(57)【要約】【課題】  作動流体の還流を円滑に生じさせて熱輸送特性に優れたベーパーチャンバーを提供する。【解決手段】  入熱および放熱の状態に応じて蒸発および凝縮する凝縮性流体が作動流体３として中空平板状の密閉容器２内に封入されるとともに、その作動流体３が湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイック５Ａ，５Ｂが前記密閉容器２の内部に配置されたベーパーチャンバー１において、外部から入熱のある蒸発部６側に前記作動流体３が湿潤することにより大きい毛細管圧力を生じさせるウイック５Ａが配置され、かつ外部に対して熱を放散させる凝縮部８側に湿潤した作動流体３に対する流動抵抗の小さいウイック５Ｂが配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入熱および放熱の状態に応じて蒸発および凝縮する凝縮性流体が作動流体として中空平板状の密閉容器内に封入されるとともに、その作動流体が湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが前記密閉容器の内部に配置されたベーパーチャンバーにおいて、
外部から入熱のある蒸発部側に前記作動流体が湿潤することにより大きい毛細管圧力を生じさせるウイックが配置され、かつ外部に対して熱を放散させる凝縮部側に湿潤した作動流体に対する流動抵抗の小さいウイックが配置されていることを特徴とするベーパーチャンバー。
【請求項２】
前記蒸発部側のウイックが多孔質焼結体もしくは網状体によって構成され、かつ前記凝縮部側のウイックが前記多孔質焼結体より大きい微粒子からなる多孔質焼結体と前記網状体より粗い目の網状体と細溝とのいずれかから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のベーパーチャンバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、凝縮性の流体である作動流体の潜熱として熱を輸送するヒートパイプに関し、特に密閉容器が矩形平板状などの平板形状であってかつ液相の作動流体をその蒸発の生じる箇所に還流させるためのいわゆるポンプ力を毛細管圧力によって生じさせるように構成したベーパーチャンバーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、作動流体の潜熱の形で熱の輸送を行うヒートパイプが広く知られている。この種のヒートパイプは密閉容器（コンテナ）の内部から脱気した後、水などの凝縮性の流体を封入し、外部からの入熱によってその作動流体を蒸発させるとともに、その蒸気が低温・低圧の凝縮部に流動した後、放熱して凝縮することにより、作業流体の潜熱として熱を輸送するように構成した熱伝導素子である。したがって、ヒートパイプは、作動流体の潜熱として熱を輸送するために、熱伝導性がもっとも高いとされている銅による熱輸送量の数十倍ないし百数十倍の輸送能力を備えている。
【０００３】
この種のヒートパイプでは、蒸発して気相となった作動流体が低温・低圧側の凝縮部に流動することにより熱を輸送するが、その熱の輸送の後、凝縮した液相の作動流体をウイックによる毛細管圧力によって、蒸発部（入熱部）に還流させている。
【０００４】
そのウイックは、要は、毛細管圧力を生じさせるためのものであるから、作動流体とのいわゆる濡れ性が良好であり、かつ液相作動流体の液面に形成されるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小さくなるものであることが好ましい。そこで従来一般には、多孔質焼結体や極細線束などがウイックとして採用されている。これら従来のウイックのうち、多孔質焼結体における空孔の開口面積が他のウイックにおける開口面積よりも小さいので、発生させ得る毛細管圧力すなわち液相作動流体に対するポンプ力が大きく、またシート状に形成できるので、最近注目されている平板型などのベーパーチャンバーと称されるヒートパイプに容易に採用でき、これらの点で好ましいウイック材である。
【０００５】
このようにウイック材の改良などによってベーパーチャンバーを含むヒートパイプの熱輸送特性が向上しており、それに伴って小型化も図られている。これに対して、最近では、パーソナルコンピュータやサーバーあるいは携帯型電子機器などの小型・高容量化により、その冷却を如何におこなうかが問題となっており、これを解決するための手段としてヒートパイプが注目され、また多用されるようになってきている。このような小型・薄型化されたヒートパイプを利用した例が、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されている。
【特許文献１】特許第２７９４１５４号公報
【特許文献２】特許第３０６７３９９号公報
【特許文献３】特開２０００−４９２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したようにヒートパイプに内蔵するウイックとして多孔質体を使用すれば、液相作動流体を還流させるための毛細管圧力を増大させることができるので、ベーパーチャンバーの小型化に有利である。しかしながら、液相の作動流体は毛細管圧力によるポンプ力を利用して還流させるから、ウイックの内部を液相作動流体が流動することになるが、多孔質体ウイックにあっては、その内部に形成される流路が、多孔質体の素材である微粒子同士の間に生じる空孔によって形成され、その流路断面積が小さい上に、迷路のように複雑に入り組んでいてその流動抵抗が相対的に大きい問題がある。そのため、例えば外部からの入熱量が局部的に急激に増大した場合には、作動流体の蒸発が生じる箇所に対する液相作動流体の供給が不足して、ウイックが乾いた状態になるいわゆるドライアウトが生じる可能性がある。
【０００７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、蒸発部に対する液相作動流体の還流を促進して熱輸送能力を更に向上させることのできるベーパーチャンバーを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、この発明は、蒸発部側と凝縮部側とのウイックの構造を異ならせることにより、蒸発部では積極的に毛細管圧力を生じさせ、かつ凝縮部側では液相作動流体の流動を円滑化するようにしたものである。具体的には、請求項１の発明は、入熱および放熱の状態に応じて蒸発および凝縮する凝縮性流体が作動流体として中空平板状の密閉容器内に封入されるとともに、その作動流体が湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが前記密閉容器の内部に配置されたベーパーチャンバーであって、外部から入熱のある蒸発部側に前記作動流体が湿潤することにより大きい毛細管圧力を生じさせるウイックが配置され、かつ外部に対して熱を放散させる凝縮部側に湿潤した作動流体に対する流動抵抗の小さいウイックが配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２に記載してあるように、その蒸発部側のウイックは多孔質焼結体もしくは網状体によって構成することができ、また前記凝縮部側のウイックは記多孔質焼結体より大きい微粒子からなる多孔質焼結体と前記網状体より粗い目の網状体と細溝とのいずれかから構成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
したがってこの発明では、毛細管圧力の点で各ウイックを比較すると、蒸発部側のウイックで大きい毛細管圧力が生じ、また流動抵抗の点で各ウイックを比較すると、凝縮部側のウイックにおける流動抵抗が小さい。そのため、蒸発部に対する外部からの入熱によって作動流体が蒸発し、それに伴ってウイックの表面に生じる作動流体のメニスカスでの毛細管圧力が大きく（すなわちポンプ力が大きく）、また凝縮部で液化してウイックに浸透した液相作動流体が蒸発部に向けて還流する場合の凝縮部での流動抵抗が小さいので、液相作動流体が蒸発部に対して迅速にもしくは効率良く還流する。そのため、ベーパーチャンバーの全体としての作動流体の循環流動が円滑になるので、熱輸送特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。図１は、この発明に係るベーパーチャンバーの一具体例を示す模式的構造図であり、図２はそのII−II線矢視断面図である。このベーパーチャンバー１は、気密状態に密閉したコンテナ（中空密閉容器）２の内部に、空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で水などの凝縮性の流体を作動流体３として封入し、さらに毛細管圧力の大きなウイック５Ａを蒸発部６側に配置し、かつ作動流体の流動抵抗の小さいウイック５Ｂを断熱部７側および凝縮部８側に配置した複合のウイック構造を有している。
【００１２】
すなわち、コンテナ２は、銅などの熱伝導率の高い金属によって薄い直方体に形成されている。したがってそのコンテナ２の上面および下面は長方形状になっている。その長手方向の一方の端部付近には、電子部品が取り付けられるようになっている。したがって当該一方の端部に対して外部からの入熱があり、この部分が蒸発部６となっている。これとは反対側の端部で放熱が生じるように構成されており、したがって前記蒸発部６とは反対側の端部が熱を放散させる凝縮部８となっている。これら蒸発部６と凝縮部８との間の部分は、外部との熱授受のない断熱部７とされている。一例として断熱被覆（図示せず）が施され、あるいは外周側に空気層（図示せず）が形成されている。
【００１３】
ここで、前記蒸発部６側に配置されているウイック５Ａについて説明すると、液相作動流体３がウイック５Ａに湿潤すると、その表面側でメニスカスが生じ、そのメニスカスにおける実効毛細管半径に反比例した毛細管圧力が生じる。蒸発部６側にウイック５Ａは、その実効毛細管半径が小さくなるように構成されている。具体的には、微粒子（一例として粒径が２５〜１００μｍの銅粒子）を素材とした多孔質焼結体や網状体（一例として＃２００メッシュ）によって構成されている。
【００１４】
これに対して凝縮部８および断熱部７におけるウイック５Ｂは、凝縮して浸透した液相作動流体３が流動するいわゆる流路を形成するためのものであり、したがってその液相作動流体３の流動が円滑に生じるように構成されている。すなわち、ウイック５Ｂ内の流路となる空隙部分が、可及的に広い開口面積となり、あるいは空隙部分が可及的に直線状に繋がる形状となるように構成されている。具体的には、相対的に粗い目の網状体（一例として＃１００メッシュ）や素材粒子の径が前記蒸発部６側のものより相対的に大きい（一例として粒径が７５〜２５０μｍの銅粒子）多孔質焼結体、もしくは細溝（一例として０．１ｍｍ幅×０．１ｍｍ深さ）によって構成されている。
【００１５】
これらのウイック５Ａ，５Ｂは、適宜に組み合わせて使用することができ、その組み合わせの例を図３に実施例１ないし５として挙げてある。なお、各ウイック５Ａ，５Ｂを共に多孔質焼結体とする場合、それらを一体に形成することができ、その場合、各部分を構成する素材の粒径を異ならせればよい。また、各ウイック５Ａ，５Ｂを共にメッシュ材によって構成する場合、番手の異なるメッシュ材をその綱が目で絡み合わせて一体化される。さらに、凝縮部８側のウイック５Ｂを細溝で構成する場合、その細溝は蒸発部６側の多孔質焼結体もしくはメッシュ材に繋がった状態に形成される。すなわち、いずれの場合であっても、各ウイック５Ａ，５Ｂによって形成される流路が連通させられる。
【００１６】
上記の構成のベーパーチャンバー１における蒸発部６に外部から入熱があると、その熱がウイック５Ａに浸透している作動流体３に伝達されて作動流体３が蒸発する。これに対して凝縮部８で放熱が生じていることにより、凝縮部８側の圧力が低く、そのため作動流体３の蒸気が凝縮部８側に流動する。そして、熱が外部に奪われることにより作動流体３が凝縮し、液化した作動流体３がウイック５Ｂに浸透する。
【００１７】
蒸発部６側のウイック５Ａで作動流体３の蒸発が生じることにより、そのウイック５Ａにおけるメニスカスが下がるので、その実効毛細管半径に応じた毛細管圧力によって液相作動流体３を引き上げるポンプ力が生じる。そして、各ウイック５Ａ，５Ｂの内部に形成されている流路が連通し、かつ液相作動流体３によって満たされているので、上記のポンプ力に基づいて液相作動流体３が蒸発部６側に吸引される。こうして、作動流体３が蒸発と凝縮とを繰り返して蒸発部５と凝縮部８との間を循環流動することにより、作動流体３の主に潜熱として熱が輸送される。
【００１８】
この発明に係る前述したベーパーチャンバー１では、蒸発部６側のウイック５Ａが大きい毛細管圧力を生じるように構成され、これに対して凝縮部８および断熱部７でのウイック５Ｂが、液相作動流体３に対する流動抵抗が小さくなるように構成されているので、蒸発部５でのいわゆるポンプ力を阻害する圧力損失が小さくなる。その結果、上述したベーパーチャンバー１では液相作動流体３を還流させるポンプ力が強く、したがって入熱量が多くても、作動流体３を円滑に循環流動させ、いわゆるドライアウトなどを生じることなく熱輸送をおこなうことができる。
【００１９】
ここで、上記のベーパーチャンバー１における圧力分布と単一のウイックを設けた従来のベーパーチャンバーにおける圧力分布とを比較すると、図４のとおりである。図４におけるＰ１ないしＰ７は、図１におけるＡ１ないしＡ７の各点における圧力を示している。また、比較する従来例は、この発明に係るベーパーチャンバー１の蒸発部６側のウイック５Ａと同等のウイックを全体に設けたものである。したがって、実効毛細管半径に基づく圧力Ｐ７、蒸発による圧力損失が生じた後のＡ１位置での圧力Ｐ１、蒸気流の流動途中であるＡ２位置での圧力Ｐ２、凝縮部８側のＡ３位置での圧力Ｐ３、凝縮による圧力損失が生じた後のＡ４位置での圧力Ｐ４は、この発明に係るベーパーチャンバー１および従来例のいずれであっても同じになる。
【００２０】
しかしながら、この発明に係るベーパーチャンバー１では、凝縮部８側のウイック５Ｂが液相作動流体３に対する流動抵抗の小さいものであるから、蒸発部６に向けて流動する途中のＡ５’位置での圧力Ｐ５’と、蒸発部６のＡ６’位置での圧力Ｐ６’とが、凝縮部８のＡ４位置での圧力Ｐ４に対して大きくは変化しない。すなわち、負の圧力（吸引作用の元になる圧力）が大きくなる。これは、図４の（ΔＰ’＝Ｐ７−Ｐ６’）で表される。これに対して従来例では、ウイックでの流動抵抗が大きいために、その圧力損失が大きく、その結果、Ａ６位置での圧力が高くなってしまい、ポンプ力が相対的に小さくなる。これは、図４の（ΔＰ’＝Ｐ７−Ｐ６）で表される。
【００２１】
すなわち、この発明に係るベーパーチャンバー１によれば、液相作動流体３を還流させるポンプ力を高くすることができるので、入熱量が多い場合であっても作動流体を必要十分に還流させ、ドライアウトなどを生じることなく熱輸送をおこなうことができる。
【００２２】
なお、この発明のベーパチャンバーは、上記実施例の構成に限定されない。すなわち、図５または図６に示すように、凝縮部側のウイックと蒸発部側のウイックとの連結部分が、前記凝縮部側のウイックと蒸発部側のウイックとが積層されている構成とされ、液相作動流体の導入部分が形成されてもよい。具体的には、図５に示すように、断熱部７と蒸発部６との連結部分の断面において、ウイック５Ｂによってウイック５Ａが挟まれて導入部分９が形成されてもよい。あるいは、図６に示すように、断熱部７と蒸発部６との連結部分で、ウイック５Ａがウイック５Ｂの内側に入り込んで導入部分９が形成されてもよい。さらに、特に図示しないが、断熱部７と蒸発部６との連結部分で、ウイック５Ｂがウイック５Ａの内側に入り込んで導入部分９が形成されてもよい。このような構成の導入部分９が形成された場合、断熱部７と蒸発部６との連結部分で、急激に毛細管圧力が変化しない。したがって、ウイック５Ｂの網目部分を流動してきた液相作動流体６が、急激に蒸発部６側に吸引されないので、液膜の連続性が向上する。その結果、蒸発部６に液相作動流体３が効率良く還流し、さらに効率のよい熱輸送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明に係るベーパーチャンバーの一具体例を示す模式的構造図である。
【図２】図１のII−II線矢視断面図である。
【図３】図１に示すベーパーチャンバーのウイックを説明するための説明図である。
【図４】この発明に係るベーパーチャンバーと従来例とにおける圧力分布を示す図である。
【図５】この発明に係る蒸発部側ウイックと凝縮部側ウイックとの連結部分の一例を示す図である。
【図６】この発明に係る蒸発部側ウイックと凝縮部側ウイックとの連結部分の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…ベーパーチャンバー、  ２…コンテナ（密閉容器）、  ３…作動流体、  ５Ａ，５Ｂ…ウイック、  ６…蒸発部、  ８…凝縮部。
【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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