JP2012233642A - マルチループ型ヒートパイプ及び電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 どのような姿勢であってもヒートパイプとして熱移送機能を発揮できるループ型ヒートパイプを提供することを課題とする。
【解決手段】
第1のループ型ヒートパイプは、発熱体20に熱的に接する第1の蒸発器32−1と、第1の凝縮器34−1とを有する。第2のループ型ヒートパイプは、発熱体20に熱的に接する第2の蒸発器32−2と、第2の凝縮器34−2とを有する。第1の蒸発器32−1と第2の蒸発器32−2とが平面視において同じ位置に配置され、且つ第1の凝縮器34−1と第2の凝縮器34−2とが平面視において互いに異なる位置に配置された状態で、第1のループ型ヒートパイプと第2のループ型ヒートパイプは積層して配置される。
【選択図】 図4

Description

実施形態はループ型ヒートパイプに関する。
電子機器の電子回路に設けられたLSIやパワーデバイス等の発熱部品を冷却するためにループ型ヒートパイプを用いることがある。ループ型ヒートパイプにより、発熱部品からの熱を吸収して移送し、発熱部品から離れた場所でその熱を放出することで、発熱部品を冷却する。
ループ型ヒートパイプ(以下、LHPと称することもある)は、作動液(液体冷媒)が気化する部分である蒸発器と、気化した冷媒(気体冷媒)が凝縮して液体冷媒となる部分である凝縮器とを有する。蒸発器から凝縮器までは蒸気管で接続され、凝縮器から蒸発器まで液管で接続され、冷媒が循環する循環路が形成される。すなわち、蒸発器において熱を吸収して気化した冷媒は、蒸気管を通って凝縮器に移送され、凝縮器において放熱して液化し、液管を通って再び蒸発器に供給される。
通常、蒸発器内にはウィックと称される多孔質材料が設けられており、ウィックで発生する毛細管力により気相と液相が分離される。さらに、蒸発器の内壁には蒸気流路となるグルーブ構造が設けられる。グルーブ構造の蒸発器内壁はウィックに接触しており、蒸発器内壁からウィックに熱が伝わりやすくなっている。また、ウィックが常に液体冷媒に接触するように、蒸発器と液管の間に、液体冷媒を一時的に蓄えておく液溜め部が設けられている。
上述のようなループ型ヒートパイプを薄型化して電子機器等に組み込むために、蒸発器と凝縮器と気相路(蒸気管)と液相路(液管)を基板上に設けてループ型ヒートパイプの構造を形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−108760号公報
上述のループ型ヒートパイプを効率的に作動させるには、蒸発器と凝縮器の垂直方向の位置関係が重要となる。これは、内部の液体冷媒が重力の影響を受けるため、ループ型ヒートパイプの姿勢によってループ型ヒートパイプ内の気液分布が変化するためである。例えば、ループ型ヒートパイプを携帯型電子機器等に組み込んだ場合、携帯型電子機器の姿勢が変わることで、ループ型ヒートパイプの姿勢も変化してしまう。
ループ型ヒートパイプの姿勢において、蒸発器が凝縮器よりも上に位置するような姿勢をトップヒートと称する。トップヒートでは、液相路(液管)内の液体冷媒の移動方向が重力に逆らう向きとなるので、液体冷媒が蒸発器に移動し難くなる。このため、蒸発器にうまく液体冷媒が供給されなくなって蒸発器内の液体冷媒が枯渇し(いわゆる、ドライアウト)、ループ型ヒートパイプが作動しなくなることがある。
したがって、例えばノートパソコンや携帯電話のように、水平方向、鉛直方向、あるいはそれらの中間など様々な姿勢で使用することのできる携帯型電子機器にループ型ヒートパイプを組み込んだ場合、うまく機能しないといった問題が発生するおそれがある。
そこで、どのような姿勢であってもヒートパイプとして熱移送機能を発揮できるループ型ヒートパイプの開発が望まれている。
実施形態によれば、発熱体に熱的に接する第1の蒸発器と、第1の凝縮器と、前記第1の蒸発器と前記第1の凝縮器とを繋ぐ第1の液相路及び第1の気相路とを有する第1のループ型ヒートパイプと、発熱体に熱的に接する第2の蒸発器と、第2の凝縮器と、前記第2の蒸発器と前記第2の凝縮器とを繋ぐ第2の液相路及び第2の気相路とを有する第2のループ型ヒートパイプとを有し、前記第1の蒸発器と前記第2の蒸発器とが平面視において同じ位置に配置され、且つ前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器が平面視において互いに異なる位置に配置された状態で、前記第1のループ型ヒートパイプと前記第2のループ型ヒートパイプは積層して配置されているマルチループ型ヒートパイプが提供される。
実施形態によれば、二つの独立したループ型ヒートパイプがその姿勢が異なる状態で重なった状態で配置されているので、一つのループ型ヒートパイプにおいて冷媒が正常に循環しないような姿勢であっても、他方のループ型ヒートパイプでは冷媒が正常に循環する。これにより、マルチループ型ヒートパイプが様々な姿勢に配置されても、ループ型ヒートパイプとしての機能を維持することができる。
一実施形態によるマルチループ型ヒートパイプの斜視図である。 一実施形態によるマルチループ型ヒートパイプの平面図である。 図1のIII−III線に沿った断面図である。 マルチループ型ヒートパイプの分解斜視図である。 マルチループ型ヒートパイプを裏側から見た分解斜視図である。 LHP1とLHP2の位置関係を示す図である。 LHP1の液溜め部が最も高い位置になるようにマルチループ型ヒートパイプを配置した場合のLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図7に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図8に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りにさらに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図9に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りにさらに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図10に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りにさらに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図11に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りにさらに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図12に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りにさらに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 図13に示す状態からマルチループ型ヒートパイプを反時計回りにさらに45度回転したときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 LHP1とLHP2とを異なる配置とした場合のLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。 マルチループ型ヒートパイプにおいて、蒸発器にウィックを設けた例を示す分解斜視図である。 マルチループ型ヒートパイプを用いた電子装置の斜視図である。 3つのループ型ヒートパイプ(LHP)を含むマルチループ型ヒートパイプの斜視図である。 図18に示すマルチループ型ヒートパイプの平面図である。 図18に示すマルチループ型ヒートパイプにおける第1基板に形成された第1のループ型ヒートパイプを示す図である。 図18に示すマルチループ型ヒートパイプにおける第2基板に形成された第2のループ型ヒートパイプを示す図である。 図18に示すマルチループ型ヒートパイプにおける第3基板に形成された第3のループ型ヒートパイプを示す図である。 4つのループ型ヒートパイプ(LHP)を含むマルチループ型ヒートパイプの斜視図である。 図23に示すマルチループ型ヒートパイプの平面図である。 図23に示すマルチループ型ヒートパイプにおける第1基板に形成された第1のループ型ヒートパイプを示す図である。 図23に示すマルチループ型ヒートパイプにおける第2基板に形成された第2のループ型ヒートパイプを示す図である。
次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は一実施形態によるマルチループ型ヒートパイプの斜視図であり、図2は一実施形態によるマルチループ型ヒートパイプの平面図である。また、図3は図1のIII−III線に沿った断面図である。
一実施形態によるマルチループ型ヒートパイプ10は、第1基板12、第2基板14、及び第3基板16を積層して形成したヒートパイプ基板18を利用して形成される。多層基板を構成する第1基板12、第2基板14、及び第3基板16の各々は、半導体素子を形成する際に用いられる基板であることが好ましく、例えばMEMSにより加工可能なシリコン基板を用いることが好ましい。後述のように、第1基板12及び第2基板14はある程度の伝熱性を有することが好ましく、その点でもシリコン基板を用いることが好ましい。ただし、シリコン基板に限定されることなく、例えば、シリコンゴムの一種であるPDMSにより形成した基板やガラス基板等を用いることもできる。
本実施形態では、ヒートパイプ基板18は、電子部品や電気部品を搭載して電子回路を構成するための回路基板として機能する。そして、本実施形態では、発熱体の一例として半導体素子20が、第1基板12の表面に実装される。半導体素子20は、動作時に発熱するため、冷却を必要とする。本実施形態では、ヒートパイプ基板18に形成された複数の冷媒循環路(図1乃至3に示す例では2つの冷媒循環路)で冷媒を循環させることにより半導体素子20を冷却する。すなわち、複数の冷媒循環路の各々は独立したループ型ヒートパイプ(LHP)を形成する。そして、図3に示すように、これらLHPの蒸発器が配置された部分に対応する位置に、冷却すべき発熱体としての半導体素子20が搭載される。
2つの冷媒循環路のうち、第1のLHPを構成する第1の冷媒循環路30−1は第1基板12と第2基板14との間に形成され、第2のLHPを構成する第2の冷媒循環路30−2は第2基板14と第3基板16との間に形成される。
図4はマルチループ型ヒートパイプ10の分解斜視図である。図5はマルチループ型ヒートパイプ10を裏側から見た分解斜視図である。図4及び図5において、ヒートパイプ基板18が第1基板12、第2基板14、及び第3基板16に分離された状態が示されている。
第1の冷媒循環路30−1は、MEMSを形成するのに用いられる微細構造加工技術により第1の基板12に凹部を形成することで形成される。すなわち、蒸発器32−1を形成する凹部と、凝縮器34−1を形成する凹部と、液溜め部36−1を形成する凹部とが、第1の基板12に形成される。さらに、蒸発器32−1と凝縮器34−1とを接続する気相路38−1と、凝縮器34−1から液溜め部36−1を通って蒸発器32−1に繋がる液相路40−1とが、第1の基板12に形成される。第1基板12に形成されたこれら凹部を第2基板14で覆って閉鎖することで、密閉された第1の冷媒循循環路30−1を形成することができる。なお、第1の基板12に形成された凝縮器34−1の反対側には、放熱フィン42−1が取り付けられる。
第2の冷媒循環路30−2は、MEMS加工技術により第2の基板14に凹部を形成することで形成される。すなわち、蒸発器32−2を形成する凹部と、凝縮器34−2を形成する凹部と、液溜め部36−2を形成する凹部とが、第2の基板14に形成される。さらに、蒸発器32−2と凝縮器34−2とを接続する気相路38−2と、凝縮器34−2から液溜め部36−2を通って蒸発器32−2に繋がる液相路40−2とが、第2の基板14に形成される。第2基板14に形成されたこれら凹部を第3基板16で覆って閉鎖することで、密閉された第2の冷媒循循環路30−2を形成することができる。なお、第2基板14に形成された凝縮器34−2の反対側には、放熱フィン42−2が取り付けられる。放熱フィン42−2は第1基板12が積層される側に取り付けられるため、放熱フィン42−2が貫通して第1基板12の表側に突出するように、開口44が第1基板12に形成される。
第2基板14と第3基板16には、液注入口46−2,46−3がそれぞれ形成されている。液注入口46−2,46−3は、第1基板12に形成された液溜め部36−1に繋がる位置に形成されており、ループ型ヒートパイプ10が完成した後に、液注入口46−2,46−3を介して液体冷媒を第1のLHPに注入することができる。また、第3基板16には、もうひとつの液注入口46−3が形成されている。この液注入口46−3は、第2基板14に形成された液溜め部36−2に繋がる位置に形成されており、マルチループ型ヒートパイプ10が完成した後に、液注入口46−3を介して液体冷媒を第2のLHPに注入することができる。第3基板に形成された2つの液注入口46−3は、冷媒注入後に閉鎖される。
ここで、蒸発器32−1,32−2の構造について説明する。蒸発器32−1,32−2は、図5に示されるように、MEMS加工技術により第1基板12及び第2基板14にそれぞれ形成された微細な溝構造を有する。微細な溝の延在方向は、液相路40−1,40−2の延在方向である。蒸発器32−1,32−2に供給された液体冷媒は、複数の微細な溝の中に入り、微細な溝で発生する毛細管力により移動する。蒸発器32−1,32−2の中の複数の微細な溝を移動する際に、液体冷媒は溝の内壁から気化熱を吸収して蒸発し、気体冷媒に相変化する。蒸発器32−1,32−2は発熱体である半導体素子20の直下に配置されており、半導体素子20からの熱が蒸発器32−1,32−2に伝わって液体冷媒に吸収される。これにより半導体素子20が冷却される。蒸発器32−1,32−2の内壁に形成された複数の微細な溝は、毛細管力を発生させるだけでなく、蒸発器32−1,32−2の内壁と液体冷媒との接触面積を増大するという効果もある。この効果により、半導体素子20からの熱が容易に液体冷媒に伝達され、蒸発器32−1,32−2内の液体冷媒に多量の気化熱を供給することができる。
以上のように、本実施形態では、MEMS加工技術により第1基板12及び第2基板14に微細な溝構造を形成することで、蒸発器32−1,32−2を形成することができる。したがって、多孔質材料により形成されたウィックを蒸発器32−1,32−2内に設ける必要は無く、第1基板12及び第2基板14を加工するだけで、蒸発器32−1,32−2を形成することができる。
次に、凝縮器34−1,34−2の構造について説明する。凝縮器34−1,34−2も、蒸発器32−1,32−2と同様に、図5に示されるように、MEMS加工技術により第1基板12及び第2基板14にそれぞれ形成された微細な溝構造を有する。微細な溝の延在方向は、凝縮器34−1,34−2に接続された液相路40−1,40−2の延在方向である。凝縮器34−1,34−2に供給された気体冷媒は、複数の微細な溝の中に入り、溝の内壁を介して第1基板12及び第2基板14に熱を放出して凝縮し、液体冷媒に相変化する。第1基板12及び第2基板14に放出された熱は、凝縮器34−1,34−2の近傍に配置された放熱フィン42−1,42−2に伝わり、放熱フィン42−1,42−2から雰囲気に放出される。一方、凝縮器34−1,34−2内で生成された液体冷媒は、微細な溝により発生する毛細管力により移動し、液相路40−1,40−2に送り出される。
以上のように、凝縮器34−1,34−2の内壁に形成された複数の微細な溝は、毛細管力を発生させるだけでなく、凝縮器34−1,34−2の内壁と気体冷媒との接触面積を増大するという効果もある。この効果により、気体冷媒から第1基板12及び第2基板14に熱が容易に伝達され、気体冷媒は多量の熱を放出することができる。したがって、気体冷媒を容易に凝縮して液化することができる。
本実施形態では、第1基板12に形成された第1の冷媒循環路30−1と放熱フィン42−1とで第1のループ型ヒートパイプLHP1が形成され、第2基板14に形成された第2の冷媒循環路30−2と放熱フィン42−2とで第2のループ型ヒートパイプLHP2が形成される。LHP1とLHP2は、同一構成で同一形状のLHPとなっている。そして、LHP1とLHP2は、半導体装置20が搭載された位置を中心として点対称の位置に配置される。
図6は第1のループ型ヒートパイプLHP1と第2のループ型ヒートパイプLHP2の位置関係を示す図である。図6において、第1基板12の平面図が上側に示され、第1基板の下にある第2基板14の平面図が下側に示されている。実際は、第1基板12に形成されたLHP1の蒸発器32−1の真下に、第2基板14に形成されたLHP2の蒸発器32−2が配置され、LHP1の蒸発器32−1の真上に発熱体である半導体素子20が配置されている。
本実施形態では、図6及び図2からわかるように、LHP1の蒸発器32−1の中心(半導体素子20の中心)と凝縮器34−1(放熱フィン42−1の中心)の中心を結ぶ直線L1と、LHP2の蒸発器32−2の中心(半導体素子20の中心)と凝縮器34−2の中心(放熱フィン42−2の中心)を結ぶ直線L2とで形成する角度は180度である。すなわち、LHP1とLHP2は、蒸発器32−1,32−2の中心に関して点対称な位置(180度回転対称な位置)に配置されている。
ここで、LHP1の冷媒循環路30−1とLHP2の冷媒循環路30−2が延在する面は、第1基板12と第2基板14の平面に平行である。マルチループ型ヒートパイプ10を水平に置いた場合、重力の方向はLHP1の冷媒循環路とLHP2の冷媒循環路が延在する面に対して垂直となる。図6に示す状態がマルチループ型ヒートパイプ10を水平に置いた場合であるとすると、重力は図6の紙面に垂直な方向に作用する。この場合、LHP1の冷媒循環路30−1及びLHP2の冷媒循環路30−2は共に水平に配置された状態となる。
図6に示すように、マルチループ型ヒートパイプ10を水平に置いた場合、第1のLHPの冷媒循環路30−1において、凝縮器34−1から蒸発器32−1へと液体冷媒を流すための液相路40−1も水平方向に延在しており、液相路40−1を流れる液体冷媒は重力に逆らわずに流れることができる。したがって、LHP1の冷媒循環路30−1において、重力の影響を受けずに冷媒は問題なく循環することができ、LHP1は正常に作動することができる。LHP2もLHP1と同様に正常に作動することができる。
したがって、図6に示すようにマルチループ型ヒートパイプ10を水平に置いた場合、第1のループ型ヒートパイプLHP1と第2のループ型ヒートパイプLHP2の両方が作動し、蒸発器32−1,32−2で冷媒の気化熱が吸収される。これにより、LHP1とLHP2の両方で半導体素子20を冷却することができる。
ここで、マルチループ型ヒートパイプ10を水平面に対して垂直(すなわち、鉛直)に配置した場合のLHP1及びLHP2の作動について説明する。マルチループ型ヒートパイプ10を鉛直に置いた場合、重力の方向はLHP1の冷媒循環路とLHP2の冷媒循環路が延在する面に対して平行となる。この場合、LHP1及びLHP2の蒸発器32−1,32−2と凝縮器34−1,34−2との上下位置関係により、LHP1及びLHP2が正常に作動できるか否かが決まる。
図7はLHP1の液溜め部36−1が最も高い位置になるようにマルチループ型ヒートパイプ10を配置した場合のLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図7に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より高い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−1に流れることができる。したがって、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動する。一方、図7に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より低い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−2に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−2まで移動することができず、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動できなくなる。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図7に示すような姿勢で配置された場合には、LHP1が作動しLHP2が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP1により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図8は、図7に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向に45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図8に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より高い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−1に流れることができる。したがって、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動する。一方、図8に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より低い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−2に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−2まで移動することができず、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動できなくなる。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図8に示すような姿勢で配置された場合には、LHP1が作動しLHP2が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP1により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図9は、図8に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図9に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より高い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−1に流れることができる。したがって、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動する。一方、図9に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より低い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−2に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−2まで移動することができず、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動できなくなる。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図9に示すような姿勢で配置された場合には、LHP1が作動しLHP2が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP1により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図10は、図9に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図10に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より高い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−1に流れることができる。したがって、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動する。一方、図10に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より低い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−2に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−2まで移動することができず、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動できなくなる。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図10に示すような姿勢で配置された場合には、LHP1が作動しLHP2が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP1により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図11は、図10に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図11に示す状態は、図7に示す状態からマルチループ型ヒートパイプ10が180度回転した状態に相当する。図11に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より低い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−1に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−1まで移動することができず、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動できなくなる。一方、図11に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より高い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−2に流れることができる。したがって、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動する。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図11に示すような姿勢で配置された場合には、LHP2が作動しLHP1が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP2により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図12は、図11に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図12に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より低い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−1に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−1まで移動することができず、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動できなくなる。一方、図12に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より高い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−2に流れることができる。したがって、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動する。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図12に示すような姿勢で配置された場合には、LHP2が作動しLHP1が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP2により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図13は、図12に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図13に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より低い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−1に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−1まで移動することができず、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動できなくなる。一方、図13に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より高い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−2に流れることができる。したがって、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動する。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図13に示すような姿勢で配置された場合には、LHP2が作動しLHP1が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP2により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図14は、図13に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させたときのLHP1及びLHP2の位置関係を示す図である。図14に示す配置関係において、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より低い位置にあり、凝縮器34−1で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力に逆らって蒸発器32−1に流れなければならない。したがって、液体冷媒が重力に逆らって蒸発器32−1まで移動することができず、第1のループ型ヒートパイプLHP1は正常に作動できなくなる。一方、図14に示す状態において、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より高い位置にあり、凝縮器34−2で液化した冷媒(液体冷媒)は、重力により蒸発器32−2に流れることができる。したがって、第2のループ型ヒートパイプLHP2は正常に作動する。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が図14に示すような姿勢で配置された場合には、LHP2が作動しLHP1が作動しない状態となるが、正常に作動するLHP2により冷却を行なうことができる。このため、マルチループ型ヒートパイプ10全体としての冷却機能は維持され、半導体素子20を冷却することができる。
図14に示す状態のマルチループ型ヒートパイプ10を反時計方向にさらに45度回転させると、マルチループ型ヒートパイプ10は360度回転した状態となり、マルチループ型ヒートパイプ10の姿勢は図7に示す状態に戻る。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10が鉛直面内でどのような姿勢(回転位置)であっても、LHP1及びLHP2のどちらかが正常に作動できる状態が維持されるため、マルチループ型ヒートパイプ10の冷却機能は維持される。また、水平方向の回転に関しては、液体冷媒に対する重力の影響は変わらないので、マルチループ型ヒートパイプ10が水平面内でどのような姿勢(回転位置)であっても、LHP1及びLHP2の両方が正常に作動できる。まとめると、マルチループ型ヒートパイプ10は鉛直面内及び水平面内でどのような姿勢(回転位置)であっても、マルチループ型ヒートパイプ10の冷却機能は維持される。
なお、第1基板12に形成されたLHP1と第2基板14に形成されたLHP2とを図15に示すように配置することもできる。この場合は、図7に示す構成において、LHP1とLHP2とを入れ替えただけであり、第1基板12にLHP2を形成し第2基板14にLHP1を形成したこととなる。上述の図7乃至図14に基づく説明と同様に、図15に示す例においても、マルチループ型ヒートパイプ10が360度回転するなかで、LHP1及びLHP2の少なくとも一方が正常に作動することができる。
また、本実施形態では、蒸発器32−1,32−2を微細な溝構造として形成したが、ヒートパイプにおける一般的な蒸発器のように、多孔質材料よりなるウィックを蒸発器32−1,32−2内に設けることとしてもよい。図16は上述のマルチループ型ヒートパイプ10において、蒸発器32−1,32−2にウィック50を設けた例を示す分解斜視図である。図16に示す構成は上述の図5に示す構成に相当する。図16において、図5に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
蒸発器32−1,32−2内にウィック50を設ける場合、蒸発器32−1,32−2は凹部として形成し、凹部内にウィック50を配置する。ウィック50は内部の多数の孔が液体冷媒を毛細管力により移動させながら、液体冷媒に熱を供給することで、液体冷媒を気化させる機能を有する。
なお、上述の実施形態では、LHP1内における冷媒の循環方向とLHP2内における冷媒の循環方向を同一方向としたが、同一方向に限定されず、LHP2内における冷媒の循環方向をLHP1内における冷媒の循環方向とは逆方向としても同様の効果を得ることができる。
マルチループ型ヒートパイプ10はヒートパイプ基板18を用いて形成されており、ヒートパイプ基板18に配線パターンを形成して電子部品や電気部品を搭載することで、電子装置とすることができる。
図17はマルチループ型ヒートパイプ10を用いた電子装置の斜視図である。図17に示す電子装置は、マルチループ型ヒートパイプ10のヒートパイプ基板18を回路配線基板として用いている。すなわち、ヒートパイプ基板18に配線パターンを形成し、半導体素子20としてCPUをヒートパイプ基板18に搭載する。そして、CPUの周辺回路を形成するチップセット22、メモリ24、コンデンサ26等をヒートパイプ基板18に搭載して、所定の機能を有する電子回路を形成する。
上述の実施形態では、マルチループ型ヒートパイプ10は2つのループ型ヒートパイプ(LHP1及びLHP2)を含んでいるが、マルチループ型ヒートパイプが3つ以上のループ型ヒートパイプを含むこととしてもよい。
図18は3つのループ型ヒートパイプ(LHP)を含むマルチループ型ヒートパイプ10Aの斜視図である。図19はマルチループ型ヒートパイプ10Aの平面図である。マルチループ型ヒートパイプ10Aは、第1基板12,第2基板14,第3基板16、及び第4基板60を有する。マルチループ型ヒートパイプ10では、第3基板16は封止用の基板であったが、マルチループ型ヒートパイプ10Aでは、第3基板16を用いてLHP3(図22参照)を形成し、第4基板60を封止用の基板としている。
第1基板12の表面には発熱体として半導体素子20が搭載されており、3つのループ型ヒートパイプの放熱フィン42−1,42−2,42−3が第1基板12の表面から突出している。
第1基板12に形成されたLHP1に対して、第2基板14に形成されたLHP2は120度の角度に配置される。また、第1基板12に形成されたLHP1に対して、第3基板16に形成されたLHP3は反対側に120度の角度で形成される。すなわち、マルチループ型ヒートパイプ10Aを平面視すると、3つのLHP1,LHP2,LHP3の凝縮器34−1,34−2,34−3は、発熱体である半導体素子20を中心にして120度等間隔で配置されている。
図20はマルチループ型ヒートパイプ10Aにおける第1基板12に形成されたLHP1を示す図である。図20(a)はマルチループ型ヒートパイプ10Aを鉛直面に平行に配置した場合に、凝縮器34−1および液溜め部36−1が最も高い位置となるように形成したLHP1を示す図である。図20(b)はマルチループ型ヒートパイプ10Aが反時計回りに60度回転したときのLHP1を例として示す図である。図20(c)はマルチループ型ヒートパイプ10Aが時計回りに60度回転したときのLHP1を例として示す図である。
図20(a)に示す状態では、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−1から蒸発器32−1に流れる。したがって、LHP1は正常に作動することができる。また、図20(b)に示す状態でも、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−1から蒸発器32−1に流れる。したがって、LHP1は正常に作動することができる。さらに、図20(c)に示す状態でも、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−1から蒸発器32−1に流れる。したがって、図20(a)の状態を基準として考慮すると、例として回転角度120度の範囲で回転させた場合には、凝縮器は蒸発器より上にあるので、LHP1は正常に作動することができる。
図21はマルチループ型ヒートパイプ10Aにおける第2基板14に形成されたLHP2を示す図である。図21(a)はマルチループ型ヒートパイプ10Aを鉛直面に平行に配置した場合に、凝縮器34−2および液溜め部36−2が最も高い位置となるように形成したLHP2を示す図である。液注入口46−2は、前述の図20の液溜め部36−1に繋がっている。図21(b)はマルチループ型ヒートパイプ10Aが反時計回りに120度回転したときのLHP2を例として示す図である。図21(c)はマルチループ型ヒートパイプ10Aが時計回りに60度回転したときのLHP2を例として示す図である。
図21(a)に示す状態では、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−2から蒸発器32−2に流れる。したがって、LHP2は正常に作動することができる。また、図21(b)に示す状態でも、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−2から蒸発器32−2に流れる。したがって、LHP2は正常に作動することができる。さらに、図21(c)に示す状態でも、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−2から蒸発器32−2に流れる。したがって、図21(a)の状態を基準として考慮すると、例として反時計方向の120度から時計方向の60度の範囲で回転させた場合には、LHP2は正常に作動することができる。
図22はマルチループ型ヒートパイプ10Aにおける第3基板16に形成されたLHP3を示す図である。図22(a)はマルチループ型ヒートパイプ10Aを鉛直面に平行に配置した場合に、凝縮器34−3および液溜め部36−3が最も高い位置となるように形成したLHP3を示す図である。液注入口46−3は、前述の図21の液溜め部36−2、および、液注入口46−2に繋がっている。図22(b)はマルチループ型ヒートパイプ10Aが反時計回りに60度回転したときのLHP3を例として示す図である。図22(c)はマルチループ型ヒートパイプ10Aが時計回りに120度回転したときのLHP3を例として示す図である。
図22(a)に示す状態では、LHP3の凝縮器34−3は蒸発器32−3より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−3から蒸発器32−3に流れる。したがって、LHP3は正常に作動することができる。また、図22(b)に示す状態でも、LHP3の凝縮器34−3は蒸発器32−3より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−3から蒸発器32−3に流れる。したがって、LHP3は正常に作動することができる。さらに、図22(c)に示す状態でも、LHP3の凝縮器34−3は蒸発器32−3より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−3から蒸発器32−3に流れる。したがって、図22(a)の状態を基準として考慮すると、例として反時計方向の60度から時計方向の120度の範囲で回転させた場合は、凝縮器は蒸発器より上にあるので、LHP2は正常に作動することができる。
以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10Aは、全体を回転しても、LHP1,LHP2,LHP3の少なくとも一つは正常に作動することができる。したがって、マルチループ型ヒートパイプ10Aは、360度回転位置のいずれの位置にあっても、LHP1,LHP2,LHP3の少なくとも一つは正常に作動しており、冷却機能を維持することができる。
図23は4つのループ型ヒートパイプ(LHP)を含むマルチループ型ヒートパイプ10Bの斜視図である。図24はマルチループ型ヒートパイプ10Bの平面図である。マルチループ型ヒートパイプ10Bは、第1基板12,第2基板14,第3基板16、第4基板60、及び第5基板62を有する。マルチループ型ヒートパイプ10Aでは、第4基板60は封止用の基板であったが、マルチループ型ヒートパイプ10Bでは、第4基板60を用いてLHP4を形成し、第5基板62を封止用の基板としている。
第1基板12の表面には発熱体として半導体素子20が搭載されており、4つのループ型ヒートパイプの放熱フィン42−1,42−2,42−3,42−4が第1基板12の表面から突出している。
第1基板12に形成されたLHP1に対して、第2基板14に形成されたLHP2は、平面視において時計回りに90度の角度で配置される。また、第1基板12に形成されたLHP1に対して、第3基板16に形成されたLHP3は平面視において時計回りに180度の角度で形成される。さらに、第1基板12に形成されたLHP1に対して、第4基板60に形成されたLHP4は平面視において時計回りに270度の角度で形成される。
すなわち、マルチループ型ヒートパイプ10Bを平面視すると、4つのLHP1,LHP2,LHP3,LHP4の凝縮器34−1,34−2,34−3,34−4は、発熱体である半導体素子20を中心にして90度等間隔で配置されている。
図25はマルチループ型ヒートパイプ10Bにおける第1基板12に形成されたLHP1を示す図である。図25(a)はマルチループ型ヒートパイプ10Bを鉛直面に平行に配置した場合に、凝縮器34−1および液溜め部36−1が最も高い位置となるように形成したLHP1を示す図である。図25(b)はマルチループ型ヒートパイプ10Bが反時計回りに45度回転したときのLHP1を例として示す図である。図25(c)はマルチループ型ヒートパイプ10Bが時計回りに135度回転したときのLHP1を示す図である。
図25(a)に示す状態では、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−1から蒸発器32−1に流れる。したがって、LHP1は正常に作動することができる。また、図25(b)に示す状態でも、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−1から蒸発器32−1に流れる。したがって、LHP1は正常に作動することができる。さらに、図25(c)に示す状態でも、LHP1の凝縮器34−1は蒸発器32−1より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−1から蒸発器32−1に流れる。したがって、図25(a)の状態を基準として考慮すると、例として反時計方向の45度から時計方向の135度の範囲で回転させた場合は、凝縮器は蒸発器より上にあるので、LHP1は正常に作動することができる。
図26はマルチループ型ヒートパイプ10Bにおける第2基板14に形成されたLHP2を示す図である。図26(a)はマルチループ型ヒートパイプ10Bを鉛直面に平行に配置した場合に、凝縮部34−2が最も高い位置となるように形成したLHP2を示す図である。液注入口46−2は、前述の図25の液溜め部36−1に繋がっている。図26(b)はマルチループ型ヒートパイプ10Bが反時計回りに45度回転したときのLHP2を示す図である。図26(c)はマルチループ型ヒートパイプ10Bが時計回りに135度回転したときのLHP2を示す図である。
図26(a)に示す状態では、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−2から蒸発器32−2に流れる。したがって、LHP2は正常に作動することができる。また、図26(b)に示す状態でも、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より上にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−2から蒸発器32−2に流れる。したがって、LHP2は正常に作動することができる。一方、図26(c)に示す状態では、LHP2の凝縮器34−2は蒸発器32−2より下にあるので、液体冷媒は重力で凝縮器34−2から蒸発器32−2に流れなくなる。したがって、図26(a)の状態を基準として考慮すると、例として反時計方向の45度から時計方向の135度の範囲で回転させた場合は、LHP1は正常に作動できない場合がある。
第3基板のLHP3、第4基板のLHP4については、回転角度による作動の詳細については図示しないが、以上のように、マルチループ型ヒートパイプ10Bは、全体を回転しても、LHP1,LHP2,LHP3,LHP4の少なくとも一つは正常に作動することができる。したがって、マルチループ型ヒートパイプ10Bは、360度回転位置のいずれの位置にあっても、LHP1,LHP2,LHP3,LHP4の少なくとも一つは正常に作動しており、冷却機能を維持することができる。
以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
(付記1)
発熱体に熱的に接する第1の蒸発器と、第1の凝縮器と、前記第1の蒸発器と前記第1の凝縮器とを繋ぐ第1の液相路及び第1の気相路とを有する第1のループ型ヒートパイプと、
前記発熱体に熱的に接する第2の蒸発器と、第2の凝縮器と、前記第2の蒸発器と前記第2の凝縮器とを繋ぐ第2の液相路及び第2の気相路とを有する第2のループ型ヒートパイプと
を有し、
前記第1の蒸発器と前記第2の蒸発器とが平面視において同じ位置に配置され、且つ前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器が平面視において互いに異なる位置に配置された状態で、前記第1のループ型ヒートパイプと前記第2のループ型ヒートパイプは積層して配置されているマルチループ型ヒートパイプ。
(付記2)
付記1記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
前記第1の蒸発器、及び、前記第2の蒸発器の少なくとも一方は多孔質材料を含むマルチループ型ヒートパイプ。
(付記3)
付記1記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
前記第1の蒸発器、及び、前記第2の蒸発器の少なくとも一方の内壁に複数の溝が形成されたマルチループ型ヒートパイプ。
(付記4)
付記1乃至3のうちいずれか一項記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
前記第1の凝縮器、及び、前記第2の凝縮器の少なくとも一方に放熱フィンが設けられたマルチループ型ヒートパイプ。
(付記5)
付記1乃至4のうちいずれか一項記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
さらに第3のループ型ヒートパイプが第2のループ型ヒートパイプに積層されたマルチループ型ヒートパイプ。
(付記6)
付記5記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
さらに第4のループ型ヒートパイプが第3のループ型ヒートパイプに積層されたマルチループ型ヒートパイプ。
(付記7)
付記1乃至4のうちいずれか一項記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器は、前記第1の蒸発器及び前記第2の蒸発器を中心として180度異なる位置に配置されたマルチループ型ヒートパイプ。
(付記8)
電子部品に熱的に接する第1の蒸発器と、第1の凝縮器と、前記第1の蒸発器と前記第1の凝縮器とを繋ぐ第1の液相路及び第1の気相路とを有する第1のループ型ヒートパイプと、
前記電子部品に熱的に接する第2の蒸発器と、第2の凝縮器と、前記第2の蒸発器と前記第2の凝縮器とを繋ぐ第2の液相路及び第2の気相路とを有する第2のループ型ヒートパイプと
を有し、
前記第1の蒸発器と前記第2の蒸発器とが平面視において同じ位置に配置され、且つ前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器が平面視において互いに異なる位置に配置された状態で、前記第1のループ型ヒートパイプと前記第2のループ型ヒートパイプは積層して配置されているマルチループ型ヒートパイプ
を有する電子装置。
10 マルチループ型ヒートパイプ
12 第1基板
14 第2基板
16 第3基板
18 ヒートパイプ基板
20 半導体素子
22 チップセット
24 メモリ
26 コンデンサ
30−1 第1の冷媒循環路
30−2 第2の冷媒循環路
32−1,32−2,32−3,32−4 蒸発器
34−1,34−2,34−3,34−4 凝縮器
36−1,36−2,36−3,36−4 液溜め部
38−1,38−2,38−3,38−4 気相路
40−1,40−2,40−3,40−4 液相路
42−1,42−2,42−3,42−4 放熱フィン
44 開口
46−2,46−3,46−4 液注入口
50 ウィック
60 第4基板
62 第5基板

Claims (5)

  1. 発熱体に熱的に接する第1の蒸発器と、第1の凝縮器と、前記第1の蒸発器と前記第1の凝縮器とを繋ぐ第1の液相路及び第1の気相路とを有する第1のループ型ヒートパイプと、
    前記発熱体に熱的に接する第2の蒸発器と、第2の凝縮器と、前記第2の蒸発器と前記第2の凝縮器とを繋ぐ第2の液相路及び第2の気相路とを有する第2のループ型ヒートパイプと
    を有し、
    前記第1の蒸発器と前記第2の蒸発器とが平面視において同じ位置に配置され、且つ前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器が平面視において互いに異なる位置に配置された状態で、前記第1のループ型ヒートパイプと前記第2のループ型ヒートパイプは積層して配置されているマルチループ型ヒートパイプ。
  2. 請求項1記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
    前記第1の蒸発器、及び、前記第2の蒸発器の少なくとも一方は多孔質材料を含むマルチループ型ヒートパイプ。
  3. 請求項1記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
    前記第1の蒸発器、及び、前記第2の蒸発器の少なくとも一方の内壁に複数の溝が形成されたマルチループ型ヒートパイプ。
  4. 請求項1乃至3のうちいずれか一項記載のマルチループ型ヒートパイプであって、
    前記第1の凝縮器、及び、前記第2の凝縮器の少なくとも一方に放熱フィンが設けられたマルチループ型ヒートパイプ。
  5. 電子部品に熱的に接する第1の蒸発器と、第1の凝縮器と、前記第1の蒸発器と前記第1の凝縮器とを繋ぐ第1の液相路及び第1の気相路とを有する第1のループ型ヒートパイプと、
    前記電子部品に熱的に接する第2の蒸発器と、第2の凝縮器と、前記第2の蒸発器と前記第2の凝縮器とを繋ぐ第2の液相路及び第2の気相路とを有する第2のループ型ヒートパイプと
    を有し、
    前記第1の蒸発器と前記第2の蒸発器とが平面視において同じ位置に配置され、且つ前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器が平面視において互いに異なる位置に配置された状態で、前記第1のループ型ヒートパイプと前記第2のループ型ヒートパイプは積層して配置されているマルチループ型ヒートパイプ
    を有する電子装置。
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