(57)【要約】【課題】本明細書開示のヒートパイプ及び電子装置は、温度に応じて適切な冷却能力を発揮することを課題とする。【解決手段】ヒートパイプは、パイプ材と、前記パイプ材内に封入された作動流体と、多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、を備える。これにより、温度に応じて適切な冷却能力を発揮することを課題とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ材と、
前記パイプ材内に封入された作動流体と、
多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、
を備えたヒートパイプ。
【請求項２】
前記感温ゲルの相転移温度は、前記パイプ材の第１の端部から第２の端部に向かうに従って高く設定された請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
ヒートパイプを備える電子装置であって、前記ヒートパイプは、
パイプ材と、
前記パイプ材内に封入された作動流体と、
多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、
を備えた電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプ及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆるスマートフォンをはじめとするモバイル機器の開発が加速している。特にスマートフォンやタブレット等の電子装置は、携帯性が要求され、その薄型化も推進されている。その一方、電子装置が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）、電力管理用チップ、通信用チップ等の電子部品は、熱により機能低下を起こすために冷却をすることが求められる。従来、スマートフォン等の電子装置における冷却は、主にパッシブ機構により行われており、熱源からの熱伝導による熱の移動、および移動させた熱を広い面積の部材に拡散させることで均熱化が行われている。このような均熱化では、発熱源となる電子部品が発した熱は、熱輸送部材を通じて電子装置における人体接触の少ない箇所に伝熱される。伝熱された熱は装置表面から自然放熱される。ここで、熱輸送部材としてヒートパイプを用いることができる。ヒートパイプは、例えば、特許文献１等に開示されている。特許文献１には、温度に応じて作動流体の流動を遮断することができるヒートパイプが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−６６０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電子装置の発熱量が増加傾向にある近年において、電子装置の均熱化を進めると、電子装置が使用されている多くの時間帯において電子装置の表面が発熱し、使用者が不快に感じることがある。また、電子装置が備える電池に伝熱されると、電池温度上昇による充電抑制が起こり易くなると考えられる。このような不都合を考慮すると、電子装置の低負荷動作では、極力、人体接触部分や電池の温度上昇抑制をして使用感を維持することが求められる。すなわち、人体接触分の温度が上昇することによって使用者が不快感を覚えることや、電子装置の動作速度が低下することを回避することが求められる。また、高負荷動作では、高い冷却能力が発揮されることが求められる。特許文献１に開示されたヒートパイプによれば、搭載される機器の温度に応じて作動流体の流動を制御することが可能になると考えられる。しかしながら、スマートフォン等の携帯が前提となる電子装置にヒートパイプを採用すると、その姿勢の変化に伴って作動流体が移動してしまうため、適切な冷却が行われない可能性がある。この点は、特許文献１に開示されたヒートパイプであっても同様である。
【０００５】
１つの側面では、本明細書開示のヒートパイプ及び電子装置は、温度に応じて適切な冷却能力を発揮することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書開示のヒートパイプは、パイプ材と、前記パイプ材内に封入された作動流体と、多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、を備える。
【０００７】
本明細書開示の電子装置は、ヒートパイプを備える電子装置であって、前記ヒートパイプは、パイプ材と、前記パイプ材内に封入された作動流体と、多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書開示のヒートパイプ及び電子装置によれば、温度に応じて適切な冷却能力を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は第１実施形態のヒートパイプを熱輸送方向に沿って断面とした際に観察される端面図である。
【図２】図２（Ａ）は低温状態における感温ゲルの状態を模式的に示す説明図であり、図２（Ｂ）は低温状態におけるヒートパイプの内部の様子を模式的に示す説明図である。
【図３】図３（Ａ）は高温状態における感温ゲルの状態を模式的に示す説明図であり、図３（Ｂ）は高温状態におけるヒートパイプの内部の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】図４は高温状態におけるヒートパイプ内での作動流体の移動を模式的に示す説明図である。
【図５】図５は第１実施形態のヒートパイプの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は第１実施形態のヒートパイプを備えた電子装置の分解斜視図である。
【図７】図７（Ａ）は裏側カバーを外した状態の電子装置を裏側からみた説明図であり、図７（Ｂ）は板金のグラファイトシートを貼付した状態を示す説明図である。
【図８】図８は第２実施形態のヒートパイプの内部の様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。
【００１１】
（第１実施形態）
まず、図１乃至図４を参照しつつ、第１実施形態のヒートパイプについて説明する。図１は第１実施形態のヒートパイプを熱輸送方向に沿って断面とした際に観察される端面図である。図２（Ａ）は低温状態における感温ゲルの状態を模式的に示す説明図であり、図２（Ｂ）は低温状態におけるヒートパイプの内部の様子を模式的に示す説明図である。図３（Ａ）は高温状態における感温ゲルの状態を模式的に示す説明図であり、図３（Ｂ）は高温状態におけるヒートパイプの内部の様子を模式的に示す説明図である。図４は高温状態におけるヒートパイプ内での作動流体の移動を模式的に示す説明図である。
【００１２】
図１乃至図４を参照すると、ヒートパイプ１は、パイプ材２と、ウィック３１と作動流体３２を備える。図１や図２（Ｂ）で示すゲル化ウィック３は、図２（Ａ）に示すように、ウィック３１が作動流体３２を保持することでゲル状となっている。このように、ウィック３１が作動流体３２を保持してゲル状となっているときは、作動流体が移動することができず、ヒートパイプ１は熱輸送を行わない。このような状態となるのは、後に詳説するウィック３１に含まれる感温ゲルが相転移温度未満のときである。
【００１３】
一方、図３（Ｂ）に示す状態では、ウィック３１は、図３（Ａ）で示すように、作動流体３２を放出し、体積収縮した状態となっている。ウィック３１は、このような状態となることにより、毛細管現象による作動流体３２の移動を実現し、本来のウィックとしての機能を発揮することができる。また、作動流体３２が自由に移動することができるようになるため、ヒートパイプ１は、熱輸送をすることができる。このような状態となるのは、ウィック３１に含まれる感温ゲルが相転移温度以上のときである。このように、ウィック３１が作動流体３２を放出すると、パイプ材２内に、蒸発した作動流体３２が移動することができる通路４が形成される。蒸発部側で蒸発した作動流体３２は、図４中、矢示４ａで示すように通路４を移動し、凝縮部側へ移動する。凝縮部側に移動した作動流体３２は、凝縮し、図４中、矢示３１ａで示すようにウィック３１内をその毛細管現象によって移動し、再び蒸発部側に戻される。このようにして、熱輸送が行われる。
【００１４】
パイプ材２は、銅管により形成されている。本実施形態においては、熱伝導性が高い素材として銅管が採用されているが、ヒートパイプのパイプ材として従来公知の他の素材を用いてもよい。パイプ材２の第１の端部２ａは、ヒートパイプ１が搭載される装置等における高温雰囲気部に配置される蒸発部側となる。パイプ材２の第２の端部２ｂは、ヒートパイプ１が搭載される装置等における低温雰囲気部に配置される凝縮部側となる。
【００１５】
ウィック３１は、多孔質体と、この多孔質体に担持された感温ゲルを含む。本実施形態における多孔質体は、カーボンファイバーによって形成されている。多孔質体は、熱伝導率が高く、柔軟性を有し、さらに化学的な二次処理が可能であることが望ましい。カーボンファイバーは、このような観点から選定されている。ウィック３１は、パイプ材２の内周壁面２ｃに接触させて配置されている。
【００１６】
多孔質体は、熱伝導率が高いことで感温ゲルまで速やかに熱を運ぶことができる。また、柔軟性を有することで不織布形状としたり、織物化が可能となり、作動流体の移動に必要となる毛細管力を付与したりすることができる。化学的な二次処理が可能である材料を選定することで、材料の表面を化学的に処理することが可能となる。ここで、化学的な二次処理とは、例えば、後に詳説するグラフト化処理のことである。グラフト重合を活用すれば、多孔質体に、直接、感温ゲルを化学結合させることが可能となる。
【００１７】
多孔質体に用いる材料は、必ずしもカーボンファイバーである必要はないが、繊維状の素体を使って作り上げた多孔質構造であることが望ましい。カーボンファイバー以外では金属材料を繊維化し、多孔質構造にしたものを好適に用いることができる。
【００１８】
なお、多孔質体の熱伝導率が低い場合でも、ウィックとして形成したときの厚みが十分に薄い場合は感温ゲルに熱を伝達することができるため、ヒートパイプとして問題なく動作させることが可能である。この場合、樹脂系の繊維材料やセラミックスファイバーなどでも用いることができる。また、多孔質体は、例えば、素焼き素材を採用してもよい。
【００１９】
多孔質体に担持される感温ゲルに用いられる基本材料は主としてポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリビニルメチルエーテルをベースとしたポリマーで、その誘導体、共重合体が用いられる。特にポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）のイソプロピル基を置換した誘導体が好適に用いられる。ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）はおおよそ３２℃で相転移を起こす。このような感温ゲルは、３２℃未満では親水性を示し、自重の数百倍の水を取り込んでゲル化し、３２℃以上の温度では疎水化し、吸着していた水を吐き出すという特徴を有する。このような感温ゲルは、相転移をするときに、水の出入りに伴って、大きな体積変化を起こす。
【００２０】
ここで、相転移温度は、制御することができる。相転移温度の制御については、従来公知の技術を用いることができる。感温ゲルの相転移温度は、例えば、主となるポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）のイソプロピル基を置換した誘導体と、共重合可能な親水性ポリマー、疎水性ポリマーの配合によって制御が可能である。相転移温度は、ヒートパイプ１が搭載される装置に応じて、適宜選定することができる。例えば、ヒートパイプ１をスマートフォン等の電子装置に搭載するときは、その電子装置の動作温度を制御することが目的となり、相転移温度は、３０℃〜６０℃の範囲内で設定されることが望ましい。
【００２１】
多孔質体としてのカーボンファイバーに感温ゲルを担持させる方法は、共有結合による方法と、非共有結合による方法に大別することができる。共有結合による方法はグラフト重合を利用するグラフト化処理となる。あらかじめ成長させておいたポリマーを導入するグラフト導入法は、直接付加であるラジカル付加や環化付加の利用や、酸化処理を行ったカーボンファイバーに導入されたＯＨ基やＣＯＯＨ基へのカップリング利用が挙げられる。カップリングは、ポリマー鎖末端官能基のみならず側鎖に官能基がある場合でも可能である。表面改質されたカーボンファイバーから成長させるグラフト成長法は、カーボンファイバー表面に重合開始点を導入し、そこから重合を開始させる手法である。リビングラジカル重合の一種であるAtom Transfer Radical Polymerization（ＡＴＲＰ）法や、Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer （ＲＡＦＴ）法がある。これらの手法は、これまで種々の基板表面で確立されていた反応重合開始剤導入法をそのままカーボンファイバー表面に適用できるため利便性も高い。
【００２２】
一方、非共有結合による方法は、カーボンファイバーをマトリクス材料として感温ゲルを固定化する方法と、逆に感温ゲルをマトリクス材料としてカーボンファイバーを固定化する方法に大別することができる。感温ゲルは体積的な膨張収縮を繰り返すため、共有結合により固定されている方が望ましいが、多孔質体の網目サイズと感温ゲルの粒子サイズを調整することで、感温ゲルの固定操作を不要とすることも可能である。すなわち、多孔質体の網目サイズを感温ゲルの粒子サイズよりも小さくすることで、多孔質体の網目部に感温ゲルの粒子を保持することができる。
【００２３】
このように、感温ゲルを担持した多孔質体は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、相転移温度より低温の状態ではヒートパイプ１の作動流体３２をゲル化した状態で保持している。一方、多孔質体は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、高温になると感温ゲルが疎水化し、作動流体３２を液体として放出して体積収縮する。その結果、多孔質体はウィック３１として機能するようになり、さらに作動流体３２の動作がフリーになるためヒートパイプ１は熱輸送を行うことができるようになる。
【００２４】
ここで、図５に示すフローチャートを参照しつつ、ヒートパイプ１の製造方法の一例について説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ１において、ウィック３１となる多孔質体として準備したカーボンファイバーのグラフト化を行う。これにより、カーボンファイバーに感温ゲルを担持させる。具体的に、あらかじめ不織布として形成したカーボンファイバーにグラフト成長法によりポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）をグラフト重合する。次に、ステップＳ２において、感温ゲルに純水を保持させるゲル化を行う。ここで、純水を用いるのは、不純物の混入を回避するためである。また、純水の温度は、相転移温度以下、例えば、２０℃に設定する。これにより、感温ゲルの含水量を飽和状態にする。この状態にすることで未反応モノマーは溶媒となる水中に溶けだしてくる。
【００２６】
次に、ステップＳ３において、純水による流水洗浄を行い、浸透圧の差により未反応モノマーを除去する。未反応のモノマーは、ヒートパイプ中で非凝縮性のガスになる。また、未反応のモノマーは、ウィック３１に侵入して目をつぶして毛細管力を阻害する等の不具合を起こし、熱輸送性能に影響を与えることが考えられる。そのため未反応のモノマーは、十分に除去しておく。なお、流水洗浄に純水を用いるのは、不純物の混入を回避するためであり、また、純水の温度は、相転移温度以下、例えば、２０℃に設定する。
【００２７】
つぎに、ステップＳ４では、作製したウィック３１を相転移温度以上の温度、例えば、４０℃に昇温し、相転移によりウィック３１中から水を抜く。その後、真空乾燥を行い、ウィック３１から余剰な水分を抜く。そして、ウィック３１を所定形状にカットする。これにより、本実施形態のヒートパイプ１に用いられるウィック３１を作成することができる。
【００２８】
次に、ステップＳ５において、作成したウィック３１を銅管であるパイプ材２に入れる。この際、ウィック３１は、パイプ材２の内周壁面２ｃに接触させる。ステップＳ６において、相転移温度以上の温度、例えば、４０℃以上にパイプ材２、ウィック３１を加熱した状態で、作動流体３２となる純水を所定量封入する。そして、ステップＳ７において、パイプ材２内の真空脱気を行い、ステップＳ８において、非凝縮性のガスを除去した状態でパイプ材２を封鎖する。以上の工程を経ることで、本実施形態のヒートパイプ１を作成することができる。
【００２９】
以上のようなヒートパイプ１は、種々の装置に搭載することができる。本実施形態においては、図６、図７を参照しつつ、ヒートパイプ１を電子装置１０に搭載する例について説明する。本実施形態における電子装置１０は、いわゆるスマートフォンであるが、これに限定されるものではない。
【００３０】
電子装置１０は、フロントガラス１１、液晶ディスプレイ１２、板金１３、基板１４、電池１５及びグライファイトシート１６を備える。これらは、枠状の筐体１７内に収納されている。筐体１７の裏面側に裏側カバー１８が装着される。フロントガラス１１と液晶ディスプレイ１２は、一体に設けられており、画面ユニットが形成されている。画面ユニットには、タッチパネルも組み込まれている。基板１４には、ＣＰＵ、メモリー、無線用通信チップ、電力管理用チップ等、種々のチップが実装されている。図６では、説明の都合上、各チップには、参照番号１４ａ、１４ｂ、１４ｃが付されている。各チップ１４ａ、１４ｂ、１４ｃには、電磁波シールドの機能を持つように設計したシールド板金がキャップ状に被せられている。チップ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、それぞれ、発熱源となる。グライファイトシート１６は、第１の放熱経路を形成する。
【００３１】
また、本実施形態のヒートパイプ１は、図７（Ａ）に示すように、発熱源となる各チップ１４ａ等に対応させて配置されている。なお、ヒートパイプ１は、電子装置１０に組み込むにあたり、図示のように屈曲成形されている。ヒートパイプ１は、第２の放熱経路を形成する。
【００３２】
発熱源であるチップ１４ａ等からの熱は第１の放熱経路であるグライファイトシート１６を通じて、面積、熱容量の大きい液晶ディスプレイ１２の裏側に設置される板金１３に移動させ、均熱化が図られる。負荷の軽い使用状態では、ヒートパイプ１の動作は制限されるため、この第１の放熱経路が支配的となる。これにより、電子装置１０の持ち手部分への伝熱を最小限に抑えつつ、十分なチップ放熱を実現することができる。
【００３３】
ヒートパイプ１は、第２の放熱経路として、基板１４の背面から裏側カバー１８の下側への経路を形成する。ヒートパイプ１は、第１の端部が、基板１４の背面の熱源部に接触するように設置される。熱源部であるチップ１４ａ等とヒートパイプ１の間は熱的な接触が良くなるようにＴＩＭ（Thermal Interface Material）を配置してもよい。さらに裏側カバー１８の熱拡散を促進したい部分にはグラファイトシートを張り付け、ヒートパイプ１と接触するようにしてもよい。電子装置１０をこのように組み上げることで、動作負荷が大きい処理によりチップ温度が上昇しても、自動的に放熱面積を増やすことができ、効果的にチップ冷却を行うことができるようになる。
【００３４】
ＴＩＭとして用いられる部材は、液状のグリース、使用温度範囲内に相転移温度を持ち固体−液体変化により密着性を増すフェイズチェンジ、柔軟性の固体でできているシートの３種が主としてあげられる。グリース、およびフェイズチェンジはゴム弾性がないため、薄い部位に反発力無く設置するには適しているが、ポンプアウトなどにより密着が保てなくなり、大幅に熱抵抗が増大する問題がある。シートはゴム弾性を有しているため、ポンプアウトはなく、高い信頼性を期待できるが、圧縮しすぎると大きな反発力を持つため、板金を押し返し、液晶にじみや蓋が閉まらないなどの問題を起こす可能性がある。また、柔軟性、熱伝導率が高いほど効果的であるが、おおむね熱伝導率が高いと柔軟性は低くなる傾向がある。柔軟性が高すぎると、組み立て工程時に取り扱えないなどの問題も生じる。これらの条件を考慮してＴＩＭを選択する必要がある。
【００３５】
板金１３は機器の構造により担う機能に差はあるが、おおむね画面の保護、チップ１４ａ等からの熱拡散、機器の剛性を維持することが求められる。そのため金属が使われている。ここに用いられる金属も、シールド板金と同様であり、単材でも複合材でもよくＡｌ、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇおよびその複合材料がよく使われている。熱伝導性の補助にグラファイトシート等のシート材料を張り付けることも可能である。なお、本実施形態では、パイプ材２を用いたヒートパイプ１としているが、同様な手法でベーパーチャンバーを作り、温度に応じて放熱面積を変える構成としてもよい。
【００３６】
本実施形態のヒートパイプ１によれば、低温状態のときに作動流体３２がゲル化するので、電子装置１０の姿勢が変化しても、作動流体３２が動いてしまうことがない。これにより、温度に応じて適切な冷却能力を発揮することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
つぎに、第２実施形態につき、図８を参照しつつ説明する。図８は第２実施形態のヒートパイプの内部の様子を模式的に示す説明図である。第２実施形態のヒートパイプ５１では、感温ゲルの相転移温度が、パイプ材２の第１の端部２ａから第２の端部２ｂに向かうに従って高く設定されている。具体的に、パイプ材２の第１の端部２ａからＰ１地点間に相転移温度がＴ１に設定された第１ウィック３１１が配置されている。Ｐ１地点からＰ２地点間に相転移温度がＴ２に設定された第２ウィック３１２が配置されている。そして、Ｐ２地点から第２の端部２ｂ間に相転移温度がＴ３に設定された第３ウィック３１３が配置されている。温度の関係は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３であり、例えば、Ｔ１＝３２℃、Ｔ２＝４０℃、Ｔ３＝５０℃に設定することができる。このような構成とすることで、温度上昇に応じて熱輸送距離が延びるようにすることができる。すなわち、温度に応じ、第１の端部２ａからＰ１地点までの間で相転移が生じると、当該範囲内でおいてのみ作動流体が移動し、当該範囲内で熱の移動が行われる。例えば、電子装置の低負荷時には、かかる狭い範囲内にのみ放熱を行う。これにより、人体接触部への伝熱を回避し、使用者が不快に感じることを抑制することができる。そして、発熱量の増大に伴って、順次、熱輸送距離を延長し、放熱範囲を拡大することで多量の発熱に対処することができる。
【００３８】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【００３９】
なお、以上の実施形態の説明に関して、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
パイプ材と、
前記パイプ材内に封入された作動流体と、
多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、
を備えたヒートパイプ。
（付記２）
前記感温ゲルの相転移温度は、前記パイプ材の第１の端部から第２の端部に向かうに従って高く設定された付記１に記載のヒートパイプ。
（付記３）
ヒートパイプを備える電子装置であって、前記ヒートパイプは、
パイプ材と、
前記パイプ材内に封入された作動流体と、
多孔質体と、前記多孔質体に担持され、相転移温度未満の温度において前記作動流体を保持する感温ゲルと、を含み、前記パイプ材内に封入されたウィックと、
を備えた電子装置。
（付記４）
前記感温ゲルの相転移温度は、前記パイプ材の第１の端部から第２の端部に向かうに従って高く設定された付記３に記載の電子装置。
【符号の説明】
【００４０】
１、５１  ヒートパイプ
２  パイプ材
２ａ  第１の端部
２ｂ  第２の端部
２ｃ  内周壁面
３  ゲル化ウィック
３１  ウィック
３２  作動流体
４  通路
１０  電子装置
１１  フロントガラス
１２  液晶ディスプレイ
１３  板金
１４  基板
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  チップ
１５  電池
１６  グライファイトシート
１７  筐体
１８  裏側カバー
３１１  第１ウィック
３１２  第２ウィック
３１３  第３ウィック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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