JP2014115054A - 自励振動式ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、自励振動式ヒートパイプにおいて、受熱部が面する空間を有効に活用し、冷却効率の高いヒートパイプを実現する。
【解決手段】本明細書が開示するヒートパイプ２は、作動液を封止した流路４を有する平板型の筐体３を備える。筐体３の一方の面の受熱部Ｈｖに、発熱源ＨＳを取り付ける領域Ａｒが定められている。筐体３の他方の面側において、放熱部Ｈｒにフィン５が取り付けられているとともに、そのフィン５が、受熱部Ｈｖが面する空間にまで伸びている。受熱部Ｈｖにおける筐体３とフィン５の間の熱伝導率が、放熱部Ｈｒにおける筐体３とフィン５の間の熱伝導率よりも低い。それゆえ、受熱部Ｈｖからフィン５へ直接的に移動する熱量を少なくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、自励振動式ヒートパイプに関する。

自励振動式ヒートパイプは、揮発性の高い液体（作動液）を封入した閉じた細管を多数回往復させた構造を有している。即ち、ヒートパイプは、その両側に細管の折り返し部位が並ぶ。一方側の折り返し部位の集合部分が受熱部（あるいは蒸発部）であり、他方側の折り返し部位の集合部分が放熱部（あるいは蒸発部）である。受熱部に発熱源を取り付ける。受熱部において、発熱源の熱によって複数の折り返し部位の作動液が蒸発し、細管内は気相と液相が交互に存在する状態となる。また、作動液が蒸発することで受熱部の圧力が高まる。受熱部の圧力が高まることで液相と気相の作動液が放熱部へ移動する。気相の作動液は放熱部にて凝縮し液体に戻る。自励振動式ヒートパイプは、この蒸発と凝縮に伴う潜熱と作動液が有する顕熱の双方によって熱を高効率で移送することができる。なお、折り返し部が受熱部となるのは一例であり、別のタイプのヒートパイプでは、別の部位が受熱部となり得る。

また、自励振動式のヒートパイプは、構造が簡単で小型化が容易であるため、パワーデバイスやＣＰＵなどの半導体デバイスの冷却器として用いられることが多い。特に、パワーデバイスやＣＰＵなどは平板型のチップであることが多く、そのようなチップを取り付ける広い面積を確保するため、自励振動式のヒートパイプは、往復させた細管を平面状に配置した平板型をなすことを多い。また、平板型は、放熱部にも広い面積が確保でき、そこにフィンが取り付けられることがある（特許文献１、２）。

特開平８−０８６５７８号公報 特開２０１０−０６７６６０号公報

特許文献１、２に開示されているように、フィンは放熱部に取り付けられる。放熱部における放熱効率を高めるためである。従来は、受熱部が面する空間にはフィンは配置されなかった。受熱部にフィンを取り付けると、受熱部の熱の一部は放熱部へ移動せずにフィンに直接に移動してしまうからである。本明細書は、受熱部が面する空間を有効に活用し、冷却効率の高いヒートパイプを提供する。

本明細書が開示する自励振動式ヒートパイプの一実施形態は、作動液を封止した流路を内部に有する平板型の筐体を備える。そして、筐体の一方の面の受熱部に、発熱源を取り付ける領域が定められている。さらに、筐体の他方の面側において、放熱部にフィンが取り付けられている。そのフィンは、受熱部が面する空間にまで伸びており、受熱部における筐体とフィンの間の熱伝導率が、放熱部における筐体とフィンの間の熱伝導率よりも低くなっている。

筐体とフィンは、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い金属がよく用いられる。また、筐体とフィンとの接合には、ロウ付けがよく採用される。フィンの固定にロウ付けを採用する場合、放熱部の表面に配したロウが溶けて受熱部にまで拡がる可能性がある。そこで、筐体の他方の面の放熱部と受熱部の境界に溝を設けるとよい。放熱部の表面にて溶融したロウは、溝に溜まり、受熱部へ拡がらずに済む。その結果、受熱部にて筐体とフィンの間にロウが付着することなく、放熱部の表面とフィンがロウ付けされたヒートパイプを実現できる。受熱部の表面とフィンは、接触していてもよいが、離間していることが好ましい。受熱部とフィンが接触していても、ロウで固定されているよりは熱伝達率は低くなるからである。また、受熱部とフィンが接触していないことは、受熱部における筐体とフィンとの間に空隙を設けることに相当する。空気の熱伝導率は金属の熱伝導率よりもはるかに低いので、空隙を設けることで受熱部からフィンへ熱がほとんど伝わらなくなる。なお、設けた空隙に断熱材を配置することも好適である。

放熱部に固定されているフィンが、受熱部が面する空間にまで伸びており、そのフィンが受熱部と接合していないと、フィンが片持ち状態となる。そこで、受熱部とフィンとの間に、筐体よりも熱伝導率が低い低熱伝導率部材を配置し、低熱伝導率部材と受熱部をロウ付けするとともに、低熱伝導率部材とフィンをロウ付けするとよい。低熱伝導率部材を挟むことで、受熱部からフィンへの直接的な熱移動を抑制するとともに、受熱部においてもロウ付けすることによりフィンの固定強度を高めることができる。低熱伝導率部材は、断熱部材であることが好ましいが、少なくとも放熱部における筐体とフィンとの間の熱伝達率よりも低い素材であればよい。なお、ロウ付けの温度に耐えられるよう、低熱伝導率部材は金属であることも好ましい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例のヒートパイプの斜視図である。 図２のII−II矢視におけるヒートパイプの断面図である。 第２実施例のヒートパイプの断面図である。 第３実施例のヒートパイプの断面図である。 第４実施例のヒートパイプの断面図である。 その他の実施形態のヒートパイプの断面図である（１）。 その他の実施形態のヒートパイプの断面図である（２）。 その他の実施形態のヒートパイプの断面図である（３）。

図面を参照して実施例のヒートパイプを説明する。図１に、第１実施例のヒートパイプ２の斜視図を示し、図１のII−II矢視における断面を図２に示す。ヒートパイプ２は、内部に流路４が形成された筐体３と、筐体の一方の面に固定された複数のフィン５を備える。流路４は、筐体の一方の端と他方の端の間を複数回往復している。図１では、図を見易くするために一部の流路の図示を省略している。筐体内部に設けられる流路４は、その両端が放熱部Ｈｒの側で連結しており、流路全体は閉じたループを形成する。

流路４の内部には、揮発性の高い流体（作動液）が封止されている。作動液には、例えばアンモニアが用いられるが、水であってもよい。なお、図では作動液の図示は省略している。

流路４は、平面的に拡がっており、筐体全体が平板状をなしている。説明の便宜上、平板状の筐体３の一方の平面を上面Ｔｐと称し、反対側の平面を下面Ｂｍと称する。上面Ｔｐは、必ずしも鉛直上方を向いている必要はない。筐体の一方の面である上面Ｔｐには、受熱部Ｈｖに、発熱源ＨＳを取り付けるための領域が定められている。その領域を熱源固定領域Ａｒと称する。

筐体３の表面の受熱部Ｈｖと放熱部Ｈｒの境界には、溝１２が設けられている。溝については後述する。

複数のフィン５は、熱源固定領域Ａｒが定められた上面Ｔｐとは反対側の面、即ち、下面Ｂｍに固定されている。フィン５は、放熱部Ｈｒの表面にてロウ付けされている。図２において符号Ｂｚがロウを示している。

ヒートパイプ２の動作を概説する。ヒートパイプ２は、熱源固定領域Ａｒに発熱源ＨＳを取り付けて用いられる。発熱源ＨＳとしては、典型的には、パワー半導体やＣＰＵなどの半導体デバイスである。発熱源ＨＳは、ほかにも、コンデンサやリアクトルなどであってもよい。発熱源ＨＳが発した熱は、受熱部Ｈｖに伝達され、流路４内の作動液を温める。受熱部Ｈｖの内部には、流路４の複数の折り返し部位が位置しており、各折り返し部位で作動液が気化する。受熱部Ｈｖ内で隣接する折り返し部位の間の流路には液体のままの作動液が存在するので、流路４の内部は、液相と気相が交互に存在する状態となる。そして、受熱部Ｈｖにおいて作動液が気化することにより圧力が高まり、液相と気相が混在した作動液全体が放熱部Ｈｒへと移動する。流路４は閉じたループを形成しているため、高温の作動液の放熱部Ｈｒへの移動に伴って、放熱部Ｈｒの低温の作動液が受熱部Ｈｖに移動する。放熱部Ｈｒには多数のフィン５が備えられており、受熱部Ｈｖから移動してきた高温の作動液は、フィン５を通じて放熱する。放熱部Ｈｒでは、フィンへの放熱により気化していた作動液は凝集する。このとき、作動液は凝集熱を放出する。放熱部Ｈｒにて作動液の温度が低下すると、受熱部Ｈｖから新たな高温の作動液が移動して来て低温となった作動液は受熱部Ｈｖへと押しやられる。こうして、作動液は、受熱部Ｈｖと放熱部Ｈｒの間で振動する。自励振動式ヒートパイプ２は、潜熱と顕熱の双方で受熱部Ｈｖから放熱部Ｈｒへと熱を輸送し、放熱部Ｈｒにて熱を放出するので冷却効率が高い。

フィン５は、筐体３の下面Ｂｍの側にて、放熱部Ｈｒに面する空間と受熱部Ｈｖに面する空間の双方にわたって伸びている。ただし、フィン５は、放熱部Ｈｒの表面にてロウ付けされており、受熱部Ｈｖの表面ではフィン５は筐体表面に接しているだけである。放熱部Ｈｒでは、ロウＢｚが伝熱媒体となり、筐体３からフィン５へと熱が移動する。一方、受熱部Ｈｖでは、ロウが存在しないため、筐体３からフィン５への熱の移動は少ない。別言すれば、受熱部Ｈｖにおける筐体３とフィン５の間の熱伝導率が、放熱部Ｈｒにおける筐体３とフィン５の間の熱伝導率よりも低い。それゆえ、受熱部Ｈｖからフィン５へ直接的に流れる熱量は少なく、受熱部Ｈｖにて発熱源ＨＳから吸収した熱の大部分は、放熱部Ｈｒへと移動し、そこからフィンへと移動する。

上記のヒートパイプ２は、放熱部Ｈｒにて固定されたフィン５が、受熱部Ｈｖに面する空間まで伸びている。すなわち、平板型の筐体３が面する空間を有効利用している。上記で説明した技術は、フィン５を受熱部Ｈｖが面する空間まで伸ばすが受熱部Ｈｖとの間での熱移動を抑えることで、スペース効率のよいヒートパイプを実現している。

筐体３に設けられた溝１２の効果を説明する。前述したように、フィン５は放熱部Ｈｒにてロウ付けされる。ロウ付けでは、放熱部Ｈｒに取り付けた固形のロウ材を加熱し、溶融させてフィン５を固着する。放熱部Ｈｒに取り付けられたロウ材は溶融すると筐体３の表面に沿って流れるが溝１２へ留まるので受熱部Ｈｖまで拡がることはない。即ち、溝１２は、ロウ付けの際、溶融したロウが受熱部へ拡がることを阻止する。溝１２を設けることで、受熱部Ｈｖにてフィン５と筐体３の間にロウが入り込むことを回避している。なお、溝１２が設けられる「境界」は、厳密に受熱部Ｈｖと放熱部Ｈｒの境界である必要はなく、放熱部Ｈｒの領域内であることを含む。溝１２の受熱部Ｈｖとは反対側でフィン５がロウ付けされることで、溶融したロウが受熱部Ｈｖまで拡がらないことが重要である。

図３を参照して第２実施例のヒートパイプ２ａを説明する。図３は、ヒートパイプ２ａの断面図である。ヒートパイプ２ａは、ヒートパイプ２が備えた溝１２の代わりに、筐体３ａに段差１３が設けてある。より具体的には、筐体３ａの一方の面（下面Ｂｍ）において、受熱部Ｈｖの表面が放熱部Ｈｒよりも低くなるように段差１３が設けられている。別言すれば、段差１３は、第１実施例の溝１２を、受熱部Ｈｖの全体に拡張したことに相当する。段差１３は、溝１２と同じ効果を奏する。さらに、段差１３を設けることで受熱部Ｈｖとフィン５の間には隙間Ｓｐが形成される。空気はロウＢｚよりもはるかに熱伝導率が低いので、ヒートパイプ２ａでは、受熱部Ｈｖにおける筐体３ａとフィン５の間の熱伝導率が、放熱部Ｈｒにおける筐体３ａとフィン５の間の熱伝導率よりもはるかに低くなる。従って、受熱部Ｈｖから直接的にフィン５へ移動する熱量が第１実施例のヒートパイプ２よりもさらに少なくなり、冷却効率が向上する。なお、フィン５と受熱部Ｈｖとの間の隙間Ｓｐに断熱材を配置することも好適である。

図４を参照して第３実施例のヒートパイプ２ｂを説明する。図４は、ヒートパイプ２ｂの断面図である。第２実施例のヒートパイプ２ａでは筐体３ａの受熱部Ｈｖの表面に段差１３を設けた。第３実施例のヒートパイプ２ｂでは、筐体３に段差１３を設ける代わりに、フィン５の受熱部Ｈｖとの対向部位に切欠１４を設ける。放熱部Ｈｒにてフィン５を筐体３ｂに固定するロウＢｚが受熱部Ｈｖの表面まで拡がったとしても、切欠１４があるため、受熱部Ｈｖにおいてフィン５にロウＢｚが付着することがない。受熱部Ｈｖにおいて、筐体３ｂとフィン５の間に隙間Ｓｐが確保され、熱が伝達し難い。さらに、切欠１４に断熱材を配置してもよい。

図５を参照して第４実施例のヒートパイプ２ｃを説明する。図５は、ヒートパイプ２ｃの断面図である。ヒートパイプ２ｃでは、前述した溝１２や段差１３や切欠１４に代えて、受熱部Ｈｖにおいて筐体３ｃとフィン５の間に断熱材１５を配置する。断熱材１５の熱伝導率は、放熱部Ｈｒとフィン５の間の熱伝導率、すなわち、筐体３ｃの熱伝導率よりもはるかに低い。断熱材１５を配置することによっても、受熱部Ｈｖからフィン５へ直接熱が移動することが防止され、大部分の熱は受熱部Ｈｖから放熱部Ｈｒへと移動する。

ヒートパイプ２ｃでは、断熱材１５の一方の面と筐体３ｃが接着され、断熱材１５の他方の面とフィン５が接着される。それゆえ、フィン５は、放熱部Ｈｒだけでなく、受熱部Ｈｖでも筐体３ｃに固定される。第１〜第３実施例のフィン５は放熱部Ｈｒだけで筐体に固定されていた。これに対して第４実施例のヒートパイプ２ｃでは、フィン５は、放熱部Ｈｒだけでなく受熱部Ｈｖでも筐体に固定されるので、フィンの固定強度が高まるという利点を有する。

図５に示すヒートパイプ２ｃは、断熱材１５とフィン５がロウＢｚで固定されており、断熱材１５と受熱部Ｈｖの間にはロウＢｚが描かれていないが、断熱材１５は、ロウで受熱部表面に固定されてもよい。また、断熱材１５は、ロウ付け以外の接着方法、例えば、溶接や摩擦接合などの方法で受熱部Ｈｖに固定されてもよい。なお、断熱材１５は、ロウＢｚの溶融温度でも劣化しない金属であることが好ましいが、金属に限られるものではない。

図６〜図８を参照して他の実施形態のヒートパイプを説明する。図６のヒートパイプ２ｄは、筐体３ｄの中央に受熱部Ｈｖがあり、その両側が放熱部Ｈｒという構成である。フィン５は、熱源固定領域Ａｒが設けられた上面Ｔｐとは反対側の面である下面Ｂｍに固定される。また、フィン５は、受熱部Ｈｖの両側で放熱部Ｈｒに固定される。フィン５の受熱部Ｈｖに面する縁には切欠１６が設けられており、ロウＢｚが放熱部Ｈｒと受熱部Ｈｖの双方にわたって拡がっていても、受熱部Ｈｖでは筐体３ｄ（ロウＢｚ）との間に隙間Ｓｐが確保される。ヒートパイプ２ｄにおいても、受熱部Ｈｖにおける筐体３ｄとフィン５の間の熱伝導率は、放熱部Ｈｒにおける筐体３ｄとフィン５の間の熱伝導率よりも低い。ヒートパイプ２ｄでは、フィン５は、受熱部Ｈｖの両側で放熱部Ｈｒに固定されるので、強度が高いという利点を有する。

図７のヒートパイプ２ｅも受熱部Ｈｖの両側に放熱部Ｈｒを備える。また、ヒートパイプ２ｅは、図６のヒートパイプ２ｄの切欠１６の代わりに、２つの溝１７を備える。溝１７は、受熱部Ｈｖと放熱部Ｈｒの境界に設けられており、フィン５と筐体３ｅは、溝１７の放熱部側でロウ付けされる。ロウ付けの際、放熱部側で溶融したロウは、溝１７に留まるので、受熱部側へ拡がることがない。図７のヒートパイプ２ｅは、図６のヒートパイプ２ｄと同じ効果を奏する。

図８のヒートパイプ２ｆも受熱部Ｈｖの両側に放熱部Ｈｒを備える。また、ヒートパイプ２ｆは、受熱部Ｈｖにおいて筐体３ｆとフィン５の間に断熱材１８が配置されている。フィン５は、放熱部Ｈｒと受熱部Ｈｖにわたって筐体３ｆにロウ付けされるが、受熱部Ｈｖでは間に断熱材１８が挿入されているため、受熱部Ｈｖからフィン５へ流れる熱量は小さい。図７のヒートパイプ２ｅも、図６のヒートパイプ２ｄと同じ利点を有する。

実施例のヒートパイプに関する留意点を述べる。受熱部において筐体とフィンとの間に断熱材を備えるタイプのヒートパイプを製造する際、ロウ材シートの一部に断熱材を張り付けたロウ材クラッド材、あるいは、２枚のロウ材シートの間の一部に断熱材を配置したロウ材クラッド材を準備することが好適である。ヒートパイプ製造の際、断熱材が熱源固定領域に対する筐体下面Ｂｍに位置するようにロウ材クラッド材を筐体に貼着し、その後、ロウ材を溶融してフィンを固着させる。

第４実施例のヒートパイプ２ｃ、及び、図８のヒートパイプ２ｆは、受熱部Ｈｖとフィン５の間に断熱材を配置した。受熱部Ｈｖとフィン５の間に配置する部材は熱伝導率の極めて低い断熱材であることが望ましいが、放熱部Ｈｒにおける筐体３とフィン５の間の熱伝導率よりも低ければ、一定の効果を期待することができる。即ち、本明細書が開示する技術は、受熱部とフィンの間に配置する部材を断熱材に限るものではない。

また、フィンと筐体との接着は、ロウ付け以外に他の方法で実現されてもよい。たとえば、フィンは、筐体にネジ止めされてもよい。なお、実施例における断熱材が低熱伝導率部材の一例に相当する。

実施例のヒートパイプは内部に閉じたループ状の流路を有している。ヒートパイプの流路は、必ずしも閉じたループ状でなくともよい。また、受熱部は、作動液の流路の折り返し部以外の場所であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ：ヒートパイプ
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ：筐体
４：流路
５：フィン
１２、１７：溝
１３：段差
１４、１６：切欠
１５、１８：断熱材
Ａｒ：熱源固定領域
Ｂｍ：下面
Ｂｚ：ロウ
ＨＳ：発熱源
Ｈｒ：放熱部
Ｈｖ：受熱部
Ｓｐ：隙間
Ｔｐ：上面

Claims (4)

1. 作動液を封止した流路を有する平板型の筐体を備えており、
   筐体の一方の面の受熱部に、発熱源を取り付ける領域が定められており、
   筐体の他方の面側において、放熱部にフィンが取り付けられているとともに、当該フィンが、受熱部が面する空間にまで伸びており、
   受熱部における筐体とフィンの間の熱伝導率が、放熱部における筐体とフィンの間の熱伝導率よりも低いことを特徴とする自励振動式ヒートパイプ。
2. 筐体の他方の面の放熱部と受熱部の境界に溝が設けられており、放熱部とフィンがロウ付けされていることを特徴とする請求項１に記載の自励振動式ヒートパイプ。
3. 受熱部とフィンとの間に空隙が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自励振動式ヒートパイプ。
4. 筐体の他方の面の受熱部とフィンとの間に、筐体よりも熱伝導率が低い低熱伝導率部材が配置されており、低熱伝導率部材と受熱部が接着されているとともに、低熱伝導率部材とフィンが接着されていることを特徴とする請求項１に記載の自励振動式ヒートパイプ。

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