JP2021099176A - 蒸発器及びループ型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質ウィックに変形しやすい材料を用いたときにも、変形による冷却効率の低下を抑制する蒸発器の提供。【解決手段】本発明の蒸発器は、筐体の受熱部が受熱することで筐体内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器であって、前記受熱部における前記蒸発器の内壁と前記流体との間において溝部を形成された多孔質部材を有し、前記内壁は、前記溝部の凹部の幅よりも小さい幅を有する凸部を少なくとも1箇所以上有し、前記蒸発器の前記内壁に形成された前記凸部の先端部が前記溝部の前記凹部の底部に当接し、かつ前記凸部の両側に前記凹部の側壁との間で形成される空隙部を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、蒸発器及びループ型ヒートパイプに関する。

近年、電子機器においては、冷却対象を冷却するための冷却手段として、冷媒となる流体を流入させて冷却する方式が知られている。
このような冷却方法の一つとして、蒸発器と凝縮器との間に管を介して流体を循環させて冷却するループ型ヒートパイプが知られている。
かかるループ型ヒートパイプは、一般に液相の流体を蒸発器に流入させることで蒸発器内部のウィックと呼ばれる多孔質体に毛細管現象によって浸透させ、ウィック表面に染み出た流体に冷却対象からの熱を受熱させることで、流体を液相から気相へと相転移する。そして、この相転移する際の気化熱を用いて、冷却対象を冷却する。
気化された流体は、凝縮器において冷却されてまた液相に戻るとともに、気化した流体の圧力によって蒸発器側へ再度遷移することで循環する。

さて、こうした多孔質ウィックは、蒸発器の筐体内壁との当接箇所において特に変形しやすいが、こうした当接箇所において過度の圧力がかかった結果、多孔質ウィックの内部構造が潰れてしまい、活発に蒸発が行われる領域まで作動流体を輸送することが困難となり、冷却効率が低下してしまう虞があった。

本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、多孔質ウィックに変形しやすい材料を用いたときにも、変形による冷却効率の低下を抑制することを目的とする。

本願発明にかかる蒸発器は、筐体の受熱部が受熱することで筐体内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器であって、前記受熱部における前記蒸発器の内壁と前記流体との間において溝部を形成された多孔質部材を有し、前記内壁は、前記溝部の凹部の幅よりも小さい幅を有する凸部を少なくとも1箇所以上有し、前記蒸発器の前記内壁に形成された前記凸部の先端部が前記溝部の前記凹部の底部に当接し、かつ前記凸部の両側に前記凹部の側壁との間で形成される空隙部を有することを特徴とする。

本発明によれば、多孔質ウィックに変形しやすい材料を用いたときにも、変形による冷却効率の低下を抑制して、ループ型ヒートパイプの冷却効率を向上することができる。

本発明の実施形態であるループ型ヒートパイプの構成の一例を示す図である。 図１に示したループ型ヒートパイプの蒸発器の構成の一例を示す図である。 図２に示した蒸発器の断面構成の一例を示す図である。 蒸発器の変形例を示す図である。 図３に示した凹凸形状の一例を示す拡大図である。 図３に示した多孔質部材の構成の一例を示す図である。 蒸発器の比較例を示す図である。 多孔質部材に形成される凸部の変形を模式的に示す図である。 図３に示した蒸発器の動作時の作動流体の流れの一例を示す図である。 凹凸の大小によって生じる圧入時の形状変化の一例を示す図である。 蒸発器の内壁と多孔質部材との凹凸形状の組み合わせの一例を示す図である。 図１１に示した蒸発器の第１の変形例を示す図である。 図１１に示した蒸発器の第２の変形例を示す図である。 図１１に示した蒸発器の第３の変形例を示す図である。 図１１に示した蒸発器の第４の変形例を示す図である。 図１１に示した蒸発器の第５の変形例を示す図である。 図１１に示した蒸発器の第６の変形例を示す図である。

本発明の第１の実施形態として、図１にループ型ヒートパイプたる冷却装置１００を示す。
冷却装置１００は、蒸発器１０と、凝縮器２０と、蒸発器１０と凝縮器２０とを連結するパイプ状の管部３０と、蒸発器１０よりも循環方向上流側に配置された液溜部４０と、を有し、内部に流れる冷媒としての作動流体Ｑが、気相と液相とを相転移しながら循環することで冷却対象である熱源２００を冷却する循環型のヒートパイプである。
なお、以降の説明では、図１の上側をＺ方向、Ｚ方向に垂直な紙面垂直方向をＹ方向、Ｚ方向に垂直な紙面右手方向をＸ方向として説明を行う。

本発明の冷却装置１００においては、冷却装置１００内部に封入された作動流体Ｑは、図１中にＡで示す循環方向に循環しており、熱源２００は蒸発器１０に当接して配置されている。
蒸発器１０と凝縮器２０とを結ぶ管部３０のうち、特に蒸発器１０から凝縮器２０へと作動流体Ｑが気相で移動するパイプを蒸気管３１、凝縮器２０から液溜部４０を経由して蒸発器１０へと至るまでのパイプを液管３２と呼称する。

熱源２００から蒸発器１０に熱が伝導されると、蒸発器１０内部で作動流体Ｑが液相から気相へと相変化する。作動流体Ｑは液相から気相へと相変化することで体積が膨張する。蒸発器１０においては多孔質部材としての多孔質ウィック４が配置されているので、気相となった作動流体Ｑは多孔質ウィック４ではなく蒸気管３１へと移動する。つまり、気相となった作動流体Ｑは相変化で生じる圧力によって蒸発器１０を通り抜けて蒸気管３１から凝縮器２０へと移動する。
凝縮器２０は、所謂ラジエータであって、作動流体Ｑの熱を放熱することで作動流体Ｑを気相から液相へと相変化させる。液相となった作動流体Ｑは、気相側からの圧力によって循環方向へと押されるため、液管３２を伝わって液溜部４０へと移動する。

蒸発器１０は、図２に示すように、筐体１１の表面たる受熱部１に、発熱体たる熱源２００を接触させることで筐体１１内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器である。
蒸発器１０は本実施形態では図３に示すように断面が円形の円柱形状であり、受熱部１が形成される面は円柱の側面を構成する曲面形状である。
蒸発器１０は、筐体１１内部に配置された多孔質部材たる多孔質ウィック４と、多孔質ウィック４と受熱部１との間に形成された溝部たる蒸気溝３と、多孔質ウィック４によって受熱部１と隔てられて作動流体Ｑを筐体１１内部に保持するための滞留部５と、を有している。特に図２、図３においては、作動流体Ｑで占められた液相作動流体流入空間が滞留部５に相当する部分である。

本実施形態では、蒸発器１０は円柱形状の構成としているが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば図４に示すような平板状や円筒形状等、設計に応じて種々の形状を取ってよい。
また、本実施形態においては、蒸気溝３は少なくとも多孔質ウィック４と受熱部１との間には形成されているが、その他の場所にも形成されるとしても良い。
蒸発器１０の受熱部１の内壁面１２には、図５に拡大して図示するように、内側に向かって突出した凸部１３が複数形成されており、多孔質ウィック４が蒸発器１０に挿入されることで、筐体１１と多孔質ウィック４とに囲まれた通気路が蒸気溝３として機能する。
すなわち受熱部１における蒸発器１０の内壁面１２は、対向する多孔質ウィック４の外側面に形成された凹部の幅よりも小さい幅を有する凸部１３を少なくとも1箇所以上有している。

多孔質ウィック４は、図６に示すように蒸発器１０の筐体１１の内面形状に合わせて形成された多孔質部材である。
多孔質ウィック４の材料には例えばシリコンゴムのような熱伝導率の低いゴムや、ＰＴＦＥ等の樹脂を用いることが好ましい。あるいは、金属を用いる場合には、熱伝導率の比較的低いステンレス粉末の焼結体等を用いても良い。
多孔質ウィック４は、可撓性を持った材料であることがより好ましく、このような場合には、筐体１１に圧入されて密着性が向上する。

多孔質ウィック４は、外側面に複数の凹条たる溝部が形成されている。すなわち、多孔質ウィック４には凹凸で形成された溝部が延伸方向たるＸ方向に沿って形成され、多孔質ウィック４は複数の多孔質凸部４１と、多孔質凹部４２と、を有している。
多孔質ウィック４が筐体１１に挿入された状態において、図３あるいは図５に示すように凸部１３の間に多孔質凸部４１が入り込むことで、多孔質凸部４１の両側に空隙部４３が形成される。言い換えれば空隙部４３は多孔質凸部４１の側面と、凸部１３の側面と、内壁面１２と、多孔質凹部４２と、で囲まれた空間を示している。
このとき、多孔質凹部４２の底面部４２ａには、凸部１３の頂部が突き当たるように当接して配置される。
同様に、多孔質凸部４１の頂部４１ａは、筐体１１の内壁面１２に突き当たるように当接して配置される。
このように、多孔質凹部４２の深さｄと、凸部１３の高さとが一致するように設けられることが最も好ましい。また、同様に多孔質凸部４１の高さと、凸部１３の高さとが一致するように設けられることがさらに好ましい。

蒸発器１０の少なくとも蒸気溝３が形成される領域におけるＺＹ断面において、滞留部５は、多孔質ウィック４によって囲まれるように形成され、作動流体Ｑを液相の状態で蒸発器１１の内壁と直接接触しないように収容する液相作動流体流入空間として機能する。
滞留部５は、液溜部４０と液管３２を介して接続されている。

さて、このような蒸発器１０を用いるときには、熱源２００と接触する受熱部１から熱が伝わり、筐体１１の内壁に伝わった熱が作動流体Ｑを加熱することで作動流体Ｑが蒸発し、気化熱によって冷却することで熱交換を行っている。

循環型のヒートパイプにおける蒸発器の比較例を蒸発器１０’として図７に例示する。
蒸発器１０’は、熱源２００と当接して取り付けられる筐体１１’と、多孔質部材４’と、筐体１１’の熱源２００と当接した側の壁面に形成された蒸気溝３’と、を有している。
通常、作動流体Ｑは、液管３２’から液相で流入すると、多孔質部材４’の微細孔に毛細管現象によって浸透し、筐体１１’からの熱によって蒸発する。気相となった作動流体Ｑは蒸気管３１’から排出される。
このとき、多孔質部材４’の熱源２００側の面と、筐体１１’との間に間隙すなわち蒸気溝３’があることによって、多孔質部材４’に浸透した液相の作動流体Ｑが蒸発しやすくなり、熱交換効率が向上する。

このような蒸発器１０’において、熱源２００からの熱が全てこのように蒸気溝３’において多孔質部材４’の表面に染み出してきた作動流体Ｑを蒸発させるのに使われるとき、熱交換効率は理想的な状態であるといえる。

すなわち、効率の良い冷却のためには、作動流体Ｑが気化したときの通り道が必要であり、多孔質部材４’と筐体１１’との間に、蒸気溝３’が形成されることが重要であった。
しかしながら、本実施形態のように発泡ゴムで構成されるような多孔質ウィック４には、細かい蒸気溝３の加工形成が難しく、溝幅やピッチを１ｍｍ以下のレベルで加工することが非常に難しい。
また、単位面積当たりの溝数を増やせないことで、冷却効率と小型化との両立が難しいという問題が知られている。

こうした問題に対し、図７に示すように、筐体１１’の内壁面に蒸気溝３’を形成する構成が考えられる。つまり、本実施形態で形成したのと同様に、筐体１１’の内側に向かって突出した凸部１３’を有するような構造である。しかしながらこの場合にも、金属製の筐体１１’の厚みが部分ごとに異なってしまうという問題がある。
また、筐体１１’は内圧に対しての耐圧性が必要となるため、蒸気溝３’の凹部を構成する内壁面の薄肉部の厚みｄ１は、設計上所定の厚み以上に抑えることは難しい。
さらに、内壁面の厚肉部の厚みｄ２とすると、熱源２００から作動流体Ｑまでの距離が広くなってしまう。
このような筐体１１’の厚肉部である凸部１３’の頂部までの厚みｄ２によって生じる温度差は、例えば熱源２００として１０Ｗ／ｃｍ２以上の高発熱密度の物体を仮定して試算した場合には、１０度以上にも達する場合があり、好ましくない。

また、多孔質ウィック４に蒸気溝３を設ける場合には、多孔質ウィック４自体が可撓性を有するため、多孔質ウィック４の突出部は図８に破線で囲って示すように圧縮変形してしまい、多孔質の微細構造が潰れて毛細管力による作動流体Ｑの液供給効果が低下してしまう問題もある。

そこで、本実施形態の蒸発器１０は、多孔質ウィック４に多孔質凸部４１と多孔質凹部４２とを形成するとともに、筐体１１の内壁面１２においても隣り合う多孔質凹部４２との幅よりも小さい幅を有する凸部１３を形成している。
また、内壁面１２に形成された凸部１３の先端が、多孔質凹部４２の底部に当接し、かつ凸部１３の両側に多孔質凹部４２の側壁との間で空隙部４３が形成される。
このように、蒸発器１０の内壁面１２に複数の凸部１３を有するとともに、多孔質ウィック４にも多孔質凸部４１と多孔質凹部４２とを形成することによって、図９に示すように、多孔質ウィック４と筐体１１との間で形成される空隙部４３が蒸発溝３として機能するため、蒸発溝３の単位面積当たりの本数を向上させることができて、熱交換効率の向上に寄与する。
また、作動流体Ｑの蒸発を、図９に一点鎖線で囲って示すように、厚みｄ１の薄肉部（すなわち凹部１２の底面部）と、厚みｄ２の厚肉部（すなわち凸部１３の頂部）との両方で行うことができるので、熱源２００に近接した位置で熱交換が行えるので筐体１１の熱抵抗の影響を小さく抑え、冷却性能の向上に寄与する。

さらに、筐体１１と同材料である金属製の凸部１３の頂部が、多孔質凹部４２の底面４２ａに突き当たるように当接するため、多孔質凸部４１に不要な圧力がかかることがなく、多孔質凸部４１の圧縮変形を防いで、多孔質の微細構造による毛細管力を維持する効果をも見込むことができる。

さて、筐体１１の内壁面１２に形成される凸部１３の高さｄについては、理想的には多孔質ウィック４に形成された多孔質凸部４１の高さｄ’と完全一致することが望ましいが、現実的には完全な一致は難しい。

このような凸部１３の高さｄと、多孔質凸部４１の高さｄ’が異なる場合について考える。
図１０（ａ）に示すように、凸部１３の高さｄが、多孔質凸部４１の高さｄ’よりも長い場合（ｄ＞ｄ’）には、図１０（ｂ）に示すように組み付け時に圧力がかかることで、多孔質凹部４２が凸部１３によって押圧されて多孔質ウィック４の形状が不安定となり、想定した接触状態が得られない虞がある。

一方、逆に凸部１３の高さｄが、多孔質凸部４１の高さｄ’に対して同等以下の場合（ｄ’≧ｄ）には、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように多孔質ウィック４の可撓性によって多孔質凸部４１が歪むことで、筐体１１の内壁面１２には多孔質凸部４１が当接し、多孔質凹部４２には凸部１３が当接することとなる。
かかる構成によれば、図８に示した理想的な構成に近い状態で熱交換がなされるので、熱交換効率の低下を防ぐことができる。
なお、このとき図８で説明したように、多孔質凸部４１が過度に潰されてしまうほどの差が生じると好ましくないため、多孔質ウィック４の微細組織を潰さない程度に、具体的には多孔質凸部４１の押し潰し量が２０％以内に収まるようにｄ、ｄ’のそれぞれの数値をｄ’≧ｄの範囲内で適宜設定することが望ましい。

このように本実施形態においては、筐体１１の内壁側に設けられた凸部１３の高さｄは、多孔質凹部４２の深さ（すなわち多孔質凸部４１の高さ：ｄ’）と同等以下（ｄ’≧ｄ）であり、多孔質ウィック４の蒸気溝３の形成部分である多孔質凸部４１の縦弾性係数は、凸部１３の縦弾性係数よりも小さい。
かかる構成によれば、図８に示した理想的な構成に近い状態で熱交換がなされるので、熱交換効率の低下を防ぐことができる。

また、多孔質ウィック４の多孔質凸部４１と多孔質凹部４２との形状と、筐体１１の形状とは、平板形状であれば例えば図１１に示すような互いに直線状に延伸した凸部と凹部とを有する構成が考えられるが、他にも、図１２に示すように凸部１３が個々に独立した柱状に起立した不連続な凸形状であっても良い。
また、多孔質ウィック４に形成された多孔質凸部４１と多孔質凹部４２との数と、筐体１１に形成された凸部１３の数とは、多孔質ウィック４が筐体１１に圧入された時に互いに噛み合うように交互に設けられても良いが、図１３に示すように多孔質凹部４２に複数の凸部１３が当接したり、あるいは図１４に示すように複数の多孔質凸部４１が凸部１３の間の内壁面１２に当接することとしても良い。
また、図１０〜図１４においては説明の簡素化のため多孔質ウィック４の一部を抜き出し、平板形状での組み合わせを述べたが、図３に示したように円筒形状であっても同様の構成で形成することができる。

かかる構成によれば、組み合わされた凸部１３の両側、あるいは多孔質凸部４１の両側に蒸気溝３が形成されるから、多孔質ウィック４に形成される蒸気溝３のピッチをより小さくすることができて、蒸発器１０の熱交換効率の向上を図ることができる。

さて、本構成においては、凸部１３の両側に空隙部４３が形成されるように、多孔質ウィック４に形成された多孔質凸部４１と多孔質凹部４２との位置関係と、筐体１１に形成された凸部１３の位置関係とが正しく取られた上で組付けられる必要がある。
具体的には、多孔質凹部４２の側壁（あるいは多孔質凸部４１の側壁）の間に凸部１３が位置するように位置関係を調整することが望ましい。
しかしながら、本実施形態のように、１ｍｍ以下のピッチで蒸気溝３を設けたいような場合には、目視で組付けすることは難しい。

そこで、図１５（ａ）に示すように、凸部１３の形状を、内壁面１２に対して垂直な方向から傾斜して起立する、言い換えると凸部１３が傾斜部１３ａを有することとすれば、テーパー形状に形成されることとなる。かかる構成によれば、組み付け時に例えば傾斜部１３ａと多孔質凸部４１とが当接した時には、図１５（ｂ）に破線で示すように多孔質ウィック４の弾性力が傾斜部１３ａに沿った方向に変換されるから、押圧によって図１５（ａ）に示すように位置決めがある程度自動的になされて組み付けが容易になる。
また、かかる構成とした場合には、内壁面１２の平坦部１２ａの幅Ｌは、多孔質凸部４１の頂部４１ａの平坦部の幅Ｌ’と一致するように傾斜部１３ａの斜度を定めることがより好ましい。

なお、かかる構成は、筐体１１に形成された凸部１３に傾斜部１３ａを設ける他に、図１６に示すように多孔質ウィック４の多孔質凸部４１側に傾斜部を設けてテーパー形状にするとしても良い。また、互いに位置決めを簡易に行うことが目的なので、テーパー形状の他、曲面の組み合わせによって凸部１３の頂部と多孔質凹部４２とが当接するように設けられていても良い。
また、言うまでもないが、蒸発器１０の形状を円柱形状とした場合には、「内壁面１２に対して垂直な方向」は円柱の中心軸へ向かう方向となり、当該方向に対して傾斜して傾斜部が形成される。

このように、多孔質ウィック４に設けられた多孔質凸部４１と、凸部１３の側面とのうち、少なくとも何れか一方が受熱部１の内壁面１２に対して垂直な方向から傾斜して起立する構成とすれば、組み付け時の凹凸のずれによる蒸気溝３を塞いでしまう等の問題を簡易に解決することができる。

なお、例えば多孔質凸部４１と凸部１３との何れもが傾斜部を備えた場合にも、図１７に参考図として示すように、互いの傾斜部の斜度を異ならせる、あるいは形状を異ならせることで、空隙部４３が形成される。かかる構成により、蒸気溝３を多孔質凸部４１あるいは凸部１３の何れかの側部に形成することができる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
また、上述した各変形例を適宜組み合わせて用いたとしても良い。

１ 受熱部
３ 蒸気溝
４ 多孔質部材（多孔質ウィック）
５ 滞留部
１０ 蒸発器
１１ 筐体
２０ 凝縮器
３０ 管部
３１ 蒸気管
３２ 液管
４１ 多孔質凸部
４２ 多孔質凹部
４３ 空隙部
１００ 冷却装置
Ｑ 作動流体

特開２０１９−００７７２５号公報

Claims (6)

1. 筐体の受熱部が受熱することで筐体内部の流体を液相から気相へと相転移させる蒸発器であって、
   前記受熱部における前記蒸発器の内壁と前記流体との間において溝部を形成された多孔質部材を有し、
   前記内壁は、前記溝部の凹部の幅よりも小さい幅を有する凸部を少なくとも1箇所以上有し、
   前記蒸発器の前記内壁に形成された前記凸部の先端部が前記溝部の前記凹部の底部に当接し、かつ前記凸部の両側に前記凹部の側壁との間で形成される空隙部を有する蒸発器。
2. 請求項１に記載の蒸発器であって、
   前記受熱部において内壁側に設けられた前記凸部の高さは前記凹部の深さと同等以下であり、
   前記多孔質部材の前記凹部の形成部分の縦弾性係数が、前記凸部の縦弾性係数よりも小さいことを特徴とする蒸発器。
3. 請求項１または２に記載の蒸発器であって、
   前記多孔質部材に設けられた前記凹部の側壁と、前記凸部の側面とのうち、少なくとも何れか一方が前記受熱部の前記内壁に対して垂直な方向から傾斜して起立することを特徴とする蒸発器。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の蒸発器であって、
   前記受熱部は平面形状の受熱面を備えることを特徴とする蒸発器。
5. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の蒸発器であって、
   前記受熱部は曲面形状の受熱面を備えることを特徴とする蒸発器。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の蒸発器と、
   前記流体が気相となって流れ込み冷却される凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを接続してループを形成する管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器と前記管との間を気相と液相に変化しながら循環する作動流体と、
   を有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。

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