JPH0587475A - ヒートパイプ式冷却器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は，ヒートパイプの入熱部におけるドラ
イアウトの発生を防止して良好な特性を発揮できるヒー
トパイプ式冷却器を提供することを目的とする。 【構成】両端が閉塞された金属パイプからなり内部に作
動液が封入され且つ一部が発熱体を設ける２入熱部とさ
れるとともに他の部分が放熱部３とされたヒートパイプ
１と、このヒートパイプの放熱部の外部に設けられた放
熱フイン６とを具備し、ヒートパイプの内面部には、軸
線方向全体にわたって延びるグルーブが形成され、ヒー
トパイプの入熱部の内面部には円周方向に沿うグルーブ
が形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートパイプを用いた冷
却器に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の冷却などに用いられるヒー
トパイプ式冷却器は、ヒートパイプを用いた冷却器であ
る。ヒートパイプは両端を閉じた金属管からなるもの
で、その内部を減圧して少量の作動液を封入し、また内
部に毛細管現象を発生させる構造を備えたものである。
さらに、この形式の冷却器は、ヒートパイプの一部を発
熱体を設けて入熱部とするとともに他の部分を放熱体を
設けて放熱部としたもので、ヒートパイプが有する極め
て優れた熱伝導性を利用して冷却器として良好な放熱特
性を発揮することができる。

【０００３】すなわち、ヒートパイプ式冷却器では、ヒ
ートパイプの入熱部が発熱体により加熱されると、作動
液が加熱されて蒸発する。作動液が気化する時に蒸発潜
熱を吸収する。気体はヒートパイプの放熱部に流れ、こ
こで凝縮して作動液に戻る。液体が液化する時に蒸発潜
熱を放出する。作動液は毛細管現象発生構造による毛細
管現象によりヒートパイプの入熱部に戻る。

【０００４】従来、ヒートパイプ式冷却器において、ヒ
ートパイプの放熱部で凝縮した作動液を毛細管現象によ
り入熱部に戻すために設ける毛細管現象発生構造には、
グルーブ（細い溝）が多く採用されている。すなわち、
ヒートパイプの内面部に軸線方向に沿うグルーブをヒー
トパイプの円周方向に配列して形成し毛細管管現を発生
させようとするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、毛細管
現象発生構造としてヒートパイプの内面部に軸線方向に
沿うグルーブを形成した場合には、作動液による熱輸送
の量が最大熱輸送量を越えると、ヒートパイプの入熱部
の内面部が乾燥していわゆるドライアウトの状態にな
り、ヒートパイプの入熱部の温度が上昇して冷却器とし
ての特性を充分発揮することができないことがある。

【０００６】すなわち、パイプ内部では封入された作動
液が下部に溜り、上部は空間となる。この状態でヒート
パイプの入熱部において内面部の上部を作動液でぬらし
ておくと、作動液の蒸発を促進させて作動液を蒸発させ
る熱効率が良好である。

【０００７】しかし、軸線方向に沿うグルーブでは、ヒ
ートパイプに溜った作動液を内面部の上部に流動させる
ことが困難であり、内面部の上部を作動液でぬらしてお
くことが困難である。この結果、ヒートパイプの入熱部
の内面部にドライアウトが発生することになる。

【０００８】この対策として、ヒートパイプの内部に封
入する作動液の量を多くして、作動液がパイプ内部の下
部から上部に流動し易くすることが考えられるが、この
場合にはヒートパイプの放熱部で作動液蒸気が凝縮する
効率が低下して冷却器としての特性を充分発揮できな
い。

【０００９】さらに、ヒートパイプの内部に金網を設け
る構造も採用されている。この金網はヒートパイプの軸
線方向に沿う線材と周方向に沿う線材とを組合せたもの
で、作動液に対してヒートパイプの軸線方向および周方
向に沿う毛細管現象を夫々発生させることができるよう
になっている。このため、軸線方向に沿う線材によりヒ
ートパイプの下部にある作動液を上部に流動させてドラ
イアウトの発生を防止できる。

【００１０】しかし、ヒートパイプの放熱部から作動液
が金網のヒートパイプ軸線方向に沿う線材に添って入熱
部に戻る時に、周方向に沿う線材が作動液の軸線方向に
沿う流動を阻害して作動液の流動抵抗が増大し、冷却器
としての特性を充分発揮できない。また、ヒートパイプ
の使用中に金網が動いてしまい、冷却器としての特性を
充分発揮できないことがある。

【００１１】本発明は前記事情に基づいてなされたもの
で、ヒートパイプにおけるドライアウトの発生の防止し
て簡単な構成で実現して良好な特性を発揮できるヒート
パイプ式冷却器を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明のヒートパイプ式冷却器は、両端が閉塞された
金属パイプからなり内部に作動液が封入され且つ一部が
発熱体を設ける入熱部とされるとともに他の部分が放熱
部とされたヒートパイプと、このヒートパイプの前記放
熱部の外部に設けられた放熱体とを具備し、前記ヒート
パイプの内面部には、軸線方向全体にわたって延びるグ
ルーブが形成され、前記ヒートパイプの前記入熱部の内
面部には円周方向に沿うグルーブが前記軸線方向にグツ
ーブと交差して形成されていることを特徴とするもので
ある。

【００１３】

【作用】本発明のヒートパイプ式冷却器は水平に配置さ
れる。ヒートパイプの入熱部の内部では作動液が、パイ
プ内面の周方向に沿って形成されたグルーブに添って毛
細管現象によりパイプの上部に向けて流動する。このた
め、ヒートパイプの入熱部の内面部の上部は常に作動液
によって濡れており、作動液の蒸発が促進され作動液の
蒸発特性が向上する。

【００１４】さらに、ヒートパイプにおけるドライアウ
トの発生の防止を、ヒートパイプに周方向のグルーブを
形成するという簡単な構成で実現することができる。

【００１５】また、周方向に沿うグルーブはヒートパイ
プの入熱部のみに形成され、その他の部分は軸線方向に
沿う溝のみが形成されている。このため、周方向に沿う
グルーブは、放熱部から軸線方向に沿うグルーブに添っ
て入熱部に向かう作動液に対する流動抵抗にならず作動
液がスムーズに流動する。

【００１６】これらの点から本発明のヒートパイプ式冷
却器は、冷却器としての特性を発揮することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面について説明す
る。

【００１８】本発明のヒートパイプ式冷却器の一実施例
を図１ないし図３について説明する。

【００１９】この実施例のヒートパイプ式冷却器は、ヒ
ートパイプの中央部に入熱部を、この入熱部を挟む両方
の端部に夫々放熱部を設けた形式を対象にしている。

【００２０】図１はヒートパイプ式冷却器の全体を示し
ている。

【００２１】図中１はヒートパイプで、これは両端を閉
塞した金属材料の丸パイプからなるものである。このヒ
ートパイプ１を形成する金属としては銅などが挙げられ
る。後述するようにヒートパイプ１の中央部は入熱部２
とされ、この入熱部２を挟むヒートパイプ１の両方の端
部は夫々放熱部３、３とされる。

【００２２】ヒートパイプ１の内面部には、中心軸線に
対して平行で且つパイプ軸線方向全体に延びる複数のグ
ルーブ４が周方向に等間隔を存して配列して形成されて
いる。すなわち、ヒートパイプ１の中央部すなわち入熱
部２と、ヒートパイプ１の両方の端部すなわち放熱部
３、３とに軸線方向に平行なグルーブ４が形成されてい
る。また、ヒートパイプ１の中央部すなわち入熱部２の
内面部には、周方向に沿う複数のグルーブ５が軸線方向
に間隔を存して形成されている。軸線方向に沿うグルー
ブ４と周方向に沿うグルーブ５とは、ヒートパイプ１の
中央部すなわち入熱部２において交差する。グルーブ４
とグルーブ５が交差する角度は、この実施例では９０°
である。図２および図３はヒートパイプ１の入熱部２お
よび放熱部３を拡大して示している。

【００２３】ヒートパイプ１の内部は減圧されて少量の
作動液Ｗ（図中仮想線で示す。）が封入されている。作
動液Ｗとしては水などがあげられる。

【００２４】ヒートパイプ１の両方の端部すなわち両方
の放熱部３の外部には、夫々放熱体である複数の放熱フ
イン６が軸線方向に間隔を存して配列して取り付けられ
ている。放熱フイン６を形成する金属としてはアルミニ
ウムなどが挙げられる。

【００２５】このようにして構成されたヒートパイプ式
冷却器は、例えば電子機器において半導体素子を冷却す
る冷却器として使用する。この用途では、ヒートパイプ
１の入熱部２の外部に、発熱体として半導体素子（図示
せず）を装着した金属ブロック７を取り付ける。金属ブ
ロックを形成する金属にはアルミニウムなどが挙げられ
る。

【００２６】このヒートパイプ式冷却器は、使用に際し
て図１に示すようにヒートパイプ１が水平になるように
配置する。この状態でヒートパイプ１に封入された作動
液Ｗはヒートパイプ１の内部の下部に溜る。

【００２７】ヒートパイプ１の入熱部２の内部では、図
２の点線で示すように作動液Ｗが内面部に周方向に沿っ
て形成された複数のグルーブ４に添って毛細管現象によ
りパイプの上部に向けて流動する。このため、ヒートパ
イプ１の入熱部２の内部の上部には常に作動液Ｗによっ
てぬれている。

【００２８】そして、ヒートパイプ１の入熱部２が半導
体素子を装着した金属ブロック７により加熱されると、
ヒートパイプ１に封入されている作動液Ｗが入熱部２で
加熱されて気化して蒸発する。作動液Ｗが気化する時に
蒸発潜熱を吸収する。ここで、ヒートパイプ１の入熱部
２の内部の上部は前述したように常に作動液Ｗによって
濡れている。このため、入熱部２での作動液Ｗの蒸発が
促進され高い蒸発特性が得られる。

【００２９】また、ヒートパイプ１の入熱部２ではグル
ーブ４とグルーブ５とが交差して細い凹凸部が形成され
ているので、作動液Ｗの核沸騰が促進されてより一層蒸
発効果が向上する。

【００３０】作動液の蒸気はヒートパイプ１の内部空間
を両方の放熱部３、３に向けて流れ、ここで凝縮して液
化し作動液Ｗに戻る。液体が液化する時に蒸発潜熱を放
出する。放熱は放熱フイン６を介して行われる。凝縮し
た作動液Ｗはヒートパイプ１の内面部に軸線方向に沿っ
て形成された複数のグルーブ４に添って、ヒートパイプ
１の両方の放熱部３から入熱部２に向けて流動する。

【００３１】この場合、ヒートパイプ１の両方の放熱部
３、３には周方向に沿うグルーブ５が形成されておら
ず、軸線方向に沿うグルーブ４のみが形成されているの
で、放熱部３からグルーブ４に添って入熱部２に向かう
作動液Ｗがグルーブ５によって阻害されずにスムーズに
流動する。

【００３２】ヒートパイプ１の入熱部２に戻った作動液
Ｗは、一部はグルーブ５に添って作動液Ｗの溜りに流
れ、一部はグルーブ５に残って入熱部２の内面をぬらす
ことになる。また、入熱部２では軸線方向に沿うグルー
ブ４と周方向に沿うグルーブ５とが交差するので、グル
ーブ４を流動してきた作動液Ｗがスムーズにグルーブ５
に入り込むことができる。

【００３３】ヒートパイプ１に形成するグルーブ４、５
の形態について説明する。

【００３４】グルーブ４とグルーブ５との間には、グル
ーブ５の幅≦グルーブ４の幅、グルーブ５の深さ≧グル
ーブ４の深さという関係がある。すなわち、グルーブ５
の毛細管力がグルーブ４のそれに比較して大きくなる構
造が望ましい。グルーブ４とグルーブ５の断面には上辺
を開放したロ字形、Ｖ字形あるいはあり溝形などが挙げ
られる。図３ではグルーブ５がグルーブ４に比較して深
い場合を示している。

【００３５】本発明では、グルーブ４がヒートパイプ１
の軸線方向に沿うという意味は、グルーブ４がヒートパ
イプ１の軸線に平行であることに限定されない。グルー
ブ４がヒートパイプ１の軸線に対して０°〜２０°の範
囲であれば良い。また、グルーブ５はグルーブ４に対し
て交又する角度は９０°に限定されない。９０°〜４５
°の範囲であれば良い。

【００３６】図１に示す実施例におけるヒートパイプ１
の一具体例をあげる。

【００３７】ヒートパイプの外径１２．７mm、内部の長
さ３００mm、グルーブ４の幅０．２mm、深さ０．２mm、
間隔０．４mm、グルーブ５の幅０．１mm、深さ０，３m
m、間隔０，３mmである。

【００３８】図４は他の実施例を示している。図２にお
いて図１と同じ部分は同じ符号を付している。

【００３９】この実施例では、ヒートパイプ１の一方の
端部は入熱部２として使用され、他方の端部は放熱部３
として使用される。ヒートパイプ１の内面部には、軸線
方向全体に沿う複数のグルーブ４が周方向に等間隔を存
して配列して形成され、ヒートパイプ１の入熱部２の内
面部には、周方向に沿う複数のグルーブ５が軸線方向に
間隔を存して形成されている。

【００４０】ヒートパイプ１の入熱部２には金属ブロッ
ク７が取り付けられ、放熱部３には複数の放熱フイン６
が取り付けられている。

【００４１】この実施例のヒートパイプ式冷却器におい
ても前述の実施例と同じ効果を得ることができる。

【００４２】なお、本発明は前述した実施例に限定され
ずに種々変形して実施することができる。例えばヒート
パイプは一体の金属管で形成したものだけでなく、２個
の金属管をヒートパイプの中央で気密に接合して形成し
たものを用いることができる

【００４３】。

【発明の効果】以上説明したように本発明のヒートパイ
プ式冷却器によれば、ヒートパイプの入熱部の内部では
作動液が周方向に沿うグルーブに添って毛細管現象によ
りパイプの内面部の上部に向けて流動し、ヒートパイプ
の入熱部の内面部の上部を常に作動液によってぬらすこ
とができるので、作動液の蒸発特性が向上してドライア
ウトの発生を防止でき、また周方向に沿うグルーブはヒ
ートパイプの入熱部のみに形成されているので、周方向
に沿うグルーブが軸線方向に沿うグルーブに添って流動
する作動液に対する抵抗とならず作動液がスムーズに流
動する。さらに、ヒートパイプにおけるドライアウトの
発生の防止を、ヒートパイプに周方向のグルーブを形成
するという簡単な構成で実現することができる。

【００４４】従って、本発明はヒートパイプを用いた冷
却器の特性を充分発揮したヒートパイプ式冷却器を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるヒートパイプ式冷却
器の全体を示す断面図。

【図２】ヒートパイプの入熱部および放熱部を拡大して
示す断面図。

【図３】（ａ）は図２ＡーＡ線に沿う断面図。 （ｂ）は図２ＢーＢ線に沿う断面図。

【図４】本発明の他の実施例におけるヒートパイプ式冷
却器を示す断面図。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、２…入熱部、３…放熱部、４…グル
ーブ、８…グルーブ、６…放熱フイン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 新一 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 原 喜久男 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 堀井 達夫 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端が閉塞された金属パイプからなり内
   部に作動液が封入され且つ一部が発熱体を設ける入熱部
   とされるとともに他の部分が放熱部とされたヒートパイ
   プと、このヒートパイプの前記放熱部の外部に設けられ
   た放熱体とを具備し、前記ヒートパイプの内面部には、
   軸線方向全体にわたって延びるグルーブが形成され、前
   記ヒートパイプの前記入熱部の内面部には円周方向に沿
   うグルーブが前記軸線方向に沿うグルーブと交差して形
   成されていることを特徴とするヒートパイプ式冷却器。