JPH09303979A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮強度が高く、熱輸送や冷却を効率良く行
うことができるヒートパイプを提供する。 【解決手段】 平坦な加熱部２と、この加熱部２と対向
するように隔離しかつ該加熱部２より面積の広い放熱部
３と、これら加熱部２と放熱部３とのそれぞれの周縁部
を全周に亘って互いに連結する側壁部４とによって中空
偏平状に形成されたコンテナ５の内部に、真空脱気した
状態で凝縮性流体を作動流体６として封入したヒートパ
イプ１であって、コンテナ５内部に、多孔性の発泡金属
体１２，１３が、コンテナ５の内部全体を占めるように
充填されている．

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、平坦部を備えた
小型発熱体の冷却に適した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、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、演算素子の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４および図５は、昨今、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、平坦な加熱部２と、
この加熱部２と対向するように離隔しかつその加熱部２
より面積の広い放熱部３と、これら放熱部３と加熱部２
とのそれぞれの周縁部を全周に亘って互いに連結する側
壁部４とによって中空偏平状に形成されたコンテナ５の
内部に、真空脱気した状態で、例えば純水やアルコール
等の凝縮性流体が作動流体６として所定量封入されてい
る。また前記放熱部３の外部には、多数の放熱フィン７
が設けられている。

【０００４】さらに最近では、ヒートパイプ１における
内部構造としては、図４に示すような内周全面に亘り金
属メッシュ８を装着させたものや図５のような内部表面
に例えばプラズマ溶射などにて銅粉９を溶射したもの等
が知られている。そしてこれらは蒸気となった作動流体
６が放熱部３で放熱し、そこで凝縮して液相となった作
動流体６の加熱部２への還流を促進するためのウイック
として作用する。またヒートパイプ１のコンテナ５は蒸
気流路が確保された中空体となっている。

【０００５】そして上記のような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）１１の上
面に、前記加熱部２（下面）を密着させて取付けられて
いる。なお、ＣＰＵ１１はプリント基板１０上に形成さ
れた回路の所定の箇所に電気的に接続されている。

【０００６】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ＣＰＵ１１が発熱すると、その熱が
加熱部２に伝達される。そしてヒートパイプ１内部に封
入されている作動流体６が加熱されて蒸気となり、この
作動流体６の蒸気が低温の放熱部３に移動する。そして
作動流体６の蒸発潜熱の状態で運ばれた熱が、放熱部３
の外部に設けられた放熱フィン７から放散される。

【０００７】このように、ＣＰＵ１１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、ＣＰＵ１１の冷却を効果
的に行うことができる。その結果、ＣＰＵ１１の過熱に
よるパソコンの作動不能や機能低下等を防止することが
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のヒートパイ
プによれば、その実質的な熱輸送能力が極めて高いこと
に加えて、発熱源であるＣＰＵに対して広い面積で直接
接触するから、ＣＰＵの冷却効率を向上させることが可
能である。

【０００９】しかしながら、ヒートパイプは蒸気流路を
確保するためコンテナが中空体になっているとともに、
コンテナの内部を真空脱気した状態で作動流体を封入し
た構成であるから、外部からの入熱がない状態すなわち
非動作状態では、当然、コンテナの内部圧力は負圧とな
っている。そして、上記のヒートパイプでは、対向する
加熱部と放熱部とが共に面積の大きい平板状に形成され
ているばかりか、これらの部材が金属として柔らかい部
類に属する銅などから構成されているため、非動作時に
コンテナが厚さ方向に変形するおそれが多分にあった。
また、コンテナが中空体であるために、外部から圧縮力
を受けた場合に変形するおそれがあった。

【００１０】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、圧縮強度が高く、熱輸送や冷却を効率良く行うこ
とができるヒートパイプを提供することを目的とするも
のである。

【００１１】

【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、平坦な加熱部と、この
加熱部と対向するように隔離しかつ該加熱部より面積の
広い放熱部と、これら加熱部と放熱部とのそれぞれの周
縁部を全周に亘って互いに連結する側壁部とによって中
空偏平状に形成されたコンテナの内部に、真空脱気した
状態で凝縮性流体を作動流体として封入したヒートパイ
プであって、コンテナ内部に、多孔性の発泡金属体が、
コンテナの内部全体を占めるように充填されていること
を特徴とするものである。

【００１２】また前記発泡金属体の気孔率がコンテナの
内面に近い箇所よりも遠い箇所で高く設定されているこ
とを特徴とするものである。

【００１３】さらに前記気孔の内径が前記コンテナの内
面に近い箇所よりも遠い箇所で大きく設定されているこ
とを特徴とするものである。

【００１４】したがって、この発明のヒートパイプによ
れば、加熱部と放熱部とが発泡金属体によって内部から
支持されることになるから、ヒートパイプが動作してい
ずにその内部圧力が真空圧であっても厚さ方向すなわち
加熱部と放熱部とが接近する方向への圧縮強度が高くな
る。また、外部から圧縮力が作用した場合であってもそ
の圧縮力によるコンテナの変形を防止できる。

【００１５】また、その発泡金属体が、ウイックとして
も作用するので、凝縮して放熱部の内面に付着した液相
作動流体が、この発泡金属体の毛細管圧力によって側壁
部の内面等を経由せずに加熱部の内面まで直接的に運ば
れる。したがって、加熱部側を放熱部に対して下方に配
置したボトムヒートモード、あるいはその反対に配置し
たトップヒートモードのいずれでも蒸発部となる加熱部
の内面に必要量の液相作動流体が確実に供給される。

【００１６】また、前記発泡金属体の気孔率がコンテナ
の内面に近い箇所よりも遠い箇所で高く設定されている
から、コンテナ内部の中央部分すなわちコンテナ内面か
ら離れた部分での流動抵抗は高くならず、発泡金属体の
気孔部分で充分蒸気流路が確保できる。

【００１７】さらに、前記気孔の内径が前記コンテナの
内面に近い箇所よりも遠い箇所で大きく設定されている
から、コンテナ内面近くの発泡金属体の毛細管圧力が大
きい。したがって、より速やかに液相の作動流体が還流
されるとともに、例えばトップヒートモードであって
も、その発泡金属体において生じる毛細管圧力によって
加熱部の広範囲に液相作動流体が供給されるとともに保
持される。すなわちコンテナ内面近くの発泡金属体によ
って、加熱部に液相作動流体が保持され、伝熱面の濡れ
性が向上される。したがって作動流体の蒸発・凝縮サイ
クルが活発となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下にこの発明のヒートパイプを
パソコンのＣＰＵ冷却用ヒートパイプに適用した実施例
を図面を参照して説明する。図１はこの発明の一実施例
を示すものであり、このヒートパイプ１は、コンテナ５
の形状が高さの低いほぼ四角錐台のような形状を呈して
いる。

【００１９】より具体的には、一例としてほぼ正方形で
平坦面とされた加熱部２と、この加熱部２と対向するよ
うに離隔しかつほぼ正方形で加熱部２より面積の広い放
熱部３と、これら放熱部３と加熱部２との全周に亘って
互いに連結する傾斜側壁部４とによって形成される銅な
どからなる金属製密閉容器をコンテナ５としている。ま
たそのコンテナ５の内部には真空脱気した状態で例えば
純水やアルコール等の凝縮性流体が作動流体６として所
定量封入されている。

【００２０】そして、コンテナ５の内壁面には、その全
周に亘って発泡金属体１２が備えられている。この発泡
金属体１２は、気孔を備えた目の細かい多孔構造となっ
ており、所要の毛細管圧力が生じるように実効毛細管半
径が調整されている。したがって、その毛細管圧力によ
り液相の作動流体の還流を促進するようになっている。
そしてこの発泡金属体１２が放熱部３側から加熱部２側
に液相の作動流体６を輸送する液流路となっている。

【００２１】また、前記コンテナ５の内壁面に備えた発
泡金属体１２の内側には、発泡金属体１３が加熱部２の
内面と放熱部３の内面との間に挾まれた状態に備えられ
ている。この発泡金属体１３は、前記発泡金属体１２よ
りも径の大きい気孔が形成された目の粗い多孔構造とな
っており、かつ気孔率が前記発泡金属体１２よりも高く
設定されている。したがって、この発泡金属体１３の気
孔部分が蒸気流路となっている。

【００２２】そして、このようにコンテナ５の内部全域
に発泡金属体１２，１３が備えられることによって、加
熱部２と放熱部３とが内面から支持されることになり、
ヒートパイプ１の内部が真空状態すなわちヒートパイプ
１が非動作状態でも、加熱部２および放熱部３に窪むよ
うな変形が阻止されるとともに、外部からの圧縮に対し
ても変形が生じないようになっている。すなわち、コン
テナ５が厚さ方向に変形することが未然に防止されてい
る。

【００２３】またここで使用される発泡金属体１２，１
３としては、セラミックスや金属あるいはそれらを混合
したサーメット等のいずれでも良いが、それ自体が熱伝
導性および耐熱性に優れ、かつ長期に亘って作動流体と
接触させても反応せず、しかも作動流体の濡れ性の良い
ものが好ましい。

【００２４】そして上記のような構造のヒートパイプ１
が、図２に示すようにプリント基板１０上に形成された
回路の所定箇所に電気的に接続されて取り付けられたＣ
ＰＵ１１の上面に、その加熱部２（下面）を密着させて
取り付けられている。また放熱部３の外面には、多数の
放熱フィン７が設けられている。

【００２５】次に上記のように構成されたヒートパイプ
１の作用について図面を用いて説明する。

【００２６】パソコンの使用に伴う通電によってＣＰＵ
１１が発熱すると、その熱がヒートパイプ１のＣＰＵ１
１と接している下部の加熱部２に伝達される。そして、
コンテナ５の底部に溜まっている作動流体６が加熱され
て蒸発する。したがって、この実施例では加熱部２の内
面が蒸発部となっている。

【００２７】蒸気となった作動流体６は、蒸気流路とな
る発泡金属体１３の気孔を経由して低温の放熱部３に向
けて流動し、放熱部３の内面で熱を奪われて凝縮する。
すなわち、作動流体６の蒸気がＣＰＵ１１の発生した熱
を蒸発潜熱として輸送し、その気相の作動流体６が放熱
部３において凝縮する際にＣＰＵ１１の熱が放出され
る。したがって、この放熱部３の内面がヒートパイプ１
としての凝縮部となっている。さらに作動流体６の蒸発
潜熱の状態で放熱部３側に輸送されたＣＰＵ１１の熱
は、放熱部３の外部に設けられた放熱フィン７からパソ
コンケース内部に放散される。その結果、ＣＰＵ１１が
冷却される。

【００２８】他方、凝縮し再度液相となった作動流体６
は放熱部３の内面に形成された発泡金属体１２の毛細管
圧力によって吸い上げられる。そしてさらに、液相の作
動流体６は発泡金属体１２の毛細管圧力によって加熱部
２の内壁面側まで輸送される。その場合、目の細かい発
泡金属体１２がコンテナ５の内壁面に形成されているこ
とによって、凝縮して液相になった作動流体６の放熱部
３から加熱部２への還流が促進される。

【００２９】そして液流路となっている傾斜側壁部４の
内面の発泡金属体１２を経由して加熱部２に還流した液
相の作動流体６は、加熱部２の内面の発泡金属体１２の
毛細管圧力によって加熱部２の内面ほぼ全域に拡散させ
られるとともに保持される。

【００３０】次にヒートパイプ１の動作態様を図３に示
すように、トップヒートモードとした場合について説明
する。ここではコンテナ５のうち放熱部３が加熱部２に
対して下方に配置されている。すなわち、図２の上下を
反転させた格好となっており、図１に示すヒートパイプ
１が上下を反転した状態でプリント基板１０の下に支持
されている。そしてヒートパイプ１の加熱部２の外面に
ＣＰＵ１１が適宜の手段によって取り付けられている。
また前記放熱部３には、多数の放熱フィン７が設けられ
ている。

【００３１】なお、ヒートパイプ１が動作していない状
態では、コンテナ５に封入された液相の作動流体６が、
発泡金属体１２，１３の毛細管圧力によって放熱部３の
内面から吸い上げられて、その発泡金属体１２の毛細管
圧力によって、加熱部２の内面のほぼ全域に広げられて
保持されている。

【００３２】この状態で、ＣＰＵ１１が発熱すると、そ
の熱が加熱部２に伝達され、作動流体６が蒸発する。し
たがって、ここに示す例においても上記実施例と同様に
加熱部２の内面が蒸発部となる。蒸気となった作動流体
６は、発泡金属体１３の気孔部分を経由して下方の放熱
部３に向けて流動し、その放熱部３の内面で熱を奪われ
て凝縮する。したがって、その放熱部３の内面がコンテ
ナ５のうちの凝縮部となっている。さらに、作動流体６
の蒸発潜熱の状態で放熱部３側に輸送されたＣＰＵ１１
の熱は、放熱部３の外部に設けられた放熱フィン７から
パソコンケース内部に放散される。その結果、ＣＰＵ１
１が冷却される。

【００３３】また、再度液相となった作動流体６は、発
泡金属体１２の毛細管圧力によって加熱部２の内面に運
ばれる。すなわち傾斜側壁部４の内面を経由せずに加熱
部２の内面側に運ぶこともできる。

【００３４】発泡金属体１２によって加熱部２に還流し
た液相の作動流体６は、加熱部２の内面の発泡金属体１
２の毛細管圧力によって、加熱部２の全体に分散される
とともに保持される。

【００３５】そして、加熱部２に供給された作動流体６
は再度加熱されて蒸発し、上述したサイクルと同様のサ
イクルを継続する。

【００３６】このように、液相の作動流体６を傾斜側壁
部４の内面を経由させて還流させることに加えて、上下
方向に対向した放熱部３から加熱部２に向けて液相作動
流体６を直接還流させることもできるから、凝縮した作
動流体６が、加熱部２の内面の発泡金属体１２に速やか
に供給される。そしてその発泡金属体１２の毛細管圧力
により加熱部２の内面に作動流体６が拡散されるととも
に保持されるから、加熱部２の内面の濡れ性の向上が図
れ、トップヒートモードでも良好に熱輸送して、ＣＰＵ
１１を冷却することができる。換言すれば、傾斜させた
状態を含むいずれの動作態様でもＣＰＵ１１を冷却する
ことができる。

【００３７】なお上記実施例において、気孔率および気
孔の内径の異なる発泡金属体をコンテナ５の外周から二
層に設けたがこれに限定されず何層に設けても良い。さ
らには層状にしないで、コンテナ内面から離れるに従っ
て徐々に気孔率を高くするとともに、気孔の内径が大き
くなるように構成しても良い。

【００３８】

【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、ヒートパイプのコンテナ内部に多孔性の発
泡金属体がコンテナ内部全体を占めるように充填されて
いるので、非動作時にコンテナが厚さ方向に変形するこ
とを防止できるとともに、外部からの圧縮による変形も
防止することができる。

【００３９】また、前記発泡金属体の気孔率がコンテナ
の内面に近い箇所よりも遠い箇所で高く設定されている
から、コンテナ内部の中央部分すなわちコンテナ内面か
ら離れた部分での流動抵抗は高くならず、発泡金属体の
気孔部分で充分蒸気流路が確保できる。

【００４０】さらに前記気孔の内径が、前記コンテナの
内面に近い箇所よりも遠い箇所で大きく設定されている
から、コンテナ内面近くでは所要の毛細管圧力が得られ
る。すなわち液相の作動流体の還流が促進されるととも
に、その毛細管圧力によって加熱部内面に充分に液相の
作動流体が拡散されるとともに保持されるから、加熱部
内面の濡れ性が向上する。

【００４１】したがってトップヒートモードや傾斜させ
た状態を含むいずれの動作態様でも局部的な発熱源を冷
却することができるとともに、作動流体の蒸発・凝縮サ
イクルが活発となり、さらには液相作動流体を高い毛細
管圧力で加熱部の全面に分散させることができるため、
発熱源が局部的なものであっても熱輸送を効率良く行っ
て充分冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のヒートパイプの断面を示す概略断面図
である。

【図２】ヒートパイプをＣＰＵの上面に取り付けた状態
の一例を示す概略断面図である。

【図３】ヒートパイプをＣＰＵの下面に取り付けた状態
の一例を示す概略断面図である。

【図４】従来のヒートパイプの断面の一例を示す概略断
面図である。

【図５】従来のヒートパイプの断面の一例を示す概略断
面図である。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、 ２…加熱部、 ３…放熱部、 ４
…傾斜側壁部、 ５…コンテナ、 ６…作動流体、 １
１…ＣＰＵ、 １２，１３…発泡金属体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦な加熱部と、この加熱部と対向する
   ように隔離しかつ該加熱部より面積の広い放熱部と、こ
   れら加熱部と放熱部とのそれぞれの周縁部を全周に亘っ
   て互いに連結する側壁部とによって中空偏平状に形成さ
   れたコンテナの内部に、真空脱気した状態で凝縮性流体
   を作動流体として封入したヒートパイプにおいて、 コンテナ内部に、多孔性の発泡金属体が、コンテナの内
   部全体を占めるように充填されていることを特徴とする
   ヒートパイプ。
2. 【請求項２】 前記発泡金属体の気孔率が、前記コンテ
   ナの内面に近い箇所よりも遠い箇所で高く設定されてい
   ることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。
3. 【請求項３】 前記気孔の内径が、前記コンテナの内面
   に近い箇所よりも遠い箇所で大きく設定されていること
   を特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。