(57)【要約】【課題】作動流体の液相部の流路抵抗を小さくすると同時に毛細管力を大きくすることで、ベーパーチャンバーの熱拡散性能を向上させ、電子機器の設置向きの汎用性を高めることができる冷却装置及び冷却方法を提供する。【解決手段】  相変化現象を利用して熱を輸送する作動流体Ｓを封入する中空容器１と、中空容器１内における作動流体Ｓの液相流路ＳＡ内に位置する格子状部材２と、を具備し、格子状部材２は中空容器１の厚さ方向に複数積層された積層体であり、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂの各線径２ａ，２ｂは、重力方向Ｇ及び作動流体の液相部ＳＡの流路長が長い方向に基づき設定されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相変化現象を利用して熱を輸送する作動流体を封入するための中空容器と、
該中空容器内における作動流体の液相流路内に位置する格子状部材と、を具備し、
前記格子状部材は前記中空容器の厚さ方向に複数積層された積層体であり、
前記格子状部材を構成する二方向の格子材の各線径は、重力方向及び作動流体の液相部の流路長が長い方向に基づき設定されることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記格子状部材を構成する格子材における目のピッチに対する線径の比は０．３８倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記格子状部材を構成する二方向の格子材のうち、一方向の格子材の径だけを細くすることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記格子状部材を構成する二方向の格子材のうち、重力方向の格子材の径を細くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記格子状部材を構成する二方向の格子材のうち、前記作動流体の液相部の流路長が長い方向とは垂直な方向の格子材の径を細くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記格子状部材はメッシュであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記作動流体は有機作動流体であり、前記格子状部材を構成する格子材のピッチは１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項８】
中空容器内に、相変化現象を利用して熱を輸送する作動流体を封入するとともに、該作動流体の液相流路内に格子状部材を位置させ、
さらに、前記格子状部材を前記中空容器の厚さ方向に複数積層された積層体により構成するとともに、該格子状部材を構成する二方向の格子材の各線径を、重力方向及び作動流体の液相部の流路長が長い方向に基づき設定することを特徴とする冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に実装された高発熱素子で発生した熱を効率的に拡散することで、冷却性能を高めることができる冷却装置及び冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、クラウドサービス等の情報インフラの発展に伴って情報通信量が増えており、この膨大な量の情報を処理するために、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの素子（以下、発熱素子と言う）の発熱量が大きくなっている。
【０００３】
しかしながら、発熱素子では、発熱量が増加したとしても、上限温度は変わらないので、冷却性能を向上させる必要があり、このため、素子に取付ける冷却器が大型化する傾向にある。
ここで、小さな発熱素子で発生した熱は、大きな冷却器全体に拡げる必要があり、ベーパーチャンバーなどの熱拡散装置を利用した熱拡散がなされる。
【０００４】
熱拡散装置となるベーパーチャンバーでは、薄板状の中空容器の内部に作動流体が封入されており、発熱素子から受熱することで蒸発した気相の作動流体が、圧力差によって面方向に広がることによって熱拡散する。
また、中空容器の内部にはウィックと呼ばれる多孔質部材が設けられており、冷却器へ放熱することで凝縮した液相の作動流体は、毛細管力によって発熱素子の位置まで還流される。
【０００５】
ベーパーチャンバーの熱拡散性能とは、拡散する熱量『Ｑ［Ｗ］』に、拡散する距離『Ｌ［ｍ］』を乗じた値であり、毛細管力ＰＣ［Ｐａ］、重力ＰＧ［Ｐａ］、気相部の流路抵抗ＲＶ[Ｐａ／Ｗ・ｍ]、液相部の流路抵抗ＲＬ［Ｐａ／Ｗ・ｍ］を用いて、以下のように表される。
【０００６】
【数１】
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よって、より大きな熱量を、より広い範囲に拡散するには、毛細管力を大きくし、かつ流路抵抗を小さくすることが重要である。このようなベーパーチャンバーの例が、特許文献１に記載されている。
【０００７】
特許文献１に示される熱輸送デバイスでは、相変化により熱を輸送する作動流体が封入された容器内に、ウィックとして上層メッシュ部材と下層メッシュ部材とからなる積層体が収容された構成が示されている。
なお、この積層体では、上層メッシュ部材として♯１００のメッシュが使用され、下層メッシュ部材として♯２００のメッシュが使用されている。
【０００８】
そして、上記のような熱輸送デバイスでは、気相流路に近い上層メッシュ部材のメッシュの目を粗くすることで流路抵抗を小さくしている一方で、発熱素子に近い下層メッシュ部材のメッシュの目を細かくすることで毛細管力を大きくしている。
すなわち、上記熱輸送デバイスでは、複数のメッシュ部材が、下層から上層にかけて段階的に目が粗くなるように配置されることで、効果的に熱輸送デバイスの熱輸送性能を向上させることができる。
【０００９】
特許文献２に示される熱輸送デバイスでは、積層される第１及び第２のメッシュ部材に関し、第２のメッシュ部材が、第１の大きさと異なる第２の大きさの網目を有し、第１のメッシュ部材を挟み込むように折り曲げられる構成が示される。
また、特許文献２の熱輸送デバイスでは、第１のメッシュ部材として、第２のメッシュ部材のメッシュナンバーよりも大きいメッシュナンバーを有するものが用いられるとの記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４７０６７５４号公報
【特許文献２】特開２０１１−８５３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の構造には、電子機器の設置向きが変わった時の熱拡散性能に関する課題がある。
電子機器の設置向きを考慮すると、発熱素子が重力方向上方になる、所謂トップヒートモードになる場合がある。この場合、重力ＰＧ［Ｐａ］は負値になるので、これを補うために毛細管力を大きくする必要がある。
毛細管力ＰＣ［Ｐａ］は、液相の作動流体の表面張力σＬ［Ｎ／ｍ］、接触角θ[°]、毛細管径ｒｃ［ｍ］を用いて、以下のように表される。
【００１２】
【数２】
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よって、上記数式２では、毛細管径を小さくすれば、毛細管力を大きくできることが解る。
一方、液相部の流路抵抗ＲＬ［Ｐａ／Ｗ・ｍ］は、液相の作動流体の密度ρL[ｋｇ／ｍ3]、液相の作動流体の粘度μL[Ｐａ・ｓ]、蒸発潜熱λ［ｋＪ／ｋｇ］、ウィックの断面積ＡＷ、ウィックの浸透率ＫＷ[ｍ2]を用いて、以下のように表される。
【００１３】
【数３】
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ここで、ウィックの浸透率は一般的にDarcy-Weisbachの式及びHagen-Poiseuilleの式から、以下のように表される。
【００１４】
【数４】
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上記の数式（３）は、以下のように書き直すことができる。
【００１５】
【数３Ａ】
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よって、上記数式（３Ａ）では、毛細管径を小さくすると、液相部の流路抵抗も大きくなることが解る。
そして、数式（２）及び数式（３Ａ）を比較した場合には、毛細管力は毛細管径の−１乗に比例するのに対し、液相部の流路抵抗は毛細管径の−４乗に比例している。
このため、特許文献１，２では、メッシュ数を大きくすることで毛細管径を小さくしたとしても、毛細管力以上に流路抵抗が大きくなるので、熱拡散性能が低下するという問題がある。
【００１６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、格子状部材を構成する二方向の格子材の線径を最適値に設定することで、ベーパーチャンバーの熱拡散性能を向上させ、電子機器の設置向きの汎用性及び作動流体の汎用性を高めることができる冷却装置及び冷却方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の第１態様に示す冷却装置では、相変化現象を利用して熱を輸送する作動流体を封入するための中空容器と、該中空容器内における作動流体の液相流路内に位置する格子状部材と、を具備し、前記格子状部材は前記中空容器の厚さ方向に複数積層された積層体であり、前記格子状部材を構成する二方向の格子材の各線径は、重力方向及び作動流体の液相部の流路長が長い方向に基づき設定されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第２態様の冷却方法では、中空容器内に、相変化現象を利用して熱を輸送する作動流体を封入するとともに、該作動流体の液相流路内に格子状部材を位置させ、さらに、前記格子状部材を前記中空容器の厚さ方向に複数積層された積層体により構成するとともに、該格子状部材を構成する二方向の格子材の各線径を、重力方向及び作動流体の液相部の流路長が長い方向に基づき設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ベーパーチャンバーとなる中空容器の熱拡散性能を向上させ、電子機器の設置向きの汎用性及び作動流体の汎用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る冷却装置を示す図であって、（Ａ）は全体の概略構成図、（Ｂ）は格子状部材の一部を拡大した図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態に使用される格子状部材を示す三面図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図である。
【図４】一般的な格子状部材を示す三面図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図である。
【図５】本発明の設計モデルを検証するための実測に使用した一般的なメッシュの各数値を示す表である。
【図６】一般的なメッシュの流路抵抗の実測値を示すグラフである。
【図７】一般的なメッシュの毛細管力による吸上げ長の実測値を示すグラフである。
【図８】一般的な♯３００メッシュの性能を基準とした時の、線径を変化させた時の流路抵抗、毛細管力、及び熱拡散性能の変化量の計算値を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態に係る格子状部材を示す三面図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る格子状部材を示す三面図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る冷却装置１０について図１を参照して説明する。
なお、図１の冷却装置１０において、図中高さ方向となる短手方向をＸ軸、奥行き方向となる長手方向をＹ軸とし、容器厚さ方向をＺ軸としている。また、図１では、冷却装置１０の重力方向ＧをＸ軸方向に一致させている。
【００２２】
この冷却装置１０は、相変化現象を利用して熱を輸送する作動流体Ｓを封入するためのベーパーチャンバーとなる縦置き型の中空容器１と、該中空容器１内における作動流体Ｓの液相流路内に位置する格子状部材２と、を具備している。
また、中空容器１の格子状部材２が位置する外面には電子素子等の発熱素子３が配置されている。また、格子状部材２が位置する側とは反対側に位置する中空容器１の外面には冷却器４が配置されている。
【００２３】
そして、中空容器１に封入された作動流体Ｓは、発熱素子３の熱で蒸発し、蒸発した蒸気は圧力差によって中空容器１内全体に広がった後、冷却器４で冷却、凝縮される。その後、凝縮した作動流体Ｓは格子状部材２の毛細管力によって発熱素子３の取付位置まで還流される。
なお、図１では、中空容器１に封入された作動流体Ｓおいて、液相部を符号ＳＡとし、気相部を符号ＳＢで示す。
【００２４】
一方、格子状部材２は中空容器１の厚さ方向に複数積層された積層体であり、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂの線径２ａ，２ｂは、重力方向及び作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路長が長い方向に基づき設定される。
具体例として図１には、重力方向ＧがＸ軸方向であり、かつ作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路長が長い方向に垂直する方向もＸ軸方向であることに基づき、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂのうち、Ｘ軸方向の格子材２Ａの線径２ａを細く設定した例が示されている。
【００２５】
そして、以上のような冷却装置１０における第１の目的は作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路抵抗を低減させることである。
格子状部材２では、面方向（面を図１に符号Ｍａで示す）の空孔を通過するときに液相流路が最も狭くなるので、この部位の摩擦抵抗が、液相部ＳＡの流路抵抗の支配項になる。ここで、流れ方向に垂直な方向の格子材の線径を細くした場合、空孔の通過距離が短くなるだけでなく、空孔率が大きくなることで流速も低下するので、作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路抵抗が小さくなる。
特に、本発明の冷却装置１０では、Ｙ軸方向の流路長が長く、流路抵抗が大きくなっている。よって、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂのうち、流路長が長い方向に垂直する方向であるＸ軸方向の格子材２Ａの線径２ａを細くすると効果的である。
【００２６】
第２の目的は毛細管力を増大させることである。
本発明の冷却装置１０では、例えば図１に示されるような縦置とした場合に、高低差が大きいトップヒートモードになるので、大きな毛細管力が必要になるが、このとき、格子状部材２の面方向の空孔が毛細管として機能する。ここで、線径を細くすると、空孔が狭くなり、毛細管径が小さくなるので、毛細管力が大きくなる。
特に、図１では重力方向ＧをＸ軸方向に一致させているので、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂのうち、Ｘ軸方向の格子材２Ａの線径２ａを細くすると効果的である。
【００２７】
ここで、前述のように毛細管径を小さくするだけでは、毛細管力以上に流路抵抗が大きくなる。しかし、本発明の冷却装置１０では、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂの線径２ａ，２ｂを細くする構成を採用することにより、毛細管径が小さくなるだけでなく、積層したメッシュに作動流体Ｓが面方向に流れる場合、空孔の通過距離が短くなり、かつ空孔率が大きくなるので、結果として作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路抵抗も小さくなる。
すなわち、本発明の冷却装置１０では、格子状部材２を構成する二方向の格子材２Ａ，２Ｂの線径２ａ，２ｂを、重力方向Ｇ及び作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路長が長い方向に基づき設定することで、ベーパーチャンバーの熱拡散性能を向上させ、電子機器の設置向きの汎用性を高めることができる。
【００２８】
なお、図１では、冷却装置１０の重力方向ＧをＸ軸方向に一致させているので、重力方向と、作動流体Ｓの液相部ＳＡの流路長が長い方向のどちらに基づいた場合も、Ｘ軸方向の格子材２Ａの線径２ａを細くするのが効果的であるが、Ｙ軸方向の格子材２Ｂの線径２ｂも細くするのが、より好ましい。
また、例えば重力方向ＧをＹ軸方向に一致させるのであれば、重力方向に基づくとＹ軸方向の格子材２Ｂの線径２ｂを細くするのが効果的であり、重力方向に基づく場合と、流路長が長い方向に基づく場合とで、効果的な格子材の方向が一致しない場合もある。
【００２９】
（第１実施形態）
本発明に係る第１実施形態について図２〜図８を参照して説明する。
本実施形態に係る電子機器の冷却装置Ａ１の概略図を図２に、格子状部材の一部の三面図を図３に示す。
また、比較のため、一般的な格子状部材４０の一部の三面図を図４に示す。ここで、ベーパーチャンバーにおいて、短手方向をＸ軸、長手方向をＹ軸とし、ベーパーチャンバーの厚さ方向をＺ軸としている。また、本例ではＸ軸方向を重力方向Ｇとしている。
【００３０】
本実施形態に係る冷却装置Ａ１は、ベーパーチャンバー１００、発熱素子２００、冷却器３００、を備える。
ベーパーチャンバー１００は薄板状であり、第１の主面１１０に発熱素子２００が設けられ、第１の主面１１０の反対側に位置する第２の主面１２０に冷却器３００が取り付けられている。  
【００３１】
ベーパーチャンバー１００は中空であり、その内部に作動流体１３０が封入されている。また、ベーパーチャンバー１００の内部の発熱素子２００側には格子状部材１４０が設けられており、冷却器３００側は自由空間１５０になっている。  
【００３２】
格子状部材１４０は第１の主面１１０から第２の主面１２０に向かって、Ｚ軸方向にメッシュを積層した積層体により構成される。
また、本実施形態に使用される図３の格子状部材１４０は、格子状部材１４０を構成する二方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の格子材１４０Ａ，１４０Ｂの線径（Ｒ１，Ｒ１）を有している。この格子状部材１４０を構成する格子材１４０Ａ，１４０Ｂは、図４に示される一般的な格子状部材４０を構成する格子材４０Ａ，４０Ｂの線径（Ｒ１’，Ｒ１’）よりも細く、しかし、目開きは同じに設定される。
また、格子材１４０Ａ，１４０Ｂの線径（Ｒ１，Ｒ１）は、目開きに対して小さく設定されている。
【００３３】
ベーパーチャンバー１００の筐体としては、例えば銅やアルミ等の熱伝導率が高い金属が使用される。
また、冷却装置Ａ１では、図２に示されていないが、作動流体１３０の注入口及び真空引き口が設けられており、作動流体注入口及び真空引き口は作業終了後に封止されている。
なお、これら作動流体注入口と真空引き口は兼用されていても良い。また、冷却装置Ａ１では、図２に示されていないが、ベーパーチャンバー１００の内部に強度向上を目的とした補強柱が設けられていても良い。この補強柱は液相流路を兼ねたウィックであっても良い。
【００３４】
作動流体１３０としては、例えば純水やエタノール等のアルコール、ＰＦＣ（ＰｅｒＦｌｕｏｒｏＣａｒｂｏｎ）等の代替フロン、それらの混合液が使用される。
格子状部材１４０は、例えば銅やアルミニウム、ステンレス等の金属や、樹脂を使用できるが、格子状部材１４０の全てを同一の素材で成型する必要はない。また、格子状部材１４０は、別体で成型されたメッシュを積層しても良いし、メッシュが積層されたような形状に一体で成型されていても良い。また、格子状部材１４０は格子状であればメッシュでなくても良い。
【００３５】
図２に示す格子状部材１４０では、ベーパーチャンバー１００の内壁のうち発熱素子２００側の全面を覆うように設けているが、覆われていない部位があっても良い。
また、この格子状部材１４０は、例えばベーパーチャンバー１００の内側の側壁等、発熱素子２００側以外の内壁にも設けても良い。
【００３６】
図２では発熱素子２００を第１の主面１１０の中央に１個設けているが、配置や個数を限定するものではない。図２には示していないが、発熱素子２００と第１の主面１１０の間に、例えばグリス等のサーマルインターフェースマテリアルが介在していても良い。また、第１の主面１１０の発熱素子２００を取付ける部位に穴が空いており、発熱素子２００と作動流体１３０が直接接触するようになっていても良い。
【００３７】
図２では冷却器３００とベーパーチャンバー１００のフットプリントを同じにしているが、異なるフットプリントでも良い。冷却器３００とベーパーチャンバー１００は一体で成型されていても良いし、別体で成型されていて、ロウ付け等で接合されていても良い。冷却器３００はヒートシンク状にしているが、例えば水冷ジャケット等の他の形状でも良い。
また、冷却器３００には、図２には示していないが、例えば空気等の冷却媒体を供給する機構として、例えばファンやポンプ等の動力源を備えていても良い。
【００３８】
次に、本実施形態に係る冷却装置Ａ１の動作について説明する。
電子機器を作動させると、発熱素子２００が発熱し、ベーパーチャンバー１００に伝熱する。このとき、液相の作動流体１３１は、第１の主面１１０の一部を介して受熱することで蒸発し、気相の作動流体１３２に相変化する。気相の作動流体１３２は潜熱の形で熱を保持したまま、圧力差によって、自由空間１５０内を面方向に拡散する。
その後、気相の作動流体１３２は、第２の主面１２０の全体を介して冷却器３００に放熱することで凝縮し、液相の作動流体１３１に相変化する。
その後、液相の作動流体１３１は格子状部材１４０の毛細管力によって、発熱素子２００が設けられている場所まで還流される。
このように上記冷却装置Ａ１では、気液相変化現象と毛細管力を利用することで、作動流体１３０は自然循環し、発熱素子２００で発生した熱を拡散して、冷却器３００に伝熱している。
【００３９】
次に、流路抵抗、毛細管力及び熱拡散性能について考察する。
メッシュの目の細かさは、メッシュ数Ｎ［−］と呼ばれる、「１［ｉｎｃｈ］＝２５．４［ｍｍ］」あたりの目の数で規定されている。例えば１ｉｎｃｈあたりに目が３００個ある場合はＮ＝３００であり、♯３００と表記されることもある。メッシュ数は小さいほど目が粗く、大きいほど目が細かいメッシュになっている。
メッシュの目のピッチＲ［μｍ］、線径Ｒ１［μｍ］、目開きＲ２［μｍ］の間には、以下の関係式が成り立っている。
【００４０】
【数５】
2020159626.tif 000008
ここで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向から見た時の、格子状部材１４０の空孔率βｘ［−］、βｙ［−］、βｚ［−］及び空孔の等価水力直径Ｄｅｘ［μｍ］、Ｄｅｙ［μｍ］、Ｄｅｚ［μｍ］は以下のように表される。
【００４１】
【数６ａ】
2020159626.tif 000009
【００４２】
【数６ｂ】
2020159626.tif 000010
【００４３】
【数６ｃ】
2020159626.tif 000011
【００４４】
【数７ａ】
2020159626.tif 000012
【００４５】
【数７ｂ】
2020159626.tif 000013
【００４６】
【数７ｃ】
2020159626.tif 000014
【００４７】
以降の流路抵抗及び毛細管力の設計モデルを検証するための実測で使用した一般的なメッシュの各数値の表を図５に示す。
まず、液相の作動流体１３１の流路抵抗について考察する。格子状部材１４０の面方向の空孔を通過するときに液相流路が最も狭くなるので、この部位の摩擦抵抗が液相部の流路抵抗の支配項になると考えられる。
ここで、Ｙ軸方向の流路長が最も長いので、Ｙ軸方向のある１つの空孔を抜ける時の摩擦抵抗に着目すると、Ｙ軸方向の流速ｕｙ［ｍ／ｓ］、レイノルズ数Ｒｅ［−］、摩擦損失係数ξ［−］は、Ｙ軸方向の体積流量Ｖｙ［ｍ３／ｋｇ］、液相の動粘度νL[ｍ2／ｓ]を用いて、以下のように表される。
【００４８】
【数８】
2020159626.tif 000015
【００４９】
【数９】
2020159626.tif 000016
【００５０】
【数１０】
2020159626.tif 000017
これにより、液相の作動流体１３１が格子状部材１４０の面方向の空孔を通過する部位における、局所流路抵抗ΔＰ［Ｐａ］は、以下のように表される。
【００５１】
【数１１】
2020159626.tif 000018
【数１１Ａ】
2020159626.tif 000019
【数１１Ｂ】
2020159626.tif 000020
すなわち、数１１＝数１１Ａ＝数１１Ｂの関係となる。
Ｙ軸方向の流路抵抗の実測値のグラフを図６に示す。
図５と図６では、流路抵抗は流速に比例する傾向、「厚さ方向」の空孔率と同じディメンジョンの項に反比例する傾向、面方向の空孔の等価水力直径に反比例する傾向が読み取れる。これらの傾向は数式（１１Ａ）及び数式（１１Ｂ）にも表れているので、このモデルを使用して流路抵抗を評価できることが確認できた。
ここで、目のピッチに対する線径の比α［−］を用いると、以下のような関係式が成り立っている。
【００５２】
【数１２ａ】
2020159626.tif 000021
【００５３】
【数１２ｂ】
2020159626.tif 000022
これにより、数式（１１Ｂ)はメッシュ形状に依らない項を除いて、以下の数式（１１Ｃ)のように書き直すことができ、α＝０．２５のときに最小になる。
【００５４】
【数１１Ｃ】
2020159626.tif 000023
そして、これらの関係式では、線径を目のピッチの１／４に近づければ、メッシュ数が同じでも流路抵抗を小さくできることが解る。
【００５５】
次に毛細管力について考察する。重力方向ＧはＸ軸方向なので、格子状部材１４０のＸ軸方向の空孔が最も狭く、毛細管力の支配項になると考えられる。よって、毛細管力による吸上げ長Ｈ［ｍ］は、重力加速度ｇ［ｍ／ｓ２］を用いて、以下のように表される。
【００５６】
【数１３】
2020159626.tif 000024
毛細管力による吸上げ長の実測値及び数式（１３）から求めた計算値のグラフは、図７に示される。図７では、実測値と計算値が一致することから、このモデルを使って毛細管力を評価できることが確認できた。
ここで、数式（１３）はαを用い、メッシュ形状に依らない項を除いたものに書き直せ、α＝０．５のときに最小になる。
【００５７】
【数１３Ａ】
2020159626.tif 000025
これにより、線径を細くすれば、メッシュ数が同じでも毛細管力を大きくできることが解る。
【００５８】
一般的な♯３００メッシュの場合には、線径は４０μｍなので、α＝０．４７になっている。このメッシュを用いた高低差３０ｍｍのトップヒートモード時の流路抵抗、毛細管力、及び熱拡散性能を基準として、αを０．４７から振った時の変化量を前述のモデルを使用して計算したグラフを図８に示す。
図８では、α＝０．２５にすれば、流路抵抗は０．７倍に減少し、毛細管力は１．３倍に増加することが分かる。
また、図８では、α＝０．１にすれば、流路抵抗は同じままで、毛細管力は２．８倍に増加する。熱拡散性能で見ると、α≦０．３８にすることで２倍以上に向上する。好ましくはα＝０．０４〜０．３２にすることで３倍以上に向上し、α＝０．１３のときに最大で７．３倍に向上する。
【００５９】
そして、以上のように構成された冷却装置Ａ１における第１の効果は、作動流体１３０の液相部１３１の流路抵抗を低減させることである。
格子状部材１４０では、面方向の空孔を通過するときに液相流路が最も狭くなるので、この部位の摩擦抵抗が、液相部１３１の流路抵抗の支配項になる。
ここで、流れ方向に垂直な方向の格子材の線径を細くした場合、空孔の通過距離が短くなるだけでなく、空孔率が大きくなることで流速も低下するので、作動流体１３０の液相部１３１の流路抵抗が小さくなる。
特に、本実施形態の冷却装置Ａ１では、Ｙ軸方向の流路長が長く、流路抵抗が大きくなっている。よって、格子状部材１４０を構成する二方向の格子材１４０Ａ，１４０Ｂのうち、流路長が長い方向に垂直する方向であるＸ軸方向の格子材１４０Ａの線径（Ｒ１）を細くすると効果的である。
【００６０】
第２の効果は毛細管力の増大が可能となることである。
上記冷却装置Ａ１では、例えば図２に示されるような縦置とした場合に、高低差が大きいトップヒートモードになるので、大きな毛細管力が必要になるが、このとき、格子状部材１４０の面方向の空孔が毛細管として機能する。ここで、線径を細くすると、空孔が狭くなり、毛細管径が小さくなるので、毛細管力が大きくなる。
特に、図２では重力方向ＧをＸ軸方向に一致させているので、格子状部材２を構成する二方向の格子材１４０Ａ，１４０Ｂのうち、Ｘ軸方向の格子材１４０の線径（Ｒ１）を細くすると効果的である。
【００６１】
本実施形態では、図８に示した様に、格子状部材１４０を構成する格子材１４０Ａ，１４０Ｂにおいて、目のピッチに対する線径の比αを、０．３８倍以下とすることで、流路抵抗の低減と毛細管力の増大とともに、熱拡散性能を大幅に向上させることが確認されている。
ここで、前述のように毛細管径を小さくするだけでは、毛細管力以上に流路抵抗が大きくなる。しかし、上記冷却装置Ａ１では、格子状部材１４０を構成する二方向の格子材１４０Ａ，１４０Ｂの線径（Ｒ１，Ｒ１）を細くする構成を採用することにより、毛細管径が小さくなるだけでなく、積層したメッシュに作動流体１３０が面方向に流れる場合、空孔の通過距離が短くなり、かつ空孔率が大きくなるので、結果として作動流体１３０の液相部１３１の流路抵抗も小さくなる。
すなわち、上記実施形態の冷却装置Ａ１では、格子状部材１４０を構成する二方向の格子材１４０Ａ，１４０Ｂの線径（Ｒ１，Ｒ１）を、重力方向Ｇ及び作動流体１３０の液相部１３１の流路長が長い方向に基づき設定することで、ベーパーチャンバーの熱拡散性能を向上させ、電子機器の設置向きの汎用性を高めることができる。
【００６２】
（第２実施形態）
本発明に係る第２実施形態について図９の三面図を参照して説明する。
第２実施形態に係る冷却装置Ａ２では、格子状部材２４０を構成する各々の格子材２４０Ａ，２４０Ｂのうち、Ｘ軸方向となる重力方向Ｇの格子材２４０Ａの径Ｒ１Ｘを、Ｙ軸方向の格子材２４０Ｂの径Ｒ１ｙよりも細くした例を具体的に示している。
【００６３】
電子機器の設置向きの汎用性を考慮した場合には、重力方向Ｇの毛細管力、言い換えると吸上げ長Ｈ［ｍ］を大きくすることが重要になる。
ここで、重力方向ＧはＸ軸方向なので、先の考察により、毛細管力による吸上げ長を決める毛細管径はＸ軸方向の空孔の等価水力直径Ｄｅｘと見なすことができる。
Ｘ軸方向とＹ軸方向の線径が異なることを考慮すると、数式（７ｂ）はＸ軸方向の格子材２４０Ａの径Ｒ１ｘ［μｍ］、及び目開きＲ２ｘ［μｍ］を用いて、以下のように書き直すことができる。
【００６４】
【数７Ｂ】
2020159626.tif 000026
これにより数式（１３Ａ）ではＸ軸方向の目のピッチＲに対する線径の比αｘ［−］を用いて、以下の数式（１３Ｂ）ように書き直すことができ、αｘ＝０．５のときに最小になる。
【００６５】
【数１３Ｂ】
2020159626.tif 000027
以上により、本実施形態では、格子状部材２４０を構成する各々の格子材２４０Ａ，２４０Ｂのうち、重力方向Ｇに沿うＸ軸方向の格子材２４０Ａの径を細くすれば、水平方向の格子材の径やメッシュ数が同じでも毛細管力を大きくできることが確認された。
【００６６】
（第３実施形態）
本発明に係る第３実施形態について図１０の三面図を参照して説明する。
第３実施形態に係る冷却装置Ａ３では、格子状部材３４０を構成する各々の格子材３４０Ａ，３４０Ｂのうち、作動流体１３０の液相部１３１の流路長が長い方向（作動流体の流れを符号Ｍで示す）と直交する方向（本例ではＸ軸方向）の格子材３４０Ａの径Ｒ１Ｘを、Ｙ軸方向の格子材３４０Ｂの径Ｒ１ｙよりも細くした例を具体的に示している。
【００６７】
第３実施形態では、Ｙ軸方向の流路長が最も長いので、Ｙ軸方向に沿う液相部１３１の流路抵抗が支配項になっている。ここで、本例では、Ｘ軸方向とＹ軸方向の線径（Ｒ１Ｘ，Ｒ１ｙ）が異なることを考慮すると、上記数式（１１Ｃ)は、Ｙ軸方向の目のピッチに対する線径の比αy［−］を用いて、以下のように書き直すことができ、支配項がαxとなる。
【００６８】
【数１１Ｄ】
2020159626.tif 000028
これにより、第３実施形態では、液相部１３１の流路長が長い方向（矢印Ｍ方向）とは垂直な方向の格子材の径（本例では、格子材３４０Ａの径Ｒ１Ｘ）を細くすれば、流路長に沿う格子材３４０Ｂの径Ｒ１Ｙやメッシュ数が同じであっても、流路抵抗を小さくできることが解る。
これは、流路長が長い方向（矢印Ｍ方向）と垂直な方向の格子材３４０Ａの径を細くした場合に、空孔の通過距離が短くなり、かつ空孔率が大きくなることに起因している。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、ベーパーチャンバーの熱拡散性能を向上することで、発熱素子の冷却性能を向上させることが可能な冷却装置及び冷却方法を提供する。
【符号の説明】
【００７１】
１  中空容器
２  格子状部材
２Ａ  格子材
２ａ  線径
２Ｂ  格子材
２ｂ  線径
３  発熱部材
４  冷却器
１０  冷却装置
１００  ベーパーチャンバー
１１０  第１の主面
１２０  第２の主面
１３０  作動流体
１３１  液相の作動流体
１３２  気相の作動流体
１４０  格子状部材
１４０Ａ  格子材
１４０Ｂ  格子材
１５０  自由空間
２００  発熱素子
３００  冷却器
２４０  格子状部材
２４０Ａ  格子材
２４０Ｂ  格子材
Ａ１  冷却装置
Ａ２  冷却装置
Ａ３  冷却装置
Ｇ  重力方向
Ｓ  作動流体
ＳＡ  液相部
ＳＢ  気相部
【図１】
2020159626.tif 000029
【図２】
2020159626.tif 000030
【図３】
2020159626.tif 000031
【図４】
2020159626.tif 000032
【図５】
2020159626.tif 000033
【図６】
2020159626.tif 000034
【図７】
2020159626.tif 000035
【図８】
2020159626.tif 000036
【図９】
2020159626.tif 000037
【図１０】
2020159626.tif 000038