JP5300394B2 - マイクロループヒートパイプ用蒸発器 - Google Patents

Description

この発明は、蒸気化潜熱によって熱輸送をおこなうマイクロループヒートパイプの蒸発器に関するものである。

ヒートパイプは優れた熱伝導装置であるが、蒸発器から凝縮器に向けて流れる蒸気流と、凝縮器から蒸発器に向けて還流する液流とが対向流になり、液流の一部が蒸気流によって吹き戻されることにより作動流体の還流量が制限を受ける。そのため、ウィックによる作動流体の還流が律速となり、一般に熱輸送能力が低下する。

このような不都合を解消できるヒートパイプとして、ループ型ヒートパイプが知られている。また、ループ型ヒートパイプは、蒸発器と凝縮器との位置関係に左右されないため、ラップトップ型コンピュータのような小型電子機器への応用が提案されている。その例が下記の特許文献１ないし特許文献３に記載されている。特許文献１に記載されている蒸発器及びこの蒸発器を使用したループヒートパイプは、円筒形状の一方から液相の作動流体が流入する蒸発器の内部に、作動流体を保持するウィックを設けるとともに、ウィックの外周側にグルーブを形成することによって、ウィックに保持された作動流体がグルーブに押し出され、加熱され蒸気化されて蒸発器から導出されるように構成されている。また、グルーブの形成されたウィックよりも液相の作動流体が流入する側に、グルーブの形成されていないウィックを配置することにより、蒸気化した作動流体の逆流を防止できるように構成されている。

特許文献２に記載されているミニループヒートパイプ用蒸発器は、蒸発器の内部に配置されたウィックに液相の作動流体が導入され、またウィックの多孔質構造に保持された作動流体が、ウィックの下方に配置された溝に毛細管力によって吸収され、溝が加熱されることによって作動流体が蒸気化されて、蒸発器から導出されるように構成されている。このため、蒸気化した作動流体がウィックに逆流しないとされている。

特許文献３に記載されているループ型ヒートパイプは、液相の作動流体が流動する液戻り管と蒸気化した作動流体が流動する蒸気管とがウィックを挟んで積層されて構成されている。また、ウィック表面に形成されたグルーブから作動流体が蒸気化するので、蒸気化した作動流体が液戻り管に逆流しないとされている。

特開２００７ー３１５７４０号公報 特開２００５−２３３４８０号公報 特開２００８−７００５８号公報

上述した特許文献１ないし特許文献３に記載されているループ型ヒートパイプの蒸発器は、作動流体を蒸発器に導入する液戻り管と作動流体を貯留するリザーバと作動流体を保持するウィックと作動流体を蒸気化させるグルーブと蒸気化された作動流体を蒸発器から導出させる蒸気管とが積層されて構成されている。このため、蒸発器の薄型化が困難であった。

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、蒸発器の厚みを抑えることのできるマイクロループヒートパイプ用蒸発器を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、容器の内部に作動流体を供給するとともに、その容器の内部に設けられたマイクロチャンネル部で前記作動流体を蒸気化させてその蒸気を前記容器の外部に流出させるマイクロループヒートパイプ用蒸発器において、前記容器が薄板状の中空体として形成され、その容器の内部に、該容器の厚さ方向で互いに対向する二つの内面に接合されるとともに前記容器の内部の縦横寸法より小さい縦横寸法に形成されて前記容器の内部を少なくとも二つの領域に区画する多孔質部材からなる隔壁部が設けられ、その一方の領域に、前記作動流体を流入させる流入口が開口して設けられて該一方の領域が前記作動流体を貯留するリザーバ部とされ、かつ他方の領域の内部に、前記マイクロチャンネル部と、そのマイクロチャンネル部を形成している細溝部が連通するヘッダ部とが形成され、そのヘッダ部に前記蒸気を前記容器から流出させる流出口が開口して設けられており、前記隔壁部は前記流出口側に偏在していることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記マイクロチャンネルは前記多孔質部材から構成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、作動流体が供給される容器の厚さ方向に多孔質部材からなる隔壁部によって少なくとも二つの領域に区画され、一方の領域がリザーバ部とされ、他方の領域がマイクロチャンネル部とされる。これらの区画された領域は容器の内部に並列して配置されるので、蒸発器の厚みを抑えることができる。隔壁部は多孔質部材から形成されているので、その多孔構造の内部に作動流体を保持することができる。リザーバ部には、作動流体の流入口が設けられているので、作動流体をその内部に流入させることができる。マイクロチャンネル部には細溝部が形成されているので、この細溝部によって、リザーバ部に貯留され、隔壁部を経て浸潤した作動流体を蒸気化させる蒸気化面積を拡大させることができる。また、マイクロチャンネル部を形成している細溝部には細溝部を連通するヘッダ部が形成されているので、細溝部で蒸気化した作動流体をヘッダ部でまとめることができる。さらに、蒸気化した作動流体はヘッダ部に設けられた流出口から流出させることができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、マイクロチャンネル部は多孔質部材によって形成されているので、その多孔構造の内部に作動流体を保持することができる。また、マイクロチャンネル部を形成している細溝部も多孔質部材から形成されているので、毛細管力によって細溝部に展開させることができる。また、細溝部が多孔質部材から形成されているので、作動流体を蒸気化させる面積を拡大することができる。さらにまた、マイクロチャンネル部が多孔質部材から形成されているので、焼結などの方法により製造することができる。

つぎにこの発明を図面を参照しながら具体的に説明する。この発明におけるマイクロループヒートパイプ１の概略図を図５に模式的に示してある。この発明におけるマイクロループヒートパイプ１は、マイクロループヒートパイプ１の内部に封入された作動流体の蒸気化潜熱によって熱源２から熱を奪う蒸発器３と、蒸気化した作動流体を流動させる蒸気管４と、蒸気化した作動流体を凝縮させて凝縮潜熱によって輸送した熱を外部に放熱する凝縮器５と、凝縮した作動流体を流動させる液戻り管６とが連通されてループ形状に構成されている。また、蒸発器３に直接接続された管と蒸気管４との間にはコネクタ７が設けられ、このコネクタ７を介して蒸発器３に直接接続された管は内外径寸法の大きい蒸気管４に接続されている。この発明におけるマイクロループヒートパイプ１は、前述したラップトップ型コンピュータのような小型電子機器への応用のために薄型化が要求されるから、蒸発器３の薄型化にともなって、蒸発器３に接続できる蒸気管４の大きさはおのずと限られるためである。さらにまた、液戻り管６と蒸発器３との間にも、コネクタ８が設けられている。これは、上記と同様に薄型化した蒸発器３と蒸気管４、液戻り管６のサイズを調整するためのものである。

この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の構造の一例を図１に模式的に示してある。作動流体が流出入するケーシング９は、その対向する一対の面の一方に作動流体の流入口１０が設けられ、他方の面に作動流体の流出口１１が設けられている。ケーシング９を形成する材質には熱伝導性を有する金属材料として例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いることができる。流出口１１が設けられたケーシング９の他方の面に、一体成型されたマイクロチャンネル部１２と隔壁部１３とが偏在し、かつ接合されて設けられている。流入口１０が設けられたケーシング９の一方の面には、リザーバ部１４が形成されている。

マイクロチャンネル部１２は隔壁部１３に囲まれるように形成され、ここに示す例では、マイクロチャンネル部１２と隔壁部１３とが一体成形された例を示している。また、マイクロチャンネル部１２には複数の細溝部１５が形成されている。この細溝部１５は、マイクロチャンネル部１２に展開された作動流体と蒸気化した作動流体とを分離できるように構成されている。すなわち、マイクロチャンネル部１２の凸部とケーシング９との接触面において、蒸気化した作動流体と液相の作動流体とが分離される。さらに、マイクロチャンネル部１２には複数の細溝部１５を連通するヘッダ部１６が設けられている。このヘッダ部１６がケーシング９の他方の面に設けられた流出口１１に連通するように配置されている。

一体成形されたマイクロチャンネル部１２と隔壁部１３との縦横寸法は、ケーシング９の内部の縦横寸法より小さく形成されている。また、隔壁部１３の厚さ（高さ）は、ケーシング９の内部の厚さ（高さ）と同寸法になるように形成されている。そして、天板１７とケーシング９と隔壁部１３とが接合されて蒸発器３が構成されている。

マイクロチャンネル部１２は、多孔質部材によって形成されている例を示してあるが、例えば毛細管力によって作動流体を展開し、作動流体を蒸気化させる面積を拡大できる細溝部１５が形成できる部材であればよい。また、マイクロチャンネル部１２と隔壁部１３とは、一体成型された例を示してあるが、別々に形成されたものであってもよい。前述した蒸発器３の斜視図を図２に模式的に示してある。図２（ａ）は、蒸発器３の内部構造の斜視図であり、図２（ｂ）は、蒸発器３の断面斜視図である。蒸発器３の断面図およびその寸法の一例を図３に模式的に示してある。前述したように、マイクロチャンネル部１２と隔壁部１３とが一体成形されているので、その厚みを抑えることができる。また、それに伴って、マイクロチャンネル部１２と隔壁部１３とを収容するケーシング９の厚みを抑えることができるので、蒸発器３を薄型化することができる。

つぎにこの発明におけるマイクロループヒートパイプの動作例について説明する。前述した蒸発器３の上視図および外形寸法を図４（ａ）に模式的に示してある。また、蒸発器３の横断面図を図４（ｂ）に模式的に示してある。マイクロループヒートパイプ１に封入された液相の作動流体は、蒸発器３に接している熱源２によって加熱されて蒸気化される。より具体的には、マイクロチャンネル部１２の細溝部１５に展開された作動流体は、マイクロチャンネル部１２とケーシング９との接触面において熱源２により加熱され、その熱を蒸気化潜熱として奪って蒸気化する。蒸気化した作動流体は、マイクロチャンネル部１２により気液分離され、複数の細溝部１５を流動する。また蒸気化した作動流体は、複数の細溝部１５を連通するヘッダ部１６においてまとめられて、流出口１１から流出される。この場合に、蒸発器３を加熱した熱は、すなわち、作動流体を蒸気化させた熱は蒸気化した作動流体によって輸送される。また、作動流体は蒸気化に伴って体積膨張するので、マイクロチャンネル部１２の内部圧力が上昇する。一方、隔壁部１３によって隔てられたリザーバ部１４は、蒸気化し、体積膨張した作動流体が流入しないので、内部圧力の上昇は生じない。

一方、凝縮器５では蒸気化した作動流体が、凝縮潜熱によって熱を奪われて、凝縮するように構成されている。凝縮した作動流体は、細溝部１５やヘッダ部１６ならびに蒸気管４内の蒸気圧と液戻り管６やリザーバ部１４内の蒸気圧との蒸気圧力差によって流動するように構成されている。すなわち、蒸気圧力差によって、蒸気化した作動流体は、蒸発器３から凝縮器５へ流動し、凝縮器５において凝縮した作動流体はリザーバ部１４へ流動する。

凝縮した作動流体は、液戻り管６を流動して流入口１０から蒸発器３に還流される。蒸発器３は、多孔質部材からなる隔壁部１３によってリザーバ部１４と作動流体を蒸気化させるマイクロチャンネル部１２とに隔てられているから、流入口１０から蒸発器３に流入した作動流体は一旦リザーバ部１４に貯留される。リザーバ部１４に貯留された作動流体は、隔壁部１３の多孔構造が生じる毛細管力によって吸い出されて、マイクロチャンネル部１２に再び展開されて、また加熱されて蒸気化される。このように、作動流体は蒸気化と凝縮とを繰り返し、また、その蒸気圧力差によって流動して循環する。

なお、マイクロチャンネル部１２は隔壁部１３に囲まれるように形成され、また、毛細管力を生じる多孔質部材によって一体成形されているので、蒸発器３の厚さを減少させることができ、延いてはマイクロループヒートパイプ１の薄型化を図ることができる。

この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の構造を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の内部構造の斜視図であり、（ｂ）は、この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の断面斜視図である。 この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の断面およびその寸法の一例を模式的に示す図である。 （ａ）は、この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の内部上視図であり、（ｂ）は、この発明に係るマイクロループヒートパイプ用蒸発器の横断面図である。 この発明で対象とするマイクロループヒートパイプの構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１…マイクロループヒートパイプ、 ９…ケーシング、 １０…流入口、 １１…流出口、 １２…マイクロチャンネル部、 １３…隔壁部、 １４…リザーバ部、 １５…細溝部。

Claims (2)

1. 容器の内部に作動流体を供給するとともに、その容器の内部に設けられたマイクロチャンネル部で前記作動流体を蒸気化させてその蒸気を前記容器の外部に流出させるマイクロループヒートパイプ用蒸発器において、
   前記容器が薄板状の中空体として形成され、
   その容器の内部に、該容器の厚さ方向で互いに対向する二つの内面に接合されるとともに前記容器の内部の縦横寸法より小さい縦横寸法に形成されて前記容器の内部を少なくとも二つの領域に区画する多孔質部材からなる隔壁部が設けられ、
   その一方の領域に、前記作動流体を流入させる流入口が開口して設けられて該一方の領域が前記作動流体を貯留するリザーバ部とされ、かつ
   他方の領域の内部に、前記マイクロチャンネル部と、そのマイクロチャンネル部を形成している細溝部が連通するヘッダ部とが形成され、
   そのヘッダ部に前記蒸気を前記容器から流出させる流出口が開口して設けられており、
   前記隔壁部は前記流出口側に偏在している
   ことを特徴とするマイクロループヒートパイプ用蒸発器。
2. 前記マイクロチャンネルは前記多孔質部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロループヒートパイプ用蒸発器。

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