JP5922826B1 - 熱拡散板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱の拡散性能に優れ、しかも薄型化することのできる熱拡散板を提供する。【解決手段】薄い板状の本体部２の一部に外部から熱が伝達される加熱部６が設けられ、加熱部６から本体部２の他の部分に熱を拡散させる熱拡散板１であって、複数本の中空路７が本体部２の内部に加熱部６を通るように形成されるとともに、各中空路７が加熱部６で互いに連通しており、中空路７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、各中空路７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８が、各中空路７の内部に作動流体の蒸気が流動する蒸気流路９をあけた状態に配置され、各ウイック８の一部が加熱部６に位置するとともに、各中空路７の内部に形成されている各蒸気流路９が加熱部６で互いに連通している。【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、集積回路が発する熱によるヒートスポットを緩和するように構成された携帯端末装置が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された装置では、集積回路が筐体の上側に寄った位置に配置され、バッテリが筐体の下側に寄った位置に配置されており、ディスプレイパネルの裏面に張られたグラファイトシートが前記集積回路とバッテリとに熱伝達可能となるように配置されている。集積回路の熱がそのグラファイトシートによってバッテリに拡散させられることによりヒートスポットが緩和される。

特開２０１４−２２７９８号公報

特許文献１に記載された構成では、集積回路を実装した基板あるいはバッテリに対してグラファイトシートを積層して配置することになるから、携帯端末装置の薄型化や小型化のためにグラファイトシートを薄くすることが望ましい。しかしながら、グラファイトシートは熱伝導率が高いとしても、薄くすることにより熱伝導量が減少するから、薄くすることに伴って熱拡散機能が低下してヒートスポットの温度が高くなってしまう。また、グラファイトシートによる熱の伝達（拡散）は、集積回路に接触している箇所を中心にして全方向に均等に生じる。すなわち、熱伝達量や熱伝達経路を選択することができない構造であるために、温度が低く、また熱容量が大きいなど、集積回路の冷却に有効な箇所が存在する場合であっても、その箇所に対する熱の伝達を促進することができないなど、改良する余地が多分にあった。

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って、加熱部に伝達された熱を放熱部に対して積極的に伝達して熱の拡散を促進することができ、しかも薄型化の可能な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、薄い板状の本体部の一部に外部から熱が伝達される加熱部が設けられ、前記加熱部に伝達された熱を前記加熱部から前記本体部の他の部分に拡散させる熱拡散板において、複数本の中空路が前記本体部の内部に前記加熱部を通るように形成されるとともに、前記各中空路が前記加熱部で互いに連通しており、前記中空路の内部に、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、前記各中空路の内部に、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、前記各中空路の内部に前記作動流体の蒸気が流動する蒸気流路をあけた状態に配置され、前記各ウイックの一部が前記加熱部に位置するとともに、前記各中空路の内部に形成されている前記各蒸気流路が前記加熱部で互いに連通していることを特徴とするものである。

本発明では、前記本体部は、上板と、前記上板に対向して配置される下板と、前記中空路に相当する部分が貫通部とされかつ前記上板と前記下板とによって挟み込まれた中間板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前記中間板とのうち少なくとも上板および下板は、ステンレス板もしくはアルミニウム板の表裏両側に銅板を積層したクラッド材によって形成されていてよい。

本発明では、前記ウイックは、前記中空路の長さ方向に沿って配置される二つの細線束と、前記細線束の間に配置された多孔質体とを有し、前記多孔質体の厚さが前記細線束の高さより低くなって前記多孔質体の部分が前記細線束に対して窪んでいてよい。

本発明によれば、加熱部に伝達された熱は、本体部の熱伝導によって本体部の全体に拡散させられるとともに、各中空路の内部で作動流体が蒸発し、その蒸気が中空路の内部を、低温であるために圧力が低くなっている箇所に向けて流動することにより、作動流体によって中空路の長さ方向に輸送され、かつ拡散させられる。作動流体による熱の輸送は、作動流体の潜熱としての輸送であって本体部の熱伝導よりも多量の熱が輸送される。したがって、本発明によれば、熱の拡散性能が優れている。しかも、中空路が形成されている部分における熱の輸送量もしくは拡散量が中空路が形成されていない部分より多くなる。したがって、中空路を放熱量もしくは冷却のための熱容量などが多い箇所に配置することにより、加熱部からの熱伝達量を増大させ、熱拡散性能もしくは放熱性能を更に向上させることができる。

また、本発明では、各中空路が加熱部で互いに連通し、また各ウイックはその一部を加熱部に配置させられているので、各中空路では液相の作動流体が全て加熱部に還流させられ、したがって作動流体の全量が無駄なく蒸発と凝縮とを行って熱輸送を行う。また、複数本の中空路のうちのいずれかで熱輸送が生じにくくなった場合、その中空路の作動流体は、他の中空路に流れ込んで熱輸送の用に供され、この点でも作動流体が無駄なく熱輸送を行う。結局、各中空路が加熱部で互いに連通し、また各ウイックはその一部を加熱部に配置させられていることにより、熱拡散性を従来になく向上させることができる。

本発明の一例を示す図であって、上板の一部を取り去った状態の平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 ウイックの他の例を示す断面図である。 本発明の他の例を説明するための図１と同様の平面図である。

図１は、本発明に係る熱拡散板１の一例を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。熱拡散板１は、薄い矩形の板状に形成された本体部２を有している。この本体部２は、それぞれ金属板である上板３と、下板４と、中間板５とによって構成されている。これらの板３，４，５のうち少なくとも上板３と下板４とは、ステンレス板もしくはアルミニウム板またはアルミ合金板とその表裏両側に配置した銅板とを積層して一体化したクラッド材によって形成されている。また、中間板５は銅板によって形成されていることが好ましい。上板３と中間板５、および中間板５と下板４とは、適宜の手段で気密状態に接合されており、その接合手段の一例は、銀を使用した拡散接合が好適である。ここで、これらの板３，４，５の厚さの一例を示すと、上板３および下板４の厚さは、それぞれ０．０９ｍｍ程度、中間板５は０．２ｍｍ程度であり、したがって本体部２の厚さは、０．３８ｍｍ程度である。また、本体部２の大きさの一例を示すと、幅は７０ｍｍ程度、長さは１１０ｍｍ程度である。

熱拡散板１はその一部に伝達された熱を拡散させるためのものであり、本体部２の長手方向での一端側（図１の下側）でかつ幅方向での中央部が、外部から熱が伝達される加熱部６とされている。加熱部６は、図示しない演算素子などの発熱体が熱伝達可能に接触させられる領域であり、図１には破線で示してある。

中間板５には、細い帯び状に形成された貫通部７が形成されている。貫通部７は、中間板５が上板３と下板４との間に挟み込まれることにより本体部２の内部に中空路を形成するためのものであり、図１に示す例では、前記加熱部６において互いに繋がっている３本の貫通部７が形成されている。なお、以下の説明では、貫通部７を中空路７として説明する。貫通部が形成されている中間板５を上板３と下板４とによって挟み込むことにより中空路７を形成するので、上板３や下板４に溝加工などの加工を施す必要がなく、そのため上板３や下板４の表面を平坦な状態に維持することができる。

中空路７は、本発明では必要に応じて適宜の形状に形成してよい。図１に示す例における中空路７の形状について説明すると、図１に示す例では、３本の中空路７が設けられ、中央部の中空路７ａは加熱部６から本体部２の長さ方向に直線的に延びる形状である。また、左右の中空路７ｂ，７ｃは、加熱部６から本体部の左右に湾曲して延びた後、本体部２の長さ方向に直線的に延び、中央部の中空路７ａと所定の間隔をあけて平行になっている形状である。したがって各中空路７ａ，７ｂ，７ｃは加熱部６で互いに連通している。なお、中空路７の幅Ｗは一例として１０ｍｍ程度である。また、高さ（深さ）Ｈは中間板５の厚さと同じ０．２ｍｍ程度である。

各中空路７ａ，７ｂ，７ｃのそれぞれの内部に、そのほぼ全長に亘って、ウイック８が配置されている。ウイック８は、後述する液相の作動流体を浸透させることにより毛管力を発生するためのものであり、多孔質焼結体やメッシュ材あるいは極細線束などによって、断面形状が矩形状もしくは楕円形状あるいは半長円形状などの適宜の形状に形成されている。その幅ＷＵは中空路７の幅Ｗより小さく設定されている。一例として中空路７の幅Ｗの１/３程度である。ウイック８が中空路７の内部に配置されていることにより、中空路７の内部には、ウイック８に沿って空間部が生じ、その空間部が蒸気流路９とされている。図２に示すように中空路７の幅の方向の中央部にウイック８が配置されている場合には、ウイック８を挟んだ両側に蒸気流路９が形成される。その場合、ウイック８の高さＨＵを中空路７の高さＨより低くしておくことにより、ウイック８を挟んで両側の蒸気流路９を互いに連通させてもよい。

中空路７には、ノズル１０が連通されている。ノズル１０は、中空路７から空気を排気し、また作動流体１１を中空路７に注入するためのものであって、例えば中間板５の一部を切り欠いて形成され、あるいはその切り欠いた部分に所定のチューブを配置して形成される。このノズル１０によって中空路７の内部に作動流体１１が封入されている。作動流体１１は、熱拡散板１が使用される温度を考慮して適宜に選択してよく、例えば水が使用される。なお、中空路７からの脱気と、中空路７への作動流体１１の封入とは、規定量以上の作動流体１１をノズル１０から中空路７に注入した後、本体部２を加熱して作動流体を沸騰させ、その蒸気によって空気を中空路７から追い出し、その後、ノズル１０を閉じる（ピンチ・オフする）ことにより行えばよい。

つぎに上記の熱拡散板１の作用について説明する。熱拡散板１は、例えば携帯端末などの情報機器に使用され、基板やバッテリなどと共にケースの内部に配置される。基板に実装されているＣＰＵなどの発熱部品が前述した加熱部６に接触させられ、これに対して本体部２において長さ方向で加熱部６とは反対側の部分が、バッテリやディスプレイパネルなどの熱容量が大きいとともに外部に放熱する部材に、熱伝達可能に接触させられる。加熱部６に伝達された熱によって作動流体１１が加熱されて蒸発し、その蒸気は中空路７の内部に形成されている前記蒸気流路９を通って、温度が低いことにより圧力が低くなっている箇所に向けて流動する。作動流体蒸気は、温度の低い箇所で放熱して凝縮し、その結果生じた液相の作動流体１１はウイック８に浸透する。ウイック８の加熱部６側の部分では、作動流体１１の蒸発が生じて、微細な空隙でのメニスカスが低下し、毛管力が発生している。したがって、ウイック８に浸透した液相の作動流体１１は毛管力によって加熱部６側に還流する。

ウイック８は、多孔質体などの微細な空隙を有しているから、その微細な空隙の内部に液相の作動流体を保持する機能がある。上記の熱拡散板１では、全てのウイック８の端部が加熱部６に配置されているので、ウイック８に浸透している液相の作動流体１１に対して毛管力が作用し、加熱部６に向けて還流させられる。すなわち、ウイック８に浸透したままの状態に置かれる作動流体１１の量が皆無もしくは少なくなり、図１に示す例では３本の全ての中空路７ａ，７ｂ，７ｃで作動流体１１による熱輸送が生じるので、熱輸送量もしくは拡散させられる熱量が多くなって、加熱部６の温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、上記の熱拡散板１では全ての中空路７あるいは蒸気流路９が加熱部６側の端部で互いに連通しているので、作動流体１１はいずれの中空路７ａ，７ｂ，７ｃにも流入することができる。そのため、各中空路７ａ，７ｂ，７ｃの間で、輸送するべき熱量の差があった場合、熱輸送量の少ない中空路内の作動流体１１が、熱輸送量の多い中空路に流入し、熱輸送量（もしくは熱負荷）に対する作動流体１１の不足を未然に回避することができる。すなわち、複数本形成されている中空路７のいずれかでドライアウトが生じることがなく、全ての中空路７ａ，７ｂ，７ｃで十分な熱輸送が生じ、この点でも熱輸送量もしくは拡散させられる熱量が多くなって、加熱部６の温度上昇を効果的に抑制することができる。このように上記の熱拡散板１は、主として、作動流体１１の潜熱で熱を輸送し、拡散させるので、本体部２を薄くしても、輸送もしくは拡散させる熱量が特には減少せず、そのため、本体部２あるいは熱拡散板１自体を薄型化することができる。

加熱部６に伝達された熱の一部は、本体部２の熱伝導によって本体部２の全体に拡散させられる。このような熱伝導により拡散させられる熱量に比較して、上記のように作動流体１１によって輸送されて拡散させられる熱量が多い。したがって、拡散させられた熱を多量に受け取る箇所が存在する場合、その箇所にいずれかの中空路７の一部を配置する。このようにすれば、加熱部６と、熱を多量に受け取る箇所とをいずれかの中空路７が結んだ状態になって、その箇所に向けて集中的に熱を輸送することができる。このように、上記の熱拡散板１によれば、多量に熱を輸送する箇所を選択することができるので、熱拡散機能あるいは加熱部６の冷却機能を向上させることができる。

前記加熱部６に対する熱伝達（入熱）がない場合、作動流体１１は凝縮して液相となり、したがって中空路７の内圧は負圧になる。しかしながら、上記の熱拡散板１では、本体部２を構成している上板３および下板４が前述したステンレス板もしくはアルミニウム板またはアルミ合金板を配置したクラッド材によって形成されていて銅板よりも強度が高いから、上板３や下板４に窪みが生じにくく、上板３や下板４が平坦面を維持する。そのため、加熱部６の表面が平坦であることにより、ＣＰＵなどの発熱部品との密着性が良好になり、発熱部品と加熱部６との間の熱抵抗を低減することができる。

本発明で採用することのできる他のウイック８の構造について説明する。図３はウイック８の断面図であって、ここに示すウイック８は細線束８ａ，８ｂと多孔質体８ｃとによって構成されている。細線束８ａ，８ｂは、前記中空路７の長さ方向に沿って配置されるように細長く形成され、多孔質体８ｃを挟んでその両側に配置され、かつこれら細線束８ａ，８ｂと多孔質体８ｃとが一体化されてウイック８を構成している。また、多孔質体８ｃの厚さＴｓは、細線束８ａ，８ｂの厚さＴｆより薄く、したがって多孔質体８ｃの部分が窪んでいる。さらに、細線束８ａ，８ｂの厚さＴｆは、中空路７の高さＨより低く、細線束８ａ，８ｂと中空路７の図３における上面７ｅとの間に僅かな隙間Ｃが形成されている。なお、細線束８ａ，８ｂは、カーボンファイバーや銅ファイバーなどの極細線によって形成され、また多孔質体８ｃは、銅粉末などの金属粉末を多孔構造に焼結して形成されている。

図３に示す構成のウイック８では、多孔質体８ｃの内部に形成されている空隙の大きさに対して、細線束８ａ，８ｂの内部に形成されている空隙の大きさが大きく、しかも細線束８ａ，８ｂ同士の間が窪んでいて空間になっている。また、細線束８ａ，８ｂと中空部７の前記上面７ｅとの間に前記隙間Ｃが形成されている。そのため、ウイック８を挟んだ左右両側の蒸気流路９が前記細線束８ａ，８ｂ同士の間の空間と前記隙間Ｃとを介して連通する。したがって、作動流体１１の蒸気が特定の蒸気流路９に閉じ込められることがなく、中空路７の全体に作動流体１１を行き渡らせて熱輸送を生じさせることができる。また、多孔質体８ｃの部分が窪んでいるので、その窪んだ部分に液相の作動流体１１を液膜として保持することができ、そのため、特に加熱部６においては作動流体１１の蒸発を促進することができる。

本発明に係る熱拡散板１における中空路７の本数や形状は、必要に応じて適宜の本数および形状とすることができる。例えば図４は本発明の他の実施形態を示す平面図であり、図４に示す例では直線状の４本の中空路７が本体部２の内部に形成されている。第１ないし第３の３本の中空路７ａ，７ｂ，７ｃは加熱部６から、本体部２の加熱部６とは反対側の端部に向けて直線状に延びており、３本の中空路７ａ，７ｂ，７ｃのうち左右の２本の中空路７ｂ，７ｃは、本体部２における前記加熱部６とは反対側で互いに離隔するように、本体部２の長さ方向に対して傾斜して形成されている。これらの中空路７ａ，７ｂ，７ｃに対していわゆるヘッダーとして機能する第４の中空路７ｄが設けられている。これらの中空路７ａ〜７ｄは、前述した図１に示す例と同様に、中間板５に貫通部を形成し、その中間板５を上板３および下板４によって挟み付けて貫通部を密閉することにより構成することができる。

第４の中空路７ｄは、前記加熱部６を横切るように本体部２の幅方向に向けて形成されている。この中空路７ｄの内部のウイック８は、他の中空路７が連通している箇所とは反対側の内壁面に接触した位置に配置されている。これは、加熱部６に一方の端部を配置して他の中空路７ａ，７ｂ，７ｃの内部に配置してあるウイック８と前記第４の中空路７ｄの内部に配置されているウイック８との間にスペースを空け、蒸気流路９が塞がれないようにするためである。図４に示す例における他の構成は、図１および図２を参照して説明した構成と同様であるから、図４に図１および図２に付した符号と同様の符号を付してその説明を省略する。

図４に示す熱拡散板１によれば、加熱部６に熱が伝達されることにより各中空路７ａ〜７ｄの内部で作動流体１１が蒸発し、その蒸気が各中空路７ａ〜７ｄにおける加熱部６から離れている端部側に向けて流動し、その後、放熱して凝縮する。すなわち、作動流体１１によって、加熱部６から離れた箇所に熱が拡散させられる。その場合、本体部２の長さ方向に対して傾斜している中空路７ｂ，７ｃが直線状に形成されているから、本体部２のうち加熱部６に近い箇所では、これらの中空路７ｂ，７ｃによる本体部２の幅方向への熱拡散量（あるいは拡散距離）が少なくなる。これに対して、前述した第４の中空路７ｄによって、加熱部６から本体部２の幅方向での両側に向けて熱が拡散させられるので中空路７ｂ，７ｃが直線状であることによる本体部２の幅方向への熱の拡散が、第４の中空路７ｄによって補われ、図１に示す熱拡散板１と比較して遜色のない熱拡散性能を発揮する。

なお、本発明は上述した各具体例に限定されないのであって、各中空路７を加熱部６から離れた箇所で連通させる連通路を追加して設けてもよい。また、各中空路７は直線状あるいは一部湾曲した形状以外に、例えば蛇行した形状、ジグザグ状に曲がった形状などの適宜の形状であってよい。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載されている構成の範囲で適宜に変更して実施することができる。

１…熱拡散板、 ２…本体部、 ３…上板、 ４…下板、 ５…中間板、 ６…加熱部、 ７，７ａ〜７ｄ…中空路、 ８…ウイック、 ８ａ，８ｂ…細線束、 ８ｃ…多孔質体、 １１…作動流体。

Claims (3)

1. 薄い板状の本体部の一部に外部から熱が伝達される加熱部が設けられ、前記加熱部に伝達された熱を前記加熱部から前記本体部の他の部分に拡散させる熱拡散板において、
   複数本の中空路が前記本体部の内部に前記加熱部を通るように形成されるとともに、前記各中空路が前記加熱部で互いに連通しており、
   前記中空路の内部に、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、
   前記各中空路の内部に、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、前記各中空路の内部に前記作動流体の蒸気が流動する蒸気流路をあけた状態に配置され、
   前記各ウイックの一部が前記加熱部に位置するとともに、前記各中空路の内部に形成されている前記各蒸気流路が前記加熱部で互いに連通し、
   前記ウイックは、前記中空路の長さ方向に沿って配置される二つの細線束と、前記細線
   束の間に配置された多孔質体とを有し、前記多孔質体の厚さが前記細線束の高さより低く
   なって前記多孔質体の部分が前記細線束に対して窪んでいる
   ことを特徴とする熱拡散板。
2. 前記本体部は、上板と、前記上板に対向して配置される下板と、前記中空路に相当する部分が貫通部とされかつ前記上板と前記下板とによって挟み込まれた中間板とによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散板。
3. 前記上板と前記下板と前記中間板とのうち少なくとも上板および下板は、ステンレス板もしくはアルミニウム板の表裏両側に銅板を積層したクラッド材によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱拡散板。

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