JP6121893B2 - シート型ヒートパイプ - Google Patents

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Description

本発明は、スマートフォンやタブレット端末などの携帯情報端末に搭載可能であり、小型でありながら十分な熱輸送量が得られるシート型ヒートパイプに関する。
従来、タブレット端末などの携帯機器に搭載されるCPUの発熱を拡散させるために、例えば特許文献1に示すような熱伝導率の高いグラファイトを、放熱シートに混在させた放熱構造が提案されている。
特開2012−186692号公報
しかし従来の構成では、熱の拡散が十分ではなく、CPUが制限温度を超えたり、携帯機器の外郭にヒートスポットが生じたりして、CPUの発熱を制限せざるを得なかった。このため、CPUの能力を最大限に使うことができなかった。
一方、ヒートパイプによりCPUの発熱を拡散する放熱構造も知られているが、タブレット端末などの携帯機器の好ましい大きさの制約から、直径がΦ3mm以上のヒートパイプを携帯機器の筐体内に収納するだけのスペースが確保し難い。とりわけ、スマートフォンなどの携帯情報端末では、使い易さの追求から筐体の厚さに制限があり、ヒートパイプの設置が難しいものであった。また、パイプ状のヒートパイプでは、携帯情報端末の広い領域に良好な熱拡散を行なうことができず、情報携帯端末としてCPUなどの熱部品の性能を十分に発揮させることができなかった。
そこで本発明は上記問題点に鑑み、十分な熱輸送能力を有し、薄い筐体内にも無理なく設置が可能なシート型ヒートパイプを提供することを目的とする。
本発明のシート型ヒートパイプは、金属箔シートを2枚以上積み重ねて接合されていることにより、厚さが0.5mm以下の密閉された容器を形成し、前記金属箔シートは、何れも凹状の蒸気通路とウィックとなる溝が形成され、前記金属箔シートの蒸気通路となる領域の肉厚が、0.03mmから0.14mmの範囲であり、前記容器の外周部のほぼ全周に第1ウィックを形成し、前記第1ウィックから前記容器の中央部に向かって第2ウィックが延びて、前記ウィックを構成し、前記第2ウィックよりも前記第1ウィックは、前記溝の本数が多く形成され、前記第1ウィックは前記溝となる第1溝と、この第1溝を形成するための凸壁とからなり、前記第1溝、前記凸壁、および前記第1ウィックの外側に形成される外周壁の各幅の寸法は、外周壁>第1溝>凸壁であり、前記第2ウィックは前記溝となる第2溝と、前記第2溝を形成する幅広の第1凸壁と、前記第2溝を形成する幅狭の第2凸壁とからなり、前記第2溝、前記第1凸壁、および前記第2凸壁の各幅の寸法は、第1凸壁>第2溝>第2凸壁であること特徴とする。
請求項1の発明によれば、金属箔シートにエッチング加工またはプレス加工を施し、2枚以上の金属箔シートを接合することで、密閉された容器の厚さを薄くしても、その容器の内面に微細な凹凸を形成して、十分な熱輸送能力を有する薄いシート型ヒートパイプを得ることができる。また、容器の厚さを薄型化することで、携帯情報端末などの薄い筐体内にもシート型ヒートパイプを無理なく設置することができる。
また、金属箔シートの表面にハーフエッチング加工を施すことで、容器の内面に十分な熱輸送能力を有する微細な蒸気通路とウィックの溝を形成できる。また、金属箔シートを積み重ねた容器の厚さを0.5mm以下に形成することで、携帯情報端末などのより厚さが薄い筐体内にもシート型ヒートパイプを無理なく容易に設置できる。
また、金属箔シートの蒸気通路となる領域の肉厚を0.14mm以下に抑えることで、蒸気通路における熱輸送能力向上と容器全体の厚さ制限を両立させることができる。また、この肉厚が0.03mm以上であれば、容器内を真空状態に密閉した場合でも、大気圧により容器が潰れる虞を回避できる。
請求項の発明によれば、容器内が作動液の飽和蒸気圧であり、蒸気通路の壁面には大気圧による応力が加わることから、蒸気通路の中で、ウィックとなる溝が形成された領域に近接する応力の大きな部分の肉厚を厚くする一方で、応力の小さな中央部分の肉厚を薄くすることで、大気圧による容器の潰れ防止と、蒸気通路の断面積確保の両立を図ることが可能となる。
請求項の発明によれば、ウィックとなる微細な溝は、作動液の液相が触れる表面積が大きいほど熱輸送能力が向上する。そこで、ある程度の断面積を維持しながら液相の触れる表面積が大きくできるような溝の幅と深さの比を適切に規定することで、ウィックにおける熱輸送能力を向上させることが可能となる。
請求項の発明によれば、ウィックとなる溝の幅と蒸気通路の深さの比を適切に規定すれば、容器の内部において作動液の液相が触れる表面積を大きくし、気相が流れる断面積を大きくすることができ、熱輸送能力を向上させることが可能となる。
請求項の発明によれば、ウィックの機能は作動液の液相を還流させることにあるので、容器の外周部における第1ウィックから、中央部に向かって延びる第2ウィックを形成するようにウィックを配置すれば、携帯情報端末などの熱源を何処の位置に設置しても作動液の還流が可能となり、シート型ヒートパイプとして良好な熱輸送を可能にして、十分な熱拡散を得ることができる。
また、作動液の液相の還流は、容器の中央に向かって延びている第2ウィックから外周部の第1ウィックに集まる還流と、外周部の第1ウィックから中央に向かって延びている第2ウィックに分流しながら放熱部から受熱部への還流がある。そこで、第1ウィックは第2ウィックよりも液相の還流量が多くなるため、第1ウィックを構成している溝の本数を、第2ウィックを構成している溝の本数よりも多くすれば、容器内で作動液の液相を円滑に還流させることができる。
請求項の発明によれば、容器を構成する金属箔シートは、容器の密閉度と容器として適正な強度を得るために、2枚の金属箔シートどうしを重ね合わせたときに、第1ウィックの外側にある外周壁として接触する面の幅が、例えば0.2mmから1.9mmであることが望ましい。一方で、第1ウィックの溝を構成するだけの凸壁は、その幅が狭いほど溝の微細化に繋がり好ましい。実施例では約0.1mmにしてあり、溝の幅よりも狭い。そこで、外周壁の幅と、微細化が望まれる第1ウィックの溝幅と、それを構成する凸壁の幅との寸法関係を適切に規定すれば、容器の密閉度を確保しながらその強度を適正に保ちつつ、第1ウィックに液相が触れる表面積と蒸気通路の気相が流れる断面積が最適となり、熱輸送能力の向上に繋げることができる。
また、容器を構成する金属箔シートは、容器の密閉度と容器として適正な強度を得るために、2枚の金属箔シートどうしを重ね合わせたときに、第2ウィックにおける幅広の第1凸壁として接触する面の幅が、例えば0.2mmから1.9mmであることが望ましい。一方で、第2ウィックの溝を構成するだけの第2凸壁は、その幅が狭いほど溝の微細化に繋がり好ましい。実施例では約0.1mmにしてあり、溝の幅よりも狭い。そこで、微細化が望まれる第2ウィックの溝幅と、それを構成する第1凸壁や第2凸壁の幅との寸法関係を適切に規定すれば、容器の密閉度を確保しながらその強度を適正に保ちつつ、第2ウィックに液相が触れる表面積と蒸気通路の気相が流れる断面積が最適となり、熱輸送能力の向上に繋げることができる。
本発明の一実施例を示すシート型ヒートパイプの完成状態における平面図と側面図である。 同上、第1シート体の側面図と平面図である。 同上、図2に示すA部を拡大した詳細図である。 同上、図3のB−B線断面図である。 同上、図2に示すC部を拡大した詳細図である。 同上、図2に示すD部を拡大した詳細図である。 同上、図2に示すE部を拡大した詳細図である。 図1のシート型ヒートパイプが搭載される携帯情報端末としてのスマートフォンの外観図である。 図1のシート型ヒートパイプを、タッチパネルの背面とマザーボードまたは電池パックとの間に設置した状態の、背面カバーを外した背面図と、背面カバーを含む縦断面図である。 図1とは別な形状のシート型ヒートパイプを、筐体の背面カバーとマザーボードとの間に設置した状態の、背面カバーを外した背面図と、背面カバーを含む縦断面図である。 冷却構成の違いによる情報携帯端末の温度上昇を比較した説明図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について、タブレット端末などの携帯機器に搭載されるシート型ヒートパイプを例にして説明する。
図1〜図7は、本発明の一実施例におけるシート型ヒートパイプ1を示している。これらの各図において、シート型ヒートパイプ1は、2枚の銅箔シートである第1シート体11と第2シート体12を拡散接合した容器15により構成される。これらのシート体11,12は、例えばアルミニウムのように、熱伝導性が良好でエッチング加工またはプレス加工が可能な他の金属シートを利用してもよい。図1に示すように、完成状態のシート型ヒートパイプ1は略矩形平板状で、後述するスマートフォンなどの携帯情報端末51(図8を参照)の筐体内部形状に合せた外形を有し、その四隅にはR形状の面取部16が形成される。また、容器15の内部に真空状態で純水などの作動液(図示せず)を封入するために、容器15には溶接のための筒状の封止部17が形成される。封止部17により密閉された容器15ひいてはシート型ヒートパイプ1の厚さt1は、0.4mmである。
容器15の四隅には、取付け部18が配設される。取付け部18は貫通孔として形成され、携帯情報端末51の筐体への取付けを可能にするもので、例えば筐体に形成したねじ孔(図示せず)に取付け部18を一致させ、図示しない止着部材としてのねじを取付け部18に貫通させて、ねじ孔に螺着することで、シート型ヒートパイプ1を携帯情報端末51などの筐体に対して所望の位置に容易に取付け固定することができる。なお、取付け部18は貫通孔に限定されるものではなく、同等の機能を発揮する別な構造を採用してもよい。
図2は、第1シート体11の側面図と平面図である。なお、第2シート体12は第1シート体11と同形状であるため、図示を省略する。同図において、シート体11,12の厚さt2は何れも0.2mmであり、最終的に容器15の内面となる片側面にのみ、ハーフエッチング加工によりシート体11,12の厚みの途中までエッチングが施されて、受熱部で作動液が蒸発した蒸気を放熱部に輸送する蒸気通路20と、放熱部で凝縮した作動液を受熱部に還流するウィック22を形成している。また、シート体11,12の片側面には、蒸気通路20やウィック22の他に、シート体11,12の外周に沿って、エッチング加工でエッチングされない凸状の側壁30が形成される。この凸壁たる側壁30は、シート体11,12の片側面を向い合せたときに重なる位置にあり、最終的に拡散接合により容器15の外周部の一部を形成する。なお、図2ではウィック22の部位を斜線で示している。
そして本実施例では、同形状の2枚のシート体11,12を、それぞれのハーフエッチング面を内側にして重ね合わせ、作動液を収容する容器15が構成されるように、外周部およびウィック22の一部を接合して、図1に示すシート型ヒートパイプ1を製造する。その際、外周部の接合により内部が密閉されることで、容器15としての機能が得られるようになっている。
フォトエッチング加工でシート体11,12に蒸気通路20やウィック22を形成する場合、シート体11,12は0.05mm以上の厚さt2を必要とする。また、シート体11,12の厚さt2が0.3mmを超え、容器15ひいてはシート型ヒートパイプ1の厚さt1が0.5mmを超えると、限られた携帯情報端末51の形状にシート型ヒートパイプ1を設置しにくくなる。したがって、0.05mm〜0.3mmの厚さt2を有するシート体11,12の表面にエッチング加工を施し、完成したシート型ヒートパイプ1の厚さt1を0.5mm以下とすることで、容器15の内面に十分な熱輸送能力を有する微細な蒸気通路20とウィック22を形成でき、且つ携帯情報端末51などの薄い筐体内にもシート型ヒートパイプ1を無理なく設置できる。
蒸気通路20は、密閉された容器15の内部において、シート体11,12の長手方向に沿って複数並んで形成された凹状の第1通路部21Aと、それぞれの第1通路部21Aを横切って、複数の第1通路部21Aと連通して形成された一つの凹状の第2通路部21Bとにより構成される。第1通路部21Aと第2通路部21Bは何れも直線状で、シート体11,12の中央部で第1通路部21Aと第2通路部21Bが直交しているが、これらはどのような形状でどの位置で連通していても構わない。本実施例では、シート体11,12の片側面を向い合せて積み重ねたときに、シート体11,12の第1通路部21Aどうしが向かい合うことで、中空筒状の第1蒸気通路20Aが形成され、シート体11,12の第2通路部21Bどうしが向かい合うことで、中空筒状の第2蒸気通路20Bが形成される。このとき容器15の内部には、第1蒸気通路20Aと第2蒸気通路20Bとによる蒸気通路20が配設され、シート型ヒートパイプ1の長手方向に沿って複数形成された第1蒸気通路20Aが、ヒートパイプ1の短手方向に沿って一つに形成された第2蒸気通路20Bと連通する。
ウィック22は、容器15の内部において、蒸気通路20や側壁30を除く部位に形成される。より詳しくは、側壁30と共に容器15の外周部をなし、封止部17に向けて延設される蒸気通路20の部位を除いて、シート体11,12ひいては容器15の外周部の略全周に形成された第1ウィック22Aと、シート体11,12ひいては容器15の長手方向に沿って、第1ウィック22Aの一側と他側から容器15の中央部に向けてそれぞれ複数並んで形成される第2ウィック22Bと、により全てのウィック22を構成している。第2ウィック22Bは何れも直線状で、第1ウィック22Aの一側から中央に向かう12本の第2ウィック22Bと、第1ウィック22Aの他側から中央に向かう12本の第2ウィック22Bが向かい合って、その間に第2通路部21Bが形成される。また、並んで配置される第1ウィック22Aと第2ウィック22Bとの間、若しくは2本の第2ウィック22B,22Bの間に、第1通路部21Aが形成される。
図3は、図2における第1シート体11のA部を拡大したものである。同図において、ウィック22を構成する第2ウィック22Bは、何れもエッチング加工でエッチングされた凹状の溝26と、エッチング加工でエッチングされない凸状の壁27とにより構成され、第2ウィック22Bの領域内には作動液の通路となる多数の溝26が、壁27により所望の形状に形成される。こうした溝26と壁27とを組み合わせた構造は、ウィック22のどの位置にあっても共通している。
溝26は、蒸気通路20の両側部や端部に沿って位置しており、その蒸気通路20の方向と直交して一定間隔毎に配置される複数の第1溝26Aと、第1溝26Aよりも蒸気通路20から離れて配置され、第1溝26Aよりも少ない広い一定間隔毎に配置される複数の第2溝26Bと、これらの第1溝26Aや第2溝26Bを、蒸気通路20の方向に沿って互いに連通させる縦溝としての第3溝26Cとを有する。また、溝26の深さt2(図4を参照)は0.1mm〜0.13mmで、溝26の幅d1は、第1溝26A,第2溝26B,第3溝26Cの何れも0.12mmである。ここでは、溝26の幅d1が0.05mm〜0.3mmの範囲であれば、ウィック22による毛細管力を高めることができる。さらに、第1溝26Aの数は第2溝26Bの数よりも多く、第2溝26Bよりも微細な第1溝26Aが、蒸気通路20の両側部に位置して、この蒸気通路20と直接連通している。
一方、溝26の間に形成される壁27は、第2溝26Bよりも細かな間隔で第1溝26Aを形成するために、蒸気通路20と直交する方向に沿った幅d2が0.1mmに形成される複数の第1壁27Aと、第2溝26Bを形成するために、第1壁27Aとは異なる形状の複数の第2壁27Bや第3壁27Cを少なくとも有する。第3壁27Cは、蒸気通路20と直交する方向に沿った幅d3が、第1壁27Aや第2壁27Bの幅d2よりも広い0.3mmに形成される。本実施例では、蒸気通路20の方向と直交して、一列に並んだ第3壁27Cの両側に、複数の第1壁27Aや複数の第2壁27Bを並設することで、それらの間に複数の第3溝26Cが一定間隔で形成される。好ましくは、第1壁27Aや第2壁27Bの幅d2を0.25mm未満とし、第3壁27Cの幅d3を0.25mm以上とすることで、シート体11,12の重ね合う第3壁27Cを利用して、ウィック22の部分での拡散接合が可能になる。
図4は、図3のB−B線断面図である。同図において、隣り合う一方の第2ウィック22Bの端部と、他方の第2ウィック22Bの端部との間には、幅d4を有する蒸気通路20の領域が形成されるが、このシート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1は、0.03mmから0.14mmの範囲の寸法を有する。
蒸気通路20はその断面積が大きく、蒸気通路20の深さt4と幅d4との割合である縦横比が同じである(蒸気通路20を通過する作動液の気相が触れる表面積が小さい)程、熱輸送能力が向上する。一方、シート型ヒートパイプ1を携帯情報端末51などの薄い筐体内に無理なく設置するためには、容器15ひいてはシート型ヒートパイプ1の厚さt1を0.5mm以下にする必要がある。そこで、完成したシート型ヒートパイプ1としての熱輸送能力と、容器15全体の厚さ制限を両立させるために、蒸気通路20となる領域における肉厚k1の寸法は、0.14mm以下に抑制する。一方、肉厚k1の寸法を0.03mm未満にすると、容器15内を真空にしていることから、外部の大気圧により容器15が潰れてしまう。そこで、蒸気通路20となる領域における肉厚k1の寸法は、0.03mm以上とすることが好ましい。
また、蒸気通路20の幅d4が0.5mmよりも小さな寸法になると、蒸気通路20の断面積が小さくなり、目的とする熱輸送能力が得られなくなる。一方、蒸気通路20の幅d4が2.7mmよりも大きな寸法になると、容器15内を真空にしていることから、外部の大気圧により容器15が潰れてしまう。そこで、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の幅d4は、0.5mmから2.7mmの範囲の寸法を有するのが好ましい。
蒸気通路20に関して、上述した理由から適切な肉厚k1と幅d4の比率を求めると、1:4から1:90の範囲となる。例えば、肉厚k1が0.03mmである場合、幅d4は0.03×90=2.7mm以下であれば、外部の大気圧により容器15が潰れる虞がない。また、肉厚k1が0.14mmである場合、幅d4は0.14×4=0.56mm以上であれば、目的とする熱輸送能力を得ることができる。
シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1は、どの部分でも一定の寸法ではなく、蒸気通路20の中央部分よりも、ウィック22となる溝26が形成された領域に近接する両側部分が厚く、全体がなだらかな略アーチ状に変化するように形成される。これは、容器15内が作動液の飽和蒸気圧であるため、蒸気通路20の壁面には大気圧による応力が加わることから、蒸気通路20の中で、ウィック22となる溝26が形成された領域に近接する応力の大きな両側部分の肉厚k1を厚くする一方で、応力の小さな中央部分の肉厚k1を薄くすれば、外部の大気圧により容器15が潰れる虞がなく、また蒸気通路20として目的とする熱輸送能力が得られる断面積を確保できる。
前述したように、シート体11,12にはエッチング加工やプレス加工により、ウィック22となる溝26が多数形成される。このウィック22となる微細な溝26は、容器15の内部で作動液の液相が触れる表面積が大きい程、熱輸送能力が向上する。そこで、ある程度の断面積を維持しながら液相の触れる表面積が大きくできるように、シート体11,12の1枚あたりの溝26の幅d1と深さt3の比は、1:1から2:1の範囲とするのが好ましい。それにより、ウィック22における熱輸送能力を向上させることが可能となる。
また、シート体11,12の1枚あたりの溝26の幅d1と、前述した蒸気通路20の深さt4の比は、1:0.8から1:1.6の範囲とするのが好ましい。この範囲内であれば、容器15の内部において、作動液の液相がウィック22の溝26に触れる表面積を大きくし、且つ気相が流れる蒸気通路20の断面積を大きくすることができ、シート型ヒートパイプ1として熱輸送能力を向上させることができる。
図5は、図2における第1シート体11のC部を拡大したものである。同図において、ウィック22を構成する第1ウィック22Aは、凹状の溝26と凸状の壁27とにより構成され、第1ウィック22Aの領域内には作動液の通路となる多数の溝26が、壁27により所望の形状に形成される。また、第1ウィック22Aの溝26は、前述した第1溝26Aと、第2溝26Bと、第3溝26Cとを有して構成されるが、第1ウィック22Aの壁27は、複数の第1壁27Aと複数の第2壁27Bだけで構成され、第1壁27Aや第2壁27Bよりも幅広な第3壁27Cは設けられていない。そして、蒸気通路20の方向と直交して、複数列に並んだ第2壁27Bの一側には側壁30を配設する一方で、他側には複数の第1壁27Aを並設することで、それらの間に複数の第3溝26Cが一定間隔で形成される。
本実施例では、第1ウィック22Aの縦溝として12列の第3溝26Cが有り、その第3溝26Cを形成するのに、凸壁として全部で12列の第1壁27Aおよび第2壁27Bと、第1ウィック22Aの外側にある凸状の側壁30とを設けている。
容器15を構成する金属箔シートとしてのシート体11,12は、2枚のシート体11,12を重ね合わせたときに、第1ウィック22Aの外側にある外周壁として接触する側壁30の表面の幅d5が、0.2mmから1.9mmの範囲の寸法に形成される。これにより、完成したシート型ヒートパイプ1の状態で、容器15として必要な密閉度と適正な強度を得ることができる。その一方で、第1ウィック22Aの溝26を構成するだけの第1壁27Aや第2壁27Bは、その幅d6が狭いほど溝26の微細化に繋がり好ましい。実施例では前述の幅d2と同じ0.1mmにしてあり、第3溝26Cの幅d7よりも狭い。この幅d7は、前述の幅d1と同じく0.12mmである。つまり、第1ウィック22Aにおいて、第3溝26Cの幅d7と、第1壁27Aや第2壁27Bの幅d6と、第1ウィック22Aの外側に形成される側壁30の幅d5の各寸法は、d5>d7>d6の関係となる。このような寸法関係を保つことで、容器15の密閉度を確保しながらその強度を適正に保ちつつ、第1ウィック22Aの溝26に液相が触れる表面積と、蒸気通路20の気相が流れる断面積が最適となり、シート型ヒートパイプ1として熱輸送能力を向上させることができる。
図6は、図2における第1シート体11のD部を拡大したものであり、図7は、図2における第1シート体11のE部を拡大したものである。図6では第2ウィック22Bの略中間部を拡大しており、図7では第2ウィック22Bの先端部を拡大しているが、その構成や寸法関係は図3や図4で説明した通りである。特に、第2ウィック22Bの先端側には、前述した第1壁27A,第2壁27B,第3壁27Cの他に、第3壁27Cと同じ列に、この第3壁27Cと同じ幅d3を有し、第3壁27Cよりも蒸気通路20に沿った方向の長さが短い複数の第4壁27Dと、第4壁27Dの両側にあって、扇形形状の第5壁27Eがそれぞれ配設され、それにより第1溝26Aや、第2溝26Bや、第3溝26Cを形成している。
図6を参照すると、本実施例では、第2ウィック22Bの縦溝として4列の第3溝26Cが有り、その第3溝26Cを形成するのに、幅の広い凸壁として1列の第3壁27Cと、幅の狭い全部で4列の第1壁27Aおよび第2壁27Bとを設けている。
容器15を構成する金属箔シートとしてのシート体11,12は、2枚のシート体11,12を重ね合わせたときに、第2ウィック22Bの第1凸壁として接触する第3壁27Cの表面の幅d3が、0.2mmから1.9mmの範囲の寸法に形成される。これにより、完成したシート型ヒートパイプ1の状態で、容器15として必要な密閉度と適正な強度を得ることができる。その一方で、第1ウィック22Aの溝26を構成するだけの第2凸壁である第1壁27Aや第2壁27Bは、その幅d2が狭いほど溝の微細化に繋がり好ましく、実施例では0.1mmにしてあり、第3溝26Cの幅d1よりも狭い。つまり、第1ウィック22Bにおいて、第3溝26Cの幅d1と、第1壁27Aや第2壁27Bの幅d2と、第3壁27Cの幅d3の各寸法は、d3>d1>d2の関係となる。このような寸法関係を保つことで、容器15の密閉度を確保しながらその強度を適正に保ちつつ、第2ウィック22Bの溝26に液相が触れる表面積と、蒸気通路20の気相が流れる断面積が最適となり、シート型ヒートパイプ1として熱輸送能力を向上させることができる。
なお、図1に示すようなシート型ヒートパイプ1は、どの部位で熱源と熱接続されるのかによって、その受熱部と放熱部の各位置が変わってくるが、容器15の内部に複数形成された第1蒸気通路20Aが、一つに形成された第2蒸気通路20Bと連通していることで、シート型ヒートパイプ1のどの部位に受熱部と放熱部が位置したとしても、それぞれの蒸気通路20A,20Bが互いに連通することで、シート型ヒートパイプ1の全面を均熱化できる。
次に、上述したシート型ヒートパイプ1を、薄型の携帯情報端末51に実装する場合の構成や作用効果について説明する。
図8は、シート型ヒートパイプ1が搭載される携帯情報端末51の外観を示し、また図9は、図1のシート型ヒートパイプ1を内部に搭載した携帯情報端末51の内部構成を示している。図8や図9に示す携帯情報端末51は、タブレット端末よりも小型で、手で持てる程度の外形寸法を有するスマートフォンであり、縦長略矩形状の背面カバー52を、平板状のタッチパネル53の背面側に配設することで、携帯情報端末51としての扁平状をなす外郭(筐体)が形成される。携帯情報端末51の筐体内部には、携帯情報端末51の制御部となるCPU(中央処理装置)54や、その他の図示しない各種電子部品が、基板であるマザーボード56に実装した状態で収容されると共に、これらのCPU54や電子部品に必要な電力を供給するための充電可能な扁平略矩形状の充電手段たる電池パック57が、携帯情報端末51に対し着脱可能に収容される。また、タッチパネル53の正面側には、入力装置と表示装置を一体化した操作表示部58が配設される一方で、背面カバー52の正面側開口に対向するタッチパネル53の背面は、凹凸のない平坦なアルミニウムなどの金属板59で構成される。操作表示部58は、ユーザの指で触れることが可能なように、携帯情報端末51の正面に露出して配置される。
図9に示すように、第1実施例のシート型ヒートパイプ1は、携帯情報端末51の筐体内部形状に合せた外形を有しており、そのまま単体で携帯情報端末51の筐体内部に設置される。ここでは、タッチパネル53の背面の50%以上を占める領域に、シート型ヒートパイプ1を設置するのが好ましい。シート型ヒートパイプ1の一側面は、その一部が受熱部として熱源となるCPU54を含むマザーボード56と接触して熱接続され、また別な一部が放熱部として電池パック57と接触して熱接続されると共に、シート型ヒートパイプ1の他側面は、その全面がタッチパネル53の背面となる金属板59と接触して熱接続され、特にCPU54から離れた部位で放熱部が形成される。つまり、シート型ヒートパイプ1は、タッチパネル53の背面とマザーボード56や電池パック57との間に設置される。
上記図9に示す携帯情報端末51は、筐体の内部でCPU54などが発熱して温度が上昇すると、そのCPU54からの熱がシート型ヒートパイプ1の一側面の受熱部に伝わり、受熱部では作動液が蒸発して、蒸気通路20を通して受熱部から温度の低い放熱部に向かって蒸気が流れ、シート型ヒートパイプ1の内部で熱輸送が行われる。この放熱部に輸送された熱はシート型ヒートパイプ1の広い平面状の領域に熱拡散され、シート型ヒートパイプ1の裏表すなわち一側と他側の両面から、タッチパネル53の背面をなす金属板59と、電池パック57にそれぞれ放熱される。これにより携帯情報端末51は、CPU54などに発生する熱を広い領域に熱拡散することができるため、タッチパネル53などの外郭表面に生ずるヒートスポットが緩和され、CPU54の温度上昇も抑制することができる。
一方、シート型ヒートパイプ1の放熱部では、蒸気が凝縮して作動液が溜まるが、シート型ヒートパイプ1の内部で、蒸気通路20の両側に形成されたグルーブ22の強い毛細管力により、作動液が蒸気通路20に直交する第1溝26Aや第2溝26Bによる液流路から、蒸気通路20に沿った第3溝26Cによる液流路を伝わって放熱部から受熱部へと戻される。したがって、受熱部で作動液が無くなることはなく、ここで蒸発した作動液がグルーブ22を伝わり毛細管力で放熱部に導かれることで蒸発が継続し、シート型ヒートパイプ1としての本来の性能が発揮される。
また、シート型ヒートパイプ1そのものの厚さt1は0.5mm以下であり、特にスマートフォンなどの携帯情報端末51で、使いやすさを追求した筐体の厚さ制限に対応でき、グラファイトシートに比べて熱伝導率が極めて良好なシート型ヒートパイプ1の特徴を活かしつつ、CPU54などの熱を広い領域に速やかに熱拡散することが可能になる。
図10は、図1とは別な形状のシート型ヒートパイプ1を内部に搭載した携帯情報端末51の内部構成を示している。ここでのシート型ヒートパイプ1は、携帯情報端末51の筐体と干渉する部位として、電池パック57を逃げた干渉防止用の逃げ部36を設けている。これにより、電池パック57にシート型ヒートパイプ1が接触しないように、シート型ヒートパイプ1を携帯情報端末51の筐体内部に配設することができ、シート型ヒートパイプ1から電池パック57への熱影響も緩和できる。こうした逃げ部36は、電池パック57に限らず、携帯情報端末51の筐体内部に組み込まれる各種機能部品と干渉する部位に設けてもよい。
図10において、シート型ヒートパイプ1の一側面は、その一部が受熱部として熱源となるCPU54を含むマザーボード56と接触して熱接続されると共に、シート型ヒートパイプ1の他側面は、その一部が筐体の背面カバー52と接触して熱接続され、特にCPU54から離れた部位で放熱部が形成される。つまり、ここでのシート型ヒートパイプ1は、携帯情報端末51の筐体内部で、背面カバー52とCPU54を搭載するマザーボード56との間に設置される。
そして、上記図10に示す携帯情報端末51は、筐体の内部でCPU54などが発熱して温度が上昇すると、そのCPU54からの熱がシート型ヒートパイプ1の一側面の受熱部に伝わり、受熱部では作動液が蒸発して、蒸気通路20を通して受熱部から温度の低い放熱部に向かって蒸気が流れ、シート型ヒートパイプ1の内部で熱輸送が行われる。この放熱部に輸送された熱はシート型ヒートパイプ1の広い平面状の領域に熱拡散され、シート型ヒートパイプ1の他側面から、筐体の背面カバー52に放熱される。これにより携帯情報端末51は、CPU54などに発生する熱を広い領域に熱拡散することができるため、背面カバー52などの外郭表面に生ずるヒートスポットが緩和され、CPU54の温度上昇も抑制することができる。
一方、シート型ヒートパイプ1の放熱部では、蒸気が凝縮して作動液が溜まるが、シート型ヒートパイプ1の内部で、蒸気通路20の両側に形成されたグルーブ22の強い毛細管力により、作動液が蒸気通路20に直交する第1溝26Aや第2溝26Bによる液流路から、蒸気通路20に沿った第3溝26Cによる液流路を伝わって放熱部から受熱部へと戻される。したがって、受熱部で作動液が無くなることはなく、ここで蒸発した作動液がグルーブ22を伝わり毛細管力で放熱部に導かれることで蒸発が継続し、シート型ヒートパイプ1としての本来の性能が発揮される。
図11は、冷却構成の違いによる情報携帯端末51の温度上昇を比較した試験結果を示したものである。同図において、試験では、図1で示したシート型ヒートパイプ1を、冷却ユニットとして携帯情報端末51の筐体内部に搭載した「本発明の実施例(シート型ヒートパイプ)」と、直径が2mm(Φ2)のパイプ状の容器に扁平加工を施した1本の扁平型ヒートパイプを、幅60mm×高さ105mm×厚さ0.2mmの銅板に半田付け接合した冷却ユニットを、携帯情報端末51の筐体内部に搭載した「他の実施例 HP+銅板t0.2」と、グラファイトシートを冷却ユニットとして携帯情報端末51の筐体内部に搭載した「従来の実施例 グラファイトシート」の各冷却構成について、CPU54の代わりに熱源として装着した熱源ヒータ(図示せず)の温度や、携帯情報端末51のタッチパネル53前面の温度や、背面カバー52背面の温度を測定し、それぞれ「熱源温度」と、「外郭温度 タッチパネル」と、「外郭温度 筐体背面」として示した。特に「外郭温度 タッチパネル」と「外郭温度 筐体背面」では、面の最大温度を数字で示すと共に、面全体の温度分布を画像として示している。また、各冷却構成の「熱拡散評価」や、外形寸法である「主な仕様」や、冷却ユニットとしての「放熱面積」や、ヒートパイプの厚さに相当する「HP厚さ」や、冷却ユニットの厚さに相当する「全体厚さ」も併せて記載した。
試験では、情報携帯端末51であるスマートフォンに、熱源としての熱源ヒータを装着して行なった。試験条件として、周囲温度は25℃であり、熱源ヒータの発熱量は5Wであり、20分経過した後の温度を測定した。また、「本発明の実施例(シート型ヒートパイプ)」では、図1に示すシート型ヒートパイプ1の幅Wが60mmと、45mmと、30mmと、15mmの各寸法について、それぞれ試験を行なった。これらのシート型ヒートパイプ1の高さHは、何れも105mmの寸法を有する。また、「他の実施例 HP+銅板t0.2」で使用した銅板や、「従来の実施例 グラファイトシート」で使用したグラファイトシートも、同じ幅Wと高さHの寸法を有する。冷却ユニットとしての「放熱面積」は、この幅Wと高さHとを掛け合わせた値である。
図中、「熱拡散評価」は、携帯情報端末51の筐体内に上述した冷却ユニットの何れか一つと、熱源としての発熱量が5Wのセラミックヒータとを設置し、熱源とシート型ヒートパイプ1または扁平型ヒートパイプに銅板を接合した冷却ユニットとの間を、サーマルグリースを介して熱接続した条件下で、熱源の温度上昇値と筐体の表面温度の分布を測定して、熱拡散効果の比較を行なったものである。
上記試験結果から、「本発明の実施例(シート型ヒートパイプ)」では、蒸気通路20とウィック22の構造を工夫することで、他の方式である「他の実施例 HP+銅板t0.2」や「従来の実施例 グラファイトシート」と比較して、シート型ヒートパイプ1の厚さが薄くても、また放熱面積が少なくても熱拡散が良好であり、熱源温度および筐体の外郭温度が低く抑えられる。そのため、小型でありながら冷却性能に優れたシート型ヒートパイプ1を得ることができる。
具体的には、特に「本発明の実施例(シート型ヒートパイプ)」で、幅Wが60mmと45mmのシート型ヒートパイプ1を使用した場合、熱源温度や筐体の外郭温度が低く抑えられており、優れた熱拡散評価となった。また、「本発明の実施例(シート型ヒートパイプ)」で、幅Wが30mmのシート型ヒートパイプ1を使用した場合も、「他の実施例 HP+銅板t0.2」と同様に良好な熱拡散評価となった。さらに、「本発明の実施例(シート型ヒートパイプ)」で、シート型ヒートパイプ1の幅Wが15mmの場合には、「従来の実施例 グラファイトシート」のように熱源温度が100℃を超える状況にはならなかったものの、幅Wが30mmのシート型ヒートパイプ1を使用した場合や、「他の実施例 HP+銅板t0.2」よりも劣る熱拡散評価となった。このように、シート型ヒートパイプ1としての冷却性能を高めるには、その放熱面積を筐体内部でできるだけ大きく確保するのが好ましい。
以上のように、上記実施例のシート型ヒートパイプでは、エッチング加工またはプレス加工された金属箔シートとしてのシート体11,12を2枚以上積み重ねて、接合により密閉された容器15を形成したことを特徴とする。
この場合、シート体11,12の表面である片面または両面にエッチング加工またはプレス加工を施し、2枚以上のシート体11,12を接合することで、密閉された容器15の厚さt1を例えば0.5mm以下に薄くしても、その容器15の内面に微細な凹凸を形成して、十分な熱輸送能力を有する薄いシート型ヒートパイプ1を得ることができる。また、容器15の厚さを薄型化することで、携帯情報端末51などの薄い筐体内にも、本実施例のシート型ヒートパイプ1を無理なく設置することができる。
また、前記シート体11,12は、ハーフエッチング加工により蒸気通路20とウィックとなる溝26などの一部が形成され、シート体11,12を積み重ねて接合することにより、厚さt1が0.5mm以下の密閉された容器15を形成している。
この場合、シート体11,12の表面にハーフエッチング加工を施すことで、容器15の内面に十分な熱輸送能力を有する微細な蒸気通路20とウィック22の溝26を形成できる。また、シート体11,12を積み重ねた容器の厚さt1を0.5mm以下に形成することで、携帯情報端末51などのより厚さが薄い筐体内にもシート型ヒートパイプ1を無理なく容易に設置できる。
また、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1は、0.03mmから0.14mmの範囲に形成するのが好ましい。
この場合、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1を0.14mm以下に抑えることで、蒸気通路20における熱輸送能力向上と容器15全体の厚さ制限を両立させることができる。また、この肉厚k1が0.03mm以上であれば、容器15内を真空状態に密閉した場合でも、大気圧により容器15が潰れる虞を回避できる。
また、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の幅d4は、0.5mmから2.7mmの範囲に形成するのが好ましい。
この場合、蒸気通路20となる領域の幅d4を0.5mm以上とすることで、蒸気通路20として必要な断面積を確保して、目的とする熱輸送能力を得ることができる。また、蒸気通路20となる領域の幅d4を2.7mm以下とすることで、容器15内を真空状態に密閉した場合でも、大気圧により容器15が潰れる虞を回避できる。
また、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1と幅d4の比は、1:4から1:90の範囲に形成するのが好ましい。
この場合、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1と幅d4の比を適切に規定することで、蒸気通路20における熱輸送能力を向上させつつ、容器15全体の厚さを制限することができ、さらに大気圧により容器15が潰れる虞を回避できる。
また、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1は、蒸気通路20の中央部分よりも、ウィック22となる溝26が形成された領域に近接する部分を厚くするのが好ましい。
この場合、容器15内が作動液の飽和蒸気圧であり、蒸気通路20の壁面には大気圧による応力が加わることから、蒸気通路20の中で、ウィック22となる溝26が形成された領域に近接する応力の大きな部分の肉厚k1を厚くする一方で、応力の小さな中央部分の肉厚k1を薄くすることで、大気圧による容器15の潰れ防止と、蒸気通路20の断面積確保の両立を図ることが可能となる。
また、シート体11,12の蒸気通路20となる領域の肉厚k1は、略アーチ状に形成するのが好ましい。
この場合も、容器15内が作動液の飽和蒸気圧であり、蒸気通路20の壁面には大気圧による応力が加わることから、蒸気通路20の中で、応力の大きなアーチ状の肉厚の両側部分を厚くする一方で、応力の小さなアーチ状の肉厚の中央部分を薄くすることで、大気圧による容器15の潰れ防止と、蒸気通路20の断面積確保の両立を図ることが可能となる。
また本実施例では、シート体11,12にウィック22となる微細な溝26を形成しており、そのシート11,12の1枚あたりの溝26の幅d1と深さt3の比が、1:1から2:1の範囲となるように、ウィック22が形成されている。
この場合、ウィック22となる微細な溝26は、作動液の液相が触れる表面積が大きいほど熱輸送能力が向上する。そこで、ある程度の断面積を維持しながら液相の触れる表面積が大きくできるような溝26の幅d1と深さt3の比を適切に規定することで、ウィック22における熱輸送能力を向上させることが可能となる。
また本実施例では、シート体11,12にウィック22となる微細な溝26と、蒸気通路20とを形成し、そのシート11,12の1枚あたりの溝26の幅d1と、蒸気通路20の深さt4の比が、1:0.8から1:1.6の範囲となるように形成される。
この場合、ウィック22となる溝26の幅d1と蒸気通路20の深さt4の比を適切に規定すれば、容器15の内部において作動液の液相が触れる表面積を大きくし、気相が流れる断面積を大きくすることができ、熱輸送能力を向上させることが可能となる。
また本実施例では、容器15の内部において、容器15の外周部のほぼ全周に微細な溝26からなる第1ウィック22Aを形成し、この第1ウィック22Aから容器15の中央部に向かって第2ウィック22Bが延びている。
この場合、ウィック22の機能は作動液の液相を還流させることにあるので、容器15の外周部における第1ウィック22Aから、容器15の中央部に向かって延びる第2ウィック22Bを形成するようにウィック22を配置すれば、携帯情報端末51などの熱源を何処の位置に設置しても作動液の還流が可能となり、シート型ヒートパイプ1として良好な熱輸送を可能にして、十分な熱拡散を得ることができる。
また本実施例では、第2ウィック22Bよりも第1ウィック22Aの溝26の本数が多く形成されている。
この場合、作動液の液相の還流は、容器15の中央に向かって延びている第2ウィック22Bから外周部の第1ウィック22Aに集まる還流と、外周部の第1ウィック22Aから中央に向かって延びている第2ウィック22Bに分流しながら放熱部から受熱部への還流がある。そこで、第1ウィック22Aは第2ウィック22Bよりも液相の還流量が多くなるため、第1ウィック22Aを構成している溝26の本数を、第2ウィック22Bを構成している溝26の本数よりも多くすれば、容器15内で作動液の液相を円滑に還流させることができる。
また、本実施例の第1ウィック22Aは、溝26と、この溝26の中の例えば第3溝26Cを形成するための凸壁としての第1壁27Aや第2壁27Bとからなり、第3溝26Cの幅d7と、第1壁27Aや第2壁27Bの幅d6と、第1ウィック22Aの外側に形成される外周壁である側壁30の幅d5の各寸法が、d5>d7>d6となるように形成されている。
この場合、容器15を構成するシート体11,12は、容器15の密閉度と容器15として適正な強度を得るために、2枚のシート体11,12どうしを重ね合わせたときに、第1ウィック22Aの外側にある外周壁として接触する側壁30の表面の幅d5が、例えば0.2mmから1.9mmであることが望ましい。一方で、第1ウィック22Aの溝26を構成するだけの第1壁27Aや第2壁27Bは、その幅d6が狭いほど溝26の微細化に繋がり好ましい。実施例では約0.1mmにしてあり、第3溝26Cの幅d7よりも狭い。そこで、側壁30の幅d5と、微細化が望まれる第1ウィック22Aの溝幅に相当する第3溝26Cの幅d7と、それを構成する第1壁27Aや第2壁27Bの幅d6との寸法関係を適切に規定すれば、容器15の密閉度を確保しながらその強度を適正に保ちつつ、第1ウィック22Aに液相が触れる表面積と蒸気通路20の気相が流れる断面積が最適となり、熱輸送能力の向上に繋げることができる。
また、本実施例の第2ウィック22Bは、溝26と、この溝26の一部分を形成する幅広の第1凸壁としての第3壁27Cと、溝26の他の部分を形成する幅狭の第2凸壁としての第1壁27Aや第2壁27Bとからなり、溝26となる第3溝26Cの幅d1と、第1壁27Aや第2壁27Bの幅d2と、第3壁27Cの幅d3の各寸法は、d3>d1>d2となるように形成されている。
この場合、容器15を構成するシート体11,12は、容器15の密閉度と容器15として適正な強度を得るために、2枚のシート体11,12どうしを重ね合わせたときに、第2ウィック22Bにおける幅広の第3壁27Cとして接触する面の幅d3が、例えば0.2mmから1.9mmであることが望ましい。一方で、第2ウィック22Bの溝を構成するだけの第1壁27Aや第2壁27Bは、その幅d2が狭いほど溝26の微細化に繋がり好ましい。実施例では約0.1mmにしてあり、第3溝26Cの幅d1よりも狭い。そこで、微細化が望まれる第2ウィック22Bの溝26となる第3溝26Cの幅d1と、それを構成する第1壁27Aや第2壁27Bの幅d2と、第3壁27Cの幅d3との寸法関係を適切に規定すれば、容器15の密閉度を確保しながらその強度を適正に保ちつつ、第2ウィック22Bに液相が触れる表面積と蒸気通路20の気相が流れる断面積が最適となり、熱輸送能力の向上に繋げることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更可能である。例えば、上記実施例ではシート体11,12を拡散接合しているが、例えば超音波接合などの別な接合方式を採用してもよく、シート体11,12を3枚以上重ね合わせて接合してもよい。また、上述した各部の形状や寸法はあくまでも一例で、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、またシート体11,12をあえて同形状にする必要もない。
1 シート型ヒートパイプ
11,12 シート体(金属箔シート)
15 容器
20 蒸気通路
22 ウィック
22A 第1ウィック
22B 第2ウィック
26 溝
26C 第3
27A 第1壁(凸壁、第2凸壁)
27B 第2壁(凸壁、第2凸壁)
27C 第3壁(第1凸壁)
30 側壁(外周壁)

Claims (3)

  1. 金属箔シートを2枚以上積み重ねて接合されていることにより、厚さが0.5mm以下の密閉された容器を形成し、
    前記金属箔シートは、何れも凹状の蒸気通路とウィックとなる溝が形成され、
    前記金属箔シートの蒸気通路となる領域の肉厚が、0.03mmから0.14mmの範囲であり、
    前記容器の外周部のほぼ全周に第1ウィックを形成し、
    前記第1ウィックから前記容器の中央部に向かって第2ウィックが延びて、前記ウィックを構成し、
    前記第2ウィックよりも前記第1ウィックは、前記溝の本数が多く形成され、
    前記第1ウィックは前記溝となる第1溝と、この第1溝を形成するための凸壁とからなり、
    前記第1溝、前記凸壁、および前記第1ウィックの外側に形成される外周壁の各幅の寸法は、外周壁>第1溝>凸壁であり、
    前記第2ウィックは前記溝となる第2溝と、前記第2溝を形成する幅広の第1凸壁と、前記第2溝を形成する幅狭の第2凸壁とからなり、
    前記第2溝、前記第1凸壁、および前記第2凸壁の各幅の寸法は、第1凸壁>第2溝>第2凸壁であることを特徴とするシート型ヒートパイプ。
  2. 前記金属箔シートの蒸気通路となる領域の肉厚は、前記蒸気通路の中央部分よりも、前記溝が形成された領域に近接する部分を厚くしたことを特徴とする請求項1記載のシート型ヒートパイプ。
  3. 前記金属箔シート1枚あたりの前記溝の幅と深さの比が、1:1から2:1の範囲であり、前記金属箔シート1枚あたりの前記溝の幅と、前記蒸気通路の深さの比が、1:0.8から1:1.6の範囲であることを特徴とする請求項1または2記載のシート型ヒートパイプ。
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