JP2019158269A - 多孔質弾性体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウィックの構造を簡素化することができる多孔質弾性体及びその製造方法を提供する。【解決手段】多孔質弾性体６０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、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蒸発部に還流させるループ型ヒートパイプのウィックに用いられる連泡構造を備えた多孔質弾性体であって、液相に接触する第１の多孔質弾性体層６１と、第１の多孔質弾性体層６１に連なる第２の多孔質弾性体層６２と、を有し、第１の多孔質弾性体層６１に含まれる第１の内部セル７１と第２の多孔質弾性体層６２に含まれる第２の内部セル７２とが互いに連なり、第１の内部セル７１の平均径は第２の内部セル７２の平均径よりも大きく、第２の多孔質弾性体層６２は第１の多孔質弾性体層６１よりも厚い。【選択図】図２

Description

本発明は、多孔質弾性体及びそ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、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と、蒸発部から凝縮部へ気相の作動流体を流通させる蒸気管と、凝縮部から蒸発部へ液相の作動流体を流通させる液管とを備える。蒸発部の内部には、多孔質材で構成されたウィックが収容されており、液管から送られた液相の作動流体がウィックの微細な孔を毛細管現象によって浸透してウィックの外表面に染み出す。

これまで、ウィックに関して種々の提案がされている。例えば、熱輸送能力や始動性の向上を目的とし、２種類のウィックを備えたループ型ヒートパイプが提案されている。

しかしながら、従来のウィックは複雑な構造を備えており、その製造プロセスが煩雑である。

本発明は、ウィックの構造を簡素化することができる多孔質弾性体及びその製造方法を提供することを目的とする。

多孔質弾性体の一態様は、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に用いられる連泡構造を備えた多孔質弾性体であって、前記液相に接触する第１の多孔質弾性体層と、前記第１の多孔質弾性体層に連なる第２の多孔質弾性体層と、を有し、前記第１の多孔質弾性体層に含まれる第１の内部セルと前記第２の多孔質弾性体層に含まれる第２の内部セルとが互いに連なり、前記第１の内部セルの平均径は前記第２の内部セルの平均径よりも大きく、前記第２の多孔質弾性体層は前記第１の多孔質弾性体層よりも厚いことを特徴とする。

開示の技術によれば、ウィックの構造を簡素化することができる。

ループ型ヒートパイプの一例を示す図である。 実施形態に係る多孔質弾性体の構成を示す断面図である。 実施形態に係る多孔質弾性体を用いて構成されるウィックの一例を示す図である。 参考例に係る多孔質弾性体を示す断面図である。 実施形態に係る多孔質弾性体の製造に好適な加熱装置を示す図である。

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

本実施形態に係る多孔質弾性体は、ループ型ヒートパイプのウィックに用いられる。そこで、先ず、ループ型ヒートパイプについて説明する。図１は、ループ型ヒートパイプの一例を示す図である。

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は中空形状を有し、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。ウィック６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、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。ウィック６が蒸発部２の筐体２ａに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。

このような構成のループ型ヒートパイプ１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、実施形態に係る多孔質弾性体について説明する。図２は、実施形態に係る多孔質弾性体の構成を示す断面図である。

図２に示すように、実施形態に係る多孔質弾性体６０は連泡構造を備え、液相に接触する取り込み層（第１の多孔質弾性体層）６１と、取り込み層６１に連なる輸送層（第２の多孔質弾性体層）６２と、輸送層６２に取り込み層６１とは逆側で連なる加熱部接触層（第３の多孔質弾性体層）６３とを有する。取り込み層６１に含まれる内部セル７１と輸送層６２に含まれる内部セル７２とが互いに連なり、内部セル７２と加熱部接触層６３に含まれる内部セル７３とが互いに連なる。内部セル７１の平均径は内部セル７２の平均径よりも大きく、内部セル７３の平均径は内部セル７１の平均径よりも大きい。加熱部接触層６３は取り込み層６１よりも厚く、輸送層６２よりも薄い。つまり、輸送層６２は取り込み層６１よりも厚い。

取り込み層６１、輸送層６２及び加熱部接触層６３は、水発泡シリコーンゴム等の多孔質ゴムから構成されている。例えば、内部セル７１の平均径は数十μｍであり、内部セル７２の平均径は１μｍ以上１０μｍ以下であり、内部セル７３の平均径は数百μｍである。これら内部セル７１〜７３は、直径が数μｍ程度の空孔７０を介して互いに連なっている。

図３は、多孔質弾性体６０を用いて構成されるウィック６の一例を示す図である。図３に示すように、多孔質弾性体６０は、加熱部接触層６３が筐体２ａに接するようにしてウィック６に用いられる。このような構成のウィック６では、取り込み層６１が毛細管力を発揮することで、液戻りした作動流体の液相を取り込み、輸送層６２が取り込み層６１よりも強い毛細管力で液相を輸送する。そして、加熱部接触層６３にて液相が気相に変化し、気相に変化した作動流体が蒸気管４へと送られる。図２に示す断面図は図３中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。

このように、本実施形態に係る多孔質弾性体６０によれば、ウィック６の構造を簡素化することができる。従って、後述するように、一体成形により容易に製造することができ、製造コストを低減することができる。

また、多孔質弾性体６０は高い弾性を示すため、これを用いたウィック６の筐体２ａに対する密着性を向上することができる。従って、蒸発部２の筐体２ａからウィック６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１の冷却性能が向上する。

図４は、参考例に係る多孔質弾性体を示す断面図である。この参考例に係る多孔質弾性体８０は、内部セル７２と同様の平均径を備えた内部セル８２を備えた多孔質ゴムから構成されている。多孔質弾性体６０と多孔質弾性体８０とを比較すると、液相と接する面の表面積が多孔質弾性体６０において広い。このため、多孔質弾性体６０は多孔質弾性体８０よりも高効率で液相の作動流体を取り込むことができる。

なお、必ずしも本開示の多孔質弾性体に加熱部接触層６３は必要ではなく、加熱部接触層６３が設けられていない場合でも、ウィックの構造を簡素化することができる。

次に、多孔質弾性体６０の製造方法について説明する。図５は、多孔質弾性体６０の製造に好適な加熱装置を示す図である。多孔質弾性体６０の原料には液状の油中水滴型エマルジョン（Ｗ／Ｏ（Water in Oil）エマルジョン）を用い、その加熱硬化及び脱水による水発泡ゴム成形を行う。エマルジョンを過昇温すると、エマルジョンが破壊され、保持温度及び保持時間に依存した平均径を有する内部セルが形成される。この製造方法では、このような現象を利用して内部セルの径を制御する。

図５に示すように、多孔質弾性体６０の製造に好適な加熱装置２０には、多孔質弾性体６０の形状に倣った金型２４、金型２４の取り込み層６１側の面を加熱する面ヒータ２１、加熱部接触層６３側の面を加熱する面ヒータ２２、及び側面を加熱する面ヒータ２３を備える。

まず、金型２４内に多孔質弾性体６０の原料２５を充填し、面ヒータ２１を動作させ、金型２４の取り込み層６１側の面を内部セル７１が形成される温度まで加熱し、保持する。次いで、面ヒータ２１の動作を停止し、面ヒータ２２を動作させ、金型２４の加熱部接触層６３側の面を内部セル７３が形成される温度まで加熱し、保持する。その後、面ヒータ２２の動作を停止し、面ヒータ２１〜２３を内部セル７２が形成される温度まで加熱し、保持する。このようにして、取り込み層６１、輸送層６２及び加熱部接触層６３を一体的に成形し、多孔質弾性体６０を製造することができる。

加熱部接触層６３を形成した後に取り込み層６１を形成してもよいが、輸送層６２は取り込み層６１及び加熱部接触層６３の後に形成する。過昇温によるエマルジョン破壊を利用して内部セルの径を制御するためである。

なお、加熱部接触層６３の形成を省略してもよい。また、金型２４の形状は直方体に限定されず、製造しようとするウィック６の形状に倣うように種々の形状を持たせることができる。

次に、局所加熱の時間と多孔質弾性体層の構成との関係について説明する。ここでは、多孔質弾性体が１２０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状を有する。面ヒータ２１を動作させて金型２４の一面を１５０℃に局所加熱した後、面ヒータ２１の動作を停止し、面ヒータ２１〜２３を動作させて金型２４の全面を１１０℃に５分間、全体加熱する。このような処理を行った後、多孔質弾性体のうち、内部セルの平均径が数十μｍ以上の層（大径セル層）の厚さを測定する。この結果を表１に示す。

表１に示すように、局所加熱の時間が長いほど、大径セル層が厚く形成される。

次に、局所加熱の温度と多孔質弾性体層の構成との関係について説明する。ここでも、多孔質弾性体が１２０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状を有する。面ヒータ２１を動作させて金型２４の一面を５分間、局所加熱した後、面ヒータ２１の動作を停止し、面ヒータ２１〜２３を動作させて金型２４の全面を１１０℃に５分間、全体加熱する。このような処理を行った後、多孔質弾性体のうち、大径セル層に含まれる内部セルの平均径を測定する。この結果を表２に示す。なお、表２には、局所加熱の温度を１１０℃とした例の結果も示しており、この例では大径セル層が形成されないため、その平均径は多孔質弾性体全体の平均径である。

表２に示すように、局所加熱の温度が高いほど、大径セル層の内部セルの平均径が大きい。

次に、多孔質弾性体の製造条件と多孔質弾性体層の厚さとの関係について説明する。ここでは、下記の４条件で１２０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状を有する多孔質弾性体を製造する。

（条件Ａ）
面ヒータ２１〜２３を用いて金型２４の全面を１１０℃で５分間加熱する。

（条件Ｂ）
面ヒータ２１を用いて金型２４の一面を１５０℃で１分間加熱し、面ヒータ２１の動作を停止し、面ヒータ２１〜２３を用いて金型２４の全面を１１０℃で５分間加熱する。

（条件Ｃ）
面ヒータ２１を用いて金型２４の一面を１５０℃で３分間加熱し、面ヒータ２１の動作を停止し、面ヒータ２１〜２３を用いて金型２４の全面を１１０℃で５分間加熱する。

（条件Ｄ）
面ヒータ２１を用いて金型２４の一面を１５０℃で３分間加熱し、面ヒータ２１の動作を停止し、面ヒータ２２を用いて金型２４の一面を２００℃で１分間加熱し、面ヒータ２２の動作を停止し、面ヒータ２１〜２３を用いて金型２４の全面を１１０℃で５分間加熱する。

このような処理を行った後、内部セルの平均径が数十μｍの取り込み層、内部セルの平均径が１μｍ〜１０μｍの輸送層、及び内部セルの平均径が数百μｍの加熱部接触層の厚さを測定する。この結果を表３に示す。

表３に示すように、局所加熱の時間及び温度を調整することで、取り込み層及び輸送層を含み、条件によっては加熱部接触層をも含む多孔質弾性体を１回の成形で製造することが可能である。

輸送層６２に含まれる内部セル７２の平均径は１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。適度の毛細管力を得るためである。

輸送層６２の厚さは多孔質弾性体６０の厚さの５０％以上であることが好ましい。輸送層６２の、駆動時の液輸送の機能及び非駆動時の液の保持の機能をより確実に発揮させるためである。

輸送層６２の空隙率は２０％以上８０％以下であり、連泡率は２５％以上１００％以下であることが好ましい。より優れた毛細管力を得るためである。

１ ループ型ヒートパイプ
６ ウィック
２０ 加熱装置
２１〜２３ 面ヒータ
２４ 金型
２５ 原料
６０ 多孔質弾性体
６１ 取り込み層
６２ 輸送層
６３ 加熱部接触層
７１〜７３ 内部セル

特許第４２８８２２４号公報

Claims (9)

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に用いられる連泡構造を備えた多孔質弾性体であって、
   前記液相に接触する第１の多孔質弾性体層と、
   前記第１の多孔質弾性体層に連なる第２の多孔質弾性体層と、
   を有し、
   前記第１の多孔質弾性体層に含まれる第１の内部セルと前記第２の多孔質弾性体層に含まれる第２の内部セルとが互いに連なり、
   前記第１の内部セルの平均径は前記第２の内部セルの平均径よりも大きく、
   前記第２の多孔質弾性体層は前記第１の多孔質弾性体層よりも厚いことを特徴とする多孔質弾性体。
2. 前記第２の多孔質弾性体層に前記第１の多孔質弾性体層とは逆側で連なる第３の多孔質弾性体層を有し、
   前記第３の多孔質弾性体層に含まれる第３の内部セルと前記第２の多孔質弾性体層に含まれる第２の内部セルとが互いに連なり、
   前記第３の内部セルの平均径は前記第１の内部セルの平均径よりも大きく、
   前記第３の多孔質弾性体層は前記第１の多孔質弾性体層よりも厚く、前記第２の多孔質弾性体層よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の多孔質弾性体。
3. 前記第２の内部セルの平均径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記第２の内部セル同士が連なることを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質弾性体。
4. 前記第２の多孔質弾性体層の厚さが前記多孔質弾性体の厚さの５０％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多孔質弾性体。
5. 前記第２の多孔質弾性体層の空隙率が２０％以上８０％以下であり、連泡率が２５％以上１００％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多孔質弾性体。
6. 多孔質ゴムより構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の多孔質弾性体。
7. 水発泡シリコーンゴムより構成されていることを特徴とする請求項６に記載の多孔質弾性体。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の多孔質弾性体の製造方法であって、
   前記多孔質弾性体の原料を金型に充填する工程と、
   前記金型を加熱する工程と、
   を有することを特徴とする多孔質弾性体の製造方法。
9. 前記金型を加熱する工程は、
   前記金型の前記第１の多孔質弾性体層と接する面を第１の温度で加熱する工程と、
   その後に、前記金型の全面を前記第１の温度よりも低い第２の温度で加熱する工程と、
   を有することを特徴とする請求項８に記載の多孔質弾性体の製造方法。

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