JPH04124591A - ヒートパイプ熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ヒートパイプの周囲に伝熱部材を配置してな
るヒートバイブ熱交換器およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ヒートパイプは密閉容器内に作動液を封入するという比
較的簡単な構造を有し、小さい温度差で大量の熱移動を
行えるため、熱交換器として近年種々の分野で利用され
ている。このようなヒートパイプを利用した熱交換器は
、一般にヒートバイブの外周に放熱フィンが形成された
伝熱部材を配置している。

このようなヒートパイプ熱交換器においては、ヒートパ
イプと伝熱部材との間の熱抵抗値を低減させる手段とし
て、従来より以下のような種々の方法が採られている。

■　伝熱部材にヒートバイブの外径より若干径の小さな
挿入孔を形成し、この挿入孔にヒートバイブを圧入して
ヒートバイブと伝熱部材とを密着させる（圧入法）。

■　伝熱部材にヒートパイプ用密閉容器の外径より若干
径の大きな挿入孔を形成し、この挿入孔に当該容器を挿
入し、マンドレルや液圧によって機械的に容器を膨張さ
せて、当該容器と伝熱部材とを密着させた後、当該容器
にヒートバイブの加工を施して作動液を封入する（拡管
法）。

■　伝熱部材にヒートバイブの外径より若干径の大きな
挿入孔を形成し、この挿入孔に当該ヒートパイプを挿入
し、両者の隙間に高熱伝導性樹脂や半田を充填する（充
填法）。

■　伝熱部材にヒートバイブの外径より若干径の大きな
挿入孔を形成し、この挿入孔に当該ヒートパイプを挿入
した後、これらを加熱し、密閉容器内の作動液の蒸気圧
によって伝熱部材とヒートバイブとを密着させる（加熱
拡管法）、なお、このように製造されたヒートバイブを
モータのシャフトに適用した例が特開昭５９−１１０４
３２号公報に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のような従来のヒートパイプ熱交換
器では以下のような不都合がある。

■（圧入法）においては、ヒートバイブの正大作業自体
が煩雑、且つ困難である。

■（拡管法）においては、拡管作業時の潤滑剤の注入、
除去や、拡管作業後の作動液の封入等に多くの手間がか
かり作業効率が悪い。

■（充填法）においては、充填作業に大きなコストがか
かる。また、充填剤の熱伝導率は一般に伝熱部材やヒー
トパイプ用密閉容器に比べて低いことと、充填剤の充填
によりヒートバイブと伝熱部材間に境界面が増加し、熱
抵抗値の低減の妨げになる。

■（加熱拡管法）は、作業性の面では優れているが、一
般に伝熱部材の熱膨張率がヒートパイプ用密閉容器より
小さいため、加熱時に両者が密着していても常温状態に
なると、両者の境界部にギャップが形成されてしまう。

〔発明の目的〕

本発明は、上記各問題点を解決するためになされたもの
であり、熱抵抗値の低減を良好に達成できる且つ、作業
性に優れたヒートパイプ熱交換器およびその製造方法を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、本発明に係るヒー
トパイプ熱交換器は、密閉容器内に作動液を封入してな
るヒートバイブと；前記密閉容器より熱膨張率が高く、
前記ヒートバイブを若干の余裕をもって包囲する伝熱部
材とを備え；前記作動液の蒸気圧による前記密閉容器の
拡管に基づく塑性変形によって、当該密閉容器と前記伝
熱部材とを密着させることによって構成されている。ま
た、本発明に係るヒートパイプ熱交換器の製造方法は、
第１０熱膨張率を有した金属によって所定の外径を有し
たヒートバイブを加工し；前記第１の熱膨張率より大な
る第２の熱膨張率を有した金属によって前記所定の外径
より所定の寸法だけ大なる所定の内径の挿入孔を有した
伝熱部材を加工し；前記伝熱部材の前記挿入孔に前記ヒ
ートバイブを挿入し；前記ヒートバイブに封入された作
動液を前記ヒートバイブの破裂強度値以上の蒸気圧にな
らないように加熱して前記ヒートバイブに蒸気圧と熱膨
張に基づく塑性変形を与え、この塑性変形によって前記
ヒートバイブを前記伝熱部材の前記挿入孔の内壁に密着
させるという各工程を有する。

〔作用〕

本発明は以上のように、密閉容器を塑性変形させて伝熱
部材に密着させているため、極めて容易な作業によって
ヒートバイブと伝熱部材との密着を図れる。また、伝熱
部材を密閉容器より熱膨張率の高い材質によって成形し
ているため、製造された熱交換器を冷却し、た場合にも
、伝熱部材の方が密閉容器より大きく収縮し、ヒートバ
イブの外壁と伝熱部材の内壁との密着状態が永久的に保
証される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を添付図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図（Ａ）には、最終加工が終了する前のヒートパイ
プ熱交換器の構成が示されている。このヒートパイプ熱
交換器は、ヒートバイブ１０と、このヒートパイプ１０
を包囲する伝熱部材１２とから構成されている。

ヒートバイブ１０は、円筒状の密閉容器１４と、この密
閉容器１４内に封入された所定量の作動液１６とから構
成される。密閉容器１４の材質としては銅、作動液１６
としては水を用いる。なお、作動液１６の量は、後述す
る温度Ｔにおいて全て気化する量とする。

密閉容器１４と作動液１６の組み合わせとしては、上記
のような銅−水の他に、銅−フロン、アルミ−フロン、
アルミ−アンモニア、ステンレス鋼−フロン、ステンレ
ス鯛−アンモニア等が考えられるが、容器の強度と作動
液の高温性質等を考慮すると、上記鋼と水の組み合わせ
以外では、アルミとアンモニアの組み合わせが実用的で
ある。

伝熱部材１２は、上記密閉容器１４より熱膨張率の高い
材質により成形される。例えば、密閉容器１４の材質と
して銅を用いた場合には、アルミニウム９．銅合金２合
金鋼、マグネシウム、鉛。

亜鉛、錫や、これらの合金を用いる。また、密閉容器１
４の素材をアルミニウムにした場合には、マグネシウム
、亜鉛、鉛や、これらの合金を用いる。

伝熱部材１２の外周下部には吸熱用のフィン１２ａ、上
部には放熱用のフィン１２ｂがそれぞれ一体成形され、
吸熱用のフィン１２ａから吸収された熱をヒートバイブ
１０に伝え、この熱を放熱用のフィン１２ｂから外部に
放出するようになっている。

伝熱部材１２の中央には、ヒートバイブ１０を挿入する
ための挿入孔１８が形成されている。この挿入孔１８は
、密閉容器１４の外径より若干大きな内径を有する。

ヒートバイブｌＯを伝熱部材１２の挿入孔１８内に挿入
した後、熱交換器全体を温度Ｔで加熱し、第１図（Ｂ）
のように作動液１６の蒸気圧によって密閉容器１４を拡
管し、その際の塑性変形によって当該容器１４を挿入孔
１８の内壁に密着させる。

その後、ヒートパイプ熱交換器全体を冷却する。

この冷却により、熱交換器が全体に収縮するが、密閉容
器１４に比べて伝熱部材１２の方が熱膨張率が高いため
、密閉容器１４より伝熱部材１２の方が大きく収縮し、
密閉容器１４と伝熱部材１２との密着状態が維持される
。

次に、上記実施例におけるヒートパイプ熱交換器の加熱
温度Ｔ１作動液１６の封入量Ｘについて考察する。

加熱温度Ｔは、密閉容器１４内の作動液１６の蒸気圧が
密閉容器１４の破裂圧を越えない温度とする０例えば、
銅製の密閉容器１４の外径を９．５２ｖｗ　、肉厚を０
．３４ｍｍ　　、有効長さを１００抛−とした場合には
、温度Ｔ＝２９９°Ｃとする。これは、第２図に示され
ているように、加熱温度Ｔに対する作動液１６である水
の蒸気圧ＰＩ　　（実線）と、加熱温度Ｔに対する鋼管
の破裂圧Ｐｔ　（破線）との関係より、両回線Ｐ＋、Ｐ
ｇが交差する点（限界温度３０４°Ｃ）より低い値に加
熱温度Ｔを設定し、密閉容器１４の破裂を防止するため
である。

このように設定された加熱温度Ｔに対し、作動液１６の
封入量Ｘを求めると、作動液１６の量Ｘは３．０ｇ以下
となる。これは、限界温度３０４°Ｃの時に飽和液が残
存しない量であり、密閉容器１４の内容積（６１，４ｄ
）を飽和蒸気の比容積（２０，３ｃｄ）で除することに
よって求められる。

仮に、作動液１６の封入量Ｘを２．８ｇとすると、加熱
温度Ｔζ２９９°Ｃにおいて飽和液が存在しなくなり、
加熱温度Ｔ＝２９９℃〜３１０℃の間での蒸気圧は１℃
に対し１１５７１　ｋｇｆ／ｄ　　と非常に小さな値と
なるため、加熱温度Ｔの調整が容易になる。また、２．
８ｇという作動液１６の量は、密封容器１４の内容積Ｒ
（６１，４ｃｍ）の約４．６％に相当し、ヒートバイブ
のボトムヒートモードでの使用において十分な量となる
。

一方、作動液１６の量Ｘを３．０ｇ以上にした場合には
、温度上昇に伴う密閉容器１４の外径の変化量は、第２
図の曲線！（−点鎖線）に示されているように、極めて
急激に変化し、当該密閉容器工４が破壊し易くなるため
、実用化は非常に困難となる。これは、ヒートバイブの
作動液を増加させた場合、限界温度（３０４°Ｃ）付近
で加熱温度を上昇させるとヒートパイプの外径が限界温
度を示す直線りに沿って急激に大になるという事実によ
るものである。

以上のように製造されたヒートパイプ熱交換器の使用に
際しては、被冷却体の熱が伝熱部材１２の吸熱フィン１
２ａを介してヒートバイブ１０に与えられる。この熱に
より、ヒートバイブＩＯ内の作動液１６が蒸発し、ヒー
トバイブＩＯの他端（上部）に熱伝達を行う。伝達され
た熱は伝熱部材１２の放熱フィン１２ｂから放出され、
蒸発気体の凝縮が行われ、凝縮された作動液１６がヒー
トバイブ１０の受熱部（下部）に戻される。このような
動作の繰り返しにより、ヒートバイブｌＯを介して被冷
却体と放熱雰囲気（大気、水等の冷却媒体）間で熱交換
が行われる。

この際、ヒートバイブ１０と伝熱部材１２とが密着して
いるため、両者の境界部分においての熱損失はほとんど
ない、その密着度は、加工時の温度との温度差が大にな
ればなるほど大になる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明においては、ヒートバイブの
密閉容器より熱膨張率の高い伝熱部材を用い、密閉容器
内の作動液の蒸気圧によって密閉容器を拡管し、その時
の塑性変形によって当該密閉容器と伝熱部材とを密着さ
せているため、作業性が向上し、且つ熱抵抗値を良好に
低減させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、　　（Ｂ）は、本発明の一実施例に係る
ヒートパイプ熱交換器の構成及び製造工程を示す断面図
である。第２図は、実施例の作用を説明するためのグラ
フである。 符号の説明 一一−−−・−・・ヒートバイブ ・−＝伝熱部材 −・・・吸熱フィン 放熱フィン 密閉容器 作動液 挿入孔 １２ａ・ １　２　ｂ−− １４−−・・−・＝ １６−・−・− １８・−−−一一一

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）密閉容器内に作動液を封入してなるヒートパイプ
   と、 前記密閉容器より熱膨張率が高く、前記ヒートパイプを
   若干の余裕をもって包囲する伝熱部材とを備え、 前記作動液の蒸気圧による前記密閉容器の拡管に基づく
   塑性変形によって、当該密閉容器と前記伝熱部材とを密
   着させることによって構成されることを特徴とするヒー
   トパイプ熱交換器。
2. （２）第１の熱膨張率を有した金属によって所定の外径
   を有したヒートパイプを加工し、 前記第１の熱膨張率より大なる第２の熱膨張率を有した
   金属によって前記所定の外径より所定の寸法だけ大なる
   所定の内径の挿入孔を有した伝熱部材を加工し、 前記伝熱部材の前記挿入孔に前記ヒートパイプを挿入し
   、 前記ヒートパイプに封入された作動液を前記ヒートパイ
   プの破裂強度値以上の蒸気圧にならないように加熱して
   前記ヒートパイプに蒸気圧と熱膨張に基づく塑性変形を
   与え、この塑性変形によって前記ヒートパイプを前記伝
   熱部材の前記挿入孔の内壁に密着させることを特徴とす
   るヒートパイプ熱交換器の製造方法。