JP2019045064A - ヒートパイプ、電子機器、及び、冷却対象体 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質部材や蒸発部が高コスト化することなく、多孔質部材によって蒸発部の内部を２つの空間に密閉性高く区画することができる、ヒートパイプ、電子機器、及び、冷却対象体を提供する。【解決手段】ヒートパイプ１は、蒸発部２、凝縮部３、蒸気管４、液管５、などで構成されている。そして、蒸発部２は、その内部に平面部１１ｃが形成された中空構造体であって、蒸発部２の内部を２つの空間Ｍ、Ｎに区画するウィック１０（多孔質部材）が、その１つの平面部１１ｃにのみ接触するように内設されている。【選択図】図２

Description

この発明は、電子機器などの冷却対象体を冷却するためのヒートパイプと、それを備えた電子機器、及び、冷却対象体と、に関するものである。

従来から、ヒートパイプにおいて、蒸発部、凝縮部、蒸気管、液管などで構成されるループ型ヒートパイプが広く知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

詳しくは、ループ型ヒートパイプは、作動流体が気化される蒸発部、作動流体が液化される凝縮部、蒸発部と凝縮部とに接続されて作動流体の循環経路を形成する蒸気管及び液管、などで形成されている。そして、ヒートパイプの蒸発部に、電子機器などの冷却対象体が当接されて、冷却対象体が冷却されることになる。
ここで、ヒートパイプの蒸発部の内部にはウィック（多孔質部材）が設置されていて、ウィックによって、液化された作動流体が流動する空間と、気化された作動流体が流動する空間と、が区画されている。そして、液化された作動流体がウィックに毛細管現象によって浸透して、冷却対象体からウィックに熱が伝達されることで、作動流体が蒸発して気化することになる。

一方、特許文献１、２等には、蒸発部の内部においてウィックを複数の面部に当接させた状態で保持する技術が開示されている。

従来のヒートパイプは、蒸発部の内部において多孔質部材（ウィック）を複数の面部に当接させた状態で保持して、蒸発部の内部を２つの空間に密閉性を高めて区画しなければならないため、多孔質部材や蒸発部の内部の寸法精度を高める必要があった。そのため、多孔質部材や蒸発部が高コスト化してしまっていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、多孔質部材や蒸発部が高コスト化することなく、多孔質部材によって蒸発部の内部を２つの空間に密閉性高く区画することができる、ヒートパイプ、電子機器、及び、冷却対象体を提供することにある。

この発明におけるヒートパイプは、作動流体を気化させる蒸発部と、作動流体を液化させる凝縮部と、前記蒸発部から前記凝縮部に向けて気化された作動流体が移送される蒸気管と、前記凝縮部から前記蒸発部に向けて液化された作動流体が移送される液管と、を備え、前記蒸発部は、その内部に平面部が形成された中空構造体であって、１つの前記平面部にのみ接触するように内設されて、当該蒸発部の内部を２つの空間に区画する多孔質部材と、前記平面部の側で前記多孔質部材によって区画された第１空間に形成されて、前記蒸気管に連通する流出口と、前記２つの空間のうち前記第１空間とは異なる第２空間に形成されて、前記液管に連通する流入口と、を具備したものである。

本発明によれば、多孔質部材や蒸発部が高コスト化することなく、多孔質部材によって蒸発部の内部を２つの空間に密閉性高く区画することができる、ヒートパイプ、電子機器、及び、冷却対象体を提供することができる。

この発明の実施の形態におけるヒートパイプを示す全体構成図である。 ヒートパイプの蒸発部を示す、（Ａ）Ｂ−Ｂ断面図と、（Ｂ）Ａ−Ａ断面図と、である。 ヒートパイプが設置されたプロジェクタを示す概略図である。 変形例１としての、ヒートパイプの蒸発部を示す断面図である。 変形例２としての、ヒートパイプの蒸発部を示す断面図である。 変形例３としての、ヒートパイプの蒸発部を示す断面図である。 変形例４としての、ヒートパイプの蒸発部を示す断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

まず、図１にて、ヒートパイプ１における全体の構成・動作について説明する。
本実施の形態におけるヒートパイプ１は、ループ型ヒートパイプであって、電子機器などの冷却対象体５０を冷却するためのものである。
図１に示すように、ヒートパイプ１は、蒸発部２、凝縮部３、蒸気管４、液管５などで構成されている。

蒸発部２は、水、アルコール、アセトン、アンモニアなどの作動流体を気化させるものである。詳しくは、蒸発部２は、外部（冷却対象体５０である。）から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させるものである。蒸発部２には、多孔質部材としてのウィック１０が内設されている。蒸発部２については、後で図２を用いてさらに詳しく説明する。
凝縮部３は、作動流体を液化させるものである。詳しくは、凝縮部３は、蒸発部２から蒸気管４を介して移送された気相の作動流体を液相へと凝縮させるものである。
蒸気管４は、蒸発部２から凝縮部３に向けて気化された作動流体が移送されるものである。詳しくは、蒸気管４は、その上流側端部が蒸発部２に接続され、その下流側端部が凝縮部３に接続されている。
液管５は、凝縮部３から蒸発部２に向けて液化された作動流体が移送されるものである。詳しくは、液管５は、その上流側端部が凝縮部３に接続され、その下流側端部が蒸発部２に接続されている。

図１を参照して、このように構成されたヒートパイプ１（ループ型ヒートパイプ）の動作について説明する。
まず、蒸発部２の第２空間Ｎには、流入口１１ｂ（図２参照）を介して、液管５から移送された液相の作動流体が流入される。そして、その液相の作動流体は、ウィック１０（多孔質部材）の微細な孔を毛細管現象によって浸透して、第１空間Ｍ側のウィック１０の外表面に染み出す。このとき、蒸発部２に接触して発熱源となる冷却対象体５０や周囲からの熱（黒矢印方向に移動する熱である。）が、蒸発部２のケース１１を介してウィック１０に伝達されて、その熱によって作動流体が蒸発して気相に変化して第１空間Ｍに放出される。その後、気相に変化した作動流体は、蒸発部２の第１空間Ｍから流出口１１ａ（図２参照）を介して蒸気管４に送られる。そして、蒸気管４によって移送された気相の作動流体は、凝縮部３に流入される。そして、凝縮部３では、白矢印に示すように作動流体の熱が外部に放出されて、作動流体の温度が低下して液相に変化する。そして、液相に変化した作動流体が液管５を介して再び蒸発部２に移送されることになる。
このような作動流体の循環が繰り返しおこなわれて、冷却対象体５０が効率的に冷却されることになる。

以下、図２を用いて、本実施の形態におけるヒートパイプ１において、特徴的な構成・動作について説明する。
なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）の断面Ｂ−Ｂを示す断面図であって、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の断面Ａ−Ａを示す断面図である。
本実施の形態におけるヒートパイプ１において、蒸発部２は、図２に示すように、中空構造体であって、その内部がウィック１０（多孔質部材）によって２つの空間（第１空間Ｍと第２空間Ｎとである。）に区画されている。第１空間Ｍと第２空間Ｎとの間にはウィック１０が介在されていて、２つの空間Ｍ、Ｎが直接的に連通しないように構成されている（２つの空間Ｍ、Ｎの密閉性が高められている）。
本実施の形態において、蒸発部２とウィック１０（多孔質部材）とは、それぞれ、略直方体状に形成されている。

ここで、本実施の形態において、蒸発部２は、その内部に平面部１１ｃが形成されている。そして、その平面部１１ｃ（１つの平面部）にのみ接触するように、ウィック１０（多孔質部材）が内設されている。
そして、平面部１１ｃの側でウィック１０（多孔質部材）によって区画された第１空間Ｍに、蒸気管４に連通する流出口１１ａが形成されている。また、第２空間Ｎ（上述した２つの空間のうち第１空間Ｍとは異なる空間である。）に、液管５に連通する流入口１１ｂが形成されている。

詳しくは、本実施の形態において、蒸発部２における第１空間Ｍには、平面部１１ｃに複数の蒸気溝１２が形成されている。これらの蒸気溝１２は、作動流体を液相から気相に効率的に変化させるためのものである。
また、平面部１１ｃには、複数の蒸気溝１２に連通する凹部１３が形成されている。そして、この凹部１３に流出口１１ａが形成されている。凹部１３は、複数の蒸気溝１２を通る気相の作動流体を効率的に流動させるためのものである。

蒸発部２のケース１１は、銅、ステンレス鋼、アルミニウムなどの金属材料で形成されている。そして、ケース１１の内部に、金属、ゴム、セラミック、樹脂などの材料で形成された多孔質部材としてのウィック１０が設置されている。
蒸発部２のケース１１は、略直方体状の外形を有していて、その内部に略直方体状の中空部が形成されている。したがって、ケース１１（蒸発部２）の内部は、６つ（６方向）の内壁（天井面、底面、４つの側面である。）がすべて平面状に形成されていることになる。そして、ウィック１０は、その６つの内壁のうち２つ以上の内壁に接触するように設置されるのではなくて、６つの内壁のうち１つの内壁（平面部１１ｃである。）に接触するように設置されている。

さらに具体的に、図２に示すように、蒸発部２（ケース１１）の平面部１１ｃ（内部の天井面の縁部となる部分である。）は、略四角い環状の平面であって、そのほぼ全面（図２において破線で囲んだ部分である。）を周方向にわたって貼着しろ（又は、接着しろ）として、ウィック１０が貼着（又は、接着）されている。

このように、本実施の形態では、蒸発部２（ケース１１）の内部において２つの空間Ｍ、Ｎを密閉性を高めて区画するためのウィック１０が、蒸発部２（ケース１１）内の複数の面部に当接させた状態で保持されるのではなくて、１つの平面部１１ｃに当接させた状態で保持される。そのため、ウィック１０や蒸発部２（ケース１１）の内部の寸法精度や組立て精度を高めなくても、ウィック１０によって蒸発部２（ケース１１）の内部を２つの空間Ｍ、Ｎに密閉性高く区画することができる。したがって、ウィック１０や蒸発部２が高コスト化することなく、蒸発部２（ヒートパイプ１）の機能を良好に維持することができる。

ここで、本実施の形態において、蒸発部２は、平面部１１ｃが形成された部分に平面状の外壁面が形成されている。そして、その外壁面に冷却対象体５０（図１参照）が当接されている。
すなわち、ケース１１における上面（第１空間Ｍ側の上方の外壁面である。）に、冷却対象体５０が面接触するように配置されることになる。
このように、蒸発部２において、冷却対象体５０の設置面を平面状に形成することで、冷却対象体５０の設置性が向上するとともに、冷却対象体５０の冷却効率も向上し、冷却ムラも軽減されることになる。

以下、図３を用いて、本実施の形態におけるヒートパイプ１の設置例について、簡単に説明する。
図３に示すように、本実施の形態では、ヒートパイプ１が電子機器としてのプロジェクタ４０に設置されている。
プロジェクタ４０は、筐体４１内に、光学ユニット４５、ミラーユニット５５、ヒートパイプ１、排気ファン５８などが設置されている。光学ユニット４５には、光源、カラーホイール、ＤＭＤ、レンズなどが設置されている。そして、光学ユニット４５から射出された光（データ）がミラーユニット５５を経由してスクリーン６０に投影されることになる。
そして、本実施の形態では、光学ユニット４５において最も発熱する部分（冷却対象体５０）に、蒸発部２が接触するように、ヒートパイプ１が設置されている。このように構成することにより、光学ユニット４５がヒートパイプ１によって効率的に冷却されて、光学ユニット４５の熱的劣化を防止することができる。
なお、プロジェクタ４０（筐体４１）の内部には、ヒートパイプ１の凝縮部３の近傍に、排気ファン５８が設置されている。そして、凝縮部３で放出された熱が、排気ファン５８によって排気口４１ａから筐体４１外に積極的に排出されるように構成されている。これにより、凝縮部３における機能が高められることになる。
また、筐体４１において、排気口４１ａの反対側の位置には、給気口４１ｂが形成されている。これにより、筐体４１内において、給気口４１ｂから給気された空気が、排気ファン５８によって排気口４１ａから排気される空気の流れが形成されて、凝縮部３における機能がさらに高められるとともに、冷却対象体５０の冷却効果も高められることになる。

＜変形例１＞
図４は、変形例１としてのヒートパイプ１の蒸発部２を示す断面図であって、本実施の形態における図２に対応する図である。
図４に示すように、変形例１における蒸発部２の第１空間Ｍには、本実施の形態のものとは異なり、ケース１１の平面部１１ｃに複数の蒸気溝１２が形成されて、ウィック１０（多孔質部材）に複数の蒸気溝１２に連通する凹部１３が形成されている。そして、その凹部１３に対向する位置に、流出口１１ａが形成されている。
このように蒸発部２を構成した場合であっても、本実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。

＜変形例２＞
図５は、変形例２としてのヒートパイプ１の蒸発部２を示す断面図であって、本実施の形態における図２に対応する図である。
図５に示すように、変形例２における蒸発部２の第１空間Ｍには、本実施の形態のものとは異なり、ウィック１０（多孔質部材）に複数の蒸気溝１２が形成されて、ウィック１０（多孔質部材）に複数の蒸気溝１２に連通する凹部１３が形成されている。そして、その凹部１３に対向する位置に、流出口１１ａが形成されている。
このように蒸発部２を構成した場合であっても、本実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。

＜変形例３＞
図６は、変形例３としてのヒートパイプ１の蒸発部２を示す断面図であって、本実施の形態における図２に対応する図である。
図６に示すように、変形例３における蒸発部２の第１空間Ｍには、本実施の形態のものとは異なり、ウィック１０（多孔質部材）に複数の蒸気溝１２が形成されて、ケース１１の平面部１１ｃに複数の蒸気溝１２に連通する凹部１３が形成されている。そして、その凹部１３に、流出口１１ａが形成されている。
このように蒸発部２を構成した場合であっても、本実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。

＜変形例４＞
図７は、変形例４としてのヒートパイプ１の蒸発部２を示す断面図であって、本実施の形態における図２に対応する図である。
図７に示すように、変形例４におけるウィック１０（多孔質部材）は、本実施の形態のものとは異なり、第２空間Ｎに対向する部分に、底面に向けて突出する突出部１０ａ（凸部）が形成されている。具体的に、変形例４では、ウィック１０の下面の四隅に、それぞれ突出部１０ａが形成されている。この突出部１０ａは、図７に示すように、蒸発部２（ケース１１）の内部において底面に近い位置まで延在している。
このように構成することにより、第２空間Ｎに流入された液相の作動流体の量が少ない場合や、蒸発部２が傾いて設置されて第２空間Ｎ内の液相の作動流体が片寄ってしまう場合であっても、その液相の作動流体がウィック１０に浸透しやすくなるため、蒸発部２としての機能不良が生じにくくなる。

以上説明したように、本実施の形態におけるヒートパイプ１は、蒸発部２、凝縮部３、蒸気管４、液管５、などで構成されている。そして、蒸発部２は、その内部に平面部１１ｃが形成された中空構造体であって、蒸発部２の内部を２つの空間Ｍ、Ｎに区画するウィック１０（多孔質部材）が、その１つの平面部１１ｃにのみ接触するように内設されている。
これにより、ウィック１０や蒸発部２が高コスト化することなく、ウィック１０によって蒸発部２の内部を２つの空間Ｍ、Ｎに密閉性高く区画することができる。

なお、本実施の形態では、電子機器としてのプロジェクタ４０にヒートパイプ１を設置したが、プリンタ、複写機、ファクシミリ、パーソナルコンピュータ、サーバ、電子黒板、テレビ、ブルーレイレコーダ、ゲーム機など、種々の電子機器や、電子機器以外のすべての冷却対象体に対しても、ヒートパイプを設置することができる。
そして、そのような場合であっても、本実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。

なお、本発明が本実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、本実施の形態の中で示唆した以外にも、本実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、前記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

１ ヒートパイプ（ループ型ヒートパイプ）、
２ 蒸発部、
３ 凝縮部、
４ 蒸気管、
５ 液管、
１０ ウィック（多孔質部材）、
１０ａ 突出部、
１１ ケース、
１１ａ 流出口、 １１ｂ 流入口、
１１ｃ 平面部、
１２ 蒸気溝（溝部）、
１３ 凹部、
４０ プロジェクタ（電子機器）、
５０ 冷却対象体、
Ｍ 第１空間、 Ｎ 第２空間。

特許第５３００３９４号公報 特開２０１５−８７０８９号公報

Claims (8)

1. 作動流体を気化させる蒸発部と、
   作動流体を液化させる凝縮部と、
   前記蒸発部から前記凝縮部に向けて気化された作動流体が移送される蒸気管と、
   前記凝縮部から前記蒸発部に向けて液化された作動流体が移送される液管と、
   を備え、
   前記蒸発部は、
   その内部に平面部が形成された中空構造体であって、
   １つの前記平面部にのみ接触するように内設されて、当該蒸発部の内部を２つの空間に区画する多孔質部材と、
   前記平面部の側で前記多孔質部材によって区画された第１空間に形成されて、前記蒸気管に連通する流出口と、
   前記２つの空間のうち前記第１空間とは異なる第２空間に形成されて、前記液管に連通する流入口と、
   を具備したことを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記蒸発部における前記第１空間には、前記平面部又は前記多孔質部材に複数の蒸気溝が形成されて、前記平面部又は前記多孔質部材に前記複数の蒸気溝に連通する凹部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記流出口は、前記凹部、又は、前記凹部に対向する位置、に形成されたことを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記多孔質部材は、前記第２空間に対向する部分に、底面に向けて突出する突出部が形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のヒートパイプ。
5. 前記蒸発部と前記多孔質部材とは、それぞれ、略直方体状に形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のヒートパイプ。
6. 前記蒸発部は、前記平面部が形成された部分に平面状の外壁面を具備し、
   前記外壁面に冷却対象体が当接されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のヒートパイプ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のヒートパイプを備えたことを特徴とする電子機器。
8. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のヒートパイプを備えたことを特徴とする冷却対象体。

Images