JP7115091B2 - 蒸発器及びループ型ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、蒸発器及びループ型ヒートパイプに関する。

近年、電子機器においては、冷却対象を冷却するための冷却手段として、冷媒となる流体を流入させて冷却する方式が知られている。
このような冷却方法の一つとして、蒸発器と凝縮器との間に管を介して流体を循環させて冷却するループ型ヒートパイプが知られている。
かかるループ型ヒートパイプは、一般に液相の流体を蒸発器に流入させることで蒸発器内部のウィックと呼ばれる多孔質体に毛細管現象によって浸透させ、ウィック表面に染み出た流体に冷却対象からの熱を受熱させることで、流体を液相から気相へと相転移する。そして、この相転移する際の気化熱を用いて、冷却対象を冷却する。
気化された流体は、凝縮器において冷却されてまた液相に戻るとともに、気化した流体の圧力によって蒸発器側へ再度遷移することで循環する。

ところで、発明者らは、冷却対象からの熱が、蒸発器の筐体を介して蒸発器内にあるウィックに浸透する前の液相の流体に伝わると、このウィックに浸透する前の液相の流体が過熱され、気泡を生じさせることを発見した。そして、ウィックに浸透する前の液相の流体に気泡が発生すると、毛細管現象による液相の流体のウィックへの浸透を阻害し、冷却効率が低下することを発見した。

本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、多孔質ウィック内部への流体の浸透を阻害するウィックに浸透する前の液相の流体に気泡が発生する現象を抑制して、ループ型ヒートパイプの冷却効率を向上することを目的とする。

本願発明にかかるループ型ヒートパイプに用いられる蒸発器は、筐体の受熱部が受熱することで筐体内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器であって、前記筐体内部に配置された多孔質部材と、前記多孔質部材によって前記筐体の内壁面と隔てられた前記流体を前記筐体内部に保持するための滞留部と、を有し、前記多孔質部材は、前記滞留部間に形成された連結部を有し、当該連結部は当該多孔質部材の前記受熱部側と、前記受熱部側と対向する側とを接続するように連結し、循環方向に延びる空間を有していることを特徴とする。

本発明によれば、多孔質ウィック内部への流体の浸透を阻害するウィックに浸透する前の液相の流体に気泡が発生する現象を抑制して、ループ型ヒートパイプの冷却効率を向上することができる。

本発明の実施形態であるループ型ヒートパイプの構成の一例を示す図である。 図１に示したループ型ヒートパイプの蒸発器の構成の一例を示す図である。 図２に示した蒸発器の内部構成の一例を示す図である。 蒸発器の従来例を示す図である。 蒸発器における熱のリークの一例を示す図である。 図４に示した蒸発器の改良手段の一例を示す図である。 図３に示した蒸発器における冷媒の動作の一例を示す図である。 図３に示した蒸発器の第１の変形例を示す図である。 図３に示した蒸発器の第２の変形例を示す図である。 図３に示した蒸発器の第３の変形例を示す図である。 蒸発器の第２の実施形態を示す図である。 図１１に示した蒸発器の他の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。

本発明の第１の実施形態として、図１にループ型ヒートパイプたる冷却装置１００を示す。
冷却装置１００は、蒸発器１０と、凝縮器２０と、蒸発器１０と凝縮器２０とを連結するパイプ状の管部３０と、蒸発器１０よりも循環方向上流側に配置された液溜部４０と、を有し、内部に流れる冷媒としての作動流体Ｑが、気相と液相とを相転移しながら循環することで冷却対象である熱源２００を冷却する循環型のヒートパイプである。
なお、以降の説明では、後述するように、図１の紙面垂直な手前側をＺ方向、Ｚ方向に垂直な紙面上方向をＹ方向、Ｚ方向に垂直な紙面右手方向をＸ方向として説明を行う。

本発明の冷却装置１００においては、冷却装置１００内部に封入された作動流体Ｑは、図１中にＡで示す循環方向に循環しており、熱源２００は蒸発器１０に当接して配置されている。
蒸発器１０と凝縮器２０とを結ぶ管部３０のうち、特に蒸発器１０から凝縮器２０へと作動流体Ｑが気相で移動するパイプを蒸気管３１、凝縮器２０から液溜部４０を経由して蒸発器１０へと至るまでのパイプを液管３２と呼称する。

熱源２００から蒸発器１０に熱が伝導されると、蒸発器１０内部で作動流体Ｑが液相から気相へと相変化する。作動流体Ｑは液相から気相へと相変化することで体積が膨張する。蒸発器１０においては多孔質部材としての多孔質ウィック４が配置されているので、気相となった作動流体Ｑは多孔質ウィック４ではなく蒸気管３１へと移動する。つまり、気相となった作動流体Ｑは相変化で生じる圧力によって蒸発器１０を通り抜けて蒸気管３１から凝縮器２０へと移動する。
凝縮器２０は、所謂ラジエータであって、作動流体Ｑの熱を放熱することで作動流体Ｑを気相から液相へと相変化させる。液相となった作動流体Ｑは、気相側からの圧力によって循環方向へと押されるため、液管３２を伝わって液溜部４０へと移動する。

蒸発器１０は、図２に示すように、筐体１１の受熱部１に熱源２００を接触させることで筐体１１内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器である。
蒸発器１０は平板形状であり、受熱部１が形成される面は平面形状である。
蒸発器１０は、筐体１１内部に配置された多孔質部材たる多孔質ウィック４と、多孔質ウィック４と受熱部１との間に形成された溝部たる蒸気溝３と、多孔質ウィック４によって受熱部１と隔てられて作動流体Ｑを筐体１１内部に保持するための滞留部５と、を有している。特に図２においては、作動流体Ｑで占められた液相作動流体流入空間が滞留部５に相当する部分である。
本実施形態では、蒸発器１０は平板型の構成としているが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば円筒形状等、設計に応じて種々の形状を取ってよい。
また、本実施形態においては、蒸気溝３は少なくとも多孔質ウィック４と受熱部１との間には形成されているが、その他の場所にも形成されるとしても良い。
蒸発器１０の受熱部１側の内壁面には、蒸気溝３が複数形成されており、多孔質ウィック４が蒸発器１０に挿入されることで、筐体１１と多孔質ウィック４とに囲まれた通気路として機能する。

多孔質ウィック４は、図３に示すように蒸発器１０の筐体１１の内面形状に合わせて略平板上に形成された多孔質部材である。多孔質ウィック４の材料には例えばシリコンゴムのような熱伝導率の低いゴムや、ＰＴＦＥ等の樹脂を用いることが好ましい。あるいは、金属を用いる場合には、熱伝導率の比較的低いステンレス粉末の焼結体等を用いても良い。なお、図３（ａ）における多孔質ウィック４は、滞留部５内に作動流体Ｑが充満した状態の一例を模擬した斜視図である。また、図３（ｂ）は筐体１１内部に配置された状態において、作動流体Ｑが充填される前の状態を示している。また、図３（ａ）においては、視認性向上のため斜線によるハッチングは省略している。
多孔質ウィック４は、可撓性を持った材料であることがより好ましく、このような場合には、筐体１１に圧入されて密着性が向上する。

多孔質ウィック４は、筐体１１に挿入された状態において、受熱部側の壁面４１と、受熱部側の壁面４１と対向した非受熱部側の面４２とを接続するように、滞留部５を挿通して形成された連結部６を有している。

蒸発器１０の少なくとも蒸気溝３が形成される領域におけるＺＹ断面において、滞留部５は、多孔質ウィック４によって囲まれるように形成され、作動流体Ｑを液相の状態で蒸発器１１の内壁と直接接触しないように収容する液相作動流体流入空間として機能する。
滞留部５は、液溜部４０と液管３２を介して接続されている。

次に、循環型のヒートパイプにおける蒸発器の従来例を蒸発器１０’として図４に例示する。
蒸発器１０’は、熱源２００と当接して取り付けられる筐体１１’と、多孔質部材４’と、筐体１１’の熱源２００と当接した側の壁面に形成された蒸気溝３’と、を有している。
通常、作動流体Ｑは、液管３２’から液相で流入すると、多孔質部材４’の微細孔に毛細管現象によって浸透し、筐体１１’からの熱によって蒸発する。気相となった作動流体Ｑは蒸気管３１’から排出される。
このとき、多孔質部材４’の熱源２００側の面と、筐体１１’との間に間隙すなわち蒸気溝３’があることによって、多孔質部材４’に浸透した液相の作動流体Ｑが蒸発しやすくなり、熱交換効率が向上する。

このような蒸発器１０’において、熱源２００からの熱が全てこのように蒸気溝３’において多孔質部材４’の表面に染み出してきた作動流体Ｑを蒸発させるのに使われるとき、熱交換効率は理想的な状態であるといえる。
しかしながら、このような片面のみで受熱するような蒸発器１０’においては、図５に示すように、筐体１１’の側面あるいは裏面へと熱が回り込んで、多孔質部材４’に浸透する前の作動流体Ｑを加熱してしまう、所謂熱リークが生じてしまうことがあった。

そして、この熱リークにより、受熱部以外の箇所、例えば図５に非受熱部２’として示すような位置において液相の作動流体Ｑが過熱され、液相の作動流体Ｑに気泡が発生することがあった。
その結果、多孔質部材４’への作動流体Ｑの浸透するための毛細管現象が妨げられる、相変化による圧力が損失し作動流体Ｑの流動性が低下する、などの悪影響による冷却動作の不安定化が懸念され好ましくない。

この対策として、例えば図６に示すように、筐体１１’の両面に蒸気溝３’を形成するような構成が考えられている。しかしながら、蒸気溝３’は筐体１１’に微細加工をする必要があり、筐体１１の複雑化やコストの増大を招いていた。

そこで、本実施形態における多孔質ウィック４は、図３に既に示したように、滞留部５を挿通して形成された連結部６を有している。
かかる連結部６の効果について詳しく説明する。
図５のような従来例において、非受熱部２’で気泡が生じてしまうのは、熱リークによって作動流体Ｑが加熱されてしまうためである。
すなわち、まず多孔質ウィック４が筐体１１の内壁面と作動流体Ｑとが直接接触しないように、受熱部１を含む壁面を図３に示したように覆うことで、かかる作動流体Ｑの液相が直接熱せられることについては抑制することができる。

ところで、非受熱部側の壁面４２近傍において多孔質ウィック４に浸透した作動流体Ｑは、毛細管現象によって浸透しているために、通常のままでは滞留部５へと戻ることは難しい。
つまり、多孔質ウィック４によって直接作動流体Ｑが筐体１１の内壁面と接触しないように囲うのみでは、作動流体Ｑが長時間滞留し易いということが分かった。特に受熱部１から滞留部５を挟んだ反対側である非受熱部側の壁面４２において、作動流体Ｑは滞留し易い。
さらに発明者らの詳細な検討によれば、単に多孔質ウィック４で覆うのみならず、筐体１１に挿入された状態において、受熱部側の壁面４１と、非受熱部側の面４２とを接続するように、滞留部５を挿通して形成された連結部６を備えることで、より気泡の発生を抑止するとともに、作動流体Ｑの流動性の向上に寄与することが分かった。
これは、図７に一点鎖線で流動方向を模式的に示すように、滞留部５内の液相の作動流体Ｑにとって、連結部６が壁面４２から壁面４１へと流動するバイパス経路として機能することによる。

このように、熱リークが生じたとしても、作動流体Ｑが、壁面４２近傍等の非受熱部側に留まることなく、連結部６を経由して受熱部側の壁面４１へと移動していくことで、熱リークによる気泡の発生が抑制され、熱リークの発生を抑制し、冷却動作の不安定化を解消することが可能となる。
なお、本実施形態においては、蒸発器１０の形状及び多孔質ウィック４の形状が直方体形状であるために、『受熱部側の壁面４１』『非受熱部側の壁面４２』という表現を用いているが、かかる壁面に限定されるものではない。しかしながら、上述したようにかかる連結部６は、作動流体Ｑが冷却対象から受熱することにより液相から気相へと相変化する位置と、蒸発器１０におけるこの位置から熱の伝達経路において最も離れた位置とを結ぶことで流動性向上の効果が最も高くなると考えられる。従って受熱部１近傍に対応する位置と、当該受熱部１に対向する位置との間を結ぶように連結部６が構成されることが望ましい。
かかる構成により、蒸発器１０がより効率よく作動流体Ｑへと熱を伝えることとなるから、冷却動作が安定し、冷却装置１００の冷却効率を向上することができる。

また、本実施形態のように平板状の蒸発器においては、連結部６は受熱部側の壁面４１から『垂直に起立する』ことで、非受熱部側の壁面４２まで最短距離で伸びるため効率よく非受熱部側の壁面４２から受熱部側の壁面４１までの作動流体Ｑの移動を促進する。
かかる構成により、多孔質ウィック４内部への作動流体Ｑの浸透を促進するとともに、熱の回り込みによる気泡の発生を抑制して、冷却装置１００の冷却効率を向上することができる。

また、本実施形態においては、多孔質ウィック４の熱伝導率は、受熱部１を構成するアルミなどの金属材料の熱伝導率よりも低い。
かかる構成により、多孔質ウィック４が、滞留部５に対して断熱材のような役割を担うために、滞留部５にある作動流体Ｑの熱リークによる加熱を抑制することができる。

さて、このような連結部６は、１つ以上複数あったとしても良い。
例えば、図８に第１の変形例として示したように、Ｘ方向に沿って複数の箇所に多角柱のように形成された連結部６ｂを有しているとしても良い。
また、図３に示すように、本実施形態では多孔質ウィック４のＹ方向全体にわたって形成されるものについて説明したが、図９に第２の変形例として示すように柱状の局所的な連結部としても良い。

あるいは、図１０に第３の変形例として示すように、円柱状の連結部６を複数設けることとしても良い。なお、図９（ｂ）、図１０に示した多孔質ウィック４は、図３（ａ）に示したのと同様、滞留部５内に作動流体Ｑが充満した状態の一例を模擬した斜視図であり、視認性向上のため多孔質ウィック４であることを示す斜線によるハッチングは省略している。また、図９（ａ）は筐体１１内部に配置された状態において、作動流体Ｑが充填される前の状態を示している。

また、第１実施形態及び第１～第３の変形例においては、蒸発器１０の形状が平板状の場合について述べたが、図１１に第２の実施形態として示すように、円柱形状の蒸発器１０に対して用いるとしても良い。
第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、熱源２００は局所的な受熱部１に対して当接して配置されている。
また、蒸発器１０は、筐体１１内部に配置された多孔質部材たる多孔質ウィック４と、多孔質ウィック４と受熱部１との間に形成された溝部たる蒸気溝３と、多孔質ウィック４によって受熱部１と隔てられて作動流体Ｑを筐体１１内部に保持するための滞留部５と、を有している。すなわち、本実施形態においては、『受熱部が形成される面は円弧形状』である。

本実施形態においては、蒸気溝３は、図１１に示すように、受熱部１の周囲に筐体１１の内周に沿って放射状に並んで形成されている。なお、図１１（ａ）は滞留部５内に作動流体Ｑが充満する前の状態を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のA-A'断面であって、滞留部５内に作動流体Ｑが充満した状態を示している。
また、本実施形態における連結部６は、図１１（ｂ）にA-A'断面を示すように、受熱部１側の壁面４３から、受熱部１に対向した部分である非受熱部側の壁面４４へ向かって伸びている。
かかる構成により、多孔質ウィック４内部への作動流体Ｑの浸透を促進するとともに、熱の回り込みによる気泡の発生を抑制して、冷却装置１００の冷却効率を向上することができる。

また、蒸発器１０が円筒形状の場合においては、かかる受熱部側の壁面４３から放射状に、例えば図１２に示すようなA-A'断面となるように連結部６を形成しても良い。図１２（ａ）（ｂ）も図１１（ａ）（ｂ）と同様に、図１２（ａ）は滞留部５内に作動流体Ｑが充満する前の状態を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のA-A'断面であって、滞留部５内に作動流体Ｑが充満した状態を示している。
かかる構成によっても同様に、多孔質ウィック４内部への作動流体Ｑの浸透を促進するとともに、熱の回り込みによる気泡の発生を抑制して、冷却装置１００の冷却効率を向上することができる。
なおこのように蒸発器１０が円筒形状の場合には、受熱部１が点接触する場合や円周面で接触する場合等、種々の状態が有り得るため、かかる受熱部１に対応する非受熱部は、受熱部１以外の円周上の何れかの点であるといえる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施形態においては、筐体１１の内周面に蒸気溝３を形成する場合について述べたが、図１３に示すように、多孔質ウィック４の外周側に蒸気溝３を設けても良い。
また、上述した各変形例を組み合わせて用いたとしても良い。

１ 受熱部
４ 多孔質部材（多孔質ウィック）
５ 滞留部
６ 接続部（連結部）
１０ 蒸発器
１１ 筐体
２０ 凝縮器
３０ 管部
３１ 蒸気管
３２ 液管
４１ 受熱部側の壁面
４２ 非受熱部側の壁面
１００ 冷却装置

特許第５６９９４５２号公報 特開２０１４－０６２６５８号公報 特開２０１６－２１１７６７号公報

Claims (8)

1. 筐体の受熱部が受熱することで筐体内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器であって、
   前記筐体内部に配置された多孔質部材と、
   前記多孔質部材によって前記筐体の内壁面と隔てられた前記流体を前記筐体内部に保持するための滞留部と、を有し、
   前記多孔質部材は、前記滞留部間に形成された連結部を有し、当該連結部は当該多孔質部材の前記受熱部側と、前記受熱部側と対向する側とを連結し、循環方向に延びる空間を有していることを特徴とする蒸発器。
2. 請求項１に記載の蒸発器であって、
   前記受熱部が形成される面は平面形状であることを特徴とする蒸発器。
3. 請求項１に記載の蒸発器であって、
   前記筐体のうち、前記受熱部が形成される面は円弧形状であることを特徴とする蒸発器。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の蒸発器であって、
   前記受熱部が形成される面と前記多孔質部材との間に形成された蒸気溝を有し、
   前記蒸気溝は前記受熱部側と対向する側には形成されないことを特徴とする蒸発器。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の蒸発器であって、
   前記連結部が前記滞留部の全長に渡って形成されることを特徴とする蒸発器。
6. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の蒸発器であって、
   前記連結部が少なくとも１つの柱状に形成されることを特徴とする蒸発器。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の蒸発器であって、
   前記多孔質部材の熱伝導率は、前記受熱部を構成する材料の熱伝導率よりも低いことを特徴とする蒸発器。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の蒸発器と、
   前記流体が気相となって流れ込み冷却される凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを接続してループを形成する管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器と前記管との間を気相と液相に変化しながら循環する作動流体と、
   を有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。

Images