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JP2005180907A - Internally enhanced tube with smaller groove top - Google Patents

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JP2005180907A
JP2005180907A JP2004364001A JP2004364001A JP2005180907A JP 2005180907 A JP2005180907 A JP 2005180907A JP 2004364001 A JP2004364001 A JP 2004364001A JP 2004364001 A JP2004364001 A JP 2004364001A JP 2005180907 A JP2005180907 A JP 2005180907A
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heat
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Donald L Bennett
エル． ベネット ドナルド
Liangyou Tang
タン リアンギョウ
Edward G Rottmann
ジー． ロットマン エドワード
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Outokumpu Oyj
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Outokumpu Oyj
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat pipe capable of enhancing heat transfer performance. <P>SOLUTION: In this heat pipe 13, since a plurality of grooves 25 are formed of trapezoidal fins 26 in an internally enhanced inner wall 19, each groove 25 has a bottom surface 24 and walls 31 and 34 mutually inclined to the inside at angles. The walls 31 and 34 are inclined toward the inside with angles, so that the width 39 at the bottom of the groove 25 is larger than the width 42 of an opening part 29 at the upper part of the groove 25. According to this, the size of the opening part of the groove is reversed to be smaller than the groove bottom, whereby a liquid flow from a heat sink side to a heat source side can be further satisfactorily shielded from a vapor flow. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、伝熱性を改善した内部強化管に関するものであり、とりわけ、溝の上部の開口をその溝の最大に開かれた部分より狭小にした内部溝を有する伝熱管に関するものである。   The present invention relates to an internal reinforcing tube with improved heat transfer, and more particularly to a heat transfer tube having an internal groove in which the opening at the top of the groove is narrower than the largest open portion of the groove.

ヒートパイプは、典型的には、空調および冷蔵用の熱交換器と、コンピュータの中央処理装置などの電子装置の熱管理用の熱交換器とに用いられている。ヒートパイプとは、両端部を密閉して一定の冷媒を設けた管である。この管の一方の端部は熱源にさらして管内部の液体を加熱し、その液体を蒸発させる。この蒸気は、ヒートシンクに露出している他方の端部へ流れる。蒸気はその熱をヒートシンクに対して放散し、凝結して液体に戻る。するとこの液体は熱源が配置されている一方の端部へ再び流れて蒸発する。これらの蒸発工程および凝結工程は、熱源からヒートシンクへ熱が連続して伝達されるよう、継続して行なわれる。上述のヒートパイプは、銅などの高伝熱材で作られた中実な熱伝導体より、著しく高い伝熱率を有する。   The heat pipe is typically used for a heat exchanger for air conditioning and refrigeration and a heat exchanger for heat management of an electronic device such as a central processing unit of a computer. A heat pipe is a pipe in which both ends are sealed and a certain refrigerant is provided. One end of the tube is exposed to a heat source to heat the liquid inside the tube and evaporate the liquid. This vapor flows to the other end exposed at the heat sink. The vapor dissipates its heat to the heat sink and condenses back into a liquid. The liquid then flows again to one end where the heat source is located and evaporates. These evaporation and condensation steps are continued so that heat is continuously transferred from the heat source to the heat sink. The above heat pipe has a significantly higher heat transfer rate than a solid heat conductor made of a high heat transfer material such as copper.

特開２００４−６０９１１号公報JP 2004-60911 A 特開平１１−２８７５７７号公報JP-A-11-287777

ヒートシンク側から熱源側へ液体を引き戻すには、ウィック構造が必要とされ、これは毛細管作用を有する。この毛細管作用がポンプとして機能し、液体をヒートシンク側から熱源側へ移動させる。現行のヒートパイプにおいては、内部の溝構造がヒートパイプのウィックとして用いられている。しかし現行の内部溝構造では、液流は、ヒートパイプの中央を液流とは逆方向に流れる蒸気流にさらされる。この蒸気流は液滴を引きずり、これらの液滴を運んで液流から離脱させてしまう。このように液滴が蒸気流に引きずられる現象は、ヒートパイプの性能に有害な影響を及ぼす。   To draw liquid back from the heat sink side to the heat source side, a wick structure is required, which has a capillary action. This capillary action functions as a pump and moves the liquid from the heat sink side to the heat source side. In current heat pipes, the internal groove structure is used as the wick of the heat pipe. However, in the current internal groove structure, the liquid flow is exposed to a vapor flow that flows in the opposite direction to the liquid flow in the center of the heat pipe. This vapor stream drags the droplets and carries them away from the liquid stream. This phenomenon of droplets being dragged by the vapor stream has a detrimental effect on the performance of the heat pipe.

現状では、溝上部が溝底部より大きい台形の溝を有する内部溝ウィック構造が設計されている。このような構造は上述の引きずり作用を助長し、その結果としてヒートパイプの伝熱効率は低下してしまう。したがって、上述の引きずり作用を軽減することによって伝熱性能を増大させるヒートパイプの設計が必要である。   At present, an internal groove wick structure having a trapezoidal groove whose upper portion is larger than the bottom portion of the groove is designed. Such a structure promotes the drag action described above, and as a result, the heat transfer efficiency of the heat pipe is reduced. Therefore, there is a need for a heat pipe design that increases heat transfer performance by reducing the drag action described above.

本発明は、溝開口部のサイズが溝のうち最も大きく開かれた部分のサイズより狭小になっている溝を有する内部強化管を提供することによって上述の必要性を満たす。   The present invention meets the above-mentioned need by providing an internal reinforcing tube having a groove in which the size of the groove opening is narrower than the size of the largest open portion of the groove.

本発明は、液流を蒸気流から遮蔽することによって上述の引きずり作用を軽減する。溝の上部にある溝開口部が狭小になっているため、管の中央部の蒸気流は、溝内部の液流から部分的に分離されることとなる。したがって、液滴は、反対方向に流れる蒸気流によって引きずられ難くなる。この遮蔽効果によって引きずり作用が軽減される結果、ヒートパイプの熱源側へ到達可能な液体が多くなるため、伝熱性能を全体的に増大させることが可能である。   The present invention mitigates the drag action described above by shielding the liquid flow from the vapor flow. Since the groove opening at the top of the groove is narrowed, the steam flow at the center of the tube is partially separated from the liquid flow inside the groove. Thus, the droplets are less likely to be dragged by the vapor stream flowing in the opposite direction. As a result of the drag action being reduced by this shielding effect, the amount of liquid that can reach the heat source side of the heat pipe is increased, so that the heat transfer performance can be increased as a whole.

第１の実施例では、溝の幾何学的形状は複数の台形フィンによって形成されている。   In the first embodiment, the groove geometry is formed by a plurality of trapezoidal fins.

第２の実施例では、溝の幾何学的形状は複数のＴ型フィンによって形成されている。   In the second embodiment, the groove geometry is formed by a plurality of T-shaped fins.

第３の実施例では、溝の幾何学的形状は複数のきのこ型フィンによって形成されている。   In the third embodiment, the groove geometry is formed by a plurality of mushroom fins.

これら実施例の共通する特徴は以下の点であるが、かかるものに限定されるものではない。すなわち、溝開口部は溝底部より狭小である。溝の断面積は溝を形成しているフィンの断面積以上である。そして溝の高さは溝の幅以上である。   The common features of these embodiments are as follows, but are not limited thereto. That is, the groove opening is narrower than the groove bottom. The cross-sectional area of the groove is greater than or equal to the cross-sectional area of the fin forming the groove. The height of the groove is equal to or greater than the width of the groove.

次に本発明を図面を参照して説明する。同一もしくは類似の部位は、全図を通じて同様の参照符号で示す。   Next, the present invention will be described with reference to the drawings. The same or similar parts are denoted by the same reference numerals throughout the drawings.

図１に、ヒートパイプ13の断面10を示す。このパイプ13は銅、銅合金その他の伝熱性材料で作ってよい。パイプ13は部分的に示していて、このパイプの全体像は示していない。当業者にとって明らかなように、本発明の強化手段は、円形、楕円形、正方形、長方形など、様々な断面形状を有するパイプに対して設けてよいが、これらの形状に限定されるものではない。パイプ13の長手方向の軸は、この図面ページに対して垂直である。ヒートパイプ13は外壁16と、内部強化内壁19とを有する。ヒートパイプ13は溝25の底面24から外壁16までを計測した壁厚22を有する。溝25は、図１のような方向から見た場合、その上部に開口部29を有する。図示するように、複数の溝25は台形のフィン26により形成されているため、溝25は、底面24と、互いに逆向きの角度を有する壁31および34とを有する。壁31および34は互いに内側へ傾斜した角度を形成している。その結果、溝25の底部における幅39は、溝25の上部における開口部29の幅42より大きい。このように、溝の開口部のサイズを溝底部より小さくなるよう逆転させることによって、ヒートシンク側から熱源側への液流は、蒸気流からより良く遮蔽されることとなる。溝25の断面積はこの溝を形成しているフィン26の断面積以上である。また、溝25の高さ70は溝25の幅39以上である。溝形状による遮蔽効果の結果、蒸気流に液体が引きずられることは少なくなり、これによって、より多くの液体がヒートパイプの熱源側へ到達可能となり、伝達熱全体も増大させることが可能である。   FIG. 1 shows a cross section 10 of the heat pipe 13. The pipe 13 may be made of copper, copper alloy or other heat transfer material. The pipe 13 is shown partially, and the whole picture of this pipe is not shown. As will be apparent to those skilled in the art, the reinforcing means of the present invention may be provided for pipes having various cross-sectional shapes such as circular, oval, square, rectangular, etc., but is not limited to these shapes. . The longitudinal axis of the pipe 13 is perpendicular to this drawing page. The heat pipe 13 has an outer wall 16 and an inner reinforcing inner wall 19. The heat pipe 13 has a wall thickness 22 measured from the bottom surface 24 of the groove 25 to the outer wall 16. The groove 25 has an opening 29 in its upper part when viewed from the direction as shown in FIG. As shown in the drawing, since the plurality of grooves 25 are formed by trapezoidal fins 26, the groove 25 has a bottom surface 24 and walls 31 and 34 having angles opposite to each other. The walls 31 and 34 form an angle inclined inward from each other. As a result, the width 39 at the bottom of the groove 25 is larger than the width 42 of the opening 29 at the top of the groove 25. Thus, by reversing the size of the opening of the groove so as to be smaller than the bottom of the groove, the liquid flow from the heat sink side to the heat source side is better shielded from the vapor flow. The cross-sectional area of the groove 25 is greater than or equal to the cross-sectional area of the fin 26 forming the groove. Further, the height 70 of the groove 25 is equal to or greater than the width 39 of the groove 25. As a result of the shielding effect due to the groove shape, the liquid is less likely to be dragged into the vapor flow, so that more liquid can reach the heat source side of the heat pipe and the overall heat transfer can also be increased.

また本発明によるヒートパイプ13は、次の特性を有する。溝の高さ70は0.05mmないし５mmである。溝開口部29の長さは0.05mmないし５mmであり、溝ピッチは0.10ないし５mmである。溝高さに対する溝断面積の比は0.02mmないし１mmである。溝壁長さに対する溝断面積の比は0.01mmないし１mmである。また、溝の有する最大幅に対する溝開口部の幅の比は0.01ないし0.99である。   The heat pipe 13 according to the present invention has the following characteristics. The groove height 70 is 0.05 mm to 5 mm. The length of the groove opening 29 is 0.05 mm to 5 mm, and the groove pitch is 0.10 to 5 mm. The ratio of the groove cross-sectional area to the groove height is 0.02 mm to 1 mm. The ratio of the groove cross-sectional area to the groove wall length is 0.01 mm to 1 mm. The ratio of the width of the groove opening to the maximum width of the groove is 0.01 to 0.99.

図２に示すように、本発明によるヒートパイプ99の他の実施例は、一連の溝100を含み、これらはＴ型フィン103の間に形成されている。このヒートパイプ99は外面106を有する。このパイプの長手方向の軸は図２のページに対して垂直である。このパイプ99は、溝100の底面112と外面106との間を計測した壁厚109を有する。これらの溝100は相対する壁115および118によって形成されている。Ｔ型フィン103の外側端部113は開口部121を形成している。この開口部121は幅124を有する。幅124は底面112に沿った幅127より短い。溝100の断面積はフィン103の断面積以上である。また、溝100の高さ150も、その幅127以上である。   As shown in FIG. 2, another embodiment of a heat pipe 99 according to the present invention includes a series of grooves 100 that are formed between T-shaped fins 103. The heat pipe 99 has an outer surface 106. The longitudinal axis of this pipe is perpendicular to the page of FIG. The pipe 99 has a wall thickness 109 measured between the bottom surface 112 of the groove 100 and the outer surface 106. These grooves 100 are formed by opposing walls 115 and 118. An outer end portion 113 of the T-shaped fin 103 forms an opening 121. The opening 121 has a width 124. The width 124 is shorter than the width 127 along the bottom surface 112. The cross-sectional area of the groove 100 is greater than or equal to the cross-sectional area of the fin 103. The height 150 of the groove 100 is also greater than or equal to its width 127.

図３は、本発明の他の実施例を示す。ヒートパイプ200はきのこ型断面を有する複数のフィン203を有する。これらのフィン203間には複数の溝201が形成されている。ヒートパイプ200は外面206を有する。このパイプの長手方向の軸は図３のページに対して垂直である。パイプ200は、溝201の底面212と外面206との間を計測した壁厚209を有する。溝201の一部は、相対する壁215、218によって形成されている。隣接するフィン203の端部213が開口部221を形成している。この開口部221は底面212に沿った幅227より短い幅224を有する。溝201の断面積はフィン203の断面積以上である。また、溝201の高さ250は幅227以上である。   FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. The heat pipe 200 has a plurality of fins 203 having a mushroom-shaped cross section. A plurality of grooves 201 are formed between these fins 203. The heat pipe 200 has an outer surface 206. The longitudinal axis of this pipe is perpendicular to the page of FIG. The pipe 200 has a wall thickness 209 measured between the bottom surface 212 and the outer surface 206 of the groove 201. A part of the groove 201 is formed by opposing walls 215 and 218. An end 213 of the adjacent fin 203 forms an opening 221. The opening 221 has a width 224 that is shorter than a width 227 along the bottom surface 212. The cross-sectional area of the groove 201 is greater than or equal to the cross-sectional area of the fin 203. Further, the height 250 of the groove 201 is a width 227 or more.

図４は、本発明による他の実施例を示す。ヒートパイプ300は複数のフィン303を有し、これら隣接するフィン303間には溝306が形成されている。図示するように、溝306の底部は円形である。底壁は他の形にしてもよく、例えば平形および他の非円形にしてよい。   FIG. 4 shows another embodiment according to the present invention. The heat pipe 300 has a plurality of fins 303, and a groove 306 is formed between the adjacent fins 303. As shown, the bottom of the groove 306 is circular. The bottom wall may have other shapes, for example, flat and other non-circular shapes.

このパイプの長手方向の軸はこのページに対して垂直である。溝306の上部の開口部309は溝306の最大幅312より短い。最大幅312は溝306の中央部分に位置している。   The longitudinal axis of the pipe is perpendicular to the page. The opening 309 at the top of the groove 306 is shorter than the maximum width 312 of the groove 306. The maximum width 312 is located in the central portion of the groove 306.

図５では、傾斜したフィン400が三角形の溝403を形成している。溝403の上部は開口部406を有し、開口部406の幅409は溝403の最大幅より短い。この溝403の最大幅は底壁412の所に位置している。   In FIG. 5, the inclined fin 400 forms a triangular groove 403. The upper part of the groove 403 has an opening 406, and the width 409 of the opening 406 is shorter than the maximum width of the groove 403. The maximum width of the groove 403 is located at the bottom wall 412.

図６では、Ｙ型フィン500は、それらの間に配された溝503を形成している。溝503の上部の開口部506の幅は溝503の最大幅の開口部512より短い。   In FIG. 6, the Y-type fin 500 forms a groove 503 arranged between them. The width of the opening 506 at the top of the groove 503 is shorter than the opening 512 having the maximum width of the groove 503.

本発明をいくつかの実施例に関連して説明したが、本発明の範囲は、特に記載した実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の思想および範囲内で、代替形、変形および類似形を含んでよい。   Although the invention has been described with reference to several embodiments, the scope of the invention is not limited to the embodiments specifically described, but is within the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims. Within it may include alternatives, variations and similar forms.

本発明の第１の実施例の側方立面図である。1 is a side elevational view of a first embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施例の側方立面図である。It is a side elevational view of the second embodiment of the present invention. 本発明の第３の実施例の側方立面図である。It is a side elevational view of the third embodiment of the present invention. 本発明の第４の実施例の側方立面図である。It is a side elevation view of the 4th example of the present invention. 本発明の第５の実施例の側方立面図である。It is a side elevation view of the 5th example of the present invention. 本発明の第６の実施例の側方立面図である。It is a side elevation view of the 6th example of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

13、99、200、300 ヒートパイプ
25、100、201、306、403、503 溝
26、103、203、303、400、500 フィン 13, 99, 200, 300 heat pipe
25, 100, 201, 306, 403, 503 groove
26, 103, 203, 303, 400, 500 fins

Claims (17)

内径を決定する内面と、長手方向の軸とを有する管部材を含むヒートパイプにおいて、
側壁および上部壁を有する複数のフィンが前記管部材の内面に配置され、該フィンは隣接するフィン間に溝を形成するように配置され、該溝はその上部の開口部と、前記内面に沿った溝底部とを有し、該溝は前記フィンの側壁によって形成されている側面を有し、該溝の最大幅部分における幅は、該溝の開口部の幅より長いことを特徴とするヒートパイプ。 In a heat pipe including a tube member having an inner surface that determines an inner diameter and a longitudinal axis,
A plurality of fins having side walls and an upper wall are disposed on the inner surface of the tube member, the fins being disposed to form a groove between adjacent fins, the groove being along the upper opening and the inner surface. The groove has a side surface formed by the side wall of the fin, and the width of the maximum width portion of the groove is longer than the width of the opening of the groove. pipe. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝の断面積は、前記フィンの断面積より大きいことを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the groove is larger than a cross-sectional area of the fin. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記フィンは台形であることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the fin has a trapezoidal shape. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記フィンはＴ型であることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the fin is T-shaped. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記フィンはきのこ型であることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the fin is a mushroom type. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記フィンはＹ型であることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the fin is Y-shaped. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記フィンは互いに対して角度を成して三角形の溝を形成していることを特徴とするヒートパイプ。   2. The heat pipe according to claim 1, wherein the fins form a triangular groove at an angle with respect to each other. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝底部は湾曲していることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the groove bottom is curved. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝底部は円形であることを特徴とするヒートパイプ。   2. The heat pipe according to claim 1, wherein the groove bottom is circular. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝の高さは0.05mmないし５mmであることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the groove has a height of 0.05 mm to 5 mm. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝開口部の幅は0.05mmないし５mmであることを特徴とするヒートパイプ。   2. The heat pipe according to claim 1, wherein the width of the groove opening is 0.05 mm to 5 mm. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝のピッチは0.10mmないし５mmであることを特徴とするヒートパイプ。   2. The heat pipe according to claim 1, wherein the pitch of the grooves is 0.10 mm to 5 mm. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、溝高さに対する溝断面積の比は0.02mmないし１mmであることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the ratio of the groove cross-sectional area to the groove height is 0.02 mm to 1 mm. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、溝壁長さに対する溝断面積の比は0.01mmないし１mmであることを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the ratio of the groove cross-sectional area to the groove wall length is 0.01 mm to 1 mm. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、溝最大幅に対する溝開口部の幅の比は0.01ないし0.99であることを特徴とするヒートパイプ。   2. The heat pipe according to claim 1, wherein the ratio of the width of the groove opening to the maximum groove width is 0.01 to 0.99. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝の高さは溝の幅より大きいことを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein the height of the groove is larger than the width of the groove. 請求項１に記載のヒートパイプにおいて、前記溝の溝底部における幅は溝開口部の幅より大きいことを特徴とするヒートパイプ。   The heat pipe according to claim 1, wherein a width of the groove bottom of the groove is larger than a width of the groove opening.
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