(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが前記密閉容器の下面部に設けられ、その下面部が発熱部から熱を受ける受熱部となっている冷却装置であって、
前記密閉容器に、作動流体の潜熱として熱を輸送する複数のヒートパイプが起立した状態で配置され、そのヒートパイプは開口端と閉止端とを有し、その閉止端に複数の平板状フィンが所定の間隔をあけて互いに平行に配列され、前記密閉容器における下面部に設けられた前記ウイックを前記密閉容器における上面部と前記下面部との間で支持する支柱が配置され、前記上面部に前記ヒートパイプを貫通させる孔部が形成され、その孔部がヒートパイプが貫通することにより閉じられ、前記下面部側の前記ウイックに前記ヒートパイプの開口端が接合されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記ヒートパイプの開口端が前記孔部に熱授受可能に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが密閉容器の内部に設けられている冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、作動流体の潜熱として熱を輸送するヒートパイプやヒートシンクを備えた冷却装置が広く知られている。この種の冷却装置では、蒸発して気相となった作動流体が低温・低圧側の凝縮部に流動することにより熱を輸送し、その熱輸送の後、ヒートパイプの内部に設けられたウイックによる毛細管圧力によって、凝縮した液相の作動流体を蒸発部（入熱部）に還流させている。
【０００３】
そのウイックは、要は、毛細管圧力を生じさせるためのものであるから、作動流体とのいわゆる濡れ性が良好であり、かつ液相の作動流体の液面に形成されるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小さくなるものであることが好ましい。一般には、多孔質焼結体（多孔質体）や極細線束などがウイックとして採用されている。これらのウイックのうち、多孔質焼結体を使用したウイックは、その多孔質焼結体とは別の他の構造体を使用したウイックと比べてその空孔の開口面積が小さいので、発生させ得る毛細管圧力、すなわち液相の作動流体に対するポンプ力が大きい。また、このウイックはシート状に形成できるので、最近注目されている平板型などのベーパーチャンバーと称されるヒートパイプに採用されている。
【０００４】
このヒートパイプは、中空平板構造のコンテナ（密閉容器）によって密閉された空間部を形成し、その空間部に空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で凝縮性の流体を作動流体として封入したものである。この種のヒートパイプは、表面が平坦になるので、熱交換対象物との接触面積が広くなり、その結果、熱伝達性能あるいは熱交換性能が向上し、また冷却のための手段として使用する場合には、広い放熱面積を確保することができるなどの利点がある。
【０００５】
その反面、ヒートパイプは、空間部に凝縮性の流体のみを封入した構成であるから、外部から入熱のない非動作状態あるいは冷却状態では作動流体が凝縮するために、空間部の内部が高真空状態になる。また反対に外部から多量に入熱があると、作動流体が蒸発してその容積を増大させるから、空間部の内部圧力が高くなる。そのため、平板型ヒートパイプにあっては、上面や下面の表面積が広い部分の剛性が低いために、非動作時や製造時にこの上面や下面が窪んだり、あるいは反対に動作時に上面や下面が膨らむなどの変形が生じることがある。
【０００６】
このような不都合を解消するために、特許文献１に記載された発明では、上端部が開口した薄い容器の内部に、複数の支柱（柱状部）を一体に立設するとともに、ウイックとして機能する多孔質膜を、その容器の内部に溶射により形成し、さらにその容器の開口部を密閉した後、内部の空気などの気体を真空脱気するとともに、水などの凝縮性の流体を作動流体として封入したヒートパイプを提案している。
【０００７】
また、ヒートパイプの外周面と平板状フィン（放熱フィン）の表面とから熱を大気に放散する構造のヒートシンクが知られており、このヒートシンクの一例が特許文献２に記載されている。
【０００８】
この特許文献２に記載されたヒートシンクは、ベース部に支柱などの伝熱部材を立設し、その伝熱部材に平板状フィンを取り付けた構造のタワー型ヒートシンクであり、平板状フィンを伝熱部材に嵌合させ、多数の平板状フィンを設けることができるので、その枚数や放熱面積の制約が少ない。なお、放熱量をさらに増大させるためには、平板状フィンに向けて送風する強制冷却をおこなうことが好ましい。例えば、筐体の内部にタワー型ヒートシンクを取り付けた場合には、各平板状フィンの間の空隙部に送り込むための送風機（ファン）が筐体の内部の所定の位置、あるいはタワー型ヒートシンクにおける平板状フィンの配列方向に対してほぼ垂直な方向に冷却空気を流入もしくは流出させる位置に取り付けられることになる。
【特許文献１】特開平１１−２８７５７８号公報
【特許文献２】特開平７−２６３６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、このようなヒートパイプやヒートシンクを備えた冷却装置では、面積の広い下面部と上面部とを、複数の支柱が連結した構造となるので、内圧が低下することによる下面部あるいは上面部の窪み変形や、動作時に内圧が高くなることによる下面部あるいは上面部の膨らみ変形を防止することができる。しかしながら、それらの支柱に連結されている下面部と上面部とは、薄い平板部で構成され、剛性が低いために、ＣＰＵなどの電子素子を含む電子部品をヒートパイプに搭載あるいは密着させる際の押圧力によって、これらの上面部や下面部の中央部が変形するおそれがあった。
【００１０】
また、密閉容器の上面部もしくは下面部のうち、支柱が接合されている部分は支柱を介した熱伝導のみが生じるので、作動流体の蒸発・凝縮による熱輸送の用をなさなくなる。例えば、昨今の小型化の要請で、放熱されるべき電子部品が更に小さいチップとして構成されて支柱の断面積程度に小さくなった場合には、そのチップから上面部もしくは下面部を介して支柱に熱が伝達されるので、作動流体による熱の伝達が阻害されてしまう。そのため、装置全体として、熱輸送能力もしくは放熱性能などの冷却性能が劣るものとなっていた。
【００１１】
さらに、上述したタワー型ヒートシンクではベース部上に多数の平板状フィンが配置されているので、放熱面積を増加することができる。しかしながら、配置スペースが限られた電子機器などの筐体の内部でタワー型ヒートシンクを配置した場合には、その筐体の内部に在る各電子部品の配置に制約される。そのため、冷却性能上、必要なスペースを確保することができないおそれがあった。しかも、この問題を解決するためにタワー型ヒートシンク全体をコンパクト化（小型化）すると、平板状フィンやベース部もコンパクトにせざるを得なくなる。そのため、ヒートシンクの剛性が低下したり、冷却性能を担保することができないおそれもあった。
【００１２】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、密閉容器の構造強度や冷却性能を向上させることのできる冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが前記密閉容器の下面部に設けられ、その下面部が発熱部から熱を受ける受熱部となっている冷却装置であって、前記密閉容器に、作動流体の潜熱として熱を輸送する複数のヒートパイプが起立した状態で配置され、そのヒートパイプは開口端と閉止端とを有し、その閉止端に複数の平板状フィンが所定の間隔をあけて互いに平行に配列され、前記密閉容器における下面部に設けられた前記ウイックを前記密閉容器における上面部と前記下面部との間で支持する支柱が配置され、前記上面部に前記ヒートパイプを貫通させる孔部が形成され、その孔部がヒートパイプが貫通することにより閉じられ、前記下面部側の前記ウイックに前記ヒートパイプの開口端が接合されていることを特徴とする冷却装置である。
【００１４】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明における前記ヒートパイプの開口端が前記孔部に熱授受可能に接合されていることを特徴とする装置である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、支柱によって、ウイックを上面部と下面部との間で支持し、その上面部に形成された孔部がヒートパイプの開口端によって保持されるとともに、下面部側のウイックにヒートパイプの開口端が接合されているので、ウイックを密閉容器の内部に確実に固定することができる。また、この構造では、密閉容器における曲げモーメントが大きくなる所定の箇所での剛性が高くなるので、例えば電子部品を密着させる際に密閉容器に押圧力が加わった場合でも、密閉容器の変形を確実に防ぐことができる。そのため、密閉容器の剛性を低下させることなく、装置全体をコンパクト化することができる。さらに、ウイックにはヒートパイプの開口端が複数接合されているので、ヒートパイプの開口端とウイックとの接合部分の内面側に在る液相の作動流体を多量に蒸発させることができる。そのため、装置全体として作動流体の循環流動が促進されるので、冷却性能を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項２の発明によれば、ヒートパイプの開口端が上面部の孔部に熱授受可能に接合されているので、密閉容器本体の熱をヒートパイプに効率良く輸送することができる。そのため、装置全体の熱容量が大きくなるので、更に冷却性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明による冷却装置は、入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが密閉容器の内部に設けられた構造となっている。より具体的には、図１に示すように冷却装置１において、密閉容器２（平板型ヒートパイプの一種であるベーパーチャンバー）には作動流体３の潜熱として熱を輸送する複数の円筒状のヒートパイプ４が起立した状態で配置されており、そのヒートパイプ４の閉口端部（もしくは閉止端）４Ａには複数の平板状のフィン（放熱フィン）５が所定の間隔をあけて互いに平行に配列されている。また、密閉容器２の内部には、密閉容器２における（下面部２Ａもしくは上面部２Ｂの厚さ方向で）互いに対向する下面部２Ａおよび上面部２Ｂの各内面に設けられた各ウイック７Ａ，７Ｂを、下面部２Ａと上面部２Ｂとの間で支持する支柱８が配置されている。
【００１８】
密閉容器２は、銅などの熱伝導率の高い金属によって薄い直方体となっており、密閉容器２の下面部２Ａおよび上面部２Ｂが長方形状に形成されている。下面部２Ａ側および上面部２Ｂ側の各ウイック７Ａ，７Ｂにはヒートパイプ４の開口端部４Ｂが接合されている。下面部２Ａには所定の電子部品１１が取り付けられており、一方上面部２Ｂには開口端部４Ｂを貫通させる孔部１０が形成されている。この孔部１０は、開口端部４Ｂに熱授受可能に接合されており、開口端部４Ｂによって保持されている。また、孔部１０は上面部２Ｂにおける曲げモーメントが大きくなる箇所に形成されており、その箇所での剛性が高くなっている。例えば、下面部２Ａに電子部品１１を密着させる際に下面部２Ａに押圧力が加わった場合でも、下面部２Ａの変形を確実に防ぐことができる。その結果、密閉容器２の剛性を低下させることなく、冷却装置１全体をコンパクト化することができる。
【００１９】
ここで、下面部２Ａに取り付けられたウイック７Ａについて説明する。液相の作動流体３によってウイック７Ａが湿潤すると、下面部２Ａ側のウイック７Ａで、メニスカスが生じ、かつそのメニスカスにおける実効毛細管半径に反比例した毛細管圧力が生じる。ウイック７Ａは、その実効毛細管半径が小さくなるように形成されており、例えば微粒子（一例として粒径が２５〜１００μｍの銅粒子）を素材とした多孔質焼結体や網状体（一例として＃２００メッシュ）などによって構成されている。
【００２０】
また、上面部２Ｂに取り付けられたウイック７Ｂには、凝縮して浸透した液相の作動流体３が流動する、いわゆる流路が形成されており、その流路は液相の作動流体３の流動が円滑に生じるように形成されている。また、ウイック７Ｂは、その流路となる空隙部分が可及的に広い開口面積をもつか、あるいは可及的に直線状に繋がる形状に形成されており、例えば相対的に粗い目の網状体（一例として＃１００メッシュ）や素材粒子の径がウイック７Ａより相対的に大きい（一例として粒径が７５〜２５０μｍの銅粒子）多孔質焼結体、もしくは細溝（一例として０．１ｍｍ幅×０．１ｍｍ深さ）などによって構成されている。すなわちこの具体例では、ウイック７Ａは大きい毛細管圧力を生じるように構成され、ウイック７Ｂは液相の作動流体３に対する流動抵抗が小さくなるように構成されている。
【００２１】
さらに、支柱８は、円柱状に伸びたコラム状の構造であり、その両端面は平坦になっている。なお、支柱８の高さは、下面部２Ａと上面部２Ｂとの間の幅と同じ寸法に設定されている。この支柱８は密閉容器２と同じ材料を用いて形成することができ、プレスによる鍛造成形（加工）や鋳造など、適宜の方法で形成してもよい。
【００２２】
つぎにこの発明における冷却装置の作用について具体的に説明する。まず、電子部品１１で発生した熱が下面部２Ａに伝達される。したがって、下面部２Ａが冷却装置１の入熱部となる。ついで、下面部２Ａに伝達された熱がウイック７Ａに浸透している液相の作動流体３に伝達されてその作動流体３が蒸発する。この状態では、開口端部４Ｂとウイック７Ａとの接合部分の内面側に在る液相の作動流体３が蒸発する。
【００２３】
一方、下面部２Ａから上面部２Ｂに移動した熱は、温度差のある上昇方向へ伝達される。開口端部４Ｂと上面部２Ｂの孔部１０とが熱授受可能に接合されているので、上面部２Ｂの熱は、ヒートパイプ４を経由して各平板状フィン５に伝達される。このヒートパイプ４は密閉容器２に複数配置されているので、広い放熱面積を確保することができる。そのため、冷却装置１全体の熱容量が大きくなる。
【００２４】
続いて、図示しない送風ファンからヒートパイプ４の閉口端部４Ａに向けて送風が行われた場合には、熱が伝達された開口端部４Ｂの内面側の熱が放出される。この閉口端部４Ａで放熱が生じていることにより、閉口端部４Ａの内部の圧力が低くなる。そのため、ヒートパイプ４の内部に在る蒸気がその内部の温度および圧力の低い箇所に移動（開口端部４Ｂの内面側に発生した蒸気が開口端部４Ｂとウイック７Ａとの接合部分の内面側に流動）する。
【００２５】
このように閉口端部４Ａおよび上面部２Ｂの熱が外部に奪われることにより、開口端部４Ｂとウイック７Ａとの接合部分の内面側および密閉容器２の内部（下面部２Ａと上面部２Ｂとの間の空隙部）に在る気相の作動流体３が凝縮して液化する。この密閉容器２の内部に在る液化した作動流体３がウイック７Ｂに浸透する。ウイック７Ａで液相の作動流体３が蒸発することにより、そのウイック７Ａにおけるメニスカスが下がるので、その実効毛細管半径に応じた毛細管圧力によって液相の作動流体３を引き上げるポンプ力が生じる。
【００２６】
そして、各ウイック７Ａ，７Ｂの内部に形成されている流路が連通し、かつ液相の作動流体３によって満たされていることにより、密閉容器２の内部に在る液化した作動流体３がウイック７Ａのポンプ力によって下面部２Ａ側に吸引される。こうして、作動流体３が蒸発と凝縮とを繰り返してヒートパイプ４の内部を循環流動することにより、作動流体３の潜熱として熱が輸送される。
【００２７】
なお、この具体例では、ウイック７Ａに開口端部４Ｂが複数接合されているので、開口端部４Ｂとウイック７Ａとの接合部分の内面側に在る液相の作動流体３を多量に蒸発させることができる。そのため、冷却装置１全体として、作動流体３の循環流動が促進されるので、冷却性能を向上させることができる。
【００２８】
なお、上述の具体例では、各ウイック７Ａ，７Ｂは、密閉容器２における互いに対向する下面部２Ａおよび上面部２Ｂの各内面にそれぞれ設けられているが、この発明のウイックは、この具体例に限定されない。要は、作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが、密閉容器の内部に設けられていればよく、例えば、ウイックが、下面部および上面部の少なくとも一方の内面に設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明における冷却装置の一具体例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…冷却装置、  ２…密閉容器、  ２Ａ…下面部、  ２Ｂ…上面部、  ３…作動流体、  ４…ヒートパイプ、  ４Ａ…閉口端部、  ４Ｂ…開口端部、  ５…平板状フィン、  ７Ａ，７Ｂ…ウイック、  ８…支柱、  １０…孔部、  １１…電子部品。
【図１】
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