JP7166892B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、コンテナの内部に封入された作動流体の潜熱によって熱を輸送するように構成されたヒートパイプに関するものである。

近年の電気・電子機器の小型化、通電電流の大電流化に伴う発熱量増大に対し、冷却技術の向上が重要課題の一つとなっている。また、機器機能の多様化により、内部構造が複雑となり、内部の部品にも多様な形状が要求されるようになってきている。また、例えばモバイル機器や車両に内装されるものを中心に、軽量化の要求が高まっている。このような背景から、冷却機器の一つとして使用されるヒートパイプには、熱輸送性能の向上、曲げ加工性の向上、軽量化が望まれる。

従来のヒートパイプとして、作動流体を凝縮部から蒸発部に還流させる毛細管力を発生させるためのウィックがコンテナの内部に設けられ、全体として扁平形状に構成された扁平ヒートパイプが知られている（例えば、特許文献１～３を参照）。

特許文献１は、繊維を筒状に編んだ編組体をウィックとして用い、編組体の周囲に作動流体の蒸気流路を形成し、編組体の内周面によって囲まれた空洞部に作動流体の液体流路を形成したものである。特許文献２は、管状メッシュからなるウィックを備えたものである。特許文献３は、細線をチューブ状に編んだ編組体の内部に細線束からなるウィックを保持するものである。

上述したような繊維や細線を筒状に編んだ編組体（以下、中空編組線ということがある。）をウィックとしたヒートパイプは、高い熱輸送特性が望め、さらに柔軟であることから曲げ加工性も望めるといった利点がある。

しかし、上記の特許文献１、２のヒートパイプは、ウィックに囲まれた中空部分の液相作動流体の存在により、熱輸送性能の一つである熱抵抗が高くなり易いという問題がある。また、特許文献２のヒートパイプは、メッシュが柔軟性に乏しいことから、曲げ加工性が得られないという問題がある。特許文献３は、編組体の内部が中空である場合に比べて液流の抵抗が大きく、断熱部から凝縮部にかけての作動流体の還流に不利となり、熱輸送性能が得られにくいという問題がある。

また、ウィックを焼結体で構成する場合、液流の抵抗が大きく、断熱部から凝縮部にかけての液相作動流体の還流に不利となり、熱輸送性能が得られにくいという問題がある。軽量化の観点からは、コンテナ基材を従来の銅からアルミニウム、マグネシウム、チタンやその合金、ステンレスなどに置き換えることが好ましいが、これらの金属は酸化物が安定であり、焼結時に焼結強度を得ることが難しい。

特開２０１８－７６９８７号公報 国際公開第２０１１／０１０３９５号 特開２０１５－２１００４０号公報

上記の中空編組線をウィックとした扁平ヒートパイプには、上述したような問題を含めて、いくつか問題がある。１つ目は、上述したように、中空編組線に囲まれた中空部分の液相作動流体の存在により、熱抵抗が高くなり易い問題がある。２つ目は、ヒートパイプの製造工程において、中空編組線を扁平ヒートパイプ内に設置した際、中空部分の存在によりコンテナと編組線の外面の接触が弱くなるおそれがある問題がある。また、接触が弱くなると熱伝導しづらくなって、熱抵抗が高くなり易い問題もある。３つ目は、中空編組線に囲まれた部分は中空であるため、コンテナを扁平加工した際のコンテナ支持体としては機能しづらく、コンテナ表面の平坦度が得づらくなるため、加熱部から熱が伝わりづらくなり、熱抵抗が高くなり易い問題がある。この３つ目は、軽量化に有利な薄肉コンテナにおいて、特に問題となる。中空編組線の中空部分を埋めることで、これらの改善が期待できるが、中空の場合に比べ、中空であった部分を液が流れることができず、断熱部から凝縮部にかけての作動液の還流に不利となり、熱輸送性能が得られにくい可能性がある。

このため、中空編組線をウィックとしたヒートパイプにおいて、熱輸送性能を向上することが望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱輸送性能を向上したヒートパイプを提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るヒートパイプは、作動流体が内部に封入されたコンテナと、前記コンテナの内部に設けられ、繊維を筒状に編んだ中空編組線からなるウィック構造を備えたヒートパイプであって、前記コンテナの外部から加熱される加熱部の前記中空編組線に囲まれた中空部分には、前記中空部分を中実にする中実部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る他のヒートパイプは、上述した発明において、少なくとも前記加熱部の前記コンテナの形状が扁平状であることを特徴とする。

また、本発明に係る他のヒートパイプは、上述した発明において、前記中実部が、多孔質体であることを特徴とする。

また、本発明に係る他のヒートパイプは、上述した発明において、前記中実部が、金属粉もしくは金属繊維またはそれらの焼結体であることを特徴とする。

また、本発明に係る他のヒートパイプは、上述した発明において、前記中実部の空隙率が５０～９５％であることを特徴とする。

また、本発明に係る他のヒートパイプは、上述した発明において、前記コンテナが、銅、アルミニウム、マグネシウムもしくはチタンまたはそれらを含む合金、または、ステンレスからなることを特徴とする。

本発明に係るヒートパイプによれば、加熱部の中空編組線の中空部分に中実部が設けられているので、熱抵抗を低減することができる。

図１は、本発明に係るヒートパイプの実施の形態を示す平断面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った横断面図である。 図３は、本発明に係るヒートパイプの他の実施の形態を示す横断面図である。

以下に、本発明に係るヒートパイプの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１および図２に示すように、本発明の実施の形態に係るヒートパイプ１０は、作動流体１２が内部に気密状態に封入された扁平管状のコンテナ１４と、コンテナ１４の内部に長手方向全長に亘って配置され、繊維を筒状に編んだ中空編組線１６からなるウィック構造１８を備えている。

このヒートパイプ１０では、コンテナ１４の一部（加熱部）に熱を加えると、作動流体１２が加熱されて蒸発し、その蒸気が温度および圧力の低い箇所（冷却部）に向けて流動し、その後、放熱して凝縮する。上記の加熱部がヒートパイプ１０の蒸発部であり、冷却部がヒートパイプ１０の凝縮部である。図１の例では、コンテナ１４の左端部が加熱部２０であり、これとは反対側の端部が冷却部２２である。また、加熱部２０と冷却部２２の間は、コンテナ１４外部に設けた断熱体などによって断熱する断熱部２４である。加熱部２０は、必ずしもコンテナ１４の長手方向の端部である必要は無く、その途中に配置されても良い。また断熱部２４を配置せず、加熱部２０と冷却部２２のみとしても良い。

中空編組線１６は、図２に示すように、コンテナ１４内の上下面に固定されている。そのため、中空編組線１６とコンテナ１４の幅方向での両側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、作動流体１２の蒸気の流路である蒸気流路３０である。蒸発した作動流体１２は蒸気流路３０を介して加熱部２０から冷却部２２に流れる。また、中空編組線１６の繊維間の網目構造と編組線内の中空部分２６は、作動流体１２の還流路３２となっている。凝縮した作動流体１２は還流路３２を介して冷却部２２から加熱部２０に還流される。

加熱部２０の中空編組線１６に囲まれた中空部分２６には、中空部分２６を中実にする中実部２８が設けられている。中実部２８は、中空編組線１６の内面に密着した状態で保持されている。

コンテナ１４の基材は、特に限定しないが、例えば銅を用いることができる。軽量化の観点からは、アルミニウム、マグネシウム、チタンとそれらの合金、またはステンレスが好ましい。

作動流体１２については、特に限定しないが、熱輸送性能確保の観点から水が好ましい。水は、作動流体の熱輸送能力の指標となるメリットが大きく、熱輸送に有利である。また、環境負荷がなく、管理も容易という利点がある。使用環境に応じて、ｐＨ調整剤や不凍液等を適宜添加してもよい。

ウィック構造１８は、加熱部２０の中空編組線１６に中空部分２６を埋める中実部２８を備える。よって、中空編組線１６の高い熱輸送性能や曲げ加工性を担保しながら、熱抵抗が高くなる要因となる問題（「発明が解決しようとする課題」で挙げた問題）を解決することができる。また、中実部２８を多孔質体とすることで、毛細管力により加熱部２０への液の還流が補助され、さらなる熱輸送性能の向上が望める。多孔質体は、焼結体のような空隙を有する一体形状のものだけでなく、粉体や繊維体を充填して空隙を形成させた場合も含まれる。

中実部２８の空隙率は、５０～９５％とすることが好ましく、６０～９０％とすることがさらに好ましい。多孔質体に金属粉または金属繊維、またはそれらの焼結体を用いることで、粉体や繊維の形状、コンテナ１４の扁平率から、中実部２８の空隙率を制御し易くできる。なお、本発明はこれに限るものではなく、例えば熱伝導性の樹脂など金属以外の材料を用いて多孔質体を構成してもよい。

中空編組線１６のコンテナ１４内の配置は特に限定されず、図２に示すように、コンテナ１４の長手方向視の断面（長手方向に対して垂直な断面）の幅方向の中央部に配置してもよいし、図３に示すように、コンテナ１４の長手方向視の断面の幅方向の端部に配置してもよい。ただし、扁平後のコンテナ１４表面の平坦度の観点からは、図２に示すように、中空編組線１６は断面中央部に配置することがより好ましい。

中空編組線１６は、繊維を筒状に編んだ構造であり、従来の方法で製造すればよい。使用する繊維は、撚り線のような繊維の集合体を用いることが好ましい。繊維の集合体を用いることで、ウィックとして用いた際の毛細管力が向上し、熱輸送性能が改善し易くなる。

上記構成の動作および作用について説明する。加熱部２０に入熱があってその温度が高くなると、液相の作動流体１２が加熱されて蒸発する。作動流体１２の蒸気は、温度および圧力の低い箇所つまり冷却部２２に向けて中空編組線１６に沿う蒸気流路３０を流動し、冷却部２２で放熱して凝縮する。凝縮した作動流体１２は中空編組線１６を構成する繊維の網目構造および中空部分２６からなる還流路３２に浸透し、還流路３２に沿って加熱部２０側に向けて流動する。

ここで、加熱部２０の中空編組線１６の中空部分２６は、中実部２８によって中実になっている。このため、加熱部２０の中空部分２６には、液相の作動流体１２が存在し難くなる。これにより、中空編組線１６による高い熱輸送性能と曲げ加工性を担保しながら、熱抵抗を低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、熱輸送性能と曲げ加工性に優れたヒートパイプを実現でき、軽量化も望める。

（製造方法）
次に、本実施の形態に係るヒートパイプの製造方法について説明する。

本実施の形態の製造方法では、コンテナ基材の供給工程、ウィック配置工程、扁平加工工程、曲げ加工工程、封止工程１、注液工程、脱気工程、封止工程２の各工程を順次実施してヒートパイプを製造する。

コンテナ１４の基材は、円形断面の管材を用いることが好ましい。表面に付着した汚れ等は、ヒートパイプを製造した後に熱伝達能力の低下に繋がるおそれがあるため、事前に洗浄することが好ましい。洗浄は一般的な方法で実施すればよく、例えば溶剤脱脂、電解脱脂、エッチング、酸化処理等を行えばよい。また、扁平や曲げの加工性を担保するため、適宜焼き鈍しを実施してもよい。

ウィック配置工程では、中空編組線１６の加熱部２０に中実部２８を挿入し、中空編組線１６全体をコンテナ１４の基材の中に挿入することによってウィック構造１８をコンテナ１４内に配置する。中実部２８は中空編組線１６により支持されるため、加熱部２０を中実部２８のみとし、断熱部２４～冷却部２２の区間を中空編組線１６のみとしたウィック構造に比べ、中空編組線１６と中実部２８の接触により熱輸送性能が得易いという性能上の利点に加え、ハンドリングの観点から、製造が容易になるという利点もある。ウィックの固定は、扁平加工工程や封止工程の際にコンテナ１４の基材で固定するほか、従来技術を適宜利用してもよい。

扁平加工工程では、コンテナ基材を扁平に加工し、所望の厚さとする。例えば円管を半径方向に押し潰して扁平に加工する。厚さには特に限定はないが、中空編組線１６の中空部分２６がなくなってしまうと、断熱部２４～冷却部２２にかけての液流の抵抗が大きくなり、熱輸送性能が得られなくなるため、中空部分２６を残すことが重要である。中空部分２６は、中空編組線１６のコンテナ１４の長手方向に垂直な断面の内部全面である必要はなく、一部が埋まっていてもよい。また、扁平加工は段階的に行ってもよく、例えばウィック挿入前後、曲げ前後、封止前後など、適切なタイミングで実施してもよい。

曲げ加工工程では、製品に要求される形状に応じて、適宜曲げてもよい。曲げ加工は段階的に行ってもよく、例えばウィック挿入前後、扁平前後、封止前後など、適切なタイミングで実施してもよい。

封止工程１では、脱気の際に内部の気体が抜ける部分以外を封止する。封止工程２では、脱気の際に内部の気体が抜ける部分を封止する。封止工程１、２における封止方法は特に制限はないが、例えばＴＩＧ溶接、抵抗溶接、圧接、はんだ等の一般的な方法を用いることができる。また封止の前に、絞り加工等により封止部の形状を適宜調整しても良い。

注液工程では、作動流体１２をコンテナ１４中に注ぎ込む。注液方法は特に制限はなく、一般的な方法を用いればよい。

脱気工程では、脱気によりコンテナ１４内部の気圧を下げる。脱気方法は特に制限はなく、加熱脱気や真空脱気等の一般的な方法を用いればよい。

（本発明の効果の検証）
次に、本発明の効果の検証について説明する。この検証では、上記の製造方法で作製したヒートパイプについて熱輸送性能試験を行い、本発明の効果を検証した。

＜ヒートパイプ試験体の作製方法＞
コンテナには、外径８ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ×長さ２６５ｍｍのステンレス管を用いた。また、中空編組線は、線径７０μｍのステンレス繊維を２０本束ねて撚り線とし、それを２４本使って編んだものを用いた。中空編組線の加熱部に中実部を配置した本実施例においては、中実部として繊維径３０μｍのステンレス繊維焼結シートを、中空編組線の加熱部側端部から５０ｍｍの位置まで挿入した。コンテナと中空編組線を脱脂後、コンテナを厚さ４ｍｍまで扁平にし、中実部を挿入した中空編組線を、コンテナ内でコンテナ長手方向に対し垂直な断面の中央部に配置されるように挿入した後、コンテナを厚さ１．７ｍｍまでさらに扁平にした。扁平後の中空編組線の幅は、５ｍｍ程度となっている。その後、コンテナの一端をＴＩＧ溶接により封止し、もう一端から作動流体として純水を注液した後に加熱脱気を行い、脱気に用いた部分をＴＩＧ溶接して封止することで、ヒートパイプを作製した。比較例として、中実部を配置しない中空編組線のみからなるウィックを備えたヒートパイプも作製した。

＜評価方法＞
ヒートパイプの加熱部（ヒータ接触部分）の長さを３０ｍｍ、断熱部（断熱部材で囲んだ部分）の長さを１６５ｍｍ、冷却部の長さを５０ｍｍとし、作動温度（断熱部の温度）を５０℃として水平に設置し、最大熱輸送量（Ｗ）と熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。熱抵抗は、発熱体（ヒーター）表面の温度と冷却部表面の温度を測定し、その差を入熱量で除することで求めた。つまり、熱抵抗は、熱抵抗＝（加熱部平均外表面温度－冷却部平均外表面温度）／熱輸送量、の算定式で求めた。

最大熱輸送量、熱抵抗の比較結果を表１に示す。表１の実施例では、比較例の最大熱輸送量、熱抵抗をそれぞれ１とした場合の比率で示している。

この表１に示すように、実施例は比較例に比べて最大熱輸送量が高く、かつ熱抵抗が低くなっている。このため、加熱部の中空編組線の中空部分に中実部を設けることは、熱輸送性能の向上に有効であることがわかる。

以上説明したように、本発明に係るヒートパイプによれば、加熱部の中空編組線の中空部分に中実部が設けられているので、熱抵抗を低減することができる。したがって、熱輸送性能を向上することができる。また、中実部を多孔質体とすることで、毛細管力により加熱部への液相の作動流体の還流が補助され、更なる熱輸送性能の向上が望める。さらに、多孔質体に金属粉もしくは金属繊維、またはそれらの焼結体を用いることで、粉体や繊維の形状、コンテナの扁平率から、中実部の空隙率を制御し易くできる。

１０ ヒートパイプ
１２ 作動流体
１４ コンテナ
１６ 中空編組線
１８ ウィック構造
２０ 加熱部
２２ 冷却部
２４ 断熱部
２６ 中空部分
２８ 中実部
３０ 蒸気流路
３２ 還流路

Claims (6)

1. 作動流体が内部に封入されたコンテナと、前記コンテナの内部に設けられ、繊維を筒状に編んだ中空編組線からなるウィック構造を備えたヒートパイプであって、
   前記中空編組線に囲まれた中空部分のうち、前記コンテナの外部から加熱される加熱部の前記中空編組線に囲まれた中空部分にのみ、前記中空部分を中実にする中実部が設けられていることを特徴とするヒートパイプ。
2. 少なくとも前記加熱部の前記コンテナの形状が扁平状であることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記中実部が、多孔質体であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。
4. 前記中実部が、金属粉もしくは金属繊維またはそれらの焼結体であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載のヒートパイプ。
5. 前記中実部の空隙率が５０～９５％であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載のヒートパイプ。
6. 前記コンテナが、銅、アルミニウム、マグネシウムもしくはチタンまたはそれらを含む合金、または、ステンレスからなることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載のヒートパイプ。

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