JP6598977B2 - ヒートパイプ - Google Patents

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Description

本発明は、コンテナ内部に存在する水素ガス等の非凝縮性ガスを低減することで、優れた熱輸送特性を発揮するヒートパイプに関するものである。
電気・電子機器や車両等に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化と小型化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、近年、その冷却がより重要となっている。電子部品の冷却方法として、ヒートパイプが使用されることがある。
ヒートパイプのコンテナとして、機械的強度等と作動流体に対する適合性の観点から、例えば、銅、銅合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））等の材料が使用される。しかし、コンテナと作動流体の適合性やコンテナの内部に不純物が混入する等により、コンテナと作動流体とが反応して、水素ガス等の非凝縮性ガスが発生することがある。コンテナの内部に水素ガス等の非凝縮性ガスが存在すると、非凝縮性ガスは潜熱を用いた熱輸送に寄与せず、コンテナの内部の真空状態を低下させるので、ヒートパイプの熱輸送特性を低減させてしまうという問題があった。
そこで、作動流体とコンテナとが化学反応することによって生じる水素ガスを除去する、酸化第二銅等の金属を含む水素ガス除去材が凝縮部に設けられているヒートパイプにおいて、凝縮部の内壁面の複数箇所に、水素ガス除去材が接触して嵌め込まれているヒートパイプが提案されている（特許文献１）。
しかし、水素ガス除去材がコンテナに嵌め込まれている特許文献１では、金属酸化物の酸化還元反応を用いて水素を除去しており、金属酸化物の表面が主に反応に寄与することから、十分な水素ガスの除去能力が発揮されないという問題や、水素ガス除去材が還元されることにより、銅、鉛、バリウム等の金属イオンが作動流体に溶け出し、信頼性を低下させるという問題があった。
特開２０１０−６０２０６号公報
上記事情に鑑み、本発明は、水素ガス等の非凝縮性ガスの吸収能力に優れることで、優れた熱輸送特性を発揮するヒートパイプを提供することを目的とする。
本発明の態様は、内部に空洞部を有するコンテナと、前記空洞部に設けられたウィック構造体と、前記空洞部に封入された作動流体と、前記空洞部に３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属が設けられたヒートパイプである。
本発明の態様は、前記コンテナの材質が、銅、銅合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケルまたはニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））であるヒートパイプである。
本発明の態様は、前記コンテナの材料が、ステンレス鋼であるヒートパイプである。
本発明の態様は、前記金属が、チタン系、パラジウム系、バナジウム系、カルシウム系またはこれらの複合系の合金であるヒートパイプである。
本発明の態様は、前記金属が、チタン系の合金であるヒートパイプである。
本発明の態様は、前記金属が、前記作動流体の凝縮する部位に配置されているヒートパイプである。
本発明の態様は、前記金属が、溶接により前記コンテナまたは前記ウィック構造体に固定され、前記金属と前記コンテナまたは前記ウィック構造体との間に合金部が形成されたヒートパイプである。
上記態様では、前記金属は溶接を用いてコンテナまたはウィック構造体の内面に固定されており、前記金属がコンテナまたはウィック構造体に溶接されることで、前記金属の成分とコンテナまたはウィック構造体の成分とを含む合金部が形成されている。
本発明の態様は、前記合金部が、鉄、ニッケル、クロム及び前記金属のいずれかを含むヒートパイプである。
本発明の態様は、前記合金部が、前記金属の２質量％〜５０質量％であるヒートパイプである。
上記態様では、コンテナの内部に仕込まれた前記金属のうち、一部が溶接されており、前記金属のうちの２質量％〜５０質量％が、コンテナまたはウィック構造体と合金部を形成している。
本発明の態様は、前記空洞部の水素ガス量が、作動温度５０℃における前記空洞部内の全ガス量の１０体積％以下であるヒートパイプである。
本発明の態様は、上記ヒートパイプを備えたヒートシンクである。
本発明の態様によれば、空洞部に３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属が設けられることにより、前記金属が、水素ガス等の非凝縮性ガスを吸収するため、長期にわたって、優れた熱輸送特性を発揮するヒートパイプを得ることができる。
また、ヒートパイプの一般的な使用環境温度は１００℃以下であるが、一方で、ヒートパイプの製造工程における半田付けや溶接等の加工では３００℃近くまで達することもあるところ、３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属が設けられた本発明の態様によれば、上記加工工程において水素ガス等の非凝縮性ガスが発生しても、水素ガス等の非凝縮性ガスが空洞部に放出されることを防止できる。
本発明の態様によれば、３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属がコンテナまたはウィック構造体に溶接されて合金部が形成されることにより、上記金属の、水素ガス等の非凝縮性ガスに対する吸収能力が向上し、より優れた熱輸送特性を発揮するヒートパイプを得ることができる。
本発明の態様によれば、上記金属の２質量％〜５０質量％が、コンテナまたはウィック構造体と合金部を形成することにより、上記金属の、水素ガス等の非凝縮性ガスに対する吸収能力がさらに向上する。
本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプの内部の説明図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプの内部の説明図である。 （a）図は、本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプの外観図、（b）図は、本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプの内部の説明図である。 （a）図は、本発明の第４実施形態例に係るヒートパイプの内部の説明図、（b）図は、本発明の第５実施形態例に係るヒートパイプの内部の説明図である。 実施例１で使用したヒートパイプの内部構造の説明図である。 実施例２で使用したヒートパイプの内部構造の説明図である。 （a）図は、実施例１の水素ガス発生量の結果、（b）図は、実施例２の水素ガス発生量の結果、（c）図は、比較例の水素ガス発生量の結果を示すグラフである。 （a）図は、実施例１のヒートパイプの温度差の結果、（b）図は、実施例２のヒートパイプの温度差の結果、（c）図は、比較例のヒートパイプの温度差の結果を示すグラフである。
以下に、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。
図１に示すように、第１実施形態例に係るヒートパイプ１は、内部に空洞部を有する平面型のコンテナ１１と、平面型のコンテナ１１の空洞部に封入された作動流体（図示せず）と、平面型のコンテナ１１の空洞部に設けられたウィック構造体１２と、を備えている。また、平面型のコンテナ１１の空洞部には、３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属１３が配置されている。
３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属（以下、「水素吸収金属」ということがある。）１３の配置部位、配置数は、特に限定されないが、ヒートパイプ１では、平面型のコンテナ１１の周縁部のうち、ウィック構造体１２の配置されていない部位に、複数（図では２つ）配置されている。また、水素吸収金属１３は、平面型のコンテナ１１の内面に溶接されることで、平面型のコンテナ１１に固定されている。さらに、水素吸収金属１３が平面型のコンテナ１１の内面に溶接されることで、平面型のコンテナ１１と水素吸収金属１３の内面に、水素吸収金属１３の成分と平面型のコンテナ１１の成分とを含む合金部１４が形成されている。水素吸収金属１３の溶接部は、特に限定されないが、ヒートパイプ１では、それぞれの水素吸収金属１３について、中央部に１箇所、溶接されている。従って、ヒートパイプ１では、それぞれの水素吸収金属１３について、中央部に１箇所、合金部１４が設けられている。
合金部１４は、平面型のコンテナ１１と水素吸収金属１３が溶融して一体となった部位である。一方で、合金部１４の形成に寄与していない水素吸収金属１３の部位は、当初の水素吸収金属１３の成分のままとなっている。
上記から、合金部１４及び合金部１４の形成に寄与していない水素吸収金属１３の部位は、いずれも、平面型のコンテナ１１の内面上に、平面型のコンテナ１１の空洞部に対して露出した状態で配置されており、直接、作動流体と接する態様となっている。
平面型のコンテナ１１の内部に配置された水素吸収金属１３のうち、平面型のコンテナ１１と合金部１４を形成する割合は、特に限定されないが、その下限値は、合金部１４を形成していない水素吸収金属１３へ円滑に水素を導入する点から２質量％が好ましく、発生した水素ガスを迅速かつ確実に捕捉する点から５質量％がより好ましく、８質量％が特に好ましい。一方で、平面型のコンテナ１１の内部に仕込まれた水素吸収金属１３のうち、平面型のコンテナ１１と合金部１４を形成する割合の上限値は、３５０℃以下における水素の吸収能力の低下を確実に防止する点から５０質量％が好ましく、３５０℃以下において優れた水素の吸収能力を得る点から４０質量％がより好ましく、３０質量％が特に好ましい。
水素吸収金属１３の材質としては、特に限定されないが、例えば、チタン合金系、パラジウム合金系、バナジウム合金系、カルシウム合金系またはこれら合金の複合系等を挙げることができる。
平面型のコンテナ１１は、所望の位置に発熱体（図示せず）と熱的に接続されることで、該位置が蒸発部として機能する。また、平面型のコンテナ１１は、蒸発部とは異なる所望の位置に放熱フィン等の熱交換手段（図示せず）と熱的に接続することで、該位置が凝縮部として機能する。なお、図１では、使用態様の例として、平面型のコンテナ１１の中央部を蒸発部１５とし、平面型のコンテナ１１の周縁部のうち、２つの角部を凝縮部１６とし、凝縮部１６に水素吸収金属１３と合金部１４が配置されている。
発熱体から受熱した液相の作動流体は、蒸発部１５にて液相から気相へ相変化し、気相の作動流体が蒸発部１５から凝縮部１６へ流れることで、発熱体から作動流体へ伝達された熱を凝縮部１６へ輸送する。気相の作動流体は凝縮部１６にて液相へ相変化し、潜熱を放出するとともに、ウィック構造体１２の毛細管力によって、液相の作動流体は凝縮部１６から蒸発部１５へ還流する。一方で、水素ガス等の非凝縮性ガスは、凝縮部１６においても凝縮せず気相のまま存在するので、凝縮部１６から蒸発部１５へ還流せずに凝縮部１６に溜まる傾向にある。従って、上記の通り、水素吸収金属１３と合金部１４の配置部位は、特に限定されないが、効率的に水素ガス等の非凝縮性ガスを吸収する点から、凝縮部１６の少なくとも一部に配置されることが好ましい。
平面型のコンテナ１１の寸法は、使用状況に応じて適宜選択可能であり、例えば、平面視の寸法が１０mm〜１００mm×１０mm〜２００mm、厚さ０．１mm〜１０mm等を挙げることができる。また、平面型のコンテナ１１の材質は、特に限定されないが、例えば、銅、銅合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））等を挙げることができる。
図１に示すように、ヒートパイプ１では、ウィック構造体１２は、平面型のコンテナ１１の平面方向の略全体にわたって設けられている。また、ウィック構造体１２は、平面型のコンテナ１１の表面側の平面部と裏面側の平面部とで挟持されることで、平面型のコンテナ１１内に固定された態様となっている。ウィック構造体１２の平面視の形状は、特に限定されず、ヒートパイプ１では、複数の直線部１２−１と、複数の直線部１２−１をその端部において連結する２つの連結部１２−２とを有する、はしご状となっている。また、ウィック構造体１２の直線部１２−１間の空隙部が、気相の作動流体が蒸発部１５から凝縮部１６へ流通する蒸気流路１７となっている。
ウィック構造体１２は、毛細管力を生じる構造であれば、特に限定されず、例えば、金属メッシュ（金属細線の編組体）、金属細線の線条体、金属粉の焼結体等を挙げることができる。また、平面型のコンテナ１１の内面に細溝を複数設けたグルーブ構造としてもよい。
ウィック構造体１２の材質は、使用状況に応じて適宜選択可能であり、銅、銅合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））等をあげることができる。また、ウィック構造体１２の材質は、平面型のコンテナ１１の材質と同じでもよく、異なっていてもよい。
平面型のコンテナ１１の空洞部に封入される作動流体としては、平面型のコンテナ１１及びウィック構造体１２の材質との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を挙げることができる。
ヒートパイプ１では、水素吸収金属１３の少なくとも一部が、平面型のコンテナ１１と合金部１４を形成することで、水素吸収金属１３の、３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない能力、すなわち、３５０℃以下における水素の吸収能力が向上するので、平面型のコンテナ１１の空洞部に水素ガス等の非凝縮性ガスが溜まって真空状態が低下することを防止する。従って、優れた熱輸送特性を有するヒートパイプ１を得ることができる。また、ヒートパイプ１では、ヒートパイプ１の製造工程における半田付けや溶接等の加工で３００℃近くの温度に達しても、３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属１３が設けられているので、上記加工工程における水素ガス等の非凝縮性ガス発生に対しても、水素等の非凝縮性ガスを空洞部に放出されることを防止できる。よって、上記加工工程を経ても、優れた熱輸送特性を有するヒートパイプ１を得ることができる。
次に、本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。
第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、平面型のコンテナ１１の内面に水素吸収金属１３が溶接されることで平面型のコンテナ１１に固定されていたが、これに代えて、第２実施形態例に係るヒートパイプ２では、図２に示すように、水素吸収金属１３は、ウィック構造体１２の表面に溶接されており、従って、ウィック構造体１２に固定されている。さらに、水素吸収金属１３がウィック構造体１２の表面に溶接されることで、ウィック構造体１２と水素吸収金属１３の表面に、水素吸収金属１３の成分とウィック構造体１２の成分とを含む合金部２４が形成されている。
また、ヒートパイプ２では、ウィック構造体１２の隣接する所定の直線部１２−１にわたって水素吸収金属１３が配置されており、隣接する所定の直線部１２−１の間、すなわち、蒸気流路１７に、合金部２４の形成に寄与していない水素吸収金属１３の部位が配置されている。なお、水素吸収金属１３の配置部位、配置数は、特に限定されないが、ヒートパイプ２では、平面型のコンテナ１１の周縁部に１つ配置されている。水素吸収金属１３の溶接部は、特に限定されないが、ヒートパイプ２では、水素吸収金属１３の両端部にそれぞれ１箇所、つまり、複数箇所（計２箇所）、溶接されている。従って、ヒートパイプ２では、水素吸収金属１３の両端部にそれぞれ１箇所、つまり、複数箇所（計２箇所）、合金部２４が設けられている。
ヒートパイプ２では、合金部２４はウィック構造体１２と水素吸収金属１３の表面に配置され、合金部２４の形成に寄与していない水素吸収金属１３の部位は、蒸気流路１７に配置されているので、合金部２４と合金部２４の形成に寄与していない水素吸収金属１３の部位は、いずれも、平面型のコンテナ１１の空洞部に対して露出した状態で配置されており、直接、作動流体と接する態様となっている。
ヒートパイプ２でも、ヒートパイプ１と同様に、水素吸収金属１３の、３５０℃以下における水素ガス等の非凝縮性ガスに対する吸収能力が向上し、ひいては、優れた熱輸送特性を得ることができる。
次に、本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１、第２実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。
第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、平面型のコンテナ１１が用いられていたが、これに代えて、第３実施形態例に係るヒートパイプ３では、図３（a）に示すように、径方向の断面形状が円形状である管材からなる丸型のコンテナ３１が用いられている。水素吸収金属１３の配置部位、配置数は、特に限定されないが、図３（b）に示すように、ヒートパイプ３では、丸型のコンテナ３１の長手方向における一方の端部である凝縮部１６のうち、ウィック構造体（図示せず）の配置されていない部位に、１つ配置されている。一方で、丸型のコンテナ３１の長手方向における他方の端部である蒸発部１５には、水素吸収金属１３は配置されていない。
水素吸収金属１３は、丸型のコンテナ３１の内面に溶接されることで、丸型のコンテナ３１に固定されている。さらに、水素吸収金属１３が丸型のコンテナ３１の内面に溶接されることで、丸型のコンテナ３１と水素吸収金属１３の内面に、水素吸収金属１３の成分と丸型のコンテナ３１の成分とを含む合金部３４が形成されている。水素吸収金属１３の溶接部は、特に限定されないが、ヒートパイプ３では、水素吸収金属１３の周縁部に複数箇所（図では４箇所）、溶接部が形成されている。従って、ヒートパイプ３では、水素吸収金属１３の周縁部に複数箇所（図では４箇所）、合金部３４が設けられている。
丸型のコンテナ３１が用いられたヒートパイプ３でも、平面型のコンテナ１１が用いられたヒートパイプ１と同様に、水素吸収金属１３の、３５０℃以下における水素ガス等の非凝縮性ガスに対する吸収能力が向上し、ひいては、優れた熱輸送特性を得ることができる。
次に、本発明の第４、第５実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第１〜第３実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。
丸型のコンテナ３１が用いられた第３実施形態例に係るヒートパイプ３では、水素吸収金属１３の周縁部に複数箇所（図では４箇所）、溶接部が形成されていたが、これに代えて、第４実施形態例に係るヒートパイプ４では、図４（a）に示すように、水素吸収金属１３の中央部に１箇所、溶接部が形成されている。従って、ヒートパイプ４では、水素吸収金属１３の中央部に１箇所、合金部４４が設けられている。
また、丸型のコンテナ３１が用いられた第３実施形態例に係るヒートパイプ３では、水素吸収金属１３は、凝縮部１６に、１つ設けられていたが、これに代えて、第５実施形態例に係るヒートパイプ５では、図４（b）に示すように、水素吸収金属１３は、凝縮部１６に、複数（図では２つ）設けられている。ヒートパイプ５では、水素吸収金属１３の溶接部は、それぞれの水素吸収金属１３について、その周縁部に複数箇所（図では４箇所）、形成されている。従って、ヒートパイプ５では、それぞれの水素吸収金属１３の周縁部に複数箇所（図では４箇所）、合金部５４が設けられている。
上記から、平面型のコンテナ１１に代えて、丸型のコンテナ３１が用いられても、水素吸収金属１３の配置数は、特に限定されず、それぞれの水素吸収金属１３の溶接部（合金部３４、４４、５４）の数も、特に限定されない。
次に、本発明の他の実施形態例について説明する。上記各実施形態例では、凝縮部に水素吸収金属が配置されていたが、これに代えて、凝縮部と蒸発部の間の部位や蒸発部に配置してもよく、凝縮部とともに、凝縮部と蒸発部の間の部位や蒸発部にも配置してもよい。また、上記第３〜第５実施形態例では、水素吸収金属は丸型のコンテナの内面に溶接されていたが、これに代えて、丸型のコンテナの空洞部に設けられたウィック構造体に溶接してもよい。また、上記第３〜第５実施形態例の丸型のコンテナは、必要に応じて、扁平加工して扁平型のコンテナとしてもよい。
また、上記各実施形態例では、３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属（水素吸収金属）はコンテナまたはウィック構造体に溶接されることで合金部が形成されていたが、これに代えて、水素吸収金属はコンテナにもウィック構造体にも、溶接されなくてもよい。従って、水素吸収金属の成分とコンテナの成分とを含む合金部、水素吸収金属の成分とウィック構造体の成分とを含む合金部は、いずれも、形成されなくてもよい。
コンテナにもウィック構造体にも水素吸収金属が溶接されない態様における、水素吸収金属の空洞部への固定方法は、特に限定されないが、例えば、はしご形状のウィック構造体の直線部間に水素吸収金属を狭持する方法、平面型のコンテナの表面側の平面部と裏面側の平面部とで水素吸収金属を挟持する方法等を挙げることができる。
上記合金部が形成されない態様でも、空洞部に水素吸収金属が設けられることにより、水素吸収金属が空洞部内の水素ガス等の非凝縮性ガスを吸収できるので、長期にわたって、優れた熱輸送特性を発揮するヒートパイプを得ることができる。また、ヒートパイプの製造工程において半田付けや溶接等の加工工程を経ても、優れた熱輸送特性を有するヒートパイプを得ることができる。
次に、本発明のヒートパイプの使用方法例について説明する。本発明のヒートパイプの使用方法は、特に限定されないが、例えば、所望の位置に発熱体を熱的に接続させて該位置を蒸発部とし、蒸発部とは異なる所望の位置に放熱フィンやヒートシンク等の熱交換手段を熱的に接続させて該位置を凝縮部として、発熱体の熱を熱交換手段へ輸送する使用方法や、受熱プレートと放熱フィンとを備えたヒートシンクに本発明のヒートパイプを設け、本発明のヒートパイプにて、ヒートシンクの受熱プレートから放熱フィンへ、熱輸送をする使用方法等を挙げることができる。
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
実施例１のヒートパイプ構造について
対向する２枚のステンレス製板材で、内部空間である空洞部を有するコンテナを作製し、この空洞部にウィック構造体と３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属（水素吸収金属）を配置し、作動流体を封入した。ヒートパイプは、幅５０mm×長さ１００mm×厚さ０．４mm（空洞部の高さ０．２mm）の平面型とした。ウィック構造体としてステンレス製のメッシュを使用した。水素吸収金属としてチタン合金（幅４mm×長さ１mm×厚さ０．１mm）を１つ空洞部に仕込んだ。また、水素吸収金属の位置は、平面型ヒートパイプの長手方向における一方の端部となるようにし、ウィック構造体であるメッシュに挟んで固定した。なお、作動流体として水を使用した。図５に、実施例１の平面型ヒートパイプの具体的な構造を示す。
実施例２のヒートパイプ構造について
対向する２枚のステンレス製板材で、内部空間である空洞部を有するコンテナを作製し、この空洞部にウィック構造体と、実施例１と同質量の３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属（水素吸収金属）とを配置し、作動流体を封入した。ヒートパイプは、幅５０mm×長さ１００mm×厚さ０．４mm（空洞部の高さ０．２mm）の平面型とした。ウィック構造体としてステンレス製のメッシュを使用した。水素吸収金属としてチタン合金（幅２mm×長さ２mm×厚さ０．１mm）を１つ空洞部に仕込み、その５質量％が、コンテナのステンレス製板材と合金部を形成するように、２箇所、スポット溶接をした。従って、水素吸収金属はコンテナの内面にスポット溶接にて固定した。また、水素吸収金属の位置は、平面型ヒートパイプの長手方向における一方の端部とした。なお、作動流体として水を使用した。図６に、実施例２の平面型ヒートパイプの具体的な構造を示す。
合金部の元素分析について
実施例２のヒートパイプを電子線プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）（日本電子社製：（型式）ＪＸＡ-８８００ＲＬ）で加速電圧１５．０ｋＶ、照射電流５．０１８Ｅ-０８Ａ、分光結晶ＬＤＥ１、ＴＡＰ、ＰＥＴＨ、ＬＩＦを用いて倍率１５００倍で元素分析を行った。その結果、コンテナからは、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉが検出された。水素吸収金属であるチタン合金からは、Ｔｉが検出された。スポット溶接の溶融痕からは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉが検出された。溶接痕にはコンテナのＦｅとチタン合金のＴｉが検出されていることから、コンテナと水素吸収金属が溶融して一体となった合金部が形成されていることが確認できた。
比較例のヒートパイプ構造について
水素吸収金属を設けなかったこと以外は、上記実施例１と同様の平面型ヒートパイプの構造とした。
評価項目
（１）水素ガス発生量
作動温度１００℃にて連続稼働させたときの水素ガス発生量を経過時間ごとに測定した。水素ガス発生量は、後述する表面温度（Ｔ１）における飽和水蒸気圧と後述する表面温度（Ｔ２）における飽和水蒸気圧の差から、水素ガスの分圧を算出し、表面温度（Ｔ２）を測定した部位から平面型ヒートパイプの長手方向における一方の端部の端面までの空間に水素ガスが溜まっていると仮定して水素ガスの体積を算出し、上記算出結果から理想気体の状態方程式を用いて水素ガス発生量（モル数）を特定した。
（２）ヒートパイプ内部の温度差
作動温度１００℃にて連続稼働させたときのヒートパイプ内部の温度差を経過時間ごとに測定した。ヒートパイプ内部の温度差は、５０℃の湯浴に、平面型ヒートパイプの長手方向における他方の端部から３０％の部位までの領域を浸漬させ、この湯浴に浸漬している平面型ヒートパイプの部位のうち、その中心部の表面温度（Ｔ１）と、平面型ヒートパイプの長手方向における一方の端部から１０％の部位（湯浴に浸漬していない）の表面温度（Ｔ２）との差（ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２）から算出した。
ヒートパイプの内部空間に水素ガス（非凝縮性ガス）が存在すると、湯浴に浸漬していない一方の端部に水素ガスが溜まり、一方の端部がヒートパイプとして機能しにくくなることから、ΔＴが増大する。従って、ΔＴが小さいほど、ヒートパイプの内部空間に水素ガスが存在していないことを意味する。
結果
水素ガス発生量の結果を図７に、ヒートパイプの温度差の結果を図８に、それぞれ、示す。図７（a）、（b）に示すように、水素吸収金属を空洞部に設けた実施例１、２では、それぞれ、連続稼働の時間が１０００時間の水素ガス発生量が０時間の水素ガス発生量の約８倍、約１倍であり、稼働開始から１０００時間経過しても水素ガスの発生を抑制できた。特に、図７（b）に示すように、水素吸収金属をコンテナの内面に溶接した実施例２では、連続稼働の時間が１０００時間の水素ガス発生量は、０時間の水素ガス発生量と同等程度であり、稼働開始から１０００時間経過しても水素ガスの発生をさらに抑えることができた。また、図７（a）、（c）から、稼働開始から１０００時間経過した実施例１の水素発生量は、比較例の前記水素発生量の約１／３にとどめることができた。これに対し、図７（c）に示すように、水素吸収金属を空洞部に設けなかった比較例では、連続稼働の時間が１０００時間の水素ガス発生量は、０時間の水素ガス発生量の約１０倍であり、稼働時間の経過に応じて水素ガス発生量が増大した。従って、水素吸収金属を空洞部に設けることで、ヒートパイプの内部空間における水素ガスの存在量を低減することができた。
また、図８（a）に示すように、水素吸収金属を空洞部に設けた実施例１では、連続稼働の時間が１０００時間のΔＴは、０時間のΔＴよりも約３℃大きい値にとどまり、図８（b）に示すように、水素吸収金属をコンテナの内面に溶接した実施例２では、連続稼働の時間が１０００時間のΔＴは、０時間のΔＴと同等程度であった。従って、実施例１、２、特に実施例２では、稼働開始から１０００時間経過してもΔＴを抑えることができた。これに対し、図８（c）に示すように、水素吸収金属を空洞部に設けなかった比較例では、連続稼働の時間が１０００時間のΔＴは、０時間のΔＴよりも約９℃大きく、稼働時間の経過に応じてΔＴが増大した。従って、ヒートパイプ内部の温度差の点からも、水素吸収金属を空洞部に設けることで、水素吸収金属の水素ガス吸収能力が向上し、ヒートパイプの内部空間における水素ガスの存在量を低減することが確認できた。
上記の１０００時間連続稼動した、実施例１、２、比較例の各ヒートパイプの片面の全表面に輻射率ε＝０．９５の黒体塗装を行った後、５０℃の湯浴に、各ヒートパイプの長手方向における他方の端部から３０％の部位までの領域を浸漬させた。これを赤外線サーモグラフィー（ＦＬＩＲ Ｔ６００）で観測すると、ヒートパイプの作動流体が働いて温度が高くなる領域と、ガスが発生して温度が低いままの領域に分かれた。全体の面積に対する温度が低いままの領域の面積を求めたところ、実施例１では、４．３％、実施例２では１．５％、比較例では２０．１％であった。これにより、実施例１と実施例２では、ヒートパイプの１０００時間連続稼働後における空洞部の水素ガス量が、５０℃におけるヒートパイプ稼働時の全ガス量の１０体積％以下になっていることが確認できた。
本発明のヒートパイプは、水素ガス等の非凝縮性ガスの吸収能力に優れることから、優れた熱輸送特性を発揮するので、電子部品、車両に搭載された内燃機関やバッテリの冷却等、広汎な分野で利用可能である。
１、２、３、４、５ ヒートパイプ
１１、３１ コンテナ
１２ ウィック構造体
１３ 水素吸収金属
１４、２４、３４、４４、５４ 合金部

Claims (10)

  1. 内部に空洞部を有するコンテナと、前記空洞部に設けられたウィック構造体と、前記空洞部に封入された作動流体と、前記空洞部に３５０℃以下で水素を吸収し且つ３５０℃以下で水素を放出しない金属が設けられ、
    前記金属が、溶接により前記コンテナまたは前記ウィック構造体に固定され、前記金属と前記コンテナまたは前記ウィック構造体との間に、前記コンテナまたは前記ウィック構造体と前記金属が溶融して一体となった合金部が形成されたヒートパイプ。
  2. 前記コンテナの材質が、銅、銅合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケルまたはニッケル合金である請求項１に記載のヒートパイプ。
  3. 前記コンテナの材料が、ステンレス鋼である請求項１または２に記載のヒートパイプ。
  4. 前記金属が、チタン系、パラジウム系、バナジウム系、カルシウム系またはこれらの複合系の合金である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
  5. 前記金属が、チタン系の合金である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
  6. 前記金属が、前記作動流体の凝縮する部位に配置されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
  7. 前記合金部が、鉄、ニッケル、クロム及び前記金属のいずれかを含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
  8. 前記合金部が、前記金属の２質量％〜５０質量％である請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
  9. 前記空洞部の水素ガス量が、作動温度５０℃における前記空洞部内の全ガス量の１０体積％以下である請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
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