JP6809643B1 - ベーパーチャンバー、及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
熱源からの熱を輸送した気体状態の作動流体は熱源から離れた位置にまで移動し、周囲に熱を吸収されることで冷却されて凝縮し、液体状態に相変化する。相変化した液体状態の作動流体は凝縮液用流路を通り、熱源の位置にまで戻ってまた熱源からの熱を受けて蒸発して気体状態に変化する。
以上のような循環により熱源から発生した熱が熱源から離れた位置に輸送され熱源が冷却される。
また、ベーパーチャンバーでは、密閉空間内を作動流体が相変化を伴いつつ移動するため、本明細書では気化して気体である作動流体を「蒸気」、液化して液体である作動流体を「凝縮液」と記載することがある。
注入部12は第一シート10と第二シート20により形成された密閉空間2(例えば図25参照)に対して作動流体を注入する部位であり、本形態では本体11の平面視長方形である一辺から突出する平面視四角形のシート状である。本形態では第一シート10の注入部12は内面10a側も外面10b側も平坦面とされている。
これにより薄型のベーパーチャンバーとして適用できる場面を多くすることができる。
ただし、必ずしも金属材料である必要はなく、例えばAlN、Si3N4、又はAl2O3などセラミックスや、ポリイミドやエポキシなど樹脂も可能である。
また、1つシート内で2種類以上の材料を積層したものを用いてもよいし、部位によって材料が異なってもよい。
ここで液流路溝14aは溝であることから、その断面形状において、外面10b側に底部、及び底部とは向かい合わせとなる反対の内面10a側に開口を備えている。
すなわち、図8に示した壁部14bでは、連通開口部14cが形成される端部においてもその幅(W31)が他の部位と同じであり一定である。これに対して図9乃至図11に示した形状の壁部14bでは、連通開口部14cが形成される端部においてその幅が、壁部14bの最大幅(W31)よりも小さくなるように形成されている。より具体的には、図9の例では当該端部において角が円弧状となり角にRが形成されることにより端部の幅が小さくなる例、図10は端部が半円状とされることにより端部の幅が小さくなる例、図11は端部が尖るように先細りとなる例である。
一方で、ベーパーチャンバーの非作動時においては、後述するように、連通開口部14cの近傍に溜まった作動流体が凍結して体積が増加する。そのとき、第一シートと第二シートを離す方向に働く力が加わると、壁部14bの端部がこのように細くなっていることから、当該細くなった部位に応力が集中して壁部14bの破壊がされやすい状況になる。しかしながら本形態ではこのような場合であっても壁部14bが破壊されることなく十分な耐久力を有するものとなる。
このようにオフセットして連通開口部14cを設けることで、凝縮液流路3を進行する作動流体からみたときに、連通開口部14cが両側に同時に表れることがなく、連通開口部14cが表れても少なくとも一方の側面は常に壁部14bが存在する。そのため、毛細管力を連続的に得ることができる。かかる観点からオフセットして連通開口部14cを形成することで作動流体に働く毛細管力を高く維持することができるため、より円滑な還流が可能となる。
一方で、ベーパーチャンバーの非作動時においては、このような強い毛管力のため、図8の例に比べて凝縮液が連通開口部14cに多く溜まる傾向にある。すると、後述するように作動流体が凍結して体積が増加したときに第一シートと第二シートを離す方向、すなわち壁部14bを破壊する方向により大きな力が加わる。しかしながら本形態ではこのような場合であって壁部14bが破壊されることなく十分な耐久力を有するものとなる。
図4乃至図7にW2で示した外周液流路部14の幅(液流路部14aが配列される方向の大きさで、第二シート20との接合面における幅)は、ベーパーチャンバー全体の大きさ等から適宜設定することができるが、幅W2は、3.0mm以下であることが好ましく、1.5mm以下であってもよく、1.0mm以下であってもよい。幅W2が3.0mmを超えると内側の凝縮液流路や蒸気流路のための空間が十分にとれなくなる虞がある。一方、幅W2は0.1mm以上であることが好ましく、0.2mm以上であってもよく、0.4mm以上であってもよい。幅W2が0.1mmより小さいと外側を還流する凝縮液の量が十分得られない虞がある。幅W2の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、幅W2の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
また、図6、図7にD1で示した溝の深さは、200μm以下であることが好ましく、150μm以下であってもよく、100μm以下であってもよい。一方、深さD1は5μm以上であることが好ましく、10μm以上であってもよく、20μm以上であってもよい。深さD1の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、深さD1の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
以上のように構成することにより、還流に必要な凝縮液流路の毛細管力をより強く発揮することができる。
その中でも製造の観点からW3はD1より大きいことが好ましく、かかる観点からアスペクト比は1.3より大きいことが好ましい。
幅W31の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、溝幅W31の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
これにより、凝縮液流路の密度を上げつつ、接合時や組み立て時に変形して流路が潰れることを抑制することができる。
図14には、領域R1及び領域R3における内側液流路部15について、図14に矢印I5で示した方向から見た内側液流路部15を平面視した拡大図を示した。図15には、領域R2における内側液流路部15について、図14に矢印I5で示した方向から見た内側液流路部15を平面視した拡大図を示した。
そこで本形態では図14と図15とを対比してもわかるように、少なくとも蒸気流路溝16に隣接する連通開口部15cにおいて、図15に示した領域R2の連通開口部15cのピッチPR2が、図14に示した領域R1及び領域R3の連通開口部15のピッチPR1よりも大きくなるように構成されている。すなわち、連通開口部のピッチが長い領域(領域R2)の両隣の領域(領域R1、領域R3)の連通開口部のピッチが、間にある領域R2の連通開口部のピッチより小さくなるように構成されている。
これにより、後で説明するように、連通開口部のピッチが長い領域(領域R2)では、これに隣り合う領域(領域R1、領域R3)よりも作動流体と第一シートとの接触面積や、蒸気と凝縮液との接触面積が小さくなることから、作動流体の凝縮及び蒸発が起こり難くなる。そのため、例えば領域R1を熱源が配置される蒸発部とした場合に、蒸気が領域R2にて凝縮して蒸気流路を塞いでしまうようなことが防止され、熱源から離隔した領域R3まで蒸気を移動させることができる。また、例えば領域R1を蒸発部(受熱部、熱源が配置される部位)としたときに、作動流体が領域R2にて蒸発してしまい、蒸発部である領域R1で凝縮液が不足することを防止できる。
同時に、領域R2では、凝縮液流路において隣り合う領域(領域R1、領域R3)よりも毛細管力が続く距離が長いため凝縮液の輸送を促すことができる。
これにより、作動流体の円滑な還流が可能になり、熱輸送能力を高めることができる。
従って、蒸発部とされた領域(領域R1及び領域R3の一方)は冷却する対象である熱源以上の大きさとし、冷却部とされた領域(領域R1及び領域R3の他方)も蒸発部とされた領域と同じ大きさとすることができる。
この場合は、中央の領域R3’を蒸発部(受熱部)として冷却対象となる熱源が配置され、両端の領域R1’及び領域R5’を冷却部とすることが想定される。
これにより、連通開口部15cを作動流体が移動しやすくなり、さらに作動流体の円滑な還流が可能となる。
一方で、ベーパーチャンバーの非作動時においては、後述するように、連通開口部15cの近傍に溜まった作動流体が凍結して体積が増加する。そのとき、第一シートと第二シートを離す方向に働く力が加わると、壁部15bの端部がこのように細くなっていることから、当該細くなった部位に応力が集中して壁部15bの破壊がされやすい状況になる。しかしながら本形態ではこのような場合であっても壁部15bが破壊されることなく十分な耐久力を有するものとなる。
図4、図5、図13にW4で示した内側液流路部15の幅(内側液流路部15と蒸気流路溝16が配列される方向の大きさで、第二シート20との接合面における幅)は、3000μm以下であることが好ましく、1500μm以下であってもよく、1000μm以下であってもよい。一方、この幅W4は100μm以上であることが好ましく、200μm以上であってもよく、400μm以上であってもよい。この幅W4の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、幅W4の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
これにより蒸気流路の流路抵抗を十分に下げ、蒸気の移動と、凝縮液の還流をバランスよく行うことができる。
これにより蒸気流路の流路抵抗を下げ、蒸気の移動と、凝縮液の還流とをバランスよく行うことができる。
また、図13にD2で示した溝の深さは、200μm以下であることが好ましく、150μm以下であってもよく、100μm以下であってもよい。一方、この深さD2は5μm以上であることが好ましく、10μm以上であってもよく、20μm以上であってもよい。この深さD2の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、深さD2の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
これにより還流に必要な凝縮液流路の毛細管力を強く発揮することができる。
その中でも製造の観点から幅W5は深さD2よりも大きいことが好ましく、かかる観点からアスペクト比は1.3より大きいことが好ましい。
幅W51の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、溝幅W51の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
これにより凝縮液流路の密度を上げつつ、接合時や組み立て時に変形して流路が潰れることを抑制することができる。
ここで蒸気流路溝16は溝であることから、その断面形状において、外面10b側となる底部、及び該底部とは向かい合わせとなる反対の内面10a側に開口を備えている。
図4、図5にW6で示した蒸気流路溝16の幅(内側液流路部15と蒸気流路16が配列される方向の大きさで、溝の開口面における幅)は、少なくとも上記した液流路溝14a、液流路溝15aの幅W3、幅W5より大きく形成され、2000μm以下であることが好ましく、1500μm以下であってもよく、1000μm以下であってもよい。一方、この幅W6は100μm以上であることが好ましく、200μm以上であってもよく、400μm以上であってもよい。この幅W6の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、幅W6の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
蒸気流路溝16のピッチは、内側液流路部15のピッチにより決まるのが通常である。
このように、蒸気流路溝の流路断面積を液流路溝よりも大きくすることにより、作動流体の性質上、凝縮液よりも体積が大きくなる蒸気を円滑に還流することができる。
蒸気流路は蒸気の流動抵抗を小さくすることにより、作動流体を円滑に還流させることができるので、かかる観点から流路断面の形状を決定することもできる。
図4、図7にW7で示した蒸気流路連通溝17の幅は、(連通方向に直交する方向の大きさで、溝の開口面における幅)は、1000μm以下であることが好ましく、750μm以下であってもよく、500μm以下であってもよい。一方、この幅W7は100μm以上であることが好ましく、150μm以上であってもよく、200μm以上であってもよい。この幅W7の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、幅W7の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
蒸気流路連通溝は蒸気の流動抵抗を小さくすることにより作動流体の円滑な還流をさせることができるので、かかる観点から流路断面の形状を決定することもできる。
図19には図18にI6−I6で切断した切断面、図20には図18にI7−I7で切断したときの切断面をそれぞれ表した。
第二シート20でも3つの領域R11、R12、R13に分けて考えることができるため、図19は図18にI6−I6で示した領域R11、R13における断面、図20は図18にI7−I7で示した領域R12における切断面をそれぞれ表している。
また、図21には図18にI8−I8で切断したときの第二シート20の切断面を示した。
注入部22は第一シート10と第二シート20とにより形成された密閉空間2(図25参照)に対して作動流体を注入する部位であり、本形態では本体21の平面視長方形である一辺から突出する平面視四角形のシート状である。本形態では第二シート20の注入部22には内面20a側に注入溝22aが形成されており、第二シート20の側面20cから本体21の内側(密閉空間2となるべき部位)に連通している。
このような第二シート20の厚さ及び構成する材料は第一シート10と同様に考えることができる。ただし、第一シート10と第二シート20とは必ずしも同じ厚さ及び材料である必要はない。
図18乃至図21にW8で示した外周接合部23の幅は上記した第一シート10の本体11の外周接合部13の幅W1と同じであっても異なっていてもよい。
なお、このように第二シート20では外周接合部23と外周液流路部24とが面一であるため、構造的には両者を区別する境界線は存在しない。しかし、わかり易さのため、図17、図18では点線により両者の境界を表している。
本形態で図18乃至図21に示した外周液流路部24の幅W9は第一シート10の外周液流路部14の幅W2と同じ大きさで形成されている。
本形態で各内側液流路部25は、その内面20a側の表面が第一シート10との接合前において平坦面となるように形成されている。これにより上記した第一シート10の複数の液流路溝15aのうち少なくとも一部の液流路溝15aの開口を閉鎖して第2流路である凝縮液流路3を形成する。
これにより、後で説明するように、内側液流路部25のうち幅が小さい領域(領域R12)では、これに隣り合う幅が広い領域(領域R11、領域R13)よりも張出部6の張出量が小さくなることから、作動流体と第二シートとの接触面積や、蒸気と凝縮液との接触面積が小さくなり、作動流体の凝縮及び蒸発が起こり難くなる。そのため、例えば領域R11を熱源が配置される蒸発部とした場合に、蒸気が領域R12にて凝縮液で蒸気流路が塞がれることが防止され、熱源から離隔した領域R13まで蒸気を移動させることができる。また、例えば領域R11を蒸発部(受熱部、熱源が配置される部位)としたときに、作動流体が領域R12にて蒸発してしまい、蒸発部である領域R11で凝縮液が不足することを防止できる。
これにより、作動流体の円滑な還流が可能なり、熱輸送能力を高めることができる。
従って、蒸発部とされた領域(領域R11及び領域R13の一方)は冷却する対象である熱源以上の大きさとし、冷却部とされた領域(領域R11及び領域R13の他方)も蒸発部とされた領域と同じ大きさとすることができる。
ただし、これに限定されることはなく、領域R1と領域R11、領域R2と領域R12、及び領域R3と領域R13を関連付けることなく個別に設定してもよい。
また、上記した連通開口部15cのピッチに関する違いの構造と、内側液流路部25の幅(張出量)に関する違いの構造については、何れか一方のみであっても独立して効果を奏することもできるので、ベーパーチャンバーはいずれか一方の構造のみを具備するものであってもよい。
すなわち、例えば連通開口部15cのピッチが全ての領域で同じでありつつ、内側液流路部の幅(張出量)については領域により異なる形態のベーパーチャンバーであってもよく、又は、連通開口部15cのピッチが領域により異なりつつ、内側液流路部の幅(張出量)については全ての領域で同じとなるような形態のベーパーチャンバーであってもよい。
この場合は、中央の領域R13’を蒸発部(受熱部)として冷却対象となる熱源が配置され、両端の領域R11’及び領域R15’を冷却部とすることが想定される。
ここで蒸気流路溝26は溝であることから、その断面形状において、外面20b側に底部、及び該底部とは向かい合わせとなる反対の内面20a側に開口を備えている。
一方、図19、図20にD5で示した蒸気流路溝26の深さは、300μm以下であることが好ましく、200μm以下であってもよく、100μm以下であってもよい。一方、この深さD5は10μm以上であることが好ましく、25μm以上であってもよく、50μm以上であってもよい。この深さD5の範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、深さD5の範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
また第一シート10の蒸気流路溝16と第二シート20の蒸気流路溝26の深さは同じであってもよく、大きくても小さくてもよい。
幅W14と幅W7とを異なる大きさにしたときには、蒸気流路連通溝17及び蒸気流路連通溝27による流路に段差が形成され、これによる毛細管力により凝縮液の移動が促進されるためより円滑に作動流体の還流が可能となる。
図25には、図1にI9−I9で示したy方向に沿ってベーパーチャンバー1を厚さ方向に切断した切断面、図26には、図1にI10−I10で示したy方向に沿ってベーパーチャンバー1を厚さ方向に切断した切断面をそれぞれを表した。図25は領域R1及び領域R11、並びに領域R3及び領域R13における切断面、図26は領域R2及び領域R12における切断面である。
これらの図は第一シート10における図5に表した図と、第二シート20における図19、図20に表した図とが組み合わされてこの部位におけるベーパーチャンバー1の切断面が表されたものである。
図27には図25の一部を拡大した図、図28には図26の一部を拡大した図をそれぞれ表した。
また、図29には図27に表したI11−I11矢視断面図、図30には図28に表したI12−I12矢視断面図をそれぞれ示した。
また、図31には、図1にI13−I13で示したx方向に沿ってベーパーチャンバー1の厚さ方向に切断した切断面を表した。この図は、第一シート10における図7に表した図と、第二シート20における図21に表した図とが組み合わされてこの部位におけるベーパーチャンバー1の切断面が表されたものである。
同様に、第一シート10の凸条である内側液流路部15と第二シート20の凸条である内側液流路部25とが重なるように配置されている。これにより内側液流路部15の液流路溝15a及び内側液流路部25により凝縮液が流れる第2流路である凝縮液流路3が形成される。
本形態では図29と図30とを対比してもわかるように、図30で示した領域R2の連通開口部15cのピッチPR2が、図19で示した領域R1及び領域R3の連通開口部15cのピッチPR1よりも大きくなるように構成されている。
すなわち、連通開口部のピッチが長い領域(領域R2)における連通開口部では、その両隣の領域(領域R1、領域R3)の連通開口部のピッチよりもピッチが大きくなるように構成されている。
これにより、連通開口部のピッチが長い領域(領域R2)では、これに隣り合う領域(領域R1、領域R3)よりも作動流体と第一シートとの接触面積や、蒸気と凝縮液との接触面積が小さくなることから、作動流体の凝縮及び蒸発が起こり難くなる。そのため、例えば領域R1を熱源が配置される蒸発部(受熱部)とした場合に、蒸気が領域R2で凝縮し難く、蒸気流路が塞がれる等の阻害を受けることなく熱源から離隔した領域R3まで蒸気を移動させることができる。また、例えば領域R1を蒸発部(受熱部、熱源が配置される部位)としたときに、作動流体が領域R2にて蒸発してしまい、蒸発部である領域R1で凝縮液が不足することを防止できる。
同時に領域R2では、凝縮液流路において隣り合う領域(領域R1、領域R3)よりも毛細管力が続く距離が長いため凝縮液の輸送を促すことができる。
以上により、作動流体の円滑な還流が可能となって、熱輸送能力を高めることができる。
従って、蒸発部とされた領域(領域R1及び領域R3の一方)は冷却する対象である熱源以上の大きさとし、冷却部とされた領域(領域R1及び領域R3の他方)も蒸発部とされた領域と同じ大きさとすることができる。
同様の観点から、LR1をPR1で除した開口長さ比、LR2をPR2除した開口長さ比は、0.2以上1.0以下とすることができる。
また、PR2をPR1で除した領域間のピッチの比率は1.3以上2.5以下とすることができる。
この場合は、中央の領域R3’を蒸発部(受熱部)として冷却対象となる熱源が配置され、両端の領域R1’及び領域R5’を冷却部とすることが想定される。
本形態では内側液流路部15側にのみ液流路溝15aが設けられているが、これに限られることはなく、第二シートの内側液流路部にも液流路溝が設けられ、液流路溝15aに重ねられることにより凝縮液流路とされてもよい。この場合には第一シートの液流路溝の深さと第二シートの液流路溝の深さとの合計が凝縮液流路の高さとなる。
また、壁部15bの幅SAは20μm以上であることが好ましく、30μm以上であってもよく、50μm以上であってもよい。また、壁部の幅SA(μm)は300μm以下であることが好ましく、200μm以下とすることができ、100μm以下でもよい。これにより、限られた内部空間を有効活用でき、蒸気流路及び凝縮液流路の本数を増やすことができる。これら幅SAの範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、幅SAの範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
ベーパーチャンバーを切断及び研磨する等して、隣り合う2つの凝縮液流路の横断面及びその間の壁が表れるようにした上で、当該断面を高倍率の顕微鏡又はSEMを用いて、50倍乃至200倍の範囲で拡大して表す。そしてこの拡大した断面から、2つの凝縮液流路のそれぞれ内周面の輪郭を抽出する。そして、抽出した2つの輪郭間のうち最も狭い部分の距離を壁の幅とする。
一方、流路断面は、上記の方向で得た輪郭によりその形状を認識し、得られた輪郭のうち幅方向(y方向)に最も大きい距離を流路幅SC、当該輪郭のうち厚さ方向(z方向)に最も大きい距離を高さSDとする。そして認識した輪郭による凝縮液流路の断面の形状によりそれぞれ次のように流路断面積SBを得る。
・流路断面が長方形のときの流路断面積SB=SC・SD
・流路断面が三角形のときの流路断面積SB=SC・SD/2
・流路断面が半円のときの流路断面積SB=π・SC 2/8
・流路断面が半楕円のときの流路断面積SB=π・SC・SD/4
なお、流路断面が、複雑な形状である場合には、流路断面を上記基本的な形状で細分化して足し合わせることにより流路断面積SBを求めても良い。
ベーパーチャンバーのz方向(厚さ方向)に注目すると、凝縮液流路の厚さ方向両方に存在するおける材料の厚さが、凝縮液流路の高さに対して十分に厚い場合には、「材料の引張り強さ(物性値)」と「壁の断面積」との積が、「凍結した際の体積膨張によるz方向に生じる圧力」と「1つの壁部あたりの平面内方向面積(図35に薄墨で示した部位Aの面積)」との積より小さいときに壁の破損が起こる。この場合には図33に矢印Z1で示したようなz方向の力のみを考えればよい。
以上のような様々な要素が重なって結果的に壁部は、厚さ方向に延びると共に、図33に矢印y1で示したように細くなる方向に圧縮されるような力を受け、誇張して描くと図34のような形状の変化を伴う。
このようなことから、壁の耐久性を考えるときには、単に凝縮液流路の高さのみでなく、高さと幅方向の両方を考慮して流路断面全体で考える必要があるため、上記のように規定した。
このような連通開口部15cによれば、凝縮液流路3を流れる作動流体から見たときに、両側の壁で同時に連通開口部15cが表れず、連通開口部15が表れても片方側には壁部15bが存在するため、凝縮液流路3の長手方向において毛細管力を連続して得ることができる。これにより凝縮液の移動が促進され作動流体のより円滑な還流が可能となる。
一方で、この形態では、図36にB2で示したような連通開口部15cの周辺において図35の例に比べて毛管力が強くなるため、ベーパーチャンバーの非作動時には凝縮液が溜まる量が多くなる。すると、この状態で凝縮液の凍結が起こり体積が増えると、より強い力で第一シートと第二シートとを離す方向に力が働くことになって壁部15bを破壊する方向に作用する。しかしながら、上記の構造を備えることにより、凝縮液の凍結と溶融が繰り返されて上記のような力が繰り返し加わっても壁部15bが破壊しない構造を有するものとなる。
すなわち、薄型のベーパーチャンバーにおいてさらに熱輸送能力を高くする構造を適用しても、耐久性にも優れたものとなる。
このような連通開口部15cによれば、連通開口部15cを通過する際の流動抵抗が抑えられるため、隣り合う凝縮液流路3への作動流体の移動がしやすく、これにより凝縮液の移動が促進されて作動流体のより円滑な還流が可能となる。
一方で、この形態では、連通開口部15cの周辺に溜まった凝縮液が凍結して体積が大きくなり、第一シートと第二シートとを離す方向に力が働くと、図37にB3で示したような壁部15bの細くなった端部に応力が集中して破壊され易い状態となる。
しかしながら、上記のような構造を備えることにより、凝縮液の凍結と溶融が繰り返されて上記したような力が繰り返し加わっても壁部15bが破壊しない構造を有するものとなる。
すなわち、薄型のベーパーチャンバーにおいてさらに熱輸送能力を高くする構造を適用しても、耐久性にも優れたものとなる。
・第一シート及び第二シートの材質:無酸素銅
・蒸気流路溝:幅(y方向)1mm、高さ(z方向)100μm、長さ(x方向)65mm、本数6本
・内側液流路部:蒸気流路と交互に配置
・凝縮液流路:幅(y方向)100μm、高さ(z方向)50μm、長さ(x方向)65mm、本数8本
・壁部:幅(y方向)10μm、形状は図10と同様
・連通開口部:ピッチ500μm、長さ100μm
・SA/SB:0.0025
・作動流体:水、充填率は内部体積の30%
厚さ150μmである第一シート10及び第二シート20の外周形状を有する金属シートに対して、液流路溝、蒸気流路溝、及び蒸気流路連通溝をハーフエッチングにより形成した。ハーフエッチングとは、エッチングにより厚さ方向を貫通させることなく厚さ方向の途中までエッチングによる材料の除去を行い、溝や窪みを形成することである。
次いで、第一シート及び第二シートの内面同士を向かい合わせるように重ねて抵抗溶接により仮止めを行った。そして仮止め後に拡散接合を行い恒久的に第一シートと第二シートとを接合した。拡散接合は第一シート及び第二シートを810℃にまで加熱し、2MPaの圧力を負荷することで行った。
接合の後、形成された注入流路から真空引きを行い、密閉空間を減圧して注入流路から作動流体を注入して密閉空間に作動流体を入れた。そして注入部をかしめた後にTEG溶接して注入流路を閉鎖した。
従って、例えば、連通開口部のピッチが全ての領域で同じでありつつ、張出量については領域により異なる形態のベーパーチャンバー、連通開口部のピッチが領域により異なりつつ、張出量については全ての領域で同じとなるような形態のベーパーチャンバー、並びに、連通開口部のピッチ及び張出量がいずれも全ての領域で同じとなるベーパーチャンバーのいずれに対しても、上記した幅SA、断面積SB、及び、これらの関係は効果を奏するものである。以下の他の形態についても同様である。
このような凝縮液流路3によれば、微小な内面溝3aに凝縮液が入り強い毛管力を受けるため、凝縮液の移動がしやすく、凝縮液の移動が促進され作動流体のより円滑な還流が可能となる。
しかし一方で、ベーパーチャンバーの非作動時には、強い毛管力のため微小な内面溝3aに凝縮液が溜まりやすい、そしてこの凝縮液が凍結して体積が大きくなると内面溝3aを広げて破壊しようとする力となる。
しかしながら、上記のような構造を備えることにより、凝縮液の凍結と溶融が繰り返されて力が繰り返し加わっても壁部15bが破壊しない構造を有するものとなる。
すなわち、薄型のベーパーチャンバーにおいてさらに熱輸送能力を高くする構造を適用しても、耐久性にも優れたものとなる。
内面溝3aの開口幅δは、10μm未満とすることができる。これにより高い毛管力を確保することができる。また内面溝の深さγは10μm未満とすることができる。
ここで第1流路である蒸気流路と第2流路である凝縮液流路とは次のような関係にある。すなわち、隣り合う2つの第1流路の平均の流路断面積をAgとし、当該隣り合う2つの第1流路の間に配置される複数の第2流路の平均の流路断面積をAlとしたとき、第2流路と第1流路とは、AlがAgの0.5倍以下の関係にあるものとし、好ましくは0.25倍以下である。この関係はベーパーチャンバー全体のうち少なくとも一部において満たせばよく、ベーパーチャンバーの全部でこれを満たせばさらに好ましい。
そして張出部の大きさは、例えば図27にWR12で表したように張出面6bの幅方向大きさである。
これにより、張出部6の張出量が小さい領域(R12)では、これに隣り合う張出量が大きい領域(領域R11、領域R13)よりも張出部6の張出量が小さくなることから、作動流体と第二シートとの接触面積や、蒸気と凝縮液との接触面積が小さくなり、作動流体の凝縮及び蒸発が起こり難くなる。そのため、例えば領域R11を熱源が配置される蒸発部(受熱部)とした場合に、領域R11に隣接する領域R12に蒸気が凝縮して流路を塞ぐことが防止され、熱源から離隔した領域R13まで蒸気を移動させることができる。また、例えば領域R11を蒸発部(受熱部、熱源が配置される部位)としたときに、作動流体が領域R12にて蒸発してしまい、蒸発部である領域R11で凝縮液が不足することを防止できる。
以上によって、作動流体の円滑な還流が可能なり、熱輸送能力を高めることができる。
従って、蒸発部とされた領域(領域R11及び領域R13の一方)は冷却する対象である熱源以上の大きさとし、冷却部とされた領域(領域R11及び領域R13の他方)も蒸発部とされた領域と同じ大きさとすることができる。
この場合は、中央の領域R13’を蒸発部(受熱部)として冷却対象となる熱源が配置され、両端の領域R11’及び領域R15’を冷却部とすることが想定される。
ただし、これに限定されることはなく、領域R1と領域R11、領域R2と領域R12、及び領域R3と領域R13を関連付けることなく個別に設定してもよい。
また、上記した連通開口部15cに関する領域による構造の違いと、張出部6の張出量に関する領域による構造の違いについては、何れか一方のみの構造の違いを適用したものであっても独立して効果を奏することもできるので、ベーパーチャンバーはいずれか一方の構造のみを具備するものであってもよい。
すなわち、例えば連通開口部15cのピッチが全ての領域で同じでありつつ、張出量については領域により上記したように異なる形態のベーパーチャンバーであってもよく、又は、連通開口部15cのピッチが上記のように領域により異なりつつ、張出量については全ての領域で同じとなるような形態のベーパーチャンバーであってもよい。以下の他の形態についても同様である。
また、蒸気流路4の高さは蒸気流路溝16と蒸気流路溝26の合計に基づいたものとなり、D3(図5参照)とD5(図19、図20参照)とを合計した範囲と同様に考えることができる。
ただし、注入流路5から密閉空間2に対して作動流体を注入した後は、注入流路5は閉鎖されるので、最終的な形態のベーパーチャンバー1では外部と密閉空間2とは連通していない。
第一シート10及び第二シート20の外周形状を有する金属シートに対して、液流路溝14a、液流路溝15a、蒸気流路溝16、蒸気流路溝26、及び蒸気流路連通溝17、蒸気流路連通溝27をハーフエッチングにより形成する。ここでハーフエッチングとは、エッチングにより厚さ方向を貫通させることなく厚さ方向の途中までエッチングによる材料の除去を行い、溝や窪みを形成することである。
次いで、第一シート10及び第二シート20の内面10a、内面20aを向かい合わせるように重ね、位置決め手段としての穴13a、穴23aを用いて位置決めし、仮止めを行う。仮止めの方法は特に限定されることはないが、抵抗溶接、超音波溶接、及び接着剤による接着等を挙げることができる。
そして仮止め後に拡散接合を行い恒久的に第一シート10と第二シート20とを接合する。なお、拡散接合の代わりにろう付けにより接合してもよい。
図39、図40に示したベーパーチャンバーでは張出部7が第一シート10の内側液流路部15により形成されている。この張出部7も蒸気流路4との境界面に形成された部位であり、蒸気流路4側に突出する部位を構成する。具体的には本形態で張出部7は、蒸気流路の幅が最も狭い部位の先端が頂部7aであり、張出面7bがy方向に延びる。この形態では張出面7bに壁部15bを含んでいる。
この張出部7でも上記したベーパーチャンバー1と同様に作用させることができる。
また、電子部品30は死角となって見えない位置なので点線で表している。
この場合、電子部品30は平面視でその全てが領域R1、領域R11の内側に重なるように大きさ及び配置がなされるようにすることができ、図42にRaで示した、電子部品30の中心位置から領域R1と領域R2との境界までの距離が電子部品30のx方向長さよりも大きくしてもよい。これにより領域R1、領域R11を蒸発部として効率よく利用することができる。
そして領域R3、及び領域R13のx方向長さは、領域R1及び領域R11のx方向長さと同じであることが好ましい。これによりベーパーチャンバー1の中心に対して内側の構造がx方向の一方と他方とで対称形となるため、第一シート10と第二シート20との接合時や電子部品への搭載時の圧力バランスが良好となる。また、領域R1乃至領域R3及び領域R11乃至領域R13のx方向長さを全て同じとしてもよい。
この場合、電子部品30は平面視で、その全てが領域R3’、領域R13’の内側に重なるように大きさ及び配置がなされるようにすることができ、領域R3’、領域R13’のx方向大きさが電子部品30のx方向大きさの2倍以上としてもよい。これにより熱源である電子部品30の近くで作動流体の蒸発を促進しつつ、隣接する領域R2’領域R12’、領域R4’、領域R14’にて蒸発及び凝縮が起こり難くなる。
また、そのときには領域R3’、領域R13’のx方向中央位置と電子部品30のx方向中央位置とが一致させてもよい。これによりベーパーチャンバー1の中心に対して内側の構造がx方向の一方と他方とで対称形となるため、第一シート10と第二シート20との接合時や電子部品への搭載時の圧力バランスが良好となる。そのため、領域R2’、R12’と領域R4’、R14’とのx方向大きさは同じとすることができ、領域R1’、R11’と領域R5’、R15’とのx方向大きさは同じとすることができる。なお、全ての領域の大きさを同じにしてもよい。
また、ここでは第二シート20として図23に示した形態例で説明したが、図24に示した形態例であっても同様に考えることができる。
蒸気流路4内の蒸気は熱源である電子部品30から離れ、比較的温度が低いベーパーチャンバー1の外周部に移動し、当該移動の際に順次第一シート10及び第二シート20に熱を奪われながら冷却される。蒸気から熱を奪った第一シート10及び第二シート20はその外面10b、外面20bに接触した携帯型端末装置の筐体等に熱を伝え、最終的に熱は外気に放出される。
また、ベーパーチャンバー1によれば、本例のように領域R1及び/又は領域R11、すなわち、連通開口部のピッチが隣接する領域より小さい領域、及び/又は、蒸気流路の張出部の張出量が隣接する領域より大きい領域に熱源を配置して蒸発部とすることで、当該蒸発部から流れ出る蒸気は次に凝縮がし難い領域(領域R2及び/又は領域R12)に達するため、凝縮液が蒸気流路を塞いでしまうことが防止されて蒸気を移動させることができる。そして移動した蒸気は熱源から離隔した領域R3及び/又は領域R13に達し、この領域では連通開口部のピッチが隣接する領域より小さい領域、及び/又は、蒸気流路の張出部の張出量が隣接する領域より大きい領域になっているため、蒸気を凝縮させやすく、凝縮部として高い性能で機能する。これにより作動流体が円滑に還流して高い熱輸送能力を発揮することができる。
第一シート110、第二シート120、及び第三シート130を構成する材料は上記した第一シート10と同様に考えることができる。
本体111は中空部及び密閉空間を形成するシート状の部位であり、本形態では平面視で角が円弧(いわゆるR)にされた長方形である。
ただし、第一シート110の本体111は本形態のように四角形である他、ベーパーチャンバーとして都度必要とされる形状とすることができる。例えば円形、楕円形、三角形、その他の多角形、並びに、屈曲部を有する形である例えばL字型、T字型、クランク型、U字型等であってもよい。また、これらの少なくとも2つを組み合わせた形状とすることもできる。
これにより薄型のベーパーチャンバーとして適用できる場面を多くすることが可能である。
また、第二シート120も第一シート110と同様に本体121及び注入部122を具備している。
その他、第二シート120は第一シート110と同様に考えることができる。ただし、第二シート120の厚さや材質は第一シート110と同じである必要はなく、異なるように構成してもよい。
図49、図50には第三シート130を平面視した図(z方向から見た図)を表した。図49は第一シート110に重ねられる面の図、図50は第二シート120に重ねられる面の図である。
また図51には図49にI101−I101で示した線に沿った切断面、図52には図49にI102−I102で示した線に沿った切断面をそれぞれ示した。
本体131はベーパーチャンバー用シートにおける中空部及び、ベーパーチャンバー101における密閉空間を形成するシート状の部位であり、本形態では平面視で角が円弧(いわゆるR)にされた長方形である。
ただし、本体131は本形態のように四角形である他、ベーパーチャンバーとして必要とされる形状とすることができる。例えば円形、楕円形、三角形、その他の多角形、並びに、屈曲部を有する形である例えばL字型、T字型、クランク型、U字型等であってもよい。また、これらの少なくとも2つを組み合わせた形状とすることもできる。
一方、本形態で外周液流路部134の第二面130b側は平坦面とされている。
本形態で張出部137は、第一面130aから厚さ方向(z方向)T101(図53参照)の位置で蒸気流路溝(蒸気流路)の幅方向(y方向)に最も突出した頂部137aを具備し、この頂部137aから凝縮液流路(壁部135a)に向けて延びる、断面視で外周液流路部134側に凹の円弧状の張出面137bが具備されている。そして張出面137bは壁部135aに連結している。ただし張出面は円弧状である必要はなく、断面視で外周液流路部134側に凹の円弧以外の曲線状であってもよい。
張出部のさらなる他の形態例については後で示すが、張出部は、上記したベーパーチャンバー1における張出部6、張出部7と同様に、蒸気流路溝(蒸気流路)側に幅方向に突出した部位で、蒸気流路が最も狭められた先端である頂部から凝縮液流路(壁部)に向けて延びる面を備える張出面を具備し、張出面は壁部に連結又は壁部を含むように構成されている。
張出面の面粗さ(ISO 25178)は、例えば株式会社キーエンス製のレーザー顕微鏡(型番:VK−X250)にて測定できる。そしてこの面粗さの算術平均高さSaは0.005μm以上であることが好ましく、0.03μm以上であることがより好ましい。また最大高さSzは0.05μm以上であることが好ましく、0.3μm以上であることがより好ましい。
なお、本形態では当該値が0.5であり頂部137aが外周液流路部134の厚さ方向中央となる位置に配置されている。
一方、本形態で内側液流路部138の第二面130b側は平坦面とされている。
本形態で張出部141は、第一面130aから厚さ方向(z方向)T103の位置で蒸気流路溝(蒸気流路)の幅方向(y方向)に最も突出した頂部141aを具備し、この頂部141aから凝縮液流路(壁部139a)に向けて延びる、断面視で内側液流路部138側に凹の円弧状の張出面141bが具備されている。そして張出面141bは壁部139aに連結している。ただし張出面は円弧状である必要はなく、断面視で内側液流路部138側に凹の円弧以外の曲線状であってもよい。
張出部のさらなる他の形態例については後で示すが、張出部は、上記したベーパーチャンバー1における張出部6、張出部7と同様に、蒸気流路溝(蒸気流路)側に幅方向に突出した部位で、蒸気流路が最も狭められた先端である頂部から凝縮液流路(壁部)に向けて面を備える張出面を具備し、張出面は壁部に連結又は壁部を含むように構成されている。
張出面の面粗さ(ISO 25178)は、例えば株式会社キーエンス製のレーザー顕微鏡(型番:VK−X250)にて測定できる。そしてこの面粗さの算術平均高さSaは0.005μm以上であることが好ましく、0.03μm以上であることがより好ましい。また最大高さSzは0.05μm以上であることが好ましく、0.3μm以上であることがより好ましい。
なお、本形態では当該値が0.5であり頂部141aが内側液流路部138の厚さ方向中央となる位置に配置されている。
従って、図51からわかるように第三シート130は、y方向において、外周液流路部134及び内側液流路部138と蒸気流路溝142とが交互に繰り返された形状を備えている。
また、図49、図50に表れているように、本形態では蒸気流路連通溝144のうち、第三シート130の注入部132に設けられた溝132aの端部が配置される部位では、連結部144cに穴144dが設けられ、溝144aと溝144bとが連通している。これにより溝132aからの作動液注入を阻害することなく、より円滑な作動液注入ができるようにしている。
蒸気流路連通溝は蒸気の流動抵抗を小さくすることにより作動流体の円滑な還流をさせることができるので、かかる観点から流路断面の形状を決定することもできる。
図59には図57にI109で示した部分、図60には図57にI110で示した部分をそれぞれ拡大して表した。
なお、図57乃至図60に表れる断面では蒸気流路104と蒸気流路103とは壁部135a及び壁部139aにより隔てられているが、壁部135a及び壁部139aはそれぞれ連通開口部135b及び連通開口部139bを備えている。従って、蒸気流路104と蒸気流路103とは連通開口部135b及び連通開口部139bにより連通している。
また、凝縮液流路3は第1流路である蒸気流路4とは分離されて形成されているため、作動流体の循環を円滑にさせることができる。
また、ベーパーチャンバー1で説明した、隣り合う凝縮液流路間の壁部の幅(SA)や、凝縮液流路3の横断面の断面積SBとの関係(SA/SB)についても、本形態で同様に考えることができる。すなわち、図61に、図60のうち、2つの凝縮液流路103に注目して拡大図で表したように、壁部139a(壁部135aも同様に考えることができる。)の幅SAは20μm以上であることが好ましく、30μm以上であってもよく、50μm以上であってもよい。また、壁部の幅SA(μm)は300μm以下であることが好ましく、200μm以下とすることができ、100μm以下でもよい。これにより、限られた内部空間を有効活用でき、蒸気流路及び凝縮液流路の本数を増やすことができる。これら幅SAの範囲は、上記複数の上限の候補値のうちの任意の1つと、複数の下限の候補値のうちの1つの組み合わせによって定められてもよい。また、幅SAの範囲は、複数の上限の候補値の任意の2つを組み合わせ、又は、複数の下限の候補値の任意の2つの組み合わせにより定められてもよい。
また、壁部135a、139aの幅SA(μm)と、これに隣り合う凝縮液流路103の横断面(流れ方向(流路長手方向)に直交する方向の断面)の断面積SB(μm2)との関係で、SAをSBで除した値(SA/SB)が0.005(μm−1)以上0.04(μm−1)以下の範囲としてもよい。
本形態で張出部137及び張出部141は、蒸気流路104の幅方向(蒸気流路4、凝縮液流路3が配列される方向、y方向)に最も突出した頂部137a、頂部141aを具備し、頂部137a、頂部141aから凝縮液流路3(壁部)が具備された側に向けて延び、壁部に連結し、断面で円弧状の張出面137b、張出面141bが具備されている。
すなわち張出部は、凝縮液流路103と蒸気流路104との間に配置され、蒸気流路104を幅方向に狭めるように突出しており、その最も突出した部位(頂部)から凝縮液流路103(壁部)に向けて近づく面を含む張出面を具備する。
ただし、注入流路105から中空部に対して作動流体を注入した後は、注入流路5は閉鎖されて密閉空間102となるので、最終的な形態のベーパーチャンバー101では外部と中空部とは連通していない。
本形態で注入部112、注入部122、及び注入部132は、ベーパーチャンバー101の長手方向における一対の端部のうちの一方の端部に設けられている例が示されているが、これに限られることはなく、他のいずれかの端部に配置されていてもよく、複数配置されてもよい。複数配置される場合には例えばベーパーチャンバー101の長手方向における一対の端部のそれぞれに配置されてもよいし、他の一対の端部のうちの一方の端部に配置されもよい。
この形態によれれば、張出面241bと第一シート110とに挟まれる空間が小さいため、毛細管力が強く働きやすく、上記効果を奏するものとなる。
このような形態であっても上記効果を奏するものとなる。
このような形態であっても上記効果を奏するものとなる。
このような形態であっても上記効果を奏するものとなる。この形態では、張出面541bが凝縮液流路103に近づくにつれて第一シート110との間隔が狭い部位を比較的多く形成することができ、毛細管力の効率よい利用が期待できる。
ただし、張出面と第一面110aとの間を狭くすることによって、より強い毛細管力を利用する観点からは、上記した各形態例のように、頂部は厚さ方向において、蒸気流路のうち厚さ方向に対向する内面に一致しない側面のいずれかに配置されることが好ましい。
2、102 密閉空間
3、103 凝縮液流路
3a 内面溝
4、104 蒸気流路
6、7 張出部
10、110 第一シート
10a、110a 内面
10b、110b 外面
10c、110c 側面
11、111 本体
12、112 注入部
13 外周接合部
14 外周液流路部
14 液流路溝
14c 連通開口部
15 内側液流路部
15a 液流路溝
15c 連通開口部
16 蒸気流路溝
17 蒸気流路連通溝
20、120 第二シート
20a、120a 内面
20b、120b 外面
20c、120c 側面
21、121 本体
22、122 注入部
23 外周接合部
24 外周液流路部
25 内側液流路部
26 蒸気流路溝
27 蒸気流路連通溝
130 第三シート
131 本体
132 注入部
133 外周接合部
134 外周液流路部
137 張出部
138 内側液流路部
141 張出部
142 蒸気流路溝
144 蒸気流路連通溝
Claims (4)
- 密閉空間が形成されており、該密閉空間に作動流体が封入されたベーパーチャンバーであって、
前記密閉空間には、前記作動流体が凝縮した液が流れる複数の凝縮液流路と、前記作動流体が気化した蒸気が流れる複数の蒸気流路と、が具備され、
隣り合う前記蒸気流路の間に前記凝縮液流路が配置され、前記蒸気流路と前記凝縮液流路との間に壁部が具備されるとともに、該壁部には前記蒸気流路と前記凝縮液流路とを連通する連通開口部が設けられ、
前記蒸気流路には、前記凝縮液流路及び前記蒸気流路が配列される方向に蒸気流路側に突出した張出部が備えられるとともに、前記蒸気流路が延びる方向において前記張出部の張出量が異なっており、
前記蒸気流路が延びる方向に複数の領域に分けたとき、1の前記領域における前記張出部の張出量が、前記1の領域に隣り合う両方の前記領域における前記張出部の張出量よりも小さい、ベーパーチャンバー。 - 1つの前記蒸気流路を該蒸気流路が延びる方向において3つの領域に分けたとき、中央に配置される領域の前記張出量の平均値が、前記中央に配置される領域の両隣に配置される2つの領域の前記張出量のそれぞれの平均値よりも小さくされている、請求項1に記載のベーパーチャンバー。
- 1つの前記蒸気流路を該蒸気流路が延びる方向において5つの領域に分けたとき、中央に配置される前記領域における前記張出部の張出量の平均値、及び両端に配置される前記領域における前記張出部の張出量の平均値が、前記中央に配置される前記領域と前記両端に配置される前記領域との間に配置される前記領域における前記張出部の張出量の平均値よりも大きい、請求項1に記載のベーパーチャンバー。
- 筐体と、
前記筐体の内側に配置された電子部品と、
前記電子部品に対して直接又は他の部材を介して接触して配置された請求項1乃至3のいずれかに記載されたベーパーチャンバーと、を備える、電子機器。
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