WO2022059517A1 - ベーパーチャンバー - Google Patents

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WO2022059517A1
WO2022059517A1 PCT/JP2021/032412 JP2021032412W WO2022059517A1 WO 2022059517 A1 WO2022059517 A1 WO 2022059517A1 JP 2021032412 W JP2021032412 W JP 2021032412W WO 2022059517 A1 WO2022059517 A1 WO 2022059517A1
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WO
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sheet
convex portion
vapor chamber
wick
cross
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/032412
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
慶次郎 小島
信人 椿
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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Priority to JP2022517800A priority patent/JP7173402B2/ja
Publication of WO2022059517A1 publication Critical patent/WO2022059517A1/ja
Priority to US18/182,725 priority patent/US20230217631A1/en

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    • 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
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20336—Heat pipes, e.g. wicks or capillary pumps
    • 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
    • F28D15/0233—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 the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • 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
    • F28D15/046—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 characterised by the material or the construction of the capillary structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2225/00—Reinforcing means
    • F28F2225/04—Reinforcing means for conduits

Definitions

  • the present invention relates to a vapor chamber.
  • the vapor chamber has a structure in which a working medium and a wick that transports the working medium by capillary force are enclosed inside the housing.
  • the working medium absorbs heat from the heat generating element in the evaporation part that absorbs heat from the heat generating element, evaporates in the vapor chamber, moves to the condensing part, is cooled, and returns to the liquid phase.
  • the working medium that has returned to the liquid phase moves to the evaporation part on the heat generating element side again by the capillary force of the wick, and cools the heat generating element.
  • the vapor chamber operates independently without having external power, and can diffuse heat two-dimensionally at high speed by utilizing the latent heat of vaporization and the latent heat of condensation of the working medium.
  • the vapor chamber is also required to be thinner in order to support the thinner mobile terminals such as smartphones and tablets. In such a thin vapor chamber, it is required to secure both mechanical strength and heat transfer efficiency.
  • Patent Document 1 discloses a vapor chamber using a housing in which a pillar is provided between two sheets. A convex portion, a wick, and a pillar are overlapped on this housing, and their contacts are loosely joined by diffusion joining or the like. With such a structure, the maximum heat transport amount can be increased in the thin structure.
  • the hydraulic fluid When the vapor chamber is used at a temperature higher than the boiling point of the hydraulic fluid, the hydraulic fluid is vaporized and the internal pressure inside the housing of the vapor chamber tends to increase. When the internal pressure inside the housing of the vapor chamber becomes high, the joint between the convex portion and the wick may be peeled off, and the vapor chamber may swell. This effect becomes more pronounced when a low boiling point hydraulic fluid is used to further improve the performance of the vapor chamber.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a vapor chamber that can prevent the vapor chamber from swelling when the internal pressure inside the housing becomes high. It is also an object of the present invention to provide an electronic device provided with the vapor chamber.
  • the vapor chamber of the present invention is composed of an opposing first sheet and a second sheet to which outer edges are joined, and has an internal space between the inner wall surface of the first sheet and the inner wall surface of the second sheet.
  • the working fluid sealed in the internal space of the housing, a plurality of convex portions arranged at intervals on the inner wall surface of the first sheet, and arrangement at intervals on the inner wall surface of the second sheet.
  • a plurality of columns and a wick arranged between the columns and the convex portion are provided, and the convex portion has the plurality of first convex portions and the area of the cross section perpendicular to the height direction.
  • a plurality of second convex portions larger than the first convex portion are included, and the column is arranged at a position where the support column overlaps the second convex portion in a plan view from a direction in which the first sheet and the second sheet face each other.
  • the support is joined to the wick, and the wick is joined to the second convex portion.
  • the electronic device of the present invention is characterized by comprising the vapor chamber of the present invention.
  • the present invention it is possible to provide a vapor chamber that can prevent the vapor chamber from swelling when the internal pressure inside the housing becomes high.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a vapor chamber.
  • FIG. 2 is a cross-sectional top view schematically showing an example of a vapor chamber.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing an example of the overlap of the positions of the support column and the second convex portion.
  • FIG. 4 is a top view schematically showing another example of the overlap of the positions of the support column and the second convex portion.
  • FIG. 5 is a cross-sectional top view schematically showing an example of another structure of the vapor chamber.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
  • FIG. 7 is a photograph showing the appearance of the peeled surface of Comparative Example 1.
  • FIG. 8 is a photograph showing the appearance of the peeled surface of Example 1.
  • the present invention is not limited to the following configuration, and can be appropriately modified and applied without changing the gist of the present invention. It should be noted that a combination of two or more of the individual desirable configurations of the present invention described below is also the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a vapor chamber.
  • the vapor chamber 1 shown in FIG. 1 is composed of the first sheet 11 and the second sheet 12 facing each other, and has an internal space 13 between the inner wall surface 11a of the first sheet 11 and the inner wall surface 12a of the second sheet 12.
  • the wick 30 is arranged along the directions of the inner wall surface 11a of the first sheet 11 and the inner wall surface 12a of the second sheet 12.
  • the first sheet 11 and the second sheet 12 are joined to each other by a sealing portion 50 at the outer edge and sealed.
  • the convex portion 60 may be integrated with the first sheet 11, and may be formed, for example, by etching the inner wall surface 11a of the first sheet 11.
  • the support column 40 may be integrated with the second sheet 12, and may be formed, for example, by etching the inner wall surface 12a of the second sheet 12.
  • both the convex portion 60 (the first convex portion 61 and the second convex portion 62) and the support column 40 are columnar.
  • the hydraulic fluid 20 exists as a liquid phase in the wick 30 and in the internal space 13 between the convex portions 60. Further, the hydraulic fluid 20 mainly exists as a gas phase (water vapor when the hydraulic fluid is water) in the internal space 13 between the columns 40.
  • the heat generating member 70 is arranged on the main surface (outer wall surface) of the first sheet 11 that does not face the second sheet 12.
  • the heat generating member include electronic components of electronic devices, such as a central processing unit (CPU). Due to the heat of the heat generating member 70, the hydraulic fluid 20 of the liquid phase is vaporized directly above the heat generating member 70, and the heat of the heat generating member 70 is taken away and the vaporized hydraulic fluid moves from the wick 30 to the internal space 13 between the columns 40. .. The vaporized hydraulic fluid 20 moves inside the housing 10 and condenses near the outer edge of the housing 10 to form a liquid phase.
  • CPU central processing unit
  • the hydraulic fluid 20 that has become a liquid phase is absorbed by the wick 30 by the capillary force of the wick 30, moves in the wick 30 again toward the heat generating member 70, and works to take away the heat of the heat generating member 70.
  • the hydraulic fluid circulates and moves in the housing in this way, so that the heat generating member is cooled by the vapor chamber.
  • the heat generating member 70 may be arranged on the main surface (outer wall surface) of the second sheet 12 that does not face the first sheet 11.
  • FIG. 2 is a cross-sectional top view schematically showing an example of a vapor chamber.
  • FIG. 2 shows a top view from the side of the second sheet 12 constituting the vapor chamber 1, and shows the arrangement of the convex portion 60 through the second sheet 12 and the wick 30.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view shown by cutting the vapor chamber 1 in the cross section AA shown in FIG.
  • the convex portion 60 has a plurality of first convex portions 61 and a plurality of second convex portions 62 larger than the first convex portion 61.
  • the convex portion means a portion having a height relatively higher than the surroundings, and is formed by a concave portion (for example, a groove) formed on the inner wall surface in addition to the portion protruding from the inner wall surface of the first sheet. Including the part where the height is relatively high. Further, the size of the convex portion is determined by the size of the area of the cross section perpendicular to the height direction.
  • the columns are arranged at positions where they overlap with the second convex portion in a plan view from the direction in which the first sheet and the second sheet face each other.
  • the strut By arranging the strut at a position overlapping the second convex portion having a large area, the strut, the wick and the second convex portion are strongly joined. Therefore, since the joint strength between the convex portion (second convex portion) and the wick becomes strong, it is possible to prevent the vapor chamber from swelling when the internal pressure inside the housing becomes high. Specifically, even when the vapor chamber is used at a temperature exceeding the boiling point of the hydraulic fluid, it is possible to prevent the vapor chamber from swelling. Therefore, it is also suitable when a hydraulic fluid having a low boiling point is used.
  • the support column and the wick are joined, and the wick and the second convex portion are joined.
  • These joining methods are not particularly limited, and examples thereof include laser welding, resistance welding, diffusion joining, solder joining, and brazing. Among these, it is preferable that they are joined by diffusion joining. Since these parts can be firmly bonded by diffusion bonding, it is possible to more reliably prevent the vapor chamber from swelling when the internal pressure inside the housing becomes high.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing an example of the overlap of the positions of the support column and the second convex portion.
  • This top view is a plan view from the direction in which the first sheet and the second sheet face each other.
  • the support column 40 is arranged at a position overlapping the second convex portion 62. That is, the support column 40 overlaps with the second convex portion 62 having a large cross-sectional shape.
  • FIG. 3 shows a form in which all of the columns 40 overlap with the second convex portion 62. That is, 100% of the area of the column overlaps with the second convex portion 62.
  • the ratio of the area where the column overlaps with the second convex portion is not particularly limited, but it is preferable that 75% or more of the area of the column overlaps with the second convex portion.
  • FIG. 4 is a top view schematically showing another example of the overlap of the positions of the support column and the second convex portion.
  • FIG. 3 shows an example in which all of the columns 40 overlap with the second convex portion 62
  • FIG. 4 shows an example in which a part of the columns 40 overlaps with the second convex portion 62.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion is preferably larger than the area of the cross section perpendicular to the height direction of the column.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion 62 is larger than the area of the cross section perpendicular to the height direction of the support column 40. ..
  • the ratio of the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion to the area of the cross section perpendicular to the height direction of the column is preferably 100% or more and 130% or less.
  • the shape of the cross section of the column perpendicular to the height direction is not particularly limited, and may be a circle or a polygon (triangle, quadrangle (rectangle, square), pentagon, hexagon).
  • the cross-sectional shapes of the strut and the second convex portion may be the same or different, but it is preferable that the cross-sectional shapes of the strut and the second convex portion are similar. Further, the cross-sectional shapes of the support column and the second convex portion may be the same (joint). 3 and 4 show that the shapes of the support column and the second convex portion are both circular.
  • the columns support the first and second sheets from the inside.
  • By arranging the columns inside the housing it is possible to prevent the housing from being deformed when the inside of the housing is depressurized or when external pressure from the outside of the housing is applied.
  • the arrangement of the columns is not particularly limited, but it is preferable that the columns are evenly arranged. For example, they are arranged in a grid pattern or in a staggered pattern so that the distance between adjacent columns is constant. By arranging the columns evenly, uniform strength can be ensured over the entire vapor chamber. Further, the distance between adjacent columns is preferably 1 mm or more and 5 mm or less. The distance between adjacent columns is the distance between adjacent columns. The method of determining the distance between adjacent columns can be the same as the method of determining the distance between the second convex portions, which will be described later. Further, the distance between the columns is preferably the same as the distance between the second convex portions. Further, it is preferable that the pattern of the arrangement of the columns is the same as the pattern of the arrangement of the second convex portion.
  • the center of one of the figures constituting the support column and the figure constituting the second convex portion may overlap with the other figure. preferable.
  • the center of the figure constituting the support is arranged at a position where the center of the figure overlaps with the second convex portion, and the figure constituting the second convex portion. It is preferable that the center of the structure overlaps with the support column. Further, it is preferable that the center of the figure forming the support column and the center of the figure forming the second convex portion coincide with each other. In FIG.
  • the center C 1 of the figure constituting the support column 40 and the center C 2 of the figure constituting the second convex portion 62 coincide with each other.
  • the center C 1 of the figure constituting the support column 40 and the center C 2 of the figure constituting the second convex portion 62 do not match, but the center C 1 of the figure constituting the support column 40 is the second convex portion. It overlaps with 62, and the center C 2 of the figure constituting the second convex portion 62 overlaps with the support column 40.
  • the center of gravity of each figure can be used as the center of the figure constituting the support column and the second convex portion.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion is preferably 0.2 mm 2 or more and 4 mm 2 or less. Further, the area of the cross section perpendicular to the height direction of the column is preferably 0.15 mm 2 or more and 4 mm 2 or less.
  • the support column does not overlap with the first convex portion in a plan view from the direction in which the first sheet and the second sheet face each other.
  • the first convex portion and the second convex portion have the same height.
  • the height of the convex portion is a height starting from a point on the inner wall surface of the first sheet 11 where the convex portion is not provided.
  • the shape of the cross section of the first convex portion and the second convex portion perpendicular to the height direction is not particularly limited, and may be a circle or a polygon (triangle, quadrangle (rectangle, square), pentagon, hexagon). You may.
  • the cross-sectional shapes of the first convex portion and the second convex portion may be the same or different.
  • FIG. 2 shows that the cross-sectional shape of the first convex portion 61 is square, the cross-sectional shape of the second convex portion 62 is circular, and the second convex portion 62 is larger than the first convex portion 61.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion is larger than the area of the cross section perpendicular to the height direction of the first convex portion.
  • the ratio of the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion to the area of the cross section perpendicular to the height direction of the first convex portion is preferably 20 times or more and 200 times or less.
  • the second convex portion is preferably large to some extent in order to secure the joint strength with the wick and the support column, but if the first convex portion is also large, the space for the hydraulic fluid to flow is insufficient, so that the first convex portion is preferably small to some extent. From such a viewpoint, the ratio of the area of the second convex portion to the area of the first convex portion may be determined.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the first convex portion is preferably 0.0025 mm 2 or more and 0.04 mm 2 or less.
  • the distance between the second convex portions is preferably larger than the distance between the first convex portions.
  • the distance between the second convex portions is the distance between the adjacent second convex portions, and the distance between the first convex portions is the distance between the adjacent first convex portions.
  • the distance W1 between the first convex portions 61 and the distance W2 between the second convex portions 62 are indicated by double-headed arrows.
  • the distance between the adjacent first convex portions is defined as the distance between the centers of the figures constituting the first convex portions.
  • the distance between the adjacent second convex portions is also determined as the distance between the centers of the figures constituting the second convex portion.
  • the ratio of the distance between the second convex portions to the distance between the first convex portions is preferably 5 times or more and 50 times or less the distance between the first convex portions. Further, the distance between the second convex portions is preferably 1 mm or more and 5 mm or less. The distance between the first convex portions is preferably 0.05 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the shape of the housing is not particularly limited.
  • the top view shape of the housing includes polygons such as triangles and rectangles, circles, ellipses, and combinations thereof.
  • the first sheet and the second sheet constituting the housing may be overlapped so that the ends coincide with each other, or the ends may be offset and overlapped.
  • the materials constituting the first sheet and the second sheet are not particularly limited as long as they have characteristics suitable for use as a vapor chamber, such as thermal conductivity, strength, and flexibility. ..
  • the material constituting the first sheet and the second sheet is preferably a metal material, and examples thereof include copper, nickel, aluminum, magnesium, titanium, iron, and the like, or alloys containing them as main components.
  • the material constituting the first sheet and the second sheet is particularly preferably copper.
  • the material constituting the first sheet and the material constituting the second sheet may be different.
  • the stress applied to the housing can be dispersed.
  • different materials for both one sheet can obtain one function and the other sheet can obtain another function.
  • the above-mentioned functions are not particularly limited, and examples thereof include a heat conduction function and an electromagnetic wave shielding function.
  • the thicknesses of the first sheet and the second sheet are not particularly limited, but if the first sheet and the second sheet are too thin, the strength of the housing is lowered and deformation is likely to occur. Therefore, the thickness of the first sheet and the second sheet is preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 30 ⁇ m or more. On the other hand, if the first sheet and the second sheet are too thick, it becomes difficult to reduce the thickness of the entire vapor chamber. Therefore, the thicknesses of the first sheet and the second sheet are preferably 150 ⁇ m or less, more preferably 100 ⁇ m or less, and further preferably 50 ⁇ m or less. The thicknesses of the first sheet and the second sheet may be the same or different.
  • the thickness of the first sheet is the thickness of the portion not in contact with the convex portion.
  • the thickness of the second sheet is the thickness of the portion not in contact with the support column.
  • the thickness of the first sheet may be constant, or a thick portion and a thin portion may be present.
  • the thickness of the second sheet may be constant, or there may be a thick portion and a thin portion.
  • the second sheet of the portion not in contact with the support column may be recessed inside the housing.
  • the working fluid is not particularly limited as long as it can cause a gas-liquid phase change in the environment inside the housing, and for example, water, alcohols, CFC substitutes and the like can be used. ..
  • the hydraulic fluid may be water.
  • a compound having a boiling point lower than that of water can be used as the hydraulic fluid.
  • a compound having a boiling point of less than 100 ° C. can be used as the hydraulic fluid, and a compound having a boiling point of 50 ° C. or higher and 80 ° C. or lower can be preferably used as the hydraulic fluid.
  • specific compounds for example, alcohols, CFC substitutes and the like can be used.
  • the wick is not particularly limited as long as it has a capillary structure capable of moving the hydraulic fluid by capillary force.
  • the capillary structure of the wick may be a known structure used in a conventional vapor chamber.
  • Examples of the capillary structure include microstructures such as pores, grooves, and protrusions, such as a porous structure, a fiber structure, a groove structure, and a mesh structure.
  • the material of the wick is not particularly limited, and for example, a metal porous film formed by etching or metal processing, a mesh, a non-woven fabric, a sintered body, a porous body, or the like is used.
  • the mesh used as the material of the wick may be composed of, for example, a metal mesh, a resin mesh, or a surface-coated mesh thereof, and is preferably composed of a copper mesh, a stainless (SUS) mesh, or a polyester mesh. ..
  • the sintered body used as the material of the wick may be composed of, for example, a metal porous sintered body and a ceramic porous sintered body, and is preferably composed of a copper or nickel porous sintered body.
  • the porous body used as the material of the wick may be, for example, a porous body made of a metal porous body, a ceramic porous body, a resin porous body, or the like.
  • the wick is preferably a material that can be bonded to the second convex portion and the support column by diffusion bonding. It is preferably a metal material, and examples thereof include copper, nickel, aluminum, magnesium, titanium, iron and the like, alloys containing them as main components, porous sintered bodies and the like.
  • the wick may be made of the same material as the second protrusion and the strut.
  • the wick is continuously provided inside the housing from the evaporation part to the condensation part. At least part of the wick may be integral with the housing.
  • the vapor chamber of the present invention may have a notch portion in which a part of the wick is notched. Since a part of the wick has a notched portion, the volume of the internal space (the volume of the part of the internal space where the gas phase can exist) can be increased, so that the heat transport amount of the vapor chamber can be increased. It can be made larger. If a part of the wick is cut out, the vapor chamber tends to swell in the vicinity of the cutout portion when the internal pressure in the housing becomes high.
  • FIG. 5 is a cross-sectional top view schematically showing an example of another structure of the vapor chamber
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
  • FIG. 5 shows a top view from the second sheet 12 side constituting the vapor chamber 2, through which the second sheet 12 is transmitted, and the support column 40, the wick 30, and the convex portion 60 (the first convex portion 61 and the convex portion 60) are shown.
  • the arrangement of the second convex portion 62) is shown.
  • a support column 40 and a second convex portion 62 are provided at a portion in contact with the cutout portion 31.
  • the cutout portion 31 is not provided with the second convex portion 62, the first convex portion 61, or the support column 40.
  • the vapor chamber of the present invention is not limited to the above embodiment, and various applications and modifications can be added within the scope of the present invention regarding the configuration of the vapor chamber, manufacturing conditions, and the like.
  • the vapor chamber of the present invention can be mounted on an electronic device for the purpose of heat dissipation. Therefore, the electronic device provided with the vapor chamber of the present invention is also one of the present inventions. Examples of the electronic device of the present invention include smartphones, tablet terminals, notebook computers, game devices, wearable devices and the like. As described above, the vapor chamber of the present invention operates independently without the need for external power, and can diffuse heat in two dimensions at high speed by utilizing the latent heat of vaporization and the latent heat of condensation of the working liquid. Therefore, the electronic device provided with the vapor chamber of the present invention can effectively dissipate heat in the limited space inside the electronic device.
  • the method for producing the vapor chamber of the present invention is not particularly limited as long as the above configuration can be obtained.
  • a first sheet in which the first convex portion and the second convex portion are arranged is prepared, a wick is arranged on the first convex portion and the second convex portion, and the wick is arranged and overlapped with the second sheet in which the support is arranged.
  • a vapor chamber can be obtained by injecting a hydraulic fluid and joining the first sheet and the second sheet.
  • the method of joining the first sheet and the second sheet is not particularly limited, but for example, laser welding, resistance welding, diffusion welding, brazing, TIG welding (tungsten-inert gas welding), ultrasonic bonding, resin encapsulation, etc. Can be mentioned.
  • first sheet and the second sheet are sealed by being joined to each other at a sealing portion at the outer edge. Further, the heat generated at the time of joining the first sheet and the second sheet joins the second convex portion and the wick, and joins the wick and the support column.
  • a pressure jig and a heating jig for advancing diffusion bonding are brought into contact with the portion corresponding to the back side of the second convex portion of the first sheet and the portion corresponding to the back side of the support column of the second sheet to pressurize and pressurize. It is preferable to perform heating. In this way, it is preferable to cause a diffusion bond between the second convex portion and the wick, and to generate a diffusion bond between the wick and the column.
  • the first sheet and the second sheet are joined by aligning the positions of the first sheet and the second sheet so that the positions of the second convex portion and the support column overlap. If the alignment mark that serves as a reference for alignment is provided on the first sheet and the second sheet, and the marks are aligned and joined, the positions of the second convex portion and the column can be overlapped. good.
  • Example 1 A copper foil having a plan view dimension of 60 mm in width ⁇ 100 mm in length and 0.08 mm in thickness was prepared as the first sheet.
  • a first convex portion having a prismatic shape and a second convex portion having a cylindrical shape were formed on the inner wall surface of the first sheet.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the first convex portion was 0.01 mm 2 .
  • the distance between the adjacent first convex portions was set to 0.1 mm.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the second convex portion was set to 0.3 mm 2 . Further, the distance between the adjacent second convex portions was set to 3 mm.
  • the heights of the first convex portion and the second convex portion from the inner wall surface of the first sheet were the same.
  • a copper foil having a plan view dimension of 60 mm in width ⁇ 100 mm in length and 0.2 mm in thickness was prepared as the second sheet.
  • a columnar column was formed on the inner wall surface.
  • the area of the cross section perpendicular to the height direction of the column was 0.3 mm 2 .
  • the distance between adjacent columns was set to 3 mm.
  • the wick By arranging the wick so as to be sandwiched between the first sheet on which the convex portion is formed and the second sheet on which the support is formed, and by laser welding the outer edge portion of the first sheet and the outer edge portion of the second sheet. Sealed.
  • a porous metal body was used as the wick.
  • the position of the second convex portion and the position of the support column overlap, specifically, in a plan view from the direction in which the first sheet and the second sheet face each other.
  • the alignment was performed so that 90% or more of the area of the above overlaps with the second convex portion.
  • Example 1 After welding, methanol with a boiling point of 65 ° C was injected as a hydraulic fluid through a pipe. From the above, the vapor chamber of Example 1 was obtained.
  • Example 2 By adjusting the alignment when the first sheet and the second sheet are overlapped, the ratio of the area of the column overlapping with the second convex portion in the plan view from the direction in which the first sheet and the second sheet face each other is shown in Table 1. It was changed as shown in. A vapor chamber was obtained in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 The pattern for etching the first sheet was changed to form only the convex portion having the same size as the first convex portion in Example 1. That is, the second convex portion was not provided.
  • the alignment is not particularly conscious, and the support column overlaps with some of the first convex portions in a plan view from the direction in which the first sheet and the second sheet face each other. I did it.
  • a vapor chamber was obtained in the same manner as in Example 1.
  • the vapor chambers obtained in each Example and Comparative Example were placed in a constant temperature bath, and the appearance of the vapor chamber was observed while raising the temperature of the constant temperature bath at a heating rate of 5 ° C./min.
  • the temperature of the heat source when the vapor chamber swelled was recorded as the swelling start temperature. It can be said that the higher the swelling start temperature, the less likely the swelling is to occur in the vapor chamber.
  • the vapor chamber can be prevented from swelling by providing the second convex portion on the first sheet, providing the support column on the second sheet, and arranging the support column and the second convex portion at the overlapping positions. Further, it was found that the swelling can be prevented more effectively by increasing the area of the overlap between the support column and the second convex portion.
  • FIG. 7 is a photograph showing the appearance of the peeled surface of Comparative Example 1.
  • the above photograph is a photograph of the peeled surface viewed toward the convex side, and the convex portion existing under the peeled wick can be seen.
  • the photo below is a view of the peeled surface toward the pillar side, and the peeled wick and the pillar behind the wick can be seen.
  • Comparative Example 1 in which the second convex portion was not provided, a part of the wick adhered in a shape along the cross-sectional shape of the column, and a fracture mode was generated in which the wick was separated between the convex portion and the wick.
  • FIG. 8 is a photograph showing the appearance of the peeled surface of Example 1.
  • the upper photograph is a photograph of the peeled surface viewed toward the convex portion side, and the second convex portion and the wick can be seen.
  • the photo below is a photo of the peeled surface viewed toward the pillar side, and the peeled wick and the pillar can be seen.
  • the second convex portion is provided, most of the wick remains attached to the second convex portion, and a fracture mode is generated in which the wick and the column are separated from each other. Since the second convex portion has a large area, it is strongly joined to the wick. Therefore, it means that the wick is less likely to be peeled off from the convex portion and the fracture mode as in Comparative Example 1 is less likely to occur.
  • the vapor chamber of the present invention can be used for a wide range of applications in the field of portable information terminals and the like. For example, it can be used to lower the temperature of a heat source such as a CPU and extend the usage time of an electronic device, and can be used for a smartphone, a tablet terminal, a notebook PC, or the like.

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Abstract

外縁が接合された対向する第１シート１１及び第２シート１２から構成され、上記第１シートの内壁面１１ａと上記第２シートの内壁面１２ａとの間に内部空間１３を有する筐体１０と、上記筐体１０の内部空間１３に封入された作動液２０と、上記第１シートの内壁面１１ａに間隔を空けて配置された複数の凸部６０と、上記第２シートの内壁面１２ａに間隔を空けて配置された複数の支柱４０と、上記支柱４０と上記凸部６０との間に配置されたウィック３０と、を備え、上記凸部６０は、複数の第１凸部６１と、高さ方向に垂直な断面の面積が上記第１凸部６１よりも大きい複数の第２凸部６２と、を含み、上記第１シート１１及び上記第２シート１２が対向する方向からの平面視において、上記支柱４０が上記第２凸部６２と重なる位置に配置されており、上記支柱４０と上記ウィック３０が接合され、かつ、上記ウィック３０と上記第２凸部６２が接合されていることを特徴とするベーパーチャンバー１。

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、素子の高集積化および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いる。この状況はスマートフォンおよび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。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。中でも、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は、筐体の内部に、作動媒体と、毛細管力によって作動媒体を輸送するウィックとが封入された構造を有する。上記作動媒体は、発熱素子からの熱を吸収する蒸発部において発熱素子からの熱を吸収してベーパーチャンバー内で蒸発した後、凝縮部に移動し、冷却されて液相に戻る。液相に戻った作動媒体は、ウィックの毛細管力によって再び発熱素子側の蒸発部に移動し、発熱素子を冷却する。これを繰り返すことにより、ベーパーチャンバーは外部動力を有することなく自立的に作動し、作動媒体の蒸発潜熱および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。
　スマートフォンおよびタブレットなどのモバイル端末の薄型化に対応するため、ベーパーチャンバーにも薄型化が求められている。このような薄型のベーパーチャンバーでは、機械的強度および熱輸送効率の確保を両立することが要求される。
　特許文献１には、２枚のシートの間に柱を設けた筐体を使用したベーパーチャンバーが開示されている。
　この筐体には、凸部、ウィック及び柱が重ねられており、これらは拡散接合等によりその接点が緩く接合されている。このような構造であると薄型構造において最大熱輸送量を大きくすることができる。
国際公開第２０１８／１９９２１８号
　ベーパーチャンバーを作動液の沸点以上の温度で使用した場合、作動液の気化が生じてベーパーチャンバーの筐体内の内圧が高くなりやすい。そして、ベーパーチャンバーの筐体内の内圧が高くなると、凸部とウィックの間の接合が剥がれて、ベーパーチャンバーが膨らむことがある。
　この影響は、ベーパーチャンバーの性能をさらに向上させるために沸点の低い作動液を使用する場合に顕著になる。
　本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、筐体内の内圧が高くなった場合にベーパーチャンバーが膨らむことを防止できるベーパーチャンバーを提供することを目的とする。本発明はまた、上記ベーパーチャンバーを備える電子機器を提供することを目的とする。
　本発明のベーパーチャンバーは、外縁が接合された対向する第１シート及び第２シートから構成され、上記第１シートの内壁面と上記第２シートの内壁面との間に内部空間を有する筐体と、上記筐体の内部空間に封入された作動液と、上記第１シートの内壁面に間隔を空けて配置された複数の凸部と、上記第２シートの内壁面に間隔を空けて配置された複数の支柱と、上記支柱と上記凸部との間に配置されたウィックと、を備え、上記凸部は、複数の第１凸部と、高さ方向に垂直な断面の面積が上記第１凸部よりも大きい複数の第２凸部と、を含み、上記第１シート及び上記第２シートが対向する方向からの平面視において、上記支柱が上記第２凸部と重なる位置に配置されており、上記支柱と上記ウィックが接合され、かつ、上記ウィックと上記第２凸部が接合されていることを特徴とする。
　本発明の電子機器は、本発明のベーパーチャンバーを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、筐体内の内圧が高くなった場合にベーパーチャンバーが膨らむことを防止できるベーパーチャンバーを提供することができる。
図１は、ベーパーチャンバーの構造の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、ベーパーチャンバーの一例を模式的に示す断面上面図である。 図３は、支柱と第２凸部の位置の重なりの一例を模式的に示す上面図である。 図４は、支柱と第２凸部の位置の重なりの別の一例を模式的に示す上面図である。 図５は、ベーパーチャンバーの他の構造の一例を模式的に示す断面上面図である。 図６は、図５のＢ－Ｂ線断面図である。 図７は、比較例１の剥離面の外観を示す写真である。 図８は、実施例１の剥離面の外観を示す写真である。
　以下、本発明のベーパーチャンバーについて説明する。
　しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
　以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。
　以下に示す図面は模式的なものであり、その寸法や縦横比の縮尺などは実際の製品とは異なる場合がある。
　図１は、ベーパーチャンバーの構造の一例を模式的に示す断面図である。
　図１に示すベーパーチャンバー１は、対向する第１シート１１及び第２シート１２から構成され、第１シート１１の内壁面１１ａと第２シート１２の内壁面１２ａとの間に内部空間１３を有する筐体１０と、筐体１０の内部空間１３に封入された作動液２０と、第１シート１１の内壁面１１ａに間隔を空けて配置された複数の凸部６０と、第２シート１２の内壁面１２ａに間隔を空けて配置された複数の支柱４０と、支柱４０と凸部６０との間に設けられたウィック３０とを備えている。ウィック３０は、第１シート１１の内壁面１１ａ及び第２シート１２の内壁面１２ａの方向に沿って配置されている。
　第１シート１１及び第２シート１２は、外縁において封止部５０で互いに接合され、封止されている。
　凸部６０は、第１シート１１と一体であってもよく、例えば、第１シート１１の内壁面１１ａをエッチング加工すること等により形成されていてもよい。同様に、支柱４０は、第２シート１２と一体であってもよく、例えば、第２シート１２の内壁面１２ａをエッチング加工すること等により形成されていてもよい。本実施形態では、凸部６０（第１凸部６１及び第２凸部６２）及び支柱４０はともに柱状である。
　作動液２０は、ウィック３０の中及び凸部６０の間の内部空間１３に液相として存在している。また、作動液２０は、支柱４０の間の内部空間１３内においては主に気相（作動液が水の場合は水蒸気）として存在している。
　例えば、第１シート１１の第２シート１２に対向しない主面（外壁面）には発熱部材７０が配置される。発熱部材としては、電子機器の電子部品、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）等が挙げられる。
　発熱部材７０の熱により、発熱部材７０の直上において液相の作動液２０が気化し、発熱部材７０の熱を奪うとともに気化した作動液はウィック３０から支柱４０の間の内部空間１３に移動する。
　気化した作動液２０は筐体１０内を移動して、筐体１０の外縁付近で凝縮して液相となる。
　液相となった作動液２０はウィック３０の有する毛細管力によりウィック３０に吸収され、ウィック３０内を再度発熱部材７０の方に移動して、発熱部材７０の熱を奪うように働く。
　作動液が筐体内をこのように循環して移動することにより、ベーパーチャンバーによる発熱部材の冷却が行われる。
　なお、発熱部材７０は、第２シート１２の第１シート１１に対向しない主面（外壁面）に配置されてもよい。
　図２は、ベーパーチャンバーの一例を模式的に示す断面上面図である。
　図２には、ベーパーチャンバー１を構成する第２シート１２側からの上面図を示しており、第２シート１２及びウィック３０を透過させて凸部６０の配置を示している。
　なお、図１は、図２に示すＡ－Ａ断面でベーパーチャンバー１を切断して示した断面図であるともいえる。
　凸部６０は、複数の第１凸部６１と、第１凸部６１よりも大きい、複数の第２凸部６２とを有する。本明細書において、凸部とは、周囲よりも相対的に高さが高い部分をいい、第１シートの内壁面から突出した部分に加え、内壁面に形成された凹部（例えば溝など）により相対的に高さが高くなっている部分も含む。また、凸部の大きさは、高さ方向に垂直な断面の面積の大きさによって定める。
　本発明のベーパーチャンバーでは、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱が第２凸部と重なる位置に配置されている。
　支柱が、その面積が大きい第２凸部と重なる位置に配置されることによって、支柱、ウィック及び第２凸部が強く接合される。そのため、凸部（第２凸部）とウィックの間の接合強度が強くなるため、筐体内の内圧が高くなった場合にベーパーチャンバーが膨らむことを防止することができる。
　具体的には、作動液の沸点を超えた温度でベーパーチャンバーを使用した場合においても、ベーパーチャンバーが膨らむことを防止することができる。従って、沸点の低い作動液を使用する場合にも好適である。
　また、本発明のベーパーチャンバーでは、支柱とウィックが接合され、かつ、ウィックと第２凸部が接合されている。これらの接合方式は特に限定されるものではないが、レーザー溶接、抵抗溶接、拡散接合、はんだ接合、ろう接等が挙げられる。これらの中では、拡散接合によって接合されていることが好ましい。拡散接合によりこれらの部位感を強固に接合させることができるので、筐体内の内圧が高くなった場合にベーパーチャンバーが膨らむことをより確実に防止することができる。
　支柱と第２凸部の好ましい形態について説明する。
　図３は、支柱と第２凸部の位置の重なりの一例を模式的に示す上面図である。
　この上面図は、第１シート及び第２シートが対向する方向から平面視した図面である。
　当該平面視において、支柱４０は第２凸部６２と重なる位置に配置される。すなわち、支柱４０が断面形状の大きい第２凸部６２と重なる。
　図３には、支柱４０の全てが第２凸部６２と重なっている形態を示している。すなわち、支柱の面積の１００％が第２凸部６２と重なっている。
　ベーパーチャンバーにおいて、支柱が第２凸部と重なる面積の割合は特に限定されるものではないが、支柱の面積の７５％以上が第２凸部と重なることが好ましい。
　支柱の面積の７５％を第２凸部と重ねることにより、支柱の大部分が第２凸部と強く接合され、凸部とウィックの間の接合強度がより強くなる。
　図４は、支柱と第２凸部の位置の重なりの別の一例を模式的に示す上面図である。
　図３には支柱４０の全てが第２凸部６２と重なっている例を示したが、図４には、支柱４０の一部が第２凸部６２と重なっている例を示している。
　ベーパーチャンバーにおいて、第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、支柱の高さ方向に垂直な断面の面積よりも大きいことが好ましい。図３に示す例、図４に示す例のいずれも、第２凸部６２の高さ方向に垂直な断面の面積は、支柱４０の高さ方向に垂直な断面の面積よりも大きくなっている。
　第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積を支柱の高さ方向に垂直な断面の面積より大きくすることにより、第２凸部と支柱の位置の位置ずれが生じたとしてもその位置ずれが許容されやすくなる。
　また、支柱の高さ方向に垂直な断面の面積に対する、第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積の割合は、１００％以上、１３０％以下であることが好ましい。
　支柱の、高さ方向に垂直な断面の形状は特に限定されるものではなく、円形、多角形（三角形、四角形（長方形、正方形）、五角形、六角形）であってもよい。
　支柱と第２凸部の断面形状は同じであっても異なってもよいが、支柱と第２凸部の断面形状が相似形であることが好ましい。また、支柱と第２凸部の断面形状が同一（合同）であってもよい。
　図３及び図４には、支柱と第２凸部の形状が共に円形であることを示している。
　支柱は、第１シート及び第２シートを内側から支持している。支柱を筐体の内部に配置することにより、筐体の内部が減圧された場合、筐体外部からの外圧が加えられた場合などに筐体が変形することを抑制することができる。
　支柱の配置は、特に限定されないが、均等に配置することが好ましい。例えば隣接する支柱同士の間隔が一定となるように格子点状、又は、千鳥状に配置される。支柱を均等に配置することにより、ベーパーチャンバー全体にわたって均一な強度を確保することができる。
　また、隣接する支柱同士の間隔は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。隣接する支柱同士の間隔は、隣り合う支柱同士の間隔である。隣接する支柱同士の間隔の定め方は、後述する第２凸部同士の間隔の定め方と同様にすることができる。
　また、支柱同士の間隔は、第２凸部同士の間隔と同じであることが好ましい。
　また、支柱の配置のパターンは第２凸部の配置のパターンと同じであることが好ましい。
　また、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱を構成する図形及び第２凸部を構成する図形のうちの一方の図形の中心が、他方の図形と重なることが好ましい。　また、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱を構成する図形の中心が第２凸部と重なる位置に配置されることが好ましく、第２凸部を構成する図形の中心が支柱と重なる位置に配置されることが好ましい。さらに、支柱を構成する図形の中心と第２凸部を構成する図形の中心が一致することが好ましい。
　図３では、支柱４０を構成する図形の中心Ｃ１と第２凸部６２を構成する図形の中心Ｃ２が一致している。図４では、支柱４０を構成する図形の中心Ｃ１と第２凸部６２を構成する図形の中心Ｃ２が一致していないが、支柱４０を構成する図形の中心Ｃ１は第２凸部６２と重なっており、第２凸部６２を構成する図形の中心Ｃ２は支柱４０と重なっている。
　支柱及び第２凸部を構成する図形の中心としては、各図形の重心を利用することができる。
　第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、０．２ｍｍ２以上、４ｍｍ２以下であることが好ましい。また、支柱の高さ方向に垂直な断面の面積は、０．１５ｍｍ２以上、４ｍｍ２以下であることが好ましい。
　また、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱は第１凸部とは重ならないことが好ましい。
　次に、第１凸部と第２凸部の好ましい形態について説明する。
　第１凸部と第２凸部は同じ高さであることが好ましい。本明細書において凸部の高さは、第１シート１１の内壁面の、凸部が設けられていない地点を起点とした高さである。
　第１凸部と第２凸部の、高さ方向に垂直な断面の形状は特に限定されるものではなく、円形、多角形（三角形、四角形（長方形、正方形）、五角形、六角形）であってもよい。
　第１凸部と第２凸部の断面形状は同じであっても異なってもよい。図２には、第１凸部６１の断面形状が正方形、第２凸部６２の断面形状が円形で、第２凸部６２が第１凸部６１より大きいことを示している。
　第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、第１凸部の高さ方向に垂直な断面の面積よりも大きい。そして、第１凸部の高さ方向に垂直な断面の面積に対する、第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積の割合は、２０倍以上、２００倍以下であることが好ましい。
　第２凸部はウィック及び支柱との接合強度を確保するためにある程度大きいほうが好ましいが、第１凸部も大きいと作動液が流れるスペースが不足するため、第１凸部がある程度小さいほうが好ましい。そのような観点から第１凸部の面積に対する第２凸部の面積の割合を定めればよい。
　第１凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、０．００２５ｍｍ２以上、０．０４ｍｍ２以下であることが好ましい。
　第２凸部同士の間隔は、第１凸部同士の間隔よりも大きいことが好ましい。第２凸部同士の間隔は、隣り合う第２凸部同士の間隔であり、第１凸部同士の間隔は、隣り合う第１凸部同士の間隔である。
　図２には、第１凸部６１同士の間隔Ｗ１と第２凸部６２同士の間隔Ｗ２をそれぞれ両矢印で示している。隣り合う第１凸部同士の間隔は、第１凸部を構成する図形の中心の間の距離として定める。隣り合う第２凸部同士の間隔も、同様に、第２凸部を構成する図形の中心の間の距離として定める。
　第１凸部同士の間隔に対する、第２凸部同士の間隔の割合は、第１凸部同士の間隔の５倍以上、５０倍以下であることが好ましい。
　また、第２凸部同士の間隔は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。第１凸部同士の間隔は、０．０５ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、筐体の形状は、特に限定されない。例えば、筐体の上面視形状は、三角形または長方形などの多角形、円形、楕円形、これらを組み合わせた形状などが挙げられる。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、筐体を構成する第１シートと第２シートとは、端部が一致するように重なっていてもよいし、端部がずれて重なっていてもよい。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シート及び第２シートを構成する材料は、ベーパーチャンバーとして用いるのに適した特性、例えば熱伝導性、強度、柔軟性などを有するものであれば、特に限定されない。第１シート及び第２シートを構成する材料は、好ましくは金属材料であり、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄など、またはそれらを主成分とする合金などが挙げられる。第１シート及び第２シートを構成する材料は、銅であることが特に好ましい。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シートを構成する材料と、第２シートを構成する材料は異なっていてもよい。例えば、強度の高い材料を第１シートに用いることにより、筐体にかかる応力を分散させることができる。また、両者の材料を異なるものとすることにより、一方のシートで一の機能を得、他方のシートで他の機能を得ることができる。上記の機能としては、特に限定されないが、例えば、熱伝導機能、電磁波シールド機能等が挙げられる。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シート及び第２シートの厚みは特に限定されないが、第１シート及び第２シートが薄すぎると、筐体の強度が低下して変形が起こりやすくなる。そのため、第１シート及び第２シートの厚みは、それぞれ２０μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることがより好ましい。一方、第１シート及び第２シートが厚すぎると、ベーパーチャンバー全体の薄型化が困難になる。そのため、第１シート及び第２シートの厚みは、それぞれ１５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以下であることがさらに好ましい。第１シート及び第２シートの厚みは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　なお、凸部が第１シートと一体である場合、第１シートの厚みは、凸部に接していない部分の厚みとする。また、支柱が第２シートと一体である場合、第２シートの厚みは、支柱に接していない部分の厚みとする。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、第１シートの厚みは、一定であってもよいし、厚い部分と薄い部分が存在していてもよい。同様に、第２シートの厚みは、一定であってもよいし、厚い部分と薄い部分が存在していてもよい。また、支柱に接していない部分の第２シートは、筐体の内側に凹んでいてもよい。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、作動液は、筐体内の環境下において気－液の相変化を生じ得るものであれば特に限定されず、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る。作動液は、水であってもよい。
　また、本発明のベーパーチャンバーの構成であると、作動液として水よりも沸点が低い化合物を使用することができる。沸点が１００℃未満の化合物を作動液として使用することができ、好ましくは沸点が５０℃以上、８０℃以下の化合物を作動液として使用することができる。具体的な化合物としては、例えばアルコール類、代替フロン等を使用することができる。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックは、毛細管力により作動液を移動させることができる毛細管構造を有する限り、特に限定されない。ウィックの毛細管構造は、従来のベーパーチャンバーに用いられている公知の構造であってもよい。毛細管構造としては、細孔、溝、突起などの微細構造、例えば、多孔構造、繊維構造、溝構造、網目構造などが挙げられる。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックの材料は特に限定されず、例えば、エッチング加工または金属加工により形成される金属多孔膜、メッシュ、不織布、焼結体、多孔体などが用いられる。ウィックの材料となるメッシュは、例えば、金属メッシュ、樹脂メッシュ、もしくは表面コートしたそれらのメッシュから構成されるものであってよく、好ましくは銅メッシュ、ステンレス（ＳＵＳ）メッシュまたはポリエステルメッシュから構成される。ウィックの材料となる焼結体は、例えば、金属多孔質焼結体、セラミックス多孔質焼結体から構成されるものであってよく、好ましくは銅またはニッケルの多孔質焼結体から構成される。ウィックの材料となる多孔体は、例えば、金属多孔体、セラミックス多孔体、樹脂多孔体から構成されるもの等であってもよい。
　また、ウィックは、第２凸部及び支柱と拡散接合により接合可能な材料であることが好ましい。好ましくは金属材料であり、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄など、またはそれらを主成分とする合金、多孔質焼結体などが挙げられる。ウィックは、第２凸部及び支柱と同じ材料であってもよい。
　本発明のベーパーチャンバーにおいて、ウィックは、筐体の内部に、蒸発部から凝縮部まで連続して設けられることが好ましい。ウィックの少なくとも一部は、筐体と一体であってもよい。
　本発明のベーパーチャンバーは、ウィックの一部が切り欠かれている切り欠き部を有していてもよい。ウィックの一部が切り欠かれた切り欠き部を有することによって、内部空間の体積（内部空間のうち気相が存在できる部分の体積）を大きくすることができるので、ベーパーチャンバーの熱輸送量を大きくすることができる。
　ウィックの一部が切り欠かれていると、筐体内の内圧が高くなったときに、切り欠き部の近傍でベーパーチャンバーが膨れやすくなる。ここで、切り欠き部に接する部位に、支柱と第２凸部とを設けることが好ましい。切り欠き部に接する部位に支柱と第２凸部を設けることによって、切り欠き部の近傍でベーパーチャンバーが膨れることを防止することができる。
　図５は、ベーパーチャンバーの他の構造の一例を模式的に示す断面上面図であり、図６は、図５のＢ－Ｂ線断面図である。
　図５には、ベーパーチャンバー２を構成する第２シート１２側からの上面図を示しており、第２シート１２を透過させて、支柱４０、ウィック３０及び凸部６０（第１凸部６１及び第２凸部６２）の配置を示している。
　図５及び図６に示すベーパーチャンバー２では、ウィック３０の一部が切り欠かれた切り欠き部３１が存在する。
　切り欠き部３１に接する部位には支柱４０と第２凸部６２が設けられる。切り欠き部３１には第２凸部６２、第１凸部６１及び支柱４０はいずれも設けられていない。
　本発明のベーパーチャンバーは、上記実施形態に限定されるものではなく、ベーパーチャンバーの構成、製造条件等に関し、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
　本発明のベーパーチャンバーは、放熱を目的として電子機器に搭載され得る。したがって、本発明のベーパーチャンバーを備える電子機器も本発明の１つである。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、作動液の蒸発潜熱および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、本発明のベーパーチャンバーを備える電子機器により、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。
　本発明のベーパーチャンバーを製造する方法は、上記の構成を得られる方法であれば特に限定されない。例えば、第１凸部及び第２凸部を配置した第１シートを準備し、第１凸部及び第２凸部上にウィックを配置して、支柱を配置した第２シートと重ね合わせる。作動液を注入し、第１シートと第２シートを接合することによりベーパーチャンバーを得ることができる。
　第１シート及び第２シートの接合方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー溶接、抵抗溶接、拡散接合、ロウ接、ＴＩＧ溶接（タングステン－不活性ガス溶接）、超音波接合、樹脂封止などが挙げられる。これらのなかでは、レーザー溶接、ロウ接又は拡散接合が好ましい。
　第１シート及び第２シートの接合の際に、第１シート及び第２シートは、外縁において封止部で互いに接合されることにより封止される。
　また、第１シート及び第２シートの接合の際に生じる熱によって、第２凸部とウィックが接合され、ウィックと支柱が接合される。
　さらに、第１シートの第２凸部の裏側にあたる部位、及び、第２シートの支柱の裏側にあたる部位に、拡散接合を進行させるための加圧治具及び加熱治具を接触させて加圧及び加熱を行うことが好ましい。このようにして、第２凸部とウィックの間に拡散接合を生じさせ、かつ、ウィックと支柱の間に拡散接合を生じさせることが好ましい。
　第２凸部と支柱の位置が重なるように、第１シートと第２シートの位置を合わせて第１シートと第２シートの接合を行う。位置合わせをするための基準となる位置合わせ用マークを第１シートと第２シートに設けておき、当該マークの位置を合わせて接合すれば第２凸部と支柱の位置が重なるようにすればよい。
　以下、本発明のベーパーチャンバーをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
　平面視寸法が幅６０ｍｍ×長さ１００ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍの銅箔を第１シートとして準備した。第１シートを過硫酸ソーダでエッチングすることにより、四角柱形状の第１凸部及び円柱形状の第２凸部を第１シートの内壁面に形成した。
　第１凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は０．０１ｍｍ２とした。また、隣接する第１凸部同士の間隔は、０．１ｍｍとした。
　第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は０．３ｍｍ２とした。また、隣接する第２凸部同士の間隔は、３ｍｍとした。
　第１シートの内壁面からの第１凸部と第２凸部の高さは同じとした。
　別途、平面視寸法が幅６０ｍｍ×長さ１００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの銅箔を第２シートとして準備した。第２シートを過硫酸ソーダでエッチングすることにより、円柱形状の支柱を内壁面に形成した。
　支柱の高さ方向に垂直な断面の面積は０．３ｍｍ２とした。また、隣接する支柱同士の間隔は、３ｍｍとした。
　凸部が形成された第１シートと支柱が形成された第２シートとで挟持されるようにウィックを配置し、第１シートの外縁部と第２シートの外縁部とをレーザー溶接することにより封止した。ウィックとして、金属多孔質体を用いた。
　第１シートと第２シートを重ねる際に、第２凸部の位置と支柱の位置が重なるように、具体的には、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱の面積の９０％以上が第２凸部と重なるように、位置合わせを行った。
　溶接後、パイプにより作動液として、沸点が６５℃のメタノールを注入した。以上により、実施例１のベーパーチャンバーを得た。
（実施例２～４）
　第１シートと第２シートを重ねる際の位置合わせを調整して、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱の面積が第２凸部と重なる割合をそれぞれ表１に示すように変化させた。その他は実施例１と同様にしてベーパーチャンバーを得た。
（比較例１）
　第１シートをエッチングする際のパターンを変更して、凸部として実施例１における第１凸部と同じ大きさの凸部のみを形成した。すなわち、第２凸部を設けなかった。
　第１シートと第２シートを重ねる際には、特に位置合わせを意識して行わず、第１シート及び第２シートが対向する方向からの平面視において、支柱が第１凸部のいくつかと重なるようにした。その他は実施例１と同様にしてベーパーチャンバーを得た。
　各実施例及び比較例で得たベーパーチャンバーを恒温槽に載置し、恒温槽の温度を５℃／分の昇温速度で上昇させながらベーパーチャンバーの外観を観察した。ベーパーチャンバーに膨らみが生じた際の熱源の温度を膨らみ開始温度として記録した。膨らみ開始温度が高いほど、膨らみが生じにくいベーパーチャンバーであるといえる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、第１シートに第２凸部を設け、第２シートに支柱を設けて、支柱と第２凸部を重なる位置に配置することによりベーパーチャンバーが膨らむことを防止できることが分かった。
　また、支柱と第２凸部の重なりの面積を大きくすることにより膨らみをより効果的に防止できることが分かった。
　膨らみが生じた後の凸部、ウィック及び支柱の外観を観察した。
　図７は、比較例１の剥離面の外観を示す写真である。上の写真は剥離面を凸部側に向かって見た写真であり、剥離したウィックの下に存在していた凸部が見えている。下の写真は剥離面を支柱側に向かって見た写真であり、剥離したウィックとウィックの背後の支柱が見えている。
　第２凸部を設けていない比較例１では、ウィックの一部が支柱の断面形状に沿った形状で付着して、凸部とウィックの間で剥離する破壊モードが生じていた。
　これは、隣接する支柱同士の間隔が、隣接する凸部同士の間隔より大きいために、第２シート側での変形が生じやすいこと、及び、凸部の面積が支柱よりも小さいことに起因して、ウィックのうち支柱と接合された部分が凸部から引き剥がされていることを意味する。
　図８は、実施例１の剥離面の外観を示す写真である。上の写真は剥離面を凸部側に向かって見た写真であり、第２凸部とウィックが見えている。下の写真は剥離面を支柱側に向かって見た写真であり、剥離したウィックと支柱が見えている。
　一方、第２凸部を設けている各実施例では、ウィックの大部分が第２凸部に付着したままとなっており、ウィックと支柱の間で剥離する破壊モードが生じていた。
　第２凸部は面積が大きいためにウィックと強く接合する。そのため、ウィックが凸部から引き剥がされにくく、比較例１のような破壊モードが生じにくくなることを意味する。
　また、第２凸部と支柱が重なっていない部分では、ウィックの一部が支柱に付着して剥離する破壊モードが生じていた。第２凸部と支柱が重なっていない部分ではウィックが支柱に引っ張られるために、ウィックの一部が支柱に付着して剥離する破壊モードが生じることを意味する。
　本発明のベーパーチャンバーは、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、タブレット端末、ノートＰＣ等に使用することができる。
１、２　ベーパーチャンバー
１０　筐体
１１　第１シート
１１ａ　第１シートの内壁面
１２　第２シート
１２ａ　第２シートの内壁面
１３　内部空間
２０　作動液
３０　ウィック
３１　切り欠き部
４０　支柱
５０　封止部
６０　凸部
６１　第１凸部
６２　第２凸部
７０　発熱部材

 

Claims (13)

  1. 　外縁が接合された対向する第１シート及び第２シートから構成され、前記第１シートの内壁面と前記第２シートの内壁面との間に内部空間を有する筐体と、
    　前記筐体の内部空間に封入された作動液と、
    　前記第１シートの内壁面に間隔を空けて配置された複数の凸部と、
    　前記第２シートの内壁面に間隔を空けて配置された複数の支柱と、
    　前記支柱と前記凸部との間に配置されたウィックと、を備え、
    　前記凸部は、複数の第１凸部と、高さ方向に垂直な断面の面積が前記第１凸部よりも大きい複数の第２凸部と、を含み、
    　前記第１シート及び前記第２シートが対向する方向からの平面視において、前記支柱が前記第２凸部と重なる位置に配置されており、
    　前記支柱と前記ウィックが接合され、かつ、前記ウィックと前記第２凸部が接合されていることを特徴とするベーパーチャンバー。
  2. 　前記第１シート及び前記第２シートが対向する方向からの平面視において、前記支柱の面積の７５％以上が前記第２凸部と重なる請求項１に記載のベーパーチャンバー。
  3. 　前記第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、前記支柱の高さ方向に垂直な断面の面積よりも大きい請求項１又は２に記載のベーパーチャンバー。
  4. 　前記支柱の高さ方向に垂直な断面の面積に対する、前記第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積の割合は、１００％以上、１３０％以下である請求項１～３のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  5. 　前記第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、０．２ｍｍ２以上、４ｍｍ２以下である請求項１～４のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  6. 　前記支柱の高さ方向に垂直な断面の面積は、０．１５ｍｍ２以上、４ｍｍ２以下である請求項１～５のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  7. 　前記第２凸部同士の間隔は、前記第１凸部同士の間隔よりも大きい請求項１～６のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  8. 　前記第１凸部同士の間隔に対する、前記第２凸部同士の間隔の割合は、５倍以上、５０倍以下である請求項１～７のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  9. 　前記第２凸部同士の間隔は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である請求項１～８のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  10. 　前記第１凸部同士の間隔は、０．０５ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である請求項１～９のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  11. 　前記第１凸部の高さ方向に垂直な断面の面積に対する、前記第２凸部の高さ方向に垂直な断面の面積の割合は、２０倍以上、２００倍以下である請求項１～１０のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  12. 　前記第１凸部の高さ方向に垂直な断面の面積は、０．００２５ｍｍ２以上、０．０４ｍｍ２以下である請求項１～１１のいずれかに記載のベーパーチャンバー。
  13. 　請求項１～１２のいずれかに記載のベーパーチャンバーを備えることを特徴とする電子機器。

     
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