JPH09133483A - 二重管型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＰＵ等の局部的な発熱源からの熱輸送を効
率よく行い得るヒートパイプを提供する。 【解決手段】 空気の流通し得る内管１１の外周部に空
間をあけて外管１２を被装するとともに、その外管１２
の内面と内管１１の外面との間の空間を端板１３で密閉
し、この密閉された空間の内部をヒートパイプ化した二
重管型ヒートパイプ１０において、外管１２の一部分が
平坦面に形成され、かつ蒸発部１９とされている。ま
た、内管１１の外面と外管１２の蒸発部１９と対向する
部分とが凝縮部２０とされている。さらに、内管１１の
内面には、ヒートシンク２１ｃが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、作動流体の潜熱
として熱輸送するヒートパイプに関し、特にコンテナが
二重管構造を成した二重管型ヒートパイプに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】例えば、パーソナルユースのコンピュー
タ（以下、パソコンという。）の分野においては、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
ており、したがって、この演算処理装置が発する熱量も
増大している。そこで従来、冷却装置として熱輸送能力
に優れるヒートパイプが使用されている。

【０００３】図１４は、従来のパソコンにおいて冷却用
に使用されているヒートパイプの一例を示すものであ
る。このヒートパイプ１は、いわゆる平板型ヒートパイ
プであって、そのコンテナは断面矩形を成している。そ
して、コンテナのうちの図１４における下側の面は、蒸
発部１ａとされており、これに対して上側の面が凝縮部
１ｂとされている。また、この凝縮部１ｂの外部には、
多数の放熱フィン１ｃが設けられている。なお、コンテ
ナの内部には、真空脱気した状態で水やアルコール等の
凝縮性の作動流体３のみが所定量封入されている。

【０００４】上記の構造のヒートパイプ１は、中央演算
処理装置（以下、ＣＰＵという）２の上面部に、蒸発部
（下面）１ａを密着させた状態で取付けられている。な
お、ＣＰＵ２は、プリント基板４の上に形成された図示
しない回路に電気的に接続されて取付けられている。

【０００５】したがって、このヒートパイプ１では、前
記回路に通電されてＣＰＵ２が発熱すると、その熱が蒸
発部１ａに伝達されて封入されている作動流体３が蒸発
する。そして、この作動流体３の蒸気は、内部圧力の低
い上方に移動して凝縮部１ｂおいて熱を奪われて凝縮す
る。すなわち、作動流体３の蒸発潜熱の状態で運ばれた
熱が、凝縮部１ｂに設けられた放熱フィン１ｃから外部
に放散される。

【０００６】このように、ＣＰＵ２の冷却にヒートパイ
プ１を使うことによって、蒸発潜熱の状態で大量の熱輸
送が可能となり、そのため、ＣＰＵ２の冷却を効果的に
行うことができる。その結果、ＣＰＵ２の過熱によるパ
ソコンの作動不能や機能低下等の発生を防止することが
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のヒートパイ
プ１によれば、その実質的な熱伝導率が極めて高いこと
に加えて、発熱源であるＣＰＵ２に対して広い面積で直
接接触するから、ＣＰＵ２の冷却効率を向上させること
が可能である。しかしながら、そのコンテナが矩形断面
の中空体であるために、ＣＰＵ２との接触面積を広くで
きる半面、凝縮部１ｂの面積が相対的に小さくなってし
まう。すなわち、作動流体３は蒸発部１ａにおいては液
体であり、また発熱源はＣＰＵ２であるから、蒸発部１
ａはＣＰＵ２の上面とほぼ等しい面積であれば充分であ
るが、凝縮部１ｂでは作動流体３は蒸気となっていて、
その体積が極端に増大しているから、凝縮部１ｂが蒸発
部１ａと同一面積の従来のヒートパイプ１では、作動流
体３の蒸気が直接接触する凝縮部１ｂが限定され、放熱
量が少なくなって、実質的な冷却能力が制限される不都
合があった。

【０００８】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、局部的な発熱源からの熱輸送を効率よく行うこと
のできるヒートパイプを提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、この発明は、空気の流通し得る内
管の外周部に空間をあけて外管を被装するとともに、そ
の外管の内面と前記内管の外面との間の空間を端板で密
閉し、この密閉された空間の内部に真空脱気した状態で
凝縮性の流体を作動流体として封入した二重管型ヒート
パイプにおいて、前記外管の一部分を平坦面に形成し、
かつ外部から入熱のある蒸発部とするとともに、前記内
管の外面と前記外管の前記蒸発部と対向する部分とを凝
縮部とし、かつ前記内管の内面にヒートシンクを設けた
ことを特徴とするものである。

【００１０】また、上記の二重管型ヒートパイプにおい
ては、前記外管のうち前記凝縮部にあたる箇所の外面
に、ヒートシンクを設けることができる。

【００１１】この発明の二重管型ヒートパイプでは、蒸
発部を底部側に向けて布設した状態で、外部からの入熱
がコンテナにあると、外管の内底部に滞留する液相の作
動流体が加熱されて蒸発する。その作動流体蒸気は、内
部圧力および温度が共に低い外管の上方に向けて流動を
開始する。そして、その一部は内管の外面で熱を奪われ
て凝縮する。これは、内管の内面およびヒートシンクが
外気に露出して低温になっているからである。また、他
の大半の作動流体蒸気は、上記の布設姿勢において最上
面となる外管のうち蒸発部と対向する部分で熱を奪われ
て凝縮する。

【００１２】その際に、特にこの発明では、実効凝縮部
の面積が広いので、大量の作動流体蒸気が速やかに凝縮
する。したがって、作動流体による熱輸送サイクルが活
発に行われるから、熱輸送能力に優れたヒートパイプと
なる。また、作動流体によって輸送された熱は、外管の
外面および内管の内面にそれぞれ伝達されて、そこから
外部に向けて放出される。

【００１３】他方、放熱することによって液相に戻った
作動流体は、下方の蒸発部に向けて外管の内面および内
管の外面を伝わって流下し、そこで再び加熱されて蒸発
し、前述と同様のサイクルを継続する。なお特に、この
発明では、蒸発部が平坦面を成しているために、例えば
偏平型のヒータ等をコンテナに直接沿わせた場合の熱伝
達効率に優れている。

【００１４】さらに、上記箇所にヒートシンクを設けた
構成とすれば、作動流体蒸気が凝縮部のうち外管の内面
においてより効率よく凝縮するので、ヒートパイプとし
ての熱輸送力がさらに向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の二重管型ヒート
パイプを、パソコンのＣＰＵ冷却用ヒートパイプに適用
した具体例を図１ないし図１３を参照して説明する。図
１および図２に示すように、この二重管型ヒートパイプ
１０では、矩形断面の内管１１と、その外周部に間隔を
あけて設けられた変形六角形断面でかつ内管１１と等長
の外管１２と、それら両者の間の空間を両端部において
密閉する端板１３とによってコンテナ１４が形成されて
いる。

【００１６】そして、この二重管構造のコンテナ１４の
内部には、例えば純水やナトリウム等の凝縮性の流体が
作動流体１５として所定量封入されている。なお、一例
として内管１１と外管１２および端板１３は、銅やアル
ミニウム等の金属からなっている。上記の二重管型ヒー
トパイプ１０は、外管１２のうち面積の小さい側面を発
熱源となるＣＰＵ１６の上面部に密着させた状態で、ホ
ルダ１７によって回路基板１８の上部に締結支持されて
いる。

【００１７】したがって、この二重管型ヒートパイプ１
０では、外管のうちＣＰＵ１６と接した部分の内面が蒸
発部１９となっている。また、この蒸発部１９と対向し
た外管１２の天井面（内面の上面部）と、内管１１の外
面の全域とが凝縮部２０となっている。これは、前記箇
所がコンテナ１４のうちで外気と熱交換し易い箇所であ
ることや、作動流体１５の蒸気が上方に流動し易いこと
などの理由による。なお、ＣＰＵ１６は、パソコン内の
回路基板の上部に形成されたプリント配線（図示せず）
の所定位置に接続されて取付けられている。

【００１８】したがって、この具体例における凝縮部２
０の面積は、蒸発部１９に対して約６倍程度となってい
る。そして、これら２箇所の凝縮部２０には、ぞれぞれ
ヒートシンク２１が熱伝達可能に接合されている。すな
わち、外管１２に設けられているヒートシンク２１は、
例えば狭い間隔で平行に配設された放熱フィン２１ａの
下端をベースプレート２１ｂに溶接など適宜手段で一体
化させたものであり、そのベースプレート２１ｂにおい
て外管１２の外面に固着されている。

【００１９】これに対して、内管１１に設けられている
ヒートシンク２１は、ベースプレートを設けない単体の
放熱フィン２２ｃであって、内管１１の上下両面に挟持
された状態で固着されている。なお、放熱フィン２１ａ
およびベースプレート２１ｂは、共にアルミニウム板か
らなっている。

【００２０】他方、この二重管型ヒートパイプ１０にお
ける図２で右側の端板１３の開口部には、内管１１とほ
ぼ等しい形状の風洞２３が取り付けられている。この風
洞２３の図２で右側の開口端は、パソコンケースの内部
に既設されるファン（図示せず）の近傍まで延ばされて
おり、パソコンケースの外部と連通している。したがっ
て、ファンを動作させれば、内管１１の内面側の空間内
を矢印に示す方向に空気が通過して、そのままパソコン
ケースの外部に流れ出る。換言すれば、二重管型ヒート
パイプ１０自体が冷却用エアダクトの一部を構成してい
る。

【００２１】つぎに、上記構成の二重管型ヒートパイプ
の作用について説明する。パソコンの使用に伴ってＣＰ
Ｕ１６が発熱すると、その熱はコンテナ１４のうち蒸発
部１９に伝達される。そして、その熱によって外管１２
の内底部に滞留する作動流体１５が沸騰する。その際
に、蒸発部１９が平坦面を成していて熱授受面積が広い
ので、同様に上面部が平坦面となっているＣＰＵ１６か
らの熱伝達が効率よく行われる。

【００２２】作動流体１５の蒸気は、コンテナ１４の全
域において内部圧力が低い外管１２の上方側に向けて流
動を開始する。その作動流体１５の蒸気の一部は、内管
１１の内面、特に蒸発部１９と対向した面で熱を熱を奪
われて凝縮する。これは、内管１１に空気が流通して放
熱フィン２１ｃが冷却されているからである。また、そ
の他大半の作動流体１５蒸気は、外管１２の天井面（内
面の上面部）において熱を奪われて凝縮するが、これ
は、その部分が放熱フィン２１ａの冷却作用によって低
温となっていることや、外管のうちで最上箇所となって
いることなどからである。

【００２３】そして、作動流体１５から外管１２および
内管１１の各凝縮部２０に伝達された熱は、各放熱フィ
ン２１ａ，２１ｃに伝達されて、それらから放出され
る。より詳細には、外管１２側に設けられた各放熱フィ
ン２１ａから放出される熱は、パソコンケースの内部雰
囲気に放散され、これに対して、内管１１側に設けられ
た放熱フィン２１ｃから放出される熱は、内管１１の内
部空間を流通する空気によってパソコンケースの外部に
運ばれる。

【００２４】他方、凝縮して各凝縮部２０の壁面に付着
する液相の作動流体１５は、内管１１の外壁面および外
管１２の内壁面を伝わって外管１２の内底部まで流下す
る。その際に、図１での両側方向から集中するように作
動流体１５が還流するから、その蒸発・凝縮サイクルが
スムースに行われる。

【００２５】このように、上記の二重管型ヒートパイプ
１０では、熱源と蒸発部１９との熱伝達効率に優れるば
かりか、蒸発部１９の面積に拘らず実効凝縮部２０を広
く採ることが可能であるから、大量の蒸気が迅速に凝縮
し、その結果、ＣＰＵ１６の大量の発熱に対しても優れ
た冷却性能を発揮して、その過熱を確実に防止すること
ができる。

【００２６】なお、上記実施例においてコンテナ１４
は、その蒸発部１９および凝縮部２０の内面がフラット
に形成されている場合について説明したが、蒸発部１９
に核沸騰を誘発させる凹凸形状を設けるとともに、凝縮
部２０に作動流体１５の滴下を促進させる凹凸形状を設
けることができる。

【００２７】これらをより具体的に説明すると、例えば
図３に示すように、外管１２の内底面には、Ｖ字形溝を
直交する２方向に狭い間隔で形成してなる四角錐状の尖
頭突起２２が多数形成されている。これらの尖頭突起２
２によって、作動流体１５に熱が伝達される際に、その
作動流体１５が非沸騰域から核沸騰域に早期に遷移す
る。すなわち、蒸発部１９の表面の作動流体１５が減少
した際の膜沸騰域への移行を防いで、伝熱効率の高い核
沸騰を持続させるように作用する。

【００２８】また、外管１２の天井面には、背の低いリ
ブ２３が毛細管現象が生じないように充分に離間させて
平行に複数本形成されている。これらのリブ２３には、
凝縮部２０の表面に結露した作動流体１５の粒が表面張
力によって吸着する。すると、その粒径が拡大して重力
によって滴下しやすくなる。したがって、作動流体１５
の蒸気と接触して凝縮させる凝縮部２０の面積が、凝結
した作動流体１５で覆われて減少することを防止する。

【００２９】また図４は、核沸騰を誘発させる凹凸形状
と、作動流体１５の滴下を促進させる凹凸形状との他の
例を示すものである。外管１２の内底面には、核沸騰を
発生させる凹凸形状として銅製等の金属小球２４が焼結
されている。この多数の金属小球２４が、図３に示した
尖頭突起２２と同様の作用を備えている。すなわち、作
動流体１５に熱伝達される際に、非沸騰域から核沸騰域
に早期に遷移させるとともに、蒸発部１９の表面の作動
流体１５が減少した際の膜沸騰域への移行を防いで、伝
熱効率の高い核沸騰を持続させるように作用する。

【００３０】また、外管１２の天井面には、背の低いリ
ブ２５が格子状に形成されている。この格子状のリブ２
５は、図３に示したリブ２３と同様の作用を備え、凝縮
部２０の内面に結露した作動流体１５の粒を滴下しやす
くしている。

【００３１】ここで、ヒートシンク２１の取付け方法を
図５に示すと、多数の放熱フィン２１ａを所定のピッチ
でベースプレート２１ｂの上部に溶接した構成のヒート
シンク２１は、そのベースプレート２１ｂの下面を外管
１２の外面うち凝縮部２０の外面にあたる箇所に、サー
マルジョイント（金属粉入り接着剤）２６により接着さ
れている。

【００３２】さらに、コンテナ１４へのヒートシンク２
１の他の取付け方法を説明する。図６に示すように、多
数の放熱フィン２１ａを所定のピッチで取付けたベース
プレート２１ｂを、上記と同じ箇所に密着するように載
置する。その状態で、ベースプレート２１ｂの少なくと
も対向する２辺の縁部をそれぞれ下方に折り曲げる。そ
して、コンテナ１４の凝縮部２０の縁部を挟むようにか
しめる。

【００３３】またさらに、ヒートシンク２１の他の取付
け方法を説明すると、例えば図７に示すように、上記と
同様の箇所には、多数の放熱フィン２１ａの各下辺を嵌
合させる取付溝２７が所定のピッチで形成されている。
そして、各取付溝２７に放熱フィン２１Ａの下部を嵌装
した状態で、各取付溝２７の間の平面部分を加圧するこ
とによって取付溝２７の溝幅を縮小させてかしめるか、
または、各放熱フィン２１ａを下方へ押圧して座屈させ
ることにより取付溝２７内の肉厚を増加させて固着させ
る。

【００３４】なお、以上の例においては、平板状の放熱
フィン２１ａを使用した例について説明したが、ヒート
シンク２１としてはこれ以外にも、銅板等の熱伝導性に
優れた金属製でもよい。また、図８に示すように、銅か
らなる多数の放熱ピン２１ｄをベースプレート２１ｂに
林立させることもできる。

【００３５】また、例えば内管１１に設けるヒートシン
ク２１の形状としては、図９に示すように、波形放熱フ
ィン２１ｅを所定のピッチで配設して用いれば、波形板
の間隙を流れる空気の渦効果によって熱伝達率を向上さ
せ、優れた放熱性能を得ることができる。また、図１０
に示すように、空気の流れる方向に短い放熱フィン２１
ｆを、風の流れと平行でかつ千鳥状に多数設ければ、各
放熱フィン２１ｆの前縁に流動する空気が直接衝突する
ことによる冷却効果すなわち前縁効果によって優れた放
熱性能を得ることができる。

【００３６】さらに、図１１に示すように、各放熱フィ
ン２１ｃの空気通路となる間隙の空気流入側に、流入す
る空気を上方に案内するフラップ状のガイド板２８を３
段設けてもよい。このように、空気を斜め上向きに流す
ことによって、内管１１の内面のうち凝縮部にあたる箇
所に沿って流れる空気の層流の剥離が防止され、空気の
流通量を増加させることによる放熱効率を高めることが
できる。

【００３７】また図１２に示すように、ガイド板２８に
替えて各放熱フィン２１ｃ同士の間隙に、多数のジャマ
ー板２９をそれぞれの下流側を斜め上方へ向けて設けて
も、ガイド板２８とほぼ同様の効果を得ることができ
る。さらに、図１３に示すように、ジャマー板２９の代
わりに、薄板を直角三角形に形成した三角板３０をその
斜辺が上側となるように各放熱フィン２１ｃ同士の間隙
にそれぞれ取り付けても、ほぼ同様の効果を得ることが
できる。

【００３８】なお、上記の説明においては、この発明の
ヒートパイプ１１をパソコンのＣＰＵの冷却に用いた例
を示したが、この発明は上記の具体例に限定されるもの
ではなく、例えば電子機器に備えられる平板形状のスイ
ッチの冷却などに採用することもできる。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明したように、この発明のヒー
トパイプは、外管の一部分を平坦面に形成して蒸発部と
し、また内管の外面と外管の蒸発部と対向する部分とを
凝縮部とし、さらに内管の内面にヒートシンクを設けた
ので、局部的な発熱源からの熱輸送能力を従来のヒート
パイプに比べて向上させることができる。

【００４０】また、外管のうち凝縮部にあたる箇所の外
面に、ヒートシンクを設ければ、ヒートパイプとしての
熱輸送力をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の二重管型ヒートパイプの一具体例を
一部切り欠いて示す概略図である。

【図２】風洞およびヒートパイプを示す斜視図である。

【図３】内面に尖頭突起およびリブを備えた外管を示す
断面概略図である。

【図４】内面に金属小球およびリブを備えた外管を示す
断面概略図である。

【図５】放熱フィンとコンテナとの取り付け例を示す断
面図である。

【図６】放熱フィンの取り付け例のを示す断面図であ
る。

【図７】放熱フィンとコンテナとの取り付け例を示す断
面図である。

【図８】放熱ピンを示す図である。

【図９】波型放熱フィンを示す図である。

【図１０】千鳥状に配設した放熱フィンを示す図であ
る。

【図１１】ガイド板を備えた放熱フィンを示す図であ
る。

【図１２】ジャマ板を備えた放熱フィンを示す図であ
る。

【図１３】三角板を備えた放熱フィンを示す図である。

【図１４】従来技術の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０…二重管型ヒートパイプ、 １１…内管、 １２…
外管、 １３…端板、１５…作動流体、 １９…蒸発
部、 ２０…凝縮部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気の流通し得る内管の外周部に空間を
   あけて外管を被装するとともに、その外管の内面と前記
   内管の外面との間の空間を端板で密閉し、この密閉され
   た空間の内部に真空脱気した状態で凝縮性の流体を作動
   流体として封入した二重管型ヒートパイプにおいて、 前記外管の一部分を平坦面に形成し、かつ外部から入熱
   のある蒸発部とするとともに、前記内管の外面と前記外
   管の前記蒸発部と対向する部分とを凝縮部とし、かつ前
   記内管の内面にヒートシンクを設けたことを特徴とする
   二重管型ヒートパイプ。
2. 【請求項２】 前記外管のうち前記凝縮部にあたる箇所
   の外面に、ヒートシンクを設けたことを特徴とする請求
   項１に記載の二重管型ヒートパイプ。