JP4729195B2

JP4729195B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP4729195B2
Application number: JP2001130736A
Authority: JP
Inventors: 一男石川; 健次土屋
Original assignee: 株式会社正和
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: JP2002327992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばリニアモーターコイルの冷却に用いられる熱交換装置に関し、さらに詳しくいえば、対向的に組み合わされる一対の金属板の内面間にヒートパイプを配置してなる熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、リニアモータの技術は、種々の分野に取り入れられており、その１つに、工作機械のワーク送り用リニアステージがある。リニアステージは、従来の機械式ステージに比べ、高精度かつ複雑な動きを高速に行うことができ、作業の高効率化を図ることが可能である。
【０００３】
通常、リニアステージを駆動させた場合、リニアコイルには熱が発生するため、冷却を要する。その冷却方法には、大別してリニアコイル間に冷却パイプをジグザグ状に配管して、コイルと冷却パイプを高熱伝導性樹脂でモールドする方法や、冷却手段を有する冷却板をリニアコイルに添設する方法などがあるが、とりわけ後者はコスト的な面からも有用な方法として好ましく採用されている。
【０００４】
冷却手段としては、冷却板にポンプなどを使って冷却液を循環する冷却パイプを使用する方法や、密閉管内に封入された作動液の蒸発・凝縮による熱サイクルを利用したヒートパイプを使用する方法などがある。特にヒートパイプは、ポンプなどの外部動力を必要とせず、メンテナンスフリーであるため有用である。
【０００５】
ヒートパイプを取り付けるにあたっては、１対の冷却板間の対向面にその外径よりも若干大きなパイプ収納溝を形成しておき、その中にヒートパイプを収納した後にその隙間にシリコングリースなどの高熱伝導性充填材を充填することにより、熱伝導率の低下を防ぐとともに、併せてパイプ収納溝内での移動を防止するようにしている。
【０００６】
ところで、このリニアステージは非常に高速に移動可能である反面、その最大衝撃加速度が１２Ｇ程度になることもある。したがって、これに取り付けられる冷却板にも同様の衝撃加速度が加わり、さらに冷却板内の冷却手段にも同様に負荷がかかる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような高い加速度を高頻度で動作させた場合には、いくら充填材を封入することで移動が防止されているとはいえ、ヒートパイプはパイプ収納溝内で移動してしまうおそれがある。
【０００８】
ヒートパイプが冷却板内を移動すると、その外径が摩耗によってさらに小さくなるため、より移動しやすくなるばかりでなく、さらに摩耗することにより、最悪の場合、管破壊に至るおそれもある。
【０００９】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、一対の金属板間にヒートパイプが確実に固定されているとともに、高い熱伝導率を備えた、特にリニアステージを冷却する冷却板としての熱交換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明は、対向的に組み合わせられる一対の金属板の内面間に、丸棒状のヒートパイプを配置してなる熱交換装置において、上記一対の金属板の各内面側には、互いに組み合わされて上記ヒートパイプの外径よりも小径な内接円をもつ断面多角形状のパイプ収納溝が形成されており、上記ヒートパイプの周方向の一部が上記パイプ収納溝の多角形状の各辺により変形されて上記パイプ収納溝内に収納されていることを特徴としている。
【００１１】
これによれば、ヒートパイプの一部がパイプ収納溝の多角形状の各辺によって均等に変形されることにより、パイプ収納溝内でヒートパイプが移動するのを効果的に防止でき、さらにその空隙間に充填材を均等に注入することができるため、熱伝導率の低下も防止できる。
【００１２】
パイプ収納溝を金属板の内面側にそれぞれ２分して形成する場合には、上記パイプ収納溝は６角もしくは８角の多角形状であることが好ましい。これによれば、５角形などの複雑な形状よりも簡単に作成することができる。
【００１３】
さらに多軸的な移動を規制するためには、上記パイプ収納溝の内周面には、中心方向に向けて突設された上記ヒートパイプの移動防止用の凸部がさらに設けられていることが好ましく、より好ましくは、上記凸部は上記内周面に沿って環状に設けられていることが好ましい。これによれば、ヒートパイプの軸方向に沿った移動が規制され、さらに確実に固定することができる。
【００１４】
上記金属板の少なくとも一方には、上記パイプ収納溝内に充填材を充填するための充填孔が設けられており、これによれば、充填材をパイプ収納溝内部に均等に充填することができる。
【００１５】
リニアステージに熱影響を与えないため、上記金属板のいずれか一方は、高い熱伝導率を有する材料からなり、いずれか他方の上記金属板は、上記一方の金属板よりも低い熱伝導率を有する材料から構成して、熱伝導率の低い面をリニアステージ側に添設すれば、熱影響を抑えることができる。
【００１６】
いずれか一方の上記金属板の外周面には、上記外周面に対向的に組み合わせられる第３の金属板を備え、上記外周面と上記第３の金属板の内周面との間には、冷却液を循環する冷却パイプが収納される冷却パイプ収納溝がさらに形成されていてもよく、これによれば、ヒートパイプで吸収した熱を冷却板外へ効率的に運び出すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、図１〜図３を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。なお、以下の各実施形態において、熱交換装置はリニアステージに用いられる冷却板として用いられるものである。
【００１８】
この冷却板１は、互いに対向的に組み合わせられる平板状をなす一対の金属板１０，２０を備えている。材質は、例えばアルミニウム合金やベリリウム合金などの熱伝導率が高い材料が好ましい。この実施形態において、金属板１０，２０はともに同厚であるが、一方が薄く他方が厚くてもよく、組み合わせたときの所望の厚さによって任意に選択される。
【００１９】
金属板１０，２０の対向する各内面側には、ヒートパイプ３０の形状、この実施形態では丸棒状に沿ってパイプ収納溝１１，２１が、１つの冷却板１に対して平行に２箇所設けられている。パイプ収納溝１１，２１は、互いに組み合わせたとき、ヒートパイプ３０の軸線に対する直交断面が多角形状になるように形成されている（図３参照）。
【００２０】
この実施形態において、パイプ収納溝１１，２１は、それぞれ正８角形を中央で２分割した形状をしている。パイプ収納溝１１，２１は多角形状であれば特に限定されないが、２ｎ倍（ｎは整数）の多角形、すなわち６角形や８角形などがより好ましく、これによれば、各パイプ収納溝１１，２１をそれぞれ対称に形成すればよいため、作業性がよい。
【００２１】
パイプ収納溝１１，２１は、互いに組み合わされた状態での内接円が後述するヒートパイプ３０の外径よりも小径になるよう設計されている。これによれば、パイプ収納溝１１，２１の辺に沿ってヒートパイプ３０が均等に微少変形することにより、パイプ収納溝１１，２１内にガタツキなく収納することができる。
【００２２】
ヒートパイプ３０は、銅管などの熱伝導性のよい金属パイプの両端を塞いで、その中に水や代替フロンなどの作動液を封入したものによって構成されている。本発明において、ヒートパイプ３０の構成は一般的なものであってよく、あくまで任意的な構成要素である。この実施形態では、銅−水タイプの丸棒状ヒートパイプを用いている。
【００２３】
冷却板１を製造するには、まず、金属板１０，２０をそれぞれプレス手段などに取り付け、一方のパイプ収納溝１１，２１に沿ってヒートパイプ３０を配置する。次に、プレス手段を作動させ、金属板１０，２０同士を互いに向き合うように徐々に押し付けていき、完全に組み合った状態で金属板１０，２０をボルトなどで均等に締め付けて一体化する。
【００２４】
このとき、ヒートパイプ３０はパイプ収納溝１１，２１内に押し込まれるにつれて、パイプ収納溝１１，２１の各辺によって均等に微少変形する。この実施形態でにおいて、そのつぶし代は、φ８，φ６のヒートパイプ３０を用いた場合、パイプ収納溝１１，２１の内接円を１００％としたとき、変形後の割合が六角形の場合で９３％、八角形の場合が９５％程度となっている。
【００２５】
ヒートパイプ３０とパイプ収納溝１１，２１との間に形成される空隙には、シリコングリースなどの熱伝導性の高い充填材が充填されている。なお、充填材は、熱伝導性がよく、充填性がよいものであれば特に制限なく用いることができる。この第１実施形態では、予想空隙率を算出して、あらかじめパイプ収納溝１１，２１にグリースを塗り込んでおき、その状態でヒートパイプ３０ごとプレス成形している。
【００２６】
ここで、この冷却板１のもう１つの作用効果としては、パイプ収納溝１１，２１を多角形状に設計したことにより、ヒートパイプ３０の変形が均等に行わるため、ヒートパイプ３０と収納溝１１，２１との間に形成される空隙が規則的に形成される。これによれば、充填される充填材も空隙内で偏ることなくまんべんなく行き渡らせることができる。
【００２７】
次に、図４の平面図および図５の断面図を用いて、上記第１実施形態の変形例について説明する。この変形例においても、一対の金属板１０，２０の各内面側に形成されたパイプ収納溝１１，２１内にヒートパイプ３０を収納する構成となっているが、この場合、下側の金属板２０の長手方向の両端側には、パイプ収納溝２１内に連通する充填孔２２，２２が設けられている。
【００２８】
すなわち、この充填孔２２，２２は、金属板１０，２０を組み合わせてヒートパイプ３０と一体化した後に、パイプ収納溝１１，２１とヒートパイプ３０との間の空隙に充填材を充填するための充填孔である。
【００２９】
充填材を充填するに当たっては、一方から充填材を注入していき、他方を負圧などで吸い込むことにより、空隙内に充填材が効率よく注入される。注入後は、充填孔２２，２２にボールキャップ２２１，２２１を差し込むことにより、充填材の封入が完了する。
【００３０】
この実施形態では、下側の金属板２０に充填孔２２を設けているが、図６に示すように、上側の金属板１０に充填孔１２，１２を設けてもよく、さらには、その充填孔１２，１２を板厚方向に垂直に形成してもよい。このような態様も本発明には含まれる。
【００３１】
この他にヒートパイプ３０の移動を規制する方法としては、図７に示すように、パイプ収納溝１１，２１の両端側に例えばウレタンゴムなどの弾性材料からなる緩衝材４０をヒートタイプ３０との間に介装させて、さらにその空隙に充填材を充填してもよい。これによれば、ヒートパイプ３０を傷つけずに簡単に移動を防止できる。
【００３２】
また、図８に示すように、金属板１０，２０の両端に半円状のネジ孔１３，２３を設け、これらを組み合わせてネジ孔を形成し、このねじ孔１３，２３にネジ５０，５０を螺合してヒートパイプ３０の両端を押し付けるように固定してもよい。
【００３３】
なお、ネジ５０を直接ヒートパイプ３０に押し付けたのでは、ヒートパイプ３０が傷つくおそれがあるため、上記図７のように間に弾性材からなる緩衝材４０を介装してもよい。
【００３４】
図９および図１０には、本発明の第２実施形態に係る冷却板が示されている。この冷却板１ａも上記実施形態と同じく上下一対の金属板１０，２０を備え、それらを対向的に配置したとき、対向する内面側にヒートパイプ３０を収納するためのパイプ収納溝１１，２１がそれぞれ設けられている。この実施形態においても、パイプ収納溝１１，２１は、組み合わせたときに断面多角形状になるように設けられている。
【００３５】
パイプ収納溝１１，２１には、その軸方向に沿って所定の間隔で凸部１１１，２１１が複数、この実施形態では等間隔で計４カ所設けられている。凸部１１１，２１１は、収納されるヒートパイプ３０の軸方向に向けて突設し、さらにパイプ収納溝１１，２１の内周面に沿って環状に設けられている。
【００３６】
この第２実施形態において、凸部１１１，２１１は内周面に沿って環状に設けられているが、例えばエンドミルにてパイプ収納溝１１，２１を削り出しながら、その先端を間欠的に上下動させることで凸部１１１，２１１を形成することも可能であり、特に全周にわたって凸部１１１，２１１を設ける必要はない。
【００３７】
これによれば、パイプ収納溝１１，２１に嵌め込まれたヒートパイプ３０は、図１０に示すように凸部１１１，２１１に相対する位置において、その一部が凸部１１１，２１１に沿って押し出されることにより、さらに強固に固定することができる。なお、図面上ではその変形状態を説明しやすくするため、極端に表現しているが、実際は初期径の数％程度の変形量である。
【００３８】
また、この第２実施形態においても、パイプ収納溝１１，２１とヒートパイプ３０との間の空隙には、金属板１０，２０との密着性をよくするために充填材が充填されている。その充填方法は上述した方法であってもよく、さらに上記図６〜図８で説明した手段を組み合わせてもよい。
【００３９】
図１１および図１２は、本発明の第３実施形態に係る正面図およびそのＡ−Ａ線断面図である。なお、この第３実施形態においても、上下一対の金属板１０，２０にヒートパイプ３０を組み込む基本的な構成は上記各実施形態と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
この実施形態において特徴的なことは、上記一対の金属板１０，２０に加えて、さらに第３の金属板６０を備えていることである。すなわち、第３の金属板６０は、上側の金属板１０の外面側に対向的に組み合わされる平板状からなり、金属板１０のいずれか一方の側面、この実施形態では左側面に沿って設けられている。
【００４１】
金属板１０と、第３の金属板６０との対向面には、金属パイプ（冷却パイプ）７０の配管経路に沿って冷却パイプ収納溝１４，６１が形成されている。冷却パイプ収納溝１４，６１はそれぞれ半球面の樋溝であって、この実施形態では、正面から見てＵ字状に形成されている。
【００４２】
冷却パイプ収納溝１４，６１内に収納される、冷却パイプ７０は銅などの高熱伝導性金属からなる金属パイプであって、そのパイプ内には一端から他端にかけて冷却液が図示しない循環手段によって循環している。
【００４３】
この第３実施形態において、冷却パイプ収納溝１４，６１は冷却パイプ７０の外径よりも若干大きめに形成されている。したがって、冷却パイプ７０を冷却パイプ収納溝１４，６１に収納するには、冷却パイプ７０を冷却パイプ収納溝１４，６１に収納し、金属板１０，６０を固定する。
【００４４】
そして、冷却パイプ７０の両端を図示しない加圧手段に接続し、冷却パイプ７０内に所定の液圧をかけて、冷却パイプ７０を拡径させて冷却パイプ収納溝１４，６１内に密着させる。これによれば、金属同士の密着により、熱伝導率はきわめてよくなる。
【００４５】
この実施形態において、第３の金属板６０は、金属板１０とほぼ同厚さの板体に半球状の冷却パイプ収納溝６１を形成しているが、例えば金属板１０側をＵ字状に深く形成して、第１の金属板６０で蓋をするようにしてもよい。これによれば、ヒートパイプ３０を有する金属板１０側に冷却パイプ７０が配管されるため、熱がダイレクトに伝わり、より熱交換効率がよくなる。
【００４６】
このような構成の冷却板１は、冷却板１上に載置された発熱体ＨＢからの熱をヒートパイプ３０の右側で吸収することで、ヒートパイプ３０内の作動液が蒸発され、ヒートパイプ３０内を移動し、左側で凝縮・発熱される。ヒートパイプ３０から放出された熱は、冷却パイプ７０によって熱交換され、冷却パイプ７０内を循環する冷却液によって冷却板１外へと運び出される。
【００４７】
なお、図１３に示すように、この冷却板１ｂを実際にステージＳ上に載置してする場合には、冷却板１からステージＳに熱が伝播しないように、金属板２０とステージＳとの間に金属板１０よりも熱伝導率が低い断熱スペーサー８０を介装させることが好ましい。断熱スペーサー８０としてきわめて熱伝導率の低い樹脂板などが考えられる。
【００４８】
これ以外に、下側の金属板２０を上側の金属板１０よりの熱伝導率の低い材料で構成しても同様の効果が得られる。このような態様も本発明に含まれる。なお、下側の金属板２０を低い熱伝導率の材料で構成することは、上記第１および第２実施形態に適用してもよい。
【００４９】
なお、上記各実施形態において、ヒートパイプ３０は丸棒状のものを例示して説明しているが、これ以外に扁平な棒状を有するヒートパイプであってもよく。この場合、パイプ収納溝は、扁平な多角形状に形成すればよく、このような態様も本発明に含まれる。
【００５０】
また、上述した各実施形態を説明するにあたり、本発明の熱交換装置はリニアステージに用いられる冷却板１〜１ｂについて例示するとしたように、これ以外の熱交換用途として使用可能なものであれば、その設置場所や用途は特に限定されない。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一対の金属板の内面間に、ヒートパイプを配置してなる熱交換装置において、金属板の各内面側には、互いに組み合わされてヒートパイプの外径よりも小径な内接円をもつ断面多角形状のパイプ収納溝が形成されており、ヒートパイプはその周方向の一部が変形されて上記パイプ収納溝内に収納されていることにより、構造的に熱伝導率が低下しにくく、さらにリニアステージなどの大きな衝撃加速度が加わっても、ヒートパイプを金属板内に確実に固定しておくことができる。
【００５２】
さらに、パイプ収納溝内に凸部を設け、ヒートパイプの組み付け時にヒートパイプの一部を凸部に沿って変形させることにより、さらに多軸的な移動を規制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷却板の正面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図４】上記第１実施形態の変形例を示す正面図。
【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図。
【図６】上記第１実施形態の変形例を示す断面図。
【図７】上記第１実施形態の変形例を示す断面図。
【図８】上記第１実施形態の変形例を示す断面図。
【図９】本発明の第２実施形態に係る冷却板の分解断面図。
【図１０】上記第２実施形態の冷却板を組み合わせた状態の断面図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る冷却板の正面図。
【図１２】図１１のＤ−Ｄ線断面図。
【図１３】上記第３実施形態の冷却板をステージ上に載置した状態を示す断面図。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ冷却板
１０，２０金属板
１１，２１パイプ収納溝
３０ヒートパイプ
４０緩衝材
５０ネジ
６０第３の金属板
６１冷却パイプ収納溝
７０冷却パイプ
８０断熱スペーサー
ＨＢ発熱体
Ｓステージ

Claims

対向的に組み合わせられる一対の金属板の内面間に、丸棒状のヒートパイプを配置してなる熱交換装置において、
上記一対の金属板の各内面側には、互いに組み合わされて上記ヒートパイプの外径よりも小径な内接円をもつ断面多角形状のパイプ収納溝が形成されており、上記ヒートパイプの周方向の一部が上記パイプ収納溝の多角形状の各辺により変形されて上記パイプ収納溝内に収納されていることを特徴とする熱交換装置。
上記パイプ収納溝は、６角もしくは８角の多角形状である請求項１に記載の熱交換装置。
上記パイプ収納溝の内周面には、中心方向に向けて突設された上記ヒートパイプの移動防止用の凸部がさらに設けられている請求項１または２に記載の熱交換装置。
上記凸部は、上記内周面に沿って環状に設けられている請求項３に記載の熱交換装置。
上記金属板の少なくとも一方には、上記パイプ収納溝内に充填材を充填するための充填孔が設けられている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
上記金属板のいずれか一方は、高い熱伝導率を有する材料からなり、いずれか他方の上記金属板は、上記一方の金属板よりも低い熱伝導率を有する材料からなる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱交換装置。
いずれか一方の上記金属板の外周面には、上記外周面に対向的に組み合わせられる第３の金属板を備え、上記外周面と上記第３の金属板の内周面との間には、冷却液を循環する冷却パイプが収納される冷却パイプ収納溝がさらに形成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱交換装置。