JP5676205B2 - ループ型ヒートパイプおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子機器などの発熱体を冷却するためのループ型ヒートパイプに関し、さらに詳しく言えば、強制的な循環手段等を用いることなく、作動流体を一定方向に循環させることができるループ型ヒートパイプおよびその製造技術に関する。

電子機器などの発熱体を冷却する方法の１つとして、ヒートパイプを用いた冷却方法がある。ヒートパイプは、金属管の内部に封入された作動液の相変化を利用して熱移動を行う装置であって、空冷式に比べて冷却効率が高いため、コンピュータなどの冷却デバイスとして広く用いられている。

ヒートパイプには、１本の金属管の両端を蒸発部と凝縮部として、熱移動を行うタイプが一般的であるが、これ以外に、金属管の両端をループ状に連結したループ配管の一部に蒸発部と凝縮部を設けて、作動液を循環させるループ型ヒートパイプがある。

例えば特許文献１に示すように、ループ型ヒートパイプは、蒸発部で外部からの熱を吸熱して気化した作動流体が金属管内を移動して行き、凝縮部で放熱されて再び作動流体を液相に戻すことで、冷却サイクルが生まれる。このループ型ヒートパイプは、作動流体が加熱気化する際の気化圧によって作動液がループ回路内を循環することで、連続して冷却を行うことができる。

しかしながら、従来のループ型ヒートパイプには、次のような問題があった。すなわち、ループ型ヒートパイプは、ポンプなどの循環手段を持たずに作動流体がループ回路を一方向に移動する仕組みであるが、配管長さや設置する場所や向きなどの条件によっては、作動流体が一方向に循環しにくくなり、冷却に不具合を生じることがあったため、作動流体を確実に一方向に循環させるには、仕様に応じて細かな設計変更が必要であった。

特開２００９−１６８２７３号公報

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、ポンプなどの強制循環手段を必要とすることなく、作動流体を一定方向に安定して循環させることができるループ型ヒートパイプおよびその製造技術を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。請求項１に記載の発明は、蒸発器の流出側と凝縮器の流入側とが蒸気側配管を介して連結され、上記蒸発器の流入側と上記凝縮器の流出側とが液側配管を介して連結されたループ回路を有し、上記ループ回路内を所定の作動流体が一定方向に向かって循環するループ型ヒートパイプにおいて、
上記蒸発器は、流入側の熱伝導率が低く、流出側の熱伝導率が高くなるように、熱伝導率の異なる少なくとも２種類の金属管を連結した熱勾配を有する蒸発管からなり、上記蒸発管の内部にはウィックが充填されており、上記流入側の金属管の内径が、上記流出側の金属管の内径よりも小径であり、上記流入側の金属管内のウィック分布密度が上記流出側の金属管内のウィック分布密度よりも高められていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記ウィックは、金属繊維製の綿状体からなることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記ウィックは、上記蒸発管の内容積比で空隙率が５０％以上となるように充填されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、上記請求項１ないし３のいずれか１項において、上記蒸発管は、少なくとも２以上が並列に配管されており、各蒸発管の流出側には、上記作動流体を集めるマニホールドが設けられており、上記マニホールドに上記蒸気管が接続されていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、上記請求項１ないし４のいずれか１項において、上記蒸発器の流入側には、上記作動流体を貯留しておくための貯留器が設けられており、上記貯留器の内部にも上記ウィックが充填されていることを特徴としている。

本発明には、ループ型ヒートパイプの製造方法も含まれる。すなわち、請求項６に記載の発明は、蒸発器の流出側と凝縮器の流入側とが蒸気側配管を介して連結され、上記蒸発器の流入側と上記凝縮器の流出側とが液側配管を介して連結されたループ回路を有し、上記ループ回路内を所定の作動流体が一定方向に向かって循環するループ型ヒートパイプの製造方法において、
上記蒸発器は、内径と熱伝導率とが異なる第１および第２の２種類の金属管を連結した熱勾配を有する蒸発管からなり、綿状に形成されたウィックを、外径が大径側の熱伝導率が高い第２の金属管の内径よりも小径で、かつ、少なくとも上記蒸発管の始端から終端までの長さを有する棒状に圧縮した状態で上記第１の金属管内にその一端側から挿通し、上記ウィックが突き出されている上記第１の金属管の他端側を、上記ウィックとともに上記第２の金属管内に差し込んで、上記金属管同士の継ぎ目を塞ぐことを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、上記請求項６において、上記金属管同士を連結したのち、上記金属管の一部を押し潰して、被発熱体に接触させるための吸熱面を形成することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、蒸発器を熱伝導率の異なる少なくとも２種類の金属管を、流入側の熱伝導率が低く、流出側の熱伝導率が高くなるように連結して、かつ、内部にウィックを充填したことにより、蒸発器の内部に熱勾配が生まれ、発熱体の熱が熱伝導率の低い金属管に伝播しにくくなるため、作動流体が逆流するすることなく、一方向に循環させることができる。また、蒸発管を内径の異なる少なくとも２種類の金属管を連結して形成することにより、小径の金属管内のウィックの分布密度が、大径の金属管内のウィックの分布密度よりも高められるため、これによっても作動流体の逆流を防ぐことができる。また、小径の金属管を流入側に配置することで、蒸発器の流入側に作動流体が逆流することを確実に防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ウィックは、繊維状のウィック、いわゆるスチールウールを用いることにより、金属管の内周面に密着するように充填されていることにより、毛細管現象によって金属管の内部に作動流体を均一に分布させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、ウィックは、蒸発器の内容積比で空隙率が５０％以上となるように充填されていることにより、毛細管現象によって作動流体を確実に蒸発器内に引き込むことができる。

請求項４に記載の発明によれば、蒸発管が少なくとも２以上が並列に配管されており、蒸発管の流出側に作動流体を集めるマニホールドを設け、マニホールドに蒸気管が接続されていることにより、作動流体の流れをよりスムーズにすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、蒸発器の入口側には、作動流体を貯留しておくための貯留器が設けられており、貯留器の内部にもウィックが充填されていることにより、貯留タンク内に充填された作動流体を確実に蒸発器内に導き入れることができるばかりでなく、逆流を抑えることができる。

請求項６に記載の発明によれば、内径の異なる少なくとも２種類の金属管のうち、綿状のウィックを、大径の金属管の内径よりも小径となるように棒状に圧縮した状態で小径の上記金属管に充填したのち、小径の金属管に大径の上記金属管を差し込んで、大径の金属管内でウィックを膨張させてから、金属管同士の継ぎ目を塞ぐことにより、径の異なる金属管内にウィックを充填させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、金属管同士を連結したのちに、金属管の一部を押し潰して、被発熱体に接触させるための接触面を形成することにより、ウィックの分布密度を変えることなく、金属管を変形させることができる。

本発明の一実施形態に係るループ型ヒートパイプの一部を断面として示す平面図。 上記ループ型ヒートパイプのＡ−Ａ線断面図。 （ａ）〜（ｄ）ヒートパイプの製造方法を説明する要部断面図。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこの限りではない。

図１に示すように、このループ型ヒートパイプ１は、コンピュータのＣＰＵなどの発熱体Ｈからの熱を吸収して、図示しない作動流体Ｌを液相から気相へと相変化させる蒸発器２と、蒸発器２で気相となった作動流体Ｌを一箇所に集めるマニホールド３と、上記マニホールド３で集められた作動流体Ｌを凝縮器５へと搬送する蒸気側配管４と、熱を外部に放出して気相の作動流体Ｌを液相へと相変化させる凝縮器５と、凝縮器５で生成された液相の作動流体Ｌを搬送する液側配管６と、液相の作動流体Ｌを一時的に貯留しておく貯留タンク７とを備えており、それらがループ回路を形成するように連結されている。

作動流体Ｌには、水やアセトン、アンモニアなどの低融点の液体が用いられているが、作動流体Ｌの種類については、仕様に応じて任意に選択可能である。

蒸発器２は、３本の蒸発管２ａ〜２ｃを所定間隔をもって並列に配置したものからなる。この例において、蒸発管２ａ〜２ｃは、計３本で構成されているが、蒸発管の数は１つであってもよいし、複数本であってもよく、発熱体Ｈの面積などに応じて任意に変更可能である。

各蒸発管２ａ〜２ｃの構成は同一であるため、以下においては蒸発管２ａを例に取って説明する。図２を併せて参照し、蒸発管２ａは、熱伝導率の異なる２本の金属管２１，２２を互いに連結したものからなり、それらが同軸的に接続されている。

この例において、第１金属管２１は、第２金属管２２よりも熱伝導率が低い材質であるステンレス合金が用いられているが、熱伝導率が低い条件を満たすことができれば、ステンレス合金以外にチタン合金などであってもよい。

すなわち、換言すれば、第２金属管２２は、第１金属管２１よりも熱伝導率が高い材質であればよく、銅合金以外にアルミニウム合金や銀合金などが用いられてもよく、第２金属管２２の材質についても仕様に応じて任意に変更可能である。

第１金属管２１の一端側（図２では右端側）には、その外周に沿って第２金属管２２が同軸的に挿通されており、その接続端部はロウ付けによって封止されている。蒸発管２ａは、第１金属管２１の端部が貯留タンク７に接続され、第２金属管２２の端部がマニホールド３に接続されている。

これによれば、熱伝導率の低い第１金属管２１が貯留タンク７に接続されていることにより、第２金属管２２で吸収された熱が第１金属管２１を伝播して貯留タンク７側にヒートリークしにくいため、第２金属管２２で気化した作動流体Ｌの逆流を抑えることができる。

第２金属管２２には、発熱体Ｈに沿って第２金属管２２を接触させるための吸熱面２３が設けられている。吸熱面２３は、第２金属管２２の表面の一部をプレスすることにより凹まされた平面からなり、上下に対向するように配置されている。この例において、吸熱面２３は、上下に対向的に設けられているが、少なくとも一方のみであればよい。

蒸発管２ａの内部には、作動流体Ｌを確実に蒸発管２ａ内に引き込むためのウィック２４が充填されている。ウィック２４は、金属繊維を綿状にまとめた、いわゆるスチールウールからなり、少なくとも蒸発管２ａの始端（図２では左端）から終端（図２では右端）にかけて充填されている。

この例において、ウィック２４は、スチールウールが用いられているが、例えば線状のウィックを複数束ねて蒸発管２ａ内に充填してもよく、毛細管現象によって蒸発管２ａに作動流体Ｌを搬送できるような構成であれば、ウィック２４は仕様に応じて任意に選択されてよい。

これによれば、空隙率が５０％以上となるようにウィック２４が充填されていることで、毛細管現象によって作動流体Ｌを蒸発管２ａ内に確実に供給することができる。また、第１配管２１と第２配管２２との内容積がことなるため、第１配管２１内のウィック２４の密度が、第２配管２２のウィック２４の密度よりも高くなり、気相となった作動流体Ｌが逆流するのを防止することができる。

次に、図３を参照して、蒸発管２ａの組立手順について説明する。図３（ａ）に示すように、まず、第１配管２１の内部に、第２配管２２の内径φ２よりも小径となるように棒状に圧縮した状態のウィック２４を差し込む。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１配管２１の外径よりも大きな内径を有する第２配管２２の内部にウィック２４を差し込んで、第１配管２１と第２配管２２との繋ぎ目をロウ付けで固定する。

その際、ウィック２４は、弾性復元力によって元の大きさに戻ろうとするため、第２配管２２の内部に密着する。なお、第２配管２２の表面を叩くなどして内部に入ったウィック２４に衝撃を加えて、復元させるなどしてもよい。

しかるのち、第２配管２２にプレス加工を施して吸熱面２３を形成する。これによれば、図３（ｃ１），（ｃ２）および（ｄ）に示すように、縦方向の管径は吸熱面２３の形成によって短くなる。

逆に、横方向の管径は、プレス加工によって第２金属管２２が横方向に逃げるため、大きくなる。その際、ウィック２４は、管の変形追従して形を変えるため、上述した空隙率に特に大きな影響を及ぼすことはない。

マニホールド３は、第２配管２２と同じ熱伝導率の高い材料、この例では銅合金製の箱体からなり、側面（図１では左側面）には各第２配管２ａ〜２ｃが接続されている。マニホールド３は、熱伝導率の高い材質が用いられていれば、その材質は特に限定されない。

この例において、マニホールド３は、箱体に形成されているが、例えば球体形状であってもよく、その形状も仕様に応じて任意に変更可能である。マニホールド３の上面（図１では上面）には、気相となった作動流体Ｌを凝縮器５に搬送する蒸気側配管４が接続されている。

蒸気側配管４は、例えば銅合金やアルミニウム合金などの熱伝導率の高い金属管が好適に用いられるが、これ以外に樹脂パイプなどが用いられてもよく、その仕様は特に限定されない。また、配管の設計上、金属管と樹脂パイプとを組み合わせてもよい。

凝縮部５は、一端（図１では右端）には蒸気側配管４が接続され、他端（図１では左端）には液側配管５が接続される凝縮管５１を有し、凝縮管５１の周囲には、多数の放熱フィンからなる放熱部５２が設けられている。

この例において、凝縮部５は、放熱部５２の熱を大気中に自然放熱する空冷式ユニットからなる。なお、ファンなどによって空気を放熱部５２に強制的に当てて冷却するようにしてもよく、作動流体Ｌの熱を外部に放出する基本的な構成を備えていればよい。

液側配管６は、蒸気側配管４と同じく例えば銅合金やアルミニウム合金などの熱伝導率の高い金属管が好適に用いられるが、これ以外に樹脂パイプなどが用いられてもよく、その仕様は特に限定されない。また、配管の設計上、金属管と樹脂パイプとを組み合わせてもよい。

貯留タンク７は、直方体形状の箱体からなり、内部に液化した状態の作動流体Ｌが所定量貯留されている。貯留タンク７は、蒸発器２よりも熱伝導率の低い材質、この例ではステンレス合金で形成されている。これによれば、蒸発器２からの熱リークを極力抑えることができる。

貯留タンク７内には、蒸発器２の内部から繋がるウィック２４が充填されている。貯留タンク７内において、ウィック２４は、貯留タンク７の約半分の容積を満たすように充填されている。これによれば、少量でもウィック２４に作動流体Ｌが含浸されるため、作動流体Ｌを毛細管現象によって確実に蒸発器２に導くことができる。貯留タンク７の側面（図２では右側面）の下部には、蒸発器２の第１金属管２１が接続されている。

次に、このループ型ヒートパイプ１の動作手順の一例について説明する。図１に示すように、発熱体Ｈが発熱を開始すると、その熱が吸熱面２３から第２金属管２２に吸収され、内部の作動流体Ｌを加熱する。

加熱された作動流体Ｌは、液相から気相へと相変化し、その膨張圧によって逆流することなく、マニホールド３へと送り出される。マニホールド３に集められた気相の作動流体Ｌは、蒸気側配管４を流れてゆき、そのまま凝縮器５内に導かれる。

凝縮器５内に導かれた作動流体Ｌは、冷却されるのにともない気相から液相へと相変化し、熱を放熱フィン５２から外部に放出する。しかるのち、液相の作動流体Ｌは、液側配管６によって貯留タンク７に運ばれたのち、再び蒸発器２に導かれる。

以上、一連の熱サイクルによって、発熱体Ｈの熱を作動流体Ｌを媒体として、外部に放出することができる。この例において、作動流体Ｌは、蒸発器２によって液相が１００％気相へと相変化し、凝縮器５によって気相が１００％液相へと相変化するとして説明したが，実際には１００％液化もしくは気化することはなく、気液が混合した状態となる。すなわち、実際の蒸気側配管４においては、ガスリッチな状態をいい、逆に液側配管６においては、液リッチな状態を示す。

１ ループ型ヒートパイプ
２ 蒸発器
２ａ〜２ｃ 蒸発管
２１ 第１金属管
２２ 第２金属管
２３ 吸熱面
２４ ウィック
３ マニホールド
４ 蒸気側配管
５ 凝縮器
６ 液側配管
７ 貯留タンク

Claims (7)

1. 蒸発器の流出側と凝縮器の流入側とが蒸気側配管を介して連結され、上記蒸発器の流入側と上記凝縮器の流出側とが液側配管を介して連結されたループ回路を有し、上記ループ回路内を所定の作動流体が一定方向に向かって循環するループ型ヒートパイプにおいて、
   上記蒸発器は、流入側の熱伝導率が低く、流出側の熱伝導率が高くなるように、熱伝導率の異なる少なくとも２種類の金属管を連結した熱勾配を有する蒸発管からなり、上記蒸発管の内部にはウィックが充填されており、
   上記流入側の金属管の内径が、上記流出側の金属管の内径よりも小径であり、上記流入側の金属管内のウィック分布密度が上記流出側の金属管内のウィック分布密度よりも高められていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 上記ウィックは、金属繊維製の綿状体からな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。
3. 上記ウィックは、上記蒸発管の内容積比で空隙率が５０％以上となるように充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 上記蒸発管は、少なくとも２以上が並列に配管されており、各蒸発管の流出側には、上記作動流体を集めるマニホールドが設けられており、上記マニホールドに上記蒸気側配管が接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
5. 上記蒸発器の流入側には、上記作動流体を貯留しておくための貯留器が設けられており、上記貯留器の内部にも上記ウィックが充填されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
6. 蒸発器の流出側と凝縮器の流入側とが蒸気側配管を介して連結され、上記蒸発器の流入側と上記凝縮器の流出側とが液側配管を介して連結されたループ回路を有し、上記ループ回路内を所定の作動流体が一定方向に向かって循環するループ型ヒートパイプの製造方法において、
   上記蒸発器は、内径と熱伝導率とが異なる第１および第２の２種類の金属管を連結した熱勾配を有する蒸発管からなり、綿状に形成されたウィックを、外径が大径側の熱伝導率が高い第２の金属管の内径よりも小径で、かつ、少なくとも上記蒸発管の始端から終端までの長さを有する棒状に圧縮した状態で上記第１の金属管内にその一端側から挿通し、上記ウィックが突き出されている上記第１の金属管の他端側を、上記ウィックとともに上記第２の金属管内に差し込んで、上記金属管同士の継ぎ目を塞ぐことを特徴とするループ型ヒートパイプの製造方法。
7. 上記金属管同士を連結したのち、上記第２の金属管の一部を押し潰して、被発熱体に接触させるための吸熱面を形成することを特徴とする請求項６に記載のループ型ヒートパイプの製造方法。

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