WO2022025254A1 - 熱伝導部材 - Google Patents
熱伝導部材 Download PDFInfo
- Publication number
- WO2022025254A1 WO2022025254A1 PCT/JP2021/028349 JP2021028349W WO2022025254A1 WO 2022025254 A1 WO2022025254 A1 WO 2022025254A1 JP 2021028349 W JP2021028349 W JP 2021028349W WO 2022025254 A1 WO2022025254 A1 WO 2022025254A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- wick structure
- metal plate
- conductive member
- heat conductive
- member according
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
- H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
Definitions
- the present disclosure relates to heat conductive members.
- the conventional heat conductive member has a flat plate-shaped closed container, a porous sheet, and a working fluid.
- the porous sheet is arranged on the inner surface of the flat plate-shaped closed container.
- the working fluid is housed inside a flat plate-shaped closed container. It was
- the flat plate-shaped closed container is arranged in contact with the heating element.
- Porous sheets are arranged on the inner surface of the flat plate-shaped closed container on the heating element side and the inner surface of the flat plate-shaped closed container on the heat radiation surface side opposite to the heating element side.
- the working fluid is heated by the heating element and vaporized from the porous sheet on the heat generating side.
- the vaporized working fluid condenses on the porous sheet on the heat dissipation surface side. As a result, heat is transported from the heating element side to the heat radiating surface side (see, for example, Patent Document 1).
- the heat conductive member as described above has a problem that the working fluid does not easily flow into the vicinity of the heating element and the heat transport efficiency is low. It was
- the exemplary heat conductive member of the present disclosure includes a housing having an internal space, a first wick structure, a second wick structure, an actuating medium, and a pillar portion.
- the housing has a first metal plate and a second metal plate.
- the second metal plate is arranged so as to face the first metal plate, and a heating element is arranged on the outer surface.
- the pillar portion is arranged between the first metal plate and the second metal plate.
- the working medium, the first wick structure, and the second wick structure are housed in the internal space.
- the first wick structure is arranged on the inner surface of the first metal plate.
- the second wick structure is arranged on the inner surface of the second metal plate.
- the second wick structure has recesses that are recessed vertically from the inner surface, and at least a part of the recesses is located in a first region where the first metal plate and the second metal plate vertically overlap with the heating element. Plumb bob.
- the present invention it is possible to provide a heat conductive member capable of easily flowing a working fluid into the vicinity of a heating element and improving heat transport efficiency.
- FIG. 1 is a perspective view of a heat conductive member according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a schematic side sectional view of the heat conductive member according to the present embodiment.
- FIG. 3 is a schematic side sectional view of the heat conductive member according to the modified example of the present embodiment.
- the XYZ coordinate system is shown as a three-dimensional Cartesian coordinate system as appropriate.
- the Z-axis direction indicates a vertical direction (that is, a vertical direction)
- the + Z direction is the upper side (opposite the gravity direction)
- the ⁇ Z direction is the lower side (gravity direction).
- the Z-axis direction is also the vertical direction between the first metal plate 11 and the second metal plate 12, which will be described later.
- the X-axis direction refers to a direction orthogonal to the Z-axis direction, and one direction and the opposite direction thereof are the + X direction and the ⁇ X direction, respectively.
- the Y-axis direction refers to a direction orthogonal to both the Z-axis direction and the X-axis direction, and one direction and the opposite direction thereof are the + Y direction and the ⁇ Y direction, respectively.
- this is for convenience of explanation only, and does not limit the orientation of the heat conductive member 1 according to the present disclosure at the time of manufacture and use.
- parallel when used in the present application, it does not mean only the case where it is mathematically strictly parallel, but also includes the case where it is parallel to the extent that the effect in the present disclosure is exhibited, for example.
- sining refers to a technique of heating a metal powder or a metal powder to a temperature lower than the melting point of the metal to bake and harden the metal particles.
- sintered body refers to an object obtained by sintering. It was
- FIG. 1 is a perspective view of a heat conductive member 1 according to an exemplary embodiment of the present disclosure (hereinafter referred to as the present embodiment), and FIG. 2 is a schematic side sectional view of the heat conductive member 1.
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line AA of FIG.
- the heat conductive member 1 is also called a vapor chamber and transports the heat of the heating element H.
- the heating element H include a power transistor of an inverter provided in a traction motor for driving a wheel of a vehicle.
- the power transistor is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
- the heat conductive member 1 is mounted on the traction motor.
- the calorific value of the IGBT is generally 100 W or more.
- a heating element H is arranged in contact with the lower surface of the heat conductive member 1.
- the heat generated by the heating element H is dissipated from the upper surface of the heat conductive member 1.
- heat dissipation fins such as stacked fins and pin fins may be provided on the upper surface of the heat conductive member 1.
- a cooling medium is passed between the heat radiation fins.
- the cooling medium may be, for example, water, oil, or air. It was
- one heating element H is arranged at the center of the lower surface of the rectangular heat conductive member 1.
- the heating element H may be arranged on the lower surface edge portion of the heat conductive member 1.
- a plurality of heating elements H may be arranged on the lower surface of the heat conductive member 1.
- the heat conductive member 1 includes a housing 10, an actuating medium 20, a pillar portion 15, a first wick structure 31, a second wick structure 32, and a third wick structure 33.
- the pillar portion 15 includes at least one of the first pillar portion 16 and the second pillar portion 33.
- the thickness of the heat conductive member 1 in the Z direction is, for example, 5 mm or more. It was
- the housing 10 has an internal space 10a.
- the pillar portion 15, the working medium 20, the first wick structure 31, and the second wick structure 32 are arranged in the internal space 10a.
- the housing 10 has a first metal plate 11 and a second metal plate 12 which is arranged so as to face the first metal plate 11 and in which a heating element H is arranged on an outer surface.
- the pillar portion 15 is arranged between the first metal plate 11 and the second metal plate 12.
- the pillar portion 15 is arranged in the internal space 10a and supports the first metal plate 11 and the second metal plate 12.
- a metal having high thermal conductivity such as copper is used. Further, it may be formed by plating the surface of a metal other than copper with copper.
- the metal other than copper for example, stainless steel can be considered.
- the first metal plate 11 and the second metal plate 12 are made of a metal having high thermal conductivity such as copper. Further, it may be formed by plating the surface of a metal other than copper with copper. As the metal other than copper, for example, stainless steel can be considered. It was
- the first metal plate 11 and the second metal plate 12 have a rectangular plate shape that extends in the horizontal direction when viewed from above.
- the heating element H is arranged in contact with the outer surface of the second metal plate 12.
- the first metal plate 11 covers the upper surface of the second metal plate 12.
- the first metal plate 11 and the second metal plate 12 of the present embodiment are rectangular in top view, but the present invention is not limited to this. For example, it may be a polygon or a circle having a plurality of corners in a top view. It was
- the first metal plate 11 has a first side wall portion 13a extending downward from the peripheral edge.
- the second metal plate 12 has a second side wall portion 13b extending upward from the peripheral edge.
- the lower surface of the first side wall portion 13a and the upper surface of the second side wall portion 13b are joined at the joint portion 14.
- the lower surface of the first side wall portion 13a and the upper surface of the second metal plate 12 may be joined by omitting the second side wall portion 13b.
- the upper surface of the second side wall portion 13b and the lower surface of the first metal plate 11 may be joined by omitting the first side wall portion 13a.
- the internal space 10a is formed by being surrounded by the first metal plate 11 and the second metal plate 12.
- the internal space 10a is a closed space, and is maintained in a decompressed state where the atmospheric pressure is lower than the atmospheric pressure, for example.
- the working medium 20 housed in the internal space 10a is likely to evaporate.
- the working medium 20 is, for example, water, but may be another liquid such as alcohol. It was
- the joint portion 14 is located around the first wick structure 31 and the second wick structure 32 in the upward view.
- the method of joining the first side wall portion 13a and the second side wall portion 13b is not particularly limited.
- any joining method such as a method of joining by applying heat and pressure, a diffusion joining, or a joining using a brazing material may be used. It was
- the joint portion 14 may include a sealing portion.
- the sealing portion is, for example, a portion where an injection port for injecting the working medium 20 into the housing 10 is sealed by welding in the manufacturing process of the heat conductive member 1. It was
- the pillar portion 15 is a separate member from the first metal plate 11 and the second metal plate 12, and is arranged between the first metal plate 11 and the second metal plate 12 in the internal space 10a. It is a member that supports the first metal plate 11 and the second metal plate 12.
- the pillar portion 15 has, for example, a circular cylindrical shape when viewed upward.
- the pillar portions 15 are two-dimensionally and regularly arranged side by side in the XY plane.
- the pillar portion 15 has a first pillar portion 16 which is a solid member.
- the first pillar portion 16 is arranged between the first metal plate 11 and the second metal plate 12 in the internal space 10a, and supports the first metal plate 11 and the second metal plate 12.
- the "solid” member means a so-called solid member, and refers to a member whose contents are tightly packed and which is composed of a non-porous object.
- the "solid” member may be a member that does not have a cavity inside, or may be a member that has one or more macroscopic cavities inside.
- a metal having high thermal conductivity such as copper is used. It was
- the pillar portion 15 has a second pillar portion 33 which is a porous sintered body.
- the second pillar portion 33 is the third wick structure 33.
- the third wick structure 33 is arranged between the first wick structure 31 and the second wick structure 32 in the internal space 10a, and supports the first wick structure 31 and the second wick structure 32.
- the third wick structure 33 supports the first metal plate 11 and the second metal plate 12 via the first wick structure 31 and the second wick structure 32.
- the pillar portion 15 has a first pillar portion 16 which is a solid member and a second pillar portion 33 which is a porous sintered body.
- the second pillar portion 33 is the third wick structure 33.
- the second pillar portion 33 will be described as the third wick structure 33.
- the third wick structure 33 is preferably arranged in the middle of the adjacent first pillar portions 16. It was
- the first pillar 16 which is a solid member, extends in the Z-axis direction, and the upper and lower ends of the first pillar are the lower surface of the first metal plate 11 and the second metal plate.
- Each of the upper surfaces of 12 is joined using a brazing material.
- the first pillar portion 16 may be joined to the first metal plate 11 and the second metal plate 12 by welding or the like, in addition to joining with a brazing material.
- the first pillar portion 16 may be integrated with one of the first metal plate 11 and the second metal plate 12. At this time, the first pillar portion 16 can be formed by etching or cutting the first metal plate 11 or the second metal plate 12. It was
- the first wick structure 31 is a plate-shaped member arranged on the inner surface of the first metal plate 11, and is arranged on the cooling side opposite to the heating element H side.
- the second wick structure 32 is a plate-shaped member arranged on the inner surface of the second metal plate 12, and is arranged on the heating element H side.
- the first wick structure 31 and the second wick structure 32 are arranged so as to face each other.
- a vapor space S is formed between the first wick structure 31 and the second wick structure 32.
- the steam space S is a space for diffusing the steam of the working medium 20. It was
- the third wick structure 33 is arranged in the internal space 10a, and connects the first wick structure 31 and the second wick structure 32.
- the third wick structure 33 extends in the Z-axis direction and is composed of, for example, a circular cylinder in upward view. Further, the third wick structure 33 is two-dimensionally and regularly arranged side by side in the XY plane.
- the third wick structure 33 is preferably arranged in the middle of the adjacent first pillar portions 16. It was
- the third wick structure 33 supports the first metal plate 11 and the second metal plate 12 via the first wick structure 31 and the second wick structure 32. As a result, the third wick structure 33 can reinforce the first pillar portion 16 and further suppress the deformation of the housing 10 in the Z-axis direction. It was
- first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33 are porous sintered bodies, respectively, and are integrated with each other.
- first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33 as porous sintered bodies, it is possible to manufacture the first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33 more easily than the mesh material, and the manufacturing cost of the heat conductive member 1 is high. Can be lowered.
- the third wick structure 33 the flow path of the operating medium 20 from the first wick structure 31 to the second wick structure 32 can be increased. It was
- the first wick structure 31 arranged on the heat dissipation surface side opposite to the heating element H the working medium 20 vaporized from the second wick structure 32 on the heating element H side is condensed. That is, the first wick structure 31 can further promote the condensation of the working medium 20.
- the first wick structure 31 arranged on the heat radiation surface side opposite to the heating element H promotes the condensation of the vaporized working medium 20 as compared with the second wick structure 32. Therefore, it is preferable that the first wick structure 31 has a higher cooling efficiency of the working medium 20 than the second wick structure 32. It was
- the second wick structure 32 has a recess 32a recessed in the vertical direction from the inner surface, and at least a part of the recess 32a overlaps with the heating element H in the vertical direction of the first metal plate 11 and the second metal plate 12. It is located in the first region U1. It was
- the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a is formed smaller than the thickness W2b of the second wick structure 32 in the region other than the recess 32a.
- the condensation of the working medium 20 is most promoted in the first region U1 facing the heating element H in the Z direction.
- a part of the second wick structure 32 near the heating element H is thinned, that is, the second wick structure 32 is provided with the recess 32a, so that the recess 32a is the second wick structure of the second region U2.
- the working medium 20 is relatively small.
- the working medium 20 easily flows into the recess 32a from the second wick structure 32 of the second region U2 containing a large amount of the working medium 20. Therefore, in the first region U1, the working medium 20 is stably supplied from the surroundings, and the evaporation of the working medium 20 can be further promoted. Therefore, the heat generated by the evaporation of the working medium 20 can be efficiently radiated to the heat radiating surface side of the entire first metal plate 11, and the heat transport efficiency by the working medium 20 can be improved. It was
- the upper surface of the recess 32a is formed on a surface parallel to the first metal plate 11, but it may be formed in a valley shape. That is, the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a is gradually formed to be smaller toward a predetermined position in the first region U1. As a result, the working medium 20 easily flows into a predetermined position in the first region U1. It was
- the entire recess 32a does not have to overlap with the first region U1 in the Z direction.
- the end portion of the recess 32a may overlap with the second region U2 in the Z direction.
- the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a is preferably 10% or more smaller than the thickness W1 of the first wick structure 31. This makes it easier for the working medium 20 to flow into the recess 32a. It was
- the recess 32a of the second wick structure 32 has an area larger than that of the first region U1 in a plan view, and the recess 32a overlaps the entire area of the first region U1 in the vertical direction. Therefore, the working medium 20 can be stably supplied from the surroundings in the entire area of the first region U1, and the evaporation of the working medium 20 can be further promoted. Therefore, the heat generated by the evaporation of the working medium 20 can be efficiently radiated to the heat radiating surface side of the entire first metal plate 11, and the heat transport efficiency by the working medium 20 can be improved. It was
- the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a of the first region U1 is larger in the Z direction than the thickness W1 of the first wick structure 31.
- the second wick structure 32 arranged on the heating element H side promotes the vaporization of the liquid working medium 20 as compared with the first wick structure 31. Retention of the working medium 20 of the second wick structure 32 by increasing the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a of the first region U1 in the Z direction with respect to the thickness W1 of the first wick structure 31. Can be made higher than the retention of the working medium 20 of the first wick structure 31.
- the average thickness of the second wick structure 32 is preferably larger than the average thickness of the first wick structure 31. As a result, the holding property of the working medium of the second wick structure 32 can be further improved. It was
- the liquid working medium 20 held by the second wick structure 32 in the first region U1 overlapping the heating element H in the Z direction. Can suppress the occurrence of so-called dryout, which is completely vaporized.
- the same effect can be obtained by increasing the thickness W2b of the second wick structure 32 in the second region U2 instead of the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a of the first region U1. It was
- the working medium 20 vaporized from the second wick structure 32 is XY in the internal space 10a. It becomes easy to diffuse in the plane. This promotes the condensation of the working medium 20 in the first wick structure 31.
- the same effect can be obtained by applying the thickness W2b of the second wick structure 32 in the second region U2 to the equation (1) instead of the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a of the first region U1. can get. It was
- the thickness W2a of the second wick structure 32 in the recess 32a of the first region U1 is set to be twice or more and four times or less the thickness W1 of the first wick structure 31 in the first region U1, and the first wick structure 31 and the like. It is preferable that the length W3 of the gap with the second wick structure 32 is 5 times or more and 7 times or less the thickness W1 of the first wick structure 31 in the first region U1. Thereby, the condensation of the working medium 20 in the first wick structure 31 can be further promoted.
- the second wick structure 32 has a higher porosity than the first wick structure 31. As a result, the capillary force of the second wick structure 32 becomes larger than the capillary force of the first wick structure 31. It was
- the ratio of the volume of the space to the total product of the first wick structure 31 and the second wick structure 32 is referred to as a porosity.
- the unit of porosity is%.
- the porosity is determined by the following method. For example, the porosity can be obtained by measuring the area of the space from the cross-sectional photograph of the wick structure and calculating the ratio of the area of the space to the whole.
- a scanning electron microscope having a deep depth of field. The method of observing the cross section is not particularly limited as long as it can easily distinguish between the metal portion and the space. It was
- the first wick structure 31 and the second wick structure 32 are made of a porous sintered body, but the first wick structure 31 or the second wick structure 32 is a plurality of pieces. It may be a mesh member in which a metal linear member is woven.
- the capillary force of the second wick structure 32 can be reduced to that of the first wick structure 31. It is larger than the capillary force and can be easily formed. It was
- first wick structure 31 or the second wick structure 32 may be composed of a plurality of grooves formed on the inner surface of the first metal plate 11 and the inner surface of the second metal plate 12.
- the first wick structure 31 or the second wick structure 32 can be formed thinner than in the case of being composed of the mesh material and the sintered body. Therefore, the internal space 10a can be expanded in the Z-axis direction. Further, the housing 10 can be made thinner in the Z-axis direction without narrowing the internal space 10a. Further, by forming one of the first wick structure 31 and the second wick structure 32 with a groove portion, the thickness of the first wick structure 31 or the second wick structure 32 in the Z-axis direction without narrowing the internal space 10a. Can be increased. It was
- the first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33 are formed, for example, as follows. First, a mixed powder containing micro copper particles, a copper body and a resin is sprayed and applied to the lower surface of the first metal plate 11 and the upper surface of the second metal plate 12 before joining. Next, the first metal plate 11 and the second metal plate 12 are joined by sandwiching the mixed powder formed in a columnar shape. After that, the housing 10 is heated to bake the mixed powder. As a result, the first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33 can be easily integrally formed in the internal space 10a of the housing 10. As a result, the manufacturing cost of the heat conductive member 1 can be suppressed. The first metal plate 11 and the second metal plate 12 may be joined after the first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33 are separately fired. It was
- coating means adhering mixed powder to the lower surface of the 1st metal plate 11 and the upper surface of the 2nd metal plate 12.
- a paste containing a mixed powder may be applied. It was
- Micro copper particles are particles in which a plurality of copper atoms are aggregated or bonded.
- the particle size of the micro copper particles is 1 ⁇ m or more and less than 1 mm.
- the micro copper particles are, for example, porous. It was
- the copper body is a copper melt obtained by melting and solidifying sub-micro copper particles smaller than the micro copper particles by sintering.
- Submicro copper particles are particles in which a plurality of copper atoms are aggregated or bonded.
- the particle size of the sub-micro copper particles before melting is 0.1 ⁇ m or more and less than 1 ⁇ m. It was
- the resin is a volatile resin that volatilizes at a temperature below the melting point of the copper constituting the micro copper particles and the copper body.
- a volatile resin for example, a cellulose resin such as methyl cellulose or ethyl cellulose, an acrylic resin, a butyral resin, an alkyd resin, an epoxy resin, a phenol resin or the like can be used.
- an acrylic resin having high thermal decomposability. It was
- the working medium 20 that has been vaporized into steam diffuses in the steam space S.
- the steam space S is a space excluding the space occupied by the first pillar portion 16 and the third wick structure 33 from the gap space between the first wick structure 31 and the second wick structure 32. .. It was
- the first wick structure 31 has a larger surface area and higher cooling efficiency than the lower surface of the first metal plate 11. Therefore, by providing the first wick structure 31, the cooling efficiency of the vaporized working medium 20 is improved and condensation is promoted. It was
- a part of the working medium 20 condensed in the first wick structure 31 is dropped and absorbed in the second wick structure 32. Further, a part of the working medium 20 condensed in the first wick structure 31 moves in the first wick structure 31 and the third wick structure 33 and is absorbed by the second wick structure 32. Further, a part of the working medium 20 condensed in the first wick structure 31 moves along the outer surface of the first pillar portion 16 and is absorbed by the second wick structure 32. It was
- the condensed working medium 20 moves in the second wick structure 32 toward the first region U1 due to the capillary phenomenon. Further, the working medium 20 absorbed from the first wick structure 31 to the second wick structure 32 also moves in the second wick structure 32 toward the first region U1 due to the capillary phenomenon. It was
- the heating element H is arranged on the working medium 20 condensed through the second wick structure 32. It can be moved to a position faster. Therefore, the heat transport efficiency by the working medium 20 is improved. It was
- the working medium 20 moves while changing its state, so that heat is continuously transferred from the heating element H side to the cooling side. It was
- the steam space S excludes the space occupied by the first pillar portion 16 and the third wick structure 33 from the gap space between the first wick structure 31 and the second wick structure 32. It is a space. That is, the steam space S is a space other than the first wick structure 31, the second wick structure 32, the third wick structure 33, and the first pillar portion 16 in the internal space 10a.
- V1 the volume of the steam space S
- V2 the total volume
- the total volume is the total volume of each of the first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33. That is, in the present embodiment, the total volume further includes the volume of the third wick structure 33 in the total volume of the first wick structure 31 and the second wick structure 32. It was
- the total volume is calculated by summing the volumes of the first wick structure 31 and the second wick structure 32. It was
- the arrangement of the first pillar portion 16 causes the steam space S to become narrower, and even when such a first pillar portion 16 is provided, the above equation ( By satisfying 5), the diffusion of vapor can be promoted. It was
- the volume of the steam space S is larger than the sum of the volumes of the first wick structure 31, the second wick structure 32, and the third wick structure 33. Can promote diffusion. It was
- the first pillar portion 16 and the third wick structure 33 preferably have the following configurations.
- the total joint area where the upper surface of the first pillar portion 16 and the lower surface of the first metal plate 11 are joined is the joint area where the upper surface of the third wick structure 33 and the lower surface of the first wick structure 31 are joined. Is larger than the sum of. Further, the total joint area where the lower surface of the first pillar portion 16 and the upper surface of the second metal plate 12 are joined is such that the lower surface of the third wick structure 33 and the upper surface of the second wick structure 32 are joined. It is larger than the total joint area.
- the total joint area is the total number of joint areas of one first pillar portion 16 or the third wick structure 33.
- the third wick structure 33 penetrates the first wick structure 31 and is joined to the first metal plate 11 and also penetrates the second wick structure 32. It may be joined to the second metal plate 12.
- the total joint area where the upper surface of the first pillar portion 16 and the lower surface of the first metal plate 11 are joined is the upper surface of the third wick structure 33 and the lower surface of the first metal plate 11. Is larger than the total joint area to which is joined.
- the total joint area where the lower surface of the first pillar portion 16 and the upper surface of the second metal plate 12 are joined is the joint where the lower surface of the third wick structure 33 and the upper surface of the second metal plate 12 are joined. It is larger than the total area. It was
- the total contact area of the one-sided end of the first pillar 16 in contact with the first metal plate 11 is such that the one-sided end of the third wick structure 33 is the first wick structure 31 or the first metal plate 11.
- the total contact area that is wider than the total contact area in contact with the second metal plate 12 and that the other side end portion of the first pillar portion 16 is in contact with the second metal plate 12 is such that the other side end portion of the third wick structure 33 is second. It is wider than the total contact area in contact with the wick structure 32 or the second metal plate 12. It was
- the strength of the solid first pillar portion 16 is higher than the strength of the third wick structure 33. Therefore, due to the magnitude relationship of the contact area as described above, the strength of the housing 10 can be sufficiently secured by the first pillar portion 16 even in the configuration using the third wick structure 33. It was
- the first wick structure 31 may be made of a mesh material, and the second wick structure 32 may be made of a porous sintered body. Alternatively, at least one of the first pillar portion 16 and the third wick structure 33 may not be provided. It was
- the first wick structure 31 has a recess in at least a part of the first region U1 that overlaps the heating element H in the Z direction (vertical direction of the first metal plate 11 and the second metal plate 12). Is also good. In that case, as an effect, by suppressing the condensation, the vapor is easily diffused. It was
- the pillar portion 15 is a mixture of the first pillar portion 16 and the third wick structure 33, but the pillar portion 15 may be all the first pillar portion 16 and all may be the third wick structure 33. But it may be. It was
- the present disclosure can be used for cooling various heating elements.
- Heat conductive member 10 Housing 10a Internal space 11 1st metal plate 12 2nd metal plate 13a 1st side wall 13b 2nd side wall 14 Joint part 15 Pillar part 16 1st pillar part 20 32 2nd wick structure 32a recess 33 2nd pillar part, 3rd wick structure H heating element S steam space U1 1st area U2 2nd area
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
内部空間を有する筐体と、第1ウィック構造体と、第2ウィック構造体と、作動媒体と、柱部と、を備える。筐体は、第1金属板と、第2金属板と、を有する。第2金属板は、第1金属板に対向して配置されるとともに外面に発熱体が配置される。柱部は、第1金属板及び前記第2金属板の間に配置される。作動媒体と、第1ウィック構造体と、第2ウィック構造体と、は、内部空間に収容される。第1ウィック構造体は、第1金属板の内面に配置される。第2ウィック構造体は、第2金属板の内面に配置される。第2ウィック構造体は、内面から鉛直方向に凹む凹部を有し、凹部の少なくとも一部が、第1金属板及び第2金属板の鉛直方向に発熱体と重なる第1領域に位置する、熱伝導部材。
Description
本開示は、熱伝導部材に関する。
従来の熱伝導部材は、平板状密閉容器と、多孔質シートと、作動流体と、を有する。多孔質シートは、平板状密閉容器の内面に配置される。作動流体は、平板状密閉容器の内部に収容される。
平板状密閉容器は、発熱体と接触して配置される。発熱体側の平板状密閉容器内面と、発熱体側と反対側である放熱面側の平板状密閉容器内面には、多孔質シートが、配置される。作動流体は、発熱体によって加熱されて発熱側の多孔質シートから気化する。気化した作動流体は、放熱面側の多孔質シートにおいて凝縮する。これにより、発熱体側から放熱面側に熱が輸送される(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記のような熱伝導部材は、発熱体付近へ作動流体が流入しにくく、熱輸送効率が低い問題があった。
本開示は、熱輸送効率を向上できる熱伝導部材を提供することを目的とする。
本開示の例示的な熱伝導部材は、内部空間を有する筐体と、第1ウィック構造体と、第2ウィック構造体と、作動媒体と、柱部と、を備える。筐体は、第1金属板と、第2金属板と、を有する。第2金属板は、第1金属板に対向して配置されるとともに外面に発熱体が配置される。柱部は、第1金属板及び前記第2金属板の間に配置される。作動媒体と、第1ウィック構造体と、第2ウィック構造体と、は、内部空間に収容される。第1ウィック構造体は、第1金属板の内面に配置される。第2ウィック構造体は、第2金属板の内面に配置される。第2ウィック構造体は、内面から鉛直方向に凹む凹部を有し、凹部の少なくとも一部が、第1金属板及び第2金属板の鉛直方向に発熱体と重なる第1領域に位置する、熱伝導部材。
本発明によると、発熱体付近へ作動流体が流入しやすくなり、熱輸送効率を向上できる熱伝導部材を提供することができる。
以下、本開示の例示的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面においては、適宜、3次元直交座標系としてXYZ座標系を示す。XYZ座標系において、Z軸方向は、鉛直方向(すなわち上下方向)を示し、+Z方向が上側(重力方向の反対側)であり、-Z方向が下側(重力方向)である。Z軸方向は、後述する第1金属板11と第2金属板12との鉛直方向でもある。X軸方向は、Z軸方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ+X方向および-X方向とする。Y軸方向は、Z軸方向およびX軸方向の両方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ+Y方向および-Y方向とする。ただし、これは、あくまで説明の便宜のために方向を定義したものであって、本開示に係る熱伝導部材1の製造時および使用時の向きを限定するものではない。また、本願において平行、と表現する場合、数学的に厳密に平行である場合のみを指すものではなく、例えば本開示における効果を奏する程度に平行である場合を含む。
また、本明細書において、「焼結」とは、金属の粉末または金属の粉体を、金属の融点よりも低い温度まで加熱して、金属の粒子を焼き固める技術を指す。また、「焼結体」とは、焼結によって得られる物体を指す。
<1.熱伝導部材の構成>
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る(以下、本実施形態という)熱伝導部材1の斜視図であり、図2は、熱伝導部材1の模式的な側面断面図である。なお、図2は、図1の一点鎖線A-Aに沿う断面図である。熱伝導部材1は、ベーパーチャンバーとも呼ばれ、発熱体Hの熱を輸送する。発熱体Hとしては、例えば、車両の車輪を駆動するためのトラクションモータに備えられるインバータのパワートランジスタが挙げられる。当該パワートランジスタは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。この場合、熱伝導部材1は、トラクションモータに搭載される。IGBTの発熱量は、一般的に100W以上である。
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る(以下、本実施形態という)熱伝導部材1の斜視図であり、図2は、熱伝導部材1の模式的な側面断面図である。なお、図2は、図1の一点鎖線A-Aに沿う断面図である。熱伝導部材1は、ベーパーチャンバーとも呼ばれ、発熱体Hの熱を輸送する。発熱体Hとしては、例えば、車両の車輪を駆動するためのトラクションモータに備えられるインバータのパワートランジスタが挙げられる。当該パワートランジスタは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。この場合、熱伝導部材1は、トラクションモータに搭載される。IGBTの発熱量は、一般的に100W以上である。
熱伝導部材1の下面には、発熱体Hが接して配置される。発熱体Hにより発生した熱は、熱伝導部材1の上面より放熱される。なお、放熱性を向上させるために、熱伝導部材1の上面にスタックドフィンやピンフィンなどの放熱フィンを設けてもよい。その場合、放熱フィン間に冷却媒体を流す。冷却媒体は、例えば水や油であってもよいし、空気でもよい。
なお、図1および図2で示す構成では、一例として、矩形体状の熱伝導部材1の下面中央部に、1つの発熱体Hが配置される。ただし、発熱体Hを熱伝導部材1の下面縁部に配置してもよい。また、複数の発熱体Hを熱伝導部材1の下面に配置してもよい。
熱伝導部材1は、筐体10と、作動媒体20と、柱部15と、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、第3ウィック構造体33と、を備える。柱部15は、第1柱部16と、第2柱部33の少なくともいずれか一方、を備える。熱伝導部材1のZ方向の厚みは、例えば5mm以上である。
<1-1.筐体の構成>
筐体10は、内部空間10aを有する。柱部15と、作動媒体20と、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、は内部空間10aに配置される。筐体10は、第1金属板11と、第1金属板11に対向して配置されるとともに外面に発熱体Hが配置される第2金属板12とを有する。柱部15は第1金属板11と第2金属板12の間に配置される。柱部15は、内部空間10aに配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する。第1金属板11及び第2金属板12として、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属を用いている。また、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。
筐体10は、内部空間10aを有する。柱部15と、作動媒体20と、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、は内部空間10aに配置される。筐体10は、第1金属板11と、第1金属板11に対向して配置されるとともに外面に発熱体Hが配置される第2金属板12とを有する。柱部15は第1金属板11と第2金属板12の間に配置される。柱部15は、内部空間10aに配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する。第1金属板11及び第2金属板12として、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属を用いている。また、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。
第1金属板11及び第2金属板12は、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属から成る。また、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。
第1金属板11及び第2金属板12は、上面視において水平方向に拡がる矩形の板状である。第2金属板12の外面に発熱体Hが接触して配置される。第1金属板11は、第2金属板12の上面を覆う。なお、本実施形態の第1金属板11及び第2金属板12は、上面視において四角形であるがこの限りではない。例えば、上面視において複数の角を有する多角形、または円形であってもよい。
第1金属板11は、周縁から下方に延びる第1側壁部13aを有する。第2金属板12は、周縁から上方に延びる第2側壁部13bを有する。第1側壁部13aの下面と第2側壁部13bの上面とが接合部14で接合される。なお、第2側壁部13bを省いて、第1側壁部13aの下面と第2金属板12の上面とを接合してもよい。または、第1側壁部13aを省いて、第2側壁部13bの上面と第1金属板11の下面とを接合してもよい。
内部空間10aは、第1金属板11及び第2金属板12で囲まれて形成される。内部空間10aは、密閉空間であり、例えば大気圧よりも気圧が低い減圧状態に維持される。内部空間10aが減圧状態であることにより、内部空間10aに収容される作動媒体20が蒸発しやすくなる。作動媒体20は、例えば水であるが、アルコールなどの他の液体であってもよい。
接合部14は、上方視において、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の周囲に位置する。第1側壁部13aと第2側壁部13bとの接合方法は、特に限定されない。例えば、熱と圧力を加えて接合する方法、拡散接合、ろう材を用いた接合、などのいずれの接合方法であってもよい。
なお、接合部14は、封止部を含んでいてもよい。封止部は、例えば、熱伝導部材1の製造過程において、作動媒体20を筐体10内に注入するための注入口を溶接によって封止した箇所である。
本実施形態において、柱部15は、第1金属板11及び第2金属板12とは別部材であり、内部空間10aにおいて、第1金属板11および第2金属板12の間に配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する部材である。柱部15は、例えば、上方視において円形の円柱形状を有する。柱部15は、XY面内において2次元的に、かつ、規則的に並んで位置する。Z軸方向において柱部15が、直接または間接的に第1金属板11及び第2金属板12を支持することにより、筐体10のZ軸方向の厚みが一定に保たれる。これにより、筐体10のZ軸方向の変形によって内部空間10aが、狭くなることを抑制できる。
本実施形態において、柱部15の少なくとも一部に、中実な部材である第1柱部16を有する。第1柱部16は、内部空間10aにおいて、第1金属板11および第2金属板12の間に配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する。これにより、筐体10のZ軸方向の変形が抑制され、内部空間10aが狭くなることを抑制できる。なお、「中実」な部材は、いわゆるソリッドな部材であることを意味し、中身が密に詰まっており、且つ多孔質でない物体で構成された部材を指す。例えば、「中実」な部材は、内部に空洞がない部材で合ってもよいし、単数又は複数の巨視的な空洞を内部に有する部材であってもよい。なお中実な部材として、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属が用いられている。
本実施形態において、柱部15の少なくとも一部に多孔質の焼結体である第2柱部33を有する。ここで第2柱部33は第3ウィック構造体33である。第3ウィック構造体33は内部空間10aにおいて、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の間に配置され、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を支持する。第3ウィック構造体33は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を介して第1金属板11及び第2金属板12を支持する。これにより筐体10のZ軸方向の変形をより抑制でき、内部空間10aが狭くなることを抑制できる。
すなわち、本実施形態において、柱部15は中実な部材である第1柱部16と、多孔質の焼結体である第2柱部33とをそれぞれ有する。前述の通り第2柱部33とは、第3ウィック構造体33である。以後、第2柱部33は第3ウィック構造体33として説明する。第3ウィック構造体33は、隣り合う第1の柱部16の中間に配置されることが好ましい。
柱部15のうち、中実な部材である第1柱部16は、Z軸方向に延び、第1の柱部の上端部及び下端部は、第1金属板11の下面及び第2金属板12の上面にそれぞれろう材を用いて接合される。なお、第1柱部16は、ろう材による接合以外に溶接などにより第1金属板11及び第2金属板12と接合されてもよい。なお、第1柱部16は、第1金属板11及び第2金属板12の一方と一体であってもよい。このとき、第1柱部16は、第1金属板11又は第2金属板12をエッチング又は切削して形成することができる。
<1-2.第1ウィック構造体、第2ウィック構造体、第3ウィック構造体の構成>
第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33は、多孔質であり、作動媒体20の流路を形成する空隙部(不図示)を有する。
第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33は、多孔質であり、作動媒体20の流路を形成する空隙部(不図示)を有する。
第1ウィック構造体31は、第1金属板11の内面に配置される板状の部材であり、発熱体H側と反対側の冷却側に配置される。第2ウィック構造体32は、第2金属板12の内面に配置される板状の部材であり、発熱体H側に配置される。第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32とは対向して配置される。第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間には、蒸気空間Sが形成される。蒸気空間Sは、作動媒体20の蒸気を拡散させるための空間である。
第3ウィック構造体33は、内部空間10a内に配置され、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32とを連結する。第3ウィック構造体33は、Z軸方向に延び、例えば、上方視において円形の円柱で構成される。また、第3ウィック構造体33は、XY面内において2次元的に、かつ、規則的に並んで位置する。第3ウィック構造体33は、隣り合う第1柱部16の中間に配置されることが好ましい。
第3ウィック構造体33は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を介して第1金属板11及び第2金属板12を支持する。これにより、第3ウィック構造体33が、第1柱部16を補強して筐体10のZ軸方向の変形をより抑制できる。
また、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、第3ウィック構造体33とは、それぞれ多孔質の焼結体であり、一体である。第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33を多孔質の焼結体とすることにより、メッシュ材よりも容易に製造可能であり、熱伝導部材1の製造コストを下げることができる。また、第3ウィック構造体33を設けることにより、第1ウィック構造体31から第2ウィック構造体32への作動媒体20の流路を増やすことができる。
ここで、発熱体Hとは反対側の放熱面側に配置される第1ウィック構造体31で、発熱体H側の第2ウィック構造体32から気化した作動媒体20が凝縮される。つまり、第1ウィック構造体31により、作動媒体20の凝縮をより促進することができる。言い換えれば、発熱体Hとは反対側の放熱面側に配置される第1ウィック構造体31は、第2ウィック構造体32よりも気化した作動媒体20の凝縮が、促進される。このため、第1ウィック構造体31は、第2ウィック構造体32と比べて作動媒体20の冷却効率が高いことが好ましい。
また、第2ウィック構造体32は、内面から鉛直方向に凹む凹部32aを有し、凹部32aの少なくとも一部が、第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向に発熱体Hと重なる第1領域U1に位置する。
このとき、凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aが、凹部32a以外の領域における第2ウィック構造体32の厚みW2bよりも小さく形成される。凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aを小さくすることにより、発熱体HとZ方向(第1金属板11及び第2金属板12の対向方向)に重なる第1領域U1の少なくとも一部において、作動流体20の流入が促進される。これにより、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
通常、作動媒体20の凝縮は、発熱体HとZ方向に対向する第1領域U1で最も促進される。ここで、発熱体H付近の一部の第2ウィック構造体32を薄くする、つまり第2ウィック構造体32が凹部32aを設けることで、凹部32aでは、第2領域U2の第2ウィック構造体32と比べ、相対的に作業媒体20が少ない状態となる。これにより、作動媒体20を多く含む第2領域U2の第2ウィック構造体32から、凹部32aへ作動媒体20が流入しやすくなる。よって、第1領域U1において、周囲から作動媒体20が安定的に供給され、作動媒体20の蒸発をより促進できる。従って、作動媒体20の蒸発により発生する熱を、第1金属板11全体で放熱面側に効率よく放熱でき、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
なお、本実施形態では、凹部32aの上面が第1金属板11と平行な面に形成されるが、谷型に形成されてもよい。すなわち、凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aが、第1領域U1内の所定位置に向かって漸次小さく形成される。これにより、第1領域U1内の所定位置に作動媒体20が流入しやすくなる。
また、凹部32a全体が、第1領域U1とZ方向に重ならなくてもよい。この場合、凹部32aの端部が、第2領域U2とZ方向に重なってもよい。凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aは、第1ウィック構造体31の厚みW1よりも10%以上小さいことが好ましい。これにより、凹部32aへ作動媒体20が流入しやすくなる。
第2ウィック構造体32の凹部32aは、平面視において第1領域U1より大きい面積を有し、凹部32aは、鉛直方向において、第1領域U1の全域と重なる。よって、第1領域U1の全域において、周囲から作動媒体20が安定的に供給され、作動媒体20の蒸発をより促進できる。従って、作動媒体20の蒸発により発生する熱を、第1金属板11全体で放熱面側に効率よく放熱でき、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
また、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aは、第1ウィック構造体31の厚みW1よりもZ方向に大きい。発熱体H側に配置される第2ウィック構造体32は、第1ウィック構造体31よりも液状の作動媒体20の気化が、促進される。第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aを、第1ウィック構造体31の厚みW1よりもZ方向に大きくすることにより第2ウィック構造体32の作動媒体20の保持性を第1ウィック構造体31の作動媒体20の保持性よりも高くできる。なお、第2ウィック構造体32の平均厚さは、第1ウィック構造体31の平均厚さより大きいことが好ましい。これによりさらに第2ウィック構造体32の作業媒体の保持性を高めることができる。
また、第2ウィック構造体32の作動媒体20の保持性が、向上することにより、発熱体HとZ方向に重なる第1領域U1において、第2ウィック構造体32の保持する液状の作動媒体20が完全に気化する、いわゆるドライアウトの発生を抑制できる。また、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aの代わりに、第2領域U2における第2ウィック構造体32の厚みW2bを厚くしても同様の効果が得られる。
また、Z方向(第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向)において、第1領域U1における第1ウィック構造体31の厚みW1と、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aと、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との隙間の長さW3と、は、式(1)を満たすことが好ましい。
W3>W2a+W1 ・・・(1)
内部空間10aにおいて、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32とのZ方向の隙間を大きく設けることにより、第2ウィック構造体32から気化した作動媒体20が、内部空間10a内でXY面内に拡散し易くなる。これにより、第1ウィック構造体31における作動媒体20の凝縮が促進される。なお、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aの代わりに、第2領域U2における第2ウィック構造体32の厚みW2bを式(1)に当てはめても同様の効果が得られる。
さらに、第1領域U1において、Z方向(第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向)における第1ウィック構造体31の厚みW1と、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aと、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との隙間の長さW3とは、式(2)から式(4)を満たすことがより好ましい。
4W1≧W2a≧2W1 ・・・(2)
7W1≧W3≧5W1 ・・・(3)
W3+W2a=9W1・・・(4)
7W1≧W3≧5W1 ・・・(3)
W3+W2a=9W1・・・(4)
すなわち、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aを第1領域U1における第1ウィック構造体31の厚みW1の2倍以上4倍以下とし、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との隙間の長さW3を第1領域U1における第1ウィック構造体31の厚みW1の5倍以上7倍以下とすることが好ましい。これにより、第1ウィック構造体31における作動媒体20の凝縮をより促進することができる。なお、第1領域U1の凹部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aの代わりに、第2領域U2における第2ウィック構造体32の厚みW2bを式(2)から(4)に当てはめても同様の効果が得られる。
また、第2ウィック構造体32は、第1ウィック構造体31よりも空隙率が高い。これにより、第2ウィック構造体32の毛細管力が、第1ウィック構造体31の毛細管力よりも大きくなる。
ここで、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の全体積に対する空間の体積の割合を、空隙率と呼ぶ。空隙率の単位は%である。空隙率は以下の方法によって求められる。例えば、ウィック構造体の断面写真から、空間の面積を測定し、空間の面積が全体に占める割合を算出することにより、空隙率を求めることができる。第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の断面の観察においては、被写界深度の深い走査型電子顕微鏡を用いることが好ましい。なお、断面の観察の方法は、金属部分と空間とを容易に判別できる方法であればよく、特に限定されない。
なお、本実施形態では、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を多孔質の焼結体で構成しているが、第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32を複数の金属線状部材が編み込まれたメッシュ部材であってもよい。第2ウィック構造体32をメッシュ材で構成し、第1ウィック構造体31を多孔質の焼結体で構成することにより、第2ウィック構造体32の毛細管力を、第1ウィック構造体31の毛細管力よりも大きく容易に形成することができる。
また、第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32を第1金属板11の内面及び第2金属板12の内面に形成された複数の溝部により構成してもよい。これにより、メッシュ材及び焼結体で構成する場合と比べて第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32を薄く形成できる。従って、内部空間10aをZ軸方向に広げることができる。また、内部空間10aを狭めずに筐体10をZ軸方向に薄型化できる。また、第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32の一方を溝部で構成ことにより、内部空間10aを狭めずに第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32のZ軸方向の厚みを大きくできる。
第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33は、例えば、以下のように形成される。まず、マイクロ銅粒子、銅体及び樹脂を含む混合粉体を接合前の第1金属板11の下面及び第2金属板12の上面に吹き付け塗布する。次に、柱状に成形した混合粉体を挟んで第1金属板11及び第2金属板12を接合する。その後、筐体10を加熱して混合粉体を焼成する。これにより、筐体10の内部空間10aに、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、第3ウィック構造体33と、を、容易に一体に形成できる。これにより、熱伝導部材1の製造コストを抑制することができる。なお、第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33を別々に焼成した後に、第1金属板11及び第2金属板12を接合してもよい。
なお、本明細書において、「塗布」とは、第1金属板11の下面及び第2金属板12の上面に混合粉体を付着させることを指す。吹き付け塗布する方法以外に、混合粉体を含むペーストを塗布してもよい。
マイクロ銅粒子は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。マイクロ銅粒子の粒径は、1μm以上1mm未満である。マイクロ銅粒子は、例えば多孔質である。
銅体は、マイクロ銅粒子よりも小さいサブマイクロ銅粒子が焼結により溶融して固まった銅溶融体である。サブマイクロ銅粒子は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。溶融前のサブマイクロ銅粒子の粒径は、0.1μm以上1μm未満である。
樹脂は、マイクロ銅粒子および銅体を構成する銅の融点以下の温度で揮発する揮発性の樹脂である。このような揮発性の樹脂としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロースなどのセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。これらの中では、熱分解性の高いアクリル樹脂を用いることが好ましい。
<2.熱伝導部材の動作>
図2において、作動媒体20が気化して生成される蒸気の流れを熱伝導部材1内の黒矢印で示し、液状の作動媒体20の流れを熱伝導部材1内の白抜き矢印で示す。
図2において、作動媒体20が気化して生成される蒸気の流れを熱伝導部材1内の黒矢印で示し、液状の作動媒体20の流れを熱伝導部材1内の白抜き矢印で示す。
上記の構成の熱伝導部材では、発熱体Hで発生した熱により、第2金属板12の温度が上昇すると、第2ウィック構造体32に含まれた液状の作動媒体20が、気化する。
気化して蒸気とされた作動媒体20は、蒸気空間Sで拡散する。なお、蒸気空間Sは、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間の隙間空間から第1柱部16および第3ウィック構造体33により占有される空間を除いた空間である。
このとき、気化した作動媒体20の一部は、第1ウィック構造体31に接触して冷却され、凝縮する。第1ウィック構造体31は、第1金属板11の下面よりも表面積が大きく冷却効率が高い。このため、第1ウィック構造体31を設けることにより、気化した作動媒体20の冷却効率が向上して凝縮が促進される。
第1ウィック構造体31で凝縮した作動媒体20の一部は、滴下して第2ウィック構造体32に吸収される。また、第1ウィック構造体31で凝縮した作動媒体20の一部は、第1ウィック構造体31中及び第3ウィック構造体33中を移動して第2ウィック構造体32に吸収される。また、第1ウィック構造体31で凝縮した作動媒体20の一部は、第1柱部16の外面に沿って移動して第2ウィック構造体32に吸収される。
凝縮した作動媒体20は、毛細管現象によって第2ウィック構造体32中を第1領域U1に向かって移動する。また、第1ウィック構造体31から第2ウィック構造体32に吸収された作動媒体20も、毛細管現象によって第2ウィック構造体32中を第1領域U1に向かって移動する。
このとき、第2ウィック構造体32の毛細管力は、第1ウィック構造体31の毛細管力よりも高いため、第2ウィック構造体32を介して凝縮した作動媒体20を発熱体Hが配置される位置に、より早く移動させることができる。従って、作動媒体20による熱輸送効率が向上する。
上記のように作動媒体20が状態変化を伴いながら移動することにより、発熱体H側から冷却側への熱輸送が連続的に行われる。
<3.蒸気空間について>
先述したように、蒸気空間Sは、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間の隙間空間から第1柱部16および第3ウィック構造体33により占有される空間を除いた空間である。すなわち、蒸気空間Sは、内部空間10aにおける第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32、第3ウィック構造体33及び第1柱部16以外の空間である。
先述したように、蒸気空間Sは、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間の隙間空間から第1柱部16および第3ウィック構造体33により占有される空間を除いた空間である。すなわち、蒸気空間Sは、内部空間10aにおける第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32、第3ウィック構造体33及び第1柱部16以外の空間である。
そして、本実施形態では、下記式(5)が満たされる。
V1>V2 ・・・(5)
ただし、V1:蒸気空間Sの体積、V2:合計体積
V1>V2 ・・・(5)
ただし、V1:蒸気空間Sの体積、V2:合計体積
このとき、合計体積は、第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33の各体積を合計した体積である。すなわち、本実施形態において、合計体積は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の合計体積に第3ウィック構造体33の体積をさらに含む。
なお、第3ウィック構造体33が設けられていない場合、合計体積は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の各体積を合計して算出される。
このようにすることで、蒸気空間Sの体積を確保し、作動媒体20の蒸気の拡散を促進することができる。従って、熱伝導部材1の熱輸送効率を向上させることができる。
また、第1柱部16は、筐体10の強度を確保することができるが、配置することにより蒸気空間Sが狭くなる要因となり、そのような第1柱部16を設ける場合でも上記式(5)を満たすことで蒸気の拡散を促進できる。
また、上記式(5)より、蒸気空間Sの体積は、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32と第3ウィック構造体33との各体積の総和よりも大きくなるので、蒸気の拡散を促進できる。
<4.第1柱部と第3ウィック構造体>
本実施形態では、第1柱部16と第3ウィック構造体33は、次のような構成であることが好ましい。
本実施形態では、第1柱部16と第3ウィック構造体33は、次のような構成であることが好ましい。
第1柱部16の上面と第1金属板11の下面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の上面と第1ウィック構造体31の下面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。かつ、第1柱部16の下面と第2金属板12の上面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の下面と第2ウィック構造体32の上面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。なお、接合面積の総和とは、1本の第1柱部16または第3ウィック構造体33についての接合面積のすべての本数分の総和のことである。
ただし、図3に変形例を示すように、第3ウィック構造体33が第1ウィック構造体31を貫通して第1金属板11に接合されるとともに、第2ウィック構造体32を貫通して第2金属板12に接合されてもよい。このような場合には、第1柱部16の上面と第1金属板11の下面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の上面と第1金属板11の下面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。かつ、第1柱部16の下面と第2金属板12の上面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の下面と第2金属板12の上面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。
すなわち、第1柱部16の一方側端部が第1金属板11と接する接触面積の総和は、第3ウィック構造体33の一方側端部が第1ウィック構造体31または第1金属板11と接する接触面積の総和よりも広く、かつ、第1柱部16の他方側端部が第2金属板12と接する接触面積の総和は、第3ウィック構造体33の他方側端部が第2ウィック構造体32または第2金属板12と接する接触面積の総和よりも広い。
中実な第1柱部16の強度は、第3ウィック構造体33の強度よりも高い。従って、上記のような接触面積の大小関係により、第3ウィック構造体33を用いる構成であっても、第1柱部16によって筐体10の強度を十分に確保することができる。
<5.その他>
以上、本開示の実施形態を説明した。なお、本開示の範囲は上述の実施形態に限定されない。本開示は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。
以上、本開示の実施形態を説明した。なお、本開示の範囲は上述の実施形態に限定されない。本開示は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。
例えば、第1ウィック構造体31をメッシュ材で構成し、第2ウィック構造体32を多孔質の焼結体で構成してもよい。または、第1柱部16と第3ウィック構造体33のうち少なくとも一方を設けないようにしてもよい。
また、第1ウィック構造体31は、発熱体HとZ方向(第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向)に重なる第1領域U1の少なくとも一部において、凹部を有していても良い。その場合、効果として、凝縮を抑制することで、蒸気が拡散しやすくなる。
本開示の実施形態では柱部15は第1柱部16と第3ウィック構造体33が混在するとしたが、柱部15はすべてが第1柱部16でもよく、すべてが第3ウィック構造体33でもよい。
本開示は、各種発熱体の冷却に利用することができる。
1 熱伝導部材 10 筐体 10a 内部空間 11 第1金属板 12 第2金属板 13a 第1側壁部 13b 第2側壁部 14 接合部 15 柱部 16 第1柱部 20 作動媒体 31 第1ウィック構造体 32 第2ウィック構造体 32a 凹部 33 第2柱部、第3ウィック構造体 H 発熱体 S 蒸気空間 U1 第1領域 U2 第2領域
Claims (16)
- 内部空間を有する筐体と、
第1ウィック構造体と、
第2ウィック構造体と、
作動媒体と、
柱部と、を備え、
前記筐体は、
第1金属板と、前記第1金属板に対向して配置されるとともに外面に発熱体が配置される第2金属板と、を有し、
前記柱部は、
前記第1金属板及び前記第2金属板の間に配置され、前記作動媒体と、前記第1ウィック構造体と、前記第2ウィック構造体とは、前記内部空間に収容され、
前記第1ウィック構造体は、前記第1金属板の内面に配置され、
前記第2ウィック構造体は、前記第2金属板の内面に配置され、
前記第2ウィック構造体は、内面から前記鉛直方向に凹む凹部を有し、
前記凹部の少なくとも一部が、前記第1金属板及び前記第2金属板の前記鉛直方向に前記発熱体と重なる第1領域に位置する、熱伝導部材。 - 前記柱部は、前記内部空間に配置され、
第1金属板11及び第2金属板12を支持する中実な第1柱部と、
前記第1ウィック構造体及び前記第2ウィック構造体を支持し、多孔質の焼結体である第2柱部と、の少なくともいずれか一方、を備える、請求項1に記載の熱伝導部材。 - 前記第1ウィック構造体は、多孔質の焼結体である、請求項1又は請求項2に記載の熱伝導部材。
- 前記第2ウィック構造体は、複数の金属線状部材が編み込まれたメッシュ部材である、請求項1から請求項3のいずれかにに記載の熱伝導部材。
- 前記第2ウィック構造体は、多孔質の焼結体である、請求項1から請求項3のいずれかに記載の熱伝導部材。
- 前記第2ウィック構造体の前記凹部は、平面視において前記第1領域より大きい面積を有し、
前記凹部は、前記鉛直方向において、前記第1領域の全域と重なる、請求項1から請求項5のいずれかに記載の熱伝導部材。 - 前記凹部における前記第2ウィック構造体の厚みが、前記第1領域内の所定位置に向かって漸次小さく形成される、請求項1から請求項6のいずれかに記載の熱伝導部材。
- 前記凹部における前記第2ウィック構造体の厚みは、前記第1ウィック構造体の厚みよりも10%以上小さい、請求項1から請求項7のいずれかに記載の熱伝導部材。
- 前記第1ウィック構造体と、前記第2ウィック構造体と、前記第2柱部と、が、一体である、請求項1から請求項5のいずれかにに記載の熱伝導部材。
- 前記第2ウィック構造体は、前記第1ウィック構造体よりも空隙率が高い、請求項1から請求項9のいずれかに記載の熱伝導部材。
- 前記第2ウィック構造体の毛細管力は、前記第1ウィック構造体の毛細管力よりも高い、請求項1から請求項10のいずれかに記載の熱伝導部材。
- 前記第2ウィック構造体の平均厚さは、前記第1ウィック構造体の平均厚さよりも大きい、請求項1~請求項11のいずれかに記載の熱伝導部材。
- 前記第1領域において、前記鉛直方向における前記第1ウィック構造体と前記第2ウィック構造体との隙間の長さと、前記第2ウィック構造体の厚みと、前記第1ウィック構造体の厚みとは、下記式(1)を満たす、請求項12に記載の熱伝導部材。
W3>W2a+W1・・・(1)
W1:第1ウィック構造体の厚み
W2a:第2ウィック構造体の厚み
W3:前記第1ウィック構造体と前記第2ウィック構造体との隙間の長さ - 前記第1領域において、前記鉛直方向における前記第1ウィック構造体と前記第2ウィック構造体との隙間の長さと、前記第2ウィック構造体の厚みと、前記第1ウィック構造体の厚みとは、下記式(2)から式(4)を満たす、請求項13に記載の熱伝導部材。
4W1≧W2a≧2W1 ・・・(2)
7W1≧W3≧5W1 ・・・(3)
W3+W2a=9W1・・・(4) - 前記内部空間における前記第1ウィック構造体、前記第2ウィック構造体、前記第1柱部及び第2柱部以外の空間に含まれ、前記作動媒体の蒸気が存在しうる蒸気空間の体積と、前記第1ウィック構造体及び前記第2ウィック構造体の合計体積とは、下記式(5)を満たす、請求項1から請求項14のいずれかに記載の熱伝導部材。
V1>V2 ・・・(5)
V1:前記内部空間における前記第1ウィック構造体、前記第2ウィック構造体、前記第1柱部及び第2柱部以外の空間に含まれ、前記作動媒体の蒸気が存在しうる蒸気空間の体積
V2:前記第1ウィック構造体及び前記第2ウィック構造体の合計体積 - 前記合計体積は、前記第2柱部の体積をさらに含む、請求項15に記載の熱伝導部材。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020131230 | 2020-07-31 | ||
JP2020-131230 | 2020-07-31 | ||
JP2020-192033 | 2020-11-18 | ||
JP2020192033A JP2023127011A (ja) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | 熱伝導部材 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2022025254A1 true WO2022025254A1 (ja) | 2022-02-03 |
Family
ID=80035802
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2021/028349 WO2022025254A1 (ja) | 2020-07-31 | 2021-07-30 | 熱伝導部材 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2022025254A1 (ja) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002062072A (ja) * | 2000-08-21 | 2002-02-28 | Fujikura Ltd | 平板状ヒートパイプおよびその製造方法 |
JP2005525529A (ja) * | 2002-05-15 | 2005-08-25 | リー, シェ−ウィン | マルチウィック構造をもつ蒸気増強ヒートシンク |
US20070295486A1 (en) * | 2006-04-21 | 2007-12-27 | Taiwan Microloops Corp. | Heat spreader with composite micro-structure |
US20100071879A1 (en) * | 2008-09-19 | 2010-03-25 | Foxconn Technology Co., Ltd. | Method for manufacturing a plate-type heat pipe and a plate-type heat pipe obtained thereby |
US20100077614A1 (en) * | 2008-09-26 | 2010-04-01 | Foxconn Technology Co., Ltd. | Method for manufacturing a wick structure of a plate-type heat pipe |
-
2021
- 2021-07-30 WO PCT/JP2021/028349 patent/WO2022025254A1/ja active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002062072A (ja) * | 2000-08-21 | 2002-02-28 | Fujikura Ltd | 平板状ヒートパイプおよびその製造方法 |
JP2005525529A (ja) * | 2002-05-15 | 2005-08-25 | リー, シェ−ウィン | マルチウィック構造をもつ蒸気増強ヒートシンク |
US20070295486A1 (en) * | 2006-04-21 | 2007-12-27 | Taiwan Microloops Corp. | Heat spreader with composite micro-structure |
US20100071879A1 (en) * | 2008-09-19 | 2010-03-25 | Foxconn Technology Co., Ltd. | Method for manufacturing a plate-type heat pipe and a plate-type heat pipe obtained thereby |
US20100077614A1 (en) * | 2008-09-26 | 2010-04-01 | Foxconn Technology Co., Ltd. | Method for manufacturing a wick structure of a plate-type heat pipe |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11359869B2 (en) | Vapor chamber | |
KR20180048972A (ko) | 베이퍼 챔버 | |
WO2018199218A1 (ja) | ベーパーチャンバー | |
JP7097308B2 (ja) | ウィック構造体及びウィック構造体を収容したヒートパイプ | |
US11740029B2 (en) | Vapor chamber | |
WO2022025253A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025254A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025255A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025256A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025249A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025257A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025252A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127011A (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025251A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127010A (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025258A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
WO2022025259A1 (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127013A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127009A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127012A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023123890A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127006A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2023127008A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2022181084A (ja) | 熱伝導部材 | |
JP2021156517A (ja) | 放熱構造体及び電子機器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21850758 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21850758 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP |