(57)【要約】【課題】    コンパクトで熱輸送能力の高い冷却装置を提供する。【解決手段】  蒸発部２の流出口２Ｂに接続させられた蒸気管５が凝縮部３の流入口３Ａに接続させられるとともに、前記凝縮部３の流出口３Ｂに接続させられた液戻り管４が前記蒸発部２の流入口２Ａに接続させられて全体として環状の流路が形成され、さらに前記環状の流路に、前記蒸発部２で蒸発させられ、かつ、前記凝縮部３で液化する作動流体が充填された冷却装置において、前記環状の流路に充填されている液相の作動流体６の量が、前記凝縮部３の流出口３Ｂから前記液戻り管４を介して前記蒸発部２の流入口２Ａまでの内部容積以上であって、前記凝縮部３の流入口３Ａから前記液戻り管４を介して前記蒸発部２の流出口２Ｂまでの内部容積未満の量とされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発部の流出口に接続させられた蒸気管が凝縮部の流入口に接続させられるとともに、前記凝縮部の流出口に接続させられた液戻り管が前記蒸発部の流入口に接続させられて全体として環状の流路が形成され、さらに前記環状の流路に、前記蒸発部で蒸発させられ、かつ、前記凝縮部で液化する作動流体が充填された冷却装置において、
前記環状の流路に充填されている液相の作動流体の量が、前記凝縮部の流出口から前記液戻り管を介して前記蒸発部の流入口までの内部容積以上であって、前記凝縮部の流入口から前記液戻り管を介して前記蒸発部の流出口までの内部容積未満の量であることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記蒸発部の内部に、高さが１ｍｍ以下で、かつ幅が１００μｍから３００μｍの細溝であるマイクロチャンネルが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発部と前記凝縮部とを連通している前記液戻り管の所定の箇所に、前記凝縮部から前記蒸発部に作動流体を還流させる還流用ポンプが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、潜熱として熱を輸送する作動流体を蒸発させる蒸発部と、その作動流体蒸気を凝縮させる凝縮部とが、循環管路によって連結されたループ型の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
密閉した容器や管路の内部に流体を封入し、外部から供給した熱を低温の箇所に輸送して、冷却する装置が、従来、知られている。この種の一例として、前記容器や管路の内部に、水やアルコール、アンモニアなどの液体を充填した構成の装置がある。このような構成の装置では、内部の液体がいわゆる作動流体として作用するため、入熱のある箇所から低温の箇所に効率よく熱が輸送されて冷却が行われる。しかしながら、前記装置では、容器や管路の内部に液体を充填しているので、装置全体が大型化、あるいは装置の重量が増大してしまう不都合がある。
【０００３】
上述の不都合を改善するために、前記装置をヒートパイプ、あるいはベーパチャンバーとした例がある。この種の最も一般的な構成は、パイプ状のコンテナの内部に、作動温度では凝縮することのない空気などのガスを脱気した後、水やアルコール、アンモニアなどの凝縮性の流体を封入したヒートパイプである。このようなヒートパイプでは、密閉した容器や管路の内部に封入した流体を、外部から供給した熱によって蒸発させ、その蒸気を低温かつ低圧の箇所に流動させた後放熱させ、その結果凝縮した流体を、外部から熱の入力される蒸発部に還流させることにより、前記流体の潜熱として熱を輸送する。したがって、作動流体の気相と液相とのいわゆる相変化を熱輸送に利用できる。
【０００４】
上記の装置では、容器や管路の内部に作動流体蒸気および液相作動流体が同時に存在している。この液相作動流体は、容器や管路に配置されるウイックの毛細管圧力などによって、ヒートパイプの内部を蒸発部側に向けて還流する。これに対して作動流体蒸気は、蒸発部側から作動流体の凝縮の生じる凝縮部に向けて流動する。したがって、前記容器や管路の内部において、還流する液相作動流体の流動方向と作動流体蒸気の流動方向とが互いに反対となる。そのために、液相作動流体が作動流体蒸気によって吹き飛ばされ、あるいは吹き戻され、これがいわゆる飛散限界となってヒートパイプの熱輸送能力が制限されることがある。
【０００５】
従来、このような不都合を解消できる冷却装置としてヒートパイプをループ型としたものが開発されている。これは、外部から入熱のある蒸発部と作動流体が放熱して凝縮する凝縮部とを分離して構成し、かつこれらの液相作動流体が蒸発部に向けて還流する液戻り管と作動流体蒸気の流動する蒸気管とによって環状（ループ状）に連結した構造のヒートパイプである。このような構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、上述した飛散限界などによる熱輸送能力の制約がなくなる。この種の冷却装置の一例が特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されている。
【特許文献１】特開平１０−１６０３６８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８８８２号公報
【特許文献３】特開２００２−１６８５７９号公報
【特許文献４】特開２００１−６６０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した冷却装置では、各部分が分離した構造となっているため飛散限界などによる熱輸送能力の制約がなくなる。しかしながら、外部から供給される熱量によっては、容器や管路の内部における気相および液相の作動流体の割合が変化し、熱輸送の点から見た場合、必ずしも内部の二相の作動流体の最適なバランスがとれていなかった。一方、最近の電子機器等の小型化によって、上述の装置のさらなる小型化、軽量化が要求されている。
【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、コンパクトで熱輸送能力の高い冷却装置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、請求項１の発明は、蒸発部の流出口に接続させられた蒸気管が凝縮部の流入口に接続させられるとともに、前記凝縮部の流出口に接続させられた液戻り管が前記蒸発部の流入口に接続させられて全体として環状の流路が形成され、さらに前記環状の流路に、前記蒸発部で蒸発させられ、かつ、前記凝縮部で液化する作動流体が充填された冷却装置において、前記環状の流路に充填されている液相の作動流体の量が、前記凝縮部の流出口から前記液戻り管を介して前記蒸発部の流入口までの内部容積以上であって、前記凝縮部の流入口から前記液戻り管を介して前記蒸発部の流出口までの内部容積未満の量であることを特徴とする冷却装置である。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記蒸発部の内部に、高さが１ｍｍ以下で、かつ幅が１００μｍから３００μｍの細溝であるマイクロチャンネルが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置である。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項１または２の構成に加えて、前記蒸発部と前記凝縮部とを連通している前記液戻り管の所定の箇所に、前記凝縮部から前記蒸発部に作動流体を還流させる還流用ポンプが配置されていることを特徴とする冷却装置である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、液相作動流体の充填量が、凝縮部の流出口から液戻り管を介して蒸発部の流入口までの内部容積以上とされることによって、冷却装置が熱輸送を行う際にドライアウトが生じない。一方、液相作動流体の充填量が、凝縮部の流入口から液戻り管を介して蒸発部の流出口までの内部容積未満とされることにより、液相作動流体のみの潜熱として熱輸送が行われることが回避される。そのため、蒸発部に入熱があると、凝縮部から液戻り管を介して蒸発部まで至る内部空間に液相作動流体が滞留するとともに、前記内部空間以外の空隙に作動流体蒸気が充満し、作動流体蒸気と、液相の作動流体とが所定の割合のままで効率よく流動する。その結果、特に、熱輸送能力を低減させることなく、冷却装置の作動流体の充填量を減少でき、冷却装置を軽量化できる。
【００１２】
また、請求項２の発明によれば、前記蒸発部の内部に、マイクロチャンネルが形成されているので、前記蒸発部と作動流体との熱交換面積を増加できる。したがって、効率よく作動流体に対して熱を伝達することができる。その結果、冷却装置の熱輸送能力を向上でき、装置を小型軽量化できる。
【００１３】
また、請求項３の発明によれば、蒸発部と凝縮部とに連通させられた液戻り管の適宜の箇所に、還流用ポンプが接続されていることによって、冷却装置の環状の流路に作動流体を必要に応じて補充できる。その結果、前記作動流体が効率よく冷却装置の内部を循環するので、冷却装置の熱輸送能力を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明によるループ型ヒートパイプ１は、図２に示すように、蒸発部２の流入口２Ａと凝縮部３の流出口３Ｂとが、液戻り管４によって接続され、さらに蒸発部２の流出口２Ｂと凝縮部３の流出口３Ａとが、液戻り管４よりも太径の蒸気管５によって接続され、全体として密閉された環状（ル−プ状）に形成されている。凝縮部３には、薄板状の放熱フィン１１が設けられている。このヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気された後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体６として封入されている。なお、作動流体６を必要に応じて補充するために、前記液戻り管４の適宜の箇所に、ポンプ７が接続されている。ポンプ７は、この例では、作動流体６を循環させるために、図示しないギヤケース内で二つの歯車が噛み合って回転し、その回転による吸引力で前記作動流体を吸込口から取込んで吐出口へ吐出する、いわゆるギヤポンプとされている。なお、この発明の還流用ポンプには、この他に、トコロイドポンプ、プランジャポンプ、ピストンポンプ、ベーンポンプなどの容積型ポンプを使用することができる。なお、この発明の還流用ポンプは、例えば、熱輸送を行うのに最適な量の作動流体蒸気を発生させるための温度を予め設定し、センサー等で検知することによって、最適なポンプ圧に制御することができる。
【００１５】
蒸発部２の一例を図２に示してある。この蒸発部２のコンテナ８の内面には、多数の「マイクロチャンネル」と称する細溝９が形成されている。この「マイクロチャンネル」とは、例えば、高さ０．７ｍｍ、幅１００μｍ程度の複数の微小フィンによって形成されるチャンネル（通路）のことである。これらの細溝９は、コンテナ８の内面の面積を増大するように機能し、また後述するように作動流体６の流路となるものであって、コンテナ８の長手方向に沿って形成されている。このコンテナ８の内面は多孔質体によって形成されている。この多孔質体は、セラミックあるいは金属粉末を原料としたものであって、例えばそれらの原料粉末を圧縮成形した後に焼結することにより製造されている。
【００１６】
上述の「マイクロチャンネル」は、例えば、ワイヤーカットなどの製造方法によって形成される。ワイヤーカットとは、周知の通り、銅やタングステンなどの細いワイヤーを巻き取りながら、これを電極として送りをかけて形成を行う放電加工の一種である。なお、この発明の「マイクロチャンネル」は、ワイヤーカット以外の他の放電加工や、切削加工によっても形成することができる。
【００１７】
ループ型ヒートパイプ１内部の作動流体は、液相の状態で、例えば、加熱追い出し法などによって充填される。加熱追出し法は、作動流体を注入した後、図示しない注入管部に仮締めをしてヒートパイプ全体を加熱し、内部圧力が所定圧力に達したことを確認した後、加熱を止め、注入管部の仮締めを解放し、非凝縮性ガスおよび作動流体蒸気を所定時間噴出させた後、注入管部を封止するものである。その際、ループ型ヒートパイプ１の作動時に、蒸発部２から蒸気管５を介して凝縮部３にまでに至る空隙１０が、真空あるいは作動流体蒸気が充満した空間となるように、作動流体６の充填量が調整される。具体的には、凝縮部３の流出口３Ｂから液戻り管４を介して蒸発部２の流入口２Ａまでの内部容積以上であって、前記凝縮部３の流入口３Ａから液戻り管４を介して蒸発部２の流出口２Ｂまでの内部容積未満の量の液相作動流体が、ループ型ヒートパイプ１における環状の流路に充填されている。したがって、蒸気管５内部には、ほぼ液相作動流体が進入しない構成となっている。なお、この発明の作動流体は、ガス液化法や真空ポンプ法などの他の充填方法によって充填されてもよい。
【００１８】
上記のループ型ヒートパイプ１は、重力のある環境および無重力環境のいずれでも使用できる。すなわち、蒸発部２のコンテナ８の内部には液相の作動流体６が供給されており、この作動流体６で、細溝９が湿潤した状態となっている。この状態で蒸発部２に対して熱が伝達されると、コンテナ８の内部の作動流体６が加熱されて蒸発する。その場合、前記コンテナ８の内面に細溝９が形成されているので、コンテナ８と作動流体６との熱交換面積が広く、したがって効率よく作動流体６に対して熱を伝達することができる。その結果、コンテナ８に所定量の作動流体蒸気が発生する。そして、作動流体蒸気は、細溝９を通って蒸気管５側に流動し、コンテナ８の一端部から蒸気管５に流出する。そのため、蒸気管５の内部の空隙に、コンテナ８の内部で発生する作動流体６の蒸気が充満する。
【００１９】
コンテナ８の内部において作動流体６の蒸発が生じることによって、細溝９の開口端にメニスカスが生じて、毛細管圧力によるポンプ力が生じる。したがって、作動流体６が細溝９の間に形成される間隙を通って、コンテナ８全体に分散するように供給される。その結果、前記コンテナ８の内面のほぼ全体に対して作動流体６が供給され、蒸発部２における実質的な入熱面積を広くすることができる。
【００２０】
一方、ポンプ７が駆動することによって作動流体６に圧力が生じ、ループ型ヒートパイプ１全体における作動流体の強制的な循環が行われる。上述したように、蒸気管５には、作動流体蒸気が充満している。ループ型ヒートパイプ内の圧力は均一なので、作動流体蒸気はほぼ逆流しない。したがって、ループ型ヒートパイプ１内部で蒸発部２から凝縮部３までの空隙１０に作動流体蒸気が充満し、前記空隙１０以外に液相作動流体が滞留する。そのため、作動流体蒸気と、液相作動流体とが所定の割合のままで流動し、蒸発部２に伝達された熱は、作動流体蒸気の潜熱として凝縮部３に効率よく輸送される。また、液相作動流体の充填量が、凝縮部３の流出口３Ｂから液戻り管４を介して蒸発部２の流入口２Ａまでの内部容積以上とされることによって、ループ型ヒートパイプ１が熱輸送を行う際にドライアウトが生じない。一方、液相作動流体の充填量が、凝縮部３の流入口３Ａから液戻り管４を介して蒸発部２の流出口２Ｂまでの内部容積未満とされることにより、液相作動流体のみの潜熱として熱輸送が行われることが回避される。したがって、特に、熱輸送能力を低減させることなく、ループ型ヒートパイプ１の作動流体の充填量を減少でき、その結果、ループ型ヒートパイプ１を軽量化できる。
【００２１】
また、蒸気管５の内部は、ほぼ完全に脱気されて真空度が調節されている。したがって、ループ型ヒートパイプ１内部における作動流体６の充填率を向上することができる。その結果、熱抵抗が低減され、ヒートパイプ１の熱輸送能力がさらに向上する。また、作動流体６の量を減らすことができるので、ループ型ヒートパイプ１を軽量化できる。そのため、ループ型ヒートパイプ１をコンパクトで冷却能力の高いものとすることができる。その結果、内部の空間が限られているモバイルパソコンや携帯電話等の電子機器にも、ループ型ヒートパイプ１を使用することができる。
【００２２】
その後、作動流体６の蒸気は蒸気管５を介して凝縮部３に至り、ここで外部に熱を放出して凝縮する。その結果生じた液相作動流体は、ポンプ７に生じる圧力によって液戻り管４を介して蒸発部２に還流する。
【００２３】
上述のヒートパイプ１では、液戻り管４の適宜の箇所に、ポンプ７が接続されていることによって、ヒートパイプ１全体に作動流体６を必要に応じて補充できる。さらにポンプ７が、容積型ポンプの一例であるギヤポンプとされている。そのため、ターボ型ポンプを使用した場合よりも消費電力を低減することができる。また、ターボ型ポンプを使用した場合よりも作動流体６のバブリングを低減できる。そのため、ヒートパイプ１内部における作動流体６の気液分離が促進され、キャビテーションを防止できる。また、前記気液分離により熱抵抗が低減されるので、ヒートパイプ１の熱輸送能力がさらに向上する。さらに、ヒートパイプ１を故障が少なく小型軽量なものとすることができる。その結果、ヒートパイプ１の製造コストを低減できる。
【００２４】
また、凝縮部３にフィン１１が設けられているので、放熱面積が増加する。したがって、作動流体６が効率よく凝縮する。その結果、作動流体６の流動性が向上し、ループ型ヒートパイプ１の熱輸送量が増大する。
【００２５】
ここで、この実施例の構成と、特許請求の範囲に記載された構成との対応関係を説明すれば、ループ型ヒートパイプ１がこの発明の冷却装置に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明のループ型ヒートパイプの一具体例を簡略的に示す平面図である。
【図２】図１の凝縮部の内部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…ループ型ヒートパイプ、  ２…蒸発部、  ３…凝縮部、  ２Ａ，３Ａ…流入口、  ２Ｂ，３Ｂ…流出口、  ４…液戻り管、  ５…蒸発管、  ６…作動流体、  ７…ポンプ、  ９…細溝。
【図１】
2005321155.tif 000003
【図２】
2005321155.tif 000004