JP2020516845A - 最適化された気化インタフェースを備えるエバポレータ - Google Patents

Abstract

伝達システムのためのキャピラリエバポレータが提供される。該エバポレータは、熱受入部材（１）と、一次ウィック（２）とを備える。前記部材（１）は、基部（１０）と、複数の突出部（１１）を備える。各突出部（１１）は、基部（１０）から頂部（１２）に伸長し、その大きさは、基部（１０）から離れるほど小さくなる。一次ウィック（２）は、第１多孔質体材料からなり、突出部（１１）の前記頂部に隣接する正面（２０）を有する。突出部（１１）の側面は、一次ウィック（２）とともに蒸気チャネル（４）を形成する間隙を画定する。突出部（１１）の側面は、第２多孔質体材料の薄層（３）で被覆される。薄層（３）の最大肉厚部（３１）が、各突出部（１１）の前記頂部の近傍において一次ウィック（２）と接触する。薄層（３）の厚さ（ＥＣ）は、一次ウィック（２）から離れるほど小さくなる。

Description

本発明は、通常、二相作動流体を用いた熱伝達システムにおいて使用されるエバポレータに関する。

より具体的には、液体が大量の熱エネルギを吸収しながら蒸気に変換される、気化インタフェースに関する。

このタイプのエバポレータは、通常、プロセッサ（ＣＰＵ、ＧＰＵ）、電源モジュール（ＩＧＢＴ、ＳｉＣ、ＧａＮなど）、熱を発生する他の電子部品を含む電子機器、あるいは、他の熱源を冷却するために用いられる。

このタイプのエバポレータは、コンデンサと、エバポレータおよびコンデンサ間で流体を循環させるための供給および戻りラインを備えるシステムで用いられる。

電子機器における現在の傾向に鑑みると、小さな表面から大きな熱出力を放散する必要があるといえる。

エバポレータにおいては、液体を流入させるキャピラリウィックと、熱を供給する一次熱源と接触して熱を受入／移動させる部材またはプレートとの間のインタフェースに、蒸気放出チャネルを形成する空間が備えられる。これらの蒸気チャネルは、キャピラリウィックまたは熱受入部材に配置される。一般的には、米国特許第５７２５０４９号（ＮＡＳＡ）に教示されているように、前記蒸気チャネルを形成するために、長方形断面の溝が備えられる。

熱流束の観点から容量を増やすために、異なる形状を有する蒸気チャネルを設計することにより熱容量を増やす試みも行われている。実際、蒸気チャネルの存在により、ウィックと接触する熱流束密度が集中することから、開発者は、たとえば欧州特許第０９８７５０９号（Ｍａｔｒａ Ｍａｒｃｏｎｉ Ｓｐａｃｅ社）に記載された「リエントラント」と呼ばれる溝を支持している。

たとえば米国特許第６３３０９０７号（三菱電機株式会社）に記載されているように、寄生熱漏れを最小限に抑える試みも行われているが、ウィックとの接触ゾーンにおける蒸気泡の形成が避けられず、このため、気化ゾーンへの液体の適切な供給が行われない可能性がある。

米国特許第５７２５０４９号 欧州特許第０９８７５０９号 米国特許第６３３０９０７号

公知の気化インタフェースは、表面熱流束を２０Ｗ／ｃｍ^２以上で処理することが不可能である。一次ウィック内部における気化前線のくぼみによる、熱流束密度の増加を伴った熱交換係数の大幅な低下が生ずるためである。ウィック内における蒸気泡数の増加により、乾燥のリスク、すなわち、この位置において液体の供給が中断されるリスクが増大する。このような現象は、回避されるべきである。

エバポレータに対する要求はこれからも大きくなることは明らかであることから、本発明者らは、二相作動流体を用いた熱伝達ループにおけるエバポレータの気化インタフェースの最適化を追求したものである。

本発明の目的は、熱伝達システムのためのキャピラリエバポレータを提供することにある。該エバポレータは、
熱受入部材（１）と、一次ウィック（２）とを備え、
前記熱受入部材（１）は、基部（１０）と、複数の突出部（１１）を備え、各突出部（１１）は、前記基部（１０）から頂部（１２）に伸長し、各突出部（１１）の大きさは、前記基部（１０）から離れるほど小さくなり、かつ、各突出部（１１）は、側面（１３）を有し、
前記一次ウィック（２）は、第１多孔質体材料からなり、前記突出部（１１）の前記頂部（１２）に隣接する正面（２０）を有し、
前記突出部（１１）の前記側面は、前記一次ウィック（２）とともに蒸気チャネル（４）を形成する間隙を画定し、
前記突出部（１１）の前記側面（１３）は、好ましくは前記第１多孔質体材料とは異なる第２多孔質体材料からなる、薄層（３）により被覆されていることを特徴とする。

「薄層」は、１ｍｍ未満の厚さを有する層を意味する。本発明者らは、前記突出部に薄層を伴わせることで、優良な性能が得られることを見出した。

前記多孔質体材料からなる薄層は、液体が前記一次ウィックからいわゆる二次ウィックを構成する前記多孔質体材料からなる薄層へと通過する結合ゾーンにおいて、前記一次ウィックと接触する。

「大きさが、基部から離れるほど小さくなる」とは、前記基部（１０）から離れるに連れて徐々に、前記突出部（１１）の少なくとも１つの寸法が減少することを意味する。

有利なことに、液相流体は、毛管作用により、前記一次ウィックから、前記気化が生ずる位置において前記突出部を被覆する前記薄層に送られるため、その交換表面が増大する。かかる構成により、５０Ｗ／ｃｍ^２以上の熱流束を処理できる気化インタフェースが得られるため、公知技術の熱交換係数よりもはるかに高い熱交換係数Ｗ／（ｍ^２Ｋ）が提供される。考えうるさまざまな構成に応じて、気化インタフェースは、数十あるいは数百Ｗ／ｃｍ²の処理も可能となる。

また、前記突出部の前記頂部の領域では、前記一次ウィックに直接伝達される熱流束は、全熱流束と比較すると大幅に減少しているため（蒸発は主に前記側面で生じる）、前記一次ウィックとの接触領域において沸騰現象が生じることが阻止される。すなわち、前記一次ウィックの過熱が防止される。このように、前記一次ウィックに前記気化前線が進入することを制限し、かつ、前記専用チャネルに生成された蒸気を抜き出すことを促進しつつ、前記受入部材の過熱を低減することによって、寄生流束の移動が制限される。

本発明のさまざまな実施態様において、以下に示す１つ以上の構成を単独または組み合わせて適用することが可能である。

選択肢の１つによれば、前記薄層は実質的に均一な厚さを有することができる。この構成では、前記受入部材の表面に固定された金属製の織物の使用により、比較的簡単な製造および組み立ての方法が提供される。

選択肢の１つによれば、前記薄層は不均一な厚さを有し、前記薄層の最大肉厚部（３１）は、各突出部の前記頂部付近で前記一次ウィックと接触し、前記薄層の厚さ（ＥＣ）は、前記一次ウィックから離れるほど小さくなる。この構成により、単位表面積あたりの消費電力の観点から、装置全体の性能を向上させることが可能となる。

選択肢の１つによれば、前記熱受入部材は、冷却される熱源の平面形態に対応するプレートを備えることができる。

他の選択肢によれば、前記熱受入部材は、冷却される熱源の円筒形態に対応する、平面構成と同等に一般的である概円筒形状を有することができる。この円筒構成は、宇宙用機器に適用されるアンモニアなどの高圧流体を使用する場合に、一般的に採用される。この場合、通常はアルミニウム製である平面ソールを、円筒形のエバポレータの外面に組み付けることが可能である。

選択肢の１つによれば、前記突出部は、有利には、台形または三角形の断面を有する直線状リブとして形成されることができる。これにより、前記熱受入部材は、押出成形または単純な機械加工（フライス加工）により製造することが容易となる。さらに、このような台形断面により、特に、エバポレータ上に電源モジュールをねじ込みによる圧縮接続する際に生ずる機械的な外力の強力な伝達が可能となる。これは、高さ方向に実質的に一定の厚さを有する従来の（特に銅製の）薄フィンには、不可能である。

選択肢の１つによれば、前記突出部は互いに隣接しており、各蒸気チャネル（４）は、概三角形の断面を有し、該三角形の頂点の１つは、前記受入部材の前記基部に向いている。これにより、前記薄層に覆われた領域の密度はこうして最大化され、その結果、利用可能な表面全体に対する熱交換も最大化される。

選択肢の１つによれば、前記突出部の断面は、対称二等辺台形（すなわち「歯」）であり、短辺の長さは長辺の長さに対して最大２０％である。すなわち、Ｄ３＜０．２Ｗである。これにより、前記蒸気チャネルは十分な寸法を有し、特に、前記突出部の前記頂部間の幅により、過度の圧力損失を伴うことなく蒸気が急速な流動が可能となる。

選択肢の１つによれば、前記短辺（すなわち前記頂部の幅）の寸法Ｄ３は、０．３ｍｍ未満である。本発明者らは、当業者の先入観に反して、前記頂部の細さが問題となることはなく、該頂部が前記薄層と組み合わされることにより、液体供給ゾーンにおける気相の発生を防止でき、前記一次ウィックを通じて寄生流束の移動を制限することができることを見出した。

選択肢の１つによれば、前記突出部の前記断面の形状に関して、前記頂部の開口半角αは、４５度未満であり、好ましくは５度〜３０度である。

これは、前記突出部Ｈ２の高さが前記基部の幅Ｗの１／２よりも大きいということを意味し、有効表面積の増加による交換効率の向上を部分的に説明する。

選択肢の１つによれば、前記一次ウィックは、通常、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満である、ニッケル、ステンレス鋼、セラミック、テフロン（登録商標）などの熱伝導性の低い材料から得られることが好ましい。これにより、前記一次ウィックの他側に位置する液体が加熱されることが防止され、寄生熱漏れが効果的に制限される。

選択肢の１つによれば、前記薄層は、通常、熱伝導係数が１００Ｗ／ｍＫより大きい、好ましくは３８０Ｗ／ｍＫより大きい、銅、アルミニウムなどの優れた熱伝導体から得られる。

これにより、前記薄層における良好な熱拡散と気化位置の良好な配置が図られる。

選択肢の１つによれば、前記薄層の孔径は、前記一次ウィックの孔径よりも小さい。これにより、前記一次ウィックから前記薄層への液体の供給と、前記薄層の前記最大肉厚部から前記薄層の内部への液体の供給が促進される。

選択肢の１つによれば、好ましくは前記薄層と前記熱受入プレート１が接触する位置のいずれにおいても、前記薄層の厚さＥＣは０．５ｍｍ未満である。本発明者らは、前記薄層の厚さが小さい場合でも良好な性能を得るためには十分であることを見出した。さらに、先行技術の特定の実施形態とは異なり、突出部１１が存在するため、前記熱受入プレートは平板状ではない。

選択肢の１つによれば、前記基部の厚さＨ１は、０．５ｍｍ〜５ｍｍである。この厚さは、冷却される部品へのねじ込みなどによる組み付けに対する、十分な剛性および強度を付与するために調整される。

選択肢の１つによれば、前記突出部の高さＨ２は０．５ｍｍ〜３ｍｍである。この高さは、前記蒸気チャネルにおいて十分な断面積を得て、圧力損失に関する潜在的な問題を回避する観点から調整される。

選択肢の１つによれば、前記突出部は、円形リブにより構成される。これは、エバポレータがディスク形状である場合に適用可能である。

選択肢の１つによれば、前記突出部は、円錐スタッドまたは角錐スタッドにより構成される。表面効率をさらに向上させることが可能であり、製造方法によっては、該被覆された熱受入プレートのコストを妥当な価格に維持することができる。

選択肢の１つによれば、前記一次ウィックの厚さＥ２は一定であり、好ましくは１ｍｍ〜８ｍｍである。このような簡素な一次ウィックは、入手可能でかつ安価な材料である。

選択肢の１つによれば、前記突出部の前記頂部は、前記一次ウィックの有効面積の２０％未満の面積において前記一次ウィックと接触する。

さらに、本発明は、前記エバポレータと、コンデンサと、熱サイフォン構成（「プール沸騰」構成を含む）を有する重力ポンプ、キャピラリのみのあるいは該キャピラリとジェットとを組み合わせたポンプ、あるいは、機械的ポンプによって作動するエバポレータのいずれかを有する流体導管とを備える、熱伝達システムに関する。

本発明の他の態様、目的、および利点は、本発明の実施形態に関する以下の説明と、限定されない実施例によって明らかにされる。また、本発明は、添付する図面を参照することによってより良く理解される。

図１は、本発明のエバポレータを含む熱伝達システムの概略図である。 図２は、図１の断面II−IIに沿った、第１の実施形態によるエバポレータの部分切断側面図である。 図３は、前記エバポレータの概略部分斜視図である。 図４は、断面の一部をより詳細に示し、突出部とその多孔質体コートが図示されている。 図５は、平板状ではなく円筒形状を有する、第２の実施形態のエバポレータを示す。 図６は、多孔質体材料の薄層で覆われた突出部の側面に沿った気化流束の分布を示す。 図７は、突出部の内部における熱流束と、薄層に沿った液体の供給流れを示す。 図８は、図２のVIII―VIII断面に沿った水平断面における蒸気チャネルの配置を示す。 図９は、他の代替的な実施形態を示す、スタッドを備えたエバポレータの概水平断面図である。 図１０は、多孔質体材料の薄層の構成に関する２つの代替的な実施形態を示す。

異なる図面において、同一の参照番号は同一または類似の要素を示す。説明の明確性のために、一部の寸法は、縮尺どおりには示されていない。

図１は、散逸性部品（熱源）からエバポレータ７が受け入れた熱Ｑｉｎの流束をコンデンサＣＯＮＤに排出することができる受入部材１を有するエバポレータ７を備えた、熱伝達システムを示す。コンデンサＣＯＮＤは、熱を受け取って、該熱Ｑｏｕｔを「低熱源」（周囲空気、温水または冷水、放射パネルなど）に排出する。

蒸気管８は、エバポレータ７で生成された蒸気をコンデンサＣＯＮＤに運搬する。液管９は、コンデンサＣＯＮＤで凝縮された液体をエバポレータ７に戻す。コンデンサＣＯＮＤ、蒸気管８、および液管９は、公知であるため、その詳細についての説明は省略する。エバポレータ７、コンデンサＣＯＮＤ、および管８、９は、重力（熱サイフォン）、陸上および無重力構成の両方または加速場（重力、車両の移動）で機能する手段であるキャピラリポンプ、あるいは、機械式ポンプにアシストされたポンプのいずれかを使用することにより、熱伝達ループを構成する。

図１に示した例では、液体（液体の熱膨張およびリザーバ外における蒸気体積の変動）の膨張容器として機能するリザーバＲＥＳが備えられている。リザーバＲＥＳが独立した要素として備えられている場合には、ループは、いわゆるＣＰＬ（キャピラリポンプループ）である。他の構成として、リザーバの機能がエバポレータ内部に備えられる構成がある。この場合には、ループは、ＬＨＰ（ループヒートパイプ）である。「熱サイフォン」構成の場合には、リザーバは不要である。

蒸気管、液体管、およびコンデンサを備えた一般的なループの動作については、公知であるため、ここでは詳述しない。以下、エバポレータおよびその内部構造を中心に説明する。

エバポレータ７は、熱受入部材１を備える。熱受入部材１は、図示の第１例においては、熱Ｑｉｎの流束を供給する冷却される部材（図示せず）が支持されるプレート１である。プレート１は、エバポレータ７の内側に特有の構造を有する。以下、この構造について説明する。

エバポレータ７は、キャピラリタイプのエバポレータであり、毛管作用によって液体を引き込むウィック（多孔質体）を含み、液体は、液管９および膨張リザーバＲＥＳと連通する液体コンパートメント５の内部に存在する。

なお、エバポレータ以外にも広く適用する観点から、「受入部材」の用語に代替して「移転部材」という用語を使用することもできる。以下、「受入部材」の用語に代替して、「ホットプレート」または「受入プレート」という用語が用いられる場合がある。

構造的には、エバポレータ７は、ホットプレート１、以下に詳述するキャピラリ構造、液体コンパートメント５、および、全部材が配置され、作動流体を密閉収容するエバポレータ７が密閉される内部空間を形成するカバーハウジングを備える。

より具体的には、前記キャピラリ構造は、多孔質体材料の薄層を形成するキャピラリコート構造（部材３）を伴った一次ウィック２からなる。以下、かかる構造について、詳述する。

特に、図２〜図４に示した第１の実施形態では、熱受入部材であるホットプレート１は、深さ方向の軸Ｘに対して垂直である、平面ＹＺに沿って、２つの方向Ｙ、Ｚに伸長する基部１０と、複数の突出部１１とを備える。各突出部１１は、基部１０から頂部１２に伸長し、側面１３を備える。

好ましくは、各突出部１１の大きさ（寸法）は、基部から離れるにしたがって減少する。すなわち、突出部１１の少なくとも１つの寸法は、基部１０から離れるにつれて徐々に小さくなる。したがって、側壁１３は互いに平行ではない。

より具体的には、ＸＹ平面（図２および図４）における突出部の断面は、寸法Ｗの幅広な基部と、寸法Ｄ３の幅狭な頂部を有する台形形状である。基部および頂部は、Ｙ軸に対して平行であり、突出部の側面１３は、基部に対して角度βで斜めに伸長する。

断面形状から、この突出部１１は「歯」と呼ぶ場合がある。

図示の例では、台形形状は対称性を有し、より正確には、対称二等辺台形からなり、Ｄ３＜０．２Ｗである。

この断面形状は、頂部１２における開口半角αを有する円錐台断面形状として定義することも可能であり、好ましくは、α＜４５度またはβ＞４５度である。

好ましくは、頂部１２の開口半角αは、５度〜３０度の範囲で設定される。

一実施例において、短辺Ｄ３の大きさは、０．３ｍｍ未満である。

図３に示すように、突出部１１は、Ｚ方向に沿って断面が一定に伸長する。このため、突出部１１の間には、溝４の形態からなる空間が形成される。溝４は、「気化チャネル」または「蒸気チャネル」とも呼ぶことができる。

好ましくは、突出部１１は互いに隣接して、隣接する突出部はそれぞれ蒸気チャネル４によって分離される。このため、突出部１１は、Ｙ軸に沿って、各突出部１１の基部の幅Ｗに対応するピッチを有する繰り返しパターンにより構成される。

気化チャネル４の高さはＨ２で示される。本実施例では、突出部１１は台形断面形状を有する複数の直線リブにより構成され、Ｗは、Ｙ軸に沿ったその繰り返しピッチに相当する。

一次ウィック２は、多孔質体材料の厚層として構成される。図示の例では、この層の厚さＥ２は、エバポレータ７の表面全体において一定であるため、安価な標準製品の使用が可能である。一次ウィック２の厚さＥ２は、１ｍｍ〜８ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜５ｍｍの範囲で設定される。

一次ウィック２は、受入プレート１に面する正面２０と、液体５と接触する背面２５とを有する。任意的に、平坦な一次ウィック２は、エバポレータ７の機械的強度を強化する剛性構造である内壁２８によって支持されることができる。内壁２８は、毛管作用による液体分配機能の必要性に応じて、多孔質体あるいは非多孔質体から任意に選択される。

後述する、厚さが一定でない一次ウィックの使用も可能である。

一次ウィック２としては、好ましくは、ニッケル、ステンレス鋼、テフロン（登録商標）などの熱伝導性の低い材料が選択される。通常、熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ未満、好ましくは２０Ｗ／ｍＫ未満である材料が選択される。

本発明では、突出部１１の側面１３は、多孔質体材料の薄層３により被覆されている。

薄層とは、一般的には厚さが１ｍｍ未満の層を意味する。

インタフェース面Ｐは、ＹＺに平行でかつ突出部１１の頂部１２に隣接する面であり、エバポレータ７が組み立てられた状態において、一次ウィック２の正面２０とも一致する。

被覆が施された突出部の側面１３は、一次ウィック２の正面２０とともに、蒸気チャネル４のフロー領域を画定する。

多孔質体材料の薄層３に関して、特に図４に示した第１の実施例では、その厚さＥＣは、突出部の側面１３上において一定ではなく、一次ウィック２から離れるについて側面１３に沿って変化することが好ましい。最大肉厚部３１は、突出部１１の頂部１２の近傍における、平面Ｐに配されたインタフェース２３において、一次ウィック２と接触するように配置される。薄層３の厚さＥＣは、一次ウィック２から離れるにつれて減少し、溝４の底部４１の近傍において、薄層３の端部３１の厚さがほぼ０となる。

好ましくは、薄層の厚さＥＣは、いずれにおいても０．５ｍｍ未満である。

あるいは、厚さＥＣの上限値を、０．２×Ｗよりも小さい値に設定することも可能である。

好ましい理論的構成においては、軸Ｌは突出部１１の側面１３に沿って定義され、一次ウィック２と接触するインタフェース２３側から、厚さＥＣは横軸Ｌ１においてＥＣ１であり、軸Ｌに沿って溝４の底部４１に向かうにつれて減少し、中間部で厚さＥＣ２となり、溝４の底部４１の位置において、厚さＥＣ３はほぼ０となるか、少なくともＥＣ１よりも顕著に薄くなる。

いくつかの図面において、溝４の底部４１は「点」として描かれている。実際に、機械加工の制約および／または薄層３の形成を促進するために、Ｄ３に相当する大きさの薄層３で被覆されていない領域が存在する場合がある。

薄層３は、理想的には、銅、アルミニウム、ニッケルなど、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ、好ましくは３８０Ｗ／ｍＫよりも大きく、一次ウィック２からなる材料と比較して優れた熱伝導性を有する材料から得られる。

有利な態様において、薄層３の孔径は、一次ウィック２の孔径よりも小さい。これにより、一次ウィック２から液体を供給し、薄層３の表面における蒸気の放出を促進することが可能となる。

受入部材１の基部１０は、典型的には０．５ｍｍ〜５ｍｍである厚さＨ１を有する。

突出部１１の頂部１２は、一次ウィック２の有効面積の２０％未満の面積（Ｄ３×Ｚ２）で、平面Ｐにおいて一次ウィック２と接触している。

図３に示すように、突出部１１の頂部１２および一次ウィック２は、方向Ｚ２に沿って互いに連続的に接触している。すなわち、突出部１１の頂部１２と一次ウィック２の下面との間には非接触部が存在しない。

一次ウィック２と薄層３との間の接触面は、断面の両側のそれぞれにおいて、
Ｄ１＝ＥＣ１／ｃｏｓ（α）
で示される、幅Ｄ１を有する。

一次ウィック２と被覆された受入プレート１との間の総接触面は、
Ｄ２＝Ｄ１＋Ｄ３＋Ｄ１
で示される、幅Ｄ２を有する。

Ｄ２は、通常、基部の幅Ｗの１０％〜５０％の範囲にある。歯アセンブリ上への一次ウィック２の組み付けに、接続フィレット３９（図１０右部）を用いる場合、この割合を８０％まで増加させることができる。この構成は、高い機械的強度が求められる場合あるいは二相流体の排水量が多くなる場合に有利である。

Ｄ３＜０．３ｍｍである。

頂部１２と一次ウィック２との間に所定厚さを有する薄層３が存在する場合には、Ｄ３＝０とする、あるいは、歯と一次ウィック２とを接触させないようにすることができる。この構成により、一次ウィック２と薄層３との間において液体が移動するゾーンの断熱効果を増大させることができる。

図６および図７は、段階的な断面（すなわち、多孔質体材料の薄層３）を有する気化表面の機能を示す。突出部１１の厚さが重要であり、フィン形状の効率は１に近く、その熱抵抗は、薄層３を介した蒸発による熱抵抗よりも少なくとも一桁低い。これは、一次近似において、台形形状の突出部フィンの温度は、ほとんど変化しないとみなされる。

液体により飽和または部分的に飽和した薄層３の熱抵抗は、その厚さＥＣに反比例し、たとえば、ＥＣ１とＥＣ３との間では直線的に変化する（図４）。その結果、薄層３において局所的に転換された蒸気の流れは、図６に示す曲線６１で示される。

Ｗ／ｃｍ^２で表される局所的な流れは、最小厚さＥＣ３の位置（台形歯１１の基部）において顕著となる。このような形状により、熱流束密度は、一次ウィック２との接触領域に近づくにつれて徐々に減少する。図４に対応する図示した例においては、突出部の先端部１２において、熱流束密度は壁面流束に対して２０で除算されるが、薄層３を有しない、直線状の突出部またはリエントラント溝を有する従来技術によるエバポレータにおいては、熱流束は１より大きい係数で乗算される。

このように、突出部の先端部１２と一次ウィック２との間のインタフェースにおける沸騰現象は回避されるか、大幅に低減される。かかる構成により、エバポレータの外面において平均５０Ｗ／ｃｍ^２を超える熱流束を処理することができる蒸発インタフェースが提供される。

好ましくは、約３００００Ｗ／（ｍ^２Ｋ）以上の熱交換係数が達成される（基準：受入プレートの接触面）。

本発明者らは、受入プレートの単位面積当たりに伝達される熱出力が１１０Ｗ／ｃｍ^２を超えることを観察することができた。

図７に示すように、薄層３は、歯１１の頂部１２において気化する液体の量よりもはるかに多い量の液体流を移動させることができる。薄層３における液体の移動速度は曲線６２で示され、この曲線６２は、ＱＬｉｄ（ｈ）／ＱＬｉｑ（Ｌ１）比を表す。

図７に示した横座標は、正規化された高さであり、換言するとｈ／Ｈ２比である。ｈは、基部からの高さを表す変数である。Ｈ２は、突出部１１の全高である。

正規化された高さに対する、歯１１本体における熱流束ＱＴ（ｈ）は、曲線６３で示される。この曲線６３は、ＱＴ（ｈ）／ＱＴ（０）比を表すか、あるいは、横座標Ｌ２が突出部１１の基部と一致するとみなせる場合には、ＱＴ（ｈ）／ＱＴ（Ｌ２）比を表す。

熱出力の大部分は、歯１１の下部と、薄層３の最薄部３２を通過する。

大きさや、製造時における薄層３の厚さの自然変化、および欠陥の発生により、これらのプロファイルは変化する可能性がある。薄層３の隙間の透過性および分布は、一次ウィック２における気化を制限するために、基部１０付近での蒸発を可能にするよう構成される。同様にして、油圧特性および／または熱特性を改善するために、薄層３の厚さを非線形的に変化させることも可能である。薄層３の厚さの線形的な変化は、本発明の例示的かつ簡素化した例にすぎない。

薄層３は、製造上の不完全性により、あるいは、意図的に、孔径が小さい領域とこの領域の孔径よりも大きい孔径を有する領域からなる、二重の多孔性を有する場合がある。同様にして、薄層３において、突出部１１の側面１３上に薄膜３を有さない遊離領域または溝である不連続部分が存在する。

さらに、エバポレータの組み立てにおいて、本例の台形断面により、機械的力、特に圧縮力（ねじ込みによる電源モジュールの組み付け）の強力な伝達が可能となる。

図５に示す別の実施形態においては、エバポレータの全体構成は円筒形である。基部１０は、熱流束Ｑｉｎを受け入れる円筒であるが、すでに説明した構成と同様の構成に対して、必要な修正を加えた構成が、突出部１１、溝４、および薄層３に適用される。一次ウィック２は、管状スリーブ形状である。液体コンパートメント５は、円筒内部空間の中央領域によって構成される。気化インタフェースにおける作用および薄層によって付与される利点は、上述した内容と類似するため、ここでの詳述は省略する。

図８においては、各溝または各蒸気チャネル４は、コレクタチャネル４０に流体接続（気相または液相）されており、コレクタチャネル４０は、外部蒸気ライン８に接続されたエバポレータの出口（Ｖａｐ＿Ｏｕｔ）に接続される。

図９に示す別の実施形態によれば、図８と同様の断面において、突出部１１は、円錐スタッドまたは角錐スタッドの形状を伴って配置され、該スタッド間の間隙に蒸気チャネル４が形成される。１つの選択肢によれば、薄層に上部から厚さが減少する形態を付与することにより、上述した効率の観点における利点が得られる。

図示しない別の実施形態では、エバポレータは、ウェーハまたはディスクの形状を有することができる。この場合、突出部は、円形リブ状に形成されることができる。

図１０は、２つの変形例を示し、１つめの例は、図面の左側（図１０Ｌ）に、２つめの例は、図面の右側（図１０Ｒ）に示される。

右側の例（図１０Ｒ）では、薄層３の厚さＥＣはほぼ一定である。この構成においては、通常、薄層３の厚さＥＣは、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲から選択される。かかる構成の作用および効率についても非常に満足できるものであるが、上述した厚さＥＣが減少する薄層３の作用および効率とは同等ではない。溝４の底部４１付近にある領域３３において、薄層３の厚さは急速に０まで減少する。すなわち、溝４の底部４１は被覆されておらず、基部１０を構成するプレートが露出する。

一次ウィック２と接触する部分には、図面において点線で囲んだフィレット領域３９が備えられているため、一次ウィック２との接触面積が増加する。実際、間隔Ｄ１’は、間隔Ｄ１よりも実質的に大きい。

左側の例（１０Ｌ）では、薄層３の厚さＥＣは、下部領域３４および溝４の底部４１が存在する領域３５を含めて一定である。さらにその左側には、隣接する歯１１の側面１２を被覆する部分３６が存在する。

このような一定の厚さを有する薄層（図１０Ｌ）を形成するための適用可能な手段として、一方向性のマトリックスである金属シート状のメッシュ３８を使用することが挙げられる。メッシュ３８は、側面１２を含む突出部１１上に配置され、受入部材１と密接に接触する。

この場合、組み立て工程において、下部領域３４との係合により、概三角形の断面の空洞が形成される可能性がある。

製造工程に関して、以下に限定されることはないが、一次ウィック２の作製は、所定の厚さを有する多孔質体シートを正確な寸法（長さおよび幅）に切断することからなる。受入部材１については、厚さＨ１＋Ｈ２を有する銅（あるいは、ニッケル、ステンレス鋼、またはアルミニウム）のプレートを用意し、このプレートに、電食（放電加工）、従来の機械加工、押出加工、スタンピング、またはパンチングによって材料の一部を除去することにより、溝および突出部の形成を行うことができる。

次に、たとえば、大気圧プラズマ溶射または積層造形（３Ｄ印刷）によって、あるいは、上述したメッシュの配置によって、不均一な厚さ（第１の実施形態）の薄層３が形成される。接触面Ｐにおいて２つの多孔質体表面を結合させるため、拡散接合が用いられる。

その他の選択肢としては、圧縮接続がある。

また、一次ウィック２の組み立てよりも先に、薄層３により歯１１の頂部１２を被覆することもできる。

Claims (11)

1. 熱伝達システムのためのキャピラリエバポレータであって、
   該エバポレータは、
   熱受入部材と、一次ウィックとを備え、
   前記熱受入部材は、基部と、複数の突出部を備え、各突出部は、前記基部から頂部に伸長し、各突出部の大きさは、前記基部から離れるほど小さくなり、かつ、各突出部は、側面を有し、
   前記一次ウィックは、第１多孔質体材料からなり、前記突出部の前記頂部に隣接する正面を有し、
   前記突出部の前記側面は、前記一次ウィックとともに蒸気チャネルを形成する間隙を画定し、
   前記突出部の前記側面は、前記第１多孔質体材料とは異なる第２多孔質体材料からなる、薄層により被覆されている、
   エバポレータ。
2. 前記薄層は、実質的に均一な厚さを有する、請求項１に記載のエバポレータ。
3. 前記薄層は不均一な厚さを有し、前記薄層の最大肉厚部は、各突出部の前記頂部付近で前記一次ウィックと接触し、前記薄層の厚さは、前記一次ウィックから離れるほど小さくなる、請求項１に記載のエバポレータ。
4. 前記突出部は、台形断面を有する直線状リブにより構成される、請求項１〜３のいずれかに記載のエバポレータ。
5. 前記突出部は互いに隣接しており、各蒸気チャネルは、概三角形の断面を有し、該三角形の頂点の１つは、前記受入部材の前記基部に向いている、請求項４に記載のエバポレータ。
6. 前記突出部の前記断面は、底辺Ｗおよび短辺Ｄ３を備える対称二等辺台形からなり、底辺および端辺の寸法は、Ｄ３＜０．２Ｗの関係を有し、短辺Ｄ３の寸法は、０．３ｍｍ未満である、請求項５に記載のエバポレータ。
7. 前記頂部の開口半角は４５度未満である、請求項４〜６のいずれかに記載のエバポレータ。
8. 前記一次ウィックは、ニッケル、ステンレス鋼、セラミック、テフロンから選択される少なくとも１種の熱伝導性の低い第一材料からなる、請求項１〜７のいずれかに記載のエバポレータ。
9. 前記薄層は、銅、アルミニウム、ニッケルから選択される高い熱伝導性を有する第二材料からなる、請求項１〜８のいずれかに記載のエバポレータ。
10. 前記薄層の孔径は、前記一次ウィックの孔径よりも小さい、請求項１〜９のいずれかに記載のエバポレータ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のエバポレータと、コンデンサと、熱サイフォン構成を有する重力ポンプ、キャピラリポンプのみあるいはジェットと組み合わせたキャピラリポンプ、あるいは、機械的ポンプを備えた流体導管と、を備える、熱伝達システム。

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