JP4925597B2 - ヒートパイプ用伝熱管及びヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、ノートパソコンの中央演算処理装置（ＣＰＵ）等の冷却等に使用されるヒートパイプ用の伝熱管及びヒートパイプに関する。

ヒートパイプはウィックといわれる網目状材料を内張りした金属製パイプの中に、少量の液体（作動流体）を封入したものであり、この密閉された空間において、ヒートパイプの一方の端部が熱を吸収する吸熱部、他方の端部が熱を放出する放熱部となっている。吸熱部においては、ヒートパイプは外部（ＣＰＵ等の高温部）からの熱を吸収し、内部の作動流体を加熱して蒸発させる。この蒸気はヒートパイプ内部を伝わって放熱部まで移動し、放熱部において外部（ヒートシンク等の低温部）に熱を放出して作動流体が凝縮する。この凝縮液体（作動流体）は、ウィックを伝わって毛細管作用等により吸熱部（蒸発部）まで戻る。このように、ヒートパイプ内を作動流体が吸熱部（蒸発部）と放熱部（凝縮部）との間を往復循環する間に、吸熱部（蒸発部）の外部（ＣＰＵ等）の熱が、放熱部（凝縮部）の外部（ヒートシンク等）に伝わり、ＣＰＵ等が冷却される。ヒートシンクは、ファン等により冷却され、低温が維持されている。ヒートパイプは、僅かな温度差でも伝熱がなされ、また、大量の熱の移動に適しており、熱媒体の駆動手段が不要であるという利点がある。

このヒートパイプ用の伝熱管として、金属管の内周面に、金属管の軸方向に延びる矩形状の溝を設けた伝熱管が開示されている（特許文献１等）。このようなヒートパイプ用伝熱管は、その内周面に形成した溝を、作動流体が吸熱部（蒸発部）に戻るためのウィックとして利用するものである。

特開平８−１４７８５号公報

しかしながら、例えば特許文献１に開示された従来のヒートパイプ用伝熱管は、内面溝をウィックとして利用しているが、この従来のヒートパイプ用伝熱管の内面溝はウィックとしての毛細管作用が劣り、放熱部（凝縮部）から吸熱部（蒸発部）への作動流体の輸送が円滑ではないという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、作動流体が凝縮する放熱部（凝縮部）から、作動流体が蒸発する吸熱部（蒸発部）への作動流体の輸送が効率よく行われるヒートパイプ用伝熱管及びヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明に係るヒートパイプ用伝熱管は、管内面に、管軸に平行な線分に対して所定のリード角を有して螺旋状に延びるフィンが管軸方向に所定ピッチで形成されたヒートパイプ用伝熱管において、このヒートパイプ用伝熱管は、作動流体を封入し、一端部が熱を吸収する吸熱部、他端部が熱を放出する放熱部となり、前記作動流体が前記吸熱部と前記放熱部との間を対向流の形で往復循環する間に、前記吸熱部から前記放熱部に熱を伝えるものであり、前記フィンの高さをＨｆ、前記フィンの長手方向に垂直の方向の断面において隣接するフィン間に形成される溝の底部の幅をＷｇとしたとき、Ｈｆは０．３０乃至０．４５ｍｍ、Ｗｇは０．１７乃至０．３７ｍｍ、Ｗｇ／Ｈｆは０．３０乃至１．２０であり、前記断面において前記フィンの斜辺と溝底辺とが交差しているか又は０．０５ｍｍ以下の曲率半径Ｒで連なっており、前記リード角が０乃至１０°であることを特徴とする。

本発明のヒートパイプ用伝熱管において、管外径は、例えば、１３ｍｍ以下である。また、前記ヒートパイプ用伝熱管の材質は、例えば、銅又は銅合金である。

本発明に係るヒートパイプは、上述のヒートパイプ用伝熱管に冷媒を封入したヒートパイプであって、前記ヒートパイプの断面形状が円、楕円又は偏平であることを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管の内周面に複数の溝を形成したときにこの隣接する溝間に画定されるフィンの高さＨｆを従来より大きくすると共に、フィン間の溝の底部の幅Ｗｇを小さくして溝底幅を狭小化することにより、吸熱部（蒸発部）及び放熱部（凝縮部）の伝熱管の伝熱性能を向上させることができる。また、本発明においては、フィンの長手方向に直交する断面において、フィンの斜辺と溝底辺とが交差しているか又は０．１ｍｍ以下の曲率半径Ｒで連なっているので、フィンの斜面と溝底面とは鋭く交差している。このため、本発明においては、この交差部を流れる作動流体の輸送効率が高い。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、従来のヒートパイプ用伝熱管のフィン形状（溝形状）を示す断面図である。この図１は、溝が管軸方向に延びる内面溝付伝熱管を管軸に直交する断面で切断し、その一部を切り出し、光学顕微鏡（倍率８０倍）で断面を撮影したものを、トレースした図面である。この図１に示すように、フィンの側面（断面では側辺）と、溝の底面（断面では底辺）とは、一定の曲率半径で湾曲する円弧面（断面では円弧）により連なっている。このフィンと溝底部との間の隅部の円弧の曲率半径は、従来、０．１ｍｍを超えるような大きなものであった。このように、前記円弧の曲率半径が大きかった理由は、製造上の都合である。つまり、伝熱管は通常熱伝導率が高い銅又は銅合金管の内面に溝を形成することにより製造されるが、この管内面に溝を形成する際には、管内に形成すべき溝の反対形状の溝を設けた溝プラグを挿入し、管外に転造ロール又は転造ボールを配置して、管を引き抜き、転造ロール又は転造ボールと、溝プラグとの間で、間を抽伸加工する。これにより、管が転造ロール又は転造ボールにより、溝プラグに向けて押圧され、溝プラグの溝形状が、管内面に転写される。このように、管を構成する材料が溝プラグの溝内に進入して管内面に溝とこの溝間のフィンとが成形され、その後、溝プラグの溝から管のフィンが抜け出ることにより、管内面に溝及びフィンが形成されるので、このような加工がしやすいように、溝プラグのフィンの頭部の隅部（管内面のフィンと溝との境界部に相当）は、比較的大きな曲率半径で湾曲している。つまり、図２に示すように、従来の伝熱管の内面の溝及びフィン形状は、フィン１の側面と、フィン１間の溝の底部２との隅部３が、円弧面となっており、この円弧面の曲率半径Ｒは０．１ｍｍを超えるような大きいものであった。

しかし、本願発明者等が、このような従来の伝熱管をヒートパイプに適用した場合に、作動流体の輸送が円滑でない原因を種々実験研究した結果、図２に示す隅部３が比較的大きな曲率半径の円弧面を有していることが原因であることを見いだした。凝縮後の作動流体４は、この隅部３の滑らかな円弧面に沿って流れるが、この隅部３の表面が滑らかであることにより、作動流体が隅部３の円弧面に濡れやすく、隅部３の表面に沿って広がってしまう。よって、凝縮後の作動流体液膜は、溝に沿って流れるというよりも、溝からフィン側面にかけて滑らかに連なる円弧面に広がってしまい、輸送効率が低下していた。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

本発明においては、図３に示すように、このフィン１の側面と、溝２の底面とが交差する隅部３ａの形状を、フィン１の側面と溝２底面とが円弧面を有しないで交差するものであるか、又は円弧面を有して連なっていても、その曲率半径Ｒが０．１ｍｍ以下となるものにする。このような形状とすることにより、凝固後の作動流体４は、フィン１の側面と溝２の底面とが交差する隅部３ａに集まり、この部分を伝わって、作動流体は吸熱部（蒸発部）に高効率で輸送される。なお、このように、曲率半径Ｒが０．１ｍｍ以下となるようにフィン及び溝の形状を成形する方法は、例えば、管内面に溝を成形する際に、前述の溝プラグをその中心を通るプラグ軸により支持するが、そのとき、溝プラグがプラグ軸に対して回転しやすいように溝プラグをプラグ軸に支持させればよい。これにより、隅部３ａが実質的に湾曲していなくても、溝及びフィンを円滑に成形することができる。

以下に本発明の構成を具体的に説明するが、図４に示すように、管内面のフィン１の高さをＨｆ、溝底面のフィン間の幅をＷｇ、フィン１の山頂角１をαとする。
（１）フィン高さＨｆ
フィン高さＨｆが０．２５ｍｍ未満では、伝熱面積の低下により管内伝熱性能の向上が期待できない。一方、フィン高さＨｆが０．４５ｍｍ以上になると転造工具によるフィン加工が困難である。よって、Ｈｆは、０．２５乃至０．４５ｍｍとする。Ｈｆは０．３０乃至０．４５ｍｍがより望ましく、０．３５乃至０．４０ｍｍが更に望ましい。

（２）溝底幅Ｗｇとフィン高さＨｆの比Ｗｇ／Ｈｆ
溝底幅Ｗｇとフィン高さＨｆの比Ｗｇ／Ｈｆが０．３０未満では、転造工具によるフィン加工が困難になる。また、Ｗｇ／Ｈｆが１．２０を超えると、管内面の伝熱面積の低下により、管内伝熱性能が低下する。従って、Ｗｇ／Ｈｆは０．３０乃至１．２０とする。このＷｇ／Ｈｆは、０．３５乃至１．１５が望ましく、０．４０乃至１．１０が更に望ましい。

（３）フィン側面と溝底面との隅部の曲率半径Ｒ
フィン１の側面と溝２底面とが円弧面を有しないで交差するものであるか、又は円弧面を有して連なっていても、その曲率半径Ｒが０．１ｍｍ以下となるものにする。つまり、フィン１の側面と溝２底面との隅部３ａの曲率半径Ｒは、０乃至０．１０ｍｍとする。フィンと溝底部との隅部の曲率半径Ｒが０．１０ｍｍを超えると、フィン根元部付近における凝縮液膜の保持効果が小さくなり、凝縮液（作動流体４）の輸送効率が低くなる。そこで、本発明においては、この隅部３ａの曲率半径Ｒを０．１０ｍｍ以下とすることにより、作動流体４がこの隅部３ａに集まり、この隅部３ａを流れて高効率で輸送される。曲率半径Ｒは０を含むものであり、この場合は、フィン１の側面と溝２底面とが円弧面を有しないで交差する。

このフィンと溝底部との隅部の曲率半径Ｒが０．０５ｍｍ以下になると、フィン根元部と溝底部とが直線的に交差し、その部分における凝縮液膜の保持量が増大し、作動流体の輸送効率が更に一層向上する。よって、曲率半径Ｒは０．０５ｍｍ以下が好ましく、更に、曲率半径Ｒは０により近い方が望ましい。

なお、曲率半径Ｒが０に近い方が好ましいが、フィン側面と溝底部とのなす角度も小さい方が望ましく、このため、フィンの長手方向に直交する断面において、フィンの山頂角を３５°以下とすることが好ましい。また、このフィンの山頂角は２５°以下が更に好ましく、更に好ましくは２０°以下にする。

（４）リード角θ
リード角θとは、図６に示すように、管内面の溝が管軸方向に平行の方向に対してなす角度である。このリード角θが１０°を超えると、溝が延びる方向が管軸方向に対して大きく傾斜するために、作動流体の移動距離が長くなり、作動流体の輸送効率が低下して性能が低下する。このため、リード角θは０乃至５°が望ましい。リード角θが０の場合は、溝が延びる方向と管軸方向とが平行である。

（５）管外径
作動流体の凝縮液には表面張力と重力が作用し、管内円周方向の凝縮液の広がりは、表面張力と重力とのバランスにより決まる。管外径が小さい方が円周方向に凝縮液が行き渡りやすい。管の外径が１３ｍｍを超えると、作動流体に対して管内円周方向に作用する表面張力の影響が小さくなり、管内下側に流体が溜まりやすく、管内円周方向における伝熱性能が低下する。

（６）伝熱管の材質
ヒートパイプ用伝熱管には、熱伝導率（熱放散性）が優れていることに加え、耐食性が優れていること、加工性が優れていること、ろう付け性が優れていること等の特性が要求される。このヒートパイプ用伝熱管として、銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金を使用することができるが、上述の要求から、特に、銅又は銅合金を使用することが好ましい。

（７）伝熱管の断面形状等
ヒートパイプ用伝熱管は、管の一端を封じた後、少量の冷媒（水、アルコール等）を入れ、開放端より真空引きして減圧状態で他端を封じることにより前記冷媒を管内に封入して、ヒートパイプに加工される。ヒートパイプの断面形状としては、円、楕円、又は偏平形状が一般的である。ヒートパイプにおける半導体装置又はヒートシンクに接触させる部分は、接触面積が大きくなるように、部分的に偏平状に加工することがある。また、ヒートパイプの放熱側には放熱フィンを取付けることがある。

上述の如く構成されたヒートパイプ用伝熱管においては、熱伝達性能が高く、吸熱部（蒸発部）及び放熱部（凝縮部）において高効率で外部との間に熱伝達が生じる。また、本発明においては、フィン側面と溝底面との間の隅部の曲率半径Ｒが０．１０ｍｍ以下であるので、凝縮後の作動流体は、フィンの側面に濡れにくく、前記隅部に集まり、この隅部を伝わって輸送されるので、作動流体を高効率で輸送することができる。

次に、本発明の効果を実証するために行った実験の結果について説明する。外径が１３ｍｍ、底肉厚（溝底部の管の厚さ）が０．７ｍｍ、山頂角θが２５°であって、フィン数、リード角θ、フィン高さＨｆ、隅部の曲率半径Ｒ（溝底部曲率半径）及び溝底幅Ｗｇが異なる種々の内面溝付管を制作し、その伝熱性能を測定した。

図７はヒートパイプの伝熱性能の評価装置を示す図である。吸熱部（蒸発部）ではヒータによりヒートパイプに熱を与え、放熱部（凝縮部）では冷却水の供給によりヒートパイプから抜熱した。ヒートパイプには、少量ではあるが、各実施例及び比較例において同一量の水を封入した。吸熱部（蒸発部）及び放熱部（凝縮部）の長さは、夫々１３０ｍｍである。また、吸熱部（蒸発部）と放熱部（凝縮部）との間は、長さが１００ｍｍであり、この部分は断熱した。ヒートパイプは管軸方向が水平になるように設置した。各吸熱部（蒸発部）及び放熱部（凝縮部）とその間の断熱部において、管の円周方向に３等配の位置に熱電対を設置して、各部での管壁面温度を測定した。そして、放熱部（凝縮部）において、これを冷却する冷却水の流量を水流量計で測定した。但し、この冷却水の流量はほぼ１００リットル／分である。

実施例及び比較例のヒートパイプについて、放熱部（凝縮部）における冷却水の流量と冷却水温度から、ヒートパイプを伝わる熱の量である熱輸送量Ｑを求めた。この熱輸送量Ｑは、Ｗを冷却水流量、Ｔｗｏを冷却水の出口温度、Ｔｗｉを冷却水の入口温度として、Ｑ＝Ｗ（Ｔｗｏ−Ｔｗｉ）で求まる。そして、この熱輸送量Ｑと、吸熱部（蒸発部）の温度Ｔｅと、放熱部（凝縮部）の温度Ｔｃとから、熱抵抗ＲをＲ＝（Ｔｅ−Ｔｃ）／Ｑとして求めた。そして、形状が異なる各実施例及び比較例のヒートパイプの伝熱性能を、熱抵抗により比較評価した。
（１）フィン高さの影響
下記表１は、フィン高さＨｆを種々変えて、実施例及び比較例のヒートパイプの伝熱性能を評価した結果を示す。但し、伝熱性能は、実施例１の熱抵抗に対する熱抵抗の比として、指数表示した。

この表１に示すように、比較例１はフィン高さＨｆが請求項１を満足しないので、伝熱性能が低い。
（２）Ｗｇ／Ｈｆの影響
下記表２は、フィン数を種々変えてＷｇ／Ｈｆを変更し、ヒートパイプの伝熱性能を評価した結果を示す。この伝熱性能は、実施例４の熱抵抗に対する熱抵抗の比として、指数表示した。

この表２に示すように、比較例２はＷｇ／Ｈｆが請求項１を満足しないので、伝熱性能が低いものであった。
（３）溝隅部の曲率半径Ｒの影響
次に、曲率半径Ｒを種々変えて伝熱性能を比較した。その結果を下記表３に示す。但し、伝熱性能は、実施例７の熱抵抗に対する熱抵抗の比として、指数表示した。

この表３に示すように、比較例３は曲率半径Ｒが請求項１の範囲から外れるので、伝熱性能が低かった。また、実施例２乃至８の比較からわかるように、曲率半径Ｒが小さくなるほど、伝熱性能が優れたものとなっている。
（４）リード角θの影響
下記表４は、リード角θを種々変えて伝熱性能を比較した結果を示す。但し、伝熱性能は実施例９の熱抵抗に対する熱抵抗の比として、指数表示した。

この表４に示すように、比較例４はリード角θが本発明の請求項３の範囲から外れるので、伝熱性能が低かった。

従来のヒートパイプ用内面溝付管の一部断面（管軸に直交する断面）を示す図である。 同じく、従来のヒートパイプ用内面溝付管のフィン及び溝形状を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートパイプ用内面溝付管のフィン及び溝形状を示す断面図である。 本発明の形状寸法の位置を示す図である。 同じく、本発明の形状寸法の位置を示す図である。 同じく、本発明の形状寸法の位置を示す図である。 ヒートパイプの伝熱性能の試験方法を示す図である。

符号の説明

１：フィン
２：溝底部
３，３ａ：隅部
４：作動流体

Claims (4)

1. 管内面に、管軸に平行な線分に対して所定のリード角を有して螺旋状に延びるフィンが管軸方向に所定ピッチで形成されたヒートパイプ用伝熱管において、
   このヒートパイプ用伝熱管は、作動流体を封入し、一端部が熱を吸収する吸熱部、他端部が熱を放出する放熱部となり、前記作動流体が前記吸熱部と前記放熱部との間を対向流の形で往復循環する間に、前記吸熱部から前記放熱部に熱を伝えるものであり、
   前記フィンの高さをＨｆ、前記フィンの長手方向に垂直の方向の断面において隣接するフィン間に形成される溝の底部の幅をＷｇとしたとき、Ｈｆは０．３０乃至０．４５ｍｍ、Ｗｇは０．１７乃至０．３７ｍｍ、Ｗｇ／Ｈｆは０．３０乃至１．２０であり、前記断面において前記フィンの斜辺と溝底辺とが交差しているか又は０．０５ｍｍ以下の曲率半径Ｒで連なっており、前記リード角が０乃至１０°であることを特徴とするヒートパイプ用伝熱管。
2. 管外径が１３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ用伝熱管。
3. 前記ヒートパイプ用伝熱管の材質が銅又は銅合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ用伝熱管。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートパイプ用伝熱管に冷媒を封入したヒートパイプであって、前記ヒートパイプの断面形状が円、楕円又は偏平であることを特徴とするヒートパイプ。

Images