JP2016075437A - ループ型ヒートパイプ及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡による熱輸送能力の低下を回避できるループ型ヒートパイプを提供する。
【解決手段】ループ型ヒートパイプは、発熱部品から伝達される熱により作動流体を加熱して蒸気を発生させる蒸発部と、蒸発部で発生した蒸気を凝縮させる凝縮部と、蒸発部と凝縮部との間を連絡し液相の状態の作動流体が通流する液管と、蒸発部と凝縮部との間を連絡し気相の状態の作動流体が通流する蒸気管とを有する。蒸発部内には、液管側から蒸気管側に液相の状態の作動流体が通流する複数のマイクロ流路３１が設けられており、各マイクロ流路３１の蒸気管側の端部には凹凸３１ａが設けられている。
【選択図】図６

Description

本発明は、ループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを有する電子機器に関する。

高度情報化社会の到来に伴い、ノート型パソコン、スマートフォン及びタブレット等のモバイル型電子機器が広く使用されるようになった。それらの電子機器に使用されるＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品は、稼働に伴って熱を発生する。

ＣＰＵ等の電子部品（以下、「発熱部品」という）の温度が許容上限温度を超えてしまうと、故障や誤動作、又は処理能力の低下などの不都合を引き起こす。そのため、発熱部品を冷却する手段が必要となる。

モバイル型電子機器用の冷却装置として、ループ型ヒートパイプが注目されている。ループ型ヒートパイプは、発熱部品と熱的に接続される蒸発部と、蒸発部から離れた場所に配置される凝縮部と、蒸発部と凝縮部との間を連絡する液管及び蒸気管とを有する（例えば、特許文献１参照）。ループ型ヒートパイプでは、作動流体が液相と気相とに変化しながら蒸発部と凝縮部との間を移動することで、蒸発部から凝縮部に熱を輸送する。

特開２００７−３１５７４０号公報

ループ型ヒートパイプでは、蒸発器内で発生する気泡により熱輸送効率が低下することがある。

開示の技術は、気泡による熱輸送能力の低下を回避できるループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、発熱部品から伝達される熱により作動流体を加熱して蒸気を発生させる蒸発部と、前記蒸発部で発生した蒸気を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡し液相の状態の前記作動流体が通流する液管と、前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡し気相の状態の前記作動流体が通流する蒸気管とを有し、前記蒸発部内には、前記液管側から前記蒸気管側に前記液相の状態の作動流体が通流する複数のマイクロ流路が設けられ、前記マイクロ流路の前記蒸気管側の端部に凹凸が設けられているループ型ヒートパイプが提供される。

上記一観点に係るループ型ヒートパイプによれば、マイクロ流路の蒸気管側端部での蒸気発生量が多くなり、マイクロ流路の中央部では気泡が成長しにくくなる。これにより、気泡による熱輸送能力の低下が回避される。

図１は、ループ型ヒートパイプの一例を示す模式図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、図１に示すループ型ヒートパイプの問題点を示す模式図である。 図３は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを示す斜視図である。 図４は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを備えた電子機器の内部構造を示す模式図である。 図５は、ループ型ヒートパイプの蒸発部を示す模式図である。 図６は、同じくその蒸発部の内部を示す斜視図である。 図７は、マイクロ流路の蒸気管側の端部を拡大して示す斜視図である。 図８は、凝縮部の内部を示す模式図である。 図９は、実施形態に係るループ型ヒートパイプの製造方法の一例を示す斜視図である。 図１０は、マイクロ流路の溝の長さの好適な範囲を説明する図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は、ループ型ヒートパイプの一例を示す模式図である。

図１に示すループ型ヒートパイプ１０は、蒸発部１１と、凝縮部１２と、それらの間を連絡する液管１３及び蒸気管１４とを有する。ループ型ヒートパイプ１０の内部は減圧されており、作動流体が封入されている。作動流体には水やアルコールなど種々のものが使用される。

蒸発部１１は、ＣＰＵ等の発熱部品１９と熱的に接続される。蒸発部１１内では、発熱部品１９から伝達される熱により作動流体が液相から気相に変化し、蒸気が発生する。蒸発部１１で発生した蒸気は、蒸気管１４を通って凝縮部１２に移動する。図１中の符号１５ａは、気相の状態の作動流体を示している。

凝縮部１２は、蒸発部１１から離れた場所に配置される。一般的に、凝縮部１２には放熱用のフィンや冷却ファンが設けられており、蒸気管１４から凝縮部１２内に移動した蒸気は、凝縮部１２内で冷却されて液体となる。凝縮部１２で液体となった作動流体は、液管１３を通って蒸発部１１に移動する。図１中の符号１５ｂは、液相の状態の作動流体を示している。以下、液相の状態の作動流体を、作動液という。

図１に示すループ型ヒートパイプ１０では、蒸発部１１にマイクロ流路（図１中に符号１７で示す）と呼ばれる多数の細い流路が設けられており、マイクロ流路１７内で発生する毛細管力により液管１３から蒸発部１１内に作動液が移動する。すなわち、作動流体を蒸発部１１と凝縮部１２との間で循環させるために、マイクロ流路１７で発生する毛細管力が大きな役割を果たしている。

図２（ａ）〜（ｄ）は、図１に示すループ型ヒートパイプ１０の問題点を示す模式図である。

正常な状態では、図２（ａ）に示すように、液管１３側からマイクロ流路１７内に進入した作動液１５ｂは、マイクロ流路１７内を液管１３側から蒸気管１４側に移動する間に温度が上昇して蒸発し、蒸気となって蒸気管１４に移動する。

この場合、図２（ｂ）に示すように、マイクロ流路１７の途中で気泡１８が発生することがある。気泡１８が十分に成長しないうちに蒸気管１４側に移動してしまえば問題はない。

しかし、図２（ｃ）のように、マイクロ流路１７の途中で気泡１８がある程度まで成長すると、気泡１８の成長速度が急速に増加する。これは、作動液に接触している部分ではマイクロ流路１７の壁面の温度が比較的低く保たれるのに対し、気泡１８の部分ではマイクロ流路１７の壁面の温度が高くなり、気泡１８と作動液１５ｂとの境界部分で蒸気が発生しやすくなるためである。

そして、図２（ｄ）に示すように、気泡１８がマイクロ流路１７の入口（液管側端部）に到達してしまうと、作動液１５ｂがマイクロ流路１７内に進入できなくなって、いわゆるドライアウトの状態になる。

蒸発部１１内にはマイクロ流路１７が多数あるため、１本のマイクロ流路１７にドライアウトが発生しても、ループ型ヒートパイプ１０の熱輸送能力がなくなるわけではない。しかし、ドライアウトが発生したマイクロ流路１７の分だけループ型ヒートパイプ１０の熱輸送能力が低下してしまう。

以下の実施形態では、気泡による熱輸送能力の低下を回避できるループ型ヒートパイプについて説明する。

（実施形態）
図３は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを示す斜視図である。また、図４は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを備えた電子機器の内部構造を示す模式図である。

図３に示すように、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ２０は、蒸発部２１と、凝縮部２２と、蒸発部２１と凝縮部２２との間を連絡する液管２３及び蒸気管２４とを有する。

図４に示すように、ループ型ヒートパイプ２０は、ＣＰＵ２５及びその他の電子部品が実装されたプリント基板２６とともに、電子機器３０の筐体３０ａ内に配置される。そして、ループ型ヒートパイプ２０の蒸発部２１は伝熱部材２７ａを介してＣＰＵ２５と熱的に接続され、凝縮部２２は伝熱部材２７ｂを介して冷却ファン２８に接続される。

図５はループ型ヒートパイプ２０の蒸発部２１を示す模式図であり、図６は蒸発部２１の内部を示す斜視図である。また、図７は、マイクロ流路３１の蒸気管２４側の端部（以下、単に「蒸気管側端部」という）を拡大して示す斜視図である。

蒸発部２１の大きさは、例えば幅が３５ｍｍ、長さが３５ｍｍ、厚さが０．５ｍｍである。この蒸発部２１内には、図５，図６に示すように、液管２３側から蒸気管２４側に向けて直線状に延びる多数のマイクロ流路３１が設けられている。マイクロ流路３１の幅は例えば３５μｍ、高さは例えば３５μｍである。

各マイクロ流路３１の蒸気管側端部のＣＰＵ２５に近い側の面には、図６，図７に示すように、多数の溝３１ａが設けられている。溝３１ａの幅は例えば３μｍ、長さは例えば２７μｍ、深さは例えば２７μｍである。また、隣り合う溝３１ａ間の間隔は、例えば３μｍである。

本実施形態では、このようにマイクロ流路３１の蒸気管側端部に溝３１ａを設けることにより、マイクロ流路３１の蒸気管側端部における壁面と作動液との接触面積を大きくしている。なお、溝３１ａは凹凸の一例である。

図８は、凝縮部２２の内部を示す模式図である。この図８のように、凝縮部２２内には蒸気管２４側から液管２３側に延びる複数の壁２２ａが設けられている。蒸気管２４から凝縮部２２内に進入した作動流体の蒸気は、それらの壁２２ａの間を通る間に温度が低下して凝縮し、作動液となる。

本実施形態に係るループ型ヒートパイプ２０は、例えば図９に示す２つの部材４１，４２を重ね合わせて製造される。

一方の部材４１の蒸発部２１となる部分にはマイクロ流路３１が設けられており、凝縮部２２となる部分には壁２２ａが設けられている。また、液管２３となる部分及び蒸気管２４となる部分には、それぞれ溝２３ａ，２４ａが設けられている。

更に、他方の部材４２の液管２３となる部分及び蒸気管２４となる部分には、それぞれ溝２３ｂ，２４ｂが設けられている。

これらの２つの部材４１，４２を重ね合わせて作動流体を封入することで、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ２０が完成する。

以下、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ２０の動作について説明する。

ＣＰＵ２５（図４参照）が稼働していないときには、毛細管力により、マイクロ流路３１内に作動液が保持されている。

稼働に伴ってＣＰＵ２５が熱を発生すると、その熱が伝熱部材２７ａを介してループ型ヒートパイプ２０の蒸発部２１に伝達される。そして、マイクロ流路３１内に保持されている作動液の温度が上昇して、蒸気が発生する。作動液が蒸発するときには、周囲から蒸発熱に相当する熱を吸収する。

本実施形態では、マイクロ流路３１の蒸気管側端部に溝３１ａが設けられており、その部分でマイクロ流路３１の壁面と作動液との接触面積が大きくなっている。そのため、マイクロ流路３１の蒸気管側端部では、壁面から作動液への熱の移動が活発であり、多くの蒸気が発生する。

蒸発部２１で発生した蒸気は、蒸気管２４を通って凝縮部２２に移動する。そして、凝縮部２２で冷却されて凝縮し、液体となる。作動流体の蒸気が凝縮するときには、凝縮熱に相当する熱を放出する。この熱は凝縮部２２の内側から外側に伝達され、冷却ファン２８により電子機器３０の筐体３０ａの外に排出される。

一方、凝縮部２２で凝縮して液体となった作動流体（作動液）は、液管２３を通って蒸発部２１に移動する。

このようにして、本実施形態では、作動流体が液相と気相とに変化しながら蒸発部２１と凝縮部２２との間を移動することで、ＣＰＵ２５で発生した熱が蒸発部２１から凝縮部２２に輸送される。そして、凝縮部２２に輸送された熱は、冷却ファン２８により電子機器３０の筐体３０ａの外に排出される。これにより、ＣＰＵ２５の温度が許容上限温度以下に保たれる。

ところで、マイクロ流路３１には、マイクロ流路３１の蒸気管側端部で発生した蒸気の分の作動液が液管側端部から流入する。本実施形態では、マイクロ流路３１の蒸気管側端部に溝３１ａが設けられているため、前述したようにマイクロ流路３１の蒸気管側端部で多くの蒸気が発生し、それに伴って多くの作動液がマイクロ流路３１の液管側端部からマイクロ流路３１内に流入する。このため、作動液は、マイクロ流路３１内を液管側端部から蒸気管側端部に向けて比較的速い速度で移動する。

従って、マイクロ流路３１の中央部で気泡が発生しても、気泡は十分成長しないうちにマイクロ流路３１の蒸気管側端部まで移動し、マイクロ流路３１の外に排出されてしまう。その結果、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ２０では、ドライアウトの発生が回避され、熱輸送能力が高い状態が維持されるという効果を奏する。

以下、溝３１ａの長さの好適な範囲について、図１０を参照して説明する。

溝３１ａの壁面と作動液との接触面積を増やすという観点からは、溝３１ａの長さＸを長くすることが好ましい。しかし、溝３１ａの長さＸが長すぎると、溝３１ａの液管側端部で発生した気泡が蒸気管２４側に移動しにくくなる。

図１０に示すように、マイクロ流路３１の流路径をＤとすると、マイクロ流路３１をふさぐ気泡３８の半径はＤ／２となる。一方、マイクロ流路３１の蒸気管側端部では、表面張力により作動液３５ｂの液頭に凹み（メニスカス）が発生する。ここで、液頭の凹み量をａとする。

この場合、溝３１ａの長さＸが（Ｄ／２）＋ａ以下（すなわち、Ｘ≦（Ｄ／２）＋ａ）であれば、溝３１ａの液管側端部で発生した気泡３８は、蒸気管２４側の空間と連絡して消滅する。従って、溝３１の長さＸは、（（Ｄ／２）＋ａ）以下とすることが好ましい。

例えば作動液とマイクロ流路の壁面との接触角θを３０°の場合、作動液の液頭の凹み量は約１０μｍとなる。従って、溝３１ａの長さＸは、２７．５μｍ以下であればよいことになる。

１０，２０…ループ型ヒートパイプ、１１，２１…蒸発部、１２，２２…凝縮部、１３，２３…液管、１４，２４…蒸気管、１５ｂ，３５ｂ…作動液、１７，３１…マイクロ流路、１８，３８…気泡、１９…発熱部品、２５…ＣＰＵ，２６…プリント基板、３０…電子機器、３１ａ…溝。

Claims (4)

1. 発熱部品から伝達される熱により作動流体を加熱して蒸気を発生させる蒸発部と、
   前記蒸発部で発生した蒸気を凝縮させる凝縮部と、
   前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡し液相の状態の前記作動流体が通流する液管と、
   前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡し気相の状態の前記作動流体が通流する蒸気管とを有し、
   前記蒸発部内には、前記液管側から前記蒸気管側に前記液相の状態の作動流体が通流する複数のマイクロ流路が設けられ、前記マイクロ流路の前記蒸気管側の端部に凹凸が設けられていることを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 前記凹凸が前記マイクロ流路の長手方向に延びる溝であり、前記マイクロ流路の幅方向に前記溝が複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
3. 前記マイクロ流路の流路径をＤ、前記マイクロ流路の端部における前記作動流体の液頭の長さをａとしたときに、前記溝の長さＸが、Ｘ≦（（Ｄ／２）＋ａ）であることを特徴とする請求項２に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 発熱部品とループ型ヒートパイプとを有する電子機器であって、
   前記ループ型ヒートパイプは、
   前記発熱部品から伝達される熱により作動流体を加熱して蒸気を発生させる蒸発部と、
   前記蒸発部で発生した蒸気を凝縮させる凝縮部と、
   前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡し液相の状態の前記作動流体が通流する液管と、
   前記蒸発部と前記凝縮部との間を連絡し気相の状態の前記作動流体が通流する蒸気管とを有し、
   前記蒸発部内には、前記液管側から前記蒸気管側に前記液相の状態の作動流体が通流する複数のマイクロ流路が設けられ、前記マイクロ流路の前記蒸気管側の端部に凹凸が設けられていることを特徴とする電子機器。

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