JP2005337691A

JP2005337691A - 細孔トンネル型ヒートパイプ

Info

Publication number: JP2005337691A
Application number: JP2004184268A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Yamaoka; 達也山岡
Original assignee: TS Heatronics Co Ltd
Current assignee: TS Heatronics Co Ltd
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【目的】熱移送能力が極めて良好な細孔トンネル型ヒートパイプを提供することを目的とする。
【解決手段】縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されヒートパイプを構成し、該ヒートパイプ内には、所定の二相凝縮性作動液が所定量封入されてあり、該細孔トンネルの断面積を前記二相凝縮性作動液が管内を表面張力により閉塞するような断面積とし、作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動及び又は循環による熱輸送）と、作動液の潜熱による熱輸送（作動液の蒸気移動時の蒸発及び凝縮による熱輸送）とを熱輸送原理とした。
【選択図】図１

Description

本発明は作動液の顕熱による熱伝達（作動液の振動及び又は循環による熱伝達）と作動液の潜熱による熱伝達（作動液の蒸気移動時の蒸発及び凝縮による熱伝達）を熱輸送原理とする細孔トンネル型ヒートパイプの熱移送量の大容量化構造に関するものである。

近年、高発熱体から効率よく熱を奪い放熱するために、熱を移送するヒートパイプがもとめられてきた。特に、半導体素子の進歩、及びそれに伴う機器実装技術の進歩により、半導体素子の発熱密度が増加し、さらに機器筐体が小型化されているため半導体素子の機器実装密度も増加し、筐体内における半導体素子群の増加発熱量の熱対策が解決すべき大きな問題点となっている。これらの問題点解決の手段として薄形軽量なプレートヒートパイプに依る熱輸送、温度拡散、温度均一化が活用されてきた。

例えば、特許文献１の応用である長尺の蛇行細管トンネルヒートパイプを薄肉金属プレートの中に作り込んで構成された薄肉軽量のプレートヒートパイプである。

このプレートヒートパイプは同一平面内に複数の細孔トンネルが平行に配置され、両端部において所定の規則及び手段で隔壁を除去することにより蛇行経路等を形成している。その特長は、プレートヒートパイプの中に作り込まれてある例えば蛇行細管トンネルヒートパイプは作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動及び又は循環による熱輸送）を熱輸送原理とするもので、細管トンネル内作動液の表面張力に因って作動液は常にトンネル内を充満閉塞して移動する様になり、この作動液は受熱部で断続的に発生する作動液の核沸騰の圧力波により、トンネル内でその軸方向に振動するか循環するようになる。この振動及び循環が熱量を高温側から低温側に高効率で輸送する。この原理の詳細は引用文献１に記載の通りである。

このヒートパイプはその作動原理が細管トンネル内における作動液の核沸騰により発生する高圧の圧力波に起因する作動液の軸方向振動及び、又は、循環によるものであるから、その性能の重力依存性が少ない点に特長がある。従って作動時の保持姿勢に因る性能の変化が少なくトップヒートモードでも作動することが可能である。また蛇行細管トンネルヒートパイプはトンネルが原則として連続する単数のトンネルであることに因り、各直管部は圧力波が常に相互に補完しあって作動し、従ってターン回数が増加し、直管部本数が増加するにつれて相互補完の効果が増加し、ターン数増加の割合を越えて性能が大幅に向上する特長がある。また作動液の軸方向振動及び、又は、循環による熱輸送であるから、作動液蒸気の相変化のみに依り熱輸送が行われる従来型ヒートパイプに比較してエンタルピーが大きいので、最大熱輸送能力が大きく、ターン数を増加させることの効果を加えれば大容量の熱輸送も容易な点は大きな特長である。

特開平８−２００９７５号公報

しかしながら、前記プレートヒートパイプは上述の如き利点がある反面、単一平面内で細孔トンネルを平行に並べた構造となっているために、大量の熱を輸送する場合には、多くの細孔を平行に並べる必要があり、従って大きな表面積を持つこととなるため、密集した発熱体から大量の熱を移送するには適さない。また、プレートヒートパイプ内の細孔トンネルに垂直な方向で発熱体からの距離が遠い細孔トンネルほど熱伝導が悪くなるため、表面積の小さな発熱体に対して大きな表面積の上記ヒートパイプを用いても、熱伝導量が頭打ちになってしまうことが考えられる。

従って、上述の如く実用化されている従来のプレートヒートパイプは筐体内の省スペースに配置されている発熱密度の大きな発熱体から大量の熱を移送するのに難点があった。本発明はそのような問題点に鑑み、熱移送能力が極めて良好な細孔トンネル型ヒートパイプを提供することを目的とする。

課題を解決する為の手段

請求項１の発明において、縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されヒートパイプを構成し、該ヒートパイプ内には、所定の二相凝縮性作動液が所定量封入されてあり、該細孔トンネルの断面積を前記二相凝縮性作動液が管内を表面張力により閉塞するような断面積とし、作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動及び又は循環による熱輸送）と、作動液の潜熱による熱輸送（作動液の蒸気移動時の蒸発及び凝縮による熱輸送）とを熱輸送原理とした。細孔トンネルヒートパイプの作動液の流通路の形成手段としては、一本の細管を折り曲げ加工して細孔トンネルを形成したり、複数の細管の端部を溶接や接合キャップを用いて接続して製作する等ができる。また、後述するように押出し成形を用いて平行な細管を一気に形成することもできる。作動液としては作動温度領域に応じて水や炭素水素系流体等を用いる。細孔トンネルの断面形状は円形、多角形（四角、ひし形、星型等）等任意に選択することができる

請求項２の発明によれば、前記横に配置された略Ｍ本の細孔トンネルを両端部において蛇行細孔トンネルとなるように形成し、該蛇行細孔トンネルを前記Ｎ列重ね合わせ、一端部もしくは両端部において、所定の手段で隣り合う蛇行細孔トンネルを連通させた。略Ｍ本の細孔トンネルを平面上に配置し、Ｎ個の細孔トンネルで構成された平面を重ねた時、細孔トンネルが該平面に垂直な方向に細孔トンネルが並ぶように配置しても良いし、一定の規則でずれる配置にしても良い。

請求項３の発明によれば、前記縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されたヒートパイプを、可曉性金属を押出し成形した押出偏平管で構成した。可曉性金属としては、純アルミニウムや純マグネシウム又はそれらの合金が使用できる。

請求項４の発明によれば、前記細孔トンネルを形成した押出偏平管の隣り合う細孔トンネル間の流通路を、押出偏平管の端部において、隔壁を除去することにより形成した。端部の封止方法としては、２行程度であれば、圧潰・溶接で十分な端部強度を得ることができるが、圧潰・溶接できないくらいの行数の押出偏平管に対しては、キャップを溶接とろう接を組み合わせたり、押出偏平管と同材質等で溶接したり、端部に端部隔壁板を押出偏平管の外壁に内接させたり等の方法で端部を封止することができる。

請求項５の発明によれば、前記押出偏平管において、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、該平面上で隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、他端部において前記除去されていない隔壁を一つおきに除去し、前記平面内の全ての細孔トンネルで蛇行細孔トンネルを形成し、隣り合う前記平面間は４つの端部の少なくとも１ヵ所の隔壁を除去することにより連通させた。４つの端部の連通箇所の選択はヒートパイプ全体として細孔トンネルが全て一端部で一つの隣接する細孔トンネルに流通自在に接続されるのが好ましいが、これに限定されるものではない。

請求項６の発明によれば、前記押出偏平管として、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、隣り合う前記平面間は他端部において全ての隔壁を除去することにより連通させた。

請求項７の発明によれば、前記押出偏平管として、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、該平面に隣接する平面上の複数の平行な細孔トンネルは、同一端部において前記隔壁と隣接しない隔壁を一つおきに除去し、各平面間は他端部において全ての隔壁を除去することにより連通させた。

発明の効果

請求項１の発明によれば、縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されヒートパイプを構成し、該ヒートパイプ内には、所定の二相凝縮性作動液が所定量封入されてあり、該細孔トンネルの断面積を前記二相凝縮性作動液が管内を表面張力により閉塞するような断面積とし、作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動及び又は循環による熱輸送）と、作動液の潜熱による熱輸送（作動液の蒸気移動時の蒸発及び凝縮による熱輸送）とを熱輸送原理としたことにより、配置姿勢に殆ど影響を受けず、大容量の熱を移送することができるヒートパイプを構成することができる。

請求項２の発明によれば、前記横に配置された略Ｍ本の細孔トンネルを両端部において蛇行細孔トンネルとなるように形成し、該蛇行細孔トンネルを前記Ｎ列重ね合わせ、一端部もしくは両端部において、所定の手段で隣り合う蛇行細孔トンネルを連通させたことにより、容易に効率的な流通路を成形することができる。

請求項３の発明によれば、前記縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されヒートパイプを、可曉性金属を押出し成形した押出偏平管で構成したことにより、一気に容易に平行な細孔トンネルを形成することができる。

請求項４の発明によれば、前記細孔トンネルを形成した押出偏平管の隣り合う細孔トンネル間の流通路を、押出偏平管の端部において、隔壁を除去し形成したことにより、端部において流通路形成のための別部材を使用する必要がなくなる。

請求項５の発明によれば、前記押出偏平管において、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、該平面上で隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、他端部において前記除去されていない隔壁を一つおきに除去し、前記平面内の全ての細孔トンネルで蛇行細孔トンネルを形成し、隣り合う前記平面間は４つの端部の少なくとも１ヵ所の隔壁を除去し連通させたことにより、全体として一本の細孔トンネルを折り曲げて形成した流通路を形成することができ、連通部において作動液の流れが分散し、流圧が落ちることを抑え、全ての細孔トンネル内で作動液の良好な振動と循環が生ずることができる。

請求項６の発明によれば、前記押出偏平管として、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、隣り合う前記平面間は他端部において全ての隔壁を除去し連通させたことにより、全体として一本の細孔トンネルを折り曲げて形成した流通路を形成することができ、連通部において作動液の流れが分散し、流圧が落ちることを抑え、全ての細孔トンネル内で作動液の良好な振動と循環が生ずることができる。

請求項７の発明によれば、前記押出偏平管として、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、該平面に隣接する平面上の複数の平行な細孔トンネルは、同一端部において前記隔壁と隣接しない隔壁を一つおきに除去し、各平面間は他端部において全ての隔壁を除去し連通させたことにより、全体として一本の細孔トンネルを折り曲げて形成した流通路を形成することができ、連通部において作動液の流れが分散し、流圧が落ちることを抑え、全ての細孔トンネル内で作動液の良好な振動と循環が生ずることができる。

ここで、本件発明における、細孔トンネルヒートパイプの基本動作原理を、図１及び図２を用いて説明する。
本実施例による放熱ユニットにおける細孔トンネルプレート型ヒートパイプ１０１は、例えば図１及び２の様な蛇行細孔トンネルプレート型ヒートパイプ又は／及び平行細孔トンネルプレート型ヒートパイプで構成されている。これら細孔トンネルプレート型ヒートパイプについて蛇行細孔トンネルプレート型ヒートパイプを例にとって説明する。なお、ここで、蛇行細管ヒートパイプとは、以下の特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１９００９０号参照）。
（１）細孔（熱媒体通路）の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（２）細孔のある部分は受熱部、他のある部分は放熱部となっている。
（３）受熱部と放熱部が交互に配設されており、両部の間を細孔が蛇行している。
（４）細孔内には２相凝縮性作動流体が封入されている。
（５）細孔の内壁は、上記作動流体が常に管内を閉塞した状態のままで循環又は
移動することが出来る最大流体直径以下の直径である。このような細管ヒートパイプを用いることにより、発熱体への細管ヒートパイプの取り付け姿勢に関係なく熱輸送させることができる。

プレート型の蛇行細孔トンネルプレート型ヒートパイプは、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属の多孔扁平管を用いる。この多孔扁平管５１（６１）は、全体として平板状の外形を有し、内部に平行に配置された多数の貫通細孔５７ａ及び５７ｂ（６８ａ及び６８ｂ）が押し出し成形により形成されている。貫通細孔の端面の隔壁を所定の深さだけ切除し、反対側の端面でも切除する。各細孔は端部で連通して一連の蛇行トンネル（熱媒体通路）となり、ここに作動流体が封入される。
この細孔トンネルプレート型ヒートパイプを基本動作原理として本件発明はその大容量化を目的とするものである。

図３〜図６は本件発明に係る第一実施例の細孔トンネルプレート型ヒートパイプ１０１を示す。アルミ等の軽量柔軟性金属の押出成型で得られる平行な横１０本×縦２本の平行な貫通細径トンネル群を有するリボン状プレートを加工したものである。
図３は本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプ１０１の一端部を示す図である。（図４及び図６のＣ方向矢視図である。）図５は本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプ１０１の他端部を示す図である。（図４及び図６のＤ方向矢視図である。）図４は図３及び図５のＡ−Ａ矢視図である。図６は図３及び図５のＢ−Ｂ矢視図である。図３及び図５において、隔壁の斜線部は隔壁を除去した部分を示す。また、図４及び図６において点線部は隔壁の存在箇所を示し、斜線部は反対面との連通路を示す。また図４及び図６の穴１０３及び１０４は、図３において、貫通細径トンネル１０５と貫通細径トンネル１０７及び貫通細径トンネル１０９と貫通細径トンネル１１１を連通させるための穴である。

ここで、図４において、隣り合う貫通細径トンネルの隔壁を一端面において穴１０３及び１０４の隣りの貫通細孔トンネルから１つおきに削除することにより連通路１１３を設け、さらに他端面において一端面で連通されていない貫通細径トンネル間の隔壁を除去することにより連通路１１５ができ、図４の面内で蛇行細孔トンネルが形成される。

また、図６においても同様に穴１０３及び１０４の隣りの貫通細孔トンネルから１つおきに削除することにより連通路１１７を設け、さらに他端面において一端面で連通されていない貫通細径トンネル間の隔壁を除去することにより連通路１１９ができ、図６の面内で蛇行細孔トンネルが形成される。

当該端部は圧潰溶接又はろう接するか、細孔トンネル径が小さい時には、単に溶接するだけでも端部を封止することができる。また、キャップを用いてキャップに連通部を形成し、該キャップをろう接と溶接を組み合わせることによって端部に装着し端部を封止することもできる。さらに、板状の端部封止材を直接端部に装着するか、隔壁部に埋め込める程度の厚さに端部の外壁以外の隔壁を除去し、ろう接と溶接を組み合わせることによって端部に装着し端部を封止することもできる。

また封入する作動液としては使用する温度領域によるが、水、フロン系、代替フロン系（ハイドロフロロカーボン（ＨＦＣ）、ハイドロフロロエーテル（ＨＦＥ）等）作動液やブタン等の炭素・水素系作動液が用いられる。

以上により細孔トンネルプレート型ヒートパイプ１０１は横１０本×縦２本の平行な貫通細径トンネル群は全体が蛇行トンネルとなり、前記動作原理により熱源との接触面の面積を大きくすること無く熱移送量の大きな細孔トンネルプレート型ヒートパイプを構成することができる。

次に図７〜図１０は本件発明に係る第二実施例の細孔トンネルプレート型ヒートパイプ２０１を示す。アルミ等の軽量柔軟性金属の押出成型で得られる平行な横１０本×縦２本の平行な貫通細径トンネル群を有するリボン状プレートを加工したものである。

図７は本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプ２０１の一端部を示す図である。（図８及び図１０のＧ方向矢視図である。）図９は本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプ２０１の他端部を示す図である。（図８及び図１０のＨ方向矢視図である。）図８は図７及び図９のＥ−Ｅ矢視図である。図１０は図７及び図９のＦ−Ｆ矢視図である。図７及び図９において、隔壁の斜線部は隔壁を除去した部分を示す。また、図８及び図１０において点線部は隔壁の存在箇所を示し斜線箇所は反対面との連通路を示す。また図８及び図１０の穴２０３は、図７において、貫通細径トンネル２０５と貫通細径トンネル２０７を連通させるための穴である。

ここで、図８において、穴２０３の空いている一端面においては隔壁を除去せず、他端面においては１つおきに削除することにより連通路２１３を設け、さらに図９に示す様に、穴２０３の空いている一端面においては隔壁を除去せず、他端面においては図８の隣り合う隔壁が除去されていない隔壁を１つおきに削除することにより連通路２１５を設ける。

このように形成された穴２０３、連通路２１３、連通路２１５及び細孔トンネルにより
蛇行細孔トンネルが形成される。
当該端部は圧潰溶接又はろう接するか、細孔トンネル径が小さい時には、単に溶接するだけでも端部を封止することができる。また、キャップを用いてキャップに連通部を形成し、該キャップをろう接と溶接を組み合わせることによって端部に装着し端部を封止することもできる。さらに、板状の端部封止材を直接端部に装着するか、隔壁部に埋め込める程度の厚さに端部の外壁以外の隔壁を除去し、ろう接と溶接を組み合わせることによって端部に装着し端部を封止することもできる。

また封入する作動液としては使用する温度領域によるが、水、フロン系、代替フロン系（ハイドロフロロカーボン（ＨＦＣ）、ハイドロフロロエーテル（ＨＦＥ）等）作動液やブタン等の炭素・水素系作動液が用いられる。
以上により細孔トンネルプレート型ヒートパイプ１０１は横１０本×縦２本の平行な貫通細径トンネル群は全体が蛇行トンネルとなり、前記動作原理により熱源との接触面の面積を大きくすること無く熱移送量の大きな細孔トンネルプレート型ヒートパイプを構成することができる。

本実施例では横１０本×縦２本の平行な貫通細径トンネル群を例にしたが、前記動作原理を達成できる限りは縦横の貫通細径トンネル群の本数は制限されない。また、図１１に示す様に細管トンネル３０１がずれた配置になっていても前記動作原理を達成できる限りは制限を受けない。

本件発明の蛇行細トンネル型プレートヒートパイプの経路図である。本件発明の平行細孔トンネル型プレートヒートパイプの経路図である。本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプの一端部を示す図である。（第一実施例）図３及び図５のＡ−Ａ矢視図である。（第一実施例）本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプの他端部を示す図である。（第一実施例）図３及び図５のＢ−Ｂ矢視図である。（第一実施例）本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプの一端部を示す図である。（第二実施例）図３及び図５のＥ−Ｅ矢視図である。（第二実施例）本件発明の細孔トンネル型ヒートパイプの他端部を示す図である。（第二実施例）図３及び図５のＦ−Ｆ矢視図である。（第二実施例）本件発明の別形状の細孔トンネル型ヒートパイプを示す図である。（第三実施例）

符号の説明

１０１細孔トンネルプレート型ヒートパイプ
５１、６１多孔扁平管
５７ａ、５７ｂ、６８ａ、６８ｂ、１０５、１０７、１０９、１１１貫通細孔
１０３、１０４穴
１１３、１１５、１１７、１１９連通路

Claims

縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されヒートパイプを構成し、該ヒートパイプ内には、所定の二相凝縮性作動液が所定量封入されてあり、該細孔トンネルの断面積を前記二相凝縮性作動液が管内を表面張力により閉塞するような断面積とし、作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動及び又は循環による熱輸送）と、作動液の潜熱による熱輸送（作動液の蒸気移動時の蒸発及び凝縮による熱輸送）とを熱輸送原理としたことを特徴とする細孔トンネル型ヒートパイプ。
前記横に配置された略Ｍ本の細孔トンネルを両端部において蛇行細孔トンネルとなるように形成し、該蛇行細孔トンネルを前記Ｎ列重ね合わせ、一端部もしくは両端部において、所定の手段で隣り合う蛇行細孔トンネルを連通させたことを特徴とする請求項１に記載の細孔トンネル型ヒートパイプ。
前記縦にＮ行、横に略Ｍ列の計Ｎ×略Ｍ本の細孔トンネルが平行に配置され、該複数の細孔トンネルは両端末で所定の手段で流通自在に連結されたヒートパイプを、可曉性金属を押出し成形した押出偏平管で構成したことを特徴とする請求項１に記載の細孔トンネル型ヒートパイプ。
前記細孔トンネルを形成した押出偏平管の隣り合う細孔トンネル間の流通路を、押出偏平管の端部において、隔壁を除去することにより形成したことを特徴とする請求項３に記載の細孔トンネル型ヒートパイプ。
前記押出偏平管において、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、該平面上で隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、他端部において前記除去されていない隔壁を一つおきに除去し、前記平面内の全ての細孔トンネルで蛇行細孔トンネルを形成し、隣り合う前記平面間は４つの端部の少なくとも１ヵ所の隔壁を除去することにより連通させたことを特徴とする請求項４に記載の細孔トンネル型ヒートパイプ。
前記押出偏平管として、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、隣り合う前記平面間は他端部において全ての隔壁を除去することにより連通させたことを特徴とする請求項４に記載の細孔トンネル型ヒートパイプ。
前記押出偏平管として、複数の平行な細孔トンネルが配置されている平面上で、隣り合う細孔トンネルの隔壁が一端部において一つおきに除去され、該平面に隣接する平面上の複数の平行な細孔トンネルは、同一端部において前記隔壁と隣接しない隔壁を一つおきに除去し、各平面間は他端部において全ての隔壁を除去することにより連通させたことを特徴とする請求項４に記載の細孔トンネル型ヒートパイプ。