JP2677879B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は一般的にはヒートパイプに関し、さらに具体
的には、宇宙空間におけるような無重力下で使用するの
に適するンヒートパイプに関するものである。

「従来の技術」 宇宙空間のような無重力下で使用するヒートパイプに
は、作動液の移動のためウイックが不可欠であるが、こ
のウイックの構造は最大熱輸送量を決める重要な要素で
ある。

一般に宇宙用ヒートパイプのウイックには、無重力下
におけるその性能を地上で推定することが容易であると
ころから、溝形ウイック（軸方向のグループ）が多く採
用されている。

そして溝形ウイックの場合、内径が15mm程度のヒート
パイプでは、通常溝幅が0.3〜0.8mm,溝深さが溝幅の１
〜２倍程度のものが使用されている。

「発明が解決しようとする課題」 宇宙ロケットはより軽量化，小型化される傾向にあ
り、これに伴なって宇宙用のヒートパイプについても軽
量化と小型化が課題となっている。そして、ヒートパイ
プの軽量化や小型化はそのサイズ（径，内容積）を小さ
くすることによって達成されるが、従来の溝径ウイック
における溝構造のヒートパイプでは、パイプサイズを小
さくするとそれに伴ない最大熱輸送量も小さくなってし
まうので、軽量化，小型化を達成することができなかっ
た。

本発明の目的は、無重力化で使用される場合におい
て、最大熱輸送量をより増大させて軽量・小型化を達成
することができるヒートパイプを提供することにある。

「課題を解決するための手段」 発明者らは鋭意検討の結果、溝形ウイックを有する宇
宙用ヒートパイプにおいて、性能のより一層の向上を阻
む原因が作動液とその蒸気との対向流にあると想定し、
種々の試作・実験により本発明を完成したものである。

すなわち、本発明に係るヒートパイプは、前述の目的
を達成するため、内部に軸方向に沿う溝形ウイックを形
成したヒートパイプにおいて、溝深さと各フィンの先端
相互が形成する円の径との比を1:3〜1:4.7の範囲に設定
したものである。

本発明のヒートパイプにおいて、溝深さと溝幅との比
は2.5:1〜4:1の範囲にあるのが好ましい。

「作用」 内部に溝形ウイックを形成した従来のヒートパイプと
同様に、作動液は溝構造であるウイックの毛細管力によ
り一方向へ移動し、作動液の蒸気はウイック以外の空間
を他方向へ移動して熱輸送を行なう。

「実施例」 第１図は本発明に係るヒートパイプの一実施例を示す
断面図であり、内面へ形成された軸方向に沿う36本の溝
１により溝形ウイック1aを構成している。

この実施例のヒートパイプは、アルミニウム合金（A6
061）により押し成形したものであり、外径が13mm、溝
１の底までの肉厚Ｔが1.5mm、溝１の深さｄが1.75mm、
溝１の幅Ｗが0.5mm、溝１相互間のフィン２の肉厚ｔが
0.3mm、フィン２の先端相互が形成する円の径Ｒが6.5mm
になるように設計され、作動液にはアンモニアが使用さ
れている。

したがって、溝深さｄとフィン２の先端相互が形成す
る円の径Ｒとの比は約1:3.7であり、溝深さｄと溝幅Ｗ
との比は3.5:1である。

ところで、一般にヒートパイプにおける最大熱輸送量
は次の式で表わされる。

ただし Qmax:最大熱輸送量 K:浸透係数 γc:毛細管半径 Aw:ウイック断面積 ρl:作動液密度 σl:作動液表面張力 λ：作動液蒸発潜熱 μl:作動液粘性係数 この式から考察すると、他の条件が一定であるとすれ
ば、ウイックを構成する溝１の深さｄが深いほど最大熱
輸送量は大きくなる。

そこで、他の寸法や条件を第１図のヒートパイプ同一
にし、溝深さｄとフィン２の先端相互が形成する円の径
Ｒのみが異なるヒートパイプを製造し、これらについて
最大熱輸送量を測定したところ第２図のような結果を得
た。

第２図は、溝深さｄが1.5mmであるヒートパイプの最
大熱輸送量を１としたときの最大熱輸送量の比を縦軸方
向に示し、溝深さｄを横軸方向に表わしたものである。

なお、溝深さｄと前記円の径Ｒとは、一方が大きくな
れば他方が小さくなる関係にあるので、第２図では溝深
さの変化に対応する最大熱輸送量の比のみを示した。

第２図の結果から明らかなように、実際には溝深さｄ
が1.5mm〜2.0mm（溝深さd:前記円の径Ｒが約1:4.7〜1:3
による）の範囲以外では極端に最大熱輸送量が小さくな
り、前記範囲以上に溝１を深くしても逆効果になること
が判明した。

次に、他の寸法及び条件を第１図のヒートパイプと同
一にし、溝幅Ｗとフィン２の肉厚ｔのみを異にするヒー
トパイプを製造し、最大熱輸送量を測定したが、溝幅Ｗ
が0.5〜0.6mm（フィン肉厚ｔが0.2〜0.3mm）の範囲にあ
るとき、最大熱輸送量が最も増大した。

前記のように、溝深さｄと各フィン２の先端部相互が
形成する円の径Ｒとの関連等が最大熱輸送量に大きく関
係するのは、作動液とその蒸気の流れが対向流になって
いるために生ずる現象と思われる。従来宇宙用ヒートパ
イプの分野において、作動液とその蒸気が対向流である
ために性能が低下するという考え方はなされていない
が、前記対向流による現象は極めて複雑なため、これを
理論的に解明することは不可能である。

「発明の効果」 本発明に係るヒートパイプは、溝深さと各フィンの先
端相互が形成する円の径とを、前述のような比に設定し
たのでより高い最大熱輸送量を達成することができ、そ
の結果、熱輸送能力を減じないでヒートパイプの軽量・
小型化を達成することが可能となった。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係るヒートパイプの一実施例を示す拡
大断面図、第２図は本発明実施例のヒートパイプにおけ
る溝深さと最大熱輸送量との関係を示す線図である。 主要図中符号の説明 １は溝、1aはウイック、２はフィン、Ｒは各フィンの先
端相互が形成する円の径、ｄは溝深さ、Ｔはヒートパイ
プの肉厚、ｔはフィンの肉厚、Ｗは溝幅を示す。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に軸方向に沿う溝形ウイックを形成し
   たヒートパイプにおいて、溝深さと各フィンの先端相互
   が形成する円の径との比が1:3〜1:4.7である溝構造を有
   することを特徴とするヒートパイプ。
2. 【請求項２】溝深さと溝幅との比が2.5:1〜4:1である、
   請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 【請求項３】アルミニウム又はアルミニウム合金からな
   り、外径が15mm以下である請求項１又は２に記載のヒー
   トパイプ。