JP7420519B2 - ヒートパイプ - Google Patents
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Description
(1)作動流体が封入された内部空間を有する管状容器を備え、前記管状容器は、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体に相変化させる蒸発部と、前記蒸発部から離隔した位置に配設され、気相の作動流体を凝縮させて液相の作動流体に相変化させる凝縮部とを有するヒートパイプにおいて、前記蒸発部は、多孔質金属材料からなる管状のウィック構造体を有し、前記蒸発部と前記凝縮部の間に、前記管状容器の内周面に対向して位置する外周面を有し、非多孔質金属材料からなる内管部材を備え、前記管状容器の前記内周面と前記内管部材の前記外周面の境界部分に、前記管状容器の長手方向に沿って前記液相の作動流体が流動可能な流路が形成されていることを特徴とするヒートパイプ。
(2)前記蒸発部は、前記管状容器の一端側部分に位置し、前記凝縮部は、前記管状容器の他端側部分に位置する、上記(1)に記載のヒートパイプ。
(3)前記蒸発部は、前記管状容器の中央部分に位置し、前記凝縮部は、前記管状容器の両端側部分に位置する、上記(1)に記載のヒートパイプ。
(4)前記管状容器の内周面に、前記管状容器の長手方向に沿って延在する複数の溝が形成され、前記境界部分に形成される流路は、前記複数の溝と前記内管部材の外周面とで区画形成される、上記(1)、(2)または(3)に記載のヒートパイプ。
(5)前記ウィック構造体は、銅粉の焼結体で構成される、上記(1)から(4)までのいずれか1項に記載のヒートパイプ。
(6)前記内管部材は、銅管である、上記(1)から(5)までのいずれか1項に記載のヒートパイプ。
図2(a)~(d)は、本発明に従う第1の実施形態のヒートパイプの内部構造を示した図であって、図2(a)が縦断面図、図2(b)が図2(a)のb-b断面図、図2(c)が図2(a)のc-c断面図、図2(d)が図2(a)のd-d断面図である。なお、図2では、ヒートパイプの内部に封入されている作動流体の図示は省略している。
図4は、第2の実施形態のヒートパイプ1Aの内部構造を示した縦断面図である。なお、図4に示す各構成部材は、図2に示す構成部材と同じ場合には、同じ符号を付している。
その他の実施形態として、内管部材11は、第1および第2の実施形態では銅管を用いた場合を示したが、かかる構成だけには限定されず、例えば図5(a)に示すように、銅箔を丸めてC形の断面形状に形成した内管部材11Aや、図5(b)に示すように、銅箔の両端を重ね合わせた円形の断面形状に形成した内管部材11Bを用いるなど、種々の態様にすることができる。また、溝15の断面形状は、第1および第2の実施形態では、略三角形状である場合を示したが、かかる構成だけには限定されず、例えば、図6に示す他の実施形態のヒータパイプ1Bの溝15Aのような台形状の他、矩形状など種々の形状を採用することができる。
次に、本発明のヒートパイプ1の熱輸送のメカニズムを、図2および図3に示す第1の実施形態のヒートパイプ1を用いて以下で説明する。まず、ヒートパイプ1の蒸発部5が、熱的に接続された発熱体(図示せず)から受熱すると、蒸発部5において、液相の作動流体F(L)を蒸発させて気相の作動流体F(g)に相変化することによって、蒸発潜熱として発熱体から受けた熱を吸収する。次に、蒸発部5で熱を吸収した気相の作動流体F(g)は、コンテナ3の内部空間Sである蒸気流路を通り、コンテナ3の長手方向Lに蒸発部(受熱部)5から凝縮部(放熱部)7へ流れることで、発熱体から受けた熱が、蒸発部5から凝縮部7へと輸送される。
以下、本発明のヒートパイプの製造方法の具体的な例について説明する。まず、コンテナ基材を用意する。コンテナ基材の形状は、ヒートパイプの形状に合わせて管材、板材、箔材等から適宜選択すれば良い。コンテナ基材の表面に付着した汚れ等は、ヒートパイプの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。
実施例1のヒートパイプは、図2に示す内部構造を有する円筒状のヒートパイプ1である。コンテナ3は、例えば、長さが400mm、直径が8mmである。コンテナ3の内周面3aには、コンテナ3の全長にわたって延在し、断面が三角形状を有する60本の溝(溝幅が0.2mm、溝深さが0.2mm)を形成した。ウィック構造体(金属粉)9は、金属粉として平均粒径が0.1mmの銅粉を用い、水素ガス雰囲気下で加熱処理を施した。コンテナ3の内部の一端側部分(蒸発部5)には、長さが100mm、厚さ1mmの円環状の銅焼結体を、コンテナ3の内周面3aの溝が埋まるような状態で形成した。また、蒸発部5と凝縮部7の間には、コンテナ3の内周面3aに対向接触する外周面11aを有する内管部材11である銅管(直径が7mm、長さが100mm、厚さが0.5mm)を、ウィック構造体(金属粉)9の一端に突き当たるまでコンテナ3の内部に押し込んで装填した。コンテナ3の内周面3aに形成された複数の溝15と、内管部材11の外周面11aとで区画される境界部分には、コンテナ3の長手方向Lに沿って液相の作動流体F(L)が流動可能な流路13を形成した。内管部材11の装填後、一方の端部である封入口を残してコンテナ3の他方の端部だけを封止し、封入口から作動流体F(L)である水を注入した後、コンテナ3の内部を脱気して減圧状態とし、その後、封入口を封止することでヒートパイプ1を作製した。
比較例1のヒートパイプ100は、銅管の代わりに、図1に示すウィック構造体(金属繊維)110を配置したこと以外は実施例1のヒートパイプと同様な構成になるようにして作製した。なお、金属繊維としては、銅繊維を用いた。金属繊維の寸法を、繊維長が1.4mm、繊維径が30μmとし、ウィック構造体(金属粉)とともに加熱処理して焼結した。
ヒートパイプの性能評価は以下の条件で行った。
1.ヒートパイプの一端側部分である蒸発部(受熱部)の外面に発熱体(発熱量30W~150W)を装着した。
2.ヒートパイプの他端側部分である凝縮部(放熱部)に熱交換手段を装着した。
3.蒸発部と凝縮部の間の中間部は、断熱材を装着して断熱部とした。
4.水平方向に設置した状態で、蒸発部での入熱量を30Wから10Wずつ増加させていき、蒸発部の温度が非定常となる直前の入熱量の大きさを測定し、この測定した入熱量を最大熱輸送量Qmax(W)とした。
3、3A 管状容器(またはコンテナ)
5、5A 蒸発部
7、7A、7B 凝縮部
9、9A、9B ウィック構造体
11、11A、11B 内管部材(または銅管)
13 流路
15、15A 溝
F 作動流体
F(L) 液相の作動流体
F(g) 気相の作動流体
L 管状容器の長手方向
S 内部空間
Claims (6)
- 作動流体が封入された内部空間を有する管状容器を備え、
前記管状容器は、
液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体に相変化させる蒸発部と、
前記蒸発部から離隔した位置に配設され、気相の作動流体を凝縮させて液相の作動流体に相変化させる凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部の間に位置する中間部と
を有するヒートパイプにおいて、
前記管状容器の内周面に、前記管状容器の長手方向に沿って延在する複数の溝が形成され、
前記蒸発部は、
多孔質金属材料からなり、前記管状容器の内周面に、前記溝が埋まる状態で対向接触するように形成される管状のウィック構造体を備え、
前記中間部は、
非多孔質金属材料からなり、前記管状容器の内周面に対向接触する外周面を有し、一端が前記ウィック構造体の端部に埋設された状態で連接されている内管部材(ただし、外周面に溝を有する場合を除く。)を備え、かつ、
前記管状容器の前記内周面と前記内管部材の前記外周面の境界部分に、前記管状容器の長手方向に沿って前記液相の作動流体が流動可能な流路が形成され、
前記境界部分に形成される流路は、前記複数の溝と前記内管部材の外周面とで区画形成されることを特徴とするヒートパイプ。 - 前記蒸発部は、前記管状容器の一端側部分に位置し、前記凝縮部は、前記管状容器の他端側部分に位置する、請求項1に記載のヒートパイプ。
- 前記蒸発部は、前記管状容器の中央部分に位置し、前記凝縮部は、前記管状容器の両端側部分に位置する、請求項1に記載のヒートパイプ。
- 前記凝縮部は、前記管状容器の内周面が露出した状態のまま存在している、請求項1から3までのいずれか1項に記載のヒートパイプ。
- 前記ウィック構造体は、銅粉の焼結体で構成される、請求項1から4までのいずれか1項に記載のヒートパイプ。
- 前記内管部材は、銅管である、請求項1から5までのいずれか1項に記載のヒートパイプ。
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