JP4380250B2 - 熱輸送装置、電子機器装置及び熱輸送装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸発部と凝縮部を持つ熱輸送装置に関するものであり、特に詳しくは、流体ＭＥＭＳ（Micro‐Electro‐Mechanical Systems）分野でのキャピラリポンプループ、ループヒートパイプなどの熱輸送装置およびその製造方法に関する。

従来のキャピラリポンプループまたはループヒートパイプなどの熱輸送装置では、次のような方式で熱輸送が行われている。凝縮器から輸送された液体の作動流体は、液相路を通って蒸発器に到達し、蒸発器で外部からの熱を受け気化する。気化した作動流体は、気相路を凝縮部に向けて高速で移動し、凝縮部で熱を外部に放出し、再び液体に戻る。これらの一連の熱輸送が、閉じられた配管内で繰り返し行われている。これらの一連の熱輸送において、気相路の気体が凝縮器に到達する前に外部に熱を放出し凝縮して液体に戻り、その液体によって気体の移動が阻害され、熱輸送効率が低下することがあった。また、液相路の液体が蒸発器に到達する前に外部からの熱を受けて気化して気体になり、その気体によって液体の移動が阻害され、熱輸送効率が低下することがあった。

ヒートパイプを用いた冷却装置としては、たとえば、冷媒を循環させる流路にワイヤーの束、あるいは粒状の部材を設けることにより、多数のギャップを形成して、液相路に発生する気体を除去しながら毛細管作用を促進させるものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３１０５８０号公報（段落[０００９]〜[００１２]、図２、図３、図４）

上記した気相路および液相路で外部との熱の授受により、作動流体が相変化を起こし、作動流体の流れが阻害され、熱輸送効率が低下するという従来の熱輸送装置における問題を解決するために、気相路および液相路の周囲を断熱材で被覆し、外部との熱の授受を抑制することはできるが、熱輸送装置の構造が複雑化し、大型化するなどの問題があった。

また、基板内や薄膜フィルム内に作動流体の流路を形成する従来の熱輸送装置では、小型で薄型の構造を重視するため、外部との熱の授受を抑制する構成はほとんど図られておらず、熱輸送効率が低いという問題があった。

そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、気相路および液相路における外部との熱の授受を抑制することで、高い熱輸送効率で運転することができ、また、その外部との熱の授受を抑制するための構成を一体化することで、小型化・薄型化を図ることができる熱輸送装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱輸送装置は、液相の作動流体が流れる液相路および気相の作動流体が流れる気相路が設けられた基板と、前記液相路と前記気相路とを連通させるよう前記基板に固着されたウィック部材と、前記基板に前記液相路および前記気相路に沿って設けられた断熱部とを具備することを特徴とする。

この発明によれば、基板の気相路および液相路に沿って断熱部が形成されているので、気相路および液相路と熱輸送装置の外部との熱の授受は抑制され、気相路および液相路を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。さらに、断熱部を基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置の小型化・薄型化を図ることができる。

この発明において、たとえば断熱部を長尺状に形成し、その長手の方向が、気相路または液相路の長手の方向とほぼ一致するように形成するようにしてもよい。

また、この発明において、前記基板が二層の基板からなり、前記液相路および前記気相路が層間に形成されているものであってもよい。たとえば、一方の基板に気相路および液相路を形成し、他方の基板側に冷却の対象となる発熱体を当接させてその発熱体を冷却すればよい。そして当該一方および他方の基板のうち少なくとも一方に断熱部を設けることにより、たとえば、発熱体からの熱により液相路を流れる作動流体が蒸発してしまい気相路中に気泡等が発生してしまうことを防止することができる。つまり、本発明では、発熱体が当接される基板と、気相路および液相路が形成される基板とで二層構造とすることで気相路および液相路に対する熱影響を極力回避することができる。

さらに、本発明の熱輸送装置において、前記断熱部が、前記基板に設けられた空洞部を具備することを特徴とする。

この発明によれば、断熱部が空洞であるため、断熱部を介しての熱の授受は抑制されるので、気相路および液相路と熱輸送装置の外部との熱の授受は抑制され、気相路および液相路を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。

また、本発明の熱輸送装置において、前記空洞部内が減圧状態であってもよい。

この発明によれば、空洞部内を減圧状態にすることで、空洞部を介しての熱の授受をさらに抑制することができる。

また、この発明において、前記空洞部内に前記基板の材料より熱伝導率の小さな気体が充填されてもよい。

本発明の他の観点に係る熱輸送装置は、発熱体から発せられる熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体が凝縮して熱を放出する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した前記作動流体が流れる気相路と、前記凝縮部で凝縮した前記作動流体が流れる液相路とが設けられた基板と、前記基板に前記液相路および前記気相路に沿って設けられた断熱部と、少なくとも前記凝縮部を冷却する冷却機構とを具備することを特徴とする。

この発明によれば、凝縮部を冷却することにより作動流体の凝縮を促進させ、熱輸送の効率化を図ることができる。また、断熱部が形成されているので、気相路および液相路と熱輸送装置の外部との熱の授受を抑制することができるとともに、冷却機構による冷却作用が、気相路や液相路等、凝縮部以外の部位に及ぶことを抑制することができる。これにより、気相路および液相路を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。さらに、断熱部を基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置の小型化・薄型化を図ることができる。

また、この発明において、前記冷却機構は、前記凝縮部の近傍に設けられた放熱板と、前記放熱板に向けて合成ジェット流を供給するヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構とを有するようにしてもよい。

この発明によれば、放熱板の近傍に滞留する熱気を合成ジェット流により乱流ではなく層流として少ない流量で吹き流すことができるので、放熱板が効率良く冷やされ、さらに高い熱輸送効率を得ることができる。

本発明に係る電子機器装置は、（ａ）発熱体から発せられる熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体が凝縮して熱を放出する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した前記作動流体が流れる気相路と、前記凝縮部で凝縮した前記作動流体が流れる液相路とが設けられた基板と、前記基板に前記液相路および前記気相路に沿って設けられた断熱部とを有する熱輸送装置と、（ｂ）少なくとも前記凝縮部を冷却する冷却機構とを具備することを特徴とする。

この発明によれば、作動流体の凝縮を促進させて熱輸送の効率化を図り、断熱部により気相路および液相路と熱輸送装置の外部との熱の授受を抑制することができるとともに、冷却機構による冷却作用が、気相路や液相路等、凝縮部以外の部位に及ぶことを抑制することができ高い熱輸送効率を得ることができる。さらに、断熱部を基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置の小型化・薄型化を図り、電子機器装置の小型化・薄型化を達成することができる。

本発明の熱輸送装置の製造方法は、基板に、液相の作動流体が流れる液相路および気相の作動流体が流れる気相路を形成する流路形成工程と、前記基板に、前記液相路および前記気相路に沿って断熱部を形成する断熱部形成工程と、前記断熱部を減圧の雰囲気中において密閉する密閉工程と、前記液相路と前記気相路とを連通させるようウィック部材を接合する接合工程とを具備することを特徴とする。

この発明によれば、基板の気相路および液相路に沿って断熱部が形成されているので、気相路および液相路と熱輸送装置の外部との熱の授受は抑制され、気相路および液相路を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができる。さらに、断熱部を基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置の小型化・薄型化を図ることができる。

また、この発明によれば、前記密閉工程における前記断熱部の密閉が、前記基板を形成する物質より熱伝導率の小さな気体の雰囲気中において行われてもよい。

以上のように、本発明によれば、作動流体が流れる気相路および液相路の周囲には、壁を介して、減圧状態または熱伝導率の小さい気体が充填された状態の断熱部が形成されているので、熱輸送装置の外部と、気相路および液相路との熱の授受は抑制され、それらを流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはない。そのため、作動流体を安定して流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。さらに、断熱部を基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置の小型化・薄型化を図ることができる。

本発明に係る熱輸送装置は、たとえば、キャピラリポンプループ、ループヒートパイプなどに好適に用いられる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

（第1の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における熱輸送装置１の分解斜視図、図２はこの熱輸送装置１を組み立てた状態の斜視図である。また、図３の（ａ）は第１基板２に構成された流路パターンを示した平面図、（ｂ）は第１基板２のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は第１基板２のＢ−Ｂ断面図を示す。さらに、図４の（ａ）は図２に示した熱輸送装置１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２に示した熱輸送装置１のＢ−Ｂ断面図を示す。なお、図１には矢印を付して作動流体の流れの方向を示す。

図１に示すように、熱輸送装置１は、第１基板２、第２基板３および第３基板４とで主に構成されている。

図３に示すように、第１基板２の一方の面には、気相路５、気相路５と連通する蒸発部６、液相路７および液相路７と連通する凝縮部８の溝が設けられている。また、第１基板２の他方の面には蒸発部６に貫通する作動流体供給孔９が開けられ、この作動流体供給孔９は、作動流体を供給するとき以外は蓋などで閉じられている。

第１基板２には、熱伝導率があまり高いと、基板での熱拡散によって、熱輸送装置１の熱輸送効率に悪影響を及ぼし得るので、たとえば、ガラスや、ポリイミド、テフロン（登録商標）、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）などの合成樹脂などが用いられる。また、第１基板２に設けられる気相路５、蒸発部６、液相路７および凝縮部８の溝は、たとえば、サンドブラスト、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、ＵＶ光エッチング、レーザエッチング、プロトン光エッチング、電子線描画エッチングまたはマイクロモールディングなどで形成される。

第２基板３は、作動流体を気化させる蒸発器ウィック１０、作動流体を凝縮させる凝縮器ウィック１１、気相路シール部１２、液相路シール部１３、断熱部１４で構成されている。蒸発器ウィック１０および凝縮器ウィック１１は、凹凸形状の溝が形成されている。気相路シール部１２は、第１基板２に設けられている気相路５の溝を、また、液相路シール部１３は、第１基板２に設けられている液相路７の溝をそれぞれ塞ぎ、作動流体の流路を形成し、またそれぞれの流路から作動流体が外部に流出するのを防いでいる。図１および４に示すように、断熱部１４の空洞部１９は、第２基板３の中央部に形成された空間を第１基板および第３基板で挟み込むことで形成される。断熱部１４は、減圧状態であることが好ましいが、熱伝導率の小さい気体、たとえば、空気、窒素、アルゴンなどが充填された状態でもよい。この断熱部１４は、断熱部１４を介しての熱伝導を抑制しており、特に第３基板４側と、気相路５および液相路７の側との間の熱移動を抑制する効果が大きい。

第２基板３は、密度が小さく、熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましく、たとえば、シリコンなどが用いられるが、これに限るものではなく、たとえば、Cｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ，Ａｇ、Ｐｔなどの金属をはじめ、導電性ポリマ、セラミックスであって、かつ金属と同等の熱伝導率を有する材料なども用いることができる。また、蒸発器ウィック１０および凝縮器ウィック１１の凹凸形状の溝、断熱部１４、気相路シール部１２、液相路シール部１３は、たとえば、サンドブラスト、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、ＵＶ光エッチング、レーザエッチング、プロトン光エッチング、電子線描画エッチングまたはマイクロモールディングなどで形成される。

第３基板４には、第２基板３の蒸発器ウィック１０または凝縮器ウィック１１が設けられた側と反対側の壁面に連通する第１連通孔１５および第２連通孔１６が開けられ、第１連通孔１５は蒸発器ウィック１０、また、第２連通孔１６は凝縮器ウィック１１の裏面側に対応する位置に開けられている。第１連通孔１５を利用して、第２基板３の蒸発器ウィック１０の裏面には、たとえば、ＣＰＵ、グラフィックチップ、ドライバＩＣなどの発熱する電子機器（発熱体）１７などが接続され、その電子機器１７などの冷却が行われる。一方、第２連通孔１６を利用して、第２基板３の凝縮器ウィック１１の裏面には、たとえば、外部に熱を放出するための放熱フィン１８などが取り付けられている。

第３基板４には、第１基板２と同様に、熱伝導率があまり高いと、基板での熱拡散によって、熱輸送装置１の熱輸送効率に悪影響を及ぼし得るので、たとえば、ガラスや、ポリイミド、テフロン、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）などの合成樹脂などが用いられる。また、第３基板４に設けられる第１連通孔１５および第２連通孔１６は、たとえば、サンドブラスト、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、ＵＶ光エッチング、レーザエッチング、プロトン光エッチング、電子線描画エッチングまたはマイクロモールディングなどで形成される。

作動流体は、たとえば、水、エタノール、メタノール、プロパノール（異性体を含む。）、エチルエーテル、エチレングリコール、フロリナートなど、冷媒、熱輸送装置１の設計を満足する沸点、対抗菌性などを有するものが用いられる。また、作動流体は、第１基板２に設けられた作動流体供給孔９から熱輸送装置１内に減圧の雰囲気中で供給される。

次に、熱輸送装置１の動作について説明する。

液相路７を蒸発器ウィック１０に向かって流れる液体の作動流体は、蒸発器ウィック１０の微細な溝に毛細管力で浸透し、この毛細管力で蒸発器ウィック１０全体に広がる。蒸発器ウィック１０の全体に広がった液体の作動流体は、蒸発器ウィック１０が設けられている他方の面に取り付けられた電子機器１７からの熱によって気化される。この電子機器１７からの熱は、熱伝導によって蒸発器ウィック１０側に向けて移動し、熱伝達によって蒸発器ウィック１０の表面から作動流体に伝えられる。気化した作動流体は、蒸発部６、気相路５を通り、凝縮器ウィック１１に流入する。凝縮器ウィック１１では、気体の作動流体の熱の一部が奪われ、作動流体が再び液化する。作動流体から奪われた熱は、凝縮器ウィック１１が設けられている他方の面に取り付けられた放熱フィン１８から熱伝達によって外部に放出される。液化した作動流体は、凝縮器ウィック１１の微細な溝を毛細管力によって凝縮部８に向かって流れ、さらに、凝縮部８から液相路７を蒸発器ウィック１０に向かって流れる。これらの一連の熱輸送が、熱輸送装置１内で繰り返し行われている。

この一連の熱輸送過程において、図４に示すように、気相路５および液相路７の第２基板３側には、断熱部１４が形成されているので、発熱する電子機器１７や外部に放熱する放熱フィン１８などが取り付けられている第３基板４からの熱的影響を受け難い。また、第１基板２が熱伝達率の小さい材料で構成されていること、および、第１基板２は第３基板４に比べて熱的影響を周囲から受けにくい状態にあることから、第１基板２側と作動流体との間の熱伝達は小さい。そのため、気相路５および液相路７と熱輸送装置１の外部との熱の授受は抑制され、気相路５および液相路７を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができる。

次に、第１の実施の形態である熱輸送装置１の作製方法について、図１、図５〜図７を参照して説明する。

図５に示すように、第１基板２に、気相路５、気相路５と連通する蒸発部６、液相路７および液相路７と連通する凝縮部８の溝を、たとえば、サンドブラストによって形成する。また、第１基板２の他方の面に、蒸発部６に貫通する作動流体供給孔９を開ける。

続いて、図６に示すように、第２基板３に、蒸発器ウィック１０、凝縮器ウィック１１、気相路シール部１２、液相路シール部１３、断熱部１４を、たとえば、RIE(ドライエッチング)によって形成する。蒸発器ウィック１０および凝縮器ウィック１１には、凹凸形状の溝を形成する。

次に、図７に示すように、たとえば、サンドブラストによって、第３基板４に、第１連通孔１５および第２連通孔１６を開ける。なお、第１連通孔１５は第２基板３の蒸発器ウィック１０、また、第２連通孔１６は第２基板３の凝縮器ウィック１１の裏面側に対応する位置に開ける。

次に、図１に示すように、第１基板２の流路が形成されている溝側の面と第２基板３の各ウィックが形成されている側の面を向き合わせ、蒸発部６と蒸発器ウィック１０とが、また、凝縮部８と凝縮器ウィック１１とが連通するように、第１基板２と第２基板３とを接合する。

第３基板４は、第２基板３の各ウィックが形成されている側と反対の面に、第１連通孔１５が蒸発器ウィック１０の裏面側に、また、第２連通孔１６が凝縮器ウィック１１の裏面側に位置するように、第２基板３と第３基板４とを接合する（図１）。また、第１連通孔１５を利用して、第２基板３に発熱する電子機器１７などが接合され、第２連通孔１６を利用して、第２基板３に熱を放出するための放熱フィン１８などが接合される（図１）。

ここで、第１基板２、第２基板３および第３基板４の接合には、たとえば、第２基板３がシリコンの場合には、陽極接合を用いることで、第１基板２および第３基板４と接合する。また、接合方法は、陽極接合に限るものではなく、たとえば、接着剤として樹脂を用いた接着接合、熱圧着のような圧着接合またはレーザ溶接のような溶接接合なども可能である。

また、第１基板２、第２基板３および第３基板４の接合は、減圧の雰囲気中で行い、これらに接合によって形成される断熱部１４は減圧状態になる。また、第１基板２、第２基板３および第３基板４の接合は、減圧の雰囲気中に限らず、たとえば、空気、窒素、アルゴンなどの熱伝導率の小さい気体の雰囲気中で行われてもよい。

次に、第１基板２に設けられた作動流体供給孔９から熱輸送装置１内に作動流体が減圧の雰囲気中で供給され、熱輸送装置１の作製が完了する。

第１の実施の形態である熱輸送装置１では、気相路５および液相路７の第２基板３側には、断熱部１４が形成されているので、発熱する電子機器１７や外部に放熱する放熱フィン１８などが取り付けられている第３基板４からの熱的影響を受け難くなる。また、第１基板２が熱伝達率の小さい材料で構成されていること、および、第１基板２は第３基板４に比べて熱的影響を周囲から受けにくい状態にあることから、第１基板２側と作動流体との間の熱伝達を小さくすることができる。そのため、気相路５および液相路７と熱輸送装置１の外部との熱の授受は抑制され、気相路５および液相路７を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。さらに、断熱部１４を基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置１の小型化・薄型化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態における熱輸送装置３０の分解斜視図、図９はこの熱輸送装置３０を組み立てた状態の斜視図である。また、図１０は図９に示した熱輸送装置３０のＡ−Ａ断面図を示す。なお、図８には矢印を付して作動流体の流れの方向を示す。

図８に示すように、熱輸送装置３０は、第１基板３１、第２基板３２、蒸発器ウィック３３および凝縮器ウィック３４とで主に構成されている。

図８および１０に示すように、第１基板３１の一方の面には、気相路３５、液相路３６および第１断熱部３７の溝が形成されている。また、第１基板３１の他方の面には、一方の面に形成された気相路３５および液相路３６のそれぞれを壁を介して囲むように第２断熱部３８が形成されている。この他方の面に形成された第２断熱部３８の空洞部４６は、第２断熱部蓋４５によって閉じられることで形成される。また、他方の面には、作動流体を熱輸送装置３０内に供給するための作動流体供給孔３９が開けられており、この作動流体供給孔３９は、作動流体を供給するとき以外は蓋などで閉じられている。

第２基板３２の一方の面には、第１基板３１と同様に、気相路３５、液相路３６および第１断熱部３７の溝が設けられ、また、これらの溝は、第１基板３１に設けられた気相路３５、液相路３６および第１断熱部３７と対応する位置に設けられている。また、第１基板２の他方の面には、第１基板３１と同様に、一方の面に形成された気相路３５および液相路３６のそれぞれを壁を介して囲むように第２断熱部３８が形成されている。この他方の面に形成された第２断熱部３８の空洞部４６は、第２断熱部蓋４５によって閉じられることで形成される。さらに、第２基板３２には、気相路３５および液相路３６のそれぞれと連通する蒸発部４０および凝縮部４１の孔が開けられている。

第１基板３１および第２基板３２は、熱伝導率があまり高いと、基板での熱拡散によって、熱輸送装置１の熱輸送効率に悪影響を及ぼし得るので、たとえば、ガラスや、ポリイミド、テフロン、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）などの合成樹脂などが用いられる。また、第１基板３１、第２基板３２に設けられる各流路および各断熱部の溝、孔などは、たとえば、サンドブラスト、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、ＵＶ光エッチング、レーザエッチング、プロトン光エッチング、電子線描画エッチングまたはマイクロモールディングなどで形成される。

ここで、第１断熱部３７および第２断熱部３８は、減圧状態であることが好ましいが、熱伝導率の小さい気体、たとえば、空気、窒素、アルゴンなどが充填された状態でもよい。この第１断熱部３７および第２断熱部３８は、第１断熱部３７または第２断熱部３８を介しての熱伝導を抑制しており、これによって気相路３５および液相路３６と外部との間の熱移動が抑制される。

蒸発器ウィック３３および凝縮器ウィック３４の一方の面には、凹凸形状の溝が形成されている。蒸発器ウィック３３の凹凸形状の溝４２は、第２基板３２の蒸発部４０の孔に挿入され、第２基板３２と接合されている。また、凝縮器ウィック３４の凹凸形状の溝４２は、第２基板３２の凝縮部４１の孔に挿入され、第２基板３２と接合されている。蒸発器ウィック３３の凹凸形状の溝４２が形成されていない他方の面には、たとえば、ＣＰＵ、グラフィックチップ、ドライバＩＣなどの発熱する電子機器４３などが接続され、その電子機器４３などの冷却が行われる。また、凝縮器ウィック３４の凹凸形状の溝４２が形成されていない他方の面には、熱を外部に熱伝達によって放出する放熱フィン４４が設けられている。

蒸発器ウィック３３および凝縮器ウィック３４は、密度が小さく、熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましく、たとえば、シリコンなどが用いられるが、これに限るものではなく、たとえば、Cｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ，Ａｇ、Ｐｔなどの金属をはじめ、導電性ポリマ、セラミックスであって、かつ金属と同等の熱伝導率を有する材料なども用いることができる。

作動流体には、たとえば、水、エタノール、メタノール、プロパノール（異性体を含む。）、エチルエーテル、エチレングリコール、フロリナートなど、冷媒、熱輸送装置３０の設計を満足する沸点、対抗菌性などを有するものが用いられる。また、作動流体は、第１基板３１に設けられた作動流体供給孔３９から熱輸送装置３０内に供給される。

次に、熱輸送装置３０の動作について説明する。

液相路３６を蒸発器ウィック３３に向かって流れる液体の作動流体は、蒸発器ウィック３３の微細な溝に毛細管力で浸透し、この毛細管力で蒸発器ウィック３３全体に広がる。蒸発器ウィック３３の全体に広がった液体の作動流体は、蒸発器ウィック３３が設けられている他方の面に取り付けられた電子機器４３からの熱によって気化される。この電子機器４３からの熱は、熱伝導によって蒸発器ウィック３３側に向けて移動し、熱伝達によって蒸発器ウィック３３の表面から作動流体に伝えられる。気化した作動流体は、気相路３５を通り、凝縮器ウィック３４に流入する。凝縮器ウィック３４では、気体の作動流体の熱の一部が奪われ、作動流体が再び液化する。作動流体から奪われた熱は、凝縮器ウィック３４が設けられている他方の面に取り付けられた放熱フィン４４から熱伝達によって外部に放出される。液化した作動流体は、凝縮器ウィック３４の微細な溝を毛細管力によって液相路３６に向かって流れ、さらに、液相路３６からを蒸発器ウィック３３に向かって流れる。これらの一連の熱輸送が、熱輸送装置３０内で繰り返し行われている。

この一連の熱輸送過程において、図１０に示すように、気相路３５および液相路３６の周囲には、壁を介して、減圧状態または熱伝達率の小さい気体が充填された状態の第１断熱部３７および第２断熱部３８が形成されているので、熱輸送装置３０の外部と、気相路３５および液相路３６との熱の授受は抑制され、気相路３５および液相路３６を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはなく、作動流体を安定して流すことができる。

次に、図８、１０〜１３を参照して、第２の実施の形態である熱輸送装置３０の作製方法について説明する。図１１の（ａ）〜（ｆ）、図１２および図１３は、熱輸送装置３０の作製工程を図９のＡ−Ａ断面について示した断面図である。

第１基板３１を用意し（ａ）、この第１基板３１の一方の面に、たとえば、サンドブラストなどにより第１断熱部３７、気相路３５および液相路３６の溝を形成する（ｂ）。次に、第１基板３１の他方の面に、第２断熱部３８を形成するための溝６１を、たとえば、サンドブラストによって形成する（ｃ）。続いて、同様にサンドブラストによって、気相路３５および液相路３６と第２断熱部３８とを隔てる壁６２、６３を形成する（ｄ）。次に、メタルマスクで場所を選択して第１基板３１の両面にａ−Ｓｉ：Ｈ膜６４を成膜する（ｅ）。この第２断熱部３８を覆うように第１基板３１に第２断熱部蓋４５を、たとえば、減圧の雰囲気中で陽極接合によって密閉する（ｆ）。そして、第１基板３１に作動流体供給孔３９を開ける（図８）。

次に、上記した（ａ）〜（ｄ）および（ｆ）の工程と同じ工程で作製された第２基板３２の上下を反転させ（図１２）、蒸発部４０および凝縮部４１の孔を開ける（図８）。続いて、第１基板３１と第２基板３２を、たとえば、減圧の雰囲気中で陽極接合する（図１３）。そして、蒸発器ウィック３３を蒸発部４０の孔に、凝縮器ウィック３４を凝縮部４１の孔に挿入し、それぞれ第２基板３２と、たとえば、陽極接合などで接合する（図８）。

次に、第１基板３１に設けられた作動流体供給孔３９から熱輸送装置３０内に作動流体が減圧の雰囲気中で供給され、熱輸送装置３０の作製が完了する（図８）。

ここで、第１基板３１、第２基板３２などの接合に陽極接合を用いているが、この接合方法に限るものではなく、たとえば、接着剤として樹脂を用いた接着接合、熱圧着のような圧着接合またはレーザ溶接のような溶接接合なども可能である。

第２の実施の形態である熱輸送装置３０では、気相路３５および液相路３６を形成する第１基板３１および第２基板３２が熱伝達率の小さい材料で構成されているので、気相路３５および液相路３６は、熱的影響を周囲から受けにくい状態にある。また、気相路３５および液相路３６の周囲には、壁を介して、第１断熱部３７および第２断熱部３８が形成されているので、熱輸送装置３０の外部と、気相路３５および液相路３６との熱の授受は抑制され、気相路３５および液相路３６を流れる作動流体がそれぞれの流路において相変化を生じることはない。そのため、作動流体を安定して流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。さらに、第１断熱部３７および第２断熱部３８を、第１基板３１および第２基板３２基板に一体化して形成することができるので、熱輸送装置の小型化・薄型化を図ることができる。

（その他の実施の形態）
本発明は、基板に作動流体が流れる気相路および液相路の周囲を、壁を介して、減圧状態または熱伝導率の小さい気体が充填された状態の断熱部を有する構成ならばよく、上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、構成、材料等は本発明の技術的思想の範囲で拡張、変更することができる。そして、この拡張、変更した実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

たとえば、気相路および液相路とそれぞれの断熱部とを２重管構造にし、内管を気相路および液相路とし、内管と外管との間を、たとえば、減圧状態にされた減圧部を有する断熱部として構成することもできる。

図１４は、さらに別の実施の形態に係る熱輸送装置を示す斜視図である。この熱輸送装置５０は、図１に示した熱輸送装置１の第３基板４上に、たとえば冷却機構の一部としてヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０が設けられてなる。ヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０は、たとえば放熱フィン１８に向けて合成ジェット流を供給するように構成されている。

図１５はヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０を示す斜視図である。図１６は図１５に示すＥ−Ｅ線断面図であり、図１７は図１６に示すＦ−Ｆ線断面図である。

このヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０の筐体６７には複数の振動板６５ａ、６５ｂが取り付けられている。これらの振動板６５ａ、６５ｂはたとえばその周縁部が、筐体６７に開けられた取り付け穴部６７ｂに取り付けられている。これらの振動板６５ａ、６５ｂはたとえば交流電源６８によって交流電圧が印加されるようになっている。振動板６５ａ、６５ｂは、たとえば電極板と圧電材料とが積層されてなる圧電アクチュエータであり、これに交流電圧が印加されることにより振動板６５ａ、６５ｂが所定の振動数で振動する。振動板６５ａ、６５ｂの構成としては、このような圧電素子に限られず、バイメタル、電磁コイル、あるいは静電モータ等を用いてもよい。

筐体６７の側面６７ｄには複数の穴６７ｃが設けられている。筐体６７は図１４に示すように穴６７ｃが設けられた側面６７ｄが放熱フィンに対向して設置されている。

ここで、ヘルムホルツ共鳴について説明する。たとえば本実施の形態では、図１７に示すように、筐体６７の側面６７ｄ側の厚みがＬ（ｍ）となるように筐体６７を形成することで、複数の穴６７ｃの長さがそれぞれＬ（ｍ）とされている。上記複数の振動板６５ａ、６５ｂが同期して、あるいは同じ振動数で、振動板６５ａと６５ｂとが互いに近づきあったり、遠ざかったりして振動すると、筐体６７の内部６７ａに存在する空気が圧縮したり膨張したりする。この圧縮、膨張の繰り返しの振動により穴６７ｃにある空気（体積Ｓ×Ｌ（ｍ３）分の空気）が筐体６７から外部へ押し出され、内部６７ａに入ったりする。この振動により穴６７ｃで空気が共鳴し、穴６７ｃにある空気が合成ジェット流となり筐体６７の外部に噴出される。

開口部６７ｃの空気の流路断面積をＳ（ｍ２）、筐体６７の内部の容積をＶ（ｍ３）、音速をｃ（ｍ／ｓ）とすると、以下の式（１）でヘルムホルツ共鳴の固有振動数ν（Ｈｚ）が表される。

この式（１）は、断熱変化における気体の状態方程式およびニュートンの運動方程式により得られる公知の式である。また、式（１）中、ΔＬ（ｍ）は開口端補正を考慮したものである。たとえば断面積Ｓが円形であってその半径をｒ（ｍ）とすると、ΔＬ＝１．５ｒ〜１．７ｒ程度である。

以上のような構成によって、ジェット流供給機構６０から供給された合成ジェット流が放熱フィン１８の側壁に層流として吹き付けられ、放熱フィン１８が冷やされる。これにより、放熱フィン１８の近傍に熱気が滞留することなく、表面だけの層流で少ない流量の合成ジェット流６９で放熱フィン１８近傍の熱を排熱できる。つまり一般的な軸流ファンを用いる場合に比べ効率良く放熱フィン１８が冷やされ高い熱輸送効率を得ることができる。

本実施の形態に係る熱輸送装置５０によれば、凝縮部８（図１〜図５参照）を冷却することにより作動流体の凝縮を促進させ、熱輸送の効率化を図ることができる。その上、第２基板３には上記実施の形態で説明した断熱部１４が形成されているので、気相路５および液相路７と、熱輸送装置５０の外部との熱の授受を抑制することができるとともに、放熱フィン１８やヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０等の冷却機構による冷却作用が、気相路５や液相路７等、凝縮部８以外の部位に及ぶことを抑制することができる。つまり、このような冷却機構を設けた場合であっても断熱部１４が設けられていることにより、安定して作動流体を気相路５および液相路７に流すことができ、高い熱輸送効率を得ることができる。

ヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０は、以上説明した形態には限られず、たとえば筐体６７や振動板６５ａ、６５ｂの形状等を種々変更することができる。また、穴６７ｃの長さＬを、筐体６７の他の部位の厚さと同じとなるように短くするようにしてもよい。このようにＬが極端に短くても、また極論してＬ＝０でも、上記開口端補正のΔＬが考慮されるため、上記式（１）が成立する。

また、ヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０は熱輸送装置に取り付けられて一体化されていなくてもよく、たとえばラップトップコンピュータやデスクトップコンピュータ等の電子機器に組み込むようにしてもよい。電子機器はコンピュータのみならず、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、撮像機器、あるいは音響機器等であってもよい。

また、ヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０の配置も図示したものに限られず、図１４において放熱フィン１８の上方、あるいは上方斜めからジェット気流が放熱フィン１８に供給されるようにしてもよい。あるいは、上述のようにヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構６０は熱輸送装置５０に取り付けられない場合は、さらにフレキシブルな配置が可能となる。

本発明の第１の実施の形態における熱輸送装置の分解斜視図。 本発明の第１の実施の形態における熱輸送装置を組み立てた状態の斜視図。 第１基板に構成された流路パターンを示したの平面図および第１基板の断面図。 図２に示した熱輸送装置の断面図。 第１基板に、気相路、気相路と連通する蒸発部、液相路および液相路と連通する凝縮部などを形成する工程を示す斜視図。 第２基板に、蒸発器ウィック、凝縮器ウィック、気相路シール部、液相路シール部、断熱部などを形成する工程を示す斜視図。 第３基板に、第１連通孔および第２連通孔を開ける工程を示す斜視図。 本発明の第２の実施の形態における熱輸送装置の分解斜視図。 本発明の第２の実施の形態における熱輸送装置を組み立てた状態の斜視図。 図９に示した熱輸送装置のＡ−Ａ断面図。 第１基板の作製工程を示す断面図。 図１１に示された工程と同じ工程で作製された第２基板の上下を反転させた断面図。 第１基板と第２基板を接合する工程を示す断面図。 さらに別の実施の形態に係る熱輸送装置を示す斜視図。 ジェット気流供給機構を示す斜視図。 図１５に示すＥ−Ｅ線断面図。 図１６に示すＦ−Ｆ線断面図。

符号の説明

１ 熱輸送装置
２ 第１基板
３ 第２基板
４ 第３基板
５ 気相路
６ 蒸発部
７ 液相路
８ 凝縮部
９ 作動流体供給孔
１０ 蒸発器ウィック
１１ 凝縮器ウィック
１２ 気相路シール部
１３ 液相路シール部
１４ 断熱部
１５ 第１連通孔
１６ 第２連通孔
１７ 電子機器
１８ 放熱フィン
１９ 空洞部
６０ ヘルムホルツ共鳴によるジェット流供給機構

Claims (8)

1. 液相の作動流体が流れる液相路および気相の作動流体が流れる気相路が設けられた基板と、
   前記液相路と前記気相路とを連通させるよう前記基板に固着されたウィック部材と、
   内部が減圧状態である空洞部を有し、前記基板に前記液相路および前記気相路に沿って設けられた断熱部と
   を具備する熱輸送装置。
2. 請求項１に記載の熱輸送装置であって、
   前記基板が二層の基板からなり、前記液相路および前記気相路が層間に形成されている熱輸送装置。
3. 請求項１に記載の熱輸送装置であって、
   前記空洞部内に前記基板の材料より熱伝導率の小さな気体が充填されている熱輸送装置。
4. 発熱体から発せられる熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体が凝縮して熱を放出する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した前記作動流体が流れる気相路と、前記凝縮部で凝縮した前記作動流体が流れる液相路とが設けられた基板と、
   内部が減圧状態である空洞部を有し、前記基板に前記液相路および前記気相路に沿って設けられた断熱部と、
   少なくとも前記凝縮部を冷却する冷却機構と
   を具備する熱輸送装置。
5. 請求項４に記載の熱輸送装置であって、
   前記冷却機構は、
   前記凝縮部の近傍に設けられた放熱板と、
   前記放熱板に向けて合成ジェット流を供給するヘルムホルツ共鳴による合成ジェット流供給機構と
   を有する熱輸送装置。
6. （ａ）発熱体から発せられる熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、前記作動流体が凝縮して熱を放出する凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した前記作動流体が流れる気相路と、前記凝縮部で凝縮した前記作動流体が流れる液相路とが設けられた基板と、
   内部が減圧状態である空洞部を有し、前記基板に前記液相路および前記気相路に沿って設けられた断熱部とを有する熱輸送装置と、
   （ｂ）少なくとも前記凝縮部を冷却する冷却機構と
   を具備する電子機器装置。
7. 基板に、液相の作動流体が流れる液相路および気相の作動流体が流れる気相路を形成する流路形成工程と、
   前記基板に、前記液相路および前記気相路に沿って断熱部を形成する断熱部形成工程と、
   前記断熱部を減圧の雰囲気中において密閉する密閉工程と、
   前記液相路と前記気相路とを連通させるようウィック部材を接合する接合工程と
   を具備する熱輸送装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の製造方法であって、
   前記密閉工程における前記断熱部の密閉が、前記基板を形成する物質より熱伝導率の小さな気体の雰囲気中において行われる熱輸送装置の製造方法。

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