JP4627212B2

JP4627212B2 - ループ型ヒートパイプを備えた冷却装置

Info

Publication number: JP4627212B2
Application number: JP2005129480A
Authority: JP
Inventors: 哲貞廣; 祐士斎藤; 正孝望月
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006308163A

Description

この発明は、外部から加熱される蒸発部容器の内部に、液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる複数のウイックが設けられたループ型ヒートパイプを備えた冷却装置に関するものである。

密閉した容器（コンテナ）や管路の内部に流体を封入し、外部から供給した熱を低温の箇所に輸送して冷却する装置が、従来、知られている。この種の一例として、前記容器や管路の内部に、水やアルコール、アンモニアなどの液体を充填した構造のヒートパイプがある。このようなヒートパイプでは、内部の液体がいわゆる作動流体として作用するため、入熱のある箇所から低温の箇所に効率よく熱が輸送されて冷却が行われる。

また、トップヒートモードを動作態様とするヒートパイプの一例として、コンテナの内部にウィックを備えたものがある。このウィックとしては、例えばコンテナの内壁面にその長さ方向に向けて形成された多数条の細溝（グルーブ）、あるいはブロンズなどの微小粉末をコンテナの内壁面に焼結させて成る多孔構造の粉末焼結体が挙げられる。

上記の構造では、容器や管路の内部に作動流体の蒸気および液相の作動流体が同時に存在している。この液相の作動流体は、容器や管路に配置されるウイックの毛細管圧力などによって、ヒートパイプの内部を蒸発部側に向けて還流する。これに対して作動流体の蒸気は、蒸発部側から作動流体の凝縮の生じる凝縮部（コンデンサ）に向けて流動する。したがって、前記容器や管路の内部において、還流する液相の作動流体の流動方向と作動流体の蒸気の流動方向とが互いに反対となる。そのために、液相の作動流体が作動流体の蒸気によって吹き飛ばされ、あるいは吹き戻され、これがいわゆる飛散限界となってヒートパイプの熱輸送能力が制限されることがある。

従来、このような不都合を解消できる冷却装置としてヒートパイプをループ型としたものが開発されている。これは、外部から入熱のある蒸発部と作動流体が放熱して凝縮する凝縮部とを分離して構成し、かつこれらの液相の作動流体が蒸発部に向けて還流する液戻り管と作動流体の蒸気が流動する蒸気管とによって環状（ループ状）に連結した構造のヒートパイプである。この種の構造の一例が特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されている。
特開平１０−１６０３６８号公報特開２００３−１４８８８２号公報特開２００２−１６８５７９号公報特開２００１−６６０８０号公報

ところで、このようなループ型ヒートパイプにおいて、液循環のために必要なポンプ力を利用する（上記毛細管圧力をポンプ力として発生し、液相の作動流体を蒸発部に還流させるためのポンプ作用を生じる）ウイックには銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属からなる金属系材料（素材）が多く使用されている。

しかしながら、そのような素材の使用においては、その素材の熱伝導率の良さから蒸発部やその内部に設けられたウイックの内外表面の温度変化に応じて、ウイックの内外表面間に所定の温度勾配を付け難いという問題があった。また、ウイックを高分子系材料からなる部材（高分子体）とした場合には、ウイックと水などの冷媒との相性により、その濡れ性が悪くなり、ウイックの吸水力が低下するという問題もあった。したがって、このようなループ型ヒートパイプにおいては、液循環のために必要なポンプ力を維持できないおそれもあり、強いポンプ力が得られる構造のウイック（ウイック材料）を選定（形成）することが望ましい。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、ウイックにおけるポンプ力を維持し、かつ強化できるループ型ヒートパイプを備えた冷却装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、外部から加熱される蒸発部容器の内部に、液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる複数のウイックが設けられたループ型ヒートパイプを備えた冷却装置であって、前記蒸発部に連通するとともにその内部に前記液相の作動流体を貯留するリザーバーを備え、前記複数のウイックが複数の空孔を有する多孔質構造に形成され、前記複数のウイックのうち、一方のウイックの空孔径が該ウイックとは別の他方のウイックの空孔径よりも大きく形成され、かつそれらの各ウイックが積層されて一体に形成され、更に、前記各ウイックの積層の境界に親水基を有する高分子パウダーが焼結されており、前記積層化されてその境界に高分子パウダーが焼結されたウイックが、その毛細管圧力によって前記リザーバーに貯留された前記液相の作動流体を前記蒸発部に向けて供給するように設けられていることを特徴とするループ型ヒートパイプを備えた冷却装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記蒸発部は、蒸気化した作動流体を凝縮する凝縮部よりも上方に設けられることを特徴とするループ型ヒートパイプを備えた冷却装置である。

請求項１の発明によれば、蒸発部容器の内部に、液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる複数のウイックが配置されている。したがって、蒸発部容器に対して外部から熱を与えると、その熱によって作動流体が蒸発し、蒸発部容器の内部で放熱し、かつ所定の箇所で凝縮する。凝縮して生じた作動流体は複数のウイックに浸透する。各ウイックは複数の空孔を有する多孔質構造に形成されており、複数のウイックのうち、一方のウイックが該ウイックとは別の他方のウイックよりも空孔径が大きく形成され、かつそれらの各ウイックが積層されて一体に形成されているので、蒸発部容器での作動流体の蒸発によって毛細管圧力を生じ、そのウイックに浸透した作動流体が蒸発部容器側に吸い上げられる。そのため、作動流体を吸い上げている状態が維持されるので、濡れ性が良好となる。その結果、ヒートパイプにおける液循環のために必要なポンプ力を維持し、かつ強化できる。

また、ウイックに形成された親水基により、ウイックと水との相性が良くなり、ウイックの熱伝導率が悪くなるので、ウイックのポンプ作用による冷媒の表面張力に加えて分子間力を発生させることができる。また、ウイックの内外間の温度勾配が大きくなるので、コンテナの表面とその内部（液戻り管の一端部）との間で十分な温度勾配を付けることができる。その結果、濡れ性を向上させることができる。

以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。図１に示すループ型ヒートパイプ１は、例えば車両のフロントパネルなどを冷却するために用いられており、凝縮部容器（コンテナ）２と凝縮部３とが、液戻り管（リキッドライン）４を介して接続され、さらにコンテナ２と凝縮部３とが、蒸気管（ベーパライン）５を介して接続され、全体として密閉された環状（ル−プ状）に形成されている。このコンテナ２の内壁には多数本の細溝（凸凹のグルーブ形状の部分）６が軸線方向に沿って形成されている。凝縮部３の内部には、凝縮部３内に輸送された蒸気を積極的に冷却するための冷却水が流通するコンデンサチューブなどの冷却機構が設けられている。このループ型ヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気された後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体７として封入されている。ループ型ヒートパイプ１もしくはコンテナ２の材質としては、熱伝導性に優れる純銅や銅合金もしくはアルミニウム、ニッケル等の金属が採用されている。

コンテナ２は円筒形状に構成されており、その内部にプライマリウイック（ウイック）１１が収納され、ウイック１１の内側にはセカンダリウイック（ウイック）１２が設けられている。このコンテナ２の内部では、ウイック１１の端部１１Ａがウイック１２の端部１２Ａを覆っている。また、ウイック１１の端部１１Ａとコンテナ２の流出口２Ａとの間には空間部１４が形成されている。さらに、コンテナ２の流出口２Ａの反対側に形成された開口部１５はリザーバー１６に接続されており、リザーバー１６の内面とウイック１２の他端部１２Ｂとの間にも空間部１７が形成されている。このリザーバー１６は作動流体７を貯留するように構成されており、コンテナ２に連通するように一体に形成されている。なお、リザーバー１６は、液戻り管４よりも内径が大きくなっている。

上記ウイック１２は、毛細管圧力を生じて液戻り管４から流出した液相の作動流体７を吸収するためのものであり、例えばセラミックやニッケル、銅、銅酸化物等を原料とした多孔質材、あるいはポリエチレン樹脂（例えばUltra High Molecular Weightポリエチレン）などの高分子材料を原料とした多孔質材であって、ウイック１１よりも実効毛細管半径が小さく、ウイック１１の毛細管圧力よりも大きい毛細管圧力を生じる構成となっている。一方、ウイック１１は、例えば金網やファイバーウイックであって、ウイック１２よりも相対的に流路が大きい構成となっており、ウイック１２の外周方向に沿って設けられている。また、ウイック１２の内周方向には中空部分が形成されており、その中空部分に液戻り管４が挿入されている。つまり、ウイック１２と液戻り管４の一端部４Ａとが連通している。なお、各ウイック１１，１２がニッケルによって形成された場合には、前記ニッケルの粒径を１〜２０μｍ、気孔率５０〜８０％とすることが好ましく、特に、ウイック全体としての密度が１．９８ｇ／ｃｍ³、ニッケルのみの密度が８．８５ｇ／ｃｍ³、気孔率７８％のウイック、あるいは、ウイック全体としての密度が２．２３ｇ／ｃｍ³、ニッケルのみの密度が８．８５ｇ／ｃｍ³、気孔率７５％のウイック等が例示される。また、各ウイック１１，１２がポリエチレン樹脂によって形成された場合は、前記ポリエチレン樹脂の粒径を２０μｍ、気孔率５０〜６０％とすることが好ましい。さらに、ウイック１１とウイック１２との積層の境界には親水基を有する高分子パウダー２１が焼結されており、各ウイック１１，１２を積層することにより、積層構造のウイックが形成される。

次にループ型ヒートパイプ１の作用について具体的に説明する。先ず、コンテナ２に対して熱Ｑが伝達されると、コンテナ２の内部に供給された液相の作動流体７が加熱されて蒸発する。具体的には、空間部１７に在る液相の作動流体７がコンテナ２の熱Ｑによって蒸発した状態となっており、その作動流体７の蒸気は、細溝６の間に形成された間隙を通って、空間部１４に充満する。一方、細溝６の内側に設けられたウイック１１には、液相の作動流体７の蒸発に伴うメニスカスの低下が生じ、それに伴って毛細管圧力が生じる。ウイック１２は、ウイック１１よりも大きい毛細管圧力を生じる構成となっているので、液相の作動流体７をウイック１２からウイック１１へ流動させる。すなわち、液戻り管４の一端部４Ａの内部に在る液相の作動流体７はコンテナ２の内部に流出する。

その後、空間部１４に充満した作動流体７の蒸気は蒸気管５の内部を通って凝縮部３に至り、ここで外部に熱を放出して凝縮する。なお、コンテナ２に伝達された熱Ｑは、作動流体７の蒸気の潜熱として凝縮部３に効率よく輸送される。その結果生じた液相の作動流体７は、上記ポンプ力によって再び液戻り管４の内部を通ってコンテナ２の内部に流出する。

つぎに、ウイックの製造過程の一具体例について説明する。まず、図３の（Ａ），（Ｂ）に示すように、ウイック１１の内周面１１Ｃおよびウイック１２の外周面１２Ｃに界面活性剤に形成されているような親水基を持たせる表面処理（ウイック表面への高分子パウダー２１の付着など）が施され、内周面１１Ｃおよび外周面１２Ｃにそれぞれ高分子パウダー２１を含む表面層１１Ｄ，１２Ｄが形成される。なお、界面活性剤は、非イオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤など多種に亘り、用途に合わせて有機相成分との組合せで使用することができる。そして、図４の（Ａ）に示すように、ウイック１１の中空部分１１Ｅにウイック１２を挿入した後、各ウイック１１，１２に対して高分子パウダー２１を焼結させる。すなわち、図４の（Ｂ）に示すように、各ウイック１１，１２を高分子パウダー２１を介して一体に形成することにより、各ウイック１１，１２は複数の層を有する積層構造のウイックとなる。したがって、例えばこのウイックを複数の薄い層を重ね合わせた積層構造とすれば、ウイックの製造限界厚さ（ウイックにおける製作可能な積層厚さの限界であり、製造上、ウイックの厚さは約１５〜３０ｍｍまでの範囲に制限される。）を克服することができる。また、このように製造されたウイックは、一般的に使用される高分子体の中でも特に吸水力が良好なウイック（例えば旭化成ケミカルズ製樹脂を原料としたウイックなど）となる。そのため、ウイックに形成された親水基の性質により、ウイックと水との相性が良くなり、ウイックの熱伝導率が悪くなるので、ウイックのポンプ作用による冷媒の表面張力に加えて分子間力を発生させることができる。また、ウイックの積層構造が密になればなるほど、ウイックの内外間の温度勾配が大きくなるので、コンテナ２の表面とその内部（液戻り管４の一端部４Ａ）との間で十分な温度勾配を付けることができる。その結果、濡れ性を向上させることができる。

最後に、コンテナ２の内部に上記積層構造のウイックを収納し、このコンテナ２にリザーバー１６を取り付けて、コンテナ２と凝縮部３とを液戻り管４と蒸気管５とによって環状流路が形成されるように連通させ、その環状流路の内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体７を封入することにより、前述したループ型ヒートパイプ１が完成する。

この発明におけるループ型ヒートパイプを備えた冷却装置の一具体例を簡略的に示す平面図である。図１のコンテナを示すＡ−Ａ矢視断面図である。図１のウイックの製造過程を説明するための部分断面図である。図３の製造過程に続く過程を示す図である。

符号の説明

１…ループ型ヒートパイプ、２…コンテナ、３…凝縮部、４…液戻り管、５…蒸気管、７…作動流体、２１…高分子パウダー、１１，１２…ウイック。

Claims

外部から加熱される蒸発部容器の内部に、液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる複数のウイックが設けられたループ型ヒートパイプを備えた冷却装置であって、
前記蒸発部に連通するとともにその内部に前記液相の作動流体を貯留するリザーバーを備え、
前記複数のウイックが複数の空孔を有する多孔質構造に形成され、
前記複数のウイックのうち、一方のウイックの空孔径が該ウイックとは別の他方のウイックの空孔径よりも大きく形成され、かつそれらの各ウイックが積層されて一体に形成され、
更に、前記各ウイックの積層の境界に親水基を有する高分子パウダーが焼結されており、
前記積層化されてその境界に高分子パウダーが焼結されたウイックが、その毛細管圧力によって前記リザーバーに貯留された前記液相の作動流体を前記蒸発部に向けて供給するように設けられている
ことを特徴とするループ型ヒートパイプを備えた冷却装置。
前記蒸発部は、蒸気化した作動流体を凝縮する凝縮部よりも上方に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプを備えた冷却装置。