JP4557055B2

JP4557055B2 - 熱輸送デバイス及び電子機器

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Publication number: JP4557055B2
Application number: JP2008165352A
Authority: JP
Inventors: 弘幸良尊; 孝谷島; 光生橋本; 敏朗太田; 竜彦繁本; 一夫後藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: JP2010007905A; US20090323285A1

Description

本発明は、作動流体の相変化により熱を輸送する熱輸送デバイス及びこれを搭載した電子機に関する。

パーソナルコンピュータ等の電子機器を冷却するために、その電子機器の発熱部から発生する熱を凝縮部に輸送し放熱する輸送するヒートパイプなどの熱輸送デバイスが用いられている。ヒートパイプは、電子機器の高温の発熱部で発生する熱によって蒸発した気相の作動流体が、低温の凝縮部へ移動し、その凝縮部で凝縮して液体になって熱を放出するものであり、これにより発熱体が冷却される。

このようなヒートパイプは、電子機器の薄型化などに伴い薄型にすることが好ましく、例えば、スリットを有する薄板からなる仕切板を数枚重ね合わせ、コンテナ内に封止し、該コンテナ内に作動液を封入したヒートパイプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このヒートパイプでは、複数の仕切板のスリットが幅方向にずれるように重ね合わせることにより、スリットの連通する部分が蒸発した作動液の流路となり、スリットのずれた部分が液化した作動液が毛細管現象により移動する移動路となる。
特開２００２−３９６９３号公報（段落[００１５]、図１、図２）

しかしながら、上述のようなヒートパイプでは、スリット形状の加工を安価に行うことが困難であり、さらにスリット状に加工された薄板を扱うことが非常に難しく、量産には向かないという問題があった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、加工が容易で安定して量産することが可能な熱輸送デバイス及びそれを搭載した電子機器を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するにあたり、本発明の熱輸送デバイスは、密閉容器と、前記密閉容器内に封入された作動流体と、第１の開口面積を有する第１の孔、及び、第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方をそれぞれ有する複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記複数の板状部材のうち第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う第２の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように、前記密閉容器内で積層された複数の板状部材とを具備する。

本発明においては、隣り合う第１の板状部材及び第２の板状部材それぞれに設けられる第１の孔を連通させることにより液相の作動流体の流路を得ることができ、第２の板状部材の第２の孔の開口面を第１の板状部材の第１の孔の開口面内に配置することにより、積層方向に気相の作動流体の流路を得ることができる。更に、孔を有する板状部材を重ねることによって毛細管力を発生させているので、密閉容器内で毛細管現象と蒸発現象が連動して作動流体を還流させることができる。従って、熱輸送デバイスに隣接して発熱部材を設けた場合、発熱部材から発せられる熱を熱輸送デバイスの面内方向へ広範囲に輸送し、放熱することが可能となる。このような孔を有する板状部材は例えばピンを用いたパンチング加工などによって製造することができ、スリット加工を施すよりも容易に製造できる。また、スリットを有する板状部材よりも孔を有する板状部材の方が扱い易く、安定して量産することができる。

また、前記密閉容器を形成する、前記複数の板状部材を挟み込むように設けられた底板及び上板を有し、前記上板は前記板状部材に向かって突出する突起を有する。

このように上板に突起を設けることにより、耐圧性に優れた熱輸送デバイスを得ることができる。すなわち、熱輸送デバイスは通常内部を減圧して使用するが、突起を設けることにより、熱輸送デバイスの薄型化を目指して上板を薄くしても外圧によって熱輸送デバイスが凹むことがない。また、熱輸送デバイスはヒートシンクを半田付けで接続することがよく行われるが、その際、熱輸送デバイスとヒートシンクを高温炉の中に入れて半田を溶かして接続することがよく行われている。この時、熱輸送デバイスは２００℃以上の高温になることがあり、この時の内部の作動流体の蒸気圧が非常に高くなり、内側から外側へ圧力がかかることになるが、突起を設けることによりを設けない場合と比較して耐圧性が向上する。これにより品質の高い熱輸送デバイスを得ることができる。

また、前記底板はその前記板状部材側に位置する面に溝を有する。

このように底板に溝を形成することにより、液相の作動流体の流路抵抗を低減することができる。

本発明の他の熱輸送デバイスは、密閉容器と、前記密閉容器内に封入された作動流体と、第１の開口面積を有する第１の孔を有する第１の板状部材と、前記第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔を有する第２の板状部材とを含む複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う前記第１の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように、前記密閉容器内で積層された複数の板状部材とを具備する。

本発明においては、隣り合う２枚の第１の板状部材それぞれに設けられる第１の孔を連通させることにより液相の作動流体の流路を得ることができ、第２の板状部材の第２の孔の開口面を第１の板状部材の第１の孔の開口面内に配置することにより、積層方向に気相の作動流体の流路を得ることができる。更に、孔を有する板状部材を重ねることによって毛細管力を発生させているので、密閉容器内で毛細管現象と蒸発現象が連動して作動流体を還流させることができる。従って、熱輸送デバイスに隣接して発熱部材を設けた場合、発熱部材から発せられる熱を熱輸送デバイスの面内方向へ広範囲に輸送し、放熱することが可能となる。このような孔を有する板状部材は例えばピンを用いたパンチング加工などによって製造することができ、スリット加工を施すよりも容易に製造できる。また、スリットを有する板状部材よりも孔を有する板状部材の方が扱い易く、安定して量産することができる。

本発明の更に他の熱輸送デバイスは、作動流体と、第１の開口面積を有する第１の孔、及び、第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方をそれぞれ有する複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記複数の板状部材のうち第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う第２の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように積層された複数の板状部材と、前記複数の板状部材の積層方向で前記複数の板状部材を挟むように設けられた第１の外壁部材及び第２の外壁部材とを具備する。

本発明の更に他の熱輸送デバイスは、作動流体と、第１の開口面積を有する第１の孔を有する第１の板状部材と、前記第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔を有する第２の板状部材とを含み、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う前記第１の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように積層された複数の板状部材と、前記複数の板状部材の積層方向で前記複数の板状部材を挟むように設けられた第１の外壁部材及び第２の外壁部材とを具備する。

本発明の電子機器は、発熱部材と、前記発熱部材に隣接して設けられた、密閉容器と、前記密閉容器内に封入された作動流体と、第１の開口面積を有する第１の孔、及び、第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方をそれぞれ有する複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記複数の板状部材のうち第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う第２の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように、前記密閉容器内で積層された複数の板状部材とを有する熱輸送デバイスとを具備する。

本発明における電子機器の発熱部材に隣接して配置される熱輸送デバイスにおいては、隣り合う第１の板状部材及び第２の板状部材それぞれに設けられる第１の孔を連通させることにより液相の作動流体の流路を得ることができ、第２の板状部材の第２の孔の開口面を第１の板状部材の第１の孔の開口面内に配置することにより、積層方向に気相の作動流体の流路を得ることができる。更に、孔を有する板状部材を重ねることによって毛細管力を発生させているので、密閉容器内で毛細管現象と蒸発現象が連動して作動流体を還流させることができる。従って、本発明の電子機器においては、このような熱輸送デバイスを具備することにより、発熱部材から発せられる熱を熱輸送デバイスの面内方向へ広範囲に輸送し、放熱することができ、電子機器の局所的な熱の発生を防止することができる。

以上のように、本発明によれば、容易にかつ安定して量産可能な熱輸送デバイスおよびこれを搭載した電子機器を提供することができる。

（熱輸送デバイス）

以下、本発明の実施の形態を図１から図１０、図１７に基づき説明する。なお、図面を見やすくするために、実際の構造と比較して、薄板や孔などの構成の数を減らしたり、縮尺の度合いを各構成で異ならせている。

図１は、熱輸送デバイスとしてのプレート型のヒートパイプの概略分解斜視図である。図２は図１のヒートパイプの動作を説明するための模式図である。図３は図１に示すヒートパイプの一部を構成する板状部材としての薄板の概略平面図である。図４は、図３の円Ａで囲まれた領域の拡大平面図である。図５は、積層した複数の薄板の孔の位置関係を説明するための平面図である。図６は、積層された複数の薄板の部分斜視図である。図７は、図６の線Ｂ−Ｂ´における断面図である。図８（ａ）は、異なる大きさの孔が設けられた本実施形態における積層された薄板の孔の位置関係を示す概略平面図である。図８（ｂ）は、比較例として、同じ大きさの孔が設けられた薄板が複数積層された場合の孔の位置関係を示す概略平面図である。図９は、図１に示すヒートパイプの一部を構成する上板の平面図である。図１０は、図１に示すヒートパイプの一部を構成する底板の斜視図である。図１７は本実施形態における毛細管構造を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態におけるヒートパイプ１は、下から順に第２の外壁部材としての底板３０と、５枚の板状部材として薄板２１〜２５と、第１の外壁部材としての上板１０が積み重ねられて構成される。底板３０、薄板２１〜２５及び上板１０はいずれも外形が矩形の同じ大きさからなり、ヒートパイプ１は、底板３０、薄板２１〜２５および上板１０の外周が接合されることにより、密閉容器を形成している。言い換えると、底板３０と上板１０によって密閉容器の外形が略形成され、この密閉容器内に、底板３０と上板１０とによって挟まれた薄板２１〜２５が配置された構成となっている。接合方法としては、拡散接合、超音波接合、ロウ付けなどを用いることができ、本実施形態においては拡散接合を採用した。密閉容器であるヒートパイプ１内には作動流体（図７における符号６０）が封入されている。薄板の詳細な構造については後述するが、液相の作動流体に毛細管力を作用させて作動流体を保持するために、薄板２１〜２５にはそれぞれ第１の孔及び第２の孔が設けられている。尚、実際のヒートパイプでは、薄板は例えば２０枚ほど用いる。ヒートパイプ１の容器内部空間は、上方領域に蒸発して気相化した作動流体（蒸気）が存在する気相部９０と、下方領域に液状の作動流体が存在する液相部９１とを有する。

ヒートパイプ１は、本実施形態においては、横４ｃｍ、縦１６ｃｍ、高さ（すなわち厚み）０．１ｃｍの寸法を有している。底板３０、薄板２１〜２５及び上板１０には、銅、アルミニウム、ＳＵＳなどの熱伝導性の高い部材を用いることができ、本実施形態においては銅を用いた。

作動流体としては、純水、エタノールなどのアルコール、ＦＣ７２、純水とアルコールの混合物などを用いることができ、本実施形態においては純水を用いた。

図２に示すように、ヒートパイプ１の一端部に熱源である発熱部材４０が配置された場合、蒸発部９２にて発熱部材４０で発生する熱を受けとって、液相部９１の作動流体が蒸発して蒸気となる。蒸気は気相部９０に移動し、更に低温の凝縮部９３へ移動し、凝縮部９３で凝縮して液体になって熱を放出する。これにより発熱部材４０が冷却される。凝縮部９３にて放熱することにより流体となった作動流体（図７における符号６０）は、積層された複数の薄板２１〜２５により形成される毛細管力により蒸発部９２の方向へ移動され、再び加熱されて蒸発する。これを繰り返すことにより蒸発部９２から凝縮部９３へ熱を瞬時に輸送することができ、熱を広い範囲に広げることができる。ヒートパイプ１全体の動きとしては、蒸発部９２の毛細管力が、気相部９０の流路抵抗、液相部９１の流路抵抗、蒸発部９２、凝縮部９３の抵抗に打ち勝つポンプ力となり、全体を循環させている。本実施形態においては、蒸発部９２の構造も凝縮部９３の構造も同様の構造となっている。蒸発部９２は作動流体を蒸気に変えて熱を受け取る機能を有し、凝縮部９３では蒸気を液体に変えて熱を放出する機能を有する。（図２の上向きの矢印がおかしいです。蒸気は、熱源近辺でしか発生しないため、上向きの矢印を記載いただくのでしたら、熱源近辺でお願い

本実施形態においては薄板２１〜２５の積層によって毛細管構造が形成される。図１７に示すように、２枚の薄板、例えば２１、２３に挟まれた狭い空間を利用して毛細管力を発生させている。この狭い空間の厚みは、薄板２１、２３に挟まれる薄板２２の厚みに相当する。狭い空間に挟まれた作動流体６０が熱を受けて蒸発すると、作動流体６０は蒸発に伴い後退していき、接触角が小さくなる（後退接触角＜前進接触角）ために、大きな毛細管力を発生することが可能となる。この際、薄板に挟まれた空間の形状を図１８に示すように高さＤ、幅Ｗの直方体形状とみなすと、毛細管力Ｐｃは、
Ｐｃ＝σｃｏｓθ×（Ｄ＋Ｗ）／（Ｄ×Ｗ）（式中、σは表面張力、θは接触角を示す）
と表わすことができる。この時、Ｄ＜＜Ｗの場合、
Ｐｃ＝σｃｏｓθ×Ｄ
と近似できる。すなわち、流路長（幅Ｗに相当）が等しい場合、薄板の厚み（高さＤに相当）を薄くすることにより、高い毛細管力を得ることができる。尚、図１７において、実線は作動流体の流れを示し、点線は上記の流れを示す。

図３に示すように、薄板２１（２２〜２５）には、矩形にその４つの角からそれぞれ突起が突出した形状に孔形成領域１２０が設けられている。４つの突起はそれぞれ薄板２１の長手方向に延在している。孔形成領域１２０には、２つの大きさの異なる第１の孔２６及び第２の孔２７がそれぞれ複数形成されている。

図４から図７に示すように、各薄板２１〜２５には、第１の開口面積を有する第１の孔２６、及び、第１の開口面積よりも小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方が設けられている。各薄板２１〜２６において、第１の孔２６及び第２の孔２７は交互に一の方向である薄板長手方向（ｙ軸方向）に配列され、ｘ軸方向には同じ大きさの孔が配列されている。第１の孔２６及び第２の孔２７はいずれも円形を有しており、本実施形態においては第１の孔２６を直径０．８ｍｍ、第２の孔を直径０．４ｍｍとした。また、薄板長手方向（ｙ軸方向）における隣り合う孔間の距離を０．１ｍｍ、薄板長手方向と垂直な方向（ｘ軸方向）における隣り合う第１の孔２６間の距離を０．１ｍｍとした。また、ｘ軸に沿って配列される各孔２６及び２７の中心を結んだ線はｘ軸方向と平行しており、ｙ軸方向に沿って配列される各孔２６及び２７の中心を結んだ線はｙ軸方向と平行している。

図５〜図７に示すように、本実施形態においては、積層した薄板２１〜２５をその厚み方向からみた場合、上から第１の孔２６、第２の孔２７、第１の孔２６、第２の孔２７、第１の孔２６、あるいは、第２の孔２７、第１の孔２６、第２の孔２７、第１の孔２６、第２の孔２７となるように、異なる大きさの孔が交互に、それらの円の中心が平面的に重なるように配置される。また、平面的に、薄板長手方向に配置される隣り合う第１の孔２６はいずれも部分的に重なり合うように配置され、この第１の孔２６内に第２の孔２７が位置するよう配置される。すなわち、積層した薄板２１〜２５のうち隣接する２枚の薄板をそれぞれ第１の薄板、第２の薄板とした場合、第１の薄板の第１の孔２６内と、第１の薄板と隣り合う第２の薄板の第１の孔２６内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の作動流体を積層方向に流通させるために、第２の薄板の第２の孔２７の開口面が第１の薄板の第１の孔の開口面内に配置されるように、密閉容器内で薄板２１〜２５は積層される。言い換えると、積層される複数の薄板２１〜２５は大きさの異なる複数の第１の孔２６と複数の第２の孔２７を有し、第１の孔２６は隣り合う薄板にそれぞれ平面的に部分的に重なり合うように配置され、第２の孔２７は該第２の孔２７が配置される薄板と隣り合う薄板に配置される第１の孔内に平面的に同心円状に位置するように配置される。

薄板２１〜２５の厚みは、例えば５〜１００μｍ程度で、この板厚がそのまま毛細管径となる。上述したように、板厚が薄いほど大きな毛細管力を得ることができるが、本実施形態においては液相流路も板厚で形成される隙間で構成されているため、板厚が薄すぎると、流路抵抗が非常に大きくなってしまうため、熱輸送距離、輸送したい熱量等で板厚を選択するのが好ましく、本実施形態においては、２０μｍとした。

ヒートパイプ１では、順に積層される３枚の薄板のうち、平面的に見て、中央に位置する薄板が存在しない領域で、その中央の薄板を挟み込むように配置される２枚の薄板によって形成される空間が、毛細管力が発生する領域５０となる。言い換えると、薄板の厚み方向で２つの第２の孔２７間にこの第２の孔２７よりも大きい第１の孔２６が位置するように薄板が積層される領域で、第２の孔２７がそれぞれ設けられる２枚の薄板によって形成される空間に、毛細管力が発生する。図８（ａ）に示すように、本実施形態におけるヒートパイプ１では、平面的にみて、斜線で埋めた領域、すなわち連続して連なる複数の第１の孔２６の外形によって形成される領域内であって第１の孔２６と第２の孔２７とが重なりあう領域以外の領域が、毛細管力が発生する領域５０となる。また、毛細管力が発生する領域５０と、隣り合う２枚の薄板それぞれに形成される第１の孔２６が平面的に重なり合った領域が、作動流体６０の流路となる。従って、２つの第１の孔２６が重なりあう部分を通じて作動流体６０が流れるので、ヒートパイプ１全体から見ると、複数の第１の孔２６が重なり合って形成される作動流体の流路がヒートパイプ長手方向（図面ｙ軸方向）に沿って複数存在する。作動流体６０は、図６における実線及び点線の矢印方向に示すように第１の孔２６に沿って、そして図７における一重線の矢印方向のように上方へと向かって流れる。部分的に重なり合う第１の孔２６の重なり合う幅は、この領域で作動流体６０の流れを確保できればよく、適宜設定することができる。気相化した作動流体６０、すなわち蒸気は、第１の孔２６及び第２の孔２７によって薄板の厚み方向に連通した貫通孔２８を通ってヒートパイプ１の上方へ、図７における二重線の矢印方向に蒸発する。本実施形態におけるヒートパイプでは、図７に示すように、作動流体の流れ（一重線の矢印）と蒸気の流れ（二重線）が一致する。尚、図８（ａ）において、実線で図示した孔は薄板２１、２３、２５に設けられた孔を示し、点線で図示した孔は薄板２２、２４に設けられた孔を示す。

このように、本実施形態においては、複数の第１の孔２６が薄板の長手方向に部分的に重なるように連続して配置することにより、薄板の長手方向に沿った作動流体の流路を確保することができる。そして、平面的に第２の孔２７を第１の孔２６内に配置することにより、これらの孔によって形成される貫通孔２８が蒸気の流路となる。

ここで、毛細管力が発生する領域５０の作動流体６０が薄く広がっている部分が蒸発の熱伝達が大きい部分であるため、この領域が大きい方が蒸発の熱伝達が高く、ヒートパイプとしての熱輸送率を向上させることが可能である。また、作動流体の蒸発効率は、貫通孔２８の一部を形成する第１の孔２６の側面積が増大するほど向上し、蒸発効率の向上により作動流体の循環量が増大し、ヒートパイプとしての熱輸送特性を向上させることができる。

例えば、上述した従来におけるスリットを有する仕切り板を用いた場合においては、スリットが形成される領域が撓み、取扱いが難しいが、本実施形態のように孔を設ける場合には、このような問題がないため取扱が容易で、安定してヒートパイプを量産することが可能である。

本実施形態においては異なる大きさの孔を薄板に設けたが、図８（ｂ）に示すように薄板に同じ大きさの孔１２６を設け、孔が平面的に部分的に重複するように孔配置をずらして複数の薄板を設けた場合、本実施形態のように好ましい熱輸送特性を得ることができなかった。図８（ｂ）の構造においては、それぞれ異なる薄板に設けられる孔１２６の平面的に重なり合う領域が蒸気が通る貫通孔となるが、蒸発量を大きくするためにこの貫通孔の平面積を大きくとるために複数の孔１２６が重なり合う領域を大きく設定すると、この重なり合う領域で作動流体の流れを得ることができず、薄板長手方向に作動流体の流路を確保できない。このため、作動流体の流れの方向と蒸気の流れの方向が一致せず、所望の毛細管力を発生させることができない。一方、重なり合う領域で作動流体の流れを得ようと重なり合う領域の範囲を狭く設定すると、十分な蒸発量を得ることができない。従って、所望の毛細管力及び所望の蒸発量の双方を兼ね備える構造とすることが難しい。これに対し、本実施形態においては、第１の孔２６を一方向に沿って重なり合う領域における作動流体の流れが得られるよう複数の第１の孔２６を重なり合うように配置することによって、一方向に沿って作動流体の流路を確保することができ、所望の毛細管力が得られる。更に、第１の孔２６内に第２の孔２７が配置されることにより、第１の孔２６及び第２の孔２７によって連通する貫通孔２８によって蒸気の流路を確実に確保することができ、所望の蒸発量を得ることができる。従って、本実施形態の構造においては、熱輸送特性の良いヒートパイプ１を得ることができる。尚、図８（ｂ）において、実線で図示した孔は一の薄板に設けられた孔を示し、点線で図示した孔は一の薄板に隣り合って配置される薄板に設けられた孔を示す。

本実施形態において、複数の薄板の積層方向に複数の薄板を挟むように上板１０と底板３０が設けられている。図１に示すように、上板１０は密閉容器内に向かって突出した複数の突起としてのリブ１２を有している。図９に示すように、上板１０には、矩形にその４つの角からそれぞれ突起が突出した形状にリブ形成領域１１０が設けられている。４つの突起はそれぞれ上板１０の長手方向に延在している。リブ形成領域１１０では、リブ１２以外の領域１１がエッチングされ、これにより複数の平面矩形状のリブ１２が形成される。リブ１２は、その長手方向が上板１０の長手方向（ｙ軸方向）に平行して上板１０の長手方向に沿って複数列配置され、隣り合う列に配置されるリブ１２はその配置が長手方向にずれて配置されている。本実施形態においては、エッチング深さ、すなわちリブ１２の高さを０．４ｍｍ、リブ１２の長手方向における長さを７．５ｍｍ、リブ１２の長手方向と直交する方向における幅を０．５ｍｍ、長手方向（ｙ軸方向）における隣り合うリブ１２間の距離を１ｍｍ、長手方向と直交する方向における隣り合うリブ１２間の距離を３．１ｍｍとした。ここでは、リブ１２形成にエッチング加工を用いたが、エンボス加工や電気鋳造などの加工法を用いてもよい。

このように上板１０にリブ１２を設けることにより、耐圧性に優れたヒートパイプ１を得ることができる。すなわち、ヒートパイプ１は通常内部を減圧して使用するが、リブ１２を設けることにより、上板１０を薄くしても外圧によってヒートパイプ１が凹むことがない。また、ヒートパイプはヒートシンクを半田付けで接続することがよく行われるが、その際、ヒートパイプとヒートシンクを高温炉の中に入れて半田を溶かして接続することがよく行われている。この時、ヒートパイプは２００℃以上の高温になることがあり、この時の内部の作動流体の蒸気圧が非常に高くなり、内側から外側へ圧力がかかることになるが、リブ１２を設けることによりリブ１２を設けない場合と比較して耐圧性が向上する。ここで、ヒートパイプ１において上板１０側が気相部９０となるが、気相部９０の機能として、蒸気の流路抵抗をできるだけ小さくして蒸気を蒸発部９２から凝縮部９３に輸送することが求められる。流路抵抗は、水力直径（＝４×断面積／周囲長）の２乗に反比例するため、できるだけ水力直径を大きくする必要がある。水力直径は、矩形の場合、短い方の辺の長さの影響を大きく受ける。従って、薄型ヒートパイプでは厚み方向に制限があるため、短い方の辺はヒートパイプの厚みの制限内で可能な限り広く取ることが望まれる。ヒートパイプの厚みを薄型化に対応するために上板の厚みを薄くすることが考えられるが、その場合、平坦な上板では外圧によって凹んでしまう。これに対し、本実施形態のようにリブ１２を設けることにより耐圧性を向上させることができ、ヒートパイプの更なる薄型化が可能となる。

また、本実施形態においては、上板１０のリブ１２と上板１０と隣接する薄板２１によって毛細管構造が形成され、蒸気の流路抵抗を小さくすることができる。

図１及び図１０に示すように、底板３０は、薄板側の面に、一の方向（ｙ軸方向）である長手方向に沿った直線状の溝３１を複数有している。これにより、液相の作動流体の流路抵抗を下げることができ、薄型のヒートパイプのように長距離輸送するヒートパイプにおいても、熱輸送量を確保することができる。

薄型ヒートパイプのように熱輸送距離が長い場合、液相と気相の流路抵抗が大きくなるため、毛細管力を更に大きくしなければ十分な熱輸送量を確保できない。しかしながら、毛細管力を大きくするためには微細な構造を作る必要があり、本実施形態のように薄板で毛細管力が発生する領域を形成し、かつ薄板によって液相の作動流体の流路を形成している場合、毛細管力を大きくしようとすると流路抵抗が非常に大きくなり、液相の流路抵抗を低減することが必要となる。そこで、本実施形態においては、底板３０に溝３１を設けることにより液相の作動流体の流路抵抗の低減を実現した。

本実施形態においては、溝３１の深さを８０μｍ、隣り合う溝３１間の距離を２００μｍ、溝３１のｘ軸方向における幅を４００μｍとした。図１４は、溝幅、溝間距離を上述の数値に固定し、薄板の寸法及び構造は上述した本実施形態の構造と同様にし、薄板の枚数は２０枚とし、気相側の体積流量当たりの流路抵抗を４．７×１０^１０Ｐａ・ｓｅｃ／ｍ^３と仮定し、溝深さを変えて熱輸送量Ｌを計算してプロットしたグラフである。溝を形成しない場合、１０Ｗ程度の熱輸送量しか得ることができないが、図１４に示すように、溝３１の深さを８０μｍとすることにより２７Ｗ程度の熱輸送が可能となる。溝３１の深さは５０〜１００μｍとすることが好ましく、これにより大きな熱輸送量Ｌを得ることができる。

熱輸送量Ｌ（Ｗ）は、流量Ｑに作動流体である純水の潜熱をかけることにより算出した。流量Ｑは、溝３１によって形成される毛細管力の値と、溝３１によって形成される流路の流路抵抗の値とが同じとなる時の流量とした。流量Ｑは、流路抵抗Ｒに比例し、流路抵抗Ｒを求めることにより算出した。流路抵抗Ｒと毛細管力はそれぞれ以下の式を用いて算出した。

矩形流路の流路抵抗Ｒ（Ｐａ・ｓｅｃ／ｍ^３）は次のように求められる。
Ｒ＝１２μ・ｆｕｎｃ（Ｄ／Ｗ）・Ｌ／Ｄ^２（ＤＷ）
式中、
μ：液体の動粘性係数（Ｐａｓｅｃ）、
Ｄ：矩径流路の狭い方の幅（ｍ）を表わし、底板の溝深さに相当、
Ｗ：矩径流路の広い方の幅（ｍ）を表わし、底板の溝幅に相当、
Ｌ：輸送距離（ｍ）
Ｆｕｎｃ（Ｄ／Ｗ）：Ｄ／Ｗで決まる関数。

この式を基に、複合流路での流路抵抗を求めた。複合流路の流路抵抗は、複合流路を構成する各流路の流路抵抗を求めることができれば推定でき、次のように求めた。

液相の流路抵抗について、単独流路の抵抗と複合流路の抵抗に関して以下のような関係があることが、計算上としても、実験でも確認できている。

流路を流れたときの圧力損失をΔＰ（Ｐａ）、体積流量をＱ（ｍ^３／ｓｅｃ）、流路抵抗としてＲ（Ｐａ・ｓｅｃ／ｍ^３）を定義した場合、これらの関係は、
ΔＰ＝Ｒ×Ｑ
と表わすことができる。

ここで、平行してかつ内部の流体が互いに移動しうる流路１、流路２が存在したときに、同じ圧力損失ΔＰを受けているならば、それぞれの流路抵抗Ｒ１、Ｒ２とそれぞれの体積流量Ｑ１、Ｑ２に関しては以下の関係で表わせる。
ΔＰ＝Ｒ１×Ｑ１＝Ｒ２×Ｑ２、Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２
これらの式からＱ１、Ｑ２を消去すると
１／Ｒ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２
と表わすことができる。

すなわち、各流路の流路抵抗を求めることができれば、複合流路の流路抵抗は推定できる。各々の流路の流路抵抗は、流路を作成して測定することも可能であるし、"Heat Pipe Science and Technology"には、様々な流路の流路抵抗の算出の仕方が掲載されている。

一方、毛細管力は、毛細管の周囲長に発生する表面張力とその力がかかる面の面積で求められる。断面がＤ×Ｗ（Ｄ：矩径流路の狭い方の幅（ｍ）を表わし、底板の溝深さに相当し、Ｗ：矩径流路の広い方の幅（ｍ）を表わし、底板の溝幅に相当する）の矩形流路の毛細管力においては、周囲の長さは２（Ｄ＋Ｗ）であるので、そこに発生する表面張力（Ｎ）は２（Ｄ＋Ｗ）・σ・ｃｏｓθ（式中、σは表面張力（Ｎ／ｍ）、θは接触角を表わす）と表わされる。従って、矩形の面積はＤ・Ｗであるので、圧力Ｐｃは、
Ｐｃ＝２（Ｄ＋Ｗ）・σ・ｃｏｓθ／（Ｄ・Ｗ）（Ｎ／ｍ^２）と表わせる。

ここで、複合流路になった際の毛細管圧力は毛細管圧力を発生できる周囲長全体の表面張力が、複合流路の全体の面積に対してかかることとなるため、ある流路の流路長Ｌ１、Ｌ２に対して各々の流路面積がＡ１、Ａ２であったなら、全体の毛細管圧力は
（Ｌ１＋Ｌ２）・σ・ｃｏｓθ／（Ａ１＋Ａ２）と表わせ、この複合流路における毛細管力を算出する式を用いて毛細管力を求めた。

このように、本実施形態においては、薄板に異なる大きさの孔を複数設ける構造とすることにより高い毛細管力を維持し、更に底板に溝を設けることにより、液相の流路抵抗を下げることができる。

薄板２１〜２５に円形の第１の孔２６及び第２の孔２７を形成するには、穴あけ側の型にピンを使用したパンチングによる孔加工を適用することができる。この場合、ピンの加工が容易であり、またピンが折れた際の修理が容易であり、更にピンと受け側の台の位置合わせにおいてピンの回転方向を考慮する必要がないため位置合わせが容易である。従って、製造コストを、スリットを形成する場合と比較して大幅に抑えることができ、また安定して熱輸送特性の優れたヒートパイプを量産することが可能である。また、パンチングの孔あけ加工以外に、エッチング加工などを行って孔を形成することもできる。

また、上述の実施形態においては、１枚の薄板に大きさの異なる第１の孔２６と第２の孔２７を設けたが、変形例として、図１１及び図１２に示すように、１枚の薄板に同じ大きさの孔のみを設けてもよい。

図１１は、例えば４枚の薄板を使用した場合の各薄板の形状を示す概略平面図である。図１２は、図１１に示す４枚の薄板を積み重ねた場合における各孔の位置関係を示す。

図１１及び図１２に示すように、第１の板状部材としての２枚目の薄板１２２及び３枚目の薄板１２３に同じ大きさの第１の開口面積を有する第１の孔３２６ａ、３２６ｂが配置され、第２の板状部材としての１枚目の薄板１２１及び４枚目の薄板１２４に第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔３２７ａ、３２７ｂが配置されている。１枚目の薄板１２１の第２の孔３２７ａと２枚目の薄板１２２の第１の孔３２６ａとは、積み重ねたときに平面的にみて同心円状に配置される。３枚目の薄板１２３の第１の孔３２６ｂと４枚目の薄板１２４の第２の孔３２７ｂとは、積み重ねたときに平面的にみて同心円状に配置される。２枚目の薄板１２２の第１の孔３２６ａと３枚目の薄板１２３の第１の孔３２６ｂとは、積み重ねたときに平面的に部分的に重なり合うように配置される。すなわち、第１の板状部材である薄板１２２の第１の孔３２６ａ内と、この第１の板状部材と隣り合う第１の板状部材である薄板１２３の第１の孔３２６ｂ内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の作動流体を積層方向に流通させるために、第２の板状部材である薄板１２１、１２４それぞれの第２の孔３２７ａ、３２７ｂの開口面が第１の板状部材である薄板１２２、１２３の第１の孔３２６ａ、３２６ｂの開口面内にそれぞれ配置されるように、薄板１２１〜１２４は積層される。言い換えると、積層される複数の薄板１２１〜１２４は大きさの異なる複数の第１の孔３２６ａ、３２６ｂと複数の第２の孔３２７ａ、３２７ｂを有し、第１の孔３２６ａ、３２６ｂは隣り合う薄板にそれぞれ平面的に部分的に重なり合うように配置され、第２の孔３２７ａ、３２７ｂは該第２の孔３２７ａ、３２７ｂが配置される薄板と隣り合う薄板に配置される第１の孔内に平面的に同心円状に位置するように配置される。第１の孔３２６ａと第１の孔３２６ｂとが重なりあう領域の幅は、この領域に作動流体が流れる流路となるように設定すればよい。このように薄板１２１〜１２４に第１の孔及び第２の孔を設けることにより、液相の作動流体に毛細管力が作用し作動流体が薄板間で保持される。

このような構造においても、上述の実施形態と同様に、複数の第１の孔３２６ａ、３２６ｂを薄板の長手方向に部分的に重なるように連続して配置することにより、薄板の長手方向に沿った作動流体の流路を確保することができる。そして、平面的に第２の孔３２７ａ、３２７ｂを第１の孔３２６ａ、３２６ｂ内に配置することにより、これらの孔によって形成される貫通孔が蒸気の流路となる。また、毛細管力が発生する領域を複数の円弧が連なった形状とすることができる。

また、上述の実施形態においては孔の形状を円形としたが、図１３に示すように楕円としたり、矩形状としても良く、これら形状に限定されるものではない。また、上述の図１１で示した変形例のように、１枚の薄板に１種類の大きさの孔を形成してもよい。

図１３は、例えば５枚の薄板を使用した場合の各薄板の形状を示す概略平面図である。

図１３に示すように、薄板２２１〜２２５それぞれに異なる大きさの第１の孔２２６及び第２の孔２２７が交互に一の方向に配列され、一の方向に直交する方向には同じ大きさの孔が配列されている。第１の孔２２６及び第２の孔２２７はいずれも一の方向に長手方向を有する楕円形状である。また、一の方向と直交する方向に沿って配列される各孔２２６及び２２７の中心を結んだ線は、一の方向と直交する方向と平行しており、一の方向に沿って配列される各孔２２６及び２２７の中心を結んだ線は一の方向と平行している。

積層した薄板２２１〜２２５を厚み方向からみた場合、上から第１の孔２２６、第２の孔２２７、第１の孔２２６、第２の孔２２７、第１の孔２２６、あるいは、第２の孔２２７、第１の孔２２６、第２の孔２２７、第１の孔２２６、第２の孔２２７となるように、異なる大きさの孔が交互に、それらの楕円の中心が平面的に重なるように配置される。また、平面的に、薄板長手方向に配置される隣り合う第１の孔２２６はいずれも部分的に重なり合うように配置され、この第１の孔２２６内に第２の孔２２７が位置するよう配置される。言い換えると、積層される複数の薄板２２１〜２２５は大きさの異なる複数の第１の孔２２６と複数の第２の孔２２７を有し、第１の孔２２６は隣り合う薄板にそれぞれ平面的に部分的に重なり合うように配置され、第２の孔２２７は該第２の孔２２７が配置される薄板と隣り合う薄板に配置される第１の孔内に平面的に位置するように配置される。

このような構造においても、上述の実施形態と同様に、複数の第１の孔２２６を薄板の長手方向に部分的に重なるように連続して配置することにより、薄板の長手方向に沿った作動流体の流路を確保することができる。そして、平面的に第２の孔２２７を第１の孔２２６内に配置することにより、これらの孔によって形成される貫通孔が蒸気の流路となる。また、毛細管力が発生する領域を複数の円弧が連なった形状とすることができる。

また、上述の実施形態におけるヒートパイプ１の動作について、図２に示すように、液相側に発熱部材を配置して説明したが、気相側に発熱部材を配置しても同様の効果を得られることができた。これは、ヒートパイプ１の厚みが非常に薄いためと考えられる。

（電子機器）

上述の実施形態に記載されるヒートパイプを用いた電子機器としてのパーソナルコンピュータと液晶テレビについて図１５及び図１６を用いて説明する。

図１５（ａ）はパーソナルコンピュータの概略斜視図、図１５（ｂ）は（ａ）のパーソナルコンピュータに組み込まれる部品の概略平面図である。図１６は液晶テレビの概略平面図である。

図１５に示すように、パーソナルコンピュータ７０は、各種キー等が搭載されたキーボード部７３と、液晶表示部７２とを有している。キーボード部７３では、例えばアルミニウムからなるシャーシ７１を土台に、液晶パネル部７２の表示を制御する制御回路基板や入力キー等が配置されている。制御回路基板には、発熱部材として電子回路部品であるＣＰＵ（中央演算処理装置）１４０が搭載されており、本実施形態においては、このＣＰＵ１４０に隣接してヒートパイプ１を配置した。これにより、ＣＰＵ１４０で発生した熱はヒートパイプ１により速やかに輸送され、シャーシ７１の温度を面内均一にすることができ、放熱される。このように本実施形態においては、ヒートパイプ１は薄型であるためパーソナルコンピュータ７０の薄型化が可能となる。また、放熱部品としてのファンの使用をやめることができ、更なる薄型軽量化も可能である。尚、本実施形態においては、ヒートパイプ１の平面外形はシャーシ７１の平面外形よりも小さいが、同一の大きさとしてもよい。また、放熱板を用いて放熱板にヒートパイプ１が隣接するように配置してもよく、これらの構造に限定されるものではない。

図１６に示すように、液晶テレビ８０は、液晶表示部８１と、液晶表示部８１に対して光を照射するエッジライト式のバックライト８４を有する。バックライト８４は、矩形の液晶表示部８１の対向する上下２辺にそれぞれ配置されている。バックライト８４は、銅板８２上に複数の白色ＬＥＤ８３が配置されて構成される。本実施形態においては、複数のヒートパイプ１が銅板８２に接続されている。これにより、発熱部材としての白色ＬＥＤ８３から発せられる熱は、ヒートパイプ１によって液晶テレビ８０全体に広範囲に広がり、面内でほぼ均一の温度とすることができ、放熱される。これにより低温やけどの発生などを防止することができる。また、本実施形態においては、ヒートパイプ１は薄型であるため液晶テレビ８０の薄型化が可能となる。

以上のように、発熱部材を有する電子機器に、上述のヒートパイプ１を設けることにより、発熱部材から発せられる熱を広範囲に熱伝達することができ、これにより空気との温度差が生じて熱のやりとりが行われ、速やかに放熱することができる。

ヒートパイプの概略分解斜視図である。図１のヒートパイプの動作を説明するための模式図である。図１に示すヒートパイプの一部を構成する板状部材としての薄板の概略平面図である。図３の円Ａで囲まれた領域の拡大平面図である。複数の薄板間における孔の位置関係を説明するための平面図である。積層された複数の薄板の部分斜視図である。図６の線Ｂ−Ｂ´における断面図である。（ａ）は本実施形態における積層された薄板の孔の位置関係を示す概略平面図、（ｂ）は比較例として同じ大きさの孔が設けられた薄板が複数積層された場合の孔の位置関係を示す概略平面図である。図１に示すヒートパイプの一部を構成する上板の平面図である。図１に示すヒートパイプの一部を構成する底板の斜視図である。変形例としての薄板の概略平面図である。図１１に示す薄板を積み重ねた場合における各孔の位置関係を示す平面図である。他の変形例としての薄板の概略平面図である。底板の溝の深さと熱輸送量との関係を示したグラフである。（ａ）はパーソナルコンピュータの概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のパーソナルコンピュータの一部構成を示す平面図である。液晶テレビの概略平面図である。本実施形態における毛細管構造を説明するための図である。毛細管構造を説明するための図である。

符号の説明

１…ヒートパイプ、
１０…上板
１２…リブ
２１〜２５、１２１〜１２４、２２１〜２２５、…薄板
２６、２２６、３２６ａ、３２６ｂ…第１の孔
２７、２２７、３２７ａ、３２７ｂ…第２の孔
３０…底板
３１…溝
４０…発熱部材
６０…作動流体
７０…パーソナルコンピュータ
８０…液晶テレビ
８３…白色ＬＥＤ
１４０…ＣＰＵ

Claims

密閉容器と、
前記密閉容器内に封入された作動流体と、
第１の開口面積を有する第１の孔、及び、第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方をそれぞれ有する複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記複数の板状部材のうち第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う第２の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記板状部材の積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように、前記密閉容器内で積層された複数の板状部材と
を具備する熱輸送デバイス。
請求項１記載の熱輸送デバイスであって、
前記密閉容器を形成する、前記複数の板状部材を挟み込むように設けられた底板及び上板を有し、
前記上板は前記板状部材に向かって突出する突起を有する
熱輸送デバイス。
請求項２記載の熱輸送デバイスであって、
前記底板はその前記板状部材側に位置する面に溝を有する
熱輸送デバイス。
作動流体と、
第１の開口面積を有する第１の孔、及び、第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方をそれぞれ有する複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記複数の板状部材のうち第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う第２の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記板状部材の積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように積層された複数の板状部材と、
前記複数の板状部材の積層方向で前記複数の板状部材を挟むように設けられた第１の外壁部材及び第２の外壁部材と
を具備する熱輸送デバイス。
発熱部材と、
前記発熱部材に隣接して設けられた、密閉容器と、前記密閉容器内に封入された作動流体と、第１の開口面積を有する第１の孔、及び、第１の開口面積より小さい第２の開口面積を有する第２の孔の両方をそれぞれ有する複数の板状部材であって、液相の前記作動流体に毛細管力を作用させて前記作動流体を保持するために、前記複数の板状部材のうち第１の板状部材の前記第１の孔内と、前記第１の板状部材と隣り合う第２の板状部材の前記第１の孔内とが連通するように、かつ、蒸発した気相の前記作動流体を前記板状部材の積層方向に流通させるために、前記第２の板状部材の前記第２の孔の開口面が前記第１の板状部材の前記第１の孔の開口面内に配置されるように、前記密閉容器内で積層された複数の板状部材とを有する熱輸送デバイスと
を具備する電子機器。