JP5026809B2 - 均熱構造体 - Google Patents

Description

この発明は、内部圧力の異常な上昇を防止する、ヒートパイプが金属製の円筒状管に挿入された均熱構造体に関する。

ヒートパイプの周囲に伝熱部材を配置した熱交換器が用いられている。このような熱交換器においては、例えば、丸型ヒートパイプの外径よりも大きい内径の挿入孔を有する伝熱部材の挿入孔にヒートパイプを挿入して、所定の温度で加熱してヒートパイプを伝熱部材の内壁に密着させている。

伝熱部材の挿入孔にヒートパイプを挿入する方法が、特許公報第２６７４２９１号に記載されている。即ち、第１の熱膨張率を有する金属の容器内に所定の加熱温度において液相が残存しない量の作動液を封入して所定の外径を有するヒートパイプを加工し、第１の熱膨張率より大きい熱膨張率を有する金属によってヒートパイプの外径より大きい内径の挿入孔を有する伝熱部材を加工し、伝熱部材の挿入孔にヒートパイプを挿入し、全体を作動液の蒸気圧がヒートパイプ容器の破裂強度と等しくなる値以下の温度で加熱してヒートパイプ容器を塑性変形させ、この塑性変形によってヒートパイプを伝熱部材の内壁に密着させる。
このように製造されたヒートパイプをモータのシャフトに適用した例が特開昭５９−１１０４３２号公報に示されている。

ヒートパイプは、密閉されたコンテナの内部から空気等の非凝縮性ガスを真空排気した後、水やアンモニア等目標とする温度で蒸発および凝縮する流体を作動流体として注入し、更に金網や細溝等の毛細管圧力を生じさせるウイックを密閉されたコンテナの内部に設けたものである。ヒートパイプの所定の一部分に熱を加えられ、その熱によって作動流体が蒸発し、その蒸気は温度および圧力の低い部分に流れて放熱し、液化する。

その結果、ヒートパイプの一部に与えられた熱は、主に作動流体の潜熱として輸送される。また作動流体の凝縮が生じる部分ではウイックにおいて毛細管圧力、重力その他により元の部分即ち蒸発の生じる箇所へ還流する。このようにヒートパイプにおいては、その内部で作動流体が蒸発および凝縮を繰り返し行いつつ循環流動することによりその潜熱として熱輸送を行うので、見掛け上の熱伝導率は銅などの金属に比べて数十倍から数百倍と高く、しかも外部動力を必要とせずに機能させることができる。
ヒートパイプの異常昇温による破裂防止策が実開昭６３−９０７７０号公報に開示されている。即ち、コンテナの外側面に凹部を形成し、形成された凹部に低融点合金を充填している。
特許公報第２６７４２９１号 特開昭５９−１１０４３２号公報 実開昭６３−９０７７０号公報

実開昭６３−９０７７０号公報に開示されたヒートパイプを利用した排熱回収装置においては、両面開放の箱状ケーシングに囲まれた空間内に、多数本のヒートパイプが、中間の仕切板と両端の側板とを貫通して横架状態に設置され、高温の排気が流れる排気通路側にヒートパイプの蒸発部を、低温の給気が流れる給気通路に凝縮部を臨ませている。

しかし、上述した排熱回収装置におけるヒートパイプのコンテナに形成された凹部に低融点合金が充填される構造であるので、構造が複雑で製造工程が増え、更に、特にコンテナの本体部を外周側から密接して覆った状態で使用する場合には、凹部により強く圧力が集中するので、コンテナの破壊に先立ち溶融した低融点合金が周囲に飛散し、周辺関連機器の汚染、流通空気の汚染等が生じる恐れがある。

従って、この発明の目的は、ヒートパイプの本体部を外周側から密接して覆った状態で、高温で使用する場合においても、内部の蒸気圧をコンテナの所定の場所で安定してリークすることができる、ヒートパイプおよび均熱構造体を提供することにある。

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、金属製円筒状管内に密着してその全長にわたって挿入された丸型ヒートパイプの本体部の一部の肉厚を薄くするのではなく、丸型ヒートパイプの封止・溶接部を備えた半球状の端末部と本体部の境界近傍に切り欠き部分を形成すると、コンテナ内部の圧力が所定の圧力を超えて上昇した場合に、予め設定した切り欠き部分が優先的に破損して安定して圧力を抜くことができるので、コンテナ内部の圧力の異常上昇を防ぐことができることが判明した。

安定して圧力を抜くためには、切り欠き部位、および切り欠きの形状が重要であり、特に、端末部の外周面の接線に平行に切削し、本体部の長軸線と切り欠き面とで形成される切り欠き角度が０から３０度の範囲内であるときに、安全に圧力を抜くことができることが判明した。更に、切り欠き角度が５から１５度の範囲内であるときには、リーク温度精度が更に安定し圧力を抜くことができ、切り欠きの加工性度に多少のバラツキがあった場合でもで、支障なく圧力を抜くことができ、好ましい。
即ち、端末部の外周面の一部に上述した範囲の切り欠き角度で切り欠き（スライス）を設けると、スライス部での破壊位置のバラツキを小さくできると共に、スライス部の中央で破壊が始まることが判明した。
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明のヒートパイプの第１の態様は、金属管にほぼ全長が挿入されるヒートパイプであって、前記ヒートパイプを構成するコンテナは、本体部と略半球状の端末部とを備え、前記本体部の形状がほぼ直線状の円筒形状であり、前記コンテナの内部には作動流体が封入されており、前記端末部には犠牲的優先破壊部が設けられており、前記犠牲的優先破壊部は、前記端末部の外周面の接線にほぼ並行な方向に形成された切り欠き面が概ね円形状の切り欠きからなっており、前記コンテナの長軸線と前記切り欠きの切り欠き面との間の角度が５から１５度であり、前記ヒートパイプが前記端末部も含めて前記金属管に挿入されたとき、前記切り欠きは、前記金属管の内壁に対向するように設けられることを特徴とするヒートパイプである。

この発明の均熱構造体の１つの態様は、上述した本発明のヒートパイプが当該ヒートパイプの端末部も含めて金属管に挿入されて形成されている均熱構造体である。

この発明のドラムの１つの態様は、上述した本発明の均熱構造体を用いた複写機、印刷機または紡織機械用のドラムである。

この発明によると、複雑な構造を準備することなく、ヒートパイプの本体部を外周側から密接して覆った状態で、高温で使用する場合においても、ヒートパイプ（コンテナ）の所定の場所に切り欠きを設けるだけで、内部の圧力をリークする際のリーク温度のバラツキを小さくして、安定して内部の圧力を抜くことができる。端末部を含み全体が金属製の円筒状管に覆われている（端末部は接触していない）ので、漏れ出た作動流体が周囲に飛散することはないので、周辺機器を汚染することはない。

この発明のヒートパイプおよび均熱構造体の各種実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートパイプの１つの態様は、金属管にほぼ全長が挿入されるヒートパイプであって、前記ヒートパイプを構成するコンテナは本体部と略半球状の端末部とを備え、前記コンテナの内部には作動流体が封入され、前記端末部と前記本体部の境界部近傍に犠牲的優先破壊部を設けたヒートパイプである。本体部は直線状でもよく、湾曲状や曲げ部分を備えていてもよい。

図１は、この発明のヒートパイプを備えた均熱構造体の１つの態様を説明する断面図である。図１（ａ）に示すように、この発明の均熱構造体１は丸型ヒートパイプ３（扁平部があってもよい）と金属製円筒状管２とからなっている。直線状（曲げがあってもよい）の本体部４と本体部の端末に形成された端末部５を備えているコンテナ３が、金属製の円筒状管２の中に挿入されている。端末部は封止のための溶接部のほか、凹み等があってもよい。ヒートパイプと金属製の円筒状管とは拡管で密着させる他、伝熱性のゴムやグリスを介在させてもよい。挿入は、コンテナの全体が金属製の円筒状管の中に納まるような状態で行われている。即ち、端末部５およびその中央先端部に形成された封止・溶接部６が完全に円筒状管２の中に収められている。コンテナ３と円筒状管２との間は、熱伝導が良好なように、コンテナの本体部を外周側から密接して覆った状態である。なお、密着は密着効果を高めるため伝熱材が間に介在してもよい。
図１（ｂ）にコンテナの直線状の本体部４と本体部の端末に形成された端末部５を一例として示す。

図２はコンテナ内の圧力の状態を説明する図である。図２に示すように、本体部内では垂直方向にσ２＝ｐＲ／ｔの圧力が働く。本体部内の水平方向には、σ１＝ｐＲ／２ｔの圧力が働く。端末部にはσＲ＝ｐＲ／２ｔの圧力が働く。
直線状の本体部が、その外周部を覆われていない場合には、本体部内の垂直方向の圧力σ２＝ｐＲ／ｔが最も大きくなり、異常昇温によって、本体部において破損が生じる。従って、破損片が飛散する可能性は低い。なお、上述の応力式の記号はｐ：圧力、Ｒ：半径、ｔ：肉厚を意味する。

これに対して、直線状の本体部が、その外周部を密着して覆われた場合には、外周部を覆う金属製の円筒状管によって補強されるので、本体部内の垂直方向の圧力σ２＝ｐＲ／ｔが軽減され、本体部内の水平方向の圧力σ１＝ｐＲ／２ｔまたは端末部の圧力σＲ＝ｐＲ／２ｔの方が大きくなり、これらの圧力によって破損が生じる。しかし、コンテナの加工上、端末部の肉厚ｔが厚くなるため、端末部の圧力σＲ＝ｐＲ／２ｔよりも本体部内の水平方向の圧力σ１＝ｐＲ／２ｔの方が大きくなり、この本体部内の水平方向の圧力σ１＝ｐＲ／２ｔによって端末部が破断して飛散する恐れがある。

従って、犠牲的優先破壊部分として、直線状の本体部ではなく、端末部に薄肉部を形成して、ヒートパイプ（コンテナ）の強度を補完する金属製円筒状管で覆われた場合においても、安全に破壊することが重要である。直線状の本体部に例え犠牲的優先破壊部分を形成しても、金属製の円筒状管によって外周部を補強されているので、異常昇温によって圧力が上昇しても犠牲的優先破壊部分で破壊が生じないという状態が起きる。
この発明の均熱構造体は、コンテナの端末部および／またはその近傍に形成された犠牲的優先破壊部を備えている。

コンテナよりも長い外周部材、例えば金属製の円筒状管内に、コンテナを挿入して取り付け、外周部材の均熱を目的に２００℃以上の温度で使用するこの発明の均熱構造体では、ヒートパイプの直線状の本体部の両端部にある端末部が概ね半球形状で、端末部の中央先端部には製造上の封止部を有し、直線状の本体部が一定の肉厚を有している。ヒートパイプの端末部の一部または端末部の一部とその近傍の直線状の本体部の一部にかけて連続した、所定の切り込み形状の切り込みを少なくとも１個施して、内部の圧力をリークする際のリーク温度のバラツキを小さくする。

図３は犠牲的優先破壊部の１つの態様を説明する断面図である。図３に示すように、この態様では、ヒートパイプの軸線に概ね平行に、端末部の一部および直線状の本体部の一部に連続的に切り込みを入れて、犠牲的優先破壊部を形成している。この態様は、２００℃から３００℃の温度で破損リークを行う場合に適している。なお、この態様は、２００℃以下の温度でも使用することができる。

図４は犠牲的優先破壊部の他の１つの態様を説明する断面図である。図４に示すように、この態様では、直線状の本体部の近傍で、端末部の一部に切り込みを入れて、犠牲的優先破壊部を形成している。即ち、端末部の外周面の接線に平行に切り込んでいる。切り込み形状が円形状になっている。この態様は、３００℃から４００℃の温度で破損リークを行う場合に適している。特に、リーク温度のバラツキを小さくする効果を備えている。

この態様の詳細を図６に示す。図６に示すように、直線状の本体部４と端末部５の境界近傍の端末部５の外側の曲面に、本体部の長軸方向と所定の切り欠き角度（θ）で、切り欠き厚さｔｏで切込みを入れる。切込みを入れた部分の形状は概ね円形であるが切り欠きの一部は円筒胴にまたがっている。切り欠き角度は、０から３０度の範囲であればよく、５から１５度の範囲であればより好ましい。特に切り欠き角度は概ね１０度程度のときが、内部の圧力をリークする際のリーク温度のバラツキを小さくすることができ、安定して圧力を抜くことができる。この発明では、上述したように、ヒートパイプ（コンテナ）の所定の場所に切り欠きを設けるだけで、内部の圧力をリークする際のリーク温度のバラツキを小さくして、安定して内部の圧力を抜くことができる。

しかも、端末部を含み全体が金属製の円筒状管に覆われている（端末部は接触していない）ので、漏れ出た作動流体が周囲に飛散することはないので、周辺機器を汚染することはない。
なお、この態様は、端末部で肉厚が変化し厚みが一定の場合、および、端末部が絞り加工などで形成される場合に肉厚が一定せず、先端に向けて厚くなる場合に、適している。

図５は、犠牲的優先破壊部の他の１つの態様を説明する断面図である。図５に示すように、直線状の本体部４と端末部５の境界近傍の端末部５の外側の曲面に、本体部の軸線と平行に切り欠き加工をおこなって切り欠き部７を形成している。この態様は、３００℃から４００℃の温度で破損リークを行う場合に適している。更に、端末部で肉厚が変化し厚みが一定の場合に適している。

図７は１つのヒートパイプの先端部の断面図である。この態様では、端末部が絞り加工などで形成されて肉厚が一定せず、先端に向けて厚くなっている状態を示している。
この発明の均熱構造体は、上述したヒートパイプが金属管に挿入されて形成されている均熱構造体である。この発明のドラムは、上述した均熱構造体を用いた複写機、印刷機または紡織機械用のドラムである。ドラムはローラとも呼ぶ。
なお、均熱構造体は、ロール自体が使用上回転する場合が多いが回転してない場合 に使用されてもよい。また、ＨＰ扁平カシメ構造の均熱プレートや、金属管が１部のみＨＰを覆う場合などであってもよい。

この発明の均熱構造体では、内部の圧力をリークする際のリーク温度のバラツキを小さくすることによって、切り欠き部においてより安定して内部の圧力を抜くことが重要である。この発明の均熱構造体では、上述したように、端末部の一部および直線状の本体部の一部に連続的に切り込みを入れて、犠牲的優先破壊部を形成する、または、直線状の本体部４と端末部５の境界近傍の端末部５の外側の曲面に、本体部の長軸方向と所定の切削角度で、切り欠き厚さで切込みを入れて、犠牲的優先破壊部を形成するので、切り欠いた部分の中央で破壊が始まっている。

この発明によると、複雑な構造を準備することなく、ヒートパイプの本体部を外周側から密接して覆った状態で、高温で使用する場合においても、ヒートパイプ（コンテナ）の所定の場所に切削を施すだけで、内部の圧力をリークする際のリーク温度のバラツキを小さくして、安定して内部の圧力を抜くことができる。端末部を含み全体が金属製の円筒状管に覆われている（端末部は接触していない）ので、漏れ出た作動流体が周囲に飛散することはないので、周辺機器を汚染することはない。

図１は、この発明の均熱構造体の１つの態様を説明する断面図である。 図２は、コンテナ内の圧力の状態を説明する図である。 図３は、犠牲的優先破壊部の１つの態様を説明する断面図である。 図４は、犠牲的優先破壊部の他の１つの態様を説明する断面図である。 図５は、犠牲的優先破壊部の他の１つの態様を説明する断面図である。 図６は、図４に示したこの発明の犠牲的優先破壊部の他の１つの態様の詳細を説明する図である。 ヒートパイプの先端部の断面図である。

符号の説明

１ この発明の均熱構造体
２ 金属製の円筒状管
３ ヒートパイプ（コンテナ）
４ 本体部
５ 端末部
６ 封止・溶接部
７ 切り欠き部

Claims (3)

1. 金属管にほぼ全長が挿入されるヒートパイプであって、
   前記ヒートパイプを構成するコンテナは、本体部と略半球状の端末部とを備え、
   前記本体部の形状がほぼ直線状の円筒形状であり、
   前記コンテナの内部には作動流体が封入されており、
   前記端末部には犠牲的優先破壊部が設けられており、
   前記犠牲的優先破壊部は、前記端末部の外周面の接線にほぼ並行な方向に形成された切り欠き面が概ね円形状の切り欠きからなっており、前記コンテナの長軸線と前記切り欠きの切り欠き面との間の角度が５から１５度であり、
   前記ヒートパイプが前記端末部も含めて前記金属管に挿入されたとき、前記切り欠きは、前記金属管の内壁に対向するように設けられることを特徴とするヒートパイプ。
2. 請求項１に記載のヒートパイプが当該ヒートパイプの端末部も含めて金属管に挿入されて形成されている均熱構造体。
3. 請求項２に記載の均熱構造体を用いた複写機、印刷機または紡織機械用のドラム。

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