JPH10103884A - プレート型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部圧力の変化や外部からの圧縮に対する強
度が高く、熱輸送や冷却を効率良く行うことができると
ともに、容易に製造可能なプレート型ヒートパイプを提
供する。 【解決手段】 プレート型ヒートパイプ９であって、コ
ンテナ１０の内部の前記加熱部１１となる面の全域にウ
イック部材１４が備えられるとともに、コンテナ１０の
内部の空間部分に、ヒートパイプ９の形状を保持する多
孔構造の形状保持部材１５が充填されている。前記形状
保持部材１５がコンテナ１０の内周面に接合固定されて
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プレート型ヒートパイプに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、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。）等の電子機器に
おいて冷却用に使用されているプレート型ヒートパイプ
の一例を示すものである。このプレート型ヒートパイプ
１は、平坦な加熱部２と、この加熱部２と対向するよう
に離隔した平坦な放熱部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
平坦な側壁部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。

【０００３】そしてこのような従来のプレート型ヒート
パイプ１によれば、発熱源である平坦面を有する電子機
器に対して平坦面で直接接触するから、その実質的な熱
輸送能力が極めて高いことに加えて、電子機器の冷却効
率を向上させることができる。

【０００４】なお、上記のようなプレート型ヒートパイ
プ１は、従来、加熱部２および放熱部３となる平面を広
くすると、そのヒートパイプ１の非動作時においては、
コンテナ５の内部が真空圧となるため、その各平面部が
その真空圧によって変形するおそれがあり、小型に形成
されている。また、ヒートパイプ１の動作時における内
部圧力の上昇に伴ってヒートパイプ１のコンテナ５が変
形するおそれがあるため、その内部に封入された作動流
体６の沸点以下で使用されるのが通常である。

【０００５】しかしながら、昨今、例えば、パソコン等
に使用される電子機器の多機能化や処理速度の向上に伴
って演算処理装置等の出力増大が年々進められており、
この演算処理装置等が発する熱量も増大しており、従来
のプレート型ヒートパイプ１では、冷却能力が不足する
不都合があった。そこでヒートパイプ１を大きくした
り、作動流体６の沸点以上で使用できるヒートパイプが
必要になるが、前述したように、ヒートパイプ１は蒸気
流動路を確保するためコンテナ５が中空体になっている
とともに、コンテナ５の内部を真空脱気した状態で作動
流体６を封入した構成であることから、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
内部圧力は真空圧となっている。そのため、対向する加
熱部２と放熱部３とを共に面積の大きい平板状に形成す
るとすれば、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５が厚さ方向に変形するおそれが多分にあった（図
５参照）。さらに、作動流体６の沸点以上の温度で動作
させると、作動流体６の相変化に伴う内部圧力の上昇に
よってコンテナ５が変形してしまうおそれが多分にあ
り、さらに、コンテナ５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。

【０００６】すなわち、平面部を大きくしたり、作動流
体６の沸点以上で使用したりすると、形状を保持するだ
けの強度が不足し、ヒートパイプ作動時および非作動時
の作動流体６の相変化に伴なう内部圧力の変化によって
平面部分のへこみやふくらみ等のコンテナ５の変形を生
じるおそれがあった。

【０００７】そこで従来、図６に示すように加熱部２お
よび放熱部３となる平面部分が大きく、また作動流体６
の沸点以上で使用できるプレート型ヒートパイプ７とし
て、コンテナ５の内部に、加熱部２と放熱部３とを連結
してその厚さ方向の強度を増大させて形状を保持する柱
８が所定間隔でかつ蒸気流動路となる所定空間を保持し
た状態で設けられたヒートパイプ用コンテナが開発され
ている。

【０００８】そしてこのように形成されたプレート型ヒ
ートパイプ７は、例えば、中央演算処理装置（以下、Ｃ
ＰＵという）等の電子機器すなわち冷却対象部材の上面
に、前記加熱部２（下面）を密着させて取付けられてい
る。

【０００９】したがって、このプレート型ヒートパイプ
７によれば、冷却対象部材が作動流体６の沸点以上に発
熱したとしても、コンテナ５の形状が変形することなく
ヒートパイプ動作可能で、その熱が加熱部２に伝達され
ると、ヒートパイプ７の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から放散される。一
方、作動流体６は放熱部３で熱を奪われて凝縮し、再度
液相となり、加熱部２に還流する。そして上記サイクル
が繰り返されることによって、冷却対象部材が冷却され
る。また、形状を保持する柱８によって加熱部２と放熱
部３とが支持されているので、非動作時においてもコン
テナ内部の真空圧によって平坦面が窪むことが抑制され
る。

【００１０】このように、冷却対象部材の冷却に支持柱
８を備えた上記プレート型ヒートパイプ７を使うことに
よって、蒸発潜熱の状態で従来よりも大量の熱輸送が可
能となり、そのため、冷却対象部材の冷却をさらに効果
的に行うことができるようになった。また、その結果、
例えば、冷却対象部材となるＣＰＵ等の過熱によるパソ
コンの作動不能や機能低下等を防止することができるよ
うになった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の支持柱を備
えたプレート型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、発熱源である電子
機器に対して広い面積で直接接触するから、電子機器の
冷却効率をさらに向上させることが可能となった。

【００１２】しかしながら、従来のようなプレート型ヒ
ートパイプでは、前記支持柱となる部材として、加熱部
または放熱部となる面に対して、所定面積を有して、一
方向に連続して接触した状態で、あるいは、所定の複数
箇所に当接した状態で、配置されたものが採用されるた
め、ヒートパイプに成形加工する際の作業が複雑となる
不都合があった。

【００１３】すなわち具体的には、加熱部または放熱部
となる面に対して、一方向に連続した状態に接触配置す
る支持柱の場合には、押し出し成形等の適宜手段によっ
てコンテナが一体成形できるものの、形成された柱がそ
の押し出し方向に連続した状態で形成されるため、各柱
によってコンテナ内部が区分されて、それぞれが独立し
たヒートパイプと成らざるを得なかった。すなわちコン
テナ内部を複数の空間に区切るかたちに支持柱が形成さ
れることになるので、複数のヒートパイプが一体の部材
中に形成されるかたちと成らざるを得なかった。そのた
め、複数の各空間部分を、それぞれ個別にヒートパイプ
化しなければならず、作業が複雑化する不都合があっ
た。

【００１４】また、加熱部または放熱部となる面に対し
て、所定の複数箇所に両先端部が当接した状態で配置さ
れた棒状の支持柱の場合には、コンテナを押し出し成形
する際に支持柱を一体成形することができないので、例
えば、放熱部となる部材と加熱となる部材とを、それぞ
れ押し出し成形等の適宜手段によって成形した後、支持
柱の先端部を適宜手段によって両部材あるいは一方の部
材に接着配置し、その後、加熱部となる部材と放熱部と
なる部材とを組み合わせて、コンテナを形成し、さらに
ヒートパイプ化しなくてはならず、作業が複雑化する不
都合があった。

【００１５】また、従来のようなプレート型ヒートパイ
プでは、上記のようにして形成された前記支持柱が、コ
ンテナ内の蒸気流動路を確保するために、所定の間隔を
保持した状態に配置され、加熱部および放熱部となる面
に対して所定間隔で備えられている。そのためその厚さ
方向での強度は向上したものの、内部圧力の変化に対応
する平坦面の変化が、支持柱に集中して作用することに
なるため、蒸気流路を形成している部分と、柱が備えら
れている部分とでの圧力差によって、コンテナが変形す
るおそれがあった。また、変形量をできるだけ少なくす
るために、支持柱の数を増やすとすると、蒸気流動路と
なる空間部分を削減せざるを得ないために、ヒートパイ
プとしての動作速度が低下してしまうことになる不都合
が生じるおそれがあった。またそれに伴って、支持柱と
空間部分との割合を強度および冷却効率の両方の点から
考慮しなくてはならず、ヒートパイプの大きさによっ
て、柱の数や空間部分の領域を変更したり調整したりな
ど検討しなくてはならない不都合があった。

【００１６】また、外部から局部的な圧縮力を受けた場
合に、内部が所定間隔を開けて支持されているため、そ
の圧縮力が面の全域に分散しないので、その圧縮力を受
けた部分が局部的で支持柱以外の空間部分に対応する箇
所であると、比較的簡単に変形してしまうおそれがあっ
た。

【００１７】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、内部圧力の変化や外部からの圧縮に対する強度が
高く、熱輸送や冷却を効率良く行うことができるととも
に、容易に製造可能なプレート型ヒートパイプを提供す
ることを目的とするものである。

【００１８】

【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た放熱部と、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
体として封入したプレート型ヒートパイプであって、コ
ンテナ内部の前記加熱部となる面の全域にウイック部材
が備えられるとともに、コンテナ内部の空間部分に、ヒ
ートパイプの形状を保持する多孔構造の形状保持部材が
充填されていることを特徴とするものである。

【００１９】また前記形状保持部材がコンテナの内周面
に接合固定されていることを特徴とするものである。

【００２０】したがって、この発明のプレート型ヒート
パイプによれば、その内部に保持材となる形状保持部材
が充填されているから、加熱部と放熱部との全面がその
形状保持部材に接触しており、形状保持部材によって内
面全域がほぼ均一に支持されることになり、ヒートパイ
プの非動作時において、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
の圧縮強度が従来に比べて高くなる。また、ヒートパイ
プ動作した際の作動流体の相変化に伴う内部圧力の上昇
に対しても、コンテナの加熱部および放熱部となる面の
全域がほぼ均一にその力を受けるので、力が面の全域に
分散して作用し、その力がコンテナ内部に充填された形
状保持部材の引張応力として吸収されるので、コンテナ
の変形に対する強度が高くなる。さらに外部から圧縮力
が作用した場合であっても外部からの力を面の全域に分
散させることができるので、その圧縮力によるコンテナ
の変形を防止できる。

【００２１】また、前記形状保持部材は多孔構造を成し
ており、その気孔部分が蒸気流動路となるので、そこで
の流動抵抗はそれ程高くならず、ヒートパイプの冷却効
率が低減されることはない。

【００２２】さらに、コンテナの少なくとも加熱部とな
る側の内面には、ウイック部材が備えられているから、
前記放熱部から還流した液相の作動流体が加熱部内面の
ウイックの毛細管圧力によって、その内面全域に亘って
ほぼ均一に拡散させられるとともに保持される。

【００２３】したがって、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。そして、加
熱部側に還流した作動流体は、加熱部側に配置したウイ
ック部材の毛細管圧力によってその内面全域に液相の作
動流体をほぼ均一に拡散させられ、再度蒸気となって前
記形状保持部材を介して、放熱部側に流動し、そこで放
熱するとともに凝縮し液相となることが繰り返されるこ
とになる。なお、形状保持部材は多孔構造をしているの
で、その気孔部分で充分蒸気流路が確保できる。

【００２４】また、前記形状保持部材をコンテナ内周面
に接合固定させて形成すれば、作動流体の相変化に伴う
内部圧力の急激な変化にも対応でき、すなわち、内部圧
力が大きい場合においても、ヒートパイプ形状を内部に
充填した形状保持部材にその膨脹しようとする力が、引
張応力として作用することになるから、形状保持部材の
引張許容応力内であれば、膨張力を抑制することがで
き、ヒートパイプ形状を保持することができる。

【００２５】なお、この発明のプレート型ヒートパイプ
の場合、前記ウイックおよび形状保持部材をコンテナの
成形後に、コンテナ内部に内蔵すればよいから、ヒート
パイプの成形加工が従来に比べて容易であり、その結
果、容易に製造することが可能である。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下にこの発明のプレート型ヒー
トパイプ９を図面を参照して説明する。図１はこの発明
のプレート型ヒートパイプ９の一例を示すものであり、
コンテナ１０の形状が矩形面から構成された六面体とな
っている。

【００２７】より具体的には、一例として矩形で平坦面
とされた加熱部１１と、この加熱部１１と対向するよう
に離隔しかつ矩形で平坦面の放熱部１２と、これら放熱
部１２と加熱部１１との全周に亘って互いに連結する矩
形の側壁部１３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１０としている。なお、このコ
ンテナ１０は、押し出し成形等の一般的な適宜手段によ
って形成することができる。またそのコンテナ１０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（図示しない）として所定量封入
されている。

【００２８】そして、コンテナ１０の内部の加熱部１１
となる平坦な内面には、その全域に亘りウイック１４が
備えられている。このウイック１４は、液相の作動流体
をそこでの毛細管圧力によって加熱部１１の内面全域に
ほぼ均等に拡散分布させるためのものである。

【００２９】なお、ウイック１４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。ま
た一例として、金属メッシュを装着させたものや内部表
面に例えばプラズマ溶射などにて銅粉を溶射したもの等
を採用することができる。

【００３０】そしてさらに、コンテナ１０内部の中空部
分には、多孔構造の形状保持部材１５が充填されるとと
もに、コンテナ１０の内周面に熱溶着、接着剤による接
着等の適宜手段によって接合固定されている。この形状
保持部材１５は、気孔を備えた目の粗い多孔構造となっ
ており、蒸気流動路を確保できる程度に気孔率が高く設
定されるとともに、そこでの作動流体蒸気の流動抵抗が
上昇しないように径の大きい気孔が形成された目の粗い
多孔構造となっている。

【００３１】すなわち、前記形状保持部材１５の気孔部
分が、加熱部１１で加熱された気相の作動流体の蒸気流
動路となっている。

【００３２】なお、ここで使用される形状保持部材１５
としては、前記ウイック１４と同様に、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しないもの
が好ましい。そして、形状保持部材１５としては、例え
ば、粗いメッシュ、粗い焼結材等を採用することができ
る。

【００３３】そして上記のような構造のプレート型ヒー
トパイプ９が、例えば、プリント基板上に形成された回
路の所定箇所に電気的に接続されて取り付けられたＣＰ
Ｕ等の冷却対象部材（図示しない）の上面に、その加熱
部１１（下面）を密着させて取り付けられることにな
る。

【００３４】なお放熱部１２の外面には、図２に示すよ
うな多数の放熱フィン１６を設けても良い。また図３に
示すように放熱部１２の平坦面を凹凸面１７としてその
放熱面積を増大させても良い。

【００３５】次に上記のように構成されたプレート型ヒ
ートパイプ９の作用について説明する。

【００３６】電子機器等の冷却対象部材が発熱すると、
その熱がプレート型ヒートパイプ９の冷却対象部材と接
している下部の加熱部１１に伝達される。そして、コン
テナ１０の底部に溜まっている作動流体が加熱されて蒸
発する。したがって、加熱部１１の内面が蒸発部となっ
ている。なお、この場合、形状保持部材１５がコンテナ
１０の内周面に熱溶着等の適宜手段によって接合固定さ
れているので、コンテナ１０の内部圧力の増大に伴うコ
ンテナ１０に作用する力が形状保持部材１５に伝達さ
れ、コンテナ１０に作用する力が形状保持部材１５の引
張応力として吸収されるため、コンテナ１０の形状が確
実に保持される。

【００３７】蒸気となった作動流体は、蒸気流路となる
形状保持部材１５の気孔を経由して低温の放熱部１２に
向けて流動し、放熱部１２の内面で熱を奪われて凝縮す
る。すなわち、作動流体の蒸気が冷却対象部材の発生し
た熱を蒸発潜熱として輸送し、その気相の作動流体が放
熱部１２において凝縮する際に冷却対象部材の熱が放出
される。したがって、この放熱部１２の内面がプレート
型ヒートパイプ９としての凝縮部となっている。さらに
作動流体の蒸発潜熱の状態で放熱部１２側に輸送された
冷却対象部材の熱は、放熱部１２から外部に放散され
る。

【００３８】他方、凝縮し再度液相となった作動流体
は、放熱部１２の内面に接触した形状保持部材１５およ
び側壁部１３を経由して加熱部１１の内壁面側まで輸送
される。

【００３９】そして形状保持部材１５の気孔部分および
コンテナ側壁部を経由して加熱部１１に還流した液相の
作動流体は、加熱部１１の内面のウイック１４の毛細管
圧力によって加熱部１１の内面全域にほぼ均等に拡散さ
せられるとともに保持される。

【００４０】そして、加熱部１１に供給された作動流体
は再度加熱されて蒸発し、上述したサイクルと同様のサ
イクルを継続することによって、冷却対象部材の熱を良
好に輸送して、冷却対象部材１５が冷却される。

【００４１】なお、上記プレート型ヒートパイプ９は、
コンテナ１０の内部全域に形状保持部材１５が備えられ
ることによって、加熱部１１と放熱部１２とが内側から
支持されることになり、プレート型ヒートパイプ９の内
部が真空状態すなわちプレート型ヒートパイプ９が非動
作状態でも、加熱部１１および放熱部１２がコンテナ１
０の厚さ方向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。また前述したように形状保持部材１５がコンテナ
１０の内周面に熱溶着等の適宜手段によって接合固定さ
れているので、プレート型ヒートパイプ９の動作時のコ
ンテナ１０の内部圧力の上昇に伴うコンテナ厚さ方向の
膨らみ等の変形が形状保持部材１５の引張応力として確
実に吸収されて、コンテナ１０の変形が生じないように
なっている。すなわち、コンテナ１０が厚さ方向に変形
することが未然に防止されている。

【００４２】なお上記実施例において、ウイック１４を
コンテナ１０内部の加熱部１１に設け、厚さ方向に外壁
から二層に設けたがこれに限定されず放熱部１２や側壁
部１３にもウイック１４となる部材を設けても良い。

【００４３】

【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、プレート型ヒートパイプのコンテナ内部に
多孔構造の形状保持部材が充填されているので、形状保
持部材が加熱部および放熱部をほぼ面として支持でき、
非動作時の変形、さらには外部からの圧縮による変形を
従来よりも確実に防止することができる。

【００４４】また、前記形状保持部材が粗い多孔構造と
なっているから、コンテナ内部の中央部分での流動抵抗
は高くならず、形状保持部材の気孔部分で充分蒸気流路
が確保できる。さらに、加熱部内面にウイックが備えら
れているから、そのウイックの毛細管圧力によって加熱
部内面全域にほぼ均等に液相の作動流体が拡散されると
ともに保持される。すなわち、上記構成によってヒート
パイプのプレート形状を保持できるとともに、ヒートパ
イプ性能を維持もしくは向上させることができるので、
発熱源すなわち冷却対象部材を効率良く冷却することが
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、発熱源の熱量
が大きくとも熱輸送を効率良く行って充分冷却すること
ができる。

【００４５】さらに、前記形状保持部材をコンテナの内
周面に接合固定すれば、内部圧力の上昇に伴うコンテナ
の厚さ方向の膨らみ等の変形を形状保持部材が引張応力
として確実に吸収でき、コンテナ形状を保持することが
できる。

【００４６】さらにまた、この発明のプレート型ヒート
パイプを製造する場合、コンテナを成形した後、内部に
ウイックや形状保持部材を備えればよく、ヒートパイプ
化も容易であるから、所要のプレート型ヒートパイプを
従来に比べて容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のプレート型ヒートパイプの一例を示
す概略断面図である。

【図２】そのヒートパイプの上面にフィンを取り付けた
状態の一例を示す概略断面図である。

【図３】その放熱部となる面を凹凸形状としたコンテナ
を用いたこの発明のヒートパイプ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が変形した場合の一例を示
す概略断面図である。

【図６】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】 ９…ヒートパイプ、 １０…コンテナ、 １１…加熱
部、 １２…放熱部、１３…側壁部、 １４…ウイッ
ク、 １５…形状保持部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｒ (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (2)

【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
   ように隔離した放熱部と、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
   プレート型ヒートパイプにおいて、 コンテナ内部の前記加熱部となる面の全域にウイック部
   材が備えられるとともに、コンテナ内部の空間部分に、
   ヒートパイプの形状を保持する多孔構造の形状保持部材
   が充填されていることを特徴とするプレート型ヒートパ
   イプ。
2. 【請求項２】 前記形状保持部材がコンテナの内周面に
   接合固定されていることを特徴とする請求項１記載のプ
   レート型ヒートパイプ。