JP2008241180A - ヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能に優れるヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを提供することを目的とする。また、伝熱管を扁平形状とした場合でも、冷却性能に優れるヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを提供する。
【解決手段】ヒートパイプに使用されるヒートパイプ用伝熱管１であって、管内面には、多数の溝と、この溝間に形成されたフィン３とを有しており、フィン３と溝部２との接続部の曲率半径ｒが０．０３ｍｍ以下、フィン高さｈが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、フィン根元幅Ｂが０.０５ｍｍ以上０.２５ｍｍ以下、溝底幅Ｌが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、フィン３の両斜面３ａ、３ａのなす山頂角Ｑ１が２５°以下、フィン３と管軸とがなすリード角θが５°以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプに係り、特に、電子機器のＣＰＵ（中央演算装置）冷却用として使用されるヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプに関する。

近年の電子機器は、パーソナルコンピュータ、特にノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノート型パソコンと称する。）に代表されるように、ＣＰＵの高性能化に伴い、ＣＰＵの発熱量が増大している。ＣＰＵは、発熱によって高温になると演算処理能力が低下する等の不具合が出るため、これを冷却するための冷却装置を備えている。

なお、ノート型パソコンに備えられる冷却装置は、設置スペースとの関係から、できるだけ小型化することが望まれており、図５（ａ）に例示するような構成の冷却装置が広く用いられている。
ここで、図５（ａ）、（ｂ）は、ヒートパイプの使用形態の一例を示す模式図、図６は、ヒートパイプの内部の作用を説明するための説明図である。
図５（ａ）に示すように、冷却装置１００は、主に、ヒートパイプ１０１と、放熱板（銅板）１０３と、小型ファン１０２とから構成されている。

前記ヒートパイプ１０１は、内部にウィックを設けたパイプ、内面に微細な溝を形成したパイプ、あるいは多孔質層を設けたパイプの内部に一定量の作動液を減圧封入したものであって、図５（ｂ）に示すように、一端は、ヒートパイプ固定バンドにより放熱板１０３に固定され、もう一端は、はんだ付け等の方法により、アルミニウムフィン（アルミフィン）１０５に固定されている。放熱板１０３は、ＣＰＵ１０４等の発熱体に接触することでその熱を吸収し、その熱により放熱板１０３に密着しているヒートパイプ１０１の内部で、作動液が気化する。気化した作動液の蒸気は、ヒートパイプ１０１の他方の端に向かって流れ、アルミフィン１０５により放熱されることで吸収した熱を放熱している。なお、アルミフィン１０５は、小型ファン１０２により冷却されている。また、ヒートパイプ１０１はノート型パソコン内部のスペースの制約から、断面形状を扁平状に加工した状態で用いることが多い。断面形状を扁平状にすることで、放熱板１０３、アルミフィン１０５との接触面積が増大するという利点が生じる。

具体的には、図６に示すように、ヒートパイプ１０の発熱体との接触部分（加熱部（蒸発部１２））において、ヒートパイプ１０の内部に封入された作動液８が加熱されて気化し、蒸気となることで発熱体の熱を吸収する。そして、気化した作動液８はヒートパイプ１０の他端の放熱する部分（放熱部（凝縮部１１））で冷却されて凝縮し、再び作動液８となり、凝縮部１１で液体に戻った作動液８は、蒸発部１２に還流する。このように、ヒートパイプ１０は、密閉されたヒートパイプ１０内で作動液８の蒸発と凝縮を繰り返し、これが還流することで蒸発部１２から凝縮部１１への連続的な熱輸送を行うことができるものである。

今後、ＣＰＵ等をさらに高性能とするためにも、より冷却性能の優れたヒートパイプ１０の開発が切望されている。なお、冷却性能は、熱伝達率や最大熱輸送量を指標として表すことができる。熱伝達率とは、いかに早く熱を蒸発部１２から凝縮部１１に伝えられるかを表すものであり、最大熱輸送量とは、蒸発部１２の温度が上昇したときに何ワット（Ｗ）までの熱量を伝えられるかを表す指標である。

ここで、従来のヒートパイプにおいては、管内面の溝形状を所定に規定した伝熱管（内面溝付管）を使用することで、冷却性能の向上を図っている。例えば、特許文献１には、金属管の内周面に、深さ１０〜１００μｍ、好ましくは、１０〜２０μｍの溝を、所定形状に複数形成した伝熱管が提案されている。

また、特許文献２には、金属製の細管の内面に長さ方向に連続し断面が概ね三角形状を呈する微細なフィンを多数形成し、各フィンの頂部寄りの一方の傾斜側面と他方の傾斜側面とをそれらの傾斜が非対称とし、また、リード角を１０〜３５°とすることにより、熱輸送量をより大きくした自励振動型ヒートパイプ用伝熱管（特許文献２では自励振動型ヒートパイプと記載されている）が提案されている。

さらに、特許文献３には、空調装置、冷蔵庫等の熱交換器の蒸発管または凝縮管として用いる内面溝付管として、内面フィンの側壁面の下部を急斜面、側壁面の上部を下部より傾斜の緩やかな緩斜面とした内面溝付伝熱管が提案されている。そして、前記の構成とすることにより、先端が尖ったフィン形状の内面溝付伝熱管が容易に成形できるようになり、特に、凝縮管としての性能が向上することが記載されている。
特開平８−１４７８５号公報（段落０００６〜０００９、図１、３） 特開２００３−３０２１７９号公報（段落０００８、０００９、図１、２） 特開２００１−２６３９７５号公報（段落００１４、００５１、図３）

しかしながら、従来のヒートパイプ（ヒートパイプ用伝熱管）においては、以下に示すような問題があった。
従来のヒートパイプにおいては、冷却性能のレベルは向上しているものの、さらなるＣＰＵ等の高性能に対応するため、さらに、冷却性能を向上させることができるヒートパイプおよびこれに用いる伝熱管の開発が望まれている。

なお、特許文献３に記載の内面溝付伝熱管は、空調装置、冷蔵庫等の熱交換器に用いるもので、いずれもフロン系冷媒を用いる熱交換器用であり、フロン系冷媒に対して蒸発性能や凝縮性能を向上させるために開発されたものである。また、エアコン等の空調機器、冷蔵庫等の熱交換器においては、伝熱管内で冷媒（蒸気、液体）の流れる方向が一方向である。それに対し、ヒートパイプにおいては、伝熱冷媒に主として水を用いること、また同一管内で、蒸発部で気化した冷媒蒸気と凝縮部で凝縮した冷媒液とが対向して流れ、冷媒の物性、および冷媒の流れが異なるため、ヒートパイプに適用することを想定したものではない。

また、ヒートパイプの冷却性能の向上と共に、近年、パソコンの携帯性が要求されていることから、パソコンの薄肉化が進められている。これらの要求に対応するために、ヒートパイプ用伝熱管は、偏平加工を施すことで、偏平形状にし、扁平管として使用されている。

ここで、図７（ａ）は、扁平形状にしたヒートパイプ用伝熱管（内面溝付管）の管軸直交方向における断面図、（ｂ）は、（ａ）の要部拡大図である。
図７（ａ）に示すように、偏平形状としたヒートパイプ用伝熱管１１０は、管軸直交方向における断面において、直線部と円弧部を有している。そして、図７（ｂ）に示すように、偏平加工により円弧部のフィン１１１同士は接近し、円弧部での溝幅が狭くなり、円弧部の溝部１１２の断面積は小さくなる。そのため、扁平管においては、円弧部の溝部１１２に保持できる作動液量が少なくなり、また、作動液の流れが阻害されるという問題があった。なお、円弧部の中央ほど円弧部の溝幅が狭く、溝部１１２の面積は小さくなる。

また、詳細は後述するが、リード角が大きい内面溝付管を偏平加工して作製したヒートパイプの方が、リード角が小さい内面溝付管を偏平加工して作製したヒートパイプに比べ、溝部を有効に使用することができないため、凝縮部から蒸発部への作動液の循環量が少なく、蒸発部で液体が気体蒸発するときの潜熱（液体が蒸発するとき等に外部から吸収する熱量）は少なくなる。つまり、ヒートパイプとしての性能は、リード角が大きくなるにつれて劣ることとなる。そのため、従来のヒートパイプにおいては、リード角の大きさによっては、冷却性能が低下するという問題があった。

さらに、フィン根元と溝底部のフィンつながり部（フィンと溝部との接続部）には、傾斜や円弧の形状である曲率半径を形成するが、このフィンの根元に形成される曲率半径が大きいと、その曲率半径が小さいときと比べ、溝部の断面積が小さくなり、溝部に保持される水膜の厚さが大きくなる。また、溝部に保持される水と管内面の溝部との接触長さが短くなる。したがって、ヒートパイプとして用いた場合、蒸発部側における水の蒸発速度が低下し、蒸発性能を十分に向上させることが難しくなる。
つまり、ヒートパイプとしての性能は、フィンの根元に形成される曲率半径が大きくなるにつれて劣ることとなる。そのため、従来のヒートパイプにおいては、曲率半径の大きさによっては、冷却性能が低下するという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷却性能に優れるヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを提供することを目的とする。また、伝熱管を扁平形状とした場合でも、冷却性能に優れるヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを提供することを目的とする。

すなわち、前記課題を解決するため、請求項１に係るヒートパイプ用伝熱管は、ヒートパイプに使用されるヒートパイプ用伝熱管であって、管内面には、多数の溝と、この溝間に形成されたフィンとを有しており、前記フィンと溝部との接続部の曲率半径ｒが０．０３ｍｍ以下、フィン高さｈが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、フィン根元幅Ｂが０.０５ｍｍ以上０.２５ｍｍ以下、溝底幅Ｌが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、前記フィンの両斜面のなす山頂角Ｑ１が２５°以下、前記フィンと管軸とがなすリード角θが５°以下であることを特徴とする。

このような構成によれば、曲率半径ｒを所定に規定することにより、フィン溝部に保持される水膜の厚さが薄くなると共に、溝部に保持される水と管内面の溝部との接触長さが長くなる。また、フィン高さｈ、フィン根元幅Ｂを所定の値に規定することにより、溝部での保持が可能な水量が多くなり、ヒートパイプ蒸発部側での潜熱による熱の移動速度が大きくなる。さらに、溝底幅Ｌ、山頂角Ｑ１を所定に範囲に規定することにより、溝部に凝縮する作動液に働く毛細管力が高くなることで、凝縮部から蒸発部への凝縮した作動液の戻りが早くなり、蒸発部で液体の蒸発速度が大きくなる。そして、リード角θを所定の値とすることにより、凝縮部から蒸発部への溝長さが短くなり、凝縮した作動液の戻りが早くなる。また、ヒートパイプを扁平形状に加工したとき、管断面形状において直線状の部分と円弧上状の部分が生じるが、円弧部では溝のリード角が連続的に変化し、作動液の流れが阻害されやすくなる。しかし、リード角θを所定の値とすることにより、凝縮部から蒸発部への作動液の戻りが多くなり、蒸発部での液体の蒸発速度が大きくなる。

請求項２に係るヒートパイプ用伝熱管は、ヒートパイプに使用されるヒートパイプ用伝熱管であって、管内面には、多数の溝と、この溝間に形成されたフィンとを有しており、前記フィンは、フィン根元のフィン本体部と、このフィン本体部の先端に形成されたフィン先端部とからなり、前記フィン先端部の両斜面のなす山頂角Ｐが、前記フィン本体部の両斜面のなす山頂角Ｑ２よりも大きく形成されており、前記フィンと溝部との接続部の曲率半径ｒが０．０３ｍｍ以下、フィン高さｈが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、フィン根元幅Ｂが０.０５ｍｍ以上０.２５ｍｍ以下、溝底幅Ｌが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、前記フィン本体部の両斜面のなす山頂角Ｑ２が２５°以下、前記フィンと管軸とがなすリード角θが５°以下であることを特徴とする。

このような構成によれば、前記請求項１での作用に加え、フィンを、フィン根元のフィン本体部と、このフィン本体部の山頂角Ｑ２よりも大きい山頂角Ｐを有するフィン先端部とから構成することで、ヒートパイプ用伝熱管を扁平形状としたときの円弧部での溝部断面積が確保でき、蒸発部側での潜熱の移動量が多くなる。

請求項３に係るヒートパイプは、請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ用伝熱管を使用したことを特徴とする。
このような構成によれば、請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ用伝熱管を使用してヒートパイプを作製するので、ヒートパイプの熱伝達性能が向上し、冷却性能が向上する。

請求項４に係るヒートパイプは、前記ヒートパイプ用伝熱管を扁平形状にしたことを特徴とする。
このような構成によれば、ヒートパイプ用伝熱管を扁平形状にすることにより、吸熱部(ヒートパイプ内部で水が蒸発)および発熱部(ヒートパイプ内部で水蒸気が凝縮)において、それぞれＣＰＵの熱を伝える放熱板およびアルミフィン等の熱放散体との当接面積が大きくなり、ヒートパイプとして、蒸発性能および凝縮性能が向上する。

本発明に係るヒートパイプ用伝熱管によれば、熱伝達率や最大熱輸送量を向上させることができるため、ヒートパイプの冷却性能を向上させることができる。
本発明に係るヒートパイプによれば、熱伝達率や最大熱輸送量を向上させたヒートパイプ用伝熱管を用いるため、冷却性能を向上させることができる。また、ヒートパイプ用伝熱管を扁平形状として用いることで、冷却性能の向上を図ることができると共に、このヒートパイプが用いられる電子機器の薄肉化を図ることができる。

以下、適宜図面を参照して、本発明に係るヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを実施するための最良の形態について具体的に説明する。

参照する図面において、図１（ａ）は、ヒートパイプ用伝熱管の管軸方向における部分断面図、（ｂ）は、管軸直交方向における部分断面図、（ｃ）は、ヒートパイプ用伝熱管のフィンの他の形態を示す模式図、図２（ａ）は、溝部に形成される作動液のメニスカスの形成状況を示す説明図、（ｂ）は、（ａ）の要部拡大図、図３（ａ）は、本発明の規定値より大きいリード角を有するヒートパイプ用伝熱管を偏平加工した場合の管軸方向の部分断面を示す模式図、（ｂ）は、本発明の規定範囲のリード角を有するヒートパイプ用伝熱管を偏平加工した場合の管軸方向の部分断面を示す模式図、図４は、転造加工前の素管および溝付プラグの部分断面図である。

≪ヒートパイプ用伝熱管≫
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ヒートパイプ用伝熱管１は、ヒートパイプに用いるものであり、管内面には、多数の溝（溝部２）と、この溝間に形成されたフィン３とを有しており、フィン３と溝部２との接続部（フィン根元部）の曲率半径ｒ、フィン高さｈ、フィン根元幅Ｂ、溝底幅Ｌ、フィン３の両斜面３ａ、３ａのなす山頂角Ｑ１、フィン３と管軸とがなすリード角θを所定に規定したものである。
以下、各構成について説明する。

＜管の材質＞
ヒートパイプ用伝熱管１は、銅および銅合金、その中でも無酸素銅、低リン脱酸銅、リン脱酸銅を好適に用いることができる。特に、無酸素銅ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１０２０を好適に用いることができる。また、これらの銅や銅合金を軟質材あるいは硬質材に調質して用いるのがさらに好ましい。さらに、伝熱性の良い金属として、銅の他に、アルミニウム等も好適に用いることができる。

＜管寸法＞
ヒートパイプ用伝熱管１の作製方法については後記するが、ヒートパイプ用伝熱管１を作製するための、転造前の素管の寸法としては、その外径が７〜１３ｍｍのものを用いると好適である。素管の外径が７ｍｍ未満であると、ヒートパイプ用伝熱管１を作製した場合に形成されるフィン３が小さくなるために、フィン加工の際に工具が欠損する等の理由で量産が困難となりやすい。また、素管の外径が１３ｍｍを超えると、作製されるヒートパイプ用伝熱管１が大きくなり、省スペース化を目的としたヒートパイプを作製しにくくなる。

ヒートパイプ用伝熱管１を作製するための、転造前の素管の底肉厚は、０．２５〜０．６０ｍｍとするのが好ましい。素管の底肉厚が０．２５ｍｍ未満であると、ヒートパイプ用伝熱管１を作製した場合に、素管の破断等が発生しやすく、素管内周面にフィン３を加工することが困難となりやすい。また、素管の底肉厚が０．６０ｍｍを超えると、フィン加工性の効率が悪くなりやすく、冷却性能も低下しやすい。

＜フィン根元部の曲率半径ｒ：０．０３ｍｍ以下＞
曲率半径ｒを０．０３ｍｍ以下にすることで、溝部２の管軸直交方向における断面積（以下、溝部断面積という）が大きくなり、従来の伝熱管に比べ、曲率半径ｒを形成するフィン３の根元部分において、溝部２に保持する水との接触長さが長くなる。そのため、蒸発部１２側（図６参照）での潜熱による熱の移動が活発になり、ヒートパイプとしての性能が向上る。

曲率半径ｒが０．０３ｍｍを超えると、溝部断面積が小さくなり、溝部に保持される水膜の厚さが大きくなると共に、フィン３の根元部分において、溝部２に保持する水との接触長さが短くなり、蒸発部１２側での潜熱による熱の移動が盛んに行われない。そのため、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が低下する。なお、曲率半径ｒは、０．０３ｍｍ以下で、できる限り０に近いほうが好ましい。但し、内面溝付管を転造加工するときの溝付プラグの欠けが発生しやすくなるため、溝付プラグの材質、溝付プラグの寿命等を考えて下限値を決めればよい。

＜フィン高さｈ：０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下＞
フィン高さｈが０．１０未満では、溝部断面積が小さくなり、溝部２での保持が可能な水量が少なく、蒸発部１２側での潜熱による熱の移動が盛んに行われわれず、また、水不足で温度が異常に上昇するドライアウトを生じることがある。そのため、熱伝達性能が悪化し、ヒートパイプとしての冷却性能が低下する。一方、０.３０ｍｍを超えると、フィン３の成形性が悪化すると共に、工具の欠損等が生じ易くなる。また、扁平加工した際の円弧部（図７（ａ）参照）でフィン３の先端同士が接触するほど接近し、溝部断面積が狭くなり、作動液８（図６参照）の流れが悪くなる。

＜フィン根元幅Ｂ：０.０５ｍｍ以上０.２５ｍｍ以下＞
フィン根元幅Ｂが０．０５ｍｍ未満では、フィン３の成形が困難であり、一方、０．２５ｍｍを超えると、溝部断面積が小さくなり、溝部２での保持が可能な水量が少なく、蒸発部１２側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、また、水不足のために温度が異常に上昇するドライアウトを生じることがある。そのため、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が低下する。

＜溝底幅Ｌ：０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下＞
溝底幅Ｌが０．１０ｍｍ未満では、作動液８が、その表面張力のために溝部２に入り難く、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が低下する。また、フィン３の成形が困難となる。一方、０．３０ｍｍを超えると、後記するメニカスを形成する角度αが小さくなり、溝部２に凝縮する作動液８に働く毛細管力ΔＰ（図２（ａ）、（ｂ）参照）が低くなる。そのため、凝縮部１１から蒸発部１２（図６参照）への作動液８の循環量が少なく、蒸発部１２で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が低下する。

これは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、フィンの斜面３ａ、３ａ´と作動液８で形成されるメニスカスを観察することでも容易に確認することができる。なお、毛細管力ΔＰは、ΔＰ＝（２σ・ｃｏｓα）／Ｌで求めることができる。ΔＰの式において、水のσは表面張力、Ｌは溝底幅、αはメニスカスの角度を表す。

＜山頂角Ｑ１：２５°以下＞
山頂角Ｑ１は、図１（ｂ）に示すように、フィン３の両斜面３ａ、３ａのなす角度であり、前記斜面が垂直に近い程（山頂角Ｑ１が小さい程）、前記したメニスカスを形成する角度αが大きくなり、両斜面３ａ、３ａ´と溝底部２ａとで形成される溝部２に凝縮した作動液８の毛細管力が高くなる（図２（ａ）、（ｂ）参照）。その結果、作動液８の高い毛細管力によって、凝縮部１１から蒸発部１２への作動液８の循環量が多く、蒸発部１２で液体が気体蒸発するときの潜熱が多くなり、熱伝達性能が向上するため、冷却性能の向上を図ることができる。

したがって、山頂角Ｑ１が２５°を超えると、溝部に凝縮する作動液８に働く毛細管力が低くなり（メニスカスを形成する角度αが小さくなる）、凝縮部１１から蒸発部１２への作動液８の循環量が少なく、蒸発部１２で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が低下する。なお、山頂角Ｑ１は、０°であってもよいが、０°未満であるとフィン３の成形性が悪化して量産が困難となりやすいため、山頂角は、０°以上とするのが好ましい。

＜リード角θ：５°以下＞
リード角θを５°以下にする理由について、図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
図３は、ヒートパイプを図７のように断面形状が扁平状（断面が、直線および特定の曲率半径を有する円弧で形成される）となるように加工した場合の、管軸を含む水平断面図(下側断面)である。図３（ａ）は、本発明の規定値より大きいリード角を有する場合、図３（ｂ）は、本発明の規定範囲のリード角を有する場合の模式図である。また、図３（ａ）、（ｂ）のＸ１およびＸ２は、ヒートパイプ用伝熱管２０、３０において、凝縮部１１側から蒸発部１２側に作動液８が流れる間に(図６参照)、扁平断面の円弧部（図７（ａ）参照）を通過する溝２２、３２、Ｙ１およびＹ２は、前記円弧部を通過しない溝２２、３２である。溝Ｘ１およびＸ２を流れる冷媒は、円弧部において、水平断面の下側から上側に流れる位置が変わる。また、溝Ｘ１およびＸ２が直線部から円弧部に移行する部分では（図７（ａ）参照）、そのリード角θが連続的に大きくなる。このような理由により、凝縮部１１側から蒸発部１２側に作動液８が流れる間に(図６参照)、円弧部を通過する溝２２、３２においては、作動液８の流れが妨害される。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、扁平状ヒートパイプにおいては、溝２２、３２のリード角θが大きくなるほど円弧部を通過する溝２２、３２の数が多く、且つ円弧部を通過しない溝２２、３２の数が少なくなる。そのため、リード角θが大きいほど、凝縮部１１側から蒸発部１２側に流れる単位時間あたりの作動液８の量が減少し、ヒートパイプの冷却性能が低下しやすくなる。リード角θが５°を超えると、前記理由により、円弧部を通過する溝数が多くなり、ヒートパイプとしての冷却性能が低下することから、リード角を５°以下とする。

このように、リード角θが大きいヒートパイプ用伝熱管２０を偏平加工して作製したヒートパイプの方が、リード角θが小さいヒートパイプ用伝熱管伝熱管３０を偏平加工して作製したヒートパイプに比べ、円弧部を通過する溝２２、３２の数が多いため、凝縮部１１から蒸発部１２への作動液８の循環量が少なくなる。そのため蒸発部１２側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、また、水不足で温度が異常に上昇するドライアウトを生じることがある。したがって、リード角θが大きくなるにつれて、冷却性能は低下することとなる。

また、円弧部では、フィン同士の隙間が狭くなるため（図７（ａ）、（ｂ）参照）、作動液８の流れの抵抗が大きくなることにより、その流動が阻害される。リード角θが５°を超えると、円弧部を通過するフィン３の数が多くなることから、作動液８の流れを阻害するフィン３の割合が多くなり、凝縮部１１から蒸発部１２への作動液の循環量が少なく、蒸発部１２で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が低下する。

さらに、リード角θの内面溝付管では、管長さｌにおける溝の長さはｌ/ｃｏｓθとなる。リード角θが小さいほど、作動液８の流路となる溝部２の長さ、すなわち、凝縮部１１から蒸発部１２までの溝部２の長さを短くすることができるため、凝縮した作動液８の戻りを早くすることが可能となり、冷却性能を向上させることができる。
しかし、リード角θが５°を超えると、凝縮した作動液８の戻りを早くすることができず、冷却性能の向上を図ることができない。

なお、リード角θは、０°であってもよい。リード角θが０°というのは、フィン３が管軸に対して平行に形成されていることを意味し、リード角が０°を超える角度は、フィン３が管軸に対して螺旋状に形成されていることを意味する。また、螺旋状に形成する場合、管軸方向に対し、右巻き螺旋、左巻き螺旋のどちらでもよいが、すべてのフィン３が同一方向に螺旋を形成するのが好ましい。

また、ヒートパイプ用伝熱管の他の形態として、曲率半径ｒ、フィン高さｈ、フィン根元幅Ｂ、溝底幅Ｌ、リード角θを、前記と同様に所定に規定すると共に、図１（ｃ）に示すように、フィンが、フィン根元のフィン本体部４と、このフィン本体部４の先端に形成されたフィン先端部５とからなるものであり、フィン先端部５の両斜面５ａ、５ａのなす山頂角Ｐを、フィン本体部４の両斜面４ａ、４ａのなす山頂角Ｑ２よりも大きく形成し、山頂角Ｑ２を２５°以下としてもよい。

先端側の山頂角Ｐを、溝底側の山頂角Ｑ２より大きく形成することで、円弧部での溝部断面積が確保でき、蒸発部１２側での潜熱の移動量が多くなり熱伝達性能が向上し、冷却性能が向上する。
なお、フィン先端部５の高さｈ´は、全フィン高さの１／８以上とするのが好ましい。１／８より低いと、フィン先端部５を加工しにくく、また、円弧部でのフィン接近防止効果が小さくなる。なお、上限値は、７／８以下とするのが好ましい。また、山頂角Ｐの角度は、１０〜５０°が好ましい。山頂角Ｐの角度が１０°未満では、Ｑ２＜Ｐの形状とする必要があることから、フィンの形状が針状に近くなり、フィンを加工しにくく、５０°を超えると、フィン先端部５の高さｈ´が小さくなるため、円弧部での溝部断面積確保の効果が小さくなる。
なお、フィンの形態を、他の形態としたこと以外については、前記説明したとおりであるので、ここでは説明を省略する。

≪ヒートパイプ用伝熱管の作製方法≫
次に、ヒートパイプ用伝熱管の作製方法について説明する。
ヒートパイプ用伝熱管の内周面のフィンは、例えば、転造加工法により形成することができる。具体的には、図４に示すように、フィンに対応した溝形状が施された溝付プラグ７を、所定の径の素管（銅管）６の内側に挿入する。そして、スチールボール９を素管６の外側から圧下しながら遊星回転させる。そして、素管６を抽伸方向に引き抜くことにより、溝付プラグ７が回転し、素管６の内周面に連続的に所定形状のフィンが加工され、ヒートパイプ用伝熱管が作製される。なお、ヒートパイプ用伝熱管の内周面へのフィン加工は、ボール転造加工法だけでなく、ロール転造加工法でもよい。また、転造加工法に限定されず、例えば圧延加工法によっても行うことができる。

また、溝付プラグ７の溝深さＨ、溝根元半径Ｒ、溝山頂角δ、溝リード角（図示せず）等は、前記のヒートパイプ用伝熱管１のフィン高さｈ、曲率半径ｒ、山頂角Ｑ１（Ｑ２、Ｐ）およびリード角θ等（図１（ａ）、（ｂ）参照）に対応して決定される。
なお、フィンを、フィン本体部とフィン先端部とからなる形状とするには、溝付プラグ７を予めそのような形状に加工することにより行う。

≪ヒートパイプの作製方法≫
次に、ヒートパイプの作製方法について説明する。
前記のヒートパイプ用伝熱管を所定の長さに切断後、その一端をＴＩＧ溶接により封止する。片側が封止されたヒートパイプ用伝熱管に所定量の作動液を注入後、管内の作動液を蒸発させながら、もう一端をＴＩＧ溶接によって封止する事で、パイプ内部が真空に近い状態のヒートパイプを作製することができる。なお、作動液の注入量は、熱伝達率や最大熱輸送量を勘案すると、蒸発部の内容積の２０〜３５％程度とするのが好ましい。しかしながら、注入量は、これに限定さるものではない。また、作動液としては、水、メチルアルコール等が使用され、特に、表面張力が大きく、毛細管力が高くなる水（純水）が好ましいが、本発明の作動液を水（純水）に限定するものではない。

図５（ａ）に示すように、前記のようにして作製されたヒートパイプ１０１は、ノート型パソコンの冷却装置１００に好適に用いることができる。そして、ヒートパイプ１０１の一端は蒸発部１２としてＣＰＵ１０４等の発熱体と当接してかかる部分の熱を吸熱し、他端は凝縮部（放熱部）１１としてアルミフィン１０５により放熱され、このアルミフィン１０５が、小型ファン１０２等によって冷却される（図６参照）。また、ヒートパイプ用伝熱管は、その管軸方向に直交する断面の形状が、例えば、楕円形や半円形である扁平形状にすることが好ましい。ヒートパイプ用伝熱管を扁平形状にするにすることによって、放熱体（例えば放熱板１０３）および発熱体（例えばＣＰＵ１０４）との当接面積が大きくなり、放熱による作動液の凝縮効率が高くなると共に、吸熱による作動液の蒸発効率が高くなり、凝縮部から蒸発部への作動液の循環量が多くなる。さらに、本発明の一実施形態として挙げたヒートパイプ１０１は、その他の電子機器、例えば、デスクトップ型パソコンや各種の家電製品等にも好適に用いることができる。なお、本発明に係るヒートパイプ用伝熱管は、冷媒として水を用いるヒートパイプに、特に適するものである。

以下、本発明の要件を満たす実施例および本発明の要件を満たさない比較例について、具体的に説明する。

まず、表１に示す構成を備えるヒートパイプ用伝熱管を作製した。次に、この伝熱管を２１０ｍｍの長さに切断した後、内面を十分洗浄し、油分を除去した。次に、片方の管端を縮径（口絞り長さ５ｍｍ）し、Ｔｉｇ溶接で塞ぎ、もう一端も縮径した（口絞り長さ５ｍｍ）。そして、Ｔｉｇ溶接していない管端から水を６００±２０ｍｇ入れ、水が漏れないように伝熱管を温め、管内の水を蒸発させながら、もう一端をＴｉｇ溶接して塞いだ。

このようにして作製した長さ２００ｍｍ、外径６ｍｍのヒートパイプを扁平加工(厚さ３ｍｍ、幅８ｍｍ)して、扁平状ヒートパイプとして冷却性能を評価した。
なお、表１において、実施例２〜１０、比較例８、１１〜１８は、フィンを、フィン本体部と、フィン先端部とから構成したものである。
また、表１において、本発明の構成を満たさないもの等については、数値に下線を引いて示す。

≪評価方法≫
冷却性能は、以下に説明する性能測定を行うことにより評価した。
＜性能測定方法＞
図８（ａ）は、冷却性能を測定する際のヒートパイプの形状を示す模式図、（ｂ）は、冷却性能の測定方法を示す模式図である。
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、前記作製したヒートパイプを、Ｌ曲げ半径３０ｍｍに加工して、先端をヒーターの内部に挿入し（図８（ｂ）では、ヒーター内部断面の状態を模式的に示している）、ヒーターで、管端から２５ｍｍの範囲を加熱した。なお、ヒーターの入力電力は３０Ｗとし、熱伝対はＴ型（銅−コンスタンタン熱電対）を使用した。次に、管端から１０ｍｍの部位のヒートパイプ表面温度を加熱部温度Ｔｈとして、加熱１０分後に加熱部温度Ｔｈを測定すると共に、雰囲気温度Ｔａを測定した。
なお、ここでの雰囲気温度Ｔａとは、ヒーターから、約２０ｃｍ離れた試験環境の室温のことである。

測定した加熱部温度Ｔｈおよび雰囲気温度Ｔａと、ヒーターの入力電力Ｗから伝熱管の効率ＱＪを式「ＱＪ＝(Ｔｈ−Ｔａ)／Ｗ」により求めた。ＱＪの値は、小さいほどヒートパイプの冷却性能が優れていることを示し、１．４以下が良好なヒートパイプである。したがって、ＱＪの値が１．４以下のものを冷却性能が良好（○）、１．４を超えるものを冷却性能が不良（×）とした。
以上の結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１〜１７は、曲率半径ｒ、フィン高さｈ、フィン根元幅Ｂ、溝底幅Ｌ、山頂角Ｑ１（Ｑ２）、Ｐ、リード角θすべてが本発明の範囲を満足するため、ＱＪの値が１．４以下となり、冷却性能が良好であった。

一方、比較例１、１１は、曲率半径ｒが本発明の範囲の上限値を超えるため、溝部に保持される水膜の厚さが大きくなると共に、フィンの根元部分において、溝部に保持する水との接触長さが短くなった。そのため、蒸発部側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。比較例２、１２は、フィン高さｈが本発明の範囲の下限値未満であるため、溝部断面積が小さくなり、溝部での保持が可能な水量が少なくなった。そのため、蒸発部側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。

比較例３、１３は、フィン高さｈが本発明の範囲の上限値を超えるため、円弧部での溝部面積が狭くなり、作動液の流れが悪くなったため、冷却性能が不良であった。また、フィン３の成形性が悪化した。比較例４、１４は、フィン高さｈが本発明の範囲の下限値未満であるため、溝部断面積が小さくなり、溝部での保持が可能な水量が少なくなった。そのため、蒸発部側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。また、フィン根元幅Ｂが本発明の範囲の下限値未満であるため、フィンの成形が困難であった。

比較例５、１５は、フィン根元幅Ｂが本発明の範囲の上限値を超えるため、溝部断面積が小さくなり、溝部での保持が可能な水量が少なくなった。そのため、蒸発部側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。比較例６、１６は、フィン高さｈが本発明の範囲の下限値未満であるため、溝部断面積が小さくなり、溝部での保持が可能な水量が少なく、蒸発部側での潜熱による熱の移動が盛んに行われず、また、溝底幅Ｌが本発明の範囲の下限値未満であるため、作動液が、表面張力のために溝部に入り難かった。そのため、熱伝達性能が悪化し、冷却性能が不良であった。また、フィンの成形が困難であった。

比較例７、１７は、溝底幅Ｌが本発明の範囲の上限値を超えるため、溝部に凝縮する作動液に働く毛細管力が低くなり、凝縮部から蒸発部への作動液の循環量が少なくなった。そのため、蒸発部で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、冷却性能が不良であった。比較例８は、山頂角Ｑ２が本発明の範囲の上限値を超えるため、溝部に凝縮する作動液に働く毛細管力が低くなり、凝縮部から蒸発部への作動液の循環量が少なくなった。そのため、蒸発部で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。また、山頂角Ｐが、山頂角Ｑ２よりも小さいため、円弧部での溝部断面積が確保できず、蒸発部側での潜熱の移動量が少なくなり、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。

比較例９は、山頂角Ｑ１が上限値を超えるため、溝部に凝縮する作動液に働く毛細管力が低くなり、凝縮部から蒸発部への作動液の循環量が少なくなった。そのため、蒸発部で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、熱伝達性能が悪化したため、冷却性能が不良であった。比較例１０、１８は、リード角θが本発明の範囲の上限値を超えるため、円弧部を通過するフィンの数が多くなることから、作動液の流れを阻害されるフィンの割合が多くなり、凝縮部から蒸発部への作動液の循環量が少なくなった。そのため、蒸発部で液体が気体蒸発するときの潜熱が少なくなり、冷熱伝達性能が悪化したため、却性能が不良であった。また、凝縮した作動液の戻りを早くすることができず、冷却性能が不良であった。

以上、本発明に係るヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプについて最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。

（ａ）は、本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の管軸方向における部分断面図、（ｂ）は、管軸直交方向における部分断面図、（ｃ）は、ヒートパイプ用伝熱管のフィンの他の形態を示す模式図である。 （ａ）は、本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の溝部に形成される作動液のメニスカスの形成状況を示す説明図、（ｂ）は、（ａ）の要部拡大図である。 （ａ）は、本発明の規定値より大きいリード角を有するヒートパイプ用伝熱管を偏平加工した場合の管軸方向の部分断面を示す模式図、（ｂ）は、本発明の規定範囲のリード角を有するヒートパイプ用伝熱管を偏平加工した場合の管軸方向の部分断面を示す模式図である。 本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の製造における、転造加工前の素管および溝付プラグの部分断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、ヒートパイプの使用形態の一例を示す模式図である。 ヒートパイプの内部の作用を説明するための説明図である。 （ａ）は、扁平形状にしたヒートパイプ用伝熱管（内面溝付管）の管軸直交方向における断面図、（ｂ）は、（ａ）の要部拡大図である。 （ａ）は、冷却性能を測定する際のヒートパイプの形状を示す模式図、（ｂ）は、冷却性能の測定方法を示す模式図である。

符号の説明

１ ヒートパイプ用伝熱管
２ 溝部
３ フィン
３ａ、３ａ´４ａ、５ａ 斜面
４ フィン本体部
５ フィン先端部
８ 作動液
１０、１０１ ヒートパイプ
Ｂ フィン根元幅
ｈ フィン高さ
Ｌ 溝底幅
Ｐ、Ｑ１、Ｑ２ 山頂角
ｒ 曲率半径
θ リード角

Claims (4)

1. ヒートパイプに使用されるヒートパイプ用伝熱管であって、
   管内面には、多数の溝と、この溝間に形成されたフィンとを有しており、
   前記フィンと溝部との接続部の曲率半径ｒが０．０３ｍｍ以下、フィン高さｈが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、フィン根元幅Ｂが０.０５ｍｍ以上０.２５ｍｍ以下、溝底幅Ｌが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、前記フィンの両斜面のなす山頂角Ｑ１が２５°以下、前記フィンと管軸とがなすリード角θが５°以下であることを特徴とするヒートパイプ用伝熱管。
2. ヒートパイプに使用されるヒートパイプ用伝熱管であって、
   管内面には、多数の溝と、この溝間に形成されたフィンとを有しており、
   前記フィンは、フィン根元のフィン本体部と、このフィン本体部の先端に形成されたフィン先端部とからなり、前記フィン先端部の両斜面のなす山頂角Ｐが、前記フィン本体部の両斜面のなす山頂角Ｑ２よりも大きく形成されており、
   前記フィンと溝部との接続部の曲率半径ｒが０．０３ｍｍ以下、フィン高さｈが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、フィン根元幅Ｂが０.０５ｍｍ以上０.２５ｍｍ以下、溝底幅Ｌが０.１０ｍｍ以上０.３０ｍｍ以下、前記フィン本体部の両斜面のなす山頂角Ｑ２が２５°以下、前記フィンと管軸とがなすリード角θが５°以下であることを特徴とするヒートパイプ用伝熱管。
3. 請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ用伝熱管を使用したことを特徴とするヒートパイプ。
4. 前記ヒートパイプ用伝熱管を扁平形状にしたことを特徴とする請求項３に記載のヒートパイプ。

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