JP2022160791A - ベーパーチャンバ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、外部環境からの圧力に対する耐性を有しつつ、冷却対象との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮するベーパーチャンバを提供する。【解決手段】空洞部が内部に形成された、第１の面と前記第１の面に対向した第２の面を有するコンテナと、前記空洞部に設けられたウィック構造体と、前記空洞部に封入された作動流体と、気相の前記作動流体が流通する、前記空洞部に設けられた蒸気流路と、を備え、前記第１の面が、平面部位と前記平面部位から外方向へ突出した凸部位を有することで、前記コンテナが、平面部と前記平面部から外方向へ突出した凸部を有し、前記コンテナの前記凸部の内部空間が、前記平面部の内部空間と連通していることで、前記空洞部が形成され、前記凸部位に対向した前記第２の面の部位から前記凸部位へ向かって前記ウィック構造体が立設され、前記ウィック構造体が、前記第２の面及び前記凸部位と接しているベーパーチャンバ。【選択図】図１

Description

本発明は、外部環境からの圧力に対する耐性と冷却対象との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮するベーパーチャンバに関するものである。

電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、近年、その冷却がより重要となっている。また、電子部品等の発熱体は、電子機器の小型化から、狭小空間に配置されることがある。狭小空間に配置された電子部品等の発熱体の冷却方法として、扁平型のコンテナを備えたベーパーチャンバ（平面型ヒートパイプ）が使用されることがある。

また、ベーパーチャンバの小型化と軽量化の観点から、ベーパーチャンバのコンテナの肉厚は薄肉化することが要求されている。コンテナの内部は減圧処理されているので、コンテナの肉厚が薄肉化されていくと、大気圧や荷重の作用によってコンテナが変形してしまう恐れがある。コンテナが変形してしまうと、作動流体の流通特性が低下して、ベーパーチャンバの放熱特性が低下してしまうことがある。そこで、ベーパーチャンバのコンテナ内部には、コンテナの内部空間を維持するために、支持部が設けられることがある。

コンテナの内部空間を維持するために、コンテナ内部に支持部が設けられたベーパーチャンバとして、上板、下板、および複数の側壁によって密閉された空間内に配置され、前記上板および前記下板に接し、直線部を有する複数の第１ウィック部を有するウィック体と、前記空間内に配置され、前記上板および前記下板に接するピラーと、を備え、ピラーは、複数の前記第１ウィック部のうち、隣り合う２つの前記第１ウィック部における前記直線部同士の間に、前記直線部に対して間隔を空けて配置されているベーパーチャンバが提案されている（特許文献１）。特許文献１では、上板および下板に接するウィック体と上板および下板に接するピラーとを備えることで、コンテナの厚みを小さくしても、蒸気流路を確保したベーパーチャンバである。

一方で、ベーパーチャンバが狭小空間に配置された電子部品等の発熱体を冷却するにあたり、１つのベーパーチャンバにて複数の発熱体を冷却することがある。複数の発熱体は、いずれも同じ形状、寸法とは限らず、例えば、１つのベーパーチャンバにて、高さの異なる複数の発熱体を冷却することが要求されることがある。

図５は、従来のベーパーチャンバの使用方法例を説明する側面図である。図５に示すように、特許文献１等の従来のベーパーチャンバ２００に、基板１１０上に搭載された高さの異なる複数の発熱体１００（図５では、説明の便宜上、高さの異なる４つの発熱体１００－１、１００－２、１００－３、１００－４）を熱的に接続しようとすると、４つの発熱体１００－１、１００－２、１００－３、１００－４のうち、最も高い発熱体１００－１に対しては優れた熱的接続性を得ることができる。しかし、ベーパーチャンバ２００では、発熱体１００－１よりも高さの低い３つの発熱体１００－２、１００－３、１００－４に対しては、ベーパーチャンバ２００と発熱体１００－２、１００－３、１００－４との間に隙間が生じ、優れた熱的接続性を得ることができないことから、発熱体１００－２、１００－３、１００－４に対して放熱特性を発揮できない。

そこで、ベーパーチャンバ２００と発熱体１００－２、１００－３、１００－４との間に生じた隙間に、熱伝導性樹脂や熱伝導性グリースを挿入することでベーパーチャンバ２００と発熱体１００－２、１００－３、１００－４との熱的接続性を確保することがある。また、ベーパーチャンバ２００と発熱体１００－２、１００－３、１００－４との間に生じた隙間に、金属ブロックを配置することでベーパーチャンバ２００と発熱体１００－２、１００－３、１００－４との熱的接続性を確保することがある。しかしながら、熱伝導性樹脂、熱伝導性グリース、金属ブロック等の別部材を用いてベーパーチャンバ２００と発熱体１００との間の隙間を埋めても、ベーパーチャンバ２００と発熱体１００との間の熱的接続性を十分に確保することはできないという問題があった。

また、ベーパーチャンバの他の使用方法として、基板の表面に熱的に接続された冷却対象である発熱体に対して基板の裏面にベーパーチャンバを熱的に接続して発熱体を冷却する使用方法が挙げられる。

図６は、従来のベーパーチャンバの他の使用方法例を説明する側面図である。図６に示すように、基板１１０に厚さ方向の貫通孔１１１を形成し、貫通孔１１１に銅コイン等の金属コイン１２０を嵌挿させることで、基板１１０の表面１１２と裏面１１３間で熱伝導可能な状態とする。基板１１０の表面１１２に熱的に接続された発熱体１００の熱は、金属コイン１２０を介して基板１１０の表面１１２から裏面１１３へ伝達される。基板１１０の裏面１１３へ伝達された熱は、基板１１０の裏面１１３に熱的に接続された従来のベーパーチャンバ２００の熱輸送特性によりベーパーチャンバ２００全体にわたって拡散され、ベーパーチャンバ２００に熱的に接続された放熱フィン２１０の熱交換作用によって外部環境へ放出される。

しかし、金属コイン１２０が傾いた状態で貫通孔１１１に挿入されることがある。貫通孔１１１内で金属コイン１２０が傾いてしまうと、金属コイン１２０の傾いた一部のみが裏面１１３から突出してベーパーチャンバ２００と接触することとなってしまう。上記から、金属コイン１２０の傾いた一部のみがベーパーチャンバ２００と接触することを防止するために、予め、金属コイン１２０が基板１１０の裏面１１３よりも窪んだ状態となるように、金属コイン１２０の厚さが基板１１０の厚さよりも薄くなるように設計されることがある。

しかし、図６に示すように、金属コイン１２０が基板１１０の裏面１１３よりも窪んだ状態では、金属コイン１２０とベーパーチャンバ２００の間に隙間１２１が生じてしまうこととなり、ベーパーチャンバ２００と金属コイン１２０間に優れた熱的接続性を得ることができない。

そこで、金属コイン１２０とベーパーチャンバ２００の隙間１２１に熱伝導性グリースや熱伝導性樹脂を挿入することでベーパーチャンバ２００と金属コイン１２０との熱的接続性を確保することがある。しかしながら、熱伝導性グリース等の別部材を用いてベーパーチャンバ２００と金属コイン１２０との間の隙間１２１を埋めても、ベーパーチャンバ２００と金属コイン１２０との間の熱的接続性を十分に確保することはできないという問題があった。

国際公開第２０１７／１０４８１９号

上記事情に鑑み、本発明は、外部環境からの圧力に対する耐性を有しつつ、冷却対象との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮するベーパーチャンバを提供することを目的とする。

本発明の構成の要旨は、以下の通りである。
［１］空洞部が内部に形成された、第１の面と前記第１の面に対向した第２の面を有するコンテナと、前記空洞部に設けられたウィック構造体と、前記空洞部に封入された作動流体と、気相の前記作動流体が流通する、前記空洞部に設けられた蒸気流路と、を備え、
前記第１の面が、平面部位と前記平面部位から外方向へ突出した凸部位を有することで、前記コンテナが、平面部と前記平面部から外方向へ突出した凸部を有し、
前記コンテナの前記凸部の内部空間が、前記平面部の内部空間と連通していることで、前記空洞部が形成され、
前記凸部位に対向した前記第２の面の部位から前記凸部位へ向かって前記ウィック構造体が立設され、前記ウィック構造体が、前記第２の面及び前記凸部位と接しているベーパーチャンバ。
［２］前記コンテナが、複数の前記凸部を有する［１］に記載のベーパーチャンバ。
［３］前記ウィック構造体が、立設方向の応力に応じて立設方向の寸法が低下する部材である［１］または［２］に記載のベーパーチャンバ。
［４］前記ウィック構造体が、金属粉を含む粉体の焼結体、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、金属線材及び不織布からなる群から選択された少なくとも１種である［１］乃至［３］のいずれか１つに記載のベーパーチャンバ。
［５］前記第１の面が、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以下の金属材である［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のベーパーチャンバ。
［６］前記ウィック構造体が、前記コンテナの内部空間を維持する支持部である［１］乃至［５］のいずれか１つに記載のベーパーチャンバ。
［７］前記コンテナが、一方の板状体と前記一方の板状体と対向する他方の板状体とにより形成され、前記一方の板状体が、外方向へ突出した前記凸部を有する［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のベーパーチャンバ。
［８］前記凸部と前記平面部が、冷却対象が熱的に接続される受熱部を有する［１］乃至［７］のいずれか１つに記載のベーパーチャンバ。

本発明のベーパーチャンバの態様によれば、第１の面が平面部位と前記平面部位から外方向へ突出した凸部位を有することで、コンテナが平面部と前記平面部から外方向へ突出した凸部を有し、前記凸部位に対向した第２の面の部位から前記凸部位へ向かってウィック構造体が立設され、前記ウィック構造体が前記第２の面及び前記凸部位と接していることにより、凸部に位置するウィック構造体がコンテナの内部空間を維持しつつ、高さの低い発熱体等の冷却対象に対して凸部にて熱的に接続できる。

従って、本発明のベーパーチャンバでは、外部環境からの圧力に対する耐性をコンテナに付与しつつ、冷却対象との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮できる。

本発明のベーパーチャンバの態様によれば、前記コンテナが複数の前記凸部を有することにより、高さの異なる２つ以上の冷却対象に対しても優れた熱的接続性を得ることができるので、高さの異なる２つ以上の冷却対象に対してであっても優れた熱輸送特性を発揮できる。

本発明のベーパーチャンバの態様によれば、前記ウィック構造体が、金属粉を含む粉体の焼結体、金属線からなるメッシュ、金属編組体、金属線材及び不織布からなる群から選択された少なくとも１種であることにより、コンテナの厚さ方向の応力によるウィック構造体の高さ調整が容易化される。従って、本発明のベーパーチャンバでは、コンテナの内部空間を維持しつつ、凸部の外方向への突出量の精度が向上するので冷却対象との熱的接続性が確実に向上する。

本発明のベーパーチャンバの態様によれば、前記第１の面が引張強度２００Ｎ／ｍｍ^２以下の金属材であることにより、コンテナの凸部が塑性変形しやすくなり、結果、コンテナの厚さ方向における凸部の塑性変形量に追従したウィック構造体の高さ調整も容易化される。従って、本発明のベーパーチャンバでは、凸部の外方向への突出量の精度が向上するので、冷却対象との熱的接続性が確実に向上する。

本発明のベーパーチャンバの態様によれば、前記ウィック構造体が前記コンテナの内部空間を維持する支持部であることにより、別途、コンテナの内部空間を維持するための支柱部材を設ける必要がないので、蒸気流路を十分に確保でき、気相の作動流体の流通特性がさらに向上する。

本発明の第１実施形態例に係るベーパーチャンバの内部構造の概要を説明する側面断面図である。 本発明の第２実施形態例に係るベーパーチャンバの内部構造の概要を説明する側面断面図である。 本発明の第３実施形態例に係るベーパーチャンバの内部構造の概要を説明する側面断面図である。 本発明のベーパーチャンバの他の使用方法例を説明する側面断面図である。 従来のベーパーチャンバの使用方法例を説明する側面図である。 従来のベーパーチャンバの他の使用方法例を説明する側面図である。

以下に、本発明の第１実施形態例に係るベーパーチャンバについて、図面を用いながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態例に係るベーパーチャンバの内部構造の概要を説明する側面断面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態例に係るベーパーチャンバ１は、対向する２枚の板状体、すなわち、一方の板状体１１と一方の板状体１１と対向する他方の板状体１２とを重ねることにより空洞部１３が内部に形成されたコンテナ１０と、空洞部１３に封入された作動流体（図示せず）と、気相の作動流体が流通する、空洞部１３に設けられた蒸気流路１５と、を備えている。

コンテナ１０は、薄型の板状コンテナ、すなわち、平面型コンテナであり、一方の板状体１１が第１の主表面である第１の面２１を有し、他方の板状体１２が第２の主表面である第２の面２２を有している。従って、コンテナ１０は、第１の主表面である第１の面２１と、第１の面２１に対向した、第２の主表面である第２の面２２と、を有している。

第１の面２１は、平坦な平面部位３２と平面部位３２から外方向へ突出した凸部位３１を有している。ベーパーチャンバ１では、凸部位３１は、第１の面２１に複数設けられている。図１のベーパーチャンバ１では、説明の便宜上、３つの凸部位３１－１、３１－２、３１－３が設けられている。また、凸部位３１の側面は、平面部位３２から鉛直方向へ突出している。一方で、第２の面２２は、凸部位を有しておらず、第２の面２２全体が、平坦な平面部位となっている。第１の面２１が平面部位３２と平面部位３２から外方向へ突出した凸部位３１を有していることで、コンテナ１０が、平面部１７と平面部１７から外方向へ突出した凸部１６を有している。上記から、一方の板状体１１が、外方向へ突出した凸部１６を有している。従って、コンテナ１０は、第１の面２１に複数の凸部１６（図１のベーパーチャンバ１では、説明の便宜上、３つの凸部１６－１、１６－２、１６－３）が設けられており、第２の面２２には凸部は設けられていない。上記から、コンテナ１０の平面部１７と凸部１６は、一体成型されている。また、凸部１６の側面は、平面部１７から鉛直方向へ突出している。

また、他方の板状体１２には、第２の面２２の周縁に沿って側壁２５が立設されている。第１の面２１の内面２３の周縁に他方の板状体１２の側壁２５の先端を対向配置させて当接させることにより、コンテナ１０の内部空間である空洞部１３が形成される。従って、側壁２５にて、コンテナ１０の側面が形成されている。空洞部１３は、密閉空間であり、脱気処理により減圧されている。コンテナ１０の凸部１６の内部空間は、平面部１７の内部空間と連通しており、凸部１６の内部空間と平面部１７の内部空間とから、コンテナ１０の空洞部１３が形成されている。従って、作動流体は、凸部１６の内部空間と平面部１７の内部空間との間で流通可能となっている。

コンテナ１０の形状は、特に限定されないが、ベーパーチャンバ１では、例えば、平面視（コンテナ１０の平面部１７に対して鉛直方向から視認した状態）にて、四角形状等の多角形状、円形状、楕円形状、直線部と湾曲部を有する形状等が挙げられる。

図１に示すように、ベーパーチャンバ１では、空洞部１３にはウィック構造体４０が設けられている。ウィック構造体４０は、毛細管力を有する部材であり、コンテナ１０の主表面に沿って、コンテナ１０の一端から他端まで延在している。また、ウィック構造体４０は、コンテナ１０の厚さ方向に沿って伸延した側面視柱状の部材である。上記から、ウィック構造体４０は、第２の面２２の内面２４から第１の面２１の内面２３に向かって伸延した側面視柱状の部材である。ウィック構造体４０の一端は、第１の面２１の内面２３に接しており、ウィック構造体４０の他端は、第２の面２２の内面２４に接している。

ウィック構造体４０は、複数の側面視柱状の部材からなっている。ウィック構造体４０は、複数の側面視柱状の部材が、コンテナ１０の主表面に沿って所定間隔にて並列配置されている構造となっている。具体的には、ウィック構造体４０は、側面視柱状の部材である第１のウィック部４１と側面視柱状の部材である第２のウィック部４２を有している。第１のウィック部４１は、コンテナ１０の凸部１６に立設されており、第２のウィック部４２は、コンテナ１０の平面部１７に立設されている。

ウィック構造体４０の第１のウィック部４１は、凸部位３１に対向した第２の面２２の部位から凸部位３１へ向かって立設されている。第１のウィック部４１は、所定間隔にて複数立設されている。また、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１は、第２の面２２及び凸部位３１と接している。従って、第１のウィック部４１の一端は、第１の面２１の内面２３のうちの凸部位３１に接しており、第１のウィック部４１の他端は、第２の面２２の内面２４のうち、凸部位３１に対向した部位に接している。第１のウィック部４１の一端から他端までの寸法が、第１のウィック部４１の高さとなっている。また、第１のウィック部４１は、一端から他端まで同一材料となっている。

コンテナ１０が厚さ方向の応力Ｆを受けて厚さ方向に塑性変形することに伴って、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１は高さ方向の圧縮を受けて、その高さが低下する。すなわち、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１は、高さ方向の応力Ｆを受けて圧縮する。上記から、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１は、立設方向の応力Ｆに応じて立設方向の寸法が低下する部材で形成されている。

第１のウィック部４１の部材としては、例えば、金属粉を含む粉体の焼結体等の多孔質部材、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、不織布等、金属線材等が挙げられる。これらの材料は、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。金属粉を含む粉体の焼結体は、例えば、原料である金属粉の平均粒子径を大きくすることで第１のウィック部４１として適した多孔質部材とすることができる。金属粉を含む粉体の焼結体としては、例えば、銅粉、ステンレス粉等の金属粉の焼結体、銅粉等の金属粉とカーボン粉との混合粉の焼結体等を挙げることができる。また、金属細線からなるメッシュと不織布は、例えば、所定量を撚り合わせた形態、所定量を折りたたんだ形態とすることで、第１のウィック部４１として適した部材とすることができる。

ベーパーチャンバ１では、第１のウィック部４１として、金属粉を含む粉体の焼結体からなる多孔質部材が用いられている。

ウィック構造体４０の第２のウィック部４２は、第１の面２１の平面部位３２に対向した第２の面２２の部位から平面部位３２へ向かって立設されている。第２のウィック部４２は、所定間隔にて複数立設されている。また、ウィック構造体４０の第２のウィック部４２は、第２の面２２及び第１の面２１の平面部位３２と接している。従って、第２のウィック部４２の一端は、第１の面２１の内面２３のうちの平面部位３２に接しており、第２のウィック部４２の他端は、第２の面２２の内面２４のうち、平面部位３２に対向した部位に接している。第２のウィック部４２の一端から他端までの寸法が、第２のウィック部４２の高さとなっている。また、第２のウィック部４２は、一端から他端まで同一材料となっている。

第２のウィック部４２の部材としては、例えば、金属粉を含む粉体の焼結体、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、不織布等、金属線材等が挙げられる。第２のウィック部４２の部材は、第１のウィック部４１の部材と同じでもよく、異なっていてもよい。これらの材料は、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。金属粉を含む粉体の焼結体は、例えば、第１のウィック部４１と同じく、原料である金属粉の平均粒子径を大きくすることで多孔質部材としてもよい。また、金属粉を含む粉体の焼結体は、例えば、原料である金属粉の平均粒子径を第１のウィック部４１よりも小さくすることで、第２のウィック部４２の高さ方向の圧縮を受けても第２のウィック部４２の高さが低下することを防止できる、機械的強度を向上させた部材としてもよい。金属粉を含む粉体の焼結体としては、例えば、銅粉、ステンレス粉等の金属粉の焼結体、銅粉等の金属粉とカーボン粉との混合粉の焼結体等を挙げることができる。また、金属細線からなるメッシュと不織布は、例えば、所定量を撚り合わせた形態、所定量を折りたたんだ形態とすることで、側面視柱状の部材とすることができる。

ベーパーチャンバ１では、第２のウィック部４２として、第１のウィック部４１と同じ部材である、金属粉を含む粉体の焼結体からなる多孔質部材が用いられている。

また、ウィック構造体４０は、コンテナ１０の内部空間を維持する支持部としても機能する。支持部でもあるウィック構造体４０は、減圧されているコンテナ１０の内部空間、すなわち、空洞部１３を維持する機能を有する。ウィック構造体４０の第１のウィック部４１は、コンテナ１０の凸部１６にて、コンテナ１０の内部空間を維持する支持部として機能し、ウィック構造体４０の第２のウィック部４２は、コンテナ１０の平面部１７にて、コンテナ１０の内部空間を維持する支持部として機能する。ベーパーチャンバ１では、支持部（ウィック構造体４０）と支持部（ウィック構造体４０）の間の空間部が、気相の作動流体が流通する蒸気流路１５となる。

コンテナ１０の材料としては、少なくとも一方の板状体１１の第１の面２１は、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以下の金属材であることが好ましい。第１の面２１が引張強度２００Ｎ／ｍｍ^２以下の金属材であることにより、コンテナ１０の凸部１６が厚さ方向の応力Ｆを受けると、コンテナ１０の厚さ方向に塑性変形しやすくなる。すなわち、コンテナ１０の凸部１６が、厚さ方向の応力Ｆにより潰れやすくなる。結果として、後述するように、コンテナ１０の厚さ方向における凸部１６の塑性変形量に追従したウィック構造体４０の高さ調整も容易化される。コンテナ１０の第１の面２１を有する一方の板状体１１の材料の引張強度は、凸部１６のコンテナ１０の厚さ方向への塑性変形がより容易化する点から、１８５Ｎ／ｍｍ^２以下がより好ましく、１５５Ｎ／ｍｍ^２以下が特に好ましい。一方で、コンテナ１０の材料の引張強度の下限値は、コンテナ１０の機械的強度の点から、一方の板状体１１では５０Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、他方の板状体１２では１８５Ｎ／ｍｍ^２が好ましい。なお、コンテナ１０の材料の引張強度は、JIS Z 2241にて測定した強度を意味する。

コンテナ１０の材料種としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。

ベーパーチャンバ１の厚さとしては、例えば、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下を挙げることができる。一方の板状体１１の厚さと他方の板状体１２の厚さは、同じでも、異なっていてもよく、ベーパーチャンバ１では、一方の板状体１１の厚さと他方の板状体１２の厚さは、略同じとなっている。ベーパーチャンバ１では、一方の板状体１１の厚さは、一方の板状体１１の全体にわたって略均一となっている。また、他方の板状体１２の厚さは、他方の板状体１２の全体にわたって略均一となっている。一方の板状体１１と他方の板状体１２の厚さは、例えば、それぞれ、０．１ｍｍを挙げることができる。

また、一方の板状体１１の周縁部と他方の板状体１２の周縁部を接触させた状態で全周にわたって接合することで、密閉容器であるコンテナ１０が形成され、空洞部１３が封止される。周縁部の接合方法としては、特に限定されず、例えば、拡散接合、ろう付け、ファイバレーザ等によるレーザ溶接、超音波溶接、摩擦接合、圧接接合等を挙げることができる。

空洞部１３に封入される作動流体としては、コンテナ１０の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水を挙げることができ、その他に、代替フロン、フルオロカーボン類、シクロペンタン、エチレングリコール、これらと水との混合物等を挙げることができる。

次に、図１を用いて、本発明の第１実施形態例に係るベーパーチャンバ１の使用方法例を説明する。図１では、ベーパーチャンバ１は、基板１１０に搭載された複数の発熱体１００を冷却対象としている。図１では、説明の便宜上、基板１１０に４つの発熱体１００－１、１００－２、１００－３、１００－４が搭載され、発熱体１００の高さは、発熱体１００－１、発熱体１００－２、１００－３、発熱体１００－４の順に高くなっている。なお、発熱体１００としては、例えば、中央演算処理装置等の半導体部品が挙げられる。

ベーパーチャンバ１を発熱体１００に熱的に接続する前は、複数の凸部１６（図１では、３つの凸部１６－１、１６－２、１６－３）の高さは、いずれも同じ高さとなっている。最も高さのある発熱体１００－１は、コンテナ１０の平面部１７に熱的に接続され、最も高さの低い発熱体１００－４は、コンテナ１０の凸部１６－３に熱的に接続され、発熱体１００－１と発熱体１００－４の中間の高さを有する発熱体１００－２、１００－３は、それぞれ、コンテナ１０の凸部１６－１、１６－２に熱的に接続される。上記から、凸部１６と平面部１７が、冷却対象である発熱体１００が熱的に接続される受熱部を有している。

コンテナ１０が４つの発熱体１００－１、１００－２、１００－３、１００－４に熱的に接続される際に、コンテナ１０の凸部１６－１、１６－２、１６－３が、それぞれ、発熱体１００－２、１００－３、１００－４からコンテナ１０の厚さ方向の応力Ｆを受けることで、凸部１６－１、１６－２、１６－３がコンテナ１０の厚さ方向に圧縮されて塑性変形する。その際に、発熱体１００－２、１００－３は発熱体１００－４よりも高いことから、凸部１６－１と凸部１６－２は凸部１６－３よりも応力Ｆが大きくなり、結果、凸部１６－３よりも塑性変形量が大きくなる。コンテナ１０の厚さ方向における凸部１６－１、１６－２、１６－３の塑性変形量に追従して、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１がコンテナ１０の厚さ方向に所定量圧縮される。従って、凸部１６－１と凸部１６－２に位置する第１のウィック部４１は、凸部１６－３に位置する第１のウィック部４１よりも圧縮量が大きくなる。ベーパーチャンバ１では、発熱体１００の高さの違いに応じて、凸部１６が所定量塑性変形し、また、第１のウィック部４１が所定量圧縮されることで、空洞部１３を維持しつつ、高さの異なる複数の発熱体１００に対しても優れた熱的接続性を発揮できる。

次に、本発明の第１実施形態例に係るベーパーチャンバ１の動作について説明する。コンテナ１０のうち、第１の面２１の外面に発熱体１００が熱的に接続されて、第１の面２１が受熱面として機能し、第１の面２１の外面のうち、発熱体１００と接触している部位が受熱部として機能する。ベーパーチャンバ１が受熱部にて発熱体１００から受熱すると、空洞部１３に封入された液相の作動流体が、受熱部にて液相から気相へ相変化し、相変化した気相の作動流体が、蒸気流路１５を流通してベーパーチャンバ１の受熱部から空洞部１３の全体にわたって拡散する。受熱部から空洞部１３の全体にわたって拡散した気相の作動流体は、潜熱を放熱して、気相から液相へ相変化する。このとき、放出された潜熱は、コンテナ１０全体からベーパーチャンバ１の外部環境へ放出される。気相から液相へ相変化した作動流体は、ウィック構造体４０の毛細管力により、空洞部１３の全体から受熱部へ還流される。

ベーパーチャンバ１では、第１の面２１が平面部位３２と平面部位３２から外方向へ突出した凸部位３１を有することで、コンテナ１０が平面部１７と平面部１７から外方向へ突出した凸部１６を有し、凸部位３１に対向した第２の面２２の部位から凸部位３１へ向かってウィック構造体４０の第１のウィック部４１が立設され、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１が第２の面２２及び凸部位３１と接していることにより、凸部１６に位置するウィック構造体４０がコンテナ１０の内部空間を維持しつつ、高さの低い発熱体１００に対して凸部１６にて熱的に接続できる。従って、ベーパーチャンバ１では、外部環境からの圧力に対する耐性をコンテナ１０に付与しつつ、発熱体１００との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、ベーパーチャンバ１では、特に、コンテナ１０が複数の凸部１６を有することにより、高さの異なる複数の発熱体１００に対しても優れた熱的接続性を得ることができるので、高さの異なる複数の発熱体１００に対してであっても優れた熱輸送特性を発揮できる。

また、ベーパーチャンバ１では、特に、ウィック構造体４０が、金属粉を含む粉体の焼結体、金属線からなるメッシュ、金属編組体、金属線材及び不織布からなる群から選択された少なくとも１種であることにより、コンテナ１０の厚さ方向の応力Ｆによって、ウィック構造体４０の圧縮による高さ調整が容易化されるので、空洞部１３を維持しつつ、凸部１６の外方向への突出量の精度が向上して発熱体１００との熱的接続性が確実に向上する。

また、ベーパーチャンバ１では、特に、コンテナ１０の第１の面２１が引張強度２００Ｎ／ｍｍ^２以下の金属材で形成されていることにより、コンテナ１０の厚さ方向の応力Ｆによってコンテナ１０の凸部１６が塑性変形しやすくなる。また、コンテナ１０の厚さ方向における凸部１６の塑性変形量に追従した第１のウィック部４１の高さ調整が容易化される。従って、ベーパーチャンバ１では、凸部１６の外方向への突出量の精度が向上し、発熱体１００との熱的接続性が確実に向上する。

また、ベーパーチャンバ１では、特に、ウィック構造体４０がコンテナ１０の内部空間を維持する支持部としても機能することにより、別途、コンテナ１０の内部空間を維持するための支柱部材を設ける必要がないので、蒸気流路１５を十分に確保でき、気相の作動流体の流通特性がさらに向上する。

次に、本発明の第２実施形態例に係るベーパーチャンバについて詳細を説明する。図２は、本発明の第２実施形態例に係るベーパーチャンバの内部構造の概要を説明する側面断面図である。なお、第２実施形態例に係るベーパーチャンバは、第１実施形態例に係るベーパーチャンバと主要な構成要素が共通しているので、第１実施形態例に係るベーパーチャンバと同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るベーパーチャンバ１では、複数の第１のウィック部４１、４１、４１・・・は、いずれも一端から他端まで同一材料となっていたが、これに代えて、第２実施形態例に係るベーパーチャンバ２では、複数の第１のウィック部４１、４１、４１・・・のうち、少なくとも一部の第１のウィック部４１は、一端側と他端側で異なる材料となっている。ベーパーチャンバ２では、第１のウィック部４１の一端側は第１の部材４１－１で形成され、第１のウィック部４１の他端側は第２の部材４１－２で形成されている。

第１の部材４１－１としては、例えば、平均粒子径の大きい金属粉を含む粉体の焼結体、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、不織布等で形成した多孔質部材が挙げられる。また、第２の部材４１－２としては、平均粒子径の小さい金属粉を含む粉体の焼結体、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、不織布等で形成した第１の部材４１－１よりも多孔質ではない部材が挙げられる。第１の部材４１－１が多孔質部材であることにより、凸部１６の塑性変形量に追従して、第１の部材４１－１がコンテナ１０の厚さ方向に所定量圧縮され、ひいては、第１のウィック部４１がコンテナ１０の厚さ方向に所定量圧縮される。

第１の部材４１－１と第２の部材４１－２の高さ割合は、特に限定されないが、例えば、第１の部材４１－１の高さは凸部１６と略同じ高さが挙げられ、第２の部材４１－２の高さは第２のウィック部４２と略同じ高さが挙げられる。

ベーパーチャンバ２でも、凸部１６に位置するウィック構造体４０がコンテナ１０の内部空間を維持しつつ、高さの低い発熱体１００に対して凸部１６にて熱的に接続できる。従って、ベーパーチャンバ２でも、外部環境からの圧力に対する耐性をコンテナ１０に付与しつつ、発熱体１００との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮できる。

次に、本発明の第３実施形態例に係るベーパーチャンバについて詳細を説明する。図３は、本発明の第３実施形態例に係るベーパーチャンバの内部構造の概要を説明する側面断面図である。なお、第３実施形態例に係るベーパーチャンバは、第１、第２実施形態例に係るベーパーチャンバと主要な構成要素が共通しているので、第１、第２実施形態例に係るベーパーチャンバと同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るベーパーチャンバ１では、複数の第１のウィック部４１、４１、４１・・・及び複数の第２のウィック部４２、４２、４２・・・は、いずれも一端から他端まで同一材料となっていた。これに代えて、第３実施形態例に係るベーパーチャンバ３では、複数の第１のウィック部４１、４１、４１・・・のうち、少なくとも一部の第１のウィック部４１は、一端側と他端側で異なる材料となっている。

ベーパーチャンバ３では、第１のウィック部４１の一方端が、弾性部材４３となっている。ベーパーチャンバ３では、第１のウィック部４１の第１の面２１に接している一端が、弾性部材４３となっている。第１のウィック部４１の第２の面２２に接している他端は、ベーパーチャンバ１、２と同じく、ウィックの部材となっている。弾性部材４３としては、例えば、金属線材を螺旋状に形成した部材が挙げられる。弾性部材４３は、例えば、金属粉を含む粉体の焼結体、金属線からなるメッシュ、金属編組体、金属線材及び不織布等のウィック構造体４０の材料上に連設されている。

ベーパーチャンバ３では、コンテナ１０の凸部１６が、発熱体１００からコンテナ１０の厚さ方向の応力を受けることで、凸部１６がコンテナ１０の厚さ方向に圧縮されて塑性変形する際に、凸部１６の塑性変形量に追従して、弾性部材４３が所定量圧縮される。弾性部材４３が所定量圧縮されることで、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１がコンテナ１０の厚さ方向に所定量圧縮され、高さの異なる複数の発熱体１００に対しても優れた熱的接続性を発揮できる。

ベーパーチャンバ３でも、凸部１６に位置するウィック構造体４０がコンテナ１０の内部空間を維持しつつ、高さの低い発熱体１００に対して凸部１６にて熱的に接続できる。従って、ベーパーチャンバ３でも、外部環境からの圧力に対する耐性をコンテナ１０に付与しつつ、発熱体１００との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮できる。

次に、本発明のベーパーチャンバの他の使用方法例を説明する。ここでは、第１実施形態例に係るベーパーチャンバ１を用いて他の使用方法例を説明する。図４は、本発明のベーパーチャンバの他の使用方法例を説明する側面断面図である。

図４に示すように、ベーパーチャンバ１の他の使用方法例として、基板１１０の表面１１２に熱的に接続された冷却対象である発熱体１００に対して基板１１０の裏面１１３にベーパーチャンバ１を熱的に接続して発熱体１００を冷却する使用方法が挙げられる。なお、他の使用方法例における発熱体１００としては、トランジスタ（例えば、メタルオキサイドセミコンダクターフィールドエフェクトトランジスタ）等のパワー半導体が挙げられる。

他の使用方法例では、基板１１０は、厚さ方向の貫通孔１１１を有し、貫通孔１１１に熱伝導性部材である銅コイン等の金属コイン１２０が嵌挿されていることで、基板１１０の表面１１２と裏面１１３間で熱伝導可能となっている。金属コイン１２０は、複数設けられており、図４では、基板１１０は、基板１１０の裏面１１３に対して最も後退した金属コイン１２０－１、基板１１０の裏面１１３に対して略同一平面上にある金属コイン１２０－２、基板１１０の裏面１１３に対して少し後退した金属コイン１２０－３を有している。

基板１１０の裏面１１３に対して最も後退した金属コイン１２０－１は、コンテナ１０の凸部１６－１に熱的に接続され、基板１１０の裏面１１３に対して略同一平面上にある金属コイン１２０－２は、コンテナ１０の凸部１６－２に熱的に接続され、基板１１０の裏面１１３に対して少し後退した金属コイン１２０－３は、コンテナ１０の凸部１６－３に熱的に接続される。上記から、凸部１６が、冷却対象である金属コイン１２０が熱的に接続される受熱部を有している。

コンテナ１０が３つの金属コイン１２０－１、１２０－２、１２０－３に熱的に接続される際に、コンテナ１０の凸部１６－１、１６－２、１６－３が、それぞれ、金属コイン１２０－１、１２０－２、１２０－３からコンテナ１０の厚さ方向の応力Ｆを受けることで、凸部１６－１、１６－２、１６－３がコンテナ１０の厚さ方向に圧縮されて塑性変形する。その際に、金属コイン１２０－２は基板１１０の裏面１１３に対して略同一平面上にあることから、凸部１６－２は、凸部１６－１及び凸部１６－３よりも応力Ｆが大きくなり、結果、凸部１６－１及び凸部１６－３よりも塑性変形量が大きくなる。また、金属コイン１２０－３は基板１１０の裏面１１３に対して少し後退していることから、凸部１６－３は凸部１６－１よりも応力Ｆが大きくなり、結果、凸部１６－１よりも塑性変形量が大きくなる。コンテナ１０の厚さ方向における凸部１６－１、１６－２、１６－３の塑性変形量に追従して、ウィック構造体４０の第１のウィック部４１がコンテナ１０の厚さ方向に所定量圧縮される。従って、凸部１６－２に位置する第１のウィック部４１は、凸部１６－１と凸部１６－３に位置する第１のウィック部４１よりも圧縮量が大きくなる。また、凸部１６－３に位置する第１のウィック部４１は、凸部１６－１に位置する第１のウィック部４１よりも圧縮量が大きくなる。

このように、ベーパーチャンバ１では、金属コイン１２０の基板１１０の裏面１１３からの後退量及び金属コイン１２０の基板１１０の裏面１１３からの突出量の違いに応じて、凸部１６が所定量塑性変形し、また、第１のウィック部４１が所定量圧縮されることで、基板１１０の裏面１１３からの位置が異なる複数の金属コイン１２０に対しても優れた熱的接続性を発揮できる。

ベーパーチャンバ１の他の使用方法例では、基板１１０の表面１１２に熱的に接続された発熱体１００の熱は、金属コイン１２０を介して基板１１０の表面１１２から裏面１１３へ伝達される。基板１１０の裏面１１３へ伝達された熱は、基板１１０の裏面１１３からベーパーチャンバ１の受熱部へ伝達され、ベーパーチャンバ１の熱輸送特性により、受熱部からベーパーチャンバ１全体にわたって拡散されて、ベーパーチャンバ１の外部環境へ放出される。

ベーパーチャンバ１の他の使用方法例でも、凸部１６に位置するウィック構造体４０がコンテナ１０の内部空間を維持しつつ、基板１１０の裏面１１３からの位置が異なる複数の金属コイン１２０に対して凸部１６にて熱的に接続できる。従って、ベーパーチャンバ１の他の使用方法例でも、外部環境からの圧力に対する耐性をコンテナ１０に付与しつつ、金属コイン１２０を介した発熱体１００との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮できる。

次に、本発明のベーパーチャンバの他の実施形態例を説明する。上記各実施形態例では、第１の面の内面上に、第１の面の内面の延在方向に沿って、さらに、第２のウィック構造体を設けてもよい。第１の面の内面に第２のウィック構造体を設けることにより、空洞部の全体から受熱部への液相の作動流体の還流特性がさらに向上する。また、上記各実施形態例では、第２の面の内面上に、第２の面の内面の延在方向に沿って、さらに、第３のウィック構造体を設けてもよい。第２の面の内面に第３のウィック構造体を設けることにより、空洞部の全体から受熱部への液相の作動流体の還流特性がさらに向上する。第２のウィック構造体、第３のウィック構造体としては、例えば、金属粉を含む粉体の焼結体、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、複数の細溝（グルーブ）、不織布等を挙げることができる。

また、上記各実施形態例では、コンテナが複数の凸部を有していたが、冷却対象の個数に応じて凸部の個数は適宜選択可能であり、１つの凸部でもよい。また、上記各実施形態例では、コンテナの凸部と平面部が、冷却対象が熱的に接続される受熱部を有していたが、これに代えて、コンテナの凸部のみが、冷却対象が熱的に接続される受熱部を有していてもよい。

また、第３実施形態例のベーパーチャンバでは、第１のウィック部の一方端が弾性部材となっていたが、これに代えて、第１のウィック部の一方端と第２のウィック部の一方端が弾性部材となっていてもよい。また、第３実施形態例のベーパーチャンバでは、第１のウィック部の第１の面に接している一端が、弾性部材となっていたが、これに代えて、第１のウィック部の第２の面に接している他端が、弾性部材となっていてもよい。

本発明のベーパーチャンバは、外部環境からの圧力に対する耐性を有しつつ、冷却対象との熱的接続性に優れることで優れた熱輸送特性を発揮するので、例えば、狭小空間に複数設置された形状の異なる発熱体を冷却する分野で、利用価値が高い。

１、２、３ ベーパーチャンバ
１０ コンテナ
１３ 空洞部
１５ 蒸気流路
１６ 凸部
１７ 平面部
２１ 第１の面
２２ 第２の面
４０ ウィック構造体

Claims (8)

1. 空洞部が内部に形成された、第１の面と前記第１の面に対向した第２の面を有するコンテナと、前記空洞部に設けられたウィック構造体と、前記空洞部に封入された作動流体と、気相の前記作動流体が流通する、前記空洞部に設けられた蒸気流路と、を備え、
   前記第１の面が、平面部位と前記平面部位から外方向へ突出した凸部位を有することで、前記コンテナが、平面部と前記平面部から外方向へ突出した凸部を有し、
   前記コンテナの前記凸部の内部空間が、前記平面部の内部空間と連通していることで、前記空洞部が形成され、
   前記凸部位に対向した前記第２の面の部位から前記凸部位へ向かって前記ウィック構造体が立設され、前記ウィック構造体が、前記第２の面及び前記凸部位と接しているベーパーチャンバ。
2. 前記コンテナが、複数の前記凸部を有する請求項１に記載のベーパーチャンバ。
3. 前記ウィック構造体が、立設方向の応力に応じて立設方向の寸法が低下する部材である請求項１または２に記載のベーパーチャンバ。
4. 前記ウィック構造体が、金属粉を含む粉体の焼結体、金属細線からなるメッシュ、金属編組体、金属線材及び不織布からなる群から選択された少なくとも１種である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のベーパーチャンバ。
5. 前記第１の面が、引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以下の金属材である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のベーパーチャンバ。
6. 前記ウィック構造体が、前記コンテナの内部空間を維持する支持部である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のベーパーチャンバ。
7. 前記コンテナが、一方の板状体と前記一方の板状体と対向する他方の板状体とにより形成され、前記一方の板状体が、外方向へ突出した前記凸部を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のベーパーチャンバ。
8. 前記凸部と前記平面部が、冷却対象が熱的に接続される受熱部を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のベーパーチャンバ。
   

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