JP2868208B1 - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 作動流体の伝熱性能を向上させることの可能
なヒートパイプを提供する。 【解決手段】 作動流体が封入された円筒形状のコンテ
ナ２と、コンテナ２の内部に配置され、かつ、微小間隙
を有するウィック３とを備えたヒートパイプ１におい
て、コンテナ２の蒸発部Ａ１の外周に所定間隔おきに熱
伝達抑制部材５が取り付けられて、熱抵抗の異なる複数
の領域Ａ２，Ａ３が相互に隣接して形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱輸送装置、加
熱装置、冷却装置、温度・熱流の制御装置などに用いら
れるヒートパイプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ヒートパイプは、密閉された金
属パイプ等のコンテナの内部に、真空脱気した状態で水
やアルコールなどの凝縮性の流体を作動流体として封入
して構成されている。このヒートパイプは、その作動領
域に対応して蒸発部（加熱部）と断熱部と凝縮部（冷却
部）とに区分されている。

【０００３】そして、蒸発部が加熱されてヒートパイプ
の内部に温度差が生じると、蒸発部で蒸発した作動流体
が凝縮部に流動して放熱・凝縮することにより、作動流
体の潜熱として熱輸送が行われる。さらに、凝縮した作
動流体は、蒸発部に還流されて作動流体のサイクルが完
結し、以後、上記の作用を繰り返して継続的な熱輸送が
行われる。

【０００４】ところで、凝縮した作動流体を蒸発部に還
流させる方法の一つとして毛細管圧力を利用する方法が
ある。具体的には、コンテナの内部にメッシュなどの多
孔質材からなるウィックが配置され、コンテナの内周面
とウィックとの間に隙間が形成されている。そして、蒸
発部で凝縮した作動流体が隙間に保持され、毛細管圧力
によって作動流体が蒸発部に戻される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウィッ
クを用いたヒートパイプにおいては、蒸発部に存在する
作動流体が飽和温度に達すると沸騰気泡を生じるように
なる。すると、気泡の成長または気泡数によってはウィ
ックの目詰まりが起き、熱流束の限界に到達しやすくヒ
ートパイプの熱輸送機能が低下する可能性があった。

【０００６】この発明は、上記事情を背景としてなされ
たもので、作動流体の伝熱性能を向上させることの可能
なヒートパイプを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するためこの発明は、作動流体が封入されたコ
ンテナと、このコンテナの内部に配置され、かつ、微小
間隙を有するたウィックとを備えたヒートパイプにおい
て、前記コンテナの蒸発部の外周に、熱抵抗の異なる複
数の領域が相互に隣接して形成されていることを特徴と
する。

【０００８】この発明によれば、コンテナに熱抵抗の異
なる複数の領域が相互に隣接して形成されているため、
コンテナを介して作動流体に熱伝達が行われる場合に、
作動流体に対する実質的な熱流束に強弱が生じる。この
ため、蒸発部が加熱されると、コンテナの熱抵抗が低い
領域に対応する箇所では、作動流体の沸騰気泡が発生し
やすく、熱抵抗が高い領域に対応する箇所では、作動流
体の沸騰気泡の発生が抑制される。したがって、コンテ
ナ内面とウィックとの隙間での気泡の大きさが複雑に変
化している状態になり、圧力バランスの変化などによっ
て全体として作動流体の気泡の運動が活発になりヒート
パイプの熱輸送が促進される。

【０００９】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明のヒートパイプ
を添付図面に基づいて説明する。この発明で対象とする
ヒートパイプは、熱輸送装置、加熱装置、冷却装置、温
度・熱流の制御装置などに適用される。図１はこの発明
の一実施例に係る円筒形状のヒートパイプ１の一部を破
断した正面図である。

【００１０】このヒートパイプ１は、長手方向の両端が
封止された円筒形状のコンテナ２を備えている。このコ
ンテナ２を構成する材料としては、銅、アルミニウム、
鋼、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、インコネルなど
が例示される。また、コンテナ２の内部には、非凝縮性
ガスを脱気した状態で水、アルコール、メタノール、ア
セトン、アンモニア、ヘリウム、ナトリウム、窒素など
の凝縮性の流体が作動流体として封入されている。

【００１１】さらに、コンテナ２の内部には、作動流体
の還流を促進するウィック３が設けられている。このウ
ィック３は微小間隙を有し、図１に示されたウィック３
はメッシュなどの多孔質材を表している。なお、ウィッ
ク３として焼結金属、メタルウール、グラス繊維、炭素
繊維、セラミックス繊維のいずれか一つ、あるいはこれ
らの複合材料を用いることも可能である。そして、ウィ
ック３とコンテナ２の内周面との間に隙間が形成されて
いる。

【００１２】上記のヒートパイプ１をその長手方向に作
動領域で区分すると、熱を吸収する蒸発部（加熱部）Ａ
１と、熱の出入りのない断熱部Ｂ１と、熱を放出する凝
縮部（冷却部）Ｃ１とに区分される。そして、蒸発部Ａ
１におけるコンテナ２の外周には、コンテナ２の長手方
向に所定の間隔をおいて環状の熱伝達抑制部材５が複数
取り付けられている。すなわち、コンテナ２と各熱伝達
抑制部材５とは別々に形成されており、コンテナ２の外
周に各熱伝達抑制部材５が接合されている。

【００１３】ここで、ヒートパイプ１が高温用である場
合は、後述する複数の領域の相互の熱抵抗の差を大きく
するため、各熱伝達抑制部材５として、断熱材または耐
火材が用いられる。断熱材または耐火材の材料として
は、例えばポーラスセラミックス、ケイなどが挙げられ
る。また、ヒートパイプ１が低温用である場合は、熱伝
達抑制部材５として耐熱テープが用いられる。この耐熱
テープの材料としては、例えばマイカ、四ふっ化エチレ
ン樹脂などが挙げられる。

【００１４】上記熱伝達抑制部材５により、コンテナ２
の長手方向に、熱抵抗の異なる複数の領域Ａ２，Ａ３が
相互に隣接して交互に形成されている。すなわち、熱伝
達抑制部材５が取り付けられた領域Ａ３の熱抵抗は、熱
伝達抑制部材５が取り付けられていない領域Ａ２の熱抵
抗よりも高い。

【００１５】上記構成のヒートパイプ１によれば、ガス
などにより蒸発部Ａ１が加熱されると、ヒートパイプ１
はその内部に温度差が生じることにより動作し、蒸発部
Ａ１で蒸発した作動流体が凝縮部Ｃ１に流動して放熱・
凝縮することにより、作動流体の潜熱として熱輸送が行
われる。このヒートパイプ１の見かけ上の熱伝導率は、
銅やアルミ等の金属と比較して数十倍ないし数百倍程度
優れている。

【００１６】一方、凝縮した作動流体は、コンテナ２の
内周面とウィック３との間の隙間に保持され、毛細管圧
力によって作動流体が蒸発部Ａ１に還流される。このよ
うにして、作動流体のサイクルが完結し、上記作用の繰
り返しにより継続的な熱輸送が行われる。

【００１７】そして、ヒートパイプ１の作動中に、蒸発
部Ａ１に存在する作動流体が飽和温度に到達して沸騰気
泡を生じる可能性がある。ところが、図１の実施例で
は、蒸発部Ａ１に熱抵抗の低い領域Ａ２と、領域Ａ２よ
りも熱抵抗の高い領域Ａ３とが交互に形成されている。
つまり、コンテナ２を介して作動流体に熱伝達が行われ
る場合に、作動流体に対する実質的な熱流束に強弱が生
じる。このため、領域Ａ２に対応する箇所では、作動流
体の沸騰気泡が発生しやすく、領域Ａ３に対応する箇所
では、作動流体の沸騰気泡の発生が抑制される。つま
り、コンテナ２の内面とウィック３との間での気泡の大
きさが複雑に変化している状態になる。その結果、圧力
バランスの変化などによって全体として作動流体の気泡
の運動が活発になり、ヒートパイプ１の熱輸送機能が良
好に維持される。

【００１８】図２は、この発明の他の実施例に係るヒー
トパイプ１Ａを、パソコンの冷却装置として用いた場合
を示す一部破断正面図である。図２に示されたヒートパ
イプ１Ａは平板形状に構成されている。ヒートパイプ１
Ａのコンテナ２Ａの内部構成は、図１に示されたコンテ
ナ２の内部構成と同様である。また、ヒートパイプ１Ａ
をコンテナ２Ａの平面方向に作動領域で区分すると、熱
を吸収する蒸発部（加熱部）Ａ１と、熱の出入りのない
断熱部Ｂ１と、熱を放出する凝縮部（冷却部）Ｃ１とに
区分される。

【００１９】そして、蒸発部Ａ１におけるコンテナ２Ａ
の外周に、コンテナ２Ａの平面方向に所定の間隔をおい
て環状の熱伝導部材７が複数取り付けられている。各熱
伝導部材７は幅方向の断面形状がほぼ方形に構成されて
いる。各熱伝導部材７の材料としては、例えば銅、アル
ミニウム、鉄などが挙げられる。

【００２０】さらに、コンテナ２Ａの外周における熱伝
導部材７同士の間には、熱伝導材料により構成された蛇
腹６がそれぞれ配置されている。蛇腹６の材料として
は、例えばステンレスなどが挙げられる。ここで、蛇腹
６の屈曲幅と、熱伝導部材７の厚さとがほぼ同一に設定
されている。なお、コンテナ２Ａと、熱伝導部材７およ
び蛇腹６とは別個に形成されており、コンテナ２Ａの外
周に熱伝導部材７および蛇腹６が接合固定されている。

【００２１】このようにして、上記各熱伝導部材７およ
び蛇腹６により、熱コンテナ２Ａの平面方向に、熱抵抗
の異なる複数の領域Ａ２，Ａ３が相互に隣接して交互に
形成されている。すなわち、熱伝導部材７が取り付けら
れた領域Ａ２と、蛇腹６が取り付けられた領域Ａ３とに
区分されている。そして、各熱伝導部材７の外周面が、
発熱源である演算処理装置８に面接触し、各熱伝導部材
７の内周面がコンテナ２Ａに面接触している。また、各
蛇腹６の外周の屈曲部が演算処理装置８に線接触し、各
蛇腹６の内周の屈曲部がコンテナ２Ａに線接触してい
る。つまり、演算処理装置８およびコンテナ２Ａに対す
る熱伝導部材７の接触面積の方が、演算処理装置８およ
びコンテナ２Ａに対する蛇腹６の接触面積よりも広く、
領域Ａ２の熱抵抗の方が領域Ａ３の熱抵抗よりも低い。

【００２２】上記構成のヒートパイプ１Ａによれば、演
算処理装置８の熱が、熱伝導部材７および蛇腹６を介し
てコンテナ２Ａに伝達され、図１の実施例と同様の作用
が生じて演算処理装置８の過熱が防止される。そして、
図２の実施例では、領域Ａ３の熱抵抗よりも領域Ａ２の
熱抵抗の方が低い。つまり、コンテナ２を介して作動流
体に熱伝達が行われる場合に、作動流体に対する実質的
な熱流束に強弱が生じる。このため、領域Ａ２に対応す
るコンテナ２の内部の温度よりも、領域Ａ３に対応する
コンテナ２の内部の温度の方が低くなり、領域Ａ３に対
応するコンテナ２の内部での沸騰気泡の発生が抑制され
る。したがって、図１の実施例と同様の効果を得られ
る。

【００２３】図３は、この発明のさらに他の実施例に係
るヒートパイプ１Ｂを示す一部破断正面図である。この
ヒートパイプ１Ｂは密封された中空のコンテナ２Ｂを備
えており、コンテナ２Ｂの材料は、図１の実施例に例示
された材料と同様である。また、コンテナ２Ｂの内部構
成は、図１の実施例のコンテナ２の内部構成と同様であ
る。

【００２４】上記のヒートパイプ１Ｂを作動領域で区分
すると、熱を吸収する蒸発部（加熱部）Ａ１と、熱の出
入りのない断熱部Ｂ１と、熱を放出する凝縮部（冷却
部）Ｃ１とに区分される。そして、蒸発部Ａ１における
コンテナ２Ｂの外周には、所定の間隔をおいて環状のリ
ブ９が複数形成されている。各リブ９はコンテナ２Ｂと
一体成形されており、各リブ９同士の間に環状の溝１０
が形成されている。

【００２５】このようにして、ヒートパイプ１Ｂの蒸発
部Ａ１に、熱抵抗の異なる複数の領域Ａ２，Ａ３が相互
に隣接して交互に形成されている。具体的には、リブ９
により領域Ａ２が形成され、溝１０により領域Ａ３が形
成されている。つまり、領域Ａ２の半径方向の厚さの方
が、領域Ａ３の半径方向の厚さよりも厚く設定されてい
る。したがって、領域Ａ２の熱抵抗と、領域Ａ３の熱抵
抗とが異なる値になる。

【００２６】上記構成のヒートパイプ１Ｂによれば、蒸
発部Ａ１が加熱されると、図１の実施例と同様の作用に
より熱輸送が行われる。ここで、発熱源がガスである場
合は、このガスがコンテナ２Ｂの領域Ａ２，Ａ３に同時
に接触する。すると、領域Ａ２の方が領域Ａ３よりも厚
肉に設定されているため、領域Ａ２の熱抵抗の方が領域
Ａ３の熱抵抗よりも高くなる。つまり、コンテナ２を介
して作動流体に熱伝達が行われる場合に、作動流体に対
する実質的な熱流束に強弱が生じる。その結果、領域Ａ
２に対応するコンテナ２Ｂの内部での沸騰気泡の発生が
抑制され、図１の実施例と同様の効果を得られる。

【００２７】一方、発熱源が固体であり、その表面が平
坦である場合は、領域Ａ２が発熱源に接触し、領域Ａ３
は発熱源に接触しない。このため、領域Ａ２における熱
抵抗よりも、領域Ａ３の熱抵抗方が低くなる。つまり、
コンテナ２を介して作動流体に熱伝達が行われる場合
に、作動流体に対する実質的な熱流束に強弱が生じる。
すると、領域Ａ３に対応するコンテナ２Ｂの内部での沸
騰気泡の発生が抑制され、図１の実施例と同様の効果を
得られる。なお、図３の実施例では、コンテナ２Ｂと複
数のリブ９とが一体成形されているが、コンテナと複数
の環状体とを別々に形成し、複数の環状体をコンテナの
外周に接合したヒートパイプを採用することも可能であ
る。また、この発明は、相変化を伴う対象物の加熱装置
として用いることも可能である。

【００２８】ここで、上記の実施例に開示されたこの発
明の特徴的な構成を列挙すれば以下の通りである。すな
わち、作動流体が封入されたコンテナと、このコンテナ
の内部に配置され、かつ、微小間隙を有するウィックと
を備えたヒートパイプにおいて、前記コンテナの蒸発部
に対応する箇所の外周に、所定間隔おきに熱伝達抑制部
材を複数配置することにより、熱抵抗の異なる複数の領
域が相互に隣接して形成されていることを特徴とする。

【００２９】また、作動流体が封入されたコンテナと、
このコンテナの内部に配置され、かつ、微小間隙を有す
るウィックとを備えたヒートパイプにおいて、前記コン
テナの蒸発部に対応する箇所の外周に、発熱源に面接触
する熱伝導部材と、前記発熱源に線接触する蛇腹とを交
互に配置することにより、熱抵抗の異なる複数の領域が
相互に隣接して形成されていることを特徴とする。

【００３０】さらに、作動流体が封入されたコンテナ
と、このコンテナの内部に配置され、かつ、微小間隙を
有するウィックとを備えたヒートパイプにおいて、前記
コンテナの蒸発部に対応する箇所の外周に、複数のリブ
と複数の溝とを交互に配置することにより、熱抵抗の異
なる複数の領域が相互に隣接して形成されていることを
特徴とする。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、コン
テナに熱抵抗の異なる複数の領域が相互に隣接して形成
されているため、コンテナを介して作動流体に熱伝達が
行われる場合に、作動流体に対する実質的な熱流束に強
弱が生じる。このため、蒸発部が加熱されると、コンテ
ナの熱抵抗が低い領域に対応する箇所では、作動流体の
沸騰気泡が発生しやすく、熱抵抗が高い領域に対応する
箇所では、作動流体の沸騰気泡の発生が抑制される。し
たがって、コンテナ内面とウィックとの隙間での気泡の
大きさが複雑に変化している状態になり、圧力バランス
の変化などによって全体として作動流体の気泡の運動が
活発になりヒートパイプの熱輸送が促進される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係るヒートパイプの一実施例を示
す一部破断正面図である。

【図２】 この発明に係るヒートパイプの他の実施例を
示す一部破断正面図である。

【図３】 この発明に係るヒートパイプのさらに他の実
施例を示す一部破断正面図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ…ヒートパイプ、 ２，２Ａ，２Ｂ…コ
ンテナ、 ３…ウィック、 Ａ１…蒸発部、 Ａ２，Ａ
３…領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝田 正文 東京都新宿区大久保３−４−１ 早稲田 大学理工学部機械工学科内 審査官 千壽 哲郎 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F28D 15/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体が封入されたコンテナと、この
   コンテナの内部に配置され、かつ、微小間隙を有するウ
   ィックとを備えたヒートパイプにおいて、 前記コンテナの蒸発部の外周に、熱抵抗の異なる複数の
   領域が相互に隣接して形成されていることを特徴とする
   ヒートパイプ。