JP2022181084A - 熱伝導部材 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022181084000001
【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、第1板11及び第2板12と、第1溝部17a、17b及び第2溝部18と、を有する。第1板11及び第2板12は、対向して配置される。第1溝部17a、17b及び第2溝部18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溝部17a、17bは、第1板11及び第2板12の対向方向から見て、熱源接触部上を通って熱源接触部の外側に延びる。第2溝部18は、対向方向から見て、熱源接触部の外周部近傍に配置される。
【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、第1板及び第2板と、第1溝部及び第2溝部と、を有する。第1板及び第2板は、対向して配置される。第1溝部及び第2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溝部は、第1板及び第2板の対向方向から見て、熱源接触部上を通って熱源接触部の外側に延びる。第2溝部は、対向方向から見て、熱源接触部の外周部近傍に配置される。
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。 図5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。 図6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、第1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、第1リブ16aと、第2リブ16bと、第1溝部17a、17bと、第2溝部18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、筐体10の長手方向の一端部に偏って配置される。また、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。
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。
空間10aは、鉛直方向から見て、中央線Cを挟んで第1領域S1と第2領域S2とに区分される。中央線Cは、後述する第1溝部17aの延出方向Eにおける空間10aの中央を通って延出方向Eに直交する。熱源接触部101は、中央線Cを挟んで第1領域S1に配置される。熱源接触部101は、延出方向Eにおいて、空間10a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。
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の少なくとも一方は、空間10a内において、Z軸方向(対向方向)に突出する第1リブ(リブ)16a及び第2リブ(リブ)16bを有する。本実施形態では、第1リブ16a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、第1リブ16aは、筐体10の長手方向(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。
第2リブ16bは、第1板11の下面から下方に突出して空間10aの外周縁の一部に沿って延びる。
本実施形態において、第1リブ16a及び第2リブ16b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。第1リブ16a及び第2リブ16b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、第1リブ16a及び第2リブ16bによって妨げられることを低減できる。
また、ウィック構造体30の外周部の少なくとも一部は、第2リブ16bとZ軸方向(対向方向)に対向する。これにより、ウィック構造体30を空間10aの外周部まで配置し、より多くの凝縮した作動媒体20を熱源接触部101に向かって移動させることができる。
なお、空間10aの外周部において、第2リブ16bで作動媒体20を保持できるため、ウィック構造体30の外周部は、Z軸方向(対向方向)から見て、第2リブ16b(第2溝部18)の内側に配置されてもよい。このとき、接合部14とウィック構造体30とを離間させて配置することができ、側壁部11aと側壁部12aとの接合時にウィック構造体30の一部が入り込むことを防止できる。
第1溝部17a及び第2溝部18は、第1板11に配置され、空間10aに臨む。第1溝部17aは、第1リブ16aの先端部に配置される。第2溝部18は、第2リブ16bの先端部に配置される。リブ16を設けることにより、筐体10の強度を向上できる。
第1溝部17bは、第2板12に配置され、空間10aに臨む。第1溝部17a及び第1溝部17bは、Z軸方向(鉛直方向)から見て、熱源接触部101上を通って熱源接触部101の外側に延びる。
本実施形態では、第1溝部17aは、第1リブ16aの下面から上方に向けて凹む。第1溝部17aは、第1リブ16aの幅方向(Y軸方向)に複数並べて形成され、第1リブ16aに沿って長手方向(X軸方向)に直線状に延びる。このとき、第1溝部17aは、筐体10の長手方向(X軸方向)に対して傾斜する。これにより、第1溝17aを空間10a内において、長く配置することができ、熱伝導部材1の冷却効率が向上する。なお、第1溝部17a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。
複数の第1溝部17aは、第1リブ16aの下面において、平行に並んで配置される。第1溝部17bは、第2板12の上面から下方に向けて凹む。第1溝部17bは、複数平行に並んで配置され、第1溝部17aと平行に延びる。
第2溝部18は、第2リブ16bの下面から上方に向けて凹む。第2溝部18は、第2リブ16bの幅方向に複数並べて形成され、第2リブ16bに沿って延びる。複数の第2溝部18は、第2リブ16bの下面において、平行に並んで配置される。
第2溝部18は、Z軸方向(対向方向)から見て、熱源接触部101の外周部近傍に配置される。また、第2溝部18の少なくとも一部は、Z軸方向(対向方向)から見て、熱源接触部101の外側に配置される。本実施形態では、第2溝部18は、全体を熱源接触部101の外側に配置される。すなわち、第2溝部18は、Z軸方向(対向方向)から見て、熱源接触部101の外周縁と空間10aの外周縁との間に配置される。また、第2溝部18の少なくとも一部は、鉛直方向から見て、筐体10の長手方向において一端に偏る熱源接触部101に沿って配置される。本実施形態では第2溝部18は、鉛直方向から見て、熱源接触部101の外周縁に沿って延び、熱源接触部101の周りに配置される。
なお、本実施形態では、第2溝部18は、全体を熱源接触部101の外側に配置されるが、Z軸方向(対向方向)から見て、第2溝部18の少なくとも一部が、熱源接触部101上を通ってもよい。
また、第2溝部18は、第1辺部18a、第2辺部18b及び連結部18cを有する。第1辺部18aは、Z軸方向(対向方向)から見て、第1溝部17aの延出方向Eに延びる。第2辺部18bは、Z軸方向(対向方向)から見て、第1辺部18aに対して熱源接触部101を挟んで反対側に配置され、第1溝部17aの延出方向Eに延びる。第1辺部18aは、中央線Cを跨いで第1領域S1から第2領域S2に延びる。また、連結部18cは、第1領域S1に配置されて第1辺部18aの端部と第2辺部18bの端部とを連結する。
本実施形態では、第1辺部18a及び第2辺部18bは、鉛直方向から見て、筐体10の長手方向(X軸方向)に平行に延びる。連結部18cは、筐体10の短手方向(Y軸方向)に平行に延びる。なお、本実施形態では、第1辺部18aのみが、中央線Cを跨いで第1領域S1から第2領域S2に延びるが、第1辺部18a及び第2辺部18bの両方が、中央線Cを跨いで第1領域S1から第2領域S2に延びてもよい。また、第2辺部18bのみが、中央線Cを跨いで第1領域S1から第2領域S2に延びてもよい。
第1領域S1に配置される第2溝部18の全体の体積は、第2領域S2に配置される第2溝部18の全体の体積よりも大きい。これにより、第2溝部18を介して熱源接触部101の近くで、凝縮した作動媒体20を保持することができる。
第2溝部18の幅は、第1溝部17aの幅よりも大きい。これにより、第2溝部18は、凝縮した作動媒体20を第1溝部17aよりも保持できる。また、第1溝部17aは、凝縮した作動媒体20を毛細管現象によって第2溝部18よりも早く流通させることができる。
<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第1溝部17a、第1溝部17b及び第2溝部18中を熱源接触部101に向かって移動する。これにより、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、第2溝部18は、鉛直方向から見て、熱源接触部101の外周縁と空間10aの外周縁との間に配置されており、凝縮した作動媒体20が、第2溝部18に保持される。このため、第2溝部18から熱源接触部101に作動媒体20が供給され続け、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抑制できる。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、第2溝部18は、熱源接触部101の外周縁に沿って延び、熱源接触部101を囲んで配置される。これにより、第2溝部18から熱源接触部101に作動媒体20がより安定して供給され続け、作動媒体20の供給不足をより抑制できる。
また、第2溝部18が、第1辺部18a及び第2辺部18bを有することにより、第2溝部18から熱源接触部101に作動媒体20をより安定して供給できる。
また、第1辺部18aは、中央線Cを跨いで第1領域S1から第2領域S2へ延びる。これにより、第1辺部18aを介して凝縮した作動媒体20をより早く熱源接触部101側へ流通させることができる。
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~図6は、熱伝導部材1の変形例を示す上面図であるが、図4に示すように、リブ16b及び第2溝部18は、空間10aの外周縁に沿って環状であってもよい。これにより、第2溝部18から熱源接触部101に作動媒体20がより安定して供給され続け、作動媒体20の供給不足をより抑制できる。このとき、第2溝部18の一部は、例えば、作動媒体20を筐体10内に注入するための注入口を形成するために、途切れて形成されてもよい。
図5に示すように、第2溝部18は、鉛直方向から見て、熱源接触部101の外周縁に沿って延びればよく、上述した連結部18cのみで構成されてもよい。また、図6に示すように、第2溝部18は、第1辺部18aを省いてもよい。なお、第2辺部18bを省いてもよい。これにより、連結部18c又は第2辺部18bを介して熱源接触部101の近くで、凝縮した作動媒体20を保持することができる。
また、上述の実施形態では、第1板11に第1溝部17aを設け、第2板12に第1溝部17bを設けたが、一方を省いてもよい。
また、上述の実施形態では、第1リブ16a又は第2リブ16b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、第1溝部17bは、第1リブ16aの上面に配置される。また、第1リブ16aを省いて第1板11の下面に第1溝部17aを配置してもよい。また、第2リブ16bを省いて第1板11の下面に第2溝部18を配置してもよい。
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
16a 第1リブ
16b 第2リブ
17a、17b 第1溝部
18 第2溝部
18a 第1辺部
18b 第2辺部
18c 連結部
20 作動媒体
30 ウィック構造体
101 熱源接触部
102 放熱部
E 延出方向
H 熱源
C 中央線
S1 第1領域
S2 第2領域

Claims (13)

  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、前記空間に臨む第1溝部及び第2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溝部は、前記第1板及び前記第2板の対向方向から見て、前記熱源接触部上を通って前記熱源接触部の外側に延び、
    前記第2溝部は、前記対向方向から見て、前記熱源接触部の外周部近傍に配置される、熱伝導部材。
  2. 前記第2溝部の少なくとも一部は、前記対向方向から見て、前記熱源接触部の外側に配される、請求項1に記載の熱伝導部材。
  3. 前記第2溝部は、前記熱源接触部の外周縁に沿って延びる、請求項1又は請求項2に記載の熱伝導部材。
  4. 前記第2溝部は、前記熱源接触部の周りに配置される、請求項1~請求項3のいずれかに記載の熱伝導部材。
  5. 前記第2溝部は、
    前記対向方向から見て、前記第1溝部の延出方向に延びる第1辺部と、
    前記対向方向から見て、前記第1辺部に対して前記熱源接触部を挟んで反対側に配置され、前記第1溝部の延出方向に延びる第2辺部と、を有する、請求項1~請求項4のいずれかに記載の熱伝導部材。
  6. 前記空間は、前記対向方向から見て、前記延出方向における前記空間の中央を通って前記延出方向に直交する中央線を挟んで第1領域と第2領域とに区分され、
    前記熱源接触部は、前記第1領域に配置され、
    前記第1辺部及び前記第2辺部の少なくとも一方は、前記中央線を跨いで前記第1領域から前記第2領域へ延びる、請求項5に記載の熱伝導部材。
  7. 前記第1領域に配置される前記第2溝部の全体の体積は、前記第2領域に配置される前記第2溝部の全体の体積よりも大きい、請求項5又は請求項6に記載の熱伝導部材。
  8. 前記第2溝部は、前記第1領域に配置されて前記第1辺部の端部と前記第2辺部の端部とを連結する連結部を有する、請求項5~請求項7のいずれかに記載の熱伝導部材。
  9. 前記第2溝部の幅は、前記第1溝部の幅よりも大きい、請求項1~請求項8のいずれかに記載の熱伝導部材。
  10. 前記第2溝部は、前記空間の外周縁に沿って環状である、請求項1~請求項9のいずれかに記載の熱伝導部材。
  11. 前記ウィック構造体の外周部の少なくとも一部は、前記第2溝部と前記対向方向に対向する、請求項1~請求項10のいずれかに記載の熱伝導部材。
  12. 前記ウィック構造体の外周部は、前記対向方向から見て、前記第2溝部の内側に配置される、請求項1~請求項10のいずれかに記載の熱伝導部材。
  13. 前記第1板及び前記第2板の少なくとも一方は、前記空間内において、前記対向方向に突出するリブを有し、
    前記第1溝部及び前記第2溝部は、前記リブの先端部に配置される、請求項1~請求項12のいずれかに記載の熱伝導部材。
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