JP6560425B1

JP6560425B1 - ヒートパイプ

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Publication number: JP6560425B1
Application number: JP2018211126A
Authority: JP
Inventors: 川畑　賢也; 賢也川畑; 義勝稲垣
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: JP2020076554A; US20200149823A1; CN211823992U; TW202018245A; US10976112B2; TWI724617B

Abstract

【課題】本発明は、電子部品の発熱量がさらに増大している場合等、より厳しい使用条件でも、優れた熱輸送特性を発揮できるヒートパイプを提供することを目的とする。【解決手段】一方の端部の端面と他方の端部の端面とが封止された管形状を有し、溝部が形成された内壁面を有するコンテナと、前記コンテナの内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層と、前記コンテナの空洞部に封入された作動流体と、を備えたヒートパイプであって、前記焼結体層が、前記ヒートパイプの蒸発部に位置する第１の焼結部と、該第１の焼結部と連続し、前記蒸発部と前記ヒートパイプの凝縮部との間の断熱部に位置する第２の焼結部と、を有し、前記第１の焼結部の毛細管力が、前記第２の焼結部の毛細管力よりも大きいヒートパイプ。【選択図】図１

Description

本発明は、優れた最大熱輸送量を有し、熱抵抗の小さく、優れた熱輸送特性を発揮するヒートパイプに関するものである。

デスクトップパソコンやサーバ等の電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化等により発熱量が増大し、その冷却がいっそう重要となっている。電子部品の冷却手段として、ヒートパイプが使用されることがある。

そこで、発熱量が増大した半導体素子等の電子部品の冷却部材として、例えば、外周面に発熱体を搭載したパイプ部材と、パイプ部材内に配置されて発熱体の熱を受けて放熱する多孔質の焼結体を備え、焼結体は、パイプ部材の外周面に搭載された発熱体に対応する内周面に接するベースを有するヒートパイプが提案されている（特許文献１）。

特許文献１では、焼結体を伝熱性のよい金属の焼結金属とし、ヒートパイプの蒸発部側の沸騰性および液吸い上げ性を改善し、ヒートパイプの凝縮部側の冷却液の液吸い上げ性が改善された焼結体を得ることで、ヒートパイプの冷却性能を向上させている。しかし、特許文献１のヒートパイプでは、電子部品の発熱量がさらに増大している場合等、より厳しい使用条件では、十分な放熱特性が得られない場合があるという問題があった。

また、ヒートパイプは寒冷な環境において設置されることがある。この場合、特に、ヒートパイプが稼働していない状態では、液相の作動流体がコンテナに局所的に貯留することがある。寒冷地において、コンテナに貯留した液相の作動流体が凍結して作動流体の体積が膨張すると、コンテナが変形、破壊されてしまう頻度がより高くなるという問題があった。また、作動流体の凍結を防止するために、不凍液を使用したり、作動流体の凍結によるコンテナの変形、破壊を防止するためにコンテナの肉厚を厚くすると、ヒートパイプの熱輸送特性が低下してしまうという問題があった。

特開２００２−３１８０８５号公報

上記事情に鑑み、本発明は、電子部品の発熱量がさらに増大している場合等、より厳しい使用条件でも、優れた熱輸送特性を発揮できるヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明の構成の要旨は、以下の通りである。
［１］一方の端部の端面と他方の端部の端面とが封止された管形状を有し、溝部が形成された内壁面を有するコンテナと、
前記コンテナの内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層と、
前記コンテナの空洞部に封入された作動流体と、
を備えたヒートパイプであって、
前記焼結体層が、前記ヒートパイプの蒸発部に位置する第１の焼結部と、該第１の焼結部と連続し、前記蒸発部と前記ヒートパイプの凝縮部との間の断熱部に位置する第２の焼結部と、を有し、
前記第１の焼結部の毛細管力が、前記第２の焼結部の毛細管力よりも大きいヒートパイプ。
［２］前記焼結体層が、前記一方の端部と前記コンテナの長手方向中央部に設けられ、前記他方の端部に設けられていない［１］に記載のヒートパイプ。
［３］前記焼結体層が、前記コンテナの長手方向中央部に設けられ、前記一方の端部と前記他方の端部に設けられていない［１］に記載のヒートパイプ。
［４］前記焼結体層が、前記凝縮部に設けられておらず、前記凝縮部では、前記溝部が露出している［１］乃至［３］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［５］前記焼結体層が、金属粉の焼結体である［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［６］前記第１の焼結部の原料となる第１の金属粉の平均一次粒子径が、前記第２の焼結部の原料となる第２の金属粉の平均一次粒子径よりも小さい［４］に記載のヒートパイプ。
［７］前記第１の焼結部の毛細管力が、前記蒸発部に位置する前記溝部の毛細管力よりも大きい［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［８］前記第２の焼結部の毛細管力が、前記断熱部に位置する前記溝部の毛細管力よりも大きい［１］乃至［７］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［９］前記断熱部に位置する溝部内における前記第２の焼結部の空隙率が、前記蒸発部に位置する溝部内における前記第１の焼結部の空隙率よりも大きい［１］乃至［８］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［１０］前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記第１の焼結部の表面に、凹凸部が形成されている［１］乃至［９］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［１１］前記第１の焼結部の平均厚さが、前記第２の焼結部の平均厚さよりも薄い［１］乃至［１０］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［１２］前記第１の焼結部の平均厚さが、前記第２の焼結部の平均厚さよりも厚い［１］乃至［１０］のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
［１３］前記第１の金属粉の平均一次粒子径に対する前記第２の金属粉の平均一次粒子径の比が、１．３〜２．０である［６］に記載のヒートパイプ。

上記［１］の態様では、コンテナ内壁面のうち、蒸発部と断熱部に対応する部位に、焼結体層が設けられている。また、コンテナ内壁面には、溝部が露出した部位と、焼結体層で被覆された部位とがある。第１の焼結部と第２の焼結部とを有する焼結体層には、第１の焼結部と第２の焼結部との境界部が形成されている。また、焼結体層は、毛細管力を生じるウィック構造体として機能する。第１の焼結部の毛細管力は第２の焼結部の毛細管力よりも大きいので、第２の焼結部内部における液相の作動流体に対する流路抵抗は、第１の焼結部内部における液相の作動流体に対する流路抵抗よりも小さい。

また、上記［１］の態様では、焼結体層の設けられたコンテナのうち、第１の焼結部に対応する部位を蒸発部（受熱部）、第２の焼結部に対応する部位を断熱部、焼結体層が設けられていない部位を凝縮部（放熱部）として機能させると、凝縮部から第１の焼結部が設けられた蒸発部へ還流された液相の作動流体は、相対的に毛細管力の大きい第１の焼結部の毛細管作用により、第１の焼結部内部を第２の焼結部が設けられた断熱部方向へ円滑に拡散していく。第１の焼結部内部を拡散した液相の作動流体は、被冷却体から受熱して、液相から気相へ相変化する。液相から気相へ相変化した作動流体は、蒸発部から凝縮部へ流通し、凝縮部で潜熱を放出する。潜熱を放出して気相から液相へ相変化した作動流体は、溝部の毛細管力と断熱部の第２の焼結部の毛細管力によって、コンテナの凝縮部から第１の焼結部が設けられた蒸発部へ還流される。断熱部に第２の焼結部が設けられていることから、断熱部では、コンテナ内壁面の溝部が有する毛細管力と第２の焼結部が有する毛細管力とが生じる。

本発明の態様によれば、第２の焼結部内部の流路抵抗は第１の焼結部内部の流路抵抗よりも小さいことから、液相の作動流体は凝縮部から蒸発部へ円滑に還流できる。また、断熱部ではコンテナ内壁面の溝部が有する毛細管力と第２の焼結部が有する毛細管力とが生じることから、凝縮部から蒸発部方向への液相の作動流体の還流が、蒸発部から凝縮部方向へ流通する気相の作動流体によって阻害されることを防止できる。さらに、蒸発部に位置する第１の焼結部の毛細管力は断熱部に位置する第２の焼結部の毛細管力よりも大きいので、蒸発部へ還流された液相の作動流体は、第１の焼結部内部を第２の焼結部が設けられた断熱部方向へ円滑に拡散でき、結果、第１の焼結部全体にわたって液相の作動流体が拡散する。よって、蒸発部における液相の作動流体のドライアウトを防止できる。上記から、本発明のヒートパイプでは、優れた熱輸送特性を有する。従って、本発明のヒートパイプは、電子部品の発熱量がさらに増大している場合等、より厳しい使用条件でも、優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、本発明の態様によれば、ヒートパイプが稼働していない状態では、第１の焼結部に還流した液相の作動流体は、第１の焼結部に液溜まりせずに、第１の焼結部内部を円滑に拡散していく。よって、ヒートパイプが稼働していない状態でも、コンテナの蒸発部における液相の作動流体の液溜まりを防止できるので、液相の作動流体の凍結が抑制される。上記から、寒冷な環境に設置される等、より厳しい使用条件でも、優れた熱輸送特性を発揮できる。また、液相の作動流体が凍結しても、液相の作動流体の局所的な液溜まりが防止されているので、作動流体の局所的な体積膨張が緩和されて、コンテナの変形を防止できる。

また、本発明の態様によれば、作動流体として不凍液を使用する必要はなく、肉厚の薄いコンテナを使用できるので、優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、本発明の態様によれば、焼結体層が金属粉の焼結体である、すなわち、第１の焼結部と第２の焼結部が、いずれも金属粉の焼結体であることにより、第１の焼結部と第２の焼結部間に優れた接合力を付与することができる。また、第１の焼結部と第２の焼結部が、いずれも金属粉の焼結体であることにより、第１の焼結部と第２の焼結部が異なる材料（例えば、一方の焼結部が金属メッシュであり、他方の焼結部が金属粉の焼結体など）である場合と比較して、焼結体層の形成工程が簡略化されて、焼結体層の製造効率が向上する。

また、本発明の態様によれば、第２の焼結部の毛細管力が、断熱部に位置する溝部の毛細管力よりも大きいことにより、凝縮部から蒸発部方向への液相の作動流体の還流が、蒸発部から凝縮部方向へ流通する気相の作動流体によって阻害されることを確実に防止できる。従って、本発明のヒートパイプでは、より優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、本発明の態様によれば、断熱部に位置する溝部内における第２の焼結部の空隙率が、蒸発部に位置する溝部内における第１の焼結部の空隙率よりも大きいことにより、液相の作動流体が断熱部に位置する第２の焼結部の内部をより円滑に還流できつつ、蒸発部においてコンテナと第１の焼結部間の熱伝導性が向上する。従って、本発明のヒートパイプでは、より優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、本発明の態様によれば、コンテナの長手方向に垂直な断面において第１の焼結部の表面に凹凸部が形成されていることにより、第１の焼結部の表面積が増大するので、液相の作動流体の蒸発抵抗が低減され、結果、より優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、本発明の態様によれば、第１の焼結部の平均厚さが第２の焼結部の平均厚さよりも薄いことにより、蒸発部における液相の作動流体の液膜を薄くできるので、液相の作動流体の蒸発抵抗が低減され、結果、より優れた熱輸送特性を発揮できる。

（ａ）図は、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する側面断面図、（ｂ）図は、（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は、（ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する側面断面図である。本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する正面断面図である。本発明の第４実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する側面断面図である。本発明の実施形態例に係るヒートパイプの使用方法例の説明図である。

以下に、本発明の実施形態例に係るヒートパイプについて説明する。図１の（ａ）図は、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する側面断面図、（ｂ）図は、（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は、（ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。図２は、本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する側面断面図である。図３は、本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する正面断面図である。図４は、本発明の第４実施形態例に係るヒートパイプの概要を説明する側面断面図である。図５は、本発明の実施形態例に係るヒートパイプの使用方法例の説明図である。

まず、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。図１（ａ）に示すように、第１実施形態例に係るヒートパイプ１は、一方の端部１１の端面と他方の端部１２の端面とが封止された管形状のコンテナ１０と、コンテナ１０の内壁面にコンテナ１０の長手方向に沿って形成された複数の細溝からなる溝部１３と、コンテナ１０の一方の端部１１の内壁面と中央部１９の内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層１４と、コンテナ１０の空洞部１７に封入された作動流体（図示せず）と、を備えている。

コンテナ１０は、密閉された略直線状の管材であり、長手方向に対して直交方向（すなわち、長手方向に垂直）の断面形状は、特に限定されないが、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、ヒートパイプ１では、略円形状となっている。コンテナ１０の肉厚は、特に限定されないが、例えば、０．１〜０．８ｍｍである。コンテナ１０の径方向の寸法は、特に限定されないが、例えば、５〜２０ｍｍである。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、コンテナ１０の内壁面には、一方の端部１１から他方の端部１２まで、コンテナ１０の長手方向に沿って複数の細溝からなる溝部１３、すなわち、グルーブが形成されている。従って、溝部１３は、一方の端部１１、他方の端部１２及び一方の端部１１と他方の端部１２との間の中央部１９に形成されている。また、溝部１３は、コンテナ１０の内周面全体に形成されている。溝部１３は、所要の毛細管力を有する。

溝部１３が形成されているコンテナ１０の内壁面のうち、一方の端部１１と中央部１９には、粉体が焼結された焼結体層１４が設けられている。焼結体層１４は、コンテナ１０の内周面全体に形成されている。従って、一方の端部１１の内壁面と中央部１９の内壁面では、溝部１３は焼結体層１４で被覆されている。なお、ヒートパイプ１では、コンテナ１０の他方の端部１２には、焼結体層１４は設けられていない。よって、コンテナ１０の他方の端部１２では、溝部１３がコンテナ１０の内部空間（空洞部１７）に対して露出している。

また、焼結体層１４は、一方の端部１１に設けられた第１の焼結部１５と、第１の焼結部１５と連続し、中央部１９に設けられた第２の焼結部１６と、を有している。第１の焼結部１５と第２の焼結部１６との境には境界部１８が形成されている。なお、ヒートパイプ１では、一方の端部１１の端面にも、第１の焼結部１５が設けられている。

また、図１（ａ）に示すように、ヒートパイプ１では、第１の焼結部１５の表面は略平滑であり、第２の焼結部１６の表面も略平滑である。また、第１の焼結部１５の厚さは略均一であり、第２の焼結部１６の厚さも略均一である。さらに、第１の焼結部１５の平均厚さは、第２の焼結部１６の平均厚さと略同一である。従って、境界部１８には、段差は形成されておらず、平坦となっている。

第１の焼結部１５は第１の粉体の焼結体であり、第２の焼結部１６は第２の粉体の焼結体である。第１の焼結部１５の毛細管力は、第２の焼結部１６の毛細管力よりも大きい。ヒートパイプ１では、第１の焼結部１５の原料である第１の粉体の平均一次粒子径が、第２の焼結部１６の原料である第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さいことで、第１の焼結部１５の毛細管力が第２の焼結部１６の毛細管力よりも大きい態様となっている。上記から、第２の焼結部１６内部には、第１の焼結部１５内部よりも空隙（図示せず）が存在しており、第２の焼結部１６内部の空隙率は、第１の焼結部１５内部の空隙率よりも大きい態様となっている。また、第２の焼結部１６内部における液相の作動流体の流路抵抗は、第１の焼結部１５内部における液相の作動流体の流路抵抗よりも小さい。

上記から、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、溝部１３内における第２の焼結部１６の空隙率が、溝部１３内における第１の焼結部１５の空隙率よりも大きい態様となっている。従って、ヒートパイプ１では、コンテナ１０と第１の焼結部１５間の熱的接続性に優れ、コンテナ１０から第１の焼結部１５へ円滑に熱が伝導される。また、コンテナ１０の内壁面に第２の焼結部１６が設けられていても、溝部１３内部を液相の作動流体が凝縮部から蒸発部方向へ円滑に還流できる。

なお、説明の便宜上、図１（ｂ）では、第１の焼結部１５は溝部１３内に充填され、図１（ｃ）では、第２の焼結部１６は溝部１３内には設けられていない態様としている。

また、ヒートパイプ１では、第１の焼結部１５の毛細管力は、一方の端部１１に位置する溝部１３の毛細管力よりも大きく、第２の焼結部１６の毛細管力は、中央部１９に位置する溝部１３の毛細管力よりも大きい。一方の端部１１には、溝部１３上に、直接、第１の焼結部１５が形成され、第１の焼結部１５の表面は、コンテナ１０の内部空間（空洞部１７）に対して露出している。中央部１９には、溝部１３上に、直接、第２の焼結部１６が形成され、第２の焼結部１６の表面は、コンテナ１０の内部空間（空洞部１７）に対して露出している。従って、焼結体層１４上には、さらなるウィック構造体は設けられていない。

第１の金属粉の平均一次粒子径に対する第２の金属粉の平均一次粒子径の比は、特に限定されないが、第１の焼結部１５内部の毛細管力と第２の焼結部１６内部の流路抵抗低減とのバランスから、１．３〜２．０が好ましく、１．４〜１．７が特に好ましい。また、第１の粉体の平均一次粒子径が第２の粉体の平均一次粒子径よりも小さい値であれば、第１の粉体の平均一次粒子径及び第２の粉体の平均一次粒子径は、特に限定されない。例えば、第１の粉体の平均一次粒子径は５０μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、第２の粉体の平均一次粒子径は８０μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。第１の粉体、第２の粉体について、例えば、粉体を篩で分別することで、上記平均一次粒子径の範囲の粉体を得ることができる。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、コンテナ１０の内部空間は空洞部１７であり、空洞部１７は気相の作動流体の蒸気流路として機能する。すなわち、コンテナ１０の一方の端部１１と中央部１９では、焼結体層１４の表面が、コンテナ１０の他方の端部１２では、溝部１３の形成されたコンテナ１０の内壁面が、それぞれ、蒸気流路の壁面となっている。また、空洞部１７は、ヒートパイプ１の熱輸送方向に沿って延在している。

コンテナ１０の長手方向において、第１の焼結部１５の長さ（Ｌ１）／第２の焼結部１６の長さ（Ｌ２）の値は、ヒートパイプの使用条件等に応じて適宜選択可能であり、特に限定されないが、例えば、０．２〜３．０が好ましく、０．７〜１．７が特に好ましい。また、コンテナ１０の長手方向において、コンテナ１０の長さ（Ｌ３）／焼結体層１４の長さ（Ｌ４）の値は、ヒートパイプの使用条件等に応じて適宜選択可能であり、特に限定されないが、例えば、１．３〜１．８が好ましく、１．４〜１．６が特に好ましい。

コンテナ１０の材質は、特に限定されず、例えば、熱伝導率に優れた点から銅、銅合金、軽量性の点からアルミニウム、アルミニウム合金、機械的強度の改善の点からステンレス等の金属を挙げることができる。また、ヒートパイプ１の使用状況に応じて、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル及びニッケル合金等を用いてもよい。焼結体層１４の原料である第１の粉体及び第２の粉体の材質は、特に限定されず、例えば、金属粉を含む粉体を挙げることができ、具体例としては、銅粉及びステンレス粉等の金属粉、銅粉とカーボン粉との混合粉、上記粉体のナノ粒子等を挙げることができる。従って、焼結体層１４としては、金属粉を含む粉体の焼結体を挙げることができ、具体例としては、銅粉及びステンレス粉等の金属粉の焼結体、銅粉とカーボン粉との混合粉の焼結体、上記粉体のナノ粒子の焼結体等を挙げることができる。第１の粉体の材質と第２の粉体の材質は、同じでも異なっていてもよい。

第１の焼結部１５と第２の焼結部１６が、同種の材料、例えば、いずれも金属粉の焼結体であると、第１の焼結部１５と第２の焼結部１６との間に優れた接合力を付与することができ、焼結体層１４の機械的強度が向上する。また、第１の焼結部と第２の焼結部が、同種の材料（例えば、いずれも金属粉の焼結体）であることにより、焼結体層１４の製造効率が向上する。

また、コンテナ１０に封入される作動流体としては、コンテナ１０の材質に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を挙げることができる。このように、ヒートパイプ１では、作動流体として不凍液を使用する必要はないので、優れた熱輸送特性を発揮できる。

次に、本発明の第１実施形態例に係るヒートパイプ１の熱輸送のメカニズムについて説明する。ヒートパイプ１では、第１の焼結部１５が設けられた一方の端部１１に発熱体１００を熱的に接続させることで、一方の端部１１が蒸発部（受熱部）として機能し、焼結体層１４が設けられていない他方の端部１２に熱交換手段（図示せず）を熱的に接続させることで、他方の端部１２が凝縮部（放熱部）として機能する。また、第２の焼結部１６が設けられた中央部１９が、断熱部として機能する。ヒートパイプ１の蒸発部にて発熱体１００から受熱すると、作動流体が液相から気相へ相変化する。気相に相変化した作動流体が、空洞部１７である蒸気流路を、コンテナ１０の長手方向に蒸発部から凝縮部（ヒートパイプ１では他方の端部１２）へ流れることで、発熱体１００からの熱が蒸発部から凝縮部へ輸送される。蒸発部から凝縮部へ輸送された発熱体１００からの熱は、熱交換手段の設けられた凝縮部にて、気相の作動流体が液相へ相変化することで潜熱として放出される。凝縮部にて放出された潜熱は、凝縮部に設けられた熱交換手段によって、凝縮部からヒートパイプ１の外部環境へ放出される。凝縮部にて液相に相変化した作動流体は、溝部１３の毛細管力によって凝縮部から断熱部へ、溝部１３の毛細管力と第２の焼結部１６の毛細管力によって、断熱部から蒸発部へと還流される。

第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、断熱部（ヒートパイプ１では中央部１９）に位置する第２の焼結部１６内部の流路抵抗は蒸発部（ヒートパイプ１では一方の端部１１）に位置する第１の焼結部１５内部の流路抵抗よりも小さいことから、液相の作動流体は凝縮部から断熱部を介して蒸発部へ円滑に還流できる。また、断熱部ではコンテナ１０の内壁面の溝部１３が有する毛細管力だけではなく第２の焼結部１６が有する毛細管力も生じ、第２の焼結部１６の毛細管力が断熱部に位置する溝部１３の毛細管力よりも大きいことから、凝縮部から蒸発部方向への液相の作動流体の還流が、蒸発部から凝縮部方向へ流通する気相の作動流体によって阻害されることをより確実に防止できる。さらに、蒸発部に位置する第１の焼結部１５の毛細管力は断熱部に位置する第２の焼結部１６の毛細管力よりも大きいので、蒸発部へ還流された液相の作動流体は、第１の焼結部１５内部を円滑に拡散できる。第１の焼結部１５内部を円滑に拡散できる結果、蒸発部における液相の作動流体の液膜の厚さを低減して液相の作動流体の蒸発抵抗を抑制でき、また、蒸発部における液相の作動流体のドライアウトを防止できる。上記各種効果から、ヒートパイプ１では、優れた熱輸送特性を有する。従って、コンテナ１０の冷却対象である電子部品の発熱量がさらに増大している場合等、より厳しい使用条件でも、ヒートパイプ１では、優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、ヒートパイプ１が稼働していない状態では、第１の焼結部１５に還流した液相の作動流体は、第１の焼結部１５に局所的に液溜まりせずに、第１の焼結部１５内部を円滑に拡散していく。よって、ヒートパイプ１が稼働していない状態でも、コンテナ１０の蒸発部における液相の作動流体の局所的な液溜まりを防止できるので、寒冷な使用環境であっても液相の作動流体の凍結が抑制される。上記から、ヒートパイプ１では、寒冷な環境に設置される等、より厳しい使用条件でも、優れた熱輸送特性を発揮できる。また、液相の作動流体が凍結しても、液相の作動流体の局所的な液溜まりが防止されているので、作動流体の局所的な体積膨張が緩和されて、コンテナ１０の変形を防止できる。従って、肉厚の厚いコンテナ１０を使用する必要はないので、発熱体１００から第１の焼結部１５への熱伝導性が向上して、優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、断熱部に位置する溝部１３内における第２の焼結部１６の空隙率が、蒸発部に位置する溝部１３内における第１の焼結部１５の空隙率よりも大きいことにより、液相の作動流体が第２の焼結部１６の内部を凝縮部から蒸発部方向へより円滑に還流できつつ、蒸発部においてコンテナ１０と第１の焼結部１５間の熱伝導性が向上する効果も発揮する。

次に、本発明の第２実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第２実施形態例に係るヒートパイプは、上記した第１実施形態例に係るヒートパイプと主要な構成は同じなので、同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、コンテナ１０の内壁面のうち、一方の端部１１と中央部１９に焼結体層１４が設けられていたが、これに代えて、図２に示すように、第２実施形態例に係るヒートパイプ２では、コンテナ１０の長手方向の中央部１９に焼結体層１４が設けられ、コンテナ１０の長手方向の一方の端部１１と他方の端部１２には焼結体層１４が設けられていない。また、焼結体層１４のうち、第１の焼結部１５は、焼結体層１４の長手方向の中央１４−１に設けられ、第１の焼結部１５と連続した第２の焼結部１６は、焼結体層１４の長手方向の一端１４−２と他端１４−３に１つずつ、計２つ設けられている。

ヒートパイプ２では、コンテナ１０の長手方向の形状は、直線状、曲げ部を有する形状等、特に限定されないが、ヒートパイプ２では、略Ｕ字状であり、曲げ部とその近傍にも焼結体層１４が設けられている。ヒートパイプ２では、コンテナ１０の長手方向の中央部１９のうち、第１の焼結部１５に対応する部位に発熱体１００が熱的に接続されることで、第１の焼結部１５に対応する部位が蒸発部となる。また、コンテナ１０の長手方向の一方の端部１１と他方の端部１２に熱交換手段（図示せず）が熱的に接続されることで、一方の端部１１と他方の端部１２が凝縮部となる。コンテナ１０の長手方向の中央部１９のうち、第２の焼結部１６に対応する部位が断熱部となる。コンテナ１０の長手方向の中央部１９に焼結体層１４が設けられたヒートパイプ２でも、上記と同様の効果を発揮する。

次に、本発明の第３実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第３実施形態例に係るヒートパイプは、上記した第１、第２実施形態例に係るヒートパイプと主要な構成は同じなので、同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、第１の焼結部１５の表面は略平滑であり、第２の焼結部１６の表面も略平滑であったが、これに代えて、図３に示すように、第３実施形態例に係るヒートパイプ３では、焼結体層１４の表面に、凹凸部３４が形成されている。ヒートパイプ３では、少なくとも、第１の焼結部１５の表面に凹凸部３４が形成されている。凹凸部３４は、第１の焼結部１５の表面全体に形成されていてもよく、第１の焼結部１５の表面の一部領域にのみ形成されていてもよい。図３では、第１の焼結部１５の周方向全体に、凹凸部３４が形成されている。なお、必要に応じて、第２の焼結部（図３では図示せず）の表面にも凹凸部３４が形成されていてもよい。

ヒートパイプ３では、凹凸部３４の形状は、コンテナ１０の周方向に沿って凹部と凸部が繰り返し形成された波形形状となっている。

ヒートパイプ３では、第１の焼結部１５の表面に凹凸部３４が形成されていることにより、第１の焼結部１５の表面積が増大するので、液相の作動流体の蒸発面積が増大、ひいては、液相の作動流体の蒸発抵抗が低減され、結果、より優れた熱輸送特性を発揮できる。

次に、本発明の第４実施形態例に係るヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。なお、第４実施形態例に係るヒートパイプは、上記した第１〜第３実施形態例に係るヒートパイプと主要な構成は同じなので、同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るヒートパイプ１では、第１の焼結部１５の厚さと第２の焼結部１６の厚さは略同一であり、境界部１８には段差は形成されていなかったが、これに代えて、図４に示すように、第４実施形態例に係るヒートパイプ４では、第１の焼結部１５の厚さが、第２の焼結部１６の厚さよりも薄くなっている。従って、境界部１８には段差が形成されている。

第１の焼結部１５の厚さが、第２の焼結部１６の厚さよりも薄くなっていることにより、一方の端部１１に位置する蒸発部における液相の作動流体の液膜をより薄くできるので、液相の作動流体の蒸発抵抗が低減され、結果、より優れた熱輸送特性を発揮できる。

次に、本発明のヒートパイプの製造方法例について説明する。ここでは、第１実施形態例に係るヒートパイプ１を例にとって説明する。前記製造方法は、特に限定されないが、例えば、第１実施形態例に係るヒートパイプ１は、溝部１３が内壁面に形成された円形状の管材の長手方向のうち一方の端部から中央部まで、所定形状の芯棒を挿入する。管材の内壁面と芯棒の外面との間に形成された空隙部に、第１の焼結部１５の原料である所定量の第１の粉体と、第２の焼結部１６の原料である所定量の第２の粉体を、管材の他方の端部から順次充填する。次に、第１の粉体と第２の粉体が充填された管材を加熱処理し、芯棒を管材から抜くことにより、一方の端部１１に第１の焼結部１５を有し、中央部１９に第２の焼結部１６を有するヒートパイプ１を製造することができる。

なお、第１の焼結部１５に凹凸部３４が形成されている第３実施形態例に係るヒートパイプ３は、凹凸部３４に対応した所定の切り欠き部を有する芯棒を挿入し、管材の内壁面と芯棒の外面との間に形成された空隙部だけでなく、管材の内壁面と切り欠き部との間に形成された空隙部にも、第１の焼結部の原料である第１の粉体を充填後、加熱処理することにより製造することができる。

次に、本発明のヒートパイプの使用方法例について説明する。本発明のヒートパイプは、ヒートシンクに使用することができる。例えば、図５のヒートシンク２００に示すように、第１実施形態例に係るヒートパイプ１の一方の端部１１を複数並列配置してヒートパイプ群を形成する。なお、第１実施形態例に係るヒートパイプ１において、長手方向の形状が略直線状であるコンテナに代えて、長手方向の形状が曲げ部を有する形状（図５では、略Ｌ字状）であるコンテナを用いている。また、ヒートパイプ群の左半分に配置されているヒートパイプ１は、他方の端部１２は左方向へ延在し、ヒートパイプ群の右半分に配置されているヒートパイプ１は、他方の端部１２は右方向へ延在している。

各ヒートパイプ１について、焼結体層が設けられていない他方の端部１２に、他方の端部１２の長手方向に沿って複数の放熱フィン２１１が並列配置された放熱フィン群２１０を設けて、他方の端部１２を凝縮部として機能させる。また、各ヒートパイプ１について、第１の焼結部が設けられた一方の端部１１に受熱板２２０を介して発熱体１００を熱的に接続させて、一方の端部１１を蒸発部として機能させる。一方で、ヒートパイプ１の中央部１９には、放熱フィン群２１０も受熱板２２０も熱的に接続せずに、断熱部として機能させる。上記のように、ヒートパイプ１は、一方の端部１１を蒸発部として機能させ、他方の端部１２を凝縮部として機能させたヒートシンク２００に使用することができる。

次に、本発明の他の実施形態例に係るヒートパイプについて説明する。上記各実施形態例では、コンテナの長手方向に対して直交方向の断面形状は、略円形状であったが、該形状は特に限定されず、例えば、楕円形状、扁平形状でもよい。

また、第１実施形態例に係るヒートパイプでは、第１の焼結部の厚さと第２の焼結部の厚さは略同一であり、第４実施形態例に係るヒートパイプでは、第１の焼結部の厚さが第２の焼結部の厚さよりも薄くなっていたが、これに代えて、第１の焼結部の厚さが第２の焼結部の厚さよりも厚くなっていてもよい。第１の焼結部の厚さが第２の焼結部の厚さよりも厚くなっていることにより、第１の焼結部の毛細管力は第２の焼結部の毛細管力よりも著しく大きくなる。従って、ヒートパイプの冷却対象である発熱体の発熱量や発熱密度が極めて大きい場合であっても、蒸発部における液相の作動流体のドライアウトを確実に防止でき、優れた熱輸送特性を発揮する。

本発明のヒートパイプは、液相の作動流体は断熱部を円滑に還流でき、液相の作動流体の還流が気相の作動流体の流れによって阻害されることを防止できることから優れた熱輸送特性を発揮できる。従って、本発明のヒートパイプは、電子部品の発熱量がさらに増大している場合等、より厳しい条件で使用される分野で利用価値が高い。

１、２、３、４ヒートパイプ
１０コンテナ
１１一方の端部
１２他方の端部
１３溝部
１４焼結体層
１５第１の焼結部
１６第２の焼結部
１７空洞部
１９中央部

Claims

一方の端部の端面と他方の端部の端面とが封止された管形状を有し、溝部が形成された内壁面を有するコンテナと、
前記コンテナの内壁面に設けられた、粉体が焼結された焼結体層と、
前記コンテナの空洞部に封入された作動流体と、
を備えたヒートパイプであって、
前記焼結体層が、前記ヒートパイプの蒸発部に位置する第１の焼結部と、該第１の焼結部と連続し、前記蒸発部と前記ヒートパイプの凝縮部との間の断熱部に位置する第２の焼結部と、を有し、
前記第１の焼結部の毛細管力が、前記第２の焼結部の毛細管力よりも大きく、
前記コンテナの長手方向において、焼結体層の長さが、前記溝部が前記コンテナの内部空間に対して露出している部分の長さよりも長く、第１の焼結部の長さ／第２の焼結部の長さの値が、０．２〜３．０であり、
第１の焼結部が設けられた部位にて発熱体から受熱し、第２の焼結部が設けられた部位にて発熱体から受熱しない、
ヒートパイプ。
前記焼結体層が、前記一方の端部と前記コンテナの長手方向中央部に設けられ、前記他方の端部に設けられていない請求項１に記載のヒートパイプ。
前記焼結体層が、前記コンテナの長手方向中央部に設けられ、前記一方の端部と前記他方の端部に設けられていない請求項１に記載のヒートパイプ。
前記焼結体層が、前記凝縮部に設けられておらず、前記凝縮部では、前記溝部が露出している請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記焼結体層が、金属粉の焼結体である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記第１の焼結部の原料となる第１の金属粉の平均一次粒子径が、前記第２の焼結部の原料となる第２の金属粉の平均一次粒子径よりも小さい請求項４に記載のヒートパイプ。
前記第１の焼結部の毛細管力が、前記蒸発部に位置する前記溝部の毛細管力よりも大きい請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記第２の焼結部の毛細管力が、前記断熱部に位置する前記溝部の毛細管力よりも大きい請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記断熱部に位置する溝部内における前記第２の焼結部の空隙率が、前記蒸発部に位置する溝部内における前記第１の焼結部の空隙率よりも大きい請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記第１の焼結部の表面に、凹凸部が形成されている請求項１乃至９のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記第１の焼結部の平均厚さが、前記第２の焼結部の平均厚さよりも薄い請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記第１の焼結部の平均厚さが、前記第２の焼結部の平均厚さよりも厚い請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のヒートパイプ。
前記第１の金属粉の平均一次粒子径に対する前記第２の金属粉の平均一次粒子径の比が、１．３〜２．０である請求項６に記載のヒートパイプ。