JPH11351770A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンテナの一端部が加熱部とされかつ他端部
が放熱部とされたヒートパイプにおいて、中間部での熱
の放出量を少なくして、互いに隔絶された高温箇所から
低温箇所への熱の輸送効率を向上させる。 【解決手段】 密閉したパイプからなるコンテナ２の内
部に脱気した状態で凝縮性の流体が作動流体として封入
されるとともに、コンテナ２のうちの一端部が加熱部３
とされかつ他端部が放熱部４されたヒートパイプ１にお
いて、コンテナ２における加熱部３と放熱部４との中間
部５に、放熱部４よりも放射率の低い面６が設けられて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、作動流体の蒸発
潜熱として熱輸送するヒートパイプに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】周知の通りヒートパイプは、脱気した状
態の密閉金属パイプなどの容器（コンテナ）の内部に純
水あるいはアルコールなどの凝縮性流体を作動流体とし
て封入したものであり、その両端部に温度差が生じるこ
とにより動作し、加熱部で蒸発した作動流体が低温の放
熱部に流動して放熱・凝縮することにより、作動流体の
潜熱として熱輸送を行なう。

【０００３】ところでヒートパイプが動作している状態
では、熱源によって加熱される加熱部の温度がコンテナ
の外部温度に対して高くなるから、作動流体によって輸
送される熱の一部が、加熱部と放熱部との中間部からコ
ンテナの外部（外気）に向けて不可避的に放出される。
そのため従来一般のヒートパイプでは、加熱部に与えら
れる熱の全量を放熱部の外周側の熱供給対象に対して供
給することができず、すなわち互いに隔絶された２箇所
の間での熱の輸送効率に劣る問題があった。

【０００４】そこで上記課題を解決する手段として、コ
ンテナの中間部を断熱した構成のヒートパイプが実開昭
６２−１８０２７４号公報に記載されている。この公報
に記載されたヒートパイプでは、コンテナを形成する材
料よりも熱伝導率の低い材料からなる断熱層が中間部の
外周に設けられている。上記のヒートパイプによれば、
中間部の外壁面と外気との熱交換が断熱層によって抑制
されるから、中間部からの直接的な熱の放出を抑えるこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のヒ
ートパイプでは、断熱層の熱容量を可及的に大きく設定
するとしても実用上の制約を受けるから、加熱部に対す
る入熱が多い場合などには、中間部の外壁面から断熱層
に伝達された熱が断熱層の表面から外部に放出されるお
それがあり、結局は中間部からの熱の放出が許容された
状態となるために、必ずしも充分な熱の輸送効率を得る
ことができないおそれがあった。

【０００６】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので互いに、中間部における断熱性が高く、かつ互いに
隔絶された高温箇所から低温箇所への熱の輸送効率が高
いヒートパイプを提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１に記載した発明は密閉し
たパイプからなるコンテナの内部に脱気した状態で凝縮
性の流体が作動流体として封入されるとともに、前記コ
ンテナのうちの一端部が加熱部とされかつ他端部が放熱
部されたヒートパイプにおいて、前記コンテナにおける
前記加熱部と前記放熱部との中間部に、前記放熱部より
も放射率の低い面が設けられていることを特徴とするも
のである。

【０００８】したがって請求項１の発明においては、適
宜手段で加熱部を加熱することによって液相作動流体が
蒸発し、その蒸気が内部圧力および温度が共に低い放熱
部に向けて流動するとともに、その内面で放熱して凝縮
する。その液相作動流体は、コンテナの壁面を伝わるな
どして加熱部に還流して再度蒸発する。すなわち加熱部
に供給された熱が、作動流体蒸気によって放熱部に運ば
れて、そこからコンテナの外部に放出される。

【０００９】作動流体蒸気がコンテナの内部を流動する
ことにより、作動流体蒸気から放熱部の内面ならびに中
間部の内面側に向けて放射エネルギが放射される。例え
ば放射率の低い面が中間部の内面に備えられていれば、
放射エネルギの大半が放射率の低い面において反射ある
いは再放射されるから、作動流体蒸気から中間部に向け
た熱放射が抑制される。これに対して放射率の低い面が
中間部の外面に設けられていれば、中間部から外部に向
けた熱放射が抑制される。その結果、コンテナのうちの
中間部のみが実質的に断熱された状態となる。

【００１０】したがってこの発明のヒートパイプによれ
ば、加熱部に与えられる熱のほぼ全量を放熱部側の熱供
給対象に供給することができ、すなわち互いに隔絶され
た高温箇所から低温箇所への熱の輸送効率が従来に比べ
て向上する。

【００１１】また請求項２に記載した発明は、前記放射
率の低い面が、前記コンテナの表面に形成された銀皮膜
からなることを特徴とするものである。

【００１２】したがって請求項２の発明によれば、放射
率の低い面が銀からなるために、その面における放射率
が高温においても殆ど高くならず、したがって前述の中
間部での断熱作用が更に向上する。また更に放射率の低
い面が薄い膜状を成していて、中間部の壁面の厚さが殆
ど増大しないから、作動流体の流動が何等阻害されない
うえに、中間部を加熱部および放熱部と同じ太さあるい
は幅にすることが可能となる。

【００１３】更に請求項３に記載した発明は、密閉した
パイプからなるコンテナの内部に脱気した状態で凝縮性
の流体が作動流体として封入されるとともに、前記コン
テナのうちの一端部が加熱部とされかつ他端部が放熱部
され、更に前記コンテナの内部のうち前記加熱部と前記
放熱部との間に、ウィックが該コンテナの内壁面に沿っ
た状態で備えられたヒートパイプにおいて、前記ウィッ
クの端部同士の中間箇所に、該ウィックの両端部のうち
前記放熱部側に設けられた端部よりも放射率の低い面が
設けられていることを特徴とするものである。

【００１４】したがって請求項３の発明によれば、加熱
部に入熱があると、ウィックによって加熱部の内側に保
持された液相作動流体が蒸発し、その作動流体蒸気がウ
ィックの内側空間（コンテナの中央側空間）を通じて放
熱部側に流動し、そこでウィックおよび／あるいはコン
テナの内壁面に放熱して凝縮する。その液相作動流体
は、ウィックに生じる毛細管圧力によって加熱部に還流
し、そこで再度加熱されて蒸発する。

【００１５】作動流体蒸気がコンテナの内部を流動する
ことによって、作動流体蒸気からウィックのうち中間箇
所ならびに放熱部側に設けられた端部に向けて放射エネ
ルギが放射される。中間箇所には放射率の低い面が備え
られていて、放射エネルギの大半がその放射率の低い面
において反射あるいは再放射されるから、作動流体蒸気
から中間箇所に向けた熱放射が抑制される。したがって
中間箇所からコンテナの中間部の内面への熱伝達が抑制
され、その結果、コンテナのうちの中間部のみが実質的
に断熱された状態となる。したがって互いに隔絶された
高温箇所から低温箇所への熱の輸送効率が従来に比べて
向上する。

【００１６】また更に請求項４に記載した発明は、請求
項３の発明における前記放射率の低い面が、前記ウィッ
クの表面に形成された銀皮膜からなることを特徴とする
ものである。

【００１７】したがって請求項４の発明では、放射率の
低い面の材料として銀が採用されていて、その面におけ
る放射率が高温においても殆ど高くならず、したがって
中間部での断熱作用が更に向上する。また放射率の低い
面が、薄い膜状を成していてウィックの壁面の厚さが実
質的には増大しないために、ウィックの本来の機能が何
等損なわれることがなく、したがってこの発明のヒート
パイプでは、加熱部を放熱部に対して上方に配置した姿
勢での良好な熱輸送が可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、請求項１および請求項２の
発明に係る一具体例を図１および図２を参照して説明す
る。この図に示すヒートパイプ１は、一例として銅（Ｃ
ｕ）からなりかつ両端部を閉じた円筒形状のコンテナ２
と、そのコンテナ２の内部に脱気した状態で作動流体と
して封入された純水（図示せず）とによって形成されて
いる。

【００１９】ヒートパイプ１の図１での下端部には、例
えば電気ヒータなどの加熱手段（図示せず）が配置され
ており、コンテナ２の下端部が外部からの入熱のある加
熱部３となっている。これに対してコンテナ２の同図で
の上端部が、外部に向けて放熱の生じる放熱部４とされ
ている。

【００２０】更にコンテナ２の長さ方向での中間部５、
すなわち加熱部３と放熱部４との間における内周面に
は、銀（Ａｇ）からなる薄膜層６が設けられている。つ
まりこの発明の放射率の低い面に相当する薄膜層６は、
円筒状を成している。この薄膜層６は例えば数μｍある
いは数十μｍ程度の厚さのものであり、コンテナ２の中
心軸線に向けられた面が平滑化されていて、いわゆる鏡
面を成している。すなわち中間部５の内径・外径が、加
熱部３および放熱部４の内径・外径とそれぞれほぼ同径
となっている。

【００２１】これに対して加熱部３および放熱部４の内
壁面は、Ｃｕからなる素地面、つまり研磨加工の施され
ていない面であり、したがってこのヒートパイプ１で
は、中間部５の実質的な内壁面が加熱部３および放熱部
４の内壁面に対して滑らかに形成されている。なお薄膜
層６は、例えば電気メッキ法あるいは化学メッキ法また
は溶融メッキ法または真空蒸着法などの加工手段によっ
て簡単に形成することができる。

【００２２】つぎに上記のように構成されたこの発明の
作用について説明する。このヒートパイプ１において
は、加熱部３を加熱することによってコンテナ２の内部
に封入された作動流体が蒸発する。その作動流体蒸気
は、内部圧力および温度が共に低い放熱部４に向けて上
昇するとともに、放熱部４の内壁面で放熱して凝縮す
る。

【００２３】作動流体蒸気がコンテナ２の中心側を流動
することによって、作動流体蒸気からコンテナ２の内壁
面、具体的には作動流体蒸気よりも低温となっている放
熱部４の内壁面と薄膜層６の表面とに放射エネルギが放
射される。

【００２４】薄膜層６の材料であるＡｇの放射率がＣｕ
よりも低く、そのうえ薄膜層６の表面が放熱部４の内壁
面よりも滑らかに形成されているから、薄膜層６の表面
における放射率が放熱部の内壁面における放射率よりも
低い。周知の通り、物体の放射率と吸収率とは互いに等
しいから、放熱部４と薄膜層６とでは放射エネルギの全
量のうち吸収されて熱エネルギに変換される割合が、放
熱部４の方が薄膜層６よりも高い。

【００２５】すなわち薄膜層６の表面においては、放射
エネルギのうちの大半が反射あるいは再放射される。そ
のため作動流体蒸気から薄膜層６に向けた熱放射が抑制
される。したがって放熱部４の外壁面から外部に向けた
放熱に対して中間部５の外壁面から外部に向けた放熱が
抑制され、中間部５のみが実質的に断熱された状態とな
る。そのため加熱手段の熱が放熱部４の外部まで効率よ
く運ばれる。

【００２６】なお放熱部４において凝縮して液相に戻っ
た作動流体は、コンテナ２の内壁面を流下して加熱部３
まで還流し、そこで再度加熱されて蒸発する。その場
合、薄膜層６の厚さが極めて薄く、放熱部４の内壁面と
中間部５の内壁面とが実質的に面一となっているため
に、作動流体の還流が何等阻害されない。

【００２７】ところでＣｕ製のコンテナ２と純水との組
み合わせからなるヒートパイプ１では、作動流体による
熱輸送サイクルが継続されるに伴ってコンテナ２が最高
で２５０℃程度まで昇温する。周知の通り、固体表面の
放射率は温度によって異なるが、Ａｇの放射率は２５０
℃程度では殆ど増大せず、したがって上記具体例のヒー
トパイプ１では、その動作温度範囲内において薄膜層６
による上述の断熱作用を得ることができる。

【００２８】このように上記のヒートパイプ１によれ
ば、コンテナ２のうち中間部５の内周面のみに薄膜層６
を設けて、中間部５における作動流体蒸気からの熱放射
を抑制した構成であるから、中間部５における断熱作用
を従来に比べて向上させることができる。またそれに伴
って上記のヒートパイプ１では、互いに隔絶された高温
箇所から低温箇所、つまり加熱手段から放熱部４の近傍
の外気に対する熱の輸送効率を向上させることができ
る。

【００２９】つぎに図３および図４を参照して、請求項
１および請求項２の発明に係る他の具体例について説明
する。ここに示す例は、コンテナ２の外壁面に薄膜層６
を備えた例である。なお上記具体例と同じ部材には同じ
符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【００３０】これらの図に示すヒートパイプ１は、一例
としてＣｕからなる円筒形状のコンテナ２と、そのコン
テナ２の内部に脱気した状態で作動流体として封入され
た純水（図示せず）とによって形成されている。ヒート
パイプ１の図３での下端部には、図示しない加熱手段が
配置されていて加熱部３となっている。これに対してコ
ンテナ２の上端部が、放熱部４とされている。更にコン
テナ２の長さ方向での中間部５の外周面には、Ａｇから
なる薄膜層６が設けられている。

【００３１】つぎに上記のように構成されたヒートパイ
プ１の作用について説明する。このヒートパイプ１にお
いては、加熱部３を加熱することによってコンテナ２の
内部に封入された作動流体が蒸発する。その作動流体蒸
気は、内部圧力および温度が共に低い放熱部４に向けて
上昇するとともに、放熱部４の内壁面で放熱して凝縮す
る。

【００３２】作動流体蒸気がコンテナ２の中心側を流動
することによって、作動流体蒸気から放熱部４の内壁面
および中間部５の内壁面に向けて放射エネルギが放射さ
れる。これらの表面に入射した放射エネルギのうちの一
部が、吸収されて熱エネルギとなる。なお放熱部４と中
間部５とが同じ材料（Ｃｕ）からなり、それらの内壁面
における吸収率が同じ値であるから、放熱部４への放射
伝熱量と中間部５への放射伝熱量とが実質的に等しい。

【００３３】放熱部４の内壁面に供給された熱は、壁面
内部を伝導するとともに、相対的に低温となっているコ
ンテナ２の外部に向けて放熱部４の外壁面から放射エネ
ルギとして放射される。これに対して中間部の内壁面に
供給された熱は、壁面内部を伝導して、更に薄膜層６に
伝達される。この薄膜層６の材料であるＡｇの放射率が
Ｃｕよりも低いことに加えて、薄膜層６の表面が放熱部
４の外壁面よりも滑らかであるから、中間部５おける放
射率が放熱部４における放射率に対して低い。したがっ
て中間部５の外壁面から外部に向けた熱放射が抑制さ
れ、そのためコンテナ２のうち中間部５のみが断熱され
た状態となる。その結果、加熱手段の熱が放熱部４の外
部まで効率よく運ばれる。

【００３４】このように上記構成のヒートパイプ１で
は、中間部５における優れた断熱作用を得ることができ
ることに加えて、薄膜層６をコンテナ２の外壁面に設け
ているために、図１に示す構成のヒートパイプ１に比べ
て容易に製造できる利点がある。

【００３５】つぎに図５ないし図７を参照して、請求項
３および請求項４の発明に係る具体例について説明す
る。ここに示す例は、薄膜層６をウィックに備えた例で
ある。一例としてＣｕからなる円形断面のコンテナ２の
内部には、多数本の極細線７を束ねてなるウィック８が
コンテナ２の長さ方向に向けた姿勢で設けられている。
具体的には極細線７は、コンテナ２とほぼ同じ長さでか
つ直線状のカーボンファイバーであって、その長さ方向
での中間箇所９、つまりヒートパイプ１の内部に配置し
た状態で中間部５に対応した範囲の外周面には、Ａｇか
らなる薄膜層６が形成されている。

【００３６】これらの極細線７は、コンテナ２の中心側
に配置されたスパイラル状の押え治具１０によってコン
テナ２の内壁面に向けて押え付けられて固定されてい
る。すなわちコンテナ２の内壁面が、ウィック８によっ
て覆われた状態となっている。押え治具１０は、例えば
コンテナ２と同じＣｕからなるものであって、その長さ
方向での中間箇所９、すなわちコンテナ２の中間部５に
対応した範囲でかつコンテナ２の中心側に向けられた面
には、Ａｇからなる薄膜層６が形成されている。

【００３７】またヒートパイプ１のうち図５での上端部
には、図示しない加熱手段が配置されていて、この端部
が加熱部３とされている。これに対してコンテナ２の下
端部が放熱部４とされており、このヒートパイプ１では
その動作態様がトップヒートモードとなっている。

【００３８】したがって上記構成のヒートパイプ１によ
れば、加熱部３に対して熱を与えることによって、その
内側に保持された液相作動流体が加熱されて蒸発し、そ
の作動流体蒸気が押え治具１０の中心側の空間を放熱部
３に向けて流動するとともに、ウィック８の下端部およ
び押え治具１０の下端部に放熱して凝縮する。そしてそ
の熱がコンテナ２のうち放熱部４に伝達され、更にその
表面から外部に放出される。

【００３９】高温の作動流体蒸気がコンテナ２の中心側
を流動することによって、作動流体蒸気からウィック８
および押え治具１０の図５での下端部ならびに薄膜層６
の表面に向けて放射エネルギが放射される。薄膜層６の
材料であるＡｇの放射率がＣｕならびにカーボンよりも
低く、しかも薄膜層６の表面が押え治具１０の図５での
下端部の表面ならびに各極細線７の図５での下端部の表
面よりも滑らかに形成されているから、中間箇所９にお
ける吸収率がウィック８および押え治具１０の図５での
下端部における吸収率よりも低い。

【００４０】そのため中間箇所９においては、放射エネ
ルギのうちの大半が反射あるいは再放射される。すなわ
ち作動流体蒸気から中間箇所９に向けた熱放射が抑制さ
れ、それに伴って中間箇所９から中間部５への熱伝達が
抑制されるとともに、中間部５から外部への放熱が抑制
される。その結果、コンテナ２のうち中間部５のみが実
質的に断熱された状態となる。したがって加熱手段の熱
を放熱部４の外部に対して効率よく供給することができ
る。

【００４１】なお放熱部４においては液相に戻った作動
流体がウィック８に浸透し、これに対して放熱部４にお
いてはウィック８の内周面側から作動流体の蒸発が生じ
てメニスカスが低下する。したがってウィック８に毛細
管圧力によるポンプ作用が生じ、液相作動流体が放熱部
４まで汲み上げられる。その液相作動流体は、加熱手段
によって加熱されて再度蒸発し、以降、前述と同様の熱
輸送サイクルが継続される。

【００４２】このように上記構成のヒートパイプ１によ
れば、トップヒートモードにおいて良好に熱輸送させる
ことができる。また更に上記のヒートパイプ１では、極
細線７同士の間ならびに極細線７とコンテナ２の内壁面
との間が液流路となるため、コンテナ２の中心側の空間
に露出した薄膜層６が加熱部３に還流する液相作動流体
によって完全に覆われるおそれがない。したがって薄膜
層６における所期の放射率が維持されるから、図１に示
す構成のヒートパイプ１に比べて中間部５における断熱
作用が向上し、それに伴って互いに隔絶された２個所の
間での熱の輸送効率をより一層向上させることができ
る。

【００４３】なお図１に示す具体例および図３に示す具
体例では、コンテナのいずれか一方の壁面に薄膜層を備
えた構成を例示し、また図５に示す具体例では、ウィッ
クならびに押え治具の壁面に薄膜層を備えた構成を例示
したが、この発明は上記各具体例に限定されるものでは
なく、例えばコンテナの両壁面に薄膜層を備えた構成、
あるいは薄膜層を備えたウィックを薄膜層を備えたコン
テナの内部に設けた構成としてもよい。

【００４４】また上記具体例ではウィックとして多数本
の極細線を束ねてなる構造を例示したが、この発明は上
記具体例に限定されず、例えば従来一般に知られた金属
メッシュあるいは多数の金属微粒子を焼結させてなる多
孔質ブロックのウィックに適用することもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１および請求項２の発明では、作動流体蒸気からコンテ
ナの中間部への熱放射あるいは中間部から外部への熱放
射を抑制した構成であるから、中間部における断熱作用
を従来に比べて向上させることができ、またそれに伴っ
て互いに隔絶された高温箇所から低温箇所への熱の輸送
効率を向上させることができる。

【００４６】また請求項３および請求項４では、作動流
体蒸気からウィックの中間箇所への熱放射を抑制した構
成であるから、従来に比べてコンテナの中間部における
断熱作用を向上させることができ、また互いに隔絶され
た高温箇所から低温箇所への熱の輸送効率を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 コンテナの内壁面に薄膜層を備えた具体例を
示す概略図である。

【図２】 図１に示す構成のヒートパイプを示す断面図
である。

【図３】 コンテナの外壁面に薄膜層を備えた具体例を
示す概略図である。

【図４】 図３に示す構成のヒートパイプを示す断面図
である。

【図５】 極細線からなるウィックを備えた構成のヒー
トパイプを示す概略図である。

【図６】 図５に示す構成のヒートパイプを示す断面図
である。

【図７】 薄膜層を備えた極細線を示す断面図である。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、 ２…コンテナ、 ３…加熱部、
４…放熱部、 ５…中間部、 ６…薄膜層、 ７…極細
線、 ８…ウィック、 ９…中間箇所。

フロントページの続き (72)発明者 益子 耕一 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉したパイプからなるコンテナの内部
   に脱気した状態で凝縮性の流体が作動流体として封入さ
   れるとともに、前記コンテナのうちの一端部が加熱部と
   されかつ他端部が放熱部されたヒートパイプにおいて、 前記コンテナにおける前記加熱部と前記放熱部との中間
   部に、前記放熱部よりも放射率の低い面が設けられてい
   ることを特徴とするヒートパイプ。
2. 【請求項２】 前記放射率の低い面が、前記コンテナの
   表面に形成された銀皮膜からなることを特徴とする請求
   項１に記載のヒートパイプ。
3. 【請求項３】 密閉したパイプからなるコンテナの内部
   に脱気した状態で凝縮性の流体が作動流体として封入さ
   れるとともに、前記コンテナのうちの一端部が加熱部と
   されかつ他端部が放熱部され、更に前記コンテナの内部
   のうち前記加熱部と前記放熱部との間に、ウィックが該
   コンテナの内壁面に沿った状態で備えられたヒートパイ
   プにおいて、 前記ウィックの端部同士の中間箇所に、該ウィックの両
   端部のうち前記放熱部側に設けられた端部よりも放射率
   の低い面が設けられていることを特徴とするヒートパイ
   プ。
4. 【請求項４】 前記放射率の低い面が、前記ウィックの
   表面に形成された銀皮膜からなることを特徴とする請求
   項３に記載のヒートパイプ。