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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024042451
(43)【公開日】2024-03-28
(54)【発明の名称】ベーパーチャンバの設計方法及びベーパーチャンバ
(51)【国際特許分類】
F28D 15/02 20060101AFI20240321BHJP
【ＦＩ】
F28D15/02 101Z
F28D15/02 101H
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022147185
(22)【出願日】2022-09-15
(71)【出願人】
【識別番号】504258527
【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学
(71)【出願人】
【識別番号】000180313
【氏名又は名称】四国計測工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100162259
【弁理士】
【氏名又は名称】末富 孝典
(74)【代理人】
【識別番号】100168114
【弁理士】
【氏名又は名称】山中 生太
(74)【代理人】
【識別番号】100146916
【弁理士】
【氏名又は名称】廣石 雅紀
(72)【発明者】
【氏名】水田 敬
(72)【発明者】
【氏名】三好 仁志
(57)【要約】 （修正有）
【課題】熱的性能が抵抗力の影響を受けずに持続的な熱拡散を行うことができるベーパーチャンバの設計方法及びベーパーチャンバを提供する。
【解決手段】ベーパーチャンバは均一な格子ピッチで形成された第１微小流路３１を備え、液化した冷媒の流体塊が流れる方向に毛細管力を発生させる直管部３１Ａと、格子点で直管部３１Ａ同士を連結する連結部３１Ｂと、を備える。直管部３１Ａで流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件、連結部３１Ｂ流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件、直管部３１Ａで流体塊に加えられる仕事と連結部３１Ｂで流体塊に加えられる仕事との和が正であることを第３条件、毛細管流路４から受熱部に戻る流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、熱源体から受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、第１条件、第２条件及び第４条件、または、第１条件、第３条件及び第４条件をすべて満たす。
【選択図】図７
【解決手段】ベーパーチャンバは均一な格子ピッチで形成された第１微小流路３１を備え、液化した冷媒の流体塊が流れる方向に毛細管力を発生させる直管部３１Ａと、格子点で直管部３１Ａ同士を連結する連結部３１Ｂと、を備える。直管部３１Ａで流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件、連結部３１Ｂ流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件、直管部３１Ａで流体塊に加えられる仕事と連結部３１Ｂで流体塊に加えられる仕事との和が正であることを第３条件、毛細管流路４から受熱部に戻る流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、熱源体から受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、第１条件、第２条件及び第４条件、または、第１条件、第３条件及び第４条件をすべて満たす。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
情報処理装置によって実行されるベーパーチャンバの設計方法であって、
前記ベーパーチャンバは、
被冷却体から受熱する受熱部と、
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状であり、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たすように、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質を選定するとともに、前記毛細管流路の流路構造に係る設計パラメータの値を決定する、
ベーパーチャンバの設計方法。
前記ベーパーチャンバは、
被冷却体から受熱する受熱部と、
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状であり、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たすように、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質を選定するとともに、前記毛細管流路の流路構造に係る設計パラメータの値を決定する、
ベーパーチャンバの設計方法。
【請求項2】
前記直管部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａ［ｍ／ｓ２］とし、
前記流体塊の密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とし、
前記流体塊の体積をＶ［ｍ３］とし、
前記直管部での毛細管力をｆｃ［Ｎ］とし、
前記毛細管力による前記流体塊の移動を妨げる抵抗力をＦＲ［Ｎ］としたときに、
を前記第１条件を表す条件式とし、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの厚み方向に延び、前記ペーパーチャンバの面方向に均一な配列ピッチで２次元配列された第２微小流路を備え、
前記連結部は、
前記第２微小流路と連結していない第１連結部と、
前記第２微小流路と連結している第２連結部と、を含み、
前記第１連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第２連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ．ｂｔｍ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第１連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］とし、
前記第２連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］としたときに、
を前記第２条件を表す条件式とし、
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の長さをＬＤＴ［ｍ］とし、
前記流体塊が流れる方向の前記連結部の長さを２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊が存在する前記連結部の本数に対する、前記第１連結部の本数の割合をεとしたときに、
を前記第３条件を表す条件式とし、
前記受熱部における前記被冷却体からの単位時間当たりの入熱量をＱｉｎ［Ｗ］とし、
前記流体塊の単位質量当たりの蒸発潜熱をＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］とし、
前記受熱部の外縁に接する前記第１微小流路の数をＮ１．Ｃとし、
前記受熱部に接する前記第２微小流路の数をＮ２．Ｐとし、
前記受熱部に外縁に接するｉ（ｉ＝１～Ｎ１．Ｃの自然数）番目の前記第１微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ１．ｉ［ｍ２］とし、
前記受熱部に接するｊ（ｊ＝１～Ｎ２．Ｐの自然数）番目の前記第２微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ２．ｊ［ｍ２］とし、
前記受熱部の外縁に接するｉ番目の前記第１微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］とし、
前記受熱部に接するｊ番目の前記第２微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］としたときに、
を前記第４条件を表す条件式とする、
請求項１に記載のベーパーチャンバの設計方法。
前記流体塊の密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とし、
前記流体塊の体積をＶ［ｍ３］とし、
前記直管部での毛細管力をｆｃ［Ｎ］とし、
前記毛細管力による前記流体塊の移動を妨げる抵抗力をＦＲ［Ｎ］としたときに、
【数1】
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの厚み方向に延び、前記ペーパーチャンバの面方向に均一な配列ピッチで２次元配列された第２微小流路を備え、
前記連結部は、
前記第２微小流路と連結していない第１連結部と、
前記第２微小流路と連結している第２連結部と、を含み、
前記第１連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第２連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ．ｂｔｍ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第１連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］とし、
前記第２連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］としたときに、
【数2】
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の長さをＬＤＴ［ｍ］とし、
前記流体塊が流れる方向の前記連結部の長さを２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊が存在する前記連結部の本数に対する、前記第１連結部の本数の割合をεとしたときに、
【数3】
前記受熱部における前記被冷却体からの単位時間当たりの入熱量をＱｉｎ［Ｗ］とし、
前記流体塊の単位質量当たりの蒸発潜熱をＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］とし、
前記受熱部の外縁に接する前記第１微小流路の数をＮ１．Ｃとし、
前記受熱部に接する前記第２微小流路の数をＮ２．Ｐとし、
前記受熱部に外縁に接するｉ（ｉ＝１～Ｎ１．Ｃの自然数）番目の前記第１微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ１．ｉ［ｍ２］とし、
前記受熱部に接するｊ（ｊ＝１～Ｎ２．Ｐの自然数）番目の前記第２微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ２．ｊ［ｍ２］とし、
前記受熱部の外縁に接するｉ番目の前記第１微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］とし、
前記受熱部に接するｊ番目の前記第２微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］としたときに、
【数4】
請求項１に記載のベーパーチャンバの設計方法。
【請求項3】
前記直管部は、前記流体塊が流れる方向に直交する断面が矩形状であり、
前記直管部において前記厚み方向に対向する内壁面間の距離を２Ｈ［ｍ］とし、
前記直管部において前記面方向に対向する内壁面間の距離を２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面との間の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面の界面との接触角をθ［ｒａｄ］としたときに、
前記直管部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ［Ｎ］は、
で規定され、
前記第１連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］は、
で規定され、
前記第２連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］は、
で規定される、
請求項２に記載のベーパーチャンバの設計方法。
前記直管部において前記厚み方向に対向する内壁面間の距離を２Ｈ［ｍ］とし、
前記直管部において前記面方向に対向する内壁面間の距離を２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面との間の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面の界面との接触角をθ［ｒａｄ］としたときに、
前記直管部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ［Ｎ］は、
【数5】
前記第１連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］は、
【数6】
前記第２連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］は、
【数7】
請求項２に記載のベーパーチャンバの設計方法。
【請求項4】
前記流体塊が流れる方向の前記流体塊の長さをｈ［ｍ］とし、
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の配列ピッチをＬＤＰ［ｍ］とし、
前記第１微小流路における前記厚み方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｓｐ［Ｐａ］とし、
前記第１微小流路における前記面方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｄｐ［Ｐａ］としたときに、
前記抵抗力ＦＲに含まれる、前記第１微小流路を流れる前記流体塊に生じる粘性力ｆＲ１［Ｎ］は、
で規定される、
請求項３に記載のベーパーチャンバの設計方法。
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の配列ピッチをＬＤＰ［ｍ］とし、
前記第１微小流路における前記厚み方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｓｐ［Ｐａ］とし、
前記第１微小流路における前記面方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｄｐ［Ｐａ］としたときに、
前記抵抗力ＦＲに含まれる、前記第１微小流路を流れる前記流体塊に生じる粘性力ｆＲ１［Ｎ］は、
【数8】
請求項３に記載のベーパーチャンバの設計方法。
【請求項5】
前記毛細管力による前記流体塊の移動を妨げる抵抗力は、重力、慣性力及び電磁力の少なくとも１つを含む、
請求項１に記載のベーパーチャンバの設計方法。
請求項１に記載のベーパーチャンバの設計方法。
【請求項6】
被冷却体から受熱する受熱部と、
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状のベーパーチャンバであって、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たす、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質、前記毛細管流路の流路構造を有する、
ベーパーチャンバ。
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状のベーパーチャンバであって、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たす、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質、前記毛細管流路の流路構造を有する、
ベーパーチャンバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ベーパーチャンバの設計方法及びベーパーチャンバに関する。
【背景技術】
【0002】
被冷却体から受け取った熱を面方向に拡散させる熱拡散板の一種であるベーパーチャンバ又はフラットヒートパイプ（以下、単にベーパーチャンバとする）は、内部空間に封入された冷媒が熱を受けて相変化し、面方向及び厚み方向に循環して熱輸送を実現する。被冷却体近傍の受熱部で熱を受けた液化冷媒は、蒸発して気化し、内部空間における圧力差で面方向及び厚み方向に凝縮部まで移動する。凝縮部に達した気化冷媒は、熱を放出し凝縮して液化する。液化冷媒は、内部の微小流路に発生する毛細管力の作用によって移動し受熱部へと帰還する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第４０３５１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
液化冷媒は、毛細管力及び粘性力の他、重力の影響を受ける。毛細管力が重力よりも十分に大きくない場合、熱拡散板の設置姿勢によっては重力が毛細管力の抵抗力となってベーパーチャンバの熱的性能が低下する。ベーパーチャンバには、設置姿勢が変わっても熱的性能が低下しないことが望まれている。
【0005】
ベーパーチャンバが組み込まれる機器が設置される環境は様々であり、設置される環境によって液化冷媒に作用する抵抗力も様々である。例えば、加速度運動する移動体にベーパーチャンバが設置される場合、加速度運動による慣性力も毛細管力の抵抗力となり得る。液化冷媒の流体塊に作用する毛細管力の大きさがこれらの抵抗力に対して十分でないとき、ベーパーチャンバの熱的性能が低下する。
【0006】
本発明は、上記実情の下になされたものであり、熱的性能が抵抗力の影響を受けずに、被冷却体が発生する熱量と同等以上の熱量の持続的な熱拡散を行うことができるベーパーチャンバの設計方法及びベーパーチャンバ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】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るベーパーチャンバの設計方法は、
情報処理装置によって実行されるベーパーチャンバの設計方法であって、
前記ベーパーチャンバは、
被冷却体から受熱する受熱部と、
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状であり、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たすように、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質を選定するとともに、前記毛細管流路の流路構造に係る設計パラメータの値を決定する。
情報処理装置によって実行されるベーパーチャンバの設計方法であって、
前記ベーパーチャンバは、
被冷却体から受熱する受熱部と、
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状であり、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たすように、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質を選定するとともに、前記毛細管流路の流路構造に係る設計パラメータの値を決定する。
【0008】
この場合、前記直管部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａ［ｍ／ｓ２］とし、
前記流体塊の密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とし、
前記流体塊の体積をＶ［ｍ３］とし、
前記直管部での毛細管力をｆｃ［Ｎ］とし、
前記毛細管力による前記流体塊の移動を妨げる抵抗力をＦＲ［Ｎ］としたときに、
を前記第１条件を表す条件式とし、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの厚み方向に延び、前記ペーパーチャンバの面方向に均一な配列ピッチで２次元配列された第２微小流路を備え、
前記連結部は、
前記第２微小流路と連結していない第１連結部と、
前記第２微小流路と連結している第２連結部と、を含み、
前記第１連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第２連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ．ｂｔｍ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第１連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］とし、
前記第２連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐｂｔｍ［Ｎ］としたときに、
を前記第２条件を表す条件式とし、
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の長さをＬＤＴ［ｍ］とし、
前記流体塊が流れる方向の前記連結部の長さを２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊が存在する前記連結部の本数に対する、前記第１連結部の本数の割合をεとしたときに、
を前記第３条件を表す条件式とし、
単位時間当たりの前記受熱部における前記被冷却体からの単位時間当たりの入熱量をＱｉｎ［Ｗ］とし、
前記流体塊の単位質量当たりの蒸発潜熱をＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］とし、
前記受熱部の外縁に接する前記第１微小流路の数をＮ１．Ｃとし、
前記受熱部に接する前記第２微小流路の数をＮ２．Ｐとし、
前記受熱部に外縁に接するｉ（ｉ＝１～Ｎ１．Ｃの自然数）番目の前記第１微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ１．ｉ［ｍ２］とし、
前記受熱部に接するｊ（ｊ＝１～Ｎ２．Ｐの自然数）番目の前記第２微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ２．ｊ［ｍ２］とし、
前記受熱部の外縁に接するｉ番目の前記第１微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］とし、
前記受熱部に接するｊ番目の前記第２微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］としたときに、
を前記第４条件を表す条件式とする、
こととしてもよい。
前記流体塊の密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とし、
前記流体塊の体積をＶ［ｍ３］とし、
前記直管部での毛細管力をｆｃ［Ｎ］とし、
前記毛細管力による前記流体塊の移動を妨げる抵抗力をＦＲ［Ｎ］としたときに、
【数1】
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの厚み方向に延び、前記ペーパーチャンバの面方向に均一な配列ピッチで２次元配列された第２微小流路を備え、
前記連結部は、
前記第２微小流路と連結していない第１連結部と、
前記第２微小流路と連結している第２連結部と、を含み、
前記第１連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第２連結部での毛細管力により前記流体塊に生じる加速度をａｇａｐ．ｂｔｍ［ｍ／ｓ２］とし、
前記第１連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］とし、
前記第２連結部で生じる毛細管力をｆｃ．ｇａｐｂｔｍ［Ｎ］としたときに、
【数2】
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の長さをＬＤＴ［ｍ］とし、
前記流体塊が流れる方向の前記連結部の長さを２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊が存在する前記連結部の本数に対する、前記第１連結部の本数の割合をεとしたときに、
【数3】
単位時間当たりの前記受熱部における前記被冷却体からの単位時間当たりの入熱量をＱｉｎ［Ｗ］とし、
前記流体塊の単位質量当たりの蒸発潜熱をＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］とし、
前記受熱部の外縁に接する前記第１微小流路の数をＮ１．Ｃとし、
前記受熱部に接する前記第２微小流路の数をＮ２．Ｐとし、
前記受熱部に外縁に接するｉ（ｉ＝１～Ｎ１．Ｃの自然数）番目の前記第１微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ１．ｉ［ｍ２］とし、
前記受熱部に接するｊ（ｊ＝１～Ｎ２．Ｐの自然数）番目の前記第２微小流路の前記流体塊が流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ２．ｊ［ｍ２］とし、
前記受熱部の外縁に接するｉ番目の前記第１微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］とし、
前記受熱部に接するｊ番目の前記第２微小流路において前記流体塊が流れる速度をｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］としたときに、
【数4】
こととしてもよい。
【0009】
前記直管部は、前記流体塊が流れる方向に直交する断面が矩形状であり、
前記直管部において前記厚み方向に対向する前記内壁面の距離を２Ｈ［ｍ］とし、
前記直管部において前記面方向に対向する前記内壁面の距離を２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面との間の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面の界面との接触角をθ［ｒａｄ］としたときに、
前記直管部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ［Ｎ］は、
で規定され、
前記第１連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］は、
で規定され、
前記第２連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］は、
で規定される、
こととしてもよい。
前記直管部において前記厚み方向に対向する前記内壁面の距離を２Ｈ［ｍ］とし、
前記直管部において前記面方向に対向する前記内壁面の距離を２Ｗ［ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面との間の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とし、
前記流体塊と前記内壁面の界面との接触角をθ［ｒａｄ］としたときに、
前記直管部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ［Ｎ］は、
【数5】
前記第１連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］は、
【数6】
前記第２連結部で前記流体塊に生じる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］は、
【数7】
こととしてもよい。
【0010】
前記流体塊が流れる方向の前記流体塊の長さをｈ［ｍ］とし、
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の長さをＬＤＰ［ｍ］とし、
前記第１微小流路における前記厚み方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｓｐ［Ｐａ］とし、
前記第１微小流路における前記面方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｄｐ［Ｐａ］としたときに、
前記抵抗力ＦＲに含まれる、前記第１微小流路を流れる前記流体塊に生じる粘性力ｆＲ１［Ｎ］は、
で規定される、
こととしてもよい。
前記流体塊が流れる方向の前記直管部の長さをＬＤＰ［ｍ］とし、
前記第１微小流路における前記厚み方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｓｐ［Ｐａ］とし、
前記第１微小流路における前記面方向に沿った内壁面に生じるせん断応力をτｗ．ｄｐ［Ｐａ］としたときに、
前記抵抗力ＦＲに含まれる、前記第１微小流路を流れる前記流体塊に生じる粘性力ｆＲ１［Ｎ］は、
【数8】
こととしてもよい。
【0011】
前記毛細管力による前記流体塊の移動を妨げる抵抗力は、重力、慣性力及び電磁力の少なくとも１つを含む、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
【0012】
被冷却体から受熱する受熱部と、
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状のベーパーチャンバであって、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たす、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質、前記毛細管流路の流路構造を有する。
前記受熱部で気化した冷媒が移動する蒸気流路と、
放熱により液化した冷媒を毛細管力により前記受熱部に送る毛細管流路と、が内部空間に形成された平板状のベーパーチャンバであって、
前記毛細管流路は、
前記ベーパーチャンバの面方向に沿って均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の流路である第１微小流路を備え、
前記第１微小流路は、
前記冷媒の流体塊を一方向に送る直管部と、
前記第１微小流路の格子点で前記直管部同士を連結する連結部と、を備え、
前記直管部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第１条件とし、
前記連結部で前記流体塊に加えられる毛細管力により前記流体塊に生じる加速度が正であることを第２条件とし、
前記直管部において前記流体塊に加えられる力がした仕事と前記連結部において前記流体塊を加えられる力がした仕事との和が正であることを第３条件とし、
前記毛細管流路から前記受熱部に戻る前記流体塊の単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、前記被冷却体から前記受熱部への単位時間当たりの入熱量を上回ることを第４条件として、
前記第１条件、前記第２条件及び前記第４条件をすべて満たすか、前記第１条件、前記第３条件及び前記第４条件をすべて満たす、前記冷媒、前記ベーパーチャンバの材質、前記毛細管流路の流路構造を有する。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、均一な格子ピッチで形成された２次元格子状の毛細管力を発生させる流路において、冷媒の流体塊に加えられる毛細管力が流体塊の移動を妨げる抵抗力を上回り、流体塊に加えられる力がした仕事が全体として正となり、受熱部においてドライアウトが発生しないように、冷媒及びベーパーチャンバの材質を選定するとともに、毛細管流路の流路構造に係る設計パラメータの値を決定することができるので、熱的性能が抵抗力の影響を受けずに持続的な熱拡散を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るベーパーチャンバの側面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のベーパーチャンバの斜視図である。
【図3】（Ａ）は、下部材の上面図である。（Ｂ）は、下部材の内部領域の一部の拡大図である。
【図4】（Ａ）は、中間部材の上面図である。（Ｂ）は、中間部材の毛細管流路形成領域の一部の拡大図である。
【図5】厚み方向及び面方向に見たベーパーチャンバの内部空間を示す模式図である。
【図6】（Ａ）は、下部材に形成された毛細管流路（第１微小流路）の配置例を示す図である。（Ｂ）は、毛細管流路（第１微小流路）の配置例を示す図である。（Ｃ）は、毛細管流路を側面から見た図である。
【図7】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１微小流路の構造を示す模式図である。
【図8】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１条件、第２条件を示す模式図である。
【図9】第３条件を示す模式図である。
【図10】受熱部における熱の流入と冷媒の移動とを示す模式図である。
【図11】（Ａ）は、設計処理を行う情報処理装置のハードウエア構成を示すブロック図である。（Ｂ）は、設計処理のフローチャートである。
【図12】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ベーパーチャンバの向きを変えて設置した状態を示す側面図である。
【図13】ベーパーチャンバの向きを変えた場合の熱抵抗の比較結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。
【0016】
［実施の形態１］
まず、本発明の実施の形態１について説明する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る熱拡散板としてのベーパーチャンバ１は、ｚ軸方向を厚み方向とする全体として矩形平板状の筐体５０を有する冷却装置である。筐体５０は、矩形には限定されない。筐体５０には、気密構造を形成可能な材質のものが用いられる。このような材質には、例えば銅がある。ベーパーチャンバ１の－ｚ方向を向いた底面中央部には、冷却対象となる被冷却体としての円板状の熱源体２が取り付けられている。なお、熱源体２の形状は円板状には限られず、例えば矩形状であってもよい。
まず、本発明の実施の形態１について説明する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る熱拡散板としてのベーパーチャンバ１は、ｚ軸方向を厚み方向とする全体として矩形平板状の筐体５０を有する冷却装置である。筐体５０は、矩形には限定されない。筐体５０には、気密構造を形成可能な材質のものが用いられる。このような材質には、例えば銅がある。ベーパーチャンバ１の－ｚ方向を向いた底面中央部には、冷却対象となる被冷却体としての円板状の熱源体２が取り付けられている。なお、熱源体２の形状は円板状には限られず、例えば矩形状であってもよい。
【0017】
熱源体２としては、ＩＣ（半導体集積装置）、ＬＳＩ（大規模集積回路装置）及びＣＰＵ（中央処理装置）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等が想定される。ベーパーチャンバ１において、熱源体２が取り付けられた底面中央部を、熱源体２から受熱する受熱部３という。受熱部３で熱源体２から受けた熱は、ベーパーチャンバ１全体に伝えられ、放熱される。
【0018】
図１（Ａ）に示すように、ベーパーチャンバ１の筐体５０内には、減圧された密閉空間（内部空間）２０が設けられている。内部空間２０には、冷媒ＣＯが封入されている。受熱部３で受けた熱により、液化している冷媒ＣＯが気化し、内部空間２０全体に拡散する。拡散した冷媒ＣＯは、ベーパーチャンバ１の外面に熱を伝達した後に凝縮し、液化した冷媒ＣＯとなって毛細管力により受熱部３に戻る。ベーパーチャンバ１の外面に伝達された熱は、外部に放熱される。このように、内部空間２０内における冷媒ＣＯの循環により、ベーパーチャンバ１は、全体に熱を拡散する。
【0019】
図２に示すように、ベーパーチャンバ１は、下部材１０と、上部材１１と、中間部材１２と、を備える。下部材１０は、矩形平板状の部材である。下部材１０の下面（－ｚ面）がベーパーチャンバ１の筐体５０の下面を構成する。この下部材１０の下面に受熱部３が設けられる。
【0020】
図３（Ａ）に示すように、下部材１０の上面（＋ｚ面）側には、その外縁に沿って設けられた枠状の外縁部１０ａと、外縁部１０ａの内側の内部領域１０ｂとが設けられている。外縁部１０ａには、内部領域１０ｂよりも上側（＋ｚ側）に突出した接合用突起が設けられている。下部材１０は、この外縁部１０ａで、中間部材１２の下面の外縁と拡散接合される。
【0021】
下部材１０の内部領域１０ｂは、内部空間２０の底面を構成する。図３（Ｂ）に示すように、内部領域１０ｂには、ｚ軸方向に見て４辺がｘ軸方向及びｙ軸方向に沿って配置された矩形状の突起であるディンプル１０ｃが多数形成されている。ディンプル１０ｃは、ｘ軸方向及びｙ軸方向に所定ピッチで２次元配列されている。ディンプル１０ｃ同士の間に、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延びる溝部１０ｄが形成されている。この溝部１０ｄが、液化した冷媒ＣＯが通る毛細管流路４（図５参照）となる。
【0022】
上部材１１は、矩形平板状の部材であり、形状及び大きさが図２に示す下部材１０と同じ部材である。この上部材１１の下面（－ｚ側の面）がベーパーチャンバ１の内部空間２０の天井を構成する。上部材１１の下面（－ｚ面）にも、外縁部１０ａと、内部領域１０ｂとが設けられており、内部領域１０ｂにディンプル１０ｃのｘ軸方向及びｙ軸方向に所定ピッチで配列された２次元配列と、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延びる２次元格子状の溝部１０ｄとが形成されている。
【0023】
図４（Ａ）に示すように、中間部材１２には、その外縁に沿って設けられた矩形枠状の外縁部１２ａと、外縁部１０ａの内側の内部領域１２ｂとが設けられている。外縁部１２ａは、その下面側で下部材１０の外縁部１０ａと拡散接合され、その上面側で上部材１１の外縁部１０ａと拡散接合される。
【0024】
図４（Ａ）に示すように、内部領域１２ｂは、毛細管流路形成領域１５と、蒸気流路形成領域１６と、に分割される。毛細管流路形成領域１５は、内部領域１２ｂの中央に配置されるとともに、その中央から内部領域１２ｂの周縁、すなわち外縁部１２ａに向かって複数本、放射状に延びている。蒸気流路形成領域１６は、放射状に延びる毛細管流路形成領域１５の間に配置されている。毛細管流路形成領域１５と、蒸気流路形成領域１６とは、内部領域１２ｂの中央を中心とする円の円周方向に沿って交互に配列されている。毛細管流路形成領域１５と蒸気流路形成領域１６との間および毛細管流路形成領域１５の内部には下部材１０及び上部材１１と接合する接合用突起１７が形成される。この接合用突起１７により、被冷却体からの受熱や、環境温度の上昇に伴う内部温度上昇に起因する内圧の上昇に抗する強度を発生することができる。さらに、この接合用突起１７により、毛細管流路形成領域１５と蒸気流路形成領域１６とを分けることができる。
【0025】
図４（Ｂ）に示すように、毛細管流路形成領域１５には、毛細管流路を構成する矩形状の複数の貫通穴１２ｃがｘ軸方向及びｙ軸方向に所定ピッチで２次元配列されている。図４（Ａ）に示すように、蒸気流路形成領域１６では、板がくりぬかれ、毛細管流路形成領域１５よりも大きな空隙が形成されている。
【0026】
図２に戻り、ｚ軸方向に沿って下部材１０、中間部材１２及び上部材１１がこの順に接合されて、図５に示すように、ベーパーチャンバ１の筐体５０が形成される。筐体５０では、内部空間２０が形成され、熱源体２と接合する部分に受熱部３が設けられる。この内部空間２０に、毛細管流路４と、蒸気流路５と、が形成され、冷媒ＣＯが封入される。熱を受けていない状態では、冷媒ＣＯは、ベーパーチャンバ１が設置されている温度における冷媒ＣＯの飽和蒸気圧に応じて、その一部は受熱部３を含む毛細管流路４内に液として、また残りは蒸気流路５内に気体として、平衡状態を保ち共存している。
【0027】
受熱部３において熱源体２から熱を受けると、冷媒ＣＯが気化する。蒸気流路５は、受熱部３で気化した冷媒ＣＯをｚ軸方向に見たときの外縁方向に移動させる。送られた気化した冷媒ＣＯは、筐体５０に放熱し、次第に凝縮して液化し毛細管流路４に進入する。毛細管流路４は、放熱により液化した冷媒ＣＯを毛細管力により受熱部３に送る。
【0028】
図６（Ａ）に示すように、下部材１０の内部領域１０ｂ上におけるディンプル１０ｃのｘ軸方向及びｙ軸方向の幅をＬＤＴ［ｍ］とする。また、溝部１０ｄの幅を２Ｗ［ｍ］とする。溝部１０ｄは、ｘ軸方向及びｙ軸方向に格子ピッチＰ１［ｍ］で配列されているものとする。この溝部１０ｄにより形成される微小流路が、第１微小流路３１である。第１微小流路３１は、ベーパーチャンバ１の面方向に沿って均一な格子ピッチＰ１で形成された２次元格子状の流路である。
【0029】
図６（Ｂ）に示すように、中間部材１２の貫通穴１２ｃのｘ軸方向及びｙ軸方向の幅は２Ｗであり、ｘ軸方向及びｙ軸方向に配列ピッチＰ２［ｍ］で配列されている。貫通穴１２ｃは、下部材１０及び上部材１１の溝部１０ｄのｘ軸方向及びｙ軸方向のラインが交差する格子点に配置される。図６（Ｂ）では、貫通穴１２ｃのｘ軸方向及びｙ軸方向の配列ピッチＰ２は、溝部１０ｄの格子点の格子ピッチＰ１の２倍となっているが、これには限られない。本実施の形態では、格子ピッチＰ１、配列ピッチＰ２は、本実施の形態に係る設計方法で調整することができる。
【0030】
図６（Ｃ）に示すように、ディンプル１０ｃの高さは２Ｈである。また、貫通穴１２ｃの穴の深さはＬＤＴである。貫通穴１２ｃの穴の深さについては、中間部材１２の厚さと同じであり、任意の値に変更することができる。下部材１０及び上部材１１の溝部１０ｄと、中間部材１２の貫通穴１２ｃとが連通して、ベーパーチャンバ１の厚み方向に延び、ベーパーチャンバ１の面方向、すなわちｘ軸方向及びｙ軸方向に沿って配列ピッチＰ２で２次元配列された微小流路が形成される。この微小流路が第２微小流路３２である。すなわち毛細管流路４は、第２微小流路３２を備える。
【0031】
図７（Ａ）に示すように、第１微小流路３１は、直管部３１Ａと、連結部３１Ｂと、を備える。直管部３１Ａは、ｘ軸方向又はｙ軸方向に延び冷媒ＣＯの流体塊（以下では、単に流体塊ＷＰとする）を一方向に送る管状の部分である。直管部３１Ａは、液化した冷媒ＣＯの流体塊（以下では、単に流体塊ＷＰとする）が流れる方向に直交する矩形状の断面を形成する４つの内壁面を有しており、その内壁面により、毛細管力を発生させる。連結部３１Ｂは、第１微小流路３１の格子点に配置され、格子点で直管部３１Ａ同士を連結する。第１微小流路３１は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に沿って直管部３１Ａと連結部３１Ｂとが交互に配置されることにより構成される。
【0032】
図７（Ｂ）に示すように、第２微小流路３２は、配列ピッチＰ２で配列され、第１微小流路３１の連結部３１Ｂと連結する。図７（Ｂ）に示すように、連結部３１Ｂは、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１と、第２微小流路３２と連結している第２連結部３１Ｂ－２と、を含む。本実施の形態では、第２微小流路３２の配列ピッチＰ２が、連結部３１Ｂの格子ピッチＰ１の２倍であるため、連続する２つにつき１つが第２連結部３１Ｂ－２となる。
【0033】
本実施の形態に係る設計方法では、上述のような構成を有するベーパーチャンバ１の毛細管流路４を設計する。この設計方法では、毛細管流路４が満たすべき条件として、第１条件と、第２条件と、第３条件と、第４条件を規定する。第１条件は、直管部３１Ａで流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ［Ｎ］により流体塊ＣＡに生じる加速度ａが正であることである（図８（Ａ）及び図８（Ｂ）参照）。第２条件は、連結部３１Ｂで流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ［Ｎ］により流体塊ＣＡに生じる加速度ａｇａｐ、ａｇａｐ．ｂｔｍが正であることである。第３条件は、第１微小流路３１において、直管部３１Ａにおいて流体塊ＣＡに加えられる力がした仕事と連結部３１Ｂにおいて流体塊ＣＡに加えられる力がした仕事との和が正であることである（図９参照）。第４条件は、毛細管流路４から受熱部３に戻る流体塊ＷＰの単位時間当たりの蒸発潜熱の総量が、熱源体２から受熱部３への単位時間当たりの入熱量を上回ることである（図１０参照）。以下、第１条件～第４条件について詳細に説明する。
【0034】
［第１条件］
第１条件は、直管部３１Ａで流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ［Ｎ］により流体塊ＣＡに生じる加速度ａが正であることである。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、毛細管流路４では、直管部３１Ａで発生する毛細管力をｆｃ［Ｎ］とし、毛細管力ｆｃ［Ｎ］による流体塊ＣＡの移動を妨げる抵抗力をＦＲ［Ｎ］とすると、以下の式を満たすことが要求される。
例えば、第１微小流路３１において、例えば図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す連続して移動する流体塊ＷＰの密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とし、流体塊ＷＰの体積をＶ［ｍ３］とする。また、直管部３１Ａで毛細管力ｆｃ［Ｎ］により流体塊ＷＰに生じる加速度をａ［ｍ／ｓ２］としたとき、当該流体塊ＷＰ全体として第１条件を満たす運動方程式は、以下の式で与えられる。
上記式（１）、式（２）から、以下の式が得られる。
ベーパーチャンバ１の面方向に延びる第１微小流路３１は、内部を移動する流体塊ＷＰが式（３）を満たすことを特徴としている。この式（３）が、第１条件を表す条件式となる。この条件式を満たすことにより、流体塊ＷＰが直管部３１Ａを移動することが可能となる。
第１条件は、直管部３１Ａで流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ［Ｎ］により流体塊ＣＡに生じる加速度ａが正であることである。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、毛細管流路４では、直管部３１Ａで発生する毛細管力をｆｃ［Ｎ］とし、毛細管力ｆｃ［Ｎ］による流体塊ＣＡの移動を妨げる抵抗力をＦＲ［Ｎ］とすると、以下の式を満たすことが要求される。
【数9】
例えば、第１微小流路３１において、例えば図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す連続して移動する流体塊ＷＰの密度をρ［ｋｇ／ｍ３］とし、流体塊ＷＰの体積をＶ［ｍ３］とする。また、直管部３１Ａで毛細管力ｆｃ［Ｎ］により流体塊ＷＰに生じる加速度をａ［ｍ／ｓ２］としたとき、当該流体塊ＷＰ全体として第１条件を満たす運動方程式は、以下の式で与えられる。
【数10】
上記式（１）、式（２）から、以下の式が得られる。
【数11】
ベーパーチャンバ１の面方向に延びる第１微小流路３１は、内部を移動する流体塊ＷＰが式（３）を満たすことを特徴としている。この式（３）が、第１条件を表す条件式となる。この条件式を満たすことにより、流体塊ＷＰが直管部３１Ａを移動することが可能となる。
【0035】
なお、抵抗力ＦＲ［Ｎ］は、冷媒ＣＯに作用する種々の抵抗力ｆＲｉ［Ｎ］の和であり、以下の式で与えられる。
ｎは正の整数であり、想定される抵抗力ＦＲ［Ｎ］の種類の数を表す。抵抗力ＦＲ［Ｎ］としては、流路の内壁面により発生する粘性力ｆＲ１［Ｎ］が含まれる。また、地球上において冷媒ＣＯが鉛直上方に移動する際には重力ｆＲ２［Ｎ］も抵抗力ＦＲ［Ｎ］に含まれる。また、ベーパーチャンバ１が加速度運動している場合、その加速度運動により生じる慣性力ｆＲ３［Ｎ］も抵抗力ＦＲ［Ｎ］に含まれる。冷媒ＣＯが電磁流体であり、ベーパーチャンバ１が磁界に置かれる場合、電磁流体に発生する電磁力（ローレンツ力）も抵抗力ＦＲ［Ｎ］に含まれる。すなわち、毛細管力による流体塊ＣＡの移動を妨げる抵抗力ＦＲ［Ｎ］は、粘性力ｆＲ１、重力ｆＲ２［Ｎ］、慣性力ｆＲ３［Ｎ］及び電磁力の少なくとも１つを含む。
【数12】
ｎは正の整数であり、想定される抵抗力ＦＲ［Ｎ］の種類の数を表す。抵抗力ＦＲ［Ｎ］としては、流路の内壁面により発生する粘性力ｆＲ１［Ｎ］が含まれる。また、地球上において冷媒ＣＯが鉛直上方に移動する際には重力ｆＲ２［Ｎ］も抵抗力ＦＲ［Ｎ］に含まれる。また、ベーパーチャンバ１が加速度運動している場合、その加速度運動により生じる慣性力ｆＲ３［Ｎ］も抵抗力ＦＲ［Ｎ］に含まれる。冷媒ＣＯが電磁流体であり、ベーパーチャンバ１が磁界に置かれる場合、電磁流体に発生する電磁力（ローレンツ力）も抵抗力ＦＲ［Ｎ］に含まれる。すなわち、毛細管力による流体塊ＣＡの移動を妨げる抵抗力ＦＲ［Ｎ］は、粘性力ｆＲ１、重力ｆＲ２［Ｎ］、慣性力ｆＲ３［Ｎ］及び電磁力の少なくとも１つを含む。
【0036】
［毛細管力ｆｃ］
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、直管部３１Ａが、流体塊ＷＰが流れる方向に直交する断面が矩形状である場合、直管部３１Ａにおいて厚み方向に対向する内壁面間の距離を２Ｈ［ｍ］とし、直管部３１Ａにおいてベーパーチャンバ１の面方向に対向する内壁面の距離を２Ｗ［ｍ］とし、流体塊ＷＰと内壁面との間の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とし、流体塊ＷＰと内壁面の界面との接触角をθ［ｒａｄ］としたときに、毛細管力ｆｃ［Ｎ］は、以下の式で規定される。
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、直管部３１Ａが、流体塊ＷＰが流れる方向に直交する断面が矩形状である場合、直管部３１Ａにおいて厚み方向に対向する内壁面間の距離を２Ｈ［ｍ］とし、直管部３１Ａにおいてベーパーチャンバ１の面方向に対向する内壁面の距離を２Ｗ［ｍ］とし、流体塊ＷＰと内壁面との間の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］とし、流体塊ＷＰと内壁面の界面との接触角をθ［ｒａｄ］としたときに、毛細管力ｆｃ［Ｎ］は、以下の式で規定される。
【数13】
【0037】
［粘性力ｆＲ１］
一方、ｆＲ１［Ｎ］を、流体塊ＣＡの移動により、内壁面から受けるせん断応力に伴い発生する粘性力であるとする。この場合、第１微小流路３１が延びる方向の流体塊ＷＰの長さをｈ［ｍ］とし、流体塊ＣＡｇが流れる方向の直管部３１Ａの長さをＬＤＴとし、流体塊ＣＡが流れる方向の直管部３１Ａの配列ピッチをＬＤＰとする。ベーパーチャンバ１の厚み方向に沿った内壁面（図８（Ａ）参照）に生じるせん断応力をτｗ．ｓｐ［Ｐａ］とし、ベーパーチャンバ１の面方向に沿った内壁面（図８（Ｂ）参照）に生じるせん断応力をτｗ．ｄｐ［Ｐａ］とする。また、流体塊ＷＰが存在する連結部３１Ｂの本数に対する、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１の本数の割合をεとする。εは、全ての連結部３１Ｂが第２微小流路と連結されている場合０となり、全ての連結部３１Ｂが、第２微小流路と連結されていない場合に１となる。
一方、ｆＲ１［Ｎ］を、流体塊ＣＡの移動により、内壁面から受けるせん断応力に伴い発生する粘性力であるとする。この場合、第１微小流路３１が延びる方向の流体塊ＷＰの長さをｈ［ｍ］とし、流体塊ＣＡｇが流れる方向の直管部３１Ａの長さをＬＤＴとし、流体塊ＣＡが流れる方向の直管部３１Ａの配列ピッチをＬＤＰとする。ベーパーチャンバ１の厚み方向に沿った内壁面（図８（Ａ）参照）に生じるせん断応力をτｗ．ｓｐ［Ｐａ］とし、ベーパーチャンバ１の面方向に沿った内壁面（図８（Ｂ）参照）に生じるせん断応力をτｗ．ｄｐ［Ｐａ］とする。また、流体塊ＷＰが存在する連結部３１Ｂの本数に対する、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１の本数の割合をεとする。εは、全ての連結部３１Ｂが第２微小流路と連結されている場合０となり、全ての連結部３１Ｂが、第２微小流路と連結されていない場合に１となる。
【0038】
当該流体塊ＷＰ全体に生じる粘性力をｆＲ１［Ｎ］とすると、ｆＲ１［Ｎ］は、以下の式で表される。
なお、ｈは、任意の値を設定することができるが、最悪の条件は、受熱部３から内部空間２０の外辺までの最大の長さとすることができる。
【数14】
【0039】
仮に、流体塊ＷＰが受ける抵抗力ＦＲ［Ｎ］が粘性力ｆＲ１［Ｎ］のみであるとすると、第１微小流路３１が満たすべき第１条件である式（３）は、以下の様に変換される。
【数15】
【0040】
［重力ｆＲ２］
また、地球上において流体塊ＣＡの移動方向が水平でない場合、流体塊ＣＡの移動方向の仰角に応じて流体塊ＣＡの運動に対して重力ｆＲ２［Ｎ］が影響を及ぼすこととなる。中でも、重力ｆＲ２［Ｎ］が流体塊ＣＡの運動に抗する方向となり、かつその影響が最大となるのは、流体塊ＣＡが鉛直上向きに移動している場合である。この場合、流体塊ＣＡが鉛直上方に移動し、冷媒ＣＯの循環を実現するために第１微小流路３１が満たすべき条件は、次式で表される。
また、地球上において流体塊ＣＡの移動方向が水平でない場合、流体塊ＣＡの移動方向の仰角に応じて流体塊ＣＡの運動に対して重力ｆＲ２［Ｎ］が影響を及ぼすこととなる。中でも、重力ｆＲ２［Ｎ］が流体塊ＣＡの運動に抗する方向となり、かつその影響が最大となるのは、流体塊ＣＡが鉛直上向きに移動している場合である。この場合、流体塊ＣＡが鉛直上方に移動し、冷媒ＣＯの循環を実現するために第１微小流路３１が満たすべき条件は、次式で表される。
【数16】
【0041】
仮に、ベーパーチャンバ１が設置された機器が加速度ａｖｃ［ｍ／ｓ２］で運動している場合、流体塊ＣＡにかかる抵抗力ＦＲ［Ｎ］に慣性力ｆＲ３［Ｎ］を含める必要がある。慣性力ｆＲ３［Ｎ］が最大となるのは、流体塊ＣＡの移動方向がベーパーチャンバ１全体として加速度運動をしている場合である。したがって、重力ｆＲ２［Ｎ］と、慣性力ｆＲ３［Ｎ］が生じる場合、冷媒ＣＯの循環を実現するために第１微小流路３１が満たすべき第１条件の条件式は、以下の式になる。
同様に、上記式に、抵抗力ＦＲ［Ｎ］として電磁力ｆＲ４［Ｎ］を加えることも可能である。
【数17】
【0042】
［第２条件］
第２条件は、連結部３１Ｂにおいて流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］が、流体塊ＣＡの移動を妨げる粘性力ｆＲ１［Ｎ］、重力ｆＲ２［Ｎ］、慣性力ｆＲ３［Ｎ］及び電磁力ｆＲ４［Ｎ］の少なくとも１つを含む抵抗力ＦＲを上回ることである。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す流体塊ＣＡには、直管部３１Ａだけでなく、連結部３１Ｂにおいても、毛細管力が発生する。前述のように、連結部３１Ｂの中には、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１と、第２微小流路３２と連結している第２連結部３１Ｂ－２と、が存在する。連結部３１Ｂでは面方向の両側に内壁面は存在しないが、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１では、厚み方向に内壁面が存在する。この場合の毛細管力をｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］としたとき、ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］は、以下のようになる。
仮に、流体塊ＣＡが水平方向に移動しているとする。第１連結部３１Ｂ－１での毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］により流体塊ＣＡに生じる加速度をａｇａｐ［ｍ／ｓ２］とすると、第２微小流路３２と連結されていない第１連結部３１Ｂ－１において満たすべき第２条件は、以下の式で表される。
重力ｆＲ２［Ｎ］まで考慮すると、第１連結部３１Ｂ－１において満たすべき条件は、以下の式に変換される。
慣性力ｆＲ３［Ｎ］まで考慮すると、式（３）は以下の式に変換される。
同様に、上記式に、抵抗力として電磁力ｆＲ４［Ｎ］を加えることも可能である。
第２条件は、連結部３１Ｂにおいて流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］が、流体塊ＣＡの移動を妨げる粘性力ｆＲ１［Ｎ］、重力ｆＲ２［Ｎ］、慣性力ｆＲ３［Ｎ］及び電磁力ｆＲ４［Ｎ］の少なくとも１つを含む抵抗力ＦＲを上回ることである。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す流体塊ＣＡには、直管部３１Ａだけでなく、連結部３１Ｂにおいても、毛細管力が発生する。前述のように、連結部３１Ｂの中には、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１と、第２微小流路３２と連結している第２連結部３１Ｂ－２と、が存在する。連結部３１Ｂでは面方向の両側に内壁面は存在しないが、第２微小流路３２と連結していない第１連結部３１Ｂ－１では、厚み方向に内壁面が存在する。この場合の毛細管力をｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］としたとき、ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］は、以下のようになる。
【数18】
仮に、流体塊ＣＡが水平方向に移動しているとする。第１連結部３１Ｂ－１での毛細管力ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］により流体塊ＣＡに生じる加速度をａｇａｐ［ｍ／ｓ２］とすると、第２微小流路３２と連結されていない第１連結部３１Ｂ－１において満たすべき第２条件は、以下の式で表される。
【数19】
【数20】
【数21】
【0043】
また、第２微小流路３２と連結している第２連結部３１Ｂ－２に発生する毛細管力をｆｃ．ｇａｐ.ｂｔｍ［Ｎ］としたとき、ｆｃ．ｇａｐ.ｂｔｍ［Ｎ］は、以下のようになる。
【数22】
【0044】
仮に、流体塊ＣＡが水平方向に移動しているとする。第２連結部３１Ｂ－２での毛細管力により流体塊ＣＡに生じる加速度をａｇａｐ．ｂｔｍ［ｍ／ｓ２］とすると、第２連結部３１Ｂ－２において満たすべき第２条件である条件式は、以下の式となる。
【数23】
【0045】
重力ｆＲ２［Ｎ］まで考慮すると、第２連結部３１Ｂ－２において満たすべき第２の条件としての条件式は、以下の様になる。
慣性力ｆＲ３［Ｎ］まで考慮すると、第２条件の条件式は以下のようになる。
同様に、上記式に、抵抗力として電磁力ｆＲ４を加えることも可能である。
【数24】
【数25】
同様に、上記式に、抵抗力として電磁力ｆＲ４を加えることも可能である。
【0046】
［第３条件］
第３条件は、直管部３１Ａにおいて流体塊ＣＡに加えられる仕事と連結部３１Ｂにより流体塊ＣＡに加えられる仕事との和が正であることである。ベーパーチャンバ１が機能するためには、連結部３１Ｂにおいて流体塊ＣＡが静止することなく通過することが必要である。式（１１）～式（１３）、式（１４）～式（１７）、すなわち第２条件を満足すれば、流体塊ＣＡは連結部３１Ｂでも流れの向きに正の加速度運動を行うため、流体塊ＣＡが連結部３１Ｂを通過することができる。
第３条件は、直管部３１Ａにおいて流体塊ＣＡに加えられる仕事と連結部３１Ｂにより流体塊ＣＡに加えられる仕事との和が正であることである。ベーパーチャンバ１が機能するためには、連結部３１Ｂにおいて流体塊ＣＡが静止することなく通過することが必要である。式（１１）～式（１３）、式（１４）～式（１７）、すなわち第２条件を満足すれば、流体塊ＣＡは連結部３１Ｂでも流れの向きに正の加速度運動を行うため、流体塊ＣＡが連結部３１Ｂを通過することができる。
【0047】
しかし、第２条件を満足しない場合であっても、連結部３１Ｂを通過しきって再度部分的に連続する直管部３１Ａの内壁面にさしかかったとき、もとの冷媒ＣＯの進行方向と概ね同じ方向に０以上の大きさの速度を持つ場合には連結部３１Ｂを通過することができる。この速度を持つための条件としては、直管部３１Ａにおいて流体塊ＣＡが受ける仕事と連結部３１Ｂにおいて流体塊ＣＡが受ける仕事の総和が正、すなわち冷媒ＣＯの進行方向に対して正の仕事となる場合、冷媒ＣＯが連結部３１Ｂを通過できることである。これが第３条件であり、第３条件は、以下の式で与えられる。
上記式は、図９に示すＰ１からＰ２まで、すなわち直管部３１Ａを、流体塊ＣＡに加えられる力がした仕事を示し、左辺の第２項は、図９に示すＰ２からＰ３まで（流体塊ＣＡが流れる方向の連結部３１Ｂの長さ２Ｗ）、すなわち連結部３１Ｂを、流体塊ＣＡに加えられる力がした仕事を示す。式（１８）は、これら仕事の和が正であることを示している。
【数26】
【0048】
［第４条件］
第４条件は、毛細管流路４から受熱部３に戻る流体塊ＣＡの単位時間当たりの蒸発潜熱ＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］の総量が、熱源体２から受熱部３への単位時間当たりの入熱量Ｑｉｎ［Ｗ］を上回ることである。ベーパーチャンバ１では、冷媒ＣＯの一連のサイクルのうち、単位時間あたりに再度熱源体２まで帰還する冷媒ＣＯの量に対応する冷媒ＣＯの蒸発潜熱ＱＬＨの総量が、熱源体２から発生する入熱量Ｑｉｎ［Ｗ］を上回ることによって、持続的な蒸発を維持するために必要な量の冷媒ＣＯを熱源体２に接する面の内部にある受熱部３へ継続的に供給することが可能となる。逆に、持続的な冷媒ＣＯの蒸発を維持するために必要な量の冷媒ＣＯを受熱部３に供給することができなくなると、いわゆるドライアウトという現象が生じる。ドライアウトが生じると、継続的な冷媒ＣＯによる潜熱輸送ができなくなり、ベーパーチャンバ１の熱的性能が低下し、結果的に、ベーパーチャンバ１の熱抵抗の増加を招くこととなる。
第４条件は、毛細管流路４から受熱部３に戻る流体塊ＣＡの単位時間当たりの蒸発潜熱ＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］の総量が、熱源体２から受熱部３への単位時間当たりの入熱量Ｑｉｎ［Ｗ］を上回ることである。ベーパーチャンバ１では、冷媒ＣＯの一連のサイクルのうち、単位時間あたりに再度熱源体２まで帰還する冷媒ＣＯの量に対応する冷媒ＣＯの蒸発潜熱ＱＬＨの総量が、熱源体２から発生する入熱量Ｑｉｎ［Ｗ］を上回ることによって、持続的な蒸発を維持するために必要な量の冷媒ＣＯを熱源体２に接する面の内部にある受熱部３へ継続的に供給することが可能となる。逆に、持続的な冷媒ＣＯの蒸発を維持するために必要な量の冷媒ＣＯを受熱部３に供給することができなくなると、いわゆるドライアウトという現象が生じる。ドライアウトが生じると、継続的な冷媒ＣＯによる潜熱輸送ができなくなり、ベーパーチャンバ１の熱的性能が低下し、結果的に、ベーパーチャンバ１の熱抵抗の増加を招くこととなる。
【0049】
ここで、受熱部３における熱源体２からの単位時間当たりの入熱量をＱｉｎ［Ｗ］とし、冷媒ＣＯの流体塊ＣＡの単位質量当たりの蒸発潜熱をＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］とする。また、図１０に示すように、受熱部３の外縁を構成する曲線を円Ｃとする。円Ｃに向かう第１微小流路３１をＮ１．Ｃ個とし、ｉ（ｉ＝１～Ｎ１．Ｃ）番目の第１微小流路３１の流体塊ＣＡが流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ１．ｉ［ｍ２］とし、ｉ番目の第１微小流路３１の流体塊ＣＡが流れる進行速度をｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］とする。また、受熱部３に接する第２微小流路３２の数をＮ２．Ｐとし、ｊ（ｊ＝１～Ｎ２．Ｐ）番目の第２微小流路３２の冷媒ＣＯが流れる方向に直交する断面の断面積をＳＡ２．ｊ［ｍ２］とし、ｊ番目の第２微小流路３２において流体塊ＣＡが流れ受熱部３に戻る進行速度をｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］とする。ベーパーチャンバ１がドライアウトせず、所望の性能を発揮し続けるためには、以下の関係式が満たされることが必要となる。
【数27】
【0050】
本実施の形態のベーパーチャンバ１の設計方法では、第１条件、第２条件及び第４条件をすべて満たすか、第１条件、第３条件及び第４条件すべてを満たすように冷媒ＣＯの種類及びベーパーチャンバ１の材質を選定するとともに、毛細管流路４の流路構造に係る設計パラメータの値を決定する。このような設計パラメータには、毛細管流路４の長さ、冷媒ＣＯが流れる方向に直交する断面を規定するパラメータが含まれる。これにより、粘性力ｆＲ１［Ｎ］、重力ｆＲ２［Ｎ］などの抵抗力ＦＲが冷媒ＣＯ流動の抵抗力として働く場合でも、冷媒ＣＯの循環を実現することができる。さらに、冷媒分布の不均一性を緩和するため、内壁面のうち少なくとも一面が断続するような構造をもつ第１微小流路３１内において、内壁面が連続しない部位である連結部３１Ｂで冷媒ＣＯが静止することなく通過することが可能となる。さらに、受熱部３において、ドライアウトを発生させることなく受熱部３から凝縮部へ継続的に輸送可能である様な、微小流路構造をもつことが可能となる。
【0051】
上記構成を有するベーパーチャンバ１の動作について説明する。図４に示すように、熱源体２から発せられた熱は受熱部３に伝わり、この熱により、受熱部３に存在する冷媒ＣＯが気化する。気化した冷媒ＣＯは、蒸気流路５を通って、内部空間２０全体に拡散する。そして、気化した冷媒ＣＯの大部分は、内部空間２０の外縁に到達し、筐体５０に熱を伝達するとともに、凝縮する。
【0052】
上部材１１の内部領域１０ｂで凝縮した冷媒ＣＯは、内部領域１０ｂの溝部１０ｄで毛細管現象により、毛細管流路４まで送られる。毛細管流路４では、毛細管現象により、凝縮した冷媒ＣＯが、再び受熱部３まで戻る。以上、この内部空間２０内において、上述の冷媒ＣＯの循環サイクルが形成され、これにより、熱源体２の冷却が実現される。
【0053】
［ベーパーチャンバの設計の流れ］
図１１（Ａ）に示すように、まず、ベーパーチャンバ１の設計は、ＣＰＵ６０、メモリ６１、外部記憶装置６２、操作部６３、表示部６４及び内部バス６５を有するコンピュータＨＷにおいて、操作部６３を介した操作に従って、ＣＰＵ６０が外部記憶装置６２からメモリ６１に読み込まれたソフトウエアプログラムを実行することにより行われる。実行結果は、例えば表示部６４に表示される。このプログラムをコンピュータが実行することによりその機能が実現される情報処理装置１００は、第１条件～第４条件を満たすか否かを判定する処理、すなわち図１１（Ｂ）に示すベーパーチャンバ１の設計処理（設計方法）を行う。
図１１（Ａ）に示すように、まず、ベーパーチャンバ１の設計は、ＣＰＵ６０、メモリ６１、外部記憶装置６２、操作部６３、表示部６４及び内部バス６５を有するコンピュータＨＷにおいて、操作部６３を介した操作に従って、ＣＰＵ６０が外部記憶装置６２からメモリ６１に読み込まれたソフトウエアプログラムを実行することにより行われる。実行結果は、例えば表示部６４に表示される。このプログラムをコンピュータが実行することによりその機能が実現される情報処理装置１００は、第１条件～第４条件を満たすか否かを判定する処理、すなわち図１１（Ｂ）に示すベーパーチャンバ１の設計処理（設計方法）を行う。
【0054】
図１１（Ｂ）に示すように、まず、情報処理装置１００は、初期設定を行う（ステップＳ１）。初期設定において、熱源体２の大きさ、形状、発熱量が設定され、冷媒ＣＯの種類、量が設定され、ベーパーチャンバ１の全体サイズ、受熱部３の位置及び大きさ、ベーパーチャンバ１の毛細管流路４以外の部分の形状、サイズ等が設定される。冷媒ＣＯとしては、純水、有機溶媒又はこれらの混合物が選択され、ベーパーチャンバ１の材質として気密構造を形成できる部材として銅等が用いられる。これにより、単位時間当たりの入熱量をＱｉｎ［Ｗ］、流体塊の単位質量当たりの蒸発潜熱ＱＬＨ［Ｊ／ｋｇ］、冷媒ＣＯの密度ρ[ｋｇ／ｍ３]、流体塊ＣＡと内壁面との間の表面張力σ［Ｎ／ｍ］、冷媒ＣＯと内壁面の界面との接触角θ［ｒａｄ］が決まる。また、流体塊ＣＡの長さｈ［ｍ］、体積Ｖ［ｍ３］は、受熱部３から内部空間２０の外縁までの長さを代用して決定されるが、任意の値を設定することができる。
【0055】
続いて、情報処理装置は、設定された受熱部３の大きさに基づいて、上記式（１９）を満たす、Ｎ１．Ｃ、Ｎ２．Ｐ、ＳＡ１．ｉ［ｍ２］、ＳＡ２，ｊ［ｍ２］、ｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］、ｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］を求める（ステップＳ２）。ここで、ＳＡ１．ｉ［ｍ２］の値をそれぞれ同一とし、ＳＡ２，ｊ［ｍ２］の値をそれぞれ同一とし、ｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］の値、ｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］の値を同一とすれば、算出しやすい。これにより、第１微小流路３１及び第２微小流路３２の断面積と、流体塊ＣＡの速度と、が決定される。
【0056】
続いて、情報処理装置は、毛細管流路４のサイズを設定する（ステップＳ３）。ここでは、第１微小流路３１に関してＨ［ｍ］、Ｗ［ｍ］、ＬＤＴ［ｍ］、ＬＤＰ［ｍ］、ε、Ｐ１、Ｐ２等の流路構造に係る設計パラメータの値が設定される。これらの設計パラメータの値は、ステップＳ２で求められたＮ１．Ｃ、Ｎ２．Ｐ、ＳＡ１．ｉ［ｍ２］、ＳＡ２，ｊ［ｍ２］、ｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］、ｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］によって拘束される。
【0057】
続いて、情報処理装置は、式（５）、式（１０）、式（１４）を用いて、毛細管力ｆｃ［Ｎ］、ｆｃ．ｇａｐ［Ｎ］、ｆｃ．ｇａｐ．ｂｔｍ［Ｎ］を算出する（ステップＳ４）。ここでは、これまでに決定され、設定された値が用いられる。
【0058】
続いて、情報処理装置は、抵抗力ＦＲ［Ｎ］を算出する（ステップＳ５）。まず、式（６）を用いて、粘性力ｆＲ１［Ｎ］が求められる。式（６）におけるτｗ．ｓｐ［Ｐａ］、τｗ．ｄｐ［Ｐａ］は、冷媒ＣＯをニュートン流体とし、ステップＳ２で求められたｖ１．ｉ［ｍ／ｓ］の値、ｖ２．ｊ［ｍ／ｓ］の値に基づく壁面上における速度勾配に冷媒ＣＯの粘性係数を乗じることにより求められる。重力ｆＲ２［Ｎ］、慣性力ｆＲ３［Ｎ］、電磁力ｆＲ４［Ｎ］は、ベーパーチャンバ１が使用される状況に応じて追加で算出される。
【0059】
続いて、情報処理装置は、式（３）、式（１１）～式（１３）、式（１５）～式（１７）を用いて、加速度ａ、ａｇａｐ、ａｇａｐ．ｂｔｍを算出し（ステップＳ６）、式（１８）を用いて、仕事の合計を算出する（ステップＳ７）。
【0060】
続いて、情報処理装置は、これまでの計算結果が、第１条件、第２条件、第４条件をすべて満たすか、第１条件、第３条件、第４条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ８）。満たさない場合（ステップＳ８；Ｎｏ）、情報処理装置は、ステップＳ１に戻り、ステップＳ８でＹｅｓとなるまで、ステップＳ１～Ｓ８の処理が繰り返される。この繰り返しの間、第１条件～第４条件が満たされるまで、流路構造を係る設計パラメータの値を変更していく。
【0061】
計算結果が、第１条件、第２条件、第４条件をすべて満たすか、第１条件、第３条件、第４条件を満たす場合（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、情報処理装置は、毛細管流路４の流路構造に係る設計パラメータの値が得られたものとして設計処理を終了する。
【0062】
この設計方法に基づいて製造されるベーパーチャンバ１は、第１条件、第２条件及び第４条件をすべて満たすか、第１条件、第３条件及び第４条件をすべて満たす、冷媒Ｗ、ベーパーチャンバ１の材質及び毛細管流路４の流路構造を有する。第１条件～第４条件を満たしているのであれば、その流路構造は、図６～図９に示すものに限られない。例えば、図７では、連結部３１Ｂは、第１連結部３１Ｂ－１と第２連結部３１Ｂ－２とが交互に配列されているが、この割合は、εの値を変更すれば、変更可能となる。
【0063】
［評価結果］
実際に、この設計方法で製造されたベーパーチャンバ１で評価を行った。熱源体２は、セラミックヒータとし、ベーパーチャンバ１に取り付けられたアルミ製ヒートシンク６で冷却を行った。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）及び図１２（Ａ）に示すように、このベーパーチャンバ１の設置角度を、０度、９０度、１８０度として、それぞれの熱抵抗を確認した。評価系の健全性確認のため、ベーパーチャンバ１と同一形状の銅板（Ｃ１０２０）を比較対象として、それぞれ熱抵抗を以下の式より算出し、結果を比較した。評価結果を図１３に示す。
ここで、Ｒｔｈ．ａｌｌ［Ｋ・Ｗ－１］は、ベーパーチャンバ１及び銅板の総熱抵抗である。また、Ｔｈ［Ｋ］はセラミックヒータの裏面温度、Ｔａ［Ｋ］は室温を示し、Ｑｈ［Ｗ］は、セラミックヒータへの投入電力をそれぞれ示す。
実際に、この設計方法で製造されたベーパーチャンバ１で評価を行った。熱源体２は、セラミックヒータとし、ベーパーチャンバ１に取り付けられたアルミ製ヒートシンク６で冷却を行った。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）及び図１２（Ａ）に示すように、このベーパーチャンバ１の設置角度を、０度、９０度、１８０度として、それぞれの熱抵抗を確認した。評価系の健全性確認のため、ベーパーチャンバ１と同一形状の銅板（Ｃ１０２０）を比較対象として、それぞれ熱抵抗を以下の式より算出し、結果を比較した。評価結果を図１３に示す。
【数28】
【0064】
図１３に示すように、銅板は、設置姿勢による熱抵抗の差異は０．５％程度であり、これは評価系の特性に起因する値となり、ベーパーチャンバ１の熱抵抗を評価する上での基準値となる。評価実験の結果、ベーパーチャンバ１の設置姿勢による熱抵抗の差異は０．５％程度となり、銅板と同等となった。評価系に起因するデータの差異以上の差異は認められなかったことから、本実施の形態に係る設計方法で設計されたベーパーチャンバ１の熱抵抗は、設置姿勢の影響によらず一定となることが確認された。
【0065】
また、セラミックヒータへの投入電力Ｑｈ［Ｗ］が高くなっても銅板の総熱抵抗Ｒｔｈ．ａｌｌ［Ｋ・Ｗ－１］はほぼ変わらないが、セラミックヒータへの投入電力Ｑｈ［Ｗ］が高くなればなるほど、ベーパーチャンバ１の総熱抵抗Ｒｔｈ．ａｌｌ［Ｋ・Ｗ－１］が下がっていくのが確認された。これは、銅板よりもベーパーチャンバ１の方が、熱拡散効果が優れていることを示している。
【0066】
このように、冷媒ＣＯの流体塊ＣＡに作用する抵抗力ＦＲを考慮し、式（３）を満たすような微小流路構造を規定する設計パラメータを決定することにより、冷媒ＣＯに対する種々の抵抗力ＦＲ［Ｎ］に抗して冷媒ＣＯが移動することが可能となり、冷媒ＣＯの循環が実現される。また、流路の形状に応じて流体塊ＣＡの体積Ｖなどの幾何形状に起因するパラメータの値を適宜定義することにより、任意の形状をもつ毛細管流路４に対して、毛細管流路４の形状が満たすべき条件式を得ることができる。
【0067】
以上詳細に説明したように、上記実施の形態によれば、均一な格子ピッチＰ１で形成された２次元格子状の毛細管力を発生させる毛細管流路４の第１微小流路３１において、冷媒ＣＯの流体塊ＣＡに加えられる毛細管力ｆｃ［Ｎ］が流体塊ＣＡの移動を妨げる抵抗力ＦＲ［Ｎ］を上回り、流体塊ＣＡを進ませる力がした仕事が全体として正となり、受熱部３においてドライアウトが発生しないように、冷媒ＣＯ及びベーパーチャンバ１の材質を選定するとともに、毛細管流路４の流路構造を示す設計パラメータの値を決定することができるので、熱的性能が抵抗力の影響を受けずに持続的な熱拡散を行うことができる。
【0068】
本実施の形態では、流体塊ＷＡが流れる方向に直交する流路の断面が矩形の場合について説明したが、これには限られない。例えば、断面が他の多角形の流路にも適用することが可能である。
【0069】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明は、熱源体を冷却又は加熱するベーパーチャンバに適用することができる。
【符号の説明】
【0071】
１ ベーパーチャンバ、２ 熱源体（被冷却体）、３ 受熱部、４ 毛細管流路、５ 蒸気流路、６ ヒートシンク、１０ 下部材、１０ａ 外縁部、１０ｂ 内部領域、１０ｃ ディンプル、１０ｄ 溝部、１１ 上部材、１２ 中間部材、１２ａ 外縁部、１２ｂ 内部領域、１２ｃ 貫通穴、１５ 毛細管流路形成領域、１６ 蒸気流路形成領域、１７ 接合用突起、２０ 内部空間（密閉空間）、３１ 第１微小流路、３１Ａ 直管部、３１Ｂ 連結部、３１Ｂ－１ 第１連結部、３１Ｂ－２ 第２連結部、３２ 第２微小流路、５０ 筐体、６０ ＣＰＵ、６１ メモリ、６２ 外部記憶装置、６３ 操作部、６４ 表示部、６５ 内部バス、１００ 情報処理装置、ＣＯ 冷媒、ＣＡ 流体塊
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
