JP2008185283A

JP2008185283A - ヒートパイプ

Info

Publication number: JP2008185283A
Application number: JP2007020232A
Authority: JP
Inventors: Osamu Motomura; 修本村
Original assignee: Toshiba Home Technology Corp
Current assignee: Toshiba Home Technology Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】扁平部を薄く形成したり、放熱部よりも受熱部が高い位置にあったりしても、冷却性能が劣化しにくいヒートパイプを提供する。
【解決手段】コンテナ２内を大気圧未満の状態にして純水を封入したヒートパイプ１において、コンテナ２の内壁２Ａに複数のリブ４と複数の溝５からなるグルーブ型ウィック６を形成する。そして、リブ４の中心線２２または溝５の中心線２３を、コンテナ２の内壁２Ａに垂直な仮想線２１に対して傾斜させ、薄型に加工し、電子機器の部品を冷却する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子機器の部品の冷却などに好適なヒートパイプに関する。

この種のヒートパイプとして、本願出願人が提案した特許文献１には、例えば電子機器の部品の冷却に適した扁平型ヒートパイプが開示されている。
特開２００６−７１２０２号公報

上述のようなヒートパイプは、電子機器の小型化および薄型化を図るために、可能な限り薄い形状のものが求められるが、薄く形成すると冷却性能が劣化する欠点があった。また、電子機器は種々の姿勢で使用されることがあるが、ヒートパイプは、熱を放散する放熱部と、熱を受ける受熱部の位置が異なると、冷却性能が低下する欠点があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、薄く形成したり、放熱部と受熱部の位置が異なったとしても、冷却性能が劣化しにくいヒートパイプを提供することをその目的とする。

本発明の請求項１におけるヒートパイプは、コンテナ内を大気圧未満の状態にして作動媒体を封入したヒートパイプにおいて、前記コンテナの内壁に複数のリブと複数の溝からなるグルーブ型ウィックを形成し、前記リブまたは前記溝の中心線を、前記コンテナの内壁に垂直な仮想線に対して傾斜させ、薄型に加工し、電子機器の部品を冷却するものである。

請求項２におけるヒートパイプは、前記リブの底部の幅よりも、前記リブの先端部の幅が狭く、前記溝の底部の幅よりも、前記溝の先端部の幅が広いことを特徴とする。

請求項３におけるヒートパイプは、前記リブの根元部と前記溝の底部が交わる角度が、鋭角であることを特徴とする。

請求項４におけるヒートパイプは、熱を放散する放熱部と、熱を受ける受熱部とを備え、前記放熱部よりも前記受熱部が高い位置で、電子機器等に使用される。

請求項１の発明では、ヒートパイプの受熱部で受けた熱により、コンテナ内の作動媒体が放熱部へと流れ、ここで作動媒体により熱が放出される。そして、コンテナの内壁に形成した複数の溝により、放熱部の作動媒体が、再び受熱部へと運ばれることで、作動媒体をコンテナ内で輸送することができる。

この場合、単にコンテナを薄型にすると、コンテナの薄型化が進むにしたがって、作動媒体が受熱部まで戻りにくくなるが、コンテナの内壁に形成したリブの中心線が、コンテナの内壁に垂直な仮想線に対して傾いていて、また、コンテナの内壁に形成した溝の中心線が、コンテナの内壁に垂直な仮想線に対して傾いているので、作動媒体が受熱部まで戻りやすくなる。そのため、ヒートパイプを薄型化しても、機能が劣化しにくく、例えば電子機器などへの使用が容易になる。そのため、例えば電子機器の所定位置にヒートパイプが置かれた場合でも、その冷却性能は劣化しにくく、使用に適したヒートパイプを提供できる。

請求項２の発明では、リブの底部の幅よりも、リブの先端部の幅を狭くすると、コンテナを薄型とした場合において、例えば電子機器のように熱対策が求められる用途に適したヒートパイプを提供できる。また、溝の底部の幅よりも、溝の先端部の幅を狭くすると、コンテナを薄型とした場合において、例えば電子機器のように熱対策が求められる用途に適したヒートパイプを提供できる。さらに、ヒートパイプに薄型加工を施しても、作動媒体を受熱部に戻し易くなり、ヒートパイプの機能が劣化しにくい。

請求項３の発明では、リブの根元部と溝の底部が交わる角度を鋭角にすると、作動媒体を受熱部まで戻し易くなる。そのため、ヒートパイプを薄型化しても、機能がさらに劣化しにくくなる。また、その冷却性能はさらに劣化しにくくなる。

請求項４の発明では、放熱部より受熱部が高い位置にある場合でも、作動媒体が受熱部に戻り易く、このため、例えば電子機器のように使用姿勢によって放熱部より受熱部が高くなるような位置にヒートパイプが置かれた場合でも、その冷却性能は劣化しにくく、使用用途に適したヒートパイプを提供できる。

以下、本発明に係るヒートパイプについて、添付図面を参照しながらその好ましい実施形態を説明する。

図１〜図５において、ヒートパイプ１の本体部となる中空円筒状のコンテナ２は、その素材が好ましくは熱伝導性の高い銅若しくは銅合金などの金属製パイプ材から形成される。また、図１に示す曲げ加工前の状態では、コンテナ２は全体が直線状をなしていて、端部を除いて外径および肉厚が軸方向の全長に亘り一定に形成される。さらにこのコンテナ２の両端は、例えばＴｉｇ溶接などの適宜手段による封止部２Ａ，２Ｂが形成され、コンテナ２の内部を大気圧未満の真空状態に密閉している。

ところで、ノート型パソコンのような薄型電子機器にヒートパイプ１を設置する場合は、薄型電子機器内の設置スペースが限られているため、図２や図３に示すように、コンテナ２の適所には必要に応じて折曲げ部９が形成されると共に、コンテナ２の一部若しくは全体には潰し加工を施した扁平部１１が形成される。この扁平部１１を形成したコンテナ２の表面は概ね略平面状になっている。こうしてヒートパイプ１は、薄型に加工され、電子機器の部品を冷却するようになっている。

ここで、コンテナ２を扁平加工した後の断面図を図４〜図６にそれぞれ示すと、コンテナ２の内壁２Ａには、その軸方向に沿って複数のリブ４が突出して設けられると共に、隣り合うリブ４間には、真空状態のコンテナ２内に封入された作動媒体としての純水（図示せず）を、毛細管現象により流動させるための溝５が形成される。交互に配置されるリブ４と溝５は、コンテナ２の内周全体にわたって均等に形成してもよいし、部分的にリブ４や溝５を設けない領域を、コンテナ２の内壁面に形成してもよい。こうして、コンテナ２の内壁２Ａには、リブ４と溝５とによるグルーブ型のウィック６が形成され、溝５内に純水を満たしている。また、ウィック６に囲まれたコンテナ２内の中空部は、蒸気の流路７として形成される。

ここで、本実施例におけるリブ４や溝５の特徴を、図５および図６に基づいて説明する。これらの各図において、各々の突起状のリブ４は、何れもコンテナ２の内壁２Ａから流路７に向けて直線状に延びており、その一端部である底部がコンテナ２の内壁２Ａに繋がる基端部４Ａとして形成される一方で、流路７に対向する他端部は先端部４Ｂとして形成される。また、隣り合うリブ４間に形成される有底状の溝５も、その各々がコンテナ２の内壁２Ａから流路７に向けて何れも直線状に延びており、コンテナ２の内壁２Ａの一部を成す閉塞した底部５Ａと、流路７に連通する開放した先端部５Ｂを有している。つまり、隣り合うリブ４の基端部４Ａ間に、溝５の底部５Ａが形成され、リブ４の先端部４Ｂ間に、溝５の先端部５Ｂが形成される。

図５において、各々のリブ４は、コンテナ２の内壁２Ａに垂直な仮想線（法線）２１に対して、その基端部４Ａから先端部４Ｂにかけて延びる方向の中心線２２が、何れも一側に傾くように形成される。別な見方をすると、各々の溝５は、コンテナ２の内壁２Ａに垂直な仮想線２１に対して、その底部５Ａから先端部５Ｂにかけて延びる方向の中心線２３が、何れも一側に傾くように形成される。

また、各々のリブ４は、その基端部４Ａの幅２５よりも先端部４Ｂの幅２６が狭く、各々の溝５は、その底部５Ａの幅２７よりも先端部５Ｂの幅２８が広く形成される。

図６は、図５と同じコンテナ２の要部拡大図である。溝５の底部５Ａ周辺の容積を広げるために、リブ４の根元部である基端部４Ａと、溝５の底部５Ａが交わる角度αを、９０°よりも小さい鋭角に形成している。この場合、溝５の底部５Ａの両端でリブ４の基端部４Ａと交わる角度αが形成されるが、好ましくは図６に示すように、それらの何れの角度も鋭角に形成される。

再度図３に戻って説明すると、ここでは便宜上、ＣＰＵ３２などの熱源から熱を受け取る受熱部１３が、ヒートパイプ１の一端部に形成され、図示しないファンなどにより冷却される放熱部としての放熱部１４が、ヒートパイプ１の他端部に形成される。ヒートパイプ１のどの位置に受熱部１３および放熱部１４を形成するのかは、特に限定しない。

前記扁平部１１は、ヒートパイプ１を装着する薄型電子機器内の収容スペースに対応して、コンテナ２の一部または全部に形成されるが、図３に示すように、ＣＰＵ３１からの熱を受ける受熱部材としての平板状の受熱プレート３２や、放熱部材である矩形状の放熱フィン３３との接触面積を最大に確保し、かつお互いの熱接続を強固なものとするためにも、上述の扁平部１１が設けられる。こうした扁平部１１は、ヒートパイプ１の周辺状況に応じて設けられるものであり、本実施例では受熱プレート３２を熱接続する受熱部１３や、放熱フィン３３を接続する放熱部１４に位置して、それぞれコンテナ２に部分的に設けられる。図３では、受熱部１３に形成した略平面状をなす扁平部１１の下面側に受熱プレート３２が密着接続されると共に、送風装置（図示せず）からの風が通過する放熱フィン３３が、放熱部１４に形成した扁平部１１の上面側に密着接続される。なお、こうした受熱プレート３２や放熱フィン３３を、送風装置の一部として構成してもよい。こうして図３では、ＣＰＵ３１が発熱する熱を放熱フィン３３に効率よく運べるように、ヒートパイプ１を介して各部が構成され、放熱フィン３３が送風装置により冷却される。

次に、上記構成についてその作用を説明する。ヒートパイプ１の内圧は飽和蒸気圧である。そこで、ノート型パソコンの使用時に、ＣＰＵ３１の熱が受熱プレート３２からヒートパイプ１の一端部である受熱部１３に伝わると、受熱部１３周辺におけるコンテナ２の内壁２Ａが温度上昇し、そこにある純水が蒸発して蒸発潜熱が奪われることにより、ノート型パソコンの内部で作動するＣＰＵ３１が冷却される。一方、前記受熱部１３に位置するウィック６において、純水から蒸発した蒸気は、コンテナ２内部の圧力差により温度の低い箇所に移動して凝縮する。その際、凝縮潜熱を放出しつつ、熱がヒートパイプ１の一端側にある受熱部１３から、放熱フィン３３などにより冷却されるヒートパイプ１の他端側の放熱部１４に運ばれる。受熱部１３は蒸発に伴い純水が減少する一方で、放熱部１４は蒸気の凝縮により純水が増加するため、グルーブ型のウィック６に毛細管力が発生し、純水が溝５に沿って放熱部１４から受熱部１３へと運ばれる。

こうして、コンテナ２の内圧が飽和蒸気圧となっていることから、ヒートパイプ１の受熱部１３で受けた熱により、コンテナ２内の純水が蒸発して、蒸気が圧力の低い放熱部１４へと流れ、ここで蒸気の凝縮が起こって熱が放出される。そして、コンテナ２の内壁２Ａに形成した複数の溝４の毛細管力により、放熱部１４で凝縮した純水が、再び受熱部１３へと運ばれることで、純水（蒸気）をコンテナ２内で循環させながら、受熱部１３から放熱部１４に熱を速やかに輸送することができる。

一方、単にコンテナ２を薄型にして扁平部１１を形成すると、コンテナ２内部で蒸気流の流速が早くなると共に、圧力損失も大きくなり、コンテナ２の薄型化が進むにしたがって、凝縮した作動媒体が受熱部１３まで戻りにくくなる。しかし本実施例では、コンテナ２の内壁２Ａに形成したリブ４の中心線２２が、コンテナ２の内壁２Ａに垂直な仮想線２１に対して傾いているので、従来のものよりも蒸気の流路７が広がり、また、コンテナ２の内壁２Ａに形成した溝５の中心線２３が、コンテナ２の内壁２Ａに垂直な仮想線２１に対して傾いているので、コンテナ２内の狭いスペースの中で、溝５の毛細管力が大きくなって、凝縮した純水が受熱部１３まで戻りやすくなる。そのため、ヒートパイプ１を扁平に薄型化しても、その機能が劣化しにくく、装着スペースに余裕のない例えばノート型パソコンのような電子機器などへの使用が容易になる。そのため、例えば電子機器の所定位置にヒートパイプ１が置かれた場合でも、その冷却性能は劣化しにくく、使用に適したヒートパイプ１を提供できる。

さらに、受熱部１３よりも放熱部１４が高い位置にある場合でも、同様に凝縮した純水が受熱部１３に戻り易く、従来よりも運べる最大の熱輸送量が大きくなる。そのため、例えばモバイル用のノート型パソコンのように、使用姿勢によって受熱部１３より放熱部１４が高くなるような異なる位置にヒートパイプ１が置かれた場合でも、その冷却性能は劣化しにくく、モバイルの使用用途に適したヒートパイプ１を提供できる。

また本実施例では、リブ４の基端部４Ａの幅２５よりも、リブ４の先端部４Ｂの幅２６を狭くしたので、図４に示すように、コンテナ２を扁平とした場合に、その断面が楕円形状となるコンテナ２の最小曲率半径部（最小Ｒ部）２Ｂにおいて、溝５の先端部５Ａが閉塞しにくくなる。これにより、コンテナ２の内壁２Ａにおいて、ウィック６としての機能を発揮し得るリブ４と溝５の条数を多くすることができ、熱抵抗が小さくなって、例えばノート型パソコンのように熱対策が求められる用途に適したヒートパイプ１を提供できる。また、ヒートパイプ１に扁平加工を施しても凝縮した純水を受熱部１３に戻し易くなり、ヒートパイプ１の機能が劣化しにくい。これは、溝５の底部５Ａの幅２７よりも、溝５の先端部５Ｂの幅２８を広く形成した場合にも、同じことがいえる。

更に本実施例は、リブ４の根元部である基端部４Ａと、溝５の底部５Ａが交わる角度αが鋭角になるように、ウィック６を形成しているので、毛細管力が大きくなると共に、純水を運ぶ溝５の容積も大きくなって、凝縮した純水を受熱部１３まで戻し易くなる。そのため、ヒートパイプ１を扁平に薄型化しても、機能がさらに劣化しにくくなる。また、受熱部１３よりも放熱部１４が高い位置にある場合でも、凝縮した純水がさらに受熱部１３に戻り易く、運べる最大の熱輸送量が増加し、その冷却性能はさらに劣化しにくくなる。

次に、本実施例と従来例における性能の比較結果を、図７および図８のグラフで説明する。ここで、従来例におけるヒートパイプの扁平前と扁平後における断面図を図１０および図１１に示すと、従来のヒートパイプ１００は、コンテナ１０１の内壁にリブ１０４と溝１０５を交互に配置したグルーブ型のウィック１０６を形成し、このウィック１０６に囲まれた中空部を、蒸気の流路１０７としているが、リブ１０４や溝１０５は上記実施例のような特徴を有していない。

図７は、本実施例と従来例において、コンテナ２の扁平加工の潰し厚さと、最大熱輸送量との関係を比較して示したものである。上述したように、扁平部１１の厚さを薄くするにしたがって、ヒートパイプ１としての最大熱輸送量は低下するが、本実施例のような構成を採用することで、最大熱輸送量の低下を改善することができる。

また図８は、トップヒートの傾斜角βと最大熱輸送量との関係を比較して示したものである。ここでいうトップヒートとは、図９に示すように、放熱部１４よりも受熱部１３が高い位置に置かれた状態のことをいい、その状態で、棒状のヒートパイプ１と水平面とのなす角が、図８におけるトップヒートの傾斜角βである。図８に示すように、トップヒートの傾斜角βが次第に大きくなり、放熱部１４に対して受熱部１３が高い位置にある程、ヒートパイプ１としての最大熱輸送量は低下するが、本実施例のような構成を採用することで、最大熱輸送量の低下を改善することができる。

なお本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、純水以外の熱輸送が可能な作動媒体を、コンテナ２内に入れてもよい。

本発明の一実施例におけるヒートパイプの曲げ潰し加工前の平面図である。同上、曲げ潰し加工を施した後のヒートパイプの平面図である。同上、図２に示すヒートパイプに各種部材を熱接続した状態の正面図である。同上、曲げ潰し加工を施した後のヒートパイプの断面図である。同上、図１に示すヒートパイプの拡大断面図である。同上、図１に示すヒートパイプの拡大断面図である。コンテナに扁平加工を施した時に、その潰し厚さに対する最大熱輸送量の関係を、本実施例と従来例で比較したグラフである。ヒートパイプの放熱部より受熱部を高い位置にした時の、傾斜角に対する最大熱輸送量の関係を、本実施例と従来例で比較したグラフである。ヒートパイプにおけるトップヒートの傾斜角を説明する図である。従来例を示すヒートパイプの曲げ潰し加工前の断面図である。同上、ヒートパイプの曲げ潰し加工後の断面図である。

符号の説明

１ヒートパイプ
２コンテナ
２Ａ内壁
４リブ
４Ａ基端部（底部，根元部）
４Ｂ先端部
５溝
５Ａ基端部（底部）
５Ｂ先端部
６ウィック
１３受熱部
１４放熱部

Claims

コンテナ内を大気圧未満の状態にして作動媒体を封入したヒートパイプにおいて、前記コンテナの内壁に複数のリブと複数の溝からなるグルーブ型ウィックを形成し、前記リブまたは前記溝の中心線を、前記コンテナの内壁に垂直な仮想線に対して傾斜させ、薄型に加工し、電子機器の部品を冷却することを特徴とするヒートパイプ。
前記リブの底部の幅よりも、前記リブの先端部の幅が狭く、前記溝の底部の幅よりも、前記溝の先端部の幅が広いことを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。
前記リブの根元部と前記溝の底部が交わる角度が、鋭角であることを特徴とする請求項１または２記載のヒートパイプ。
熱を放散する放熱部と、熱を受ける受熱部とを備え、前記放熱部よりも前記受熱部が高い位置で、電子機器等に使用されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のヒートパイプ。