JP4514910B2 - 中空状ヒートパイプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートパイプに関し、管路内にその管路を閉塞する多数の液溜り部と蒸気泡部が交互に存在するヒートパイプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱輸送性能を高めるべく細径管路を採用し、その細径管路中にいかなる設置姿勢においても管路を閉塞する多数の作動液溜り（液相）と蒸気泡（気相）とが交互に存在するように作動流体を所定圧力で気液二相に封入したヒートパイプが知られている。
【０００３】
この種のヒートパイプとしては、例えば蛇行溝を形成した複数の単位薄板を積層することにより、その熱輸送性能を高めたプレート型のものがある（特許第２５４４７０１号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のプレート型ヒートパイプにあっては、積層された各層間での熱移動を良好ならしめるべく、各層間の作動流体の振動や循環が妨害されないように各層間の連通管路が非常に短く形成され、プレート同士が密着する積層形態が採られていた。
【０００５】
そのため、積層されたプレート間に外気にさらされる放熱面を十分に確保することが困難であった。
【０００６】
また、管路内に多数の液溜り部と蒸気泡部が交互に存在するようにしたこの種のヒートパイプは管路を小径にする必要があるため、大径の棒状のヒートパイプ形状を採ることができず、熱輸送性能が十分でなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、ヒートパイプにおいて構成を簡素にしながらその熱輸送性能の向上を図ることを目的とするものであり、管路内に液溜り部と蒸気泡部が交互に存在するよう作動流体が封入されたヒートパイプにおいては静圧伝播があれば少なくとも潜熱が輸送できる点に着目して、放熱等の用途に適したヒートパイプを実現するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため、本発明は、同軸な内外複数の管状軸部材で構成される中空管が、外周面側に前記中空管の軸線方向の両端側で屈曲する蛇行溝が形成された内側の管状軸部材と、内周面側に前記内側の管状軸部材が嵌入され、前記内側の管状軸部材との間に前記蛇行溝に対応する蛇行した細径管路を形成する外側の管状軸部材と、を有し、前記細径管路は、前記中空管の軸線に平行な多数の直線状の管路部分を有し、前記細径管路内には、作動流体の複数の液溜り部と蒸気泡部とが交互に存在するように該作動流体が気液二層に封入されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の中空状ヒートパイプでは、その加工が容易であるとともに、多数の直線状ヒートパイプを中空配置したりすることなく大径・長尺の中空状ヒートパイプを容易に作製できる。
【００１０】
また、前記細径管路は前記中空管の軸線に平行な多数の直線状の管路部分を有するように蛇行しているので、放熱用途に適した中空状ヒートパイプとなる。
【００１１】
本発明においては、前記中空管が、前記内側の管状軸部材の内周面側にさらに内側の別の管状軸部材が嵌入された少なくとも３つの前記管状軸部材の間に同軸な複数の嵌入周面を有する多重同軸構造体をなすとともに、前記別の管状軸部材の外周面側に前記中空管の軸線方向の両端側で屈曲する別の蛇行溝が形成されて、該別の管状軸部材と前記内側の管状軸部材との間に前記別の蛇行溝に対応する別の細径管路が形成され、前記内側の管状軸部材は、前記細径管路と前記別の細径管路とを連通させる連通細径管路を有するものであってもよい。この中空状ヒートパイプでは、同軸の管状軸部材間に細長い細径管路を容易に設けることができ、また、容易に大径・長尺化できる。
【００１２】
しかも、この中空状ヒートパイプでは、同軸配置された３つ以上の管状軸部材によって細径管路を同軸の複数の嵌入周面上に配置することができるとともに、各円周面上の管路同士を連通させているので、さらに大容量で熱輸送性能の優れたヒートパイプとすることができる。
【００１３】
本発明の中空状ヒートパイプでは、前記内外複数の管状軸部材がそれぞれ円筒状に形成されており、前記連通細径管路が前記内外複数の管状軸部材の半径方向に延びているのが好ましい。また、前記連通細径管路が前記蛇行溝の底面と前記内側の管状軸部材の内周面との間に形成されているのがよい。さらに、前記細径管路が無端管路となっているのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（第１の参考例）
図１はプレート型のヒートパイプの第１の参考例を示している。
【００１６】
図１に示すように、ヒートパイプ１０は、所定の空隙ｈ1、ｈ2を隔てて互いに離間する複数のプレート１１、１２、１３と、これら複数のプレート１１〜１３のうち対向する各一対のプレートの間に設けられたフィン１４、１５と、プレート１１〜１３を相互に連結する複数の連結部材１６、１７と、によって構成されている。
【００１７】
プレート１１の内部には、図２（ａ）に示すような蛇行部１１ｂ、１１ｃを有する無端のプレート内管路１１ａが形成されており、他のプレート１２、１３にもそれぞれプレート内管路１１ａと同一形状のプレート内管路１２ａ、１３ａ（詳細平面形状は図２（ａ）に示す形状と同様であるので図示していない）が形成されている。
【００１８】
フィン１４、１５は、プレート１１と同一又はそれに近い高熱伝導率を有する材料からなもので、例えば図１に示すようにジグザグに屈曲又は湾曲した断面形状を有している。また、フィン１４は最上のプレート１１の下面とこれに対向するプレート１２の上面とにそれぞれ多数個所で当接するよう固着されている。同様に、フィン１５はプレート１２の下面とこれに対向するプレート１３の上面とにそれぞれ多数個所で当接するよう固着されている。
【００１９】
連結部材１６、１７はフィン１４、１５と共に、あるいは更に図示しない他の連結部材と共に複数のプレート１１〜１３を互いに連結しており、これら連結部材１６、１７の内部にはプレート内管路１１ａ、１２ａ、１３ａ同士を互いに連通させる連通管路１６ａ、１７ａがそれぞれ形成されている。
【００２０】
これらプレート内管路１１ａ、１２ａ、１３ａおよび連通管路１６ａ、１７ａは全体として密閉された一つの管路２０を形成しており、図２（ｂ）に示すように、その管路２０の内部には所定の作動流体２１が気液二相に封入されている。この作動流体２１は、管路２０の軸方向で管路２０内に交互に存在する多数の液溜り部２１ａと蒸気泡部２１ｂとを形成し、その各液溜り部２１ａによって管路２０の各部を閉塞している。
【００２１】
このヒートパイプ１０においては、例えばプレート１１の上面やプレート１３の下面が受熱面部となり、プレート１２が放熱面部となる。あるいは、各プレート１１〜１３のプレート内管路１１ａ、１２ａ、１３ａのうち蛇行部１１ｂ側の一端が受熱面部、蛇行部１１ｃ側の一端が放熱部となる。
【００２２】
ここで、その受熱部から放熱部への熱の輸送原理について説明する。
【００２３】
作動流体の振動や循環による顕熱輸送も可能ではあるが、本例における受熱部から放熱部への熱輸送は、作動流体における受熱部から放熱部への圧力伝播が支配的で、主として次のような圧力伝播による熱輸送がなされる。
【００２４】
管路２０内を熱媒である作動流体の流動による圧力損失がきわめて小さく無視できる状態となるように形成した場合、密封された管路２０内の圧力はほぼ均一であるということができる。なお、管路２０を閉塞している作動流体２１の液溜り部２１ａの全体積および蒸気泡部２１ｂの全体積が受熱部・放熱部の温度変化にかかわらずほぼ不変状態に保たれる範囲が、通常作動温度範囲として設定されている。
【００２５】
この場合、受熱部（高温部）での飽和蒸気圧をＰh、放熱部（低温部）での飽和蒸気圧をＰlとすると、密封された管路２０内の圧力は静的には均一であるから、管路内圧力Ｐm は、Ｐh＞Ｐm ＞Ｐlである。受熱部では、蒸気泡部２１ｂの内部圧力はＰm であるから、飽和蒸気圧Ｐhより低いので、飽和蒸気圧Ｐｌに近付くよう、受熱部作動流体の気化が進み、これに伴って受熱部の周囲から大量の熱（潜熱）が吸収される。すなわち、受熱部では、作動流体の一部で液相から気相への相変換がなされ、蒸気泡部２１ｂの圧力と体積の増加が生じる。
【００２６】
この受熱部における蒸気泡部２１ｂの圧力増加は、中間にある多数の作動流体の液溜り部２１ａおよび蒸気泡部２１ｂを介して放熱部の蒸気泡部２１ｂに伝播され、放熱部の蒸気泡部２１ｂの内部圧力が飽和蒸気圧Ｐ1より高くなるので、その飽和蒸気圧Ｐ1に近付くように作動流体蒸気の凝縮が進み、周囲に大量の熱が放出される。すなわち、放熱部では、受熱部からの圧力伝播により気相から液相への相変換が行われ、蒸気泡部２１ｂの体積が減少する。
【００２７】
このように、一部の蒸気泡部２１ｂにおいてはその体積が増加し、また、他の部分の蒸気泡部２１ｂではその体積が減少して、多数の蒸気泡部２１ｂ全体としてはほぼ一定の体積が維持されることになる。また、受熱部から放熱部への熱の輸送作用の始まりは管路２０内の静圧伝播に準拠することから、この熱の輸送作用はきわめて短時間のうちに開始されることになる。その後の熱輸送は、受熱部での気化と放熱部での媒体の凝縮の進行に依存するので、若干の時間を要する。
【００２８】
このような原理で熱輸送が行われるとすると、受熱部と放熱部が相当距離を隔てている場合でも、中間の筐体が十分な断熱性を有する場合にはその管路２０の大きさにさほど依存されることなくきわめて短時間に熱輸送を行うことができる。したがって、受熱部と放熱部の間に長い管路２０を形成した場合でも、その管路２０内での静圧伝播によって、ヒートパイプとして要求される熱輸送性能（例えば放熱部の温度の立ち上がり特性で表される）を十分に確保することができる。
【００２９】
なお、管路を全体としてループ形状にした気泡密封型の熱輸送器を構成した場合には、気泡の生成成長および減衰消滅等により熱媒体の循環流が発生することが知られているが、その場合には、受熱部で熱せられた作動流体が放熱部に循環・移動することで顕熱による熱輸送もなされることになる。しかし、この顕熱による熱輸送は、熱媒体液の流れの速さ、管路壁と作動流体の間の熱伝達等によるものであることから、潜熱による熱輸送に対してその立ち上がりは遅く、通常、熱伝達の容量も比較的小さいと思われる。
【００３０】
上述のように構成されたヒートパイプ１０においては、所定の空隙ｈ1、ｈ2を隔てて離間するプレート１１〜１３の内部にそれぞれプレート内管路１１ａ〜１３ａが形成され、これらがプレート１１〜１３を連結する連結部材１６、１７の内部の連通管路１６ａ、１７ａによって接続されているので、プレート１１〜１３の間に放熱面を容易に確保するとともに、プレート１１〜１３間における熱輸送をプレート内管路１１ａ〜１３ａおよび連通管路１６ａ、１７ａによって迅速に行うことができ、優れた放熱性能を得ることができる。しかも、プレート１１〜１３の間の連通管路１６ａ、１７ａの配置により折り返した管路２０の間に空隙を確保したり、管路２０を各プレート１１〜１３内に平面的に配置した無端管路の接続という形態でなく、複数のプレートに跨る無端管路として立体的に配置させるようなプレート内管路の形状およびそれら相互の連通接続も可能である。
【００３１】
このように、本例においては、受放熱面積の比較的大きなヒートパイプにおいてその構成を簡素にしながらも、放熱性能や熱輸送性能の向上を図ることができるものである。
【００３２】
なお、本例における各プレート内管路の形状は図２に示す形状に限らず、図３に示すように、複数の平行管路３１の両端をそれぞれ直交管路３３、３４で接続した管路３０としたり、図４に示すように、波形に蛇行した管路４１の両端を直線管路４２で接続した管路４０としたりすることができ、さらに、他の任意の管路形状にすることができる。勿論、管路の断面形状も円形に限らず、非円形（例えば矩形、半円形など）断面形状とすることができる。
【００３３】
（第２の参考例）
図５は第２の参考例である中空丸棒状の２重同軸型ヒートパイプを示している。なお、上述と同一の構成については上述例と同一の符号を用いて説明する。
【００３４】
本例のヒートパイプ５０においては、管路６０内に上述したヒートパイプ１０と同様の作動流体２１が気液二相に封入されており、管路６０内に作動流体２１の多数の液溜り部２１ａと蒸気泡部２１ｂとが交互に存在し、その各液溜り部２１ａによって管路６０が閉塞されている。
【００３５】
また、このヒートパイプ５０は、管状体５１と、管状体５１の内側又は外側、例えば外側に同軸に圧入により結合された円筒状の同軸部材５２と、によって多重同軸構造体（同軸な内外複数の軸部材からなる構造体）として構成されており、これら内外に対向する管状体５１および同軸部材５２によって管路６０が形成されている。具体的には、管路６０は、管状体５１の軸線を中心とする螺旋状に形成されており、例えば管状体５１の外周部に形成された螺旋溝５１ｇと管状体５１の外周に嵌合した同軸部材５２の円筒内周面５２ａ（嵌入周面）とによって長方形断面の螺旋状の細長い管路６０が所定半径の円筒面上に配置されている。
【００３６】
さらに、管状体５１の一端側には管状体５１の軸方向に延びる所定長さの連通管路が６３が配置されており、互いに１８０度位相をずらして同軸配置された一対の螺旋管路６１、６２が連通管路６３を介して接続され、他端側も同様に接続されることによって管路６０が構成されている。なお、同軸管路６１、６２が管状体５１の一端部で互いに折り返すように接続されただけの構成であってもよい。
【００３７】
本例のヒートパイプ５０においては、管状体５１の外周に管路形成用の螺旋溝５１ｇを例えば二条のねじ溝を形成する要領で容易に溝加工でき、その加工が容易であるとともに、多数の直線状ヒートパイプを円筒配置したりすることなく容易に大径・長尺の円筒型ヒートパイプを容易に作製できる。さらに、ヒートパイプ５０の軸方向長さの長短にかかわらず、管路６０の螺旋形状を適宜設定して所要の管路長さを確保することができるとともに、所定の嵌入周面に沿った立体的な管路配置が可能になる。また、嵌入周面上の管路配置は、螺旋以外の蛇行や折返し形状等、プレート型の場合と同様に任意であるから、管路配置の自由度も高くなる。
【００３８】
（一実施形態）
図６および図７は本発明の一実施形態に係るヒートパイプを示す図であり、本発明を大径の多重同軸円筒型ヒートパイプに適用した例を示している。なお、上述と同一の構成については上述例と同一の符号を用いて説明する。
【００３９】
本実施形態のヒートパイプ７０においても作動流体２１が管路８０内に気液二相に封入されており、その管路８０内に作動流体２１の複数の液溜り部２１ａと蒸気泡部２１ｂとが交互に存在し、各液溜り部２１ａによって管路８０が閉塞されている。
【００４０】
このヒートパイプ７０は、内外に隣接する３つ以上の管状軸部材、例えば４つの円筒形の管状体７１、７２、７３、７４を互いに圧入嵌合させて同軸に配置し、これら管状体７１〜７４により、隣接する各一対の管状体７１、７２、管状体７２、７３あるいは管状体７３、７４に沿って同軸的に配置された複数の同軸の管路８１、８２、８３（細径管路）を形成した構成となっている。
【００４１】
具体的には、管状体７２、７３、７４の外周にはそれぞれ軸方向両端部で屈曲した蛇行管路形成用溝７２ｇ、７３ｇ、７４ｇが形成されており、管状体７１の円筒内周面７１ａ（嵌入周面）と管状体７２の外周（溝部７２ｇを含む）の間、管状体７２の円筒内周面７２ａ（嵌入周面）と管状体７３の外周（溝部７３ｇを含む）の間、並びに管状体７３の円筒内周面７３ａ（嵌入周面）と管状体７４の外周（溝部７４ｇを含む）の間に、それぞれ蛇行した同軸の管路８１、８２、８３が形成されている。そして、図７に示すように、管状体７２には内外同軸に配置された管路８１、８２を互いに接続する半径方向の連通管路８４（連通細径管路）が、管状体７３には内外同軸に配置された管路８２、８３を互いに接続する（その結果管路８１〜８３を相互に接続する）半径方向の連通管路８５（連通細径管路）が、それぞれ形成されている。
【００４２】
本実施形態のヒートパイプ７０においては、同軸配置された３つ以上の管状体７１〜７４によって、細長い管路８１〜８３を同軸な円筒内周面７１ａ〜７３ａ（嵌入周面）上に配置するとともに、それら同軸の管路８１〜８３同士を連通管路８４、８５により連通させた管路８０としているので、多数の直線状ヒートパイプを円筒配置したりすることなく、大径・長尺のヒートパイプ７０を非常に簡素な構成で容易に作製することができる。また、管状体７１〜７４の間における熱輸送を同軸配置された管路８１〜８３および連通管路８４、８５によって迅速に行うことができ、優れた熱輸送性能を得ることができる。さらに、内外各層の嵌入周面上に配置された管路をそれぞれ容易に無端管路とすることができ、作動流体の振動や循環による顕熱輸送をも期待できるものとなる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、プレート型や同軸円筒型の受放熱面積の比較的大きなヒートパイプの構成を簡素にしながらも、その熱輸送性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例に係るヒートパイプを示すその正面断面図である。
【図２】 第１の参考例のヒートパイプの管路形状を示す平面図である。
【図３】 第１の参考例に係るヒートパイプのプレート内管路の変形態様を示す図２と同様な平面図である。
【図４】 第１の参考例に係るヒートパイプのプレート内管路の他の変形態様を示す図２と同様な平面図である。
【図５】 本発明の第２の参考例に係るヒートパイプを示すその縦断面図である。
【図６】 本発明の一実施形態に係るヒートパイプの内部構造を示す一部破断面を含む斜視図である。
【図７】 一実施形態に係るヒートパイプの横断面図である。
【符号の説明】
２１ 作動流体
２１ａ 液溜り部
２１ｂ 蒸気泡部
７０ ヒートパイプ
７１ 管状体（外側の管状軸部材）
７１ａ、７２ａ、７３ａ 円筒内周面（嵌入周面）
７２ 管状体（内側の管状軸部材）
７２ｇ、７３ｇ、７４ｇ 蛇行管路形成溶溝（蛇行溝、外周面側の溝部）
７３ 管状体（内側の別の管状軸部材）
７４ 管状体（管状軸部材）
８０ 管路（細径管路）
８１、８２、８３ 同軸の管路（同軸の細径管路）
８４、８５ 連通管路（連通細径管路）

Claims (5)

1. 同軸な内外複数の管状軸部材で構成される中空管が、外周面側に前記中空管の軸線方向の両端側で屈曲する蛇行溝が形成された内側の管状軸部材と、内周面側に前記内側の管状軸部材が嵌入され、前記内側の管状軸部材との間に前記蛇行溝に対応する蛇行した細径管路を形成する外側の管状軸部材と、を有し、
   前記細径管路は、前記中空管の軸線に平行な多数の直線状の管路部分を有し、
   前記細径管路内には、作動流体の複数の液溜り部と蒸気泡部とが交互に存在するように該作動流体が気液二層に封入されていることを特徴とする中空状ヒートパイプ。
2. 前記中空管が、前記内側の管状軸部材の内周面側にさらに内側の別の管状軸部材が嵌入された少なくとも３つの前記管状軸部材の間に同軸な複数の嵌入周面を有する多重同軸構造体をなすとともに、
   前記別の管状軸部材の外周面側に前記中空管の軸線方向の両端側で屈曲する別の蛇行溝が形成されて、該別の管状軸部材と前記内側の管状軸部材との間に前記別の蛇行溝に対応する別の細径管路が形成され、
   前記内側の管状軸部材は、前記細径管路と前記別の細径管路とを連通させる連通細径管路を有することを特徴とする請求項１に記載の中空状ヒートパイプ。
3. 前記内外複数の管状軸部材がそれぞれ円筒状に形成されており、
   前記連通細径管路が前記内外複数の管状軸部材の半径方向に延びていることを特徴とする請求項２に記載の中空状ヒートパイプ。
4. 前記連通細径管路が前記蛇行溝の底面と前記内側の管状軸部材の内周面との間に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の中空状ヒートパイプ。
5. 前記細径管路が無端管路となっていることを特徴とする請求項１に記載の中空状ヒートパイプ。

Images