JP2013040718A - ループヒートパイプ及び該ループヒートパイプを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器に複数内臓されたウィックが、均一でない熱入力によっても液管側への蒸気逆流を防止することができるループヒートパイプを提供する。
【解決手段】複数のウィック５０を内蔵する蒸発器１０と、凝縮器２と、蒸発器１０と凝縮器２とを繋ぐ液管４及び蒸気管３とを備えるループヒートパイプ３０の蒸発器１０内に、蒸気を分散する熱分散空間１４を設けると共に、ウィック５０を、多孔質の第１のウィック５１と、液管４側から第１のウィック５１に挿入する、第１のウィック５１よりも孔径が大きい多孔質の第２のウィック５２とから構成し、第２のウィック５２の挿入方向の第１のウィック５１と第２のウィック５２の界面には蒸気流路５２Ｇを設け、全ての蒸気流路５２Ｇの液管４側の端部を熱分散空間１４に繋げたループヒートパイプである。
【選択図】図８

Description

本発明はループヒートパイプ及び該ループヒートパイプを備えた電子機器に関する。以下に説明される実施の形態では、実施例として流体を搬送する流体搬送装置（ループヒートパイプ)並びにループヒートパイプを備えた電子機器が説明される。

従来、流体（作動液）の潜熱で熱を輸送するループヒートパイプが知られている。このうち、ループヒートパイプは、外部から加熱されて作動液の蒸発が生じる蒸発器と、外部に熱を放散して蒸気の凝縮が生じる凝縮器とが、蒸気管と液管によってループを形成するように連結されたものである。このようなループヒートパイプ（循環型ループヒートパイプとも呼ばれる）の構成は特許文献１の図１に開示されている。

ループヒートパイプは、作動液の蒸発・凝縮に伴う潜熱を利用して熱を効率よく輸送する装置である。ループヒートパイプでは、液相の作動液と気相（蒸気）の作動液の圧力差と、ウィックの毛細管力を駆動力とするため、熱輸送に外部電力を必要としない特徴を持つ。ループヒートパイプは一般に、作動液を気化させるウィックを内蔵する蒸発器、作動液を一時的に蓄える補償チャンバ、及び作動液の蒸気を液化させる凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを連結する輸送管を備える。ここで、輸送管は、内部を流れる作動液の状態により、凝縮器から液体を蒸発器に運ぶ輸送管が液管と呼ばれ、蒸発器から蒸気を凝縮器に運ぶ輸送管が蒸気管と呼ばれる。

単一の蒸発部内に、複数の蒸発器を内蔵したループヒートパイプでは、入力された熱量をそれぞれの蒸発器に分散して熱輸送できるため、高発熱体の冷却が可能である。このようなループヒートパイプは、コンピュータ等の電子機器の冷却、例えば、コンピュータに内蔵された回路基板上に実装された集積回路のような高発熱体の電子部品に取り付けられて冷却を行う。蒸発器に複数のウィックを内蔵したループヒートパイプを図１に示す。

図１（ａ）、（ｂ）に示すループヒートパイプ３０では、蒸発器１にウィック５が複数個（この例では３個のウィック）が内蔵されている。ウィック５は、例えばセラミックやニッケル、或いは銅、銅酸化物、ステンレスなどの金属を原料とした多孔質材料、或いはポリエチレン樹脂等の高分子材料を原料とする多孔質材料で構成される。そして、蒸発器１には、補償チャンバ８から還流してきた作動液６をそれぞれのウィック５に供給する液側多岐管１１と、それぞれのウィック５から発生した蒸気７を蒸気管３に流入させる蒸気側多岐管１２とが設けられている。各ウィック５と蒸発器１のケースとの界面において、ケースからウィック５の表面に熱が伝わり、ウィック５の表面に浸透していた作動液６が蒸発して蒸気７となる。

ウィック５は、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように円筒状をしており、液管４側が開口して中空部５Ｈが設けられている。中空部５Ｈは、ウィック５の外周面への作動液６の供給を促進するための液流路である。また、ウィック５の外周面には、蒸発した蒸気が速やかに蒸気管３へ移動するように、液管４側から蒸発管３側に向かって複数本の溝であるグルーブ５Ｇが設けられている。グルーブ５Ｇは蒸気流路となる。ループヒートパイプ３０の内部は、完全に真空引きされた後、アンモニア、水系、アルコール系、炭化水素化合物系及びフッ化炭化水素化合物系等の液体が作動液として封入されている。作動液は、熱が加えられる蒸発器１のウィック５で液相の作動液６が蒸気７になって蒸気管３を流れ、凝縮器２で蒸気７が液相の作動液６になって蒸発器１に還流する。作動液はウィック５の毛細管圧力をポンプ力として使用することにより蒸発器１と凝縮器２の間を循環する。

図２は、図１（ａ）、（ｂ）に示した蒸発器１の構成を分解して示すものである。液側多岐管１１と蒸気側多岐間１２との間のケースにはウィック収容部１Ｗがあり、このウィック収容部１Ｗにウィック５がそれぞれ収容されて蒸発器１が構成される。そして、蒸発器１の底面１Ｂが、回路基板２１の上に実装された発熱回路部品である集積回路２２の上に、ヒートスプレッダ２３を介して取り付けられる。

以上のように構成された蒸発器１を製造する場合は、図２に示したように、蒸発器１を上下方向に分割して製造することができるが、図３に示すように、蒸発器１を作動液の流れ方向に分割して製造することもできる。図３に示す製造方法では、液管４に接続する液側多岐管１１、ウィック５を収容するウィック収容部１Ｗ、及び蒸気管３に接続する蒸気側多岐間１２をそれぞれ別に製造して繋ぎ合わせている。図３に示した蒸発器１を作動液の流れ方向に分割して製造する方法の方が、ウィック５とウィック収納部１Ｗとの接触部に隙間が生じにくいので、ウィック５への伝熱効率が高められる。

図４（ａ）は、図１（ａ）、図２及び図３に示した蒸発器１への集積回路２２からの熱入力が均一である時の蒸発器１と補償チャンバ８の動作を示すものである。図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ‐Ｂ線における局部断面を示している。ここで、蒸発器１の集積回路２２側の温度をＴ１とし、集積回路２２と反対側の温度をＴ２（３つのウィック５の上側の蒸発器１の温度はそれぞれＴ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃとする）とする。集積回路２２からの熱入力が均一であり、蒸発器１に入力された熱がそれぞれのウィック５に分散される場合には、それぞれのウィック５の上側の蒸発器１の温度Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃはほぼ同じである。この場合は、それぞれのウィック５における発生蒸気量の差が小さく、また、還流してきた作動液６が蒸発量に応じて供給されるため、蒸発器１は正常に作動する。

特許第４４５９７８３号（図１）

ところが、集積回路２２の高発熱時や、図４（ｄ）に示すように、集積回路２２からの熱入力の分布が偏っている場合など、入力された熱が十分に分散されない場合には、特定のウィック５に熱入力が集中してしまう。熱入力が集中したウィック５（図４（ｄ）では中央のウィック）からは、他のウィック５に比べて多くの蒸発が生じるが、同時に、ウィック５を通過する熱量が増加し、ウィック５の内側に発生する蒸気量が増加する。

ウィック５の内側に発生した蒸気は、図４（ｃ）に示すように液側多岐管１１へ逆流する際に、ウィック５の内部への作動液６の流入を妨げるので、ウィック５への液供給が不足する。ウィック５への作動液６の供給が不足すると、ウィック５に十分に作動液６が浸透せず、ウィック５に部分的に液が乾いた領域が生じる。ウィック５の液が浸透していない領域では、毛細管力による逆止弁の効果が生じないので、蒸気管３側の蒸気７がウィック５内へ貫通し、ウィック５の内部の蒸気量がさらに増加することになる。その結果、熱入力が集中した蒸発器１のウィック５では、蒸発量が多いにも関わらず、液供給が不十分になるので、最終的にはウィック５全体が枯渇するドライアウトＤＯを引き起こす。また、ウィック５の内側からの蒸気Ｖが大量に発生した場合には、液側多岐管１１内にこの蒸気Ｖが拡散することにより、他のウィック５への液供給も阻害されるので、蒸発部１全体の冷却性能が劣化するという問題があった。

上述の問題に鑑み、ウィックを内蔵する蒸発器に不均一な熱入力があっても、熱入力の大きさや分布状況に応じて熱を蒸発器全体に分散させて、蒸発器の機能を損ねないループヒートパイプ、及び該ループヒートパイプを備えた電子機器を提供することを目的としている。

実施形態の一観点によれば、少なくとも１つのウィックを内蔵する蒸発器と、凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、蒸発器内に形成され、蒸気を分散する熱分散空間とを有し、ウィックは、多孔質の第１のウィックと、液管側から第１のウィックに挿入され、第１のウィックよりも孔径が大きい多孔質の第２のウィックとを含み、第２のウィックの挿入方向の第１のウィックと第２のウィックの界面に設けられた蒸気流路は、その液管側の端部が熱分散空間に繋がっていることを特徴とするループヒートパイプを提供する。

実施形態の他の観点によれば、電子部品と、電子部品に熱的に接触し、少なくとも１つのウィックを内蔵する蒸発器と、凝縮器と、蒸発器と凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、蒸発器内に形成され、蒸気を分散する熱分散空間とを有し、ウィックは、多孔質の第１のウィックと、液管側から第１のウィックに嵌め込まれ、第１のウィックよりも孔径が大きい多孔質の第２のウィックとを含み、第２のウィックの挿入方向の第１のウィックと第２のウィックの界面に設けられた蒸気流路は、その液管側の端部が熱分散空間に繋がっているループヒートパイプを備えたことを特徴とする電子機器を提供する。

開示するループヒートパイプ、及び該ループヒートパイプを備えた電子機器によれば、ウィックを内蔵する蒸発器に不均一な熱入力があっても、熱入力の大きさや分布状況に応じて熱を蒸発器全体に分散させて、蒸発器の機能を損ねないようにすることができる。

（ａ）は蒸発器に３つのウィックを内蔵する関連技術のループヒートパイプの構成を示す図、（ｂ）は（ａ）の蒸発器に内蔵されたウィックの１つを作動液の入口側から見た斜視図、（ｃ）は（ａ）の蒸発器に内蔵されたウィックの１つを作動液の出口側から見た斜視図である。 図１（ａ）に示した蒸発器を水平方向に分割してその構成を示す分解斜視図と、この蒸発器が取り付けられる回路基板上にある発熱回路部品を示す斜視図である。 図１（ａ）に示した蒸発器を作動液の流れ方向に分割してその構成を示す分解斜視図である。 （ａ）は図１（ａ）に示した蒸発器への熱入力が均一である時の蒸発器と補償チャンバの動作を示す図、（ｂ）は（ａ）のＢ‐Ｂ線における局部断面図と発熱回路部品からの均一な熱入力を示す図、（ｃ）は図１（ａ）に示した蒸発器への熱入力が不均一である時の蒸発器と補償チャンバの動作を示す図、（ｄ）は（ｃ）のＢ‐Ｂ線における局部断面図と発熱回路部品からの不均一な熱入力を示す図である。 開示するループヒートパイプの蒸発器に設けた熱分散空間の位置を説明する蒸発器の透視斜視図である。 （ａ）は、開示する蒸発器における第１と第２のウィックからなるウィックの取り付けを説明する要部組立斜視図、（ｂ）は（ａ）に示したウィックの構成を示す組立斜視図、（ｃ）は（ｂ）のようにして組み立てられたウィックを第２のウィック側から見た斜視図である。 （ａ）は開示する蒸発器の一実施例の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ‐Ａ線における要部断面図、（ｃ）は（ａ）に示した開示する蒸発器の動作を示す断面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ‐Ａ線における要部断面図である。 （ａ）は開示する蒸発器の変形実施例の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ‐Ａ線における要部断面図、（ｃ）は（ａ）に示した開示する蒸発器の動作を示す断面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ‐Ａ線における要部断面図である。 （ａ）は図８（ａ）に示した蒸発器への熱入力が均一である時の蒸発器と補償チャンバの動作を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ‐Ａ線における局部断面図と発熱回路部品からの均一な熱入力を示す図、（ｃ）は図８（ａ）に示した蒸発器への熱入力が不均一である時の蒸発器と補償チャンバの動作を示す図、（ｄ）は（ｃ）のＡ‐Ａ線における局部断面図と発熱回路部品からの不均一な熱入力を示す図である。 （ａ）は、発熱回路部品から不均一な熱入力があった直後の開示する蒸発器の動作を示す平面図、Ａ−Ａ線における断面図及び放熱器の各部の温度分布を示す温度特性図を縦に並べて示す図、（ｂ）は、発熱回路部品からの不均一な熱入力があってから、所定時間経過った時の開示する蒸発器の動作を示す平面図、Ａ−Ａ線における断面図及び放熱器の各部の温度分布を示す温度特性図を縦に並べて示す図、（ｃ）は発熱回路部品から均一な熱入力があった直後の関連技術の蒸発器の動作を示す平面図、Ａ−Ａ線における断面図及び放熱器の各部の温度分布を示す温度特性図を縦に並べて示す図である。 （ａ）は、発熱回路部品から別の不均一な熱入力があった直後の開示する蒸発器の動作を示す平面図、Ａ−Ａ線における断面図及び放熱器の各部の温度分布を示す温度特性図を縦に並べて示す図、（ｂ）は、発熱回路部品からの別の不均一な熱入力があってから、所定時間経過った時の開示する蒸発器の動作を示す平面図、Ａ−Ａ線における断面図及び放熱器の各部の温度分布を示す温度特性図を縦に並べて示す図、（ｃ）は発熱回路部品から不均一な熱入力があった直後の関連技術の蒸発器の動作を示す平面図、Ａ−Ａ線における断面図及び放熱器の各部の温度分布を示す温度特性図を縦に並べて示す図である。 （ａ）は、開示するループヒートパイプにおける一例の蒸発器の熱輸送能力を説明する図、（ｂ）は関連技術のループヒートパイプにおける蒸発器の熱輸送能力を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、開示するループヒートパイプにおける一例のウィックからチャンバへの蒸気の移動に伴う伝熱を説明する図、（ｃ）、（ｄ）は関連技術のループヒートパイプにおけるウィックからチャンバへの蒸気の移動に伴う伝熱を説明する図である。 開示するループヒートパイプの蒸発器の熱分散空間の近傍に放熱用の放熱フィンを取り付けた一実施例を示す断面図。 （ａ）は開示するループヒートパイプの一例を適用可能な電子機器の平断面図、（ｂ）は（ａ）に示した電子機器に開示するループヒートパイプが取り付けられた状態を示す平断面図である。 （ａ）は開示するループヒートパイプにおける蒸発器の変形実施例の構成を示す断面図、（ｂ）は開示するループヒートパイプにおける蒸発器の別の変形実施例の構成を示す断面図である。

以下、添付図面を用いて実施形態の一例を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明するが、関連技術のループヒートパイプの構成と同じ構成部材については、同じ符号を付して説明する。

図５は、開示するループヒートパイプの蒸発器に設けた熱分散空間の位置を説明する蒸発器の透視斜視図である。蒸発器１０と、図２に示した関連技術の蒸発器１の構成上の差異は、たとえば、関連技術のウィック収容部１Ｗに対応するウィック収容部１０Ｗに収容されるウィック５０に構成上の差異がある点と、ウィック収容部１０Ｗの近傍に熱分散空間１４を設けた点である。ウィック５０の一例の構造については後述するので、まず、熱分散空間１４について説明する。

関連技術の蒸発器１は、図２で説明したように、液管４から供給される作動液を３つのウィック５に分岐する液側多岐管１１と、作動液の蒸気を集めて蒸気管３に流す蒸気側多岐管１２の間には、ウイック収納部１Ｗが設けられているだけであった。一方、蒸発器１０には、たとえば、ウィック収納部１０Ｗと液側多岐管１１との間に連絡流路１３があり、更に、蒸発器の底部１０Ｂと反対側の面とウィック収納部１０Ｗとの間に、熱分散空間１４が設けられている。熱分散空間１４は、たとえば、この実施例では３つのウィック５０の上側を覆う閉空間であり、液管側の端部が連絡流路１３に連通している。

次に、ウィック５０の構成の一例について図６を用いて説明する。ウィック５０は、図６（ｂ）に示すように、たとえば、第１のウィック５１と第２のウィック５２を備える。第１のウィック５０は円筒状であり、関連技術のウィック５と同様に、液管４側に中空部５１Ｈを備え、蒸気管３側に蒸気流路としてのグルーブ５１Ｇを備える。一方、第２のウィック５２は、たとえば、第１のウィック５１に挿入されるようになっており、第１のウィック５１よりも細い円筒状をしている。第２のウィック５２の液管４側には中空部５２Ｈを備えるが、第２のウィック５２の蒸気管３側の側面には、第１のウィック５１に設けられた中空部５１Ｈの深さよりも短い長さの突条５２Ｐが所定間隔で設けられている。そして、突条５２Ｐと突条５２Ｐの間の部分が第２のウィック５２における蒸気流路としてのグルーブ５２Ｇとなっている。

第２のウィック５２に設けられた突条５２Ｐの外周面は、たとえば、第２のウィック５２の中心軸に同心の円周面である。突条５２Ｐの外周面は、第１のウィック５１の中空部５１Ｈの内周面に隙間なく嵌め込むことができる。図６（ｃ）は、図６（ｂ）のようにして組み立てられたウィックを第２のウィック側から見た斜視図である。すなわち、第１のウィック５１の中空部５１Ｈに、第２のウィック５２に設けられた突条５２Ｐの外周面を嵌め込んだ状態を示した一例である。この状態では、第２のウィック５２のグルーブ５２Ｇの半径方向の外側には、第１のウィック５１のグルーブ５１Ｇの１つが位置するようになっており、突条の端部５２Ｔが第１のウィック５１の端面５１Ｅに面一となっている。

図５に示した連絡流路１３と熱分散空間１４の間の部分には、図６（ａ）に示すようにたとえば、第１の仕切壁３１がある。第１の仕切壁３１には、第１のウィック５１から突出する第２のウィック５２の円筒部分を挿通する第２のウィック挿通孔１７と、第２のウィック５２のグルーブ５２Ｇに連通するグルーブ連通孔１８及び熱分散空間１４に連通する熱分散空間連絡孔１９がある。また、液側多岐管１１と連絡流路１３の間の部分にはたとえば、第２の仕切壁３２がある。第２の仕切壁３２には、第１のウィック５１から突出する第２のウィック５２の円筒部分を挿通して固定する第２のウィック取付孔１６がある。符号１５は液側多岐管１１への液管４からの作動液流入口を示している。

ウィック５０は、たとえば、第１のウィック５１から突出する第２のウィック５２の円筒部分が、第２のウィック挿通孔１７に挿通された後に、第２のウィック取付孔１６に挿入されて固定される。この時、第１のウィック５１の端面５１Ｅは第１の仕切壁３１に密着すると共に、第２のウィック５２のグルーブ５２Ｇが全て第１の仕切壁３１に設けられたグルーブ連通孔１８に重なる。ウィック５０が第１の仕切壁３１に固着された状態では、３つのウィック５０の第２のウィック５２のグルーブ５２Ｇは全て、グルーブ連通孔１８と連絡流路１３、及び熱分散空間連絡孔１９を通じて図５に示した熱分散空間１４に連通する。

図７（ａ）は、開示する蒸発器の一実施例の断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ‐Ａ線における要部断面図である。図７（ａ）、（ｂ）は、図５、図６のような開示する一実施例の蒸発器１０内に設置される１つのウィック５０を取り出して断面で示すものである。前述のように、ウィック５０は、たとえば、蒸発器１０のウィック収容部１０Ｗに蒸発器１０のケースと接して収容され、作動液を蒸発させる第１のウィック５１の内側に、第２のウィック５２が挿入されている。第２のウィック５２の外表面には、たとえば、第１のウィック５１の内側に発生した蒸気を取り除くための蒸気流路としてのグルーブ５２Ｇがある。第２のウィック５２のグルーブ５２Ｇは、たとえば、液側多岐管１１とウィック５０との間に設けられた蒸気収集部である連絡流路１３に連通しており、更にこの連絡流路１３は、蒸発器１０の加熱面（底面）１０Ｂと反対側に設けられた熱分散空間１４に連通している。

ここで、液側多岐管１１と連絡流路１３との間で蒸気の流出がないよう、液側多岐管１１と連絡流路１３との境界には気密性を持たせている。作動液は、図７（ｃ）に示すように、たとえば、液側多岐管１１から第２のウィック５２を通じて、第１のウィック５１へ移動する。作動液の移動の駆動力として、第１のウィック５１の毛細管力を用いるので、第１のウィック５１の気孔径は、第２のウィック５２の気孔径よりも小さくなっている。ここで、第２のウィック５２に浸透した作動液は、第２のウィック５２と第１のウィック５１との接触面を通じて、図７（ｄ）に矢印で示すように第１のウィック５１に浸透する。

以上のような構造により、第１のウィック５１内部で発生した蒸気は、第２のウィック５２の表面に設けられたグルーブ５２Ｇと液側多岐管１１に隣接して設けられた連絡流路１３を通じて、熱分散空間１４へ送ることが可能である。熱分散空間１４は、隣接する他のウィック５０のグルーブ５２Ｇと、連絡流路１３を介して連通しているので、熱分散空間１４に蒸気が広がることにより、蒸発部１０全体が均熱化される。

ところで、第２のウィック５２から第１のウィック５１に作動液を供給する際には、両ウィックの毛細管力の差が液供給の駆動力となる。毛細管力Ｐは、σを作動液の表面張力、θを作動液とウィックとの接触角、ｒをウィックの気孔半径として、Ｐ＝２σｃｏｓθ／ｒで表される。第２のウィック５２から第１のウィック５１に作動液が供給されるためには、第１のウィック５１の気孔直径が第２のウィック５２の気孔直径より小さく、毛細管力が大きい必要がある。

一方、ウィック５０に作動液が浸透することにより、ウィック５０の気孔部分にメニスカスが形成され、逆止弁として作用する。逆流を防止できる最大の圧力は、毛細管力に等しいので、第１のウィック５１に比べて、第２のウィック５２の方が逆流を防止できる最大圧力が低くなる。したがって、図７（ａ）、（ｂ）に示す構造では、第１のウィック５１と第２のウィック５２との間に発生する蒸気が第２のウィック５２を貫通しない範囲において、動作させる必要がある。

第１のウィック５１と第２のウィック５２の間に発生した蒸気が第２のウィック５２を貫通すると、関連技術の蒸発器１と同様に開示する蒸発器１０の性能が劣化する。そこで、開示する蒸発器１０では第２のウィック５１を蒸気が貫通することによる蒸発器１０の性能劣化を抑制するために、第１のウィック５１の内部に発生した蒸気が第２のウィック５２を貫通しないように、たとえば、第２のウィック５２のグルーブ５２Ｇを非多孔質板３３で被覆する。

図８（ａ）は、開示する蒸発器の変形実施例の断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ‐Ａ線における要部断面図である。図８（ａ）、（ｂ）に、実施例の一例として、浸透を防ぐ非多孔質板３３をグルーブ５２Ｇに設けた蒸発器１０を示す。非多孔質板３３以外の蒸発器１０の構成は図７（ａ）、（ｂ）で説明したのでここでは説明を省略する。

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、グルーブ５２Ｇに浸透を防ぐ非多孔質板３３を設けた場合は、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように第１のウィック５１の内部に発生した蒸気が非多孔質板３３を貫通しない。よって、非多孔質板３３により、第１のウィック５１の内部に発生した蒸気は、第２のウィック５２に浸透することなく、全量熱分散空間１４へ移動するので、第２のウィック５２への蒸気浸透による、蒸発器１０の性能劣化を防ぐことができる。

図９（ａ）、（ｂ）は図８（ａ）、（ｂ）に示した蒸発器１０への熱入力Ｑが均一である時の蒸発器１０と補償チャンバ８の動作を示すものである。また、図９（ｃ）、（ｄ）は図８（ａ）、（ｂ）に示した蒸発器１０への熱入力Ｑが不均一である時の蒸発器１０と補償チャンバ８の動作を示すものである。熱入力Ｑが均一な場合は、開示する蒸発器１０は、関連技術の蒸発器１と同様に機能する。

一方、蒸発器１０への熱入力Ｑが図９（ｄ）に示すように不均一な場合は、関連技術では十分に熱が分散できなかったために、熱が集中するウィック内部に蒸気が発生していた。ところが、蒸発器１０では、熱入力Ｑが図９（ｄ）に示すように不均一な場合でも、たとえば、ウィック５０の内部に発生した蒸気が、第２のウィック５２の外周面上のグルーブ５２Ｇを通じて、熱分散空間１４に放出され、蒸発部１０全体を均熱化する。この結果、特定のウィック５０への熱入力Ｑの集中が緩和され、他のウィック５０へ熱が分散されるため、熱入力Ｑの集中による特定のウィック５０における蒸発能力の低下が生じ難い。また、ウィック５０の内部に発生した蒸気が作動液の流路と干渉しないため、作動液の供給を妨げず、ウィック５０の枯渇（=ドライアウト）を抑制できる。

図１０（ａ）は、発熱回路部品である集積回路２２から中央部の温度が高い、不均一な熱入力Ｑがあった直後の開示する蒸発器１０の動作と、蒸発器１０の断面図と、放熱器１０の各部の温度分布を示す温度特性図を、縦に並べて示すものである。また、図１０（ｂ）は中央部の温度が高い不均一な熱入力Ｑがあってから所定時間経過後の熱が分散した状態の同状態を示している。更に、図１０（ｃ）は中央部の温度が高い不均一な熱入力Ｑがあってから所定時間経過後の関連技術の蒸発器における同状態を示している。所定時間とは、熱分散空間１４の均熱化機能が動作する時間である。ここで、Ｔ１が熱入力Ｑ側の蒸発器１、１０の温度、Ｔ２が熱源と反対側の蒸発器１、１０の温度を示しており、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ蒸発器１、１０の場所を示している。

集積回路２２からの熱入力Ｑが蒸発器１０の中央部に集中した場合は、図１０（ａ）に示すように、熱源と反対側の蒸発器１０の中央部の温度Ｔ２ｂが上昇する。しかし、所定時間経過後には、熱分散空間１４の作用によって蒸発器１０全体が均熱化されるので、熱源と反対側の蒸発器１０の中央部の温度Ｔ２ｂが、熱源と反対側の蒸発器１０の左右の温度Ｔ２ａ、Ｔ２ｃと変わらなくなる。熱源側の蒸発器１０の中央部の温度Ｔ１ｂも、熱源側の蒸発器１０の左右の温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｃと変わらなくなる。また、各ウィックの蒸発温度が下がり、その結果、蒸発器１０の温度も下がる。更に、ウィック内部に発生した蒸気が補償チャンバ側へ移動しないので、ウィックに供給される液温が上がらず、蒸発温度も低く維持でき、温度Ｔ１も下がる。これに対して、図１０（ｃ）に示すように、関連技術の蒸発器１には熱分散空間１４がないので、熱源と反対側の蒸発器１０の中央部の温度Ｔ２ｂは上昇したままである。

図１１（ａ）は、発熱回路部品である集積回路２２の一方の端部の温度が高い、不均一な熱入力Ｑがあった直後の開示する蒸発器１０の動作と、蒸発器１０の断面図と、放熱器１０の各部の温度分布を示す温度特性図を、縦に並べて示すものである。また、図１１（ｂ）は一方の端部の温度が高い不均一な熱入力Ｑがあってから所定時間経過後の熱が分散した状態の同状態を示している。更に、図１１（ｃ）は一方の端部の温度が高い不均一な熱入力Ｑがあってから所定時間経過後の関連技術の蒸発器における同状態を示している。Ｔ１が熱入力側の蒸発器１、１０の温度、Ｔ２が熱源と反対側の蒸発器１、１０の温度を示しており、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ蒸発器１、１０の場所を示していることは同様である。

集積回路２２からの熱入力Ｑが蒸発器１０の一方の端部に集中した場合は、図１１（ａ）に示すように、熱源と反対側の蒸発器１０の一方の端部の温度Ｔ２ｃが上昇する。しかし、所定時間経過後には、熱分散空間１４の作用によって蒸発器１０全体が均熱化されるので、熱源と反対側の蒸発器１０の一方の端部の温度Ｔ２ｃが、熱源と反対側の蒸発器１０の他方の端部と中央部の温度Ｔ２ａ、Ｔ２ｂと変わらなくなる。熱源側の蒸発器１０の一方の端部の温度Ｔ１ｃも、熱源側の蒸発器１０の他方の端部と中央部の温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂと変わらなくなる。また、各ウィックの蒸発温度が下がって蒸発器１０の温度も下がり、更に、ウィック内部に発生した蒸気が補償チャンバ側へ移動せず、ウィックに供給される液温が上がらないので蒸発温度を低く維持でき、温度Ｔ１も下がる。これに対して、図１１（ｃ）に示すように、関連技術の蒸発器１には熱分散空間１４がないので、熱源と反対側の蒸発器１０の一方の端部の温度Ｔ２ｃは上昇したままである。

以上から、関連技術においては、熱入力Ｑが集中した蒸発器１近傍の温度が他の蒸発器１近傍の温度に比べて高くなる。この温度分布により、蒸発器１間の蒸発量の差が大きくなり、上述したような熱輸送性能の劣化が生じる。一方、開示するループヒートパイプは、熱入力Ｑの入力直後は関連技術と同様に蒸発器１０に温度分布が生じるが、ウィック５１内部に発生した蒸気が熱分散空間１４へ流入することにより、熱源と反対側の温度が均一化され、熱入力Ｑの集中が緩和される。各ウィックに熱が分散されて入力されることにより、各ウィックにおける蒸発温度が下がり、その結果、蒸発器１の温度が下がる。更に、関連技術とは異なり、ウィック内部に発生した蒸気が補償チャンバ側へ移動しないので、ウィックに供給される液温が上がらず、蒸発温度も低く維持できる。

関連技術において、ウィック５の内側からの蒸気Ｖが大量に発生すると、液側多岐管１１内にこの蒸気Ｖが拡散することにより、他のウィック５への液供給も阻害され、冷却性能が劣化することは冒頭に述べた。以下では、関連技術における蒸気Ｖの発生と冷却性能の劣化について詳述し、関連技術に対する開示するループヒートパイプの優位性を示す。

関連技術において、ウィック５の内側から蒸気Ｖが大量に発生すると、液側多岐管１１内に蒸気Ｖが充満し、ウィック５への液供給が妨げられる。すると、個々のウィック５への液供給量と、蒸発量とのバランスが崩れ、ウィック５が完全に枯渇した場合には、冷媒の循環が停止し、ループヒートパイプの冷却機能が失われる。一方、開示するループヒートパイプでは、ウィック５０内に蒸気が発生した場合にも、蒸気が液供給を妨げないので、液供給が継続され、ウィック５０が枯渇せず、冷媒は循環し続ける。したがって、関連技術ではループヒートパイプの冷却機能が停止するような条件においても、開示するループヒートパイプの一例では冷却機能を維持できる。

次に、ウィック内部に蒸気が発生するものの、蒸気発生量が比較的少なく、液供給が継続されている場合について関連技術と開示するループヒートパイプの一例との輸送熱量を比較する。開示するループヒートパイプの一例と関連技術との入力熱量Ｑinに対する輸送熱量Ｑoutの比較を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。ループヒートパイプ３０において蒸発器１０から凝縮器２へ輸送できる熱量Ｑoutは、蒸発器１０内において作動液の蒸発に使われた熱量Ｑevpであり、これは入力熱量Ｑinから、蒸発器１０からの熱の逃げＱHLを除いた熱量である。したがって、蒸発器１０からの熱の逃げＱHLを小さくすることにより、入力熱量Ｑinに対する作動液の蒸発に使われた熱量Ｑevpの割合を大きくすることができ、ループヒートパイプ３０の冷却性能が向上する。

熱の逃げＱHLは以下のように表される。
ＱHL＝Ｑcase＋Ｑwick＋Ｑvflow

ここで、Ｑcaseは蒸発器ケースと補償チャンバケース間の伝熱、Ｑwickはウィックの半径方向の伝熱、Ｑvflowはウィックから補償チャンバへの蒸気の移動に伴う伝熱である。最初の２つは蒸発器ケース、補償チャンバ、およびウィックの材料や幾何形状、および作動流体の物性により決まり、同様の形状で同じ材料を使用すると、関連技術と開示するループヒートパイプの一例との間で大きな差とならない。

ここで、ウィック内の蒸気発生が少なく、蒸気の補償チャンバへの熱移動が無視できる場合は、ＱHL＝Ｑcase＋Ｑwickとなる。一般に、蒸気発生がなく、ループヒートパイプが正常に動作している場合は熱の逃げＱHL、すなわち蒸発器ケースと補償チャンバケース間の伝熱Ｑcaseとウィックの半径方向の伝熱Ｑwickとの和は入力熱量Ｑinの数％となる。例えば入力熱量Ｑinに対し、蒸発器ケースと補償チャンバケース間の伝熱Ｑcaseとウィックの半径方向の伝熱Ｑwickとの和が５％程度である場合、３００Ｗの熱入力に対しては、両技術ともに熱輸送量は２８５Ｗとなる。以下では、関連技術においてチャンバへの蒸気流入が顕著な場合について両技術の輸送熱量Ｑoutを比較する。

関連技術と開示するループヒートパイプの一例とについて、入力熱量Ｑinに対するウィックから補償チャンバへの蒸気の移動に伴う伝熱Ｑvflowの割合の比較を図１３（ａ）〜（ｄ）に示す。図１３（ａ）、（ｂ）がたとえば、開示するループヒートパイプの一例のウィック５０を示しており、図１３（ｃ）、（ｄ）が関連技術のウィック５を示している。ここで、中央のウィックに入力熱量Ｑinの６０％の熱量が入力され、さらに中央のウィックの部分的な枯渇により、内側にその３０％の熱が流入したと仮定する。この場合は、関連技術のウィック５では、入力熱量Ｑinの１８％がウィック５から図示しない補償チャンバへの蒸気の移動に伴う伝熱Ｑvflowとして液側多岐管１１を経てチャンバへ移動する。一方、開示するループヒートパイプの一例としてのウィック５０では、たとえば、発生した蒸気が連絡流路１３を通じて熱分散空間１４に移動し、補償チャンバには移動しないので、蒸気によるチャンバへの熱移動量Ｑvflowはゼロである。

入力熱量Ｑinを３００Ｗ、蒸発器ケースと補償チャンバケース間の伝熱量Ｑcaseとウィック半径方向の伝熱量Ｑwickとの和を入力熱量Ｑinの５％とした場合の熱輸送量Ｑoutの比較を以下に示す。

（関連技術）
Ｑout＝Ｑin−ＱHL＝Ｑin−（Ｑcase＋Ｑwick＋Ｑvflow）＝Ｑin−０．０５×Ｑin−０．１８×Ｑin＝０．７７Ｑin＝２３１Ｗ
（開示するループヒートパイプの一例）
Ｑout＝Ｑin−ＱHL＝Ｑin−（Ｑcase＋Ｑwick＋Ｑvflow）＝Ｑin−０．０５×Ｑin−０×Ｑin＝０．９５Ｑin＝２８５Ｗ

上記熱輸送量Ｑoutの比較により、開示するループヒートパイプの一例においては、補償チャンバへの蒸気流入に伴う伝熱を防ぐことにより、正常動作時の熱輸送量を維持できることがわかる。また、ループヒートパイプの冷却性能の別の指標として、蒸発器と凝縮器の温度差を入力熱量で除した値である熱抵抗が用いられる。熱抵抗が小さいほど、少ない温度差で熱を輸送でき、効率的に放熱できる。

関連技術では、図１３（ｃ）、（ｄ）に示すように、ウィック５内に発生した蒸気は、液側多岐管１１を通じて補償チャンバ８（図１参照）へ流入する。補償チャンバ８内に流入した蒸気がもつ熱は、補償チャンバ８内に滞留する作動流体の温度を上昇させる。作動流体の温度上昇に伴い、ウィック５の表面からの蒸発温度も上昇するので、ウィック５から補償チャンバ８へ蒸気が流入すると、同じ発熱量に対して、蒸発器１の温度が上昇することになる。したがって、関連技術では、ウィック１の内側に蒸気が発生し、これが補償チャンバ８へ蒸気が流入すると、同じ発熱量に対して蒸発器１と凝縮器２との温度差が増え、蒸発器１と凝縮器２間の熱抵抗が増大する。

これに対して、開示するループヒートパイプの一例では、たとえば、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、ウィック５０内に発生した蒸気は、液側多岐管１１に達せず、連絡流路１３を通じて熱分散空間１４に拡散される。このため、ウィック５０内に発生した蒸気の補償チャンバ８への流入が防止されるので、これに伴う熱抵抗の上昇が生じず、正常動作時の熱抵抗を維持できる。

図１４は、開示するループヒートパイプの蒸発器１０の変形実施例の一例を示すものであり、蒸発器１０の底面１０Ｂの反対側の外表面の、熱分散空間１４の近傍に放熱用の放熱フィン９を取り付けたものである。放熱フィン９以外の蒸発器１０の構成は図７（ａ）で説明したのでここでは説明を省略する。放熱フィン９により、熱分散空間１４の近傍の蒸発器の温度が下がり、この結果、熱分散空間１４内に流入した蒸気を凝縮させることができる。凝縮した蒸気は作動液となるので、連絡流路１３を通じて第２のウィック５２へ還流させることができる。

図１５（ａ）は開示するループヒートパイプの一例を適用可能な電子機器２０の内部を平面視して示すものである。電子機器２０、特にコンピュータ２０のＣＰＵ（集積回路）２２の冷却方法としては、ＣＰＵ２２の直ぐ上にヒートシンクを搭載し、冷却風Ｗを当てることにより冷却する空冷方式が広く使われている。一方、高発熱ＣＰＵの冷却に対応するためには、ヒートシンクを大型化して放熱面積を拡大するか、冷却風Ｗの風量を増加させる必要がある。通常、ＣＰＵ２０の周辺の回路基板２１の上には、記憶装置２５やその他の電子部品２４が密に配置されており、大型のヒートシンクを搭載するスペースを確保することは難しい。また、冷却風Ｗの風量を増加させるためには、冷却ファン２８の回転数を増加させる必要があり、冷却に要する電力が増加する。更には、風量の増大に伴い、冷却ファン２８の風切り音も大きくなる。近年のコンピュータ２０の省電力化と静音化の観点からは、風量を増加して冷却能力を向上することは良い解決策ではない。

このような高発熱の回路部品の冷却に対応するためには、ＣＰＵ２２の直上から離れた位置に高効率でＣＰＵ２２が発生する熱を輸送できる熱輸送装置を活用する冷却方式が有効である。一般に、コンピュータ２０の筐体に搭載されている冷却ファン２８の近傍には、ＣＰＵ２２の近傍に比べてスペースＳがあることが多い。したがって、ＣＰＵ２２の直上から冷却ファン２８の近傍に高効率にＣＰＵ２２で発生する熱を輸送できれば、放熱面積の大きなヒートシンクを用いて放熱でき、少ない風量で冷却が可能になるので、省電力化と静音化が実現できる。更には、コンピュータ２０の筐体内のスペースが有効に活用でき、筐体の省スペース化も可能になる。

熱輸送装置としては、液体の冷媒をポンプで駆動して流路内を循環させる液循環方式や、開示するループヒートパイプ３０などがある。開示するループヒートパイプ３０では、冷媒の循環に外部電力を必要としないため、前者の液循環方式に比べて、低消費電力の冷却が可能である。また、近年、コンピュータ２０の演算性能の向上のため、ＣＰＵ２２のマルチコア化が進められている。それぞれのコアの発熱量の増大に伴い、ＣＰＵ２２の表面上に発熱分布が生じる。前述のように、関連技術の複数のウィック５を内蔵した蒸発器１をもつループヒートパイプ３０では、ＣＰＵ２２が発生する高発熱の冷却には対応できるが、冷却対象の表面に発熱分布がある場合には、動作が不安定化して、冷却性能が低下する。

これに対して、図５から図１４において説明した蒸発器１０と凝縮器２とが蒸気管３と液管４とで接続された開示するループヒートパイプ３０をＣＰＵ２２の冷却装置として使用したコンピュータ２０を図１５（ｂ）に示す。開示するループヒートパイプ３０を適用することにより、高発熱のマルチコアＣＰＵ２２を搭載したコンピュータ２０において、低消費電力の冷却が可能となる。更に、開示するループヒートパイプ３０を適用することにより、ＣＰＵ２２上に発熱分布が生じた場合にも安定に動作し、冷却性能が低下しない、信頼性の高い冷却システムを実現できる。

なお、本実施例では、電子機器の一例として、コンピュータでのループヒートパイプの使用を説明したが、ループヒートパイプが使用できる電子機器としてはコンピュータ以外にもあり、電子機器をコンピュータに制限するものではない。高発熱の演算器を搭載した電子機器であれば、開示する蒸発器を備えたループヒートパイプの適用が有効であることは容易に推察可能である。

また、以上説明した実施例では、熱分散空間１４を、集積回路２２から熱が入力される蒸発器１０の底面１０Ｂの反対側の面の近傍に、複数個のウィック５０を覆うように設置した構成を説明した。しかしながら、熱分散空間１４には、図１６（ａ）に示すように、蒸発器１０の側面１０Ｓに沿った延長部１４Ｅを設けた実施例が可能である。更に、図１６（ｂ）に示すように、蒸発器１０の側面１０Ｓに沿った延長部１４Ｅに加えて、ウィック５０とウィック５０の間の部分のウィック収容部１０Ｗの部分に延長部１４Ｔを設けた実施例も可能である。そして、ウィック５０の数も３個に限定されるものではない。

以上、特にその好ましい実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された開示の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。ここで、容易な理解のために、具体的な形態を以下に付記する。

（付記１）少なくとも１つのウィックを内蔵する蒸発器と、
凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、
前記蒸発器内に形成され、蒸気を分散する熱分散空間と、を有し、
前記ウィックは、多孔質の第１のウィックと、前記液管側から前記第１のウィックに挿入され、前記第１のウィックよりも孔径が大きい多孔質の第２のウィックとを含み、
前記第１のウィックと前記第２のウィックとの間に蒸気流路を有し、
前記蒸気通路の前記液管側端部が前記熱分散空間に繋がっていることを特徴とするループヒートパイプ。
（付記２）前記ウィックの個数が複数であり、
前記蒸気流路は、全て前記熱分散空間に繋がっている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）
前記蒸気流路は、前記第２のウィックの先端面と、前記第１のウィックの前記第２のウィックの挿入孔の底部との間にも設けられていることを特徴とする付記１又は２に記載のループヒートパイプ。
（付記４）前記蒸気流路の表面が、非多孔質板により被覆されていることを特徴とする付記１から３の何れかに記載のループヒートパイプ。
（付記５）前記熱分散空間は、前記蒸発器の熱入力面の反対側の面の近傍に、前記ウィックに平行に隣接させて設けられていることを特徴とする付記１から４の何れかに記載のループヒートパイプ。

（付記６）前記熱分散空間は、前記蒸発器の熱入力面に対して垂直な面に沿って、前記ウィックに平行に延長されていることを特徴とする付記５に記載のループヒートパイプ。
（付記７）前記ウィックの個数が複数である場合に、前記熱分散空間は、前記蒸発器のウィック収容部の前記ウィックとウィックの間の部分に延長されていることを特徴とする付記５又は６に記載のループヒートパイプ。
（付記８）前記熱分散空間に隣接する前記蒸発器の外表面には放熱器が設けられていることを特徴とする付記１から７の何れかに記載のループヒートパイプ。
（付記９）前記蒸発器の液管側に補償チャンバが設けられていることを特徴とする付記１から８の何れかに記載のループヒートパイプ。
（付記１０）電子部品と、
前記電子部品に熱的に接触し、少なくとも１つのウィックを内蔵する蒸発器と、
凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、
前記蒸発器内に形成され、蒸気を分散する熱分散空間と、を有し、
前記ウィックは、多孔質の第１のウィックと、前記液管側から前記第１のウィックに嵌め込まれ、前記第１のウィックよりも孔径が大きい多孔質の第２のウィックとを含み、
前記第１のウィックと前記第２のウィックとの間に蒸気流路を有し、
前記蒸気流路の前記液管側端部が前記熱分散空間に繋がっているループヒートパイプを備えたことを特徴とする電子機器。

（付記１１）前記電子部品が回路基板上に実装されており、
前記ループヒートパイプの前記蒸発器は前記電子部品に接した状態で前記回路基板上に取り付けられていることを特徴とする付記９に記載の電子機器。

１ 蒸発器
２ 凝縮器
３ 蒸気管
４ 液管
５ ウィック
６ 作動液
７ 作動液の蒸気
８ 補償チャンバ
９ 放熱フィン
１０ 開示する蒸発器
１３ 連絡流路
１４ 熱分散空間
１４Ｓ、１４Ｔ 熱分散空間の延長部
２０ 電子機器
２１ 回路基板
２２ 集積回路
２３ ヒートスプレッダ
２４ 電子部品
３１ 第１の仕切壁
３２ 第２の仕切壁
３３ 非多孔質板
５０ 開示するウィック
５１ 第１のウィック
５１Ｇ、５２Ｇ グルーブ
５１Ｈ、５２Ｈ 中空部
５２ 第２のウィック

Claims (5)

1. 少なくとも１つのウィックを内蔵する蒸発器と、
   凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、
   前記蒸発器内に形成され、蒸気を分散する熱分散空間と、を有し、
   前記ウィックは、多孔質の第１のウィックと、前記液管側から前記第１のウィックに挿入され、前記第１のウィックよりも孔径が大きい多孔質の第２のウィックとを含み、
   前記第１のウィックと前記第２のウィックとの間に蒸気流路を有し、
   前記蒸気通路の前記液管側端部が前記熱分散空間に繋がっていることを特徴とするループヒートパイプ。
2. 前記ウィックの個数が複数であり、
   前記蒸気流路は、全て前記熱分散空間に繋がってい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. 前記蒸気流路は、前記第２のウィックの先端面と、前記第１のウィックの前記第２のウィックの挿入孔の底部との間にも設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のループヒートパイプ。
4. 前記蒸気流路の表面が、非多孔質板により被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のループヒートパイプ。
5. 電子部品と、
   前記電子部品に熱的に接触し、少なくとも１つのウィックを内蔵する蒸発器と、
   凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを繋ぐ液管及び蒸気管と、
   前記蒸発器内に形成され、蒸気を分散する熱分散空間と、を有し、
   前記ウィックは、多孔質の第１のウィックと、前記液管側から前記第１のウィックに嵌め込まれ、前記第１のウィックよりも孔径が大きい多孔質の第２のウィックとを含み、
   前記第１のウィックと前記第２のウィックとの間に蒸気流路を有し、
   前記蒸気流路の前記液管側端部が前記熱分散空間に繋がっているループヒートパイプを備えたことを特徴とする電子機器。

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