JP7513543B2 - ループ型ヒートパイプ - Google Patents
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Description
本発明は、ループ型ヒートパイプに関するものである。
従来、電子機器に搭載される半導体デバイス（例えば、ＣＰＵ等）の発熱部品を冷却するデバイスとして、作動流体の相変化を利用して熱を輸送するヒートパイプが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
ヒートパイプの一例として、発熱部品の熱により作動流体を気化させる蒸発器と、気化した作動流体を冷却して液化する凝縮器とを備え、蒸発器と凝縮器とがループ状の流路を形成する液管と蒸気管とで接続されたループ型ヒートパイプが知られている。ループ型ヒートパイプでは、作動流体がループ状の流路を一方向に流れる。
流路は、複数の金属層が積層して形成されている。複数の金属層は、複数の金属層の積層方向の両端に設けられる一対の外層金属層と、一対の外層金属層の間に設けられる複数層の内層金属層とを有する。複数の内層金属層には、各内層金属層の一方の面側から窪む有底孔と各内層金属層の他方の面側から窪む有底孔とが部分的に連通して形成された細孔を含む多孔質体が設けられている。そして、内層金属層の積層方向の一端側が一方の外層金属層に接合され、内層金属層の積層方向の他端側が他方の外層金属層に接合されている。
ところが、ループ型ヒートパイプでは、流路の内部に封入する作動流体の特性に応じて、液相の作動流体が気化した際に体積膨張が生じる場合がある。また、ループ型ヒートパイプでは、そのループ型ヒートパイプの周囲温度が作動流体の凝固点よりも低い温度になると、作動流体が凝固して固化してしまう。このとき、作動流体が液相から固相に相変化することに伴って体積膨張が生じる場合がある。このような体積膨張が生じると、外層金属層が外側に膨らむように変形して外層金属層が内層金属層から剥離するおそれがある。
本発明の一観点によれば、作動流体を気化させる蒸発器と、前記作動流体を液化する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する液管と、前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する蒸気管と、前記作動流体が流れるループ状の流路と、を有し、前記蒸発器と前記凝縮器と前記液管と前記蒸気管との少なくとも一つの構造体は、第１外層金属層と、第２外層金属層と、前記第１外層金属層と前記第２外層金属層との間に設けられた単層の内層金属層とを有し、前記内層金属層は、前記内層金属層の一方の面側から窪む第１有底孔と、前記内層金属層の他方の面側から窪む第２有底孔と、前記第１有底孔と前記第２有底孔とが部分的に連通して形成された細孔とを含む多孔質体を有し、前記内層金属層は、前記第１有底孔の内部に設けられた第１柱部を有し、前記第１柱部は、前記第１外層金属層に接合されている。
本発明の一観点によれば、外層金属層の剥離を抑制できるという効果を奏する。
以下、一実施形態について添付図面を参照して説明する。
なお、添付図面は、便宜上、特徴を分かりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率については各図面で異なる場合がある。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部の部材のハッチングを梨地模様に代えて示し、一部の部材のハッチングを省略している。なお、本明細書において、「平面視」とは、対象物を図２等の鉛直方向（図中上下方向）から見ることを言い、「平面形状」とは、対象物を図２等の鉛直方向から見た形状のことを言う。また、本明細書における「上下方向」及び「左右方向」は、各図面において各部材を示す符号が正しく読める向きを正位置とした場合の方向である。
なお、添付図面は、便宜上、特徴を分かりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率については各図面で異なる場合がある。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部の部材のハッチングを梨地模様に代えて示し、一部の部材のハッチングを省略している。なお、本明細書において、「平面視」とは、対象物を図２等の鉛直方向（図中上下方向）から見ることを言い、「平面形状」とは、対象物を図２等の鉛直方向から見た形状のことを言う。また、本明細書における「上下方向」及び「左右方向」は、各図面において各部材を示す符号が正しく読める向きを正位置とした場合の方向である。
図１に示すループ型ヒートパイプ１０は、例えば、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル型の電子機器Ｍ１に収容される。ループ型ヒートパイプ１０は、蒸発器１１と、蒸気管１２と、凝縮器１３と、液管１４とを有している。
蒸発器１１と凝縮器１３は、蒸気管１２と液管１４とにより接続されている。蒸発器１１は、作動流体Ｃを気化させて蒸気Ｃｖを生成する機能を有している。蒸発器１１で生成された蒸気Ｃｖは、蒸気管１２を介して凝縮器１３に送られる。凝縮器１３は、作動流体Ｃの蒸気Ｃｖを液化する機能を有している。液化した作動流体Ｃは、液管１４を介して蒸発器１１に送られる。蒸気管１２及び液管１４は、作動流体Ｃ又は蒸気Ｃｖを流すループ状の流路１５を形成する。
蒸気管１２は、例えば、長尺状の管体に形成されている。液管１４は、例えば、長尺状の管体に形成されている。本実施形態において、蒸気管１２と液管１４とは、例えば、長さ方向の寸法（つまり、長さ）が互いに同じである。なお、蒸気管１２の長さと液管１４の長さとは、互いに異なっていてもよい。例えば、液管１４の長さに比べて蒸気管１２の長さが短くてもよい。ここで、本明細書における蒸発器１１、蒸気管１２、凝縮器１３及び液管１４の「長さ方向」とは、各部材における作動流体Ｃ又は蒸気Ｃｖが流れる方向（図中矢印参照）に一致する方向のことである。
蒸発器１１は、図示しない発熱部品に密着して固定される。蒸発器１１内の作動流体Ｃは、発熱部品にて発生した熱により気化し、蒸気Ｃｖが生成される。なお、蒸発器１１と発熱部品との間に、熱伝導部材（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）が介在されていてもよい。熱伝導部材は、発熱部品と蒸発器１１の間の接触熱抵抗を低減し、発熱部品から蒸発器１１への熱伝導をスムーズにする。
蒸気管１２は、例えば、蒸気管１２の長さ方向と平面視で直交する幅方向の両側に設けられた一対の管壁１２ｗと、一対の管壁１２ｗの間に設けられた流路１２ｒとを有している。流路１２ｒは、蒸発器１１の内部空間と連通している。流路１２ｒは、ループ状の流路１５の一部である。蒸発器１１において発生した蒸気Ｃｖは、蒸気管１２を介して凝縮器１３へと導かれる。
凝縮器１３は、例えば、放熱用に面積を大きくした放熱プレート１３ｐと、放熱プレート１３ｐの内部において蛇行した流路１３ｒとを有している。流路１３ｒは、ループ状の流路１５の一部である。蒸気管１２を介して導かれた蒸気Ｃｖは、凝縮器１３において液化する。
液管１４は、例えば、液管１４の長さ方向と平面視で直交する幅方向の両側に設けられた一対の管壁１４ｗと、一対の管壁１４ｗの間に設けられた流路１４ｒとを有している。流路１４ｒは、凝縮器１３の流路１３ｒと連通するとともに、蒸発器１１の内部空間と連通している。流路１４ｒは、ループ状の流路１５の一部である。
液管１４は、多孔質体２０を有している。多孔質体２０は、例えば、液管１４の長さ方向に沿って、凝縮器１３から蒸発器１１まで延びるように形成されている。多孔質体２０は、その多孔質体２０に生じる毛細管力によって、凝縮器１３で液化した作動流体Ｃを蒸発器１１へと導く。すなわち、凝縮器１３で液化した作動流体Ｃは、液管１４を通って蒸発器１１に導かれる。なお、図示は省略するが、蒸発器１１内にも多孔質体２０と同様の多孔質体が設けられている。
このように、ループ型ヒートパイプ１０では、発熱部品で発生した熱を凝縮器１３に移動し、その凝縮器１３において放熱する。これにより、発熱部品が冷却され、発熱部品の温度上昇が抑制される。
ここで、作動流体Ｃとしては、蒸気圧が高く、蒸発潜熱が大きい流体を使用することが好ましい。このような作動流体Ｃを用いることで、蒸発潜熱によって発熱部品を効率的に冷却できる。作動流体Ｃとしては、例えば、アンモニア、水、フロン、アルコール、アセトン等を用いることができる。
図２（ａ）は、図１の２－２線に沿う液管１４の断面を示している。この断面は、液管１４において作動流体Ｃの流れる方向（図１で矢印で示す方向）と直交する面である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した液管１４の一部を拡大した拡大断面図である。
図２（ａ）に示すように、液管１４は、例えば、３層の金属層３１，３２，３３を積層した構造を有している。換言すると、液管１４は、一対の最外金属層となる金属層３１，３３の間に、内層金属層となる金属層３２を積層した構造を有している。本実施形態の液管１４の内層金属層は、１層の金属層３２のみによって構成されている。
各金属層３１～３３は、例えば、熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）層である。複数の金属層３１～３３は、例えば、拡散接合、圧接、摩擦圧接や超音波接合等の固相接合により互いに直接接合されている。なお、図２（ａ）では、金属層３１～３３を判り易くするため、実線にて区別している。例えば、金属層３１～３３を拡散接合により一体化した場合、各金属層３１～３３の界面は消失していることがあり、境界は明確ではないことがある。ここで、固相接合とは、接合対象物同士を溶融させることなく固相（固体）状態のまま加熱して軟化させ、更に加熱して塑性変形を与えて接合する方法である。なお、金属層３１～３３は、銅層に限定されず、ステンレス層、アルミニウム層やマグネシウム合金層等から形成してもよい。また、積層した金属層３１～３３のうちの一部の金属層について、他の金属層と異なる材料が用いられてもよい。金属層３１～３３の各々の厚さは、例えば、５０μｍ～２００μｍ程度とすることができる。なお、金属層３１～３３のうちの一部の金属層を他の金属層と異なる厚さとしてもよく、また全ての金属層を互いに異なる厚さとしてもよい。
液管１４は、積層された金属層３１～３３からなり、金属層３１～３３の積層方向と直交する液管１４の幅方向（図２（ａ）の左右方向）の両端に設けられた一対の管壁１４ｗと、一対の管壁１４ｗの間に設けられた多孔質体２０とを有している。多孔質体２０は、例えば、管壁１４ｗに連続して形成されている。
金属層３１は、金属層３２の上面に積層されている。金属層３１の下面には、１つ又は複数の溝３１ｇが形成されている。各溝３１ｇは、金属層３１の下面から厚さ方向の中央部にかけて窪むように形成されている。
金属層３２は、金属層３１と金属層３３との間に積層されている。金属層３２の上面は、金属層３１の下面に接合されている。金属層３２の下面は、金属層３３の上面に接合されている。金属層３２は、液管１４の幅方向の両端に設けられた一対の壁部３２ｗと、一対の壁部３２ｗの間に設けられた多孔質体３２ｓとを有している。
金属層３３は、金属層３２の下面に積層されている。金属層３３の上面には、１つ又は複数の溝３３ｇが形成されている。各溝３３ｇは、金属層３３の上面から厚さ方向の中央部にかけて窪むように形成されている。
次に、各管壁１４ｗの具体的な構造について説明する。
管壁１４ｗは、例えば、内層金属層である金属層３２が有する壁部３２ｗにより構成されている。本実施形態の各管壁１４ｗは、壁部３２ｗのみによって構成されている。各壁部３２ｗには、孔や溝は形成されていない。
管壁１４ｗは、例えば、内層金属層である金属層３２が有する壁部３２ｗにより構成されている。本実施形態の各管壁１４ｗは、壁部３２ｗのみによって構成されている。各壁部３２ｗには、孔や溝は形成されていない。
次に、多孔質体２０の具体的な構造について説明する。
多孔質体２０は、例えば、内層金属層である金属層３２が有する多孔質体３２ｓと、外層金属層である金属層３１，３３がそれぞれ有する溝３１ｇ，３３ｇとを有している。
多孔質体２０は、例えば、内層金属層である金属層３２が有する多孔質体３２ｓと、外層金属層である金属層３１，３３がそれぞれ有する溝３１ｇ，３３ｇとを有している。
まず、多孔質体３２ｓの具体的な構造について説明する。
多孔質体３２ｓは、金属層３２の上面から厚さ方向の中央部にかけて窪む有底孔４０と、金属層３２の下面から厚さ方向の中央部にかけて窪む有底孔５０と、有底孔４０と有底孔５０とが部分的に連通して形成された細孔６０とを有している。有底孔４０，５０の深さは、例えば、２５μｍ～１００μｍ程度とすることができる。
多孔質体３２ｓは、金属層３２の上面から厚さ方向の中央部にかけて窪む有底孔４０と、金属層３２の下面から厚さ方向の中央部にかけて窪む有底孔５０と、有底孔４０と有底孔５０とが部分的に連通して形成された細孔６０とを有している。有底孔４０，５０の深さは、例えば、２５μｍ～１００μｍ程度とすることができる。
図２（ｂ）に示すように、有底孔４０，５０の内面は、例えば、開口側（金属層３２の上下面側）から底面側にかけて円弧状に連続する形状に形成されている。有底孔４０，５０の内側面は、断面視において、円弧状に湾曲した曲面に形成されている。有底孔４０，５０の内側面の断面形状は、例えば、有底孔４０，５０の深さ方向の途中の開口幅が最も広くなるように円弧状に湾曲した曲面に形成されている。有底孔４０，５０の底面は、例えば、円弧状に湾曲した曲面に形成されている。有底孔４０，５０の底面は、例えば、有底孔４０，５０の内側面と連続して形成されている。有底孔４０，５０の底面の曲率半径は、有底孔４０，５０の内側面の曲率半径と等しくてもよいし、有底孔４０，５０の内側面の曲率半径と異なっていてもよい。ここで、本明細書において「等しい」とは、正確に等しい場合の他、寸法公差等の影響により比較対象同士に多少の相違がある場合も含む。
なお、有底孔４０，５０の内面を、断面形状が半円形や半楕円形となる凹形状としてもよい。ここで、本明細書において、「半円形」とは、真円を二等分した半円のみでなく、例えば、半円よりも円弧が長いものや短いものも含む。また、本明細書において、「半楕円形」とは、楕円を二等分した半楕円のみでなく、例えば、半楕円よりも円弧が長いものや短いものも含む。また、有底孔４０，５０の内面を、底面側から開口側に向かうに連れて拡がるテーパ形状としてもよい。また、有底孔４０，５０の底面を金属層３２の上面と平行な平面に形成し、有底孔４０，５０の内側面を底面に対して垂直に延びるように形成してもよい。
図３に示すように、有底孔４０，５０は、例えば、平面視円形状に形成されている。有底孔４０，５０の直径は、例えば、１００μｍ～４００μｍ程度とすることができる。なお、有底孔４０，５０の平面形状を、楕円形や多角形等の任意の形状とすることができる。有底孔４０と有底孔５０とは、平面視で部分的に重複している。図２（ａ）及び図３に示すように、有底孔４０と有底孔５０とが平面視で重複する部分において、有底孔４０と有底孔５０とは部分的に連通して細孔６０を形成している。
有底孔４０は、内部に柱部４１を有している。すなわち、金属層３２は、有底孔４０の内部に設けられた柱部４１を有している。柱部４１は、有底孔４０の内側面の全周と離れて設けられている。すなわち、柱部４１の外周面と有底孔４０の内側面との間には、有底孔４０の全周にわたって空間が形成されている。換言すると、柱部４１は、有底孔４０の平面視中央部に設けられている。図３に示すように、本実施形態の柱部４１は、平面視において、有底孔４０の中心に設けられている。柱部４１は、例えば、平面視において、有底孔５０の全体と重ならない位置に設けられている。
柱部４１の平面形状は、任意の形状及び任意の大きさとすることができる。柱部４１の平面形状は、有底孔４０の平面形状と等しい形状であってもよいし、有底孔４０の平面形状と異なる形状であってもよい。柱部４１の平面形状の大きさは、例えば、有底孔４０の平面形状の大きさの１０％～２０％程度の大きさとすることができる。例えば、柱部４１の平面形状は、直径が１０～５０μｍ程度の円形状とすることができる。本実施形態では、柱部４１は、有底孔４０の内側面と同心円状に形成されている。
図２（ｂ）に示すように、柱部４１は、金属層３２の厚さ方向において、有底孔４０の底面から金属層３２の上面まで延びている。柱部４１の上面４１Ａは、金属層３２の上面と同一平面上に形成されている。柱部４１の厚さは、有底孔４０の深さと等しい長さに設定されている。柱部４１は、有底孔４０の内面を構成する金属層３２と連続して一体に形成されている。
柱部４１は、柱部４１の厚さ方向における基端及び先端を有している。柱部４１の基端は、有底孔４０の底面に接続されている。柱部４１の先端は、柱部４１の厚さ方向において基端と反対側に設けられている。柱部４１の先端は、柱部４１の上面４１Ａを有している。柱部４１は、例えば、柱部４１の厚さ方向の中央部分が柱部４１の基端及び先端よりも細くなるように形成されている。柱部４１は、例えば、柱部４１の厚さ方向の中央部分が最も細くなるように形成されている。柱部４１の外周面の断面形状は、柱部４１の厚さ方向の中央部分に「くびれ」を持たせるように湾曲して形成されている。柱部４１の外周面は、断面視において、円弧状に湾曲した曲面に形成されている。柱部４１は、柱部４１の厚さ方向の中央部分から柱部４１の先端に向かうに連れて太くなるように形成されている。柱部４１は、柱部４１の厚さ方向の中央部分から柱部４１の基端に向かうに連れて太くなるように形成されている。柱部４１の先端は、例えば、柱部４１の基端よりも細く形成されている。柱部４１の上面４１Ａは、金属層３２の上面と平行な平面に形成されている。
有底孔５０は、内部に柱部５１を有している。すなわち、金属層３２は、有底孔５０の内部に設けられた柱部５１を有している。柱部５１は、有底孔５０の内側面の全周と離れて設けられている。すなわち、柱部５１の外周面と有底孔５０の内側面との間には、有底孔５０の全周にわたって空間が形成されている。換言すると、柱部５１は、有底孔５０の平面視中央部に設けられている。図３に示すように、本実施形態の柱部５１は、平面視において、有底孔５０の中心に設けられている。柱部５１は、例えば、平面視において、有底孔４０の全体と重ならない位置に設けられている。
柱部５１の平面形状は、任意の形状及び任意の大きさとすることができる。柱部５１の平面形状は、有底孔５０の平面形状と等しい形状であってもよいし、有底孔５０の平面形状と異なる形状であってもよい。柱部５１の平面形状の大きさは、例えば、有底孔５０の平面形状の大きさの１０％～２０％程度の大きさとすることができる。例えば、柱部５１の平面形状は、直径が１０～５０μｍ程度の円形状とすることができる。本実施形態では、柱部５１は、有底孔５０の内側面と同心円状に形成されている。
図２（ｂ）に示すように、柱部５１は、金属層３２の厚さ方向において、有底孔５０の底面から金属層３２の下面まで延びている。柱部５１の下面５１Ａは、金属層３２の下面と同一平面上に形成されている。柱部５１の厚さは、有底孔５０の深さと等しい長さに設定されている。柱部５１は、有底孔５０の内面を構成する金属層３２と連続して一体に形成されている。
柱部５１は、柱部５１の厚さ方向における基端及び先端を有している。柱部５１の基端は、有底孔５０の底面に接続されている。柱部５１の先端は、柱部５１の下面５１Ａを有している。柱部５１は、例えば、柱部５１の厚さ方向の中央部分が柱部５１の基端及び先端よりも細くなるように形成されている。柱部５１は、例えば、柱部５１の厚さ方向の中央部分が最も細くなるように形成されている。柱部５１の外周面の断面形状は、柱部５１の厚さ方向の中央部分に「くびれ」を持たせるように湾曲して形成されている。柱部５１の外周面は、断面視において、円弧状に湾曲した曲面に形成されている。柱部５１は、柱部５１の厚さ方向の中央部分から柱部５１の先端に向かうに連れて太くなるように形成されている。柱部５１は、柱部５１の厚さ方向の中央部分から柱部５１の基端に向かうに連れて太くなるように形成されている。柱部５１の先端は、例えば、柱部５１の基端よりも細く形成されている。柱部５１の下面５１Ａは、金属層３２の下面と平行な平面に形成されている。
図２（ａ）に示すように、柱部４１の上面４１Ａは、金属層３１の下面に接合されている。例えば、柱部４１の上面４１Ａ全面が金属層３１の下面に接合されている。柱部５１の下面５１Ａは、金属層３３の上面に接合されている。例えば、柱部５１の下面５１Ａ全面が金属層３３の上面に接合されている。
次に、溝３１ｇ，３３ｇの具体的な構造について説明する。
各溝３１ｇ，３３ｇの内面の横断面形状は、任意の形状とすることができる。各溝３１ｇ，３３ｇの底面は、例えば、円弧状に湾曲した曲面に形成されている。各溝３１ｇ，３３ｇの内側面は、例えば、金属層３１の下面に対して垂直に延びるように形成されている。なお、各溝３１ｇ，３３ｇの内面を、底面側から開口側に向かうに連れて拡がるテーパ形状としてもよい。各溝３１ｇ，３３ｇの内面を、開口側から底面側にかけて円弧状に連続する形状に形成してもよい。各溝３１ｇ，３３ｇの内面を、断面形状が半円形や半楕円形となる凹形状としてもよい。
各溝３１ｇ，３３ｇの内面の横断面形状は、任意の形状とすることができる。各溝３１ｇ，３３ｇの底面は、例えば、円弧状に湾曲した曲面に形成されている。各溝３１ｇ，３３ｇの内側面は、例えば、金属層３１の下面に対して垂直に延びるように形成されている。なお、各溝３１ｇ，３３ｇの内面を、底面側から開口側に向かうに連れて拡がるテーパ形状としてもよい。各溝３１ｇ，３３ｇの内面を、開口側から底面側にかけて円弧状に連続する形状に形成してもよい。各溝３１ｇ，３３ｇの内面を、断面形状が半円形や半楕円形となる凹形状としてもよい。
図３に示すように、各溝３１ｇは、平面視において、有底孔４０の一部と重なる位置に設けられている。各溝３１ｇは、有底孔４０と連通するように形成されている。各溝３１ｇは、隣り合う複数の有底孔４０同士を連通するように形成されている。各溝３１ｇは、平面視において、複数の有底孔４０が並ぶ方向に沿って延びるように形成されている。複数の溝３１ｇは、例えば、互いに平行に延びるように形成されている。各溝３１ｇは、平面視において、柱部４１の全体と重ならないように形成されている。すなわち、各溝３１ｇは、平面視において、柱部４１と全く重ならない位置に設けられている。各溝３１ｇは、平面視において、柱部５１の全体と重ならないように形成されている。
各溝３３ｇは、平面視において、有底孔５０の一部と重なる位置に設けられている。各溝３３ｇは、有底孔５０と連通するように形成されている。各溝３３ｇは、隣り合う複数の有底孔５０同士を連通するように形成されている。各溝３３ｇは、平面視において、複数の有底孔５０が並ぶ方向に沿って延びるように形成されている。複数の溝３３ｇは、例えば、互いに平行に延びるように形成されている。各溝３３ｇは、例えば、平面視において、溝３１ｇと交差する方向に延びるように形成されている。各溝３３ｇは、平面視において、柱部５１の全体と重ならないように形成されている。すなわち、各溝３３ｇは、平面視において、柱部５１と全く重ならない位置に設けられている。各溝３３ｇは、平面視において、柱部４１の全体と重ならないように形成されている。
図２（ａ）に示すように、金属層３２に形成された有底孔４０，５０及び細孔６０と金属層３１，３３にそれぞれ形成された溝３１ｇ，３３ｇとは、互いに連通している。そして、これら有底孔４０，５０、細孔６０及び溝３１ｇ，３３ｇが連通して形成された空間が三次元的に広がっている。有底孔４０，５０、細孔６０及び溝３１ｇ，３３ｇ、つまり多孔質体２０の有する流路は、液相の作動流体Ｃ（図１参照）が流れる流路１４ｒとして機能する。
液管１４には、図示は省略するが、作動流体Ｃ（図１参照）を注入するための注入口が設けられている。但し、注入口は、封止部材により塞がれており、ループ型ヒートパイプ１０内は気密に保たれている。
図１に示す蒸発器１１、蒸気管１２及び凝縮器１３は、図２（ａ）に示す液管１４と同様に、３層の金属層３１～３３が積層されて形成される。すなわち、図１に示すループ型ヒートパイプ１０は、３層の金属層３１～３３が積層されて構成される。例えば、蒸発器１１では、蒸発器１１に設けられた多孔質体が櫛歯状に形成されている。蒸発器１１内において、多孔質体の設けられていない領域は、空間が形成されている。例えば、蒸気管１２では、内層金属層である金属層３２を厚さ方向に貫通する貫通孔を形成することにより、流路１２ｒが形成されている。例えば、凝縮器１３では、内層金属層である金属層３２を厚さ方向に貫通する貫通孔を形成することにより、流路１３ｒが形成されている。なお、金属層の積層数は、３層に限定されず、４層以上とすることができる。
次に、ループ型ヒートパイプ１０の作用について説明する。
ループ型ヒートパイプ１０は、作動流体Ｃを気化させる蒸発器１１と、蒸気Ｃｖを液化する凝縮器１３と、気化した作動流体（つまり、蒸気Ｃｖ）を凝縮器１３に流入させる蒸気管１２と、液化した作動流体Ｃを蒸発器１１に流入させる液管１４とを有している。
ループ型ヒートパイプ１０は、作動流体Ｃを気化させる蒸発器１１と、蒸気Ｃｖを液化する凝縮器１３と、気化した作動流体（つまり、蒸気Ｃｖ）を凝縮器１３に流入させる蒸気管１２と、液化した作動流体Ｃを蒸発器１１に流入させる液管１４とを有している。
液管１４には多孔質体２０が設けられている。この多孔質体２０は、凝縮器１３から液管１４の長さ方向に沿って蒸発器１１まで延びている。多孔質体２０は、その多孔質体２０に生じる毛細管力によって、凝縮器１３で液化した液相の作動流体Ｃを蒸発器１１へと導く。
ここで、図２（ａ）に示すように、液管１４では、内層金属層である金属層３２に形成された有底孔４０の内部に柱部４１が設けられ、金属層３２に形成された有底孔５０の内部に柱部５１が設けられている。そして、柱部４１の上面４１Ａが外層金属層である金属層３１の下面に接合され、柱部５１の下面５１Ａが外層金属層である金属層３３の上面に接合されている。これら柱部４１，５１を金属層３１，３３に接合することにより、柱部４１，５１を設けない場合に比べて、金属層３２と金属層３１，３３との接合面積を増大させることができる。これにより、金属層３２と金属層３１，３３との接合強度を向上させることができる。
本実施形態において、金属層３１は第１外層金属層の一例、金属層３２は内層金属層の一例、金属層３３は第２外層金属層の一例である。また、有底孔４０は第１有底孔の一例、柱部４１は第１柱部の一例、有底孔５０は第２有底孔の一例、柱部５１は第２柱部の一例、溝３１ｇは第１溝の一例、溝３３ｇは第２溝の一例である。
次に、ループ型ヒートパイプ１０の製造方法について説明する。
まず、図４（ａ）に示す工程では、平板状の金属シート７１を準備する。金属シート７１は、最終的に金属層３１（図２（ａ）参照）となる部材である。金属シート７１は、例えば、銅、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム合金等から構成されている。金属シート７１の厚さは、例えば、５０μｍ～２００μｍ程度とすることができる。
まず、図４（ａ）に示す工程では、平板状の金属シート７１を準備する。金属シート７１は、最終的に金属層３１（図２（ａ）参照）となる部材である。金属シート７１は、例えば、銅、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム合金等から構成されている。金属シート７１の厚さは、例えば、５０μｍ～２００μｍ程度とすることができる。
続いて、金属シート７１の上面にレジスト層７２を形成し、金属シート７１の下面にレジスト層７３を形成する。レジスト層７２，７３としては、例えば、感光性のドライフィルムレジスト等を用いることができる。
次に、図４（ｂ）に示す工程では、レジスト層７３を露光及び現像して、金属シート７１の下面を選択的に露出する開口部７３Ｘを形成する。開口部７３Ｘは、図２（ａ）に示す溝３１ｇに対応するように形成される。
続いて、図４（ｃ）に示す工程では、開口部７３Ｘ内に露出する金属シート７１を、金属シート７１の下面側からエッチングする。これにより、金属シート７１の下面に溝３１ｇが形成される。溝３１ｇは、例えば、レジスト層７２，７３をエッチングマスクとして金属シート７１をウェットエッチングすることにより形成できる。金属シート７１の材料として銅を用いる場合には、エッチング液として塩化第二鉄水溶液や塩化第二銅水溶液を用いることができる。
次いで、レジスト層７２，７３を剥離液により剥離する。これにより、図４（ｄ）に示すように、下面に溝３１ｇを有する金属層３１を形成することができる。
次に、図５（ａ）に示す工程では、平板状の金属シート７４を準備する。金属シート７４は、最終的に金属層３３（図２（ａ）参照）となる部材である。金属シート７４は、例えば、銅、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム合金等から構成されている。金属シート７４の厚さは、例えば、５０μｍ～２００μｍ程度とすることができる。
次に、図５（ａ）に示す工程では、平板状の金属シート７４を準備する。金属シート７４は、最終的に金属層３３（図２（ａ）参照）となる部材である。金属シート７４は、例えば、銅、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム合金等から構成されている。金属シート７４の厚さは、例えば、５０μｍ～２００μｍ程度とすることができる。
続いて、金属シート７４の上面にレジスト層７５を形成し、金属シート７４の下面にレジスト層７６を形成する。レジスト層７５，７６としては、例えば、感光性のドライフィルムレジスト等を用いることができる。
次いで、図５（ｂ）に示す工程では、レジスト層７５を露光及び現像して、金属シート７４の上面を選択的に露出する開口部７５Ｘを形成する。同様に、レジスト層７６を露光及び現像して、金属シート７４の下面を選択的に露出する開口部７６Ｘを形成する。開口部７５Ｘは、図２（ａ）に示す有底孔４０に対応するように形成される。開口部７６Ｘは、図２（ａ）に示す有底孔５０に対応するように形成される。レジスト層７５は、図２（ｂ）に示す柱部４１が形成される部分の金属シート７４の上面を被覆するレジストパターン７５Ａを有している。レジストパターン７５Ａは、開口部７５Ｘの内部に設けられる。レジスト層７６は、図２（ｂ）に示す柱部５１が形成される部分の金属シート７４の下面を被覆するレジストパターン７６Ａを有している。レジストパターン７６Ａは、開口部７６Ｘの内部に設けられる。
次に、図５（ｃ）に示す工程では、レジスト層７５から露出する金属シート７４を、金属シート７４の上面側からエッチングするとともに、レジスト層７６から露出する金属シート７４を、金属シート７４の下面側からエッチングする。レジストパターン７５Ａ及び開口部７５Ｘにより、金属シート７４の上面に柱部４１を有する有底孔４０が形成される。また、レジストパターン７６Ａ及び開口部７６Ｘにより、金属シート７４の下面に柱部５１を有する有底孔５０が形成される。有底孔４０と有底孔５０は、平面視において部分的に重なるように形成され、その重なる部分において有底孔４０と有底孔５０とが互いに連通して細孔６０が形成される。有底孔４０，５０及び柱部４１，５１は、例えば、レジスト層７５，７６をエッチングマスクとして金属シート７４をウェットエッチングすることにより形成できる。金属シート７４の材料として銅を用いる場合には、エッチング液として塩化第二鉄水溶液や塩化第二銅水溶液を用いることができる。
次に、レジスト層７５，７６を剥離液により剥離する。これにより、図５（ｄ）に示すように、一対の壁部３２ｗと多孔質体３２ｓとを有する金属層３２を形成することができる。
続いて、図６（ａ）に示す工程では、図４（ａ）～図４（ｄ）に示した工程と同様の方法により、金属層３３を形成する。次いで、金属層３１と金属層３３との間に金属層３２を配置する。
次に、図６（ｂ）に示す工程では、所定温度（例えば、９００℃程度）に加熱しながら積層した金属層３１～３３をプレスすることにより、固相接合にて金属層３１～３３を接合する。これにより、積層方向に隣接する金属層３１，３２，３３が直接接合される。このとき、金属層３１の下面と柱部４１の上面４１Ａとが直接接合される。ここで、金属層３１～３３において、柱部４１と平面視で重なる部分には有底孔４０，５０及び溝３１ｇ，３３ｇが形成されていない。このため、金属層３１～３３において、柱部４１と平面視で重なる部分には空間が形成されていない。これにより、プレス時に、金属層３１の下面と柱部４１の上面４１Ａとに対して好適に圧力を加えることができ、金属層３１の下面と柱部４１の上面４１Ａとを好適に接合することができる。同様に、金属層３３の上面と柱部５１の下面５１Ａとが直接接合される。ここで、金属層３１～３３において、柱部５１と平面視で重なる部分には有底孔４０，５０及び溝３１ｇ，３３ｇが形成されていない。このため、金属層３１～３３において、柱部５１と平面視で重なる部分には空間が形成されていない。これにより、プレス時に、金属層３３の上面と柱部５１の下面５１Ａとに対して好適に圧力を加えることができ、金属層３３の上面と柱部５１の下面５１Ａとを好適に接合することができる。
以上説明した工程により、金属層３１，３２，３３が積層された構造体が形成される。そして、図１に示した蒸発器１１、凝縮器１３、蒸気管１２及び液管１４を有するループ型ヒートパイプ１０が形成される。このとき、液管１４には多孔質体２０が形成される。
その後、例えば、真空ポンプ等を用いて液管１４内を排気した後、図示しない注入口から液管１４内に作動流体Ｃを注入し、その後注入口を封止する。
次に、本実施形態の作用効果を説明する。
次に、本実施形態の作用効果を説明する。
（１）内層金属層である金属層３２に形成された有底孔４０の内部に柱部４１を設け、柱部４１の上面４１Ａを外層金属層である金属層３１の下面に接合するようにした。これにより、柱部４１を設けない場合に比べて、金属層３１と金属層３２との接合面積を増大させることができる。これにより、金属層３１と金属層３２との接合強度を向上させることができる。このため、例えば液管１４内を流れる作動流体Ｃが液相から固相に相変化した場合に、その相変化に伴って体積膨張が生じた場合であっても、金属層３１が金属層３２から剥離することを抑制できる。すなわち、体積膨張に伴って金属層３１が外側に膨らむように変形する場合であっても、金属層３１と金属層３２とが強固に接合されているため、金属層３１が金属層３２から剥離することを抑制できる。このため、ループ型ヒートパイプ１０を有する電子機器Ｍ１を、寒冷地や冬季などにおいて周囲温度が作動流体Ｃの凝固点よりも低い温度となる環境で使用し、液相の作動流体Ｃが凍結して凍結膨張が生じる場合であっても、金属層３１，３３が金属層３２から剥離することを抑制できる。
（２）内層金属層である金属層３２に形成された有底孔５０の内部に柱部５１を設け、柱部５１の下面５１Ａを外層金属層である金属層３３の上面に接合するようにした。これにより、柱部５１を設けない場合に比べて、金属層３３と金属層３２との接合面積を増大させることができる。これにより、金属層３３と金属層３２との接合強度を向上させることができる。このため、例えば液管１４内を流れる作動流体Ｃが液相から固相に相変化した場合に、その相変化に伴って体積膨張が生じた場合であっても、金属層３３が金属層３２から剥離することを抑制できる。すなわち、体積膨張に伴って金属層３３が外側に膨らむように変形する場合であっても、金属層３３と金属層３２とが強固に接合されているため、金属層３３が金属層３２から剥離することを抑制できる。
（３）隣り合う複数の有底孔４０，５０を連通する溝３１ｇ，３３ｇを金属層３１，３３に設け、内層金属層を単層の金属層３２のみにより構成した。溝３１ｇ，３３ｇを形成したことにより、内層金属層を単層構造とした場合であっても、有底孔４０，５０、細孔６０及び溝３１ｇ，３３ｇが連通して形成される空間を三次元的に広げることができる。このため、内層金属層を単層の金属層３２のみで構成でき、液管１４を３層の金属層３１～３３により構成することができる。これにより、液管１４を薄型化することができる。ひいては、ループ型ヒートパイプ１０を薄型化することができる。
（４）溝３１ｇを、平面視において、柱部４１の全体と重ならないように形成した。すなわち、溝３１ｇを、平面視において、柱部４１と部分的にも重ならないように形成した。このため、柱部４１の上面４１Ａ全面を金属層３１の下面に接合することができる。これにより、溝３１ｇが柱部４１の一部と平面視で重なるように形成される場合、つまり溝３１ｇが柱部４１の一部を露出するように形成される場合に比べて、金属層３１と金属層３２との接合面積を増大させることができる。これにより、金属層３１と金属層３２との接合強度をより向上させることができる。
（５）柱部４１を、柱部４１の厚さ方向の中央部分が柱部４１の基端及び先端よりも細くなるように形成した。柱部４１の厚さ方向の中央部分を細く形成することにより、有底孔４０における空間を広く確保することができる。また、柱部４１の先端が柱部４１の厚さ方向の中央部分よりも太く形成されるため、柱部４１の上面４１Ａを広く形成することができる。これらにより、有底孔４０における空間を広く確保しつつも、金属層３１と柱部４１の上面４１Ａとの接合面積を増大させることができる。
（他の実施形態）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図７に示すように、液管１４に、多孔質体２０と、流路２１（第１流路）とを設けるようにしてもよい。本変更例の液管１４は、一対の管壁１４ｗと、一対の管壁１４ｗに連続して形成された一対の多孔質体２０と、一対の多孔質体２０の間に設けられた流路２１とを有している。本変更例の液管１４では、多孔質体２０の有する流路と流路２１とによって液管１４の流路１４ｒが構成されている。なお、多孔質体２０は、上記実施形態と同様に、金属層３２の多孔質体３２ｓと金属層３１，３３の溝３１ｇ，３３ｇにより構成されている。
流路２１の横断面積は、例えば、多孔質体２０の有する流路の横断面積よりも大きく形成されている。流路２１は、内層金属層である金属層３２を厚さ方向に貫通する貫通孔３２Ｘにより構成されている。例えば、流路２１は、多孔質体２０の有する流路と連通している。例えば、貫通孔３２Ｘは、金属層３２の有底孔４０，５０の少なくとも一方と連通している。
この場合であっても、有底孔４０，５０の内部には、柱部４１，５１がそれぞれ設けられている。そして、柱部４１の上面４１Ａが金属層３１の下面に接合され、柱部５１の下面５１Ａが金属層３３の上面に接合されている。
・図８に示すように、液管１４に、多孔質体２０と、複数の流路２２（第１流路）とを設けるようにしてもよい。本変更例の液管１４は、一対の管壁１４ｗと、各管壁１４ｗと離れて設けられた多孔質体２０と、各管壁１４ｗと多孔質体２０との間に設けられた２つの流路２２とを有している。本変更例の液管１４では、多孔質体２０の有する流路と２つの流路２２とによって液管１４の流路１４ｒが構成されている。本変更例の多孔質体２０は、液管１４の幅方向の中央部に設けられている。多孔質体２０は、流路２２により管壁１４ｗと離隔して設けられている。なお、多孔質体２０は、上記実施形態と同様に、金属層３２の多孔質体３２ｓと金属層３１，３３の溝３１ｇ，３３ｇにより構成されている。
各流路２２の横断面積は、例えば、多孔質体２０の有する流路の横断面積よりも大きく形成されている。各流路２２は、内層金属層である金属層３２を厚さ方向に貫通する貫通孔３２Ｙにより構成されている。例えば、各流路２２は、多孔質体２０の有する流路と連通している。例えば、各貫通孔３２Ｙは、金属層３２の有底孔４０，５０の少なくとも一方と連通している。
この場合であっても、有底孔４０，５０の内部には、柱部４１，５１がそれぞれ設けられている。そして、柱部４１の上面４１Ａが金属層３１の下面に接合され、柱部５１の下面５１Ａが金属層３３の上面に接合されている。
・上記実施形態において、柱部４１，５１を有する有底孔４０，５０を含む多孔質体２０を液管１４に設けるようにしたが、これに限定されない。例えば、多孔質体２０を、蒸発器１１、蒸気管１２や凝縮器１３に設けるようにしてもよい。例えば、蒸発器１１、蒸気管１２、凝縮器１３及び液管１４の少なくとも一つの構造体に多孔質体２０を設けていればよい。例えば、蒸気管１２のみに多孔質体２０を設けるようにしてもよい。
・上記実施形態の多孔質体２０における有底孔４０，５０及び柱部４１，５１の形状を適宜変更してもよい。
・上記実施形態の多孔質体２０において、金属層３２の上面に設けられた有底孔４０の深さと、金属層３２の下面に設けられた有底孔５０の深さとが異なっていてもよい。
・上記実施形態の多孔質体２０において、金属層３２の上面に設けられた有底孔４０の深さと、金属層３２の下面に設けられた有底孔５０の深さとが異なっていてもよい。
・上記実施形態では、有底孔４０，５０の両方の内部に柱部４１，５１を設けるようにしたが、これに限定されない。例えば、有底孔４０，５０のうち有底孔４０の内部のみに柱部４１を設けるようにしてもよい。すなわち、柱部５１を省略してもよい。例えば、有底孔４０，５０のうち有底孔５０の内部のみに柱部５１を設けるようにしてもよい。すなわち、柱部４１を省略してもよい。
・上記実施形態では、全ての有底孔４０の内部に柱部４１を設けるようにしたが、これに限定されない。例えば、複数の有底孔４０のうち少なくとも一つの有底孔４０に柱部４１を設けていればよい。
・上記実施形態では、全ての有底孔５０の内部に柱部５１を設けるようにしたが、これに限定されない。例えば、複数の有底孔５０のうち少なくとも一つの有底孔５０に柱部５１を設けていればよい。
・上記実施形態において、１つの有底孔４０の内部に複数の柱部４１を設けるようにしてもよい。
・上記実施形態において、１つの有底孔５０の内部に複数の柱部５１を設けるようにしてもよい。
・上記実施形態において、１つの有底孔５０の内部に複数の柱部５１を設けるようにしてもよい。
・上記実施形態では、内層金属層を、単層の金属層３２のみにより構成するようにした。すなわち、内層金属層を単層構造とした。しかし、これに限定されない。例えば、内層金属層を、複数層の金属層が積層された積層構造としてもよい。この場合の内層金属層は、金属層３１と金属層３３との間に複数層の金属層が積層されて構成される。また、内層金属層を構成する複数層の金属層の各々は、多孔質体３２ｓと同様の多孔質体を有している。
１０ ループ型ヒートパイプ
１１ 蒸発器
１２ 蒸気管
１３ 凝縮器
１４ 液管
１２ｒ，１３ｒ，１４ｒ，１５ 流路
２０ 多孔質体
２１，２２ 流路
３１ 金属層
３１ｇ 溝
３２ 金属層
３２ｓ 多孔質体
３３ 金属層
３３ｇ 溝
４０ 有底孔
４１ 柱部
５０ 有底孔
５１ 柱部
６０ 細孔
Ｃ 作動流体
Ｃｖ 蒸気
１１ 蒸発器
１２ 蒸気管
１３ 凝縮器
１４ 液管
１２ｒ，１３ｒ，１４ｒ，１５ 流路
２０ 多孔質体
２１，２２ 流路
３１ 金属層
３１ｇ 溝
３２ 金属層
３２ｓ 多孔質体
３３ 金属層
３３ｇ 溝
４０ 有底孔
４１ 柱部
５０ 有底孔
５１ 柱部
６０ 細孔
Ｃ 作動流体
Ｃｖ 蒸気
Claims (10)
- 作動流体を気化させる蒸発器と、
前記作動流体を液化する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する蒸気管と、
前記作動流体が流れるループ状の流路と、を有し、
前記蒸発器と前記凝縮器と前記液管と前記蒸気管との少なくとも一つの構造体は、第１外層金属層と、第２外層金属層と、前記第１外層金属層と前記第２外層金属層との間に設けられた単層の内層金属層とを有し、
前記内層金属層は、前記内層金属層の一方の面側から窪む第１有底孔と、前記内層金属層の他方の面側から窪む第２有底孔と、前記第１有底孔と前記第２有底孔とが部分的に連通して形成された細孔とを含む多孔質体を有し、
前記内層金属層は、前記第１有底孔の内部に設けられた第１柱部を有し、
前記第１柱部は、前記第１外層金属層に接合されているループ型ヒートパイプ。 - 前記第１外層金属層は、前記内層金属層の一方の面に接合されており、
前記第２外層金属層は、前記内層金属層の他方の面に接合されており、
前記第１外層金属層は、隣り合う複数の前記第１有底孔を連通する第１溝を有し、
前記第２外層金属層は、隣り合う複数の前記第２有底孔を連通する第２溝を有する請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。 - 前記第１溝は、平面視において、前記第１柱部の全体と重ならないように設けられている請求項２に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記内層金属層は、前記第２有底孔の内部に設けられた第２柱部を有し、
前記第２柱部は、前記第２外層金属層に接合されている請求項２又は請求項３に記載のループ型ヒートパイプ。 - 前記第２溝は、平面視において、前記第２柱部の全体と重ならないように設けられており、
前記第２溝は、平面視において、前記第１柱部の全体と重ならないように設けられている請求項４に記載のループ型ヒートパイプ。 - 作動流体を気化させる蒸発器と、
前記作動流体を液化する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを接続する蒸気管と、
前記作動流体が流れるループ状の流路と、を有し、
前記蒸発器と前記凝縮器と前記液管と前記蒸気管との少なくとも一つの構造体は、第１外層金属層と、第２外層金属層と、前記第１外層金属層と前記第２外層金属層との間に設けられた複数層の内層金属層とを有し、
前記複数層の内層金属層は、前記第１外層金属層に接する第１内層金属層を有し、
前記第１内層金属層は、前記第１内層金属層の一方の面側から窪む第１有底孔と、前記第１内層金属層の他方の面側から窪む第２有底孔と、前記第１有底孔と前記第２有底孔とが部分的に連通して形成された細孔とを含む多孔質体を有し、
前記第１内層金属層は、前記第１有底孔の内部に設けられた第１柱部を有し、
前記第１柱部は、前記第１外層金属層に接合されているループ型ヒートパイプ。 - 前記第１柱部は、前記第１有底孔の底面に接続された基端と、前記第１柱部の厚さ方向において前記基端と反対側に設けられた先端とを有し、
前記第１柱部は、前記第１柱部の厚さ方向の中央部分が前記基端及び前記先端よりも細くなるように形成されており、
前記第１柱部の先端は、前記第１外層金属層に接合されている請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のループ型ヒートパイプ。 - 前記第１有底孔の内面は、底面と内側面とを有し、
前記第１柱部は、前記第１有底孔の前記底面に接続された基端を有し、
前記第１柱部は、前記第１有底孔の前記内側面と離れて設けられている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のループ型ヒートパイプ。 - 前記第１柱部は、平面視において、前記第１有底孔の中心に設けられている請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記少なくとも一つの構造体は、前記液管であり、
前記液管の前記内層金属層は、前記多孔質体と、前記多孔質体の有する流路よりも横断面積が大きく形成された第１流路とを有し、
前記第１有底孔及び前記第２有底孔は、前記第１流路と連通している請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
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