(57)【要約】【課題】重量の点で大幅な軽量化を図るとともに、コンパクトな状態で運搬、収容等ができ、るヒートパイプを実現し、パソコン、パワーエレクトロニクス等、排熱にヒートパイプを使用している機器、宇宙環境に使用される機器等にヒートパイプを実現する。【解決手段】耐放射線特性に優れたポリイミド薄膜、熱伝導性に優れた金属薄膜等の材料から成る可撓性のパイプ状のインフレータブル構造の容器２を備え、その内部には伝熱媒体が充填され、容器２の一端が蒸発部３、中間が断熱部４、他端が凝縮部５として作用し、容器２の内面は、伝熱媒体に対する濡れ性が確保されるように、フッ素化処理したり、シリコン有機物等の親水性物質でコーティングをして親水性処理が施されており、非使用時にコンパクトな状態とし、使用時には伝熱媒体の蒸気圧によってこれを膨張させて通常のヒートパイプ形状とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性材料で形成された収縮及び膨張可能な容器内に伝熱媒体となる固体又は流体を収容したことを特徴としたヒートパイプ。
【請求項２】
前記容器は、非使用時には、渦巻き状に巻き取り又は折り畳み可能な断面が扁平状のパイプであることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記容器は、蛇腹状に伸縮可能であることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記容器は、該容器内の前記伝熱媒体の温度上昇により該伝熱媒体の蒸気圧が上昇すると、膨張することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記伝熱媒体は、流体である場合は、炭素数１から１０のアルコールの水溶液を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートパイプ。
【請求項６】
前記容器は、前記可撓性材料中に硬化剤が含まれており、伝熱媒体を加熱して膨張すると、該膨張した形状を維持する機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱装置、特にヒートパイプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パソコンのCPUや、インバーター、サイリスタ等で使用される半導体素子、いわゆるパワーエレクトロニクスにおいて、発生する熱の除去が、きわめて重要な技術課題となっており、ヒートパイプが一般的に使用されている。
【０００３】
ヒートパイプは、通常は、容器内部に毛管現象を維持するためのウィックが加工あるいは配置されているが、近年、ウィックを必要としない伝熱装置が発明されており（特許文献１参照。）、特に宇宙をはじめとした無重力環境での応用が期待されている。
【特許文献１】特許３４１６７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートパイプは、構造が簡単で、見かけの熱伝導が良好なため、マイクロエレクトロニクス、土木、宇宙と広範囲で利用されている。一方で、通常は容器に熱伝導性の良好な銅パイプを用い、内部にウィック構造を有し、重量の点では、特段の改善がなされていないのが現状である。
【０００５】
たしかに、上記特許文献１で示すように、近年、ウィックを必要としないヒートパイプが発明されているが、ヒートパイプ本体となる長尺状の容器は、剛体で形成されており、重量が大きく、又運搬に際しての取り扱いが不便で、収納や機器への据え付け等においてスペースが嵩む等の問題がある。
【０００６】
重量の大幅な低減、折りたたみ等によるコンパクトな収容が可能となれば、宇宙用熱制御への応用をはじめ、民生分野においても従来の概念にモバイル化という付加価値を与えることによって、応用分野が格段に広がっていく可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記従来のヒートパイプの問題点を解決することを目的とし、特に重量の点で大幅な軽量化を図るとともに、コンパクトな状態で運搬、収容等ができるヒートパイプを実現し、軽量、コンパクトなヒートパイプが必須の応用分野、機能を要する応用分野でのニーズにかなうようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために、可撓性材料で形成された収縮及び膨張可能な容器内に伝熱媒体となる固体又は流体を収容したことを特徴としたヒートパイプを提供する。
【０００９】
前記容器は、非使用時には、渦巻き状に巻き取り又は折り畳み可能な断面が扁平状のパイプであることを特徴とする。
【００１０】
前記容器は、蛇腹状に伸縮可能であることを特徴とする。
【００１１】
前記容器は、該容器内の前記伝熱媒体の温度上昇により該伝熱媒体の蒸気圧が上昇すると、膨張することを特徴とする。
【００１２】
前記伝熱媒体は、流体である場合は、炭素数１から１０のアルコールの水溶液を特徴とする。
【００１３】
前記容器は、前記可撓性材料中に硬化剤が含まれており、伝熱媒体を加熱して膨張すると、該膨張した形状を維持する機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
耐放射線特性に優れたポリイミド、熱伝導性に優れた金属薄膜等で容器材料を構成すると、同じ除熱能力を有する従来の銅製ヒートパイプに比べて、最大で、重量が役１／１０とすることができた。また、体積については、収容の仕方によって異なるが、同じく従来の銅製ヒートパイプの約１／５をすることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係るヒートパイプの実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。
【００１６】
まず、本発明の構成の概要を説明する。本発明では、ヒートパイプ本体を構成する容器を、薄膜等のいわゆるインフレータブル構造とし、非使用時（動作前）に非常にコンパクトに収容可能な状態とし、使用時（動作時）には伝熱媒体の蒸気圧によってこれを膨張させて通常のヒートパイプ形状となる構成である。
【００１７】
このように本発明は、ヒートパイプの容器を薄膜材料とすることによる熱伝導を高め、軽量化でき、さらに渦巻き状に丸め（巻き込み）、折りたたみ、収縮等可能とすることでコンパクトに運搬、収納可能である構成が本発明の特長である。
【００１８】
そして、容器内壁のウィックは、宇宙空間での無重力環境で使用するヒートパイプについては、容器内壁と伝熱媒体の濡れ性が確保されていれば、アルコール水溶液によるマランゴニ効果により、ウィックが無くても、ヒートパイプとしての機能を十分に発揮することができる（特許3416731号参照。）。又、ウィックは、通常重力環境では必要となるが、鉛直に配置しサーモサイフォンとして使用するヒートパイプについては、不要である。
【００１９】
なお、本発明のヒートパイプは、膨張後はこの形状を維持し、温度の低下による再収縮を防ぐ方策をとってもよいし、動作不要の際には伝熱媒体の温度を低下させて、再び使用前のコンパクトな状態に戻してもよい。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１のヒートパイプを説明する図である。この実施例１のヒートパイプ１は、ウィックが設けられていないいわゆる「ウィックレス・ヒートパイプ」である。ヒートパイプ１は、その本体として容器２を有する。
【００２１】
この容器２は、耐放射線特性に優れたポリイミド薄膜又は熱伝導性に優れた金属薄膜等の可撓性の材料からパイプ状に形成されている。この容器２の内部には、伝熱媒体となる流体（固体でもよい。）が充填されている。容器２の一端側の部分が蒸発部（高温部）３、中間が断熱部４、他端が凝縮部（低温部）５として機能する。
【００２２】
容器２の内面は、伝熱媒体に対する濡れ性が確保されるように親水性処理されている。例えば、容器の内面をフッ素化処理したり、シリコン有機物等の親水性物質でコーティングをして親水コーティング層２’が形成されている。特に、高温で濡れ性が低下する蒸発部３を親水化処理すれば、水との濡れ性を高め、蒸発部３での正常な蒸発を確保することができる。
【００２３】
なお、親水性処理における親水性の度合の調整は、シリコン有機物のコーティング層の厚さを変えたり、コーティング層におけるフッ素やシリコン有機物等の親水性物質の密度等を変動することにより行われる。
【００２４】
伝熱媒体としては、ブタノール、ペンタノールをはじめとした炭素数が４を超える多価アルコール水溶液の非共沸組成を用いる。
【００２５】
このヒートパイプの容器２は、非使用状態では伝熱媒体の蒸気圧が低く（減圧状態）、図１（ａ）の左図に示すように、潰れた扁平状の断面を有するパイプ状の構成である。しかし、使用に際して、その蒸発部３を熱源で加熱すると、内部に充填された伝熱媒体の蒸気圧の上昇とともに、容器２は膨張（展開）し、図１（ａ）の右図に示すような円形断面を有するパイプ状の構成（円管）となる。
【００２６】
なお、容器２を形成する可撓性の材料であるポリイミドに加熱して膨張後硬化するための熱硬化性の材料を含有させることにより、一度、膨張して円形断面を有するパイプ状となった容器は、その形状を維持させるようにすることも可能である。
【００２７】
（作用）
熱源により蒸発部３を加熱すると、蒸発部３で加熱された伝熱媒体は、容器２内の蒸発部３と凝縮部５における温度差及び伝熱媒体の濃度差により、図１（ｂ）に示すように、蒸発部３から断熱部４を通過して凝縮部５の方向に移動し、凝縮部５において被加熱物体に熱を伝達する。
【００２８】
要するに、蒸発部３において熱源から熱を吸熱し、凝縮部５において排熱することにより、熱源の熱を、ヒートパイプ１により被加熱物体（特に図示せず）に伝熱する。そして、伝熱媒体は、表面張力により容器２の内面に沿うようにして凝縮部５から蒸発部３に還流する。
【００２９】
ところで、伝熱媒体として、炭素数が４を越える多価アルコール水溶液の非共沸組成を用いると、これらの水溶液では、一定温度（摂氏２０〜７０度）以上において表面張力が温度の上昇に伴い、著しく上昇する。従って、温度差マランゴニ効果と濃度差マランゴニ効果は同一方向に作用することとなり、これは凝縮部５から蒸発部３への液の循環を一層促進することとなる（この点詳細は特許第３４１６７３１号公報参照）。
【００３０】
この実施例１では、ヒートパイプ１は、耐放射線特性に優れたポリイミド、熱伝導性に優れた金属薄膜等の可撓性の材料から成るパイプ状の容器２から構成されているるので、非使用時には、図１（ａ）に示すように減圧状態であり、容器２は縮んで断面が扁平状の状態となるから、必要に応じて図１（ｃ）に示すように渦巻き状に丸めることができる。これにより、非使用時では、容器１はコンパクトとなるから、運搬、収納等において取り扱いがきわめて容易である。
【実施例２】
【００３１】
図２は、実施例２を説明する図である。この実施例２のヒートパイプ６は、実施例１のヒートパイプ１とほぼ同じ構成であるが、ヒートパイプ２の容器７を図２の左図に示すように、折りたたみ自在な構成として、非使用時には折りたたんで運搬、収納等できるような構成とした点を特徴とする。使用時には、実施例１と同様に伝熱媒体の蒸気圧が高まって膨張し、容器７は図２の右図に示すように、パイプ状となる。
【００３２】
容器７が折りたたみ自在となる構成として、実施例１と同様に可撓性とするだけでも良いが、さらに折りたたみ部分の外面を容器の強度が損なわれない程度に予め折れ目を入れておく構成としてもよい。例えば、折れ目として、折り線部分８の肉厚を容器の強度が損なわれない程度に、他の部分より、点線状或いは全線に沿って薄くする構成等がある。
【実施例３】
【００３３】
図３は、実施例３を説明する図である。この実施例３のヒートパイプ９は、実施例１のヒートパイプ１とほぼ同じ構成であるが、ヒートパイプ９の容器１０を、図３の左図に示すように、伸縮自在な蛇腹状の構成として、非使用時には縮ませて運搬、収納等できるような構成とした点を特徴とする。使用時には、実施例１同様に伝熱媒体の蒸気圧が高まって自ら膨張し、容器１０は図３の右図に示すように、パイプ状となる。
【実施例４】
【００３４】
図４は、実施例４を説明する図である。この実施例４のヒートパイプ１１は、実施例１のヒートパイプ１とほぼ同じ構成であるが、ヒートパイプ１１の容器１２を図４の左図に示すように、長尺状の基板１３の表面に貼着して取り付け、扁平状に収縮かつ膨張自在な構成とする。
【００３５】
実施例４によると、非使用時には、収縮しているから基板１３から外側に膨張しないので、基板１３ごと複数枚積み重ねたりして運搬、収納等できる。使用時には、実施例１同様に伝熱媒体の蒸気圧が高まって膨張し、容器１２は、図２の右図に示すように、断面が半円のかまぼこ型のパイプ状となる。
【００３６】
以上、この実施例１〜４では、それぞれウィックレス・ヒートパイプ（ウィックのないヒートパイプ）について説明したが、ウィックを有するヒートパイプについても、実施例１同様である。即ち、ヒートパイプの本体である容器は、実施例１〜４と同様に可撓性の材料で形成して渦巻き状に丸め、折りたたみ又は伸縮可能な構成とするとともに、容器の内面に設けるウィックは、極微細且つ可撓性の線から構成すればよい。
【００３７】
以上、本発明に係るヒートパイプを実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明ははこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、以上のような構成であるから、一般的な伝熱操作を必要とした産業分野に適用可能であり、特にパソコン、パワーエレクトロニクス等、排熱にヒートパイプを使用している機器には速やかに適用可能と考えられる。
【００３９】
最も本発明の効果が顕著に発揮される分野は、宇宙機をはじめとした無重力環境での伝熱操作が必要な分野である。すなわち、宇宙利用分野では、無重力状態での衛星各部から発生する排熱をヒートパイプで、ラジエターに輸送して深宇宙に放熱するが、通常ヒートパイプは頑強な金属製であり、構造物が比較的大きな寸法で折りたたまれている場合には適用できるが、ロール状態からの展開や、複雑な形状に展開される場合には、柔軟性がないために適用がしづらいのが現状である。
【００４０】
そのような要求のもと、フレキシブル・ヒートパイプの開発も精力的に行われているが、本発明は一挙にヒートパイプの構造体そのものをインフレータブル構造とすることによって、伝熱特性にすぐれ、超軽量化が達成され、柔軟性に富んだ構造になると共に、既に発明者が考案した独自の伝熱媒体を用いることによって、内部にウィック構造を全く必要としない構成が可能となる。
【００４１】
また、本発明は、無重力環境でなく内部にウィック構造を有すれば地上でのどのような姿勢においても利用することができ、またウィック構造がない場合は、垂直配置のサーモサイフォンとして利用することができる
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るヒートパイプの実施例１を説明する図である。
【図２】本発明に係るヒートパイプの実施例２を説明する図である。
【図３】本発明に係るヒートパイプの実施例３を説明する図である。
【図４】本発明に係るヒートパイプの実施例４を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  実施例１のヒートパイプ     
２  容器 
２’  親水コーティング層                      
３  蒸発部（高温部）           
４  中間が断熱部               
５  他端が凝縮部（低温部）     
６  実施例２のヒートパイプ     
７  容器                       
８  折り線部分                 
９  実施例３のヒートパイプ     
１０  容器                 
１１  実施例４のヒートパイプ   
１２   容器                    
１３   基板                    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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