JP4043655B2

JP4043655B2 - ヒートパイプ用作動液およびヒートパイプ

Info

Publication number: JP4043655B2
Application number: JP23383599A
Authority: JP
Inventors: 隆広志村; 芳雄中村; 久男榎本
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: JP2001055564A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子機器などの冷却に用いられるヒートパイプおよびヒートパイプ用の作動液、特に、環境上問題の少ない炭化水素からなる作動液およびその作動液を封入したヒートパイプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクス機器は、ＣＰＵ等の高出力、高集積の部品を内蔵している。ＣＰＵ等は、素子の集積度が極めて高くなり、高速で情報の演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する。高出力かつ高集積の部品であるチップ等を冷却するために、各種の冷却システムが提案されてきた。その代表的な冷却システムの１つとして、ヒートパイプがある。
【０００３】
ヒートパイプは、一般に、密封された空洞部を有するコンテナを備えており、空洞部に収容された作動液の相変態および移動によって熱の輸送が行われる。熱の一部は、ヒートパイプを構成するコンテナの材質中を直接伝わって運ばれるが、大部分の熱は、作動液による相変態と移動によって移動される。
【０００４】
被冷却部品が取り付けられるヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成するコンテナの材質中を伝ってきた熱により、作動液が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側では、作動液の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。液相に戻った作動液は再び吸熱側に移動する。このような作動液の相変態や移動によって、熱の移動がなされる。
【０００５】
近年、電気機器内における高密度の実装、および、電子機器の携帯性等の観点から、放熱・冷却用の部材であるヒートパイプにも小型化・軽量化が求められ、アルミニウムの押し出し多孔管を利用したものなど、アルミニウムをコンテナの材料として使用したヒートパイプが注目されている。
【０００６】
ヒートパイプのコンテナ内に封入する作動液は、その沸点の他に、ヒートパイプのコンテナの材質との適合性を考慮しなければならない。即ち、銅をコンテナの材料として使用したヒートパイプの作動液としては水が適していることが知られている。
【０００７】
しかしながら、アルミニウムをコンテナの材料として使用した場合に、作動液として水を使用すると、コンテナの内部で、コンテナの材料としてのアルミニウムと作動液としての水の間に化学反応が起こり、その結果として生じる水素ガスによりヒートパイプの性能が損なわれるという問題がある。従って、アルミニウムをコンテナの材料として使用したヒートパイプにおいて、水を作動液として使用することは好ましくない。
【０００８】
上述したように、作動液とコンテナの材質との適合性の問題によって、アルミニウムをコンテナの材料とするヒートパイプにおいては、作動液としてフッ素や塩素を含む炭化物（フロン、ＣＦＣ）が作動液として広く使われていた。例えば、ＣＦＣ−１１、ＣＦＣ−１２、ＣＦＣ−１１３等が通常の使用温度範囲の−３０〜１２０℃で広く用いられていた。
【０００９】
しかしながら、塩素を含むフロンガスは、成層圏まで拡散し、成層圏のオゾン層を破壊し、その結果、地上の紫外線量を増大させ重大な環境問題を生起するという問題があり、塩素を含むフロンガスの製造・使用が規制されている。更に、オゾン層を破壊しない特性に着目して開発された塩素を含まないフロン（いわゆる代替フロン）も、オゾン層の破壊に関する問題は解消されているけれども、地球温暖化の観点から使用が規制されつつある。
【００１０】
更に、水との適合性がある銅をコンテナの材料として使用するヒートパイプの場合でも、電気的な絶縁を要する場合には、作動液として水を使用することができず、フロンや代替フロンを作動液として使用していた。
【００１１】
【発明が解決しょうとする課題】
作動液として水が使えない場合に、従来から使用されてきた作動液として、ＨＣＦＣ−１２３が知られている。しかしながら、ＨＣＦＣ−１２３はオゾン破壊係数がゼロではないので、今後は次第にその製造・使用が規制され、近い将来には使用することができなくなることが決まっている。
【００１２】
更に、作動液として水が使えない場合に、従来から使われていた作動液として、オゾン破壊係数がゼロのものとしては、炭化水素化合物の炭素に結合する水素が全てフッ素で置換された形の化合物であるパーフルオロカーボンが知られている。例えば、特開平３−２６３５９２号公報（以下、「先行技術」という）には、作動温度に相当する沸点を有するフッ化炭素化合物としてパーフルオロカーボンを作動液として使用することが開示されている。
【００１３】
先行技術によると、成層圏においてＣＦＣ中の結合塩素がオゾンと反応するとされているので、実質的に塩素置換体を含有しないパーフルオロカーボンが環境問題上有効であるとされている。更に、パーフルオロカーボンを作動液として使用すると、１００℃近傍においても安定して高い性能を示すことが明らかにされている。
【００１４】
しかしながら、パーフルオロカーボンは一般に地球温暖化係数（ＣＯ₂＝１）が５０００以上で、地球温暖化という環境問題上の観点からは、作動液として使用するのは好ましいとは言えない。
【００１５】
更に、前述のＨＣＦＣ−１２３やパーフルオロカーボンは、ヒートパイプの吸熱側が放熱側よりも高い位置になる所謂トップヒートモードで使用する際には、作動液の循環がうまくいかないので、ヒートパイプとしての熱移動・放熱性能は著しく低下する。
【００１６】
従って、この発明の目的は、作動液として水の使用が適さないコンテナの材料としてアルミニウム等を使用するヒートパイプにおいて、ヒートパイプの高い性能を維持し、且つ、オゾン層の破壊等の環境上問題のない作動液およびその作動液を封入したヒートパイプを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、作動液として水が使えない場合に、従来使用していたＨＣＦＣ−１２３等の替わりに、炭素および水素のみを主成分とする炭化水素を作動液として使用することにより、オゾン層の破壊、地球温暖化等の環境問題上の制約がなくなることを知見した。
更に、蒸発潜熱、表面張力、粘性率、比重等の作動液としての適性を示す物性値から判断して、炭素および水素のみを主成分とする炭化水素はヒートパイプ用の作動液として優れていることを知見した。
【００１８】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明のヒートパイプ用作動液の第１の態様は、ヒートパイプ内に封入される、炭素、および、水素のみを構成元素とする炭化水素からなる作動液である。
【００１９】
この発明のヒートパイプ用作動液の第２の態様は、前記炭化水素がＣ₅Ｈ₁₂、Ｃ₅Ｈ₁₀、Ｃ₆Ｈ₁₄またはＣ₇Ｈ₁₆からなっている作動液である。
この発明のヒートパイプ用作動液の第３の態様は、前記炭化水素のオゾン破壊係数がゼロ、且つ、地球温暖化係数（ＣＯ₂＝１）が１０以下である作動液である。
【００２０】
この発明のヒートパイプの第１の態様は、炭素、および、水素のみを構成元素とする炭化水素からなる作動液が封入されたヒートパイプである。
【００２１】
この発明のヒートパイプの第２の態様は、気液２層型による潜熱輸送を特徴とするヒートパイプである。
【００２２】
この発明のヒートパイプの第３の態様は、沸騰振動によって生じる作動流体の自発的な循環による顕熱輸送を特徴とするヒートパイプである。
【００２３】
この発明のヒートパイプの第４の態様は、ヒートパイプのコンテナがアルミニウムからなっているヒートパイプである。本願の請求項１に係る発明は、上記各態様をまとめたたもので、その要旨は、作動液を封入するヒートパイプのコンテナがアルミ多孔管からなるヒートパイプであって、前記ヒートパイプはヒートトップモードで使用され、前記作動液が水分量２０ｐ．ｐ．ｍ．以下のｎ−ペンタンであることを特徴とするヒートパイプである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明のヒートパイプおよびヒートパイプ用作動液の態様について詳細に説明する。
この発明において、ヒートパイプの作動液は炭素、および、水素のみを構成元素とする炭化水素からなっている。即ち、本発明の作動液の炭化水素としては、Ｃ₅Ｈ₁₂、Ｃ₅Ｈ₁₀、Ｃ₆Ｈ₁₄、Ｃ₇Ｈ₁₆がある。更に、オゾン破壊係数がゼロ、且つ、地球温暖化係数（ＣＯ₂＝１）が１０以下の炭化水素である。
【００２５】
この発明のヒートパイプは、上述した作動液をコンテナ内に封入したヒートパイプである。即ち、炭素、および、水素のみを構成元素とする炭化水素からなる作動液が封入されたヒートパイプである。上述したヒートパイプは、気液２層型による潜熱輸送のヒートパイプであってもよい。更に、沸騰振動によって生じる作動流体の自発的な循環による顕熱輸送のヒートパイプであってもよい。更に、上述した作動液が封入された、コンテナおよびウイックがアルミニウムからなっているヒートパイプであってもよい。
【００２６】
炭素および水素のみを主成分とする炭化水素は、オゾン破壊係数はゼロでかつ地球温暖化係数（ＣＯ₂＝１）も一般的に１０以下であり、水以外のものでは、環境問題上の観点からは適した作動液である。また、トップヒートモードにおいて使用した場合のヒートパイプの性能も、作動液として水が使えない場合に従来使われていたＨＣＦＣ−１２３等を使用した場合と比較して優れている。
【００２７】
なお、本発明のヒートパイプ用作動液は、各種ヒートパイプにおいて使用することができ、適用するヒートパイプの形式、用途に制限はない。このようなヒートパイプとしては、例えば、半導体素子、電子機器等の冷却に用いられるヒートパイプ、空調用等に用いられる熱交換機器用のヒートパイプ等がある。
【００２８】
即ち、本発明の作動液は、気液２層型による潜熱輸送、沸騰振動によって生じる作動流体の自発的な循環による顕熱輸送を目的とする各種ヒートパイプの何れにも適用することができる。
【００２９】
【実施例】
図１は、平板型ヒートパイプの外観の概略を示す図である。図２は、多孔管の外観の概略を示す図である。図２に示すように、アルミニウムの押し出し加工により多孔管２０を備えたコンテナを製造し、その両端の一部の隔壁を除去して多孔を相互に連通させ、両端を溶接によって封止して、図１に示すような平板型のヒートパイプを作製した。
【００３０】
このように作製した平板型ヒートパイプの外形は長さ１８０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ１．９ｍｍであった。各孔にはウイックとしてアルミニウムのワイヤーが挿入されている。減圧下において、コンテナ中にｎ−ペンタン（ＣＨ₃−ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＣＨ₃）が、体積にしてヒートパイプの全内容積の３０％の量だけ作動液として封入されている。なお、作動液内に水分が含まれていると、内部で化学反応を起こして水素が発生し、これによりヒートパイプの性能が劣化するので、作動液内に水分量が２０p.p.m.以下のｎ−ペンタンを作動液とした。
【００３１】
比較のために、上述したと同様に、アルミニウムの押し出し加工により多孔管を備えたコンテナを製造し、その両端の一部の隔壁を除去して多孔を相互に連通させ、両端を溶接によって封止して、平板型のヒートパイプを作製した。このように作製した平板型ヒートパイプの外形は長さ１８０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ１．９ｍｍであった。
【００３２】
各孔にはウイックとしてアルミニウムのワイヤーが挿入されている。このように作製し減圧されたコンテナ内に、作動液としてＨＣＦＣ−１２３をヒートパイプの全内容積の３０％の量だけ封入した。
【００３３】
このように作製された、本発明の作動液を封入したヒートパイプと、比較用の作動液を封入した同一内部構造のヒートパイプとを、トップヒートモードにおいて作動してそれぞれのヒートパイプの性能を比較した。
【００３４】
図３は、熱抵抗測定模式図である。図３において、３０は平板型ヒートパイプ、３１はヒートパイプの吸熱部、３２はヒートパイプの放熱部、３３はヒートパイプの吸熱部中央、３４はヒートパイプの放熱部中央をそれぞれ示す。
【００３５】
上述したヒートパイプの評価の指標として、図３に示すように、ヒートパイプの片端から６０ｍｍに位置にヒータをつけて吸熱部（熱入力２Ｗ）とし、それ以外を放熱部とした。このようにヒータによって加熱した各ヒートパイプのそれぞれの吸熱部中央３３と放熱部中央３４の間の熱抵抗（Ｒ）を測定した。
【００３６】
図４は、水平作動時の模式図である。図４に示すように、平板型ヒートパイプ３０が水平に配置され、ヒートパイプの吸熱部３１の下方にはヒータ４３が取り付けられている。更に、ヒートパイプの吸熱部３１の側方にヒートパイプの放熱部３２が位置している。
【００３７】
更に、ヒートパイプを傾けた場合の熱抵抗の状態を調べた。即ち、ヒートパイプの傾き角（即ち、水平作動時の角度を０度とし、吸熱部が水平面から上になる向きを正として傾き角を定義する）を変化させて熱抵抗Ｒを測定し、熱抵抗Ｒの傾き角依存性をｎ−ペンタンの場合とＨＣＦＣ−１２３の場合で比較した。
【００３８】
図５は、上述したトップヒートモードにおけるヒートパイプの性能比較結果を示す図である。図５において、縦軸に熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）、横軸にヒートパイプの傾き角（度）をそれぞれ示し、○印でＨＣＦＣ−１２３の場合を示し、黒四角印でｎ−ペンタンの場合を示す。
【００３９】
図５から明らかなように、ＨＣＦＣ−１２３を作動液として使用した場合には傾き角が１０度を越えて大きくなると、熱抵抗Ｒが急激に大きくなっている。これに対して、本発明のｎ−ペンタンを作動液として使用した場合には、傾き角が３０度においても、熱抵抗Ｒの急激な増大はない。
【００４０】
従って、本発明のｎ−ペンタンを作動液として使用した場合には、トップヒートモードにおいてヒートパイプを使用しても、ヒートパイプは優れた性能を示している。
【００４１】
上述したところから明らかなように、炭素、および、水素のみを構成元素とする炭化水素からなる本発明の作動液は、オゾン破壊係数はゼロであり、更に、地球温暖化係数も小さく、環境上の問題を生じない優れた作動液である。更に、本発明の作動液を使用してトップヒートモードにおいて作動した場合のヒートパイプの性能も、作動液として水が使えない場合に従来使われていたＨＣＦＣ−１２３等を使用した場合と比較して優れている。
【００４２】
薄い平面型のヒートパイプを作製する上で、アルミニウムの押し出しにより製造された多孔管はコンテナとして適している。しかし、筒型のコンテナと違いコンテナ内に溝をつけるなどの細工をしてウイック構造を入れるのは難しく、コンテナ内の細工だけでトップヒートモードでの性能に優れたヒートパイプを作製するには限界がある。よって、性能の優れた作動液を開発することは重要で、ｎ−ペンタンなどの炭化水素は、アルミニウム多孔管をコンテナとしたヒートパイプの作動液としては特に有用である。
【００４３】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、作動液として水が使用できないアルミニウム製のヒートパイプにおいて効果的に使用でき、且つ、オゾン層の破壊等の環境上問題のない作動液およびその作動液を使用するヒートパイプを提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、平板型ヒートパイプの外観を概略示す図である。
【図２】図２は、多孔管の外観を概略示す図である。
【図３】図３は、熱抵抗測定模式図である。
【図４】図４は、水平作動時の模式図である。
【図５】図５は、トップヒートモードでの性能比較結果を示す図である。
【符号の説明】
２０．多孔管の各孔
３０．平板状ヒートパイプ
３１．吸熱部
３２．放熱部
３３．吸熱部中央
３４．放熱部中央
４３．ヒータ

Claims

作動液を封入するヒートパイプのコンテナがアルミ多孔管からなるヒートパイプであって、前記ヒートパイプはヒートトップモードで使用され、前記作動液が水分量２０ｐ．ｐ．ｍ．以下のｎ−ペンタンであることを特徴とするヒートパイプ。