JP5637216B2 - ループ型ヒートパイプ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ループ型ヒートパイプ及び電子機器に関する。

各種発熱体を冷却するためのデバイスとして、ループ型ヒートパイプが知られている。ループ型ヒートパイプは、作動液（液相の作動流体）を発熱体からの熱で気化させる蒸発器と、気化された作動液（気相の作動流体）を放熱により凝縮させる凝縮器とを、蒸気管及び液管によりループ状に接続した構成を有する。蒸発器は、作動液の気化熱として発熱体から熱を奪うとともに、作動流体の循環を駆動するポンプの役割を果たす。

典型的な蒸発器１の構造を図１Ａ−１Ｃに示す。図１Ａは、液管から蒸気管へと向かう作動流体の流れに沿って見たときの蒸発器１の断面図を概略的に示している。図１Ｂ及び１Ｃは、それぞれ、円筒型及び平板型と分類し得る２つの典型的な蒸発器構造について、図１ＡのＡ−Ａ'断面を概略的に示している。

蒸発器１０は、液管５０及び蒸気管５５に連結された金属ケース２０と、金属ケース２０内に配置された、ウィックと称される多孔質体３０とを有している。液管５０からの作動液６０ａは、ウィック３０のほぼ中央に位置する液供給通路３１に流入し、作動流体の駆動力となるウィック３０内の気孔の毛細管力によって、金属ケース２０の内壁に導かれる。作動液６０ａは更に、発熱体から金属ケース２０に伝達された熱によって気化されて蒸気６０ｂとなり、ウィック３０の外周部、又は金属ケース２０の内壁、に形成された蒸気排出溝（グルーブ）３２を通って蒸気管５５へと排出される。

近年、例えばコンピュータの中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの電子部品の冷却にループ型ヒートパイプを適用することが検討されている。電子部品はＬＳＩパッケージに代表されるように多くが平面状の放熱面を有している。この放熱面と蒸発器ケース２０との密着性を高めるため、円筒型蒸発器１０'の場合、図１Ｂに示すように、受熱面となる平板部２８がケース２０に付加される。一方、平板型蒸発器１０"の場合、図１Ｃに示すように、概して直方体のケース２０の１つの面２９を受熱面として使用することができる。

ループ型ヒートパイプの冷却性能に向上するためには、蒸発器の内部容積を大きくすることが有効である。一方で、電子機器の小型・軽量化のためには、蒸発器を出来るだけコンパクトにする必要がある。小型、特に薄型で内部容積を増大させるには、図１Ｃに示すような平板型蒸発器が好ましいと考えられる。冷却性能の向上には、蒸発器ケースを金属、特に例えば銅などの高熱伝導金属で製造することも有効である。発熱体からウィックの外周部全体に熱が伝わりやすくなり、作動液の気化が促進されるからである。金属ケースは、ケース内部に封入した作動液の漏れ出しを防止するという気密性能の信頼性の観点からも好ましい。

しかしながら、蒸発器の小型化は、図２に示すような問題を生じさせ得る。発熱体７０から蒸発器ケース２０の液管５０に近接する部分に熱が伝わることにより、作動液６０ａは、液管５０から流入してウィック３０に到達する前にも加熱され、該部分で沸騰して気泡６０ｃを生じさせ得る。図２中の拡大模式図に示すように、ウィック３０内の液供給通路３１に侵入した気泡６０ｃは、ウィック３０の両側に気相を生じさせることにより、ウィック３０の外周側へと向かう通常の表面張力３５を打ち消す表面張力３６を発生する。表面張力が打ち消されることは、ウィック３０の毛細管力が働かなくなることを意味する。また、気泡６０ｃの発生は、液供給通路３１内の圧力を高め、液管５０からの作動液６０ａの流入を阻害し得る。故に、作動流体の循環が減弱あるいは停止され、ひいては、ループ型ヒートパイプの冷却性能の低下及び／又は不安定な動作がもたらされる。この問題は、蒸発器の小型化に加え、ケース自体の一部を受熱面とし得る平板型蒸発器の使用、及び／又は高熱伝導金属ケースの使用によっても生じやすくなり得る。

このような問題に関連し、円筒型蒸発器のケースのうち液管を通す端面部分を、比較的低い熱伝導率を有する金属又は樹脂などに変更し、液管にケースの熱が直接伝わらないようにする技術が提案されている。しかしながら、蒸発器ケースの材質を樹脂とすることは、耐圧性、長期的な気密信頼性が問題となる。また、低熱伝導性の金属を使用する場合、そのような金属でも樹脂の数十倍から数百倍の熱伝導率を有することから十分な断熱性が得られず、冷却性能の低下などを十分に抑制することができない。

特開２００４−２１８８８７号公報 特開２００９−１１５３９６号公報 特許第３５９１３３９号公報

故に、作動液がウィックに到達する前に気化することを防止し、ループ型ヒートパイプの冷却性能の低下及び／又は不安定動作を阻止し得る技術が依然として望まれる。

一観点によれば、ループ型ヒートパイプの蒸発器は、液流入口及び蒸気流出口を有するケースと、該ケース内に配置されて該ケースの内面に液相の作動流体を導く少なくとも１つの多孔質体とを含む。蒸発器は更に、上記ケース内に配置され、液流入口から上記少なくとも１つの多孔質体内に作動液を導く液供給管を含む。この液供給管は、上記ケースの材料より低い熱伝導率の材料を有する。

他の一観点によれば、このようなループ型ヒートパイプと、その蒸発器に熱的に結合された電子部品とを含む電子機器が提供される。

蒸発器に流入した作動液への蒸発器ケースからの熱伝達が抑制され、作動液がウィックに到達する前に気化することが防止される。従って、ウィックの毛細管力が維持され、作動流体の安定した循環、ひいては、電子機器における電子部品の効率的な冷却が実現される。

従来技術に係る蒸発器を概略的に示す断面図である。 従来技術に係る円筒型蒸発器を概略的に示す断面図である。 従来技術に係る平板型蒸発器を概略的に示す断面図である。 従来技術に係る蒸発器が有する１つの問題を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係るループ型ヒートパイプが有する蒸発器の構成要素を示す斜視図である。 図３Ａのマニフォールドを別方向から見た斜視図である。 図３Ａに示した構成要素から得られる蒸発器を作動流体の流れに沿って見た断面図である。 図３Ｃの蒸発器のＢ−Ｂ'断面を示す図である。 他の一実施形態に係るループ型ヒートパイプが有する蒸発器の構成要素を示す斜視図である。 他の一実施形態に係るループ型ヒートパイプが有する蒸発器を示す断面図である。 一実施形態に係る電子機器を例示する斜視図である。 図６ＡのＣ−Ｃ'断面を示す断面図である。 図６ＡのＤ−Ｄ'断面を示す断面図である。 幾つかの実施例の構成を示す模式的な断面図である。 図７に示した構成の評価結果を示すグラフである。

１１０、２１０、３１０、４１０ 蒸発器
１２０、３２０、４２０、５２０ 蒸発器ケース
１２１、２２１、３２１、５２１ ケースの第１部分
１２２、２２２、３２２、５２２ ケースの第２部分
１３０、２３０、３３０、５３０ 多孔質体（ウィック）
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ 液供給管
（１４０ マニフォールド）
１４２、２４２、５４２ インナーパイプ
１５０、２５０、３５０、４５０ 液管
１５５、２５５、３５５、４５５ 蒸気管
１６０ａ、３６０ａ、４６０ａ 作動液
４００ 電子機器
４０５ ループ型ヒートパイプ
４６１ 凝縮器
４６３ リザーバタンク
４７０、５７０ 電子部品
４７５ 配線基板

以下、添付図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、種々の構成要素は必ずしも同一の尺度で描かれていない。また、複数の図を通して、同一あるいは対応する構成要素には同一又は類似の参照符号を付する。

先ず、図３Ａ−３Ｄを参照して、一実施形態に係るループ型ヒートパイプが有する蒸発器１１０を説明する。図３Ａは、蒸発器１１０が有する主な構成要素を分解図にて示し、図３Ｂは、図３Ａに示したマニフォールド１４０を別方向から示している。また、図３Ｃは、図３Ａに示した構成要素から得られる蒸発器１１０を作動流体の流れに沿って見たときの断面図であり、図３Ｄは、図３ＣのＢ−Ｂ'断面を示している。なお、図３Ｃは、蒸発器１１０を１つの平面で切断したときの断面図ではないことに注意されたい。

図示した例において、蒸発器１１０は平板型蒸発器である。蒸発器１１０は、蒸気排出口１２６にて蒸気管１５５に連通する第１ケース部１２１と、液流入口１２５にて液管１５０に連通する第２ケース部１２２と、２つの多孔質体（ウィック）１３０と、分岐管（マニフォールド）１４０とを含んでいる。第１及び第２のケース部１２１及び１２２は、互いに連結されて、ウィック１３０及びマニフォールド１４０を収容する１つの蒸発器ケース１２０を形成する。蒸発器ケース１２０の平面寸法（受熱面の寸法）は、冷却対象の発熱体の大きさに基づいて決定される。蒸発器ケース１２０の厚さは、電子機器内の実装密度に応じて制限され得る。例えば、サーバーやパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの高密度実装される電子機器内に適用される場合、１０ｍｍ程度以下の厚さにすることが要求されることもある。

第１ケース部１２１は、第２ケース部１２２側から見て、２つのウィック１３０を収容するための２つの孔部１２３を有する。孔部１２３の形状は、挿入されるウィック１３０の外形に応じて決定され、典型的に円形又は楕円形にされる。２つの孔部１２３の間には、第１ケース部１２１の底面と頂面とをつなぐ分離壁１２４が存在する。第２ケース部１２２はマニフォールド１４０を収容し得る。しかしながら、本実施形態において、蒸発器ケース１２０をどのように２つの部分に分割するかは、ウィック１３０及びマニフォールド１４０の収容後に連結されることが可能であれば特に限定されない。例えば、一方のケース部がウィック１３０及びマニフォールド１４０の双方を収容し、他方のケース部は蒸発器ケース１２０の１つの端面に相当する板状の形状を有していてもよい。また、第１及び第２のケース部は、平板型蒸発器１２０の厚さ方向に分割されることも可能である。

各ウィック１３０は、概してコップ状の形状であり、内周部に当該ウィックに作動液を供給する液供給通路１３１となる空洞を有する。各ウィック１３０はまた、外周部に複数の蒸気排出溝（グルーブ）１３２を有する。グルーブ１３２は、作動流体の流れ方向に沿ってウィックの全長にわたって形成されてもよく、その場合、図３Ｃに示すように、グルーブ１３２の液管１５０側の端部はマニフォールド１４０によって終端され得る。なお、図３Ｃにおいては、グルーブ１３２が存在する断面を示しているためウィック１３０とケース１２０とが接触していないが、グルーブ１３２が存在しない断面においてはウィック１３０とケース１２０とが接触している。ウィック１３０は好ましくは、後述するように樹脂ウィックであり、第１ケース部の孔部１２３に挿入されたときに圧縮されるよう、孔部１２３の内寸より大きい寸法を有するように成型される。それにより、樹脂ウィック１３０の外表面と蒸発器ケース１２０の内壁との密着性を高めることができ、ウィック１３０とケース１２０との接触部での作動液の蒸発を促進させ得る。

ウィック１３０の平均孔径は、十分に大きい毛細管力を得るために、好ましく１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下にされる。空孔率は、ウィック１３０とケース１２０との接触部で作動液が不足することがないよう大きくされることが好ましく、例えば、３０％以上９０％未満の範囲内にされる。

マニフォールド１４０は、詳細に後述するように、液管１５０から流入した作動液１６０ａをケース１２０から断熱するとともに、作動液１６０ａを各ウィック１３０に供給する液供給管として作用する。マニフォールド１４０は、ケース１２０の液流入口１２５に対応して設けられた注入口１４３と、２つのウィック１３０に作動液を供給する２つの吐出口１４４（図３Ｂ）を有し、分岐した流路１４５を内部に有する（図３Ｄ）。

マニフォールド１４０は好ましくは、液管１５０からの作動液１６０ａがウィック１３０に到達するまでの間にケース１２０に触れないよう、ケース１２０に収容されたときにウィック１３０と接触するように成型される。しかしながら、ケースの液流入口１２５からウィック収容部までの間の大部分がマニフォールド１４０で覆われていればウィック到達前の作動液１６０ａの沸騰を防止し得る。故に、マニフォールド１４０とウィック１３０との間に隙間が存在することも許容され得る。

マニフォールド１４０は必要に応じて、図示のように、ケース１２０内に配置される本体１４１に加えて、液管１５０内に延在する管状部（インナーパイプ）１４２を有する。好ましくは、インナーパイプ１４２と液管１５０の内壁との間に作動液１６０ａが侵入しないよう、インナーパイプ１４２は液管１５０の内壁に密着するように形成される。インナーパイプ１４２は好ましくは本体１４１と一体形成される。

第１及び第２のケース部１２１及び１２２を含む蒸発器ケース１２０は、好ましくは、強度及び気密信頼性を確保するため、金属又は合金を有する。そして、第１及び第２のケース部１２１及び１２２は、例えば、溶接、ロウ付け又は樹脂接着など、気密信頼性を確保することが可能な様々な手法のうちの何れかを用いて互いに接合・封止される。

蒸発器ケース１２０はまた、冷却対象の発熱体からの熱をケース全体に伝えるため、好ましくは、例えば無酸素銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金などの高熱伝導性の金属又は合金を有する。しかしながら、蒸発器ケース１２０は、そのサイズ及び／又は要求される冷却能力などに応じて、ステンレス鋼などの鉄系合金、又はチタン合金など、比較的低い熱伝導率を有する金属又は合金とすることも可能である。

マニフォールド１４０の材料は、断熱作用が得られるよう、蒸発器ケース１２０より低い熱伝導率を有する材料から選択される。マニフォールド１４０の熱伝導率は低いほど好ましいが、１Ｗ／ｍＫ以下であれば有意な断熱作用を得ることができる。１Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率は、例えば銅の場合に３８０Ｗ／ｍＫ程度、ステンレス鋼の場合に１６Ｗ／ｍＫ程度であるケース１２０の熱伝導率に対して１桁から数桁低く、マニフォールド１４０の外壁と内壁との間に有意な温度差を生じさせ得る。故に、ケース１２０内に流入した作動液１６０ａは、ケース１２０から効果的に断熱され、ウィック１３０に到達する前に気化することが抑制される。

例えば、マニフォールド１４０は、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はポリアセタール樹脂などの樹脂を有し得る。一例として、ＭＣナイロンの熱伝導率は０．２Ｗ／ｍＫ程度と、銅の約１／１９００、ステンレス鋼の約１／８０であるため、例えば１ｍｍから数ｍｍといった厚さでも断熱作用が得られる。マニフォールド１４０は、上述のような樹脂の多孔質体を有していてもよい。

ウィック１３０は、例えば金属ウィック、炭素ウィック又は樹脂ウィックなど、様々な多孔質体から選択され得るが、好ましくは樹脂ウィックとし得る。樹脂ウィックは、ケース１２０との密着性を確保しやすいことに加えて、その他のウィックと比較して熱伝導率が低いという特長がある。仮に高熱伝導率のウィックを用いると、ウィックの内周側に熱が伝わってそこで気泡が発生し、ウィック到達前の気泡の発生と同様の影響を及ぼし得るが、樹脂ウィックを用いることでウィックの内周側での気泡の発生を防止し得る。樹脂ウィックの好適材料には、例えば、フッ素樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアセタール樹脂などが含まれる。

ウィック１３０とマニフォールド１４０の少なくとも一部とを同一の多孔質樹脂で形成してもよい。その場合、例えば、ウィック１３０とマニフォールド１４０の該少なくとも一部を一体成型するとともに、マニフォールド１４０の残りの部分を加工しやすい単純な構造とすることができる。

以上の構成によれば、例えば小型の平板型蒸発器とした場合にも、ウィック到達前の作動液の気化による気泡の発生が抑制あるいは防止され、ループ型ヒートパイプの動作を安定化させ、その冷却性能を維持することができる。

図３Ａ−３Ｄに示した蒸発器１１０は２つのウィック１３０を含んでいるが、ウィックの数は３つ以上にすることも可能である。ウィック数に応じて、マニフォールド１４０の吐出口１４４の数及び内部の分岐構造が変更される。

また、単一のウィックを含む蒸発器にも、マニフォールドに対応するような低熱伝導材料を有する液供給管を設けることができる。図４は、そのような単一のウィックを含む、他の一実施形態に係るループ型ヒートパイプの蒸発器２１０を示している。以下の蒸発器２１０の説明において、図３Ａ−３Ｄに示した蒸発器１１０と共通する事項については詳細に説明しない。

蒸発器２１０は、蒸気管２５５に連通する第１ケース部２２１と、液管２５０に連通する第２ケース部２２２と、単一のウィック２３０と、液供給管２４０とを含んでいる。第１及び第２のケース部２２１及び２２２は、互いに連結されて、ウィック２３０及び液供給管２４０を収容する１つの蒸発器ケースを形成する。

第１ケース部２２１は、ウィック２３０を収容するための孔部２２３を有する。第２ケース部２２２はマニフォールド２４０を収容し得る。しかしながら、本実施形態において、蒸発器ケースをどのように２つの部分に分割するかは、ウィック２３０及び液供給管２４０の収容後に連結されることが可能であれば特に限定されない。

ウィック２３０は、内部に当該ウィックに作動液を供給する液供給通路２３１となる空洞を有し、外周部に複数の蒸気排出溝（グルーブ）２３２を有する。グルーブ２３２は、作動流体の流れ方向に沿ってウィック２３０の全長にわたって形成されてもよい。

液供給管２４０は、ウィック到達前の作動液をケース（２２１、２２２）から断熱するとともに、液管２５０から流入した作動液をウィック２３０に供給する。液供給管２４０は必要に応じて、図示のように、ケース内に配置される本体２４１に加えて、液管２５０内に延在するインナーパイプ２４２を有し得る。液供給管の本体２４１は、ケースの内壁に沿って配置される外壁とそれに囲まれる空洞とを有するものとし得る。代替的に、液供給管２４０は、単一のウィック２３０の全体に作動液を分配するための１つ以上の配管構造を含んでいてもよい。

第１ケース部２２１、第２ケース部２２２、ウィック２３０、液供給管２４０の材料は、蒸発器１１０に関して説明した対応する要素（それぞれ、１２１、１２２、１３０、１４０）の材料と同様とし得る。例えば、第１及び第２のケース部２２１及び２２２は金属又は合金を有し、ウィック２３０は多孔質樹脂を有し、液供給管２４０は樹脂を有する。

蒸発器２１０においても、上述の蒸発器１１０においてと同様に、ウィック到達前の作動液の気化による気泡の発生が抑制あるいは防止し、ループ型ヒートパイプの動作を安定化させることができる。

ただし、蒸発器２１０は、単一のウィック２３０を含む構成としたことにより、部品点数の削減と、部品の加工及び／又は組立の容易化とにより、製造コストを低減することが可能である。一方、蒸発器１１０は、ウィック１３０とそれを収容するケースの孔部１２３とを複数含む構成としたことにより、ウィック１３０とケース１２０との接触面積を増大させることができる。また、複数の孔部１２３間の分離壁１２４が熱伝導路として作用するため、発熱体から受けた熱がケース全体に一層均一に伝えられる。故に、蒸発器ひいてはループ型ヒートパイプの冷却性能の観点からは、蒸発器１１０の方が蒸発器２１０より有利となり得る。

続いて、図５を参照して、他の一実施形態に係るループ型ヒートパイプが有する蒸発器３１０を説明する。図５は、蒸発器３１０を、図３Ｃと同様の断面図で示している。以下の蒸発器３１０の説明において、図３Ａ−３Ｄに示した蒸発器１１０と共通する事項については詳細に説明しない。

蒸発器３１０は、蒸気管３５５に連通する第１ケース部３２１と、液管３５０に連通する第２ケース部３２２と、１つ以上のウィック３３０と、液供給管３４０とを含んでいる。第１及び第２のケース部３２１及び３２２は、互いに連結されて、ウィック３３０及び液供給管３４０を収容する１つの蒸発器ケース３２０を形成する。

ウィック３３０は、内部に当該ウィックに作動液３６０ａを供給する液供給通路３３１となる空洞を有し、外周部に複数の蒸気排出溝（グルーブ）３３２を有する。

液供給管３４０は、液管３５０から流入した作動液３６０ａをケース３２０から断熱するとともに、作動液３６０ａをウィック３３０に供給する。蒸発器３１０が複数のウィック３３０を有する場合、液供給管３４０はマニフォールドの形態を有する。液供給管３４０は、必要に応じて、液管３５０内に延在するインナーパイプ（図示せず）を有していてもよい。

第１及び第２のケース部３２１及び３２２は互いに異なる材料を用いて形成され得る。ウィック３３０を収容する第１ケース部３２１は、好ましくは、冷却対象の発熱体からの熱を当該ケース部全体に伝えるため、例えば無酸素銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金などの高熱伝導性の金属又は合金を有する。液供給管３４０を収容する第２ケース部３２２は、第１ケース部３２１の材料より低い熱伝導率を有する材料を有する。また、第２ケース部３２２の材料は、蒸発器ケース３２０の気密信頼性の観点から、金属又は合金であることが好ましい。例えば、第２ケース部３２２は、ステンレス鋼などの鉄系合金、又はチタン合金など、比較的低い熱伝導率を有する金属又は合金を有することができる。

蒸発器ケース３２０を第１ケース部３２１と第２ケース部３２２とに分割する部分は、好ましくは、液供給管３４０とウィック３３０との境界にほぼ一致される。ウィック３３０とケース３２０との接触部全体への熱伝導と、ウィック到達前の作動液３６０ａへの断熱作用とを得るためである。

第１及び第２のケース部３２１及び３２２は、例えば溶接、ロウ付け又は樹脂接着など、気密信頼性を確保することが可能な様々な手法のうちの何れかを用いて互いに接合される。

ウィック３３０及び液供給管３４０の材料は、蒸発器１１０に関して説明した対応する要素（それぞれ、１３０、１４０）の材料と同様とし得る。例えば、ウィック３３０は多孔質樹脂を有し、液供給管３４０は樹脂を有する。

蒸発器３１０においても、蒸発器１１０に関して説明したように、ウィック到達前の作動液の気化による気泡の発生を抑制あるいは防止し、ループ型ヒートパイプの動作を安定化させることができる。ただし、第２ケース部３２２に第１ケース部３２１より低熱伝導性の材料を用いることにより、ウィック到達前の作動液の気化の抑制効果を高め、ループ型ヒートパイプの動作を更に安定化させることができる。なお、第１ケース部３２１には高熱伝導性の材料を用いることができるため、ループ型ヒートパイプの冷却性能を低下させることもない。

次に、図６Ａ−６Ｃを参照して、一実施形態に係る電子機器４００を説明する。図６Ｂ及び６Ｃは、電子機器の発熱体への蒸発器の取り付け例を、それぞれ、図６ＡのＣ−Ｃ'断面及びＤ−Ｄ'断面にて示している。なお、図６Ｃに示すＤ−Ｄ'断面は、一方のウィックのほぼ中心を通り、液管及び蒸気管を含まない断面として選択されている。

電子機器４００は、発熱体となる電子部品４７０と、電子部品４７０を冷却するループ型ヒートパイプ４０５とを含んでいる。

ループ型ヒートパイプ４０５は、例えば上述した蒸発器１１０、２１０及び３１０の何れかとし得る蒸発器４１０と、蒸発器４１０にて生成された気相の作動流体を、放熱により液相の作動流体（作動液）へと凝縮させる凝縮器４６１とを含む。凝縮器４６１は、例えば、その放熱フィンに送風機からの空気４６２を送ること、又は室温以下に冷却した液中に浸すことなどによって冷却される。気相の作動流体は、蒸発器４１０から凝縮器４６１に蒸気管４５５を通って供給される。凝縮器４６１からの作動液は、液管４５０を通って蒸発器４１０に供給される。ループ型ヒートパイプ４０５は典型的に、液管４５０中において、起動時に必要な作動液を貯蔵するリザーバタンク４６３を蒸発器４１０の手前に有する。作動流体は、例えば、水、エタノール、Ｒ１４１Ｂ、ｎ−ペンタン、アセトン、ブタン又はアンモニアなどとし得る。

電子機器の発熱部品４７０は、例えば、ＣＰＵなどの半導体装置であり、電子機器のマザーボードなどの配線基板４７５上に実装されている。発熱部品４７０上への蒸発器４１０の取り付けは、例えば押さえつけ金具（図示せず）を配線基板４７５などにネジ止めすること等により行い得る。発熱部品４７０と蒸発器４１０との間には、例えばサーマルグリースなどの良熱伝導材４８０が配置され得る。なお、単一の蒸発器４１０で複数の発熱部品を冷却してもよい。

図６Ｃに示すように、発熱部品４７０は蒸発器４１０に対して蒸気管側（図中右側）にオフセットして配置されてもよい。すなわち、発熱部品４７０の中心が蒸発器ケース４２０の中心より蒸気管側に位置するように、発熱部品４７０上に蒸発器４１０を取り付けてもよい。このようなオフセットにより、発熱部品４７０とウィック到達前の作動液との距離が増大され、ウィック到達前の作動液４６０ａの気化が抑制され得る。例えば、蒸発器４１０は、寸法的な余裕がある場合、マニフォールド４４０と発熱部品４７０とが重なり合わないように配置される。

以下、発熱体としてパッケージサイズ約３０ｍｍ×３０ｍｍのＣＰＵを冷却する場合の実施例を説明する。

蒸発器ケースは、蒸気側の第１部分と液側の第２部分との２つに分割する構造とし、第１部分は無酸素銅、第２部分は無酸素銅又はステンレスＳＵＳ３０４で作製した。第１部分と第２部分とを連結した蒸発器ケースの外寸は、平面サイズを４０ｍｍ×４０ｍｍ程度、厚さを８ｍｍ程度とした。このような小型・薄型サイズは、サーバーやパーソナルコンピュータなど、高密度実装されたコンピュータ内のＣＰＵ上への実装を可能とするものである。第１部分の内側に、オーバル形状の孔を並列に２つ設けた。各孔の幅（長径）は１８ｍｍ程度、高さ（短径）は６ｍｍ程度とした。この２つの孔の各々に多孔質樹脂（樹脂ウィック）を挿入した。

ウィックは、長さが約３０ｍｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製の多孔質体とした。この樹脂ウィックの平均ポーラス径は約２μｍ、空孔率は約４０％である。ウィックの厚さ及び幅の双方を、ケースの第１部分の孔の寸法よりも１００−２００μｍ程度大きく作製した。ＰＴＦＥ製の多孔質体は弾力性を有するため、このようにウィック挿入孔よりもウィックの外寸を僅かに大きくすることで、ケースの第１部分の内壁とウィックの外周部とを密着させることができる。樹脂ウィックの内周部には、液管からマニフォールドを介して供給される作動液を受ける液供給通路とするため、高さ２ｍｍ程度、幅１４ｍｍ程度のオーバル形状の孔を設けた。また、ウィックの外周部に、深さ１ｍｍ×幅１ｍｍの複数の溝（グルーブ）を形成した。グルーブの表面から作動流体の蒸気が発生し、発生した蒸気はグルーブを通過し、蒸気管に排出される。

ケース内に、ＭＣナイロンを用いて作製した樹脂製マニフォールドを、樹脂ウィックとの間に隙間が形成されないように設置した。このマニフォールドは液管から流れ込んだ作動液を、当該マニフォールドから外に漏らさずに上記２つの樹脂ウィックに振り分けることが可能である。すなわち、蒸発器に流入した作動液は、樹脂製マニフォールドを介して、金属の蒸発器ケースに触れることなく樹脂ウィック内に導かれる。故に、金属ケースから作動液への熱伝達が抑制され、気泡の発生が防止され得る。樹脂製マニフォールドの壁面の厚さは約１ｍｍとした。ＭＣナイロンの熱伝導率は０．２Ｗ／ｍＫであり、銅（３８０Ｗ／ｍＫ）やＳＵＳ３０４（１６Ｗ／ｍＫ）の数十〜数千分の一であるため、このような薄さでも断熱材としての効果が得られる。

また、一部の実施例において、マニフォールドの断熱樹脂を液管側まで延在させ、インナーパイプとして液管の内側に挿入した。

蒸発器の組立ては、ケースの第１部分及び第２部分に樹脂ウィック及び樹脂製マニフォールドを挿入し、第１部分と第２部分とを封止することで完了する。この封止は、ここではレーザー溶接で行った。

このように蒸発器を組立てた後、該蒸発器、蒸気管、放熱フィンを設置した凝縮部、及び液管を環状に溶接にて接続し、内部に作動流体を封入した。一例として、蒸気管及び液管には外径φ４ｍｍ程度、内径φ３ｍｍ程度の銅パイプを用い得る。銅パイプの全長は例えば９００ｍｍ程度となり得る。ここでは、作動流体としてｎ−ペンタンを用いた。また、凝縮器の冷却は、凝縮部の放熱フィンに送風機から空気を送る方式とした。

そして、蒸発器をＣＰＵ上にサーマルグリース（例えば、コスモ石油社製Ｗ４５００など）を介して熱的に結合させた。ここでは、押さえつけ金具のネジ止めにより、蒸発器をＣＰＵ上に固定した。このとき、蒸発器内に流入した作動液とＣＰＵとの距離を大きくするため、ＣＰＵの中心を蒸発器ケースの中心に対して蒸気管側にオフセットした。

以上のようにして構成したループ型ヒートパイプの動作を実験により検証した。図７に動作検証した構成（ａ）−（ｃ）を示す。

構成（ａ）の蒸発器５１０は、第１部分５２１及び第２部分５２２の双方を無酸素銅で作製した金属ケース５２０の内部に、ＰＴＦＥ製ウィック５３０とＭＣナイロン製マニフォールド５４０を設置したものである。構成（ｂ）の蒸発器５１０'は、構成（ａ）のＭＣナイロン製マニフォールド５４０を、付加的にＭＣナイロン製インナーパイプ５４２を一体成型したマニフォールド５４０'としたものである。液管の先端部分（外径φ５ｍｍ、内径φ４ｍｍ）内に長さ２０ｍｍのＭＣナイロン製パイプ５４２（外径φ４ｍｍ、内径φ３ｍｍ）を挿入した。構成（ｃ）の蒸発器５１０"は、構成（ａ）のケース５２０を、第２部分を無酸素銅に代えてＳＵＳ３０４を用いて製造したもの５２２"としたケース５２０"に変更したものである。ケース５２０"のＳＵＳ３０４製の第２部分５２２"は、ケース全長４０ｍｍのうちの８ｍｍ程度の部分とした。

ＣＰＵ５７０と蒸発器５１０、５１０'、５１０"とのオフセット量は、構成（ａ）−（ｃ）の全てに関して４ｍｍ程度とした。このオフセット量は、構成（ｃ）において３０ｍｍ長のＣＰＵ５７０と８ｍｍ長のケース第２部分５２２"とが重ならないようにするものである。

また比較のため、樹脂製マニフォールドを用いない構成（ｄ）及び（ｅ）（ともに図示せず）を用意した。構成（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ、構成（ａ）及び（ｃ）から単に樹脂製マニフォールド５４０を取り外した構成である。

これらの構成（ａ）−（ｅ）について同一条件で、ＣＰＵの発熱量をパラメータとして、ループ型ヒートパイプの動作確認及び熱輸送抵抗の測定を行った（図８）。熱輸送抵抗は、蒸発器の受熱面の温度から凝縮器の平均温度（入口温度と出口温度との平均値）を減じた温度差をＣＰＵ発熱量で除して算出した。

樹脂製マニフォールドを有しない比較構成（ｄ）及び（ｅ）においては、液管が接続されて作動液が流れ込む蒸発器部分付近で作動液が沸騰・気化し、作動流体の循環が安定せず、ループ型ヒートパイプは正常動作しなかった。

一方、樹脂製マニフォールドを有する構成（ａ）−（ｃ）においては、安定した作動流体の循環が得られ、ループ型ヒートパイプを正常に作動させることができた。図８は、構成（ａ）−（ｃ）それぞれの熱輸送抵抗の評価結果を示している。図８に示された結果と比較構成（ｄ）及び（ｅ）が正常動作しなかったこととから、低熱伝導性マニフォールドがループ型ヒートパイプの動作の安定化に大きく寄与することが理解される。また、マニフォールドとインナーパイプとの組み合わせ（構成（ｂ））、及びマニフォールドと比較的低熱伝導性の第２ケース部との組み合わせ（構成（ｃ））が、ループ型ヒートパイプの冷却性能を更に向上させ得ることが理解される。これらの結果は、ループ型ヒートパイプの蒸発器の更なる小型・薄型化が可能であることを意味し、高密度実装コンピュータなどの電子機器に実装される高発熱の電子部品の冷却設計において、設計自由度を高めることができる。

また、例えばここで説明した構成（ａ）−（ｃ）など、蒸発器ケースとして金属ケースを有する構成は、耐圧性に優れ且つ長期的な作動流体の液漏れなどを防止し得るものであり、信頼性の高い冷却システムを提供することができる。

以上、実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。例えば、ここでは平板型蒸発器についての実施形態を説明したが、円筒型蒸発器などのその他の蒸発器においても、必要に応じて、低熱伝導性の液供給管を介して１つ又は複数のウィックに作動液を供給し得る。

Claims (10)

1. 作動流体を循環させるように接続された液管、蒸発器、蒸気管及び凝縮器を有するループ型ヒートパイプであって、
   前記蒸発器は、
   液流入口及び蒸気流出口を有するケースと、
   前記ケース内に配置され、前記ケースの内面に液相の作動流体を導く少なくとも１つの多孔質体と、
   前記ケース内に配置され、前記液流入口から前記少なくとも１つの多孔質体内に前記液相の作動流体を導く液供給管と
   を有し、
   前記液供給管は、前記ケースの内壁に沿って配置され、前記ケースの材料より低い熱伝導率の材料を有し、
   前記多孔質体は外周部に、前記液管側から前記蒸気管側への全長にわたる蒸気排出溝を有し、前記蒸気排出溝の前記液管側の端部は、前記液供給管の壁面によって終端されている、
   ことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 前記ケースは金属又は合金を有し、前記液供給管は樹脂を有することを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
3. 前記多孔質体は多孔質樹脂を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 前記液供給管は、前記液流入口から前記少なくとも１つの多孔質体まで途切れることなく延在していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
5. 前記液供給管は、前記液管内に延在する管状部を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
6. 前記少なくとも１つの多孔質体は複数の多孔質体を有し、
   前記液供給管は、前記液相の作動流体を前記複数の多孔質体に振り分けるマニフォールドである、
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
7. 前記ケースの外形は平板状であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
8. 前記ケースは、前記多孔質体に接触する第１部分と、前記液流入口側に位置し前記液供給管の少なくとも一部を収容する第２部分とを有し、
   前記第２部分は、前記第１部分の材料より低い熱伝導率を有する材料を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のループ型ヒートパイプ。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のループ型ヒートパイプと、
   前記ループ型ヒートパイプの前記蒸発器に熱的に結合された電子部品と
   を有することを特徴とする電子機器。
10. 前記電子部品と前記蒸発器の前記ケースとの接合面において、前記電子部品の中心は、前記ケースの中心に対して、前記液流入口とは反対側にオフセットされていることを特徴とする請求項９に記載の電子機器。

Images