(57)【要約】【課題】重力の影響やポンプの助力がなく、作動液を自己循環して熱輸送できるヒートパイプヒートパイプを提供する。【解決手段】ヒートパイプ本体内部に受熱部ＨＰと放熱部ＣＰを接続してループ状に延伸して設けられた流路１１内に、作動液１２が封入された構成のヒートパイプ１であって、上記の流路１１は、流路の延伸方向に垂直な断面において第１の断面積を有する第１流路部１１ａと、第１断面積と異なる第２の断面積を有する第２流路部１１ｂとを有する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱部と放熱部を接続してループ状に延伸して設けられた流路であって、前記流路の延伸方向に垂直な断面において第１の断面積を有する第１流路部と、前記第１断面積と異なる第２の断面積を有する第２流路部とを有する流路と、
前記流路内に封入された作動液と
を有するヒートパイプ。
【請求項２】
前記第１流路部の両端と前記第２流路部の両端が接続して前記流路が構成されている
請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記第１段面積より前記第２断面積が大きく、
前記受熱部が前記第１流路部内に存在し、
前記放熱部が前記第２流路部内に存在する
請求項１または２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記受熱部が前記流路の前記延伸方向に対する前記第１流路部の中点とは異なる位置に存在し、
前記放熱部が前記流路の前記延伸方向に対する前記第２流路部の中点とは異なる位置に存在する
請求項３に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
流路用溝が設けられた基板と、前記流路用溝を覆う蓋部とを有し、
前記流路が前記流路用溝の内壁と前記蓋部の表面から構成される
請求項１〜４のいずれかに記載のヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートパイプに関し、特にループ状の流路内に作動液を封入してなるヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵ（中央演算素子）などの電子デバイスは小型化および高集積化が進められ、それに伴って、電子デバイスの発熱量は増加してきている。その熱流束は１００Ｗ／ｃｍ２に達すると予測されている。
従って、微小空間で発生した熱を、効果的、効率的に除去する微細な熱輸送デバイスの必要性が高まってきている。
【０００３】
上記の熱輸送技術として、非特許文献１に記載されているように、マイクロ熱輸送器、特に熱輸送能力に優れた相変化を利用した熱輸送デバイスが注目されている。非特許文献１に記載の熱輸送デバイス技術では、マイクロスケールでの沸騰熱伝達特性において未解明な部分が多く、流動特性や熱伝達特性に関する知見がどの程度の微細流路まで適用できるかなどについて明らかにする必要がある。
【０００４】
一方、相変化を利用したマイクロスケールでの熱輸送デバイスに関しては、マイクロチャネル内で気泡を扱う、マイクロ・ヒート・パイプ(micro heat pipe)、マイクロ・キャピラリー・ポンプト・ループ(micro capillary pumped loop)、マイクロ・インピンジメント・クーラー(micro impingement cooler)などのマイクロ・サーマル・マネージメント・デバイス(micro thermal management device)の研究が進められている。これらのデバイスの熱輸送メカニズムは、相変化および強制対流からなることがわかっている。しかし、熱輸送はほとんど相変化に依存している。
【０００５】
非特許文献２において、ヌークリエイテッド・バブル(nucleated bobble)の膨張を利用し、気泡のカオス的運動(chaotic motion)を扱う、エネルギー消費のないノーベル・ループト・ヒートパイプ(novel looped heat pipe)の研究が報告されている。この研究では、気泡流の対流は潜熱のために効果的に熱輸送を行い、従来のヒートパイプより優れた性能を示すという結果が得られている。
【非特許文献１】「マイクロマシンの基礎技術の研究」、財団法人マイクロマシンセンター、１９９５年、５−２１
【非特許文献２】Koji Takahashi et al., DESIGN AND TESTING OF A MICRO BUBBLE-PUMPED HEAT PIPE, IMECE 2002, 33648
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、重力の影響やポンプの助力がなく、作動液を自己循環して熱輸送できるヒートパイプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のヒートパイプは、ヒートパイプ本体内部に受熱部と放熱部を接続してループ状に延伸して設けられた流路であって、前記流路の延伸方向に垂直な断面において第１の断面積を有する第１流路部と、前記第１断面積と異なる第２の断面積を有する第２流路部とを有する流路と、前記流路内に封入された作動液とを有する。
【０００８】
上記の本発明のヒートパイプは、ヒートパイプ本体内部に受熱部と放熱部を接続してループ状に延伸して設けられた流路内に、作動液が封入された構成である。
ここで、上記の流路は、流路の延伸方向に垂直な断面において第１の断面積を有する第１流路部と、第１断面積と異なる第２の断面積を有する第２流路部とを有する。
【０００９】
上記の本発明のヒートパイプは、好適には、前記第１流路部の両端と前記第２流路部の両端が接続して前記流路が構成されている。
【００１０】
上記の本発明のヒートパイプは、好適には、前記第１段面積より前記第２断面積が大きく、前記受熱部が前記第１流路部内に存在し、前記放熱部が前記第２流路部内に存在する。
さらに好適には、前記受熱部が前記流路の前記延伸方向に対する前記第１流路部の中点とは異なる位置に存在し、前記放熱部が前記流路の前記延伸方向に対する前記第２流路部の中点とは異なる位置に存在する。
【００１１】
上記の本発明のヒートパイプは、好適には、流路用溝が設けられた基板と、前記流路用溝を覆う蓋部とを有し、記流路が前記流路用溝の内壁と前記蓋部の表面から構成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のヒートパイプは、作動液が封入された流路が、流路の延伸方向に対して垂直な断面積として、それぞれ異なる断面積を有する第１流路部と第２流路部とを有しており、即ち、流路が非対称性を有していることから、作動液である沸騰二相流を自己循環させることができ、受熱部から放熱部へ熱輸送するループ型ヒートパイプとして機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態に係るヒートパイプについて、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係るヒートパイプ１の概観を示す斜視図である。
また、図１（ｂ）は本実施形態に係るヒートパイプ１の流路のレイアウトを示す平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ’における断面図である。
【００１４】
本実施形態のヒートパイプ１は、ヒートパイプ本体１０の内部に、受熱部ＨＰと放熱部ＣＰを接続してループ状に延伸して流路１１が設けられており、この流路１１中に、所定の作動液１２が所定の量で封入されて構成されている。
上記のヒートパイプ本体１０は、例えば、流路用溝１０ａが設けられた基板１０ｂと、流路用溝を覆う蓋部１０ｃとを有から構成される。この流路用溝１０ａの内壁と蓋部１０ｃの表面から、流路１１が構成されている。
基板１０ｂおよび蓋部１０ｃは、例えばポリカーボネート樹脂などからなるが、特に限定はない。蓋部１０ｃについては熱伝導性の高い材料からなるか、ある程度以下の厚みとすることで、厚み方向の熱伝導性を確保していることが好ましい。
作動液としては、例えば脱気したエタノールを用いる。受熱により沸騰して気泡を生じ、放熱により凝縮する、凝縮性気液二相流体を構成できる液体であればよい。作動液の種類や流路内に封入される量などについては、後述の熱輸送動作を鑑みて適宜選択することができる。
【００１５】
上記の流路１１は、図１（ｃ）に示すように、流路の延伸方向に垂直な断面において第１の断面積を有する第１流路部１１ａと、第１断面積と異なる第２の断面積を有する第２流路部１１ｂとを有している。ここでは、第１流路部１１ａの第１段面積より、第２流路部１１ｂの第２断面積が大きい構成となっている。例えば、第１流路部の断面形状は、幅が１ｍｍ、深さが１ｍｍ程度である。一方、第２流路部の断面形状は、幅が５ｍｍ、深さが１ｍｍ程度である。
上記の構成の第１流路部１１ａの両端と第２流路部１１ｂの両端が接続して、ループ状の構成となっている。例えば、略正方形の隣り合う二辺に沿って第１流路部が設けられ、他の二辺に沿って第２流路部が設けられ、第１流路部と第２流路部からループ状の流路が構成されている。
【００１６】
また、受熱部ＨＰは第１流路部内１１ａに存在し、特に流路の延伸方向に対する第１流路部１１ａの中点１１ａｃとは異なる位置に存在している。放熱部ＣＰは第２流路部１１ｂ内に存在し、特に流路の延伸方向に対する第２流路部１１ｂの中点１１ｂｃとは異なる位置に存在する。
上記の受熱部ＨＰおよび放熱部ＣＰは、流路１１に対して蓋部１０ｃ側に存在しており、蓋部１０ｃを介して熱の授受がなされる。
【００１７】
上記の図１（ａ）〜（ｃ）に示すヒートパイプの熱輸送の動作について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態のヒートパイプの熱輸送動作を説明する模式図である。略正方形の隣り合う二辺に沿って第１流路部１１ａが設けられ、他の二辺に沿って第２流路部１１ｂが設けられている。このように、第１流路部１１ａと第２流路部１１ｂからループ状の流路が構成されている。
ここで、第１流路部１１ａを構成する二辺のうち、受熱部ＨＰが設けられていない辺を第１辺１１ａ1、受熱部ＨＰが設けられている辺を第２辺１１ａ2と称する。同様に、第２流路部１１ｂを構成する二辺のうち、放熱部ＣＰが設けられていない辺を第１辺１１ｂ1、放熱部ＣＰが設けられている辺を第２辺１１ｂ2と称する。第１流路部１１ａの第１辺１１ａ1と第２辺１１ａ2、第２流路部１１ｂの第１辺１１ｂ1と第２辺１１ｂ2とが、この順に時計回りに配置されている。
【００１８】
まず、図２（ａ）に示すように、第１流路部１１ａの第２辺１１ａ2に設けられている受熱部ＨＰにおいて熱を受け取ると、作動液の沸騰により気泡ＧＢが発生する。気泡ＧＢは、第１流路部からより幅の広い第２流路部１１ｂへ、より短い経路で、即ち、受熱部からより近い第２流路部１１ｂの第１辺１１ｂ1へと移動し、第１辺１１ｂ1のほぼ中央部へ到達すると停止する。
【００１９】
次に、続けて受熱部ＨＰにおいて熱を受け取ると、図２（ｂ）に示すように、さらに気泡ＧＢが発生して、上記と同様にして第２流路部１１ｂの第１辺１１ｂ1へと移動していく。ここで、先に移動していた気泡と後から移動してきた気泡が合体してより大きな気泡となる。
【００２０】
上記の気泡の合体を繰り返してある程度の大きさになると、図２（ｃ）に示すように、気泡ＧＢは第２流路部１１ｂの第１辺１１ｂ1から放熱部ＣＰが存在する第２辺１１ｂ2へと移動し始める。
【００２１】
上記の気泡ＧＢが、第２流路部１１ｂの第２辺１１ｂ2に存在する放熱部ＣＰに到達すると、図２（ｄ）に示すように、気泡ＧＢは冷却されて凝縮する。
【００２２】
上記のように、気泡の発生と凝縮が連続的に起こり、それぞれが上記のように移動していくことで、作動液及びそれが気化してできた気泡に、一方向の循環流が形成される。
上記の循環流によって、加熱部から冷却部への熱輸送が行われているものである。
【００２３】
上記の本実施形態のヒートパイプによれば、受熱部において流路内に気泡を発生させ、放熱部で冷却することで、流路が非対称性を有することによって、発生する気泡の挙動を制御し、重力の影響やポンプの助力がなく、作動液である沸騰二相流を自己循環させることができる。これにより、受熱部から放熱部へ熱輸送するループ型ヒートパイプとして機能する。
【００２４】
（実施例）
上記の実施形態に従って、ヒートパイプを作製した。
即ち、ポリカーボネートからなる基板に流路用溝を設けて、蓋部で覆うことで流路を形成した。図３のレイアウト図に示すように、一辺の長さが２０ｍｍの正方形の隣り合う二辺に沿って、深さが１ｍｍ、幅が１ｍｍの第１流路部１１ａを形成し、一方、他の二辺に沿って、深さが１ｍｍ、幅が５ｍｍの第２流路部１１ｂを形成し、第１流路部１１ａと第２流路部１１ｂからループ状の流路とした。
上記の流路内を真空ポンプにより真空引きした後、作動液として脱気を行ったエタノールを封入して、ヒートパイプとした。
【００２５】
図４は得られたヒートパイプの熱輸送特性を調べるための実験装置の模式構成図であり、図５は図４の要部（テストセクション）を拡大した模式図である。
テストセクションとして、本実施例のヒートパイプ１がプリント配線版２上に配置され、この下部にφ４ｍｍのステンレス円柱（ｓｕｓ−３０４）３が配置され、その下部にペルチェ素子４が配置される。
【００２６】
上記のプリント配線版２には、エッチングなどにより１ｍｍ角の銅薄膜とこれに接続する配線が形成されており、直流電源５により電流が流されて加熱できる加熱部が設けられている。加熱部はヒートパイプの第１流路部１１ａの第２辺１１ａ2に設けられている受熱部に重ね合わせられる。
一方、冷却機能を有するペルチェ素子４は、ステンレス円柱３を介して、プリント配線版２越しにヒートパイプ１を冷却し、ステンレス円柱３の先端のφ４ｍｍの領域が冷却部となる。この冷却部が、第２流路部１１ｂの第２辺１１ｂ2に存在する放熱部に重ね合わせられる。
【００２７】
ヒートパイプ１には真空ポンプ６と作動液を供給するタンク７が接続され、流路内の真空引きと作動液の供給がなされる。
ヒートパイプを含むテストセクションは、ループを構成する面が水平となるいように保持して設置される。
【００２８】
上記のようにヒートパイプを実験装置に組み込み、加熱部による加熱と、冷却部による冷却を行いながら、ヒートパイプ１の上方に設置したＣＣＤカメラにより流路内の流動状況を観察記録した。また、テストセクション内圧力をデジタルマノメータにより測定した。
加熱面を加熱し、流路内に作動液が気化してなる気泡を発生させると、上述のように流路の非対称性によって気泡の挙動を制御し、沸騰二相流を自己循環させる様子を観察することができた。
【００２９】
図６は、ヒートパイプに対する加熱量および冷却量の時間に対する変化を示すグラフである。加熱量は供給電源と加熱部面両端電圧を測定し、ジュール発熱量から求めた。また、ステンレス円柱の軸方向の温度勾配を熱電対ＴＣで測定し、フーリエの法則を用いて冷却量を求めた。
加熱量および冷却量の熱量はほぼ一定となっており、冷却量が加熱量より１オーダー大きいという結果が得られた。
【００３０】
図７はヒートパイプ１の第２流路部１１ｂの第１辺１１ｂ1における気泡速度の時間変化を示すグラフであり、図８は第２流路部１１ｂの第１辺１１ｂ1の第１流路部１１ａの第２辺１１ａ2側端部にある気泡サイズの時間変化を示すグラフである。
気泡サイズと流路内気泡速度は同周期の変化を示し、相関関係があることを示している。
【００３１】
上記のように、約２０ｍｍ角の大きさの微小なループ状のヒートパイプを作製し、その熱輸送特性および流動特性について実験を行って検討した。流路に非対称性を持たせることで、沸騰二相流を自己循環させることができた。
【００３２】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においては、流路が正方形形状の各辺に沿って延伸するレイアウトで構成されているが、これに限らず、２つの異なる断面積を有する第１流路部と第２流路部を有する、その他のレイアウトの流路とすることも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明のヒートパイプは、例えば半導体装置の冷却機構に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明の実施形態に係るヒートパイプの模式構成図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態のヒートパイプの熱輸送動作を説明する模式図である。
【図３】図３は本発明の実施例におけるヒートパイプの流路のレイアウトを示す平面図である。
【図４】図４はヒートパイプの熱輸送特性を調べるための実験装置の模式構成図である。
【図５】図５は図４の要部を拡大した模式図である。
【図６】図６は実施例におけるヒートパイプに対する加熱量および冷却量の時間に対する変化を示すグラフである。
【図７】図７はヒートパイプ所定の辺における気泡速度の時間変化を示すグラフである。
【図８】図８はヒートパイプ所定の位置における気泡サイズの時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１…ヒートパイプ
２…プリント配線板
３…ステンレス円柱
４…ペルチェ素子
５…直流電源
６…真空ポンプ
７…タンク
８…ＣＣＤカメラ
１０…ヒートパイプ本体
１０ａ…流路用溝
１０ｂ…基板
１０ｃ…蓋部
１１…流路
１１ａ…第１流路部
１１ａｃ…第１流路部中点
１１ｂ…第２流路部
１１ｂｃ…第２流路部中点
１２…作動液
ＣＰ…放熱部
ＧＢ…気泡
ＨＰ…受熱部
ＴＣ…熱電対
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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