JP4114419B2 - 熱輸送装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を輸送する熱輸送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子装置の小型化、高性能化が進められている。例えば、ノートパソコンやＰＤＡ（Personal Digital Assistant：携帯情報端末）等のモバイル機器に高性能なＣＰＵ、グラフィックアクセラレータ等の電子デバイスが搭載されるようになってきている。高性能な電子デバイスは発熱が多いのが通例である。従い、電子装置の内部温度の上昇により、その動作が不安定になるのを防止するため、電子装置内部の熱を放熱する必要がある。この一方、放熱を電子装置の小型化の要請に反しないように行わねばならず、例えばデスクトップパソコンで用いられているような放熱デバイスをモバイル機器のＣＰＵに直接設置するのは困難である。
【０００３】
以上のような電子装置の小型化、高性能化への要請を反映して、電子装置の発熱部から放熱部へと熱を輸送するヒートパイプが用いられている。その中でもＣＰＬ（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｐｕｍｐｅｄ Ｌｏｏｐ）ＬＨＰ（Ｌｏｏｐ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅｓ）（以下、「ＣＰＬ・ＬＨＰ」という）は、高熱輸送効率および小型・薄型化を実現しうるものと期待され、開発が進められている。
ＣＰＬ・ＬＨＰの基本原理は通常のヒートパイプとほぼ同様である。即ち、封入された冷媒が蒸発部で気化することで吸熱し、凝縮部で液化することで放熱する。この結果、熱エネルギーを蒸発部から凝縮部へと移動する。
ＣＰＬ・ＬＨＰでは、蒸発部が微小チャネルアレイ構造等から構成されたウイックを有する。ウィックは、毛管現象により液化した冷媒を吸引し（毛管力による冷媒の吸引）蒸発部へと供給する一種のポンプとして機能する。ウィックが、蒸発部に冷媒を供給することで、冷媒の気化が継続して行われ、ヒートパイプの連続的な動作が確保される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ＣＰＬ・ＬＨＰを小型化、薄型化すると熱輸送効率が低下する可能性がある。ＣＰＬ・ＬＨＰでは冷媒の循環にウイックの毛管力を用いるため、ウイック中で冷媒が通過する箇所を狭くすることで大きな毛管力が得られる。この一方、ウイック以外の部分では冷媒が通過する箇所を広くすることで、ウイック以外の部分での毛管力の発生を抑えている。
このように、ウイック以外の部分において冷媒の通路を広くする必要性があることが、ＣＰＬ・ＬＨＰの小型化、薄型化を阻害する要因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化、薄型化しても熱の輸送効率が低下し難い熱輸送装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
Ａ．本発明に係る熱輸送装置は、液化された作動流体たる液相作動流体が通過する液体流路と、液相作動流体に対して親液性の領域を含み、かつ前記液体流路から毛管力によって液相作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部と、該液体吸引保持部に保持された液相作動流体が気化することで形成される気相作動流体に対して撥液性の領域を含む、該気相作動流体が流入する気体流入部とを有する気化部と、前記気化部で形成された気相作動流体が通過する気体流路と、液相作動流体に対して撥液性の領域を含み、かつ前記気体流路を通過した気相作動流体を液化して液相作動流体を形成する凝縮部を有する液化部と、を具備することを特徴とする。
【０００６】
液体吸引保持部が液相作動流体に対して親液性の領域を含むことで、液体吸引保持部の毛管力を液相作動流体が液体吸引保持部に吸引される方向に作用するようにする。そして、凝縮部が液相作動流体に対して撥液性の領域を含むことで、凝縮部での毛管力を液相作動流体が液体吸引保持部に吸引される方向に作用するようにする。毛管力の作用する方向が親液性、撥液性いずれかであるかによって異なることを利用して、液体吸引保持部と凝縮部いずれについても液体流路から液体吸引保持部に向かう方向に毛管力が作用するようにして、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行わせる。
凝縮部での毛管力の大きさはそのサイズに影響されるが、この毛管力が液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を阻害することがないようにしている。従って、凝縮部を小型、薄型化しても、熱輸送装置の熱の輸送効率が低下することがない。
なお、親液性とは液相作動流体の接触角が９０°未満であることをいい、撥液性とは液相作動流体の接触角が９０°以上であることをいうものとする。通常は液相作動流体の接触角が９０°より大きい場合を撥液性とするが、本願では撥液性に接触角が９０°の場合を含めるものとする。凝縮部の接触角θが９０°の場合でも液体吸引保持部による作動流体の吸引を阻害しないからである（θ＝９０°では凝縮部での毛管力はｃｏｓθに比例して０となる）。
さらに、本発明では、気化部を構成する気体流入部は、撥液性の領域を含む。
気化部において液相作動流体の気化が行われていることから、気化部では液相作動流体と気相作動流体とが共存している。
気化部の中で気相作動流体が存在する領域である気体流入部を撥液性とすることで、この気体流入部への液相作動流体の侵入を防止する。この結果、気化部での液相作動流体と気相作動流体それぞれが存在する領域を区分し、気化部での液相作動流体の気化を効率よく行わせることができる。
【０００７】
（１）前記液体吸引保持部の親液性の領域が、気相作動流体と液相作動流体との境界を含み、前記凝縮部の撥液性の領域が、気相作動流体と液相作動流体の境界を含んでもよい。
毛管力の源泉は気相作動流体と液相作動流体との境界で作用する気相作動流体の表面張力である。このため、この境界の親液性、撥液性を適宜に設定することで、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行われるように毛管力の方向を定めることができる。
【０００８】
（２）前記気体流路の内面が撥液性でもよい。
気体流路内から気相作動流体の通過の阻害要因となる液相作動流体を効果的に除去することが可能となる。
【００１０】
（４）前記液体流路の内面が親液性であってもよい。
液体流路中の液相作動流体に溶存している何らかの気体成分が泡となって液体流路を塞ぐことを防止する（気泡の発生防止）。この結果、液体流路中の液相作動流体の通過が泡によって阻害されることが防がれる。
【００１１】
（５）前記液化部の内面が撥液性であってもよい。
凝縮部以外であっても、液化部の内面を撥液性とすることで、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行われるように液化部での毛管力の方向を定めることができる。
【００１２】
（６）前記親液性の領域における液相作動流体の接触角が３０°以下、前記撥液性の領域における液相作動流体の接触角が１５０°以上とすることができる。
親液性の領域では接触角が小さいほど（０°に近いほど）、撥液性の領域では接触角が大きいほど（１８０°に近いほど）、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行わせることができる。毛管力の大きさが接触角θに対してｃｏｓθの関係にあることから、接触角θが０°、１８０°の場合に毛管力の大きさの絶対値が最大になるからである。
ここで、ｃｏｓθのグラフはθ＝０°、１８０°の近辺では平坦であることから、ある程度θ＝０°、１８０°の近傍に近ければ、毛管力の絶対値はその最大値との相違が小さい。例えば、２５°、１５５°の場合、毛細管力の絶対値は、最大値の９０％程度となる。
本発明の他の観点に係る熱輸送装置は、作動流体を相変化させる気化部及び液化部を備えた熱輸送装置であって、複数の孔を有する第１の基板と、液化された前記作動流体たる液相作動流体が通過する液体流路を構成する溝と、前記液相作動流体が気化した気相作動流体が通過する気体流路を構成する溝と、前記気化部及び前記液化部の間に形成された、前記気化部及び前記液化部の間を断熱する断熱空間を構成する溝とを有し、前記第１の基板に接合された第２の基板と、前記液相作動流体に対して親液性の領域を含み、かつ前記液体流路から毛管力によって液相作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部を構成する溝を有し、前記第１の基板及び前記第２の基板の両方より熱伝導性の高い材料でなり、前記液体吸引保持部を構成する溝が前記気化部に配置されて該溝に保持された前記液相作動流体が前記気化部で気化されるように、前記複数の孔のうち第１の孔に嵌め込まれた第３の基板と、前記液相作動流体に対して撥液性の領域を含み、かつ前記気体流路を通過した前記気相作動流体を液化して前記液相作動流体を形成する凝縮部を構成する溝を有し、前記第１の基板及び前記第２の基板の両方より熱伝導性の高い材料でなり、前記凝縮部を構成する溝が前記液化部に配置されるように、前記複数の孔のうち第２の孔に嵌め込まれた第４の基板とを具備することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る熱輸送装置１００を分解した状態を表す分解斜視図であり、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ組み立てられた熱輸送装置１００を図１のＡ−Ｂ、Ｃ−Ｄで切断した断面を表す断面図である。
図１，２に示すように熱輸送装置１００は、４枚の基板１０〜４０から構成され、放熱フィン５０が接続されている。基板３０，４０はそれぞれ基板２０の孔２１、２２に隙間なく組み込まれる。さらに、基板１０、２０が接着固定される。
図３〜５は、熱輸送装置１００を構成する基板１０，２０それぞれおよびこの両者を組み合わせた状態を表す上面図である。ここでは基板２０は、基板３０，４０と組み合わされた状態で表している。
【００１４】
図１〜５に示すように、熱輸送装置１００は４枚の基板１０〜４０を組み合わせて構成され、その内部に気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０を有し、作動流体（冷媒）Ｆが封入されている。気化部６０，気体流路７０，液化部８０，液体流路９０は、作動流体Ｆが循環する循環経路を構成する。
作動流体Ｆは、いわゆる冷媒であり、ここでは水を用いている。但し、必要に応じて、作動流体Ｆに水以外の材料、例えば、アンモニア、エタノール、フロリナート等を用いることができる。
【００１５】
基板１０、２０は、比較的熱絶縁性の高い材料から、基板３０，４０は比較的熱伝導性の高い材料から構成するのが好ましい。
即ち、基板３０に形成された液体吸引保持部６１と基板４０に形成された凝縮フィン８１は、吸熱、放熱の機能を有することから、熱伝導性が良好であることが好ましい。一方、熱輸送装置１００のうち吸熱、放熱に関係ない構成要素は、不要な熱伝導を制限するためにある程度の熱絶縁性を有することが好ましい。
ここでは、基板１０、２０にガラス基板を、基板３０，４０にシリコン基板を用いている。但し、基板１０、２０を例えばプラスチック、ガラス、およびこの両者の組み合わせから、基板３０，４０を例えばニッケル、銅等の金属から構成しても差し支えない。
なお、基板１０，２０の接続は、スパッタリング等でいずれか一方にシリコン被膜を形成し、他方と陽極接合することにより行える。基板２０と基板３０，４０の接続も同様に陽極接合を用いて行える（特に、基板２０がガラスで、基板３０，４０がシリコン製の場合）。
【００１６】
気化部６０は、基板１０上の溝１１と基板３０の下面との間に構成され、作動流体Ｆが液体（液相作動流体ＦＬ）から気体（気相作動流体ＦＧ）へと相変化する箇所であり、液体吸引保持部（ウィック）６１、気体流入部６２を有する。
【００１７】
液体吸引保持部６１は、基板３０に形成された溝３１から構成され、毛管現象を利用して液体流路９０から液相作動流体ＦＬを吸引し（毛管力による吸引）、これを保持する。液体吸引保持部６１に保持された液相作動流体ＦＬは気化（蒸発）しその周囲から気化熱を奪う。
以上のように、液体吸引保持部６１は、▲１▼毛管力により液体流路９０から液相作動流体ＦＬを吸引する吸引機能、▲２▼吸引した液相作動流体ＦＬを一時的に保持する保持機能を有する。この吸引機能により、液体吸引保持部６１は作動流体Ｆを循環経路内で連続的に循環させるためのポンプとして機能する。
液体吸引保持部６１は、例えばシリコン基板をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法等でエッチングすることで作成できる。一例として、シリコン幅４０μｍ、深さ１００μｍのマイクロチャネルを８０μｍピッチで１２５本エッチングして液体吸引保持部６１とすることができる。
【００１８】
気体流入部６２は、液体吸引保持部６１の下方と基板１０の溝１１の底面との間に形成された空間であり、液体吸引保持部６１で気化された気相作動流体ＦＧが流入する。
【００１９】
気体流路７０は、基板１０に形成された溝１２と基板２０の下面とによって構成され、気化部６０で気化した作動流体Ｆが液化部８０に移動するための経路である。
【００２０】
液化部８０は、基板１０の溝１３と基板４０の下面との間に構成され、作動流体Ｆが気体から液体へと相変化する箇所であり、凝縮フィン８１（凝縮部：コンデンサ）、液体流入部８２を有する。この凝縮フィン８１は、基板４０上に溝４１を並列して形成することで構成される。即ち、溝４１同士の間の基板４０の構成材料が凝縮フィン８１になる。なお、凝縮フィン８１は、作動流体Fが凝縮する部分の表面積を大きくするために形成されているが、必ずしも必要な分けではない。
【００２１】
液体流入部８２は、凝縮フィン８１の下方と基板１０の溝１３の底面との間に形成された空間であり、凝縮フィン８１で液化された気相作動流体ＦＧが流入する。
【００２２】
液体流路９０は、基板１０に形成された溝１４と基板２０の下面とによって構成され、液化部８０で液化した液相作動流体ＦＬが気化部６０に移動するための経路であり、液供給部９１，９２を有する。
液供給部９１，９２は、液体吸引保持部６１にその前後で対向し、液体吸引保持部６１に液相作動流体ＦＬを供給する。即ち、液体吸引保持部６１への液相作動流体ＦＬの供給はその前後双方から行われる。
【００２３】
基板１０に形成された溝１６は、基板２０の下面と共に、断熱空間１０１を構成する。断熱空間１０１は気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０間で、基板１０，２０を通じて、熱が伝導することを制限し、熱輸送装置１００の冷却効率が低下することを防止している。
【００２４】
さらに、熱輸送装置１００は、注入経路１０２，１０３を有する。
注入経路１０２は、基板１０に形成された溝１７および基板２０の下面から構成され、基板２０に形成された注入口２３から液体吸引保持部６１へと液相作業流体ＦＬを流入させるための経路である。注入経路１０２から液体吸引保持部６１への液相作業流体ＦＬの移動は、液体吸引保持部６１での毛管力による液相作業流体ＦＬの吸引によって行われる。なお、熱輸送装置１００の動作中において、注入口２３は蓋２５によって塞がれている。
【００２５】
また、注入経路１０３は、基板１０に形成された溝１８および基板２０の下面から構成され、基板２０に形成された注入口２４から液化部８０へと液相作業流体ＦＬを流入させるための経路である。注入経路１０３上に凝縮フィン８１（溝４１）の一部が対向していることで、注入経路１０３から凝縮フィン８１を伝わって液化部８０へと液相作業流体ＦＬが移動する。なお、熱輸送装置１００の動作中において、注入口２４は蓋２６によって塞がれている。
【００２６】
放熱フィン５０は、基板４０の裏面に接続され、基板４０からの放熱を行うための放熱手段である。放熱フィン５０には熱伝導性の高い材料を用いる。ここでは、放熱フィン５０に銅を用い、その表面酸化を防止するために、ニッケルメッキを施している。
放熱フィン５０と基板４０の接続は、例えば低融点金属を用いた接合によって行える。
【００２７】
（親液性領域、撥液性領域の区分）
以上の気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０からなる循環経路は液相作動流体ＦＬに対する親液性、撥液性で区分することができる。
ここで、親液性とは液相作動流体ＦＬの接触角が９０°より小さいことをいい、撥液性（疎液性ともいう）とは液相作動流体ＦＬの接触角が９０°以上であることをいう。撥液性とは液相作動流体ＦＬの接触角が９０°より大きい場合をいうのが通例であるが、ここでは接触角が９０°の場合を撥液性に含めて考えるものとする。なお、液相作動流体ＦＬに水を用いた場合には、親液性、撥液性はそれぞれ、親水性、撥水性（疎水性）と置き換えることができる。
【００２８】
具体的には、気体流路７０，液体流路９０はそれぞれ撥水性、親液性である。気化部６０は親液性領域、撥液性領域の双方を有し、液体吸引保持部６１は親液性、気体流入部６２の壁は撥液性となっている。液化部８０では、凝縮フィン８１、液体流入部８２のいずれも撥液性となっている。
気体流入部６２、気体流路７０，液体流入部８２に撥液性を付与するには、撥液性の材料でこれらを構成、または被覆したり、あるいは撥液性処理を施したりすればよい。液相作動流体ＦＬが水の場合には、ガラスで構成された基板１０，２０に弗素系の材料（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン（登録商標））をスパッタリングで被覆することで撥液性とすることができる。シリコンで構成された凝縮フィン８１も同様に弗素系の材料をスパッタリングで被覆すればよい。
【００２９】
液体吸引保持部６１、液体流路９０に親液性を付与するには、親液性の材料でこれらを構成、または被覆したり、あるいは親液性処理を施したりすればよい。液相作動流体ＦＬが水の場合には、ガラスで構成された基板１０，２０をそのまま用いればよい。清浄なガラスの表面は親水性だからである。また、シリコンで構成された液体吸引保持部６１は、熱酸化等によりその表面に酸化層を形成することで、親水性とすることができる。なお、場合によってはシリコンの自然酸化膜を利用し、積極的には酸化被膜を形成することなく、液体吸引保持部６１を親水性にできる。
【００３０】
以上から判るように、基板１０，２０には親液性領域、撥液性領域の双方が存在する。このように、親液性領域、撥液性領域を区分するには、親液性材料への撥液性材料の被覆あるいは撥液性処理の際に、マスクを用いて撥液性を付与したい箇所のみに撥液性材料の被覆等を行えばよい。
【００３１】
この逆に、撥液性材料への親液性材料の一部被覆等を行うことでも、親液性領域、撥液性領域を区分して形成することができる。例えば、プラスチック（合成樹脂）は疎水性である場合が多いから、これを基板１０，２０の基材として用い、この液体流路９０の箇所（基板１０の溝１４および基板２０の溝１４と対向する下面）に親水性処理を施すことで、親液性領域、撥液性領域を区分することができる。親水性処理は、紫外線、酸素プラズマ、酸素イオンのいずれかの照射を行うことが挙げられる。
【００３２】
（親液性、撥液性の区分の理由）
以下に、循環経路に液相作動流体ＦＬに対する親液性、撥液性で区分した理由を説明する。
Ａ．液体吸引保持部６１、凝縮フィン８１
液体吸引保持部６１は、毛管力による液相作動流体ＦＬの吸引を行うことから、親液性とし、凝縮フィン８１は液体吸引保持部６１による液相作動流体ＦＬの吸引を阻害しないように撥液性としている。以下、この理由を詳細に説明する。
【００３３】
図６は、液体吸引保持部６１、凝縮フィン８１双方の毛管力と液相作動流体ＦＬの移動の関係を表す上面図である。また、図７は液体吸引保持部６１および凝縮フィン８１を切断した状態を模式的に表す断面図である。尚、図６では凝縮フィン８１を親液性としている。
液体吸引保持部６１の溝３１には、その両側から液相作動流体ＦＬが供給され、その中央付近の溝３１では液相作動流体ＦＬが気化し、気相作動流体ＦＧが形成されている。この結果、液体吸引保持部６１の溝３１には、液相作動流体ＦＬが詰まっている液体空間ＡＬ１とその中央付近の液相作動流体ＦＬがない（気相作動流体ＦＧが詰まっている）気体空間ＡＧ１に区分される。
【００３４】
一方、凝縮フィン８１では気相作動流体ＦＧが液化し液相作動流体が形成されることから、その溝４１は液体流路９０側の液相作動流体ＦＬが詰まっている液体空間ＡＬ２と気体流路７０側の液相作動流体ＦＬがない（気相作動流体ＦＧが詰まっている）気体空間ＡＧ２に区分される。
【００３５】
液体吸引保持部６１と凝縮フィン８１の液体空間ＡＬ１、ＡＬ２は、液体流路９０を通じて互いに接続されている。即ち、液体空間ＡＬ１、ＡＬ２、液体流路９０は、液相作動流体ＦＬで満たされた連続する空間である。
【００３６】
液体吸引保持部６１の液体空間ＡＬ１と気体空間ＡＧ１の境界には、液相作動流体ＦＬの表面張力γ１が作用する。このときの液相作動流体ＦＬの接触角をθ１とする。このとき、表面張力γ１による液相作動流体ＦＬの単位面積あたりの張力Ｔ１は以下のように算出される。この張力Ｔ１は液体吸引保持部６１における毛管力の現れといえる。
Ｔ１＝γ１・ｃｏｓθ１・（１／ａ１） ……式（１）
ここで、ａ１：液体吸引保持部６１の溝３１の幅、
である。
【００３７】
ここで、ウィック部で発生する毛細管力は、溝深さ方向に発生する事から、溝幅だけをパラメータとして（スリットにおける表面張力と同様に）計算される。
【００３８】
一方、凝縮部（コンデンサ部）の液体空間ＡＬ２と気体空間ＡＧ２の境界には、液相作動流体ＦＬの表面張力γ２が作用する。このときの液相作動流体ＦＬの接触角をθ２とする。このとき、表面張力γ２による液相作動流体ＦＬの単位面積あたりの張力Ｔ２は以下のように算出される。この張力Ｔ２は凝縮部（コンデンサ部）における毛管力の現れといえる。
Ｔ２＝−γ２・ｃｏｓθ２・（１／C1） ……式（２）
ここで、C1：コンデンサ深さ
である。なお、張力Ｔ２は液相作動流体ＦＬが供給される方向（流れの方向）を正、その逆を負として表していることから、式（２）にはマイナスが掛けられている。
【００３９】
液相作動流体ＦＬが静止している場合には、パスカルの原理に従ってその内部の圧力は均一になる。
【００４０】
しかし、ここでは液体吸引保持部６１での液相作動流体ＦＬの気化に伴って、液体吸引保持部６１に液相作動流体ＦＬが連続的に供給されるという動的な場合を扱っているため、パスカルの原理は成立しない。
液相作動流体ＦＬが液体吸引保持部６１および液体流路９０を流動することによって、これら流路の内面と液相作動流体ＦＬの間には粘性抵抗が生じ、この粘性抵抗により流路内部で圧力損失Ｐ０が生じる。
同様に、気相作動流体ＦＧが気体流路７０を流動することによって、流露内部で圧力損失Ｐ１が生じる。
【００４１】
液相作動流体ＦＬを供給する液供給力ＰＳは、張力Ｔ１，Ｔ２の和から圧力損失Ｐ０を差し引いた値として以下のように求められる。
ＰＳ＝Ｔ１＋Ｔ２−Ｐ０−Ｐ１ ……式（４）
液供給力ＰＳは、液相作動流体ＦＬを液体吸引保持部６１に供給する能力であり、単位時間に供給される液相作動流体ＦＬの体積を決定づける量である。この体積は熱輸送装置１００の熱輸送量を決定づける。
以上のように、液供給力ＰＳは、熱輸送装置１００の熱輸送量を決定づけるファクターである。
なお、式（１）に示したように、接触角θ１を小さくすることで液供給力ＰＳを大きくすることができる。
【００４２】
（１）凝縮部（コンデンサ部）が親液性の場合
凝縮部（コンデンサ部）が親液性であると（接触角θ２が９０°未満だと）ｃｏｓθ２は正の値をとり、張力Ｔ２は負となり、液体吸引保持部６１での毛管力（張力Ｔ１に対応）による液相作動流体ＦＬの供給を阻害することになる。
式（３）で示したように、張力Ｔ２は凝縮部（コンデンサ部）の深さＣ１によって定まることから、凝縮部（コンデンサ部）の深さＣ１を深くすることで、張力Ｔ２の絶対値を小さくして、液相作動流体ＦＬの供給の阻害を防止できる。但し、これは凝縮部（コンデンサ部）の厚さを厚くすることに繋がることから、熱輸送装置１００の薄型化を考慮すると一定の限界はある。
【００４３】
（２）凝縮部（コンデンサ部）が撥液性の場合
張力Ｔ２の正負を変更することで、凝縮部（コンデンサ部）での毛管力による液相作動流体ＦＬの供給の阻害を防止できる。
図８は凝縮部（コンデンサ部）が撥液性の場合における、液体吸引保持部、凝縮フィン双方の毛管力と液相作動流体の移動の関係を表す上面図である。
この手法は、凝縮部（コンデンサ部）の厚さを厚くすることなく実現できるため、熱輸送装置１００の薄型化に適合している。
また、この手法では、凝縮部（コンデンサ部）での毛管力を液相作動流体ＦＬの供給の促進に利用し、液体吸引保持部６１での毛管力を大きくしたと同様に、熱輸送装置１００の熱輸送力を増大できる。
【００４４】
これは、凝縮部（コンデンサ部）を撥液性として（特に、接触角θ２が９０°より大きくする）、ｃｏｓθ２を負の値として、張力Ｔ２を正とすることで実現できる。
以上のように、液体吸引保持部６１、凝縮部（コンデンサ部）それぞれを親液性、撥液性としたのは、液相作動流体ＦＬの供給を促進して、熱輸送装置１００の熱輸送力を向上するためである。
本実施例においては、凝縮部（コンデンサ部）を、すべて撥液性としたが、凝縮フィン８１を親液性、液体流入部８２を撥液性としてもかまわない。この場合、液体供給能力の点では良くないが、凝縮フィン８１表面がぬれた状態になる事で、気相作動流体ＦＧの凝縮には適している。
これ以外の部位は、毛管力による液相作動流体ＦＬの供給とは必ずしも直接的な関係はないが、次に示すように親液性、撥液性を付与する意義が認められる。
【００４５】
Ｂ．気体流入部６２、気体流路７０，液体流入部８２、液体流路９０
液体流入部８２は、凝縮フィン８１のような溝がないため、毛管力としては小さいが、それでも撥液性とすることで、液相作動流体ＦＬの供給に寄与することができる。
気体流入部６２を撥液性としているのは、液体吸引保持部６１との間に気相作動流体ＦＧが存在する空間を形成すること、即ち気化部６０を液相作動流体ＦＬ、気相作動流体ＦＧの双方が存在するようにすることを容易にするためである。
気体流路７０を撥液性としているのは、気体流路７０中に気相作動流体ＦＧが存在するようにすることを容易にするためである。
液体流路９０を親液性としているのは、液相作動流体ＦＬに溶存する不純物気体が気泡となって液体流路９０の途中を塞いで、液相作動流体ＦＬが液体流路９０を通過し難くすることを防止するためである。例えば、液相作動流体ＦＬが水の場合に二酸化炭素（ or 空気）が水に溶け残っている場合が有り得る。
【００４６】
（熱輸送装置１００の動作）
熱輸送装置１００の動作を説明する。
熱輸送装置１００内では作動流体Ｆが、循環経路たる気化部６０，気体流路７０，液化部８０，液体流路９０を循環することで、気化部６０の熱が液化部８０に移動する。以下、この詳細を説明する。
【００４７】
液相作動流体ＦＬが液体流路９０（直接的には、液供給部９１，９２）から気化部６０に流入する。この流入は気化部６０の液体吸引保持部６１での毛管力による吸引に基づいて行われる。このとき既に述べたように、凝縮部（コンデンサ部）（場合により、液体流入部８２のみ）を撥液性とすることで、液体吸引保持部６１の毛管力による液相作動流体ＦＬの吸引を促進できる。
液体吸引保持部６１に吸引された液相作動流体ＦＬは、液体吸引保持部６１に保持された状態で吸熱し、気化する。気化した作動流体Ｆ（気相作動流体ＦＧ）は気体流入部６２に流入して気体流路７０に流入する。
気体流路７０に流入した気相作動流体ＦＧは、液化部８０に流入し、凝縮フィン８１で液化して放熱する。そして、凝縮フィン８１上の熱は放熱フィン５０から放熱される。
以上のように、作動流体Ｆが循環経路を循環し、気化部６０での気化による吸熱、液化部８０での液化による放熱が連続的に行われる。この結果、気化部６０の熱が液化部８０に運搬される。
【００４８】
（熱輸送装置１００の製造方法）
図９は熱輸送装置１００の製造工程の一例を示したものである。
（１）まず、基板（下部基板）１０及び基板（上部基板）２０に溝を形成する（ステップ１）。
基板１０の上面に、気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０、断熱空間１０１等として機能する溝１１〜１８を形成する。
基板１０上に溝を形成するには、例えば基板１０，２０をガラスで構成して、基板１０上にレジストのパターンを形成した後、エッチングすることで溝を形成することができる。
【００４９】
（２）次に、液体吸引保持部（ウイック）６１、凝縮フィン（コンデンサ）８１として機能する基板３０，４０を形成する（ステップ２）。
溝を有する基板３０，４０は様々な方法で作製することができ、状況に応じて種々用いることができる。
例えば、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法によってシリコン基板をエッチングして、幅４０μｍ、深さ１００μｍのチャネルをピッチ８０μｍで形成し、液体吸引保持部（ウイック）６１とすることができる。
【００５０】
（３）次に、基板１０〜４０を親液性領域、撥液性領域を区分するための親液性、撥液性処理を行う（ステップ３）。
基板１０，２０がガラス基板の場合には、スパッタリング等で親液性の材料（液相作動流体ＦＬが水の場合には弗素系の材料）を被覆することで、撥液性の領域を形成できる。基板１０は、溝１１〜１３を撥液性、溝１４を親液性とするが、スパッタリングの際にマスクを用いることで、容易に撥液性領域、親液性領域に区分することができる。即ち、撥液性の材料が被覆された箇所を撥液性領域、撥液性の材料が被覆されない箇所が親液性の領域となる。
【００５１】
基板３０，４０がシリコン基板の場合、基板４０にスパッタリング等で親液性の材料（液相作動流体ＦＬが水の場合には弗素系の材料）を被覆することで、撥液性の領域を形成できる。
また、基板３０の表面を熱酸化することで、親液性とすることができる。このとき大気中の酸素によって基板３０上に形成される自然酸化膜も親液性であることから、基板３０への積極的な酸化膜の形成を省略することもできる。しかしながら、基板３０の表面を熱酸化することで接触角θ１をより小さくして液体吸引保持部６１での毛管力による液相作業流体ＦＬの供給力を向上することができる。
【００５２】
（４）このように形成された基板３０，４０を図１０に示すように基板２０を貫通して開けられた孔２１、２２に組み込む（ステップ４）。基板２０の構成材料がガラスで、基板３０，４０の構成材料がシリコンの場合には、陽極接合を用いることができる。即ち、ガラスとシリコンを加熱した状態でその間に電圧を印可することで、ガラスとシリコンが接合される。
（５）次に、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１０の上面に例えばスパッタリングによってアモルファスシリコン膜１０ａを形成し、基板１０，２０を陽極接合によって接合する（ステップ５）。
その後、必要に応じて、基板４０に放熱フィン５０を接続する。この接続は例えば低融点金属を用いた接合によって行える。
【００５３】
上述の製造方法では、基板１０，２０にガラス、基板３０，４０にシリコンを用いてているが、より多様な材料（例えば、プラスチックや金属）を用いてこれらを形成することができる。
基板１０，２０にプラスチックを用い、液相作動流体ＦＬを水として場合には、プラスチックが多くの場合に撥水性であることから、酸素プラズマ、紫外線、酸素イオンの照射によって、基板に親水性を付与できる。
【００５４】
（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態には限られず拡張、変更することができ、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
（１）例えば、上記実施形態では作動流体（冷媒）として水を用いているが、作動流体に水以外の例えば、アンモニア、エタノール、フロリナートを用いた場合でも有効である。
この場合には、液相作動流体として用いた液体材料の接触角に基づき、親液性、撥液性が判断される。また、液相作動流体を構成する液体材料が異なると、この材料に対応して親液性、撥液性それぞれを実現する手段を選択することになる。接触角は、液体材料とこれに接触する固体材料の組み合わせによって変わりうるからである。
【００５５】
（２）基板等に親液性、撥液性それぞれの領域を形成するには、親液性の基板材料の一部に撥液性処理を施しても良いし、この逆に撥液性の基板材料の一部に親液性処理を施しても差し支えない。
【００５６】
（３）上記実施形態では、液体吸引保持部、凝縮フィンそれぞれの一面全体がそれぞれ親液性、撥液性になるようにしていたが、これは必ずしも全面的であることを要せず、その一部分でも足りる。
毛管力は、液相作動流体の表面張力に基づくものであり、表面張力は気相と液相の境界（即ち、液相作動流体の表面）に作用する。従って、気相と液相の境界において、親液性または撥液性が確保されていれば足りる。即ち、液相、気相の境界以外の領域での親液性、撥液性の状態が毛管力に与える影響は理論上無視し得る。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型化、薄型化しても熱の輸送効率が低下し難い熱輸送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱輸送装置を分解した状態を表す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を切断した状態を表す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を構成する基板を表す上面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を構成する基板を表す上面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を構成する基板を表す上面図である。
【図６】凝縮フィンが親液性の場合における、液体吸引保持部、凝縮フィン双方の毛管力と液相作動流体の移動の関係を表す上面図である。
【図７】本発明に係る液体吸引保持部および凝縮フィンを切断した状態を模式的に表す断面図である。
【図８】凝縮フィンが撥液性の場合における、液体吸引保持部、凝縮フィン双方の毛管力と液相作動流体の移動の関係を表す上面図である。
【図９】本発明に係る熱輸送装置を製造する製造工程の一例を表すフロー図である。
【図１０】本発明に係る熱輸送装置を製造する製造工程中の状態を表す側面図である。
【図１１】本発明に係る熱輸送装置を製造する製造工程中の状態を表す側面図である。
【符号の説明】
１００ 熱輸送装置
１０ 基板
１１〜１８ 溝
２０ 基板
２１、２２ 孔
２３、２４ 注入口
２５，２６ 蓋
３０ 基板
３１ 溝
４０ 基板
４１ 溝
５０ 放熱フィン
６０ 気化部
６１ 液体吸引保持部
６２ 気体流入部
７０ 気体流路
８０ 液化部
８１ 凝縮フィン
８２ 液体流入部
９０ 液体流路
９１，９２ 液供給部
１０１ 断熱空間
１０２、１０３ 注入経路
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を輸送する熱輸送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子装置の小型化、高性能化が進められている。例えば、ノートパソコンやＰＤＡ（Personal Digital Assistant：携帯情報端末）等のモバイル機器に高性能なＣＰＵ、グラフィックアクセラレータ等の電子デバイスが搭載されるようになってきている。高性能な電子デバイスは発熱が多いのが通例である。従い、電子装置の内部温度の上昇により、その動作が不安定になるのを防止するため、電子装置内部の熱を放熱する必要がある。この一方、放熱を電子装置の小型化の要請に反しないように行わねばならず、例えばデスクトップパソコンで用いられているような放熱デバイスをモバイル機器のＣＰＵに直接設置するのは困難である。
【０００３】
以上のような電子装置の小型化、高性能化への要請を反映して、電子装置の発熱部から放熱部へと熱を輸送するヒートパイプが用いられている。その中でもＣＰＬ（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｐｕｍｐｅｄ Ｌｏｏｐ）ＬＨＰ（Ｌｏｏｐ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅｓ）（以下、「ＣＰＬ・ＬＨＰ」という）は、高熱輸送効率および小型・薄型化を実現しうるものと期待され、開発が進められている。
ＣＰＬ・ＬＨＰの基本原理は通常のヒートパイプとほぼ同様である。即ち、封入された冷媒が蒸発部で気化することで吸熱し、凝縮部で液化することで放熱する。この結果、熱エネルギーを蒸発部から凝縮部へと移動する。
ＣＰＬ・ＬＨＰでは、蒸発部が微小チャネルアレイ構造等から構成されたウイックを有する。ウィックは、毛管現象により液化した冷媒を吸引し（毛管力による冷媒の吸引）蒸発部へと供給する一種のポンプとして機能する。ウィックが、蒸発部に冷媒を供給することで、冷媒の気化が継続して行われ、ヒートパイプの連続的な動作が確保される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ＣＰＬ・ＬＨＰを小型化、薄型化すると熱輸送効率が低下する可能性がある。ＣＰＬ・ＬＨＰでは冷媒の循環にウイックの毛管力を用いるため、ウイック中で冷媒が通過する箇所を狭くすることで大きな毛管力が得られる。この一方、ウイック以外の部分では冷媒が通過する箇所を広くすることで、ウイック以外の部分での毛管力の発生を抑えている。
このように、ウイック以外の部分において冷媒の通路を広くする必要性があることが、ＣＰＬ・ＬＨＰの小型化、薄型化を阻害する要因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化、薄型化しても熱の輸送効率が低下し難い熱輸送装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
Ａ．本発明に係る熱輸送装置は、液化された作動流体たる液相作動流体が通過する液体流路と、液相作動流体に対して親液性の領域を含み、かつ前記液体流路から毛管力によって液相作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部と、該液体吸引保持部に保持された液相作動流体が気化することで形成される気相作動流体に対して撥液性の領域を含む、該気相作動流体が流入する気体流入部とを有する気化部と、前記気化部で形成された気相作動流体が通過する気体流路と、液相作動流体に対して撥液性の領域を含み、かつ前記気体流路を通過した気相作動流体を液化して液相作動流体を形成する凝縮部を有する液化部と、を具備することを特徴とする。
【０００６】
液体吸引保持部が液相作動流体に対して親液性の領域を含むことで、液体吸引保持部の毛管力を液相作動流体が液体吸引保持部に吸引される方向に作用するようにする。そして、凝縮部が液相作動流体に対して撥液性の領域を含むことで、凝縮部での毛管力を液相作動流体が液体吸引保持部に吸引される方向に作用するようにする。毛管力の作用する方向が親液性、撥液性いずれかであるかによって異なることを利用して、液体吸引保持部と凝縮部いずれについても液体流路から液体吸引保持部に向かう方向に毛管力が作用するようにして、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行わせる。
凝縮部での毛管力の大きさはそのサイズに影響されるが、この毛管力が液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を阻害することがないようにしている。従って、凝縮部を小型、薄型化しても、熱輸送装置の熱の輸送効率が低下することがない。
なお、親液性とは液相作動流体の接触角が９０°未満であることをいい、撥液性とは液相作動流体の接触角が９０°以上であることをいうものとする。通常は液相作動流体の接触角が９０°より大きい場合を撥液性とするが、本願では撥液性に接触角が９０°の場合を含めるものとする。凝縮部の接触角θが９０°の場合でも液体吸引保持部による作動流体の吸引を阻害しないからである（θ＝９０°では凝縮部での毛管力はｃｏｓθに比例して０となる）。
さらに、本発明では、気化部を構成する気体流入部は、撥液性の領域を含む。
気化部において液相作動流体の気化が行われていることから、気化部では液相作動流体と気相作動流体とが共存している。
気化部の中で気相作動流体が存在する領域である気体流入部を撥液性とすることで、この気体流入部への液相作動流体の侵入を防止する。この結果、気化部での液相作動流体と気相作動流体それぞれが存在する領域を区分し、気化部での液相作動流体の気化を効率よく行わせることができる。
【０００７】
（１）前記液体吸引保持部の親液性の領域が、気相作動流体と液相作動流体との境界を含み、前記凝縮部の撥液性の領域が、気相作動流体と液相作動流体の境界を含んでもよい。
毛管力の源泉は気相作動流体と液相作動流体との境界で作用する気相作動流体の表面張力である。このため、この境界の親液性、撥液性を適宜に設定することで、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行われるように毛管力の方向を定めることができる。
【０００８】
（２）前記気体流路の内面が撥液性でもよい。
気体流路内から気相作動流体の通過の阻害要因となる液相作動流体を効果的に除去することが可能となる。
【００１０】
（４）前記液体流路の内面が親液性であってもよい。
液体流路中の液相作動流体に溶存している何らかの気体成分が泡となって液体流路を塞ぐことを防止する（気泡の発生防止）。この結果、液体流路中の液相作動流体の通過が泡によって阻害されることが防がれる。
【００１１】
（５）前記液化部の内面が撥液性であってもよい。
凝縮部以外であっても、液化部の内面を撥液性とすることで、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行われるように液化部での毛管力の方向を定めることができる。
【００１２】
（６）前記親液性の領域における液相作動流体の接触角が３０°以下、前記撥液性の領域における液相作動流体の接触角が１５０°以上とすることができる。
親液性の領域では接触角が小さいほど（０°に近いほど）、撥液性の領域では接触角が大きいほど（１８０°に近いほど）、液体吸引保持部による液相作動流体の吸引を効率よく行わせることができる。毛管力の大きさが接触角θに対してｃｏｓθの関係にあることから、接触角θが０°、１８０°の場合に毛管力の大きさの絶対値が最大になるからである。
ここで、ｃｏｓθのグラフはθ＝０°、１８０°の近辺では平坦であることから、ある程度θ＝０°、１８０°の近傍に近ければ、毛管力の絶対値はその最大値との相違が小さい。例えば、２５°、１５５°の場合、毛細管力の絶対値は、最大値の９０％程度となる。
本発明の他の観点に係る熱輸送装置は、作動流体を相変化させる気化部及び液化部を備えた熱輸送装置であって、複数の孔を有する第１の基板と、液化された前記作動流体たる液相作動流体が通過する液体流路を構成する溝と、前記液相作動流体が気化した気相作動流体が通過する気体流路を構成する溝と、前記気化部及び前記液化部の間に形成された、前記気化部及び前記液化部の間を断熱する断熱空間を構成する溝とを有し、前記第１の基板に接合された第２の基板と、前記液相作動流体に対して親液性の領域を含み、かつ前記液体流路から毛管力によって液相作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部を構成する溝を有し、前記第１の基板及び前記第２の基板の両方より熱伝導性の高い材料でなり、前記液体吸引保持部を構成する溝が前記気化部に配置されて該溝に保持された前記液相作動流体が前記気化部で気化されるように、前記複数の孔のうち第１の孔に嵌め込まれた第３の基板と、前記液相作動流体に対して撥液性の領域を含み、かつ前記気体流路を通過した前記気相作動流体を液化して前記液相作動流体を形成する凝縮部を構成する溝を有し、前記第１の基板及び前記第２の基板の両方より熱伝導性の高い材料でなり、前記凝縮部を構成する溝が前記液化部に配置されるように、前記複数の孔のうち第２の孔に嵌め込まれた第４の基板とを具備することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る熱輸送装置１００を分解した状態を表す分解斜視図であり、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ組み立てられた熱輸送装置１００を図１のＡ−Ｂ、Ｃ−Ｄで切断した断面を表す断面図である。
図１，２に示すように熱輸送装置１００は、４枚の基板１０〜４０から構成され、放熱フィン５０が接続されている。基板３０，４０はそれぞれ基板２０の孔２１、２２に隙間なく組み込まれる。さらに、基板１０、２０が接着固定される。
図３〜５は、熱輸送装置１００を構成する基板１０，２０それぞれおよびこの両者を組み合わせた状態を表す上面図である。ここでは基板２０は、基板３０，４０と組み合わされた状態で表している。
【００１４】
図１〜５に示すように、熱輸送装置１００は４枚の基板１０〜４０を組み合わせて構成され、その内部に気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０を有し、作動流体（冷媒）Ｆが封入されている。気化部６０，気体流路７０，液化部８０，液体流路９０は、作動流体Ｆが循環する循環経路を構成する。
作動流体Ｆは、いわゆる冷媒であり、ここでは水を用いている。但し、必要に応じて、作動流体Ｆに水以外の材料、例えば、アンモニア、エタノール、フロリナート等を用いることができる。
【００１５】
基板１０、２０は、比較的熱絶縁性の高い材料から、基板３０，４０は比較的熱伝導性の高い材料から構成するのが好ましい。
即ち、基板３０に形成された液体吸引保持部６１と基板４０に形成された凝縮フィン８１は、吸熱、放熱の機能を有することから、熱伝導性が良好であることが好ましい。一方、熱輸送装置１００のうち吸熱、放熱に関係ない構成要素は、不要な熱伝導を制限するためにある程度の熱絶縁性を有することが好ましい。
ここでは、基板１０、２０にガラス基板を、基板３０，４０にシリコン基板を用いている。但し、基板１０、２０を例えばプラスチック、ガラス、およびこの両者の組み合わせから、基板３０，４０を例えばニッケル、銅等の金属から構成しても差し支えない。
なお、基板１０，２０の接続は、スパッタリング等でいずれか一方にシリコン被膜を形成し、他方と陽極接合することにより行える。基板２０と基板３０，４０の接続も同様に陽極接合を用いて行える（特に、基板２０がガラスで、基板３０，４０がシリコン製の場合）。
【００１６】
気化部６０は、基板１０上の溝１１と基板３０の下面との間に構成され、作動流体Ｆが液体（液相作動流体ＦＬ）から気体（気相作動流体ＦＧ）へと相変化する箇所であり、液体吸引保持部（ウィック）６１、気体流入部６２を有する。
【００１７】
液体吸引保持部６１は、基板３０に形成された溝３１から構成され、毛管現象を利用して液体流路９０から液相作動流体ＦＬを吸引し（毛管力による吸引）、これを保持する。液体吸引保持部６１に保持された液相作動流体ＦＬは気化（蒸発）しその周囲から気化熱を奪う。
以上のように、液体吸引保持部６１は、▲１▼毛管力により液体流路９０から液相作動流体ＦＬを吸引する吸引機能、▲２▼吸引した液相作動流体ＦＬを一時的に保持する保持機能を有する。この吸引機能により、液体吸引保持部６１は作動流体Ｆを循環経路内で連続的に循環させるためのポンプとして機能する。
液体吸引保持部６１は、例えばシリコン基板をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法等でエッチングすることで作成できる。一例として、シリコン幅４０μｍ、深さ１００μｍのマイクロチャネルを８０μｍピッチで１２５本エッチングして液体吸引保持部６１とすることができる。
【００１８】
気体流入部６２は、液体吸引保持部６１の下方と基板１０の溝１１の底面との間に形成された空間であり、液体吸引保持部６１で気化された気相作動流体ＦＧが流入する。
【００１９】
気体流路７０は、基板１０に形成された溝１２と基板２０の下面とによって構成され、気化部６０で気化した作動流体Ｆが液化部８０に移動するための経路である。
【００２０】
液化部８０は、基板１０の溝１３と基板４０の下面との間に構成され、作動流体Ｆが気体から液体へと相変化する箇所であり、凝縮フィン８１（凝縮部：コンデンサ）、液体流入部８２を有する。この凝縮フィン８１は、基板４０上に溝４１を並列して形成することで構成される。即ち、溝４１同士の間の基板４０の構成材料が凝縮フィン８１になる。なお、凝縮フィン８１は、作動流体Fが凝縮する部分の表面積を大きくするために形成されているが、必ずしも必要な分けではない。
【００２１】
液体流入部８２は、凝縮フィン８１の下方と基板１０の溝１３の底面との間に形成された空間であり、凝縮フィン８１で液化された気相作動流体ＦＧが流入する。
【００２２】
液体流路９０は、基板１０に形成された溝１４と基板２０の下面とによって構成され、液化部８０で液化した液相作動流体ＦＬが気化部６０に移動するための経路であり、液供給部９１，９２を有する。
液供給部９１，９２は、液体吸引保持部６１にその前後で対向し、液体吸引保持部６１に液相作動流体ＦＬを供給する。即ち、液体吸引保持部６１への液相作動流体ＦＬの供給はその前後双方から行われる。
【００２３】
基板１０に形成された溝１６は、基板２０の下面と共に、断熱空間１０１を構成する。断熱空間１０１は気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０間で、基板１０，２０を通じて、熱が伝導することを制限し、熱輸送装置１００の冷却効率が低下することを防止している。
【００２４】
さらに、熱輸送装置１００は、注入経路１０２，１０３を有する。
注入経路１０２は、基板１０に形成された溝１７および基板２０の下面から構成され、基板２０に形成された注入口２３から液体吸引保持部６１へと液相作業流体ＦＬを流入させるための経路である。注入経路１０２から液体吸引保持部６１への液相作業流体ＦＬの移動は、液体吸引保持部６１での毛管力による液相作業流体ＦＬの吸引によって行われる。なお、熱輸送装置１００の動作中において、注入口２３は蓋２５によって塞がれている。
【００２５】
また、注入経路１０３は、基板１０に形成された溝１８および基板２０の下面から構成され、基板２０に形成された注入口２４から液化部８０へと液相作業流体ＦＬを流入させるための経路である。注入経路１０３上に凝縮フィン８１（溝４１）の一部が対向していることで、注入経路１０３から凝縮フィン８１を伝わって液化部８０へと液相作業流体ＦＬが移動する。なお、熱輸送装置１００の動作中において、注入口２４は蓋２６によって塞がれている。
【００２６】
放熱フィン５０は、基板４０の裏面に接続され、基板４０からの放熱を行うための放熱手段である。放熱フィン５０には熱伝導性の高い材料を用いる。ここでは、放熱フィン５０に銅を用い、その表面酸化を防止するために、ニッケルメッキを施している。
放熱フィン５０と基板４０の接続は、例えば低融点金属を用いた接合によって行える。
【００２７】
（親液性領域、撥液性領域の区分）
以上の気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０からなる循環経路は液相作動流体ＦＬに対する親液性、撥液性で区分することができる。
ここで、親液性とは液相作動流体ＦＬの接触角が９０°より小さいことをいい、撥液性（疎液性ともいう）とは液相作動流体ＦＬの接触角が９０°以上であることをいう。撥液性とは液相作動流体ＦＬの接触角が９０°より大きい場合をいうのが通例であるが、ここでは接触角が９０°の場合を撥液性に含めて考えるものとする。なお、液相作動流体ＦＬに水を用いた場合には、親液性、撥液性はそれぞれ、親水性、撥水性（疎水性）と置き換えることができる。
【００２８】
具体的には、気体流路７０，液体流路９０はそれぞれ撥水性、親液性である。気化部６０は親液性領域、撥液性領域の双方を有し、液体吸引保持部６１は親液性、気体流入部６２の壁は撥液性となっている。液化部８０では、凝縮フィン８１、液体流入部８２のいずれも撥液性となっている。
気体流入部６２、気体流路７０，液体流入部８２に撥液性を付与するには、撥液性の材料でこれらを構成、または被覆したり、あるいは撥液性処理を施したりすればよい。液相作動流体ＦＬが水の場合には、ガラスで構成された基板１０，２０に弗素系の材料（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン（登録商標））をスパッタリングで被覆することで撥液性とすることができる。シリコンで構成された凝縮フィン８１も同様に弗素系の材料をスパッタリングで被覆すればよい。
【００２９】
液体吸引保持部６１、液体流路９０に親液性を付与するには、親液性の材料でこれらを構成、または被覆したり、あるいは親液性処理を施したりすればよい。液相作動流体ＦＬが水の場合には、ガラスで構成された基板１０，２０をそのまま用いればよい。清浄なガラスの表面は親水性だからである。また、シリコンで構成された液体吸引保持部６１は、熱酸化等によりその表面に酸化層を形成することで、親水性とすることができる。なお、場合によってはシリコンの自然酸化膜を利用し、積極的には酸化被膜を形成することなく、液体吸引保持部６１を親水性にできる。
【００３０】
以上から判るように、基板１０，２０には親液性領域、撥液性領域の双方が存在する。このように、親液性領域、撥液性領域を区分するには、親液性材料への撥液性材料の被覆あるいは撥液性処理の際に、マスクを用いて撥液性を付与したい箇所のみに撥液性材料の被覆等を行えばよい。
【００３１】
この逆に、撥液性材料への親液性材料の一部被覆等を行うことでも、親液性領域、撥液性領域を区分して形成することができる。例えば、プラスチック（合成樹脂）は疎水性である場合が多いから、これを基板１０，２０の基材として用い、この液体流路９０の箇所（基板１０の溝１４および基板２０の溝１４と対向する下面）に親水性処理を施すことで、親液性領域、撥液性領域を区分することができる。親水性処理は、紫外線、酸素プラズマ、酸素イオンのいずれかの照射を行うことが挙げられる。
【００３２】
（親液性、撥液性の区分の理由）
以下に、循環経路に液相作動流体ＦＬに対する親液性、撥液性で区分した理由を説明する。
Ａ．液体吸引保持部６１、凝縮フィン８１
液体吸引保持部６１は、毛管力による液相作動流体ＦＬの吸引を行うことから、親液性とし、凝縮フィン８１は液体吸引保持部６１による液相作動流体ＦＬの吸引を阻害しないように撥液性としている。以下、この理由を詳細に説明する。
【００３３】
図６は、液体吸引保持部６１、凝縮フィン８１双方の毛管力と液相作動流体ＦＬの移動の関係を表す上面図である。また、図７は液体吸引保持部６１および凝縮フィン８１を切断した状態を模式的に表す断面図である。尚、図６では凝縮フィン８１を親液性としている。
液体吸引保持部６１の溝３１には、その両側から液相作動流体ＦＬが供給され、その中央付近の溝３１では液相作動流体ＦＬが気化し、気相作動流体ＦＧが形成されている。この結果、液体吸引保持部６１の溝３１には、液相作動流体ＦＬが詰まっている液体空間ＡＬ１とその中央付近の液相作動流体ＦＬがない（気相作動流体ＦＧが詰まっている）気体空間ＡＧ１に区分される。
【００３４】
一方、凝縮フィン８１では気相作動流体ＦＧが液化し液相作動流体が形成されることから、その溝４１は液体流路９０側の液相作動流体ＦＬが詰まっている液体空間ＡＬ２と気体流路７０側の液相作動流体ＦＬがない（気相作動流体ＦＧが詰まっている）気体空間ＡＧ２に区分される。
【００３５】
液体吸引保持部６１と凝縮フィン８１の液体空間ＡＬ１、ＡＬ２は、液体流路９０を通じて互いに接続されている。即ち、液体空間ＡＬ１、ＡＬ２、液体流路９０は、液相作動流体ＦＬで満たされた連続する空間である。
【００３６】
液体吸引保持部６１の液体空間ＡＬ１と気体空間ＡＧ１の境界には、液相作動流体ＦＬの表面張力γ１が作用する。このときの液相作動流体ＦＬの接触角をθ１とする。このとき、表面張力γ１による液相作動流体ＦＬの単位面積あたりの張力Ｔ１は以下のように算出される。この張力Ｔ１は液体吸引保持部６１における毛管力の現れといえる。
Ｔ１＝γ１・ｃｏｓθ１・（１／ａ１） ……式（１）
ここで、ａ１：液体吸引保持部６１の溝３１の幅、
である。
【００３７】
ここで、ウィック部で発生する毛細管力は、溝深さ方向に発生する事から、溝幅だけをパラメータとして（スリットにおける表面張力と同様に）計算される。
【００３８】
一方、凝縮部（コンデンサ部）の液体空間ＡＬ２と気体空間ＡＧ２の境界には、液相作動流体ＦＬの表面張力γ２が作用する。このときの液相作動流体ＦＬの接触角をθ２とする。このとき、表面張力γ２による液相作動流体ＦＬの単位面積あたりの張力Ｔ２は以下のように算出される。この張力Ｔ２は凝縮部（コンデンサ部）における毛管力の現れといえる。
Ｔ２＝−γ２・ｃｏｓθ２・（１／C1） ……式（２）
ここで、C1：コンデンサ深さ
である。なお、張力Ｔ２は液相作動流体ＦＬが供給される方向（流れの方向）を正、その逆を負として表していることから、式（２）にはマイナスが掛けられている。
【００３９】
液相作動流体ＦＬが静止している場合には、パスカルの原理に従ってその内部の圧力は均一になる。
【００４０】
しかし、ここでは液体吸引保持部６１での液相作動流体ＦＬの気化に伴って、液体吸引保持部６１に液相作動流体ＦＬが連続的に供給されるという動的な場合を扱っているため、パスカルの原理は成立しない。
液相作動流体ＦＬが液体吸引保持部６１および液体流路９０を流動することによって、これら流路の内面と液相作動流体ＦＬの間には粘性抵抗が生じ、この粘性抵抗により流路内部で圧力損失Ｐ０が生じる。
同様に、気相作動流体ＦＧが気体流路７０を流動することによって、流露内部で圧力損失Ｐ１が生じる。
【００４１】
液相作動流体ＦＬを供給する液供給力ＰＳは、張力Ｔ１，Ｔ２の和から圧力損失Ｐ０を差し引いた値として以下のように求められる。
ＰＳ＝Ｔ１＋Ｔ２−Ｐ０−Ｐ１ ……式（４）
液供給力ＰＳは、液相作動流体ＦＬを液体吸引保持部６１に供給する能力であり、単位時間に供給される液相作動流体ＦＬの体積を決定づける量である。この体積は熱輸送装置１００の熱輸送量を決定づける。
以上のように、液供給力ＰＳは、熱輸送装置１００の熱輸送量を決定づけるファクターである。
なお、式（１）に示したように、接触角θ１を小さくすることで液供給力ＰＳを大きくすることができる。
【００４２】
（１）凝縮部（コンデンサ部）が親液性の場合
凝縮部（コンデンサ部）が親液性であると（接触角θ２が９０°未満だと）ｃｏｓθ２は正の値をとり、張力Ｔ２は負となり、液体吸引保持部６１での毛管力（張力Ｔ１に対応）による液相作動流体ＦＬの供給を阻害することになる。
式（３）で示したように、張力Ｔ２は凝縮部（コンデンサ部）の深さＣ１によって定まることから、凝縮部（コンデンサ部）の深さＣ１を深くすることで、張力Ｔ２の絶対値を小さくして、液相作動流体ＦＬの供給の阻害を防止できる。但し、これは凝縮部（コンデンサ部）の厚さを厚くすることに繋がることから、熱輸送装置１００の薄型化を考慮すると一定の限界はある。
【００４３】
（２）凝縮部（コンデンサ部）が撥液性の場合
張力Ｔ２の正負を変更することで、凝縮部（コンデンサ部）での毛管力による液相作動流体ＦＬの供給の阻害を防止できる。
図８は凝縮部（コンデンサ部）が撥液性の場合における、液体吸引保持部、凝縮フィン双方の毛管力と液相作動流体の移動の関係を表す上面図である。
この手法は、凝縮部（コンデンサ部）の厚さを厚くすることなく実現できるため、熱輸送装置１００の薄型化に適合している。
また、この手法では、凝縮部（コンデンサ部）での毛管力を液相作動流体ＦＬの供給の促進に利用し、液体吸引保持部６１での毛管力を大きくしたと同様に、熱輸送装置１００の熱輸送力を増大できる。
【００４４】
これは、凝縮部（コンデンサ部）を撥液性として（特に、接触角θ２が９０°より大きくする）、ｃｏｓθ２を負の値として、張力Ｔ２を正とすることで実現できる。
以上のように、液体吸引保持部６１、凝縮部（コンデンサ部）それぞれを親液性、撥液性としたのは、液相作動流体ＦＬの供給を促進して、熱輸送装置１００の熱輸送力を向上するためである。
本実施例においては、凝縮部（コンデンサ部）を、すべて撥液性としたが、凝縮フィン８１を親液性、液体流入部８２を撥液性としてもかまわない。この場合、液体供給能力の点では良くないが、凝縮フィン８１表面がぬれた状態になる事で、気相作動流体ＦＧの凝縮には適している。
これ以外の部位は、毛管力による液相作動流体ＦＬの供給とは必ずしも直接的な関係はないが、次に示すように親液性、撥液性を付与する意義が認められる。
【００４５】
Ｂ．気体流入部６２、気体流路７０，液体流入部８２、液体流路９０
液体流入部８２は、凝縮フィン８１のような溝がないため、毛管力としては小さいが、それでも撥液性とすることで、液相作動流体ＦＬの供給に寄与することができる。
気体流入部６２を撥液性としているのは、液体吸引保持部６１との間に気相作動流体ＦＧが存在する空間を形成すること、即ち気化部６０を液相作動流体ＦＬ、気相作動流体ＦＧの双方が存在するようにすることを容易にするためである。
気体流路７０を撥液性としているのは、気体流路７０中に気相作動流体ＦＧが存在するようにすることを容易にするためである。
液体流路９０を親液性としているのは、液相作動流体ＦＬに溶存する不純物気体が気泡となって液体流路９０の途中を塞いで、液相作動流体ＦＬが液体流路９０を通過し難くすることを防止するためである。例えば、液相作動流体ＦＬが水の場合に二酸化炭素（ or 空気）が水に溶け残っている場合が有り得る。
【００４６】
（熱輸送装置１００の動作）
熱輸送装置１００の動作を説明する。
熱輸送装置１００内では作動流体Ｆが、循環経路たる気化部６０，気体流路７０，液化部８０，液体流路９０を循環することで、気化部６０の熱が液化部８０に移動する。以下、この詳細を説明する。
【００４７】
液相作動流体ＦＬが液体流路９０（直接的には、液供給部９１，９２）から気化部６０に流入する。この流入は気化部６０の液体吸引保持部６１での毛管力による吸引に基づいて行われる。このとき既に述べたように、凝縮部（コンデンサ部）（場合により、液体流入部８２のみ）を撥液性とすることで、液体吸引保持部６１の毛管力による液相作動流体ＦＬの吸引を促進できる。
液体吸引保持部６１に吸引された液相作動流体ＦＬは、液体吸引保持部６１に保持された状態で吸熱し、気化する。気化した作動流体Ｆ（気相作動流体ＦＧ）は気体流入部６２に流入して気体流路７０に流入する。
気体流路７０に流入した気相作動流体ＦＧは、液化部８０に流入し、凝縮フィン８１で液化して放熱する。そして、凝縮フィン８１上の熱は放熱フィン５０から放熱される。
以上のように、作動流体Ｆが循環経路を循環し、気化部６０での気化による吸熱、液化部８０での液化による放熱が連続的に行われる。この結果、気化部６０の熱が液化部８０に運搬される。
【００４８】
（熱輸送装置１００の製造方法）
図９は熱輸送装置１００の製造工程の一例を示したものである。
（１）まず、基板（下部基板）１０及び基板（上部基板）２０に溝を形成する（ステップ１）。
基板１０の上面に、気化部６０，気体流路７０，液化部８０、液体流路９０、断熱空間１０１等として機能する溝１１〜１８を形成する。
基板１０上に溝を形成するには、例えば基板１０，２０をガラスで構成して、基板１０上にレジストのパターンを形成した後、エッチングすることで溝を形成することができる。
【００４９】
（２）次に、液体吸引保持部（ウイック）６１、凝縮フィン（コンデンサ）８１として機能する基板３０，４０を形成する（ステップ２）。
溝を有する基板３０，４０は様々な方法で作製することができ、状況に応じて種々用いることができる。
例えば、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法によってシリコン基板をエッチングして、幅４０μｍ、深さ１００μｍのチャネルをピッチ８０μｍで形成し、液体吸引保持部（ウイック）６１とすることができる。
【００５０】
（３）次に、基板１０〜４０を親液性領域、撥液性領域を区分するための親液性、撥液性処理を行う（ステップ３）。
基板１０，２０がガラス基板の場合には、スパッタリング等で親液性の材料（液相作動流体ＦＬが水の場合には弗素系の材料）を被覆することで、撥液性の領域を形成できる。基板１０は、溝１１〜１３を撥液性、溝１４を親液性とするが、スパッタリングの際にマスクを用いることで、容易に撥液性領域、親液性領域に区分することができる。即ち、撥液性の材料が被覆された箇所を撥液性領域、撥液性の材料が被覆されない箇所が親液性の領域となる。
【００５１】
基板３０，４０がシリコン基板の場合、基板４０にスパッタリング等で親液性の材料（液相作動流体ＦＬが水の場合には弗素系の材料）を被覆することで、撥液性の領域を形成できる。
また、基板３０の表面を熱酸化することで、親液性とすることができる。このとき大気中の酸素によって基板３０上に形成される自然酸化膜も親液性であることから、基板３０への積極的な酸化膜の形成を省略することもできる。しかしながら、基板３０の表面を熱酸化することで接触角θ１をより小さくして液体吸引保持部６１での毛管力による液相作業流体ＦＬの供給力を向上することができる。
【００５２】
（４）このように形成された基板３０，４０を図１０に示すように基板２０を貫通して開けられた孔２１、２２に組み込む（ステップ４）。基板２０の構成材料がガラスで、基板３０，４０の構成材料がシリコンの場合には、陽極接合を用いることができる。即ち、ガラスとシリコンを加熱した状態でその間に電圧を印可することで、ガラスとシリコンが接合される。
（５）次に、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１０の上面に例えばスパッタリングによってアモルファスシリコン膜１０ａを形成し、基板１０，２０を陽極接合によって接合する（ステップ５）。
その後、必要に応じて、基板４０に放熱フィン５０を接続する。この接続は例えば低融点金属を用いた接合によって行える。
【００５３】
上述の製造方法では、基板１０，２０にガラス、基板３０，４０にシリコンを用いてているが、より多様な材料（例えば、プラスチックや金属）を用いてこれらを形成することができる。
基板１０，２０にプラスチックを用い、液相作動流体ＦＬを水として場合には、プラスチックが多くの場合に撥水性であることから、酸素プラズマ、紫外線、酸素イオンの照射によって、基板に親水性を付与できる。
【００５４】
（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態には限られず拡張、変更することができ、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
（１）例えば、上記実施形態では作動流体（冷媒）として水を用いているが、作動流体に水以外の例えば、アンモニア、エタノール、フロリナートを用いた場合でも有効である。
この場合には、液相作動流体として用いた液体材料の接触角に基づき、親液性、撥液性が判断される。また、液相作動流体を構成する液体材料が異なると、この材料に対応して親液性、撥液性それぞれを実現する手段を選択することになる。接触角は、液体材料とこれに接触する固体材料の組み合わせによって変わりうるからである。
【００５５】
（２）基板等に親液性、撥液性それぞれの領域を形成するには、親液性の基板材料の一部に撥液性処理を施しても良いし、この逆に撥液性の基板材料の一部に親液性処理を施しても差し支えない。
【００５６】
（３）上記実施形態では、液体吸引保持部、凝縮フィンそれぞれの一面全体がそれぞれ親液性、撥液性になるようにしていたが、これは必ずしも全面的であることを要せず、その一部分でも足りる。
毛管力は、液相作動流体の表面張力に基づくものであり、表面張力は気相と液相の境界（即ち、液相作動流体の表面）に作用する。従って、気相と液相の境界において、親液性または撥液性が確保されていれば足りる。即ち、液相、気相の境界以外の領域での親液性、撥液性の状態が毛管力に与える影響は理論上無視し得る。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型化、薄型化しても熱の輸送効率が低下し難い熱輸送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱輸送装置を分解した状態を表す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を切断した状態を表す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を構成する基板を表す上面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を構成する基板を表す上面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る熱輸送装置を構成する基板を表す上面図である。
【図６】凝縮フィンが親液性の場合における、液体吸引保持部、凝縮フィン双方の毛管力と液相作動流体の移動の関係を表す上面図である。
【図７】本発明に係る液体吸引保持部および凝縮フィンを切断した状態を模式的に表す断面図である。
【図８】凝縮フィンが撥液性の場合における、液体吸引保持部、凝縮フィン双方の毛管力と液相作動流体の移動の関係を表す上面図である。
【図９】本発明に係る熱輸送装置を製造する製造工程の一例を表すフロー図である。
【図１０】本発明に係る熱輸送装置を製造する製造工程中の状態を表す側面図である。
【図１１】本発明に係る熱輸送装置を製造する製造工程中の状態を表す側面図である。
【符号の説明】
１００ 熱輸送装置
１０ 基板
１１〜１８ 溝
２０ 基板
２１、２２ 孔
２３、２４ 注入口
２５，２６ 蓋
３０ 基板
３１ 溝
４０ 基板
４１ 溝
５０ 放熱フィン
６０ 気化部
６１ 液体吸引保持部
６２ 気体流入部
７０ 気体流路
８０ 液化部
８１ 凝縮フィン
８２ 液体流入部
９０ 液体流路
９１，９２ 液供給部
１０１ 断熱空間
１０２、１０３ 注入経路
Claims (9)
- 液化された作動流体たる液相作動流体が通過する液体流路と、
液相作動流体に対して親液性の領域を含み、かつ前記液体流路から毛管力によって液相作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部と、該液体吸引保持部に保持された液相作動流体が気化することで形成される気相作動流体に対して撥液性の領域を含む、該気相作動流体が流入する気体流入部とを有する気化部と、
前記気化部で形成された気相作動流体が通過する気体流路と、
液相作動流体に対して撥液性の領域を含み、かつ前記気体流路を通過した気相作動流体を液化して液相作動流体を形成する凝縮部を有する液化部と、
を具備することを特徴とする熱輸送装置。 - 前記液体吸引保持部の親液性の領域が、気相作動流体と液相作動流体との境界を含む
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 前記凝縮部の撥液性の領域が、気相作動流体と液相作動流体の境界を含む
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 前記気体流路の内面が撥液性である
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 前記液体流路の内面が親液性である
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 前記液化部の内面が撥液性である
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 前記親液性の領域における液相作動流体の接触角が２５°以下である
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 前記撥液性の領域における液相作動流体の接触角が１５５°以上である
ことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。 - 作動流体を相変化させる気化部及び液化部を備えた熱輸送装置であって、
複数の孔を有する第１の基板と、
液化された前記作動流体たる液相作動流体が通過する液体流路を構成する溝と、前記液相作動流体が気化した気相作動流体が通過する気体流路を構成する溝と、前記気化部及び前記液化部の間に形成された、前記気化部及び前記液化部の間を断熱する断熱空間を構成する溝とを有し、前記第１の基板に接合された第２の基板と、
前記液相作動流体に対して親液性の領域を含み、かつ前記液体流路から毛管力によって液相作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部を構成する溝を有し、前記第１の基板及び前記第２の基板の両方より熱伝導性の高い材料でなり、前記液体吸引保持部を構成する溝が前記気化部に配置されて該溝に保持された前記液相作動流体が前記気化部で気化されるように、前記複数の孔のうち第１の孔に嵌め込まれた第３の基板と、
前記液相作動流体に対して撥液性の領域を含み、かつ前記気体流路を通過した前記気相作動流体を液化して前記液相作動流体を形成する凝縮部を構成する溝を有し、前記第１の基板及び前記第２の基板の両方より熱伝導性の高い材料でなり、前記凝縮部を構成する溝が前記液化部に配置されるように、前記複数の孔のうち第２の孔に嵌め込まれた第４の基板と
を具備することを特徴とする熱輸送装置。
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