JPH04366394A - ハイブリッド型ヒートパイプ平板構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートパイプを応用した
平板形状の熱拡散構造体に関するものであって、特に主
として作動液の軸方向振動により熱量を輸送する方式の
ヒートパイプと作動液の相変化循環サイクルにより熱量
を輸送する方式のヒートパイプがハイブリッド化された
ヒートパイプを応用した平板形状構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】局部的受熱熱量を拡散及び均熱化せしめ
局部温度上昇を緩和する為の従来の平板形状ヒートパイ
プは金属平板をコンテナとしその中に平板形状の気密室
を作り込み、その内壁面にウイックを形成し、気密室内
に所定量の２相凝縮性作動液を封入して構成されるもの
であった。ウイックとしては一般には気密室内壁面に無
数の細い条溝を切削形成したグルーブ型が最も多用せれ
れている。

【０００３】このような構成であるから従来の平板形状
ヒートパイプは作動時の作動液の飽和蒸気圧に耐えて変
形を防ぐ為には壁面を薄肉にすることが不可能であり、
又条溝切削の為にも壁面肉厚を厚くする必要があった。 これは平板形状ヒートパイプの重量を増大せしめ又熱応
答性を悪化させるものであった。

【０００４】又熱量の輸送は作動液の蒸気移動と凝縮作
動液の還流によって行なわれるから、内壁の両面の間隙
が例えば１．５ｍｍ以下の如く狭くなると蒸気移動が困
難になったり、蒸気流と作動液還流が相互干渉を生じて
性能が低下したり、均熱化性能が悪化する問題もあり、
この点も平板形状ヒートパイプの小形化を困難ならしめ
ていた。

【０００５】又この様な従来型の平板形状ヒートパイプ
は通常のヒートパイプに共通する問題点をそのままに有
するもので、適用姿勢による熱輸送性能の大きな変化が
免かれず、即ちトップヒートモードにおいては作動不能
であり、水平ヒートモードにおいてはボトムヒートモー
ドの１／２〜１／３程度に性能が低下するものであった
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は従来型の平板形状ヒートパイプが小形軽量化が困難
で熱応答性が悪かった点、及び適用姿勢によっては作動
が不能となったり、大幅に悪化したりする点である。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明は金属平板中に作り
込んだ平板形状の気密室内に、主として作動液の軸方向
振動により熱量を輸送する方式の蛇行細管ヒートパイプ
を内壁面に密着せしめ、且つ気密室内には余剰空間が細
管の間に残るよう間隙を設けて配設し、該余剰空間にも
作動液を封入してその相変化循環サイクルによって熱量
を輸送する従来方式のヒートパイプとして構成すること
により問題点を解決する。即ち平板状ヒートパイプを上
記２方式のヒートパイプのハイブリッド型ヒートパイプ
構造体とし両方式ヒートパイプに特有の性能を相互補完
せしめることにより問題点を解決せしめる。

【０００８】

【作用】例えば外径２ｍｍ内径１．５ｍｍの如く、充分
に内径が細径化された蛇行細管ヒートパイプでは封入さ
れた所定量の２相凝縮性作動液はその表面張力により管
内を常に充填閉塞し、そのままの状態で流動する。この
状態では受熱部の受熱で発生した核沸騰は作動液の軸方
向振動を発生し、熱量を高温部から低温部に向って良好
に輸送する。このような蛇行細管ヒートパイプが適用姿
勢の如何に拘らず良好な熱輸送性能を発揮することは特
願平２−３１９４６１号及び特願平３−６１３８５号に
詳述してある。

【０００９】このような蛇行細管ヒートパイプが金属平
板内に作り込まれた気密室内に、壁面に密着して配設さ
れた場合、金属平板は適用姿勢の如何に拘らず良好に作
動するヒートパイプ構造体となる。

【００１０】更に本発明においては蛇行細管コンテナの
配設に際して直管コンテナ部の相互間に所定の間隙を設
け、これにより形成される余剰空間にも作動液が封入さ
れて通常の相変化循環サイクルのヒートパイプとして構
成されてある。この通常ヒートパイプの特徴としては蒸
気移動による熱輸送であるから、細管ヒートパイプの液
振動による熱輸送より応答速度が早く、均熱化性能が秀
れている。

【００１１】従って上述２方式のヒートパイプがバイブ
リッド化された構造体である本発明のヒートパイプ平板
構造体には適用姿勢の如何に拘らず良好な熱輸送が行な
われる特性と、秀れた熱応答性均熱化特性を合わせて与
えられることになる。

【００１２】直管コンテナ群は数ｍｍの間隙で気密室の
両内壁面に平行並列にろう接又は接着される。従って金
属平板の気密室両壁面厚さが薄肉であっても全体として
は強靭な構造体となる。従って金属平板のヒートパイプ
構造体は薄肉軽量に構成することが出来る。

【００１３】

【実施例】

第１実施例　　　　図１は本発明ハイブリッド型ヒート
パイプ平板構造体の第１実施例であって一部断面平面図
である。１は金属平板で２はその中に作り込まれた平板
形状の気密室である。金属平板は通常２枚の平板のろう
接にて形成され、例えば厚さ２ｍｍの平板に深さ１ｍｍ
の凹面を切削した平板２枚を接着して、厚さ２ｍｍの気
密室を作り込んだ厚さ４ｍｍの平板を形成することが出
来る。又厚さ１ｍｍの平板２枚の周縁に沿って外径２ｍ
ｍの細管をスペーサとして溶接して厚さ４ｍｍの平板を
形成しても良い。蛇行細管ヒートパイプ３の直管コンテ
ナ３−１の群は図の如く同一平面上で平行並列に整列し
て気密室２の内壁面にろう接されてある。その配列状態
の断面図を図２に示してある。図２において７は発熱素
子である。図において直管コンテナ３−１を例えば外径
２ｍｍとし、余剰空間としての直管の間隙を４ｍｍとす
ればこの部分の余剰空間２−１は４隅に楔形グルーブ２
−２が付加された４ｍｍ×２ｍｍの長方内部断面形の管
路となる。余剰空間には２相凝縮性作動液が封入されて
あるからこの管路群は作動液の相変化循環サイクルによ
り熱量を輸送する良好な通常ヒートパイプとして作用す
る。３−２は蛇行細管ヒートパイプ３の曲管コンテナで
その群は直管コンテナ３−１の配列に従って図の如く整
列配置され多くの場合は図の如く交叉配置される。その
交叉部の厚さは例えば曲管コンテナ３−２の外径が２ｍ
ｍの場合は４ｍｍとなる。従って曲管コンテナ群収納室
４の如く気密室厚さを４ｍｍに拡大された部分に収納さ
れる。その断面図を図３に示す。図の如く気密室の一部
である曲管コンテナ群収納室４の部分において金属平板
はその厚さが拡大され、拡大方向は発熱素子７の取付側
と反対方向となっている。曲管コンテナ群収納室４は直
管コンテナ３−１の群の余剰空間２−１の群で形成され
る通常ヒートパイプ群の全てを連結し、作動液の相変化
循環サイクルの共通流路となっており、それ等のヒート
パイプ群の温度均一化の役目を兼ねている。５−１，５
−２は蛇行細管コンテナ３の作動液注排細管である。金
属平板１の組立て前に作動液が予じめ封入される場合は
該注排細管５は曲管コンテナ群収納室内に収納すること
も可能である。６−１，６−２は余剰空間に作動液を封
入する為の注排細管である。

【００１４】上述の蛇行細管ヒートパイプが例えば外径
２ｍｍ内径１．４ｍｍの如く充分に細径化された内径を
有しており、作動液の軸方向振動とゆるやかな循環によ
り熱量を輸送する細管ヒートパイプの条件を満足してい
る。即ち第１実施例はこの様な細管ヒートパイプと作動
液の相変化循環サイクルにより熱量を輸送する通常ヒー
トパイプとがハイブリッド化された構成になっている。

【００１５】第２実施例　　　　図４は本発明の第２実
施例の放熱器を示す。図において蛇行細管ヒートパイプ
３は図面簡略の為線図で示してある。蛇行細管ヒートパ
イプ３の一部は金属平板１の一端縁から気密室２の気密
を保持したまま突出せしめられてある。該突出部は放熱
部Ｃ及び連結部Ａを構成している。この場合金属平板１
は受熱部Ｈとなり連結部Ａは受熱部Ｈと放熱部Ｃの間を
連結する断熱部である。図２において７は金属平板１に
接着配設されてある発熱素子である。図の如く発熱素子
７の接着面積が蛇行細管ヒートパイプ３の構成する面に
比較して小さい場合、従来の蛇行細管ヒートパイプ３の
みで構成された放熱器の場合は、発熱素子７の接着面の
幅員内にある蛇行細管コンテナのみがヒートパイプとし
て作動し、残余の部分の蛇行細管コンテナは全て作動し
ないか又はかえって作動液循環流の抵抗部となって放熱
器全体の能力を低下せしめるものであった、然し受熱部
Ｈの金属平板１が本発明のハイブリッド型ヒートパイプ
構造体として構成されてある場合には発熱素子７から吸
収された熱量は金属平板１の全体に拡散し、均熱化せし
められるから、金属平板１の全てが発熱素子として作用
する。即ち第２実施例の効果として、■受熱平面が数倍
に拡大され、発熱素子７の実質的な接触熱抵抗値を数分
の一に減少せしめる。■作動する細管コンテナの本数を
２〜３倍に増加せしめ蛇行細管ヒートパイプの受熱部熱
抵抗値及び放熱部熱抵抗値を１／２〜１／３に減少せし
める。従って第２実施例の放熱器はその熱輸送性能が数
倍に改善される。

【００１６】第３実施例　　　　図５は本発明の平板構
造体の第３実施例を示し図において蛇行細管ヒートパイ
プ３ａ，３ｂは図面簡略の為線図で示してある。図は一
部断面平面図である。図６は図４の側面図である。本実
施例においては気密室内の内壁面に往復蛇行して配設さ
れる蛇行細管ヒートパイプは３ａ，３ｂの如く２層に配
設されてあり、ａ層とｂ層の直管コンテナ３−１は相互
に直交して碁盤目状に配設されてあり、従って各直管コ
ンテナ間の間隙（余剰空間）２−１で形成される通常ヒ
ートパイプ群もａ層，ｂ層が相互に直交して碁盤目状に
配設され、両層間において作動液循環流路は相互に流通
自在になっていることを特徴としている。

【００１７】この効果として第１実施例よりも作動感度
が極めて良好に改善され、熱輸送能力も倍増以上に改善
される、余剰空間で形成されてある通常ヒートパイプに
おいて、ヒートパイプ群相互間の作動液の相変化循環流
の連結による相互補完は、第１実施例においては曲管コ
ンテナ群収納室４を迂回してなされるのに対し、本実施
例においては相互補完の為の循環流路は多数形成されて
あり、蒸気流、還流作動液流は何れも最短の流路を通過
して相互に補完するから熱応答速度は著しく改善される
。又流路内における圧力損失も大幅に減少し、熱輸送能
力も大幅に増加する。又蛇行細管ヒートパイプの適用姿
勢に拘らず作動する特性は直管コンテナ群の受熱本数が
多い程良好となる性質がある。本実施例の直交配列され
た直管コンテナ群は受熱部が局所的であってもその熱量
を分散分配して多数の直管群に受熱せしめる。又余剰空
間群の通常ヒートパイプ群の作用によっても局所の受け
た熱量は全ての直管群に伝達され、これ等の補完作用に
より適用姿勢に拘らず良好に作動する蛇行細管ヒートパ
イプの特性は大幅に改善される。更に通常ヒートパイプ
群がトップヒート状態となった場合でも蛇行細管ヒート
パイプによって作動液の蒸発は促進され良好に作動する
。

【００１８】即ち蛇行細管ヒートパイプと余剰空間の通
常ヒートパイプとは夫々の特徴が活用されると共に、相
互に補完し合っていることになり、その相互補完効果は
本実施例の如き２層構造により、より一層高められる。

【００１９】

【発明の効果】蛇行細管ヒートパイプと通常ヒートパイ
プのハイブリッド型ヒートパイプを内蔵した本発明の平
板構造体は極めて熱応答性及び熱拡散性に秀れ且つ均熱
化性能に秀れている。従って局所的に高温度となる発熱
部品の温度を急速に拡散せしめその温度を低下せしめる
用途に適用して極めて効果的である。又従来は接着面積
が小さく発熱量の大きな発熱部品の放熱冷却は困難であ
るとされていたが、本発明の平板構造体の平面に発熱体
を取付けた場合は、実質的には接着面積が平板構造体の
全面に拡大されたと同然になり、効果的且つ容易に放熱
及び冷却が実施出来る。

【００２０】冷却を要する高温部と冷却手段、加熱を要
する低温部と加熱手段等を熱的に接続して加熱、冷却を
実施する場合、本発明の平板構造体は極めて有効な熱接
続手段となる。同様に大型コンピュータ等で使用される
熱接続装置の一種である水冷コールドプレートに替わっ
て冷却水を高価な回路基板上で使用する危険を犯すこと
のない安全なコールドプレートとして適用することが出
来る。

【００２１】本発明の平板構造体は厚さ１ｍｍの如き薄
肉平板と肉厚０．２ｍｍ直径２ｍｍの如き細管とのみで
構成することが出来る。従ってハニカム構造に近い軽量
化が出来るから、航空気用、衛生用等の機器の熱拡散、
均熱化、熱接続、放熱用等に効果的に適用することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のハイブリッド型ヒートパイプ平板構造
体の第１実施例を示す一部断面平面図である。

【図２】第１実施例の側面の部分断面図である。

【図３】第１実施例の曲管コンテナ群収納室を示す部分
断面図である。

【図４】本発明のハイブリッド型ヒートパイプ平板構造
体の第２実施例を示す正面図である。

【図５】本発明のハイブリッド型ヒートパイプ平板構造
体の第３実施例を示す一部断面平面図である。

【図６】第３実施例の側面の部分断面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　金属平板 ２　　　　　　気密室 ２−２　　楔形グルーブ ３　　　　　　蛇行細管ヒートパイプ ３−１　　直管コンテナ ３−２　　曲管コンテナ ４　　　　　　曲管コンテナ群収納室 ５　　　　　　作動液注排細管 ６　　　　　　作動液注排細管 ７　　　　　　発熱素子 Ａ　　　　　　連結部 Ｃ　　　　　　放熱部 Ｈ　　　　　　受熱部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ヒートパイプ式熱輸送装置の全体か又
   はその所定の部分が平板形状に形成されてあり、該平板
   形状の平面上の任意の部分における受熱熱量を急速に平
   板内に拡散せしめて表面温度を均熱化せしめる平板形状
   の熱拡散構造体であって、金属平板の中に平板形状の気
   密室が作り込まれてあり、該気密室内には蛇行細管ヒー
   トパイプの全体か又はその所定の部分が気密室の内壁面
   に沿って往復蛇行し、且つ内壁面により密着狭持され、
   且つ往復する細管間には所定の余剰空間が設けられて配
   設されてあり、蛇行細管ヒートパイプは作動液がその表
   面張力によって常に管内を充填閉塞し、そのままの状態
   で流動することの出来る直径以下にその内径が充分に細
   径化されてあり、作動液の核沸騰によって生じる作動液
   の軸方向振動を主たる熱輸送手段とする方式の細管ヒー
   トパイプであり、更に気密室内における細管間の余剰空
   間にも所定量の２相凝縮性作動液が封入されて、その相
   変化しつつ移動する循環サイクルを熱量輸送手段とする
   方式の通常ヒートパイプとして構成されて、両方式のヒ
   ートパイプが複合一体化された構造体であることを特徴
   とするハイブリッド型ヒートパイプ平板構造体。
2. 【請求項２】　　蛇行細管ヒートパイプは気密室内を所
   定の方向に往復する直管コンテナ群とこれ等を連結する
   曲管コンテナ群とからなり、直管コンテナ群は全て同一
   平面上に平行並列に、且つ所定の本数毎に余剰空間とし
   て所定の間隙が設けられて整列配置されてあり、曲管コ
   ンテナ群は曲管部分が交叉する厚さに対応して、気密室
   の厚さが拡大して形成されてある曲管群収納室に収納整
   列されてあることを特徴とする請求項１に記載のハイブ
   リッド型ヒートパイプ平板構造体。
3. 【請求項３】　　蛇行細管ヒートパイプの直管コンテナ
   群とこれ等を連結する曲管コンテナ群の整列体の一端は
   金属平板の一端縁から、金属平板内の気密室の気密を保
   持したまま突出せしめられて、熱輸送部及び放熱部が形
   成されてあり、金属平板は受熱部として構成されてある
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリット型ヒー
   トパイプ平板構造体。
4. 【請求項４】　　気密室内の内壁面に往復蛇行して配設
   される蛇行細管ヒートパイプは２層に配設されてあり、
   両層における直管コンテナ群の夫々の往復方向は相互に
   直交して碁盤目状に配設されてあり、各直管コンテナ間
   の間隙で形成される通常ヒートパイプ群も２層が相互に
   直交して碁盤目状に配設され、両層間において作動液循
   環流路は相互に連通自在になっていることを特徴とする
   請求項１に記載のハイブッリド型ヒートパイプ平板構造
   体。