(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路を有するヒートパイプ本体と、
該流路内に封入された封入流体と、
該封入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備し、
隣接する流路内の振動流を、前記吸熱部と放熱部との間を往復する逆位相の流れとするヒートパイプであって、
前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐｒが１００以下であり、
以下の式で定義される修正ウオマスリー（modified Womersley）数αが０．４〜７であることを特徴とする強制振動流型ヒートパイプ；
α＝Ｈ（ω／κ）1/2
Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ）
ω：振動の角周波数（単位１／ｓ）
κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【請求項２】
前記プラントル数Ｐｒが５０以下であり、
前記修正ウオマスリー数αが０．４〜７であることを特徴とする請求項１記載の強制振動流型ヒートパイプ。
【請求項３】
前記封入流体の比熱ｃpが、１００Ｊ／ｋｇ・Ｋより大であることを特徴とする請求項1又は2記載の強制振動流型ヒートパイプ。
【請求項４】
吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路を有するヒートパイプ本体と、
該流路内に封入された封入流体と、
該封入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備し、
隣接する流路内の振動流を、前記吸熱部と放熱部との間を往復する逆位相の流れとするヒートパイプの設計方法であって、
前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐｒを１００以下とし、
以下の式で定義される修正ウオマスリー（modified Womersley）数αを算出し、該数を０．４〜７の間で選択することを特徴とする強制振動流型ヒートパイプの設計方法；
α＝Ｈ（ω／κ）1/2
Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ）
ω：振動の角周波数（単位１／ｓ）
κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱体が発する熱を封入流体の振動流によって輸送する強制振動流型ヒートパイプに関する。特には、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプに関する。また、そのようなヒートパイプの設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートパイプは、封入流体を流動させて大量の熱を輸送することができるデバイスであり、電子回路基板に搭載される半導体素子等の発熱体の冷却に用いられる。
【０００３】
回路基板に搭載される部品の集積度は最近一層高くなっており、ヒートパイプの小型化と熱輸送能力の向上がより一層求められている。例えば、ノートブック型パーソナルコンピュータの場合、ヒートパイプをコンピュータ筐体内に納めるためには、パイプ径の細径化や薄板化が求められている。さらに、液晶パネル背面への熱輸送を図るためには、ヒートパイプのフレキシブル化も求められている。
【０００４】
ヒートパイプの典型例としては、ウィック型ヒートパイプを挙げることができる。これは、封入流体の蒸発と凝縮とを利用し、凝縮した封入流体の吸熱部（蒸発部）への還流を、ウィック（wick；灯心）等の毛管力の作用によって行うものである。
ところが、前述のウィック型ヒートパイプは、以下に述べる欠点を有している。
（ａ）熱輸送量に上限界があり、この上限値がパイプ径の減少とともに急速に低下する。
（ｂ）ヒートパイプの内部構造が、封入流体を還流させるためにやや複雑で特殊になる。
【０００５】
（ｃ）熱輸送量が不凝縮性ガス濃度に影響され易い。
（ｄ）ウィック型ヒートパイプは、いわゆる受動型デバイス（外部から動力供給を行わずに作動するデバイス）であり、トップヒート（top  heat；吸熱部が重力方向の上部にある状態）や微小重力場では作動することが困難である。
前記（ａ）あるいは（ｂ）の欠点を有するため、ウィック型ヒートパイプは細径化やフレキシブル化が困難である。そのため、前記（ａ）〜（ｄ）の欠点を解消した新たなヒートパイプが求められている。
【０００６】
このような状況下で、封入流体の振動流によって効果的に熱輸送を行うことができる振動流型ヒートパイプが注目されている。この振動流型ヒートパイプは、以下に述べる（Ｉ）、（ＩＩ）のタイプに大きく分けることができる；
（Ｉ）封入流体の相変化を利用するタイプ
このタイプは、蛇行閉ループに液体とその蒸気とをある割合で封入し、自励的に発生する二相振動流や脈動流を利用するものである。
【０００７】
（ＩＩ）封入流体の相変化を利用しないタイプ
このタイプは、強制振動流における拡散促進効果を利用するもので、強制振動流型ヒートパイプと呼ばれる。この強制振動流型ヒートパイプには、同位相式（ドリームパイプ）と逆位相式（コスモス式；Counter−Stream−Mode  Oscillating−Flow（ＣＯＳＭＯＳ））とがある。
ドリームパイプは、ヒートパイプ本体が細い管群となっており、隣接する管内の振動流を同位相とするものである。なお、このようなドリームパイプは、Kurzweg-Zhao、Phys.  Fluid、２７（１９８４）、２６２４−２６２７により提案された。
【０００８】
コスモスヒートパイプは、ヒートパイプ本体が蛇行閉ループとなっており、隣接する流路内の振動流を逆位相とするものである。このコスモスヒートパイプは、ウィック式や相変化式のヒートパイプに比べて、トップヒートへの対応性が高い。さらに、振動流の振幅や周波数を変えることで熱輸送量をコントロールできるので、発熱体の温度コントロールが可能であるという利点もある。さらには、パイプの細径化やフレキシブル化への対応も可能と考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コスモスヒートパイプは、まだ実用化されていない。
本発明は、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供することを目的とする。
また、そのようなヒートパイプの設計方法を提供することも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の強制振動流型ヒートパイプは、吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路を有するヒートパイプ本体と、 該流路内に封入された封入流体と、 該封入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備し、 隣接する流路内の振動流を、前記吸熱部と放熱部との間を往復する逆位相の流れとするヒートパイプであって、 前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐｒが１００以下であり、 以下の式で定義される修正ウオマスリー（modified Womersley）数αが０．４〜７であることを特徴とする強制振動流型ヒートパイプ；
α＝Ｈ（ω／κ）1/2
Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ）
ω：振動の角周波数（単位１／ｓ）
κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【００１１】
本発明の強制振動流型ヒートパイプの設計方法は、吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路を有するヒートパイプ本体と、 該流路内に封入された封入流体と、 該封入流体に振動流を生じさせる加振機構と、を具備し、 隣接する流路内の振動流を、前記吸熱部と放熱部との間を往復する逆位相の流れとするヒートパイプの設計方法であって、 前記封入流体のプラントル（Prandtle）数Ｐｒを１００以下とし、 以下の式で定義される修正ウオマスリー（modified Womersley）数αを算出し、該数を０．４〜７の間で選択することを特徴とする強制振動流型ヒートパイプの設計方法；
α＝Ｈ（ω／κ）1/2
Ｈ：前記流路幅の半分（単位ｍ）
ω：振動の角周波数（単位１／ｓ）
κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【００１２】
本発明は、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とする手法を提供し、強制振動流型ヒートパイプの実用化・汎用化を促進できる。
【００１３】
本発明の強制振動流型ヒートパイプにおいては、前記プラントル数Ｐｒが５０以下であり、  前記修正ウオマスリー数αが０．４〜７であることが好ましい。また、前記封入流体の比熱ｃpが、１００Ｊ／ｋｇ・Ｋより大であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
まず、逆位相式（コスモス式）の強制振動流型ヒートパイプ（以下、コスモスヒートパイプという）の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るコスモスヒートパイプの一例を示す模式図である。
図１に示すコスモスヒートパイプのヒートパイプ本体１は、吸熱部と放熱部との間で蛇行する閉ループ流路２を有する。ヒートパイプ本体１の隣接する流路２間には、図の上側から下側に延びる壁部１ａ（図１の例においては４つ）と、図の下側から上側に延びる壁部１ｂ（図１の例においては５つ）が存在する。
【００１５】
ヒートパイプ本体１の流路２内には、封入流体が封入されている。この封入流体としては、後述する様々な液体等を用いることができる。ヒートパイプ本体１の流路２の両端末の連結部分２ａには、バイブレータ（加振機構）３が設けられている。バイブレータ３としては、ソレノイドやダイヤフラム等を用いることができる。このバイブレータ３を作動すると、流路２内に封入された封入流体に振動流が生じる。流路２内における封入流体の振動流は、隣り合う流路内で逆位相となる。
なお、このようなコスモスヒートパイプにおいては、長手方向の端部、この例では図の上部が吸熱部７となり、図の下部が放熱部８となる。
【００１６】
次に、参考例とし、同位相式（ドリーム式）の強制振動流型ヒートパイプの構成について説明する。
図２は、同位相式（ドリーム式）の強制振動流型ヒートパイプの一例を示す模式図である。
図２に示すドリームパイプのヒートパイプ本体１１は、温熱貯蔵部１２と冷熱貯蔵部１３を有する。これらの貯蔵部１２、１３間は、パイプ群１４で繋がれている。パイプ群１４は、この例では５つの細い管群であり、それぞれは壁部１４ａで仕切られている。両貯蔵部１２、１３及びパイプ群１４の流路１５内に、封入流体が封入されている。ヒートパイプ本体１１の冷熱貯蔵部１３には、ソレノイドやダイヤフラム等からなるバイブレータ（加振機構）１６が設けられている。このバイブレータ１６を作動すると、ヒートパイプ本体１１内に封入された封入流体に振動流が生じる。流路１５内における封入流体の振動流は、隣り合う流路内で同位相となる。
【００１７】
次に、コスモスヒートパイプについて、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とするための設計条件について説明する。
図１に示すようなコスモスヒートパイプについて、平行平板間の幅２Ｈの二次元流路内で、流路長さ方向ｙの圧力勾配Ｐｃｏｓ[ωｔ]（Ｐ：振動流の圧力振幅（単位Ｐａ）、ω：バイブレータの振動の角周波数（単位１／ｓ）、ｔ：時間（単位ｓ））によって誘起される周期定常な層流振動流を考える。なお、以下の説明においては、簡単のため流路壁の厚さはゼロとする。このように仮定しても、銅やアルミニウム等の標準的な材料で通常の厚さ（例えば０．１〜０．３ｍｍ）を選択する限りにおいては、大勢に影響はない。
【００１８】
本発明者等が「機論Ｂ編、６０（１９９４）、３４９８−３５０３（史小宏・西尾茂文・舟津功治）」及び「Int．J．Heat&Mass  Transfar、３８（１９９５）、２４５７−２４７０（S.Nishio、X.-H.Shi  and  W.-M.Zhang）」に示したように、コスモスヒートパイプの無次元実効熱拡散率κef*に関しては、次の「数１」が成立する；
【数１】
0004724317.tif 000002
なお、上式において、‘≡’は‘定義する’という意味である。
【００１９】
この「数１」において、ｉは虚数単位、Ｒｅ[Ｘ]はＸの実部を意味する。さらに、Ｐｒはプラントル（Prandtle）数を表し、αは修正ウオマスリー（modified Womersley）数を表す。ここで、修正ウオマスリー数αは、次式で定義される；
α＝Ｈ（ω／κ）1/2
但し、Ｈ：パイプ（図１参照）の流路幅の半分（単位ｍ）
ω：バイブレータ（図１参照）の振動の角周波数（単位１／ｓ）
κ：封入流体の熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）。
【００２０】
さらに、「数１」におけるＭuは、次の「数２」で与えられる；
【数２】
0004724317.tif 000003
但し、β≡Ｈ√(２ω/ｖ)
ｖ：封入流体の動粘性係数（単位ｍ2／ｓ）
である。
さらに、「数１」において、
κef：封入流体の実効熱拡散率（単位ｍ2／ｓ）
Ｓ：振動流の体積振幅（単位ｍ）
である。
【００２１】
一方、図３に示すドリームパイプが、単位長さと単位温度勾配（温度勾配Ω＝１（単位Ｋ／ｍ））を有するものとし、このようなドリームパイプが輸送可能な熱量（単位Ｗ）と振動流を駆動するための仕事との比を基準動作係数ηseと呼ぶと、これは次の「数３」で与えられる；
【数３】
0004724317.tif 000004
但し、Ａc：コスモスヒートパイプの流路総断面積（ｍ2）
ｃp：定圧比熱（単位Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
ｕ：封入流体の流速（単位ｍ／ｓ）
である。
【００２２】
「数１」によれば実効熱拡散率κefはＳ2に比例し、「数３」によれば基準動作係数ηseはＳに依存しないことがわかるので、振動流の体積振幅Ｓはシステムが許容できる最大の値とすることが妥当である。そこで、本実施例では、振動流の体積振幅Ｓを所与とし、無次元実効熱拡散率κef*と動作係数を最大にする条件について考察する。
【００２３】
まず、無次元実効熱拡散率を最大にする条件について考察する。
図３は、無次元実効熱拡散率κef*を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータとして示したグラフである。
図３のグラフにおいて、縦軸は無次元実効熱拡散率κef*を表し、横軸は修正ウオマスリー数αを表す。白抜き記号はコスモスヒートパイプを表し、○、□及び◇は、それぞれプラントル数をＰｒ＝０．０１、１及び１００とした場合の値を示す。黒塗り記号はドリームパイプを表し、●、▲、■及び◆は、それぞれプラントル数をＰｒ＝０．０１、０．１、１及び１００とした場合の値を示す。
【００２４】
図３のグラフからわかるように、コスモス式ならびにドリーム式ヒートパイプの双方について、各プラントル数Ｐｒで無次元実効熱拡散率κef*が最大となる修正ウオマスリー数αが存在する。最大値の具体的な数値は、以下の通りである；
（Ａ）コスモスヒートパイプの場合
（Ａ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．５６において無次元実効熱拡散率κef*＝０．２２８。
（Ａ２）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．５６において無次元実効熱拡散率κef*＝０．２９９。
（Ａ３）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．５７において無次元実効熱拡散率κef*＝０．３００。
【００２５】
（Ｂ）ドリーム式ヒートパイプの場合
（Ｂ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．３４において無次元実効熱拡散率κef*＝０．００１５２。
（Ｂ２）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては修正、ウオマスリー数α＝１．８４において無次元実効熱拡散率κef*＝０．０１２２。
（Ｂ３）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマスリー数α＝２．８９において無次元実効熱拡散率κef*＝０．０４２０。
（Ｂ４）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウオマスリー数α＝３．１９において無次元実効熱拡散率κef*＝０．０４７７。
【００２６】
本発明では、コスモスヒートパイプの無次元実効熱拡散率κef*が、ドリームパイプを上回る修正ウオマスリー数αの範囲を選択する観点から、修正ウオマスリー数αを０．４〜７とした。
【００２７】
次に、動作係数を最大にする条件について考察する。
目的の実効熱拡散率をκef、0とすると、「数１」より次式が得られる；
【数４】
0004724317.tif 000005
【００２８】
この「数４」を「数３」に代入すると、次の「数５」が得られる；
【数５】
0004724317.tif 000006
【００２９】
図４は、「数５」における動作係数η0を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータとして示したグラフである。同図（ａ）がコスモスヒートパイプの場合を表し、同図（ｂ）がドリームパイプの場合を表す。
図４のグラフにおいて、縦軸は「数５」における動作係数η0を表し、横軸は修正ウオマスリー数αを表す。図４（ａ）のコスモスヒートパイプについては、プラントル数をＰｒ＝０．０１、０．１、１、１０及び１００とした場合のグラフを示す。図４（ｂ）のドリームパイプについては、プラントル数をＰｒ＝０．１、１、１０及び１００とした場合のグラフを示す。
【００３０】
図４のグラフからわかるように、コスモス式ならびにドリーム式ヒートパイプの双方について、各プラントル数Ｐｒでη0が最大となる修正ウオマスリー数αが存在する。最大値の具体的な数値は、以下の通りである；
【００３１】
（Ｃ）コスモスヒートパイプの場合（図４（ａ）参照）
（Ｃ１）プラントル数Ｐｒ＝０．０１に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．７２において動作係数η0＝０．５０３。
（Ｃ２）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．６９において動作係数η0＝０．２１３。
（Ｃ３）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．８４において動作係数η0＝０．０５０２。
（Ｃ４）プラントル数Ｐｒ＝１０に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．８７において動作係数η0＝０．００５２５。
（Ｃ５）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウオマスリー数α＝１．８７において動作係数η0＝０．０００５２５。
【００３２】
（Ｄ）ドリーム式ヒートパイプの場合（図４（ｂ）参照）
（Ｄ１）プラントル数Ｐｒ＝０．１に対しては、修正ウオマスリー数α＝２．２５において動作係数η0＝２．６７×１０-5。
（Ｄ２）プラントル数Ｐｒ＝１に対しては、修正ウオマスリー数α＝３．２１において動作係数η0＝４．０２×１０-4。
（Ｄ３）プラントル数Ｐｒ＝１０に対しては、修正ウオマスリー数α＝３．８４において動作係数η0＝８．７３×１０-5。
（Ｄ４）プラントル数Ｐｒ＝１００に対しては、修正ウオマスリー数α＝３．８５において動作係数η0＝８．８６×１０-6。
【００３３】
この動作係数η0を最大にする条件は、「数５」により、定圧比熱ｃpが互いに近い値の封入流体であり、また振動流の体積振幅Ｓが固定した条件で目的の実効熱拡散率κef、0を実現する際に、最も高い動作係数を与える条件である。したがって、この動作係数η0が最大になるように条件設定すると動作係数を適切な範囲とすることができる。このように、振動流の体積振幅Ｓが与えられたときに、動作係数η0と熱拡散率（無次元実効熱拡散率κef）を最適にする条件が決定される。前述のα＝０．４〜７の範囲において、動作係数η0はドリームパイプよりはるかに大きく、好ましい範囲といえる。
【００３４】
次に、前述の設計条件に基づくコスモスヒートパイプの具体的な数値例について述べる。
強制振動流型ヒートパイプの封入流体の平均温度を３００Ｋとし、封入流体をＮａ−Ｋ（プラントル数Ｐｒ＝０．０４５）、水（プラントル数Ｐｒ＝５．８５）、又は、エタノール（プラントル数Ｐｒ＝２０．８）とする。また、振動流の体積振幅はＳ＝５０ｍｍ、振動の角振動数はω＝２π（周波数は１Ｈｚ）とする。
【００３５】
図５は、この条件下におけるコスモスヒートパイプについて、流路幅２Ｈ、得られる実効熱拡散率と銅の熱拡散率との比χ、及び、基準動作係数ηseの値をそれぞれ示す表である。なお、基準動作係数ηseの値は、温度勾配がΩ＝１Ｋ／ｍの場合である。
図５の表に示す通り、前述した最適条件下（η0が最大になるような条件下）でのコスモスヒートパイプは、封入流体がＮａ−Ｋ、水、エタノールのいずれであっても、実効熱拡散率と銅の熱拡散率との比χ＝３４〜４０となっており、銅に比べて高い実効熱伝導率と動作係数が実現できる。例えば、現実の温度勾配を１０Ｋ／ｍとし、封入流体を水とした場合は、本発明に係る設計条件に基づくコスモスヒートパイプは、図５のηseと１０ｋ／ｍから熱輸送量の１／８９であり、熱輸送量の１％程度の加振仕事で銅の４０倍程度の熱輸送が実現できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、輸送熱量と加振エネルギーの比（動作係数）を適切な範囲とした強制振動流型ヒートパイプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るコスモスヒートパイプの一例を示す模式図である。
【図２】同位相式（ドリーム式）の強制振動流型ヒートパイプの一例を示す模式図である。
【図３】無次元実効熱拡散率κef*を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータとして示したグラフである。
【図４】「数５」における動作係数η0を、修正ウオマスリー数αに対して、プラントル数Ｐｒをパラメータとして示したグラフである。同図（ａ）がコスモスヒートパイプの場合を表し、同図（ｂ）がドリームパイプの場合を表す。
【図５】コスモスヒートパイプについて、流路幅２Ｈ、得られる実効熱拡散率と銅の熱拡散率との比χ、及び、基準動作係数ηseの値をそれぞれ示す表である。
【符号の説明】
１  ヒートパイプ本体                        １ａ、１ｂ  壁部
２  閉ループ流路                            ２ａ  両端末の連結部分
３  バイブレータ（加振機構）
７  吸熱部                                  ８  放熱部
【図１】
0004724317.tif 000007
【図２】
0004724317.tif 000008
【図３】
0004724317.tif 000009
【図４】
0004724317.tif 000010
【図５】
0004724317.tif 000011