JP2013148289A - Flat heat pipe - Google Patents
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本明細書が開示する技術は、平板型ヒートパイプに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a flat plate heat pipe.
CPUや半導体チップを冷却するのに平板型のヒートパイプが用いられることがある。ヒートパイプは、密閉された内部空間に少量の作動液を封入したものであり、作動液の気化熱と凝縮熱を利用して熱を輸送するデバイスである。平板型のヒートパイプの一方の面にCPUやチップなどの発熱体を取り付け、他方の面を冷却する。そうすると、一方の面で作動液が発熱体の熱を吸収して気化する。気化した作動液は他方の面にて、凝縮し熱を放出する。こうして、熱が一方の面から他方の面へと輸送される。説明の便宜上、平板型ヒートパイプの対向する平面に対して、CPUなどの発熱体を取り付ける側の板を底板と称し、底板と対向する板を天板と称することがある。 A flat plate heat pipe may be used to cool the CPU and the semiconductor chip. A heat pipe is a device in which a small amount of hydraulic fluid is sealed in a sealed internal space and transports heat using the heat of vaporization and condensation of the hydraulic fluid. A heating element such as a CPU or a chip is attached to one surface of a flat plate heat pipe, and the other surface is cooled. If it does so, a hydraulic fluid will absorb the heat | fever of a heat generating body and vaporize on one side. The vaporized hydraulic fluid condenses and releases heat on the other side. Thus, heat is transported from one side to the other side. For convenience of explanation, a plate on a side where a heating element such as a CPU is attached to a plane opposite to the flat plate heat pipe may be referred to as a bottom plate, and a plate facing the bottom plate may be referred to as a top plate.
ヒートパイプは簡単な構造であるが、様々な技術が提案されている。例えば特許文献1には、側面を蛇腹構造とし、提灯のような形状をしたヒートパイプが提案されている。
The heat pipe has a simple structure, but various techniques have been proposed. For example,
他方、平板型のヒートパイプは、扁平な内部空間を有するため、薄板化すると構造強度が低下する虞がある。平板型のヒートパイプの構造強度を補強するため、内部に弾性体を配置する技術が例えば特許文献2や特許文献3に開示されている。
On the other hand, since the flat heat pipe has a flat internal space, there is a possibility that the structural strength is lowered when the plate is thinned. In order to reinforce the structural strength of a flat plate-type heat pipe, techniques for disposing an elastic body inside are disclosed in
特許文献1に開示された側面が蛇腹構造のヒートパイプは、天板と底板に変形し難い程度の厚みを有するものと推察される。ヒートパイプの軽量化を図るには、天板と底板も薄肉化することが好ましい。しかしながら、天板と底板を薄肉化すると、内部の作動液が気化し、内圧が高まると、たとえ側板が伸縮しても、天板や底板が湾曲してしまう虞がある。発熱体を取り付ける領域が湾曲してしまうと、発熱体との接触度が低下し熱の移動が妨げられる。本明細書は、平板型のヒートパイプにおいて、内圧の上昇により発熱体を取り付ける平面が膨張湾曲することを抑制する技術を提供する。
It is surmised that the heat pipe having a bellows-structured side surface disclosed in
本明細書が開示する平板型ヒートパイプは、一方の平板の表面が発熱体の取り付け面となっている一対の平板と、対向する一対の平板の周囲を囲み、内部に閉空間を形成する側板と、その閉空間にて一対の平板同士を連結する弾性体を備えている。このヒートパイプは、側板が伸縮部材で作られており、一対の平板の間の距離の変化を許容するように伸縮する。側板は、典型的には、一対の平板間の距離を伸縮させるベローズ構造(蛇腹構造)を有している。この平板型ヒートパイプは、内圧が高まると、側板のベローズ構造によって一対の平板間の距離が広がるとともに、内部の弾性体が一対の平板を相互に連結しているので、平板の中央部分が膨張湾曲することを抑制する。なお、先の天板と底板が一対の平板に相当する。通常は、底板(鉛直下側に位置する板)の表面が、発熱体(半導体素子)の取り付け面となる。 The flat plate heat pipe disclosed in the present specification is a side plate that surrounds a pair of flat plates whose surface of one flat plate is a mounting surface of a heating element and a pair of opposed flat plates and forms a closed space inside. And the elastic body which connects a pair of flat plates in the closed space is provided. The heat pipe has a side plate made of an elastic member, and expands and contracts to allow a change in the distance between the pair of flat plates. The side plate typically has a bellows structure (bellows structure) that expands and contracts the distance between the pair of flat plates. In this flat plate type heat pipe, when the internal pressure increases, the distance between the pair of flat plates increases due to the bellows structure of the side plates, and the inner elastic body connects the pair of flat plates to each other, so that the central portion of the flat plate expands. Suppresses bending. The top plate and the bottom plate correspond to a pair of flat plates. Usually, the surface of the bottom plate (a plate located vertically below) serves as a mounting surface for the heating element (semiconductor element).
平板の湾曲を抑制したいのは、発熱体が取り付けられる場所である。それゆえ、弾性体は、取り付け面を平面視したときに発熱体取り付け予定位置と重なるように配置されていることが好ましい。また、弾性体は、いわゆるフィンと同様に、一対の平板の間で熱を伝達させる役割も果たす。それゆえ、発熱体と重なるように弾性体を配置することによって、対向する平板間での熱の輸送効率が向上する。 It is the place where the heating element is attached that wants to suppress the curvature of the flat plate. Therefore, it is preferable that the elastic body is disposed so as to overlap with the heating element mounting scheduled position when the mounting surface is viewed in plan. The elastic body also plays a role of transferring heat between a pair of flat plates, like a so-called fin. Therefore, by disposing the elastic body so as to overlap the heating element, the heat transport efficiency between the opposing flat plates is improved.
本明細書が開示するヒートパイプは、取り付け面を平面視したときに発熱体取り付け予定位置と重なるように配置されている複数の第1弾性体と、第1弾性体の周囲に配置されている複数の第2弾性体を備えており、第1弾性体の剛性が第2弾性体の剛性よりも低く、第1弾性体の分布密度が第2弾性体の分布密度よりも高いことが好ましい。前述したように、弾性体は平板間の熱伝達に寄与する。そこで、発熱体と重なるように、複数の弾性体を多数配置するとよい。しかし、発熱体と重なる位置に多数の弾性体を集中的に配置すると、弾性体を配置した領域と、その周囲の領域とで板材に生じる応力に大きな差が生じてしまい、不都合である。それゆえ、発熱体の近傍には剛性の低い第1弾性体を高密度で配置し、その周囲に剛性の高い第2弾性体を低密度で配置する。そのように2種類の弾性体を配置することによって、発熱体近傍において平板間の熱輸送力を向上させるとともに、応力が偏ることを防止する。 The heat pipe disclosed in the present specification is arranged around a plurality of first elastic bodies arranged so as to overlap with a heating element attachment planned position when the attachment surface is viewed in plan view. It is preferable that a plurality of second elastic bodies are provided, the rigidity of the first elastic body is lower than the rigidity of the second elastic body, and the distribution density of the first elastic body is higher than the distribution density of the second elastic body. As described above, the elastic body contributes to heat transfer between the flat plates. Therefore, it is preferable to arrange a plurality of elastic bodies so as to overlap the heating element. However, if a large number of elastic bodies are intensively arranged at a position overlapping with the heating element, there is a disadvantage that a large difference occurs in the stress generated in the plate material between the area where the elastic body is arranged and the surrounding area. Therefore, the first elastic body having low rigidity is disposed at a high density in the vicinity of the heating element, and the second elastic body having high rigidity is disposed at a low density around the first elastic body. By arranging two types of elastic bodies in such a manner, the heat transport force between the flat plates is improved in the vicinity of the heating element, and stress is prevented from being biased.
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。 Details of the technology disclosed in this specification and further improvements will be described in the embodiments of the present invention.
(第1実施例)図面を参照して実施例のヒートパイプを説明する。図1は、ヒートパイプ2の平面図と断面図である。ヒートパイプ2は、対向する一対の平板である天板3と底板4、及び、それらの周囲を囲む側板5によって筐体が構成される。底板4の表面(図1においてヒートパイプ2の下面)が発熱体90の取り付け面となっている。図1では、発熱体90は仮想線で描いてある。発熱体90は、例えば、IGBTなどのパワー半導体素子を実装したパッケージ(チップ)である。図1では、半導体素子を繋ぐケーブル(リード線)は図示を省略している。側板5は、対向する天板3と底板4を連結するとともにそれらを囲んでおり、内部に閉空間6を形成する。側板5は、接続する天板3と底板4の間の距離の変化を許容するように、伸縮自在のベローズ構造を有している。また、閉空間6には、天板3と底板4を繋ぐ複数のスプリング7が配置されている。スプリング7は、コイルスプリングである。
(First Embodiment) A heat pipe according to an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of the
天板3、底板4、側板5は、銅あるいはアルミニウムなど、熱伝導率の高い金属で作られる。ベローズ状の側板5は、例えばプレス加工にて作られる。スプリング7は、剛性の高い鋼材などで作られる。
The
ヒートパイプ2の機能を説明する。製造に際して閉空間6は真空に引かれ、少量の作動液が封入される。作動液は、水、あるいは、アンモニアなどの不活性、非腐蝕性の液体である。前述したように、底板4の表面にトランジスタ素子などの発熱体90が取り付けられる。発熱体90の熱により作動液が気化する。気化したガスは、上昇し、天板3に触れる。天板3に触れたガスは冷却され凝縮し、液体に戻り重力により底板4へと戻る。作動液が気化するときに気化熱を吸収し、液体に戻るときに凝縮熱を放出する。こうして、作動液により熱が底板4から天板3へと輸送される。なお、従って天板3は外気に触れているだけでも或る程度の冷却効果が見込めるが、何らかの冷却器に接触していることが好ましい。
The function of the
また、スプリング7がヒートブリッジとして機能し、底板4から天板3へと熱が伝達する。即ち、スプリング7も熱輸送に貢献する。特に、図1に示すように、スプリング7は、平面視したときに発熱体90の取り付け予定位置(図1にて仮想線で描かれた部分)と重なるように配置される。即ち、スプリング7は、発熱体90の熱を受けやすい位置に配置される。そのような配置により、スプリング7のヒートブリッジとしての熱輸送への貢献が大きくなる。なお、スプリング7は、平面視したときに一部でも発熱体の取り付け予定位置に重ねっていればよい。また、ヒートパイプ2が複数のスプリング7を備える場合、必ずしも全てのスプリングが取り付け予定位置と重なっている必要はない。
Further, the
ヒートパイプ2の他の利点を説明する。ヒートパイプ2は、ベローズ構造の側板5とスプリング7を備える。図1(B)によく示されているように、ヒートパイプ2は、天板3と底板4が弾性体だけで連結されている構造となっている。それゆえ、内圧が高くなったときに、天板3と底板4のいずれもがあまり湾曲せず、平面を保ったまま、それらの距離が広がる。それゆえ、発熱体90の取り付け面の湾曲が抑制されるので、発熱体90と底板4との密着度が維持される。その結果、発熱体90から底板4への熱伝達効率が低下しない。
Another advantage of the
(第2実施例)図2に第2実施例のヒートパイプ2aの平面図を示す。ヒートパイプ2aは、内部に2種類のスプリングを配置している。一つは、平面視したときに発熱体90の取り付け位置と重なるように配置された第1スプリング7aである。第1スプリング7aは、第1実施例のヒートパイプ2におけるスプリング7と同様である。他の一つは、第1スプリング7aを囲むようにその周囲に配置された第2スプリング7bである。第1スプリング7a、第2スプリング7bは、第1実施例のヒートパイプ2と同様に、ヒートパイプの内部にて天板3と底板4を連結している。その他の構造は第1実施例のヒートパイプ2の構造と同じである。即ち、第2実施例のヒートパイプ2aも、その側板5は、ベローズ構造を有しており、天板3と底板4の間の距離の変化を許容するように伸縮する。
(Second Embodiment) FIG. 2 is a plan view of a
第2スプリング7bの剛性は、第1スプリング7aの剛性よりも高い。また、図2によく示されているように、5個の第1スプリング7aは、面積S1=L1×L2の領域に配置されている。また、4個の第2スプリング7bは、面積S2=L3×L4の領域に配置されている。明らかにS1<S2である。即ち、第1スプリング7aの分布密度は、第2スプリング7bの分布密度よりも高い。結局、第1スプリング7aの方が、第2スプリング7bよりも剛性は低いが分布密度が高い。それゆえ、複数の第1スプリング7aのトータルでの単位面積当たりの剛性と、複数の第2スプリング7bのトータルでの単位面積当たりの剛性とが概ね同じとなる。従って天板3と底板4との距離が膨張した場合に、天板3、底板4のそれぞれは、面全体にわたり概ね一様な荷重を受ける。それゆえ、板間距離が広がったときに天板3と底板4が湾曲し難い。その結果として、発熱体90と底板4との密着性の低下が抑制される。即ち、冷却能力の低下が抑制される。
The rigidity of the
実施例の技術に関する留意点を述べる。ヒートパイプの筐体内に設置される弾性体はコイルスプリングに限られず、板バネでもよい。あるいは、弾性体は、ゴム等の弾力を有する材質で作られていてもよい。ヒートパイプ内部に備えられる弾性体の数は、実施例の場合に限られない。内部に備えられる弾性体は一つであってもよい。実施例の図では一つのヒートパイプに一つの発熱体90を図示したが、ヒートパイプに取り付けられる発熱体の数は一つに限られるものではない。平面視したときのヒートパイプの形状は、矩形に限られない。円形や楕円形、あるいは、多角形であってもよい。
Points to be noted regarding the technology of the embodiment will be described. The elastic body installed in the housing of the heat pipe is not limited to the coil spring, but may be a leaf spring. Alternatively, the elastic body may be made of a material having elasticity such as rubber. The number of elastic bodies provided inside the heat pipe is not limited to the case of the embodiment. One elastic body may be provided inside. In the drawing of the embodiment, one
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
2、2a:ヒートパイプ
3:天板
4:底板
5:側板
7、7a、7b:スプリング
2, 2a: Heat pipe 3: Top plate 4: Bottom plate 5:
Claims (4)
対向する一対の平板の周囲を囲み、内部に閉空間を形成する側板と、
前記閉空間にて一対の平板同士を連結している弾性体と、
を備えており
側板が、一対の平板の間の距離の変化を許容するように伸縮することを特徴とする平板型ヒートパイプ。 A pair of flat plates in which the surface of one flat plate is a mounting surface of the heating element;
A side plate surrounding a pair of opposing flat plates and forming a closed space inside;
An elastic body connecting a pair of flat plates in the closed space;
A flat plate-type heat pipe, wherein the side plate expands and contracts to allow a change in the distance between the pair of flat plates.
第1弾性体の周囲に配置されている複数の第2弾性体と、
を備えており、
第1弾性体の剛性が第2弾性体の剛性よりも低く、第1弾性体の分布密度が第2弾性体の分布密度よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の平板型ヒートパイプ。 A plurality of first elastic bodies arranged so as to overlap with a planned mounting position of the heating element when the mounting surface is viewed in plan;
A plurality of second elastic bodies arranged around the first elastic body;
With
The flat plate type according to claim 1 or 2, wherein the rigidity of the first elastic body is lower than the rigidity of the second elastic body, and the distribution density of the first elastic body is higher than the distribution density of the second elastic body. heat pipe.
Priority Applications (1)
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JP2012009836A JP2013148289A (en) | 2012-01-20 | 2012-01-20 | Flat heat pipe |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20170038154A1 (en) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | Chaun-Choung Technology Corp. | Vapor chamber structure having stretchable heated part |
CN110470160A (en) * | 2014-10-28 | 2019-11-19 | 科罗拉多州立大学董事会法人团体 | Hot ground plane based on polymer, micro manufacturing |
US11353269B2 (en) | 2009-03-06 | 2022-06-07 | Kelvin Thermal Technologies, Inc. | Thermal ground plane |
US11598594B2 (en) | 2014-09-17 | 2023-03-07 | The Regents Of The University Of Colorado | Micropillar-enabled thermal ground plane |
US11930621B2 (en) | 2020-06-19 | 2024-03-12 | Kelvin Thermal Technologies, Inc. | Folding thermal ground plane |
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- 2012-01-20 JP JP2012009836A patent/JP2013148289A/en active Pending
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CN110470160A (en) * | 2014-10-28 | 2019-11-19 | 科罗拉多州立大学董事会法人团体 | Hot ground plane based on polymer, micro manufacturing |
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