(57)【要約】  ウィックは、ループヒートパイプの蒸発器で用いられる。ウィックは、筒状の多孔質体である。ウィックの軸方向の一方が開口し、他方が閉口している。ウィックは、軸方向に直交する直交方向において、外側部分の気孔率が内側部分より大きい。
2017212646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループヒートパイプの蒸発器で用いるウィックであって、
筒状の多孔質体であり、
軸方向の一方が開口し、他方が閉口しており、
軸方向に直交する直交方向において、外側部分の気孔率が内側部分より大きい、ウィック。
【請求項２】
前記直交方向において、内側部分から外側部分に向けて気孔率が不連続に変化している請求項１に記載のウィック。
【請求項３】
前記直交方向において、外側部分を構成する粒子の径が、内側部分を構成する粒子の径より大きい請求項１又は２に記載のウィック。
【請求項４】
前記直交方向において、外側部分の気孔径が内側部分より大きい請求項１から３のいずれか一項に記載のウィック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、ループヒートパイプのウィックに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温部で流体を液相から気相に変化させ、低温部で気相から液相に変化させることにより、熱移動を行うループヒートパイプが知られている。特開２００２−１８１４６９号公報は、高温部で用いる蒸発器の構造を開示している。以下、特開２００２−１８１４６９号公報を、特許文献１と称する。蒸発器は、金属製の筒状ケースと、筒状ケース内に配置されているウィックを備えている。ウィックは、筒状の多孔質体であり、軸方向（長手方向）の一端が開口し、他端が閉口しているウィック内空間を備えている。液相の流体は、ウィックの開口よりウィック内空間に導入される。筒状ケースとウィックの間には、気相流体が移動する気相流路が設けられている。液相の流体は、毛細管現象により、ウィック内空間からウィック内部に移動する。流体は、ウィック内部で受熱することにより、液相から気相に変化し、気相流路に移動する。気相流体は、気相流路を通って低温部（凝縮部）に移動する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
流体が液相から気相に変化するときに、流体の体積が増加する。流体の体積増加に伴ってウィック内部（多孔質体の内部）の圧力が上昇すると、液相の流体がウィック内空間からウィック内部に移動しにくくなる。そのため、ウィック内部の圧力上昇を抑制する技術が求められている。本明細書は、内部圧力の上昇が抑制されたウィックを実現する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書で開示するウィックは、ループヒートパイプの蒸発器で用いられる。ウィックは、筒状の多孔質体であり、軸方向の一方が開口し、他方が閉口している。また、ウィックは、軸方向に直交する直交方向において、外側部分の気孔率が内側部分より大きい。【０００５】
上記のように、本明細書で開示するウィックは、筒状の多孔質体である。多孔質体で囲まれた部分には空間が存在する。また、多孔質体の内部にも空間（空隙）が存在する。以下の説明では、多孔質体で囲まれた空間を「ウィック内空間」と称し、多孔質体の内部を「ウィック内部」と称して区別する。【０００６】
上記のウィックは、直交方向（円筒の場合、径方向）において、外側部分の気孔率が内側部分より大きいので、流体が液相から気相に変化しても、ウィック内部の圧力上昇が抑制される。ウィック内空間に存在する液相流体のウィック内部への移動が阻害されない。上記ウィックは、流体のスムーズな移動を実現し、熱伝達の効率を向上させることができる。なお、ウィックを構成する多孔質体の気孔率を全体的に大きくすることにより、ウィック内部の圧力上昇を抑制することもできる。しかしながら、その場合、毛細管現象が生じにくくなり、ウィック内部における流体の移動が抑制される。上記のように内側部分の気孔率を小さくし、外側部分の気孔率を大きくすることによって、液相流体のウィック内部への移動を抑制することなく、ウィック内部の圧力上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例のループヒートパイプの概略図を示す。
【図２】実施例の蒸発器の断面図を示す。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図を示す。
【図４】実施例のウィックを構成する粒子の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【０００９】
本明細書で開示するウィックは、ループヒートパイプの蒸発器で用いることができる。ループヒートパイプは、蒸発器と、凝縮器と、蒸気管と、液管を備えていてよい。この場合、蒸気管は蒸発器の出口と凝縮器の入口に接続され、液管は凝縮器の出口と蒸発器の入口に接続される。蒸発器は高温部に配置され、凝縮器は低温部に配置される。ループヒートパイプ内には、流体（作動流体）が封入される。流体は、蒸発器で液相から気相に変化し、凝縮器で気相から液相に変化する。そのため、蒸気管を気相流体（蒸気）が通過し、液管を液相流体（液体）が通過する。なお、液管の中間に、液相流体を一時的に貯留するためのリザーバタンクを配置してもよい。
【００１０】
蒸発器は、ケースと、ケース内に配置されるウィックを備えている。ウィックは、ケース内に嵌められていてよい。ケースとウィックの間には、気相流体が移動するための流路が設けられている。流路は、ウィックの軸方向（長手方向）の一端から他端まで伸びていてよい。なお、ウィックの周方向において、１個の流路が設けられていてもよいし、複数の流路が設けられていてもよい。ケースの内周面に複数の溝を設け（あるいは、ケースの内周面に複数の突起を設け）、複数の流路が形成されていてよい。また、ウィックの外周面に複数の溝を設け（あるいは、ウィックの外周面に複数の突起を設け）、複数の流路が形成されていてもよい。ケースとウィックの各々の製造、ケースとウィックの組み立て性を考慮すると、ウィックの外周面に複数の溝を設け、複数の流路を実現することが好ましい。
【００１１】
ケースは、熱伝導率の高い材料、例えば、金属製であってよい。ケースの好ましい材料として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、それらの合金、あるいは、ＳＵＳ（ステンレススチール）等が挙げられる。
【００１２】
ウィックは、柱状である。ウィックは、角柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。高強度、均一な熱伝導を実現するという観点より、ウィックは円柱状であることが好ましい。ウィックは筒状であり、内側には空間（ウィック内空間）が存在する。また、ウィックは、多孔質体である。ウィックを構成する多孔質体は、流体に対して毛細管現象を発現する連通孔を含んでいる。ウィックの軸方向の一端は開口しており、他端は閉口している。ウィックの開口端より、液相流体がウィック内空間に導入される。ウィックの他端は閉口されているので、ウィック内空間の液相流体は、毛細管現象によってウィック内部に移動する。ウィック内部では、液相流体が気相流体に変化する。ウィックの材料は、樹脂、金属、セラミックス等を用いることができる。良好な強度、耐久性が得られるという観点より、ウィックの材料は金属またはセラミックスが好ましい。また、良好な耐熱性、耐食性も得られるという観点よりウィックの材料はセラミックスが特に好ましい。
【００１３】
ウィックの気孔率は、ウィックの軸方向に直交する直交方向（円柱状の場合、径方向）において均一ではない。直交方向において、ウィックの外側部分の気孔率が内側部分より大きい。流体は、ウィックの外側部分で気相に変化する。流体は、液相から気相に変化するときに体積膨張する。ウィックの外側部分の気孔率を内側部分より大きくすることによって、ウィック内部の圧力上昇を抑制することができ、また、気相流体がウィックの内側部分に圧力を加えることを抑制することができる。その結果、ウィック内空間からウィック内部への液相流体の移動が阻害されない。ウィックの外側部分の気孔率は、内側部分より２％以上大きいことが好ましく、４％以上大きいことがより好ましく、６％以上大きいことが特に好ましい。
【００１４】
ウィックの内側部分の気孔率は、３５％以上であることが好ましい。内側部分は、液相流体と接触する。内側部分の気孔率が３５％未満の場合、ウィック内部における液相流体の移動抵抗が大きくなり、流体がスムーズに移動しにくくなることがある。ウィックの内側部分の気孔率は、４０％以上であることがより好ましく、４５％以上であることが特に好ましい。また、ウィックの内側部分の気孔率は、６５％以下であることが好ましい。内側の気孔率が６５％を超えると、強度が低下し、液相流体が移動する際の抵抗によってウィックが損傷することが起こり得る。ウィックの内側部分の気孔率は、５５％以下であることがより好ましく、５０％以下であることが特に好ましい。なお、ウィックの外側部分の気孔率は、７０％以下であることが好ましい。
【００１５】
ウィックは、外側部分の気孔径が内側部分より大きくてよい。外側部分の気孔径を内側部分より大きくすることによっても、気相流体がウィックの内側部分に圧力を加えることを抑制することができる。好ましくは、ウィックは、外側部分の気孔率が内側部分より大きいとともに、外側部分の気孔径が内側部分より大きい。ウィックの外側部分の気孔径は、内側部分より０．２μｍ以上大きいことが好ましく、０．５μｍ以上大きいことがより好ましく、１．０μｍ以上大きいことが特に好ましい。なお、気孔径は、細孔径分布を測定し、平均細孔径を計算することによって得られる。気孔径（平均細孔径）は、水銀圧入法を用いて測定することができる。
【００１６】
ウィックの内側部分の気孔径は、液相流体の移動抵抗が増大することを抑制するため、０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、特に好ましくは１．０μｍ以上である。また、ウィックの内側部分の気孔径は、毛細管力を維持するために、５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４μｍ以下であり、特に好ましくは３μｍ以下である。なお、ウィックの外側部分の気孔径は、７μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
凝縮器は、放熱によって流体が気相から液相に変化する構造を備えている。特に限定されるものではないが、凝縮器は、金属製の単管であってよい。あるいは、凝縮器は、蒸発器と同様に、ケースと、ケース内に配置されるウィックを備えた構造であってもよい。この場合、凝縮器のケース及びウィックは、上記した蒸発器のケース及びウィックで説明した範囲内のものを適宜選択することができる。
【００１８】
蒸気管および液管の材料は、流体の種類、ループヒートパイプを使用する環境（温度等）に応じて、適宜選択することができる。例えば、蒸気管および液管の各々は、樹脂製、、金属製、あるいはセラミックス（セラミックス緻密体）製であってよい。なお、流体は、水、アンモニア、有機溶媒を用いることができる。有機溶媒の一例として、アセトン、アルコール、フロン、グリコールエーテル類、ナフタレン、ジエチルジフェニル等を用いることができる。流体は、ループヒートパイプが使用される温度域で液相から気相に変化するものを適宜選択することができる。
【実施例】
【００１９】
図１を参照し、ループヒートパイプ１００について説明する。ループヒートパイプ１００は、蒸発器２と、蒸気管４と、凝縮器６と、液管８と、リザーバ１０を備えている。蒸気管４は、蒸発器２の出口２ｂと凝縮器６の入口６ａの間を接続している。また、液管８は、凝縮器６の出口２ｂと蒸発器２の入口２ａの間を接続している。リザーバ１０は、液管８の中間に接続されている。ループヒートパイプ１００内には、流体（作動流体）が封止されている。【００２０】
蒸発器２は、高温部に配置される。蒸発器２には、液管８より液相流体が導入される。蒸発器２では、液相流体が加熱されて気相流体に変化する。気相流体は、蒸気管４内を矢印２０方向に移動し、凝縮器６に導入される。蒸発器２の詳細は後述する。【００２１】
凝縮器６は、低温部に配置される。凝縮器６では、気相流体が冷却されて液相流体に変化する。液相流体は、液管８内を矢印３０方向に移動し、蒸発器２に導入される。なお、液相流体は、リザーバ１０に一時的に貯留された後、蒸発器２に導入される。リザーバ１０により、蒸発器２への液相流体の導入量が安定する。流体がループヒートパイプ１００内を循環することによって、高温部から低温部に熱が移動する。【００２２】
図２及び図３を参照し、蒸発器２について説明する。蒸発器２は、ケース５０と、ウィック５２を備えている。ケース５０は金属製であり、ウィック５２はセラミックス製である。ケース５０は、円筒状であり、長手方向（Ｙ軸方向）の一端に入口２ａが設けられており、他端に出口２ｂが設けられている。入口２ａは液管８と接続しており、出口２ｂは蒸気管４と接続している（図１も参照）。ウィック５２は、円筒状であり、ケース５０内に配置されている。ウィック５２は、Ｙ軸方向の一方の端部５２ａが開口しており、他方の端部５２ｂが閉口している。端部５２ａは、入口２ａ側で、入口２ａを囲った状態でケース５０に接触している。そのため、ウィック内空間５８は、液管８と連通している。なお、端部５２ｂは、ケース５０と非接触である。【００２３】
ウィック５２の外周は、ケース５０の内周と接触している（図３を参照）。ウィック５２は、焼きばめによって、ケース５０内に嵌められている。また、複数の溝６０が、ウィック５２の外周に設けられている。図３は、一例として、４個の溝６０を示している。溝６０は、Ｙ軸方向の一端から他端まで伸びている。溝６０によって、ケース５０の内周とウィック５２の外周の間に、部分的な空間５４が形成される。空間５４は、気相流体の流路であり、出口２ｂと連通している。【００２４】
ウィック内空間５８には、液管８から液相流体が導入される。矢印３２は、液相流体の流れを示している。液相流体は、毛細管現象によって、ウィック５２の内部を内側部分から外側部分に向けて、矢印３４方向に移動する。ウィック５２の内部では、液相流体が受熱し、液相流体が気相流体に変化する。気相流体は、空間５４を出口２ｂに向けて矢印３６方向に移動する。また、気相蒸気は、矢印３８に示すように、出口２ｂを通じて蒸気管４（図１を参照）に移動する。【００２５】
図４は、ウィック５２の内部構造を模式的に示している。ウィック５２は、複数の粒子で構成された多孔質体である。図４から明らかなように、ウィック５２の外側部分５２ｄ（空間５４側）を構成する粒子の径は、内側部分５２ｃ（ウィック内空間５８側）を構成する粒子の径より大きい。ウィック５２は、厚み方向（Ｘ軸、Ｚ軸方向）において、粒子径の異なる２層構造を有している。このような２層構造は、例えば押出形成により外側部分５２ｄを円筒状に形成した後、例えばスリップキャスト法により外側部分５２ｄの内側に内側部分５２ｃを形成することによって実現することができる。ウィック５２は、内側部分５２ｃと外側部分５２ｄの境界において、気孔率及び気孔径が不連続に変化している。なお、外側部分５２ｄと内側部分５２ｃの双方をスリップキャスト法により形成することもできる。【００２６】
ウィック５２の外側部分５２ｄは、内側部分５２ｃよりも気孔率が大きい。具体的には、外側部分５２ｄの気孔率は約５５％であり、内側部分５２ｃの気孔率は約５０％である。また、ウィック５２の外側部分５２ｄは、内側部分５２ｃよりも気孔径が大きい。具体的には、外側部分５２ｄの気孔径は約３μｍであり、内側部分５２ｃの気孔径は約２μｍである。【００２７】
ウィック５２の利点を説明する。上記したように、ウィック５２の外側部分５２ｄの気孔率は、内側部分５２ｃより大きい。そのため、ウィック５２の外側部分５２ｄで流体が液相から気相に変化したときに、体積膨張に起因するウィック５２内部の圧力上昇が抑制され、液相流体が存在するウィック５２の内側部分５２ｃに圧力が加わることが抑制される。ウィック内空間５８からウィック５２内部への液相流体の移動が妨げられず、効率よく冷却を行うことができる。【００２８】
ウィック５２の他の利点を説明する。外側部分５２ｄの気孔径は、内側部分５２ｃの気孔径より大きい。このような構造によって、ウィック５２の内部の圧力上昇を抑制するこことができるとともに、体積膨張に伴ってウィックの構造破壊も抑制することができる。また、外側部分５２ｄの粒子径は、内側部分５２ｃの粒子径より大きい。外側部分５２ｄと内側部分５２ｃの粒子径を変化させることにより、容易に外側部分５２ｄと内側部分５２ｃの気孔率、気孔径を変化させることができる。【００２９】
上記実施例では、厚み方向（軸方向に直交する方向）において、気孔率・気孔径の異なる部分が２層設けられたウィックについて説明した。しかしながら、気孔率・気孔径の異なる部分を３層以上を設けてもよい。また、厚み方向において、気孔率・気孔径が連続的に変化し、「層」を形成していなくてもよい。また、厚み方向において、気孔径・粒子径は、必ずしも異なっている必要はない。例えば、ウィックを構成する粒子の粒子径が内側部分と外側部分で同じであっても、焼成によって消失する材料（典型的に有機物の造孔材）を外側部分を製造する際に原料に加え、内側部分を製造する際にその消失材料を原料に加えない（あるいは、外側部分より少量加える）ことによって、気孔率を変化させることもできる。重要なことは、厚み方向において、ウィックの外側部分の気孔率が内側部分より大きいことである。【００３０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図１】
2017212646.tif 000003
【図２】
2017212646.tif 000004
【図３】
2017212646.tif 000005
【図４】
2017212646.tif 000006
【国際調査報告】
2017212646.tif 000007
2017212646.tif 000008
2017212646.tif 000009
2017212646.tif 000010