JP6293238B1 - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】薄くても良好な熱輸送能力が得られるヒートパイプ及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るヒートパイプ１は、作動流体が内部に封入された扁平状のコンテナ１０と、コンテナ１０の内部に設けられたウィック２０と、を備え、ウィック２０は、繊維を筒状に編んだ編組体２１であり、編組体２１の周囲に、作動流体の蒸気流路３０が形成され、編組体２１の内周面２１ａによって囲まれた空洞部２１２に、作動流体の液体流路３１が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートパイプに関するものである。

近年、スマートフォン、タブレットＰＣ等の携帯機器の薄型化は著しく、その携帯機器に搭載されているＣＰＵ等の熱を放熱するために、薄型のヒートパイプが求められている。このような薄型のヒートパイプとして、下記特許文献１には、厚さ寸法１ｍｍ以下の扁平状のヒートパイプが開示されている。このヒートパイプは、第一のパイプと、第一のパイプに比べて比較的小径、かつ長さの短い第二のパイプ、上記第一のパイプの略中央部に第二のパイプが少なくとも一本挿入固定され、第一のパイプに作動液を入れて端部を封止したヒートパイプであって、上記第一と第二のパイプが扁平状に形成されている。

第一のパイプは、内部を空洞とする筒状の材料を扁平状に形成され、この軸方向端部をそれぞれ絞り加工部とプレス部とし、当該両端部の間がコンテナとなっている。この絞り加工部は、作動流体の注入口となっており、組立工程において封止部を形成し第一のパイプの内部を密封するものとなっている。上記の通り第一のパイプは扁平しており、この内部にはグルーブ（溝）が形成されていると共に、コンテナの有効長さに満たない長さ寸法としてある第二のパイプが埋設されており、当該第二のパイプは、内部空間を潰した形状となっている。

特開平１１−１８３０６９号公報

上記構成のヒートパイプは、コンテナの内壁面の全周に亘って、グルーブが形成されているため、作動流体の蒸気流路に液溜まりが生じることがある。薄型のヒートパイプでは、蒸気流路の流路面積が小さくなっており、蒸気流路に液溜まりが生じると、その液体が作動流体の蒸気によって低温部に押し流され、作動流体の潜熱による熱輸送能力が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、薄くても良好な熱輸送能力が得られるヒートパイプの提供を目的とする。

（１）本発明の一態様に係るヒートパイプは、作動流体が内部に封入された扁平状のコンテナと、前記コンテナの内部に設けられたウィックと、を備え、前記ウィックは、繊維を筒状に編んだ編組体であり、前記編組体の周囲に、前記作動流体の蒸気流路が形成され、前記編組体の内周面によって囲まれた空洞部に、前記作動流体の液体流路が形成されている。

（２）上記（１）に記載されたヒートパイプであって、前記コンテナの内壁面は、平滑に形成されており、前記編組体は、前記コンテナの内壁面に接触する外周面を有し、前記編組体の外周面と前記コンテナの内壁面との間に、前記作動流体の第２の液体流路が形成されていてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載されたヒートパイプであって、前記編組体の繊維間に、前記作動流体の第３の液体流路が形成されていてもよい。

（４）本発明の一態様に係るヒートパイプの製造方法は、作動流体が内部に封入された扁平状のコンテナと、前記コンテナの内部に設けられたウィックと、を備え、前記ウィックは、繊維を筒状に編んだ編組体であり、前記編組体の周囲に、前記作動流体の蒸気流路が形成され、前記編組体の内周面によって囲まれた空洞部に、前記作動流体の液体流路が形成されている、ヒートパイプの製造方法であって、前記ウィックを扁平状にプレスするウィックプレス工程と、扁平状になった前記ウィックを前記コンテナの内部に挿入するウィック挿入工程と、前記ウィックが挿入された前記コンテナに前記作動流体を導入する作動流体導入工程と、前記作動流体が導入された前記コンテナを封止するコンテナ封止工程と、封止された前記コンテナを扁平状にプレスするコンテナプレス工程と、を有する。

（５）上記（４）に記載されたヒートパイプの製造方法であって、前記ウィック挿入工程後、前記作動流体導入工程の前に、前記コンテナに挿入された前記ウィックを焼結させて前記コンテナに固定する焼結工程を有してもよい。

上記本発明の態様によれば、薄くても良好な熱輸送能力が得られるヒートパイプを提供できる。

一実施形態に係るヒートパイプの平面図である。 図１に示すヒートパイプの矢視Ａ−Ａ断面図である。 一実施形態に係るウィックの外観図である。 一実施形態に係るウィックを構成する編組体の模式図である。 一実施形態に係るヒートパイプの製造方法のフローチャートである。 一実施形態に係るヒートパイプの製造方法のウィック挿入工程を説明する説明図である。 一実施形態に係るヒートパイプの性能を評価する試験機の（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。 図７に示す試験機による試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るヒートパイプ及びその製造方法を、図面を参照しながら説明する。図面において、説明の便宜上、いくつかの部分が拡大され又は省略されている。また、図面に表されている各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、一実施形態に係るヒートパイプ１の平面図である。図２は、図１に示すヒートパイプ１の矢視Ａ−Ａ断面図である。
ヒートパイプ１は、作動流体の潜熱を利用する熱輸送素子である。このヒートパイプ１は、作動流体が内部に封入されたコンテナ１０と、コンテナ１０の内部に設けられたウィック２０と、を備える。

作動流体は、周知の相変化物質からなる熱輸送媒体であって、コンテナ１０内で液相と気相とに相変化する。例えば、作動流体として、水（純水）やアルコールやアンモニア等を採用できる。なお、作動流体について、液相の場合を「液体」、気相の場合を「蒸気」と記載して説明することがある。また、液相と気相とを特に区別しない場合には作動流体と記載して説明することがある。なお、本実施形態のような薄型のヒートパイプ１においては、作動流体として、水を採用することが好ましい。

コンテナ１０は、図１に示すように、一端部１１と他端部１２が閉塞された、気密性のある中空容器である。互いに離れた箇所の間で熱輸送を行う用途に供されるヒートパイプ１にあっては、中空の管（パイプ）がコンテナ１０に使用される。コンテナ１０は、その内部と外部との間で熱を伝達する必要があるため、熱伝導率の高い素材で構成されていることが好ましく、例えば銅管、アルミニウム管、ステンレス管などの金属管で構成されていることが好ましい。

コンテナ１０は、図２に示すように、幅方向（図２における紙面左右方向）の寸法が、厚み方向（図２における紙面上下方向）の寸法よりも大きい扁平状に形成されている。コンテナ１０の断面形状は、互いに平行な一対の平面部１３と、それらの両端を接続する一対の曲面部１４と、を有する長円形となっている。なお、曲面部１４は、半円形に限らず、半楕円形、その他の湾曲凸形状などであってよい。

ウィック２０は、コンテナ１０の幅方向の中央部に固定されている。また、ウィック２０は、コンテナ１０の一対の平面部１３に接触している。ウィック２０と一対の曲面部１４との間には隙間が形成されており、それらの隙間が作動流体の蒸気流路３０となっている。このウィック２０は、図１に示すように、コンテナ１０の長手方向に延在しており、一端部１１及び他端部１２のいずれか一方側で蒸発し、他方側で凝縮した作動流体を、再び一方側に還流させる。

図３は、一実施形態に係るウィック２０の外観図である。図４は、一実施形態に係るウィック２０を構成する編組体２１の模式図である。
ウィック２０は、繊維２１０を筒状に編んだ編組体２１である。本実施形態の編組体２１は、図３に示すように、繊維２１０を束ねた繊維束２１１を筒状に編むことで形成されている。なお、繊維束２１１として束ねられた繊維２１０は、撚られていない。

繊維２１０としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属線や、カーボンファイバー、ガラス繊維などの非金属線を採用することができる。なお、金属線は、熱伝導率が高いため、繊維２１０として好適に採用し得る。なお、繊維２１０は、コンテナ１０の内部に封入される作動流体との関係で濡れ性が優れているものを選択することが好ましい。本実施形態の繊維２１０は、例えば、直径が０．０５ｍｍ程度の銅線を使用しており、それが数本束ねられて繊維束２１１となっている。

図２に示すように、編組体２１の内周面２１ａによって囲まれた空洞部２１２には、作動流体の液体流路３１（第１の液体流路）が形成されている。空洞部２１２の厚みｔ５は、作動流体の液体を移動させる毛細管力を発揮できる大きさになっている。空洞部２１２の厚みｔ５は、例えば、０．０５ｍｍ程度のものであり、本実施形態では、繊維２１０の直径と同程度の大きさとなっている。また、編組体２１の肉厚ｔ４は、空洞部２１２の厚みｔ５よりも大きく、例えば、繊維２１０の直径の２〜３倍程度の大きさとなっている。

コンテナ１０の内部空間の厚みｔ３は、空洞部２１２を有する編組体２１を収容できる大きさとなっている。また、コンテナ１０の肉厚ｔ２は、編組体２１の肉厚ｔ４よりも小さく、例えば、繊維２１０の直径の１．５〜２．５倍程度の大きさとなっている。ヒートパイプ１の全体の厚みｔ１は、コンテナ１０の肉厚ｔ２とその内部空間の厚みｔ３を加算した大きさとなっており、本実施形態では、例えば、０．５ｍｍ程度となっている。

編組体２１は、コンテナ１０の内壁面１０ａに接触する外周面２１ｂを有する。コンテナ１０の内壁面１０ａは、グルーブ等の凹凸がなく、平滑に形成されている。編組体２１の外周面２１ｂとコンテナ１０の内壁面１０ａとの間には、作動流体の第２の液体流路３２が形成されている。本実施形態の編組体２１は、一対の平面部１３のそれぞれに接触しているため、それぞれの接触部に、第２の液体流路３２が形成されている。この第２の液体流路３２は、図３に示す繊維束２１１と繊維束２１１との交差によって形成される隙間（溝）によって形成されるものである。

また、編組体２１の内部の繊維２１０間には、図２に示すように、作動流体の第３の液体流路３３が形成されている。なお、第３の液体流路３３は、繊維２１０間の隙間であるため、繊維束２１１間の隙間である第２の液体流路３２よりも空間が小さい。このため、第２の液体流路３２の方が、第３の液体流路３３よりも液体の搬送能力は大きい。また、第２の液体流路３２は、繊維束２１１がコンテナ１０の内壁面１０ａに接触しているため、その接触部が液体の流れの抵抗となる。このため、空洞部２１２である第１の液体流路３１の方が、第２の液体流路３２よりも液体の搬送能力は大きい。

編組体２１の繊維２１０（繊維束２１１）は、図４に示すように、作動流体の液体の流動方向に対して鋭角の角度αで編まれている。本実施形態の液体の流動方向は、編組体２１の中心線Ｌに沿う長手方向である。角度αが大きいと、繊維２１０（繊維束２１１）の隙間を通って移動する液体が長手方向に移動し難くなる（液体の流れの抵抗が大きくなる）ため、角度αは０度に近い方が好ましい。しかしながら、角度αが０度になると編組体２１を形成できないため、角度αは、５〜２０度の範囲で設定されている。

次に、上記構成のヒートパイプ１の製造方法について説明する。
図５は、一実施形態に係るヒートパイプ１の製造方法のフローチャートである。図６は、一実施形態に係るヒートパイプ１の製造方法のウィック挿入工程Ｓ２を説明する説明図である。
本手法では、図５に示すように、ウィックプレス工程Ｓ１、ウィック挿入工程Ｓ２、焼結工程Ｓ３、作動流体導入工程Ｓ４、コンテナ封止工程Ｓ５、コンテナプレス工程Ｓ６を経て、ヒートパイプ１を製造する。

ウィックプレス工程Ｓ１は、ウィック２０を扁平状にプレスする工程である。
この工程では、先ず、複数の繊維２１０を束ね、繊維束２１１を形成する。次に、この繊維束２１１を十数本用意して、それらを編組機にセットする。この編組機は、繊維束２１１を筒状に編んで編組体２１を形成するためのものであり、その原理的な構成は従来知られている通りである。編組機によって筒状の編組体２１が形成されたら、次に、その編組体２１を所定の長さに切断して、筒状のウィック２０を形成する。このウィック２０をプレス機にかけて扁平状にプレスする。

ウィック挿入工程Ｓ２は、扁平状になったウィック２０をコンテナ１０の内部に挿入する工程である。
この工程では、先ず、脱脂などの洗浄を行った丸パイプを用意し、これを所定の長さに切断してコンテナ１０とする。編組体２１を銅線によって構成した場合には、コンテナ１０として銅パイプを使用することが好ましい。次に、このコンテナ１０の内部に、図６に示すように、固定具４０を用いてウィック２０を挿入する。固定具４０は、外周面の一部をフラットに切り欠いた切欠部４１を有し、ウィック２０は半円弧形状に湾曲させた状態でコンテナ１０に挿入される。

焼結工程Ｓ３は、コンテナ１０に挿入されたウィック２０を焼結させてコンテナ１０に固定する工程である。
この工程では、図６に示すように、ウィック２０を挿入したコンテナ１０をほぼ水平に維持したまま加熱炉（図示せず）に送って加熱する。その加熱温度は、コンテナ１０及びウィック２０が銅製の場合、１０００℃程度であり、こうすることによりウィック２０がコンテナ１０の内壁面１０ａに焼結されて固定される。

作動流体導入工程Ｓ４は、ウィック２０が挿入されたコンテナ１０に作動流体を導入する工程である。
この工程では、先ず、上記のコンテナ１０を加熱炉から取り出して冷却する。次に、コンテナ１０に挿入された固定具４０を取り出し、図１に示すコンテナ１０のボトム側の他端部１２にスェージング加工を施すとともに、その端部を溶接して密閉する。いわゆるボトムスェージング加工およびボトム溶接を行う。また、コンテナ１０のトップ側の一端部１１にスェージング加工すなわちトップスェージング加工を行う。そして、トップスェージング加工により絞られたコンテナ１０の一端部１１から作動流体を導入する。

コンテナ封止工程Ｓ５は、作動流体が導入されたコンテナ１０を封止する工程である。
この工程では、作動流体の導入するために開口していたコンテナ１０の一端部１１を圧潰した後、溶接して密閉する。いわゆるトップ溶接を行う。なお、コンテナ１０の一端部１１から作動流体を導入する場合、コンテナ１０から空気などの非凝縮性ガスを脱気する必要があり、したがって注液は、真空脱気の後に作動流体を注入する方法、余分な量の作動流体を注入した後、これを沸騰させて非凝縮性ガスを追い出す方法など、従来知られている方法で行えばよい。

コンテナプレス工程Ｓ６は、封止されたコンテナ１０を扁平状にプレスする工程である。
この工程では、作動流体が封入された丸パイプ型のコンテナ１０をその半径方向に押し潰して扁平状にする。コンテナ１０をその半径方向に押し潰して扁平化すると、半円弧形状に湾曲させた状態で挿入されたウィック２０が、図２に示す扁平状になる。
以上により、上記構成のヒートパイプ１を製造することができる。

次に、ヒートパイプ１の動作（作用）について説明する。
図１に示すように、コンテナ１０の一端部１１と他端部１２との間に温度差が生じたとき、高温部（例えば、一端部１１）では作動流体が加熱されて蒸発し、コンテナ１０の内部圧力も上昇する。高温部で生じた作動流体の蒸気は、温度及び圧力の低い低温部（他端部１２）に向けて移動し、高温部の熱が、蒸気の潜熱として、低温部に輸送される。低温部において、作動流体の蒸気は、放熱により凝縮する。蒸気のすなわち気相の作動流体の蒸気流路３０は、図２に示すように、ウィック２０（編組体２１）の周囲に確保される。

低温部で凝縮した作動流体は、ウィック２０に浸透して、作動流体の蒸発が生じる箇所、すなわち高温部に向けて移動する。詳しくは、ウィック２０に浸透した液体の一部は、編組体２１の内周面２１ａによって囲まれた空洞部２１２に浸透し、空洞部２１２に形成された液体流路３１を通って、高温部に向けて移動する。このように、本実施形態では、編組体２１の内部空間に液体流路３１が形成されており、液体流路３１と蒸気流路３０とが隔てられているため、液体が蒸気によって低温部に押し流されることがない。このため、ヒートパイプ１の熱輸送能力が良好になる。

また、ウィック２０は、繊維２１０を筒状に編んだ編組体２１であるため、扁平状にプレスしてもウィック２０の断面における繊維２１０の分布が不均一になり難い。このため、ウィック２０の内部に、液体流路３１となる空洞部２１２を良好に形成することができ、ヒートパイプ１の熱輸送能力のばらつきを抑制することができる。また、本実施形態のように、ウィック２０をコンテナ１０に挿入する前に、予めウィック２０を扁平状にプレスすることで、空洞部２１２の厚みｔ５を管理できるため、毛細管力が発揮し易くなる。また、本実施形態のように、焼結工程Ｓ３を経る場合、繊維２１０同士が固着するため、その後、コンテナ１０と一緒に扁平状にプレスする場合よりも、予めウィック２０のみをプレスしておいた方が、空洞部２１２の厚みｔ５を管理し易くなる。

ウィック２０に浸透した液体の残部は、編組体２１の外周面２１ｂとコンテナ１０の内壁面１０ａとの間に形成された第２の液体流路３２と、編組体２１の繊維２１０間に形成された作動流体の第３の液体流路３３と、を通って、高温部に向けて移動する。このように、ヒートパイプ１には、作動流体の液体流路が３通りあるため、コンテナ１０の内壁面１０ａにグルーブ（溝）を形成できない薄型のヒートパイプ１であっても、液体の搬送能力を十分に確保できる。また、第２の液体流路３２及び第３の液体流路３３は、図４に示すように、繊維２１０（繊維束２１１）が作動流体の液体の流動方向に対して小さい角度αで編まれているため、液体の流れの抵抗が小さく、良好な液体の搬送能力が得られる。

図７は、一実施形態に係るヒートパイプ１の性能を評価する試験機の（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。図８は、図７に示す試験機による試験結果を示すグラフである。
ヒートパイプ１の性能を評価するため、図７に示すような試験機を作成した。この試験機では、図７（ａ）に示すように、ヒートパイプ１を支持プレート５０の表面の幅方向中央部に取り付け、支持プレート５０の裏面でヒートパイプ１の一方の端部付近に対向する位置にヒーター１００を取り付けた構成となっている。そして、ヒートパイプ１の高温部と低温部にセンサ５１，５２を設け、ヒートパイプ１の性能を熱抵抗によって評価した。

熱抵抗は、（Ｔｅ−Ｔｃ）／Ｑ［℃／Ｗ］により求められる。Ｑ［Ｗ］は、ヒーター１００によって単位時間に加えられる熱量（いわゆる入熱量）である。Ｔｅ［℃］は、センサ５１が検出した温度（ヒーター１００の温度）である。Ｔｃ［℃］は、センサ５２が検出した温度（外気温度）である。入熱量は、ヒーター１００が電気ヒーターの場合、電力量である。温度Ｔｅは、ヒーター１００からの入熱量が、ヒートパイプ１を通じた放熱量と釣り合い、平衡に達した状態において測定される。従って、ヒートパイプ１の熱輸送能力が高いほど、熱抵抗は小さくなる。

図８は、比較例として、ウィック２０が、繊維２１０が相互にねじり合わされた状態で集束されたもの（所謂ツイストウィック）の試験結果も併せて示している。図８に示す本発明の実施例（ヒートパイプ１）と、比較例の試験結果を比較すると、実施例の方が、比較例よりも約３０％程度、平均の熱抵抗が小さくなった。すなわち、実施例の方が比較例よりも、熱輸送能力が３０％程度高くなっていることが分かる。

このように、上述の本実施形態によれば、作動流体が内部に封入された扁平状のコンテナ１０と、コンテナ１０の内部に設けられたウィック２０と、を備え、ウィック２０は、繊維２１０を筒状に編んだ編組体２１であり、編組体２１の周囲に、作動流体の蒸気流路３０が形成され、編組体２１の内周面２１ａによって囲まれた空洞部２１２に、作動流体の液体流路３１が形成されているヒートパイプ１を採用することによって、薄くても良好な熱輸送能力を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

例えば、コンテナ１０及びウィック２０の断面形状は任意である。図２に示すコンテナ１０及びウィック２０の断面形状は長円形状であるが、例えば、四角形、その他の多角形、楕円形などであってもよい。
また、コンテナ１０の長手方向の形状も任意であり、所定の形状に湾曲又は屈曲したコンテナ１０であってもよい。

さらに、コンテナ１０の構成は特に限定されず、継ぎ目なしで筒状に成形加工されたパイプ（チューブ）に限らず、板状、箱状、溝状等、各種の形状の部材を１又は２以上の組み合わせにより構成することが可能である。薄型化されたコンテナ１０の厚さの例示としては、例えば０．３〜２．０ｍｍが挙げられる。

また、例えば、ウィック２０を構成する繊維２１０の本数、断面形状、寸法等は、適宜選択することが可能である。
また、コンテナ１０に収容されるウィック２０の個数は、１でも２以上でもよい。

また、図２に示すヒートパイプ１は、扁平形状のコンテナ１０における幅方向の中央部にウィック２０が配置されているが、ウィック２０はコンテナ１０の幅方向の片側の端部に配置されていても、コンテナ１０の幅方向の両端部に配置されていてもよい。

また、本実施形態のヒートパイプ（熱輸送素子）の用途は特に限定されないが、例示として、スマートフォン、タブレット型端末、携帯電話、パーソナルコンピュータ、サーバー、コピー機、ゲーム機、複合機、プロジェクター、電子機器、燃料電池、人工衛星等が挙げられる。

１…ヒートパイプ、１０…コンテナ、１０ａ…内壁面、２０…ウィック、２１…編組体、２１ａ…内周面、２１ｂ…外周面、３０…蒸気流路、３１…液体流路（第１の液体流路）、３２…第２の液体流路、３３…第３の液体流路、２１０…繊維、２１１…繊維束、２１２…空洞部、Ｓ１…ウィックプレス工程、Ｓ２…ウィック挿入工程、Ｓ３…焼結工程、Ｓ４…作動流体導入工程、Ｓ５…コンテナ封止工程、Ｓ６…コンテナプレス工程

Claims (3)

1. 作動流体が内部に封入された扁平状のコンテナと、
   前記コンテナの内部に設けられたウィックと、を備え、
   前記ウィックは、繊維を筒状に編んだ編組体であり、
   前記編組体の周囲に、前記作動流体の蒸気流路が形成され、
   前記編組体の内周面によって囲まれた空洞部に、前記作動流体の液体流路が形成されており、
   前記空洞部の厚みは、前記編組体の内周面から外周面までの厚みよりも小さい、ことを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記コンテナの内壁面は、平滑に形成されており、
   前記編組体は、前記コンテナの内壁面に接触する外周面を有し、
   前記編組体の外周面と前記コンテナの内壁面との間に、前記作動流体の第２の液体流路が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記編組体の繊維間に、前記作動流体の第３の液体流路が形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。

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