JP2016188734A - ベーパーチャンバー - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化でき、しかも強度に優れたベーパーチャンバーを提供する。【解決手段】作動流体を封入した所定の間隔をあけて互いに接合された一対の板材３，４によって容器２が構成され、下板３に、上板４に向けて凸となっている凸条部６と、上板４に対して凹となって上板４から離隔している凹部７とが、作動流体が蒸発する所定箇所から作動流体の蒸気が凝縮する他の箇所に亘って形成され、凸条部６と上板４との間に隙間部分１０が形成されるとともに隙間部分１０は液相の作動流体１１が浸入してメニスカスを形成することによる毛細管力によって液相の作動流体１１を保持しかつ流動させる液流路とされ、凹部７が作動流体の蒸気が流動する蒸気流路とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮性の作動流体の潜熱として熱を輸送するベーパーチャンバーに関するものである。

特許文献１に作動流体の潜熱として熱を輸送する熱輸送デバイスが記載されている。その熱輸送デバイスは、作動流体が封入された薄板状の容器内に積層体を配置した構成とされている。その積層体は気相の作動流体の流路となる気相メッシュ部材と、気相メッシュ部材に積層されかつ毛細管力を生じて液相の作動流体を凝縮部から蒸発部に還流させる液相メッシュ部材とによって構成されている。

特開２０１０−１５１３５５号公報

特許文献１に記載された熱輸送デバイスは、電子機器の冷却に使用できる、とされている。電子機器は、限られたスペースに多数の電子部品を収容した構造が一般的であるから、冷却のための部品も可及的に小型あるいは薄型であることが望まれる。しかしながら、特許文献１に記載された熱輸送デバイスは、積層構造のメッシュ部材を用いた構成であるから、薄型化や小型化が困難である。また、作動流体は加熱されて蒸発し、放熱して凝縮するから、熱輸送デバイスの内圧は高くなったり、負圧になったりする。したがって、内圧の変化に耐え得る構造が要求されるが、従来では、薄型化や小型化と強度とを両立させる技術がなく、新たな技術を開発する余地があった。

本発明は、上記の事情を背景としてなされたものであって、熱輸送特性を損なうことなく薄型化でき、しかも強度の維持に有利なベーパーチャンバーを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成するために、平板状の容器の内部に作動流体が封入され、前記容器の所定箇所に伝達された熱によって前記作動流体を蒸発させるとともに、作動流体の蒸気が前記容器の他の箇所に流動した後放熱して凝縮し、凝縮した作動流体を前記所定箇所に還流させるように構成されたベーパーチャンバーにおいて、前記容器は、前記作動流体を封入するように所定の間隔をあけて互いに接合された一対の板材によって構成され、前記一対の板材のうちの一方の板材に、前記一対の板材のうちの他方の板材に向けて凸となっている凸条部と、前記他方の板材に対して凹となって前記他方の板材から離隔している凹部とが、前記作動流体が蒸発する前記所定箇所から前記作動流体の蒸気が凝縮する前記他の箇所に亘って形成され、前記凸条部と前記他方の板材との間に隙間部分が形成されるとともに前記隙間部分は液相の前記作動流体が浸入してメニスカスを形成することによる毛細管力によって前記液相の作動流体を保持しかつ流動させる液流路とされ、前記凹部が前記作動流体の蒸気が流動する蒸気流路とされていることを特徴とするものである。

本発明では、複数本の前記凸条部が、前記作動流体の蒸発する前記所定箇所から放射状に設けられていてよい。

本発明では、前記作動流体は水とし、前記凸条部の前記他方の板材に対向している先端面と、前記他方の板材の前記先端面に対向している部分との親水性を、前記凹部の内面および前記他方の板材の前記凹部に対向している部分よりも高くすることができる。

また、本発明では、前記一対の板材の少なくとも一方の板材が、表面層を銅とした銅とステンレス鋼とのクラッド材によって構成され、前記銅が前記容器の内側に露出していてよい。

本発明では、前記一方の板材に、前記他方の板材に突き当てられた凸部が形成されるとともに、前記凸部が前記他方の板材に接合されていてよい。

本発明では、前記一方の板材は、前記凸条部および前記凹部に倣って凹凸に変形し、かつ前記他方の板材の前記一方の板材に対向する面とは反対側の面は、平坦面とされていてよい。

本発明によれば、互いに接合された一対の板材の間に、凸条部と他方の板材との間の隙間部分と、凹部による空間部とが形成され、これらの隙間部分および空間部に作動流体が封入されている。隙間部分は、液相の作動流体が浸入することによりメニスカスを形成し、メニスカスが形成されていることに伴う毛細管力によって液相の作動流体が前記隙間部分に保持され、かつ前記隙間部分を流動する。したがって、隙間部分が、液相の作動流体を蒸発の生じる箇所に還流させる液流路となっており、しかも隙間部分で毛細管力が生じるから、隙間部分がウイックの機能を果たす。そのため、本発明によれば、ウイック材を容器の内部に配置する必要がないので、ベーパーチャンバーを薄くすることができる。また、凸条部が補強リブとして機能するから、曲げ強度に優れたベーパーチャンバーとすることができる。

本発明に係るベーパーチャンバーの一例を示す一部破断した平面図である。 図１のII−II線矢視断面図である。 液流路となっている隙間部分の一つを拡大して示す部分断面図である。 本発明に係るベーパーチャンバーの他の例の一部を示す平面図である。 本発明に係るベーパーチャンバーの他の例を示す部分断面図である。

つぎに本発明を実施例を参照して説明する。図１は本発明に係るベーパーチャンバー１を一部破断して示している。ベーパーチャンバー１は気密性のコンテナ（本発明の「容器」に相当する）２を備え、そのコンテナ２の内部に、空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で凝縮性の作動流体が封入されている。コンテナ２は、一対の板材３，４を所定の間隔をあけた状態で接合して構成されている。板材３，４は、図１に示す例では、方形状もしくは矩形状であって、それぞれの周縁部で気密状態に接合されている。また板材３，４は、銅およびステンレス鋼を貼り合わせたクラッド材であり、銅とステンレス鋼との二層構造のクラッド材、およびステンレス鋼を銅で挟んだ三層構造のクラッド材のいずれであってもよい。各板材３，４をクラッド材とした場合、各板材３，４は、銅からなる面を互いに対向させて接合されており、したがってコンテナ２の内側には銅が露出している。なお、接合手段は必要に応じて適宜の手段を採用すればよく、溶接や拡散接合であってよい。

一方の板材（以下、仮に下板とする）３の上面５は、他方の板材（以下、仮に上板とする）４から離隔しており、上面５には、複数の凸条部６が上板４に向けて突出した状態に形成されている。したがって、上面５のうち凸条部６以外の部分は、上板４から大きく離隔し、凸条部６に対して相対的に窪んでいる。また、凸条部６は上面５の中心部から放射状に形成されている。図２は図１のII−II線矢視断面図であって、凸条部６は、上面５の中心から所定半径の円周上の位置を一端として放射状に延びており、他端は上板４に対して接合されている周縁部より内側にとどめられている。これらの凸条部６の間の部分が、上板４から大きく離隔した凹部７となっている。凸条部６の一端が上記の円周上に位置していて各凸条部６の一端同士が離隔し、かつ他端が前記周縁部より内側にとどまっていることにより、凹部７は、前記上面５の中心部および周辺部で互いに連通している。以下の説明では、各凹部７を連通させている前記中心側の空間部を中心側連通部８とし、各凹部７を周辺部で連通させている空間部を連通溝部９とする。これに対して、上板４は、単純な平坦形状であり、コンテナ２の外面となる面が平坦面となっている。

下板３と上板４とは気密状態に接合されており、空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で作動流体が封入されている。作動流体は、潜熱の形で熱を輸送する流体であり、水や代替フロン、アルコールなどを使用することができ、図１および図２に示す例では、水が作動流体として封入されている。

前記凸条部６と上板４との間の隙間部分１０について説明すると、この隙間部分１０は、図３に示すように、液相の作動流体（作動液）１１が浸入することによりメニスカスを形成して毛細管力を発生させ、その毛細管力によって作動液１１を保持するとともに、作動液１１を流動させる液流路となる部分である。このような作用を生じさせるために、凸条部６の先端面１２とこの先端面１２に対向する上板４の内面１３との間隔Ｌは、一例として０．１ｍｍあるいはこれに測定誤差や加工誤差を加えた寸法になっている。なお、上板４および下板３の板厚ｔ_４ ，ｔ_３ ならびに凸条部６の高さｈ_６は、それぞれ０．１ｍｍあるいはこれに測定誤差や加工誤差を加えた寸法になっている。一例として、凹部７の深さ（凹部７の底面と上板４との間隔）Ｄ_７は０．２ｍｍあるいはこれに測定誤差や加工誤差を加えた寸法であり、またベーパーチャンバー１の厚さは０．４ｍｍ程度である。

前記凸条部６と上板４との間の隙間部分１０を、作動液１１を浸入させて流動させる液流路とするために、凸条部６の先端面１２と上板４の内面１３のうち前記先端面１２と対向している箇所（以下、対向部という）１３ａとの親水性が他の部分の親水性より高められている。より具体的には、前記先端面１２と対向部１３ａとには濡れ角度が例えば０度程度になる親水処理が施されている。親水処理は、例えばサンドブラストやエッチングなどの粗面化処理や、銀のコーティングなどであってよい。これに対して凹部７の内面および上板４のうち凹部７に対向する箇所には濡れ角度が例えば９０度程度になる撥水処理が施されている。撥水処理は、フッ素樹脂やシリコーンオイルのコーティングもしくは塗布などであってよい。したがって凹部７は、作動液１１が排除されることにより、また断面積が前記隙間部分１０より広いことにより、作動流体の蒸気が流通する蒸気流路となっている。

図１ないし図３に示すベーパーチャンバー１は、上板４の中心部を図示しない冷却対象物に接触させて使用することを想定して構成されており、したがって図１に破線で示す領域が外部から熱が伝達されて作動液１１が蒸発する蒸発部１４となっている。その蒸発部１４の外側の部分が、作動流体の蒸気が放熱して凝縮する凝縮部となっている。

上記のベーパーチャンバー１の作用について説明する。冷却対象物の熱が蒸発部１４に伝達されると、その熱によって作動液１１が蒸発する。液流路となっている前記隙間部分１０で作動液１１が蒸発すると、メニスカスが低下して毛細管力が生じる。その毛細管力は、前記隙間部分１０に保持されている作動液１１に対してはポンプ力として作用する。そのため、作動液１１は、前記隙間部分１０を流路として、蒸発部１４側に流動させられる。すなわち、作動液１１が還流する。

作動流体の蒸気は前記凹部７内に広がり、凹部７の内部を流路として、コンテナ２内の温度および圧力の低い箇所に向けて流動する。各凹部７は、凸条部６およびその先端面１２側の隙間部分１０に保持されている作動液１１によって区画されているものの、前述した中心側連通部８およびコンテナ２の周辺部の連通溝部９によって連通しているので、各凹部７の内圧は均一化される。すなわち、作動流体の蒸気はコンテナ２の内部の全体に広がる。コンテナ２の周辺部の低温箇所すなわち凝縮部では、作動流体の蒸気の有する熱がコンテナ２の外部に放散させられ、作動流体の蒸気が凝縮する。

凝縮して生じた作動液１１は、凹部７の内面が撥水処理されているので凹部７の内部では、液滴となる。これに対して、前記隙間部分１０の内面は親水処理されており、しかも毛細管力を生じているから、作動液１１の液滴は隙間部分１０に吸引もしくは誘導され、その隙間部分１０に保持されている。そして、この隙間部分１０では作動液１１は前述した蒸発部１４側で生じるポンプ力によって蒸発部１４側に還流させられる。

本発明に係る上記のベーパーチャンバー１は、凸条部６と上板４との間に形成した隙間部分１０において毛細管力を発生させ、かつその隙間部分１０を流路として作動液１１を蒸発部１４側に還流させるように構成されている。したがって、コンテナ２の内部にウイック材を配置する必要がないので、コンテナ２を薄く構成してベーパーチャンバー１の薄型化を図ることができる。また、下板３は凸条部６および凹部７を形成するように厚さ方向に凹凸に曲げ加工（成形加工）され、凸条部６がリブとして機能するので、強度の高いベーパーチャンバー１とすることができる。ベーパーチャンバー１には冷却対象物である電子部品や放熱のためのヒートシンク（それぞれ図示せず）を接触させる。本発明に係る上記のベーパーチャンバー１では、上板４が平坦に形成されているので、冷却対象物の密着性が良好になり、冷却対象物との間の熱抵抗を低下させることができる。上記のベーパーチャンバー１は、スマートフォンなどの携帯型電子機器に使用することができ、その場合、ＣＰＵなどの発熱体を上板４の前記蒸発部１４に相当する箇所に密着させ、バッテリやケースあるいはディスプレーパネルもしくはヒートシンクなどの放熱箇所は下板３の下面に密着させることになる。下板３の下面は、例えば図２に示すように、凸条部６に対応する部分がコンテナ２の内側に向けて窪んでいるから、その部分では放熱箇所と接触しない。しかしながら、上述したベーパーチャンバー１では、中心部から周辺部に向けて放射状に熱が輸送され、作動流体の蒸気が放熱して凝縮する箇所の面積が広くなっている。そのため、下板３の下面と放熱箇所とが接触して両者の間で熱伝達する面の面積が広く、放熱箇所に対する熱伝達が損なわれることはない。

また、作動流体の蒸気は、蒸発部１４側から圧力の低い他の箇所に向けて、凹部７の内部を流路として流動するから、コンテナ２が置かれている向きもしくは姿勢に関係なく、作動流体の蒸気が流動する。また、作動液１１は、蒸発部１４側の前記隙間部分１０で生じる毛細管力をポンプ力として還流するから、コンテナ２が置かれている向きもしくは姿勢によっては、重力の影響を受けるものの、作動液１１は蒸発部１４に還流する。つまり、下板３と上板４とが図２に示す状態とは上下反転した状態にコンテナ２が保持されている場合、あるいは下板３および上板４が上下方向に立った状態にコンテナ２が保持されている場合などであっても、作動流体蒸気の流動および作動液１１の還流が円滑に行われる。そのため、本発明に係るベーパーチャンバー１は、携帯されることにより様々な向きもしくは姿勢に保持される携帯型電子機器に使用されて、そのヒートスポットの温度を好適に低下させることができる。

本発明は上述した実施例に限られないのであって、図４および図５に示すように構成してもよい。上述した実施例のベーパーチャンバー１は、熱を放射状に拡散させるように構成されているのに対して、図４および図５に示す例はコンテナ２の一方の端部側から他方の端部側に直線的に熱を輸送するように構成されている。したがって、凸条部６および凹部７がコンテナ２の長さ方向に向けてかつ互いに平行に形成され、さらに下板３と上板４とを連結する締結用の凸部１５が設けられている。下板３と上板４とはその周縁部で互いに接合されており、下板３には上板４に向けて凸となっている複数の凸条部６が互いに平行に形成されている。これらの凸条部６の間の部分が凹部７となっている。凸条部６の端部は、下板３と上板４とを接合している周縁部より内側に位置している。したがって凸条部６の端部と前記周縁部との間の部分が各凹部７を互いに連通させる連通溝部９となっている。なお、凸条部６の先端面１２と上板４との間の隙間部分１０は前述した図１ないし図３に示す例における隙間部分１０と同様に構成され、毛細管力を発生するウイックとして機能するとともに、作動液１１の流路となっている。

下板３のうち、凹部７内に相当する位置に、締結用の凸部１５が形成されている。凸部１５は、図４および図５に示す例では、上板４に向けて突出した円錐状の突起部であり、その先端は上板４に突き当てられている。そして、この凸部１５が上板４にスポット溶接などの手段で接合されている。すなわち下板３と上板４とはその周縁部で接合されるとともに、中央部分においては凸部１５を介して互いに接合されている。したがって、図４および図５に示す構成では、コンテナ２の長さあるいは幅を大きくした場合であっても、下板３と上板４との接合箇所が多くなり、また分散しているので、曲げ強度が高いことに加えて、コンテナ２が厚さ方向に膨らむなどの変形を防止することができる。

図４および図５に示すベーパーチャンバー１は、コンテナ２のうち前記凸条部６および凹部７の長手方向での一方の端部側の部分が蒸発部１４とされ、他方の端部側の部分が凝縮部として使用される。コンテナ２の外部から蒸発部１４に伝達された熱によって作動流体が蒸発し、その蒸気は凹部７を流路としてコンテナ２の他方の端部側に流れる。その後、コンテナ２の凝縮部とされている他方の端部側で作動流体蒸気が放熱して凝縮する。蒸気が凝縮して生じた作動液１１は、凹部７の内面の撥水作用や、凸条部６の先端面１２や上板４の内面１３における対向部１３ａが親水性であること、ならびに前記隙間部分１０で毛細管力が生じていることにより、隙間部分１０に吸引もしくは誘導される。前記蒸発部１４では、液流路となっている前記隙間部分１０の作動液１１が蒸発することによりメニスカスが低下し、いわゆるポンプ力が発生しているから、隙間部分１０に吸引もしくは誘導された作動液１１は、隙間部分１０を通って蒸発部１４側に還流する。結局、作動流体はコンテナ２の一方の端部側の蒸発部１４と他方の端部側の凝縮部との間を往復するように直線的に流動して熱を輸送する。したがって、コンテナ２を細長い形状とすることにより、遠く離れている冷却対象物と冷却部との間で熱輸送することができる。なお、図４および図５に示すベーパーチャンバー１は、前記凸部１５を除いた他の構成が前述した図１ないし図３に示すベーパーチャンバー１と同様である。したがって、図４および図５に示すように構成した場合であっても、図１ないし図３に示すベーパーチャンバー１と同様の作用・効果を得ることができる。

なお、この発明は上述した各実施例に限定されないのであって、凸条部６や凹部７は、直線状に形成される以外に湾曲して形成されていてもよい。また、凸条部６や凹部７あるいは凸部１５は、下板３を曲げ加工して形成する以外に、凸条部となる細長い部材を下板の底面に接合して形成し、あるいは下板の底面に肉盛りして形成してもよい。さらに、ベーパーチャンバーの全体としての外形形状は、方形もしくは矩形以外に適宜の多角形状や円形形状などの適宜の形状であってよい。また、前述した図４および図５に示す凸部１５と同様の凸部を、前述した図１ないし図３に示すベーパーチャンバーに形成してもよく、そのような構成であれば、コンテナ２の強度を更に向上させて曲げなどの変形を防止することができる。そして、前述した実施例で挙げてある寸法は、この発明の一例であって、この発明を限定しているものではない。

１…ベーパーチャンバー、 ２…コンテナ（容器）、 ３…板材（下板）、 ４…板材（上板）、 ６…凸条部、 ７…凹部、 ９…連通溝部、 １０…隙間、 １１…液相の作動流体（作動液）、 １２…先端面、 １３…内面、 １３ａ…対向部、 １４…蒸発部、 １５…凸部。

Claims (6)

1. 平板状の容器の内部に作動流体が封入され、前記容器の所定箇所に伝達された熱によって前記作動流体を蒸発させるとともに、作動流体の蒸気が前記容器の他の箇所に流動した後放熱して凝縮し、凝縮した作動流体を前記所定箇所に還流させるように構成されたベーパーチャンバーにおいて、
   前記容器は、前記作動流体を封入するように所定の間隔をあけて互いに接合された一対の板材によって構成され、
   前記一対の板材のうちの一方の板材に、前記一対の板材のうちの他方の板材に向けて凸となっている凸条部と、前記他方の板材に対して凹となって前記他方の板材から離隔している凹部とが、前記作動流体が蒸発する前記所定箇所から前記作動流体の蒸気が凝縮する前記他の箇所に亘って形成され、
   前記凸条部と前記他方の板材との間に隙間部分が形成されるとともに前記隙間部分は液相の前記作動流体が浸入してメニスカスを形成することによる毛細管力によって前記液相の作動流体を保持しかつ流動させる液流路とされ、前記凹部が前記作動流体の蒸気が流動する蒸気流路とされている
   ことを特徴とするベーパーチャンバー。
2. 複数本の前記凸条部が、前記作動流体の蒸発する前記所定箇所から放射状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のベーパーチャンバー。
3. 前記作動流体は水であり、
   前記凸条部の前記他方の板材に対向している先端面と、前記他方の板材の前記先端面に対向している部分との親水性が、前記凹部の内面および前記他方の板材の前記凹部に対向している部分よりも高い
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のベーパーチャンバー。
4. 前記一対の板材の少なくとも一方の板材が、表面層を銅とした銅とステンレス鋼とのクラッド材によって構成され、
   前記銅が前記容器の内側に露出している
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のベーパーチャンバー。
5. 前記一方の板材に、前記他方の板材に突き当てられた締結用の凸部が形成されるとともに、前記凸部が前記他方の板材に接合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のベーパーチャンバー。
6. 前記一方の板材は、前記凸条部および前記凹部に倣って凹凸に変形し、かつ
   前記他方の板材の前記一方の板材に対向する面とは反対側の面は、平坦面とされている
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のベーパーチャンバー。

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