(57)【要約】【課題】空隙内を液相の作動流体が長手方向に流動するように構成されたヒートパイプの還流特性を向上させることができるウイック構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】長手方向における一方側に配置した外径が比較的小さいことにより空隙５ｂ（６ｂ）の断面積が小さくなる第１材料５ａ（６ａ）を焼結して形成された第１焼結ウイック５（６）と、長手方向における他方側に配置した外径が比較的大きいことにより空隙６ｂ（４ｂ）の断面積が大きくなる第２材料６ａ（４ａ）を焼結して形成された第２焼結ウイック６（４）とを備えたウイック構造において、前記第１焼結ウイック５（６）と、前記第２焼結ウイック６（４）とが焼結して連結されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向における一方側に配置した外径が比較的小さいことにより空隙の断面積が小さくなる第１材料を焼結して形成された第１焼結ウイックと、長手方向における他方側に配置した外径が比較的大きいことにより空隙の断面積が大きくなる第２材料を焼結して形成された第２焼結ウイックとを備えたウイック構造において、
前記第１焼結ウイックと、前記第２焼結ウイックとが焼結して連結されていることを特徴とするウイック構造。
【請求項２】
前記第１材料は、比較的粒径が小さい第１粉体を含み、前記第２材料は、比較的粒径が大きい第２粉体を含むことを特徴とする請求項１に記載のウイック構造。
【請求項３】
前記第１材料は、比較的外径が小さい第１細線を含み、前記第２材料は、比較的外径が大きい第２細線を含むことを特徴とする請求項１に記載のウイック構造。
【請求項４】
長手方向における一方側に外径が比較的小さいことにより空隙の断面積が小さくなる第１材料を配置した後に焼結して第１焼結ウイックを形成し、長手方向における他方側に外径が比較的大きいことにより空隙の断面積が大きくなる第２材料を配置した後に焼結して第２焼結ウイックを形成するウイックの製造方法において、
前記第２焼結ウイックを焼結した後に、該第２焼結ウイックに前記第１材料を接触させて配置してから加熱することにより前記第１焼結ウイックを形成することを特徴とするウイックの製造方法。
【請求項５】
長手方向における一方側に外径が比較的小さいことにより空隙の断面積が小さくなる第１材料を配置した後に焼結して第１焼結ウイックを形成し、長手方向における他方側に外径が比較的大きいことにより空隙の断面積が大きくなる第２材料を配置した後に焼結して第２焼結ウイックを形成するウイックの製造方法において、
前記第２材料を長手方向における一方側に配置し、かつ前記第１材料を前記第２材料と接触させた状態でかつ長手方向における他方側に配置した後に、前記第１材料および前記第２材料を同時に加熱して焼結させることを特徴とするウイックの製造方法。
【請求項６】
前記第１材料は、比較的粒径が小さい第１粉体を含み、前記第２材料は、比較的粒径が大きい第２粉体を含むことを特徴とするとする請求項４または５に記載のウイックの製造方法。
【請求項７】
前記第１材料は、比較的外径が小さい第１細線を含み、前記第２材料は、比較的外径が大きい第２細線を含むことを特徴とする請求項４または５に記載のウイックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、潜熱として熱輸送することにより冷却対象部を冷却するヒートパイプで使用されるウイック構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプに使用されるウイックは、毛管圧により液相の作動流体を吸収して流動させるように構成されている。その毛管圧は、空隙の断面積が小さいほど大きくなるので、特にトップヒートモードで使用されるヒートパイプには、金属粉体を焼結して形成された焼結ウイックが使用されている。一方、ウイックの空隙を小さく形成すると、液相の作動流体が流動する流路の断面積が小さくなってしまい、また粉体を焼結して形成されたウイックの場合には、空隙がラビリンス状になってしまうので、流動抵抗が大きくなる。その結果、ヒートパイプにおける還流特性が低下してしまう可能性がある。
【０００３】
特許文献１ないし３には、ループ型ヒートパイプが記載されており、それらループ型ヒートパイプに使用されているウイックは、空隙の断面積が大きい円筒状のウイックと、その外周側を囲う空隙の断面積が小さいウイックとを組み合わせることにより、内周側のウイックによって液相の作動流体を浸透させるとともに、外周側のウイックで生じる毛管圧によって作動流体を吸引するように構成されている。また、特許文献１に記載されたウイックは、液相の作動流体が供給される側の空隙の断面積を大きくして液相の作動流体を浸透させ、かつ外部から熱が伝達される側の空隙の断面積を小さくして毛管圧を発生させるように構成されている。さらに、特許文献２に記載されたループ型ヒートパイプは、凝縮器によって液相に相変化した作動流体が蒸発器に向けて流動する液戻り管の内部にウイックを設けており、そのウイックの内周側の空隙の断面積を外周側の空隙の断面積より小さくするように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−３７０９７号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５７８３号公報
【特許文献３】特開平１０−２４６５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２および特許文献３に記載されたヒートパイプは、ウイックの中空部に液相の作動流体が供給されてウイックに浸透し、その浸透した作動流体を外周面側に吸引するように構成されている。すなわち、液相の作動流体がウイックの厚み方向に流動するので、ウイックの内周側の空隙の断面積を大きくし、外周側の空隙の断面積を小さくしている。言い換えると、特許文献２および特許文献３に記載されたウイックは、軸線方向における空隙の断面積は一様となっている。しかしながら、一方の端部側を加熱し他方側の端部から放熱するように構成されたヒートパイプなどでは、液相の作動流体はウイックの軸線方向に流動するため、軸線方向における空隙の断面積が一様であると、液相の作動流体を一方側の端部に吸引するための毛管圧が十分に得られない可能性があり、また毛管圧を増大させるように空隙の断面積を小さくすると液相の作動流体の浸透性や流動性が低下してしまう可能性がある。そのため、ヒートパイプの長さに制限があったり、ヒートパイプの取付角度に制限があったりする可能性がある。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載されたように軸線方向における一方側の空隙の断面積を大きくし、他方側の空隙の断面積を小さくすることが考えられる。しかしながら、空隙の断面積が異なるウイックを接着あるいは溶接などによって連結した場合には、接着あるいは溶接した接合面では、空隙が閉じられてしまったり空隙の断面積が過剰に減少してしまったりする可能性がある。そのように空隙が閉じられてしまったり空隙の断面積が過剰に減少してしまうと、一方側のウイックから他方側のウイックへ流動する液相の作動流体の流動抵抗が増大してしまって、ヒートパイプの還流特性が低下してしまう可能性がある。
【０００７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、空隙内を液相の作動流体が長手方向に流動するように構成されたヒートパイプの還流特性を向上させることができるウイック構造およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、長手方向における一方側に配置した外径が比較的小さいことにより空隙の断面積が小さくなる第１材料を焼結して形成された第１焼結ウイックと、長手方向における他方側に配置した外径が比較的大きいことにより空隙の断面積が大きくなる第２材料を焼結して形成された第２焼結ウイックとを備えたウイック構造において、前記第１焼結ウイックと、前記第２焼結ウイックとが焼結して連結されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１材料は、比較的粒径が小さい第１粉体を含み、前記第２材料は、比較的粒径が大きい第２粉体を含むことを特徴とするウイック構造である。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記第１材料は、比較的外径が小さい第１細線を含み、前記第２材料は、比較的外径が大きい第２細線を含むことを特徴とするウイック構造である。
【００１１】
請求項４の発明は、長手方向における一方側に外径が比較的小さいことにより空隙の断面積が小さくなる第１材料を配置した後に焼結して第１焼結ウイックを形成し、長手方向における他方側に外径が比較的大きいことにより空隙の断面積が大きくなる第２材料を配置した後に焼結して第２焼結ウイックを形成するウイックの製造方法において、前記第２焼結ウイックを焼結した後に、該第２焼結ウイックに前記第１材料を接触させて配置してから加熱することにより前記第１焼結ウイックを形成することを特徴とする方法である。
【００１２】
請求項５の発明は、長手方向における一方側に外径が比較的小さいことにより空隙の断面積が小さくなる第１材料を配置した後に焼結して第１焼結ウイックを形成し、長手方向における他方側に外径が比較的大きいことにより空隙の断面積が大きくなる第２材料を配置した後に焼結して第２焼結ウイックを形成するウイックの製造方法において、前記第２材料を長手方向における一方側に配置し、かつ前記第１材料を前記第２材料と接触させた状態でかつ長手方向における他方側に配置した後に、前記第１材料および前記第２材料を同時に加熱して焼結させることを特徴とする方法である。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４または５の発明において、前記第１材料は、比較的粒径が小さい第１粉体を含み、前記第２材料は、比較的粒径が大きい第２粉体を含むことを特徴とするウイック構造である。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項４または５の発明において、前記第１材料は、比較的外径が小さい第１細線を含み、前記第２材料は、比較的外径が大きい第２細線を含むことを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、長手方向における一方側に外径が比較的小さい第１材料が配置され、他方側に外径が比較的大きい第２材料が配置され、それら各材料を焼結することによって第１焼結ウイックおよび第２焼結ウイックが形成されている。そのため、第１焼結ウイックで生じる毛管圧を高くするとともに、第２焼結ウイックへの液相の作動流体の浸透性を良好とすることができ、さらに、第２焼結ウイック内を流動する液相の作動流体の流動抵抗を低減することができる。その結果、この発明に係るウイックをヒートパイプに使用することによって、ヒートパイプの還流特性を向上させることができる。そして、それら各焼結ウイック同士が焼結して連結されているので、各焼結ウイック同士の境界部分における空隙の断面積が低減してしまったり空隙が閉じられたりすることを抑制もしくは防止することができる。その結果、第２焼結ウイックから第１焼結ウイックへ流動する液相の作動流体の流動抵抗が増大してしまうことを抑制もしくは防止することができ、ヒートパイプの還流特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係るウイックの一例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、この発明に係るウイック構造の一例について説明する。図１に示すヒートパイプ１は、銅などの熱伝達率の良好な金属材料を中空状に形成したコンテナ２と、多孔質材を円筒状に形成したウイック３とを備えている。また、このヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気した後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体として封入されている。図１に示すヒートパイプ１は、鉛直方向における上方側が加熱され、下方側から放熱するように構成された、いわゆるトップヒートモードで使用されるものであって、図１に示す上側が加熱部、下側が放熱部となっている。
【００１８】
図１に示すヒートパイプ１は、下方側が放熱部となっているので、ウイック３の中空部３ａにおける下方側で気相の作動流体が液相の作動流体に相変化する。そして、液相の作動流体は、ウイック３の下方側の内面からウイック３の内部に浸透した後、ウイック３の内部で生じる毛管圧によって上方側に吸引される。ウイック３の上方側に吸引された液相の作動流体は、ヒートパイプ１の外部から伝達された熱によって加熱されるので、気相の作動流体に変化するとともにウイック３の中空部３ａに放出されて、ウイック３の中空部３ａを下方側に向けて流動する。このように作動流体が相変化しながらヒートパイプ１の内部を還流することによって、加熱部から放熱部に向けて潜熱として熱輸送される。
【００１９】
上記のように作動流体を還流させるためには、液相の作動流体を吸引する毛管圧を高くし、また液相の作動流体がウイック３に浸透しやすくすることが好ましい。そのため、図１に示すウイック３は、軸線方向においてウイック３を３層に区分して形成されている。具体的には、外径が比較的大きい粉体４ａを焼結して形成され下方側に配置されたウイック４と、外径が比較的小さい粉体５ａを焼結して形成され上方側に配置されたウイック５と、下方側のウイック４を形成する粉体４ａの外径より小さく、上方側のウイック５を形成する粉体５ａの外径より大きい粉体６ａによって形成され軸線方向における中央部、言い換えると、軸線方向における下方側のウイック４と上方側のウイック５との間に配置されたウイック６とによって構成されている。そのため、図１に示すウイック３は、下方側のウイック４内の空隙４ｂの断面積が比較的大きく、上方側のウイック５内の空隙５ｂの断面積が比較的小さく、中央部に配置されたウイック６内の空隙６ｂの断面積が下方側のウイック４内の空隙４ｂの断面積より小さくかつ上方側のウイック５内の空隙５ｂの断面積より大きく形成されている。言い換えると、図１に示すウイック３は、下方側から上方側に向けて空隙の断面積が小さくなるように形成されている。
【００２０】
このようにウイック３を形成することによって、下方側のウイック４は、液相の作動流体の流動抵抗が小さいため、液相の作動流体が浸透しやすく、また液相の作動流体の流動性が良好となる。また、上方側のウイック５は、空隙５ｂの断面積が小さいため、比較的大きな毛管圧を発生させることができ、その結果、液相の作動流体を上方側へ吸引する力を大きくすることができる。
【００２１】
ここで、図１に示すウイック３の製造方法について説明する。まず、銅などの熱伝達率の良好な金属材料によって形成された有底円筒状のコンテナ２に中空部３ａを形成するための中子を挿入した状態で、下方側のウイック４を形成するための比較的大きな粒径の粉体４ａを中子とコンテナ２との間に入れる。すなわち、コンテナ２の底部がヒートパイプ１の下方部となる。ついで、粒径が後述する粉体５ａの粒径より大きく下方側のウイック４を形成するための粉体４ａの粒径より小さい粉体６ａを入れ、その後に、上方側のウイック６を形成するための比較的小さな粒径の粉体５ａを入れる。そして、それら各粉体４ａ，５ａ，６ａを中子とコンテナ２との間に入れた状態で、外部から加熱して焼結させる。なお、図１に示す例では、各ウイック４，５，６の内径が同一となるように構成されている。また、各ウイック４，５，６を形成するための粉体４ａ，５ａ，６ａは、ニッケルあるいは銅もしくはそれらの合金など熱伝導率が良好な材料であって、各ウイック４，５，６を形成する粉体４ａ，５ａ，６ａ同士が同一の材料であっても異なっていてもよいが、各ウイック４，５，６同士が焼結するようにそれぞれの粉体４ａ，５ａ，６ａの材料を選定することが好ましい。
【００２２】
このように各粉体４ａ，５ａ，６ａをコンテナ２の内部に入れた状態で焼結することにより、下方側に入れられた粉体４ａと中央部分に入れられた粉体６ａとの境界部分でもそれら粉体４ａ，６ａ同士が焼結され、同様に中央部分に入れられた粉体６ａと上方側に入れられた粉体５ａとの境界部分でもそれら粉体５ａ，６ａ同士が焼結される。そのため、各ウイック４，５，６同士が一体となるとともに、それらウイック４，５，６同士の境界部分が焼結されているので、空隙４ｂ，５ｂ，６ｂが閉じられてしまったり、空隙４ｂ，５ｂ，６ｂの断面積が過剰に小さくなってしまったりする事態を抑制もしくは防止することができる。したがって、下方側のウイック４から中央部分のウイック６に向けて流動する液相の作動流体の流動抵抗および中央部分のウイック６から上方側のウイック５に向けて流動する液相の作動流体の流動抵抗が大きくなってしまうことを抑制もしくは防止することができる。その結果、ウイック３内を流動する液相の作動流体の流動抵抗を小さくすることにより、ヒートパイプ１の還流特性を向上させることができるので、比較的長く形成されたヒートパイプや重力に反して液相の作動流体がウイック内を流動するように形成されたヒートパイプであっても作動流体を還流させることができる。なお、粉体４ａ，５ａ，６ａを銅やニッケルあるいはそれらの合金などによって形成した場合には、粉体４ａ，５ａ，６ａを焼結することによりコンテナ２の内面とその内面に接触する粉体４ａ，５ａ，６ａとを結合して一体化することができる。
【００２３】
上述したウイック３の製造方法は、各ウイック４，５，６を同時に焼結している。一方、粒径が小さい粉体５ａ（６ａ）を焼結する温度より粒径が大きい粉体４ａを焼結する温度が高いため、比較的粒径が大きいウイック４を焼結させるように各ウイック４，５，６を加熱すると、そのウイック４を形成する粉体４ａより粒径が小さい粉体５ａ（６ａ）が過剰に加熱されてしまう可能性がある。そのため、粒径が大きい粉体４ａによって形成される下方側のウイック４から順に焼結してもよい。具体的には、コンテナ２に中子を挿入した状態で、粒径が大きい粉体４ａを挿入して焼結することにより下方側のウイック４を形成する。ついで、中央部分のウイック６を形成するための粉体６ａを下方側のウイック４の上方から中子とコンテナ２との間に挿入した後に焼結して中央部分のウイック６を形成する。この際に加熱する温度は、下方側のウイック４を形成する際の温度より低い温度となる。そして、上方側のウイック５を形成するための粉体５ａを中央部分のウイック６の上方から中子とコンテナ２との間に挿入した後に焼結して上方側のウイック５を形成する。この際に加熱する温度は、下方側のウイック４を形成する際の温度および中央部分のウイック６を形成する際の温度より低い温度となる。
【００２４】
このように粒径が大きい粉体４ａによって形成される下方側のウイック４から順に焼結することにより、粒径が小さい粉体５ａ（６ａ）が過剰に加熱されてしまうことを抑制もしくは防止することができる。そのため、粒径が小さい粉体５ａ（６ａ）が溶融してしまうなどの事態を抑制もしくは防止することができる。その結果、粉体５ａ（６ａ）が溶融してしまい空隙５ｂ（６ｂ）が閉じられてしまうなどの事態を抑制もしくは防止することができる。また、下方側のウイック４の上方に粉体６ａを入れた状態で中央部分のウイック６を焼結するため、中央部分のウイック６と下方側のウイック４とは結合され、同様に上方側のウイック５と中央部分のウイック６とも上方側のウイック５を焼結する際に結合される。その結果、ウイック３全体を一体として形成することができるとともに、粒径の異なるウイック４，５，６同士の境界部分の空隙４ｂ，５ｂ，６ｂが閉じられたり、その空隙４ｂ，５ｂ，６ｂの断面積が過剰に小さくなったりすることを抑制もしくは防止することができる。
【００２５】
なお、上述した例では、粉体を焼結してウイック３を形成する構成および製造方法を説明したが、銅やニッケルなどの金属材料によって形成された細線を束ねてあるいは捩って形成されたウイック３であってもよい。具体的には、外径が比較的大きな細線によって下方側のウイック４を形成し、外径が比較的小さな細線によって上方側のウイック５を形成し、さらに、下方側のウイック４を形成する細線の外径より大きく、上方側のウイック５を形成する細線の外径より小さな外径の細線によって中央部分のウイック６を形成してもよい。そして、それら細線を同時に焼結し、あるいは下方側のウイック４から順に焼結してもよい。
【００２６】
さらに、外径が下方側から上方側に向けて細くなるようにテーパ状あるいは段階的に外径が変化する細線（以下、テーパ状の細線と記す。）によってウイック３を形成してもよい。なお、テーパ状の細線によってウイック３を形成する場合には、上方側のウイック５の内径が大きくなり、下方側のウイック４の内径が小さくなる可能性があり、その場合には、ウイック３の中空部３ａを流動する気相の作動流体の流動抵抗が増大する可能性があり、または、ウイック３全体としての毛管圧が低くなってしまう可能性がある。そのため、下方側から上方側までの長さを有するテーパ状の細線と、中央部分から上方側までの長さを有するテーパ状の細線と、上方側の部分のみの長さを有する細線とを順に軸線方向に積層して、ウイック３を形成してもよい。このようにウイック３を形成することにより、ウイック３の中空部３ａの上方側の内径と下方側の内径とを同一とすることができ、言い換えると中空部３ａを直線状に形成することができるので、気相の作動流体の流動抵抗が増大してしまうことを抑制もしくは防止することができる。また、上方側のウイック５の体積が減少してしまうことを抑制もしくは防止することができるので、上方側のウイック５で生じる毛管圧が低下してしまうことを抑制もしくは防止することができる。
【００２７】
なお、上述したように各ウイックを粉体によって形成してもよく、細線によって形成してもよい。または、細線と粉体とを混合して形成してもよい。すなわち、細線を束ねもしくは捩るとともに、それら細線を覆うように粉体を配置して、あるいは細線の内部に粉体を配置して焼結してもよい。また、上述した例では、円筒状のウイックを例に挙げて説明したが、平板状のヒートパイプに使用する場合には、ウイックが平板状に形成されたものであってもよい。すなわち、この発明におけるウイックは、外径が小さい材料によって形成されたウイックと、外径が大きい材料によって形成されたウイックとが軸線方向に並んで配置され、それら各ウイックが焼結されていればよい。
【符号の説明】
【００２８】
１…ヒートパイプ、  ２…コンテナ、  ３，４，５，６…ウイック、  ４ａ，５ａ，６ａ…粉体、  ４ｂ，５ｂ，６ｂ…空隙。
【図１】
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