JPS63153396A - ヒ−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・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。特に本発明はコ
ンテナ内の蒸発部、凝縮部間で作動液が相変化しながら
循環し、作動液流と蒸気流の流れ方向が相互に反対方向
である型のヒートパイプにおいて、受放熱部間の温度差
が大きい場合や熱入力が大きな場合における性能を改善
する新規な構造に関する。

従来の技術 従来構造のし−トパイプにおいて最大熱輸送量を増大せ
しめる為、コンテナ内の封入作動液量を増加せしめても
ウィックの還流作動液運搬能力に限界がある為、ある程
度以上は最大熱輸送量は増加せずにかえって熱抵抗が増
加するのみとなる。

これは所謂ウィック限界によるものである。更に注入作
動液量を増加せしめると最大熱輸送量は若干増加するが
熱抵抗は益々増加する。この状態はウィックが最早その
用を為さず、その性格がウィックレスヒートパイプに近
いヒートパイプに変化することによる。この場合のウィ
ックは作動液の流動を妨害する抵抗体となり、又蒸気の
凝縮表面積拡大効果も失われるに至り、結果的にウィッ
クレスヒートパイプより熱抵抗の大きな、最大熱輸送量
の小さなヒートパイプとなる。この状態で熱入力を更に
増加せしめると蒸発部におけるウィック内作動液の沸脱
蒸気圧により蒸発部ウィック内に作動液が浸透すること
が不可能となり、又ウィック表面を流れる還流作動液が
蒸発部に到達する前に凝縮部に吹戻され、凝縮部はドラ
イアウト又はバーンアウト状態となり作動不可能となる
。

又凝縮部に吹き戻される作動液はコンテナに衝突し、コ
ンテナの異状振動や衝撃音発生の原因となる。

第６図は従来型ヒートパイプのこの様な状態を示す断面
略図である０図において１はコンテナ、２はウィック、
３は作動液、矢印４は蒸気流、矢印５は作動液流、６は
吹上げ作動液滴である。７は入力熱流、８は放出熱流で
ある。Ａは凝縮部、Ｂは断熱部、Ｃは蒸発部を示す。図
は作動液３が液滴６として吹上げられコンテナ１の蒸発
部Ｃがドライアウトした状態を示しである。この状態は
所謂沸騰限界及び飛散限界を示す。ウィックレスヒート
パイプは封入作動液量が少量の場合、熱入力を大きくす
ると、還流作動液が相反方向に流れる蒸気流により吹戻
され蒸発部に還流することが不可能になりドライアウト
する傾向が強い。この様な飛散限界に到達し易い傾向は
相反する気液の流れが直接に接し合うことによる。然し
封入作動液量を増加させることにより大幅に最大熱輸送
量を増加させ得る利点もある。然し作動液量も入力熱量
も所定量を越えると沸騰作動液が凝縮部及びその端面内
壁に至るまで吹上げて異状振動及び衝撃音を発生するよ
うになる。この現象はウィック式ヒートパイプにも発生
するがウィックレスヒートパイプに特に激しく現われ、
又急激な加熱冷却時には更に激しく、ウォーターハンマ
ー現象と同様にヒートパイプを破損せしめる含危険もあ
る。

第７図にはそのような状態を断面略図で示してあの異状
振動及び衝撃音の発生等は大容量ヒートパイプが極限に
近い状態で使用される電力用大型放熱器等において大き
な問題点となりつつある。

又受熱部〈蒸発部）と放熱部（凝縮部）が比較的近接し
、即ち断熱部が極めて短い、且つ大きな熱入力で使用さ
れる大口径短尺形状のし−トパイブにおいては上述の問
題点は特に重大な問題点となっている。第８図及び第９
図は最大熱輸送量を増加させる為そのようなヒートパイ
プコンテナ内の作動液を増量し熱入力を増加せしめた場
合の作動状態を示す断面略図であって第８図は縦断面図
、第９図は横断面図で各符号は第６図、第７図と共通で
ある。又図は何れも水平姿勢での使用例を示している。

このような使用例の場合、作動液３がコンテナ１の内壁
に均一に分散することは不可能で、図の如く下側に偏っ
て凝縮し、その一部は蒸発部Ｃに還流せず、凝縮部Ａの
下半部に滞留し、残部が蒸発部に還流する。又凝縮部Ａ
と同様に及び凝縮面積が共に半減して該ヒートパイプの
熱抵抗は大幅に増加する。このような状態の該ヒートパ
イプにおいて蒸発部Ｃに対する熱入カフと増加せしめ、
作動液３の液量を増量せしめると第８図および第９図の
如く突沸を生じ、これに依り生の作動液滴６を凝縮部Ａ
の内壁面及び端面内壁に吹上げて、ヒートパイプに異状
振動や衝撃音を発生させると共に作動液の蒸発及び凝縮
潜熱の利用が困難となり熱抵抗が増加する。従って該ヒ
ートパイプは直径の大きさに相応した最大熱輸送量を得
ることが困難である。

複数の凝縮部コンテナとそれ等に共通の蒸発部コンテナ
を有する構造のヒートパイプがある。このようなヒート
パイプにおいては各凝縮部（放熱部）における放熱状態
に偏りが発生しても、共通蒸発部から供給される蒸気量
が自ら調整されて、発生蒸気が無駄なく配分されて全体
として効率が改善される利点がある。然し該ヒートパイ
プは大容量である場合が多く、従って作動液量及び蒸気
発生量が多く、且つ急激な沸騰をする場合が多く、前述
と同様な現象でコンテナの異状振動や衝撃音が発生し重
要な問題となることが多い、第１０図はその状態を示し
である０図において１−１は凝縮部コンテナ、１−２は
共通蒸発部コンテナ、１２は冷却風、１３は放熱フィン
群、１４は発熱体であり他の符号は他の図面と共通であ
る。

発明が解決しようとする問題点 本発明に係るヒートパイプは上述各図示例の如く熱輸送
量の大きなヒートパイプにおいて熱入力の大きな際に発
生する各種の問題点、即ち沸騰限界、飛散限界等を改善
し最大熱輸送量を増大せしめると共に、作動中のし−ト
パイプの異状振動及び衝撃音の発生をも防止する新規な
構造のし−トパイ１を提供しようとするものである。

口・発明の構成 問題点を解決する為の手段 前述各種の問題点を解決又は改善する為の本発明に係る
手段としては（ヒートバイアの蒸気流路の所定の部分が
、容易に蒸気が流通出来る程度に目の粗いワイヤーメツ
シュの板状積層体か、同心円状積層体か、又は渦巻状巻
回積層体によって充填されてある）ことを特徴とするも
のでありその実施対象はくコンテナ内の蒸発部、凝縮部
間で作動液が相変化しながら循環し、作動液流と蒸気流
の流れ方向が相互に反対方向である型のヒートパイプ）
に限定される。

作用 本発明に係るヒートパイプにおいて、問題点を解決する
為の手段の基本的な構成要素である（蒸気流路の所定の
部分に充填されてある粗目のワイヤーメツシュ積層体）
は次の各種の作用がある。

（ａ）蒸気流速の減速作用 急激な熱入力を加えた場合や受放熱部間の温度差が過大
な状態における作動に際して蒸気流速が必要以上に高速
度化されるのをワイヤーメツシュの流体抵抗により減速
せしめ、気液境界面における還流作動液の吹戻し作用の
発生を防止する。即ち飛散限界を改善する。特にウィッ
クレスヒートパイプにおいてその改善は目覚ましく、各
限界値の改善に依り最大熱輸送量は倍増させることが可
能なだけでなく熱抵抗値も半減させることが出来る。

（ｂ）作動液還流速度の減速作用 ボトムヒート姿勢、大熱入力時において大量の凝縮作動
液が急激に蒸発部に還流して作動液が突−沸状態になっ
たり、ウィック間隙を溢れた凝縮作動液が蒸発部に落下
して突沸を引起こして生作動源が凝縮部まで吹上げられ
るのを防止する。即ちウィック限界を改善し、異状振動
、衝撃音の発生を防止する。

（ｃ）熱交換面積の拡大作用 積層体のウィックを介するか又は直接にコンテナ内壁に
接し、又は近接している層のワイヤーメツシュはヒート
パイプの内部フィン群として作用し、受熱面積又は放熱
面積を拡大せしめたと同一効果を発揮する。そして蒸気
流路となるワイヤーメツシュ層と内部フィン群として作
用するワイヤーメツシュ層とは固定されるものではなく
封止さＥプ・ 一、、−；ｈである作動液量、入力される熱量によって
自ら決まるもので、広範囲な熱入力変化に対応すること
が出来る。従って該ビートパイプは充分に封入作動液量
を増量せしめて、従来構造に比べ充分に最大熱輸送量を
増加させ又熱抵抗値を減少せしめることが出来る。

（ｄ）沸騰限界の改善作用 蒸発部における熱交換面積が大幅に増加するから、又増
加分の蒸発部はワイヤーメツシュ層で蒸７　気の通過が
容易であるから、還流作動液の還流が不可能になる程の
沸騰は生じ難く、沸騰限界条件は大幅に緩和される。

（ｅ）異状振動及び衝撃音の防止作用 蒸気流路が粗目のワイヤーメツシュで構成されてあるの
で、蒸発部における沸騰や突沸に依って生の液滴や作動
液が吹上げられた場合でも凝縮部のコンテナや端面にま
で到達することは不可能であり、その為の性能低下や異
状振動の発生、衝撃音の発生は完全に防止される。　　
。

実施例 （ａ）第１実施例 第１図は本発明に係るし−トパイプの第１実施例を示す
断面略図で、本発明に係る基本構造を示している。又第
１図は第６図例示のし−トパイプに本発明を実施したも
のである０図において１１はワイヤーメツシュの所定の
枚数の積層体である。

該積層体はコンテナ１が円筒形の場合は同心円状積層体
又は渦巻状巻回積層体が用いられる。その中心部は必ず
しも充填されず、従来型の蒸気通路として残置されてあ
ってもよい、又コンテナ１又はコンテナ内の蒸気流路が
四角形断面か長方形断面である場合はワイヤーメツシュ
積層体は平板ワイヤーメツシュの積層で構成されてあっ
ても良い。第１図において積層体１１はウィック２を介
してコンテナ内壁に圧入されてあるが、ウィックレスヒ
ートパイプの場合はコンテナ１内に直接圧入される。図
においては蒸気流路における蒸発部Ｃ及び断熱部Ｂがワ
イヤーメツシュ積層体１１によって充填されてあるが、
該所定の充填部は凝縮部Ａを含む蒸気流路の全長であっ
ても良い、又断熱部Ｂの部分だけであってもよく、蒸発
部Ｃの部分だけであっても良い。コンテナ内に封入され
る作動液量及び熱入力に応じて充填長さは長く、比較的
液量及び入力が小さい場合は充填長さは蒸発部Ｃだけで
充分に、問題点解決の目的を達成することが出来る。ワ
イヤーメツシュの目の粗さは発明者の実験によれば１０
メツシユ〜２０メツシユの場合が最も効果的であった。

５０メツシユの場合も目的は達成することが可能であっ
たが、流体抵抗の増加に依る蒸気流量低下が生じると考
えられ、熱抵抗値の増加が測定された。ワイヤーメツシ
ュの材質は作動液との適合性が良好であれば硝子繊維、
炭素繊維等如何なるものでも良いが、熱伝導性の良好な
純銅線、純アルミ線等が最も望ましい、第１図における
他の部分の符号は総て第６図と同じである０図において
は前述の如き充填ワイヤーメツシュ積層体１１の作用に
依り作動液３や作動液滴６を凝縮部Ａまで吹上げること
は全く無く、異状振動、衝撃音の発生も完全に解決して
いることが図示されている。第１図で図示は省略されて
あるが、充填ワイヤーメツシュの作用により作動液は蒸
発郡全体に、又はそれを越えて充満充填させて実施する
ことが出来る。この液量は第６図の通常のウィック式ヒ
ートパイプの作動液封入量がコンテナ内容積の７〜１０
％であるのに対し、２０〜２５％と２倍以上の量を封入
して作動させることが可能となり、これは最大熱輸送量
の大幅な増加を意味する、又ウィックだけの場合よりコ
ンテナ内部の熱交換表面積が大幅に増加するので熱抵抗
値も大幅に改善される。

（ｂ）第２実施例 第２図は本発明に係るヒートパイプの第２実施例を示す
断面略図であって、第７図例示のウィックレスヒートパ
イプに本発明を適用したものである。従って図において
ワイヤーメツシュ積層体１１以外の各符号は両図総て共
通である。

ウィックレスヒートパイプにおける本発明の作用は特に
顕著であり、その最も大きな問題点である大熱入力時に
おける作動液の吹上げとそれに伴う異状振動、衝撃音、
性能低下は何れも完全に解決されると共に飛散限界、沸
騰限界も大幅に改善＝ る、第２図で図示は省略されてあるが作動液量は蒸発部
Ｃを充満させる程度に封入される。ウィックレスヒート
パイプにおける作動液封入量は通常コンテナ内容積の３
０〜４０％であり、第６図実施例ではワイヤーメツシュ
の容積分だけ減少せしめることが可能で、内容積の２０
〜２５％位となる。ライクツクレスヒートパイプの作動
液量は各種限界による性能低下をカバーする為大量の作
動液を封入するものであり、その為に飛散限界を悪化さ
せていたものであり、第２実施例ではワイヤーメツシュ
積層体１１の作用により内容積の２０％位で充分な最大
熱輸送量と充分に低い熱抵抗値を得ることが出来る。

（Ｃ）第３実施例 第３図及び第４図は本発明に係るし−トパイプの第３実
施例であって夫々第８′図及び第９図に例示の大口径短
尺ヒートパイプに対する′適用例である。又第３図及び
第４図は夫々第８図及び第９図と同様に水平姿勢での作
動状態を示した縦断面時開においてはワイヤーメツシュ
積層体１１がコンテナーの全長（蒸気流路の全長）に互
って充填されてある点が特徴である０図においてはワイ
ヤーメツシュ積層体１１はワイヤーメツシュが同心円状
に積層されてあるがこれは渦巻状に巻回された積層体で
あっても良い。又図において中心部には非充填部が残さ
れてあるがこれは全く意味はなく単に加工上便利なだけ
の意味で設けられであるので他の実施例同様に密に充填
されてあっても良い９図においては省略されてあるが、
作動液量は第８図及び第９図例示と同程度位が封入され
る。第８図、第９図は液量を内容積比３０〜４０％に増
加せしめた場合の作動状況を示している。第３図及び第
４図においてはワイヤーメツシュ積層体１１の作用によ
って作動液はコンテナ内壁に比較的均等に分散しヒート
パイプ作動中には従来構造の如く偏ることはない。従っ
て作動液量を増加せしめても蒸発部Ｃ，凝縮部Ｂ共にそ
の熱交換面積が作動液溜りによって減少されることなく
、かえってワイヤーメツシュ層の一部が熱交換面積を拡
大させ性能を大幅に向上させる。図から分るように作動
液３、液滴６の吹上げは完全に防止され、それに依る性
能低下、異状振動、衝撃音の発生も防止される。

（ｄ）第４実施例 第５図は本発明に係るヒートパイプを第１０図例示の複
数の凝縮部コンテナ１−１と共通蒸発部コンテナ１−２
とからなるヒートパイプに適用した第４実施例の断面略
図である。両図においてワイヤーメツシュ積層体１１以
外の符号は総て共通である。共通蒸発部コンテナ１−２
の底面には発熱体１４が装着されてある。図においては
共通蒸発部コンテナ１−２は底面に発熱体１４が装着さ
れる底端面加熱型になっている。その為に共通蒸発部コ
ンテナ１−２の図示されていない断面即ち図面に垂直な
方向の断面形状は長方形状になっている。ワイヤーメツ
シュ積層体１１は所定枚数の粗目のワイヤーメツシュの
夫々が共通蒸発部コンテナ１−２の底端面に平行である
ように積層されて装着されてある。これは底端面から入
力された熱量がワイヤーメツシュ積層体１１内に伝達さ
れ易くする為である。

第５図においては発熱体１４は底端面に装着されてある
が、その位置に限定されるものではない。

即ち側平面に装着されてあっても良く、又両側平面にお
いて共通蒸発部１−２を挟持する状態に装着されても良
い、この場合はワイヤーメツシュの夫々の平面は発熱体
の接着平面と平行であるように積層され装着される。ワ
イヤーメツシュ積層体１１は図の如く共通蒸発部コンテ
ナ１−２の内部に充満充填されてあっても良いが、その
所定の部分まで充填されてあっても良い、その場合はコ
ンテナ内壁に対する加圧力を維持させる為には間隙にス
プリングを併設することが望ましい０図から分るように
第１０図における作動液の凝縮部コンテナ内に至る吹上
げは全く生ずることなく正常に作動している。第５図の
実施例は第１０図に比較して異状振動及び衝撃音の発生
が防止されるだけでなく、熱交換面積の拡大による熱抵
抗の低下、充分な作動液封入に依る最大熱輸送量の増加
等多くの性能が改善されている。

（ｅ＞第５実施例 第１図〜第５図において各蒸発部（受熱部）がウィック
レス構造であり、作動姿勢が傾斜姿勢であるか又は水平
姿勢である場合には作動液の偏在状態が発生しワイヤー
メツシュ積層体の作用が充分に発揮されない場合がある
。これはワイヤーメツシュの目が粗いことに依り作動液
の分散が不充分であることに依る。これを防ぐ為には１
００メツシユの々１１き毛＃ｌ管作用の強いワイヤーメ
ツシュの所定枚数をワイヤーメツシュ積層体内の所定の
部分に介在せしめることに依り還流作動液を蒸発郡全体
に均一分散せしめワイヤーメツシュ積層体の総てを活用
して、高性能を発揮させることが出来る。

（ｆ）第６実施例 線材の袋打編組体（編組中空管）はエンドレスのワイヤ
ーメツシュと考えることが出来るので、該編組を多重に
形成することにより、同心円状積層体を得ることが出来
る。線材の多重編組中空管として構成された積層体はワ
イヤーメツシュ積層体と全く同様に使用することが出来
る。然し袋打編組は長さ方向にも直径方向にも伸縮自在
であるからコンテナ内壁に充分な加圧力で装着する為に
は°螺旋状スプリングの反発力を借りる等の加圧装着手
段が必要である。

（ｇ）第７実施例 図示は省略しであるがワイヤーメツシュの積層体が充填
されてある蒸気流路の所定の部分は断熱部の所定部分だ
けであってもよい、この場合は該積層体は熱交換面積拡
大作用は全く失われ、蒸気流の流速制御が主たる役目と
なり作動液の還流速疫制御が従なる役目となる。それ等
の役目はワイヤーメツシュの目の粗さの選択及び充填長
さの選択の両者に依る流体抵抗の変化によって為される
。これに依り蒸気流及び作動液流は必要以上に高速化さ
れることはなく従って飛散限界、沸騰限界は緩和される
。又作動液、液滴の吹上げが生じてもワイヤーメツシュ
積層体で制止されて凝縮部コｌ） 一′ンテナ及びその端面内壁に衝突することはない。

′従って該ヒートパイプは異状振動や衝撃音の発生が無
く、生の作動液吹上げによる性能低下も生じない。

ハ・発明の効果 本発明に係るヒートバイ１は上述の如くであるから単純
安価な付加部品を併設するのみでヒートパイプの最大熱
輸送量を大幅に増加せしめ、熱抵抗値を改善せしめるこ
とが出来る。

又同時に該ヒートパイプの沸騰限界、飛散限界を改善し
、又熱入力が大きな時や急激な加熱冷却時にヒートパイ
プが発生スる異状振動や衝撃音をも防止する。特に異状
振動や衝撃音の発生は大容量ヒートパイプにおいて沸騰
限界や飛散限界等の極限状態に到達するよりはるかに緩
い条件で発生し、ヒートパイプの最大能力を有効に活用
することが不可能であった。又大口径、ヒートパイプに
おいて作動液量の増量に依って充分に最大熱輸送能力を
増大せしめることが可能であるにも拘らず衝撃音の発生
により能力増強を断念せざるを得ない場合が多かった９
本発明に係るヒートパイプの実用化に依り上述問題点が
解決するので大容量、大口径ヒートパイプはその有する
限界能力近くまでその能力を増大せしめ有効に活用する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図及び第４、第５図は夫々本発明
に係るビートパイプの各実施例を示す断面略図であって
、第６図、第７図、第８図及び第９図、第１０図は夫々
上記各実施例に対応する従来構造ヒートパイプの問題点
発生状況を示す断面略図である。 １・・・コンテナ、１−１・・・凝縮部コンテナ、■＝
２・・・共通蒸発部コンテナ、２・・・ウィック、３・
・・作動液、４・・・蒸気流、５・・・作動液流、６・
・・吹上げ作動液滴、７・・・入力熱流、８・・・放出
熱流、１１・・・ワイヤーメツシュ積層体、１２・・・
冷却風、１３・・・放熱フィン群、１４・・・発熱体、
Ａ・・・凝縮部、Ｂ・・・断熱部、Ｃ・・・蒸発部。 特許出願人　アクトロニクス株式会社 第１Ｍ　　　　　　第６図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）コンテナ内の蒸発部、凝縮部間で作動液が相変化
   しながら循環し、作動液流と蒸気流の流れ方向が相互に
   反対方向である型のヒートパイプであつて、その蒸気流
   路の所定の部分が容易に蒸気を流通させる程度に目の粗
   いワイヤーメッシュの板状積層体か、同心円状積層体か
   、又は渦巻状巻回積層体の何れかにより充填されてある
   ことを特徴とする構造のもの。
2. （２）発明が適用されるヒートパイプは比較的大直径で
   且つ比較的短尺に構成されたヒートパイプであって、本
   発明に係るワイヤーメッシュ積層体は該ヒートパイプの
   蒸気流路の全長に亙って充填されてあることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のヒートパイプ。
3. （３）発明が適用されるヒートパイプは複数の凝縮部コ
   ンテナと、それ等を連結しそれ等に共通する蒸発部コン
   テナとから構成されてあるヒートパイプであって、本発
   明に係るワイヤーメッシュ積層体は該ヒートパイプの共
   通蒸発部コンテナ内の全容積か、所定の容積を充填して
   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
   記載のヒートパイプ。
4. （４）コンテナの作動液蒸発部には本発明に係るワイヤ
   ーメッシュ積層体が充填されてあり、該積層体の一部に
   は毛細管機能を有する程度に目の細かなワイヤーメッシ
   ュの所定枚数か、同様な機能を有する細線編組層の所定
   層数かの何れかが本発明に係るワイヤーメッシュ積層体
   の所定の層間に挟持されて、共に充填装着されてあるこ
   とを特徴とするもの。
5. （５）ワイヤーメッシュの同心円状積層体に代わり、該
   ワイヤーメッシュと同程度の太さの線材を用いて袋打編
   組された、目の粗い多重編組中空体が蒸気流路の充填体
   として用いられ、或いはワイヤーメッシュと併用して充
   填されてあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のヒートパイプ。
6. （６）本発明に係るワイヤーメッシュ積層体が充填され
   てある蒸気流路の所定の部分はヒートパイプの断熱部の
   所定の部分であり、該ワイヤーメッシュの目の粗さの選
   択と充填部の長さの選択とが蒸気の流速制限手段及び作
   動液の還流速度制限手段として構成されてあることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のヒートパイプ。