JP5556897B2 - ループ型ヒートパイプ及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明はループ型ヒートパイプとこれを用いた電子機器に関する。

各種発熱体を冷却するためのデバイスとして、図１Ａに示すループ型ヒートパイプが知られている（たとえば特許文献１及び２参照）。ループ型ヒートパイプは、蒸発器１１０と凝縮器１３０を、液管１１２及び蒸気管１１３によりループ状に接続して作動流体を循環させる冷却機構である。図１Ｂに示すように、ＣＰＵ等の発熱体１２０に蒸発器１１０を接触させ、発熱体１２０からの熱で蒸発器１１０内の作動液１０５を気化させることによって発熱体１２０を冷却する。蒸発器１１０で発生した作動流体の蒸気１０３は、蒸気管１１３により凝縮器１３０へ送られ、凝縮器１３０で液化される。液体状態になった作動流体はリザーバタンク１２５に収容され、蒸発器１１０に供給される。

電子部品等の発熱体１２０は、ＬＳＩパッケージに代表されるように平面型の形状をしていることが多いことから、受熱部である蒸発器１１０も発熱体１２０と密着しやすい平面型であるほうが好ましい。また、ループ型ヒートパイプの冷却性能を高めるためには、蒸発器１１０の内部容積を大きくすることが有効であるが、電子機器の小型化、軽量化を考えると、蒸発器１１０の形状をできるだけコンパクトにする必要がある。この相反する要請に答えて、外形がコンパクトでありながら内部容積を大きくできる形状は平面型であり、この点でも平板型蒸発器が望ましい。

平板型蒸発器１１０の蒸発器ケース１１１の内部には、多孔質体のウィック１１５が熱的に密着配置され、ウィック１１５の毛細管力によって作動液１０５を駆動する。ウィック１１５に含浸された作動液１０５を効率よく気化させるために、平板型の蒸発器ケース１１１の内部に複数のウィック１１５を並列に並べ、ウィック１１５と蒸発器ケース１１１との接触面積を増大させる構成も提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

しかし、蒸発器１１０に流れ込む作動液１０５に発熱体１２０からの熱が伝わりやすくなると、図１Ｂのサークルで示すように、作動液１０５がウィック１１５に到達する前に沸騰して気泡１０１が生じてしまう。特に小型化、薄型化した平板型蒸発器の場合、発熱体１２０と作動液１０５との距離が近くなるため、気泡１０１が生じやすくなる。気泡１０１は蒸発器１１０への作動液１０５の流入を阻害するとともに、図１Ｃに示すように、ウィック１１５の毛細管力を阻害する。作動液１０５側に蒸気泡１０１がない場合は、ウィック１１５を構成する多孔質体に蒸気側に向かう毛細管力が働き（矢印１１６参照）、作動液１０５が適正に蒸気側に吸い上げられる。しかし、作動液１０５中に気泡１０１が生じた場合、図中の上向きの矢印と下向きの矢印で示すように、ウィック１１５の蒸気側と液側で表面張力が打ち消され、毛細管力が働かなくなる。その結果、作動液１０５の循環が弱まり、あるいは循環が停止して、ループ型ヒートパイプの冷却性能が低下する。

特開２００４−２１８８８７号公報 特開２００５−１４７６２５号公報 特開２００９−１１５３９６号公報

一般に平板型の蒸発器は、円筒型蒸発器と比較して作動液の流入口が狭く、内部に蒸気泡が溜まりやすい構造である。発明者らは、平板型蒸発器１１０を垂直に用いる場合や、マルチＣＰＵの冷却にループ型ヒートパイプを用いる場合に、ヒートリークによる気泡の問題がいっそう顕著化することを見出した。

そこで、本発明は、蒸発器に流れ込む作動液からヒートリークによる蒸気泡を除去し、作動液を効率よく蒸発器内に供給して気泡詰まりを防止することのできるループ型ヒートパイプを提供することを課題とする。

上記の目的を達成するために、本発明のひとつの側面では、発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気化された作動流体を凝縮させる凝縮器とを蒸気管及び液管でループ状に接続したループ型ヒートパイプにおいて、
前記凝縮器で凝縮された作動液を循環させる前記液管上に配置されて前記作動液を収容するタンクと、
前記タンクと前記蒸発器とを接続して前記作動液を前記蒸発器へ供給する接続管と、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとをつなぐバイパス管と、
を有し、前記バイパス管は、前記ループ型ヒートパイプの動作時に前記蒸気器内に発生する蒸気泡を前記タンクへと排出する。

別の側面では、ループ型ヒートパイプを用いた電子機器を提供する。このような電子機器は、
重力方向に沿って配置される基板と、
前記基板上に配置される電子部品と、
前記電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品との接触面が前記重力方向と平行になるように前記電子部品に接する蒸発器と、
前記蒸発器と接続管で接続され、前記接続管を介して前記蒸発器に液相の作動流体を供給するタンクと、
前記接続管よりも前記重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとを接続するバイパス管と、
を有し、前記ループ型ヒートパイプの動作時に前記蒸発器で発生する蒸気が前記バイパス管により前記タンクに排出される。

さらに別の側面では、電子機器は、
複数の電子部品が配置される基板と、
前記複数の電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、前記複数の電子部品の各々に対して配置される複数の蒸発器と、
前記複数の蒸発器の各々と、それぞれ対応する接続管で接続され、前記各蒸発器に液相の作動流体を供給する共通タンクと、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記複数の蒸発器の各々と前記共通タンクとを接続するバイパス管と
を有し、前記ループ型ヒートパイプの動作時に、前記各蒸発器で発生する蒸気が前記対応するバイパス管により前記共通タンクに排出される。

上述した構成により、ループ型ヒートパイプの作動時にヒートリークにより発生する蒸気泡を除去して気泡詰まりの問題を解消し、作動液を効率よく蒸発器内に供給することが可能になる。その結果、ループ型ヒートパイプの動作が安定し、冷却性能が向上する。このようなループ型ヒートパイプを用いた電子機器も安定して冷却されるため、安定して機能する。

従来のループ型ヒートパイプの全体構造を示す概略平面図である。 図１Ａのループ型ヒートパイプで用いられる蒸発器の構成を示す図であり、作動流体が流れる方向に沿った概略断面図である。 従来のループ型ヒートパイプにおける蒸気泡の問題を説明するための模式図である。 一般的なループ型ヒートパイプを垂直配置に適用した場合の概略構成図である。 垂直配置のループ型ヒートパイプにおける蒸気泡の問題を説明するための図である。 垂直配置のループ型ヒートパイプにおける蒸気泡の問題を説明するための図である。 実施例１のループ型ヒートパイプの主要部の構成を示す図である。 実施例１のループ型ヒートパイプの動作を説明するための図である。 実施例１のループ型ヒートパイプの動作を説明するための図である。 実施例１のループ型ヒートパイプの動作を説明するための図である。 実施例１のループ型ヒートパイプを垂直型の配置に適用した場合の全体構成図である。 図５のループ型ヒートパイプで用いられる蒸発器と、蒸発器に接続される管構成を示す図であり、作動液の流れる方向に沿った断面図である。 図６ＡのＤ−Ｄ'断面に沿った蒸発器の配置構成図である。 実施例１の効果を示すグラフであある。 実施例２のループ型ヒートパイプに至る過程で考えられる構成図である。 実施例２のループ型ヒートパイプの全体構成図である。 実施例２のループ型ヒートパイプの主要部を示す図である。 実施例２のループ型ヒートパイプの動作を説明するための図である。 実施例２のループ型ヒートパイプの動作を説明するための図である。 実施例２のループ型ヒートパイプの動作を説明するための図である。 実施例２のループ型ヒートパイプの全体構成を示す斜視図である。 実施例２の効果を示すグラフである。

実施例１では、基本形として、ループ型ヒートパイプで単一の発熱体を冷却する場合、すなわちループ型ヒートパイプの循環路に単一の蒸発器を接続する場合を説明する。ループ型ヒートパイプは、垂直の配置構成に適用されてもよい。図２Ａは一般的なループ型ヒートパイプをそのまま垂直配置に適用した場合の構成例を示す。ブレードサーバや縦置きディスクトップパソコン等では、筐体内でプリント板４０を垂直（重力方向Ｇと平行）に実装するケースが多い。この場合、プリント板４０上のＣＰＵ（発熱体）２０を冷却するために、平板型蒸発器１０も垂直に配置される。リザーバタンク２５をプリント板４０上でＣＰＵ２０に隣接して配置するのは困難なので、蒸発器１０とリザーバタンク２５との間は接続管１４で接続されることになる。

このように一般的なループ型ヒートパイプをそのまま垂直に配置した場合、図２Ｂのように、平板型蒸発器１０の内部に蒸発面積を増やすために２つのウィック１１５ａ、１１５ｂが配置されているとする。ＣＰＵ２０からの発熱量が増大すると、ウィック１５ａ、１５ｂの蒸発面（ウィック１５ａ、１５ｂと蒸発器１０の内壁との接触面）だけではなく、蒸発器１０の液側でもヒートリークによる蒸気（又は気泡）１０３が発生する。この場合、蒸気泡１０３の行き場がなく、上側のウィック１５ｂの内側に蒸気が滞留する（矢印Ａ参照）。

図２Ｃに示すように上記の滞留がさらに進むと、蒸気器１０の上側に作動液５が供給されず、上側のウィック１５ｂがドライアウトしやすくなる。また、蒸発器１０内に溜まった蒸気泡１０１は接続管１４を逆流しようとするため、蒸発器１０への作動液５の流入が阻害される。

円筒型の蒸発器の場合は、蒸発器の近傍に円筒形のリザーバタンクを配置して、蒸発器とリザーバタンクを大径の接続管で接続することによって、作動液１０５の流れを阻害することなく気泡をリザーバタンク側に排出することができる。しかし、薄い平板型蒸発器１０の場合は、リザーバタンク２５との接続に大径の接続管を用いることができない。また、図２Ａのように蒸発器１０とリザーバタンク２５が離れて配置される場合は、接続管１４の設計はさらに制限され、接続管１４に詰まった蒸気泡を除去するのが困難になる。

このように、ループ型ヒートパイプが垂直方向に配置される場合や、蒸発器とリザーバタンクが離れて位置する場合に、ヒートリークによる蒸気の問題が深刻になる。そこで、実施例では、蒸気詰まりの問題を解消するために図３〜図５に示す構成を採用する。図３は、実施例１のループ型ヒートパイプの主要部を示す概略断面図、図４Ａ〜図４Ｃは図３の主要部の動作を説明する図、図５は図３の構成を適用したループ型ヒートパイプの全体構成図である。

ループ型ヒートパイプ１（図５参照）は、ＣＰＵ等の発熱体２０からの熱で作動流体を気化させる蒸発器１０と、気化された作動流体を凝縮させる凝縮器３０を含み、これらが液管１２及び蒸気管１３でループ状に接続されている。凝縮器３０で凝縮された液相の作動流体（作動液）を蒸発器１０へ供給する液管１２上に、リザーバタンク２５が設置されている。リザーバタンク２５から接続管１４を介して蒸発器１０に作動液が供給される。蒸発器１０は平板型蒸発器であり、垂直配置されたプリント板４０に実装されたＣＰＵ２０を冷却するために、蒸発器１０も垂直に配置されている。

ループ型ヒートパイプ１には、重力方向Ｇにみて接続管１４よりも上方に、蒸発器１０とリザーバタンク２５をつなぐバイパス管１８が設けられている。バイパス管１８は、ループ型ヒートパイプ１の動作時に、蒸発器１０内部に滞留する蒸気泡を、リザーバタンク２５に排出するための管である。接続管の上方に配置したバイパス管１８により、蒸発器１０の内部に発生した高温の蒸気を低温側のリザーバタンク２５へ逃がす。これにより、接続管１４から蒸発器１０への作動液の流れを適正に維持し、２分割されたウィック１５ａ、１５ｂの片側（上側）のウィック１５ｂがドライアウトするのを防止する。

図４Ａ〜図４Ｃを参照して、バイパス管１８を用いた蒸気泡の排出動作を説明する。図４Ａに示すように蒸気泡が発生する以前、たとえばＣＰＵ２０（図５参照）から蒸発器１０に伝わる熱が、いまだ蒸発器１０内に供給される作動液５を直接蒸発させる程度に至っていない間は、蒸発器１０の内壁に密着するウィック１５に浸透した作動液５が、蒸発器１０の内壁でＣＰＵ２０から伝わった熱を吸収し、気化する。気化した作動液の蒸気は、図示しないグルーブから蒸気管１３へと排出される。このとき、バイパス管１８の内部では作動液５は静止しているか、又は蒸発器１０に向かう方向に流動する。

その後、図４Ｂに示すようにＣＰＵ２０からの発熱が増大すると、蒸発器１０の内壁でウィック１５に浸透した作動液５を蒸発させるだけではなく、接続管１４から蒸発器１０内に供給された作動液５にも熱が漏れ伝わる。このヒートリークにより、蒸発器１０の内部（ウィック１５の内側）の作動液５中に高温の蒸気１０３が発生する。この蒸気１０３は、図４Ｃに示すように、接続管１４の上方に設けたバイパス管１８を通って、低温側のリザーバタンク２５へと向かう。リザーバタンク２５に排出された蒸気は、リザーバタンク２５の液面で凝集して液相に戻る。この間、接続管１４を通る作動液５の流れは阻害されることなく、蒸発器１０に供給される。また、蒸発器１０内に滞留する気泡が排出されるので、蒸発器１０内部に滞留する気泡に起因するウィック１５の毛細管力の阻害も回避できる。したがって、ウィック１５を二分割して配置した場合でも、上側のウィック１５ｂへの作動液の浸透が確保され、ドライアウトを防止することができる。

バイパス管１８は、接続管１４から蒸発器１０への作動液の正常な流入を確保するために蒸発器１０内の蒸気（気泡）を排出するための管なので、その径は蒸気の流路を形成できる範囲で、なるべくスペースをとらないサイズであるのが望ましい。また、蒸発器１０内で発生した高温の蒸気がリザーバタンク２５に到達するまでの間に、ある程度温度が下がっていることが望ましい。これらの観点から、バイパス管１８の内径は接続管１４の内径よりも小さく設定されている。

図３〜図５の例では、垂直配置のループ型ヒートパイプ１を例にとって蒸気詰まりの解消を説明したが、水平に配置する場合、すなわち、水平に置かれたＣＰＵ等の発熱体の上に平板型の蒸発器を配置する場合でも、リザーバタンクと蒸発器を細い接続管で接続する場合には同じ気泡詰まりの問題（ウィックの毛細管力の阻害や接続管への気泡の逆流の問題）が生じる。この場合も、接続管の上方にバイパス管を設けることで、気泡詰まりの問題を解決することができる。

次に、図５、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、実施例１におけるループ型ヒートパイプ１の具体的な構成例を説明する。図６Ａは蒸発器１０の作動流体の流れる方向に沿った縦断面図、図６Ｂは、図６ＡのＤ−Ｄ'断面でみたときの蒸発器１０の配置構成を示す図である。蒸発器１０の本体ケース１１は無酸素銅で作製されている。本体ケース１１の平面形状は、外寸で一辺が４０ｍｍの正方形、本体ケース１１の厚さ（ｔ）は８ｍｍである。このような小型、薄型の形状は、サーバーやパソコン等、高密度実装されたコンピューター内の発熱体（ＣＰＵ）２０上への実装に適している。

本体ケース１１の内側には、オーバル（楕円）形の開口孔１１Ａが二つ、並んで形成されている。開口孔１１Ａの長半径は１８ｍｍ、短半径は６ｍｍである。二つの開口孔１１Ａの内部に、それぞれ樹脂製のウィック（多孔質体）１５ａ、１５ｂが挿入されている。ウィック１５ａ、１５ｂの寸法は、短半径方向のサイズ、長半径方向のサイズともに、開口孔１１Ａの寸法よりも１００〜２００μm大きく作製してある。ウィック１５ａ、１５ｂの長さ（Ｌ）は約３０ｍｍである。ウィック１５ａ、１５ｂをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製の多孔質体で構成して弾力性をもたせることで、本体ケース１１の開口孔１１Ａよりもウィック寸法をわずかに大きく設定して、ウィック１５ａ、１５ｂを本体ケース１１の内壁に密着させることができる。樹脂ウィック１５ａ、１５ｂの平均ポーラス径は約２μｍ、空孔率は約４０％である。樹脂ウィック１５ａ、１５ｂは楕円型のコップのような形状をしており、ウィック１５ａ、１５ｂの内側に、高さ２ｍｍ、幅１４ｍｍの断面がオーバル形の空間１７ａ、１７ｂが形成されている。この空間１７ａ、１７ｂが作動液の通路となり、液相の作動流体５が接続管１４から樹脂製のマニフォールド１９を介して蒸発器１０内に流入する。ウィック１５ａ、１５ｂがそれぞれ金属の本体ケース１１と接触する接触面には、複数の溝（深さ1mm×幅1mm）で構成されるグルーブ１６ａ、１６ｂが形成されている。各溝の表面で蒸気が発生し、発生した蒸気は溝を通過して蒸発器１０から排出され、蒸気管１３に至る。

樹脂製のマニフォールド１９は、樹脂製ウィック１５ａ、１５ｂとの間に隙間ができないようにして、金属製の本体ケース１１の内部に設置されている。樹脂製マニフォールド１９は、たとえばＭＣナイロン製である。マニフォールド１９は接続管１４から流れ込んできた液相の作動流体５を、マニフォールド１９から外に漏らさずに樹脂製ウィック１５ａ、１５ｂに振り分ける。樹脂製マニフォールド１９を設置することにより、蒸発器１０に流れ込んだ液相の作動流体５に熱が伝わりにくくなるという断熱効果が期待できる。

リザーバタンク２５は、高さ２０ｍｍ、幅３０ｍｍ（垂直方向）、長さが６０ｍｍ、肉厚１ｍｍの箱型であり銅製である。このリザーバタンク２５を蒸発器１０から１００ｍｍ離れた液管１２上に設置した。蒸発器１０とリザーバタンク２５を結ぶ接続管１４、リザーバタンク２５と凝縮器３０を結ぶ液管１２、蒸気管１３、及び凝縮器３０の配管はすべて外径φ４ｍｍ、内径φ３ｍｍの銅管を用いた。

バイパス管１８は、蒸発器１０の液側（マニフォールド１９を挿入してある位置）とリザーバタンク２５とが連通するように取り付けられている。バイパス管１８と接続管１４の位置関係は、ループ型ヒートパイプ１を電子機器に実装した際に、バイパス管１８が重力方向に対して接続管１４よりも上方に位置する関係にある。バイパス管１８は外径φ２ｍｍ、内径φ１ｍｍの銅製細管とした。これにより、気泡詰まりの問題を解消することに加え、バイパス管１８を通過する蒸発器１０からの高温の蒸気が、リザーバタンク２５に至るまでに温度が低下して、リザーバタンク２５内の作動液５の温度上昇を防止する効果も期待できる。

上述のようにして蒸発器１０とリザーバタンク２５を組み立てた後、蒸気管１３、放熱フィンを設置した凝縮器３０、及び液管１２を溶接にて環状に接続し、内部に作動流体を封入した。蒸気管１３から凝縮器３０、液管１３、リザーバタンク２５までの全長は約９００ｍｍである。実施例１では、作動流体としてn-ペンタンを用いるが、水やエタノール、R141B、アセトン、ブタン、アンモニアなどを作動流体として封止してもよい。

蒸発器１０を電子機器内の発熱部品（ＣＰＵ）２０に取り付けるには、サーマルグリース（例えば、コスモ石油製W4500など）２１を介して、押さえつけ金具（図示しない）などをネジ止めすることにより取り付ける。図５の例では、ループ型ヒートパイプ１が適用される電子機器はタワー型ディスクトップパソコンであり、筐体（不図示）内部にプリント板４０が垂直に実装されている。

実施例１の効果を確認するため、図５の配置構成でプリント板４０上に実装された最大発熱量１００WのＣＰＵ２０を、ループ型ヒートパイプ１により冷却し、熱輸送抵抗の変化を測定した。ループ型ヒートパイプ１の動作中、凝縮器３０の放熱フィンに送風ファン（図示しない）から空気を送って冷却を促進した。送風ファンにより、放熱フィンを通過した熱い空気はそのまま筐体外に放出される。比較例として、蒸発器１０とリザーバタンク２５との間にバイパス管１８を設けないことを除いて、実施例１と同一の構成のループ型ヒートパイプを試作し、同様の冷却方法により冷却機能を測定した。

図７は、実施例１のループ型ヒートパイプ１と従来構成のループ型ヒートパイプの冷却機能を比較するグラフである。グラフの横軸はＣＰＵ２０の発熱量［Ｗ］、縦軸は熱輸送抵抗［℃／Ｗ］である。熱輸送抵抗は、ＣＰＵ２０の発熱量の変化ごとに蒸発器１０と凝縮器３０の平均温度を測定し、両者の温度差を発熱量で除した値である。バイパス管１８を設置しない従来構成のループ型ヒートパイプの場合、ＣＰＵ２０の発熱量が３０Wで熱抵抗が上昇し始め、５８Wで蒸発器１０がドライアウトしてＣＰＵ２０の温度が急激に上昇した。他方、実施例１のバイパス管１８を設けたループ型ヒートパイプ１の場合、ＣＰＵ２０の発熱量が９０Wになるまで熱抵抗の急激な上昇は発生せず、ＣＰＵ２０を安定して冷却できることが確認された。

このように、実施例１の構成を採用することにより、平板形状の蒸発器１０を垂直配置で用いた場合でも、ループ型ヒートパイプ１を正常に作動させ、高い冷却性能を維持することができる。また、実施例１のループ型ヒートパイプ１は、電子機器を安定して冷却することができるので、電子機器の安定動作が実現される。さらに、ループ型ヒートパイプ１で蒸発器１０を小型・薄型化しても、作動液の循環を妨げることがないので、高密度実装コンピューターに実装される高発熱の電子部品を冷却する際にも、設計自由度を高く維持することができる。

なお、実施例１では、平板型蒸発器の発熱体との接触面を重力方向Ｇに沿って配置する垂直型配置を例にとって説明したが、図１Ｂのように水平に置かれた発熱体上に平板型蒸発器を配置して冷却する構成にも適用可能である。この場合も、リザーバタンクから蒸発器に作動液を供給する接続管よりも重力方向で上方にバイパス管を設け、動作時に蒸発器内に発生する蒸気泡を効率良くリザーバタンクへと排出する。この構成により、水平に置かれた蒸発器内部での気泡詰まりや、毛細管力の阻害を防止することができる。

実施例１では、凝縮器３０の放熱フィンへ送風することで冷却を促進したが、凝縮器部３０を室温以下に冷却した液体に浸すなどの液冷方式により冷却してもよい。また、バイパス管は銅製に限らず、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金など導伝導率の高い材料で構成してもよい。

次に、実施例２のループ型ヒートパイプを説明する。実施例２では、ループ型ヒートパイプをマルチＣＰＵ基板の冷却に適用する。大型コンピューターの場合、高性能化のため複数のＣＰＵを設置することが主流となっている。ループ型ヒートパイプで複数の電子部品を冷却する場合、図８Ａに示すように電子部品２０の数に応じて複数の蒸発器１０を配置し、蒸発器１０ごとにリザーバタンク２５を設ける構成が考えられる。しかし、発熱体２０の数だけ近傍にリザーバタンク２５を設けるとなると、設計自由度が著しく阻害される。特に、小型・高密度実装が要求される電子機器内の素子を冷却する上では、リザーバタンク２５用のスペースの確保はボトルネックとなる。一般にコンピューター内で最も発熱量が大きい電子部品はＣＰＵであり、ＣＰＵの周囲は、電気信号の遅延を回避して高性能を維持するために最も高密度実装が要求される箇所だからである。

そこで、図８Ｂのループ型ヒートパイプ２のように、ＣＰＵ等の発熱体から離れた位置に共通のリザーバタンク２５を配置し、接続管１４で各蒸発器１０に作動液を供給する配置構成を採用する。従来のループ型ヒートパイプをそのままマルチＣＰＵに拡張した場合、電子機器内部のレイアウトの関係で、各蒸発器１０と、離れて位置するリザーバタンク２５とを径の小さな接続管１４で接続することになるため、蒸気泡による冷却性能阻害の問題が顕著化する。蒸発器１０内で発生する気泡により、リザーバタンク２５から蒸発器１０に作動液がスムースに供給されず、ウィックがドライアウトするという問題が、各蒸発器１０で発生するからである。これに対し、実施例２では、各蒸発器１０を接続管１４で共通のリザーバタンク２５に接続するとともに、重力方向にみて接続管１４の上方にバイパス管１８を設け、各蒸発器１０から蒸気をリザーバタンク２５へと排出する。この構成により、各蒸発器１０で蒸気詰まりの問題が解消され、蒸発器１０への作動液の供給を適正に維持できる。

図９は、実施例２のループ型ヒートパイプ２の主要部を示す概略構成図である。図９では、リザーバタンク２５に接続されている複数の蒸発器１０のうちの一つを示している。水平方向（すなわち重力方向と直交する方向）に置かれたＣＰＵ等の発熱体２０の上面に蒸発器１０が配置され、蒸発器１０の底面がＣＰＵ２０との接触面となっている。接続管１４よりも重力方向Ｇに対して上側に、バイパス管１８が設けられている。バイパス管１８は、たとえば蒸発器１０のＣＰＵ２０との接触面と反対側の面（上面）に接続されている。バイパス管１８の内径は、実施例１と同様に、高温の蒸気がリザーバタンク２５に到達するまでの間にある程度温度が下がっているように、接続管１４の内径よりも小さく設定されている。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、ループ型ヒートパイプ２の動作時のリザーバタンク２５への蒸気の排出を説明する図である。まず、図１０Ａに示すように、蒸気泡が発生する以前、たとえばＣＰＵ２０から蒸発器１０に伝わる熱が、いまだ蒸発器１０内に供給される作動液５を直接蒸発させる程度に至っていない間は、蒸発器１０の内壁に密着するウィック１５に浸透した作動液５が、ＣＰＵ２０からの熱を吸収し気化して、図示しないグルーブを通って蒸気管１３へと排出される。このとき、バイパス管１８の内部では作動液５が静止しているか、又は蒸発器１０に向かう方向に流動する。

その後、図１０Ｂに示すようにＣＰＵ２０からの発熱が増大すると、蒸発器１０の内壁でウィック１５に浸透した作動液５を蒸発させるだけではなく、接続管１４から蒸発器１０内に供給された作動液５にも熱が漏れ伝わる。このヒートリークにより、蒸発器１０の内部（ウィック１５の内側）の作動液５中に気泡が生じ、蒸発器１０の内部に蒸気１０３が発生する。

図４Ｃに示すように、蒸発器１０内に発生した高温の蒸気１０３は、バイパス管１８を通って低温側のリザーバタンク２５へと向かう。リザーバタンク２５に排出された蒸気はリザーバタンク２５の液面で凝集して液相に戻る。このような蒸気の排出により、接続管１４から蒸発器１０へ向かう作動液５の流れは阻害されない。また、蒸発器１０内に滞留する気泡に起因するウィック１５の毛細管力の阻害も回避できる。

図１１は、実施例２のループ型ヒートパイプ２の全体構成図である。冷却対象のコンピューターは平置き型のラックマウントサーバーであり、筐体（図示せず）の内部にプリント配線板４０が水平に実装されている。プリント配線板４０上に実装された４つのＣＰＵ２０（ＣＰＵ当たりの最大発熱量１００Ｗ）を、実施例２のループ型ヒートパイプ２を用いて冷却する。

ＣＰＵ２０の各々に蒸発器１０を接触させて配置し、対応するＣＰＵ２０を冷却する。図１１の例では、複数の蒸発器１０は循環系の中で並列に配置され、各蒸発器１０の蒸気出口はＣｕ製の蒸気管（外径6mm、内径5mm）１３により集合され、凝縮器３０の入口に至る。凝縮器３０は、Ｃｕ製の凝縮管にアルミ製フィン（厚さ0.1mm、ピッチ1.5mm）がカシメ取り付けされている。凝縮器３０の出口とリザーバタンク２５との間はＣｕ製の液管（外径3mm、内径2mm）により接続されている。リザーバタンク２５と各蒸発器１０は、作動液の供給用に接続管１４で接続されるとともに、蒸発器１０内の蒸気を排出するためのバイパス管１８により連通している。各蒸発器１０の内部構造は、図６Ａ及び図６Ｂを参照して実施例１で説明したとおりであり、ここでは説明を省略する。

リザーバタンク２５は、高さ25mm、幅120mm、長さが50mm、肉厚0.5mmの箱型でありＳＵＳ製である。このリザーバタンク２５と４つの蒸発器１０の各々を、長さ100〜150mmの接続管１４（外径5mm、内径4mm）、及びバイパス管１８で接続した。バイパス管１８は、各蒸発器１０の液側（作動液の流入側）とリザーバタンク２５が連通するように取り付けられている。バイパス管１８と接続管１４の位置関係は、実施例１と同様に、ループ型ヒートパイプ２を電子機器に実装した際にバイパス管１８が重力方向で接続管１４よりも上方に位置する関係に設置されている。バイパス管１８は外径φ2mm、内径φ1mmの銅製細管としたが、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などで構成してもよい。これによりバイパス管１８を通過する蒸発器からの高温の蒸気が、リザーバタンク２５に至るまでに温度が低下し、不必要にリザーバタンク２５内の作動液５の温度を上昇させることを防止する効果が期待できる。

上述のようにして複数の蒸発器１０とリザーバタンク２５を組立てた後、蒸気管１３、放熱フィンを設置した凝縮器３０、液管１２を環状に溶接にて接続し、内部に作動流体を封入する。蒸気管１３から凝縮器３０、液管１２、リザーバタンク２５の全長は約９００ｍｍである。実施例２では、作動流体５としてn-ペンタンを用いたが、水やエタノール、R141B、アセトン、ブタン、アンモニアなどを作動流体として封止してもよい。

各ＣＰＵ２０への蒸発器１０の取り付けは、サーマルグリース（例えば、コスモ石油製W4500など）を介して、押さえつけ金具を用いてネジ止め（バネ付き）により取り付ける。ループ型ヒートパイプ２の凝縮器３０は、放熱フィンに送風ファン３５からの空気を送ることで冷却する。送風ファンにより放熱フィンを通過した熱が筐体（図示せず）の外部に放出される。あるいは、凝縮器３０を室温以下に冷却した液中に浸すなどの液冷方式により冷却してもよい。

上記の方法により作製したループ型ヒートパイプ２の冷却効果を検証するために、ループ型ヒートパイプ２を冷却対象であるラックマウントサーバーに実装し、各ＣＰＵの内部温度を測定した。比較例として、各蒸発器１０とリザーバタンク２５との間にバイパス管１８を設けないことを除いて、同一の構成でマルチＣＰＵに拡張したループ型ヒートパイプを試作して、同様の測定を行った。

図１２は実施例２のループ型ヒートパイプ２の冷却効果を示すグラフである。サーバーを動作させ、ループ型ヒートパイプ２を作動して、４つのＣＰＵの温度を時間の関数として実測した結果を示す。比較例としてのバイパス管１８を設置しないループ型ヒートパイプの場合、作動流体の循環が開始されず、ＣＰＵ温度は４つとも６０℃を超えて上昇し続けたので、実験を中止した。他方、実施例２のループ型ヒートパイプ２の場合、ＣＰＵは４つとも異常な温度上昇を生ずることはなく、安定した温度で動作を継続することができた。これは、ループ型ヒートパイプ２内で作動流体５が安定して循環していることを裏付ける。４つのＣＰＵ温度が異なるのは、各ＣＰＵの作動状態が異なるためであり、いずれのＣＰＵもほぼ一定温度で安定して動作している。

このように、実施例２のループ型ヒートパイプ２によれば、蒸発器１０から離れた場所にリザーバタンクを設置した場合でも、ループ型ヒートパイプ２の正常な動作が維持される。また、各蒸発器１０から離れた位置にリザーバタンク２５を設置できるため、電子機器内のプリント配線板のレイアウト設計が容易になり、電子機器を高性能化できる。さらに、複数の発熱体１０を蒸気詰まりを生じさせることなく同時に冷却することが可能である。このように実施例２のループ型ヒートパイプ２は、マルチＣＰＵ化が進むコンピューターの冷却に適している。

なお、実施例２では水平に配置したＣＰＵを冷却する平板型蒸発器を例にとって説明したが、マルチＣＰＵを実施例１のように垂直配置した構成にも適用可能である。その場合は、各蒸発器１０を共通リザーバタンク２５と同じ高さ位置又はそれよりも低い位置に配置し、各蒸発器１０とリザーバタンク２５との間をつなぐバイパス管がリザーバタンク２５よりも高い位置に配置する。さらに、実施例２のループ型ヒートパイプ２を、円筒型蒸発器を用いてマルチＣＰＵを冷却する場合に適用することも可能である。この場合、円筒型蒸発器の各々を、離れて位置する共通のリザーバタンクに接続することになるので、実装密度とレイアウトの関係から径の小さな接続管での接続が要請される場合に、効果的に蒸気詰まりの問題を解消することができる。

函体の中にマルチＣＰＵを実装したプリント配線板を収容し、図１１に示すようにループ型ヒートパイプ２を実装した場合は、平置き型のラックマウントサーバー等の電子機器が提供される。また、図示はしないが、図１１に示すマルチＣＰＵ対応のループ型ヒートパイプにおいて、各蒸発器１０の内部に２以上に分割された多孔質体のウィックが水平に並べられた構成としてもよい。

本発明にかかるループ型ヒートパイプは、電子機器等、種々の発熱体の冷却装置に適用可能である。

１、２ ループ型ヒートパイプ
５ 作動流体
１０ 蒸発器
１１ 蒸発器本体ケース
１２ 液管
１３ 蒸気管
１４ 接続管
１５、１５ａ、１５ｂ ウィック
１８ バイパス管
２０ 発熱体（電子機器）
２５ リザーバタンク
４０ プリント配線板

Claims (10)

1. 発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器であって、内部に多孔質体が配置された平板型の蒸発器と、
   前記気化された前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、
   前記気化された前記作動流体を前記蒸発器から前記凝縮器へ供給する蒸気管と、
   前記凝縮器で凝縮された作動液を前記蒸発器へ供給する液管と、
   前記液管上に配置されて前記作動液を収容するタンクと、
   前記液管の一部として前記タンクと前記蒸発器とを接続して前記作動液を前記蒸発器へ供給する接続管と、
   前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクを直接つないで常時連通させるバイパス管と、
   を有し、前記バイパス管は、前記蒸発器内に発生する蒸気泡を前記タンクへと排出することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 前記蒸発器は、前記発熱体と接触する前記蒸発器の接触面が前記重力方向と平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
3. 前記蒸発器は、内部に２以上に分割された多孔質体が、前記重力方向と垂直に延設されていることを特徴とする請求項２に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 前記バイパス管の内径が前記接続管の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
5. 前記蒸発器は複数配置され、前記複数の蒸発器の各々は、それぞれ対応する前記接続管によって前記タンクと接続されるとともに、それぞれ対応する前記バイパス管で前記タンクと直接接続されていることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
6. 前記各バイパス管の内径は、対応する蒸発器に接続される接続管の内径よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載のループ型ヒートパイプ。
7. 前記複数の蒸発器の各々は、前記発熱体と接触する接触面が前記重力方向と垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載のループ型ヒートパイプ。
8. 前記蒸発器の各々は、内部に２以上に分割された多孔質体が並行に並べられていることを特徴とする請求項５に記載のループ型ヒートパイプ。
9. 重力方向に沿って配置される基板と、
   前記基板上に配置される電子部品と、
   前記電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
   を備え、
   前記ループ型ヒートパイプは、
   前記電子部品との接触面が前記重力方向と平行になるように前記電子部品に接して配置され、内部に多孔質体が配置された平板型の蒸発器と、
   前記蒸発器と接続管で接続され、前記接続管を介して前記蒸発器に液相の作動流体を供給するタンクと、
   前記接続管よりも前記重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとを直接接続して常時連通させるバイパス管と、
   を有し、前記蒸発器で発生する蒸気が前記バイパス管により前記タンクに排出されることを特徴とする電子機器。
10. 複数の電子部品が配置される基板と、
    前記複数の電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
    を備え、
    前記ループ型ヒートパイプは、
    前記複数の電子部品の各々に対して配置され、各々が内部に多孔質体が配置された平板型の複数の蒸発器と、
    前記複数の蒸発器の各々と、それぞれ対応する接続管で接続され、前記各蒸発器に液相の作動流体を供給する共通タンクと、
    前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記複数の蒸発器の各々を直接前記共通タンクに接続して常時連通させるバイパス管と
    を有し、前記各蒸発器で発生する蒸気が前記対応するバイパス管により前記共通タンクに排出されることを特徴とする電子機器。

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