JP6702524B1 - ベーパーチャンバー - Google Patents

Abstract

外縁が接合された対向する第１シート及び第２シートから構成される筐体と、上記筐体内に封入された作動液と、上記第１シートの上記第２シートに対向する主面に設けられたウィックと、を備えるベーパーチャンバーであって、上記第１シート及び上記第２シートは、外縁を接合する封止部を有し、上記第１シート及び上記第２シートの少なくとも一方は、上記第１シートと上記第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視して上記ウィックと上記封止部の間に溝部を有していることを特徴とするベーパーチャンバー。

Description

本発明は、ベーパーチャンバーに関する。

近年、素子の高集積化、高性能化による発熱量が増加している。また、製品の小型化が進むことで発熱密度が増加するため、放熱対策が重要となっている。この状況はスマートフォンやタブレットなどのモバイル端末でより顕著であり、熱設計が非常に困難になっている。熱対策部材としてはグラファイトシートなどが用いられているが、熱輸送量は充分ではない。

熱輸送能力が高い熱対策部材として、面状のヒートパイプであるベーパーチャンバーが挙げられる。ベーパーチャンバーは、全体としての見かけの熱伝導率が、銅やアルミニウム等の金属に対して数倍から数十倍程度に優れている。

ベーパーチャンバーを利用した熱対策部材として、例えば、特許文献１には、金属シートを接合して形成したシート状の筐体に、ウィック、不織布及び作動液を封入したシート型のものが開示されている。

特開２０１７−４４３５６号公報

特許文献１に記載されたベーパーチャンバーにおいて、筐体内に封入された作動液は、熱源と熱接続する受熱部において気化し、温度の低い放熱部において凝縮して液相となる。そして、液化した作動液がウィックと不織布の毛細管力により再度受熱部に戻されることにより熱輸送の効果が得られる。

上記機構では、シート状の筐体の外縁で液化した作動液が筐体の中央部の受熱部に戻されることが前提となっているが、シート状の筐体を構成する金属シートの外縁が接合されている封止部において、金属シートの間隔が狭くなっている部位があると、毛細管力が強くなり、金属シートの間に作動液が保持されてしまうことがあった。
そうなると、受熱部に作動液が供給されなくなり、ウィック中央部が乾いてしまう、ドライアウトという現象が生じてしまうことがあった。
ドライアウトが生じると、熱源に近い受熱部において作動液の気化が生じないので熱源からの熱を吸収することができない。その場合、熱源の温度が下がらずにＣＰＵ等の電子部品が熱暴走を起こして故障すること、モバイル端末の表面温度が想定よりも高くなってしまうことが懸念される。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、シート状の筐体の外縁から筐体の中央部への作動液の循環能に優れ、ドライアウト発生を防止することのできるベーパーチャンバーを提供することを目的とする。

本発明のベーパーチャンバーは、外縁が接合された対向する第１シート及び第２シートから構成される筐体と、上記筐体内に封入された作動液と、上記第１シートの上記第２シートに対向する主面に設けられたウィックと、を備えるベーパーチャンバーであって、上記第１シート及び上記第２シートは、外縁を接合する封止部を有し、上記第１シート及び上記第２シートの少なくとも一方は、上記第１シートと上記第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視して上記ウィックと上記封止部の間に溝部を有していることを特徴とする。

本発明によれば、シート状の筐体の外縁から筐体の中央部への作動液の循環能に優れ、ドライアウト発生を防止することのできるベーパーチャンバーを提供することができる。

図１は、ベーパーチャンバーの構造の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、溝部を有さないベーパーチャンバーの外縁付近を模式的に示した断面図である。 図３は、溝部を有するベーパーチャンバーの外縁付近を模式的に示した断面図である。 図４は、ベーパーチャンバーをウィックの上面の平面で切断した断面を模式的に示す上面図である。 図５は、溝部を形成する位置の他の例を模式的に示す上面図である。 図６は、溝部の上面視形状が異なる例を模式的に示す上面図である。 図７は、第１シート及び第２シートが共に溝部を有する場合の例を模式的に示す断面図である。 図８は、ウィックと溶接部の間に溝部を形成する位置の他の例を模式的に示す上面図である。 図９は、ウィックと溶接部の間に溝部を形成する位置の他の例を模式的に示す上面図である。

以下、本発明のベーパーチャンバーについて説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。

本発明のベーパーチャンバーは、外縁が接合された対向する第１シート及び第２シートから構成される筐体と、上記筐体内に封入された作動液と、上記第１シートの上記第２シートに対向する主面に設けられたウィックと、を備えるベーパーチャンバーであって、上記第１シート及び上記第２シートは、外縁を接合する封止部を有し、上記第１シート及び上記第２シートの少なくとも一方は、上記第１シートと上記第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視して上記ウィックと上記封止部の間に溝部を有していることを特徴とする。

以下、図１を参照して、ベーパーチャンバーの構造の例について説明する。
図１は、ベーパーチャンバーの構造の一例を模式的に示す断面図である。
図１に示すベーパーチャンバー１は、対向する第１シート１１及び第２シート１２から構成される筐体１０と、筐体１０内に封入された作動液２０と、第１シート１１の第２シート１２に対向する主面１１ａ（第１シート１１の内壁面１１ａ）に設けられたウィック３０と、第２シート１２の第１シート１１に対向する主面１２ａ（第２シート１２の内壁面１２ａ）に設けられた複数の支柱４０とを備えている。筐体１０は、内部に空洞１３を有しており、空洞１３を確保するために、第１シート１１及び第２シート１２が支柱４０によって支持されている。
第１シート１１及び第２シート１２は、外縁において互いに接合され、封止されている。図１に示すベーパーチャンバー１では、ウィック３０は、第１シート１１の内壁面１１ａに所定の間隔で配置された複数の凸部３１と、凸部３１上に配置されたメッシュ３２とを備えている。

凸部３１は、第１シート１１と一体であってもよく、例えば、第１シート１１の内壁面１１ａをエッチング加工すること等により形成されていてもよい。同様に、支柱４０は、第２シート１２と一体であってもよく、例えば、第２シート１２の内壁面１２ａをエッチング加工すること等により形成されていてもよい。

第１シート１１及び第２シート１２の外縁を接合する部分が封止部５０である。第１シート１１及び第２シート１２がいずれも金属材料であって、第１シート１１と第２シート１２が溶接されている場合、第１シート１１と第２シート１２が溶接されている部分を溶接部５１とする。
封止部は、溶接部を含む部位であり、第１シートと第２シートが溶接されていないが接している部位については、溶接部ではないが封止部に含まれる。

作動液２０は、ウィック３０の中に液相として存在している。また、作動液２０は、空洞１３内においては主に気相（作動液が水の場合は水蒸気）として存在している。

第１シート１１の第２シート１２に対向しない主面（外壁面）には発熱部材７０が配置される。
発熱部材７０の熱により、発熱部材７０の直上においてウィック３０に存在する作動液２０が気化し、発熱部材７０の熱を奪うとともに気化した作動液はメッシュ３２から空洞１３に移動する。
気化した作動液２０は筐体１０内を移動して、筐体１０の外縁付近で凝縮して液相となる。
液相となった作動液２０はウィック３０の有する毛細管力によりウィック３０に吸収され、ウィック３０内を再度発熱部材７０の方に移動して、発熱部材７０の熱を奪うように働く。
作動液が筐体内をこのように循環して移動することにより、ベーパーチャンバーによる発熱部材の冷却が行われる。

本発明のベーパーチャンバーでは、第１シート及び第２シートの少なくとも一方が、第１シートと第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視してウィックと封止部の間に溝部を有している。
以下に、ベーパーチャンバーが溝部を有することにより発揮される作用効果について、ベーパーチャンバーが溝部を有さない場合と溝部を有する場合を対比して説明する。

図２は、溝部を有さないベーパーチャンバーの外縁付近を模式的に示した断面図である。
ベーパーチャンバーが溝部を有さない場合、筐体の外縁において、第１シート１１の内壁面１１ａと第２シート１２の内壁面１２ａの間の間隔（図２中、両矢印Ｘで示す距離）が狭くなってしまう部位が存在する。このような部位は毛細管力が強くなり、この部位に保持された作動液はウィック側に移動することなくとどまってしまう。そのため、循環する作動液の量が少なくなり、場合によっては発熱部材７０付近に作動液が存在しないドライアウトが生じる。

図３は、溝部を有するベーパーチャンバーの外縁付近を模式的に示した断面図である。
図３では、第１シート１１が溝部６０を有している。
ベーパーチャンバーが溝部６０を有する場合、筐体の外縁において、第１シート１１の内壁面１１ａと第２シート１２の内壁面１２ａの間の間隔（図３中、両矢印Ｙで示す距離）が広くなる。
このように、ベーパーチャンバーが筐体の外縁において溝部を有していることにより第１シートの内壁面と第２シートの内壁面の間の間隔が広くなっていると、作動液に対する毛細管力が強くならない。そのため、作動液は第１シートの内壁面と第２シートの内壁面の間に保持されない。そして、作動液はウィックの有する毛細管力によりウィックに吸収されて発熱部材側に移動していくことができ、循環する作動液の量が少なくなることはない。

図４は、ベーパーチャンバーをウィックの上面の平面で切断した断面を模式的に示す上面図である。
図４には、第１シート１１が溝部６０をウィック３０と封止部５０の間に１カ所だけ有している例を示している。
具体的には、溝部６０は封止部５０のうちの溶接部５１と接しており、さらにウィック３０とも接している。これは、溝部が封止部と第１シートと第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視して接している形態の一形態である。また、溝部がウィックと溶接部の間にわたって設けられている形態であるともいえる。
図４に示す溝部６０は、上面視が長方形状である。
溝部の幅（図４中に両矢印Ｗで示す距離）は、特に限定されるものではないが、５００μｍ以上、７００μｍ以下であることが好ましい。
溝部の上面視形状が長方形状でない場合は、両矢印Ｗで示す方向での最長の距離を溝部の幅とすることができる。
また、溝部の長さ（図４中に両矢印Ｄで示す距離）は、特に限定されるものではないが、３００μｍ以上、３０００μｍ以下であることが好ましい。
溝部の上面視形状が長方形状でない場合は、両矢印Ｄで示す方向での最長の距離を溝部の長さとすることができる。
なお、溝部の深さについては、特に限定されるものではないが、溝部がないと仮定した場合の金属シートの上面の位置から、溝部となっている金属シートの上面の位置までの距離の最大値（図３中に両矢印Ｔで示す距離）として定められ、１００μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。
深さが深すぎるとベーパーチャンバーの厚さが厚くなりすぎる。
また、溝部の幅／深さの比率が０．５〜１０．０であることが好ましい。
上記比率が０．５未満と小さい場合、溝部に毛細管力が働きやすくなる。また、上記比率が１０．０を超えて大きいと溝部を設けた効果が弱く、毛細管力の強い部位が生じる。
また、溝部の断面形状（図４においてＢ―Ｂ線で切断した際の溝部の断面形状）が半円形状であることが好ましい。また、溝部の断面形状が半円形状である場合の溝部の深さは、その最大深さとして定める。

図５は、溝部を形成する位置の他の例を模式的に示す上面図である。
図５には、上面視が長方形である形状のウィック３０の４辺のいずれの辺に対しても溝部６０を設けた例を示している。
このように、溝部がウィックの周囲の各辺に設けられていると、ベーパーチャンバーが複数の姿勢（傾き）において作動液をウィック側に移動させることができるため好ましい。

図６は、溝部の上面視形状が異なる例を模式的に示す上面図である。
図６には、上面視において、封止部５０の側からウィック３０の側に向けてその幅が狭くなっていく形状の溝部６０の形状を示している。
溝部における封止部側の幅が大きいと毛細管力が小さいので封止部側に作動液が保持されにくい。一方、溝部におけるウィック側の幅が小さいと毛細管力が大きいのでウィック側に作動液が引き寄せられる。
すなわち、封止部側からウィック側に向けて溝部の幅が狭くなる形状であると、封止部側からウィック側への作動液の移動の促進につながる。
そのため、溝部の上面視形状をこのような形状としてもよい。
図６には、溝部の上面視形状の例として、上面視形状が三角形（封止部側が底辺でウィック側が頂点となる正三角形、二等辺三角形、直角三角形）及び台形（封止部側の辺がウィック側の辺より長い等脚台形、その他の台形）の場合を示している。

図７は、第１シート及び第２シートが共に溝部を有する場合の例を模式的に示す断面図である。
図７には、第１シート１１に設けられた溝部６１と第２シート１２に設けられた溝部６２を示している。
このような構成であると、第１シート１１の内壁面１１ａと第２シート１２の内壁面１２ａの間の間隔（図７中、両矢印Ｙで示す距離）はかなり広くなる。
従って、ベーパーチャンバーが溝部を有することによる効果が好適に発揮される。

図３には第１シートが溝部を有する例を示し、図７に第１シート及び第２シートが共に溝部を有する例を示したが、第２シートだけが溝部を有していてもよい。
また、図７には第１シートに設けられた溝部と第２シートに設けられた溝部が同じ断面図上に位置する場合、すなわち上面視において溝部の形成位置が重なっている場合を示している。しかしながら、溝部を第１シート及び第２シートの両方に設ける場合に、溝部の形成位置は上面視において重なっていなくてもよい。

また、本発明のベーパーチャンバーでは、ウィックと溝部が断面視して同一シート側に位置していることが好ましい。ウィックは第１シートの第２シートに対向する主面に設けられることから、図３や図７に示すように、ウィックと溝部が共に第１シート側に設けられている形態が好ましい形態である。このような形態であると、作動液がよりスムーズに循環可能である。

図４には、溝部がウィックと溶接部の間にわたって設けられた例を示したが、溝部はウィックと溶接部の間のいずれかの部位に設けられていればよい。
図８及び図９は、ウィックと溶接部の間に溝部を形成する位置の他の例を模式的に示す上面図である。
図８及び図９には、溝部とウィック及び溶接部の位置関係を示すために溝部の周囲のみの上面図を示している。

図８には溝部６０が溶接部５１と接していてウィック３０とは接していない例を示している。これは、溝部が封止部と第１シートと第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視して接している形態の一形態である。
溝部がウィックと接していなくても、溶接部と接していることにより筐体の外縁において最も毛細管力が強くなりやすい部位における毛細管力を弱くすることができるので、循環する作動液の量が減少することを防止することができる。

図９には溝部６０が溶接部５１及びウィック３０のいずれにも接していない例を示している。この場合でも、少なくとも溝部が設けられている部位は毛細管力が弱い部位となるので、溝部が設けられていない場合と比較すると筐体の外縁において毛細管力が強くなりやすい部位に保持される作動液の量を減らすことは可能であり、循環する作動液の量が減少することを防止することができる。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、筐体の形状は、特に限定されない。例えば、筐体の平面形状（図１において図面上側から見た形状）は、三角形または矩形などの多角形、円形、楕円形、これらを組み合わせた形状などが挙げられる。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、筐体を構成する第１シートと第２シートとは、端部が一致するように重なっていてもよいし、端部がずれて重なっていてもよい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シート及び第２シートを構成する材料は、ベーパーチャンバーとして用いるのに適した特性、例えば熱伝導性、強度、柔軟性などを有するものであれば、特に限定されない。第１シート及び第２シートを構成する材料は、好ましくは金属材料であり、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄など、またはそれらを主成分とする合金などが挙げられる。第１シート及び第２シートを構成する材料は、銅であることが特に好ましい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シートを構成する材料と、第２シートを構成する材料は異なっていてもよい。例えば、強度の高い材料を第１シートに用いることにより、筐体にかかる応力を分散させることができる。また、両者の材料を異なるものとすることにより、一方のシートで一の機能を得、他方のシートで他の機能を得ることができる。上記の機能としては、特に限定されないが、例えば、熱伝導機能、電磁波シールド機能等が挙げられる。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シート及び第２シートの厚みは特に限定されないが、第１シート及び第２シートが薄すぎると、筐体の強度が低下して変形が起こりやすくなる。そのため、第１シート及び第２シートの厚みは、それぞれ２０μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることがより好ましい。一方、第１シート及び第２シートが厚すぎると、ベーパーチャンバー全体の薄型化が困難になる。そのため、第１シート及び第２シートの厚みは、それぞれ２００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以下であることがより好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。第１シート及び第２シートの厚みは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
なお、ウィックを構成する凸部が第１シートと一体である場合、第１シートの厚みは、凸部に接していない部分の厚みとする。また、支柱が第２シートと一体である場合、第２シートの厚みは、支柱に接していない部分の厚みとする。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シートの厚みは、一定であってもよいし、厚い部分と薄い部分が存在していてもよい。同様に、第２シートの厚みは、一定であってもよいし、厚い部分と薄い部分が存在していてもよい。また、支柱に接していない部分の第２シートは、筐体の内側に凹んでいてもよい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、作動液は、筐体内の環境下において気−液の相変化を生じ得るものであれば特に限定されず、例えば、水、アルコール類、代替フロン等を用いることができる。作動液は、水性化合物であることが好ましく、水であることがより好ましい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックは、毛細管力により作動液を移動させることができる毛細管構造を有する限り、特に限定されない。ウィックの毛細管構造は、従来のベーパーチャンバーに用いられている公知の構造であってもよい。毛細管構造としては、細孔、溝、突起などの凹凸を有する微細構造、例えば、多孔構造、繊維構造、溝構造、網目構造などが挙げられる。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックは、筐体の内部に、蒸発部から凝縮部まで連続して設けられることが好ましい。ウィックの少なくとも一部は、筐体と一体であってもよい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックは、第１シートの内壁面とは反対側の表面に、メッシュ、不織布又は多孔体を備えていてもよい。例えば、ウィックは、第１シートの内壁面に所定の間隔で配置された複数の凸部と、上記凸部上に配置されたメッシュ、不織布又は多孔体とから構成されていてもよいし、第１シートの内壁面に直接配置されたメッシュ、不織布又は多孔体から構成されていてもよい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックが第１シートの内壁面に複数の凸部を備える場合、凸部間に作動液を保持することができるため、ベーパーチャンバーの熱輸送能力を向上させることができる。
本明細書において、凸部とは、周囲よりも相対的に高さが高い部分をいい、内壁面から突出した部分に加え、内壁面に形成された凹部、例えば溝などにより相対的に高さが高くなっている部分も含む。

凸部の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱形状、角柱形状、円錐台形状、角錐台形状などが挙げられる。また、凸部の形状は、壁状であってもよく、すなわち、隣接する凸部の間に溝が形成されるような形状であってもよい。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、支柱は、第１シート及び第２シートを内側から支持している。支柱を筐体の内部に配置することにより、筐体の内部が減圧された場合、筐体外部からの外圧が加えられた場合などに筐体が変形することを抑制することができる。なお、支柱は、直接第１シート又は第２シートに接して支持してもよいし、他の部材、例えばウィックなどを介して支持してもよい。

支柱の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱形状、角柱形状、円錐台形状、角錐台形状などが挙げられる。

支柱の配置は、特に限定されないが、好ましくは均等に、例えば支柱間の距離が一定となるように格子点状に配置される。支柱を均等に配置することにより、ベーパーチャンバー全体にわたって均一な強度を確保することができる。

本発明のベーパーチャンバーは、上記実施形態に限定されるものではなく、ベーパーチャンバーの構成、製造条件等に関し、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

例えば、本発明のベーパーチャンバーは、第２シートの内壁面にウィックを備えていてもよい。この場合、支柱は、第２シートに直接接触せず、上記ウィックを介して第２シートを支持してもよい。

本発明のベーパーチャンバーは、上記のように熱輸送能力および熱拡散能力が高いので、放熱デバイスとして好適に用いられる。

また、本発明のベーパーチャンバーは、小型化、特に薄型化に有利であるため、小型化が要求される機器、例えば電子機器における利用に適している。

本発明のベーパーチャンバーを製造する方法は、上記の構成を得られる方法であれば特に限定されない。例えば、ウィックを配置した第１シートと支柱を配置した第２シートとを重ね合わせ、第１シート及び／又は第２シートに圧力をかけて溝部を形成した後に、作動液を注入し、溝部と接する位置で第１シートと第２シートを接合することによりベーパーチャンバーを得ることができる。
第１シート及び第２シートの接合方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー溶接、抵抗溶接、拡散接合、ロウ接、ＴＩＧ溶接（タングステン−不活性ガス溶接）、超音波接合、樹脂封止などが挙げられる。これらのなかでは、レーザー溶接、抵抗溶接またはロウ接が好ましい。

１ ベーパーチャンバー
１０ 筐体
１０ａ 筐体の内壁面
１１ 第１シート
１１ａ 第１シートの第２シートに対向する主面（第１シートの内壁面）
１２ 第２シート
１２ａ 第２シートの第１シートに対向する主面（第２シートの内壁面）
１３ 空洞
２０ 作動液
３０ ウィック
３１ 凸部
３２ メッシュ
４０ 支柱
５０ 封止部
５１ 溶接部
６０、６１、６２ 溝部
７０ 発熱部材

Claims (4)

1. 外縁が接合された対向する第１シート及び第２シートから構成される筐体と、
   前記筐体内に封入された作動液と、
   前記第１シートの前記第２シートに対向する主面に設けられたウィックと、を備えるベーパーチャンバーであって、
   前記第１シート及び前記第２シートはいずれも金属材料からなり、
   前記第１シート及び前記第２シートは、外縁を接合する封止部を有し、
   前記第１シート及び前記第２シートの少なくとも一方は、前記第１シートと前記第２シートの対向する方向に直交する方向から断面視して前記ウィックと前記封止部の間に溝部を有しており、
   前記封止部は、前記第１シート及び前記第２シートが溶接された溶接部を有しており、前記溝部が前記封止部と接していることを特徴とするベーパーチャンバー。
2. 前記溝部は前記ウィックと前記溶接部の間にわたって設けられている請求項１に記載のベーパーチャンバー。
3. 前記ウィックと前記溝部が断面視して同一シート側に位置している、請求項１又は２に記載のベーパーチャンバー。
4. 前記溝部の幅／深さの比率が０．５〜１０．０である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のベーパーチャンバー。

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