JP2017531154A - 貯留機能を備えた平面型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

本発明は、気液二相作動流体を用いた平面型ヒートパイプ(1)を提供する。ヒートパイプ(1)は、熱源(6)からエネルギを受け取る第１のプレート(21)と、エネルギを吸熱源(7)に移動させる第２のプレート(22)と、密封された内部空間を形成するエッジと、第１のプレート(21)と第２のプレート(22)との間に介在するキャピラリ構造(3)と、第１のプレート(21)に隣接する気化チャネル(11)と、第２のプレート(22)に隣接する凝縮チャネル(12)と、気体(5V)の移動のために気化チャネル(11)を凝縮チャネル(12)に連通させる移送通路(13)と、それぞれの凝縮チャネル(12)と流体連通する貯留槽を形成し、第２のプレートと隣接し、過剰液相(5L)を吸い上げて貯蔵する収集チャネル(3)とを備える。

Description

本発明は、ヒートパイプに関し、より一般的には、二相作動流体を用いた熱伝達システムに関する。より具体的には、熱エネルギあるいはその他の熱源を放出するプロセッサ、パワートランジスタ、その他の電子部品などの電子機器により発生した熱エネルギを移動させるために用いられる平面型ヒートパイプに関する。

このようなヒートパイプにおいては、作動流体は、蒸発器と呼ばれる領域で蒸発し、その後、凝縮器と呼ばれる領域で凝縮される。このヒートパイプは、密閉シェルにより構成されており、この中には、所定量の作動流体が封入されており、この作動流体は、蒸発器領域および凝縮器領域の間に介在するキャピラリ構造によって生じるキャピラリ現象により、前記蒸発器および凝縮器領域の間の閉ループ内を循環する。

具体的には、２つの対向面、すなわち、冷却される電子部品からの熱を受け取る第１のいわゆる「高温側」面と、熱エネルギをフィン型ヒートシンクあるいは従来の液体熱交換器に移動させるための第２のいわゆる「低温側」面を備える、平面型ヒートパイプが存在する。このタイプのヒートパイプは、この分野では「ヒートスプレッダ」とも呼ばれている。ヒートスプレッダタイプのヒートパイプは、たとえば、米国特許第３，６１３，７７８号、米国特許第５，６４２，７７６号、米国特許第７，３９２，８３６号、または米国特許出願公開第２０１０／０３２６６３２号により、公知である。

また、電子部品において、放出される表面フラックス密度を上げることが望まれているため、ヒートスプレッダタイプのヒートパイプのさらなる効率化かつ最適化が求められる。

従来技術の構成では、動作温度による液体の体積の変化を管理するための最適な解決方法は提供されていない。

実際に、液相によって占められた体積は、動作温度の上昇とともに増加し、過剰な液体は、ヒートパイプの性能、特に、この過剰な液体に一部または全部が完全に覆われる可能性のある凝縮器側の熱交換器の性能を低減させる。

米国特許第５，６４２，７７６号 米国特許第７，３９２，８３６号 米国特許出願公開第２０１０／０３２６６３２号

したがって、広範な動作温度下において、ヒートパイプの性能を最適の状態に維持するためには、過剰な液体の管理を改善する必要がある。

このため、本発明の気液二相作動流体を用いる平面型ヒートパイプは、
熱源からの熱エネルギを受け取るための第１のプレートと、
第１のプレートと対向して、かつ、実質的に平行に配置され、吸熱源に熱エネルギを移動させるための第２のプレートと、
前記二相作動流体を含む密封内部空間を形成するために、第１のプレートと第２のプレートを封止および結合するエッジと、
第１のプレートと第２のプレートとの間に介在するキャピラリ構造と、
第１のプレートに隣接する気化チャネルと、
第２のプレートに隣接する凝縮チャネルと、
蒸気を移送させるために、前記凝縮チャネルと前記気化チャネルを連通する、少なくとも１つの移送通路と、
それぞれの凝縮チャネルと流体連通し、第２のプレートに隣接して、過剰な液相を毛細管現象によって引き寄せて貯蔵する貯留槽を形成する、少なくとも１つの収集チャネルと、
を備える。

換言すると、前記収集チャネルは、前記凝縮チャネルの最適な稼働を維持するために過剰液相を取り込む膨張容器として機能する。

本発明の種々の実施形態において、以下に記載した１つ以上の形態を利用することも可能である。

前記気化チャネルおよび／または凝縮チャネルは、前記キャピラリ構造内、または、第１のプレートおよび第２のプレートのそれぞれの内側面に配置され、機械加工、エンボス加工、成形加工などの通常の製造方法によって得られる単純な幾何学的形状である、溝として構成することができる。

前記収集チャネルは、細く狭い通路によって前記凝縮チャネルのそれぞれと流体連通されていることが好ましい。これにより、メニスカスの形成およびキャピラリ現象による吸引効果が得られる。

前記狭い通路は、前記貯留槽に接続する側の前記凝縮溝のそれぞれの端部に配置されていることが好ましい。このような配置は、蒸気が到達してわずかに温度が高い側の末端に配置される場合よりも有利である。

前記狭い通路の水力直径は、前記凝縮チャネルの水力直径よりも厳密に小さいことが好ましい。これにより、前記狭い通路において液体メニスカスの形成が促進される。

前記狭い通路のサイズは、選択された作動流体に応じて、かつ、重力場の方向に関係なく、液体メニスカスが通路内で形成され、かつ、留まるように、また、このメニスカスによって発生した毛細管圧が、いずれの方向においても重力場によって生じた静水圧を補うように、選択されることが好ましい。

作動流体の量は、前記ヒートパイプの最低動作温度において前記貯留槽が気相で完全に満たされるよう選択することが有利である。これにより、所定の温度範囲にわたって作動に必要な液体の量を最適化することができる。

第１のプレート、第２のプレート、およびエッジによって形成されるエンベロープは、セラミック材料製であることが好ましい。前記セラミック材料の熱膨張率は、電子部品の熱膨張率の係数と一致するため、機械的ストレスによるリスクを回避することができる。

前記キャピラリ構造は、セラミック材料製であることが好ましく、この場合、前記キャピラリ構造の熱膨張率は、前記エンベロープの熱膨張率と一致するため、機械的ストレスによるリスクをさらに低減させることができる。

図１は、使用環境下における、本発明のヒートパイプの概観斜視図である。 図２は、図３の切断面II−IIに沿った、本発明のヒートパイプの横断面図である。 図３は、図２の切断面III−IIIに沿った、図２のヒートパイプの水平断面図である。 図４は、図２の凝縮側のプレートおよびヒートパイプのキャピラリ構造を示す分解斜視図である。 図５は、図３の切断面Ｖ−Ｖに沿った、図２のヒートパイプの分解側面および断面図である。 図６は、貯留槽を形成する収集チャネルと凝縮チャネルとの間に形成された、狭い通路の詳細図である。 図７は、組み立てられた状態での異なる実施形態を示す、図５に類似する図である。

本発明のその他の特徴、目的、および利点は、以下の本発明の実施形態および実施例によって明らかにされるが、本発明は、これらの実施形態および実施例に限定されることはない。また、本発明は、添付の図面を参照することにより、より良く理解される。

図中で用いられた同一の参照符号は、同一または類似の要素を示す。

図１は、散逸部品 （熱源）６によって生産された熱エネルギを受け取ることが可能な要素（吸熱源）７に向けて熱エネルギを移動させることが可能な平面型ヒートパイプ１を備えたシステムを示す。図示の例においては、基準面はＸＹと定義される。散逸部品６とヒートパイプ１との間の物理インターフェースも、平面型ヒートパイプ１と吸熱源７を構成するプレートとの間の物理インターフェースも、この基準面に対して平行である。熱エネルギの流れは、ヒートパイプ内を流れる作動流体によって、Ｘ、Ｙ、およびＨのすべての方向に分散され、凝縮器プレート２２と吸熱源７との間の接続部において消散される。すなわち、熱エネルギの流れは、基準面に対して垂直である横断方向Ｈに沿うが、基準面のＸおよびＹの方向にも沿う。このタイプの平面型ヒートパイプは、吸熱源７側における熱エネルギを移動させるための表面積が、熱源６からの熱エネルギを吸収するための表面積よりも大きいため、ヒートスプレッダとも呼ばれる。

平面型ヒートパイプ１の内側には、熱源６から熱エネルギを取り出して、吸熱源７に移動させるための二相作動流体５が存在する。二相作動流体５は、一部が液相５Ｌからなり、一部が気相５Ｖからなる。

図２から図５を参照すると、ヒートパイプ１は、熱源からの熱エネルギを受け取るための第１のプレート２１と、熱エネルギを吸熱源７へ移動させるための第２のプレート２２を備える。第２のプレート２２は、第１のプレート２１に対向し、かつ、Ｈ方向に離間して、第１のプレート２１と平行になるように配置されている。

なお、Ｈ方向は、重力場における鉛直方向と必ずしも一致する必要はなく、同様に、基準面ＸＹも、水平面と必ずしも一致する必要はない。

好ましくは、Ｈ方向におけるヒートパイプ１の厚さ（第１のプレート２１および第２のプレート２２の外側面の間）は、たとえば、２０ｍｍ以下、または１５ｍｍ以下、または１０ｍｍ以下である。したがって、このヒートパイプは、カード型コンピュータまたは電子制御ユニットに容易に組み込むことが可能である。しかしながら、いかなる寸法であっても、本発明の原理を適用することは可能である。

さらに、エッジ２３は、第１のプレート２１および第２のプレート２２を密封するように接続する。第１のプレートおよび第２のプレートの面全体と、このエッジにより、二相作動流体５を封入する閉鎖された内部空間（密封ハウジング）が形成される。密封空間が形成されると、閉じられた内部と外部との間では物質交換が行われることがないため、温度および圧力の状態が変化したとしても、作動流体量は一定量に維持される。

キャピラリ構造３は、第１のプレート２１と第２のプレート２２との間に介在しており、液相の流体を吸引し、回路内のすべての圧力損失を補うことが可能な圧力の上昇を発生させる機能を有する。したがって、この流体は、ヒートパイプ内においてこのキャピラリポンプによって流動させられる。このキャピラリ構造３は、多孔質体（たとえば、焼結金属によるもの）、あるいは、メッシュ構造またはスチールウールのような構造によって形成される。キャピラリ構造３は、多孔質のセラミック材料や、多孔質のプラスチック材料からも得られる。孔の大きさは、液相作動流体、特に作動流体の表面張力（自然に形成されるメニスカスの半径）に基づき選択される。孔の大きさは、典型的には１μｍから１００μｍの間、あるいは１μｍから２０μｍの間であり、好ましくは２μｍから５μｍの間である。図面の理解を容易にする目的から、キャピラリ構造３は、図２においては、間隔の広いハッチングとして、図３においては、ハッチングなしの状態で示されている。

キャピラリ構造３は、液体で満たされている。散逸部品６からの熱流束は、キャピラリ材料の表面で液体を気化させ、キャピラリ材料は、局所的に乾いて、液相作動流体を引き寄せて、ヒートパイプ内において流動させる。しかしながら、冷却システムに特有の外部条件によってヒートパイプの動作温度が上昇し始めると、液相によって占められる体積は、キャピラリ構造内に収容可能な容量を超えてしまう。その結果、過剰な液相５Ｌが、キャピラリ構造３の外側に存在することになる。

実際に、液相の密度ρＬは、液相の温度が上昇すると減少するが、逆に、気相の密度ρＶは上昇する。したがって、ヒートパイプ内の流体の全体量は変化しないため、ヒートパイプの密封空間内における液相５Ｌの相対的な液量は温度の上昇とともに増加し、過剰な液体を生じさせる。

凝縮チャネル１２内における過剰な液体は、凝縮現象による熱交換を低下させ、有害であるより大きな温度勾配をもたらす。

なお、ヒートパイプ１は、重力場が支配する地上用途での利用が可能であるが、重力が非常に弱い、または、無重力の宇宙空間においても利用することが可能である。

第１のプレート２１（すなわち蒸発器側）での熱エネルギの吸収により、第１のプレート２１に存在する液相作動流体５Ｌは、この熱エネルギを吸収しながら気化する。気化チャネル１１は、このようにして発生した蒸気を移動させ、他の液相流体を連続して流入させるために、第１のプレートに隣接して配置することが有利である。気化チャネル１１は、図示したとおり、キャピラリ構造内に溝として形成することができるが、第１のプレート２１の内側面に形成することもできる。

蒸発器側に発生した蒸気５Ｖは、移送通路１３を通って、第２のプレート２２にある凝縮領域に向かって移動する。この凝縮領域において、吸熱源の低い温度により、蒸気が再び液体の状態に凝縮される。図示の例では、この凝縮は、第２のプレート２２に隣接する凝縮チャネル１２において行われる。図示の例では、凝縮チャネル１２は、第２のプレートの内側面に配置される。別の実施形態においては、凝縮チャネル１２は、キャピラリ構造３の内部に溝として形成される。

液相−気相および気相−液相間の変化は、気液平衡状態を示す飽和圧力（Ｐsat）、飽和温度（Ｔsat）（飽和条件）により決定される所定の温度において起こり、その結果、液相−気相で変化する流体を有する、このようなヒートパイプでは、一方で、第１のプレートと第２のプレートとの間におけるごくわずかまたは無視できるような温度変化は許容されるが、他方で、ヒートパイプの内部において、よって、吸熱源７とインターフェースを形成する表面２７の全体においても、流体の温度がほぼ完全に均一化される。

蒸気は、液体で満たされたキャピラリ構造を移動しないことが望ましい。液体で満たされたキャピラリ構造は、気体に対してバリアを形成する。このバリアは「キャピラリシール」と呼ばれる。

動作温度が上昇した際に形成される過剰液体を収容するために、本発明においては、それぞれの凝縮チャネル１２と流体連通した貯留槽を形成する収集チャネル９が設けられている。

貯留槽９は、凝縮器に自然に堆積した過剰液体を組織的に取り込む。後述するように、本発明の貯留槽は、過剰液体を引き寄せて取り込むため、過剰液体が凝縮チャネル１２内に蓄積されることはない。

図示の例では、凝縮チャネル１２は、互いに平行にＹ方向に伸長する。貯留槽を構成する収集チャネル９は、凝縮チャネルに対して垂直（Ｘ方向）に伸長する。図示した構成においては、ヒートパイプは、一般的な平行六面体の形状をしている。しかしながら、その他の幾何学的形体を採ることは排除されておらず、たとえば、熱源と吸熱源との間にリンクを設けることができる限り、チャネルが星形やその他の形状に配置された、ディスクまたはウェハの形体を採ることもできる。

それぞれの凝縮チャネル１２は、移送通路１３へ開かれた第１の端部１２ａと、貯留槽９を形成する収集チャネルとの流体連通８が設けられた第２の端部１２ｂとの間に伸長する。

収集チャネル９とそれぞれの凝縮チャネル１２との間の接続８は、細い通路（狭い通路）により構成されていることが好ましい。より具体的には、細い通路８の水力直径は、凝縮チャネル１２の水力直径よりも小さい。

液体メニスカス８４（図６）は、その位置に形成され、細い通路８を占めている。

液体メニスカス８４は、鉛直方向に対するＸ方向の角度にかかわらず、貯留槽９内における重力場によって生じる静水圧を補うキャピラリ圧を生成する。

作動流体の種類に応じて、細い通路８の幅は、凝縮溝１２の幅の３／４以下、半分以下、あるいは、１／３以下になるよう選択される。

貯留槽９の上面は、キャピラリ構造３と接している。したがって、液相は、細い通路８および／またはキャピラリ構造の吸引によってのみ、貯留槽９へ流入または流出することが可能である。

さらに、収集チャネル９に蒸気が流入することはないため、収集チャネルの温度は、凝縮チャネルの温度よりもわずかに低い。これにより、凝縮チャネルと貯留槽９内との間にわずかな差圧が生じ、液相にある流体が貯留槽内に向けて吸引される。

有利な構成においては、水力直径および発生する差圧は、ヒートパイプが配置される方向にかかわらず、重力場の影響を補うには十分である。さらに、ヒートパイプが輸送手段（電車、飛行機など）上に搭載されている場合や、モバイル機器（ノートパソコン、タブレットなど）に組み込まれている場合には、時間の経過とともにヒートポンプが配置される方向は変化してもよい。

図示の例では、蒸気を移送するために使用される移送通路１３は、キャピラリ構造の全周に沿って、すなわち四方に存在する、自由空間によって形成され、具体的には、２つの左右キャビティ１３ｃ、１３ｄと、貯留槽に近接して配置された後方キャビティ１３ｂと、収集チャネルの反対側に配置された前方キャビティ１３ａとからなる。前方キャビティ１３ａは、凝縮チャネルの第１の端部１２ａのそれぞれに直接開口している。

気化チャネル１１の第１の端部１１ａのそれぞれは、前方キャビティ１３ａに開口しており、気化チャネルの第２の端部１１ｂのそれぞれは、後方キャビティ１３ｂに開口している。移送通路を通過する蒸気の流れは、図３において、Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄとして示されている。

ヒートパイプ１の密閉チャンバ内に含まれていなければならない作動流体の量は、ヒートパイプの最低動作温度によって決定され、Ｔ＿ｍｉｎ＿ｏｐと示される。

したがって、理想的には、液相５Ｌがキャピラリ構造の全体積を占めるが、それ以上とはならないように、フルード５の量を選択する。換言すると、フルード５の量は、ヒートパイプの最低動作温度Ｔ＿ｍｉｎ＿ｏｐにおいて、貯留槽９が気相５Ｖで完全に満たされるよう選択される。

ヒートパイプの動作温度がＴ＿ｍｉｎ＿ｏｐから上昇すると、過剰液体が生じて貯留槽９を満たす。

ヒートパイプの動作温度がＴ＿ｍｉｎ＿ｏｐよりも低い場合、キャピラリ構造は完全には液体で満たされず、貯留槽は完全に蒸気で満たされる。この場合、ヒートパイプの熱移動性能は最適以下となるが、ヒートパイプは、低下モード（流体の流量および／または動作温度の変動するモード、あるいは、Ｔ＿ｍｉｎ＿ｏｐを超えるまで動作温度を再上昇させるモード）で作動する。

貯留槽９の容積は、最高動作温度Ｔ＿ｍａｘ＿ｏｐに対応する過剰量の液体５Ｌを収容できるように決定される。

第１のプレート２１、第２のプレート２２、およびエッジ２３は、金属材料（ニッケル、銅、ステンレス鋼など）、セラミック材料（アルミナ、ＡｌＳｉＣ、窒化アルミニウムなど）、あるいは、プラスチック材料から形成される。ここで、エッジ２３は、個別の部材でもよく、プレートの１つと一体でもよい。たとえば、図５に示すように、第１のプレート５を、第１のプレートとエッジとを含む部材４により構成することができる。エッジは、ろう付け、レーザ溶接、構造接着などによって封止される。

１つの実施形態においては、第２のプレート、凝縮溝、および収集チャネルにより、基部２が形成される。

また、エッジは、それぞれのプレートの縁部を結合させ、基準面ＸＹにおける連結部として構成することもでき、この場合、たとえば、第１のプレートは、図７に示すように、絞り加工された縁部を有する。

使用される作動流体５は、ヒートパイプハウジングに対する機械的ストレスを化縄できる、いわゆる低圧流体であることが好ましく、たとえば、水、メタノール、アセトン、エタノール、あるいは、任意の冷媒流体などを用いることができる。

図示の例では、キャピラリ構造３は、幅ＬＸ３、長さＬＹ３、および、高さｈ３を有する、略平行六面体からなる。第１のプレート２１は、ＬＹ３と、前方通路１２ａおよび後方通路１２ｂの幅と、エッジの厚さの合計に実質的に一致する長さＬＹ１を有する。第２プレート２２は、幅ＬＸ２，長さＬＹ２、高さｈ２を有する。

凝縮溝の深さｈ７と貯留槽を形成する収集チャネルの深さｈ９とを同一としてもよいが、凝縮溝の深さよりも収集チャネルの深さの方を大きくしてもよい（ｈ９＞ｈ７）。目的とされる用途の要件および制約に応じて、ｈ９＜ｈ７とすることもできる。

気化溝の深さｈ６を、凝縮溝の深さｈ７と同様にすることもできる。

気化側および／または凝縮側の溝の断面は、図示のように正方形とすることもできるが、長方形、三角形、半円形などの形状とすることもできる。

ヒートパイプ自体の組み立てまたは機械的環境におけるヒートパイプの組み立てのために、第１および第２のプレートとキャピラリ構造とに複数の孔（貫通あるいは非貫通の孔、ねじ式あるいは非ねじ式の孔など）を設けてもよい。

前記貯留槽は、特定の温度条件下においては、凍結した液体を貯留することが可能であり、また、凝縮不能な気体も貯留することが可能である。

吸熱源への接続は、組立体を直接接続させるか、あるいは、吸熱源である外部流体とのの対流熱交換を行う場合には、フィンを追加することによって実現される。

本発明の範囲から逸脱することなく、第１のプレート２１および第２のプレート２２を互いに平行とならないようにすることも可能である。

本システムは、完全な受動システムとして、動的機器をまったく含まず、メンテナンスも不要であり、空間内のどのような方向に対しても動作することが好ましい。

ヒートパイプの初期充填のために、充填開口およびホース（図示せず）が提供され、所定量の作動流体を流入させた後は、前記開口はバルブやキャップで閉鎖されるか、永久的に封止される。

貯留槽を形成する空洞は、図示した収集チャネルの形状以外のどのような形状でもよい。たとえば、互いに連結した星形溝を有する円筒空洞により構成することもできる。

同様に、貯留槽を形成する空洞は、互いに離間し、かつ、見かけの静水圧の高さの合計を制限するスロットルによって互いに連通する、複数部分により構成されていてもよい。

Claims (9)

1. 二相気液作動流体を備えた平面型ヒートパイプであって、
   熱源からの熱エネルギを受け取るための第１のプレートと、
   第１のプレートと対向して、かつ、実質的に平行となるよう配置され、吸熱源に熱エネルギを移動させるための第２のプレートと、
   前記二相作動流体を含む密封内部空間を形成するために、第１のプレートおよび第２プレートを封止および結合するエッジと、
   第１のプレートおよび第２のプレートとの間に介在するキャピラリ構造と、
   第１のプレートに隣接する気化チャネルと、
   第２のプレートに隣接する凝縮チャネルと、
   蒸気を移送させるために、前記凝縮チャネルと前記気化チャネルとを連通する、少なくとも１つの移送通路と、
   それぞれの凝縮チャネルと流体連通し、第２のプレートに隣接して、過剰な液相を引き寄せて貯蔵する貯留槽を形成する、少なくとも１つの収集チャネルと、
   を備える、ヒートパイプ。
2. 前記気化チャネルおよび／または凝縮チャネルは、前記キャピラリ構造内、または、第１のプレートおよび第２のプレートのそれぞれの内側面に配置された溝によって構成されている、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記収集チャネルは、細い通路によって前記凝縮チャネルのそれぞれと流体連通されている、請求項１または２に記載のヒートパイプ。
4. 前記貯留槽に接続する側の前記凝縮チャネルのそれぞれの端部に配置されている、請求項３に記載のヒートパイプ。
5. 前記細い通路の水力直径は、前記凝縮チャネルの水力直径よりも厳密に小さい、請求項３または４に記載のヒートパイプ。
6. 前記細い通路のサイズは、選択された作動流体に応じて、かつ、重力場の方向に関係なく、液体メニスカスが該細い通路内で形成され、かつ、留まるように選択され、該メニスカスにより生じた毛細管圧が、いずれの方向においても重力場によって生じた静水圧を補うように構成されている、請求項３〜５のいずれかに記載のヒートパイプ。
7. 前記ヒートパイプの最低動作温度において、前記貯留槽が気相で完全に満たされるように、前記作動流体の量が選択される、請求項１〜６のいずれかに記載のヒートパイプ。
8. 第１のプレート、第２のプレート、およびエッジにより形成されたエンベロープは、セラミック材料製である、請求項１〜７のいずれかに記載のヒートパイプ。
9. 前記キャピラリ構造はセラミック材料製である、請求項１〜８のいずれかに記載のヒートパイプ。
   

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