(57)【要約】【課題】電子デバイス等の機器の実装位置の自由度、並びにヒートパイプの設置姿勢の自由度が高く、更には動作が安定した平板型ヒートパイプを提供する。【解決手段】電子機器の局所発熱を拡散されることを目的として、密閉容器２内に凝縮性ガスを封入し、毛管圧力を発生させる平板状のウィック３を密閉容器２の上下壁面に接触するよう設置し、密閉容器２の上下面に蒸気通路４を設け、この蒸気通路４を密閉容器２の側面に設けた連通路５によりつなぐことにより、トップヒートモードでも十分な熱輸送能力を確保する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に凝縮性ガスを封入した平板型ヒートパイプであって、平板状のウィックを上記密閉容器の上下壁面に接触するように配置するとともに、上記密閉容器の上下面に蒸気通路を設置し、この蒸気通路を上記密閉容器の側面に設けた連通路によりつないだことを特徴とする平板型ヒートパイプ。
【請求項２】
密閉容器内に凝縮性ガスを封入した平板型ヒートパイプであって、平板状のウィックを上記密閉容器の上下壁面に接触するように配置するとともに、上記ウィックの上下面に蒸気通路を設置し、この蒸気通路を上記密閉容器の側面に設けた連通路によりつないだことを特徴とする平板型ヒートパイプ。
【請求項３】
上記ウィック内に作動液を収容するためのリザーバを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の平板型ヒートパイプ。
【請求項４】
上記ウィック内に作動液を収容するためのリザーバを複数個設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の平板型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、密閉容器内に熱輸送の媒介となる作動流体が封入された平板型ヒートパイプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子などの電子デバイスの出力が増大するのに伴い、電子デバイスから発生する熱も増大し、小さな温度差で大きな面積に熱流束を拡散できる熱拡散板の需要が高まっている。
また、半導体素子などの発熱部品や、ヒートシンクなどの冷却部７品の設置位置の自由度が要求されるとともに、ヒートパイプの設置姿勢に対する自由度も以前から要求されている。
【０００３】
従来の平板型ヒートパイプとして、例えば、特開平１１−２３１６７号公報に記載したものがあり、当該公報によれば、中空平板状の密閉構造の密閉容器内部に、凝縮性流体を作動流体として封入するとともに、密閉容器の蒸発部と凝縮部がつながる溝部が、密閉容器内面に形成されている。
また、毛細管圧力を発生する多孔質層が溝部の開口部分を覆い、かつその溝部内部空間を埋めない状態で密閉容器内面に取り付けられているものが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の平板型ヒートパイプは以上のように構成されているので、溝部上部を覆うウィック内の液より先に、溝部内で気泡が発生した場合、蒸気が閉じ込められて溝を塞いでしまい、凝縮部から蒸発部への液の流れが阻害され、ヒートパイプの動作に支障をきたす可能性があるという問題点があった。
【０００５】
また、溝が片面のみに設置されているので、蒸発部及び凝縮部を同一面に設置する必要があるため、電子デバイスなどに実装する場合、両面実装が不可能になるなどの問題点があった。
更に、負荷条件の変化に伴う作動流体の循環量の変化を吸収する空間が確保されていないので、作動流体が密閉容器内に滞留して、ヒートパイプの動作に著しい影響を及ぼす可能性がるというような問題点もあった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、動力に依存しない熱輸送機構を有するとともに、電子デバイス等の機器の実装位置の自由度、並びにヒートパイプの設置姿勢の自由度が高い構造を有し、更には動作が安定した平板型ヒートパイプを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る平板型ヒートパイプは、密閉容器内に凝縮性ガスを封入したものであって、平板状のウィックを密閉容器の上下壁面に接触するように配置するとともに、密閉容器の上下面に蒸気通路を設置し、この蒸気通路を密閉容器の側面に設けた連通路によりつないだものである。
【０００８】
この発明の請求項２に係る平板型ヒートパイプは、密閉容器内に凝縮性ガスを封入したものであって、平板状のウィックを密閉容器の上下壁面に接触するように配置するとともに、ウィックの上下面に蒸気通路を設置し、この蒸気通路を密閉容器の側面に設けた連通路によりつないだものである。
【０００９】
この発明の請求項３に係る平板型ヒートパイプは、ウィック内に作動液を収容するためのリザーバを設けたものである。
【００１０】
この発明の請求項４に係る平板型ヒートパイプは、ウィック内に作動液を収容するためのリザーバを複数個設けたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による平板型ヒートパイプを示す断面図、図２は図１におけるＡ―Ａ線断面図である。
図において、平板型ヒートパイプ１は、蒸気流路４が設置された密閉容器２と、この密閉容器２の内壁面に接触して設置された平板状のウィック３から構成されており、内部には作動流体が封入されている。
また、密閉容器２の上下面に設けられた蒸気流路４は連通穴５により導通されている。
【００１２】
各部材としては、密閉容器２として、銅やアルミなどの金属が用いられ、ウィック３としてはセラミック、あるいは金属の微小粒子や微小繊維を焼結させたもの、更には発泡金属などの多孔体構造が用いられる。
作動流体としては、水、アルコール類、アンモニア及び炭化水素類等を用いることができる。
また、平板型ヒートパイプ１の上面には加熱部６が設置されるとともに、下面には冷却部７が設置されている。
【００１３】
以下、上面に半導体素子などの加熱部６、下面に空冷ヒートシンクなどの冷却部７が積層状に設置されたトップヒートパイプモードの場合を例に、平板型ヒートパイプ１の動作について説明する。
加熱部６からの熱の流入により、加熱部６付近のウィック３内に保持された作動流体が加熱され蒸発する。
この時、潜熱として作動流体は熱を吸収する。蒸発した作動流体は、ウィック３より上面側蒸気流路４内に流出し、矢印ａに示すように、連通穴５を通って、下面側蒸気流路４へ流入する。
冷却部７が設置された壁面付近に到達した蒸気は、壁面に冷却されて凝縮する。
【００１４】
その時放出される潜熱は、蒸気流路４の壁面から密閉容器２の壁面を通過して冷却部７へ吸収される。凝縮して液になった作動流体は、初めは蒸気流路４の容器側壁面に付着しているが、液量が増えてウィック３端面に接触すると、ウィック３の気液界面に発生する毛管圧力より引っ張られてウィック３内に流入し、再び矢印ｂに示すように、ウィック３内を移動して加熱部６付近へ到達する。
こうして、循環する作動流体により発熱部６で発生した熱は、冷却部７に輸送され、発熱部６を所定の温度に冷却することができる。
【００１５】
この時、密閉容器２の上下壁面が、大きな毛管圧力を発生するウィック３により接続されているので、トップヒートモードでも十分な熱輸送能力が確保できる。
また本発明によれば、加熱部６，ウィック３及び冷却部７が積層構造になっているので、冷却部７から加熱部６へウィック３内を通って戻る作動液の、ウィック３内の移動距離が短く、流路断面積が大きくなり、ウィック３内の圧力損失が小さく抑えられるので、より多くの熱輸送能力を得ることができる。
また、蒸気流路４が設置されているので、吸熱部のウィック３から発生した蒸気が、ウィック３内を通過する距離が短く、圧力損失が小さいので、多くの熱輸送量が得られる。
【００１６】
更に、蒸気流路４が設置されているので、冷却部７での密閉容器２壁面に凝縮した作動液を、隣接したウィック３が吸収し易い構造となっている。
よって、凝縮面の液膜が薄く保たれるので、冷却部７において高い熱伝導性が得られる。
また、平板型ヒートパイプ１の取り付け姿勢は、水平でなくても機能を発揮できるので、設置姿勢に制限がなく、自由度が増す。
更に、作動液には波が発生し、安定した波が成立する極限の波長を下記式で定義される臨界波長とした場合、蒸気流路４の断面の水力等価直径を臨界波長以下に構成することにより、冷却部７の蒸気流路４内の作動液を重力に抗して保持できるため、安定した動作状態が得られることとなる。即ち、このことは、例えば水の入ったコップにかぶせた金網の網目の寸法が臨界波長より短ければ、コップを逆さまにしても水がこぼれなくなる原理と同様である。
【００１７】
ここで，臨界波長とは以下の式で定義される。
【数１】
2004020116.tif 000003
λｃ：臨界波長，π：円周率，δ：作動流体の表面張力，ｇ：重力加速度，
ρＬ：作動流体密度（液相），ρｖ：作動流体密度（気相）
参考文献　甲藤好郎，伝熱概論，養賢堂，Ｐ２８９〜Ｐ２９０
ここで，水力等価直径は、以下の式で定義される。
Ｄｅ＝４×Ａ／Ｌ
Ｄｅ：水力等価直径，Ａ：蒸気通路断面積，Ｌ：蒸気通路の濡れ縁長さ（作動流体に接する壁面の長さ）
例えば，断面形状が正方形の場合，一辺の長さをａとすると
Ａ＝ａ２
Ｌ＝４×ａ
となり，
Ｄｅ＝４×Ａ／Ｌ＝ａ
となる。
【００１８】
以上のように本実施形態による平板型ヒートパイプ１は、半導体素子等の電子機器の局所発熱を拡散させる事を目的として、密閉容器２内に凝縮性ガスを封入したものであり、毛管圧力を発生する平板状のウィック３が密閉容器２の上下壁面に接触するように設置され、その境界に多数の蒸気流路４が設置されていて、上下面に設置された蒸気通路４が側面にて連通穴５でつながっているものである。
【００１９】
図３は平板型ヒートパイプの別の構成を示す断面図であり、図３においては、平板型ヒートパイプ１の同一面内に、加熱部６と冷却部７が設置された場合を示している。基本的な構成及び作用は、図１及び図２で説明したものと同じである。
加熱部６と冷却部７が同一面内にあるので、加熱部６で発生した蒸気は、矢印ｃに示すように、蒸気流路４を通って直接冷却部７へ流入し、凝縮して作動液になる。
【００２０】
そして、一部の蒸気は、矢印ａに示すように、連通穴５から下側の蒸気流路４に回り込み、冷却部７設置付近のウィック３壁面で凝縮する。凝縮した作動液は加熱部６付近のウィック３内気液界面に発生する毛管圧力により、ウィック内を通り加熱部６付近へ再度流入する。このように循環する作動流体により、加熱部６からの発熱が冷却部７に輸送され、加熱部６を所定の温度に冷却することができる。
以上のように構成することにより、図１，図２で示した平板型ヒートパイプと同様の効果が得られるとともに、加熱部６及び冷却部７の取り付け位置の自由度が増す。
【００２１】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による平板型ヒートパイプを示す断面図、図５は図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。
図において、１は平板型ヒートパイプ、２は密閉容器、３は平板状のウィック、４は蒸気通路であり、平板型ヒートパイプ１の内部には作動流体が封入されている。
また、密閉容器２の上下面に設けられた蒸気流路４は、連通穴５により導通されている。
【００２２】
各部材としては、密閉容器２として、銅やアルミなどの金属が用いられ、ウィック３として、セラミック、あるいは金属の微小粒子や微小繊維を焼結させたもの、更には、発泡金属などの多孔体構造が用いられる。
作動流体としては、水，アルコール類，アンモニア及び炭化水素類等を用いることができる。
また、平板型ヒートパイプ１の上面には加熱部６が設置されるとともに、下面には冷却部７が設置されている。
【００２３】
本実施形態においては、蒸気流路４がウィック３側に設置されている。
蒸気流路４がウィック３側に設置されているので、図５に示すように、蒸気流路４の内壁面のうち、ウィック３に面する部分が実施の形態１の場合に比べ、１面から３面に増加する。
加熱部６においては、蒸気流路４に面するウィック３の面積が増大するので、ウィック３内で発生した蒸気が蒸気流路４へ流れる時の断面積が増加し、圧力損失が減少する。
【００２４】
冷却部７においては、温度が低く蒸気が凝縮しやすい密閉容器２内壁面が平面になるので、凝縮した液が容易にウィック３に接触できるようになり、凝縮面に形成される液膜の厚さがより薄くなる。
以上により、加熱部６での圧力損失が減少し、より熱輸送量が大きい平板型ヒートパイプを実現できる。
また、同一の熱輸送量では、ヒートパイプ内の温度差をより小さく抑えることができる。
更に、冷却部７の凝縮熱伝達率が改善されるので、大きな熱伝導性が得られる。
【００２５】
以上のように、本実施形態による平板型ヒートパイプにおいては、蒸気流路４がウィック３側に設けられているので、加熱部６では蒸発熱伝達の有効面積拡大により熱抵抗が減少し、冷却部７では壁面に凝縮した作動液をウィック３が吸収しやすくなる。
又、冷却部７では密閉容器２の壁面が平面となるので、容器壁面に凝縮した作動液がすぐにウィック３に接することができ、より作動液の吸収が促進され、凝縮面での液膜厚さが薄くなる。よって、冷却部７での高い熱伝導性が得られる。
【００２６】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による平板型ヒートパイプを示す断面図、図７は図６におけるＣ−Ｃ線断面図である。
図において、平板型ヒートパイプ１は、蒸気流路４が設置された密閉容器２と、この密閉容器２の内壁面に接触して設置された平板状のウィック３から構成されており、内部には作動流体が封入されている。
また、密閉容器２の上下面に設けられた蒸気流路４は連通穴５により導通されている。
【００２７】
各部材としては、密閉容器２として、銅やアルミなどの金属が用いられ、ウィック３として、セラミック、あるいは金属の微小粒子や微小繊維を焼結させたもの、更には発泡金属などの多孔体構造が用いられる。
作動流体としては、水，アルコール類，アンモニア及び炭化水素類等を用いることができる。
また、平板型ヒートパイプ１の上面には加熱部６が設置されるとともに、下面には冷却部７が設置されている。
【００２８】
本実施形態においては、ウィック３内にリザーバ８が設置されており、連通穴５のうち片側（図６では右側）の加熱部６が設置された上側の蒸気流路４から、蒸気が下側蒸気流路４、及びリザーバ８に流入しないように、仕切り板９が設置されている。
この仕切り板９により、ヒートパイプ内空間が仕切られるので、加熱部６の周辺で発生した蒸気は、上側の蒸気流路４より、左側連結穴５から下側の蒸気流路４へ流入する。
冷却部７周辺の密閉容器２の壁面へ凝縮した液は、一部は隣接するウィック３壁面からリザーバ８内へ流入するが、残りは加熱部６と冷却部７の圧力差により、下側蒸気流路４内を矢印ｄに示すように、左から右におし流されて、ウィック３右端部のリザーバ８入り口よりリザーバ８内へ流入する。
【００２９】
リザーバ８内に流入した作動流体は、加熱部６付近の気液界面が存在するウィック３壁面へ毛管圧力により流入する。
そしてリザーバ８は、ヒートシンクに流入する熱負荷の変化に対応して、冷却部７の凝縮面積をコントロールする働きを持つ。
すなわち、熱負荷が小さい場合は、蒸気の運ぶ潜熱による熱輸送能力が小さいので、凝縮面積が小さくてよい。
その場合、リザーバ８内の作動液が下側の蒸気流路４に流出し、凝縮部面積を適当な値まで縮小する。
反対に熱負荷が増大すると、凝縮面積の増加に伴い、作動液はリザーバ８内に流入する。
このように、リザーバ８による凝縮面積の調節機能により、凝縮による熱伝導性が調整されるので、熱負荷が変動しても、加熱部６の温度を一定に保つことができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態による平板型ヒートパイプ１においては、ウィック３内に作動液を収容するリザーバ８と呼ばれる空間を設けたので、ヒートパイプへの熱負荷の変化による冷却部７に滞留する液量の変化を、リザーバ８内の液量の変化により吸収することができる。
又、ヒートパイプ内で動作する作動流体の流量を、熱負荷に合わせて適正化することが可能となり、作動液不足によるウィック３のドライアウトによるヒートパイプの動作不良を防ぐことができるので、熱負荷の変化に拘わらず安定した動作状態が得られる。
更に、リザーバ８により可変コンダクタンスヒートパイプとしての動作が可能となり、熱負荷の増減に拘わらず、吸熱部温度を一定に保つことができる。
【００３１】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４による平板型ヒートパイプを示す断面図、図９は図８におけるＤ−Ｄ線断面図である。
図において、平板型ヒートパイプ１は、蒸気流路４が設置された密閉容器２と、この密閉容器２の内壁面に接触して設置された平板状のウィック３から構成されており、内部には作動流体が封入されている。
また、密閉容器２の上下面に設けられた蒸気流路４は連通穴５により導通されている。
【００３２】
各部材としては、密閉容器２として、銅やアルミなどの金属が用いられ、ウィック３として、セラミック、あるいは金属の微小粒子や微小繊維を焼結させたもの、更には発泡金属などの多孔体構造が用いられる。
作動流体としては、水，アルコール類，アンモニア及び炭化水素類等を用いることができる。
また、平板型ヒートパイプ１の上面には加熱部６が設置されるとともに、下面には冷却部７が設置されている。
【００３３】
本実施形態においては、図９に示すように、リザーバ８が多数個に分割されている。
リザーバ８が多数個に分割されることにより、図９に示すように、各リザーバ８の四隅の角の数が増加することになる。
角部には小さなメニスカス（新月形図形）の形成が可能であるので、大きな毛管圧力を発生させることができることとなる。
【００３４】
図１０は各リザーバ８の角部を示す拡大図であり、図において、１０は角、１１ａ，１１ｂは壁面、１２は液体により形成されたメニスカス、αは接触角、ｒθはメニスカス１２の曲率半径である。
このように、角部に特に細工をしなくても、単に角部が存在するだけで、液体は凹状の曲率半径ｒθの小さなメニスカス１２を形成する。
従って、下記定義式から明らかなように大きな毛管圧力が発生し、重力に抗して液体を保持することができる。
ここで、メニスカス１２が角１０に沿って二次元的に形成される場合の毛管圧力Ｐｃは以下の式で定義される。
Ｐｃ＝δ／ｒθ
Ｐｃ：毛管圧力，δ：作動流体の表面張力，ｒθ：メニスカスの曲率半径
【００３５】
そして例えば、熱負荷が少ない時に、リザーバ８内が液不足となった場合に、図８の左上の加熱部６付近のリザーバ８内には液がなく、蒸気しかなくなることも起こり得る。
このまま液が加熱部６付近のウィック３に戻ってこないと、ウィック３が乾いてヒートパイプの動作が停止してしまう。
【００３６】
この時、角部が多数個あると、角部に発生する毛管圧力により輸送される液が、左側加熱部６付近まで到達できるので、ウィック３に液が供給され、乾きを防ぐことができる。
また、リザーバ８を仕切る壁もウィック３で形成されているので、冷却部７に凝縮した液体を、リザーバ８を介さず直接毛管圧力により輸送できるので、角部と同様にウィック３の乾きを防ぐことができる。
【００３７】
以上のように、本実施形態による平板型ヒートパイプ１においては、作動液を収容するリザーバ８を多数個に分割したので、リザーバ８がウィック３により分割されていることにより、リザーバ８の角の数が増加し、リザーバ８内に十分な液体が存在しない場合でも、角部に形成された曲率半径の小さいメニスカス１２により発生する大きい毛管圧力により、液体をリザーバ８の奥まで輸送できるので、液体が戻らなくなることによるウィック３の乾きの発生を防止することができ、信頼性の高いヒートパイプを実現することができる。
また、リザーバ８を仕切る壁もウィック３で形成されているので、冷却部７に凝縮した液体をリザーバ８を介さず直接毛管圧力により輸送できるので、角部と同様にウィック３の乾きを防ぐことができる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る平板型ヒートパイプによれば、密閉容器内に凝縮性ガスを封入したものであって、平板状のウィックを密閉容器の上下壁面に接触するように配置するとともに、密閉容器の上下面に蒸気通路を設置し、この蒸気通路を密閉容器の側面に設けた連通路によりつないだので、トップヒートモードにおいても充分な熱輸送能力が確保できるとともに、ヒートパイプの取り付け姿勢の自由度を増大させることができる。
【００３９】
この発明の請求項２に係る平板型ヒートパイプによれば、密閉容器内に凝縮性ガスを封入したものであって、平板状のウィックを密閉容器の上下壁面に接触するように配置するとともに、ウィックの上下面に蒸気通路を設置し、この蒸気通路を密閉容器の側面に設けた連通路によりつないだので、熱輸送を効率的に行なうことができる。
【００４０】
この発明の請求項３に係る平板型ヒートパイプによれば、ウィック内に作動液を収容するためのリザーバを設けたので、熱負荷の変化に拘わらず安定した動作を実現することができる。
【００４１】
この発明の請求項４に係る平板型ヒートパイプによれば、ウィック内に作動液を収容するためのリザーバを複数個設けたので、ウィックに作動液が常に供給され、ウィックの乾きを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による平板型ヒートパイプを示す断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による平板型ヒートパイプを示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による平板型ヒートパイプを示す断面図である。
【図５】図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による平板型ヒートパイプを示す断面図である。
【図７】図６におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】この発明の実施の形態４による平板型ヒートパイプを示す断面図である。
【図９】図８におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【図１０】リザーバの角部を示す拡大図である。
【符号の説明】
１　平板型ヒートパイプ、２　密閉容器、３　ウィック、４　蒸気通路、５　連通路、８　リザーバ。
【図１】
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【図２】
2004020116.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004020116.tif 000008
【図６】
2004020116.tif 000009
【図７】
2004020116.tif 000010
【図８】
2004020116.tif 000011
【図９】
2004020116.tif 000012
【図１０】
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