JP7189731B2

JP7189731B2 - ヒートパイプ

Info

Publication number: JP7189731B2
Application number: JP2018205693A
Authority: JP
Inventors: 恵人藤井; 智明虎谷
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: JP2020070979A

Description

本発明は、軽量で信頼性に優れるヒートパイプに関する。

近年、電気、電子機器の小型化、および大電流化に伴い発熱量が増大し、その冷却が重要な課題となっておる。電気、電子機器の冷却方法の一つとして、ヒートパイプが使用されている。

ヒートパイプは、コンテナ基材およびウィック構造を有している。また、ヒートパイプは、主に伝熱性能に優れる銅が使用されている。ここで、モバイル機器や車両に内装される製品に対して、ヒートパイプの軽量化の要求が高まっている。これに対し、ヒートパイプの軽量化の観点から、ウィック構造にガラス素材を適用することが検討され、種々の技術が提案されている。

ガラス素材のウィック構造体を使用する技術として、例えば、チャンバー内の蒸発部に付着させた網構造の第１の毛細管構造と、蒸発部から凝縮部まで軸方向に配置され、編んで織おり上げた組み紐からなる第２の毛細管構造と、によりウィック構造を構成したヒートパイプであって、前記第１の毛細管構造および前記第２の毛細管構造がガラス等からなるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、両端の閉じた減圧細管の内部に、作動液体及び毛細管又は線条が、適当な空間を残して自由状態又は拘束状態で充填されているマイクロヒートパイプであって、作動流体として水を使用し、毛細管または線条として、石英ガラス、ホウ酸系ガラス等の無機ガラスを使用するものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、中空ガラスの外壁側を緻密なガラスによる緻密ガラス層として形成し、中空ガラスの内壁側は中空ガラスの両端部分を細孔で連通した多孔質ガラス層としたヒートパイプであって、作動流体として水を使用するものが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

実用新案登録第３１９４１０１号公報特開昭６３－２２６５９５号公報特開２００８－１２２０２４号公報

しかしながら、ウィック構造体としてガラスを使用した場合、ヒートパイプの長期使用により、作動流体として使用する水に、ウィック構造体のガラスからアルカリが溶出するという問題を有している。ヒートパイプのような密閉環境下では、作動流体中でアルカリ成分が濃化し、ｐＨが上昇してしまう。このｐＨの上昇により、ガラス母相がエッチングされ、ウィック構造の形状が損なわれ、ウィック性能の低下、すなわち、ヒートパイプの熱性能が低下し、長期信頼性が得られないおそれがある。また溶解したガラス成分が他の場所で再晶出して、ウィック性能を低下させるおそれもある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コスト、軽量かつ長期信頼性に優れたヒートパイプを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るヒートパイプは、空洞部を有し、内部にウィック構造が配置されるコンテナ基材と、前記空洞部に封入された作動流体と、を備えるヒートパイプであって、前記ウィック構造は、ＳｉＯ_２を主成分とし、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が０．０１質量％以上であり、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が１．０質量％以下であり、Ｍｇの含有量が１０質量％以下のガラス素材であり、前記作動流体は、水を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記ウィック構造は、ガラス繊維であることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記ウィック構造は、複数本のガラス繊維が束ねられたヤーンであることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記ウィック構造は、ガラス繊維がクロス状に織られたガラス繊維クロスであることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記ウィック構造は、ガラス繊維の不織布であることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記ガラス繊維の径は、２～１０μｍであることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記ウィック構造の厚さは、０．０１～０．２ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートパイプは、上記発明において、前記コンテナ基材を構成する材料は、アルミ、マグネシウム、チタン、銅、ステンレス、またはアルミ、マグネシウム、チタン、銅のいずれか一つを主として含む合金であることを特徴とする。

本発明によれば、低コストに、軽量かつ長期信頼性に優れたヒートパイプを得ることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係るヒートパイプの軸方向と垂直な断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。

（実施の形態）
図１は、発明の実施の形態に係るヒートパイプ１０の軸方向と垂直な断面図である。ヒートパイプ１０は、空洞部４を有し、内部にウィック構造２が配置されるコンテナ基材１と、コンテナ基材１の空洞部４に封入された作動流体３と、を備える。

コンテナ基材１は、軸方向と垂直な断面が円状の細管である。断面形状は円状に限定されるものではなく、矩形状、楕円状等であってもよい。また、細管は直線状のほか、Ｌ字状等であってもよい。さらに、ヒートパイプの形状は、管材のほか、板材、箔材を張り合わせたものであってもよい。コンテナ基材１を構成する材料は、アルミ、マグネシウム、チタン、銅、ステンレス、またはアルミ、マグネシウム、チタン、銅のいずれか一つを主として含む合金である。軽量化の観点からは、アルミ、マグネシウム、チタン、またはアルミ、マグネシウム、チタンのいずれか一つを主として含む合金が好ましい。ここで、「主として含む」とは、アルミ、マグネシウム、チタンのいずれか一つの割合が５０質量％以上であることを意味する。

ウィック構造２は、コンテナ基材１の内部に配置される。ウィック構造２は、コンテナ基材１の軸方向の長さ、例えば、作動流体が気化する蒸発部である一端部から、作動流体が液化する凝縮部である他端部にわたり配置される。図１では、ウィック構造２は、コンテナ基材１の内壁面の全体に配置されるが、内壁面の一部を覆うように配置されていてもよい。

ウィック構造２は、ＳｉＯ_２を主成分とし、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が０．０１質量％以上、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が１質量％以下、Ｍｇの含有量が１０質量％以下であるガラス素材からなる。ＳｉＯ_２を主成分としたガラス素材は、一般的に水との濡れ性が良好であり、ウィック構造２として好的である。また、ガラス素材中のアルカリ成分であるＬｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が０．０１質量％以上であることにより、ガラス素材の融点が低下するため、製造が容易となり、製造コストの上昇を抑制することができる。

また、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が１質量％以下のガラス素材をヒートパイプ１０のウィック構造２として使用した場合、作動流体３である水へのＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの溶出量が少ないため、作動流体のｐＨの上昇およびウィック構造２の質量低減を防止することができる。Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計は、０．５質量％以下が好ましく、０．２質量％以下が特に好ましい。

さらに、Ｍｇの含有量が１０質量％以下のガラス素材をヒートパイプ１０のウィック構造２として使用した場合、作動流体３である水へのＭｇの溶出量が少ないため、作動流体のｐＨの上昇およびウィック構造２の質量低減を防止することができる。Ｍｇは、水への溶解度が小さいため、ガラス素材中の含入量が１０質量％以下であればよいが、５質量％以下が好ましく、１質量％以下が特に好ましい。

Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が上記の範囲となるガラス素材は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が上記の範囲であるガラス素材をウィック構造２として使用する。また、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が上記範囲の上限を超えるガラス素材を、酸処理することによりＬｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａを除去することにより、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が上記の範囲となった酸処理ガラスを使用することもできる。酸処理ガラスをウィック構造２として使用する場合、酸処理後、高温で熱処理して、ガラス母相を緻密化したものを使用することが好ましい。

なお、ガラス素材からアルカリ溶出を抑制する技術として、硫酸アンモニウム、亜硫酸ガス、無水亜硫酸、濃硫酸等を用いるブルーム処理（サルファー処理）もある。ブルーム処理では、ガラス表層付近のアルカリ成分を除去するのみに留まり、アルカリが残存する内層から徐々にアルカリが溶出するため、ガラス基材全体に含まれるアルカリ成分量を制御することが必要となる。

また、ウィック構造２に使用されるガラス素材は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等を含むものであってもよい。Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等を含むガラス素材は、ガラス母相の耐水性を高めることができる。

ウィック構造２の形状は特に限定されるものではないが、ウィック性能とハンドリングの観点から、ガラス繊維を使用することが好ましい。ウィック構造２は、複数本のガラス繊維が束ねられたヤーン、ガラス繊維がクロス状に織られたガラス繊維クロス、ガラス繊維の不織布を好適に使用することができ、これらを組み合わせて使用することもできる。

ウィック構造２に使用されるガラス繊維の線径は特に限定されるものではないが、細すぎると製造時にちぎれ等の原因となるほか、ハンドリング性が低下し、太すぎると柔軟性の低下により、ハンドリング性が悪くなる。したがって、ガラス繊維の線径は、２～１０μｍが好ましく、４～８μｍが特に好ましい。

ウィック構造２として、ガラス繊維クロスや不織布を使用する場合の厚さは、特に限定されるものではないが、薄すぎると製造時にちぎれ等の原因となり、厚すぎるとヒートパイプ１０の軽量小型化に不利となるほか、ウィック構造２内に大気の一部が残存し、ヒートパイプ性能を低下させるおそれがある。ウィック構造２の厚さは、０．０１ｍｍ～０．２ｍｍであることが好ましく、０．０２ｍｍ～０．１ｍｍが特に好ましい。

ウィック構造２は、少なくとも上記に記載のガラス素材を一部に使用するものであれば、他の部分が従来の金属素材を使用するものであってもよい。少なくとも一部が、アルカリの溶出のないガラス素材を使用するものであれば、軽量かつ長期信頼性にぐれるヒートパイプ１０とすることができる。

作動流体３は、水を含む流体である。水は、蒸発潜熱が大きく、熱輸送に有利であり、環境負荷がなく、管理も容易であるという利点を有しているため、作動流体３として好適に使用することができる。使用環境に応じて、ｐＨ調整剤を添加したり、作動流体３の凍結を防止する目的でアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール等を添加してもよいが、少なくとも水を５０質量％以上含むことが好ましい。

上記の構成を採用することにより、低コストに生産可能であって、軽量かつ長期信頼性に優れるヒートパイプ１０を得ることができる。なお、上記の実施の形態では、コンテナ基材１として金属材料を使用しているが、ウィック構造２に使用するアルカリ溶出の無いガラス素材を使用することもできる。

ヒートパイプ１０は、汚れを洗浄したコンテナ基材１の一端部を封止した後、ウィック構造２をコンテナ基材１に配置し、作動流体３を注入した後、コンテナ基材内部を脱気し、コンテナ基材１の他端部を封止することにより製造することができる。封止の前に、絞り加工等により封止部（コンテナ機材１１の両端部）の形状を適宜調整しても良い。また板材や箔材を張り合わせてコンテナとする場合は、作動流体３を注入する前に注入口以外の部分を封止し、作動流体３を注入し、脱気後に注入口の部分を封止する。また各工程の間で扁平加工や曲げ加工を施し、ヒートパイプを所望の形状に調整しても良い。

コンテナ基材１の表面に付着した汚れ等は、ヒートパイプ化した後に熱伝達能の低下に繋がる恐れがあるため、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良く、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良い。

コンテナ基材１の封止方法は特に制限は無いが、ＴＩＧ溶接、抵抗溶接、厚接、はんだ等、一般的な方法を用いれば良い。ウィック構造２のコンテナ基材１の内部への設置方法に特に限定は無く、コンテナ基材１の内面にクロス状のウィック構造２を沿わせる、コンテナ基材１内部にヤーンを設置する等、一般的な方法で設置すれば良い。必要に応じて、コンテナ基材１で固定しても良い。

＜試験サンプルの製造＞
外径８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ×長さ２２０ｍｍの無酸素銅管の直管の片端をＴＩＧ溶接で封止し、下記表１に示した成分を有するガラスクロスを内面に沿わせて設置した。その後純水を注液し、加熱脱気により脱気後、ＴＩＧ溶接により脱気口を封止し、ヒートパイプの試験サンプルとした。ガラスクロスは、厚さ０．０１～０．２ｍｍのものを適宜選択して用いた。ヒートパイプ内の作動流体は、１．８ｇ程度になるよう調整した。

＜評価方法＞
（１）作動流体のｐＨ
ヒートパイプを長期で使用した際のガラス製ウィック構造からのアルカリ溶出を模擬するため、作製した試験サンプルを１５０℃×１８５ｈの条件で加速試験し、熱処理後の作動流体のｐＨを測定した。熱処理後のｐＨが８以下の場合を◎、８．５以下の場合を○、９以下の場合を△、９より大きい場合を×として判定した。
（２）ウィック構造の質量変化
ヒートパイプを長期で使用した際のガラス製ウィック構造の作動流体への溶解を模擬するため、作製した試験サンプルを１５０℃×１８５ｈの条件で加速試験し、熱処理前後のウィック構造の質量変化を測定した。ウィック構造の質量変化は下記式で計算される。耐久試験後の質量変化率が５％以下の場合を◎、１０％以下の場合を○、１５％以下の場合を△、１５％より大きい場合を×として判定した。
質量変化＝（耐久試験前の質量－耐久試験後の質量）／（耐久試験前の質量）
（３）コスト
ガラス素材の製造の難易度により、製造コストを評価した。製造コストが低い場合は○、製造コストが高い場合を×とした。

製造したヒートパイプの試験サンプルについて、上記（１）～（３）の評価結果を表１に示す。

実施例１～７、および比較例５は、酸処理後に熱処理し、アルカリ成分を低減したガラス素材をウィック構造として用いた。表１に示すように、ガラス素材中のアルカリ成分が濃くなるに連れ、耐久後のｐＨが上昇し、質量変化が大きくなった。

実施例８～１１および比較例１は、アルカリ添加量を抑えたガラス素材をウィック構造として用いた。表１に示すように、アルカリ成分が濃くなるに連れ、耐久後のｐＨが上昇し、質量変化が大きくなった。

比較例２は、Ｅガラスをウィック構造として用いた。Ｅガラスは無アルカリガラスとして知られているものの、Ｃａ含有量が１３質量％と高い。Ｅガラスを使用したウィック構造は、耐久後のｐＨが上昇し、質量変化も大きくなった。従来用途では耐水性が期待されるＥガラスでも、ヒートパイプ環境では長期信頼性が得られない。

比較例３は、比較例２のＥガラスをブルーム処理し、表層のアルカリ成分を除去したガラスをウィック構造として用いた。ブルーム処理によっても、耐久後のｐＨが上昇し、質量変化も大きくなった。従来用途ではブルーム処理によりアルカリ溶出を抑制できることが知られているが、ヒートパイプ環境では長期信頼性が得られない。ヒートパイプ環境で長期信頼性を得るためには、ガラス表層のアルカリ成分を除去するだけでは不十分であり、母相全体のアルカリ成分を低減する必要がある。

比較例４は、一般的な耐水用途で使用されるパイレックス（登録商標）ガラスをウィック構造として用いた。耐久後のｐＨが上昇し、重量変化も大きくなった。従来用途では耐水性が期待されるパイレックスガラスでも、ヒートパイプ環境では長期信頼性が得られない。

参考例１は、石英ガラスをウィック構造として用いた。石英ガラスはアルカリ成分をほとんど含まず、アルカリ溶出の懸念は無いが、アルカリ成分を含まないゆえに融点が高く、製造の難易度が上がり高コストとなる。

本発明では、ガラス素材が０．０１質量％以上アルカリ成分を含むことで、比較的低いコストで製造でき、耐久後のｐＨ及び質量変化において、石英ガラスと同等の結果が得られている。

１コンテナ基材
２ウィック構造
３作動流体
４空洞部
１０ヒートパイプ

Claims

空洞部を有し、内部にウィック構造が配置されるコンテナ基材と、前記空洞部に封入された作動流体と、を備えるヒートパイプであって、
前記ウィック構造は、ＳｉＯ_２を主成分とし、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が０．０１質量％以上、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａの含有量の合計が１質量％以下、Ｍｇの含有量が１０質量％以下のガラス素材であり、
前記作動流体は、水を含むことを特徴とするヒートパイプ。
前記ウィック構造は、ガラス繊維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。
前記ウィック構造は、複数本のガラス繊維が束ねられたヤーン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。
前記ウィック構造は、ガラス繊維がクロス状に織られたガラス繊維クロス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。
前記ウィック構造は、ガラス繊維の不織布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。
前記ガラス繊維の径は、２～１０μｍであることを特徴とする請求項２～５のいずれか一つに記載のヒートパイプ。
前記ウィック構造の厚さは、０．０１～０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載のヒートパイプ。
前記コンテナ基材を構成する材料は、アルミ、マグネシウム、チタン、銅、ステンレス、またはアルミ、マグネシウム、チタン、銅のいずれか一つを主として含む合金であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載のヒートパイプ。