以下、本発明の実施の形態を図面を参照� ��て説明する。図1A~Cは、本実施形態の自励振 動型ヒートパイプの断面模式図である。尚、 図1A~Cは自励振動型ヒートパイプの構造を説� �するための図であり、図示される各部の大� �さや厚さや寸法等は、実際の自励振動型ヒ� �トパイプとは異なる場合がある。

 図1Aに示す自励振動型ヒートパイプ1(以下、 ヒートパイプ1という場合がある)は、作動流� ��Mと、加熱部2及び冷却部3と、加熱部2に内蔵 されたウイック4と、加熱部2及び冷却部3を連 結する連結流路5とから概略構成されている� �
 このヒートパイプ1では、連結流路5内に冷� �部3から作動流体Mが流入して液プラグLが形� �される。また、加熱部2において、作動流体M が気化されて蒸気プラグBが形成される。液� �ラグLが連結流路5内を自励振動することによ って熱伝導が行われる。
 なお、本実施形態のヒートパイプ1は、どの ような姿勢でも作動可能だが、長手方向に沿 って水平に設置して使用することが有効熱伝 導率を高くできる点で好ましい。

 加熱部2には、連結流路5に連通された中� �部2aが設けられている。この中空部2aの内壁� ��にウイック4が配置されている。また、冷却 部3は、図1Aに示す例では作動流体Mを満たす� �器3aである。この容器3aに作動流体Mが満たさ れる。また作動流体Mはヒートパイプ1の外部� ��面し、ヒートパイプ1の内圧に束縛されない 、自由液面M1を形成する。また、容器3aの側� �に連結流路5が取り付けられる。連結流路5の 容器3a側の端部は開放端である。この開放端� ��より容器3aと連結流路5とが連通されている� ��

 加熱部2及び連結流路5は、セラミックス� �ガラスまたは金属で構成された中空円筒状� �管である。加熱部2の一端部1aには、セラミ� �クス、ガラスまたは金属で構成された封止� �材1cが備えられている。特に、本実施形態で は、加熱部2及び連結流路5をそれぞれ、ホウ� ��イ酸ガラスで構成するとよい。

 連結流路5の流路断面積は、加熱部2の中� �部2aの流路断面積よりも小さい。図1A~Cに示� �例では、連結流路5及び加熱部2の中空部2aの� ��面形状が略円形であり、連結流路5の内径が 、加熱部2の中空部2aの内径よりも小さい。こ れにより、連結流路5の流路断面積が加熱部2� ��中空部2aよりも小さい。

 加熱部の中空部2aの流路断面積と、連結流� �5の流路断面積との比は、例えば、加熱部:連 結流路=10:1~2:1の範囲が好ましい。
 より具体的にパソコンのCPUの水冷に適用す� ��場合で説明すると、加熱部の中空部2aの内� �は3mm~6mmの範囲が好ましく、また、連結流路5 の内径は0.5mm~3mmの範囲が好ましい。

 加熱部2の流路断面積比、内径比または内 径が上記の範囲よりも小さくなると、加熱部 2の蒸発量が十分に得られず、あるいは加熱� �2の液保持能力が低いために空だき状態にな� ��ので好ましくない。また、加熱部2の流路断 面積比、内径比または内径が上記の範囲を超 えると、加熱部2内の流体の保有量が多くな� �、加熱を開始してから蒸発が生じるまでの� �間が長くなり、また、冷却部3から低温の作� ��流体が流れこんだ場合に蒸発が停止し、そ� ��により自励振動が停止して、再度加熱によ� ��蒸発が開始するまでの時間が長くなるので� ��ましくない。

 また、加熱部2と連結流路5は、内径が相� �に異なり、各肉厚がほぼ等しくなっている� �めに外径も異なっている。このため、加熱� �2と連結流路5との接合部8にはフランジ部9が� ��成される。このフランジ部9を介して加熱部 2と連結流路5とが相互に接合されている。但� ��、この構成はあくまで一例である。別の例� ��して、例えば、加熱部2及び連結流路5の内� �を相互に異ならしめ、連結流路5の肉厚を厚� ��して両方の外径をほぼ等しくし、連結流路5 の端面に加熱部2の端面を接合させてもよい� �

 また、図1A~Cに示す例では、接合部8を境� �して加熱部2と連結流路5との内径が急に変化 するが、本発明はこれに限らず、加熱部2及� �連結流路5の内径を接合部8の近辺において漸 次変化させるようにしてもよい。

 連結流路5は、図1A~Cに示すように、加熱部2� ��冷却部3との間において直線状に形成されて いる。また、本発明に係る連結流路5は、ル� �プ状にする必要はなく、ヒートパイプ1の作� ��時に作動流体Mが直線状の連結流路5内を往� �振動できればよい。ここで直線状とは、従� �のようなループ状に屈曲させるものではな� �単管構造であることを意味する。連結流路5� ��、ほぼ直線状であることが好ましいが、自� ��振動が生じる範囲であれば、多少の湾曲な� ��があってもよい。
 作動流体Mの自励振動時の振動振幅は、連結 流路5の形状や大きさによるが、例えば、加� �部2の内径を5mmとし、連結流路5の内径を2mmと し、連結流路4の長さを150mmとして加熱部2を� �熱した場合の振動振幅は、±25~±50mm程度と非 常に大きくなる。加熱部2及び連結流路5の長� ��は、上記の振動振幅に合わせて適宜設計す� ��ばよい。

 ウイック4は、毛細管現象によって液状の 作動流体を輸送できるものであれば従来公知 のウイックでよい。ウイック4は、例えば銅� �どの熱伝導性に優れた金属網、グラスウー� �、脱脂綿等の綿状体等でよい。また、ウイ� �ク4は、加熱部2の長手方向全部の領域に充填 されていてもよい。あるいは、ウイック4の� �端が加熱部2と連結流路5との接合部8に一致� �るようにしてウイック4が加熱部2の長手方向 の一部(例えば長手方向全長の2/3程度)にのみ� ��填されていてもよい。

 作動流体Mは、ヒートパイプ1の作動温度に� �わせて適宜選択すればよい。作動流体Mは、� ��えば、純水、エタノールなどの有機液体、� ��ロンなどの冷媒、アンモニアなどの液化ガ� ��等が好ましい。
 ヒートパイプ1の作動前には、連結流路5及� �加熱部2に、予め脱気された作動流体を完全� ��満たしておくことが好ましい。ヒートパイ� ��1の加熱部2を加熱することにより、加熱部2� ��満たされた作動流体Mが気化して蒸気プラグ Bが形成される。この蒸気プラグBによって作� ��流体Mが加熱部2から押し出される。作動流� �Mは、連結流路5に残って液プラグLを形成す� �。その後、定常状態に至ると、液プラグLの� ��端のメニスカスMにおいて、作動流体Mの蒸� �と凝縮とが交互に起こる。このため、連結� �路5内で液プラグLが自励振動する。連結流路 5を目視すると、蒸気プラグBと液プラグLとの 気液界面となるメニスカスMが、連結流路5内� ��往復振動していることが確認でき、これに� ��って自励振動の有無を判定できる。
 また、蒸気プラグBの形成時及び自励振動の 発生時において、液プラグLの一部が冷却部3( 容器3a)に押し出されるが、容器3aに満たされ� ��作動流体Mは自由液面M1を有するので、押し� ��された液プラグLを吸収できる。

 上記のヒートパイプ1は、作動流体Mと、加� �部2と冷却部3との間に配されて作動流体Mが� �通する直線状の連結流路5を備える。連結流� ��5の流路断面積が、加熱部2の流路断面積よ� �小さく、更に加熱部2にウイック4が備えられ ている。このため、有効熱伝導率及び最大熱 輸送量を従来の自励振動型ヒートパイプに比 べて格段に高めることができる。
 特に、加熱部2にウイック4が備えられるこ� �で、加熱部2において作動流体Mの蒸発を安定 して起こすことができ、結果として有効熱伝 導率及び最大熱輸送量を更に格段に高めるこ とができる。
 また、上記のヒートパイプ1は、水平設置し た場合に自励振動を安定して持続させること ができる。
 更に、上記のヒートパイプ1によれば、加熱 部2と連結流路5とを相互に直接に連通させて� ��る。このため、液プラグLの先端のメニスカ スMが、加熱部2と連結流路5との接合部8に来� �ごとに、液体の一部が加熱部2に供給される� ��従って、加熱部2に作動流体を保持させて常 に蒸発を起こすことができる。これにより作 動流体を安定して自励振動させることができ 、有効熱伝導率及び最大熱輸送量を高くでき る。

 上記のヒートパイプ1は、1本だけでも十分� �性能であるが、熱輸送量を多くしたい場合� �は必要に応じてパイプの本数を増やせばよ� �、熱設計が容易となる。
 また、従来の蛇行ループ型のヒートパイプ� ��は、多数回に渡って蛇行させなければ所用� ��性能を発揮することができなかったが、上� ��のヒートパイプによれば、蛇行させること� ��く直線状とすることで有効熱伝導率及び最� ��熱輸送量を高くできる。
 また、上記のヒートパイプ1は、CPU等の電子 素子の冷却に好適に用いることができる。

 次に、図1Bには、ヒートパイプの別の例を� �す。このヒートパイプ31と図1Aに示すヒート� ��イプ1の相違点は、冷却部の構成である。
 図1Bに示すヒートパイプ31の冷却部33は、ホ� ��ケイ酸ガラスからなる中空円柱状のガラス� ��33aである。冷却部33の内径は、連結流路5よ� ��も大きい。このガラス管33aの一端には開口� ��33bが設けられており、この開口部33bは、ゴ� ��製の膜(調整部)34によって封止されている。 そして、冷却部33に作動流体が満たされてい� ��。
 また、冷却部33の外周には、放熱用のフィ� �35が備えられている。

 このヒートパイプ31によれば、蒸気プラ� �Bの形成時及び自励振動の発生時において、� ��プラグLの一部が冷却部33に押し出されるが� ��冷却部33に備えられたゴム製の膜34が変形す ることによって、冷却部の内容積が実質的に 増大し、押し出された液プラグLの容積を吸� �できる。本例では、調整部としてゴム製の� �を用いたが、これに代えてダイヤフラムを� �いても良い。

 次に、図1Cには、ヒートパイプの更に別の� �を示す。このヒートパイプ41と図1Bに示すヒ� ��トパイプ31の相違点は、冷却部に備えた調� �部の位置である。
 図1Cに示すヒートパイプ41の冷却部43は、ホ� ��ケイ酸ガラスからなる一端が閉塞された中� ��円柱状のガラス管43aである。冷却部43の内� �は、連結流路5よりも大きい。このガラス管4 3aの側面には開口部43bが設けられている。こ� ��開口部43bは、ゴム製の膜(調整部)44によって 封止されている。そして、冷却部43に作動流� ��が満たされている。
 また、冷却部43の外周には、放熱用のフィ� �45が備えられている。

 このヒートパイプ41によれば、先のヒー� �パイプ31と同様に、蒸気プラグBの形成時及� �自励振動の発生時において、液プラグLの一� ��が冷却部43に押し出される。このとき、冷� �部43に備えられたゴム製の膜44が変形するこ� ��によって、冷却部43の内容積が実質的に増� �し、押し出された液プラグLの容積を吸収で� ��る。本例では、調整部としてゴム製の膜を� ��いたが、これに代えてダイヤフラムを用い� ��も良い。

 以下、実施例により本発明を更に具体的� ��説明する。

(自励振動の観察:実施例1)
 図2に示す実験装置によってヒートパイプの 特性を評価した。
 先ず、内径2mm、長さ250mmのホウケイ酸ガラ� �からなる連結流路5となるガラス管13と、内� �5mm、長さ150mmのホウケイ酸ガラスからなる加 熱部2となるガラス管12を用意し、各ガラス管 12,13を融着させた。次いで、ガラス管12の内� �に、銅網からなるウイック14を装着した。ウ イック14は、融着部から100mmの間にかけて装� �した。ウイック14が装着された部分を加熱部 2とした。次いで、一端部11aをホウケイ酸ガ� �スからなる封止部材11cによって封止した。� �に、連結流路となるガラス管13の開放端11bを ウオーターバス21浸漬させて、ガラス管12,13� �内部を作動流体20となる純水で満たした。こ のようにして、実施例1のヒートパイプ11を製 造した。

 次に、ヒートパイプ11の加熱部2に50mmの長さ Lに渡ってヒータ22を装着し、ヒートパイプ11� ��ほぼ水平に設置した。また、ウオーターバ� ��21内に浸漬された部分をヒートパイプ11の冷 却部3とした。そして、ウオーターバス21内の 冷却水21aの温度を0℃に維持した。一方、ヒ� �タ22の発熱量を加熱部の温度が純水の沸点100 ℃に保たれる程度に設定して、ヒートパイプ 11を作動させた。
 ヒートパイプ11が定常状態(最大熱輸送量50W) になった後に、ヒートパイプ11の各部の表面� ��度と、ウオーターバス21の冷却水21aの温度� �を熱電対でそれぞれ測定した。結果を図3及� ��図4に示す。

 図2~図4において、測定箇所TC1の温度は、� ��熱部2の温度であってヒータ22の装着部分の� ��端部11a側の表面温度である。測定箇所TC2の� ��度は、加熱部2の温度であってヒータ22の装� ��部分の他端部11b側の表面温度である。測定� ��所TC3の温度は冷却水22aの水温である。測定� ��所TC4の温度は開放端11bの出口直後の水温で� ��る。

 図3~図4に示すように、TC1及びTC2は100℃程� ��を維持しており、TC3は0℃程度を維持してい ることがわかる。一方、TC4は、周期的にピー クを持っていることがわかる。ピークの最大 温度は約10℃であり、ピークの周波数は5Hzと� ��っている。また、作動流体20の振幅幅は最� �で100mm(±50mm)となっている。このように、実� ��例1のヒートパイプ11は、定常状態において� ��動流体20の自励振動が観察された。

「熱輸送速度Q及び有効熱伝導率λ _eff の測定」
 次に、実施例1のヒートパイプの熱輸送速度 Q(熱輸送量)と、有効熱伝導率λ _eff との関係を調べた。この実験では、冷却水の 水温とヒータの加熱温度を適宜変更して測定 した。また、熱輸送速度Q及び有効熱伝導率λ _eff は、下記式(1)及び(2)により求めた。結果を図 5に示す。

 なお、式(1)において、ρは作動流体20(純水)� ��密度であり、c _p は作動流体20(純水)の定圧比熱であり、Vは作� ��流体20の封入量であり、δTは冷却部の水温� �時間δtの間における上昇分である。
 また、式(2)において、L _φ2 は連結流路の全長と加熱部の全長の二分の一 との合計の長さであり、T _H は加熱部の温度であり、T _L はウオーターバス内の冷却水の水温であり、 d _φ2 は連結流路の内径である。

(実施例2)
 次に、加熱側パイプ及び冷却側パイプの材� ��を石英ガラスとしたこと以外は実施例1と同 様にして実施例2のヒートパイプを製造した� �そして、実施例1と同様にして、実施例2のヒ ートパイプの熱輸送速度Qと、有効熱伝導率λ _eff との関係を調べた。結果を図5に示す。

(比較例1)
 次に、加熱側パイプ及び冷却側パイプの材� ��を石英ガラスとし、ウイックを設置しなか� ��たこと以外は実施例1と同様にして比較例1� �ヒートパイプを製造した。そして、実施例1� ��同様にして、比較例1のヒートパイプの熱輸 送速度Qと、有効熱伝導率λ _eff との関係を調べた。結果を図5に示す。

(比較例2)
 次に、内径5mm、長さ400mmの石英ガラスから� �るガラス管を用意し、このガラス管の中空� �の内壁面に銅網からなるウイックを装着し� �。次いで、パイプの一端部を封止部材によ� �て封止した。そして、中空部を作動流体20(� �水)で満たした。このようにして、比較例2の ヒートパイプ11を製造した。
 そして、実施例1と同様にして、比較例2の� �ートパイプの熱輸送速度Qと、有効熱伝導率� � _eff との関係を調べた。結果を図5に示す。

(比較例3)
 次に、ウイックを設置しなかったこと以外� ��比較例2と同様にして比較例3のヒートパイ� �を製造した。そして、実施例1と同様にして� ��比較例3のヒートパイプの熱輸送速度Qと、� �効熱伝導率λ _eff との関係を調べた。結果を図5に示す。

(評価)
 図5に示すように、実施例1のヒートパイプ� �、熱輸送速度が最大で33Wを示すとともに、� �効熱伝導率λ _eff が最大で36000W/(m・K)を示していることがわか� ��。
 また、実施例2のヒートパイプは、実施例1� �同じ熱輸送速度において同程度の有効熱伝� �率λ _eff となっている。
 一方、比較例1~3のヒートパイプは、熱輸送� ��度が最大で10W以下となり、有効熱伝導率λ _eff は最大でも100W/(m・K)程度となり、実施例1~2に 比べて熱輸送速度Q及び有効熱伝導率λ _eff が大幅に低下していることが判る。

 実施例1~2の結果から、内径の異なる2本のパ イプを接合し、パイプの中空部に作動流体を 封入することで、自励振動型のヒートパイプ を構成でき、このヒートパイプは水平に設置 しても自励振動を発現できることがわかる。
 内径の異なる2本のパイプを接合してヒート パイプを構成した場合(実施例1~2)には、熱輸� ��速度と有効熱伝導率λ _eff との相関が高くなり、直線的に増加すること が判る。また、実施例1では、有効熱伝導率� �最大で約40000W/(m・K)程度まで増加したが、こ の値を、熱伝導率が比較的高い銅(熱伝導率40 0W/(m・K))と比べると、有効熱伝導率が100倍ま� ��高まっていることがわかる。
 また、図3~図4に示すように、加熱部の温度( TC1、TC2)が作動流体(純水)の沸点付近を維持し ていることが判る。今回は純水を用いたので 、加熱部の温度が100℃近傍になったが、冷却 対象物の許容温度に応じて適切な作動流体を 選定すれば、効率的な熱伝導を実現できる。
 なお、上記の実施例1では、有効熱伝導率の 最大値が約40000W/(m・K)程度、熱輸送速度の最� ��値は約50Wであったが、これらの値は限界値� ��はなく、実験条件の変更によって、更に優� ��た結果が得られる可能性がある。

 図6は、実施例1のヒートパイプの熱輸送特� �の実験値と、従来技術のヒートパイプ(ドリ� ��ムパイプ)の熱輸送特性の理論値との比較図 であり、各ヒートパイプについて、熱輸送速 度Qと、有効熱伝導率λeffとの関係を示す。
 この従来技術のヒートパイプは、パイプ内� ��液体を強制的に振動させることにより、軸� ��向に熱を輸送するタイプのヒートパイプ(ド リームパイプ)である。ドリームパイプの有� �熱伝導率λeffは、下記の式(3)及び(4)から算出 した。


 ここで、λ:流体の熱伝導率,Pr:プラントル数 ,r:管内径,ν:水の動粘度,f :振動数,S:振幅であ る。この従来技術のドリームパイプは、加熱 部2より小径の連結流路5を持たない単一径管� ��である。
 図6に示されるように、実施例1のヒートパ� �プの有効熱伝導率は、従来技術のドリーム� �イプの約10倍と非常に大きい。この効果の原 因の一つは、実施例1のヒートパイプでは、� �ラス管13の開放端11bが水槽中に開放されてい るため、作動流体Mが振動する度にガラス管13 内の作動流体Mがウオーターバス21中の低温の 液と入れ替わることであると考えられる。