JP7184559B2 - 熱輸送デバイス、熱伝導シート、熱輸送複合体、電子機器、及び、熱輸送デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)金属筐体内に、ウィック及び作動液を有する熱輸送デバイス本体と、金属筐体内に、相転移温度を有する蓄熱材料が充填された蓄熱材料部と、を備え、前記熱輸送デバイス本体と前記蓄熱材料部とが、一体化していることを特徴とする、熱輸送デバイス。
(2)前記蓄熱材料は、相転移温度が、30~100℃の範囲であることを特徴とする、上記(1)に記載の熱輸送デバイス。
(3)前記蓄熱材料は、単位質量あたりの潜熱が、150/g以上の範囲であることを特徴とする、上記(1)に記載の熱輸送デバイス。
(4)前記蓄熱材料は、単位体積当たりの潜熱が、150J/cm3以上の範囲であることを特徴とする、上記(1)に記載の熱輸送デバイス。
(5)前記蓄熱材料は、結晶水を有することを特徴とする、上記(1)~(4)のいずれかに記載の熱輸送デバイス。
(6)前記蓄熱材料は、金属塩の水和物であることを特徴とする、上記(5)に記載の熱輸送デバイス。
(7)前記熱輸送デバイスが、ベーパーチャンバー、ヒートパイプ又はヒートスプレッダであることを特徴とする、上記(1)~(6)のいずれかに記載の熱輸送デバイス。
(8)高分子マトリックス成分と、熱伝導性充填剤とを含んだ熱伝導シートであって、前記熱伝導シートは、上記(1)~(7)のいずれかに記載の熱輸送デバイスに隣接して設けられることを特徴とする、熱伝導シート。
(9)上記(1)~(7)のいずれかに記載の熱輸送デバイスと、該熱輸送デバイスに隣接して設けられた熱伝導シートとを備えることを特徴とする、熱輸送複合体。
(10)熱源と、放熱部材と、該熱源と該放熱部材との間に設けられた熱輸送デバイスと、を備える電子機器であって、前記輸送デバイスが、上記(1)~(7)のいずれかに記載の熱輸送デバイスであることを特徴とする、電子機器。
(11)上記(1)~(7)のいずれかに記載の熱輸送デバイスの製造方法であって、金属プレートをエッチングした後、該エッチングを施した金属プレートを重ね合わせ、拡散接合を行うことで、金属筐体を作製する工程と、前記金属筐体内を真空化した後、作動液となる冷媒を注入し、封止することで、熱輸送デバイス本体を作製する工程と、前記金属筐体内を真空化した後、蓄熱材料を注入し、封止することで、蓄熱材料部を作製する工程と、を含むことを特徴とする、熱輸送デバイスの製造方法。
<熱輸送デバイス>
まず、本発明の熱輸送デバイスについて説明する。
本発明は、図1に示すように、金属筐体10内に、ウィック及び作動液を有する熱輸送デバイス本体20と、金属筐体10内に、相転移温度を有する蓄熱材料31が充填された蓄熱材料部30と、を備える、熱輸送デバイス1である。
そして、本発明の熱輸送デバイス1では、前記熱輸送デバイス本体20と、前記蓄熱材料部30とが、一体化していることを特徴とする。
前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とを一体化させることで、熱輸送デバイス本体20が発熱体から吸収した熱を、すぐに外部へ放出するのではなく、高い効率で一旦、蓄熱材料部30へ蓄積させることが可能となり、熱輸送デバイス1自体の表面温度、ひいては半導体装置全体の表面温度の急激な上昇を抑えることができる。
また、従来の熱輸送デバイスの表面に蓄熱ができるシート等を設けた場合には、多少の蓄熱効果が得られるものの、記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とを一体化されていないため、蓄熱材料部30への熱輸送効率が低く、十分な蓄熱を行うことができないため、表面温度の急激な上昇を抑えることが難しい。加えて、蓄熱用のシート等を別部材として熱輸送デバイスに設けているため、熱輸送デバイス全体の寸法が大きくなり、省スペース化を阻害するという問題もある。
本発明の熱輸送デバイス1は、図1に示すように、熱輸送デバイス本体20を備える。
熱輸送デバイス本体20は、金属筐体10の内部に、ウィック及び作動液を有し、本発明の熱輸送デバイス1の熱輸送効果を担う部材である。
金属の種類についても特に限定はされないが、一定の強度があり、熱伝導性が高く、電磁波シールド機能を有する点からは、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、銀、又は、これらの合金を用いることが好ましい。
例えば、微細凹凸構造、多孔構造、繊維構造、網目構造、溝構造のような、毛細管圧力によって作動液を移動させることができる構造が挙げられる。
さらに、前記ウィックについては、前記金属筐体10の内壁面10aを、エッチング等によって加工し、凹凸構造を形成することによって得ることもできるし、前記金属筐体10の内壁面10aに、別途作成した繊維や網、凹凸を有する構造体等をコーティングすることによって得ることもできる。
本発明の熱輸送デバイス1は、図1に示すように、蓄熱材料部30を備える。
蓄熱材料部30は、金属筐体10内に、相転移温度を有する蓄熱材料31が充填された部材である。前記熱輸送デバイス本体20と一体化した状態で設けられることで、前記熱輸送デバイス本体20の熱を吸収、蓄積し、表面温度の急激な上昇を抑える効果を奏する。
また、前記蓄熱材料31の相転移温度を30~40℃の範囲とすることによって、人体と接する場合における火傷の危険性をより確実減らすことができ、70~100℃の範囲であることによって、CPU(中央処理装置)を保護することができる。
ここで、前記結晶水を有する蓄熱材料31については、特に限定はされないが、蓄熱量が大きく、より優れた蓄熱効果が得られる点からは、金属塩の水和物であることが好ましい。
これらの中でも、蓄熱量が大きく、加工が比較的容易である、腐食が起きにくい等の観点からは、酢酸ナトリウム三水和物、硝酸亜鉛六水和物、炭酸ナトリウム十水和物又はリン酸水素二ナトリウム十二水和物のうちの少なくとも一種を用いることが好ましい。
これらの中でも、蓄熱量が大きいという点からは、パラフィンを用いることが好ましい。
ただし、優れた蓄熱量を得る観点からは、前記金属筐体10内における前記蓄熱材料31の充填率は、60体積%以上であることが好ましく、70体積%以上であることがより好ましい。また、金属筐体10内が高圧になりすぎないように考慮した場合には、60体積%以上100体積%未満、又は、70体積%以上100体積%未満の範囲とすることが好ましい。
例えば、図1や図3(b)に示すように、前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とが積層された構造や、図2及び図3(a)に示すように、前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とを横に並んだ構造が挙げられる。
これらの中でも、表面温度の急激な上昇をより確実に抑えられる観点からは、前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とが積層された構造(例えば、図1、図3(b)に示すような構造)が好ましい。また、熱輸送特性及び表面温度抑制効果をより高いレベルで実現できる点からは、半導体素子等の発熱体と接する位置に前記熱輸送デバイス本体20が設けられ、放熱体やその他の部材と接する位置に前記蓄熱材料部30が設けられることが最も好ましい。さらに、熱輸送デバイス全体の厚さを抑える観点からは、前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とを横に並べて設けること(例えば、図2及び図3(a)に示すような構造)が好ましい。
なお、前記蓄熱材料部30が占める割合については、図2に示すように、前記蓄熱材料部30が複数存在する場合には、合計体積の割合としている。また、前記熱輸送デバイス本体20と、前記蓄熱材料部30との境界部分の金属筐体10については、図1に示すように、均等に分かれるようにして体積の割合を算出している。
次に、本発明の熱輸送デバイスの製造方法について説明する。
本発明の熱輸送デバイスの製造方法は、例えば図4に示すように、金属プレートをエッチングした後、該エッチングを施した金属プレートを重ね合わせ、拡散接合を行うことで、金属筐体を作製する工程(図4(a)及び(b))と、
前記金属筐体内を真空化した後、作動液となる冷媒を注入し、封止することで、熱輸送デバイス本体を作製する工程(図4(c)及び(d))と、
前記金属筐体内を真空化した後、蓄熱材料を注入し、封止することで、蓄熱材料部を作製する工程(図4(e)及び(f))と、を含むことを特徴とする。
上述した工程を経ることによって、本発明の熱輸送デバイスを得ることができる。得られた優れた熱輸送デバイスについては、熱輸送特性を有しつつ、表面温度の急激な上昇を抑えることができる。
本発明の熱輸送デバイスの製造方法は、金属プレートをエッチングした後、該エッチングを施した金属プレートを重ね合わせ、拡散接合を行うことで、金属筐体を作製する工程(以下、「金属筐体作製工程」という。)を含む。
この金属筐体作製工程では、前記熱輸送デバイス本体20のウィックを形成するためにエッチングを施した金属プレートを含む複数の金属プレートを重ね合わせる。そして、重ね合わせた金属プレートを拡散接合することによって、接合させ1つの金属筐体10を作製する。
例えば、前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とが積層された熱輸送デバイス1(図1に示されるような熱輸送デバイス1)に用いる金属筐体10を作製する場合には、図4(a)に示すように、熱輸送デバイス本体20を構成するためのエッチングが施された金属プレート12と、蓄熱材料部30を構成するための金属プレート13と、蓋となる金属プレート11との、三枚の金属プレートを重ね合わせることができる。
また、前記熱輸送デバイス本体20と前記蓄熱材料部30とが並列して設けられた熱輸送デバイス1(図2に示されるような熱輸送デバイス1)に用いる金属筐体10を作製する場合には、図5(a)に示すように、熱輸送デバイス本体20を構成するためのエッチング14a及び蓄熱材料部30を構成するためのエッチング14bが施された金属プレート14と、蓋となる金属プレート11との、二枚の金属プレートを重ね合わせることができる。
前記拡散接合の条件については、特に限定はされず、金属プレートの条件に応じて設定することができる。なお、金属の酸化を防ぐ点からは、不活性ガス雰囲気下又は真空下で行うことが好ましい。
本発明の熱輸送デバイスの製造方法は、上述した金属筐体作製工程の後、前記金属筐体内を真空化し、作動液となる冷媒を注入し、封止することで、熱輸送デバイス本体を作製する工程(以下、「熱輸送デバイス本体作製工程」という。)を含む。
この熱輸送デバイス本体作製工程では、得られた金属筐体10内に、作動液を注入することによって、本発明の熱輸送デバイス1の前記熱輸送デバイス本体20部分を作製する。
本発明の熱輸送デバイスの製造方法は、上述した熱輸送デバイス本体作製工程の後、前記金属筐体10内を真空化した後、蓄熱材料31を注入し、封止することで、蓄熱材料部30を作製する工程(以下、「蓄熱材料部作製工程」という。)を含む。
この蓄熱材料部作製工程では、得られた金属筐体10内に、蓄熱材料31を注入することによって、本発明の熱輸送デバイス1の蓄熱材料部30部分を作製する。
なお、本発明の熱輸送デバイスの製造方法は、上述した金属筐体作製工程、熱輸送デバイス本体作製工程及び蓄熱材料部作製工程以外の工程を、必要に応じて含むことができる。例えば、得られた熱輸送デバイス1の表面を加工する工程や、得られた熱輸送デバイス1に別の部材を接着する工程等が挙げられる。
次に、本発明の熱伝導シートについて説明する。
本発明の熱伝導シートは、高分子マトリックス成分と、熱伝導性充填剤とを含んだ熱伝導シートであって、上述した本発明の熱輸送デバイスに隣接して設けられることを特徴とする。
高分子マトリックス成分と、熱伝導性充填剤とを含んだ熱伝導シートが、本発明の熱輸送デバイスに隣接して設けられることによって、相乗効果により、さらに優れた熱輸送特性を実現できる。また、本発明の熱輸送デバイスに隣接して設けられているため、本発明の熱伝導シートは、表面温度の急激な上昇が抑えられるという効果も得られる。
なお、前記熱伝導性充填剤は、繊維状のものを用いることができる。ここで、「繊維状」とは、アスペクト比の高い(およそ6以上)の形状のことをいう。
さらにまた、前記熱伝導性充填剤の種類については、熱伝導性の高い材料であれば特に限定はされず、例えば、銀、銅、アルミニウム等の金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、グラファイト等のセラミックス、炭素繊維等が挙げられる。これらの熱伝導性充填剤については、一種単独でもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。ただし、前記熱伝導性充填剤の中でも、より高い熱伝導性を得られる点からは、炭素繊維を用いることが好ましい。
その他の成分としては、例えば、無機物フィラー、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤等が挙げられる。
次に、本発明の熱輸送複合体について説明する。
本発明の熱輸送複合体は、上述した本発明の熱輸送デバイスと、該熱輸送デバイスに隣接して設けられた熱伝導シートとを備えることを特徴とする。
本発明の熱輸送複合体では、熱伝導シートと、本発明の熱輸送デバイスとが隣接して設けられることによって、相乗効果により、さらに優れた熱輸送特性を実現できる。また、本発明の熱輸送複合体は、本発明の熱輸送デバイスを備えているため、表面温度の急激な上昇が抑えられるという効果も得られる。
なお、本発明の熱輸送複合体に用いられる熱伝導シートについては、熱伝導特性があるものであれば、特に限定はされない。例えば、上述した本発明の熱伝導シートと同様物を用いることができる。
次に、本発明の電子機器について説明する。
本発明の電子機器は、熱源と、放熱部材と、該熱源と該放熱部材との間に設けられた熱輸送デバイスと、を備える電子機器である。
そして、本発明の電子機器は、前記輸送デバイスが、上述した本発明の熱輸送デバイスであることを特徴とする。
本発明の電子機器は、本発明の熱輸送デバイスを備えているため、優れた熱輸送特性を実現できるとともに、表面温度の急激な上昇を抑えることができる。
図6(a)は、本発明の電子機器の一例を示す断面模式図である。図6(a)で示された電子機器では、熱輸送デバイス1と、熱伝導シート2と、電子部品3と、ヒートシンク5と、配線基板6と、を備える。
なお、電子部品3は、例えば、BGA等の半導体パッケージであり、配線基板6へ実装される。
発熱体である電子部品3から発生した熱は、熱輸送デバイス1を通して、ヒートシンク5へと伝わり放熱される。この場合も、本発明の熱輸送デバイス1は、蓄熱作用を有するため、電子機器の表面温度の急激な上昇を抑えることができる。
また、(2)金属板については、0.1mm厚の銅板(熱伝導率:398W/mK)又は0.2mm厚のベーパーチャンバー(金属筐体:銅、作動液:水、熱伝導率:20000W/mK)を用いた。
さらに、(3)蓄熱材料部については、金属筐体内にリン酸水素二ナトリウム十二水和物を充填させた(充填率:75体積%)ものを想定し、厚さ:0.2mm、密度:1.52g/cm3 、質量あたりの蓄熱量:280J/g、充填率を考慮した体積あたりの蓄熱量320J/cm3のシートとした。また、蓄熱材料部のないモデルについても作製した。
なお、実施例の各サンプルとなる装置のモデルにおいては、金属板と蓄熱材料部とは、積層され一体化したものを想定している。
2 熱伝導シート
3 電子部品
5 ヒートシンク
6 配線基板
10 金属筐体
11 蓋となる金属プレート
12 熱輸送デバイス本体を構成するためのエッチングが施された金属プレート
12a 作動液用孔
13 蓄熱材料部を構成するための金属プレート
13a 蓄熱材料用孔
14 熱輸送デバイス本体及び蓄熱材料部を構成するためのエッチングが施された金属プレート
14a 熱輸送デバイス本体を構成するためのエッチング
14b 蓄熱材料部を構成するためのエッチング
20 熱輸送デバイス本体
30 蓄熱材料部
31 蓄熱材料
T 熱輸送デバイスの厚さ
Claims (9)
- 金属筐体内に、ウィック及び作動液を有する熱輸送デバイス本体と、
金属筐体内に、相転移温度を有する蓄熱材料が充填された蓄熱材料部と、を備え、
前記熱輸送デバイス本体と前記蓄熱材料部とが、一体化しており、
前記蓄熱材料は、相転移温度が、30~100℃の範囲であり、且つ、単位体積当たりの潜熱が150J/cm3以上の範囲であり、
前記熱輸送デバイスの厚さが1.0mm以下であることを特徴とする、熱輸送デバイス。 - 前記蓄熱材料は、単位質量あたりの潜熱が、150J/g以上の範囲であることを特徴とする、請求項1に記載の熱輸送デバイス。
- 前記蓄熱材料は、結晶水を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の熱輸送デバイス。
- 前記蓄熱材料は、金属塩の水和物であることを特徴とする、請求項3に記載の熱輸送デバイス。
- 前記熱輸送デバイスが、ベーパーチャンバー、ヒートパイプ又はヒートスプレッダであることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の熱輸送デバイス。
- 高分子マトリックス成分と、熱伝導性充填剤とを含んだ熱伝導シートであって、
前記熱伝導シートは、請求項1~5のいずれか1項に記載の熱輸送デバイスに隣接して設けられることを特徴とする、熱伝導シート。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載の熱輸送デバイスと、該熱輸送デバイスに隣接して設けられた熱伝導シートとを備えることを特徴とする、熱輸送複合体。
- 熱源と、放熱部材と、該熱源と該放熱部材との間に設けられた熱輸送デバイスと、を備える電子機器であって、
前記輸送デバイスが、請求項1~5のいずれか1項に記載の輸送デバイスであることを特徴とする、電子機器。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載の熱輸送デバイスの製造方法であって、
金属プレートをエッチングした後、該エッチングを施した金属プレートを重ね合わせ、拡散接合を行うことで、金属筐体を作製する工程と、
前記金属筐体内を真空化した後、作動液となる冷媒を注入し、封止することで、熱輸送デバイス本体を作製する工程と、
前記金属筐体内を真空化した後、蓄熱材料を注入し、封止することで、蓄熱材料部を作製する工程と、
を含むことを特徴とする、熱輸送デバイスの製造方法。
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