JP2006275302A - Heat transportation device and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、毛細管力を推進力として作動流体を循環させることにより、発熱体の熱を吸収して熱を輸送する熱輸送装置及びこれを搭載した電子機器に関する。 The present invention relates to a heat transport device that absorbs heat of a heating element and transports heat by circulating a working fluid using a capillary force as a driving force, and an electronic device equipped with the heat transport device.
PC(Personal Computer)等の電子機器を冷却するために、その電子機器の発熱部から発生する熱を放熱部に輸送するデバイスとして、従来からヒートパイプが用いられている。ヒートパイプは、電子機器の高温の発熱部(または蒸発部)で発生する熱によって蒸発した気相の作動流体が、低温の放熱部へ移動し、その放熱部(または凝縮部)で凝縮して液体になって熱を放出するものであり、これにより、発熱体が冷却される。 In order to cool an electronic device such as a PC (Personal Computer), a heat pipe has been conventionally used as a device for transporting heat generated from a heat generating portion of the electronic device to a heat radiating portion. In the heat pipe, the vapor-phase working fluid evaporated by the heat generated in the high-temperature heat generation part (or evaporation part) of the electronic equipment moves to the low-temperature heat dissipation part and is condensed in the heat dissipation part (or condensation part). It becomes a liquid and releases heat, whereby the heating element is cooled.
従来から、例えば、作動流体の流路を構成するパイプ内にフィルタが内蔵されたヒートパイプがある(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1に記載のヒートパイプは、車両に搭載されるものであるため、当該車両が傾斜したり、重力または遠心力の影響を受けたりする場合に、液体の冷媒がヒートパイプ内で一方に片寄る。このときに、凝縮部側の冷媒の蒸気が蒸発部側へ逆流を防止したり、凝縮部で凝縮した液体冷媒を迅速に蒸発部側へ戻すために、上記フィルタが設けられている。
Conventionally, for example, there is a heat pipe in which a filter is built in a pipe constituting a flow path of a working fluid (see, for example, Patent Document 1). Since the heat pipe described in
また、従来から、ヒートパイプの原理を応用したCPL(Capillary Pumped Loop)がある。その形状はパイプ状のものに限られない。例えば、CPLには、蒸発器と凝縮器とが物理的に分離され、蒸発器と凝縮器とが、気相の作動流体が流通する気相管と液相の作動流体が流通する液相管とによって接続された装置がある(例えば、特許文献2参照。)。CPLは、発熱体の熱により作動流体が蒸発するときの圧力及び流路の毛細管力を作動流体の推進力としているので、重力による影響が少ないという利点がある。
しかしながら、上記特許文献1の装置は、車両に搭載されることを前提にしているため、車両の傾斜や遠心力の影響を受けるにとどまり、当該装置が上下逆の姿勢になって凝縮部が蒸発部より下方に位置することは想定されていない。特に、ポータブルな機器等に内蔵される電子部品を冷却するための熱輸送デバイスは、ある一姿勢から上下方向、つまり重力方向に逆になることも想定される。このような場合でも、確実に作動流体を還流させて熱を輸送できることが望まれる。
However, since the device of
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、どのような姿勢にあっても所望の熱輸送能力を発揮することができる熱輸送装置及びこれを搭載した電子機器を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, it is an object of the present invention to provide a heat transport device capable of exhibiting a desired heat transport capability in any posture and an electronic device equipped with the heat transport device.
上記目的を達成するため、本発明に係る熱輸送装置は、前記作動流体を流通させ、前記作動流体の蒸発作用により熱を吸収する蒸発部と、前記作動流体を流通させるための第1の流路を有し、前記蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、前記作動流体を毛細管力により保持することが可能であり、前記作動流体の凝縮作用により熱を放出する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部へ流通させる第3の流路と、前記凝縮部で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部へ流通させる第4の流路とを具備する。 In order to achieve the above object, a heat transport device according to the present invention includes an evaporating portion that circulates the working fluid and absorbs heat by an evaporating action of the working fluid, and a first flow for circulating the working fluid. The working fluid in a state in which a heat load is applied to the evaporation unit and a force is applied to the working fluid in the first flow path toward the evaporation unit. A condensing part that releases heat by the condensing action of the working fluid, and a third flow path that circulates the working fluid evaporated in the evaporating part to the condensing part, A fourth flow path for allowing the working fluid condensed in the condensing unit to flow to the evaporating unit.
例えば、蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態にあるときは、作動流体がすべて液相となって蒸発部内に溜まるようになる。このような状態から、熱負荷が開始されると(以下、熱輸送装置が起動する、という。)、従来では、第4の流路内に気相の作動流体が混入してしまうおそれがあった。しかしながら、本発明では、そのような状態であっても、凝縮部は作動流体に毛細管力を作用させる第1の流路を有しているので、熱輸送装置の起動中または動作停止中においても常に、第4の流路に確実に液相の作動流体を流入させ、第4の流路に気相の作動流体が混入することを防止することができる。これにより、蒸発部が凝縮部の下方に配置された場合であっても、第4の流路を介して確実に蒸発部へ作動流体を供給することができ、所望の熱輸送能力を発揮することができる。 For example, when no heat load is applied to the evaporation section and the working fluid in the first flow path is in a state where the working fluid is directed toward the evaporation section, the working fluid is all It becomes a liquid phase and accumulates in the evaporation part. When a thermal load is started from such a state (hereinafter, the heat transport device is activated), conventionally, there is a possibility that a gaseous working fluid may be mixed into the fourth flow path. It was. However, in the present invention, even in such a state, the condensing unit has the first flow path that causes the capillary force to act on the working fluid, so that the heat transport device can be activated or stopped. It is always possible to reliably cause the liquid-phase working fluid to flow into the fourth flow path and prevent the gas-phase working fluid from being mixed into the fourth flow path. Thereby, even when the evaporation unit is disposed below the condensing unit, the working fluid can be reliably supplied to the evaporation unit via the fourth flow path, and the desired heat transport capability is exhibited. be able to.
第1の流路にある作動流体が蒸発部へ向かうような力とは、例えば、蒸発部が第1の流路より重力中心側に配置される場合の重力が挙げられる。あるいは遠心力のような体積力も含む概念である。重力中心とは、熱輸送装置が置かれる場で、熱輸送装置に働く最も大きな重力の発生源の中心である。例えば地球の中心である。 The force that causes the working fluid in the first flow path to go to the evaporation section includes, for example, gravity when the evaporation section is arranged closer to the center of gravity than the first flow path. Alternatively, it is a concept including a body force such as centrifugal force. The center of gravity is the place where the heat transport device is placed, and is the center of the largest source of gravity that acts on the heat transport device. For example, the center of the earth.
本発明のこの熱輸送装置は、蒸発部と凝縮部とが物理的に分離した構造であってもよいし、1枚のプレート状であってもよい。 The heat transport device of the present invention may have a structure in which the evaporation section and the condensation section are physically separated, or may be a single plate.
本発明の一の形態によれば、前記第1の流路は、前記作動流体に毛細管力を発生させるために、前記蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、液相状態にある前記作動流体の液の深さより深い複数の溝を有する。これにより、第1の流路によって毛細管力を作用させることができる。 According to an aspect of the present invention, the first flow path is in a state in which no heat load is applied to the evaporation section and the first flow path is generated in order to generate a capillary force in the working fluid. A plurality of grooves deeper than the depth of the working fluid in a liquid phase state are provided in a state in which a force is exerted so that the working fluid in the path is directed to the evaporation section. Thereby, capillary force can be made to act by the 1st channel.
本発明の一の形態によれば、前記作動流体は、前記蒸発部に熱負荷がかかっている状態で、前記毛細管力を弱めるか、またはなくすために、前記作動流体の液の深さが前記各溝の深さより深くなる。本発明を実現するには、作動流体の液の深さが前記各溝の深さより深くなるように、作動流体の量が予め調整されていればよい。 According to an aspect of the present invention, the working fluid has a liquid depth of the working fluid in order to weaken or eliminate the capillary force in a state where a thermal load is applied to the evaporation unit. It becomes deeper than the depth of each groove. In order to realize the present invention, the amount of the working fluid may be adjusted in advance so that the depth of the working fluid is deeper than the depth of each groove.
本発明の一の形態によれば、前記蒸発部は、前記第1の流路とほぼ同じ毛細管力を有する第2の流路を有する。これにより、第1の流路と第2の流路とで毛細管力がつり合うので、蒸発部が凝縮部より重力中心側にあっても、あるいはその逆であっても、作動流体を確実に還流させて所望の熱輸送能力を発揮することができる。 According to one aspect of the present invention, the evaporation section has a second flow path having a capillary force substantially the same as that of the first flow path. As a result, the capillary force is balanced between the first flow path and the second flow path, so that the working fluid is reliably circulated even if the evaporation section is closer to the center of gravity than the condensing section or vice versa. To achieve the desired heat transport capability.
本発明の一の形態によれば、前記第4の流路は、前記凝縮部に接続される接続端部を有し、前記第1の流路は、前記接続端部付近に配置された端部を有する。例えば熱輸送装置の振動によって、液面が動いて第4の流路内に気泡が混入したり、熱負荷が過剰な場合に第4の流路内に気泡が混入したりする懸念がある。このように気泡が発生することにより、凝縮部からの液相作動流体の供給抵抗となるが、本発明によれば、安定して第1の流路の端部から液相の作動流体を第4の流路内に供給することができる。 According to an aspect of the present invention, the fourth flow path has a connection end connected to the condensing part, and the first flow path is an end disposed near the connection end. Part. For example, there is a concern that the liquid level may move due to vibration of the heat transport device and bubbles may be mixed into the fourth channel, or bubbles may be mixed into the fourth channel when the heat load is excessive. When bubbles are generated in this way, the supply resistance of the liquid-phase working fluid from the condensing unit is provided. According to the present invention, the liquid-phase working fluid is stably supplied from the end of the first flow path. 4 channels can be supplied.
本発明の他の観点に係る熱輸送装置は、作動流体を流通させ、前記作動流体の蒸発作用により熱を吸収する蒸発器と、前記作動流体を流通させるための第1の流路を有し、前記蒸発器に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、前記作動流体に毛細管力により保持することが可能であり、前記作動流体の凝縮作用により熱を放出する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に接続され、前記蒸発器で蒸発した前記作動流体を前記凝縮器へ流通させる第1の管と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に接続され、前記凝縮器で凝縮した前記作動流体を前記蒸発器へ流通させる第2の管とを具備する。 A heat transport device according to another aspect of the present invention includes an evaporator that circulates a working fluid and absorbs heat by the evaporation of the working fluid, and a first flow path for circulating the working fluid. In a state in which no heat load is applied to the evaporator and a force is exerted on the working fluid in the first flow path toward the evaporation section, the working fluid is subjected to capillary force. A condenser for releasing heat by the condensing action of the working fluid; and a condenser connected between the evaporator and the condenser, the working fluid evaporated by the evaporator being the condenser And a second pipe that is connected between the evaporator and the condenser and that circulates the working fluid condensed in the condenser to the evaporator.
本発明では、凝縮器は、作動流体に毛細管力を作用させる第1の流路を有しているので、熱輸送装置の起動中または動作停止中においても常に、第2の管内に確実に液相の作動流体を流入させ、第2の管内に気相の作動流体が混入することを防止することができる。これにより、蒸発器が凝縮器の下方に配置された場合であっても、第4の流路を介して確実に蒸発器へ作動流体を供給することができ、所望の熱輸送能力を発揮することができる。 In the present invention, since the condenser has the first flow path that applies the capillary force to the working fluid, the liquid is surely placed in the second pipe even when the heat transport device is started or stopped. It is possible to prevent the gas phase working fluid from being mixed into the second pipe by flowing the phase working fluid. Accordingly, even when the evaporator is disposed below the condenser, the working fluid can be reliably supplied to the evaporator via the fourth flow path, and a desired heat transport capability is exhibited. be able to.
本発明に係る電子機器は、発熱体と、前記作動流体を流通させ、前記作動流体の蒸発作用により前記発熱体の熱を吸収する蒸発部と、前記作動流体を流通させ、前記蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、前記作動流体に毛細管力により保持することが可能であり、前記作動流体の凝縮作用により熱を放出する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部へ流通させる第3の流路と、前記凝縮部で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部へ流通させる第4の流路とを具備する。 An electronic apparatus according to the present invention includes a heating element, an evaporating part that circulates the working fluid, absorbs heat of the heating element by an evaporating action of the working fluid, circulates the working fluid, and heats It is possible to hold the working fluid by a capillary force in a state where no load is applied and a force is applied so that the working fluid in the first flow path is directed to the evaporation section. And a condensing part for releasing heat by the condensing action of the working fluid, a third flow path for circulating the working fluid evaporated in the evaporation part to the condensing part, and the working fluid condensed in the condensing part. And a fourth flow path that circulates to the evaporation section.
発熱体としては、例えばICや抵抗等の電子部品、あるいは放熱フィン(ヒートシンク)等が挙げられるが、これらに限られず発熱するものなら何でもよい。電子機器としては、コンピュータ(パーソナルコンピュータの場合、ラップトップ型であっても、デスクトップ型であってもよい。)、PDA(Personal Digital Assistance)、電子辞書、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ/ビジュアル機器、携帯電話、ゲーム機器、その他の電化製品等が挙げられる。 Examples of the heating element include an electronic component such as an IC and a resistor, a heat radiating fin (heat sink), and the like. Electronic devices include computers (in the case of personal computers, laptop computers or desktop computers), PDAs (Personal Digital Assistance), electronic dictionaries, cameras, display devices, audio / visual devices, Examples include mobile phones, game machines, and other electrical appliances.
以上のように、本発明によれば、どのような姿勢にあっても所望の熱輸送能力を発揮することができる。 As described above, according to the present invention, a desired heat transport capability can be exhibited regardless of the posture.
図1は、本発明の一実施の形態に係る熱輸送装置の平面図である。図2は、図1に示す熱輸送装置10の側面図である。図3は、図1に示すA−A線断面図であり、図4は、図1に示すB−B線断面図である。
FIG. 1 is a plan view of a heat transport device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side view of the
熱輸送装置10は、内部に収容された作動流体を蒸発させて発熱体15の熱を吸収する蒸発器1と、蒸発した作動流体を凝縮して熱を放出する凝縮器2とを備えている。発熱体15としては、例えばCPU(Central Processing Unit)等のICが用いられる。蒸発器1と凝縮器2との間には、蒸発器1で蒸発した作動流体を凝縮器2に流通させる気相管3と、凝縮器2で凝縮した作動流体を蒸発器1に流通させる液相管4とが接続されている。気相管3及び液相管4はそれぞれ2本ずつ設けられている。通常は、これら2本ずつすべて用いられるが、例えば2本のうち1本がドライアウト等、何らかの原因で使用できなくなった場合でも、熱輸送装置10が動作できるように2本ずつ設けられている。
The
作動流体としては、例えば純水、エタノール、メタノール、アセトン、イソプロピルアルコール、代替フロン、アンモニア等が用いられる。気相管3としては、例えば銅、アルミニウム、またはステンレス等の金属製の材料が用いられるが、必ずしも金属に限られず樹脂材料であってもよい。液相管4についても気相管3と同様の材料が用いられる。
As the working fluid, for example, pure water, ethanol, methanol, acetone, isopropyl alcohol, alternative chlorofluorocarbon, ammonia or the like is used. As the
図2に示すように、蒸発器1は、矩形の上部基板11と下部基板12とで構成されている。上部基板11はガラスでなり、例えばパイレックス(登録商標)ガラスが用いられている。一方、下部基板12はシリコンでなる。上述した気相管3や液相管4の一端部3a、4aは、上部基板11に設けられた接続穴11b(図2参照)に挿通されて接続される。例えば図示しない半田により、気相管3及び液相管4と、上部基板11とが接合される。下部基板12の上部基板11に対面する側に、例えば液相管4の長手方向(X方向)に沿った、作動流体の流路を構成する複数の溝12aが形成されている。溝12aは、2本の液相管4に対応するように下部基板12のY方向の両側にそれぞれ設けられている。上部基板11の下部基板12と対面する側に、溝12aと直交する方向(Y方向)に作動流体の流路を構成する複数の溝11aが形成されている。さらに下部基板12の上部基板11に対面する側に、その両側の溝12aの間に空間12bが凹状に形成されている。熱輸送装置10の動作時には、この空間12bには、溝11aを流通して蒸発した気相の作動流体が存在する。
As shown in FIG. 2, the
下部基板12の溝12a、上部基板11の溝11aや接続穴11b等は、例えばフォトリソグラフィ技術、切削加工、あるいはレーザ加工等によって作製される。
The
凝縮器2は、蒸発器1と同様に、矩形の上部基板13と下部基板14とで構成されている。上部基板13はガラスでなり、例えばパイレックス(登録商標)ガラスが用いられている。一方、下部基板14はシリコンでなる。
Like the
図1、図3及び図4に示すように、上部基板13の下部基板14に対面する側には、気相管3の他端部3bから流出する作動流体を流通させる流路13a、また流路を構成する空間13bが形成されている。流路13aは、気相管3の他端部3bから流出する気相の作動流体をなるべく長距離で流通させて凝縮させるために、U字状に形成されている。上部基板13には、液相の作動流体を貯溜するリザーバ13dが設けられている。つまり、凝縮器2とリザーバ13dとが一体的に設けられている。このリザーバ13dは、下部基板14に形成された複数の溝14cに連通している。溝14cは、図3に示すように、流路13aの下方で当該流路13aと交差するようにX方向に延びている。液相管4の他端部4bは、接続穴13eに挿通されて例えば半田16により上部基板13に接合されており、上記溝14cはその接続穴13eに連通している。また、下部基板14にはその溝14cに直交する方向(Y方向)に流路となる複数の溝14aが形成され、溝14aも空間13bに連通している。さらに、上部基板13には、熱輸送装置10の製造時に、作動流体を凝縮器2内に注入するための注入孔13cが設けられている。リザーバ13dには、この注入孔13cと連通しており、作動流体が注入孔13cから注入されると作動流体はリザーバ13dに貯溜される。
As shown in FIGS. 1, 3, and 4, on the side of the
上部基板13の上面には、注入孔13cを覆い凝縮器2内を密閉するための蓋5が装着されている。蓋5は、例えば図示しない接着剤やネジ等によって上部基板13に取り付けられている。蓋5の材料としては、例えば銅、アルミニウム、あるいはステンレス等の金属が用いられるが、必ずしも金属に限られず樹脂材料であってもよい。
On the upper surface of the
流路13a、空間13b、接続穴13e、溝14c及びリザーバ13d等は、例えば、液相管4及び気相管3が2本ずつ設けられていることに対応して、それぞれ2つずつ設けられている。下部基板14の溝14a、溝14c、上部基板13の流路13a、空間13b、接続穴13e、リザーバ13d、注入孔13c等は、例えばフォトリソグラフィ技術、切削加工、あるいはレーザ加工等によって作製される。
The
図3及び図4に示すように、下部基板14の1つの溝14aの幅pは、1つの溝14cの幅qと同じか、もしくはより大きくなるように設計されている。これにより、溝14cの毛細管力を、溝14aや流路13aのそれに比較して同じか、もしくは大きくすることができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the width p of one
また、幅pは、蒸発器1の下部基板12に形成された溝12aの幅や深さはほぼ同じに設定されている。これにより、溝12aと溝14cとで毛細管力がつり合うので、蒸発器1が凝縮器2より重力中心側にあっても、あるいはその逆であっても、作動流体を確実に作動流体を還流させて所望の熱輸送能力を発揮することができる。
Further, the width p is set so that the width and depth of the
なお、毛細管力は、下部基板12または14の材質と作動流体との組み合わせにより異なる。毛細管力は界面における圧力差であり、一般にある表面における内外の圧力差ΔPは、その液体が球形の一部を形成する場合、次式(1)で表される。
ΔP=[(1/rx)+(1/ry)]σ・・・(1)
rxはx方向における曲率半径、ryはy方向における曲率半径、σは表面張力である(図5参照)。
The capillary force differs depending on the combination of the material of the
ΔP = [(1 / r x ) + (1 / r y )] σ (1)
r x is the radius of curvature in the x direction, r y is the radius of curvature in the y direction, and σ is the surface tension (see FIG. 5).
図5に示すように、例えば溝14aにある作動流体19の場合、溝の14aの幅pをrxとした場合、ryは壁14dの奥行きに沿う方向(図5の紙面に垂直方向)であるので、rxより十分に大きい、つまり1/ry=0と考える。さらに鉛直方向(図5の上下方向)に働く表面張力の分力に液体の接触角θを用いれば作動流体内外の圧力差は次の式(2)のように表される。
As shown in FIG. 5, for example, when the working
ΔP=(2/q)σcosθ・・・(2)
したがって、例えば溝11a、溝12a、溝14a、溝14cで毛細管力をほぼ同じにしたい場合、下部基板12と14とが同じ材料の場合には、各溝11a、12a、14a及び14cの幅をほぼ同じにすればよい。
ΔP = (2 / q) σ cos θ (2)
Therefore, for example, when it is desired to make the capillary force substantially the same in the
図6は、凝縮器2の溝14a付近の拡大断面図である。図4においては、図を理解しやすくするため、溝14a等の大きさや幅p等を大きく描いている。実際には、例えば管3や4の外径が1〜5mmである場合、図6(A)に示すように、溝14aの幅pは、例えば10〜50μmに設定され、具体的には20μm程度である。壁14dの幅もpとほぼ同じ値であり、壁14dと溝14aのラインアンドスペースは1:1である。また、溝の深さhは、例えば50〜300μmであり、具体的には200μm程度である。この程度の大きさであれば、溝14a等への気泡の混入を防止することができる。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
例えば蒸発器1と凝縮器2とが地面からほぼ同じ高さになるように熱輸送装置10が置かれる場合、または、凝縮器2が蒸発器1より下方に置かれる場合、図6(A)に示すように、作動流体19は、溝14aより液体の深さが深くなるように、熱輸送装置10の製造時にその量が調整されている。このように、作動流体の量が過度に多い場合、逆に熱輸送能力が低下するおそれがある。しかし、作動流体量が多くても、溝14aのように比較的細かい溝があることにより、凝縮器2での放熱面積をその分増やすことができるため問題ない。本発明者の実験において、むしろ放熱効率が向上したことが確認されている。
For example, when the
一方、蒸発器1に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、蒸発器1が凝縮器2より下方に配置された状態では、溝14aに存在する液相作動流体が図6(B)に示す量になるように設定されている。すなわち、熱輸送装置10の非動作時に、重力により、作動流体に蒸発器1側へ向かう力が働くような場合であっても、作動流体19は、溝14aにある当該作動流体19に毛細管力を発生させることができるような量に設定される。これにより、蒸発器1側へ作動流体が流れ出てしまうことを防止することができる。
On the other hand, in a state where the
また、蒸発器1に熱負荷がかかっている場合には、どのような熱輸送装置10の姿勢であっても、図6(A)に示す状態のように作動流体19の領域が多い方が好ましい。
Further, when the
なお、蒸発器1が凝縮器2よりも重力中心側にある、とは、凝縮器2が蒸発器1より地面に近ければよく、熱輸送装置10が斜めに配置される場合も当然含む。
Note that the phrase “the
熱輸送装置10に熱負荷がかかっていない非動作時の状態を説明する。
A non-operating state in which no heat load is applied to the
例えば、上述したように、蒸発器1が凝縮器2より下方に配置された場合であって、かつ、蒸発器1に熱負荷がかかっていない状態の場合、従来では液相作動流体は蒸発器側へ流出するおそれがある。しかし、図6(B)で説明したように、また、図7(A)に示すように、凝縮器2では溝14aの毛細管力により作動流体19が保持され、蒸発器1側への作動流体19の流出を防止できる。したがって、液相管4内には常に液相作動流体のみがあることになる。その結果、後述する熱輸送装置10の動作時において液切れ、あるいはドライアウトを防止し、所望の熱輸送能力を得ることができる。特に、液相管4の接続端部4b付近まで、溝14cが延びている。つまりリザーバ13dに連通する溝14cの端部が当該接続端部4b付近にあるので、安定して溝14cから液相の作動流体を液相管4内に供給することができる。
For example, as described above, when the
また、蒸発器1内の溝12a等と凝縮器2内の溝14a等とがほぼ同じ毛細管力を有しているので、上記とは逆に、凝縮器2が蒸発器1より下方に配置された場合であっても問題ない。すなわち、上述したように、両者の毛細管力がつり合うことにより、熱輸送装置10がどのような姿勢に置かれても、作動流体19を確実に還流させて所望の熱輸送能力を発揮することができる。
Further, since the
一方、従来においては、図7(B)に示すように、蒸発器101が凝縮器102より下方に配置された場合であって、かつ、蒸発器101に熱負荷がかかっていない状態の場合、液相作動流体19が重力によって蒸発器101、気相管103及び液相管104に溜まる。この図7(B)に示す状態では、液相管104内に液相作動流体以外の空間あるいは気泡が生成されてしまう。この状態から、蒸発器1に熱負荷がかけられ、熱輸送装置10が起動すると、熱負荷が過大である場合には、図7(C)に示すように、液相管104内には液相作動流体がなくなるおそれがある。あるいは、このような状況だけでなく、熱輸送装置の姿勢によって、例えば凝縮器102が蒸発器より下方に配置されて気相の作動流体が液相管104内に混入するおそれがある。液相管104内に気相作動流体が存在すると、作動流体がうまく還流せず、所望の熱輸送能力が得られない場合がある。しかしながら、本実施の形態に係る熱輸送装置10は、こういった問題を解決している。
On the other hand, conventionally, as shown in FIG. 7B, when the
次に、熱輸送装置10に熱負荷がかかったときの熱輸送の動作を説明する。
Next, the operation of heat transport when a heat load is applied to the
発熱体15が発する熱は下部基板12に伝えられ、この熱により蒸発器1の溝11a等を流通する作動流体が蒸発する。蒸発した作動流体は、気相管3を流通し、凝縮器2内の流路13aに流入する。作動流体は、流路13aを流通し、さらに溝14aを介して空間13bに溜まることで熱を上部基板13及び下部基板14に伝えて凝縮する。上部基板13がガラス、下部基板14がシリコンでなる場合、両者の熱伝導率の差により、下部基板14の方が特に熱伝導に寄与する。上部基板13や下部基板14に伝達された熱は、凝縮器2の外部に放出される。空間13bに溜まった液相の作動流体は溝14aを介して接続穴13eに流入し、さらに液相管4に流入する。
The heat generated by the
凝縮器2内で凝縮した作動流体は、液相管4を流通し、蒸発器1内の溝12aに流入し、例えば溝11a等で作動流体に発生する毛細管力によって、作動流体は再び溝11aを流通しながら発熱体15の熱により蒸発する。このように、発熱体15の熱を凝縮器2側へ輸送し、以上のような動作が繰り返されることで、発熱体15が発する熱を凝縮器2の外部に放出して発熱体15を冷却することができる。
The working fluid condensed in the
本実施の形態に係る熱輸送装置10は、さらに、凝縮器2内にリザーバ13dがあることによって、以下のような作用効果を奏する。
The
例えば、リザーバ13dに貯溜された作動流体が、熱輸送装置10の非動作時にリザーバ13dから蒸発器1へ流れ出ることを極力防止できる。これにより、液相の作動流体が重力によって蒸発器1に溜まり過ぎてしまうことを防止することができる。その結果、スタータを要することなく熱輸送装置が動作することができる。
For example, the working fluid stored in the
凝縮器2内にリザーバ13dがあることにより、熱輸送装置10の製造時において作動流体の量を調整しやすくなるというメリットもある。その理由は、凝縮器2内にある作動流体はほぼ液相であるので、リザーバ13dの容積が液相状態の作動流体量を直接左右すると考えてよいからである。つまり、リザーバ13dの容積を調整することにより、作動流体量を調整し、これにより熱輸送装置10の動作温度範囲や最大熱輸送量等が設定できるからである。
The presence of the
また、リザーバ13dがある場合、凝縮器2内の内容積を増やせるので作動流体量のばらつきや非凝縮性ガス(例えば、作動流体とシリコンとの化学反応によって生成されるガス等)の存在に対する熱輸送装置10のロバスト性が向上するが、従来のリザーバ13dでは液相の作動流体と気相の作動流体とが混在していた。リザーバが蒸発器に近い場合、その温度は高く気相の割合が増えるため、凝縮器2内の液相作動流体の量が増えて放熱効率を下げてしまう。しかし、本実施の形態に係る熱輸送装置10のリザーバ13dの温度は、凝縮器2に付随することで熱輸送装置10において最低温度になる凝縮器2の放熱部(例えば下部基板14)の温度に近くなりほぼ液相で満たされることになる。その結果、凝縮器2の凝縮効率を落とすことなく高いロバスト性を実現することができる。
Further, when there is the
あるいは、凝縮効率の維持または改善のために凝縮器2内の液相作動流体の量を減らすと、従来では外乱(振動等)によって液切れを起こしやすかったが、本実施の形態の場合、リザーバ13dは凝縮器2内にあるため液切れを起こしにくい。
Alternatively, if the amount of the liquid-phase working fluid in the
さらに、上述したように、溝14cを他の部位より毛細管力が大きくすれば、例えば、流路13aを流通する作動流体を溝14cへ誘導させて、リザーバ13dへ導くことが可能となる。これにより、熱輸送装置10の姿勢によらず、常に作動流体を貯溜部に貯溜しておくことが可能となる。
Furthermore, as described above, if the capillary force of the
図8は、本発明の他の実施の形態に係る熱輸送装置を示す斜視図である。図9は、図8に示す熱輸送装置20の平面図である。図10は、図9に示すC−C線断面図である。この実施の形態では、上記実施の形態に係る熱輸送装置10の部材や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。
FIG. 8 is a perspective view showing a heat transport device according to another embodiment of the present invention. FIG. 9 is a plan view of the
この熱輸送装置20は、例えば2枚の基板21及び22を有している。上部基板21は、例えばガラスでなり、下部基板22は例えばシリコンでなる。熱輸送装置20は、内部に蒸発部25、気相の作動流体が流通する気相流路22a、凝縮部27、液相の作動流体が流通する液相流路22b及びリザーバ21dを一体的に有している。リザーバ21d、蒸発部25に設けられた蒸発流路21a、凝縮部27に設けられた凝縮流路21bは、上部基板21に形成されている。気相流路22a、液相流路22b、リザーバ21dと凝縮流路21bとの間に設けられた溝22c、蒸発部25に設けられた溝22d、凝縮部27に設けられた溝22eは、それぞれ下部基板22に形成されている。
The
溝22cや溝22eは、凝縮部27の中で最も流路体積が小さく形成されている。これにより、凝縮部27の中で最も大きな毛細管力を発生させる。蒸発部25の溝22dは、例えば溝22cや溝22eとほぼ同じ毛細管力を有するような深さや幅に形成されている。
The
また、本実施の形態に係る熱輸送装置20においても、非動作時であって、蒸発部25が凝縮部27よりも下方に配置される場合、図6(B)で示したような液相作動流体の量に設定される。すなわち、熱輸送装置20がそのような状態にある場合に、溝22eまたは溝22cより液相作動流体の深さが浅くなるように作動流体の量が予め製造時に設定される。これにより、熱輸送装置20がどのような姿勢に置かれても、液切れ、またはドライアウトを防止することができる。そして、動作時には、熱輸送装置20がどのような姿勢にあっても、上記熱輸送装置10と同様に、図5(A)及び図5(B)の状態となり得る。
Also in the
本発明は以上説明した実施の形態には限定されるものではなく、種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible.
上記各実施の形態で説明した蒸発器1、凝縮器2、熱輸送装置20等の形状は矩形板状とした。しかし、形状や大きさは限定されず、例えば円板状、楕円板状に形成することもできる。また、板状でなく立体的な厚みがあるものであってもよい。
The shapes of the
また、作動流体の流路を構成する溝11a、13a、14a、14c等の配置、形状、長さ等も実施の形態に限られない。例えば溝14c等の断面形状をV字状とすることもできる。ただV字状にした場合、その溝の上部ほど幅が広くなるため、気泡が混入しない程度の幅を持つV字溝を形成することが好ましい。その他、壁14dを階段状にして上部の幅がより広くすることもできる。
Further, the arrangement, shape, length, and the like of the
また、上部基板11等をガラス基板、下部基板12等をシリコン基板としたが、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等、あるいはこれらの組み合わせ等の材料が用いられてもよい。
Further, although the
1…蒸発器
2…凝縮器
3…気相管
4…液相管
3a、4a…一端部
3b、4b…他端部
10、20…熱輸送装置
11a、12a、13a、14a、14c、21a、21b、22a、22b、22c、22d、22e…溝(流路)
12b、13b…空間(流路)
15…発熱体
19…作動流体
25…蒸発部
27…凝縮部
DESCRIPTION OF
12b, 13b ... space (flow path)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記作動流体を流通させるための第1の流路を有し、前記蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、前記作動流体を毛細管力により保持することが可能であり、前記作動流体の凝縮作用により熱を放出する凝縮部と、
前記蒸発部で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部へ流通させる第3の流路と、
前記凝縮部で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部へ流通させる第4の流路と
を具備することを特徴とする熱輸送装置。 An evaporating part for circulating the working fluid and absorbing heat by the evaporating action of the working fluid;
A first flow path for circulating the working fluid, wherein the working fluid in the first flow path is directed to the evaporation section in a state where no heat load is applied to the evaporation section; A condensing part capable of holding the working fluid by a capillary force in a state where a large force is working, and releasing heat by a condensing action of the working fluid;
A third flow path for circulating the working fluid evaporated in the evaporation section to the condensation section;
And a fourth flow path for allowing the working fluid condensed in the condensing part to flow to the evaporating part.
前記第1の流路は、前記作動流体に毛細管力を発生させるために、前記蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、液相状態にある前記作動流体の液の深さより深い複数の溝を有することを特徴とする熱輸送装置。 The heat transport device according to claim 1,
The first flow path is in a state in which no heat load is applied to the evaporation section in order to generate a capillary force in the working fluid, and the working fluid in the first flow path is not in the evaporation section. A heat transport device having a plurality of grooves deeper than the depth of the working fluid in a liquid phase in a state where a force toward the head is working.
前記作動流体は、前記蒸発部に熱負荷がかかっている状態で、前記毛細管力を弱めるか、またはなくすために、前記作動流体の液の深さが前記各溝の深さより深くなることを特徴とする熱輸送装置。 The heat transport device according to claim 2,
The working fluid has a depth of the working fluid that is deeper than the depth of each of the grooves in order to weaken or eliminate the capillary force in a state where a thermal load is applied to the evaporation section. Heat transport device.
前記蒸発部は、前記第1の流路とほぼ同じ毛細管力を有する第2の流路を有することを特徴とする熱輸送装置。 The heat transport device according to claim 1,
The heat transport apparatus according to claim 1, wherein the evaporation section includes a second flow path having substantially the same capillary force as the first flow path.
前記第4の流路は、前記凝縮部に接続される接続端部を有し、
前記第1の流路は、前記接続端部付近に配置された端部を有することを特徴とする熱輸送装置。 The heat transport device according to claim 4,
The fourth flow path has a connection end connected to the condensing part,
The heat transport device according to claim 1, wherein the first flow path has an end disposed in the vicinity of the connection end.
前記作動流体を流通させるための流路を有し、前記蒸発器に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、前記作動流体に毛細管力により保持することが可能であり、前記作動流体の凝縮作用により熱を放出する凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間に接続され、前記蒸発器で蒸発した前記作動流体を前記凝縮器へ流通させる第1の管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間に接続され、前記凝縮器で凝縮した前記作動流体を前記蒸発器へ流通させる第2の管と
を具備することを特徴とする熱輸送装置。 An evaporator that circulates the working fluid and absorbs heat by the evaporation of the working fluid;
There is a flow path for circulating the working fluid, and there is a force that the working fluid in the first flow path is directed to the evaporation section in a state where no heat load is applied to the evaporator. In the working state, the working fluid can be held by capillary force, and a condenser that releases heat by the condensing action of the working fluid;
A first pipe connected between the evaporator and the condenser and allowing the working fluid evaporated in the evaporator to flow to the condenser;
And a second pipe connected between the evaporator and the condenser and configured to circulate the working fluid condensed in the condenser to the evaporator.
前記作動流体を流通させ、前記作動流体の蒸発作用により前記発熱体の熱を吸収する蒸発部と、
前記作動流体を流通させ、前記蒸発部に熱負荷がかかっていない状態で、かつ、前記第1の流路にある前記作動流体が前記蒸発部へ向かうような力が働いている状態で、前記作動流体を毛細管力により保持することが可能であり、前記作動流体の凝縮作用により熱を放出する凝縮部と、
前記蒸発部で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部へ流通させる第3の流路と、
前記凝縮部で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部へ流通させる第4の流路と
を具備することを特徴とする電子機器。 A heating element;
An evaporating section that circulates the working fluid and absorbs heat of the heating element by an evaporating action of the working fluid;
In a state where the working fluid is circulated, a heat load is not applied to the evaporation unit, and a force is applied so that the working fluid in the first flow path is directed to the evaporation unit. A condensing part capable of holding the working fluid by capillary force and releasing heat by the condensing action of the working fluid;
A third flow path for circulating the working fluid evaporated in the evaporation section to the condensation section;
An electronic device comprising: a fourth flow path for allowing the working fluid condensed in the condensing unit to flow to the evaporating unit.
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