(57)【要約】【課題】真空容器内に封入された凝縮性のある作動液の蒸発、凝縮の相変化で熱を輸送するヒートパイプにおいて、液相の作動液を凝縮部から蒸発部へ還流させるポンプ力を高めることにより、熱輸送性能を向上させる。【解決手段】真空容器２と、その真空容器２の内周面に外周面を沿わせて配置された銅粉からなる焼結金属体５と、前記真空容器２の内部に封入されかつ加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動液とを備えたヒートパイプ１であって、前記真空容器２の内周面と前記焼結金属体５の外周面との境界部分に、前記作動液を流動させるための流路６が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、その真空容器の内周面に外周面を沿わせて配置された銅粉からなる焼結金属体と、前記真空容器の内部に封入されかつ加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動液とを備えたヒートパイプであって、
前記真空容器の内周面と前記焼結金属体の外周面との境界部分に、前記作動液を流動させるための流路が形成されていることを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記流路は、前記真空容器の内周面に設けられた断面凹状の細溝によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記焼結金属体の少なくとも最外周部を形成している前記銅粉の粒径は、前記細溝の開口幅以上であることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記流路は、前記真空容器と前記焼結金属体との間に配置された金属網によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記焼結金属体の少なくとも最外周部を形成している前記銅粉の粒径は、前記金属網の網目の開口幅以上であることを特徴とする請求項４に記載のヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、真空容器内に封入された凝縮性ある作動液の蒸発・凝縮の相変化で熱を輸送するヒートパイプに関し、特に液相の作動流体を凝縮部から蒸発部へ還流させるポンプ力を高めるように構成したヒートパイプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化、高機能化により、ＭＰＵ等の発熱要素を効率的に冷却する手段として、ヒートパイプが用いられている。そのヒートパイプを筐体の内部に接地する場合、筐体内の実装スペースによっては、ヒートパイプを水平に設置する水平ヒートモードあるいは蒸発部が上になるように配置するトップヒートモードで使用しなければならない場合がある。このトップヒートモードでは、外部から入熱のある蒸発部が、放熱を行う凝縮部に対して上側に配置されているので、作動液を重力に抗して上昇させる必要があり、そのために、作動液の還流（循環）効率が落ちて熱輸送性能が低下する問題がある。そのような熱輸送性能の低下を抑制する手法として、ヒートパイプに内蔵されるウィックとして使用される多孔質体を、金属微粉末を焼結して製造した焼結金属体で形成したものを使用することが知られている。
【０００３】
上記焼結金属体を使用するものとして、本出願人は特許文献１に記載の発明を提案した。この特許文献１に記載の発明は、コンテナと焼結金属体との間の界面に液相作動流体を蒸発部へ還流させる横断面凹状の還流路を設けた構成のものである。これにより、液相作動流体の還流を促進し、熱輸送特性を向上するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２には、内周面に凹溝を形成したコンテナに、銅粉を焼結してなるウィックを内蔵した技術が開示されている。この特許文献２に記載されたヒートパイプは、凹溝にウィックの銅粉を埋め込んで固着することにより、銅粉がコンテナに対して固着する面積を増大させるようにしたものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４５５５０号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１１０９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１に記載された焼結金属体は、単に銅粉を所定の空孔率となるように焼結しただけの構成を有するに過ぎず、液相作動流体の流動性が特に優れたものでなく、一層のポンプ力を向上させる余地があった。また、上記の特許文献２に記載されたヒートパイプにあっては、上記したように、特許文献１と同様の問題があるとともに、コンテナ内周面に形成された凹溝にウィックの銅粉が埋め込まれる状態で固着されているため、液相作動流体が凹溝を流れ難くなり、循環効率、すなわちポンプ力が著しく低下する恐れがあった。
【０００７】
この発明は、上記技術的課題に着目してなされたものであり、作動液を凝縮部から蒸発部へ還流させるポンプ力を高めることにより、蒸発部もしくは加熱部における作動液の不足を防止し、ひいてはドライアウトを未然に防止もしくは抑制するようにしたヒートパイプ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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、真空容器と、その真空容器の内周面に外周面を沿わせて配置された銅粉からなる焼結金属体と、前記真空容器の内部に封入されかつ加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動液とを備えたヒートパイプであって、前記真空容器の内周面と前記焼結金属体の外周面との境界部分に、前記作動液を流動させるための流路が形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記流路は、前記真空容器の内周面に設けられた断面凹状の細溝によって形成されていることを特徴とするヒートパイプである。
【００１０】
さらに、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記焼結金属体の少なくとも最外周部を形成している前記銅粉の粒径は、前記細溝の開口幅以上であることを特徴とするヒートパイプである。
【００１１】
またさらに、請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記流路は、前記真空容器と前記焼結金属体との間に配置された金属網によって形成されていることを特徴とするヒートパイプである。
【００１２】
そして、請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記焼結金属体の少なくとも最外周部を形成している前記銅粉の粒径は、前記金属網の網目の開口幅以上であることを特徴とするヒートパイプである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、真空容器のいずれか所定箇所を加熱してここに入熱し、かつ他の所定箇所を冷却してここから放熱させると、真空容器の内部に封入された作動液が蒸発し、その蒸気が放熱箇所に流動した後に凝縮する。すなわち、作動液の潜熱として熱が輸送される。そして、凝縮した作動液は、焼結金属体によって生じる毛細管力によって、加熱箇所に還流する。その場合、作動液は、焼結金属体の内部にのみならず、真空容器の内周面と焼結金属体の外周面との境界部分に設けられている流路をも通って流通するので、作動液の流動に対する抵抗力が小さくなる。その結果、ヒートパイプの全体としての還流特性が良好になり、トップヒートモードや入熱量が多い場合などであっても、入熱のある箇所でのいわゆるドライアウトを防止もしくは抑制し、熱輸送能力を向上させることができる。
【００１４】
この発明では、上記の流路を、請求項２に記載されているように細溝によって形成することができ、あるいは請求項４に記載されているように金属網によって形成することができる。流路を細溝によって形成した場合、焼結金属体の最外周部を形成している銅粉の粒径は、細溝の開口幅以上とされ、また流路を金属網によって形成した場合には、その網目の開口幅以上とされる。こうすることにより、流路が銅粉によって閉塞されることを防止もしくは抑制して、高い熱輸送性能を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に示す一実施形態に基づいて詳述する。図１は、この発明に係る丸型ヒートパイプ１の一例を示した一部断面斜視図である。このヒートパイプ１はウィック式ヒートパイプであって、この発明の真空容器に相当するコンテナ２は、その横断面が円形状をなす。なお、扁平型のヒートパイプであってもよいことは言うまでもない。そのコンテナ２の内部には、真空脱気された状態で、例えば純水、アルコール等の凝縮性流体が作動液として封入されている。このヒートパイプ１の一方の端部が蒸発部３、他方の端部が凝縮部４とされ、それらの中間部位が断熱部とされている。
【００１６】
コンテナ２の内部には、図１、図２に示されるように、その内周面に外周面が全体的に接するような状態で円筒形状の焼結金属体５が配置される。この焼結金属体５は、作動液が浸透することにより毛細管力を生じる多孔構造体であり、銅粉を焼結して構成されている。
【００１７】
この焼結金属体５の外周面とコンテナ２の内周面との境界部分、より具体的には、コンテナ２の内周面には、図１、図２に示すように、作動液を蒸発部に向けて還流させるための、横断面が凹状をなす細溝（グルーブ）６が長手方向に沿い、かつ、円周方向に所定間隔毎に設けられる。なお、細溝６の断面形状は、これ以外に例えば、半円形、四角形、扇形、鋸歯状、三角形等の適宜の形状でもよい。
【００１８】
こうして構成されたコンテナ２の内周面に、上記の焼結金属体（ウィック）５の外周面が添うように設けられた状態においては、焼結金属体５は細溝６を完全に埋め尽くすような状態に嵌り込まないようになっている。すなわち、焼結金属体６の少なくとも最外周部を構成する銅粉の粒径は、細溝６の開口幅Ｗ（図２参照）以上、すなわち開口幅Ｗとほぼ同等か、それよりも大きく設定されている。銅粉の粒径をこのように設定することにより、銅粉が細溝６に張り込んで埋めてしまったり、それによって細溝６における作動液の流動面積が狭められたりすることがなく、したがって細溝６による作動液の流動が円滑化される。
【００１９】
次に、この発明に係る上記のヒートパイプの製作手順を説明する。先ず、製品仕様に合わせてコンテナを形成する所定の長さのパイプを用意する。そのパイプの内部に銅粉を投入する。その場合、焼結金属体５の中心側に作動液が蒸発して生じた蒸気の流路を確保するために、パイプの中心軸線に沿って心棒に走行する軸もしくは小径管を配置し、その心棒とパイプの内周面との間に銅粉を流し込むことが好ましい。このように銅粉を充填した後、パイプを焼結炉に投入し、焼結処理する。
【００２０】
焼結処理が完了した後、パイプの長さ、ウィックの体積、あるいは空隙率等を考慮して所定量の作動液をパイプ内に封入する。その作動液の封入は、真空脱気法や蒸発追い出し法などの従来知られている方法で行うことができる。そして、製品長に合わせてパイプの端部を溶接等により閉塞する。また、前述したように、コンテナ２の内周面に接する箇所では、銅粉の粒径が細溝６の開口幅Ｗより大きいので、パイプを焼結するだけで、焼結金属５が細溝６を埋めることのない構成を容易に得ることができる。
【００２１】
上述したヒートパイプ１においては、蒸発部３とされている端部に図示されない発熱体から熱が伝達されると、コンテナ２内部の作動液が蒸発し、その蒸気が温度および圧力の低い凝縮部４側に流動する。そして、凝縮部４で作動液の蒸気が有する熱が放散され、その作動液が凝縮して液化する。液化した作動液は、ウィックである焼結金属体５の毛細管作用により蒸発部３へ還流される。その際、凝縮部４から蒸発部３に亘るコンテナ２の内周面に、作動液の流動抵抗が低く、かつ、空隙率の大きな焼結金属体５が設けられるとともに、細溝６を所定間隔毎に設けているので、細溝６での流動抵抗が小さいことと相まって、作動液の還流が円滑化される。そのため、ヒートパイプ１を水平ヒートモードやトップヒートモードで使用する場合でも、ウィックとしての毛細管力の性能が高く維持され、熱輸送性能に優れたヒートパイプを得ることができる。したがって、作動液の不足を防止し、ドライアウトを未然に防止もしくは抑制するようにした冷却性能に優れたヒートパイプを実現できる。
【００２２】
本発明者等は、上記の「熱抵抗」すなわち「熱性能」に関する熱性能試験を行った。この試験は、上記実施形態に係る丸型のヒートパイプ１を用い、図３に示すように水平ヒートモードと、図４に示すトップヒートモードとについて行った。それぞれ場合における試験条件は、ヒートパイプの形状については外径６．０mm、長さ２００mmのヒートパイプ１である。また、蒸発部における入熱量Ｑは水平ヒートモードでは５０Ｗ、トップヒートモードの場合には２０Ｗとした。なお、凝縮部にはヒートシンクＨSを設け、ファンＦで送風して強制空冷した。その評価方法は、熱が移動している蒸発部と凝縮部との２点間のＷ当たりの温度差（Ｔｅｖｐ−Ｔｃ）℃／Ｗ、すなわち「熱の伝わり難さ」を表す熱抵抗（熱性能）を求めて評価し、その結果、図５に示す熱性能結果を得ることができた。
【００２３】
なお、図５において「銅粉タイプ」とは、焼結金属体５を構成している銅粉の粒径であり、「レギュラー」は特には形状を揃えていない多様な形状が混在したものであり、「球状粉」は球形をなすように処理を行った銅粉であり、「特殊異型形状」は湾曲もしくは屈曲し、さらには凹凸があるなどの特殊な形状をなすものである。また「銅粉サイズ」は所定のメッシュを通過したものと通過しないものとを分別するなどのことにより揃えられた平均粒径である。さらに、「熱性能」は蒸発部と凝縮部との単位ワットあたりの温度差であり、その値が小さいほど熱抵抗が小さく、熱輸送能力に優れていることを表す。
【００２４】
図５に示すように、細溝を備えていない従来例（サンプル１、サンプル３、サンプル５）では、いずれの銅粉サイズであっても、トップヒートモードでの温度差が０．５℃／Ｗ以上であり、作動液の還流性能および熱輸送性能が劣ることが認められた。これに対して本発明例のうちサンプル２、サンプル４、サンプル６の例では、水平ヒートモードおよびトップヒートモードのいずれであっても温度差が０．５℃／Ｗを下回っており、作動液の還流性能および熱輸送性能が優れていることが認められた。
【００２５】
しかしながら、サンプル７の本発明例では、トップヒートモードでドライアウトが生じてしまい、またサンプル８の本発明例では、水平ヒートモードおよびトップヒートモードのいずれでも温度差が０．５℃／Ｗ以上になってしまっていた。サンプル７の例では、銅粉サイズが５０μｍ未満であって、細溝６の開口幅より粒径が小さいために、細溝６が銅粉で埋められ、作動液の流通あるいは還流が妨げられたものと推測される。また、サンプル８の例では、銅粉サイズが５００μｍを超えており、そのために発生する毛細管圧が不十分になり、作動液の還流が不十分になったものと推測される。
【００２６】
以上の性能試験の結果から、この発明では、銅粉サイズを５０μｍを超え、５００μｍ未満とし、かつ細溝６の開口幅を最大粒径より小さくすることが好ましい。
【００２７】
以上、本発明を一実施形態により詳述したが、具体的な構成はこの一実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。
【００２８】
例えば、真空容器の内周面に流路を設ける代わりに、図６に示すように、コンテナ１３と焼結金属体１４との間に金属網１５を介在させ、その網目が相互に連通することにより、それらの網目によって流路を形成してもよい。この場合、焼結金属体１４の少なくとも最外周部分に存する銅粉の粒径が、金属網１５の網目の開口幅Ｓ以上となるように形成することが好ましい。焼結金属体１４の粒子が流路を閉塞することを回避するためである。
【００２９】
さらに、扁平薄型のヒートパイプにも適用した変形例とすることも可能である。すなわち、図７の（ａ）のように、コンテナ１６の内側に矩形状の細溝１７を形成し、これにより焼結金属体１８とコンテナ１６の間に流路を形成した形態、（ｂ）に示すように、コンテナ２２と焼結金属体２３との間に図６の金属網１５を介在させた形態にしてもよい。
【００３０】
また、焼結金属体の粒径は、真空容器の蒸発部においては銅粉間の隙間が密となるようなものを使用し、真空容器の凝縮部では隙間が粗くなるような銅粉を使用してもよく、また反対に、真空容器の蒸発部においては粗い隙間を形成するような銅粉を使用し、真空容器の凝縮部では隙間が密になるような銅粉を使用するようにして形成した焼結金属体を配置するようにしてもよい。係る構成とすることで、ヒートパイプの使用態様に応じてそのポンプ力を最大限に発揮できるように設計製作できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一例を示す外観斜視図である。
【図２】その一部の断面を示す部分拡大断面図である。
【図３】水平ヒートモードにおける熱性能試験を説明する説明図である。
【図４】本発明に係り、トップヒートモードにおける熱性能試験を説明する説明図である。
【図５】本発明例と従来例とについての熱性能結果を示す図表である。
【図６】金属網で流路を形成したこの発明の一例を示す図である。
【図７】扁平形状に構成したこの発明の更に他の例を模式的に示す断面斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…ヒートパイプ、  ２…コンテナ（真空容器）、  ３…蒸発部、  ４…凝縮部、  ５，１４，１８，２３…ウィック（焼結金属体）、  ６，１７…細溝、  １３，１６，２２…コンテナ、  １５…金属網。
【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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