JP2010531425A - ヒートパイプの放散システムと方法 - Google Patents

Abstract

熱源（１２）から熱を放散させるためのヒートパイプ装置（１０）は、互いに隣接して配置される第１多孔質芯部分（１６）及び第２多孔質芯部分（１８）を有する多孔質芯構造（１４）を含む。第１多孔質芯部分は、第1組のマイクログルーブ（２０）によって画定される。第２多孔質芯部分は、第１組のマイクログルーブと非平行に並べて心合せされた第２組のマイクログルーブ（３０）によって画定される。ヒートパイプ装置は、熱源が取り付けられる閉鎖チャンバのハウジング（１５）内に配置することができる。別の実施形態では、熱源から熱を放散させるための装置の製造方法、及び同装置の使用法が開示される。

Description

熱源から熱を放散させるための多数のヒートパイプ装置及び方法が存在する。例えば、既存の一ヒートパイプ装置では、閉鎖チャンバが使用される。閉鎖チャンバは、チャンバの内表面の周囲に亘って延びる多孔質芯の層を有している。チャンバの中心には空洞が存在する。チャンバは、液体が芯の孔隙の中にのみ存在する状態で、飽和した作動流体によって満たされる。蒸発器の領域が加熱されると、蒸発器の芯に含まれる液体が蒸発して中心の空洞に充満する。蒸発器の反対側が冷却されるため、そちら側で蒸気が凝結する。凝結した液体は、毛管作用により蒸発器に戻る。しかしながら、この種の構造又はプロセス、或いは他の種類の既存の構造又はプロセスは、特に高電力密度エレクトロニクスに関し、実用面で一又は複数の問題を有している。これらの問題には、構造強度が不十分であること、容量性が低いこと、ホットスポットにおける局所的な熱流束に対する耐性が低いこと、高い熱流束条件における性能が低いこと、内部構造の複雑さ、高い製造費、及び／又は一又は複数の他の種類の問題が含まれうる。
熱源から熱を放散させるための一又は複数の既存の装置及び／又は方法に関連する一又は複数の問題を低減する装置、使用法、及び／又は製造方法が必要とされている。

本発明の一態様では、熱源から熱を放散させるための装置が提供される。本装置は、互いに隣接して配置される第１多孔質芯部分と第２多孔質芯部分から構成される多孔質芯構造を備える。第１多孔質芯部分は、第１組のマイクログルーブによって画定される。第２多孔質芯部分は、第１組のマイクログルーブと非平行に並べて心合せされる第２組のマイクログルーブによって画定される。

本発明の別の態様では、熱源から熱を放散させる方法が開示される。一ステップにおいて、互いに隣接して配置される第１多孔質芯部分と第２多孔質芯部分を有する多孔質芯構造が提供される。第１多孔質芯部分は、第２多孔質芯部分に画定された第２組のマイクログルーブと非平行に並べて心合せされる第１組のマイクログルーブによって画定される。別のステップでは、多孔質芯構造の表面が、少なくとも熱源に接するように又は熱源近傍に、配置される。また別のステップでは、第１組のマイクログルーブの第１多孔質壁内と、第２組のマイクログルーブの第２多孔質壁内に飽和流体が充填される。また別のステップでは、流体の一部が多孔質芯構造の表面近傍において蒸発して蒸気を形成し、熱源から熱を放散させる。別のステップでは、蒸気が隣接し合う第２及び第１組のマイクログルーブの間及び内部に流入する。別のステップでは、多孔質芯構造の表面から離れた位置で蒸気が液体へと凝結する。また別のステップでは、凝結した液体は第１及び第２多孔質壁の少なくとも一方に流れる。

本発明のさらなる態様では、熱源から熱を放散させるための装置の製造方法が開示される。一ステップにおいて、第１多孔質芯部分は、当該第１多孔質芯部分が第１組のマイクログルーブによって画定されるように成型される。別のステップでは、第２多孔質芯部分は、第２多孔質芯部分が第２組のマイクログルーブによって画定されるように成型される。また別のステップでは、第１多孔質芯部分が第２多孔質芯部分の隣に配置されて、第１組のマイクログルーブが第２組のマイクログルーブと非平行に並べて心合せされる。別のステップでは、第１及び第２多孔質芯部分が一緒に焼結される。

本発明のまた別の態様では、内部の作動流体により熱を伝達するための蒸気チャンバが提供される。蒸気チャンバは、少なくとも壁の一つに取り付けられた芯材料を含む内壁を有するシールされたハウジングを備える。芯材料は、第１方向に方向付けられた第１部分と、第１方向とは異なる第２方向に方向付けられた第２部分とを含む。作動流体は、第１及び第２方向の両方に自由に移動できる。

本発明の、上記及び他の特徴、態様及び利点は、添付図面、後述の説明及び請求の範囲によりさらに明らかとなる。

装着された熱源から熱を放散させるための装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１の装置の一部が分解された状態を示す斜視図であり、第１多孔質芯部分が第２多孔質芯部分から分離されている。 図３及び３Ａは、それぞれ線３−３及び線３Ａ−３Ａにおける図１の装置の断面図である。 熱源から熱を放散させる方法の一実施形態のフローチャートである。 熱源から熱を放散させるヒートパイプ装置の芯構造の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。

以下の詳細な説明は、本発明を実行するために現時点で考慮可能なベストモードについて行われる。本発明の範囲は請求の範囲に最もよく規定されるので、記載内容は限定的な意味を持たず、本発明の一般原理の説明のみを目的とする。

図１は、熱源１２から熱を放散させるためのヒートパイプ装置１０の一実施形態の斜視図であり、熱源１２にヒートパイプ装置１０の表面１３を装着するか、又は熱源１２近傍に同表面１０を心合せすることができる。装置１０は、カバー１７を有するチャンバハウジング１５内に収容することができ、カバー１７は閉鎖されたチャンバハウジング１５内部に装置１０をシールする。チャンバハウジング１５は、チャンバハウジング１５内部に配置された装置１０の表面１３を加熱するために、熱源１２近傍に心合せするか又は熱源１２に装着することができる。他の実施形態では、あらゆる種類のチャンバハウジング１５を利用することができ、装置１０のいずれかの表面を加熱するために、熱源１２がチャンバハウジング１５のいずれかの部分に沿って適用される。本発明の図面の一部において、熱源１２は装置１０と直接接しており、中間にチャンバハウジング１５が示されていないが、本明細書に開示される実施形態のいずれについても、熱源１２と装置１０の間に中間的なチャンバハウジング１５を配置することができる。熱源１２は、熱放散を必要とするあらゆる種類の熱源から構成することができ、そのような熱源には、レーザーダイオードアレイ、モーター制御装置、電子装置、ヒートシンク、ミサイル装置、通信装置、航空装置、又は他の種類の熱源が含まれる。装置１０は、第２多孔質芯部分１８の隣に配置されて同芯部分に装着される第１多孔質芯部分１６を含む多孔質芯構造１４を備えることができる。第１及び第２多孔質芯部分１６及び１８の各々は、個別に成型され、焼結プロセス又は別の種類の連結プロセスにより互いに装着される部材とすることができる。

図２は、一部が分離された、図１の装置１０の斜視図であり、第１多孔質芯部分１６が第２多孔質芯部分１８から分離されている。図１及び２に示すように、第１多孔質芯部分１６は、第１多孔質芯部分１６の一方の端部２２から他方の端部２４まで平行に延びる第１組のマイクログルーブ２０によって画定される。第１組のマイクログルーブ２０の各々は、第１多孔質壁の両側面２６及び２８によって画定される。一実施形態では、第１多孔質芯部分１６は、大きさ、方向、及び／又は構造の異なる第１の組のマイクログルーブ２０を有することができる。
同様に、第２多孔質芯部分１８は、第２多孔質芯部分１８の一方の端部３２から他方の端部３４まで平行に延びる第２組のマイクログルーブ３０によって画定される。マイクログルーブ３０の各々は、第２多孔質壁の両側面３６及び３８によって画定される。図示のように、第２組のマイクログルーブ３０は、第１組のマイクログルーブ２０と同じ大きさにすることができる。他の実施形態では、第２多孔質芯部分１８は、大きさ、方向、及び／又は構造の異なる第２組のマイクログルーブ３０を有することができる。

図１に示すように、第１多孔質芯部分１６が第２多孔質芯部分１８に装着されると、第１組のマイクログルーブ２０は、第２組のマイクログルーブ３０に対してほぼ垂直に、並べて心合せされる。他の実施形態では、第１組のマイクログルーブ２０は、例えば非平行に、並べて心合せされた何らかの配置など、第２組のマイクログルーブ３０とは別の方向及び構造に配置することができる。

図３及び３Ａは、それぞれ線３−３、３Ａ−３Ａにおける図１の装置１０の断面図を示す。図１−３Ａに示すように、第１組のマイクログルーブ２０の各々の第１多孔質壁２６及び２８は、第２組のマイクログルーブ３０の各々の第２多孔質壁３６及び３８と交差する。このようにして、図３−３Ａに示すように、飽和液体４０は、第１多孔質壁２６及び２８の各々の孔４２を通って、且つ孔４２の間及び内部に、そして第２多孔質壁３６及び３８の各々の孔４４を通って、且つ孔４４の間及び内部に流れることができる（方向４６で示す）。他の実施形態では、流体４０は、第１及び第２多孔質壁２６、２８、３６、及び３８の各々の孔４２及び４４の内部及び間で、あらゆる方向に流れることができる。
熱源１２に装着された装置１０の表面１３上の又は同表面１３近傍のホットスポット４８が加熱されると、多孔質副層３７と第２多孔質壁３６及び３８内部に存在する飽和液体４０は、副層３７と第２多孔質壁３６及び３８内部の蒸気／液体インターフェースにおいて蒸発するか、又はホットスポット４８近傍で沸騰して蒸気５０を生成することができる。蒸気５０は、沸騰した後で第２組のマイクログルーブ３０に進入した場合（方向５２及び５３で示す）、多孔質副層３７の孔４４に流入することができる。他の実施形態では、蒸気５０は第１及び第２多孔質壁２６、２８、３６、及び３８の各々の孔４２及び４４からあらゆる方向に流出することができる。蒸気５０は、第２組のマイクログルーブ３０と、相互接続された第１組のマイクログルーブ２０の内部及び間を流れることができる（方向５４で示す）。他の実施形態では、蒸気５０は第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０の内部及び間をあらゆる方向に流れることができる。

蒸気５０がホットスポット４８から十分に離れたとき、例えば第１組のマイクログルーブ２０内部の対応領域５６の位置で、蒸気５０は流体５８へと凝結することができる。他の実施形態では、蒸気５０は、ホットスポット４８より低温の第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０内部のいずれかの接触表面において凝結して液体に戻ることができる。孔４２及び４４によって生成される毛管の力は、孔４２、及び４４を介して、凝結した液体５８を低温領域５６からホットスポット領域４８へ戻すことができる。
次いで、凝結した流体５８が、第１及び出し２多孔質壁２６、２８、３６、及び３８の孔４２及び４４を介して且つ同孔４２及び４４の間及び内部を再循環することにより、この工程が繰返されてホットスポット４８を冷却し続ける。他の実施形態では、凝結した流体５８が、第１及び第２多孔質壁２６、２８、３６、及び３８の孔４２及び４４を介して且つ同孔４２及び４４の間及び内部をあらゆる方向に再循環することにより、ホットスポット４８が冷却される。

別の実施形態では、内部作動流体４０により熱を伝達するための蒸気チャンバ１５を設けることができる。蒸気チャンバ１５は内壁を有するシールされたハウジングを備えることができ、蒸気チャンバ１５の少なくとも一つの内壁には多孔質芯材料１４が装着される。多孔質芯材料１４は、第１方向に方向付けられた第１部分１６と、第１方向とは異なる第２方向に方向付けられた第２部分１８とを含むことができる。第１及び第２部分１６及び１８を相互にロックすることにより、内外圧力差に耐えるように構造強度を上げることが可能である。その結果、蒸気チャンバ１５はさらに頑健になり、壁を薄くすることにより軽量化を促進することができ、及び／又は追加的な支持構造の必要性を排除することができる。
第１及び第２部分１６及び１８の各々は、方向を画定するそれぞれのマイクログルーブ２０及び３０を有することができる。マイクログルーブ２０及び３０は、大きさが一定の直線とすることができるか、又は他の実施形態では不規則且つ曲線状とすることができる。一実施形態では、第１及び第２部分１６及び１８の第１及び第２方向は、ほぼ垂直とすることができる。他の実施形態では、第１及び第２方向は、互いに異なる方向及び構成に配置することができる。また別の実施形態では、三つ以上の部分を三つ以上の方向に使用することにより、複数の方向における熱伝達を増大させることができる。流体４０は、第１及び第２方向の両方に、多孔質芯材料１４内部において自由に移動することができる。このようにして、二つ以上の方向に流体を移動させることにより、熱伝達効率を改善することができる。蒸気５０は、マイクログルーブ２０及び３０の組を通ってヒートスポット１３からさらに容易に排出される。

図４は、熱源１２から熱を放散させる方法の一実施形態１６４のフローチャートを示す。ステップ１６６において、互いに隣接して配置される第１多孔質芯部分１６と第２多孔質芯部分１８とを有する多孔質芯構造１４が供給される。第１及び第２多孔質芯部分１６及び１８は、個別に成型され、焼結工程、又は別の種類の装着工程により互いに連結される部材から構成することができる。第１多孔質芯部分１６は第１組のマイクログルーブ２０によって画定することができ、第１組のマイクログルーブ２０は、第２多孔質芯部分１８内に画定された第２組のマイクログルーブ３０に対して非平行に、並べて心合せされる。
一実施形態では、第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０は、ほぼ垂直に、並べて心合せすることができる。第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０を相互接続することにより、蒸気５０は、第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０の間を流れることができる。第１組のマイクログルーブ２０の第１多孔質壁２６及び２８を第２組のマイクログルーブ３０の第２多孔質壁３６及び３８に相互接続することにより、流体４０が、第１及び第２多孔質壁２６、２８、３６、及び３８の間及び内部に流れることができる。

ステップ１６８では、多孔質芯構造１４の表面１３が熱源１２に曝される。ステップ１７０では、適量の飽和作動流体を閉鎖チャンバ内に充填する。このとき、液体相４０は、第１組のマイクログルーブ２０の第１多孔質壁２６及び２８と第２組のマイクログルーブ３０の第２多孔質壁３６及び３８内部にのみ存在する。ステップ１７２では、液体４０の一部が多孔質芯構造１４の表面１３において又は同表面１３の近傍で蒸発し、熱源１２から熱を放散させて蒸気５０を生成する。ステップ１７４では、蒸気５０は、隣接する第２及び第１組のマイクログルーブ３０及び２０の間及び内部に流れることができる。ステップ１７６では、蒸気５０は、表面１３より低温の接触表面５６において凝結し、凝結流体５８となることができる。ステップ１７８では、凝結流体５８は、第１多孔質壁２６及び２８、第２多孔質壁３６及び３８、及び／又は多孔質副層３７に流入することができる。

図５は、熱源１２から熱を放散させるための装置１０の製造方法の一実施形態２８０のフローチャートである。ステップ２８２では、第１多孔質芯部分１６を成型し、第１組のマイクログルーブ２０によって画定する。ステップ２８４では、第２多孔質芯部分１８を成型し、第２組のマイクログルーブ３０によって画定する。第１及び第２多孔質芯部分１６及び１８の両方は、銅粉末及び粘性結合剤の少なくとも一方を用いて成型することができる。他の実施形態では、他の種類の材料を使用してもよい。成型された第１及び第２多孔質芯部分１６及び１８を乾燥させた後、第１及び第２多孔質芯部分１６及び１８の各々をオーブン内で別々に加熱し、約８５０℃で別々に焼結することができる。他の実施形態では、様々な工程及び温度を使用できる。
ステップ２８６では、第１多孔質芯部分１６を第２多孔質芯部分１８に並べて配置することにより、第１組のマイクログルーブ２０を第２組のマイクログルーブ３０と非平行に、並べて配置することができる。ステップ２８８では、第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０を含む第１及び第２多孔質芯部分１６及び１８を、一緒に焼結する。一実施形態では、焼結は約９５０−１０００℃で行うことができる。他の実施形態では、焼結は異なる温度で行うことができる。

第１及び第２芯部分１６及び１８を一緒に焼結した後、それらを非平行に、並べて心合せ（例えば垂直に並べて心合せ）した状態で、固定することができる。このとき、第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０は固定されて、蒸気５０が第１及び第２組のマイクログルーブ２０及び３０の内部及び間に流れるように、互いに接続される。同様に、このとき、第１組のマイクログルーブ２０の第１多孔質壁２６及び２８と、第２組のマイクログルーブ３０の第２多孔質壁３６及び３８は固定されて、流体４０が第１及び第２多孔質壁２６、２８、３６、及び３８の内部及び間に流れるように、互いに接続される。第１及び第２芯部分１６及び１８は、閉鎖チャンバハウジング１５の中に挿入することができる。

本発明の一又は複数の実施形態は、一又は複数の既存の装置及び／又は方法を凌駕する以下の利点、すなわち、毛管作用の増大、熱流速の増大、構造強度の増大、大きさ又は重量の低減、複雑さの低減、製造コストの低減、効率上昇、冷却機能の増大、及び／又は既存の装置及び／又は方法の一又は複数の他の種類の利点を提供することができる。
当然であるが、上述の説明は本発明の実施例に関するものであり、請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく修正を加えることができる。

Claims (18)

1. 熱源から熱を放散するための装置であって、
   互いに隣接して配置された第１多孔質芯部分と第２多孔質芯部分を含む多孔質芯構造を備えており、前記第1多孔質芯部分が第1組のマイクログルーブによって画定されており、前記第２多孔質芯部分が、前記第1組のマイクログルーブと非平行に並べて心合せされた第２組のマイクログルーブによって画定されている、装置。
2. 前記第１及び第２組のマイクログルーブが、ほぼ垂直に並べて心合せされている、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置の表面が、熱源に装着されているか、熱源近傍に心合せされているかの少なくともどちらかである、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１組のマイクログルーブの第１多孔質壁と、前記第２組のマイクログルーブの第２多孔質壁の内部に流体が配されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１及び第２組のマイクログルーブ内に蒸気が配されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記第２多孔質壁の孔が、前記第２多孔質壁から前記第２組のマイクログルーブ内へと蒸発した蒸気を流すのに適している、請求項４に記載の装置。
7. 前記第１多孔質壁の孔が、前記第１組のマイクログルーブから前記第１多孔質壁内へと凝結した流体を流すのに適している、請求項５に記載の装置。
8. 前記第１及び第２組のマイクログルーブが相互に接続されていることにより、前記第１及び第２組のマイクログルーブの内部及び間に蒸気が流れることができる、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１組のマイクログルーブの第１多孔質壁と前記第２組のマイクログルーブの第２多孔質壁とが相互に接続されていることにより、前記第１及び第２多孔質壁の内部及び間に流体が流れることができる、請求項１に記載の装置。
10. 前記隣接する第１及び第２多孔質芯部分が、一緒に焼結される別々の成型部材から構成される、請求項１に記載の装置。
11. チャンバハウジングの内部に封入される、請求項１に記載の装置。
12. 熱源から熱を放散させる方法であって、
    互いに隣接して配置される第１多孔質芯部分と第２多孔質芯部分とを有する多孔質芯構造を準備するステップであって、前記第１多孔質芯部分が第１組のマイクログルーブによって画定されており、前記第１組のマイクログルーブが、前記第２多孔質芯部分内に画定された第２組のマイクログルーブに非平行に並べて心合せされている、ステップ、
    少なくとも熱源に接触させて又は熱源の近傍に、多孔質芯構造の表面を配置するステップ、
    前記第１組のマイクログルーブの第１多孔質壁と、前記第２組のマイクログルーブの第２多孔質壁との内部に、飽和流体を充填するステップ、
    前記多孔質芯構造の表面近くの前記流体の一部を蒸発させて蒸気を生成し、前記熱源から熱を放散させるステップ、
    前記互いに隣接する第２及び第１組のマイクログルーブの間及び内部に、前記蒸気を流すステップ、
    前記多孔質芯構造の前記表面から離れた位置で、前記蒸気を液体に凝結させるステップ、並びに
    前記凝結させた液体を、前記第１及び第２多孔質壁の少なくとも一方へと流すステップ
    を含む方法。
13. 前記第１及び第２組のマイクログルーブを、ほぼ垂直に並べて心合せする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１及び第２組のマイクログルーブを相互に接続することにより、前記第１及び第２組のマイクログルーブの間及び内部に前記蒸気を流す、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１組のマイクログルーブの前記第１多孔質壁と、前記第二組のマイクログルーブの前記第２多孔質壁とを相互接続することにより、前記第１及び第２多孔質壁の間及び内部に前記流体を流す、請求項１２に記載の方法。
16. 前記互いに隣接する第１及び第２多孔質芯部分を、別々に成型されて一緒に焼結される部材から構成する、請求項１２に記載の方法。
17. 熱源が、レーザーダイオードアレイ、モーター制御装置、電子装置、ヒートシンク、ミサイル装置、通信装置、及び航空装置のうちの少なくとも一つからなる、請求項１２に記載の方法。
18. 前記多孔質芯構造を閉じたチャンバハウジング内部に配置するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

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