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JP6827362B2 - ヒートパイプ - Google Patents

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JP6827362B2 JP2017087455A JP2017087455A JP6827362B2 JP 6827362 B2 JP6827362 B2 JP 6827362B2 JP 2017087455 A JP2017087455 A JP 2017087455A JP 2017087455 A JP2017087455 A JP 2017087455A JP 6827362 B2 JP6827362 B2 JP 6827362B2
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Description

本発明は、ヒートパイプに関する。
従来から、コンテナの内部にウイック体および作動流体を封入したヒートパイプが用いられている。コンテナ内には、気相の作動流体が凝縮部に向かうための蒸気流路と、液相の作動流体が蒸発部に向かうための液流路と、が設けられており、これらの流路によって作動流体を循環させることで、熱を蒸発部から凝縮部へと繰り返し輸送することができる。
このようなヒートパイプとして、例えば下記特許文献1では、ウイック体が、横断面視で間隔を空けて配置された第1ウイック部および第2ウイック部を有し、これら第1ウイック部および第2ウイック部にそれぞれ曲部と平坦部とが形成され、各曲部がコンテナの内壁に当接若しくは近接する構成を開示している。また、この構成により、曲部とコンテナの内壁との間の隙間を液流路として用いつつ、第1ウイック部と第2ウイック部との間の隙間およびウイック体とコンテナとの間の隙間を、蒸気流路として用いることを開示している。
特開2011−43320号公報
ところで近年では、携帯電話などの電子機器の小型化が進んでおり、これらの電子機器内で熱を輸送するヒートパイプを、例えば厚みが0.5mmを下回るような極めて薄い形状とすることが求められている。ヒートパイプをこのように極めて薄い形状とする場合、上記特許文献1に記載の構成では、液相の作動流体の流路が充分に確保されず、この液相の作動流体の流れが滞ってしまう場合があることが判った。このように液相の作動流体の流れが滞ると、ヒートパイプによる熱輸送効率の低下につながってしまう。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱輸送効率の低下を抑えながら、厚みを薄くすることができるヒートパイプを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第1態様に係るヒートパイプは、作動流体が封入されるコンテナと、前記コンテナの内部に、前記コンテナの内壁との間に左右方向の隙間を空けて設けられ、かつ前記コンテナの上壁若しくは下壁に接触するウイック体と、を備え、前記ウイック体は、横断面視で左右方向に間隔を空けて配置された第1ウイック部および第2ウイック部を有し、前記第1ウイック部と前記第2ウイック部との間に形成された液だまり部に、液相の作動流体が満たされている。
上記態様に係るヒートパイプによれば、第1ウイック部と第2ウイック部との間の液だまり部に液相の作動流体が満たされている。この構成により、上下方向の厚みが0.5mmを下回るような極めて薄いヒートパイプにおいても、凝縮部で凝縮した液相の作動流体を、液だまり部を通じて蒸発部に確実に還流させることができる。従って、液相の作動流体の流れが滞ってしまうのを防止し、ヒートパイプの熱輸送効率の低下を抑えることができる。
また、ウイック体の内側に液だまり部が形成されることで、ウイック体の外表面から作動流体が蒸発した際に、この外表面に向けて液だまり部から液相の作動流体を供給することができる。これにより、ウイック体の外表面への液相の作動流体の供給量を安定させて、ウイック体の外表面が乾燥するのを抑えることが可能となる。そして、ウイック体の外表面が乾燥して作動流体の蒸発量が低下し、熱輸送効率が低下するのを抑止することができる。
ここで、前記第1ウイック部および前記第2ウイック部の各上面は、横断面視で左右方向に延びるとともに前記コンテナの上壁に接触し、前記第1ウイック部および前記第2ウイック部の各下面は、横断面視で左右方向に延びるとともに前記コンテナの下壁に接触していてもよい。
この場合、第1ウイック部および第2ウイック部が、コンテナの上壁および下壁に広い面積で面接触することとなる。これにより、コンテナと各ウイック部との間で熱が伝わりやすくなり、ヒートパイプの熱輸送効率を向上させることができる。
また、前記液だまり部は、横断面視で略矩形状に形成されていてもよい。
この場合、液だまり部の幅を安定させて、この液だまり部内の液相の作動流体に、確実に毛管力を作用させることができる。
また、前記液だまり部の左右方向における幅若しくは上下方向における幅が、前記ウイック体と前記コンテナとの間に形成された蒸気流路の幅より小さくてもよい。
この場合、表面張力の作用によって、蒸気流路よりも幅の狭い液だまり部に、液相の作動流体を確実に位置させることができる。従って、例えば液相の作動流体が蒸気流路に浸入してしまうのを抑え、コンテナ内における液相の作動流体および気相の作動流体の流れをスムーズにすることができる。
また、前記コンテナのうち、作動流体の蒸気流路を形成する部分における上下方向の幅が、前記液だまり部の幅より大きくてもよい。
また、前記コンテナのうち、前記液だまり部に面する部分には、前記液だまり部に向けて窪む凹部が形成されていてもよい。
また、前記ウイック体は、前記第1ウイック部と前記第2ウイック部とを互いに接続する接続ウイック部を有していてもよい。
これらの態様を適宜選択することで、ヒートパイプを極めて薄く形成したとしても、液だまり部に位置する液相の作動流体に表面張力や毛管力が確実に作用するように、液だまり部の寸法を安定させることができる。
本発明の上記態様によれば、熱輸送効率の低下を抑えながら、厚みを薄くすることができるヒートパイプを提供することができる。
第1実施形態に係るヒートパイプの断面図である。 図1のヒートパイプのA−A断面矢視図である。 第2実施形態に係るヒートパイプの断面図である。 第3実施形態に係るヒートパイプの断面図である。 (a)は変形例に係るヒートパイプの断面図であり、(b)は他の変形例に係るヒートパイプの断面図である。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態に係るヒートパイプの構成を、図1〜図2を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。
図1に示すように、ヒートパイプ1Aは、作動流体が封入されるコンテナ2と、コンテナ2の内部に設けられたウイック体10と、を備えている。
ここで、本実施形態ではXYZ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。X方向は、ヒートパイプ1Aの延びる方向(以下、長手方向という)である。以下、長手方向に直交する断面を単に横断面という。
ヒートパイプ1Aは、横断面視において、Z方向(以下、上下方向という)における厚みTが小さく、Y方向(以下、左右方向という)における幅Bが広い、扁平な形状に形成されている。本実施形態のヒートパイプ1Aの寸法は、例えばT=0.25mmであり、B=3.2mmである。
なお、本実施形態では、上下方向における幅および左右方向における幅の両者を含む概念を単に「幅」という。
コンテナ2の内部は中空であり、密閉されている。コンテナ2の材質は、作動流体の種類や使用温度などの条件によって、適宜選択することができる。特に、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料を用いる場合、熱輸送性や熱拡散性を高めることができる。コンテナ2は、例えば銅管、アルミニウム管、ステンレス管などの金属管を用いて形成することができる。本実施形態のコンテナ2の厚みは、例えば0.06mmである。
ウイック体10は、コンテナ2の内壁に対して、左右方向の隙間を空けて設けられている。図1の例では、コンテナ2の左右方向における中央部に、ウイック体10が配置されている。ウイック体10は、コンテナ2の上壁2aおよび下壁2bに接触している。なお、ウイック体10は、コンテナ2の上壁2a若しくは下壁2bの少なくとも一方に接触していれば、コンテナ2との間で熱を交換することができる。
ウイック体10の内部には、毛管力を発生させる多数の細孔が形成されている。ウイック体10の材質としては、例えば金属極細線、金属メッシュ、および金属粉末の焼結体などを用いることができる。ウイック体10を金属などのメッシュ材によって形成する場合、例えば板状のメッシュ材を型で抜くことで、ウイック体10が複雑な形状であっても、これを容易に成形することができる。また、ウイック体10を金属粉末の焼結体などで形成する場合、細孔のサイズをより小さくすることが可能となり、高い毛管力を発生させて熱輸送性を高めることができる。
ウイック体10内の細孔には、液相の作動流体が含浸される。液相の作動流体は、加熱により蒸発し、放熱により凝縮することが可能な流体である。作動流体の種類は、ヒートパイプが使用される温度などに応じて適宜選択することができる。作動流体としては、例えば水、アルコール、代替フロンなどを用いることができる。作動流体は、例えば真空チャンバー内でコンテナ2の内部から空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で、コンテナ2の内部に封入してもよい。
図2に示すように、ウイック体10は、コンテナ2内に長手方向に沿って配置されている。ウイック体10の左右方向における幅はコンテナ2の左右方向における幅よりも小さく、ウイック体10はコンテナ2の左右方向の中央部に配置されている。これにより、ウイック体10の左右方向における両側には、蒸気流路S2が形成されている。蒸気流路S2は、気相の作動流体の流通路となる。
ウイック体10は、コンテナ2内で焼結されることで部分的に溶融し、コンテナ2の内壁に固定されている。より詳しくは、図1に示すように、ウイック体10はコンテナ2の上壁2aおよび下壁2bに接合されている。なお、例えばコンテナ2内にウイック体10を配置した状態で、コンテナ2を上下方向に圧縮して変形させ、コンテナ2の上壁2aおよび下壁2bでウイック体10を挟むことでウイック体10を固定してもよい。
ここで、本実施形態のウイック体10は、図1に示すように、横断面視で左右方向に間隔を空けて配置された第1ウイック部11および第2ウイック部12を有している。第1ウイック部11と第2ウイック部12との間の空間(以下、液だまり部S1という)には、液相の作動流体が満たされている。図2に示すように、液だまり部S1は、長手方向に沿って延びている。
図1に示すように、横断面視において、第1ウイック部11は、左右方向に延びる上面11aおよび下面11cと、上下方向に延びる外側面11bおよび内側面11dと、を有する略矩形状に形成されている。横断面視において、第2ウイック部12は、左右方向に延びる上面12aおよび下面12cと、上下方向に延びる外側面12bおよび内側面12dと、を有する略矩形状に形成されている。
液だまり部S1は、コンテナ2の上壁2aおよび下壁2b、各ウイック部の内側面11d、12dにより、横断面視で略矩形状に形成されている。
第1ウイック部11および第2ウイック部12の内側面11d、12d同士は、左右方向で互いに対向している。第1ウイック部11および第2ウイック部12の各上面11a、12aは、コンテナ2の上壁2aに接触している。第1ウイック部11および第2ウイック部12の各下面11c、12cは、コンテナ2の下壁2bに接触している。
液だまり部S1の左右方向における幅W1は、蒸気流路S2の左右方向における幅V1および上下方向における幅V2のいずれよりも小さく、毛管力が発生するように設定されている。本実施形態における各寸法は、例えばW1=0.1mm、W2=0.13mm、V1=1.06mm、V2=0.13mmである。なお、液だまり部S1の各寸法は、上記のように毛管力を発生させつつ、コンテナ2内に封入された液相の作動流体を、液だまり部S1およびウイック体10内で保持できるように決定される。
以上のような構成のヒートパイプ1Aは、例えば以下のように製造される。まず、第1ウイック部11および第2ウイック部12となるウイックと、これらウイック同士の間に挟まれたロッドと、をコンテナ2となる銅管内に挿入する。この状態で銅管を加熱し、銅管の内壁に対してウイックを焼結させる。その後、ロッドを銅管から引き抜き、コンテナ2を扁平な形状に変形させる。そして、真空状態で作動流体を銅管内に注入し、銅管の端部を閉塞させることで、ヒートパイプ1Aが形成される。
次に、以上のように構成されたヒートパイプ1Aの作用について説明する。
ヒートパイプ1Aは、熱輸送の対象となる物品(例えばノートPCや携帯電話)内の電子部品などに取り付けられる。図2の例では、ヒートパイプ1Aの長手方向における一端部が蒸発部Eとして機能し、他端部が凝縮部Cとして機能する。蒸発部Eは、例えばCPUなどの発熱部に隣接して配置され、凝縮部Cは、例えばヒートシンクなどの放熱部に隣接して配置される。
蒸発部Eでは、ウイック体10の表面に位置する液相の作動流体が、コンテナ2の壁面を介して加熱されて蒸発する。作動流体が蒸発することで、蒸発部E近傍における蒸気流路S2内の気体の圧力が高まる。これにより、図1の矢印F1に示すように、気相の作動流体が、蒸気流路S2内を凝縮部C側に向けて長手方向に移動する。
凝縮部Cに到達した気相の作動流体は、コンテナ2の壁面を介して熱を奪われて凝縮し、液滴となってコンテナ2の壁面に付着する。この作動流体の液滴は、図2の矢印F2に示すように、毛管力によってウイック体10内の細孔に浸み込む。ここで、ウイック体10内の細孔に浸み込んだ液相の作動流体の一部は、矢印F2’に示すように、液だまり部S1に流入する。
ウイック体10の細孔内および液だまり部S1内の液相の作動流体は、毛管力によって長手方向の蒸発部E側に移動する。そして、ウイック体10内の細孔および液だまり部S1から蒸発部Eへと、矢印F3、F4に示す2つの経路から液相の作動流体が供給される。蒸発部Eに到達した液相の作動流体は、再び蒸発部Eにおけるウイック体10の表面から蒸発する。
蒸発して気相となった作動流体は、再び蒸気流路S2を通って凝縮部C側へと移動する。このように、ヒートパイプ1Aは、作動流体の液相/気相間の相転移を繰り返し利用して、長手方向の蒸発部E側で回収した熱を凝縮部C側に繰り返し輸送することができる。
以上説明したように、本実施形態のヒートパイプ1Aによれば、ウイック体10が第1ウイック部11および第2ウイック部12を有しており、これらのウイック部11、12同士の間の液だまり部S1に液相の作動流体が満たされている。この構成により、上下方向の厚みが0.5mmを下回るような極めて薄いヒートパイプ1Aにおいても、凝縮部Cで凝縮した液相の作動流体を、液だまり部S1を通じて蒸発部Eに確実に還流させることができる。従って、液相の作動流体の流れが滞ってしまうのを防止し、ヒートパイプ1Aの熱輸送効率の低下を抑えることができる。
また、ウイック体10の内側に液だまり部S1が形成されているため、ウイック体10の外表面から作動流体が蒸発した際に、この外表面に向けて液だまり部S1から液相の作動流体を供給することができる。これにより、ウイック体10の外表面への液相の作動流体の供給量を安定させて、ウイック体10の外表面が乾燥するのを抑えることが可能となる。そして、ウイック体10の外表面が乾燥して作動流体の蒸発量が低下し、熱輸送の効率が低下するのを抑止することができる。
また、第1ウイック部11および第2ウイック部12の各上面11a、12aは、横断面視で左右方向に延びるとともにコンテナ2の上壁2aに接触している。さらに、第1ウイック部11および第2ウイック部12の各下面11c、12cは、横断面視で左右方向に延びるとともにコンテナ2の下壁2bに接触している。
この構成により、第1ウイック部11および第2ウイック部12が、コンテナ2の上壁2aおよび下壁2bに広い面積で面接触することとなる。これにより、コンテナ2と各ウイック部11、12との間で熱が伝わりやすくなり、ヒートパイプ1Aの熱輸送効率を向上させることができる。
また、液だまり部S1が、横断面視で略矩形状に形成されていることで、液だまり部S1の上下方向若しくは左右方向の幅を安定させて、この液だまり部S1内の液相の作動流体に、確実に毛管力を作用させることができる。
また、液だまり部S1の左右方向における幅W1を、蒸気流路S2の左右方向における幅V1および上下方向における幅V2よりも小さくし、液だまり部S1内の液相の作動流体に毛管力を作用させることにより、液だまり部S1内の液相の作動流体を、凝縮部C側から蒸発部E側へとよりスムーズに還流させることができる。
さらに、表面張力の作用によって、蒸気流路S2よりも幅の狭い液だまり部S1に、液相の作動流体を確実に位置させることができる。従って、例えば液相の作動流体が蒸気流路S2に浸入してしまうのを抑え、コンテナ2内における液相の作動流体および気相の作動流体の流れをスムーズにすることができる。なお、このような効果を得るための条件は、液だまり部S1の左右方向における幅W1若しくは上下方向における幅W2の少なくとも一方が、蒸気流路S2の左右方向における幅V1および上下方向における幅V2の両者より小さいことである。すなわち、以下の数式(1)、(2)のいずれか一方を満たせばよい。
W1<V1かつW1<V2 …(1)
W2<V1かつW2<V2 …(2)
(第2実施形態)
次に、本発明に係る第2実施形態について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図3に示すように、本実施形態のヒートパイプ1Bでは、コンテナ2の上壁2aに、コンテナ2の内部に向けて窪む凹部2cが形成されている。凹部2cは、左右方向における第1ウイック部11と第2ウイック部12との間に位置している。このため、液だまり部S1の上下方向における幅W2は、蒸気流路S2の上下方向における幅V2よりも小さくなっている。本実施形態における各寸法は、例えばW1=0.2mm、W2=0.06mm、V1=1.085mm、V2=0.08mmである。
本実施形態の構成でも、第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
なお、凹部2cは、長手方向における上壁2aの全長にわたって形成されていてもよく、長手方向における上壁2aの一部に形成されていてもよい。また、凹部2cは、コンテナ2の下壁2bに形成されていてもよく、コンテナ2の上壁2aおよび下壁2bの両方に形成されていてもよい。
(第3実施形態)
次に、本発明に係る第3実施形態について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態では、ウイック体の構成が第1実施形態と異なる。
図4に示すように、本実施形態のヒートパイプ1Cは、第1ウイック部21、第2ウイック部22、および接続ウイック部23を有するウイック体20を備えている。
第1ウイック部21および第2ウイック部22は、左右方向に間隔を空けて配置されるとともに、接続ウイック部23によって互いに接続されている。接続ウイック部23は、コンテナ2の下壁2bに接触している。本実施形態における液だまり部S1は、各ウイック部21〜23およびコンテナ2の上壁2aによって形成されている。この構成により、液だまり部S1の上下方向における幅W3(上壁2aと接続ウイック部23との間の距離)は、蒸気流路S2の上下方向における幅V2よりも小さくなっている。本実施形態における各寸法は、例えばW1=0.2mm、W3=0.06mm、V1=1.085mm、V2=0.08mmである。
本実施形態の構成でも、第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、コンテナ2の上壁2aと下壁2bとの間の距離を一定にしながら、液だまり部S1の上下方向における幅W3を、蒸気流路S2の上下方向における幅V2よりも小さくすることができる。
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図2の例では、ヒートパイプ1Aが長手方向に直線状に延びているが、これに限られず、ヒートパイプ1Aは曲げて用いられてもよい。その際、ウイック体10がコンテナ2の上壁2aおよび下壁2bに接合されているため、ヒートパイプ1Aが曲げられても、ウイック体10がコンテナ2に対して左右方向に移動して蒸気流路S2が狭くなってしまうのが防止される。なお、ヒートパイプ1Aが曲げられている場合、長手方向はヒートパイプ1Aの中心線が延びる方向であり、左右方向はこの中心線および上下方向(厚み方向)の双方に直交する方向として定義することができる。
また、コンテナ2内に収容されるウイック体10の配置や形状を適宜変更してもよい。例えば図5(a)に示すヒートパイプ1Dのように、ウイック体10を、コンテナ2内で左右方向に偏った位置に配置してもよい。
また、図5(B)に示すヒートパイプ1Eのように、3つのウイック部31〜33が左右方向に間隔を空けて配置されたウイック体30を採用してもよいし、4つ以上のウイック部が左右方向に間隔を空けて配置されていてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
1A〜1E…ヒートパイプ 2…コンテナ 2a…上壁 2b…下壁 2c…凹部 10…ウイック体 11…第1ウイック部 11a…上面 11c…下面 12…第2ウイック部 12a…上面 12c…下面 V1…蒸気流路の幅 S1…液だまり部 S2…蒸気流路 V1〜V2…蒸気流路の幅 W1〜W3…液だまり部の幅

Claims (8)

  1. 作動流体が封入されるコンテナと、
    前記コンテナの内部に、前記コンテナの内壁との間に左右方向の隙間を空けて設けられ、かつ前記コンテナの上壁および下壁に接触するウイック体と、を備え、
    前記ウイック体は、横断面視で左右方向に間隔を空けて配置された第1ウイック部および第2ウイック部を有し、
    前記第1ウイック部および前記第2ウイック部はそれぞれ、前記上壁および前記下壁に接し、
    前記上壁、前記下壁、前記第1ウイック部、および前記第2ウイック部によって囲まれて形成された液だまり部に、液相の作動流体が満たされている、ヒートパイプ。
  2. 前記第1ウイック部および前記第2ウイック部の各上面は、横断面視で左右方向に延びるとともに前記コンテナの上壁に接触し、
    前記第1ウイック部および前記第2ウイック部の各下面は、横断面視で左右方向に延びるとともに前記コンテナの下壁に接触している、請求項1に記載のヒートパイプ。
  3. 前記液だまり部は、横断面視で略矩形状に形成されている、請求項1または2に記載のヒートパイプ。
  4. 前記液だまり部の左右方向における幅若しくは上下方向における幅が、前記ウイック体と前記コンテナとの間に形成された蒸気流路の幅よりも小さい、請求項1から3のいずれか1項に記載のヒートパイプ。
  5. 前記コンテナのうち、作動流体の蒸気流路を形成する部分における上下方向の幅が、
    前記液だまり部の幅よりも大きい、請求項1から4のいずれか1項に記載のヒートパイプ。
  6. 作動流体が封入されるコンテナと、
    前記コンテナの内部に、前記コンテナの内壁との間に左右方向の隙間を空けて設けられ、かつ前記コンテナの上壁若しくは下壁に接触するウイック体と、を備え、
    前記ウイック体は、横断面視で左右方向に間隔を空けて配置された第1ウイック部および第2ウイック部を有し、
    前記第1ウイック部と前記第2ウイック部との間に形成された液だまり部に、液相の作動流体が満たされ、
    前記コンテナのうち、前記液だまり部に面する部分には、前記液だまり部に向けて窪む凹部が形成されている、ヒートパイプ。
  7. 前記ウイック体は、前記第1ウイック部と前記第2ウイック部とを互いに接続する接続ウイック部を有する、請求項6に記載のヒートパイプ。
  8. 前記液だまり部の上下方向の幅が、前記液だまり部の左右方向の幅よりも大きい、請求項1から7のいずれか1項に記載のヒートパイプ。
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