JP2004044917A - Cooling device, electric appliance, and manufacturing method for cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱デバイスを冷却する冷却装置とその製造方法、さらにはコンピュータ、ディジタルカメラなどの発熱デバイスを搭載した電子機器装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータなどに搭載されるCPU(Central Processing Unit)、ビデオ・アクセレレータなどのLSI(Large Scale Integration)の高速化をはじめ、フラットパネル・ディスプレイなどの大面積化、さらにはパーソナルコンピュータのみならずディジタルカメラやディジタルオーディオ機器など、その利用の範囲が近年急速に広がりつつあるメモリスティック、スマートメディア、コンパクトフラッシュ(登録商標)などに代表される、記憶素子としてフラッシュメモリを利用した記憶媒体の大容量化などに起因して、電子機器装置の全体の発熱量の増大が著しい。
【0003】
そこで、これら発熱デバイスを冷却する冷却装置の重要度が増してきている。冷却装置としては、一般に冷却ファン、ペルチェ素子、ヒートパイプなどがある。ここでは特にヒートパイプについて述べることとする。
【0004】
通常、ヒートパイプは内壁に毛細管構造を設けた金属性の管体からなり、密閉された管体内部には水や代替フロンなどの作動流体が封入されている。このヒートパイプでは以下のように熱輸送が行われる。
【0005】
ヒートパイプの一端を熱源となるデバイスに接触させると、この熱によって管体内部の作動流体が蒸発して気化する。気化された作動流体は凝縮部へ高速に移動し、そこで凝縮されて液体に戻り、このとき熱を放出する。液体に戻った作動流体は、この後毛細管構造を通って元の場所へ戻る。このようにして連続的に効率よく熱輸送が行われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のヒートパイプは管状であり、空間的に大掛かりな装置となるので、小型薄型が求められるパーソナルコンピュータやディジタルカメラなどの電子機器装置への利用には設計の自由度が乏しく、不向きである。
【0007】
そこで、シリコン基板やガラス基板などの基板材の中にヒートパイプ構造を作り込む方法が提案されている。
【0008】
しかしながら、シリコン基板を用いてヒートパイプを構成すると、シリコン自体の熱伝導性がよいため、冷却対象物からの熱がシリコン基板表面で拡散し、内部の作動流体の気化が十分行われず、ヒートパイプとしての機能が十分発揮されないという問題があった。
【0009】
また、ガラス基板を用いた場合、冷却対象デバイスとの熱伝導におけるカップリング効率の悪さから、要求する温度まで冷却対象デバイスを冷却できないという問題もあった。
【0010】
本発明は、このような事情を鑑みて、小型薄型化が容易で、放熱設計の自由度が高く、熱輸送能力に優れた冷却装置とその製造方法、ならびに内部発熱デバイスの発熱に対して回路の安定動作を高い信頼性で確保し得る電子機器装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の主たる観点に係る冷却装置は、上記課題を解決するための手段として、ヒートパイプを構成する作動流体の流路が層間に設けられた二層の基板と、二層の基板の間に挟まれ、該二層の基板の少なくとも一方の面に表出する表出部を有し、作動流体の流路において毛細管力によって液相の作動流体を吸引し保持する、基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材とを具備する。
【0012】
この発明の冷却装置は、二層の基板の層間にヒートパイプを構成する作動流体の流路が形成されているので、小型薄型化が容易である。また、基板への流路のパターン形成によって、高い自由度でヒートパイプを設計することができる。また、基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材が基板の少なくとも一方の面に表出しているので、冷却対象である発熱デバイスの熱が液体吸引保持部材に直接伝わり、効率的な熱輸送を実現することができる。さらに、このことにより基板の材料として熱伝導率の低い材料の使用が可能となり、基板での熱拡散に起因した熱輸送効率の低減を抑制できる。
【0013】
また、本発明の冷却装置において、液体吸引保持部材は、二層の基板の表裏両面に表出する複数の表出部を有する形態をとるものであってよい。
【0014】
これにより二層の基板の表裏各面にCPU、グラフィックチップ、ドライバICなどの発熱デバイスを各々搭載した形態を採ることができるなど、電子機器装置の放熱設計の自由度が向上する。
【0015】
さらに、本発明の冷却装置において、作動流体の流路において気相の作動流体のもつ潜熱を放出する潜熱放出部材をさらに有し、該潜熱放出部材が、二層の基板の間に挟まれ、かつ二層の基板の少なくとも一方の面に表出する表出部を有するとしてもよい。
【0016】
これにより、潜熱放出部材を冷却装置の外部の放熱部材に接触させることができ、ヒートパイプにおける凝縮部での冷却能力が向上し、冷却装置の熱輸送効率をさらに改善することができる。
【0017】
また、本発明の冷却装置において、液体吸引保持部材は、一方の基板に設けられた作動流体の流路に対応する毛細管力発生用の第一のチャンネル部と、他方の基板に設けられた作動流体の流路に対応する毛細管力発生用の第二のチャンネル部とを有するものであってもよい。
【0018】
このように液体吸引保持部材の両面に毛細管力発生用のチャンネル部を形成することによって、液体吸引保持部材全体として液相の作動流体との接触面積をより広く確保することができ、熱輸送効率がさらに向上する。
【0019】
さらに、本発明の冷却装置において、二層の基板が、それぞれ作動流体の流路のパターンが一方の面に形成された基板どうしを接合したものからなり、各々の基板には、互いに異なる形態の、作動流体の流路パターンが形成されたものであってもよい。
【0020】
これにより冷却装置の熱輸送特性の選択の自由度がより一層向上する。
【0021】
さらに、本発明の冷却装置において、二層の基板が接着層を介して互いに接合され、該接着層の厚さを1.5nm以上かつ1μm未満の範囲とすることで、熱伝導性が高い材料を接着層に用いる場合に、この接着層での熱伝導に起因する冷却装置の効率低下を低減できるとともに、基板接合に求められる接着強度が得られる。
【0022】
本発明の別の観点に係る電子機器装置は、発熱源であるデバイスと、このデバイスを冷却する冷却装置とを備え、冷却装置が、ヒートパイプを構成する作動流体の流路が層間に設けられた二層の基板と、二層の基板の間に挟まれ、該二層の基板の少なくとも一方の面に表出する表出部を有し、作動流体の流路において毛細管力によって液相の作動流体を吸引し保持する、基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材とを有し、液体吸引保持部材の表出部とデバイスとが接触して構成される。
【0023】
この発明によれば、基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材が基板の少なくとも一方の面に表出しているので、冷却対象であるデバイスの熱が液体吸引保持部材に直接伝わり、冷却装置において効率的な熱輸送が行われることで、デバイスが効率的に冷却され、デバイスの発熱に起因する動作不良を防止することができる。
【0024】
さらに、この発明の電子機器装置において、液体吸引保持部材は、二層の基板の表裏両面に表出する複数の表出部を有し、これらの表出部に発熱源であるデバイスを個々に接触させた形態をとるものであってよい。
【0025】
これにより二層の基板の表裏各面にCPU、グラフィックチップ、ドライバICなどの発熱デバイスを各々搭載した形態や、一方の面にはヒートシンクを取り付けることができるなど、電子機器装置の放熱設計の自由度が向上する。
【0026】
また、この発明の別の観点に係る冷却装置の製造方法は、2枚の基板の少なくとも一方に開口を形成する工程と、2枚の基板それぞれの一つの面にヒートパイプを構成する作動流体の流路のパターンを形成する工程と、基板に設けられた開口に適合する突出部を有し、作動流体の流路において毛細管力によって液相の作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部材を作製する工程と、作動流体の流路において気相の作動流体のもつ潜熱を放出する潜熱放出部材を作製する工程と、2枚の基板の流路パターンの形成面どうしを液体吸引保持部材および潜熱放出部材を挟んで接合する工程と有するものである。
【0027】
この製造方法によれば、小型薄型化が容易であるとともに、放熱設計の自由度が高く、熱輸送能力に優れた冷却装置を簡単に製造できる。
【0028】
また、この発明の冷却装置の製造方法において、潜熱放出部材の作製で、基板に設けられた開口に適合する突出部を形成するようにしてもよい。
【0029】
この発明によれば、潜熱放出部材を冷却装置の外部の放熱部材に接触させることで、ヒートパイプにおける凝縮部での冷却能力が高く、熱輸送効率の高い冷却装置を製造することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0031】
図1は本発明の実施の一形態である冷却装置の分解斜視図、図2はこの冷却装置を組み立てた状態の断面図である。
【0032】
これらの図に示すように、この冷却装置1は、二層の基板を構成する上側基板2および下側基板3と、液体吸引保持部材であるウィック4と、潜熱放出部材としてのコンデンサ5とで構成される。
【0033】
上側基板2および下側基板3の各々の一つの面には、ヒートパイプを構成する流路パターンの溝6が設けられている。
【0034】
上側基板2と下側基板3とは、それぞれの流路パターン形成面を向かい合わせ、その間にウィック4およびコンデンサ5を配置して互いに接合されている。
【0035】
図3に流路パターンの平面レイアウトを、図4にはさらにウィック4およびコンデンサ5を配置した流路パターンの平面レイアウトを示す。
【0036】
上下の各基板2,3を接合することによって、各基板2,3の流路パターンの溝6は、作動流体である冷媒を蒸発させる蒸発器11、気相ライン12、凝縮器13、液相ライン14、リザーバエリア15、冷媒封入口16、気液相分離溝19、ウィック外枠口17、コンデンサ外枠口18を構成する。
【0037】
蒸発器11、気相ライン12、凝縮器13、液相ライン14およびリザーバエリア15には冷媒が封入され、これによってヒートパイプが構成されている。
【0038】
蒸発器11は、これに充填されている液相の冷媒にて、毛細管構造を有するウィック4からの熱を奪い、液相の冷媒を蒸発させて気相ライン12へ気相の冷媒を移動させる部分である。
【0039】
気相ライン12は、蒸発器11にて蒸発した気相の冷媒を凝縮器13へ伝達する流路である。
【0040】
凝縮器13は、蒸気の持つ潜熱をコンデンサ5に吸収させ、気相の冷媒を凝縮して液化する部分である。
【0041】
液相ライン14は、凝縮器13にて液化された冷媒を蒸発器11に移動させる流路である。
【0042】
リザーバエリア15は、液相の冷媒を貯蔵したエリアであり、蒸発器11内の液体の量を一定に保つようにリザーバエリア15から蒸発器11へ冷媒の補充が可能となっている。
【0043】
さらに、各基板2,3には、基板どうしの接合後に冷媒を注入するための入り口である冷媒封入口16、気相ライン12と液相ライン14とを分離して相互間の熱干渉を抑制する気液相分離溝19、そして後述のウィック4の外枠部を嵌め込んで基板表面にウィック4の外枠部の表裏各先端面を表出させるウィック外枠口17、コンデンサ5の外枠部を嵌め込んで基板表面にコンデンサ5の外枠部の表裏各先端面を表出させるコンデンサ外枠口18などが設けられている。
【0044】
基板2,3の材料としては、熱伝導率があまり高いと、基板での熱拡散によってヒートパイプ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)などの有機系プラスティックなどが用いられる。
【0045】
冷媒には、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、冷却・熱輸送装置の設計を満足する沸点、熱伝導率、耐抗菌性を有する流体が利用される。
【0046】
ウィック4およびコンデンサ5の材料には熱伝導性の高いもの、たとえば熱伝導率が0.17W/mK以上のものが使用される。具体的には、Si、Cu、Al、Ni、Ti、Au、Ag、Ptなどのうち少なくとも一種を含む材料をはじめ、導電性ポリマー、セラミックなどであって、かつ金属と同等の熱伝導率をもつ材料が使用される。より好ましくは、基板材より2倍以上の熱伝導率を有する材料を用いることが望ましい。
【0047】
図5にウィック4の構造の詳細を示す。同図において(a)は側面図、(b)は平面図である。
【0048】
同図に示すように、ウィック4は、チャンネル部21と、その両端に設けられた外枠部22とで構成される。チャンネル部21の上下両面には毛細管力を発生するためのマイクロチャンネル23,23がそれぞれ設けられている。
【0049】
図2に示したように、ウィック4が各基板2,3と組み合わされた状態で、ウィック4の外枠部22の上端面22aおよび下端面22bはそれぞれ、二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bに表出させてある。すなわち、ウィック4の外枠部22の上端面22aおよび下端面22bは、二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bと高さが一致するように、もしくは二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bより僅かに突出するようにそれぞれの高さが設定されている。そして、この二層の基板2,3から表出したウィック4の外枠部22の上端面22aおよび/または下端面22bには、たとえば冷却対象である発熱デバイスなどが接触・接合されるようになっている。
【0050】
コンデンサ5も同様にチャンネル部31と外枠部32とで構成される。このコンデンサ5のチャンネル部31は、放熱性を高めるために、その上下両面にフィンとして機能するマイクロチャンネル33が設けられている。また、このコンデンサ5にはウィック4と同様に外枠部32が設けられており、この外枠部32の上端面32aおよび下端面32bは、二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bに表出させてある。すなわち、コンデンサ5の外枠部32の上端面32aおよび下端面32bは、二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bと高さが一致するように、もしくは二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bより僅かに突出するようにそれぞれの高さが設定されている。そしてこのコンデンサ5の外枠部32の上端面32aおよび/または下端面32bには、冷却装置1の外部の放熱性または熱伝導率の高い部材が接触・接合されるようになっている。
【0051】
以上のように、この実施形態の冷却装置1は、ヒートパイプのための流路パターンの溝6が一方の面に設けられた上下の各基板2,3を、それぞれの流路パターンの溝6が設けられた面どうしを向かい合わせ、その間にウィック4とコンデンサ5とを配置し、互いに接合して作製され、そして冷却装置1の内部は所定の減圧状態とされている。
【0052】
この冷却装置1における熱輸送は以下のように行われる。
【0053】
蒸発器11内に充填されている液相の冷媒は、二層の基板2,3の外でウィック4と接触している発熱デバイスの熱を吸収し、この熱で蒸発する。すると蒸気圧差によって蒸気(気相の冷媒)が気相ライン12に移動する。気相の冷媒は気相ライン12を通じて凝縮器13に移動し、凝縮器13で気相の冷媒は、コンデンサ5により潜熱を奪われて液体に戻る。液化された冷媒は液相ライン14を通じて蒸発器11に移動する。このようなサイクルによって熱輸送が行われる。
【0054】
次に、この冷却装置1の製造方法を説明する。
【0055】
まず、図6に示すように、上下の各基板2,3に冷媒封入口16、ウィック外枠口17、コンデンサ外枠口18などの開口を形成する。
【0056】
続いて、図7に示すように、各基板2,3の一方の面にヒートパイプを構成する流路パターンの溝6を形成する。これら開口と溝6の形成方法には、サンドブラスト、RIE(ドライエッチング)、ウエットエッチング、UV光エッチング、レーザーエッチング、プロトン光エッチング、電子線描画エッチング、マイクロモールディングなどがある。
【0057】
次に、各基板2,3内にウィック4が嵌る領域を確保するために、図8に示すように、各基板2,3の流路パターン形成面のウィック嵌め込み予定の領域40を、同領域に対応する開口41を有するメタルマスク42を用いたエッチングなどによって均一な深さで除去し、図9に示すように、除去された面に流路パターンが存在するウィック嵌め込み凹部43を形成する。
【0058】
次に、図1に示したように、各基板2,3の流路パターンの形成面どうしを向き合わせ、ウィック4およびコンデンサ5を、それぞれの外枠部22,32をウィック外枠口17およびコンデンサ外枠口18に嵌め込んで基板2,3間に挟み込み、基板2,3どうしを接合する。これにより図10に示すような外観の冷却装置1が完成する。
【0059】
基板2,3どうしを接合する方法には、たとえば、陽極接合、加圧・熱融着、超音波接合、化学結合による接合(基板材がポリミイドの場合など)、自己接着性材料どうしの接合(基板材がSiゴムの場合など)、などの方法がある。
【0060】
この際、一方もしくは両方の基板の流路パターン形成面に接着層(図2および図10の符号34)を形成して接合するようにしてもよい。また、この場合、たとえば、各基板の材料中にイオンインプランテーションを用いて金属を打ち込んだり、蒸着装置により銅などの薄膜を形成したり、プラズマ照射により表面活性を高めておいてから接合することが好ましい。
【0061】
ここで、接着層34の厚さは、熱伝導性が高い材料を接着層34に用いる場合には薄いほうが好ましい。なぜなら、接着層34に起因する熱伝導を低減し、冷却装置1の効率低下を防ぐためである。その一方、接着層34の厚さが薄すぎると接着層としての十分な機能が期待できない。
【0062】
たとえば、接着層34の厚さは少なくとも1.5nm以上、1μm未満がよく、好ましくは3nm以上かつ1μm未満、さらに好ましくは10nm以上かつ200nm未満である。
【0063】
続いて、ウィック4、コンデンサ5の作製方法を図11により説明する。
【0064】
ウィック4、コンデンサ5の幅、長さ、高さを満足する、前述した材料からなる板材51を用意する(a)。この板材51からたとえば機械加工などにより、上下いずれか一方の側の外枠部52とチャンネル部53を形成する(b)。次に、チャンネル部53の一方の面に、ウィック4、コンデンサ5に適した形状、サイズのマイクロチャンネル54をたとえば機械加工などにより形成する(c)。そして、板材51の他方の側についても同様に、外枠部52、チャンネル部53およびマイクロチャンネル54の形成を機械加工などによって行う。
【0065】
なお、ウィック4、コンデンサ5のその他の製造方法としては、RIE(ドライエッチング)、ウエットエッチング、UV−LIGA、電気鋳造などが挙げられる。
【0066】
以上のように構成された冷却装置1では、図10に示したように、ウィック4の外枠部22が二層の基板2,3の表裏各面2a,3aに表出しているから、電子機器装置において多様な形態で組み込むことが可能となる。
【0067】
たとえば、図12に示すように、電子機器装置60の中のたとえばCPU、グラフィックチップ、ドライバICなどの発熱デバイス61,62を、冷却装置1の表裏各面2a,3aに表出させたウィック4の外枠22に接触させて搭載した形態を採ることができる。
【0068】
また、図13に示すように、冷却装置1の表裏いずれか一方の面側にウィック4の外枠22に接触させるようにしてヒートシンク63を搭載することで、冷却装置1の熱輸送量の上限を向上させることができ、電子機器装置60の放熱設計の自由度が向上する。
【0069】
さらに、図14に示すように、冷却装置1を縦横に複数組み合わせてアレイ化し、LCD(Liquid Crystal Display)、FED(Field Emission Display)、PDP(Plasma Display Panel)などのフラットパネル・ディスプレイ71と背面シャーシ73との間に介在させた形態を採ることもできる。
【0070】
さらに、図12、図13に示したように、コンデンサ5の外枠部32を二層の基板2,3の表裏各面2a,3aに表出させることで、このコンデンサ5の表出部を冷却装置1の外部の、放熱性または熱伝導性の高い部材64、たとえば電子機器装置60のシャーシ64などに接触させることで、凝縮器13の冷却能力を高めることができる。
【0071】
したがって、本実施形態の冷却装置1は、パーソナルコンピュータ、ディジタルカメラなど、発熱デバイスを搭載した様々な電子機器装置60に高い自由度で組み込むことができ、電子機器装置60内の発熱デバイスを効率的に冷却することができる。
【0072】
次に、本発明に係る冷却装置1の他の実施形態を説明する。
【0073】
前記の実施形態では、各基板内にウィック4が嵌る領域を確保するために、図8、図9に示したように、各基板2,3の流路パターン形成面のウィック嵌め込み領域40をエッチングなどにより均一な深さで除去し、除去された面に流路パターンが存在するウィック嵌め込み凹部43を形成した。この方法によれば、ウィック4のチャンネル部21の厚みを稼ぐことができ、ウィック4の加工が容易になるとともに、ウィック4での熱吸収量を高めることができる。
【0074】
ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、ウィック嵌め込み凹部の形成を省略し、図15に示すように、流路6Aの高さHの範囲内にウィック4のチャンネル部21Aを収めるような構成を採っても構わない。
【0075】
また、前記の実施形態では、図2に示したように、ウィック4、コンデンサ5とも、その外枠部22,32の上下端面22a,22b,32a,32bの高さを、二層の基板2,3の表裏各々の面2a,2bの高さ以上となるように設定したが、図16に示すように、ウィック4、コンデンサ5とも、その外枠部22,32の上下のいずれか一方の端面22a,32aの高さだけを、基板2,3の面2aの高さ以上となるように設定してもよい。
【0076】
また、前記の実施形態では、上下の各基板2,3に共通の流路パターンを形成し、これら流路パターン形成面どうしを向い合わせて接合したが、図17に示すように、たとえば気相ライン12および液相ライン14など、熱輸送の特性に変化を及ぼし得る流路部分のパターンを上下重ならないようにずらして配置することによって、熱輸送特性の選択の自由度が向上し、高効率化を図ることができる。
【0077】
ここで、上側基板2には気相ライン12aを形成する溝が、下側基板3には気相ライン12bを形成する溝がそれぞれ設けられ、各気相ライン12a,12bは重ならないように位置が設定されている。同様に、上側基板2には液相ライン14aを形成する溝が、下側基板3には液相ライン14bを形成する溝がそれぞれ設けられ、各液相ライン14a,14bは重ならないように位置が設定されている。
【0078】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型薄型の冷却装置を提供することができ、また、基板への流路のパターン形成により高い自由度でヒートパイプを設計することができる。また、基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材が基板の少なくとも一方の面に表出しているので、冷却対象である発熱デバイスの熱が液体吸引保持部材に直接伝わり、効率的な熱輸送を実現することができる。さらに、このことにより基板の材料として熱伝導率の低い材料の使用が可能となり、基板での熱拡散に起因した熱輸送効率の低減を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態である冷却装置の分解斜視図である。
【図2】図1の冷却装置の断面図である。
【図3】この冷却装置の流路パターンの平面レイアウトを示す図である。
【図4】図3の流路パターン、ウィックおよびコンデンサの平面レイアウトを示す図である。
【図5】ウィックの構造の詳細を示す側面図と平面図である。
【図6】基板に冷媒封入口、ウィック外枠口、コンデンサ外枠口などの開口を形成する工程を示す斜視図である。
【図7】基板にヒートパイプを構成する流路パターンの溝を形成する工程を示す斜視図である。
【図8】基板のウィック嵌め込み領域のエッチング工程を示す斜視図である。
【図9】基板のウィック嵌め込み領域のエッチング後の状態を示す斜視図である。
【図10】完成した冷却装置の外観を示す斜視図である。
【図11】ウィックおよびコンデンサの作製方法を示す図である。
【図12】冷却装置の電子機器装置への組み込み形態の例を示す側面図である。
【図13】冷却装置の電子機器装置への別の組み込み形態の例を示す側面図である。
【図14】多数の冷却装置をアレイ化してフラットパネル・ディスプレイの冷却用途に用いた形態を示す斜視図である。
【図15】冷却装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図16】冷却装置におけるウィックおよびコンデンサの変形例を示す断面図である。
【図17】上下各基板に異なる流路パターンを形成した場合の冷却装置を示す平面図である。
【符号の説明】
1 冷却装置
2 上側基板
3 下側基板
4 ウィック
5 コンデンサ
6 流路パターンの溝
11 蒸発器
12 気相ライン
13 凝縮器
14 液相ライン
15 リザーバエリア
17 ウィック外枠口
18 コンデンサ外枠口
21,31 チャンネル部
22,32 外枠部
23,33 マイクロチャンネル
34 接着層
60 電子機器装置
61,62 発熱デバイス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling device that cools a heat-generating device and a method of manufacturing the same, and further relates to an electronic apparatus equipped with a heat-generating device such as a computer and a digital camera.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-speed LSIs (Large Scale Integration) such as CPUs (Central Processing Units) and video accelerators mounted on personal computers and the like, large-area flat panel displays and the like, as well as large areas such as personal computers, Large-capacity storage media that use flash memory as a storage element, such as digital cameras and digital audio devices, such as memory sticks, smart media, and compact flash (registered trademark), whose use is rapidly expanding in recent years. As a result, the amount of heat generated by the entire electronic device has been significantly increased.
[0003]
Therefore, the importance of a cooling device for cooling these heat generating devices is increasing. The cooling device generally includes a cooling fan, a Peltier device, a heat pipe, and the like. Here, the heat pipe will be particularly described.
[0004]
Normally, the heat pipe is formed of a metal tube having a capillary structure on the inner wall, and a working fluid such as water or CFC substitute is sealed in the sealed tube. Heat transfer is performed in this heat pipe as follows.
[0005]
When one end of the heat pipe is brought into contact with a device serving as a heat source, the heat causes the working fluid inside the tube to evaporate and evaporate. The vaporized working fluid moves at a high speed to the condensing section, where it is condensed and returns to a liquid, at which time heat is released. The working fluid that has returned to the liquid then returns to its original location through the capillary structure. In this way, heat transport is performed continuously and efficiently.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since conventional heat pipes are tubular and are large-scale devices in space, they are not suitable for use in electronic devices such as personal computers and digital cameras that require small size and thinness, and are not suitable for use. is there.
[0007]
Therefore, a method has been proposed in which a heat pipe structure is formed in a substrate material such as a silicon substrate or a glass substrate.
[0008]
However, when a heat pipe is formed using a silicon substrate, heat from the object to be cooled diffuses on the surface of the silicon substrate because the heat conductivity of the silicon itself is good, and the internal working fluid is not sufficiently vaporized. However, there was a problem that the function as a function was not sufficiently exhibited.
[0009]
Further, when a glass substrate is used, there is a problem that the cooling target device cannot be cooled to a required temperature due to poor coupling efficiency in heat conduction with the cooling target device.
[0010]
In view of such circumstances, the present invention provides a cooling device and a method of manufacturing the same, which can be easily reduced in size and thickness, have a high degree of freedom in heat radiation design, and have excellent heat transport capability, and a circuit for preventing heat generated by an internal heat generating device. It is an object of the present invention to provide an electronic device capable of ensuring the stable operation of the electronic device with high reliability.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The cooling device according to the main aspect of the present invention, as means for solving the above problems, a two-layer substrate provided with a flow path of a working fluid constituting a heat pipe between layers, between the two-layer substrate Having an exposed portion sandwiched and exposed on at least one surface of the two-layered substrate, sucking and holding a liquid-phase working fluid by a capillary force in a working fluid flow path, and having a higher thermal conductivity than the substrate. A liquid suction holding member made of a material having a high
[0012]
In the cooling device according to the present invention, since the flow path of the working fluid constituting the heat pipe is formed between the two layers of the substrates, it is easy to reduce the size and thickness. Further, the heat pipe can be designed with a high degree of freedom by forming a flow path pattern on the substrate. In addition, since the liquid suction holding member made of a material having a higher thermal conductivity than the substrate is exposed on at least one surface of the substrate, the heat of the heat generating device to be cooled is directly transmitted to the liquid suction holding member, and the efficiency is improved. Heat transfer can be realized. Further, this makes it possible to use a material having a low thermal conductivity as a material for the substrate, thereby suppressing a decrease in heat transport efficiency due to heat diffusion in the substrate.
[0013]
In the cooling device of the present invention, the liquid suction holding member may have a form having a plurality of exposed portions exposed on both front and back surfaces of the two-layer substrate.
[0014]
As a result, it is possible to adopt a mode in which a heating device such as a CPU, a graphic chip, and a driver IC is mounted on each of the front and back surfaces of the two-layer board.
[0015]
Further, in the cooling device of the present invention, the cooling device further includes a latent heat emitting member that emits latent heat of the gas phase working fluid in the working fluid flow path, wherein the latent heat emitting member is sandwiched between the two layers of substrates, In addition, it may have an exposed portion that is exposed on at least one surface of the two-layer substrate.
[0016]
Thereby, the latent heat releasing member can be brought into contact with the heat radiating member outside the cooling device, the cooling capacity in the condensing portion of the heat pipe can be improved, and the heat transport efficiency of the cooling device can be further improved.
[0017]
Further, in the cooling device of the present invention, the liquid suction holding member includes a first channel portion for generating a capillary force corresponding to a flow path of a working fluid provided on one substrate, and an operation provided on the other substrate. And a second channel portion for generating a capillary force corresponding to the flow path of the fluid.
[0018]
By forming the channel portion for generating the capillary force on both surfaces of the liquid suction and holding member in this manner, it is possible to secure a wider contact area between the liquid suction and holding member and the working fluid in the liquid phase as a whole, and to improve the heat transport efficiency. Is further improved.
[0019]
Furthermore, in the cooling device of the present invention, the two-layer substrate is formed by joining substrates each having a pattern of a working fluid flow path formed on one surface, and each substrate has a different form. Alternatively, a flow path pattern of a working fluid may be formed.
[0020]
This further improves the degree of freedom in selecting the heat transport characteristics of the cooling device.
[0021]
Furthermore, in the cooling device of the present invention, the two-layered substrate is bonded to each other via the adhesive layer, and the thickness of the adhesive layer is set to be 1.5 nm or more and less than 1 μm, so that a material having high heat conductivity When is used for the adhesive layer, the decrease in efficiency of the cooling device caused by heat conduction in the adhesive layer can be reduced, and the adhesive strength required for bonding the substrates can be obtained.
[0022]
An electronic apparatus according to another aspect of the present invention includes a device that is a heat source and a cooling device that cools the device, wherein the cooling device is provided with a flow path of a working fluid forming a heat pipe between layers. A two-layered substrate, having an exposed portion sandwiched between the two-layered substrate and exposed on at least one surface of the two-layered substrate. A liquid suction and holding member made of a material having a higher thermal conductivity than the substrate for sucking and holding the working fluid, wherein the exposed portion of the liquid suction and holding member is in contact with the device;
[0023]
According to the present invention, since the liquid suction holding member made of a material having higher thermal conductivity than the substrate is exposed on at least one surface of the substrate, the heat of the device to be cooled is directly transmitted to the liquid suction holding member. By performing efficient heat transport in the cooling device, the device is efficiently cooled, and operation failure due to heat generation of the device can be prevented.
[0024]
Further, in the electronic apparatus of the present invention, the liquid suction holding member has a plurality of exposed portions that are exposed on both front and back surfaces of the two-layer substrate, and the devices that are heat sources are individually provided on these exposed portions. It may take the form of contact.
[0025]
This allows freedom of heat radiation design of electronic equipment, such as a form in which heat generating devices such as a CPU, a graphic chip, and a driver IC are mounted on each of the front and back surfaces of a two-layer substrate, and a heat sink can be attached to one surface. The degree improves.
[0026]
A method of manufacturing a cooling device according to another aspect of the present invention includes a step of forming an opening in at least one of the two substrates, and a method of forming a heat pipe on one surface of each of the two substrates. A step of forming a pattern of a flow path, and a liquid suction holding member having a protrusion adapted to an opening provided in the substrate and sucking and holding a liquid-phase working fluid by a capillary force in the working fluid flow path; Forming a latent heat releasing member for releasing the latent heat of the gas-phase working fluid in the working fluid flow path; and forming the liquid suction holding member and the latent heat release between the two flow path pattern forming surfaces of the substrates. And a step of joining by sandwiching the members.
[0027]
According to this manufacturing method, it is easy to reduce the size and thickness, and it is possible to easily manufacture a cooling device having a high degree of freedom in heat radiation design and excellent heat transport capability.
[0028]
Further, in the method of manufacturing a cooling device according to the present invention, in the production of the latent heat releasing member, a protrusion may be formed so as to fit the opening provided in the substrate.
[0029]
According to the present invention, by contacting the latent heat releasing member with the heat radiating member outside the cooling device, it is possible to manufacture a cooling device having a high cooling capacity in the condensing portion of the heat pipe and a high heat transport efficiency.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a cooling device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a state where the cooling device is assembled.
[0032]
As shown in these figures, the
[0033]
On one surface of each of the
[0034]
The
[0035]
FIG. 3 shows a plan layout of the flow path pattern, and FIG. 4 shows a plan layout of the flow path pattern in which the
[0036]
By joining the upper and
[0037]
A refrigerant is sealed in the
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
Further, each of the
[0044]
As a material for the
[0045]
Refrigerants such as water, ethanol, methanol, propanol (including isomers), ethyl ether, ethylene glycol, and florinate have a boiling point, thermal conductivity, and antimicrobial resistance that satisfy the design of the cooling and heat transport device. Fluids are used.
[0046]
The material of the
[0047]
FIG. 5 shows the structure of the
[0048]
As shown in the figure, the
[0049]
As shown in FIG. 2, in a state where the
[0050]
Similarly, the
[0051]
As described above, the
[0052]
The heat transport in the
[0053]
The liquid-phase refrigerant filled in the
[0054]
Next, a method of manufacturing the
[0055]
First, as shown in FIG. 6, openings such as a
[0056]
Subsequently, as shown in FIG. 7,
[0057]
Next, in order to secure an area where the
[0058]
Next, as shown in FIG. 1, the surfaces on which the flow path patterns of the
[0059]
Methods for bonding the
[0060]
At this time, an adhesive layer (
[0061]
Here, the thickness of the
[0062]
For example, the thickness of the
[0063]
Subsequently, a method of manufacturing the
[0064]
A
[0065]
Other methods for manufacturing the
[0066]
In the
[0067]
For example, as shown in FIG. 12, a
[0068]
As shown in FIG. 13, by mounting the
[0069]
Further, as shown in FIG. 14, a plurality of
[0070]
Further, as shown in FIGS. 12 and 13, the
[0071]
Therefore, the
[0072]
Next, another embodiment of the
[0073]
In the above-described embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the
[0074]
However, the present invention is not limited to this, and the formation of the wick fitting recess is omitted, and as shown in FIG. 15, the
[0075]
Further, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 2, the heights of the upper and
[0076]
Further, in the above-described embodiment, a common flow path pattern is formed on each of the upper and
[0077]
Here, the
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a small and thin cooling device can be provided, and a heat pipe can be designed with a high degree of freedom by forming a flow path pattern on a substrate. In addition, since the liquid suction holding member made of a material having a higher thermal conductivity than the substrate is exposed on at least one surface of the substrate, the heat of the heat generating device to be cooled is directly transmitted to the liquid suction holding member, and the efficiency is improved. Heat transfer can be realized. Further, this makes it possible to use a material having a low thermal conductivity as a material for the substrate, thereby suppressing a decrease in heat transport efficiency due to heat diffusion in the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a cooling device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the cooling device of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a planar layout of a flow path pattern of the cooling device.
FIG. 4 is a diagram showing a planar layout of a flow path pattern, a wick and a capacitor in FIG. 3;
FIG. 5 is a side view and a plan view showing details of a wick structure.
FIG. 6 is a perspective view showing a process of forming openings such as a refrigerant charging port, a wick outer frame port, and a capacitor outer frame port on a substrate.
FIG. 7 is a perspective view showing a step of forming a groove of a flow path pattern constituting a heat pipe on a substrate.
FIG. 8 is a perspective view showing an etching step of a wick fitting region of the substrate.
FIG. 9 is a perspective view showing a state after etching a wick fitting region of the substrate.
FIG. 10 is a perspective view showing an appearance of a completed cooling device.
FIG. 11 is a diagram illustrating a method of manufacturing a wick and a capacitor.
FIG. 12 is a side view showing an example of a form in which the cooling device is incorporated into an electronic device.
FIG. 13 is a side view showing an example of another mode of incorporating the cooling device into the electronic apparatus.
FIG. 14 is a perspective view showing an embodiment in which a number of cooling devices are arrayed and used for cooling a flat panel display.
FIG. 15 is a sectional view showing another embodiment of the cooling device.
FIG. 16 is a sectional view showing a modified example of the wick and the condenser in the cooling device.
FIG. 17 is a plan view showing a cooling device when different flow path patterns are formed on upper and lower substrates.
[Explanation of symbols]
1 Cooling device
2 Upper substrate
3 Lower board
4 Wick
5 Capacitor
6 Channel pattern grooves
11 Evaporator
12 Gas phase line
13 Condenser
14 Liquid phase line
15 reservoir area
17 Wick outer frame entrance
18 Capacitor outer frame
21, 31 channel section
22, 32 Outer frame
23,33 micro channel
34 adhesive layer
60 Electronic equipment
61,62 Heating device
Claims (11)
前記二層の基板の間に挟まれ、該二層の基板の少なくとも一方の面に表出する表出部を有し、前記作動流体の流路において毛細管力によって液相の作動流体を吸引し保持する、前記基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材と
を具備することを特徴とする冷却装置。A two-layer substrate in which the flow path of the working fluid constituting the heat pipe is provided between the layers,
An exposed portion sandwiched between the two-layered substrate and exposed on at least one surface of the two-layered substrate, sucks a liquid-phase working fluid by a capillary force in the working fluid flow path. And a liquid suction holding member made of a material having a higher thermal conductivity than the substrate.
このデバイスを冷却する冷却装置とを備え、
前記冷却装置が、ヒートパイプを構成する作動流体の流路が層間に設けられた二層の基板と、前記二層の基板の間に挟まれ、該二層の基板の少なくとも一方の面に表出する表出部を有し、前記作動流体の流路において毛細管力によって液相の作動流体を吸引し保持する、前記基板よりも熱伝導率の高い材料からなる液体吸引保持部材とを有し、前記液体吸引保持部材の前記表出部と前記デバイスとが接触してなることを特徴とする電子機器装置。A device that is a source of heat,
A cooling device for cooling the device,
The cooling device is sandwiched between a two-layer substrate in which a flow path of a working fluid constituting a heat pipe is provided between layers, and a surface is provided on at least one surface of the two-layer substrate. A liquid suction holding member made of a material having a higher thermal conductivity than the substrate, having an exposed portion that emerges and sucking and holding a liquid-phase working fluid by capillary force in the flow path of the working fluid. An electronic apparatus, wherein the exposed portion of the liquid suction and holding member is in contact with the device.
2枚の基板それぞれの一つの面にヒートパイプを構成する作動流体の流路のパターンを形成する工程と、
前記基板に設けられた前記開口に適合する突出部を有し、前記作動流体の流路において毛細管力によって液相の作動流体を吸引し保持する液体吸引保持部材を作製する工程と、
前記作動流体の流路において気相の作動流体のもつ潜熱を放出する潜熱放出部材を作製する工程と、
前記2枚の基板の前記流路パターンの形成面どうしを前記液体吸引保持部材および前記潜熱放出部材を挟んで接合する工程と
を有することを特徴とする冷却装置の製造方法。Forming an opening in at least one of the two substrates;
Forming a pattern of a working fluid flow path constituting a heat pipe on one surface of each of the two substrates;
A step of producing a liquid suction holding member that has a protrusion that fits the opening provided in the substrate and that sucks and holds a liquid-phase working fluid by capillary force in the working fluid flow path;
A step of producing a latent heat releasing member that releases latent heat of a gas-phase working fluid in the working fluid flow path,
Joining the surfaces of the two substrates on which the flow path patterns are formed with the liquid suction holding member and the latent heat releasing member interposed therebetween.
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- 2002-07-11 JP JP2002203335A patent/JP4178855B2/en not_active Expired - Fee Related
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