JP2020136611A - ベーパーチャンバー、放熱構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高さが異なる複数の被冷却部材を容易に冷却するベーパーチャンバー、当該ベーパーチャンバーを用いた放熱構造、及び、当該放熱構造の製造方法を提供する。【解決手段】密封空間を有する本体と、前記密封空間内に封入した作動流体と、を備え、前記本体は、前記密封空間を介して対向する受熱面と放熱面を有し、前記受熱面が、被冷却部材と接触する接触部と、当該接触部の周囲に配置された板バネ部と、を含む、ベーパーチャンバーである。【選択図】図１

Description

本開示は、ベーパーチャンバー、当該ベーパーチャンバーを備える放熱構造に関する。

近年、パーソナルコンピューターなどの電子・電気機器のプリント基板に搭載されている半導体素子の処理能力向上に伴って、半導体素子の発熱量が増大しているが、半導体素子のサイズは従来とさほど違いがない。そのため、半導体素子の発熱密度が大きくなり、半導体素子の放熱構造が重要になってきている。

特許文献１には、電子部品と、熱拡散板との間に、内圧より膨張するコンテナを有する熱伝達部材（ベーパーチャンバー）を配置し、電子部品の発熱によりコンテナが膨張して、電子部品と熱拡散板とが熱伝達部材を介して接続する電子部品用の放熱構造が開示されている。特許文献１によれば、当該手法により高さが異なる複数の電子部品を容易に冷却できるとされている。

特開２０１４−１３８４９号公報

特許文献１の手法では、電子部品の熱を利用してベーバーチャンバーを膨張させ、熱拡散板に接触させている。当該手法を行うためには、発熱前の電子部品上にベーパーチャンバーを配置する必要がある。そのため高さが異なる複数の電子部品を冷却するためには、複数の電子部品各々に対して、ベーパーチャンバーを用意する必要がある。また、特許文献１の手法では、ベーパーチャンバーの伸縮が繰り返されるため、劣化しやすい問題があった。

本開示の目的は、上述した課題を鑑み、高さが異なる複数の被冷却部材を容易に冷却するベーパーチャンバー、当該ベーパーチャンバーを用いた放熱構造、及び、当該放熱構造の製造方法を提供することにある。

本開示のベーパーチャンバーの一実施形態は、
密封空間を有する本体と、
密封空間内に封入した作動流体と、を備え、
前記本体は、前記密封空間を介して対向する受熱面と放熱面を有し、
前記受熱面が、被冷却部材と接触する接触部と、
当該接触部の周囲に配置された板バネ部と、を含む。

本開示によれば、高さが異なる複数の被冷却部材を容易に冷却するベーパーチャンバー、当該ベーパーチャンバーを用いた放熱構造、及び、当該放熱構造の製造方法を提供することができる。

実施の形態１のベーパーチャンバーを模式的に示す断面図である。 ベーパーチャンバーの接触部と、基板上の被冷却部材とを対向するように配置した状態を模式的に示す断面図である。 実施の形態２の放熱構造を模式的に示す断面図である。 実施の形態３の放熱構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態のベーパーチャンバーの構成を説明する。図１は、本実施の形態のベーパーチャンバーを模式的に示す断面図である。なお、以下の説明では、説明を明確にするために、三次元（ＸＹＺ）座標系を用いて説明する。

ベーパーチャンバー１０は、密封空間１を有する本体２と、前記密封空間１内に封入した作動流体９を備えている。前記本体２は前記密封空間１を介して対向する受熱面３と放熱面４を有する。前記受熱面３は、後述する被冷却部材と接触する接触部５と、当該接触部５の周囲に配置された板バネ部６を含んでいる。受熱面３と放熱面４は密封空間１の壁面を構成している。なおベーパーチャンバー１０はＹ軸方向にも延在し、略平板状の形状を有する。

作動流体９は、後述する被冷却部材から接触部５を介して加熱されて気化し、放熱面４に到達すると、放熱面４に熱を放出して液体に戻る。作動流体９はこの目的を達成可能な液体の中から任意のものを選択して用いることができる。作動流体９の液量は、後述する動作により密封空間１が小さくなることを考慮して適宜調整すればよい。
ベーパーチャンバー１０の本体２の材質は、熱伝導率の高いものが好ましく、一例として銅やアルミニウムなどの金属が挙げられる。

ベーパーチャンバー１０の放熱面４側には放熱器８を配置してもよい。放熱器８を配置することにより放熱性が向上する。放熱器８は放熱面４側に接触していればよく、さらにカシメやロウ付けなど熱抵抗が大きくなりにくい方法で固定してもよい。
図１の例では、放熱面４側に放熱器８が配置されている。図１の例では、放熱器８のベーパーチャンバー１０を配置する側の面が凹部を有しており、当該凹部にベーパーチャンバー１０が嵌め込まれている。この構成によれば、ベーパーチャンバー１０と放熱器８との間の接触抵抗を小さくすることができ、放熱性に優れている。なお放熱器８は、一例としてヒートシンクが挙げられる。

受熱面３は、接触部５と板バネ部６を有している。接触部５は被冷却部材と接触して当該被冷却部材の熱を受ける部分である。接触部５の受熱面３内における位置及び大きさは、対応する被冷却部材の位置及び大きさを考慮して設計する。接触部５は通常、Ｙ軸方向にも延在し、例えば正面視（Ｚ軸方向からみて）四角形形状である。
板バネ部６は接触部５の周囲に配置される。なお不図示であるが、板バネ部６は接触部５のＹ軸方向にも配置されている。
接触部５が被冷却部材からの＋Ｚ方向の押圧により、板バネ部６が変形して、接触部５は高さ（Ｚ方向）が変化する。

受熱面３は、接触部５及び板バネ部６のほかに、基準面７を有してもよい。図１の例で基準面７のＹ軸方向には板バネ部６が配置されていない。そのため、基準面７は仮に被冷却部材等から＋Ｚ方向に力を受けてもＺ方向に移動しない。板バネ部６が接触部５と基準面７とを接続するように配置することにより、板バネ部６の変形が安定し、接触部５の傾きが抑制される。

受熱面３を構成する、接触部５、板バネ部６及び必要に応じて設ける基準面７は、Ｚ軸方向の力を受けていないときに、平坦面となるように構成してもよい。また、図１の例に示されるように、受熱面３は、接触部５が凸形状となる凹凸面を構成してもよい。接触部５を被冷却部材の高さに応じた凸形状とすることにより、ベーパーチャンバー１０と高さの異なる複数の被冷却部材と同時に接触できる。また接触部５を凸形状とすることにより、相対的に基準面７が凹部となるため、後述する基板との間の空隙が広くなる。そのため当該空隙には、例えば、冷却が不要で且つ被冷却部材よりも高さのある部材を収めることもできる。

＜実施の形態２＞
続けて、本実施の形態の放熱構造の構成を説明する。図３は、本実施の形態の放熱構造を模式的に示す断面図である。なお本実施の形態において、ベーパーチャンバー１０は前記実施の形態１に示すベーパーチャンバーである。

図３に示すように、本実施の放熱構造２０は、冷却対象となる被冷却部材１２，１３の熱を放熱面４側から放出する放熱構造である。図３において被冷却部材１２，１３は、ベーパーチャンバー１０の接触部５と接触しており、被冷却部材１２及び１３で発生した熱は、接触部５を介して放熱面４から放熱される。

図３において被冷却部材１２及び１３は厚みが異なる部材であり、平板状の基板１１上に実装されて、当該基板１１からの高さが異なっている。図３において、ベーパーチャンバー１０と基板１１とは固定部１５により固定している。被冷却部材１２及び１３が各々接触部５を押圧した状態で固定することにより、高さの異なる被冷却部材と接触部とが同時に密着した状態で固定される。そのため、本実施の形態に係る放熱構造は放熱性能に優れている。不図示であるが、必要に応じて接触部５と被冷却部材１２，１３との間に伝熱性グリス等の熱伝達部材を有してもよい。なお、被冷却部材１２及び１３は各々発熱する部材であり、一例として半導体素子である。
また、図３の例のように、基板１１上に被冷却部材１３よりも高さのある冷却が不要な部材１４を実装してもよい。接触部５を凸形状とすることにより、当該部材１４を基板１１上に配置することが可能となる。なお、冷却が不要な部材１４は一例として、発熱しない、又は低発熱性の半導体素子である。

次に図２を参照して、本実施の形態の放熱構造２０の製造方法の一例を説明する。図２は、ベーパーチャンバー１０の接触部５と、基板１１上の被冷却部材１２，１３とを対向するように配置した状態を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、まず、前記実施の形態１のベーパーチャンバー１０と、高さが異なる複数の被冷却部材１２，１３が実装された基板１１を準備する。ベーパーチャンバー１０は、基板１１の被冷却部材の配置に応じて設計されたものを準備する。
次いで、図２のようにベーパーチャンバー１０の受熱面３が有する接触部５と、前記基板１１上の被冷却部材１２，１３が対向するように配置する。
次いで、前記被冷却部材１２，１３が、前記接触部５を押圧した状態で固定する（図３参照）。

本実施の形態の放熱構造によれば、一つのベーパーチャンバーで、高さの異なる複数の被冷却部材を冷却することができる。このことにより、ベーパーチャンバーが複数必要な放熱構造と比較して、部品の組合せ時間の短縮、及び製造工程の削減が可能となり、生産性に優れている。
また、本実施の形態の放熱構造は、被冷却部材とベーパーチャンバーが密接しているため、放熱性能に優れている。また、接触部を凸形状とすることで、基板とベーパーチャンバーとの間に空間を設けることができ、当該空間内に実装高さの高い半導体素子を実装することもできる。

＜実施の形態３＞
図４を参照して、実施の形態３の放熱構造を説明する。図４は、実施の形態３の放熱構造を模式的に示す断面図である。実施の形態３は、前記実施の形態２の放熱構造の変形例であり、ベーパーチャンバー１０の密封空間１内に、前記接触部５と前記放熱面４に接続するコイルばね１６を備える点以外は、実施の形態２の放熱構造と同様である。
当該実施の形態３の放熱構造は、被冷却部材１２，１３からの押圧に対し、接触部５を介してコイルばね１６が反発する。その結果、接触部５と被冷却部材１２，１３がより密接するため、冷却性能がより向上する。

＜その他の変形例＞
不図示であるが、本実施の放熱構造は、冷却対象が、高さが同一の複数の被冷却部材が実装された基板であってもよい。また、本実施の放熱構造は、冷却対象が、１つの被冷却部材のみが実装された基板であってもよい。
例えば、被冷却部材自体に個体差がある場合や、基板と被冷却部材との接合部にばらつきがある場合には、被冷却部材の実装高さに製品間のばらつきが生じることがある。当該変形例の放熱構造によれば、このようなばらつきがあっても接合部の高さが変化するため、被冷却部材と接合部とが密接する。そのためこのようなばらつき考慮せずに放熱構造を製造することが可能となる。なお本効果は前記実施の形態２及び３の放熱構造においても奏する効果である。

１ 密封空間、 ２ 本体、 ３ 受熱面、 ４ 放熱面、 ５ 接触部、 ６ 板バネ部、 ７ 基準面、 ８ 放熱器、 ９ 作動流体、 １０ ベーパーチャンバー、 １１ 基板、 １２ 被冷却部材、 １３ 被冷却部材、 １４ 部材、 １５ 固定部、 １６ コイルばね、 ２０ 放熱構造

Claims (8)

1. 密封空間を有する本体と、
   前記密封空間内に封入した作動流体と、を備え、
   前記本体は、前記密封空間を介して対向する受熱面と放熱面を有し、
   前記受熱面が、被冷却部材と接触する接触部と、
   当該接触部の周囲に配置された板バネ部と、を含む、
   ベーパーチャンバー。
2. 前記接触部が凸形状を有する、請求項１に記載のベーパーチャンバー。
3. 前記密封空間内に、前記接触部と前記放熱面に接続するコイルばねを備える、請求項１又は２に記載のベーパーチャンバー。
4. 前記受熱面が、独立した複数の接触部を有し、
   各接触部は、各々独立に押圧により高さが変化する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
5. 前記受熱面が、高さの異なる複数の被冷却部材に同時に接触できる、
   請求項４に記載のベーパーチャンバー。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のベーパーチャンバーと、
   被冷却部材が実装された基板と、を有し、
   前記接触部と、前記被冷却部材とが接触した状態で固定されている、
   放熱構造。
7. 請求項４又は５に記載のベーパーチャンバーと、
   高さが異なる複数の被冷却部材が実装された基板と、を有し、
   前記複数の接触部と、前記複数の被冷却部材とが、各々接触した状態で固定されている、
   放熱構造。
8. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のベーパーチャンバーと、
   高さが異なる複数の被冷却部材が実装された基板と、を準備する工程と、
   前記受熱面が有する接触部と、前記基板が有する被冷却部材とが対向するように配置する工程と、
   前記被冷却部材が、前記接触部を押圧した状態で固定する工程と、
   を有する、放熱構造の製造方法。

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