JP6615383B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプに関する。
本願は、２０１６年１１月２２日に、日本に出願された特願２０１６−２２７２４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、特許文献１に示されるような、高温部側から低温部側への熱輸送に用いられるヒートパイプが知られている。このヒートパイプは、コンテナの内部に作動流体を封入し、液相の作動流体を還流させるためのウイックをコンテナの内部に設けている。コンテナの内部空間は、気相の作動流体が高温部側から低温部側へと移動する流路として機能し、気相の作動流体の物質移動により、高温部側から低温部側への熱輸送がなされる。ウイックは、低温部側で凝縮した作動流体を毛細管現象により高温部側へと還流させ、ヒートパイプの動作を持続可能にする機能を有する。

日本国特開平１１−１８３０６９号公報

ところで、この種のヒートパイプでは、装着される機器の小型化や発熱量の増大に伴って、専有面積を増大させることなく熱輸送の効率を向上させることが求められている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ヒートパイプの専有面積を増大させずに、熱輸送の効率を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るヒートパイプは、作動流体が封入されるコンテナと、前記コンテナの内部に設けられたウイックと、を備え、前記コンテナは、上下方向の厚みよりも、前記上下方向および長手方向の双方に直交する幅方向の幅が大きく、前記コンテナの内面と前記ウイックの外表面との間には、前記幅方向の隙間が設けられ、前記長手方向における前記ウイックの第１の端部には、前記幅方向に窪む凹部が、前記長手方向に間隔を空けて複数形成され、前記長手方向における前記ウイックの第２の端部には、前記凹部が形成されておらず、前記ウイックの前記幅方向における幅は、前記凹部が形成された部分を除き、前記長手方向における前記ウイックの全長にわたって同等である。

上記第１の態様に係るヒートパイプによれば、ウイックの第１の端部に、幅方向に窪む凹部が前記長手方向に間隔を空けて複数形成されているため、ヒートパイプ全体の専有面積を増大させずに、ウイックの表面積を大きくすることができる。これにより、ウイックに含浸した作動流体を、大きな表面積を有する凹部から効率よく蒸発させることが可能となり、気相の作動流体の高温部側から低温部側への移動を促進して、熱輸送の効率を向上させることができる。
さらに、第１の端部以外に凹部を形成せず、また、凹部が形成された部分を除き、長手方向におけるウイックの幅は、全長にわたって同等である。このように、蒸発部以外にウイックの幅が狭い部分が無いことで、液相の作動流体の流動抵抗が大きくならない。従って、効率よく液相の作動流体を移動させることができる。

本発明の第２の態様に係るヒートパイプでは、上記第１の態様に係るヒートパイプにおいて、前記ウイックの内側に、前記長手方向に延びる前記作動流体の液だまり部が形成されており、前記液だまり部は、前記ウイックのうち、前記長手方向において前記凹部と異なる位置に配置されている。

上記第２の態様によれば、ウイックの内側に、長手方向に延びる作動流体の液だまり部が形成されているため、ウイックの外表面から作動流体が蒸発した際に、この外表面に向けて液だまり部から液相の作動流体を供給することができる。これにより、ウイックの外表面への液相の作動流体の供給量を安定させて、ウイックの外表面が乾燥するのを抑えることが可能となる。そして、ウイックの外表面が乾燥して作動流体の蒸発量が低下し、熱輸送の効率が低下するのを抑止することができる。
さらに、液だまり部が長手方向において凹部と異なる位置にあるため、熱源から液だまり部内の作動流体へと熱が直接伝わるのが抑えられる。これにより、例えば作動流体が不意に液だまり部内で蒸発し、気相となって液だまり部内を低温部側に向けて逆流してしまうのを抑止することができる。

本発明の第３の態様に係るヒートパイプは、作動流体が封入されるコンテナと、前記コンテナの内部に設けられたウイックと、を備え、前記コンテナの内面と前記ウイックの外表面との間には隙間が設けられ、前記ウイックのうち、少なくとも長手方向の第１の端部における外表面には凹凸部が形成され、前記ウイックの内側に、前記長手方向に延びる前記作動流体の液だまり部が形成され、前記液だまり部は前記長手方向において前記凹凸部と異なる位置に配置されている。

上記第３の態様によれば、熱源が凹凸部の近傍に位置するようにヒートパイプを熱源に対して配置した場合、熱源から熱を受け取った作動流体が凹凸部の外表面から効率よく蒸発するようになる。さらに、液だまり部が長手方向において凹凸部と異なる位置にあるため、熱源から液だまり部内の作動流体へと熱が直接伝わるのが抑えられる。これにより、例えば作動流体が不意に液だまり部内で蒸発し、気相となって液だまり部内を低温部側に向けて逆流してしまうのを抑止することができる。

本発明の第４の態様に係るヒートパイプは、上記第１から第３のいずれか１つの態様に係るヒートパイプにおいて、前記ウイックは、メッシュ材によって形成されている。

上記第４の態様によれば、例えば板状のメッシュ材を型で抜いてウイックを成形することが可能となり、ウイックにおける凹凸部の形状が複雑であっても、これを容易に形成することができる。

本発明の第５の態様に係るヒートパイプは、上記第１から第４のいずれか１つの態様に係るヒートパイプにおいて、前記ウイックは、前記コンテナの上壁および下壁と接合されている。

上記第５の態様によれば、ウイックがコンテナ内に確実に固定される。これにより、例えばヒートパイプが曲げられた場合であっても、ウイックがコンテナ内で幅方向に動き、前記隙間が狭くなってしまうのを抑えることができる。

本発明の第６の態様に係るヒートパイプは、上記第１から第５のいずれか１つの態様に係るヒートパイプにおいて、前記ウイックの内側に、前記長手方向に延びる前記作動流体の液だまり部が形成されており、前記長手方向および上下方向の双方に直交する幅方向において、前記液だまり部の幅は、前記ウイックのうち前記液だまり部と前記幅方向で隣接する部分における幅よりも小さい。

上記第６の態様によれば、液だまり部の幅がある程度狭いことによって、液だまり部内の液相の作動流体に毛管力を作用させることができる。そしてこの毛管力により、液だまり部内の液相の作動流体を、低温部側から高温部側へとよりスムーズに還流させることができる。

本発明の上記態様によれば、ヒートパイプの専有面積を増大させずに、熱輸送の効率を向上させることができる。

本実施形態に係るヒートパイプの、上下方向に直交する平面における断面図である。 図１のヒートパイプのＡ−Ａ断面矢視図である。 図１のヒートパイプのＢ−Ｂ断面矢視図である。 変形例に係る凹凸部の、長手方向に直交する平面における断面図である。

以下、本実施形態に係るヒートパイプの構成を、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材の形状を認識可能な大きさとするため、縮尺を適宜変更している。
図１に示すように、ヒートパイプ１は、作動流体が封入されるコンテナ２と、コンテナ２の内部に設けられたウイック３と、を備える。

（方向定義）
ここで、本実施形態ではＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。Ｘ方向は、ヒートパイプ１およびコンテナ２の延びる長手方向である。ヒートパイプ１は、長手方向に直交する横断面視において、Ｚ方向における厚みが小さく、Ｙ方向における幅が広い、扁平な形状に形成されている。以下、Ｘ方向を長手方向といい、Ｙ方向を幅方向といい、Ｚ方向を上下方向という。

コンテナ２の内部は中空であり、密閉されている。コンテナ２の材質は、作動流体の種類や使用温度などの条件によって、適宜選択することができる。特に、銅やアルミなどの熱伝導率の高い金属材料を用いる場合、熱輸送性や熱拡散性を高めることができる。コンテナ２は、例えば銅管、アルミニウム管、ステンレス管などの金属管を用いて形成することができる。

コンテナ２は、上下方向の厚みよりも、上下方向および長手方向の双方に直交する幅方向の幅が大きく、扁平な形状に形成されている。コンテナ２のサイズの一例としては、幅方向の幅が７ｍｍ程度であり、長手方向の長さが１００ｍｍ程度であり、内部空間の上下方向の高さが０．２７ｍｍ程度であり、肉厚が０．０８ｍｍ程度である。

ウイック３の内部には、毛管力を発生させる多数の細孔が形成されている。ウイック３の材質としては、例えば金属極細線ファイバー、金属メッシュ、および金属粉末の焼結体（多孔質焼結体）などを用いることができる。ウイック３を金属などのメッシュ材によって形成する場合、例えば板状のメッシュ材を型で抜くことで、ウイック３が複雑な形状であっても、これを容易に成形することができる。また、ウイック３を金属粉末の焼結体などで形成する場合、細孔のサイズをより小さくすることが可能となり、高い毛管力を発生させて熱輸送性を高めることができる。

ウイック３内の細孔には、作動流体が含浸される。作動流体は、加熱により蒸発し、放熱により凝縮することが可能な流体である。作動流体の種類は、ヒートパイプ１が使用される温度などに応じて適宜選択することができる。作動流体としては、例えば水、アルコール、代替フロンなどを用いることができる。作動流体は、例えば真空チャンバー内でコンテナ２の内部から空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で、コンテナ２の内部に封入してもよい。

図１に示すように、ウイック３は、コンテナ２内に長手方向に沿って配置されている。
幅方向において、ウイック３の幅はコンテナ２の幅よりも小さく、ウイック３はコンテナ２の幅方向の中央部に配置されている。このため、ウイック３の外表面とコンテナ２の内面との間には、幅方向に隙間Ｓが設けられている。隙間Ｓは、ウイック３の幅方向における両側に設けられ、長手方向に延びている。この隙間Ｓは、気相の作動流体の流通路となる。幅方向における隙間Ｓの幅は、例えば１．７ｍｍ程度である。

ウイック３は、コンテナ２内で焼結されることで部分的に溶融し、コンテナ２の内面に固定されている。より詳しくは、図２Ａ、図２Ｂに示すように、ウイック３はコンテナ２の上壁２ａおよび下壁２ｂに接合されている。なお、例えばコンテナ２内にウイック３を配置した状態で、コンテナ２を上下方向に圧縮して変形させ、コンテナ２の上壁２ａおよび下壁２ｂでウイック３を挟むことでウイック３を固定してもよい。

ここで本実施形態では、図１に示すように、ウイック３の外表面に、幅方向に窪む凹部３ａ１が、長手方向に間隔を空けて複数形成されている。これにより、ウイック３のうち隙間Ｓを画成する外表面に凹凸部３ａが形成されている。以下では、凹凸部３ａのうち、凹部３ａ１を除く部分を凸部３ａ２という。凹凸部３ａは、ウイック３のうち、長手方向の第１の端部３１（図示の例では、−Ｘ側の端部）における外表面に形成されている。なお、凹凸部３ａは長手方向におけるウイック３の両端部に形成されていてもよい。また、ウイック３の内側には、作動流体の液だまり部３ｂが形成されている。
凹凸部３ａにより、ウイック３の専有面積を増やすことなく、ウイック３の表面積を増大させることができる。

なお、凹凸部３ａを形成する凹部３ａ１の大きさ（長手方向および幅方向の寸法）は、ウイック３内の細孔の平均径よりも大きい。凹凸部３ａの表面には、ウイック３の多数の細孔が開口している。凹凸部３ａは、例えば板状のメッシュ材を型で抜いてウイック３を成形する際に形成することができる。凹凸部３ａは、その凹凸形状が可視可能な程度の大きさに形成されていてもよい。

液だまり部３ｂ内には、液相の作動流体が満たされている。液だまり部３ｂは、長手方向において、ウイック３の第１の端部３１と第２の端部３２との間の中間部３３に配置され、ウイック３の内側に、長手方向に沿って延びている。液だまり部３ｂは、ウイック３のうち、長手方向において凹凸部３ａと異なる位置に形成されている。図１および図２Ａに示すように、液だまり部３ｂはウイック３の中間部３３を上下方向に貫通している。幅方向における液だまり部３ｂの幅は、毛管力が発生するように設定され、例えば０．６ｍｍ程度である。液だまり部３ｂの幅は、ウイック３内の細孔の平均径よりも大きい。幅方向において、液だまり部３ｂの幅は、ウイック３のうち液だまり部３ｂと幅方向で隣接する部分における幅よりも小さい。

ここで、図１に示すように、第１の端部３１のうち凹部３ａ１が形成されていない部分、すなわち凸部３ａ２における幅方向の幅をＷ１とする。また、第２の端部３２における幅方向の幅をＷ２、中間部３３における幅方向の幅をＷ３とする。このとき、Ｗ１、Ｗ２、およびＷ３の各寸法は、互いに同等である。つまり、ウイック３の幅方向における幅は、凹部３ａ１が形成された部分を除き、長手方向におけるウイック３の全長にわたって同等である。
長手方向に直交する断面において、第２の端部３２の断面積は、Ｗ２が一定であるため、長手方向で同等になっている。長手方向に直交する断面において、中間部３３の断面積は、Ｗ３と中間部３３の内側に配置されている液だまり部３ｂの幅とが一定であるため、長手方向で同等になっている。このように、第２の端部３２または中間部３３の断面積が長手方向で変化しないことで、液相の作動流体の流動抵抗を小さく抑えることができる。

次に、以上のように構成されたヒートパイプ１の作用について説明する。

ヒートパイプ１は、熱輸送の対象となる物品（例えばノートＰＣや携帯電話）内の電子部品などに取り付けられる。図１の例では、二点鎖線で示す高温部Ｈおよび低温部Ｌにまたがってヒートパイプ１が配置されている。高温部Ｈは、例えばＣＰＵなどの発熱部であり、低温部Ｌは、例えばヒートシンクなどの放熱部である。

高温部Ｈの近傍では、ウイック３内の作動流体がコンテナ２の壁面を介して加熱されて蒸発する。ここで、高温部Ｈの近傍にはウイック３の第１の端部３１が配置され、第１の端部３１には、凹凸部３ａが形成されている。このため、第１の端部３１におけるウイック３の表面積が大きく、作動流体を効率よく蒸発させることができる。作動流体が蒸発することで、高温部Ｈ近傍の気体の圧力が高まる。これにより、図１の矢印Ｆ１に示すように、気相となった作動流体が、隙間Ｓ内を低温部Ｌ側に向けて長手方向に移動する。

低温部Ｌの近傍に到達した気相の作動流体は、コンテナ２の壁面を介して熱を奪われて凝縮し、液滴となってコンテナ２の壁面に付着する。この作動流体の液滴は、図１の矢印Ｆ２に示すように、毛管力によってウイック３の第２の端部３２内の細孔に浸み込む。ここで、ウイック３内の細孔に浸み込んだ液相の作動流体の一部は、矢印Ｆ２’に示すように、液だまり部３ｂに流入する。

ウイック３の第２の端部３２の細孔内および液だまり部３ｂ内の液相の作動流体は、毛管力によって長手方向の高温部Ｈ側に移動する。ここで、第２の端部３２と中間部３３には、凹凸部が形成されていないため、効率よく作動流体を移動させることができる。これは、部分的にウイック３の幅が狭い個所がある場合、作動流体の抵抗が大きくなることがあるためである。そして、ウイック３内の細孔および液だまり部３ｂから凹凸部３ａへと、矢印Ｆ３、Ｆ４に示す２つの経路から液相の作動流体が供給される。凹凸部３ａに到達した液相の作動流体は、再び凹凸部３ａの表面から蒸発する。

蒸発して気相となった作動流体は、再び隙間Ｓを通って低温部Ｌ側へと移動する。このように、ヒートパイプ１は、作動流体の液相／気相間の相転移を繰り返し利用して、長手方向の高温部Ｈ側で回収した熱を低温部Ｌ側に繰り返し輸送することができる。

以上説明したように、本実施形態のヒートパイプ１によれば、ウイック３に凹凸部３ａが形成されているため、ヒートパイプ１全体の専有面積を大きくすることなく、ウイック３の表面積を大きくすることができる。これにより、ウイック３に含浸した作動流体を、大きな表面積を有する凹凸部３ａから効率よく蒸発させることが可能となり、気相の作動流体の高温部Ｈ側から低温部Ｌ側への移動を促進して、熱輸送の効率を向上させることができる。
さらに、第２の端部３２と中間部３３に凹凸部３ａを形成せず、これらの幅Ｗ２、Ｗ３が同等であることで、蒸発部以外にウイック３の幅が狭い部分が無くなる。従って、液相の作動流体の流動抵抗が大きくなることがなく、効率よく作動流体を移動させることができる。

また、ウイック３の中間部３３に作動流体の液だまり部３ｂが形成されているため、ウイック３の外表面から作動流体が蒸発した際に、この外表面に向けて液だまり部３ｂから液相の作動流体を供給することができる。これにより、ウイック３の外表面への液相の作動流体の供給量を安定させて、ウイック３の外表面が乾燥するのを抑えることが可能となる。そして、ウイック３の外表面が乾燥して作動流体の蒸発量が低下し、熱輸送の効率が低下するのを抑止することができる。

また、高温部Ｈが凹凸部３ａの近傍に位置するようにヒートパイプ１を熱源に対して配置した場合、高温部Ｈから熱を受け取った作動流体が凹凸部３ａの外表面から効率よく蒸発する。さらに、液だまり部３ｂが長手方向において凹凸部３ａと異なる位置にあるため、熱源から液だまり部３ｂ内の作動流体へと熱が直接伝わるのが抑えられる。これにより、例えば作動流体が不意に液だまり部３ｂ内で蒸発し、気相となって液だまり部３ｂ内を低温部Ｌ側に向けて逆流してしまうのを抑止することができる。

また、ウイック３の材質としてメッシュ材を採用する場合には、例えば板状のメッシュ材を型で抜くことによってウイック３を成形することが可能となる。これにより、ウイック３における凹凸部３ａの形状が複雑な場合であっても、これを容易に形成することができる。

また、幅方向において、液だまり部３ｂの幅が、ウイック３のうち液だまり部３ｂと幅方向で隣接する部分における幅よりも狭いことによって、液だまり部３ｂ内の液相の作動流体に毛管力を作用させることができる。そしてこの毛管力により、液だまり部３ｂ内の液相の作動流体を、低温部Ｌ側から高温部Ｈ側へとよりスムーズに還流させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、ヒートパイプ１が長手方向に直線状に延びているが、これに限られず、ヒートパイプ１は曲げて用いられてもよい。その際、ウイック３がコンテナ２の上壁２ａおよび下壁２ｂに接合されているため、ヒートパイプ１が曲げられても、ウイック３がコンテナ２に対して幅方向に移動して隙間Ｓが狭くなってしまうのが防止される。なお、ヒートパイプ１が曲げられている場合、長手方向はヒートパイプ１の中心線が延びる方向であり、幅方向はこの中心線および上下方向の双方に直交する方向として定義することができる。

また、図１に示す例では、上下方向から見た平面視において、ウイック３のうち凹凸部３ａが形成されている部分の中心の位置と、高温部Ｈの中心の位置と、が一致しているが、これに限られず、凹凸部３ａからずれた位置に高温部Ｈが位置してもよい。

また、前記実施形態では、凹凸部３ａと液だまり部３ｂとは長手方向において異なる位置に形成されていたが、これに限られず、例えば液だまり部３ｂと凹凸部３ａとが長手方向において同じ位置に形成されていてもよい。あるいは、このような液だまり部３ｂが形成されていない構成を採用してもよい。

また、前記実施形態では、凹凸部３ａがウイック３の外表面の一部分にのみ形成されていたが、これに限られず、例えばウイック３の外表面の全体に凹凸部３ａが形成されていてもよい。
また、前記実施形態の凹凸部３ａは、ウイック３の幅方向に窪む凹部３ａ１によって形成されていたが、これに限られない。例えば、ウイック３の幅方向に突出する凸部３ａ２によって凹凸部３ａを形成してもよい。

また、前記実施形態の凹凸部３ａは、ウイック３の外表面に複数の凹部３ａ１が配置されることで形成され、各凹部３ａ１の大きさや凹部３ａ１同士の長手方向における間隔は均等であったが、本発明はこれに限られない。例えば、高温部Ｈのうち最も温度が高くなる部分において、ウイック３の表面積が最も大きくなるように、凹部３ａ１を不均一に形成した凹凸形状を採用してもよい。

また、図２Ｂに示す例では、凹凸部３ａおよび凹部３ａ１の幅は上下方向において一定であったが、本発明はこれに限られない。例えば、図３に示すように、上下方向において幅が不均一となるように凹凸部３ａおよび凹部３ａ１を形成することで、ウイック３の表面積を増大させてもよい。なお、図３に示すウイック３の形状は、例えば幅の異なる複数のシート状のウイックを上下方向に積層することで、容易に形成することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…ヒートパイプ ２…コンテナ ２ａ…上壁 ２ｂ…下壁 ３…ウイック ３ａ…凹凸部 ３ａ１…凹部 ３ａ２…凸部 ３ｂ…液だまり部 ３１…第１の端部 ３２…第２の端部 ３３…中間部 Ｓ…隙間

Claims (6)

1. 作動流体が封入されるコンテナと、前記コンテナの内部に設けられたウイックと、を備え、
   前記コンテナは、上下方向の厚みよりも、前記上下方向および長手方向の双方に直交する幅方向の幅が大きく、
   前記コンテナの内面と前記ウイックの外表面との間には、前記幅方向の隙間が設けられ、
   前記長手方向における前記ウイックの第１の端部には、前記幅方向に窪む凹部が、前記長手方向に間隔を空けて複数形成され、
   前記長手方向における前記ウイックの第２の端部には、前記凹部が形成されておらず、
   前記ウイックの前記幅方向における幅は、前記凹部が形成された部分を除き、前記長手方向における前記ウイックの全長にわたって同等である、ヒートパイプ。
2. 前記ウイックの内側に、前記長手方向に延びる前記作動流体の液だまり部が形成されており、
   前記液だまり部は、前記ウイックのうち、前記長手方向において前記凹部と異なる位置に配置されている、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 作動流体が封入されるコンテナと、前記コンテナの内部に設けられたウイックと、を備え、
   前記コンテナの内面と前記ウイックの外表面との間には隙間が設けられ、
   前記ウイックのうち、少なくとも長手方向の第１の端部における外表面には凹凸部が形成され、
   前記ウイックの内側に、前記長手方向に延びる前記作動流体の液だまり部が形成され、
   前記液だまり部は前記長手方向において前記凹凸部と異なる位置に配置されている、ヒートパイプ。
4. 前記ウイックは、メッシュ材によって形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
5. 前記ウイックは、前記コンテナの上壁および下壁と接合されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
6. 前記ウイックの内側に、前記長手方向に延びる前記作動流体の液だまり部が形成されており、
   前記長手方向および上下方向の双方に直交する幅方向において、前記液だまり部の幅は、前記ウイックのうち前記液だまり部と前記幅方向で隣接する部分における幅よりも小さい、請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートパイプ。

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