JPH08219667A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ヒートパイプ作動時の蒸発部におけるドライア
ウトを防止し、かつ起動時における温度オーバシュート
を低減する。 【構成】内部に作動液５を有し、内面に軸方向に沿った
溝３を有するヒートパイプ１において、凝縮部１２また
は断熱部の一部に、軸方向の溝３の他に周方向の溝４を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒートパイプならびに
ヒートパイプを利用した冷却装置に係り、特に、入力さ
れる熱負荷の時間変動の大きいヒートパイプに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の冷却などにヒートパイプが
広く用いられている。ヒートパイプとは両端を封止した
金属管の内部に少量の作動流体を封入したものである。
ここでヒートパイプの熱輸送の原理を簡単に説明する。
ヒートパイプの入熱部が発熱体により加熱されると、入
熱部にある作動流体が蒸発する。この時、作動流体は気
体になると同時に蒸発潜熱を吸収する。蒸発潜熱を吸収
した作動流体は、ヒートパイプの放熱部へ移動して凝縮
し、再び液体になると同時に蒸発潜熱を放出する。放熱
部で凝縮した作動流体(ここでは液体)は入熱部に還流さ
せる必要がある。この駆動力は、ヒートパイプの内面に
溝や金網といった構造を設けて毛細管力を発生させる
か、あるいは入熱部を少なくとも放熱部の下側に配置す
ることで重力を利用するものがほとんどであり、この二
つが併用される場合も多い。

【０００３】従来のヒートパイプでは毛細管力を発生さ
せる構造としてヒートパイプの軸方向全体にわたって溝
を設ける構造が多く採用されている。しかし、この構造
では円周方向への作動流体の移動が制限されている。こ
のためヒートパイプの姿勢などが原因となって円周方向
に凝縮性能の分布が生じた場合には、作動流体が円周方
向に一様に入熱部へ還流しないことが生じる。このため
に、入熱部において伝熱面が乾くドライアウトが発生し
やすくなり、この現象によりヒートパイプの最大熱輸送
量が押さえられてしまうことがある。これを回避する手
段として、例えば、特開平5−87475号公報には、水平に
配置されるヒートパイプの入熱部に軸方向の溝以外に周
方向の溝を形成する例が紹介されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したようにヒート
パイプの内面部に軸方向全体にわたる溝のみを設けた場
合には、作動流体が周方向に移動できないため、蒸発部
の内面が乾くドライアウトが発生しやすくなる。

【０００５】一方、ヒートパイプの入熱部における伝熱
機構は、一般に熱伝達率の高い核沸騰を促進する構造を
採用する場合が多い。しかし、この構造では発熱体がス
テップ状に熱を発生し、この熱を放熱すべくヒートパイ
プが作動を開始する時に、作動流体の温度がある温度に
達するまでは核沸騰が開始しないためヒートパイプ入熱
部温度がいったん上昇するが、その後核沸騰開始と同時
に温度が急激に下がる、いわゆる温度オーバーシュート
が発生することがある。例えば、熱損失の時間変動が大
きい大電力半導体の冷却に用いるヒートパイプが、作動
のたびにこの温度オーバーシュートを繰り返し発生すれ
ば、半導体素子もヒートパイプの温度オーバーシュート
の影響による温度変動を繰り返し、半導体素子の寿命が
低下する一因となる可能性がある。

【０００６】本発明の目的は、ヒートパイプの蒸発部の
ドライアウトを発生しにくくし、かつ蒸発部の核沸騰発
生による温度オーバーシュートを低減するヒートパイプ
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるヒートパイ
プは、ヒートパイプを構成する金属管の内面に、金属管
の軸方向全体にわたり溝が形成されており、さらに入熱
部以外の内面全部または一部に、金属管の周方向の溝が
前記軸方向の溝と交差して形成されていることを特徴と
する。

【０００８】さらに本発明によるヒートパイプは、入熱
部以外の内面に金属管の軸方向全体にわたる溝と金属管
の周方向の溝が交差して形成されており、さらに入熱部
が二つの領域に分割され、そのうちのヒートパイプの底
部寄りの領域の内面には平滑であるかあるいは金属管の
軸方向にわたる溝が形成されており、他方の領域の内面
には金属管の軸方向全体にわたる溝と金属管の周方向の
溝が交差して形成されていることを特徴とする。

【０００９】さらに本発明によるヒートパイプは、ヒー
トパイプを垂直に配置した際にヒートパイプ底部に溜ま
る作動流体の気液界面から、ヒートパイプ底部までのヒ
ートパイプの内面構造が、平滑であるかまたは前記金属
管の軸方向にわたる溝が形成されており、他の内面は金
属管の軸方向全体にわたる溝と金属管の周方向の溝が交
差して形成されていることを特徴とする。

【００１０】本発明のヒートパイプは、前述の特徴を少
なくとも一つ備えたヒートパイプにおいて、ヒートパイ
プを構成する金属管の一部が湾曲していることを特徴と
する。

【００１１】

【作用】本発明によれば、凝縮部で凝縮した作動流体
は、軸方向の溝に沿って蒸発部へ移動する際に、蒸発部
の前あるいは凝縮部そのものに周方向の溝を軸方向の溝
と交差して設けているために、円周方向に作動流体が均
一に分配される。また凝縮部の伝熱面積が増加すること
で凝縮性能が向上する。さらに入熱部は軸方向の溝しか
ないために核沸騰は発生しにくくなり、作動流体は薄膜
の状態で蒸発する。このために核沸騰発生による温度オ
ーバーシュートは発生しない。

【００１２】さらに本発明によれば、入熱部の作動流体
が溜まる部分の内面のみに平滑または軸方向の溝を設
け、他の内面は軸方向の溝と周方向の溝を交差して設け
ることで、入熱部への作動液の伝熱面積を増加して蒸発
性能が増加するとともに核沸騰が発生しにくくなり、温
度オーバーシュートは発生しない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１４】図１に本発明の一実施例によるヒートパイ
プの断面図を示す。内面に軸方向に沿う溝３が複数形成
されているヒートパイプ１には、作動流体５が減圧した
状態で封入されている。ヒートパイプ１において、放熱
フィン２の取り付けられている部分を凝縮部１２、ま
た、発熱体が直接あるいはヒートブロック等を介して取
り付けられる部分を蒸発部１１とした場合、凝縮部１２
と蒸発部１１の間に位置する部分に、溝３以外に周方向
に沿った溝４が溝３と交差して設けられている。図２は
図１のヒートパイプの断面図において、Ａ−Ａ′線に沿
う断面図であり、このＡ−Ａ′線は周方向の溝４と平行
である。

【００１５】このように構成されたヒートパイプの作動
時の特性について説明する。蒸発部１１に発熱体により
熱が加えられた場合、蒸発部１１の底部に溜まる作動流
体５が蒸発を始める。蒸発した作動流体５は放熱フィン
２の取り付けられている凝縮部１２へ移動し凝縮する。
ここで凝縮した作動流体５は軸方向にわたる溝３に沿っ
て蒸発部１１へ還流を始める。ここで周方向にわたる溝
４によって蒸発部へ還流する作動流体５は周方向の分布
を均一になるように分配される。蒸発部１１へ戻った作
動流体５は核沸騰することなく軸方向にわたる溝３内で
薄膜の状態で蒸発し、核沸騰は発生しない。

【００１６】ここで、周方向にわたる溝は必ずしも軸方
向の溝に対して直角に交差するように形成される必要は
なく、軸方向の溝に対して任意の角度を持つことが出来
る。また、周方向にわたる溝は、螺旋状の溝であっても
よい。

【００１７】図３に本発明の他の実施例によるヒートパ
イプの断面図を示す。図１のヒートパイプにおいて、凝
縮部にも周方向にわたる溝を設けた。これにより、凝縮
液の周方向への分配・移動をより容易にすると共に、凝
縮部の伝熱面積が増加して、凝縮性能が向上する。

【００１８】図４，図５，図６に本発明の他の実施例に
よるヒートパイプの断面図を示す。図４は作動流体５の
気液界面から上部は軸方向にわたる溝と周方向にわたる
溝が交差して設けてある。図５は図４において作動流体
５を除いたもので、作動流体の溜まる部分には軸方向に
わたる溝のみが設けられている。また、図６は図５にお
いて、作動流体の溜まる部分が平滑構造である場合を示
している。いずれも作動流体の溜まる部分の構造を、核
沸騰が発生しにくい構造とすることで温度オーバーシュ
ートの発生を防止している。

【００１９】図７に本発明の他の実施例によるヒートパ
イプの断面図を示す。これは、図１においてヒートパイ
プが蒸発部１１と凝縮部１２のみで構成されている場合
で、ここでは凝縮部１２寄りに周方向の溝４が形成され
ている。この場合、蒸発部１１寄りに周方向の溝４が形
成されてもよい。

【００２０】図８に本発明の他の実施例によるヒートパ
イプの断面図を示す。これは、ヒートパイプ１を途中で
曲げた構造とした。この場合、凝縮部１２全体に周方向
の溝４を設けることで凝縮液の周方向の分布を均一化す
る方向に作用する。また、放熱フィン２が垂直となるこ
とで自然空冷による放熱効率が向上する。ここで図中の
曲げ角θは９０°であるが、このθは９０〜１８０°の
任意の角度で設定してよい。

【００２１】図９に本発明の他の実施例によるヒートパ
イプの断面図を示す。これはヒートパイプ１の蒸発部が
ヒートブロック６に挿入され、ヒートブロックに半導体
７を取り付けた半導体冷却装置を示している。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、蒸発部におけるドライ
アウトの発生しにくくすることで最大熱輸送量が増加
し、かつ、蒸発部において核沸騰を発生しにくくするこ
とで起動時の温度オーバーシュートを低減した高性能な
ヒートパイプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるヒートパイプの断面
図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ′面の断面図。

【図３】本発明の第二実施例によるヒートパイプの断面
図。

【図４】本発明の第三実施例によるヒートパイプの断面
図。

【図５】図４のヒートパイプにおいて作動液を除いた断
面図。

【図６】本発明の第二実施例によるヒートパイプの作動
液を除いた断面図。

【図７】本発明の第四実施例によるヒートパイプの断面
図。

【図８】本発明の第五実施例によるヒートパイプの断面
図。

【図９】本発明の実施例によるヒートパイプを用いた半
導体冷却装置の断面図。

【図１０】従来例によるヒートパイプの断面図。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、２…放熱フィン、３，４…溝、５…
作動流体、１１…蒸発部、１２…凝縮部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端が封止された金属管の内部に少量の作
   動流体を封入し、前記金属管の一端部を発熱体を設ける
   入熱部とし、他の部分を放熱部とするヒートパイプにお
   いて、前記ヒートパイプを構成する前記金属管の内面
   に、軸方向全体にわたり溝が形成されており、さらに入
   熱部以外の内面全部または一部に、周方向の溝が前記軸
   方向の溝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。