JP4473925B1 - ループヒートパイプおよび電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ループヒートパイプの設置角度によらず効率的に発熱部品を冷却することができるヒートパイプおよびこれを備えた電子機器を提供する。
【解決手段】トップヒートの状態において、液溜め部51に液化した作動流体を貯留するとともに、ウィック52により生じる毛細管力により液溜め部51に貯留されている作動流体を蒸発部42に供給することにより、トップヒートの状態においても蒸発部42に安定して作動流体を供給することができるので、ループヒートパイプ33の設置角度によらず効率的に発熱部品25Bを冷却することができる。
【選択図】 図5

Description

本発明は、発熱部品を冷却するためのループヒートパイプおよびこれを備えた電子機器に関する。
発熱部品を冷却するための熱輸送装置として、ループヒートパイプが知られている。このループヒートパイプは、発熱部品の熱により作動流体を気化させる蒸発部と、蒸発部により気化した作動流体を液化する凝縮部と、蒸発部と凝縮部とを接続するとともに、気化した作動流体が通される蒸気管と、蒸気管とは独立に設けられ、蒸発部と凝縮部とを接続するとともに、凝縮部により液化した作動流体が通される液戻り管と、を備えている。
この種のループヒートパイプでは、蒸発部が凝縮部より高い位置に位置するトップヒートの状態において、作動流体が重力で凝縮部に溜まり易く、蒸発部への作動流体の供給が困難になると、作動流体を循環させることができず、発熱部品を冷却することができなくなる。
そこで、特許文献1では、液戻り管内部に、凝縮した作動流体を蒸発部に還流させる毛細管圧を生じるウィックを備えることにより、トップヒートモードで使用された場合でも、作動流体を良好に蒸発部に供給できる循環型ヒートパイプが提案されている。
特開2006−125783号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の循環型ヒートパイプでは、トップヒートの状態のまま非動作状態に入った場合、非動作状態の間に作動流体が重力により凝縮部側に溜まってしまうため、ヒートパイプを起動する際にウィックに保持されていた作動流体が蒸発部に供給された後に作動流体を蒸発部に安定して供給することは難しい、という課題がある。また、凝縮部から、液戻り管を経由して、蒸発部に至るまでウィックを形成する方法もあるが、ウィックの断面積が大きくなると圧力損失が増大し、ウィックによる蒸発部への作動流体の供給力が低下する、という課題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ループヒートパイプの設置角度によらず効率的に発熱部品を冷却することができるヒートパイプおよびこれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流入されたループヒートパイプであって、発熱部品の熱により前記流体気化さる蒸発部と、前記蒸発部で気化された前記流体液化さる凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記蒸発部で気化された前記流体が前記凝縮部へ流れる第1の流路と、前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記凝縮部で液化された前記流体が前記蒸発部へと流れる第2の流路と、前記第2の流路部内の内壁から前記蒸発部側に向けて突出し、前記第2の流路部内で前記蒸発部側に開口されて前記蒸発部側から前記凝縮部側へ向けて流れた前記流体を貯留可能な貯留部が設けられた壁部と、前記壁部に設けられた前記貯留部と前記蒸発部との間に設けられたウィックと、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、発熱部品熱的に接続される受熱部材と、前記受熱部材からの熱を放熱するヒートシンクと、流入されたループヒートパイプと、を備え、前記ループヒートパイプは、前記発熱部品の熱により前記流体気化さる蒸発部と、前記蒸発部で気化された前記流体液化さる凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記蒸発部で気化された前記流体が前記凝縮部へと流れる第1の流路と、前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記凝縮部で液化された前記流体が前記蒸発部へ流れる第2の流路と、前記第2の流路部内の内壁から前記蒸発部側に向けて突出し、前記第2の流路部内で前記蒸発部側に開口されて前記蒸発部側から前記凝縮部側へ向けて流れた前記流体を貯留可能貯留部が設けられた壁部と、前記壁部に設けられた前記貯留部と前記蒸発部との間に設けられたウィックと、を備えたことを特徴とする。
さらに、本発明は、発熱部品と、流体が封入されるとともに、前記発熱部品からの熱を受熱する受熱部と、この受熱部からの熱を放熱する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とに亘る第1の流路部と、この第1の流路部とは異なる位置で前記受熱部と前記放熱部とに亘る第2の流路部と、この第2の流路部の内壁から放熱部に向かって突出した壁部と、この壁部と前記蒸発部との間に設けられたウィックと、を有したヒートパイプとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、ループヒートパイプの設置角度によらず効率的に発熱部品を冷却することができる、という効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるループヒートパイプおよびこれを備えた電子機器の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、この発明にかかるループヒートパイプを備えた電子機器をノート型のパーソナルコンピュータ(以下、ポータブルコンピュータとする)に適用した例について説明するが、ループヒートパイプを用いて発熱部品の冷却を行うものであれば、これに限定するものではない。例えば、携帯情報端末のようなその他の電子機器に対して適用することができる。その他、電子機器は、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
(第1実施の形態)
まず、図1〜4を用いて、第1実施の形態にかかるポータブルコンピュータの構成について説明する。図1は、第1実施の形態にかかるポータブルコンピュータを示す斜視図である。図2は、第1実施の形態にかかるポータブルコンピュータの筐体を水平方向に切断して示す断面図である。図3は、筐体の内部に収容される冷却装置を分解して示す斜視図である。図4は、冷却装置のループヒートパイプを分解して示す斜視図である。
本実施の形態にかかるポータブルコンピュータ11は、図1に示すように、本体ユニット12、表示ユニット13、本体ユニット12と表示ユニット13との間に設けられるヒンジ機構14と、を備えている。ヒンジ機構14は、本体ユニット12に対して表示ユニット13が回転できるようにこれを支持している。
表示ユニット13は、各種情報を表示するCRT(Cathode Ray Tube)、LCD(Liquid Crystal Display)などのディスプレイ15を備えている。本体ユニット12は、図1および図2に示すように、筐体21と、筐体21に取り付けられたキーボード22、タッチパッド23、ボタン24と、筐体21の内部に収容されたプリント回路板25と、プリント回路板25の発熱部品25Bを冷却するための冷却装置26と、を備えている。
プリント回路板25は、図2および図3に示すように、複数の銅線の配線層を積層したプリント配線板25Aと、プリント回路板25上に実装された発熱部品25Bと、を備えている。発熱部品25Bは、例えば、CPU(Central Processing Unit)で構成されているが、後述する冷却装置26による冷却が必要な回路部品であれば、これに限定するものではない。例えば、発熱部品25Bは、ノースブリッジやグラフィックチップ等のその他の回路部品であってもよい。また、本実施の形態では、冷却装置26により冷却される回路部品として発熱部品25Bを一つのみ示しているが、これに限定するものではなく、複数の発熱部品を冷却装置26により冷却するようにしてもよい。
冷却装置26は、筐体21の内部に収容され、プリント回路板25上に実装された発熱部品25Bを冷却するものである。冷却装置26は、受熱部31と、ヒートシンク32と、ループヒートパイプ33と、ファンユニット34と、を備えている。
受熱部31は、発熱部品25Bに熱的に接続されており、例えば、ループヒートパイプ33の一部で構成されている。なお、本実施の形態では、ループヒートパイプ33の一部で受熱部31が構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、熱伝導性が良好で、方形をなした受熱板を受熱部として設けてもよい。
ヒートシンク32は、受熱部31の熱を外部に放出するものであり、例えば、方形のフィンを複数連結して形成されている。
ファンユニット34は、ヒートシンク32における放熱を促進するためのものである。本実施の形態では、ファンユニット34は、図3に示すように、ファン本体34Aと、ファン本体34Aの周囲を囲むケーシング34Bと、ファン本体34Aを回転させるためのモータと、を備えている。モータは、プリント回路板25と電気的に接続されており、プリント回路板25の制御によってファン本体34Aを回転させることができる。
ループヒートパイプ33は、受熱部31とヒートシンク32とを熱的に接続するものである。本実施の形態では、ループヒートパイプ33は、図4に示すように、第1板部材33Aと、第2板部材33Bと、を重ね合わせて形成されている。第1板部材33Aと第2板部材33Bとは、それぞれ銅により形成されている。なお、第1板部材33Aおよび第2板部材33Bの材質は、これに限定するものではなく、アルミニウム合金により形成されていても良い。
第2板部材33Bには、溝35がエッチング処理などにより形成されており、これらの溝35によって作動流体が封入される環状の流路41が形成されている。本実施の形態では、第2板部材33Bには、3つの流路41が形成されている。
作動流体は、液体と気体との間で状態変化することができる流体であり、例えば、水で構成されている。なお、作動流体は、液体と気体との間で状態変化することができるものであれば、これに限定されるものではなく、例えば、エタノール、アンモニア、ブタンなどであっても良い。
なお、ループヒートパイプ33の熱輸送量は、従来型のロッド状のヒートパイプの熱輸送量に比べて飛躍的に向上しており、従来型のものと同列に論ずることはできない。より具体的には、従来型の棒状のヒートパイプ(外形6mm)の熱輸送量が、例えば、35W程度であるのに対して、ループヒートパイプ(外形4.2mm)の熱輸送量は、例えば1000W程度である。
次に、図4から図7を用いて、各流路41について詳細に説明する。図5は、流路の構造を模式的に示す縦断面図である。図6は、液戻り管の縦断面である。図7は、液戻り管の横断面図である。流路41は、蒸発部42と、凝縮部43と、蒸気管44と、液戻り管45と、液溜め部51と、ウィック52と、を備えている。
蒸発部42は、発熱部品25Bに熱的に接続されており、発熱部品25Bの熱により作動流体を気化させて、発熱部品25Bの熱を奪うものである。
凝縮部43は、ヒートシンク32と熱的に接続されており、蒸発部42で気化された作動流体を液化させて、発熱部品25Bから伝えられた熱をヒートシンク32に伝えるものである。
蒸気管44(第1の流路)は、蒸発部42と凝縮部43とを接続するとともに、蒸発部42で気化された作動流体を通すものである。
液戻り管45(第2の流路)は、蒸気管44とは独立に設けられ、蒸発部42と凝縮部43とを接続するとともに、凝縮部43で液化された作動流体が通すものである。なお、本実施の形態では、液戻り管45を蒸気管44とは独立に設けられているが、気化された作動流体と別に液化された作動流体を通すことができるものであれば、これに限定するものではない。例えば、蒸発部42と凝縮部43とを接続する管内に、気化された作動流体を通す領域と液化された作動流体を通す領域とに仕切る板などを設けても良い。
液溜め部51は、液戻り管45内の内壁に形成され、凝縮部43で液化された作動流体を貯留可能に蒸発部42と凝縮部43との間に設けられているものである。
本実施の形態では、液溜め部51は、図6および図7に示すように、液戻り管45内を蒸発部42側の第1領域と凝縮部43側の第2領域とに仕切る四角形状の仕切り板であり、液戻り管45内の内壁に端部51bが固定して形成され、かつ液戻り管45内の内壁に固定されていない端部51aが第1領域側に向って斜めに延在させて形成されている。これにより、仕切り板の第1領域側の端部51aと液戻り管45の内壁とが開口部を形成し、作動流体が当該開口部を介して第2領域から第1領域へ流れることができる。また、蒸発部42が凝縮部43よりも高い位置に位置することにより作動流体の循環が停止するトップヒートの状態において、仕切り板と液戻り管45の内壁との間に形成される液溜りに、凝縮部43により液化した作動流体を貯留することができる。
なお、本実施の形態では、四角形状の仕切り板により液溜め部51を構成しているが、トップヒートの状態において凝縮部43で液化された作動流体を貯留可能な壁部が液戻り管45の内壁に形成されていれば、これに限定するものではない。例えば、液戻り管45内を蒸発部42側の第1領域と凝縮部43側の第2領域とに仕切る湾曲した壁部を液戻り管45の内壁に形成しても良い。
また、本実施の形態では、液溜め部51が液戻り管45内に一つ形成されているが、複数の液溜め部51を液戻り管45内に形成することも可能である。例えば、図6に示す液戻り管45内において、液溜め部51が形成された側の内壁に対向する内壁であって、当該液溜め部51の形成位置から蒸発部42(または凝縮部43)側にずれた位置に他の液溜め部を形成しても良い。
ウィック52は、液溜め部51を構成する四角形状の仕切り板の凝縮部43側の端部51bが固定された内壁面に沿って、当該凝縮部43側の端部51bの固定位置と蒸発部42との間に設けられたものである。これにより、液化した作動流体にウィック52による毛細管力を作用させて、作動流体を蒸発部42に還流させるものである。本実施の形態では、ウィック52は、流路41の内部に金属粉末を焼結して形成した多孔質材で形成されている。また、本実施の形態では、ウィック52は、端部51bが固定された内壁面に沿って、液溜め部51の端部51bの固定位置から蒸発部42に至るまで連続的に形成されているものとする。
なお、本実施の形態では、液溜め部51の端部51bの固定位置から蒸発部42に至るまでウィック52を設けているが、液溜め部51に貯留された作動流体をウィック52の毛細管力で蒸発部42に還流可能に液溜め部51の形成位置から蒸発部42との間に設けられていれば、これに限定するものではない。
本実施の形態にかかる冷却装置26においては、発熱部品25Bの熱は、受熱部31を介してループヒートパイプ33の蒸発部42に伝達される。蒸発部42は、この熱を吸収した作動流体を気化させ、蒸気管44を介して凝縮部43に送る。凝縮部43は、気化した作動流体の熱を放出させて液化する。こうして、発熱部品25Bの熱は、ヒートシンク32に伝達される。ヒートシンク32に伝えられた熱は、ファンユニット34から送られる空気に伝達され、筐体21の開口部27を介して大気中に放出される。
ここで、図8および図9を用いて、トップヒートの状態および非トップヒートの状態における蒸発部42への作動流体の供給方法について説明する。図8は、非トップヒートの状態における蒸発部への作動流体の供給方法の一例を示す説明図である。図9は、トップヒート状態における蒸発部への作動流体の供給方法の一例を示す説明図である。
蒸発部42が凝縮部43よりも低い位置に位置する非トップヒートの状態においては、図8に示すように、凝縮部43により液化された作動流体は、液溜め部51(仕切り板)の端部51aと液戻り管45の内壁との間に形成される開口部を介して、重力により第2領域から第1領域へと流れる。そのため、非トップヒートの状態においては、重力により作動流体を蒸発部42に安定して供給することができる。
一方、蒸発部42が凝縮部43よりも高い位置に位置するトップヒートの状態においては、先述したように、凝縮部43により液化された作動流体は、重力により凝縮部43に溜り易くなり、蒸発部42への作動流体の供給が困難になる。しかし、本実施の形態によれば、図9に示すように、トップヒートの状態においても、液溜め部51に液化した作動流体を貯留するとともに、ウィック52により生じる毛細管力により液溜め部51に貯留されている作動流体を蒸発部42に供給することができる。特に、ループヒートパイプ33がトップヒートの状態のまま非動作状態に入った場合においても、非動作状態の間に作動流体が重力により凝縮部43側に溜まった場合でも、ループヒートパイプ33を起動する際にウィック52に保持されている作動流体を蒸発部42に供給した後も液溜め部51に貯留されている作動流体を蒸発部42に供給することができる。
このように、本実施の形態にかかるポータブルコンピュータ11によれば、トップヒートの状態においても蒸発部42に安定して作動流体を供給することができるので、ループヒートパイプ33の設置角度によらず効率的に発熱部品25Bを冷却することができる。特に、ポータブルコンピュータ11のような携帯機器は、その使用状態や保存状態で様々な姿勢を取るため、トップヒートの状態になる可能性が高いが、本実施の形態にかかるポータブルコンピュータ11によれば、蒸発部42に安定して作動流体を供給することができる。
また、本実施の形態にかかるポータブルコンピュータ11によれば、トップヒートの状態において凝縮部43により液化された作動流体を蒸発部42に供給するために、凝縮部43から、液戻り管45を経由して、蒸発部42に至るまで連続してウィック52を形成する必要がないので、液戻り管45を安価に形成することができ、かつウィック52の断面積が大きくなることによる圧力損失の増大を抑えることができるので、ウィック52による蒸発部42への作動流体の供給力を高めることができる。
(第2実施の形態)
本実施の形態にかかるポータブルコンピュータ11は、液戻り管45の延在方向に沿って当該液戻り管45内に環状に液溜め部を設けるものである。なお、第1実施の形態と同様の構成については説明を省略し、第1実施の形態と異なる構成のみを説明する。
図10および図11を用いて、本実施の形態にかかる液戻り管45について詳細に説明する。図10は、液戻り管の縦断面図である。図11は、液戻り管の横断面図である。
液溜め部1001は、液戻り管45の延在方向に沿って当該液戻り管45内に円環状に設けられ、凝縮部43側の端部1001aが液戻り管45の内壁に固定して形成されるとともに、液戻り管45の内壁に固定されていない端部(蒸発部42側の端部)1001bが液戻り管45の内壁との間で開口部を形成している。これにより、凝縮部43側の端部1001aと液戻り管45の内壁とが開口部を形成し、作動流体が当該開口部を介して凝縮部43側から蒸発部42側へ流れることができる。また、トップヒートの状態において、円環状の液溜め部1001と液戻り管45の内壁との間に形成される液溜りに、凝縮部43により液化した作動流体を貯留し、貯留した作動流体をウィック52の毛細管力により蒸発部42に供給することができる。
なお、本実施の形態では、円環状の液溜め部1001を液戻り管45内に設けているが、液戻り管45内に環状に設けられるものであれば、これに限定するものではない。例えば、断面が矩形状である矩形環状の液溜め部1001を液戻り管45内に設けても良い。
ここで、図12を用いて、本実施の形態にかかる液戻り管45および液溜め部1001の作成方法の一例について簡単に説明する。図12は、液戻り管および液溜め部の作成方法の説明図である。
図12に示す作成方法では、蒸発部42側に設けられ、内壁面にウィック52が形成された円環状の第1の管1201、および凝縮部43側に設けられ、第1の管1201の内径より外径が小さい部位1202aと第1の管1201の内径と外形がほぼ同じである部位1202bとを有する円環状の第2の管1202を用意する。そして、第2の管1202が有する部位1202aを第1の管1201内に挿入するとともに、第1の管1201の内壁面と、第2の管1202が有する部位1202bの外壁面と、を圧着させる。これにより、第2の管1202の凝縮部43側の端部1203と第1の管1201の内壁とが開口部を形成し、作動流体が当該開口部を介して凝縮部43側から蒸発部42側へ流れることができる。また、トップヒートの状態において、第2の管1202が有する部位1202aと第1の管1201の内壁との間に形成される液溜りに、凝縮部43により液化した作動流体を貯留し、貯留した作動流体をウィック52の毛細管力により蒸発部42に供給することができる。
このように、本実施の形態にかかるポータブルコンピュータ11によれば、トップヒートの状態においても蒸発部42に安定して作動流体を供給することができるので、第1実施の形態と同様の効果を得ることができる。
第1実施の形態にかかるポータブルコンピュータを示す斜視図である。 第1実施の形態にかかるポータブルコンピュータの筐体を水平方向に切断して示す断面図である。 筐体の内部に収容される冷却装置を分解して示す斜視図である。 冷却装置のループヒートパイプを分解して示す斜視図である。 流路の構造を模式的に示す縦断面図である。 液戻り管の縦断面である。 液戻り管の横断面図である。 非トップヒートの状態における蒸発部への作動流体の供給方法の一例を示す説明図である。 トップヒート状態における蒸発部への作動流体の供給方法の一例を示す説明図である。 液戻り管の縦断面図である。 液戻り管の横断面図である。 液戻り管および液溜め部の作成方法の説明図である。
符号の説明
11 ポータブルコンピュータ
25B 発熱部品
31 受熱部
32 ヒートシンク
33 ループヒートパイプ
42 蒸発部
43 凝縮部
44 蒸気管
45 液戻り管
51 液溜め部
52 ウィック

Claims (7)

  1. 入されたループヒートパイプであって、
    発熱部品の熱により前記流体気化さる蒸発部と、
    前記蒸発部で気化された前記流体液化さる凝縮部と、
    前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記蒸発部で気化された前記流体が前記凝縮部へ流れる第1の流路と、
    前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記凝縮部で液化された前記流体が前記蒸発部へ流れる第2の流路と、
    前記第2の流路部内の内壁から前記蒸発部側に向けて突出し、前記第2の流路部内で前記蒸発部側に開口されて前記蒸発部側から前記凝縮部側へ向けて流れた前記流体を貯留可能な貯留部が設けられた壁部と、
    前記壁部に設けられた前記貯留部と前記蒸発部との間に設けられたウィックと、
    を備えたことを特徴とするループヒートパイプ。
  2. 前記壁部は、前記第2の流路部内の内壁から前記蒸発部側に向って斜めに突出したことを特徴とする請求項1に記載のループヒートパイプ。
  3. 前記壁部は、前記第2の流路部内に環状に設けられたことを特徴とする請求項1に記載のループヒートパイプ。
  4. 発熱部品と熱的に接続される受熱部材と、
    前記受熱部材からの熱を放熱するヒートシンクと、
    流体が封入されたループヒートパイプと、
    を備え、
    前記ループヒートパイプは、
    前記発熱部品の熱により前記流体が気化される蒸発部と、
    前記蒸発部で気化された前記流体が液化される凝縮部と、
    前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記蒸発部で気化された前記流体が前記凝縮部へ流れる第1の流路部と、
    前記蒸発部と前記凝縮部とに亘り、前記凝縮部で液化された前記流体が前記蒸発部へ流れる第2の流路部と、
    前記第2の流路部内の内壁から前記蒸発部側に向けて突出し、前記第2の流路部内で前記蒸発部側に開口されて前記蒸発部側から前記凝縮部側へ向けて流れた前記流体を貯留可能な貯留部が設けられた壁部と、
    前記壁部に設けられた前記貯留部と前記蒸発部との間に設けられたウィックと、
    を備えたことを特徴とする電子機器。
  5. 前記壁部は、前記第2の流路部内の内壁から前記蒸発部側に向って斜めに突出したことを特徴とする請求項4に記載の電子機器。
  6. 前記壁部は、前記第2の流路部内に環状に設けられたことを特徴とする請求項4に記載の電子機器。
  7. 発熱部品と、
    流体が封入されるとともに、前記発熱部品からの熱を受熱する受熱部と、この受熱部からの熱を放熱する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とに亘る第1の流路部と、この第1の流路部とは異なる位置で前記受熱部と前記放熱部とに亘る第2の流路部と、この第2の流路部の内壁から放熱部に向かって突出した壁部と、この壁部と前記蒸発部との間に設けられたウィックと、を有したヒートパイプと
    を備えたことを特徴とする電子機器。
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