JP6033375B1 - ヒートパイプおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性を有し、かつ広い熱伝達面積を確保できるだけでなく、装着性に優れたヒートパイプを提供する。【解決手段】銅パイプによって構成されたコンテナ２の内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、液相の作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイック３がコンテナ２の内部に設けられ、コンテナ２の長手方向での中間部が所定のピッチＰの波形状６を有するコルゲート部４とされるとともに、コンテナ２のコルゲート部４を挟んだ両側の部分が外径Ｄが一定の直管部５ａ，５ｂとされ、コルゲート部４の最大外径ｄが直管部５ａ，５ｂの外径Ｄ以下であることを特徴とするヒートパイプ１。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートパイプに関し、特に可撓性を付与するためのコルゲート部を有するヒートパイプおよびそのヒートパイプの製造方法に関するものである。

ヒートパイプは気密性の高いコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体を封入した熱輸送素子であり、一般的な構造として、銅パイプをコンテナとし、水を作動流体とし、さらに作動流体を蒸発部に還流させるための毛管力を発生するウイックを銅パイプの内部に設けた構造が知られている。特許文献１には可撓性を付与したヒートパイプが記載されている。そのヒートパイプのコンテナは、コルゲートパイプをコンテナとしたものであり、蛇行させて設置することが可能なように構成されている。

特開昭６２−６０５３号公報

銅パイプなどの金属パイプをコンテナとしたヒートパイプは、熱交換する相手材にコンテナと同じ径の孔を形成することにより、相手材に容易に装着でき、また十分な熱伝達面積を確保することができる。しかしながら、コンテナに可撓性がないので、固定部材と可動部材との間で熱輸送を行うように使用することが困難であり、あるいはヒンジ構造を採用しなければならないなど、構成が複雑化する。また、ヒートパイプを固着してある箇所が外部からの荷重や熱応力によって変位する場合、その荷重あるいは応力がヒートパイプに作用してヒートパイプが破損してしまう可能性がある。

これに対して、特許文献１に記載されているヒートパイプは、コルゲートパイプをコンテナとしていて可撓性があるから、相対的に移動する二つの部材を熱的に連結するように使用することができ、またヒートパイプが固着されている箇所の変位を吸収することができる。しかしながら、特許文献１に記載されているヒートパイプのコンテナは、全長に亘ってコルゲート加工されたものであり、外周面の全体が波打った形状になっている。そのため、熱交換する相手材が気体や液体の場合には熱伝達面積が広くなるが、相手材の熱伝達面が平坦面や円筒面である場合には、その熱伝達面とヒートパイプとの接触状態が線接触に近い状態になって、十分な熱伝達面積を確保できなくなる可能性がある。

本発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、可撓性を有し、かつ広い熱伝達面積を確保できるだけでなく、装着性に優れたヒートパイプおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明のヒートパイプは、上記の目的を達成するために、銅パイプによって構成されたコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、液相の前記作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイックが前記コンテナの内部に設けられたヒートパイプにおいて、前記コンテナの長手方向での中間部が所定のピッチの波形状を有するコルゲート部とされるとともに、前記コンテナの前記コルゲート部を挟んだ両側の部分が外径が一定の直管部とされ、前記コルゲート部の最大外径が前記直管部の外径以下であり、前記ウイックは、前記コンテナの内面に添って配置された極細線束によって構成され、かつ前記コンテナの内面形状に添って波形状に形成されていることを特徴とするものである。

本発明の製造方法は、銅パイプによって構成されたコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、液相の前記作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイックが前記コンテナの内部に設けられたヒートパイプの製造方法において、前記銅パイプの内面に前記ウイックを密着させた状態に固定するとともに、前記銅パイプの内部から空気を排出しかつ前記作動流体を前記銅パイプの内部に注入した状態で前記銅パイプを密閉し、密閉された前記銅パイプの長手方向での中間部に所定のピッチの波形状を形成する変形加工を施して最大外径が前記銅パイプの外径以下のコルゲート部を形成するとともに前記ウイックを前記銅パイプの内面に添った波形状に形成することを特徴とするヒートパイプの製造方法である。

本発明のヒートパイプによれば、銅パイプからなるコンテナの中間部が所定ピッチの波形状からなるコルゲート部とされているので、銅パイプであってもコルゲート部によって可撓性が生じ、曲げることができる。したがって、相対的な位置が変化する二つの部材同士を熱的に連結することができ、また収縮や膨張によって変位する箇所に使用してもその変位をコルゲート部の変形で吸収し、破損などの異常を回避もしくは抑制することができる。また、コンテナにおけるコルゲート部を挟んだ両側の部分は、外径が一定の直管部であるから、直管部を熱伝達する相手材に嵌合させることにより、広い熱伝達面積を確保できる。さらに、前記コルゲート部の最大外径が直管部の外径以下になっているから、直管部の外径と同一内径の取付孔に嵌合させることができ、ヒートパイプを取り付ける箇所の制約を少なくすることができる。

また、本発明の製造方法によれば、銅パイプの内部にウイックを配置し、かつ作動流体を封入した後に、銅パイプの長手方向の中間部を、所定ピッチの波形状に変形加工して、直管部における外径以下の最大外径のコルゲート部を形成するから、コルゲート部をヒートパイプの使用時に要求される位置に形成することができる。したがって、本発明の製造方法によれば、コルゲート部のない一般的なヒートパイプを、いわゆる現場合わせで、コルゲート付きヒートパイプとすることができ、ヒートパイプを装着する製品の製造性を向上させることができる。

本発明に係るヒートパイプの一実施形態を模式的に示す断面図およびその一部の拡大図である。 本発明の製造方法による製造過程を模式的に示す説明図である。 波形状を変形加工するための製造器具の一例を示す模式的な正面図である。

図１に本発明に係るヒートパイプ１の一実施例を模式的に示してある。ヒートパイプ１は、従来知られているものと同様に、作動流体の潜熱として熱を輸送する熱輸送素子であり、図１に示すヒートパイプ１は円形断面の銅パイプによってコンテナ２が構成されている。コンテナ２は気密状態に閉じられており、その内部には、空気などの非凝縮性の気体を脱気した状態で、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入されている。その作動流体としては、従来知られている適宜の流体を採用することができ、一例として水を採用することができる。

また、液相の作動流体（すなわち作動液）が浸透することにより毛管力を発生するウイック３が、コンテナ２の内面に添わせて配置されている。ウイック３は、作動流体の蒸発が生じる箇所に作動液を還流させるためのものであり、銅細線などの極細線を複数本束ねた極細線束や多孔質焼結体、細溝などをウイック３として用いることができる。

コンテナ２の長手方向での中間部は、コルゲート部４とされ、コルゲート部４を挟んだ両側の部分（両端部）は外径Ｄが一定の直管部５ａ，５ｂとされている。コルゲート部４は、管壁が蛇腹式のひだもしくは皺になった可撓性のある部分であり、コンテナ２を構成している銅パイプの中間部を、所定ピッチＰの波形状６に変形させることにより形成されている。なお、波形状６は多数の環状の溝により構成されていてもよく、あるいは螺旋状の一本の溝により構成されてもよい。コルゲート部４の最大外径ｄは直管部５ａ，５ｂの外径Ｄ以下（Ｄ≧ｄ）となっている。また、波形状６の深さｈとピッチＰとの関係は、一例として（ｈ／Ｐ＞０．２５）とされている。

コルゲート部４は、上記のように、ヒートパイプとして構成された銅パイプの中間部を変形させて形成されるから、そのような変形加工によってもウイック３が銅パイプの内面に密着した状態を維持するようにするために、ウイック３は極細線束によって構成され、銅パイプの内面に焼結などの手段で固定しておくことが好ましい。

本発明に係る上記のヒートパイプ１は、相対的に移動し、あるいは振動するなど相対的に変位する二つの部材Ａ，Ｂの間で熱伝達させる場合に使用することができる。図１に示す例では、一方の直管部５ａが加熱側の部材Ａに密着嵌合させられ、他方の直管部５ｂが放熱側の部材Ｂに密着嵌合させられている。これらの直管部５ａ，５ｂは外径Ｄが一定になっているので、各部材Ａ，Ｂに嵌合している部分の外周面の全体がそれぞれの部材Ａ，Ｂに密着し、熱伝達面積が十分に広くなっている。

加熱側の部材Ａの熱が直管部５ａに伝達されることによりヒートパイプ１の内部の作動流体が蒸発する。放熱側の部材Ｂの温度が加熱部側の部材Ａの温度より低いことにより、作動流体の蒸気は温度および圧力の低い他方の直管部５ｂ側に流動し、その直管部５ｂにおいて放熱して凝縮する。このようにして作動流体がその潜熱として熱を輸送する。

一方の直管部５ａにおけるウイック３においては作動流体が蒸発することにより作動液のメニスカスが低下し、毛管力が生じる。他方の直管部５ｂで凝縮することにより生じた作動液は、一方の直管部５ａ側における前記毛管力により吸引され、作動流体の蒸発が生じる一方の直管部５ａ側に還流する。その後、作動流体は再度加熱されて蒸発する。このような蒸発と凝縮とを伴う作動流体の循環によって、加熱側の部材Ａから放熱側の部材Ｂに対して熱が輸送される。

これらの部材Ａ，Ｂの間で相対変位が生じた場合、ヒートパイプ１に対して曲げ応力や引っ張り応力もしくは圧縮応力が作用する。ヒートパイプ１の中間部には上記のコルゲート部４が形成され、コルゲート部４では引っ張り応力や曲げ応力あるいは剪断応力が分散させられて曲げや引っ張りなどの変形が容易に生じる。そのため、各部材Ａ，Ｂの相対的な変位がコルゲート部４での変形によって吸収される。すなわち、本発明に係るヒートパイプ１によれば、コルゲート部４を設けたことによって可撓性があるために、熱を伝達するべき二つの部材Ａ，Ｂの相対変位が生じても、その相対変位をコルゲート部４の変形によって吸収して破断などの異常を生じることがなく、継続して熱伝達を行うことができる。

また、本発明に係る上記のヒートパイプ１は、外力や熱応力などによって伸縮する部材の内部に装着して使用することもできる。ヒートパイプ１の装着のために、ヒートパイプ１を所定の取り付け孔の内部に密着嵌合させるとした場合、前記コルゲート部４の最大外径ｄが直管部５ａ，５ｂの外径Ｄ以下であることにより、ヒートパイプ１を所定の取り付け孔の開口端からその取り付け孔に挿入することができる。したがって、本発明に係るヒートパイプ１によれば、簡単な操作あるいは作業でヒートパイプ１を装着することができ、ヒートパイプ１の装着性を向上させることができる。また、このようにしてヒートパイプ１を装着した部材が伸縮した場合、ヒートパイプ１における前記コルゲート部４が伸縮するので、ヒートパイプ１の応力が緩和されてヒートパイプ１の破損などの異常が未然に防止される。言い換えれば、ヒートパイプ１の用途を、伸縮の生じる部材に拡大することができる。

つぎに本発明に係るヒートパイプの製造方法について説明する。図２は本発明の製造方法による製造過程を説明する図であり、コンテナ２とされる銅パイプ２０の内部にウイック３を設ける。その銅パイプ２０は、予め一方の端部を閉じておき、また内部は脱脂などの洗浄を行っておく。その状態で銅パイプ２０の内部にウイック３を挿入し、銅パイプ２０の内面に添わせた状態に配置する。

ついで、銅パイプ２０の内部から空気などの非凝縮性ガスを排出するとともに作動流体を注入する。その場合、銅パイプ２０の開口している端部をノズル状に絞り加工しておく。また、非凝縮性ガスの排気と作動流体の封入とは、いわゆる加熱追い出し法によって同時並行的に行うことができる。具体的には、最終的に必要とする量以上の作動液を銅パイプ２０に注入し、銅パイプ２０を上向きに立てた状態で加熱することにより作動流体を蒸発させ、その蒸気と共に非凝縮性ガスを排気し、作動流体が予め定めた必要量残っている状態で、銅パイプ２０の開口端を封止し、密閉する。

上記のようにして一般的なヒートパイプ２１を作る。そのヒートパイプ２１の中間部に前述した所定ピッチＰで所定深さｈの波形状６を変形加工する。その波形状６の変形加工は図示しない自動機によって行ってもよく、あるいは図３に示す器具を使用して行ってもよい。波形状６の変形加工は、銅パイプ２０の一部を半径方向で内側に溝状に撓ませる加工であるから、波形状６の変形加工を行うことによって銅パイプ２０がその長手方向に引き寄せられることになり、その結果、波形状６を変形加工した分、ヒートパイプ２１の全長が短縮される。

図３は波形状６を変形加工するための製造器具３０の一例を示す模式図であり、前記波形状６を形成するためのディスク３１を第１フレーム３２に取り付け、かつ波形状６を変形加工する際の反力を受ける保持ローラ３３を第２フレーム３４に取り付けて構成されている。第１フレーム３２と第２フレーム３４とは、ほぼ半円状に湾曲した部材であって、それぞれの一端部で回転可能に連結されている。また、第１フレーム３２と第２フレーム３４との他方の端部を互いに連結するロック部材３５が設けられている。ロック部材３５は、例えば環状の部材であって、図３に示す例では、第２フレーム３４の他方の端部にピン留めされ、第２フレーム３４の他方の端部に接近させた第１フレーム３２の他方の端部にロック部材３５を掛けることにより、第１フレーム３２と第２フレーム３４との他方の端部同士を連結するように構成されている。したがって、ロック部材３５を第２フレーム３４の他方の端部から外すことにより、第１フレーム３２と第２フレーム３４とが前記一端部で相対的に回転し、両者の間隔が開くようになっている。すなわち、第１フレーム３２と第２フレーム３４とは両者の間隔が拡大縮小するように開閉可能に連結されている。

ディスク３１は、周辺部分の断面形状が、形成するべき波形状６の断面形状とされた円板体であって、押圧機構３６を介して第１フレーム３２のほぼ中央部に取り付けられている。図３に示す例における押圧機構３６は、スクリュー軸３７とナット部材３８とを主体にして構成されている。ナット部材３８は、そのねじ孔の中心軸線が第１フレーム３２の形状である円弧の中心を向くように、第１フレーム３２のほぼ中央部に固定されている。そのナット部材３８にスクリュー軸３７がねじ込まれている。スクリュー軸３７の先端部（第１フレーム３２の内側に位置する端部）には、クレビス３９が回転可能に連結され、ディスク３１はその回転中心軸線がスクリュー軸３７と垂直になるように、クレビス３９に回転可能に取り付けられている。したがって、ディスク３１はスクリュー軸３７を回転させることにより、スクリュー軸３７と共に前後動するように構成されている。

一対（二個）の保持ローラ３３が第２フレーム３４のほぼ中央部に回転可能に取り付けられている。保持ローラ３３はヒートパイプ２１の外周面に接触してヒートパイプ２１を相対的に回転できるように保持するローラであって、その回転中心軸線が第２フレーム３４の形状である円弧の中心軸線とほぼ平行になるように第２フレーム３４に取り付けられている。なお、保持ローラ３３同士の間隔はヒートパイプ２１の外径より小さくなっている。

上記の製造器具３０による波形状６の変形加工は、以下のようにして行うことができる。第１フレーム３２と第２フレーム３４とを開いた状態で、前記保持ローラ３３の上にヒートパイプ２１を載せる。その状態で第１フレーム３２と第２フレーム３４とを閉じ、それぞれのフレーム３２，３４における前記他方の端部同士をロック部材３５によって連結する。その状態で前記スクリュー軸３７を回転させてディスク３１をヒートパイプ２１に向けて前進させ、ディスク３１をヒートパイプ２１のコンテナに押し付けてコンテナを窪ませる（変形させる）。ついで、製造器具３０とヒートパイプ２１を相対的に回転させると、ディスク３１がヒートパイプ２１の外周面上を相対的に転動することにより、その転動する軌跡に沿ってコンテナが窪まされ、波形状６が形成される。

その場合、スクリュー軸３７を次第に回転させてディスク３１のコンテナに対する食い込み量（コンテナの変形量）を次第に増大させてもよい。また、ディスク３１の回転中心軸線とヒートパイプ２１の中心軸線とを平行にすると、ディスク３１がヒートパイプ２１の回りを一回、旋回することにより一条の波形状６が形成される。したがって、その場合には、一条の波形状６を形成した後に、製造器具３０とヒートパイプ２１とをヒートパイプ２１の中心軸線の方向に所定ピッチＰずらしつつ、順次、波形状６の変形加工を行い、複数条の波形状６を形成する。これとは異なり、ディスク３１を、その回転中心軸線がヒートパイプ２１の中心軸線に対して所定角度交差する状態でヒートパイプ２１に押し付け、その状態でディスク３１をヒートパイプ２１の外周面上を相対的に転動させれば、螺旋状の波形状６を形成することができる。その螺旋状の波形状６のピッチＰは、ディスク３１の回転中心軸線とヒートパイプ２１の中心軸線との交差角度に応じたピッチになる。

上記の製造器具３０による波形状６の変形加工は、既に製造されている製品としてのヒートパイプ２１に施すことができ、したがってヒートパイプ２１を適宜の箇所に装着するいわゆる現場での波形状６の変形加工が可能である。そのため、上記の製造器具３０を可搬性のある構成とすることにより、ヒートパイプ２１の装着現場での必要に応じた加工によるいわゆる現場合わせが可能になる。

なお、本発明に係る製造器具は、ディスクをヒートパイプのコンテナの外周面に押し付けて波形状を変形加工するように構成されていればよく、そのディスクをヒートパイプにコンテナに向けて押圧する押圧機構は、上述したナット部材とスクリュー軸とによる構成以外に、油圧機構やリンク機構などによって押圧力を発生する機構であってもよい。

１…ヒートパイプ、 ２…コンテナ、 ３…ウイック、 ４…コルゲート部、 ５ａ，５ｂ…直管部、 ６…波形状、 ２０…銅パイプ、 ２１…ヒートパイプ、 ３０…製造器具、 ３１…ディスク、 ３２…第１フレーム、 ３３…保持ローラ、 ３４…第２フレーム、 ３５…ロック部材、 ３６…押圧機構、 ３７…スクリュー軸、 ３８…ナット部材、 ３９…クレビス。

Claims (2)

1. 銅パイプによって構成されたコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、液相の前記作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイックが前記コンテナの内部に設けられたヒートパイプにおいて、
   前記コンテナの長手方向での中間部が所定のピッチの波形状を有するコルゲート部とされるとともに、
   前記コンテナの前記コルゲート部を挟んだ両側の部分が外径が一定の直管部とされ、
   前記コルゲート部の最大外径が前記直管部の外径以下であり、
   前記ウイックは、前記コンテナの内面に添って配置された極細線束によって構成され、かつ前記コンテナの内面形状に添って波形状に形成されている
   ことを特徴とするヒートパイプ。
2. 銅パイプによって構成されたコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入され、液相の前記作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイックが前記コンテナの内部に設けられたヒートパイプの製造方法において、
   前記銅パイプの内面に前記ウイックを密着させた状態に固定するとともに、
   前記銅パイプの内部から空気を排出しかつ前記作動流体を前記銅パイプの内部に注入した状態で前記銅パイプを密閉し、
   密閉された前記銅パイプの長手方向での中間部に所定のピッチの波形状を形成する変形加工を施して最大外径が前記銅パイプの外径以下のコルゲート部を形成するとともに前記ウイックを前記銅パイプの内面に添った波形状に形成する
   ことを特徴とするヒートパイプの製造方法。

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