JP6646996B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、例えば寒冷地における使用でも、作動流体の凍結によるコンテナの破壊を防止できるヒートパイプに関するものである。

電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能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。

従来ヒートパイプは、作動流体として水を減圧封入した金属製のコンテナで構成される。ここで、例えばヒートパイプが、重力方向に対して平行方向または略平行方向となる状態で設置されると、作動流体が重力によりヒートパイプ下部に貯留する。この状態で作動流体の凝固点以下に環境温度が下がると、貯留した液相の作動流体は、コンテナとの接触部と液面側から凍結していき、その後、貯留した液相の作動流体の内部側へと凍結が進行していく。液相の作動流体の内部が凍結して体積膨張すると、体積膨張により発生した応力は液面が固体化しているためコンテナへ向かうこととなる。このような原理により、ヒートパイプが寒冷地で使用される場合、ヒートパイプが使用される姿勢によっては、コンテナ内で貯留した作動液が、凍結によって体積膨張して、コンテナを破壊する場合がある。

そこで、耐寒性に優れたゴムを緩衝材としてコンテナ内に挿入して、作動液の体積膨張を緩衝材の変形で吸収してコンテナの破壊を防止することが提案されている（特許文献１）。しかし、特許文献１の緩衝材の変形では、経年劣化や温度の過剰な低下等により緩衝材が硬化し、作動流体の凍結による体積膨張を吸収しきれずに、コンテナの破壊に至ってしまう場合があるという問題があった。

特開昭５８−７３５６３号公報

上記事情に鑑み、本発明の目的は、ヒートパイプが、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、作動流体の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態における水の凍結による体積膨張に対し、コンテナの破壊を防止できるヒートパイプを提供することにある。

本発明の態様は、円筒形のコンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているヒートパイプである。

上記態様では、コンテナ内部の端面部に、コンテナと熱的に接続された、水（作動流体）よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているので、伝熱部近傍から、すなわち、一方の端面部に貯留した液相の水（作動流体）の内部から凍結していく。このため、内部に残った水が凍結する際に体積膨張し、その応力がコンテナにかかることによる該コンテナの破壊を防止することができる。

本発明の態様は、前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部に取り付けられた状態で設けられているヒートパイプである。

上記態様では、前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部と一体化されている。

本発明の態様は、前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部の壁面に、前記一方の端面部と対向する他方の端面部の方向に向かって凸型に形成された凸部であるヒートパイプである。

上記態様では、前記伝熱部は、前記コンテナの一方の端面部における壁面が、前記一方の端面部と対向する他方の端面部側に向かって凸状に形成された部位なので、コンテナの壁面としても作用し、より確実に内部から水（作動液）を凍結させることができる。

本発明の態様は、前記伝熱部の頂部が、前記水が貯留される液溜まり部の深さの１／２以上、前記一方の端面部と対向する他方の端面部側であるヒートパイプである。

本発明において、「液溜まり部」とは、ヒートパイプが、稼働していない状態において、液相の作動流体が貯留した部位を意味する。また、本発明において「水」とは、不可避不純物を含む純水であり、凍結防止のための添加物を含まないものを意味する。

本発明の態様は、前記コンテナの外部であって前記凸部の外面に、前記水よりも熱伝導率の高い補強部材が嵌合されているヒートパイプである。

本発明の態様は、前記凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有するヒートパイプである。

本発明の態様は、前記コンテナ内部における前記テーパ形状の部位に、フッ素系樹脂が被覆されているヒートパイプである。

本発明の態様は、前記テーパ形状の部位の外面に、熱収縮チューブが巻かれているヒートパイプである。

本発明の態様によれば、一方の端面部に設けられた伝熱部により、一方の端部に貯留した液相の水（作動流体）は、コンテナの側面部との接触側及び液面側よりも内部側から先に凍結していくので、液相の水の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態において液相の水の凍結による体積膨張が生じても、応力を逃がすことができ、結果として、コンテナに対する体積膨張による応力を低減できる。このように、コンテナへの体積膨張による応力を低減できるので、寒冷地等において、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、コンテナの破壊を防止できる。

本発明の態様によれば、伝熱部の頂部の位置が、前記水が貯留される液溜まり部の深さの１／２以上、他方の端面部側であることにより、液面側よりも貯留した液相の水の内部から、より確実に、先に凍結させることができる。このため、液溜まり部の外周（コンテナとの接触部及び液面）が後から凍ることにより、液溜まり部の内部の水が凍結する際の体積膨張によるコンテナの破壊をより確実に防止することができる。

本発明の態様によれば、凸部の外面に、水よりも熱伝導率の高い補強部材が嵌合されていることにより、良好な熱伝導性を維持しつつ、コンテナの端部の機械的強度を向上させることができる。

本発明の態様によれば、凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有することにより、水がコンテナの一方の端面部にて凍結しても、テーパ形状に沿って、凍結した水が移動するので、コンテナにかかる応力を低減することができる。

本発明の態様によれば、テーパ形状の部位にフッ素系樹脂が被覆、及び／またはテーパ形状の部位の外面に熱収縮チューブが巻かれていることにより、コンテナ端面部にて凍結した水が、テーパ形状に沿って、より円滑に移動するので、コンテナにかかる応力を低減することができる。

本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプの凝縮部側の説明図である。 （ａ）図は、本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプの凝縮部側の説明図、（ｂ）図は、凝縮部側に取り付ける補強部材の説明図である。 本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプの凝縮部側の説明図である。

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、円筒形の管材からなるコンテナ１０と、コンテナ１０内部に封入された作動流体１１と、コンテナ１０の内面に設けられたウィック（図示せず）と、を備えている。コンテナ１０は、径方向の断面形状が円形状となっている。

さらに、コンテナ１０内部の、一方の端面部である凝縮部側の端面部１２には、作動流体１１よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられている。ヒートパイプ１では、伝熱部として棒状体１３が、複数（図１では５本）、凝縮部側の端面部１２の中央部に立設されている。伝熱部である棒状体１３の端部が凝縮部側の端面部１２に取り付けられていることで、棒状体１３はコンテナ１０の凝縮部側の端面部１２と熱的に接続され、かつ固定されている。また、棒状体１３は、凝縮部側の端面部１２の中央部に立設されているので、コンテナ１０の側面部１５には接触していない態様となっている。

棒状体１３の設置間隔は特に限定されないが、ヒートパイプ１では、５本の棒状体１３が、コンテナ１０の径方向に等間隔に配置されている。また、棒状体１３の凝縮部側の端面部１２への取り付け方法は、特に限定されず、例えば、溶接、はんだ付け等を挙げることができる。

図１では、ヒートパイプ１は、蒸発部（図示せず）が凝縮部１６よりも高い位置（以下、「トップヒート」ということがある。）であって重力方向に対して平行方向に設置されている。これにより、凝縮部１６に液相の作動流体１１が最も貯留しやすい状態となっている。貯留した液相の作動流体１１は、ヒートパイプ１の稼働していない状態において最大量となって、ヒートパイプ１の液溜まり部１４に、液相の作動流体１１が満たされる。ヒートパイプ１では、棒状体１３の頂部の位置は、液溜まり部１４の深さの１／２以上、凝縮部側の端面部１２と対向する他方の端面部（蒸発部側の端面部）側である。また、図１では、棒状体１３の頂部の位置は、液溜まり部１４の液面よりも凝縮部側の端面部１２側となっている。従って、ヒートパイプ１は、トップヒートにおいて重力方向に対して平行方向に設置され、かつ稼働していない状態では、棒状体１３の頂部は、液溜まり部１４に貯留した液相の作動流体１１の深さの１／２以上、液溜まり部１４に貯留した液相の作動流体１１の液面よりも凝縮部側の端面部１２側に位置する。

コンテナ１０の材料としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス等を挙げることができる。また、コンテナ１０に封入する作動流体としては、コンテナ１０の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であるが、ヒートパイプ１では、水が使用されている。さらに、伝熱部として設けられた棒状体１３は、作動流体１１よりも高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されず、例えば、コンテナ１０の材料と同じ材料を使用することが挙げられ、また、具体的な材料としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることができる。

棒状体１３により、凝縮部１６側端部に貯留した液相の作動流体１１は、側面部１５との接触側及び液面側よりも、内部（すなわち、伝熱部である棒状体１３との接触部及び棒状体１３近傍）から凍結部が形成されていくので、液相の作動流体１１の凍結による体積膨張が生じても、液面側から体積膨張による応力を逃がすことができ、結果、コンテナ１０に対する体積膨張による応力を低減できる。コンテナ１０への液相の作動流体１１の凍結による応力を低減できるので、寒冷地等において、コンテナ１０内で作動流体１１が貯留する状態で設置、使用されても、コンテナ１０の破壊を防止できる。さらに、棒状体１３の頂部の位置が、液相の作動流体１１が貯留される液溜まり部１４の深さの１／２以上、他方の端面部側であることにより、凝縮部１６側端部に貯留した液相の作動流体１１の内部から、より確実に凍結させることができる。

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。

図２（ａ）に示すように、第２実施形態例に係るヒートパイプ２では、棒状体の伝熱部に代えて、伝熱部として、凝縮部側の端面部１２の中央部に凸部２３が設けられている。凸部２３は、凝縮部側の端面部１２の壁面のうち、中央部がコンテナ１０の他方の端面部（蒸発部側の端面部）の方向へ凸状に塑性変形されて形成されたものである。凸部２３は、コンテナ１０の凝縮部側の端面部１２の一部が凸状に塑性変形された態様であることにより、コンテナ１０の凝縮部１６と熱的に接続されている。

また、凸部２３は、凝縮部側の端面部１２の中央部が塑性変形されたものなので、コンテナ１０内部の側面部１５には接触していない態様となっている。ヒートパイプ２では、第１実施形態例に係るヒートパイプ１と同様に、凸部２３の頂部の位置は、液溜まり部１４の深さの１／２以上、凝縮部側の端面部１２と対向する他方の端面部（蒸発部側の端面部）側である。また、図２（ａ）では、凸部２３の頂部の位置は、液溜まり部１４の液面よりも凝縮部側の端面部１２側となっている。なお、凸部２３の設置数は、特に限定されず、１つでも複数でもよいが、ヒートパイプ２では、凸部２３は１つ設けられている。

さらに、図２（ｂ）に示すように、必要に応じて、コンテナ１０の外部である凸部２３の外面側、すなわち、凸部２３を設けることによって形成された凝縮部側の端面部１２の空隙２９に、作動流体１１よりも熱伝導率の高い材料から形成された補強部材２７が取り付けられてもよい。ヒートパイプ２では、補強部材２７は、凸部２３の外面側形状と寸法、すなわち、空隙２９の形状と寸法に対応した突起部２８を有し、突起部２８が空隙２９に嵌合されることにより、空隙２９に補強部材２７が取り付けられる態様となっている。

補強部材２７の材料は、作動流体１１よりも高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されず、例えば、コンテナ１０の材料と同じ材料を使用することが挙げられ、また、具体的な材料としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることができる。また、ヒートパイプ２では、作動流体１１として、水が使用されている。

凸部２３でも、凝縮部１６側端部に貯留した液相の作動流体１１は、側面部１５との接触側及び液面側よりも、内部（すなわち、伝熱部である凸部２３との接触部及び凸部２３近傍）から凍結部が形成されていくので、液相の作動流体１１の凍結による体積膨張が生じても、液面側から体積膨張による応力を逃がすことができ、結果、コンテナ１０に対する体積膨張による応力を低減できる。さらに、凸部２３の頂部の位置が、液相の作動流体１１が貯留される液溜まり部１４の深さの１／２以上、他方の端面部側であることにより、凝縮部１６側端部に貯留した液相の作動流体１１の内部から、より確実に凍結させることができる。

また、作動流体１１よりも熱伝導率の高い補強部材２７が空隙２９に取り付けられることにより、凝縮部１６と放熱手段との間の良好な熱伝導性を維持しつつ、凝縮部１６側端部の機械的強度を向上させることができる。

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、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。

図３に示すように、第３実施形態例に係るヒートパイプ３では、凸部２３が形成された凝縮部側の端面部１２が、テーパ形状の部位３７を有する態様となっている。テーパ形状の部位３７は、コンテナ１０の凝縮部１６が凝縮部１６の先端側ほど縮径し、凸部２３の幅が凝縮部１６の先端側ほど拡幅することにより形成されている。コンテナ１０が縮径される部位は、特に限定されないが、ヒートパイプ３では、凸部２３の頂部に対応する位置から、コンテナ１０が縮径されている。

凸部２３が形成された凝縮部側の端面部１２が、テーパ形状の部位３７を有する態様でも、凝縮部１６側端部に貯留した液相の作動流体１１である水は、側面部１５との接触側及び液面側よりも、内部（すなわち、伝熱部である凸部２３との接触部及び凸部２３近傍）から凍結部が形成されていくので、液相の作動流体１１の凍結による体積膨張が生じても、液面側から体積膨張による応力を逃がすことができ、結果、コンテナ１０に対する体積膨張による応力を低減できる。

さらに、コンテナ１０の凝縮部１６がテーパ形状の部位３７を有することにより、液相の作動流体１１がコンテナ１０の凝縮部側の端面部１２にて凍結しても、テーパ形状の部位３７に沿って、凍結した作動流体１１が移動するので、コンテナ１０にかかる応力を低減することができる。

また、図３に示すように、必要に応じて、コンテナ１０内部のテーパ形状の部位３７に、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂３８が被覆されてもよい。テーパ形状の部位３７にフッ素系樹脂３８が被覆されることにより、テーパ形状の部位３７に沿って、凍結した作動流体１１がより円滑に移動するので、コンテナ１０にかかる応力をより確実に低減できる。

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は、寒冷地において、トップヒートでも、作動流体の凍結によってコンテナが破壊されるのを防止できるので、例えば、寒冷地仕様の自動車に搭載された発熱体の冷却用として使用することができる。

次に、本発明のヒートパイプの他の実施形態例について、説明する。第１実施形態例に係るヒートパイプでは、伝熱部として棒状体が使用されていたが、伝熱部の形状は特に限定されず、例えば、板状体や球状体でもよい。また、第１実施形態例に係るヒートパイプでは、伝熱部の頂部の位置は、液溜まり部の深さの１／２以上、液溜まり部の液面よりも凝縮部側の端面部側であったが、液溜まり部に貯留された液相の作動流体の液面よりも低い位置であればよく、液溜まり部の深さの１／２未満でもよい。また、第１実施形態例に係るヒートパイプでは、伝熱部の端部が凝縮部側の端面部に取り付けられていたが、これに代えて、伝熱部が凝縮部側の端面部に、固定されずに載置される態様でもよい。また、上記各実施形態例では、伝熱部は凝縮部側の端面部に設けられていたが、必要に応じて、さらに、蒸発部側の端面部に設けてもよい。

第３実施形態例に係るヒートパイプでは、コンテナ内部のテーパ形状の部位にフッ素系樹脂が被覆されていたが、これに代えて、またはこれに加えて、テーパ形状の部位の外面に、熱収縮チューブが巻かれてもよい。テーパ形状の部位の外面に巻かれた熱収縮チューブが熱収縮して、コンテナのテーパ形状の部位を撓ませることにより、テーパ形状の部位に沿って、凍結した作動流体がより円滑に移動するので、コンテナにかかる応力をより確実に低減できる。

本発明のヒートパイプは、作動流体の凍結によるコンテナの破壊を防止できるので、寒冷地において使用される機器に搭載された発熱体の冷却用として、利用価値が高い。

１、２、３ ヒートパイプ
１０ コンテナ
１１ 作動流体
１２ 凝縮部側の端面部
１３ 棒状体
１４ 液溜まり部
２３ 凸部
２７ 補強部材
３７ テーパ形状の部位

Claims (6)

1. 円筒形のコンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられ、
   前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部に取り付けられた状態で設けられ、
   前記伝熱部の頂部が、前記水が貯留される液溜まり部の深さの１／２以上、前記一方の端面部と対向する他方の端面部側であり、
   前記伝熱部が、前記一方の端面部の中央部に立設されて、前記コンテナの側面部には接触しておらず、
   蒸発部が凝縮部よりも高い位置において重力方向に対して平行方向に設置され、かつ稼働していない状態で、前記伝熱部の頂部が、前記液溜まり部に貯留した前記水の深さの１／２以上、前記液溜まり部に貯留した前記水の液面よりも前記一方の端面部側に位置するヒートパイプ。
2. 前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部の壁面に、前記一方の端面部と対向する他方の端面部の方向に向かって凸型に形成された凸部である請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記コンテナの外部であって前記凸部の外面に、前記水よりも熱伝導率の高い補強部材が嵌合されている請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有する請求項２に記載のヒートパイプ。
5. 前記コンテナ内部における前記テーパ形状の部位に、フッ素系樹脂が被覆されている請求項４に記載のヒートパイプ。
6. 円筒形のコンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられ、
   前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部の壁面に、前記一方の端面部と対向する他方の端面部の方向に向かって凸型に形成された凸部であり、
   前記凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有し、
   前記テーパ形状の部位の外面に、熱収縮チューブが巻かれているヒートパイプ。

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