ループ型ヒートパイプ及び電子機器
【課題】配置状態にかかわらず確実に動作を開始できるループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】ループ型ヒートパイプ１００は、蒸発器１と、凝縮器８と、蒸発器１と凝縮器８との間を連絡して環状の主ループ１０を形成する蒸気管１２及び液管１３と、蒸発器１と凝縮器８との間を連絡して環状の補助ループ２０を形成する蒸気管２２及び液管２３とを有する。また、蒸発器１は、液管１３，２３から流入する液相の作動流体を貯留する液溜部５と、蒸気管１２に連絡する蒸気集合部６ａと、蒸気集合部６ａよりも凝縮器８に近い位置に配置されて蒸気管２２に連絡する蒸気集合部６ｂと、蒸気集合部６ａと蒸気集合部６ｂとを分離する分離壁７と、多孔質体により形成されて液溜部５と蒸気集合部６ａ，６ｂとの間に配置されたウィック４ａ，４ｂとを有する。
【解決手段】ループ型ヒートパイプ１００は、蒸発器１と、凝縮器８と、蒸発器１と凝縮器８との間を連絡して環状の主ループ１０を形成する蒸気管１２及び液管１３と、蒸発器１と凝縮器８との間を連絡して環状の補助ループ２０を形成する蒸気管２２及び液管２３とを有する。また、蒸発器１は、液管１３，２３から流入する液相の作動流体を貯留する液溜部５と、蒸気管１２に連絡する蒸気集合部６ａと、蒸気集合部６ａよりも凝縮器８に近い位置に配置されて蒸気管２２に連絡する蒸気集合部６ｂと、蒸気集合部６ａと蒸気集合部６ｂとを分離する分離壁７と、多孔質体により形成されて液溜部５と蒸気集合部６ａ，６ｂとの間に配置されたウィック４ａ，４ｂとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ループ型ヒートパイプは作動流体の相変化を利用して熱を輸送する装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やその他の電子部品の冷却に使用されている。ループ型ヒートパイプは、蒸発器及び凝縮器と、それらの蒸発器及び凝縮器の間を連絡して環状の流路を形成する蒸気管及び液管とを有し、内部には水又はエタノール等の作動流体が封入されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０９７６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２７３２１号公報
【特許文献３】特開２００９−１１５３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
配置状態にかかわらず確実に動作を開始できるループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを用いた電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示の技術の一観点によれは、液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、前記蒸発器が、前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有するループ型ヒートパイプが提供される。
【０００６】
また、開示の技術の他の一観点によれば、電子部品を搭載した回路基板と、ループ型ヒートパイプとを具備し、前記ループ型ヒートパイプは、前記電子部品で発生する熱により液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、前記蒸発器が、前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有する電子機器が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
上記一観点に係るループ型ヒートパイプは、配置状態にかかわらず確実に動作を開始できる。また、上記一観点に係るループ型ヒートパイプを搭載した電子機器は、配置状態にかかわらず電子部品を冷却することができ、誤動作や故障の発生を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）はループ型ヒートパイプの一例を表した模式図であり、図１（ｂ）は同じくそのループ型ヒートパイプの断面図である。
【図２】図２は、図１に例示したループ型ヒートパイプの問題点を説明する断面図である。
【図３】図３は、実施形態に係るループ型ヒートパイプの平面図である。
【図４】図４（ａ）は、図３のループ型ヒートパイプの蒸発器の分解斜視図であり、図４（ｂ）は同じくその蒸発器の断面図である。
【図５】図５は、実施形態に係るループ型ヒートパイプをトップヒートの状態に配置したときの動作を説明する模式図（その１）である。
【図６】図６は、実施形態に係るループ型ヒートパイプをトップヒートの状態に配置したときの動作を説明する模式図（その２）である。
【図７】図７は、実施例及び比較例のループ型ヒートパイプの熱輸送抵抗を調べた結果を示す図である。
【図８】図８は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを搭載した電子機器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１０】
図１（ａ）はループ型ヒートパイプの一例を表した模式図であり、図１（ｂ）は同じくそのループ型ヒートパイプの断面図である。
【００１１】
図１（ａ）のように、ループ型ヒートパイプ６０は、蒸発器６１及び凝縮器６２と、それらの蒸発器６１及び凝縮器６２間を連絡して環状の流路を形成する蒸気管６３及び液管６４とを有し、内部には作動流体として水又はエタノール等が封入されている。
【００１２】
蒸発器６１はＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品と熱的に接触され、電子部品で発生した熱が伝達されて温度が上昇する。一方、凝縮器６２にはフィン６５が取り付けられており、凝縮器６２の近傍に配置された送風ファン６６により冷風が供給される。
【００１３】
図１（ｂ）のように、蒸発器６１内は、液管６４側の液溜部６１ａと、蒸気管６３側の蒸気集合部６１ｂと、それらの間のウィック配置部との３つの空間に分割されている。液溜部６１ａには、液管６４から移動してきた液相の作動流体が一時的に貯留される。
【００１４】
ウィック配置部には伝熱ブロック６１ｃが配置されており、この伝熱ブロック６１ｃに設けられた複数の孔内にはそれぞれウィック６７が挿入されている。ウィック６７は多孔質体により形成されており、一端側が閉塞された円筒形の形状を有する。そして、各ウィック６７は、閉塞端側を蒸気集合部６１ｂに向け、開放端側を液溜部６１ａに向けて配置されている。また、ウィック６７の外周面には、ウィック６７の中心軸方向に延びて蒸気集合部６１ｂに連絡する複数のグルーブ（蒸気排出溝）が設けられている。
【００１５】
ウィック６７が多孔質体により形成されているため、液溜部６１ａ内の液相の作動流体はウィック６７内に浸透し、毛細管力によりウィック６７の外周部に移動する。そして、この液相の作動流体は、ウィック６７の外周部で電子部品から伝熱ブロック６１ｃを介して伝達される熱により加熱されて、気相（蒸気）に変化する。
【００１６】
作動流体は、液相から気相への変化にともなって体積が増大する。このとき、ウィック６７の孔内には液相の作動流体が充填されているため、ウィック６７の外周部で気相となった作動流体（蒸気）はウィック６７内に進入することができず、蒸気集合部６１ｂから蒸気管６３を通って凝縮部６２に移動する。
【００１７】
凝縮器６２に移動した気相の作動流体は、送風ファン６６から供給される冷風により冷却されて液相に変化する。そして、この液相の作動流体は、蒸気管６１から移動してくる蒸気により凝縮器６２から押し出され、液管６４を通って蒸発器６１の液溜部６１ａに移動する。
【００１８】
このようにして、ループ型ヒートパイプ６０内を作動流体が気相と液相とに変化しながら循環することで蒸発器６１から凝縮器６２に熱が輸送され、蒸発器６１に接続された電子部品が冷却される。図１（ａ），（ｂ）中の矢印Ａは、作動流体の移動方向を示している。ループ型ヒートパイプ６０は、電子部品から伝達される熱により蒸発器６１の温度が所定温度以上になると動作を開始し、蒸発器６１の温度が所定温度よりも低くなると動作を停止する。
【００１９】
以下、上述のループ型ヒートパイプ６０の問題点を説明する。ループ型ヒートパイプ６０を水平に配置する場合や、蒸発器６１が凝縮器６２よりも下となるいわゆるボトムヒートの状態で配置する場合は、ループ型ヒートパイプ６０が動作を停止しても蒸発器６１の液溜部６１ａ内に液相の作動流体が残る。この液相の作動流体は毛細管力により各ウィック６７の孔内に進入し、ウィック６７の孔内は液相の作動流体で充填された状態となる。このため、蒸発器６１の温度が所定温度以上になれば、ループ型ヒートパイプ６０は正常に動作を開始する。
【００２０】
しかし、蒸発器６１が凝縮器６３よりも上となるいわゆるトップヒートの状態でループ型ヒートパイプ６０を配置とすると、図２のようにループ型ヒートパイプ６０が停止したときに液相の作動流体が重力によって蒸発器６１の下側に集まる。このため、蒸発器６１内の上側に配置されたウィック６７では液相の作動流体が失われて乾いた状態になる。
【００２１】
この状態で蒸発器６１に電子部品から熱が伝達されると、蒸発器６１の下側のウィック６７の外周部で気相の作動流体が発生するものの、その気相の作動流体は図２中に矢印Ｂで示すように上側のウィック６７の孔内を通って液溜部６１ａ側に逆流してしまう。
【００２２】
このため、蒸発器６１から凝縮器６２に向けて作動流体を押し出す駆動力が発生せず、ループ型ヒートパイプ６０が動作を開始できなくなる。その結果、蒸発器６１に接続された電子機器を冷却できなくなり、電子機器の誤動作や故障を招いてしまう。
【００２３】
以下の実施形態では、配置状態にかかわらず確実に動作を開始できるループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを用いた電子機器について説明する。
【００２４】
（実施形態）
図３は、実施形態に係るループ型ヒートパイプの平面図である。図３中の矢印Ｃは、作動流体の移動方向を示している。
【００２５】
本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００は、蒸発器１と、凝縮器８と、第１の蒸気管１２及び第２の蒸気管２２と、第１の液管１３及び第２の液管２３とを有する。また、ループ型ヒートパイプ１００内には、作動流体としてエタノールが封入されている。なお、作動流体として、水、アセトン、ブタン、アンモニア、ペンタン又はＲ１４１Ｂ等を使用してもよい。
【００２６】
蒸発器１は平板状の外観を有し、ＣＰＵ等の電子部品と熱的に接続される。この蒸発器１の一方の端面（図３では左側の面）には気相の作動流体（蒸気）が排出される第１の出口部及び第２の出口部が設けられており、反対側の端面（図３では右側の面）には液相の作動流体が流入する第１の入口部及び第２の入口部が設けられている。第１の蒸気管１２は第１の出口部に接続され、第２の蒸気管２２は第２の出口部に接続され、第１の液管１３は第１の入口部に接続され、第２の液管２３は第２の入口部に接続されている。
【００２７】
凝縮器８は、第１の蒸気管１２と第２の液管１３との間を連絡する第１の凝縮管８ａと、第２の蒸気管２２と第２の液管２３との間を連絡する第２の凝縮管８ｂとを有する。また、第１の凝縮管８ａ及び第２の凝縮管８ｂには放熱用のフィン１５が設けられており、フィン１５に送風ファン１６から冷風が供給されて、第１の凝縮管８ａ及び第２の凝縮管８ｂを通る作動流体が冷却される。本実施形態では、図３のように、送風ファン１６は第１の凝縮管８ａを挟んで第２の凝縮管８ｂの反対側に配置されている。
【００２８】
なお、本実施形態ではフィン１５と送風ファン１６とにより凝縮器８を冷却しているが、凝縮器８を室温以下に冷却した液中に浸すなどの方法により冷却してもよい。
【００２９】
蒸発器１、蒸気管１２、凝縮器８（凝縮管８ａ）及び液管１３により作動流体が循環する主ループ１０が形成されており、蒸発器１、蒸気管２２、凝縮器８（凝縮管８ｂ）及び液管２３により作動流体が循環する補助ループ２０が形成されている。図３のように、補助ループ２０は主ループ１０の内側に位置している。
【００３０】
図４（ａ）は、図３のループ型ヒートパイプ１００の蒸発器１の分解斜視図であり、図４（ｂ）は同じくその蒸発器１の断面図である。なお、図４（ｂ）は、電子部品との接続面に平行に切断した断面を示している。
【００３１】
図４（ｂ）のように、蒸発器１は、伝熱ブロック２と複数の第１のウィック４ａ及び第２のウィック４ｂとを有し、ウィック４ａ，４ｂは伝熱ブロック２に一列に並んで設けられた貫通孔内に挿入されている。ウィック４ａ，４ｂはいずれも多孔質体により形成されており、一端側が閉塞された円筒形の形状を有する。そして、ウィック４ａ，４ｂは、閉塞端側を蒸気管１２，２２側に向け、開放端側を液管１３，２３側に向けて配置されている。また、ウィック４ａ，４ｂの外周面には、ウィック４の中心軸方向に延びる複数のグルーブが設けられている。
【００３２】
なお、本実施形態では、説明の便宜上、蒸発器１内に配置された複数のウィックのうち凝縮器８に最も近い位置に配置されたウィックを第２のウィック４ｂと記載し、他のウィックを第１のウィック４ａと記載している。本実施形態では第１のウィック４ａと第２のウィック４ｂとは同一のものであるが、例えば第１のウィック４ａと第２のウィック４ｂとは大きさ又は形状が異なっていてもよい。
【００３３】
伝熱ブロック２は、銅又はアルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属により形成されており、ＣＰＵ等の電子部品に熱的に接続される。図４（ｂ）のように、伝熱ブロック２の一方の側にはウィック４ａ，４ｂの外周部で発生した気相の作動流体が集まる蒸気集合部６が設けられおり、他方の側には液管１３，２３から移動してきた液相の作動流体が一次的に貯留される液溜部５が設けられている。
【００３４】
蒸気集合部６内には仕切壁７が設けられており、この仕切壁７により蒸気集合部６が第１の蒸気集合部６ａと第２の蒸気集合部６ｂとに分割されている。第１の蒸気集合部６ａは蒸気管１２に連絡しており、第１のウィック４ａで発生した気相の作動流体が集合する領域である。第１の蒸気集合部６ａ及び第１のウィック４ａは、主ループ１０の一部を形成している。
【００３５】
また、第２の蒸気集合部６ｂは蒸気管２２に連絡し、第２のウィック４ｂで発生した気相の作動流体が集合する領域である。第２の蒸気集合部６ｂ及び第２のウィック４ｂは、補助ループ２０の一部を形成している。
【００３６】
液溜部５には仕切壁は設けられていないが、液管１３は液溜部５のうち第１の蒸気集合部６ａに対応する領域に接続され、液管２３は液溜部５のうち第２の蒸気集合部６ｂに対応する領域に接続されている。
【００３７】
なお、本実施形態では補助ループ２０内のウィック（第２のウィック４ｂ）の数を１個としているが、補助ループ２０内のウィックの数を２個又はそれ以上としてもよい。但し、トップヒートの状態で配置したときの起動しやすさを考慮すると、補助ループ２０内のウィックの数は少ないほうが好ましい。また、本実施形態では主ループ１０内のウィック（第１のウィック４ａ）の数を４個としているが、主ループ１０内のウィックの数は任意に変更してもよい。
【００３８】
以下、上述の構造のループ型ヒートパイプ１００をトップヒートの状態に配置したときの動作について、図５〜図６の模式断面図を参照して説明する。ループ型ヒートパイプ１００をトップヒートの状態で配置すると、図５〜図６のように第２のウィック４ｂが下、第１のウィック４ａが上となる。
【００３９】
図５（ａ）はループ型ヒートパイプ１００が停止した状態を示している。この図５（ａ）のように、ループ型ヒートパイプ１００が停止すると、液相の作動流体は重力により下方に移動し、蒸気管１２，２２、液管１３，２３及び凝縮器８内に貯留される。この場合、液溜部５内の液相の作動流体の大部分が蒸発器１の下部に接続された液管２３内に進入するため、補助ループ２０内には比較的多くの作動流体が貯留される。
【００４０】
また、蒸発器１の下部にも、少量の液相の作動流体が残留する。このため、蒸発器１の下部に配置されたウィック４ｂ内には毛細管現象により液相の作動流体が浸透し、ウィック４ｂの孔内は液相の作動流体が満たされた状態となる。
【００４１】
一方、蒸発器１の上部に配置されたウィック４ａは、ウィック４ａ内に浸透していた液相の作動流体が重力により下方に移動してしまうため、乾いた状態になる。
【００４２】
電子部品から蒸発器１に熱が伝達されて蒸発器１の温度が所定温度以上になると、蒸発器１の下部に配置されたウィック４ｂの外周部で蒸気（気相の作動流体）が発生する。この蒸気により、図５（ｂ）のように、第２の蒸気集合部６ｂ内及び蒸気管２２内の液相の作動流体が液管２３側に押し出され、その結果液管２３から蒸気管１内の液溜部５に液相の作動流体が流入する。そして、液溜部５内の作動流体の液面が上昇し、ウィック４ａにも液相の作動流体が浸透するようになる。
【００４３】
但し、全てのウィック４ａ内に液相の作動流体が十分浸透するまでの間は、下側のウィック４ａの外周部で気相の作動流体が発生しても、その気相作動流体は蒸気集合部６ａから上側のウィック４ａを透過して液溜部５側に逆流してしまう。このため、主ループ１０では作動流体の循環が開始されない。
【００４４】
その後、時間が経過すると、図６（ａ）のように補助ループ２０内の液相の作動流体が更に液溜部５内に押し出され、液溜部５内の作動流体の液面が上昇して、全てのウィック４ａ内に液相の作動流体が浸透するようになる。これにより、ウィック４ａで発生した気相の作動流体が蒸気管１２に流れ、蒸気管１２内の液相の作動流体が液管１３側に押し出される。その結果、図６（ｂ）のように液溜部５内が液相の作動流体で満たされた状態になり、主ループ１０で安定した作動流体の循環が開始される。
【００４５】
このようにして主ループ１０で安定した作動流体の循環が開始されると、蒸発器１から凝縮器８に熱を大量に輸送できるようになり、蒸発器１に接続された電子部品を十分に冷却することが可能になる。
【００４６】
上述したように、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００は、主ループ１０と補助ループ２０とを有することにより、トップヒートの状態で配置しても蒸発器１の温度が所定温度以上になれば確実に動作を開始する。
【００４７】
また、図１に示すループ型ヒートパイプ６０では、何らかの原因によりウィック６７内に気泡が侵入し、蒸気集合部６１ｂから液溜部６１ａに蒸気が逆流して作動流体を循環させるための駆動力が極端に低下する現象（ドライアウト）が発生することがある。これに対し、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００では、ウィック４ａ内に気泡が侵入して主ループ２０の駆動力が低下しても、補助ループ１０により作動流体は循環し続ける。このため、液溜部５内の液相の作動流体には液管２３から流入する作動流体の圧力が印加され、時間の経過とともにウィック４ａ内の気泡は蒸気集合部６ａ側に押し出される。これにより、ドライアウトが回避される。
【００４８】
なお、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００を水平に配置した場合、及びボトムヒートの状態で配置した場合は、停止状態においても蒸発器１の液溜部５内に十分な量の液相の作動流体が残り、ウィック４ａ，４ｂの孔内に作動流体が充填される。このため、蒸発器１の温度が所定温度以上になれば、補助ループ２０だけでなく主ループ１０もすぐに動作を開始する。
【００４９】
ところで、本実施形態では、図３のように、送風ファン１６を、凝縮器８の凝縮管８ａを挟んで凝縮管８ｂの反対側に配置している。これは、以下の理由による。
【００５０】
すなわち、補助ループ２０内の気相の作動流体の温度を過度に冷却すると、気相から液相に変化する作動流体の量が多くなり、液相の作動流体を液溜部５に押し出す蒸気の量が少なくなって、液溜部５内の液面の上昇速度が低下する。また、ループ型ヒートパイプ１００が正常に動作を開始した後は主に主ループ１０が熱の輸送を行うので、第２の凝縮管８ｂよりも第１の凝縮管８ａをより強力に冷却するほうが熱輸送効率の向上にもつながる。
【００５１】
このようなことから、送風ファン１６は、図３のように第２の凝縮管８ｂよりも第１の凝縮管８ａに近い位置に配置することが好ましい。
【００５２】
（実験）
以下、上述した構造のループ型ヒートパイプを実際に製造し、その熱輸送抵抗を測定した結果について、比較例と比較して説明する。
【００５３】
実施例として、図３〜図６に示す構造のループ型ヒートパイプを製造した。
【００５４】
蒸発器１の大きさは５０ｍｍ（幅）×５０ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（高さ）であり、伝熱ブロック２は無酸素銅により形成した。伝熱ブロック２には直径が８ｍｍの貫通孔を５個並列に形成し、それらの貫通孔内に多孔質ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成されたウィック４ａ，４ｂを挿入した。
【００５５】
ウィック４ａ，４ｂは一端側が閉塞された円筒状の形状を有し、外径が８ｍｍ、内径が４ｍｍ、長さが３０ｍｍである。ウィック４ａ，４ｂの外周面には、幅が１ｍｍ、深さが１ｍｍの複数のブルーブが形成されている。また、ウィック４ａ，４ｂの平均ポーラス径は約１０μｍであり、空孔率は約５０％である。
【００５６】
ウィック４ａ，４ｂを配置した伝熱ブロック２に金属ケースに取り付け、液溜部５及び蒸気集合部６を有する蒸発器１を形成した。液溜部５の内側には、金属ケースから作動流体に直接熱が伝わることを防ぐために、断熱材として厚さが１ｍｍのＰＴＦＥ板を張り付けた。液溜部５の寸法は６ｍｍ×４６ｍｍ×１０ｍｍであり、容積は約３ｃｃである。また、蒸気集合部６には仕切壁７を設け、蒸気集合部６を第１の蒸気集合部６ａと第２の蒸気集合部６ｂとに分割した。
【００５７】
主ループ１０を形成する蒸気管１２、凝縮管８ａ及び液管１３として、外径が６ｍｍ、内径が４ｍｍの銅パイプを用意した。また、補助ループ２０を形成する蒸気管２２、凝縮管８ｂ及び液管１３として、外径が４ｍｍ、内径が３ｍｍの銅パイプを用意した。
【００５８】
そして、蒸発器１と銅パイプとをろう付けし、更に凝縮管８ａ，８ｂにフィンを取り付けて、図３のように主ループ１０及び補助ループ２０を有する実施例のループ型ヒートパイプを完成した。
【００５９】
蒸気管１２の長さは２５０ｍｍ、凝縮管８ａの長さは１５０ｍｍ、液管１３の長さは５５０ｍｍとした。また、蒸気管２２の長さは２００ｍｍ、凝縮管８ｂの長さは１５０ｍｍ、液管２３の長さは５００ｍｍとした。更に、ループ型ヒートパイプ内には、作動液としてエタノールを封入した。
【００６０】
一方、比較例として、図１に示す構造のループ型ヒートパイプを作製した。蒸発器６１の大きさは、実施例と同様に５０ｍｍ（幅）×５０ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（高さ）であり、蒸気管６３、液管６２及び凝縮器６４は銅パイプにより形成した。
【００６１】
これらの実施例及び比較例のループ型ヒートパイプを、ＣＰＵが搭載されたコンピュータ基板（回路基板）に取り付けた。なお、ＣＰＵの上にはサーマルグリースを塗布した。
【００６２】
そして、実施例及び比較例のループ型ヒートパイプを取り付けた各コンピュータ基板をトップヒートの状態となるように垂直に配置し、ＣＰＵの発熱量とループ型ヒートパイプの熱輸送抵抗との関係を調べた。
【００６３】
図７は、横軸にＣＰＵの発熱量をとり、縦軸に熱輸送抵抗をとって、実施例及び比較例のループ型ヒートパイプの熱輸送抵抗を調べた結果を示す図である。
【００６４】
この図７に示すように、比較例のループ型ヒートパイプでは、ＣＰＵの発熱量が１０Ｗのときに熱輸送抵抗が０．４℃／Ｗと高い値を示した。また、ＣＰＵの発熱量を１０Ｗよりも高くするとＣＰＵの温度が急激に上昇し、熱輸送抵抗を測定することができなかった。この結果から、比較例のループ型ヒートパイプではドライアウトが発生し、作動流体を循環させることができなくなったものと考えられる。
【００６５】
一方、実施例のループ型ヒートパイプでは、ＣＰＵの発熱量が５０Ｗのときに熱抵抗が０．４℃／Ｗであり、ＣＰＵの発熱量の増加にともなって熱輸送抵抗が低下することが確認された。また、ドライアウトの発生はなかった。これらのことから、実施例のループ型ヒートパイプは、ＣＰＵの発熱量にかかわらず、ＣＰＵを安定して冷却できることがわかる。
【００６６】
（電子機器）
図８は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを搭載した電子機器の斜視図である。
【００６７】
電子機器８０は、例えばブレードサーバや、タワー型のパーソナルコンピュータであり、図８のように、筺体８６内にはＣＰＵ８２及びメモリ８４等が実装された回路基板８１と、筺体８６内に冷風を取り入れるための冷却ファン１６と、ハードディスクドライブ（記憶装置）８３とが配置されている。また、ＣＰＵ８２には、実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００（図３参照）の蒸発器１が接続されている。ループ型ヒートパイプ１００の凝縮器８は送風ファン１６の近傍に配置されており、送風ファン１６から冷風が供給されるようになっている。また、蒸発器１と凝縮器８との間には、蒸気管１２，２２及び液管１３，２３が接続されており、主ループ１０及び補助ループ２０を形成している。
【００６８】
本実施形態に係る電子機器８０は、蒸発器１が凝縮器８よりも上に位置するトップヒートの状態でループ型ヒートパイプ１００を配置している。このループ型ヒートパイプ１００は、前述したように主ループ１０及び補助ループ２０を有し、蒸発器１の温度が所定温度以上になると確実に動作を開始し、ＣＰＵ８２を十分に冷却することができる。これにより、ＣＰＵ８２の誤動作や故障の発生を防止でき、電子機器８０の信頼性を確保することができる。
【００６９】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７０】
（付記１）液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【００７１】
（付記２）前記補助ループが、前記主ループの内側に配置されていることを特徴とする付記１に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７２】
（付記３）前記蒸発器が平板状の外観を有し、前記第１のウィック及び前記第２のウィックは前記蒸発器内に一列に並んで配置されていることを特徴とする付記１又は２に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７３】
（付記４）前記第１のウィックの数が、前記第２のウィックの数よりも多いことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７４】
（付記５）前記凝縮器には放熱用のフィンが設けられていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７５】
（付記６）電子部品を搭載した回路基板と、
ループ型ヒートパイプとを具備し、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品で発生する熱により液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有する
ことを特徴とする電子機器。
【００７６】
（付記７）前記蒸発器が前記凝縮器よりも上に配置されていることを特徴とする付記６に記載の電子機器。
【００７７】
（付記８）前記凝縮器にエアーを供給する送風ファンを有し、該送風ファンは前記補助ループよりも前記主ループに近い位置に配置されていることを特徴とする付記６又は７に記載の電子機器。
【００７８】
（付記９）前記補助ループが、前記主ループの内側に配置されていることを特徴とする付記６乃至８のいずれか１項に記載の電子機器。
【００７９】
（付記１０）前記蒸発器が平板状の外観を有し、前記第１のウィック及び前記第２のウィックは前記蒸発器内に一列に並んで配置されていることを特徴とする付記６乃至９のいずれか１項に記載の電子機器。
【符号の説明】
【００８０】
１…蒸発器、４ａ，４ｂ…ウィック、５…液溜部、６，６ａ，６ｂ…蒸気集合部、７…仕切壁、８…凝縮器、８ａ，８ｂ…凝縮管、１０…主ループ、１２，２２…蒸気管、１３，２３…液管、１５…フィン、１６…送風ファン、２０…補助ループ、６０，１００…ループ型ヒートパイプ、６１…蒸発器、６１ａ…液溜部、６１ｂ…蒸気集合部、６１ｃ…伝熱ブロック、６２…凝縮器、６３…蒸気管、６４…液管、６５…フィン、６６…送風ファン、６７…ウィック、８０…電子機器、８１…回路基板、８２…ＣＰＵ、８３…記録装置、８４…メモリ、８６…筺体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ループ型ヒートパイプは作動流体の相変化を利用して熱を輸送する装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やその他の電子部品の冷却に使用されている。ループ型ヒートパイプは、蒸発器及び凝縮器と、それらの蒸発器及び凝縮器の間を連絡して環状の流路を形成する蒸気管及び液管とを有し、内部には水又はエタノール等の作動流体が封入されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０９７６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２７３２１号公報
【特許文献３】特開２００９−１１５３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
配置状態にかかわらず確実に動作を開始できるループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを用いた電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示の技術の一観点によれは、液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、前記蒸発器が、前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有するループ型ヒートパイプが提供される。
【０００６】
また、開示の技術の他の一観点によれば、電子部品を搭載した回路基板と、ループ型ヒートパイプとを具備し、前記ループ型ヒートパイプは、前記電子部品で発生する熱により液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、前記蒸発器が、前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有する電子機器が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
上記一観点に係るループ型ヒートパイプは、配置状態にかかわらず確実に動作を開始できる。また、上記一観点に係るループ型ヒートパイプを搭載した電子機器は、配置状態にかかわらず電子部品を冷却することができ、誤動作や故障の発生を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）はループ型ヒートパイプの一例を表した模式図であり、図１（ｂ）は同じくそのループ型ヒートパイプの断面図である。
【図２】図２は、図１に例示したループ型ヒートパイプの問題点を説明する断面図である。
【図３】図３は、実施形態に係るループ型ヒートパイプの平面図である。
【図４】図４（ａ）は、図３のループ型ヒートパイプの蒸発器の分解斜視図であり、図４（ｂ）は同じくその蒸発器の断面図である。
【図５】図５は、実施形態に係るループ型ヒートパイプをトップヒートの状態に配置したときの動作を説明する模式図（その１）である。
【図６】図６は、実施形態に係るループ型ヒートパイプをトップヒートの状態に配置したときの動作を説明する模式図（その２）である。
【図７】図７は、実施例及び比較例のループ型ヒートパイプの熱輸送抵抗を調べた結果を示す図である。
【図８】図８は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを搭載した電子機器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１０】
図１（ａ）はループ型ヒートパイプの一例を表した模式図であり、図１（ｂ）は同じくそのループ型ヒートパイプの断面図である。
【００１１】
図１（ａ）のように、ループ型ヒートパイプ６０は、蒸発器６１及び凝縮器６２と、それらの蒸発器６１及び凝縮器６２間を連絡して環状の流路を形成する蒸気管６３及び液管６４とを有し、内部には作動流体として水又はエタノール等が封入されている。
【００１２】
蒸発器６１はＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品と熱的に接触され、電子部品で発生した熱が伝達されて温度が上昇する。一方、凝縮器６２にはフィン６５が取り付けられており、凝縮器６２の近傍に配置された送風ファン６６により冷風が供給される。
【００１３】
図１（ｂ）のように、蒸発器６１内は、液管６４側の液溜部６１ａと、蒸気管６３側の蒸気集合部６１ｂと、それらの間のウィック配置部との３つの空間に分割されている。液溜部６１ａには、液管６４から移動してきた液相の作動流体が一時的に貯留される。
【００１４】
ウィック配置部には伝熱ブロック６１ｃが配置されており、この伝熱ブロック６１ｃに設けられた複数の孔内にはそれぞれウィック６７が挿入されている。ウィック６７は多孔質体により形成されており、一端側が閉塞された円筒形の形状を有する。そして、各ウィック６７は、閉塞端側を蒸気集合部６１ｂに向け、開放端側を液溜部６１ａに向けて配置されている。また、ウィック６７の外周面には、ウィック６７の中心軸方向に延びて蒸気集合部６１ｂに連絡する複数のグルーブ（蒸気排出溝）が設けられている。
【００１５】
ウィック６７が多孔質体により形成されているため、液溜部６１ａ内の液相の作動流体はウィック６７内に浸透し、毛細管力によりウィック６７の外周部に移動する。そして、この液相の作動流体は、ウィック６７の外周部で電子部品から伝熱ブロック６１ｃを介して伝達される熱により加熱されて、気相（蒸気）に変化する。
【００１６】
作動流体は、液相から気相への変化にともなって体積が増大する。このとき、ウィック６７の孔内には液相の作動流体が充填されているため、ウィック６７の外周部で気相となった作動流体（蒸気）はウィック６７内に進入することができず、蒸気集合部６１ｂから蒸気管６３を通って凝縮部６２に移動する。
【００１７】
凝縮器６２に移動した気相の作動流体は、送風ファン６６から供給される冷風により冷却されて液相に変化する。そして、この液相の作動流体は、蒸気管６１から移動してくる蒸気により凝縮器６２から押し出され、液管６４を通って蒸発器６１の液溜部６１ａに移動する。
【００１８】
このようにして、ループ型ヒートパイプ６０内を作動流体が気相と液相とに変化しながら循環することで蒸発器６１から凝縮器６２に熱が輸送され、蒸発器６１に接続された電子部品が冷却される。図１（ａ），（ｂ）中の矢印Ａは、作動流体の移動方向を示している。ループ型ヒートパイプ６０は、電子部品から伝達される熱により蒸発器６１の温度が所定温度以上になると動作を開始し、蒸発器６１の温度が所定温度よりも低くなると動作を停止する。
【００１９】
以下、上述のループ型ヒートパイプ６０の問題点を説明する。ループ型ヒートパイプ６０を水平に配置する場合や、蒸発器６１が凝縮器６２よりも下となるいわゆるボトムヒートの状態で配置する場合は、ループ型ヒートパイプ６０が動作を停止しても蒸発器６１の液溜部６１ａ内に液相の作動流体が残る。この液相の作動流体は毛細管力により各ウィック６７の孔内に進入し、ウィック６７の孔内は液相の作動流体で充填された状態となる。このため、蒸発器６１の温度が所定温度以上になれば、ループ型ヒートパイプ６０は正常に動作を開始する。
【００２０】
しかし、蒸発器６１が凝縮器６３よりも上となるいわゆるトップヒートの状態でループ型ヒートパイプ６０を配置とすると、図２のようにループ型ヒートパイプ６０が停止したときに液相の作動流体が重力によって蒸発器６１の下側に集まる。このため、蒸発器６１内の上側に配置されたウィック６７では液相の作動流体が失われて乾いた状態になる。
【００２１】
この状態で蒸発器６１に電子部品から熱が伝達されると、蒸発器６１の下側のウィック６７の外周部で気相の作動流体が発生するものの、その気相の作動流体は図２中に矢印Ｂで示すように上側のウィック６７の孔内を通って液溜部６１ａ側に逆流してしまう。
【００２２】
このため、蒸発器６１から凝縮器６２に向けて作動流体を押し出す駆動力が発生せず、ループ型ヒートパイプ６０が動作を開始できなくなる。その結果、蒸発器６１に接続された電子機器を冷却できなくなり、電子機器の誤動作や故障を招いてしまう。
【００２３】
以下の実施形態では、配置状態にかかわらず確実に動作を開始できるループ型ヒートパイプ及びそのループ型ヒートパイプを用いた電子機器について説明する。
【００２４】
（実施形態）
図３は、実施形態に係るループ型ヒートパイプの平面図である。図３中の矢印Ｃは、作動流体の移動方向を示している。
【００２５】
本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００は、蒸発器１と、凝縮器８と、第１の蒸気管１２及び第２の蒸気管２２と、第１の液管１３及び第２の液管２３とを有する。また、ループ型ヒートパイプ１００内には、作動流体としてエタノールが封入されている。なお、作動流体として、水、アセトン、ブタン、アンモニア、ペンタン又はＲ１４１Ｂ等を使用してもよい。
【００２６】
蒸発器１は平板状の外観を有し、ＣＰＵ等の電子部品と熱的に接続される。この蒸発器１の一方の端面（図３では左側の面）には気相の作動流体（蒸気）が排出される第１の出口部及び第２の出口部が設けられており、反対側の端面（図３では右側の面）には液相の作動流体が流入する第１の入口部及び第２の入口部が設けられている。第１の蒸気管１２は第１の出口部に接続され、第２の蒸気管２２は第２の出口部に接続され、第１の液管１３は第１の入口部に接続され、第２の液管２３は第２の入口部に接続されている。
【００２７】
凝縮器８は、第１の蒸気管１２と第２の液管１３との間を連絡する第１の凝縮管８ａと、第２の蒸気管２２と第２の液管２３との間を連絡する第２の凝縮管８ｂとを有する。また、第１の凝縮管８ａ及び第２の凝縮管８ｂには放熱用のフィン１５が設けられており、フィン１５に送風ファン１６から冷風が供給されて、第１の凝縮管８ａ及び第２の凝縮管８ｂを通る作動流体が冷却される。本実施形態では、図３のように、送風ファン１６は第１の凝縮管８ａを挟んで第２の凝縮管８ｂの反対側に配置されている。
【００２８】
なお、本実施形態ではフィン１５と送風ファン１６とにより凝縮器８を冷却しているが、凝縮器８を室温以下に冷却した液中に浸すなどの方法により冷却してもよい。
【００２９】
蒸発器１、蒸気管１２、凝縮器８（凝縮管８ａ）及び液管１３により作動流体が循環する主ループ１０が形成されており、蒸発器１、蒸気管２２、凝縮器８（凝縮管８ｂ）及び液管２３により作動流体が循環する補助ループ２０が形成されている。図３のように、補助ループ２０は主ループ１０の内側に位置している。
【００３０】
図４（ａ）は、図３のループ型ヒートパイプ１００の蒸発器１の分解斜視図であり、図４（ｂ）は同じくその蒸発器１の断面図である。なお、図４（ｂ）は、電子部品との接続面に平行に切断した断面を示している。
【００３１】
図４（ｂ）のように、蒸発器１は、伝熱ブロック２と複数の第１のウィック４ａ及び第２のウィック４ｂとを有し、ウィック４ａ，４ｂは伝熱ブロック２に一列に並んで設けられた貫通孔内に挿入されている。ウィック４ａ，４ｂはいずれも多孔質体により形成されており、一端側が閉塞された円筒形の形状を有する。そして、ウィック４ａ，４ｂは、閉塞端側を蒸気管１２，２２側に向け、開放端側を液管１３，２３側に向けて配置されている。また、ウィック４ａ，４ｂの外周面には、ウィック４の中心軸方向に延びる複数のグルーブが設けられている。
【００３２】
なお、本実施形態では、説明の便宜上、蒸発器１内に配置された複数のウィックのうち凝縮器８に最も近い位置に配置されたウィックを第２のウィック４ｂと記載し、他のウィックを第１のウィック４ａと記載している。本実施形態では第１のウィック４ａと第２のウィック４ｂとは同一のものであるが、例えば第１のウィック４ａと第２のウィック４ｂとは大きさ又は形状が異なっていてもよい。
【００３３】
伝熱ブロック２は、銅又はアルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属により形成されており、ＣＰＵ等の電子部品に熱的に接続される。図４（ｂ）のように、伝熱ブロック２の一方の側にはウィック４ａ，４ｂの外周部で発生した気相の作動流体が集まる蒸気集合部６が設けられおり、他方の側には液管１３，２３から移動してきた液相の作動流体が一次的に貯留される液溜部５が設けられている。
【００３４】
蒸気集合部６内には仕切壁７が設けられており、この仕切壁７により蒸気集合部６が第１の蒸気集合部６ａと第２の蒸気集合部６ｂとに分割されている。第１の蒸気集合部６ａは蒸気管１２に連絡しており、第１のウィック４ａで発生した気相の作動流体が集合する領域である。第１の蒸気集合部６ａ及び第１のウィック４ａは、主ループ１０の一部を形成している。
【００３５】
また、第２の蒸気集合部６ｂは蒸気管２２に連絡し、第２のウィック４ｂで発生した気相の作動流体が集合する領域である。第２の蒸気集合部６ｂ及び第２のウィック４ｂは、補助ループ２０の一部を形成している。
【００３６】
液溜部５には仕切壁は設けられていないが、液管１３は液溜部５のうち第１の蒸気集合部６ａに対応する領域に接続され、液管２３は液溜部５のうち第２の蒸気集合部６ｂに対応する領域に接続されている。
【００３７】
なお、本実施形態では補助ループ２０内のウィック（第２のウィック４ｂ）の数を１個としているが、補助ループ２０内のウィックの数を２個又はそれ以上としてもよい。但し、トップヒートの状態で配置したときの起動しやすさを考慮すると、補助ループ２０内のウィックの数は少ないほうが好ましい。また、本実施形態では主ループ１０内のウィック（第１のウィック４ａ）の数を４個としているが、主ループ１０内のウィックの数は任意に変更してもよい。
【００３８】
以下、上述の構造のループ型ヒートパイプ１００をトップヒートの状態に配置したときの動作について、図５〜図６の模式断面図を参照して説明する。ループ型ヒートパイプ１００をトップヒートの状態で配置すると、図５〜図６のように第２のウィック４ｂが下、第１のウィック４ａが上となる。
【００３９】
図５（ａ）はループ型ヒートパイプ１００が停止した状態を示している。この図５（ａ）のように、ループ型ヒートパイプ１００が停止すると、液相の作動流体は重力により下方に移動し、蒸気管１２，２２、液管１３，２３及び凝縮器８内に貯留される。この場合、液溜部５内の液相の作動流体の大部分が蒸発器１の下部に接続された液管２３内に進入するため、補助ループ２０内には比較的多くの作動流体が貯留される。
【００４０】
また、蒸発器１の下部にも、少量の液相の作動流体が残留する。このため、蒸発器１の下部に配置されたウィック４ｂ内には毛細管現象により液相の作動流体が浸透し、ウィック４ｂの孔内は液相の作動流体が満たされた状態となる。
【００４１】
一方、蒸発器１の上部に配置されたウィック４ａは、ウィック４ａ内に浸透していた液相の作動流体が重力により下方に移動してしまうため、乾いた状態になる。
【００４２】
電子部品から蒸発器１に熱が伝達されて蒸発器１の温度が所定温度以上になると、蒸発器１の下部に配置されたウィック４ｂの外周部で蒸気（気相の作動流体）が発生する。この蒸気により、図５（ｂ）のように、第２の蒸気集合部６ｂ内及び蒸気管２２内の液相の作動流体が液管２３側に押し出され、その結果液管２３から蒸気管１内の液溜部５に液相の作動流体が流入する。そして、液溜部５内の作動流体の液面が上昇し、ウィック４ａにも液相の作動流体が浸透するようになる。
【００４３】
但し、全てのウィック４ａ内に液相の作動流体が十分浸透するまでの間は、下側のウィック４ａの外周部で気相の作動流体が発生しても、その気相作動流体は蒸気集合部６ａから上側のウィック４ａを透過して液溜部５側に逆流してしまう。このため、主ループ１０では作動流体の循環が開始されない。
【００４４】
その後、時間が経過すると、図６（ａ）のように補助ループ２０内の液相の作動流体が更に液溜部５内に押し出され、液溜部５内の作動流体の液面が上昇して、全てのウィック４ａ内に液相の作動流体が浸透するようになる。これにより、ウィック４ａで発生した気相の作動流体が蒸気管１２に流れ、蒸気管１２内の液相の作動流体が液管１３側に押し出される。その結果、図６（ｂ）のように液溜部５内が液相の作動流体で満たされた状態になり、主ループ１０で安定した作動流体の循環が開始される。
【００４５】
このようにして主ループ１０で安定した作動流体の循環が開始されると、蒸発器１から凝縮器８に熱を大量に輸送できるようになり、蒸発器１に接続された電子部品を十分に冷却することが可能になる。
【００４６】
上述したように、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００は、主ループ１０と補助ループ２０とを有することにより、トップヒートの状態で配置しても蒸発器１の温度が所定温度以上になれば確実に動作を開始する。
【００４７】
また、図１に示すループ型ヒートパイプ６０では、何らかの原因によりウィック６７内に気泡が侵入し、蒸気集合部６１ｂから液溜部６１ａに蒸気が逆流して作動流体を循環させるための駆動力が極端に低下する現象（ドライアウト）が発生することがある。これに対し、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００では、ウィック４ａ内に気泡が侵入して主ループ２０の駆動力が低下しても、補助ループ１０により作動流体は循環し続ける。このため、液溜部５内の液相の作動流体には液管２３から流入する作動流体の圧力が印加され、時間の経過とともにウィック４ａ内の気泡は蒸気集合部６ａ側に押し出される。これにより、ドライアウトが回避される。
【００４８】
なお、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００を水平に配置した場合、及びボトムヒートの状態で配置した場合は、停止状態においても蒸発器１の液溜部５内に十分な量の液相の作動流体が残り、ウィック４ａ，４ｂの孔内に作動流体が充填される。このため、蒸発器１の温度が所定温度以上になれば、補助ループ２０だけでなく主ループ１０もすぐに動作を開始する。
【００４９】
ところで、本実施形態では、図３のように、送風ファン１６を、凝縮器８の凝縮管８ａを挟んで凝縮管８ｂの反対側に配置している。これは、以下の理由による。
【００５０】
すなわち、補助ループ２０内の気相の作動流体の温度を過度に冷却すると、気相から液相に変化する作動流体の量が多くなり、液相の作動流体を液溜部５に押し出す蒸気の量が少なくなって、液溜部５内の液面の上昇速度が低下する。また、ループ型ヒートパイプ１００が正常に動作を開始した後は主に主ループ１０が熱の輸送を行うので、第２の凝縮管８ｂよりも第１の凝縮管８ａをより強力に冷却するほうが熱輸送効率の向上にもつながる。
【００５１】
このようなことから、送風ファン１６は、図３のように第２の凝縮管８ｂよりも第１の凝縮管８ａに近い位置に配置することが好ましい。
【００５２】
（実験）
以下、上述した構造のループ型ヒートパイプを実際に製造し、その熱輸送抵抗を測定した結果について、比較例と比較して説明する。
【００５３】
実施例として、図３〜図６に示す構造のループ型ヒートパイプを製造した。
【００５４】
蒸発器１の大きさは５０ｍｍ（幅）×５０ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（高さ）であり、伝熱ブロック２は無酸素銅により形成した。伝熱ブロック２には直径が８ｍｍの貫通孔を５個並列に形成し、それらの貫通孔内に多孔質ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成されたウィック４ａ，４ｂを挿入した。
【００５５】
ウィック４ａ，４ｂは一端側が閉塞された円筒状の形状を有し、外径が８ｍｍ、内径が４ｍｍ、長さが３０ｍｍである。ウィック４ａ，４ｂの外周面には、幅が１ｍｍ、深さが１ｍｍの複数のブルーブが形成されている。また、ウィック４ａ，４ｂの平均ポーラス径は約１０μｍであり、空孔率は約５０％である。
【００５６】
ウィック４ａ，４ｂを配置した伝熱ブロック２に金属ケースに取り付け、液溜部５及び蒸気集合部６を有する蒸発器１を形成した。液溜部５の内側には、金属ケースから作動流体に直接熱が伝わることを防ぐために、断熱材として厚さが１ｍｍのＰＴＦＥ板を張り付けた。液溜部５の寸法は６ｍｍ×４６ｍｍ×１０ｍｍであり、容積は約３ｃｃである。また、蒸気集合部６には仕切壁７を設け、蒸気集合部６を第１の蒸気集合部６ａと第２の蒸気集合部６ｂとに分割した。
【００５７】
主ループ１０を形成する蒸気管１２、凝縮管８ａ及び液管１３として、外径が６ｍｍ、内径が４ｍｍの銅パイプを用意した。また、補助ループ２０を形成する蒸気管２２、凝縮管８ｂ及び液管１３として、外径が４ｍｍ、内径が３ｍｍの銅パイプを用意した。
【００５８】
そして、蒸発器１と銅パイプとをろう付けし、更に凝縮管８ａ，８ｂにフィンを取り付けて、図３のように主ループ１０及び補助ループ２０を有する実施例のループ型ヒートパイプを完成した。
【００５９】
蒸気管１２の長さは２５０ｍｍ、凝縮管８ａの長さは１５０ｍｍ、液管１３の長さは５５０ｍｍとした。また、蒸気管２２の長さは２００ｍｍ、凝縮管８ｂの長さは１５０ｍｍ、液管２３の長さは５００ｍｍとした。更に、ループ型ヒートパイプ内には、作動液としてエタノールを封入した。
【００６０】
一方、比較例として、図１に示す構造のループ型ヒートパイプを作製した。蒸発器６１の大きさは、実施例と同様に５０ｍｍ（幅）×５０ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（高さ）であり、蒸気管６３、液管６２及び凝縮器６４は銅パイプにより形成した。
【００６１】
これらの実施例及び比較例のループ型ヒートパイプを、ＣＰＵが搭載されたコンピュータ基板（回路基板）に取り付けた。なお、ＣＰＵの上にはサーマルグリースを塗布した。
【００６２】
そして、実施例及び比較例のループ型ヒートパイプを取り付けた各コンピュータ基板をトップヒートの状態となるように垂直に配置し、ＣＰＵの発熱量とループ型ヒートパイプの熱輸送抵抗との関係を調べた。
【００６３】
図７は、横軸にＣＰＵの発熱量をとり、縦軸に熱輸送抵抗をとって、実施例及び比較例のループ型ヒートパイプの熱輸送抵抗を調べた結果を示す図である。
【００６４】
この図７に示すように、比較例のループ型ヒートパイプでは、ＣＰＵの発熱量が１０Ｗのときに熱輸送抵抗が０．４℃／Ｗと高い値を示した。また、ＣＰＵの発熱量を１０Ｗよりも高くするとＣＰＵの温度が急激に上昇し、熱輸送抵抗を測定することができなかった。この結果から、比較例のループ型ヒートパイプではドライアウトが発生し、作動流体を循環させることができなくなったものと考えられる。
【００６５】
一方、実施例のループ型ヒートパイプでは、ＣＰＵの発熱量が５０Ｗのときに熱抵抗が０．４℃／Ｗであり、ＣＰＵの発熱量の増加にともなって熱輸送抵抗が低下することが確認された。また、ドライアウトの発生はなかった。これらのことから、実施例のループ型ヒートパイプは、ＣＰＵの発熱量にかかわらず、ＣＰＵを安定して冷却できることがわかる。
【００６６】
（電子機器）
図８は、実施形態に係るループ型ヒートパイプを搭載した電子機器の斜視図である。
【００６７】
電子機器８０は、例えばブレードサーバや、タワー型のパーソナルコンピュータであり、図８のように、筺体８６内にはＣＰＵ８２及びメモリ８４等が実装された回路基板８１と、筺体８６内に冷風を取り入れるための冷却ファン１６と、ハードディスクドライブ（記憶装置）８３とが配置されている。また、ＣＰＵ８２には、実施形態に係るループ型ヒートパイプ１００（図３参照）の蒸発器１が接続されている。ループ型ヒートパイプ１００の凝縮器８は送風ファン１６の近傍に配置されており、送風ファン１６から冷風が供給されるようになっている。また、蒸発器１と凝縮器８との間には、蒸気管１２，２２及び液管１３，２３が接続されており、主ループ１０及び補助ループ２０を形成している。
【００６８】
本実施形態に係る電子機器８０は、蒸発器１が凝縮器８よりも上に位置するトップヒートの状態でループ型ヒートパイプ１００を配置している。このループ型ヒートパイプ１００は、前述したように主ループ１０及び補助ループ２０を有し、蒸発器１の温度が所定温度以上になると確実に動作を開始し、ＣＰＵ８２を十分に冷却することができる。これにより、ＣＰＵ８２の誤動作や故障の発生を防止でき、電子機器８０の信頼性を確保することができる。
【００６９】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７０】
（付記１）液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【００７１】
（付記２）前記補助ループが、前記主ループの内側に配置されていることを特徴とする付記１に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７２】
（付記３）前記蒸発器が平板状の外観を有し、前記第１のウィック及び前記第２のウィックは前記蒸発器内に一列に並んで配置されていることを特徴とする付記１又は２に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７３】
（付記４）前記第１のウィックの数が、前記第２のウィックの数よりも多いことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７４】
（付記５）前記凝縮器には放熱用のフィンが設けられていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
【００７５】
（付記６）電子部品を搭載した回路基板と、
ループ型ヒートパイプとを具備し、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品で発生する熱により液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有する
ことを特徴とする電子機器。
【００７６】
（付記７）前記蒸発器が前記凝縮器よりも上に配置されていることを特徴とする付記６に記載の電子機器。
【００７７】
（付記８）前記凝縮器にエアーを供給する送風ファンを有し、該送風ファンは前記補助ループよりも前記主ループに近い位置に配置されていることを特徴とする付記６又は７に記載の電子機器。
【００７８】
（付記９）前記補助ループが、前記主ループの内側に配置されていることを特徴とする付記６乃至８のいずれか１項に記載の電子機器。
【００７９】
（付記１０）前記蒸発器が平板状の外観を有し、前記第１のウィック及び前記第２のウィックは前記蒸発器内に一列に並んで配置されていることを特徴とする付記６乃至９のいずれか１項に記載の電子機器。
【符号の説明】
【００８０】
１…蒸発器、４ａ，４ｂ…ウィック、５…液溜部、６，６ａ，６ｂ…蒸気集合部、７…仕切壁、８…凝縮器、８ａ，８ｂ…凝縮管、１０…主ループ、１２，２２…蒸気管、１３，２３…液管、１５…フィン、１６…送風ファン、２０…補助ループ、６０，１００…ループ型ヒートパイプ、６１…蒸発器、６１ａ…液溜部、６１ｂ…蒸気集合部、６１ｃ…伝熱ブロック、６２…凝縮器、６３…蒸気管、６４…液管、６５…フィン、６６…送風ファン、６７…ウィック、８０…電子機器、８１…回路基板、８２…ＣＰＵ、８３…記録装置、８４…メモリ、８６…筺体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
前記補助ループが、前記主ループの内側に配置されてい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。
【請求項３】
前記蒸発器が平板状の外観を有し、前記第１のウィック及び前記第２のウィックは前記蒸発器内に一列に並んで配置されてい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。
【請求項４】
電子部品を搭載した回路基板と、
ループ型ヒートパイプとを具備し、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品で発生する熱により液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有する
ことを特徴とする電子機器。
【請求項５】
前記蒸発器が前記凝縮器よりも上に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電子機器。
【請求項１】
液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有することを特徴とするループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
前記補助ループが、前記主ループの内側に配置されてい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。
【請求項３】
前記蒸発器が平板状の外観を有し、前記第１のウィック及び前記第２のウィックは前記蒸発器内に一列に並んで配置されてい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。
【請求項４】
電子部品を搭載した回路基板と、
ループ型ヒートパイプとを具備し、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品で発生する熱により液相の作動流体を気相の作動流体に変化させる蒸発器と、
気相の作動流体を液相の作動流体に変化させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の主ループを形成する第１の蒸気管及び第１の液管と、
前記蒸発器と前記凝縮器との間を連絡して環状の補助ループを形成する第２の蒸気管及び第２の液管とを有し、
前記蒸発器が、
前記第１の液管及び前記第２の液管から流入する液相の作動流体を一時的に貯留する液溜部と、
前記第１の蒸気管に連絡する第１の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部よりも前記凝縮器に近い位置に配置されて前記第２の蒸気管に連絡する第２の蒸気集合部と、
前記第１の蒸気集合部と前記第２の蒸気集合部とを分離する分離壁と、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第１の蒸気集合部との間に配置された第１のウィックと、
多孔質体により形成され、前記液溜部と前記第２の蒸気集合部との間に配置された第２のウィックとを有する
ことを特徴とする電子機器。
【請求項５】
前記蒸発器が前記凝縮器よりも上に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７２６２７（Ｐ２０１３−７２６２７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４１６８（Ｐ２０１１−２１４１６８）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
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