JP2013245898A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】始動性のよい自励振動ヒートパイプを提供する。
【解決手段】発熱部３と冷却部５との間を、閉ループをなした空洞の１本の細管７を複数回、往復させる。そして、ヒートパイプ１の一方の面に、発熱部３から冷却部５へ熱を伝導させる伝熱部２４を配置する。そして、伝熱部２４によって冷却部５へ熱を伝導させることにより、冷却部５において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぎ、始動性の向上、発熱部３における液枯れによるバーンアウトを回避する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートパイプに関する。

発熱体の冷却を小空間で有効に行うための放熱器としてヒートパイプ方式の放熱器が知られている。この種の放熱器のうち、自励振動型ヒートパイプは、液体（作動液）の沸騰による液体の圧力振動を利用して液体を移動させるものである。例えば、特許文献１によれば、ループ型細管ヒートパイプに充填される作動液として、蒸発及び凝縮の潜熱が小さ過ぎ、熱輸送能力が低いとされた作動液であっても、ヒートパイプの使用温度で動粘性係数が小さく、かつ飽和蒸気圧が大きい作動液は、作動液循環速度の増加により、冷却能力を飛躍的に増大できるとしている。

具体的には、作動液としてフレオン１１を使用した場合の熱輸送能力が、純水を使用した場合に比較して数分の一に過ぎないとされていたが、特許文献１に記載のループ型細管ヒートパイプでは、フレオン１１を使用した場合、純水を使用した場合よりも、１０〜５０％大きな熱輸送能力が発揮されるとしている。

また、特許文献２は、特にトップヒートモードにおける冷却性能を改善したループ型細管ヒートパイプを開示している。

特開昭６３−３１８４９３号公報 特開平４−１４８１９０号公報

上述した従来のループ型細管ヒートパイプでは、作動液としての水は蒸発及び凝縮潜熱が大きいため、熱輸送能力が高いにもかかわらず、蒸発及び凝縮潜熱の小さいフレオン１１と比較して、水を使用した場合の本来的な熱輸送能力が発揮されていないという問題があった。この原因として、従来のループ型細管ヒートパイプにおいて作動液（水）が冷却部で冷やされ過ぎて、冷却部で気泡が消滅し、吸熱部に気泡が集中することが考えられる。

その結果、従来のヒートパイプでは、蒸発すべき作動液（水）が枯渇して蒸発が起こらなくなり、自励振動も発生しないため温度輸送がされなくなり、吸熱部の温度が上昇するという問題があった。すなわち、従来のヒートパイプでは、低沸点（２４℃）の作動液であるフレオン１１と、高沸点（１００℃）の作動液としての水とに対して、ヒートパイプの冷却部がほぼ同温度（例えば、約１８〜２４℃）で冷却されているため、沸点の高い作動液（水）では、始動性を確保できないという問題があった。

また、ループ型細管ヒートパイプにおいて、熱輸送能力が不足している状態で、急激に大きな熱負荷がかかると、吸熱部の金属細管内面で液柱、または液膜が蒸発して乾く「ドライアウト現象」が起こり、ヒートパイプの自励振動が抑制される。これに伴って、吸熱部の温度が上昇し、冷却対象素子の熱破壊（バーンアウト）が起きる。そして、これら一連の動作・現象は、特にヒートパイプの始動時において問題となる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、吸熱部の過熱によるドライアウト、及びバーンアウトを回避し、高い冷却能力を発現可能なヒートパイプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載のヒートパイプは、外部からの熱を吸収する吸熱部と、外部に熱を放出する放熱部と、前記吸熱部と前記放熱部との間に、冷媒が充填された流路を形成する管路部と、前記吸熱部から前記放熱部へ熱を伝導させる伝熱部と、を備える。これにより、ヒートパイプの始動性が向上し、吸熱部におけるバーンアウトを回避することができる。

請求項２に記載のヒートパイプでは、前記管路部は、前記吸熱部と前記放熱部との間を往復し、前記冷媒が充填された閉ループの流路を形成し、前記ヒートパイプを、自励振動ヒートパイプとする。

請求項３に記載のヒートパイプでは、前記伝熱部は、金属板で形成される。請求項４に記載のヒートパイプでは、前記伝熱部は、高熱伝導部材で形成される。

請求項５に記載のヒートパイプでは、前記伝熱部を、ウィック式ヒートパイプとする。請求項６に記載のヒートパイプでは、前記伝熱部を、自励振動ヒートパイプとする。

請求項７に記載の自励振動ヒートパイプでは、前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記放熱部を冷却する冷却装置を、前記管路部の他方端側に配置するとともに、前記発熱源と前記冷却装置を前記管路部の一方の面上に配置し、前記伝熱部を前記管路部の他方の面上であって、前記発熱源の反対側の位置から前記冷却装置の反対側の位置までの領域に配置した。

請求項８に記載のヒートパイプにおいて、前記管路部は、熱伝導可能な部材で形成されている。また、請求項９に記載のヒートパイプにおいて、前記冷媒が水であることを特徴とする。

本発明に係るヒートパイプは、始動性が向上し、吸熱部におけるバーンアウトを回避できるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構造を示す分解斜視図である。 第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価装置の構成を模式的に示した断面構成図である。 第２の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価装置の構成を模式的に示した断面構成図である。 第３の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価装置の構成を模式的に示した断面構成図である。 第４の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価装置の構成を模式的に示した断面構成図である。 第４の実施形態に係るヒートパイプの構成を模式的に示した断面構成図ある。 （ａ）は、実施形態の変形例に係る自励振動ヒートパイプの全体構成を示す斜視図であり、（ｂ）はその側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ（単にヒートパイプともいう）の構成を模式的に示している。また、図２は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプにおけるヒートパイプの構造を示す分解斜視図である。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０では、図１及び図２に示すように、全体が平板構造のヒートパイプ１の一方端側に発熱部（吸熱部ともいう）３が配置され、他方端側に冷却部（放熱部ともいう）５が配置されている。

さらに、発熱部３と冷却部５との間には、冷媒（熱媒体、又は作動液ともいう）が封入された、閉ループ状をなす１本の細管７が往復している。細管７は、封入された冷媒が図中の矢印方向に流れるとした場合、冷却部５から発熱部３に至る往路７ａと、発熱部３から冷却部５に至る復路７ｂと、これら往路７ａと復路７ｂとを連結する連結部分７ｃとで構成され、連結部分７ｃで折り返す構造になっている。

ここで、「閉ループ状」とは、往路７ａ、復路７ｂ、及び連結部分７ｃを含む細管７の経路が、同一平面上で一筆書きできることを意味しており、かつ、その一筆書きが閉じている状態を指す。また、細管７について、発熱部３と冷却部５との間を往復する回数に制限はない。

図１に示す自励振動型ヒートパイプ３０は、細管７内に封入した冷媒（熱媒体）を循環させる駆動力として、細管７内で発生する圧力振動を用いている。すなわち、細管７のうち発熱部３に位置する部分に流入した液相の冷媒は、発熱体（不図示）における発熱量の増加とともに発熱部３の温度が上昇し、沸騰して（蒸気泡を発生して）気相へと変化し、同時に圧力が上昇する。封入された冷媒は、細管７内において気相状態と液相状態が交互に存在し、その気相の膨張により液相と気相が熱とともに冷却部５の方へ移動する。

冷却部５は、細管７を経由して送られてきた気相の冷媒の熱を受け取り、その熱を外部に放出する。つまり、細管７のうち冷却部５に位置する部分で冷媒が冷却されると気相が収縮して（蒸気泡が収縮、または凝縮して）、圧力の降下と冷媒の温度降下が生じ、冷媒は気相から液相へ変化する。そして、冷却された液相が細管７を通って発熱部３の方へ戻る。

自励振動型のヒートパイプ１は、液相の冷媒が蒸発して、それが冷媒の循環流の駆動力である圧力変動をもたらし、発熱部３と冷却部５の圧力差により自励的に発生する圧力振動により、細管７内に閉じ込められた気相と液相の冷媒が、圧力の高い発熱部３から圧力の低い冷却部５へ移動する自励振動によって熱を輸送する。このように、自励振動型ヒートパイプ３０では、細管７内での冷媒の循環が繰り返され、熱媒体の移動により潜熱と顕熱の両方の熱が同時に輸送されることで、外部の発熱体の冷却が連続して行われる。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプのヒートパイプ１では、図２に示すように、熱伝導性の良好な金属、例えば銅製のケース（筐体）２１内に溝８を形成し、その溝８を流路としている。ケースの寸法は、例えば、長辺Ｌが２００ｍｍ、短辺Ｗが５０ｍｍ、厚さＴ１が２．５ｍｍである。また、流路である溝８は、幅が約１ｍｍ、発熱部３と冷却部５間での長さＬｐが約１９０ｍｍである。各流路は、互いに隣接する端部が、発熱部３と冷却部５において１つおきに連結され、全体として、一筆書きのループ状をなした蛇行細管となっている。

さらに、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプのヒートパイプ１では、上記の筐体２１に密着しながら溝８を覆う銅製のケース（蓋）２２を被せ、これら筐体２１と蓋２２とを拡散接合により気密性及び水密性を保ちながら一体化する。蓋２２の寸法は、例えば、長辺Ｌが２００ｍｍ、短辺Ｗが５０ｍｍ、厚さＴ２が０．５ｍｍである。なお、ここでは、図示を省略するが、ケース２１の端部の一個所に穴をあけた後、直径約３ｍｍのＳＵＳ製パイプを差し込んで、例えば、ロウ付けする。このパイプを介して流路内の真空引きを行うとともに、作動液の注入口とする。また、冷媒の充填率は、例えば５０％とし、ロータリーポンプ等により、流路内を真空にした後、所定量（５０％）の冷媒を充填後、注入口を封止して平型自励振動ヒートパイプを完成させる。なお、本実施例のヒートパイプ１を、熱伝導率が高く加工のし易い銅を用いて形成した場合を例に説明したが、軽量化のためにはアルミを用い、高強度（高温で使用）のためには鉄（ＳＵＳ）を用いることも有効である。

図３は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの全体構成を模式的に示す断面構成図である。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０は、図３において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１及び伝熱部２４を含んで構成される。また、図３に示すマルチメータ１７、熱電対１９、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。よって、図３に示す構成は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３０を含む性能評価装置と位置づけることもできる。なお、ヒートパイプ１には、図３では省略したが、発熱部３と冷却部５間を往復する管路が配置されている。

発熱源２３は、平型自励振動ヒートパイプ３０による冷却対象であり、ヒートパイプ１の一端部に配置される。発熱源２３は、例えば、動作時の発熱量が大きく、電力制御等に用いられる電子素子（例えば、半導体チップ）であるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びダイオードを回路基板にハンダ付けして固定した後、配線のためアルミニウム線でワイヤーボンドし、樹脂で封止したもの（パワーモジュール）である。また、上記のパワーモジュールを、熱伝導シートを介してヒートパイプ１の発熱部３に固定する構成が考えられる。なお、ＩＧＢＴは、例えば、縦が約１０ｍｍ、横が約１０ｍｍ、厚さが約１００μｍの大きさを有する矩形の素子である。

本実施形態では、平型自励振動ヒートパイプ３０の基礎データを測定するため、上述したパワーモジュールに代えて、直径約６ｍｍのカートリッジヒータを銅ブロックに埋め込んで構成した発熱源２３を使用した。そして、この発熱源２３に対する電源１０からの投入電力を変えることで、発熱源２３における発熱量を制御した。

冷却装置２５は、ヒートパイプ１の放熱を行うために付加される装置であり、ヒートパイプ１の他方端部に配置される。ここでは、銅ブロックの内部に円筒状に孔をあけ、それらの孔を水路とした冷却装置を用いた。そして、この冷却装置２５を、図示しない熱伝導シートを介してヒートパイプ１の冷却部５に接触させ、恒温水槽から水を循環させて温度制御を行った。

ヒートパイプ１の表面であって、発熱源２３及び冷却装置２５の設置面と反対側の面に配置した伝熱部２４は、ヒートパイプ１の発熱部３から冷却部５へ熱を伝導させるための機構である。また、伝熱部２４は、ヒートパイプ１の表面であって、かつ、発熱源２３の反対側の位置から冷却装置２５の反対側の位置までの領域に配置されている。ここでは、伝熱部２４として、厚さ３ｍｍの配向性グラファイト（熱伝導率１５００Ｗ／ｍ・ｋ）をアルミで鋳包んだもので、長辺２００ｍ、短辺５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの金属板を使用し、ハンダ付けを行うことで、ヒートパイプ１と一体化した。自励振動を用いない、通常の伝熱であるため、開始温度の概念はなく（制約がなく）、熱が印加されると直ちに伝熱を開始する。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価について説明する。なお、平型自励振動ヒートパイプ３０の性能評価と効果の検証のため、図３に示すように、ヒートパイプ１の表面であって、ヒートパイプ１を挟んで発熱源２３の反対側に熱電対１９を貼り付け、その熱電対１９で検知した温度を発熱源２３の温度としてマルチメータ１７で実測（例えば、目視で確認）できるようにした。以下、投入電力５０Ｗにおける結果を示す。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと、第１比較例としてのヒートパイプと、第２比較例としての伝熱部とについて、それぞれの冷却性能を対比する。第１比較例としたヒートパイプは、冷却部へ伝熱する伝熱部を有しない。そのため、第１比較例のヒートパイプでは、これほど小さな入熱量では自励振動が起こらず、熱を輸送する能力を発揮できない。発熱源２３の温度は、９０℃以上になった。

第２比較例とした伝熱部は、ヒートパイプを有しない。そのため、第２比較例の伝熱部は、発熱源２３の温度は、１１０℃以上となった。

これに対して、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、伝熱部２４によって、発熱源２３の温度が、６０℃付近に保たれた。

以上説明したように、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、閉ループをなした空洞の１本の細管（流路）を発熱部と冷却部との間を複数回、往復させると共に、ヒートパイプの一方の面に、発熱部から冷却部へ熱を伝導させる伝熱部を配置する。こうすることで、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることがないので、冷却部で気泡が消滅することがない。すなわち、冷却部において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぐことができる。

また、特に冷却部の温度が低いヒートパイプの始動時においても、伝熱部による冷却部への熱の伝導により気柱の運動性が確保され、高い冷却能力が発揮される。その結果、自励振動ヒートパイプの始動性を確保するとともに、発熱部における液枯れによるバーンアウトを回避できる。
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示している。なお、図４において、図３に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと同一構成には同一符号を付して、ここでは、それらの説明を省略する。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ２３０も、図４において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１及び伝熱部２２４を含んで構成される。なお、マルチメータ１７、熱電対１９、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ２３０では、ヒートパイプ１の発熱部３から冷却部５へ熱を伝導させる伝熱部２２４として、高熱伝導材料で形成した板状部材を用いる。本実施の形態では、伝熱部２２４として、例えば、長さ１０ｃｍ、幅約３ｃｍ、厚さ３ｍｍの配向性グラファイトをアルミで鋳包んだものを用いている。即ち、ヒートパイプ１に対して、材質が異なり、長さも短い。ただし、自励振動を用いない、通常の伝熱であるため、開始温度の概念はなく（制約がなく）、熱が印加されると直ちに伝熱を開始する。また、上記の第１の実施の形態と同様に、ハンダ付けを行うことで、ヒートパイプ１と伝熱部２２４とを一体化している。

また、ヒートパイプ１の表面であって、発熱源２３及び冷却装置２５の設置面と反対側の面の、発熱源２３の反対側の位置から冷却装置２５の反対側の位置までの領域に、伝熱部２２４が配置されている。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価について説明する。なお、平型自励振動ヒートパイプ２３０の性能評価と効果の検証のため、図４に示すように、ヒートパイプ１の表面であって、ヒートパイプ１を挟んで発熱源２３の反対側に熱電対１９を貼り付け、その熱電対１９で検知した温度を発熱源２３の温度としてマルチメータ１７で実測（例えば、目視で確認）できるようにした。

室温（約３０℃）において、発熱源２３に電力６０Ｗを投入した場合における、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと、第１比較例としてのヒートパイプと、第２比較例としての伝熱部とについて、それぞれの冷却性能を対比する。第１比較例としたヒートパイプは、冷却部へ伝熱する伝熱部を有しない。そのため、第１比較例のヒートパイプでは、これほど小さな入熱量では自励振動が起こらず、熱を輸送する能力を発揮できない。

第２比較例とした伝熱部（グラファイト）は、ヒートパイプを有しない。そのため、第２比較例の伝熱部では、発熱部温度が約７０℃に上昇した。これは、伝熱部（グラファイト）の熱伝導率が約８００Ｗ／ｍ・Ｋであり、金属と比較すると（例えばアルミでは２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下）大きいものの、ヒートパイプほど熱伝導率が高くないためである。

これに対して、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、最初、発熱部温度が上昇した後、ヒートパイプ１が動作を開始し、伝熱が促進され、約４０℃に保たれていた。即に、伝熱部２２４（グラファイト）により発熱源２３からヒートパイプ１に拡散され、ヒートパイプ１の断熱部（発熱部３と冷却部５との間の部分）および冷却部５が加熱され、室温より高く保持されているため、ヒートパイプ１が自励振動するとともにその大きい熱輸送力により熱が冷却部５まで運ばれ、伝熱が促進されていた。

以上説明したように、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、ヒートパイプの一方の面に、発熱部から冷却部へ熱を伝導させるように、高熱伝導部材で形成された伝熱部を配置する。こうすることで、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることがないので、冷却部で気泡が消滅することがない。すなわち、冷却部において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぐことができる。

また、特に冷却部の温度が低いヒートパイプの始動時においても、伝熱部による冷却部への熱の伝導により気柱の運動性が確保され、高い冷却能力が発揮される。その結果、自励振動ヒートパイプの始動性を確保するとともに、発熱部における液枯れによるバーンアウトを回避できる。

なお、上記の実施の形態では、伝熱部を形成する高熱伝導部材として、グラファイトを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ダイヤ入り金属を用いて、伝熱部を形成してもよい。
＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の第３の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示している。なお、図５において、図３に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと同一構成には同一符号を付して、ここでは、それらの説明を省略する。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３３０も、図５において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１及び伝熱部３２４を含んで構成される。なお、マルチメータ１７、熱電対１９、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ３３０では、ヒートパイプ１の発熱部３から冷却部５へ熱を伝導させる伝熱部３２４として、例えば、長さ約２０ｃｍ、幅約３ｃｍ、厚さ２ｍｍのウィック式ヒートパイプを用いている。伝熱部３２４であるウィック式ヒートパイプでは、金属パイプの内部を真空に排気し、作動液体（水）を適量封入している。ヒートパイプ１の発熱部３により、金属パイプの一方端側を加熱し、ヒートパイプ１の冷却部５により、金属パイプの他方端側を冷却すると、発熱部３側で液体が蒸発して蒸気が発生し、その蒸気が冷却部側で凝縮して液体になる。また、伝熱部３２４であるウィック式ヒートパイプでは、金属パイプの内壁に金網（ウィック）または細かい溝（グルーブ）を取り付け、表面張力による毛管作用により凝縮液を、発熱部３側に還流する。このように、伝熱部３２４であるウィック式ヒートパイプは、ヒートパイプ１と熱輸送原理が異なる。従って、作動液はヒートパイプ１と同じ水であるが、減圧された容器内で潜熱輸送（水の蒸発熱により熱を輸送）を行うため、比較的低温から動作し、４０℃近辺でも動作する。ヒートパイプ１と伝熱部３２４とは、伝熱グリースを介して、冶具により挟持され一体化されている。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価について説明する。なお、平型自励振動ヒートパイプ３３０の性能評価と効果の検証のため、図５に示すように、ヒートパイプ１の表面であって、ヒートパイプ１を挟んで発熱源２３の反対側に熱電対１９を貼り付け、その熱電対１９で検知した温度を発熱源２３の温度としてマルチメータ１７で実測（例えば、目視で確認）できるようにした。

室温（約３０℃）において、発熱源２３に電力５０Ｗを投入したのち、１分後に１００Ｗを投入した場合における、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと、第１比較例としてのヒートパイプと、第２比較例としての伝熱部（ウィック式ヒートパイプ）とについて、それぞれの冷却性能を対比する。第１比較例としたヒートパイプは、冷却部へ伝熱する伝熱部を有しない。そのため、第１比較例のヒートパイプでは、これほど小さな入熱量では自励振動が起こらず、熱を輸送する能力を発揮できない。

第２比較例とした伝熱部（ウィック式ヒートパイプ）は、自励振動ヒートパイプを有しない。そのため、伝熱部のウィック式ヒートパイプの発熱部がバーンアウトし、ウィック式ヒートパイプの発熱部の温度が急激に上昇した。これは、伝熱部のウィック式ヒートパイプの最大熱輸送力が約６０Ｗであり、ウィック式ヒートパイプの発熱部がドライアウトしたためである。

これに対して、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、最初、発熱部３の温度が上昇した後、ヒートパイプ１が動作を開始し、伝熱が促進され、約４０℃に保たれていた。即に、伝熱部３２４（ウィック式ヒートパイプ）により発熱源２３からヒートパイプ１に拡散され、ヒートパイプ１の断熱部（発熱部３と冷却部５との間の部分）および冷却部５が加熱され、室温より高く保持されているため、ヒートパイプ１が自励振動するとともにその大きい熱輸送力により熱が冷却部５まで運ばれ、伝熱が促進されている。

以上説明したように、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、ヒートパイプの一方の面に、発熱部から冷却部へ熱を伝導させるように、ウィック式ヒートパイプである伝熱部を配置する。こうすることで、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることがないので、冷却部で気泡が消滅することがない。すなわち、冷却部において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぐことができる。

また、特に冷却部の温度が低いヒートパイプの始動時においても、伝熱部による冷却部への熱の伝導により気柱の運動性が確保され、高い冷却能力が発揮される。その結果、自励振動ヒートパイプの始動性を確保するとともに、発熱部における液枯れによるバーンアウトを回避できる。

なお、上記の実施の形態では、伝熱部として、ウィック式ヒートパイプを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、伝熱部として、ループ式ヒートパイプを用いてもよい。
＜第４の実施形態＞
図６は、本発明の第４の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの構成を模式的に示している。なお、図６において、図３に示す第１の実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと同一構成には同一符号を付して、ここでは、それらの説明を省略する。本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４３０も、図６において一点鎖線で囲んで示すように、ヒートパイプ１及び伝熱部４２４を含んで構成される。なお、マルチメータ１７、熱電対１９、発熱源２３、冷却装置２５等は、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価のために付加された部材である。
本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４３０では、図７に示すように、ヒートパイプ１と伝熱部４２４（自励振動ヒートパイプ）とを１つのケース２１に形成している。

本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４３０のヒートパイプ１は、例えば銅製のケース（筐体）２１内の上段に溝８を形成し、その溝８を流路としている。ケース２１の寸法は、例えば、長辺Ｌが２００ｍｍ、短辺Ｗが５０ｍｍ、厚さＴ１が４．５ｍｍである。また、流路である溝８は、幅が約２ｍｍ、発熱部３と冷却部５間での長さＬｐが約１９０ｍｍである。各流路は、互いに隣接する端部が、発熱部３と冷却部５において１つおきに連結され、全体として、一筆書きのループ状をなした蛇行細管となっている。

また、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプ４３０のヒートパイプ１の発熱部３から冷却部５へ熱を伝導させる伝熱部４２４（自励振動ヒートパイプ）として、銅製のケース（筐体）２１内の下段に溝４０８を形成し、その溝４０８を流路としている。流路である溝４０８は、幅が約１ｍｍ、発熱部と冷却部間での長さＬｐが約１９０ｍｍである。各流路は、互いに隣接する端部が、発熱部と冷却部において１つおきに連結され、全体として、一筆書きのループ状をなした蛇行細管となっている。

さらに、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプは、上記の筐体２１に密着しながら溝８の上を覆う銅製のケース（蓋）２２を被せると共に、上記の筐体２１に密着しながら溝４０８の下を覆う銅製のケース（蓋）４２２を被せ、これら筐体２１と蓋２２、４２２とを拡散接合により気密性及び水密性を保ちながら一体化する。蓋２２、４２２の寸法は、例えば、長辺Ｌが２００ｍｍ、短辺Ｗが５０ｍｍ、厚さＴ２、Ｔ３が０．５ｍｍである。なお、ここでは、図示を省略するが、ケース２１の端部の上段に一個所、下段に一箇所、それぞれ穴をあけた後、それぞれの穴に直径約３ｍｍのＳＵＳ製パイプを差し込んで、例えば、ロウ付けする。このパイプを介して流路内の真空引きを行うとともに、作動液の注入口とする。また、冷媒の充填率は、例えば５０％とし、ロータリーポンプ等により、それぞれの流路内を真空にした後、上段に所定量（５０％）の冷媒（純水）を充填し、下段に所定量（５０％）の冷媒（ブタン）を充填した後、注入口を封止して平型自励振動ヒートパイプを完成させる。

次に、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプの性能評価について説明する。なお、平型自励振動ヒートパイプ４３０の性能評価と効果の検証のため、図６に示すように、ヒートパイプ１の表面であって、ヒートパイプ１を挟んで発熱源２３の反対側に熱電対１９を貼り付け、その熱電対１９で検知した温度を発熱源２３の温度としてマルチメータ１７で実測（例えば、目視で確認）できるようにした。

室温（約３０℃）において、発熱源２３に電力２００Ｗを投入した場合における、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプと、第１比較例としてのヒートパイプと、第２比較例としての伝熱部とについて、それぞれの冷却性能を対比する。第１比較例としたヒートパイプは、冷却部へ伝熱する伝熱部を有しない。そのため、第１比較例のヒートパイプでは、これほど小さな入熱量では自励振動が起こらず、熱を輸送する能力を発揮できない。

第２比較例とした伝熱部（自励振動ヒートパイプ）は、上段のヒートパイプを有しない。そのため、第２比較例の伝熱部では、バーンアウトを起し、発熱源２３の温度は１００℃を超えた。

これに対して、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、上記の第１の実施の形態と同様の効果が得られた。ただし、水を封入したヒートパイプ１において、上記の第１の実施の形態より、やや低温から自励振動が開始した。これは、ヒートパイプ１と伝熱部４２４とが壁１枚で仕切られており、より温度の伝達が容易になったためと考えられる。

以上説明したように、本実施形態に係る平型自励振動ヒートパイプでは、ヒートパイプの一方の面に、発熱部から冷却部へ熱を伝導させるように、自励振動ヒートパイプである伝熱部を配置する。こうすることで、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることがないので、冷却部で気泡が消滅することがない。すなわち、冷却部において作動液の蒸発が過剰に凝縮して気栓が消滅して、液柱の運動が阻害されるのを防ぐことができる。

また、特に冷却部の温度が低いヒートパイプの始動時においても、伝熱部による冷却部への熱の伝導により気柱の運動性が確保され、高い冷却能力が発揮される。その結果、自励振動ヒートパイプの始動性を確保するとともに、発熱部における液枯れによるバーンアウトを回避できる。

なお、下段の自励振動ヒートパイプは、上段の自励振動ヒートパイプと比較して、最大熱輸送量が小さくとも、始動性が高いこと、即ち使用温度域において作動液が高い蒸気圧を有していることが必要である。この要件を満たす作動液は、ブタン等の炭化水素、エタノール等のアルコール、アセトン等のケトン、二酸化炭素、アンモニア、アロンなどが挙げられる。

本発明は、上記した実施形態に限定されず、種々の変更をして実施可能である。例えば、冷却装置として水冷ブロックを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、水冷プレート（フィン式、噴射式）、水冷ジャケット、オイルジャケット等を用いてもよい。また、冷却装置として、空冷フィン（押出しフィン、コルゲートフィン、ピンフィンなど）を用いてもよい。

また、発熱源がパワーモジュールである場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＬＳＩ素子や、レーザダイオードなどを、発熱源としてもよい。

また、上記各実施形態では、平板構造（平型）のヒートパイプに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、板状のヒートパイプ全体をＳ字形状、又はＺ字形状に成形した構造の自励振動ヒートパイプとしてもよい。図８（ａ）は、本変形例に係る自励振動ヒートパイプの全体構成を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す自励振動ヒートパイプを矢印方向から見たときの側面図である。

図８（ａ），（ｂ）において、例えば、細管からなるヒートパイプ６０は、Ｓ字形状（又は、Ｚ字形状）の伸縮自在なバネ構造（又は、折り曲げ構造）をなし、ヒートパイプ６０の上平面（発熱部）には、冷却対象として、回路基板６５にはんだ付けして固定された半導体チップ等の発熱素子６３が伝熱接着材によって伝熱的に接着されている。また、ヒートパイプ６０の下平面（冷却部）は、冷却装置としての放熱用の金属平板６７と、伝熱接着材によって一体化されている。すなわち、図８は、トップヒートモードでの使用状態を示している。

そこで、図８に示す自励振動ヒートパイプにおいて、上記各実施形態と同様に発熱部から冷却部へ熱を伝導させる伝熱部を配置することで、バネ構造体のヒートパイプのバネ圧によって、ヒートパイプの発熱部と発熱源（冷却対象）、ヒートパイプの冷却部と冷却装置がそれぞれ加圧接触されるとともに、冷却部において作動液が冷やされ過ぎることを回避して、自励振動ヒートパイプの始動性を確保することができる。

１ ヒートパイプ
３ 発熱部
５ 冷却部
７ 細管
２３ 発熱源
２４、２２４、３２４、４２４ 伝熱部
２５ 冷却装置
３０、２３０、３３０、４３０ 平型自励振動ヒートパイプ
６０ ヒートパイプ

Claims (9)

1. 外部からの熱を吸収する吸熱部と、
   外部に熱を放出する放熱部と、
   前記吸熱部と前記放熱部との間に、冷媒が充填された流路を形成する管路部と、
   前記吸熱部から前記放熱部へ熱を伝導させる伝熱部と、
   を備えたヒートパイプ。
2. 前記管路部は、前記吸熱部と前記放熱部との間を往復し、前記冷媒が充填された閉ループの流路を形成し、
   前記ヒートパイプを、自励振動ヒートパイプとした請求項１記載のヒートパイプ。
3. 前記伝熱部は、金属板で形成された請求項１又は２記載のヒートパイプ。
4. 前記伝熱部は、高熱伝導部材で形成された請求項１又は２記載のヒートパイプ。
5. 前記伝熱部を、ウィック式ヒートパイプとした請求項１又は２記載のヒートパイプ。
6. 前記伝熱部を、自励振動ヒートパイプとした請求項１又は２記載のヒートパイプ。
7. 前記発熱源を前記管路部の一方端側に配置し、前記放熱部を冷却する冷却装置を、前記管路部の他方端側に配置するとともに、前記発熱源と前記冷却装置を前記管路部の一方の面上に配置し、前記伝熱部を前記管路部の他方の面上であって、前記発熱源の反対側の位置から前記冷却装置の反対側の位置までの領域に配置した請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
8. 前記管路部は、熱伝導可能な部材で形成された請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
9. 前記冷媒を水とした請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のヒートパイプ。

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