JP4382891B2

JP4382891B2 - 扁平ヒートパイプとその製造方法

Info

Publication number: JP4382891B2
Application number: JP25935298A
Authority: JP
Inventors: 順二素谷; 勝大海; 良夫石田; 秋美首藤; 貴志土居
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: JP2000074578A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウィックが空洞部内に配置された扁平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に搭載されている半導体素子等の発熱部品の冷却技術が注目されている。その一つの方法としてヒートパイプを応用した冷却技術がある。ヒートパイプを用いた冷却方法として、ヒートパイプを発熱部品に取り付け、そのヒートパイプを経路として発熱部品の熱を放熱用のフィン等まで運んで放散させる形態が代表的である。またそのフィン等に強制的に送風する小型ファンを設置した電気機器もある。
【０００３】
ヒートパイプについて簡単に説明すると、ヒートパイプは内部に密封された空洞部を備えており、その空洞部に水、代替フロン等の作動流体（作動液ともいう）が一定量収容されているものである。空洞部内は真空引きされており、作動流体の蒸発が起きやすくなっている。作動流体は空洞部内で液相と気相（蒸気）の混在状態となって存在している。
【０００４】
ヒートパイプは空洞部内の作動流体が蒸発し、その蒸気が移動することで熱移動機能が作動する。例えば直状タイプのヒートパイプの場合、その一端部側から熱を与えると（その部分をヒートパイプの吸熱部と呼ぶ）、その吸熱部において液相状態であった作動流体が蒸発し、その蒸気は他方端側に移動し、そこで蒸気が凝縮して放熱する（その部分をヒートパイプの放熱部と呼ぶ）。ヒートパイプの放熱部にはフィン等を取り付けておけば、作動流体の蒸気が有していた熱が外部に放散されやすくなる。
【０００５】
ところで放熱部で凝縮した作動流体が吸熱部へ戻らなければ、上述の作動は継続しない。そこで放熱部で凝縮した作動流体（の液相）を吸熱部に帰還（還流）させる必要がある。通常は、吸熱部を放熱部より下方に位置させることで、放熱部で凝縮した作動流体の液相を重力によって下降させている。尚、このような状態をボトムヒートモードと呼ぶこともある。
【０００６】
放熱部を吸熱部より上方に配置できない場合は、重力作用による作動流体の還流が期待できない。そこでヒートパイプの空洞部内に毛細管作用を発現するウィック（メッシュやワイヤー等）を配置したり、空洞部内壁に微細な溝を形成したりする方法が知られている。尚、放熱部が吸熱部より下方に位置している場合をトップヒートモードと呼ぶ場合がある。放熱部が吸熱部とほぼ水平に位置している場合も重力作用による作動流体の還流が期待されにくいため、このような場合も、ウィックを配置したりすることが多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年は、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ＣＰＵ、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細径化も要求されることになる。
【０００８】
そこで細い径のヒートパイプ、例えば外径３ｍｍ程度の細いヒートパイプが実用化され、既にそれがパソコン等の冷却機構に適用されている。しかし、パソコン等の筐体内のスペースの都合等により、その細い径のヒートパイプを更に潰して、断面を略扁平形状にしたヒートパイプ（扁平ヒートパイプ）を用いる場合もある。例えば携帯型パソコン用の場合などは、厚さ２ｍｍ程度、更には厚さ１．５ｍｍ以下にまで扁平化して用いられることが多い。
【０００９】
ところでヒートパイプを用いる利点の一つは、発熱部品の箇所と、その熱の放熱箇所（フィンを配置したりする箇所）との距離をある程度長くできる点にある。つまり、例えばＣＰＵやＭＰＵ等の発熱部品は、パソコン本体内部の外壁付近に配置されるとは限らず、むしろそこから離れた位置に配置される場合が多い。このような場合において、ヒートパイプを経由させることで、発熱部品の熱をフィンやファンが配置されるパソコン本体の外壁付近に効率的に運ぶことができるのである。
【００１０】
一方、携帯型のパソコン等の場合、その小型化、軽量化が望まれるので、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の発熱部品が搭載される本体部も、その形状が薄型化される傾向にある。このため、発熱部品の冷却機構に用いられるヒートパイプは、その吸熱部と放熱部とが概ね水平に位置するようになる場合も多い。またパソコン等の使用形態によっては、ヒートパイプがトップヒートモードになる場合もあり得る。このような事情から、パソコン等の機器に用いられるヒートパイプにはウィックをを挿入したり、空洞部内壁に微細な溝を形成したりする場合が多い。
【００１１】
しかしヒートパイプがある程度長いと、作動流体の還流経路が長くなるため、上述した空洞部内壁に溝を形成したものでは、その毛細管作用が不足する場合がある。一方、空洞部内にウィックを配置したヒートパイプであっても、特に細径の扁平ヒートパイプの場合、その空洞部断面積が小さいため、作動流体の蒸気が高速化し、その蒸気と逆方向に移動すべき作動流体の液相の移動が妨げられやすくなる。特に厚さが１．５ｍｍ以下程度の薄型の扁平ヒートパイプの場合、この傾向が著しくなる傾向があった。
【００１２】
このように作動流体の還流が不十分であると、いわゆるドライアウト現象が起きたりして、そのヒートパイプによる熱移動が停止あるいは性能低下が起きるので問題である。このような事情から、細径の扁平ヒートパイプの場合であっても、作動流体の還流が十分に維持され優れた特性が発現する扁平ヒートパイプの開発が望まれていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述したような課題を踏まえ、作動流体の還流が十分に維持される優れた扁平ヒートパイプを提供すべくなされたものである。即ち、本発明の扁平ヒートパイプとして、金属シートを管成形してなる扁平コンテナを有する扁平ヒートパイプであって、前記金属シートには、前記扁平コンテナの一方の扁平部内壁にほぼ管軸方向に伸びる溝ウィック部が形成されているとともに、溝ウィック部と対向する位置にほぼ管軸方向に伸びるウィック材が接合されており、さらに、前記溝ウィック部の先端に前記ウィック材が接合されている、という構成のものを提案する。
【００１５】
上記ウィック材および上記溝ウィックは、扁平部のほぼ中央部分に位置していることが望ましい。
【００１６】
上述した本発明の扁平ヒートパイプの製造方法として、下述の方法を提案する。金属シートを管成形する工程、その管成形に先立って、前記金属シートの一部にほぼ管軸方向に伸びる溝ウィック部を形成する工程、前記金属シートの一部であって管形成された際に溝ウィック部と対向する位置に概ね管軸方向に伸びるウィック材を接合する工程、成形した管をヒートパイプ化する工程、管に扁平加工を施す工程、を有する扁平ヒートパイプの製造方法である。
【００１７】
上記製造方法において、成形した管にヒートパイプ加工を施す工程と、管に扁平加工を施す工程の順序は任意である。尚、ヒートパイプ加工とは、管を密封して空洞部を形成する作業や、その空洞部内に作動流体を注入する作業、その他、空洞部内を真空脱気したり洗浄したりする作業等を施して、ヒートパイプ化することを指す。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の扁平ヒートパイプの製造工程例の一部を模式的に示す説明図である。この図を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
金属シート１００は例えば銅板等を想定している。この金属シート１００の主面上の一部に、概略その外形が棒状になったウィック部材２０を配置して接合する。ウィック部材２０はそれが配置される方向の金属シート１００の長さより若干短めにしておく。この意味は、後述する成形した管の両端部の封止作業の際の溶接しろを確保するためである。
【００１９】
ウィック部材２０は、作動流体を毛細管作用により移動させるものであり、その形態として種々のものが知られている。図６にウィック部材の例を挙げておく。図中の（ア）は、銅製の棒や管の周りに細い金属線を編むように巻き付けた形態、同（イ）は、細い線材を棒状に編んだもの、同（ウ）はワイヤーを束ねたもの、同（エ）はメッシュ（網）を丸めたもの、である。
【００２０】
さて図１のようにウィック部材２０を接合した金属シート１００を用いて、それを丸めて管状にする（図２）。図２中の符号１０２は溶接部である。次いでこの管を用いてヒートパイプ化してヒートパイプ１０を製造した。ここでヒートパイプ化とは、管の両端を封止して内部に密封された空洞部を形成する工程、その密封作業に先立って空洞部内に水等の作動流体（図示せず）を適量注入する工程、その他、細かい説明は省くが、空洞部内の脱気作業や洗浄作業等を適宜施す工程等により、ヒートパイプを組み立てる一連の工程の意味である。
【００２１】
次にヒートパイプ１０にプレス等により扁平加工を施す。図２（イ）は扁平加工を施して製造した扁平ヒートパイプ１１を示している。こうして出来上がった扁平ヒートパイプ１１は、空洞部内に納まるウィック部材２０が、当該扁平ヒートパイプ１１のほぼ長手方向に沿ってほぼ一定の位置に配置されたものとなっている。即ちこの例では、扁平ヒートパイプ１１の全長に渡り、ウィック２０が扁平ヒートパイプ１１のほぼ中央部分に位置している。
【００２２】
このウィック２０の位置は、それが扁平ヒートパイプ１１の全長に渡りほぼ一定の位置に存在していればよく、その位置は特に中央であることに限られるものではない。但し、扁平ヒートパイプ１１は、その扁平部（主面部）が吸熱部もしくは放熱部となる場合が多いので、図示するようにウィック２０をほぼ中央部分に配置することが望ましいと言える。
【００２３】
さて、この本発明の扁平ヒートパイプ１１の作動試験を行ってみた。その結果、例え吸熱部が放熱部の下方に位置しない場合（水平配置またはトップヒートモード）でも、作動流体の還流が高く維持され優れた熱輸送特性を実現していることが判った。
【００２４】
尚、ウィック部材２０は図２（イ）に示されるように、空洞部の上下の内壁のいずれにも接している。こうすることで、この扁平ヒートパイプ１１が、図における上下方向で特性が実質的に対称になったものとすることができる。
【００２５】
上述した本発明の扁平ヒートパイプ１１が、トップヒートモード或いは吸熱部と放熱部とが実質水平配置の場合でも、優れた熱移動特性が維持された理由を、本発明者らは次のように推察する。
作動流体の液相部分を毛細管作用によって移動させるウィック部材２０の部分は、即ち作動流体の還流経路となるが、これに対して蒸気は主にウィック部材２０の存在しない領域をその流路（蒸気流路１０１）としている。尚、蒸気流路１０１との呼称は、その部分が主に蒸気の流路となる、という意味である。その他の部分に蒸気が全く流れない、という意味ではない。本発明の場合、そのウィック部材２０と蒸気流路１０１とが扁平ヒートパイプ１１のほぼ全長に渡り区分されているので、作動流体の蒸気の流れに逆行する作動流体の液相の移動が、蒸気により妨げられにくくなっていると思われる。従って例えトップヒートモード或いは吸熱部と放熱部とが実質水平配置の場合でも、優れた熱移動特性が維持されている、と本発明者らは推察する。
【００２６】
ところで、特公平６−６５９５４（本願と発明者の一部が重複している）には、扁平ヒートパイプの断面の一部にウィック部材を集め、その他の部分を蒸気流路とする発明が示されている。これに対し本願発明は、ウィック部材２０を扁平ヒートパイプの全長に渡りほぼ一定の位置、特に中央部分に配置した構成を実用的に実現した点に優位性がある。
【００２７】
さてその他の本発明の実施の形態例について若干説明しておく。
図３に示すようなほぼ中央部に溝ウィック３０を形成した金属シート１２０を用いて、上述の例と同様に、図４（ア）に示すように丸めてパイプ化し、更にそれをヒートパイプ化してから、潰して扁平にした（図４（イ））。図中の符号１２２は溶接部である。図中の符号１２は扁平化する前のヒートパイプ、符号１３は扁平ヒートパイプを指す。
【００２８】
この本発明の扁平ヒートパイプ１３も、主に作動流体の還流経路となる溝ウィック３０の部分と、主に蒸気が流れる蒸気流路１２１の部分が全長に渡り区分されている。この扁平ヒートパイプ１２も上述した本発明の扁平ヒートパイプ１１と同様、水平配置またはトップヒートモードでも、作動流体の還流が高く維持され優れた熱輸送特性を実現していることが判った。
【００２９】
図５に示す扁平ヒートパイプ１４は、ウィック部材２１と溝ウィック３１の両方を適用した場合の例である。その他は上述した本発明例と同様である。この本発明の扁平ヒートパイプ１４も、水平配置またはトップヒートモードで優れた熱輸送特性を実現していることが判った。
【００３０】
【実施例】
本発明の実施の形態は上述した３例に限られるものではないが、ここでは図３、４に示した例について実施例を説明しておく。
金属シート１２０は銅製で肉厚は０．２５ｍｍである。溝ウィック３０は高さ０．５ｍｍ、長さ５ｍｍの突起が５個ずつ図示するように整列させたものである。この金属シート１２０を図４（ア）に示すようにフォーミングしてパイプ状（外径６ｍｍ）にし、それを長さ２５０ｍｍに切断して、その両端部の溶接封止、作動流体の注入等のヒートパイプ化を行った後、扁平加工を施して図４（イ）に示すような扁平ヒートパイプ１３（厚さ１ｍｍ）を得た。製造された扁平ヒートパイプ１３の長さは２００ｍｍ程度である。
【００３１】
この扁平ヒートパイプ１３を水平に置いて、その一方の端部から５０ｍｍ部分を加熱、他方側を冷却放熱させたところ、８Ｗまでは加熱部と放熱部の温度差が非常に小さく維持できた。同様の試験を従来のヒートパイプで試みた結果と比べても数倍の熱輸送特性が実現していることが判った。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明の扁平ヒートパイプとその製造方法は、作動流体の還流が十分に維持され、優れた熱移動特性が実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の扁平ヒートパイプの製造に用いる金属シートの例を示す説明図である。
【図２】本発明の扁平ヒートパイプの製造工程の一部と、その断面を示す説明図である。
【図３】本発明の扁平ヒートパイプの製造に用いる金属シートの例を示す説明図である。
【図４】本発明の扁平ヒートパイプの製造工程の一部と、その断面を示す説明図である。
【図５】本発明の扁平ヒートパイプの断面図を示す説明図である。
【図６】本発明の扁平ヒートパイプに用いられるウィック部材の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ヒートパイプ
１００金属シート
１０１蒸気流路
１０２溶接部
１１扁平ヒートパイプ
２０ウィック部材
１２ヒートパイプ
１２０金属シート
１２１蒸気流路
１２２溶接部
１３扁平ヒートパイプ
３０溝ウィック
１４扁平ヒートパイプ
２１ウィック部材
３１溝ウィック

Claims

金属シートを管成形してなる扁平コンテナを有する扁平ヒートパイプであって、前記金属シートには、前記扁平コンテナの一方の扁平部内壁にほぼ管軸方向に伸びる溝ウィック部が形成されているとともに、溝ウィック部と対向する位置にほぼ管軸方向に伸びるウィック材が接合されており、さらに、前記溝ウィック部の先端に前記ウィック材が接合されている、扁平ヒートパイプ。
前記ウィック材および前記溝ウィックは、扁平部のほぼ中央部分に位置している、請求項１に記載の扁平ヒートパイプ。
請求項１または請求項２に記載の扁平ヒートパイプを製造する方法であって、金属シートを管成形する工程、その管成形に先立って、前記金属シートの一部にほぼ管軸方向に伸びる溝ウィック部を形成する工程、前記金属シートの一部であって管形成された際に溝ウィック部と対向する位置に概ね管軸方向に伸びるウィック材を接合する工程、成形した管をヒートパイプ化する工程、管に扁平加工を施す工程、を有する扁平ヒートパイプの製造方法。