ループ型ヒートパイプ及び電子装置
【課題】 蒸発器、凝縮器以外の部分での作動流体の相変化による流動障害を抑制しながら、発熱量の増大に対する動作限界を高めることのできるＬＰＨを提供することを課題とする。
【解決手段】 ループ型ヒートパイプの第１基板２０には、凝縮部２２と液相路２４と液溜め部２６とが形成される。第１基板に接合された第２基板３０に気相路３２が形成される。第２基板に接合された第３基板４０に蒸発部４２が形成される。気相路３２は蒸発部４２と凝縮部２２とを接続する。液相路２４は凝縮部２２と蒸発部４２とを接続する。第１基板２０を形成する基材の熱伝導率は、第２基板３０を形成する基材の熱伝導率より大きい。
【解決手段】 ループ型ヒートパイプの第１基板２０には、凝縮部２２と液相路２４と液溜め部２６とが形成される。第１基板に接合された第２基板３０に気相路３２が形成される。第２基板に接合された第３基板４０に蒸発部４２が形成される。気相路３２は蒸発部４２と凝縮部２２とを接続する。液相路２４は凝縮部２２と蒸発部４２とを接続する。第１基板２０を形成する基材の熱伝導率は、第２基板３０を形成する基材の熱伝導率より大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態はヒートパイプの原理を用いて電子部品を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の電子機器の多くは、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）を用いて電子回路を形成した電子回路基板を有している。ＬＳＩは動作時に発熱するため、放熱機構を設けてＬＳＩを冷却することが多い。例えば、ＬＳＩパッケージの放熱面にヒートスプレッダやヒートシンク等の放熱部材を接触させて、ＬＳＩパッケージ内部で発生した熱を放熱部材を介して周囲に放出することで、ＬＳＩパッケージを冷却することができる。
【０００３】
ＬＳＩの高集積化に伴いＬＳＩの発熱量が増大しており、放熱部材による放熱では冷却能力が足りない場合がある。そこで、放熱部材の代わりにヒートパイプによる熱移動を利用した放熱機構によりＬＳＩパッケージを冷却することが提案されている。そのようなヒートパイプのうち、特に携帯電話等の小型・薄型電子機器内の半導体素子の冷却に適したものとして、ループ型ヒートパイプ（ＬＨＰ）が提案されている。
【０００４】
ＬＨＰは、作動液が気化する潜熱を利用して冷却する蒸発器と、蒸発器から輸送される気体を液化する凝縮器と、蒸発器から凝縮器へ蒸気を輸送する気相路と、凝縮器から蒸発器へ液を輸送する液相路とより構成される。電子機器からの熱により蒸発器内で作動液が蒸発し、その際の気化熱によって電子機器は冷却される。蒸発器内で発生した蒸気は気相路を経て凝縮器に至り、液化された後に液相路を通って再び蒸発器に戻る。還流した液は、蒸発器内のウィックの毛細管力により蒸発器内の全域に染み渡り、再び電子機器からの熱によって蒸発する。
【０００５】
ＬＨＰでは、その動作原理から、気相路内に液相が、或いは液相路内に気相が混入すると、各流路が詰まってしまう可能性があり、動作不良の原因となる。このため、蒸発器と凝縮器以外での作動流体の相変化を抑制することが重要な課題となる。ノートＰＣや携帯電話のような小型・薄型の携帯電子機器への搭載を目的としたＬＨＰでは、流路の幅が数十から数百μｍオーダーであり、全作動流体の体積に対する、流路内壁との接触面積量の割合が大きくなる。このため、サーバ等への搭載を目的とした従来のＬＨＰ（流路の幅はｍｍオーダー）に較べて、流路内壁を通して作動流体が外周基板と熱交換をしやすくなる。それにより、作動流体が蒸発器と凝縮器以外の部分（すなわち、気相路及び液相路）で相変化を起こしやすくなり、二相が混在することによる流動障害が発生しやすいという問題がある。
【０００６】
そこで、同一基板上に蒸発器と凝縮器を、両者間で熱的接触のないように形成し、低熱伝導率材質からなる基板上に形成した気相路および液相路によって、蒸発器と凝縮器を接続してＬＨＰを形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＬＨＰでは、気相路および液相路が低熱伝導率の基材上に形成されているため、外部から熱的影響を受けて各流路内に存在する作動流体が相変化することを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０８７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＬＨＰの動作時において、熱源の発熱量が上昇し続けると、発生する蒸気量も増加していく。しかしながら、凝縮器において凝縮可能な流体量には限界がある。従って、発生する蒸気が一定量を超えると、蒸気は凝縮器において凝縮しきれずに液相路へと流入してしまう。例えば、特許文献１に開示されたＬＨＰでは、流路内における作動流体の相変化が抑制されているため、液相路内に流入した蒸気は相変化せずに液相路を通過し、蒸発器の液管側に蒸気（気体）が溜まることになる。これにより、液相路から蒸発器への液流入が妨げられてしまい、やがて蒸発器内の作動液が枯渇し（いわゆる、ドライアウト）、ＬＨＰの動作が停止してしまうおそれがある。
【０００９】
そこで、蒸発器、凝縮器以外の部分での作動流体の相変化による流動障害を抑制しながら、発熱量の増大に対する動作限界を高めることのできるＬＨＰの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態によれば、凝縮部と液相路とが形成された第１基板と、前記第１基板に接合され、気相路が形成された第２基板と、前記第２基板に接合され、蒸発部が形成された第３基板とを有し、前記気相路は、前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記液相路は、前記凝縮部と前記蒸発部とを接続し、前記第１基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第２基板を形成する基材の熱伝導率より大きいループ型ヒートパイプが提供される。
【００１１】
また、上述のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
液相路及び液溜め部が形成された第１基板と、蒸発部が形成され第３基板の間に、熱伝導率が低い第２基板が設けられるため、第３基板から第１基板への伝熱が抑制される。これにより、液相路及び液溜め部への伝熱量が減少し、液相路及び液溜め部での作動流体の気化が抑制され、作動流体の相変化による流動障害が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態によるループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図２】蒸発部にウィックが設けられたループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図３】第１基板及び第２基板より小さな第３基板を有するループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図４】第１基板を２枚の基板で形成したループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図５】ループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器の一例としての携帯電話の内部を示す斜視図である。
【図６】図５に示す携帯電話の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は一実施形態によるループ型ヒートパイプ（ＬＨＰ）の分解斜視図である。本実施形態によるＬＨＰ１０は、第１基板２０と、第２基板３０と、第３基板４０とを積層して貼り合わせて形成される。
【００１６】
第１基板２０には、凝縮部２２、液相路２４、及び、液溜め部２６が形成される。凝縮部２２、液相路２４、及び、液溜め部２６は、第１基板２０の裏面側（第２基板３０が接合される面側）から形成された凹部及び溝により形成される。凝縮部２２は内部で気相状態の作動流体（蒸気）が放熱して液化する部分である。
【００１７】
第１基板２０の表側であって、裏面側から凝縮部２２が形成された部分には、放熱フィン２２ａが取り付けられる。また、第１基板２０の表側であって、裏面側から液溜め部２６が形成された部分には、液注入口２６ａが設けられる。液注入口２６ａはループ型ヒートパイプ１０が形成されてから、作動流体を外部から液溜め部２６の内部に注入するための貫通孔である。作動流体の注入後は、液注入口２６ａは閉鎖される。
【００１８】
ここで、第１基板２０は高熱伝導率の材料により形成された基材である。したがって、凝縮部２２の内部の作動流体（蒸気）の熱は第１の基板２０から効率的に放熱フィン２２ａに伝達され、放熱フィン２２ａからＬＨＰ１０の外部に放出される。第１基板２０を形成する高熱伝導率の材料の例として、例えば、シリコンなどの半導体材料や銅などの金属材料があげられる。これらの材料は、高熱伝導率を有するだけでなく、半導体製造技術における基板加工技術により容易に加工することができる。すなわち、第１基板２０に対して凹部や溝を形成する方法として、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、レーザエッチング、ＵＶ光エッチング、プロトン光エッチングなどのエッチング法を用いることができる。
【００１９】
次に、第２基板３０について説明する。第１基板２０の裏面側に接合される第２基板３０には、気相路３２と連通孔３４とが形成される。気相路３２は、第２基板３０の裏面側（第３基板４０が接合される面側）から形成された溝（細長い凹部）により形成される。気相路３２は、後述する第３基板４０の蒸発部４２と、上述の第１基板２０の凝縮部２２とを接続する流体通路として設けられる。したがって、気相路３２の一端側に連通孔３２ａが形成され、連通孔３２ａを介して第１基板２０の裏面側に開口している凝縮部２２と気相路３２とが接続される。気相路３２の反対端側は、後述する第３基板４０の表面側に開口している蒸発部４２に接続される。
【００２０】
蒸発部４２で気化して気相路３２を流れてきた作動流体の蒸気は連通孔３２ａを通って第１基板２０の凝縮部２２に流入することができる。気相路３２は、連通孔３２ａが形成された位置から、後述する第３基板４０の蒸発部４２が形成された位置まで延在し、蒸発部４２に接続される。
【００２１】
第２基板３０に形成されたもう一つの連通孔３４は、第２基板３０を貫通する孔であり、第１基板２０の液溜め部２６と、後述する第３基板４０の蒸発部４２とを連通するための貫通孔である。液溜め部２６に溜まった液相状態の作動流体は、連通孔３４を介して第３基板４０の蒸発部４２に流入することができる。
【００２２】
ここで、第２基板３０は低熱伝導率の材料により形成された基材である。したがって、第２基板３０の内部に形成された気相路３２と第１基板２０との間は、第２基板３０を形成する低熱伝導率の材料に断熱された状態となる。これにより、気相路３２内の気相状態の作動流体の熱が第１基板に伝達されることが抑制される。すなわち、気相路３２内の気相状態の作動流体は、気相路３２内を流れる間は気相状態であるための温度に維持されながら、凝縮部２２に流れ込むことができる。
【００２３】
第２基板３０を形成する低熱伝導率の材料の例として、例えば、ガラス、あるいはポリメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の合成樹脂があげられる。これらの材料は、低熱伝導率を有するだけでなく、半導体製造技術における基板加工技術により容易に加工することができる。
【００２４】
次に、第３基板４０について説明する。第２基板２０の裏面側に接合される第３基板４０には、上述のように蒸発部４２が形成される。蒸発部４２は第３基板４０の表面側（第２基板２０の裏面側に接合される面側）から形成された凹部であり、凹部の内部にフィン４２ａが設けられている。フィン４２ａは必ずしも短冊状の突起である必要はなく、凹部の内面の面積を増加させるものであれば、例えば多数の細かな溝を凹部の底面に形成したような構造であってもよい。
【００２５】
第３基板４０の裏面側（第２基板３０が接合される面の反対側）で蒸発部４２が設けられた部分に、半導体素子や電子部品のような発熱体が接触するように構成されている。ここで、第３基板４０は高熱伝導率の材料により形成された基材である。したがって、発熱体の熱は、第３の基板４０から効率的に蒸発部４２内の作動流体に伝達され、作動流体は発熱体からの熱により蒸発して気化する。第３基板４０を形成する高熱伝導率の材料の例として、第１基板２０を形成するための材料と同様に、例えば、シリコンなどの半導体材料や銅などの金属材料があげられる。
【００２６】
ループ型ヒートパイプ１０は、上述の第１基板２０、第２基板３０、及び第３基板を積層して接合した後、液注入口２６ａから作動流体を内部に注入し、液注入口２６ａを閉鎖することで完成する。第１基板２０、第２基板３０、及び第３基板の接合は、例えば陽極接合とすることができる。また、作動流体として、例えば水を用いることができる。
【００２７】
第１基板２０及び第３基板４０は高熱伝導率を有する材料で形成されており、第１基板２０と第３基板４０との間の第２基板３０は低熱伝導率を有する材料で形成されている。本実施形態では、第１基板２０及び第３基板４０は例えば銅と同じ程度の熱伝導率を有し、第２基板３０は例えばＰＤＭＳと同じ程度の熱伝導率を有することとしている。ただし、第２基板３０の熱伝導率が、少なくとも第１基板２０の熱伝導率より低ければ、気相路３２を断熱する効果が得られるので、気相路３２での作動流体の相変化（液化）を抑制することができる。
【００２８】
次に、ループ型ヒートパイプ１０の動作について説明する。
【００２９】
まず、液溜め部２６内の液相状態の作動流体は、連通孔３４を通じて蒸発部４２に流入する。液相状態の作動流体は、蒸発部４２において発熱体からの熱を吸収して蒸発し、気相状態（気相）の作動流体となる。気相状態の作動流体は気相路３２に入り、気相路３２を通過して凝縮部２２に流れ込む。
【００３０】
このとき、気相路３２は低熱伝導率の材料で形成された第２基板３０内に形成されており、気相路３２と第１基板２０との間には低熱伝導率の材料が存在する。これにより、気相路３２は放熱フィン２２ａが設けられた第１基板２０から断熱され、気相路３２内の気相状態の作動流体から第１基板２０への伝熱は抑制される。したがって、気相路３２内を流れる気相状態の作動流体が熱を放出して液相状態の作動流体となること（液化すること）が抑制され、気相路３２内で液化した作動流体が気相路３２内の気相状態の作動流体の流れを阻止することを防止することができる。
【００３１】
気相路３２から連通孔３２ａを通じて凝縮部２２に流入した作動流体は、凝縮部２２で放熱して凝縮し、液相状態の作動流体に相変化する。液相状態の作動流体は、液相路２４を流れて液溜め部２６に戻り、再び蒸発部４２に流れ込む。このように、作動流体は蒸発部４２で吸熱して蒸発してから凝縮部２２で放熱して凝縮するというサイクルを繰り返すことで、発熱体から連続的に熱を吸収し冷却することができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態では、液相路２４と液溜め部２６とが高熱伝導率を有する第１基板２０に形成されている。このため、凝縮部２２において凝縮しきれなかった作動流体の蒸気が液相路２４及び液溜め部２６に流入しても、液相路２４及び液溜め部２６においても第１基板２０を介した放熱が行なわれる。これにより、液相路２４及び液溜め部２６においても作動流体の液相への相変化（液化）が生じ、液相路２４及び液溜め部２６に気相状態の作動流体が滞留することが抑制される。
【００３３】
また、第１基板２０に形成された凝縮部２２、液相路２４、及び液溜め部２６と、第３基板４０に形成された蒸発部４２との間には、低熱伝導率を有する第２基板３０が設けられる。第２基板３０の熱伝導率は、第１基板２０及び第３基板の熱伝導率より低いため、第２基板３０が設けられたことで、第３基板４０に接触する発熱体からの熱が、第１基板２０の液相路２４及び液溜め部２６に伝わることが抑制される。これにより、発熱体の熱が液相路２４及び液溜め部２６に伝わってそれらの内部で作動流体が気化することが抑制される。
【００３４】
以上より、発熱体からの発熱量が大きくても、液相路２４及び液溜め部２６における作動流体は液相状態を保つことができるため、発熱量に対するＬＨＰの動作限界を高めることができる。
【００３５】
さらに、上述のように、第２基板３０の熱伝導率は、第１基板２０の熱伝導率より低いため、凝縮部２２が設けられた第１基板２０に対して気相路３２から熱が移動することが抑制される。これにより、気相路３２内で作動流体が液化することが抑制され、気相路３２内で液相状態の作動流体が気相状態の作動流体の流れを阻止することが抑制され、作動流体の流動障害を防止することができる。したがって、気相路３２が形成された低熱伝導率を有する第２基板３０を第１基板２０と第３基板４０との間に設けることで、ＬＨＰ内において、スムーズな作動流体の循環を維持することができる。
【００３６】
上述の実施形態では、蒸発部４２内にフィンを設けたり、蒸発部４２の内部を溝構造としたりすることで作動流体との接触面積を増やしているが、図２に示すように、多孔質体よりなるウィック４４を蒸発部４２内に組み込むこととしてもよい。図２は蒸発部４２にウィック４４が設けられたループ型ヒートパイプ１０Ａの分解斜視図である。図２において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３７】
ウィック４４は例えばステンレス鋼などの金属の多孔質体やセラミックスの多孔質体により形成され、作動流体との接触面積を非常に大きくとることができる。なお、図２において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
また、上述の実施形態では、第３基板４０は、第１基板２０及び第２基板３０の形状・寸法と同じとしたが、第３基板４０を蒸発部４２及び発熱体の大きさに合わせて小さくして、図３に示すように第３基板４０Ａとしてもよい。図３は、第１基板２０及び第２基板３０より小さな第３基板４０Ａを有するループ型ヒートパイプ１０Ｂの分解斜視図である。
【００３９】
図３において、第３基板４０Ａは、第１基板２０及び第２基板３０より小さく、蒸発部４２の大きさに対応する大きさである。したがって、第３基板４０Ａは、図１に示す第３基板４０より小さくなっている。ループ型ヒートパイプ１０Ｂのその他の構成は図１に示すループ型ヒートパイプ１０と同等である。したがって、図３において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４０】
第３基板４０Ａは、発熱体の大きさに対応した形状・寸法を有しているため、発熱体からの熱が第３基板４０Ａを介して第２基板３０から第１基板２０へと伝わる伝熱面積が小さくなっている。したがって、図１に示すループ型ヒートパイプ１０と比較すると、ループ型ヒートパイプ１０Ｂでは、発熱体から第２基板３０及び第１基板２０へと伝わる熱量が低減される。これにより、発熱体からの発熱量が大きくても、第１基板２０に形成された気相路２４及び液溜め部２６への伝熱量が低減され、気相路２４及び液溜め部２６における作動流体は液相状態を保つことができ、発熱量に対するＬＨＰの動作限界をより高くすることができる。
【００４１】
上述の実施形態において、一枚の基板ではなく２枚の基板を貼り合わせて第１基板２０を形成してもよい。図４は第１基板２０を２枚の基板で形成したループ型ヒートパイプ１０Ｃの分解斜視図である。
【００４２】
図４において、第１基板２０は、上側基板２０Ａと下側基板２０Ｂとを貼り合わせることで形成される。上側基板２０Ａには凝縮部２２が形成され、凝縮部２２に相当する位置に放熱フィン２２ａが取り付けられる。下側基板２０Ｂには液相路２４及び液溜め部２６が形成される。また、下側基板には、気相路３２と凝縮部２２とを連通する貫通孔として連通孔２０Ｂａが形成される。上側基板２０Ａに設けられた凝縮部２２のほうが、下側基板２０Ｂに設けられた液相路２４より高い位置となって高低差ができるため、凝縮部２２で液化した作動流体を液相路２４に流れやすくすることができる。
【００４３】
ここで、上述の実施形態によるループ型ヒートパイプの具体的な効果について、図１に示すループ型ヒートパイプ１０を例にとって説明する。
【００４４】
第１基板２０の厚さを５００μｍとする。第１基板２０に形成された液相路２４の幅を４２０μｍ、深さを１５０μｍ、長さを３２ｍｍとする。作動流体として水がループ型ヒートパイプ１０内に封入されているものとする。
【００４５】
発熱体から作動流体に１０Ｗの熱が流入し、蒸発部４２の温度が６５度となった定常状態での動作を考える。６５度での水の蒸発潜熱は２．３４×１０６Ｊ／ｋｇであるので、作動流体の質量流量は４．２７×１０−６ｋｇ／ｓとなる。よって、液相路２４の温度が３０度となった場合、水の密度は９９５．６ｋｇ／ｍ３であるので、液相路２４における水の体積流量は４．２８×１０−９ｍ３／ｓとなり、流速は０．１１２ｍ／ｓとなる。
【００４６】
発熱体の熱により発生した蒸気のうち、例えば、４．６０×１０−１１ｍ３が凝縮部２２で液化せずに気泡として液相路２４に混入したときを考える。この気泡が完全な球状である場合、半径は２２２．２μｍである。ここで、液相路２４と等価である円管を考えると、円管の半径ｒについては、液相路の幅ｗおよび深さｔを用いて、次式で表される。
【００４７】
【数１】
【００４８】
式（１）によれば、液相路２４の等価半径ｒは２２１μｍである。従って、上述の気泡が液相路２４に混入した場合、液相路２４が気泡によって詰まってしまう可能性がある。この混入した気泡は、液相路２４内の水と同じ速度で進行するので、長さ３２ｍｍの液相路２４を０．２８７ｓで通過することになる。
【００４９】
例えば、第１基板２０の材質が低熱伝導率を有するガラス（熱伝導率０．７５Ｗ／ｍＫ）の場合、基板と外気との接触面の温度が２５度とすると、流路底の厚さが２００μｍ、液相路２４の温度が３０度であることから、流路底から外部への放出熱量は７．５×１０−４Ｗとなり、０．２８７ｓ間での総放出熱量は２．１５×１０−４Ｊとなる。従って、３０度での水の蒸発潜熱が２．４３×１０６Ｊ／ｋｇであることから、液化する流体の質量は８．８５×１０−１１ｋｇ、体積は８．８９×１０−１４ｍ３となる。流路底からのみの放熱を考えた場合、混入した気泡の僅か０．１９％しか液化しておらず、４．５９×１０−１１ｍ３の気泡が液化せずに液相路２４を進むことになる。この気泡が完全に球状である場合、半径は２２２．１μｍであるので、依然として液相路２４が気泡によって詰まる可能性がある。
【００５０】
一方、第１基板２０の材質が高熱伝導率を有する銅（熱伝導率３８５Ｗ／ｍＫ）の場合、流路底から外部への放出熱量は０．３８５Ｗとなり、０．２８７ｓ間での総放出熱量は０．１１Ｊとなる。従って、液化する流体の質量は４．５５×１０−８ｋｇ、体積は４．５６×１０−１１ｍ３となる。流路底からのみの放熱を考えた場合、混入した蒸気の９９％が液化し、気泡として存在しているのは、僅か３．６５×１０−１３ｍ３のみである。この気泡が完全に球状である場合、半径は４４．３μｍと、液相路２４の等価半径に比べて充分に小さい。
【００５１】
以上のように、熱源の発熱量が約１０Ｗに達した場合、液相路２４が低熱伝導率の部材（上述の例ではガラス）で形成されていると、ＬＨＰが動作限界となってしまうが、液相路２４が高熱伝導率の部材（上述の例では銅）で形成されていれば、発熱量に対するＬＨＰの動作限界が向上し、熱源の発熱量が１０Ｗ以上であってもＬＨＰの動作が可能となる。
【００５２】
次に、上述のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器について説明する。図５はループ型ヒートパイプ１０が組み込まれた電子機器の一例としての携帯電話の内部を示す斜視図である。図６は図５に示す携帯電話の断面図である。
【００５３】
電子機器の一例としての携帯電話６０は、上側筐体６２と下側筐体６４とを有する。上側筐体には、ＬＣＤ等の表示部６２ａが設けられ、表示部６２ａの下には操作ボタン６２ｂが配置されている。
【００５４】
下側筐体６４内には回路基板６６が組み込まれ、回路基板６６上に上述のループ型ヒートパイプ１０が配置されている。より具体的には、回路基板６６上に電子部品６８が搭載され、電子部品６８を冷却するためにループ型ヒートパイプ１０が設けられている。ループ型ヒートパイプ１０は、第３基板４０の裏面側で蒸発部４２の位置が、電子部品６８に接触するように配置されている。電子部品６８は動作時に発熱する発熱体である。したがって、電子部品６８が発生した熱を蒸発部４２で吸収するようにループ型ヒートパイプ１０が電子部品６８の上に取り付けられている。
【００５５】
図１に示すループ型ヒートパイプ１０の第１基板２０には放熱フィン２２ａが取り付けられているが、図５に示す例では、放熱フィン２２ａの代わりに放熱材７０が取り付けられている。放熱材７０は、第１基板２０の表面側であって、凝縮部２２に相当する位置に取り付けられる。
【００５６】
放熱材７０は、高熱伝導率を有する材料である、例えば、銅やアルミニウムなどにより形成された板状の部材であり、凝縮器２２からの熱をその表面から放熱することができる。 放熱材７０の上面や両端側面を、上側筐体６２の内面や下側筐体６４の内面に接触させておくことで、放熱材７０を介して上側筐体６２及び下側筐体６４にも放熱することができ、放熱効率を一層高めることができる。
【００５７】
以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
凝縮部と液相路とが形成された第１基板と、
前記第１基板に接合され、気相路が形成された第２基板と、
前記第２基板に接合され、蒸発部が形成された第３基板と
を有し、
前記気相路は、前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、
前記液相路は、前記凝縮部と前記蒸発部とを接続し、
前記第１基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第２基板を形成する基材の熱伝導率より大きいループ型ヒートパイプ。
（付記２）
付記１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第２基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第１基板及び前記第３基板を形成する基材の熱伝導率より小さいループ型ヒートパイプ。
（付記３）
付記１又は２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内面に溝構造が設けられたループ型ヒートパイプ。
（付記４）
付記１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内部にウィックが設けられているループ型ヒートパイプ。
（付記５）
前記第３基板は、前記第１基板及び前記第２基板より小さく、前記蒸発部に対応した大きさであるループ型ヒートパイプ。
（付記６）
付記１乃至５のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第１基板の表面で前記凝縮部に対応する位置に放熱材が取り付けられたループ型ヒートパイプ。
（付記７）
付記６記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱材は放熱フィンであるループ型ヒートパイプ。
（付記８）
付記１乃至７のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第１基板及び前記第３基板はシリコン又は銅により形成され、前記第２基板はガラス又は合成樹脂により形成されるループ型ヒートパイプ。
（付記９）
付記１乃至８のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器。
（付記１０）
付記９記載の電子機器であって、
前記ループ型ヒートパイプは、前記蒸発部に対応する部分が、筐体内に収容された回路基板に実装された電子部品に接触するように配置された電子機器。
（付記１１）
付記１０記載の電子機器であって、
前記放熱材は板状の放熱材であり、該放熱材の一部は前記筐体に接触するように配置された電子機器。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ ループ型ヒートパイプ
２０ 第１基板
２０Ａ 上側基板
２０Ｂ 下側基板
２０Ｂａ 連通孔
２２ 凝縮部
２２ａ 放熱フィン
２４ 液相路
２６ 液溜め部２６
２６ａ 液注入口
３０ 第２基板
３２ 気相路
３２ａ 連通孔
３４ 連通孔
４０ 第３基板
４２ 蒸発部
４２ａ フィン
４４ ウィック
６０ 携帯電話
６２ 上側筐体
６２ａ 表示部
６２ｂ 操作ボタン
６４ 下側筐体
６６ 回路基板
６８ 電子部品
７０ 放熱材
【技術分野】
【０００１】
実施形態はヒートパイプの原理を用いて電子部品を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の電子機器の多くは、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）を用いて電子回路を形成した電子回路基板を有している。ＬＳＩは動作時に発熱するため、放熱機構を設けてＬＳＩを冷却することが多い。例えば、ＬＳＩパッケージの放熱面にヒートスプレッダやヒートシンク等の放熱部材を接触させて、ＬＳＩパッケージ内部で発生した熱を放熱部材を介して周囲に放出することで、ＬＳＩパッケージを冷却することができる。
【０００３】
ＬＳＩの高集積化に伴いＬＳＩの発熱量が増大しており、放熱部材による放熱では冷却能力が足りない場合がある。そこで、放熱部材の代わりにヒートパイプによる熱移動を利用した放熱機構によりＬＳＩパッケージを冷却することが提案されている。そのようなヒートパイプのうち、特に携帯電話等の小型・薄型電子機器内の半導体素子の冷却に適したものとして、ループ型ヒートパイプ（ＬＨＰ）が提案されている。
【０００４】
ＬＨＰは、作動液が気化する潜熱を利用して冷却する蒸発器と、蒸発器から輸送される気体を液化する凝縮器と、蒸発器から凝縮器へ蒸気を輸送する気相路と、凝縮器から蒸発器へ液を輸送する液相路とより構成される。電子機器からの熱により蒸発器内で作動液が蒸発し、その際の気化熱によって電子機器は冷却される。蒸発器内で発生した蒸気は気相路を経て凝縮器に至り、液化された後に液相路を通って再び蒸発器に戻る。還流した液は、蒸発器内のウィックの毛細管力により蒸発器内の全域に染み渡り、再び電子機器からの熱によって蒸発する。
【０００５】
ＬＨＰでは、その動作原理から、気相路内に液相が、或いは液相路内に気相が混入すると、各流路が詰まってしまう可能性があり、動作不良の原因となる。このため、蒸発器と凝縮器以外での作動流体の相変化を抑制することが重要な課題となる。ノートＰＣや携帯電話のような小型・薄型の携帯電子機器への搭載を目的としたＬＨＰでは、流路の幅が数十から数百μｍオーダーであり、全作動流体の体積に対する、流路内壁との接触面積量の割合が大きくなる。このため、サーバ等への搭載を目的とした従来のＬＨＰ（流路の幅はｍｍオーダー）に較べて、流路内壁を通して作動流体が外周基板と熱交換をしやすくなる。それにより、作動流体が蒸発器と凝縮器以外の部分（すなわち、気相路及び液相路）で相変化を起こしやすくなり、二相が混在することによる流動障害が発生しやすいという問題がある。
【０００６】
そこで、同一基板上に蒸発器と凝縮器を、両者間で熱的接触のないように形成し、低熱伝導率材質からなる基板上に形成した気相路および液相路によって、蒸発器と凝縮器を接続してＬＨＰを形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＬＨＰでは、気相路および液相路が低熱伝導率の基材上に形成されているため、外部から熱的影響を受けて各流路内に存在する作動流体が相変化することを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０８７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＬＨＰの動作時において、熱源の発熱量が上昇し続けると、発生する蒸気量も増加していく。しかしながら、凝縮器において凝縮可能な流体量には限界がある。従って、発生する蒸気が一定量を超えると、蒸気は凝縮器において凝縮しきれずに液相路へと流入してしまう。例えば、特許文献１に開示されたＬＨＰでは、流路内における作動流体の相変化が抑制されているため、液相路内に流入した蒸気は相変化せずに液相路を通過し、蒸発器の液管側に蒸気（気体）が溜まることになる。これにより、液相路から蒸発器への液流入が妨げられてしまい、やがて蒸発器内の作動液が枯渇し（いわゆる、ドライアウト）、ＬＨＰの動作が停止してしまうおそれがある。
【０００９】
そこで、蒸発器、凝縮器以外の部分での作動流体の相変化による流動障害を抑制しながら、発熱量の増大に対する動作限界を高めることのできるＬＨＰの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態によれば、凝縮部と液相路とが形成された第１基板と、前記第１基板に接合され、気相路が形成された第２基板と、前記第２基板に接合され、蒸発部が形成された第３基板とを有し、前記気相路は、前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記液相路は、前記凝縮部と前記蒸発部とを接続し、前記第１基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第２基板を形成する基材の熱伝導率より大きいループ型ヒートパイプが提供される。
【００１１】
また、上述のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
液相路及び液溜め部が形成された第１基板と、蒸発部が形成され第３基板の間に、熱伝導率が低い第２基板が設けられるため、第３基板から第１基板への伝熱が抑制される。これにより、液相路及び液溜め部への伝熱量が減少し、液相路及び液溜め部での作動流体の気化が抑制され、作動流体の相変化による流動障害が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態によるループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図２】蒸発部にウィックが設けられたループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図３】第１基板及び第２基板より小さな第３基板を有するループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図４】第１基板を２枚の基板で形成したループ型ヒートパイプの分解斜視図である。
【図５】ループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器の一例としての携帯電話の内部を示す斜視図である。
【図６】図５に示す携帯電話の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は一実施形態によるループ型ヒートパイプ（ＬＨＰ）の分解斜視図である。本実施形態によるＬＨＰ１０は、第１基板２０と、第２基板３０と、第３基板４０とを積層して貼り合わせて形成される。
【００１６】
第１基板２０には、凝縮部２２、液相路２４、及び、液溜め部２６が形成される。凝縮部２２、液相路２４、及び、液溜め部２６は、第１基板２０の裏面側（第２基板３０が接合される面側）から形成された凹部及び溝により形成される。凝縮部２２は内部で気相状態の作動流体（蒸気）が放熱して液化する部分である。
【００１７】
第１基板２０の表側であって、裏面側から凝縮部２２が形成された部分には、放熱フィン２２ａが取り付けられる。また、第１基板２０の表側であって、裏面側から液溜め部２６が形成された部分には、液注入口２６ａが設けられる。液注入口２６ａはループ型ヒートパイプ１０が形成されてから、作動流体を外部から液溜め部２６の内部に注入するための貫通孔である。作動流体の注入後は、液注入口２６ａは閉鎖される。
【００１８】
ここで、第１基板２０は高熱伝導率の材料により形成された基材である。したがって、凝縮部２２の内部の作動流体（蒸気）の熱は第１の基板２０から効率的に放熱フィン２２ａに伝達され、放熱フィン２２ａからＬＨＰ１０の外部に放出される。第１基板２０を形成する高熱伝導率の材料の例として、例えば、シリコンなどの半導体材料や銅などの金属材料があげられる。これらの材料は、高熱伝導率を有するだけでなく、半導体製造技術における基板加工技術により容易に加工することができる。すなわち、第１基板２０に対して凹部や溝を形成する方法として、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、レーザエッチング、ＵＶ光エッチング、プロトン光エッチングなどのエッチング法を用いることができる。
【００１９】
次に、第２基板３０について説明する。第１基板２０の裏面側に接合される第２基板３０には、気相路３２と連通孔３４とが形成される。気相路３２は、第２基板３０の裏面側（第３基板４０が接合される面側）から形成された溝（細長い凹部）により形成される。気相路３２は、後述する第３基板４０の蒸発部４２と、上述の第１基板２０の凝縮部２２とを接続する流体通路として設けられる。したがって、気相路３２の一端側に連通孔３２ａが形成され、連通孔３２ａを介して第１基板２０の裏面側に開口している凝縮部２２と気相路３２とが接続される。気相路３２の反対端側は、後述する第３基板４０の表面側に開口している蒸発部４２に接続される。
【００２０】
蒸発部４２で気化して気相路３２を流れてきた作動流体の蒸気は連通孔３２ａを通って第１基板２０の凝縮部２２に流入することができる。気相路３２は、連通孔３２ａが形成された位置から、後述する第３基板４０の蒸発部４２が形成された位置まで延在し、蒸発部４２に接続される。
【００２１】
第２基板３０に形成されたもう一つの連通孔３４は、第２基板３０を貫通する孔であり、第１基板２０の液溜め部２６と、後述する第３基板４０の蒸発部４２とを連通するための貫通孔である。液溜め部２６に溜まった液相状態の作動流体は、連通孔３４を介して第３基板４０の蒸発部４２に流入することができる。
【００２２】
ここで、第２基板３０は低熱伝導率の材料により形成された基材である。したがって、第２基板３０の内部に形成された気相路３２と第１基板２０との間は、第２基板３０を形成する低熱伝導率の材料に断熱された状態となる。これにより、気相路３２内の気相状態の作動流体の熱が第１基板に伝達されることが抑制される。すなわち、気相路３２内の気相状態の作動流体は、気相路３２内を流れる間は気相状態であるための温度に維持されながら、凝縮部２２に流れ込むことができる。
【００２３】
第２基板３０を形成する低熱伝導率の材料の例として、例えば、ガラス、あるいはポリメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の合成樹脂があげられる。これらの材料は、低熱伝導率を有するだけでなく、半導体製造技術における基板加工技術により容易に加工することができる。
【００２４】
次に、第３基板４０について説明する。第２基板２０の裏面側に接合される第３基板４０には、上述のように蒸発部４２が形成される。蒸発部４２は第３基板４０の表面側（第２基板２０の裏面側に接合される面側）から形成された凹部であり、凹部の内部にフィン４２ａが設けられている。フィン４２ａは必ずしも短冊状の突起である必要はなく、凹部の内面の面積を増加させるものであれば、例えば多数の細かな溝を凹部の底面に形成したような構造であってもよい。
【００２５】
第３基板４０の裏面側（第２基板３０が接合される面の反対側）で蒸発部４２が設けられた部分に、半導体素子や電子部品のような発熱体が接触するように構成されている。ここで、第３基板４０は高熱伝導率の材料により形成された基材である。したがって、発熱体の熱は、第３の基板４０から効率的に蒸発部４２内の作動流体に伝達され、作動流体は発熱体からの熱により蒸発して気化する。第３基板４０を形成する高熱伝導率の材料の例として、第１基板２０を形成するための材料と同様に、例えば、シリコンなどの半導体材料や銅などの金属材料があげられる。
【００２６】
ループ型ヒートパイプ１０は、上述の第１基板２０、第２基板３０、及び第３基板を積層して接合した後、液注入口２６ａから作動流体を内部に注入し、液注入口２６ａを閉鎖することで完成する。第１基板２０、第２基板３０、及び第３基板の接合は、例えば陽極接合とすることができる。また、作動流体として、例えば水を用いることができる。
【００２７】
第１基板２０及び第３基板４０は高熱伝導率を有する材料で形成されており、第１基板２０と第３基板４０との間の第２基板３０は低熱伝導率を有する材料で形成されている。本実施形態では、第１基板２０及び第３基板４０は例えば銅と同じ程度の熱伝導率を有し、第２基板３０は例えばＰＤＭＳと同じ程度の熱伝導率を有することとしている。ただし、第２基板３０の熱伝導率が、少なくとも第１基板２０の熱伝導率より低ければ、気相路３２を断熱する効果が得られるので、気相路３２での作動流体の相変化（液化）を抑制することができる。
【００２８】
次に、ループ型ヒートパイプ１０の動作について説明する。
【００２９】
まず、液溜め部２６内の液相状態の作動流体は、連通孔３４を通じて蒸発部４２に流入する。液相状態の作動流体は、蒸発部４２において発熱体からの熱を吸収して蒸発し、気相状態（気相）の作動流体となる。気相状態の作動流体は気相路３２に入り、気相路３２を通過して凝縮部２２に流れ込む。
【００３０】
このとき、気相路３２は低熱伝導率の材料で形成された第２基板３０内に形成されており、気相路３２と第１基板２０との間には低熱伝導率の材料が存在する。これにより、気相路３２は放熱フィン２２ａが設けられた第１基板２０から断熱され、気相路３２内の気相状態の作動流体から第１基板２０への伝熱は抑制される。したがって、気相路３２内を流れる気相状態の作動流体が熱を放出して液相状態の作動流体となること（液化すること）が抑制され、気相路３２内で液化した作動流体が気相路３２内の気相状態の作動流体の流れを阻止することを防止することができる。
【００３１】
気相路３２から連通孔３２ａを通じて凝縮部２２に流入した作動流体は、凝縮部２２で放熱して凝縮し、液相状態の作動流体に相変化する。液相状態の作動流体は、液相路２４を流れて液溜め部２６に戻り、再び蒸発部４２に流れ込む。このように、作動流体は蒸発部４２で吸熱して蒸発してから凝縮部２２で放熱して凝縮するというサイクルを繰り返すことで、発熱体から連続的に熱を吸収し冷却することができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態では、液相路２４と液溜め部２６とが高熱伝導率を有する第１基板２０に形成されている。このため、凝縮部２２において凝縮しきれなかった作動流体の蒸気が液相路２４及び液溜め部２６に流入しても、液相路２４及び液溜め部２６においても第１基板２０を介した放熱が行なわれる。これにより、液相路２４及び液溜め部２６においても作動流体の液相への相変化（液化）が生じ、液相路２４及び液溜め部２６に気相状態の作動流体が滞留することが抑制される。
【００３３】
また、第１基板２０に形成された凝縮部２２、液相路２４、及び液溜め部２６と、第３基板４０に形成された蒸発部４２との間には、低熱伝導率を有する第２基板３０が設けられる。第２基板３０の熱伝導率は、第１基板２０及び第３基板の熱伝導率より低いため、第２基板３０が設けられたことで、第３基板４０に接触する発熱体からの熱が、第１基板２０の液相路２４及び液溜め部２６に伝わることが抑制される。これにより、発熱体の熱が液相路２４及び液溜め部２６に伝わってそれらの内部で作動流体が気化することが抑制される。
【００３４】
以上より、発熱体からの発熱量が大きくても、液相路２４及び液溜め部２６における作動流体は液相状態を保つことができるため、発熱量に対するＬＨＰの動作限界を高めることができる。
【００３５】
さらに、上述のように、第２基板３０の熱伝導率は、第１基板２０の熱伝導率より低いため、凝縮部２２が設けられた第１基板２０に対して気相路３２から熱が移動することが抑制される。これにより、気相路３２内で作動流体が液化することが抑制され、気相路３２内で液相状態の作動流体が気相状態の作動流体の流れを阻止することが抑制され、作動流体の流動障害を防止することができる。したがって、気相路３２が形成された低熱伝導率を有する第２基板３０を第１基板２０と第３基板４０との間に設けることで、ＬＨＰ内において、スムーズな作動流体の循環を維持することができる。
【００３６】
上述の実施形態では、蒸発部４２内にフィンを設けたり、蒸発部４２の内部を溝構造としたりすることで作動流体との接触面積を増やしているが、図２に示すように、多孔質体よりなるウィック４４を蒸発部４２内に組み込むこととしてもよい。図２は蒸発部４２にウィック４４が設けられたループ型ヒートパイプ１０Ａの分解斜視図である。図２において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３７】
ウィック４４は例えばステンレス鋼などの金属の多孔質体やセラミックスの多孔質体により形成され、作動流体との接触面積を非常に大きくとることができる。なお、図２において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
また、上述の実施形態では、第３基板４０は、第１基板２０及び第２基板３０の形状・寸法と同じとしたが、第３基板４０を蒸発部４２及び発熱体の大きさに合わせて小さくして、図３に示すように第３基板４０Ａとしてもよい。図３は、第１基板２０及び第２基板３０より小さな第３基板４０Ａを有するループ型ヒートパイプ１０Ｂの分解斜視図である。
【００３９】
図３において、第３基板４０Ａは、第１基板２０及び第２基板３０より小さく、蒸発部４２の大きさに対応する大きさである。したがって、第３基板４０Ａは、図１に示す第３基板４０より小さくなっている。ループ型ヒートパイプ１０Ｂのその他の構成は図１に示すループ型ヒートパイプ１０と同等である。したがって、図３において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４０】
第３基板４０Ａは、発熱体の大きさに対応した形状・寸法を有しているため、発熱体からの熱が第３基板４０Ａを介して第２基板３０から第１基板２０へと伝わる伝熱面積が小さくなっている。したがって、図１に示すループ型ヒートパイプ１０と比較すると、ループ型ヒートパイプ１０Ｂでは、発熱体から第２基板３０及び第１基板２０へと伝わる熱量が低減される。これにより、発熱体からの発熱量が大きくても、第１基板２０に形成された気相路２４及び液溜め部２６への伝熱量が低減され、気相路２４及び液溜め部２６における作動流体は液相状態を保つことができ、発熱量に対するＬＨＰの動作限界をより高くすることができる。
【００４１】
上述の実施形態において、一枚の基板ではなく２枚の基板を貼り合わせて第１基板２０を形成してもよい。図４は第１基板２０を２枚の基板で形成したループ型ヒートパイプ１０Ｃの分解斜視図である。
【００４２】
図４において、第１基板２０は、上側基板２０Ａと下側基板２０Ｂとを貼り合わせることで形成される。上側基板２０Ａには凝縮部２２が形成され、凝縮部２２に相当する位置に放熱フィン２２ａが取り付けられる。下側基板２０Ｂには液相路２４及び液溜め部２６が形成される。また、下側基板には、気相路３２と凝縮部２２とを連通する貫通孔として連通孔２０Ｂａが形成される。上側基板２０Ａに設けられた凝縮部２２のほうが、下側基板２０Ｂに設けられた液相路２４より高い位置となって高低差ができるため、凝縮部２２で液化した作動流体を液相路２４に流れやすくすることができる。
【００４３】
ここで、上述の実施形態によるループ型ヒートパイプの具体的な効果について、図１に示すループ型ヒートパイプ１０を例にとって説明する。
【００４４】
第１基板２０の厚さを５００μｍとする。第１基板２０に形成された液相路２４の幅を４２０μｍ、深さを１５０μｍ、長さを３２ｍｍとする。作動流体として水がループ型ヒートパイプ１０内に封入されているものとする。
【００４５】
発熱体から作動流体に１０Ｗの熱が流入し、蒸発部４２の温度が６５度となった定常状態での動作を考える。６５度での水の蒸発潜熱は２．３４×１０６Ｊ／ｋｇであるので、作動流体の質量流量は４．２７×１０−６ｋｇ／ｓとなる。よって、液相路２４の温度が３０度となった場合、水の密度は９９５．６ｋｇ／ｍ３であるので、液相路２４における水の体積流量は４．２８×１０−９ｍ３／ｓとなり、流速は０．１１２ｍ／ｓとなる。
【００４６】
発熱体の熱により発生した蒸気のうち、例えば、４．６０×１０−１１ｍ３が凝縮部２２で液化せずに気泡として液相路２４に混入したときを考える。この気泡が完全な球状である場合、半径は２２２．２μｍである。ここで、液相路２４と等価である円管を考えると、円管の半径ｒについては、液相路の幅ｗおよび深さｔを用いて、次式で表される。
【００４７】
【数１】
【００４８】
式（１）によれば、液相路２４の等価半径ｒは２２１μｍである。従って、上述の気泡が液相路２４に混入した場合、液相路２４が気泡によって詰まってしまう可能性がある。この混入した気泡は、液相路２４内の水と同じ速度で進行するので、長さ３２ｍｍの液相路２４を０．２８７ｓで通過することになる。
【００４９】
例えば、第１基板２０の材質が低熱伝導率を有するガラス（熱伝導率０．７５Ｗ／ｍＫ）の場合、基板と外気との接触面の温度が２５度とすると、流路底の厚さが２００μｍ、液相路２４の温度が３０度であることから、流路底から外部への放出熱量は７．５×１０−４Ｗとなり、０．２８７ｓ間での総放出熱量は２．１５×１０−４Ｊとなる。従って、３０度での水の蒸発潜熱が２．４３×１０６Ｊ／ｋｇであることから、液化する流体の質量は８．８５×１０−１１ｋｇ、体積は８．８９×１０−１４ｍ３となる。流路底からのみの放熱を考えた場合、混入した気泡の僅か０．１９％しか液化しておらず、４．５９×１０−１１ｍ３の気泡が液化せずに液相路２４を進むことになる。この気泡が完全に球状である場合、半径は２２２．１μｍであるので、依然として液相路２４が気泡によって詰まる可能性がある。
【００５０】
一方、第１基板２０の材質が高熱伝導率を有する銅（熱伝導率３８５Ｗ／ｍＫ）の場合、流路底から外部への放出熱量は０．３８５Ｗとなり、０．２８７ｓ間での総放出熱量は０．１１Ｊとなる。従って、液化する流体の質量は４．５５×１０−８ｋｇ、体積は４．５６×１０−１１ｍ３となる。流路底からのみの放熱を考えた場合、混入した蒸気の９９％が液化し、気泡として存在しているのは、僅か３．６５×１０−１３ｍ３のみである。この気泡が完全に球状である場合、半径は４４．３μｍと、液相路２４の等価半径に比べて充分に小さい。
【００５１】
以上のように、熱源の発熱量が約１０Ｗに達した場合、液相路２４が低熱伝導率の部材（上述の例ではガラス）で形成されていると、ＬＨＰが動作限界となってしまうが、液相路２４が高熱伝導率の部材（上述の例では銅）で形成されていれば、発熱量に対するＬＨＰの動作限界が向上し、熱源の発熱量が１０Ｗ以上であってもＬＨＰの動作が可能となる。
【００５２】
次に、上述のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器について説明する。図５はループ型ヒートパイプ１０が組み込まれた電子機器の一例としての携帯電話の内部を示す斜視図である。図６は図５に示す携帯電話の断面図である。
【００５３】
電子機器の一例としての携帯電話６０は、上側筐体６２と下側筐体６４とを有する。上側筐体には、ＬＣＤ等の表示部６２ａが設けられ、表示部６２ａの下には操作ボタン６２ｂが配置されている。
【００５４】
下側筐体６４内には回路基板６６が組み込まれ、回路基板６６上に上述のループ型ヒートパイプ１０が配置されている。より具体的には、回路基板６６上に電子部品６８が搭載され、電子部品６８を冷却するためにループ型ヒートパイプ１０が設けられている。ループ型ヒートパイプ１０は、第３基板４０の裏面側で蒸発部４２の位置が、電子部品６８に接触するように配置されている。電子部品６８は動作時に発熱する発熱体である。したがって、電子部品６８が発生した熱を蒸発部４２で吸収するようにループ型ヒートパイプ１０が電子部品６８の上に取り付けられている。
【００５５】
図１に示すループ型ヒートパイプ１０の第１基板２０には放熱フィン２２ａが取り付けられているが、図５に示す例では、放熱フィン２２ａの代わりに放熱材７０が取り付けられている。放熱材７０は、第１基板２０の表面側であって、凝縮部２２に相当する位置に取り付けられる。
【００５６】
放熱材７０は、高熱伝導率を有する材料である、例えば、銅やアルミニウムなどにより形成された板状の部材であり、凝縮器２２からの熱をその表面から放熱することができる。 放熱材７０の上面や両端側面を、上側筐体６２の内面や下側筐体６４の内面に接触させておくことで、放熱材７０を介して上側筐体６２及び下側筐体６４にも放熱することができ、放熱効率を一層高めることができる。
【００５７】
以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
凝縮部と液相路とが形成された第１基板と、
前記第１基板に接合され、気相路が形成された第２基板と、
前記第２基板に接合され、蒸発部が形成された第３基板と
を有し、
前記気相路は、前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、
前記液相路は、前記凝縮部と前記蒸発部とを接続し、
前記第１基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第２基板を形成する基材の熱伝導率より大きいループ型ヒートパイプ。
（付記２）
付記１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第２基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第１基板及び前記第３基板を形成する基材の熱伝導率より小さいループ型ヒートパイプ。
（付記３）
付記１又は２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内面に溝構造が設けられたループ型ヒートパイプ。
（付記４）
付記１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内部にウィックが設けられているループ型ヒートパイプ。
（付記５）
前記第３基板は、前記第１基板及び前記第２基板より小さく、前記蒸発部に対応した大きさであるループ型ヒートパイプ。
（付記６）
付記１乃至５のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第１基板の表面で前記凝縮部に対応する位置に放熱材が取り付けられたループ型ヒートパイプ。
（付記７）
付記６記載のループ型ヒートパイプであって、
前記放熱材は放熱フィンであるループ型ヒートパイプ。
（付記８）
付記１乃至７のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第１基板及び前記第３基板はシリコン又は銅により形成され、前記第２基板はガラス又は合成樹脂により形成されるループ型ヒートパイプ。
（付記９）
付記１乃至８のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器。
（付記１０）
付記９記載の電子機器であって、
前記ループ型ヒートパイプは、前記蒸発部に対応する部分が、筐体内に収容された回路基板に実装された電子部品に接触するように配置された電子機器。
（付記１１）
付記１０記載の電子機器であって、
前記放熱材は板状の放熱材であり、該放熱材の一部は前記筐体に接触するように配置された電子機器。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ ループ型ヒートパイプ
２０ 第１基板
２０Ａ 上側基板
２０Ｂ 下側基板
２０Ｂａ 連通孔
２２ 凝縮部
２２ａ 放熱フィン
２４ 液相路
２６ 液溜め部２６
２６ａ 液注入口
３０ 第２基板
３２ 気相路
３２ａ 連通孔
３４ 連通孔
４０ 第３基板
４２ 蒸発部
４２ａ フィン
４４ ウィック
６０ 携帯電話
６２ 上側筐体
６２ａ 表示部
６２ｂ 操作ボタン
６４ 下側筐体
６６ 回路基板
６８ 電子部品
７０ 放熱材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮部と液相路とが形成された第１基板と、
前記第１基板に接合され、気相路が形成された第２基板と、
前記第２基板に接合され、蒸発部が形成された第３基板と
を有し、
前記気相路は、前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、
前記液相路は、前記凝縮部と前記蒸発部とを接続し、
前記第１基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第２基板を形成する基材の熱伝導率より大きいループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
請求項１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第２基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第１基板及び前記第３基板を形成する基材の熱伝導率より小さいループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内面に溝構造が設けられたループ型ヒートパイプ。
【請求項４】
請求項１又は２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内部にウィックが設けられたループ型ヒートパイプ。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第３基板は、前記第１基板及び前記第２基板より小さく、前記蒸発部に対応した大きさであるループ型ヒートパイプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器。
【請求項１】
凝縮部と液相路とが形成された第１基板と、
前記第１基板に接合され、気相路が形成された第２基板と、
前記第２基板に接合され、蒸発部が形成された第３基板と
を有し、
前記気相路は、前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、
前記液相路は、前記凝縮部と前記蒸発部とを接続し、
前記第１基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第２基板を形成する基材の熱伝導率より大きいループ型ヒートパイプ。
【請求項２】
請求項１記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第２基板を形成する基材の熱伝導率は、前記第１基板及び前記第３基板を形成する基材の熱伝導率より小さいループ型ヒートパイプ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内面に溝構造が設けられたループ型ヒートパイプ。
【請求項４】
請求項１又は２記載のループ型ヒートパイプであって、
前記蒸発部の内部にウィックが設けられたループ型ヒートパイプ。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプであって、
前記第３基板は、前記第１基板及び前記第２基板より小さく、前記蒸発部に対応した大きさであるループ型ヒートパイプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のループ型ヒートパイプが組み込まれた電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６９９２５（Ｐ２０１３−６９９２５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８１８５（Ｐ２０１１−２０８１８５）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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