JP2006503436A - 板型熱伝達装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

熱源と熱放出部との間に設けられ、上記熱源から熱を吸収しながら蒸発し、上記熱放出部で熱を放出しながら凝縮する冷媒が収容された熱伝導性板型ケース、及び上記ケース内部に設けられ、ワイヤーが上下に交互に交差することによって形成された少なくとも一層のメッシュを含む板型熱伝達装置が開示される。上記メッシュの上記交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って上記冷媒が蒸発された蒸気の流動可能な蒸気流路が形成される。

Description

本発明は、電子装備に採用される板型熱伝達装置に関するものであって、詳しくは、冷却装置ケースの歪みを防止すると同時に蒸気流路を確保することによって、製品の信頼性を確保するとともに熱伝達性能を向上させ得る板型熱伝達装置とそのような装置の製造方法に関する。

最近、ノートＰＣやＰＤＡのような電子装備は、高集積化技術の発展により、次第に小型化・薄型化されつつある。同時に、電子装備の高応答性（ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｓｓ）と機能向上に対する要求が高まるにつれて、消費電力も次第に増加している成り行きである。従って、電子装備の作動中、その内部の電子部品から多くの熱が発生するようになるが、このような熱を外部に放出させるために様々な板型熱伝達装置が採用されてきた。

上記のように、電子部品を冷却する装置の一例としてヒートパイプが広く知られている。ヒートパイプは、空気が遮断されるように密封された容器の内部を真空状態に減圧し、冷媒（ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）を注入した後密封した構造を有する。動作において、上記ヒートパイプが設けられた熱源の周りで冷媒は加熱されて蒸気化された後冷却部へ流動する。冷却部で上記蒸気は熱を外部に放出しながらまた凝縮して液体状態となり本来の位置に戻るようになる。このような循環構造によって、熱源から発生した熱は外部に放出されることによって装備が冷却される。

Ａｋａｃｈｉに許与された米国特許第５，６４２，７７５号は、毛細管トンネル（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｕｎｎｅｌｓ）と呼ばれる微細なチャンネルを有する薄板と、その内部に冷媒が充填された平板ヒートパイプの構造を開示している。上記板の一端が加熱されると、冷媒は加熱されて蒸気となった後、各チャンネルの他端の冷却部へ移動し、また冷却されながら凝縮して加熱部へ移動する。赤地の板型ヒートパイプはマザーボード（ｍｏｔｈｅｒｂｏａｒｄ）のプリント基板（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄｓ）の間に採用され得る。しかし、製造上押出（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）によって、上記のように小型で目の細かい毛細管チャンネルを多数形成するのは非常に難しい。

Ｉｔｏｈに許与された米国特許第５，３０６，９８６号には、エアーシーリングされた長方形の容器と上記容器内に充填されたヒートキャリア（冷媒）が開示されている。上記特許において、容器の内側面には、傾いた溝が形成されており、上記容器のコーナー部は鋭に形成されており、凝縮した冷媒が容器の全領域にわたって一様に分布することができるため、熱を效果的に吸収して放出することができるようになる。

Ｌｉらに許与された米国特許第６，１４８，９０６号には、電子装備の本体内部に位置した熱源から外部にあるヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）の方へ熱を伝達する板型ヒートパイプが開示されている。上記ヒートパイプは多数のロッド（ｒｏｄｓ）が収納される凹部（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ）が形成された金属製の床板と上記床板を覆う上部板からなる。上記床板と上部板及びロッド間の空間は減圧されて、冷媒で充填されるようになる。前述したように、上記冷媒はチャンネルの内部で加熱部から熱を吸収して蒸気の状態で冷却部へ移動し、冷却部で熱を放出しながら凝縮した冷媒はまた加熱部へ循環する動作を通じて装置を冷却させるようになる。

図１は、従来の冷却装置の他の例である熱拡散機が熱源１００とヒートシンク２００の間に設けられた様子を図示する。上記熱拡散機は、厚さが薄い密閉された金属ケース１の内部に冷媒が充填された構造であり、上記金属ケース１の内面にはウィック構造体（ｗｉｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）２が形成されている。上記熱源１００から発生された熱は熱源と接している熱拡散機内部のウィック構造体２へ伝達される。この領域でウィック構造体２に含体されていた冷媒が蒸発されて内部空間３を介して四方に拡散された後、ヒートシンク２００が設けられた冷却領域のウィック構造体で熱を放出した後凝縮する。このような凝縮過程で放出された熱はヒートシンク２００へ伝達されて、冷却ファン３００による強制対流方式で外部に放出される。

上記のような冷却装置は、液体状態の冷媒が熱源から熱を吸収して蒸発し、蒸発された蒸気はまた冷却領域に移動しなければならないので、上記蒸気の流動できる空間が確保されなければならない。しかし、厚さが薄い板型熱伝達装置において、蒸気流路を確保することは簡単なことではなく、特に板型熱伝達装置のケースの内部は真空状態（減圧状態）に維持されるので製造過程において上部板と下部板が凹んだり歪んだりする現象が発生し製品の信頼性を低下させるようになる。

本発明者らは、厚さが次第に薄くなっていく板型熱伝達装置において、ケース板の凹みを防止できると同時に、冷媒が蒸発された蒸気が円滑に流動できる蒸気流路の確保ができる方策を開発しようと鋭意研究した。
米国特許第５，６４２，７７５号 米国特許第５，３０６，９８６号 米国特許第６，１４８，９０６号

本発明は、上記のような背景で創案されたものであり、冷媒が蒸発された蒸気が冷却装置のケース内部で円滑に流動できる空間が確保されると同時に、上部板と下部板の間に介在されてこれらを支持することによって凹んだり歪んだりする現象を防止して製品信頼性の確保ができる板型熱伝達装置を提供することにその目的がある。

上記のような目的を達成するため、本発明による板型熱伝達装置は、熱源と熱放出部との間に設けられ、上記熱源から熱を吸収しながら蒸発し、上記熱放出部から熱を放出しながら凝縮する冷媒が収容された熱伝導性板型ケースと、上記ケース内部に設けられ、ワイヤーが上下に交互に交差することによって形成された少なくとも一層のメッシュとを含み、上記メッシュの上記交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って上記冷媒が蒸発された蒸気が流動可能な蒸気流路が形成される。

望ましくは、上記メッシュの目盛り幅Ｍが数式Ｍ＝（１−Ｎｄ）／Ｎで表され、Ｍが０．１９〜２．０ｍｍ（但し、Ｎはメッシュ数、ｄはワイヤーの直径を指す）である。

また、上記メッシュの目盛り面積は０．０３６〜４．０ｍｍ^２であることが望ましい。

望ましくは、上記メッシュのメッシュ数はＡＳＴＭ仕様Ｅ−１１−９５を基準として６０以下である。

本発明の他の実施例によると、上記冷媒の蒸気に対する流路を提供する少なくとも一層の粗いメッシュと、上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きいメッシュ数を有し、上記冷媒の液体に対する流路を提供する少なくとも一層の細かいメッシュとを含む。

望ましくは、上記細かいメッシュの目盛り幅Ｍが数式Ｍ＝（１−Ｎｄ）／Ｎで表され、Ｍが０．０１９〜０．１８ｍｍ（但し、Ｎはメッシュ数、ｄはワイヤーの直径を指す）である。

望ましくは、上記細かいメッシュワイヤーの直径は０．０２〜０．１６ｍｍである。

また上記細かいメッシュの目盛り面積は０．０００３６〜０．０３２４ｍｍ^２であることが望ましい。

望ましくは、上記細かいメッシュのメッシュ数はＡＳＴＭ仕様Ｅ−１１−９５を基準として８０以上である。

望ましくは、細かいメッシュは熱源に隣接して配置され、細かいメッシュ上に積層される粗いメッシュは熱放出部に隣接するように配置される。

本発明の他の実施例によると、上記粗いメッシュは、上記細かいメッシュ層の間に介在されて積層され得る。

本発明のより望ましい実施例によると、細かいメッシュの間にある粗いメッシュの少なくとも一部の領域に、上記細かいメッシュを連結して液体流路を提供するように少なくとも一層以上の細かいメッシュがさらに備えられることができる。

本発明の他の実施例によると、上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きくて、上記細かいメッシュのメッシュ数より相対的に小さいメッシュ数を有する少なくとも一層の中間メッシュをさらに含むことができる。

望ましくは、上記粗いメッシュは、上記細かいメッシュと中間メッシュの間に介在されて積層される。

さらに望ましくは、上記細かいメッシュと中間メッシュとの間にある粗いメッシュの少なくとも一部の領域に、上記細かいメッシュ層と中間メッシュ層とを連結して流路を提供する少なくとも一層以上の細かいメッシュがさらに備えられることができる。

代案として、上記細かいメッシュと中間メッシュとの間にある粗いメッシュの少なくとも一部の領域に上記細かいメッシュ層と中間メッシュ層とを連結して流路を提供する少なくとも一層以上の中間メッシュがさらに備えられることができる。

本発明の望ましい実施例によると、上記細かいメッシュは上記熱源に隣接するように配置されて、熱源から吸収された熱によって上記冷媒が蒸発されて蒸気となり、上記粗いメッシュは上記細かいメッシュと接触するように配置されて、上記蒸発された蒸気が流動する流路を提供し、上記中間メッシュは上記粗いメッシュと接触すると同時に上記熱放出部に隣接するように配置されて、上記熱放出部に熱を放出することによって上記蒸気が凝縮する板型熱伝達装置が提供される。

本発明の他の実施例によると、中間メッシュには、上記粗いメッシュから流入される蒸気が流動するように蒸気流動空間が形成され得る。

本発明の他の実施例による板型熱伝達装置は、上記板型ケース内に上記メッシュと接触するように設けられ、その表面には上記冷媒が含体されて流動すると同時に上記熱源から吸収された熱によって蒸気に蒸発されて上記メッシュに向かうように凹凸が形成されたウィック構造体をさらに含むことができる。

望ましくは、上記板型ケースは電解銅箔で製造され、粗い面がケースの内面になるようにする板型熱伝達装置が提供され得る。

本発明によると、上記メッシュは、金属、ポリマーまたはプラスチックのうち何れか一つからなることが望ましい。ここで、上記金属は、銅、アルミニウム、ステンレススチールまたはモリブテンのうち何れか一つまたはこれらの合金を含む。

また、本発明の望ましい実施例による板型ケースは、金属、ポリマーまたはプラスチックのうち何れか一つからなり、上記金属は銅、アルミニウム、ステンレススチールまたはモリブテンのうち何れか一つまたはこれらの合金を含む。

本発明のまた他の態様によると、熱伝導性板型ケースの上板と下板とをそれぞれ形成する段階と、上記ケース内に、ワイヤーが上下に交互に交差することによって、その交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って、上記冷媒が蒸発された蒸気が流動可能な蒸気流路を形成する少なくとも一層のメッシュを挿入する段階と、上記上板と下板とを接合してケースを作る段階と、上記接合されたケースの内部に真空状態で冷媒を注入する段階と、上記冷媒が注入されたケースを密封する段階とを含む板型熱伝達装置の製造方法が提供される。

本発明さらに他の態様によると、熱伝導性板型ケースの上板と下板とをそれぞれ形成する段階と、上記ケース内に、ワイヤーが上下に交互に交差することによって、その交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って上記冷媒が蒸発された蒸気が流動可能な蒸気流路を形成する少なくとも一層の粗いメッシュと、上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きいメッシュ数を有し、上記冷媒に対する液体流路を提供する少なくとも一層の細かいメッシュを挿入する段階と、上記上板と下板とを接合してケースを作る段階と、上記接合されたケースの内部に真空状態で冷媒を注入する段階と、上記冷媒が注入されたケースを密封する段階とを含む板型熱伝達装置の製造方法が提供される。

望ましくは、上記上板と下板とは、ブレージング、ＴＩＧ溶接、はんだ付け、レーザー溶接、電子ビーム溶接、摩擦溶接、ボンディングまたは超音波溶接のうち何れか一つの方法で接合され得る。

本発明によれば、上記のような背景で創案されたものであり、冷媒が蒸発された蒸気が冷却装置のケース内部で円滑に流動できる空間が確保されると同時に、上部板と下部板の間に介在されてこれらを支持することによって凹んだり歪んだりする現象を防止して製品信頼性の確保ができる板型熱伝達装置を提供することができる。

発明の実施のための最良の形態

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。

図２には、本発明の望ましい実施例による板型熱伝達装置の断面図が示されている。図面を参照すると、本発明の板型熱伝達装置は、熱源１００とヒートシンクのような熱放出部４００との間に設けられた板型ケース１０と、上記ケース１０の内部に挿入されたメッシュ２１と、上記ケース１０の内部で熱を伝達する媒介体となる冷媒とを含む。

上記板型ケース１０は、熱源１００から熱を吸収し、また熱放出部４００で熱を放出しやすいように熱伝導性に優れた金属、伝導性ポリマーまたは熱伝導プラスチックなどからなる。

本発明によると、上記板型ケース１０の上板１１と下板１２との間には、ワイヤーが上下に交互に交差することによって形成されたメッシュ２１が備えられる。上記メッシュ２１の構造に対する平面図が図５及び図７に詳しく示されている。

図面を参照すると、上記メッシュ２１は、横ワイヤー２２ａ、２２ｂと縱ワイヤー２２ａ、２２ｂとが互いに互するように交差しながら製織される。このようなメッシュ２１は、金属、ポリマーまたはプラスチックのうち何れか一つからなり得る。望ましくは、上記金属は、銅、アルミニウム、ステンレススチールまたはモリブテンのうち何れか一つまたはこれらの合金である。また、上記メッシュ２１は、後述するように正方形、長方形または所望の熱伝達装置のケースの形態によって様々な形で作製できる。

図７を参照すると、一般的にメッシュ２１の目盛り（ｏｐｅｎｉｎｇ）幅Ｍは、次のように表される。

（数１）
Ｍ＝（１−Ｎｄ）／Ｎ

ここで、ｄは金属ワイヤーの直径（ｉｎｃｈ）を示し、Ｎはメッシュ数（１インチの長さに存在するメッシュ格子数）を示す。

本発明において、上記メッシュ２１は、熱源１００により蒸発された冷媒の蒸気が流動できる蒸気流路を提供する手段になる。詳しくは、一枚のメッシュの一部分に対する側面図を示した図８を参照すると、横ワイヤー２２ｂが縱ワイヤー２３ａの下面と接触し他の縦ワイヤー２３ｂの上面と接触するように配列されている。このとき、横ワイヤー２２ｂの上面と下面の周りにはそれぞれスペースができるようになるが、これが蒸気流路Ｐｖとして機能するようになる。上記蒸気流路Ｐｖは、横ワイヤー２２ｂと縱ワイヤー２３ａ、２３ｂが接触する地点Ｊからそれぞれのワイヤーの表面に沿って形成され、その断面積は接触地点Ｊから遠ざかるほど次第に狭まくなる。ひいては、図７に示されたように、上記蒸気流路Ｐｖは横ワイヤー２２ｂと縱ワイヤー２３ａ、２３ｂとが互いに交差するすべての地点Ｊから上下左右のすべての方向に形成されるので、このような流路を通って冷媒の蒸気が四方に円滑に拡散されることができる。このような蒸気流路Ｐｖの最大断面積Ａは次のように計算される。

（数２）
Ａ＝（Ｍ＋ｄ）・ｄ・πｄ２

上記（数１）及び（数２）からわかるように、最大流路断面積Ａは、メッシュ数Ｎが減少するほど、ワイヤーの直径ｄが大きくなるほど増加するようになる。

一方、図９に示したように、横ワイヤー２２ｂと縱ワイヤー２３ａ、２３ｂとの交差地点Ｊにある蒸気流路には、冷媒の表面張力のため液膜２６が形成されるが、これによって実際に冷媒の蒸気が流動できる実際の蒸気流路Ｐｖ’の断面積は、最大流路断面積Ａより減少するようになる。ここで、最大流路断面積Ａに対する上記液膜２６の面積比はメッシュ数Ｎが減少するほど、そしてワイヤーの直径ｄが増加するほど減少する。ヒートパイプを具現するため、上記メッシュを密閉ケース内部に装着して冷媒を充填する場合、メッシュ数Ｎが非常に大きく、ワイヤーの直径ｄが非常に小さいと、最大流路断面積Ａがかなり小さくなり流動抵抗が増加し、また表面張力によって蒸気流路が液体で塞がるようになり蒸気が流動できなくなる。本発明者の実験によると、ＡＳＴＭ仕様（ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）Ｅ−１１−９５によるメッシュの場合、メッシュ数Ｎが６０以下であるため、本発明に採用可能である。このとき、上記ワイヤーの直径ｄが０．１７ｍｍ以上であれば、最大流路断面積Ａが増加して冷媒の蒸気が流動するのに差し支えがない。

本発明者の実験によると、上記メッシュワイヤーの直径ｄは、０．１７〜０．５ｍｍ、メッシュの目盛り幅Ｍは、０．１９〜２．０ｍｍ、メッシュの目盛り面積は、０．０３６〜４．０ｍｍ^２であることが望ましい。

また、図１０に示されたように、横ワイヤー２２ａ、２２ｂと縱ワイヤー２３ａ、２３ｂとが交差する地点Ｊの平面上でも冷媒の表面張力によって液膜（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）２７が形成される。この液膜２７は、後述するように、冷媒の蒸気が外部に熱を伝達して凝縮する凝縮部の役割と、凝縮した液体冷媒が流動できる液体流路の役割を遂行する。

本発明の望ましい一実施例として示された図２の板型熱伝達装置は、板型ケース１０内に一層のメッシュ２１のみを含む。このような場合、液体状態である冷媒の含体と凝縮及び円滑な流動のために、板型ケース１０内に前述したウィック構造体（ｗｉｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１０ａが提供され得る。望ましくは、上記ウィック構造体は、銅、ステインレススチール、アルミニウムまたはニッケルパウダーを焼結して製造される。他の例として、上記ウィック構造体は、ポリマー、シリコン、シリカ（ＳｉＯ２）、銅板、ステインレススチール、ニッケルまたはアルミニウム板をエッチング加工することによって形成され得る。

代案として、本発明による冷却装置の板型ケースが電解銅箔で作製される場合、外部表面は滑らかである反面、その内部表面は、１０μｍ内外の小さな凹凸からなった粗い構造が得られるためウィック構造体として用いることができる。

このように、ケース内面に自体的にウィック構造が設けられた場合、ケース内部には、蒸気流路を提供するメッシュ層のみ備えられれば済むので冷却装置の厚さをさらに減らすことができる。

ひいては、本発明のケースに採用され得るウィック構造体は、Ｂｅｎｓｏｎらに許与された米国特許第６，０５６，０４４号に開示されたマイクロ加工（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）方法によって作製された様々な形態のウィック構造を含むものとして理解すべきである。

本発明の望ましい実施例によると、凝縮した冷媒が流動する液体流路は細かいメッシュによっても達成され得る。即ち、図３に示したように、蒸気流路の役割を果すメッシュ２１下部の熱源１００が隣接する側面には、液体流路の役割を果すため、細かいメッシュ３１（図６の平面図参照）が備えられ得る。

上記細かいメッシュ３１は、上記蒸気流路の役割を果すメッシュ２１に比べて相対的にメッシュ数Ｎが大きいメッシュとして、望ましくは、ＡＳＴＭ仕様Ｅ−１１−９５によるメッシュ数Ｎが８０以上のメッシュである。本発明者の実験によると、上記細かいメッシュのワイヤーの直径ｄは、０．０２〜０．１６ｍｍ、メッシュの目盛り幅Ｍは０．０１９〜０．１８ｍｍ、メッシュの目盛り面積は０．０００３６〜０．０３２４ｍｍ^２であることが望ましい。

以下、本明細書及び特許請求範囲において、上記蒸気流路の役割を果す相対的にメッシュ数Ｎが小さいメッシュを粗いメッシュと称し、上記液体流路の役割を果す相対的にメッシュ数Ｎが大きいメッシュを細かいメッシュと称する。

前述したように、メッシュ数Ｎが相対的に大きい細かいメッシュは、液膜が容易に形成されるので液体が流動しやすくなる。従って、蒸発された冷媒の蒸気が熱を放出した後凝縮して液体状態となると、このような細かいメッシュを通って流動できるようになる。

図４は、三重の粗いメッシュ２１が積層されて成った粗いメッシュ層２０と、三重の細かいメッシュ３１が積層されて成った細かいメッシュ層３０とを含む板型熱伝達装置の例を示している。上記メッシュの階数は、本実施例によって限定されず、冷却容量や電子装備の厚さなどを考慮して適切に選択され得る。

上記のような板型熱伝達装置は、望ましくは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの厚さを有するように作製されるが、必要によっては２．０ｍｍ以上に作製されることもある。また、上記板型ケース（図２の１０）は、一般的に上板１１と下板１２とを相互接合することによって作製されるが、その形状は正方形、長方形及びその他の様々な形で作製可能である。ケースの上板１１と下板１２とは、望ましくは、０．５ｍｍ以下の厚さを有する金属、ポリマー及びプラスチックなどを用いて作製されることができ、金属の場合には銅、ステンレススチール、アルミニウム及びモリブデンなどが用いられ、ポリマーの場合には熱伝導性ポリマーを含む熱伝導性に優れたポリマー材質を用いることができ、プラスチックの場合にも熱伝導性に優れたプラスチックの採用が可能である。上記ケースは上記のような材料を所望の形状に切断して上板１１と下板１２とを作った後、ブレージング、ＴＩＧ溶接、 はんだ付け、レーザー溶接、電子ビーム溶接、摩擦溶接及びボンディングなどの様々な方法を用いて接合できる。接合されたケースの内部には、真空状態または低圧状態に減圧された後、水、エタノール、アンモニア、メタノール、窒素またはフレオンのような冷媒を充填し、密封する。望ましくは、上記冷媒の充填量はケース内部の空間体積の２０〜８０％の範囲に設定される。

それでは、本発明の望ましい実施例による板型熱伝達装置の動作を図３を参照して説明する。

図３に示されているように、本発明による冷却装置の下板１２は熱源１００と隣接し、上板１１にはヒートシンクや冷却ファンのような熱放出部が備えられる。この状態で、熱源１００から発生した熱は、ケース１０の下板１２を通って細かいメッシュ３１へ伝達される。そうすると、細かいメッシュ３１に含体されていた冷媒が加熱されて蒸発され、蒸発された蒸気は粗いメッシュ２１の蒸気流路を通って冷却装置内部で四方に拡散される。

上記拡散された蒸気は、粗いメッシュ２１のワイヤーの交差地点Ｊとケース１０の上板１１との間で凝縮する。上記凝縮過程で発生した凝縮熱はケース上板１１へ伝達され、続いて伝導熱伝達、自然対流、或いは、例えば、冷却ファンによる強制対流方式により外部に放出される。

凝縮した液体状態の冷媒は、図１０に示された粗いメッシュ２１の交差地点Ｊを通って細かいメッシュ３１へ流動する。この液体状態の冷媒はまた熱源１００の上部に位置した細かいメッシュ３１での蒸発による毛細管力によって細かいメッシュ２１を通って蒸発部に帰還する。

図２に示された実施例の場合には、上記細かいメッシュの機能は、板型ケース１０内面に形成されたウィック構造体によって達成される。即ち、液体冷媒は上記ウィック構造体で蒸発され、凝縮して流動する。

上記からわかるように、上記細かいメッシュ３１または細かいメッシュ層３０は、熱源の位置によって蒸発部、凝縮部及び蒸発部への液体供給流路の役割を果して、粗いメッシュ２１または粗いメッシュ層２０は主機能である蒸気流路としての役割とともに凝縮部及び凝縮した液体冷媒が蒸発部である細かいメッシュ層３０に帰還する帰還路の役割を兼ねるようになる。本発明によると、粗いメッシュが蒸気流路の役割を果すので、別途の蒸気流路を確保するためにスペースを形成する必要がなく、メッシュがケースの上板と下板との間に介在されてこれらを支持するので、冷媒充填のための真空作業の際にもケースが凹む現象が発生しないようになる。

本発明によると、粗いメッシュと細かいメッシュは、様々な形態で備えられるが、これらに関する実施例が図１１ないし図１７に示されている。以下、これら図面にて同一の構成要素は同一の部材番号にて表記される。

本発明の望ましい実施例による他の冷却装置が図１１に示されている。図面を参照すると、冷却装置のケース１０の上板１１と下板１２の内面には、 細かいメッシュ層３０ａ、３０ｂが形成され、その細かいメッシュ層３０ａ、３０ｂの間には、蒸気流路の役割を果す粗いメッシュ層２０が介在される。図面において、細かいメッシュ層３０ａ、３０ｂは少なくとも一層以上の細かいメッシュを含みハッチングで図式的に表現されており、粗いメッシュ層２０は少なくとも一層以上の粗いメッシからなりドットで示された。

例えば、下板１２が熱源（図示せず）と接触すると同時に上板１１に熱放出部（図示せず）が備えられる場合、下板１２と接触する下部の細かいメッシュ層３０ａから蒸発された冷媒の蒸気は、粗いメッシュ層２０の蒸気流路を通って四方に拡散された後、望ましくは上記上板１１と接触する上部細かいメッシュ層３０ｂから、熱を放出し凝縮して液体状態になる。上記細かいメッシュのメッシュ数Ｎが粗いメッシュに比べて相対的に大きいので、その分冷媒の蒸気が凝縮し得る凝縮点が多くなり、熱放出の効率が向上する。まら、上記上部の細かいメッシュ層３０ｂは、凝縮した冷媒が粗いメッシュ層２０を通って下部の細かいメッシュ層３０ａへ流動できるように復帰流路を提供する。

本発明のさらに他の実施例を示した図１２には、熱放出部から熱を放出し上部の細かいメッシュ層３０ｂで凝縮した冷媒が下部の細かいメッシュ層３０ａへ移動しやすいように、上記細かいメッシュ層３０ａ、３０ｂの間にある粗いメッシュ層２０の少なくとも一部の領域に、上記細かいメッシュ層３０ａ、３０ｂを相互連結して液体流路を提供する少なくとも一層以上の細かいメッシュ３０ｃが示されている。

本発明によると、３種以上のメッシュ数を有する異なるメッシュ層が複合的に備えられることもできるが、このような例は図１３に図示されている。
図１３の熱伝達装置において、熱源（図示せず）が隣接したケース１０の下板１２の内面には液体冷媒に熱を伝達してこれを蒸発させる少なくとも一層以上の細かいメッシュからなった細かいメッシュ層３０ａが備えられ、上記細かいメッシュ層３０ａ上には蒸発された冷媒の蒸気に対する流路を提供するために少なくとも一層以上の粗いメッシュからなった粗いメッシュ層２０が設けられる。また、熱放出部（図示せず）が位置するケースの上板１１の内面には、上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きく、上記細かいメッシュのメッシュ数より相対的に小さいメッシュ数を有する少なくとも一層の中間メッシュからなった中間メッシュ層４０ａが備えられる。ここで、上記中間メッシュ層４０ａは冷媒の蒸気の凝縮熱伝達をさらに向上させる。

ひいては、図１４に示されたように、上記中間メッシュ層４０ａで凝縮した冷媒に対する細かいメッシュ層３０ａへの液体流路を提供するために上記中間メッシュ層４０ａと細かいメッシュ層３０ａとの間にある粗いメッシュ層２０の少なくとも一部の領域に上記中間メッシュ層４０ａと細かいメッシュ層３０ａを連結する少なくとも一層以上の中間メッシュ層４０ｂがさらに備えられる。たとえ図面として図示されてはいないが、上記中間メッシュ層４０ｂは細かいメッシュ層に代替できる。

図１５ないし図１７は、本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置の構造を示す。図１６は、図１５の冷却装置に対するＢ‐Ｂ’線平断面図であり、図１７は、図１６のＣ‐Ｃ’線側断面図である。本実施例は板型のヒートパイプとして用いられるのにさらに適切である。

図面を参照すると、熱源１００’と隣接するケース１０内部には細かいメッシュ層３０が設けられ、熱を放出して冷媒が凝縮する熱放出部２００’には中間メッシュ層４０が備えられる。また、上記細かいメッシュ層３０と中間メッシュ層４０は粗いメッシュ層２０によって連結される。ここで、上記細かいメッシュ層３０は冷媒の蒸発部として、上記粗いメッシュ層２０は蒸気の流動通路として、そして上記中間メッシュ層４０は冷媒の凝縮部として主に機能する。従って、熱源１００’から細かいメッシュ層３０へ伝達された熱によって冷媒が蒸発され、上記冷媒の蒸気は粗いメッシュ層２０の蒸気流路を通って上記中間メッシュ層４０へ流動する。続いて、中間メッシュ層４０で蒸気は熱放出部２００’へ熱を放出して凝縮する。凝縮した液体状態の冷媒はまた細かいメッシュ層３０を通って毛細管力によって蒸発部に戻る。

本実施例によると、凝縮熱伝達を促進させ、液膜形成による蒸気流路の遮断を防止するために上記中間メッシュ層４０には、上記粗いメッシュ層２０から流入される冷媒の蒸気が流動するように蒸気流動空間（図１６及び図１７の５０）が形成されるのが望ましい。この場合、粗いメッシュ層２０を通過した蒸気が中間メッシュ層４０の隅々にさらに拡散されて凝縮及び放熱效果がさらに向上し得る。

代案として、上記中間メッシュ層４０を細かいメッシュ層に代替でき、この場合細かいメッシュ層にも前述したものと同様の蒸気流動空間が形成され得る。ひいては、上記蒸気流動空間は本実施例に限定されるものではなく、粗いメッシュと連通されて粗いメッシュの蒸気流路を通過した冷媒の蒸気を凝縮部または熱放出部に誘導できるようにケース内部に適切に設計されることができる。
＜実験例＞

電解銅箔を用いて厚さ７０μｍの上板と下板をそれぞれ作製した後ウィック構造体を有する粗い面を内面に向くようにケースを作製した。ケースの長さは８０ｍｍ、幅は６０ｍｍ、高さは０．７８ｍｍである。上記ケース内部には９９重量％以上の銅からなった銅メッシュが内蔵されたが、上記銅メッシュは、一層の粗いメッシュと一層の細かいメッシュからなる。粗いメッシュのワイヤーの直径ｄは、０．２２５ｍｍ、厚さは０．４１ｍｍ、メッシュ数Ｎは１５であり、細かいメッシュのワイヤーの直径ｄは０．１１ｍｍ、 厚さは０．２２ｍｍ、メッシュ数Ｎは１００であった。上記ケースの上板と下板とは日本の電気化学工業（ＤＥＮＫＡ）社で製造した変性アクリル系の２成分ボンド（ＨＡＲＤＬＯＣ Ｃ−３２３−０３ＡとＣ−３２３−０３Ｂ）を用いて密封した。ケース内部に冷媒を注入する前にロータリー真空ポンプと拡散真空ポンプを用いてケースの内部を１．０×１０^−７ｔｏｒｒまで真空状態にした後、冷媒である蒸留水を２．３ｃｃ充填した後密封した。

本発明の実験例と対比するための比較例として、上記ケースと同じ大きさの銅試片を用意した。

上記ケースと銅試片の上面が冷却ファンが装着されたピンヒートシンクの下部と接触するように装着し、その下面には長さと幅がそれぞれ２０ｍｍである熱源をそれぞれ付着し、同一の外気条件及び一定のファン速度で熱源の発熱量を３０Ｗ、４０Ｗ、５０Ｗに増加させながら熱源表面の温度とピンヒートシンクの下部面の温度を測定して、熱源表面から周囲の外気の間の熱抵抗を計算した。また、板型熱伝達装置及び銅試片を装着せずに熱源をピンヒートシンクの下部面に直接付着して同一の実験を行った。これに対する結果は、表１に示している。

上記表の結果からわかるように、本発明による板型熱伝達装置の熱抵抗度は何も装着しない場合より１．９倍以上大きく、銅より１．５倍以上大きい。特に、熱源の温度は何も装着しない場合より２０℃以上、銅より１０℃以上低い結果が得られた。このように本発明の板型熱伝達装置は優れた熱伝達性能を有するので各種の電子装備の冷却のための熱伝達装置として採用することができる。

本発明による冷却装置は、蒸気流路を提供するメッシュを用いて平面形状の薄い厚さを有しながら様々な形態に具現し得る板型熱伝達装置の製造ができる。特にＭＥＭＳ工程やエッチング工程のような、高い費用がかかる工程を要することなく、安価のメッシュとケースを用いて非常に安い価格で板型熱伝達装置を提供することができる。ひいては、冷却装置内に備えられたメッシュは、製造工程の真空処理や工程後にケースが凹んだり歪んだりすることを防止するため、製品の信頼性を向上させ得る利点がある。本発明の板型熱伝達装置は、携帯電子装備を含む各種の電子装備の冷却に効率的に用いられる。

本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は本発明の最も望ましい一実施例にすぎず、本発明のすべての思想を代表するものではない。従って、本出願の時点でこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

明細書内に統合されており明細書の一部を構成する添付図面は、現在の好ましい実施例を例示し、次の望ましい実施例の詳細な説明と共に本発明の原理を説明する役割を果す。
従来の技術による板型熱伝達装置の一例を示した断面図である。 本発明の望ましい実施例による板型熱伝達装置を示した断面図である。 本発明の他の実施例による板型熱伝達装置を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置を示した断面図である。 本発明の望ましい実施例により採用された粗いメッシュの構造を示した平面図である。 本発明の望ましい実施例により採用された細かいメッシュの構造を示した平面図である。 本発明の望ましい実施例により採用されたメッシュの一部の詳細構造を示した平面図である。 本発明の望ましい実施例によりメッシュに蒸気流路が形成された様子を示した側断面図である。 本発明の望ましい実施例によりメッシュに液膜が形成された様子を示した側断面図である。 図７と類似な図面であり、液膜が形成されたメッシュを示した平面図である。 本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置の構造を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置の構造を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置の構造を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置の構造を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施例による板型熱伝達装置の構造を示した断面図である。 図１５のＢ‐Ｂ’線断面図である。 図１５のＣ‐Ｃ’線断面図である。

符号の説明

１０ 板型ケース
１１ 板型ケースの上板
１２ 板型ケースの下板
２０、３０、３０ａ、３０ｂ、４０、４０ａ、４０ｂ メッシュ層
２１、３１ メッシュ
２２ａ、２２ｂ 縦ワイヤー、横ワイヤー
１００ 熱源
１００’ 、２００’ 、４００ 熱放出部

Claims (33)

1. 熱源と熱放出部との間に設けられ、上記熱源から熱を吸収しながら蒸発し、上記熱放出部から熱を放出しながら凝縮する冷媒が収容された熱伝導性板型ケースと、
   上記ケース内部に設けられ、ワイヤーが上下に交互に交差することによって形成された少なくとも一層のメッシュとを含み、
   上記メッシュの上記交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って上記冷媒が蒸発された蒸気が流動可能な蒸気流路が形成される板型熱伝達装置。
2. 上記メッシュの目盛り幅Ｍが、数式Ｍ＝（１−Ｎｄ）／Ｎで表され、Ｍが０．１９〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置（但し、Ｎはメッシュ数、ｄはワイヤーの直径を指す）。
3. 上記メッシュワイヤーの直径が、０．１７〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置。
4. 上記メッシュの目盛り面積が、０．０３６〜４．０ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置。
5. 上記メッシュのメッシュ数が、ＡＳＴＭ仕様Ｅ−１１−９５を基準として、６０以下であることを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置。
6. 上記メッシュは、上記冷媒の蒸気に対する流路を提供する少なくとも一層の粗いメッシュと、上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きいメッシュ数を有し、上記冷媒の液体に対する流路を提供する少なくとも一層の細かいメッシュとを含むことを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置。
7. 上記細かいメッシュの目盛り幅Ｍが、数式Ｍ＝（１−Ｎｄ）／Ｎで表され、Ｍが０．０１９〜０．１８ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置（但し、Ｎはメッシュ数、ｄはワイヤーの直径を指す）。
8. 上記細かいメッシュワイヤーの直径が、０．０２〜０．１６ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置。
9. 上記細かいメッシュの目盛り面積が、０．０００３６〜０．０３２４ｍｍ^２であることを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置。
10. 上記粗いメッシュのメッシュ数が、ＡＳＴＭ仕様Ｅ−１１−９５を基準として６０以下であり、上記細かいメッシュのメッシュ数は、ＡＳＴＭ仕様Ｅ−１１−９５を基準として８０以上であることを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置。
11. 上記細かいメッシュは、上記熱源に隣接して配置され、上記細かいメッシュ上に積層される粗いメッシュは、熱放出部に隣接するように配置されたことを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置。
12. 上記粗いメッシュが、上記細かいメッシュ層の間に介在されて積層されたことを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置。
13. 上記細かいメッシュの間にある粗いメッシュの少なくとも一部の領域に上記細かいメッシュを連結して液体流路を提供するように、少なくとも一層以上の細かいメッシュがさらに備えられることを特徴とする請求項１２に記載の板型熱伝達装置。
14. 上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きく、上記細かいメッシュのメッシュ数より相対的に小さいメッシュ数を有する少なくとも一層の中間メッシュをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の板型熱伝達装置。
15. 上記粗いメッシュが、上記細かいメッシュと中間メッシュとの間に介在されて積層されたことを特徴とする請求項１４に記載の板型熱伝達装置。
16. 上記細かいメッシュと中間メッシュとの間にある粗いメッシュの少なくとも一部の領域に、上記細かいメッシュ層と中間メッシュ層とを連結して流路を提供する、少なくとも一層以上の細かいメッシュがさらに備えられることを特徴とする請求項１５に記載の板型熱伝達装置。
17. 上記細かいメッシュと中間メッシュとの間にある粗いメッシュの少なくとも一部の領域に、上記細かいメッシュ層と中間メッシュ層とを連結して流路を提供する少なくとも一層以上の中間メッシュがさらに備えられることを特徴とする請求項１５に記載の板型熱伝達装置。
18. 上記細かいメッシュが、熱源に隣接して配置され、上記中間メッシュは熱放出部に隣接するように配置されたことを特徴とする請求項１５に記載の板型熱伝達装置。
19. 上記細かいメッシュは、上記熱源に隣接するように配置されて、熱源から吸収された熱によって上記冷媒が蒸発されて蒸気となり、
    上記粗いメッシュは、上記細かいメッシュと接触するように配置されて、上記蒸発された蒸気が流動する流路を提供し、
    上記中間メッシュは、上記粗いメッシュと接触すると同時に上記熱放出部に隣接するように配置されて、上記熱放出部に熱を放出することによって、上記蒸気が凝縮することを特徴とする請求項１４に記載の板型熱伝達装置。
20. 上記中間メッシュに、上記粗いメッシュから流入される蒸気が流動するように蒸気の流動空間が形成されたことを特徴とする請求項１９に記載の板型熱伝達装置。
21. 上記板型ケース内に、上記メッシュと接触するように設けられ、その表面には上記冷媒が含体されて流動すると同時に、上記熱源から吸収された熱によって蒸気に蒸発されて、上記メッシュに向かうように凹凸が形成されたウィック構造体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置。
22. 上記ウィック構造体は、銅、ステインレススチール、アルミニウムまたはニッケルパウダーを焼結することによって形成されたことを特徴とする請求項２１に記載の板型熱伝達装置。
23. 上記ウィック構造体が、ポリマー、シリコン、シリカ、銅板、ステインレススチール、ニッケルまたはアルミニウム板をエッチング加工することによって形成されたことを特徴とする請求項２１に記載の板型熱伝達装置。
24. 上記板型ケースが、電解銅箔で製造され、粗い面がケースの内面になるようにすることを特徴とする請求項１に記載の板型熱伝達装置。
25. 上記メッシュが、金属、ポリマーまたはプラスチックのうち何れか一つからなることを特徴とする第１項ないし第２４項の何れか１項に記載の板型熱伝達装置。
26. 上記金属が、銅、アルミニウム、ステンレススチールまたはモリブテンのうち何れか一つ、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項２５に記載の板型熱伝達装置。
27. 上記板型ケースが、金属、ポリマーまたはプラスチックのうち何れか一つからなることを特徴とする第１項ないし第２４項の何れか１項に記載の板型熱伝達装置。
28. 上記金属が、銅、アルミニウム、ステンレススチールまたはモリブデンのうち何れか一つまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項２７に記載の板型熱伝達装置。
29. 上記冷媒が、水、エタノール、アンモニア、メタノール、窒素またはフレオンのうち何れか一つであることを特徴とする第１項ないし第２４項の何れか１項に記載の板型熱伝達装置。
30. 上記冷媒の充填量が、上記ケース内部体積の２０〜８０％であることを特徴とする請求項２９に記載の板型熱伝達装置。
31. 熱伝導性板型ケースの上板と下板とをそれぞれ形成する段階と、上記ケース内に、ワイヤーが上下に交互に交差することによって、その交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って、上記冷媒が蒸発された蒸気が流動可能な蒸気流路を形成する少なくとも一層のメッシュを挿入する段階と、上記上板と下板とを接合してケースを作る段階と、上記接合されたケースの内部に真空状態で冷媒を注入する段階と、上記冷媒が注入されたケースを密封する段階とを含むことを特徴とする板型熱伝達装置の製造方法。
32. 熱伝導性板型ケースの上板と下板とをそれぞれ形成する段階と、
    上記ケース内に、ワイヤーが上下に交互に交差することによって、その交差地点から上記ワイヤーの表面に沿って上記冷媒が蒸発された蒸気が流動可能な蒸気流路を形成する少なくとも一層の粗いメッシュと、上記粗いメッシュのメッシュ数より相対的に大きいメッシュ数を有し上記冷媒に対する液体流路を提供する少なくとも一層の細かいメッシュを挿入する段階と、
    上記上板と下板とを接合してケースを作る段階と、
    上記接合されたケースの内部に真空状態で冷媒を注入する段階と、
    上記冷媒が注入されたケースを密封する段階とを含むことを特徴とする板型熱伝達装置の製造方法。
33. 上記上板と下板とは、ブレージング、ＴＩＧ溶接、はんだ付け、レーザー溶接、電子ビーム溶接、摩擦溶接、ボンディングまたは超音波溶接のうち何れか一つの方法で接合されることを特徴とする請求項２７または２８に記載の板型熱伝達装置の製造方法。

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