JP2004245550A - 還流特性に優れたヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質体ウイックを備えたヒートパイプにおける液相作動流体の還流を促進して熱輸送能力を向上させる。
【解決手段】気密状態に密閉されたコンテナ２の内部に凝縮性の作動流体が封入されるとともに、液相の作動流体を毛細管圧力によって還流させる多孔質体からなるウイック５が前記コンテナの内部に設けられ、そのコンテナ２の一部が外部からの入熱によって前記作動流体を蒸発させる蒸発部３とされ、かつ他の一部が外部に対して放熱することにより前記作動流体蒸気を凝縮させる凝縮部４とされているヒートパイプであって、前記多孔質体５に形成されている空孔の断面積より大きい流路断面積を備えかつ蒸発部３に向けて液相の作動流体を流動させる直流還流路６が設けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、凝縮性の流体である作動流体の潜熱として熱を輸送するヒートパイプに関し、特に液相の作動流体をその蒸発の生じる箇所に還流させるためのいわゆるポンプ力を多孔質体での毛細管圧力によって生じさせるように構成したヒートパイプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、作動流体の潜熱の形で熱の輸送を行うヒートパイプが広く知られている。この種のヒートパイプは密閉容器（コンテナ）の内部から脱気した後、水などの凝縮性の流体を封入し、外部からの入熱によってその作動流体を蒸発させるとともに、その蒸気が低温・低圧の凝縮部に流動した後、放熱して凝縮することにより、作業流体の潜熱として熱を輸送するように構成した熱伝導素子である。したがって、ヒートパイプは、作動流体の潜熱として熱を輸送するために、熱伝導性がもっとも高いとされている銅による熱輸送量の数十倍ないし百数十倍の輸送能力を備えている。
【０００３】
この種のヒートパイプでは、蒸発して気相となった作動流体が低温・低圧側の凝縮部に流動することにより熱を輸送するが、その熱の輸送の後、凝縮した液相の作動流体をウイックによる毛細管圧力によって、蒸発部（入熱部）に還流させている。
【０００４】
そのウイックは、要は、毛細管圧力を生じさせるためのものであるから、作動流体とのいわゆる濡れ性が良好であり、かつ液相作動流体の液面に形成されるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小さくなるものであることが好ましい。そこで従来一般には、多孔質焼結体や極細線束などがウイックとして採用されている。これら従来のウイックのうち、多孔質焼結体における空孔の開口面積が他のウイックにおける開口面積よりも小さいので、発生させ得る毛細管圧力すなわち液相作動流体に対するポンプ力が大きく、またシート状に形成できるので、最近注目されている平板型などのベーパーチャンバーと称されるヒートパイプに容易に採用でき、これらの点で好ましいウイック材である。
【０００５】
このようにウイック材の改良などによってベーパーチャンバーを含むヒートパイプの熱輸送特性が向上しており、それに伴って小型化も図られている。これに対して、最近では、パーソナルコンピュータやサーバーあるいは携帯型電子機器などの小型・高容量化により、その冷却を如何におこなうかが問題となっており、これを解決するための手段としてヒートパイプが注目され、また多用されるようになってきている。このような小型・薄型化されたヒートパイプを利用した例が、特許第２７９４１５４号公報（特許文献１）および特許第３０６７３９９号公報（特許文献２）に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７９４１５４号公報（図１）
【特許文献２】
特許第３０６７３９９号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにヒートパイプに内蔵するウイックとして多孔質体を使用すれば、液相作動流体を還流させるための毛細管圧力を増大させることができるので、ヒートパイプ（もしくはベーパーチャンバー）の小型化に有利である。しかしながら、液相の作動流体は毛細管圧力によるポンプ力を利用して還流させるのであれば、ウイックの内部を液相作動流体が流動することになるが、多孔質体ウイックにあっては、その内部に形成される流路が、多孔質体の素材である微粉末同士の間に生じる空孔によって形成され、その流路断面積が小さい上に、迷路のように複雑に入り組んでいてその流動抵抗が相対的に大きい問題がある。また、その空孔の内部に液相の作動流体を保持するために、その量が必ずしも多くない。そのため、例えば外部からの入熱量が局部的に急激に増大した場合には、作動流体の蒸発が生じる箇所に対する液相作動流体の供給が不足して、ウイックが乾いた状態になるいわゆるドライアウトが生じる可能性がある。
【０００８】
また、ウイックとして使用する多孔質体は、一般的には微粉末材料を焼結して製造するので、空孔率の偏りは特にはなく全体として均質なものとなっている。したがって多孔質体ウイックに作動流体を湿潤させた場合、液相作動流体がウイックの全体にほぼ均等に分散する。これは、ヒートパイプを動作させた場合であっても同様であるから、シート状の多孔質体をウイックとして使用するベーパーチャンバーなどにおいては、外部からの入熱のない箇所にも液相の作動流体が分散して保持され、その結果、外部から入熱のある箇所に対する液相作動流体の還流量もしくは供給量が不十分になる要因となり、その点で改良する余地があった。
【０００９】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、多孔質体をウイックとしたヒートパイプにおける液相作動流体の還流を促進して熱輸送能力を更に向上させることの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。
【００１０】
【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、請求項１の発明は、気密状態に密閉されたコンテナの内部に凝縮性の作動流体が封入されるとともに、液相の作動流体を毛細管圧力によって還流させる多孔質体からなるウイックが前記コンテナの内部に設けられ、そのコンテナの一部が外部からの入熱によって前記作動流体を蒸発させる蒸発部とされ、かつ他の一部が外部に対して放熱することにより前記作動流体蒸気を凝縮させる凝縮部とされているヒートパイプにおいて、前記多孔質体に形成されている空孔の断面積より大きい流路断面積を備えかつ蒸発部に向けて液相の作動流体を流動させる直流還流路を備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
したがって請求項１の発明では、蒸発部に向けた液相作動流体の流動が、多孔質体の内部の空孔に加えて直流還流路で生じ、その直流還流路の流路断面積が大きく、多孔質体に比較して流動抵抗が小さいので、蒸発部に対する液相作動流体の還流を促進し、ひいては蒸発部での作動流体の蒸発量を増大させてヒートパイプの全体としての熱輸送量が増大する。また、直流還流路が液相作動流体を貯留する貯留部として機能するので、蒸発部もしくはその近傍での液相作動流体の保持量が増大し、その結果、入熱量が増大した場合であっても液相作動流体の不足が生じず、ひいてはドライアウトが未然に防止もしくは抑制される。
【００１２】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明における前記直流還流路が、前記蒸発部から前記凝縮部側の複数箇所に延びる複数本の流路によって構成されていることを特徴とするヒートパイプである。
【００１３】
したがって請求項２の発明では、液相作動流体の還流に寄与する直流還流路が、凝縮部側の複数箇所と蒸発部とを連結した状態に配置されているので、凝縮部側の複数箇所から蒸発部に対して液相作動流体が還流し、外部から入熱のある蒸発部もしくはその近傍での液相作動流体の量が充分確保され、入熱量が増大した場合のドライアウトなどの不都合が未然に防止もしくは抑制される。
【００１４】
さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明における前記直流還流路が、前記多孔質体の表面に形成された細溝によって構成されていることを特徴とするヒートパイプである。
【００１５】
そして、請求項４の発明は、請求項１または２の発明における前記直流還流路が、前記多孔質体を取り付けてある前記コンテナの内面とその多孔質体との間に形成されていることを特徴とするヒートパイプである。
【００１６】
したがって請求項３のあるいは４の発明では、細溝として形成され、あるいは多孔質体とコンテナ内面との間に形成された直流還流路を介して蒸発部に向けて液相作動流体が還流し、その流動が円滑化されて還流量が増大するので、ヒートパイプの全体としての熱輸送能力が増大する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面に示す具体例を参照してこの発明を説明する。図１は、この発明に係るヒートパイプ（ベーパーチャンバー）の一例を示し、ここに示すヒートパイプは扁平薄型に構成されている。すなわちその扁平薄型ヒートパイプ１のコンテナ２は、断面形状が扁平薄型をなすように構成されている。このコンテナ２の内部には、真空脱気された状態で、例えば純水やアルコール等の凝縮性流体が作動流体として封入されている。なお、作動流体の封入量は、一例として（ウイック体積×気孔率＋所定値α）として求めることができる。こうして構成された扁平薄型ヒートパイプ１の一方の端部が蒸発部３とされ、他方の端部が凝縮部４とされている。
【００１８】
コンテナ２の底面には、ウイック５が配設されている。このウイック５は、多孔質焼結体であって、銅粉末やセラミック粉末を素材とし、所定の空孔率となるように焼結されたシート状のものである。このウイック５の表面に複数条の還流路６が形成されている。
【００１９】
その還流路６の一例を図２に簡略化して示してある。図２に示す例は、電子素子などの発熱体８用の冷却装置７として上記の扁平薄型ヒートパイプ１を使用した例であり、図２にはそのヒートパイプ１の上面部分を取り外して内部を露出させた状態で示してある。このヒートパイプ１は、全体として鉤状に湾曲しており、その一方の端部（図２での上側の端部）が蒸発部３であって、その蒸発部３に発熱体８が熱伝達可能に接触させられ、もしくは接合される。これに対してヒートパイプ１の他方の端部（図２での下側の端部）が凝縮部４であって、その凝縮部４において外部に放熱して作動流体を凝縮させるようになっている。
【００２０】
図２に示すヒートパイプ１の内面には、シート状の多孔質体がウイック５として敷きつめられており、その表面に複数条（図２では３条）の還流路６が相互にほぼ平行に形成されている。その還流路６は、例えば幅０．２ｍｍ、深さ０．５ｍｍの断面が三角形状をなす細溝であり、蒸発部３から凝縮部４に到る全体に亘って形成されている。また、その還流路６の流路断面積は、ウイック５を形成している多孔質体における空孔の断面積もしくはその空孔によって形成される流路の断面積より大きく設定されている。なお、還流路６は、その全てが蒸発部３と凝縮部４とに亘って形成されている必要はなく、凝縮部４側の複数箇所から蒸発部３に向けて延びている状態に形成されていればよい。
【００２１】
つぎに、上記の具体例の作用を説明する。まず、蒸発部３とされている端部に発熱体８から熱が伝達される。蒸発部３に熱が伝えられると、コンテナ２の内部の作動流体が蒸発し、その蒸気が温度および圧力の低い凝縮部４側に流動する。そして前記凝縮部４で作動流体の有する熱が放散され、その作動流体が凝縮して液化する。液化した作動流体は、その後、ウイック５の毛細管作用によって蒸発部３側に還流される。その際、コンテナ２の内部に蒸発部３から凝縮部４に到るいわゆる直通の還流路６が設けられており、しかもその流路断面積が大きくて流動抵抗が小さいので、多孔質体ウイック５のみを介した還流量よりも多量の作動流体が蒸発部３に向けて還流する。すなわち、上記のヒートパイプ１では蒸発部３に向けた液相作動流体の還流性能が向上させられている。
【００２２】
蒸発部３に還流した液相作動流体は、ウイック５に浸透するだけでなく、還流路６の内部にもとどまり、保持される。したがって蒸発部３における液相作動流体の保持量が大きくなる。そのため、発熱体８からの入熱量が急激に増大した場合であっても、蒸発部３でのウイック５が乾ききってしまうドライアウトを防止することができる。
【００２３】
一方、凝縮部４においては、外部に対して放熱することにより作動流体の凝縮が連続して生じ、その結果、液相作動流体９の量が相対的に多くなる。そして、図１および図２に示すヒートパイプ１にあっては、そのコンテナ２が扁平薄型に形成されているので、コンテナ２の凝縮部３側の部分では、液相作動流体９がコンテナ２の内部空間の全体を埋め尽くしやすくなる。しかしながら、この発明に係るヒートパイプ１では、還流路６を設けてあることにより、蒸発部３に向けた液相作動流体９の還流が促進され、その結果、例えば図３に示すように、還流路６に対応する部分で液相作動流体９の液面の窪みが生じ、その部分で蒸気流路１０が確保される。したがって、蒸発部３において加熱されて生じた作動流体蒸気が、その蒸気流路１０を介してコンテナ２の内面と接触し、放熱が促進される。そのためこの点においても、蒸発部３から凝縮部４に対する作動流体による熱輸送が増大させられ、ヒートパイプ１の全体としての熱輸送特性が向上する。
【００２４】
なお、本発明者等の実験によれば、蒸発部３に対する入熱が２５〜４５ｗの場合に、還流路６を設けていない例と比較して、還流路６を設けてある例は、蒸発部の温度上昇が抑制され、熱抵抗が約２０パーセント改善されることが認められた。
【００２５】
図４ないし図６に、この発明の還流路の他の例を示す。この発明における直流還流路は、要は、液相作動流体を蒸発部に向けて流動させる流路となるものであり、しかも多孔質体からなるウイックと協働するものであるから、その用途もしくは機能を充足するものであれば、その位置や形状は、上述した例に限定されない。例えば図４に示す例は、ウイック５とこれが取り付けられているコンテナ２の内面との間に還流路１１を形成した例であり、その還流路１１の断面形状は円形となっている。このような形状の還流路１１は、ウイック５とコンテナ２との両方に半円形の溝を形成し、これらの溝を合わせることにより円形断面の流路として構成してもよく、あるいはウイック５とコンテナ２とのいずれか一方に穿孔して形成してもよい。
【００２６】
また、この発明における直流還流路の断面形状は適宜の形状であってよく、例えば図５に示すように、ウイック５とコンテナ２との間の還流路１２の断面形状を台形としてもよく、あるいは図６に示すように、ウイック５の表面に形成する還流路１３の断面形状を台形としてもよい。このように、還流路の断面形状や配置部分を変更することにより、液相の作動流体の還流量を、扁平薄型ヒートパイプの仕様や設計に合わせることができる。その結果、この発明の扁平薄型ヒートパイプの熱輸送能力をさらに向上することができる。なお、この発明の還流路の断面形状は、上述した例以外に、半円形や四角形などの適宜の形状に形成することができる。
【００２７】
図７に、この発明に係る扁平薄型ヒートパイプを冷却装置に使用した例を示す。図７の冷却装置１４の上面部分は、Ｌ字形状の扁平薄型ヒートパイプ１５とされている。この扁平薄型ヒートパイプ１５の内部におけるウイックおよび還流路の構成は、上記の扁平薄型ヒートパイプ１と同等または同一である。
【００２８】
冷却装置１４では、フレーム１６に扁平薄型ヒートパイプ１５とファン１７とが連結されている。この冷却装置１４では、上述した還流特性および熱輸送能力に優れたヒートパイプ１５が使用されているので、図示しない発熱体などの熱を効率よくファン１７の近傍まで熱輸送することができる。その結果、冷却装置１４の全体としての冷却効率が向上する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、蒸発部に向けた液相作動流体の流動が、多孔質体の内部の空孔に加えて直流還流路で生じ、その直流還流路の流路断面積が大きく、多孔質体に比較して流動抵抗が小さいので、蒸発部に対する液相作動流体の還流を促進し、ひいては蒸発部での作動流体の蒸発量を増大させてヒートパイプの全体としての熱輸送量を増大させることができ、また、直流還流路が液相作動流体を貯留する貯留部として機能するので、蒸発部もしくはその近傍での液相作動流体の保持量が増大し、その結果、入熱量が増大した場合であっても液相作動流体の不足を防止し、ひいてはドライアウトを未然に防止もしくは抑制することができる。
【００３０】
また、請求項２の発明によれば、液相作動流体の還流に寄与する直流還流路が、凝縮部側の複数箇所と蒸発部とを連結した状態に配置されているので、凝縮部側の複数箇所から蒸発部に対して液相作動流体が還流し、外部から入熱のある蒸発部もしくはその近傍での液相作動流体の量を充分確保でき、入熱量が増大した場合のドライアウトなどの不都合を未然に防止もしくは抑制することができる。
【００３１】
さらに、請求項３の発明あるいは請求項４の発明によれば、細溝として形成され、あるいは多孔質体とコンテナ内面との間に形成された直流還流路を介して蒸発部に向けて液相作動流体が還流し、その流動が円滑化させて還流量を増大させることができるので、ヒートパイプの全体としての熱輸送能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の具体的な一例を示す一部断面斜視図である。
【図２】この発明に係る還流路を簡略的に示す平面図である。
【図３】図１の凝縮部における還流路および作動流体の状態を簡略的に示す断面図である。
【図４】この発明に係る還流路の形状の一例を簡略的に示す拡大断面図である。
【図５】この発明に係る還流路の形状の他の例を簡略的に示す拡大断面図である。
【図６】この発明に係る還流路の形状の更に他の例を簡略的に示す拡大断面図である。
【図７】この発明に係る扁平薄型ヒートパイプを冷却装置として使用した例を示す平面図である。
【符号の説明】
１，１５…ヒートパイプ、 ２…コンテナ、 ３…蒸発部、 ４…凝縮部、
５…ウイック、 ６，１１，１２，１３…還流路。

Claims (4)

1. 気密状態に密閉されたコンテナの内部に凝縮性の作動流体が封入されるとともに、液相の作動流体を毛細管圧力によって還流させる多孔質体からなるウイックが前記コンテナの内部に設けられ、そのコンテナの一部が外部からの入熱によって前記作動流体を蒸発させる蒸発部とされ、かつ他の一部が外部に対して放熱することにより作動流体蒸気を凝縮させる凝縮部とされているヒートパイプにおいて、
   前記多孔質体に形成されている空孔の断面積より大きい流路断面積を備えかつ蒸発部に向けて液相の作動流体を流動させる直流還流路を備えていることを特徴とする還流特性に優れたヒートパイプ。
2. 前記直流還流路が、前記蒸発部から前記凝縮部側の複数箇所に延びる複数本の流路によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の還流特性に優れたヒートパイプ。
3. 前記直流還流路が、前記多孔質体の表面に形成された細溝によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の還流特性に優れたヒートパイプ。
4. 前記直流還流路が、前記多孔質体を取り付けてある前記コンテナの内面とその多孔質体との間に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の還流特性に優れたヒートパイプ。

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