(57)【要約】【課題】新たに逆支弁等を設置せずに冷媒逆流を抑制し、かつ、熱輸送量を増大させる。【解決手段】液管４から流入する冷媒液を内部に格納し、供給する冷媒供給部１３と、冷媒液を毛細管力によって移動させるウィック１４と、蒸気管２側が液管４側より高く傾斜して設けられた伝熱フィン１２Ｂと、この伝熱フィン１２Ｂを内壁面上に設け、かつ、発熱体１１に外壁面で熱伝達可能に接続され、発熱体１１から受ける熱を伝熱フィン１２Ｂに接続されたウィック１４に伝えて冷媒液の蒸発潜熱によって発熱体１１から熱を奪い、冷媒蒸気を蒸気管２へ流出する伝熱部１２とを備え、冷媒供給部１３は、液管４の先端部分を冷媒液の格納領域内まで貫通させて冷媒供給部入口１３Ａをウィック１４の近傍に設け、かつ、ウィック１４は、伝熱フィン１２Ｂとの接触面の周縁部から冷媒供給部１３の内壁面に沿って延長されている蒸発器。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液管から流入する冷媒液を内部に格納し、この冷媒液を供給する冷媒供給部と、
この冷媒供給部に接続され、前記冷媒液を毛細管力によって移動させるウィックと、
このウィックに接続され、蒸気管側が前記液管側より高くなるように傾斜して設けられた伝熱フィンと、
この伝熱フィンを内壁面上に設け、かつ、発熱体に外壁面で熱伝達可能に接続され、前記発熱体から受ける熱を前記伝熱フィンに接続された前記ウィックに伝え、前記ウィック内の冷媒液の蒸発潜熱によって前記発熱体から熱を奪うと共に冷媒蒸気を前記蒸気管へ流出する伝熱部と、
を備え、
前記冷媒供給部は、前記液管の先端部分を前記内壁面で囲まれる前記冷媒液の格納領域内まで貫通させると共に、前記液管から前記冷媒液が流入する冷媒供給部入口を前記ウィックの近傍に位置するまで延長して設け、かつ、前記ウィックは、前記伝熱フィンとの接触面の周縁部から前記冷媒供給部の前記内壁面に沿って前記液管の上流方向に延長されていることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
前記冷媒供給部入口は、前記ウィックと一部で接触するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
前記冷媒供給部の内壁面の内、少なくとも前記発熱体から最も近い面に断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸発器。
【請求項４】
発熱体に熱伝達可能に接続され、内部に有する冷媒液の蒸発潜熱により発熱体の熱を奪う蒸発器と、
この蒸発器で発生した冷媒蒸気を冷却し、液相に戻す凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぎ、前記蒸発器から前記凝縮器の方向に内部を前記冷媒蒸気が流れる蒸気管と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぎ、前記凝縮器から前記蒸発器の方向に内部を前記冷媒液が流れる液管と、
からなる循環型冷却装置であって、
前記蒸発器が、
液管から流入する冷媒液を内部に格納し、この冷媒液を供給する冷媒供給部と、
この冷媒供給部に接続され、前記冷媒液を毛細管力によって移動させるウィックと、
このウィックに接続され、蒸気管側が前記液管側より高くなるように傾斜して設けられた伝熱フィンと、
この伝熱フィンを内壁面上に設け、かつ、発熱体に外壁面で熱伝達可能に接続され、前記発熱体から受ける熱を前記伝熱フィンに接続された前記ウィックに伝え、前記ウィック内の冷媒液の蒸発潜熱によって前記発熱体から熱を奪うと共に冷媒蒸気を前記蒸気管へ流出する伝熱部と、
を備え、
前記冷媒供給部は、前記液管の先端部分を前記内壁面で囲まれる前記冷媒液の格納領域内まで貫通させると共に、前記液管から前記冷媒液が流入する冷媒供給部入口を前記ウィックの近傍に位置するまで延長して設け、かつ、前記ウィックは、前記伝熱フィンとの接触面の周縁部から前記冷媒供給部の前記内壁面に沿って前記液管の上流方向に延長されていることを特徴とする循環型冷却装置。
【請求項５】
前記冷媒供給部入口は、前記ウィックと一部で接触するように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の循環型冷却装置。
【請求項６】
前記冷媒供給部の内壁面の内、少なくとも前記発熱体から最も近い面に断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の循環型冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱する電子機器の冷却を行う蒸発器およびこれを用いた循環型冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種電子機器に用いられている発熱体は温度が上昇すると動作不良が生じるため、安全に動作するために規定の温度以下に制御される必要があり、ヒートスプレッダー（熱拡散板）、ヒートシンク、ファン等により放熱を行っている。
【０００３】
近年、ノートＰＣ等の小型電子機器においては、発熱体の周囲にヒートシンクを配置するスペースがない場合が多く、内部に冷媒とウィックとを含み、冷媒の蒸発潜熱で熱を移動させるヒートパイプを用いて、比較的スペースを確保できる筐体周辺部まで熱を移動させて冷却する手法が主流である。
【０００４】
しかしながら、ヒートパイプはその管径が細くなると輸送できる熱量が急速に小さくなるのに対し、小型電子機器では薄型化・高性能化が進んでいるため、将来的にヒートパイプによる冷却では十分な冷却を行えない場合が考えられる。
【０００５】
このヒートパイプに代わる技術として考えられているのが、ヒートパイプをループ型にした循環型冷却装置（CPL：Capillary Pumped Loopとも言う）である。ヒートパイプはその構造上、蒸発部で発生した蒸気の流れと、凝縮部で液体になった冷媒をウィックの毛細管力で蒸発部に戻すときの液体の流れが対向している。このため、発熱量の増大や管径の縮小化に伴い、蒸気によってウィック内を流れる流れが遮られてしまう（飛散限界という）。また、冷媒がウィック内の凝縮部から蒸発部まで流れるために、流れの抵抗が大きいことも輸送熱量を制限してしまう一因である（ウィック限界という）。
【０００６】
これに対し、循環型冷却装置の場合は、蒸気の流れ方向と凝縮部から液体を蒸発部に戻す流れの方向が一致しているため、飛散限界自体がない。また凝縮部から蒸発部までの全体にわたってウィックを配置しなくてもよいため、ウィック限界を小さくできる。このため、熱輸送量をヒートパイプよりも大きくすることができ、宇宙用などで既に実用化されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１４８８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の循環型冷却装置においては、伝熱部に冷媒を供給するウィックが常に冷媒液と接している必要があるため、前記循環型冷却装置が傾いた場合には、冷媒液が重力の影響で下方に移動してしまい、ウィックと冷媒液が離れてしまう可能性がある。
【０００８】
一方、ウィックと冷媒液が接している面積が大きいほど伝熱部に供給できる液量が増えて熱輸送性能を上げることができるため、液溜り領域を設けると都合がよいが、逆に液量が増えて重力の影響をより大きく受けてしまう。そこで、特許文献１では冷媒の逆流を抑える機構として配管途中に液溜まり部を設け、温度によって開閉する逆支弁やフィルターで冷媒を保持することで、逆流を防止する技術が提案されている。
【０００９】
しかしながら、上記の従来技術は、逆支弁などの多くの部材を必要とするため、装置サイズの拡張やコストの増加を招来するため電子機器等への適用が困難になるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、従来技術の問題に鑑み、新たに逆支弁やフィルター等の部材を設置せずに冷媒の重力による逆流を抑制することができ、かつ、熱輸送量を増大させることができる蒸発器およびこれを用いた循環型冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る蒸発器は、液管から流入する冷媒液を内部に格納し、この冷媒液を供給する冷媒供給部と、この冷媒供給部に接続され、前記冷媒液を毛細管力によって移動させるウィックと、このウィックに接続され、蒸気管側が前記液管側より高くなるように傾斜して設けられた伝熱フィンと、この伝熱フィンを内壁面上に設け、かつ、発熱体に外壁面で熱伝達可能に接続され、前記発熱体から受ける熱を前記伝熱フィンに接続された前記ウィックに伝え、前記ウィック内の冷媒液の蒸発潜熱によって前記発熱体から熱を奪うと共に冷媒蒸気を前記蒸気管へ流出する伝熱部と、を備え、前記冷媒供給部は、前記液管の先端部分を前記内壁面で囲まれる前記冷媒液の格納領域内まで貫通させると共に、前記液管から前記冷媒液が流入する冷媒供給部入口を前記ウィックの近傍に位置するまで延長して設け、かつ、前記ウィックは、前記伝熱フィンとの接触面の周縁部から前記冷媒供給部の前記内壁面に沿って前記液管の上流方向へ延長されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る循環型冷却装置は、発熱体に熱伝達可能に接続され、内部に有する冷媒液の蒸発潜熱により発熱体の熱を奪う蒸発器と、この蒸発器で発生した冷媒蒸気を冷却し、液相に戻す凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぎ、前記蒸発器から前記凝縮器の方向に内部を前記冷媒蒸気が流れる蒸気管と、前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぎ、前記凝縮器から前記蒸発器の方向に内部を前記冷媒液が流れる液管と、からなる循環型冷却装置であって、前記蒸発器が、液管から流入する冷媒液を内部に格納し、この冷媒液を供給する冷媒供給部と、この冷媒供給部に接続され、前記冷媒液を毛細管力によって移動させるウィックと、このウィックに接続され、蒸気管側が前記液管側より高くなるように傾斜して設けられた伝熱フィンと、この伝熱フィンを内壁面上に設け、かつ、発熱体に外壁面で熱伝達可能に接続され、前記発熱体から受ける熱を前記伝熱フィンに接続された前記ウィックに伝え、前記ウィック内の冷媒液の蒸発潜熱によって前記発熱体から熱を奪うと共に冷媒蒸気を前記蒸気管へ流出する伝熱部と、を備え、前記冷媒供給部は、前記液管の先端部分を前記内壁面で囲まれる前記冷媒液の格納領域内まで貫通させると共に、前記液管から前記冷媒液が流入する冷媒供給部入口を前記ウィックの近傍に位置するまで延長して設け、かつ、前記ウィックは、前記伝熱フィンとの接触面の周縁部から前記冷媒供給部の前記内壁面に沿って前記液管の上流方向へ延長されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、逆支弁やフィルター等の部材を設置せずに、冷媒の重力による逆流を抑制することができ、かつ、熱輸送量を増大させることができる蒸発器およびこれを用いた循環型冷却装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置の概略図であり、矢印の方向は冷媒の循環方向を示す。図１に示されるように、循環型冷却装置は、蒸発器１、蒸気管２、凝縮器３、および液管４から構成され、これらが環状に接続されている。
【００１５】
蒸発器１は、発熱体（図示省略する）に熱伝達可能に接続され、内部に有する冷媒の蒸発潜熱により発熱体の熱を奪う装置であり、アルミ、銅、または、これらの合金などの熱伝導性に優れた材質から形成されている。
【００１６】
蒸気管２は、蒸発器１と凝縮器３とを繋ぐ管であり、蒸発器１で発生した冷媒の蒸気がこの蒸気管２内を凝縮器３の方向に流れる。また、冷媒としては、水、不凍液、アルコール、代替フロン、アンモニアなどが挙げられる。
【００１７】
凝縮器３は、蒸発器１で発生した冷媒の蒸気を冷却し、液体に戻す装置であり、例えばフィン等が取り付けられたヒートシンクなどである。
【００１８】
液管４は、蒸発器１と凝縮器３とを繋ぐ管であり、凝縮器３で液体に戻された冷媒がこの液管４内を蒸発器１の方向に流れる。これらの蒸気管２および液管４としては、例えばＳＵＳ製のパイプが用いられる。
【００１９】
図２は、図１の循環型冷却装置を構成する蒸発器１の断面図である。同図において、実線矢印は冷媒液の移動方向、破線矢印は冷媒蒸気の移動方向を示す。また、図３は、図２に示される蒸発器１の内部構造を説明する分解図である。
【００２０】
蒸発器１は、例えばアルミ、銅、または、これらの合金などの熱伝導性に優れた金属材料により製造された箱型の密閉容器であり、外壁面に接続された半導体素子等の発熱体１１の温度上昇を抑制する装置である。また、蒸発器１は、蒸気管２側の伝熱部１２と液管４側の冷媒供給部１３の二つの部分により構成されており、ウィック１４によって仕切られている。
【００２１】
伝熱部１２は、蒸気管２側に設けられた領域であり、蒸気管２へ蒸気を排出するための開口（以下、「伝熱部出口」という。）１２Ａを有している。また、半導体素子等の発熱体１１に外壁面で熱伝達可能に接続され、発熱体１１からの伝熱を内部で接続しているウィック１４内の冷媒へと伝える。
【００２２】
また、図３に示されるように、伝熱部１２には、気密容器の底面からウィック１４に向かって突起した複数個のフィン（以下、「伝熱フィン」という。）１２Ｂを有しており、液管４側から蒸気管２側（伝熱部出口１２Ａ側）に向かうほどフィンの高さが徐々に上昇するように傾斜している。尚、傾斜させることにより蒸発器１全体の高さを抑えつつ、伝熱フィン１２Ｂとの接触面積を増やすことができ、蒸発量（＝熱輸送量）を増大させることができる。
【００２３】
冷媒供給部１３は、液管４側に設けられた領域であり、液管４から冷媒を受け入れるための開口（以下、「冷媒供給部入口」という。）１３Ａを有している。冷媒供給部入口１３Ａは、液管４を冷媒供給部１３に貫通する形で伝熱面近傍に配置される。冷媒供給部１３は、液管４から流入する冷媒を内部空間に格納し、この冷媒をウィック１４によって伝熱部１２に供給する。また、冷媒供給部１３は、製造コストや蒸発器１の小型化などの面から伝熱部１２と一体で作られると好適である。
【００２４】
また、図３に示されるように、冷媒供給部１３の外壁としてフタ１５が配置される。フタ１５には、その内側に突起１６が備えられており（図２では図示省略）、ウィック１４がずれるのを防止している。
【００２５】
ウィック１４は、銅、アルミニウム、カーボンなどの焼結金属や、樹脂あるいはウレタンゴムなどの高分子樹脂で形成された多孔質部材である。このウィック１４は、伝熱部１２と冷媒供給部１３の内部領域を仕切るように配置され、かつ、伝熱フィン１２Ｂと接触する面の周縁部から液管４が存在する壁面近傍まで冷媒供給部１３の内壁面に沿って液管４の上流方向に延長されて配置される。このウィック１４は、冷媒供給部１３が格納する冷媒を毛細管力によって徐々に伝熱部１２側に移動させる。
【００２６】
また、図３に示されるように、ウィック１４は、伝熱フィン１２Ｂの上面（以下、「伝熱面」という。）と冷媒供給部１３の内壁面の傾斜角度に適合するように形成されており、伝熱部１２とウィック１４は伝熱フィン１２Ｂの上面で接触（密着）している。そのため、発熱体１１から受ける熱が伝熱面から冷媒に伝えられることによって冷媒が相変化し、発生した蒸気が伝熱フィン１２Ｂの隙間を通って蒸気管２へと流れる。
【００２７】
次に、このように構成された蒸発器１の動作を説明する。
【００２８】
発熱体１１が発熱すると、冷媒供給部１３は伝熱部１２と一体で作られているので、熱伝導により発熱体１１の熱が伝熱部１２からウィック１４へ伝わる。ウィック１４内の冷媒、特に伝熱面と接する場所の冷媒が一定の温度以上になると相変化して蒸気となり、蒸気管２を通って、凝縮器３に到達する。急激な体積膨張により短時間で蒸気が凝縮器３に到達し、冷媒が液化される一方、伝熱面では蒸発により後退した液界面を戻すように毛細管力が働き、ウィック１４の伝熱面と接する場所に再び冷媒が供給される。この蒸気の発生・凝縮と、毛細管力による伝熱面への冷媒供給が連続的に行われることで、半導体素子等の発熱体１１の熱を凝縮器３まで輸送して冷却することが可能になる。
【００２９】
この連続的な動作を続けるためには、如何なる条件下においてもウィック１４に冷媒を供給し続けることが必要である。図４は、本実施形態に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の一つ目の効果を説明する断面図である。同図において、実線矢印は冷媒液の移動方向を示す。例えば、図４（ａ）に示されるように、液管４の先端部分が冷媒供給部１３内においてウィック１４の近傍あるいは中間付近まで延長されておらず、かつ、ウィック１４が液管４の上流側まで延長されていない場合には、液管４が下方に位置するように傾けられると、重力によって冷媒が下がって冷媒供給部１３に冷媒が少なくなり、ウィック１４に冷媒を送れなくなる可能性がある。
【００３０】
一方、本実施形態の蒸発器１は、図４（ｂ）に示されるように、液管４が冷媒供給部１３内を貫通するように延長されており、かつ、ウィック１４が液管４の上流側まで延長されている場合には、蒸発器１を傾けても冷媒供給部１３内の冷媒を留めることができるので、延長されているウィック１４により冷媒を伝熱面に供給し続けることができる。
【００３１】
図５は、本実施形態に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の二つ目の効果を説明する断面図である。同図において、実線矢印は冷媒液の移動方向を示す。例えば、図５（ａ）に示されるように、冷媒供給部１３内の冷媒量が減少している場合、伝熱部１２の蒸気管２に近い側（例えば領域Ａ）は冷媒がウィック１４を流れる距離が長くなるために乾き易くなる。
【００３２】
一方、本実施形態の蒸発器１は、図５（ｂ）に示されるように、冷媒供給部入口１３Ａが伝熱面に近い位置にあることで、ウィック１４は伝熱部１２と接する面全体において冷媒を供給し易くなるため、蒸発量（＝熱輸送量）を大きくすることができる。尚、冷媒供給部入口１３Ａはその一部がウィック１４と直接接していてもよく、その場合は、図４（ｂ）のように蒸発器１が傾けられた場合でもウィック１４の伝熱面と接する領域に確実に冷媒を浸透させることができる。
【００３３】
図６は、本実施形態に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の三つ目の効果を説明する断面図である。同図において、実線矢印は冷媒液の移動方向を示す。例えば、図６（ａ）に示されるように、万一、冷媒供給部１３内に気泡が発生した場合、まず壁面と接している面（例えば領域Ｂ）から気泡が発生するため、冷媒供給部入口１３Ａが気泡により詰まってしまう可能性がある。
【００３４】
一方、本実施形態の蒸発器１は、図６（ｂ）に示されるように、冷媒供給部入口１３Ａが気泡の発生し易い壁面から離れているため、冷媒供給部入口１３Ａが気泡により詰まる可能性を低くすることができる。すなわち、気泡トラップの性能を有しており、気泡発生時も安定的に動作させることができる。
【００３５】
（実施形態２）
図７は、実施形態１に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の断面図である。発熱体１１は蒸発器１の中心位置と接触する必要は必ずしもなく、蒸気管２側に偏った位置で接触し、それに併せて伝熱部１２も蒸気管２側に偏って配置される。このような配置にすることにより、発熱体１１の熱が伝熱部１２だけでなく蒸発器１全体に伝わって冷媒供給部１３内の冷媒の温度上昇を抑制することができる。また、図７に示されるように、板状の断熱部材１７を少なくとも発熱体１１から最も近い内壁面上に配置する。この断熱部材１７は、例えば、ベークライト、ガラス繊維、その他蒸発器の容器を形成する金属材料より熱伝導率の小さい材料により形成される。このように構成することで、冷媒供給部１３内に格納された冷媒の温度上昇を更に抑制することができ、気泡の発生等を抑制することができる。この場合、ウィック１４は板状の断熱部材１７を配置した内壁以外の内壁（例えば天面側）に延長して配置されることにより、蒸発器１が例えば９０度傾けられた場合でも、図４（ｂ）に示される場合と同様に、ウィック１４を介して冷媒を伝熱面に常に供給し続けることできる。
【００３６】
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。図８は、本発明の変形例に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の断面図である。同図に示されるように、実施形態１と同一形状のウィック１４の下部に断熱部材１７を配置してもよい。発熱体１１からの熱量や蒸発器１の大きさなどを考慮して任意に設計変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置の概略図。
【図２】本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の断面図。
【図３】本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の内部構造を説明する分解図。
【図４】本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の一つ目の効果を説明する断面図。
【図５】本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の二つ目の効果を説明する断面図。
【図６】本発明の実施形態１に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器の三つ目の効果を説明する断面図。
【図７】本発明の実施形態２に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の断面図。
【図８】本発明の変形例に係る循環型冷却装置を構成する蒸発器１の断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…蒸発器、
２…蒸気管、
３…凝縮器、
４…液管、
１１…発熱体、
１２…伝熱部、
１２Ａ…伝熱部出口、
１２Ｂ…伝熱フィン、
１３…冷媒供給部、
１３Ａ…冷媒供給部入口、
１４…ウィック、
１５…フタ、
１６…突起、
１７…断熱部材。
【図１】
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【図３】
2010107153.tif 000004
【図２】
2010107153.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010107153.tif 000009
【図８】
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