KR20190071783A

KR20190071783A - 방열 모듈

Info

Publication number: KR20190071783A
Application number: KR1020197014727A
Authority: KR
Inventors: 유이치 요코야마; 요우지 가와하라; 유지 사이토
Original assignee: 가부시키가이샤후지쿠라
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-06-24
Also published as: TWI660150B; CN110088557A; US20200080791A1; WO2018116951A1; JPWO2018116951A1; TW201827781A

Abstract

방열 모듈은 작동 유체를 내부에 봉입하고, 이 봉입한 작동 유체를 증발시키는 증발부와, 이 증발한 작동 유체를 응축시키는 응축부를 가지는 컨테이너와, 상기 컨테이너의 내부에 배치되고, 모세관력에 의해 상기 응축한 작동 유체를 상기 응축부에서 상기 증발부로 이동시키는 윅을 포함하고, 상기 윅은, 상기 응축부에서 상기 증발부에 이르는 복수의 액체 유로 형성하는 복수의 윅부를 가지고, 상기 복수의 윅부는, 상기 작동 유체의 증기 유로를 사이에 두고 서로 대향하는 대향부를 가지고, 상기 대향부 중 적어도 어느 한쪽에 요철부가 형성되어 있다.

Description

방열 모듈

본 발명은, 방열 모듈에 관한 것이다.

본원은, 2016년 12월 20일에 일본에 출원된 특허출원 제2016-247075호에 따라 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

하기 특허문헌 1에는, 방열 모듈의 한 형태로서, 히트 파이프가 개시되어 있다. 히트 파이프는, 기본적으로는 공기 등의 비응축성 기체를 탈기한 컨테이너(용기)의 내부에, 목적으로 하는 온도 범위에서 증발 및 응축하는 물이나 알코올 등의 유체(流體)를 작동 유체로서 봉입(封入)하고, 액상(液相)의 작동 유체를 환류시키기 위한 모세관력을 발생하는 윅(wick)을 컨테이너의 내부에 더 설치한 구성을 가진다.

컨테이너에 온도차가 생겼을 때, 고온의 증발부에서는 작동 유체가 가열되어 증발하고, 컨테이너의 내부 압력도 상승한다. 증발부에서 발생한 작동 유체의 증기는 온도 및 압력이 낮은 응축부를 향하여 이동하고, 증발부에서 받은 열을 증기의 잠열로서 응축부에 수송한다. 응축부에 있어서, 작동 유체의 증기는 방열에 의해 응축한다. 그리고, 응축한 작동 유체는 윅에 침투하고, 윅의 모세관력에 의해 증발부를 향하여 환류한다.

일본공개특허 평11-183069호 공보

이와 같은 방열 모듈의 작동 조건은, 모세관력 ΔPC에, 증기의 압력 손실을 ΔPV, 액체의 압력 손실을 ΔPL로 하여, 이하의 계산식(a)로 나타내어진다.

ΔPC≥ΔPV+ΔPL …(a)

상기 계산식(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 방열 모듈의 최대 열 수송량을 크게 하기 위해서는, 모세관력을 크게 하고, 증기와 액체의 압력 손실을 작게 할 필요가 있다.

최근, 스마트폰, 태블릿 PC 등의 휴대기기의 박형화는 현저하고, 그 휴대기기에 탑재되어 있는 CPU 등의 열을 방열하기 위해, 박형의 방열 모듈이 요구되고 있다. 이와 같은 박형의 방열 모듈에서는, 최대 열 수송량의 저하의 억제와, 그 기계적 강도를 유지하는 연구가 필요하다. 즉, 비교적 큰 방열 모듈에 관해서는, 넓은 증기 유로와 액체 유로를 확보할 수 있기 때문에, 증기와 액체의 압력 손실을 작게 할 수 있다. 그러나, 박형의 방열 모듈에 있어서는, 이들을 널리 확보하는 것이 어렵다. 또한, 박형의 방열 모듈에 있어서는, 컨테이너의 두께도 얇아지고, 그 기계적 강도를 확보하는 것이 곤란해진다.

한편으로, 박형의 방열 모듈에서는, 증발부의 주변에 충분한 작동 유체를 운반하지 않으면 안되므로, 윅을 복수 개 설치하고, 또는 윅을 복수 개로 분기시켜, 복수의 액체 유로 형성하는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 복수 개의 윅의 선단이 증발부에 밀집하게 되므로, 이 부분에 있어서 윅 사이에 형성되는 증기 유로가 좁아지고, 국소적으로 증기의 압력 손실이 커질 가능성이 있다. 또한, 단순하게 증기 유로의 폭을 넓히려고 하면, 컨테이너 내부의 공동(空洞)이 넓어지게 되므로, 기계적 강도가 약해지고, 컨테이너의 변형 등의 원인이 될 가능성이 있다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 작동 유체의 증기의 압력 손실을 저감시키고, 또한 컨테이너의 기계적 강도를 확보할 수 있는 방열 모듈의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 일 태양(態樣)에 관한 방열 모듈은, 작동 유체를 내부에 봉입하고, 이 봉입한 작동 유체를 증발시키는 증발부와, 이 증발한 작동 유체를 응축시키는 응축부를 가지는 컨테이너와, 상기 컨테이너의 내부에 배치되고, 모세관력에 의해 상기 응축한 작동 유체를 상기 응축부로부터 상기 증발부에 이동시키는 윅을 구비하고, 상기 윅은, 상기 응축부로부터 상기 증발부에 이르는 복수의 액체 유로 형성하는 복수의 윅부를 가지고, 상기 복수의 윅부는, 상기 작동 유체의 증기 유로를 사이에 두고 서로 대향하는 대향부를 가지고, 상기 대향부 중 적어도 어느 한쪽에 요철부가 형성되어 있다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 대향부는 상기 증발부만에 설치되어 있어도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 대향부의 양쪽에 상기 요철부가 형성되고, 상기 대향부의 양쪽에 형성된 상기 요철부에 있어서, 상기 대향부의 한쪽에 형성된 볼록부가, 상기 대향부의 다른 쪽에 형성된 오목부에 대향하도록 설치되어 있어도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 증발부에 있어서 모든 증기 유로는 연결되어 있어도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 요철부의 볼록부의 선단에 제2 요철부가 형성되어 있어도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 복수의 윅부 사이에 기둥부를 가져도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 기둥부의 측면이 평탄하고, 상기 윅의 상기 기둥부의 측면에 대향하는 면에 상기 요철부가 형성되어 있어도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 요철부는, 상기 대향부 및 상기 대향부 이외에서 상기 증기 유로에 면하는 상기 윅의 측면의 전체에 형성되어 있어도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 대향부는 상기 응축부에 설치되어 있지 않아도 된다.

상기 일 태양에 있어서, 상기 요철부의 볼록부와 오목부는, 각각 평면에서 볼 때 삼각형상으로 형성되어 있어도 된다.

상기 본 발명의 상기 일 태양에 의하면, 작동 유체의 증기의 압력 손실을 저감시키고, 또한 컨테이너의 기계적 강도를 확보할 수 있는 방열 모듈을 제공할 수 있다.

[도 1] 본 발명의 일 실시형태에 관한 베이퍼 챔버의 평단면도이다.
[도 2] 도 1에 나타내는 베이퍼 챔버의 A-A선에서의 화살표 방향으로 본 단면도이다.
[도 3] 본 발명의 일 실시형태에 관한 대향부의 확대도이다.
[도 4] 본 발명의 일 실시형태에 관한 대향부의 변형예의 확대도이다.
[도 5] 본 발명의 일 실시형태에 관한 베이퍼 챔버의 성능을 평가하는 시험 장치의 평단면도이다.
[도 6] 도 5에 나타내는 시험 장치에 의한 시험 결과를 나타낸 표이다.
[도 7] 본 발명의 일 실시형태에 관한 베이퍼 챔버의 변형예의 평단면도이다.
[도 8a] 본 발명의 일 실시형태에 관한 대향부의 다른 변형예의 확대도이다.
[도 8b] 본 발명의 일 실시형태에 관한 대향부의 다른 변형예의 확대도이다.
[도 9a] 본 발명의 일 실시형태에 관한 요철부의 변형예의 평단면도이다.
[도 9b] 본 발명의 일 실시형태에 관한 요철부의 변형예의 평단면도이다.
[도 9c] 본 발명의 일 실시형태에 관한 요철부의 변형예의 평단면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 관한 방열 모듈 및 그의 제조 방법을, 도면을 참조하면서 설명한다. 도면에 있어서, 설명의 편의상, 몇 가지의 부분이 확대되거나, 또는 생략되어 있고, 도면에 표시되어 있는 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 한정하지 않는다.

이하의 설명에서는, 방열 모듈의 일 실시형태로서 박형의 베이퍼 챔버를 예시한다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 베이퍼 챔버(1)의 평단면도이다. 도 2는, 도 1에 나타낸 베이퍼 챔버(1)의 A-A선에서의 화살표 방향으로 본 단면도이다.

베이퍼 챔버(1)는 작동 유체의 잠열을 이용하는 열 수송 소자이다. 이 베이퍼 챔버(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 작동 유체를 내부에 봉입한 컨테이너(2)와, 컨테이너(2)의 내부에 배치된 윅(3)을 가진다.

작동 유체는, 주지의 상변화(相變化) 물질로 구성되는 열 수송 매체로서, 컨테이너(2) 내에서 액상과 기상으로 상변화한다. 예를 들면, 작동 유체로서, 물(순수), 알코올, 암모니아 등을 채용할 수 있다. 그리고, 작동 유체에 대하여, 액상인 경우를 「작동액」, 기상인 경우를 「증기」로 기재하여 설명하는 경우가 있다. 또한, 액상과 기상을 특별히 구별하지 않는 경우에는 작동 유체라고 기재하여 설명하는 경우가 있다. 또한, 작동 유체는 도시되어 있지 않다.

컨테이너(2)는 밀폐된 중공(中空) 용기이고, 평면 방향(도 1에서의 지면 상하 좌우 방향)의 치수가, 두께 방향(도 1에서의 지면 수직 방향, 도 2에서의 상하 방향)보다 큰 편평 형상으로 형성되어 있다. 컨테이너(2)의 두께는 예를 들면, 소수점 몇㎜∼3㎜ 정도이다. 또한, 컨테이너(2)는, 두께 방향으로부터 본 평면에서 볼 때 대략 직사각형상을 가지고 있다. 상기 컨테이너(2)에는, 봉입한 작동 유체를 증발시키는 증발부(4)와, 이 증발한 작동 유체를 응축시키는 응축부(5)가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 증발부(4)가 도 1에 있어서 지면 상방의 중앙에 형성되어 있다.

증발부(4)란 열원(100)으로부터 열을 받는 영역이다. 그리고, 증발부(4)는 열원(100)의 외형(실장 면적)과 동일한 영역으로부터 뿐만 아니라, 그 외형보다 한 바퀴 큰 영역으로부터도 열을 받는 경우가 있다. 한편, 응축부(5)란 증발부(4)의 주위에 형성된 영역으로서, 증발부(4) 이외의 영역이다. 그리고, 열원(100)으로서는, 전자 기기의 전자 부품, 예를 들면 CPU 등을 들 수 있다.

컨테이너(2)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 컨테이너 바디(10)와, 탑 플레이트(11)와, 바텀 플레이트(12)를 가진다. 컨테이너 바디(10)는 예를 들면, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 등으로 형성할 수 있다. 또한, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)는 예를 들면, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 스테인레스, 구리와 스테인레스의 복합재(Cu-SUS), 구리로 스테인레스를 협지한 복합재(Cu-SUS-Cu), 니켈과 스테인레스의 복합재(Ni-SUS), 니켈로 스테인레스를 협지한 복합재(Ni-SUS-Ni) 등으로 형성할 수 있다.

컨테이너 바디(10)를 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)보다 열전도율이 높은 재료로 형성한 경우, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)는, 컨테이너(2)의 변형을 방지하기 위해 경도가 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 컨테이너 바디(10)를 열전도율이 높은 구리로 형성한 경우, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)는 구리와 스테인레스의 복합재(Cu-SUS), 구리로 스테인레스를 협지한 복합재(Cu-SUS-Cu), 니켈과 스테인레스의 복합재(Ni-SUS), 니켈로 스테인레스를 협지한 복합재(Ni-SUS-Ni) 등으로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)는 동일한 재료로 형성해도 되고, 상이한 재료로 형성해도 된다. 또한, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)는 동일한 두께여도 되고, 상이한 두께여도 된다. 또한, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)의 어느 한쪽은, 컨테이너 바디(10)와 일체로 형성되어 있어도 된다. 예를 들면, 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)의 어느 한쪽을 프레스 성형으로 홈 형성 가공 등을 함으로써, 컨테이너 바디(10)의 후술하는 프레임부(10a) 및 기둥부(10b)를 겸하는 부재를 형성하고, 그것에 다른 쪽을 접합함으로써 컨테이너(2)를 형성하는 구성이어도 된다.

컨테이너 바디(10)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 컨테이너(2)의 외형을 형성하는 프레임부(10a)와, 프레임부(10a)에 의해 둘러싸인 영역에 배치된 복수의 기둥부(10b)를 가진다. 복수의 기둥부(10b)는, 컨테이너(2)의 폭 방향에 있어서 일정한 간격을 두고 배치되고, 컨테이너(2)의 길이 방향으로 평행하게 연장되고 있다. 복수의 기둥부(10b)는, 컨테이너(2)의 두께 방향에 있어서의 팽창이나 움푹함을 방지하기 위해 설치된다. 복수의 기둥부(10b)는, 컨테이너(2)를 유지하는 기둥(보강 부재)이 되고, 박형의 베이퍼 챔버(1)의 기계적 강도를 확보한다. 프레임부(10a)와 기둥부(10b) 사이, 및 이웃하는 기둥부(10b)끼리의 사이에는 간극이 형성되어 있고, 이 간극에 작동 유체 유로(13)가 형성된다. 본 실시형태의 작동 유체 유로(13)는, 복수(본 실시형태로는 4개)의 채널(13a)로 구성된다. 길이 방향이란, 도 1에 있어서의 상하 방향이다.

작동 유체 유로(13)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 컨테이너 바디(10)에 탑 플레이트(11) 및 바텀 플레이트(12)를 접합함으로써 밀폐된다. 작동 유체 유로(13)는, 열원(100)으로부터 열을 받는 제1 면(14)과, 제1 면(14)과는 반대 측의 제2 면(15)과, 제1 면(14)과 제2 면(15) 사이를 접속하는 접속면(16)에 의해 둘러싸여 있다. 본 실시형태의 컨테이너(2)는, 예를 들면 바텀 플레이트(12) 측으로부터 열원(100)의 열을 받는 구성으로 되어 있고, 바텀 플레이트(12)의 상면이 제1 면(14)으로 되고, 탑 플레이트(11)의 하면이 제2 면(15)으로 되고, 기둥부(10b)의 측면[또는 도 1에 나타내는 프레임부(10a)의 내측면(10a1)]이 접속면(16)으로 되도록 구성되어 있다. 기둥부(10b)의 측면은 증기 유로(17)에 대향하고 있다. 기둥부(10b)의 접속면(16)은 평탄하고(즉, 요철부는 형성되어 있지 않고), 기둥부(10b)만으로는 모세관력을 발생시키도록은 구성되어 있지 않다.

상기 작동 유체 유로(13)에는, 도 1에 나타낸 바와 같이 윅(3)이 배치되어 있다. 윅(3)은 증발부(4) 내에 있어서 작동액이 증발하여 증기가 되고, 응축부(5) 내에 있어서 상기 증기가 응축하여 작동액으로 된 것을, 모세관력에 의해 응축부(5)로부터 증발부(4)로 이동(환류)시킨다. 본 실시형태의 윅(3)은, 작동 유체 유로(13)의 각 채널(13a)에 배치되는 복수의 윅 가지부(20)(윅부)와, 복수의 윅 가지부(20)의 근원부를 서로 접속하는 윅 줄기부(21)를 구비한다. 그리고, 각각의 윅 가지부(20)와, 윅 줄기부(21)의 폭은 동일하게 형성되어 있다.

윅(3)은 복수의 세선(細線)을 격자형으로 짠 메쉬로 형성되어 있다. 윅(3)을 형성하는 세선으로서는 예를 들면, 열전도율이 높은 구리 재료를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 세선은 예를 들면, 직경이 몇십㎛∼백몇십몇㎛의 크기로 형성되어 있다. 윅(3)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 작동 유체 유로(13)에 있어서, 제1 면(14) 및 제2 면(15)에 접촉하고 있다. 그리고, 윅(3)의 측면(3a)과, 이 측면(3a)에 대하여 공간을 두고 배치된 접속면(16) 사이에는, 작동 유체의 증기 유로(17)가 형성된다.

윅(3)과 제1 면(14) 및 제2 면(15)과의 계면에 형성되는 간극(18a)은, 작동액을 유동시키는 액체 유로(18)로 되고, 작동액을 응축부(5)로부터 증발부(4)로 환류시킨다. 또한, 윅(3) 내부의 세선의 간극(18b)도, 작동액을 유동시키는 액체 유로(18)로 되고, 작동액을 응축부(5)로부터 증발부(4)로 환류시킨다. 그리고, 세선의 간극(18b)은, 윅(3)과 제1 면(14) 및 제2 면(15)과의 계면에 형성되는 간극(18a)보다 공간이 작으므로, 간극(18a)의 액체 유로(18) 쪽이, 간극(18b)의 액체 유로(18)보다 작동액의 반송 능력은 크다.

도 1로 되돌아가, 복수의 윅 가지부(20)는 전술한 액체 유로(18)를 복수 형성한다. 복수의 윅 가지부(20)는, 윅 줄기부(21)로부터 각 채널(13a)에 삽입되고, 각 채널(13a)로부터 열원(100)의 실장 영역까지 연장되고, 각각의 선단부가 증발부(4)에 독립적으로 삽입되어 있다. 제1 윅 가지부(20a) 및 제4 윅 가지부(20d)는, 응축부(5)로부터 프레임부(10a)의 내측면(10a1)을 따라 연장되고, 증발부(4)에 삽입되어 있다. 또한, 제2 윅 가지부(20b) 및 제3 윅 가지부(20c)는, 응축부(5)로부터 이웃하는 기둥부(10b)의 사이를 연장되어, 증발부(4)에 삽입되어 있다. 제1 윅 가지부(20a)와 제2 윅 가지부(20b) 사이, 제2 윅 가지부(20b)와 제3 윅 가지부(20c) 사이, 제3 윅 가지부(20c)와 제4 윅 가지부(20d) 사이에는, 각각 기둥부(20)가 형성되어 있다.

증발부(4)에 있어서는, 복수의 윅 가지부(20)의 선단부가 밀집한다. 그러므로, 증발부(4)에 있어서, 모든 증기 유로(17)가 연결되어 있다.

복수의 윅 가지부(20)는, 증발부(4)에 있어서 증기 유로(17)(공간)을 사이에 두고 서로 대향하는 대향부(23)를 가진다. 구체적으로, 증발부(4)에는, 제1 윅 가지부(20a)와 제2 윅 가지부(20b)가 대향하는 대향부(23ab)와, 제2 윅 가지부(20b)와 제3 윅 가지부(20c)가 대향하는 대향부(23bc)와, 제3 윅 가지부(20c)와 제4 윅 가지부(20d)가 대향하는 대향부(23cd)와, 제4 윅 가지부(20d)와 제1 윅 가지부(20a)가 대향하는 대향부(23da)가 설치되어 있다. 상기 대향부(23)에는 요철부(30)가 형성되어 있다.

도 3은, 본 실시형태에 관한 대향부(23)의 확대도이다. 그리고, 도 3은, 제1 윅 가지부(20a)와 제2 윅 가지부(20b)의 대향부(23ab)의 모식도이지만, 다른 대향부(23)에 있어서도 동일한 구성으로 되어 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 대향부(23ab)에는 요철부(30)가 형성되어 있다. 본 실시형태의 요철부(30)는, 제2 윅 가지부(20b)에 대향하는 제1 윅 가지부(20a)의 대향부(23a)와, 제1 윅 가지부(20a)에 대향하는 제2 윅 가지부(20b)의 대향부(23b)의 양쪽에 형성되어 있다.

요철부(30)는 볼록부(31)와 오목부(32)를 복수 가지고, 볼록부(31)와 오목부(32)는 증기 유로(17)를 따라 교호로 배치되어 있다. 요철부(30)의 볼록부(31)와 오목부(32)는, 각각 도 3에 나타내는 평면에서 볼 때 직사각형으로 형성되어 있다. 즉, 볼록부(31)의 각부(角部)와, 오목부(32)의 각부는 각각 직각으로 형성되어 있다. 이와 같은 요철부(30)는, 프레스기에 의한 다이 커팅 가공에 의해 형성할 수 있다. 볼록부(31)와 오목부(32)의 증기 유로(17)를 따르는 방향의 길이는 모두 동일하다. 그리고, 볼록부(31)와 오목부(32)의 증기 유로(17)를 따르는 방향의 길이는 서로 상이해도 된다.

또한, 대향부(23ab)의 한쪽[예를 들면, 대향부(23a)]에 형성된 요철부(30)의 볼록부(31)는, 대향부(23ab)의 다른 쪽[예를 들면, 대향부(23b)]에 형성된 요철부(30)의 오목부(32)에 대향하도록 형성되어 있다. 즉, 대향부(23a)에 형성된 요철부(30)와, 대향부(23b)에 형성된 요철부(30)에 있어서, 볼록부(31)[또는 오목부(32)]가 서로 엇갈리도록 배치되어 있다.

도 3에 나타내는 도면부호 a는, 증기 유로(17)의 주요한 유로 폭을 나타낸다. 증기 유로(17)의 주요한 유로 폭이란, 요철부(30)가 없는 경우의 서로 대향하는 윅(3)의 측면(3a) 사이의 공간 폭을 가리킨다. 또한, 도 3에 나타내는 도면부호 b는, 요철부(30)의 볼록부(31)의 선단으로부터 오목부(32)의 바닥까지의 길이(깊이)를 나타낸다. 볼록부(31)의 선단은 윅(3)의 측면(3a)으로서, 오목부(32)는, 측면(3a)에 대하여 깊이 b로 형성된 홈이다. 깊이 b는, 도 1에 나타내는 윅 가지부(20)의 폭이 5㎜로 형성되었을 때, 예를 들면 2㎜ 정도의 크기로 형성되어 있다.

도 3에 나타내는 도면부호 c는, 대향부(23a)에 형성된 볼록부(31)의 선단으로부터, 이 볼록부(31)에 대향하는 대향부(23b)의 오목부(32)의 바닥까지의 증기 유로(17)의 최대 폭을 나타낸다. 증기 유로(17)의 최대 폭 c는, 주요 폭 a보다 크게 형성되어 있고, 예를 들면, 주요 폭 a가 2㎜로 형성되었을 때 그 2배인 4㎜ 정도의 크기로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 대향부(23a)에 형성된 요철부(30)와, 대향부(23b)에 형성된 요철부(30)에 있어서, 볼록부(31)[또는 오목부(32)]가 엇갈리도록 배치되어 있으므로, 증기 유로(17)의 최대 폭 c는 일정하다.

계속해서, 상기 구성의 베이퍼 챔버(1)에 의한 열 수송 사이클에 대하여 설명한다.

베이퍼 챔버(1)는 열원(100)에서 발생한 열을 수취함으로써, 증발부(4) 내의 작동액이 증발한다. 증발부(4)에서는, 윅(3)에 침투하고 있는 작동액이 증발한다. 증발부(4)에서 발생한 증기는, 증발부(4)보다 압력 및 온도가 낮은 응축부(5)를 향하여 증기 유로(17) 내를 유동한다. 윅(3)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 접속면(16)과 간극을 두고 배치되고 있으므로, 증기는 윅(3)의 측면(3a)을 따라 유동할 수 있다.

응축부(5)에서는 응축부(5)에 도달한 증기가 냉각되어 응축한다. 응축부(5)에서 발생한 작동액은 윅(3)에 침투하고, 응축부(5)로부터 증발부(4)로 환류된다. 윅(3)은, 응축부(5)로부터 증발부(4)에 이르는 복수의 윅 가지부(20)를 가지고, 각각의 윅 가지부(20)가 형성하는 액체 유로(18)에 의해, 작동액을 응축부(5)로부터 증발부(4)로 환류시킨다. 윅 가지부(20)는 응축부(5)로부터 증발부(4)에 걸쳐서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 작동 유체 유로(13)의 제1 면(14) 및 제2 면(15)과 접촉하고 있으므로, 컨테이너(2)를 유지하는 기둥(보강 부재)으로 되고, 박형의 베이퍼 챔버(1)의 기계적 강도를 확보한다.

그런데, 증발부(4)에서는, 각각의 윅 가지부(20)의 선단부가 밀집하게 되므로, 이들 윅 가지부(20)의 대향부(23)에 형성되는 증기 유로(17)에 있어서, 증기의 압력 손실이 커지기 쉽다. 그러므로, 본 실시형태에서는, 이들 대향부(23)에 요철부(30)를 형성하고 있다. 압력 손실이란, 관내 흐름에 있어서 층류의 경우에, 관에 작용하는 전단 응력이 유체에 대하여 마찰로서 작용하는 것에 의한 흐름 방향으로의 에너지 손실이다. 이 전단 응력은 유로를 형성하는 벽면에서 가장 커진다. 요철부(30)가 없는 종래의 윅 구조에서는, 증기 유로(17)에 대하여 일정하게 윅(3)의 측면(3a)이 배치되는 데에 대하여, 본 실시형태의 윅 구조에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이 증기 유로(17)의 주요 폭 a는 종래 구조와 동일하지만, 오목부(32)가 있는 것에 의해, 벽면을 증기 유로(17)로부터 멀리할 수 있다. 이 때문에, 종래의 구조와 비교하여 압력 손실을 저감할 수 있다. 그러므로, 본 실시형태에서는, 증발부(4)를 통하여 모든 증기 유로(17)가 연결되어 있어도, 압력 손실을 저감하면서, 모든 증기 유로(17)에 있어서의 증기압을 균일하게 할 수 있다.

그리고, 본 실시형태에서는, 증발부(4)에만 대향부(23)가 설치되어 있다. 그리고, 대향부(23)의 위치는 증발부(4)에만 한정되지 않는다.

또한, 박형의 베이퍼 챔버(1)에 있어서 컨테이너(2)의 재료는, 내부 공간을 가능한 확보하기 위해 얇은 것이 사용된다. 이 때문에, 내부가 부압으로 되는 베이퍼 챔버(1)에 있어서, 증기의 압력 손실을 저감시키기 위하여, 단지 증기 유로(17)의 폭을 크게 한 경우에는, 쉽게 변형될 우려가 있다. 그러므로, 본 실시형태의 윅 구조에서는, 오목부(32)뿐만 아니라 볼록부(31)를 형성함으로써, 컨테이너(2)를 유지하는 기둥을 부분적으로 남기고, 컨테이너(2)를 보강하고 있다. 즉, 본 실시형태의 윅 구조에 의하면, 대향부(23)에 요철부(30)를 형성함으로써, 증기 유로(17)의 유로 폭을 넓히면서, 컨테이너(2)를 보강할 수 있다. 그러므로, 본 실시형태의 윅 구조에 의하면, 증기의 압력 손실을 저감시키고, 또한 컨테이너(2)의 기계적 강도를 확보할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 도 2에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 대향부(23)에 형성된 볼록부(31)가, 다른 쪽의 대향부(23)의 오목부(32)에 대향하도록 형성되어 있다. 이 구성에 의하면, 윅 가지부(20)에 오목부(32)가 형성되었다고 해도, 그 윅 가지부(20)에 대향하는 윅 가지부(20)로부터 상기 오목부(32)를 향하여 볼록부(31)가 돌출되어 있으므로, 증기 유로(17)의 폭은 c보다 커지는 일은 없다. 또한, 대향부(23)에 있어서의 증기 유로(17)의 폭은, c로 일정하게 유지되므로, 국소적으로 증기 유로(17)의 폭이 좁아지는 일이 없고, 증기의 압력 손실을 바람직하게 저감할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 윅 가지부(20)의 대향부(23)는 증발부(4)에 설치되어 있다. 이들 대향부(23)에는, 요철부(30)가 형성되어 있으므로, 증발부(4)의 열 저항을 저감시킬 수 있다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 윅 가지부(20)가 작동 유체 유로(13)의 제1 면(14) 및 제2 면(15)과 접촉하고 있는 경우, 증발은 측면(3a)[증기 유로(17)로 접하는 부분]에서 발생한다. 그러므로, 윅 가지부(20)의 증기 유로(17)에 접하는 부분에 요철부(30)가 형성됨으로써, 요철부(30)가 없는 종래의 윅 구조에 비하여, 작동 유체의 증발 면적을 크게 확보할 수 있고, 증발부(4)의 열 저항을 저감하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시형태에서는, 증발부(4)를 통하여 모든 증기 유로(17)가 연결되어 있다. 그러므로, 모든 증기 유로(17)에 있어서의 증기압을 균일하게 할 수 있다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같은 구성을 채용함으로써, 증발부(4)의 열 저항을 보다 저감할 수 있다.

도 4는, 본 실시형태에 관한 대향부(23)의 변형예의 확대도이다.

도 4에 나타내는 윅(3A)에는, 요철부(30)의 볼록부(31)의 선단에 제2 요철부(30a)가 형성되어 있다. 제2 요철부(30a)는, 요철부(30)의 볼록부(31)의 선단에 커터 등에 의해 복수의 베인 자국을 넣음으로써 형성되어 있다. 제2 요철부(30a)는 볼록부(31a) 및 오목부(32a)를 가지고, 볼록부(31a)는 솔의 털과 같이 증기 유로(17)을 향하여 퍼지고 있다.

도 4에 나타내는 도면부호 d는, 제2 요철부(30a)의 볼록부(31a)의 선단으로부터 오목부(32a)의 바닥까지의 길이(깊이)를 나타낸다. 볼록부(31a)의 선단은 윅(3)의 측면(3a)으로서, 오목부(32a)는 측면(3a)에 대하여 깊이 d로 형성된 홈이다. 깊이 d는, 깊이 b가 2㎜로 형성되었을 때, 예를 들면 그 1/4 정도의 크기, 즉 0.5㎜ 정도의 크기로 형성되어 있다. 이 구성에 의하면, 제2 요철부(30a)에 의해, 도 3에 나타내는 윅 구조보다 증발 면적을 크게 확보할 수 있고, 증발부(4)의 열 저항을 보다 저감하는 것이 가능해진다.

도 5는, 본 실시형태에 관한 베이퍼 챔버(1)의 성능을 평가하는 시험 장치의 평단면도이다. 도 6은, 도 5에 나타내는 시험 장치에 의한 시험 결과를 나타낸 표이다.

베이퍼 챔버(1)의 성능을 평가하기 위하여, 도 5에 나타낸 바와 같은 시험 장치를 작성하였다.

상기 시험 장치에서는, 베이퍼 챔버(1)의 한쪽 판면(예를 들면, 이면)에 열원(100)(히터 센서)을 장착하고, 베이퍼 챔버(1)의 다른 쪽 판면(예를 들면, 표면)에 복수의 온도 센서(T1∼T7)를 장착한 구성으로 되어 있다. 증발부(4)의 온도는 열원(100)인 히터 센서로 측정하고, 응축부(5)의 온도는 복수의 온도 센서(T1∼T7)로 측정하고, 베이퍼 챔버(1)의 성능을 열 저항에 의해 평가하였다.

열 저항은, 하기 식(1)에 의해 구해진다. Q[W]는, 열원(100)에 의해 단위 시간에 가해지는 열량(이른바 입열량)이다. Th[℃]는 열원(100)[증발부(4)]의 온도이다. T1∼T7[℃]은, 온도 센서(T1∼T7)가 검출한 응축부(5)의 온도이다.

입열량은 열원(100)이 전기 히터인 경우, 전력량이다. 온도 Th는, 열원(100)으로부터의 입열량이, 베이퍼 챔버(1)를 통한 방열량과 균형이 잡히고, 평형에 도달한 상태에서 측정한다. 그리고, 베이퍼 챔버(1)의 열 수송 능력이 높을수록, 열 저항은 작아진다.

도 6은, 비교예로서, 대향부(23)에 요철부(30)가 없는 통상의 윅 구조와, 대향부(23)에 요철부(30)가 형성된 본 실시형태의 윅 구조와, 볼록부(31)의 선단에 제2 요철부(30a)(노치)가 더 형성된 변형예의 윅 구조의 시험 결과를 나타내고 있다. 그리고, 각 윅 구조를 구비하는 베이퍼 챔버(1)의 시험 장치의 토탈의 두께는 동일하다. 도 6에 나타내는 시험 결과를 비교하면, 요철부(30)가 형성된 본 실시형태의 윅 구조 쪽이, 통상의 윅 구조보다도 열 저항이 20% 정도 작아졌다(열 수송 능력이 20% 정도 높아짐). 또한, 제2 요철부(30a)가 더 형성된 변형예의 윅 구조 쪽이, 통상의 윅 구조보다도 열 저항이 40% 정도 작아졌다(열 수송 능력이 40% 정도 높아짐). 이와 같이, 도 3 및 도 4에 나타내는 윅 구조에 의하면, 증발부(4)에 있어서 증발 면적을 넓힐 수 있고, 열 저항을 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 작동 유체를 내부에 봉입하고, 이 봉입한 작동 유체를 증발시키는 증발부(4)와, 이 증발한 작동 유체를 응축시키는 응축부(5)를 가지는 컨테이너(2)와, 컨테이너(2)의 내부에 배치되고, 응축한 작동 유체를 모세관력에 의해 응축부(5)로부터 증발부(4)로 이동시키는 윅(3)을 포함하고, 윅(3)은, 응축부(5)로부터 증발부(4)에 이르는 복수의 액체 유로(18)를 형성하는 복수의 윅 가지부(20)를 가지고, 복수의 윅 가지부(20)는, 작동 유체의 증기 유로(17)를 사이에 두고 서로 대향하는 대향부(23)를 가지고, 대향부(23)에 요철부(30)가 형성되어 있다는 구성을 채용하는 것에 의해, 작동 유체의 증기의 압력 손실을 저감시키고, 또한 컨테이너(2)의 기계적 강도를 확보할 수 있는 베이퍼 챔버(1)를 얻을 수 있다. 또한, 이 구성에 의하면, 증발부(4)에 있어서 작동 유체의 증발 면적을 넓히고, 열 저항을 저감하고, 열 수송 능력을 높일 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 기재하고 설명했으나, 이들은 본 발명의 예시적인 것이며, 한정하는 것으로서 고려되어서는 안 되는 것을 이해해야 한다. 추가, 생략, 치환 및 그 외의 변경은, 본 발명의 범위로부터 일탈하지 않고 행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되어 있다고 간주되어서는 안 되고, 특허청구의 범위에 의해 제한되고 있다.

예를 들면, 도 7∼도 9c에 나타내는 변형예를 채용할 수 있다. 이하의 설명에 있어서, 전술한 실시형태와 동일하거나 또는 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 간략 또는 생략한다.

도 7에 나타내는 변형예에 관한 윅(3B)은, 요철부(30)가 대향부(23)뿐만 아니라, 대향부(23) 이외에서 증기 유로(17)에 접하는 측면(3a)의 전체에 형성되어 있다. 이 구성에 의하면, 증기 유로(17)의 전체에서 압력 손실을 저감시키고, 또한 컨테이너(2)의 기계적 강도를 확보할 수 있다. 즉, 기둥부(10b)의 측면(접속면)이 평탄한 반면, 복수의 윅 가지부(20)의 상기 기둥부(10b)의 측면에 대향하는 면에는 요철부(30)가 형성되어 있다.

도 8a에 나타내는 변형예에 관한 윅(3C1)은, 대향부(23ab)의 한쪽[예를 들면, 대향부(23a)]에 형성된 요철부(30)의 볼록부(31)가, 대향부(23ab)의 다른 쪽[예를 들면, 대향부(23b)]에 형성된 요철부(30)의 볼록부(31)에 대향하도록 설치되어 있다.

또한, 도 8b에 나타내는 변형예에 관한 윅(3C1)은, 대향부(23ab)의 한쪽[예를 들면, 대향부(23a)]에는 요철부(30)가 형성되어 있지 않고, 대향부(23ab)의 다른 쪽[예를 들면, 대향부(23b)]에는 요철부(30)가 형성되어 있다.

도 8a 및 도 8b에 나타내는 구성이라도, 전술한 실시형태와 마찬가지로, 증기 유로(17)로부터 벽면을 멀리할 수 있기 때문에, 종래의 구조와 비교하여 압력 손실을 저감시키고, 컨테이너(2)의 기계적 강도를 확보할 수 있다. 그리고, 압력 손실의 저감 관점에서는, 도 8a에 나타내는 윅 구조보다도, 오목부(32)가 많은 도 8b에 나타내는 윅 구조 쪽이 바람직하고, 또한, 도 8a에 나타내는 윅 구조보다도, 최대 폭 c가 일정한 도 3 및 도 4에 나타내는 윅 구조 쪽이 바람직하다.

도 9a에 나타내는 변형예에 관한 윅(3D)은, 파형으로 형성된 요철부(30d)를 가지고, 볼록부(31d)와 오목부(32d)가 각각 평면에서 볼 때 만곡 형상으로 형성되어 있다.

도 9b에 나타내는 변형예에 관한 윅(3E)은, 각부가 둥글게 된 요철부(30e)를 가지고, 볼록부(31e)와 오목부(32e)가 각각 평면에서 볼 때 대략 직사각형으로 형성되어 있다.

도 9c에 나타내는 변형예에 관한 윅(3F)은, 삼각형상의 요철부(30f)를 가지고, 볼록부(31f)와 오목부(32f)가 각각 평면에서 볼 때 삼각형상으로 형성되어 있다.

도 9a∼도 9c에 나타내는 구성이라도, 전술한 실시형태와 마찬가지로, 증기 유로(17)로부터 벽면을 멀리할 수 있기 때문에, 종래의 구조와 비교하여 압력 손실을 저감하고, 또한 컨테이너(2)의 기계적 강도를 확보할 수 있다. 도 9a∼도 9c에 나타내는 구성에 의하면, 요철부(30d∼30f)를 프레스 가공에 의해 형성할 때, 도 3에 나타내는 구성과 비교하여, 직각부가 없으므로 다이 커팅이 용이해진다. 그리고, 작동 유체의 증발 면적을 크게 하는 관점에서는, 측면(3a)의 에지의 윤곽을 길게 확보할 수 있는, 도 3 및 도 4에 나타내는 직사각형의 윅 구조 쪽이 바람직하다.

또한, 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 윅(3)을 복수 개로 분기시켜 복수의 액체 유로(18)를 형성하는 구성에 대하여 설명하였으나, 윅(3)을 컨테이너(2)의 내부에 복수 배치하여, 복수의 액체 유로(18)를 형성하는 구성이어도 된다. 즉, 복수의 윅부는 복수 개의 윅(3)으로 구성되어 있어도 된다.

또한, 윅부의 대향부는, 증발부(4) 이외의 장소에 설치되어 있어도 된다.

또한, 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 윅(3)을 메쉬로 형성하는 구성에 대하여 설명하였으나, 윅(3)은 파이버, 금속 분말, 펠트, 컨테이너(2)에 형성된 그루브(홈), 또는 이들을 조합한 것으로 형성되어 있어도 된다.

또한, 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 방열 모듈로서 베이퍼 챔버(1)를 예시하였지만, 상기 구성을 방열 모듈의 다른 형태인 히트 파이프에 적용해도 된다.

또한, 본 실시형태의 방열 모듈의 용도는 특별히 한정되지 않지만, 예시로서, 스마트폰, 태블릿형 단말, 휴대전화, 퍼스널 컴퓨터, 서버, 복사기, 게임기, 복합기, 프로젝터, 전자 기기, 연료 전지, 인공위성 등을 들 수 있다.

1 : 베이퍼 챔버
2 : 컨테이너
3 : 윅
3a : 측면
4 : 증발부
5 : 응축부
16 : 접속면
17 : 증기 유로
18 : 액체 유로
20 : 윅 가지부(윅부)
23 : 대향부
30 : 요철부
31 : 볼록부
32 : 오목부

Claims

작동 유체(流體)를 내부에 봉입(封入)하고, 상기 봉입한 작동 유체를 증발시키는 증발부; 상기 증발한 작동 유체를 응축시키는 응축부를 가지는 컨테이너; 및 상기 컨테이너의 내부에 배치되고, 모세관력에 의해 상기 응축한 작동 유체를 상기 응축부에서 상기 증발부로 이동시키는 윅(wick);을 포함하고,
상기 윅은, 상기 응축부로부터 상기 증발부에 이르는 복수의 액체 유로 형성하는 복수의 윅부를 가지고,
상기 복수의 윅부는, 상기 작동 유체의 증기 유로를 사이에 두고 서로 대향하는 대향부를 가지고,
상기 대향부 중 적어도 어느 한쪽에, 요철부가 형성되어 있는,
방열 모듈.
제1항에 있어서,
상기 대향부는 상기 증발부에만 설치되어 있는, 방열 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 대향부의 양쪽에 상기 요철부가 형성되고, 상기 대향부의 양쪽에 형성된 상기 요철부에 있어서, 상기 대향부의 한쪽에 형성된 볼록부가, 상기 대향부의 다른 쪽에 형성된 오목부에 대향하도록 설치되어 있는, 방열 모듈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발부에 있어서 모든 증기 유로는 연결되어 있는, 방열 모듈.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 요철부의 볼록부의 선단에 제2 요철부가 형성되어 있는, 방열 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 윅부 사이에 기둥부를 포함하는, 방열 모듈.
제6항에 있어서,
상기 기둥부의 측면이 평탄하고, 상기 윅의 상기 기둥부의 측면에 대향하는 면에 상기 요철부가 형성되어 있는, 방열 모듈.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 요철부는, 상기 대향부 및 상기 대향부 이외에서 상기 증기 유로에 면하는 상기 윅의 측면의 전체에 형성되어 있는, 방열 모듈.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대향부는 상기 응축부에 설치되어 있지 않은, 방열 모듈.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 요철부의 볼록부와 오목부는, 각각 평면에서 볼 때 삼각형상으로 형성되어 있는, 방열 모듈.