JP2006189232A - ヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】 マイナス角度状態で使用しても、優れた冷却性能を有する、また、ウィック等の別部材を使用せずに製造することが可能なヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを提供する。
【解決手段】 管内に作動液を封入してヒートパイプとして用いる伝熱管であって、伝熱管の内周面に多数形成された第１フィン３と、第１フィン３の間に少なくとも１つ形成され、第１フィン３よりも高さの低い第２フィン４と、第２フィン４の斜面４ｂに形成された突状部５とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプに係り、特に、電子機器のＣＰＵ（中央演算装置）冷却用として使用されるヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプに関する。

近年の電子機器は、パーソナルコンピュータ、特にノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノート型パソコンと称する。）に代表されるように、ＣＰＵの高性能化に伴い、ＣＰＵの発熱量が増大している。ＣＰＵは、発熱によって高温になると演算処理能力が低下するなどの不具合が出るため、これを冷却するための冷却装置を備えている。

なお、ノート型パソコンに備えられる冷却装置は、設置スペースとの関係から、できるだけ小型化することが望まれており、図８（ａ）に例示するような構成の冷却装置１００が広く用いられている。かかる冷却装置１００は、主にヒートパイプ１０１と、放熱板１０３と、小型ファン１０２とから構成されている。前記ヒートパイプ１０１は、微細な溝が形成されたパイプの内部に一定量の作動液を減圧封入したものであって、一端をＣＰＵ１０４などの発熱体に接触させてその熱を吸収し、他端を小型ファン１０２等によって冷却することで吸収した熱を発散している。

すなわち、図７に示すように、ヒートパイプ１０の発熱体との接触部分（加熱部（蒸発部１２））において、ヒートパイプ１０の内部に封入された作動液８が加熱されて気化し、蒸気となることで発熱体の熱を吸収する。そして、気化した作動液８はヒートパイプ１０の他端の放熱する部分（放熱部（凝縮部１１））で冷却されて凝縮し、再び作動液８となる。凝縮部１１で液体に戻った作動液８には、ヒートパイプ１０内に形成された溝によって、毛細管力が発生する。そして、この毛細管力によって、作動液８が蒸発部１２に還流する。このように、ヒートパイプ１０は、密閉されたヒートパイプ１０内で作動液８の蒸発と凝縮を繰り返し、これが還流することで蒸発部１２から凝縮部１１への連続的な熱輸送を行うことができるものである。

今後、ＣＰＵ等をさらに高性能とするためにも、より冷却性能の優れたヒートパイプ１０の開発が切望されている。なお、冷却性能は、熱伝達率や最大熱輸送量を指標として表すことができる。熱伝達率とは、いかに早く熱を蒸発部１２から凝縮部１１に伝えられるかを表すものであり、最大熱輸送量とは、蒸発部１２の温度が上昇したときに何ワット（Ｗ）までの熱量を伝えられるかを表す指標である。

かかる要望のもと、例えば、特許文献１には、金属製の細管の内面に長さ方向に連続する微細なフィンを多数形成した自励振動型ヒートパイプ用伝熱管（特許文献１では自励振動型ヒートパイプと記載されている）が提案されている。また、フィン高さと管内径との比（フィン高さ／管内径）が０．０１〜０．３５、かつ、フィン数と管内径との比（フィン数／管内径）が３〜２５であること、または、フィンの管軸に対するフィンリード角が０〜２０°であることが好ましい旨が記載されている。さらに、前記構造の自励振動型ヒートパイプ用伝熱管によれば、フィン相互間に発生する毛細管力によって管内面を濡らし、安定した熱輸送性能（本発明でいうところ最大熱輸送量に相当）を維持することができる旨が記載されている。

また、特許文献２には、ヒートパイプ用伝熱管ではないが、管内面に形成されたフィンに特徴を持った熱交換器に適用される内面溝付伝熱管が提案されている。特許文献２の内面溝付伝熱管は、管本体の内面に所定の高さの高フィンを螺旋状に形成し、前記高フィンの間に前記高フィンよりも高さの低い１つあるいは複数の低フィンを形成したもので、前記低フィンは、高さが前記高フィンの高さの１／１５〜１／５である。また、前記高フィンの高さが０．１〜０．３ｍｍ、または、高フィンの管軸に対するねじれ角（前記フィンリード角に相当）が１５〜３５°であることが好ましい旨が記載されている。そして、前記内面溝付伝熱管によれば、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率をバランス良く向上させ、また、管内の圧力損失や伝熱管の質量を増加させることなく、伝熱性能を向上させることができる旨が記載されている。

さらに、特許文献３には、管内面にフィンを加工する代わりに、管内面にウィックを取り付けたヒートパイプ用伝熱管が提案されている。特許文献３のヒートパイプ用伝熱管（特許文献３では細径ヒートパイプと記載されている）は、管（特許文献３ではパイプと記載されている）の長手方向に直交する断面において、管内面の片側または両側へ位置する状態に、長手方向に連続するウィックを設けたものである。このヒートパイプ用伝熱管においては、ウィックを管内部に分散させずにより集中して配置することができる構造であるので、ウィック相互間に毛細管力がより効率よく発生し、最大熱輸送量が増大する旨が記載されている。また、ウィックとしては、銅、銀、鉄、ステンレス、ガラス等からなるワイヤ、メッシュ、焼結金属多孔材等が例示されている。
特開２００３−３０２１８０号公報（段落０００４〜０００６、００２４〜００２６） 特開２００２−３５００８０号公報（段落０００１、０００９〜００１１、００２２） 特開平２−１３３７９５号公報（第２頁左上欄１９行〜右上欄２０行、第３頁左下欄４行〜１０行）

ヒートパイプは、図７に示すように、ヒートパイプ１０の蒸発部１２と凝縮部１１が同じ高さに保たれた、すなわち、水平状態で使用されることが望ましい。しかし、図８（ａ）に示すようなヒートパイプ１０１（１０）が組み込まれるノート型パソコン等は、その構成、使用状態によって、図８（ｂ）に示すように、蒸発部１２が凝縮部１１より高い位置になる、すなわち、ヒートパイプ１０１（１０）が水平方向からマイナス方向に角度βだけ傾いたマイナス角度状態で使用されることがある。

このようにヒートパイプ１０がマイナス角度状態で使用された場合には、ヒートパイプ１０として特許文献１のヒートパイプ用伝熱管を使用すると、管内部に形成されたフィン相互間に発生する毛細管力が、作動液８を凝縮部１１より高い位置にある蒸発部１２へ戻すほど、高くないため、蒸発部１２への作動液８の液戻りが悪くなり（遅くなり）、冷却性能が低下するという問題があった。また、管内面に形成されるフィンの形状として、特許文献２に記載されているフィン形状を適用することも検討されたが、ヒートパイプの凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率のバランスは向上できたが、フィン相互間に発生する毛細管力の向上は見られず、前記特許文献１のヒートパイプ用伝熱管と同様に、作動液８の液戻りが悪く、冷却性能が低下した。

また、ヒートパイプ１０として特許文献３のヒートパイプ用伝熱管を使用すると、ウィック相互間に発生する毛細管力が、フィン相互間に発生する毛細管力に比べて高いため、特許文献１および特許文献２に比べて作動液８の液戻りは速くなるが、液戻り速度は、ヒートパイプの液戻り速度として満足できるレベルではなく、冷却性能も十分とは言えなかった。そして、特許文献３のヒートパイプ用伝熱管においては、管内面にウィックを設ける作業は、特許文献１および特許文献２のように管内面にフィンを形成させる作業に比べ、煩雑で作業コストが高くなると共に、管以外にウィックを形成する材料が必要となり、材料コストが高くなる。したがって、ヒートパイプ用伝熱管の製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、マイナス角度状態で使用しても、優れた冷却性能を有する、また、ウィック等の別部材を使用せずに製造することが可能なヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、管内に作動液を封入してヒートパイプとして用いる伝熱管であって、前記伝熱管の内周面に多数形成された第１フィンと、前記第１フィンの間に少なくとも１つ形成され、前記第１フィンよりも高さの低い第２フィンと、前記第２フィンの斜面に形成された突状部とを備えるヒートパイプ用伝熱管として構成したものである。前記の構成によれば、第１フィンの間に第２フィンを形成することによって、溝部の溝底幅が小さくなり、溝部に凝縮する作動液の毛細管力が高くなり、液戻りが早くなる。また、第２フィンの斜面を加工することで突状部が形成されることによって、突状部と溝底部との間に幅の狭い溝部が形成され、この溝部にも作動液が凝縮し、作動液の毛細管力が高くなり、液戻りが早くなる。さらに、従来のヒートパイプ用伝熱管のようにウィック等を管内面に取り付けることなく、管内面に加工された第１および第２フィンによって、作動液の毛細管力を高め、液戻りを早めることができる。

また、請求項２に記載の発明は、前記伝熱管の管軸直交断面において、前記第２フィンの根元に形成された第２フィン根元半径ｒａが０ｍｍを超え０．０４ｍｍ未満であるヒートパイプ用伝熱管として構成したものである。前記の構成によれば、前記第２フィン根元半径ｒａをできるだけ小さくすることによって、前記第２フィンの斜面に形成される前記突状部の長さおよび量が増大し、突状部と溝底部との間に凝縮する作動液の量も増大する。それにより、作動液の毛細管力がより一層高くなり、液戻りが早くなる。

また、請求項３に記載の発明は、前記伝熱管の管軸平行断面において、前記第１フィンと管軸とがなす第１フィンリード角θ１が０°以上３０°以下であり、かつ、前記第２フィンと管軸とがなす第２フィンリード角θ２が前記第１フィンリード角θ１と同一であるヒートパイプ用伝熱管として構成したものである。前記の構成によれば、第１フィンリード角θ１および第２フィンリード角θ２をできるだけ低い角度に規定することによって、ヒートパイプの凝縮部と蒸発部との間の距離が短くなり、凝縮部から蒸発部への作動液の戻りが早くなる。なお、第１フィンリード角θ１および第２フィンリード角θ２が０°とは、第１フィンおよび第２フィンが管軸に対して平行であることを示している。

また、請求項４に記載の発明は、前記伝熱管の管軸直交断面において、前記第１フィンの両斜面のなす第１フィン山頂角δ１が５°以上３０°以下であり、かつ、前記第２フィンの両斜面のなす第２フィン山頂角δ２が５°以上３０°以下であるヒートパイプ用伝熱管として構成したものである。前記の構成によれば、第１フィン山頂角δ１および第２フィン山頂角δ２を適切な範囲に規定して、第１フィンおよび第２フィンの斜面を伝熱管の溝底部に対してできるだけ垂直に形成することで、溝部に凝縮する作動液の毛細管力がより一層高くなり、液戻りが早くなる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートパイプ用伝熱管を用い、前記ヒートパイプ用伝熱管の内部に作動液を減圧封入したヒートパイプとして構成したものである。前記の構成によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートパイプ用伝熱管を用いてヒートパイプを作製するので、ヒートパイプ内の作動液の毛細管力が高くなり、液戻りが早くなる。

また、請求項６に記載の発明は、前記ヒートパイプ用伝熱管は、その管軸方向に直交する断面の形状が楕円形または半円形であるヒートパイプとして構成したものである。前記の構成によれば、ヒートパイプ用伝熱管の断面形状を所定形状にすることによって、放熱体（例えば放熱板）および発熱体（例えばＣＰＵ）との当接面積が大きくなり、放熱による作動液の凝縮効率が高くなると共に、発熱（加熱）による作動液の蒸発効率が高くなり、液戻りが早くなる。

さらに、請求項７に記載の発明は、前記作動液が水であるヒートパイプとして構成したものである。前記の構成によれば、作動液として表面張力が大きな水を使用することによって、作動液の毛細管力がより一層高くなり、液戻りが早くなる。

請求項１ないし請求項４に記載の発明によれば、マイナス角度状態で使用しても、作動液の液戻りが早いため、冷却性能、すなわち、熱伝達率や最大熱輸送量に優れると共に、ウィック等の別部材を使用しないため、製造コストの安いヒートパイプ用伝熱管を提供することができる。なお、第２フィンのフィン根元半径ｒａ、第１および第２フィンのフィンリード角θ１、θ２、第１および第２フィンのフィン山頂角δ１、δ２を所定範囲にすることによって、冷却性能がより一層優れたヒートパイプ用伝熱管を提供することができる。

請求項５ないし請求項７に記載の発明によれば、マイナス角度状態で使用しても、作動液の液戻りが早いため、冷却性能、すなわち、熱伝達率や最大熱輸送量に優れると共に、ウィック等の別部材を使用しないため、製造コストの安いヒートパイプを提供することができる。なお、ヒートパイプ用伝熱管の断面形状を所定形状にする、または、作動液が水であることによって、冷却性能がより一層優れたヒートパイプを提供することができる。

以下、適宜図面を参照して本発明に係るヒートパイプ用伝熱管およびヒートパイプを実施するための最良の形態について具体的に説明する。
参照する図面において、図１（ａ）はヒートパイプ用伝熱管の管軸方向における部分断面図（なお、第１フィンおよび第２フィンは簡略化して線で示した。）、（ｂ）は管軸直交方向における部分断面図、図２（ａ）〜（ｃ）は第２フィンの他の形態を示す要部拡大斜視図、図３（ａ）〜（ｄ）は突状部の他の形態を模式的に示す斜視図、図４は転造加工前の素管および溝付プラグの部分断面図、図５（ａ）、（ｂ）はヒートパイプ用伝熱管の他の形態を示す部分断面図、図６（ａ）は溝部に形成される作動液のメニスカスの形成状況を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
また、図７はヒートパイプの内部の作用を説明するための説明図、図８（ａ）、（ｂ）はヒートパイプの使用形態の一例を示す模式図である。

＜ヒートパイプ用伝熱管＞
本発明に係るヒートパイプ用伝熱管は、管内に作動液を封入してヒートパイプとして用いる伝熱管であって、その管軸直交断面は略円形、好ましくは後記するように、ヒートパイプの冷却効率を考慮して楕円形または半円形となるよう構成されている。そして、管外径（楕円形にあっては長径）は４〜８ｍｍである。

ヒートパイプ用伝熱管は、銅および銅合金、その中でも無酸素銅、低リン脱酸銅、リン脱酸銅を好適に用いることができる。具体的には、無酸素銅ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１０２０を好適に用いることができる。また、これらの銅や銅合金を軟質材あるいは硬質材に調質して用いるのがさらに好ましい。さらに、伝熱性の良い金属として、銅の他にもアルミニウムなども好適に用いることができる。

ヒートパイプ用伝熱管の作製方法については後記するが、ヒートパイプ用伝熱管を作製するための、転造前の素管の寸法としては、その外径が８〜１３ｍｍのものを用いると好適である。素管の外径が８ｍｍ未満であると、ヒートパイプ用伝熱管を作製した場合に形成される後記第１および第２フィンが小さくなるために、フィン加工の際に工具が欠損するなどの理由で量産が困難となりやすい。また、素管の外径が１３ｍｍを超えると、作製されるヒートパイプ用伝熱管が大きくなり、省スペース化を目的としたヒートパイプを作製しにくくなる。

ヒートパイプ用伝熱管を作製するための、転造前の素管の底肉厚は、０．２５ｍｍ〜０．６０ｍｍとするのが好ましい。素管の底肉厚が０．２５ｍｍ未満であると、ヒートパイプ用伝熱管を作製した場合に、素管の破断等が発生しやすく、素管内周面にフィンを加工することが困難となりやすい。また、素管の底肉厚が０．６０ｍｍを超えると、フィン加工性の効率が悪くなりやすく、冷却性能も低下しやすい。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ヒートパイプ用伝熱管１は、第１フィン３と、第２フィン４と、突状部５とを備える。以下、各構成について説明する。
（第１フィン）
第１フィン３は、ヒートパイプ用伝熱管１の内周面に多数形成され、その数は、フィン加工のしやすさ、冷却性能を考慮して適宜設定する。また、第１フィン３は、山頂曲線部３ａと、これに滑らかにつながる斜面３ｂとから構成され、この斜面３ｂとヒートパイプ用伝熱管１の内周面の一部を構成する平らな（内周曲率曲面）溝底部２ａとが任意の第１フィン根元半径Ｒａで滑らかにつながるように形成される。また、溝底部２ａなしに、任意の第１フィン根元半径Ｒａと、後記する第２フィン根元半径ｒａとが滑らかにつながって、内周面を構成してもよい。そして、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸直交断面において、第１フィン根元半径Ｒａは０．０４〜０．１２ｍｍが好ましい。第１フィン根元半径Ｒａが０．０４ｍｍ未満の場合には、管内周面に第１フィンを加工しにくく、管の破断、工具（溝付プラグ）の欠損が生じやすくなる。また、第１フィン根元半径Ｒａが０．１２ｍｍを超える場合には、第１フィン３が大きくなり、ヒートパイプ用伝熱管１の重量が重くなりやすい。

また、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸平行断面において、第１フィン３と管軸とがなす第１フィンリード角θ１は、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上１０°以下がより好ましく、０°以上５°以下が最適である。図１（ａ）に示すように、第１フィンリード角θ１を低い角度で形成することで管軸方向に平行に近くなるように第１フィン３が形成されるため、図７に示すヒートパイプ１０を作製した際、ヒートパイプ１０において作動液８の流路となる溝部２（図１（ｂ）参照）の長さ、すなわち、凝縮部１１から蒸発部１２までの溝部２の長さを短くすることができる。その結果、凝縮した作動液８の戻りを早くすることが可能となり、冷却性能を向上することができる。

なお、第１フィンリード角θ１が０°は、第１フィン３が管軸に対して平行に形成されていることを意味し、第１フィンリード角θ１が０°を超える角度は、第１フィン３が管軸に対して螺旋状に形成されていることを意味する。第１フィンリード角θ１が３０°を超える場合には、ヒートパイプ１０における凝縮部１１から蒸発部１２までの溝部２の長さが長くなり、作動液８の戻りが遅くなりやすい。

また、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸直交断面において、第１フィン３の両斜面３ｂ、３ｂのなす第１フィン山頂角δ１が５°以上３０°以下となるように形成するのが好ましい。第１フィン山頂角δ１は、斜面３ｂと溝底部２ａとの角度を規定するものでもあり、前記斜面３ｂが垂直に近い程（第１フィン山頂角δ１が小さい程）、後記するメニスカスを形成する角度αが大きくなり、斜面３ｂと溝底部２ａとで形成される溝部２に凝縮した作動液８の毛細管力が高くなる（図６（ａ）、（ｂ）参照）。その結果、ヒートパイプ１０が、例えばノート型パソコンに取り付けられて使用される際、図８（ｂ）に示すように、ノート型パソコンの姿勢が斜めになり、ヒートパイプ１０がマイナス角度状態になっても、作動液の高い毛細管力によって、凝縮部１１から蒸発部１２への作動液の戻りの速度の低下が最小限となる。

これは、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、フィンの斜面と作動液８で形成されるメニスカスを観察することでも容易に確認することができる（図６（ｂ）では第２フィン４の斜面の場合を記載したが、第１フィン３の斜面３ｂでも同様である。）。なお、毛細管力ΔＰは、ΔＰ＝（２σ・ｃｏｓα）／ｗで求めることができる。ΔＰの式において、σは
表面張力、ｗは溝底幅、αはメニスカスの角度を表す。したがって、第１フィン山頂角δ１が３０°より大きくなると作動液８に働く毛細管力が低くなり（メニスカスを形成する角度αが小さくなる）、冷却性能が低下しやすい。一方、第１フィン山頂角δ１が５°未満であると第１フィン３の成形性が悪化して量産が困難となりやすい。

また、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸直交断面において、第１フィン３の第１フィン高さＨａは０．１５〜０．３５ｍｍが好ましい。第１フィン高さＨａが０．１５ｍｍ未満であると第１フィン３（溝部２）の相対量が不足し、ヒートパイプ１０（図８（ａ）のノート型パソコンの模式図におけるヒートパイプ１０１に相当）とした際に、冷却性能が低下しやすい。一方、第１フィン高さＨａが０．３５ｍｍを超えると、成形する第１フィン３が高くなり過ぎて、第１フィン３の成形性の悪化や工具の欠損等が生じ易いために、ヒートパイプ用伝熱管１の製造が困難となりやすい。

（第２フィン）
第２フィン４は、第１フィン３、３の間に少なくとも１つ形成されるもので、第２フィン４の数は特に限定されない。図５（ａ）には、第１フィン３間に複数の第２フィン４を形成したヒートパイプ用伝熱管１ａ、図５（ｂ）には、第１フィン３間に1つの第２フィン４を形成したヒートパイプ用伝熱管１ｂを記載した。

第２フィン４は、前記第１フィン３と同様に、山頂曲線部４ａと、これに滑らかにつながる斜面４ｂとから構成され、この斜面４ｂとヒートパイプ用伝熱管１の内周面の一部を構成する平らな（内周曲率曲面）溝底部２ａとが任意の第２フィン根元半径ｒａで滑らかにつながるように形成される。そして、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸直交断面において、第２フィン根元半径ｒａは０ｍｍを超え０．０４ｍｍ以下が好ましい。第２フィン根元半径ｒａが０ｍｍの場合には、管内周面に第１フィンを加工しにくく、管の破断が生じやすくなる。また、第２フィン根元半径ｒａが０．０４ｍｍを超える場合には、後記する突状部５の形成が不十分となりやすい。その結果、作動液の毛細管力が高くならず、液戻りが早くなりにくい。

また、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸平行断面において、第２フィン４と管軸とがなす第２フィンリード角θ２は、第２フィン４の加工がしやすい点で、前記第１フィンリード角θ１と同一であることが好ましい。また、ヒートパイプ用伝熱管１の管軸直交断面において、第２フィン４の両斜面４ｂ、４ｂのなす第２フィン山頂角δ２は、前記第１フィン山頂角δ１と同様な理由で、５°以上３０°以下となるように形成するのが好ましく、第２フィン４の加工がしやすい点で、前記第１フィン山頂角δ１と同一とすることがより好ましい。また、第２フィン４は、前記第１フィン３よりも高さの低いもので、その高さ（第２フィン高さ）ｈａは、前記第１フィン高さＨａの１／３以下が好ましい。第２フィン高さｈａが１／３よりも高いと、突状部５の形成が不十分となりやすい。なお、突状部５の構成は後記する。

（溝底幅）
図１（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、前記第１フィン３および第２フィン４の形成により、第１フィン３と第２フィン４との間に溝部２が形成される。また、図５（ａ）に示すように、第１フィン３の間に第２フィン４が複数形成される場合には、第１フィン３と第２フィン４との間に溝部２が形成されると共に、第２フィン４相互間にも溝部２が形成される。この溝部２（溝底部２ａ）の溝底幅ｗ、ｗ’は、ヒートパイプ用伝熱管１の最大内径Ｄの０．０２倍以上０．０５倍以下となるように設定するのが好ましい。すなわち、０．０２≦（溝底幅ｗ、ｗ’／最大内径Ｄ）≦０．０５となるように設定するのが好ましい。なお、最大内径Ｄは管軸直交断面において１８０°対向する溝底部２ａ間の距離である。また、第１フィン３と第２フィン４との間の溝底幅ｗと、第２フィン４相互間の溝底幅ｗ’とは同一幅であることが好ましいが、異なる幅に設定してもよい。

溝底幅ｗ、ｗ’が最大内径Ｄの０．０２倍未満であると、溝底幅ｗ、ｗ’が狭過ぎるために、第１フィン３および第２フィン４を形成するための工具に欠損等が生じやすく、ヒートパイプ用伝熱管１を量産しにくくなる。一方、溝底幅ｗ、ｗ’が最大内径Ｄの０．０５倍を超えると、第１フィン３と第２フィン４との間の溝部２、および、第２フィン４相互間の溝部２に凝縮する作動液８に働く毛細管力ΔＰ（図６参照）が低くなり、冷却性能
が低下する。

（突状部）
図１（ｂ）、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、突状部５は、第２フィン４、４’、４’’の少なくとも片側の斜面４ｂ、４ｂ’、４ｂ’’に、少なくとも１つ形成される。そして、突状部５の少なくとも一部は、第２フィン４の斜面４ｂ、４ｂ’、４ｂ’’に金属的に線接続または面接続している。また、突状部５の形状は、針状または箔状を有することが好ましいが、本発明においては特に限定されない。図３（ａ）〜（ｄ）に突状部５の代表的な一例を模式的に記載する。図３（ａ）、（ｂ）が針状の突状部５ａ、５ｂの例であり、突状部５ａは円錐形状に形成され、突状部５ｂは円柱形状に形成されたものである。また、図３（ｃ）、（ｄ）は箔状の突状部５ｃ、５ｄの例であり、突状部５ｃは長方角柱形状に形成され、突状部５ｄは突状部５ｃの幅が長手方向に変化したものである。この突状部５（５ａ〜５ｄ）は、加工されるときに、第２フィン４の斜面４ｂから形成されるものであり、斜面４ｂにおける形成位置、数、形状等は特に限定されるものではない。また、突状部５の外径（幅）、長さ、形状等の調整は、後記するヒートパイプ用伝熱管の作製方法におけるスチールボール９の圧下量、素管６の抽伸速度、クリアランスｃ（図４参照）等によって行う。なお、図２（ｂ）は、複数の突状部５、５が、第２フィン４’の斜面４ｂ’に、管軸に沿って断続的に形成された一例を記載したものである。また、図２（ｃ）は、複数の突状部５、５が、第２フィン４’’の斜面４ｂ’’に沿って形成された一例を記載したものである。

このような突状部５の形成により、図６に示すように、突状部５と溝底部２ａとの間に幅の狭い溝部２’が形成されることとなり、この狭い溝部２’にも作動液８が凝縮する。この凝縮された作動液８のメニスカスも、溝部２’の幅が狭いため、良好な形状を呈し、作動液８の毛細管力も高くなる。その結果、ヒートパイプ１０（図７参照）内の作動液８の液戻りが早くなり、冷却性能の向上を図ることができる。さらに、突状部５は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ヒートパイプ用伝熱管１ａ、１ｂの内周面に形成された第２フィン４、４・・・の全てに形成される必要はなく、内周面に形成された第２フィン４、４・・・の少なくとも一部に形成されていればよい。

＜ヒートパイプ用伝熱管の作製方法＞
次に、ヒートパイプ用伝熱管１の作製方法について説明する。
ヒートパイプ用伝熱管の内周面の第１および第２フィンは、例えば、転造加工法により形成することができる。具体的には、図４に示すように、第１および第２フィンに対応した溝形状が施された溝付プラグ７を、所定の径の素管（銅管）６の内側に挿入する。そして、スチールボール９を素管６の外側から圧下しながら遊星回転させる。そして、素管６を抽伸方向に引き抜くことにより、溝付プラグ７が回転し、素管６の内周面に連続的に所定形状の第１および第２フィンが加工され、ヒートパイプ用伝熱管が作製される。なお、ヒートパイプ用伝熱管の内周面へのフィン加工は、ボール転造加工法だけでなく、ロール転造加工法でもよい。また、転造加工法に限定されず、例えば圧延加工法によっても行うことができる。

ここで、前記素管６の内周面と溝付プラグ７との間に所定のクリアランスｃを設けて転造加工することにより、素管６にひずみが生じ、溝付プラグ７によって形成されるフィン、特に第２フィンに位相ズレが発生する。この位相ズレにより、形成された第２フィンが溝付プラグ７によってかじられることとなり、第２フィンの斜面に前記した突状部が形成されることとなる。そして、クリアランスｃは、０．１５ｍｍ以上が好ましい。クリアランスｃが０．１５ｍｍ未満であると、素管６と溝付プラグ７の圧下による密着度が増加し、溝付プラグ７に欠損等が生じやすく、ヒートパイプ用伝熱管が量産しにくくなる。

また、溝付プラグ７の第１および第２溝深さＨｂ、ｈｂ、第１および第２溝根元半径Ｒｂ、ｒｂ、第１および第２溝山頂角δ３、δ４、第１および第２溝リード角（図示せず）等は、前記のヒートパイプ用伝熱管１の第１および第２フィン高さＨａ、ｈａ、第１および第２フィン根元半径Ｒａ、ｒａ、第１および第２フィン山頂角δ１、δ２および第１および第２フィンリード角θ１、θ２（図１（ｂ）参照）等に対応して決定される。

＜ヒートパイプの作製方法＞
次に、ヒートパイプの作製方法について説明する。
前記のヒートパイプ用伝熱管を所定の長さに切断後、その一端をＴＩＧ溶接により封止する。片側が封止されたヒートパイプ用伝熱管に所定量の作動液を注入後、ヒートパイプ用伝熱管内を真空引きし、減圧状態に保持したままで、他端をＴＩＧ溶接によって封止する事で、パイプ内部が真空に近い状態のヒートパイプを作製することができる。なお、作動液８の注入量は、熱伝達率や最大熱輸送量を勘案すると、蒸発部１２の内容積の２０〜３５％程度とするのが好ましい（図７参照）。しかしながら、注入量は、これに限定さるものではない。また、作動液としては、水、メチルアルコール等が使用され、特に、表面張力が大きく、毛細管力が高くなる水（純水）が好ましいが、本発明の作動液を水（純水）に限定するものではない。

図８に示すように、前記のようにして作製されたヒートパイプ１０１（１０）は、ノート型パソコンの冷却装置１００に好適に用いることができる。そして、ヒートパイプ１０１（１０）の一端は蒸発部１２としてＣＰＵ１０４などの発熱体と当接してかかる部分の熱を吸熱し、他端は凝縮部（放熱部）１１として小型ファン１０２などによって冷却される。また、ヒートパイプ１０１（ヒートパイプ用伝熱管）は、その管軸方向に直交する断面の形状が楕円形または半円形であることが好ましい。ヒートパイプ１０１の断面形状を楕円形または半円形にすることによって、放熱体（例えば放熱板１０３）および発熱体（例えばＣＰＵ１０４）との当接面積が大きくなり、放熱による作動液の凝縮効率が高くなると共に、吸熱による作動液の蒸発効率が高くなり、作動液の液戻りが早くなる。さらに、本発明の一実施形態として挙げたヒートパイプ１０１は、その他の電子機器、例えば、デスクトップ型パソコンや各種の家電製品等にも好適に用いることができる。

（ａ）は本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の管軸方向における部分断面図、（ｂ）は管軸直交方向における部分断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の第２フィンの他の形態を示す要部拡大斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の突状部の他の形態を模式的に示す斜視図である。 本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の製造における、転造加工前の素管および溝付プラグの部分断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の他の形態を示す部分断面図である。 （ａ）は本発明に係るヒートパイプ用伝熱管の溝部に形成される作動液のメニスカスの形成状況を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。 ヒートパイプの内部の作用を説明するための説明図である。 （ａ）、（ｂ）はヒートパイプの使用形態の一例を示す模式図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ ヒートパイプ用伝熱管
３ 第１フィン
３ｂ 斜面
４、４’４’’ 第２フィン
４ｂ、４ｂ’、４ｂ’’ 斜面
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 突状部
８ 作動液
１０、１０１ ヒートパイプ
ｒａ 第２フィン根元半径
θ１ 第１フィンリード角
θ２ 第２フィンリード角
δ１ 第１フィン山頂角
δ２ 第２フィン山頂角

Claims (7)

1. 管内に作動液を封入してヒートパイプとして用いる伝熱管であって、前記伝熱管の内周面に多数形成された第１フィンと、前記第１フィンの間に少なくとも１つ形成され、前記第１フィンよりも高さの低い第２フィンと、前記第２フィンの斜面に形成された突状部とを備えることを特徴とするヒートパイプ用伝熱管。
2. 前記伝熱管の管軸直交断面において、前記第２フィンの根元に形成された第２フィン根元半径ｒａが０ｍｍを超え０．０４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ用伝熱管。
3. 前記伝熱管の管軸平行断面において、前記第１フィンと管軸とがなす第１フィンリード角θ１が０°以上３０°以下であり、かつ、前記第２フィンと管軸とがなす第２フィンリード角θ２が前記第１フィンリード角θ１と同一であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ用伝熱管。
4. 前記伝熱管の管軸直交断面において、前記第１フィンの両斜面のなす第１フィン山頂角δ１が５°以上３０°以下であり、かつ、前記第２フィンの両斜面のなす第２フィン山頂角δ２が５°以上３０°以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のヒートパイプ用伝熱管。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートパイプ用伝熱管を用い、前記ヒートパイプ用伝熱管の内部に作動液を減圧封入したことを特徴とするヒートパイプ。
6. 前記ヒートパイプ用伝熱管は、その管軸方向に直交する断面の形状が楕円形または半円形であることを特徴とする請求項５に記載のヒートパイプ。
7. 前記作動液が水であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のヒートパイプ。
   

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