JP2012507680A - 微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ及びその作製方法並びに熱交換システム - Google Patents

Abstract

本発明の微細管２を有するマイクロヒートパイプアレイは、固体の熱伝導体１を有し、二つ以上の平行配列された微細管２が熱伝導体１に設けられ、微細管２は熱交換のための作動液で満たされ、熱伝導体１は二つの端を密閉され、少なくとも一方は圧着されて形成された徐々に収束した密閉口を備えたマイクロヒートパイプアレイを提供する。マイクロヒートパイプアレイの作製方法、及びマイクロヒートパイプアレイを用いた新型熱交換システムも提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換技術、特に新型マイクロヒートパイプアレイ及びその作製方法と、前記新型マイクロヒートパイプアレイが利用された新型熱交換システムに関わる。

自然対流及び強制対流の熱交換方式に比べ、相変化伝熱の伝熱効率は高いため、相変化伝熱技術を利用した熱交換機器が工業分野で幅広く利用されている。また、ヒートパイプ熱交換技術は相変化伝熱技術の中で最も典型的である。ヒートパイプの主な伝熱方法は作動液の蒸発と凝縮である。ヒートパイプ技術の中では、自励振動型ヒートパイプの伝熱効率が比較的に高い。しかし、動作するのに起動温度差が必要となるため、利用される範囲が制限されてしまう。また従来のマイクロヒートパイプは一定である直径をもつ円形パイプを使用されるため、冷却される部品との接触面積が小さいため、等価熱抵抗が大きくなる。プレート型の伝熱面に対してヒートパイプの利点を尽くすため、従来技術としていくつかのヒートパイプが並置され、金属板に挿し込む方法や、押しつぶしてプレート状にする方法がある。このような方法では、接触抵抗が存在するため、比較的に大きい熱抵抗が生じてしまい、伝熱効率が低下させてしまう。さらに、内部の耐圧性能が劣るため、変形しやすい。近年、いくつかの並列パイプの端部に接続スリーブを利用して、溶接により連通して、単一のヒートパイプを造る方式もある。しかし、このような溶接方法は生産効率が低いため、量産時の生産量が低下させてしまう。また、密閉技術が複雑であり、さらに密閉性能と信頼性が低い。

従来のヒートパイプは利用される範囲が制限され、熱交換効率が低く、耐圧性が低いなどの欠点が存在していた。従来のヒートパイプの欠点に対し、本発明では利用範囲が広く、伝熱性能が高く、耐圧性が高い新型マイクロヒートパイプアレイを提供する。また、本発明では新型マイクロヒートパイプアレイの作製方法、及び新型マイクロヒートパイプアレイを利用した新型熱交換システムも提供する。

本発明の技術方案は以下である。

新型マイクロヒートパイプアレイの特徴は、一つの中実である熱伝導体を備え、前記熱伝導体は二つ或いは二つ以上の平衡配列された微細管を備え、前記微細管内に相変化伝熱効果を有する作動液が注入され、前記熱伝導体の両端が密閉され、かつ少なくとも一端は圧着されて形成された徐々に収束した帯状密閉口を備えたこと。

少なくとも二つ以上の前記微細管の片断面は前記帯状密閉口の外側の辺において、前記微細管の縦方向に沿って徐々に一点に収束し、かつ前記帯状密閉口の外側の辺が相対的な凹型の二本の弧であること。

少なくとも二つ以上の前記微細管の片断面は前記帯状密閉口の内側の辺において、前記微細管の縦方向に沿って徐々に一点に収束し、かつ前記帯状密閉口の内側の辺が相対的な凹型の二本の弧であること。

前記熱伝導体の帯状密閉口を有する端が溶接或いは高周波溶接で作製された増強溶接口であること。

前記熱伝導体の帯状密閉口を有する端の外側に保護ケースが設けられたこと。

前記熱伝導体が部品の冷却面に装着されており、前記微細管が前記装着面と平行配列されることにより、装着面上に微細管層を形成すること。

前記熱伝導体はプレート状或いは帯状であり、前記微細管は前記熱伝導体の長手方向に平行に配列されること。

前記微細管の通路の横断面の長さと幅の比が2/3乃至1.5の間であり、前記マイクロヒートパイプアレイの壁面の最小厚さと前記各微細管の等価直径との比が0.2又は0.2より大きいこと。

前記熱伝導体の総厚さが3mm又は3mmより小さい場合、徐々に収束した前記帯状密閉口の延在する長さと前記熱伝導体の総厚さとの比が0.75乃至1.5の間となり、前記熱伝導体の総厚さが3mm乃至5mmである場合、徐々に収束した前記帯状密閉口の延在する長さと前記熱伝導体の総厚さとの比が0.5乃至1.5の間となること。

前記微細管が二層或いは二層以上に配列されたこと。

前記微細管の等価直径又は水力直径が0.1mm乃至8mmであり、隣接した微細管間の距離或いは壁面の厚さは0.1乃至1.0mmであること。

前記熱伝導体内において、一本或いは一本以上の前記微細管の縦方向に沿った中実帯状体を有し、前記中実帯状体に実装固定用取り付け穴が設けられていること。

各前記微細管が全て独立のヒートパイプ構造を有すること。以前記微細管の一端が前記熱伝導体内部で開放され、各前記微細管が前記一端で相互に接続されており、前記熱伝導体の一端が密閉され、各前記微細管のもう一方の端が密閉され、各前記微細管が半独立ヒートパイプ構造を形成すること。

前記微細管の通路の横断面の形状が多角形、円形又は楕円形であり、前記多角形の頂角は応力集中を防ぐ為に平滑な丸角であること。

前記微細管の通路の内壁に伝熱促進効果を有するマイクロフィン或いは微細管の軸方向に沿ったマイクログルーブが設置され、
前記マイクロフィンの大きさ及び構造が前記微細管の通路の内壁に、微細管の軸方向に沿った毛細管効果を有するマイクログルーブを形成し、前記マイクロフィンと微細管の内壁との頂角及び凹型マイクログルーブと微細管の内壁との頂角は全て平滑な丸角であること。

以上で述べた微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイを用いた熱交換システム。

前記マイクロヒートパイプアレイの蒸発面が部品の冷却面と接触し、前記マイクロヒートパイプアレイの蒸発面以外の部分が凝縮面となること。

前記マイクロヒートパイプアレイの一端が熱源の中に配置されることにより、前記マイクロヒートパイプアレイの一端において吸熱蒸発を行い、前記マイクロヒートパイプアレイのもう一方の端が空気或いは液体に配置され、前記空気或いは液体によって冷却されることにより、マイクロヒートパイプアレイ内部の蒸気が凝縮放熱を行うこと。

前記熱交換システムがソーラー温水器の集熱器として利用される場合、各前記微細管の一端が太陽光の放射エネルギーを吸収し蒸発させ、もう一方の端において熱交換器まで凝縮放熱を行うことで温水を作り、前記マイクロヒートパイプアレイの凝縮面が、水タンク内の水或いは熱交換器となる水タンクのインナーキャビティの外壁に直接接触すること。

前記熱交換システムがソーラーパネルの散熱システム或いは電力と熱の併給システムとして利用される場合、前記マイクロヒートパイプアレイの蒸発面がソーラーパネルの裏面と接触されることで、ソーラーパネルの発熱を吸収して蒸発させ、マイクロヒートパイプアレイの凝縮面が熱交換器で凝縮放熱を行うことにより、温水を作ること。

マイクロヒートパイプアレイの作製方法において、その作製方法は以下のような手順によって作製される。
Ａ 押し出し技術又は圧締技術を用いて、前記熱伝導体内部に二つ或いは二つ以上の平行配列で貫通された微細管を有する熱伝導体を作製する。
Ｂ 前記熱伝導体の一端を密閉する。
Ｃ 前記微細管内の空気を排出し、微細管内に作動液を注入する。
Ｄ 常温圧接技術を用いて、前記熱伝導体のもう一方の端を密閉する。前記常温圧接技術は熱伝導体の端をカッターで与圧することによって変形させ、さらに密閉、切断を行うこと、
手順Ｂの前記熱伝導体の一端を密閉する方法は、前記常温圧接技術であること。
手順Ｂの前記熱伝導体の一端を密閉する方法は、前記熱伝導体の一端を押しつぶし、曲げた後に、溶接或いは高周波溶接で密閉口を強固にすること、或いは前記一端に接続スリーブを設けて密閉すること。
手順Ｄの後に、前記熱伝導体の両端に保護ケースを実装する手順Ｅを有すること。
Ｅ 熱伝導体の両端に保護ケースを実装する。
手順Ａの前記熱伝導体の材質は金属或いは合金であり、前記金属或いは前記合金材料を軟化温度まで加熱した後に、押し出し金型或いは圧締金型に平行配列された二つ或いは二つ以上の凸柱用い、前記熱伝導体が押し出し或いは圧締後に常温まで冷却する手順であること。

前記熱伝導体の形状は帯状或いはプレート状であり、前記平行配列された前記微細管が帯状或いはプレート状の熱伝導体の長手方向と平行であること。

前記手順Ａの押し出し金型或いは圧締金型の凸柱に複数の凹型の溝或いは外フィンが設置され、前記微細管の内壁に押し出し成型或いは圧締成型により熱輸送性能と伝熱性能を強化させる作用を有するマイクログルーブ或いはマイクロフィンを成型すること。

本発明の技術の効果は以下である。
本発明は微細管をもつ新型マイクロヒートパイプアレイを提案した。新型マイクロヒートパイプアレイは並行して配列される微細管をもつ熱伝導体を含める。その熱伝導体が密閉され、さらにその熱伝導体内に相変化伝熱効果をもつ作動液が注入されている。所謂微細管の中に作動液が注入されることにより、微細管はマイクロヒートパイプになる。またマイクロヒートパイプは相変化伝熱方式で熱輸送を行うことにより、ヒートパイプ効果をもつようになる。並列に配置された微細管はグループになった微細管の束で構成された微細管群構造とも言える。各微細管が一つ或いは多数のマイクロヒートパイプに形成されることができる。一体構造に多数のマイクロヒートパイプが配置されることができるため、押し出しあるいは圧締技術で簡単に製作されることができる。以上のことにより本発明技術が幅広い分野で利用されることができる。また微細管は熱伝導体内部に形成される空洞であり、溶接技術ではなく、また外付け金属の熱伝導体で作られることではない。そのため、微細管と微細管の間の壁が熱伝導体として補強リブになる。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイ技術を用いた場合、従来のヒートパイプがもつ多くの問題点、例えば、伝熱面から対向面まで大きい熱抵抗があり、等価熱伝導率が低下し、また内部耐圧性能が低下し変形しやすい、溶接効率が低いなどが解決されることができる。新型マイクロヒートパイプアレイは、全体で熱伝導しやすく、伝熱効率を大幅に向上させ、熱抵抗が低く、さらに耐圧性能、安全性、信頼性も向上させることができる。新型マイクロヒートパイプアレイの熱伝導体本体の両端が直接密閉され、かつ少なくとも一端では常温圧接技術で形成した徐々に収束した帯状密閉口をもっている。つまり、新型マイクロヒートパイプアレイの独特な構造が常温圧接技術を用いて作られている。しかしながら、従来の密閉方法は通常溶接で両端に接続スリーブを接合し、微細管群をもつ熱伝導体が全体ごとに封筒状カバーに入れ、全体単一のヒートパイプにすることであり、その方法は非常に複雑である。本発明で採用された独自の常温圧接技術は一回で密閉することができ、徐々に収束した密閉口を有する新型マイクロヒートパイプアレイを作ることができる。

密閉口の補強を行うことや、保護スリーブを設置することにより、新型マイクロヒートパイプアレイの端の密封性能、及び酸化防止の性能が向上させることができる。

帯状及びプレート状の物体を熱伝導体として採用される場合、本発明の技術であるプレート状マイクロヒートパイプに対応する。従来のヒートパイプ及び自励振動型ヒートパイプは部品の冷却面との接触面積が小さいため、等価熱抵抗が大きいという欠点があり、また、自励振動型ヒートパイプが起動するためには起動温度差が必要となる欠点も存在している。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイはプレート型の伝熱面をもっているため、吸収熱性能が高い。またマイクロヒートパイプの内部構造より熱輸送性能も高いという特徴を有するので、従来のヒートパイプ及び自励振動型ヒートパイプの欠点を克服することができる。また、従来のプレート型ヒートパイプでは単一的なヒートパイプ構造が採用されるため、その内部の耐圧性能、信頼性、及び局部的限界熱流束が制限されてしまう。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイは以上の問題点を克服することができ、応用される分野が広くなり、かつ内部構造が簡単であり、信頼性が高い。さらに散熱効率が高いという特徴も有する。

微細管の熱伝導体が伝熱部品の発熱面に沿って平行に配置され、密着した熱交換面を形成することができる。伝熱部品の冷却面は曲面である場合でも、熱伝導体が部品冷却面との密着面積を最大化することができる。その密着面は熱交換面になるため、等価熱抵抗は非常に小さい。さらにその熱交換面で一層の層状並置された微細管があるため、熱交換効率を向上させることができる。

帯状密閉口の耐圧強度は、熱伝導体の総厚さと帯状密閉口の長さと関連する。新型マイクロヒートパイプアレイが各種の環境で好適に動作できるため、微細管の密閉口が2.0MPa以上の圧力に耐える必要がある。

マイクロヒートパイプアレイは熱伝導体内部にある層状的に並置された多層の微細管である。そのためマイクロヒートパイプアレイと熱交換対象との接触面で、各層の微細管は順次熱輸送を行う。所謂、熱交換対象と接触する第一層の微細管の蒸発部分が熱を第二層の微細管までに輸送し、それと同時に第二層の微細管が熱を第三層まで輸送する。そのようにして熱が最後の層の微細管まで輸送される。各層の全ての微細管の蒸発部分が自身の凝縮部分までに蒸発気化し、また凝縮部分が自身の蒸発部分までに放熱液化を行う。よって、各層の微細管が以上のように各自の循環を行う。さらに、各層の微細管の凝縮部分の間でもお互いに熱輸送を行うため、各層の微細管の凝縮放熱効率が向上させることができる。上述のことより、マイクロヒートパイプ内の微細管と微細管との間の距離、また微細管の直径を変化しなくても、局部最大の熱交換密度を向上させることができる。さらに上述の多層の微細管構造を用いた場合、マイクロヒートパイプアレイの強度と信頼性も向上させることができる。

各微細管の両端が密閉される場合、各微細管は独立であるため、マイクロヒートパイプアレイの信頼性がさらにアップさせることができる。万が一、ある微細管が破損される場合でも、他の微細管に影響を及ぼすことがない。また各微細管の一端がお互いに繋がられ、もう一つの端が密閉される場合、各微細管が半独立ヒートパイプに形成するため、マイクロヒートパイプアレイは真空度への要求がある程度低下させることができる。

各微細管の通路の内壁では、伝熱効果と毛細効果を強化させる効果をもつマイクロフィンが設置されている。マイクロフィンを設置することにより、作動液の相変化熱輸送性能が向上させることができる。マイクロフィンの間の距離が適切であれば、マイクロウィック構造になることもできる。またマイクロフィンを設置することにより、表面面積が大幅増加させるため、新型マイクロヒートパイプアレイは更なる高い熱輸送率が得られる。

マイクロフィンの大きさ及び構造は微細管の内壁面に、微細管の軸方向と平行する適切なマイクログルーブを形成し、新型マイクロヒートパイプアレイの表観熱流束、また重力を克服し、熱輸送特性を向上させることができる。

本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの作製方法では、微細管が押し出し或いは圧締技術で作られた一体構造である。まず、熱伝導体を用いて全体押し出し或いは圧締技術で二つ或いは二つ以上の並列に配置された微細管が作られ、そして微細管内部の空気が排出され、作動液が微細管の内部に注入される。以上のことにより、ヒートパイプ効果をもつマイクロヒートパイプアレイが作られることができる。以上の加工過程の中に、押し出し或いは圧締技術が用いられるため簡単に実現できる。また以上の加工技術を用いる場合、従来のマイクロヒートパイプを作成時のマイクロウィック材料の作成及びメンテナンスなどの過程がなくなる。また、本発明の加工技術では、全体成型を行うため、ろう付技術などが不要となる。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイは各微細管が相互的にサポートされるため、各微細管の強度を向上させることができる。従って、新型マイクロヒートパイプアレイの壁面の厚みを0.2-0.4ｍｍくらいまでに減らすことができる。このような薄い壁面に対し、現存の技術を用いて密閉を行う場合、作動液の漏れが発生しやすく、また端に対し、溶融ろう付技術で密閉を行う場合、その端が破断しやすくなる。本発明の新型ヒートパイプアレイの端を密閉する際、常温圧接技術を用いる。その技術ではカッター与圧技術で熱伝導体の端を変形させ、密閉及び切断を行う。以上のことにより、その端が徐々に収縮する密閉口になる。その技術を用いた場合、一回で密閉、実装を完成することができる。この技術は簡単であり、密閉性能も良い、さらに作動液が漏れることもないため、安全性、信頼性を向上させることができる。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの加工技術は量産に適する。

本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの縦断面構造のイメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第一種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第二種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第三種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第四種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第五種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第六種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第七種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第八種実施例の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第八種実施例−ソーラー集熱器の構造イメージ図 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの加工技術での好ましい加工過程のフローチャート 本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの加工技術での熱伝導体の端を密閉技術のフローチャート

以下より附図に合わせる本発明の説明を行う。

図２は本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第一種実施例の構造イメージ図である。この実施例では一つの中実の熱伝導体１を含め、その熱伝導体の材質は金属、或いは合金である。実施例での熱伝導体１の形状はプレート型であり、その内部には二つ或いは二つ以上の並列に配置された微細管２がある。並列に配置された微細管２は熱伝導体の表面の縦方向と平行する。また微細管の通路の断面は円形である。微細管２が熱伝導体１の中に密閉され、また微細管の中では作動液が注入されているため、その微細管がマイクロヒートパイプになる。さらに微細管２は相変化伝熱方式で伝熱を行うため、自然にマイクロヒートパイプ効果をもつようになる。この実施例の新型マイクロヒートパイプアレイは、押し出し或いは圧締成型技術で二つ或いは二つ以上並列に配置された微細管配列をもつプレート構造である。新型マイクロヒートパイプアレイの伝熱性能をさらに良くさせるため、微細管２の等価直径或いは水力直径の選択範囲を0.1mm−8mmとし、また好ましい選択範囲を0.2mm−5mmとする。隣接同士の微細管の距離の選択範囲は0.1mm−1.0ｍｍである。また微細管通路の断面の長さと広さの比の好ましい選択範囲は2/3から1.5までである。新型マイクロヒートパイプアレイの壁面の厚さの最小値と各微細管の等価直径の比は0.2、又は0.2より大きい。

熱伝導体１の両端が密閉され、かつ両端は常温圧接技術で形成した徐々に収束した帯状密閉口をもつ。各微細管２の両端が密閉され、かつ少なくても各微細管の一つの縦断面は帯状密閉口の外側と内側の辺で、その微細管の縦方向に沿って徐々に一点まで収束する。以上で述べた外側と内側の辺の両方とも相対的に反曲の二本の弧である。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの縦断面図は図１のように示す。図１では、熱伝導体１の帯状密閉口をもつ端で溶接、或いは高周波溶接、或いはその他の溶接方法で作られた、曲がっている補強溶接口９がある。その補強溶接口９では外付け保護スリーブが設置されている。もし徐々に収束した密閉口の延在長さと熱伝導体の総長さの比をδとし、熱伝導体の総厚さが3mm、又は3mmより小さい場合、δの範囲は0.75≦δ≦1.5となり、また熱伝導体の総厚さが3mm−5mmの間である場合、δの範囲は0.6≦δ≦1.5となる。さらに熱伝導体の総厚さが5mmより大きい場合、δの範囲は0.5≦δ≦1.5となる。新型マイクロヒートパイプアレイが各種の環境（異なる作動液、異なる環境温度）でうまく作動を行うため、熱伝導体の総厚さと徐々に収束した密閉口の延在長さの関係の設定により、微細管の内部耐圧力を2.0MPaより大きくさせなければならない。例：熱伝導体の総厚さは3mmである場合、徐々に収束した密閉口の延在長さを2.5mm、或いは3mmなどに設定し、また熱伝導体の総厚さは4mmの場合、徐々に収束した密閉口の延在長さを2.8mm、或いは3mmなどに設定する。

各微細管２の構造は独立ヒートパイプ構造、或いは半独立ヒートパイプ構造である。例えば、微細管２の両端とも密閉される場合、各微細管２は独立ヒートパイプ構造であり、マイクロヒートパイプの配列になる。各微細管２が繋がらなく、独立的に作動できるため、マイクロヒートパイプの信頼性を向上させることができ、また安全的にメンテナンスを行うことができる。万が一ある微細管が破損された場合（例えば、作動液の漏れなど）でも、他の微細管には影響を及ぼすことがない。各微細管２の一端が熱伝導体の内部に開放され、所謂微細管２はお互いに繋がっていることである。開放方式とは、熱伝導体１の一端に中空スリーブをつけることによって熱伝導体のその端が密閉されるが、各微細管２が熱伝導体のその端でお互いに連通している。所謂各微細管２は半独立ヒートパイプ構造になる。その半独立ヒートパイプ構造はマイクロパイプアレイをもつ単一なヒートパイプである。微細管２の片方の端がそれぞれ密閉されないため、中空スリーブと溶接を行う必要となる。その溶接技術はアルビン接合、高周波溶接或いは鑞付などである。また各微細管は半独立マイクロヒートパイプであるため、各微細管がお互いに繋がっていて、実際に単一なヒートパイプ構造である。一旦、ある微細管が破損される場合、他の微細管にも影響を及ぼすことになり、そのヒートパイプの全体的な効果がなくなる恐れが存在するため、信頼性をある程度低下させてしまう。

図３は本発明の新型ヒートパイプアレイの第二種の実施例の構造図である。この実施例と図２で示した実施例と異なるのは、その実施例での円形の微細管２の内壁に熱伝導材料で作られたマイクロフィン３が大量にあることである。新型マイクロヒートパイプアレイの縦方向を沿った隣接のマイクロフィンの配列よりマイクログルーブになり、マイクロフィン、マイクロウィック、マイクログルーブを設置することによりヒートパイプの熱交換性能を強めることができる。

図４は本発明の新型ヒートパイプの第三種実施例の構造イメージ図である。その実施例で微細管２の通路の断面は矩形であるが、当然ながら、微細管の断面図がその他の多角形（例えば、三角形、正方形など）、楕円形或いは他の応力集中にならない任意の形状でもできる。多角形の頂角は円滑で、一定的な曲率をもつ丸角である。図４では、矩形の頂角は円滑で、一定的な曲率をもつ丸角１３である。当実施例での微細管２の等価直径或いは水力直径の選択範囲は0.1mm−3.5mmである。各矩形の微細管２の上下壁面で幾つかの熱伝導体で作られたマイクロフィン３或いは微細管２の縦方向に沿った凹型マイクログルーブが設置されている。本発明での新型マイクロヒートパイプアレイの縦方向に沿った隣接のマイクロフィン３の間にマイクロウィックが形成される。さらに、本発明での新型マイクロヒートパイプアレイの縦方向に沿った隣接のマイクロフィン３の配列がマイクログルーブを形成する。応力集中を下げるため、マイクロフィン３が微細管２の壁面との頂角、及び凹型マイクログルーブが微細管の壁面との頂角は尖った角ではなく円滑で、一定的な曲率をもつ丸角である。図４では、マイクロフィン３が微細管２の壁面との頂角が円滑で、一定的な曲率をもつ丸角１３である。マイクロフィン３が微細管２の内部上下壁面に設置されることができるが、微細管２の内部の壁面の任意の一つの壁面にも設置されることもできる。さらに、微細管２の内部壁面の任意の両側の壁面にも、任意の三つの壁面にも、また四つの壁面にも設置することもできる。

図５は本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの第四種の実施例の構造イメージ図である。図５で示した実施例と図４で示した実施例の異なることは、図４でも熱伝導体１の四つの角が全て直角であるが、図５での熱伝導体１の四つの角は円弧である。以上の設置したことによりヒートパイプの押し出し作成がさらに簡単に実現される。本発明の熱伝導体の外形は様々な形になることができる、例えば、図６（本発明の新型ヒートパイプの第五種の実施例の構造イメージ図）では、熱伝導体１の外形は半楕円形である。図７は本発明の新型ヒートパイプの第六種実施例の構造イメージ図である。部品４の冷却面は曲面であり、微細管２が熱伝導体１と部品の冷却面との接触面に沿って平行に配列される。熱伝導体１は部品４の冷却面と接触した表面形状をもっている。その表面は伝熱面になる。微細管１は熱輸送面で層状的に配列される。熱伝導体１と部品４の冷却面との接触面積が最大化になったため、等価熱抵抗が非常に小さい。従って、熱伝達率を向上させることができる。

微細管が熱伝導体内部で多層配列することができる。例えば、図８（本発明の新型ヒートパイプの第七種実施例の構造イメージ図）では、微細管２が熱伝導体１で二層配列になっている。

図９は本発明の新型ヒートパイプの第八種実施例の構造イメージ図である。その実施例での熱伝導体１に、微細管２の縦方向と平行した中実帯状体が内設されている。その中実帯状体では固定用取り付け穴１２が設置され、その取り付け穴を通して新型マイクロヒートパイプアレイを目的部品に固定することができる。中実帯状体がユーザーのニーズに合わせて熱伝導体の中央に、または両側に設置することができる。また、中実帯状体の数は１本、または１本以上に設定することができる。

本発明は一種新型伝熱システムに関わる。この新型伝熱システムは、新型マイクロヒートパイプアレイを含める。この新型熱交換システムが電子機器の散熱器、ヒートパイプを用いた新型熱交換器、及びソーラー集熱器として利用される。

本発明した新型熱交換システムを電子機器の散熱器、例えば、ＣＰＵなどまた他の集積チップの散熱器、或いはハイパワーＬＥＤの散熱器、ソーラーパネルの冷却システムの散熱などに利用される。この場合では、マイクロヒートパイプの蒸発面が電子機器の発熱面と絶縁接触され、自動的に電子機器の発熱を吸収する。また、新型マイクロヒートパイプアレイのその他の部分が凝縮面になり、効率的に散熱することができる。また新型ヒートパイプの一端のある部分を部品の発熱面と接触し、吸熱蒸発を行う。その際、新型マイクロヒートパイプアレイのその他の部分が凝縮面になる。或いは新型ヒートパイプの一端を熱源の中に設置し、吸熱蒸発を行う。また、もう一つの端が空気、或いは液体で冷却され、新型マイクロヒートパイプアレイ内部の蒸気が凝縮放熱されることになる。

具体的に、この新型熱輸送システムが電子チップの散熱器として利用される際、微細管の等価直径の選択範囲は0.2mm−6mmであり、また微細管の通路の内壁に強化伝熱効果をもつマイクロフィンが設置されることができる。設置される隣接マイクロフィンの間の距離の範囲は0.01mm−0.6mmであり、マイクロフィンの高さの範囲は0.02mm−2mmである。以上のような構造をもつ新型マイクロヒートパイプアレイは伝熱性能が高くなり、さらに強度などの力学特性も向上させる。好ましくは、マイクロフィンの大きさと構造が微細管の内壁に、微細管の縦方向に沿った適切なマイクログルーブを形成する。その場合、マイクログルーブの溝の広さの範囲は0.01mm−0.4mmであり、溝の深さの範囲は0.02mm−0.7mmである。作動液の種類にあわせて適切なマイクログルーブの大きさと構造が選択されることにより電子チップの散熱時に形成した熱流密度を増加させ、伝熱効率も大幅に向上させる。従って、電子チップを素早しく冷却することができる。

新型熱輸送システムがＬＥＤまたはハイパワー発熱部品の散熱器として利用される場合、微細管の等価直径の選択範囲を0.5mm−3mmに設定することができる。また伝熱効果を強化させる作用をもつマイクロフィンを各微細管の通路の内壁に設置することもできる。この場合では、隣接のマイクロフィン間の距離の選択範囲を0.01mm−0.5mmに設定し、また高さの選択範囲を0.03mm−1.5mmに設定する。以上の構造をもつ新型マイクロヒートパイプアレイの伝熱性能は高くなり、さらに強度などの力学特性も向上させることができる。好ましくは、マイクロフィンの大きさと構造が微細管の内壁に、微細管の縦方向に沿った適切なマイクログルーブに形成する。その場合では、マイクログルーブの溝の広さの範囲を0.01mm−0.4mmに設定し、また溝の深さの範囲を0.03mm−0.7mmに設定する。作動液の種類にあわせてマイクログルーブの大きさと構造が選択されることによりＬＥＤ及びハイパワー発熱部品の散熱器として散熱時に形成した熱流束を増加させ、伝熱効率も大幅に向上させる。従って、ＬＥＤ及びハイパワー発熱部品を素早く冷却することができる。本発明の新型熱輸送システムが熱交換器として利用される時、新型マイクロヒートパイプアレイの両端をそれぞれ熱交換される熱源と、冷源に設置することにより、新型マイクロヒートパイプアレイ自身は蒸発凝縮を行い、高効率的に熱交換することができる。

本発明の新型熱輸送システムがソーラーパネルの散熱器、または電力と熱の併給システムとして利用される時に、新型マイクロヒートパイプアレイの蒸発面がソーラーパネルの裏面と接触することにより、ソーラーパネルの発生した熱を吸収する。新型マイクロヒートパイプアレイの蒸発面とソーラーパネルの接触方法は直接接触、或いは間接的に接合する。新型マイクロヒートパイプアレイの凝縮面は熱交換器で凝縮放熱することによって温水を作ることができる。

本発明の新型熱輸送システムがソーラー温水器の集熱器として利用される時に、各微細管の一端は太陽放射エネルギーを吸収し、作動液が蒸発させる。もう一つの端は熱交換器で凝縮放熱することにより温水を作ることができる。

図１０は本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの実施例−−ソーラー温水器の集熱器の構造イメージ図である。本実施例でソーラー温水器の集熱器は新型マイクロヒートパイプアレイで構成した吸熱器５、熱交換器６、及び水の出入り口−−パイプ７とパイプ８を含める。吸熱器５の吸熱面が太陽に向けて設置され、太陽光エネルギーを吸収する。新型マイクロヒートパイプアレイの放熱部分が熱交換器６に内設され、熱交換器６の中で凝縮放熱を行う。以上のことにより、熱交換器６の中での水が加熱される。吸熱率を向上させるため、吸熱面の外表面が太陽光エネルギーを高い効率で吸収することができる吸熱膜を設置することができる。吸熱器５の吸熱面が新型マイクロヒートパイプアレイの蒸発面に対応し、吸熱器５の放熱部分が新型マイクロヒートパイプアレイの凝縮面に対応する。水を通す熱交換器６が温水を作ることができる。新型マイクロヒートパイプアレイの凝縮面が直接に水タンクのインナーキャビティの外壁面と接触し、新型マイクロヒートパイプアレイが凝縮放熱時、インナーキャビティの壁面を通って熱を水タンク中の水まで輸送し、集熱する。

本実施例の工作原理は：
１．吸熱器５の吸熱部分が太陽の放射エネルギーを吸収し、マイクロヒートパイプ内の作動液を吸熱蒸発させる。
２．高温の蒸気が各微細管の管路を通って微細管の放熱部分に入り、凝縮放熱する。
３．蒸気が熱交換器６の水と熱エネルギーを交換後、液体まで凝縮し、吸熱器５まで戻る。
手順１〜３まで繰り返して行うことにより吸熱器５が吸熱した放射エネルギーを連続的に熱交換器６の水まで輸送し、太陽光エネルギーを利用する目的を達する。

微細管にマイクログルーブが形成することができる。多数のマイクログルーブをもつ新型ヒートパイプは重力と毛細駆動力で凝縮部分の作動液を蒸発部分までより素早く移動させることができる。マイクログルーブのサイズを調節することにより、ソーラー集熱ヒートパイプの単一方向熱輸送を実現することができる。本発明での集熱器は既存の集熱器より更なる高い集熱効率をもっている。

図１１は本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの好ましい加工技術のフローチャートである。その加工技術の手順は以下のように示す。
Ａ．押し出し或いは圧締技術を用いて、二つ或いは二つ以上平行配列、かつ貫通した微細管をもつ熱伝導体を作成する。この熱伝導体は金属材料でもあり、金属材料を軟化温度まで加熱した後、押し出し金型に注入し、押し出しを行う。
Ａ’．金属材料が押し出しされたあと、常温まで冷却し、その金属材料の構造が二つ或いは二つ以上並列配列された微細管配列をもつプレート構造になる。また微細管の内壁に幾つかの押し出し成型した、伝熱促進作用をもつマイクロフィンがある。
Ｂ．熱伝導体の一端を密閉する。具体的な方法は以下の三つである。第一種の方法は圧着技術を用いて密閉することである。図１２で示した本発明の新型マイクロヒートパイプアレイの加工技術での熱伝導体の端を密閉技術のフローチャートで、この圧着技術が用いたのは上下設置されたカッター１０、カッター１０で熱伝導体１の端を与圧することにより変形させ、さらに密閉、切断を行う。第二種の方法では、熱伝導体の端を押しつぶした後、溶接或いは高周波溶接技術を用いて密閉、補強を行う。第三種の方法では、熱伝導体の端に接続スリーブをつけ、密閉する。
Ｃ．微細管中の作動液の注入と空気の排出を行う。
Ｄ．熱伝導体のもう一つの端を、圧着技術を用いて密閉する。図１２で示したように、この圧着技術は、熱伝導体の端の上下にカッター１０を設置し、カッター１０を用いて熱伝導体１を押し出しにより変形させ、さらに密閉、切断を行う。また細いアルミ棒を微細管２に挿入させた後、圧着技術で熱伝導体の端を密閉する。
Ｅ．熱伝導体の両端に保護ケースをつける。その保護ケースが接続スリーブを用いることにより熱伝導体の端を密閉するための強固溶接が実現できる。

以上の加工技術で作られたマイクロヒートパイプアレイは図３で示した第三種実施例の新型マイクロヒートパイプアレイであり、その縦断面構造は図１に示す。もし微細管の内壁にマイクロフィンが設置されていない場合、そのマイクロヒートパイプアレイは図２で示した第一種実施例の新型マイクロヒートパイプアレイになる。

この実施例での新型マイクロヒートパイプアレイの加工技術は熱間押し出しが使われているが、冷間押し出し或いは等温押し出し技術を使うこともできる。冷間押し出し或いは等温押し出し技術が使われる場合、耐研摩、かつ高い硬度をもつ押し出し金型を使用すべきであり、さらにかなり大きな押し出しの圧力が必要とする。冷間押し出し或いは等温押し出し技術が使われる場合、熱間押し出し技術よりコストが高くなるが、押し出しが行われたヒートパイプの表面は平滑である。また圧締技術を用いて本発明の新型ヒートパイプを作成することもできる。二つ或いは二つ以上平行並列した柱状の凸状圧締金型を用いて熱伝導体の圧締を行う。比較的に短い新型ヒートパイプを加工する場合、以上の圧締技術がさらに実現しやすい。当然ながら、熱間押し出し、冷間押し出しおよび等温押し出し技術も使われる。本発明の新型マイクロヒートパイプアレイを加工する場合、押し出し成型技術或いは圧締成型技術を用いるため、簡単に実現でき、現存のヒートパイプを作成する際のマイクロウィック材料の作成及びメンテナンスなどの過程を省略することができる。さらに、鑞付技術を用いて一体化構造を加工する必要がなくなる。本発明の加工技術は量産化に適する。本発明の加工技術を用いる場合新型ヒートパイプの生産率を向上させることができる。

本業界内の技術者が全面的に本発明を理解するため、上述具体例を挙げたが、本発明の実施方式は上述の具体例に限らない。従って、ここでは本発明の附図と実施例を用いて本発明を詳しく説明したが、本発明への修正などを行うことができる。一切の本発明の主旨と請求範囲に関わる技術方案、及び修正などは全て本発明の請求項目に含められる。

Claims (28)

1. 一つの中実である熱伝導体を備え、
   前記熱伝導体は二つ或いは二つ以上の平行配列された微細管を備え、
   前記微細管内に相変化伝熱効果を有する作動液が注入され、
   前記熱伝導体の両端が密閉され、
   かつ少なくても一端は圧着されて形成された徐々に収束した帯状密閉口を備えたことを特徴とする微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
2. 少なくても二つ以上の前記微細管の片断面は前記帯状密閉口の外側の辺において、前記微細管の縦方向に沿って徐々に一点に収束し、かつ前記帯状密閉口の外側の辺が相対的な凹型の二本の弧であることを特徴とする請求項１に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
3. 少なくても二つ以上の前記微細管の片断面は前記帯状密閉口の内側の辺において、前記微細管の縦方向に沿って徐々に一点に収束し、かつ前記帯状密閉口の内側の辺が相対的な凹型の二本の弧であることを特徴とする請求項２に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
4. 前記熱伝導体の帯状密閉口を有する端が溶接或いは高周波溶接で作製された増強溶接口であることを特徴とする請求項３に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
5. 前記熱伝導体の帯状密閉口を有する端の外側に保護ケースが設けられたことを特徴とする請求項３又は４記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
6. 前記熱伝導体が部品の冷却面に装着されており、前記微細管が前記装着面と平行配列されることにより、装着面上に微細管層を形成することを特徴とする請求項５に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
7. 前記熱伝導体はプレート状或いは帯状であり、前記微細管は前記熱伝導体の長手方向に平行に配列されることを特徴とする請求項６に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
8. 前記微細管の通路の横断面の長さと幅の比が2/3乃至1.5の間であり、前記マイクロヒートパイプアレイの壁面の最小厚さと前記各微細管の等価直径との比が0.2又は0.2より大きいことを特徴とする請求項７に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
9. 前記熱伝導体の総厚さが3mm又は3mmより小さい場合、徐々に収束した前記帯状密閉口の延在する長さと前記熱伝導体の総厚さとの比が0.75乃至1.5の間となり、前記熱伝導体の総厚さが3mm乃至5mmである場合、徐々に収束した前記帯状密閉口の延在する長さと前記熱伝導体の総厚さとの比が0.5乃至1.5の間となることを特徴とする請求項８記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
10. 前記微細管が二層或いは二層以上に配列されたことを特徴とする請求項１記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
11. 前記微細管の等価直径又は水力直径が0.1mm乃至8mmであり、隣接した微細管間の距離或いは壁面の厚さは0.1乃至1.0mmであることを特徴とする請求項９記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
12. 前記熱伝導体内において、一本或いは一本以上の前記微細管の縦方向に沿った中実帯状体を有し、前記中実帯状体に実装固定用取り付け穴が設けられていることを特徴とする請求項９記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
13. 各前記微細管が全て独立のヒートパイプ構造を有することを特徴とする請求項９記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
14. 前記微細管の一端が前記熱伝導体内部で開放され、
    各前記微細管が前記一端で相互に接続されており、
    前記熱伝導体の一端が密閉され、
    各前記微細管のもう一方の端が密閉され、
    各前記微細管が半独立ヒートパイプ構造を形成することを特徴とする請求項９に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
15. 前記微細管の通路の横断面の形状が多角形、円形又はだ円形であり、前記多角形の頂角は応力集中を防ぐ為に平滑な丸角であることを特徴とする請求項９に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
16. 前記微細管の通路の内壁に伝熱促進効果を有するマイクロフィン或いは微細管の軸方向に沿ったマイクログルーブが設置され、
    前記マイクロフィンの大きさ及び構造が前記微細管の通路の内壁に、微細管の軸方向に沿った毛細管効果を有するマイクログルーブを形成し、前記マイクロフィンと微細管の内壁との頂角及び凹型マイクログルーブと微細管の内壁との頂角は全て平滑な丸角であることを特徴とする請求項９記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイ。
17. 請求項１乃至１６に記載の微細管配列を有するマイクロヒートパイプアレイを用いた熱交換システム。
18. 前記マイクロヒートパイプアレイの蒸発面が部品の冷却面と接触し、前記マイクロヒートパイプアレイの蒸発面以外の部分が凝縮面となることを特徴とする請求項１７記載の熱交換システム。
19. 前記マイクロヒートパイプアレイの一端が熱源の中に配置されることにより、前記マイクロヒートパイプアレイの一端において吸熱蒸発を行い、前記マイクロヒートパイプアレイのもう一方の端に空気或いは液体が設置され、前記空気或いは液体によって冷却されることにより、マイクロヒートパイプアレイ内部の蒸気が凝縮放熱を行うことを特徴とする請求項１７に記載の熱交換システム。
20. 前記熱交換システムがソーラー温水器の集熱器として利用される場合、各前記微細管の一端が太陽光の放射エネルギーを吸収し蒸発させ、もう一方の端において熱交換器まで凝縮放熱を行うことで温水を作り、前記マイクロヒートパイプアレイの凝縮面が、水タンク内の水或いは熱交換器となる水タンクのインナーキャビティの外壁に直接接触することを特徴とする請求項１７記載の熱交換システム。
21. 前記熱交換システムがソーラーパネルの散熱システム或いは電力と熱の併給システムとして利用される場合、前記マイクロヒートパイプアレイの蒸発面がソーラーパネルの裏面と接触されることで、ソーラーパネルの発熱を吸収して蒸発させ、マイクロヒートパイプアレイの凝縮面が熱交換器で凝縮放熱を行うことにより、温水を作ることを特徴とする請求項１７記載の熱交換システム。
22. 請求項１乃至１６に記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法において、その作製方法は以下のような手順によって作製される。
    Ａ 押し出し技術又は圧締技術を用いて、前記熱伝導体内部に二つ或いは二つ以上の平行配列で貫通された微細管を有する熱伝導体を作製する。
    Ｂ 前記熱伝導体の一端を密閉する。
    Ｃ 前記微細管内の空気を排出し、微細管内に作動液を注入する。
    Ｄ 常温圧接技術を用いて、前記熱伝導体のもう一方の端を密閉する。前記常温圧接技術は熱伝導体の端をカッターで与圧することによって変形させ、さらに密閉、切断を行うこと、
    を特徴とするマイクロヒートパイプアレイの作製方法。
23. 手順Ｂの前記熱伝導体の一端を密閉する方法は、前記常温圧接技術であることを特徴とする請求項２２記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法。
24. 手順Ｂの前記熱伝導体の一端を密閉する方法は、前記熱伝導体の一端を押しつぶし、曲げた後に、溶接或いは高周波溶接で密閉口を強固にすること、或いは前記一端に接続スリーブを設けて密閉することを特徴とする請求項２２記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法。
25. 手順Ｄの後に、前記熱伝導体の両端に保護ケースを実装する手順Ｅを有することを特徴とする請求項２２乃至２４記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法。
26. 手順Ａの前記熱伝導体の材質は金属或いは合金であり、前記金属或いは前記合金材料を軟化温度まで加熱した後に、押し出し金型或いは圧締金型に平行配列された二つ或いは二つ以上の凸柱用い、前記熱伝導体が押し出し或いは圧締後に常温まで冷却する手順であることを特徴とする請求項２５記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法。
27. 前記熱伝導体の形状は帯状或いはプレート状であり、前記平行配列された前記微細管が帯状或いはプレート状の熱伝導体の長手方向と平行であることを特徴とする請求項２６記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法。
28. 前記手順Ａの押し出し金型或いは圧締金型の凸柱に複数の凹型の溝或いは外フィンが設置され、前記微細管の内壁に押し出し成型或いは圧締成型により熱輸送性能を強化させる作用を有するマイクログルーブ或いはマイクロフィンを成型することを特徴とする請求項２６記載のマイクロヒートパイプアレイの作製方法。

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