JP2018179487A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】寒冷地において、コンテナの長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの姿勢で設置され、作動流体が凍結しても、コンテナの変形を防止でき、また、優れた熱輸送特性を有するヒートパイプを提供する。【解決手段】一方の端部１１と他方の端部１２とが封止された管形状を有し、溝部１３が形成された内壁面を有するコンテナ１０と、コンテナの長手方向中央部１９の内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層１４とを備えたヒートパイプ１であって、焼結体層が、焼結体層の中央部に位置する第１の焼結部１５と、該第１の焼結部と連続し、焼結体層の両端部に位置する第２の焼結部１６とを有し、第１の焼結部の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、第２の焼結部の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さく、焼結体層が、コンテナの長手方向の両端部に設けられておらず、コンテナの長手方向の両端部では、溝部が露出している。【選択図】図１

Description

本発明は、良好な最大熱輸送量を有し、さらには熱抵抗の小さい、優れた熱輸送特性を有するヒートパイプに関するものである。

デスクトップパソコンやサーバ等の電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、その冷却がより重要となっている。電子部品の冷却方法として、ヒートパイプが使用されることがある。

また、ヒートパイプは寒冷地に設置されることがある。ヒートパイプを寒冷地に設置すると、コンテナに封入されている作動流体が凍結して、円滑にヒートパイプが稼働しない場合がある。そこで、複数のヒートパイプのうちの少なくとも１本の作動流体の量を他のヒートパイプの作動流体の量の３５〜６５％としたヒートパイプ式冷却器により、作動流体が凍結した場合には、まず、作動流体の量が少なくて熱容量の小さいヒートパイプの作動流体を先ず融解させることで、起動に要する時間を短縮することが提案されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１では、依然として、寒冷地において作動流体は凍結しやすいので、作動流体の凍結時に体積が膨張して、コンテナが変形、破壊されてしまう場合があるという問題があった。また、コンテナが変形してしまうと、ヒートパイプの周囲に配置された液晶やバッテリ等、他の部材に当たって損傷させてしまう場合があるという問題があった。さらに、ヒートパイプは、コンテナ内部のクリアランスが狭小なので、作動流体の凍結による体積膨張により、コンテナの変形、破壊がより顕著になってしまう場合があるという問題があった。

また、ヒートパイプは寒冷地において、コンテナの長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの状態で設置されることがある。ヒートパイプがボトムヒートの姿勢で設置されると、特に、ヒートパイプが稼働していない状態では、液相の作動流体がコンテナの底部に貯留する。寒冷地において、コンテナの底部に貯留した液相の作動流体が凍結して作動流体の体積が膨張すると、コンテナが変形、破壊されてしまう頻度がより高くなるという問題があった。また、作動流体の凍結を防止するために不凍液を使用したり、作動流体の凍結によるコンテナの変形、破壊を防止するためにコンテナの肉厚を厚くすると、ヒートパイプの熱輸送特性が低下してしまうという問題があった。

特開平１０−２７４４８７号公報

上記事情に鑑み、本発明は、寒冷地において、コンテナの長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの姿勢で設置され、作動流体が凍結しても、コンテナの変形を防止でき、また、優れた熱輸送特性を有するヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明の態様は、一方の端部の端面と他方の端部の端面とが封止された管形状を有し、溝部が形成された内壁面を有するコンテナと、前記コンテナの一方の端部の内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層と、前記コンテナの空洞部に封入された作動流体と、を備えたヒートパイプであって、前記焼結体層が、前記一方の端部の端面側に位置する第１の焼結部と、該第１の焼結部と連続し、前記他方の端部側に位置する第２の焼結部と、を有し、前記第１の焼結部の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、前記第２の焼結部の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さいヒートパイプである。

上記態様では、コンテナ内壁面の少なくとも一方の端部に、焼結体層が設けられている。また、コンテナ内壁面には、溝部が露出した部位と、焼結体層で被覆された部位とがある。第１の焼結部と第２の焼結部とを有する焼結体層には、第１の焼結部と第２の焼結部との境界部が形成されている。また、第１の焼結部の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、第２の焼結部の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さいので、第１の焼結部の毛細管力は第２の焼結部の毛細管力よりも大きく、第２の焼結部内部における液相の作動流体に対しての流路抵抗は、第１の焼結部内部よりも小さい。

また、上記態様では、コンテナの長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの姿勢で設置され、焼結体層の設けられたコンテナの一方の端部のうち、第１の焼結部に対応する部位を受熱部、他方の端部を放熱部として機能させると、放熱部からコンテナの一方の端部の端面とその近傍へ還流された液相の作動流体は、相対的に毛細管力の大きい第１の焼結部の毛細管作用により、第１の焼結部内部を一方の端部の端面とその近傍から第２の焼結部方向（重力方向の略反対方向）へ円滑に拡散していく。第１の焼結部内部を拡散した液相の作動流体は、被冷却体から受熱して、液相から気相へ相変化する。液相から気相へ相変化した作動流体は、受熱部から放熱部へ流通し、放熱部で潜熱を放出する。潜熱を放出して気相から液相へ相変化した作動流体は、溝部の毛細管力と重力によって、コンテナの放熱部から一方の端部の端面とその近傍へ還流される。また、ヒートパイプが稼働していない状態では、コンテナの一方の端部の端面とその近傍に還流した液相の作動流体は、一方の端部の端面とその近傍に液溜まりせずに、第１の焼結部内部を第２の焼結部方向（重力方向の略反対方向）へ円滑に拡散し、さらに、第１の焼結部内部から第２の焼結部内部へ拡散した作動流体は、第１の焼結部内部よりも速い拡散速度で第２の焼結部内部を拡散する。従って、ヒートパイプが稼働していない状態では、液相の作動流体は、円滑に第２の焼結部内部を拡散する。

本発明の態様は、一方の端部の端面と他方の端部の端面とが封止された管形状を有し、溝部が形成された内壁面を有するコンテナと、前記コンテナの長手方向中央部の内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層と、前記コンテナの空洞部に封入された作動流体と、を備えたヒートパイプであって、前記焼結体層が、前記焼結体層の中央部に位置する第１の焼結部と、該第１の焼結部と連続し、前記焼結体層の両端部に位置する第２の焼結部と、を有し、前記第１の焼結部の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、前記第２の焼結部の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さく、前記焼結体層が、前記コンテナの長手方向の両端部に設けられておらず、前記コンテナの長手方向の両端部では、前記溝部が露出しているヒートパイプである。

本発明の態様は、前記第２の粉体の平均一次粒子径に対する前記第１の粉体の平均一次粒子径の比が、０．３〜０．９であるヒートパイプである。

本発明の態様は、前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記焼結体層から突出した、粉体が焼結された凸状焼結体が、さらに設けられているヒートパイプである。

本発明の態様は、前記溝部の底部における前記コンテナの肉厚（Ｔ１）／前記溝部の頂部における前記焼結体層の厚さ（Ｔ２）が、０．３０〜０．８０であるヒートパイプである。

本発明の態様は、前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記焼結体層の面積（Ａ１）／前記空洞部の面積（Ａ２）が、０．３０〜０．８０であるヒートパイプである。

本発明の態様は、前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、（前記焼結体層の面積（Ａ１）＋前記凸状焼結体の面積（Ａ３））／前記空洞部の面積（Ａ２）が、１．２〜２．０であるヒートパイプである。

本発明の態様は、前記コンテナの長手方向において、前記第１の焼結部の長さ／前記第２の焼結部の長さが、０．２〜３．０であるヒートパイプである。

本発明の態様によれば、第１の焼結部の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、第２の焼結部の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さいことから、第１の焼結部の毛細管力は第２の焼結部の毛細管力よりも大きいので、第１の焼結部を受熱部とすることで、コンテナの長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの姿勢で設置されても、受熱部における液相の作動流体のドライアウトを確実に防止でき、優れた熱輸送特性を発揮できる。また、第２の焼結部内部における液相の作動流体に対しての流路抵抗は、第１の焼結部内部よりも小さいので、ヒートパイプが稼働していない状態でも、液相の作動流体は、速やかに、第１の焼結部を介して、第２の焼結部内部を拡散していく。よって、ヒートパイプが稼働していない状態でも、コンテナの一方の端部の端面とその近傍における液相の作動流体の液溜まりを防止できるので、液相の作動流体の凍結が抑制される。また、液相の作動流体が凍結しても、液相の作動流体の局所的な液溜まりが防止されているので、作動流体の局所的な体積膨張が緩和されて、コンテナの変形を防止できる。

また、不凍液を使用する必要はなく、肉厚の薄いコンテナを使用できるので、優れた熱輸送特性を発揮する。

本発明の態様によれば、第２の粉体の平均一次粒子径に対する第１の粉体の平均一次粒子径の比が、０．３〜０．９であることにより、第１の焼結部内部の毛細管力と、第２の焼結部内部の流路抵抗の低減性能をバランスよく向上させることができる。

本発明の態様によれば、焼結体層から突出した凸状焼結体がさらに設けられていることにより、液相の作動流体の局所的な液溜まりがさらに低減されているので、コンテナの変形をより確実に防止できる。

本発明の態様によれば、溝部の底部におけるコンテナの肉厚（Ｔ１）／溝部の頂部における焼結体層の厚さ（Ｔ２）が０．３０〜０．８０であることにより、液相の作動流体の液溜まりを確実に防止しつつ、気相の作動流体の優れた流通性を得ることができる。

本発明の態様によれば、焼結体層の面積（Ａ１）／空洞部の面積（Ａ２）が０．３０〜０．８０であること、または（焼結体層の面積（Ａ１）＋凸状焼結体の面積（Ａ３））／空洞部の面積（Ａ２）が１．２〜２．０であることにより、液相の作動流体の液溜まりを確実に防止しつつ、気相の作動流体の優れた流通性を得ることができる。

（a）図は、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプの側面断面図、（b）図は、（a）図のA−A断面図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプの正面断面図である。 本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプの正面断面図である。 本発明の第４実施形態例に係るヒートパイプの正面断面図である。 本発明の第５実施形態例に係るヒートパイプの正面断面図である。 本発明の第６実施形態例に係るヒートパイプの正面断面図である。 本発明の第７実施形態例に係るヒートパイプの側面断面図である。 本発明の実施形態例に係るヒートパイプの使用方法例の説明図である。

以下に、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。

図１（a）に示すように、第１実施形態例に係るヒートパイプ１は、一方の端部１１の端面と他方の端部１２の端面とが封止された管形状のコンテナ１０と、コンテナ１０の内壁面にコンテナ１０の長手方向に沿って形成された複数の細溝からなる溝部１３と、コンテナ１０の一方の端部１１の内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層１４と、コンテナ１０の空洞部１７に封入された作動流体（図示せず）と、を備えている。

コンテナ１０は、密閉された略直線状の管材であり、長手方向に対して直交方向（すなわち、長手方向に垂直）の断面形状が、略円形状となっている。コンテナ１０の肉厚は、特に限定されないが、例えば、５０〜１０００μｍである。コンテナ１０の径方向の寸法は、特に限定されないが、例えば、５〜２０ｍｍである。

図１（a）、（b）に示すように、コンテナ１０の内壁面には、一方の端部１１から他方の端部１２まで、コンテナ１０の長手方向に沿って複数の細溝からなる溝部１３、すなわち、グルーブが形成されている。また、溝部１３は、コンテナ１０の内周面全体に形成されている。

溝部１３が形成されているコンテナ１０の内壁面のうち、一方の端部１１には、粉体が焼結された焼結体層１４が設けられている。焼結体層１４は、コンテナ１０の内周面全体に形成されている。従って、一方の端部１１の内壁面では、溝部１３は焼結体層１４で被覆されている。なお、ヒートパイプ１では、コンテナ１０の他方の端部１２と中央部１９には、焼結体層１４は設けられていない。よって、コンテナ１０の他方の端部１２と中央部１９では、溝部１３がコンテナ１０の内部空間（空洞部１７）に対して露出している。

また、焼結体層１４は、一方の端部１２の端面に隣接した第１の焼結部１５と、第１の焼結部１５と連続し、他方の端部１２側に位置する第２の焼結部１６とを有している。第１の焼結部１５と第２の焼結部１６との境には境界部１８が形成されている。なお、ヒートパイプ１では、一方の端部１２の端面にも、第１の焼結部１５が設けられている。

第１の焼結部１５は第１の粉体の焼結体であり、第２の焼結部１６は第２の粉体の焼結体である。第１の焼結部１５の原料である第１の粉体の平均一次粒子径は、第２の焼結部１６の原料である第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さい。従って、第２の焼結部１６内部に形成される各空隙の断面積の平均値は、第１の焼結部１５内部に形成される各空隙の断面積の平均値よりも大きい態様となっている。すなわち、第１の粉体の平均一次粒子径は第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さいので、第１の焼結部１５の毛細管力は第２の焼結部１６の毛細管力よりも大きく、第２の焼結部１６内部における液相の作動流体の流路抵抗は、第１の焼結部１５内部における液相の作動流体の流路抵抗よりも小さい態様となっている。

第２の粉体の平均一次粒子径に対する第１の粉体の平均一次粒子径の比は、特に限定されないが、第１の焼結部１５内部の毛細管力と、第２の焼結部１６内部の流路抵抗を低減する点から、０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８が特に好ましい。また、第１の粉体の平均一次粒子径が第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さい値であれば、第１の粉体の平均一次粒子径及び第２の粉体の平均一次粒子径は、特に限定されないが、例えば、第１の粉体の平均一次粒子径は１０μｍ以上９０μｍ未満が好ましく、第２の粉体の平均一次粒子径は９０μｍ以上２５０μｍ以下が好ましい。例えば、粉体を篩で分別することで、上記平均一次粒子径の範囲の粉体を得ることができる。

図１（a）、（b）に示すように、コンテナ１０の内部空間は空洞部１７であり、空洞部１７は気相の作動流体の蒸気流路となっている。すなわち、コンテナ１０の一方の端部１１では、焼結体層１４の表面が、コンテナ１０の他方の端部１２と中央部１９では、溝部１３の形成されたコンテナ１０内壁面が、それぞれ、蒸気流路の壁面となっている。

溝部１３を構成する細溝の底部におけるコンテナ１０の肉厚（Ｔ１）／溝部を構成する細溝の頂部における焼結体層１４の厚さ（Ｔ２）の値は、特に限定されないが、液相の作動流体の液溜まりを確実に防止する点から０．３０以上が好ましく、０．４０以上がより好ましく、０．４５以上が特に好ましい。一方で、上記（Ｔ１）／（Ｔ２）の上限値は、気相の作動流体の流通性の点から０．８０以下が好ましい。

コンテナ１０の長手方向に垂直な断面において、焼結体層１４の面積（Ａ１）／空洞部１７の面積（Ａ２）の値は、特に限定されないが、液相の作動流体の液溜まりを確実に防止する点から０．３０以上が好ましく、０．４０以上がより好ましく、０．４５以上が特に好ましい。一方で、上記（Ａ１）／（Ａ２）は、気相の作動流体の流通性の点から０．８０以下が好ましい。

コンテナ１０の長手方向において、第１の焼結部１５の長さ（Ｌ１）／第２の焼結部１６の長さ（Ｌ２）の値は、特に限定されないが、一方の端部１１において、液相の作動流体のドライアウトと液溜まりを確実に防止する点から、０．２〜３．０が好ましく、０．７〜１．７が特に好ましい。

コンテナ１０の材質は、特に限定されず、例えば、熱伝導率に優れた点から銅、銅合金、軽量性の点からアルミニウム、アルミニウム合金、強度の改善の点からステンレス等を使用することができる。その他、使用状況に応じて、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル及びニッケル合金等を用いてもよい。焼結体層１４の原料である第１の粉体及び第２の粉体の材質は、特に限定されず、例えば、金属粉を含む粉体を挙げることができ、具体例としては、銅粉及びステンレス粉等の金属粉、銅粉とカーボン粉との混合粉、上記粉体のナノ粒子等を挙げることができる。従って、焼結体層１４としては、金属粉を含む粉体の焼結体を挙げることができ、具体例としては、銅粉及びステンレス粉等の金属粉の焼結体、銅粉とカーボン粉との混合粉の焼結体、上記粉体のナノ粒子の焼結体等を挙げることができる。第１の粉体の材質と第２の粉体の材質は、同じでも異なっていてもよい。

また、コンテナ１０に封入する作動流体としては、コンテナ１０の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を挙げることができる。

次に、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプ１の熱輸送のメカニズムについて説明する。ヒートパイプ１が、一方の端部１１のうち、第１の焼結部１５の設けられた部位にて熱的に接続された発熱体（図示せず）から受熱すると、一方の端部１１のうち第１の焼結部１５の設けられた部位が受熱部として機能し、受熱部にて作動流体が液相から気相へ相変化する。気相に相変化した作動流体が、空洞部１７である蒸気流路を、コンテナ１０の長手方向に受熱部から他方の端部１２である放熱部へと流れることで、発熱体からの熱が受熱部から放熱部へ輸送される。受熱部から放熱部へ輸送された発熱体からの熱は、熱交換手段（図示せず）の設けられた放熱部にて、気相の作動流体が液相へ相変化することで潜熱として放出される。放熱部にて放出された潜熱は、放熱部に設けられた熱交換手段によって、放熱部からヒートパイプ１の外部環境へ放出される。放熱部にて液相に相変化した作動流体は、溝部１３の毛細管力によって、放熱部から受熱部へと還流される。

第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、第１の焼結部１５の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、第２の焼結部１６の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さいことから、第１の焼結部１５の毛細管力は第２の焼結部１６の毛細管力よりも大きい。よって、第１の焼結部１５を受熱部とすることで、コンテナ１０の長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの姿勢で設置されても、受熱部における液相の作動流体のドライアウトを確実に防止でき、優れた熱輸送特性を発揮できる。また、第２の焼結部１６内部における液相の作動流体に対する流路抵抗は、第１の焼結部１５内部よりも小さいので、ヒートパイプ１が稼働していない状態でも、液相の作動流体は、コンテナ１０の一方の端部１１の端面とその近傍から、速やかに、第１の焼結部１５を介して第２の焼結部１６内部へ拡散していく。よって、ヒートパイプ１が稼働していない状態でも、コンテナ１０の一方の端部１１の端面とその近傍における液相の作動流体の液溜まりを防止できるので、液相の作動流体の凍結が抑制される。また、液相の作動流体が凍結した場合でも、液相の作動流体の局所的な液溜まり（一方の端部１１の端面とその近傍の液溜まり）が防止されているので、作動流体の局所的な体積膨張が緩和されて、コンテナ１０の変形を防止できる。

また、ヒートパイプ１では、作動流体の凍結による局所的な体積膨張が緩和されるので、不凍液を使用する必要はなく、また、肉厚の薄いコンテナ１０を使用できる点でも、優れた熱輸送特性を発揮する。

次に、本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

図２に示すように、第２実施形態例に係るヒートパイプ２では、コンテナ１０の長手方向に垂直な断面において、焼結体層１４から突出した、粉体が焼結された凸状焼結体２４が、さらに設けられている。焼結体層１４と凸状焼結体２４は連続した態様となっている。ヒートパイプ２では、凸状焼結体２４が一つ設けられ、凸状焼結体２４の先端部（頂部）は、対向する焼結体層１４とは接していない態様となっている。

ヒートパイプ２では、凸状焼結体２４は、第１の焼結部１５から第２の焼結部１６まで延在している。すなわち、凸状焼結体２４は、第１の焼結部１５と第２の焼結部１６に設けられている。第１の焼結部１５における凸状焼結体２４は、第１の粉体を原料とした焼結体である。第２の焼結部１６における凸状焼結体２４は、第２の粉体を原料とした焼結体である。

コンテナ１０の長手方向に垂直な断面において、（焼結体層１４の面積（Ａ１）＋凸状焼結体２４の面積（Ａ３））／空洞部１７の面積（Ａ２）は、特に限定されないが、液相の作動流体の液溜まりを確実に防止する点から１．２以上が好ましく、１．３以上が特に好ましい。一方で、（（Ａ１）＋（Ａ３））／（Ａ２）の値の上限値は、気相の作動流体の流通性の点から２．０以下が好ましい。

凸状焼結体２４がさらに設けられていることにより、液相の作動流体は、コンテナ１０外周近傍に配置された焼結体層１４だけでなく、コンテナ１０の長手方向に垂直な断面においてその中心部方向へ延在した凸状焼結体２４にも拡散するので、局所的な液溜まりがさらに低減され、コンテナの変形をより確実に防止できる。

次に、本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１、第２実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第２実施形態例に係るヒートパイプでは、凸状焼結体が一つ設けられていたが、これに代えて、図３に示すように、第３実施形態例に係るヒートパイプ３では、凸状焼結体が複数（図３では二つ）設けられている。すなわち、ヒートパイプ３では、凸状焼結体２４は、第１の凸状焼結体２４−１と、第１の凸状焼結体２４−１と対向する第２の凸状焼結体２４−２からなっている。ヒートパイプ３では、第１の凸状焼結体２４−１と第２の凸状焼結体２４−２は、相互に接していない態様となっている。

ヒートパイプ３でも、凸状焼結体２４がさらに設けられていることにより、液相の作動流体は、コンテナ１０外周近傍の焼結体層１４だけでなく、コンテナ１０の長手方向に垂直な断面においてその中心部方向へ延在した凸状焼結体２４にも拡散するので、局所的な液溜まりがさらに低減され、コンテナの変形をより確実に防止できる。

次に、本発明の第４実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１〜第３実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るヒートパイプでは、コンテナの長手方向に対して直交方向の断面形状は略円形状であったが、これに代えて、図４に示すように、第４実施形態例に係るヒートパイプ４では、コンテナ１０の長手方向に対して直交方向の断面形状は、平坦部と半楕円状の部位とからなる扁平形状となっている。すなわち、コンテナ１０が扁平加工されている。ヒートパイプ４でも、ヒートパイプ４が稼働していない状態でも、コンテナ１０の一方の端部１１の端面とその近傍における液相の作動流体の液溜まりを防止できる。また、ヒートパイプ４のコンテナ１０は、平坦部を有するので、被冷却体である発熱体との熱的接続性が向上する。

次に、本発明の第５実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１〜第４実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

凸状焼結体が一つ設けられている第２実施形態例に係るヒートパイプでは、コンテナの長手方向に対して直交方向の断面形状は略円形状であったが、これに代えて、図５に示すように、第５実施形態例に係るヒートパイプ５では、コンテナ１０の長手方向に対して直交方向の断面形状は、平坦部と半楕円状の部位とからなる扁平形状となっている。ヒートパイプ５でも、ヒートパイプ５が稼働していない状態でも、コンテナ１０の一方の端部１１の端面とその近傍における液相の作動流体の液溜まりを防止できる。また、ヒートパイプ５のコンテナ１０は、平坦部を有するので、被冷却体である発熱体との熱的接続性が向上する。

次に、本発明の第６実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１〜第５実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

凸状焼結体が二つ設けられている第３実施形態例に係るヒートパイプでは、コンテナの長手方向に対して直交方向の断面形状は略円形状であったが、これに代えて、図６に示すように、第６実施形態例に係るヒートパイプ６では、コンテナ１０の長手方向に対して直交方向の断面形状は、平坦部と半楕円状の部位とからなる扁平形状となっている。ヒートパイプ６でも、ヒートパイプ６が稼働していない状態でも、コンテナ１０の一方の端部１１の端面とその近傍における液相の作動流体の液溜まりを防止できる。また、ヒートパイプ６のコンテナ１０は、平坦部を有するので、被冷却体である発熱体との熱的接続性が向上する。

次に、本発明の第７実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１〜第６実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

上記各実施形態例では、焼結体層はヒートパイプの一方の端部に設けられていたが、これに代えて、図７に示すように、第７実施形態例に係るヒートパイプ７では、コンテナ１０の長手方向の中央部に、焼結体層１４が設けられ、コンテナ１０の長手方向の両端部には焼結体層１４が設けられていない。第７実施形態例に係るヒートパイプ７では、コンテナ１０の長手方向の形状は略Ｕ字状であり、曲げ部とその近傍に焼結体層１４が設けられている。また、第１の焼結部１５は、焼結体層１４の長手方向の中央部に設けられ、第１の焼結部１５と連続した第２の焼結部１６は、焼結体層１４の長手方向の両端部に設けられている。ヒートパイプ７では、コンテナ１０の長手方向の中央部が、発熱体１００と熱的に接続される受熱部となり、コンテナ１０の長手方向の両端部が放熱部となる場合に、上記と同様の効果を発揮する。

次に、本発明のヒートパイプの製造方法例について説明する。まず、第１の実施形態例に係るヒートパイプの製造方法例について説明する。前記製造方法は特に限定されないが、例えば、第１の実施形態例に係るヒートパイプは、溝部が内壁面に形成された円形状の管材の長手方向のうち一方の端部に、所定形状の芯棒を挿入する。管材の内壁面と芯棒の外面との間に形成された空隙部に、第１の焼結部の原料である第１の粉体と、第２の焼結部の原料である第２の粉体とを、順次充填する。次に、第１の粉体と第２の粉体が充填された管材を加熱処理し、芯棒を管材から抜くことにより、第１の焼結部と第２の焼結部を一方の端部に有するヒートパイプを製造することができる。

また、凸状焼結体が設けられたヒートパイプは、所定の切り欠き部を有する芯棒を挿入し、管材の内壁面と芯棒の外面との間に形成された空隙部だけでなく、管材の内壁面と切り欠き部との間に形成された空隙部にも、第１の焼結部の原料である第１の粉体と、第２の焼結部の原料である第２の粉体とを、順次充填後、加熱処理することにより製造することができる。

次に、本発明のヒートパイプの使用方法例について説明する。ここでは、図８に示すように、第１実施形態例に係るヒートパイプ１において、長手方向の形状が略直線状であるコンテナ１０に代えて、長手方向の形状が略Ｌ字状であるコンテナ１０を用いたヒートパイプ８であって、他方の端部１２に、さらに、複数の放熱フィン３０を設けたもの（ヒートシンク）を用いて説明する。

ヒートパイプ８にて、発熱体を冷却するにあたり、例えば、コンテナ１０の長手方向における第１の焼結部１５の寸法が、コンテナ１０の一方の端部１１から、他方の端部１２側の発熱体１００の端までの寸法、または他方の端部１２側の発熱体１００の端を超えてもコンテナ１０の長手方向における発熱体１００の寸法の１０〜５０％分までの寸法に設定すると、液相の作動流体の液溜まり防止効果と熱輸送効果をより効率よく発揮できる。また、ヒートパイプ８が受熱板１０１を介して発熱体１００と熱的に接続される場合には、コンテナ１０の長手方向において、第２の焼結部１６の少なくとも一部が受熱板１０１にかかるように、焼結体層１４の寸法を設定すると、液相の作動流体の液溜まり防止効果と熱輸送効果をより効率よく発揮できる。

次に、本発明の他の実施形態例に係るヒートパイプについて説明する。上記第１〜第６実施形態例に係るヒートパイプでは、焼結体層はコンテナの一方の端部にのみ設けられていたが、これに代えて、コンテナの一方の端部から中央部まで延在する態様としてもよい。また、上記第１〜第６実施形態例に係るヒートパイプでは、コンテナの長手方向の形状は略直線状であったが、該形状は特に限定されず、例えば、Ｕ字状、Ｌ字状等、曲げ部を有する形状としてもよい。

上記第３、第６実施形態例に係るヒートパイプでは、第１の凸状焼結体と第２の凸状焼結体は、相互に接していなかったが、これに代えて、その頂部（先端部）が相互に接する態様としてもよい。この場合、蒸気流路（空洞部）は、凸状焼結体の両側にそれぞれ１つずつ形成されることとなる。また、上記第２、第３、第５、第６実施形態例に係るヒートパイプでは、凸状焼結体は第１の焼結部から第２の焼結部まで延在していたが、これに代えて、凸状焼結体は第２の焼結部にのみ設けられてもよい。

次に、本発明の実施例を説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り、これらの例に限定されるものではない。

実施例１〜３
ヒートパイプとして、図１に示す第１実施形態例に係る態様のヒートパイプを用いた。第１の焼結部（長さ２０ｍｍ）の原料である第１の粉体として平均一次粒子径７５μｍの銅粉、第２の焼結部（長さ２５ｍｍ）の原料である第２の粉体として平均一次粒子径１４０μｍの銅粉を使用した。コンテナとして、長さ２００ｍｍの断面が円形状の管材（ステンレス鋼）を使用した。コンテナに封入する作動流体として、水を使用した。上記ヒートパイプを長手方向が垂直、且つ焼結体層が重力方向側になるように設置し、−４０℃×２３分→８５℃×２３分でヒートショック試験にかけた後、目視でコンテナ形状に変形が見られなったものの割合を、ＯＫ率（％）として測定した。

実施例４
ヒートパイプとして、図１に示す第１実施形態例に係る態様のヒートパイプに代えて、図２に示す第２実施形態例に係る態様のヒートパイプを用いた以外は実施例１〜３と同様とした。

比較例１〜３
第２の焼結部の原料粉として、第２の粉体に代えて、第１の粉体を使用した以外は、それぞれ、実施例１〜３と同様とした。

実施例及び比較例の具体的な試験条件と試験結果を下記表１に示す。

表１から、焼結体層として第１の焼結部と第２の焼結部の２種類の焼結部を設けた実施例１〜４では、１００サイクルでも、優れたヒートショックＯＫ率が得られた。特に、Ｔ１／Ｔ２が４７〜５６％（０．４７〜０．５６）でありＡ１／Ａ２が５８〜６９％（０．５８〜０．６９）である実施例１、２では、Ｔ１／Ｔ２が６８％（０．６８）でありＡ１／Ａ２が４７％（０．４７）である実施例３と比較して、ヒートショックＯＫ率がさらに向上した。

一方で、第２の焼結部を設けずに１種類の焼結部を形成した比較例１〜３では、Ｔ１／Ｔ２及びＡ１／Ａ２は、それぞれ、実施例１〜３のＴ１／Ｔ２及びＡ１／Ａ２と略同じでも、５０サイクルでも良好なヒートショックＯＫ率が得られなかった。

本発明のヒートパイプは、コンテナの長手方向が重力方向に対して略平行にボトムヒートの姿勢で設置され、作動流体が凍結しても、コンテナの変形を防止でき、また、優れた熱輸送特性も発揮するので、例えば、寒冷地にて使用する分野で利用価値が高い。

１、２、３、４、５、６、７ ヒートパイプ
１０ コンテナ
１１ 一方の端部
１３ 溝部
１４ 焼結体層
１５ 第１の焼結部
１６ 第２の焼結部
１７ 空洞部
２４ 凸状焼結体

Claims (7)

1. 一方の端部の端面と他方の端部の端面とが封止された管形状を有し、溝部が形成された内壁面を有するコンテナと、
   前記コンテナの長手方向中央部の内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層と、
   前記コンテナの空洞部に封入された作動流体と、
   を備えたヒートパイプであって、
   前記焼結体層が、前記焼結体層の中央部に位置する第１の焼結部と、該第１の焼結部と連続し、前記焼結体層の両端部に位置する第２の焼結部と、を有し、
   前記第１の焼結部の原料となる第１の粉体の平均一次粒子径が、前記第２の焼結部の原料となる第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さく、
   前記焼結体層が、前記コンテナの長手方向の両端部に設けられておらず、前記コンテナの長手方向の両端部では、前記溝部が露出しているヒートパイプ。
2. 前記第２の粉体の平均一次粒子径に対する前記第１の粉体の平均一次粒子径の比が、０．３〜０．９である請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記焼結体層から突出した、粉体が焼結された凸状焼結体が、さらに設けられている請求項１または２に記載のヒートパイプ。
4. 前記溝部の底部における前記コンテナの肉厚（Ｔ１）／前記溝部の頂部における前記焼結体層の厚さ（Ｔ２）が、０．３０〜０．８０である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
5. 前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記焼結体層の面積（Ａ１）／前記空洞部の面積（Ａ２）が、０．３０〜０．８０である請求項１または２に記載のヒートパイプ。
6. 前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、（前記焼結体層の面積（Ａ１）＋前記凸状焼結体の面積（Ａ３））／前記空洞部の面積（Ａ２）が、１．２〜２．０である請求項３に記載のヒートパイプ。
7. 前記コンテナの長手方向において、前記第１の焼結部の長さ／前記第２の焼結部の長さが、０．２〜３．０である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートパイプ。

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