JPH05283571A - 熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、熱輸送密度が高く、各構成部品の
配置が限定されることなく、かつポンプ等の機械的動力
源となる循環装置を必要としないシンプルな構成の熱輸
送装置を提供することを目的とする。 【構成】 内部に液体熱媒体１０を封入した閉ループ管
路４と、発熱体１から熱を受取り熱媒体１０へ熱を伝え
るための受熱部３と、熱媒体１０から熱を奪うための放
熱部８と、閉ループ管路４内に設けられるノズル部６
と、このノズル部６近傍の熱媒体１０を加熱し蒸気泡を
発生させるためのヒータ５とから構成されることを特徴
としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体の冷媒を熱の作用
により循環させて熱を輸送し、種々の機器を冷却する冷
却装置等に適用可能な熱輸送装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器や電力機器等の種々の機器の冷
却、加熱、あるいは空調その他の温度調節装置等におけ
る熱輸送に関し、熱輸送密度の高い熱作用による熱輸送
装置の一例として図６に示すようなヒートパイプがあ
る。

【０００３】このヒートパイプは、冷媒１００を密封管
路１０１内に封入し、冷媒の受熱部１０２において、冷
媒１００が蒸発し気体となって放熱部１０３に上昇し、
ファン１０４により放熱部１０３が冷却され冷媒１００
が凝縮液化して受熱部１０２に戻る構成となっている。

【０００４】冷媒の循環力が重力を利用した方式の場合
には、図６に示すように放熱部１０３は、受熱部１０２
より高い位置に設けられることと、途中の管路も重力に
よる流れが維持されるように配置が極めて限定される。

【０００５】また、重力を利用しない場合には、ウィッ
クと呼ばれる繊維状物質のぬれ作用、表面張力等の微妙
な力に頼ることとなり、冷媒の循環力としてはかなり弱
いものとなってしまう。

【０００６】したがって、ヒートパイプの利用は現在か
なり限られた用途にしか用いられておらず、冷媒循環力
にはポンプ等の他の動力を使用することが一般的であ
る。しかし、ポンプを用いたな循環システムは、構成が
複雑でランニングコストも比較的高いことから、シンプ
ルで信頼性が高く、低コストで使用条件が限定されない
冷媒循環システムに対する要望が大きい。特に、近年の
半導体電子回路は小型高密度化が目覚ましく、発熱密度
の高い半導体回路の使用が増加している。

【０００７】従来電子部品や回路基板等の冷却には自然
通風やファンによる強制冷却が主であり、発熱密度が高
くなってくると前述したヒートパイプや水冷式が用いら
れている。しかし、ヒートパイプは前述した制約があ
り、水冷式はポンプ等の水循環装置が必要で大規模なシ
ステムになってしまうといった問題点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、自然
対流冷却および重力を利用しないヒートパイプにおいて
は熱輸送密度の低いものにしか適用できず、重力を利用
したヒートパイプにあっては、各々の構成部品（受熱
部、放熱部等）の配置位置関係が限定され、ポンプ等の
循環装置を用いたものでは装置自体が大きくなってしま
うといった問題点があった。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、熱輸送密度が高く、各構成部品の配置が限定され
ることなく、かつポンプ等の機械的動力源となる循環装
置を必要としないシンプルな構成の熱輸送装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の熱輸送装置は、
内部に液体熱媒体を封入した閉ループ管路手段と、発熱
体から熱を受取り前記熱媒体へ熱を伝えるための受熱部
と、前記熱媒体から熱を奪うための放熱部と、前記閉ル
ープ管路手段内に設けられるノズル部と、このノズル部
近傍の前記熱媒体を加熱するための加熱手段とから構成
されることを特徴としている。

【００１１】

【作用】加熱手段（ヒータ等）により熱媒体（冷媒）を
加熱すると、冷媒が蒸気化する際に体積が著しく膨張す
る。閉ループ管路内のノズル部でこの膨張が生じること
によって、ノズル部の圧力損失の差により冷媒が位置方
向に押される。そして、冷媒が押されて、放熱部で冷却
されて収縮することで、これらの膨張・収縮現象がポン
プ作用を生じて冷媒の循環力が得られる。

【００１２】これらのポンプ作用により、発熱体（半導
体素子等）から熱を奪うための受熱部とこの熱を他に放
出するための放熱部との間で、冷媒を循環させることに
より、発熱体の熱を他の部分に輸送することができ、結
果として発熱体を冷却できる。

【００１３】冷媒の体積膨張の際のエネルギは比較的大
きいため、冷媒は重力に逆らってでも循環が可能であ
り、受熱部、放熱部、さらに配管等の位置関係がまった
く限定されることがない。したがって、システムの配置
設計の自由戸が大きく、また、シンプルな熱輸送装置が
実現できる。

【００１４】また、発熱体の発熱量が多ければ、気泡ポ
ンプ部の加熱手段たるヒータ等の入力を上げて、蒸気泡
の発生を増加させて冷媒の循環力を向上させるように制
御する。また、発熱体の発熱量が少なければ、気泡ポン
プ部の加熱手段たるヒータ等の入力を下げて、蒸気泡の
発生を抑制し、冷媒の循環力を低下させるように制御す
る。このように制御すれば発熱体の温度をほぼ均一に制
御できる。

【００１５】また、受熱部にノズル部を配設して加熱手
段を発熱体で代用すれば、発熱体の発熱が多くなれば、
必然的に蒸気泡の発生が増加して冷媒の循環力が向上
し、発熱体の発熱が少なければ必然的に蒸気泡の発生が
抑制され、冷媒の循環力が低下することから、特別な制
御を行うこと無く、発熱体の温度をほぼ均一に制御でき
るといった自己温度制御機能を備えた熱輸送装置が達成
される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の熱輸送装置を冷却装置として
適用した場合の実施例を図面を参照して説明する。 （第１実施例）図１は、本発明の熱輸送装置を冷却装置
として構成したときの一例を示す概略構成図、図２は、
気泡ポンプ部７の拡大図である。

【００１７】冷却すべき機器１、例えば半導体素子等を
搭載した受熱板２は、銅等の熱伝導性の良好な材質から
構成されており、その内部に冷媒管４が挿入されること
で受熱部３として機能する。冷媒管４は、閉ループ状に
構成され内部に冷媒１０が所定量封入されている。冷媒
１０としては例えば、水、メタノール、エタノール、代
替フロン、ブタン、等の有機熱媒体、あるいは弗素化オ
レフィン等の各種熱媒体であり、封入量は、全ループ体
積の７０〜９５％程度である。ダイタイそして、冷媒管
４は受熱板２内部に挿入される一方放熱器８がその少な
くとも一部に取り付けられている。

【００１８】放熱器８は、フィン等から構成されている
が放熱性を向上させる目的で、冷却ファン９等で強制冷
却される構成となっている。冷媒管４の途中には気泡ポ
ンプ部７が設けられ、この気泡ポンプ部７は、冷媒管４
内部に形成された一対のノズル部６と、このノズル部６
に挟まれた空間の冷媒１０を加熱して蒸気化させるため
の電気ヒータ５とから構成されている。

【００１９】このように構成された熱輸送装置は、ヒー
タ５に通電することにより冷媒管４内部の冷媒１０が加
熱されて蒸気が発生する。冷媒管４内部のヒータ５前後
に設けられているノズル部６の流れ方向の圧力損失の差
により、蒸気は膨張するので図２に示す矢印の方向に冷
媒１０を押すことになる。この冷媒１０を押す力が循環
力となり、受熱部３で冷却すべき機器１から熱を奪った
冷媒１０が放熱器８まで循環し、放熱器８で放熱し温度
が低下して再び、受熱部３へ戻ることで冷却システムと
して機能する。

【００２０】ここで、冷却すべき機器１が運転を開始す
ると、ヒータ５にも通電を開始し、放熱器８の冷却ファ
ン９も運転を開始させる。ヒータ５の発熱は、冷媒管４
内部の冷媒１０に伝わり、冷媒１０が蒸発し始める。こ
の蒸発により冷媒１０の体積が著しく膨張し、閉ループ
管路ないの圧力が上昇する。そして、気泡ポンプ部７の
冷媒管４内部のヒータ５前後に取り付けてあるノズル部
６の流れ方向の圧力損失の差により冷媒１０は図中矢印
の方向へ移動する。このように、冷媒１０は受熱部３と
放熱器８との間を循環する。そして、冷媒１０が蒸気化
する際の膨張のエネルギは比較的大きいので重力の影響
を受けずに冷媒１０を循環駆動することができる。

【００２１】冷却すべき機器１の熱は、受熱板２を通し
て受熱部３内に挿入されている冷媒管４を介して冷媒１
０に伝わる。冷媒１０の温度は、冷却すべき機器１から
熱を奪ったことで上昇するが、冷媒１０は循環するので
受熱部３の高温の冷媒１０は放熱器８へ流出し、放熱器
８の低温の冷媒１０が受熱部３へ流入して冷却すべき機
器１は十分に冷却される。

【００２２】気泡ポンプ部７に発生した蒸気泡は、放熱
器８に移動して冷却されて凝縮する。冷却すべき機器１
の発熱量が多ければ、ヒータ５の入力を上げて蒸気泡の
発生を増加させて冷媒１０の循環量を増加させ、また、
冷却すべき機器１の発熱量が少なければ、ヒータ５の入
力を下げて蒸気泡の発生を抑制し、冷媒１０の循環量を
減らすように制御する。このように制御すれば、冷却す
べき機器１の温度をほぼ一定に保つことができる。

【００２３】気泡ポンプ部７が冷媒１０の循環駆動を開
始して、定常状態に達すれば、受熱部３で熱を吸収した
比較的高温の冷媒１０が気泡ポンプ部７に流入するよう
になるため、冷媒１０の基底温度が上昇し、ヒータ５の
入力を初期状態より低下させても気泡ポンプ部７での冷
媒循環駆動が可能である。 （第２実施例）

【００２４】図３は、本発明の第２実施例を示すもの
で、本発明の熱輸送装置を冷却装置として適用した場合
の概略構成図である。図３では図１に示した第１実施例
と同一部分には同一符号を付している。

【００２５】この第２実施例が第１実施例と異なる部分
は、気泡ポンプ部７を設ける位置とヒータ５を設けなく
て済むようにした点、およびノズル部６一ケ所にした点
である。

【００２６】つまり、冷却すべき機器１から熱を奪う受
熱部３内の冷媒管４にノズル部６を設け、冷却すべき機
器１の発熱で冷媒１０を蒸発させ、第１実施例のヒータ
５と同様の機能を持たせた点である。このように構成す
ると、以下のような作用効果が得られる。

【００２７】すなわち、冷却すべき機器１の発熱が多く
なれば、必然的に蒸気泡の発生が増加して冷媒１０の循
環力が向上し、冷却すべき機器１の発熱が少なければ必
然的に蒸気泡の発生が抑制され、冷媒１０の循環力が低
下することから、特別な制御を行うこと無く、冷却すべ
き機器１の温度をほぼ均一に制御できるといった自己温
度制御機能を備えた熱輸送装置が達成される。 （変形例）図４に気泡ポンプ部７の変形例を示す。

【００２８】図４に示すようにノズル部６を一ケ所設
け、ノズル部６の絞られている部分のみ存在する側にヒ
ータ５を配設した構造である。このように構成しても、
ヒータ５で冷媒１０を加熱して、蒸気泡を発生させれ
ば、図中ノズル部６の設けられている側が圧力損失が大
きく、ノズル部６の設けられていない側が圧力損失が小
さいため、冷媒１０は、図中矢印で示す方向に流れる。 （第３実施例）図５に本発明の第３実施例を示す。図１
乃至図４と同一部分には、同一符号を付して詳細な説明
は省略する。

【００２９】図５には、冷却すべき機器として半導体素
子１が複数（図では１２個）受熱板２たる基板に実装さ
れている。このように高密度実装された半導体素子１を
冷却するには、実装された半導体素子１の配置に沿っ
て、例えば、図に示すように冷媒管４ａ，４ｂ，４ｃの
ように分岐させれば良い。このように分岐させる理由
は、効率の良い循環力を得るためには冷媒管４の太さが
ある程度制限されるからであり、冷却能力を高めるため
に熱交換部たる受熱部３内の冷媒管４を１本の太いパイ
プとせずに、細い複数のパイプに分岐させているのであ
る。

【００３０】以上本発明の熱輸送装置を、冷却装置に適
用した場合の一実施例を説明してきたが、冷却装置のみ
の適用に限定されること無く、熱を輸送して、冷却、加
熱等を行う熱輸送装置全般に適用できるものである。そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形
して実施できるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、各構成部品の配置位置関係が限定されることなく、
かつポンプ等の機械的動力源となる循環装置を必要とし
ないシンプルな構成の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】 本発明の熱輸送装置を冷却装置に適用した時
の第１実施例を示す概略構成図。

【図２】 本発明の熱輸送装置の気泡ポン部の一例を示
す拡大図。

【図３】 本発明の熱輸送装置を冷却装置に適用した時
の第２実施例を示す概略構成図。

【図４】 本発明の熱輸送装置の気泡ポン部の他の例を
示す拡大図。

【図５】 本発明の熱輸送装置を冷却装置に適用した時
の第３実施例を示す概略構成図。

【図６】 従来のヒートパイプの一例を示す概略図。

【符号の説明】

１ 冷却すべき機器（発熱体） ２ 受熱板 ３ 受熱部 ４ 冷媒管（閉ループ管路手段） ５ ヒータ（加熱手段） ６ ノズル部 ７ 気泡ポンプ部 ８ 放熱器 ９ 冷却ファン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に液体熱媒体を封入した閉ループ管路
   手段と、発熱体から熱を受取り前記熱媒体へ熱を伝える
   ための受熱部と、前記熱媒体から熱を奪うための放熱部
   と、前記閉ループ管路手段内に設けられるノズル部と、
   このノズル部近傍の前記熱媒体を加熱するための加熱手
   段とから構成されることを特徴とする熱輸送装置。