JP5789684B2

JP5789684B2 - ベーパーチャンバー

Info

Publication number: JP5789684B2
Application number: JP2014003052A
Authority: JP
Inventors: 祐士齋藤; ロンタンファン; 望月　正孝; 正孝望月
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: US10514211B2; US20150198375A1; JP2015132399A

Description

この発明は、中空平板状のコンテナを構成している上板と下板とのいずれか一方に伝達された熱を前記コンテナの内部に封入した作動流体の潜熱によって前記上板と下板とのいずれか他方に拡散させるように構成されたベーパーチャンバーに関するものである。

作動流体の潜熱の形で熱輸送を行う装置の一例としてヒートパイプが広く知られており、例えば、特許文献１には、平板状のヒートパイプが記載されている。その構成について簡単に説明すると、方形の平板である上板と、カップ状の本体部とによって中空平板形状のコンテナが形成されている。そのコンテナの内壁面の全面に多孔構造のウイックが密着させられるとともに、コンテナ内に非凝縮性ガスを脱気した状態で凝縮性の作動流体が封入されている。また、この特許文献１に記載された平板状のヒートパイプは、その上板および本体部を構成している側板の全域ならびに本体部の底板の縁部がヒートシンクのベースによって包まれている。なお、底板に発熱源であるＣＰＵが密着させられている。

また特許文献２には、中空平板形状のコンテナの内壁面の全面に銅粒子の焼結体によって構成されたウイックが密着させられており、そのコンテナの蒸発部におけるウイックに、上記の銅粒子の焼結体によって構成された突起部が一体的に設けられた平板状のヒートパイプが記載されている。上記の突起部は前記コンテナを構成している側板よりも低く形成されており、その突起部によって作動流体が蒸気化する面積が拡大させられている。また、コンテナを構成している上板にヒートシンクのベースが熱伝達可能に接続されている。

さらに特許文献３には、上側部材と下側部材とによって構成された中空平板形状のコンテナ内の上面と下面とに銅粒子の焼結体によって構成されたウイックが密着させられており、かつ、それらの上面と下面とが、銅粒子の焼結体である柱状のコラムによって連結された平板状のヒートパイプが記載されている。

特開平１１−１９５７３８号公報特開２０００−１６１８７９号公報特開２００４−２３８６７２号公報

特許文献１や特許文献２に記載された構成では、コンテナの内壁面の全面に亘って多孔構造のウイックが設けられている。また特許文献３に記載された構成ではコンテナの内壁面のうち、上下面に多孔構造のウイックが設けられかつそれらのウイックがコラムによって連結されている。これらの構成では、多孔構造のウイックが生じる大きい毛管力によって蒸発部に液相の作動流体を還流させている。多孔構造のウイックはその内部を流動する作動流体の抵抗が大きいため、これらの構成では、蒸発部以外の部分での作動流体の流動抵抗も大きい。つまり、蒸発部以外の部分で液相の作動流体が保持されることになるので、例えば入熱量が多いことにより蒸発部での作動流体の蒸発量が多い場合には、蒸発部に対する作動流体の還流量に不足が生じ、これが要因となって蒸発部に作動流体が存在しないドライアウトの状態となってしまう可能性がある。その結果、熱輸送量が制限されてしまう可能性がある。また、特許文献３に記載された構成では、作動流体の潜熱による熱輸送に加えて、コラムを介した熱伝導によって熱輸送を行うことにより、全体としての熱輸送量を増大できる可能性がある。しかしながら、特許文献３に記載されたコラムは上述したように多孔構造の焼結体であり、その焼結体を構成している微粒子間で熱伝達を行うため、全体として熱抵抗が大きい。そのため、上記のコラムを設けても、熱輸送量を増大させることができず、蒸発部がドライアウトの状態になってしまう可能性がある。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、作動流体の還流量を増大させるとともに、熱輸送性能を向上させることができるベーパーチャンバーを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、上板と下板とによって密閉して形成された中空平板状のコンテナ内に、加熱されて蒸発し放熱して凝縮する作動流体を封入して構成されており、前記上板と下板とのうちいずれか一方に熱伝達可能に接続される発熱源の熱を前記作動流体の潜熱によって前記上板と下板とのうちいずれか他方に拡散させるベーパーチャンバーにおいて、前記コンテナ内の前記上板と下板とのうちいずれか一方の面に、前記コンテナの厚さ方向に起立して、かつ、前記発熱源に対応している部分ではその他の部分に比較して高い密度で設けられている多数のフィンと、多数の前記フィンの間であってかつ前記上板と下板とのうちいずれか一方の面に密着して配置される多孔質焼結体とを備え、前記コンテナの厚さ方向で多数の前記フィンの端部が、前記コンテナ内の前記上板と下板とのうちいずれか他方の面に熱伝達可能に接合されており、前記多孔質焼結体は前記フィンの密度が低い部分のみに設けられていることを特徴とするものである。

この発明における複数の前記フィンは、前記上板と下板とのうちいずれか一方の面を削り起こすことにより形成されていてよい。

この発明によれば、発熱源に対応している部分ではすなわち蒸発部では、その他の部分に比較して高い密度でフィンが設けられており、ここで毛管力が生じるように構成されている。これに対して、その他の部分ではフィン同士の間隔が拡大されており、液相の作動流体の流動抵抗が低減されている。そのため、その他の部分に溜まった液相の作動流体は蒸発部に設けられたフィン同士の間で生じる毛管力によって蒸発部に向けて小さな流動抵抗で還流させられる。その結果、蒸発部に対する作動流体の還流量を増大させることができ、これにより、蒸発部でのドライアウトを抑制して作動流体の潜熱による熱輸送量を向上させることができる。また、コンテナを構成している上板と下板とが多数のフィンを介して熱伝達可能に接続されている。そのため、上板と下板とのいずれか一方に伝達された熱は、前記上板と下板とのいずれか他方に、作動流体の潜熱による熱輸送に加えて、フィンを介した熱伝導によっても伝えられる。特に、蒸発部では高密度にフィンが設けられているため、それらの蒸発部に対応して設けられているフィンを介した熱伝導量を増大させることができる。それらの結果、ベーパーチャンバー全体としての熱輸送量を増大することができる。さらに、上板と下板とが多数のフィンによって接続されているため、コンテナの強度を向上させることができる。

また、この発明によれば、コンテナ内の上板と下板とのいずれか一方の面に多孔質焼結体が密着して設けられる。つまり、コンテナの内壁面の全面に亘って多孔質焼結体を密着させる場合に比較して多孔質焼結体が密着させられる部分が限定されている。前記上板と下板とのいずれか一方の面における蒸発部以外の部分においては、多孔質焼結体によって液相の作動流体を保持することができる。また、蒸発部に対応して高密度に設けられたフィン同士の間に生じる毛管力に加えて、蒸発部に対応して設けられた多孔質焼結体が生じる毛管力によっても、蒸発部に液相の作動流体を還流させることができる。つまり、多孔質焼結体を設けた分、前記毛管力を増大させることができる。その結果、作動流体の還流量を増大させることができ、これにより蒸発部でのドライアウトを抑制して作動流体の潜熱による熱輸送量を向上させることができる。さらに、多数のフィンは上板と下板とのいずれか一方の面を削り起こすことにより形成されているため、部品点数を増大させることがなく、また、ベーパーチャンバーの熱抵抗を特には増大させることがない。

この発明に係るベーパーチャンバーの一例を示す斜視図である。図１に示す矢視Ａの断面図である。図１に示す矢視Ｂの断面図である。コンテナの底部に多孔質焼結体を設けた場合における図１に示す矢視Ａの断面図である。コンテナの底部に多孔質焼結体を設けた場合における図１に示す矢視Ｂの断面図である。

図１は、この発明に係るベーパーチャンバーの一例を示す斜視図である。ベーパーチャンバー１の基本的な構成は、従来知られている通りであり、その構成を簡単に説明すると、気密状態に密閉された中空平板状のコンテナ２の内部に、空気などの非凝縮ガスを脱気した状態で作動流体が封入されて構成されている。そのコンテナ２は、図２および図３に示すように、方形の平板である上側部材３と、有底角筒形状の下側部材４とによって構成されており、上側部材３によって下側部材４の開口部５が密閉されている。また、下側部材４の底部６の下側に熱伝達可能に電子部品などの発熱源７が配置されるようになっており、その発熱源７に対応しているコンテナ２の内側部分が作動流体が蒸発する蒸発部８になっている。

コンテナ２の内部には、その厚さ方向に起立した多数のフィン９が一体的に形成されている。それらのフィン９は、例えば上記の底部６をコンテナ２の厚み方向に一定の間隔で削り起こすことにより形成されている。また、図２および図３に示す例では、蒸発部８に形成されているフィン９同士の間隔は、その他の部分に形成されているフィン９同士の間隔よりも狭くなっている。つまり蒸発部８では、単位面積当たりのフィン９の設置密度が、その他の部分に比較して高くなっている。その蒸発部８でのフィン９同士の間隔は、一例として所定の毛管力を発生することができる間隔であればよく、ここに示す例では、０．０８ｍｍに設計されている。また、その他の部分でのフィン９同士の間隔は、液相の作動流体の流動抵抗を低減できる間隔であればよく、例えば、０．１から０．３ｍｍに設計されている。各フィン９は、図２および図３に示す例では、下側部材４の底部６に７行３列に形成されている。さらに図３の左右方向つまりフィン９の幅方向で、互いに隣接しているフィン９同士の間、および、下側部材４の内壁面とフィン９との間には、切り欠き部１０が形成されており、これが作動流体蒸気が流通する蒸気流路となっている。そのため、発熱源７から入熱があってその熱によって蒸発部８で蒸気化した作動流体はコンテナ２内の圧力および温度が低い部分に向けてそれらの切り欠き部１０やフィン９同士の間を通って拡散する。

なお、上述した各フィン９は、幅２０ｍｍ、高さ２．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍに形成されている。また、上記のコンテナ２は縦３８ｍｍ、横３８ｍｍ、高さ４ｍｍに設計され、もしくは、縦５２ｍｍ、横５２ｍｍ、高さ５ｍｍに設計されている。そして、上述した上側部材３がこの発明における上板に相当し、下側部材４がこの発明における下板に相当し、上述したフィン９が形成されている底部６の面が、この発明における「前記コンテナ内の前記上板と下板とのうちいずれか一方の面」に相当している。

各フィン９の自由端部１１は、図２および図３に示すように、下側部材４の開口部５と同じ位置あるいは高さになっている。それらの自由端部１１および開口部５が上側部材３における内側面１２に接合されてコンテナ２が密閉されている。これは、例えば開口部５および各フィン９の自由端部１１のそれぞれにハンダを付着させ、かつ、これらに上側部材３の内側面１２を押し付けた状態で加熱炉（図示せず）に送って加熱することにより行われる。上記の作動流体としては、水やアルコール、アンモニア、代替フロンなどの目的とする温度範囲で蒸発および凝縮する凝縮性の流体が使用される。なお、上述した上側部材３の内側面１２は、作動流体蒸気が放熱して凝縮する凝縮部となっており、この内側面１２がこの発明における「前記コンテナ内における前記上板と下板とのうちいずれか他方の面」に相当している。

なお、コンテナ２内への作動流体の注入は、コンテナ２内を真空脱気した後に作動液を注入する方法、余分な量の作動液を注入した後、これを沸騰させて非凝縮性ガスを追い出す方法など、従来知られている方法で行えばよい。

次に、上記のように構成されたベーパーチャンバー１の作用・効果について説明する。発熱源７の熱が底部６に熱伝達されると、その熱の一部によって蒸発部８で作動流体が蒸発させられる。その作動流体蒸気は、コンテナ２内の圧力および温度が低い部分に向けて切り欠き部１０やフィン９同士の間を通って拡散する。作動流体蒸気は、例えば、図２および図３での上方に移動し、上側部材３の内側面１２で放熱して凝縮する。液相の作動流体はフィン９あるいはコンテナ２の内壁面を伝って図２および図３での下方に移動し、例えば蒸発部８の周囲に溜まる。蒸発部８の周囲では、フィン９同士の間隔が拡大されているため、その毛管力が低減されている。つまり、その部分での流動抵抗が低減されており、液相の作動流体が保持されにくくなっている。一方、蒸発部８には、上述したように、高密度にフィン９が設けられており、大きい毛管力が生じるようになっている。そのため、蒸発部８の周囲に溜まった液相の作動流体は、上記の毛管力によって、蒸発部８の周囲におけるフィン９同士の間を流動して蒸発部８に還流させられる。またその場合、蒸発部８の周囲に液相の作動流体が保持されにくいから、蒸発部８に対する液相の作動流体の還流量が増大する。すなわち還流特性が向上する。そのため、蒸発部８での作動流体の潜熱による熱輸送量が向上する。またドライアウトが効果的に抑制される。

また発熱源７が発する熱の他の一部は、底部６を構成している部材の内部を移動するとともに、主として蒸発部８に高密度で形成されているフィン９に伝えられる。各フィン９は上述したように、上側部材３に熱的に接続されている。そのため、発熱源７が発する熱の他の一部は、主として蒸発部８に高密度に形成されているフィン９を介して上側部材３に伝えられる。このように上述した構成のベーパーチャンバー１では、作動流体の潜熱による熱輸送に加えて、フィン９を介した熱伝導によっても下側部材４から上側部材３に熱が伝えられる。そのため、上述した構成のベーパーチャンバー１では、全体としての熱輸送量が更に増加する。それらの結果、上述した構成のベーパーチャンバー１ではその最大熱輸送量を従来になく向上させることができる。

さらに各フィン９は、上述したように、コンテナ２内に多数形成されており、それらの自由端部１１が上側部材３における内側面１２に接合されている。それらのフィン９はコンテナ２の内部空間を支える支柱として機能する。そのため、それらのフィン９によってコンテナ２の強度を向上させることができる。具体的には、作動流体が蒸発することによるコンテナ２の内圧の変化に起因する変形を抑制することができる。また、外部からの圧力に起因するコンテナ２の凹み変形などを抑制することができる。

またこの発明では、発熱源７に熱伝達可能に接続されるコンテナ２の底部６側に多孔質焼結体１３を密着して設けることにより、蒸発部８に対応して高密度に設けられたフィン９同士の間に生じる毛管力と、底部６に密着して設けられた多孔質焼結体１３が生じる毛管力とによって蒸発部８に対する作動流体の還流量を増大させる。図４および図５はその例を示している。コンテナ２の底部６におけるフィン９の設置密度が低い部分に限定して、多孔質焼結体１３が密着して設けられている。それらの多孔質焼結体１３は、例えば銅微粒子の焼結体であって、ここに示す例では、平均粒径が１００μｍの銅微粒子が使用されている。この多孔質焼結体１３は高い毛管力を生じるとともにその多孔構造中に液相の作動流体を保持することができるため、いわゆるリザーバーとしても機能する。

ここで、多孔質焼結体１３をフィン９の底部６側および底部６に密着させる方法について簡単に説明すると、上述したようにフィン９を形成した下側部材４の底部６に銅微粒子を所定量充填する。その場合、蒸発部８に対応して設けられたフィン９同士の間隔は０．０８ｍｍに設計されており、また、その周囲のフィン９同士の間隔は０．１から０．３ｍｍに設計されているため、銅微粒子は蒸発部８の周囲に設けられたフィン９同士の間に入り込む。その後、この下側部材４を加熱炉（図示せず）に送って加熱する。こうすることにより銅微粒子同士を焼結させ、また蒸発部８の周囲における各フィン９の底部６側および底部６に銅微粒子およびその焼結体１３を密着させる。また、フィン９の設置密度が高い部分には銅微粒子を充填せずに、フィン９の設置密度が低い蒸発部８の周囲のみに銅微粒子を充填させる場合もある。すなわち、図５での中央部であって、図５での上下方向で発熱源７の上部に位置する切り欠き部１０に対しても銅微粒子を充填させない場合もある。このような銅微粒子の充填方法の一例について簡単に説明する。例えば先ず、蒸発部８すなわち高い密度で設けられているフィン９の上部、および、それらのフィン９の周囲に形成されている切り欠き部１０を蓋によって覆う。前記蓋は、蒸発部８およびその周囲の切り欠き部１０を一体的に覆うように構成してもよく、あるいは、それぞれを別々に覆うように、分割して構成されていてもよい。また、蒸発部８の周囲の切り欠き部１０のみを覆うように構成されていてもよい。要は、フィン９の設置密度が高い部分およびその周囲の切り欠き部１０に銅微粒子が充填されないように構成されていればよい。次いで、下側部材４に銅微粒子を充填し、その後に加熱炉で加熱する。こうすることにより、フィン９の設置密度が低い蒸発部８の周囲のみに多孔質焼結体１３を密着して設けることができる。

次に、上記のように構成されたベーパーチャンバー１の作用・効果について説明する。ベーパーチャンバー１に対する入熱がない場合には、液相の作動流体は、例えば蒸発部８に対応して高密度に設けられたフィン９同士の間、および、多孔質焼結体１３に保持されている。発熱源７で熱が生じ、その熱が底部６に熱伝達されると、その熱の一部によって作動流体が、蒸発部８およびその周囲の多孔質焼結体１３で蒸発させられる。その作動流体蒸気は、コンテナ２内の圧力および温度が低い部分に向けて、フィン９同士の間や切り欠き部１０を通って拡散する。作動流体蒸気は、例えば、図４および図５での上方に移動し、上側部材３の内側面１２で放熱して凝縮する。液相の作動流体はフィン９およびコンテナ２の内壁面を伝って図４および図５での下方に流動し、各フィン９同士の間や多孔質焼結体１３に保持される。

上述したように作動流体が蒸発すると、蒸発部８に対応して高密度に設けられたフィン９同士の間に形成されたメニスカス、および、蒸発部８の周囲に設けられた多孔質焼結体１３におけるメニスカスが低下する。またこれに伴う毛管力が生じ、その毛管力をポンプ力として多孔質焼結体１３に保持された液相の作動流体が蒸発部８に向けて還流させられる。つまり図４および図５に示す例では、蒸発部８に対応して高密度に設けられたフィン９に加えて、蒸発部８の周囲に設けられた多孔質焼結体１３によっても毛管力が生じる。そのため、図４および図５に示す例における毛管力は、図１に示す例に比較して多孔質焼結体１３が設けられている分、大きい。また、多孔質焼結体１３は底部６における蒸発部８の周囲に限定して設けられているため、コンテナ２の内壁面の全面に亘って多孔質焼結体１３を設ける場合に比較して、多孔質焼結体１３で保持される液相の作動流体の量が低減される。つまり蒸発部８に対する作動流体の還流を特には妨げることがない。それらの結果、蒸発部８に対する液相の作動流体の還流量を増大することができる。

発熱源７が発する熱の他の一部は、上述した図１に示す例と同様に、主として蒸発部８に高密度に形成されているフィン９を介して上側部材３に伝えられる。そのため、上述した構成のベーパーチャンバー１では、作動流体の潜熱による熱輸送に加えて、フィン９を介した熱伝導によっても下側部材４から上側部材３に熱を伝達するためその最大熱輸送量を従来になく向上させることができる。なお、フィン９の設置密度が低い蒸発部８の周囲のみに多孔質焼結体１３を設けた場合も、図４および図５に示す例と同様の作用・効果を得ることができる。

１…ベーパーチャンバー、２…コンテナ、３…上側部材、４…下側部材、６…底部、９…フィン、１１…フィンの自由端部、１２…上側部材の内側面。

Claims

上板と下板とによって密閉して形成された中空平板状のコンテナ内に、加熱されて蒸発し放熱して凝縮する作動流体を封入して構成されており、前記上板と下板とのうちいずれか一方に熱伝達可能に接続される発熱源の熱を前記作動流体の潜熱によって前記上板と下板とのうちいずれか他方に拡散させるベーパーチャンバーにおいて、
前記コンテナ内の前記上板と下板とのうちいずれか一方の面に、前記コンテナの厚さ方向に起立して、かつ、前記発熱源に対応している部分ではその他の部分に比較して高い密度で設けられている多数のフィンと、
多数の前記フィンの間であってかつ前記上板と下板とのうちいずれか一方の面に密着して配置される多孔質焼結体とを備え、
前記コンテナの厚さ方向で多数の前記フィンの端部が、前記コンテナ内の前記上板と下板とのうちいずれか他方の面に熱伝達可能に接合されており、
前記多孔質焼結体は前記フィンの密度が低い部分のみに設けられている
ことを特徴とするベーパーチャンバー。
複数の前記フィンは、前記上板と下板とのうちいずれか一方の面を削り起こすことにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のベーパーチャンバー。