JP2023087411A - ループヒートパイプ用の蒸発器及びループヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型であっても蒸気による圧力損失を低減しつつ、強度を確保することが可能なループヒートパイプ用の蒸発器を提供する。【解決手段】平板状の筐体１２０と、ウィック１０４と、を備え、筐体は、底壁１０１と、厚み方向Ｔで底壁に対向する天壁１０２と、厚み方向で底壁及び天壁の外縁同士を接続する側壁１０３と、を有し、筐体における、底壁と天壁と側壁とで囲まれた内部領域に、底壁の内面に接する蒸気室が設けられ、ウィックは、蒸気室の天面を構成し、ウィックの外縁の少なくとも一部は、側壁の内面に直接又は間接的に固定されており、側壁には、液管接続口１１２と、蒸気室に連通する蒸気管接続口１０８と、が設けられ、蒸気管接続口は、厚み方向に底壁の内面とウィックとの間に設けられ、底壁の内面は、蒸気管接続口側の高さが厚み方向に低くなるような領域を有している、ことを特徴とするループヒートパイプ用の蒸発器。【選択図】図４

Description

本発明は、ループヒートパイプ用の蒸発器及びループヒートパイプに関する。

近年、各種素子が電子回路基板に実装された電子機器等の製品では、各種素子の高集積化及び高性能化により、発熱量が増加している。そのため、このような製品に対しては、放熱対策を行うことが重要となっている。そこで、このような放熱対策用の部材として、ループヒートパイプを使用することが検討されている。

特許文献１には、蒸発器と凝縮器と均温器とを備え、均温器が、蒸発器の蒸発端に設置され、内表面がメタルラスに覆われ、メタルラスが、通気孔を有するメタルプレートを包み、メタルプレートの両面には支柱が設けられ、均温器内には作動流体が充填されているループヒートパイプ装置が開示されている。

特表２０１０－５２７４３２号公報

電子機器等を小型化するために、ループヒートパイプ装置を薄型化することが検討されている。しかしながら、特許文献１のループヒートパイプ装置において、蒸発器を薄型化しようとすると、（１）蒸気室出口の高さが確保できないために圧力損失が大きくなる、（２）蒸気管の取り付け部の高さが確保できないために太い蒸気管を使えない、（３）蒸気室の高さが一定であっても、出口に近づくほど蒸気の流量が大きくなるため、特に出口付近の圧力損失が大きくなる、（４）蒸気室の高さを確保するために筐体を薄くすると蒸発器全体の強度が低下する、等の問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、薄型であっても蒸気による圧力損失を低減しつつ、強度を確保することが可能なループヒートパイプ用の蒸発器を提供することを目的とするものである。また、本発明は、上記蒸発器を有するループヒートパイプを提供することを目的とするものである。

本発明のループヒートパイプ用の蒸発器は、平板状の筐体と、ウィックと、を備え、上記筐体は、底壁と、厚み方向で上記底壁に対向する天壁と、上記厚み方向で上記底壁及び上記天壁の外縁同士を接続する側壁と、を有し、上記筐体における、上記底壁と上記天壁と上記側壁とで囲まれた内部領域に、上記底壁の内面に接する蒸気室が設けられ、上記ウィックは、上記蒸気室の天面を構成し、上記ウィックの外縁の少なくとも一部は、上記側壁の内面に直接又は間接的に固定されており、上記側壁には、液管接続口と、上記蒸気室に連通する蒸気管接続口と、が設けられ、上記蒸気管接続口は、上記厚み方向で上記底壁の内面と上記ウィックとの間に設けられ、上記底壁の内面は、前記蒸気管接続口側の高さが前記厚み方向に低くなるような領域を有している、ことを特徴とする。

本発明のループヒートパイプは、本発明の蒸発器と、凝縮器と、一端が上記蒸発器の上記液管接続口に接続され、かつ、他端が上記凝縮器の液管接続口に接続された液管と、一端が上記蒸発器の上記蒸気管接続口に接続され、かつ、他端が上記凝縮器の蒸気管接続口に接続された蒸気管と、を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、薄型であっても蒸気による圧力損失を低減しつつ、強度を確保することが可能なループヒートパイプ用の蒸発器を提供できる。また、本発明によれば、上記蒸発器を有するループヒートパイプを提供できる。

本発明のループヒートパイプの一例を示す平面模式図である。 図１中の蒸発器を分解した状態の一例を示す斜視模式図である。 図２中の蒸発器を厚み方向から透視した状態を示す模式図である。 図３中の線分Ａ－Ａに対応する部分を示す断面模式図である。 図３中の線分Ｂ－Ｂに対応する部分を示す断面模式図である。 本発明のループヒートパイプ用の蒸発器の蒸気室における底壁の内面形状の一例を示す断面模式図である。 図１中の蒸発器を分解した状態の別の一例を示す斜視模式図である。 図７中の蒸発器を厚み方向から透視した状態を示す模式図である。 図８中の線分Ｃ－Ｃに対応する部分を示す断面模式図である。 図１中の蒸発器を分解した状態の別の一例を示す斜視模式図である。 本発明のループヒートパイプの一例を示す平面模式図である。 本発明のループヒートパイプの別の一例を示す平面模式図である。 本発明のループヒートパイプの別の一例を示す平面模式図である。 本発明のループヒートパイプの別の一例を示す平面模式図である。 比較例１の蒸発器の蒸気室における底壁の内面形状の一例を示す断面模式図である。 実施例１の蒸発器の蒸気室における底壁の内面形状の一例を示す断面模式図である。 比較例２の蒸発器の蒸気室における底壁の内面形状の一例を示す断面模式図である。 比較例１の蒸発器の蒸気室における流速分布を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 実施例１の蒸発器の蒸気室における流速分布を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 比較例２の蒸発器の蒸気室における流速分布を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 比較例１の蒸発器の蒸気室における圧力分布を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 実施例１の蒸発器の蒸気室における圧力分布を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 比較例２の蒸発器の蒸気室における圧力分布を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 比較例１の蒸発器の蒸気室における強度を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 実施例１の蒸発器の蒸気室における強度を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。 比較例２の蒸発器の蒸気室における強度を数値シミュレーションにより計算した結果を示す図である。

以下、本発明のループヒートパイプ用の蒸発器と、本発明のループヒートパイプとについて説明する。なお、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更されてもよい。また、以下において記載する個々の好ましい構成を複数組み合わせたものもまた本発明である。

図１は、本発明のループヒートパイプの一例を示す平面模式図である。

図１に示すように、ループヒートパイプ１は、蒸発器１００と、液管２００と、蒸気管３００と、凝縮器４００と、を有している。

液管２００は、一端が蒸発器１００の液管接続口に接続され、かつ、他端が凝縮器４００の液管接続口に接続されている。

蒸気管３００は、一端が蒸発器１００の蒸気管接続口に接続され、かつ、他端が凝縮器４００の蒸気管接続口に接続されている。

以上により、ループヒートパイプ１は、ループ状に構成されている。

本明細書中、長さ方向、厚み方向、幅方向を、図１等に示すように、各々、Ｌ、Ｔ、及び、Ｗで定められる方向とする。長さ方向Ｌと厚み方向Ｔと幅方向Ｗとは、互いに直交している。また、厚み方向Ｔに直交する方向であって、長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗを包含する方向を、面方向とする。

図２は、図１中の蒸発器を分解した状態の一例を示す斜視模式図である。図３は、図２中の蒸発器を厚み方向から透視した状態を示す模式図である。
図２及び図３に示すように、蒸発器１００の第一の形態である蒸発器１００Ａは、筐体１２０を有している。

筐体１２０は、図２及び図３に示すように、平板状であり、底壁１０１と、厚み方向Ｔで底壁１０１に対向する天壁１０２と、厚み方向Ｔで底壁１０１及び天壁１０２の外縁同士を接続する側壁１０３と、を有している。

本明細書中、平板状とは、シート状も包含するものであり、例えば、厚み方向における寸法が、長さ方向における寸法及び幅方向における寸法のうちの小さい方の寸法の１／３以下、好ましくは１／１０以下である形状を意味する。

筐体１２０の底壁１０１は、厚み方向Ｔに厳密に直交している必要はない。また、筐体１２０の天壁１０２は、厚み方向Ｔに厳密に直交している必要はない。更に、筐体１２０の側壁１０３は、厚み方向Ｔに厳密に平行である必要はない。

本明細書では、厚み方向Ｔを鉛直方向として、筐体１２０の底壁１０１を下側、筐体１２０の天壁１０２を上側として示しているが、これらの方向に限定されるものではなく、蒸発器１００を設置する状態によって適宜変更される。

厚み方向Ｔから見たとき、筐体１２０の平面形状としては、例えば、正方形状、長方形状等の多角形状、円形状、楕円形状、これらの形状を複数種類組み合わせた形状等が挙げられる。筐体１２０の平面形状は、底壁１０１側から見たときと天壁１０２側から見たときとで、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。

筐体１２０の天壁１０２は、平板状である。筐体１２０の底壁１０１及び側壁１０３は、一体として形成されており、側壁１０３が底壁１０１の外縁から厚み方向Ｔに延びている。筐体１２０の底壁１０１及び側壁１０３は、上部が開放された箱状を形成している。

天壁１０２の外縁と側壁１０３とは、全周で接合され、これにより、筐体１２０は気密封止されている。

天壁１０２と側壁１０３との接合方法としては、例えば、レーザー溶接、電気抵抗溶接、ロウ付け等が挙げられる。

筐体１２０の底壁１０１及び側壁１０３の構成材料は、熱伝導率が高い材料、例えば、金属であることが好ましく、銅であることが特に好ましい。

天壁１０２の構成材料は、熱伝導率が高い材料でなくてもよいが、熱膨張係数が底壁１０１及び側壁１０３の構成材料に近く、側壁１０３に容易に接合可能な材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス、これらの金属の少なくとも１種を含有する合金等が挙げられる。中でも、天壁１０２の構成材料は、銅であることが特に好ましい。

天壁１０２と、底壁１０１及び側壁１０３の構成材料は、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。

蒸発器１００の第一の形態である蒸発器１００Ａの内部構造について、図２及び図３に加えて、図４及び図５も参照しつつ、以下に説明する。
図４は、図３中の線分Ａ－Ａに対応する部分を示す断面模式図である。図５は、図３中の線分Ｂ－Ｂに対応する部分を示す断面模式図である。

蒸発器１００Ａは、平板状の筐体１２０と、ウィック１０４と、を備えている。
図２、図４及び図５に示すように、筐体１２０における、底壁１０１と天壁１０２と側壁１０３とで囲まれた内部領域に、液室１０５と蒸気室１０６とが設けられている。ウィック１０４は内部領域に存在し、ウィック１０４により上記内部領域が液室１０５と蒸気室１０６とに隔てられている。蒸気室１０６はウィック１０４を挟んで筐体１２０の底壁１０１の内面に接しており、液室１０５はウィック１０４を挟んで筐体１２０の天壁１０２の内面に接している。ウィック１０４は、蒸気室１０６の天面を構成しており、蒸発器１００Ａを厚み方向Ｔから見ると、液室１０５、ウィック１０４及び蒸気室１０６が厚み方向Ｔに重なり合っている構成となっている。液室１０５及び蒸気室１０６がこのような位置関係にあると、蒸発器１００Ａの小型化及び薄型化が容易になる。

液室１０５は、液相の作動流体を貯留する場所であり、補償室とも呼ばれる。

蒸気室１０６は、液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる場所である。

筐体１２０の底壁１０１の外面は、発熱素子が取り付けられる受熱面となっている。

側壁１０３には、液管接続口１１２と蒸気管接続口１０８とが設けられ、液管接続口１１２は液室１０５と連通し、蒸気管接続口１０８は蒸気室１０６と連通する。蒸気管接続口１０８は、厚み方向Ｔで底壁１０１の内面とウィック１０４との間に設けられている。

ウィック１０４は、液室１０５に存在する液相の作動流体を毛細管力により蒸気室１０６に供給しつつ、蒸気室１０６で発生した気相の作動流体が液室１０５に逆流することを防止する部材である。

ウィック１０４は、毛細管力が大きくて透過率が高い部材、例えば、多孔質部材からなることが好ましい。この場合、ウィック１０４としては、例えば、毛細管径が１μｍ以上、１０μｍ以下であり、開口率が５０％以上、９０％以下である多孔質部材が用いられる。

多孔質部材の構成材料としては、例えば、金属、セラミック、樹脂等が挙げられる。これらの材料については、作動流体に対して耐食性が充分に高く、腐食したり、反応でガスが発生したりすることがないものを選定することが重要である。

蒸気室１０６は、図２、図３及び図４に示すように、枝分かれ部１１０と、蒸気管接続口１０８に連通する集束部１０９と、を備える枝分かれ流路が設けられている。蒸気室１０６は、枝分かれ部１１０と集束部１０９との境界で底壁１０１の内面に段差が設けられており、集束部１０９の底壁１０１の内面の平均高さが、枝分かれ部１１０の底壁１０１の内面の平均高さと比べて低くなっている。本明細書において、「集束部」は「掘り下げ部」ともいう。また、本明細書において、集束部１０９の底壁１０１の内面の平均高さが、枝分かれ部１１０の底壁１０１の内面の平均高さと比べて低くなっていることを、「集束部１０９の底面が掘り下げられている」と記載することがある。

蒸発器１００Ａの底壁１０１の内面は、蒸気室１０６において、上記蒸気管接続口側の高さが上記厚み方向に低くなるような領域を有していればよい。例えば、底壁１０１の内面は、蒸気管接続口１０８に連通する部分を含む第１領域と、第１領域以外の領域である第２領域とに分けたとき、第１領域と第２領域との境界に段差が設けられており、第１領域の平均高さが、第２領域の平均高さに比べて、厚み方向Ｔに低くなっていてもよく、あるいは、図６に示す蒸発器１００Ａ´のように、少なくとも蒸気室１０６の存在領域において、底壁１０１の内面が、蒸気管接続口１０８に向かって厚み方向Ｔに低くなる方向に傾斜している部分があってもよい。例えば、蒸発器１００Ａでは、集束部１０９が第１領域に相当し、枝分かれ部１１０が第２領域に相当する。なお、集束部１０９が第１領域と一致し、枝分かれ部１１０が第２領域と一致することが好ましいが、必ずしも一致しなくてもよい。

底壁１０１の内面の高さは、蒸気管接続口１０８に隣接する部分が厚み方向Ｔに最も低くなっていることが好ましい。

蒸発器１００Ａは、図２、図３及び図５に示すように、蒸気室１０６の枝分かれ部１１０において、底壁１０１と一体化した櫛歯状のフィン１０７を有していることが好ましい。

フィン１０７は、例えば、図２及び図５に示すように、底壁１０１から厚み方向Ｔに延びている。フィン１０７は、厚み方向Ｔに厳密に平行である必要はない。

フィン１０７は、例えば、図２及び図３に示すように、長さ方向Ｌに延びている。フィン１０７は、長さ方向Ｌに厳密に平行である必要はない。

フィン１０７は、一方向に延びる櫛歯状の構造ではなく、例えば複数のピンが一列に並んでいる構造であってもよい。しかしながら、蒸気室１０６が内圧によって変形することを軽減するためには、フィン１０７は、一方向に延びる櫛歯状の構造であることが、より望ましい。

なお、フィン１０７は、底壁１０１と一体化せず、筐体１２０と別の部材として設けられていてもよい。

フィン１０７は、図５に示すように、ウィック１０４に厚み方向Ｔで接していてもよい。つまり、フィン１０７とウィック１０４との間には、厚み方向Ｔに隙間が設けられていなくてもよい。
なお、フィン１０７は、ウィック１０４に厚み方向Ｔで接していなくてもよい。

フィン１０７の構成材料は、熱伝導率が高い材料、例えば、金属であることが好ましく、銅であることが特に好ましい。

フィン１０７は、金属、セラミック、樹脂等で構成される多孔質部材からなっていてもよい。

フィン１０７、底壁１０１及び側壁１０３の構成材料は、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。

蒸気室１０６は、図２、図３及び図５に示すように、フィン１０７により、複数の溝（グルーヴ）１１１に区画されている。

溝１１１は、蒸気室１０６で発生する気相の作動流体が通る流路である。

溝１１１は、図２及び図３に示すように、長さ方向Ｌに延びており、蒸気管接続口１０８に向かって開口している。

溝１１１は、図４に示すように、幅方向Ｗに等間隔で設けられていることが好ましい。
なお、溝１１１は、幅方向Ｗに異なる間隔で設けられていてもよい。

図４及び図５に示すように、蒸発器１００Ａは、蒸気室１０６の存在領域において、蒸気室１０６の周縁に沿って、側壁１０３の内面と接合又は一体化したウィック封止部１１４を備えていることが好ましい。ウィック封止部１１４の上面とウィック１０４の周縁の下面とが接合され、蒸気室１０６は気密封止されている。ウィック１０４とウィック封止部１１４との接合は、拡散接合、接着剤による接合、溶着などの方法が考えられる。図４及び図５では、ウィック１０４の外縁は側壁１０３の内面に接しているが、ウィック封止部１１４の上面とウィック１０４の周縁の下面とが接合されて蒸気室１０６が気密封止されているので、ウィック１０４の外縁は側壁１０３の内面に接していなくてもよい。この場合、ウィック１０４の外縁がウィック封止部１１４を介して側壁１０３の内面に間接的に固定されている。

図２、図４及び図５に示すように、蒸発器１００Ａにおいて、ウィック封止部１１４は、底壁１０１の内面から厚み方向Ｔに延び、かつ側壁１０３の内面と接合又は一体化している。蒸気管接続口１０８を蒸気室１０６と連通させるために、蒸気管接続口１０８がウィック封止部１１４及び側壁１０３を貫通している。蒸気管接続口１０８の形状は、特に限定されないが、例えば、ウィック封止部の上面の形状に合わせて、上部が平らな半円形である。

ウィック封止部１１４は、底壁１０１の内面から厚み方向Ｔに延びる形状ではなく、側壁１０３の内面から長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗに延びた板状であってもよい。この場合、蒸気管接続口１０８を塞ぐことがないように、ウィック封止部１１４の上面は、厚み方向Ｔに蒸気管接続口１０８とウィック１０４との間に設けられることが好ましい。

なお、ウィック封止部１１４は、設けられていなくてもよい。ウィック封止部１１４を設けない場合は、ウィック１０４の外縁を側壁１０３の内面に直接固定させる。ウィック１０４を側壁１０３に固定する方法としては、例えば拡散接合、接着剤による接合、溶着、側壁１０３に溝を設けてウィック１０４を嵌め込む方法、Ｏリングを用いて固定する方法、等が挙げられる。

筐体１２０の側壁１０３には、図２、図３及び図４に示すように、液室１０５に連通する液管接続口１１２が設けられている。一方、液管２００は、液管接続口１１２に接続されている。よって、液管２００は、液管接続口１１２を通じて、液室１０５に連通している。

液管２００の構成材料は、熱膨張係数が側壁１０３の構成材料に近く、側壁１０３に容易に接合可能な材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス、これらの金属の少なくとも１種を含有する合金等が挙げられる。中でも、液管２００の構成材料は、銅であることが特に好ましい。

液管２００及び側壁１０３の構成材料は、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。

蒸気管３００の構成材料は、熱膨張係数が側壁１０３の構成材料に近く、側壁１０３に容易に接合可能な材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス、これらの金属の少なくとも１種を含有する合金等が挙げられる。中でも、蒸気管３００の構成材料は、銅であることが特に好ましい。

蒸気管３００及び側壁１０３の構成材料は、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。

液管２００及び蒸気管３００の構成材料は、互いに同じであることが好ましいが、互いに異なっていてもよい。

次に、蒸発器１００の第二の形態である蒸発器１００Ｂの内部構造について、図７、図８及び図９を参照して説明する。ここでは第一の形態である蒸発器１００Ａと異なる点のみ説明し、共通する箇所については説明を省略する。

図７は、図１中の蒸発器を分解した状態の別の一例を示す斜視模式図である。図８は、図７中の蒸発器を厚み方向から透視した状態を示す模式図である。図９は、図８中の線分Ｃ－Ｃに対応する部分を示す断面模式図である。

図７、図８及び図９に示すように、筐体１２０における、底壁１０１と天壁１０２と側壁１０３とで囲まれた内部領域に、液室１０５と蒸気室１０６とが設けられており、液室１０５と蒸気室１０６とは、隔壁１１５により区画されている。隔壁１１５は、底壁１０１の内面から厚み方向Ｔに延びている。隔壁１１５と天壁１０２との間は、空間が設けられており、作動流体はこの空間を通って液室１０５から蒸気室１０６へ移動する。
蒸気室１０６と液室１０５は長さ方向Ｌと幅方向Ｗとで形成される平面上に並んでいる。蒸気室１０６に区画されている部分の底壁１０１の外面は、発熱素子が取り付けられる受熱面となっている。

ウィック１０４は蒸気室１０６の天面を構成しており、ウィック１０４の周縁はウィック封止部１１４と接合され、気密封止されている。そのため、隔壁１１５は設けられていなくてもよい。
図７、図８及び図９に示すように、蒸気室１０６は、枝分かれ部１１０と集束部１０９との境界で底壁１０１の内面に段差が設けられているが、上記段差の代わりに、少なくとも蒸気室１０６の存在領域において、底壁１０１の内面が、蒸気管接続口１０８に向かって厚み方向Ｔに低くなる方向に傾斜している部分があってもよい。この場合、液室１０５の存在領域における底壁１０１の内面は、傾斜している部分があってもよいし、傾斜していなくてもよい。
液室１０５及び蒸気室１０６がこのような位置関係にあると、蒸発器１００Ｂを極めて薄型化することが容易になる。

次に、蒸発器１００の第三の形態である蒸発器１００Ｃの内部構造について、図１０を参照して説明する。ここでは第一の形態である蒸発器１００Ａと異なる点のみ説明し、共通する箇所については説明を省略する。

図１０は、図１中の蒸発器を分解した状態の別の一例を示す斜視模式図である。
蒸発器１００Ｃは、内部に液室を備えていない。液管２００から流入した液相の作動流体は液管接続口１１２を通じて直接ウィック１０４に浸透する。ウィック１０４に浸透した作動流体は蒸気室１０６で沸騰して、枝分かれ部１１０から集束部１０９に集まり、蒸気管接続口１０８を通じて蒸気管３００に流入する。
蒸発器内部に液室を備えない構成であると、蒸発器１００Ｃの小型化及び薄型化が容易になる。

次に、本発明のループヒートパイプ用の蒸発器が有する効果について説明する。

ループヒートパイプ用の蒸発器は、蒸気室の外側の受熱面に発熱素子が取り付けられると、発熱素子の熱が受熱面を通じて蒸気室内部にある作動流体に伝えられ、作動流体は沸点に達して沸騰する。
図２、図７及び図１０に示した本発明の蒸発器１００Ａ、１００Ｂ及び１００Ｃでは、蒸気室１０６は、枝分かれ部１１０と、蒸気管接続口１０８に連通する集束部１０９と、を備える枝分かれ流路が設けられている。蒸気管接続口１０８に隣接する集束部１０９の底壁１０１の内面の平均高さが、枝分かれ部１１０の底壁１０１の内面の平均高さに対して低くなっており、集束部１０９の底面が受熱面方向に掘り下げられている。気相となった作動流体は、枝分かれ部１１０から集束部１０９に集まり、蒸気管接続口１０８を通じて蒸気管３００に流れる。

ここで、集束部１０９は枝分かれ部１１０から集められた気相の作動流体が集中するため、枝分かれ部１１０よりも作動流体の流量が多い。層流の場合のダルシー・ワイスバッハ（Ｄａｒｃｙ－Ｗｅｉｓｂａｃｈ）の式ΔＰ＝１２８／π×μＱ／Ａ^２より、流体の圧力損失ΔＰは流量Ｑに比例し、流路の断面積Ａの二乗に反比例する。したがって、作動流体が集中する集束部１０９の底面を掘り下げて流路断面積を大きくすることにより、効率よく蒸気室１０６の圧力損失低減効果を高めることができる。また、集束部１０９は蒸気管接続口１０８に隣接するため、集束部１０９の底面が掘り下げられているほど、蒸気管接続口１０８の高さも確保できる。したがって、蒸気管接続口１０８の圧力損失も低減することができる。

また、本発明の蒸発器は、底壁の内面の全体ではなく一部のみ高さが低くなっているので、蒸発器全体の強度を維持しつつ、蒸気室の圧力損失低減効果を高めることができる。

本発明の蒸発器として、液室が蒸気室と厚み方向に重なっている態様（第一の形態）、液室と蒸気室とが平面上に並んでいる態様（第二の形態）、液室が設けられていない態様（第三の形態）について上述したが、それぞれの態様の蒸発器を用いたループヒートパイプについて、以下に説明する。

図１１は、本発明のループヒートパイプの一例を示す平面模式図である。図１１は、第一の形態である蒸発器１００Ａを蒸発器１００として用いた場合のループヒートパイプ１Ａを示す。液管２００は液室１０５に連通し、蒸気管３００は蒸気室１０６に連通している。

図１２は、本発明のループヒートパイプの別の一例を示す平面模式図である。図１２は、第二の形態である蒸発器１００Ｂを蒸発器１００として用いた場合のループヒートパイプ１Ｂを示す。液管２００は液室１０５に連通し、蒸気管３００は蒸気室１０６に連通している。

図１３及び図１４は、本発明のループヒートパイプの別の一例を示す平面模式図である。図１３及び図１４は、第三の形態である蒸発器１００Ｃを蒸発器１００として用いた場合のループヒートパイプ１Ｃ及び１Ｄを示す。ループヒートパイプ１Ｃ及び１Ｄは、蒸発器１００Ｃの外部に独立した液室１０５を備えており、液室１０５が液管２００の途中に設けられているか（図１３）、又は液管２００から枝分かれした箇所に設けられている（図１４）。ループヒートパイプ１Ｃ及び１Ｄは、液室１０５を備えていなくてもよい。

次に、ループヒートパイプの動作について、ループヒートパイプ１Ａを例にして以下に説明する。

まず、発熱素子（不図示）の熱は、蒸発器１００の受熱面である底壁１０１に伝わる。一般的に、受熱面と発熱素子との間には、受熱面や発熱素子の表面の凹凸を埋めて熱抵抗を低下させるＴＩＭ（熱界面材料）と呼ばれる部材を挿入する場合が多い。発熱素子から底壁１０１に伝わった熱は、フィン１０７を通じて蒸気室１０６に伝わる。ここで、液室１０５には、液相の作動流体が一定量注液されており、蒸気室１０６には、液室１０５から液相の作動流体がウィック１０４の毛細管力により供給されている。そのため、蒸気室１０６に伝わった熱は、蒸気室１０６に供給された液相の作動流体に伝わる。これにより、蒸気室１０６において、液相の作動流体は、沸騰して気相の作動流体に変化する。蒸気室１０６で発生した気相の作動流体は、その蒸気圧を駆動力として、枝分かれ部１１０から集束部１０９に集まり、蒸気管接続口１０８を通じて蒸気管３００に流入する。このとき、ウィック１０４は、蒸気室１０６内で発生した気相の作動流体が液室１０５に逆流することを防ぐ。

次に、蒸気管３００に流入した気相の作動流体は、蒸気管３００を通って凝縮器４００に到達する。凝縮器４００に到達した気相の作動流体は、凝縮器４００の蒸気管接続口を通って凝縮器４００に流入する。

そして、凝縮器４００に流入した気相の作動流体は、熱が奪われることにより液相の作動流体に変化する。凝縮器４００で発生した液相の作動流体は、凝縮器４００の液管接続口を通って液管２００に流入する。

その後、液管２００に流入した液相の作動流体は、液管２００を通って蒸発器１００に到達する。蒸発器１００に到達した液相の作動流体は、液管接続口１１２を通って液室１０５に流入する。

以上のように、ループヒートパイプ１Ａでは、作動流体が気－液の相変化を生じつつ循環する。この際、発熱素子の熱は、蒸発器１００（蒸気室１０６）において液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発潜熱として吸収された後、凝縮器４００において気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮潜熱として放出される。このようにして、発熱素子の熱は、蒸発器１００から凝縮器４００に輸送されることで放熱される。更に、ループヒートパイプ１Ａでは、底壁１０１の内面の高さが、蒸気管接続口１０８側に向かって、厚み方向Ｔに低くなっている領域を有している蒸発器１００が用いられているため、上述したように、蒸気管接続口１０８の高さを確保することが可能であり、効率よく蒸気室１０６の圧力損失低減効果を高めることができる。

液相の作動流体については、動作温度（沸点）、ウィック１０４との濡れ性、毛細管力、化学的安定性、毒性、可燃性等を考慮して選定することが重要である。このような液相の作動流体としては、例えば、純水、低分子量のアルコール、低分子量の炭化水素系液体、フッ化炭化水素系液体、これらの液体を複数種類含む混合液等が挙げられる。

液室１０５に注液される液相の作動流体は、脱気されていることが好ましい。この場合、空気等の非凝縮性の気体が除去された液相の作動流体が、液室１０５に注液されることになる。よって、蒸気室１０６で発生した気相の作動流体に非凝縮性の気体が混在しにくくなるため、蒸発器１００から凝縮器４００への流路である蒸気管３００において、気相の作動流体の輸送性能が向上しやすくなる。更に、凝縮器４００で発生した液相の作動流体に非凝縮性の気体が混在しにくくなるため、凝縮器４００から蒸発器１００への流路である液管２００において、液相の作動流体の輸送性能が向上しやすくなる。以上により、ループヒートパイプ１Ａの熱輸送性能が向上しやすくなる。

同様の観点から、ループヒートパイプ１Ａの内部は、脱気されていることが好ましい。より具体的には、蒸発器１００、液管２００、蒸気管３００、及び、凝縮器４００からなる群より選択される少なくとも１つの部材の内部は、脱気されていることが好ましい。中でも、蒸発器１００、液管２００、蒸気管３００、及び、凝縮器４００のすべての内部が脱気されていることが特に好ましい。

以下、本発明のループヒートパイプ用の蒸発器をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。

［比較例１］
図１５に示した蒸発器５００Ａについて、寸法及び材質が以下の通りである態様を、比較例１の蒸発器とした。比較例１の蒸発器は、蒸気室における底壁の内面の高さが１．０ｍｍで、掘り下げ部がない。

（流速分布及び圧力損失）
境界条件については、蒸気管接続口の中心を通る断面を対称面、蒸気管接続口を自由流出面、蒸気室の天面を定流速０．１ｍ／ｓの流入面、他の境界をすべりなしの固体表面として、流体シミュレーションを行った。流速分布及び圧力損失を、シミュレーション結果から計算した。結果を図１８及び図２１に示す。圧力損失は、蒸気管接続口１０８を自由流出面、すなわち圧力ゼロの基準面として測定した値である。
蒸気室の寸法：長さ２１ｍｍ×幅２１ｍｍ×高さ１．０ｍｍ
蒸気管接続口の長さ：３．０ｍｍ
蒸気管接続口の寸法：高さ０．７ｍｍ、幅２．０ｍｍ（矩形）
蒸発器全体の材質：純銅
蒸気の物性：密度１．２ｋｇ／ｍ^３、粘度１．８２×１０^－５Ｐａ・ｓ（空気の物性を使用した）

（強度計算）
境界条件については、蒸発器天面を固定端、天面以外の外面を自由端とし、内面に一定圧力１．０×１０^６Ｐａを印加して応力シミュレーションを行い、最大変位値を求めた。結果を図２４に示す。
蒸発器全体の外形寸法：長さ２７ｍｍ×幅２７ｍｍ×厚さ５ｍｍ
側壁の厚さ：１．０ｍｍ
蒸気室の寸法：長さ２１ｍｍ×幅２１ｍｍ×高さ１．０ｍｍ
蒸発器全体の材質：純銅
蒸気室の底面厚さ：１．０ｍｍ（掘り下げ部なし）

［実施例１］
蒸気管接続口付近に掘り下げ部が設けられた以外は比較例１と同様の寸法及び材質である態様（図１６、蒸発器１００）を、実施例１の蒸発器とし、シミュレーションにより流速分布、圧力損失及び最大変位値（強度）を計算した。結果を図１９、図２２及び図２５に示す。
蒸気管接続口の寸法：高さ１．０ｍｍ、幅２．０ｍｍ（半円形）
蒸気室の高さ：掘り下げ部以外の高さ１．０ｍｍ、掘り下げ部の高さ１．５ｍｍ
蒸気室の底面厚さ：掘り下げ部以外１．０ｍｍ、掘り下げ部０．５ｍｍ

［比較例２］
底壁の内面が全面掘り下げられた以外は比較例１と同様の寸法及び材質である態様（図１７、蒸発器５００Ｂ）を、比較例２の蒸発器とし、数値シミュレーションにより流速分布、圧力損失及び最大変位値（強度）を計算した。結果を図２０、図２３及び図２６に示す。
蒸気管接続口の寸法：高さ１．０ｍｍ、幅２．０ｍｍ（半円形）
蒸気室の高さ：１．５ｍｍ
蒸気室の底面厚さ：０．５ｍｍ

比較例１（図１５）では、蒸気室の底面の掘り下げがなく、蒸気管接続口の高さが確保できず、流速及び圧力損失が大きかった。それに対し、比較例２（図１７）では、蒸気室の底面全体を均一に掘り下げることによって、流速及び圧力損失を低減できる一方で、蒸気室の底壁の壁厚が全体に薄くなるため、最大変位値が大きく、機械的強度が小さくなった。
実施例１（図１６）に示すように、蒸気室の底面の蒸気管接続口近傍だけを掘り下げることによって、蒸気が集中する部分の流速及び圧力損失を効率よく低減でき、機械的強度も確保することができた。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ループヒートパイプ
１００、１００Ａ、１００Ａ´、１００Ｂ、１００Ｃ 蒸発器
１０１ 底壁
１０２ 天壁
１０３ 側壁
１０４ ウィック
１０５ 液室
１０６ 蒸気室
１０７ フィン
１０８ 蒸気管接続口
１０９ 集束部（掘り下げ部）
１１０ 枝分かれ部
１１１ 溝（グルーヴ）
１１２ 液管接続口
１１４ ウィック封止部
１１５ 隔壁
１２０ 筐体
２００ 液管
３００ 蒸気管
４００ 凝縮器
５００Ａ、５００Ｂ 蒸発器（比較例）

Claims (12)

1. 平板状の筐体と、ウィックと、を備え、
   前記筐体は、底壁と、厚み方向で前記底壁に対向する天壁と、前記厚み方向で前記底壁及び前記天壁の外縁同士を接続する側壁と、を有し、
   前記筐体における、前記底壁と前記天壁と前記側壁とで囲まれた内部領域に、前記底壁の内面に接する蒸気室が設けられ、
   前記ウィックは、前記蒸気室の天面を構成し、
   前記ウィックの外縁の少なくとも一部は、前記側壁の内面に直接又は間接的に固定されており、
   前記側壁には、液管接続口と、前記蒸気室に連通する蒸気管接続口と、が設けられ、
   前記蒸気管接続口は、前記厚み方向で前記底壁の内面と前記ウィックとの間に設けられ、
   前記底壁の内面は、前記蒸気管接続口側の高さが前記厚み方向に低くなるような領域を有している、ことを特徴とするループヒートパイプ用の蒸発器。
2. 前記底壁の内面の高さは、前記蒸気管接続口に隣接する部分が前記厚み方向に最も低くなっている、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記底壁の内面は、前記蒸気管接続口に連通する部分を含む第１領域と、前記第１領域以外の領域である第２領域との境界に段差が設けられており、
   前記第１領域の平均高さが、前記第２領域の平均高さに比べて、前記厚み方向に低くなっている、請求項１に記載の蒸発器。
4. 少なくとも前記蒸気室の存在領域において、前記底壁の内面が、前記蒸気管接続口に向かって前記厚み方向に低くなる方向に傾斜している部分がある、請求項１に記載の蒸発器。
5. 前記蒸気室は、枝分かれ部と、前記蒸気管接続口に連通する集束部と、を備える枝分かれ流路が設けられており、
   前記枝分かれ部の前記底壁の内面の平均高さが、前記集束部の底壁の内面の平均高さに比べて、前記厚み方向に低くなっている、請求項１～４のいずれか一項に記載の蒸発器。
6. 前記ウィックの外縁の少なくとも一部は、前記側壁の内面に直接固定されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の蒸発器。
7. 前記蒸気室の存在領域において、前記蒸気室の周縁に沿って、前記側壁の内面と接合又は一体化したウィック封止部を備え、
   前記ウィック封止部の上面は、前記厚み方向に前記蒸気管接続口と前記ウィックとの間に設けられており、
   前記ウィック封止部の上面と前記ウィックの周縁の下面とが接合されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の蒸発器。
8. 前記内部領域に、更に液室が設けられ、前記ウィックによって前記蒸気室と液室とが隔てられており、
   前記液管接続口は、前記液室と連通している、請求項１～７のいずれか一項に記載の蒸発器。
9. 請求項１～７のいずれか一項に記載の蒸発器と、
   凝縮器と、
   一端が前記蒸発器の前記液管接続口に接続され、かつ、他端が前記凝縮器の液管接続口に接続された液管と、
   一端が前記蒸発器の前記蒸気管接続口に接続され、かつ、他端が前記凝縮器の蒸気管接続口に接続された蒸気管と、を備える、ことを特徴とするループヒートパイプ。
10. 前記蒸発器の内部領域に、更に液室が設けられ、前記ウィックによって前記蒸気室と液室とが隔てられており、
    前記液管接続口は、前記液室と連通している、請求項９に記載のループヒートパイプ。
11. 更に液室が、前記液管の途中に設けられている、請求項９に記載のループヒートパイプ。
12. 更に液室が、前記液管から枝分かれした箇所に設けられている、請求項９に記載のループヒートパイプ。

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