JP2017072340A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプを小型化した場合でも、熱輸送性能を維持もしくは向上させることができることを目的とするものである。【解決手段】本発明のヒートパイプは、密閉容器２の長手方向で一方端側が液相の作動流体を蒸発させる蒸発部５と、密閉容器２の長手方向で他端側が液相の作動流体を凝縮させる凝縮部６と、蒸発部５及び凝縮部６を接続する断熱部７と、密閉容器２の内部に封入された作動流体と、凝縮部６から断熱部７を介して蒸発部５に形成されたウイック３とを備え、ウイック３は、密閉容器２の内壁２ａに層状に形成された第一ウイック３ａと第二ウイック３ｂとからなり、蒸発部５には少なくとも第一ウイック３ａが形成され、凝縮部６には第二ウイック３ｂのみが形成され、第一ウイック３ａは第二ウイック３ｂよりも薄いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品を冷却するヒートパイプに関するものである。

作動流体の潜熱を利用する熱輸送素子としてヒートパイプが知られている。ヒートパイプは、密閉容器と密閉容器内に封入された作動流体とから構成されている。密閉容器は長手方向の両端を封止させた管状に形成されているため、ヒートパイプが発熱体から熱を受け取ると、作動流体は密閉容器内で気液二相に変化するとともに長手方向を流動する。

例えば、発熱体と放熱部材とをヒートパイプによって熱的に接続する場合、密閉容器の一方端側を発熱体に接触させて、他方端側を放熱部材に接触させることが一般的である。この場合、密閉容器の一方端側は発熱体の熱で内部の液相の作動流体（作動液）が蒸発する蒸発部となり、密閉容器の他方端側は放熱部材へ放熱することにより気相の作動流体（蒸気）を凝縮させる凝縮部となる。そして、凝縮部で生じた作動液を再び蒸発部で蒸発させる必要がある。そのため、作動液を蒸発部へ還流させる方式として、毛管力に優れたウイックを利用することが知られている。

特許文献１には、熱輸送能力を改善するために、蒸発部、断熱部、及び凝縮部に互いに異なる物質、形状、又は粒子の大きさにおける多孔質の焼結粉末のウイックの構造を配置して、ウイックの構造物の気孔度と透過率を増加させるために、大小の粒度の粉末を混合焼結して気孔が二重に分布することで、円周方向に非対称の断面形状を有するヒートパイプが記載されている。つまり、ウイックは、密閉容器の全長に沿って、周方向に対して厚い部分と薄い部分が存在するように構成されている。

特開２００３−２２２４８１号公報

電子部品を冷却するヒートパイプは、電子部品を搭載する電子機器の小型化に伴い、ヒートパイプ自体も小型化が求められている。しかしながら、ヒートパイプを小型化した場合、ヒートパイプの熱輸送能力を維持することは困難であった。

本発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、ヒートパイプを小型化した場合でも、熱輸送性能を維持もしくは向上させることができることを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明は、長手方向の両端が封止された管状の密閉容器からなるヒートパイプであって、前記密閉容器の長手方向で一方端側が液相の作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記密閉容器の長手方向で他端側が前記液相の作動流体を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部及び前記凝縮部を接続する断熱部と、前記密閉容器の内部に封入された作動流体と、前記凝縮部から前記断熱部を介して前記蒸発部に形成されたウイックとを備え、前記ウイックは、前記密閉容器の内壁に層状に形成された第一ウイックと第二ウイックとからなり、前記蒸発部には少なくとも前記第一ウイックが形成され、前記凝縮部には前記第二ウイックのみが形成され、前記第一ウイックは前記第二ウイックよりも薄いことを特徴とする。

本発明に係るヒートパイプによれば、前記密閉容器の内部に封入された作動流体と、前記凝縮部から前記断熱部を介して前記蒸発部に形成されたウイックとを備え、前記密閉容器の内壁に層状に形成された第一ウイックと第二ウイックからなり、前記蒸発部には少なくとも前記第一ウイックが形成され、前記凝縮部には前記第二ウイックのみが形成され、前記第一ウイックは前記第二ウイックよりも薄い。第一ウイックは第二ウイックよりも薄いため還流した液相の作動流体が形成する液膜も薄くなる。その結果、液膜による熱抵抗を低減することができ、液相の作動流体が蒸発しやすくなる。これに対して第二ウイックは第一ウイックよりも厚いため、十分な液還流能力と十分な液相の作動流体を保持することができ、第一ウイックを薄くしてもドライアウトを生じにくくすることができる。これにより、ヒートパイプを小型化した場合でも、熱輸送性能を維持もしくは向上させることができる。

また、前記蒸発部または前記断熱部の少なくとも一方において前記第二ウイックの一部が前記第一ウイックの一部を覆っていることが好ましい。これにより、第二ウイックから第一ウイックに液相の作動流体が容易に流動することができる。

また、前記密閉容器は、幅方向断面が扁平形状をなし、前記ウイックが前記扁平形状の長軸方向に延びる一方の主壁の内壁に形成されていてもよい。これにより、ヒートパイプを極薄化・小型化することができる。

また、前記第一ウイックは金属粉末からなり、前記第二ウイックは金属細線からなることが好ましい。これにより、凝縮部から蒸発部に液相の作動流体を効率よく輸送することができ、蒸発部において容易に液相の作動流体を蒸発させることができる。

本発明によれば、ヒートパイプを小型化した場合でも、熱輸送性能を維持もしくは向上させることができる

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるヒートパイプの長手方向の断面図である。図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態におけるヒートパイプの幅方向の断面図（図１（ａ）の１（ｂ）方向断面図）である。 図２は、本発明の第１の実施形態の変形例を示すヒートパイプの長手方向の断面図である。 図３（ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるヒートパイプの長手方向の断面図である。図３（ｂ）は、本発明の第２の実施形態におけるヒートパイプの幅方向の断面図（図３（ａ）の３（ｂ）方向断面図）である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、
図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態におけるヒートパイプ１の長手方向の断面図（図１（ａ））と幅方向の断面図（図１（ｂ））である。図１に示すように、ヒートパイプ１は密閉容器２とウイック３と図示しない作動流体とを備えている。

ヒートパイプ１は管状の密閉容器２内に封入された作動流体の潜熱を利用する熱輸送素子である。ヒートパイプ１の密閉容器２は、中空のパイプの両端を封止して管状の中空部４を形成している。ヒートパイプ１は、発熱体Ｈと接する密閉容器２の一方端側が蒸発部５、他端側が凝縮部６、さらに、蒸発部５と凝縮部６とを接続する断熱部７により構成されている。密閉容器２の材質は銅、アルミニウム、ステンレスなど熱伝導性のよい材料を用いることができる。密閉容器２内に封入された作動流体は、ヒートパイプ１の熱輸送媒体であり、水やエタノールなどの周知の相変化物質によって構成されている。

ヒートパイプ１内には、毛管力によって凝縮部６で凝縮した液相の作動流体（以下「作動液」という）を蒸発部５に還流させるウイック３が設けられている。ウイック３は凝縮部６から断熱部７を介して蒸発部５まで延びるように密閉容器２の内壁２ａに配置されている。

蒸発部５は、発熱体Ｈから熱を受け取るように接している。そのため、蒸発部５では、発熱体Ｈの熱によって作動液が蒸発して気相の作動流体（以下「蒸気」という）になる。また、凝縮部６は、作動流体の熱をヒートパイプ１の外に放熱する。凝縮部６では、蒸発部５で生じた蒸気を凝縮させて液相の動作液に戻ることになる。なお、ヒートパイプ１は、効率よく熱を伝導するために、蒸発部５と発熱体Ｈとはサーマルグリースなどより密着できるような手段で接している。

ここで、ヒートパイプ１による熱輸送サイクルについて説明する。ヒートパイプ１の作動時、蒸発部５が発熱体Ｈの熱を受け取ることによって、蒸発部５で作動液が蒸発する。蒸発で生じた蒸気は、蒸発部５よりも圧力および温度が低い凝縮部６へ向けて流動する。蒸発部５から凝縮部６に到達した蒸気は、凝縮部６で放熱して凝縮する。凝縮部６で凝縮した作動液は、ヒートパイプ１の内部に設けられたウイック３によって、凝縮部６から蒸発部５へ還流される。蒸発部５に還流した作動液は、発熱体Ｈの熱によって再び蒸発し、上述した熱輸送サイクルを繰り返すことになる。

本発明の第１の実施形態に係るヒートパイプ１のウイック３は密閉容器２の内壁２ａに層状に形成され、第一ウイック３ａと第二ウイック３ｂにより構成されている。第一ウイック３ａと第二ウイック３ｂは作動液が容易に移動できるように接続されている。また、長手方向の断面図（図１（ａ））に示すように第一ウイック３ａは第二ウイック３ｂよりも薄く形成されている。第一ウイック３ａおよび第二ウイック３ｂが形成されていない密閉容器２の中空部４は蒸気が移動する蒸気流路として機能している。

第一ウイック３ａは蒸発部５に形成されている。また、発熱体Ｈの大きさが小さい場合は第一ウイック３ａが蒸発部５と断熱部７に形成されいてもよい。凝縮部６には第二ウイック３ｂのみが形成されている。第二ウイック３ｂは第一ウイック３ａと接続するため、第一ウイック３ａの長さによっては、第二ウイック３ｂは断熱部７にも形成されていてもよく、蒸発部５まで形成されていてもよい。

本実施形態におけるヒートパイプ１の作用効果について説明する。本発明に係るヒートパイプ１によれば、前記密閉容器２の内部に封入された作動流体と、前記凝縮部６から前記断熱部７を介して前記蒸発部５に形成されたウイック３とを備え、前記密閉容器２の内壁２ａに層状に形成された第一ウイック３ａと第二ウイック３ｂからなり、前記蒸発部５には少なくとも前記第一ウイック３ａが形成され、前記凝縮部６には前記第二ウイック３ｂのみが形成され、前記第一ウイック３ａは前記第二ウイック３ｂよりも薄い。第一ウイック３ａは第二ウイック３ｂよりも薄いため還流した液相の作動流体が形成する液膜も薄くなる。その結果、液膜による熱抵抗を低減することができ、液相の作動流体が蒸発しやすくなる。これに対して第二ウイック３ｂは第一ウイック３ａよりも厚いため、十分な液還流能力と十分な液相の作動流体を保持することができ、第一ウイック３ａを薄くしてもドライアウトを生じにくくすることができる。これにより、ヒートパイプ１を小型化した場合でも、熱輸送性能を維持もしくは向上させることができる。

また、図２の変形例に示すように第二ウイック３ｂが第一ウイック３ａを覆うように形成されていてもよい。この場合も、第一ウイック３ａは蒸発部５に形成されている。また、発熱体Ｈの大きさが小さい場合は第一ウイック３ａが蒸発部５と断熱部７に形成されいてもよい。凝縮部６には第二ウイック３ｂのみが形成されている。第二ウイック３ｂは第一ウイック３ａと接続するため、第一ウイック３ａの長さによっては、第二ウイック３ｂは断熱部７にも形成されていてもよく、蒸発部５まで形成されていてもよい。

図２においては、第二ウイック３ｂが第一ウイック３ａを覆う箇所は蒸発部５および断熱部７に形成されているが、蒸発部５または断熱部７のみに形成されていてもよい。第二ウイック３ｂが第一ウイック３ａを覆うことにより、第二ウイック３ｂと第一ウイック３ａの接触面積を増やすことができ、第二ウイック３ｂから第一ウイック３ａに作動液が容易に流動することができる。

すなわち、前記蒸発部５または前記断熱部７の少なくとも一方において前記第二ウイック３ｂの一部が前記第一ウイック３ａの一部を覆っていることが好ましい。これにより、第二ウイック３ｂから第一ウイック３ａに液相の作動流体が容易に流動することができる。

《第２の実施形態》
図３は本発明の第２の実施形態におけるヒートパイプ１０の長手方向の断面図（図３（ａ））と幅方向の断面図（図３（ｂ））である。第２の実施形態に係るヒートパイプ１０は、その密閉容器２が幅方向断面からみて扁平形状をなしており、扁平形状の長軸方向に延びる二つの主壁２ｂと、扁平形状の短軸方向に延びる二つの側壁２ｃとを有している。そして、一方の主壁２ｂと発熱体Ｈとが熱的に接触している。

第２の実施形態におけるヒートパイプ１０は発熱体Ｈと熱的に接している密閉容器２の発熱体Ｈと接触している一方の主壁２ｂの内壁２ａにウイック３が層状に形成され、第一ウイック３ａと第二ウイック３ｂにより構成されている。第一ウイック３ａと第二ウイック３ｂは作動液が容易に移動できるように接続されている。また、長手方向の断面図（図３（ａ））に示すように、第一ウイック３ａは第二ウイック３ｂよりも薄く形成されている。また、第一ウイック３ａは、一方の主壁２ｂの内壁２ａにおいての幅方向にわたって形成され、第二ウイック３ｂは、一方の主壁２ｂの内壁２ａにおいての幅方向の中心付近に形成されている。さらに、第二ウイック３ｂは、他方の主壁２ｂの内壁２ａに接しないように形成されている。第一ウイック３ａおよび第二ウイック３ｂが形成されていない密閉容器２の中空部４は蒸気が移動する蒸気流路として機能する。

第１の実施形態に示すように、第一ウイック３ａは蒸発部５に形成されている。発熱体Ｈの大きさが小さい場合は第一ウイック３ａが蒸発部５と断熱部７に形成されいてもよい。凝縮部６には第二ウイック３ｂのみが形成されている。第二ウイック３ｂは第一ウイック３ａと接続するため、第一ウイック３ａの長さによっては、第二ウイック３ｂは断熱部７にも形成されていてもよく、蒸発部５まで形成されていてもよい。

また、第１の実施形態の変形例と同様に、第二ウイック３ｂが第一ウイック３ａを覆うように形成されていてもよい。この場合も、第一ウイック３ａは蒸発部５に形成されている。また、発熱体Ｈが小さい場合は第一ウイック３ａが蒸発部５と断熱部７に形成されいてもよい。凝縮部６には第二ウイック３ｂのみが形成されている。第二ウイック３ｂは第一ウイック３ａと接続するため、第一ウイック３ａの長さによっては、第二ウイック３ｂは断熱部７にも形成されていてもよく、蒸発部５まで形成されていてもよい。

第２の実施形態におけるヒートパイプ１０によれば、幅方向の断面からみて扁平形状をなし、ウイック３が前記扁平形状の長軸方向に延びる一方の主壁２ｂの内壁２ａに形成されている。これにより、ヒートパイプ１０を極薄化・小型化することができる。

また、ウイック３は、複数本の金属細線（例えば銅細線）を束状に形成した線条ウイックや金属粉末（例えば銅粉末）をヒートパイプ１内で焼結させ固定した多孔質ウイックを用いることができるが、第一ウイック３ａは金属粉末からなる多孔質ウイックにより形成され、第二ウイック３ｂは金属細線からなる線条ウックにより形成されることが好ましい。

金属粉末からなる多孔質ウイックは、粉末同士が焼結により固着した焼結体であって、粉末同士の間に隙間が形成されている多孔質構造体である。例えば、金属粉末の平均粒径は約０．１〜１２５μｍ程度である。多孔質ウイックの隙間により形成された液体流路は迷路状に全方向に広がっている。多孔質ウイックの隙間には毛管半径の小さいメニスカスが形成されため、凝縮部６から還流した作動液は、金属粉末によって形成された多孔質ウイックの全方向に拡散させられる。したがって、第一ウイック３ａが金属粉末からなる多孔質ウイックにより形成される場合、蒸発部５において、蒸発の生じている箇所に対して作動液がより供給されやすくなる。また、金属粉末を用いて第一ウイック３ａを形成する場合、金属配線を用いる場合よりも第一ウイック３ａを薄く形成することが容易である。

金属細線からなる線条ウックは、複数本の金属細線を束状に形成し、金属細線同士が固着し、金属細線同士の間には密閉容器２の長手方向に延びる線条の隙間が形成される。線条の隙間は、毛管力によって作動液を還流させる液体流路を形成する。例えば、金属細線の細線の径は１０〜１００μｍである。線条の隙間による液体流路内に浸透した作動液が毛管力を受けて凝縮部６から蒸発部５へ向けて還流する。多孔質ウイックの隙間により形成された液体流路は迷路状であり、線条ウイックの隙間により形成された液体流路は線条となる。そのため、作動液が流動する際に生じる圧力損失の大きさについて多孔質ウイックと線条ウイックとを比較すると、線条ウイックによる圧力損失の方が多孔質ウイックよりも小さい。したがって、線条ウイックは多孔質ウイックよりも作動液が還流しやすい水路構造である。このため、第二ウイック３ｂが金属細線からなる線条ウックにより形成される場合、作動液は凝縮部６から蒸発部５へ容易に還流しやすくなる。

前記第一ウイック３ａは金属粉末からなり、前記第二ウイック３ｂは金属細線からなることで、凝縮部６から蒸発部５に液相の作動流体を効率よく輸送することができ、蒸発部５において容易に液相の作動流体を蒸発させることができる。

１、１０…ヒートパイプ、２…密閉容器、２ａ…内壁、２ｂ…主壁、２ｃ…側壁、３…ウイック、３ａ…第一ウイック、３ｂ…第二ウイック、４…中空部、５…蒸発部、６…凝縮部、７…断熱部、Ｈ…発熱体。

Claims (4)

1. 長手方向の両端が封止された管状の密閉容器からなるヒートパイプであって、
   前記密閉容器の長手方向で一方端側が液相の作動流体を蒸発させる蒸発部と、
   前記密閉容器の長手方向で他端側が前記液相の作動流体を凝縮させる凝縮部と、
   前記蒸発部及び前記凝縮部を接続する断熱部と、
   前記密閉容器の内部に封入された作動流体と、
   前記凝縮部から前記断熱部を介して前記蒸発部に形成されたウイックとを備え、
   前記ウイックは、前記密閉容器の内壁に層状に形成された第一ウイックと第二ウイックとからなり、前記蒸発部には少なくとも前記第一ウイックが形成され、前記凝縮部には前記第二ウイックのみが形成され、前記第一ウイックは前記第二ウイックよりも薄いことを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記蒸発部または前記断熱部の少なくとも一方において前記第二ウイックの一部が前記第一ウイックの一部を覆っていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記密閉容器は、幅方向断面が扁平形状をなし、前記ウイックが前記扁平形状の長軸方向に延びる一方の主壁の内壁に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記第一ウイックは金属粉末からなり、前記第二ウイックは金属細線からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートパイプ。

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