れる液体の作動液の循環量は減少する。図6及び図7の破線は、偏平加工による曲線部の影響を受けるフィン、実線は偏平加工による曲線部の影響を受けないフィンを示す。また、図6はリード角βが小さい場合、図7はリード角βが大きい場合を示す。図7に示すように、リード角が大きくなるに従って、単位長さ当たりの管において曲線部を通るフィンの数は増えるため、性能は低下する。更に、蒸発部から凝縮部へと流れる蒸気がほぼ管軸に平行な流れであるのに対し、凝縮部から蒸発部へと流れる液体の作動液の流れはリード角によってフィン斜面に垂直な速度成分を持ち、リード角が大きくなるに伴いより強く流れが阻害されてしまう。また、凝縮部で液体となった作動液は毛細管力によって溝底部を蒸発部側へと流れるが、リード角βが大きくなると、作動液の流動長さがそれだけ増大するため流れが遅くなる。そして、作動液の循環量低下により蒸発部側に作動液が不足するとドライアウトしやすくなり、蒸発部側での潜熱による熱の移動が行われる量が減って、急激に冷却性能が低下する。更にまた、リード角が大きいと、管内面に溝を加工する際に溝付プラグの損耗が大きく、加工性が低下し、加工コストが増大する。リード角が20°を超えると、偏平加工された管において、管の曲線部において溝部面積が減少する頻度が増えて作動液の循環量が減るのに加え、作動液のフィン斜面に直交する速度成分が大きくなり、更に、作動液の流動長さが増大するためドライアウトしやすくなる。このため、管内面の溝の管軸に対するリード角βは0乃至20°である。
本発明において、フィン高さは溝部からフィン頂部までの高さの最大値である。フィン高さが小さいと溝部断面積が小さくなり溝部に保持できる作動液量が減るため、作動液循環量が減り、凝縮部側から蒸発部側へと流れる冷媒(作動液)が蒸発部側に不足してドライアウトを生じ、冷却性能が低下しやすくなる。一方フィン高さが大きいと、ヒートパイプを偏平加工した際に曲線部となる部分で、フィン先端同士が接触する程接近して溝部面積が狭くなり、溝部に保持される作動液の循環量が減り冷却性能が低下する。フィン高さが0.05mm未満だと溝部断面積の減少によってドライアウトを生じ、冷却性能が低下する。フィン高さが0.30mmを超えると、溝部に保持される作動液の循環量が減り冷却性能が低下する。このため、フィン高さHは0.05乃至0.30mmである。
接点間距離sと溝底幅L2との比s/L2が大きいことはフィンの接近距離が小さいことを示す。接点間距離sと溝底幅L2との比s/L2が0.85を超えると、蒸発部側から凝縮部側へ図8のCの領域を流れる蒸気と凝縮部側から蒸発部側へとAの領域を流れる液体の作動液(互いに逆向きの流れ)の接触面積が増えて、液相と気相の間に生じる摩擦が大きくなるため、蒸気及び液体の作動液の流動速度が低下し、ヒートパイプに加工したときの熱交換性能が低下する。ヒートパイプ用内面溝付管を偏平加工してヒートパイプを製作すると、内面溝付管の管軸直交断面における断面形状は、図3に示すように、半円形の曲線部11bを直線部11aで結ぶ形状となる。偏平加工を施されることによって接点間距離sは、直線部11aにおいて拡大し、曲線部11bにおいて縮小する。ヒートパイプの蒸発及び凝縮伝熱に寄与するのは、直線部11aに形成されたフィンであり、偏平加工を施されることによって接点間距離sは大きくなるため、偏平加工前の内面溝付管において接点間距離sと溝底幅L2との比s/L2は0であってもよい。従って、接点間距離sと溝底幅L2との比s/L2は0.85以下である。また、接点間距離sと溝底幅L2との比s/L2は0.01乃至0.80であることが望ましく、更に、0.05乃至0.75であることがより望ましい。
フィン根元幅が0.10mm未満であると、管内に溝及びフィンを形成する第1の転造工程において、第1の溝付プラグの溝部に管材が充満することが困難となり、フィン成形ができない。フィン根元幅が0.25mmを超えると、内面溝付管の単位重量が増えるとともに、単位長さあたりに必要な材料が増えるため、コストアップとなる。従って、フィン根元幅L1は0.10乃至0.25mmである。
溝底幅が減ると、互いに接近する方向に傾斜させられた1対のフィン間に形成された管状溝の断面積が減って、図8に示すAの領域を毛細管力によって凝縮部側から蒸発部側へと流れる液体の作動液の循環量が減るため、冷却伝熱性能は低下する。溝底幅が広くなると溝部面積が増えて保持しうる作動液の量が増えるため、作動液の循環量が増加して冷却性能は向上するが、溝底幅が広くなりすぎるとメニスカスの高さが低くなって毛細管力が得られなくなる。本発明においては、図8のBの領域において、管断面の中央部を蒸発部側から凝縮部側へ流れる蒸気と溝部を凝縮部側から蒸発部側へと流れる液体の作動液との接触面積が増えるため、蒸気と液体の作動液との間に生じる摩擦力によって冷媒の循環量が減り、冷却伝熱性能は低下する。また、溝底幅が大きくなるに従いフィン根元幅は小さくなるため、管内に溝及びフィンを形成する第1の転造工程において、第1の溝付プラグの溝部に管材が充満することが困難となり、フィン成形が難しくなる。溝底幅が0.10mm未満であると、管状溝の断面積不足によって冷却伝熱性能は低下する。溝底幅が0.35mmを超えると、管内にフィンを成形することが困難となり、更に、蒸気と液体の作動液の間に生じる摩擦力によって冷却伝熱性能は低下する。従って溝底幅L2は0.10乃至0.35mmである。
フィン斜面に切り欠き状の凹みを設けると、蒸発部では切り欠き状の凹みが気泡の起点となって核沸騰が起こりやすく最大熱容量が増加する。また、凝縮部及び凝縮と蒸発の中間域においては、切り欠き状の凹みが作動液を毛細管力で蒸発部側へと流れやすくし、熱抵抗が低下する。切り欠き状の凹みを持つ突起の割合が連続する5つの内2つ未満であると、最大熱容量の増加及び熱抵抗の低下が十分得られず、切り欠き状の凹みを持つ突起の割合が連続する5つの内2つ以上になると、核沸騰の頻度が大きくなり、毛細管力で作動液を凝縮部から蒸発部側へと供給しやすくなるため冷却効率が高まり、ドライアウトしにくくなる。このため、切り欠き状の凹みを持つ突起の割合は、連続する5つの内2つ以上である。
Claims (3)
- 管内面に管軸方向と平行又は傾斜する方向に伸びるフィンが形成された銅又は銅合金製のヒートパイプ用内面溝付管において、前記管の外径が4乃至10mm、前記フィンの管軸に対するリード角βが0乃至20°であり、更に、前記フィンは隣接する1対ずつが互いに接近する方向に傾斜し、管の中心から前記フィンの互いに接近した斜面に引いた2本の接線の前記斜面との2接点間の距離をsとするとき、前記フィンの高さHが0.05乃至0.3mm、前記フィンの根元幅L1が0.10乃至0.25mm、前記フィン間に形成される溝底幅L2が0.10乃至0.35mm、前記接点間距離sと前記溝底幅L2の比s/L2が0.85以下であり、更に、管軸直交断面において、連続して並ぶ5個のフィンの内2個以上の割合で、前記フィンの頂部から前記溝底にかけて形成される斜面の片側又は両側に管軸と平行若しくは斜面を上る方向若しくは斜面を下る方向に切り欠き状の凹みが形成されていることを特徴とするヒートパイプ用内面溝付管。
- 管内面にプラグにより溝形状を転造加工することにより、前記フィンが管内面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のヒートパイプ用内面溝付管。
- 請求項1又は2に記載のヒートパイプ用内面溝付管を、その円形断面を偏平状に成形したものであり、冷媒(作動液)として水を使用することを特徴とするヒートパイプ。
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