WO2018199216A1

WO2018199216A1 - ベーパーチャンバー

Info

Publication number: WO2018199216A1
Application number: PCT/JP2018/016937
Authority: WO
Inventors: 拓生若岡; 修次松本; 孝義小幡; 宗一久米; 池田　治彦
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2018-11-01
Also published as: WO2018198372A1; US11340022B2; CN110573821A; US20200049421A1

Abstract

本発明は、筐体と、前記筐体の主内面と接するように、前記筐体内に配置された柱と、前記筐体内に封入された作動液と、前記筐体内に配置されたウィックとを有し、前記柱は第一底面と第二底面とを有し、表面に多孔を有する柱形状を有しており、前記第一底面は筐体の主内面に接し、前記第二底面はウィックに接し、前記第一底面の面積が、前記第二底面の面積よりも大きく、前記柱の側面は、前記第一底面の外周と前記第二底面の外周とを結ぶ面であり、前記柱の高さ方向の軸に垂直な断面積は、前記柱の高さ方向の軸に沿って、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて小さくなっている、ベーパーチャンバーを提供する。

Description

ベーパーチャンバー

　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きた。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の分野において特に顕著である。近年、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ることが多いが、その熱輸送量は十分ではないため、様々な熱対策部材の使用が検討されている。なかでも、非常に効果的に熱を拡散させることが可能であるとして、面状のヒートパイプであるベーパーチャンバーの使用の検討が進んでいる。

　ベーパーチャンバーには、通常、作動流体を還流させるために筐体内壁にウィック（ｗｉｃｋ）と呼ばれる毛細管構造が設けられている。このウィックの上部には、通常、筐体を内側から支持するための支持体が配置され、これにより、減圧による筐体の変形、外部からの力、例えば他の部品との接触による筐体の変形を防いでいる。

　特許文献１には、２枚のカバープレート２０、２１と柱状の支持構造１１０と作動流体とを有するヒートプレートが記載されている。特許文献１において、２枚のカバープレート２０、２１の内側にはウィック構造が形成されており、２枚のカバープレート２０、２１は支持構造１１０によって内側から支持されている。このような構成により、二次元的な熱の拡散が達成されている。

米国特許出願公開第２００９／０２６０７８５号明細書

　特許文献１のように支持構造１１０の両側にウィック構造を形成すると、液体の作動流体の還流を効率よく行うことができる。しかしながら、支持構造１１０の両側にウィック構造が設けられていることにより、気体の作動液が移動する部分が狭くなるため、ベーパーチャンバーにおける熱抵抗の増加および熱輸送能力の低減が懸念される。

　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、気体となった作動液が移動する部分が広く、優れた熱輸送能力を有するベーパーチャンバーを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るベーパーチャンバーは、筐体と、前記筐体の主内面と接するように、前記筐体内に配置された柱と、前記筐体内に封入された作動液と、前記筐体内に配置されたウィックとを有し、前記柱は第一底面と第二底面とを有し、表面に多孔を有する柱形状を有しており、前記第一底面は筐体の主内面に接し、前記第二底面はウィックに接し、前記第一底面の面積が、前記第二底面の面積よりも大きい。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱の側面は、前記第一底面の外周と前記第二底面の外周とを結ぶ面であり、
　前記柱の高さ方向の軸に垂直な断面積は、前記柱の高さ方向の軸に沿って、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて小さくなっている。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱は略錐台形状を有する。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱は多孔質体である。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱は、気孔率が１％以上２０％以下の多孔質体である。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱は、平均気孔径が１μｍ以上５０μｍ以下の多孔質体である。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つの部材から成るものであり、
　封止された前記外縁部は、前記筐体の高さの半分よりも前記ウィック側に位置する。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーは、異なる高さを有する複数の前記柱を有する。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーでは、前記第一底面が接している筐体の主内面に対向する前記筐体の主内面に凸部が形成されている。

　また、上記の一実施形態のベーパーチャンバーでは、前記凸部は、高さ１μｍ以上１００μｍ以下である。

　また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記第一底面の面積に対する、前記第一底面と前記筐体との接合面積の比が０．５以上１以下である。

　さらに、本発明によれば、本発明のベーパーチャンバーを有して成る放熱デバイスが提供される。

　さらに、本発明によれば、本発明のベーパーチャンバーまたは本発明の放熱デバイスを有して成る電子機器が提供される。

　本発明によれば、気体となった作動液が移動する部分を狭めずに、作動流体の還流を効率よく行うことができるベーパーチャンバーが提供される。

本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの主内面の凸部の模式図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの主内面の凸部の模式図である。実施例１の柱の表面のＳＥＭ像である。実施例１の柱の断面のＳＴＭ像である。実施例１の円柱の形状測定図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の別の実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。

　以下、本発明について図面を参照してより詳細に説明する。

　特許文献１において、気体の作動液が移動するための空間（以下、「蒸気流路」ともいう）を確保するために、一方のカバープレートの内側のウィック構造を取り除くと、そのカバープレートの内側表面の濡れ性が低下する。この濡れ性の低下によりカバープレートの内側表面に液滴が形成され、この液滴が蒸気流路を塞いでしまうため、ヒートプレートの熱輸送能力が低下してしまうという問題が生じる。本願発明者はこの問題を見出し、解決するために鋭意検討したところ、筐体２と、筐体２の主内面と接するように筐体２内に配置された柱３と、筐体２内に封入された作動液と、筐体２内に配置されたウィック４とを有するベーパーチャンバーにおいて、筐体２内部に設ける柱３を、筐体２に接する第一底面と、ウィック４に接する第二底面とを有し、表面に多孔を有する柱形状とし、第一底面の面積を、第二底面の面積よりも大きくすることにより、この問題を解決できることを見出した。さらに、柱３の側面を、第一底面の外周と第二底面の外周とを結ぶ面とし、柱３の高さ方向の軸に垂直な断面積を、柱３の高さ方向の軸に沿って、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて小さくすることによって、筐体２に荷重が作用した際の耐性効果が効率的に発揮されることを見出した。

　本発明において、柱３の第一底面は筐体２の主内面と接し、第二底面がウィック４と接しており、第一底面側にウィック４が設けられていないため、特許文献１のように二つの底面の柱状部の両側にウィック４が設けられた構造のベーパーチャンバーと比較して、気体となった作動液が移動する部分を広く設けることができる。

　さらに、本発明において、柱３は表面に多孔を有する柱形状であり、筐体２と接する第一底面の面積が、ウィック４と接する第二底面の面積よりも大きい。筐体２と接する第一底面の面積が、ウィック４と接する第二底面の面積よりも大きいため、例えば第一底面が第二底面と同じ面積を有するように形成された場合と比較して、柱３は、より広い範囲の筐体２の表面に形成された液滴とも接触することができる。さらに、柱３は表面に多孔を有しているため、柱３と接触した液滴は毛細管現象により柱３の表面の多孔内に浸透する。このようにして筐体２の主内面に形成された液滴を取り除くことができるため、液滴が蒸気流路を塞ぐことによるベーパーチャンバーの熱輸送能力の低下を防ぐことができる。

　さらに、柱３の表面の多孔は、ベーパーチャンバーが高温になった際に、内部で発生し得る不純物ガスを吸着することもできる。柱３の多孔で不純物ガスを吸着することにより、ウィック４でトラップされる不純物ガスを低減することができ、ウィック４の親水性の低下を防ぐことができるため、ベーパーチャンバーの熱伝導特性の劣化を防ぐことができる。

　以下において、本発明のベーパーチャンバーの各構成について詳細に説明する。

　本発明のベーパーチャンバーの筐体２は、２つの対向する主内面を備えるものであればよい。筐体２の主内面の形状は多角形であってもよく、円形であってもよい。本明細書において主内面とは、筐体２の内部空間を規定する面のうち、最も面積の大きい面と、その面に対向する面とをいう。

　図１においてＡで示される筐体２の高さＡ（すなわち、ベーパーチャンバーの厚さ）は、例えば１００μｍ以上６００μｍ以下であってよく、好ましくは２００μｍ以上５００μｍ以下の範囲にある。図１においてＢで示される筐体２の幅Ｂ（すなわち、ベーパーチャンバーの幅）は、例えば５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であってよく、好ましくは２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲にあってよく、より好ましくは５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲にあってよい。また、図示されていないが、図１において筐体２の幅Ｂを示す矢印と直行する、紙面手前から奥に向かう筐体２の奥行きＤ（すなわち、ベーパーチャンバーの奥行き）は、例えば５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であってよく、好ましくは２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲にあってよく、より好ましくは５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲にあってよい。上述した高さＡ、幅Ｂおよび奥行きＤは筐体２のいかなる箇所においても一様であってもよく、異なっていてもよい。

　筐体２は、単一の部材から一体に形成されるものであってもよく、例えば図１および２に示されるように、外縁部が封止された対向する２つの部材、例えばシートから成るものであってもよい。また、２以上の板状部材から形成されてもよい。図１および２のベーパーチャンバー１ａおよび１ｂにおいて、上部筐体シート６は筐体２の上側の主内面を、下部筐体シート７は筐体２の下側の主内面を形成している。筐体２において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、それぞれの外縁部で互いに封止されている。上部筐体シート６および下部筐体シート７の外縁部とは、シートの端部から内側に所定距離の領域をいう。図１および３のベーパーチャンバーにおいて、上部筐体シート６の外縁部と下部筐体シート７の外縁部とは、ろう材で接合することにより封止されているが、外縁部を封止する方法はこれに限定されず、例えばレーザー溶接、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接（タングステン・不活性ガス溶接）、拡散接合、樹脂封止、超音波接合等により封止することもできる。

　図８に示すように、筐体２を外縁部が封止された対向する２つのシート（上部筐体シート６および下部筐体シート７）から成るものとし、封止された外縁部が筐体２の高さＡの半分よりもウィック４側に位置するように構成させることができる。このような構成にすることによって、封止された外縁部が筐体２の高さＡの中央またはウィック４の逆側に位置する場合と比較して、ベーパーチャンバー内部においてより効率的な蒸気流路を形成することができる。特に、本発明のベーパーチャンバーは、筐体２と接する第一底面の面積がウィック４と接する第二底面の面積よりも大きくなっており、かつ柱３の表面に多孔を有している。そのため、ウィック４の近傍において気体となった作動液をより広い空間で効率的に広げることができ、かつ液体となった作動液を柱３の多孔を介して集中的に吸い上げることができる。加えて、蒸気流路に生じた水滴を柱３の多孔を介して集中的に吸い上げ蒸気の流れを促進することができる。

　筐体２を形成する材料は、特に限定されず、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｆｅなどの金属部材、およびそれらを主成分とした合金金属部材等を用いることができ、好ましくはＣｕおよびＣｕ合金が用いられる。

　図１においてＣで示される筐体２を構成する壁面の厚さＣ（図示する例においては、筐体シートの厚さ）は、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下であってよく、好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは４０μｍ以上６０μｍ以下の範囲にある。上述した厚さＣは筐体２のいかなる箇所においても一様であってよく、異なっていてもよい。例えば、上部筐体シート６の厚さＣと、下部筐体シート７の厚さとが異なっていてもよい。

　柱３は、筐体２を内側から支持するように、筐体２の内部空間に配置される。柱３は、筐体２に固定されていてもよく、筐体２に固定されていなくてもよい。柱３が筐体２の内部空間に配置されることにより、筐体２に荷重が作用した際の筐体２の変形を低減することができる。

　柱３は第一底面と第二底面とを有する柱形状を有しており、第一底面の面積は、第二底面の面積よりも大きい。本明細書において、第一底面の面積とは、第一底面の外周により囲まれる部分の面積をいい、第二底面の面積とは、第二底面の外周により囲まれる部分の面積をいう。柱３の第一底面は筐体２の主内面に接しており、柱３の第二底面はウィック４と接している。ここで、第一底面の面積が、第二底面の面積よりも大きいため、例えば第一底面が第二底面と同じ面積を有するように形成された場合と比較して、柱３は、より広い範囲の筐体２の主内面に形成された液滴と接触することができる。

　柱３は、第一底面の面積が、第二底面の面積よりも大きくなるような任意の形状に形成することができる。例えば、柱３の側面を第一底面の外周と第二底面の外周とを断面において直線的に結ぶ面とし、図９においてＧで示される柱３の高さＧ方向の軸に沿って、柱３の高さＧ方向の軸に垂直な断面積を、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて小さくなる形状にすることができる。「直線的に結ぶ」とは、例えば柱３の表面上の多孔の凹凸およびその他の微細な凹凸（例えば製造工程上生じ得る微細な凹凸等）を有して略直線的に結ばれる場合も含むものとする。「柱の高さ方向の軸に垂直な断面積」とは、実際には柱３はその表面に多孔を有するが、多孔による凹凸は存在しないものとして略断面の輪郭形状で算出される面積を意味するものとする。

　あるいは、図１０において別のベーパーチャンバー１ｃを示す。例えば、柱３の側面を第一底面の外周と第二底面の外周とを断面において曲線的に結ぶ面とし（例えば、柱３を椀状の形状とし）、図１０においてＧで示される柱３の高さＧ方向の軸に沿って、柱３の高さＧ方向の軸に垂直な断面積を、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて小さくなる形状にすることができる。「曲線的に結ぶ」とは、例えば柱３の表面上の多孔の凹凸およびその他の微細な凹凸（例えば製造工程上生じ得る微細な凹凸等）を有して略曲線的に結ばれる場合も含むものとする。「柱の高さ方向の軸に垂直な断面積」の意味については前述と同様である。かかる曲線的に結ぶ面は、上記の直線的に結ぶ面よりも外側に凸を有する面であることが好ましいが、これに限定されない。

　このように、柱３の側面を第一底面の外周と第二底面の外周とを断面において直線的または曲線的に結ぶ面とし、柱３の高さＧ方向の軸に垂直な断面積を、柱３の高さＧ方向の軸に沿って、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて実質的に小さくすることによって、筐体２に荷重が作用した際、柱３にかかる応力を効率的に分散させることができる。外周を結ぶ面は、直線的または曲線的だけでなく、高さ軸に垂直な断面において第一底面側から第二底面側に近づくにつれて面積が小さくなる面である限り、任意の形状であってよい。例えば直線的および曲線的な面の両方の組み合わせで結ばれている面でもよい。

　より具体的には、柱３は、側面が、第一底面の外周と第二底面の外周とを直線的に結ぶ面である柱３、即ち錐台形状であってもよい。柱３は、好ましくは略錐台形状、より好ましくは四角錐台形状または円錐台形状、さらに好ましくは円錐台形状に形成される。柱３が略錐台形状に形成されることにより、柱３が倒れにくく、筐体２を内側からより強固に支持することができるようになり、筐体２に荷重が作用した際の筐体２の変形を効果的に低減することができる。

　さらに、柱３は表面に多孔を有しているため、柱３と接触した液滴は毛細管現象により柱３の表面の多孔内に浸透する。即ち、柱３と接触した液滴は柱３に吸い上げられる。このようにして筐体２の主内面上に形成される液滴を効率的に取り除くことができるため、液滴が蒸気流路を塞ぐことによるベーパーチャンバーの熱輸送能力の低下を防ぐことができる。これらを考慮すると、柱３が図９および図１０を用いて説明したような前述した構造を有する場合には、ベーパーチャンバー内部の熱拡散効果と筐体２の荷重耐性かつ変形防止効果とが相乗的に作用し、好適な効果を発揮し得る。

　柱３の構造は、表面に多孔を有するものであれば特に限定されず、例えば柱３全体が多孔質である構造、柱状の基材の表面に多孔が形成された構造、柱状の基材の表面を別の多孔材料で覆った構造等であってもよい。柱３全体が多孔質である構造を採用することにより、より多くの作動液を柱３に浸透させることができるようになる。また、柱状の基材の表面に多孔が形成された構造または柱状の基材の表面を別の多孔材料で覆った構造を採用することにより、柱３の強度を高めることができる。一の態様において、柱３の構造は、柱３全体が多孔質である構造であり得る。かかる柱３全体が多孔質である構造を有する柱３は、多孔質体を柱状に成形したものであってもよく、あるいは、柱状の基材全体に多孔を形成したものであってもよい。一の態様において、柱３の構造は、柱状の基材の表面に多孔が形成された構造または柱状の基材の表面を別の多孔質体で覆った構造であり得る。

　上記多孔質体としては、特に限定されず、任意の多孔質体を用いることができる。例えば、例えば、金属多孔体、セラミックス多孔体、樹脂多孔体、金属多孔質焼結体、セラミックス多孔質焼結体等の多孔質体を用いることができる。

　上記基材を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタン、鉄等の金属およびこれらの金属を含む合金、ならびに樹脂材料等が挙げられる。

　柱３の多孔部の平均気孔率は、１％以上２０％以下であってよく、好ましくは５％以上１５％以下の範囲にあり、より好ましくは７％以上１３％以下の範囲にある。柱３の多孔部の平均気孔率が１％以上であることにより、十分な量の液体を柱３に浸透させることができるようになる。柱３の多孔部の気孔率が２０％以下であることにより、筐体２を内側から強固に支持することができるようになり、筐体２に荷重が作用した際の筐体２の変形を効果的に低減することができる。本明細書において、多孔部の気孔率とは多孔部のみかけの体積に対する多孔部が有する空隙の体積の和の割合をいい、例えばアルキメデス法、水銀気孔率法、重量気孔率方法、ガス吸着法により測定することができる。例えば、ガス吸着法ではガスを細孔表面に物理的に吸着させ、その吸着量と相対圧との関係から細孔分布を測定することができる。上記ガスとしては、細孔径が０．７ｎｍ以上である場合には、窒素が用いられる。また、柱断面の画像解析により、気孔率の換算も行うことができる。また、柱状の基材の表面に多孔が形成された柱３において、多孔部とは、基材の表面の多孔が形成されている領域をいう。また、柱状の基材の表面を別の多孔材料で覆った柱３において、多孔部とは、当該別の多孔材料が占める領域をいう。

　柱３の多孔の平均気孔径は１μｍ以上５０μｍ以下であってよく、好ましくは２μｍ以上３０μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある。柱３の多孔の平均気孔径が１μｍ以上であることにより、十分な量の液体を柱３に浸透させることができるようになる。柱３の多孔の平均気孔径が５０μｍ以下であることにより、筐体２を内側から強固に支持することができるようになり、筐体２に荷重が作用した際の筐体２の変形を効果的に低減することができる。本明細書において、多孔の平均気孔径とは、任意の５箇所の柱断面の画像解析により観察された、略円形に近い断面外周を有する空隙の断面外周の長さの平均値と同じ周の長さを有する円の直径をいう。

　本発明のベーパーチャンバーにおいて、異なる高さを有する柱３を複数配置してもよい。柱３が複数用いられる場合、いずれの柱３の第一底面も筐体２に接し、第二底面はウィック４に接している。異なる高さを有する柱３のうち、最も大きい高さを有する柱３の高さと、最も小さい高さを有する柱３の高さとの差は０．０１μｍ以上５０μｍ以下の範囲にあってよく、好ましくは０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある。本発明のベーパーチャンバーにおいて、主内面の中央に高い柱が分布することが好ましい。これにより筐体の変形を効果的に低減することができる。また、本発明のベーパーチャンバーにおいて、熱源と接する部分から遠い場所と比較して、熱源と接する部分の近くに高い柱が多く存在していることが好ましい。これにより、熱源と接する部分の近くで作動液を効果的に気化（沸騰）させることができる。

　柱３が表面に細孔を有する材料または多孔質体等の空隙を有する材料から形成されるために、柱３と筐体２とが接合されている部分の面積は、柱３の第一底面の面積よりも小さくなる。柱３が筐体２に接合されることにより固定されている場合、第一底面の面積に対する、第一底面と筐体２との接合面積の比は０．５以上１以下であってよい。第一底面の面積に対する接合面積の比が０．５以上であることにより、使用に際しての衝撃等により柱３の位置にずれが生じにくくなる。

　図２に示されるように、柱３の第一底面が接している筐体２の主内面（即ち、上部筐体シート６の主内面）に対向する筐体２の主内面（即ち、下部筐体シート７の主内面）は、凸部９を有していてもよい。

　上記凸部９の高さは、特に限定されないが、好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下の範囲にあり、さらに好ましくは１５μｍ以上３０μｍ以下の範囲にある。

　凸部９は、図２に示されるように筐体２の主内面に直接形成されていてもよい。また、凸部９を有する金属箔を主内面の上に載置することにより設けてもよい。凸部９を設けることにより、凸部９間の空間による毛細管力が生じるので、凸部９間の空間は作動液を還流させる役割を果たし得る。このため、凸部９を有する本発明のベーパーチャンバーにおいて、作動液の還流はウィック４と凸部９間の空間の両方によって促進されるため、凸部９を有しないベーパーチャンバーと比較して効率的な熱拡散が生じ得る。柱３の下部にウィック４を挟んで凸部９がさらに形成されると、筐体２に荷重が作用した際により効率的に応力を分散させることができる。従って、凸部９を有する構成によると、凸部９を有しないベーパーチャンバーと比較して、熱拡散効果と筐体２の荷重耐性かつ変形防止効果との相乗効果が、より好適に発揮され得る。

　筐体２の凸部９は、隣接する凸部９との間に、作動液を還流させることができる空間が形成されるような任意の形状に形成することができる。筐体２の凸部９は、好ましくは、互いに平行な対向する底面を有する柱状に形成される。筐体２の凸部９は、例えば、略四角柱形状、略円柱形状、錐台形状であってよい。筐体２の凸部９が略四角柱形状に形成される場合、凸部９の底面は、図３に示されるように、長辺の長さに対する短辺の長さの比が１に近い四角形であってよい。また、図４に示されるように、長辺の長さに対する短辺の長さの比が１を大きく下回っていてもよい。また、図示されていないが、長辺の長さに対する短辺の長さの比が１であってもよい。すなわち、凸部９の底面は正方形であってもよい。

　凸部９と、隣接する凸部９との間の距離Ｆは、１μｍ以上５００μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは５μｍ以上３００μｍ以下の範囲にあり、さらに好ましくは１５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲にある。距離Ｆがこのような範囲内にあることにより、作動液をより効果的に還流させることができる。

　ウィック４は、筐体２の内部空間に配置され、作動液を還流させる役割を果たす。ウィック４の配置の態様は、特に限定されず、例えば、図１に示されるように、筐体２の主内面と柱３との間に挟持されるように配置されてもよい。また、図２に示されるように、第一底面が接している筐体２の主内面に対向する筐体２の主内面に凸部９が形成されている場合には、凸部９と柱３との間に挟持されるように配置されてもよい。

　ウィック４の厚さは、例えば５μｍ以上２００μｍ以下の範囲にあってよく、好ましくは１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下の範囲にある。ウィック４の厚さは、ウィック４のいかなる箇所においても一様であってよく、異なっていてもよい。また、ウィック４は必ずしも、ベーパーチャンバーの筐体２の主内面全体に亘って形成される必要はなく、部分的に形成されていてもよい。

　ウィック４の材料は特に限定されず、例えば、多孔体、メッシュ、焼結体、不織布等を用いることができ、好ましくはメッシュや不織布が用いられる。

　図１および図３には示されていないが、本発明のベーパーチャンバーの筐体２内にはさらに、作動液が封入されている。作動液は、発熱体からの熱により気化し、蒸気となる。その後、蒸気となった作動液は筐体２内を移動し、熱を放出して液体に戻る。液体に戻った作動液は、ウィック４による毛細管現象により再び熱源へ運ばれる。そして再び熱源からの熱により気化し、蒸気となる。これを繰り返すことにより、本発明のベーパーチャンバーは、外部動力を要することなく自立的に作動し、作動液の蒸発・凝縮潜熱を利用して、二次元的に迅速に熱を拡散させることができる。

　作動液の種類は特に限定されず、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、好ましくは水が用いられる。

　本発明のベーパーチャンバーは、熱源に近接させるように、放熱デバイスに搭載され得る。従って、本発明は、本発明のベーパーチャンバーを有して成る放熱デバイスも提供する。本発明の放熱デバイスが本発明のベーパーチャンバーを備えることにより、発熱している電子部品および部品の周辺の温度上昇を効果的に抑制することができる。

　本発明のベーパーチャンバーまたは放熱デバイスは、放熱を目的として電子機器に搭載され得る。従って、本発明は、本発明のベーパーチャンバーまたは放熱デバイスを有して成る電子機器を提供する。本発明の電子機器としては、例えばスマートフォン、タブレット端末、ノートパソコン、ゲーム機器、ウェアラブルデバイス等が挙げられる。本発明のベーパーチャンバーは上記のとおり、外部動力を必要とせず自立的に作動し、作動液の蒸発・凝縮潜熱を利用して、二次元的に高速で熱を拡散することができる。そのため、電子機器が本発明のベーパーチャンバーまたは放熱デバイスを備えることにより、電子機器内部の限られたスペースにおいて、放熱を効果的に実現することができる。

　（実施例１）
　はじめに、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを形成するＣｕ箔を２枚準備した。上部筐体シート６を形成するＣｕ箔の寸法は、縦１００ｍｍ横５０ｍｍであり、厚さが５０μｍであった。下部筐体シート７を形成するＣｕ箔の寸法は縦１００ｍｍ横５０ｍｍであり、厚さが５０μｍであった。構成成分として、銅等の金属を主成分とする金属ペーストを、上部筐体シート６に、円形の底面を有する錐台形状に配置した。この金属ペーストを焼成することにより、上部筐体シート６上に円形の底面を有する錐台形状を有する柱３を形成した。さらに、下部筐体シート７を形成するＣｕ箔にエッチングにより凸部９を形成した。凸部９の形成のために使用したエッチング液は過硫酸ソーダであり、エッチングの温度は４０℃であり、エッチング時間は所定形状が得られるように調整した。上部筐体シート６に形成された柱３と下部筐体シート７に形成された凸部９とで挟持されるようにウィック４を配置し、上部筐体シート６の外縁部と、下部筐体シート７の外縁部とを、ろう接することにより封止して、本発明のベーパーチャンバーを得た。使用したウィック４の厚さは、５０μｍであり、得られたベーパーチャンバーは４００μｍの高さＡと、５０ｍｍの幅Ｂと、１００μｍの奥行きＤとを有していた。

　（比較例１）
　柱３を、上部筐体シート６をエッチング処理することにより形成した以外は、実施例１と同様の方法で、本発明のベーパーチャンバーを得た。比較例１において、柱３の形成のために使用したエッチング液は過硫酸ソーダであり、エッチングの温度は４０℃であり、エッチング時間は所定形状が得られるように調整した。得られた柱３は、柱３の長さに亘って太さが一定の円柱形状を有していた。

　実施例１の柱３の表面のＳＥＭ像を測定したところ、図５のようになり、断面のＳＥＭ像を測定したところ、図６のようになった。実施例１の柱３が細孔および空隙を多く有する多孔質体であることが確認できた。

　さらに、実施例１の柱３を備える上部筐体シート６の、主内面を形成する面の表面形状を測定したところ、図７のようになった。当該測定により、柱３は約１２０μｍの高さを有していることが確認できた。さらに、上部筐体シート６の主内面に接する第一底面部分の幅が、もう一方の底面である第二底面部分の幅よりも大きいことが確認できた。

　実施例１および比較例１として得られたベーパーチャンバーの、柱３の第一底面が接する主内面の作動液の接触角は６０°であった。比較例１として得られたベーパーチャンバーの最大熱輸送量が５Ｗであったのに対して、実施例１のベーパーチャンバーの最大熱輸送量は１０Ｗであった。これは、実施例１のベーパーチャンバーの柱３が、表面に多孔を有する錐台形状を有しているため、柱３の第一底面が接する主内面の液滴を、柱３に浸透させることにより低減することができたためであると考えられる。実施例１のベーパーチャンバーでは、柱３の第一底面が接する主内面の液滴が柱３により低減されたため、液滴により蒸気流路が塞がれることが抑制され、ヒートプレートが高い熱輸送能力を示したものと考えられる。

　本発明のベーパーチャンバー、放熱デバイスおよび電子機器は携帯情報端末等の分野において、広範な用途に使用できる。例えば、ＣＰＵ等の熱源の温度を下げ、電子機器の使用時間を延ばすために使用することができ、スマートフォン、タブレット、ノートＰＣ等に使用することができる。

　　１ａ　ベーパーチャンバー
　　１ｂ　ベーパーチャンバー
　　１ｃ　ベーパーチャンバー
　　２　　筐体
　　３　　柱
　　４　　ウィック
　　６　　上部筐体シート
　　７　　下部筐体シート
　　９　　凸部

Claims

　筐体と、
　前記筐体の主内面と接するように、前記筐体内に配置された柱と、
　前記筐体内に封入された作動液と、
　前記筐体内に配置されたウィックとを有し、
　前記柱は第一底面と第二底面とを有し、表面に多孔を有する柱形状を有しており、
　前記第一底面は筐体の主内面に接し、前記第二底面はウィックに接し、
　前記第一底面の面積が、前記第二底面の面積よりも大きく、
　前記柱の側面は、前記第一底面の外周と前記第二底面の外周とを結ぶ面であり、
　前記柱の高さ方向の軸に垂直な断面積は、前記柱の高さ方向の軸に沿って、第一底面側から第二底面側に近づくにつれて小さくなっている、
　ベーパーチャンバー。
　前記柱が略錐台形状を有する、請求項１に記載のベーパーチャンバー。
　前記柱が多孔質体である、請求項１または２に記載のベーパーチャンバー。
　前記柱が、気孔率が１％以上２０％以下の多孔質体である、請求項３に記載のベーパーチャンバー。
　前記柱が、平均気孔径が１μｍ以上５０μｍ以下の多孔質体である、請求項３に記載のベーパーチャンバー。
　前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つの部材から成るものであり、
　封止された前記外縁部は、前記筐体の高さの半分よりも前記ウィック側に位置する、
　請求項１～５のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
　異なる高さを有する複数の前記柱を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
　前記第一底面が接している筐体の主内面に対向する前記筐体の主内面に凸部が形成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
　前記凸部は、高さ１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項８に記載のベーパーチャンバー。
　前記第一底面の面積に対する、前記第一底面と前記筐体との接合面積の比が０．５以上１以下である、請求項１～９のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
　請求項１～１０のいずれか一項に記載のベーパーチャンバーを有して成る放熱デバイス。
　請求項１～１０のいずれか一項に記載のベーパーチャンバーまたは請求項１１に記載の放熱デバイスを有して成る電子機器。