JP5243831B2

JP5243831B2 - ヒートパイプ用内面溝付管及びヒートパイプ

Info

Publication number: JP5243831B2
Application number: JP2008094016A
Authority: JP
Inventors: 伸明日名子
Original assignee: 株式会社コベルコマテリアル銅管
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009246290A

Description

本発明はパソコンの中央演算処理装置（ＣＰＵ）等の放熱・冷却に用いられるヒートパイプとして使用され、水を冷媒（作動液）として用いる内面溝付管及びその内面溝付管を加工して作られるヒートパイプに関する。

近時、パソコンの高速化に伴いＣＰＵの発熱量が大きくなり、ＣＰＵの冷却に使用されるヒートパイプに高伝熱性能が求められている。更に、携帯性の要求からノート型パソコンの薄肉化が進められている。このように発熱量の大きな薄肉化されたノート型パソコンへの内蔵の必要性から、ヒートパイプには銅又は銅合金製の伝熱管の内面に溝を設け、溝間の突起としてのフィンを形成することにより、伝熱管と冷媒（作動液）である水との接触面積を増やすことによって伝熱性能を向上させた内面溝付管が使用されている。この内面溝付管は、偏平加工してヒートパイプに供される。図３（ａ）は偏平加工された内面溝付管の断面図、（ｂ）は、偏平加工された内面溝付管の曲線部を示す断面図である。図３に示すように、内面溝付管１は偏平加工されることにより、管軸直交断面において半円形の曲線部１１ｂを直線部１１ａで結んだ形状となる。そして、曲線部１１ｂの管内面における曲率半径は、元の内面溝付管の内半径より小さくなっている。そのため、管の曲線部にあるフィン同士は接近し、曲線部におけるフィン間の溝の幅は狭まり、曲線部の溝部、特に曲線部中央付近の溝部断面積は小さくなる。そのため、溝部に保持できる作動液量が減少するとともに作動液の流れは阻害される。

ヒートパイプ内の作動液は気体と液体の状態で存在する。作動液はＣＰＵ等の熱源（蒸発部側）付近で管壁から熱を奪い、液体から気体となる。そのため蒸発部側の圧力が高くなり、気体となった作動液は圧力の低い放熱部側（凝縮部側）へ管断面中心部を流れる。放熱部側に流れた気体は熱を管壁に放出し、気体から液体となり、毛細管力によって溝部を凝縮部側から蒸発部側へと流れる。

従来、ヒートパイプには溝部が管軸に対するリード角を有し、フィン根元に傾斜部を持つことにより、作動液が溝部を凝縮部から蒸発部へと流れやすくしている内面溝付管が使用されている。

例えば、特許文献１には、互いに平行に延びる多数の突条が金属管内面に形成され、これらの突条が隣接する１対ずつ互いに接近する方向に傾斜させられ、対をなす突条の間には開口幅が底幅以下の管状溝が形成されるとともに、対をなさない突条の間には底幅よりも開口幅が広い幅広溝が形成されることで、蒸発管として使用される際には管状溝内部に気泡が発生しやすく、この気泡が核となって熱媒液体の蒸発を促進し、凝縮管として使用される際には開口幅の広がった幅広溝で液膜が生じにくく、液膜による管内面と熱媒気体との熱交換が阻害されないようにした、冷媒として例えばＲ−１１を使用する空調装置や冷蔵庫等の熱交換器用内面溝付伝熱管が提案されている。更に、この内面溝付伝熱管の製造方法として、多数の平行溝を有する第１のプラグを金属管に通し、金属管内面に多数の突条を形成した後、この突条を１対ずつ収容しうる平行溝を有する第２のプラグを管内に挿入して、管内に形成された突条の隣接する１対ずつを互いに接近させる方向に傾斜させる手法が開示されている。

また、特許文献２には、管軸に平行またはリード角を有する複数本のＵ字状の主溝及び主溝に対して交差角を持つ複数本のＶ字状の副溝を圧延加工によって断続的に板材に施し、その後ロールフォーミングによって溝成形面を内側に向けて円弧状に丸め、電縫加工によって管体にした内面溝付管が提案されている。また、成形されたＶ字状のフィンが溝上部の開口幅を部分的に狭めて管状溝を形成し、管状溝内に気泡が発生しやすくして、この気泡が核となって蒸発を促進することによって気化効率を高め、更に、溝内での表面張力による作動液の輸送効率が向上することが開示されている。

また、特許文献３には、管軸に平行またはリード角を有する複数本の主溝を圧延加工によって板材に施した後、主溝と一定角度で交差するＶ字状の副溝を間欠的に板材に施し、その後ロールフォーミングによって溝成形面を内側に向けて円弧状に丸め、電縫加工によって管体にした内面溝付伝熱管が提案されている。また、管内面に形成される主溝とＶ字溝の交差部では、主溝間に形成される突条がＶ字溝によって分割されて左右に傾斜した傾斜壁が形成され、隣接する傾斜壁の間には底部よりも開口幅が小さい管状溝が間欠的に形成され、突条のみが形成された領域と管状溝が形成された領域とが交互に形成されることで、管状溝内では作動液の気泡が発生しやすくし、突条のみが形成された領域では気泡が滞留しないようにして、作動液の流速が大きい場合においても熱媒流体と伝熱管との伝熱効率低下が少なくなることが開示されている。

特開平５−１０６９９１号公報特開平３−２３４３０２号公報特開平６−１０１９８６号公報

しかしながら、前述の従来技術には以下のような問題点がある。特許文献１に提案されている内面溝付管は、内面溝付管に偏平加工を施して、直線部及び曲線部を有する形状とし、水を冷媒（作動液）として使用するヒートパイプとして用いる場合においては、偏平管の曲線部にあるフィン同士が接近し、曲線部におけるフィン間の溝の幅が狭まって作動液の流路として有効に活用できなくなる場合がある。そのため、蒸発部側に作動液が不足してドライアウトしやすく、冷却性能が十分に得られない。また、特許文献１に例示された内面溝付管はリード角が大きいため、管内面に溝加工を施す際、溝付プラグ外面の溝と管の引き抜き方向とがなす角度が大きくなり、溝付プラグの損耗が大きく、加工性が悪く、加工コストが大きくなる。

また、特許文献２及び３に記載の内面溝付管は、板材に圧延による溝加工及びロールフォーミングを施した後、電縫加工によって管に成形するため、管内面に電縫加工による溶接部が生じてしまい品質上安定しないという欠点を有している。更に、管内面に形成されるフィンの形状が管軸方向に変化するため、製品として伝熱性能が安定しない場合が多く、品質を保証し難いという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、加工性及び生産性に優れ、品質上も安定し、更に、冷却性能に優れたヒートパイプ用内面溝付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内面溝付管は、管内面に管軸方向と平行又は傾斜する方向に伸びるフィンが形成された銅又は銅合金製のヒートパイプ用内面溝付管において、前記管の外径が４乃至１０ｍｍ、前記フィンの管軸に対するリード角βが０乃至２０°であり、更に、前記フィンは隣接する１対ずつが互いに接近する方向に傾斜し、管の中心から前記フィンの互いに接近した斜面に引いた２本の接線の前記斜面との２接点間の距離をｓとするとき、前記フィンの高さＨが０．０５乃至０．３ｍｍ、前記フィンの根元幅Ｌ_１が０．１０乃至０．２５ｍｍ、前記フィン間に形成される溝底幅Ｌ_２が０．１０乃至０．３５ｍｍ、前記接点間距離ｓと前記溝底幅Ｌ_２の比ｓ／Ｌ_２が０．８５以下であり、更に、前記フィンは、管内面にプラグにより溝形状を転造加工することにより、管内面に形成されたものであり、そのフィン形成の際、前記プラグに設けられた転造用フィンの頂部と前記転造用フィンの斜面との境界部における曲率半径を、前記転造用フィンの高さよりも小さくすることにより、管軸直交断面において、連続して並ぶ５個のフィンの内２個以上の割合で、前記フィンの頂部から前記溝底にかけて形成される斜面の片側又は両側に管軸と平行に切り欠き状の凹みが形成されていることを特徴とする。このとき、本発明における前記フィン高さＨは、溝底を基準としてフィン頂部の最も高い位置までの高さである。また、フィン根元Ｌ_１幅は、管軸直交断面においてフィンの両斜面と溝底面の交点がなす間隔であり、溝底幅Ｌ_２は管軸直交断面において隣接するフィンの斜面と溝底面との交点がなす間隔である。

更に本発明に係るヒートパイプは、前述のヒートパイプ用内面溝付管を、その円形断面を偏平状に成形したものであり、冷媒（作動液）として水を使用することを特徴とする。

本発明のヒートパイプ用内面溝付管によれば、管内面に形成されるフィンを１対ずつ互いに接近する方向に傾斜させたことで、フィン間に管状溝が形成されて、液体の作動液が凝縮部側から蒸発部側へと毛細管力によって流れやすくなり、更に、フィン根元部分が傾斜させられて鋭角となるため、毛細管力が高く、偏平加工されて用いられる場合においても、作動液の循環を保つことができる。更に、フィン斜面に切り欠き状の凹みを設けたことで性能が向上する。つまり、蒸発部では切り欠き状の凹みが気泡の起点となって核沸騰が起こりやすくなり、最大熱容量が増加する。また、凝縮部及び凝縮と蒸発の中間域においては、切り欠き状の凹みが作動液を毛細管力で蒸発部側へと流れやすくし、熱抵抗が低下する。更に、本発明のヒートパイプ用内面溝付管は、管内に形成されるフィンの形状が管軸方向に均一であるため品質上安定している。更に、成形される溝の管軸に対するリード角が小さいため、管内面に溝を設ける際に溝付プラグの損耗を抑えられ、加工性、生産性に優れている。

また、本発明のヒートパイプ用内面溝付管を偏平加工して、水を作動液として使用するヒートパイプとして用いる場合においては、管内面に溝付プラグにより溝形状を転造加工することにより、溝を成形した場合は、電縫加工による溶接部がないため品質上安定しており、また、成形される溝の管軸に対するリード角が小さいため、偏平加工された場合においても冷却性能を保つことができる。

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及び８は本発明の実施形態に係るヒートパイプ用内面溝付管における、管軸直交断面での内面溝付管の一部を示す断面図、図２は内面溝付管の管軸平行断面における断面図、図４は本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管の製造装置の一部を示す断面図、図５は本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管のタンデム転造過程における、第２の溝付プラグ及び内面溝付管及び転動ボールの一部を示す断面図、図６及び図７は、本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管を偏平加工後に管軸方向に曲線部で切断した断面を示す概略図である。

以下、本発明のヒートパイプ用内面溝付管の形状について説明する。

図１及び図２に示すように、ヒートパイプ用内面溝付管は、管１の内面に管軸方向と平行又は傾斜する方向に複数の溝２が螺旋状に形成されており、この螺旋溝２間の突起として螺旋状に伸びるフィン３が形成されている。本発明においては、内面溝付管１の外径は４乃至１０ｍｍ、溝２の管軸に対するリード角βは０乃至２０°である。また、フィン３は隣接する１対ずつが互いに接近する方向に傾斜させられており、管の中心Ｏから互いに接近する方向に傾斜させられた１対のフィン３に向けて延びる接線が相対する側のフィン斜面に接したときの接点Ｐ_１及びＰ_２間の距離をｓとする。このとき、溝底を基準とするフィン３頂部の最も高い位置までの高さＨは０．０５乃至０．３０ｍｍである。更に、フィン３の根元幅Ｌ_１が０．１０乃至０．２５ｍｍ、フィン３の間に形成される溝底幅Ｌ_２が０．１０乃至０．２５ｍｍ、接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２は０．８５以下である。更にまた、連続して並ぶ５個のフィンの内２個以上の割合で、フィン３の頂部から前記フィン間の溝２の底部にかけて形成されるフィン斜面の片側又は両側に管軸と平行若しくは斜面を上る方向若しくは斜面を下る方向に切り欠き状の凹み４を有している。ヒートパイプ用内面溝付管１は、偏平加工を施されると図３（ａ）に示すように、半円形の曲線部１１ｂを直線部１１ａで結ぶ形状となる。偏平加工を施されることによって、前述の接点間距離ｓは直線部１１ａにおいて拡大し、図３（ｂ）に示すように曲線部１１ｂにおいて縮小する。ヒートパイプの蒸発及び凝縮伝熱に寄与するのは、直線部１１ａに形成されたフィンであり、偏平加工を施されることによって直線部１１ａにあるフィン３の接点間距離ｓは拡大する。内面溝付管の接点間距離ｓは、直線部１１ａの溝底部から互いに接近する方向に傾斜させられた１対のフィン斜面に向けて垂直に延びる接線の接点間距離ｓ’に対応する。そしてこの接点間距離ｓ’と溝底幅Ｌ_２との比ｓ’／Ｌ_２は０．０２乃至０．９０であることが望ましい。

以下、上記各数値限定の理由について説明する。

「リード角β：０乃至２０°」
内面溝付管を偏平加工すると、図３（ａ）に示すように、内面溝付管１は直線部１１ａ及び曲線部１１ｂを有する形状となる。この偏平加工した内面溝付管をヒートパイプとして使用する場合においては、図３（ｂ）に示すように管の曲線部にあるフィン同士は接近し、フィン間の溝の幅は狭まるため、溝部を凝縮部側から蒸発部側へと流れる液体の作動液の循環量は減少する。図６及び図７の破線は、偏平加工による曲線部の影響を受けるフィン、実線は偏平加工による曲線部の影響を受けないフィンを示す。また、図６はリード角βが小さい場合、図７はリード角βが大きい場合を示す。図７に示すように、リード角が大きくなるに従って、単位長さ当たりの管において曲線部を通るフィンの数は増えるため、性能は低下する。更に、蒸発部から凝縮部へと流れる蒸気がほぼ管軸に平行な流れであるのに対し、凝縮部から蒸発部へと流れる液体の作動液の流れはリード角によってフィン斜面に垂直な速度成分を持ち、リード角が大きくなるに伴いより強く流れが阻害されてしまう。また、凝縮部で液体となった作動液は毛細管力によって溝底部を蒸発部側へと流れるが、リード角βが大きくなると、作動液の流動長さがそれだけ増大するため流れが遅くなる。そして、作動液の循環量低下により蒸発部側に作動液が不足するとドライアウトしやすくなり、蒸発部側での潜熱による熱の移動が行われる量が減って、急激に冷却性能が低下する。更にまた、リード角が大きいと、管内面に溝を加工する際に溝付プラグの損耗が大きく、加工性が低下し、加工コストが増大する。リード角が２０°を超えると、偏平加工された管において、管の曲線部において溝部面積が減少する頻度が増えて作動液の循環量が減るのに加え、作動液のフィン斜面に直交する速度成分が大きくなり、更に、作動液の流動長さが増大するためドライアウトしやすくなる。このため、管内面の溝の管軸に対するリード角βは０乃至２０°である。

「フィン高さＨ：０．０５乃至０．３０ｍｍ」
本発明において、フィン高さは溝部からフィン頂部までの高さの最大値である。フィン高さが小さいと溝部断面積が小さくなり溝部に保持できる作動液量が減るため、作動液循環量が減り、凝縮部側から蒸発部側へと流れる冷媒（作動液）が蒸発部側に不足してドライアウトを生じ、冷却性能が低下しやすくなる。一方フィン高さが大きいと、ヒートパイプを偏平加工した際に曲線部となる部分で、フィン先端同士が接触する程接近して溝部面積が狭くなり、溝部に保持される作動液の循環量が減り冷却性能が低下する。フィン高さが０．０５ｍｍ未満だと溝部断面積の減少によってドライアウトを生じ、冷却性能が低下する。フィン高さが０．３０ｍｍを超えると、溝部に保持される作動液の循環量が減り冷却性能が低下する。このため、フィン高さＨは０．０５乃至０．３０ｍｍである。

「接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２：０．８５以下」
接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２が大きいことはフィンの接近距離が小さいことを示す。接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２が０．８５を超えると、蒸発部側から凝縮部側へ図８のＣの領域を流れる蒸気と凝縮部側から蒸発部側へとＡの領域を流れる液体の作動液（互いに逆向きの流れ）の接触面積が増えて、液相と気相の間に生じる摩擦が大きくなるため、蒸気及び液体の作動液の流動速度が低下し、ヒートパイプに加工したときの熱交換性能が低下する。ヒートパイプ用内面溝付管を偏平加工してヒートパイプを製作すると、内面溝付管の管軸直交断面における断面形状は、図３に示すように、半円形の曲線部１１ｂを直線部１１ａで結ぶ形状となる。偏平加工を施されることによって接点間距離ｓは、直線部１１ａにおいて拡大し、曲線部１１ｂにおいて縮小する。ヒートパイプの蒸発及び凝縮伝熱に寄与するのは、直線部１１ａに形成されたフィンであり、偏平加工を施されることによって接点間距離ｓは大きくなるため、偏平加工前の内面溝付管において接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２は０であってもよい。従って、接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２は０．８５以下である。また、接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２は０．０１乃至０．８０であることが望ましく、更に、０．０５乃至０．７５であることがより望ましい。

「フィン根元幅Ｌ_１：０．１０乃至０．２５ｍｍ」
フィン根元幅が０．１０ｍｍ未満であると、管内に溝及びフィンを形成する第１の転造工程において、第１の溝付プラグの溝部に管材が充満することが困難となり、フィン成形ができない。フィン根元幅が０．２５ｍｍを超えると、内面溝付管の単位重量が増えるとともに、単位長さあたりに必要な材料が増えるため、コストアップとなる。従って、フィン根元幅Ｌ_１は０．１０乃至０．２５ｍｍである。

「溝底幅Ｌ_２：０．１０乃至０．３５ｍｍ」
溝底幅が減ると、互いに接近する方向に傾斜させられた１対のフィン間に形成された管状溝の断面積が減って、図８に示すＡの領域を毛細管力によって凝縮部側から蒸発部側へと流れる液体の作動液の循環量が減るため、冷却伝熱性能は低下する。溝底幅が広くなると溝部面積が増えて保持しうる作動液の量が増えるため、作動液の循環量が増加して冷却性能は向上するが、溝底幅が広くなりすぎるとメニスカスの高さが低くなって毛細管力が得られなくなる。本発明においては、図８のＢの領域において、管断面の中央部を蒸発部側から凝縮部側へ流れる蒸気と溝部を凝縮部側から蒸発部側へと流れる液体の作動液との接触面積が増えるため、蒸気と液体の作動液との間に生じる摩擦力によって冷媒の循環量が減り、冷却伝熱性能は低下する。また、溝底幅が大きくなるに従いフィン根元幅は小さくなるため、管内に溝及びフィンを形成する第１の転造工程において、第１の溝付プラグの溝部に管材が充満することが困難となり、フィン成形が難しくなる。溝底幅が０．１０ｍｍ未満であると、管状溝の断面積不足によって冷却伝熱性能は低下する。溝底幅が０．３５ｍｍを超えると、管内にフィンを成形することが困難となり、更に、蒸気と液体の作動液の間に生じる摩擦力によって冷却伝熱性能は低下する。従って溝底幅Ｌ_２は０．１０乃至０．３５ｍｍである。

「切り欠き状の凹みを持つ突起の割合：連続する５つの内２つ以上」
フィン斜面に切り欠き状の凹みを設けると、蒸発部では切り欠き状の凹みが気泡の起点となって核沸騰が起こりやすく最大熱容量が増加する。また、凝縮部及び凝縮と蒸発の中間域においては、切り欠き状の凹みが作動液を毛細管力で蒸発部側へと流れやすくし、熱抵抗が低下する。切り欠き状の凹みを持つ突起の割合が連続する５つの内２つ未満であると、最大熱容量の増加及び熱抵抗の低下が十分得られず、切り欠き状の凹みを持つ突起の割合が連続する５つの内２つ以上になると、核沸騰の頻度が大きくなり、毛細管力で作動液を凝縮部から蒸発部側へと供給しやすくなるため冷却効率が高まり、ドライアウトしにくくなる。このため、切り欠き状の凹みを持つ突起の割合は、連続する５つの内２つ以上である。

次に、本発明の実施形態に係るヒートパイプ用内面溝付管の製造方法について説明する。図４に示すように、銅又は銅合金からなる素管１７内に、螺旋状の溝が表面に形成された第１の溝付プラグ９と縮径プラグ７とを連結した状態で挿入し、前記プラグ７の位置において素管外面に接するダイス８を設ける。そして、前記素管１７を引き抜くことにより、縮径ダイス８により前記素管１７を縮径加工すると共に、素管１７を介して縮径プラグ７を素管１７の引抜力に抗してその位置に保持し、第１の溝付プラグ９を連結軸を介してフローティング状態でその位置に保持する。第１の溝付プラグ９は縮径プラグ７と回転可能に連結されており、第１の溝付プラグ９の位置において、管１７の外面に遊星回転するように複数個の転造ボール６又は１対の転造ロールを配置し、この転造ボール６又は転造ロールにより素管１７を若干圧延すると、素管１７内面の管肉が溝付プラグ９の溝内に侵入して素管１７内面に第１の溝付プラグ９の溝に対応するフィン３が形成される。また、第１の溝付プラグ９のフィンの部分が素管１７内面において溝２となり、第１の溝付プラグ９の外面の溝形状が、素管１７内面に転写されてフィン３となる。またこのとき、第１の溝付プラグ９の頂部と溝部斜面との境界部における曲率半径をフィン高さに対して十分小さくすると、第１の溝付プラグ９の頂部と溝部斜面の境界部において管肉の溝付プラグ溝内への侵入が阻害されて、形成されるフィン３の一部は、図１に示すようにフィン３の頂部からフィン３間の溝２の底部にかけて形成されるフィン斜面の片側又は両側に、切り欠き状に管肉が満たされない凹み４が形成される。また、第１の溝付プラグ９の溝に侵入してフィン形状となった素管１７内面の管肉が、転造ロール又は転造ボール６と溝付プラグ９の間を抜ける際、第１の溝付プラグ９によって引き抜きに対して逆方向の抗力を受け、管内面に生成されたフィン３斜面に切り欠き状の凹み４が形成される。

本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管は、タンデム転造によって製造され、図４に示すように、第１の溝付プラグ９によって溝２及びフィン３を設けられた素管１７は、第１の溝付プラグ９と連結された第２の溝付プラグ５及び転動ボール６若しくは転動ロールによって、２度目の転造を施される。図５に示すように、第２の転造工程において設けられる第２の溝付プラグ５は、第１の転造工程にて素管１７内面に形成された複数の溝２に対して一つ置きにフィン５１が配置され、このフィン５１の斜面がなす山頂角は、第１の転造工程にて素管１７内面に形成されるフィン３斜面がなす山頂角よりも大きく設けられている。転造ロール又は転造ボール６によって矢印方向の押圧を受けると、フィン３は溝付プラグ５の溝部５２に１対ずつ収まるとともに、互いに接近する方向に傾斜させられる形状に加工される。その後、製造装置の成形部でさらに縮径されて内面溝付管として仕上げられる。そして、出来上がった内面溝付管１に作動液として水を封入し、厚さ３ｍｍ程度に偏平加工して、ヒートパイプに供される。

本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管は、上述の如く、管の内面に転造加工によって溝（フィン）が成形されて製造されるため、管内面に溶接部がなく、また、フィン形状が管軸方向に均一に形成されるため、圧延加工によって溝を成形した後電縫加工によって管に成形する製造方法に比して品質上安定している。

以下、本発明の実施例の効果について比較例と対比して説明する。下記表１及び表２は、比較例、実施例の形状条件を示す。

この実施例及び比較例のヒートパイプの製造には、外径６ｍｍ、肉厚１．３ｍｍの素管に対し、上述の製造方法で溝（フィン）を形成し、外径４ｍｍ、底肉厚１．０ｍｍに加工した内面溝付管を使用した。この内面溝付管の構成（形状、寸法）を下記表１及び表２に示す。また、実施例及び比較例の内面溝付管について、管の内面に形成されたお互いに接近する方向に傾斜させられた８対のフィンについて接点間距離を計測し、その平均値をその実施例又は比較例の接点間距離ｓとした。

そして、この内面溝付管を長さ２１０ｍｍに切断後、内面を洗浄し油分を除去した。次に、管の一方の端部を口絞り長さ５ｍｍ区間縮径し、ＴＩＧ溶接で塞いだ後、他方の端部を口絞り長さ５ｍｍ区間縮径した。次に、ＴＩＧ溶接していない管端より０．６±０．０１ｃｃ入れた後、水が漏れないよう管を温め、管内の水を蒸発させながら、開口端をＴＩＧ溶接して塞いだ。そして、両端を５ｍｍ区間ずつ縮径され、更に両端をＴＩＧ溶接によって塞がれて長さ２００ｍｍとなった管を、厚さ３ｍｍに偏平加工後、図９に示すように、管端から１００ｍｍの位置にて曲げ半径３０ｍｍでＬ字状に曲げ加工した。この管の寸法は表３に示すとおりである。

図１０は本実施形態の内面溝付管の性能測定に用いた実験装置を示す。ヒートパイプ１１は管端より２５ｍｍの区間を加熱部であるヒーター１２によって加熱した。本実施例においては、ヒーター１２により入力電力３０Ｗにてヒートパイプ１１を１０分間加熱後、Ｔ型熱電対式温度計を用いて加熱部温度、凝縮部温度及び雰囲気温度を測定した。ここで加熱部温度はヒーター１２によって加熱される管端より１０ｍｍ位置１４におけるヒートパイプ１１の表面温度であり、凝縮部温度はヒートパイプ１１のヒーター１２によって加熱されない管端より２０ｍｍ位置１５におけるヒートパイプ表面温度であり、雰囲気温度は実験時の大気温度測定点１６における温度である。

ヒートパイプの性能は、下記数式１及び２にて算出したパラメータを用いて評価する。

ここで、Ｑは管の冷却性能を示すパラメータとして用いる冷却効率であり、ヒーター１２による加熱に対し、加熱部温度の上昇度を示す値である。ここで、Ｔ_ｈは加熱部温度で、加熱される管端より１０ｍｍ位置１４におけるヒートパイプ１１の表面温度、Ｔ_ａは雰囲気温度、Ｗはヒーターによる入力電力である。加熱部温度の上昇が少ない方がヒートパイプの冷却性能に優れるので、Ｑ値が小さい方が冷却性能に優れていると判断できる。

ここで、ΔＴは管の加熱部と凝縮部の温度差で、ヒートパイプのように蒸気と液体が混合して流動する管内流において発生するドライアウトの有無を判断するのに用いる値であり、値が小さいほど性能に優れている。即ち、蒸気の割合が増して液体が管壁を流れることができなくなると、急激に熱伝達率が低下するためにヒートパイプがその役割を果たすことができなくなる。また、Ｔ_ｃは凝縮部温度で、ヒートパイプ１１のヒーター１２によって加熱されない管端より２０ｍｍ位置１５におけるヒートパイプ表面温度である。

この表１及び表２に示すように、実施例１乃至１１はリード角βが本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例３に比して冷却性能に優れている。また、実施例１乃至１１はフィン高さＨが本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例４及び５に比して冷却性能に優れている。また、実施例１乃至１１は接点間距離ｓと溝底幅Ｌ_２との比ｓ／Ｌ_２が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例６に比して冷却性能に優れている。実施例１乃至１１はフィン根元幅Ｌ_１が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例７及び８に比して冷却性能に優れている。実施例１乃至１１は溝底幅Ｌ_２が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例９及び１０に比して冷却性能に優れている。実施例１乃至１１は切り欠き状の凹みを持つ突起の割合が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例１及び２に比して冷却性能に優れている。

本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管における管軸直交断面での内面溝付管の一部を示す断面図である。本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管における管軸平行断面における断面図である。（ａ）は偏平加工された内面溝付管の断面図、（ｂ）は、偏平加工された内面溝付管の曲線部を示す断面図である。本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管の製造装置の一部を示す断面図である。本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管のタンデム転造過程における、第２の溝付プラグ及び内面溝付管及び転動ボールの一部を示す断面図である。本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管を偏平加工後に管軸方向に曲線部で切断した断面を示す概略図である。本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管を偏平加工後に管軸方向に曲線部で切断した断面を示す概略図である。本実施形態のヒートパイプ用内面溝付管における管軸直交断面での内面溝付管の一部を示す断面図である。試験に使用したヒートパイプを示す図である。冷却伝熱性能の試験装置を示す図である。

符号の説明

１：内面溝付管、２：溝、３：フィン、４：切り欠き状の凹み、５：第２の溝付プラグ、６：転造ボール、７：縮径プラグ、８：縮径ダイス、９：第１の溝付プラグ、１０：転造装置、１１：ヒートパイプ、１１ａ：直線部、１１ｂ：曲線部、１２：ヒーター、１４：加熱部温度測定点、１５：凝縮部温度測定点、１６：雰囲気温度測定点、１７：管、１８：管壁、５１：フィン、５２：溝、β：リード角、Ｈ：フィン高さ、ｓ：フィン先端間隔、Ｌ_１：フィン底幅、Ｌ_２：溝底幅、Ｗ：ヒーターによる入力電力、Ｔ_ｈ：加熱部温度、Ｔ_ａ：雰囲気温度、Ｔ_ｃ：凝縮部温度

Claims

管内面に管軸方向と平行又は傾斜する方向に伸びるフィンが形成された銅又は銅合金製のヒートパイプ用内面溝付管において、前記管の外径が４乃至１０ｍｍ、前記フィンの管軸に対するリード角βが０乃至２０°であり、更に、前記フィンは隣接する１対ずつが互いに接近する方向に傾斜し、管の中心から前記フィンの互いに接近した斜面に引いた２本の接線の前記斜面との２接点間の距離をｓとするとき、前記フィンの高さＨが０．０５乃至０．３ｍｍ、前記フィンの根元幅Ｌ_１が０．１０乃至０．２５ｍｍ、前記フィン間に形成される溝底幅Ｌ_２が０．１０乃至０．３５ｍｍ、前記接点間距離ｓと前記溝底幅Ｌ_２の比ｓ／Ｌ_２が０．８５以下であり、更に、前記フィンは、管内面にプラグにより溝形状を転造加工することにより、管内面に形成されたものであり、そのフィン形成の際、前記プラグに設けられた転造用フィンの頂部と前記転造用フィンの斜面との境界部における曲率半径を、前記転造用フィンの高さよりも小さくすることにより、管軸直交断面において、連続して並ぶ５個のフィンの内２個以上の割合で、前記フィンの頂部から前記溝底にかけて形成される斜面の片側又は両側に管軸と平行に切り欠き状の凹みが形成されていることを特徴とするヒートパイプ用内面溝付管。
請求項１に記載のヒートパイプ用内面溝付管を、その円形断面を偏平状に成形したものであり、冷媒（作動液）として水を使用することを特徴とするヒートパイプ。