(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作温度の範囲内で凝縮と蒸発が可能な作動流体と、前記作動流体を収容し、かつ内壁にウイックを有する気密性容器と、前記気密性容器に密接して配置された補強部材を備えてなり、前記気密性容器は炭素繊維強化炭素の隙間に金属が含浸されている金属含浸炭素繊維強化炭素を有し、前記気密性容器の内面は金属薄膜で被覆されていることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
補強部材は、炭素繊維強化炭素を有す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】
補強部材が有する炭素繊維強化炭素は、炭素繊維が気密性容器の外周面に沿う方向に配向していることを特徴とする請求項２記載のヒートパイプ。
【請求項４】
金属含浸炭素繊維強化炭素に含浸される金属は、銅、銀、アルミニウムまたはシリコン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５】
動作温度の範囲内で凝縮と蒸発が可能な作動流体と、前記作動流体を収容し、かつ内壁にウイックを有する気密性容器と、前記気密性容器に密接して配置された補強部材を備えてなり、前記気密性容器は炭素繊維強化炭素の隙間に金属が含浸されている金属含浸炭素繊維強化炭素を有するヒートパイプを装填するヒートパイプアダプタであって、前記ヒートパイプが挿入可能なインナ部材と、前記インナ部材の両側に配置されたハニカム部材と、前記インナ部材と前記ハニカム部材の端面に密接して配置された表皮部材を備えてなり、前記インナ部材と前記表皮部材はそれぞれ金属含浸炭素繊維強化炭素と炭素繊維強化炭素を有することを特徴とするヒートパイプアダプタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートパイプに関わり、特に、炭素繊維強化炭素を構造材に使用するヒートパイプに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートパイプは、電子機器などから発生する熱をラジエータやヒートシンクに輸送して均熱化をはかることが出来る。ヒートパイプの内部構造の一例を、米国特許6,184,578号を引用して説明する。図４（ａ）はヒートパイプの外観図、図４（ｂ）はその断面図を表している。このヒートパイプは、作動流体（図示せず）を収容するチューブ１５と、チューブ１５の周りに巻付けられている長尺包囲部材１６および環状包囲部材１７で構成されている。長尺包囲部材１６および環状包囲部材１７は、実際にはチューブ１５の端から端まで装着されているが、構造を解かりやすく説明するために、チューブ１５の左側寄り部分にのみ描かれている。
【０００３】
チューブ１５の内部にはメッシュ状の２層板からなるウィック１４が収容されている。ウィック１４は、毛管現象により作動流体をチューブ１５の長手方向に運搬する。作動流体には圧力９００PSI（pounds per square inch）のアンモニアが使用され、アルミニウム製のチューブ１５の肉厚は０．０１５インチである。
【０００４】
ヒートパイプは次のように動作する。ヒートパイプの端部に熱が加えられ温度が上昇すると、その部分（高温部）で作動流体が蒸発し、蒸発したガスは低温部に移動して凝縮・液化する。液化した作動流体はウィック内を毛管現象で移動して再び高温部に達して蒸発する。以上の過程が繰り返されることによって高温部から低温部に熱が輸送され、ヒートパイプの全ての位置において温度の均一化が進行する。ここで、高温部と低温部が示す温度範囲が、作動流体の動作温度に相当する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のヒートパイプでは、チューブ１５の肉厚が薄くても作動流体の高圧力に耐えられるように、アルミニウム製のチューブ１５は長尺包囲部材1６および環状包囲部材１７で外側から補強されている。長尺包囲部材1６および環状包囲部材１７は炭素繊維強化複合材料から製作されており、アルミニウムのみでチューブ１５を作製する場合に比べて、ヒートパイプの外径を小さくすることが可能で、かつ軽量である。
【０００６】
また、ヒートパイプの最外面が金属でないので、ヒートパイプを電子機器から電気的に絶縁することが容易である。また、上記米国特許には記載されていない特徴だが、一般に炭素繊維強化複合材料の熱膨張率は金属材料に比べて小さいので、熱膨張率の小さなヒートパイプが得られるという利点もある。
【０００７】
しかしながら上記したヒートパイプでは、外部からの熱がヒートパイプ内部の作動流体に伝達する際、大きな熱抵抗が発生し、ヒートパイプの熱伝達性能が低下する場合がある。これは、ヒートパイプの外周を取り巻く炭素繊維強化複合材料の熱伝導特性に異方性があり、繊維の長手方向の熱伝導は良好であるのに対し、繊維の直交方向の熱伝導は低いことに起因する。すなわち、外部からの熱が、ヒートパイプ内部の作動流体に伝達される際、外周を取り巻く炭素繊維強化複合材料の繊維を横切るように熱が伝わるため、大きな熱抵抗が発生する。
【０００８】
例えば、上記引例では、炭素繊維強化複合材料を構成する炭素繊維としてTHORNEL P-120（Union Carbide社製）が使用されている。この炭素繊維は繊維の長手方向には６１０ W/mKと大きな熱伝導率を有するが、繊維と直交する方向には３ W/mK程度の熱伝導率を有しているに過ぎない。このため、母材に樹脂を使用する炭素繊維強化プラスチックから炭素繊維強化複合材料を製作すると、ヒートパイプの外周を取巻く強化複合材料の厚さ方向の熱伝導率は１ W/mK程度になる。この値は、チューブの材料であるアルミニウム合金の熱伝導率が１９０ W/mK程度であることを考えると、相当に低い値である。
【０００９】
また、強化複合材料の厚さ方向の熱伝導をよくするため、母材に炭素を使用する炭素繊維強化炭素から強化複合材料を製作したとしても、熱伝導率が１０ W/mKを越えることはない。また、熱伝導性能を優先させて金属を母材にすると、ヒートパイプの重量が増加して、ヒートパイプを強化複合材料で製作することの意味が失われる。
【００１０】
またアルミニウムと炭素繊維強化複合材料の熱膨張率を比較すると、前者は２３ ppm/Kであるのに対し、後者は概ね３ ppm/Kである。両者の値は大きく異なるので、ヒートパイプに繰返し温度変化が生じた場合に、内部のアルミチューブと外周の炭素繊維強化複合材料の間に熱応力により剥離が生じ、熱的接触が失われる不具合もある。
【００１１】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、熱サイクルに対する耐久性と均熱化特性に優れたヒートパイプおよび、このヒートパイプに好適に装着できるヒートパイプアダプタを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわるヒートパイプは、動作温度の範囲内で凝縮と蒸発が可能な作動流体と、作動流体を収容し、かつ内壁にウイックを有する気密性容器と、気密性容器に密接して配置された補強部材を備えてなり、気密性容器は炭素繊維強化炭素の隙間に金属が含浸されている金属含浸炭素繊維強化炭素を有し、気密性容器の内面は金属薄膜で被覆されているものである。
【００１４】
また、補強部材は、炭素繊維強化炭素を有するものである。
【００１５】
また、補強部材が有する炭素繊維強化炭素は、炭素繊維が気密性容器の外周面に沿う方向に配向しているものである。
【００１６】
また、金属含浸炭素繊維強化炭素に含浸される金属は、銅、銀、アルミニウムまたはシリコンである。
【００１７】
また、本発明にかかわるヒートパイプアダプタは、動作温度の範囲内で凝縮と蒸発が可能な作動流体と、作動流体を収容し、かつ内壁にウイックを有する気密性容器と、気密性容器に密接して配置された補強部材を備えてなり、気密性容器は炭素繊維強化炭素の隙間に金属が含浸されている金属含浸炭素繊維強化炭素を有するヒートパイプが挿入可能なインナ部材と、インナ部材の両側に配置されたハニカム部材と、インナ部材とハニカム部材の端面に密接して配置された表皮部材を備えてなり、インナ部材と表皮部材はそれぞれ金属含浸炭素繊維強化炭素と炭素繊維強化炭素を有するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１.
図１（ａ）は、この発明の実施の形態１にかかわるヒートパイプの外観図である。両端が封じられたチューブ状のヒートパイプ１の内部には作動流体（図示せず）が封じ込められている。図１（ｂ）は、ヒートパイプ１を輪切りにした状態を示す断面図である。気密性容器３は金属含浸炭素繊維強化炭素で構成され、その内面には、ヒートパイプ１の長手方向に連続する多数の溝で構成されるウィック４が形成されている。
【００１９】
ウィック４は、その表面に、ニッケルメッキなどの、金属被覆５が施されており、内部空間６に収容されている作動流体（図示せず）を毛管現象によりヒートパイプ１の長手方向に運搬する。動作中、気密性容器３およびウィック４の内部の圧力は相当に高くなるので、炭素繊維強化炭素で構成される補強部材２で気密性容器３を補強している。
【００２０】
補強部材２と気密性容器３は、２つの部品をそれぞれ別々に加工しておいて、勘合によって取り付けてもよい。また、気密性容器となる芯の材料に、炭素繊維強化炭素部材を巻き付けて、一体で素材を成形し、その後、加工により所定の形にしてもよい。
【００２１】
作動流体としては、例えば液相と気相の双方が存在するアンモニアを用いることができ、ヒートパイプの動作時には、液相のアンモニアが、ウィック４の間を毛管現象により移動する。なおここでは、溝型のウィックを示したが、円筒管、金網、微細粒子、繊維などを内部空間６に充填してもウィックとして有効に作用する。
【００２２】
金属含浸炭素繊維強化炭素の作り方を説明する。まず炭素繊維強化プラスチックを焼成し、母材のプラスチックを炭素化することにより、炭素繊維強化炭素を製作する。炭素繊維強化炭素は焼成の過程で母材が収縮し、母材内部に多数の空隙（空孔）が生じている。次いで銅、銀、アルミニウムなどの金属をその融点以上に加熱して溶融させ、１００気圧を超える高圧環境下でこの溶融した金属を炭素繊維強化炭素に含浸させる。溶融金属は母材内部の空隙に進入し、冷却すると母材内部に金属を含んだ金属含浸炭素繊維強化炭素が得られる。
【００２３】
銅、銀、アルミニウムの代わりにシリコンを用いてもよい。シリコンは溶融時の粘度が低いので、圧力をかけなくても含浸させることができる。なお、厳密に言えば、シリコンは非金属であるが、本発明においては、金属含浸炭素繊維強化炭素の「金属」にシリコンを含むことにする。
【００２４】
すでに述べたとおり、繊維直交方向の熱伝導率は、炭素繊維強化プラスチックの場合で１ W/mK程度、炭素繊維強化炭素でも１０ W/mKを越えることはないが、高熱伝導性の金属またはシリコンを含浸させることにより、金属含浸炭素繊維強化炭素の熱伝導率は５０ W/mKを越えるまでに改善される。
【００２５】
補強部材２の場合、炭素繊維は、ヒートパイプ１の外周面に直交する方向に配向していることが熱伝導の観点からは好ましいが、内側に封じられた作動流体の圧力に対して壊れない十分な強度を持たせる為に、外周面に沿う方向に配列させることが望ましい。また気密性容器３の場合には、長手方向に熱伝導を高め、ヒートパイプの均熱特性を向上させるために、金属含浸炭素繊維強化炭素の炭素繊維をヒートパイプ１の長手方向に配向させる。そうすれば、補強部材２、気密性容器３の厚さ方向の熱伝導率は５０ W/mKを越える。ヒートパイプの厚さ方向の熱伝導率が大きいので、ヒートパイプ１の外部の熱がヒートパイプ内部の作動流体に速やかに伝達される。
【００２６】
ヒートパイプ１の外部と作動流体の間の熱抵抗は補強部材２、気密性容器３の熱伝導率に反比例するから、本実施例の場合、この熱抵抗が、炭素繊維強化プラスチックを用いたものに比べると５０分の１程度、炭素繊維強化炭素を用いたものに比べても５分の１以下になる。従来のヒートパイプにおいて５℃の温度不均衡を生じていたとすれば、０．１℃〜１℃程度にまで改善される。
【００２７】
補強部材２と気密性容器３に用いられる炭素繊維には、例えば、繊維軸方向の熱伝導率が６００ W/mKのピッチ系炭素繊維K13C（三菱化学産資株式会社製）を用いることができる。この高熱伝導性炭素繊維を強化繊維とする金属含浸炭素繊維強化炭素は、繊維が配向している面内において、高熱伝導金属として知られる銅（熱伝導率３９０ W/mK）よりも高い熱伝導率を有する。
【００２８】
金属含浸炭素繊維強化炭素は、炭素繊維強化炭素の中の空孔が金属またはシリコンで埋められているので、気密性を確保しながら内部の作動流体の漏出を防ぐことができる。本実施例では、ヒートパイプの気密性をさらに確実なものとするために、気密性容器３に金属被覆５を施している。さらに、ヒートパイプ全体が同一の素材（炭素繊維強化炭素）から構成されているので、部材間で剥離が生じることがほとんど無い。このためヒートパイプの内部に生じる熱応力によって熱伝達性能が低下するということがなくなり、ヒートパイプの信頼性が向上する。
【００２９】
実施の形態２．
実際にヒートパイプを電子機器等に装着することを考えると、ヒートパイプと電子機器の熱的接触を確保するため、ヒートパイプを四角形にすることがある。この場合、ヒートパイプ１が肉厚にならざるをえず、大きな熱抵抗となる。本発明においても断面形状が四角形のヒートパイプを作成することはもちろん可能であるが、ここでは図２に示すように、ヒートパイプアダプタ７Ａを用いて、電子機器と接続する例を示す。
【００３０】
ヒートパイプアダプタ７Ａには貫通孔が設けられており、この貫通孔にヒートパイプ１が挿入される。ヒートパイプアダプタ７Ａは炭素繊維強化炭素からなり、部材中で炭素繊維は矢印１０の方向（電子機器およびヒートパイプの長手方向に直交する方向）に配向している。ヒートパイプアダプタ７Ａに含まれる炭素繊維に、例えばピッチ系炭素繊維K13Cを用いると、矢印１０の方向の熱伝導率は、４００ W/mKを越える値となる。電子機器８はヒートパイプパネル９を介してヒートパイプアダプタ７Ａと固定されている
【００３１】
電子機器８で発生する熱がヒートパイプ１に伝えられる際、熱伝達の方向とヒートパイプアダプタ７Ａの炭素繊維の配向方向が一致しているため、電子機器８から作動流体に至る経路の熱抵抗が、高熱伝導金属の銅と比べても低く、発生する熱は速やかにヒートパイプ１に伝達される。
【００３２】
実施の形態３．
実施の形態３ではヒートパイプアダプタの別の形態を示す。ヒートパイプアダプタ７Ｂは図３（ａ）、（ｂ）に示されているように、サンドイッチパネル型の構造を備えており、表皮部材１１、ハニカム部材１２およびインナ部材１３から構成されている。インナ部材１３の中央部にはヒートパイプ１が勘合、接着などの方法で固定されている。
【００３３】
例えば、表皮部材１１は炭素繊維強化プラスチックまたは炭素繊維強化炭素から、ハニカム部材１２はアルミハニカムコアから、またインナ部材１３は金属含浸炭素繊維強化炭素から製作されている。
【００３４】
人工衛星に搭載されるサンドイッチパネル型ヒートパイプアダプタでは、接続される電子機器や光学機器の性能を保証するために、熱膨張率が３ ppm/Kよりも小さいことが要求される。ヒートパイプアダプタ７Ｂは、ヒートパイプ１が熱膨張率の小さい炭素繊維強化炭素からできていても、全体が同一の素材（炭素繊維強化炭素）から構成されているので、炭素繊維強化プラスチックや炭素繊維強化炭素が用いられる表皮部材１１に熱応力が発生して破損することを防止できる。
【００３５】
これに対し、インナ部材１３に本発明にかかわるヒートパイプ１の代わりに金属製のヒートパイプを埋め込むと、ヒートパイプ１と表皮部材１１の熱膨張率の差により、表皮に大きな熱応力が発生して、表皮部材１１が破損することがある。
【００３６】
【発明の効果】
本発明にかかわるヒートパイプは、動作温度の範囲内で凝縮と蒸発が可能な作動流体と、作動流体を収容し、かつ内壁にウイックを有する気密性容器と、気密性容器に密接して配置された補強部材を備えてなり、気密性容器は炭素繊維強化炭素の隙間に金属が含浸されている金属含浸炭素繊維強化炭素を有し、気密性容器の内面は金属薄膜で被覆されていることにより、均熱化特性に優れ、また気密性が高い。
【００３８】
また、補強部材は、炭素繊維強化炭素からなることにより、軽くて強度が高いものが得られる。
【００３９】
また、補強部材が有する炭素繊維強化炭素は、炭素繊維が気密性容器の外周面に沿う方向に配向していることにより、強度が高い。
【００４０】
また、金属含浸炭素繊維強化炭素に含浸される金属は、銅、銀、アルミニウムまたはシリコンであることにより、熱伝導性が高い。
【００４１】
また、本発明にかかわるヒートパイプアダプタは、動作温度の範囲内で凝縮と蒸発が可能な作動流体と、作動流体を収容し、かつ内壁にウイックを有する気密性容器と、気密性容器に密接して配置された補強部材を備えてなり、気密性容器は炭素繊維強化炭素の隙間に金属が含浸されている金属含浸炭素繊維強化炭素を有するヒートパイプが挿入可能なインナ部材と、インナ部材の両側に配置されたハニカム部材と、インナ部材とハニカム部材の端面に密接して配置された表皮部材を備えてなり、インナ部材と表皮部材はそれぞれ金属含浸炭素繊維強化炭素と炭素繊維強化炭素を有することにより、熱伝導性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかわるヒートパイプの外観と内部構造を示す図である。
【図２】ヒートパイプと電子機器を接続するヒートパイプアダプタ７Ａの構造を説明するための図である。
【図３】ヒートパイプアダプタ７Ｂの構造を説明するための斜視図と断面図である。
【図４】米国特許6,184,578号に開示されているヒートパイプを説明するための図である。
【符号の説明】
１  ヒートパイプ、    ２  補強部材、    ３  気密性容器、    ４  ウィック、  ５  金属皮膜、    ６  内部空間  、    ７Ａ、７Ｂ  ヒートパイプアダプタ、    １１  表皮部材、    １２  ハニカム部材、  １３  インナ部材。
【図１】
0004085693.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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