JP5181874B2 - ループヒートパイプおよび電子機器 - Google Patents

Description

本件は、作動流体を移動させることで発熱体の熱を輸送するループヒートパイプと、動作により発熱する発熱電子部品を備えた電子機器に関する。

今日の社会では、工業技術の進歩に伴い多種多様な電子機器が開発されており、複雑な構成を有する電子機器も数多く存在している。特に近年では、情報化社会の進展とともに、コンピュータをはじめ情報処理を行う電子機器に関する技術が急速に発展しており、複雑な構成を有する高性能の電子機器が次々と開発されている。

電子機器では、電子機器内部に複雑な電子回路が備えられていることが一般的であり、電子機器として動作する際には、こうした電子回路が発熱することが多い。例えば、コンピュータでは、コンピュータの動作制御の中枢を担うＣＰＵが、コンピュータの動作に伴って発熱する。電子回路が発熱すると、その熱により、その電子回路やその周囲にある他の電子部品に不具合が生じることがあるため、発生した熱を電子回路から他の場所に逃がすための熱輸送の機構が必要になることが少なくない。

熱輸送の機構としては、従来から、ループヒートパイプと呼ばれる熱輸送デバイスが知られている。ループヒートパイプは、パイプなどの容器の内部に作動流体が封入された構成を備えており、熱を吸収した作動流体がヒートパイプ内を移動することにより熱の輸送が行われる。ここで、ループヒートパイプの構成と作動原理とについて説明する。

図１は、ループヒートパイプの構成と作動原理とを表した模式構成図である。

図１に示すループヒートパイプは、液相の作動流体１００が発熱体（不図示）からの熱を吸収して気化する蒸発器１０１と、気相の作動流体１００が熱を放出して液化する凝縮器１０５とを有している。このループヒートパイプでは、蒸発器１０１で気化した作動流体１００が蒸気管１０４中を通って図の上向き矢印方向に移動して凝縮器１０５において液化し、その液化した作動流体１００が液管１０２中を通って図の下向き矢印方向に移動して蒸発器１０１に戻る。このような作動流体１００の移動により熱の輸送が行われる。ここで、蒸発器１０１の内部には、多孔質の材料で構成されたウィック１００３が設けられており、蒸発器１０１に戻ってきた液相の作動流体１００は、毛細管力によりウィック１０３内部に浸透しながら周囲からの熱を受けて気化し、その気化した作動流体１００は、蒸気管１０４を介して凝縮器１０５に向かう。

図２は、作動流体１００がウィック１０３中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。

実際には、液相の作動流体１００が浸透するウィック３’中の通過路（空洞部分）は曲がりくねって複雑なものであるが、この図では、ウィック３’中の複数の通過路は、左右方向に互いに平行に延びた円柱状の通過路として模式的に表されている。この図では、液相の作動流体１００は、毛細管力によりウィック１０３内部を右方向に進み、周囲からの熱を受けて気化する。ここで、作動流体１００が液相となっている側（液側）と、作動流体１００が気相となっている側（蒸気側）との境界面は、図に示すように、蒸気側から液側に向かって凸の形状となっており、毛細管力ΔＰｃは、下記の式で表される。
ΔＰｃ ＝ （２×ρ×ｃｏｓθｃ）／ｒｃ ・・・（１）
上記の（１）において、「ρ」は、作動流体１００の表面張力であり、「θｃ」は、円柱状の通過路の壁面と境界面とがなす接触角（図２参照）、「ｒｃ」は、円柱状の通過路の半径である。
米国特許４７６５３９６号公報

一般に、ループヒートパイプでは、蒸発器中のウィックによる毛細管力は、発熱体から蒸発器に供給される熱量が少ないほど小さくなり、作動流体の循環速度が低下する傾向がある。

図３は、発熱体の発熱量に応じた、液側と蒸気側との境界面の様子を表した図である。

ここで、図３のパート（ａ）には、発熱体の発熱量が大きい状況における、作動流体の液側と蒸気側との境界面の様子が表されている。また、図３のパート（ｂ）には、発熱体の発熱量が小さい状況における、作動流体の液側と蒸気側との境界面の様子が表されている。

円柱状の通過路の壁面と境界面とがなす接触角θｃは、発熱体から蒸発器に供給される熱量が小さい図３のパート（ｂ）の状況では、発熱体から蒸発器に供給される熱量が大きい図３のパート（ａ）の状況と比べて大きくなっており、毛細管力ΔＰｃは小さくなっている。このように毛細管力ΔＰｃが小さい状況では作動流体の循環速度が低下するため、発熱量が小さいといえども発熱体周囲の温度が徐々に上昇して発熱体周囲の電子部品に不具合が生じるおそれがある。特に、作動流体の循環速度が完全にゼロになってしまった状況では、蒸発器に供給される作動流体が不足する、いわゆるドライアウトが発生し、発熱体周囲の温度上昇が深刻なものとなる。

上記事情に鑑み、発熱体や発熱電子部品の発熱量が小さい状況下でも作動流体の循環速度の低下を抑えることができるループヒートパイプおよび電子機器を提供する。

上記目的を達成するループヒートパイプの基本形態は、
多孔質の材料で構成されたウィックをそれぞれ有し、共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数の蒸発管であって、それぞれのウィックを通過中の液相の作動流体を上記発熱体から受け取った熱によって蒸発させる複数の蒸発管を有する蒸発器と、
気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から上記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から上記蒸発器まで移動させる液管と、
上記複数の蒸発管のうちの１つ以上の蒸発管それぞれに対応して設けられ、対応する蒸発管を開閉する１つ以上のバルブと、
上記１つ以上のバルブそれぞれの開閉を制御するバルブ制御部とを備えている。

このループヒートパイプの基本形態によれば、作動流体が移動可能な蒸発管の数をバルブの開閉の制御によって調節することができ、これにより、その作動流体が移動可能な蒸発管においては毛細管力ΔＰｃを適度な値に維持することができる。この結果、このループヒートパイプの基本形態では、ループヒートパイプ全体での-作動流体の循環速度の低下を回避することができる。

上記目的を達成する電子機器の基本形態は、
動作により発熱する発熱電子部品を備えた電子機器であって、
多孔質の材料で構成されたウィックをそれぞれ有し、上記発熱電子部品に熱的に結合されてなる複数の蒸発管であって、それぞれのウィックを通過中の液相の作動流体を上記発熱電子部品から受け取った熱によって蒸発させる複数の蒸発管を有する蒸発器と、
気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から上記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から上記蒸発器まで移動させる液管と、
上記複数の蒸発管のうちの１つ以上の蒸発管それぞれに対応して設けられ、対応する蒸発管を開閉する１つ以上のバルブと、
上記１つ以上のバルブそれぞれの開閉を制御するバルブ制御部とを備えている。

この電子機器の基本形態は、上述したループヒートパイプの基本形態を備えているので、作動流体の循環速度の低下を回避することができ、好ましい動作状態が維持される。

以上説明したように、ループヒートパイプおよび電子機器の基本形態によれば、発熱体や発熱電子部品の発熱量が小さい状況下でも作動流体の循環速度の低下を抑えることができる。

以下、基本形態について上述したループヒートパイプおよび電子機器に対する具体的な実施形態を説明する。ここで説明する電子機器の実施形態は、ＣＰＵを有するコンピュータであり、このコンピュータは、コンピュータの動作に伴って発熱したＣＰＵを冷却するために、ループヒートパイプを備えている。このループヒートパイプが、基本形態について上述したループヒートパイプの一実施形態に相当する。

図４は、電子機器の実施形態であるコンピュータ１０００と、このコンピュータ１０００に備えられているループヒートパイプ２００とを示す図である。

コンピュータ１０００は、電力を蓄える電源２４、情報を蓄えるハードディスク装置（ＨＤＤ）２２、および、種々の電子回路を有する基板２１を備えている。例えば、この基板２１には、情報を一時的に蓄えるメモリ２３、および、コンピュータ１０００の動作の中枢を担うＣＰＵ２０が設けられている。このコンピュータ１０００はＣＰＵ２０の制御の下で動作し、ＣＰＵ２０は、コンピュータ１０００の動作に伴って発熱する。ＣＰＵ２０は、一辺の長さが５０ｍｍの正方形の形状を有しており、ＣＰＵ２０の発熱量は、１０Ｗ〜１２０Ｗの間である。

ループヒートパイプ２００は、ＣＰＵ２０から熱を吸収してＣＰＵ２０外部にその熱を輸送するこことでＣＰＵ２０の冷却を行う役割を担っている。このループヒートパイプ２００は、ＣＰＵ２０に接している蒸発器１を有しており、発熱したＣＰＵ２０の熱が蒸発器１に伝導し、この熱により、蒸発器１内の液相の作動流体１００が気化する。ここで、蒸発器１は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１５ｍｍの直方体に近い形状をしており、作動流体１００としては、具体的には水が採用されている。

蒸発器１には、内部が空洞の管であって、蒸発器１から出て蒸発器１に戻るループ状の銅製の管が接続しており、これにより、この管の内部を熱輸送材となる作動流体１００が移動できる構成が実現されている。この管の途中の部分は、点線で示すように曲がりくねった形状となっており、この部分に銅製の放熱フィン６ａが接触している。図の実線矢印の向きにこの管の中を移動してきた気相の作動流体１００の熱は、放熱フィン６ａが接触している部分で放熱フィン６ａに伝導する。これにより、気相の作動流体１００が冷却されて液化する。ここで、放熱フィン６ａが接触している、曲がりくねった形状の管が凝縮器５であり、気相の作動流体１００が蒸発器１から凝縮器５まで移動する際に通る管が、蒸気管４である。また、蒸発器１と凝縮器５との間の距離は、約３００ｍｍであり、蒸気管４の管内径はφ３ｍｍであり、凝縮器５となる曲がりくねった管の総長は約２５０ｍｍである。

放熱フィン６ａの近くには、コンピュータ１０００内部の空気を外部に排気する２台のファン６が設けられており、これらのファン６の排気により、放熱フィン６ａ周囲の熱い空気がコンピュータ１０００外部に放出される。この結果、ＣＰＵ２０の熱は、最終的には、コンピュータ１０００外部に放出されることとなる。ここで、ファン６の大きさはφ６０ｍｍである。

一方、液化した作動流体１００は、図の点線矢印に沿って管の中を移動して蒸発器１に戻る。このとき液化した作動流体１００が凝縮器５から蒸発器１まで移動する際に通る管が、液管２である。この液管２の管内径はφ２ｍｍである。

次に、蒸発器１について詳しく説明する。

図５は、図４の蒸発器１の構成を表した模式図である。

蒸発器１は、蒸気出口部１４、液入口部１１、ウィック３、断熱部材１３、および本体部１２を備えており、液入口部１１はウィック３を介して本体部１２に接続しており、蒸気出口部１４は、液入口部１１が接続している箇所とは反対側で本体部１２に接続している。

液入口部１１は、図４の液管２（図５では不図示）と接続されている入口管１１ａを有しており、蒸気出口部１４は、図４の蒸気管４（図５では不図示）と接続されている出口管１４ａを有している。

断熱部材１３は、本体部１２の、図５の上側を向いた面に接しており、本体部１２の熱を外部に逃がさないようにする役割を担っている。

ウィック３は、多孔質のステンレス焼結材で構成されており、底面がある円筒の形状をした３本の腕３ａを備えている。ここで、腕３ａの各底面はこの図の奥側を向いているため図示されておらず、この図の手前側を向いている、円筒の開口部分が、３本の腕３ａそれぞれについて図示されている。

本体部１２には、この図で点線で示す、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３の３本の金属管が設けられており、これら３本の金属管に、ウィック３の３本の腕３ａがそれぞれ挿入される。ここで、３本の金属管の内径は平均的には１０ｍｍであり、３本の金属管の内壁には、互いに平行な複数の突条が、３本の金属管の延びる方向に沿って設けられている。ここで、隣り合った突条の間は溝部１２ａとなっており、この溝部１２ａの存在により、各金属管にウィック３の腕３ａが嵌め込まれたときにウィック３の腕３ａと各金属管との間に隙間が形成される。

ここで、ウィック３では、ウィック３の材料となるステンレス焼結材の表面の平均的な孔の半径と、このステンレス焼結材の表面の開口率と、水の蒸発潜熱量とに基づき、各金属管に供給されるＣＰＵ２０の発熱量が４０Ｗのときに各金属管における接触角θ（図２参照）が最も小さく毛細管力ΔＰが最も大きくなるように、各金属管内におけるウィック３の各腕３ａの表面積が調節されている。

上記の３本の金属管は蒸気出口部１４につながっている。ここで、蒸気出口部１４内では、図の右側の第１金属管１２１および左側の第２金属管１２２それぞれの、蒸気出口部１４側の開口付近に第１バルブ１４１および第２バルブ１４１が設けられており、これら第１バルブ１４１および第２バルブ１４１によって、第１金属管１２１および第２金属管１２２の閉鎖・開放がそれぞれ行われる。この閉鎖・開放の機構については後述する。一方、図の真ん中の第３金属管１２３に対しては、こうしたバルブは設けられておらず、この第３金属管１２３は、蒸気出口部１４に向かって常に開放された状態となっている。

ここで、ループヒートパイプ２００には、ＣＰＵ２０の発熱量を検出するワットメータ２０ａと、第１金属管１２１および第２金属管１２２の閉鎖・開放を制御する制御回路２０ｂとが備えられており、これらは、図４の基板２１上に配置されている。ワットメータ２０ａは、ＣＰＵ２０に供給される電圧と、動作時におけるＣＰＵ２０のクロック数とを取得し、これらの情報に基づきＣＰＵ２０の発熱量（単位はＷ（ワット））を求める電子回路である。上述した第１バルブ１４１および第２バルブ１４１による第１金属管１２１および第２金属管１２２の閉鎖・開放は、第１バルブ１４１および第２バルブ１４１を駆動する、後述のアクチュエータを、制御回路２０ｂが制御することによって実現する。この制御では、制御回路２０ｂは、ワットメータ２０ａの検出結果に応じて第１金属管１２１および第２金属管１２２の閉鎖・開放を行う。第１金属管１２１および第２金属管１２２の閉鎖・開放の制御については、後で詳しく説明する。

図６は、図５の第１金属管１２１に垂直な平面での蒸発器１の断面図、図７は、図５の第１金属管１２１に沿った平面での蒸発器１の断面図である。

図６には、本体部１２が有する、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３が、各金属管中のウィック３や各金属管の周囲に設けられた部材とともに図示されている。各金属管の内壁は、溝部１２ａの存在のために図６に示すように凹凸状になっている。ここで、凸状の部分（上述の突条）はウィック３と接しているが、凹状となっている部分（溝部１２ａ）とウィック３との間には隙間があり、気相の作動流体１００が通るのに充分な広さが確保されている。

図６に示すように、各金属管の周囲には、熱伝導性の高い熱伝導部材１２ｂが設けられており、この熱伝導部材１２ｂは銅製のケース１２ｃで覆われている。このケース１２ｃには、図６の下側からＣＰＵ２０が接しており、図６の上側からは断熱部材１３が接している。このような構成により、銅製のケース１２ｃ、熱伝導部材１２ｂ、および各金属管を介してＣＰＵ２０の熱が作動流体１００に伝わりやすくなっているとともに、断熱部材１３が存在することで、熱伝導部材１２からＣＰＵ２０周辺の電子素子や電子回路に熱が伝導しにくくなっている。

図７では、第１金属管１２１が第１バルブ１４１により閉鎖されていない（すなわち開放されている）状態における蒸発器１の断面図が示されており、図５の入口管１１ａおよび出口管１４ａについては、図７では点線で示されている。第１金属管１２１が開放されている状態では、液管２（図７では不図示）から入口管１１ａを介して液入口部１１に流入してきた液相の作動流体１００の一部は第１金属管１２１に流入し、図７の矢印で示すように、第１金属管１２１内のウィック３を透過して蒸気出口部１４に向かう。このウィック３の透過の際には、液相の作動流体１００は、ウィック３内部に浸透しながら周囲からの熱を受けて気化する。気化した作動流体１００は、蒸気出口部１４から出口管１４を介して図４の蒸気管４に流出していく。

以上では第１金属管１２１を通る作動流体１００について説明したが、第３金属管１２３を通る作動流体１００や、図５の第２バルブ１４２により閉鎖されていない（すなわち開放されている）状態の第２金属管１２２を通る作動流体１００についても、同様にして、液相での流入と気相での流出が行われる。なお、第１バルブ１４１により閉鎖されている第１金属管１２１や、第２バルブ１４２により閉鎖されている第２金属管１２２では、作動流体１００が移動できないため、上記のような、液相での作動流体１００の流入と気相での作動流体１００の流出は行われない。

ここで、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３が、基本形態で上述したループヒートパイプおよび電子機器における複数の蒸発管の一例に相当し、第１金属管１２１および第２金属管１２２が、基本形態で上述したループヒートパイプおよび電子機器における１つ以上の蒸発管の一例に相当する。また、制御回路２０ｂが、基本形態で上述したループヒートパイプおよび電子機器におけるバルブ制御部の一例に相当する。

本実施形態のロープヒートパイプ２００では、第１金属管１２１の閉鎖や第２金属管１２２の閉鎖は、アクチュエータの駆動により、第１バルブ１４１や第２バルブ１４２が移動して第１金属管１２１の閉鎖や第２金属管１２２の、蒸気出口部１４側の開口を塞ぐことによって実現する。図７では、第１バルブ１４１の傍らに、第１バルブ１４１の移動を担当する２つのアクチュエータ１４０が位置している様子が示されている。この図７では図示されていないが、第１バルブ１４１の移動を担当する２つのアクチュエータ１４０と同じ２つのアクチュエータ１４０が、第２バルブ１４２（図７では不図示）の傍らに設けられている。このアクチュエータ１４０はピエゾ素子を用いて力を発生するピエゾアクチュエータのうちのバイモルフ型と呼ばれるタイプのアクチュエータである。

以下、アクチュエータ１４０について説明する。

図８は、図７のアクチュエータ１４０を、その変位の様子とともに表した図である。

アクチュエータ１４０は、金属性の薄板１４０ａの図の上端部および下端部を、それぞれ２つのピエゾ素子１４０ｂで挟んだ構成を備えている。ここで、薄板１４０ａの上端部を挟む２つのピエゾ素子１４０ｂ、および、薄板１４０ａの下端部を挟む２つのピエゾ素子１４０ｂは、制御回路２０ｂと電気的に接続（配線）されている。この配線により、制御回路２０ｂは、薄板１４０ａの上端部を、図の上側の２つのピエゾ素子１４０ｂに対する電極として用いて、上側の２つのピエゾ素子１４０ｂそれぞれに対し互いに異なる電圧を印加することができる。また、制御回路２０ｂは、薄板１４０ａの下端部を、図の下側の２つのピエゾ素子１４０ｂに対する電極として用いて、下側の２つのピエゾ素子１４０ｂそれぞれに対し互いに異なる電圧を印加することができる。

一般に、ピエゾ素子には、電圧の印加を受けるとその印加電圧の大きさに応じて伸縮する性質がある。バイモルフ型のピエゾアクチュエータは、２つのピエゾ素子で金属性の薄板の端を挟んだ構成を有しており、２つのピエゾ素子に対して異なる大きさの電圧が印加されると、これらのピエゾ素子の伸縮の程度が異なることに起因して薄板に反りが生じ、バイモルフ型のピエゾアクチュエータでは、このときの薄板の形状の変化に伴う力が動力として利用される。

図の上側の２つのピエゾ素子１４０ｂは、一部が、上側の固定部１４０ｃに固定されており、電圧の印加を受けると、この固定部１４０ｃに固定されていない残りの部分が伸縮する。同様に、図の下側の２つのピエゾ素子１４０ｂは、一部が、下側の固定部１４０ｃに固定されており、電圧の印加を受けると、この固定部１４０ｃに固定されていない残りの部分が伸縮する。ここで、図８のアクチュエータ１４０では、上側の２つのピエゾ素子１４０ｂのうちの右側のピエゾ素子１４０ｂに対しては、下側の２つのピエゾ素子１４０ｂのうちの右側のピエゾ素子１４０ｂに印加される電圧と同じ大きさの電圧が印加され、上側の２つのピエゾ素子１４０ｂのうちの左側のピエゾ素子１４０ｂに対しては、下側の２つのピエゾ素子１４０ｂのうちの左側のピエゾ素子１４０ｂに印加される電圧と同じ大きさの電圧が印加される。このとき、制御回路２０ｂは、上側の２つのピエゾ素子１４０ｂに印加される電圧の差（すなわち、下側の２つのピエゾ素子１４０ｂに印加される電圧の差）を制御することにより、薄板１４０ａの反りの向きを制御する。例えば、上側の２つのピエゾ素子１４０ｂ、および下側の２つのピエゾ素子１４０ｂに電圧が印加されて図の実線に示すように薄板１４０ａが右向きに反っている状況において、上側の左右の２つのピエゾ素子１４０ｂに印加される電圧を入れ替え、さらに、下側の左右の２つのピエゾ素子１４０ｂに印加される電圧を入れ替えることで、薄板１４０ａの配置を、図の矢印で示すように、実線で示す薄板１４０ａの配置（右向きに反った配置）から、点線で示す薄板１４０ａの配置（左向きに反った配置）に変化させることができる。

図９は、図７の２つのアクチュエータ１４０によって、第１バルブが第１金属管の閉鎖・開放を行う様子を表した図である。

図９のパート（ａ）には、２つのアクチュエータ１４０の薄板１４０ａのうち、右側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａの配置が、図９のパート（ａ）の右向き矢印で示すように、実線で示す配置（左向きに反った配置）から、点線で示す配置（右向きに反った配置）に変化した様子が示されている。この右側の薄板１４０ａの反りの変化の際には、この右側の薄板１４０ａは、第１バルブ１４１の前面１４１ａに接触して第１バルブ１４１を第１金属管１２１に向かって押す。ここで、第１バルブ１４１は、ガイド１４１０によって図９のパート（ａ）の上下方向への移動が抑制されているが、左右方向には移動することができる。このため、右側の薄板１４０ａに押された第１バルブ１４１は、図９のパート（ａ）の右方向に移動し、第１金属管１２１の開口を塞ぐ。これにより、第１金属管１２１が閉鎖されることとなる。このときの第１バルブ１４１が、閉じた状態の第１バルブ１４１である。

図９のパート（ｂ）には、２つのアクチュエータ１４０の薄板１４０ａのうち、左側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａの配置が、図９のパート（ｂ）の左向き矢印で示すように、実線で示す配置（右向きに反った配置）から、点線で示す配置（左向きに反った配置）に変化した様子が示されている。この左側の薄板１４０ａの反りの変化の際には、この左側の薄板１４０ａは、第１バルブ１４１の後面１４１ｂに接触して第１バルブ１４１を第１金属管１２１から引き離す方向に押す。このため、左側の薄板１４０ａに押された第１バルブ１４１は、図９のパート（ｂ）の左方向に移動し、第１金属管１２１の開口から離れる。これにより、第１金属管１２１が開放されることとなる。このときの第１バルブ１４１が、開いた状態の第１バルブ１４１である。

なお、第１バルブ１４１が閉じた状態から開いた状態に移行する際には、まず、２つのアクチュエータ１４０の薄板１４０ａのうち、右側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａが、左に反った配置（図９のパート（ａ）の実線の配置）に戻り、次に、左側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａが、左に反った配置（図９のパート（ｂ）の点線の配置）に移動する。

逆に、第１バルブ１４１が開いた状態から閉じた状態に移行する際には、まず、２つのアクチュエータ１４０の薄板１４０ａのうち、左側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａが、右に反った配置（図９のパート（ｂ）の実線の配置）に戻り、次に、右側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａが、右に反った配置（図９のパート（ａ）の点線の配置）に移動する。

以上では、第１バルブ１４１による第１金属管１２１の開放および閉鎖（第１バルブ１４１の開閉）について説明したが、図５の第２バルブ１４２による第２金属管１２２についても同様に、第２バルブ１４２の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０によって第２バルブ１４２が移動して第２金属管１２２の開放および閉鎖（第２バルブ１４２の開閉）が実現する。

図５の制御回路２０ｂは、ワットメータ２０ａの検出結果に応じて、第１バルブ１４１の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０、および、第２バルブ１４２の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０を制御することで、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の開閉を制御する。

図１０は、制御回路２０ｂによって行われる、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の開閉の制御方式を表したフローチャートである。

ユーザの操作により図４のコンピュータ１００の電源がオンになってＣＰＵ２０の発熱が始まると（ステップＳ１）、図５の制御回路２０ｂは、ワットメータ２０ａにより検出されるＣＰＵ２０の発熱量の監視を開始する（ステップＳ２）。次に、制御回路２０ｂは、第１バルブ１４１の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０、および、第２バルブ１４２の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０を制御し、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２を閉じる（ステップＳ３）。ＣＰＵ２０の発熱量が、ＣＰＵ２０の最大発熱量の１／３以下である間は（ステップＳ４；Ｎｏ）、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が閉じた状態が維持される。上述したように、ＣＰＵ２０の最大発熱量は１２０Ｗであり、従って、ＣＰＵ２０の発熱量が、４０Ｗ以下である間は、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が閉じた状態が維持される。

図１１は、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２を閉じている様子を表した模式図である。

この図に示すように、図の一番上側に位置するの第１バルブ１４１は、この第１バルブ１４１の傍に備えられている２つのアクチュエータ１４０のうちの、右側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａに押されて第１金属管１２１の開口を塞いでいる。同様に、図の一番下側に位置するの第２バルブ１４２は、この第２バルブ１４１の傍に備えられている２つのアクチュエータ１４０のうちの、右側のアクチュエータ１４０の薄板１４０ａに押されて第２金属管１２２の開口を塞いでいる。このようにして、第１金属管１２１および第２金属管１２２が閉鎖された状態が実現する。この状態では、作動流体１００は、第３金属管１２３中のみ通ることができ、第３金属管１２３中のウィック３のみが、作動流体１００の気相から液相への相変化の際に利用されることとなる。

図１２は、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が閉じた状態の下で、作動流体１００がウィック３中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。

この図では、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３の各金属管について、各金属管内のウィック３の一部における作動流体１００の通過路が模式的に示されている。実際には、液相の作動流体１００が浸透するウィック３中の通過路（空洞部分）は曲がりくねって複雑なものであるが、この図では、ウィック３中の複数の通過路は、左右方向に互いに平行に延びた円柱状の通過路として模式的に表されている。すなわち、図１２では、ウィックに関して図２や図３と同様の図面上の表現の仕方が用いられている。この図では、液相の作動流体１００は、毛細管力によりウィック１０３内部を右方向に進み、周囲からの熱を受けて気化する。ここで、毛細管力ΔＰｃと、円柱状の通過路の壁面と境界面とがなす接触角θとの間には、上述した式（１）の関係が成立する。

ＣＰＵ２０の最大発熱量の１／３以下となっている、ＣＰＵ２０の発熱量が小さい状況では、第３金属管１２３中のみ作動流体１００が流れて第３金属管１２３中のウィック３で作動流体１００が液相から気相に変化する。一方、第１金属管１２１および第２金属管１２２は未使用であってこれらの金属管中のウィック３は利用されない。この図１２の状態では、ＣＰＵ２０からの発熱量がこのように小さい状況下で第３金属管１２３中のウィック３に加えて他の金属管のウィック３も利用されているときの状態と比べて、第３金属管１２３内のウィック３では、図１２に示すように、接触角θが小さく毛細管力ΔＰｃが大きい状態が実現される。

図１０に戻って説明を続ける。

ＣＰＵ２０の発熱量が、ＣＰＵ２０の最大発熱量の１／３を越えると（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御回路２０ｂは、第１バルブ１４１の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０を制御して第１バルブ１４１を開く（ステップＳ５）。

図１３は、第１バルブ１４１が開き、第２バルブ１４２が閉じている様子を表した模式図である。

制御回路２０ｂは、第１バルブ１４１の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０の薄膜１４９ａのうち、まず、図１１で右向きに反っている右側の薄膜１４９ａを左向きに反らせ、次に、図１１で右向きに反っている左側の薄膜１４９ａを左向きに反らせる。これにより、図１３に示すように、第１バルブ１４１の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０の薄膜１４９ａが両方とも左向きに反った状態となる。左側の薄膜１４９ａを左向きに反ったときに第１バルブ１４１が左側に移動して第１金属管１２１の開口から離れ、これにより第１金属管が開放される。このようにして、第１金属管１２１が開放され、第２金属管１２２が閉鎖された状態が実現する。この状態では、作動流体１００は、第１金属管１２１および第３金属管１２３の中を通ることができ、第１金属管１２１および第３金属管１２３の中のウィック３が、作動流体１００の気相から液相への相変化の際に利用されることとなる。

図１０に戻って説明を続ける。

ＣＰＵ２０の発熱量が、ＣＰＵ２０の最大発熱量の２／３以下である間は（ステップＳ６；Ｎｏ）、第２バルブ１２２が閉じられた状態が維持される（ステップＳ７）。ここで、上述したように、ＣＰＵ２０の最大発熱量は１２０Ｗであり、従って、ＣＰＵ２０の発熱量が８０Ｗ以下である間は、第２バルブ１２２が閉じられた状態が維持される。そして、ＣＰＵ２０の発熱量が、ＣＰＵ２０の最大発熱量の２／３以下であるが最大発熱量の１／３を超えている限り、上述のステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ６、およぼステップＳ７の過程が繰り返される。なお、途中でＣＰＵ２０の発熱量が低下してＣＰＵ２０の最大発熱量の１／３以下となった場合は、再びステップＳ４でＮｏが選択されて第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が閉じた状態が実現する。

ＣＰＵ２０の発熱量が、ＣＰＵ２０の最大発熱量の２／３を越えると（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、制御回路２０ｂは、第２バルブ１４２の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０を制御して第２バルブ１４２を開く（ステップＳ８）。

図１４は、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が開いている様子を表した模式図である。

制御回路２０ｂは、第２バルブ１４２の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０の薄膜１４９ａのうち、まず、図１３で右向きに反っている右側の薄膜１４９ａを左向きに反らせ、次に、図１３で右向きに反っている左側の薄膜１４９ａを左向きに反らせる。これにより、図１４に示すように、第２バルブ１４２の傍に設けられている２つのアクチュエータ１４０の薄膜１４９ａが両方とも左向きに反った状態となる。左側の薄膜１４９ａを左向きに反ったときに第２バルブ１４２が左側に移動して第２金属管１２２の開口から離れ、これにより第２金属管が開放される。このようにして、第１金属管１２１および第２金属管１２２の両方が開放された状態が実現する。この状態では、作動流体１００は、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３の中を通ることができ、全部の金属管の中のウィック３が、作動流体１００の気相から液相への相変化の際に利用されることとなる。

図１５は、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が閉じた状態の下で、作動流体１００がウィック３中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。

この図では、図１２と同様に、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３の各金属管について、各金属管内のウィック３の一部における作動流体１００の通過路が模式的に示されている。

ＣＰＵ２０の最大発熱量の２／３を越えている、ＣＰＵ２０の発熱量が大きい状況では、第１金属管１２１、第２金属管１２２、および第３金属管１２３の全ての金属管中を作動流体１００が流れて、各金属管中のウィック３で作動流体１００が液相から気相に変化する。このように、図１５の状態では、ＣＰＵ２０からの発熱量が大きい状況であることに対応して全ての金属管中のウィック３が利用されて、いずれの金属管中のウィック３においても、図１５に示すように、接触角θが小さく毛細管力ΔＰｃが大きい状態が実現される。

図１０に戻って説明を続ける。

図４のコンピュータ１００の電源がオンである間は（ステップＳ９；Ｎｏ）、ＣＰＵ２０の最大発熱量の２／３を越えている限り、上述のステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ６、ステップＳ８、およびステップＳ９が繰り返されて、第１バルブ１２１および第２バルブ１２２が開かれた状態が維持される。なお、途中でＣＰＵ２０の発熱量が低下してＣＰＵ２０の最大発熱量の１／３を越えているが最大発熱量の２／３以下となった場合は、再びステップＳ６でＮｏが選択されて第２バルブ１４２が閉じた状態が実現する。そして、上述のステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ６、およびステップＳ７が繰り返される。さらに、ＣＰＵ２０の発熱量が低下してＣＰＵ２０の最大発熱量の１／３以下となった場合は、再びステップＳ４でＮｏが選択されて第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が閉じた状態が実現する。

ユーザの操作により図４のコンピュータ１００の電源がオフになると（ステップＳ９；Ｙｅｓ）、制御回路２０ｂによって行われる、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の開閉の制御は終了する。

以上説明したように、本実施形態のループヒートパイプ２００では、ＣＰＵ２０の発熱量が小さいほど、蒸発器１中で作動流体１００が流れる金属管の本数が少なくなるように、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の開閉の制御が行われる。

仮に、ＣＰＵ２０からの小さい発熱量を、第１金属管１２１、第１金属管１２２、および第３金属管１２３全部で分配したとすると、これらの金属管中のウィック３では、接触角θが大きく毛細管力ΔＰｃが小さい状態となり、ウィック３付近で作動流体１００が移動しにくく作動流体１００の循環速度が低下する。このような状態では、ＣＰＵ２０の発熱量が小さいといえどもＣＰＵ２０周囲の温度が徐々に上昇してＣＰＵ２０周囲の電子部品に不具合が生じるおそれがある。特に、全ての金属管で作動流体１００の循環速度が完全にゼロになってしまった状況では、各金属管に供給される作動流体１００が不足する、いわゆるドライアウトが発生し、ＣＰＵ２０周囲の温度上昇が深刻なものとなる。

本実施形態のループヒートパイプ２００では、ＣＰＵ２０の発熱量が小さい状況では、蒸発器１中で作動流体１００が流れる金属管の本数を減らすことで、作動流体１００が流れる金属管に、ＣＰＵ２０からの小さい発熱量を集中することができる。この結果、その金属管では、ウィック３付近での作動流体１００の移動性低下が回避され、作動流体の循環速度の低下が抑えられる。この結果、ループヒートパイプ２００全体としても作動流体の循環速度の低下が抑えられることとなる。

また、本実施形態のループヒートパイプ２００では、応答性の良いピエゾ素子１４０ｂを用いたアクチュエータ１４０を用いることで、第１バルブ１４１や第２バルブ１４２の開閉が、迅速に切り替えることができる。

ここで、本実施形態のループヒートパイプ２００においては、ＣＰＵ２００の発熱量が小さいときでも高い毛細管力ΔＰが維持されることを具体的なグラフを用いて説明する。

図１６は、本実施形態のループヒートパイプ２００における、ＣＰＵ２０の発熱量の増加に伴う毛細管力ΔＰの変化の様子を表した図である。

この図では、本実施形態のループヒートパイプ２００の第３金属管１２３における、ＣＰＵ２０の発熱量の増加に伴う毛細管力ΔＰの変化の様子が実線のグラフで示されている。また、この図では、ＣＰＵ２０の発熱量に関わらず第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が常に開いた状態に維持されている点を除き、本実施形態のループヒートパイプ２００と同一の構成を有するループヒートパイプを比較例として、その比較例のループヒートパイプの第３金属管１２３における毛細管力ΔＰの変化の様子が点線のグラフで示されている。

この図では、ＣＰＵ２０の発熱量の領域が、４０［Ｗ］以下の領域、４０［Ｗ］より大きく８０［Ｗ］以下の領域、および、８０［Ｗ］より大きい領域の３つの領域に区分して示されている。ここで、本実施形態のループヒートパイプ２００では、上述したように、４０［Ｗ］以下の領域では第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の両方が閉じられ、４０［Ｗ］より大きく８０［Ｗ］以下の領域では第１バルブ１４１が開かれるが第２バルブ１４２は閉じられ、８０［Ｗ］より大きい領域では第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の両方が開かれる。

第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の両方が開かれる点で、本実施形態のループヒートパイプ２００と比較例のループヒートパイプとは共通しており、このため、この図に示すように８０［Ｗ］より大きい領域では、実線のグラフと点線のグラフは一致している。しかし、８０［Ｗ］以下では、実線のグラフが点線のグラフの上側に位置していることからわかるように、ＣＰＵ２０の発熱量が同じでも、本実施形態のループヒートパイプ２００では、比較例と比べて高い毛細管力が実現している。

このように、本実施形態のループヒートパイプ２００では、第１バルブ１４１および第２バルブ１４２の開閉制御により、ＣＰＵ２００の発熱量が小さいときでも高い毛細管力ΔＰが維持されることがわかる。

次に、以上説明した本実施形態のループヒートパイプ２００による冷却効果を、具体的な実験結果に基づき説明する。

この実験では、以上説明したループヒートパイプ２００を用いて、ＣＰＵ２０の発熱量の増加に対する蒸発器１の温度上昇の割合（熱抵抗）を測定した。なお、この実験では、
ＣＰＵ２０の発熱量に関わらず第１バルブ１４１および第２バルブ１４２が常に開いた状態に維持されている点を除き、本実施形態のループヒートパイプ２００と同一の構成を有するループヒートパイプを比較例として、その比較例のループヒートパイプについても、ＣＰＵ２０の発熱量の増加に対する蒸発器１の温度上昇の割合（熱抵抗）を測定した。

図１７は、実験結果を表す図である。

この図では、本実施形態のループヒートパイプ２００における、ＣＰＵ２０の発熱量の増加に伴う蒸発器１の熱抵抗の変化の様子が実線のグラフで示されている。また、この図では、比較例のループヒートパイプにおける、ＣＰＵ２０の発熱量の増加に伴う蒸発器１の熱抵抗の変化の様子が点線のグラフで示されている。

この図に示すように、本実施形態のループヒートパイプ２００では、第１バルブ１４１や第２バルブ１４２の開閉切替時に、熱抵抗の値に多少の増加が見られるものの、全体的には、ＣＰＵ２０の発熱量が増加しても、熱抵抗の値はほぼ同程度の低い値に保たれている。一方、比較例のループヒートパイプでは、ＣＰＵ２０の発熱量が８０Ｗ以下では、熱抵抗の値が急上昇している。この熱抵抗の急上昇は、比較例のループヒートパイプの蒸発器１でドライアウトが生じていることに対応している。この実験結果より、ＣＰＵ２０の発熱量が低いときには、本実施形態のループヒートパイプ２００のように、第１バルブ１４１や第２バルブ１４２を閉じて実効的に作動流体が通過するウィックの面積を減らすことでドライアウトが回避されることがわかる。

以上が実施形態の説明である。

以上の説明では、３本の金属管を備えたループヒートパイプについて説明したが、基本形態で上述したループヒートパイプおよび電子機器は、２本の金属管を備えたループヒートパイプおよび電子機器や、４本以上の金属管を備えたループヒートパイプおよび電子機器であってもよい。

ループヒートパイプの構成と作動原理とを表した模式構成図である。 作動流体がウィック中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。 発熱体の発熱量に応じた、液側と蒸気側との境界面の様子を表した図である。 電子機器の実施形態であるコンピュータと、このコンピュータに備えられているループヒートパイプとを示す図である。 図４の蒸発器の構成を表した模式図である。 図５の第１金属管に垂直な平面での蒸発器１の断面図である。 図５の第１金属管に沿った平面での蒸発器１の断面図である。 図７のアクチュエータを、その変位の様子とともに表した図である。 図７の２つのアクチュエータによって、第１バルブが第１金属管の閉鎖・開放を行う様子を表した図である。 制御回路によって行われる、第１バルブおよび第２バルブの開閉の制御方式を表したフローチャートである。 第１バルブおよび第２バルブを閉じている様子を表した模式図である。 第１バルブおよび第２バルブが閉じた状態の下で、作動流体がウィック中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。 第１バルブが開き、第２バルブが閉じている様子を表した模式図である。 第１バルブおよび第２バルブが開いている様子を表した模式図である。 第１バルブおよび第２バルブが閉じた状態の下で、作動流体がウィック中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。 本実施形態のループヒートパイプにおける、ＣＰＵの発熱量の増加に伴う毛細管力ΔＰの変化の様子を表した図である。 実験結果を表す図である。

符号の説明

１０１，１ 蒸発器
１０２，２ 液管
１０３，３ ウィック
３ａ 腕
１０４，４ 蒸気管
１０５，５ 凝縮器
６ ファン
１１ 液入口部
１１ａ 入口管
１２ 本体部
１２ａ 溝部
１２ｂ 伝導部材
１２ｃ ケース
１２１ 第１金属管
１２２ 第２金属管
１２３ 第３金属管
１３ 断熱部材
１４ 蒸気出口部
１４ａ 出口管
１４０ アクチュエータ
１４０ａ 薄板
１４０ｂ ピエゾ素子
１４０ｃ 固定部
１４１ 第１バルブ
１４１ａ 前面
１４１ｂ 後面
１４２ 第２バルブ
２０ ＣＰＵ
２０ａ ワットメータ
２０ｂ 制御回路
２１ 基板
２２ ＨＤＤ
２３ メモリ
２４ 電源
２００ ループヒートパイプ
１０００ コンピュータ

Claims (3)

1. 多孔質の材料で構成されたウィックをそれぞれ有し、共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数の蒸発管であって、
   それぞれのウィックを通過中の液相の作動流体を前記発熱体から受け取った熱によって蒸発させる複数の蒸発管を有する蒸発器と、
   気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から前記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から前記蒸発器まで移動させる液管と、
   前記複数の蒸発管のうちの１つ以上の蒸発管それぞれに対応して設けられ、対応する蒸発管を開閉する１つ以上のバルブと、
   前記発熱体の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
   前記１つ以上のバルブそれぞれの開閉を制御して、前記発熱量検出手段により検出された発熱量が少ないほど、前記バルブが開かれる蒸発管の数を減じるバルブ制御部とを備えたことを特徴とするループヒートパイプ。
2. 前記バルブ制御部は、ピエゾ素子に印加される電圧を制御し、その印加電圧に応じた該ピエゾ素子の変位によって前記バルブの開閉を行うものであることを特徴とする請求項１記載のループヒートパイプ。
3. 動作により発熱する発熱電子部品を備えた電子機器であって、
   多孔質の材料で構成されたウィックをそれぞれ有し、前記発熱電子部品に熱的に結合されてなる複数の蒸発管であって、それぞれのウィックを通過中の液相の作動流体を前記発熱電子部品から受け取った熱によって蒸発させる複数の蒸発管を有する蒸発器と、
   気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から前記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から前記蒸発器まで移動させる液管と、
   前記複数の蒸発管のうちの１つ以上の蒸発管それぞれに対応して設けられ、対応する蒸発管を開閉する１つ以上のバルブと、
   前記発熱体の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
   前記１つ以上のバルブそれぞれの開閉を制御して、前記発熱量検出手段により検出された発熱量が少ないほど、前記バルブが開かれる蒸発管の数を減じるバルブ制御部とを備えたことを特徴とする電子機器。

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