JP2016156584A - 薄板ヒートパイプ型熱拡散板 - Google Patents

Abstract

【課題】電子素子の温度上昇を抑制でき、しかも携帯端末や携帯型電子機器の薄型化を促進することのできる薄板ヒートパイプ型熱拡散板を提供する。
【解決手段】薄板型のコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入されている薄板ヒートパイプ型熱拡散板であって、コンテナは、互いに接合された上板２と下板３とを有し、これら上板２と下板３との少なくともいずれか一方の板が他方の板に対向する面に、複数本の第１溝４とこれらの第１溝４に交差する第２溝５とが形成され、第１溝４と第２溝５とのいずれか一方の内部に、液相の作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイック６が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多機能携帯電話（スマートフォン）やタブレット型パソコンなどの携帯型の情報端末あるいは電子機器における発熱体である電子素子の熱を拡散させる用途に好適な薄板ヒートパイプ型の熱拡散板に関するものである。

携帯型の情報端末や電子機器では、情報処理量の増大に伴って発熱量が多くなっており、熱による動作不良や情報処理速度の低下などを防止するために、ＣＰＵなどの電子素子の温度上昇を抑制する必要性が高くなってきている。また一方で、携行性を良好にするために薄型化や小型化、さらには軽量化が求められている。

従来、この種の情報端末や電子機器における放熱や冷却のための手段が種々提案されており、例えば特許文献１には、ＣＰＵなどの電子部品の熱を、回路基板と電池パックとの間に配置した極細ヒートパイプによって、筐体の背面あるいはディスプレイの背面を構成している金属板に運んで放熱するように構成された情報端末が記載されている。

特開２０１４−１３９５０１号公報

特許文献１に記載された構成では、電子部品とヒートパイプとの接触面積（熱伝達面積）が小さいことにより、ヒートパイプにおける蒸発部（もしくは加熱部）の領域が狭くなってしまう。そのため、電子部品と放熱部である金属板との間の熱抵抗が大きくなり、放熱性能あるいは冷却性能が制限され、電子部品の温度上昇を十分には抑制できない可能性がある。

本発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、電子素子の温度上昇を抑制でき、しかも携帯端末や携帯型電子機器の薄型化を促進することのできる薄板ヒートパイプ型熱拡散板を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成するために、薄板型のコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入されている薄板ヒートパイプ型熱拡散板において、前記コンテナは、互いに接合された上板と下板とを有し、前記上板と前記下板との少なくともいずれか一方の板が他方の板に対向する面に、複数本の第１溝と複数の前記第１溝に交差する第２溝とが形成され、前記第１溝と前記第２溝との少なくともいずれか一方の溝の内部に、液相の前記作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイックが配置されていることを特徴とするものである。

本発明では、前記第１溝の端部同士は互いに連通し、また前記第２溝の端部が前記第１溝に連通していてよい。

また、本発明では、前記ウイックの幅は、該ウイックが配置されている前記一方の溝の幅より狭く形成されて、前記一方の溝の内部に該一方の溝の長手方向に連続した蒸気流路が形成されていてよい。

さらに、本発明における前記第１溝および前記第２溝の幅は、前記第１溝同士の間隔および前記第２溝同士の間隔より狭くてよい。

一方、本発明では、前記ウイックは、前記一方の溝の底面と該一方の溝の開口端を閉じている他方の前記上板もしくは前記下板における前記コンテナの内面との間に挟み込まれて他方の前記上板もしくは前記下板を支持していてよい。

本発明では、前記ウイックが配置されている前記一方の溝は、一方の板に形成される前記ウイックを嵌め込んで固定している固定溝と、他方の板に形成される前記ウイックの幅より広い幅の流路用溝とによって構成されていてよい。

本発明では、前記上板と前記下板とのいずれか一方の板が他方の板より厚い板材によって構成されるとともに、該一方の板に前記第１溝および前記第２溝が形成され、前記上板と前記下板とのいずれか他方の板がクラッド材によって構成されていてよい。

そして、本発明では、前記コンテナの厚さを０．３８ｍｍないし０．４３ｍｍとし、かつ前記上板と前記下板とのいずれか他方の板の厚さと、前記溝の深さと、前記溝の部分における前記上板と前記下板とのいずれか一方の板の厚さとの比を１：２：１とすることができる。

本発明によれば、上板もしくは下板のいずれかの箇所に熱が伝達されて当該箇所の温度が高くなると、第１溝や第２溝の内部に封入されている作動流体が蒸発する。その蒸気は第１溝や第２溝を通って、温度および圧力の低い箇所に向けて流動する。その場合、第１溝同士だけでなく、第１溝および第２溝が互いに連通しているので、入熱のある箇所以外の広い範囲に作動流体蒸気が流動する。すなわち、広い範囲に熱が拡散させられる。温度および圧力の低い箇所に流動した作動流体蒸気は外部に放熱して凝縮し、その結果生じた液相作動流体はウイックに浸透する。ウイックのうち作動流体の蒸発が生じている箇所ではメニスカスの低下によって毛管力が生じており、その毛管力によって液相の作動流体は、外部からの入熱で作動流体の蒸発が生じている箇所に還流する。作動流体の還流はウイックを介して行われる。そのウイックが第１溝もしくは第２溝に配置されているとしても、各溝は互いに連通しているので、凝縮して生じた液相の作動流体は凝縮箇所に留まることなく、蒸発の生じる箇所に還流する。このような作動流体の蒸発と還流とは、加熱される箇所および放熱して凝縮する箇所が上板や下板のいずれの箇所であっても同様に生じ、その結果、熱を効率良く広い範囲に拡散させることができる。

本発明の一例を示す図であって、上板を取り去った状態の平面図である。 上板を取り付けた状態での図１のII−II線に沿う断面図である。 図２のIII部の拡大図である。 本発明の他の例を説明するための図３と同様の拡大図である。 縦溝もしくは横溝の内面に形成した微細溝を説明するための部分拡大断面図である。

図１ないし図３は本発明に係る熱拡散板１の一例を示しており、ここに示す例は、平面視で矩形状に形成されている。図３に一部を拡大して示してあるように、熱拡散板１は、共に矩形状を成す上板２と下板３とを接合して構成されている。これら上板２と下板３とは薄い金属板であり、例えば上板２は、ステンレス鋼の上下両面に銅を貼り合わせたクラッド材によって構成され、また下板３は銅の薄板によって構成されている。その板厚の一例を挙げると、上板２が０．１ｍｍ程度、下板３が０．３ｍｍ程度である。したがって、熱拡散板１の全体としての厚さは０．４ｍｍ程度である。素材や加工時の誤差などを考慮すると、厚さは０．３８〜０．４３ｍｍ程度である。なお、上板２としてステンレス鋼が使用されている理由は、強度を保持させるためである。また、銅を貼り合わせてある理由は、後述するように、作動流体として水を使用した場合であっても、非凝縮性の気体が発生しないようにするためである。

上板２と下板３とは、気密状態に接合されている。その接合のための手段は、必要に応じて適宜に手段を採用することができる。具体的には、銀などによる拡散接合を採用することが好ましく、拡散接合によれば、接合時に応力や熱などによる変形あるいはひずみを抑制することができる。

上板２と下板３との間に複数条の溝が形成されており、その溝の内部に空気などの非凝縮性の気体を脱気した状態で作動流体が封入されている。これらの溝は、プレスやエッチングなどの従来知られている方法で形成されていてよい。したがって、熱拡散板１は薄板型のヒートパイプとして構成され、上板２と下板３とはヒートパイプとしてのコンテナを構成している。図１ないし図３に示す例では二種類の溝４，５が形成されている。本発明における第１溝に相当する縦溝４は、下板３の上板２に対向する面に、その長手方向に沿って互いに平行に形成されている。また、本発明における第２溝に相当する横溝５は、下板３の上板２に対向する面に、その幅方向に沿って互いに平行に形成されており、したがって縦溝４と横溝５とは互いに交差し、連通している。なお、縦溝４の両端部は横溝５によって連通されている。また、各横溝５の端部はいずれかの縦溝４に一致しており、したがっていずれの溝４，５も閉塞端のない構成となっている。これらの溝４，５の開口端は、下板３に接合された上板２によって密閉されている。これらの溝４，５の寸法の一例を挙げると、深さが０．２ｍｍ、幅が５ｍｍ、およびこれらに加工誤差あるいは測定誤差を加えた寸法である。したがって、溝４，５の底部における下板３の厚さは、０．１ｍｍ程度であり、上板２の厚さと溝４，５の深さもしくは厚さ（コンテナの厚さ方向での寸法）とその溝４，５の部分の底部での下板３の厚さとの比は、１：２：１程度である。このように、上板２に強度の高いステンレス鋼を含むクラッド材を使用することにより、非常に薄くて、作動流体が移動する溝を十分に確保できるコンテナを形成できる。なお、各溝４，５同士の間隔は、各溝４，５の幅より広く形成されている。

作動流体は、設計上想定されている温度範囲で蒸発および凝縮する流体であり、従来知られているヒートパイプで使用されている作動流体を使用することができる。より具体的には、作動流体として水を採用することができる。ここで説明している例では、上板２におけるコンテナの内面が銅であり、また下板３が銅であるから、作動流体として水を使用した場合であっても、水素などの非凝縮性の気体が発生することはない。

各縦溝４の内部にウイック６が配置されている。ウイック６は液相の作動流体（以下、作動液と記す。）が浸透することにより毛管力を発生させる微細空隙のある部材であって、カーボンファイバーなどの極細線を束ね、あるいは網状に編んだメッシュ材で構成され、あるいは金属粉末を焼結した焼結材などの多孔質体によって構成されている。このウイック６は、図１ないし図３に示す例では、各縦溝４と、縦溝４の端部を繋いでいる横溝５との内部に配置されている。また、ウイック６の幅は縦溝４あるいは横溝５の幅より小さい。したがってこれらの溝４，５の内部には、ウイック６によって占められていない残余の空間部分が生じている。残余の空間部分が蒸気流路７となっている。なお、ウイック６が配置されていない横溝５も蒸気流路７となっている。

さらに、ウイック６の厚さは、縦溝４あるいは横溝５の深さ以上に設定されていて、ウイック６はこれらの溝４，５の底面と上板２の内面との間に挟み付けられている。したがって、ウイック６は上板２の一部を支えるように機能している。なお、ウイック６を図３に示すように溝４，５の幅方向での中央部に配置する場合には、ウイック６の位置を決めるため、あるいはウイック６の位置のずれを防止するために、これらの溝４，５の底面を円弧状もしくは開き角度の大きいＶ字状もしくは船底状に窪ませることが好ましい。

なお、上板２と下板３とによって構成されているコンテナの外周部の所定箇所に、横溝５もしくは縦溝４に連通させたノズル部８が設けられている。このノズル部８は、コンテナの内部、すなわち各溝４，５の内部から非凝縮性の気体を排出させ、また作動流体を注入するためのものであって、適宜の細管を取り付けることによって構成され、あるいは上板２と下板３との一部を突出させるとともにその突出部同士を、それらの内部に管路が形成されるように接合して構成されている。そしてこのノズル部８は、脱気および作動流体の注入後に密閉されている。なお、ノズル部８は、コンテナの外部に突出させずに、上板２と下板３との間の管路として形成し、適宜の封止材を埋め込んで閉じ、あるいは押し潰して閉じた構成としてもよい。

上述した熱拡散板１の作用について説明する。熱拡散板１は例えば携帯端末における電子素子（それぞれ図示せず）の冷却に使用することができ、上板２もしくは下板３の所定箇所を電子素子などの発熱体に密着させた状態に配置される。発熱体は熱拡散板１よりも小さいから、発熱体の熱は熱拡散板１の一部に伝達されることになる。前述した各溝４，５は、図１ないし図３に示す例では、井桁状に張り巡らされている。そのため、発熱体からの入熱箇所もしくはその近傍に作動液が存在しており、その作動液が発熱体からの入熱によって加熱されて蒸発する。熱拡散板１は、発熱体に接触していない箇所が周囲の空気によって冷却される。あるいは、熱拡散板１は、適宜の放熱箇所もしくは放熱部材（それぞれ図示せず）に接触している。そのため、発熱体からの入熱箇所から離れた箇所の温度が低く、また発熱体からの入熱箇所から離れた箇所の近辺における溝４，５の内部の圧力が低くなっている。したがって、作動流体の蒸気は、各溝４，５の内部を通って、温度および圧力の低い箇所に向けて流動する。その場合、各溝４，５は互いに連通しているから、作動流体の蒸気は各溝４，５の全体に広く分散して流動する。その流動の過程で、温度の低い箇所があれば、作動流体の蒸気は放熱して（冷却されて）凝縮する。凝縮して生じた作動液は、ウイック６に浸透するとともに、ウイック６による毛管力によって、作動流体の蒸発が生じている箇所に還流する。上述した熱拡散板１では、各溝４，５が相互に連通し、閉塞端が存在しないので、作動液の流動が滞ることがなく、円滑に還流させることができる。つまり、作動液の還流不足やそれに起因するドライアウトなどを回避もしくは抑制することができる。

このように、上記の熱拡散板１では、その限られた一部に伝達される発熱体の熱が、作動流体によって熱拡散板１の広い範囲に亘って拡散させられる。また、その熱の拡散は作動流体がその潜熱として輸送することにより行われる。そのため、多量の熱が、広い範囲に亘って輸送されて拡散させられるので、発熱体から多量の熱が奪われて発熱体の温度上昇が抑制される。さらに、本発明に係る上記の熱拡散板１は、その厚さが上述したように０．３８〜０．４３ｍｍ程度であり、しかも、上板２の厚さと上下の板１，２の間の空間である溝４，５の深さもしくは厚さとその溝４，５の底部の部分での下板３の厚さとの比が１：２：１程度であるから、下板３から上板２に対して熱が伝導しやすく、この点でも発熱体からの熱の拡散を促進することができる。

特に本発明に係る上述した熱拡散板１では、発熱体から伝達された熱を放熱の生じる箇所に、作動流体が潜熱として輸送し、他の部材が介在しないので、入熱部分と放熱部分との間の熱抵抗が小さく、多量かつ高効率で発熱体の冷却あるいは放熱を行うことができる。しかも、発熱体と放熱箇所もしくは冷却部との間に熱拡散板１以外の部材が介在せず、また重ねて配置する部材が存在しないので、熱拡散板１を使用する携帯端末や電子機器を薄型化することができ、あるいは薄型化に有利になる。

熱拡散板１に入熱があって作動流体が蒸発した場合、溝４，５の内部での圧力が高くなる。しかしながら、本発明に係る上述した熱拡散板１では、各溝４，５を除いた部分の全体で上板２と下板３とが接合されており、しかも各溝４，５の幅よりも各溝４，５同士の間の部分すなわち上板２と下板３とを接合している部分の幅が広いから、上板２と下板３との接合強度が十分に高くなり、それに伴って熱拡散板１の曲げ強度が十分に高くなっている。したがって上板２が膨らんだり、全体として反り返る等の変形が防止もしくは抑制される。また、入熱がないことにより作動流体が凝縮した場合には、各溝４，５の内圧が低くなるが、ウイック６を溝４，５の底面と上板２の内面との間に挟み込んでいることにより、上板２がウイック６によって下から支えられ、上板２の局部的な窪みなどの変形が防止もしくは抑制される。

本発明に係る熱拡散板１は、図１ないし図３に示す構成以外の構成とすることができる。図４はウイック６を配置する溝の形状を変更した例を示す部分断面図であり、下板３には、ウイック６のほぼ下半分を嵌め込むための固定溝４Ａが形成されている。この固定溝４Ａは、ウイック６とほぼ同じ幅で、かつ内面の形状がウイック６の下側の外形形状とほぼ等しく形成されている。したがって、ウイック６は固定溝４Ａ内に嵌め込まれて固定されている。これに対して上板２の内面には、固定溝４Ａ内に配置されているウイック６を覆う流路用溝４Ｂが形成されている。図４に示す例では、この流路用溝４Ｂは、ウイック６の幅より広い幅の矩形断面の溝として形成されている。したがって、ウイック６の上半分は、流路用溝４Ｂの内部に位置している。そして、流路用溝４Ｂの幅がウイック６の幅より大きいことにより、ウイック６の上半分の周囲に蒸気流路７が形成されている。なお、固定溝４Ａと流路用溝４Ｂとを合わせた溝の深さは、前述した例と同様に０．２ｍｍ程度であり、また流路用溝４Ｂの幅は５ｍｍ程度である。

また、本発明における各溝４，５の内面は平滑面でなくてもよい。例えば図５に示すように、溝４，５の内面にその長手方向に沿って、微細溝９を形成してもよい。この微細溝９は、幅が０．０２〜０．０５ｍｍ程度のものであって、エッチングなどによって形成することができる。この微細溝９は作動液が浸透することにより毛管力を発生するので、溝４，５の内面に対する作動液の濡れ性が向上し、また作動液の還流特性が向上する。

以上説明した例では、上板２および下板３の長辺に平行な縦溝４の内部にウイック６を配置したが、本発明では、横溝５にウイック６を配置し、縦溝４は蒸気流路としてもよい。また、本発明における第１溝および第２溝は、直線状である必要はなく、蛇行する曲線状や円弧状を成すように構成されてよく、要は、ウイックの配置された溝と、ウイックが配置されていない溝とが交差して設けられていればよい。

１…熱拡散板、 ２…上板、 ３…下板、 ４，５…溝、 ４Ａ…固定溝、 ４Ｂ…流路用溝、 ６…ウイック、 ７…蒸気流路、 ８…ノズル部、 ９…微細溝。

Claims (8)

1. 薄板型のコンテナの内部に、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体が封入されている薄板ヒートパイプ型熱拡散板において、
   前記コンテナは、互いに接合された上板と下板とを有し、
   前記上板と前記下板との少なくともいずれか一方の板が他方の板に対向する面に、複数本の第１溝と複数の前記第１溝に交差する第２溝とが形成され、
   前記第１溝と前記第２溝との少なくともいずれか一方の溝の内部に、液相の前記作動流体が浸透することにより毛管力を発生するウイックが配置されている
   ことを特徴とする薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
2. 前記第１溝の端部同士は、互いに連通し、
   前記第２溝の端部が前記第１溝に連通している
   ことを特徴とする請求項１に記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
3. 前記ウイックの幅は、該ウイックが配置されている前記一方の溝の幅より狭く形成されて、前記一方の溝の内部に該一方の溝の長手方向に連続した蒸気流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
4. 前記第１溝および前記第２溝の幅は、前記第１溝同士の間隔および前記第２溝同士の間隔より狭いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
5. 前記ウイックは、前記一方の溝の底面と該一方の溝の開口端を閉じている他方の前記上板もしくは前記下板における前記コンテナの内面との間に挟み込まれて他方の前記上板もしくは前記下板を支持していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
6. 前記ウイックが配置されている前記一方の溝は、一方の板に形成される前記ウイックを嵌め込んで固定している固定溝と、他方の板に形成される前記ウイックの幅より広い幅の流路用溝とによって構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
7. 前記上板と前記下板とのいずれか一方の板が他方の板より厚い板材によって構成されるとともに、該一方の板に前記第１溝および前記第２溝が形成され、
   前記上板と前記下板とのいずれか他方の板がクラッド材によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。
8. 前記コンテナの厚さが０．３８ｍｍないし０．４３ｍｍで、かつ前記上板と前記下板とのいずれか他方の板の厚さと、前記溝の深さと、前記溝の部分における前記上板と前記下板とのいずれか一方の板の厚さとの比が１：２：１となっていることを特徴とする前記請求項１ないし７のいずれかに記載の薄板ヒートパイプ型熱拡散板。