JP3940019B2 - 平板型気化器 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は毛細管作用による作動流体循環構造を有する気化器に係り、より詳細には、蒸発空洞領域の周りを取り囲む毛細管力発生部を有する平板型気化器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子技術の発展に伴い、電子装備のモジュール化、小型化及び高出力化が成し遂げられている。このため、電子装備における単位面積当り熱発散率は高まる一方である。したがって、電子装備の設計及び作動に当たって、電子装備の発生熱に対する適宜な調節能力が考慮されなければならない。電子装備における温度調節方式としては、熱伝導、空気の自然対流/輻射または強制対流、液体による冷却、潜水冷却、ヒートパイプによる熱分散などがある。
【0003】
最近開発されているCPL(capillary pumped loop)は、冷媒が相変化する境界面で生じる表面張力を冷媒の流動のための駆動源として用いるシステムである。このように、CPLを用いた冷却システムは、熱源から気相の冷媒を用いて熱を移送させる気化器と、気化器から排出される気相の冷媒を液体に凝縮するコンデンサーとを含む。
【0004】
CPL気化器には、熱源から放出される熱が冷媒の相変化に効率よく寄与できるように構成されること、及び冷媒の相変化部分で生じる表面張力が冷媒を移送させる駆動源であるため、相変化する境界面が熱源の周りに均一に分布されることが要求される。
【0005】
米国航空宇宙局(NASA)のルイスセンターのステンジャーによる冷却装置は、パイプ内に冷媒が流動する一つのループを構成し、パイプの一定部分に冷媒流動経路上に毛細管現象を起こす多孔体を有する蒸発部が設けられ、その他の部分では放熱が起こることにより冷媒が凝縮されるような構造を有する。このように、パイプループの構造は小型化し難いため、小型の電子応用機器などに適用し難い。
【0006】
一方、米国特許第5,725,049号公報に、スワンソン等は、CPLが適用された平板型熱交換器を開示している。
【0007】
スワンソンによる熱交換器は、蒸発器、コンデンサー及びこれらの間に設けられた液体管及び気体管を含む。蒸発器は、上部胴体と下部胴体との間にその上面に前記液体管につながるグルーブが形成され、その底面には前記気体管につながるグルーブが形成された多孔性物質が位置するような構造を有する。
【0008】
このように、スワンソンによる熱交換器は、冷媒が多孔体の上部グルーブの中央部分から供給された後にその周りのグルーブに広がりつつ多孔体の胴体を通過中に相変化され、その後、その下部のグルーブを通じて気体管に抜け出るような構造を採択している。
【0009】
しかしながら、このスワンソンによる熱交換器は、その構造からみたとき、小面積でありながらも高熱量を有する熱源の冷却装置や小型薄型の装置としては用い難い。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第1目的は、小型薄型化が可能な平板型気化器を提供することである。
本発明の第2目的は、小型でありながらも冷却効率が高い平板型気化器を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバを与える気化空洞領域と前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、及びこの毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に設けられている基板と、この基板の上部に設けられる上板と、前記毛細管領域に形成されて毛細管力によりマニホルド領域から気化空洞領域へと冷媒を流動させる毛細管力発生部と、前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、前記マニホルド領域に液相の冷媒を外部より供給する冷媒供給部を含む供給手段とを含むことを特徴とする平板型気化器が提供される。
【0012】
前記目的を達成するために、本発明によれば、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバを与える気化空洞領域と前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、及びこの毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に設けられている基板と、この基板の上部に設けられる上板と、前記毛細管領域に形成されて毛細管力によりマニホルド領域から気化空洞領域へと冷媒を流動させる毛細管力発生部と、前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、前記マニホルド領域内においてマニホルド領域を流動する冷媒の流動経路を複数に分けるとともに流動経路上を流れる冷媒に対する熱伝達を抑える多数の断熱領域と、前記マニホルド領域に液状の冷媒を外部より供給する冷媒供給部を含む供給手段とを含むことを特徴とする平板型気化器が提供される。
【0013】
本発明の一実施形態によれば、前記毛細管力発生部は毛細管力を生じる多数の空洞部を有する多孔質体により設けられる。本発明の他の実施形態によれば、前記毛細管力発生部は前記マニホルド領域と気化空洞領域との間の冷媒流動ギャップを与える構造物を有するウィック構造体により設けられる。
【0014】
本発明による気化器において、前記気体捕集部は前記気化空洞領域または気化空洞領域及び前記毛細管領域を包括するほどの大きさを有することが望ましく、前記基板または前記上板の一側面から前記マニホルド領域につながる冷媒流入通路が形成されており、前記上板の一側面から前記気体捕集部につながる冷媒排出通路が形成されていることが望ましい。
【0015】
さらに、本発明による気化器において、前記上板の底面には前記基板のマニホルド領域またはマニホルド領域及び毛細管領域の一部分に対応する形状の溝が形成されて前記マニホルド領域の全体の体積が増大されていることが望ましく、特に、前記中央チャンバの底面に多孔質体及び/またはウィック構造物による第1補助毛細管力発生部が形成され、ひいては、前記マニホルド領域の底面に多孔質体及び/またはウィック構造物による第2毛細管力発生部が形成されていることが望ましい。
【0016】
さらに、効率よい気体の捕集のために、本発明によれば、前記上板の気体捕集部は上方に行くほど狭まる円錐形の構造を有し、望ましくは、前記円錐形の構造の気体捕集部の内壁に少なくとも一つの階段状のエッジ部分が形成されている構造を有する。
【0017】
均一な冷媒の供給及び気化のために、本発明によれば、前記毛細管領域は気化領域を中心に非対称的に形成されており、前記気化領域を取り囲む毛細管領域の幅が前記冷媒供給部に近づくほど広くなるように設定されるとともに毛細管領域を取り囲む前記マニホルド領域の幅は前記冷媒供給部から遠ざかるほど広くなるように設定されることが望ましい。本発明の一実施形態によれば、前記冷媒供給部は前記中央チャンバを中心にその両側に設けられて前記マニホルド領域に対する冷媒の供給が二つの冷媒供給部を通じてなされる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による平板型気化器の断面図であり、図2は、図1に示された気化器1に適用される基板10の平面図であり、図3は、図1に示された気化器に適用される上板20の底面図である。
【0019】
図1及び図2を参照すれば、気化器1は、基板10と、この基板10上に積層される上板20とを備える。基板10の上面には、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバ11が形成される気化空洞領域Aと、前記中央チャンバ11を取り囲む環状の毛細管領域B及びこの毛細管領域Bを取り囲む環状のマニホルド領域Cに区切られた共通チャンバが所定の直径及び深さをもって形成されている。
【0020】
前記気化空洞領域Aは前記毛細管領域Bを通じて流入された冷媒が収容されるものであって、基板10の底面の熱源30から供給された熱により冷媒が蒸発する領域である。
【0021】
前記気化空洞領域Aを取り囲む毛細管領域Bは、冷媒に対して毛細管力を生じる多数のウィック(wick)構造体12が密に配置されている領域である。本発明の第1実施形態による気化器は、図1及び図2に示されたように、断面長方形状のウィック構造体12が前記気化空洞領域を中心として放射状に2列で配置され、その上端は前記上板20の底面に接触されるような構造を有する。ここで、ウィック構造体は、前記断面長方形状のほかに、毛細管現象を起こせるものであれば、他の形状にも変形可能である。
【0022】
前記毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは、前記毛細管領域Bに冷媒を均一に供給するための液状の冷媒の進行経路であって、基板10の一側に形成された冷媒流入通路14につながっている。
【0023】
図3を参照すれば、前記基板10の上に固定される上板20の内面には前記気化空洞領域Aの中央チャンバ11に対応する気体捕集部21が設けられており、この気体捕集部21は、気相の冷媒を外部に排出する排出通路22につながっている。
【0024】
このような構造を有する本発明による気化器は、下記の三つの特徴を有する。
第一に、基板10の中央の気化空洞領域Aにその周りから冷媒が供給される。すなわち、冷媒が基板10の平面方向に流動するが、基板10の中央チャンバ11に集まるようになっている。
第二に、冷媒の流動力を与える毛細管領域Bが気化空洞領域Aを取り囲んでいる。
そして、第三に、毛細管領域Bの全体に冷媒を均一に供給するためにマニホルド領域Cが前記毛細管領域Bを取り囲んでいる。
【0025】
ここで、冷媒の流動力は、冷媒の相変化が起こる部分、特に、中央チャンバ11に接触された毛細管領域Bの内端部で生じる。このような構造において、マニホルド領域Cの上部は前記上板20の底面により密閉されており、このため、マニホルド領域Cに流入された冷媒は毛細管領域Bだけに向かって流動する。
【0026】
本発明の第1実施形態では、前記毛細管領域Bも前記上板20の底面により密閉されている。しかし、毛細管領域Bでは気化が起こりうるため、図4に示されたように、前記毛細管領域Bの上方の一部が開放される場合がある。
【0027】
図4は、本発明の第2実施形態による気化器を示したものである。これを参照すれば、本発明の第2実施形態による気化器は、上板20の気体捕集部21aが前記気化空洞領域A及び毛細管領域Bを包括するように形成されて、中央チャンバ11及びウィック構造体12の上方が開放されているような構造を有する。ここで、前記気体捕集部21aは、前記毛細管領域Bを全体的に取り囲むのではなく、その内側の一部だけを取り囲むほどの大きさに形成できる。
【0028】
以上のような構造において、前記中央チャンバ11が設けられる気化空洞領域Aの大きさは、望ましくは、熱源30の大きさ(面積)に対応して設けられる。あるいは、気化空洞領域A及び毛細管領域Bを含む領域が熱源30の大きさに対応して形成される場合もある。
【0029】
図5は、本発明の第3実施形態による平板型気化器の断面図であり、図6は、図5に示された気化器1に適用される基板10に設けられた多孔質体の平面図であり、図7は、本発明の第3実施形態において基板及びここに設けられる多孔質体の概略的な分解斜視図である。
【0030】
本発明の第3実施形態は毛細管力発生部が毛細管力を生じるための多数の空洞部が多孔質体により設けられる構造的な特徴を有し、これは前述した第1及び第2実施形態及び後述する第4実施形態に多孔質体による毛細管力発生部が適用できることを示している。
【0031】
先ず、図5ないし図7を参照すれば、毛細管領域Bに気化空洞領域A、すなわち中央チャンバ11を取り囲むドーナツ状の多孔質体12aが設けられている。多孔質体12aは冷媒が十分に通過できる空洞部を有する。一方、基板11の毛細管領域Bの底面には環状の多孔質体12aを安定的に位置決めするための環状のリセス12bが選択的に形成されている。
【0032】
図8は、本発明の第4実施形態による平板型気化器の断面図であり、図9は、図8に示された気化器1に適用される基板10の平面図である。この実施形態では毛細管力発生部が前述のようなウィック構造体12により設けられると説明されているが、前述のようにこれを多孔質体12aに取り替えることができる。このとき、若干の設計変更などがありうるが、これは容易になされるためにこれに関する説明は省く。さらに、このような多孔質体の設置のための設計変更などは本発明の技術的な範囲を制限しない。
【0033】
図8及び図9を参照すれば、気化器1は、基板10と、その上に積層される上板20とを備える。基板10の上面には、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバ11が設けられる気化空洞領域Aと、中央チャンバ11を取り囲む環状の毛細管領域B及びこの毛細管領域Bを取り囲む環状のマニホルド領域Cに区切られた共通チャンバが所定の直径及び深さをもって形成されている。
【0034】
前記気化空洞領域Aは前記毛細管領域Bを通じて流入された冷媒が収容されるものであって、基板10の底面の熱源30から供給された熱により冷媒が蒸発する領域である。
【0035】
前記気化空洞領域Aを取り囲む毛細管領域Bは、冷媒に対して毛細管力を生じる多数のウィック構造体12が密に配置されている領域である。本発明の第4実施形態による気化器は、図8及び図9に示されたように、断面長方形状のウィック構造体12が前記気化空洞領域を中心として放射状に2列で配置され、その上端は前記上板20の底面に接触されるような構造を有する。ここで、ウィック構造体は前記断面長方形状のほかに、毛細管現象を起こせるものであれば、他の形状に変形可能である。
【0036】
前記毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは、冷媒が流動するマニホルド13が設けられる部分である。すなわち、前記毛細管領域Bに冷媒を均一に供給するための液状の冷媒の進行経路であり、基板10の一側に形成された冷媒流入通路14につながっている。ここで、マニホルド領域Cには、前記毛細管領域Bを取り囲み、マニホルド領域Cにおける冷媒流動経路を内側及び外側に区切る断熱領域Dが設けられている。断熱領域Dはマニホルド領域C内に位置され、基板10の中央からの熱がマニホルド領域C内を流動する冷媒に伝わることを抑える。
【0037】
前記断熱領域Dは、より効率良い断熱のために、マニホルド領域Cの底面の中央に、マニホルド領域Cに沿って形成される長孔形貫通孔10a及び各貫通孔10aを取り囲む壁体10bを備える。
【0038】
前記壁体10bの上端は前記上板20の底面に接触されて、マニホルド領域Cを流動する冷媒の漏れを防止する。前記貫通孔10aには空気が流入されるため、貫通孔10a内には空気による熱絶縁層が設けられる。
【0039】
このように、空気による熱絶縁層を有する断熱領域Dは、基板10の中央からの熱がマニホルド領域Cに伝わることを遮断してマニホルド領域における冷媒の加熱による蒸発を抑え、これにより、冷媒が液状のままで毛細管領域Bに流入可能になる。したがって、マニホルド領域Cにおける冷媒のドライアウト現象が防止される。また、マニホルド領域Cは複数に区切られた冷媒の流動経路を有しているため、毛細管領域Bの温度分布がその周り方向に沿って均一になる。
【0040】
前記基板10上に固定される上板20の内面には前記気化空洞領域Aの中央チャンバ11に対応する気体捕集部21が設けられており、この気体捕集部21は気相の冷媒を外部に排出する排出通路22につながっている。ここで、前記気体捕集部21は、前記毛細管領域Bの上部まで包括するほどの大きさを有する。
【0041】
以上のような構造を有する本発明による気化器は、下記の三つの特徴を有する。
第一に、基板10の中央の気化空洞領域Aにその周りから冷媒が供給される。すなわち、冷媒が基板10の平面方向に流動するが、基板10の中央チャンバ11に集まるようになっている。
第二に、冷媒の流動力を与える毛細管領域Bが気化空洞領域Aを取り囲んでいる。
第三に、毛細管領域Bの全体に冷媒を均一に供給するためにマニホルド領域C、すなわち、マニホルド13が前記毛細管領域Bを取り囲んでいる。特に、前記マニホルド領域Cに断熱領域Dが設けられる点に特徴がある。
【0042】
ここで、冷媒の流動力は冷媒の相変化が起こる部分、特に、中央チャンバ11に接触された毛細管領域Bの内端部で生じる。以上の構造において、マニホルド領域Cの上部は前記上板20の底面により密閉されており、このため、マニホルド領域Cに流入された冷媒は毛細管領域Bだけに向かって流動する。
【0043】
図10は、本発明の第5実施形態による気化器を示したものである。これを参照すれば、本発明の第5実施形態による気化器は、上板20aの底面に前記毛細管領域B及びマニホルド領域Cに対応する環状の溝23が形成されて、毛細管領域B及びマニホルド領域Cの全体の体積が増大されているような構造を有する。また、この実施形態では、冷媒の流入及び排出が上板20aの上面を通じてなされるような構造となっている。しかし、この構造は本発明の技術的な範囲を制限することはなく、前述した実施形態での冷媒の流入及び排出構造が応用可能である。
【0044】
本発明の第5実施形態による気化器によれば、前記上板20aの上面の一側に基板10aのマニホルド領域Cにつながる冷媒流入口24が形成されており、上板20aの中央部分に冷媒排出口27が形成されている。前記冷媒流入口24及び冷媒排出口27の上部には冷媒の流入及び流出を案内する冷媒導入部25及び冷媒排出部26が別々に設けられる。この冷媒導入部25及び冷媒排出部26は上板20aに形成可能である。
【0045】
前記上板20aの底面に形成された環状の溝23は、上板20aの底面からその上面に近い部分まで深く形成されて、前記マニホルド領域C及び毛細管領域Bが十分な体積を有するようになっている。このように増大された体積によれば、特に、マニホルド領域Cに多くの冷媒が収容できるので、冷媒の不足によるドライアウト現象、すなわち、気化した冷媒が再び液化するような現象を効率よく予防または遅延できる。また、十分に供給された冷媒の圧力により冷媒を気化空洞領域Aに効率よく押し出せる。
【0046】
また、前記基板10aの気化空洞領域Aの底面、すなわち、中央チャンバ11の底面に多数の第1補助ウィック構造体11aが密に形成されている。
【0047】
前記多数の第1補助ウィック構造体11aは毛細管力を生じることにより、前記毛細管領域Bから冷媒を引き寄せて中央チャンバ11の中央部分まで至らせる。特に、多数の第1補助ウィック構造体11aは、冷媒に対する熱伝達面積を広めることにより、より効率良い蒸発を図る。また、十分な量の冷媒を中央チャンバ11に引き寄せて中央チャンバ11に十分な冷媒を供給できるようにすることにより、冷媒の不足によるドライアウト現象を抑える。このように、第1補助ウィック構造体11aは、前記毛細管領域Bのウィック構造体12と共に冷媒の流動力を与えて、冷媒の効率良い循環流動を手助けする。
【0048】
図11及び図12は本発明の第6及び第7実施形態を各々示す図である。これを参照すれば、中央チャンバ11の底面及びマニホルド領域Cの底面の各々に多数の第1、第2補助ウィック構造体11a、13aが密に形成されている。このとき、前記第1、第2補助ウィック構造体11a、13aの高さは前記毛細管領域Bのウィック構造体12よりも低く、この高さの違いは本発明の技術的な範囲を制限しない。また、前記マニホルド領域の底面が前記毛細管領域の底面よりも低く形成される。この第5、第6実施形態において、前記補助ウィック構造体13aの高さは前記毛細管領域Bのウィック構造体12と同一である。むしろ、より高い場合もある。
【0049】
前記第2補助ウィック構造体13aは毛細管力を生じることにより、前記マニホルド領域C及び毛細管領域Bから冷媒を引き寄せて中央チャンバ11の中央部分まで迅速に至らせる。特に、冷媒に対する熱伝達面積を広げることにより、より効率良い蒸発を図る。また、十分な量の冷媒を中央チャンバ11に引き寄せて中央チャンバ11に十分の冷媒を供給可能できるようにすることにより、冷媒の不足によるドライアウト現象を抑える。このように、第2補助ウィック構造体13aは、前記毛細管領域Bのウィック構造体12と共に冷媒の流動力を与えて、冷媒の効率良い循環流動を手助けする。
【0050】
図11に示された本発明の第6実施形態による気化器は、図10及び図12に示された実施形態の利点を合わせ持つので、最も望ましい構造であると言える。
【0051】
図13は、本発明の第8実施形態による気化器において、その上に非対称的な構造の毛細管領域Bが形成される基板10bの概略的平面図である。
図13を参照すれば、中央チャンバ11が設けられる気化空洞領域Aが基板10bの中央から一側に偏っている。したがって、図10ないし図12に示されたように、上板20aに設けられる冷媒排出口27は、前記気化空洞領域Aの偏心に対応して偏心された位置に形成されなければならない。また、前記気化空洞領域Aを取り囲む毛細管領域Bは基板10bの略中央部分に位置する。すなわち、毛細管領域Bは気化空洞領域Aに対して非対称的に形成されている。そして、毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは基板10bの略中央部分に位置され、その一側部分は上板に設けられる冷媒流入口24に対応して広がっている。前記毛細管領域Bの幅は前記冷媒流入口24から遠くなるほど狭くなるため、冷媒流入口24に最も近い部分は他の部分に比べて最も広い。ここで、毛細管領域Bの幅は毛細管領域Bの外周から前記気化空洞領域Aを取り囲むその内周までの距離、前記マニホルド領域Cから気化空洞領域Aに進行する冷媒の部位別の進行距離を意味する。また、前記マニホルド領域Cの幅は前記冷媒流入口24から遠くなるほど広くなる。
【0052】
このような構造によれば、基板10bの一側に対応する上板の冷媒流入口24から流入された冷媒が冷媒流入口24から遠くなるほど次第に広くなるマニホルド領域Cを通じて流動され、マニホルド領域Cを流動する冷媒は前記毛細管領域Bを通じて気化空洞領域Aに供給される。このとき、マニホルド領域Cの幅が前記冷媒流入口24から遠くなるほど広くなるため、冷媒が冷媒流入口24から最も遠い部分まで効率よく流動される。そして、マニホルド領域Bを流動する冷媒が毛細管領域Bに接触されれば、冷媒が毛細管領域Bのウィック構造体による毛細管現象により気化空洞領域Aに流動されるが、このとき、冷媒流入口24から最も遠い部分における毛細管領域Bの幅が最も狭く、冷媒流入口24に近くなるほど広くなるため、冷媒が毛細管領域Bでの部分別摩擦の違いにより全体毛細管領域Bを通じて均一に流動される。すなわち、前述した実施形態でのように、毛細管領域Bが全体的に対称的な構造である場合、冷媒流入口24から最も遠いマニホルド領域部分で大きい摩擦力を受けるのに対し、近い部分では小さい摩擦力を受けるため、マニホルド領域の最も遠い部分に対する冷媒の供給が円滑ではない。したがって、冷媒流入口24から最も遠い部分に対する冷媒の供給が不足するため、この部分で冷媒のドライアウト現象が生じる。しかし、この実施形態では、前述のように、非対称的な構造のマニホルド領域C及び毛細管領域Bにより冷媒に対する部分的な摩擦力の調節がなされるので、気化空洞領域Aに全方向から均一に冷媒を供給することができる。
【0053】
図14は、本発明の第9実施形態による気化器において、気化空洞領域A、これを取り囲む毛細管領域B及び毛細管領域Bの外側に設けられるマニホルド領域Cの配置構造を示した基板10cの概略的平面図である。これを参照すれば、本発明の第9実施形態による気化器は、毛細管領域Bの全体に冷媒を供給するために2つの冷媒流入口24が毛細管領域Bの両側に設けられている。
【0054】
また、基板10cの中央部分に気化空洞領域Aが設けられ、この周りに対称的な構造の毛細管領域Bが前記気化空洞領域Aの中心に同軸的に設けられる。そして、前記毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは略楕円状に形成され、これにより、その長軸方向の両側に広い領域Caが設けられ、その短軸方向の両側に狭い領域Cbが設けられる。前記二つの広い領域Caに対応して、上板(図示せず)には二つの冷媒流入口24が設けられなければならない。上板に対する冷媒流入口24の形成構造は省略されるが、前述した実施形態に記載の内容から容易に具現できる。
【0055】
図14に示されたように、本発明の第9実施形態によれば、毛細管領域Bの両側から冷媒が直接的に供給されるため、毛細管領域Bの全体に冷媒を均一に供給でき、これにより全体的に均一な温度分布を有する。このように、両方向からの冷媒の供給構造は、前述した実施形態での一方向からの冷媒供給構造とは区別される。このような構造によれば、一方向からの冷媒供給構造で生じていた冷媒の部分的な供給不足によるドライアウト現象を効率よく防止または遅延できる。
【0056】
図15及び図16は、本発明による他の実施形態において、気体捕集部21aが円錐形の溝21bにより形成された上板20bの概略的な断面図及び斜視図である。
【0057】
前記気体捕集部21aは円錐形の溝により設けられることにより基板10の中央チャンバ11で生じた気体を効率良く捕らえてその上部の排出通路22を通じて排出させる。また、中央チャンバ11における爆発的な沸騰現象により完全に気化されていない多量の冷媒が気体捕集部21aに流入されたときに斜めの壁面を有する溝21bにより進行経路を狭めることにより気化されていない冷媒がさらに中央チャンバ11に戻るようにする。
【0058】
一方、図17は本発明のさらに他の実施形態において、前記円錐形の溝21bの側面に階段状のエッジ部分21cが形成された上板20bの断面図である。図17に示されたように、溝21bの側面に階段状のエッジ部分21cが上下に二つ形成されている。前記階段状のエッジ部分21cは溝21bの側面に沿って環状に形成される。
【0059】
したがって、図17に示された実施形態の気体捕集部21aによれば、完全に気化されていない冷媒が気体捕集部21aに流入されたときに斜めの壁面を有する溝21bにより進行経路を狭めることにより気化されていない冷媒をさらに中央チャンバに戻すだけではなく、溝21bの壁面に形成されたエッジ部分21cにより中央チャンバ11内において形成される気体−液体の境界面を熱抵抗が小さい冷媒による薄膜が形成されるようになり、これにより熱の蒸発効率が向上する。
【0060】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、外部の動力無しに冷却が行える小型薄型の冷却装置が得られる。
【0061】
また、液状の冷媒と蒸発された気相の冷媒とが毛細管領域により隔離されるため、気体及び液体の混在による流体流動力の低下を効率よく抑えることができ、これにより、熱交換特性が大幅に向上する。
【0062】
このように、本発明による気化器は、前述のように、電子製品の小型部品、例えば、コンピュータのCPUなどの冷却装置として好適である。特に、ノート型パソコンのように内部可用容積が小さい電子製品の発熱源であるCPU自体に付着できるので、別途の冷却装置によるノート型パソコンの大きさ及び重量の増大を防止できる。
【0063】
本発明は図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有した者であれば、これより各種の変形及び均等な実施形態が可能であるということは言うまでもない。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲によって定まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図2】 図1に示された気化器に適用された平板の概略的平面図である。
【図3】 図1に示された気化器に適用される上板の概略的底面図である。
【図4】 本発明の第2実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図5】 本発明の第3実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図6】 本発明の第3実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図7】 図5及び図6に示された本発明による気化器の基板及びここに設けられる多孔質体の分解斜視図である。
【図8】 本発明の第4実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図9】 図8に示された気化器に適用される基板の平面図である。
【図10】 本発明の第5実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図11】 本発明の第6実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図12】 本発明の第7実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図13】 本発明の第8実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図14】 本発明の第9実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図15】 本発明による気化器に適用された上板の応用例を示した断面図である。
【図16】 図12に示された上板の概略的斜視図である。
【図17】 本発明による気化器に適用された上板の他の応用例を示した断面図である。
【符号の説明】
1 気化器
11 中央チャンバ
12 ウィック構造体
13 マニホルド
14 冷媒流入通路
20 上板
21 気体捕集部
22 排出通路
A 気化空洞領域
B 毛細管領域
C マニホルド領域
【発明の属する技術分野】
本発明は毛細管作用による作動流体循環構造を有する気化器に係り、より詳細には、蒸発空洞領域の周りを取り囲む毛細管力発生部を有する平板型気化器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子技術の発展に伴い、電子装備のモジュール化、小型化及び高出力化が成し遂げられている。このため、電子装備における単位面積当り熱発散率は高まる一方である。したがって、電子装備の設計及び作動に当たって、電子装備の発生熱に対する適宜な調節能力が考慮されなければならない。電子装備における温度調節方式としては、熱伝導、空気の自然対流/輻射または強制対流、液体による冷却、潜水冷却、ヒートパイプによる熱分散などがある。
【0003】
最近開発されているCPL(capillary pumped loop)は、冷媒が相変化する境界面で生じる表面張力を冷媒の流動のための駆動源として用いるシステムである。このように、CPLを用いた冷却システムは、熱源から気相の冷媒を用いて熱を移送させる気化器と、気化器から排出される気相の冷媒を液体に凝縮するコンデンサーとを含む。
【0004】
CPL気化器には、熱源から放出される熱が冷媒の相変化に効率よく寄与できるように構成されること、及び冷媒の相変化部分で生じる表面張力が冷媒を移送させる駆動源であるため、相変化する境界面が熱源の周りに均一に分布されることが要求される。
【0005】
米国航空宇宙局(NASA)のルイスセンターのステンジャーによる冷却装置は、パイプ内に冷媒が流動する一つのループを構成し、パイプの一定部分に冷媒流動経路上に毛細管現象を起こす多孔体を有する蒸発部が設けられ、その他の部分では放熱が起こることにより冷媒が凝縮されるような構造を有する。このように、パイプループの構造は小型化し難いため、小型の電子応用機器などに適用し難い。
【0006】
一方、米国特許第5,725,049号公報に、スワンソン等は、CPLが適用された平板型熱交換器を開示している。
【0007】
スワンソンによる熱交換器は、蒸発器、コンデンサー及びこれらの間に設けられた液体管及び気体管を含む。蒸発器は、上部胴体と下部胴体との間にその上面に前記液体管につながるグルーブが形成され、その底面には前記気体管につながるグルーブが形成された多孔性物質が位置するような構造を有する。
【0008】
このように、スワンソンによる熱交換器は、冷媒が多孔体の上部グルーブの中央部分から供給された後にその周りのグルーブに広がりつつ多孔体の胴体を通過中に相変化され、その後、その下部のグルーブを通じて気体管に抜け出るような構造を採択している。
【0009】
しかしながら、このスワンソンによる熱交換器は、その構造からみたとき、小面積でありながらも高熱量を有する熱源の冷却装置や小型薄型の装置としては用い難い。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第1目的は、小型薄型化が可能な平板型気化器を提供することである。
本発明の第2目的は、小型でありながらも冷却効率が高い平板型気化器を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバを与える気化空洞領域と前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、及びこの毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に設けられている基板と、この基板の上部に設けられる上板と、前記毛細管領域に形成されて毛細管力によりマニホルド領域から気化空洞領域へと冷媒を流動させる毛細管力発生部と、前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、前記マニホルド領域に液相の冷媒を外部より供給する冷媒供給部を含む供給手段とを含むことを特徴とする平板型気化器が提供される。
【0012】
前記目的を達成するために、本発明によれば、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバを与える気化空洞領域と前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、及びこの毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に設けられている基板と、この基板の上部に設けられる上板と、前記毛細管領域に形成されて毛細管力によりマニホルド領域から気化空洞領域へと冷媒を流動させる毛細管力発生部と、前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、前記マニホルド領域内においてマニホルド領域を流動する冷媒の流動経路を複数に分けるとともに流動経路上を流れる冷媒に対する熱伝達を抑える多数の断熱領域と、前記マニホルド領域に液状の冷媒を外部より供給する冷媒供給部を含む供給手段とを含むことを特徴とする平板型気化器が提供される。
【0013】
本発明の一実施形態によれば、前記毛細管力発生部は毛細管力を生じる多数の空洞部を有する多孔質体により設けられる。本発明の他の実施形態によれば、前記毛細管力発生部は前記マニホルド領域と気化空洞領域との間の冷媒流動ギャップを与える構造物を有するウィック構造体により設けられる。
【0014】
本発明による気化器において、前記気体捕集部は前記気化空洞領域または気化空洞領域及び前記毛細管領域を包括するほどの大きさを有することが望ましく、前記基板または前記上板の一側面から前記マニホルド領域につながる冷媒流入通路が形成されており、前記上板の一側面から前記気体捕集部につながる冷媒排出通路が形成されていることが望ましい。
【0015】
さらに、本発明による気化器において、前記上板の底面には前記基板のマニホルド領域またはマニホルド領域及び毛細管領域の一部分に対応する形状の溝が形成されて前記マニホルド領域の全体の体積が増大されていることが望ましく、特に、前記中央チャンバの底面に多孔質体及び/またはウィック構造物による第1補助毛細管力発生部が形成され、ひいては、前記マニホルド領域の底面に多孔質体及び/またはウィック構造物による第2毛細管力発生部が形成されていることが望ましい。
【0016】
さらに、効率よい気体の捕集のために、本発明によれば、前記上板の気体捕集部は上方に行くほど狭まる円錐形の構造を有し、望ましくは、前記円錐形の構造の気体捕集部の内壁に少なくとも一つの階段状のエッジ部分が形成されている構造を有する。
【0017】
均一な冷媒の供給及び気化のために、本発明によれば、前記毛細管領域は気化領域を中心に非対称的に形成されており、前記気化領域を取り囲む毛細管領域の幅が前記冷媒供給部に近づくほど広くなるように設定されるとともに毛細管領域を取り囲む前記マニホルド領域の幅は前記冷媒供給部から遠ざかるほど広くなるように設定されることが望ましい。本発明の一実施形態によれば、前記冷媒供給部は前記中央チャンバを中心にその両側に設けられて前記マニホルド領域に対する冷媒の供給が二つの冷媒供給部を通じてなされる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による平板型気化器の断面図であり、図2は、図1に示された気化器1に適用される基板10の平面図であり、図3は、図1に示された気化器に適用される上板20の底面図である。
【0019】
図1及び図2を参照すれば、気化器1は、基板10と、この基板10上に積層される上板20とを備える。基板10の上面には、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバ11が形成される気化空洞領域Aと、前記中央チャンバ11を取り囲む環状の毛細管領域B及びこの毛細管領域Bを取り囲む環状のマニホルド領域Cに区切られた共通チャンバが所定の直径及び深さをもって形成されている。
【0020】
前記気化空洞領域Aは前記毛細管領域Bを通じて流入された冷媒が収容されるものであって、基板10の底面の熱源30から供給された熱により冷媒が蒸発する領域である。
【0021】
前記気化空洞領域Aを取り囲む毛細管領域Bは、冷媒に対して毛細管力を生じる多数のウィック(wick)構造体12が密に配置されている領域である。本発明の第1実施形態による気化器は、図1及び図2に示されたように、断面長方形状のウィック構造体12が前記気化空洞領域を中心として放射状に2列で配置され、その上端は前記上板20の底面に接触されるような構造を有する。ここで、ウィック構造体は、前記断面長方形状のほかに、毛細管現象を起こせるものであれば、他の形状にも変形可能である。
【0022】
前記毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは、前記毛細管領域Bに冷媒を均一に供給するための液状の冷媒の進行経路であって、基板10の一側に形成された冷媒流入通路14につながっている。
【0023】
図3を参照すれば、前記基板10の上に固定される上板20の内面には前記気化空洞領域Aの中央チャンバ11に対応する気体捕集部21が設けられており、この気体捕集部21は、気相の冷媒を外部に排出する排出通路22につながっている。
【0024】
このような構造を有する本発明による気化器は、下記の三つの特徴を有する。
第一に、基板10の中央の気化空洞領域Aにその周りから冷媒が供給される。すなわち、冷媒が基板10の平面方向に流動するが、基板10の中央チャンバ11に集まるようになっている。
第二に、冷媒の流動力を与える毛細管領域Bが気化空洞領域Aを取り囲んでいる。
そして、第三に、毛細管領域Bの全体に冷媒を均一に供給するためにマニホルド領域Cが前記毛細管領域Bを取り囲んでいる。
【0025】
ここで、冷媒の流動力は、冷媒の相変化が起こる部分、特に、中央チャンバ11に接触された毛細管領域Bの内端部で生じる。このような構造において、マニホルド領域Cの上部は前記上板20の底面により密閉されており、このため、マニホルド領域Cに流入された冷媒は毛細管領域Bだけに向かって流動する。
【0026】
本発明の第1実施形態では、前記毛細管領域Bも前記上板20の底面により密閉されている。しかし、毛細管領域Bでは気化が起こりうるため、図4に示されたように、前記毛細管領域Bの上方の一部が開放される場合がある。
【0027】
図4は、本発明の第2実施形態による気化器を示したものである。これを参照すれば、本発明の第2実施形態による気化器は、上板20の気体捕集部21aが前記気化空洞領域A及び毛細管領域Bを包括するように形成されて、中央チャンバ11及びウィック構造体12の上方が開放されているような構造を有する。ここで、前記気体捕集部21aは、前記毛細管領域Bを全体的に取り囲むのではなく、その内側の一部だけを取り囲むほどの大きさに形成できる。
【0028】
以上のような構造において、前記中央チャンバ11が設けられる気化空洞領域Aの大きさは、望ましくは、熱源30の大きさ(面積)に対応して設けられる。あるいは、気化空洞領域A及び毛細管領域Bを含む領域が熱源30の大きさに対応して形成される場合もある。
【0029】
図5は、本発明の第3実施形態による平板型気化器の断面図であり、図6は、図5に示された気化器1に適用される基板10に設けられた多孔質体の平面図であり、図7は、本発明の第3実施形態において基板及びここに設けられる多孔質体の概略的な分解斜視図である。
【0030】
本発明の第3実施形態は毛細管力発生部が毛細管力を生じるための多数の空洞部が多孔質体により設けられる構造的な特徴を有し、これは前述した第1及び第2実施形態及び後述する第4実施形態に多孔質体による毛細管力発生部が適用できることを示している。
【0031】
先ず、図5ないし図7を参照すれば、毛細管領域Bに気化空洞領域A、すなわち中央チャンバ11を取り囲むドーナツ状の多孔質体12aが設けられている。多孔質体12aは冷媒が十分に通過できる空洞部を有する。一方、基板11の毛細管領域Bの底面には環状の多孔質体12aを安定的に位置決めするための環状のリセス12bが選択的に形成されている。
【0032】
図8は、本発明の第4実施形態による平板型気化器の断面図であり、図9は、図8に示された気化器1に適用される基板10の平面図である。この実施形態では毛細管力発生部が前述のようなウィック構造体12により設けられると説明されているが、前述のようにこれを多孔質体12aに取り替えることができる。このとき、若干の設計変更などがありうるが、これは容易になされるためにこれに関する説明は省く。さらに、このような多孔質体の設置のための設計変更などは本発明の技術的な範囲を制限しない。
【0033】
図8及び図9を参照すれば、気化器1は、基板10と、その上に積層される上板20とを備える。基板10の上面には、冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバ11が設けられる気化空洞領域Aと、中央チャンバ11を取り囲む環状の毛細管領域B及びこの毛細管領域Bを取り囲む環状のマニホルド領域Cに区切られた共通チャンバが所定の直径及び深さをもって形成されている。
【0034】
前記気化空洞領域Aは前記毛細管領域Bを通じて流入された冷媒が収容されるものであって、基板10の底面の熱源30から供給された熱により冷媒が蒸発する領域である。
【0035】
前記気化空洞領域Aを取り囲む毛細管領域Bは、冷媒に対して毛細管力を生じる多数のウィック構造体12が密に配置されている領域である。本発明の第4実施形態による気化器は、図8及び図9に示されたように、断面長方形状のウィック構造体12が前記気化空洞領域を中心として放射状に2列で配置され、その上端は前記上板20の底面に接触されるような構造を有する。ここで、ウィック構造体は前記断面長方形状のほかに、毛細管現象を起こせるものであれば、他の形状に変形可能である。
【0036】
前記毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは、冷媒が流動するマニホルド13が設けられる部分である。すなわち、前記毛細管領域Bに冷媒を均一に供給するための液状の冷媒の進行経路であり、基板10の一側に形成された冷媒流入通路14につながっている。ここで、マニホルド領域Cには、前記毛細管領域Bを取り囲み、マニホルド領域Cにおける冷媒流動経路を内側及び外側に区切る断熱領域Dが設けられている。断熱領域Dはマニホルド領域C内に位置され、基板10の中央からの熱がマニホルド領域C内を流動する冷媒に伝わることを抑える。
【0037】
前記断熱領域Dは、より効率良い断熱のために、マニホルド領域Cの底面の中央に、マニホルド領域Cに沿って形成される長孔形貫通孔10a及び各貫通孔10aを取り囲む壁体10bを備える。
【0038】
前記壁体10bの上端は前記上板20の底面に接触されて、マニホルド領域Cを流動する冷媒の漏れを防止する。前記貫通孔10aには空気が流入されるため、貫通孔10a内には空気による熱絶縁層が設けられる。
【0039】
このように、空気による熱絶縁層を有する断熱領域Dは、基板10の中央からの熱がマニホルド領域Cに伝わることを遮断してマニホルド領域における冷媒の加熱による蒸発を抑え、これにより、冷媒が液状のままで毛細管領域Bに流入可能になる。したがって、マニホルド領域Cにおける冷媒のドライアウト現象が防止される。また、マニホルド領域Cは複数に区切られた冷媒の流動経路を有しているため、毛細管領域Bの温度分布がその周り方向に沿って均一になる。
【0040】
前記基板10上に固定される上板20の内面には前記気化空洞領域Aの中央チャンバ11に対応する気体捕集部21が設けられており、この気体捕集部21は気相の冷媒を外部に排出する排出通路22につながっている。ここで、前記気体捕集部21は、前記毛細管領域Bの上部まで包括するほどの大きさを有する。
【0041】
以上のような構造を有する本発明による気化器は、下記の三つの特徴を有する。
第一に、基板10の中央の気化空洞領域Aにその周りから冷媒が供給される。すなわち、冷媒が基板10の平面方向に流動するが、基板10の中央チャンバ11に集まるようになっている。
第二に、冷媒の流動力を与える毛細管領域Bが気化空洞領域Aを取り囲んでいる。
第三に、毛細管領域Bの全体に冷媒を均一に供給するためにマニホルド領域C、すなわち、マニホルド13が前記毛細管領域Bを取り囲んでいる。特に、前記マニホルド領域Cに断熱領域Dが設けられる点に特徴がある。
【0042】
ここで、冷媒の流動力は冷媒の相変化が起こる部分、特に、中央チャンバ11に接触された毛細管領域Bの内端部で生じる。以上の構造において、マニホルド領域Cの上部は前記上板20の底面により密閉されており、このため、マニホルド領域Cに流入された冷媒は毛細管領域Bだけに向かって流動する。
【0043】
図10は、本発明の第5実施形態による気化器を示したものである。これを参照すれば、本発明の第5実施形態による気化器は、上板20aの底面に前記毛細管領域B及びマニホルド領域Cに対応する環状の溝23が形成されて、毛細管領域B及びマニホルド領域Cの全体の体積が増大されているような構造を有する。また、この実施形態では、冷媒の流入及び排出が上板20aの上面を通じてなされるような構造となっている。しかし、この構造は本発明の技術的な範囲を制限することはなく、前述した実施形態での冷媒の流入及び排出構造が応用可能である。
【0044】
本発明の第5実施形態による気化器によれば、前記上板20aの上面の一側に基板10aのマニホルド領域Cにつながる冷媒流入口24が形成されており、上板20aの中央部分に冷媒排出口27が形成されている。前記冷媒流入口24及び冷媒排出口27の上部には冷媒の流入及び流出を案内する冷媒導入部25及び冷媒排出部26が別々に設けられる。この冷媒導入部25及び冷媒排出部26は上板20aに形成可能である。
【0045】
前記上板20aの底面に形成された環状の溝23は、上板20aの底面からその上面に近い部分まで深く形成されて、前記マニホルド領域C及び毛細管領域Bが十分な体積を有するようになっている。このように増大された体積によれば、特に、マニホルド領域Cに多くの冷媒が収容できるので、冷媒の不足によるドライアウト現象、すなわち、気化した冷媒が再び液化するような現象を効率よく予防または遅延できる。また、十分に供給された冷媒の圧力により冷媒を気化空洞領域Aに効率よく押し出せる。
【0046】
また、前記基板10aの気化空洞領域Aの底面、すなわち、中央チャンバ11の底面に多数の第1補助ウィック構造体11aが密に形成されている。
【0047】
前記多数の第1補助ウィック構造体11aは毛細管力を生じることにより、前記毛細管領域Bから冷媒を引き寄せて中央チャンバ11の中央部分まで至らせる。特に、多数の第1補助ウィック構造体11aは、冷媒に対する熱伝達面積を広めることにより、より効率良い蒸発を図る。また、十分な量の冷媒を中央チャンバ11に引き寄せて中央チャンバ11に十分な冷媒を供給できるようにすることにより、冷媒の不足によるドライアウト現象を抑える。このように、第1補助ウィック構造体11aは、前記毛細管領域Bのウィック構造体12と共に冷媒の流動力を与えて、冷媒の効率良い循環流動を手助けする。
【0048】
図11及び図12は本発明の第6及び第7実施形態を各々示す図である。これを参照すれば、中央チャンバ11の底面及びマニホルド領域Cの底面の各々に多数の第1、第2補助ウィック構造体11a、13aが密に形成されている。このとき、前記第1、第2補助ウィック構造体11a、13aの高さは前記毛細管領域Bのウィック構造体12よりも低く、この高さの違いは本発明の技術的な範囲を制限しない。また、前記マニホルド領域の底面が前記毛細管領域の底面よりも低く形成される。この第5、第6実施形態において、前記補助ウィック構造体13aの高さは前記毛細管領域Bのウィック構造体12と同一である。むしろ、より高い場合もある。
【0049】
前記第2補助ウィック構造体13aは毛細管力を生じることにより、前記マニホルド領域C及び毛細管領域Bから冷媒を引き寄せて中央チャンバ11の中央部分まで迅速に至らせる。特に、冷媒に対する熱伝達面積を広げることにより、より効率良い蒸発を図る。また、十分な量の冷媒を中央チャンバ11に引き寄せて中央チャンバ11に十分の冷媒を供給可能できるようにすることにより、冷媒の不足によるドライアウト現象を抑える。このように、第2補助ウィック構造体13aは、前記毛細管領域Bのウィック構造体12と共に冷媒の流動力を与えて、冷媒の効率良い循環流動を手助けする。
【0050】
図11に示された本発明の第6実施形態による気化器は、図10及び図12に示された実施形態の利点を合わせ持つので、最も望ましい構造であると言える。
【0051】
図13は、本発明の第8実施形態による気化器において、その上に非対称的な構造の毛細管領域Bが形成される基板10bの概略的平面図である。
図13を参照すれば、中央チャンバ11が設けられる気化空洞領域Aが基板10bの中央から一側に偏っている。したがって、図10ないし図12に示されたように、上板20aに設けられる冷媒排出口27は、前記気化空洞領域Aの偏心に対応して偏心された位置に形成されなければならない。また、前記気化空洞領域Aを取り囲む毛細管領域Bは基板10bの略中央部分に位置する。すなわち、毛細管領域Bは気化空洞領域Aに対して非対称的に形成されている。そして、毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは基板10bの略中央部分に位置され、その一側部分は上板に設けられる冷媒流入口24に対応して広がっている。前記毛細管領域Bの幅は前記冷媒流入口24から遠くなるほど狭くなるため、冷媒流入口24に最も近い部分は他の部分に比べて最も広い。ここで、毛細管領域Bの幅は毛細管領域Bの外周から前記気化空洞領域Aを取り囲むその内周までの距離、前記マニホルド領域Cから気化空洞領域Aに進行する冷媒の部位別の進行距離を意味する。また、前記マニホルド領域Cの幅は前記冷媒流入口24から遠くなるほど広くなる。
【0052】
このような構造によれば、基板10bの一側に対応する上板の冷媒流入口24から流入された冷媒が冷媒流入口24から遠くなるほど次第に広くなるマニホルド領域Cを通じて流動され、マニホルド領域Cを流動する冷媒は前記毛細管領域Bを通じて気化空洞領域Aに供給される。このとき、マニホルド領域Cの幅が前記冷媒流入口24から遠くなるほど広くなるため、冷媒が冷媒流入口24から最も遠い部分まで効率よく流動される。そして、マニホルド領域Bを流動する冷媒が毛細管領域Bに接触されれば、冷媒が毛細管領域Bのウィック構造体による毛細管現象により気化空洞領域Aに流動されるが、このとき、冷媒流入口24から最も遠い部分における毛細管領域Bの幅が最も狭く、冷媒流入口24に近くなるほど広くなるため、冷媒が毛細管領域Bでの部分別摩擦の違いにより全体毛細管領域Bを通じて均一に流動される。すなわち、前述した実施形態でのように、毛細管領域Bが全体的に対称的な構造である場合、冷媒流入口24から最も遠いマニホルド領域部分で大きい摩擦力を受けるのに対し、近い部分では小さい摩擦力を受けるため、マニホルド領域の最も遠い部分に対する冷媒の供給が円滑ではない。したがって、冷媒流入口24から最も遠い部分に対する冷媒の供給が不足するため、この部分で冷媒のドライアウト現象が生じる。しかし、この実施形態では、前述のように、非対称的な構造のマニホルド領域C及び毛細管領域Bにより冷媒に対する部分的な摩擦力の調節がなされるので、気化空洞領域Aに全方向から均一に冷媒を供給することができる。
【0053】
図14は、本発明の第9実施形態による気化器において、気化空洞領域A、これを取り囲む毛細管領域B及び毛細管領域Bの外側に設けられるマニホルド領域Cの配置構造を示した基板10cの概略的平面図である。これを参照すれば、本発明の第9実施形態による気化器は、毛細管領域Bの全体に冷媒を供給するために2つの冷媒流入口24が毛細管領域Bの両側に設けられている。
【0054】
また、基板10cの中央部分に気化空洞領域Aが設けられ、この周りに対称的な構造の毛細管領域Bが前記気化空洞領域Aの中心に同軸的に設けられる。そして、前記毛細管領域Bを取り囲むマニホルド領域Cは略楕円状に形成され、これにより、その長軸方向の両側に広い領域Caが設けられ、その短軸方向の両側に狭い領域Cbが設けられる。前記二つの広い領域Caに対応して、上板(図示せず)には二つの冷媒流入口24が設けられなければならない。上板に対する冷媒流入口24の形成構造は省略されるが、前述した実施形態に記載の内容から容易に具現できる。
【0055】
図14に示されたように、本発明の第9実施形態によれば、毛細管領域Bの両側から冷媒が直接的に供給されるため、毛細管領域Bの全体に冷媒を均一に供給でき、これにより全体的に均一な温度分布を有する。このように、両方向からの冷媒の供給構造は、前述した実施形態での一方向からの冷媒供給構造とは区別される。このような構造によれば、一方向からの冷媒供給構造で生じていた冷媒の部分的な供給不足によるドライアウト現象を効率よく防止または遅延できる。
【0056】
図15及び図16は、本発明による他の実施形態において、気体捕集部21aが円錐形の溝21bにより形成された上板20bの概略的な断面図及び斜視図である。
【0057】
前記気体捕集部21aは円錐形の溝により設けられることにより基板10の中央チャンバ11で生じた気体を効率良く捕らえてその上部の排出通路22を通じて排出させる。また、中央チャンバ11における爆発的な沸騰現象により完全に気化されていない多量の冷媒が気体捕集部21aに流入されたときに斜めの壁面を有する溝21bにより進行経路を狭めることにより気化されていない冷媒がさらに中央チャンバ11に戻るようにする。
【0058】
一方、図17は本発明のさらに他の実施形態において、前記円錐形の溝21bの側面に階段状のエッジ部分21cが形成された上板20bの断面図である。図17に示されたように、溝21bの側面に階段状のエッジ部分21cが上下に二つ形成されている。前記階段状のエッジ部分21cは溝21bの側面に沿って環状に形成される。
【0059】
したがって、図17に示された実施形態の気体捕集部21aによれば、完全に気化されていない冷媒が気体捕集部21aに流入されたときに斜めの壁面を有する溝21bにより進行経路を狭めることにより気化されていない冷媒をさらに中央チャンバに戻すだけではなく、溝21bの壁面に形成されたエッジ部分21cにより中央チャンバ11内において形成される気体−液体の境界面を熱抵抗が小さい冷媒による薄膜が形成されるようになり、これにより熱の蒸発効率が向上する。
【0060】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、外部の動力無しに冷却が行える小型薄型の冷却装置が得られる。
【0061】
また、液状の冷媒と蒸発された気相の冷媒とが毛細管領域により隔離されるため、気体及び液体の混在による流体流動力の低下を効率よく抑えることができ、これにより、熱交換特性が大幅に向上する。
【0062】
このように、本発明による気化器は、前述のように、電子製品の小型部品、例えば、コンピュータのCPUなどの冷却装置として好適である。特に、ノート型パソコンのように内部可用容積が小さい電子製品の発熱源であるCPU自体に付着できるので、別途の冷却装置によるノート型パソコンの大きさ及び重量の増大を防止できる。
【0063】
本発明は図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有した者であれば、これより各種の変形及び均等な実施形態が可能であるということは言うまでもない。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲によって定まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図2】 図1に示された気化器に適用された平板の概略的平面図である。
【図3】 図1に示された気化器に適用される上板の概略的底面図である。
【図4】 本発明の第2実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図5】 本発明の第3実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図6】 本発明の第3実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図7】 図5及び図6に示された本発明による気化器の基板及びここに設けられる多孔質体の分解斜視図である。
【図8】 本発明の第4実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図9】 図8に示された気化器に適用される基板の平面図である。
【図10】 本発明の第5実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図11】 本発明の第6実施形態による気化器の概略的断面図である。
【図12】 本発明の第7実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図13】 本発明の第8実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図14】 本発明の第9実施形態による気化器に適用される基板の概略的平面図である。
【図15】 本発明による気化器に適用された上板の応用例を示した断面図である。
【図16】 図12に示された上板の概略的斜視図である。
【図17】 本発明による気化器に適用された上板の他の応用例を示した断面図である。
【符号の説明】
1 気化器
11 中央チャンバ
12 ウィック構造体
13 マニホルド
14 冷媒流入通路
20 上板
21 気体捕集部
22 排出通路
A 気化空洞領域
B 毛細管領域
C マニホルド領域
Claims (18)
- 冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバを有する気化空洞領域、前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、及びこの毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に設けられている基板と、
この基板の上部に設けられる上板と、
前記毛細管領域に形成されて毛細管力によりマニホルド領域から気化空洞領域へと冷媒を流動させる毛細管力発生部と、
前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、
前記マニホルド領域に液相の冷媒を外部より供給する冷媒供給部を含む供給手段とを含むことを特徴とする平板型気化器。 - 前記毛細管力発生部は、毛細管力を生じる多数の空洞部を有する多孔質体により設けられることを特徴とする請求項1に記載の平板型気化器。
- 前記毛細管力発生部は、前記マニホルド領域と気化空洞領域との間の冷媒流動ギャップを与える構造物を有するウィック構造体により設けられることを特徴とする請求項1に記載の平板型気化器。
- 前記気体捕集部は、前記気化空洞領域または気化空洞領域及び前記毛細管領域を包括するほどの大きさを有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記基板または前記上板の一側面から前記マニホルド領域につながる冷媒流入通路が形成されており、前記上板の一側面から前記気体捕集部につながる気体排出通路が形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記上板の底面には前記基板のマニホルドまたはマニホルド及び毛細管領域に対応する形状の溝が形成されて、前記マニホルド領域の全体の体積が増大されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記中央チャンバの底面に多孔質体及び/またはウィック構造物による第1補助毛細管力発生部が形成されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記マニホルド領域の底面に多孔質体及び/またはウィック構造物による第2補助毛細管力発生部が形成されていることを特徴とする請求項1ないし5、または請求項7のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記気体捕集部は上板に形成され、上方に行くほど狭まる円錐形の構造を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記円錐形の構造の気体捕集部の内壁に少なくとも一つの階段状のエッジ部分が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の平板型気化器。
- 前記毛細管領域は気化空洞領域を中心に非対称的に形成されており、
前記気化領域を取り囲む毛細管領域の幅が前記冷媒供給部に近づくほど広くなるように設定されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。 - 毛細管領域を取り囲む前記マニホルド領域の幅は前記冷媒供給部から遠ざかるほど広くなるように設定されることを特徴とする請求項1ないし3、または請求項14のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記冷媒供給部は前記マニホルド領域に複数設けられて前記マニホルド領域に対する冷媒の供給が複数の経路を通じてなされることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 前記冷媒供給部は前記中央チャンバを中心にその両側に対称的に設けられることを特徴とする請求項13に記載の平板型気化器。
- 前記冷媒供給部は前記中央チャンバを中心にその両側に対称的に設けられて前記マニホルド領域に対する冷媒の供給が二つの冷媒供給部を通じてなされることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の平板型気化器。
- 冷媒の主蒸発が起こる中央チャンバを有する気化空洞領域、前記中央チャンバを取り囲む毛細管領域、及びこの毛細管領域を取り囲むマニホルド領域がその上面に設けられている基板と、
この基板の上部に設けられる上板と、
前記毛細管領域に形成されて毛細管力によりマニホルド領域から気化空洞領域へと冷媒を流動させる毛細管力発生部と、
前記気化空洞領域で生じた気相の冷媒を外部に排出する気体捕集部を含む排出手段と、
前記マニホルド領域内においてマニホルド領域を流動する冷媒の流動経路を複数に分けるとともに流動経路上を流れる冷媒に対する熱伝達を抑える多数の断熱領域と、
前記マニホルド領域に液状の冷媒を外部より供給する冷媒供給部を含む供給手段とを含むことを特徴とする平板型気化器。 - 前記各断熱領域は、前記マニホルド領域に沿って前記毛細管領域を取り囲むように形成される壁体を含むことを特徴とする請求項16に記載の平板型気化器。
- 前記各断熱領域に底面への空気の流入を許容する貫通孔が形成され、前記壁体は前記貫通孔を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項16または17に記載の平板型気化器。
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