JP4213981B2 - ヒートパイプ及びそれを用いた冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば加熱、冷却、放熱、伝熱、及び熱交換などに用いることができるヒートパイプ、特に熱流束特性を改善したヒートパイプ及びそれを用いた冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートパイプとしては各種方式のものが提案されている。例えばループ型ヒートパイプにおいて、往路ヒートパイプの流路抵抗を復路ヒートパイプの流路抵抗よりも小とするため、復路ヒートパイプの一部を押圧して断面を長円形にしたり、復路ヒートパイプの一部に内径の小なるパイプを接続し、受熱部で気化した冷媒のガスを流路抵抗の小なる往路ヒートパイプに流入させることにより、流路抵抗となる弁を使用せずに冷媒の流れを規制すると共に、起動時間を短縮させたヒートパイプなどが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２８０４７３号公報（第３頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、開発改良が急ピッチで進行している各種電子機器は、よりコンパクトになると共に高出力化しており、その発熱流束は数十から数百Ｗ／ｃｍ²程度、中には数千Ｗ／ｃｍ²程度のレベルにまで増大している。このように、より優れた電子機器が開発されている中で、現状ではそれにマッチする高性能な放熱素子がなく、実用化できない状況であり、高性能放熱素子の開発が強く熱望されている。
【０００５】
上記のような従来の放熱素子の内、毛細管力式ヒートパイプでは、毛細管力という小さな駆動源により液を循環していることから高発熱流束での使用は難しく、また重力式ヒートパイプでは姿勢の影響が大きく取付けが難しい。また、数百Ｗ／ｃｍ²レベルの高発熱流束条件の場合、熱を輸送できるものがなかった。さらに、自励振動式ヒートパイプは姿勢の影響は小さいものの、動作が不安定であり、また高発熱流束条件では熱を輸送することができないという問題があった。
【０００６】
この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、外部動力を用いることなく確実に動作を開始し、高発熱流束の場合でも熱を安定して輸送することができるヒートパイプ、及びそのヒートパイプを用いたコンパクトな冷却装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
なお、本書においてヒートパイプとは必ずしも外観が細長いパイプ状のものに限るものでないことは勿論であり、例えば板材、ブロック材、多数の放熱フィンを設けたヒートシンクなどの基体の内部に、作動流体の流路を形成したものなどを全て含むものとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明によるヒートパイプは、作動流体が密封収容される流路に、流路の断面周長及び偏平率の少なくとも一方が流路に沿って増大する流路変化部を、増大方向を揃えて複数直列に連結させると共に、これら複数の流路変化部を受熱部として用いるようにしたものである。
【０００９】
また、この発明によるヒートパイプを用いた冷却装置は、作動流体が密封収容される流路に、流路の断面周長及び偏平率の少なくとも一方が流路に沿って増大する流路変化部を、増大方向を揃えて複数介在させると共に、これら複数の流路変化部を受熱部として用いるようにしたヒートパイプを基体に一体的に組み込んでなるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１及び図２はこの発明の実施の形態１によるヒートパイプを説明するものであり、図１はヒートパイプの流路構成を模式的に示す断面図、図２はその動作を説明するための要部断面図である。また、図３及び図４は実施の形態１の変形例及び他の変形例を説明する要部断面図である。なお、他の実施の形態を含め、各図を通じて同一符号は同一もしくは相当部分を示すものとする。
【００１１】
図に示すように、閉ループ１を形成する断面が略矩形の流路１０は、該流路１０の一方の通流方向（図の例では、左回りの方向）に断面周長（即ち作動流体の通流方向に直角な面で流路を輪切りにしたときの内周面の長さ）が拡大するように形成された複数（図では４箇所）の流路変化部１１と、この流路変化部１１の小周長側に連結されたここでは断面周長が小である流路幅がＷ１である基部流路１２と、流路変化部１１の大周長側に連結されたここでは断面周長が大である流路幅がＷ２の増大側流路１３と、上記基部流路１２と増大側流路１３の反流路変化部１１側相互を互いに連結する接続流路１４からなっている。
【００１２】
なお、この実施の形態１では、上記流路１０の深さは通流方向（流路の方向）に実質的に略一様であり、流路１０の幅は図示のように流路に沿って変化させており、上記流路幅Ｗ１とＷ２の関係は、Ｗ１＜Ｗ２である。
【００１３】
上記流路変化部１１は、発熱体あるいは受熱用の熱交換器などを熱的に結合するための受熱部２に配設され、一方、流路変化部１１以外の全てまたは一部は、放熱部３として用いられ、この放熱部３にヒートシンクあるいは放熱用の熱交換器などが熱的に結合される。そして、閉ループ１の内部には作動流体４が密封されている。なお、４１は作動流体４の液相部分（以下、単に液体と言う）、４２は作動流体４の気相部分（以下、単に気体と言う）、４２ａは蒸気泡、小矢印４２ｂは蒸気の発生、流出を示す。なお、流路１０内に示す両端矢印Ａは作動流体４の振動方向、長矢印Ｂは作動流体４の一時的な、ないしは、ある瞬間における移動方向を示す。
【００１４】
上記流路変化部１１は、この実施の形態１では流路の深さを変えずに流路の幅が流路の方向に沿って漸増するテーパ状に形成され、断面周長と偏平率が増大するように形成されており、基部流路１２と増大側流路１３との連結、作動流体４（液体４１及び気体４２）の加熱（または過熱）、蒸気泡４２ａの生成、作動流体４の送出、ならびに作動流体４が振動しながら移動する通路などとしての役割を有している。
【００１５】
上記基部流路１２と増大側流路１３は、作動流体４が振動しながら移動する通路の役割を有し、これら流路１２、１３の全部またはその一部は、液体４１の冷却及び気体４２の凝縮の役割も有している。該流路１２、１３の断面形状は特に矩形に限定されず、例えば正方形、円形、楕円形、及び三角形、五角形などその他の多角形、あるいはそれらを組み合わせた任意の形状でもよく、また曲がり・エルボを伴った通路でも良く、蛇行・コルゲート管状の通路でも良い。また、流路の方向に断面形状を変えても良い。
【００１６】
次に、上記のように構成された実施の形態１の動作を、図２を参照して説明する。受熱部２に配設された流路変化部１１内の液体４１は、受熱により温度上昇し高温流体となり、沸騰が生じ蒸気泡４２ａが発生する（図２（１））。この蒸気泡４２ａの単独成長または複数の蒸気泡４２ａの合体により、流路変化部１１は気体４２により覆われ、大きな蒸気泡４２ａとなって、蒸発・凝縮の不安定性に起因した微振動（自励振動）を生じながら停滞する（図２（２））。
【００１７】
この時、何らかの要因、例えば、閉ループ１を形成する流路１０内の他の流路変化部１１内での突沸または外部からの振動などにより、液体４１が例えば図２（３ａ）のように増大側流路１３の側から矢印Ｂの向きに送入されると、蒸気泡４２ａが基部流路１２の方向へ移動すると共に、増大側流路１３側気液界面が反転し、液体４１と気体４２と流路変化部１１壁の接する線（濡れ縁長さ）上近傍で活発な蒸発が生じ、またこの濡れ縁長さが大きいことから、より多くの蒸気４２ｂを発生し、蒸気泡４２ａの容積は増大し、単なる同容積の蒸気泡４２ａが移動した場合（図２（３ａ）中の破線Ｃで示す気液界面）に比べ、さらに該送入方向（図の右方）前方へ気液界面が移動する（図２（３ａ））。
【００１８】
従って、気体４２の凝縮が生じる面積が急増し、激しい凝縮が生じ（通路壁のせん断力の影響が小さな通路中央を蒸気泡４２ａが移動しようとすることから、通路壁上の液体膜の厚さが薄くなり、活発な凝縮が生じるには蒸気泡４２ａの移動に比べて時間遅れが生じるため、急激な凝縮が生じる）、送出した液体４１を流路変化部１１へ吸引する共に、基部流路１２側の気液界面は反転する（図２（４ａ））。
【００１９】
この過程は閉ループ１を形成する流路１０内の他の流路変化部でも生じており、その影響で例えば、図２（３ａ）の状態から増大側流路１３の方向（図の左方向）へ液体４１が吸引されると、増大側流路１３側の気液界面（初期の液体４１送入時に反転した気液界面）が再度反転し接触角が減少し、濡れ縁部が薄膜となることから活発な蒸発が生じると共に、偏平流路中央部では側壁からの毛細管力が小さいために、濡れ縁部の移動が生じ内壁に薄い液膜が形成され、その部分で非常に活発な蒸発が生じる。それ故、微振動を生じながら停滞していたとき（図２（２））の気液界面位置よりも更に該吸引方向前方（図の左方向）へ気液界面は移動する（図２（４ａ））。
【００２０】
よって、前述同様、気体４２の凝縮が生じる面積が急増し激しい凝縮が生じ、増大側流路１３内の液体４１を流路変化部１１へ再び吸引し、増大側流路１３側気液界面が再度反転すると共に、図２（３ａ）以上に蒸気泡４２ａの容積が増大し、より多くの蒸気４２ｂを基部流路１２内へ送出する（図２（５ａ））。（小周長側では、偏平率が大きい、または流路が小さいため、増大側流路側の反転の際の蒸気発生量よりも小さい。）
【００２１】
この液体４１の送出方向の反転が繰り返され、蒸気泡４２ａは成長し、流体振動振幅が増大し、ある一定の振幅に達すると安定した振動になる場合もあるが、振幅が増大し続ける場合もあり、この場合流路変化部１１を介して蒸気泡４２ａの一部を、接続流路１４を介して送出することもあり、また閉ループを形成する流路１０における隣の流路変化部１１を介して振動する蒸気泡４２ａを押し流すこともある。
【００２２】
この場合は、再び図２（１）のように流路変化部１１内で蒸気泡４２ａが生成され成長し、再び振動が生じる。これら一連の過程が反復され、継続することにより、受熱部２から伝えられた熱は大きな振幅を伴う振動及び液体４１と気体４２の相変化により、熱を放熱部３へ輸送する。
【００２３】
上記動作説明においては、図２の左側から右方向への液体４１の初期移動変化が起きた場合を起点として説明したが、図２（３ｂ）のように、図の右側から左方向への液体４１の初期移動変化が起点である場合は、増大側流路１３側では凝縮量が大きく、基部流路１２側では蒸発量が小さいために、蒸気泡４２ａの容積が収縮して大きな振動は生じさせることができず、図２（４ｂ）の微振動が生じている状態で安定する。
【００２４】
従来の自励振動型ヒートパイプの場合、初期移動変化の方向によらず、初期移動変化後の状態が蒸発量より凝縮量が大きい場合には蒸気泡容積が縮小し、逆に凝縮量より蒸発量が大きい場合には蒸気泡容積が増大する。本発明の実施の形態１も、従来の自励振動型ヒートパイプも、閉ループに形成された流路に複数の受熱部２が設けられ、これら複数の受熱部でそれぞれ蒸気泡が形成される点は同じである。全ての蒸気泡が初期移動変化により実質的に一斉に同一方向に移動することは確率的に非常に稀なことであり、ほとんどの場合、それぞれの蒸気泡は不規則に移動している。
【００２５】
従来のパイプ径が一様な自励振動型ヒートパイプでは、各蒸気泡で同様の容積縮小または増大がランダムに生じており、不規則な方向へ液体の送出または送入が生じるため、該送出または送入による変化が互いに打ち消しあい、大きな振動を生じるに至らない。このことは、例えば、ブランコに乗った人が不規則な動きをしても、ブランコは大きく揺れないことと同様の現象である。
【００２６】
これに対し、本発明では、複数の流路変化部１１を受熱部２に配設していることにより、初期移動の方向によって、蒸気泡４２ａに生じる蒸発量・凝縮量が互いに異なるため、任意の一方向への初期移動変化においては液体４１を送出し（図２（３ａ））、逆の方向への初期移動変化においては液体４１を吸引する（図２（３ｂ））ように動作するため、閉ループ１を形成する流路１０内の複数の流路変化部１１でそれぞれ発生する複数の蒸気泡４２ａが、相互に不規則な方向に移動しても、大きな振幅を伴う振動が確実に生じる。このことは、例えば外力を与えることなく、ブランコに乗った人が周期的に重心移動することにより、ブランコは次第に大きく揺れ、その揺れは増大し継続するのと同様である。
【００２７】
上記のように、外力を与えることなく、その微振動の系に影響する物理量または物性値など（本発明では、蒸発量及び凝縮量）が、該微振動の周期に呼応して変化する場合に生じる振動を、一般に係数励振振動と呼ばれているが、本発明のヒートパイプは正にこの係数励振振動を利用して熱の輸送が行われているものと考えられる。
【００２８】
上記実施の形態１では、上記係数励振振動が生じることにより、外部動力を用いることなく流路変化部１１を介して閉ループを形成する流路１０内の複数の蒸気泡４２ａが大きく往復運動（振幅の大きな振動）し、閉ループ１に沿った作動流体（液体４１及び気体４２）の移動、流路１０壁近傍流体の攪拌、流体の相変化（沸騰・蒸発または凝縮）及び顕熱変化を利用して、熱を効率良く輸送または拡散することができる。
【００２９】
上記説明したように、この実施の形態１によれば、外部動力を用いることなく閉ループ１内の液体４１の係数励振振動が確実に信頼性高く生じ、流路変化部１１を介して閉ループ１内の複数の蒸気泡４２ａが大きく往復運動（振幅の大きな振動）し、閉ループ１に沿った流体（液体４１及び気体４２）の移動、閉ループ１壁近傍流体の攪拌、流体の相変化（沸騰・蒸発または凝縮）及び顕熱変化を利用して、受熱部２から放熱部３へ熱を効率良く輸送することができる。
【００３０】
また、ポンプ等の可動部を有さないことにより、耐久性・信頼性に富み、コンパクトで軽量であり、特に薄型化が容易である。さらに、重力を利用しない熱輸送機器であり、また重力の影響を受け難い構造であるため、微小重力及び無重力空間，逆に高重力環境においても使用することができる。さらに、高発熱流束の発熱体からの熱輸送及び熱拡散が容易であり、熱特性が非常に良い。
【００３１】
上記流路変化部１１は、この実施の形態１では流路の幅を広げることにより断面周長を増大させ、その結果、流路の偏平率及び断面積も大きくなるように構成したが、断面周長、偏平率、及び断面積の何れかを変えずに構成しても同様の効果が期待できる。なおここでは、流路の幅と高さの内、何れか大きい方の寸法に対する小さい方の寸法の割合を偏平率とする。例えば、断面正方形、正円形、及び幅と高さが等しい多角形などの場合は偏平率＝１となり、例えば長方形、楕円形、及び幅と高さが異なる多角形などの場合は、偏平率＜１となる。
【００３２】
即ち、この発明のヒートパイプにおける流路変化部１１は、次の（１）、（２）の何れか一方、または（１）及び（２）の条件を合わせた構成とすることが必要である。
（１）流路の断面周長が流路に沿って増大する。
（２）流路の偏平率が流路に沿って増大する。
なお、上記（１）の場合において、流路変化部１１の前後で断面積、または偏平率は同一であっても良い。また、上記（２）の場合において、流路変化部１１の前後で断面周長、または断面積は同一であっても良い。
【００３３】
また、上記流路変化部１１は、閉ループ１もしくは一つの流路１０の中に少なくとも２つ、流路の何れか一方の方向に拡大方向を揃えて設けられていれば良い。なお、確実な起動を行わせるためには、一つの流路１０内に設ける数は多い方が好ましい。また、上記流路変化部１１の通流方向への形状は、テーパ状のものに限定されるものではない。
【００３４】
例えば、流路変化部１１の変形例である図３（ａ）に示すように断面略円形の曲線の一部を用いて流路変化部を形成したもの、図３（ｂ）に示すように作動流体の移動方向に断面積を変えずに周長を増大させるように形成したもの、あるいは流路変化部１１の他の変形例であると同時に、流路１０の変形例（非ループ状にしたもの）でもある図４に示すように流路の曲げ部によって形成したものなどでも同様の効果が期待できる。
【００３５】
なお、上記図３（ｂ）において、（１）は図示を省略している基部流路との接続部近傍における流路変化部の断面形状であり、内周面１０ａは平滑な円形である。（２）は流路変化部１１の中間部分の断面形状であり、内周面１０ｂは高さの低い襞状の凹凸に形成されている。（３）は図示を省略している増大側流路との接続部近傍における流路変化部の断面形状であり、中間部の内周面１０ｂよりも高い襞状の凹凸の内周面１０ｃが形成され、上記（１）〜（３）は順次連続的に変化するように形成されている。上記（１）と（３）では、断面積及び偏平率は実質的に同一であるが、周長は増大しており、図１の場合と同様の係数励振振動を生じさせることができる。
【００３６】
また、上記流路変化部１１の断面周長を通流方向に増大させる場合、通流方向に鋭角な角を有する通路（例えばテーパの開き角度が１８０度以上というような急拡大）を形成することは、増大側流路との接続部の角部にドライスポット（液体４１で濡らされ難い部分）が発生し易く、また流体移動に伴う摩擦圧力損失が大きくなることから、断面周長が滑らかに増大するように形成することが望ましい。例えば特に限定されるものではないが、テーパ状の場合には開き角度が約６０°以下、さらには約３０°以下にすることは望ましい。さらに上記流路変化部１１の断面形状は例示した矩形や円形に限定されるものではなく、例えば、楕円形、その他の多角形あるいはそれらを任意に組み合わせた形状のものでも良い。
【００３７】
本発明では、典型的な動作として係数励振振動を生じるものであることから、「小流路幅＜大流路幅」（断面周長の拡大を溝の深さが略一定の流路で形成した場合）および「蒸気泡と液スラグの入替りが生じない」ことが重要である。ここで、気泡離脱直径（加熱壁から離脱する蒸気泡の直径、例えば大気圧基準の蒸留水では約２．７ｍｍ、フロリナートでは約１ｍｍなど）をＤとしたときに、好ましい動作を得るためには、流路１０の深さに関しては、２Ｄ以下、さらに好ましくはＤ以下であることが望まれるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００３８】
また、増大側流路１３の幅Ｗ２の寸法が大き過ぎると耐圧設計が難しくなり、容器壁厚を大きくしなければならず、コスト・重量・容積増大のために製作が不利になる。また、蒸気泡と液スラグの入替りが生じないように流路幅Ｗ２が大き過ぎないことが望ましい。例えば、増大側流路の幅Ｗ２は１０Ｄ以下、さらに好ましくは５Ｄ以下とすることは望ましい。また、基部流路１２の流路幅Ｗ１と増大側流路１３の流路幅Ｗ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）としては約１．１倍以上が望ましく、更に約２〜５倍程度とすることは望ましい。さらに、幅と深さの関係を逆にしても差し支えない。
【００３９】
一方、受熱部２の流路方向への長さは、上記気泡離脱直径Ｄより小さ過ぎるとドライスポットになり易いので、約０．２Ｄ以上、さらに好ましくは約Ｄ以上とするのが望ましい。なお、微小重力の場合、上記「蒸気泡と液スラグの入替りが生じない」ことは寸法によらず入替わりが発生し難くなることから、上記寸法を外れても良い。また、上記受熱部２の流路方向への長さが、流路変化部１１の長さよりも長くなっても差し支えないが、増大側流路１３及び基部流路１２部分が受熱部２に長い距離置かれることは、生じた気泡が流体の振動及び移動を阻害する（周長の変化しない流路部分に２つ以上の蒸気泡が停滞すると自励振動の場合と同様に振動を減衰させてしまい、却って大きな振動を発生させなくなる）ので好ましくない。
【００４０】
また、上記基部流路１２または増大側流路１３の一部は、受熱用熱交換器などの受熱部２の一部が接しても良く、この場合、流体の加熱または過熱の役割を有することになる。また、通路内に例えば伝熱促進及び耐圧設計を目的としたリブ（該流路１２、１３をリブにより仕切られた並行通路を形成することも含む）または乱流促進体（図示省略）などを設けても良い。
【００４１】
さらに、接続流路１４は基部流路１２と増大側流路１３とを連結する役割と、密封された流体４が振動しながら移動する通路の役割も有し、その断面は流路１２、１３と同様に特に限定されず、例えば、円形、楕円形、矩形、その他の多角形及びそれらを任意に組み合わせた形状など、所望により適宜な形状を選んで用いることができる。また、同様に断面形状及び断面周長は、流路方向に一様である必要はなく、例えば急拡大、テーパまたエルボ、曲がり、さらにコの字形などの通路でも差し支えない。
【００４２】
さらに、上記接続流路１４は必ずしも必須なものではなく、無限小の長さでも良い。このように接続流路１４を省いた場合は、基部流路１２と増大側流路１３との単なる接続口、あるいは一組の基部流路１２、流路変化部１１、及び増大側流路１３からなる連結体を「要素」として捉えたときに、該要素相互の単なる連結口ないしは連通部と見なすことができる。
【００４３】
さらにまた、上記流路１０は、作動流体を収容する容器及び流体が振動しながら移動または循環する通路の役割を有し、この実施の形態１では閉ループ１を形成する循環路としたが、例えば図４に示す他の変形例のように、閉ループ（循環路）に形成しなくても差し支えない。なお、図４（ａ）は５つの流路変化部１１を受熱部２に配設し、管端部を放熱部３に配設した例、図４（ｂ）は３つの流路変化部１１と両管端部を受熱部２に配設した例を示す。また、図の左側のＡ図は第１の状態の例、右側のＢ図は第２の状態の例を模式的に示し、動作中、ＡとＢの状態を液体４１と気体４２が行き来して振動することにより、熱輸送が行われることを説明している。図において、流路１０は板状の基体１０１の表面に沿って形成され、受熱部２は基体１０１の一方の面における図の下方部に集合して形成され、基体１０１の反対側の全面が放熱部３として用いられている。
【００４４】
図４（ａ）に示す両端を閉じた流路では、両最端部の流路は放熱部３に配設されていることにより、ほぼ常時液体で満たされており、ほとんど振動せず、熱輸送に貢献しない。しかし、両端に最も近い流路変化部を含め、受熱部２に配設された流路変化部１１では沸騰が生じるため、それらの間の流路内では図４(ａ)のＡ及びＢの模式図のように液体と気体の振動が生じ、閉ループの場合と同様の動作が生じる。従って、該振動により熱の輸送が行われる。
【００４５】
また、両端を閉じた流路を図４（ｂ）に示すように用いた場合には、両最端部の流路は受熱部３に配設されていることにより、動作中、流路内壁が液体で濡らされ難い面があるものの、受熱部２に配設された流路変化部１１で同様の沸騰が生じ、図４(ｂ)のＡ及びＢの模式図のように液体と気体の振動が生じ、同様に熱輸送が行われる。
【００４６】
一方、上記流路１０は例えば一本のパイプから構成し、または複数のパイプを連結した構成でも良く、さらに任意の伝熱特性の良い基体中にループ状もしくは非ループ状の通路を形成したもの、あるいはそれらを組み合わせた構成としても良い。また、例えば一周または周回するループ、あるいは蛇行するループなどでも良い。
【００４７】
上記受熱部２は、図では模式的に示しており、該受熱部２に例えば加熱ヒータ、電子機器、電子部品、炎、エネルギ線照射（例えば、太陽光、レーザー光、赤外線）等の発熱体、またそれらの発熱体から熱輸送する機器の放熱部、熱交換器等を密着させることにより熱的に結合しても良いし、ヒートパイプを文字通りパイプ材で構成した場合には、流路変化部１１の外周面を受熱部としても良い。
【００４８】
また、上記放熱部３も同様に模式的に示しており、例えば自然対流、または強制対流熱伝達や輻射を利用する熱交換器の放熱壁（例えば、低温空間と接する壁や空冷または水冷用ヒートシンクなど）などを放熱部３として構成することができる。さらに、流路１０を構成する例えばパイプ材などの外表面部自体を放熱部３としても良く、例えば空気中、水中、宇宙空間などの外部空間に直接剥き出しに設置し、直接、自然・強制対流熱伝達や輻射を利用しても良い。さらに、放熱効果を上げるためにフィン等の放熱手段をその剥き出し部外表面に設けても良い。また、該放熱部３を熱交換器の受熱部として用いても良い。さらに、本発明のヒートパイプを複数積層して用いても良い。
【００４９】
一方、作動流体４としては、特に限定されるものではなく、例えば従来知られている蒸留水、エタノール、アンモニアなどの単一成分の液体、またはそれらを組み合わせた混合液体のような相変化を生じる流体、冷凍サイクルに用いられるその他の冷媒類などを用いることができる。なお、気体４２は、液体４１の蒸気であり、該蒸気以外の気体が若干量混入しても良い。
【００５０】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２によるヒートパイプを模式的に示す断面図、図６はその変形例を模式的に示す断面図である。図に示すように、受熱部２はこの例では４ヶ所に分散して設けられ、各受熱部２に流路変化部１１がそれぞれ位置するように配設されている。それに伴い、基部流路１２、増大側流路１３も、８ヶ所に分散する放熱部３に配設され、流路変化部１１の周長拡大方向（偏平率拡大方向）が一方向に揃うように蛇行状に連結され、閉ループ１が形成されている。その他の符号は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００５１】
この実施の形態２によるヒートパイプは、例えば冷却を必要とする発熱素子が回路基板上に分散しているような場合などに好ましく用いることができるものである。なお、図では流路変化部１１などの各部分を規則的に配置した例で示しているが、これに限定されるものではなく、各流路の長さ、隣接する流路の間隔など被冷却対象の形状などに合わせて適宜変更することも差し支えない。また、上記のように構成された実施の形態２の動作としては、上記実施の形態１と実質的に同様であるので説明を省略する。
【００５２】
上記のように、この実施の形態２では、実施の形態１の効果に加えて、ヒートパイプを適用する用途の形態に応じてフレキシブルに対応できる効果がある。また、図６に示す変形例では、基部流路１２の一部の容積を拡大した拡径部１２Ａを設けていることにより、閉ループ１内に収容する作動流体１０の許容量を大きくできる利点がある。さらに、流路変化部以外のスペースを基部流路１２及び増大側流路１３が占有することができ、その場合には凝縮面積の増大による熱特性の向上が期待できる。
【００５３】
実施の形態３．
図７は、実施の形態３によるヒートパイプを模式的に示す断面図である。図に示すように、この実施の形態３では、各基部流路１２を四つの小容積流路（１２ａ〜１２ｄ）によって形成し、各増大側流路１３を四つの大容積流路（１３ａ〜１３ｄ）としてそれぞれ構成している。なお、１１ａ〜１１ｄは上記実施の形態２と同様の流路変化部、１４ａ〜１４ｄは接続流路である。なお、数字の直後に示すアルファベットａ〜ｄは、閉ループ１上の４ヶ所の位置を区別するためのものである。その他の符号は、上記実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
【００５４】
この実施の形態３においては、小容積である基部流路１２と大容積である増大側流路１３が収容し得る液体４１の量が互いに異なることから、係数励振振動により、流路変化部１１を介して蒸気泡４２ａが各流路１２、１３へ振動しながら流入する際に、各流路１２、１３それぞれに接続された接続流路１４を介して送出される液体４１の量が異なり、例えば閉ループ１内で大容積流路１３ａから順に接続流路１４ａ、小容積流路１２ｂ及び流路変化部１１ｂを経て、隣の大容積流路１３ｂ方向へ、液体４１及び気体４２の不規則ではあるが確実な循環が生じる。
【００５５】
例えば、小容積である基部流路１２の容積をＶ１、大容積である増大側流路１３の容積をＶ２、各流路容積の差をＶ３（＝Ｖ２−Ｖ１＞０）とする。また、流路変化部１１の容積をＶ４とする。ただし、それぞれ４ヶ所ずつ設けられた小容積流路１２ａ〜１２ｄ、大容積流路１３ａ〜１３ｄ、及び流路変化部１１ａ〜１１ｄの各流路容積は、各別にそれぞれ等しいものとする。
【００５６】
さらに、ここで一つの流路変化部１１と、その直前及び直後にそれぞれ連結された基部流路１２及び増大側流路１３とを一組の「要素」とし、接続流路１４ａを介して連結された二組の要素、即ち小容積流路１２ａ、流路変化部１１ａ、大容積流路１３ａ、接続流路１４ａ、小容積流路１２ｂ、流路変化部１１ｂ、及び大容積流路１３ｂと順次接続された二組の要素を連結体１５とする。
【００５７】
このときに、該連結体１５における、二組の要素とも小容積流路１２ａ、１２ｂと流路変化部１１ａ、１１ｂが蒸気泡４２ａで満たされ、一方二組の大容積流路１３ａ、１３ｂと接続流路１４ａが液体４１で満たされている状態から、係数励振振動により蒸気泡４２ａが移動し、上流側小容積流路１２ａにＶ１の容積の液体４１が送入され、上流側流路変化部１１ａと大容積流路１３ａが蒸気泡４２ａで満たされると、上流側大容積流路１３ａが収容していた液体４１（Ｖ２）が接続流路１４ａを介して小容積流路１２ｂへ送出される。
【００５８】
Ｖ３＞０であることから、下流側流路変化部１１ｂへも液体４１が送入され、Ｖ３＞（Ｖ１＋Ｖ４）の場合、流路変化部１１ｂ内も液体４１で満たされ、初期に下流側小容積流路１２ｂと流路変化部１１ｂ内に収容されていた下流側蒸気泡４２ａは下流側大容積流路１３ｂ内へ送出される。
【００５９】
この時、下流側流路変化部１１ｂ内で沸騰が生じ、蒸気泡４２ａが生成・成長し、下流側小容積流路１２ｂと流路変化部１１ｂ内に収容される液体４１を分断し、該蒸気泡４２ａの一部が下流側小容積流路１２ｂ及び大容積流路１３ｂへ送出され、結果として、これら一連の過程により上流側大容積流路１３ａに収容されていた液体の一部が下流側大容積流路１３ｂへ送出されることになる。
【００６０】
なお、これら一連の過程により、上流側大容積流路１３ａ内の液体４１の量が減少するが、小容積流路１２ａと大容積流路１３ａの内表面積が異なることから、凝縮能力が小容積流路１２ａより大容積流路１３ａの方が高く、凝縮量が多いことから、継続する係数励振振動中に蒸気泡４２ａを介して蒸気が大容積流路１３ａへ移動し、再び初期の状態に戻る。
【００６１】
このようにして、小容積流路１２ａと大容積流路１３ａの凝縮能力の差による蒸気の移動及び容積差から生じる液体４１及び気体４２の移動が不規則ではあるが確実に生じ、液体４１と気体４２の閉ループ１に沿った循環が生じる。したがって、該循環による熱輸送が生じ、より効率良く熱を輸送し、また、蒸気泡４２ａで満たされやすい流路変化部１１の内壁を液体４１で濡らすことができ、高発熱流束条件においても熱輸送が可能となる。
【００６２】
実施の形態４．
図８は実施の形態４になるヒートパイプを模式的に示す図であり、図８（ａ）は平面断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のｂ−ｂ線に相当する矢視側面図である。図に示すように、流路１０は、例えば銅、アルミニウムなど伝熱特性の良好な材料からなる板状の基体１０１を構成する流路形成部材１０２の表面部に沿ってループ状に穿設された溝部１０２ａと、この流路形成部材１０２の表面部に重合密着された同様の伝熱性材料からなる覆蓋体１０３によって形成されている。そして上記流路１０の内部には、図示を省略している注入口より作動流体４が真空排気後に注入され、密封された後、板状のヒートパイプ１００が得られる。
【００６３】
この実施の形態４においては、流路変化部１１は、流路１０の一部を曲率の異なる１つまたは複数の曲面によって拡径させた曲げ部からなり、さらに該流路変化部１１は基体１０１における図の右側部分の受熱部２に集合して配置されている。上記流路変化部１１は、上記実施の形態１ないし３に示した直線状のテーパ部を、この例では略１８０度の角度曲げたものに相当している。また、基体１０１の上記受熱部２とは反対側（図８（ｂ）の下側）の面は全面が放熱部３となっている。
【００６４】
上記受熱部２の表面部は、例えばＣＰＵ、ＩＧＢＴ、ダイオードなどの発熱体１６に密着され、放熱部３にはヒートシンク１７が熱的に結合して設けられている。なお、多数の小矢印Ｄは、発熱体１６から受熱部２への熱の伝達、多数の小矢印Ｅは、放熱部３からヒートシンク１７への熱の伝達をそれぞれ示している。
【００６５】
上記のように構成された実施の形態４によれば、上記流路変化部１１を曲げ部によって形成していることにより、受熱部２をヒートパイプ１００の所望の部分に集中させることが容易になる。また、受熱部２直下の反対側の面を全て放熱部３とすることができるので、放熱用熱交換器などのヒートシンク１７への熱輸送が容易になる。さらに、放熱部３を受熱部２とは離れた別の場所に設けることも容易となる（図示省略）。また上記流路変化部１１を１箇所に集合して配置したことにより、例えば電子回路の基板などで発熱体１６が特定の部分に集中している場合など、局所集中発熱する発熱体１６からの熱輸送及び熱拡散が容易に行えるなどの効果が得られる。
【００６６】
さらに、係数励振振動により上記流路変化部１１に進入する液体４１の遠心方向への慣性力により、該流路変化部１１の外周壁１８に沿った液体４１の強制流れが生じるため、高発熱流束条件における液体４１により閉ループ１内壁が濡らされ難くする現象（例えばライデンフロスト）においても、該外周壁１８を液体４１で濡らし、該外周壁１８上に形成される液膜が破断し難く、より高発熱流束条件下においても熱を輸送することができるという特徴を有する。
【００６７】
実施の形態５．
図９ないし図１１は、実施の形態５に係るヒートパイプの要部を模式的に示す図であり、図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のｂ−ｂ線に相当する矢視断面図、図１０（ａ）は形成されたキャビティの一例を示す要部断面図、図１０（ｂ）はキャビティの他の例を示す要部断面図、図１１（ａ）はキャビティ部分の詳細を示す組立図、図１１（ｂ）は焼結金属粒子相互の空間をキャビティとした例を示す断面図である。図に示すように、この実施の形態５では、各流路変化部１１の外側（遠心方向）の通路壁１８に気泡核の残留あるいは気泡の生成を助けるキャビティ１９がそれぞれ設けられている。
【００６８】
キャビティ１９は、流体の流動・攪拌、また流体及び通路壁１８の温度変化によらず安定して通路壁１８上またはキャビティ１９の中に気体４２を残留させ、蒸気泡４２ａを発生する役割を有しており、図１０（ａ）に示すような通路壁１８上の引っかき傷や、図１０（ｂ）に示すような小さな導管１９ａにより通路と連結された空間（リエントラント型キャビティ）のことであり、図１１はその構成ないしは組立方法の一例の要部を示している。
【００６９】
基体１０１は、例えばアルミニウム、銅、あるいはそれらの複合材料など伝熱性の良好な板状金属材料でなる流路形成部材１０２と覆蓋体１０３からなり、該流路形成部材１０２の表面に流路変化部１１を含む流路１０が板面に沿って閉ループを形成した溝状に穿設され、キャビティ１９を設けた後、その上に覆蓋体１０３が重合され、気密を保持して密着され上記実施の形態４と同様に、図示を省略している別途設けられた注入口より基体１０１の内部に形成された流路１０内に、真空排気後に、作動流体が注入され、密封してヒートパイプ１００が形成される。なお、図１１（ｂ）に示すように焼結金属粒子５の空間によりキャビティ１９を形成しても良い。
【００７０】
上記のように構成された実施の形態５によれば、実施の形態４の効果に加え、例えば低温度で内部圧力が低くい場合においても、キャビティ１９内に存在する残留気体が蒸気泡４２ａ発生の起点となり、蒸気泡４２ａを容易に発生することができ、起動及び熱特性が向上する。また、上流側蒸気泡４２ａの容積増大に伴う液体４１の送入により、蒸気泡４２ａがより下流側へ流出した場合に、該キャビティ１９で蒸気泡４２ａが生成・成長することにより、循環方向と逆向きの液体４１の流れを抑制し（液体４１の逆流の代わりに、蒸気泡４２ａが成長し、気体４２を送出する）、閉ループ１内の平均循環質量流量が増大し、熱特性が向上するなどの効果が得られる。
【００７１】
実施の形態６．
図１２及び図１３は実施の形態６に係るヒートパイプを模式的に示す図であり、図１２（ａ）は平面断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のｂ−ｂ線における矢視断面図、図１３（ａ）は図１２の変形例を示す平面断面図、図１３（ｂ）はその正面図である。図に示すように、受熱部２はヒートパイプ１００の中央部を縦断する如く図の上下方向に伸びて配設され、曲げ部からなる流路変化部１１が該受熱部２に点対称的に集中して８箇所配設され、全体が直列に接続されて一つの閉ループ１を形成している。
【００７２】
上記のように構成された実施の形態６によれば、中央部で向い合う流路変化部１１の温度変化が互いに相手側に伝わり、相の状態がより不安定になり、蒸気泡の振動を誘発し易く、安定した熱輸送が可能になる。また、取付け姿勢の影響が小さく、特に垂直姿勢であっても、例えば図の右側部分が上方、左側部分が下方に向けて配設された場合であっても、発熱体１６より上方側の閉ループ１内では、係数励振振動と重力による液体４１の還流が生じ、効率良く熱を輸送すると共に、閉ループ１に沿った該係数励振振動の伝播、及び向い合う流路変化部１１相互間の温度変化の伝播により、発熱体１６より下方の閉ループ１内でも係数励振振動が生じ、熱を輸送することができるなどの効果が得られる。
【００７３】
さらに、上記のような垂直姿勢であってさえも閉ループ１の内容積の５０％以上の作動流体４を封入すると、発熱体１６と液体４１が流路変化部１１の壁部を介して必ず接する構造であるので、作動流体４の封入量が小さくても熱輸送が可能であると共に、容積変動を生じる気体４２の空間が大きくなり、蒸気泡または液体４１の塊の振幅が大きくなり、より効率良く熱を輸送することができる。
【００７４】
なお、図１３は図１２に示すヒートパイプを改良した変形例である。この実施の形態６においては、接続流路１４が受熱部２と隣接することとなる（熱的に結合される位置にある）ので、図の上下２箇所の接続流路１４における受熱部２に対応する部分に、図１３に示すようにそれぞれ流路の同一方向に断面周長がテーパ状に拡大する流路変化部１１を設けたものである。この変形例の場合、図１２のものに比べて流路変化部の数が多い分有利である。また、図１２の場合、接続流路１４で蒸気泡が発生、停滞し、係数励振振動を阻害することがあるが、図１３の場合、追加された流路変化部１１においても係数励振振動を引き起こし、熱特性が向上する。
【００７５】
さらに、小容積の基部流路１２と大容積の増大側流路１３は冷却対象物の形状、配置等に応じてそれぞれ長さが異なるようにしても良い。例えば、図１２において左側の基部流路１２と増大側流路１３は、長く、より遠くへ熱を輸送し、右側の基部流路１２と増大側流路１３は短く近い部分で放熱する構成としても良い。
【００７６】
実施の形態７．
図１４は実施の形態７に係るヒートパイプを模式的に示すもので、図１４（ａ）は平面断面図、図１４（ｂ）は側面図である。図に示すように、この例では、板状のヒートパイプ１００を円板形とし、その中心部の一方の面に受熱部２を配設し、他方の面の全部を放熱部３として構成し、受熱部２には流路変化部１１を周方向に１２箇所設け、該流路変化部１１に連なる基部流路１２、及び増大側流路１３は放射方向に設けられ、それらを順次蛇行状に接続することにより、円形のヒートパイプ１００の内部に、円の中心部を中心点とする点対称で１つの閉ループ１が形成されている。
【００７７】
上記のように構成された実施の形態７のヒートパイプは、基本的には上記実施の形態６と同様に、収容された作動流体４が係数励振振動を伴う振動を起こし、発熱体１６の熱を効果的にヒートシンク１７に伝達し、取付姿勢に影響されず高効率の冷却装置を提供することができる。
【００７８】
実施の形態８．
図１５及び図１６は実施の形態８になるヒートパイプを模式的に示す図であり、図１５（ａ）は平面断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のｂ−ｂ線における矢視断面図、図１５（ｃ）は図１５（ａ）ｃ−ｃ線における矢視断面図、図１６（ａ）は上層部分に形成された第１の流路を示す平面断面図、図１６（ｂ）は下層部分に形成された第２の流路を示す平面断面図である。上記実施の形態７までは、ヒートパイプを一つの平面内に１つもしくは複数の閉ループ、または非ループによって形成した例を示したが、この実施の形態８（及び実施の形態９、１０）は、複数の平面（即ち複数の層）に跨って１つまたは複数の閉ループを形成した例を示す。
【００７９】
図に示すように、伝熱性材料からなる流路形成部材１０２は、第１の面を形成する上層の第１の層１０２Ｕと、第２の面を形成する下層の第２の層１０２Ｌからなる。第１の層１０２Ｕには、曲げ部からなる流路変化部１１と、この流路変化部１１を介して設けられた小容積の基部流路１２と、大容積の増大側流路１３とからなる要素Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、・・・、及びＲ１５がそれぞれ溝状に形成され、各流路変化部１１の外周面部にはキャビティ１９がそれぞれ設けられている（図１６（ａ）参照）。
【００８０】
なお、上記流路変化部１１は、第１の層１０２Ｕの中央部を上下方向に縦断する如く、かつ点対象的に左右に４つずつ計８つ配設されている。また、各要素Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、・・・、及びＲ１５の反流路変化部側端部には、第１の層１０２Ｕを上下方向に貫く連通路２０がそれぞれ設けられている。
【００８１】
一方、第２の層１０２Ｌには、上層と同様の要素Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ１０、Ｒ１２、及びＲ１４が同様に点対称的に溝状に形成され、さらに最外側の要素Ｒ８及びＲ１６は直線状に形成され、その流路変化部１１は、テーパ状に形成されている（図１６（ｂ）参照）。
【００８２】
そして第１の層１０２Ｕは第２の層１０２Ｌに対する覆蓋体の機能を兼ねており、該第１の層１０２Ｕを第２の層１０２Ｌの表面部に重合密着した後、覆蓋体１０３を第１の層１０２Ｕに重合密着することにより、第１の層１０２Ｕと、第２の層１０２Ｌ相互の要素同士は、Ｒ１→Ｒ２→Ｒ３→Ｒ４→・・・→Ｒ１５→Ｒ１６→Ｒ１と上下層間が各連通路２０を介して交互に順次連通され、全体で１つの閉ループ１を形成した流路１０が形成されている。なお、上記のように形成された流路１０内には、同様にして作動流体が密封され、ヒートパイプ１００が得られる。
【００８３】
上記のように構成された実施の形態８によれば、発熱体１６から発生する熱は第１の層１０２Ｕ及び第２の層１０２Ｌ内の各流路変化部１１内の作動流体４に熱伝導により伝達されることから、熱伝達面積が増大し、より効率良く熱輸送または熱拡散し、従ってより高発熱流束条件においても動作する。なお、流路１０を２層にまたがって形成した場合を例に説明したが、３層以上とすることも差し支えなく、その場合でも同様の効果が期待できる。
【００８４】
実施の形態９．
図１７及び図１８は実施の形態９になるヒートパイプを模式的に示す図であり、図１７（ａ）は平面断面図、図１７（ｂ）は正面断面図、図１７（ｃ）は図１７（ａ）のｃ−ｃ線に相当する矢視側面断面図、図１８（ａ）は上層部分に形成された第１の流路を示す平面断面図、図１８（ｂ）は下層部分に形成された第２の流路を示す平面断面図である。
【００８５】
図に示すように、この実施の形態９では、第１の面を形成する第１の層１０２Ｕには、曲げ部からなる流路変化部１１を流路形成部材１０２の中心部方向に配設した要素Ｒ１Ａ〜Ｒ１Ｄが右側に、及び同様に流路変化部１１を中心部方向に配設したＲ３Ａ〜Ｒ３Ｄが左側に配設されて点対称をなしており、第２の面を形成する第２の層１０２Ｌにはテーパ状の流路変化部を中心部に配設した要素Ｒ２Ａ〜Ｒ２Ｄ、及び要素Ｒ４Ａ〜Ｒ４Ｄが互い違いに形成され配設されている。
【００８６】
そして、上記実施の形態８と同様に各層を重合密着することにより、上下層の各要素は、連通路２０によりＲ１Ａ→Ｒ２Ａ→Ｒ３Ａ→Ｒ４Ａ→Ｒ１Ａと順次接続された第１の閉ループ１Ａ、同様に上下層交互に順次接続された第２〜第４の閉ループ２Ａ、３Ａ、及び４Ａがそれぞれ互いに独立して形成されている。
【００８７】
上記のように構成された実施の形態９によれば、実施の形態８と同様、発熱体１６から発生する熱は第１の層１０２Ｕ及び第２の層１０２Ｌ内の各流路変化部１１内の作動流体４に熱伝導により伝達され、効率良く熱輸送または熱拡散し、高発熱流束条件においても優れた冷却能力を発揮する。また、この場合には閉ループ１Ａ〜１Ｄが互いに独立しているので、他の閉ループに影響されずに各閉ループ別に係数励振振動が発生し、また任意の一つの閉ループが破損した場合（例えば液漏れ）でも、その他の閉ループで熱を輸送することができる。
【００８８】
実施の形態１０．
図１９及び図２０は実施の形態１０になるヒートパイプを模式的に示す図であり、図１９（ａ）は平面断面図、図１９（ｂ）は正面断面図、図１９（ｃ）は図１９（ａ）のｃ−ｃ線における断面図、図２０（ａ）は上層部分に形成された第１の流路を示す平面断面図、図２０（ｂ）は下層部分に形成された第２の流路を示す平面断面図である。図に示すように、この実施の形態１０では、第１の面を形成する第１の層１０２Ｕには曲げ部からなる流路変化部１１を流路形成部材１０２の中心部方向に配設した要素Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７が右側に、及び同様に流路変化部１１を中心部方向に配設したＲ９、Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ１５が左側に配設されて点対称をなしている。
【００８９】
一方、第２の面を形成する第２の層１０２Ｌには、通流方向に断面周長が減少する流路変化部とは逆向きの曲げ部からなる流路断面減少部２１が中心部に配設された流路ｒ２、ｒ４、ｒ６が図の右側部に、また、これらとは逆向きの同様に通流方向に断面周長が減少する流路断面減少部２１が中心部に配設された流路ｒ１０、ｒ１２、ｒ１４が図の左側部に配設され、さらに、通流方向に断面周長が減少するテーパ状の流路断面減少部２２が下端部中央部に配設された流路ｒ８、及びｒ１６が図の下端部及び上端部に点対称的にそれぞれ形成され配設されている。
【００９０】
また、第１及び第２の層１０２Ｕ、１０２Ｌの間は、Ｒ１→ｒ２→Ｒ３→ｒ４→Ｒ５→ｒ６、・・・、ｒ１４→Ｒ１５→ｒ１６→Ｒ１のように、第１の層１０２Ｕに設けられた要素と第２の層１０２Ｌに設けられた流路が、連通路２０により交互に順次接続され、全体で一つの閉ループ１が形成されている。
【００９１】
上記のように構成された実施の形態１０では、発熱体１６から遠い側の第２の層１０２Ｌに設けた流路ｒの流路断面減少部２１は、流路変化部１１と全く同様の構造で、流路方向に対する断面周長が拡大する向きが実施の形態９までの例とは逆向きに設けられているが、発熱体１６に接する受熱部２に近い流路変化部１１において、蒸気泡が活発に生成され係数励振振動が活発に生じるので、このような通流方向に流路面積が減少する形状としても問題なく動作する。
【００９２】
要するに、受熱部２に近い層（ここでは上層）では、活発な係数励振振動が発生するために通流方向に周長拡大方向を統一して配置する必要があるが、受熱部２よりも遠い層（ここでは下層）ではその係数励振振動より弱い係数励振振動が発生する、または沸騰せず上層の係数励振振動の伝播による液単相の振動が発生するため、受熱部２に遠い層の流路形状は本発明の動作上特別な制限はない。
【００９３】
しかし、熱特性の観点から、受熱部２より遠い層では、通流方向と逆向きに周長拡大方向を統一した場合（図１９）、通流方向に周長が変化しない場合（図省略）よりも、通流方向に周長拡大方向を統一した場合（図１５、図１７）の方が好ましい。なお、受熱部２より遠い層の流路内が液単相で振動する場合でも、顕熱による熱輸送が生じることから、本発明のヒートパイプを２層以上の複数層にすることは熱的特性向上のために有効である。
【００９４】
実施の形態１１．
図２１及び図２２は実施の形態１１になるヒートパイプを模式的に示す図であり、図２１（ａ）は平面断面図、図２１（ｂ）は正面断面図、図２１（ｃ）は側面断面図、図２２（ａ）は上層部分に形成された第１の流路を示す平面断面図、図２２（ｂ）は下層部分に形成された第２の流路を示す平面断面図である。図に示すように、この実施の形態１１では、第１の面を形成する第１の層１０２Ｕには曲げ部からなる流路変化部１１を流路形成部材１０２の中心部方向に配設した要素Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａ、Ｒ３Ａ、及びＲ４Ａが右側に順次直列に接続して設けられ、同様に流路変化部１１を中心部方向に配設した要素Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂ、Ｒ３Ｂ、及びＲ４Ｂが左側に順次直列に接続して点対称的に配設されている。
【００９５】
また、第２の面を形成する下層の第２の層１０２Ｌには、上層と同様の曲げ部からなる流路変化部１１を基体１０１の流路形成部材１０２の中心部方向に配設した要素Ｒ５Ａ、Ｒ６Ａ、Ｒ７Ａ、及びＲ８Ａが右側に順次直列に接続して設けられ、同様に流路変化部１１を中心部方向に配設した要素Ｒ５Ｂ、Ｒ６Ｂ、Ｒ７Ｂ、及びＲ８Ｂが左側に順次直列に接続して右側と点対称的に配設されている。
【００９６】
そして、上層の第１の層１０２Ｕに設けられた流路と、下層の第２の層１０２Ｌに設けられた流路とは、第１の層１０２Ｕの四隅部にそれぞれ設けられた連通路２０によって始端部と終端部相互がそれぞれ接続され、Ｒ１Ａ→Ｒ２Ａ→・・・、→Ｒ８Ａ→Ｒ１Ａに至る第１の密閉流路と、Ｒ１Ｂ→Ｒ２Ｂ→・・・、→Ｒ８Ｂ→Ｒ１Ｂに至る第２の閉ループとの２つの閉ループが形成されている。
【００９７】
上記のように構成された実施の形態１１によれば、発熱体１６から発生する熱は第１の層１０２Ｕ及び第２の層１０２Ｌ内の各流路変化部１１内の作動流体４に熱伝導により伝達されることから、実施の形態９と同様の効果が期待できる。
【００９８】
実施の形態１２．
図２３は、実施の形態１２になるヒートパイプを模式的に示すもので、図２３（ａ）は平面断面図、図２３（ｂ）は正面図である。図に示すように、形状的には上記図８に示す実施の形態４のヒートパイプと同様であるが、この実施の形態１１では閉ループ１を構成する基体１０１の全部またはその一部が電気絶縁材からなっている。
【００９９】
電気絶縁材は、液体４１及び気体４２が透過することを遮断し、また電気を絶縁する役割を有しており、例えば樹脂やセラミック（例えば、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等）などの材料であり、気体４１の透過性のある材料の場合、金属材料（例えばＡｌ箔など）との複合材料（例えばラミネートフィルム）でも良い。この構造によれば、例えばＩＧＢＴ、ＣＰＵ、ダイオードなどの通電される高発熱電子素子を直接本発明のヒートパイプに取付け、絶縁するために設けられる他の介在物（例えば、サーマルグリースなど）を介さずに、直接発生する熱を輸送または拡散することが可能であることから熱抵抗が小さくなる。
【０１００】
実施の形態１３．
図２４は、実施の形態１３になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を示す要部断面図である。図に示すように、冷却装置２３は例えばアルミニウム、銅、真鍮などの金属からなる基体としてのヒートシンク１７の上部表面部内に、この発明のヒートパイプを一体的に形成したものに相当するものであり、例えば実施の形態６ないし実施の形態１１などに示すものから選ばれた任意のヒートパイプは何れも適宜選択して用いることができる。
【０１０１】
即ち、図の左右方向の中心部に受熱部２が配設され、その直下に例えば実施の形態６などに示すものと同様の曲げ部からなる流路変化部１１が点対称的に対向して配設され、その両側に基部流路、及び増大側流路をそれぞれ配設した１つもしくは複数の閉ループを形成した流路１０が設けられ、該流路１０内に図示を省略している作動流体が密封されている（詳細図示省略）。なお、流路変化部１１にはキャビティを設けることも有効である。
【０１０２】
そして、中央部に設けられた流路変化部１１の上方に配設された受熱部２は、例えばＣＰＵ、ＩＧＢＴなど冷却を必要とする所望の発熱体１６に密着される。また、ヒートシンク１７の図の下方部には放熱手段としての多数の放熱フィン１７ａが一体的に設けられている。要するに、この実施の形態１３では、ヒートシンク１７が上記実施の形態４〜１２に示した基体１０１の機能を兼ねているものであり、詳細については図示を省略しているが、ヒートシンク１７を流路１０の例えば図の上縁部で上下に分割し、分割した下方部分に溝部によって流路を形成し、上方部分を覆蓋体とすることにより、容易にヒートシンク一体型の冷却装置とすることができる。
【０１０３】
上記のように構成された実施の形態１３によれば、発熱体１６の発生する熱が中央部で向い合う流路１０の流路変化部１１に伝わり、例えば上記実施の形態６と同様、作動流体の相の状態を不安定にして係数励振振動を容易に誘発し、放熱フィン１７ａに直ちに伝熱され冷却され、流路１０内を作動流体が活発に移動することにより、例えば数百Ｗ／ｃｍ²程度以上といった高い熱流束での冷却も可能になる。また、取付け姿勢の影響が小さいので、多用途の冷却に用いることができる。さらに、この発明のヒートパイプをヒートシンクに一体的に組み込み形成したことにより、装置をよりコンパクト化できると共に、低コスト化できるという効果が得られる。なお、流路の形成方法などの製造方法は例示したものに限定されないことは言うまでもない。
【０１０４】
実施の形態１４．
図２５は、実施の形態１４になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を示す要部断面図である。図に示すように、この実施の形態１４では、冷却装置２３のヒートシンク１７は、図の下方部分全体に多数の放熱フィン１７ａが突設されている他に、上方部分における受熱部２を避けた部分にも放熱フィン１７ａが突設されている。その他の構成は上記実施の形態１３と同様であるので説明を省略する。
【０１０５】
上記のように構成された実施の形態１４では、発熱体１６の周囲がフリーである場合などに好ましく用いられ、実施の形態１３と同様の効果が得られる他、放熱フィン１７ａの放熱面積の増大が容易であるため、より発熱量の大きい発熱体の冷却に適用することができる。
【０１０６】
実施の形態１５．
図２６は、実施の形態１５になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を示す要部断面図である。この実施の形態１５では、例えば上記図１２、図１３、図１５〜図２２に示す実施例のように、矩形平面の中央部を横断する如く流路変化部と受熱部を設けた板状のヒートパイプ１００を、図２６に示すように受熱部２とは反対方向に断面略コ字状に屈曲形成し、図の上方に延びる放熱部３の両面にそれぞれ放熱フィン１７ａを突設させた構造に形成されている。発熱体１６は図の下面部の受熱部２に密着され、熱的に結合して用いられる。
【０１０７】
上下方向を図示の方向で用いた場合に、上記のように構成された実施の形態１５においては、より有効に熱を上方へ輸送できることから、上方空間を有効利用することができ、コンパクトなヒートシンクを作成することができる。
【０１０８】
実施の形態１６．
図２７は、実施の形態１６になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を示す図であり、図２７（ａ）は正面断面図、図２７（ｂ）は図２７（ａ）のｂ−ｂ線における矢視断面図、図２７（ｃ）は図２７（ａ）のｃ−ｃ線における矢視断面図である。図に示すように、この実施の形態１６では、下面部に受熱部２を有するベース１７ｃに対して、上下方向に伸びる基体１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、及び１０１Ｄが固着され、隣接する基体相互には多数のコルゲート状の放熱フィン１７ａが固着されている。
【０１０９】
そして、各基体１０１Ａ〜１０１Ｄの内部には、例えば基体１０１Ｄでは、下端部に配設された流路変化部１１と、その前後に設けられた基部流路１２及び増大側流路１３とからなる要素Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４、及びＲ４５が順次直列に接続された流路Ｒ４０が設けられ、同様に他の基体１０１Ｃ、１０１Ｂ、１０１Ａの内部にも、同様の流路Ｒ３０、Ｒ２０、Ｒ１０がそれぞれ左右方向互い違いとなるように設けられている。そして、各流路Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０、Ｒ４０は、図２７（ｂ）に示すように上端部材１７ｄ部で接続流路１４によって順次直列に接続され、全体で１つの閉ループ１が形成されている。
【０１１０】
上記のように構成された実施の形態１６においては、発熱体１６の熱はベース１７ｃを介して流路変化部１１に伝熱され、図示を省略している作動流体に上記各実施例と同様の係数励振振動を生じさせ、多数の放熱フィン１７ａに伝熱され、例えば空気中に放熱されることにより、発熱体１６を効率的に冷却することができる。なお、流路１０はパイプによって形成してもよい。また、基体１０１Ａ〜１０１Ｄは互いに独立した本発明の流路を形成したヒートパイプであっても良い。
【０１１１】
実施の形態１７．
図２８は、実施の形態１７になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を模式的に示す断面図である。図に示すように、ヒートパイプ１００は実施の形態１５と同様に断面略コ字型に形成され、該ヒートパイプ１００の内部に２つの流路１０Ａ、１０Ｂが略Ｌ字型に対称的に設けられている。そして、中央下部に流路変化部１１が左右に対向して配設され、その下面部に受熱部２が設けられ、また、それぞれ上方に伸びるように形成された放熱部３相互の対向面に放熱フィン１７ａが交互に突設されている。
【０１１２】
上記のように構成された実施の形態１７では、上方に延びる２つの放熱部３相互が対向する空間部に放熱フィン１７ａを集中的に配設したので、装置をコンパクトにすることができ、また両放熱部３にそれぞれフィンを形成した後成形することができ、フィン隙間を小さくした、より高性能な放熱部を作成することができる。
【０１１３】
実施の形態１８．
図２９は、実施の形態１８になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を模式的に示す断面図である。図に示すように、ヒートパイプ１００は断面略ロ字型、即ち箱型に形成され、同様に２つの流路１０Ａ、１０Ｂが形成され、図の上部中央部に発熱体１６に密着させるための受熱部２が設けられている。また、内周面は全面放熱部３となっており、対向する上下の放熱部を連結する多数の放熱フィン１７ａが設けられている。
【０１１４】
上記のように構成された実施の形態１８においては、上記実施の形態１３と同様の効果が得られるほか、冷却装置２３が箱型に形成されているので、構造的に頑丈であり、取り扱いが容易であるという付随効果が得られる。また、フィンの両側から熱が伝えられるので、フィン効率の低下が抑制されることから、放熱能力が向上する。
【０１１５】
実施の形態１９．
図３０は、実施の形態１９になるこの発明のヒートパイプを用いたヒートシンク一体型の冷却装置を模式的に示す断面図である。図に示すように、ヒートパイプ１００は上記実施の形態１８と同様に、断面略ロ字型、即ち角筒型に形成され、さらに内周面部の放熱部３には放熱フィン１７ａが格子状に一体的に形成されている。なお、上記放熱フィン１７ａは、例えば押出成型、嵌め込みロー付け加工など、公知の従来技術を用いて容易に形成することができる。その他の構成は上記実施の形態１８と同様である。
【０１１６】
上記のように構成された実施の形態１９によれば、実施の形態１８と同様の効果が得られるほか、装置をよりコンパクト化できると共に低コスト化できる。また、流体への熱伝達を向上させるために、単位体積当たりの伝熱面積を大きくすることができ、伝熱特性をさらに向上させることができる。
【０１１７】
なお、上記実施の形態１８、１９では、ヒートパイプを構成している流路が延在する面を断面角筒型に屈曲させた形状に構成したが、これに限定されるものではなく、冷却対象の形状や、周囲の環境等に応じて所望の形状、寸法に構成することができる。例えば円管状に加工し、その内面または外周面にフィンを取付けたものなどでも同様の効果が期待できる。
【０１１８】
さらに上記実施の形態の説明において、流路変化部１１を曲げ部によって形成する例として、略Ｕ字型、または略Ｖ字型に流路を略１８０度もしくはそれに近い角度に曲げて形成した場合を示したが、それらに限定されず、曲げの角度は任意に選ぶことができることは言うまでもない。また、基体１０１として板状の材料を用い、あるいはヒートシンク１７を基体として用いたが、これら基体の形状や材料などは上記実施の形態のものに限定されるものではない。例えば流路を形成する板材は平面状に限定されず、曲面状のものでも差し支えないし、また、押出し成型材、金属ブロック、ダイカスト成型品、型鍛造成形品などを基体として用い、さらには筐体の一部、例えば電力機器、電子機器や（携帯）パソコンなどの筐体を構成する蓋や裏蓋などを基体としてもよい。
【０１１９】
さらに、基体１０１に流路１０を設ける方法として、流路形成部材１０２に溝部１０２ａを形成し、その後溝部１０２ａを覆うように流路形成部材１０２の上に覆蓋体１０３を重合密着する例について説明したが、これに限定されるものではないことは勿論である。例えば、パイプ材で形成したヒートパイプを例えば板材にロー付けで固着したものなどでも同様の効果が期待できる。
【０１２０】
さらに、この発明を主としてＣＰＵ、ＩＧＢＴ，ダイオードなどの電子部品の冷却に用いる場合について説明したが、冷却対象は上記例示したものに限定されず、さらに冷却以外に加熱、伝熱、ヒートスプレッダ、熱交換など他の用途にも広く用いることができることは当然である。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明した通りこの発明によれば、流路の断面周長及び偏平率の少なくとも一方が流路に沿って増大する流路変化部を、増大方向を揃えて複数直列に連結させると共に、これら複数の流路変化部を受熱部として用いるようにしたことにより、外部動力を用いることなく確実に動作を開始し、高発熱流束の場合でも熱を輸送することができ、しかも、熱を効率良く輸送することができるヒートパイプが得られる。
【０１２２】
また、上記ヒートパイプを構成する流路を、基体に一体的に組み込んで構成したことにより、外部動力を用いることなく確実に動作を開始し、高発熱流束の場合でも冷却能力を維持するコンパクトな冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１によるヒートパイプの流路構成を模式的に示す断面図である。
【図２】 図１のヒートパイプの動作を説明するための要部断面図である。
【図３】 実施の形態１の変形例である流路変化部の他の例を示す要部断面図である。
【図４】 実施の形態１の他の変形例である流路の他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５】 実施の形態２によるヒートパイプを模式的に示す断面図である。
【図６】 実施の形態２の変形例を模式的に示す断面図である。
【図７】 実施の形態３によるヒートパイプを模式的に示す断面図である。
【図８】 実施の形態４になるヒートパイプを模式的に示す断面図である。
【図９】 実施の形態５に係るヒートパイプを模式的に示す断面図である。
【図１０】 実施の形態５に係るヒートパイプに用いたキャビティの他の例を示す要部断面図である。
【図１１】 図１０のキャビティ部分の詳細を示す図である。
【図１２】 実施の形態６に係るヒートパイプを模式的に示す図である。
【図１３】 実施の形態６によるヒートパイプの変形例を示す図である。
【図１４】 実施の形態７に係るヒートパイプを模式的に示す図である。
【図１５】 実施の形態８になるヒートパイプを模式的に示す図である。
【図１６】 図１５の上層部分及び下層部分の流路配置をそれぞれ示す平面断面図である。
【図１７】 実施の形態９になるヒートパイプを模式的に示す図である。
【図１８】 図１７の上層部分及び下層部分の流路配置をそれぞれ示す平面断面図である。
【図１９】 実施の形態１０になるヒートパイプを模式的に示す図である。
【図２０】 図１９の上層部分及び下層部分の流路配置をそれぞれ示す平面断面図である。
【図２１】 実施の形態１１になるヒートパイプを模式的に示す図である。
【図２２】 図２１の上層部分及び下層部分の流路配置をそれぞれ示す平面断面図である。
【図２３】 実施の形態１２になるヒートパイプを模式的に示す図である。
【図２４】 実施の形態１３になる冷却装置を示す要部断面図である。
【図２５】 実施の形態１４になる冷却装置を示す要部断面図である。
【図２６】 実施の形態１５になる冷却装置を示す要部断面図である。
【図２７】 実施の形態１６になる冷却装置を示す図である。
【図２８】 実施の形態１７になる冷却装置を模式的に示す断面図である。
【図２９】 実施の形態１８になる冷却装置を模式的に示す断面図である。
【図３０】 実施の形態１９になる冷却装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 閉ループ、 ２ 受熱部、 ３ 放熱部、 ４ 作動流体、 ４１ 液体、 ４１ａ 薄い液膜、 ４２ 気体、 ４２ａ 蒸気泡、 ４２ｂ 蒸気、 ５ 焼結金属粒子、 １０ 流路、 １１ 流路変化部、 １２ 基部流路、 １２Ａ 拡径部、 １３ 増大側流路、 １４ 接続流路、 １５ 連結体、 １６ 発熱体、 １７ ヒートシンク（基体）、 １７ａ 放熱手段（放熱フィン）、 １７ｃ ベース、 １８ 通路壁、 １９ キャビティ、 ２０ 連通路、 ２１、２２ 流路断面減少部、 ２３ 冷却装置、 １００ ヒートパイプ、 １０１ 基体、 １０２ 流路形成部材、 １０２ａ 溝部、 １０２Ｕ第１の層（第１の面）、 １０２Ｌ 第２の層（第２の面）、 １０３ 覆蓋体、 Ｒ 要素。

Claims (13)

1. 作動流体が密封収容される流路に、流路の断面周長及び偏平率の少なくとも一方が流路に沿って増大する流路変化部を、増大方向を揃えて複数直列に連結させると共に、これら複数の流路変化部を受熱部として用いるようにしたことを特徴とするヒートパイプ。
2. 上記流路変化部は、流路の内周面をテーパ状に広げたものであることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 上記流路変化部は、流路を屈曲させた曲げ部によって形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
4. 上記流路変化部は、流路の幅が深さよりも大であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載のヒートパイプ。
5. 上記流路変化部は、断面が略矩形に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載のヒートパイプ。
6. 上記流路は、第１の面に沿って配設され上記流路変化部を有する第１の流路と、第２の面に沿って配設された第２の流路と、これら第１の流路及び第２の流路を互いに連通する連通路とを備えたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載のヒートパイプ。
7. 上記流路変化部を、所望の一箇所もしくは複数箇所に複数個集合して配設したことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載のヒートパイプ。
8. 上記流路変化部の流路を形成する壁部に気泡の生成を助けるキャビティを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れかに記載のヒートパイプ。
9. 上記流路は、閉ループに形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れかに記載のヒートパイプ。
10. 上記流路は、基体の内部に延在して形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れかに記載のヒートパイプ。
11. 上記請求項１ないし請求項１０に記載のヒートパイプを基体に一体的に組み込んでなることを特徴とする冷却装置。
12. 上記基体は、多数の冷却フィンを備えたヒートシンクからなることを特徴とする請求項１１に記載の冷却装置。
13. 上記基体は角筒状に形成され、上記流路変化部を上記筒を形成している任意の一つの面内に集合して配設すると共にその外表面部を受熱部とし、かつ上記筒の内部側に冷却フィンを配設してなることを特徴とする請求項１２に記載の冷却装置。

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