JP2008505305A - 楔毛管を備えた微小ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】 凝縮端と蒸発端を有する細長い中空のハウジングを備えているヒートパイプが開示されている。ハウジングの中には、波形の吸上部が配置されている。吸上部は、凝縮端から蒸発端まで伸張する複数の楔状の毛管を備えている。液体は、波形の吸上部と流体連通状態に置かれている。
【選択図】 図２ｂ

Description

本発明は、概略的には、受動冷却方式に関し、より厳密には、自動試験装置に使用される電子機器アッセンブリを冷却するためのヒートパイプに関する。

温度管理は、ＩＣ要素の出力レベル並びに出力密度が増大し続ける中で、電子機器産業が直面している重大な課題である。ヒートパイプは、受動的且つ安価に、電子機器の構成要素から熱を奪って、より大きな容量の冷却システムにアクセスし易い領域にその熱を移す、重要な手段を提供している。

従来のヒートパイプは、流体を収納した細長い密封された管と、吸上構造と、を備えていることが多い。蒸発部として知られている管の一方の端は、熱を発生している構成要素と接触状態に置かれる。熱を発生している構成要素と管の間の熱伝導によって、蒸発部内の流体が蒸発し、そこで蒸発した流体は、圧力によって、凝縮部と呼ばれるヒートパイプの反対側の端に押しやられる。

凝縮部では、蒸発した流体が凝縮して、その蒸発潜熱を放出する。吸上構造は、この流体を凝縮部から蒸発部に引き戻す働きをする。このため、ヒートパイプの熱運搬能力は、吸上構造の性能に依存している場合が多い。

ヒートパイプに使用されている従来の吸上部は、流体を蒸発部に引き戻すため、通常、三角形や溝の様な様々な形態を採用している。蒸気流障害を最小限にするための工夫として、溝の隣り合った辺と辺の間の角度は、約６０度以上程度の比較的広い角度で離間している場合が多い。従来の吸上構造は、意図された用途に関しては良好に作動すると言われているが、熱の運搬を最大化するためには、改善された吸上作用を有するヒートパイプが必要とされている。ここで説明しているヒートパイプは、この必要性を満たす。

ここで説明しているヒートパイプは、熱の運搬能力を高めた低費用の受動冷却を提供する。これにより、高出力高密度の電子機器アッセンブリに対して、低費用の受動冷却技法を使用できるようになる。

上記利点を実現するために、或る形態のヒートパイプは、凝縮端と蒸発端を有する細長い中空のハウジングを備えたヒートパイプを備えている。ハウジングの中には、波形の吸上部が配置されている。吸上部は、凝縮端から蒸発端まで伸張する複数の楔状の毛管を備えている。液体は、この波形の吸上部と流体連通状態に置かれている。

別の形態では、ヒートパイプは、多重チップモジュールアッセンブリを備えている。このアッセンブリは、基板と基板上に配置された複数の集積回路を備えた多重チップモジュールと、ヒートパイプアッセンブリと、を含んでいる。ヒートパイプアッセンブリは、ヒートシンクと、集積回路と熱的接触状態に配置された複数のヒートパイプと、を備えている。各ヒートパイプは、凝縮端と蒸発端を有する細長い中空のハウジングを備えている。波形の吸上部は、ハウジングの中に配置されている。吸上部は、凝縮端から蒸発端まで伸張する複数の楔状の毛管を備えている。液体は、この波形の吸上部と流体連通状態に置かれている。

更に別の形態では、ヒートパイプは、流体を、ヒートパイプの凝縮端から離れて蒸発端へ向かわせる方法に基づいて作動する。この方法は、それぞれ１０度から１５度の範囲の吸上角度を有する複数のひだ状のフィンの上を凝縮部から蒸発部まで、流体を吸い上げる段階を含んでいる。

本発明のこの他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。

ここで説明しているヒートパイプについては、以下の更に詳しい説明と添付図面を参照すれば、良く理解頂けるであろう。
ここで説明しているヒートパイプは、「楔毛管」理論に従って作動する吸上構造を採用することにより、強化された冷却能力を提供している。これにより、高出力密度冷却用途にヒートパイプを使用して、冷却費用を最小化することができるようになる。

さて図１に示すように、全体を参照番号１０で示すヒートパイプは、矩形断面を有する細長い中空のハウジング１２を含んでいる。ハウジングの相対寸法は、一般に、関与する具体的な用途によって異なるが、長さが１インチから１２インチ、幅が０．２５インチから０．５インチ、高さが０．１インチから０．２５インチの範囲にある。ハウジングは、銅の様な熱伝導性金属で形成されているのが望ましい。

これも図１に示すように、ハウジングの中には、波形の吸上部２０が配置されている。吸上部は、厚さ０．００５インチから０．００８インチ程度の薄いひだの付いた銅板で形成され、複数の楔状の毛管を画定している。毛管は、ハウジング１２の全長に沿って長手方向に伸張しており、隣接する辺２４同士が接合され５度から１５度の範囲内の角度φを成す狭い頂点を形成するた折り畳まれたフィン２２を備えている。フィンの辺と辺の交点は、約０．００５インチ以下の半径を形成しているのが望ましい。

図２は、吸上構造の或る実施形態を示しており、この実施形態では、折り畳まれたフィン２２は、組立中にハウジング１２への挿入が容易になるように、鋭い輪郭の付いた溝を形成している。図２ｂに示す様な代わりの実施形態では、折り畳まれたフィン２２は、真っ直ぐなＶ字形状の溝を画定している。その他多くの変形も可能である。

図１に戻るが、ヒートパイプ１０は、折り畳まれたフィン２２に沿って流れる水、メタノール、アンモニア、アセトン、又はエタノールの様な作動流体２６を更に含んでいる。ハウジングの各端に配置されている溶接部又は急速着脱部（図示せず）は、流体がアッセンブリから漏れ出すのを防いでいる。流体は、ハウジング内に真空封入されている。

次に図３に示すように、ヒートパイプ１０の製作は、全体を参照番号３００で示す、独自の低費用の過程を規定している単純な工程で達成される。最初に、ステップ３０２で、適した薄い銅箔片を選択して洗浄し、流体の流れに影響する虞のある表面の不純物を除去する。次に、ステップ３０４で、箔を型押しして、比較的広い９０度の溝を形成する。次いで、ステップ３０６で、溝を更に精密加工して１０度から１５度程度の角度を有する狭い頂点を形成する。銅箔に正しくひだが付いたら、次に、ステップ３０８で、これを中空ハウジング１２に挿入する。次いで、ステップ３１０で、流体をハウジングに導入し、ステップ３１２で、ハウジングの両端に蓋を被せることにより中に密封する。密封処理は、凝縮端と蒸発端の溶接又は急速着脱部の取り付けにより行われる。

作動時、ここで説明しているヒートパイプは、波形の吸上部２０により、優れた熱伝導性を提供する。これは、直接的には、狭く形成された頂点２４によって、吸上構造が、流体２６を、楔毛管理論と整合する改善されたやり方で運搬できるようになるためである。概略、楔毛管理論は、流体のぬれ角に基づいて、２枚のプレートは、流体の柱を漸近的に無限の高度に向けて運搬する或る小さな臨界角で付き合わせることができる、と主張している。発明人は、この理論に基づき、１０度から１５度の角度を形成する頂点を有する折り畳まれたフィンを採用することにより、ヒートパイプ１０を通る蒸気の流れのために十分に広い経路を確保しつつ、流体に対する吸上作用を最大化できることを発見した。

ヒートパイプの強化された性能によって、ヒートパイプを、蒸発部が凝縮部の上方に設けられていることがしばしば見受けられる自動試験装置（ＡＴＥ）へ、首尾良く適用できるようになる。この様な状況では、吸上部の吸上作用は、重力に逆らって流体を凝縮部から蒸発部に引き上げ、なお且つ許容可能な熱伝達を提供するのに十分なサイクル時間を維持するのに適している必要がある。

或る適用例では、図４に示すように、ヒートパイプ１２の或る実施形態は、多重チップモジュール（ＭＣＭ）４００に採用されている。このＭＣＭは、複数の集積回路（ＩＣ）４０４を搭載している基板４０２を含んでいる。ヒートパイプアッセンブリ４０６は、ＩＣと熱的に接触して、低費用の冷却機構を提供している。

これも図４に示すように、ヒートパイプアッセンブリは、一方の端に複数のヒートパイプフィンガ４１０が形成された矩形のヒートシンクプレート４０８を備えている。各ヒートパイプフィンガは、楔毛管を含め、上で説明した構造と矛盾なく形成されている。ヒートパイプの遠位側の蒸発端は、剥き出しのＩＣダイ４０４と直接に熱的連結ができるように輪郭付けられている。防護蓋４１２がは、液体冷却式コールドプレート（図示せず）との連結のためにヒートシンクプレートを露出させた状態で、ＭＣＭアッセンブリに被せられている。

作動時、パワー散逸によりＩＣが熱せられると、ヒートパイプフィンガの蒸発端が高温になり、そこで作動流体が蒸発する。ヒートパイプ内部に生じる圧力勾配によって、蒸気は、折り畳まれたフィン流路を通って、蒸発端から離れ凝縮端に向かう。蒸発した流体はここで凝縮して、流体に運搬されてきた熱は、伝導によってヒートシンクプレートに移される。コールドプレートモジュール（図示せず）は、ヒートシンクプレートから熱を奪って大容量の液体冷却システムに引き入れ、冷却工程が完了する。

当業者には理解頂けるように、本発明により多くの利益と利点がもたらされる。特に重要な点は、楔毛管理論に従って動作する波形の吸上部を使用して、凝縮した流体の吸上作用を強化していることである。加えて、吸上構造のこの構造によって、低費用の製作技法が使用できるようになり、冷却費用が更に軽減する。

以上、ヒートパイプの少なくとも１つの実施形態の幾つかの態様を説明してきたが、当業者には、様々な変更、修正、及び改良が容易に想起されるであろう。
例えば、２つの特定の波形の吸上部を説明し図示しているが、改善された熱運搬毛管を実現するために、ヒートパイプと共に使用するものとして、ここで説明した楔毛管原理と矛盾なく、様々な材料と形状を採用することができるものと理解されたい。更に、特定のヒートパイプの形状と寸法を例として提示したが、用途次第で、広範囲な様々な寸法を適用することができる。

ここに記載の内容に基づくヒートパイプの部分斜視図である。 図２ａと図２ｂは、代わりの波形吸上構造の部分斜視図である。 図１のヒートパイプを製作する方法のフローチャートである。 図１に示す複数のヒートパイプを採用した多重チップモジュールアッセンブリの分解図である。

Claims (23)

1. ヒートパイプにおいて、
   凝縮端と蒸発端を有する細長い中空のハウジングと、
   前記ハウジングの中に配置されている波形の吸上部であって、前記凝縮端から前記蒸発端まで伸張する複数の楔状の毛管を備えており、前記楔状の毛管は、隣接するフィンとフィンの間の角度が５度から１５度の範囲にある、折り畳まれたフィンを備えている、波形の吸上部と、
   前記波形の吸上部と流体連通状態に置かれた流体と、を備えているヒートパイプ。
2. 前記波形の吸上部は、ひだの付いた銅板を備えている、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記ハウジングは、矩形の管を備えている、請求項１に記載のヒートパイプ。
4. 前記液体は、水を含んでいる、請求項１に記載のヒートパイプ。
5. 前記折り畳まれたフィンは、Ｖ字型の溝を画定している、請求項１に記載のヒートパイプ。
6. 前記折り畳まれたフィンは、輪郭の付いた溝を画定している、請求項１に記載のヒートパイプ。
7. 前記折り畳まれたフィンは、０．００５インチ以下の角の半径を形成する溝を画定している、請求項１に記載のヒートパイプ。
8. 多重チップモジュールアッセンブリにおいて、
   基板と、前記基板上に配置された複数の集積回路と、を備えている多重チップモジュールと、
   ヒートパイプアッセンブリと、を備えており、前記ヒートパイプアッセンブリは、
   ヒートシンクと、
   前記集積回路と熱的に接触した状態に配置されている複数のヒートパイプと、を備えており、各ヒートパイプは、
   凝縮端と蒸発端を有する細長い中空のハウジングと、
   前記ハウジングの中に配置されている波形の吸上部であって、前記凝縮端から前記蒸発端まで伸張する複数の楔状の毛管を備えている波形の吸上部と、
   前記波形の吸上部と流体連通状態に置かれている流体と、を備えている、多重チップモジュールアッセンブリ。
9. 前記楔状の毛管は、隣接するフィンとフィンの間の角度が１０度から１５度の範囲内にある、折り畳まれたフィンを備えている、請求項８に記載の多重チップモジュールアッセンブリ。
10. 前記波形の吸上部は、ひだの付いた銅板を備えている、請求項８に記載の多重チップモジュール。
11. 前記ハウジングは、矩形の管を備えている、請求項８に記載の多重チップモジュールアッセンブリ。
12. 前記液体は、水を含んでいる、請求項８に記載の多重チップモジュールアッセンブリ。
13. 前記折り畳まれたフィンは、Ｖ字型の溝を画定している、請求項９に記載の多重チップモジュール。
14. 前記折り畳まれたフィンは、輪郭の付いた溝を画定している、請求項９に記載の多重チップモジュールアッセンブリ。
15. 流体を、ヒートパイプの凝縮端から離れて蒸発端に向かわせる方法において、
    各吸上角度が１０度から１５度の範囲内にある複数のひだ状のフィンを経由して、前記流体を前記凝縮部から前記蒸発部まで吸い上げる段階を含んでいる方法。
16. 凝縮端と蒸発端を有する細長い中空のハウジングと、
    前記ハウジングの中に配置されている流体と、
    前記流体を前記凝縮端から前記蒸発端まで吸い上げる手段と、を備えているヒートパイプ。
17. 前記吸い上げる手段は、
    前記ハウジングの中に配置されている波形の吸上部であって、前記凝縮端から前記蒸発端まで伸張する複数の楔状の毛管を備えている波形の吸上部を、備えている、請求項１６に記載のヒートパイプ。
18. 前記楔状の毛管は、隣接するフィンの間の角度が１０度から１５度の範囲内にある折り畳まれたフィンを備えている、請求項１７に記載のヒートパイプ。
19. 前記波形の吸上部は、ひだの付いた銅板を備えている、請求項１７に記載のヒートパイプ。
20. 前記ハウジングは、矩形の管である、請求項１６に記載のヒートパイプ。
21. 前記液体は、水を含んでいる、請求項１６に記載のヒートパイプ。
22. 前記折り畳まれたフィンは、Ｖ字型の溝を画定している、請求項１８に記載のヒートパイプ。
23. 前記折り畳まれたフィンは、輪郭の付いた溝を画定している、請求項１８に記載のヒートパイプ。

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