(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、
上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して流路抵抗を大きく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、
上記第１および第２弁体の流路抵抗の差を利用して上記流体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする薄型ループ状流路デバイス。
【請求項２】
冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、
上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して気液界面を生じる毛管径を小さく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、
上記第１および第２弁体の毛管径の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする薄型ループ状流路デバイス。
【請求項３】
冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、
上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して流路抵抗を大きく、かつ、気液界面を生じる毛管径を小さく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、
上記第１および第２弁体の流路抵抗および毛管径の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする薄型ループ状流路デバイス。
【請求項４】
上記第１および第２弁体は、その流路抵抗が上記液流通方向の上流側から下流側に向かって大きくなるように形成された流路制御弁で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄型ループ状流路デバイス。
【請求項５】
上記第１および第２弁体は、その流路抵抗が上記液流通方向に関して一定となるように形成された受動的一方向性弁で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄型ループ状流路デバイス。
【請求項６】
上記第１および第２弁体の一方は、その流路抵抗が上記液流通方向の上流側から下流側に向かって大きくなるように形成された流路制御弁で構成され、他方は、その流路抵抗が上記液流通方向に関して一定となるように形成された受動的一方向性弁で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄型ループ状流路デバイス。
【請求項７】
上記第１弁体の濡れ性、上記第２弁体の濡れ性および上記第１弁体と上記第２弁体との間の濡れ性が、上記第２弁体の濡れ性＞上記第１弁体の濡れ性＞上記第１弁体と上記第２弁体との間の濡れ性となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の薄型ループ状流路デバイス。
【請求項８】
上記サーマルポンプが上記ループ状流路に直列に複数個構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の薄型ループ状流路デバイス。
【請求項９】
上記ループ状流路の一部が複数の分岐流路に分岐され、上記サーマルポンプが上記複数の分岐流路のそれぞれに構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の薄型ループ状流路デバイス。
【請求項１０】
上記請求項１乃至請求項９のいずれかに記載された薄型ループ状流路デバイスと、上記薄型ループ状流路デバイスの受熱部に載置される負荷側対象物を加熱する加熱機構と、上記薄型ループ状流路デバイスの放熱部に載置された放熱機構とを備えたことを特徴とする温度制御機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発熱部材から放熱部材に熱を輸送して該発熱部材を冷却する薄型ループ状流路デバイスおよびそれを用いた温度制御機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発熱部と放熱部とを一対のパイプで連結してループ状の流路を構成し、加熱手段を流路の一部に取り付けてなる従来のループ状（環状とも称す）ヒートパイプが、例えば特開平７−２８６７８８号公報に提案されている。
【０００３】
図２７は例えば特開平７−２８６７８８号公報に記載された従来のループ状ヒートパイプの構造を示す概略図である。
図２７において、ループ状ヒートパイプは、一対の薄型平板状の金属ヘッダ５０、５１に細径のパイプ５２ａ、５２ｂを溶接してループ状の流路を形成し、加熱手段としてのヒータ５３を流路の一部に取り付け、そして液体を流路内に封入し、さらに不凝縮ガスを流路内から除去して、構成されている。なお、一対の金属ヘッダ５０、５１の一方が発熱部、他方が放熱部を構成する。
【０００４】
ここで、このように構成された従来のループ状ヒートパイプの動作について説明する。
例えば、発熱部材が金属ヘッダ５０に接続される。これにより、金属ヘッダ５０が加熱され、金属ヘッダ５０内の液体が蒸発する。この時、ヒータ５３により流路内部の液体が間欠的に加熱されると、加熱時間中にパイプ５２ａ、５２ｂ内で圧力のアンバランスが生じる。
従って、ヒータ５３がパイプ５２ｂに取り付けられていると、パイプ５２ｂ側の圧力が高くなり、発生した蒸気はパイプ５２ｂからパイプ５２ａの方向に流れる。
一方、ヒータ５３による加熱が休止されると、パイプ５２ｂ内の圧力が下がる。この時、パイプ５２ａ内は、気液二層流状態にあるので、逆にパイプ５２ａ側の圧力損失が大きくなる。このため、流路内の液体あるいは蒸気はパイプ５２ａからパイプ５２ｂの方向に流れるようになる。
この繰り返しで液振動が起こる。発熱部での液の蒸発、および、発熱部と放熱部との間での液振動によって、熱輸送性能が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された従来のループ状ヒートパイプにおける熱輸送動作は、ヒータ５３の加熱量や加熱時間等の外部条件に対して不安定であり、ヒートパイプ内で液の振動、循環が混在した状態が発生してしまうので、熱輸送性能が低下するとともに、どうしてもある程度の温度勾配が生じてしまうという課題があった。
また、ヒートパイプの熱輸送性能が悪いと、発熱部（即ち、温度制御対象物である発熱部材からの熱を受熱する部分であり、受熱部とも称す）と放熱部との間にある程度の大きさの温度勾配が生じてしまい、発熱部の温度を所定の値に維持するためには、放熱部の放熱容量を大きくしなければならなくなる。従って、熱輸送性能が悪いと、放熱部を大きくしなければならず、小型化が図れなくなるという課題もあった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するために、液体の沸騰／凝縮により液体をループ状流路を一方向に還流させるようにし、流路の薄型化に伴う熱輸送性能の低下を改善するとともに、流路内での液体をそのまま熱輸送に使用できるため、熱輸送時間を短縮し、温度勾配をより低減することができる安定した熱輸送制御が行える薄型ループ状流路デバイスおよびそれを用いた温度制御機器を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る薄型ループ状流路は、冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して流路抵抗を大きく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、上記第１および第２弁体の流路抵抗の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えたものである。
【０００８】
また、冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して気液界面を生じる毛管径を小さく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、上記第１および第２弁体の毛管径の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えたものである。
【０００９】
また、冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して流路抵抗を大きく、かつ、気液界面を生じる毛管径を小さく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、上記第１および第２弁体の流路抵抗および毛管径の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えたものである。
【００１０】
また、上記第１および第２弁体は、その流路抵抗が上記液流通方向の上流側から下流側に向かって大きくなるように形成された流路制御弁で構成されているものである。
【００１１】
また、上記第１および第２弁体は、その流路抵抗が上記液流通方向に関して一定となるように形成された受動的一方向性弁で構成されているものである。
【００１２】
また、上記第１および第２弁体の一方は、その流路抵抗が上記液流通方向の上流側から下流側に向かって大きくなるように形成された流路制御弁で構成され、他方は、その流路抵抗が上記液流通方向に関して一定となるように形成された受動的一方向性弁で構成されているものである。
【００１３】
また、上記第１弁体の濡れ性、上記第２弁体の濡れ性および上記第１弁体と上記第２弁体との間の濡れ性が、上記第２弁体の濡れ性＞上記第１弁体の濡れ性＞上記第１弁体と上記第２弁体との間の濡れ性となるように構成されているものである。
【００１４】
また、上記サーマルポンプが上記ループ状流路に直列に複数個構成されているものである。
【００１５】
また、上記ループ状流路の一部が複数の分岐流路に分岐され、上記サーマルポンプが上記複数の分岐流路のそれぞれに構成されているものである。
【００１６】
また、この発明に係る温度制御機器は、上述のいずれかの薄型ループ状流路デバイスと、上記薄型ループ状流路デバイスの受熱部に載置される負荷側対象物を加熱する加熱機構と、上記薄型ループ状流路デバイスの放熱部に載置された放熱機構とを備えたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。なお、図２において、ｄは流路の厚みを示している。
【００１８】
図１乃至図３において、ループ状流路デバイス１００は、一対の平板状の基板１、２が相対して配置され、流路３が一対の基板１、２間に気密にレーストラック状に形成され、一対の流路制御弁４ａ、４ｂが流路３の一部に液流通方向に所定距離離間して形成され、ヒータ５が一対の流路制御弁４ａ、４ｂ間に位置するように配設され、さらに液体６が不凝縮ガスを除去した状態に流路３内に封入されて、構成されている。このループ状流路デバイス１００は、全体として薄板状をなし、冷却機構（図示せず）が密着して載置される放熱部７と負荷側対象物（図示せず）が密着して載置される受熱部８とが流路３により連結されている。ここで、流路制御弁４ｂが第１弁体を構成し、流路制御弁４ａが第２弁体を構成し、ヒータ５が加熱部材を構成している。
さらに、このループ状流路デバイス１００には、ヒータ５に電力を供給するための電源４０および電源４０によるヒータ５への通電量、加熱タイミング等を制御する制御手段としての制御装置４１を備えている。そして、一対の流路制御弁４ａ、４ｂおよびヒータ５が形成された流路３の部分がサーマルポンプを構成し、このサーマルポンプと電源４０および制御装置４１とからサーマルポンプシステムを構成している。
【００１９】
つぎに、ループ状流路デバイス１００の製造方法について説明する。
まず、真空蒸着、スパッタ等により、ＳｉＯ２等の絶縁層が銅等からなる平板状の基板１上に成膜され、さらにチタン、ニッケル、ＩＴＯ等の電極層が絶縁層上に成膜される。そして、写真製版技術、エッチング技術を用いて、電極層のパターニングを行い、所望形状のヒータ５が基板１上の所定位置に形成される。その後、真空蒸着、スパッタ等により、ＳｉＯ２等の絶縁層が、ヒータ５が形成された基板１上に成膜される。
ついで、真空蒸着、スパッタ等により、銅等から金属層１０が基板１上に所望の厚さに成膜され、さらに写真製版技術、エッチング技術を用いて、金属層１０のパターニングを行い、細溝がヒータ５上を通るようにレーストラック状に形成される。この時、一対の流路制御弁４ａ、４ｂが同時にヒータ５を挟んで細溝内に形成される。
ついで、基板２が基板１上に接合される。これにより、レーストラック状の細溝が一対の基板１、２により密閉され、流路３を構成している。そして、液体６が流路３内に封入され、不凝縮ガスが除去されて、ループ状流路デバイス１００が作製される。
【００２０】
ここで、流路制御弁４ａ、４ｂは、その流路抵抗が、流路３の液流通方向（図１中、流路３の反時計方向とする）に関して、上流側から下流側に向かって、漸次大きくなるように形成されている。また、流路制御弁４ａの流路抵抗は、流路制御弁４ｂの流路抵抗に対して大きく形成されている。そして、流路抵抗の小さい流路制御弁４ｂが液流通方向の上流側に配設され、流路抵抗の大きい流路制御弁４ａが液流通方向の下流側に配設されている。
また、ヒータ５（加熱部材）は、気泡発生点を流路抵抗の小さい流路制御弁４ｂの近傍に固定するように構成する必要がある。ここでは、ヒータ５は、形状・配置を工夫して気泡発生点を流路制御弁４ｂの近傍に固定するもので、図１に示されるように、熱流束が変化するように三角形形状に形成され、熱流束の最も大きい三角形の頂点を流路制御弁４ｂに近接させて、流路制御弁４ａ、４ｂ間に配設されている。なお、ヒータ５は絶縁層に挟持されて、基板１、金属層１０および液体６に対して電気的に絶縁されている。
また、液体６は、流路３を構成する材料に対して安定なものであればよく、例えば水、アルコール等を用いることができる。
【００２１】
つぎに、このように構成されたループ状流路デバイス１００の動作について説明する。このループ状流路デバイス１００は、冷却機構が放熱部７に密着して載置され、負荷側対象物が受熱部８に密着して載置され、負荷側対象物の冷却に適用される。
まず、ヒータ５に通電されて一対の流路制御弁４ａ、４ｂ間の流路３内の液体６が加熱される。この時、ヒータ５の三角形頂部の熱流束が最も大きいので、図１に示されるように、流路制御弁４ｂ近傍の液体６の一部が沸騰し、気泡９が発生する。そして、気泡９が成長し、流路制御弁４ｂに接すると、流路制御弁４ｂと気泡９との表面張力の効果で流路制御弁４ｂ側にはそれ以上成長することはできない。そこで、気泡９は、ヒータ５に沿って流路制御弁４ａ側への成長が促進される。この気泡９の成長に伴って、気泡９と流路制御弁４ａとの間の液体６が流路制御弁４ａから排出される。
そして、気泡９が流路制御弁４ａに接するまで成長した後、ヒータ５への通電が停止されると、成長した気泡９の凝縮が開始される。この時、流路制御弁４ｂの流路抵抗が流路制御弁４ａの流路抵抗より小さいので、放熱部７で冷却された液体６が流路制御弁４ｂを通って流入する。そして、気泡９が消失すると、ヒータ５への通電が開始される。
【００２２】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５への加熱タイミングを上述のように制御することで、サーマルポンプが駆動され、液体６が流路３内を図１中反時計回りに還流する。そして、流路制御弁４ａから排出された液体６は、流路３を流通して受熱部８に到達して負荷側対象物の熱により受熱部８を介して暖められる。この暖められた液体６は、流路３を流通して放熱部７に到達して冷却機構との間で熱交換して冷却された後、流路制御弁４ｂから流入する。そして、サーマルポンプ（ヒータ５）における気泡発生に伴う体積増加分は、放熱部７での気泡凝縮により吸収される。
このようにして、このループ状流路デバイス１００では、液体６および気泡９が流路３内を一方向に駆動される。
なお、ヒータ５への加熱量を大きくすれば、液体６の気化に伴う圧力上昇が大きくなり、液体６の駆動速度を速くすることができる。そこで、ヒータ５への加熱量、加熱タイミングの周期を調整することにより、液体６の駆動速度を制御することができる。
【００２３】
この実施の形態１によれば、液体６の気化にともなう急激な圧力上昇を動力源として液体６をレーストラック状の流路３内を一方向に駆動できる。そこで、機械可動部のある制御弁を必要としないので、極めて高い信頼性が得られる１０ｍｍ以下の薄型のループ状流路デバイスを実現できる。特に、流路３の厚みｄが１ｍｍ以下となると、流路３の流路抵抗が増大してしまい、液体６による熱輸送量の低下が起きやすいが、このサーマルポンプシステムを採用することにより、熱輸送量を増大させることができる。
また、このサーマルポンプシステムによる液体６への加熱量や加熱のタイミングを調整することで液体６の駆動条件を制御できるので、液体の熱輸送能力を簡易に制御することができる。従って、このループ状流路デバイス１００を用いれば、負荷側対象物を所定の温度に精度よく制御することができる。
【００２４】
また、ヒータ５が流路３に露呈しているので、ヒータ５での発熱が液体６に速やかに伝達され、液体６への加熱量の調整が容易となる。
また、真空蒸着、スパッタ等の真空成膜技術、写真製版技術、エッチング技術を用いて、基板に細溝を形成しているので、細溝の微細化が可能となり、ループ状流路デバイスのマイクロ化が実現できる。
【００２５】
ここで、本願においては、加熱部材（ヒータ５）は、加熱開始時の気泡発生点が流路抵抗の小さな流路制御弁４ｂ近傍に固定され、その後気泡の成長を流路抵抗の大きな流路制御弁４ａ側に促進できることが必要となる。
この実施の形態１では、ヒータ５の形状を三角形形状とし、熱流束が最も大きくなる三角形頂部を流路制御弁４ｂ近傍に位置させることで、加熱部材を実現している。
しかし、図４の（ａ）に示されるように、三角形のヒータ１１ｂをその三角形頂部を流路制御弁４ｂ近傍に位置させて配設し、さらに矩形のヒータ１１ａをヒータ１１ａの液流通方向の下流側に配設してもよい。この場合、ヒータ１１ｂに通電して流路制御弁４ｂ近傍に気泡を発生させ、該気泡がヒータ１１ａの上流側まで成長した時点で、ヒータ１１ｂへの通電を停止するとともにヒータ１１ａに通電して、気泡を流路制御弁４ａ側に成長させることで、同様の効果が得られる。
また、図４の（ｂ）に示されるように、細長のヒータ１２を流路制御弁４ｂの近傍で流路３を横切るように配設してもよい。さらに、図４の（ｃ）に示されるように、細長のヒータ１３をその長手方向を液流通方向に一致させて流路制御弁４ａ、４ｂ間に配設してもよい。この場合、流路制御弁４ｂ近傍の流路３の壁面に沸騰核を形成する必要がある。これにより、ヒータ１２、１３への通電開始時に、気泡が沸騰核から発生するので、気泡発生点が流路制御弁４ｂ近傍に固定され、同様の効果が得られる。従って、ヒータ１２、１３と沸騰核とにより加熱部材を構成していることになる。
【００２６】
この沸騰核は、図５の（ａ）に示されるように、針等の鋭利な先端を流路３の壁面に押し当てて微小な窪み１４ａを形成することで実現できる。また、基板をエッチングして形成された図５の（ｂ）に示されるような微小な凹部１４ｂを沸騰核とすることができる。さらに、基板としてシリコン基板を用いている場合には、エレクトロケミカルエッチングにより図５の（ｃ）、（ｄ）に示されるような形状の凹部１４ｃ、１４ｄを形成し、凹部１４ｃ、１４ｄを沸騰核とすることができる。
【００２７】
なお、上記実施の形態１では、成長した気泡９が流路制御弁４ａに接した時点でＯＦＦとし、凝縮する気泡９が消失した時点でＯＮとする加熱タイミングで、電源４０からヒータ５への通電を制御装置４１により制御するものとしているが、加熱タイミングはこのタイミングに限定されるものではなく、負荷側対象物の容量や制御温度等に応じて適宜設定されることは言うまでもないことである。
また、上記実施の形態１では、基板１、２の材料として銅を用いるものとしているが、基板１、２の材料は銅に限定されるものではなく、例えば、他の金属材料、シリコン、プラスチックでもよい。なお、放熱部７および受熱部８における熱の授受を考慮すれば、熱伝導率の良好な材料、例えば銅、アルミであることが望ましいが、基板１、２の厚みが薄いので、例えばシリコン基板、プラスチック基板を用いても、放熱部７および受熱部８を介しての冷却機構および負荷側対象物と液体６との間の熱伝達特性が大きく低下することはない。
【００２８】
また、上記実施の形態１では、２つの流路制御弁４ａ、４ｂを液流通方向に隙間を持って連ねて設けるものとしているが、流路制御弁の個数は２つに限定されるものではなく、流路抵抗の小さい順に流路制御弁を液流通方向の上流側から配列していれば、３つ以上であってもよい。そして、少なくとも１対の流路制御弁間にヒータ５を配設すればよい。
また、上記実施の形態１では、流路制御弁４ａ、４ｂが流路３の厚みｄと同等の厚みに形成されているものとしているが、流路制御弁は気泡９の成長を阻止できるものであればよく、図６の（ａ）、（ｂ）に示されるように、気泡９の成長を阻止する高さ（流路３の厚さｄより低い）の突起１５ａ、１５ｂを基板１上に形成し、流路制御弁として作用させてもよい。なお、図６の（ａ）は平面図、図６の（ｂ）は図６の（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
また、上記実施の形態１では、流路制御弁４ａ、４ｂが断面三角形に形成されているものとしているが、流路制御弁は、流路抵抗が液流通方向の上流側から下流側に漸次大きくなるように形成していればよく、例えば図７に示されるように、断面台形に形成された流路制御弁１６ａ、１６ｂでもよい。
また、上記実施の形態１では、細溝が形成された基板１と平板状の基板２とを重ね合わせて流路３を形成するものとしているが、細管を用いてループ状流路を構成してもよい。この場合、細管の一部を絞って流路制御弁４ａ、４ｂに相当する弁体を形成すればよい。
【００２９】
また、上記実施の形態１では、サーマルポンプを備えたレーストラック状の流路３を１つ設けるものとしているが、該流路３を並列に複数形成してもよい。この場合、熱輸送能力を増大させることができる。
また、上記実施の形態１では、流路３をレーストラック状に形成するものとしているが、流路はループ状に形成されていればよく、例えば蛇行する形状であってもよい。この場合においても、熱輸送能力を増大させることができる。
また、上記実施の形態１では、放熱部７がヒートポンプの上流側に近接して構成されているものとしているが、放熱部７の配置構成はこれに限定されるものではなく、放熱部７はその一部が少なくともヒートポンプの上流側に位置していればよく、例えば受熱部８を除く領域の全体に配置してもよく、或いはヒートポンプの上流側からヒートポンプの全域を覆うように配置してもよい。
【００３０】
また、上記実施の形態１では、ヒータ５が絶縁層に挟持されているものとしているが、基板１の材料が絶縁材料であれば、ヒータ５の上面（反基板１側の面）にのみ絶縁層を被覆形成すればよい。また、細溝およびヒータ５が基板１上に形成されているものとしているが、細溝を基板１上に形成し、ヒータ５を基板２上に形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態１では、加熱部材として抵抗体の薄膜からなるヒータ５を用いるものとしているが、加熱部材は、ヒータ５に限定されるものではなく、加熱開始時における気泡発生点を流路制御弁４ｂ近傍に固定できればよく、例えば、抵抗体の線材からなるヒータ線を直接巻き付けて構成してもよいし、レーザ発生装置でもよい。
【００３１】
また、上記実施の形態１では、金属層１０を基板１上に成膜した後、写真製版技術、エッチング技術を用いて金属層１０をパターニングしてレーストラック状の細溝を形成するものとしているが、細溝の形成方法はこれに限定されるものではなく、例えば下記の方法により形成できる。
写真製版技術を用いて、ヒータ５が形成された基板１上にレーストラック状の保護層を形成し、ついで真空蒸着、スパッタ等により金属層１０を成膜し、その後保護層を除去してレーストラック状の細溝を形成してもよい。
また、写真製版技術、エッチング技術を用いて、基板の一部を除去してレーストラック状の細溝を形成するようにしてもよい。また、切削技術や放電加工を基板に施して、基板の一部を除去してレーストラック状の細溝を形成してもよい。さらに、基板の材料によっては、プレス成形や射出成形によって、基板にレーストラック状の細溝を形成してもよい。これらの場合、ヒータ５はもう１つの基板上に形成されることになる。
さらに、細溝の内周壁面を規定する外形形状を有するように形成された第１の部材と、細溝の外周壁面を規定する内形形状を有するように形成された第２の部材とを、基板１上に２重に配置し、接合一体化してもよい。
【００３２】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図８において、受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂは、上記実施の形態１と同様に作製されるもので、それぞれ、その流路抵抗が、流路３の液流通方向（図８中、流路３の反時計方向とする）に関して、一定に形成されている。また、受動的一方向性弁１７ａの流路抵抗は、受動的一方向性弁１７ｂの流路抵抗に対して大きく形成されている。そして、流路抵抗の小さい受動的一方向性弁１７ｂが液流通方向の上流側に配設され、流路抵抗の大きい受動的一方向性弁１７ａが液流通方向の下流側に配設されている。そして、ヒータ５が、熱流束の最も大きい三角形の頂点を受動的一方向性弁１７ｂに近接させるように、受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間に配設されている。そして、一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂとヒータ５とが形成された流路３の部分がサーマルポンプを構成している。ここで、受動的一方向性弁１６ｂが第１弁体を構成し、受動的一方向性弁１６ａが第２弁体を構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３３】
ついで、このように構成されたループ状流路デバイス１０１の動作について図９を参照しつつ説明する。
まず、ヒータ５に通電されて一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間の流路３内の液体６が加熱される。この時、図９の（ａ）に示されるように、ヒータ５の三角形頂部の熱流束が最も大きいので、受動的一方向性弁１７ｂ近傍の液体６の一部が沸騰し、気泡９が発生する。そして、気泡９が成長し、受動的一方向性弁１７ｂに接すると、受動的一方向性弁１７ｂと気泡９との表面張力の効果で受動的一方向性弁１７ｂ側にはそれ以上成長することはできない。そこで、気泡９は、図９に（ｂ）に示されるように、ヒータ５に沿って受動的一方向性弁１７ａ側への成長が促進される。この時、成長した気泡９により押しのけられた液体６は、図９の（ｂ）中矢印Ａで示される方向に流れる。この気泡９の成長に伴って、気泡９と受動的一方向性弁１７ａとの間の液体６が受動的一方向性弁１７ａから排出される。
そして、図９の（ｃ）示されるように、気泡９が受動的一方向性弁１７ａに接するまで成長した後、ヒータ５への通電が停止される。と同時に、熱損等によりポンプ内温度が低下し、気泡９内の蒸気が凝縮し始め、気泡９が収縮する。この時、受動的一方向性弁１７ｂの流路抵抗が受動的一方向性弁１７ａの流路抵抗より小さいので、気液界面が受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂと接触していなくとも、放熱部７で冷却された液体６が図９の（ｄ）中矢印Ｂで示される方向に流れる。つまり、液体６が受動的一方向性弁１７ｂを通ってポンプ内に流入する。そして、図９の（ｅ）に示されるように、気泡９が凝縮して縮小する。
そして、気泡９が消失すると、ヒータ５への通電が開始される。
【００３４】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５への加熱タイミングを上述のように制御することで、サーマルポンプが駆動され、液体６が流路３内を図８中反時計回りに還流する。そして、受動的一方向性弁１６ａから排出された液体６は、流路３を流通して受熱部８に到達して負荷側対象物の熱により受熱部８を介して暖められる。この暖められた液体６は、流路３を流通して放熱部７に到達して冷却機構との間で熱交換して冷却された後、受動的一方向性弁１６ｂから流入する。そして、サーマルポンプ（ヒータ５）における気泡発生に伴う体積増加分は、放熱部７での気泡凝縮により吸収される。
【００３５】
このように、この実施の形態２によるループ状流路デバイス１０１では、サーマルポンプによる液体６の気化にともなう急激な圧力上昇を動力源として液体６をレーストラック状の流路３内を一方向に駆動できる。従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３６】
なお、上記実施の形態２では、１つの三角形のヒータ５と一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂとによりサーマルポンプを構成するものとしているが、液体６を一方向に安定して還流させることができれば、受動的一方向性弁およびヒータの個数はこれに限定されるものではなく、例えば図１０に示されるように、一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間に２つの三角形のヒータ５ａ、５ｂを液流通方向に隣接して配設するようにしてもよい。この場合、ヒータ５ｂに通電して受動的一方向性弁１７ａ近傍に気泡９を発生させ、該気泡９がヒータ５ａの上流側まで成長した時点で、ヒータ５ｂへの通電を停止するとともにヒータ５ａに通電して、気泡９を受動的一方向性弁１７ａ側に成長させることで、液体６を一方向に安定して還流させることができる。
【００３７】
また、上記実施の形態２では、金属層１０をエッチングして受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂを作製するものとしているが、図１１に示されるように、セラミック等の多孔質体１８ａ、１８ｂを受動的一方向性弁として流路３内に配設してもよい。この場合、多孔質体１８ａの流路抵抗は多孔質体１８ｂの流路抵抗より大きく形成されている。
また、上記実施の形態２では、放熱部７がヒートポンプの上流側に近接して構成されているものとしているが、放熱部７の配置構成はこれに限定されるものではなく、放熱部７はその一部が少なくともヒートポンプの上流側に位置していればよく、例えば受熱部８を除く領域の全体に配置してもよく、或いはヒートポンプの上流側からヒートポンプの全域を覆うように配置してもよい。
【００３８】
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図１２において、ループ状流路デバイス１０２は、リザーバ１９が流路３の一部に形成され、気泡２０がリザーバ１９内に残留するように、液体６が流路３内に封入されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３９】
この実施の形態３では、サーマルポンプにおける気泡９の発生による体積増加分が、リザーバ１９内の気泡２０の縮小により吸収される。従って、放熱部７における気泡の有無に拘わらず、サーマルポンプを駆動することができるので、液体６の一方向への還流がより安定して行われる。その結果、この実施の形態３によれば、上記実施の形態１に比べて、熱輸送量の改善を図ることができる。
【００４０】
実施の形態４．
図１３はこの発明の実施の形態４に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図１３において、ループ状流路デバイス１０３は、リザーバ１９が流路３の一部に形成され、気泡２０がリザーバ１９内に残留するように、液体６が流路３内に封入されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００４１】
この実施の形態４では、サーマルポンプにおける気泡９の発生による体積増加分が、リザーバ１９内の気泡２０の縮小により吸収される。従って、放熱部７における気泡の有無に拘わらず、サーマルポンプを駆動することができるので、液体６の一方向への還流がより安定して行われる。その結果、この実施の形態４によれば、上記実施の形態２に比べて、熱輸送量の改善を図ることができる。
【００４２】
実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図１４において、ループ状流路デバイス１０４は、一対の流路制御弁４ａ、４ｂとヒータ５とからなるサーマルポンプを流路３の２箇所に直列に配設するものとしている。即ち、各サーマルポンプは、流路３の液流通方向（図１４中、流路３の反時計方向）に関して、流路抵抗の小さい流路制御弁４ｂが上流側に、流路抵抗の大きい流路制御弁４ａが下流側に位置するように配設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４３】
この実施の形態５では、一方のサーマルポンプで気泡９の成長工程が行われ、他方のサーマルポンプで気泡９の凝縮工程が行われるように、各ヒータ５への加熱タイミングを制御し、液体６を一方向に駆動するようにしている。そこで、一方のサーマルポンプにおける気泡９の発生による体積増加分が、他方のサーマルポンプで気泡９の凝縮により吸収される。従って、放熱部７における気泡の有無に拘わらず、サーマルポンプを駆動することができるので、液体６の一方向への還流がより安定して行われる。また、リザーバ１９が不要となり、上記実施の形態３に比べて、熱輸送量の改善を図ることができる。
【００４４】
なお、上記実施の形態５では、サーマルポンプを流路３の２箇所に直列に配設するものとしているが、サーマルポンプを流路３の３箇所以上に直列に配設するようにしてもよい。
【００４５】
実施の形態６．
図１５はこの発明の実施の形態６に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図１５において、ループ状流路デバイス１０５は、一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂとヒータ５とからなるサーマルポンプを流路３の２箇所に直列に配設するものとしている。即ち、各サーマルポンプは、流路３の液流通方向（図１５中、流路３の反時計方向）に関して、流路抵抗の小さい受動的一方向性弁１７ｂが上流側に、流路抵抗の大きい受動的一方向性弁１７ａが下流側に位置するように配設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００４６】
この実施の形態６では、一方のサーマルポンプで気泡９の成長工程が行われ、他方のサーマルポンプで気泡９の凝縮工程が行われるように、各ヒータ５への加熱タイミングを制御し、液体６を一方向に駆動するようにしている。そこで、一方のサーマルポンプにおける気泡９の発生による体積増加分が、他方のサーマルポンプで気泡９の凝縮により吸収される。従って、放熱部７における気泡の有無に拘わらず、サーマルポンプを駆動することができるので、液体６の一方向への還流がより安定して行われる。また、リザーバ１９が不要となり、上記実施の形態４に比べて、熱輸送量の改善を図ることができる。
【００４７】
なお、上記実施の形態６では、サーマルポンプを流路３の２箇所に直列に配設するものとしているが、サーマルポンプを流路３の３箇所以上に直列に配設するようにしてもよい。
【００４８】
実施の形態７．
図１６はこの発明の実施の形態７に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図１６において、ループ状流路デバイス１０６は、リザーバ１９が流路３の２箇所に設けられ、液体６が各リザーバ１９に残留するように流路３内に封入されている。
なお、他の構成は上記実施の形態５と同様に構成されている。
【００４９】
この実施の形態７によれば、リザーバ１９が流路３の２箇所に設けられているので、１つのサーマルポンプでの気泡９の発生による体積増加分が、もう１つのサーマルポンプでの気泡９の凝縮およびリザーバ１９内の気泡２０の縮小で吸収することができる。従って、流路３内の圧力が安定化され、液体６の一方向への流れが安定化される。
【００５０】
なお、上記実施の形態７では、リザーバ１９を流路３の２箇所に設けるものとしているが、リザーバ１９は流路３の少なくとも１箇所に設ければよい。
【００５１】
実施の形態８．
図１７はこの発明の実施の形態８に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
図１７において、ループ状流路デバイス１０７は、リザーバ１９が流路３の２箇所に設けられ、気泡２０が各リザーバ１９に残留するように、液体６が流路３内に封入されている。
なお、他の構成は上記実施の形態６と同様に構成されている。
【００５２】
この実施の形態８によれば、リザーバ１９が流路３の２箇所に設けられているので、１つのサーマルポンプでの気泡９の発生による体積増加分が、もう１つのサーマルポンプでの気泡９の凝縮およびリザーバ１９内の気泡２０の縮小で吸収することができる。従って、流路３内の圧力が安定化され、液体６の一方向への流れが安定化される。
【００５３】
なお、上記実施の形態８では、リザーバ１９を流路３の２箇所に設けるものとしているが、リザーバ１９は流路３の少なくとも１箇所に設ければよい。
【００５４】
実施の形態９．
上記実施の形態１では、流路制御弁４ａ、４ｂの流路抵抗の差を利用して、気泡９の凝縮時に液体６を一方向に流すように駆動するものとしているが、この実施の形態９では、気泡９の流路制御弁４ａに形成される気液界面９ａの毛管径と、気泡９の流路制御弁４ｂに形成される気液界面９ｂの毛管径との差を利用して、気泡９の凝縮時に液体６を一方向に流すように駆動するものとしている。
なお、液体６の駆動方法が異なる点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５５】
ここで、この実施の形態９による液体６の駆動方法について図１８を参照しつつ説明する。
まず、ヒータ５に通電されて一対の流路制御弁４ａ、４ｂ間の流路３内の液体６が加熱される。この時、ヒータ５の三角形頂部の熱流束が最も大きいので、流路制御弁４ｂ近傍の液体６の一部が沸騰し、気泡９が発生する。そして、気泡９が成長し、流路制御弁４ｂに接すると、流路制御弁４ｂと気泡９との表面張力の効果で流路制御弁４ｂ側にはそれ以上成長することはできない。そこで、気泡９は、ヒータ５に沿って流路制御弁４ａ側への成長が促進される。この気泡９の成長に伴って、気泡９と流路制御弁４ａとの間の液体６が流路制御弁４ａから排出される。
そして、気泡９が流路制御弁４ａに完全に接し、さらに流路制御弁４ａ内に食い込むまで成長した後、ヒータ５への通電が停止される。この時、気泡９は、図１８に示されるように、流路制御弁４ａ、４ｂ内に食い込んだ状態となっており、気泡９の流路制御弁４ｂに形成される気液界面９ｂの毛管径が気泡９の流路制御弁４ａに形成される気液界面９ａの毛管径より大きくなっている。そこで、気液界面９ａは気液界面９ｂに比べて大きな圧力差まで弁に付着できる。
ヒータ５への通電停止後、熱損等によりポンプ内温度が低下し、気泡９内の蒸気が凝縮し始める。そして、気泡９内の圧力がある程度低下すると、先に気液界面９ｂが流路制御弁４ｂから離脱する。これにより、液体６が流路制御弁４ｂからポンプ内に流入し、気泡９の収縮が促進される。
この時、気泡９内の圧力が低下し過ぎて、気液界面９ａが流路制御弁４ａから離脱した場合、流路制御弁４ｂの流路抵抗が流路制御弁４ａの流路抵抗より小さいので、液体６は引き続き流路制御弁４ｂを通ってポンプ内に流入する。
そして、気泡９が消失すると、ヒータ５への通電が開始される。
【００５６】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５への加熱タイミングを上述のように制御することで、サーマルポンプが駆動され、液体６は流路３内を一方向に還流する。
従って、この実施の形態９においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５７】
実施の形態１０．
上記実施の形態２では、受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂの流路抵抗の差を利用して、気泡９の凝縮時に液体６を一方向に流すように駆動するものとしているが、この実施の形態９では、気泡９の受動的一方向性弁１７ａに形成される気液界面９ａの毛管径と、気泡９の受動的一方向性弁１７ｂに形成される気液界面９ｂの毛管径との差を利用して、気泡９の凝縮時に液体６を一方向に流すように駆動するものとしている。
なお、液体６の駆動方法が異なる点を除いて、上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００５８】
ここで、この実施の形態１０による液体６の駆動方法について図１９を参照しつつ説明する。
まず、ヒータ５に通電されて一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間の流路３内の液体６が加熱される。この時、ヒータ５の三角形頂部の熱流束が最も大きいので、受動的一方向性弁１７ｂ近傍の液体６の一部が沸騰し、気泡９が発生する。そして、気泡９が成長し、受動的一方向性弁１７ｂに接すると、受動的一方向性弁１７ｂと気泡９との表面張力の効果で受動的一方向性弁１７ｂ側にはそれ以上成長することはできない。そこで、気泡９は、ヒータ５に沿って受動的一方向性弁１７ａ側への成長が促進される。この気泡９の成長に伴って、気泡９と受動的一方向性弁１７ａとの間の液体６が受動的一方向性弁１７ａから排出される。
そして、気泡９が受動的一方向性弁１７ａに完全に接し、さらに受動的一方向性弁１７ａ内に食い込むまで成長した後、ヒータ５への通電が停止される。この時、気泡９は、図１９に示されるように、受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ内に食い込んだ状態となっており、気泡９の受動的一方向性弁１７ｂに形成される気液界面９ｂの毛管径が気泡９の受動的一方向性弁１７ａに形成される気液界面９ａの毛管径より大きくなっている。そこで、気液界面９ａは気液界面９ｂに比べて大きな圧力差まで弁に付着できる。
ヒータ５への通電停止後、熱損等によりポンプ内温度が低下し、気泡９内の蒸気が凝縮し始める。そして、気泡９内の圧力がある程度低下すると、先に気液界面９ｂが受動的一方向性弁１７ｂから離脱する。これにより、液体６が受動的一方向性弁１７ｂからポンプ内に流入し、気泡９の収縮が促進される。
この時、気泡９内の圧力が低下し過ぎて、気液界面９ａが受動的一方向性弁１７ａから離脱した場合、受動的一方向性弁１７ｂの流路抵抗が受動的一方向性弁１７ａの流路抵抗より小さいので、液体６は引き続き受動的一方向性弁１７ｂを通ってポンプ内に流入する。
そして、気泡９が消失すると、ヒータ５への通電が開始される。
【００５９】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５への加熱タイミングを上述のように制御することで、サーマルポンプが駆動され、液体６は流路３内を一方向に還流する。
従って、この実施の形態１０においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
【００６０】
実施の形態１１．
図２０はこの発明の実施の形態１１に係る薄型ループ状流路デバイスのサーマルポンプ周りを模式的に示す平面図である。
図２０において、サーマルポンプを含むポンプ近傍における流路３の壁面に表面処理、例えば親水処理を施し、流路制御弁４ａ、４ｂを含む壁面の表面状態の濡れ性を液流通方向に変化を持たしている。つまり、流路制御弁４ａより液流通方向の下流側の流路３の壁面２１（流路制御弁４ａを含む）と、流路制御弁４ａ、４ｂ間の流路３の壁面２２と、流路制御弁４ｂより液流通方向の上流側の流路３の壁面２３（流路制御弁４ｂを含む）とにおいて、壁面２１の濡れ性＞壁面２３の濡れ性＞壁面２２の濡れ性としている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００６１】
ここで、この実施の形態１１による液体６の駆動方法について説明する。
まず、ヒータ５に通電されて一対の流路制御弁４ａ、４ｂ間の流路３内の液体６が加熱される。この時、ヒータ５の三角形頂部の熱流束が最も大きいので、流路制御弁４ｂ近傍の液体６の一部が沸騰し、気泡９が発生する。そして、気泡９が成長し、流路制御弁４ｂに接すると、流路制御弁４ｂと気泡９との表面張力および壁面２２、２３の間の濡れ性の差の効果で流路制御弁４ｂ側にはそれ以上成長することはできない。そこで、気泡９は、ヒータ５に沿って流路制御弁４ａ側への成長が促進される。この気泡９の成長に伴って、気泡９と流路制御弁４ａとの間の液体６が流路制御弁４ａから排出される。
そして、気泡９が流路制御弁４ａに完全に接し、さらに流路制御弁４ａ内に食い込むまで成長した後、ヒータ５への通電が停止される。この時、気泡９は、流路制御弁４ａ、４ｂ内に食い込んだ状態となっている。そして、壁面２１の濡れ性＞壁面２３の濡れ性＞壁面２２の濡れ性となっているので、壁面２１、２２の間（流路制御弁４ａ）で生じる毛管径は壁面２２、２３の間（流路制御弁４ｂ）で生じる毛管径より小さくなる。そこで、気泡９の流路制御弁４ａに形成される気液界面９ａは、気泡９の流路制御弁４ｂに形成される気液界面９ｂに対して大きな圧力差まで弁に付着できる。
ヒータ５への通電停止後、熱損等によりポンプ内温度が低下し、気泡９内の蒸気が凝縮し始める。そして、気泡９内の圧力がある程度低下すると、先に気液界面９ｂが流路制御弁４ｂから離脱する。これにより、液体６が流路制御弁４ｂからポンプ内に流入し、気泡９の収縮が促進される。そして、気泡９内の圧力がさらに低下し、気液界面９ａが流路制御弁４ａから離脱する。この時、流路制御弁４ｂの流路抵抗が流路制御弁４ａの流路抵抗より小さく、かつ、壁面２２、２３の間の濡れ性の差が壁面２１、２２の間の濡れ性の差より小さいので、液体６が引き続き流路制御弁４ｂを通ってポンプ内に流入する。そして、気泡９が消失すると、ヒータ５への通電が開始される。
【００６２】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５への加熱タイミングを上述のように制御することで、サーマルポンプが駆動され、液体６は流路３内を一方向に還流する。
従って、この実施の形態１１によれば、壁面２１の濡れ性＞壁面２３の濡れ性＞壁面２２の濡れ性とし、壁面２１、２２の間の濡れ性の差を壁面２２、２３の間の濡れ性の差より大きくしているので、壁面２１、２２の間で生じる毛管径が壁面２２、２３の間で生じる毛管径より小さくなり、毛管径の差の効果と流路制御弁４ａ、４ｂの効果との相乗効果を生み、液体６を一方向により安定して駆動することができる。
【００６３】
実施の形態１２．
図２１はこの発明の実施の形態１２に係る薄型ループ状流路デバイスのサーマルポンプ周りを模式的に示す平面図である。
図２１において、サーマルポンプを含むポンプ近傍における流路３の壁面に表面処理、例えば親水処理を施し、壁面の表面状態の濡れ性を液流通方向に変化を持たしている。つまり、受動的一方向性弁１７ａより液流通方向の下流側の流路３の壁面２１（受動的一方向性弁１６ａを含む）と、受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間の流路３の壁面２２と、受動的一方向性弁１７ｂより液流通方向の上流側の流路３の壁面２１（受動的一方向性弁１６ｂを含む）とにおいて、壁面２１の濡れ性＞壁面２３の濡れ性＞壁面２２の濡れ性としている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００６４】
ここで、この実施の形態１２による液体６の駆動方法について説明する。
まず、ヒータ５に通電されて一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間の流路３内の液体６が加熱される。この時、ヒータ５の三角形頂部の熱流束が最も大きいので、受動的一方向性弁１７ｂ近傍の液体６の一部が沸騰し、気泡９が発生する。そして、気泡９が成長し、受動的一方向性弁１７ｂに接すると、受動的一方向性弁１７ｂと気泡９との表面張力および壁面２２、２３の間の濡れ性の差の効果で受動的一方向性弁１７ｂ側にはそれ以上成長することはできない。そこで、気泡９は、ヒータ５に沿って受動的一方向性弁１７ａ側への成長が促進される。この気泡９の成長に伴って、気泡９と受動的一方向性弁１７ａとの間の液体６が受動的一方向性弁１７ａから排出される。
そして、気泡９が受動的一方向性弁１７ａに完全に接し、さらに受動的一方向性弁１７ａ内に食い込むまで成長した後、ヒータ５への通電が停止される。この時、気泡９は、受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ内に食い込んだ状態となっている。そして、壁面２１の濡れ性＞壁面２３の濡れ性＞壁面２２の濡れ性となっているので、壁面２１、２２の間（受動的一方向性弁１７ａ）で生じる毛管径は壁面２２、２３の間（受動的一方向性弁１７ｂ）で生じる毛管径より小さくなる。そこで、気泡９の受動的一方向性弁１７ａに形成される気液界面９ａは、気泡９の受動的一方向性弁１７ｂに形成される気液界面９ｂに対して大きな圧力差まで弁に付着できる。
ヒータ５への通電停止後、熱損等によりポンプ内温度が低下し、気泡９内の蒸気が凝縮し始める。そして、気泡９内の圧力がある程度低下すると、先に気液界面９ｂが受動的一方向性弁１７ｂから離脱する。これにより、液体６が受動的一方向性弁１７ｂからポンプ内に流入し、気泡９の収縮が促進される。そして、気泡９内の圧力がさらに低下し、気液界面９ａが受動的一方向性弁１７ａから離脱する。この時、受動的一方向性弁１７ｂの流路抵抗が受動的一方向性弁１７ａの流路抵抗より小さく、かつ、壁面２２、２３の間の濡れ性の差が壁面２１、２２の間の濡れ性の差より小さいので、液体６が引き続き受動的一方向性弁１７ｂを通ってポンプ内に流入する。そして、気泡９が消失すると、ヒータ５への通電が開始される。
【００６５】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５への加熱タイミングを上述のように制御することで、サーマルポンプが駆動され、液体６は流路３内を一方向に還流する。
従って、この実施の形態１２によれば、壁面２１の濡れ性＞壁面２３の濡れ性＞壁面２２の濡れ性とし、壁面２１、２２の間の濡れ性の差を壁面２２、２３の間の濡れ性の差より大きくしているので、壁面２１、２２の間で生じる毛管径が壁面２２、２３の間で生じる毛管径より小さくなり、毛管径の差の効果と受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂの効果との相乗効果を生み、液体６を一方向により安定して駆動することができる。
【００６６】
実施の形態１３．
図２２はこの発明の実施の形態１３に係る薄型ループ状流路デバイスの要部を模式的に示す平面図である。
図２２において、流路３Ａは、流路３と同様にレーストラック状に形成され、第１流路３ａおよび第２流路３ｂ（分岐流路）が並列に流路３Ａの一部に設けられている。そして、一対の流路制御弁４ａ、４ｂが流路制御弁４ｂを液流通方向（図２２中矢印Ａの方向）の上流側に位置させて液流通方向に所定距離離れて第１流路３ａに配設され、ヒータ５ｃが三角形頂部を流路制御弁４ｂ近傍に位置させて一対の流路制御弁４ａ、４ｂ間の第１流路３ａに配設されている。また、一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂが受動的一方向性弁１７ｂを液流通方向（図２２中矢印Ｂの方向）の上流側に位置させて液流通方向に所定距離離れて第２流路３ｂに配設され、ヒータ５ｄが三角形頂部を受動的一方向性弁１７ｂ近傍に位置させて一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂ間の第２流路３ｂに配設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１、２と同様に構成されている。
【００６７】
ここで、この実施の形態１３による液体６の駆動方法について説明する。
図２２はヒータ５ｄへの通電を停止し、同時にヒータ５ｃに通電した状態を示している。この時、気泡９ｄは受動的一方向性弁１７ａにブロックされて凝縮を開始する。そこで、液体６は、矢印Ｂで示されるように、受動的一方向性弁１７ｂからサーマルポンプ内に流入する。一方、気泡９ｃが流路制御弁４ａ近傍で発生し、流路制御弁４ｂに接して流路制御弁４ｂ側への成長が阻止され、流路制御弁４ａ側に成長する。そこで、液体６は、矢印Ａで示されるように、気泡９ｃに押されて流路制御弁４ａから排出される。
ついで、気泡９ｃが流路制御弁４ａに接するまで成長し、気泡９ｄが消失した時点で、ヒータ５ｃへの通電を停止するとともに、ヒータ５ｄに通電する。そこで、気泡９ｃは流路制御弁４ａにブロックされて凝縮を開始し、液体６が流路制御弁４ｂからサーマルポンプ内に流入する。一方、気泡９ｄが受動的一方向性弁１７ａ近傍で発生し、受動的一方向性弁１７ｂに接して受動的一方向性弁１７ｂ側への成長が阻止され、受動的一方向性弁１７ａ側に成長する。そこで、液体６が気泡９ｄに押されて受動的一方向性弁１７ａから排出される。
【００６８】
そこで、制御装置４１により、電源４０からヒータ５ｃ、５ｄへの加熱タイミングを上述のように制御することで、ヒータ５ｃ、５ｄの加熱が交互に繰り返され、液体６が流路３Ａ内を一方向に還流する。
従って、この実施の形態１３においても、液体６を一方向に安定して駆動することができる。
【００６９】
なお、上記実施の形態１３では、サーマルポンプを流路制御弁４ａ、４ｂの対、もしくは受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂの対で構成するものとしているが、図２３に示されるように、流路制御弁４ｂと受動的一方向性弁１７ａ（流路抵抗が流路制御弁４ｂ対して大きい）との対でサーマルポンプを構成しても、同様の効果が得られる。
【００７０】
実施の形態１４．
図２４はこの発明の実施の形態１４に係る薄型ループ状流路デバイスの要部を模式的に示す平面図である。
図２４において、流路３Ｂは、流路３と同様にレーストラック状に形成され、その一部に折り返し部が形成され、折り返し部の往路３ｃと復路３ｄとが流路壁面を介して密接して平行に構成されている。そして、一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂとヒータ５とからなるサーマルポンプが折り返し部の液流通方向の下流側である往路３ｃに配設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００７１】
この実施の形態１４によれば、ヒータ５への通電停止後、気泡９の凝縮が開始し、気泡９が縮小して受動的一方向性弁１７ｂから離間したときに、液体６が受動的一方向性弁１７ｂから流入する。この受動的一方向性弁１７ｂから流入した液体６により、気泡９は受動的一方向性弁１７ｂ側の気液界面から冷却され、その凝縮が促進される。さらに、流路３Ｂの折り返し部では、往路３ｃと復路３ｄとを流れる液体６は対向流となり、放熱部７で冷却された液体６が復路３ｄを通って往路３ｃに流れる。そこで、冷却された液体６が図２４中矢印Ｃに沿って復路３ｄを流れる際に流路壁面を介してポンプ内の気泡９を冷却する。従って、気泡９の凝縮がさらに加速されるので、液体６の循環速度を速めることができ、熱輸送量が増大される。
【００７２】
なお、上記実施の形態１４では、上記実施の形態２におけるループ状流路デバイスに適用するものとして説明しているが、上記実施の形態１におけるループ状流路デバイスに適用しても、同様の効果が得られる。
【００７３】
実施の形態１５．
図２５はこの発明の実施の形態１５に係る薄型ループ状流路デバイスの要部を模式的に示す平面図である。
図２５において、流路３Ｃは、流路３と同様にレーストラック状に形成され、その一部に往路３ｅと往路３ｅを囲繞する復路３ｆとの２重管構造の折り返し部が形成されている。そして、一対の受動的一方向性弁１７ａ、１７ｂとヒータ５とからなるサーマルポンプが折り返し部の往路３ｅに配設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００７４】
この実施の形態１５によれば、ヒータ５への通電停止後、気泡９の凝縮が開始し、気泡９が縮小して受動的一方向性弁１７ｂから離間したときに、液体６が受動的一方向性弁１７ｂから流入する。この受動的一方向性弁１７ａから流入した液体６により、気泡９は受動的一方向性弁１７ｂ側の気液界面から冷却され、その凝縮が促進される。さらに、流路３Ｃの折り返し部では、往路３ｅと復路３ｆとを流れる液体６は対向流となり、放熱部で冷却された液体６が復路３ｆを通って往路３ｅに流れる。そこで、冷却された液体６が図２５中矢印Ｄに沿って復路３ｆを流れる際に流路壁面を介して全周から気泡９を冷却する。従って、気泡９の凝縮がさらに加速されるので、液体６の循環速度を速めることができ、熱輸送量が増大される。
【００７５】
なお、上記実施の形態１５では、上記実施の形態２におけるループ状流路デバイスに適用するものとして説明しているが、上記実施の形態１におけるループ状流路デバイスに適用しても、同様の効果が得られる。
【００７６】
実施の形態１６．
図２６はこの発明の実施の形態１６に係る温度制御機器を模式的に示す斜視図である。
図２６において、温度制御機器１１０は、ループ状流路デバイス１００と、デバイス１００の受熱部８に密接して載置される負荷側対象物３０と、負荷側対象物３０の加熱機構３１と、デバイス１００の放熱部７に密接して載置される冷却機構３２とから構成されている。ここで、加熱機構３１は負荷側対象物３０を加熱できるものであればよく、例えば電気抵抗線からなるヒータやレーザを用いることができる。また、冷却機構３２は放熱部７を介して流路３内の液体を冷却できるものであればよく、例えば水冷パイプ、冷却ファン、ペルチェ素子などを用いることができる。
【００７７】
この温度制御機器１１０では、制御装置４１（図示せず）によりサーマルポンプのヒータ５への加熱量および加熱タイミングを制御し、液体６を流路３内を一方向に駆動している。
そして、負荷側対象物３０の熱は受熱部８を介して流路３内を流通する液体６との間で熱交換され、負荷側対象物３０が冷却されるとともに、液体６が暖められる。この暖められた液体６は、流路３を流通して放熱部７に到達し、放熱部７を介して冷却機構３２との間で熱交換され、冷却される。この冷却された液体６は流路３を流通してサーマルポンプに還流される。ここで、制御装置によりヒータ５への通電量、加熱タイミング（周期）を制御することにより、液体６の移動速度が調整され、液体６による熱輸送量が調整されて、負荷側対象物３０を設定温度に制御することができる。
この時、負荷側対象物３０が設定温度以下となれば、加熱機構３１を用いて負荷側対象物３０の加熱して、負荷側対象物３０を設定温度に制御することができる。
【００７８】
このように、この温度制御機器１１０は、ループ状流路デバイス１００のサーマルポンプシステムの加熱量（ヒータ５への加熱量）およびその周期と、加熱機構３１の加熱量およびその周期とを互いに適宜制御することにより、負荷側対象物３０により温められた受熱部８の熱量を、流路３に流れる液体６により放熱部７に高速に輸送し、放熱部７に設けられた冷却機構３２により冷却するので、負荷側対象物３０の温度を高速に制御することができる。
【００７９】
なお、上記実施の形態１６では、上記実施の形態１によるループ状流路デバイスを用いるものとして説明しているが、上記実施の形態２〜１５のいずれかのループ状流路デバイスを用いてもよいことはいうまでもないことである。
【００８０】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００８１】
この発明によれば、冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して流路抵抗を大きく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、上記第１および第２弁体の流路抵抗の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えている。そこで、流路の薄型化に伴う熱輸送性能の低下が改善され、流路内での液体をそのまま熱輸送に使用して熱輸送時間を短縮し、さらに温度勾配をより低減することができ、安定した熱輸送制御が行える高い信頼性の薄型ループ状流路デバイスを実現できる。
【００８２】
また、冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して気液界面を生じる毛管径を小さく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、上記第１および第２弁体の毛管径の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えている。そこで、流路の薄型化に伴う熱輸送性能の低下が改善され、流路内での液体をそのまま熱輸送に使用して熱輸送時間を短縮し、さらに温度勾配をより低減することができる高い信頼性の薄型ループ状流路デバイスを実現できる。さらに、発泡した気泡の凝縮時に流入する液体による冷却時に、毛管径の大きい気液界面から液体の流入が安定的に起こり、さらに安定した熱輸送制御が可能となる。
【００８３】
また、冷却機構が載置される放熱部と、負荷側対象物が載置される受熱部と、上記放熱部と上記受熱部との間で液体が循環するように構成されたループ状流路と、上記ループ状流路内に液流通方向に並んで配設された複数の弁体とを備えた薄型ループ状流路デバイスにおいて、上記複数の弁体の隣接する２つの弁体が、第１弁体と、該第１弁体に対して流路抵抗を大きく、かつ、気液界面を生じる毛管径を小さく形成された第２弁体とにより構成され、かつ、加熱部材が、上記第１弁体近傍から気泡を発生させた後、上記第２弁体に向かって該気泡を成長させるように上記第１および第２弁体間に配置されて構成されたサーマルポンプと、上記第１および第２弁体の流路抵抗および毛管径の差を利用して上記液体が上記ループ状流路内を一方向に還流するように上記加熱部材への加熱量および加熱タイミングを制御する制御手段とを備えている。そこで、流路の薄型化に伴う熱輸送性能の低下が改善され、流路内での液体をそのまま熱輸送に使用して熱輸送時間を短縮し、さらに温度勾配をより低減することができる高い信頼性の薄型ループ状流路デバイスを実現できる。さらに、発泡した気泡の凝縮時に流入する液体による冷却時に、毛管径の大きい気液界面から液体の流入が安定的に起こり、さらに気液界面が第１および第２弁体から離れたときも流路抵抗差により第１弁体から安定的に流入し、さらに安定した熱輸送制御が可能となる。
【００８４】
また、上記第１および第２弁体は、その流路抵抗が上記液流通方向の上流側から下流側に向かって大きくなるように形成された流路制御弁で構成されているので、第１および第２弁体を簡易に構成することができる。
【００８５】
また、上記第１および第２弁体は、その流路抵抗が上記液流通方向に関して一定となるように形成された受動的一方向性弁で構成されているので、第１および第２弁体を簡易に構成することができる。
【００８６】
また、上記第１および第２弁体の一方は、その流路抵抗が上記液流通方向の上流側から下流側に向かって大きくなるように形成された流路制御弁で構成され、他方は、その流路抵抗が上記液流通方向に関して一定となるように形成された受動的一方向性弁で構成されているので、第１および第２弁体を簡易に構成することができる。
【００８７】
また、上記第１弁体の濡れ性、上記第２弁体の濡れ性および上記第１弁体と上記第２弁体との間の濡れ性が、上記第２弁体の濡れ性＞上記第１弁体の濡れ性＞上記第１弁体と上記第２弁体との間の濡れ性となるように構成されているので、発泡した気泡の凝縮時に流入する液体による冷却時に、小さい濡れ性の部分と中間の濡れ性の部分との交差する気液界面から液体の流入が起こり、安定した熱輸送制御が可能となる。
【００８８】
また、上記サーマルポンプが上記ループ状流路に直列に複数個構成されているので、熱輸送量の改善が図られる。
【００８９】
また、上記ループ状流路の一部が複数の分岐流路に分岐され、上記サーマルポンプが上記複数の分岐流路のそれぞれに構成されているので、液体を一方向に安定して駆動することができる。
【００９０】
また、この発明によれば、上述のいずれかの薄型ループ状流路デバイスと、上記薄型ループ状流路デバイスの受熱部に載置される負荷側対象物を加熱する加熱機構と、上記薄型ループ状流路デバイスの放熱部に載置された放熱機構とを備えているので、サーマルポンプの加熱部材と加熱機構との加熱量および周期を制御することにより負荷側対象物を高速に温度制御することができる温度制御機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図２】  図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】  図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係る薄型ループ状流路デバイスにおけるヒータの実施態様を説明する図である。
【図５】  この発明の実施の形態１に係る薄型ループ状流路デバイスにおける沸騰核構造を模式的に説明する図である。
【図６】  この発明の実施の形態１に係る薄型ループ状流路デバイスにおける流路制御弁の実施態様を説明する図である。
【図７】  この発明の実施の形態１に係る薄型ループ状流路デバイスにおける流路制御弁の他の実施態様を説明する図である。
【図８】  この発明の実施の形態２に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図９】  この発明の実施の形態２に係る薄型ループ状流路デバイスのサーマルポンプ動作を説明するための図である。
【図１０】  この発明の実施の形態２に係る薄型ループ状流路デバイスにおけるヒータの実施態様を説明する図である。
【図１１】  この発明の実施の形態２に係る薄型ループ状流路デバイスにおける受動的一方向性弁の実施態様を説明する図である。
【図１２】  この発明の実施の形態３に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図１３】  この発明の実施の形態４に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図１４】  この発明の実施の形態５に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図１５】  この発明の実施の形態６に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図１６】  この発明の実施の形態７に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図１７】  この発明の実施の形態８に係る薄型ループ状流路デバイスの構造を模式的に示す平面図である。
【図１８】  この発明の実施の形態９に係る薄型ループ状流路デバイスにおけるサーマルポンプ動作を説明する図である。
【図１９】  この発明の実施の形態１０に係る薄型ループ状流路デバイスにおけるサーマルポンプ動作を説明する図である。
【図２０】  この発明の実施の形態１１に係る薄型ループ状流路デバイスのサーマルポンプ周りを模式的に示す平面図である。
【図２１】  この発明の実施の形態１２に係る薄型ループ状流路デバイスのサーマルポンプ周りを模式的に示す平面図である。
【図２２】  この発明の実施の形態１３に係る薄型ループ状流路デバイスの要部を模式的に示す平面図である。
【図２３】  この発明の実施の形態１３に係る薄型ループ状流路デバイスにおけるサーマルポンプの実施態様を説明する図である。
【図２４】  この発明の実施の形態１４に係る薄型ループ状流路デバイスの要部を模式的に示す平面図である。
【図２５】  この発明の実施の形態１５に係る薄型ループ状流路デバイスの要部を模式的に示す平面図である。
【図２６】  この発明の実施の形態１６に係る温度制御機器を模式的に示す斜視図である。
【図２７】  従来のループ状ヒートパイプの構造を示す概略図である。
を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  流路、３ａ  第１流路（分岐流路）、３ｂ  第２流路（分岐流路）、４ａ、１５ａ、１６ａ  流路制御弁（第２弁体）、４ｂ、１５ｂ、１６ｂ  流路制御弁（第１弁体）、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、１１ａ、１１ｂ、１２、１３  ヒータ（加熱部材）、６  液体、７  放熱部、８  受熱部、９、９ｃ、９ｄ  気泡、９ａ、９ｂ  気液界面、１７ａ、１８ａ  受動的一方向性弁（第２弁体）、１７ｂ、１８ｂ  受動的一方向性弁（第１弁体）、３０  負荷側対象物、３１  加熱機構、３２  冷却機構、４１  制御装置（制御手段）、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７  ループ状流路デバイス、１１０  温度制御機器。
【図１】
0003860055.tif 000002
【図２】
0003860055.tif 000003
【図３】
0003860055.tif 000004
【図４】
0003860055.tif 000005
【図５】
0003860055.tif 000006
【図６】
0003860055.tif 000007
【図７】
0003860055.tif 000008
【図８】
0003860055.tif 000009
【図９】
0003860055.tif 000010
【図１０】
0003860055.tif 000011
【図１１】
0003860055.tif 000012
【図１２】
0003860055.tif 000013
【図１３】
0003860055.tif 000014
【図１４】
0003860055.tif 000015
【図１５】
0003860055.tif 000016
【図１６】
0003860055.tif 000017
【図１７】
0003860055.tif 000018
【図１８】
0003860055.tif 000019
【図１９】
0003860055.tif 000020
【図２０】
0003860055.tif 000021
【図２１】
0003860055.tif 000022
【図２２】
0003860055.tif 000023
【図２３】
0003860055.tif 000024
【図２４】
0003860055.tif 000025
【図２５】
0003860055.tif 000026
【図２６】
0003860055.tif 000027
【図２７】
0003860055.tif 000028