JP2009129971A - 熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温側熱源から低温側熱源への熱輸送効率が良く、ドライアウトによる機能低下を改善した新規な構成の熱伝達装置を提供する。
【解決手段】熱源によって液体を加熱する熱伝導プレート１２と、該熱伝導プレート上に形成される流体チャネル１３と、流体チャネルに液体を供給する液体流入口１４と、流体チャネルの出口に連通する蒸気回収室１６とを備える蒸発容器１５を有する熱伝達装置１０である。流体チャネルに供給された液体が熱伝導プレートにより沸点以上の温度に加熱されて蒸発したときの体積変化によって液体およびその蒸気を流体チャネルの出口に向けて一方向に移動させるようポンプ機能を発揮する。熱伝導プレート上において流体チャネル間に連通する微小間隙チャネル１８を形成して、液体が蒸発しない非沸騰領域を確保することにより、ドライアウトを防止する。微小間隙チャネルは、熱伝導プレートとの間に０．０５ｍｍ以下の微小隙間ｈ１を与えるように形成されることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は熱伝達装置に関し、より詳しくは、作動液体を加熱することによって高温側熱源から低温側熱源に効率的に熱を輸送することができる熱伝達装置に関する。外部からの動力で液体を駆動することも可能であるが、本発明の熱伝達装置は、特に、外部から動力を加えることなく作動液体を移動させるものとして好適に実施可能である。

上記のような熱伝達装置は、たとえば、ＣＰＵやレーザダイオードなどの局所発熱体が多数配置されている電子機器において、その電子機器内部が過熱状態となることを防止するために用いられる。このような用途においては省スペース性も要求される。

従来から採用されている省スペース性熱伝達装置としては、ヒートパイプなどの高温熱伝導体を組み込み、該高温熱伝導体の外側の金属による熱伝導とその内側の作動液体の熱伝達により局所発熱体から断面積の大きいヒートシンクまたはラジエータなどの放熱装置に熱を輸送し、該放熱装置を強制空冷で冷却する手法が主流である。

しかしながら、上述した従来の熱伝達装置は、機械的動力を加えることなく熱を高温側熱源から低温側熱源に移送させることができても、熱輸送量が使用姿勢により変化したり、伝熱面の液体が蒸発してドライアウトすることによって熱輸送の機能が低下し、あるいは停止してしまうことがあった。

したがって、本発明の課題は、高温側熱源から低温側熱源への熱輸送効率が良く、しかも高寿命である新規な構成の熱伝達装置を提供することである。より詳しくは、熱を高温側熱源から低温側熱源に効率よく輸送することができる熱伝達装置を提供し、特に、使用姿勢による熱輸送量の変化とドライアウトによる機能低下の双方を改善すると共に、作動液体の蒸発によって液体を一方向に移動させるポンプ機能を持たせることによって省スペースで熱輸送量を増大させることができる熱伝達装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決することができる熱伝達装置について、発明者らは、沸点以上の温度に加熱された液体中に球状の粒子を伝熱面上に置いた場合、伝熱面と粒子の接点から少し（たとえば０．０５ｍｍ程度）離れたところから安定して発泡し、接点を含むその内側領域では発泡しないという過去の報告（高橋・石川、機論（Ｂ）、６１−５５４（１９９５）、１４９８）に注目した。ここでは、伝熱面から過熱液層、粒子へと熱流束が流入し、接点付近ではキャビティへの熱流束の回り込みが抑制されるため発泡しない領域となると説明されている。

この報告に基づき、発明者らは、いわゆる水平沸騰型マイクロチャネルヒートシンクにおいて、マイクロチャネルの他に微小間隙を持つ流体チャネルを設けることにより安定した沸騰伝熱を実現することができるものと考えて鋭意研究と実験を重ね、本発明を完成させた。

すなわち、本発明による熱伝達装置は、熱源によって液体を加熱する熱伝導プレートと、該熱伝導プレート上に形成される流体チャネルと、流体チャネルに液体を供給する液体供給手段と、流体チャネルの出口に連通する蒸気回収室とを備える蒸発容器を有し、流体チャネルに供給された液体が熱伝導プレートにより沸点以上の温度に加熱されて蒸発したときの体積変化によって液体およびその蒸気を流体チャネルの出口に向けて一方向に移動させるようポンプ機能を発揮するものであって、該熱伝導プレート上において該流体チャネル間に連通する微小間隙チャネルを形成し、該微小間隙チャネルを作動液体が蒸発しない非沸騰領域として確保したことを特徴としている。

本発明によれば、沸騰型マイクロチャネルヒートシンクとして構成されるような熱伝達装置において、流体チャネル間に連通する微小間隙チャネルを形成して、該微小間隙チャネルを作動液体が蒸発しない非沸騰領域として確保したので、ドライアウトを防止し、高温側熱源から低温側熱源への熱輸送効率を改善し且つ高寿命化することができる。

図１は本発明の一実施形態による熱伝達装置の要部概略構成図であり、図２はこれに準じた構成の熱伝達装置の一部破断分解斜視図である。この熱伝導装置１０は、純水などの作動液体が供給される供給タンク１１と、作動液体（以下「水」）を加熱する熱伝導プレート１２と、熱伝導プレート１２の上面に形成される流体チャネル１３と、供給タンク１１に供給された水を流体チャネル１３に流入させるための液体流入口１４とを備える蒸発容器１５を有して構成されている。熱伝導プレート１２の下方には発熱体（図示せず）が取り付けられ、熱伝導によって、流体チャネル１３を流れる水をその沸点以上の温度に加熱し、沸騰・蒸発させる。なお、図２の熱伝達装置における符号１９については図４に関して後述する。

蒸発容器１５の幅方向両側には、流体チャネル１３に連通する蒸気回収室１６が設けられている。水が流体チャネル１３を流れる間に熱伝導プレート１２により加熱されて蒸発すると、そのときの体積変化により、水または水蒸気を流体チャネル１３の入口（液体流入口１４）から出口（蒸気回収室１６）へと一方向に移動させるポンプ機能が発揮される。流体チャネル１３は入口（液体流入口１４）から出口（蒸気回収室１６）に向けて徐々に流路幅が大きくなるように（図１（ａ）および図２参照）、また、入口（液体流入口１４）の断面積より出口（蒸気回収室１６に通じる開口）の断面積が大きくなるように設計される（図１（ｂ）および図２参照）。

蒸発容器１５の上蓋２０は供給タンク１１および蒸気回収室１６を閉じるように設けられるが、供給タンク１１に連通する液体供給口２１および蒸気回収室１６に連通する蒸気排出口２２が備えられている。蒸気回収室１６で回収された蒸気は蒸気排出口２２から蒸発容器１５の外部に放出され、凝縮液化された後に液体供給口２１から供給タンク１１に供給される循環経路が形成される。

この熱伝導装置１０では、流体チャネル１３を形成するために熱伝導プレート１２上に設けられているリブ１７を熱伝導プレート１２の上面から浮かせた状態にしてその間に微小間隙チャネル１８を形成して、流体チャネル１３と連通させている。リブ１７と熱伝導プレート１２の間に形成される微小間隙チャネル１８の隙間ｈ１は０．０５ｍｍ以下であることが好ましく、たとえば０．０３ｍｍとする。一方、流体チャネル１３の隙間ｈ２は０．０５ｍｍよりも十分に大きければ特に限定的ではないが、たとえば約２０ｍｍである。したがって、図１（ｃ）から明らかなように、リブ１７の下面は、熱伝導プレート１２との間に流体チャネル１３が形成される部分が凹部となり、熱伝導プレート１２との間に微小間隙チャネル１８が形成される部分が凸部となる凹凸状に形成されている。

供給タンク１１に供給された水は、発熱体により加熱させられた熱伝導プレート１２およびリブ１７を介して一次的に加熱され、さらに液体流入口１４から流体チャネル１３に入り込んでさらに熱伝導プレート１２上で加熱される。流体チャネル１３は上述のようにリブ１７の下方に設けられる微小間隙チャネル１８に連通しているので、流体チャネル１３を流れる水の一部は微小間隙チャネル１８にも流入する。後述するように、熱伝導プレート１２が水の沸点以上の過熱状態においても、微小間隙チャネル１８においては水は蒸発しないという特性がある。すなわち、この微小間隙チャネル１８は非沸騰領域として機能する。一方、熱伝導プレート１２との間に十分な隙間ｈ２が確保されている流体チャネル１３においては、熱伝導プレート１２が液体沸点以上の過熱状態にある場合、水が沸騰する沸騰領域となる。

上記の作用についてさらに詳しく説明すると、熱伝導プレート１２とリブ１７との隙間ｈ１が微小である微小間隙チャネル１８にある水は、熱伝導プレート１２からの熱流束が気泡核に回り込むことができないため、蒸発することなく常に液体として存在し、非沸騰領域を実現させる。これは前記報告（高橋・石川、機論（Ｂ）、６１−５５４（１９９５）、１４９８）から導かれる原理である。一方、熱伝導プレート１２とリブ１７との隙間ｈ２が大きい流体チャネル１３においては、熱伝導プレート１２からの熱流束が気泡核に回り込むので、水が蒸発する沸騰領域となる。図３は、図１の熱伝導装置１０を稼働させたときの水の沸騰・非沸騰状態を示し、網掛けを施した部分では蒸発が起こらずに水が液体として保持されている。図示のように、微小間隙チャネル１８では蒸発が起こらずに水が液体として保持されており、この部分が非沸騰領域を実現していることが分かる。

一方、流体チャネル１３の入口付近すなわち液体流入口１４近くでは、常に液体が供給されている。また、液体流入口１４近くで気液界面Ｌとして図３に示されるように蒸気泡と水との境界が存在し、この界面Ｌによって表面張力が発生するため、これによって液体は流体チャネル１３内に吸引される。したがって、図３に網掛けで示すように、液体流入口１４近くの流体チャネル１３には液体が残り、液体流入口１４から水が微小間隙チャネル１８に入り込むことを担保している。

なお、流体チャネル１３を流れる間に蒸発した蒸気泡が合体して大きく成長すると、水は液体流入口１４と蒸気回収室１６の双方に向けて移動しようとするが、上述のように液体流入口１４近くに形成される気液界面Ｌでの表面張力によって蒸気が液体流入口１４に逆流することが防止され、且つ、液体注入口１４は蒸気回収室１６より断面積が小さいので、蒸気泡の成長により発生した流れは流路抵抗により蒸気回収室１６に向けて一方向に流れる。そして、十分に時間が経過すると、流体チャネル１３内は実質的に蒸気で満たされることになり、蒸気回収室１６から蒸気が流出する。

言うまでもないことであるが、本発明は上記および図示の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において多種多様な実施形態を取り得る。たとえば、本発明の伝達装置に用いられる作動液体は典型的には水であるが、その他実施可能なあらゆる種類の液体を使用することができる。

また、作動液体を流体チャネル１３および微小間隙チャネル１８に流入させるための液体供給機構として、上記実施形態では液体流入口１４を採用したが、図４に示すような構成を採用してもよい。図４に示す実施形態では、上記実施形態におけると同様に、供給タンク１１から液体（水）を流体チャネル１３の入口側に供給するための液体流入口１４を設けるとともに、さらに加えて、微小間隙チャネル１８の上方に設けられているリブ１７を上下に貫通する液体流入穴１９をリブ１７の長さ方向に任意間隔で複数開口形成している。この実施形態によれば、供給タンク１１内の水は、液体流入口１４から流体チャネル１３の入口側に供給されるとともに、複数の液体流入穴１９から微小間隙チャネル１８に対して直接的に供給されることになるので、微小間隙チャネル１８に対する水供給がより確実に担保され、非沸騰領域の確保をより確実なものとすることができる。このような構成は、液体流入口１４の直径が小さい場合に特に有効である。

なお、微小間隙チャネル１８に対して直接的に水を供給するための液体流入穴１９は、その直径が大きすぎると、液体流入穴１９を通過する間に沸騰してしまうおそれがあるので、微小間隙チャネル１８の隙間ｈ１と同様、０．０５ｍｍ以下の直径とすることが好ましい。

本発明の一実施形態による熱伝達装置の概略構成図であり、（ａ）は長手方向断面図、（ｂ）は（ａ）中ｂ−ｂ矢視断面図、（ｃ）は（ｂ）中ｃ−ｃ矢視断面図である。 図１に準じた構成の熱伝達装置を示す一部破断分解斜視図である。 図１の熱伝導装置を稼働させたときの水の沸騰・非沸騰状態を示す図である。図３（ａ）は図１（ｃ）に対応し、図３（ｂ）は図１（ｂ）に対応している。 本発明の他の実施形態による熱伝達装置の概略構成図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）中ｂ−ｂ矢視断面図である。

符号の説明

１０ 熱伝達装置
１１ 供給タンク
１２ 熱伝導プレート
１３ 流体チャネル
１４ 液体流入口
１５ 蒸発容器
１６ 蒸気回収室
１７ リブ
１８ 微小間隙チャネル
１９ 液体流入穴
２０ 蒸発容器の上蓋
２１ 液体供給口
２２ 蒸気排出口

Claims (4)

1. 熱源によって液体を加熱する熱伝導プレートと、該熱伝導プレート上に形成される流体チャネルと、流体チャネルに液体を供給する液体供給手段と、流体チャネルの出口に連通する蒸気回収室とを備える蒸発容器を有し、流体チャネルに供給された液体が熱伝導プレートにより沸点以上の温度に加熱されて蒸発したときの体積変化によって液体およびその蒸気を流体チャネルの出口に向けて一方向に移動させるようポンプ機能を発揮するものであって、該熱伝導プレート上において該流体チャネル間に連通する微小間隙チャネルを形成し、該微小間隙チャネルを液体が蒸発しない非沸騰領域として確保したことを特徴とする熱伝達装置。
2. 前記微小間隙チャネルは、熱伝導プレートとの間に０．０５ｍｍ以下の微小隙間を与えるように形成されることを特徴とする、請求項１記載の熱伝達装置。
3. 前記液体供給手段は流体チャネルの入口に液体を供給することを特徴とする、請求項１または２記載の熱伝達装置。
4. 前記液体供給手段は微小間隙チャネルに液体を供給することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか記載の熱伝達装置。

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