JP6197522B2 - ループヒートパイプ - Google Patents

Description

本開示の技術は、循環する冷媒の相変化により発熱体を冷却させるループヒートパイプに関する。

コンピュータなどの情報処理装置に搭載される電子部品は、駆動動作によって高温で発熱するため、正常動作を維持させるために冷却装置が設置される。この冷却装置は、たとえば高い冷却性が求められるほか、情報処理装置の小型化などから、管路内に循環させた冷媒の相変化により吸熱するループ型ヒートパイプが用いられる。このヒートパイプは、吸熱により液相の冷媒が蒸発するときの潜熱（気化熱）を利用している。ヒートパイプは、内部に冷媒を循環させる手段として、別途ポンプなどを設置せず、管路内に生じる毛細管力が利用される。

このようなヒートパイプに関し、たとえば吸熱した冷媒に含まれる気泡によるドライアウトが生じて冷却機能を低下させないために、冷媒を循環させる手段を用いるものがある（たとえば、特許文献１）。また、ヒートパイプに形成される管路を連接させる開口部分をテーパ状に形成するものが知られている（たとえば、特許文献２）。

特開２０１２−１３２６６１号公報 国際公開第２０１０／０５０１２９号

ところで、ループ型ヒートパイプは、発熱体からの熱によって冷媒を蒸発させる蒸発部と、放熱による温度低下により気化した冷媒を液化させる凝縮部との間で、液相と気相（蒸気）の管路を別に形成している。このヒートパイプでは、たとえば図２３に示すように、蒸発部８０の吸熱管路８２内における冷媒液面の変化に応じて作用する毛細管力Ｐａを利用して、蒸発部８０と図示しない凝縮部との間で冷媒を循環させる。すなわち蒸発部８０では、たとえば毛細管力を生じる吸熱管路８２内にある液相の冷媒１２が加熱されて気化し、この蒸気の冷媒１６が吸熱管路８２の出口側に形成された蒸気部８４を通じて凝縮部側に流される。吸熱管路８２は、図示しない液管および蒸気部８４に対して管径を微小に形成することで、大きな毛細管力を生じさせる。

このような蒸発部８０において、吸熱管路８２内で気化し、吸熱管路８２の出口から蒸気部８４内に排出された冷媒１６は、たとえば蒸気部８４内の温度状態やヒートパイプ内の冷媒循環速度などの条件により、流動中に温度が下がり、結露する場合がある。蒸発部８０では、たとえば結露した液体の冷媒１２が蒸気部８４内に滞留状態となるほか、吸熱管路８２の出口側付近で結露が発生した場合、吸熱管路８２内の冷媒１２と繋がってしまい、冷媒１２の液面が蒸気部８４内に形成されるおそれがある。

このように径大な蒸気部８４内に滞留した冷媒１２は、たとえば液面に接触する管路によって作用する毛細管力が低下することで、ヒートパイプに対する循環機能が低下する。また、蒸発部８０は、たとえば吸熱管路８２の一部のみが気化し、滞留した冷媒１２によって蒸気部８４が閉塞され、冷媒１２が循環せず、吸熱管路８２が所謂ドライアウト状態になるなど、冷却機能が低下するという課題がある。

そこで、本開示の技術の目的は、上記課題に鑑み、ヒートパイプ内の冷媒の循環状態を維持させ、冷却対象に対する冷却機能の安定化を図ることにある。

上記目的を達成するため、本開示の技術の一側面は、蒸発部と、液管路と蒸気管路とを含む。蒸発部は、発熱体が発した熱により内部の冷媒を気化させて吸熱する。液管路は、前記蒸発部に対して凝縮部から液相の冷媒を流す。蒸気管路は、前記蒸発部の出側に連通され、蒸発した気相の冷媒を前記凝縮部側に流す。そして蒸発部は、吸熱管路と、蒸気部と、還流管路を含む。吸熱管路は、少なくとも出口側の一部に毛細管力を利用して液相の冷媒を流動させる流動手段を備え、内部に通水させた冷媒によって熱を吸熱させる。蒸気部は、前記吸熱管路に連通され、蒸発した冷媒を前記蒸気管路側に流す。還流管路は、前記蒸気部の周縁であって前記吸熱管路の近接側に開口部が形成され、前記蒸気部内に発生する結露水を取り込み、前記流動手段の流入側に結露水を還流させる。

本開示の技術によれば、次のいずれかの効果が得られる。

(1) 少なくとも吸熱管路の出口側に結露した冷媒を滞留させないので、冷媒の液面を吸熱管路内に保持させることができ、ループヒートパイプの冷媒循環機能を維持させることができる。

(2) 結露した冷媒を吸熱管路側に還流させ、ループヒートパイプ内の冷媒の循環量を維持することで、冷却機能の安定化を図ることができる。

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

第１の実施の形態に係るループヒートパイプの構成例を示す図である。 第２の実施の形態に係るループヒートパイプの構成例を示す図である。 蒸発部の内部構成例を示す図である。 蒸発部に形成された環流路の構成例示す図である。 凝縮部内の構成および冷媒の状態の一例を示す図である。 冷媒充填時における蒸発部内部の状態例を示す図である。 冷媒充填時における蒸発部内部の状態例を示す図である。 発熱体の発熱時における蒸発部内部の状態例を示す図である。 液流動管路内の冷媒の状態例を示す図である。 結露発生時の蒸発部内の状態例を示す図である。 結露した液化冷媒の回収状態の一例を示す図である。 導水部に溜められた液化冷媒が還流路側に回収された状態例を示す図である。 非結露エリアの形成状態例を示す図である。 導水部およびその周辺構成の変形例を示す図である。 第３の実施の形態に係る蒸発部の構成例を示す図である。 蒸発部の内部構成例を示す図である。 冷媒充填時における蒸発部内部の状態例を示す図である。 冷媒充填時における蒸発部内部の状態例を示す図である。 結露発生時の蒸発部内の状態例を示す図である。 結露した液化冷媒の回収状態の一例を示す図である。 導水部に溜められた液化冷媒が還流路側に回収された状態例を示す図である。 蒸発部の結露状態の比較例を示す図である。 ループヒートパイプの蒸発部の従来例を示す図である。

〔第１の実施の形態〕

図１は、第１の実施の形態に係るループヒートパイプの構成例を示している。図１に示す構成は一例であり、本発明が斯かる構成に限定されるものではない。

図１に示すループヒートパイプ２は、本開示のループヒートパイプの一例であり、たとえばＰＣ（Personal Computer）や携帯電話機、携帯情報処理装置などの電子装置に搭載される電子部品に設置され、その電子部品を冷却する冷却手段として機能する。この電子部品は、たとえば電子装置を動作させるためのコンピュータを構成するプロセッサやメモリモジュール、記憶部品、その他の機能部品が含まれており、駆動に伴って発熱する発熱体６の一例である。ループヒートパイプ２は、発熱体６に接触させ、またはその近傍に配置する蒸発部４、発熱体６から離間して配置される凝縮部１０が含まれる。そして、蒸発部４と凝縮部１０は、内部に液相の冷媒１２を流す液管１４と、内部に気相の冷媒１６を流す蒸気管１８とによって冷媒の循環経路を形成している。

蒸発部４は、内部に循環する液相の冷媒１２に発熱体６が発した熱を吸熱させ、この冷媒１２を気化させる手段の一例である。冷媒１２は、気相の冷媒１６に相変化するための気化熱（潜熱）によって発熱体６を冷却させる。

凝縮部１０は、蒸発した気相の冷媒１６を取り込み、その冷媒１６を放熱させて、凝縮により液相の冷媒１２に相変化させる。冷媒１６は、液相の冷媒１２への相変化による凝縮熱（潜熱）によって熱移送を行う。そして、液化された冷媒１２は、液管１４を通じて蒸発部４側に流されて、再び吸熱に利用される。

なお、蒸発部４および凝縮部１０は、内部に冷媒１２、１６を流す流路が直線状のものに限られない。内部管路は、たとえば吸熱または放熱効率を上げるために、所定の長さで前後に折り返した往復管を形成し、吸熱または放熱経路を長くとってもよい。

ループヒートパイプ２は、たとえば電子装置内部において、電子部品が実装される基板やケース部品などに設置されており、蒸発部４と凝縮部１０とが上下方向や斜め方向など、高低をもつ状態で配置されてもよく、または平面方向に同等の高さで配置されてもよい。また、液管１４および蒸気管１８は、たとえば蒸発部４と凝縮部１０の配置距離や配置方向、ループヒートパイプ２の電子装置内部における設置状態、または電子装置内部の他の機能部品との配置関係などに応じて、経路の形状が形成されればよい。すなわち、液管１４および蒸気管１８は、たとえば蒸発部４と凝縮部１０との間を直線状に連結させてもよく、または所定の長さで折返して形成して、流路を長くとってもよい。

＜蒸発部４の内部構成について＞

蒸発部４は、たとえば内部に冷媒１２を通水させて発熱体６から吸熱させる吸熱管路２０、この吸熱管路２０の一部に設置されて冷媒１２を流動させる流動手段２２、吸熱管路２０に連通され、気化した冷媒１６を流す蒸気部２４が含まれる。また蒸発部４には、蒸気部２４と吸熱管路２０とを連通させる還流路２８が設置される。

吸熱管路２０は、たとえば蒸発部４の筐体に接触して設置され、または筐体と一体に形成され、発熱体６から取り込んだ熱を液相の冷媒１２に伝熱させる熱交換手段の一例である。吸熱管路２０は、蒸発部４内において、単一に形成されてもよく、または径小な複数の管路で形成されてもよい。蒸発部４は、たとえば液相冷媒１２の液面が吸熱管路２０の出口側に設定され、加熱によって冷媒１２が蒸発すると、その蒸発分の冷媒１２が吸熱管路２０側に供給される。吸熱管路２０における冷媒１２の蒸発と供給処理は、たとえば所定の時間（タイミング）毎に繰り返し行われるほか、連続的に行われる場合もある。

流動手段２２は、吸熱管路２０内に冷媒１２を流動させる手段の一例であり、たとえば少なくとも吸熱管路２０の出口側の一部に設置される。またこの流動手段２２は、吸熱管路２０内の冷媒１２を流動させることで、ループヒートパイプ２の全体に対して冷媒１２、１６を循環させる手段として利用してもよい。流動手段２２は、たとえば吸熱管路２０とは独立した流動部品であるウィック（Wick）などを設置してもよく、または吸熱管路２０と一体に形成し、管路形状などによって冷媒１２を所定方向に流動させるものであってもよい。このような流動手段２２は、たとえば内部に冷媒１２を通水させ、その通水時に、冷媒１２に対して流動力Ｐ１を付与して流動させる。この流動力Ｐ１は、たとえば冷媒１２と流動手段２２内に形成された管路の壁面などとの間に生じる毛細管力などが含まれる。そして流動力Ｐ１の付与は、たとえば吸熱管路２０内において、冷媒１２の気化により生じる液面の変位に応じて行われる。

蒸気部２４は、たとえば一端側が吸熱管路２０の出口側に連通され、気化した気相の冷媒１６を取り込み、図示しない他端側に連結された蒸気管１８側に冷媒１６を流す手段の一例である。蒸気部２４は、少なくとも吸熱管路２０との連通側において、吸熱管路２０の内径よりも径大に形成されており、また他端側の蒸気管１８と同等の管径に形成すればよい。

＜還流路２８について＞

蒸気部２４には、たとえば冷媒１６の流動経路に対して周縁側の管壁の一部に形成された開口部２６に還流路２８が連結されている。開口部２６は、蒸気部２４において、吸熱管路２０との連通部分に近接した位置であって、たとえば冷媒１６が結露した液化冷媒３０が発生し易い管壁部分に形成されている。より具体的には、開口部２６は、たとえば発熱体６から離間した側の管壁側であって、発熱体６側の管壁およびその周辺部分の温度と温度差が生じ易い部分に形成されればよい。開口部２６の形成位置は、たとえば蒸気部２４の形状や発熱体６との配置位置、および蒸発部４の筐体形状や厚さなどに基づいて決定してもよい。

開口部２６に設置された還流路２８は、他端側が吸熱管路２０の途中部分であって、流動手段２２の流入口側に接続される。還流路２８は、結露水である液化冷媒３０を回収し、冷媒１２として吸熱管路２０内に還流させる手段の一例である。還流路２８は、たとえばループヒートパイプ２が吸熱処理を行っている場合、管路内が冷媒１２で満たされており、冷媒１２の液面が開口部２６に形成される。

蒸発部４内では、吸熱による冷媒１２の蒸発および流動手段２２による流動力Ｐ１を冷媒１２に付加させることで、通常の吸熱処理において、全ての冷媒１２または大部分の冷媒１２が液管１４側から流動手段２２側に流される。蒸気部２４内が結露し、開口部２６内の冷媒１２の液面と液化冷媒３０とが繋がり、液面が変位する。このとき還流路２８は、還流路２８内の冷媒１２が流動力Ｐ１によって吸熱管路２０側に引込まれることで、液面が開口部２６内まで変位され、液化冷媒３０を還流路２８内に回収する。

斯かる構成によれば、少なくとも吸熱管路２０の出口側に結露した液化冷媒３０を滞留させないので、吸熱管路内２０に冷媒１２の液面を保持させることができ、ループヒートパイプ２の冷媒循環機能を維持させることができる。また、結露した液化冷媒３０を吸熱管路２０側に還流させ、ループヒートパイプ２内の冷媒１２の循環量を維持することで、冷却機能の安定化が図られる。

〔第２の実施の形態〕

図２は、第２の実施の形態に係るループヒートパイプの構成例を示している。図２に示す構成は一例であり、本発明が斯かる構成に限定されるものではない。

図２に示すループヒートパイプ４０は、本開示のループヒートパイプの一例であり、内部に循環させる冷媒１２、１６の相変化により発熱体６の熱を吸熱し、熱移送して放熱させる。この冷媒１２、１６は、たとえば水やアルコールなど、設定される加熱温度で気化するとともに、冷却により凝縮の設定温度で液化する媒体が用いられる。ループヒートパイプ４０には、発熱体６に近接させて吸熱する蒸発部４２、発熱体６から離間した位置で放熱させる凝縮部４４が含まれ、この蒸発部４２と凝縮部４４との間に液相の冷媒１２を流す液管１４、気相の冷媒１６を流す蒸気管１８を備える。

＜蒸発部４２について＞

蒸発部４２は、たとえば内部に冷媒１２を通水させる細管４８が形成されており、この細管４８内に冷媒１２を通水させ、気化させて蒸気部５０側に流す。すなわち、この細管４８は、内部に通水させた冷媒１２によって熱を吸熱させる吸熱管路の一例である。また、細管４８は、たとえば液管１４よりも径小に形成することで、内部に通水された冷媒１２に対し、毛細管力を利用して冷媒１２を循環させる循環手段の一例である。

ここで、管路内の液体に作用する毛細管力は、管壁と液体との接触面との濡れ易さ（液面角度）と液面の表面積を最小にしようとする表面張力および液体の密度によって大きさが決まり、管路内において液面を変位させる。この液面には、小径の管路の方が大きな毛細管力が作用する。そのため細管４８は、たとえば吸熱によって気化した分の冷媒１２を液管１４からより大きな力で引張ることができ、これによって、ループヒートパイプ４０全体の冷媒１２に対し、大きな循環力を作用させることができる。

また、細管４８には、細管４８で蒸発した冷媒１６を集約させ、蒸気管１８側に流す蒸気部５０の周縁側の一部に連通した還流路２８が合流する。

蒸発部４２は、たとえば図３に示すように、複数の細管４８が並列に配置されており、液管１４を通じて供給される冷媒１２を分岐して流動させる。蒸発部４２は、図示しない発熱体６の一面側に対して、これらの細管４８を対向して配置する。これにより蒸発部４２は、発熱体６に対して細管４８の対向面積が大きくなり、冷媒１２による吸熱効率を上げることができる。

還流路２８は、たとえば蒸気部５０および細管４８に対し、図示しない発熱体６に対向させない面に並列に配置される。これにより還流路２８内に溜められた冷媒１２が発熱体６からの熱を吸熱し、気化するのを防止し、または最小限に抑えている。そのほか蒸発部４２には、たとえば液管１４と連通し、供給された冷媒１２を細管４８に分流させる液部５２が形成される。

＜細管４８および還流路２８の構成例について＞

細管４８には、たとえば図４のＡに示すように、蒸気部５０との連通部分に向けて、細管４８の管径Ｄａよりも径小な管径Ｄｂの液流動管路５４が形成されている。この液流動管路５４は、ループヒートパイプ４０の通常冷却動作において、細管４８から取り込んだ冷媒１２に吸熱させて気化させる。還流路２８は、一端を細管４８の途中部分であって、液流動管路５４の流入口の前面に合流させている。この液流動管路５４の管径Ｄｂは、還流路２８の管径Ｄｃよりも十分に径小に形成されている。これにより液流動管路５４は、並列に形成された還流路２８よりも大きな毛細管力を生じさせて、内部に冷媒１２を流動させる流動手段の一例である。

還流路２８の管径Ｄｃは、細管４８の管径Ｄａよりも径小に形成されている。これにより蒸発部４２内における冷媒１２が流れる管路の管径を比較すると、以下の条件となる。すなわち、細管４８の管径Ｄａ＞還流路２８の管径Ｄｃ＞液流動管路５４の管径Ｄｂとなり、これらの管径により作用する毛細管力は、細管４８の毛細管力Ｐａ＜還流路２８の毛細管力Ｐｃ＜液流動管路５４の毛細管力Ｐｂとなる。

液流動管路５４は、発熱体６から発した熱の吸熱を高めるために、たとえば流路一面の高さを発熱体６の近接側において、細管４８と同様の高さに形成すればよい。

還流路２８は、たとえば蒸気部５０内に形成される開口部２６の周囲に結露した液化冷媒３０を導くための導水部５６を形成してもよい。この導水部５６は、たとえば図４のＢに示すように、開口部２６の周囲に、開口部２６側に向けて円形またはそれに近似した形状であって、斜めに傾斜させたテーパ形状に形成すればよい。導水部５６は、たとえば最縁部分の開口径Ｄｄが還流路２８の管径Ｄｃよりも大きくなるように形成されている。

複数の細管４８が隣接する蒸気部５０では、たとえば隣接する導水部５６同士を連結し、細管４８の隣接方向に対して連続的に形成されてもよい。

＜凝縮部４４の構成について＞

図５は、凝縮部内の構成および冷媒の状態例を示している。

図５に示す凝縮部４４は、図示しない蒸気管１８から流入した冷媒１６を冷却することで冷媒１６を凝縮させ、液化状態に相変化させて液管１４側に流す。凝縮部４４の管径Ｄｅは、たとえば液管１４や蒸気管１８と同等に形成してもよく、または液管１４や蒸気管１８よりも径大に形成して、管路の表面積を大きくとり、冷却機能を高めてもよい。凝縮部４４は、たとえば冷媒１６の冷却手段として、表面のケースなどに放熱手段４６が設置される。この放熱手段４６は、たとえば凝縮部４４の表面に伝熱部材で形成された放熱フィンを設けてもよく、または冷却ファンなどを設置し、凝縮部４４のケースや内部管路に対して冷却風を強制対流させてもよい。

凝縮部４４は、内部管路の一部に液化した冷媒１２の液面が形成される。この冷媒１２の液面は、たとえば放熱手段４６の放熱機能や冷媒１６の温度、または発熱体６の発熱温度などに応じて位置が変位する。凝縮部４４内の冷媒１２には、液面おいて、蒸気管１６側に向けて、管径Ｄｅに応じた毛細管力Ｐｅが作用する。この凝縮部４４の内部管路の管径Ｄｅは、蒸発部４２に形成された還流路２８の導水部５６の開口径Ｄｄよりも小さく形成されている。さらにこの管径Ｄｅは、還流路２８の管径Ｄｃおよび液流動管路５４の管径Ｄｂよりも大きく設定されている。

＜ループヒートパイプ４０内における冷媒の流動状態について＞

ループヒートパイプ４０は、蒸発部４２内の細管４８、液流動管路５４に充填された液相の冷媒１２に作用する毛細管力により、発熱体６に対する冷却処理を実行する。また、蒸発部４２では、蒸気部５０内の内部に液化冷媒３０が結露した場合、この液化冷媒３０を導水部５６で回収し、還流路２８を通じて細管４８側に流す。

次に蒸発部４２内部における冷媒１２の状態および冷媒１２に作用する力の状態例について、ループヒートパイプ４０の動作段階に基づいて説明する。

＜蒸発部４２に対する冷媒１２の充填段階について＞

図６および図７は、冷媒１２の充填時における蒸発部４２内部の状態例を示している。図６、図７に示す状態は一例である。

図６に示す蒸発部４２は、たとえば冷却対象である発熱体６が駆動する前、または発熱体６に対する吸熱処理の開始状態の一例を示している。ループヒートパイプ４０は、たとえば初期動作時や、直前まで停止や休止状態が維持されるなどにより、還流路２８や液流動管路５４内の経路途中に冷媒１２の液面が配置されている。そこで、蒸発部４２では、たとえば冷却準備処理として、冷媒１２の充填を行う。冷媒１２の充填では、たとえば液管１４や蒸発部４２の一部に外部から冷媒１２を補充するほか、液管１４などに滞留している冷媒１２を蒸発部４２側に流動させる処理を行う。

蒸発部４２の細管４８側に冷媒１２が供給されると、細管４８よりも管径が小さく形成された液流動管路５４および還流路２８内に冷媒１２が充填される。このとき還流路２８内の冷媒１２液面には、毛細管力Ｐｃにより冷媒１２が細管４８側から蒸気部５０側の開口部２６側まで吸い上げられる。また、液流動管路５４内の冷媒１２液面には、毛細管力Ｐｂにより冷媒１２が液流動管路５４と蒸気部５０側との境界部分まで吸い上げられる。

細管４８、還流路２８および液流動管路５４内に冷媒１２が充填されると、図７に示すように、その液面が連通した蒸気部５０の境界部分に形成される。このような冷媒１２の液面の形成は、たとえば還流路２８または液流動管路５４の管径に対して、蒸気部５０が径大となっていることに基づく。つまり、毛細管力は、液面が周縁の管壁に濡れることで生じるが、径小な管と径大な管が連通する場合、その連通部分から径大な管に対して「濡れ」が広がらないため、液面が連通部分に形成され、蒸気部５０内に溢れない。このように液面が蒸気部５０との連通部分に設定されると、冷媒１２の充填段階が完了する。

＜冷媒１２による吸熱処理について＞

図８、図９は、発熱体６が発熱したときの冷媒１２の状態例を示している。

発熱体６の駆動開始など、発熱体６が発熱する状態になると、蒸発部４２は、たとえばケースで受熱し、細管４８や液流動管路５４内の冷媒１２に伝熱する。液流動管路５４内には、たとえば加熱された高温の冷媒１２と、気化した冷媒１６とが混在している。気化した冷媒１６は、蒸気となって液流動管路５４から蒸気部５０側に流れる。そして蒸気部５０に流入した冷媒１６は、たとえば高圧状態となっており、高速で蒸気管１８内を通じて凝縮部４４側に流れる。

液流動管路５４は、冷媒１２の一部が気化して冷媒１２が減少することで、冷媒１２の液面が細管４８側に後退する。このとき冷媒１２には、液面を蒸気部５０との連通部分まで戻そうとする毛細管力Ｐｂが作用する。液流動管路５４によって冷媒１２に作用する毛細管力Ｐｂは、図８のＢに示すように、還流路２８内に作用する毛細管力Ｐｃや、凝縮部４４内にある、冷媒１２の液面に作用する毛細管力Ｐｅに比べて大きい。従って液流動管路５４には、この毛細管力Ｐｂにより、図９に示すように細管４８から冷媒１２が引込まれて充填されて、液面が変位する。液面が蒸気部５０との連通部分まで達すると、冷媒１２は、液流動管路５４側への流入が停止する。

また、還流路２８内の冷媒１２は、たとえば液流動管路５４内の冷媒１２が気化すると、一部が液流動管路５４側に流入する。還流路２８の液面に対し、蒸気部５０側に向けて作用する毛細管力Ｐｃは、液流動管路５４の液面に作用する毛細管力Ｐｂよりも小さい。したがって、液流動管路５４内の冷媒１２に毛細管力Ｐｂが作用すると、還流路２８側の毛細管力Ｐｃが対抗できず、冷媒１２の一部が細管４８側の合流部Ｘ側に流入し、液流動管路５４側に充填される。また、還流路２８に作用する毛細管力Ｐｂは、凝縮部４４側の液面の毛細管力Ｐｅよりも大きい。これにより還流路２８は、冷媒１２が減少すると、細管４８側から合流部Ｘを通じて、冷媒１２が充填され、液面が開口部２６まで移動する。

＜結露した液化冷媒３０の回収原理について＞

図１０、図１１、図１２、図１３は、蒸気部５０内に発生した液化冷媒の回収原理を示している。図１０、図１１、図１２、図１３に示す構成や現象は一例である。

蒸発部４２の蒸気部５０の管壁には、たとえばケースの表面温度や蒸発部４２周辺の温度との温度差により、冷媒１６が冷やされて結露した液化冷媒３０が付着する。液化冷媒３０は、たとえば蒸気部５０のうち、発熱体６から離間した管壁側に発生し易い。そして還流路２８は、蒸気部５０に対し、液化冷媒３０が発生し易い部分に開口部２６を開口して連通されている。

液化冷媒３０は、たとえば時間経過や発熱体６の発熱温度変化などによって継続的に発生するとともに、蒸気部５０の管壁において液化冷媒３０が結合することで大きく発達する。液化冷媒３０は、図１０に示すように、開口部２６周縁の導水部５６側に発生し、または一部が導水部５６に接触すると、導水部５６のテーパ面によって開口部２６内に導かれ、開口部２６内の冷媒１２と結合する。また、導水部５６内に導かれた液化冷媒３０は、たとえば液体の連続性により、近接した液化冷媒３０を導水部５６側に引込む。導水部５６は、たとえば表面部分を親水性の材料で形成されてもよく、または表面部分にガラスコーティングなどの親水処理が施されてもよい。

導水部５６に導かれた液化冷媒３０は、図１１のＡに示すように、還流路２８内の冷媒１２と結合した状態で導水部５６内に滞留する。このとき還流路２８内の冷媒１２は、液化冷媒３０との結合により径大な導水部５６内に液面が形成され、開口径Ｄｄに基づく毛細管力Ｐｄが作用する。

導水部５６の開口径Ｄｄは、凝縮部４４内の管径Ｄｅよりも径大であることから、図１１のＢに示すように、毛細管力Ｐｄが凝縮部４４側の毛細管力Ｐｅよりも小さくなる。したがって、液流動管路５４に作用する毛細管力Ｐｂに対し、細管４８側よりも還流路２８内の冷媒１２が引張られ易い状態となる。

液流動管路５４は、内部の冷媒１２の気化により液面が後退すると、毛細管力Ｐｂを作用させて冷媒１２を取り込む。この毛細管力Ｐｂに対し、還流路２８内の冷媒１２に作用する毛細管力Ｐｄは小さいので、還流路２８側から冷媒１２および液化冷媒３０が液流動管路５４側に取り込まれる。そして還流路２８では、この冷媒１２および液化冷媒３０が液流動管路５４側に取り込まれることで、液面が導水部５６から開口部２６側に後退する。

還流路２８では、図１２のＡに示すように、液面が開口部２６側まで後退すると、管径Ｄｃに基づく毛細管力Ｐｃが蒸気部５０側に向けて作用する。この毛細管力Ｐｃは、図１２のＢに示すように、凝縮部４４内の液面に作用する毛細管力Ｐｅよりも強いため、還流路２８から液流動管路５４側への流入が停止し、または減少する。そして細管４８側から液流動管路５４への冷媒１２の流入量が増加する。

そして液流動管路５４は、図１３に示すように、冷媒１２の液面が蒸気部５０との連通部分に到達すると、毛細管力Ｐｂが減少し、または無くなり、冷媒１２の充填が停止される。そして、蒸気部５０では、還流路２８内の冷媒１２および取り込んだ液化冷媒３０の液面の変位により、蒸気部５０内の開口部２６周辺に非結露エリアαを形成することができる。この開口部２６は、蒸気部５０と液流動管路５４との連通部分の近傍に形成し、非結露エリアαが設けられることで、液化冷媒３０が気化した冷媒１６や液流動管路５４内の冷媒１２と繋がるのを阻止できる。

＜液化冷媒の回収手段の変形例について＞

図１４は、導水部５６およびその周辺構成の変形例を示している。

図１４のＡに示す蒸気部５０は、たとえば液流動管路５４との連通部分の周縁の壁部５７の全部または開口部２６の形成方向側の一部を冷媒１２または液化冷媒３０に対して濡れ難い部材で形成し、または表面を濡れ難い材質でコーティング処理を施してもよい。壁部５７は、たとえば冷媒１２や液化冷媒３０が水の場合、疎水性材料で形成するほか、表面に耐熱性の撥水処理や鏡面処理を施してもよい。これにより、蒸気部５０では、たとえば導水部５６で回収できない壁部５７側に、結露した液化冷媒３０を付着させないことで、液化冷媒３０と気化した冷媒１６との接触を阻止することができる。

また、図１４のＢに示すように、開口部２６、還流路２８および導水部５６は円形の場合に限られず、たとえば四角形やその他の多角形で形成されてもよい。開口部２６、還流路２８および導水部５６の形状は、たとえば冷媒１２に対する流路抵抗や、蒸気部５０内に対する形成面積などに基づいて設定してもよい。また、開口部２６、還流路２８および導水部５６を角形で形成することで、加工処理の簡易化が図れる。

斯かる構成によれば、液流動管路５４内に冷媒１２の液面を維持させることで、冷媒１２の吸熱、気化による冷媒１６の放出、液面の後退に基づく毛細管力による冷媒１２の充填が繰り返され、冷媒１２の滞留による高温化などを阻止し、冷却機能が維持される。また、結露した液化冷媒３０によって蒸気部５０内に冷媒の液面が形成されるのを阻止し、冷媒１２の気化と充填とが繰り返えされて冷媒１２の循環機能を維持させることで、蒸発部４２の吸熱能力を安定化させることができる。ループヒートパイプ４０内の管径の大小によって液面に生じる毛細管力のバランスによって還流路２８内の冷媒１２および液化冷媒３０の流動方向が調整でき、強制的に流動させる手段などを別途設けることがなく、簡易な構成で結露水の回収ができ、ループヒートパイプの小型化や軽量化が図れる。

〔第３の実施の形態〕

図１５は、第３の実施の形態に係る蒸発部の構成例を示している。図１５に示す構成は一例であり、本発明が斯かる構成に限定されるものではない。

図１５に示す蒸発部６０は、本開示のループヒートパイプの蒸発部の一例であり、液管１４から冷媒１２が供給され、複数の細管４８内に作用する毛細管力で冷媒１２をループヒートパイプ内に循環させる。そして蒸発部６０は、細管４８内において、図示しない発熱体６から発した熱を冷媒１２に吸熱させ、気化した冷媒１６が蒸気部５０を通じて蒸気管１８側に排出させる。またこの細管４８には、たとえば蒸気部５０と連通する終端側の一部にウィック６２が設置されている。

＜ウィック６２を備えた蒸発部６０内部の構成について＞

図１６は、蒸発部内部の構成例を示している。図１６に示す構成は一例である。

ウィック６２は、本開示の流動手段の一例であり、毛細管力を冷媒１２に付与して流動させる。ウィック６２は、たとえば内層と外層の二層構造で形成され、内層に液相の冷媒１２が通水される。そして外層には、たとえば内層表面に沿って微小な孔が形成されるほか、多数の微小な孔を形成した繊維部材が織り込まれて形成される多孔質構造となっており、この孔内に作用する毛細管力Ｐｂによって内層の冷媒１２を吸い上げる。

細管４８には、たとえば図１６のＡに示すように、蒸気部５０と連通する細管４８の終端側の一部であって、細管４８に対して還流路２８と並列にウィック６２が設置される流路６４が形成されている。流路６４は、設置されるウィック６２の外層径に応じて形成されるが、たとえば細管４８と同等の径で形成されればよい。ウィック６２は、たとえば流路６４に対し、図示しない接着手段を介在させるほか、固定手段によって固定させてもよく、または流路６４の内表面に嵌合させてもよい。

還流路２８は、図１６のＢに示すように、発熱体６から離間した部分に形成され、発熱体６に対してウィック６２を介して対向状態となる。

ウィック６２に生じる毛細管力Ｐｂは、たとえば外層の孔の径により設定される。この蒸発部６０では、冷却手段である細管４８からウィック６２側に冷媒１２を流動させる
ため、還流路２８側に作用する毛細管力Ｐｃ、凝縮部４４側の冷媒１２の液面に作用する毛細管力Ｐｅよりも強く冷媒１２を流動させる必要がある。従って、ウィック６２は、たとえば少なくとも、還流路２８内の毛細管力Ｐｃより大きな毛細管力Ｐｂを作用させるように外層径が設定される。

＜蒸発部６０に対する冷媒１２の充填段階について＞

図１７および図１８は、冷媒充填時における蒸発部内の状態例を示している。

図１７に示す蒸発部６０は、細管４８、ウィック６２の終端側およびその外層表面側に冷媒１２を満たすため、液管１４や凝縮部４４側の冷媒１２を取り込み、充填処理を行う。液面が後退したウィック６２には、たとえば孔径に基づいて発揮される毛細管力Ｐｂが作用する。また還流路２８には、管径Ｄｃに基づいた毛細管力Ｐｃが作用する。

細管４８、還流路２８およびウィック６２内に冷媒１２が充填されると、図１８に示すように、冷媒１２の液面が連通した蒸気部５０の境界部分に形成される。

＜冷媒１２による吸熱処理および結露した液化冷媒３０の回収処理について＞

図１９、図２０、図２１は、結露発生時の蒸発部内の状態例を示している。図１９、図２０、図２１に示す構成は一例である。

発熱体６が発熱状態になると、ウィック６２は、たとえば蒸発部６０のケースを通じて加熱され、外層の表面側で冷媒１２に吸熱させて気化させる。ウィック６２は、気化した冷媒１６が外層側から蒸気部５０側に流されることで、冷媒１２の液面が内層側に後退する。そしてウィック６２は、孔に作用する毛細管力Ｐｂにより、内層側から気化した分の冷媒１２を外層側に吸い上げて充填し、冷媒１２の液面を外層表面に形成させる。

還流路２８内の冷媒１２は、たとえば還流路２８の液面に作用する毛細管力Ｐｃがウィック６２の毛細管力Ｐｂよりも小さいことから、ウィック６２が冷媒１２を吸い上げるのに伴い、一部がウィック６２側に流入する。そしてウィック６２による冷媒１２の吸い上げが止まると、還流路２８は、毛細管力Ｐｃにより細管４８から冷媒１２を吸い上げ、液面が開口部２６側に復帰する。

ウィック６２から放出される高温蒸気の冷媒１６は、たとえば一部が蒸気部５０内で結露することで液化冷媒３０となり蒸気部５０の管壁に付着する。この液化冷媒３０は、既述のように、一部が導水部５６を通じて開口部２６内の冷媒１２と繋がる。導水部５６では、たとえば図２０に示すように、開口部２６および導水部５６周辺の液化冷媒３０を導き、滞留させる。このとき還流路２８内の冷媒１２は、導水部５６に回収された液化冷媒３０と繋がり、液面が導水部５６内に形成されることで、径大な導水部５６の開口径Ｄｄに基づく毛細管力Ｐｄが作用する。

この毛細管力Ｐｄは、凝縮部４４側の毛細管力Ｐｅよりも小さい。そのため還流路２８は、ウィック６２による冷媒１２の吸い上げが行われると、冷媒１２および液化冷媒３０がウィック６２側に流動し、液面が導水部５６から開口部２６側まで後退する。そして、還流路２８では、たとえば図２１に示すように、液面が開口部２６側まで後退すると、管径Ｄｃに基づく毛細管力Ｐｃが蒸気部５０側に向けて作用することで、ウィック６２側への冷媒１２の流入が停止し、または減少する。

蒸発部６０では、ウィック６２の毛細管力Ｐｂによる冷媒１２の吸い上げを利用して、還流路２８および導水部５６が取り込んだ液化冷媒３０を回収し、吸熱のための冷媒１２として利用する。これにより蒸気部５０では、開口部２６の周辺に非結露エリアを形成させ、気化した冷媒１６やウィック６２内の冷媒１２と液化冷媒３０が繋がるのを阻止する。

斯かる構成によれば、細管４８の終端側に所定の毛細管力を発揮するウィック６２を設けることで、液化冷媒３０の回収が可能となり、細管４８内部の加工処理が容易となる。

〔比較例〕

次に、従来のループヒートパイプの蒸発部内部の構成の比較例を説明する。図２２は、蒸発部における結露状態の比較例を示している。

図２２のＡに示すループヒートパイプの蒸発部８０において、吸熱管路８２は、毛細管力により内部に冷媒１２が充填されており、毛細管力により蒸気部８４との連通部分に冷媒１２の液面を吸い上げることで、ループヒートパイプ内に冷媒１２を循環させている。

蒸気部８４には、たとえば管路内のうち、発熱体８６から離間した管壁側周辺の温度が低くなることで、気化した冷媒１６が結露し、液化冷媒８８が付着する場合がある。そして蒸気部８４では、たとえば図２２のＢに示すように、吸熱管路８２との連通部分に近い管壁に付着した液化冷媒８８が気化した冷媒１６と接触すると、この冷媒１６を冷却し、結露させることになる。また、液化冷媒８８が成長し、径大化することで吸熱管路８２内の冷媒１２と繋がる場合がある。そして蒸発部８０では、結露の増加や液化冷媒８８と冷媒１２との結合が発生すると、冷媒１２の液面が吸熱管路８２から蒸気部８４に前進してしまう可能性がある。

蒸気部８４は、吸熱管路８２よりも径大に形成されていることから、冷媒１２に作用する毛細管力が小さくなり、ループヒートパイプ内における冷媒１２、１６の循環機能が低下する。このとき、吸熱管路８２では、たとえば発熱体８６から発した熱が冷媒１２により吸熱されるが、蒸気部８４内に液面があるため、冷媒１２全体に熱が拡散してしまい、気化し難くなる。また吸熱管路８２では、たとえば一部の冷媒１２が気化し、気泡となって冷媒１２の液面側に流れるが、毛細管力が作用せず、冷媒１２の流動や循環は生じない。そのほか蒸気部８４内に滞留した冷媒１２は、たとえば発熱体８６に近い面側が気化するが、発熱体８６から離間した管壁側は気化し難くなり、冷媒１２の気化が管路内で不安定化する。そのため、蒸発部８０内部での冷媒１２の液面の後退が生じ難く、冷媒１２の循環機能が低下する。

また、蒸発部８０は、たとえば発熱体８６の放出熱量が多いなどの場合、蒸気部８４内に溜まった冷媒１２が高温となり、全て気化させて液面が吸熱管路８２内に後退する可能性がある。しかし、蒸気部８４内の冷媒１２が気化するまでに時間を要すれば、発熱体８６やその周囲が高温化してしまうことになり、発熱体８６の安定的な冷却が行えない。

このような構成に対し、本開示のループヒートパイプによれば、蒸気部５０内で結露した液化冷媒３０を導水部５６で取り込むとともに、吸熱管路側への冷媒１２の循環を維持しつつ、毛細管力を利用して液化冷媒３０を還流路２８側に回収する。そして蒸気部５０において、液化冷媒３０を吸熱管路側に滞留させないので、冷媒１２が吸熱管路から溢れさせるのを防止するほか、気化した冷媒１６と液化冷媒３０との接触を抑えることができる。これによりループヒートパイプは、蒸発部において、毛細管力を利用した冷媒１２の循環状態を維持でき、安定的な冷却を行うことができる。

以上説明した実施形態について、その特徴事項や変形例を以下に列挙する。

(1) 上記実施形態では、ウィック６２を細管４８の先端側の一部に設置し、細管４８の途中に還流路２８を合流させる構成例を示したがこれに限られない。蒸発部６０は、たとえば液部５２（図１５）に対して単一の流路または複数の流路６４が形成され、その内部にウィック６２を設けて形成してもよい。すなわち、上記実施の形態では、ループヒートパイプに対して冷媒１２を循環させる毛細管力は、細管４８内に作用する毛細管力Ｐａとウィック６２に生じる毛細管力Ｐｂの合力となっているのに対し、ウィック６２による毛細管力Ｐｂのみで冷媒１２を循環させてもよい。

そして、蒸発部６０では、たとえばウィック６２の内層の流入側に還流路２８を合流させ、回収した液化冷媒３０を流路６４内に還流させるようにしてもよい。このような構成によれば、ウィック６２は、たとえば外層に形成した微細孔によって毛細管力を生じさせ、冷媒１２を流動させる。これによりウィック６２は、流入側から蒸気部５０との連通側の蒸発位置までの管路径を大きくとることができ、管路内の流動抵抗の影響が抑えられ、循環効率を高めることができる。

(2) 上記実施の形態では、還流路２８は、蒸発部４２のケースの内部に一体的に形成された場合を示したがこれに限られない。還流路２８は、たとえば蒸発部４２と独立したユニットとして形成され、蒸発部４２のケース外部から取付け、または分離可能に構成してもよい。また、蒸発部４２は、たとえば蒸気部５０に対し、実際の使用状態に応じて、結露の発生し易い部分を選択して還流路２８の取付位置を調整可能に形成してもよい。

(3) 上記実施の形態では、還流路２８の開口部２６の周縁にテーパ状の導水部５６を形成する場合を示したがこれに限られない。導水部５６は、還流路２８内の冷媒１２と繋がった液化冷媒３０の液面の開口径Ｄｄを径大にすればよく、たとえば開口部２６の周縁に矩形の凹部が形成されてもよい。この凹部による導水部５６によっても、径大な開口径Ｄｄにより作用する毛細管力Ｐｄが凝縮部４４内の冷媒１２液面に作用する毛細管力Ｐｅよりも十分に小さく設定されることで、液化冷媒３０を還流路２８内に回収させることができる。

次に、以上述べた実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。以下の付記に本発明が限定されるものではない。

（付記１）発熱体が発した熱により内部の冷媒を気化させて吸熱する蒸発部と、
前記蒸発部に対して凝縮部から液相の冷媒を流す液管路と、
前記蒸発部の出側に連通され、蒸発した気相の冷媒を前記凝縮部側に流す蒸気管路と、
を備え、
前記蒸発部は、
少なくとも出口側の一部に毛細管力を利用して液相の冷媒を流動させる流動手段を備え、内部に通水させた冷媒によって熱を吸熱させる吸熱管路と、
前記吸熱管路に連通され、蒸発した冷媒を前記蒸気管路側に流す蒸気部と、
前記蒸気部の周縁であって前記吸熱管路の近接側に開口部が形成され、前記蒸気部内に発生する結露水を取り込み、前記流動手段の流入側に結露水を還流させる還流管路と、
を備えることを特徴とする、ループヒートパイプ。

（付記２）前記還流管路は、前記吸熱管路との連結部分から前記蒸気部側の前記開口部まで冷媒が充填され、前記蒸気部内の結露水が前記開口部側で冷媒と繋がることで前記還流管路に作用する毛細管力を低下させて、結露水を取り込むことを特徴とする、付記１に記載のループヒートパイプ。

（付記３）前記開口部は、前記蒸気部側に向けて径大なテーパ状の導水部が形成されることを特徴とする、付記１または付記２に記載のループヒートパイプ。

（付記４）前記吸熱管路は、前記液管路よりも径小に形成され、前記流動手段とともに、毛細管力により液相の冷媒を前記凝縮部から前記液管路内に導き、循環させる循環手段で形成されることを特徴とする、付記１ないし付記３のいずれか１つに記載のループヒートパイプ。

（付記５）前記還流管路内の冷媒および結露水は、液面が前記開口部から前記蒸気部内に達することで前記流動手段の毛細管力により前記吸熱管路側に引かれ、液面が前記開口部内に有ることで毛細管力により前記蒸気部側に向けて液面が引かれることを特徴とする、付記１ないし付記４のいずれか１つに記載のループヒートパイプ。

（付記６）前記蒸気部は、前記吸熱管路および前記還流管路よりも径大に形成されることを特徴とする、付記１ないし付記５のいずれか１つに記載のループヒートパイプ。

（付記７）前記循環手段により生じる毛細管力は、前記還流管路内に作用する毛細管力よりも大きく設定することを特徴とする、付記４ないし付記６のいずれか１つに記載のループヒートパイプ。

（付記８）前記流動手段は、前記吸熱管路の一部を前記還流管路よりも径小に形成し、前記還流管路と並列に形成されることを特徴とする、付記１ないし付記７のいずれか１つに記載のループヒートパイプ。

（付記９）前記流動手段は、前記吸熱管路の一部に冷媒を流動させる多孔質構造が形成されることを特徴とする、付記１ないし付記７のいずれか１つに記載のループヒートパイプ。

以上説明したように、本発明の好ましい実施形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

２、４０ ループヒートパイプ
４、４２、６０、８０ 蒸発部
６、８６ 発熱体
１０、４４ 凝縮部
１２ 冷媒（液相）
１４ 液管
１６ 冷媒（気相）
１８ 蒸気管
２０、８２ 吸熱管路
２２ 流動手段
２４、５０、８４ 蒸気部
２６ 開口部
２８ 還流路
３０ 液化冷媒（結露水）
４６ 放熱手段
４８ 細管
５２ 液部
５４ 液流動管路
５６ 導水部
５７ 壁部
６２ ウィック
６４ 流路

Claims (5)

1. 発熱体が発した熱により内部の冷媒を気化させて吸熱する蒸発部と、
   前記蒸発部に対して凝縮部から液相の冷媒を流す液管路と、
   前記蒸発部の出側に連通され、蒸発した気相の冷媒を前記凝縮部側に流す蒸気管路と、
   を備え、
   前記蒸発部は、
   少なくとも出口側の一部に毛細管力を利用して液相の冷媒を流動させる流動手段を備え、内部に通水させた冷媒によって熱を吸熱させる吸熱管路と、
   前記吸熱管路に連通され、蒸発した冷媒を前記蒸気管路側に流す蒸気部と、
   前記蒸気部の周縁であって前記吸熱管路の近接側に開口部が形成され、前記蒸気部内に発生する結露水を取り込み、前記流動手段の流入側に結露水を還流させる還流管路と、
   を備えることを特徴とする、ループヒートパイプ。
2. 前記還流管路は、管路部分が前記開口部の一部よりも径小であり、前記吸熱管路との連結部分から前記蒸気部側の前記開口部まで冷媒が充填され、前記蒸気部内の結露水が前記開口部側で冷媒と繋がることで前記還流管路の前記開口部側の一部にある液面に作用する毛細管力が低下し、前記管路部分よりも径小な前記吸熱管路内で冷媒の流れ方向に作用する毛細管力により前記開口部側の冷媒および結露水が前記還流管路を通じて前記吸熱管路との連結部分の方向に引込まれることを特徴とする、請求項１に記載のループヒートパイプ。
3. 前記開口部は、前記蒸気部側に向けて径大なテーパ状の導水部が形成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のループヒートパイプ。
4. 前記還流管路内の冷媒および結露水は、液面が前記開口部から前記蒸気部内に達することで前記流動手段の毛細管力により前記吸熱管路側に引かれ、液面が前記開口部内に有ることで毛細管力により前記蒸気部側に向けて液面が引かれることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のループヒートパイプ。
5. 前記蒸気部は、前記吸熱管路および前記還流管路よりも径大に形成されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のループヒートパイプ。
   
   
   

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