JP2004198096A - 優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気流路が閉塞されることなく、優れた毛細管力を備えた扁平型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却装置を提供する。
【解決手段】内壁の全面にウイック構造を備えたウイック構造管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナの対向する上板部および下板部の間に配置され、前記コンテナに対応して変形された、外面が前記内壁のウイック構造に接し、内部に流体移動用の通路を備えた少なくとも１本のウイック材と、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備えた、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パソコン、電子機器等に収納されているＣＰＵ等の被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等を冷却するためのヒートパイプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン等の電気機器の小型化、高性能化が著しく、それに搭載されるＭＰＵ等の発熱部品を冷却するための冷却機構の小型化、省スペース化が強く望まれている。従って、ヒートパイプを用いた冷却機構の場合、そのヒートパイプの薄型化も要求されている。
【０００３】
ヒートパイプは、真空脱気した密閉金属管などの容器内の内部に、凝縮性の流体を作動流体として封入したものであり、温度差が生じることにより自動的に動作し、高温部で蒸発した作動流体が低温部に流動して放熱・凝縮することにより、作動流体の潜熱として熱輸送する。そして、その見掛け上の熱伝導率が銅やアルミニウム等の金属に対して数倍から数十倍程度に優れていることから、冷却用素子として各種熱関連機器に採用されている。
【０００４】
従来の薄型ヒートパイプ加工技術では、グルーブ管、ベア管＋メッシュ、ベア管＋編組線、ベア管＋焼結金属、ベア管＋Ｆｉｎｅ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｃｋｓ等の組み合わせでヒートパイプ加工が実施された後に追加工として、偏平加工（φ３〜φ６のヒートパイプであれば厚さ２．０ｍｍから４．０ｍｍ程度）を行ってきた。
【０００５】
【特許文献１】登録実用新案公報第３０６３４６７号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ヒートパイプ加工後に扁平加工された従来のヒートパイプ（２．０ｍｍ〜４．０ｍｍ）では、近年のＣＰＵ等の高発熱化に耐え切れなくなっている。これは、内部ウイックの毛細管現象の不足、扁平加工による蒸気流路の閉塞に起因する。
【０００７】
グルーブ管を扁平加工すると、管内流路面積が減少するので毛細管力が低下する為に最大熱輸送量も低下する。蒸気流路の閉塞に関しては、２種類有り、１つは、全体的に扁平されることによる内容積の減少、もう１つは、扁平する量が多くなる（ヒートパイプが薄くなる）と、扁平されたヒートパイプの中央部が凹んでしまい蒸気流路を閉塞させてしまう現象である。
【０００８】
このように中央部が凹んでいるヒートパイプでは、ＣＰＵや放熱部への接合部の接着度が悪くなってしまい熱抵抗が大きくなって冷却効果が劣る結果になってしまう。また、ヒートパイプの内部構造においても作動流体が流れる空間が所期の空間よりも狭くなってしまうので、所望の冷却効果を得ることができないという問題点があった。
従って、この発明の目的は、蒸気流路が閉塞されることなく、優れた毛細管力を備えた扁平型ヒートパイプおよびそれを用いた冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、
内壁の全面にウイック構造を備えたウイック構造管を押圧変形させて、扁平型コンテナを形成する際に、平面状のウイック材によって円筒形状に形成されたウイック材をウイック構造管内に配置して、ウイック構造管およびウイック材を押圧変形させると、内壁の全面に備えられたウイック構造を形成する山部が崩されることなく、ウイック構造管の毛細管力を維持することが出来る。更に、コンテナの対向する上板材および下板材の間に配置され、コンテナに対応して変形されたウイック材の外面が内壁のウイック構造に接し、内部に流体移動用の通路を備えているので、ウイック構造とウイック材による相乗効果が得られ、著しく優れた毛細管力を発揮することが判明した。
【００１０】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第１の態様は、内壁の全面にウイック構造を備えたウイック構造管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナの対向する上板材および下板材の間に配置され、前記コンテナに対応して変形された、外面が前記内壁のウイック構造に接し、内部に流体移動用の通路を備えた少なくとも１本のウイック材と、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備えた、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１１】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第２の態様は、前記ウイック材が、平面状のウイック材によって円筒形状に形成されたウイック材、または、金属材を編んで形成されたウイック材、もしくは焼結金属から形成されたウイック材からなっている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１２】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第３の態様は、前記ウイック材の幅方向の大きさが、前記コンテナの幅方向の大きさの２０〜７０％の範囲内である、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１３】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第４の態様は、前記ウイック構造が、前記コンテナの長手方向に直線状に平行に形成されたストレート形状型からなっている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１４】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第５の態様は、前記ウイック構造が、前記コンテナの一方の端部から他方の端部にかけて螺旋状に平行に形成されたスパイラル形状型からなっている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１５】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第６の態様は、前記コンテナの厚さが、長手方向に沿って、変化している、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１６】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第７の態様は、前記コンテナが外表面の一部に一体的に形成されたフィン部を備えている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１７】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第８の態様は、前記コンテナがＬ字形に折り曲げられ、Ｌ字を形成するそれぞれの部分に前記ウイック材が配置されている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１８】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの第９の態様は、前記コンテナが、前記ウイック構造管が半円形状に曲げられ、押圧変形されて扁平形状に形成されている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００１９】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、前記ウイック構造のリード角が０°〜３５°の範囲内である、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２０】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、前記ウイック構造の溝の深さは、前記ウイック構造管の外径と（溝の深さ×１００）との比で表され、その比が１：１〜１：２０の範囲内であり、前記ウイック構造の山数は前記ウイック構造管の外径と溝数との比で表され、その比が１：５〜１：１５の範囲内である、毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２１】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、外部からその中に被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等が収容されて熱的に接続される、前記被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に対応する形状の凹部が備えられており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記凹部の頂部の入熱部に内壁のウイック材等を介して作動流体を潤滑に供給できる、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２２】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、ウイック材が前記コンテナ内壁のみしか配置されていない場合は一方の端部が更に押圧変形されて形成された局所扁平部を備えており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記局所扁平部を通って内壁のウイック材等を介して作動流体を潤滑に供給できる、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２３】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、前記ウイック構造がグルーブ形状、メッシュ形状、編組線形状、焼結金属形状の何れか、または、それらの組み合わせからなっている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２４】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、前記ウイック材がグルーブ管形状、メッシュ形状、編組線形状、焼結金属の何れか、または、それらの組み合わせからなっている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２５】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、コンテナの長手方向垂直任意断面における中央部に前記ウイック材が配置され、かつ、その他部分に蒸気流路が形成されている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２６】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、コンテナの長手方向垂直任意断面における中央部に蒸気流路が形成され、かつ、その他部分に前記ウイック材が配置されている、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２７】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、内壁の全面にウイック構造を備えたグルーブ管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備え、前記扁平型コンテナには、外部からその中に被冷却体が収容されて熱的に接続される凹部が備えられており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記凹部の頂部の入熱部に被冷却体と熱的に接続される、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２８】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、内壁の全面にウイック構造を備えたグルーブ管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備え、前記コンテナの一部が更に押圧変形されて形成された局所扁平部を備えており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記局所扁平部を通って循環する、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００２９】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプのその他の態様は、前記凹部および前記局所扁平部が変形前の厚さに対して、５％〜３５％の範囲内の厚さである、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。
【００３０】
この発明の冷却装置の第１の態様は、上述した扁平型ヒートパイプが、フィン部が取り付けられるベース板の底部に取り付けられているフィン付ヒートシンクである。
【００３１】
この発明の冷却装置の第２の態様は、上述した扁平型ヒートパイプ２個を組み合わせ、前記扁平型ヒートパイプのそれぞれの一部の厚さが変化して発熱素子を収容する収容部を形成し、前記収容部に前記発熱素子を収容して、発熱素子を冷却する冷却装置である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプについて説明する。この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの１つの態様は、内壁の全面にウイック構造を備えたウイック構造管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、コンテナの対向する上板材および下板材の間に配置され、コンテナに対応して変形された、外面が内壁のグルーブに接し、内部に流体移動用の通路を備えた少なくとも１本のウイック材と、コンテナ内に密封された作動流体とを備えた、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。本明細書中記載されるウイック構造とは、毛細管力を利用して作動液を移動させることができる構造を意味する。
【００３３】
図１は、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプを説明する横断面図である。図２は、この発明に使用される、押圧変形前のグルーブ管を説明する横断面図である。図３は、図１に示した横断面図の詳細を説明する図である。
【００３４】
図１、図３（ａ）に示すように、扁平型ヒートパイプ１の扁平型コンテナ２は、内壁の全面にグルーブ４を備えたグルーブ管２を押圧変形させて形成されている。ウイック材３は、コンテナ２の対向する上板部６および下板部７の間に配置され、コンテナ２に対応して変形されており、そして、その外面８が内壁のグルーブ４を形成する凸部９に接し、その内部に流体移動用の通路５を備えている。
【００３５】
図３（ｂ）、図３（ｃ）は、ウイック材の態様を示す図である。即ち、この発明の扁平型ヒートパイプに用いられるウイック材は、平面状のメッシュによって円筒形状に形成されたメッシュ３（図３（ｂ）参照）、または、複数本の金属線材を編んで形成された編組線３（図３（ｃ）参照）、焼結金属から形成した円筒形のウイック材からなっている。
【００３６】
円筒形状のメッシュは、細い目の平面状のウイック材によって形成されているので、所定の強度を備え、コンテナの中に収容され、コンテナと共に押圧変形されると、コンテナの変形に対応して塑性変形して、図３（ａ）に示したように、上下面がコンテナのグルーブを形成する凸部に接触した状態でコンテナ内に固定される。
編組線は、多数本の細い金属線材の束を編み込んで形成されており、その内部に、図３（ａ）に示すような、流体移動用の通路を備えている。
【００３７】
この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプにおいて、上述したウイック材３の幅方向の大きさｂが、コンテナ２の幅方向の大きさａの２０〜７０％の範囲内である。好ましくは、ウイック材の幅方向の大きさｂが、コンテナ２の幅方向の大きさａの２０〜４０％の範囲内である。
【００３８】
図４は、グルーブ管の内壁に形成されているグルーブの形状を示す図である。図４（ａ）に示すグルーブは、グルーブ管２の一方の端部から他方の端部へとストレート形状に延びた複数本の平行な溝４からなっている。図４（ｂ）に示すグルーブは、グルーブ管２の一方の端部から他方の端部へとスパイラル形状に延びた複数本の平行な溝４からなっている。
この発明の扁平型ヒートパイプにおいては、グルーブ管の内壁に形成されたグルーブとウイック材との２種類のウイックの組合わせによって、毛細管力が飛躍的に向上し、最大熱輸送量が従来ベア管＋ウイック材の組合わせの２〜４倍となる。
【００３９】
更に、ウイック材が扁平されたグルーブ管の内部でコア材として機能するので、グルーブ管の中央部に凹みが形成されるのを防止する。従って、扁平工程によるグルーブ管の中央部における凹みによる蒸気流路の閉塞を防止することができる。
更に、コンテナ内部の作動液を保持するウイックが増えるので、作動液がコンテナ内とウイック材に均一に存在して濡れ性を発揮するので、凍結時に発生する作動液の体積膨張による端末部膨れが発生し難くなる。
【００４０】
更に、コンテナの内部において、内壁に形成されたグルーブとウイック材とが強固に固定されているので、コンテナの放熱面側において液相に変化した作動液が、グルーブからウイック材を伝わり、受熱面側（ＭＰＵ等が設置される面）に移動するので、効率良く作動液が運ばれ、その結果、最大熱輸送量が向上する。
更に、凹み部のない平面部を有しているので、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等にコンテナを直接取り付けることができ、接触熱抵抗を軽減することができる。更に、コンテナが扁平しているにもかかわらず、最大熱輸送量が高いので、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等をコンテナに直接取り付けることができる。
【００４１】
次に、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの製造方法を説明する。先ず、内壁にグルーブを備えたグルーブ管を調製する。次いで、ウイック材を挿入する。次いで、ウイック材が挿入された状態で、扁平を施す。次いで、一方の端部を溶接して封じる。更に、水素還元、注液・加熱脱気して、他方端部を溶接して封じる。その後、Ｎｉメッキ等の表面処理を施す、もしくは処理をしない。次いで、最終調整を施して扁平型ヒートパイプを製造する。
【００４２】
図５は、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。図５に示すように、扁平型ヒートパイプ１０においては、内壁にグルーブが備えられたグルーブ管が半円形状に曲げられた状態で、上下方向から押圧変形して、扁平型コンテナ１２が形成されている。コンテナの内部には、編組線１３が挿入されて、コンテナに対応して押圧変形されて固定されている。編組線１３は、上述したように、コンテナ１２に対応して変形され、図３（ａ）を参照して説明したように、その外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。
【００４３】
図５には半円形状に曲げられたグルーブ管が押圧変形された扁平形状のコンテナを示しているが、その他に、所定の形状にグルーブ管を曲げて、その内部に編組線を挿入し、押圧変形して扁平形状のコンテナを形成することができる。その場合にも、編組線の外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。
このように、編組線は、弾力性に富んでいるので、薄型でも性能を低下させること無く、水平面に沿って曲げることができる。
【００４４】
図６は、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。この態様においては、コンテナ内に複数本のウイック材が挿入されている。図６（ａ）は、２本のウイック材がコンテナ内に備えられている扁平型ヒートパイプを示す図である。図６（ｂ）は、３本のウイック材がコンテナ内に備えられている扁平型ヒートパイプを示す図である。図６（ａ）に示すように、扁平型コンテナ２２の内部にはコンテナに対応して押圧変形されたウイック材２３が２本並列して配置されている。それぞれのウイック材の外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。更に、並列するウイック材間には、曲線部が接した状態で、狭隘部が形成され、毛細管力を高めている。
【００４５】
図６（ｂ）に示すように、扁平型コンテナ３２の内部にはコンテナに対応して押圧変形されたウイック材３３が３本並列して配置されている。それぞれのウイック材の外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。更に、中央に配置されたウイック材３３と並列して隣接するウイック材３３間には、曲線部が接した状態で、それぞれ狭隘部が形成され、毛細管力を更に高めている。コンテナ内に挿入配置されるウイック材の数は、コンテナの幅の大きさによってきまる。
【００４６】
図６（ｃ）は、１本のウイック材がコンテナの一方の内部に備えられている扁平型ヒートパイプを示す図である。図６（ｄ）は、２本のウイック材がコンテナの内部の両端部にそれぞれ備えられている扁平型ヒートパイプを示す図である。図６（ｃ）に示すように、扁平型コンテナ２２の内部にはコンテナに対応して押圧変形されたウイック材２３が、コンテナの内部の一方の端部に内壁に接して配置されている。ウイック材２３の外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。図６（ｄ）に示すように、扁平型コンテナ２２の内部の両端部には、コンテナに対応して押圧変形されたウイック材２３がそれぞれ配置されている。それぞれのウイック材の外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。
【００４７】
図７は、この発明の扁平型ヒートパイプの側面図である。扁平型ヒートパイプ４０の扁平型コンテナは、内壁の全面にグルーブを備えたグルーブ管を押圧変形させて形成され、ウイック材が、コンテナの対向する上板材および下板材の間に配置され、コンテナに対応して変形され、その外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。この扁平型ヒートパイプは、図７（ａ）に示すように、上述したコンテナが、２段に曲げることができる。即ち、水平面に沿った第１の部分４１、第２の部分４３が、傾斜部４２によって接続されて、２段に曲げられたコンテナを形成している。
【００４８】
更に、図７（ｂ）に示すように、上述したコンテナが、２段に曲げることができる。即ち、水平面に沿った第１の部分５１、第２の部分５３、第２の部分５５が、２つの傾斜部５２、５４によって接続されて、３段に曲げられたコンテナを形成している。上述したように、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等、ヒートシンク等の配置状況に対応した、多段に曲げられたコンテナを形成することができる。
【００４９】
図８は、この発明の扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。図８（ａ）は、グルーブ管の内部にウイック材が挿入され、押圧変形によって、扁平が施されたコンテナを、図中に矢印で示すよう捻り曲げることによって、概ね中央部において、約９０℃回転した形状の扁平型ヒートパイプが得られる。このように捻り曲げられた扁平型コンテナにおいても、内壁に形成されたグルーブおよびグルーブを形成する凸部とその外面が接触し、内部に流体移動用の通路を備えるウイック材によって、高い毛細管力が維持される。更に、中央部において約９０℃回転した形状をしているので、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等、ヒートシンクの配置への対応が容易になる。
【００５０】
図９は、扁平型ヒートパイプを被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に取り付ける状況を説明する図である。図９（ａ）は、扁平型ヒートパイプの一方の端部に被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等を直接取り付けている状況を説明する図である。図９（ｂ）は、扁平型ヒートパイプの一方の端部に被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等を、半田等を介して取り付けている状況を説明する図である。図９（ａ）に示すように、この発明の扁平型ヒートパイプは、凹部の無い平坦度の高い表面を備えているので、ヒートパイプのコンテナに直接被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等を接続することができ、接触熱抵抗を減少させることができる。図９（ｂ）に示すように、扁平型ヒートパイプに半田、伝熱シート、伝熱シリコン等を介して被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に取り付けても良い。
【００５１】
図１０は、扁平型ヒートパイプを被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に取り付ける状態の他の態様を説明する図である。図１０（ａ）、１０（ｂ）に示すように、扁平コンテナの一方の端部に被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等５１に対応する窪み部５３が形成されている。図１０（ａ）、１０（ｂ）に示すように、扁平コンテナの一方の端部に形成された窪み部５３に直接被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等が嵌め込まれて接続されている。この態様においても、窪み部は平坦度の高い表面を備えているので、ヒートパイプのコンテナに直接被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等を接続することができ、接触熱抵抗を減少させることができる。更に、図１０（ｃ）に示すように、扁平型ヒートパイプの窪み部に半田、伝熱シート、伝熱シリコン等５２を介して被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等５１に取り付けても良い。
【００５２】
更に、コンテナの一部が更に押圧変形されて形成された局所扁平部を備え、コンテナ内で冷却された作動流体が局所扁平部を通って循環するようにしてもよい。上述した窪み部（即ち、凹部）または局所扁平部は、変形前の厚さに対して、５％〜３５％の範囲内の厚さである。窪み部または局所扁平部を設けることによって、ウイック構造を形成したコンテナ内壁の上板部と下板部とが近接することにより、毛細管力が高まるためウイック材を有さなくてもウイック材を有した場合と同程度の熱輸送能力を発揮することができる。
【００５３】
図１１は、この発明の扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。この態様の扁平型ヒートパイプ７０においては、コンテナ７２がＬ字形に折り曲げられ、Ｌ字を形成するそれぞれの部分の内部にウイック材７３が配置されている。なお、折り曲げ部は、一部であっても、全部であってもよい。この態様においても、内壁に形成されたグルーブを形成する凸部と、ウイック材の外面が接触し、その内部に流体移動用の通路を備えているので、毛細管力を高めることができる。
【００５４】
図１２は、この発明の扁平型ヒートパイプをヒートシンクに取り付けた状況を示す図である。図１２に示す態様においては、押し出し成形によって形成されたフィン一体型ヒートシンクに扁平型ヒートパイプを取り付けている。即ち、フィン一体型のヒートシンクのヒートスプレッダ８３の底部に、扁平型ヒートパイプの形状に対応した形状の凹部を形成し、凹部に扁平型ヒートパイプを埋め込んでいる。
【００５５】
図１２（ａ）は、ヒートスプレッダ８３の底部に形成された凹部に直接扁平型ヒートパイプを埋め込んで接続している。この態様においても、扁平型ヒートパイプは、内壁の全面にグルーブを備えたグルーブ管を押圧変形させて形成され、ウイック材が、コンテナの対向する面の間に配置され、コンテナに対応して変形され、その外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。この態様の扁平型ヒートパイプは、凹部の無い平坦度の高い表面を備えているので、ヒートパイプのコンテナを直接凹部に埋め込み接続することができ、接触熱抵抗を減少させることができる。図１２（ｂ）に示す態様においては、上述した扁平型ヒートパイプが、半田、伝熱シート、伝熱グリース等を介して、凹部に埋め込み、ヒートスプレッダと接続される。
【００５６】
図１３は、この発明の扁平型ヒートパイプを他のヒートシンクに取り付けた状況を示す図である。図１３に示すヒートシンクは、アルミニウム製、または、銅製のベースプレートの表面に形成された溝にフィンを挿入し、フィンの両側を変形させることによってフィンをベースプレートに固定した所謂クリンプトフィン型ヒートシンクからなっている。図１３（ａ）に示すように、フィン９３が取り付けられたベースプレート９２の底部には、扁平型ヒートパイプの形状に対応した窪み部が形成され、窪み部にヒートパイプ９０を嵌め込んで固定し、直接ベースプレートに接続している。
【００５７】
この態様においても、窪み部は平坦度の高い表面を備えているので、ヒートパイプのコンテナに直接ベースプレートを接続することができ、接触熱抵抗を減少させることができる。更に、図１３（ｂ）に示すように、ベースプレートの底部に形成された窪み部に半田、伝熱シート、伝熱シリコン等９１を介して扁平型ヒートパイプ９０を取り付けても良い。
【００５８】
図１４は、ベースプレートに扁平型ヒートパイプを取り付けた状況を示す図である。図１４に示すように、図３を参照して説明した本発明の扁平型ヒートパイプ１００をフィンの代わりにベースプレート１０１に取り付けている。このように扁平型ヒートパイプをフィンの代わりにベースプレートに取り付けることによって、極めて放熱特性に優れた特殊なヒートシンクを形成することができる。
【００５９】
図１５は、本発明の扁平型ヒートパイプの適用例を示す図である。図１５に示す、発熱素子を冷却する冷却装置は、上述した扁平型ヒートパイプ１１０を２個組み合わせ、扁平型ヒートパイプのそれぞれの一部の厚さが変化して発熱素子を収容する収容部を形成し、収容部に発熱素子１１１を収容して、発熱素子を冷却する冷却装置である。即ち、扁平型ヒートパイプ１１０は、内壁の全面にグルーブを備えたグルーブ管を押圧変形させて形成され、ウイック材が、コンテナの対向する面の間に配置され、コンテナに対応して変形され、その外面が内壁のグルーブを形成する凸部に接し、その内部に流体移動用の通路を備えている。
【００６０】
扁平型ヒートパイプの一方の端部は、変形されて厚さが、発熱素子の厚さの分だけ小さくなっている。このように変形されて厚さが小さくなった部分をつき合わせて発熱素子収容部を形成し、そこに発熱素子を収容している。図１５（ａ）に示す態様においては、発熱素子が扁平型ヒートパイプの収容部に直接接触している。収容部も、平坦度の高い表面を備えているので、ヒートパイプのコンテナを収容部に直接接続することができ、接触熱抵抗を減少させることができる。図１５（ｂ）に示す態様においては、扁平型ヒートパイプの収容部に、半田、伝熱シート、伝熱グリース等を介して、発熱素子が接続される。
【００６１】
図１６から図１８は、扁平型ヒートパイプとフィンとの接続状況を説明する図である。図１６に示す態様においては、扁平型ヒートパイプに直接差込むことによってフィンを取り付けている。即ち、フィンに扁平型ヒートパイプの断面形状に対応した開口部を形成して、扁平型ヒートパイプを開口部に差込んでフィンを固定している。図１７に示す態様においては、扁平型ヒートパイプにフィンを差込み、更に、半田等によって接合している。
【００６２】
即ち、フィンに扁平型ヒートパイプの断面形状に対応した開口部を形成して、扁平型ヒートパイプを開口部に差込んでフィンを固定している。図１８に示す態様においては、扁平型ヒートパイプの一方の表面上に溝を形成し、溝にフィンを差込み、フィンの両側を変形させてフィンを固定している。所謂、クリンプトフィンを扁平型ヒートパイプの一方の面に形成している。なお、押し出しフィンを用いても良く、扁平型ヒートパイプの一方の表面上にクリンプフィンを接着剤または半田で接合してもよい。
【００６３】
更に、板金押さえ部材を使用して、板金に扁平型ヒートパイプを固定してもよい。即ち、約０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さの板金の一方の端部に配置された扁平型ヒートパイプを、板金押さえ部材によって幅方向に跨ぐように押さえ、板金押さえ部材の両端部を板金に接合して、扁平型ヒートパイプを板金に固定してもよい。即ち、扁平型ヒートパイプの一方の端部に被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等を取り付け、このように被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等が取り付けられた扁平型ヒートパイプの中央部において、幅方向に跨ぐように板金押さえ部材を配置し、板金押さえ部材の両端部を板金に接合する。
【００６４】
図１９は、この発明の扁平型ヒートパイプ１つの態様の部分を示す図である。この態様の扁平型ヒートパイプ１５０においては、コンテナ１５２の外表面の一部に一体的に形成されたフィン部１５３を備えている。即ち、グルーブ管の外表面の一部に予めフィン部を一体的に形成し、押圧変形させて、扁平型ヒートパイプを形成する。
【００６５】
図２０は、扁平型ヒートパイプとフィンとの接続状況を説明する図である。この態様においては、多数本の扁平型ヒートパイプに、開口部を備えたフィンを直接差込んで固定している。更に、半田等によって、フィンを扁平型ヒートパイプに固定しても良い。
【００６６】
図２１は、他の態様の扁平型ヒートパイプを示す図である。この態様の扁平型ヒートパイプにおいては、コンテナの厚さが、長手方向に沿って、変化している。即ち、図２１に示すように、第１の部分１７１、第２の部分１７２、第３の部分１７３におけるコンテナの厚さが異なっている。被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等の形状、および、配置ならびに周囲の環境に対応して、コンテナの厚さを変化させることができる。
【００６７】
上述した態様においては、第１、第２、第３の３つの段数の例を示したが、段数については、３つに限定されること無く、それ以上の複数段であってもよい。
なお、グルーブ管の径は、φ６〜φ１０以上が好ましい。扁平型のヒートパイプの長さは、例えば、２０ｍｍ〜４００ｍｍである。扁平型のヒートパイプの幅は、例えば、５ｍｍ〜１００ｍｍである。扁平型ヒートパイプの厚さは、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍである。グルーブの深さは、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。
【００６８】
図２２は、この発明の扁平型ヒートパイプの１つの態様を示す図である。図２２（ａ）に示すように、ウイックが前記コンテナ内壁のみしか配置されていないこの態様の扁平型ヒートパイプは、外部からその中に被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等が収容されて熱的に接続される、前記被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に対応する形状の凹部が備えられており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記凹部の頂部の入熱部に接する、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。即ち、コンテナ１８０の中央部には、凹部が設けられており、凹部の天面側１８３は、コンテナ内に密封された作動液の流路が狭くなっている。
【００６９】
凹部には、コンテナの外側から被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等１８２が嵌め込まれて、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等の側面および上面がコンテナと熱的に密接に接続されている。このようにコンテナに被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に対応する形状の凹部を備えることによって、矢印１８４で示すように、コンテナ内で冷却された作動液がコンテナの底面側だけでなく、天面側においても内壁のウイック材を介して被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等と接触して、蒸発し、矢印１８５に示すように流れる。
【００７０】
比較を鮮明にするために、上述した凹部を備えていないコンテナの例を図２２（ｂ）に示す。図２２（ｂ）に示すように、凹部が備わっていないときには、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等１８２の熱を吸収する作動液が、コンテナの底面側の被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等との接触面のみで作動し、矢印１８８で示すように、蒸発した作動液が流れる。コンテナ内で冷却された作動液はコンテナの底面側を矢印１８７に示すように流れる。しかし、コンテナの天面側を流れる冷却された作動液は、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等と接触することなく矢印１８９で示すように流れる。上述した比較で明らかなように、この発明の凹部を備えた扁平型ヒートパイプにおいては、コンテナ内で冷却された作動液がコンテナ内の底面側だけでなく、内壁のウイック材を介して天面側においても被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等と接触するので、コンテナの放熱効果が著しく向上する。
【００７１】
図２３は、この発明の扁平型ヒートパイプの他の１つの態様を示す図である。図２３（ａ）に示すように、ウイックが前記コンテナ内壁のみしか配置されていないこの態様の扁平型ヒートパイプは、一方の端部が更に押圧変形されて形成された局所扁平部を備えており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記局所扁平部を通って接触している被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等へ作動液を供給する事ができる、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプである。即ち、コンテナの一方の端部に例えば押圧変形されて形成された局所扁平部１９１を備えている。この態様の扁平型ヒートパイプの場合には、コンテナ１９０への被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等１９２の取り付けは、局所扁平部１９１から所定距離だけ離れた位置が好ましい。
【００７２】
局所扁平部１９１は、コンテナの端に向かって下方に偏平されており、図２３（ａ）に矢印１９４で示すように、コンテナの天面側に位置する冷却された作動液が偏平面に沿ってコンテナの一端に流れて還流することが可能になる。このようにコンテナの端部に局所扁平部を設けることにより、コンテナの底面側に位置する冷却された作動液は矢印１９３で示すように被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等１９２に向かって移動して被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等の熱を吸収して蒸発し、矢印１９５で示すように蒸発した作動液が流れる。
【００７３】
更に、上述したように、コンテナの天面側に位置する冷却された作動液は矢印１９４で示すように、局所扁平部の偏平面に沿ってコンテナの一端に流れ、次いで、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等１９２に向かって移動して被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等の熱を吸収して蒸発し、矢印１９５で示すように蒸発した作動液が流れる。局所扁平部の扁平率は、コンテナの厚さと比較して、３０〜７０％の範囲内である。上述した範囲内の扁平率のとき、局所扁平部によって、天面側に位置する冷却された作動液が被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に向かって還流する。
【００７４】
比較を鮮明にするために、上述した局所扁平部を備えていないコンテナの例を図２３（ｂ）に示す。図２３（ｂ）に示すように、局所扁平部が備わっていないときには、コンテナの底面側に位置する作動液が矢印１９７で示すように流れ、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等１９２の熱を吸収して蒸発し、矢印１９８で示すように、蒸発した作動液が流れる。しかし、コンテナの天面側を流れる冷却された作動液は、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等と接触することなく矢印１９６で示すように流れる。上述した比較で明らかなように、この発明の局所扁平部を備えた扁平型ヒートパイプにおいては、コンテナ内で冷却された作動液がコンテナ内の底面側だけでなく、天面側においても被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に向かって還流して、被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等と接触するので、コンテナの放熱効果が著しく向上する。更に、作動液が効率的に還流するので、いわゆるドライアウト現象が起こり難くなる。
【００７５】
図２４は、この発明の扁平型ヒートパイプにおけるグルーブの溝深さ、山数等を説明する図である。図２４（ａ）は、この発明の扁平型ヒートパイプにおける押圧変形されたグルーブ管の溝の深さ等を示す図である。図２４（ｂ）は、グルーブ管に形成された溝のリード角を示す図である。図２４（ａ）において、Ｈは溝の深さ、ｔは底肉厚、Ｗ１は溝底幅、Ｗ２は山裾幅をそれぞれ示す。図２４（ｂ）において、βはリード角を示す。この発明の扁平型ヒートパイプにおけるグルーブ管の底肉厚ｔは０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内である。溝の深さＨは、外径と溝の深さ×１００との比で表され（即ち、外径：（溝の深さ×１００））１：１〜１：２０の範囲内である。リード角（即ち、グルーブ管の長軸方向に対する溝の傾斜角度）βは０°〜３５°の範囲内である。なお、山数Ｎは外径と溝数との比で表され（即ち、外径：溝数）１：５〜１：１５の範囲内である。
【００７６】
【発明の効果】
この発明によると、高い毛細管力を備えた扁平型ヒートパイプが提供される。即ち、内壁の全面にグルーブを備えたグルーブ管を押圧変形させて、扁平型コンテナを形成する際に、平面状のウイック材によって円筒形状に形成されたウイック材をグルーブ管内に配置して、グルーブ管およびウイック材を押圧変形させると、内壁の全面に備えられたグルーブを形成する山部が崩されることなく、グルーブ管の毛細管力を維持することが出来る。更に、コンテナの対向する上板材および下板材の間に配置され、コンテナに対応して変形されたウイック材の外面が内壁のグルーブに接し、内部に流体移動用の通路を備えているので、グルーブとウイック材による相乗効果が得られ、著しく優れた毛細管力を発揮することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプを説明する横断面図である。
【図２】図２は、この発明に使用される、押圧変形前のグルーブ管を説明する横断面図である。
【図３】図３は、図１に示した横断面図の詳細を説明する図である。
【図４】図４は、グルーブ管の内壁に形成されているグルーブの形状を示す図である。
【図５】図５は、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図６】図６は、この発明の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図７】図７は、この発明の扁平型ヒートパイプの側面図である。
【図８】図８は、この発明の扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図９】図９は、扁平型ヒートパイプを被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に取り付ける状況を説明する図である。
【図１０】図１０は、扁平型ヒートパイプを被冷却体、例えば発熱素子、伝熱体等に取り付ける状態の他の態様を説明する図である。
【図１１】図１１は、この発明の扁平型ヒートパイプの他の態様を示す図である。
【図１２】図１２は、この発明の扁平型ヒートパイプをヒートシンクに取り付けた状況を示す図である。
【図１３】図１３は、この発明の扁平型ヒートパイプを他のヒートシンクに取り付けた状況を示す図である。
【図１４】図１４は、ベースプレートに扁平型ヒートパイプを取り付けた状況を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の扁平型ヒートパイプの適用例を示す図である。
【図１６】図１６は、扁平型ヒートパイプとフィンとの接続状況を説明する図である。
【図１７】図１７は、扁平型ヒートパイプとフィンとの接続状況を説明する図である。
【図１８】図１８は、扁平型ヒートパイプとフィンとの接続状況を説明する図である。
【図１９】図１９は、この発明の扁平型ヒートパイプの１つの態様の部分を示す図である。
【図２０】図２０は、扁平型ヒートパイプとフィンとの接続状況を説明する図である。
【図２１】図２１は、他の態様の扁平型ヒートパイプを示す図である。
【図２２】図２２は、この発明の扁平型ヒートパイプの１つの態様を示す図である。
【図２３】図２３は、この発明の扁平型ヒートパイプの他の１つの態様を示す図である。
【図２４】図２４は、この発明の扁平型ヒートパイプにおけるグルーブの溝深さ、山数等を説明する図である。
【符号の説明】
１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０．扁平型ヒートパイプ
２、１２、３２．コンテナ
３、１３、２３、３３．ウイック材
４．グルーブ
５．流体移動用通路
６．上板部
７．下板部
８．外面
９．凸部
５１、１１１．発熱素子
５２．伝熱シート
５３．窪み部
８３．ヒートスプレッダ
９３．フィン
１０１．ベースプレート

Claims (22)

1. 内壁の全面にウイック構造を備えたウイック構造管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナの対向する上板部および下板部の間に配置され、前記コンテナに対応して変形された、外面が前記内壁のウイック構造に接し、内部に流体移動用の通路を備えた少なくとも１本のウイック材と、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備えた、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
2. 前記ウイック材が、平面状のウイック材によって円筒形状に形成されたウイック材、または、金属材を編んで形成されたウイック材、もしくは焼結金属から形成されたウイック材から、なっている、請求項１に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
3. 前記ウイック材の幅方向の大きさが、前記コンテナの幅方向の大きさの２０〜７０％の範囲内である、請求項２に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
4. 前記ウイック構造が、前記コンテナの長手方向に直線状に平行に形成されたストレート形状型からなっている、請求項１から３の何れか１項に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
5. 前記ウイック構造が、前記コンテナの一方の端部から他方の端部にかけて螺旋状に平行に形成されたスパイラル形状型からなっている、請求項１から３の何れか１項に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
6. 前記ウイック構造のリード角が０°〜３５°の範囲内である、請求項５に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
7. 前記ウイック構造の溝の深さは、前記グルーブ管の外径と（溝の深さ×１００）との比で表され、その比が１：１〜１：２０の範囲内であり、前記ウイック構造の山数は前記ウイック構造管の外径と溝数との比で表され、その比が１：５〜１：１５の範囲内である、請求項５または６に記載の毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
8. 前記コンテナの厚さが、長手方向に沿って、変化している、請求項２または３に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
9. 前記コンテナが外表面の一部に一体的に形成されたフィン部を備えている、請求項２または３に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
10. 前記コンテナがＬ字形に折り曲げられ、Ｌ字を形成するそれぞれの部分に前記ウイック材が配置されている、請求項２または３に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
11. 前記コンテナが、前記ウイック構造管が半円形状に曲げられ、押圧変形されて扁平形状に形成されている、請求項２または３に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
12. 外部からその中に被冷却体が収容されて熱的に接続される凹部が備えられており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記凹部の頂部の入熱部に被冷却体と熱的に接続される、請求項１〜１１の何れか１項に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
13. 前記コンテナの一部が更に押圧変形されて形成された局所扁平部を備えており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記局所扁平部を通って循環する請求項１〜１１の何れか１項に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
14. 請求項１から１３の何れか１項に記載の扁平型ヒートパイプが、フィン部が取り付けられるベース板の底部に取り付けられている冷却装置。
15. 請求項１から１３の何れか１項に記載の２つの扁平型ヒートパイプを組み合わせ、前記扁平型ヒートパイプのそれぞれの一部の厚さが変化して発熱素子を収容する収容部を形成し、前記収容部に前記発熱素子を収容して、被冷却体を冷却する冷却装置。
16. 前記ウイック構造がグルーブ形状、メッシュ形状、編組線形状、焼結金属形状の何れか、または、それらの組み合わせからなっている、請求項１から１３の何れか１項に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
17. 前記ウイック材がグルーブ管形状、メッシュ形状、編組線形状、焼結金属の何れか、または、それらの組み合わせからなっている、請求項１から１３の何れか１項に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
18. コンテナの長手方向垂直任意断面における中央部に前記ウイック材が配置され、かつ、その他部分に蒸気流路が形成されている、請求項２に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
19. コンテナの長手方向垂直任意断面における中央部に蒸気流路が形成され、かつ、その他部分に前記ウイック材が配置されている、請求項２に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
20. 内壁の全面にウイック構造を備えたグルーブ管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備え、前記扁平型コンテナには、外部からその中に被冷却体が収容されて熱的に接続される凹部が備えられており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記凹部の頂部の入熱部に被冷却体と熱的に接続される、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
21. 内壁の全面にウイック構造を備えたグルーブ管を押圧変形させて形成された気密な扁平型コンテナと、前記コンテナ内に密封された作動流体とを備え、前記コンテナの一部が更に押圧変形されて形成された局所扁平部を備えており、前記コンテナ内で冷却された前記作動流体が前記局所扁平部を通って循環する、優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。
22. 前記凹部および前記局所扁平部が変形前の厚さに対して、５％〜３５％の範囲内の厚さである、請求項２０または２１に記載の優れた毛細管力を有する扁平型ヒートパイプ。

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