JPS61125590A - ヒ−トパイプの内部構造 - 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】 産業上の利用分野 本発明にヒートパイプの内部構造に関するものであって
ヒートパイプのコンテナ内部の構造の改善に依りヒート
パイプの性能を大巾に向上せしめんとするものである。

特に本発明はヒートパイプ内壁の全体又はその一部が筒
状に形成されてあるヒートパイプの筒状内壁部の伝熱面
積を大巾に拡大する為の新規な構造１ｃ＠ｆる。

従来の技術 ヒートパイプの基本的な構造は非凝縮性ガスが排出され
九完全密閉コンテナとその中に封入されてある適量の作
動液と内壁に形成されてある毛細管作用を有するウィッ
ク層とから構成されてある。

その作動原理は外部から加熱され念受熱部の内壁で蒸発
し九作動液が放熱部の内壁に高速度で移動し、放熱部の
放熱に依る冷却に依り液化し、該液化作動液はウィック
の毛細管作用に依り受熱部に還流し再び蒸発する。この
気相液相の循環サイクルによる熱移送がヒートパイプの
作動である。この際の熱の授受は作動液の蒸発時の潜熱
の吸収及び凝縮時の潜熱の放出によって行なわれ又作＠
液蒸気の移動は蒸発部における蒸気圧の増加、凝縮部に
シける蒸気圧低下に依る両部分間の蒸気圧差に依って行
なわれる。重力、遠心力等に依り作動液の還流が容易な
場合はウイック層は省略して構成される場合があるり 発明が解決しようとする問題点 ヒートパイプの内部構造については数多くの改善が提案
され又実施されて来九。そしてその殆どはウイックの改
善に依る性能の向上でめった。そして又その中の殆どが
毛細管作用の向上、ウィックの作動液に対する濡れ性の
同上等に関するものでめつｔつウィックの作用効果ＶＣ
ハ毛細管作用に依る作動液の移送、高い濡れ特性に依る
作動液輸送速度、輸送量の増加、伝熱面積の拡大に依る
作動液蒸気の蒸発、Ｒｋ縮能力の増大等があり、各種の
改善はそれなりに効果を発揮して来ｔｏ然しウィックの
それ等の作用効果は相反する効果であってそれ等の総べ
てを完全に満足せしめることは不可能であつ几。即ち極
めて良好な毛細管作用を示でウィックは微細な連続孔を
有する焼結層ウィック、微細な金属側ＩＩＪ！に依る微
細間隙のメツ７５−ウィック等であるがこれ等はトップ
ヒート時にはその効果を示すが、通常は還流作動液の流
れに対し大きな抵抗となりかえって熱抵抗を増大せしめ
九り、最大熱輸送量を低下せしめることが多かった０又
ウィックはヒートパイプの伝熱面積を拡大せしめるもの
で計算上ではヒートパイプ内部ｒｍ積ｔ−２００倍以上
にも拡大せしめることが出来るのでハメるが、実際の作
動にあたっては微細な毛管間隙は僅かな作動液で充満さ
れ、作動液量が多い場合はウイック表面を覆って還流作
動液が流れ、又多量の蒸気泡をウィック中に閉じ込め、
給温蒸発面積凝縮面積は実効的にはウィックレス壁面の
２〜３倍の伝熱面積拡大効果しか得られない場合が多い
ことは良く知られている。この様な場合のウィックの濡
れ性が如何に良好でも効果は得られない０この様な場合
は作動液量を極めて小量に限定することによりウイック
の特性全活用することが可能となる。この様な作動液量
はヒートパイプコンテナ容積の数チであり、この様なヒ
ートパイプは極めて小さな熱エネルギーでも小さな熱抵
抗で作動させることが可能である。然し人出力エネルギ
ーが大きいヒートパイプの場合は昨晩液量が不足となり
ドライアウトの原因となるもので、同容量コンテナに数
１（ｌの作動液が封入されｔウイックレスヒートパイプ
に対し１７２〜１１５の最大熱移送１に過ぎないヒート
パイプになってしまう例が多いことも良く知られている
。

毛細管作用の大きな微細間隙ウィックや微細多孔ウィッ
クの最大の問題点にウィック内における蒸気泡の多を発
生でめるっ特にこの問題ば厚過ぎるウィックで且つ毛細
間隙が微小７に場合に発生するワこの様な嚇合、作動液
のＳ騰ｖＣ依る気泡はウィック内のコンテナ内壁に近い
部分で発生するワこの気泡はウィックの微小間隙を貫通
して、コンテナ内の蒸気通路に流出することが困離とな
りウイック内の蒸気圧を急上昇せしめ、その後の作動液
吸収を妨害し、又作動液の還流路を断絶せしめ、流れを
不連続なものとし、ヒートパイプの熱輸送能力を大巾に
減少せしめる。毛細管作用に依り作動液を効率的に移送
せしめ、大巾な！！面積拡大に依り作動液の蒸発速度を
増加せしめることが目的であるウイックはこの様に全く
逆効果となるものであり、このことはウイックの作用効
果の限界を示すものである。この問題を解決してと−１
％　／＜イブの性能を更に大巾に改善する為にはウイッ
クの機能として作動液輸送のみを分担せしめ、伝熱面８
１を拡大せしめる機能は別途に設けられたコンテナ内部
フィンに分担させることが極めて有効である。この様な
手段として本発明者に特開１１８５８−５５６８７（ヒ
ートパイプのコンテナとその製造方法）及び特開昭５９
−１４２３８４（ヒートパイプコンテナ）を提案し一部
を実用化している。

然し前者にヒートパイプ内の作動液流及び蒸気流ｖｃ石
つｔ縦形フィンの形成に関するものでめつｔ為、流体抵
抗が小さい利点はあるが、コンテナの内壁表面積拡大比
率は数倍に過ぎず、又製造工程が複雑である点が問題点
でめつ几。又後者は極めて有効な既果を得ることが出来
て、従来直径２０鴫のヒートパイプの場合、端面を受熱
面とし定場合１００Ｗ程度の最大熱輸送能力であり、そ
の場合の熱抵抗値は０．３〜０．５℃／Ｗ位であつ７ｔ
が発明の実ｍに依り項六熱輸送ｆは６００Ｗ＆Ｃ向上し
、その場合の熱抵抗値は０．０８〜０．１１：／Ｗ［向
上させることが出来念。然しこの場合の内部フィンにヒ
ートパイプのｇｌＡ面のみに適用する構造であり、且つ
垂直姿勢で使用するヒートパイプのみに適用することが
可能であった。又発明者框特願昭５８−８７１６３（熱
交換用フィン部の構造）ｖｃおいてコンテナ内ｌ！に装
着するリング状フィン群について提案し、一部実用化し
ｔｏこれは安価単純なフィン構造によって最大熱輸送ｔ
ｅ倍増せしめると共にウィックレス形コンテナにウィッ
ク装着と同等の性能を与えろことを可能にし７ｔｏ然し
リングフィンである為、実用化した放熱面積増加比率に
３〜４倍穆度に過ぎなかったつ上述の３提案は何れもコ
ンテナ内に内部フィンを設け、熱輸送量の大きな即ち作
動液量の多いヒートバイアにおける従来のウィック構造
の欠点を補ないつ液量増加に依ろ性能低下を防ぐ構造で
ある点において共通思想から案出されてある。然し又コ
ンテナ内における作動液の蒸発及び凝Ｉａ［ｆｆｉ積？
１０倍以上に拡大せしめ強力なヒートパイプをＩＲ成す
ることが不可能である点でも共通であつ＊、、１Ｅｉａ
図は従来構造のウィック形ヒートパイプの横断面略図で
あり、還流作動液６の竜が多い場合ウィック１ｏが作動
液流中に埋没され九状態を示し、この様な状帽の場合、
受熱側で框つィック内蒸気圧が増大し作動液の還流が不
円滑となり、放熱側では水の層を介して放熱することに
なり、熱抵抗が大巾に増加するに至り、ウィックの伝熱
面積拡大効果に大巾に失なわれる。第１４１ネ１、準１
５１図及び車１６図は夫ｈ　特ＩＦＩ昭５８−５５６８
７．特開昭５９−１４２３８４及び特鴫昭５８−８７１
６３に係るヒートパイプコンテナ内フィンを示す断面図
であり、受熱部に適用する場合、作動液蒸気は容易に蒸
気通路に流出し、作動液の還流を妨げることがないワ又
第１４図、第１６図のフィン詞及びリングフィン３６は
放熱部に適用する場合、作動液流中に埋没されることな
く伝熱面積拡大効果を活用することが出来る。然し実用
化に際しての問題点として面積拡大率は３〜４倍位が適
切でそれ以上の拡大は製造工程上多くの問題点が発生す
ることが分かつ念。第１５図１Ｃおける底面積拡大フィ
ン話は管状フィンを底端面２２−２の内側に同心円状に
設けｔもので、伝％面積拡大率も容易１ｃＩＯ倍位以上
とすることが可能であり、作動液も流通孔３１　、３２
から効率的に吸入されて橡ＳＩｌ騰を良好ならしめ、容
醍の大きな発熱素子２４を良好に冷却することが出来７
ｔｏ然しこのフィンｒｉ端ｃｉｎにのみ有効で、又水平
姿勢では大巾に性能が低下することが分かつ九〇近来の
半導庫の進歩は小型大答着のサイリスタ、ダイオード、
トランジスタ等を生みたし、これ等の素子からの発熱全
有効ｖｃ耐冷却る必要が生じているりヒートパイプμ効
率の良い熱移送体である為これ等慮力半溝体素子の冷却
に多用され始めている。第９図くその一例全示し半導体
素子２４　、２５はヒートシンクブロック２３ｔ−介し
てヒートパイプ２１の受、１％部１１Ｃ従続されてある
。半導体素子２４゜２５で発生しｔ熱はブロックを頁流
しｔ後ヒートパイプに依り■示されていない放熱喝ｖｃ
梅送呑れ１故熱冷却される。第９図使用例における問題
点は半導体素子の小型強力な構造に対応する強力なヒー
トパイプが現状で実用化されていない為、ヒートパイプ
の受Ｉｐ１面ｒＡを充分に大言くする必４Ｉ！がめり、
その為にヒートパイプの受熱部の長さげ半導体素子の長
さより充分に長くする必要があつｆＦ−０従ってヒート
シンクブロック２３は受熱部全体に熱を伝達せしめる為
、受熱部と同等の長さくする必要がめつ九つ又ヒートパ
イプの受熱部の全長にわｔり均等に受熱させる為ｖｃ框
ヒートクンクブロック全充分ＶＣ厚くして、ヒートパイ
プ表面と半導体素子の［１着面との距Ｉ！１を充分大き
くする必４！がめつ念。従ってヒートシンクブロックは
半導体素子の大きさに比較して巨大なものとなり、この
点が大きな問題点であつ７ｔ／３第１０図は半導体素子
に対応してヒートパイプの単位表面積当り熱輸送能力が
充分に大きい場合にヒートシンクブロックが小型化され
る状態を示しており、業界ではこの様な強力なヒートパ
イプの出現が望まれてい友。

本発明は、大容量化して作動ｆｆ５ｒ：増加せしめ嬢流
液肴が哨加しても、液流中に埋没して伝熱面積拡大効果
を失なうことなく、又作動液の沸騰に依り作動液の２を
流が妨げられることのない新規な内部フィン愼ａを提供
し、１つ従来同様な思想から提案され九内部フィン構造
では達成することが出来なかつ九大＠な倍率の伝熱面漬
拡大を達成せ梢 しめ、峰位表面当０熱輸送能力の大きな強力型のヒート
パイプｆｃ構成することの可能なヒートパイプの内部構
造ケ夫供せんとする。

１ｉｉシ・１で解決−「る為の手段 本発明に係る問題点解決手段は作動液の還流機能と作動
液の蒸発・費縮博能を切１帯して構成する点に稿本的な
考えがｌ′ｄｔかれであるつ両慢能を兼ねた手段として
の従来のウィック、グループ等には作動液還流機能のみ
が与えられる。ヒートパイプのサイズの割合に大容素で
強力なヒートパイプを提供することが目的であるので液
流に対して大きな抵抗を示す微細毛管の厚肉層よりは抵
抗の小さなグループや丸目のメツシュ等が主流となり又
は垂直姿勢の場合はウィックレス内壁も作動液還流手段
として重要となる。作動液の凝縮及び蒸発機能を与える
手段としては多量の作か液にも埋没することのない内部
フィン構造を採用する。従来提案された内部フィンは何
れも作動液流や蒸気流に沿った方向に配列されていたの
であるがこの為にフィン先端が中心軸を指向する状態と
なりその為にフィンの高密度化が不可能となるものであ
った、フィンを液流や蒸気流に清って配列することは）
イくと漂流機能との切離しが末だ不充分とも云うことが
出来る。本発明においてはフィン配列の考え方も従来構
造から完全に脱却し、ヒートパイプの長さ方向に直角な
配列即ち作動液流及び蒸気流の方向に直角なＭｒ’列を
採用することに依り高密度化を可能にする、 高密度フィン群、及び本発明に係るヒートパイプの内部
構造を形成する個々のフィンにコンテナ内部周囲と密に
かん合する外周直径が与えられである薄肉リング状金属
平板であり、この金属平板の中心部にはフィン群全体と
しての蒸気通路を形成する外縁と同心相似形又は任意形
状の孔が打抜かれてリング状になっている。リング状金
属平板の各々はヒートパイプ外装用フィンと似ているが
外部フィンの場合は打抜孔にヒートパイプが挿接される
のであるがこの内装用フィンは外周がヒートパイプ内壁
に挿接される点で全く異なる。従って弾力的な加圧挿接
とする為のバーリングｆ設ける場合は外縁に溢って設け
らね、る。

この様なフィンの多数金受熱部、放熱部のコンテナ内壁
に挿着してフィン群が形成される。該フィン群は作動液
輸送機能は全く無い。作動液輸送手段としてはコンテナ
内壁面に長さ方向に設けられ、フィン群に交叉し且つ各
フィンの根元に接して通過する様設けられたグループ群
が最も望ましい。直線グループは傾斜姿勢で使用する場
合作動液が偏ることがあるので螺旋グループ群を設けて
解決することもある。又ヒートパイプが水平又は水平に
近い姿勢で使用される場合還流作動液が下側に大部分が
偏ってしまう恐れがある。この場合は作動液還流の妨げ
にならない程度のメツシュウイック？併用しても良い。

コンテナとして内壁のグループを省略したヒートパイプ
に本発明を実施する場合放熱部内及び受熱部内の作動液
流路としては各フィンとコンテナ内壁の接触部に近接し
て各フィンに作動液流通用切欠き又は作動液流通孔を設
けて実施する。

この様にして実施する本発明に係るヒートパイプの内部
構造は放熱部に実検する場合は作動液蒸気の凝縮面積ヲ
約１０倍迄拡大せしめ、受熱部に実施する場合は約３０
倍迄に拡大せしめて強力なヒートパイプを形成すること
が出来る。凝縮部の拡大面積が小さいのけフィンピッチ
を約１１１ＩＩ＋以下にした場合、根元からグループに
依って凝縮作動液が吸収除去されても、フィン間の毛Ｖ
作用に依りフィン間に作動液が滞留してフィン効率を低
下させる恐れがあることに依る。これに対し蒸を部では
フィンピッチが小さい為に毛管作用に依りフィン間に停
滞作動液が生じても機沸傳に依る圧力で吹飛ばされ、又
作動液はフィン根元から連続的に供給され蒸発部のフィ
ン群機能には支障を生じない。

作用 上述の如く構成された本発明に係るヒートパイプの内部
構造は次の様な作用がある。

（Ａ）作動液流路の作用 微細間隙や微細突孔の毛細管層を使用せずグループを主
流として粗大間隙粗大突孔の毛細管、ウィックレス構造
のコンテナ内壁面、等を還流作動液の流路とすふので、
大容量の熱量に見合う大量の作動ｆｉケ高速度で河通さ
せることが出来る。

凝縮フィンの根元から凝縮作動液を吸引して移送しフィ
ン表面に滞留させることがないのでフィ／の＃縮機能を
妨げることが無い。従来のウィック構造を大容量で１つ
単位面積当り凝縮量の大き１ヒートパイプに適用する場
合、ウィックの液体移送能力を蒸気凝縮量が上廻り、ウ
ィック内に作動液が滞留してウィックの効果を大巾に減
少せしめるものであった。

蒸発フィンの根元から大索高速度で還流作動液を供給す
るのでフィンの蒸発機能を妨けることがをい。従来のウ
ィック構造ではウィック内における作動液供給部分と作
動液沸騰部との区別がなく、大量の作動液が急速に供給
される場合、沸騰に依るウィック内蒸気圧に依り作動液
のウィック内に対する流入を妨げたり、ウィック表面に
作勢液流の厚い層が出来て作動液の沸騰を妨げたりする
状態が生じるものであった。

（Ｂ）フィン構造に依る作用 コンテナの長さ方向に配列される従来提案のフィン群の
伝熱面積拡大率に比較して本発明に係るフィン群は伝熱
面積拡大率を大巾に増加することが出来る。フィン厚さ
０．１■フィンピッチ０．３ｍの如き高密度装着に依り
数１０倍の拡大が可能であり従来の拡大率の数倍に対し
て極めて大巾な改善と瀝る。

蒸発部、凝縮部において作動液流層、フィン群層、蒸気
流層が明確に分離されてあるので相互に干渉することが
ない。従って夫々の機能が充分に発揮される。従来のウ
ィックは液流と蒸気流の相互干渉が大きな問題点であっ
た。

作動液流が如何に多量であっても＃締部でフィン群が液
流に埋没することが無いので凝縮効率が低下しない。従
来のウィック構造では此の点が大きな欠点であった。

フィン間隙Ｆｉａべて蒸気通路に向って開口しているの
で凝縮すべき蒸気はフィン間隙に容易に吸入される。又
蒸発部においてはフィン間隙に作動液が育藺シフ°〔も
作動液沸騰を妨げることがない。

これ等は従来のウィック構造よす断線効率及び蒸発効率
が極めて大きいことｆ意味する。

フィンは０．１ｍの如く極めて薄肉とすることかり能で
従ってヒートパイプ全体として空間率が大きく、大量の
作動液、大量の作動液蒸気が循環するのに適した構造で
ある。

フィン群はコンテナ壁に対して強靭な支持体として作用
し、ヒートパイプを外圧に対して強靭ならしめる。従っ
てコンテナを肉厚０．３〜０．５　ｍの如〈従来の１／
３〜１／２位に薄肉化出来るので、熱抵抗が小さく、熱
応答性の良好なヒート・（イブが形成出来る。

実施例 本発明に係るヒートパイプの内部構造の実施例について
以下図面に従って詳細に説明する。

第１図は本発明に係るヒートパイプの内部構造を水平姿
勢で使用するヒートパイプに適用した場合の実施例を示
す縦断面略図で第３図及び第４図は夫々そのＡ−Ａ’及
びＢ−Ｂ’横断面図であって第５図及び第６図はその一
部分の拡大図である。図において１．２はヒートパイプ
のコンテナで１は、受熱部２け放熱部である。従って１
の内壁側は作動液蒸発部、２の内壁側は作動液蒸気の凝
縮部である。図でけ受熱部直径を大きくすることに依り
フィン群４に対する作動液の流入を容易ならしめる様考
慮しであるがこれは必ずしもその必要はない。３は断熱
部で作動液及びその蒸気は通過するのみである。４は本
発明に係るヒートパイプの内部構造の第１要素である内
部フィン群である。フィン群は０．１　ｍの如く極めて
薄肉のリング状金属平板群が０．３〜１ｆｉピツチの如
く高密度でコンテナ内壁周囲に密着して圧入挿着されて
ある。各フィンにＨ第３図から明らかな如く作動液蒸気
７の通路を形成する孔が打抜かれて金属平板をリング状
に形成せしめである。平板の外周形状は図においては円
形であるが、こｆｌはコンテナ内壁周囲と同形状で内壁
面に密接することの可能な形状全意味するもので、コン
テナ内壁に倣って直方形でも楕円形でも良い。当然では
あるがリング状金属平板の材質は作動液と適合性の良い
且つ熱伝導性の良好なものが用いられる。フィンピッチ
は受熱部に比較して放熱部では大きくしであるのけ作ｙ
Ｊｈ液蒸気の侵入？容易にする為である。８５図及び第
６図は夫々受熱部及び放熱部における内部フィン群の配
列状態を示す拡大図である。図において８は微細ピッチ
の場合フィン間隔を確実ならしめる為の突起でエンボス
加工に依って形成されてある。

９はフィンとコンテナ内壁との接触を弾性的に確実化す
ると共に接触面積を拡大せしめて熱伝達を良好ならしめ
るバーリングである。これらは本発明の必須要件ではな
い。５はコンテナの内壁面に長さ方向に設けらねたグル
ープであり、多量の作動液を効率良く放熱部から受熱部
に＊流せしめる作動液流路である。該作動液流路は必ず
しもコンテナ内壁に設けられたグループに限定す６もの
ではなく、各フィンの根元に設けられた切欠でも良く又
は内壁に近接して各フィン根元に打抜かれた流通孔であ
っても良い、こ力等の渾路Ｆｉ第４図の如くコンテナ内
壁全周に設けても良く又水平姿勢の場合は第３図の如く
コンテナ下側だけに設けても良い。水平使用の場合コン
テナ内壁上側からの作動液が滴下して蒸気流金妨げるの
を防ぐ為にウィックを併用しても良い。第５図、第６図
における１０ｔｉウイツクであって粗目の金属メツシュ
や金属線編組が用いられる。ウィックの他の作用として
本発明に係る内部構造においては多量の作動液が使用さ
れ、水平姿勢使用の場合作動液がコンテナの下側に偏っ
て還流するので、この偏？ｆｒ緩和する利点かめる。図
において６は作動液である。

又１１は蒸発部における沸騰に依り生ずる発泡状態を示
し作動液流路５からの作動液流入と作動液の沸騰は相互
に妨げることなく、むしろ沸騰は作動液の流入を助長す
る効果があることを示す。又１２は凝縮液滴を示し、凝
縮液は連続的に流路に吸収され、フィン表面は常に新し
い作動液を受は入れ凝縮せしめていることを示している
。

第２図は本発明に係るヒート・くイブの内部構造を垂直
姿勢で使用するヒートパイプに適用した実施例の一つで
ある。そのＣ−Ｃ’断面は第４図からウィック１０ｆ除
いたものと同じである。第７図及び第８図は夫々第２図
ヒートパイプの受熱部及び放熱部即ちコンテナ内部の蒸
発部及びν締部の一計拡大図である。垂直姿勢で使用す
るヒートパイプであっても必ずしも特殊な構造である必
要はなく第２図実施例で説明した如き内部構造のヒート
・〈イブをそのままの構造で垂直姿勢で使用するだ叶で
所期の目的は達成することが可能である。然し垂直姿勢
で使用するヒートパイプは水平姿勢テ使用する場合に比
較して作動液の相変化を伴なう循環に重力の助けを大巾
に利用することが可能である。従って重力の利用をより
有効に利用出来る様に改善された本発明に係る内部構造
を使用することに依り、本発明の効果？更に有効にする
ことが可能である。第２図及び８７図、第８図はその様
に改善された本発明に係る内部構造の適用例である。尚
、！２図、第７図および第８図において第１図、第３図
〜第６図と同一部分は同一符号を持って示している。第
２図における垂直姿勢の為の改善点はフィン群４を構成
する各フィンの形状にある。各フィンは単なるリング状
平板ではなく立体的構造に形成されてある。その立体構
造は第２図においてはリング形状の内縁の形成する円形
平面を上底とし、外縁の形成する円形平面を下底とする
円すい台形状の構造である。この円すい台はコンテナ内
壁周囲が円形の場合は円すい台形、角形の場合は角すい
台形となる。この円すい台の上底は凝縮部側に向き下底
は蒸発部側に向く方向で所定ピッチで所定枚数が圧入さ
れてフィン群を形成している。従って各断ｆ図ではフィ
ン群の各フィンは総べて傾斜して、その先端は総べて上
方にむかっている。この場合の作動液６の封入量はヒー
）　／＜イブ作動中であっても蒸発部フィン群の総べて
が作動液に浸漬さ力るに充分な量であることが望ましい
が、フィンピッチが小さく各フィン間に毛管作用が働い
てフィン間隙が作動液で充滴され易い場合は作動液量は
ヒートパイプの作動中、フィン間隙の総べてか作動液で
充滴されるに充分な量であればよい。第７図及び第８図
は夫々この様な円すい台状フィン群の蒸発部及び凝縮部
における作用を示しである。第７図ではフィン間隙に蒸
発、沸騰に依り発生した気泡がフィン間隙に停滞するこ
となく、フィン間隙の斜面ＶＣＧって容易に蒸気通路に
移動し、又それによりフィン間隙内の蒸気圧が減少し、
作動液還流路５内の作動液を吸入し作動液の補給を容易
ならしめている状態を示しである。第８図はフィン間隙
中で績縮液化した作動液が重力の助けに依ってフィンの
傾斜面を流れて作動液流路中に流出し、又作動液流路中
の作動液流により吸引されて流出し、常にフィン間隙に
作動液蒸気が吸入され易い状態を保持し更にフィン表面
を常に熱吸収し易い状態に保持している様子を示してい
る。垂直姿勢でもＭ６図例示のフィンを使用しても良い
がその場合は毛管作用に依りフィン間隙に凝縮作動液が
滞留して蒸気の流入を妨げフィン効果を妨げる恐れがあ
り、これを防ぐ為フィン間隙を拡大する必要があった０
これは装着するフィン枚数が減少し、伝熱面積が小さく
なること？意味する。第２図実施例はこの様な恐れが少
ないのでフィン間隙を小さく大きな伝熱面積を与えるこ
とが出来る利点がある。

発明の効果 上述の如き本発明に係るヒートパイプの内部構造を適用
したヒートパイプはそのコンテナ内の蒸発部及び凝縮部
における単位長さ当りの実効伝熱面積及び単位面積当り
の実効伝熱面積を大巾に増加させることが出来ると共に
、フィンの作用に依り作動液の有効封入量を大巾に増加
せしめ、又フィンの実効面積を大巾に拡大せしめ、極め
て大きな最大熱移送能力を有し、内部熱抵抗の極めて小
さな強カヒートバイプを構成することが出来る。

又ヒートパイプの性能はその直径に比例して増減し、即
ち長さ当りの表面積に比例して増減するものであった。

然し本発明に係るフィン群の伝熱面積はコンテナ内壁直
径の２乗に比例して増減せしめることが可能であり、即
ち本発明に係るヒートペイプの性能はその長さ方向に対
し直角な断面の断面積にほぼ比例して増減する。従って
強力なヒートパイプを構成する場合従来構造のヒートパ
イプに比較して小さな直径で構成することが出来る。

この点は本発明に係るヒートパイプの内！ｌ５４１１造
の極めて大きな効果である。

単位面積当り伝熱量が大きく、最大熱移送能力が極めて
大きく、内部熱抵抗の極めて小さな、即ち小型強力なヒ
ートパイプの出ｍ、Ｆｉヒートパイプに依る加熱冷却ユ
ニットの小型化にも大きな効果が生ずる。ヒートパイプ
の使用上置も重要な点は受熱部から如何に効率良く熱を
ヒートパイプ内に入力させ、放熱部から如何に効率よく
ヒートパイプ内の熱を出力させるかにあった。然しヒー
トパイプ表面ＶＣおける受放熱において熱交換媒体が空
気等の気体、水、油等の液体である場合は熱伝達率が従
来構造のヒートパイプのコンテナ内壁の熱伝達率より小
さく、ヒートパイプの内部の単位面積当り熱移送能力が
問題となることは殆んどなかった、然し近時電力用半導
体の進歩、加熱用熱源ヒータの小型強力化等に依り極め
て小さな表面積から大容量の熱エネルギーを放出せしめ
ヒートパイプ受熱部に入力せしめる場合が多く、これに
見合う強力なヒートパイプの出現が望まれる様になって
米た。第９図はその様な熱源からヒートパイプ受熱部に
熱入力？与える場合の従来例を示す。

２４．２５ｔｆｆｉｌｆ力用半導体で極めて小烙な放熱
表面から１５　Ｘ　１０’に一／ｌｒ？、ｈ、℃の如き
熱量が放出される。

これをヒートパイプ２１の受熱部１に入力させるのであ
るが従来型の内部構造のヒートパイプでは強力なもので
も”　１０’　ｋｃｒ、ｌ　ｌｒ＆　、　ｈ　、　℃稈
の内部熱伝達率であるから電力用半導体の発熱量に相当
する熱吸収の為には受熱部の面積？充分に大きくする必
要がある。第９図では受熱部１の長さを素子２５の縦方
向長さより充分に長く構成゛しである。ヒートパイプ１
本で受熱部面積が不足の場合は図示していないが素子２
４　、２５の一箇当りヒートパイプを数本に増加せしめ
る。２３けヒートシンクブロックで銅、アルミ等のブロ
ックで、素子の小さな表面積からヒートパイプの大表面
積受熱部に熱ｉを供給する為の介在金属体である。受熱
部に平均して供給熱量を分散供給する為には充分な厚さ
が必要である。この様に従来のヒートパイプに依る電力
半導体素子冷却には大型、大型−訃のヒートシンクブロ
ックに依る熱供給用介在体が不可欠であり、その小型化
が要望されていた。第１０図は本発明に係るヒートパイ
プの内部構造を適用した場合ヒートシンクブロック２３
及びヒートパイプ受熱部１が大巾に小型軽量化される状
ｐｆ示している。本発明に係る構造の受熱部に対応する
作動液蒸発部は伝熱面積が２０〜３０倍に拡大されてあ
るので実効内部熱伝達率は効率？８０４位に者慮した場
合少〈共１６　Ｘ　１０’〜２４　Ｘ　１０’に一／ｉ
、　ｈ　、’Ｃ位となり１力半導体素子２４　、２５の
単位面積当り発熱量に対し充分な余裕で対応することが
可能となる。従って受熱部１の長さは素子の縦方向是さ
とほぼ同等にすることが出来る。図示されていないがヒ
ートパイプ本数も１本にすることが可能となりヒートシ
ンクブロックの巾も数分の−に小さくすることが町卵と
なる。この場合は半導体素子からの送入熱量を分散せし
める必要がないのでヒートシンクブロック２３の肉厚は
ヒート・くイブと素子間の相対位前を保持することが可
能な和度にツ肉にすることが出来る。この様にして１力
半導体素子の放熱構造は大巾に小型軽量化が可能となり
同時に放熱に対する熱応答時間も１１５〜１／１０に短
縮することが出来る。

上述は本発明に係るヒートパイプの内部構造の効果とし
て、受熱部の小型軽量化について金属間熱伝導の例によ
って述べたものであるが第１１図及び蘂１２図は気体に
依る加熱例について小型軽量化効果ｆ訝明する略図であ
る。図において１は純水を作動液とするヒートパイプの
受熱部、２６は過熱水蒸気流又は飽和水蒸気流である。

２７は熱供給に依り冷却されて生じた凝縮液滴である。

この場合受熱は水蒸気の凝縮潜熱に依って行なわれる。

ヒートパイプの内部における熱の授受も純水作動液の蒸
発凝縮潜熱に依って行なわれる。従ってヒートパイプコ
ンテナの内外壁面における熱伝達率はほぼ同等であり、
外部にフィンを設けてもその効果は大さくない。供給熱
量を受熱するに必要な伝熱面積ケ与える為の受熱部長さ
け外部フィンの有無に関係なく必要であるからである。

第１２図においては受熱部１の内部構造としては内部フ
ィン群４ｒ挿着した本発明に係る構造を採用しておりそ
の内部熱伝−率は第１１図の通常ヒートパイプに対して
１０〜３０倍に増大されてある。従ってこの場合は外部
にも１０〜３０倍に伝熱面積を拡大することの出来る外
部フィン群２８ヲ設けることに依り熱交換部全体を大巾
に小型短縮化させることが出来る。図では単一管の例で
あるが多管式の場合はヒートパイプ本数ｔｌ／１０以下
に減小せしめることが出来る。又各ヒートパイプを小径
化することも可能である。以上は受熱部の軽量化、小型
化について述べたが放熱部にも本発明に係る内部構造を
適用して大巾な小型化軽量化を実施することが出来る。

第１０図においては本発明に係る内部構造の効果として
熱供給用介在体であるヒートシンクブロック２３の小型
化について述べたが、発熱素子が小型であったり、円筒
形であったりする場合はヒートシンクブロック２３け全
く省略することが可能となる。

第１７図、第１８図はヒートシンクブロック２３を全く
省略して夫々ペルチエ素子を直接ヒート・くイブに形反
することが可能となる例及びペルチエ素子を１μ接ヒー
トパイ・プに挿着した例を示す。第１７図において４１
はペルチェ効果接合面であって、異極金属＃４２とこれ
とペルチェ係数の大きな金属で形成したコンテナ２２と
の接合面である。該接合面は内部フィン群４の挿着部に
対応したコンテナ２２の外周壁面に形成されてある。最
外部の異種金属層表面には図では外部フィン群が設けら
れてある。４５は駆動回路で接合面４１にペルチエ効果
を発揮せしめる。図はこの様な構造を受熱部に設けた例
であるが放熱部に設けることも効果的である。

このペルチェ累子組合わせ構造はヒートパイプの性能と
してに内部フィンの効果に依り強力となり、小型化する
ことが出来るがヒート・くイブ外部の受放熱の熱伝達率
が小ざい場合に外部熱伝達Ｊｌ＃全増加せしめる必要あ
る場合に効果がある。熱伝達量の増加は受熱時にはペル
チエ効果に依り受熱伝熱面の温度全低下せしめ、又放熱
時には放熱伝熱面の温度を上昇せしめることに依って、
熱伝達率が小さい場合でも大きな熱量の授受を行なうこ
と？可能にする。又この場合素子のヒートパイプ側にお
いては受熱時には温度上昇し、放熱時には温度降下して
、ヒートパイプの作動を助けることになる。内部フィン
群に依り単位面積当りの伝熱面積が充分に拡大されてあ
る本発明に係るヒートパイプの内部構造はこれ等の拡大
された温度上昇、拡大された温度降下に対応して作動液
蒸気の発生、及び蒸気の凝縮を行うのに充分な能力を有
する。

この様にして本発明に係るヒートパイプの内部構造はヒ
ートシンクブロックの助けに依ることなく直接且つ効果
的にペルチエ効果全活用し、ヒートパイプの受放熱部の
小型化を実施することが出来る。第１８図は第１異種金
属層と第２異種金属層で構成された筒状ペルチェ素子全
ヒートパイプに挿着した実施ｉｐＨを示すもので作用効
果は第１７図と同等である。第１７図、！１８図におい
てはペルチェ効果接合面が円筒に形成さねであるが必要
な熱量に依っては半円筒でも良く、ヒートパイプか平角
形の場合は両平面又は片平面に平面的に接合さねてあっ
ても良い。従来のペルチエ素子のヒート・くイブに対す
る応用においてに第９図の如くヒートシンクブロック２
３ヲ介して実施することに依り効率が低下したり、受放
熱部が大型化する欠点があった為すこ−を粗面価値が減
少したものであった。又ペルチェ卓子に依り拡大された
熟知・授受して光分にハトすることの出来るヒートパイ
プが実用化されていなかった点もペルチエ素子とヒート
パイプの組合わせ利用を困難にしていた。この様にペル
チェ効果応用素子の有効利用を可能にすることも本発明
に係るヒートパイプの内部構造の効果の一つである。

【図面の簡単な説明】

ｌＸ１図は本発明のｌＸ１の実施例を示す縦断面略図、
第２図は本発明の第２の実施例を示す縦断面略図、第３
図は第１図のＡ−Ａ’横断面図、第４図はＷＪ１図のＢ
　−Ｂ’横断面図、第５図は第３図の一部拡大図、第６
図は第４因の一部拡大図、第７図および第８図はともに
第２図の一部拡大図、ｌＸ９図は従来のヒートパイプの
内部構造ｆｔＷ、力半導体素子の冷却に適用した一例を
示す説明図、第１０図は本発明に係るヒートパイプの内
部構造を電力半導体素子の冷却に連用しｆＣ場合の１分
明図、第１１図は従来のヒートパイプの断面略図、第１
２図は本発明に係るヒートパイプの断面略図、第１３図
〜第１６図は各々従来のヒートパイプの内部構造の一例
を示し、第１３図、第１４図および第１６図は横断面略
図、第１５図は縦断面略図、第１７図および第１８図は
ともに本発明の第３の実施例を示す縦断面略図である。 １・・・受熱部、２・・・放熱部、３・・・断熱部、４
・・・内部フィン群、５・・・グループ、６・・・作動
液、７・・・作費液蒸気、１０・・・ウィック、２１・
・・ヒートパイプ、２２・・・ヒートパイプコンテナ、
２３・・・ヒートシンクブロック、４１・・・ペルチェ
効果接合面、４２　、４３　、４４・・・異種金属層、
４５・・・駆か回路。 第１図 第５図 第６図 第８図 第１５図 第１７図 第１６図 第１８図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヒートパイプのコンテナの内壁周囲と夫々のリン
   グ状平板の外縁周囲とが相互に密接し且つ各リング状平
   板の外縁が形成する平面はコンテナの中心軸に対しほぼ
   直交する平面である様にコンテナ内壁内に圧入されてあ
   る多数のリング状平板がヒートパイプの内部フィン群と
   して構成されてある第１構成要素と該フィン群の根元の
   所定の部分に貫通し且つコンテナの内壁に近接して設け
   られてある共通孔か、或いはコンテナ内壁に設けられて
   ありフィン群の各フィンの根元において各フィンと交叉
   し且つ接する様に形成されてある所定本数の溝かの何れ
   かに依り還流作動液の流路が構成されてある第２構成要
   素と、上記内部フィン群における各リング状平板群の内
   縁周囲群に依りコンテナ中心部に構成される貫通孔を作
   動液蒸気通路とする第３構成要素の３構成要素を含んで
   構成されてあることを特徴とするヒートパイプの内部構
   造。
2. （２）前記リング状フィン群の各リング状平板とコンテ
   ナ内壁とはウイックを介して相互に密接されてあること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のヒートパイ
   プの内部構造。
3. （３）前記各リング状平板は内縁で形成される平面を上
   底面とし外縁で形成される平面を下底面とするすい台形
   をなしており、コンテナ内壁に対する圧入はすい台形の
   下底面がコンテナ内の作動液蒸発部側に、上底面が凝縮
   部側に向う方向に圧入されてあることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のヒートパイプの内部構造。
4. （４）前記ヒートパイプは水平姿勢又は水平に近い傾斜
   姿勢で使用されるヒートパイプであって、還流する作動
   液の流路はコンテナ内壁周囲における下半周囲部のみに
   設けられてあることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のヒートパイプの内部構造。
5. （５）前記各リング状平板の外縁にはバーリングが施さ
   れてあり、該バーリング部の弾性に依り、リング状平板
   外縁とコンテナ内壁周囲とは弾性的に加圧保持されてあ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のヒー
   トパイプの内部構造。
6. （６）前記コンテナにおける内部フィン群の挿着部分に
   対応する外周壁面上に異種金属層が接合されてあり且つ
   コンテナと異種金属層の夫々を電極として駆動回路が形
   成されてあり、両者の接合面にペルチエ効果を発揮せし
   める様構成されてあるか、コンテナにおける内部フィン
   群の挿着部分に対応する外周壁面上に第１の異種金属層
   が接着されてあり、更にその外側に第２の異種金属層が
   接合されてあり、両異種金属層の夫々を電極として駆動
   回路が形成されてあり、両異種金属層間の接合面にペル
   チエ効果を発揮する様構成されてあるかの何れかの構造
   であり、それ等の最外層金属表面には所定の構造の熱量
   授受手段が形成されてあるか装着されてあることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のヒートパイプの内
   部構造。