JP2023070374A - 蒸発器用ウィック及び蒸発器用ウィックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して製造が可能であり、かつ高性能な蒸発器用ウィックを提供する。【解決手段】多孔質体の金属板が軸方向Ｓに複数積層されて形成された円柱状の本体部５２ａを備え、本体部５２ａは、円柱状の内部に形成され、軸方向Ｓの第１側の端部に開口し、第２側の端部には開口していない中空部５２ｂと、円柱状の外周面の周方向に間隔をあけて複数形成された蒸気溝５２ｃであって、軸方向Ｓの第２側の端部から軸方向Ｓに向けて形成され、軸方向Ｓの第１側の端部には形成されていない蒸気溝５２ｃと、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、蒸発器用ウィック及び蒸発器用ウィックの製造方法に関する。

宇宙機搭載機器の高性能化、高密度実装化や低リソース環境での設計成立要求の高まりを背景に、より高効率な熱制御デバイスが求められている。熱制御デバイスとして、ＬＨＰ（ループヒートパイプ）及びＣＰＬ（キャピラリーポンプループ）が注目を集めている。ＬＨＰおよびＣＰＬは、封入流体の蒸発と凝縮を利用して熱輸送を行う、気液二相流体ループである。
特許文献１には、蒸気の逆流を完全に防止して、作動液を閉ループ内の一定方向に安定させて循環させるループヒートパイプが開示されている。
特許文献２には、キャピラリーポンプループの蒸発器に適用される蒸発器用ウィックとして、複数設けられた細孔の内壁が蒸発器の両端にそれぞれ接続された液路から蒸気路に向けて直線状に形成されることで、毛細管力を有効に活用したものが開示されている。

特開２００３－１４８８８２号公報 特開平０６－１９４０７５号公報

ループヒートパイプ及びキャピラリーポンプループは、駆動力が蒸発器の内部で生み出される毛細管力のみである。このため、省電力で長距離かつ大量の熱輸送が可能な点が特長である。高性能な蒸発器としては、毛細管性能を高くすることが重要である。毛細管性能を高くするためには、蒸発器に設けられるウィックの内部について、細孔が均一に設けられていることが好ましい。このため、材料に用いられる多孔質体を均質にすることが重要である。しかしながら、例えば金属粒子を用いてウィックを成形しようとすると、高い空隙率とより小さな空孔半径の成形を両立することが難しく、十分な性能を発揮できない。このように、上述のような十分な性能を有するウィックの製作技術が未だ確立されていない。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、安定して製造が可能であり、かつ高性能な蒸発器用ウィックを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る蒸発器用ウィックは、多孔質体の金属板が軸方向に複数積層されて形成された円柱状の本体部を備え、前記本体部は、前記円柱状の内部に形成され、前記軸方向の第１側の端部に開口し、第２側の端部には開口していない中空部と、前記円柱状の外周面の周方向に間隔をあけて複数形成された蒸気溝であって、前記軸方向の前記第２側の端部から前記軸方向に向けて形成され、前記軸方向の第１側の端部には形成されていない蒸気溝と、を備える。

この発明によれば、多孔質体の金属板が軸方向に複数積層されて形成された円柱状の本体部を備える。本体部は、円柱状の内部に形成され、軸方向の第１側の端部に開口した中空部と、円柱状の外周面に形成された蒸気溝と、を備える。円柱状の本体部を、金属粒子を焼結するなどして成形した場合、高い空隙率とより小さな空孔半径の成形を両立することが難しく、毛細管性能が低くなることがある。これに対し、多孔質体の金属を積層して本体部を構成することで、本体部の内部において毛細管現象を生じさせる細孔の大きさ及び密度を均一にすることができる。よって、毛細管性能を向上することができる。また、既存の多孔質体の金属板を使用できることから、高度な技術を必要とせず、安定した品質を確保することができる。

また、本体部に中空部と蒸気溝とを設けることで、蒸発器における冷媒は、本体部の内側から中空部を介して蒸気溝のある外側へ移動する。つまり、冷媒が本体部の有する細孔を確実に通過するようにして、本体部において毛細管現象を確実に発生させることができる。よって、本体部における毛細管性能を確実に発揮させることができる。よって、本発明に係る蒸発器用ウィックを用いる蒸発器の性能を向上することができる。

また、本発明に係る蒸発器用ウィックの製造方法は、多孔質体の金属板を複数積層して積層体を形成する積層工程と、前記積層工程において形成された前記積層体を円柱状に切り出して前記本体部の基材を形成する切り出し工程と、前記基材に前記中空部及び前記蒸気溝を形成して前記本体部を形成する形彫り工程と、を備える。

この発明によれば、積層工程と、切り出し工程と、形彫り工程と、を備える。積層工程において予め積層した金属板から、切り出し工程及び形彫り工程によって切り出すように本体部を形成することで、金属粒子を焼結するなどして成形する場合と比較して、専用の型などを用意することなく本体部を成型することができる。また、高度な技術を必要としないことから、安定した品質のウィックを容易に量産することができる。

ここで、金属板は本体部の円柱状の軸方向に積層されている。つまり、切り出し工程においては、金属板の積層方向に直交して円柱状を切り出す。これにより、各層の境界部分のうち、加工断面に露出する領域を最小化することができる。これにより、本体部の円柱状の表面にクラックが生じることを防ぐことができる。更に、予め積層した複数の金属板を切り出し工程において一度に加工することで、円盤状の金属板を積層して直接円柱状を成形した場合と比較してバラツキ等によって金属板同士の間に形状の差が生じることを防ぎ、より形状の精度（例えば、真円度等）を向上することができる。

また、前記切り出し工程及び前記形彫り工程に放電加工が用いられ、前記放電加工の電気条件は、前記積層工程において積層した前記金属板の剥離を回避可能な範囲に設定してもよい。

この発明によれば、切り出し工程及び形彫り工程に放電加工が用いられ、放電加工の電気条件は、積層工程において積層した金属板の剥離を回避可能な範囲に設定する。これにより、積層した金属板が剥離する、すなわちクラックが発生することを防ぐことができる。更に、切り出し工程及び形彫り工程において金属板の表面に切屑が発生したり、金属板の表面が溶けたりすることによって、金属板の表面における細孔が塞がることを防ぐことができる。よって、毛細管性能を損なうことを防ぐことができる。

本発明によれば、安定して製造が可能であり、かつ高性能な蒸発器用ウィックを提供することができる。

ループヒートパイプの概観図である。 図１に示すＩＩ－ＩＩ方向の断面図である。 図２に示すＩＩＩ部の拡大図である。 本発明に係るウィックの斜視図である。 ウィックの正面図である。 図５に示すＶＩ方向の側面図である。 図５に示すＶＩＩ方向の側面図である。 図５に示すＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ方向の断面図である。 本発明に係るウィックの製造工程の概観図である。 多孔質体で発生する毛細管力の計算結果を示すグラフである。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る蒸発器用ウィックを説明する。
図１は、ループヒートパイプ１００の概観図である。ループヒートパイプ１００は、前記管の内部を作動流体Ｒが循環し、蒸発及び凝縮を繰り返しながら循環することで熱輸送を行う、いわゆる気液二相流体ループである。ループヒートパイプ１００は、宇宙機搭載機器の熱制御デバイスとして好適に用いられる。

作動流体Ｒは、毛細管性能、すなわち毛細管現象を生じさせる性能が高いことが好ましい。具体的には、作動流体Ｒは、表面張力が大きいことが好ましい。また、作動流体Ｒは、物体に対する接触角が大きいことが好ましい。本実施形態において、作動流体Ｒは、例えば、エタノール、アセトン、アンモニア、窒素が用いられる。あるいはこれに限らず、その他の流体が用いられてもよい。

本発明に係るウィック５２（蒸発器用ウィック）は、ループヒートパイプ１００の備える蒸発器５０の１部品として用いられる。
図１に示すように、ループヒートパイプ１００は、蒸気管１０と、凝縮器２０と、液管３０と、補償室４０と、蒸発器５０と、を備える。ループヒートパイプ１００における前記各構成は管が環状に接続されることで構成される。

蒸気管１０は、気体の状態である作動流体Ｒが輸送される部位である。蒸気管１０は、一方の端部が蒸発器５０に接続され、他方の端部が凝縮器２０に接続される。
凝縮器２０は、蒸発した作動流体Ｒを液体に凝縮し、排熱を行う部位である。凝縮器２０の一方の端部は蒸気管１０に接続され、他方の端部は液管３０に接続される。
液管３０は、液体の状態である作動流体Ｒが輸送される部位である。液管３０の一方の端部は凝縮器２０に接続され、他方の端部は補償室４０に接続される。

補償室４０は、作動流体Ｒの流量を調整する部位である。作動流体Ｒの蒸発が活発に行われ、凝縮器２０の内部において、気体である作動流体Ｒの割合が増加すると、液管３０及び蒸発器５０の内部に液体である作動流体Ｒが集中し、蒸発器５０の性能が十分に発揮できなくなることがある。このような場合に補償室４０で作動流体Ｒの余剰分を収容することで、蒸発器５０の内部における作動流体Ｒの量を調整する。補償室４０の一方の端部は液管３０に接続され、他方の端部は蒸発器５０に接続される。

蒸発器５０は、作動流体Ｒを蒸発させることで吸熱をする部位である。蒸発器５０の大きさは、要求される必要な吸熱性能に合わせて適宜選択される。例えば、宇宙空間で用いられる蒸発器５０は、例えば、直径１２ｍｍ、長さ５０ｍｍ～６０ｍｍのものが用いられる。
蒸発器５０は、容器５１と、ウィック５２と、を備える。蒸発器５０の一方の端部は補償室４０に接続され、他方の端部は蒸気管１０に接続される。

容器５１は、図２に示すように内部にウィック５２を収容する筒状の部材である。容器５１は、耐熱性能、強度及び耐久性の観点から、金属製であることが好ましい。容器５１とウィック５２とは、焼き嵌めにより固定される。ループヒートパイプ１００における作動流体Ｒは、ウィック５２の外周面と容器５１の内周面との間で蒸発する。蒸発した作動流体Ｒは蒸気管１０に移動し、凝縮器２０へ搬送される。
ウィック５２は、容器５１との間において作動流体Ｒを蒸発させる役割を有する部位である。ウィック５２は、本体部５２ａと、本体部５２ａに形成された中空部５２ｂと、蒸気溝５２ｃと、を備える。

本体部５２ａは、円柱状の部材である。本体部５２ａは、毛細管現象を用いて作動流体Ｒを中空部５２ｂの側から蒸気溝５２ｃの側に移動させる。このため、本体部５２ａには多孔質体が用いられる。多孔質体は、耐熱性能、強度及び耐久性の観点から、金属であることが好ましい。あるいは、毛細管現象を発生させることができれば、本体部５２ａにはセラミック等の素材が用いられてもよい。

本実施形態において、本体部５２ａは、図４又は図９に示すように多孔質体の金属板が円柱状の軸方向Ｓに複数積層されて形成される。ここで、多孔質体の金属板とは、板状の部材の内部に無数の細孔を備えたものである。本実施形態において、金属板には、例えば、ステンレス製の多孔質体が用いられる。

本体部５２ａに用いられる金属板について、下記性能が要求される。すなわち、金属板の内部における細孔の半径が少なくとも５μｍ以下の範囲であり、細孔の体積が金属板の体積の５０％以上の範囲であること、細孔への作動流体Ｒの浸透率が高いこと、すなわち毛細管性能が高いこと、熱伝導率が低いこと、である。

多孔質体で発生する毛細管力Ｐｃ（毛細管性能）は、次の数式（１）より算出される。なお、以下の式において、σは流体の表面張力（Ｎ／ｍ）、θは流体と多孔質体間の接触角（°）、ｒ_ｐｏｒｅは多孔質体の細孔半径（ｍ）を表す。本計算では、エタノール、アセトン、アンモニアの３００Ｋにおける表面張力と、８０Ｋにおける窒素の表面張力を用いた。また接触角は全て０°、すなわちｃｏｓθ＝１を仮定して計算した。ｒ_ｐｏｒｅは、０．５～１０μｍの範囲で計算した。

上記範囲に係る計算の結果を、図１０に示す。図１０に示す本計算結果より、多孔質体の細孔半径は毛細管力に特に５μｍ以下で大きな影響を与え、細孔半径が小さいほど高い毛細管性能が得られることが分かる。

これらの要求を高い水準で達成する多孔質材料として、ステンレス製の金属板が好適である。具体的には、例えば、フィルター用途の１ｍｍ厚のステンレスメッシュを積層し焼結させた、３０～４０ｍｍ厚の積層型ステンレス多孔質体ブロックが特に好適である。
また、ステンレス多孔質ブロックに限らず、積層型金属多孔質ブロックであれば、この範囲で材料の種類を変えて適用することが可能である。例えば、銅多孔質ブロック、ニッケル多孔質ブロック、チタン多孔質ブロック、アルミニウム多孔質ブロックを用いてもよい。

中空部５２ｂは、本体部５２ａの円柱状の内部に形成される。図６、図７、図８に示すように、中空部５２ｂは、軸方向Ｓの第１側の端部に開口し、第２側の端部には開口していない。以下、第１側とは、図１に示すループヒートパイプ１００において、ウィック５２を流れる作動流体Ｒの上流側をいい、第２側とは、ウィック５２を流れる作動流体Ｒの下流側をいうものとする。ここで、第２側の端部に中空部５２ｂが開口していると、作動流体Ｒが本体部５２ａの細孔を介さずに、第２側の端部の開口から流出する。このため、第２側の端部に中空部５２ｂが開口しないことで、作動流体Ｒが確実に中空部５２ｂから蒸気溝５２ｃに向けて移動するようにする。

蒸気溝５２ｃは、本体部５２ａの円柱状の外周面の周方向に間隔をあけて複数形成される。図５に示すように、蒸気溝５２ｃは、軸方向Ｓの第２側の端部から軸方向Ｓに向けて形成され、軸方向Ｓの第１側の端部には形成されていない。このような形状とすることで、本体部外周面において蒸気溝５２ｃが形成されていない部位が、焼き嵌めにより容器５１の内周面と嵌合する。

上述の構成を備えるウィック５２において、液体の状態である作動流体Ｒは下記のように移動する。すなわち、図３に示すように、作動流体Ｒは、本体部５２ａの有する細孔の内部を毛細管現象によって移動する。具体的には、液体の状態である作動流体Ｒは、補償室４０を通過した後に、ウィック５２の中空部５２ｂに流入する。その後、中空部５２ｂから細孔を通して毛細管現象によって蒸気溝５２ｃの側に移動する。

このように本体部５２ａの内部を通過した作動流体Ｒは、本体部５２ａの外周面と容器５１の内周面との間で蒸発する。蒸発した作動流体Ｒは、蒸気溝５２ｃを通って蒸気管１０に運搬される。蒸気管１０に移動した作動流体Ｒは、その後、凝縮器２０に移動して液体に凝縮され、液管３０に移動する。このようにして、作動流体Ｒは、ループヒートパイプ１００の内部を循環する。ループヒートパイプ１００における作動流体Ｒの循環は、ウィック５２における毛細管現象による移動を駆動力として行われる。

（ウィック５２の製造方法）
次に、本発明に係るウィック５２の製造方法について説明する。製造方法には、積層工程と、切り出し工程と、形彫り工程と、を備える。
積層工程は、多孔質体の金属板を複数積層して積層体Ｂを形成する工程である。具体的には、まず、図９に示すように、金属板を複数枚積層してブロック状にする。その後、積層した複数の金属板を、重ね合わせた方向から加圧しながら加熱する。これにより金属板同士を焼結させ、本体部５２ａの基材となる積層体Ｂを形成する。

切り出し工程は、積層工程において形成された積層体Ｂを円柱状に切り出して本体部５２ａの基材を形成する工程である。切り出し工程においては、積層間に剥離（クラック）を発生させない、いわゆるクラックレスな加工が要求される。本体部５２ａにクラックが生じると毛細管性能が低下するためである。また、本体部５２ａの円柱状における真円度が低下する。これにより、容器５１と本体部５２ａとのはめ合いの精度が低下するためである。

本実施形態のように本体部５２ａを円柱状とする場合、軸方向Ｓ及び蒸気溝５２ｃの長手方向に対して、直交方向に積層が存在する。この積層の間にクラックを生じさせないために、ワイヤーカット放電加工が好適に用いられる。また、ワイヤーカット放電加工の電気条件は、金属板の剥離、すなわちクラックの発生を回避可能な範囲に設定する。一般的に、ブロック状の金属をワイヤーカット放電加工する際、ファーストカットの条件が用いられるが、この条件を用いるとクラックが生じやすくなる。このため、本実施形態においては、フォースカット等の条件により加工することで、クラックの発生を回避する。

形彫り工程は、切り出し工程で形成した基材に中空部５２ｂ及び蒸気溝５２ｃを形成して本体部５２ａを形成する工程である。形彫り工程には、形彫り放電加工が用いられる。形彫り放電加工においても、切り出し工程と同様に、クラックレスな加工が要求される。このため、形彫り工程においても、フォースカット等の低電圧の条件により加工することで、クラックの発生を回避する。
以上の工程により、ウィック５２を形成する。

以上説明したように、本実施形態に係るウィック５２によれば、多孔質体の金属板が軸方向Ｓに複数積層されて形成された円柱状の本体部５２ａを備える。本体部５２ａは、円柱状の内部に形成され、軸方向Ｓの第１側の端部に開口した中空部５２ｂと、円柱状の外周面に形成された蒸気溝５２ｃと、を備える。円柱状の本体部５２ａを、金属粒子を焼結するなどして成形した場合、バラツキ等により本体部５２ａの内部の細孔が均一とならず、毛細管性能が低くなることがある。これに対し、多孔質体の金属を積層して本体部５２ａを構成することで、本体部５２ａの内部において毛細管現象を生じさせる細孔の大きさ及び密度を均一にすることができる。よって、毛細管性能を向上することができる。また、既存の多孔質体の金属板を使用できることから、高度な技術を必要とせず、安定した品質を確保することができる。

また、本体部５２ａに中空部５２ｂと蒸気溝５２ｃとを設けることで、蒸発器５０における冷媒は、本体部５２ａの内側から中空部５２ｂを介して蒸気溝５２ｃのある外側へ移動する。つまり、冷媒が本体部５２ａの有する細孔を確実に通過するようにして、本体部５２ａにおいて毛細管現象を確実に発生させることができる。よって、本体部５２ａにおける毛細管性能を確実に発揮させることができる。よって、本発明に係るウィック５２を用いる蒸発器５０の性能を向上することができる。

また、積層工程と、切り出し工程と、形彫り工程と、を備える。積層工程において予め積層した金属板から、切り出し工程及び形彫り工程によって切り出すように本体部５２ａを形成することで、金属粒子を焼結するなどして成形する場合と比較して、専用の型などを用意することなく本体部５２ａを成型することができる。また、高度な技術を必要としないことから、安定した品質のウィック５２を容易に量産することができる。

ここで、金属板は本体部５２ａの円柱状の軸方向Ｓに積層されている。つまり、切り出し工程においては、金属板の積層方向に直交して円柱状を切り出す。これにより、各層の境界部分のうち、加工断面に露出する領域を最小化することができる。これにより、本体部５２ａの円柱状の表面にクラックが生じることを防ぐことができる。更に、予め積層した複数の金属板を切り出し工程において一度に加工することで、円盤状の金属板を積層して直接円柱状を成形した場合と比較してバラツキ等によって金属板同士の間に形状の差が生じることを防ぎ、より形状の精度（例えば、真円度等）を向上することができる。

また、切り出し工程及び形彫り工程に放電加工が用いられ、放電加工の電気条件は、積層工程において積層した金属板の剥離を回避可能な範囲に設定する。これにより、積層した金属板が剥離する、すなわちクラックが発生することを防ぐことができる。更に、切り出し工程及び形彫り工程において金属板の表面に切屑が発生したり、金属板の表面が溶けたりすることによって、金属板の表面における細孔が塞がることを防ぐことができる。よって、毛細管性能を損なうことを防ぐことができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、ループヒートパイプ１００は宇宙機搭載機器の熱制御デバイスとして好適に用いられると説明したが、これに限らない。例えば、ノートＰＣやタブレット端末等におけるＣＰＵ排熱、プロジェクターの光源排熱、自動車における排熱にループヒートパイプ１００を用いてもよい。
本実施形態に係るウィック５２はループヒートパイプ１００に用いるものとして説明したが、キャピラリーポンプループに用いてもよい。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

５０ 蒸発器
５２ ウィック
５２ａ 本体部
５２ｂ 中空部
５２ｃ 蒸気溝
Ｂ 積層体
Ｓ 軸方向

Claims (3)

1. 多孔質体の金属板が軸方向に複数積層されて形成された円柱状の本体部を備え、
   前記本体部は、
   前記円柱状の内部に形成され、前記軸方向の第１側の端部に開口し、第２側の端部には開口していない中空部と、
   前記円柱状の外周面の周方向に間隔をあけて複数形成された蒸気溝であって、前記軸方向の前記第２側の端部から前記軸方向に向けて形成され、前記軸方向の第１側の端部には形成されていない蒸気溝と、
   を備える、
   蒸発器用ウィック。
2. 請求項１に記載の蒸発器用ウィックの製造方法であって、
   多孔質体の金属板を複数積層して積層体を形成する積層工程と、
   前記積層工程において形成された前記積層体を円柱状に切り出して前記本体部の基材を形成する切り出し工程と、
   前記基材に前記中空部及び前記蒸気溝を形成して前記本体部を形成する形彫り工程と、
   を備える、
   蒸発器用ウィックの製造方法。
3. 前記切り出し工程及び前記形彫り工程に放電加工が用いられ、
   前記放電加工の電気条件は、前記積層工程において積層した前記金属板の剥離を回避可能な範囲に設定する、
   請求項２に記載の蒸発器用ウィックの製造方法。

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