JP3165057U - 冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱抵抗を低減する冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置を提供する。【解決手段】殻体１、板体２、管体３及び放熱部材４によって構成される。板体を蓋として、殻体に密閉チャンバ１１を形成して、チャンバ内に発熱素子に接する蒸発部１２を配置し、蒸発部に間隔を置いて配列された複数の第１導流体１２１１の間に形成された第１流路１２１２を冷媒の流通する経路とし、第１流路の一端を冷媒の開放空間となる自由領域１２１３に開口する自由端１２１２ａとする。管体は、ループを形成してその両端で殻体の蒸発部及びその他端側の自由端に連なる自由領域に接続されると共に管体を放熱部材を貫通して冷却部５を構成し、蒸発部から冷却部を経て蒸発部に還流する冷媒経路を構成する。【選択図】図１

Description

冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置に関し、特に、如何なる毛細構造も必要とせずにループ式熱サイフォン装置の気液循環作用を向上することができ、熱抵抗を低減する冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置に関する。

近年、電子半導体産業の飛躍的発展、製造技術の進歩に伴い、市場の需要の趨勢の下で電子設備は、徐々に軽薄短小の形態に向かっているが、外形寸法が徐々に縮小される過程において、他方では機能及び演算能力は、益々向上している。例えば、家庭用又は商業用通信機器及び家庭用又は工業用の熱交換機/器は、その実際の動作時、多くの電子部品が熱量を発生し、そのうち、演算を行う電子トランジスタ又は部材が発生する熱量が最も大きく、この時、ヒートシンク片をファンと組み合わせ構成するヒートシンクが放熱機能を提供し、該電子部材を保護する重要な役割を果たし、該電子部材が正常動作温度で相応する機能を発揮する。

水冷技術がパソコン上に広く適用されはじめているが、その他の諸通信及び家庭用又は工業用の熱交換機/器に積極的に運用されておらず、水冷技術は、体積が膨大なヒートシンク片を省くことができるが、システム内の熱源の熱を作動流体中に集め、熱交換器により空気と熱交換を行う動作に統一し、管路の長さが自ら変更可能であるので、熱交換器の位置も比較的柔軟性があり、熱交換器（ヒートシンクフィン）の設計が空間上の制限を受けることがない。但し、水冷システムは、ポンプにより作動流体を流動させる必要があり、更に蓄水ケースを必要とし、システム全体は、依然としてポンプの信頼性の問題、管路滴露の問題等を有するが、パソコン内の発熱部材の熱量は、絶え間なく増加するので、水冷式放熱技術は、完全でないものの依然として現在の市場でヒートパイプ理及び制御に対する最良の選択となっている。しかしながら、これは、パソコンの体積が比較的大きく、外部にも比較的空間上の制限がないからであり、通信機器及び家庭用又は工業用の熱交換機/器では、異なり、上記の該装置は、現在何れも、益々軽薄短小の特性へ発展し、その全体の空間は、有限であり、水冷の放熱技術を使用することができないので、現在は、依然として、ヒートパイプ又は直接小型のヒートシンクを使用し、熱転移を行い、その後、放熱フィンを使用し、熱交換の動作を行っている。これに鑑みて、業界は、熱通量がより高い放熱技術を積極的に追求し、つめよる膨大な放熱要求に応じる必要がある。

また、従来技術は、ヒートパイプ、均温板等の放熱部材を熱伝導部材として使用しているが、ヒートパイプ及び均温板の製造時は、管の内壁に焼結体を成型し、毛細構造として使用し、主要な製造工程は、先ず銅質顆粒又は粉末を該内壁内に充填し、その金属（銅質）顆粒又は粉末を加圧成形し、最後に焼結炉内に送り焼結加工し、該銅質顆粒又は粉末を多孔性質の毛細構造に形成し、該焼結体により毛細管作用を得ることができるが、該焼結体は、該ヒートパイプ及び均温板の体積に一定の厚さを有するので、効率的に薄型化することができない。また、前記ＶＣ（Vapor Chamber）は、焼結の芯又はマトリクス又は溝構造を使用し、毛細管現象を発生し、ヒートパイプ又はＶＣ（Vapor chamber）中の気液循環を駆動するが、該構造上の応用製造方式は、相当複雑であり、製造コストを増加し、不適切である。

また、従来のループ式熱サイフォン装置を熱伝導部材として使用することができ、該従来のループ式熱サイフォン装置は、熱伝導効果を発生することができるが、それは、毛細管作用及び重力駆動気液循環を応用している。従って、重力駆動の制限を受け易く、このほか、ループサイフォン装置の全体の熱抵抗が高く、ループ式熱サイフォン装置の傾斜側角度の制限も比較的高く、設計の応用時の制限を増加させる。

従って、現在市場にあるオールインワン（All in one）ＰＣ又は通信ＲＲＵモジュールは、何れもヒートパイプ冷却問題解決（heatpipe cooler solution）に使用される。但し、ヒートパイプは、熱量の制限を有し、複数使用する必要があり、製造コストを比較的高いという欠点を招き、且つ該放熱熱抵抗もＣＰＵ放熱熱抵抗の要求を満たすことができるとは限らない。

また、蒸気芯の選択は、学問であり、適切な蒸気芯を選択することは、相当重要であり、該蒸気芯は、重力の影響を克服するために、冷却液の流速を保持し、十分な毛細圧力を保持する必要がある。

従来技術のヒートパイプ又はＶＣ（Vapor chamber）は、以下の欠点を有する：
1.
加工に不便である；
2.
薄型化を実現できない；
3.
コストが高い；
4.
工程時間を消費する。

特開２００５−２５９７９４号公報

上記の問題を有効な解決する為、本考案の目的は、ループ式ヒートパイプの気液循環作用を向上し、熱抵抗を低減する冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置を提供することである。

本考案のもう１つの目的は、毛細管構造を焼結する工程を用いることなく、コストを低減する圧力勾配駆動の放熱装置を提供することである。

上記の目的を達成する為、本考案が提供する冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置は、殻体と、板体と、管体と、少なくとも１つの放熱部材と、から構成する。前記殻体は、チャンバを有し、該チャンバ内に蒸発部を有し、該蒸発部は、複数の第１導流部を有し、前記第１導流部は、複数の第１導流体が間隔を置いて配列されて構成され、該第１導流体間に少なくとも１つの第１流路を形成し、該第１流路の少なくとも一端が自由端であり、自由領域に接続する。前記板体は、前記殻体に対応して被さり合い、該チャンバを密閉する。該管体は、第２流路を有し、前記管体両端は、前記殻体に接続し、該第２流路は、前記蒸発部に連通する。該放熱部材は、前記管体外部に貫通して被せ、前記管体及び該放熱部材は、一体化されて冷却部を構成する。

本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置は、冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置において、第１導流体及び他の第１導流体間に適当な第１流路を設置し、熱源と接触する第１流路が発生した熱気を局限し、気液循環に必要な降圧の駆動を確立する。冷却部の適当な減圧設計により、低圧端を発生し、圧力勾配駆動の気液循環を駆動するのに必要な圧力勾配を形成し、即ち、如何なる毛細管構造も必要とせずに作動流体を駆動し、本体及び管体において、熱量を伝達することができ、熱伝達効率を大幅に向上し、製造コストを低減する。

本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の立体分解図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の立体組み合わせ図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の断面図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の他の態様の蒸発部の正面図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の他の態様の蒸発部の正面図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第２実施例の蒸発部の正面図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第２実施例の他の態様の蒸発部の正面図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の他の態様の蒸発部の正面図である。 本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第1実施例の他の態様の立体組み合わせ図である。

本考案の上記目的及びその構造と機能上の特性について、以下に図面に基づく実施例を挙げて説明する。

図１、図２、図３は、本考案の圧冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第１実施例を示し、前記冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置は、殻体１と、板体２と、管体３と、少なくとも１つの放熱部材４と、から構成する。

前記殻体１は、チャンバ１１を有し、該チャンバ１１内に蒸発部１２を有し、該蒸発部１２は、複数の第１導流部１２１を有し、前記第１導流部１２１は、複数の第１導流体１２１１が間隔を置いて配列されて構成され、該第１導流体１２１１間に少なくとも１つの第１流路１２１２を形成し、該第１流路１２１２の少なくとも一端が自由端１２１２ａを呈し、自由領域１２１３に接続する。

本実施例において、前記第１導流体１２１１は、細長状リブであり、該細長状リブは、横向きに間隔を置いて配列され、前記第１流路１２１２は、該細長状リブ間に形成され、該細長状リブは、波状を呈してもよい（図４参照）。

前記第１流体１２１１は、縦向きに間隔を置いて配列されてもよく、即ち、縦向きに非連続に配列される（図５参照）。

前記板体２は、前記殻体１に対応して被さり合い、該チャンバ１１を密閉する。

前記管体３は、第２流路３１を有し、前記管体３両端は、前記殻体１に接続し、該第２流路３１は、前記蒸発部１２に連通する。

該放熱部材４は、前記管体３外部に被せ、前記管体３及び該放熱部材４は、共に冷却部５を構成し、該冷却部５上にファンを装着することができる（図示せず）。

前記放熱部材４は、放熱フィン組及びヒートシンクのうちいずれか１つであってよいが、本実施例においては、放熱フィン組で説明するが、これに限定するものではない。

図６、図７は、本考案の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の第２実施例を示し、本実施例の構造及び部材間の関連性部分は、前記第１実施例と同一であるので、ここでは再度記載せず、本実施例及び前記実施例の異なる箇所は、前記蒸発部１２の第１導流体１２１１がリブであり、該リブが第１頂角１２１１ａと、第１刃辺１２１１ｂと、第２刃辺１２１１ｃと、を有し、前記第１，第２刃辺１２１１ｂ，１２１１ｃは、該第１頂角１２１１ａに交わり、該第１流路１２１２は、該第１導流体１２１１間に形成され、該第１導流部１２１間に第１距離１２１４を有する。

前記第１刃辺１２１１ｂは、不連続な配列を呈することができ、前記第２刃辺１２１１ｃも、不連続な配列を呈することができる（図７参照）。

図８を参照し、図に示すように、前記第１実施例中の第１導流体１２１１間は、複数の凹溝１２１５を有し、前記凹溝１２１５は、円形、方形、三角形、鱗状、幾何形状の何れか１つを呈し、本実施例は、鱗状で説明するが、これに限定するものではなく、前記凹溝１２１５の相互間の配列方式は、等間隔又は非等間隔を呈することができる配列方式であり、当然、前記第２実施例は、該第１導流体１２１１間に複数の凹溝１２１５を有することもできる。

図４〜図９を参照し、図に示すように、本考案の第１実施例及び第２実施例は、気液二相の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置による循環冷却技術を提出し、この方法は、自己駆動循環方式であり、使用する作動流体は、純粋、エタノール、アセトン、Ｒ１３４Ａ等の冷媒のうちのいずれか１つを適用できる。冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置のチャンバ１１中は、真空吸引された状態であるので、内部に充填された作動流体は、摂氏２０〜３０度、即ち、作動流体の飽和温度である。蒸発気泡７は、蒸発部１２の自由端１２１２ａを回流した後、自由領域１２１３を流れ、降圧し、気液循環の駆動に必要な圧力勾配を発生する。また、冷却部５中で、気体の冷却、凝縮による容積減少が局部負圧吸引を形成するが、気液循環を補助するため、当然に前記本体１及び管体２間に更にポンプ６を設置してもよく、作動流体のチャンバ１１内での循環効果を促進することができる（図９参照）。

冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の蒸発部１２及び（又は）冷却部１３及び管体２中、適当な第１，２流路１２１２，３１を設置し、蒸発部１２内に特定容量加熱に近い方式を利用し、動作流体の圧力を向上し、気液循環を駆動するのに必要な高圧を発生する；且つ（又は）気体作動流体の出口箇所に自由膨張及び冷却、凝縮による減圧作用を利用し、気液循環の低圧端の圧力を低減する；且つ（又は）蒸発部１２の受熱面に沸騰熱伝導性能の向上に有利な表面（例えば、鱗状表面、鱗状及びリブの複合表面等）に形成し、沸点温度を低減し、熱伝導係数を向上し、蒸気の流れをガイドする；且つ（又は）冷却、凝縮表面を撥水性表面に形成し、作動流体が冷却面から離れるのを促進する；冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の気液循環作用を増強し、熱抵抗を低減する。

冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置の外型は、蒸発部１２が下方に置かれ、冷却部４１が上方に置かれ、管体３がループを形成して連結してなり、作動流体が蒸発部１２で受熱増圧し、冷媒の蒸発した気体が管体３を経て上方の冷却部４１に送られ、冷却、凝縮して液体になり、重力作用により蒸発部１２に戻る。作動流体の蒸発部１２での受熱が多くなるほど、気体圧力が高くなり、気液循環速度を加速し、熱抵抗も低くなるが、電子部材は、高温高熱の環境で、寿命が短くなる。
高温又は高熱に伴う圧力差の大きさを利用して放熱効果を向上することはこのように電子部材にとって理想的ではないので、本考案は、蒸発部１２内で一定容量の加熱、温度に維持する方式とし、動作流体の圧力を向上し、気液循環を駆動するのに必要な高圧を発生する；且つ（又は）気体作動流体の出口箇所に自由膨張及び冷却、凝縮による減圧作用を利用し、気液循環低圧端の圧力を低下する。この種の蒸発部１２は、従来のループ式ヒートパイプ装置に対し、以下の利点を有する。
１．比較的低温度下で、熱抵抗が更に低く、電子部材に好適な放熱能力を提供することができる。
２．熱抵抗が冷却部の蒸発部に対する設置角度の変化に伴う影響が小さく、即ち、熱抵抗の変化が仰角角度９０度から３０度まで降下し、熱抵抗は、約２０％上昇するだけであり、本考案の最大の利点は、冷却部の蒸発部に対する仰角が小さい時、気液循環が起動できることになる。
３．管体中に如何なる毛細管構造も設置する必要がなく、作動流体の循環を駆動することができる。

１ 殻体
１１ チャンバ
１２ 蒸発部
１２１ 第1導流部
１２１１ 第1導流体
１２１１ａ 第１頂角
１２１１ｂ 第１刃辺
１２１１ｃ 第２刃辺
１２１２ 第１流路
１２１２ａ 自由端
１２１３ 自由領域
１２１４ 第１間隔
１２１５ 凹溝
２ 板体
３ 管体
３１ 第２流路
４ 放熱部材
５ 冷却部
６ ポンプ
７ 蒸発気泡

Claims (10)

1. 殻体、板体、管体及び放熱部材とからなり、
   該殻体は、内部に発熱素子から熱を受ける蒸発部を設けると共に、
   該蒸発部は、間隔を置いて配列された複数の第１導流体の間に形成された少なくとも１つの第１流路を有する第１導流部を具え、該第１流路の一端側で冷媒の開放空間となる自由領域に至る自由端としたチャンバを形成し、
   該板体は、上記殻体に蓋して該チャンバを密閉し、
   該管体は、その両端を上記チャンバの自由領域とその反対側の蒸発部に接続して第２流路を形成すると共に、該管体を上記放熱部材に貫通して一体化した冷却部を構成し、
   上記蒸発部から冷却部を経て蒸発部に還流するように構成した、
   冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
2. 前記放熱部材は、放熱フィン組又はヒートシンクである請求項１に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
3. 前記第１導流体は、細長状リブであり、該細長状リブは、横向きに間隔を置いて配列され、前記第１流路が該細長状リブの間に形成される請求項１に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
4. 前記第１導流体は、縦向きに間隔を置いて配列される請求項３に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
5. 前記第１導流体は、リブであり、該リブは、第１頂角と、第１刃辺と、第２刃辺と、を有し、前記第１，２刃辺は、該第１頂角に相互に交わり、該第１流路は、該リブ間に形成され、該第１導流部間は、第１距離を有する請求項１に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
6. 前記第１刃辺が不連続な配列を呈し、前記第２刃辺が不連続な配列を呈する請求項４に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
7. 前記第１導流体間に複数の凹溝を有する請求項１に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
8. 前記凹溝は、円形、方形、三角形、鱗状、幾何学形状のうちの何れか１つを呈する請求項７に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
9. 前記管体及び本体間に更にポンプを設ける請求項１に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
10. 前記冷却部上にファンを装着した請求項１に記載の冷媒の蒸発と凝縮に伴う圧力勾配により駆動される放熱装置。
    

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