JPH08303970A - 携帯型パソコン冷却用の偏平ヒートパイプおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却能力に優れる携帯型パソコン冷却用の偏
平ヒートパイプを提供する。 【構成】 携帯型パソコン２４の内部での発熱箇所２６
と放熱箇所２５との間にそれぞそれ熱授受可能に配設さ
れる断面偏平状の携帯型パソコン冷却用の偏平ヒートパ
イプ２０において、偏平状の密閉金属管からなるコンテ
ナ２１の内部に、その長手方向に沿って多数本の極細線
からなるウィック材２８が配設されている。また、少な
くとも長手方向の両端側で所定間隔の隙間２９を開ける
よう中空螺旋状に巻回された帯状体２７が、コンテナ２
１内部の長手方向に沿って配設され、この帯状体２７に
よってウィック材２８がコンテナ２１の内壁面に押圧固
定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、潜熱として熱輸送す
るヒートパイプに関し、特に携帯型のパソコンに備えら
れた演算処理装置を冷却する偏平状のヒートパイプに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】昨今、ノートブックタイプやサブノート
ブックタイプのいわゆる携帯型パソコンの普及が著し
い。この種のパソコンでは、携帯性を主要目的としてい
るから、小形化および軽量化が強く望まれており、した
がって当然、パソコンの内部空間において冷却装置が占
有するスペースも極めて限定されている。また一方で、
多機能化や処理速度の向上に伴って演算処理装置の出力
増大が年々進められている。そこで従来では、熱輸送能
力に優れるヒートパイプが冷却装置として着目されてお
り、そのなかでも特に演算処理装置との接触性や省スペ
ース性等の条件を満たすものとして、コンテナを平板状
に偏平させた偏平ヒートパイプが広く採用されている。

【０００３】以下、従来の携帯型パソコンの冷却装置の
一例を図６に示す。図６の（Ａ）において、パソコン本
体１はプラスチックパネルあるいは金属パネル等によっ
て形成された比較的厚みの薄い矩形容器からなり、ＪＩ
Ｓ（日本工業規格）でのいわゆるＡ４サイズ程度の大き
さを成している。パソコン本体１の上面には、キーボー
ド部２およびディスプレイ部３が備えられており、これ
らはパソコン本体１に対して各々ヒンジによって回動可
能に取り付けられている。すなわち、キーボード部２お
よびディスプレイ部３は、パソコン本体１側から上方に
起き上がり、またその状態からパソコン本体１側に倒れ
るように構成されている。また、キーボード部２および
ディスプレイ部３の内部には、それぞれほぼ同等のサイ
ズのアルミ薄板４が電磁波の遮蔽板として取り付けられ
ている。

【０００４】前記パソコン本体１の内部の二分割された
空間のうち前方側（図６の（Ａ）においてキーボード部
２側）には、着脱式のハードディスクドライブ５やフロ
ッピーディスクドライブ、バッテリー、増設メモリ等
（それぞれ図示せず）が設置されている。他方の空間内
の底部には、ヒートパイプ６が設置されており、またそ
の上方には、熱伝達を促進するコンパウンドを介して中
央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）７が取り付けられてい
る。さらに、そのＣＰＵ７の上方には複数枚のプリント
基板８が設けられている。

【０００５】前記ヒートパイプ６は、偏平ヒートパイプ
であって、コンテナの一部分には放熱面積を確保するた
めの矩形のフィン９が複数枚装着されている。ここで、
この種の携帯型パソコンでは、パソコン本体１を水平に
対して±５度程度に傾斜させて使用することがあるか
ら、ウィックとしての溝（図示せず）がヒートパイプ６
のコンテナの内壁面に、長手方向に亘って複数条設けら
れている。

【０００６】したがって、上記の冷却装置では、パソコ
ンの使用に伴ってＣＰＵ７から発生する熱により、ヒー
トパイプ６内部の作動流体が蒸発し、その蒸気はコンテ
ナのうち温度の低いフィン９側の部分に流動する。その
作動流体蒸気は、フィン９を介して外気に熱を奪われて
凝縮する。すなわちＣＰＵ７の熱がヒートパイプ６の作
動流体によって輸送され、フィン９から放出される。し
たがって、ＣＰＵ７の温度が許容範囲内に抑えられる。
なお、凝縮して液相に戻った作動流体は、ウィックの毛
細管圧力によって蒸発部側のコンテナ内壁面に汲み上げ
られ、そこで再度蒸発する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、パソ
コンの内部でヒートパイプのために使用できる空間は極
めて限られているから、使用可能なヒートパイプは、開
口断面の小さいものとならざるを得ない。また一方、発
熱箇所と放熱箇所とはある程度離隔しており、したがっ
て、ヒートパイプは開口断面積（流路断面積）に対して
長さの長いものとなる。

【０００８】これに対し、従来では、蒸気流路を確保し
つつ所用の毛細管圧力（ポンプ作用）得るべく、溝ウィ
ック（グルーブウィック）を形成しているが、溝ウィッ
クで得られる毛細管圧力は低いうえに、パソコン冷却用
ヒートパイプに使用される作動流体の還流距離は比較的
長くなるから、上記従来のヒートパイプ６では必要充分
な冷却能力を得られないおそれがあった。より具体的に
は、ＣＰＵ７の高出力化によって熱流束が増大した場合
には、液相作動流体に対するポンプ作用が不十分になっ
て蒸発部で作動流体が不足するドライアウトが生じるお
それが多分にある。

【０００９】また、前述のように開口断面積が小さいた
めに、作動流体蒸気の流速が高速化するに伴って還流途
中の作動液が飛散してしまい、この点でも蒸発部に対す
る作動液の還流量が不足し、結局は熱輸送特性が低下し
て、ＣＰＵ７を充分に冷却できないおそれがあった。

【００１０】また、上述した偏平なヒートパイプ６を製
造するにあたっては、安価にかつ高速多量生産すること
が望まれることは勿論、所定の開口断面形状（蒸気流路
形状）を確保することが必要であるが、従来ではこのよ
うな要請を満たす製法が確立されていなかった。

【００１１】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、冷却能力に優れる携帯型パソコン冷却用の偏平ヒ
ートパイプおよびその製造方法を提供することを目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するために、携帯型パソコンの内部での発熱箇所と
放熱箇所との間にそれぞれ熱授受可能に配設される断面
偏平状の携帯型パソコン冷却用の偏平ヒートパイプにお
いて、偏平状の密閉金属管からなるコンテナの内部に、
その長手方向に沿って多数本の極細線からなるウィック
材が配設されるとともに、少なくとも長手方向の両端側
で所定間隔の隙間を開けるよう中空螺旋状に巻回された
帯状体が長手方向に沿って配設され、この帯状体によっ
て前記ウィック材が前記コンテナの内壁面に押圧固定さ
れていることを特徴とするものである。

【００１３】また、帯状体を巻回半径を増大させる方向
に弾性力を生じる弾性材料から形成することができる。

【００１４】さらに請求項３の発明は、塑性変形可能な
円形断面のパイプ材の内部に、中空螺旋状に巻回された
帯状体をその軸線方向に沿って挿入するとともに、その
帯状体と前記パイプ材の内壁面との間に極細線からなる
ウィック材を挿入し、しかる後、前記パイプ材および前
記帯状体を前記パイプ材の半径方向に圧潰して中空偏平
形状に形成し、さらにその偏平状に圧潰されたパイプ材
の内部に凝縮性の流体を作動流体として封入するととも
に、密閉してヒートパイプ化することを特徴とするもの
である。

【００１５】

【作用】この発明のヒートパイプにおいて、携帯型パソ
コンの発熱箇所からコンテナの一端部に熱が伝えられる
と、コンテナの内壁面やウィック材に付着した作動流体
が加熱されて蒸発する。その作動流体蒸気は、帯状体の
隙間からその内側の中空部分に流入し、コンテナのうち
内部圧力の低い他端部すなわち放熱箇所側に配設された
端部に向けて流動する。したがって、帯状体の内側が蒸
気流路となる。そして、コンテナの端部側に流動したそ
の作動流体蒸気は、帯状体の端部に設けられた隙間から
コンテナ内壁面側に抜け出して、そこで熱を奪われて凝
縮する。

【００１６】再度液相になった作動流体は、ウィック材
の毛細管圧力によってコンテナの蒸発部側に運ばれる。
その場合、液流路となるウィック材がコンテナの長手方
向に亘って配設されており、またウィック自体を構成し
ている極細線同士の間の実効毛細管半径が極めて小さく
そのポンプ作用が大きいので、たとえトップヒートモー
ドであっても作動流体が蒸発部側に確実に還流する。ま
た、蒸気流と液流とが互いに干渉しないので、飛散現象
が生じることがなく、そのため熱輸送が効率が向上す
る。

【００１７】また、帯状体を巻回半径を増大させる方向
に弾性力を生じる弾性材料から形成すれば、帯状体の外
面の一部とコンテナの内壁面とが直接に接触する。これ
によって、帯状体の表面にメニスカスに伴う毛細管圧力
が生じるので、蒸発部側に還流してコンテナ内壁面やウ
ィック材中にある液相作動流体が、帯状体の外面に沿っ
てコンテナの内周方向に送られる。すなわち、コンテナ
内壁面の蒸発部となる部分に効率よく作動流体が還流
し、蒸発部面積が大きくなるので、ヒートパイプとして
の熱輸送力がより向上する。

【００１８】請求項３の製造方法によれば、まず、中空
螺旋状に巻回された帯状体を塑性変形可能な円形断面の
パイプ材の内部に軸線方向に沿って挿入し、ついで、そ
のパイプ材の内壁面と帯状体との間に極細線からなるウ
ィック材を挿入する。しかる後、パイプ材および帯状体
をパイプ材の半径方向に圧潰して中空偏平形状に形成す
る。その際に、パイプ材が帯状体の巻回半径方向の弾性
力によって内側からサポートされるから、特にパイプ材
の上面と下面における幅方向でのほぼ中央部が長さ方向
に亘って窪むことが防止される。さらに、偏平状に圧潰
されたパイプ材の内部に凝縮性の流体を作動流体として
封入するとともに、密閉してヒートパイプ化する。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図１ないし図５
を参照して説明する。図１は偏平ヒートパイプ２０の外
観を示す斜視図であり、この偏平ヒートパイプ２０は、
一例として厚さが０．４〜０．５ｍｍ程度の銅パイプを
素材とし、幅が３〜３０ｍｍ程度で高さが２〜４ｍｍ程
度の中空偏平状のコンテナ２１の内部に、純水を作動流
体４０として封入したものである。

【００２０】この偏平ヒートパイプ２０は、ノートブッ
ク型のパソコン本体２４の内部に布設されており、その
凝縮部２３側の端部は、パソコン本体２４の内底部に既
設された金属製のシャーシ２５の上面部に熱伝達可能に
配設されている。また、コンテナ２１の他端部側の上面
部には、発熱箇所としての超小型演算処理装置（ＭＰ
Ｕ）２６が熱授受可能に取り付けられている。そして、
このＭＰＵは前記シャーシ２５に対してパソコン本体２
４の内部での高い位置に設置されている。なお、放熱箇
所の他の例としては、金属製の各種コネクタパーツやＥ
ＭＩ（電磁シールド板）、バッテリ、パソコン本体２４
のマグネシウム製ケース等のノートブック型あるいはサ
ブノートブック型パソコンに標準装備される部材とする
ことができる。

【００２１】図２および図３に示すように、コンテナ２
１の内部の幅方向でのほぼ中央位置には、ウィック固定
用のスパイラル部材２７がコンテナの長手方向に沿って
配設されている。このスパイラル部材２７は、一例とし
て厚さが０．１〜０．３ｍｍ程度でかつ幅が０．５〜
１．０ｍｍ程度のリン青銅からなるテープ材を、高さが
１．０〜３．０ｍｍ程度で幅がコンテナ幅の２／３程度
の矩形をなし、また互いに０．５〜２．０ｍｍ程度の隙
間２９（間隔）をあけた中空の螺旋状に巻回したもので
ある。そして、このスパイラル部材２７は、その上部の
外面と下部の外面においてそれぞれコンテナ２１の内壁
面に直接に接触した状態となっている。なお、スパイラ
ル部材２７の他の例としては、楕円状断面の銅やアルミ
テープを円形に巻回し、特にその長手方向での両端部側
のみに隙間が設けたものなどが挙げられる。

【００２２】前記コンテナ２１の内部でのスパイラル部
材２７の両脇のスペースには、多数本のウィック２８が
その長手方向に沿って充填されている。このウィック２
８としては、例えば直径が０．０２〜０．１ｍｍ程度の
極細銅線が採用されている。また、銅線に替えて銅メッ
キしたカーボン繊維を用いれば、軽量化を図ることがで
きる。そしてこれらのウィック２８は、スパイラル部材
２７の左右両側面部によってコンテナ２１の内壁のうち
側面側に押圧固定されている。その場合、リン青銅から
なるスパイラル部材２７の巻回半径方向での弾力性が大
きいので、ウィック２８がバラけたりせず所定箇所に良
好に固定される。

【００２３】つぎに、上記のように構成されたこの発明
の作用について説明する。まず、パソコン本体２４の使
用に伴ってＭＰＵ２６に生じた熱が、偏平ヒートパイプ
２０のコンテナ２１のうち上面部に伝達される。コンテ
ナ２１の内壁面やウィック２８は、既に作動流体４０に
より濡らされた状態となっているため、ＭＰＵ２６を熱
源としたヒートパイプ動作が速やかに開始される。

【００２４】すなわち、偏平ヒートパイプ２０のＭＰＵ
２６側の端部内で生じた蒸気が、スパイラル部材２７の
隙間２９からその内側の空間内に流入し、内部圧力の低
いシャーシ２５に配設された端部に向けて流動する。し
たがって、スパイラル部材２７の内側が蒸気流路とな
る。その作動流体４０蒸気は、さらにスパイラル部材２
７の他端側の隙間２９から抜け出してコンテナ２１の壁
面において熱を奪われて凝縮する。換言すれば、この端
部からシャーシ２５にＭＰＵ２６で生じた熱が伝達され
る。

【００２５】したがって、偏平ヒートパイプ２０のうち
シャーシ２５に配設された端部が凝縮部２３となり、一
方のＭＰＵ２６側に配設された端部が蒸発部３１となる
が、この場合、凝縮部２３に対して蒸発部３１が高い位
置となっているから、ヒートパイプの動作態様としては
トップヒートモードになっている。再度液相になった作
動流体４０は、ウィック２８に吸い上げられて蒸発部３
１側に運ばれる。このように、ウィック２８が液流路と
して作用するが、上記の通り、ウィック２８が多数本の
極細線からなり、いわゆるポンプ力が大きいことと、コ
ンテナ２１の長手方向に亘って配設されていることによ
り、上方の蒸発部３１に作動流体４０が確実に還流す
る。

【００２６】そして、その分の作動流体４０は、スパイ
ラル部材２７とコンテナ２１壁面との間や隙間２９を形
成するテープ材の縁部同士のメニスカスに伴った毛細管
圧力によって、ウィック２８側からスパイラル部材２７
に沿ってコンテナ２１の内周方向に送られる（図４参
照）。すなわち、液相作動流体４０が蒸発部３１の広範
囲にスムースに供給される。したがって、作動流体４０
による熱輸送サイクルが活発に行われ、その結果、ＭＰ
Ｕ２６が効率よく冷却される。

【００２７】このように、上記の偏平ヒートパイプ２０
では、蒸気流路と液流路が分離されているばかりか、ウ
ィック２８による作動流体４０の還流能力にも優れてい
るので、寸法などの携帯型パソコン冷却用の偏平ヒート
パイプに要求される種々の要件を満たすとともに、トッ
プヒートモードや傾斜された状態での動作時においても
優れた熱輸送能力を得ることができ、ひいては従来一般
の偏平ヒートパイプと比べてＭＰＵ２６の冷却能力を大
幅に向上させることができる。また、コンテナ２１およ
びその内部に挿入された部材が共に適度に可撓性を有し
ているから、発熱箇所と放熱箇所とのレイアウトに合わ
せて変形させることもできる。

【００２８】ここで、上記構成の偏平ヒートパイプの製
造手順について説明する。なお、上記した部材には同じ
符号を付し、その詳細な説明を省略する。まず図５の
（Ａ）に示すように、コンテナ２１の材料として円形断
面のパイプ３０を用意する。このパイプ３０は肉厚が
０．４〜０．５ｍｍ程度の銅管である。つぎに、予め矩
形の中空螺旋状に巻回されたスパイラル部材２７をその
パイプ３０の内部に軸線方向に沿って挿入する。

【００２９】さらにこのスパイラル部材２７とパイプ３
０の内壁部との間のスペースにウィック２８が挿入され
る。その際に、パイプ３０が予め偏平状に成形されたも
のでなく円形のため、挿入部の間口が比較的大きくな
り、そのために直径０．０２〜０．１ｍｍ程度の極細線
からなるウィック２８であってもその多数本を支障なく
挿入できる。なお、ウィック２８とスパイラル部材２７
との挿入手順を逆に行ってもよく、また上記各部材は使
用に先だって脱脂洗浄されている。

【００３０】つぎに、ウィック２８などが挿入されたパ
イプ３０が圧潰工程に送られる（図５の（Ｂ）参照）。
なお、この工程では従来知られている方法・工程を採用
することができるが、例えば下側を固定した状態にパイ
プ３０を布設し、その上面部側を長手方向に沿って均一
に、スパイラル部材２７を僅かに変形させる程度まで押
し潰す。

【００３１】すると、ウィック２８がスパイラル部材２
７の両側面によってコンテナ２１の側壁部に徐々に押し
付けられ、ついには固定される。また、このパイプ３０
を圧潰する際に、巻回方向での弾性に富んだスパイラル
部材２７によってコンテナ２１がその内側からサポート
されているから、特に図５の（Ｃ）におけるパイプ３０
の上面と下面（平面部分）の幅方向での中央が長さ方向
に亘って窪むことがなく、中空偏平形状のコンテナ２１
を容易に作成することができる。

【００３２】さらに図示しないが、偏平状に圧潰された
パイプ３０の両開口端を溶接等の手段によって密閉する
とともに、真空脱気した状態で作動流体４０として所定
量の純水を封入して全工程が完了する。なお、このヒー
トパイプ化のための工程では、従来知られている方法・
工程を採用することができる。上記の通り各部材の材料
として銅系の金属が用いられているから、容易に成形し
得る利点もある。

【００３３】このように、上記の製造方法によれば、熱
輸送能力に優れる携帯型パソコン冷却用の偏平ヒートパ
イプを効率よく作成することができる。

【００３４】なお、上記の実施例では、コンテナ２１内
部でのスパイラル部材２７の両側方にウィック２８を挿
入したが、この発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、要はウィック２８はコンテナ２１内壁面に押圧固
定された状態でその長手方向に沿って配設されていれば
よく、したがって、例えばコンテナ２１内部でのスパイ
ラル部材２７の片側スペースのみにウィック２８を挿入
することとしてもよい。

【００３５】また、上記の製造方法では、矩形の中空螺
旋状に巻回されたスパイラル部材２７を例示したが、こ
のスパイラル部材２７の形状は、例えば円形の中空螺旋
状に巻回されたもの（すなわちほぼ円筒状）などであっ
てもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、偏平状のコンテナの内部に、その長手方向
に沿って多数本の極細線からなるウィック材を配設する
とともに、少なくとも長手方向の両端側で所定間隔の隙
間を開けるよう中空螺旋状に巻回された帯状体を、コン
テナ内部の長手方向に沿って配設し、これによってウィ
ック材をコンテナの内壁面に押圧固定しているから、携
帯型パソコン冷却用の偏平ヒートパイプに要求される種
々の要件を満たしたうえで、トップヒートモードや傾斜
状態における動作時でも優れた熱輸送能力を得ることが
でき、これにより、発熱箇所に対する冷却能力を向上さ
せることができる。

【００３７】また、帯状体が巻回半径を増大させる方向
に弾性力を生じる弾性材料から形成すれば、帯状体の表
面に沿って液相作動流体がコンテナの内周方向に送られ
るから、より冷却能力を向上させることができる。

【００３８】この発明の製造方法によれば、円形パイプ
を圧潰して偏平コンテナとすることができ、しかもその
場合、中空螺旋状に巻回された帯状体が軸方向での中央
部を内側から支持するので、蒸気流路を充分確保し、ま
た作動液の還流能力に優れた携帯型パソコン冷却用の偏
平ヒートパイプを効率よく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を概略的に示す斜視図であ
る。

【図２】図２は図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。

【図３】偏平ヒートパイプを一部切り欠いて示す斜視図
である。

【図４】スパイラル部材とコンテナ２１とに付着する液
相作動流体を示す概略図である。

【図５】偏平ヒートパイプの製造手順を示す断面概略図
である。

【図６】従来の技術を示す概略図である。

【符号の説明】

２０…偏平ヒートパイプ、 ２１…コンテナ、 ２４…
パソコン本体、 ２５…シャーシ、 ２６…ＭＰＵ、
２７…スパイラル部材、 ２８…ウィック、２９…隙
間、 ３０…パイプ、 ４０…作動流体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 菅野 新二 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 長谷川 仁 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 携帯型パソコンの内部での発熱箇所と放
   熱箇所との間にそれぞれ熱授受可能に配設される断面偏
   平状の携帯型パソコン冷却用の偏平ヒートパイプにおい
   て、 偏平状の密閉金属管からなるコンテナの内部に、その長
   手方向に沿って多数本の極細線からなるウィック材が配
   設されるとともに、少なくとも長手方向の両端側で所定
   間隔の隙間を開けるよう中空螺旋状に巻回された帯状体
   が長手方向に沿って配設され、この帯状体によって前記
   ウィック材が前記コンテナの内壁面に押圧固定されてい
   ることを特徴とする携帯型パソコン冷却用の偏平ヒート
   パイプ。
2. 【請求項２】 前記帯状体が巻回半径を増大させる方向
   に弾性力を生じる弾性材料から形成されていることを特
   徴とする請求項１に記載の携帯型パソコン冷却用の偏平
   ヒートパイプ。
3. 【請求項３】 塑性変形可能な円形断面のパイプ材の内
   部に、中空螺旋状に巻回された帯状体をその軸線方向に
   沿って挿入するとともに、その帯状体と前記パイプ材の
   内壁面との間に極細線からなるウィック材を挿入し、し
   かる後、前記パイプ材および前記帯状体を前記パイプ材
   の半径方向に圧潰して中空偏平形状に形成し、さらにそ
   の偏平状に圧潰されたパイプ材の内部に凝縮性の流体を
   作動流体として封入するとともに、密閉してヒートパイ
   プ化することを特徴とする携帯型パソコン冷却用の偏平
   ヒートパイプの製造方法。