(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片側の面はヒートシンクが装着されて面放熱せしめられる放熱面であり、他の片側の面は放熱体が装着されて面加熱せしめられる受熱面であり、この様な両面を有するプレートの中にはプレート形状密閉コンテナが内蔵せしめられて構成された面間熱輸送用のプレートヒートパイプとして構成され、プレート形状密閉コンテナの受熱面側には受熱部と放熱部の間を多数回往復し、常に作動液滴が細管トンネル内をその表面張力により充填した状態で移動する細管トンネル密閉ヒートパイプのコンテナが配置され、プレート形状密閉コンテナの放熱面側には両内壁面に所定の距離間隔で配列された所定の外径のピン群が接合されて、これにより両内壁面は相互に接続され、作動液がその表面張力により充填状態となり作動液蒸気の移動を妨げないようにした密閉コンテナが配置され、細管トンネル密閉ヒートパイプのコンテナと密閉コンテナとの両コンテナには夫々に異種類または同一種類の二相凝縮性作動液の夫々の所定の量が封入封止されてヒートパイプとして構成されてあることを特徴とする複合型プレートヒートパイプ。
【請求項２】
前記ヒートシンクは前記片側の面の面積に対して比較的大きな接触面を有しており、前記放熱体は前記他の片側の面の放熱面より大幅に小さな接触面を有し、前記プレート形状密閉コンテナの受熱面側のコンテナ壁は厚肉に形成されてあり、前記細管トンネルヒートパイプの細管トンネルの相当直径は２ｍｍ以下であり蛇行ターン数（細管並列部の本数）は３０ターン以上であり、前記プレート形状密閉コンテナの放熱面側のコンテナ壁は厚くても２ｍｍ以下の薄肉に形成されてあり、プレート形状コンテナの両内壁面は少なくも２ｍｍ以上の間隔で平行して対向せしめられてあり、平板状密閉コンテナの両内壁面を連結するピン群は碁板目状態に整列配設されてあり、受熱面側の内壁面上におけるピン群の碁板目状間隙にはウイックが装着されてあり、ウイックは細線群が集合撚りされた撚線群が二層に直交してピン間隙に圧入固定されて構成されたウイックであることを特徴とする請求項１に記載の複合型プレートヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はプレートヒートパイプの構造に関するもので、特に小型で接着面積の小さな発熱体の熱量を大型放熱器の大きな接着面積に高感度で且つ効率的に拡散輸送する従来のプレートヒートパイプの機能を全く損なわず且つ如何なる適用姿勢でも熱量輸送性能を保持することを可能ならしめるプレートヒートパイプの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術におけるプレートヒートパイプでは図５に例示の如くプレートヒートパイプ１１にはプレート状密閉コンテナ１１−１が内蔵せしめられて構成され、密閉コンテナの両内壁面間はピン群１３により相互に連結せしめられることにより密閉コンテナの耐圧性が補強されてあり、更に密閉コンテナの両内壁面の夫々にはピン間隙にウイック１４が形成されてあり、密閉コンテナ内には高真空に脱気の後に所定の二相凝縮性作動液５の所定の量が封入封止されて構成されてあることが一般的であった。この様なプレートヒートパイプ１１は高感度で熱拡散機能を発揮し、その受熱面１１−２に装着された小型発熱体６の小面積の接着面からも良好に熱量を吸収し、放熱面１１−３に装着された大型ヒートシンク７の広い接着面にも効率よく且つ全面均一に熱量を輸送することを可能ならしめ、ヒートシンク７のフィン群７−１から冷却対流８に良好に熱量を伝達するものであった。プレートヒートパイプが小型の場合は図５に例示のウイック１４は省略されることがある。この場合にも機能的な特徴には大差がない。
【０００３】
上述のごとく構成されたプレートヒートパイプは図５の如く受熱面を底面として水平に保持した場合は以下の如く作動する。密閉コンテナ１１−１の底面のウイック１４に充満した二相凝縮性作動液１５は小型発熱体６からの熱入力により小型発熱体６の接着面に対応した密閉コンテナ１−１の底面における、小型発熱体６の接着面よりやや広い部分を蒸発部として蒸発する。この際の蒸発の潜熱を吸収した作動液蒸気は作動液蒸気流１５−２の矢印の如く蒸発部（高温高蒸気圧部）から総ての低温部（低蒸気圧部）に向かって高速度で移動し、低温部で凝縮の潜熱を放出しながら凝縮して低温部に熱量を供給する。低温部で凝縮液化された凝縮作動液は１５−２はピン群を介して密閉コンテナ１１−１の底面に移動し、更にウイック１４の作用により蒸発部に還流する。この様な作動液の相変化を伴う循環により小型発熱体６による供給熱量は密閉コンテナ１１−１内の、受熱部より温度の低い総ての部分に熱量を供給する。この場合受熱部との温度差の大きい部分に向かう作動液蒸気流１５−２程流速が早く、即ち温度差の大きい部分程多くの熱量が供給されることになる。従ってこの様なプレートヒートパイプはその総ての部分に熱量を高感度効率的に拡散せしめるとともに表面温度を均一化せしめる特長を備えている。
【０００４】
図５に例示の従来技術のプレートヒートパイプは上述の如く作動するから受熱面を底面として水平に保持した場合に最も良好な性能を示し、傾斜角度が大きくなるほど性能が低下する。密閉コンテナ１１−１の厚さが４ｍｍ前後の如く薄い場合は受熱面を頂面に放熱面を底面とした場合でも比較的良好に作動する。この保持姿勢の場合は放熱面に凝縮作動液１５−１が停滞し、受熱面に作動液が不足となり、作動困難になる筈であるが、実際にはピン群１３の伝熱により放熱面側に停滞した作動液が沸騰しこれにより、受熱面に作動液が供給されてヒートパイプとしての作動が可能になるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく従来技術のプレートヒートパイプは熱量を高感度効率的に拡散せしめるとともに表面温度を均一化せしめる優れた特長を有するが、従来技術の円筒ヒートパイプと同様な各種の問題点を有しており、産業界ではその優れた機能を損なうことなくその問題点を解決することが要望されている。即ち本願発明のプレートヒートパイプは従来技術のプレートヒートパイプの優れた特長を維持しつつその大きな問題点である熱輸送性能及び熱拡散性能の保持姿勢依存性を改善することを目的としている。
【０００６】
プレートヒートパイプは必ずしも水平保持姿勢またはそれに準ずるような小傾斜角度姿勢のみで使用されるとは限らない。傾斜角度が大きくしかも小型発熱体６の接着位置が放熱部に対し相対的に水位が高い姿勢の場合即ちトップヒートモードでは性能が大幅に低下する。その極端な場合として図６に示してある例ではプレートヒートパイプが垂直に保持され小型発熱体６は最も水位の高い位置に接着されてある。このような保持姿勢の場合には凝縮作動液１５−１は密閉コンテナ１１−１の低位置に図の如く停滞する。凝縮作動液１５−１はウイック１４の作用により密閉コンテナ１１−１の内壁に沿って上昇するが重力に妨げられて極めて少量のみが小型発熱体６が接着されている位置まで到着するに過ぎない。従って作動液蒸気の発生量も極めて少ないので作動液蒸気流１５−２は図示されていない。これは放熱面側のウイック１４を通じて行われるべき作動液の還流も極めて少なく、停滞凝縮作動液１５−１は殆ど増減が無いことになる。結局作動液の循環量は極めて少ないものとなり、図６に例示の如き保持姿勢におけるこのプレートヒートパイプ放熱性能はピン群１３の金属間熱伝導による放熱性能より若干良好な程度となる。
【０００７】
ウイック１４が省略されたウイックレスのプレートヒートパイプの場合は停滞凝縮作動液１５−１からの蒸発部に対する作動液還流は更に困難になりプレートヒートパイプの作動は全く停止する。同様の理由からこのプレートヒートパイプは傾斜角度が少なくても放熱性能は極めて悪化する。このようなプレートヒートパイプの放熱はピン群１３による金属間熱伝導による放熱のみとなりヒートパイプとは云い難いような低性能のものとなる。
【０００８】
またウイックレス構造のプレートヒートパイプにおいて内蔵する密閉コンテナ１１−１の厚さが３ｍｍ以下の如く極めて薄い場合は上記の如き熱性能の保持姿勢依存性は更に大きくなる。即ち傾斜により偏在した凝縮作動液１５−１はコンテナ内の処々においてコンテナを充填する状態になり、作動液蒸気流の流れが妨害され、作動液蒸気の分布が不均一になりプレートヒートパイプの最大の特長の温度均一化性が失われるに至る。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
従来型プレートヒートパイプの熱輸送及び熱拡散性能の保持姿勢依存性の改善手段としては保持姿勢依存性の極めて少ない蛇行細管トンネルプレートヒートパイプとの複合一体化せしめることによりこの二種類のプレートヒートパイプの機能を相互補完せしめ、保持姿勢依存性を解消せしめる。
【００１０】
複合型プレートヒートパイプについて、本発明者は先に特願平８−１８２５８８号及び特願平８−２２４２９８号を提案し現在実用化に努めつつある。然しこの先特願の複合型プレートヒートパイプは構成も複合化により得られる機能も本願発明とは全く異なるものである。先特願の複合型プレートヒートパイプにおいては薄形プレートの片面に突起成形された蛇行細管ヒートパイプを主体として、その特性を、その突起間隙に自ら形成される従来型細管ヒートパイプのプレートヒートパイプにより補完して高性能化を図るものである。それに対して本願発明の複合型プレートヒートパイプは前述の通り従来型プレートヒートパイプと蛇行細管トンネルプレートヒートパイプとを複合一体化せしめて従来型プレートヒートパイプの熱輸送性能を改善するものである。
【００１１】
図１は本願発明の複合型プレートヒートパイプ基本構造を示す説明図の断面図である。その片側の面はその面積に対して比較的大きな接触面を有するヒートシンク７が装着されて面放熱せしめられるコンテナ放熱面１−３であり、他の片側の面は放熱面より大幅に小さな接触面を有する小型放熱体が装着されて面加熱せしめられるコンテナ受熱面１−２であり、この様な両面を有するプレートの中にはプレート形状密閉コンテナ１−１が内蔵せしめられて構成されてある面間熱輸送用のプレートヒートパイプ１に於て、プレート形状密閉コンテナ１−１の受熱面側のコンテナ壁は厚肉に形成されてあり、この厚肉のコンテナ壁内には細管トンネルの密閉コンテナ２が受熱部と放熱部の間を多数回の往復蛇行を繰り返して構成される蛇行細管トンネルヒートパイプ２が作り込まれてあり、蛇行細管トンネルヒートパイプ２の細管トンネルの相当直径は２ｍｍ以下であり蛇行ターン数（細管並列部の本数）は３０ターン以上であり、プレート形状コンテナの放熱面側のコンテナ壁は厚くても２ｍｍ以下の薄肉に形成されてあり、プレート形状密閉コンテナ１−１の両内壁面は少なくも２ｍｍ以上の間隔で平行して対向せしめられてあり、両内壁面には所定の距離間隔で配列された所定の外径のピン群３が接合されて、これにより両内壁面は相互に耐圧性を補強しあって、且つ伝熱的に接続されてあり、蛇行細管トンネル密閉コンテナ２とプレート形状密閉コンテナ１−１との両コンテナには夫々に異種類または同一種類の二相凝縮性作動液の夫々の所定の量が封入封止されてヒートパイプとして構成されてあることを特徴としている。図３は受熱面側密閉コンテナ壁内における受熱面側から見た蛇行細管トンネルヒートパイプ２が作り込まれてある状態を示す平面図である。上記の構成は要約すると通常のプレートヒートパイプの受熱面に蛇行細管トンネルプレートヒートパイプが面接合せしめられて一体化されたプレートヒートパイプであることになる。
【００１２】
【作用】
図１、図５、図６に例示の如く適用する場合におけるプレートヒートパイプの熱輸送性能の良否は、受熱面から吸収した熱量を、全放熱面に如何に効率的に、且つ如何に均一に配分輸送するかに掛っている。この観点から考察した場合に、図１に例示の本願発明のプレートヒートパイプが図５に例示の従来型のプレートヒートパイプに比較して熱輸送性能の改善に如何に貢献するかについて述べる。
【００１３】
（１）蛇行細管ヒートパイプの温度均一性が極めて良好になる。
蛇行細管ヒートパイプは作動液の軸方向振動によって熱量を輸送する。従って管内圧力損失によって輸送能力が減衰する。管内圧力損失は管の直径、熱輸送距離、蛇行部分の曲げ半径、曲げ角度等によって増減する。
蛇行細管ヒートパイプはその温度降下部を加熱することにより、作動液の動粘性係数が低下し、上述の圧力損失が低下し熱輸送性能が改善される。特に蛇行の曲げ部分の加熱は極めて効果的で熱輸送能力を劇的に改善することが実験的に確認されている。従って通常のプレートヒートパイプの鋭敏な温度均一化作用によりこれと複合化された蛇行細管トンネルプレートヒートパイプは低温部及び蛇行曲げ部分が加熱され熱輸送性能が大幅に性能が改善され、その全長に亙る温度均一化性が極めて良好になる。
【００１４】
（２）プレートヒートパイプと蛇行細管トンネルプレートヒートパイプの相乗効果により放熱面の温度均一性がプレートヒートパイプ単体の場合より更に改善されて極めて良好になり且つ温度降下も殆どない。
プレートヒートパイプ単体の場合は図５の作動液蒸気流１５−２の矢印から分かるように、作動液蒸気流１５−２小型発熱体５に近接した蒸発部で発生し全方向に向かって流れるため、ヒートパイプの特性により温度均一性が良好であるとは言え、遠い部分では熱拡散及びコンテナ内壁面の流体抵抗による熱流速の低下および蒸気の希薄化は避けられず、温度は若干低下せざるをえない。本願発明を適用した場合は図１及び後述する第一実施例の説明図（図２）から分かる如く、作動液蒸気流５−２はコンテナの受熱面の全ての部分で発生し、従って放熱面に至る距離は極めて短く且つ全て同一距離である。従って熱流速の低下は極めて少なく温度降下は殆ど発生せず、高温且つ極めて良好な温度均一性を発揮する。
【００１５】
（３）プレートヒートパイプと蛇行細管トンネルプレートヒートパイプの相乗効果により熱予想性能の保持姿勢依存性は殆ど無くなりトップヒートモードでも性能が低下しない。
図１、及び後述する第一実施例の説明図（図２）から分かるように如何なる保持姿勢でも性能に変わりが無い。図２の場合はウイック４の作用により極めて良好な熱輸送性能を示しているが、ウイック４が無い場合でも蛇行細管トンネルプレートヒートパイプ保持姿勢無依存性による補完により、図５の場合の如く凝縮作動液がプレートヒートパイプの密閉コンテナ１１−１の低水位部に滞留すること無く、受熱部の全ての部分が蒸発部として作用し全体として良好な熱輸送性能を発揮する。
【００１６】
本願発明において蛇行細管トンネルの相当直径は２ｍｍ以下に限定されてある。これはトンネルが如何なる姿勢でも、また封入作動液量が少なくても常に作動液滴が細管トンネル内をその表面張力により充填した状態になり、そのままの状態で移動するための条件である。これは総ての蛇行細管ヒートパイプの基本的条件であり、姿勢無依存性を発揮せしめる為の条件でもある。
【００１７】
また本願発明においてプレート形状コンテナの放熱面側のコンテナ壁は厚くても２ｍｍ以下の薄肉に限定されてある。これは複合プレートヒートパイプの軽量化とともに熱応答性を良好に保持する為の厚さである。
【００１８】
また本願発明においてプレート形状密閉コンテナ１−１の両内壁面は少なくも２ｍｍ以上の間隔で平行して対向せしめられてあるよう限定されてある。これ以下に間隔が狭い場合は作動液がその表面張力により処々において充填状態となり作動液蒸気の移動を妨げることになるのを防ぐ為であり、２ｍｍの数値は実験的に得られた数値である。
【００１９】
【実施例】
［第一実施例］  図２及び図３は本願発明の第一実施例の説明図の断面図である。本実施例は本願発明の基本構造に独特の構成のウイックを付加配設して熱輸送性能を更に改善するものである。図２において平板状密閉コンテナ１−１の両内壁面を連結するピン群３は、図４に例示の一部拡大図の如く碁板目状態に整列配設されてあり、受熱面１−２側の内壁面上におけるピン群３の碁板目状間隙にはウイック４が装着されてあり、ウイック４は細線群が集合撚りされた撚線群が二層に直交交叉してピン間隙に圧入固定されて構成された独特のウイックであることを特徴としている。
【００２０】
ピン群３が碁板目状態に整列配設されてあることから、ウイック４は全ての段列において直線状であるから、その毛管作用による凝縮作動液の移動は抵抗が少なく高速であり、またウイック４から発生する作動液蒸気流５−２の流路も全てプレートヒートパイプの全端末に至るまで直線状態であり、抵抗少なく最短経路で流れるようになる。このような独特のウイック構造は小型発熱体６から放熱面１−３の全面積に亙り効率よく且つ均一に拡散せしめる本願発明の目的に最も適合性が良いものとなり、複合型プレートヒートパイプの性能を最善ならしめる。
【００２１】
【発明の効果】
プレートヒートパイプと蛇行細管トンネルプレートヒートパイプとの複合化により熱拡散性能が良好で且つ姿勢依存性の極めて少ないプレートヒートパイプを提供することが出来るようになった。近来の半導体発熱素子の進歩は極めて大きな熱量を発生する極めて小型な半導体素子が出現しつつある。そのヒートシンクとの接触面は極めて小面積であり、放熱にはプレートヒートパイプを熱拡散手段として適用する以外に適切な手段がなかった。然しこのような小型発熱素子は適用姿勢が各種各様であり従来のプレートヒートパイプでは姿勢依存性が大きく適用出来なかった。本願発明はこのような半導体素子の冷却を可能にして業界の強い要望に応える事が出来るようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の複合型プレートヒートパイプの構造及び作動状態を示す説明図の断面図である。
【図２】本願発明の複合型プレートヒートパイプの第一実施例の構造及び垂直保持の場合の作動状態を示す説明図の断面図である。
【図３】本願発明の複合型プレートヒートパイプにおける蛇行細管トンネルヒートパイプの配設状態を示す説明図である。
【図４】本願発明の複合型プレートヒートパイプにおけるウイックの配設状態を示す説明図である。
【図５】水平保持の従来型プレートヒートパイプの構造及び作動状態を示す説明図の断面図である。
【図６】垂直保持の従来型プレートヒートパイプの構造及び作動状態を示す説明図の断面図である。
【符号の説明】
１        複合型プレートヒートパイプ
１−１    密閉コンテナ
１−２    コンテナ受熱面
１−３    コンテナ放熱面
２        蛇行細管トンネルヒートパイプ
３        ピン群
４        ウイック
５−１    凝縮作動液
５−２    作動液蒸気流
６        小型発熱体
７        ヒートシンク
７−１    フィン群
８        冷却対流
１１      プレートヒートパイプ
１１−１  密閉コンテナ
１１−２  受熱面
１１−３  放熱面
１３      ピン群
１４      ウイック
１５−１  凝縮作動液
１５−２  作動液蒸気流
【図１】
0004069301.tif 000002
【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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