(57)【要約】【課題】【解決手段】特に、高熱流束状態下にて熱を熱源１０２から除去する毛管蒸発器１００である。該毛管蒸発器は、熱源が存在するとき、該熱源と熱的に連通した複数のリブ１０８を有するハウジング１０４を備えている。リブは、作用流体１１４が蒸発内で蒸発することに起因する蒸気１１２を受け入れる複数の蒸気流路１１０を画成する。毛管吸上げ体１０６がリブに対して隔たった関係にてハウジング内に配置されている。毛管吸上げ体とリブとの間に介在された架橋部１１８がリブからの熱を吸上げ体に熱的に連通させ且つ、吸上げ体からの蒸気を蒸気流路に流体的に連通させる。架橋部１１８は、その各々が開口部１２２及びウェブ１２８を有する複数のフラクタル層ＦＬを有し、これらの開口部１２２及びウェブ１２８は、直ぐ隣接するフラクタル層に対して寸法及び数の点にて拡大され且つ、隣接する層の開口部が互いに重なり合うように配置されている。最大数で且つ最小の開口部を有するフラクタル層が吸上げ体に近接して配置され、最小数で且つ最大の開口部を有するフラクタル層がリブに近接する位置に配置されるようにフラクタル層が配置される。この構造体は、架橋部に対しリブからの熱を吸上げ体の表面に均一に拡げ且つ、吸上げ体から蒸気流路まで流れる蒸気に対する大きい透過率を提供するという相反する基準に対する優れた妥協策を提供する。
2005518518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
毛管蒸発器において、
ａ）少なくとも１つの第一の流路（ｃｈａｎｎｅｌ）を画成する少なくとも１つの第一のリブと、
ｂ）該少なくとも１つの第一のリブに直面し且つ、該少なくとも１つの第一のリブから隔てられた毛管吸上げ体（ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｗｉｃｋ）と、
ｃ）前記少なくとも１つの第一のリブと前記毛管吸上げ体との間に配置されて、前記毛管吸上げ体と前記少なくとも１つの第一の流路との間に流体的連通状態を提供し且つ、前記毛管吸上げ体と前記少なくとも１つの第一のリブとの間に熱的連通状態を提供する第一の架橋部であって、前記少なくとも１つの第一のリブから前記毛管吸上げ体の方向に減少する寸法の内部造作構造体（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｆｅａｔｕｒｅｓ）を有する前記第一の架橋部とを備える、毛管蒸発器。
【請求項２】
請求項１に記載の毛管蒸発器において、
前記少なくとも１つの第一の流路が蒸気側流路である、毛管蒸発器。
【請求項３】
請求項１に記載の毛管蒸発器において、
前記少なくとも１つの第一の流路が液体側流路である、毛管蒸発器。
【請求項４】
請求項１に記載の毛管蒸発器において、
前記内部造作構造体が複数の通路（ｐａｓｓａｇｅｗａｙｓ）である、毛管蒸発器。
【請求項５】
請求項４に記載の毛管蒸発器において、
前記第一の架橋部が、各々が複数の開口部を有する複数の層を備え、
該複数の層の各々が、前記複数の通路を画成し得るように異なる数の前記複数の開口部を有し、
前記異なる数の前記複数の開口部が、前記少なくとも１つのリブからの前記複数の層の距離が増大するに伴って増加するようにした、毛管蒸発器。
【請求項６】
請求項５に記載の毛管蒸発器において、
前記第一の架橋部が、前記複数の層に相応する複数のシートを備える、毛管蒸発器。
【請求項７】
請求項６に記載の毛管蒸発器において、
前記複数のシートの各々が、形成された前記複数の開口部のうちの相応する開口部を有する中実体である、毛管蒸発器。
【請求項８】
請求項５に記載の毛管蒸発器において、
前記複数の開口部の各々が、互いに同一の形状を有する、毛管蒸発器。
【請求項９】
請求項８に記載の毛管蒸発器において、
前記複数の開口部の各々が多角形である、毛管蒸発器。
【請求項１０】
請求項９に記載の毛管蒸発器において、
前記複数の開口部の各々が矩形である、毛管蒸発器。
【請求項１１】
請求項８に記載の毛管蒸発器において、
前記複数の開口部の各々が円形である、毛管蒸発器。
【請求項１２】
請求項５に記載の毛管蒸発器において、
前記複数の層の各々における前記複数の開口部が、前記少なくとも１つの第一のリブからの前記複数の層のうちの相応する層の距離が増大するのに伴って減少するピッチを有する、毛管蒸発器。
【請求項１３】
請求項５に記載の毛管蒸発器において、
前記複数の層の各々が、前記少なくとも１つの第一のリブからの前記複数の層のうちの相応する層の距離が増大するのに伴って減少する厚さを有する、毛管蒸発器。
【請求項１４】
請求項１に記載の毛管蒸発器において、
前記毛管吸上げ体が、前記第一の架橋部と直面する第一の面と、該第一の面から隔てられた第二の面とを有し、
前記毛管吸上げ体の前記第二の面に直面する第二の架橋部であって、前記毛管吸上げ体から離れる方向に増大する寸法の内部造作構造体を有する前記第二の架橋部を更に備える、毛管蒸発器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の毛管蒸発器において、
少なくとも１つの第二流路を画成し、各々が前記毛管吸上げ体と対向する前記第二の架橋部に直面する少なくとも１つの第二のリブを更に備える、毛管蒸発器。
【請求項１６】
毛管蒸発器において、
ａ）少なくとも１つの流路を画成する少なくとも１つのリブと、
ｂ）該少なくとも１つのリブに直面し且つ、該少なくとも１つのリブから隔てられた毛管吸上げ体と、
ｃ）架橋部であって、前記少なくとも１つのリブと熱的に連通した第一の領域と、前記第一の領域から隔てられ且つ、前記毛管吸上げ体と熱的に連通した第二の領域と、各々がある断面積を有する複数の内部通路とを有する前記架橋部とを備え、
前記複数の内部通路の数が、前記第一の領域から前記第二の領域まで増加し、
前記複数の通路の前記断面積が前記第一の領域から前記第二の領域まで減少するようにした、毛管蒸発器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の毛管蒸発器において、
前記架橋部が、各々が複数の開口部を有する複数の層を備え、
該複数の層の各々が、異なる数の前記複数の開口部を有し、前記複数の通路を画成し、
前記異なる数の前記複数の開口部が、前記少なくとも１つのリブからの前記複数の層の距離が増大するのに伴って増加するようにした、毛管蒸発器。
【請求項１８】
請求項１７に記載の毛管蒸発器において、
前記架橋部が、前記複数の層に相応する複数のシートを備える、毛管蒸発器。
【請求項１９】
請求項１８に記載の毛管蒸発器において、
シートの各々が、形成された前記複数の開口部の相応する開口部を有する中実体である、毛管蒸発器。
【請求項２０】
毛管蒸発器において、
ａ）少なくとも１つの流路を画成する少なくとも１つのリブを有する構造体と、
ｂ）該少なくとも１つのリブから隔てられた毛管吸上げ体と、
ｃ）前記毛管吸上げ体及び前記少なくとも１つのリブの間に配置され且つ、該毛管吸上げ体及び該少なくとも１つのリブと熱的に連通した架橋部であって、前記毛管吸上げ体と前記少なくとも１つの流路との間に流体的連通状態を提供する前記架橋部とを備え、
該架橋部が、各々がある面積を有する多数の開口部を有する複数の層を備え、
前記開口部の数が、前記少なくとも１つのリブからの前記複数の層のうちの相応する層の距離が増大するのに伴って増加し、
前記複数の層の各々における前記開口部の前記面積が、前記少なくとも１つのリブからの前記複数の層のうちの相応する層の距離が増大するのに伴って減少するようにした、毛管蒸発器。
【請求項２１】
請求項２０に記載の毛管蒸発器において、
前記架橋部が、前記複数の層に相応する複数のシートを備える、毛管蒸発器。
【請求項２２】
請求項２１に記載の毛管蒸発器において、
前記複数のシートが、互いに拡散接着される、毛管蒸発器。
【請求項２３】
請求項２１に記載の毛管蒸発器において、
シートの各々が、形成された前記複数の開口部のうちの相応する開口部を有する中実体である、毛管蒸発器。
【請求項２４】
毛管蒸発器において、
ａ）第一の面と、該第一の面から隔てられた第二の面とを有する毛管吸上げ体と、
ｂ）前記毛管吸上げ体の前記第一の面に直面し且つ、各々が第一の断面積を有する複数の第一の内部通路を有する第一の架橋部であって、前記複数の第一の内部通路の数が、前記毛管吸上げ体から離れる方向に少数となり、前記複数の第一の内部通路における前記第一の断面積が、前記毛管吸上げ体から離れる方向に増大する前記第一の架橋部と、
ｃ）前記毛管吸上げ体の前記第二の面と直面し且つ、各々が第二の断面積を有する複数の第二の内部通路を有する第二の架橋部であって、前記複数の第二の内部通路の数が、前記毛管吸上げ体から離れる方向に少数となり、前記複数の第二の内部通路における前記第二の断面積が、前記毛管吸上げ体から離れる方向に増大する前記第二の架橋部と、
を備える、毛管蒸発器。
【請求項２５】
請求項２４に記載の毛管蒸発器において、
前記毛管吸上げ体が、ある長さを有し且つ、該長さに亙って実質的に可撓性である、毛管蒸発器。
【請求項２６】
請求項２４に記載の毛管蒸発器において、
前記第一及び第二の架橋部の少なくとも一方が、各々が複数の開口部を有する複数の層を備え、
該複数の層の各々が、異なる数の前記複数の開口部を有し、前記複数の第一及び第二の通路の前記それぞれの通路を画成し、
前記異なる数の前記複数の開口部が、前記毛管吸上げ体からの前記複数の層の距離が増大するに伴って減少するようにした、毛管蒸発器。
【請求項２７】
システムにおいて、
ａ）毛管蒸発器であって、
ｉ）少なくとも１つの流路を画成する少なくとも１つのリブと、
ｉｉ）少なくとも１つのリブと直面し且つ、該少なくとも１つのリブから隔てられた毛管吸上げ体と、
ｉｉｉ）前記少なくとも１つのリブと前記毛管吸上げ体との間に配置されて、前記毛管吸上げ体と前記少なくとも１つの流路との間に流体的連通状態を提供し且つ、前記毛管吸上げ体と前記少なくとも１つの第一のリブとの間に熱的連通状態を提供する架橋部であって、前記少なくとも１つのリブから前記毛管吸上げ体まで減少する寸法の内部造作構造体を有する前記架橋部とを備える前記毛管蒸発器と、
ｂ）前記少なくとも１つのリブと熱的に連通した熱源とを備える、システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載のシステムにおいて、
前記熱源がマイクロプロセッサを備える、システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載のシステムにおいて、
前記熱源が、レーザ及びレーザダイオードアレイの少なくとも一方を備える、システム。
【請求項３０】
毛管吸上げ体と、少なくとも１つのリブとを有する毛管蒸発器の架橋部を形成する方法において、
ａ）各々が異なる数及び異なる寸法の開口部を有する複数のシートを提供し、前記異なる寸法の開口部における最大寸法の開口部を有する前記複数のシートにおける１つが、前記異なる数の開口部の最小数の開口部を有し、
前記異なる寸法の開口部における最小寸法の開口部を有する前記複数のシートにおける１つが、前記異なる数の開口部の最大数の開口部を有するようにするステップと、
ｂ）前記複数のシートを毛管吸上げ体と少なくとも１つのリブとの間に配置し、前記開口部における最小の開口部を有する前記複数のシートの１つが、吸上げ体に近接し、前記開口部における最大の開口部を有する前記複数のシートの１つが、前記少なくとも１つのリブに近接するようにするステップとを備える、毛管蒸発器の架橋部を形成する方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法において、
前記ステップ（ａ）が、前記複数のシートの各々に前記開口部を形成するステップを含む、方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法において、
前記開口部を形成するステップが食刻する（ｅｔｃｈｉｎｇ）ステップを含む、方法。
【請求項３３】
請求項３１に記載の方法において、
前記開口部を形成するステップが機械加工するステップを含む、方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法において、
前記機械加工するステップがレーザ加工するステップを含む、方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法において、
前記機械加工するステップが放電加工するステップを含む、方法。
【請求項３６】
請求項３３に記載の方法において、
前記機械加工するステップが機械による加工を行うステップを含む、方法。
【請求項３７】
請求項３０に記載の方法において、
前記複数のシートを互いに接着するステップを更に備える、方法。
【請求項３８】
請求項３０に記載の方法において、
架橋部を少なくとも１つのリブに接着するステップを更に備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００２年２月２６日付けで出願された、「フラクタル毛管蒸発器（Ｆｒａｃｔａｌ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）」という名称の米国仮特許出願第６０／３５９，６７３号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全体として、熱管理システムの分野に関する。より具体的には、本発明は、毛管蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００３】
毛管蒸発器は、多岐に亙る２相熱管理システムにて使用されている。毛管蒸発器とフロースルーボイラ及びケトルボイラとの主たる相違点は、核沸騰が蒸発器内では生じない一方、ボイラでは生じる点である。その代わり、蒸発は、毛管吸上げ構造体（ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｗｉｃｋ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）により安定状態に保持された液体−蒸気の境界面にて毛管蒸発器内で生じる。蒸発器に供給された液体は、蒸気圧力よりも低圧力であり、液体は、吸上げ体の毛管吸引作用によって蒸発器内に吸入される。
【０００４】
一般的な毛管蒸発器の形態は、伝熱管にて使用されている形態である。従来の伝熱管は、典型的に、管の内面と、接触した多孔質の毛管吸上げ層を保持する管から成っている。伝熱管の一部分、典型的に、一端は、熱源から熱を吸収し且つ、蒸発器として機能する。別の部分、典型的に、他端は、熱をヒートシンクに放出し且つ、凝縮器として機能する。毛管吸上げ体は、凝縮器部分からの液体を吸上げ体の毛管圧送動作を介して伝熱管の蒸発器部分に戻す。吸上げ体の内面は、蒸発器部分からの蒸気を熱伝熱管の凝縮器部分に伝導する中央通路を画成する。毛管吸上げ体は、機械加工した溝、別個の金網、焼結金属粉体、又はプラズマ堆積多孔質被覆のような多岐に亙る構造体の任意のものとすることができる。伝熱管は、経済的に製造でき且つ、適度の熱流束及び比較的短い熱輸送距離を有する用途にて良好に機能する。多くの現代の高性能ラップトップコンピュータは、伝熱管を使用してプロセッサからの熱を除去し且つ、その熱をケースに伝導する。
【０００５】
伝熱管内にて、液体は、凝縮器部分から毛管吸上げ体を通じて蒸発器部分までかなりの距離を流れなければならない。このことは、液体に対し大きい圧力降下を生じさせ、この圧力降下は、液体の最大流量を制限する効果があり、これにより伝熱管の熱輸送能力を制限することになる。吸上げ体の孔寸法が減少してより大きい毛管吸引作用を提供するならば、吸上げ体の透過率は減少し、圧力降下は増大する。吸上げ体の厚さを増せば、圧力降下の程度は減少するが、伝熱管の蒸発器部分にて吸上げ体を通って熱を伝導しなければならない距離は増大する。吸上げ体の厚さを増すことは、蒸発器におけるより大きい熱抵抗となり、また、多分、管の内面と吸上げ体との間の境界面における液体の過熱の増大をより制限することになろう。最終的に、吸上げ体の基部における過熱は、過大となり、吸上げ体にて沸騰が生じ、吸上げ体を乾燥させることになる。吸上げ体が乾燥したとき、吸上げ体の性能は著しく劣化する。
【０００６】
宇宙船の熱管理システムを含む多くの用途は、従来の伝熱管により提供されるものよりも、長い距離に亙るより大きい熱輸送能力を必要とする。これらの用途の場合、基本的な伝熱管は、典型的に、内部吸上げ体を有しない別個の管内にて蒸発器部分からの液体を蒸発器部分に戻すことにより向上する。この戻り流は、吸上げ体にて大きい圧力降下を受けないから、蒸発器と凝縮器との間の距離は著しく増大させることができる。また、蒸発器内の毛管吸上げ体は、典型的に、吸上げ体と熱取得境界面との間に蒸気通路を更に画成するリブを提供することにより、熱取得境界面から離れる方向に動く。これらの改造の結果、２つの型式の熱伝導システム、すなわち、ループ伝熱管（ＬＨＰ）と毛管圧送ループ（ＣＰＬ）とになる。ＣＰＬｓ及びＬＨＰｓは、宇宙船の熱管理システムにて益々、採用されつつあり、その地球上及び微重力状態の双方におけるその作動上の特徴は、広く研究されている。
【０００７】
図１Ａには、ＬＨＰ又はＣＰＬの何れかにて使用するのに適した一例としての従来の蒸発器が示されている。蒸発器２０は、管状ハウジング２２と、ハウジング２２内に配置された同様の形状の毛管吸上げ体２４とを有している。毛管吸上げ体２４は、液体２８を吸上げ体の長さに沿って伝導するための中央通路２６を画成する。ハウジング２２は、典型的に、高伝導性金属で出来ており、また、複数のリブ３０を有している。リブ３０は、（１）蒸発する液体２８により形成された蒸気３４を毛管吸上げ体２４から伝導する複数の蒸気通路又は流路３２を画成することと、（２）熱をハウジング２２の中央部分から毛管吸上げ体に伝導し、熱を液体に輸送し、これにより液体が蒸発するようにすることという２つの機能を果たす。
【０００８】
蒸発器２０のようなＣＰＬｓ及びＬＨＰｓの従来の蒸発器と従来の伝熱管の蒸発器部分との主たる相違点は、ＬＨＰ／ＣＰＬ型蒸発器において、液体供給分が例えば、毛管吸上げ体２４により熱源から実質的に熱的に隔離されており、また、毛管吸上げ体を通る液体の流れが熱取得境界面に対して直角であり、従って、伝熱管の「壁−吸上げ体」蒸発器部分におけるよりも流動面積が遥かに大きく且つ、流動長さが遥かに短くなることである。これらの相違点の結果、伝熱管の場合よりもＬＨＰｓ及びＣＰＬｓの方が熱輸送能力は著しく増大する。しかし、ＬＨＰ／ＣＰＬ型蒸発器における大きい熱輸送能力は、ある犠牲、すなわち、典型的に、金属で出来たリブ３０を介してハウジング２２が吸上げ体と不連続的に接触することを起因して熱源３６と毛管吸上げ体２４との管の熱接続が著しく劣化するという犠牲を払って得られる。
【０００９】
金属リブ３０の設計は、蒸発器２０内の蒸気圧力の降下を最小限にすると同時に、ハウジング２２と毛管吸上げ体２４との間の熱抵抗を最小限にするという矛盾した必要条件に適合しなければならない。図１Ｂに図示するように、リブ３０が存在することは、これらのリブが吸上げ体内部に高温領域を形成するため、毛管吸上げ体２４内の熱伝導及び流体の流れを歪ませることになる。低熱流束のとき、毛管吸上げ体２４は、完全に湿っており、蒸発は、リブが吸上げ体に接触する箇所である、リブ３０の縁部を近接して取り巻く領域３３内でのみ生じる。熱伝導の程度は、吸上げ体に接触するリブの全周長さによって制限される。このため、毛管吸上げ体２４内の蒸発領域３３内の合計面積は、小さく、従って、蒸発抵抗は遥かに増大する。更に、液体２８は、毛管吸上げ体２４を均一に通って流れるのではなくて、リブ３０に沿って狭小な領域に収斂し、吸上げ体内の圧力降下を大幅に増大させる。
【００１０】
図１Ｃには、大きい熱流束の値のとき吸上げ体内に存在する状態が図示されている。より大きい熱流束のとき、液体−蒸気境界面４０は、毛管吸上げ体２４内に後退し、蒸発のための大きい面積を提供する。液体−蒸気境界面が後退すると、毛管吸上げ体２４の熱伝導率が比較的小さいため、蒸発器２０の熱抵抗は増す。多分、より重要なことは、液体−蒸気境界面４０が後退すると、蒸気３４は、蒸気流路３２に達する前に、毛管吸上げ体２４の小さい孔を通ってかなりの距離を流れなければならないから、全体的な圧力降下は増大することである。最終的に、蒸気３４の圧力降下は、毛管吸上げ体２４の毛管圧送能力を上廻り、蒸気は、中央通路２６、すなわち蒸発器２０の液体側に漏れる。この「蒸気の吹出し状態」は、蒸発器の性能に対して熱流束の限界値を課すことになる。
【００１１】
これらの効果を緩和するため、従来のＬＨＰ−型蒸発器は、典型的に、比較的大きい熱伝導率を有する吸上げ体を提供するため、セラミック、ガラス又はポリマー吸上げ体に代えて、金属吸上げ体を有する。より大きい熱伝導率は、熱を吸上げ体内により効果的に拡げて、蒸発が行われる面積を増大させ、これにより熱抵抗を減少させる。しかし、より大きい熱伝導性の吸上げ体は、吸上げ体の反対側における吸上げ体から液体２８への熱の漏洩を増大させる。このことは、中央通路２６内の液体２８を沸騰させ、これにより蒸発器への液体２８の流れを妨害し且つ、最大の熱流束を制限することになる。吸上げ体の厚さを増せば、この熱の漏洩は多少緩和されようが、このことは一方、吸上げ体の透過率を低下させ、このため、かかる蒸発器の最大の熱流束も低下させることになる。
【００１２】
その他の装置の内、将来の高パワーレーザ機器、次世代及び将来の世代のマイクロプロセッサチップ及びその他のエレクトロニクスの熱管理は、１００Ｗ／ｃｍ２以上の熱流束にて２から５ｋＷの範囲の電力の放散が必要とされることが予想される。カリフォルニア州、サンタクララのインテル・コーポレーション（Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からのアイテニアム（ＩＴＡＮＩＵＭ）（登録商標名）マイクロプロセッサは、既に、約３００Ｗ／ｃｍ２の局部的な熱流束に達ししつつある。これに反して、上述した蒸発器２０のような殆どの従来の蒸発器は、典型的に、毛管吸上げ体内の蒸気ブランケット作用が吸上げ体内への液体の流れを妨害するため、約１２Ｗ／ｃｍ２以上の熱流束にて作用しない。双分散型吸上げ体の設計のような、幾つかのより最近の蒸発器の設計は、１００Ｗ／ｃｍ２の局部的な熱流束にて良好な性能を有することを実証しているが、１００Ｗ／ｃｍ２以上の平均的な熱流束を日常的に取り扱うことのできる蒸発器が必要とされ、また、今後も常に必要とされよう。
【発明の開示】
【００１３】
第一の側面において、本発明は、少なくとも１つの第一の流路を画成する少なくとも１つの第一のリブを備える毛管蒸発器に関する。毛管吸上げ体は、該少なくとも１つの第一のリブに直面し且つ、該第一のリブから隔てられている。第一の架橋部が、少なくとも１つの第一のリブと毛管吸上げ体との間に配置され且つ、毛管吸上げ体と少なくとも１つの第一の流路との間に流体的連通状態を提供し、また、毛管吸上げ体と少なくとも１つのリブとの間に熱的連通状態を提供する。第一の架橋部は、少なくとも１つの第一のリブから毛管吸上げ体の方向に減少する寸法を有する内部造作構造体を有する。
【００１４】
別の側面において、本発明は、第一の面と、該第一の面から隔てられた第二の面とを有する毛管吸上げ体を備える毛管蒸発器に関する。第一の架橋部が毛管吸上げ体の第一の面に直面し且つ、各々が第一の断面積を有する複数の第一の内部通路を有する。複数の第一の内部通路の数は、毛管吸上げ体から離れる方向に減少し、また、複数の第一の内部通路の第一の断面積は、毛管吸上げ体から離れる方向に増大する。第二の架橋部が毛管吸上げ体の第二の面に直面し且つ、各々が第二の断面積を有する複数の第二の内部通路を有し、複数の第二の内部通路の数は、毛管吸上げ体から離れる方向に少数となり、また、複数の第二の内部通路の第二の断面積は、毛管吸上げ体から離れる方向に増大する。
【００１５】
本発明を示す目的のため、図面には、現在の好ましい本発明の１つの形態が図示されている。しかし、本発明は、図面に図示した正確な配置及び実施の形態に限定されるものではないことを理解すべきである。
【００１６】
次に、図面を参照すると、図２には、全体として参照番号１００で示した、本発明による毛管蒸発器が図示されている。上記の背景技術の欄にて説明した蒸発器２０と同様に、毛管蒸発器１００は、特に、上述したループ伝熱管（ＬＨＰ）及び毛管圧送型ループ（ＣＰＬ）システムのような２相熱伝導システムに組み込まれている。毛管蒸発器１００は、冷却しようとする熱源１０２のような多岐に亙る熱源の任意のものと相互に接続するのに適した任意の寸法及び（又は）形状とすることができる。当該技術分野の当業者は、本発明に従って形成することのできる多岐に亙る毛管蒸発器１００の形状及び（又は）寸法が理解され、当該出願にて示し且つ説明した各種の毛管蒸発器は、全体として、本発明の色々な側面を示すためにのみ掲げたものであり、特許請求の範囲により規定された本発明の範囲を限定するものではないことが理解されよう。
【００１７】
以下に詳細に説明するその特異な構造のため、本発明の毛管蒸発器１００に対し、例えば、従来の毛管吸上げ型蒸発器が取り扱うことができる最大の熱流束よりも著しく大きい、１００Ｗ／ｃｍ２から１，０００Ｗ／ｃｍ２以上の多量の熱流束を取り扱う能力を付与することができる。このため、毛管蒸発器１００は、特に、重力及び微重力用途の双方にてレーザ、マイクロプロセッサ及びその他の高パワー電子装置のような高熱流束を有する熱源１０２に対する熱管理システムの１つの重要な構成要素とすることができる。当該技術分野の当業者は、本発明の毛管蒸発器１００が適応可能である多岐に亙る用途が理解されよう。
【００１８】
上記の背景技術の欄に記載した、蒸発器２０と同様に、毛管蒸発器１００は、ハウジング１０４と、該ハウジング内に配置された毛管吸上げ体１０６とを備えることができる。ハウジング１０４は、特に、例えば、銅又はアルミニウムのような金属の如き比較的高熱伝導率を有する材料にて又はその他の高熱伝導率材料にて形成し、熱を熱源１０２から毛管吸上げ体１０６に向けて伝導することができる。ハウジング１０４は、熱源１０２からの熱に起因して吸上げ体にて作用液体１１４を蒸発させることで形成された蒸気１１２を毛管吸上げ体１０６から運び去るための１つ以上の蒸気通路又は流路１１０を画成する複数のリブ１０８を備えることができる。
【００１９】
本明細書及び特許請求の範囲にて使用するように、「リブ」という複数の語は、例えば、単一のら旋リブ又は単一の蛇行リブのような単一のリブが存在する場合を含むが、直線状の断面は、かかる単一のリブはその長さに沿った複数の位置にて「切欠いて」おり、複数のリブが存在するかのうように示す。「リブ」という語は、また、第二の通路が構造体の反対側部に存在するかどうかを問わずに、１つの流路の側面の何れかを画成する任意の構造体も含む。例えば、ブロックに形成された単一の流路の側部を画成する中実な材料ブロックの部分は、本発明の目的上、リブと考えられる。
【００２０】
毛管吸上げ体１０６は、作用液体１１４を貫通して伝導するための毛管通路を有する任意の適宜な材料にて形成することができる。例えば、毛管吸上げ体１０６は、特に、セラミック、ガラス又はポリマーのような比較的低熱伝導率を有する材料にて、又は特に、金属のような比較的高熱伝導率を有する材料にて形成することができる。かかる材料は、特に、鋳造、焼結、微細機械加工及び食刻のような任意の既知の手段により毛管吸上げ体１０６に形成することができる。従来の吸上げ構造体に加えて、毛管吸上げ体１０６はまた、以下に説明するフラクタル（Ｆｒａｃｔａｌ）層ＦＬのような１つ以上の微小孔フラクタル層（図示せず）を備えることもできる。当該技術分野の当業者は、毛管吸上げ体１０６に対して使用できる多岐に亙る材料及び構造体が理解されよう。毛管吸上げ体１０６は、液体１１４を吸上げ体の長さに沿って伝導し、液体を吸上げ体に分配する中央通路１１６を画成することができる。作用液体１１４は、毛管蒸発器が作動する設計とされた条件下にて毛管蒸発器１００に対し２相（液体／蒸気）作用を提供可能な任意の適宜な液体とすることができる。作用液体１１４に適した液体の例は、特に、水、アンモニア、アルコール、及びＲ−１３４フロオロカーボンのような冷媒を含む。
【００２１】
しかし、蒸発器２０と異なり、本発明の毛管蒸発器１００は、リブ１０８と毛管吸上げ体１０６との間に介在された蒸気側架橋部１１８のような「熱架橋部」を含む。全体として、蒸気側架橋部１１８は、リブ１０８からの熱を毛管吸上げ体１０６の外面１２０に亙って実質的に均一に拡げる熱拡散器として及び毛管吸上げ体の外面に形成された蒸気１１２を蒸気通路１１０に伝導する蒸気収集マニホルドとして機能する。
【００２２】
図３及び図４を参照し、また、図２を参照すると、蒸気側架橋部１１８は、図示したフラクタル層ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３のような１つ以上の「フラクタル」層ＦＬを有することができる。本明細書にて使用するように、「フラクタル」という語は、架橋部１１８の各種の層ＦＬが全体として、架橋部に対しリブ１０８からの熱を毛管吸上げ体１０６の外面１２０の上で可能な限り均一に拡げると共に、架橋部に対し蒸気１１２に対する大きい透過率を提供し得るような形態及び配置とされた開口部１２２により全体として画成された内部構造体を有することを示すために使用した便宜的な語である。これらの相反する基準を満足させる１つの型式の架橋部１１８は、各々がその他の層ＦＬの開口部の寸法及び数と相違する寸法及び数の開口部１２２を有する複数の層ＦＬを備えており、リブ１０８により近接する層は、より大型で且つ少数の開口部を有し、毛管吸上げ体１０６の外面１２０に近接する層は、より小型で且つ多数の開口部を有する。
【００２３】
層ＦＬの全てにおける開口部１２２が互いに同一の形状であり且つ、同一のパターンにて配置されるが、開口部の寸法は層毎に減少する一方、開口部の数が増加するとき、開口部は、性質上、多少「フラクタル」である、すなわち、その形状及びパターンは、リブ１０８から離れる方向に向けて１つの層から次の層に益々小さくなるスケールにて繰り返される。しかし、本明細書にて「フラクタル」という語を使用することは、形状及びパターンが１つの層ＦＬから次の層に同一でなければならないことを意味するものではなく、また、２つ以上の層が使用されるならば、隣接する層の間のスケールファクタの間にて任意の形態上の数学関係が存在しないことを認識すべきである。更に、架橋部１１８は、別個のシートである複数の層ＦＬを有するものとして示し且つ説明したが、層はモノリシックな架橋部内に存在するようにしてもよいことが分かる。更に、後者の場合、シート型式の実施の形態におけるように、層ＦＬを、良好に画成することはできない。すなわち、リブ１０８に近接して大型で且つ少数の開口部１２２から吸上げ部１０６の外面１２０に近接して小型で且つより多数の開口部へと移行することは、個別のシートが提供する別個のステップの場合よりも一層漸進的である。当該技術分野の当業者は、図２から図４は３つのフラクタル層ＦＬ１−３を有するものとして蒸気側架橋部１１８を示すが、本発明の架橋部は、特定の毛管蒸発器１００の設計に依存して、３つ以上又は３つ以下のフラクタル層を有することが可能であることも理解されよう。
【００２４】
フラクタル層ＦＬ１−３は、銅又はアルミニウムのような金属薄板にて又は比較的高熱伝導率を有するその他の材料にて形成することができ、また、薄板を貫通して伸びる複数の通路又は開口部１２２を備えている。フラクタル層ＦＬ１−３の開口部１２２は、数が増加し且つ寸法が減少する状態で毛管吸上げ体１０６により近い連続的な層の各々に設けることができる。すなわち、毛管吸上げ体１０６から最も離れたフラクタル層ＦＬ１は、大型の開口部１２２を比較的少数有する一方、吸上げ体に最も近いフラクタル層ＦＬ３は、小型の開口部１２２を比較的多数有する。この場合、フラクタル層ＦＬ２は、中間寸法の開口部１２２を中間数有することになろう。
【００２５】
フラクタル層ＦＬの形態及び該層の開口部１２２の配置は、従来技術の蒸発器構造体に比較して幾つかの重要な有利な効果を提供する。フラクタル層ＦＬの造作構造体の寸法が減少するのに伴い、吸上げ体１０６と架橋部１１８との間の接触全周は、図１Ａに示したリブ３０と吸上げ体２４との間の接触全周の何倍にも増大する。このため、蒸発面積は著しく増大し、熱流束の水準は、従来技術の吸上げ体、例えば、図１Ｃに示した吸上げ体２４内で蒸気の侵入を生じさせるような値にまで増大することができる。更に、蒸気側架橋部１１８は、架橋部がハウジング１０４からの熱を毛管吸上げ体１０６に安全に伝導しなければならないということと、蒸気１１２を吸上げ体から伝導するために、色々なフラクタル層ＦＬ１−３にて開口部１２２が重なり合うことにより形成された通路を提供しなければならないことという相反する必要条件に対する妥協策を実現する効率的な構造体である。また、熱の流れは、吸上げ体１０６の全ての領域により効果的に拡散され、図１Ａの蒸発器２０のような従来の蒸発器にて、例えば、リブ３０が吸上げ体２４と直接接触し、毛管吸上げ体１０６の材料が認識可能な性能上の不利益を伴わずに、熱伝導ではなくて、熱絶縁性とすることのできる、局部的に封込められた領域内に集中することはない。この場合、液体１１４に隣接する毛管吸上げ体１０６の反対側部への熱伝導は遥かに減少し、液体中に泡沸騰が生じるような性能上の制限が解消される。
【００２６】
１つの特定の形態において、フラクタル層ＦＬ１は、ピッチＰ１すなわち開口部の１つの点から近接する開口部の同一の点までの距離を有する四角形の開口部１２２を設けることができ、この場合、フラクタル層ＦＬ１への開口部の各々は第一の面積Ａ１を有する。図示した実施の形態において、ピッチＰ１は、蒸気側架橋部１１８の２つの直交軸１２４、１２６に沿ったピッチであることが認識される。しかし、当該技術分野の当業者は、軸線１２４、１２６（図４）の各々に沿ったピッチＰ１は互いに相違してもよいことが理解されよう。更に、ピッチＰ１は、特定の設計条件に対し蒸気側架橋部１１８を最適化し得るよう任意の方向に変化するようにしてもよい。所望であるならば、ピッチＰ１はリブ１０８のピッチに等しくし、フラクタル層ＦＬ１のウェブ１２８が相応するリブに直面し且つ、フラクタル層ＦＬ１とリブとの間の接触面積の寸法を最大にし、リブとフラクタル層ＦＬ１との間の伝導を最大にすることができる。
【００２７】
フラクタル層ＦＬ１の下方の連続的な各フラクタル層ＦＬ、すなわち、当該実施例にてフラクタル層ＦＬ２、ＦＬ３のそれぞれの開口部１２２の寸法及びピッチは、直前のフラクタル層に対して１以下のスケールファクタだけ拡大することができる。例えば、スケールファクタが０．５であるとき、直交軸１２４、１２６に沿ったフラクタル層ＦＬ２の開口部１２２のピッチＰ２は、ピッチＰ１の１／２に等しく、四角形開口部の側部の長さは、フラクタル層ＦＬ１における開口部の側部長さの１／２に等しいであろう。従って、フラクタル層ＦＬ２は、フラクタル層ＦＬ１における開口部１２２の数の４倍の開口部を有し、また、開口部の全周長さの２倍の長さを有するが、開口部の全表面積は同一であろう。同様に、フラクタル層ＦＬ３は、フラクタル層ＦＬ２に対して０．５のファクタだけ拡大し、ピッチＰ３がピッチＰ２の１／２となり、フラクタル層ＦＬ３がフラクタル層ＦＬ２の開口部１２２の数の４倍の開口部を有し、その全周の２倍の全周を有するが、この場合にも、開口部の全面積は同一である。開口部１２２の数、ピッチＰ１−３、寸法を１つのフラクタル層ＦＬ１−３から別の層に変化させることに加えて、これらフラクタル層の厚さを厚くすることもできるが、必ずしもそうしなければならない訳ではない。例えば、０．５のスケールファクタの場合、フラクタル層ＦＬ２の厚さは、フラクタル層ＦＬ１の厚さの１／２とし、フラクタル層ＦＬ３の厚さは、フラクタル層ＦＬ２の厚さの１／２とすることができる。以下の表Ｉには、隣接する各対の層に対するスケールファクタ０．５とした場合のフラクタル層ＦＬ１−３の色々な特徴間における関係が示してある。
【００２８】
表Ｉ
フラクタル層        総面積      開口部の数    各開口部の面積
（ｃｍ２）                        （μｍ２）
ＦＬ１                ４              ２８９    ４．９×１０５
ＦＬ２                ４          １，１５６    １．２２５×１０５
ＦＬ３                ４          ４，６２４    ３．０６２５×１０４
開口部の全周        ピッチ        厚さ
（μｍ）            （μｍ）      （μｍ）
８．０９２×１０５    １，２００    ５００
１６．１８４×１０５      ６００    ２５０
３２．３６８×１０５      ３００    １２５
蒸気側架橋部１１８、従ってフラクタル層ＦＬ１−３は、毛管吸上げ体１０６の外面１２０の形状に相応するのに必要な任意の形状にて形成することができる。例えば、毛管吸上げ体１０６が平坦であるならば、フラクタル層ＦＬ１−３は、同様に平坦とすることができ、吸上げ体が円筒状であるならば、フラクタル層は、同様に円筒状とすることができる。蒸気側架橋部１１８が湾曲し又は褶曲した形状のような、平坦以外の形状の場合、フラクタル層ＦＬ１−３の開口部１２２のピッチＰ１−３は、湾曲又は褶曲の効果を考慮すべく平坦な架橋部１０６に対し使用されるであろうピッチと相違するものとし、また、フラクタル層は、湾曲又は褶曲中心から異なる距離にあるようにする必要がある。
【００２９】
蒸気側架橋部１１８を通じての熱伝導を向上させるため且つ（又は）架橋部に対する単一体とした構造体を形成するため、フラクタル層ＦＬ１−３は、例えば、拡散接着により隣接する層の間の接触領域にて互いに接着し又はその他の方法で連続的に取り付けることができるが、必ずしもそうする必要はない。同様に、リブ１０８と蒸気側架橋部１１８との間及び（又は）架橋部と毛管吸上げ体１０６との間の熱伝導を向上させるため、架橋部は、同様に、例えば、拡散接着又はその他の手段によりリブ及び吸上げ体の一方又はその双方に取り付けることができる。
【００３０】
フラクタル層ＦＬ１−３の各々は、これら層の開口部１２２及びその他の造作構造体を形成するのに適した当該技術分野にて既知である、任意の１つ以上の製造技術を使用して製造することが可能である。かかる技術は、機械加工、レーザ機械加工、特に、色々な工業分野にて周知である放電機械加工（ＥＤＭ）のようなマイクロエレクトロニクス工業分野及び微細機械加工技術にて周知のマスキング、パターン化及び化学的食刻技術を含むことができる。フラクタル層ＦＬ１−３を製造するこれらの技術は、当該技術分野にて周知であるため、これら技術については詳細に説明する必要はない。蒸気側架橋部１１８は、図５Ａから図５Ｄに図示するように、四角形の開口部１２２を有するものとして、図３及び図４に図示されているが、代替的な架橋部１１８´、１１８´´、１１８´´´、１１８´´´´は、それぞれ、細長い矩形（図５Ａ）、円形（図５Ｂ）、三角形（図５Ｃ）又は六角形（図５Ｄ）のような任意の所望の形状である開口部を有するようにしてもよい。
【００３１】
理解し得るように、蒸気側架橋部１１８の幾何学的形態は、極めて多岐に亙り、従って、毛管蒸発器１００に対する特定の一連の作動条件に対し架橋部を最適化し得るよう容易に適応させることができる。その理由は、蒸気側架橋部１１８には、設計者が特定の設計を最適化するときに変更を加えることのできる比較的多数の可変要素が関係しているからである。これらの可変要素は、特にフラクタル層ＦＬの数、各フラクタル層の厚さ、開口部１２２の寸法、各開口部の形状、開口部のピッチＰ、スケールファクタ、開放面積対全面積の比を含む。
【００３２】
図６には、蒸気側架橋部２０２及び液体側架橋部２０４の双方を有する、本発明の１つの代替的な毛管蒸発器２００が図示されている。上述した図２から図４に関係する蒸気側架橋部１１８と同様に、蒸気側架橋部２０２は、毛管吸上げ体２０６と蒸気側リブ２０８及び蒸気流路２１０との間に、構造体を提供するための堅固な構造体を提供し、該構造体は、リブからの熱を吸上げ体まで拡げる大きい能力を有するが、蒸気（図示せず）が吸上げ体から蒸気流路まで流れるための高透過率を有する。図示した実施の形態において、蒸気側架橋部２０２は、図２から図４の架橋部１１８に関して上述したフラクタル層ＦＬ１-３と同様の３つのフラクタル層ＦＬ´１−３を有する。勿論、上述したように、架橋部２０２は、所望の任意の数のフラクタル層ＦＬ´を有し且つ、高透過率及び大きい熱拡散能力という相反する基準に対する妥協策を提供するのに適した任意の構造体を有することができる。
【００３３】
液体側架橋部２０４は、蒸気側架橋部２０２と同様の有利な効果を提供する。すなわち、液体側架橋部２０４は、液体流路２１２からの液体（図示せず）が吸上げ体を亙って実質的に均一に流れるのを許容する極めて透過性の構造体を提供しつつ、毛管吸上げ体２０６を実質的に均一に冷却する構造体を提供する。毛管吸上げ体２０６を冷却することは、毛管蒸発器２００の液体側２１４の液体が沸騰すること、すなわち、毛管蒸発器の冷却能力にとって極めて破壊的である状態を阻止するために、しばしば望まれる。液体側架橋部２０４が、特に、金属のような高熱伝導率を有する材料で出来ているとき、毛管吸上げ体２０６から最末端側の液体側架橋部の領域が例えば凝縮器（図示せず）から液体流路２１２を通って流れる冷却液体の流れにより冷却される比較的低温のリブ２１６に接触することを１つの理由して、液体側架橋部は、この冷却能力を提供する。液体側架橋部２０４のこの領域はまた、液体流路２１２から流れる比較的低温の液体内に没する。このように、液体側架橋部２０４が熱伝導性であるとき、層ＦＬ´´１−３の中実部分２１８がリブ２１６及び液体流路２１２内の液体を毛管吸上げ体２０６の液体側表面２２０の上に「冷たさを拡げる」。
【００３４】
蒸気側架橋部２０２、１１８（図２から図４）と同様に、液体側架橋部２０４は、例えば、１つの層ＦＬ´´からリブ２１６から離れる方向に向けて次の層まで数が増加する一方、寸法は減少する開口部２２２のようなその内部造作構造体により、この拡散能力を提供する。液体側架橋部２０４に対しその比較的大きい透過率及び液体を液体流路２１２から毛管吸上げ体２０６の液体側面２２０を亙って拡げる能力を提供するのは、当該構造体である。蒸気側架橋部２０２と同様に、液体側架橋部は、３つのフラクタル層ＦＬ´´１−３を備えるものとして図示されているが、当該技術分野の当業者は、液体側架橋部はより多数又はより少数の層を有し、また、大きい透過率、大きい液体拡散能力及び大きい「冷たさの拡散能力」を提供するのに適した任意の構造体を備えることが可能であることが容易に理解されよう。
【００３５】
実験結果
本発明の架橋部が本発明の毛管蒸発器の性能に与える影響を示すため、当該発明者は、フラクタル層の数を除いて、互いに同一である４つの蒸発器を製造した。蒸発器の１つは、何ら架橋部を有さず、その他の３つの蒸発器の各々は蒸気側架橋部及び液体側架橋部の双方を有し、その架橋部の双方は、各々１、２又は３つのフラクタル層を有するものとした。これら４つの蒸発器は、存在するならば、該蒸発器の蒸気側架橋部及び液体側架橋部の各々におけるフラクタル層の数を示す、フラクタル０、フラクタル１、フラクタル２及びフラクタル３として表示してある。
【００３６】
図７には、全体として以下の説明にて蒸発器３００として説明するこれら４つの蒸発器の１つ、すなわち、蒸気側及び液体側架橋部３０２、３０４の各々に３つのフラクタル層ＦＬ´´´１−３の全てを有する蒸発器のフラクタル３が示されている。フラクタル２蒸発器（図示せず）は、その蒸気側及び液体側架橋部の各々にフラクタル層ＦＬ´´´２及びＦＬ´´´１のみを有し、フラクタル１蒸発器（図示せず）は、その蒸気側及び液体側架橋部の各々にフラクタル層ＦＬ´´´１のみを有する。フラクタル０蒸発器（図示せず）は、フラクタル層を有さず、蒸発器の液体側及び蒸気側を分離する吸上げ体３２０のみを有するものとした。フラクタル層ＦＬ´´´１−３の各々は、銅薄板からフォトエッチングし、２つ以上のフラクタル層が存在するとき、それらフラクタル層は互いに拡散接着した。表ＩＩ及び表ＩＩＩには、３つのフラクタル層の各々に対する開口部の公称ピッチ及び実際のピッチ及び厚さ及び面積が示してある。ピッチ及び厚さは０．５のファクタで拡大してあるが、食刻過程中の変化のため、開口部の寸法は、正確なスケール通りではない。フラクタル層ＦＬ´´´１−３を最適化するための試みは何も為されていないことが分かる。その場合でも、得られた結果は、その堅固な特異な構造体により提供される架橋部３０２、３０４の有利な効果を良く示す。
【００３７】
表ＩＩ
公称寸法
フラクタル層          開口部の直径    ピッチ          厚さ
（μｍ）        （μｍ）        （μｍ）
ＦＬ´´´１          ７００          １，２００      ５００
ＦＬ´´´２          ３５０              ６００      ２５０
ＦＬ´´´３          １７５              ３００      １２５
表ＩＩＩ
実際の寸法
フラクタル層          開口部の直径    ピッチ          厚さ
（μｍ）        （μｍ）      （μｍ）
ＦＬ´´´１          ６３２          １，１９９      ５０８
ＦＬ´´´２          ３０８              ６００      ２５４
ＦＬ´´´３          ２２１              ３００      １２５
架橋部３０２、３０４は、存在する場合、その内部に機械加工した蒸気マニホルド流路３１０又は液体マニホルド流路３１２の何れかを有する相応する比較的厚い銅スラグ３０６、３０８に拡散接着した。蒸気側及び液体側銅スラグ３０６、３０８は、また、その内部に２つの熱電対ポート３１４及び１つの熱電対ポート３１６をそれぞれ機械加工した。蒸気側及び液体側組立体の各々は、１ｃｍ２の横断面積を有するものとした。液体側スラグ３０８は、液体マニホルド流路３１２に対し作用液体を供給すべくスリーブ／取り付け組立体３１８にはんだ付けした。１ｍの毛管水頭を有する２７５μｍ厚さのガラス繊維毛管吸上げ体３２０をエポキシ樹脂３２２によりスリーブ／取り付け組立体３１８に接着した。
【００３８】
ガラス繊維毛管吸上げ体３２０は、可撓性であるが、架橋部３０２、３０４によりその平坦面の双方にて良好に支持されることが分かる。容易に明らかであるように、架橋部３０２、３０４からの支持の連続性は、フラクタル層ＦＬ´´´内の数が増大するに伴って増し、このことは、毛管吸上げ体３２０に近接するフラクタル層、すなわち、当該場合、２つの架橋部のフラクタル層ＦＬ´´´３の開口部に対するピッチはより小さくなる。
【００３９】
図８に図示するように、蒸気側スラグ３０６の各々は、４つの２００Ｗカートリッジヒータ３２６を保持する相応する大型の銅ブロック３２４にはんだ付けした。次に、液体側組立体を蒸気側組立体の上に配置し、垂直荷重Ｐを液体側スラグ３０８に加えることにより、該蒸気側組立体に対し緊密に保持した。試験する間、蒸気側架橋部３０２と液体側架橋部３０４との間の整合を維持し得るよう注意した。
【００４０】
試験中、蒸発器３００の色々な温度を測定するため、３つの熱電対３２８、３３０、３３２を使用した。熱電対３２８、３３０は、蒸発器３００内への熱流束を計算するため蒸気側に配置した。次に、上側熱電対３３０の温度から計算した凝縮温度降下分を控除することにより、蒸気マニホルド流路３１０の基部から１ｍｍ下方の蒸気側銅ブロック３０６の温度が得られた。蒸気マニホルド流路３１０の基部より１ｍｍ下方の温度と蒸気の飽和温度との差を使用して、蒸発器３００の熱抵抗を計算した。
【００４１】
室温のガス抜きした水３３４を０．５Ｌフラスコ（図示せず）から蒸発器の液体側に供給した。空気エジェクタ（図示せず）は、試験の全体中、フラスコに１０ｃｍ水の一定の吸引力を維持した。フラスコを電子はかり（図示せず）に配置し、試験中、その重量をリアルタイムで記録し得るようにした。熱電対の測定値から得られた熱流束の測定値を確認するために水の消費量を使用した。コンピュータ利用のデータ取得システムを使用して、全ての計器（図示せず）からのデータを記録した。
【００４２】
図９Ａ及び図９Ｂ、且つ図７及び図８を参照すると、図９Ａ及び図９Ｂには、それぞれ、熱電対３２８、３３０、３３２に対する典型的な温度トレース５００、５０２、５０４と、試験中に得られた相応する熱抵抗対熱流束の曲線５０６が示してある。図示したこれらの結果は、その蒸気側架橋部３０２及び液体側架橋部３０４の各々に２つのフラクタル層（ＦＬ´´´１、ＦＬ´´´２）を有するフラクタル２蒸発器３００に関するものである。蒸発器３００の面積は、１ｃｍ２であるから、熱流束は、蒸発器に対する実際の熱入力も表す。図９Ａにより示すように、試験の開始時、全ての熱電対３２８、３３０、３３２は、室温であった。温度トレース５００、５０２、５０３は、熱を加えるに伴い、３つの熱電対３２８、３３０、３３２が全て急速に加熱されたことを示す。蒸気側熱電対３２８、３３０、すなわちトレース５００、５０２は、温度差を殆ど示さなかったが、蒸発器３００の液体側を加熱するため低熱伝導率の毛管吸上げ体３２０を通じて熱を伝導しなければならないから、液体側３３２、トレース５０４は遅れを生じた。蒸気側架橋部３０２の頂部の温度が飽和温度に達したとき、蒸発が開始し、蒸気側熱電対３２８、３３０の温度は変化し始め、蒸発器３００内の液体３３４の蒸発によって熱が吸引されることを示す。毛管吸上げ体３２０の乾燥点に達する迄、熱流束が漸進的に増大するから、温度トレース５００、５０２は、蒸気側の温度が上昇し続けることを示した。温度トレース５０４によれば、液体側温度は、開始する間、約９０℃の最高温度に達し、次に、増大した熱流束により室温の液体が蒸発器３００内に流れる量が増したとき、減少することが分かった。
【００４３】
図９Ｂには、フラクタル２蒸発器３００の同一の試験に対する熱流束の関数として蒸発器３００に対して計算した熱抵抗曲線５０６が示してある。曲線５０６は、試験が進むのに伴い、リアルタイムに生成された。最初の開始変化後、熱抵抗は、約０．１４Ｋ／（Ｗ／ｃｍ２）に安定し、約３００Ｗ／ｃｍ２の熱流束となる迄、かなり一定のままであった。このことは、極めて大きい値の熱流束迄、フラクタル２蒸発器３００は、毛管吸上げ体３２０が十分に湿った状態で作動することを示す。熱流束が３５０Ｗ／ｃｍ２に近づいたとき、熱抵抗は急速に増大し、毛管吸上げ体３２０が乾燥し始めたことを示す。乾燥後、蒸発器３００は、液体３３０を吸上げ体内に輸送するその能力を失い、液体の蒸発による熱吸収は行なわれず、蒸発器内の温度は急速に上昇した。
【００４４】
次に、図１０Ａから図１０Ｄ及び図７及び図８を参照すると、図１０Ａから図１０Ｄは、フラクタル０、フラクタル１、フラクタル２、フラクタル３蒸発器３００に対するそれぞれ熱抵抗対熱流束曲線６００、６０２、６０４、６０６を示す。これらの結果は、本発明の毛管蒸発器は顕著な最大の熱流束能力を有することを示す。例えば、図１０Ｄの曲線６０６にて示すように、フラクタル３蒸発器３００に対する試験の終了時に向けて、カートリッジヒータ３２６は、全パワーにて作動し、カートリッジヒータが取り付けられた銅構造体３２４は、その鉱物綿絶縁状態の下、赤熱状態に熱くなった。しかし、カートリッジヒータ３２６は、フラクタル３蒸発器３００を乾燥させるのに十分なパワーは無かった。毛管蒸発器に水３３４を供給するフラスコ内の全ての水が消費されたとき、試験を終了した。単位面積当たり最小の開口部全周を有するフラクタル１蒸発器３００でさえ、１００Ｗ／ｃｍ２以上の最大熱流束に抵抗した。これらは、単に局部的な高温箇所ではなく、蒸発器３００の断面積全体に亙る平均的熱流束であることが分かる。
【００４５】
フラクタル０蒸発器３００、すなわち、蒸気側架橋部３０２及び液体側架橋部３０４が存在しない試験蒸発器は、１つの架橋部を有するフラクタル１蒸発器よりも僅かに優れた成績であったことが分かる。全体として、その理由は、フラクタル１蒸発器３００のフラクタル層ＦＬ´´´の全周対面積の比は、フラクタル０蒸発器の蒸気マニホルド流路３１０の全周対面積の比よりも小さいからである。該フラクタル層ＦＬ´´´１の全周対面積の比が、蒸気マニホルド流路３１０の前周対面積の比よりも小さいことは意図的なものではなかった。しかし、フラクタル層ＦＬ´´´１の開口部が設計したものよりも小さいのは、これらの開口部を形成するために使用した化学的食刻過程の許容公差が比較的大きいためであった。当該技術分野の当業者が理解するように、例えば、フラクタル層ＦＬ´´´１の開口部の寸法を増大させることによりフラクタル層ＦＬ´´´１の全周対面積の比が蒸気マニホルド流路３１０の全周対面積のよりも大きくしたならば、フラクタル１蒸発器３００は、フラクタル０蒸発器の性能を上廻ることになろう。
【００４６】
図１１には、フラクタル０、フラクタル１、フラクタル２及びフラクタル３試験蒸発器３００の各々に対する最大測定熱流束値７００、７０２、７０４、７０６がそれぞれ示されており、これらの値は、フラクタル層、すなわち毛管吸上げ体３２０に最も近接する蒸発器に依存して、フラクタル層ＦＬ´´´１、ＦＬ´´´２又はＦＬ´´´３の開口部の開口部全周対面積の比、すなわち開口部の全周をフラクタル層の基部面積で割った値の関数である。フラクタル０、フラクタル１、フラクタル２蒸発器３００の場合、これらの値７００、７０２、７０４は、毛管吸上げ体３２０の乾燥状態を生じさせた熱流束にも相応する。この場合にも、最適でなく形成したフラクタル層ＦＬ´´´１は、フラクタル１蒸発器よりも大きい最大熱流束を有するフラクタル０蒸発器３００となることが分かる。フラクタル層ＦＬ´´´１がより最適に形成されたならば、フラクタル１蒸発器３００は、フラクタル０蒸発器の性能を上廻ったであろう。フラクタル３蒸発器の場合、乾燥熱流束は、６２０Ｗ／ｃｍ２という測定値７０６よりも実質的に大きいであろうし、それは、試験の終了時、熱抵抗は、毛管吸上げ体３２０がその乾燥熱流束付近にあることの徴候を何ら示さないからである。
【００４７】
これらの試験から、乾燥熱流束は、単位面積当たりのフラクタル開口部の全周と直線的に変化することが分かる。この観察は、蒸発器２０内の蒸発の殆どは、リブ３０と毛管吸上げ体２４との接触領域付近の極めて小さい帯域内で生じる点にて図１Ａから図１Ｃに関して上述した背景技術の欄の量的な記述と一致する。明確に、乾燥熱流束は無限に増大することはできないから、何らかの時点で、この近似化は、最早有効ではないことになろう。しかし、フラクタル３蒸発器内で使用した毛管吸上げ体３２０の測定透過率及び毛管水頭は、理想的な蒸発器において、毛管吸上げ体３２０に対して使用した吸上げ体は、約４，０００Ｗ／ｃｍ２の熱流束を支持することが可能であることを示唆する。このため、フラクタル３蒸発器３００のフラクタル層ＦＬ´´´１−３に対し１つ以上の追加的なフラクタル層を追加することは、相応する理想的な蒸発器の４，０００Ｗ／ｃｍ２の最大熱流束にほぼ近い結果となるであろう乾燥熱量流量の増大を実現することを続けることになろう。
【００４８】
本発明の毛管蒸発器の熱抵抗はまた、大幅に小さくすることができる。例えば、フラクタル３蒸発器３００の熱抵抗は、僅かに０．１３℃／（Ｗ／ｃｍ２）であった。この値は、従来の伝熱管の表面吸上げ蒸発器にて見られる値よりも約２ファクタ小さく、現在のＬＨＰ及びＣＰＬ蒸発器の熱抵抗よりも１桁程度又はより小さい。全体として、蒸気側架橋部、例えば、架橋部３０２を追加することは、追加的な熱伝導抵抗を生じさせる。しかし、本発明の結果、蒸気側架橋部の追加による、毛管吸上げ体、例えば、毛管吸上げ体３２０における蒸発抵抗の減少は、この架橋部の追加に起因する伝熱抵抗の増加を補償する以上のものであることが分かる。
【００４９】
本発明は、好ましい実施の形態に関して説明したが、本発明はこれにのみ限定されるものではないことが理解されよう。このように限定されないどころか、本発明は、上記及び特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲内に含まれるであろう全ての代替例、改変例及び等価物を包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】１Ａは、従来の毛管蒸発器の縦断面図である。１Ｂは、低熱流束状態下の毛管蒸発器を示す、図１Ａに図示した従来の毛管蒸発器の毛管吸上げ体／ハウジングの境界面における拡大断面図である。１Ｃは、高熱流束状態下にある毛管蒸発器を示す、図１Ａに図示した従来の毛管蒸発器の毛管吸上げ体／ハウジングの境界面における拡大断面図である。
【図２】本発明の毛管蒸発器の断面図である。
【図３】図２の毛管蒸発器の蒸気側架橋部の一部分を示す分解斜視図である。
【図４】図３の蒸気側架橋部を示す拡大部分平面図である。
【図５】５Ａは、図２の毛管蒸発器の蒸気側架橋部に対する１つの代替的な実施の形態を示す分解斜視図である。５Ｂは、図２の毛管蒸発器の蒸気側架橋部に対する別の代替的な実施の形態を示す分解斜視図である。５Ｃは、図２の毛管蒸発器の蒸気側架橋部に対する更に別の代替的な実施の形態を示す分解斜視図である。５Ｄは、図２の毛管蒸発器の蒸気側架橋部に対する更に別の代替的な実施の形態を示す分解斜視図である。
【図６】蒸気側及び液体側架橋部を有する本発明の代替的な毛管蒸発器の一部分を示す分解斜視図である。
【図７】本発明に従って形成された色々な毛管蒸発器の作動性能を定量化する実験を行うために使用した４つの試験蒸発器の１つを示す平面断面図である。
【図８】試験装置内に取り付けられた図７の試験蒸発器の平面断面図である。
【図９】９Ａは、試験蒸発器の１つに対する典型的な温度対時間トレースを示す図である。９Ｂは、熱抵抗対熱流束の相応する曲線を示す図である。
【図１０Ａ】１つの試験蒸発器に対する熱抵抗対熱流束を示すグラフである。
【図１０Ｂ】２つ目の試験蒸発器に対する熱抵抗対熱流束を示すグラフである。
【図１０Ｃ】３つ目の試験蒸発器に対する熱抵抗対熱流束を示すグラフである。
【図１０Ｄ】４つ目の試験蒸発器に対する熱抵抗対熱流束を示すグラフである。
【図１１】４つの試験蒸発器に対する単位面積当たりの最大測定熱流束対開口部全周のグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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