JP2014143417A

JP2014143417A - 一体化した薄膜蒸発式熱拡散器および平面ヒートパイプヒートシンク

Info

Publication number: JP2014143417A
Application number: JP2014004230A
Authority: JP
Inventors: Steven Paschkewitz John; ジョン・スティーブン・パスケヴィッツ
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2014-08-07
Also published as: EP2757584A3; EP2757584A2; CN103943576A; US20140202665A1

Abstract

【課題】放熱装置および放熱法が、熱発生体のための熱拡散および熱冷却を提供する。
【解決手段】熱発生体と熱連通している薄膜蒸発器が、作動流体を用いて熱発生体から熱を除去する。薄膜蒸発器と一体化しており、薄膜蒸発器から延びているヒートパイプが、薄膜蒸発器が除去した熱を放熱装置の外部環境に放散する。ポンプ要素が、１）薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行う。
【選択図】なし

Description

本願は、一般に、温度管理に関する。本願は、集積回路などの熱発生体の冷却と関連して特定の応用があり、それに特に関連して説明する。しかしながら、本願が他の類似の応用にも適していることを理解すべきである。

電子回路実装用の温度管理は、高出力密度および３次元（３Ｄ）集積回路（ＩＣ）アーキテクチャに対する需要の高まりを考慮して、研究の活発な領域である。図１を参照すると、３ＤのＩＣのための典型的な電子回路パッケージを示している。図に示すように、電子回路パッケージは温度管理のために受動ヒートシンクに依存している。

電子回路の気体作動流体の温度管理に対する取り組みのほとんどが、裏面の温度管理に焦点を当てている。このような取り組みの例が、Ｍｏｋ他の米国特許公報第２００５／０２８０１６２号に記載されており、この米国特許公報は、ＩＣの裏面上の組み込み型の蒸気室熱インタポーザについて記載している。しかしながら、３Ｄアーキテクチャ（例えば、熱流束が１平方センチメートルあたり１００ワット（Ｗ／ｃｍ^２）に迫っている）により、この方法は次第に不十分になりつつある。

３Ｄ金型スタックが、層のそれぞれの上のホットスポットに関連する深刻な問題を有している。この熱を拡散することは大きな課題であり、その理由は、はんだくずと、（比較的）低熱伝導性の充てん材と、銅が詰まったスルー・シリコン・ビア（ＴＳＶ）との典型的な組み合わせが、十分に伝導性のある熱経路を提供しないためである。さらに、熱を拡散することは部分的にしか問題を解決しておらず、熱はさらに環境に放散する必要がある。

提案された１つの解決法が、ＳＲＩ−ＪＡＹＡＮＴＨＡ他の米国特許公報第２０１０／００４４８５６号に記載されている。ＳＲＩ−ＪＡＹＡＮＴＨＡ他は、裏面上の追加の拡散器層または非常に複雑なマイクロチャネル冷却器を利用する組み込み型の熱インタポーザを用いて３ＤのＩＣから離れる方向の熱伝達を改善するために、活性面または側面熱経路を変更している。この前者の具現化は、かなり控えめな熱的改善を示しており、他方、後者は流体密封および流体ポンピングの面でかなりの複雑さを伴う。

提案された他の解決法が、熱電的な熱バンプを使用することであり、熱電的な熱バンプの例を図１に示している。しかしながら、熱電的な熱バンプは、熱電材料の典型的な欠点、すなわち、効率の悪さおよび高コストに悩まされる。

提案された、さらに他の解決法が、薄膜蒸発である。薄膜蒸発は、沸騰などの相変化過程を使用するが、沸騰のよく知られた欠点のいくつかを軽減する。具体的には、薄膜蒸発は、沸騰を開始するのに必要な過熱量を軽減し、沸騰核形成部位の予測不可能性を軽減し、（流動システム内での）沸騰後の混合した気液流の取り扱いを軽減し、および熱流束が高すぎる場合、熱面が完全に乾く限界熱流束（ＣＨＦ）を軽減する。

上記は、Ｏｈａｄｉ他著の“Ｕｌｔｒａ−ＴｈｉｎＦｉｌｍＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎ（ＵＴＦ）−ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＥｍｅｒｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎＣｏｏｌｉｎｇｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，ＭｉｃｒｏｓｃａｌｅＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｄａｍｅｔａｌｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（２００５年発行）の３２１〜３３８ページに記載されている。

極薄膜（ＵＴＦ）蒸発は、おそらく、高熱流束表面から熱を除去する最も効果的な方法の１つであり、その理由は、
１．流体の薄層の表面における蒸発により熱を除去するには少量の流体を必要とすることと、
２．薄い液体層を横切る熱抵抗を最小化することにより、非常に高い熱伝達率が得られることと、
３．表面を湿らせるのに十分な量の流体を供給している限り、表面温度は作動流体の飽和温度よりもほんの少し高くなる程度であることと、
４．薄膜蒸発器の間の圧力損失がないおかげで、作動流体を循環させるのに必要なエネルギーが最小量で済むことと、
５．複雑な一連のパラメータがシステムの安定性を決定する核沸騰とは異なり、ＵＴＦは非常に薄い膜のいたる所で事実上伝導であることと、
６．冷却性能の上限が、比較的低いＣＨＦではなく、むしろ自由界面における均一核形成温度および／または蒸気形成の動力学により制限されることと、による。

運ばれた熱と熱抵抗と温度降下の関係と、熱伝達率の定義と、を用いて第２の理由を明らかにできる。熱伝達率ＲはＱ＊Ｒ＝ＤＴにより定義でき、ここで、Ｑはワット（Ｗ）で表した伝わった熱、Ｒは１ワットあたりの摂氏温度（Ｃ／Ｗ）、ＤＴは摂氏温度で表した温度降下（Ｃ）である。高い熱抵抗は、より少ない熱が伝達され、関連する材料の間で大きな温度勾配があることを意味する。伝導に対するＲ＝Ｌ／（ｋＡ）の関係が熱抵抗と熱伝達率Ｒとを関係付けており、ここで、Ｌは伝導経路長、Ａは伝熱面積、ｋは熱伝導率である。

蒸発による追加の放熱が、薄膜蒸発を特に強力なものにしている。気液界面で除去できる熱量ＱはＱ＝ｍ（ΔＨ_ｖ）であり、ここで、ｍは蒸発する液体の質量流量、（ΔＨ_ｖ）は冷媒の蒸発潜熱である。集積回路パッケージの典型として２センチメートル（ｃｍ）×２ｃｍダイを取り、２５Ｗ／ｃｍ^２の熱密度を取ると、伝達する予定の熱は１００Ｗになる。熱伝導流体として水を用いると、潜熱は１グラムあたり２２６０ジュール（Ｊ／ｇ）であるため、質量流束の量は２５／２２６０＝毎秒０．０１グラム（ｇ／ｓ）であり、すなわち、この多くの熱を放散するには毎秒１０マイクロリットル（μＬ／ｓ）の流体を蒸発させる必要がある。

したがって、大きな伝熱面積Ａおよび小さな伝導経路長Ｌが、薄膜を通る小さい伝導抵抗を与えることは明らかであり、この小さい伝導抵抗は相変化界面に運ばれる熱量を増やす。薄膜蒸発器の設計における課題は、高熱流束の蒸発速度に適合する十分な量の材料を薄膜に供給することである。１つの解決法が、熱面に沿って誘電液体の薄膜を引き出すのに電気流体力学（ＥＨＤ）分極ポンピングを使用することである。しかしながら、この解決法は方向依存性に悩まされ、結果として得られる膜は特に薄くはない。それでも、この解決法は、最大４０Ｗ／ｃｍ^２の熱流束を運ぶことができることを示している。

ヒートパイプの蒸発部分内の熱伝達のかなりの割合が、伝導損失が低く蒸発速度が最も大きい薄膜領域内で起こっていることは、ヒートパイプ業界では周知である。したがって、薄膜領域を最大化するために吸湿発散構造（ｗｉｃｋｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）を使用することに関する重要な仕事があった。このような仕事の具現化は、積極的にポンプで送り込むマイクロチャネル冷却器の応用と、蒸発用の多孔質膜とを組み合わせる。熱伝達をさらに向上させるために、エアジェット衝突で蒸発速度を増大させる。この具現化は、５００Ｗ／ｃｍ^２の熱流束を放散する能力を示している。しかしながら、この具現化には、ポンピング用の外部インフラと、比較的大きな薄膜とが必要である。熱伝達の約８５％が、マイクロチャネル内の強制対流によるものである。

本願は、上述の課題を克服する新たな改良された方法およびシステムを提供する。

本願の一態様に基づいて、熱発生体の熱拡散および熱冷却を提供するための放熱装置を提供する。熱発生体と熱連通している薄膜蒸発器が、作動流体を用いて熱発生体から熱を除去する。薄膜蒸発器と一体化しており、薄膜蒸発器から延びているヒートパイプが、薄膜蒸発器が除去した熱を放熱装置の外部環境に放散する。ポンプ要素が、１）薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行う。

本願の他の態様に基づいて、熱発生体の熱拡散および熱冷却を提供するための放熱法を提供する。熱発生体と熱連通している薄膜蒸発器により、作動流体を用いて熱発生体からの熱を除去する。薄膜蒸発器と一体化しており、薄膜蒸発器から延びているヒートパイプにより、薄膜蒸発器が除去した熱を放熱装置の外部環境に放散する。ポンプ要素により、１）薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行う。

本願の他の態様に基づいて、熱発生体の熱拡散および熱冷却を提供するための放熱装置を提供する。密閉型ハウジングが、液相の作動流体の流体容器と、蒸気室とを含み、密閉型ハウジングの外部表面に熱発生体を熱的に連結している。薄膜蒸発器が、密閉型ハウジングの中にあり、外部表面と隣接する密閉型ハウジングの内部表面と熱連通している。薄膜蒸発器は、流体容器から液相の作動流体を受け取り、受け取った作動流体を熱発生装置からの熱を用いて蒸発させて気相の作動流体にする。密閉型ハウジングの中のヒートパイプが、気相の作動流体を薄膜蒸発器から離れる方向に移動させて、気相の作動流体を液相に凝縮して、凝縮した作動流体を流体容器に戻す。ポンプ要素が、１）薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行う。

図１は、受動冷却に依存する電子回路パッケージを示している。図２は、本願の態様の放熱装置の実施形態を示している。図３Ａは、図２の放熱装置の断面図を示している。図３Ｂは、図２の放熱装置の他の断面図を示している。図４は、本願の態様の戻りウィック（ｒｅｔｕｒｎｗｉｃｋ）を示している。図５は、本願の態様の放熱装置の他の実施形態を示している。図６は、本願の態様の、振動ヒートパイプ技術を用いる放熱装置の他の実施形態を示している。図７は、図６の放熱装置の他の図を示している。

本願は、熱を拡散させるための能動的に駆動される薄膜蒸発器と、ヒートシンク用の一体化した平面ヒートパイプ拡大表面とを組み合わせる。
薄膜蒸発器はホットスポットを除去するための高い熱除去速度を可能にして、一体化した平面ヒートパイプは熱を薄膜蒸発器から拡大表面へ運び、環境に放散したり、またはインタポーザ層に吸収させたりする。

図２を参照すると、本願の放熱装置１０の斜視図を提供している。放熱装置１０は、集積回路（ＩＣ）パッケージ（図示）などの関連する熱発生体１２に熱拡散および熱冷却を提供する。必ずしもそうとは限らないが、通常、ＩＣパッケージは３次元（３Ｄ）である。図に示すように、放熱装置１０は、１平方センチメートルあたり１０〜１０００ワット（Ｗ／ｃｍ^２）以上の熱流束、例えば、１００Ｗ／ｃｍ^２など、を管理する能力がある。

この放熱装置１０は密閉型ハウジング１４を含み、この密閉型ハウジング１４は熱伝導材料で構成されている。熱伝導材料は、例えば、銅、銅箔、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ポリイミド材料、金属、およびその種の他のもののうちの１つ以上を含むことができる。密閉型ハウジング１４は、柔らかい可能性があり、後述するように、熱発生装置１２から離れる方向に熱を運ぶために作動流体１６を閉じ込めている（図３Ａおよび図３Ｂ）。密閉型ハウジング１４が柔らかいと、熱発生体１２用に放熱装置１０を取り付けるときに、製造後に密閉型ハウジング１４を成形できることが有利である。

密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０の外部表面１８が、熱発生体１２と熱的に接触している。例えば、外部表面１８は熱発生体１２と直接接触できる。他の例では、その上に熱発生体１２が載っている基板を介して、外部表面１８と熱発生体１２とが間接的に接触する可能性があり、または熱界面材料が熱発生体１２と外部表面１８との間に介在する可能性がある。通常、インタフェース部分２０は、銅、銅箔、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金で形成されるが、しかしながら他の材料も想定される。

インタフェース部分２０から離れて延びるように、密閉型ハウジング１４は、１つ以上の拡大部分またはフィン２２（図示では２枚）をさらに含んでいる。後述するように、通常、対流により熱を外部環境に伝えるために、またはインタポーザ層に熱を吸収させるために、拡大部分２２を使用する。拡大部分２２は、製造後に拡大部分２２を望ましい形状因子に成形できるように、柔らかいポリイミドまたは金属基板で通常形成されるが、しかしながら他の材料も想定される。

図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、密閉型ハウジング１４の中で、放熱装置１０は蒸気室２４と流体容器２６とを含んでいる。蒸気室２４は、インタフェース部分２０の外部部分１８に隣接するインタフェース部分２０の内部表面２８を含んでいる。さらに、蒸気室２４は、密閉型ハウジング１４の拡大部分２２のそれぞれの中に延びており、通常、拡大部分２２の末端部３０まで延びている。流体容器２６は、拡大部分２２の中心となる密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０内に通常配置されている。

流体容器２６は液相の作動流体１６（すなわち、液体の作動流体３２）を保持しており、蒸気室２４は気相の作動流体１６（すなわち、蒸気室２４内に矢印で示す気体の作動流体３４）を保持している。作動流体１６は、例えば、水、フロン、アセトン、アルコール、およびその種の他のものを含むことができる。後述するように、薄膜蒸発を用いて密閉型ハウジング１４の中を通って熱発生体１２から離れる方向に熱を運ぶのに作動流体１６を使用し、拡大部分２２はヒートパイプとして働く。このような方法で、１平方センチメートルあたり１０〜１０００ワット（Ｗ／ｃｍ^２）以上の熱流束を管理できる。

放熱装置１０は、熱発生体１２からの熱を用いて流体容器２６からの液体の作動流体３２を蒸発させて気体の作動流体３４にするための薄膜蒸発器３６を含んでいる。上述のように、熱発生体１２を冷却するのに十分な量の作動流体１６の移送を確保するために薄膜蒸発器３６を通常能動的に駆動するが、しかしながらまた、受動的である可能性もある。例えば、薄膜蒸発器３６は、熱発生体１２が所定の閾値を超える熱を発生している場合には能動的に駆動でき、熱発生体１２が所定の閾値よりも少ない熱を発生している場合には受動的に駆動できる。

薄膜蒸発器３６は、密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０の内部表面２８と熱的に接触しており、蒸気室２４の中にある蒸発器ウィック（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒｗｉｃｋ）３８を含んでいる。通常、内部表面２８と接触している蒸発器ウィック３８の表面積は、外部表面１８と接触している熱発生装置１２の表面積とほぼ（すなわち、＋／−５％）等しいか、またはそれよりも広い。蒸発器ウィック３８は、流体容器２６から液体の作動流体３２を受け取り、密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０の内部表面２８上に液体の作動流体３２を実質的に均一に分散させて液体の作動流体３２の薄層４０を形成する。毛細管吸湿発散性の程度と、薄層４０の面積とを最大化するように蒸発器ウィック３８を設計することが適切である。

放熱装置１０、特に、熱発生体１２との熱的結合が、液体の作動流体３２の薄層４０へ熱が十分に移動することにより熱発生体１２を冷却できるように設計されている。伝導に対する熱伝達率Ｒにより、熱発生体１２から液体の作動流体３２の薄層４０に伝達される熱を表すと、Ｒ＝Ｌ／（ｋＡ）であり、Ｌは伝導経路長、Ａは伝熱面積、ｋは熱伝導率である。熱伝達率Ｒが大きいほど、熱の移動が少ない。したがって、液体の作動流体３２の薄層４０の面積と、熱発生体１２と液体の作動流体３２の薄層４０との中間にある材料の熱伝導率とが大きいほど、熱移動が大きくなる。同様に、伝導経路長が短いほど、熱移動が大きくなる。

液体の作動流体３２を流体容器２６から蒸発器ウィック３８に供給するために、密閉型ハウジング１４の供給導管４２が流体容器２６と蒸発器ウィック３８の間に延びている。蒸発器ウィック３８は、毛細管作用を用いて流体容器２６から供給導管４２を経由して液体の作動流体３２を引き込む。また、この毛細管作用は、密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０の内部表面２８上に液体の作動流体３２を分散させる働きをする。液体の作動流体３２の分散が大きいほど、熱発生体１２からの熱の移動が大きくなる。また、液体の作動流体３２の蒸発器ウィック３８への移動を向上させるために、追加の供給経路も想定される。

密閉型ハウジング１４の中の１つ以上のシンセティックジェット４４（図示では２つ）を使用して、蒸気室２４から気体の作動流体３４を除去して、蒸発器ウィック３８を冷却して蒸発の前に液体の作動流体３２をより大きく分散させることができるようにすることで、液体の作動流体３２の気体の作動流体３４への移動を向上させることができる。通常、シンセティックジェット４４は、蒸発器ウィック３８の全体を冷却するために、および／または蒸発器ウィック３８の全体から気体の作動流体３４を除去するために、グリッドまたは他の２次元配列に配置した複数のシンセティックジェットを含んでいる。電力は、対応する電線４６および電源４８を経由してシンセティックジェット４４に供給する。

シンセティックジェット４４は、対応するオリフィス５０および対応する振動アクチュエータ５２を用いて、蒸気室２４内に気体の作動流体３４の一連の渦輪を作り出す。渦輪の軸は内部表面２８に対して垂直であることが適切である。振動アクチュエータ５２は圧電アクチュエータ（図示）が適切であるが、しかしながら他の振動アクチュエータも想定される。シンセティックジェット４４の任意の構成を想定しているが、シンセティックジェット４４の振動アクチュエータ５２は、対応するダイヤフラムを渦輪の軸に沿って通常振動させる。振動アクチュエータ５２は、図示のように、ダイヤフラム（例えば、圧電ダイヤフラムなど）である可能性があり、または対応するダイヤフラムを単に振動させるだけである可能性もある。

オリフィス５０は対応する開口端５４を通常含み、この開口端５４を通って渦輪がオリフィス５０から蒸気室２４に入る。振動アクチュエータ５２は、例えば、オリフィス５０の中に位置しており、オリフィス５０の中の蒸気を開口端５４から押し出すことができる。オリフィス５０は、その中を通って渦輪がオリフィス５０から蒸気室２４に入る開口端５４の反対側に、追加の対応する開口端５６をさらに含むことができる。その後、振動アクチュエータ５２は、例えば、追加の開口端５４に位置しており、例えば、追加の開口端５４の範囲に広がるダイヤフラムなどを用いて渦輪を作り出すことができる。

また、振動アクチュエータ５２を使用して、供給導管４２を経由して蒸発器ウィック３８に液体の作動流体３２を送り込み、液体の作動流体３２の薄層４０の乾燥を防ぐのに十分な量の液体の作動流体３２を蒸発器ウィック３８に供給することを確保できる。通常、振動アクチュエータ５２は面外（すなわち、液体の作動流体３２の方向の流れに垂直な方向に振動する）である。このような場合には、液体の作動流体３２が、供給導管４２の方向にだけ流れることができることを確保することが重要である。また、液体の作動流体３２を送り込む他の方法も使用できる。

振動アクチュエータ５２を用いて液体の作動流体３２を送り込む１つの方法が、振動アクチュエータ５２に対応するダイヤフラムを使用することである。上述のように、振動アクチュエータ５２はダイヤフラム（図示）である可能性があり、または対応するダイヤフラムを単に振動させるだけである可能性もある。このような方法では、ダイヤフラムは、流体容器２６の壁を部分的に規定して、流体容器２６から出たり入ったりして振動する。通常、振動は薄膜蒸発器３６と液体の作動流体３２の流れとに対して垂直である。ダイヤフラムが流体容器２６の中に移動するとき、ダイヤフラムは液体の作動流体３２を吸い込む。ダイヤフラムが流体容器２６から外に移動するとき、ダイヤフラムは上述の渦輪を作り出す。

図３Ｂを特に参照すると、供給導管４２を用いて液体の作動流体３２を蒸発器ウィック３８に供給することに加えて、またはその代わりに、シンセティックジェット４４が液体の作動流体３２を、または他の何らかの流体を、流体容器２６から蒸発器ウィック３８上に実質的に均一に吹き付けることができる。図３Ｂに示すように、シンセティックジェット４４は、対応する供給ウィックまたは供給導管５８から液体の作動流体３２を受け取り、これらの対応する供給ウィックまたは供給導管５８は流体容器２６からオリフィス５０への液体の作動流体３２の流れを制御する。これにより、密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０の内部表面２８上に液体の作動流体３２を分散させて、液体の作動流体３２の薄層４０を形成するのを促進できる。

薄膜蒸発器３６は液体の作動流体３２を受け取って分散させるのに蒸発器ウィック３８を使用しているが、液体の作動流体３２を受け取って分散させるための他の方法も使用できる。例えば、ウィックのない方法を使用したり、または導電性ウィックと組み合わせて電気流体力学（ＥＨＤ）分極ポンピングを使用したりすることができる。他の例として、シンセティックジェット４４が、上述のように、内部表面２８上に液体の作動流体３２を吹き付けて、蒸発器ウィック３８を用いずに、液体の作動流体３２の薄層４０を作り出すことができる。他の例として、シンセティックジェット４４を用いずに、上述のように、液体の作動流体３２を送り出す振動アクチュエータ５２を必要に応じて用いながら、薄膜蒸発器３６がうまく働くことができる。

薄膜蒸発器３６および／またはシンセティックジェット４４は、熱発生体１２が液体の作動流体３２の薄層４０に運んだ熱を除去するのに十分な量の液体の作動流体３２を運んで分散させるように設計しなければならない。液体の作動流体３２の薄層４０において除去できる熱量ＱがＱ＝ｍ（ΔＨ_ｖ）であり、ここで、ｍは蒸発する液体の作動流体３２の流量、（ΔＨ_ｖ）は作動流体１６の蒸発潜熱である。したがって、薄膜蒸発器３６およびシンセティックジェット４４は、この方程式に基づいて設計している。

液体の作動流体３２の薄層４０が蒸発するときには、気体の作動流体３４を、蒸気室２４を経由して、拡大部分２２の通常末端部３０まで運ぶ。シンセティックジェット４４は、気体の作動流体３４を拡大部分２２の方へ押すことにより、気体の作動流体３４を拡大部分２２まで運ぶのを促進する。拡大部分２２の中で、気体の作動流体３４は放散して凝縮して液体の作動流体３２に戻る。

蒸気室２４に隣接して、各拡大部分２２は、対応する末端部３０から流体容器２６まで少なくとも延びており、拡大部分２２を通常満たしている戻りウィック６０を含んでいる。戻りウィック６０は、作動流体１６が凝縮して液体に戻るときに作動流体１６を捕捉して、通常、毛細管作用を用いて、作動流体１６を流体容器２６に戻す。このように、拡大部分２２は、平面ヒートパイプと見なすことができる。

放熱装置１０がうまく動作するには、戻りウィック６０の設計が重要である。戻りウィック６０を通る作動流体１６の流量が、作動流体再循環ループ（矢印で示す）を完成するのに十分な量である必要がある。戻りウィック６０は、工学的疎水性凝縮面と、液体の作動流体３２を流体容器２６に戻す供給経路の副層と、を有する多層ウィックである。図４を参照すると、気体の作動流体３４が供給経路に流れ込んで流体容器２６に運ばれる前に、供給経路６６のうちの１つの先端６４で球６２のように凝縮している。さらに、異なる倍率（画像Ａ〜Ｄに対応）の戻りウィック６０の実施例を提供している。

また、液体の作動流体３２を流体容器２６に戻す異なる方法も使用できる。例えば、ウィックのない方法を使用したり、または導電性ウィックと組み合わせて電気流体力学（ＥＨＤ）分極ポンピングを使用したりすることができる。

薄膜蒸発器にヒートパイプを結合することが、上述のように、熱界面材料（図１を参照すること）を介してヒートシンクを拡散器に連結している従来のサーマルパッケージ配置と対比できる。これらの追加の層のそれぞれは熱抵抗をもたらし、ホットスポットの可能性を増大させる。活性面上では、熱を放散することは簡単ではない。本願は、拡大部分またはフィンを熱経路に連結することによりこの問題を是正する。これらの拡大部分は、伝導性ウィックライニング（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｗｉｃｋｌｉｎｉｎｇ）を有する平面ヒートパイプと見なすことができる。

図５を参照すると、放熱装置１０の他の実施形態を示している。図５は、放熱装置１０の拡大部分２２に重点を置いた切断図を示している。また、拡大部分２２は、図２、図３Ａ、および図３Ｂのようには上方に曲がっていない。上述のように、放熱装置１０は製造後に必要に応じて成形できる。この実施形態の放熱装置１０は、図２の実施形態に関連して説明したように動作する。したがって、図２の放熱装置１０の実施形態の議論の要素と同等である要素には、同じ参照番号を振ってある。

図示のように、蒸発器ウィック３８は、毛細管作用および／またはシンセティックジェット４４を用いて、流体容器２６から液体の作動流体３２を受け取る。この液体の作動流体３２を用いて、蒸発器ウィック３８は、密閉型ハウジング１４のインタフェース部分２０の内部表面２８（図５には図示せず）上に、液体の作動流体３２の薄層４０（図５には図示せず）を作り出す。薄層４０内の液体の作動流体３２の蒸発により生成された気体の作動流体３４（図５には図示せず）が、その後、蒸気室２４を経由して密閉型ハウジング１４の拡大部分２２に移動する。シンセティックジェット４４を使用して、気体の作動流体３４を拡大部分２２に移動させることができる。

拡大部分２２の中では、気体の作動流体３４が冷えて凝縮して液体の作動流体３２に戻る。この液体の作動流体３２は、拡大部分２２の末端部３０にある対応する捕集容器６８で受け取ることができ、および／または戻りウィック６０により集めることができる。戻りウィック６０は、戻りウィック６０が集めた液体の作動流体３２を、および／または捕集容器６８からの液体の作動流体３２を、通常、毛細管作用を用いて、流体容器２６に戻す。このようにして、作動流体３４は、矢印で示す流体再循環ループに従う。

いくつかの実施形態では、インタフェース部分から気体の作動流体３４を取り除くための追加の方法または他の方法を使用できる。例えば、衝突噴流を使用できる。さらに、いくつかの実施形態では、拡大部分２２内に熱を拡散させる追加の方法または他の方法を使用できる。例えば、好ましい具現化ほど効率的ではないが、拡大部分２２は振動ヒートパイプ（ＰＨＰ）を含むことができる。振動ヒートパイプを使用するこのような実施形態は、ＰＨＰと蒸気室の間の伝導接触面積により制限される。

図６および図７を参照すると、技術的に知られているＰＨＰ技術を使用する放熱装置１０の他の実施形態を示している。説明しやすいように、単一の拡大部分２２またはフィンだけを記載しており、図２、図３Ａ、および図３Ｂのようには上方に曲がっていない。しかしながら、上述のように、放熱装置１０は製造後に必要に応じて成形できる。しかしながら、ＰＨＰ技術を使用するために、この実施形態の放熱装置１０は、図２の実施形態に関連して説明したように動作する。したがって、図２の放熱装置１０の実施形態の議論の要素と同等である要素には、同じ参照番号を振ってある。

図６を参照すると、放熱装置１０の平面図を示している。なお、インタフェース部分２０のすべての詳細を図示しているわけではない。拡大部分２２のそれぞれは、１つ以上のＰＨＰ８０と、１つの熱交換器８２と、を含んでいる。あるいは、拡大部分２２は共通のＰＨＰを共有できる。熱交換器８２は、対応する拡大部分２２の基底部のインタフェース部分２０に隣接して通常位置している。さらに、ＰＨＰ８０は、対応する拡大部分２２の末端部３０から、対応する熱交換器８２に通常延びている。

熱交換器８２は、蒸気室２４から気体の作動流体３４を受け取る。熱交換器の８２の中では、ＰＨＰ８０が気体の作動流体３４からの熱を吸収して、このＰＨＰ８０は吸収した熱を拡大部分２２の末端部３０まで運んで、外部環境に放散する。ＰＨＰ８０が熱を吸収すると、気体の作動流体３４が凝縮して液体の作動流体３２に戻り、液体の作動流体３２は流体容器２６に戻される。

図７を参照すると、熱交換器８２の部分斜視図を示している。熱交換器８２のそれぞれは捕集容器８４を含み、この捕集容器８４の中に、凝縮した作動流体３２が集まっている。捕集容器８４は、熱交換器８２の中に延びるＰＨＰ８０の部分の真下に通常位置している。さらに、ＰＨＰ８０の方向にかかわらず、当業者は他の方向の可能性もあることを理解するであろう。

より高い熱流束を与えるとの理由から、「結露」が一般に望ましい。この結露は、熱交換器８２の中に延びるＰＨＰ８０の部分の表面を疎水性材料８６を用いて覆うことにより、および／または包み込むことにより、促進される。焦げ付き防止加工のフライパン上に見られるような、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の薄層などで、ＰＨＰ８０のこれらの部分の表面を覆うことができる。図示のように、ＰＨＰ８０を疎水性材料８６内に包み込むと、ＰＨＰ８０により、液体の作動流体３２の液滴８８ができて、液滴８８が捕集容器８４の中に落ちるようになる。

凝縮した作動流体３２を流体容器２６に戻すために、拡大部分２２のそれぞれは、対応する捕集容器８４から流体容器２６まで延びる戻りウィック９０を含んでいる。戻りウィック９０は、捕集容器８４内の液体の作動流体３２を運ぶのに、上述のように毛細管作用を使用する。

Claims

熱発生体のための熱拡散および熱冷却を提供する放熱装置であって、
作動流体を用いて前記熱発生体から熱を除去するために前記熱発生体と熱連通している薄膜蒸発器と、
前記薄膜蒸発器が除去した熱を前記放熱装置の外部環境に放散するために、前記薄膜蒸発器と一体化しており、前記薄膜蒸発器から延びているヒートパイプと、
１）前記薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）前記薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行うポンプ要素と、
を含む、放熱装置。
前記ポンプ要素が、１）前記薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）前記薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行う振動アクチュエータを含む、請求項１に記載の放熱装置。
前記ポンプ要素が、密閉型ハウジング内で、前記薄膜蒸発器および前記ヒートパイプと一体化している、請求項１に記載の放熱装置。
前記ポンプ要素が、前記薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させるシンセティックジェットを含む、請求項１に記載の放熱装置。
前記薄膜蒸発器が、流体容器から液相の作動流体を受け取り、前記熱発生体からの熱を用いて前記受け取った液相の作動流体を気相に移動させ、前記ヒートパイプが、気相の前記作動流体を冷却して凝縮して液相の作動流体にして、前記凝縮した液相の作動流体を前記流体容器に戻す、請求項１に記載の放熱装置。
前記放熱装置が、
液相の作動流体用の流体容器と、前記薄膜蒸発器から前記ヒートパイプに延びる蒸気室と、を含む密閉型ハウジングを含み、
前記薄膜蒸発器が、前記流体容器から液相の作動流体を受け取り、前記受け取った液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体にして、気相の前記作動流体を前記蒸気室を経由して前記ヒートパイプに移動させる、請求項１に記載の放熱装置。
熱発生体のための熱拡散および熱冷却を提供する放熱法であって、
前記熱発生体と熱連通している薄膜蒸発器により、作動流体を用いて前記熱発生体から熱を除去することと、
前記薄膜蒸発器と一体化しており、前記薄膜蒸発器から延びているヒートパイプにより、前記薄膜蒸発器が除去した熱を前記放熱装置の外部環境に放散することと、
ポンプ要素により、１）前記薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）前記薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行うことと、
を含む、放熱法。
前記ポンプ要素の振動アクチュエータにより、１）前記薄膜蒸発器に作動流体を送り込むことと、２）前記薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることと、のうちの少なくとも１つを行うことをさらに含む、請求項７に記載の放熱法。
前記ポンプ要素のシンセティックジェットにより前記薄膜蒸発器への作動流体の移動を増大させることをさらに含む、請求項７に記載の放熱法。
前記薄膜蒸発器により、流体容器から液相の作動流体を受け取ることと、前記熱発生体からの熱を用いて前記受け取った液相の作動流体を気相に移動させることと、
前記ヒートパイプにより、気相の前記作動流体を冷却して凝縮して液相の作動流体にすることと、前記凝縮した液相の作動流体を前記流体容器に戻すことと、
をさらに含む、請求項７に記載の放熱法。