JP2018009717A - 振動型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】微細で複雑な流路の形成と、その機械的強度を維持することができる薄膜の振動型ヒートパイプの提供。
【解決手段】作動液の表面張力によってその内部が充填閉塞される流路３０を有し、流路３０の受熱部３１で発生する作動液の沸騰バブルによって流路３０の放熱部との間に振動的な圧力差を生じさせ、圧力差による作動液の往復移動によって受熱部３１から放熱部に熱を搬送する振動型ヒートパイプ１であって、第一面１１と、第一面１１とは反対側の第二面１２と、第一面１１から第二面１２まで貫通する貫通溝１３と、を有する中間層材１０と、中間層材１０の第一面１１と第二面１２に接合されて、貫通溝１３の開口１３ａ，１３ｂを閉塞し流路３０を形成する一対の板材２０と、を有する、という構成を採用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動型ヒートパイプに関するものである。

振動型ヒートパイプとして、例えば、下記特許文献１に記載されたマイクロヒートパイプが知られている。振動型ヒートパイプは、従来の二相凝縮性作動液の相変化応用のヒートパイプとは異なり、細管内作動液がその表面張力により常に管内を充填閉塞し、蒸気泡と液滴が交互に管内全体に分散配置され、受熱部における作動液の核沸騰による圧力波により、蒸気泡と液滴の軸方向振動を発生し、その振動により熱量を高温部から低温部に輸送する。

下記特許文献１に記載されたマイクロヒートパイプは、作動液を封入している細管コンテナ（流路）が、その内部の作動液がコンテナ内を充填閉塞したまま移動できる様、小さな内径に形成された長尺金属細管（内径１．２ｍｍ以下）で形成されており、該長尺金属細管が蛇行形状や螺旋形状に形成され、その所定の複数部分が受熱部として、他の所定の複数部分が放熱部として構成されている。

特開平４−２５１１８９号公報

近年、スマートフォン、タブレットＰＣ等の携帯機器の薄型化は著しく、その携帯機器に搭載されているＣＰＵ等の熱を放熱するために、例えば厚み１ｍｍ以下の薄膜の振動型ヒートパイプが求められている。このような薄膜の振動型ヒートパイプでは、微細で複雑な流路の形成と、その機械的強度を維持する工夫が必要となる。特許文献１に記載されたマイクロヒートパイプでは、長尺金属細管を曲げて流路を形成する構成となっており、その曲げ加工が可能な範囲でしか微細で複雑な流路を形成することができなかった。また、厚み１ｍｍ以下になると、長尺金属細管も細く薄くなり、その機械的強度を確保することが困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、微細で複雑な流路の形成と、その機械的強度を維持することができる薄膜の振動型ヒートパイプの提供を目的とする。

（１）本発明の一態様に係る振動型ヒートパイプは、作動液の表面張力によってその内部が充填閉塞される流路を有し、前記流路の受熱部で発生する前記作動液の沸騰バブルによって前記流路の放熱部との間に振動的な圧力差を生じさせ、前記圧力差による前記作動液の往復移動によって前記受熱部から前記放熱部に熱を搬送する振動型ヒートパイプであって、第一面と、前記第一面とは反対側の第二面と、前記第一面から第二面まで貫通する貫通溝と、を有する中間層材と、前記中間層材の前記第一面と前記第二面に接合されて、前記貫通溝の開口を閉塞し前記流路を形成する一対の板材と、を有する。

（２）上記（１）に記載された振動型ヒートパイプであって、前記流路は、前記受熱部が熱を受ける受熱領域と、前記放熱部が熱を放熱する前記受熱領域の周囲の放熱領域との間を行き来する複数のターン部を有し、前記ターン部の往路及び復路のそれぞれで、前記圧力差による前記作動液の往復移動が行われてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載された振動型ヒートパイプであって、前記受熱部には、前記沸騰バブルを発生させる沸騰核が設けられていてもよい。
（４）上記（２）に記載された振動型ヒートパイプであって、前記受熱部には、前記沸騰バブルを発生させる沸騰核が設けられ、前記沸騰核は、前記受熱部のうち、少なくとも前記受熱領域において接続された隣り合う前記ターン部の往路と復路のそれぞれに設けられていてもよい。
（５）上記（２）または（４）に記載された振動型ヒートパイプであって、前記複数のターン部は、前記受熱領域から前記放熱領域に向かって放射状に延在していてもよい。
（６）上記（２）、（４）、（５）に記載された振動型ヒートパイプであって、前記複数のターン部のそれぞれの長さが一定であってもよい。

上記本発明の態様によれば、微細で複雑な流路の形成と、その機械的強度を維持することができる薄膜の振動型ヒートパイプを提供できる。

一実施形態に係る振動型ヒートパイプの流路の形状を示す平面図である。 図１に示す流路の受熱部に設けられた沸騰核の配置を示す拡大図である。 図１に示す振動型ヒートパイプの断面構成図である。 一実施形態に係る振動型ヒートパイプの他の例の断面構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係る振動型ヒートパイプを、図面を参照しながら説明する。図面において、説明の便宜上、いくつかの部分が拡大され又は省略されているが、図面に表されている各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、一実施形態に係る振動型ヒートパイプ１の流路３０の形状を示す平面図である。図２は、図１に示す流路３０の受熱部３１に設けられた沸騰核３３の配置を示す拡大図である。図３は、図１に示す振動型ヒートパイプ１の断面構成図である。なお、図３は、図２における矢視Ａ−Ａ断面に対応している。
図１に示すように、振動型ヒートパイプ１は、熱を搬送する作動液が封入された流路３０を有する。この振動型ヒートパイプ１は、図３に示すように、中間層材１０と、一対の板材２０と、を有する三層構造となっている。

中間層材１０は、第一面１１と、第一面１１とは反対側の第二面１２と、第一面１１から第二面１２まで貫通する貫通溝１３と、を有する。中間層材１０は、第一面１１と第二面１２が平行な板状に形成されている。中間層材１０の厚みＴ１は、板材２０の厚みＴ２よりも大きい。本実施形態の中間層材１０の厚みＴ１は、例えば０．８ｍｍ程度である。この中間層材１０は、板材２０よりも熱伝導率が高い材料、例えば銅材またはアルミ材から形成されている。なお、中間層材１０は、後述する板材２０と同様にステンレス鋼材から形成されていてもよい。

貫通溝１３は、作動液の流路３０を形成する。貫通溝１３は、中間層材１０を厚み方向に貫通して形成されている。すなわち、貫通溝１３は、第一面１１に開口１３ａを形成し、第二面１２に開口１３ｂを形成している。本実施形態の貫通溝１３の溝幅Ｗは、例えば１．０ｍｍ程度である。この貫通溝１３は、例えば、板状の中間層材１０をプレス加工またはエッチング加工することで形成することができる。

一対の板材２０は、中間層材１０の第一面１１と第二面１２に接合され、貫通溝１３の開口１３ａ，１３ｂを閉塞し、作動液の流路３０を形成する。板材２０は、中間層材１０よりも強度が高い材料、例えばステンレス鋼材から形成されている。一対の板材２０は、それぞれ同一の厚みＴ２を有する。本実施形態の板材２０の厚みＴ２は、例えば０．１ｍｍ程度である。

一対の板材２０は、例えば銀ロウ材を用いた比較的低温の拡散接合により、中間層材１０の第一面１１と第二面１２に接合されている。本実施形態の振動型ヒートパイプ１は、厚みが約１ｍｍ程度と薄いため、例えば、良く用いられるレーザー溶接等といった比較的高温の接合方法では歪みが発生してしまう。このため、本実施形態では、銀ロウ材を用いた比較的低温の接合方法を採用しており、これにより歪みの少ない振動型ヒートパイプ１を製造することができる。

一対の板材２０が中間層材１０の第一面１１と第二面１２に接合されることで、密閉構造の流路３０が形成される。この流路３０は、微細な流路断面（本実施形態では高さ０．８ｍｍ×幅１．０ｍｍ程度）を有する。この微細な流路３０に封入された作動液は、その表面張力によって流路３０の内部を充填閉塞する。そして、流路３０の受熱部３１（図１参照）で発生する作動液の沸騰バブルによって、流路３０の放熱部３２（図１参照）との間に振動的な圧力差が生じることによって、作動液が往復移動し、受熱部３１から放熱部３２に熱が搬送されるようになる（所謂、呼吸作用が生じる）。

図１に示すように、流路３０の一端３０ａは、中間層材１０と一対の板材２０との接合による袋小路によって閉塞されている。また、流路３０の他端３０ｂは、中間層材１０のカシメによって閉塞されている。すなわち、作動液は、流路３０を負圧にした状態で、他端３０ｂから導入されて、流路３０全体に行き渡り、その後、中間層材１０をカシメて他端３０ｂを閉塞することによって流路３０に封入される。中間層材１０は、一対の板材２０よりも強度の低い材料から形成されているため、カシメによる他端３０ｂの閉塞を容易に行うことができる。

流路３０は、図１に示すように、受熱部３１が熱を受ける受熱領域２と、放熱部３２が熱を放熱する放熱領域３との間を行き来する複数のターン部４０を有する。すなわち、流路３０は、一端３０ａから他端３０ｂまで一本の流路（一筆書き）で形成されている。ここで、受熱領域２とは、例えばＣＰＵ等の半導体チップからなる熱源１００から熱を受ける領域であり、熱源１００の外形（実装面積）以上、その外形の１．２倍以下の大きさの範囲内で設定されている。すなわち、振動型ヒートパイプ１は、熱源１００の外形と同じ領域からだけでなく、その外形よりも一回り大きな領域からも熱を受けることがある。一方、放熱領域３とは、受熱領域２の周囲に設定された領域であって、受熱領域２以外の領域である。

複数のターン部４０は、受熱領域２から放熱領域３に向かって放射状に延在している。すなわち、各ターン部４０の往路４１と復路４２との距離Ｄ１が、受熱領域２から放熱領域３に向かうに従って大きくなる。また、隣り合うターン部４０の距離Ｄ２も、受熱領域２から放熱領域３に向かうに従って大きくなる。流路３０は、放熱の均一化のために、受熱領域２を中心とする同一半径上においては、距離Ｄ１と距離Ｄ２とが同じ大きさになるように形成することが好ましい。

複数のターン部４０の長さは一定である。また、受熱領域２に配置された加熱長Ｌｅと、放熱領域３に配置された冷却長Ｌｃとの比は、各ターン部４０において一定とされている。具体的に、各ターン部４０における加熱長Ｌｅと冷却長Ｌｃとの比は、Ｌｃ／Ｌｅ＜１０の関係を満たすように設定されている。Ｌｃ／Ｌｅ＜１０の関係を満たすことで、各ターン部４０の往路４１及び復路４２のそれぞれで、作動液の呼吸作用、詳しくは、受熱部３１と放熱部３２との間に発生する振動的な圧力差による作動液の往復移動（熱搬送）が行われる。すなわち、各ターン部４０の往路４１及び復路４２それぞれの一端側に受熱部３１が形成され、各ターン部４０の往路４１及び復路４２それぞれの他端側に放熱部３２が形成される。

図２に示すように、流路３０の受熱部３１には、作動液の沸騰バブルを発生させる沸騰核３３が設けられている。受熱領域２では、ターン部４０（例えばターン部４０ａとする）の復路４２と、そのターン部４０ａと隣り合うターン部４０（例えばターン部４０ｂとする）の往路４１とが、ターン流路４３を介して接続されている。沸騰核３３は、受熱部３１のうち、少なくとも受熱領域２において接続されたターン部４０ａの復路４２（直線流路）と、ターン部４０ｂの往路４１（直線流路）に設けられている。なお、本実施形態の沸騰核３３は、ターン流路４３（湾曲流路）には設けられていないが、このターン流路４３にも設けても良い。

沸騰核３３は、流路３０の長手方向に沿って一定の間隔で設けられている。また、沸騰核３３は、流路３０の幅方向中央に配置されている。この沸騰核３３は、一対の板材２０のうち熱源１００に対向する側（図３において紙面下側）の板材２０に形成されている。沸騰核３３は、先端に向かうに従って細くなる突起形状を有する。この沸騰核３３は、例えば板材２０のプレス加工や、板材２０に固体粉末を焼結等させることで形成することができる。

次に、上記構成の振動型ヒートパイプ１の作用について説明する。

本実施形態の振動型ヒートパイプ１は、図３に示すように、第一面１１から第二面１２まで貫通する貫通溝１３を有する中間層材１０と、中間層材１０の第一面１１と第二面１２に接合された一対の板材２０と、を有する。このような三層構造によれば、中間層材１０にプレス加工またはエッチング加工によって貫通溝１３を形成し、一対の板材２０によって貫通溝１３の開口１３ａ，１３ｂを閉塞することで、従来よりも微細で複雑な流路３０を容易に形成することができる。また、このような三層構造によれば、屈曲した流路３０の間が空間ではなく物体（中間層材１０の貫通溝１３が形成されていない部分）が存在するため、従来の長尺金属細管構造よりも機械的強度が高くなる。

また、本実施形態のように中間層材１０を銅材またはアルミ材等の熱伝導率の高い材料から形成することで、熱拡散性を向上させることができる。また、中間層材１０をこのような銅材またはアルミ材等の加工のし易い材料から形成すれば、作動液を封入する流路３０の他端３０ｂのカシメが容易になり、振動型ヒートパイプ１の生産性を向上させることができる。さらに、一対の板材２０をステンレス鋼材等の強度の高い材料から形成することで、振動型ヒートパイプ１の機械的強度を容易に維持することができる。また、一対の板材２０をこのような強度の高い材料から形成することにより板材２０の厚みＴ２を小さくし、相対的に中間層材１０の厚みＴ１を大きくすることができるため、熱拡散性を向上させることができる。このように、中間層材１０と一対の板材２０の材料の組み合わせによって、強度と熱拡散性を向上させることができる。

図１に示すように、流路３０は、受熱部３１が熱を受ける受熱領域２と、放熱部３２が熱を放熱する受熱領域２の周囲の放熱領域３との間を行き来する複数のターン部４０を有し、ターン部４０の往路４１及び復路４２のそれぞれで、圧力差による作動液の往復移動が行われる。本実施形態では、各ターン部４０において加熱長Ｌｅと冷却長Ｌｃとの比が、Ｌｃ／Ｌｅ＜１０の関係を満たすように設定されており、各ターン部４０の往路４１及び復路４２のそれぞれが独立した熱搬送経路となるため、熱拡散性を向上させることができる。また、流路３０は、一端３０ａから他端３０ｂまで一本の流路（一筆書き）で形成されているため、作動液の封入が一箇所からで済み、振動型ヒートパイプ１の生産性を向上させることができる。

図２に示すように、受熱部３１には、沸騰バブルを発生させる沸騰核３３が設けられている。近年のスマートフォン等の携帯機器の熱源１００（ＣＰＵ等）は、例えば１５ｍｍ角程度と小さいため、作動液の沸騰バブルの発生を促進する工夫が必要となる。本実施形態では、作動液の沸騰バブルの発生を促進させるために、流路３０の受熱部３１に突起形状の沸騰核３３を設けている。この構成によれば、沸騰核３３の突起形状の先端等から沸騰バブルが発生し易くなり、各ターン部４０の往路４１及び復路４２のそれぞれで、作動液の呼吸作用が良好に行われるようになる。

また、図２に示すように、沸騰核３３は、受熱部３１のうち、少なくとも受熱領域２において接続された隣り合うターン部４０の往路４１と復路４２のそれぞれに設けられている。この構成によれば、例えば、ターン部４０ａの復路４２の受熱部３１で発生した作動液の沸騰バブルはその発生した復路４２に導入され、また、ターン部４０ｂの往路４１の受熱部３１で発生した作動液の沸騰バブルはその発生した往路４１に導入されるため、受熱部３１で発生した作動液の沸騰バブルが、ターン部４０ａの復路４２あるいはターン部４０ｂの往路４１に偏ることがなくなる。また、本実施形態のように、ターン流路４３に沸騰核３３を設けないようにすると、ターン流路４３で発生した作動液の沸騰バブルが、ターン部４０ａの復路４２あるいはターン部４０ｂの往路４１に偏って導入されることが無くなり、各ターン部４０の往路４１及び復路４２のそれぞれにおける熱搬送が均一化される。

また、図１に示すように、複数のターン部４０は、受熱領域２から放熱領域３に向かって放射状に延在している。この構成によれば、各ターン部４０の往路４１と復路４２との距離Ｄ１が、受熱領域２から放熱領域３に向かうに従って大きくなり、各ターン部４０の往路４１と復路４２との間の熱の授受が行われ難くなる。また、隣り合うターン部４０の距離Ｄ２も、受熱領域２から放熱領域３に向かうに従って大きくなるため、隣り合うターン部４０との間の熱の授受が行われ難くなる。このため、流路３０の放熱部３２における放熱性を向上させることができる。
さらに、複数のターン部４０のそれぞれの長さが一定であるため、各ターン部４０の往路４１及び復路４２のそれぞれにおける熱搬送の偏りが低減される。すなわち、熱拡散性をより向上させることができる。

このように、上述の本実施形態によれば、作動液の表面張力によってその内部が充填閉塞される流路３０を有し、流路３０の受熱部３１で発生する作動液の沸騰バブルによって流路３０の放熱部３２との間に振動的な圧力差を生じさせ、圧力差による作動液の往復移動によって受熱部３１から放熱部３２に熱を搬送する振動型ヒートパイプ１であって、第一面１１と、第一面１１とは反対側の第二面１２と、第一面１１から第二面１２まで貫通する貫通溝１３と、を有する中間層材１０と、中間層材１０の第一面１１と第二面１２に接合されて、貫通溝１３の開口１３ａ，１３ｂを閉塞し流路３０を形成する一対の板材２０と、を有する、という構成を採用することによって、微細で複雑な流路３０の形成と、その機械的強度を維持することが可能な薄膜の振動型ヒートパイプ１が得られる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

例えば、上記実施形態では、突起形状の沸騰核３３を例示したが、図４に示すように、ディンプル形状（溝形状）の沸騰核３３Ａであることが好ましい。図４に示すディンプル形状であれば、図３に示す突起形状よりも流路３０を大きく確保できる。

また、例えば、上記実施形態では、振動型ヒートパイプ１が、中間層材１０と、一対の板材２０と、を有する三層構造となる構成を採用したが、振動型ヒートパイプ１が、上板と下板とを組み合わせた二層構造からなり、上板と下板のいずれか一方にプレス加工やエッチング加工で流路３０となる溝を形成した構成を採用してもよい。プレス加工の場合、例えば、下板は平板のステンレス鋼材から形成し、プレス加工によって溝が形成される上板はステンレス鋼材または銅材から形成することができる。また、エッチング加工の場合、例えば、下板は平板のステンレス鋼材から形成し、エッチング加工によって溝が形成される上板は銅材から形成することができる。

１…振動型ヒートパイプ、２…受熱領域、３…放熱領域、１０…中間層材、１１…第一面、１２…第二面、１３…貫通溝、１３ａ…開口、１３ｂ…開口、２０…板材、３０…流路、３０ａ…一端、３０ｂ…他端、３１…受熱部、３２…放熱部、３３…沸騰核、３３Ａ…沸騰核、４０…ターン部、４０ａ…ターン部、４０ｂ…ターン部、４１…往路、４２…復路、４３…ターン流路、１００…熱源、Ｄ１…距離、Ｄ２…距離、Ｌｃ…冷却長、Ｌｅ…加熱長、Ｗ…溝幅

Claims (6)

1. 作動液の表面張力によってその内部が充填閉塞される流路を有し、前記流路の受熱部で発生する前記作動液の沸騰バブルによって前記流路の放熱部との間に振動的な圧力差を生じさせ、前記圧力差による前記作動液の往復移動によって前記受熱部から前記放熱部に熱を搬送する振動型ヒートパイプであって、
   第一面と、前記第一面とは反対側の第二面と、前記第一面から第二面まで貫通する貫通溝と、を有する中間層材と、
   前記中間層材の前記第一面と前記第二面に接合されて、前記貫通溝の開口を閉塞し前記流路を形成する一対の板材と、を有する、振動型ヒートパイプ。
2. 前記流路は、前記受熱部が熱を受ける受熱領域と、前記放熱部が熱を放熱する前記受熱領域の周囲の放熱領域との間を行き来する複数のターン部を有し、
   前記ターン部の往路及び復路のそれぞれで、前記圧力差による前記作動液の往復移動が行われる、請求項１に記載の振動型ヒートパイプ。
3. 前記受熱部には、前記沸騰バブルを発生させる沸騰核が設けられている、請求項１または２に記載の振動型ヒートパイプ。
4. 前記受熱部には、前記沸騰バブルを発生させる沸騰核が設けられ、
   前記沸騰核は、前記受熱部のうち、少なくとも前記受熱領域において接続された隣り合う前記ターン部の往路と復路のそれぞれに設けられている、請求項２に記載の振動型ヒートパイプ。
5. 前記複数のターン部は、前記受熱領域から前記放熱領域に向かって放射状に延在している、請求項２または４に記載の振動型ヒートパイプ。
6. 前記複数のターン部のそれぞれの長さが一定である、請求項２、４、５のいずれか一項に記載の振動型ヒートパイプ。

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