JPH0252992A - 複合ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ０発明の目的 〔産業上の利用分野〕 本発明はヒートパイプの構造に関するものであり、管状
コンテナからなるヒートパイプの熱輸送特性を改善する
と共に、その適用姿勢が水平ヒートモードであっても、
若干のトップヒートモードであっても、該ヒートパイプ
の最高性能を示すホトみヒートモードに対して実用上問
題となる如き性能低下を生じることのない、新規な性能
を有するヒートパイプの新規な構造に関するものである
。

〔従来技術〕

ヒートパイプの熱輸送性能を改善する従来の技術として
はコンテナの内壁面における少なくも受熱部の内壁面に
伝熱面積拡大手段を設けることが一般に行なわれている
。第９図はその状態を示す縦断面図である。図において
１及び１−１は夫々受熱部及び加熱手段であり、２及び
２−１は夫々放熱部及び放熱手段を示す。５−１及び５
−２は夫々作動液及びその蒸気を示す。７は少なくも受
熱部内壁面に設けられた伝熱面積拡大手段を示しである
。その具体例としては内部フィン群、深溝のグループ群
、ウィック構造等があげられる。内部フィン群は伝熱面
積を数１０倍に増加せしめることが出来るので極めて効
果的ではあるが複雑高価であった。グループ群はコンテ
ナ内壁全面に設けられるのが常であり安価ではあるがそ
の効果は小さかった。ウィックは熱抵抗を低下せしめる
効果は大きいが大容量の熱輸送には不適当であった。

ヒートパイプの適用姿勢による性能変化を少なくする為
の手段としては毛細管作用を増加せしめる手段が採られ
、一般には自冷放熱器の縦断面図である第１０図に示す
如く細密ウィック８が用いられる。然しこの構造は大容
量の熱輸送には効果が無かった。適用姿勢による性能変
化を防ぐ他の手段としてはポンプにより作動液の強制還
流手段が用いられることもあるが機械的磨耗部分を無く
して信頼性を向上せしめるヒートパイプの本来の目的に
は反するものであった。この様に従来構造のヒートパイ
プの有する欠点を完全に補う為の実用的な手段は未だ出
現していない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来構造のし一ドパイブの改善に従来技術で多くの改善
努力がなされて来た如く、ヒートパイプには基本的に次
の如き問題点が残されている。

（ａｌ　　−殻内に受熱部長さが短か（、放熱部内壁（
凝縮部）の伝熱面積に比較して受熱部内壁（１発部）の
伝熱面積が小さい通用例が極めて多く、これがヒートパ
イプの性能を制約する大きな要因をなしている。

ヒートパイプ熱抵抗をＲＨＰとし、蒸発部内部熱抵抗を
Ｒ，とじ、凝縮部内部熱抵抗をＲｃとし、蒸発部内部伝
熱面積をＳ、、凝縮部内部伝熱面積をＳｃ、ヒートパイ
プ内部熱伝達係数をαとした場合はそれ等には次の関係
がある。

ここにｋはヒートパイプの残余の部分の熱抵抗の総和を
示す常数である。管状ヒートパイプの内径をｄとし、受
熱部長さを１８、放熱部長さをｌ。

とすれば上式は更に次の如く書き換えられる。

＝　（απｄ）−１ｘ　　（ｌｅ−’＋Ｎｃ−’）＋に
従ってヒートパイプ熱抵抗Ｒ）ＩＰはｅ、＋Ｎａを一定
とした場合にはｐ、＝ｌｃの場合が最も小さく、β。又
は！、の何れかが他より小さい程大きくなることが分か
る。通常ヒートパイプは受熱部長さが放熱部長さより短
かい場合が殆どであり、らは帳の１１５〜１／ｌＯに過
ぎない場合が多かった。

この様な場合のヒートパイプの全熱抵抗は１゜＝℃ｏの
場合の熱抵抗に比較して数倍も高くなる場合カアった。

即ちヒートパイプによる放熱に際しては機構的に受熱部
長さを短か（せざるを得な６ｓ場合が多く、それに因っ
てヒートパイプ熱抵抗力増大し放熱効果の多くを失う例
が多かった。

（ｂ）　　従来構造のヒートパイプはその加熱形態がボ
トムヒートモードであるか、水平ヒートモードであるか
、又はトップヒートモードであるかによって最大熱輸送
能力及び熱抵抗値が大きく変化する。

熱抵抗変化は放熱部から受熱部に還流する作動液流に対
する重力の補助が適用姿勢により変化し、水平姿勢では
失なわれ、トップヒートでは妨害として作用することに
よる。又第１１図の横断面図の如く還流作動液がコンテ
ナ内壁面を偏って流れることに因って凝縮部面積が縮小
することもその原因となっていた。

又最大熱輸送能力の変化は同様に還流作動液の循環速度
、循環流量が重力補助作用の変化に応じて増減すること
によるものであった。特にウィックレス型ヒートパイプ
の場合この傾向は大きく、僅かなトップヒート状態でも
受熱部（凝縮部）に対する作動液の供給が失なわれドラ
イアップすることが多い。一般に水平ヒートモード時の
熱抵抗はボトムヒートモードの場合の２倍に達し、トッ
プヒートモード時の熱抵抗はボトムヒートモードの場合
のｌＯ倍〜無限大にも達する。

口０発明の構成 〔問題点を解決する為の手段〕 本発明に係る問題点解決の手段は管状ヒートパイブに関
するものであり、該ヒートパイプを主ヒートパイプとそ
の作動液の蒸発促進の為の管状補助ヒートパイプとの複
合構造とする所にある。それ等の複合状態は第１図〜第
８図に示しである。

即ち第１図及び第４回復合ヒートパイプを適用した放熱
器の縦断面図に例示の如く、受熱部１、放熱部２及び断
熱部３からなり、加熱手段１−１、放熱手段２−１が設
けられ、作動液５−１、作動液の蒸気５−２が封入され
てある主ヒートパイプのコンテナ内には、その凝縮作動
液５−１が放熱部２の内壁面から受熱部１の内壁面に向
って還流する作動液流路に沿って所定の本数の補助ヒー
トパイプ４が内装配設されてあり、且つ該補助ヒートパ
イプ４は受熱部内壁から放熱部内壁にまたがって配設さ
れてある。

該補助ヒートパイプ４の受熱部と主ヒートパイプの内壁
は相互伝熱が良好な様に所定の手段で連結されてある。

その連結は強力なスプリングで圧着されてあっても良く
、又第１図、第４図におけるｘ、−Ｘ２断面を示した第
５図、第６図に例示し、又受熱部の縦断面拡大図である
第２図に例示の如くろう接部６に依って完全に一体化さ
れてあっても良い。更に補助ヒートパイプ４の放熱部は
主ヒートパイプの放熱部の内壁に近接して配設されてあ
り、その状態は第１図及び第４図におけるＹＩ　Ｙｚ凹
断面示す第６図及び第８図に例示し且つ放熱部の縦断面
拡大図である第３図にも例示されてあ′る。図における
近接状態は両者は離れているがこれ等は相互に接触して
いても良い。

図においては主ヒートパイプも補助ヒートパイプも円筒
形状になっているがその断面形状には何等限定される所
は無い。むしろ少なくも受熱部内においては双方の接着
面積が拡大され相互間の熱量授受が容易となる断面形状
のヒートパイプであることが望ましい。

図においては補助ヒートパイプは主ヒートパイプの内壁
面の全長にわたって設けられであるが、受熱部の所定の
部分から放熱部の所定の部分にまたがっておればその範
囲は限定されない。

主ヒートパイプと補助ヒートパイプとは夫々に独立した
管状ヒートパイプであるから、それ等の夫々に封入され
る作動液は同一作動液であっても異性異質の作動液であ
っても良い。又それ等の夫々の内容積に対する作動液封
入割合も異っていても良い。それ等の作動温度範囲が相
互に異っていたり、性質が異っているヒートパイプの組
合わせに依り複合ヒートパイプ全体としては各種の性能
を与えることが出来るし、又後述する本発明に係る複合
ヒートパイプとしての作用効果を発揮する温度範囲を限
定することも可能となる。

補助ヒートパイプは主ヒートパイプの作動液の蒸発を促
進する為のものであるから、主ヒートパイプの適用姿勢
に応じた内部構造である必要がある。従って補助ヒート
パイプ自身としては可能な限り、水平ヒートモード、ト
ップヒートモード等でも良好なヒートパイプ特性を維持
する構造であることが望ましく、従って微細グループ又
は細密ウィック構造等が採用されてあることが望ましい
場合が多い。同様な目的の為に補助ヒートパイプの外壁
にも、少なくも放熱部側外壁には蒸発促進手段が設けら
れてあっても良い。それ等の手段としてはグループやウ
ィック等の各種が考えられる。

〔作　用〕

本発明に係る複合ヒートパイプは上述の如く構成されて
あるから次の如き作用を発揮する。

ｆａｌ　　受熱部長さが放熱部長さより大幅に短かく、
これに因って性能が大幅に低下することが推定されるヒ
ートパイプであっても本発明に係る複合ヒートパイプの
如く構成することにより性能低下を防止することが出来
る。

即ち該複合ヒートパイプにおいては受熱部長さは短か（
でも内装されてある補助ヒートパイプはその全長にわた
って主ヒートパイプの受熱部温度に近い高温度に加熱さ
れる。従って該複合ヒートパイプにおいては主ヒートパ
イプの受熱部内壁の表面積に加えて補助ヒートパイプの
外壁の全表面積が作動液蒸発面となり、実質的には受熱
部長さが数倍に拡大されたと同等の作用を発揮する。

更に主ヒートパイプのみの場合には受熱部で発生した作
動液蒸気は長いコンテナ内を通過して放熱部に到達する
必要がありこの間の熱損失が大きく、又放熱部で凝縮し
た作動液は長い流路を経て受熱部に還流する必要があり
、この間の液体抵抗によりその流速流量の損失が大きい
。更にこの蒸気流路と還流作動液流路とは相互に接して
おり、しかもその流れ方向は相反するものであり、受放
熱部間の長い流路の間には多くの熱損失が発生するもの
であった。

然し本発明に係る複合ヒートパイプにおいては主ヒート
パイプのみにおける作動液循環の熱損失には変わりが無
いが、補助ヒートパイプ表面を蒸発部とし、放熱部内壁
面を凝縮部とする作動液循環流は主ヒートパイプの長さ
方向ではなく、各部分の横断面円周内で循環するのみで
あるから、熱輸送距離は極めて短かく熱損失を発生する
ことがない。従ってこの場合の熱伝達率は数倍にも向上
する。

上記の２作用によって本発明に係る複合ヒートパイプは
補助ヒートパイプの長さ、本数、外径に依って差異はあ
るがヒートパイプの熱抵抗を１７５〜１／１０位に引下
げることが可能である。

（ｂ）　　Ｓ！複合ヒートパイプの他の作用としてその
適用姿勢による性能変化を大幅に減少せしめることが出
来る点があり、ヒートパイプにとってはこの作用は極め
て重要な効果となる。

通常のウィック型ヒートパイプの場合は水平ヒートモー
ドの熱抵抗変化が比較的少ないがそれでも２倍近くに増
加する。又熱抵抗増加を防ぐ為ウィックを細密化すると
還流作動液の流速流量が低下し、最大熱輸送量が大幅に
低下するものであった。ウィックレスヒートパイプは液
量の増加せしめることにより水平ヒートモードの場合で
も最大熱輸送量を増加せしめることは出来るが第１１図
水平使用時の放熱部横断面図に例示の如く還流作動液の
流路により放熱部内壁内の凝縮部面積が大幅に減少し熱
抵抗が増加する欠点があった。

本発明に係る複合ヒートパイプの場合、補助ヒートパイ
プと主ヒートパイプ内壁とで形成される微少間隙が高性
能ウィックの役目を為すと共に、主ヒートバイブ内作動
液量を増加せしめても放熱部内における作動液蒸発機能
は失なわれることが無く、第１図の如き垂直ボトムヒー
トモードの場合も第４図の如き水平ヒートモー下の場合
も補助ヒートパイプ４により増加される蒸発部面積には
変化が無いので、適用姿勢による性能変化は熱抵抗の点
でも、最大熱輸送量の点でも殆ど変化することが無い。

トップヒートモードでは受熱部に対する作動液還流機能
が主ヒートパイプ及び補助ヒートパイプの双方共失なわ
れるので、全体として作動不能となることは止むを得な
いが、補助ヒートパイプとしてトップヒートにて作動を
失なわない特殊ヒートパイプが使用されてある場合には
、主ヒートパイプの受熱部に作動液の還流が無（なった
場合でも、放熱部における補助ヒートパイプの蒸発機能
が失なわれることが無いので、複合ヒートパイプ全体と
してはその機能が失なわれることがない。又補助ヒート
パイプ内の作動液が内容積の５０〜６０％の如く多量に
封入されてある場合ニは該複合ヒートパイプは１〜３度
傾斜のトップヒートにおいては同等性能の変化なく作動
せしめることが出来る。この作用も上記と同様補助ヒー
トパイプの作動が確実であるならば放熱部内における作
動液の暴発凝縮作用が失なわれることが無いことによる
。

〔実施例〕

電力半導体冷却用のヒートパイプ式自冷放熱器に装着さ
れてある既設のヒートパイプを改造し、本発明を実施し
て放熱器性能の改善を計った。自冷放熱器の構成は次の
如くであった。

銅ブロックの受熱平面には平形電力半導体を接触熱抵抗
が無視出来る程度になる様に充分な加圧力で圧着しであ
る。該電力半導体の電力損失に依る発熱熱量は銅ブロツ
ク内に挿着されてある２木のヒートパイプの受熱部によ
り吸収され、ヒートパイプの放熱部に輸送され、該放熱
部の外周に挿着されてある両ヒートパイプ共通の平板状
フィン群により、自然対流により周囲雰囲気中に放熱さ
れる。

第１０図にはその構成の本発明実施前のヒートパイプを
適用した放熱器の状態が略図により示してあり、第４図
には実施後の複合ヒートパイプを通用した放熱器の状態
が略図として示されてある。

図においては電力半導体及び銅ブロックは加熱手段１−
１として一体化した略図で示され、又２本のヒートパイ
プは全く同構造、同径であるから１木のヒートパイプと
して略示されてある。図における各部の作用は「従来技
術」の項及び「作用」の項で述べられである通りである
。

本発明を実施した自冷放熱器における２本のヒートパイ
プは何れも外径２２．２　ｍｌ内径２０．６　ｍｍであ
り、その全長は６００ｔｓであった。又受熱部１の長さ
はＮ、＝１２Ｏｎ、放熱部２の長さは２ｃ−４００龍、
断熱部３の長さはＮａ＝８０ｍｍであった。

性能改善を確認する為に本発明を実施する前後における
自冷放熱器の総合熱抵抗を測定し比較した。

測定時のヒートパイプの姿勢即ち測定モードとしては自
然対流を良好ならしめる為、受熱部を下部に保って、水
平面に対し６度傾斜せしめた６度傾斜ボトムヒートモー
ド及びヒートパイプを水平に保持した水平ヒートモード
の２種類を採用した。

又測定時の熱入力は総て３４０Ｗとした。

第１実施例 第１実施例は主ヒートパイプの作動液を純水作動液とし
た場合の実施例である。本発明に係る複合ヒートパイプ
に改造する前即ち第１０図の如き構造の本臼冷放熱器の
総合熱抵抗値Ｒｕは次の如くであった。

６度傾斜ボトムヒートモード ＲＵ　＝０．１４３　　［’Ｃ／Ｗ］ 水平ヒートモード　Ｒ，Ｊ＝０．１８７　　［’Ｃ／Ｗ
］実施例はヒートパイプの改善に関するものであるから
、前述と同様にヒートパイプ内部熱抵抗以外の総ての熱
抵抗の総和をＫと置ｉノば次式が成り立つ。

ＲＩＪ＝Ｒ１１＋Ｒｅ＋に ＝（απｄ）−’ｘ　（ｊ２．−’＋７！、−’）　　
十に仮にαが一定なりとすれば（απｄ）−１も常数と
なり、自冷放熱器の総合熱抵抗値はβＧ＋’Ｃに依存す
ることになり、全長が一定の場合は１０−ρ。の場合が
最低となる。本臼冷放熱器の熱抵抗力く大きいのは！。

−１２０ｍ諺、１ｃ＝４００婁璽と１６がｌｃに比べて
非常に小さなことに起因するものと判断された。

本実施例の実施状態としては第１０図における２本のヒ
ートパイプの端面を開口し、細密ウィック８を除去して
、ヒートパイプの全長にわたり外径８龍内径７龍の蒸発
促進用の補助ヒートパイプ４を内装し、第４図の如く形
成し、補助ヒートパイプ４の受熱部は主ヒートパイプの
受熱部１の内壁とろう接し、熱伝達性を良好ならしめた
。然る後各ヒートパイプの端面を封止し再び純水作動液
を高真空下で封入した。補助ヒートパイプ４には後述す
る第２実施例と補助ヒートパイプの作用を同等にする為
にフロン１１を封入した。この様であるから上記の式に
おける常数項には大差ないものと考えて良いものであっ
た。

この様にして実施した第１実施例につき実測した第４図
例示の自冷放熱器の総合熱抵抗値Ｒｕは使用ヒートパイ
プがウインク形からウィックレス形へと熱抵抗増加方向
への改造であったにも拘らず大幅に改善されて次の値が
得られた。

６度傾斜ボトムヒートモード Ｒｕ　＝０．１２０　　［’Ｃ／Ｗ］ 水平ヒートモード　Ｒ，−０，１３２［“ｃ　／Ｗ］こ
の様な熱抵抗値の大幅な改善は主として補助ヒートパイ
プの外表面積が総て茎発部伝熱面積に附加され、実質的
に！。が５．５倍に拡大されたことに因るものと考えら
れた。特に水平ヒートモードにおける熱抵抗値の改善は
大きく、これは補助ヒートパイプの作用により、ボトム
ヒートから水平ヒートになった場合の熱抵抗の悪化率が
小さくなったことによる。この点も前述の如き補助ヒー
トパイプ４の作用によるものでる。

第２実施例 第１実施例における本発明実施前即ち第１０図の状態で
純水作動液の代わりにフロン１１を作動液として封入し
、自冷熱抵抗値を測定した結果は次の如くであった。

６度傾斜ボトムヒートモード Ｒ，＝０．２２３　　［’Ｃ／Ｗ］ 水平ヒートモード　ＲＬＩ　＝０．３１０　　［”ｃ／
Ｗ］この様な性能低下はフロン１１のメリット数が純水
のメリット数に比べてウィング形の場合約１７１２、ウ
インクレス形の場合約１７５と低く、ヒートパイプの内
部熱伝達率もこれに比例して低下することに因るもので
あった。

次に第２実施例として本発明を実施の後即ち第４図の状
態で主ヒートパイプ及び補助ヒートパイプ４の双方にフ
ロン１１を作動液として封入した。

その実測熱抵抗値は次の如くであった。

６度傾斜ボトムヒートモード Ｒｕ　＝０．１３５　　［’Ｃ／Ｗ］ 水平ヒートモード　Ｒ１＋　＝０．１４７　　［’ｃ／
ｗｌ第２実施例においても第１実施例と同様に熱抵抗値
の改善及びボトムヒートと水平モードの熱抵抗悪化率が
低下した。然し第２実施例の方が性能改善の効果は第１
実施例より更に大きく、極めてメリット数の小さいフロ
ン作動液使用にも拘らずその性能が純水作動液使用時の
それに近いものとなった。これは補助ヒートパイプの作
用により蒸発面積が５．５倍に拡大されただけでなく、
蒸発部と凝縮部間の相互距離が大幅に短縮され、還流に
よる損失が減少し、熱伝達率が上昇することによるもの
で、その上昇率が純水作動液よりフレオン作動液の方が
大きいことを意味している。

ハ０発明の効果 本発明に係る複合ヒートパイプの構造は’ＡＮの構成上
受熱部長さを充分な長さにすることが出来ない為、所望
の熱量を吸収することが出来ないヒートパイプに適用し
て吸収熱量を数倍に増加せしめる効果がある。

又適用温度範囲の関係から、サームエス、フロン等メリ
ット数の小さな作動液を使用せざるを得ない為所望の熱
量を輸送することが出来ないヒートパイプに適用して純
水作動液に近い熱輸送能力を与えることが出来る。

更にフロン、フルチック等を作動液として用いその電気
絶縁性を利用する如き用途においてそれ等の低いメリッ
ト数による性能低下を防止する効果もある。

又装置の構成上ヒートパイプを水平ヒートモードで使用
せざるを得ない場合の性能低下を防止することが出来る
。

補助ヒートパイプと主ヒートパイプの両者に封入される
作動液に作動温度の異なるものを使用し、その組合わせ
により主ヒートパイプの適用温度範囲を拡大せしめたり
、所定の温度領域では低性能で他の温度領域では高性能
となる特殊な機能を与えたりすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る複合と一ドパイブを適用した放熱
器を示す縦断面図である。第２図は第１図の受熱部の拡
大断面図である。第３図は第１図の放熱部の拡大断面図
である。第４図は第１図の水平ヒートモードにおける作
動状態を示す縦断面あり且つ自冷放熱器の実施例の横断
面図である。 第５図は第１図及び第４図の受熱部の横断面図である。 第６図は第１図及び第４図の放熱部の横断面図である。 第７図は本発明に係る複合ヒートパイプの他の実施例の
受熱部の横断面図である。 第８図は本発明に係る複合ヒートパイプの他の実施例の
放熱部の横断面図である。第９図は従来構造のヒートパ
イプを用いた放熱器の縦断面図である。第１０図は従来
構造のヒートパイプを用いた自冷放熱器の縦断面図であ
る。第１１図は第９図の水平使用時の放熱部横断面図で
ある。 １・・・受熱部、２・・・放熱部、３・・・断熱部、４
・・・補助ヒートパイプ、５・・・作動液、６・・・ろ
う接部、７・・・伝熱面積拡大手段、８・・・細密ウィ
ック。 特許出願人　アクトロニクス株式会社 はか１名 第 図 第 図 第 図 第 図（刈−Ｘ２） 第 マ（Ｙ ・２） 筒 図（ＸＩ−Ｘ２） 第 ｒ３　（Ｙｌ　−Ｙ２） 第 図 ５、田Ｓうイ・７７ 第 １０図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）主ヒートパイプである密閉管状ヒートパイプと該
   主ヒートパイプの作動液の蒸発を促進せしめる密閉管状
   の補助ヒートパイプとの組み合わせにより構成されてあ
   る複合ヒートパイプであって、主ヒートパイプのコンテ
   ナ内には、その凝縮作動液がコンテナ内壁面を受熱部の
   内壁面に向って還流する作動液流路に沿って、且つ主ヒ
   ートパイプの受熱部内壁から放熱部内壁にまたがって、
   所定の本数の補助ヒートパイプが内装配設されてあり、
   該補助ヒートパイプの受熱部と主ヒートパイプの受熱部
   内壁とは所定の手段により伝熱的に連結されてあり、更
   に補助ヒートパイプの放熱部は主ヒートパイプの放熱部
   内壁に近接して配設されてあることを特徴とする複合ヒ
   ートパイプ。