JP2022181083A - 熱伝導部材 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ムラの発生を抑制可能な熱伝導部材を提供する。
【解決手段】熱伝導部材１は、内部に空間１０ａを有する筐体と、空間１０ａに配置されるウィック構造体３０と、空間１０ａに配置される作動媒体と、を備える。筐体は、対向して配置される第１板１１及び第２板１２と、溝部１７ａ、１７ｂと、を有する。溝部は、第１板１１及び第２板１２の少なくともいずれか一方に配置され、空間１０ａに臨む。第１板１１及び第２板１２の一方に、熱源接触部が配置される。第１板１１及び第２板１２の対向方向、溝部１７ａ、１７ｂは、一端を熱源接触部の外側に配置されて熱源接触部上に進入し、溝部１７ａ、１７ｂの他端は、溝部１７ａ、１７ｂが熱源接触部に進入する方向の熱源接触部の長さの１／２を超えて配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱伝導部材に関する。

従来の熱伝導部材は、内部に空間を有する容器と、空間に収容される金属粉焼結体及び作動流体と、を有する。容器は、対向して配置される第１シート体及び第２シート体を有し、第１シート体の内面には溝が形成されている。第２シート体の外面は、熱源に接触する。凝縮した作動流体は、溝状のグルーブを介して熱源側に流入する（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－７６５２２号公報

しかしながら、上記のような熱伝導部材は、熱源と溝状のグルーブとが、離れて配置されており、凝縮した作動流体が、熱源側に流入し難く、冷却ムラが発生する可能性があった。

本発明は、冷却ムラの発生を抑制可能な熱伝導部材を提供することを目的とする。

本発明の例示的な熱伝導部材は、内部に空間を有する筐体と、空間に配置されるウィック構造体と、空間に配置される作動媒体と、を備える。筐体は、対向して配置される第１板及び第２板と、溝部と、を有する。溝部は、第１板及び第２板の少なくともいずれか一方に配置され、空間に臨む。第１板及び第２板の一方に、熱源接触部が配置される。第１板及び第２板の対向方向、溝部は、一端を熱源接触部の外側に配置されて熱源接触部上に進入し、溝部の他端は、溝部が熱源接触部に進入する方向の熱源接触部の長さの１／２を超えて配置される。

本発明によると、冷却ムラの発生を抑制可能な熱伝導部材を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱伝導部材の上面図である。 図２は、図１のＩ－Ｉ断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る熱伝導部材の模式的な側面断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る熱伝導部材の変形例を示す上面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面においては、適宜、３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、鉛直方向（すなわち上下方向）を示し、＋Ｚ方向が上側（重力方向の反対側）であり、－Ｚ方向が下側（重力方向）である。Ｚ軸方向は、後述する第１板１１と第２板１２との対向方向でもある。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｘ方向および－Ｘ方向とする。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の両方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｙ方向および－Ｙ方向とする。ただし、これは、あくまで説明の便宜のために方向を定義したものであって、本発明に係る熱伝導部材１の製造時および使用時の向きを限定するものではない。また、「平行」、と表現する場合、数学的に厳密に平行である場合のみを指すものではなく、例えば本開示における効果を奏する程度に平行である場合を含む。

また、本明細書において、「焼結」とは、金属の粉末または金属の粉体を含むペーストを、金属の融点よりも低い温度まで加熱して、金属の粒子を焼き固める技術を指す。また、「焼結体」とは、焼結によって得られる物体を指す。

＜１．熱伝導部材の構成＞
図１は、本発明の例示的な実施形態に係る熱伝導部材１の上面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。なお、図１において、溝部１７ｂは、図示していない。図３は、熱伝導部材１の模式的な側面断面図である。

熱伝導部材１は、ベーパーチャンバーとも呼ばれ、熱源Ｈの熱を輸送する。熱源Ｈとしては、例えば、熱を発する電子部品またはその電子部品を搭載する基板が考えられる。熱源Ｈは、熱伝導部材１による熱の輸送によって冷却される。このような熱伝導部材１は、例えば、スマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータなどの、熱源Ｈを有する電子機器に搭載される。

熱伝導部材１は、筐体１０と、作動媒体２０と、ウィック構造体３０と、を備える。筐体１０は、内部に空間１０ａを有する。作動媒体２０及びウィック構造体３０は、空間１０ａに配置される（図３参照）。ウィック構造体３０は、複数の金属線状部材が編み込まれたメッシュ部材又は多孔質の焼結体であり、作動媒体２０の流路を形成する空隙部（不図示）を有する。

筐体１０は、例えば、Ｚ軸方向（対向方向）から見て、略長方形状である。筐体１０の長辺は、Ｘ軸方向に沿って延び、筐体１０の短辺は、Ｙ軸方向に沿って延びる。

筐体１０は、対向して配置される第１板１１及び第２板１２と、柱部１５と、リブ１６と、溝部１７ａ、１７ｂと、を有する。本実施形態では、第１板１１及び第２板１２は、Ｚ軸方向（鉛直方向）に対向して配置される。

第１板１１及び第２板１２は、上面視において水平方向に拡がる略矩形の板状である。本実施形態では、第１板１１及び第２板１２は、銅である。なお、第１板１１及び第２板１２は、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。第２板１２の上面にはウィック構造体３０が接触する。

第１板１１及び第２板１２の一方には、熱源接触部１０１が配置される。本実施形態では、第２板１２に熱源接触部１０１が配置される。熱源接触部１０１は、熱源ＨとＺ軸方向に臨んで対向する領域であり、例えば、熱源Ｈと接触する領域である。筐体１０の熱源接触部１０１以外の領域に放熱部１０２が形成される。放熱部１０２は、熱源接触部１０１とＸ軸方向に隣り合う（図３参照）。なお、本実施形態では、熱源接触部１０１は、Ｚ軸方向から見て矩形状であるが、形状は限定されない。

熱源接触部１０１は、熱源Ｈが発する熱によって加熱される。放熱部１０２は、熱源接触部１０１で加熱された後述の作動媒体２０が有する熱を外部に放出する。また、放熱部１０２には放熱性を向上させるために、放熱フィンやヒートシンク等の熱交換手段（図示せず）が熱的に接続してもよい。熱源接触部１０１は、筐体１０のＸ軸方向の中央よりも一方に偏って配置される。これにより、放熱部１０２を広く設けて熱伝導部材１の冷却効率を向上できる。

第１板１１は、周縁から下方に延びる側壁部１１ａを有する。第２板１２は、周縁から上方に延びる側壁部１２ａを有する。側壁部１１ａの下面と側壁部１２ａの上面とが接合部１４で接合される。なお、側壁部１１ａを省いて、第１板１１の下面と側壁部１２ａの上面とを接合してもよい。また、側壁部１２ａを省いて、第２板１２の上面と側壁部１１ａの下面とを接合してもよい。

接合部１４は、空間１０ａを囲む第１板１１及び第２板１２の周縁に配置され、Ｚ軸方向から見て、ウィック構造体３０の周囲に位置する。側壁部１１ａと側壁部１２ａとの接合方法は、特に限定されない。例えば、ホットプレス、拡散接合、ろう材を用いた接合、などのいずれの接合方法であってもよい。

なお、接合部１４は、封止部を含んでいてもよい。封止部は、例えば、熱伝導部材１の製造過程において、作動媒体２０を筐体１０内に注入するための注入口を溶接によって封止した箇所である。

空間１０ａは、筐体１０内の第１板１１及び第２板１２で囲まれた領域に形成される。空間１０ａは、密閉空間であり、例えば大気圧よりも気圧が低い減圧状態に維持される。空間１０ａが減圧状態であることにより、空間１０ａに収容される作動媒体２０が蒸発しやすくなる。作動媒体２０は、例えば水であるが、アルコールなどの他の液体であってもよい。

柱部１５は、第１板１１の下面から下方に突出して柱状に形成される。柱部１５は、空間１０ａに配置され、第１板１１及び第２板１２を支持する。柱部１５は、ＸＹ面内において２次元的に、かつ、規則的に並んで位置する。Ｚ軸方向において、柱部１５が、ウィック構造体３０と接触することにより、筐体１０のＺ軸方向の厚みが一定に保たれる。なお、第１板１１と柱部１５とは、一体であってもよいし、別体であってもよい。

第１板１１及び第２板１２の一方は、ウィック構造体３０に向かって突出するリブ１６を有する。本実施形態では、リブ１６は、第１板１１の下面から下方に突出して筐体１０の長手方向に直線状に延びる。このとき、リブ１６は、筐体１０の長辺の方向（Ｘ軸方向）に対して傾斜する。なお、リブ１６は、筐体１０の長辺の方向（Ｘ軸方向）に対して平行に延びてもよい。本実施形態において、リブ１６の下面は、ウィック構造体３０に接触するが、接触しなくてもよい。リブ１６の下面が、ウィック構造体３０に接触しない場合、気化した作動媒体２０の空間１０ａ内における流通が、リブ１６によって妨げられることを低減できる。

溝部１７ａは、第１板１１に配置され、空間１０ａに臨む。溝部１７ａは、リブ１６のウィック構造体３０に対する対向面に配置される。リブ１６を設けることにより、筐体１０の強度を向上できる。

溝部１７ｂは、第２板１２に配置され、空間１０ａに臨む。溝部１７ａ及び溝部１７ｂは、一端を熱源接触部１０１の外側に配置されて熱源接触部１０１上に進入する。熱源接触部１０１上に進入する溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端は、熱源接触部１０１上を通る分割線Ｄを超えて配置される。分割線Ｄは、溝部１７ａ及び溝部１７ｂが、熱源接触部１０１に進入する方向Ｅの熱源接触部１０１の長さＬの１／２の位置を通り、方向Ｅに直交する。

すなわち、熱源接触部１０１上に進入する溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端は、溝部１７ａ及び溝部１７ｂが、熱源接触部１０１に進入する方向Ｅの熱源接触部１０１の長さの１／２を超えて配置される。

本実施形態では、分割線Ｄは、熱源接触部１０１の方向Ｅにおける中央を通って溝部１７ａ及び溝部１７ｂに直交する方向に延びる。溝部１７ａは、リブ１６の下面から上方に向けて凹む。溝部１７ａは、リブ１６の幅方向（Ｙ方向）に複数並べて形成され、リブ１６に沿って長手方向に直線状に延びる。複数の溝部１７ａは、リブ１６の下面において、平行に並んで配置される。溝部１７ｂは、第２板１２の上面から下方に向けて凹む。溝部１７ｂは、複数平行に並んで配置され、溝部１７ａと平行に延びる。

溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端は、Ｚ軸方向（対向方向）から見て熱源接触部１０１上に配置される。すなわち、溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端は、Ｚ軸方向（対向方向）から見て熱源接触部１０１の外周縁よりも内側に位置する。

溝部１７ａ及び溝部１７ｂの一端から分割線Ｄまでの長さは、分割線Ｄから溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端までの長さよりも長い。これにより、溝部１７ａが長く延びる側に放熱部１０２を広く配置でき、冷却効率を向上させることができる。

また、溝部１７ａ及び溝部１７ｂが熱源接触部１０１に進入する方向Ｅの熱源接触部１０１の長さの１／２の位置から溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端までの長さＬ１は、溝部１７ａ及び溝部１７ｂが熱源接触部１０１に進入する方向Ｅの溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端から熱源接触部１０１の外周縁までの長さＬ２よりも長い。

＜３．熱伝導部材の動作＞
図３において、作動媒体２０が気化して生成される蒸気の流れを熱伝導部材１内の黒矢印で示し、液状の作動媒体２０の流れを熱伝導部材１内の白抜き矢印で示す。

上記の構成の熱伝導部材では、熱源Ｈで発生した熱により、熱源接触部１０１が加熱される。熱源接触部１０１の温度が上昇すると、ウィック構造体３０に含まれた液状の作動媒体２０が、気化する。

気化した作動媒体２０は、空間１０ａを放熱部１０２側に移動する。このとき、気化した作動媒体２０の一部は、冷却され、凝縮する。

凝縮した作動媒体２０の一部は、滴下してウィック構造体３０に吸収される。また、凝縮した作動媒体２０の一部は、柱部１５の外面に沿って移動してウィック構造体３０に吸収される。

放熱部１０２に移動した気化した作動媒体２０は、放熱部１０２で冷却されて凝縮する。凝縮した作動媒体２０の一部は、毛細管現象によってウィック構造体３０中を熱源接触部１０１に向かって移動する。

また、凝縮した作動媒体２０の一部は、毛細管現象によって溝部１７ａ及び溝部１７ｂ中を熱源接触部１０１に向かって移動する。このとき、熱源接触部１０１上に進入する溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端は、熱源接触部１０１上を通る分割線Ｄを超えて配置されており、凝縮した作動媒体２０は熱源接触部１０１全体に流入し易い。また、熱源接触部１０１上において、凝縮した作動媒体２０が、溝部１７ａ及び溝部１７ｂに保持される。このため、熱源接触部１０１の一部において、作動媒体２０の供給不足によってドライアウトが発生することを低減できる。従って、冷却ムラの発生を抑制可能な熱伝導部材１を提供することができる。

また、リブ１６の下面に配置された溝部１７ａの他端は、鉛直方向から見て熱源接触部１０１の外周縁よりも内側に位置するため、リブ１６が、気化した作動媒体２０の流通を妨げることを抑制し、熱伝導部材１の冷却効率の低下を抑制できる。

また、分割線Ｄから溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端までの長さＬ１は、溝部１７ａ及び溝部１７ｂの他端から熱源接触部１０１の外周縁までの長さＬ２よりも長いため、凝縮した作動媒体２０は熱源接触部１０１全体により流入し易い。

上記のように作動媒体２０が状態変化を伴いながら移動することにより、熱源接触部１０１側から放熱部１０２側への熱輸送が連続的に行われる。

＜４．その他＞
以上、本発明の実施形態を説明した。なお、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されない。本発明は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。

例えば、図４は、熱伝導部材１の変形例を示す上面図であるが、溝部１７ａ及び溝部１７ｂの一端及び他端は、鉛直方向から見て熱源接触部１０１の外側に位置してもよい。溝部１７ａ及び溝部１７ｂが、熱源接触部１０１を横断することにより、凝縮した作動媒体２０は熱源接触部１０１全体により流入し易くなる。

また、上述の実施形態では、第１板１１に溝部１７ａを設け、第２板１２に溝部１７ｂを設けたが、一方を省いてもよい。例えば、溝部１７ａが、リブ１６のみに配置され、溝部１７ｂを省くことにより、第２板１２の強度を向上できる。なお、ウィック構造体３０は、溝部１７ｂが設けられる場合、メッシュ部材で構成されることが好ましい。また、溝部１７ｂを省く場合、焼結体又はメッシュ部材のいずれかで構成してもよい。

また、上述の実施形態では、リブ１６は、第１板１１の下面から突出するが、第２板１２の上面から突出させてもよい。このとき、溝部１７ｂは、リブ１６の上面に配置される。また、リブ１６を省いて第１板１１の下面に溝部１７ａを配置してもよい。

また、上述の実施形態では、溝部１７ａ及び溝部１７ｂは、平行に延びるが、溝部１７ａ及び溝部１７ｂの一方が、他方に対して傾斜して延びてもよい。

各種熱源の冷却に利用することができる。

１ 熱伝導部材
１０ 筐体
１０ａ 空間
１１ 第１板
１１ａ 側壁部
１２ 第２板
１２ａ 側壁部
１４ 接合部
１５ 柱部
１６ リブ
１７ａ、１７ｂ 溝部
２０ 作動媒体
３０ ウィック構造体
１０１ 熱源接触部
１０２ 放熱部
Ｄ 分割線
Ｈ 熱源
Ｕ 中心線

Claims (7)

1. 内部に空間を有する筐体と、
   前記空間に配置されるウィック構造体と、
   前記空間に配置される作動媒体と、を備え、
   前記筐体は、
   対向して配置される第１板及び第２板と、
   前記第１板及び前記第２板の少なくともいずれか一方に配置され、前記空間に臨む溝部と、を有し、
   前記第１板及び前記第２板の一方に、熱源接触部が配置され、
   前記第１板及び前記第２板の対向方向から見て、前記溝部は、一端を前記熱源接触部の外側に配置されて前記熱源接触部上に進入し、前記溝部の他端は、前記溝部が前記熱源接触部に進入する方向の前記熱源接触部の長さの１／２を超えて配置される、熱伝導部材。
2. 前記溝部の一端から前記溝部が前記熱源接触部に進入する方向の前記熱源接触部の長さの１／２の位置までの長さは、前記溝部が前記熱源接触部に進入する方向の前記熱源接触部の長さの１／２の位置から前記溝部の他端までの長さよりも長い、請求項１に記載の熱伝導部材。
3. 前記溝部の他端は、前記対向方向から見て前記熱源接触部の外側に位置する、請求項１又は請求項２に記載の熱伝導部材。
4. 前記溝部の他端は、前記対向方向から見て前記熱源接触部の外周縁よりも内側に位置する、請求項１又は請求項２に記載の熱伝導部材。
5. 前記溝部が前記熱源接触部に進入する方向の前記熱源接触部の長さの１／２の位置から前記溝部の他端までの長さは、前記溝部が前記熱源接触部に進入する方向の前記溝部の他端から前記熱源接触部の外周縁までの長さよりも長い、請求項４に記載の熱伝導部材。
6. 前記第１板及び前記第２板の一方は、前記ウィック構造体に向かって突出するリブを有し、
   前記溝部は、前記リブの前記ウィック構造体に対する対向面に配置される、請求項１～請求項５に記載の熱伝導部材。
7. 前記溝部は、前記リブのみに配置される請求項６に記載の熱伝導部材。

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