WO2019235552A1 - 装置、熱交換器、および蒸発体収容器 - Google Patents

装置、熱交換器、および蒸発体収容器 Download PDF

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WO2019235552A1
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evaporator
groove
working fluid
liquid
container
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PCT/JP2019/022434
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French (fr)
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方星 長野
公秀 小田切
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国立大学法人名古屋大学
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus, a heat exchanger, and an evaporator container.
  • Patent Document 1 discloses a loop having a wick that is provided inside an evaporation unit, a condensing unit, and a liquid return pipe, respectively, in order to efficiently cool a heat generating component regardless of an installation angle, and that generates a capillary force.
  • a mold heat pipe is disclosed.
  • An apparatus includes a heating element and an evaporator that absorbs heat from the heating element to evaporate a working fluid from a liquid phase to a gas phase, and operates the gas phase discharged from the evaporator.
  • An apparatus including a heat exchanger that condenses fluid and circulates as a liquid-phase working fluid to the evaporator, and the evaporator has a space into which the liquid-phase working fluid flows, and operates the liquid phase in the space.
  • It has a plurality of holes for guiding and evaporating the fluid to the outer surface by capillary force, an evaporator having a plurality of evaporator grooves on the outer surface for guiding the evaporated working fluid, and housing the evaporator, and supporting the outer surface of the evaporator
  • a plurality of first receiving body grooves extending in a direction intersecting the evaporation groove and having a groove width smaller than that of the evaporation groove, in a region facing the evaporation groove on the inner surface.
  • Evaporator groove extending in a direction intersecting the first container groove And a second housing member groove of the plurality groove width is small.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in the axial direction of the evaporator according to the present embodiment, and (b) is a cross-sectional view cut along the IIb-IIb plane in FIG. 2 (a).
  • (A) is an enlarged view in IIIa of Drawing 2 (b), and (b) is an enlarged view in IIIb of Drawing 3 (a).
  • 4A is a cross-sectional view taken along the plane IVa-IVa in FIG. 3A
  • FIG. 4B is a perspective view of the inner peripheral surface of the evaporator body
  • FIG. 4C is a view taken along IVc-IVc in FIG.
  • (d) is an enlarged view in IVd of Fig.4 (a). It is a figure which shows the relationship between a heat flux and a heat transfer coefficient.
  • (A) is a figure which shows the state of the liquid-phase working fluid in the area
  • (b) is a figure which shows the state of the liquid-phase working fluid in the area
  • (C) is a figure which shows the state of the working fluid of the liquid phase in the area
  • (A) is a figure which shows the state of the liquid-phase working fluid around the guide groove in the area
  • (b) is the liquid-phase working fluid around the guide groove in the area
  • or (c) is a figure for demonstrating a modification.
  • or (c) is a figure for demonstrating a modification. It is a figure explaining a mobile telephone provided with a loop type heat pipe.
  • the present disclosure includes an apparatus, a heat exchanger, and an evaporator container described in the following items.
  • a heating element and an evaporator that absorbs heat from the heating element and evaporates the working fluid from the liquid phase to the gas phase.
  • the vapor phase working fluid that has flowed out of the evaporator is condensed to the liquid phase.
  • a heat exchanger that circulates to the evaporator as the working fluid of the evaporator, the evaporator has a space into which the liquid-phase working fluid flows, and the outer surface of the liquid-phase working fluid in the space by the capillary force.
  • An evaporator having a plurality of holes for guiding and evaporating, and having a plurality of evaporator grooves on the outer surface for guiding the evaporated working fluid; and a container having an inner surface for housing the evaporator and supporting the outer surface of the evaporator.
  • the container has a plurality of first container grooves extending in a direction crossing the evaporator groove and having a groove width smaller than the evaporator groove, in a region facing the evaporator groove on the inner surface, and the first container groove A plurality of second widths extending in a direction intersecting with each other and having a groove width smaller than that of the evaporator groove And a receptor groove.
  • the apparatus of item 1 compared with the case where it does not have this structure, the apparatus which improved the heat exchange rate, suppressing an enlargement is realizable.
  • the apparatus according to Item 1 wherein the groove width of each of the first container groove and the second container groove is reduced toward the bottom in the depth direction. According to the device of item 2, the capillary force generated in the first container groove and the second container groove can be increased as compared with the case where this configuration is not provided.
  • the apparatus according to Item 1 or 2 wherein the first container groove and the second container groove are formed in a lattice shape on the inner surface of the container.
  • the working fluid of a fluid can be spread along the inner surface of a container.
  • the container has a plurality of first container grooves and a plurality of second container grooves in a region facing the one evaporator groove on the inner surface.
  • the device according to item. According to the apparatus of item 4, the apparatus which improved the heat exchange rate can be provided.
  • An evaporator having a plurality of holes for guiding and evaporating, and having a plurality of evaporator grooves on the outer surface for guiding the evaporated working fluid; and a container having an inner surface for housing the evaporator and supporting the outer surface of the evaporator.
  • the container has a guide mechanism for guiding the liquid-phase working fluid along the inner surface by the capillary force of the liquid-phase working fluid in a region facing the evaporator groove on the inner surface.
  • a heating element and an evaporator that absorbs heat from the heating element and evaporates the working fluid from the liquid phase to the gas phase.
  • the vapor phase working fluid that has flowed out of the evaporator is condensed to the liquid phase.
  • a heat exchanger that circulates to the evaporator as the working fluid of the evaporator, the evaporator has a space into which the liquid-phase working fluid flows, and the outer surface of the liquid-phase working fluid in the space by the capillary force.
  • An evaporator having a plurality of holes for guiding and evaporating, and having a plurality of evaporator grooves on the outer surface for guiding the evaporated working fluid; and a container having an inner surface for housing the evaporator and supporting the outer surface of the evaporator.
  • the container has a plurality of container grooves extending in a direction crossing the evaporator groove and having a groove width of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m in a region facing the evaporator groove on the inner surface.
  • the apparatus according to any one of Items 1 to 8, wherein the evaporator groove has a groove width four times or more that of the container groove. According to the apparatus of item 9, the apparatus which improved the heat exchange rate can be provided.
  • It has an evaporator that absorbs heat from the heating element and evaporates the working fluid from the liquid phase to the gas phase, and condenses the gas phase working fluid that has flowed out of the evaporator as a liquid phase working fluid.
  • the evaporator In the heat exchanger to be circulated to the evaporator, the evaporator has a space into which the liquid-phase working fluid flows, and has a plurality of holes that guide and evaporate the liquid-phase working fluid in the space to the outer surface by capillary force.
  • an evaporator having a plurality of evaporator grooves on the outer surface for guiding the evaporated working fluid
  • a container having an inner surface for housing the evaporator and supporting the outer surface of the evaporator
  • a plurality of first container grooves extending in a direction crossing the evaporator groove in a region facing the evaporator groove on the inner surface and having a groove width smaller than the evaporator groove
  • an evaporator extending in a direction intersecting the first container groove Having a plurality of second housing grooves having a groove width smaller than the groove.
  • the heat exchanger of item 10 it is possible to provide a heat exchanger that improves the heat exchange rate while suppressing an increase in size as compared with the case where the present configuration is not provided.
  • Information 11 There is a space into which the liquid-phase working fluid flows, and there are a plurality of holes that guide and evaporate the liquid-phase working fluid in the space to the outer surface by capillary force, and guide the evaporated working fluid.
  • An evaporator groove that contains an evaporator having a plurality of evaporator grooves on the outer surface and that is formed in an inner surface that supports the outer surface of the evaporator and a region facing the evaporator groove on the inner surface and extends in a direction crossing the evaporator groove
  • a plurality of first container grooves having a smaller groove width and a plurality of second container grooves formed on a region facing the evaporator groove on the inner surface and extending in a direction intersecting the first container groove and having a groove width smaller than the evaporator groove.
  • An evaporator container comprising a container groove.
  • the evaporator container of item 11 it is possible to provide an evaporator container having an improved heat exchange rate while suppressing an increase in size as compared with the case where this configuration is not provided.
  • a heating element and an evaporator that absorbs heat from the heating element to evaporate the working fluid from the liquid phase to the gas phase, and condenses the gas phase working fluid that has flowed out of the evaporator
  • a heat exchanger that circulates to the evaporator as the working fluid of the evaporator, the evaporator has a space into which the liquid-phase working fluid flows, and the outer surface of the liquid-phase working fluid in the space by the capillary force.
  • an evaporation body having a plurality of holes to be led to evaporate and an accommodation body that contains the evaporation body and has an inner surface that supports the outer surface of the evaporation body.
  • An apparatus comprising: a plurality of evaporating body grooves for guiding; and a housing groove provided in the evaporating body groove for guiding the liquid phase working fluid by a capillary force of the liquid phase working fluid. According to the apparatus of item 12, the apparatus which improved the heat exchange rate can be provided, suppressing an enlargement compared with the case where it does not have this structure.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a loop heat pipe 100 according to the present embodiment.
  • the loop heat pipe 100 to which this embodiment is applied is provided inside a housing such as an electronic device, for example, for cooling a heating element 200 such as a CPU of a computer without supplying power from the outside.
  • a working fluid is circulated in the annular device.
  • a loop heat pipe 100 as an example of a cooling element includes an evaporator 101 that evaporates the working fluid in order to cool the heating element 200 using latent heat generated when the working fluid is vaporized, and the evaporator.
  • a condenser 107 that radiates and liquefies the working fluid vaporized in 101;
  • the loop heat pipe 100 includes a vapor pipe (Vapor Line) 105 that sends the working fluid vaporized by the evaporator 101 to the condenser 107 and a liquid pipe that sends the working fluid liquefied by the condenser 107 to the evaporator 101. (Liquid Line) 109.
  • the loop heat pipe 100 of the present disclosure is filled with a working fluid that changes between a liquid phase and a gas phase. For example, water, alcohol, ammonia or the like is used as the working fluid.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view in the axial direction of the evaporator 101 according to the present embodiment
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the IIb-IIb plane in FIG. 2A.
  • an evaporator 101 is provided inside an electronic device (not shown) and is provided to transmit heat from the heating element 200, and the evaporator body. 110 and a liquid reservoir 120 that contains liquid-phase and gas-phase working fluid.
  • the evaporator 101 has a wick 130 inserted into the evaporator main body 110, one end disposed inside the wick 130 and the other end connected to the liquid pipe 109, and a liquid-phase working fluid in the wick 130.
  • an introduction pipe (Baionette pipe) 150 for introducing the.
  • the evaporator main body 110 which is an example of a container, is made of a hollow tubular metal, and has one end connected to the steam pipe 105 (see FIG. 1) and the other end connected to the liquid reservoir 120.
  • the liquid reservoir 120 has a hollow tubular member provided so as to be continuous with the evaporator main body 110.
  • the liquid reservoir 120 is provided with an insertion port 129 into which the liquid pipe 109 is inserted.
  • the wick 130 which is an example of an evaporator, is a member made of a porous metal.
  • the wick 130 generates a capillary force in the working fluid and consequently moves the working fluid.
  • the wick 130 is a hollow tubular member having one end closed and the other end open.
  • the wick 130 is provided in contact with the inner peripheral surface (inner surface) 111 of the evaporator main body 110.
  • the wick 130 in the illustrated example is a cylindrical member, but the shape may be other shapes such as a plate shape (cuboid).
  • wick 130 if a material having low thermal conductivity is used as the wick 130, heat leakage from the evaporator main body 110 to the liquid reservoir 120 can be reduced. In addition, when it is desired to further reduce the heat leak, it is generally preferable to use a nonmetal having a thermal conductivity lower than that of a metal.
  • the outer diameter of the wick 130 is, for example, in the range of 3 mm to 100 mm, preferably in the range of 4 mm to 80 mm, and more preferably in the range of 6 mm to 60 mm.
  • the introduction pipe 150 is a hollow tubular member provided in the wick 130.
  • the evaporator main body 110, the wick 130, and the introduction pipe 150 are provided coaxially.
  • the working fluid that has flowed into the evaporator main body 110 penetrates into the wick 130 in the evaporator main body 110.
  • a part of the working fluid that has flowed into the evaporator main body 110 is supplied to the liquid reservoir 120 (see arrow B3) and retained in the liquid reservoir 120.
  • the working fluid that has permeated the wick 130 moves toward the outer peripheral surface by the capillary force of the wick 130 (see arrow B2), and is heated and vaporized by the heat of the heating element 200.
  • the vaporized working fluid moves toward the steam pipe 105 while passing through a gap (described later) between the evaporator main body 110 and the wick 130 (see arrow B4).
  • the working fluid in the liquid reservoir 120 is supplied to the evaporator main body 110.
  • the liquid-phase working fluid that has permeated the wick 130 enters the outer peripheral surface 131 of the wick 130. Move towards. The liquid-phase working fluid is vaporized and moves to the steam pipe 105. In this way, the above-described cycle is repeated without interrupting the flow of the working fluid on the outer peripheral surface 131 of the wick 130. Then, the heat generated in the heating element 200 is transported from the evaporator 101 to the condenser 107 (see FIG. 1) as described above.
  • ⁇ Evaporator body 110 and wick 130> 3A is an enlarged view in IIIa in FIG. 2B
  • FIG. 3B is an enlarged view in IIIb in FIG. 3A.
  • the evaporator main body 110 has an inner peripheral surface 111 that comes into contact with the wick 130.
  • the wick 130 has an outer peripheral surface 131 that contacts the evaporator main body 110.
  • the outer peripheral surface 131 of the wick 130 is supported by the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110.
  • the wick 130 has a steam groove 133 on the outer peripheral surface 131.
  • the steam groove 133 extends in the axial direction of the evaporator main body 110 or the wick 130. In other words, the steam groove 133 flows in the direction in which the gas-phase working fluid flowing out through the steam pipe 105 flows out (see arrow A1) or in the direction in which the liquid-phase working fluid flows in through the introduction pipe 150 (see FIG. (See arrow B1).
  • the illustrated vapor groove 133 is an example of an evaporator groove, and a plurality of vapor grooves 133 are provided on the outer peripheral surface 131 of the wick 130. More specifically, a plurality of the steam grooves 133 are provided at predetermined intervals in the circumferential direction of the wick 130. Further, by providing the steam groove 133 in the wick 130, the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 has a contact region 119 (see FIG. 3A) that is a region in contact with the wick 130, and the steam groove 133. And a facing region 117 (see FIG. 3A) that is a region facing and spaced apart from the wick 130 is formed. The contact areas 119 and the opposed areas 117 are alternately arranged in the circumferential direction of the evaporator main body 110.
  • each of the steam grooves 133 has a substantially rectangular cross section. More specifically, the steam groove 133 is formed by a side surface 135 that is a surface along the radial direction of the wick 130 and a bottom surface 137 that is a surface along the circumferential direction of the wick 130.
  • the opening of the steam groove 133 is covered by the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110.
  • the internal space of the steam groove 133 that is, the space surrounded (formed) by the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110, the side surface 135 of the wick 130, and the bottom surface 137 of the wick 130 is described later. Functions as a flow path for vaporized working fluid.
  • the evaporator body 110 has a guide groove 115 on the inner peripheral surface 111.
  • the guide groove 115 functioning as a flow path for the liquid-phase working fluid.
  • the working fluid that has moved from the inside of the wick 130 toward the outer peripheral surface 131 by the capillary force is heated and vaporized, and flows out into a steam groove 133 formed between the evaporator main body 110 and the wick 130. Then, the working fluid moves along the steam groove 133 and escapes to the steam pipe 105 (see FIG. 1) side.
  • the liquid-phase working fluid Lq may ooze out, ie, may advance into the corner portion Cn where the side surface 135 intersects.
  • the liquid-phase working fluid Lq that has advanced to the corner Cn forms a surface that connects the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 and the side surface 135 of the wick 130. Further, the surface connecting between the inner peripheral surface 111 and the side surface 135 is curved by the action of the surface tension of the liquid-phase working fluid Lq.
  • the curved surface (interface) of the liquid-phase working fluid Lq is formed at a common boundary between the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110, the side surface 135 of the wick 130, and the vapor groove 133. It can be understood as a cross-linking of the phase working fluid Lq (liquid cross-linking Lq1).
  • a gas-liquid interface of the working fluid is formed on the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110.
  • a gas-liquid interface of the working fluid is formed on the side surface 135 of the wick 130.
  • the boundary line between the three phases of the solid-phase inner peripheral surface 111 (or the side surface 135 of the wick 130), the liquid-phase working fluid Lq, and the gas-phase working fluid may be referred to as a three-phase boundary line Bd. is there. As the length of the three-phase boundary line Bd is longer, the evaporation area is further increased and the heat transfer performance of the evaporator body 110 is improved.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the plane IVa-IVa in FIG. 3A
  • FIG. 4B is a perspective view of the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110
  • FIG. 4 (a) is a cross-sectional view taken along the IVc-IVc plane
  • FIG. 4 (d) is an enlarged view inside IVd of FIG. 4 (a).
  • the evaporator main body 110 has guide grooves 115 formed in a lattice shape on the entire inner peripheral surface 111.
  • the guide groove 115 includes a first guide groove 115 ⁇ / b> A that extends in a direction orthogonal to the steam groove 133 and a second guide groove 115 ⁇ / b> B that extends in a direction along the steam groove 133. That is, the guide groove 115 has a first guide groove 115A and a second guide groove 115B that extend in different directions and intersect each other.
  • the first guide groove 115 ⁇ / b> A extends in the circumferential direction of the wick 130.
  • the second guide groove 115 ⁇ / b> B extends in the axial direction of the wick 130.
  • the first guide groove 115 ⁇ / b> A extends from the contact area 119 toward the facing area 117. That is, the first guide groove 115 ⁇ / b> A is formed across the contact region 119 and the facing region 117.
  • the first guide groove 115A is an example of a first container groove.
  • the second guide groove 115B is an example of a second container groove.
  • the guide groove 115 is formed with a smaller dimension than the steam groove 133.
  • a plurality of first guide grooves 115A and a plurality of second guide grooves 115B are formed in one facing region 117 facing one steam groove 133.
  • a plurality of intersections of the first guide groove 115A and the second guide groove 115B are formed.
  • the guide groove 115 is formed by processing the wedge-shaped groove in the cross direction on the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110.
  • the guide groove 115 is formed by a known technique such as cutting, laser processing, or etching. Further, as the evaporator main body 110 is manufactured by a 3D printer, the guide groove 115 may be formed on the inner peripheral surface 111.
  • the cross-sectional shape of the guide groove 115 in the illustrated example is substantially V-shaped.
  • the groove width decreases as it approaches the bottom surface in the depth direction of the guide groove 115.
  • the guide groove 115 is formed in a micro-order size. More specifically, the groove width G1 of the guide groove 115 is 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, and in the illustrated example, is formed in the range of 20 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the depth G2 of the guide groove 115 is preferably 10 ⁇ m or more, and is formed in the range of 20 ⁇ m to 30 ⁇ m in the illustrated example.
  • the pitch G3, which is the distance between the grooves of the guide groove 115, is preferably 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, and in the illustrated example, is in the range of 50 to 60 ⁇ m, and is formed with an average value of 57 ⁇ m.
  • the groove width of the steam groove 133 is 0.1 mm to 3.0 mm.
  • the groove width G1 of the guide groove 115 is 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. Therefore, the steam groove 133 has a groove width 10 to 3000 times that of the guide groove 115. From the viewpoint of extending the length of the three-phase boundary line Bd as much as possible, it is desirable that the pitch G3 is smaller, that is, the pitch G3 approaches 0 ⁇ m.
  • the pitch G3 is if the pitch G3 is small, the actual contact area of the evaporator main body 110 and the wick 130 is reduced, and the operating temperature is reduced. Become very expensive.
  • the pitch G3 is preferably set to 20 ⁇ m to 100 ⁇ m as described above.
  • the groove width G1 of the guide groove 115 is smaller than 1 ⁇ m, the flow resistance in the groove increases, and it becomes difficult to obtain the effect of conveying the working fluid. Moreover, since the capillary force obtained when the groove width G1 of the guide groove 115 is larger than 100 ⁇ m is small, it is difficult to obtain the effect of conveying the working fluid. On the other hand, if the depth G2 of the guide groove 115 is smaller than 10 ⁇ m, the flow resistance in the groove increases and it becomes difficult to obtain the effect of conveying the working fluid. In addition, the flow resistance in a groove
  • the machining time may be longer as the depth G2 of the guide groove 115 is larger. Therefore, for example, the depth G2 of the guide groove 115 can be set to 50 ⁇ m or less. Further, the heat transfer coefficient and the maximum heat flux increase as the groove width of the steam groove 133 decreases. On the other hand, when the groove width of the vapor groove 133 is small, the resistance received by the gas phase working fluid increases. Further, when the vapor groove 133 having a small groove width is formed, the manufacturing cost increases. Therefore, the groove width of the steam groove 133 is preferably in the range of 0.1 mm to 3.0 mm, for example.
  • the guide groove 115 formed as described above conveys the working fluid to the entire inner peripheral surface 111 using the capillary force of the liquid-phase working fluid that has entered the guide groove 115.
  • the guide groove 115 functions as a capillary structure.
  • the liquid-phase working fluid that permeates the wick 130 moves toward the outer peripheral surface 131 by the capillary force of the wick 130 (see arrow B2). Then, the working fluid that has reached the interface between the outer peripheral surface 131 of the wick 130 and the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 moves along the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 via the guide groove 115 (arrow B5). reference).
  • the liquid-phase working fluid existing in the contact region 119 moves in the first guide groove 115A by capillary action, so that the contact region 119 and the opposite region are moved. Heading 117 (arrow B51 in the figure). Further, a part of the working fluid moving in the first guide groove 115A branches from the first guide groove 115A toward the second guide groove 115B, and moves along the second guide groove 115B (arrow B52 in the figure). ). As described above, in the facing region 117, the liquid-phase working fluid moves in the facing region 117 as the liquid-phase working fluid moves along the first guide groove 115A and the second guide groove 115B extending in different directions. Move to spread over the whole area.
  • the guide groove 115 functions as a guide mechanism that guides the liquid-phase working fluid along the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 by the capillary force of the liquid-phase working fluid.
  • the groove width of the first guide groove 115A and the second guide groove 115B is smaller, the capillary force of the liquid-phase working fluid existing inside each of the first guide groove 115A and the second guide groove 115B increases.
  • the first guide groove 115A and the second guide groove 115B have a substantially V-shaped cross section as described above, and the groove width becomes smaller toward the groove bottom side in the depth direction.
  • the first guide groove 115A and the second guide groove 115B intersect with each other to form an intersection Cp. That is, the groove width of each of the first guide groove 115A and the second guide groove 115B at the intersection Cp is small.
  • the first guide groove 115A and the second guide groove 115B are continuous through the intersection point Cp having a small groove width, so that the capillary force of the liquid-phase working fluid at the intersection point Cp is ensured.
  • the flow branched from the guide groove 115A to the second guide groove 115B can be promoted.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the heat flux and the heat transfer coefficient.
  • the horizontal axis indicates the heat flux (W / cm 2 )
  • the vertical axis indicates the heat transfer coefficient (W / m 2 / K).
  • FIG. 5 shows the experimental results using a stainless steel sample having a pore radius of 1.0 ⁇ m and a porosity of 57%.
  • 6A is a diagram showing a state of the liquid-phase working fluid Lq in the region (A) of FIG. 5
  • FIG. 6B is a state of the liquid-phase working fluid Lq in the region (B) of FIG.
  • FIG. 6C is a diagram showing a state of the liquid-phase working fluid Lq in the region (C) of FIG.
  • the heat transfer coefficient of the wick 130 changes in accordance with the change in heat flux.
  • the region (C) is compared with the region (C) having a high heat flux.
  • the heat transfer coefficient in A) and region (B) is high.
  • the heat transfer coefficient in the region (B) is higher than that in the region (A). In other words, the heat transfer coefficient is highest in the region (B).
  • the first operation mode that is the operation mode of the area (A) in FIG. 5 will be described.
  • the liquid bridge Lq1 is formed by the liquid-phase working fluid Lq that has advanced into the steam groove 133.
  • the liquid-phase working fluid Lq evaporates through the interface of the liquid bridge Lq1 (see arrow D1).
  • the region (A) in FIG. 5 has a higher heat transfer coefficient than the region (C). This is considered to be because the evaporation surface of the liquid-phase working fluid Lq increases due to the formation of the liquid bridge Lq1. It can also be considered that heat transport is performed via a liquid film having a low thermal resistance (liquid phase working fluid Lq that has advanced into the vapor groove 133).
  • the second operation mode that is the operation mode of the region (B) in FIG. 5 will be described.
  • the liquid bridge Lq1 is formed by the liquid-phase working fluid Lq.
  • crosslinking Lq1 is small (short) compared with the liquid bridge
  • nucleate boiling occurs at the interface between the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 and the outer peripheral surface 131 of the wick 130.
  • the gas-phase working fluid Gs is periodically generated as bubbles on the contact surface between the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 and the outer peripheral surface 131 of the wick 130.
  • the contact surface between the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 and the outer peripheral surface 131 of the wick 130 is a region where the generated gas-phase working fluid Gs exists.
  • a region where the liquid-phase working fluid Lq exists is formed.
  • a contact surface liquid bridge Lq2 that is a bridge of the liquid phase working fluid Lq is formed.
  • the liquid-phase working fluid Lq evaporates through both the liquid bridge Lq1 and the contact surface liquid bridge Lq2 (see arrows D1 and D2). .
  • the evaporation surface of the liquid-phase working fluid Lq increases as compared to the state shown in FIG.
  • the total number of liquid bridges Lq1 and contact surface liquid bridges Lq2 in the state shown in FIG. 6 (b) is larger than the number of liquid bridges Lq1 in the state shown in FIG. 6 (a), resulting in a larger liquid phase.
  • the evaporation surface of the working fluid Lq is formed.
  • the third operation mode that is the operation mode of the region (C) in FIG. 5 will be described.
  • the liquid bridge Lq1 disappears due to the liquid-phase working fluid Lq.
  • the outer peripheral surface 131 of the wick 130 is covered with a region where the gas-phase working fluid Gs exists, and the liquid-phase working fluid Lq moving from the inside of the wick 130 (the lower side in the figure) is the evaporator main body 110. It will be in the state which does not reach
  • the heat transfer coefficient can be increased. Can increase.
  • the wick 130 may be designed so that the liquid bridge Lq1 is formed in a state in which the heating element 200 such as a CPU of the computer generates the most heat.
  • the wick 130 that receives heat from the heating element 200 may be designed to operate in the first operation mode or the second operation mode instead of the third operation mode.
  • the wick 130 may be designed to operate with a heat flux in a range lower than the heat flux Hm at which the region (B) and the region (C) in FIG. 5 are switched. Note that the heat flux Hm can be regarded as the point at which the heat transfer coefficient becomes the largest when the heat flux transmitted to the wick 130 is changed.
  • the first operation mode to the third operation mode are described as modes that operate independently of each other. However, the operation modes are not necessarily switched clearly, and a mode in which a plurality of the first operation mode to the third operation mode operate simultaneously may be used.
  • FIG. 7A is a view showing a state of the liquid-phase working fluid Lq around the guide groove 115 in the region (A) of FIG. 5, and FIG. 7B is a guide groove 115 in the region (B) of FIG. It is a figure which shows the state of the working fluid Lq of the surrounding liquid phase.
  • the first operation mode that is the operation mode of the area (A) in FIG. 5 will be described.
  • the contact angle between the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 and the working fluid is 0 °.
  • the guide groove 115 which is an example of the concavo-convex structure is formed on the inner peripheral surface 111 and wettability is improved. Therefore, a liquid-phase working fluid layer, that is, a liquid film is formed on the entire inner peripheral surface 111 of the evaporator body 110. Then, evaporation occurs on the surface of the formed liquid film.
  • a contact surface liquid bridge Lq3 that is a gas-liquid interface is gradually formed inside the guide groove 115 in order to hold the liquid-phase working fluid.
  • three-phase boundary lines Bd are formed in all the guide grooves 115 (see the broken line circle in the figure).
  • a three-phase boundary line Bd is formed at the opening side of the guide groove 115, in other words, at the groove end portion of the guide groove 115.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining experimental conditions.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the wick 230 used for the measurement.
  • FIG. 10 is a diagram showing the heat transfer coefficient of the measurement sample. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the heat flux (W / cm 2 ), and the vertical axis indicates the heat transfer coefficient (W / m 2 / K).
  • both the flat plate and the grooved plate were stainless steel plates, more specifically 15 mm ⁇ 10 mm SUS304. Further, in the flat plate, the stainless steel plate was not grooved, and in the grooved plate, the stainless steel plate was grooved. More specifically, in the grooved plate, the guide groove 115 is formed so that the groove width G1 is in the range of 20 ⁇ m to 30 ⁇ m, the depth G2 is about 50 ⁇ m, and the pitch G3 is in the range of 50 to 60 ⁇ m. Moreover, the cross-sectional shape of the guide groove 115 is substantially V-shaped.
  • the contact angle was measured for the above flat plate and grooved plate using ethanol as a working fluid. As shown in FIG. 8, when ethanol was dropped on the plate surfaces of the flat plate and the grooved plate, the contact angle of the flat plate was 8.2 ⁇ 1.3 °, and the contact angle of the grooved plate was 0 °. . From this, it was confirmed that 0 ° which is the theoretical limit of the wettability between the working fluid and the plate surface was obtained by forming the guide groove 115.
  • the flat wick 230 is made of stainless steel and has a thermal conductivity of 16.3 W / mK and a pore radius (average pore radius) of 4.4 ⁇ m.
  • the wick 230 is formed with a steam groove 233 modeled on the steam groove 133.
  • the width L1 of the wick 230 is 15 mm, the length L2 is 10 mm, and the height L3 is 5 mm.
  • the groove width of the steam groove 233 is 1.0 mm. Further, the distance between the steam grooves 233 (fin width, see length W2 in FIG. 9) is 1.0 mm, the depth of the steam groove 233 (see length W3 in FIG. 9) is 1.0 mm, The number is seven.
  • the grooved plate has a larger heat transfer coefficient than the flat plate.
  • the grooved plate improves heat transfer performance by about 20 times as much as a flat plate. It became.
  • the performance of the evaporator 101 is improved by providing the guide groove 115 in the evaporator 101 (see FIG. 1).
  • FIGS. 11 and 12 are diagrams for explaining a modification.
  • or (c) is a figure corresponding to Fig.4 (a) which shows the said embodiment.
  • Each of FIGS. 12A to 12C corresponds to FIG. 3A showing the above embodiment.
  • the guide groove 115 has the first guide groove 115A and the second guide groove 115B orthogonal to each other.
  • the capillary force of the liquid-phase working fluid As long as the liquid-phase working fluid can be guided along the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110, the present invention is not limited to this.
  • the structure which has only the guide groove 215 extended in one direction like the evaporator main body 210 shown to Fig.11 (a) may be sufficient.
  • the illustrated guide groove 215 extends in a direction orthogonal to the steam groove 133.
  • first guide groove 315 ⁇ / b> A and second guide groove 315 ⁇ / b> B each extend in a direction that intersects the steam groove 133 at an angle other than orthogonal.
  • the first guide groove 115A and the second guide groove 115B of the guide groove 115 are grooves formed continuously in the respective directions.
  • the present invention is not limited to this as long as the liquid-phase working fluid can be guided along the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110 while using the capillary force of the liquid-phase working fluid.
  • the first guide groove 415A and the second guide groove 415B of the guide groove 415 may be grooves formed discontinuously in each direction. .
  • the first guide groove 415 ⁇ / b> A is formed discontinuously in the direction perpendicular to the steam groove 133
  • the second guide groove 415 ⁇ / b> B is formed discontinuously in the direction along the steam groove 133.
  • the illustrated guide grooves 415 can be regarded as grooves formed in a cross shape. Each cross-shaped groove is formed across the contact region 119 and the opposing region 117.
  • the guide groove 115 is formed on the entire inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110.
  • the present invention is not limited to this.
  • a guide groove 515 may be formed in a part of the inner peripheral surface 511 like an evaporator main body 510 shown in FIG.
  • the guide groove 515 may not be formed in a part of the inner peripheral surface 511.
  • the guide groove 515 is formed in the facing region 117 on the inner peripheral surface 511, and the guide groove 515 is not formed in the contact region 119.
  • the guide groove 115 is formed in a substantially V-shaped cross section.
  • evaporation is performed while using the capillary force of the liquid-phase working fluid.
  • the present invention is not limited to this as long as the liquid-phase working fluid can be guided along the inner peripheral surface 111 of the vessel body 110.
  • a guide groove 615 having a substantially U-shaped cross section may be formed like an evaporator main body 610 shown in FIG.
  • the guide groove may be a substantially U-shaped cross section, that is, a rectangular guide groove.
  • the groove width may be reduced as it approaches the bottom surface in the depth direction, and a guide groove having a flat bottom surface may be used.
  • the surface on which the guide groove is formed is not limited to a flat surface, and may be a curved surface or a surface having irregularities.
  • the wick 130 has the steam groove 133 and the evaporator main body 110 has the guide groove 115, but the present invention is not limited to this.
  • the steam groove 733 may not be formed in the wick 730, and both the steam groove 733 and the guide groove 715 may be provided on the inner peripheral surface 711 of the evaporator body 710.
  • the illustrated guide groove 715 is also formed continuously on the side surface 733 A and the bottom surface 733 B of the steam groove 733. As a result, the liquid-phase working fluid can be moved along the side surface 733A and the bottom surface 733B of the steam groove 733.
  • each of the guide grooves 515, 615, and 715 has a first guide groove that extends in a direction orthogonal to the steam groove 133 and a second guide groove that extends in a direction along the steam groove 133.
  • the guide grooves 515, 615, and 715 may be configured by any one of a first guide groove that extends in a direction orthogonal to the steam groove 133 and a second guide groove that extends in a direction along the steam groove 133.
  • first guide groove 115A and the second guide groove 115B of the guide groove 115 may be formed in different shapes.
  • the first guide groove 115A and the second guide groove 115B of the guide groove 115 may be formed with different groove widths, groove depths, groove intervals, and the like.
  • the guide groove 115 is not limited to the groove structure as long as it forms an uneven structure on the inner peripheral surface 111 of the evaporator main body 110.
  • the structure which has two or more recessed parts formed irregularly in the internal peripheral surface 111 may be sufficient.
  • the irregular recesses can be formed by a known technique such as sand blasting.
  • produces capillary force by the clearance gap between convex parts by having not only a recessed part but the convex part in the internal peripheral surface 111 may be sufficient.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a mobile phone 800 including the loop heat pipe 100. Next, a mobile phone 800 including the loop heat pipe 100 will be described with reference to FIG.
  • the loop heat pipe 100 is provided in an electronic device such as a mobile phone 800.
  • the illustrated mobile phone 800 is a so-called smartphone having a flat shape.
  • the mobile phone 800 includes a central processing unit (CPU) 801, a loop heat pipe 100 that cools the central processing unit 801, and a housing 803 that accommodates these. Then, heat generated in the central processing unit 801 which is an example of a heating element is transmitted to the evaporator 101 and is released by the condenser 107.
  • the condenser 107 in the illustrated example has a plurality of folded portions in order to secure a heat radiation area.
  • the apparatus provided with the loop heat pipe 100 which is an example of the heat exchanger is not limited to the mobile phone 800 described above.
  • the loop-type heat pipe 100 may be provided in various apparatuses including components that serve as heat sources, such as electronic devices such as personal computers and projectors, and transportation devices such as automobiles.
  • the wick 130 may be configured as a plate-like member as described above.
  • the dimension in the thickness direction of the loop heat pipe 100 can be suppressed by forming the wick 130 and the evaporator 101 in a flat plate shape.
  • the thickness of the mobile phone 800 can be suppressed.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Loop type heat pipe, 101 ... Evaporator, 107 ... Condenser, 110 ... Evaporator main body, 111 ... Inner peripheral surface, 115 ... Guide groove, 115A ... 1st guide groove, 115B ... 2nd guide groove, 117 ... Opposing region, 119 ... contact region, 130 ... wick, 131 ... outer peripheral surface, 133 ... steam groove, Lq ... liquid phase working fluid

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Abstract

発熱体と、発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器とを備える装置において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面において蒸発体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、第１収容体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝とを有することを特徴とする装置。

Description

装置、熱交換器、および蒸発体収容器
　本開示は、装置、熱交換器、および蒸発体収容器に関する。
　特許文献１には、設置角度の如何に関わらず効率的に発熱部品を冷却するべく、蒸発部、凝縮部、及び液戻り管の内部にそれぞれ設けられるとともに、毛細管力を生じさせるウィックを有するループ型ヒートパイプが開示されている。
特開２００８－２１５７０２号公報
　ところで、近年、電子機器などの装置が小型化および高性能化することにともない、装置における発熱密度が増大している。そのため、装置に設けられる発熱体からの高い熱流束を効率よく除去することが求められている。
　そこで、本開示は、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた装置などを提供することを目的とする。
　本開示のある実施形態の装置は、発熱体と、発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器とを備える装置において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面における蒸発体溝と対向する領域に、蒸発体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、第１収容体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝とを有する。
　本開示によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた装置実現できる。
本実施の形態に係るループ型ヒートパイプを示す概略構成図である。 （ａ）は本実施の形態に係る蒸発器の軸方向における断面図を示し、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ－ＩＩｂ面で切断した断面図である。 （ａ）は図２（ｂ）のＩＩＩａ内の拡大図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩｂ内の拡大図である。 （ａ）は図３（ａ）のＩＶａ－ＩＶａ面における断面図であり、（ｂ）は蒸発器本体の内周面の斜視図であり、（ｃ）は図４（ａ）のＩＶｃ－ＩＶｃ面における断面図であり、（ｄ）は図４（ａ）のＩＶｄ内の拡大図である。 熱流束と熱伝達係数の関係を示す図である。 （ａ）は図５の領域（Ａ）における液相の作動流体の状態を示す図であり、（ｂ）は図５の領域（Ｂ）における液相の作動流体の状態を示す図であり、（ｃ）は図５の領域（Ｃ）における液相の作動流体の状態を示す図である。 （ａ）は図５の領域（Ａ）における案内溝周辺の液相の作動流体の状態を示す図であり、（ｂ）は図５の領域（Ｂ）における案内溝周辺の液相の作動流体の状態を示す図である。 実験条件を説明するための図である。 測定に用いたウィックの概略構成を示す図である。 測定試料の熱伝達係数を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は変形例を説明するための図である。 （ａ）乃至（ｃ）は変形例を説明するための図である。 ループ型ヒートパイプを備える携帯電話を説明する図である。
　本開示は、以下の項目に記載の装置、熱交換器、および蒸発体収容器を含む。
[項目１]　発熱体と、発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器とを備える装置において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面における蒸発体溝と対向する領域に、蒸発体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、第１収容体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝とを有する。
項目１の装置によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた装置実現できる。
　[項目２]　第１収容体溝および第２収容体溝各々の溝幅は、深さ方向において底部に向かうに従い小さくなることを特徴とする項目１記載の装置。
項目２の装置によれば、本構成を有しない場合と比較して、第１収容体溝および第２収容体溝にて生じる毛細管力を増加させることができる。
[項目３]　第１収容体溝および第２収容体溝は、収容体の内面において格子状に形成されていることを特徴とする項目１または２記載の装置。
項目３の装置によれば、本構成を有しない場合と比較して、収容体の内面に沿って流体の作動流体を広げることができる。
[項目４]　収容体は、内面における一の蒸発体溝と対向する領域において、第１収容体溝および第２収容体溝の各々を複数有することを特徴とする項目１乃至３のいずれか１項記載の装置。
項目４の装置によれば、熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
[項目５]　蒸発体溝の溝幅は、０．１ｍｍ～３．０ｍｍであることを特徴とする項目１乃至４のいずれか１項記載の装置。
項目５の装置によれば、熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
　[項目６]　第１収容体溝および第２収容体溝の溝幅は、１μｍ～１００μｍであることを特徴とする項目１乃至５のいずれか１項記載の装置。
項目６の装置によれば、熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
　[項目７]　発熱体と、発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器とを備える装置において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面における蒸発体溝と対向する領域に、液相の作動流体の毛細管力により液相の作動流体を内面に沿って案内する案内機構を有することを特徴とする装置。
項目７記載の装置によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
　[項目８]　発熱体と、発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器とを備える装置において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面における蒸発体溝と対向する領域に、蒸発体溝と交差する方向に延び、溝幅が１μｍ～１００μｍである複数の収容体溝を有することを特徴とする装置。
項目８の装置によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
　[項目９]　蒸発体溝は、収容体溝と比較して溝幅が４倍以上であることを特徴とする項目１乃至８のいずれか１項記載の装置。
項目９記載の装置によれば、熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
　[項目１０]　発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面における蒸発体溝と対向する領域に、蒸発体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、第１収容体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝を有することを特徴とする熱交換器。
項目１０記載の熱交換器によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた熱交換器を提供することができる。
　[項目１１]　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を外面に複数有する蒸発体を収容し、かつ蒸発体の外面を支持する内面と、内面における蒸発体溝と対向する領域に形成され、蒸発体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、内面における蒸発体溝と対向する領域に形成され、第１収容体溝と交差する方向に延び蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝とを有することを特徴とする蒸発体収容器。
項目１１の蒸発体収容器によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた蒸発体収容器を提供することができる。
　[項目１２]　発熱体と、発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として蒸発器に環流させる熱交換器とを備える装置において、蒸発器は、内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有する蒸発体と、蒸発体を収容するとともに、蒸発体の外面を支持する内面を備える収容体とを有し、収容体は、内面に設けられ蒸発した作動流体を案内する複数の蒸発体溝を有するとともに、蒸発体溝に設けられ液相の作動流体の毛細管力により液相の作動流体を案内する収容体溝を有することを特徴とする装置。
　項目１２記載の装置によれば、本構成を有しない場合と比較して、大型化を抑制しながら熱交換率を向上させた装置を提供することができる。
　以下、添付図面を参照して、本実施の形態について詳細に説明する。
＜ループ型ヒートパイプ１００の構成＞
　まず、図１を参照して、本実施の形態が適用されるループ型ヒートパイプ１００の構成を説明する。ここで、図１は、本実施の形態に係るループ型ヒートパイプ１００を示す概略構成図である。
　本実施の形態が適用されるループ型ヒートパイプ１００は、例えば電子機器等の筺体の内部に備えられる、例えばコンピュータのＣＰＵなどの発熱体２００を、外部から動力を供給することなく冷却するため、環状の装置内で作動流体を循環させるよう構成されている。
　詳細に説明すると、冷却素子の一例であるループ型ヒートパイプ１００は、作動流体が気化する際の潜熱を利用して発熱体２００を冷却するため作動流体を蒸発させる蒸発器１０１と、この蒸発器１０１で気化された作動流体を放熱して液化する凝縮器（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）１０７とを有する。また、ループ型ヒートパイプ１００は、蒸発器１０１で気化された作動流体を凝縮器１０７まで送る蒸気管（Ｖａｐｏｒ Ｌｉｎｅ）１０５と、凝縮器１０７で液化された作動流体を蒸発器１０１まで送る液管（Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｉｎｅ）１０９とを備えている。そして、本開示のループ型ヒートパイプ１００内には液相および気相の間で相変化する作動流体が充填されている。なお、作動流体は、例えば、水、アルコール、アンモニア等が用いられる。
＜ループ型ヒートパイプ１００の動作＞
　次に、図１を参照して、ループ型ヒートパイプ１００内の動作を説明する。
　発熱体２００において発生する熱は、蒸発器１０１に伝達される（矢印Ｃ１参照）。蒸発器１０１において熱を吸収した作動流体は気化し、蒸気管１０５を通って（矢印Ａ１参照）凝縮器１０７へ送られる（矢印Ａ２参照）。凝縮器１０７へ送られた作動流体は、熱を放出して（矢印Ｃ２参照）液化する。そして、液化した作動流体は、液管１０９を通って（矢印Ａ３参照）再び蒸発器１０１へと送られる（矢印Ａ４参照）。
＜蒸発器１０１の構成＞
　図２（ａ）は、本実施の形態に係る蒸発器１０１の軸方向における断面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ－ＩＩｂ面で切断した断面図である。
　次に、図１及び図２を参照して、本実施の形態が適用される蒸発器１０１の構成を説明する。
　図２（ａ）に示すように、蒸発器１０１は、電子機器（図示せず）の内部に備えられ、発熱体２００からの熱を伝達するよう設けられる蒸発器本体１１０と、この蒸発器本体１１０と接続され内部に液相および気相の作動流体を収容する液溜め部１２０とを有する。また、蒸発器１０１は、蒸発器本体１１０の内部に挿入されるウィック１３０と、一端がウィック１３０の内部に配置されるとともに他端が液管１０９と接続されウィック１３０内に液相の作動流体を導入する導入管（ベイオネット管）１５０とを有する。
　収容体の一例である蒸発器本体１１０は、中空管状の金属からなり、一端が蒸気管１０５（図１参照）と接続され他端が液溜め部１２０と接続される。
　液溜め部１２０は、蒸発器本体１１０と内部が連続するように設けられた中空管状の部材を有する。なお、図示の例においては、液溜め部１２０には、液管１０９を挿入する挿入口１２９が設けられている。
　蒸発体の一例であるウィック１３０は、多孔質金属（ポーラスメタル）からなる部材である。ウィック１３０は、作動流体に毛細管力を発生させ、結果として作動流体を移動させる。
　また、ウィック１３０は、一端が閉塞されているとともに、他端が開放されている中空管状の部材である。ウィック１３０は、蒸発器本体１１０の内周面（内面）１１１に接触して設けられる。図示の例におけるウィック１３０は円筒状の部材であるが、その形状は板状（直方体）等他の形状であってもよい。
　なお、蒸発器１０１を組み立てる際には、例えば蒸発器本体１１０と液溜め部１２０とを接続する前に、ウィック１３０が蒸発器本体１１０の内部に挿入される。
　ウィック１３０は、細孔径が５０ｎｍよりも大きい所謂マクロ孔を有する。具体的には、ウィック１３０の実効細孔径（あるいは平均細孔径）は、例えば０．１～２５μｍである。なお、この平均細孔径は、バブルポイント法により測定されたものであるが、他の測定方法により測定されたものであってもよい。ウィック１３０は、多孔質金属に限定されるものではなく、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂多孔質、セラミック多孔質、ガラス多孔質、多孔質繊維などから形成されてもよい。また、ウィック１３０の空孔率は、２５％～７０％である。さらに、ウィック１３０として、熱伝導率が低い材質を用いると、蒸発器本体１１０から液溜め部１２０への熱リークを低減することができる。なお、熱リークをより低減したい場合、一般的には、熱伝導率が金属よりも低い非金属を用いることが好ましい。
　ここで、ウィック１３０の外径について説明をする。ウィック１３０の外径は、例えば３ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり、好ましくは、４ｍｍ～８０ｍｍの範囲であり、より好ましくは６ｍｍ～６０ｍｍの範囲である。
　導入管１５０は、ウィック１３０内に設けられる中空管状の部材である。図２（ｂ）に示す例においては、蒸発器本体１１０と、ウィック１３０と、導入管１５０とは同軸に設けられている。
＜蒸発器１０１の動作＞
　次に、図２を参照しながら蒸発器１０１内の動作について説明する。
　まず、液管１０９によって蒸発器１０１へと送られた液相の作動流体は、導入管１５０を介して蒸発器本体１１０内へと流入する（矢印Ｂ１参照）。
　蒸発器本体１１０内へ流入した作動流体は、蒸発器本体１１０内でウィック１３０に浸透する。また、蒸発器本体１１０内へと流入した作動流体の一部は、液溜め部１２０に供給され（矢印Ｂ３参照）、液溜め部１２０内に保留される。
　ウィック１３０に浸透した作動流体は、ウィック１３０の毛細管力により、外周面に向けて移動する（矢印Ｂ２参照）とともに、発熱体２００の熱により加熱され気化する。この気化した作動流体は、蒸発器本体１１０とウィック１３０との間隙（後述）を通過しながら、蒸気管１０５側へと移動する（矢印Ｂ４参照）。また、蒸発器本体１１０内の作動流体がウィック１３０に浸透することにともない、液溜め部１２０内の作動流体は蒸発器本体１１０へと供給される。
　ここで、ウィック１３０の外周面（外面）１３１では、気化された作動流体が蒸気管１０５側へと移動することにともない、ウィック１３０に浸透した液相の作動流体がウィック１３０の外周面１３１に向けて移動する。そして、この液相の作動流体は、気化し蒸気管１０５へと移動する。このようにして、ウィック１３０の外周面１３１において作動流体の流れが途切れることなく、上記のサイクルが繰り返される。そして、発熱体２００において発生した熱が、上述のように蒸発器１０１から凝縮器１０７（図１参照）へ輸送される。
＜蒸発器本体１１０およびウィック１３０＞
　図３（ａ）は図２（ｂ）のＩＩＩａ内の拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩｂ内の拡大図である。
　次に、図２および図３を参照して、本実施の形態が適用される蒸発器本体１１０およびウィック１３０について詳細に説明する。
　まず、図３（ａ）に示すように、蒸発器本体１１０は、ウィック１３０と接触する内周面１１１を有する。また、ウィック１３０は、蒸発器本体１１０と接触する外周面１３１を有する。言い替えると、ウィック１３０の外周面１３１は、蒸発器本体１１０の内周面１１１によって支持されている。
　また、ウィック１３０は、外周面１３１に蒸気溝１３３を有する。この蒸気溝１３３は、蒸発器本体１１０あるいはウィック１３０の軸方向に延びる。言い替えると、蒸気溝１３３は、蒸気管１０５を通って流出する気相の作動流体の流出する方向（矢印Ａ１参照）、あるいは導入管１５０を通って流入する液相の作動流体の流入する方向（矢印Ｂ１参照）に沿って形成されている。
　ここで、図２（ｂ）に示すように、図示の蒸気溝１３３は、蒸発体溝の一例であり、ウィック１３０の外周面１３１に複数設けられている。さらに説明をすると、蒸気溝１３３は、ウィック１３０の周方向において、所定の間隔で複数設けられている。また、ウィック１３０に蒸気溝１３３が設けられることにより、蒸発器本体１１０の内周面１１１には、ウィック１３０と接触する領域である接触領域１１９（図３（ａ）参照）と、蒸気溝１３３と対向しウィック１３０から離間する領域である対向領域１１７（図３（ａ）参照）とが形成される。この接触領域１１９と対向領域１１７とは、蒸発器本体１１０の周方向において、交互に配置される。
　また、図３（ａ）に示すように、蒸気溝１３３は、各々断面が略長方形である。さらに説明をすると、蒸気溝１３３は、ウィック１３０の径方向に沿う面である側面１３５と、ウィック１３０の周方向に沿う面である底面１３７とにより形成される。
　ここで、蒸気溝１３３の開口部は、蒸発器本体１１０の内周面１１１によって覆われる。そして、蒸気溝１３３の内部空間、すなわち蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の側面１３５と、ウィック１３０の底面１３７とによって囲まれた（形成された）空間は、後述するように気化した作動流体の流路として機能する。
　また、本実施の形態において、蒸発器本体１１０は、内周面１１１に案内溝１１５を有する。詳細は後述するが、案内溝１１５が液相の作動流体の流路として機能することで、蒸発器本体１１０の内周面１１１に沿う作動流体の流れが促進され得る。
　次に、作動流体の流れについて説明をする。毛細管力によりウィック１３０の内部から外周面１３１に向けて移動した作動流体は、加熱され気化するとともに、蒸発器本体１１０とウィック１３０との間に形成された蒸気溝１３３に流出する。そして、作動流体は、蒸気溝１３３に沿って移動し、蒸気管１０５（図１参照）側へと抜ける。
　ここで、ループ型ヒートパイプ１００が動作している際、図３（ｂ）に示すように、蒸気溝１３３の内部であって、蒸発器本体１１０の内周面１１１とウィック１３０（蒸気溝１３３）の側面１３５とが交差する部分である隅部Ｃｎに液相の作動流体Ｌｑが滲み出る、すなわち進出することがある。この隅部Ｃｎに進出した液相の作動流体Ｌｑは、蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の側面１３５との間をつなぐ面を形成する。また、この内周面１１１と側面１３５との間をつなぐ面は、液相の作動流体Ｌｑの表面張力の作用により湾曲する。ここで、液相の作動流体Ｌｑの湾曲した面（界面）は、蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の側面１３５と、蒸気溝１３３との共通の境界において形成される、液相の作動流体Ｌｑの架橋（液架橋Ｌｑ１）として捉えることができる。
　また、図３（ｂ）に示すように、蒸発器本体１１０の内周面１１１において、作動流体の気液界面が形成される。同様に、ウィック１３０の側面１３５において、作動流体の気液界面が形成される。このように、固相の内周面１１１（またはウィック１３０の側面１３５）、液相の作動流体Ｌｑ、および気相の作動流体の３つの相の境界線を、三相界線Ｂｄと呼ぶことがある。なお、この三相界線Ｂｄの長さが長いほど、より蒸発面積が増大し、蒸発器本体１１０の熱伝達性能が向上する。
＜案内溝１１５＞
　図４（ａ）は図３（ａ）のＩＶａ－ＩＶａ面における断面図であり、図４（ｂ）は蒸発器本体１１０の内周面１１１の斜視図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＩＶｃ－ＩＶｃ面における断面図であり、図４（ｄ）は図４（ａ）のＩＶｄ内の拡大図である。
　次に、図３および図４を参照して、案内溝１１５の詳細構成について説明する。
　まず、図４（ａ）に示すように、蒸発器本体１１０は、内周面１１１全体に格子状に形成された案内溝１１５を有する。案内溝１１５は、蒸気溝１３３と直交する方向に延びる第１案内溝１１５Ａと、蒸気溝１３３に沿う方向に延びる第２案内溝１１５Ｂとを有する。すなわち、案内溝１１５は、各々異なる方向に延び互いに交差する第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂを有する。図示の例においては、第１案内溝１１５Ａは、ウィック１３０の周方向に延びる。また、第２案内溝１１５Ｂは、ウィック１３０の軸方向に延びる。付言すると、第１案内溝１１５Ａは、接触領域１１９から対向領域１１７に向けて延びる。すなわち、第１案内溝１１５Ａは、接触領域１１９および対向領域１１７に跨って形成される。なお、第１案内溝１１５Ａは第１収容体溝の一例である。また、第２案内溝１１５Ｂは第２収容体溝の一例である。
　ここで、案内溝１１５は蒸気溝１３３よりも小さな寸法で形成されている。そして、図４（ａ）に示すように、一つの蒸気溝１３３と対向する一つの対向領域１１７において、第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂの各々が複数形成されている。言い替えると、一つの対向領域１１７において、第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂの交点が複数形成される。
　図４（ｂ）に示すように、案内溝１１５は、蒸発器本体１１０の内周面１１１において楔型溝を十字方向に加工して形成される。この案内溝１１５は、例えば切削加工、レーザ加工、エッチング加工など周知の技術により形成される。また、蒸発器本体１１０を３Ｄプリンタにより製造することにともない、内周面１１１に案内溝１１５を形成してもよい。
　次に、図４（ｃ）を参照しながら、案内溝１１５の構成を詳細に説明する。まず、図示の例における案内溝１１５、すなわち第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂの断面形状は、略Ｖ字状である。言い替えると、案内溝１１５の深さ方向において底面側に近づくにつれ、溝幅が小さくなる構成である。また、案内溝１１５は、マイクロオーダーのサイズで形成される。具体的に説明をすると、案内溝１１５の溝幅Ｇ１は、１μｍ～１００μｍであり、１０μｍ～５０μｍであることが好ましく、図示の例においては２０μｍ～３０μｍの範囲で形成される。また、案内溝１１５の深さＧ２は、１０μｍ以上であることが好ましく、図示の例においては２０μｍ～３０μｍの範囲で形成される。また、案内溝１１５の溝同士の間隔であるピッチＧ３は、２０μｍ～１００μｍであることが好ましく、図示の例においては５０～６０μmの範囲であり、平均値５７μｍで形成される。
　なお、上記では説明を省略したが、蒸気溝１３３の溝幅は０．１ｍｍ～３．０ｍｍである。一方で、上述のように案内溝１１５の溝幅Ｇ１は１μｍ～１００μｍである。したがって、蒸気溝１３３は、案内溝１１５と比較して、１０～３０００倍の溝幅を有する。また、三相界線Ｂｄの長さをできる限り伸ばすという観点からは、ピッチＧ３がより小さい、すなわちピッチＧ３が０μｍに近づくほど望ましい。しかしながら、後述する図５におけるモード（Ｃ）のように、接触熱抵抗が支配的になる状況においては、ピッチＧ３が小さいと蒸発器本体１１０およびウィック１３０の実接触面積が小さくなり、動作温度が非常に高くなる。このような温度上昇を回避するため、上述のようにピッチＧ３は２０μｍ～１００μｍとすることが好ましい。
　ここで、案内溝１１５の溝幅Ｇ１は、１μｍより小さいと溝内の流動抵抗が大きくなり、作動流体の搬送効果を得にくくなる。また、案内溝１１５の溝幅Ｇ１は、１００μｍより大きいと得られる毛細管力が小さくなるため、作動流体の搬送効果を得にくくなる。
　また、案内溝１１５の深さＧ２は１０μｍより小さいと、溝内の流動抵抗が大きくなり、作動流体の搬送効果を得にくくなる。なお、案内溝１１５の深さＧ２が大きいほど、溝内の流動抵抗を低減できる。一方で、例えば切削加工により案内溝１１５を形成する場合などには、案内溝１１５の深さＧ２が大きいほど加工時間が長くなることがある。そこで、例えば案内溝１１５の深さＧ２を５０μｍ以下とすることができる。
　また、蒸気溝１３３の溝幅が小さいほど、熱伝達係数および最大熱流束が増加する。一方で、蒸気溝１３３の溝幅が小さいと、気相の作動流体が受ける抵抗が増加する。また、溝幅が小さな蒸気溝１３３を形成すると、製造コストが増加する。そこで、蒸気溝１３３の溝幅は、例えば０．１ｍｍ～３．０ｍｍの範囲が好ましい。
　上記のように形成された案内溝１１５は、案内溝１１５の内部に進入した液相の作動流体の毛細管力を用いて、内周面１１１全体に作動流体を搬送する。いわば、案内溝１１５は、毛細管構造として機能する。
　さらに説明をすると、図３（ａ）に示すように、ウィック１３０に浸透する液相の作動流体は、ウィック１３０の毛細管力により外周面１３１に向けて移動する（矢印Ｂ２参照）。そして、ウィック１３０の外周面１３１と蒸発器本体１１０の内周面１１１の界面に到達した作動流体は、案内溝１１５を介して蒸発器本体１１０の内周面１１１に沿って移動する（矢印Ｂ５参照）。
　詳細に説明をすると、図４（ｄ）に示すように、接触領域１１９に存在する液相の作動流体は、毛細管現象により第１案内溝１１５Ａ内を移動することで、接触領域１１９から対向領域１１７に向かう（図中矢印Ｂ５１）。また、第１案内溝１１５Ａ内を移動する作動流体の一部は、第１案内溝１１５Ａから第２案内溝１１５Ｂに向けて分岐し、第２案内溝１１５Ｂに沿って移動する（図中矢印Ｂ５２）。このように、対向領域１１７において、互いに異なる向きに延びる第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂに沿って液相の作動流体が移動することにともない、液相の作動流体が対向領域１１７の全域に広がるように移動する。そして、液相の作動流体が広がると、作動流体の蒸発面積が増加する。このように、案内溝１１５は、液相の作動流体の毛細管力により液相の作動流体を蒸発器本体１１０の内周面１１１に沿って案内する案内機構として機能する。
　さて、第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂの溝幅は小さいほど、各々の内部に存在する液相の作動流体の毛細管力が増加する。また、第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂは、上述のように断面略Ｖ字状であり、深さ方向において溝底側に近づくほど溝幅が小さくなる。さらに、第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂは、各々の最も深い部分が交わり交点Ｃｐを形成する。すなわち、この交点Ｃｐにおける第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂ各々の溝幅は小さい。このように各々の溝幅が小さい交点Ｃｐを介して第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂが連続することで、交点Ｃｐにおける液相の作動流体の毛細管力が確保され、結果として第１案内溝１１５Ａから第２案内溝１１５Ｂに分岐する流れが促進され得る。
＜ウィック１３０の動作モード＞
　図５は、熱流束と熱伝達係数の関係を示す図である。なお、図５において、横軸は熱流束（Ｗ／ｃｍ２）を示し、縦軸は熱伝達係数（Ｗ／ｍ２／Ｋ）を示す。また、図５は、細孔半径が１．０μｍであり、空隙率が５７％のステンレス鋼の試料を用いた実験結果である。
　図６（ａ）は図５の領域（Ａ）における液相の作動流体Ｌｑの状態を示す図であり、図６（ｂ）は図５の領域（Ｂ）における液相の作動流体Ｌｑの状態を示す図であり、図６（ｃ）は図５の領域（Ｃ）における液相の作動流体Ｌｑの状態を示す図である。
　次に、図５および図６を参照しながら、熱流束の変化に伴うウィック１３０の動作モードの変化について説明をする。
　まず、図５に示すように、ウィック１３０は、熱流束の変化に応じて、熱伝達係数が変化する。図４に示す例において、熱流束が低い領域から高い領域を、順に領域（Ａ）、領域（Ｂ）、領域（Ｃ）とすると、熱流束が高い領域（Ｃ）と比較して、領域（Ａ）および領域（Ｂ）における熱伝達係数が高い。また、領域（Ａ）と比較して、領域（Ｂ）における熱伝達係数がより高い。言い替えると、熱伝達係数は、領域（Ｂ）において最も高くなる。
　上記のような熱伝達係数の変化は、ウィック１３０の動作モードが変化することにより生じるものと考えられる。以下、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、図５の領域（Ａ）～（Ｃ）の各々におけるウィック１３０の動作モードを、液相の作動流体Ｌｑの状態に着目しながら説明をする。
　まず、図５における領域（Ａ）の動作モードである第１動作モードについて説明をする。図６（ａ）に示すように、第１動作モードでは、蒸気溝１３３に進出した液相の作動流体Ｌｑによって液架橋Ｌｑ１が形成される。そして、この液架橋Ｌｑ１の界面を介して液相の作動流体Ｌｑが蒸発する（矢印Ｄ１参照）。ここで、上記のように図５における領域（Ａ）は、領域（Ｃ）と比較して熱伝達係数が高い。これは、上記液架橋Ｌｑ１が形成されることにより、液相の作動流体Ｌｑの蒸発面が増加するためと考えられる。また、熱抵抗の小さな液膜（蒸気溝１３３に進出した液相の作動流体Ｌｑ）を介して熱輸送が行われるためと考えることもできる。
　次に、図５における領域（Ｂ）の動作モードである第２動作モードについて説明をする。図６（ｂ）に示すように、第２動作モードでは、液相の作動流体Ｌｑによって液架橋Ｌｑ１が形成される。なお、この液架橋Ｌｑ１は、図６（ａ）に示す液架橋Ｌｑ１と比較して、小さい（短い）。また、図６（ｂ）に示す状態においては、蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の外周面１３１との界面において、核沸騰が生じる。さらに説明をすると、蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の外周面１３１との接触面において、気相の作動流体Ｇｓが気泡として周期的に発生する。このとき、図６（ｂ）に示すように、蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の外周面１３１との接触面には、発生した気相の作動流体Ｇｓが存在する領域と、液相の作動流体Ｌｑが存在する領域とが形成される。
　ここで、上記のように気相の作動流体Ｇｓが発生することにより、気相の作動流体Ｇｓと、蒸発器本体１１０の内周面１１１と、ウィック１３０の外周面１３１との共通の境界において、液相の作動流体Ｌｑの架橋である接触面液架橋Ｌｑ２が形成される。このように、液架橋Ｌｑ１とともに接触面液架橋Ｌｑ２が形成されることにより、液架橋Ｌｑ１および接触面液架橋Ｌｑ２の両者を介して液相の作動流体Ｌｑが蒸発する（矢印Ｄ１、Ｄ２参照）。
　すなわち、図６（ｂ）に示す状態においては、図６（ａ）に示す状態と比較して液相の作動流体Ｌｑの蒸発面が増加する。言い替えると、図６（ｂ）に示す状態の液架橋Ｌｑ１および接触面液架橋Ｌｑ２の総数が、図６（ａ）に示す状態の液架橋Ｌｑ１の数よりも多く、結果としてより大きな液相の作動流体Ｌｑの蒸発面が形成された状態となる。
　次に、図５における領域（Ｃ）の動作モードである第３動作モードについて説明をする。図６（ｃ）に示すように、第３動作モードでは、液相の作動流体Ｌｑによって液架橋Ｌｑ１が消失する。また、ウィック１３０の外周面１３１は、気相の作動流体Ｇｓが存在する領域に覆われ、ウィック１３０の内部（図中下側）から移動してくる液相の作動流体Ｌｑが蒸発器本体１１０の内周面１１１に到達しない状態となる。すなわち、液相の作動流体Ｌｑが、蒸発器本体１１０の内周面１１１から離間した位置で蒸発する（矢印Ｄ３参照）。このように、ウィック１３０の内部で液相の作動流体Ｌｑが蒸発することにより、蒸発器本体１１０の熱が液相の作動流体Ｌｑへ直接伝達されなくなり、結果として熱伝達係数が低下すると考えられる。
　さて、ループ型ヒートパイプ１００を設計する際に、上記のように図６（ａ）および（ｂ）に示す状態、すなわち液架橋Ｌｑ１が形成されるようにウィック１３０を構成すると、熱伝達係数を高め得る。付言すると、例えばコンピュータのＣＰＵなどの発熱体２００が最も熱を発生させる状態において、液架橋Ｌｑ１が形成されるようにウィック１３０を設計してもよい。言い替えると、発熱体２００からの熱を受けるウィック１３０が、第３動作モードとならずに、第１動作モードあるいは第２動作モードで動作するように設計してもよい。さらに言い替えると、図５における領域（Ｂ）と領域（Ｃ）とが切り替わる熱流束Ｈｍよりも低い範囲の熱流束で動作するように、ウィック１３０を設計してもよい。なお、熱流束Ｈｍは、ウィック１３０に伝えられる熱流束を変化させた際に、熱伝達係数が最も大きくなる点として捉えることができる。
　なお、ここでは説明の都合上、第１動作モード乃至第３動作モードを各々独立して動作するモードとして説明をした。しかしながら、各動作モードは必ずしも明確に切り替わるものではなく、第１動作モード乃至第３動作モードのうちの複数が同時に動作する態様であってもよい。
＜案内溝１１５の動作モード＞
　図７（ａ）は図５の領域（Ａ）における案内溝１１５周辺の液相の作動流体Ｌｑの状態を示す図であり、図７（ｂ）は図５の領域（Ｂ）における案内溝１１５周辺の液相の作動流体Ｌｑの状態を示す図である。
　次に、図５および図７を参照しながら、熱流束の変化に伴う案内溝１１５周辺の液相の作動流体Ｌｑの状態の変化について説明をする。
　まず、図５における領域（Ａ）の動作モードである第１動作モードについて説明をする。図７（ａ）に示すように、第１動作モード、すなわち低熱流束条件では、蒸発器本体１１０の内周面１１１と作動流体との接触角が０°となる。これは、内周面１１１に凹凸構造の一例である案内溝１１５が形成され、濡れ性が向上するためである。このため、蒸発器本体１１０の内周面１１１全面に、液相の作動流体の層、すなわち液膜が形成される。そして形成された液膜の表面で蒸発が生じる。
　次に、図７（ａ）に示す状態から、熱流束が増加すると、液相の作動流体を保持するために、気液界面である接触面液架橋Ｌｑ３が案内溝１１５内部で徐々に形成されていく。そして、さらに熱流束が増加すると、図７（ｂ）に示すように、全ての案内溝１１５内部で三相界線Ｂｄが形成される（図中破線円内参照）。図示の例においては、案内溝１１５の開口側、言い替えると案内溝１１５の溝端部で三相界線Ｂｄが形成される。この三相界線Ｂｄが形成されることにより、案内溝１１５を備えない場合と比較して、例えば１０～１００倍の長さの三相界線Ｂｄが得られる。その結果、この領域で発生する薄液膜蒸発により、熱伝達性能が向上すると考えられる。
＜実験結果＞
　図８は実験条件を説明するための図である。
　図９は測定に用いたウィック２３０の概略構成を示す図である。
　図１０は測定試料の熱伝達係数を示す図である。なお、図１０において、横軸は熱流束（Ｗ／ｃｍ２）を示し、縦軸は熱伝達係数（Ｗ／ｍ２／Ｋ）を示す。
　次に、図８乃至図１０を参照しながら、案内溝１１５を形成することにともなう熱伝達性能の変化を確認する実験について説明をする。この実験においては、比較対象として案内溝１１５が形成されない蒸発器本体１１０をモデルとした平板と、上記実施の形態のように案内溝１１５が形成された蒸発器本体１１０をモデルとした溝加工板との熱伝達性能を評価した。
　図８に示すように、平板および溝加工板は、ともにステンレス鋼板、より具体的には１５ｍｍ×１０ｍｍのＳＵＳ３０４を用いた。また、平板においてはステンレス鋼板に溝加工を施さず、溝加工板においてはステンレス鋼板に溝加工を施した。さらに説明をすると、溝加工板においては、溝幅Ｇ１が２０μｍ～３０μｍの範囲であり、深さＧ２が約５０μｍ、ピッチＧ３が５０～６０μmの範囲となるように案内溝１１５を形成した。また、案内溝１１５の断面形状は、略Ｖ字状である。
　まず、上記の平板および溝加工板に対して、作動流体としてエタノールを用いながら接触角を測定した。図８に示すように、平板および溝加工板の各々の板面にエタノールを滴下すると、平板の接触角は８．２±１．３°となり、溝加工板の接触角は０°となった。このことから、案内溝１１５を形成することにより、作動流体と板面との濡れ性の理論限界である０°が得られたことが確認された。
　次に、平板および溝加工板を測定試料として、熱伝達係数を測定した結果を説明する。なお、この測定においては、図９に示すように、上記ウィック１３０をモデルとした平板状のウィック２３０を用いた。この平板状のウィック２３０は、ステンレス鋼により形成され、熱伝導率が１６．３Ｗ／ｍ　Ｋ、細孔半径（平均細孔半径）が４．４μｍである。ウィック２３０には、蒸気溝１３３をモデルとした蒸気溝２３３が形成されている。ウィック２３０の幅Ｌ１は１５ｍｍであり、長さＬ２は１０ｍｍ、高さＬ３は５ｍｍである。そして、ウィック２３０の上面に平板または溝加工板からの熱が伝達され（矢印Ｃ１参照）、ウィック２３０の下面に液相の作動流体（矢印Ｂ２参照）が供給される。また、ウィック２３０の上面と平板または溝加工板との接触面積は７５ｍｍ２である。また、蒸気溝２３３の溝幅が１．０ｍｍである。また、蒸気溝２３３同士の間隔（フィン幅、図９の長さＷ２参照）は１．０ｍｍ、蒸気溝２３３の溝深さ（図９の長さＷ３参照）は１．０ｍｍ、蒸気溝２３３の本数は７本である。
　さて、図１０に示すように、測定された熱伝達係数が測定試料ごとに異なることが確認された。具体的には、溝加工板は、平板と比較して、熱伝達係数が大きくなることが確認された。さらに説明をすると、熱流束が高い領域(例えば、１０．０～１５．０Ｗ／ｃｍ２)において、溝加工板は、平板と比較して最大約２０倍、熱伝達性能が向上することが明らかとなった。付言すると、この測定結果から、案内溝１１５を蒸発器１０１（図１参照）に設けることで蒸発器１０１の性能向上が期待される。
＜変形例＞
　図１１および図１２は、変形例を説明するための図である。なお、図１１（ａ）乃至（ｃ）の各々は上記実施の形態を示す図４（ａ）に対応する図である。また、図１２（ａ）乃至（ｃ）の各々は上記実施の形態を示す図３（ａ）に対応する図である。
　次に、図３（ａ）、図４（ａ）、図１１および図１２を参照しながら、上記実施の形態の変形例について説明をする。
　上記の説明においては、図４（ａ）に示すように、案内溝１１５が互いに直交する第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂを有することを説明したが、液相の作動流体の毛細管力を用いながら、蒸発器本体１１０の内周面１１１に沿って液相の作動流体を案内することができれば、これに限定されない。
　例えば、図１１（ａ）に示す蒸発器本体２１０のように、一方向に延びる案内溝２１５のみを有する構成であってもよい。図示の案内溝２１５は、蒸気溝１３３と直交する方向に延びる。
　また、図１１（ｂ）に示す蒸発器本体３１０のように、案内溝３１５が互いに直交以外の角度で交差する第１案内溝３１５Ａおよび第２案内溝３１５Ｂを有する構成であってもよい。図示の第１案内溝３１５Ａおよび第２案内溝３１５Ｂは、各々蒸気溝１３３と直交以外の角度で交差する方向に延びる。
　また、上記の説明においては、図４（ａ）に示すように、案内溝１１５の第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂが、各々の方向において連続して形成される溝であることを説明したが、液相の作動流体の毛細管力を用いながら、蒸発器本体１１０の内周面１１１に沿って液相の作動流体を案内することができれば、これに限定されない。
　例えば、図１１（ｃ）に示す蒸発器本体４１０のように、案内溝４１５の第１案内溝４１５Ａおよび第２案内溝４１５Ｂが、各々の方向において不連続に形成される溝であってもよい。図示の例においては、第１案内溝４１５Ａが蒸気溝１３３と直交する方向において不連続で形成され、第２案内溝４１５Ｂが蒸気溝１３３に沿う方向において不連続で形成される。さらに説明をすると、図示の案内溝４１５は、各々十字状に形成された溝として捉えることができる。また、十字状の各溝は、接触領域１１９および対向領域１１７に跨って形成される。
　また、上記の説明においては、図３（ａ）に示すように、案内溝１１５が蒸発器本体１１０の内周面１１１全体に形成されることを説明したが、これに限定されない。
　例えば、図１２（ａ）に示す蒸発器本体５１０のように、内周面５１１の一部に案内溝５１５が形成されてもよい。言い替えると、内周面５１１の一部に案内溝５１５が形成されなくてもよい。図示の例においては、内周面５１１における対向領域１１７には案内溝５１５が形成され、接触領域１１９には案内溝５１５が形成されない。
　また、上記の説明においては、図３（ａ）に示すように、案内溝１１５が断面略Ｖ字状に形成されることを説明したが、液相の作動流体の毛細管力を用いながら、蒸発器本体１１０の内周面１１１に沿って液相の作動流体を案内することができれば、これに限定されない。
　例えば、図１２（ｂ）に示す蒸発器本体６１０のように、断面略Ｕ字状に案内溝６１５が形成されてもよい。また、図示の例とは異なり、断面略コの字状、すなわち矩形状の案内溝でもよい。また、深さ方向において底面側に近づくにつれ溝幅が小さくなり、かつ底面が平面の案内溝でもよい。さらに、案内溝を形成する面は、平面に限らず、湾曲面であってもよいし、凹凸を有する面であってもよい。
　また、上記の説明においては、図３（ａ）に示すように、ウィック１３０が蒸気溝１３３を有し、蒸発器本体１１０が案内溝１１５を有することを説明したが、これに限定されない。
　例えば、図１２（ｃ）に示すように、ウィック７３０に蒸気溝７３３は形成されず、蒸発器本体７１０の内周面７１１に蒸気溝７３３および案内溝７１５の両者を有する構成であってもよい。図示の案内溝７１５は、蒸気溝７３３の側面７３３Ａおよび底面７３３Ｂにも互いに連続して形成されている。このことにより、蒸気溝７３３の側面７３３Ａおよび底面７３３Ｂに沿って、液相の作動流体を移動させることができる。
　なお、図１２（ａ）乃至（ｃ）においては、案内溝５１５、６１５、７１５として、紙面と交差する向きに延びる溝のみを示しているが、紙面に沿う向きに延びる溝も形成される。すなわち、案内溝５１５、６１５、７１５は、各々蒸気溝１３３と直交する方向に延びる第１案内溝と、蒸気溝１３３に沿う方向に延びる第２案内溝とを有する。また、案内溝５１５、６１５、７１５は、各々蒸気溝１３３と直交する方向に延びる第１案内溝および、蒸気溝１３３に沿う方向に延びる第２案内溝のいずれか一方により構成されてもよい。
　さらに、図示は省略するが、案内溝１１５の第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂは、互いに異なる形状で形成されてもよい。例えば、案内溝１１５の第１案内溝１１５Ａおよび第２案内溝１１５Ｂは、互いに異なる溝幅、溝深さ、溝間隔などで形成されてもよい。また、案内溝１１５は、蒸発器本体１１０の内周面１１１などに凹凸構造を形成するものであれば、溝構造に限定されるものではない。例えば、内周面１１１に不規則に形成された凹部を複数有する構成でもよい。この不規則な凹部は、例えばサンドブラストなど、周知の技術により形成することができる。また、内周面１１１に凹部ではなく、凸部を複数有することにより、凸部同士の間隙で毛細管力を発生させる構成であってもよい。
＜電子機器＞
　図１３は、ループ型ヒートパイプ１００を備える携帯電話８００を説明する図である。
　次に、図１３を参照しながら、ループ型ヒートパイプ１００を備える携帯電話８００について説明をする。
　図１３に示すように、ループ型ヒートパイプ１００は、携帯電話８００などの電子機器に設けられる。図示の携帯電話８００は、平板状の形状を有する所謂スマートフォンである。この携帯電話８００は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）８０１と、中央演算処理装置８０１を冷却するループ型ヒートパイプ１００と、これらを内部に収容する筺体８０３とを備える。そして、発熱体の一例である中央演算処理装置８０１において発生する熱が、蒸発器１０１に伝達されるとともに、凝縮器１０７にて放出される。なお、図示の例における凝縮器１０７は、放熱面積を確保するため、複数の折り返し部を有する。
　ここで、熱交換器の一例であるループ型ヒートパイプ１００が設けられる装置は、上記の携帯電話８００に限定されない。例えば、ループ型ヒートパイプ１００は、パーソナルコンピュータやプロジェクタなどの電子機器、自動車などの輸送機器など発熱源となる部品を備えた種々の装置に設けられてもよい。
　また、ウィック１３０は、上述のように板状の部材として構成してもよい。ここで、ウィック１３０および蒸発器１０１を平板状に形成することにより、ループ型ヒートパイプ１００の厚み方向の寸法を抑制し得る。付言すると、例えば図１３に示す携帯電話８００内に設けられる蒸発器１０１を平板状に形成することにより、携帯電話８００の厚みが抑制され得る。
　さて、上記では種々の実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態や変形例同士を組み合わせて構成してももちろんよい。
　また、本開示は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。
１００…ループ型ヒートパイプ、１０１…蒸発器、１０７…凝縮器、１１０…蒸発器本体、１１１…内周面、１１５…案内溝、１１５Ａ…第１案内溝、１１５Ｂ…第２案内溝、１１７…対向領域、１１９…接触領域、１３０…ウィック、１３１…外周面、１３３…蒸気溝、Ｌｑ…液相の作動流体

Claims (12)

  1. 　発熱体と、
    　前記発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、当該蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として当該蒸発器に環流させる熱交換器と
    を備える装置において、
    　前記蒸発器は、
    　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、当該空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を当該外面に複数有する蒸発体と、
    　前記蒸発体を収容するとともに、当該蒸発体の前記外面を支持する内面を備える収容体と
    を有し、
    　前記収容体は、前記内面における前記蒸発体溝と対向する領域に、当該蒸発体溝と交差する方向に延び当該蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、当該第１収容体溝と交差する方向に延び当該蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝とを有する
    ことを特徴とする装置。
  2. 　前記第１収容体溝および前記第２収容体溝各々の溝幅は、深さ方向において底部に向かうに従い小さくなる
    ことを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 　前記第１収容体溝および前記第２収容体溝は、前記収容体の前記内面において格子状に形成されている
    ことを特徴とする請求項１または２記載の装置。
  4. 　前記収容体は、前記内面における一の前記蒸発体溝と対向する領域において、前記第１収容体溝および前記第２収容体溝の各々を複数有する
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
  5. 　前記蒸発体溝の溝幅は、０．１ｍｍ～３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
  6. 　前記第１収容体溝および前記第２収容体溝の溝幅は、１μｍ～１００μｍである
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の装置。
  7. 　発熱体と、
    　前記発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、当該蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として当該蒸発器に環流させる熱交換器と
    を備える装置において、
    　前記蒸発器は、
    　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、当該空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を当該外面に複数有する蒸発体と、
    　前記蒸発体を収容するとともに、当該蒸発体の前記外面を支持する内面を備える収容体と
    を有し、
    　前記収容体は、前記内面における前記蒸発体溝と対向する領域に、液相の作動流体の毛細管力により液相の作動流体を当該内面に沿って案内する案内機構を有する
    ことを特徴とする装置。
  8. 　発熱体と、
    　前記発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、当該蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として当該蒸発器に環流させる熱交換器と
    を備える装置において、
    　前記蒸発器は、
    　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、当該空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を当該外面に複数有する蒸発体と、
    　前記蒸発体を収容するとともに、当該蒸発体の前記外面を支持する内面を備える収容体と
    を有し、
    　前記収容体は、前記内面における前記蒸発体溝と対向する領域に、当該蒸発体溝と交差する方向に延び、溝幅が１μｍ～１００μｍである複数の収容体溝を有する
    ことを特徴とする装置。
  9. 　前記蒸発体溝は、前記収容体溝と比較して溝幅が４倍以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の装置。
  10. 　発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、当該蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として当該蒸発器に環流させる熱交換器において、
    　前記蒸発器は、
    　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、当該空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を当該外面に複数有する蒸発体と、
    　前記蒸発体を収容するとともに、当該蒸発体の前記外面を支持する内面を備える収容体と
    を有し、
    　前記収容体は、前記内面における前記蒸発体溝と対向する領域に、当該蒸発体溝と交差する方向に延び当該蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、当該第１収容体溝と交差する方向に延び当該蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝を有する
    ことを特徴とする熱交換器。
  11. 　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、当該空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有するとともに、蒸発した作動流体を案内する蒸発体溝を当該外面に複数有する蒸発体を収容し、かつ
    　前記蒸発体の前記外面を支持する内面と、
    　前記内面における前記蒸発体溝と対向する領域に形成され、当該蒸発体溝と交差する方向に延び当該蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第１収容体溝と、
    　前記内面における前記蒸発体溝と対向する領域に形成され、前記第１収容体溝と交差する方向に延び当該蒸発体溝より溝幅が小さい複数の第２収容体溝と
    を有する
    ことを特徴とする蒸発体収容器。
  12. 　発熱体と、
    　前記発熱体から熱を吸収して作動流体を液相から気相へと蒸発させる蒸発器を有し、当該蒸発器から流出させた気相の作動流体を凝縮させ液相の作動流体として当該蒸発器に環流させる熱交換器と
    を備える装置において、
    　前記蒸発器は、
    　内部に液相の作動流体が流入する空間を有し、当該空間内の液相の作動流体を毛細管力により外面へ導き蒸発させる空孔を複数有する蒸発体と、
    　前記蒸発体を収容するとともに、当該蒸発体の前記外面を支持する内面を備える収容体と
    を有し、
    　前記収容体は、前記内面に設けられ蒸発した作動流体を案内する複数の蒸発体溝を有するとともに、当該蒸発体溝に設けられ液相の作動流体の毛細管力により液相の作動流体を案内する収容体溝を有する
    ことを特徴とする装置。



     
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