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技術 ヒートパイプ

出願人 古河電気工業株式会社
発明者 海渕朋未田中賢吾岩野勇輝池田匡視
出願日 2015年10月6日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2015-198355
公開日 2017年4月13日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2017-072280
状態 特許登録済
技術分野 中間熱伝達媒体をもつ熱交換装置
主要キーワード コンテナ端 寒冷地仕様 蒸発部側 テーパ形 トップヒート 減圧封入 ウィック 凍結防止
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年4月13日)のものです。
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図面 (4)

課題

ヒートパイプが、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、作動流体の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態における水の凍結による体積膨張に対し、コンテナの破壊を防止できるヒートパイプを提供する。

解決手段

円筒形のコンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているヒートパイプ。

概要

背景

電気電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、近年、その冷却がより重要となっている。電子部品の冷却方法として、ヒートパイプが使用されることがある。

従来ヒートパイプは、作動流体として水を減圧封入した金属製のコンテナで構成される。ここで、例えばヒートパイプが、重力方向に対して平行方向または略平行方向となる状態で設置されると、作動流体が重力によりヒートパイプ下部に貯留する。この状態で作動流体の凝固点以下に環境温度が下がると、貯留した液相の作動流体は、コンテナとの接触部と液面側から凍結していき、その後、貯留した液相の作動流体の内部側へと凍結が進行していく。液相の作動流体の内部が凍結して体積膨張すると、体積膨張により発生した応力は液面が固体化しているためコンテナへ向かうこととなる。このような原理により、ヒートパイプが寒冷地で使用される場合、ヒートパイプが使用される姿勢によっては、コンテナ内で貯留した作動液が、凍結によって体積膨張して、コンテナを破壊する場合がある。

そこで、耐寒性に優れたゴム緩衝材としてコンテナ内に挿入して、作動液の体積膨張を緩衝材の変形で吸収してコンテナの破壊を防止することが提案されている(特許文献1)。しかし、特許文献1の緩衝材の変形では、経年劣化や温度の過剰な低下等により緩衝材が硬化し、作動流体の凍結による体積膨張を吸収しきれずに、コンテナの破壊に至ってしまう場合があるという問題があった。

概要

ヒートパイプが、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、作動流体の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態における水の凍結による体積膨張に対し、コンテナの破壊を防止できるヒートパイプを提供する。円筒形のコンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているヒートパイプ。

目的

本発明の目的は、ヒートパイプが、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、作動流体の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態における水の凍結による体積膨張に対し、コンテナの破壊を防止できるヒートパイプを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

円筒形コンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているヒートパイプ。

請求項2

前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部に取り付けられた状態で設けられている請求項1に記載のヒートパイプ。

請求項3

前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部の壁面に、前記一方の端面部と対向する他方の端面部の方向に向かって凸型に形成された凸部である請求項1に記載のヒートパイプ。

請求項4

前記伝熱部の頂部が、前記水が貯留される液溜まり部の深さの1/2以上、前記一方の端面部と対向する他方の端面部側である請求項1乃至3のいずれか1項に記載のヒートパイプ。

請求項5

前記コンテナの外部であって前記凸部の外面に、前記水よりも熱伝導率の高い補強部材が嵌合されている請求項3に記載のヒートパイプ。

請求項6

前記凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有する請求項3に記載のヒートパイプ。

請求項7

前記コンテナ内部における前記テーパ形状の部位に、フッ素系樹脂被覆されている請求項6に記載のヒートパイプ。

請求項8

前記テーパ形状の部位の外面に、熱収縮チューブが巻かれている請求項6または7に記載のヒートパイプ。

技術分野

0001

本発明は、例えば寒冷地における使用でも、作動流体凍結によるコンテナ破壊を防止できるヒートパイプに関するものである。

背景技術

0002

電気電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、近年、その冷却がより重要となっている。電子部品の冷却方法として、ヒートパイプが使用されることがある。

0003

従来ヒートパイプは、作動流体として水を減圧封入した金属製のコンテナで構成される。ここで、例えばヒートパイプが、重力方向に対して平行方向または略平行方向となる状態で設置されると、作動流体が重力によりヒートパイプ下部に貯留する。この状態で作動流体の凝固点以下に環境温度が下がると、貯留した液相の作動流体は、コンテナとの接触部と液面側から凍結していき、その後、貯留した液相の作動流体の内部側へと凍結が進行していく。液相の作動流体の内部が凍結して体積膨張すると、体積膨張により発生した応力は液面が固体化しているためコンテナへ向かうこととなる。このような原理により、ヒートパイプが寒冷地で使用される場合、ヒートパイプが使用される姿勢によっては、コンテナ内で貯留した作動液が、凍結によって体積膨張して、コンテナを破壊する場合がある。

0004

そこで、耐寒性に優れたゴム緩衝材としてコンテナ内に挿入して、作動液の体積膨張を緩衝材の変形で吸収してコンテナの破壊を防止することが提案されている(特許文献1)。しかし、特許文献1の緩衝材の変形では、経年劣化や温度の過剰な低下等により緩衝材が硬化し、作動流体の凍結による体積膨張を吸収しきれずに、コンテナの破壊に至ってしまう場合があるという問題があった。

先行技術

0005

特開昭58−73563号公報

発明が解決しようとする課題

0006

記事情に鑑み、本発明の目的は、ヒートパイプが、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、作動流体の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態における水の凍結による体積膨張に対し、コンテナの破壊を防止できるヒートパイプを提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

本発明の態様は、円筒形のコンテナと、前記コンテナ内に封入された水とを有するヒートパイプであって、前記コンテナ内部における少なくとも一方の端面部に、前記コンテナと熱的に接続された、前記水よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているヒートパイプである。

0008

上記態様では、コンテナ内部の端面部に、コンテナと熱的に接続された、水(作動流体)よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられているので、伝熱部近傍から、すなわち、一方の端面部に貯留した液相の水(作動流体)の内部から凍結していく。このため、内部に残った水が凍結する際に体積膨張し、その応力がコンテナにかかることによる該コンテナの破壊を防止することができる。

0009

本発明の態様は、前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部に取り付けられた状態で設けられているヒートパイプである。

0010

上記態様では、前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部と一体化されている。

0011

本発明の態様は、前記伝熱部が、前記コンテナの一方の端面部の壁面に、前記一方の端面部と対向する他方の端面部の方向に向かって凸型に形成された凸部であるヒートパイプである。

0012

上記態様では、前記伝熱部は、前記コンテナの一方の端面部における壁面が、前記一方の端面部と対向する他方の端面部側に向かって凸状に形成された部位なので、コンテナの壁面としても作用し、より確実に内部から水(作動液)を凍結させることができる。

0013

本発明の態様は、前記伝熱部の頂部が、前記水が貯留される液溜まり部の深さの1/2以上、前記一方の端面部と対向する他方の端面部側であるヒートパイプである。

0014

本発明において、「液溜まり部」とは、ヒートパイプが、稼働していない状態において、液相の作動流体が貯留した部位を意味する。また、本発明において「水」とは、不可避不純物を含む純水であり、凍結防止のための添加物を含まないものを意味する。

0015

本発明の態様は、前記コンテナの外部であって前記凸部の外面に、前記水よりも熱伝導率の高い補強部材が嵌合されているヒートパイプである。

0016

本発明の態様は、前記凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有するヒートパイプである。

0017

本発明の態様は、前記コンテナ内部における前記テーパ形状の部位に、フッ素系樹脂被覆されているヒートパイプである。

0018

本発明の態様は、前記テーパ形状の部位の外面に、熱収縮チューブが巻かれているヒートパイプである。

発明の効果

0019

本発明の態様によれば、一方の端面部に設けられた伝熱部により、一方の端部に貯留した液相の水(作動流体)は、コンテナの側面部との接触側及び液面側よりも内部側から先に凍結していくので、液相の水の凍結による体積膨張、特に、ヒートパイプが稼働していない状態において液相の水の凍結による体積膨張が生じても、応力を逃がすことができ、結果として、コンテナに対する体積膨張による応力を低減できる。このように、コンテナへの体積膨張による応力を低減できるので、寒冷地等において、コンテナ内で作動流体である水が貯留する状態で設置、使用されても、コンテナの破壊を防止できる。

0020

本発明の態様によれば、伝熱部の頂部の位置が、前記水が貯留される液溜まり部の深さの1/2以上、他方の端面部側であることにより、液面側よりも貯留した液相の水の内部から、より確実に、先に凍結させることができる。このため、液溜まり部の外周(コンテナとの接触部及び液面)が後から凍ることにより、液溜まり部の内部の水が凍結する際の体積膨張によるコンテナの破壊をより確実に防止することができる。

0021

本発明の態様によれば、凸部の外面に、水よりも熱伝導率の高い補強部材が嵌合されていることにより、良好な熱伝導性を維持しつつ、コンテナの端部の機械的強度を向上させることができる。

0022

本発明の態様によれば、凸部が形成された一方の端面部が、テーパ形状の部位を有することにより、水がコンテナの一方の端面部にて凍結しても、テーパ形状に沿って、凍結した水が移動するので、コンテナにかかる応力を低減することができる。

0023

本発明の態様によれば、テーパ形状の部位にフッ素系樹脂が被覆、及び/またはテーパ形状の部位の外面に熱収縮チューブが巻かれていることにより、コンテナ端面部にて凍結した水が、テーパ形状に沿って、より円滑に移動するので、コンテナにかかる応力を低減することができる。

図面の簡単な説明

0024

本発明の第1実施形態例に係るヒートパイプの凝縮部側の説明図である。
(a)図は、本発明の第2実施形態例に係るヒートパイプの凝縮部側の説明図、(b)図は、凝縮部側に取り付ける補強部材の説明図である。
本発明の第3実施形態例に係るヒートパイプの凝縮部側の説明図である。

実施例

0025

以下に、本発明の第1実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。

0026

図1に示すように、第1実施形態例に係るヒートパイプ1は、円筒形の管材からなるコンテナ10と、コンテナ10内部に封入された作動流体11と、コンテナ10の内面に設けられたウィック(図示せず)と、を備えている。コンテナ10は、径方向の断面形状が円形状となっている。

0027

さらに、コンテナ10内部の、一方の端面部である凝縮部側の端面部12には、作動流体11よりも熱伝導率の高い伝熱部が設けられている。ヒートパイプ1では、伝熱部として棒状体13が、複数(図1では5本)、凝縮部側の端面部12の中央部に立設されている。伝熱部である棒状体13の端部が凝縮部側の端面部12に取り付けられていることで、棒状体13はコンテナ10の凝縮部側の端面部12と熱的に接続され、かつ固定されている。また、棒状体13は、凝縮部側の端面部12の中央部に立設されているので、コンテナ10の側面部15には接触していない態様となっている。

0028

棒状体13の設置間隔は特に限定されないが、ヒートパイプ1では、5本の棒状体13が、コンテナ10の径方向に等間隔に配置されている。また、棒状体13の凝縮部側の端面部12への取り付け方法は、特に限定されず、例えば、溶接はんだ付け等を挙げることができる。

0029

図1では、ヒートパイプ1は、蒸発部(図示せず)が凝縮部16よりも高い位置(以下、「トップヒート」ということがある。)であって重力方向に対して平行方向に設置されている。これにより、凝縮部16に液相の作動流体11が最も貯留しやすい状態となっている。貯留した液相の作動流体11は、ヒートパイプ1の稼働していない状態において最大量となって、ヒートパイプ1の液溜まり部14に、液相の作動流体11が満たされる。ヒートパイプ1では、棒状体13の頂部の位置は、液溜まり部14の深さの1/2以上、凝縮部側の端面部12と対向する他方の端面部(蒸発部側の端面部)側である。また、図1では、棒状体13の頂部の位置は、液溜まり部14の液面よりも凝縮部側の端面部12側となっている。従って、ヒートパイプ1は、トップヒートにおいて重力方向に対して平行方向に設置され、かつ稼働していない状態では、棒状体13の頂部は、液溜まり部14に貯留した液相の作動流体11の深さの1/2以上、液溜まり部14に貯留した液相の作動流体11の液面よりも凝縮部側の端面部12側に位置する。

0030

コンテナ10の材料としては、例えば、銅、銅合金アルミニウムアルミニウム合金ニッケルニッケル合金ステンレス等を挙げることができる。また、コンテナ10に封入する作動流体としては、コンテナ10の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であるが、ヒートパイプ1では、水が使用されている。さらに、伝熱部として設けられた棒状体13は、作動流体11よりも高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されず、例えば、コンテナ10の材料と同じ材料を使用することが挙げられ、また、具体的な材料としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることができる。

0031

棒状体13により、凝縮部16側端部に貯留した液相の作動流体11は、側面部15との接触側及び液面側よりも、内部(すなわち、伝熱部である棒状体13との接触部及び棒状体13近傍)から凍結部が形成されていくので、液相の作動流体11の凍結による体積膨張が生じても、液面側から体積膨張による応力を逃がすことができ、結果、コンテナ10に対する体積膨張による応力を低減できる。コンテナ10への液相の作動流体11の凍結による応力を低減できるので、寒冷地等において、コンテナ10内で作動流体11が貯留する状態で設置、使用されても、コンテナ10の破壊を防止できる。さらに、棒状体13の頂部の位置が、液相の作動流体11が貯留される液溜まり部14の深さの1/2以上、他方の端面部側であることにより、凝縮部16側端部に貯留した液相の作動流体11の内部から、より確実に凍結させることができる。

0032

次に、本発明の第2実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第1実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

0033

図2(a)に示すように、第2実施形態例に係るヒートパイプ2では、棒状体の伝熱部に代えて、伝熱部として、凝縮部側の端面部12の中央部に凸部23が設けられている。凸部23は、凝縮部側の端面部12の壁面のうち、中央部がコンテナ10の他方の端面部(蒸発部側の端面部)の方向へ凸状に塑性変形されて形成されたものである。凸部23は、コンテナ10の凝縮部側の端面部12の一部が凸状に塑性変形された態様であることにより、コンテナ10の凝縮部16と熱的に接続されている。

0034

また、凸部23は、凝縮部側の端面部12の中央部が塑性変形されたものなので、コンテナ10内部の側面部15には接触していない態様となっている。ヒートパイプ2では、第1実施形態例に係るヒートパイプ1と同様に、凸部23の頂部の位置は、液溜まり部14の深さの1/2以上、凝縮部側の端面部12と対向する他方の端面部(蒸発部側の端面部)側である。また、図2(a)では、凸部23の頂部の位置は、液溜まり部14の液面よりも凝縮部側の端面部12側となっている。なお、凸部23の設置数は、特に限定されず、1つでも複数でもよいが、ヒートパイプ2では、凸部23は1つ設けられている。

0035

さらに、図2(b)に示すように、必要に応じて、コンテナ10の外部である凸部23の外面側、すなわち、凸部23を設けることによって形成された凝縮部側の端面部12の空隙29に、作動流体11よりも熱伝導率の高い材料から形成された補強部材27が取り付けられてもよい。ヒートパイプ2では、補強部材27は、凸部23の外面側形状と寸法、すなわち、空隙29の形状と寸法に対応した突起部28を有し、突起部28が空隙29に嵌合されることにより、空隙29に補強部材27が取り付けられる態様となっている。

0036

補強部材27の材料は、作動流体11よりも高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されず、例えば、コンテナ10の材料と同じ材料を使用することが挙げられ、また、具体的な材料としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を挙げることができる。また、ヒートパイプ2では、作動流体11として、水が使用されている。

0037

凸部23でも、凝縮部16側端部に貯留した液相の作動流体11は、側面部15との接触側及び液面側よりも、内部(すなわち、伝熱部である凸部23との接触部及び凸部23近傍)から凍結部が形成されていくので、液相の作動流体11の凍結による体積膨張が生じても、液面側から体積膨張による応力を逃がすことができ、結果、コンテナ10に対する体積膨張による応力を低減できる。さらに、凸部23の頂部の位置が、液相の作動流体11が貯留される液溜まり部14の深さの1/2以上、他方の端面部側であることにより、凝縮部16側端部に貯留した液相の作動流体11の内部から、より確実に凍結させることができる。

0038

また、作動流体11よりも熱伝導率の高い補強部材27が空隙29に取り付けられることにより、凝縮部16と放熱手段との間の良好な熱伝導性を維持しつつ、凝縮部16側端部の機械的強度を向上させることができる。

0039

次に、本発明の第3実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第1、2実施形態例に係るヒートパイプと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

0040

図3に示すように、第3実施形態例に係るヒートパイプ3では、凸部23が形成された凝縮部側の端面部12が、テーパ形状の部位37を有する態様となっている。テーパ形状の部位37は、コンテナ10の凝縮部16が凝縮部16の先端側ほど縮径し、凸部23の幅が凝縮部16の先端側ほど拡幅することにより形成されている。コンテナ10が縮径される部位は、特に限定されないが、ヒートパイプ3では、凸部23の頂部に対応する位置から、コンテナ10が縮径されている。

0041

凸部23が形成された凝縮部側の端面部12が、テーパ形状の部位37を有する態様でも、凝縮部16側端部に貯留した液相の作動流体11である水は、側面部15との接触側及び液面側よりも、内部(すなわち、伝熱部である凸部23との接触部及び凸部23近傍)から凍結部が形成されていくので、液相の作動流体11の凍結による体積膨張が生じても、液面側から体積膨張による応力を逃がすことができ、結果、コンテナ10に対する体積膨張による応力を低減できる。

0042

さらに、コンテナ10の凝縮部16がテーパ形状の部位37を有することにより、液相の作動流体11がコンテナ10の凝縮部側の端面部12にて凍結しても、テーパ形状の部位37に沿って、凍結した作動流体11が移動するので、コンテナ10にかかる応力を低減することができる。

0043

また、図3に示すように、必要に応じて、コンテナ10内部のテーパ形状の部位37に、PTFE等のフッ素系樹脂38が被覆されてもよい。テーパ形状の部位37にフッ素系樹脂38が被覆されることにより、テーパ形状の部位37に沿って、凍結した作動流体11がより円滑に移動するので、コンテナ10にかかる応力をより確実に低減できる。

0044

次に、本発明のヒートパイプの使用方法例について、説明する。本発明のヒートパイプは、寒冷地において、トップヒートでも、作動流体の凍結によってコンテナが破壊されるのを防止できるので、例えば、寒冷地仕様自動車に搭載された発熱体冷却用として使用することができる。

0045

次に、本発明のヒートパイプの他の実施形態例について、説明する。第1実施形態例に係るヒートパイプでは、伝熱部として棒状体が使用されていたが、伝熱部の形状は特に限定されず、例えば、板状体球状体でもよい。また、第1実施形態例に係るヒートパイプでは、伝熱部の頂部の位置は、液溜まり部の深さの1/2以上、液溜まり部の液面よりも凝縮部側の端面部側であったが、液溜まり部に貯留された液相の作動流体の液面よりも低い位置であればよく、液溜まり部の深さの1/2未満でもよい。また、第1実施形態例に係るヒートパイプでは、伝熱部の端部が凝縮部側の端面部に取り付けられていたが、これに代えて、伝熱部が凝縮部側の端面部に、固定されずに載置される態様でもよい。また、上記各実施形態例では、伝熱部は凝縮部側の端面部に設けられていたが、必要に応じて、さらに、蒸発部側の端面部に設けてもよい。

0046

第3実施形態例に係るヒートパイプでは、コンテナ内部のテーパ形状の部位にフッ素系樹脂が被覆されていたが、これに代えて、またはこれに加えて、テーパ形状の部位の外面に、熱収縮チューブが巻かれてもよい。テーパ形状の部位の外面に巻かれた熱収縮チューブが熱収縮して、コンテナのテーパ形状の部位を撓ませることにより、テーパ形状の部位に沿って、凍結した作動流体がより円滑に移動するので、コンテナにかかる応力をより確実に低減できる。

0047

本発明のヒートパイプは、作動流体の凍結によるコンテナの破壊を防止できるので、寒冷地において使用される機器に搭載された発熱体の冷却用として、利用価値が高い。

0048

1、2、3ヒートパイプ
10コンテナ
11作動流体
12凝縮部側の端面部
13棒状体
14液溜まり部
23 凸部
27補強部材
37テーパ形状の部位

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