JP2009068827A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】毛細効果および構造的強度が高められた放熱装置を提供する。
【解決手段】放熱装置は、熱源４と接触して配置される第１の蓋部１１および放熱器５が固定される第２の蓋部１２を有する枠体１と、枠体内部に形成される蒸気チャンバと、枠体内に設けられ、枠体内部に形成された蒸気チャンバ内を占める交差して結合された毛細格子構造体２と、を有し、蒸気チャンバ内を排気して真空状態を形成するとともに蒸発可能な作動流体を蒸気チャンバ内に充填し、繰り返し作動流体を蒸発および凝縮しつつ毛細格子構造体を通過させることによって枠体の第１の蓋部から吸収および除去された熱を枠体の第２の蓋部から外部へ放熱している。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱装置に関する。

各種の電子素子製品において、温度管理は非常に重要な役割を果たしている。電子素子やコンピュータ製品の放熱量の不足は、例えば、許容量以上の高温状態での動作による製品の性能の劣化や信頼性の低下を招じ得る。

温度管理の問題点の解決方法として、電子素子や半導体、コンピュータ製品から外部への放熱が可能な放熱器や放熱ファン、放熱板、ヒートパイプなど、多くの周知技術が提供されている。

図１に、従来技術の蒸気チャンバＶを示す。図１にあっては、熱源Ｃ（例えば、ＣＰＵや半導体、その他の電子素子など）の冷却が行われている。

放熱器Ｈは、蒸気チャンバＶの上部に固定され、放熱を行っている。

蒸気チャンバＶを、減圧することによって、真空チャンバとして用いることができる。真空チャンバは、チャンバ内に充填される蒸発可能な作動流体と、チャンバ５の内壁面上に形成された内張りの芯材とを有している。熱源Ｃから伝わった熱は、作動流体を蒸発する。

蒸発により生じた蒸気は、冷却壁面と接触することによって、潜熱を放出して凝縮する。潜熱は、放熱器Ｈから外部へと放熱される。

凝縮した流体がチャンバの底部へと戻り、再び次サイクルによって蒸発される準備が整う。以上のようにして、放熱が行われる。

しかしながら、図１に示される従来技術には、以下の様な欠点がある。

（１）蒸気チャンバＶ内に配置された側壁以外の蒸気チャンバＶ内の支持構造が不足しているため、蒸気チャンバＶの構造的な安定性が弱まっている。

（２）一部の凝縮液体の液滴が重力によって降下する際、広い空間部分を有するチャンバ内において蒸発して上昇する作動流体と衝突する。そのため、蒸発−凝縮サイクルが妨げられ、放熱効率の低下が生じ得る。

（３）蒸気チャンバの側壁を厚くすることによって、構造的な強度を高めることも可能であるが、その場合、電子製品の総重量や体積の増加を招じ得る。従って、小型化、高性能化された電子デバイスの製造が制限される。

本発明者は、上記の従来技術における欠点を発見し、毛細効果および構造的強度が高められた放熱装置を発明するに至った。

本発明の目的は、毛細効果および構造的強度が高められた放熱装置を提供することにある。

本発明は、熱源と接触して配置される一側の面および放熱器が固定される他側の面を有する枠体と、前記枠体内部に形成される蒸気チャンバと、前記枠体内に設けられ、前記枠体内部に形成された前記蒸気チャンバ内を占める交差して結合された毛細格子構造体と、を有し、前記蒸気チャンバ内を排気して真空状態を形成するとともに蒸発可能な作動流体を前記蒸気チャンバ内に充填し、繰り返し前記作動流体を蒸発および凝縮しつつ前記毛細格子構造体を通過させることによって前記枠体の前記一側の面から吸収および除去された熱を前記枠体の前記他側の面から外部へ放熱する放熱装置である。

毛細効果および構造的強度が高められた放熱装置を提供することができる。

図２〜５を参照して、本発明の実施形態に係る放熱装置は、内部に設けられる蒸気チャンバ１０の位置を定める枠体１と、枠体１の内部に設けられる蒸気チャンバ１０内に形成、または組み込まれる交差して結合（架橋結合）された毛細格子構造体２とを有している。

蒸気チャンバ１０内を排気して真空状態にし、枠体１に固定されるとともに流体的に蒸気チャンバ１０に連通する連結部３を介して、蒸発可能な作動流体をチャンバ１０内に充填する。

枠体１は、熱伝導性の金属材料から形成することができる。枠体１は、例えば、熱源としてのコンピュータや、動作中に熱を生じ得るその他の電子デバイスと接触する第１の蓋部１１と、第１の蓋部１１と結合するとともに第１の蓋部１１との間における蒸気チャンバ１０の位置を定める第２の蓋部１２とを有する。第２の蓋部１２には、放熱板や、図３に示される放熱器５が固定される。

第１および第２の蓋部１１、１２はそれぞれ、第１および第２の蓋部１１、１２の内壁面に固定、溶接、または接着して設けられる下方毛細薄層１１１、上方毛細薄層１２１を有している。毛細薄層１１１、１２１は、枠体１内に設けられるとともに交差して結合された毛細格子構造体２と連通される。毛細薄層１１１、１２１は、網目状の金属や、焼結フィルム、層状の粉末治金、その他の毛細状の金属から形成することができる。

本発明の構成要素である金属の大きさや形状は、これらに限定されるものではない。本発明にあっては、枠体１を、管を並設した形状に形成するのが望ましい。

交差して結合された毛細格子構造体２は、第１の蓋部１１に密着して接触する下方縦グリッド２１と、下方縦グリッド２１上に積層されて第２の蓋部１２に密着して接触する上方横グリッド２２とを有している。二つのグリッド２１、２２は、枠体１内に設けられる蒸気チャンバ１０内を占めて形成されている。下方縦グリッド２１は、第１の蓋部１１に設けられた下方毛細薄層１１１と接触して配置され、上方横グリッド２２は、第２の蓋部１２に設けられた上方毛細薄層１２１と接触して配置されている。

上方横グリッド２２の下に配置される下方縦グリッド２１は、下部フレーム２１３内に並設された複数の下方縦ストリップ２１１を有している。隣接する二つの下方縦ストリップ２１１間には、下方縦毛細スリット２１２が形成される。下方縦毛細スリット２１２は、第１の蓋部１１に形成された下方毛細薄層１１１と流体的に連通されている。

上方横グリッド２２は、下方縦ストリップ２１１と投影的に直交している。上方横グリッド２２は、下部フレーム２１３上に積層される上部フレーム２２３内に並設された複数の上方横ストリップ２２１を有している。

隣接する二つの上方横ストリップ２２１間には、上方横毛細スリット２２２が形成される。上方横毛細スリット２２２は、第２の蓋部１２に形成された上方毛細薄層１２１と流体的に連通されている。

そして、各上方横毛細スリット２２２は、各下方縦毛細スリット２１２と流体的に連通されている。そのため、図５に示されるように、下方縦毛細スリット２１２、上方横毛細スリット２２２、および二つのグリッド２１、２２を直通する垂直方向に開口した毛細開口部２３が形成される。

例えば、上方グリッド２２に複数の縦ストリップを形成する場合は、下方グリッド２１に複数の横ストリップを形成する。

下方および上方グリッド２１、２２は、金属、カーボンファイバ、樹脂、および複合材料を含む熱伝導性の材質から形成されるのが望ましい。本実施形態にあっては、これらの材料に限定されるものではない。

従来からの結合方法によって、二つのグリッド２２、２１を結合することができる。各グリッド２１、２２は、一体成形や、鋳型成形を含む従来からの工法によって形成することができる。

本実施形態は、第１の蓋部１１と接触する熱源４から伝えられた熱によって下方毛細薄層１１１内に設けられた作動流体を蒸発させている。

そのため、蒸発によって生じた蒸気は、上昇し（図５中の矢印Ｕ方向）、垂直方向に開口した毛細開口部２３、下方毛細スリット２１２、上方毛細スリット２２２を通過する。さらに蒸気は、放熱板または放熱器５が固定された第２の蓋部１２に設けられた上方毛細薄層１２１内に吸着される。

蒸気は、冷却されて、凝縮液体となりつつ、凝縮潜熱を放出する。凝縮潜熱は、枠体１の側壁を通過し、放熱板または放熱器５によって外部へと放出される。

その際、凝縮液体の液滴は、降下し（図中の矢印Ｄ方向）、一時的に滞留穴（Ａ）内に保持される。図５に示される様に、滞留穴（Ａ）は、垂直方向に開口した毛細開口部２３に隣接する二つの上方ストリップ２２１、および二つの下方ストリップ２１１の間に形成される。

凝縮液体の液滴が滞留穴（Ａ）内に保持、または滞留するため、作動流体の蒸発−凝縮サイクルにおいて、凝縮液体の液滴と蒸気とが衝突し、蒸気の上昇（図中の矢印Ｕ方向）が妨害されることを防止している。上昇した蒸気が上部または第２の蓋部１２に到達した後、滞留穴（Ａ）内に保持されていた凝縮液の液滴は、次第に重力によって降下する。凝縮液の液滴は、再び垂直方向に開口した毛細開口部２３、各スリット２１２、２２２を通過して、第１の蓋部１１に設けられた下方毛細薄層１１１へと移動する。再び蒸発に必要な熱を次サイクルにおいて付与される。

以上の様に、蒸気チャンバ１０内の作動流体を繰り返し蒸発および凝縮させることによって、熱源から伝えられた熱を効率的に放熱することができる。そのため、電子素子製品が良好な性能および高い信頼性を発揮することが可能な温度領域まで動作温度を低下させることができる。

図３に示されるように、熱源４および放熱器５はそれぞれ、枠体１において作動流体を蒸発させる側の面（一側の面）と蒸気を凝縮させる側の面（他側の面）とに固定されている。

本発明は、以下の点において、従来技術よりも優れている。

（１）交差して結合された毛細格子構造体２は、複数の垂直方向に開口した毛細開口部２３と、チャンバ１０内の蒸気圧の分布を均一に拡散または分散する下方、上方毛細スリット２１２、２２２とを有している。下方、上方毛細スリット２１２、２２２が、毛細効果を高めることによって、作動流体の蒸発および凝縮現象の循環性を高め、熱源から伝えられた熱を迅速に放熱することができる。

（２）下方縦グリッド２１は、上方横グリッド２２上に投影的に直交するとともに上方横グリッド２２上に積層されて交差して結合的な構造を形成している。従って、枠体１内に設けられた蒸気チャンバ１０の機械的強度や構造的な安定性を高めている。

（３）交差して結合形状に配置される下方縦グリッド２１および上方横グリッド２２は、枠体１に設けられた蒸気チャンバ１０内に作動流体が瞬時に充填されることによって生じる背圧の影響を低減し、枠体１内を真空状態とするための排気、および枠体１内への作動流体の充填を促進している。

（４）下方縦グリッド２１、上方横グリッド２２を熱伝導率の高い材質から形成することによって、一部の熱を、各グリッド２１、２２を介して外部へ放熱することができる。本実施形態にあっては、枠体１の側壁によって放熱を促進している。

本実施形態の放熱装置にあっては、一箇所の熱源から生じた熱を、複数の放熱経路を経由させて、または、導熱させることによって、より広い放熱空間に速やかに放熱させている。そのため、高い放熱効率を有する放熱装置を提供することができる。

上記の上方横グリッド２２と下方縦グリッド２１を、例えば、正方形の形状に形成した場合、上方横グリッドを９０°回転させることによって、下方縦グリッドとして用いることができる。そのため、１種類の型のみによって各グリッド２１、２２を形成することができ、製造コストを抑えることができる。

図６に示されるように、交差して結合された毛細格子構造体２は、一体化された構造に改変されている。一体成形によって格子構造体の上部および下部にそれぞれ、上方横グリッド２２、下方縦グリッド２１を形成している。各グリッド２２、２１は、フレーム２０内に収納されている。フレーム２０は、枠体１の第１の蓋部１１および第２の蓋部１２によって覆われている。

図７に示される交差して結合された毛細格子構造体２にあっては、上方横グリッド２２と上部フレーム２０ｕとを一体成形によって形成し、下方縦グリッド２１と下部フレーム２０ｄとを一体成形によって形成している。さらに、第１の蓋部１１と下方縦グリッド２１とを一体成形によって形成し、第２の蓋部１２と上方横グリッド２２とを一体成形によって形成している。蒸気チャンバ１０によって、第１の蓋部１１、第２の蓋部１２、上部フレーム２０ｕ、および下部フレーム２０ｄ間における相対的な位置が定められている。

図８および図９に示されるように、一部のストリップ２１１、２２１は、剛性のストリップに形成されており、その他のストリップ２１１ａ、２２１ａは、多孔性、または浸透性のストリップに形成されている。作動流体である凝縮液体の液滴は、その表面張力によって、剛性のストリップ２１１、２２１間において滞留する。液滴は、その重量が増加すると、重力によって、隣接するストリップ２１１、２２１間に形成された各毛細スリットを通過しつつ、降下する。

液滴が各剛性のストリップ上に滞留している間、作動流体の蒸発によって生じた蒸気は、各毛細開口部または、多孔性のストリップ２１１ａ、２２１ａ間に形成された各スリット間を通過して上昇する。そのため、重力によって剛性ストリップ２２１、２１１を通過しつつ降下する液滴と、上昇する蒸気との衝突を防止することができる。従って、作動流体を繰り返し蒸発および凝縮させるための円滑な循環経路を提供することができる。

剛性のストリップ２１１、２２１に囲われて形成されるチャンバは、作動流体の蒸発−凝縮サイクルにおいて、円滑でない流体の流れを補償する補償チャンバとしての機能も発揮する。

図１０および図１１に示されるように、前述の交差して結合された毛細格子構造体２を、交差して結合された毛細格子構造網（交差して結合された毛細格子構造ネット）２ａに改変している。毛細格子構造網２ａは、複数の横ストリップ２２１と、複数の横ストリップ２２１と直交して接合する複数の縦ストリップ２１１とを有している。横ストリップ２２１と縦ストリップ２１１との間には、毛細開口部２１０が形成される。

本発明は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さらに改変することが可能となっている。

従来技術を示す図である。 本発明に係る構成要素を分解して示す図である。 図２に示される本発明の放熱装置の断面図である。 図３の４―４線に沿う断面図である。 ストリップ間に形成された毛細開口部を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明のさらにその他の実施形態を示す図である。 本発明のさらにその他の実施形態を示す図である。 図８に示される実施形態の斜視図である。 交差して結合された毛細格子構造網を示す正面図である。 図１０に示される毛細格子構造網を枠体内に配置した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 枠体、
２ 交差して結合された毛細格子構造体、
２ａ 交差して結合された毛細格子構造網（毛細格子構造網状の構造体）、
３ 連結部、
５ 放熱器、
１０ 蒸気チャンバ、
１１ 第１の蓋部、
１２ 第２の蓋部、
２０ フレーム、
２０ｕ、２２３ 上部フレーム（フレーム）、
２０ｄ、２１３ 下部フレーム（フレーム）、
２１ 下方縦グリッド、
２２ 上方横グリッド、
２３ 垂直方向に開口した毛細開口部、
１１１ 下方毛細薄層（毛細薄層）、
１２１ 上方毛細薄層（毛細薄層）、
２１１ 下方縦ストリップ、剛性のストリップ、
２１１ａ、２２１ａ 多孔性のストリップ、浸透性のストリップ、
２１２ 下方縦毛細スリット、
２２１ 上方横ストリップ、剛性のストリップ、
２２２ 上方横毛細スリット、
Ａ 滞留穴、
Ｄ 液滴の降下方向、
Ｕ 蒸気の移動方向。

Claims (12)

1. 熱源と接触して配置される一側の面および放熱器が固定される他側の面を有する枠体と、
   前記枠体内部に形成される蒸気チャンバと、
   前記枠体内に設けられ、前記枠体内部に形成された前記蒸気チャンバ内を占める交差して結合された毛細格子構造体と、を有し、
   前記蒸気チャンバ内を排気して真空状態を形成するとともに蒸発可能な作動流体を前記蒸気チャンバ内に充填し、繰り返し前記作動流体を蒸発および凝縮しつつ前記毛細格子構造体を通過させることによって前記枠体の前記一側の面から吸収および除去された熱を前記枠体の前記他側の面から外部へ放熱する放熱装置。
2. 前記枠体は、熱源と接触する第１の蓋部と、
   前記第１の蓋部と結合して前記第１の蓋部との間において前記毛細格子構造体が設けられる前記蒸気チャンバを形成するとともに放熱器が固定される第２の蓋部と、を有する請求項１に記載の放熱装置。
3. 前記第１の蓋部および前記第２の蓋部はそれぞれ、前記第１の蓋部および前記第２の蓋部の内壁面に固定されるとともに前記枠体内において前記毛細格子構造体と連通された毛細薄層を有し、前記毛細薄層は、網目状の金属、焼結フィルム、および層状の粉末治金のいずれかから形成される請求項２に記載の放熱装置。
4. 前記毛細格子構造体は、前記第１の蓋部に密着して接触する下方縦グリッドと、前記下方縦グリッド上に積層されて前記第２の蓋部に密着して接触する上方横グリッドとを有し、前記下方縦グリッドおよび前記上方横グリッドはそれぞれ、前記第１の蓋部および前記第２の蓋部に設けられた前記毛細薄層に接触して配置されて前記枠体内に設けられる前記蒸気チャンバ内を占める請求項３に記載の放熱装置。
5. 前記上方横グリッドの下に配置される前記下方縦グリッドは、下部フレーム内に並設された複数の下方縦ストリップを有し、隣接する二つの前記下方縦ストリップ間に形成された下方縦毛細スリットが前記第１の蓋部に形成された下方毛細薄層と流体的に連通する請求項４に記載の放熱装置。
6. 前記上方横グリッドは、前記下方縦ストリップとそれぞれ投影的に直交するとともに前記下部フレーム上に積層される上部フレーム内に並設された複数の上方横ストリップを有し、隣接する二つの前記上方横ストリップ間に形成された上方横毛細スリットを、前記第２の蓋部に形成された上方毛細薄層と流体的に連通させるとともに前記下方縦毛細スリットと流体的に連通させることによって前記下方縦毛細スリット、前記上方横毛細スリットを直通し、前記下方縦グリッド、前記上方横グリッドを直通する垂直方向に開口した毛細開口部を形成する請求項５に記載の放熱装置。
7. 前記毛細格子構造体は、前記上方横グリッドおよび前記下方縦グリッドが一体成形によって一体化して形成されており、前記上方横グリッドおよび前記下方縦グリッドは、前記枠体の前記第１の蓋部および前記第２の蓋部に覆われた前記フレーム内に形成される請求項４に記載の放熱装置。
8. 前記毛細格子構造体は、前記上方横グリッドと前記上部フレーム、および前記下方縦グリッドと前記下部フレームとがそれぞれ一体成形によって形成されており、前記第１の蓋部と前記下方縦グリッド、および前記第２の蓋部と前記上方横グリッドとがそれぞれ一体成形によって形成されており、前記蒸気チャンバによって前記第１の蓋部、前記第２の蓋部、前記上部フレーム、および前記下部フレーム間における相対的な位置が定められる請求項４に記載の放熱装置。
9. 前記グリッドが有する一部のストリップは、剛性のストリップに形成されており、その他のストリップは、多孔性、または浸透性のストリップに形成されている請求項４に記載の放熱装置。
10. 前記毛細格子構造体は、複数の横ストリップと、
    前記横ストリップとそれぞれ直交して接合されることによって前記横ストリップとの間に複数の毛細開口部を形成する縦ストリップと、を有する毛細格子構造網状に形成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱装置。
11. 前記毛細格子構造体は、上方グリッドおよび下方グリッドが一体成形によって形成されて一つのフレーム内に収められており、前記上方グリッドは、前記下方グリッドに形成された複数の下方ストリップと投影的に直交する複数の上方ストリップを有し、隣接する二つの前記上方ストリップ間および隣接する二つの前記下方ストリップ間にそれぞれ、毛細スリットを形成する請求項２に記載の放熱装置。
12. 前記上方グリッドおよび前記下方グリッドはそれぞれ、一部のストリップが剛性のストリップに形成されており、その他のストリップは、多孔性、または浸透性のストリップに形成されている請求項１１に記載の放熱装置。

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