JP2007003034A - Cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが密閉容器の内部に設けられている冷却装置に関するものである。 In the present invention, a condensable fluid that evaporates or condenses according to the state of heat input or heat dissipation is enclosed as a working fluid inside a hollow flat airtight container, and the capillary pressure is reduced by wetting with the working fluid. The present invention relates to a cooling device in which a wick to be generated is provided inside a sealed container.
従来、作動流体の潜熱として熱を輸送するヒートパイプやヒートシンクを備えた冷却装置が広く知られている。この種の冷却装置では、蒸発して気相となった作動流体が低温・低圧側の凝縮部に流動することにより熱を輸送し、その熱輸送の後、ヒートパイプの内部に設けられたウイックによる毛細管圧力によって、凝縮した液相の作動流体を蒸発部(入熱部)に還流させている。 Conventionally, a cooling device including a heat pipe or a heat sink that transports heat as latent heat of a working fluid is widely known. In this type of cooling device, the working fluid evaporated into a vapor phase transports heat by flowing to the condensing part on the low temperature / low pressure side, and after the heat transport, a wick provided inside the heat pipe. The condensed liquid phase working fluid is recirculated to the evaporation section (heat input section) by the capillary pressure due to.
そのウイックは、要は、毛細管圧力を生じさせるためのものであるから、作動流体とのいわゆる濡れ性が良好であり、かつ液相の作動流体の液面に形成されるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小さくなるものであることが好ましい。一般には、多孔質焼結体(多孔質体)や極細線束などがウイックとして採用されている。これらのウイックのうち、多孔質焼結体を使用したウイックは、その多孔質焼結体とは別の他の構造体を使用したウイックと比べてその空孔の開口面積が小さいので、発生させ得る毛細管圧力、すなわち液相の作動流体に対するポンプ力が大きい。また、このウイックはシート状に形成できるので、最近注目されている平板型などのベーパーチャンバーと称されるヒートパイプに採用されている。 The wick is, in essence, for generating capillary pressure, so that the so-called wettability with the working fluid is good, and the effective capillary radius at the meniscus formed on the liquid surface of the liquid-phase working fluid. Is preferably as small as possible. In general, porous sintered bodies (porous bodies), ultrafine wire bundles, and the like are employed as wicks. Among these wicks, the wick using a porous sintered body has a smaller opening area than the wick using another structure different from the porous sintered body, so it is generated. The capillary pressure to be obtained, that is, the pumping force for the liquid phase working fluid is large. Further, since this wick can be formed in a sheet shape, it has been adopted in a heat pipe called a vapor chamber such as a flat plate type which has been attracting attention recently.
このヒートパイプは、中空平板構造のコンテナ(密閉容器)によって密閉された空間部を形成し、その空間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流体を作動流体として封入したものである。この種のヒートパイプは、表面が平坦になるので、熱交換対象物との接触面積が広くなり、その結果、熱伝達性能あるいは熱交換性能が向上し、また冷却のための手段として使用する場合には、広い放熱面積を確保することができるなどの利点がある。 This heat pipe forms a space sealed by a hollow flat plate container (sealed container), and a non-condensable gas such as air is degassed in the space as a working fluid. It is a thing. Since this type of heat pipe has a flat surface, the contact area with the heat exchange object is widened. As a result, heat transfer performance or heat exchange performance is improved, and when used as a means for cooling. Has an advantage that a large heat radiation area can be secured.
その反面、ヒートパイプは、空間部に凝縮性の流体のみを封入した構成であるから、外部から入熱のない非動作状態あるいは冷却状態では作動流体が凝縮するために、空間部の内部が高真空状態になる。また反対に外部から多量に入熱があると、作動流体が蒸発してその容積を増大させるから、空間部の内部圧力が高くなる。そのため、平板型ヒートパイプにあっては、上面や下面の表面積が広い部分の剛性が低いために、非動作時や製造時にこの上面や下面が窪んだり、あるいは反対に動作時に上面や下面が膨らむなどの変形が生じることがある。 On the other hand, since the heat pipe has a configuration in which only a condensable fluid is sealed in the space portion, the working fluid is condensed in a non-operating state or a cooling state without heat input from the outside, so that the space portion has a high interior. It becomes a vacuum state. On the other hand, if there is a large amount of heat input from the outside, the working fluid evaporates and increases its volume, so that the internal pressure in the space increases. For this reason, in flat heat pipes, the rigidity of the parts with large surface areas on the upper and lower surfaces is low, so that the upper and lower surfaces are recessed during non-operation and manufacturing, or conversely, the upper and lower surfaces expand during operation. Deformation may occur.
このような不都合を解消するために、特許文献1に記載された発明では、上端部が開口した薄い容器の内部に、複数の支柱(柱状部)を一体に立設するとともに、ウイックとして機能する多孔質膜を、その容器の内部に溶射により形成し、さらにその容器の開口部を密閉した後、内部の空気などの気体を真空脱気するとともに、水などの凝縮性の流体を作動流体として封入したヒートパイプを提案している。
In order to eliminate such inconvenience, in the invention described in
また、ヒートパイプの外周面と平板状フィン(放熱フィン)の表面とから熱を大気に放散する構造のヒートシンクが知られており、このヒートシンクの一例が特許文献2に記載されている。 Further, a heat sink having a structure that dissipates heat to the atmosphere from the outer peripheral surface of the heat pipe and the surface of the flat fin (radiation fin) is known, and an example of this heat sink is described in Patent Document 2.
この特許文献2に記載されたヒートシンクは、ベース部に支柱などの伝熱部材を立設し、その伝熱部材に平板状フィンを取り付けた構造のタワー型ヒートシンクであり、平板状フィンを伝熱部材に嵌合させ、多数の平板状フィンを設けることができるので、その枚数や放熱面積の制約が少ない。なお、放熱量をさらに増大させるためには、平板状フィンに向けて送風する強制冷却をおこなうことが好ましい。例えば、筐体の内部にタワー型ヒートシンクを取り付けた場合には、各平板状フィンの間の空隙部に送り込むための送風機(ファン)が筐体の内部の所定の位置、あるいはタワー型ヒートシンクにおける平板状フィンの配列方向に対してほぼ垂直な方向に冷却空気を流入もしくは流出させる位置に取り付けられることになる。
ところで、このようなヒートパイプやヒートシンクを備えた冷却装置では、面積の広い下面部と上面部とを、複数の支柱が連結した構造となるので、内圧が低下することによる下面部あるいは上面部の窪み変形や、動作時に内圧が高くなることによる下面部あるいは上面部の膨らみ変形を防止することができる。しかしながら、それらの支柱に連結されている下面部と上面部とは、薄い平板部で構成され、剛性が低いために、CPUなどの電子素子を含む電子部品をヒートパイプに搭載あるいは密着させる際の押圧力によって、これらの上面部や下面部の中央部が変形するおそれがあった。 By the way, in such a cooling device including a heat pipe or a heat sink, a lower surface portion and an upper surface portion having a large area are connected to each other by a plurality of support columns, and therefore the lower surface portion or the upper surface portion due to a decrease in internal pressure. It is possible to prevent depression deformation and bulge deformation of the lower surface portion or the upper surface portion due to an increase in internal pressure during operation. However, the lower surface portion and the upper surface portion connected to these columns are formed of a thin flat plate portion and have low rigidity, and therefore, when an electronic component including an electronic element such as a CPU is mounted on or closely adhered to a heat pipe. There is a possibility that the central portion of these upper surface portion and lower surface portion is deformed by the pressing force.
また、密閉容器の上面部もしくは下面部のうち、支柱が接合されている部分は支柱を介した熱伝導のみが生じるので、作動流体の蒸発・凝縮による熱輸送の用をなさなくなる。例えば、昨今の小型化の要請で、放熱されるべき電子部品が更に小さいチップとして構成されて支柱の断面積程度に小さくなった場合には、そのチップから上面部もしくは下面部を介して支柱に熱が伝達されるので、作動流体による熱の伝達が阻害されてしまう。そのため、装置全体として、熱輸送能力もしくは放熱性能などの冷却性能が劣るものとなっていた。 Further, in the upper surface portion or the lower surface portion of the sealed container, only the heat conduction through the support column occurs at the portion where the support column is joined, so that the heat transport by the evaporation / condensation of the working fluid is not used. For example, due to the recent demand for miniaturization, when an electronic component to be radiated is configured as a smaller chip and becomes as small as the cross-sectional area of the column, the chip is transferred from the chip to the column via the upper surface or the lower surface. Since heat is transferred, heat transfer by the working fluid is hindered. For this reason, the entire apparatus has poor cooling performance such as heat transport capability or heat dissipation performance.
さらに、上述したタワー型ヒートシンクではベース部上に多数の平板状フィンが配置されているので、放熱面積を増加することができる。しかしながら、配置スペースが限られた電子機器などの筐体の内部でタワー型ヒートシンクを配置した場合には、その筐体の内部に在る各電子部品の配置に制約される。そのため、冷却性能上、必要なスペースを確保することができないおそれがあった。しかも、この問題を解決するためにタワー型ヒートシンク全体をコンパクト化(小型化)すると、平板状フィンやベース部もコンパクトにせざるを得なくなる。そのため、ヒートシンクの剛性が低下したり、冷却性能を担保することができないおそれもあった。 Furthermore, in the tower type heat sink described above, a large number of flat fins are arranged on the base portion, so that the heat radiation area can be increased. However, when a tower-type heat sink is disposed inside a housing such as an electronic device having a limited space for placement, the placement of electronic components within the housing is limited. Therefore, there is a possibility that a necessary space cannot be ensured in terms of cooling performance. Moreover, if the entire tower type heat sink is made compact in order to solve this problem, the flat fins and the base part must be made compact. For this reason, there is a possibility that the rigidity of the heat sink is lowered or the cooling performance cannot be ensured.
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、密閉容器の構造強度や冷却性能を向上させることのできる冷却装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made by paying attention to the above technical problem, and an object of the present invention is to provide a cooling device capable of improving the structural strength and cooling performance of a sealed container.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが前記密閉容器の内部に設けられている冷却装置であって、前記密閉容器に、作動流体の潜熱として熱を輸送する複数のヒートパイプが起立した状態で配置され、そのヒートパイプの閉口端部に複数の平板状フィンが所定の間隔をあけて互いに平行に配列され、前記密閉容器における互いに対向する上面部および下面部の少なくとも一方の内面に設けられた前記ウイックを前記上面部と前記下面部との間で支持する支柱が配置され、前記上面部に前記ヒートパイプの開口端部を貫通させる孔部が形成され、その孔部がヒートパイプの開口端部によって保持されるとともに、前記上面部側もしくは前記下面部側の前記ウイックに前記ヒートパイプの開口端部が接合されていることを特徴とする冷却装置である。
In order to achieve the above object, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1の発明における前記ヒートパイプの開口端部が前記孔部に熱授受可能に接合されていることを特徴とする装置である。
The invention of claim 2 is an apparatus characterized in that the opening end portion of the heat pipe in the invention of
請求項1の発明によれば、支柱によって、ウイックを上面部と下面部との間で支持し、その上面部に形成された孔部がヒートパイプの開口端部によって保持されるとともに、上面部側もしくは下面部側のウイックにヒートパイプの開口端部が接合されているので、ウイックを密閉容器の内部に確実に固定することができる。また、この構造では、密閉容器における曲げモーメントが大きくなる所定の箇所での剛性が高くなるので、例えば電子部品を密着させる際に密閉容器に押圧力が加わった場合でも、密閉容器の変形を確実に防ぐことができる。そのため、密閉容器の剛性を低下させることなく、装置全体をコンパクト化することができる。さらに、ウイックにはヒートパイプの開口端部が複数接合されているので、ヒートパイプの開口端部とウイックとの接合部分の内面側に在る液相の作動流体を多量に蒸発させることができる。そのため、装置全体として作動流体の循環流動が促進されるので、冷却性能を向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, the wick supports the wick between the upper surface portion and the lower surface portion, and the hole formed in the upper surface portion is held by the open end portion of the heat pipe, and the upper surface portion. Since the opening end of the heat pipe is joined to the wick on the side or the lower surface side, the wick can be reliably fixed inside the sealed container. Also, with this structure, the rigidity at a predetermined location where the bending moment in the sealed container increases is increased, so that even when a pressing force is applied to the sealed container, for example, when the electronic components are brought into close contact, the deformation of the sealed container is ensured. Can be prevented. Therefore, the entire apparatus can be made compact without reducing the rigidity of the sealed container. Furthermore, since a plurality of open end portions of the heat pipe are joined to the wick, a large amount of liquid-phase working fluid can be evaporated on the inner surface side of the joint portion between the open end portion of the heat pipe and the wick. . Therefore, since the circulating flow of the working fluid is promoted as the entire apparatus, the cooling performance can be improved.
また、請求項2の発明によれば、ヒートパイプの開口端部が上面部の孔部に熱授受可能に接合されているので、密閉容器本体の熱をヒートパイプに効率良く輸送することができる。そのため、装置全体の熱容量が大きくなるので、更に冷却性能を向上させることができる。 According to the invention of claim 2, since the opening end portion of the heat pipe is joined to the hole portion of the upper surface portion so as to be able to transfer heat, the heat of the sealed container body can be efficiently transported to the heat pipe. . Therefore, since the heat capacity of the entire apparatus is increased, the cooling performance can be further improved.
以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明による冷却装置は、入熱もしくは放熱の状態に応じて蒸発もしくは凝縮する凝縮性の流体が作動流体として中空平板状の密閉容器の内部に封入されるとともに、その作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが密閉容器の内部に設けられた構造となっている。より具体的には、図1に示すように冷却装置1において、密閉容器2(平板型ヒートパイプの一種であるベーパーチャンバー)には作動流体3の潜熱として熱を輸送する複数の円筒状のヒートパイプ4が起立した状態で配置されており、そのヒートパイプ4の閉口端部4Aには複数の平板状のフィン(放熱フィン)5が所定の間隔をあけて互いに平行に配列されている。また、密閉容器2の内部には、密閉容器2における(下面部2Aもしくは上面部2Bの厚さ方向で)互いに対向する下面部2Aおよび上面部2Bの各内面に設けられた各ウイック7A,7Bを、下面部2Aと上面部2Bとの間で支持する支柱8が配置されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described below. In the cooling device according to the present invention, a condensable fluid that evaporates or condenses in accordance with a state of heat input or heat dissipation is enclosed as a working fluid in a hollow flat airtight container and wetted with the working fluid. A wick for generating capillary pressure is provided inside the sealed container. More specifically, as shown in FIG. 1, in the
密閉容器2は、銅などの熱伝導率の高い金属によって薄い直方体となっており、密閉容器2の下面部2Aおよび上面部2Bが長方形状に形成されている。下面部2A側および上面部2B側の各ウイック7A,7Bにはヒートパイプ4の開口端部4Bが接合されている。下面部2Aには所定の電子部品11が取り付けられており、一方上面部2Bには開口端部4Bを貫通させる孔部10が形成されている。この孔部10は、開口端部4Bに熱授受可能に接合されており、開口端部4Bによって保持されている。また、孔部10は上面部2Bにおける曲げモーメントが大きくなる箇所に形成されており、その箇所での剛性が高くなっている。例えば、下面部2Aに電子部品11を密着させる際に下面部2Aに押圧力が加わった場合でも、下面部2Aの変形を確実に防ぐことができる。その結果、密閉容器2の剛性を低下させることなく、冷却装置1全体をコンパクト化することができる。
The sealed container 2 is a thin rectangular parallelepiped made of a metal having high thermal conductivity such as copper, and the
ここで、下面部2Aに取り付けられたウイック7Aについて説明する。液相の作動流体3によってウイック7Aが湿潤すると、下面部2A側のウイック7Aで、メニスカスが生じ、かつそのメニスカスにおける実効毛細管半径に反比例した毛細管圧力が生じる。ウイック7Aは、その実効毛細管半径が小さくなるように形成されており、例えば微粒子(一例として粒径が25〜100μmの銅粒子)を素材とした多孔質焼結体や網状体(一例として#200メッシュ)などによって構成されている。
Here, the
また、上面部2Bに取り付けられたウイック7Bには、凝縮して浸透した液相の作動流体3が流動する、いわゆる流路が形成されており、その流路は液相の作動流体3の流動が円滑に生じるように形成されている。また、ウイック7Bは、その流路となる空隙部分が可及的に広い開口面積をもつか、あるいは可及的に直線状に繋がる形状に形成されており、例えば相対的に粗い目の網状体(一例として#100メッシュ)や素材粒子の径がウイック7Aより相対的に大きい(一例として粒径が75〜250μmの銅粒子)多孔質焼結体、もしくは細溝(一例として0.1mm幅×0.1mm深さ)などによって構成されている。すなわちこの具体例では、ウイック7Aは大きい毛細管圧力を生じるように構成され、ウイック7Bは液相の作動流体3に対する流動抵抗が小さくなるように構成されている。
The
さらに、支柱8は、円柱状に伸びたコラム状の構造であり、その両端面は平坦になっている。なお、支柱8の高さは、下面部2Aと上面部2Bとの間の幅と同じ寸法に設定されている。この支柱8は密閉容器2と同じ材料を用いて形成することができ、プレスによる鍛造成形(加工)や鋳造など、適宜の方法で形成してもよい。
Furthermore, the support |
つぎにこの発明における冷却装置の作用について具体的に説明する。まず、電子部品11で発生した熱が下面部2Aに伝達される。したがって、下面部2Aが冷却装置1の入熱部となる。ついで、下面部2Aに伝達された熱がウイック7Aに浸透している液相の作動流体3に伝達されてその作動流体3が蒸発する。この状態では、開口端部4Bとウイック7Aとの接合部分の内面側に在る液相の作動流体3が蒸発する。
Next, the operation of the cooling device in the present invention will be specifically described. First, heat generated in the electronic component 11 is transmitted to the
一方、下面部2Aから上面部2Bに移動した熱は、温度差のある上昇方向へ伝達される。開口端部4Bと上面部2Bの孔部10とが熱授受可能に接合されているので、上面部2Bの熱は、ヒートパイプ4を経由して各平板状フィン5に伝達される。このヒートパイプ4は密閉容器2に複数配置されているので、広い放熱面積を確保することができる。そのため、冷却装置1全体の熱容量が大きくなる。
On the other hand, the heat transferred from the
続いて、図示しない送風ファンからヒートパイプ4の閉口端部4Aに向けて送風が行われた場合には、熱が伝達された開口端部4Bの内面側の熱が放出される。この閉口端部4Aで放熱が生じていることにより、閉口端部4Aの内部の圧力が低くなる。そのため、ヒートパイプ4の内部に在る蒸気がその内部の温度および圧力の低い箇所に移動(開口端部4Bの内面側に発生した蒸気が開口端部4Bとウイック7Aとの接合部分の内面側に流動)する。
Subsequently, when air is blown from a blower fan (not shown) toward the
このように閉口端部4Aおよび上面部2Bの熱が外部に奪われることにより、開口端部4Bとウイック7Aとの接合部分の内面側および密閉容器2の内部(下面部2Aと上面部2Bとの間の空隙部)に在る気相の作動流体3が凝縮して液化する。この密閉容器2の内部に在る液化した作動流体3がウイック7Bに浸透する。ウイック7Aで液相の作動流体3が蒸発することにより、そのウイック7Aにおけるメニスカスが下がるので、その実効毛細管半径に応じた毛細管圧力によって液相の作動流体3を引き上げるポンプ力が生じる。
Thus, the heat of the
そして、各ウイック7A,7Bの内部に形成されている流路が連通し、かつ液相の作動流体3によって満たされていることにより、密閉容器2の内部に在る液化した作動流体3がウイック7Aのポンプ力によって下面部2A側に吸引される。こうして、作動流体3が蒸発と凝縮とを繰り返してヒートパイプ4の内部を循環流動することにより、作動流体3の潜熱として熱が輸送される。
And since the flow path formed inside each
なお、この具体例では、ウイック7Aに開口端部4Bが複数接合されているので、開口端部4Bとウイック7Aとの接合部分の内面側に在る液相の作動流体3を多量に蒸発させることができる。そのため、冷却装置1全体として、作動流体3の循環流動が促進されるので、冷却性能を向上させることができる。
In this specific example, since a plurality of opening
なお、上述の具体例では、各ウイック7A,7Bは、密閉容器2における互いに対向する下面部2Aおよび上面部2Bの各内面にそれぞれ設けられているが、この発明のウイックは、この具体例に限定されない。要は、作動流体で湿潤することにより毛細管圧力を発生させるウイックが、密閉容器の内部に設けられていればよく、例えば、ウイックが、下面部および上面部の少なくとも一方の内面に設けられていてもよい。
In the above-described specific example, the
1…冷却装置、 2…密閉容器、 2A…下面部、 2B…上面部、 3…作動流体、 4…ヒートパイプ、 4A…閉口端部、 4B…開口端部、 5…平板状フィン、 7A,7B…ウイック、 8…支柱、 10…孔部、 11…電子部品。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記密閉容器に、作動流体の潜熱として熱を輸送する複数のヒートパイプが起立した状態で配置され、そのヒートパイプの閉口端部に複数の平板状フィンが所定の間隔をあけて互いに平行に配列され、前記密閉容器における互いに対向する上面部および下面部の少なくとも一方の内面に設けられた前記ウイックを前記上面部と前記下面部との間で支持する支柱が配置され、前記上面部に前記ヒートパイプの開口端部を貫通させる孔部が形成され、その孔部がヒートパイプの開口端部によって保持されるとともに、前記上面部側もしくは前記下面部側の前記ウイックに前記ヒートパイプの開口端部が接合されていることを特徴とする冷却装置。 A condensable fluid that evaporates or condenses depending on the state of heat input or heat dissipation is enclosed as a working fluid inside a hollow flat airtight container, and a wick that generates capillary pressure by being moistened with the working fluid. A cooling device provided inside the sealed container,
A plurality of heat pipes that transport heat as latent heat of the working fluid are arranged in an upright state in the closed container, and a plurality of plate-like fins are arranged in parallel to each other at a closed end of the heat pipe at a predetermined interval. A support column that supports the wick provided between at least one of the upper surface portion and the lower surface portion facing each other in the sealed container is disposed between the upper surface portion and the lower surface portion, and the heat is disposed on the upper surface portion. A hole that penetrates the opening end of the pipe is formed, the hole is held by the opening end of the heat pipe, and the opening end of the heat pipe is formed on the wick on the upper surface side or the lower surface side. The cooling device characterized by being joined.
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