JP5642836B2 - ヒートパイプ - Google Patents
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Description
本発明は、熱伝導部品に関し、特に電子部品から発生した熱を伝えるためのヒートパイプに関するものである。
ヒートパイプは、優れた熱伝導性を有することから、熱伝導部品として様々な分野に広く利用されている。従来のヒートパイプは、熱伝導性材料からなり且つ内部に作動流体が封入されている密閉管である。ヒートパイプの一端は蒸発部と呼ばれ、ヒートパイプの他端は凝縮部と呼ばれる。また、ヒートパイプの内壁には、ウィック構造が形成されている。
ヒートパイプが作動する場合、ヒートパイプの蒸発部は、発熱電子部品と熱接触し、発熱電子部品から発生する熱を吸収する。次いで、蒸発部の作動流体は、発熱電子部品から発生した熱によって蒸気になった後、ヒートパイプの凝縮部に向かって移動する。その後、気化した作動流体は、ヒートパイプの凝縮部で放熱された後液体に凝縮される。最後に、凝縮された作動流体は、ヒートパイプの内壁のウィック構造によって蒸発部に戻るため、再利用することができる。しかし、蒸気の流れ方向と凝縮液の流れ方向とは相反するため、蒸気は凝縮液の流れを妨害しやすく、凝縮液が蒸発部に戻ることを阻止する。これにより、作動流体の蒸発部に戻る速度は低減され、ヒートパイプの蒸発部は、乾燥現象を発生する可能性がある。これにより、ヒートパイプの熱伝導性に影響を及ぼす。
前記課題を解決するために、本発明は、熱伝導性に優れるヒートパイプを提供する。
本発明に係るヒートパイプは、蒸発部及び凝縮部を有し且つ内部に空間が形成された管体と、前記管体の内壁に設置されたウィック構造と、前記ウィック構造の中に吸着される作動流体と、を備える。前記蒸発部と前記凝縮部との間の管体内には、アクセラレータが設置され、前記アクセラレータは、前記蒸発部に対向する第一表面と、前記凝縮部に対向する第二表面と、第一表面及び第二表面を貫通する複数の貫通孔と、を備え、各貫通孔の直径は、蒸発部から凝縮部に向かって徐々に小さくなる。
従来の技術と比べて、本発明のヒートパイプの管体には、複数の貫通孔を有するアクセラレータが設置され、貫通孔の直径は、蒸発部から凝縮部に向かって徐々に小さくなるため、貫通孔を通過した蒸気の流速は速くなる。これにより、蒸気は凝縮部に向かって高速で流れることができ、ヒートパイプの熱伝導性を向上させることができる。また、貫通孔の直径が蒸発部から凝縮部に向かって徐々に小さくなるため、蒸気が周囲に向かって拡散する比率が減少する。これにより、蒸気が管体内のウィック構造の中の凝縮液体の流れを妨害する比率は減少する。従って、凝縮された液体は、蒸発部に高速で戻ることができ、ヒートパイプの熱伝導効率を向上させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1を参照すると、本発明の第一実施形態に係るヒートパイプ10は、密閉の管体100、管体100の中に設置されるウィック構造200及びアクセラレータ300を備える。ウィック構造200の内部には、作動流体(図示せず)が吸着される。
管体100は、細長い管状を呈し、銅、銅合金又は他の適切な材料等の高い熱伝導性を有する金属又は金属合金からなる。管体100は、蒸発部110と、凝縮部120と、蒸発部110及び凝縮部120を連接する断熱部130と、を備える。
ウィック構造200は、銅、銀又はアルミ等の金属ワイヤからなる網目状構造、又は金属粉末を焼結して形成された焼結金属である。ウィック構造200は、管体100の内壁に形成され、作動流体を吸着し且つこの作動流体を凝縮部120から蒸発部110へ戻すために用いられる。ヒートパイプ10の内部には、気化された作動流体が流動するための、ウィック構造200によって囲まれた空間140が形成されている。
図4を参照すると、アクセラレータ300は、蒸発部110と断熱部130との間に設置される。ウィック構造200の内表面は、アクセラレータ300の周縁に当接され、アクセラレータ300は、空間140を2つに分割する。アクセラレータ300は、扁平状の本体310を備える。本体310は、互いに対向する第一表面311及び第二表面312を備える。第一表面311及び第二表面312は、互いに平行であり且つ蒸発部110及び凝縮部120にそれぞれ対向している。本体310には、第一表面311及び第二表面312を貫通する複数の貫通孔320が設けられている。各貫通孔320は、テーパ状を呈し且つ本体310の厚さ方向に沿って第一表面311及び第二表面312を貫通する。複数の貫通孔320は、ノズル構造に類似している。各貫通孔320の第一表面311及び第二表面312に平行な断面は円形である。また、各貫通孔320の内表面は滑らかな表面である。各貫通孔320の直径は、蒸発部110から凝縮部120に向かって徐々に小さくなる。即ち、各貫通孔320の蒸発部110に向かう入口のサイズは、各貫通孔320の凝縮部120に向かう出口のサイズより大きい。本実施形態において、アクセラレータ300は、高い熱伝導性を有する金属又は金属合金からなる。
ヒートパイプ10が作動する場合、ヒートパイプ10の蒸発部110は、電子デバイス等の発熱部品400と熱接触する。発熱部品400が作動すると、蒸発部110のウィック構造200内の作動流体は、発熱部品400から発生する熱を吸収して蒸発する。この時、蒸気がアクセラレータ300の貫通孔320を介して凝縮部120に向かって流れる。質量保存の法則によれば、蒸気の質量は、以下の式1を満たす。
式1:
ρinVinAin=ρoutVoutAout
ρinVinAin=ρoutVoutAout
前記式1において、ρは蒸気の密度を表し、Aは貫通孔320の断面積を表し、Vは蒸気の流速を表す。ρinの値は、ρoutの値にほぼ等しい。貫通孔320の直径が入口から出口まで徐々に小さくなるため、Ainの値はAoutの値より大きい。従って、Vinの値はVoutの値より小さい。これにより、蒸気の流速は、蒸気の流れ方向に沿って速くなり、蒸気は、凝縮部120に向かって高速で流れることができる。従って、ヒートパイプ10の熱伝導性能を向上させることができる。
一方、アクセラレータ300の各貫通孔320の直径は、蒸発部110から凝縮部120に向かって徐々に小さくなるため、各貫通孔320内の蒸気は、蒸気の流れ方向に沿って貫通孔320の中心軸に向かって圧縮される。従って、蒸気が周囲に向かって拡散する比率は減少する。即ち、蒸気が断熱部130及び凝縮部120内のウィック構造200の中の凝縮液体の流れを妨害する比率が減少する。断熱部130及び凝縮部120で凝縮された液体は、蒸発部110に高速で戻ることができる。エネルギー保存の法則によれば、Vinの値がVoutの値より小さいため、貫通孔320の出口での蒸気の運動エネルギーは、貫通孔320の入口での蒸気の運動エネルギーより大きく、貫通孔320の出口での蒸気の熱エネルギーは、貫通孔320の入口での蒸気の熱エネルギーより小さい。これにより、蒸気の凝縮効率を向上することができる。
図2は、本発明の第二実施形態に係るヒートパイプ20を示す図である。このヒートパイプ20と第一実施形態に係るヒートパイプ10とが異なる点は、ヒートパイプ20は断熱部130を備えず、蒸発部510が凝縮部520と直接に連接し、アクセラレータ300は、この蒸発部510と凝縮部520との間に設置される点である。本実施形態において、ヒートパイプ20の凝縮部520の外周面には、複数のフィン530が設置されている。
図3は、本発明の第三実施形態に係るヒートパイプ30を示す図である。このヒートパイプ30と第一実施形態に係るヒートパイプ10とが異なる点は、ヒートパイプ30の蒸発部610は管体600の中央部に位置し、2つの凝縮部620が蒸発部610の両側にそれぞれ連接され、2つのアクセラレータ300が、蒸発部610と凝縮部620との間にそれぞれ設置される点である。本実施形態において、ヒートパイプ30の凝縮部620の外周面には、複数のフィン630が設置されている。
従来の技術と比べて、本発明のヒートパイプ10の管体100には、複数の貫通孔320を有するアクセラレータ300が設置され、貫通孔320の直径は、蒸発部110から凝縮部120に向かって徐々に小さくなるため、貫通孔320を通過した蒸気の流速は速くなる。これにより、蒸気は凝縮部120に向かって高速で流れることができ、ヒートパイプ10の熱伝導性を向上させることができる。また、貫通孔320の直径が蒸発部110から凝縮部120に向かって徐々に小さくなるため、蒸気が周囲に向かって拡散する比率が減少する。これにより、蒸気が管体100内のウィック構造200の中の凝縮液体の流れを妨害する比率は減少する。従って、凝縮された液体は、蒸発部110に高速で戻ることができ、ヒートパイプ10の熱伝導効率を向上させることができる。
10、20、30 ヒートパイプ
100、500、600 管体
200 ウィック構造
300 アクセラレータ
110、510、610 蒸発部
120、520、620 凝縮部
130 断熱部
140 空間
310 本体
320 貫通孔
311 第一表面
312 第二表面
400 発熱部品
530、630 フィン
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Claims (4)
- 蒸発部及び凝縮部を有し且つ内部に空間が形成された管体と、前記管体の内壁に設置されたウィック構造と、前記ウィック構造の中に吸着される作動流体と、を備えるヒートパイプにおいて、
前記蒸発部と前記凝縮部との間の管体内には、アクセラレータが設置され、前記アクセラレータは、前記蒸発部に対向する第一表面と、前記凝縮部に対向する第二表面と、第一表面及び第二表面を貫通する複数の貫通孔と、を備え、各貫通孔の直径は、蒸発部から凝縮部に向かって徐々に小さくなることを特徴とするヒートパイプ。 - 前記アクセラレータは金属材料からなり、前記貫通孔はテーパ状を呈し、各貫通孔の前記第一表面及び前記第二表面に平行な断面は円形であり、各貫通孔の内表面は滑らかな表面であることを特徴とする請求項1に記載のヒートパイプ。
- 前記管体は、前記蒸発部及び前記凝縮部を連接する断熱部をさらに備え、前記アクセラレータは、前記蒸発部と前記断熱部との間に設置されることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートパイプ。
- 前記蒸発部は、前記管体の中央部に位置し、前記凝縮部は、前記蒸発部の両側にそれぞれ連接され、前記アクセラレータは、前記蒸発部と前記凝縮部との間に設置されることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートパイプ。
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