(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の主な蒸発が起こる中央チャンバを形成する気化空洞領域、前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に形成されている基板と、
前記基板の上部に設けられる上板と、
前記毛細管領域に設けられ、毛細管力によりマニホルド領域から前記気化空洞領域への冷媒流動力を発する毛細管力発生部と、
前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、
前記マニホルド領域に液状の冷媒を外部から供給する冷媒供給部を含む供給手段と、
前記上板と基板との間で前記気化空洞領域の中央部側に延びる部分を有する補助毛細管力発生部とを含むことを特徴とする平板型気化器。
【請求項２】
前記基板または上板の一側面から前記マニホルド領域に連結される冷媒供給通路が形成されており、前記上板の一側面から前記気体捕集部に連結される冷媒排出通路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の平板型気化器。
【請求項３】
前記補助毛細管力発生部の胴体はリング状であって前記毛細管力発生部の上方に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平板型気化器。
【請求項４】
前記補助毛細管力発生部の延長部は、断面長方形状またはその先端部に断面円形状のピンを多数備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の平板型気化器。
【請求項５】
前記毛細管力発生部は所定間隔で分離されており、ピンにより相互連結されているリング状胴体を有する補助ウィック構造体により設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の平板型気化器。
【請求項６】
前記上板の気体捕集部は前記上板に形成され、上方にいくほど狭まる円錐形構造を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の平板型気化器。
【請求項７】
前記円錐形構造の気体捕集部の内壁に少なくとも一つの階段型エッジ部分が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の平板型気化器。
【請求項８】
前記毛細管力発生部は多数の空洞部を有する多孔質体により設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平板型気化器。
【請求項９】
前記補助毛細管力発生部の胴体はリング状であり、前記毛細管力発生部の上方に位置することを特徴とする請求項８に記載の平板型気化器。
【請求項１０】
前記補助毛細管力発生部の延長部は、断面長方形状またはその先端部に断面円形状のピンを多数備えることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の平板型気化器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は毛細管による作動流体循環構造を有する気化器に係り、詳細には蒸発空洞の周囲を取り囲む放射状毛細管力発生部構造体を有する平板型気化器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電子技術の発展につれ、電子装備のモジュール化、小型化及び高出力化を達成し、これにより電子装備における単位面積当たり熱発散率は増加しつつある。このような電子装備の発生熱に対する適切な調節能力が設計及び作動中に考慮されなければならない重要な事項である。電子装備における温度調節のための方式としては熱伝導、空気の自然対流／輻射または強制対流、液体による冷却、潜水冷却、ヒートパイプなどがある。
【０００３】
最近に研究されているＣＰＬ（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｐｕｍｐｅｄ ｌｏｏｐ）は冷媒が相変化する境界面で生じる表面張力を冷媒の流動のための駆動源として適用するシステムである。このように、ＣＰＬを応用した冷却システムは、熱源から気相の冷媒を用いて熱を移送させる気化器及び気化器から排出される気相の冷媒を液体に凝縮するコンデンサを含む。
【０００４】
ＣＰＬ気化器は、熱源から放出される熱が冷媒の相変化に効率よく寄与できるように構成されること、及び冷媒の相変化部分で生じる表面張力が冷媒を移送させる駆動源であるため、相変化する境界面が熱源の周りに均一に分布されることが要求される。
【０００５】
米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）のルイスセンターのステンジャーによる冷却装置は、パイプ内に冷媒が流動する一つのループを構成し、パイプの一定部分に冷媒流動経路上に毛細管現象を起こす多孔体を有する蒸発部が設けられ、その他の部分では放熱が起こることにより冷媒が凝縮されるような構造を有する。このように、パイプループの構造は小型化し難いため、小型の電子応用機器などに適用し難い。
【０００６】
一方、スワンソン等による米国特許第５，７２５，０４９号公報にはＣＰＬが適用された平板型熱交換器が開示されている。
【０００７】
スワンソンによる熱交換器は、蒸発器、コンデンサ及びこれらの間に設けられた液体管及び気体管を含む。蒸発器は、上部胴体と下部胴体との間にその上面に前記液体管につながるグルーブが形成され、その底面には前記気体管につながるグルーブが形成された多孔性物質が位置するような構造を有する。
【０００８】
このように、スワンソンによる熱交換器は、冷媒が多孔体の上部グルーブの中央部分から供給された後にその周りのグルーブに広がって多孔体の胴体を通過しつつ相変化され、その後、その下部のグルーブを通じて気体管に抜け出るような構造を採択している。
【０００９】
しかしながら、このスワンソンによる熱交換器は、その構造上、小面積で高熱量の熱源の冷却装置や小型薄型の装置としては用い難い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１目的は、小型薄型化が可能な平板型気化器を提供することである。
本発明の第２目的は、小型でありながらも冷却効率の高い平板型気化器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、冷媒の主な蒸発が起こる中央チャンバを形成する気化空洞領域、前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に形成されている基板と、前記基板の上部に設けられる上板と、前記マニホルド領域から気化空洞領域への冷媒流動力を発する毛細管力発生部と、前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、外部から前記マニホルド領域に液状の冷媒を供給する液体供給部を含む供給手段と、前記上板と基板との間で前記気化空洞領域の中央部側に延びる延長部を有する補助毛細管力発生部とを含むことを特徴とする平板型気化器が提供される。
【００１２】
前記本発明において、本発明の一実施例によれば、前記毛細管力発生部は多数の空洞部を有する多孔質体により設けられ、他の実施例によれば、マニホルド領域から前記気化空洞領域への冷媒流動ギャップを提供する多数の密集した柱を具備するウィック構造体により設けられる。
【００１３】
前記本発明の気化器の実施例によれば、前記補助細管力発生部の胴体はリング状であって前記毛細管領域の上方に位置する。本発明の一実施例によれば、前記補助毛細管力発生部の前記気化空洞領域に延びる部分は毛細管力を発生できる多孔質体で形成され、望ましくは前記延長部を含んでリング状の胴体全体が多孔質体で形成される。
【００１４】
一方、本発明のまた他の実施例によれば、前記リング状の胴体内側から延びる部分は多数のピンによる補助ウィック構造体である。前記補助ウィック構造体のピンは、断面長方形状またはその先端部に円形の拡張部が設けられる構造のうちいずれか一つを有する。また、前記補助ウィック構造体のリング状の胴体は所定間隔で分離されており、ピンにより相互連結されている構造を有する。
【００１５】
一方、本発明の他の実施例によれば、前記上板の気体捕集部は上板に形成され、上方にいくほど狭まる円錐形構造を有し、前記円錐形構造の気体捕集部の内壁に少なくとも一つの階段型エッジ部分が形成されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による平板型気化器の断面図であり、図２は、図１に示された気化器１に適用される基板１０の平面図であり、図３は、図２に示された基板１０に補助毛細管力発生部のリング状補助ウィック構造体４０が設けられた基板１０の概略的平面図であり、図７は、図１に示された気化器に適用される上板２０の底面図である。
【００１７】
図１及び図２を参照すれば、気化器１は、基板１０と、この基板１０上に積層される上板２０とを備える。基板１０の上面には、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバ１１が形成される気化空洞領域Ａと、前記中央チャンバ１１を取り囲む環状の毛細管領域Ｂ及びこの毛細管領域Ｂを取り囲む環状のマニホルド領域Ｃに区切られた共通チャンバが所定の直径及び深さをもって形成されている。
【００１８】
前記気化空洞領域Ａは前記毛細管領域Ｂを通じて流入された冷媒が収容されるものであって、基板１０の底面の熱源３０から供給された熱により冷媒が蒸発する領域である。
【００１９】
前記気化空洞領域Ａを取り囲む毛細管領域Ｂは、冷媒に対して毛細管力を生じる多数の毛細管力発生部が密に配置されている領域である。本発明の第１実施形態による気化器の実施例は、断面長方形状のウィック（ｗｉｃｋ）構造体１２が前記気化空洞領域を中心として放射状に２列で配置され、その上端は前記上板２０の底面に接触されるような構造を有する。ウィック構造体１２は、マニホルド領域Ｃから気化空洞領域Ａへの冷媒流動ギャップを提供する。ここで、ウィック構造体は、前記断面長方形状のほかに、毛細管現象を起こせるものであれば、他の形状にも変形可能である。
【００２０】
前記毛細管領域Ｂを取り囲むマニホルド領域Ｃは、前記毛細管領域Ｂに冷媒を均一に供給するための液状の冷媒の進行経路であって、基板１０の一側に形成された冷媒流入通路１４につながっている。前記冷媒流入通路あるいは冷媒供給通路は、基板１０以外に上板２０側に設けられる場合もある。
【００２１】
図７を参照すれば、前記基板１０の上に固定される上板２０の内面には前記気化空洞領域Ａの中央チャンバ１１に対応する気体捕集部２１が設けられており、この気体捕集部２１は、気相の冷媒を外部に排出する排出通路２２につながっている。
【００２２】
図１及び図３を参照すれば、毛細管領域Ｂの上部に補助毛細管力発生部の補助ウィック構造体４０が設けられる。補助ウィック構造体４０内の縁部には毛細管力を起こせる多数本のピン４１が形成されている。前記ピン４１は中央チャンバ１１の中心に向かって所定長さに延びている。このように、補助ウィック構造体は気化空洞領域Ａ、すなわち、中央チャンバに十分の冷媒が供給されるようにして冷媒不足によるドライアウトを抑制し、特に前記ウィック領域Ｂの毛細管力発生部１２と共に冷媒の流動力を増やす。
【００２３】
図４は、本発明による平板型気化器の第２実施例の断面図であり、図５は図４に示された気化器１に適用される基板１０の平面図であり、そして図６は上板２０を除外した基板１０、主毛細管力発生部としてのリング状多孔質体１２ａ及び補助毛細管力発生部としての補助ウィック構造体４０の結合関係を示した分離斜視図である。図７は図４及び図１に示された本発明の気化器に適用される上板２０の底面図である。
【００２４】
図４ないし図６を参照すれば、本発明による第２実施例の気化器は第１実施例でのウィック構造体１２がリング状多孔質体１２ａに変更された。このリング状多孔質体１２は前述したウィック構造体１２と同じ機能を有する毛細管力発生部として毛細管領域Ｂに設けられ、毛細管力により冷媒をマニホルド領域Ｃから気化空洞領域Ａに移動させる。多孔質体１２ａの上面には補助毛細管力発生部の補助ウィック構造体４０が設けられるリング状リセス１２２が形成されている。
【００２５】
一方、前記基板１０の毛細管領域Ｂの底部には前記リング状多孔質体１２ａの下端部が挿入されるリング状リセス１２１が形成されている。前記二つのリセス１２１、１２２は基板１０に対する多孔質体１２ａ及び補助ウィック構造体４０の安定した位置決定及び維持のための要素であって、選択的な要素である。
【００２６】
他の実施例によれば、前記多孔質体１２ａと補助ウィック構造体４０とは一体的に形成される。このように一体化された多孔質体−補助ウィック構造体は金属粉末の成形及び焼結過程を伴う粉末冶金法により得られる。すなわち、多孔質体１２ａと補助ウィック構造体４０いずれも毛細管力を発生できる多孔性物質で形成されうる。
【００２７】
このような構造を有する本発明による気化器は、下記の三つの特徴を有する。
第一に、基板１０の中央の気化空洞領域Ａにその周りから冷媒が供給される。すなわち、冷媒が基板１０の平面方向に流動するが、基板１０の中央チャンバ１１に集まるようになっている。
第二に、冷媒の流動力を与える毛細管領域Ｂが気化空洞領域Ａを取り囲んでいる。
そして、第三に、毛細管領域Ｂの全体に冷媒を均一に供給するためにマニホルド領域Ｃが前記毛細管領域Ｂを取り囲んでいる。
第四に、毛細管領域Ｂの上部に補助毛細管力発生部４０が設けられている。
【００２８】
ここで、冷媒の流動力は、冷媒の相変化が起こる部分、特に、中央チャンバ１１に接触された毛細管領域Ｂの内端部で生じる。このような構造において、マニホルド領域Ｃの上部は前記上板２０の底面により密閉されており、このため、マニホルド領域Ｃに流入された冷媒は毛細管領域Ｂだけに向かって流動する。
【００２９】
前記構造で前記中央チャンバ１１が設けられる気化空洞領域Ａの大きさは熱源２の大きさ（面積）に対応させることが望ましく、場合によっては気化空洞領域Ａ及び毛細管領域Ｂを含む領域を熱源３０の大きさに対応させうる。
【００３０】
一方、図７に示されたように、前記基板１０上に固定される上板２０の内面には前記気化空洞領域Ａの中央チャンバ１１に対応する気体捕集部２１が設けられており、この気体捕集部２１の気相冷媒を外部に排出する排出通路２２に連結されている。
【００３１】
図８ないし図１１は、補助毛細管力発生部または補助ウィック構造体４０の多様な変形例を示す図である。
図８に示された補助ウィック構造体４０は、リング状の胴体４０ａの内周面にその中央に延びる断面長方形状のピン４１が形成されている構造を有する。
【００３２】
図９に示された補助ウィック構造体４０は、リング状の胴体４０ｂの内周面に断面長方形状の先端部に円形の拡張部を有するピン４１ａが形成されている構造を有する。
【００３３】
図１０に示された補助ウィック構造体４０は、リング状の胴体４０ｃが一定の間隔で分離されており、これらは冷媒が通過でき、貫通孔及び折れ曲がった縁部を有するＡ字型のピン４１ｂによりつながっている構造を有する。
【００３４】
前記のような補助ウィック構造体４０のピン４１、４１ａ、４１ｂはマニホルド領域Ｃ及びその下部の毛細管領域Ｂから冷媒を表面張力により中央チャンバの中心部分まで伝えられるようにする。この時に前記ピン４１、４１ａ、４１ｂは一定の間隔で配置されて中央チャンバ１１で生じた気体があまり流動抵抗を受けずに前記上板２０の気体捕集部２１に上昇できるようにする。
【００３５】
一方、図１１はリング状の胴体４０ｄが多孔性物質よりなる補助毛細管力発生部を示すものである。これは全体的に多孔性物質で形成でき、一方には中央チャンバ１１に対応する部分、すなわち、前述したピン４１、４１ａ、４１ｂに対応する部分４１ｃだけ多孔質物質で形成できる。補助毛細管力発生部が全体的に多孔性物質で形成され、そして毛細管領域Ｂの毛細管力発生部が図４に示されたような多孔質体で形成される場合、これら両部品が粉末冶金法により一体的に形成されうる。
【００３６】
図１２及び図１３は、本発明の他の実施例において、気体捕集部２１ａが円錐形の溝２１ｂにより形成された上板２０ｂの概略的断面図及び斜視図である。
【００３７】
前記気体捕集部２１ａは、円錐形の溝２１ｂにより設けられることによって基板１０の中央チャンバ１１から生じた気体を効果的に捕集してその上部の排出通路２２を通じて排出させる。また、中央チャンバ１１での爆発的沸騰現象により完全に気化されていない多量の冷媒が気体捕集部２１ａに流入された時、傾いた壁面を有する溝２１ｂにより進行経路を狭めることによって未気化冷媒を再び中央チャンバ１１に復帰させる。
【００３８】
一方、図１４は、本発明のさらに他の実施例において、前記円錐形の溝２１ｂの側面に階段型エッジ部分２１ｃが形成された上板２０ｂの断面図である。図１４に示されたように、溝２１ｂの側面に階段型エッジ部分２１ｃが上下２つ形成されている。前記階段型エッジ部分２１ｃは溝２１ｂの側面に沿って環状に形成される。
【００３９】
したがって、図１４に示された実施形態の気体捕集部２１ａによれば、完全に気化されていない冷媒が気体捕集部２１ａに流入された時に傾いた壁面を有する溝２１ｂにより進行経路を狭めることによって未気化冷媒を再び中央チャンバ１１に復帰させるだけではなく、溝２１ｂの壁面に形成されたエッジ部分２１ｃにより、中央チャンバ１１内で形成される気−液界面に熱抵抗が少ない冷媒による薄膜が形成され、これにより蒸発熱效率が向上する。
【００４０】
前記のように、本発明の気化器は用途に応じてその大きさが調節されるが、ノート型パソコンのように非常に狭い空間に設けられる場合、シリコンウェーハなどを適用した、いわゆるＭＥＭＳ技術を適用して製作できる。ＭＥＭＳ技術を適用すれば、全体構造、特にウィック構造体を極小化できて非常に強い毛細管力を起こしうる。この場合、基板が半導体基板から得られ、基板に対する加工は一般にＭＥＭＳ技術で適用するパターニング過程を経る。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、外部の動力無しに冷却が行える小型薄型の冷却装置が得られる。
【００４２】
また、液状の冷媒と蒸発された気相の冷媒とがウィック領域により隔離されるため、気体及び液体の混在による流体流動力の低下を効率よく抑えることができ、これにより、熱交換特性が大幅に向上する。
【００４３】
このように、本発明による気化器は、前述のように、電子製品の小型部品、例えば、コンピュータのＣＰＵなどの冷却装置として好適である。特に、ノート型パソコンのように内部可用容積が小さい電子製品の発熱源であるＣＰＵ自体に付着できるので、別途の冷却装置によるノート型パソコンの大きさ及び重量の増大を防止できる。
【００４４】
本発明は図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これより各種の変形及び均等な実施形態が可能であるということは言うまでもない。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲によって定まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図２】  図１に示された気化器に適用された基板の概略的平面図である。
【図３】  図１に示された気化器に適用された基板にリング状の補助毛細管力発生部が設けられた状態の概略的平面図である。
【図４】  本発明の第２実施例による気化器の概略的側断面である。
【図５】  図４に示された気化器において、多孔質体が設けられた基板の概略的平面図である。
【図６】  図４に示された気化器において、上板を除外した基板、多孔質体及び補助ウィック構造体の結合関係を示す分離斜視図である。
【図７】  図４及び図１に示された気化器に適用される上板の底面図である。
【図８】  本発明による気化器に適用するリング状補助ウィック構造体の概略的平面図である。
【図９】  本発明による気化器の他の実施例に適用されるリング状補助ウィック構造体の概略的平面図である。
【図１０】  本発明による気化器のまた他の実施例に適用されるリング状補助ウィック構造体の概略的平面図である。
【図１１】  本発明による気化器のさらに他の実施例に適用されるリング状補助ウィック構造体の概略的平面図である。
【図１２】  本発明による気化器に適用された上板の応用例を示した断面図である。
【図１３】  図１２に示された上板の概略的斜視図である。
【図１４】  本発明による気化器に適用された上板の他の応用例を示した断面図である。
【符号の説明】
１０      基板
１１      中央チャンバ
１２a      毛細管力発生部
１４      供給手段
２０      上板
２１      気体捕集部
４０      補助毛細管力発生部
Ａ      気化空洞領域
Ｂ      毛細管領域
Ｃ      マニホルド領域
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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