JP2018109497A - ウィック、ループ型ヒートパイプ、冷却装置、電子機器、多孔質ゴムの製造方法、及びループ型ヒートパイプ用ウィックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が複雑化することなく、筐体に対するウィックの密着性の確保と局所的な空孔のつぶれ抑制とを実現する。【解決手段】外部から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発部２と、蒸発部２から導かれた気相の作動流体を液相へと凝縮させる凝縮部３と、を備え、凝縮した液相の作動流体を蒸発部２に還流させるループ型ヒートパイプのウィック６であって、ウィック６が多孔質ゴムにより構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ウィック、ループ型ヒートパイプ、冷却装置、電子機器、多孔質ゴムの製造方法、及びループ型ヒートパイプ用ウィックの製造方法に関する。

近年、電子機器等において、発熱部からの熱による昇温を抑制する冷却手段として、小型で高効率のループ型ヒートパイプが用いられるようになってきている。

一般的に、ループ型ヒートパイプは、図５に示すように、外部から受熱して作動流体を液相から気相に蒸発させる蒸発部１００と、外部に放熱して作動流体を気相から液相に凝縮させる凝縮部２００と、蒸発部１００から凝縮部２００へ気相の作動流体を流通させる蒸気管３００と、凝縮部２００から蒸発部１００へ液相の作動流体を流通させる液管４００とを備える。

蒸発部１００の内部には、多孔質材で構成されたウィック５００が収容されており、液管４００から送られた液相の作動流体がウィック５００の微細な孔を毛細管現象によって浸透してウィック５００の外表面に染み出す。このとき、蒸発部１００と接触する発熱部（冷却対象）からの熱が蒸発部１００の筐体を通してウィック５００に伝達されることにより、その熱で作動流体が蒸発して気相に変化する。気相に変化した作動流体は蒸気管３００を通って凝縮部２００へ移動する。凝縮部２００においては、作動流体の熱が外部に放出されることで、作動流体の温度が低下し液相へと変化する。そして、液相に変化した作動流体は液管４００を通って蒸発部１００へ移動し、再びウィック５００内に浸透する。このように、ループ型ヒートパイプにおいては、作動流体の相変化を利用し、作動流体を循環させ、蒸発部で吸収した熱を凝縮部へと移送することで、冷却対象を効率良く冷却することができる。

ここで、発熱部の熱を蒸発部内のウィックに効率良く伝達するには、ウィックが蒸発部の筐体に対して密着していることが重要である。筐体に対するウィックの密着性が十分でないと、ウィックへの熱伝達効率が低下するため、作動流体の蒸発効率が低下し、その結果、ループ型ヒートパイプの冷却性能が低下する。

このような課題に対して、下記特許文献１（特許第５６９９４５２号公報）では、ウィックの外表面に金属パターンを形成し、この金属パターンと蒸発器の筐体内壁とを拡散接合することで、ウィックと筐体とを一体化し、熱的あるいは機械的応力によって接合面に隙間が生じるのを防止するループ型ヒートパイプが提案されている。

また、筐体に対するウィックの密着性を良好に確保するために、ウィックを樹脂材料で構成し、ウィックの外径を筐体の内径よりも僅かに大きく形成することが一般的に行われている。しかしながら、製造誤差によってウィックの外径が過度に大きくなってしまうと、ウィックが筐体内に収容されて圧縮された際に、ウィックの外周面近傍における空孔がつぶれることで、作動流体の流れが阻害され、冷却性能が低下することがある。

これに対して、下記特許文献２（特開２０１１−１９０９９６号公報）では、ウィックの内周面に長さ方向に延びる内側溝を形成し、ウィックが蒸発器の筐体内に収容された際に内側溝が閉じられるように変形することで、ウィックの外径寸法に製造誤差が生じても外周面近傍における空孔のつぶれを抑制する方法が提案されている。

上記のように、従来では、筐体に対するウィックの良好な密着性や作動流体の円滑な流れを確保するために種々の対策が提案されている。しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のように、ウィックの外表面に金属パターンを形成したり、ウィックの内周面に内側溝を形成したりする対策は、いずれもウィックの加工が複雑になり、製造コストが高くなるといった課題がある。さらに、特許文献２に記載のウィックにおいては、内側溝の寸法精度が低いと、ウィックを筐体内に収容した際にウィックの変形が不均一になり、筐体に対するウィックの接触が部分的に不十分となって熱伝達効率が低下する虞がある。

上記課題を解決するため、本発明は、外部から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発部と、前記蒸発部から導かれた気相の作動流体を液相へと凝縮させる凝縮部と、を備え、凝縮した液相の作動流体を前記蒸発部に還流させるループ型ヒートパイプのウィックであって、多孔質ゴムにより構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ウィックが多孔質ゴムにより構成されていることで、高い弾性力が得られるようになり、蒸発部の筐体に対するウィックの密着性が高まる。これにより、蒸発部の筐体からウィックへの熱伝達効率が良好に得られるようになる。また、ウィックが多孔質ゴムにより構成されていることで、ウィックの弾性領域が大きくなるため、製造時の寸法誤差などによる局所的な空孔のつぶれを抑制することができる。すなわち、ウィックが蒸発部の筐体内で圧縮されたとしても、ウィックの圧縮変形に伴う空孔のつぶれが広い範囲に渡って分散するため、空孔が外周面近傍などの局所的な領域で大きくつぶされるのを抑制できる。このように、本発明によれば、ウィックの高い密着性の確保と局所的な空孔のつぶれ抑制を、ウィックを多孔質ゴムにするだけの対策で実現することができる。

本発明に係るループ型ヒートパイプの実施の一形態を示す図である。 ループ型ヒートパイプにおける蒸発部の断面図である。 ウィックが筐体内で圧縮された状態を拡大して示す断面図である。 本実施形態に係るループ型ヒートパイプを備える電子機器の一例を示す図である。 一般的なループ型ヒートパイプの構成を示す図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明について説明する。なお、本発明を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

図１は、本発明に係るループ型ヒートパイプの実施の一形態を示す図である。
図１に示すループ型ヒートパイプ１は、内部に作動流体が封入されており、発熱部から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発部２と、蒸発部２から導かれた気相の作動流体を液相へと凝縮させる凝縮部３と、蒸発部２から凝縮部３へ気相の作動流体を流通させる蒸気管４と、凝縮部３から蒸発部２へ液相の作動流体を流通させる液管５とを備える。

蒸発部２は、銅や銅合金等の熱伝導性の良好な金属で形成された円筒状部材であり、内部にウィック６が収容された受熱部７と、液相の作動流体を貯留するリザーバ部８とで構成されている。受熱部７には蒸気管４の一端部が連結され、リザーバ部８には液管５の一端部が連結されている。また、蒸気管４と液管５のぞれぞれの他端部は凝縮部３に連結されている。凝縮部３は、外周面にアルミニウム製の薄板状のフィンが多数設けられたステンレス製のパイプで構成されている。

ウィック６は、多孔質材から成る中空部材であり、蒸気管４側が閉塞され、リザーバ部８側は開放されている。また、ウィック６の外周面には、蒸気管４側の端部からリザーバ部８側の端部の手前までの領域に渡って長手方向に延びる複数のグルーブ（溝）１１が設けられている。図２に示すように、複数のグルーブ１１は、ウィック６の周方向に渡って等間隔に設けられている。また、ウィック６のグルーブ１１が設けられていない部分の外径は、蒸発部２の筐体２ａの内径よりも若干大きい寸法に設定されている。このため、蒸発部２内にウィック６が収容された状態では、グルーブ１１が設けられていない部分においてウィック６が蒸発部２の筐体２ａの内周面に対して密着する。このように、ウィック６が蒸発部２の筐体２ａに対して密着していることで、発熱部の熱が蒸発部２の筐体２ａを通してウィック６に効率良く伝達される。また、ウィック６は、液相と気相とを分離して気相の作動流体がリザーバ部８に逆流するのを防止する機能も果たす。一方、グルーブ１１が設けられた部分においては、蒸発部２の筐体２ａとの間に空間部が形成されている。

ウィック６は多孔質材で構成されているため、リザーバ部８内に貯留される液相の作動流体は毛細管現象によってウィック６内に浸透する。この毛細管現象によってウィック６は液相の作動流体を凝縮部３から蒸発部２へ送るポンプの役割も果たす。作動流体としては、水、アルコール、アセトン、代替フロン、フッ素系溶剤等の凝縮性流体が用いられる。また、作動流体はウィックに浸透しやすいようにウィックとの濡れ性が良好なものが良い。濡れ性はウィックと作動流体との接触角で測定することができる。接触角が９０°以上であると、作動流体がウィックに浸透することができないため、接触角は９０°未満である必要がある。

また、作動流体とウィック材料としては、ウィック材料が作動流体に溶解しにくい組み合わせを選択することが好ましい。作動流体に対するウィック材料の溶解性は、溶解性パラメータ（ＳＰ値）を目安にすることができる。ＳＰ値は、物質の極性を示す値であり、２つの物質のＳＰ値の差が大きいほど２つの物質は互いに溶解しにくい。ループ型ヒートパイプに用いられる作動流体とウィック材料との組み合わせは、溶解性の観点から、作動流体のＳＰ値がウィック材料のＳＰ値より大きくなるような組み合わせとすることが好ましい。

本実施形態に係るループ型ヒートパイプにおいては、発熱部からの熱が蒸発部２の筐体を通してウィック６内の液相の作動流体に伝達されると、その熱で作動流体が蒸発して気相に変化する。蒸発して気相に変化した作動流体はグルーブ１１を通って蒸気管４へと送られる。そして、気相の作動流体は蒸気管４を通って凝縮部３へと送られる。凝縮部３においては、内部を通過する作動流体の熱がフィンを介して外部に放出されることで、作動流体の温度が低下して凝縮し、気相から液相へと変化する。液相に変化した作動流体は液管５を通って蒸発部２へ移動し、毛細管現象によってリザーバ部８から再びウィック６内に浸透する。このような作動流体の循環が行われることで、発熱部の熱が連続して外部に放出され、冷却対象が冷却される。

次に、ウィックについて詳しく説明する。
上記本実施形態に係るループ型ヒートパイプに用いられるウィックは、多孔質ゴムにより構成されている。このように、本発明においては、ウィックを多孔質ゴムにより構成することで、多孔質樹脂に比べて高い弾性力が得られるようになるので、蒸発部の筐体に対するウィックの密着性が高まる。これにより、蒸発部の筐体からウィックへの熱伝達効率が良好に得られるようになり、ループ型ヒートパイプの冷却性能が向上する。

また、ウィックが多孔質ゴムにより構成されていることで、ウィックの弾性領域が大きくなるため、製造時の寸法誤差などによる局所的な空孔のつぶれを抑制することができる。すなわち、ウィックが蒸発部の筐体内に収容された際にウィックが圧縮されたとしても、図３に示すように、ウィック６の圧縮変形に伴う空孔６ａのつぶれが広い範囲に渡って分散するため、空孔６ａが外周面近傍などの局所的な領域で大きくつぶされるのを抑制できる。これにより、空孔が局所的に大きくつぶされることによる作動流体の流れ阻害が生じにくくなるので、作動流体の円滑な流れを確保することができ、冷却性能をより確実に発揮することができるようになる。

このように、本発明によれば、ウィックの高い密着性の確保と局所的な空孔のつぶれ抑制を、ウィックを多孔質ゴムにするだけの対策で実現することができるため、構造が複雑化することなく、製造コストの増大も回避できる。

ウィックに用いられる多孔質ゴムとしては、発泡シリコーンゴム又は発泡ウレタンゴムが挙げられる。これらの多孔質ゴムは、内部に作動流体を浸透させ作動流体に対して毛細管力を良好に生じさせるために、連通した複数の空孔が形成されている。多孔質ゴムの平均空孔径、空孔率、連泡率は、それぞれ下記の範囲に設定されることが好ましい。

〔平均空孔径〕
ウィックに用いられる多孔質ゴムはその毛細管力によって作動流体を移動させてループ型ヒートパイプを駆動させる機能を担うことから、より大きな毛細管力が得られるように多孔質ゴムの平均空孔径は小さい方が好ましい。

ウィックに用いられる多孔質ゴムの平均空孔径（ウィックの空孔半径ｒ_wick）と毛細管力（毛細管圧ΔＰ_cap）は、下記数式１を用いて表される。

ここで、σは作動流体の表面張力、θはウィックと作動流体との接触角である。

数式１からわかるように、ウィックの空孔半径が小さいほど毛細管圧は大きくなる。

また、ループ型ヒートパイプを動作させるには、毛細管力（毛細管圧ΔＰ_cap）と全
圧力損失ΔＰ_totalが下記数式２を満たす必要がある。

さらに、全圧力損失ΔＰ_totalは下記数式３を用いて求められる。

ここで、ΔＰ_wickはウィックの圧力損失、ΔＰ_groovはグルーブの圧力損失、ΔＰ_VL
は蒸気管の圧力損失、ΔＰ_condは凝縮部の圧力損失、ΔＰ_LLは液管の圧力損失、ΔＰ_gr
avは重力による圧力損失である。

上記のように、より大きな毛細管力を得られるようにするために、多孔質ゴムの平均空孔径は小さい方が好ましく、具体的には５０μｍ以下であるのがよい。平均空孔径が５０μｍより大きいと、ループ型ヒートパイプを駆動させる十分な毛細管力が得られ難くなるからである。好ましくは平均空孔径が１０μｍ以下であり、より好ましくは平均空孔径が５μｍ以下である。平均空孔径は、多孔質ゴムの断面をレーザ顕微鏡で撮影し、得られた画像を画像処理により空孔の面積を測定することで求めることができる。

〔空孔率〕
ウィックに用いられる多孔質ゴムの空孔率は、高いほどループ型ヒートパイプを駆動させるのに有利である。具体的に、多孔質ゴムの空孔率は２０％以上が好ましい。空孔率が２０％未満になると、ループ型ヒートパイプの駆動が困難になる。より好ましくは空孔率が５０％以上である。空孔率は下記数式４により算出できる。

〔連泡率〕
ウィックに用いられる多孔質ゴムの連泡率は、高いほど液相の作動流体がウィックに浸透するのに有利である。具体的に、多孔質ゴムの連泡率は２５％以上であるのがよい。好ましくは連泡率が５０％以上であり、より好ましくは連泡率が７５％以上である。連泡率はメタノール浸漬重量増加率を測定することで得られる。

具体的には、ＪＩＳ ６２４９の圧縮永久歪測定に用いられる試験片（直径約２９ｍｍ、厚さ約１２．５ｍｍの円柱形状）を作成し、これをメタノール５００ｇを満たした容量約１Ｌの金属缶に浸漬し、蓋をして２５℃の雰囲気中で放置する。なお、比重が小さく浮いてしまうサンプルについては、金属メッシュでメタノール上部を覆う。そして、浸漬前及び浸漬２４時間後の重量から、下記数式５で重量増加率を算出する。

〔多孔質ゴムの製造方法〕
ウィックに用いられる多孔質ゴムは、化学発泡法又は水発泡法によって製造することができる。化学発泡法は、発泡剤を添加することにより発泡構造を形成する方法である。これに対して、水発泡法は、水を主成分とする溶媒と液状ゴムとを乳化させ、溶媒を除去することで発泡構造を形成する方法である。特に、水発泡法は化学発泡法に比べて高い空孔率で微細な空孔を均一に形成することが可能である。このため、多孔質ゴムの発泡状態を上述の好ましい範囲（平均空孔径が５０μｍ以下、空孔率が２０％以上８０％以下、連泡率が２５％以上１００％以下）に調整するには、水発泡法を用いることが好ましい。

以下、水発泡法を用いてウィック用の発泡シリコーンゴムを製造する方法について説明する。

〔水発泡シリコーンゴムの製造方法〕
水発泡法により発泡シリコーンゴムを製造するには、市販されている２液型の液状シリコーンゴムに触媒、界面活性剤、架橋剤を添加し、混合する。そして、溶媒としての水（必要に応じてアルコール混合）に必要に応じて添加剤、充填剤、分散剤等を混ぜ、液状シリコーンゴムと同等の粘度にした混合溶液と合わせて撹拌してエマルション組成物を調整する（乳化工程）。

ここで、液状シリコーンゴムと混合溶液との配合比率は、所望の空孔率により調整する。エマルション中の微粒子状の水分が蒸発してセルとなるので、例えば、液状シリコーンゴムと混合溶液との配合比率を１：１にすると、空孔率５０％の多孔質体を得ることができる。

エマルションは、ホモジナイザーや、必要に応じて超音波処理を伴う攪拌機を用い、上記条件を満足するような気泡分布が得られるよう撹拌手段、撹拌時間、撹拌速度（例えば３００〜１５００ｒｐｍ）などの各種撹拌条件を調整する。

その後、調整されたエマルション組成物を金型に注入し、一次加熱することでエマルション組成物内の水分を蒸発させずにシリコーンゴムを硬化させて所定の形状に成型する（一次加熱・成型工程）。ここで、一次加熱は、加熱温度が８０〜１３０℃の範囲、加熱時間が３０〜１２０分の範囲で行う。特に、加熱温度が９０〜１１０℃、加熱時間が６０〜９０分であることが好ましい。

次に、一次加熱後の多孔質体から水分を除去するために二次加熱を行う（二次加熱工程）。二次加熱は、加熱温度が１５０〜３００℃、加熱時間が１〜２４時間の範囲で行う。特に、加熱温度が２００〜２５０℃、加熱時間が３〜５時間であることが好ましい。このような二次加熱を行うことで、多孔質体から水分を除去し、シリコーンゴムの最終的な硬化を完了させる。

続いて、水発泡法によりシリコーンゴムを製造する際の、平均空孔径、空孔率、連泡率の調整方法について説明する。

〔平均空孔径の調整方法〕
平均空孔径は、乳化工程における撹拌手段の撹拌強度を変更することで調整することができる。乳化工程においては、水を主成分とする溶媒が撹拌手段によって撹拌されることにより細かい微粒子状セルとなり、その後の二次加熱工程でその溶媒の水分が蒸発することで空孔が形成される。すなわち、乳化工程において溶媒がより細かい微粒子状セルとなるように撹拌することで、平均空孔径を小さくすることができる。具体的には、撹拌時間を長く、撹拌速度を速くするなど、撹拌強度を高くする撹拌条件を選択することで平均空孔径を小さく調整することが可能である。

〔空孔率の調整方法〕
空孔率は、液状シリコーンゴムと混合溶液との配合比を変更することによって調整することができる。これは、混合溶液中の水分が蒸発することで空孔が形成されるためである。混合溶液の比率を高くすると空孔率を大きくすることができる。

〔連泡率の調整方法〕
連泡率は、シリコーンゴム組成物の界面活性剤の量又は種類を選択することで調整することが可能である。

次に、水発泡法を用いてウィック用の発泡ウレタンゴムを製造する方法について説明する。

〔水発泡ウレタンゴムの製造方法〕
水発泡ウレタンゴムは、上述の水発泡シリコーンゴムの製造方法における液状シリコーンゴムに代えて液状ウレタンゴムを用いることで製造することができる。液状ウレタンゴムとしては市販の１液もしくは２液型の液状ウレタンゴムを用いることができる。耐水性の観点からウレタン材料はエーテル系が好ましい。また、耐熱性の観点から一次加熱温度及び二次加熱温度はウレタン材料の耐久温度よりも低いことが望ましい。一次加熱温度は７０〜１１０℃の範囲、二次加熱温度は８０〜１１０℃の範囲で材料が劣化しない温度を選択することが好ましい。また、水発泡ウレタンゴムの平均空孔径、空孔率、連泡率は、上述の水発泡シリコーンゴムに関する調整方法と同様の方法で調整が可能である。

以下、ループ型ヒートパイプの冷却性能試験について説明する。

〔冷却性能試験〕
本試験では、下記表１に挙げられる複数のウィックサンプルを水発泡シリコーンゴムによって作成し、各サンプルをループ型ヒートパイプに用いた場合の冷却性能試験を行った。

サンプル１のウィックは、以下の条件で製造した。
まず、液状シリコーンゴムに架橋剤及び界面活性剤を添加し、水を体積比１：１になるように混合し、シリコーンゴム組成液を調合した。次いで、調合した組成液をＰＲＩＭＩＸ社製ホモミキサーにて１５００ｒｐｍで１０分間撹拌し、エマルション組成物を得た。そして、このエマルション組成物を金型に注入し、１００℃で１時間加熱する一次加熱及び２３０℃で４時間加熱する二次加熱を行った。これにより、平均空孔径が８μｍ、空孔率が４７％、連泡率が７８％の水発泡シリコーンゴムを得た。また、成型後の水発泡シリコーンゴムは、外径φ１８ｍｍ、内径φ１４ｍｍの一端部側が開口し他端部側が閉塞された円筒状で、外周面に幅３ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ７０ｍｍのグルーブが周方向に渡って８箇所形成された形状であった。

また、他のサンプル２〜１１は、上記サンプル１と同様の金型を用い、平均空孔径、空孔率、連泡率の各条件を上述の調整方法によって適宜調整して製造した。

そして、各サンプルのウィックを図１に示すループ型ヒートパイプと同様の構成のループ型ヒートパイプに用いた。具体的に、蒸発部は、内部にウィックが収容される受熱部と液相の作動流体を貯留するリザーバ部とが一体となったもので、受熱部を、外径φ２０ｍｍ、内径φ１８ｍｍ、長さ８０ｍｍの円筒とし、リザーバ部を、外径φ７０ｍｍ、内径φ６８ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒とした。凝縮部は、外径φ１０ｍｍのステンレス管に厚さ０．３ｍｍ、１辺１００ｍｍのアルミニウム製のフィンを１０ｍｍ間隔で８０枚取り付けたものとした。蒸気管は、外径φ４ｍｍ、内径φ２ｍｍ、長さ６００ｍｍのステンレス管で構成し、液管も、外径φ４ｍｍ、内径φ２ｍｍ、長さ６００ｍｍのステンレス管で構成した。また、作動流体として、エタノール又はアセトンを１００ｍｌ封入した。サンプル４を用いたループ型ヒートパイプのみアセトンを封入し、それ以外のサンプルを用いたループ型ヒートパイプにはエタノールを封入した。なお、各サンプルのウィックと作動流体の接触角は、いずれも９０°未満であった。

〔接触角の測定〕
接触角の測定は、協和界面科学株式会社製の接触角計ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ１００で測定した。作動流体をウィック材料に滴下してから５００ｍｓ後に測定を行った。付属のソフト「固液海面解析システムＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ７００」で、液滴法（θ／２法を採用。 曲率補正はなし。）で解析し接触角を算出した。

上記のように作成したループ型ヒートパイプを蒸発部と凝縮部とが水平になるように設置し、蒸発部にヒータを接触させた。そして、ヒータへの印加電力を調整して１００Ｗの熱量を１０分間付与し、蒸発部の温度を測定した。

また、蒸発部の温度、室温及び付与される熱量から下記数式６を用いて熱抵抗を求めた。

さらに、蒸発部が凝縮部よりも高い位置に配置して水頭差を与えた状態、すなわちトップヒートの状態でループ型ヒートパイプが駆動するか否かを確認し、駆動可能な最大水頭差を測定した。なお、水頭差が５００ｍｍとなっても駆動が確認されたものについては、駆動可能な最大水頭差を５００ｍｍ以上とした。

下記表２に本試験の結果を示す。

表２に示す結果によれば、各サンプルを用いたループ型ヒートパイプにおいては、蒸発部の温度が５０〜５５℃の範囲で、熱抵抗が０．２５〜０．３０℃／Ｗの範囲の比較的低い値となり、良好な冷却性能が得られた。すなわち、表１に示す各サンプルのように、ウィック（水発泡シリコーンゴム）の平均空孔径が５０μｍ以下、空孔率が２０％以上８０％以下、連泡率が２５％以上１００％以下の範囲であれば、発熱部を効果的に冷却することができた。ただし、サンプル３、サンプル６、サンプル１０、サンプル１１のように、平均空孔径が１０μｍより大きい場合は、平均空孔径が１０μｍ以下の他のサンプルに比べて、駆動可能な最大水頭差が低くなった。特に、サンプル６、サンプル１０、サンプル１１を比べると、空孔率と連泡率とがほぼ一緒であるが、平均空孔径が大きくなるほど最大水頭差が小さくなっていることがわかる。これは、平均空孔径が大きいことで、得られる毛細管力が小さくなったからと考えられる。従って、本試験結果によれば、ウィックがその毛細管力によって作動流体を移動させてループ型ヒートパイプを駆動させる機能をより大きく発揮するには、平均空孔径が１０μｍ以下であることが好ましいと言える。

また、上述の試験と同様の試験を、水発泡ウレタンゴムをウィックとして用いたループ型ヒートパイプにおいても行った。
下記表３に、試験に用いたウィックの各サンプルを示す。

サンプル１２のウィックは、以下の条件で製造した。
まず、液状ウレタンゴムに架橋剤及び界面活性剤を添加し、水を体積比１：１になるように混合し、ウレタンゴム組成液を調合した。次いで、調合した組成液をＰＲＩＭＩＸ社製ホモミキサーにて１５００ｒｐｍで１０分間撹拌し、エマルション組成物を得た。そして、このエマルション組成物を金型に注入し、８０℃で２０分加熱する一次加熱及び１１０℃で１時間加熱する二次加熱を行った。これにより、平均空孔径が８μｍ、空孔率が４５％、連泡率が７８％の水発泡ウレタンゴムを得た。また、成型後の水発泡ウレタンゴムは、外径φ１８ｍｍ、内径φ１４ｍｍの一端部側が開口し他端部側が閉塞された円筒状で、外周面に幅３ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ７０ｍｍのグルーブが周方向に渡って８箇所形成された形状であった。

また、他のサンプル１３〜２２は、上記サンプル１２と同様の金型を用い、平均空孔径、空孔率、連泡率の各条件を上述の調整方法によって適宜調整して製造した。

そして、各サンプルのウィックを上述の試験と同様のループ型ヒートパイプに用いた。また、作動流体として、エタノール又はアセトンを１００ｍｌ封入した。サンプル１５を用いたループ型ヒートパイプのみアセトンを封入し、それ以外のサンプルを用いたループ型ヒートパイプにはエタノールを封入した。なお、各サンプルのウィックと作動流体の接触角は、いずれも９０°未満であった。

下記表４に水発泡ウレタンゴムを用いた場合の冷却性能試験の結果を示す。

表４に示す結果によれば、水発泡ウレタンゴムを用いた場合も、平均空孔径が５０μｍ以下、空孔率が２０％以上８０％以下、連泡率が２５％以上１００％以下の範囲であれば、蒸発部の温度が５５〜６０℃の範囲で、熱抵抗が０．３０〜０．３５℃／Ｗの範囲の比較的低い値となり、良好な冷却性能が得られた。ただし、サンプル１４、サンプル１７、サンプル２１、サンプル２２のように、平均空孔径が１０μｍより大きい場合は、平均空孔径が１０μｍ以下の他のサンプルに比べて、駆動可能な最大水頭差が低くなった。これは、上述の水発泡シリコーンゴムを用いた試験の場合と同様に、水発泡ウレタンゴムを用いた場合も、平均空孔径が大きいことで、得られる毛細管力が小さくなったからと考えられる。従って、表４に示す結果によれば、発泡ウレタンゴムを用いた場合は、ウィックがその毛細管力によって作動流体を移動させてループ型ヒートパイプを駆動させる機能をより大きく発揮するには、平均空孔径が１０μｍ以下であることが好ましいと言える。

さらに、化学発泡法で製造した多孔質ゴムのサンプルを用意し、上記の試験と同様の試験を行った。
下記表５に、化学発泡法で製造した多孔質ゴムの各サンプルを示す。

この場合も、各サンプルのウィックを上述の各試験と同様のループ型ヒートパイプに用いた。作動流体としてエタノールを１００ｍｌ封入し、各サンプルのウィックと作動流体の接触角は、いずれも９０°未満であった。

下記表６に化学発泡多孔質ゴムを用いた場合の冷却性能試験の結果を示す。

表６に示すように、サンプル２３、サンプル２４を用いた場合は、平均空孔径が大きいために毛細管力がループ型ヒートパイプの全圧力損失より小さくなってループ型ヒートパイプが駆動せず、冷却性能を確認することができなかった。サンプル２５を用いた場合は、ループ型ヒートパイプが駆動できたものの、上述の水発泡シリコーンゴムや水発泡ウレタンゴムの各サンプルを用いた場合に比べて蒸発部温度と熱抵抗が高くなった。これは、サンプル２５の多孔質ゴムの平均空孔径、空孔率、連泡率のいずれもが、上述の好ましい範囲（平均空孔径が５０μｍ以下、空孔率が２０％以上８０％以下、連泡率が２５％以上１００％以下の範囲）から外れているためと考えられる。

以上のように、水発泡法は化学発泡法に比べて高い空孔率で微細な空孔を均一に形成することができるため、特に水発泡法で製造されたウィック（水発泡シリコーンゴム又は水発泡ウレタンゴム）を用いた場合は、良好な冷却性能を安定して発揮することが可能である。すなわち、水発泡法によれば、多孔質ゴムの発泡状態を上述の好ましい範囲（平均空孔径が５０μｍ以下、空孔率が２０％以上８０％以下、連泡率が２５％以上１００％以下）に調整することができるので、作動流体が浸透しやすく大きな毛細管力を発揮できるウィックを製造することが可能である。また、水発泡法によれば、ウィック用の多孔質ゴム（水発泡シリコーンゴム又は水発泡ウレタンゴム）の量産化にも好適である。

また、ウィックのＳＰ値と作動流体のＳＰ値との相対的関係、及びウィックと作動流体との接触角が、ループ型ヒートパイプの冷却性能に与える影響を確認する試験を行った。
下記表７に、本試験に用いられた各ウィックサンプルの材料、製法、平均空孔径、空孔率、連泡率と、作動流体の種類、作動流体とウィックとの各ＳＰ値及びその差、ウィックと作動流体との接触角を示す。作動流体としては、フッ素系溶剤の１つであるＨＦＥ−３４７（旭硝子社製ＡＥ−３０００）又は純水を用いた。本試験での水発泡法による各サンプルの製造条件、及び平均空孔径、空孔率、連泡率の各調整方法は、上記の試験における水発泡法と同様である。また、本試験では、ループ型ヒートパイプとして、上記の試験で用いられたものと同様のループ型ヒートパイプを用いた。

下記表８に、本試験の結果を示す。
本試験での蒸発部温度、熱抵抗、最大水頭差のそれぞれの測定方法は、上記の試験と同様である。

表８に示すように、サンプル２６においては、ループ型ヒートパイプが良好に駆動し、冷却性能を発揮することができた。しかしながら、その他のサンプル２７〜２９においては、冷却性能を評価又は確認することができなかった。

詳しくは、サンプル２７の場合、ウィックの溶解が見られたため性能評価を行うことができなかった。これは、作動流体のＳＰ値がウィックのＳＰ値よりも小さいことが原因と考えられる。このことから、ループ型ヒートパイプに用いられる作動流体とウィック材料との組み合わせは、作動流体のＳＰ値がウィック材料のＳＰ値より大きくなるような組み合わせとすることが好ましいと言える。

また、サンプル２８又は２９の場合は、作動流体がウィックに浸透しなかったため、ループ型ヒートパイプが駆動せず、冷却性能を確認することができなかった。これは、ウィックと作動流体との接触角が９０°以上となっていたことが原因と考えられる。よって、作動流体がウィックに浸透して冷却性能が発揮されるようにするには、ウィックと作動流体との接触角が９０°未満となっていることが好ましいと言える。

図４に、本実施形態に係るループ型ヒートパイプを備える電子機器を示す。
図４に示す電子機器２０は、光学ユニット２１を備えるプロジェクタである。なお、プロジェクタは、本発明を適用する電子機器の一例である。本発明は、プロジェクタに限らず、プリンタ、複写機、ファクシミリ、あるいはこれらの複合機等の画像形成装置、パーソナルコンピュータ、サーバ、電子黒板、テレビ、ブルーレイレコーダ、ゲーム機等の種々の電子機器に適用可能である。

ループ型ヒートパイプ１の蒸発部２（特に受熱部７）は光学ユニット２１の発熱部に対して接触するように配置されている。蒸発部２は発熱部から熱を吸収して冷却対象（発熱部、光学ユニット又はプロジェクタ）を冷却する。凝縮部３はプロジェクタ本体の筐体側面に設けられた排気ファン２２の近傍に配置されている。排気ファン２２が外部に空気を排出することで、凝縮部３の周囲に気流が発生し、当該気流によって凝縮部３が冷却され、凝縮部３における放熱効果が向上する。また、排気ファン２２が設けられた筐体側面とは反対側の側面には給気口２３が設けられており、給気口２３から吸気された空気がプロジェクタ内を通って排気ファン２２から排出される。この例では、プロジェクタを冷却する冷却装置として、ループ型ヒートパイプ１と、ループ型ヒートパイプ１の放熱効果を高めるための排気ファン２２とを備えているが、排気ファン２２の代わりに凝縮部３へ空気を送風する送風ファンを設けてもよい。また、ファンを備えず、ループ型ヒートパイプのみ備える冷却装置であってもよい。

また、本発明に係るループ型ヒートパイプや冷却装置は、電子機器以外のものにも適用可能である。例えば、反応炉を備える化学プラント等を冷却する冷却装置に、本発明に係るループ型ヒートパイプや冷却装置を適用してもよい。

１ ループ型ヒートパイプ
２ 蒸発部
３ 凝縮部
４ 蒸気管
５ 液管
６ ウィック
２０ 電子機器

特許第５６９９４５２号公報 特開２０１１−１９０９９６号公報

Claims (11)

1. 外部から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発部と、
   前記蒸発部から導かれた気相の作動流体を液相へと凝縮させる凝縮部と、
   を備え、
   凝縮した液相の作動流体を前記蒸発部に還流させるループ型ヒートパイプのウィックであって、
   多孔質ゴムにより構成されていることを特徴とするウィック。
2. 前記多孔質ゴムは発泡シリコーンゴム又は発泡ウレタンゴムである請求項１に記載のウィック。
3. 前記多孔質ゴムは水発泡シリコーンゴム又は水発泡ウレタンゴムである請求項１に記載のウィック。
4. 前記多孔質ゴムは、
   平均空孔径が５０μｍ以下、
   空孔率が２０％以上８０％以下、
   連泡率が２５％以上１００％以下
   である請求項１から３のいずれか１項に記載のウィック。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のウィックを備えることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
6. 前記ウィックと前記作動流体との接触角が９０°未満である請求項５に記載のループ型ヒートパイプ。
7. 前記作動流体のＳＰ値が、前記ウィックのＳＰ値より大きい請求項５又は６に記載のループ型ヒートパイプ。
8. 請求項５から７のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプを備えることを特徴とする冷却装置。
9. 請求項５から７のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプを備えることを特徴とする電子機器。
10. 液状ゴム及び溶媒を乳化させ、前記溶媒を除去することで発泡構造を形成する多孔質ゴムの製造方法であって、
    平均空孔径が５０μｍ以下、
    空孔率が２０％以上８０％以下、
    連泡率が２５％以上１００％以下
    であることを特徴とする多孔質ゴムの製造方法。
11. ループ型ヒートパイプ用ウィックの製造方法であって、
    液状ゴム及び溶媒を乳化させる乳化工程と、
    所定の形状に成型する成型工程と、
    前記溶媒を除去して発泡構造を形成する工程と
    を有し、
    平均空孔径が５０μｍ以下、
    空孔率が２０％以上８０％以下、
    連泡率が２５％以上１００％以下
    であることを特徴とするループ型ヒートパイプ用ウィックの製造方法。

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