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JP2023127010A - 熱伝導部材 - Google Patents

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JP2023127010A
JP2023127010A JP2020192032A JP2020192032A JP2023127010A JP 2023127010 A JP2023127010 A JP 2023127010A JP 2020192032 A JP2020192032 A JP 2020192032A JP 2020192032 A JP2020192032 A JP 2020192032A JP 2023127010 A JP2023127010 A JP 2023127010A
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metal plate
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heat conductive
wick
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Application number
JP2020192032A
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English (en)
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淳一 石田
Junichi Ishida
雅昭 花野
Masaaki Hanano
敏彦 小関
Toshihiko Koseki
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Nidec Corp
Nidec Chaun Choung Technology Corp
Original Assignee
Nidec Corp
Chaun Choung Technology Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】作動流体の発熱側の多孔質シートでの気化、および放熱面側の多孔質シートにおける凝縮による熱輸送の効率を向上させた、熱伝導部材を提供する。【解決手段】筐体10は、第1金属板11と、第2金属板12と、を有する。第2金属板12は、第1金属板11に対向して配置されるとともに外面に発熱体Hが配置される。柱部は、第1金属板11及び前記第2金属板12の間に配置される。作動媒体20と、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、は、内部空間10aに収容される。第1ウィック構造体31は、第1金属板11の内面に配置される。第2ウィック構造体32は、第2金属板12の内面に配置される。第2ウィック構造体32は、内面から鉛直方向に突出する凸部32aを有し、凸部の少なくとも一部が、第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向に発熱体Hと重なる第1領域U1に位置する。【選択図】図2

Description

本開示は、熱伝導部材に関する。
従来の熱伝導部材は、平板状密閉容器と、多孔質シートと、作動流体と、を有する。多孔質シートは、平板状密閉容器の内面に配置される。作動流体は、平板状密閉容器の内部に収容される。
平板状密閉容器は、発熱体と接触して配置される。発熱体側の平板状密閉容器内面と、発熱体側と反対側である放熱面側の平板状密閉容器内面には、多孔質シートが、配置される。作動流体は、発熱体によって加熱されて発熱側の多孔質シートから気化する。気化した作動流体は、放熱面側の多孔質シートにおいて凝縮する。これにより、発熱体側から放熱面側に熱が輸送される(例えば、特許文献1参照)。
特開2002-62072号公報
しかしながら、上記のような熱伝導部材は、発熱体付近の作動流体の蒸発が起こりにくく、熱輸送効率が低い問題があった。
本開示は、熱輸送効率を向上できる熱伝導部材を提供することを目的とする。
本開示の例示的な熱伝導部材は、内部空間を有する筐体と、第1ウィック構造体と、第2ウィック構造体と、作動媒体と、柱部と、を備える。筐体は、第1金属板と、第2金属板と、を有する。第2金属板は、第1金属板に対向して配置されるとともに外面に発熱体が配置される。柱部は、第1金属板及び前記第2金属板の間に配置される。作動媒体と、第1ウィック構造体と、第2ウィック構造体と、は、内部空間に収容される。第1ウィック構造体は、第1金属板の内面に配置される。第2ウィック構造体は、第2金属板の内面に配置される。第2ウィック構造体は、内面から鉛直方向に突出する凸部を有し、凸部の少なくとも一部が、第1金属板及び第2金属板の鉛直方向に発熱体と重なる第1領域に位置する。
本開示によると、発熱体付近の作動流体の蒸発が起こりやすくなり、熱輸送効率を向上できる熱伝導部材を提供することができる。
図1は、本実施形態に係る熱伝導部材の斜視図である。 図2は、本実施形態に係る熱伝導部材の模式的な側面断面図である。 図3は、本実施形態の変形例に係る熱伝導部材の模式的な側面断面図である。
以下、本開示の例示的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面においては、適宜、3次元直交座標系としてXYZ座標系を示す。XYZ座標系において、Z軸方向は、鉛直方向(すなわち上下方向)を示し、+Z方向が上側(重力方向の反対側)であり、-Z方向が下側(重力方向)である。Z軸方向は、後述する第1金属板11と第2金属板12との鉛直方向でもある。X軸方向は、Z軸方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ+X方向および-X方向とする。Y軸方向は、Z軸方向およびX軸方向の両方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ+Y方向および-Y方向とする。ただし、これは、あくまで説明の便宜のために方向を定義したものであって、本開示に係る熱伝導部材1の製造時および使用時の向きを限定するものではない。また、本願において平行、と表現する場合、数学的に厳密に平行である場合のみを指すものではなく、例えば本開示における効果を奏する程度に平行である場合を含む。
また、本明細書において、「焼結」とは、金属の粉末または金属の粉体を、金属の融点よりも低い温度まで加熱して、金属の粒子を焼き固める技術を指す。また、「焼結体」とは、焼結によって得られる物体を指す。
<1.熱伝導部材の構成>
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る(以下、本実施形態という)熱伝導部材1の斜視図であり、図2は、熱伝導部材1の模式的な側面断面図である。熱伝導部材1は、ベーパーチャンバーとも呼ばれ、発熱体Hの熱を輸送する。発熱体Hとしては、例えば、車両の車輪を駆動するためのトラクションモータに備えられるインバータのパワートランジスタが挙げられる。当該パワートランジスタは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。この場合、熱伝導部材1は、トラクションモータに搭載される。IGBTの発熱量は、一般的に100W以上である。
熱伝導部材1の下面には、発熱体Hが接して配置される。発熱体Hにより発生した熱は、熱伝導部材1の上面より放熱される。なお、放熱性を向上させるために、熱伝導部材1の上面にスタックドフィンやピンフィンなどの放熱フィンを設けてもよい。その場合、放熱フィン間に冷却媒体を流す。冷却媒体は、例えば水や油であってもよいし、空気でもよい。
なお、図1および図2で示す構成では、一例として、矩形体状の熱伝導部材1の下面中央部に、1つの発熱体Hが配置される。ただし、発熱体Hを熱伝導部材1の下面縁部に配置してもよい。また、複数の発熱体Hを熱伝導部材1の下面に配置してもよい。
熱伝導部材1は、筐体10と、作動媒体20と、柱部15と、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、第3ウィック構造体33と、を備える。柱部は、第1柱部15と、第2柱部33の少なくともいずれか一方、を備える。熱伝導部材1のZ方向の厚みは、例えば5mm以上である。
<1-1.筐体の構成>
筐体10は、内部空間10aを有する。柱部15と、作動媒体20と、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、は内部空間10aに配置される。筐体10は、第1金属板11と、第1金属板11に対向して配置されるとともに外面に発熱体Hが配置される第2金属板12とを有する。柱部15は第1金属板11と第2金属板12の間に配置される。柱部15は、内部空間10aに配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する。第1金属板11及び第2金属板12として、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属を用いている。また、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。
第1金属板11及び第2金属板12は、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属から成る。また、銅以外の金属の表面に銅メッキを施して形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。
第1金属板11及び第2金属板12は、上面視において水平方向に拡がる矩形の板状である。第2金属板12の外面に発熱体Hが接触して配置される。第1金属板11は、第2金属板12の上面を覆う。なお、本実施形態の第1金属板11及び第2金属板12は、上面視において四角形であるがこの限りではない。例えば、上面視において複数の角を有する多角形、または円形であってもよい。
第1金属板11は、周縁から下方に延びる第1側壁部13aを有する。第2金属板12は、周縁から上方に延びる第2側壁部13bを有する。第1側壁部13aの下面と第2側壁部13bの上面とが接合部14で接合される。なお、第2側壁部13bを省いて、第1側壁部13aの下面と第2金属板12の上面とを接合してもよい。または、第1側壁部13aを省いて、第2側壁部13bの上面と第1金属板11の下面とを接合してもよい。
内部空間10aは、第1金属板11及び第2金属板12で囲まれて形成される。内部空間10aは、密閉空間であり、例えば大気圧よりも気圧が低い減圧状態に維持される。内部空間10aが減圧状態であることにより、内部空間10aに収容される作動媒体20が蒸発しやすくなる。作動媒体20は、例えば水であるが、アルコールなどの他の液体であってもよい。
接合部14は、上方視において、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の周囲に位置する。第1側壁部13aと第2側壁部13bとの接合方法は、特に限定されない。例えば、熱と圧力を加えて接合する方法、拡散接合、ろう材を用いた接合、などのいずれの接合方法であってもよい。
なお、接合部14は、封止部を含んでいてもよい。封止部は、例えば、熱伝導部材1の製造過程において、作動媒体20を筐体10内に注入するための注入口を溶接によって封止した箇所である。
本実施形態において、柱部15は、第1金属板11及び第2金属板12とは別部材であり、内部空間10aにおいて、第1金属板11および第2金属板12の間に配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する部材である。柱部15は、例えば、上方視において円形の円柱形状を有する。柱部15は、XY面内において2次元的に、かつ、規則的に並んで位置する。Z軸方向において柱部15が、直接または間接的に第1金属板11及び第2金属板12を支持することにより、筐体10のZ軸方向の厚みが一定に保たれる。これにより、筐体10のZ軸方向の変形によって内部空間10aが、狭くなることを抑制できる。
本実施形態において、柱部15の少なくとも一部に、中実な部材である第1柱部16を有する。第1柱部16は、内部空間10aにおいて、第1金属板11および第2金属板12の間に配置され、第1金属板11及び第2金属板12を支持する。これにより、筐体10のZ軸方向の変形が抑制され、内部空間10aが狭くなることを抑制できる。なお、「中実」な部材は、いわゆるソリッドな部材であることを意味し、中身が密に詰まっており、且つ多孔質でない物体で構成された部材を指す。例えば、「中実」な部材は、内部に空洞がない部材で合ってもよいし、単数又は複数の巨視的な空洞を内部に有する部材であってもよい。なお中実な部材として、例えば、銅等の熱伝導性の高い金属が用いられている。
本実施形態において、柱部15の少なくとも一部に多孔質の焼結体である第2柱部33を有する。ここで第2の柱部33は第3ウィック構造体33である。第3ウィック構造体33は内部空間10aにおいて、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の間に配置され、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を支持する。第3ウィック構造体33は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を介して第1金属板11及び第2金属板12を支持する。これにより筐体10のZ軸方向の変形をより抑制でき、内部空間10aが狭くなることを抑制できる。
すなわち、本実施形態において、柱部15は中実な部材である第1柱部16と、多孔質の焼結体である第2柱部33とをそれぞれ有する。前述の通り第2柱部33とは、第3ウィック構造体33である。以後、第2柱部33は第3ウィック構造体33として説明する。第3ウィック構造体33は、隣り合う第1の柱部16の中間に配置されることが好ましい。
柱部15のうち、中実な部材である第1柱部16は、Z軸方向に延び、第1の柱部の上端部及び下端部は、第1金属板11の下面及び第2金属板12の上面にそれぞれろう材を用いて接合される。なお、第1柱部16は、ろう材による接合以外に溶接などにより第1金属板11及び第2金属板12と接合されてもよい。なお、第1柱部16は、第1金属板11及び第2金属板12の一方と一体であってもよい。このとき、第1柱部16は、第1金属板11又は第2金属板12をエッチング又は切削して形成することができる。
<1-2.第1ウィック構造体、第2ウィック構造体、第3ウィック構造体の構成>
第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33は、多孔質であり、作動媒体20の流路を形成する空隙部(不図示)を有する。
第1ウィック構造体31は、第1金属板11の内面に配置される板状の部材であり、発熱体H側と反対側の冷却側に配置される。第2ウィック構造体32は、第2金属板12の内面に配置される板状の部材であり、発熱体H側に配置される。第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32とは対向して配置される。第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間には、蒸気空間Sが形成される。蒸気空間Sは、作動媒体20の蒸気を拡散させるための空間である。
第3ウィック構造体33は、内部空間10a内に配置され、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32とを連結する。第3ウィック構造体33は、Z軸方向に延び、例えば、上方視において円形の円柱で構成される。また、第3ウィック構造体33は、XY面内において2次元的に、かつ、規則的に並んで位置する。第3ウィック構造体33は、隣り合う第1柱部16の中間に配置されることが好ましい。
第3ウィック構造体33は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を介して第1金属板11及び第2金属板12を支持する。これにより、第3ウィック構造体33が、第1柱部16を補強して筐体10のZ軸方向の変形をより抑制できる。
また、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、第3ウィック構造体33とは、それぞれ多孔質の焼結体であり、一体である。第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33を多孔質の焼結体とすることにより、メッシュ材よりも容易に製造可能であり、熱伝導部材1の製造コストを下げることができる。また、第3ウィック構造体33を設けることにより、第1ウィック構造体31から第2ウィック構造体32への作動媒体20の流路を増やすことができる。
ここで、発熱体Hとは反対側の放熱面側に配置される第1ウィック構造体31で、発熱体H側の第2ウィック構造体32から気化した作動媒体20が凝縮される。つまり、第1ウィック構造体31により、作動媒体20の凝縮をより促進することができる。言い換えれば、発熱体Hとは反対側の放熱面側に配置される第1ウィック構造体31は、第2ウィック構造体32よりも気化した作動媒体20の凝縮が、促進される。このため、第1ウィック構造体31は、第2ウィック構造体32と比べて作動媒体20の冷却効率が高いことが好ましい。
また、第2ウィック構造体は、内面から鉛直方向に突出する凸部32aを有する。
凸部32aの少なくとも一部が、第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向に発熱体Hと重なる第1領域U1に位置する。
このとき、凸部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aが、凸部32a以外の領域における第2ウィック構造体32の厚みW2bよりも大きく形成される。第2ウィック構造体32の厚みを大きくすることにより、発熱体HとZ方向(第1金属板11及び第2金属板12の対向方向)に重なる第1領域U1の少なくとも一部において、作動媒体20の蒸発が促進される。これにより、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
通常、作動媒体20の凝縮は、発熱体HとZ方向に対向する第1領域U1で最も促進さ
れる。ここで、ウィック構造体を厚くすることで、凝縮した作動媒体20を多く含むことができる。つまり、本実施形態のように、第1領域U1の第2ウィック構造体32に凸部32aを設けることにより、発熱体H付近において、凝縮した作動媒体20の保持性を高めることができる。これにより第1領域U1において、十分な作業媒体20が供給され、作業媒体20の蒸発をより促進できる。従って、作動媒体20の蒸発により発生する熱を、第1金属板11全体で放熱面側に効率よく放熱できる。これにより、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
なお、本実施形態では、凸部32aの上面が第2金属板12と平行な面に形成されるが、山型に形成されてもよい。すなわち、凸部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aが、第1領域U1内の所定位置に向かって漸次大きく形成される。これにより、第1領域U1内の所定位置において、蒸発しやすくなる。
また、凸部32a全体が、第1領域U1とZ方向に重ならなくてもよい。この場合、凸部32aの端部が、第2領域U2とZ方向に重なってもよい。この場合でも、発熱体H付近の第2ウィック構造体の厚さを厚くすることにより、発熱体H付近に凝縮した作動媒体20の保持性を高めることができる。発熱体H付近において、十分な作業媒体20が供給され、作業媒体20の蒸発をより促進できる。これにより、作動媒体20の蒸発により発生する熱を、第1金属板11全体で放熱面側に効率よく放熱できる。これにより、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
第2ウィック構造体32の凸部32aは、平面視において第1領域U1より大きい面積を有し、凸部32aは、鉛直方向において、第1領域U1の全域と重なる。
第1領域U1の全域に第2ウィック構造体32に凸部32aを設けることにより、発熱体H付近において、凝縮した作動媒体20の保持性をより高めることができる。これにより第1領域U1全域において、十分な作業媒体20が供給され、作業媒体20の蒸発をより促進できる。従って、作動媒体20の蒸発により発生する熱を、第1金属板11全体で放熱面側に効率よく放熱できる。これにより、作動媒体20による熱輸送効率を向上できる。
また、第1領域U1の凸部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aは、第1ウィック構造体31の厚みW1よりもZ方向に大きい。発熱体H側に配置される第2ウィック構造体32は、第1ウィック構造体31よりも液状の作動媒体20の気化が、促進される。第1領域U1の凸部32aにおける第2ウィック構造体32の厚みW2aを、第1ウィック構造体31の厚みW1よりもZ方向に大きくすることにより第2ウィック構造体32の作動媒体20の保持性を第1ウィック構造体31の作動媒体20の保持性よりも高くできる。なお、第2ウィック構造体32の平均厚さは、第1ウィック構造体31の平均厚さより大きいことが好ましい。これによりさらに第2ウィック構造体32の作業媒体の保持性を高めることができる。
さらに、第2ウィック構造体32の作動媒体20の保持性が、向上することにより、発熱体HとZ方向に重なる第1領域U1において、第2ウィック構造体32の保持する液状の作動媒体20が完全に気化する、いわゆるドライアウトの発生を抑制できる。
また、Z方向(第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向)において、第1領域U1における第1ウィック構造体31の厚みW1と、第2ウィック構造体32の厚みW2aと、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との隙間の長さW3と、は、式(1)を満たすことが好ましい。
W3>W2a+W1 ・・・(1)
内部空間10aにおいて、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32とのZ方向の隙間を大きく設けることにより、第2ウィック構造体32から気化した作動媒体20が、内部空間10a内でXY面内に拡散し易くなる。これにより、第1ウィック構造体31における作動媒体20の凝縮が促進される。なお、第1領域U1における第2ウィック構造体32の厚みW2aの代わりに、第2領域U2における第1ウィック構造体32の厚みW2bを式(1)に当てはめても同様の効果が得られる。
さらに、第1領域U1において、Z方向(第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方
向)における第1ウィック構造体31の厚みW1と、第2ウィック構造体32の厚みW
2aと、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との隙間の長さW3とは、式(2)から式(4)を満たすことがより好ましい。
4W1≧W2a≧2W1 ・・・(2)
7W1≧W3≧5W1 ・・・(3)
W3+W2a=9W1 ・・・(4)
すなわち、第2ウィック構造体32の厚みW2aを第1領域U1における第1ウィック構造体31の厚みW1の2倍以上4倍以下とし、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との隙間の長さW3を第1領域U1における第1ウィック構造体31の厚みW1の5倍以上7倍以下とすることが好ましい。これにより、第2ウィック構造体32の作動媒体20の保持性を確保しながら、第1ウィック構造体31における作動媒体20の凝縮をより促進することができる。なお、第1領域U1における第2ウィック構造体32の厚みW2aの代わりに、第2領域U2における第2ウィック構造体32の厚みW2bを式(2)から(4)に当てはめても同様の効果が得られる。
また、第2ウィック構造体32は、第1ウィック構造体31よりも空隙率が高い。これにより、第2ウィック構造体32の毛細管力が、第1ウィック構造体31の毛細管力よりも大きくなる。
ここで、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の全体積に対する空間の体積の割合を、空隙率と呼ぶ。空隙率の単位は%である。空隙率は以下の方法によって求められる。例えば、ウィック構造体の断面写真から、空間の面積を測定し、空間の面積が全体に占める割合を算出することにより、空隙率を求めることができる。第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の断面の観察においては、被写界深度の深い走査型電子顕微鏡を用いることが好ましい。なお、断面の観察の方法は、金属部分と空間とを容易に判別できる方法であればよく、特に限定されない。
なお、本実施形態では、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32を多孔質の焼結体で構成しているが、第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32を複数の金属線状部材が編み込まれたメッシュ部材であってもよい。第2ウィック構造体32をメッシュ材で構成し、第1ウィック構造体31を多孔質の焼結体で構成することにより、第2ウィック構造体32の毛細管力を、第1ウィック構造体31の毛細管力よりも大きく容易に形成することができる。
また、第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32を第1金属板11の内面及び第2金属板12の内面に形成された複数の溝部により構成してもよい。これにより、メッシュ材及び焼結体で構成する場合と比べて第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32を薄く形成できる。従って、内部空間10aをZ軸方向に広げることができる。また、内部空間10aを狭めずに筐体10をZ軸方向に薄型化できる。また、第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32の一方を溝部で構成ことにより、内部空間10aを狭めずに第1ウィック構造体31又は第2ウィック構造体32のZ軸方向の厚みを大
きくできる。
第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33は、例えば、以下のように形成される。まず、マイクロ銅粒子、銅体及び樹脂を含む混合粉体を接合前の第1金属板11の下面及び第2金属板12の上面に吹き付け塗布する。次に、柱状に成形した混合粉体を挟んで第1金属板11及び第2金属板12を接合する。その後、筐体10を加熱して混合粉体を焼成する。これにより、筐体10の内部空間10aに、第1ウィック構造体31と、第2ウィック構造体32と、第3ウィック構造体33と、を、容易に一体に形成できる。これにより、熱伝導部材1の製造コストを抑制することができ
る。なお、第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33を別々に焼成した後に、第1金属板11及び第2金属板12を接合してもよい。
なお、本明細書において、「塗布」とは、第1金属板11の下面及び第2金属板12に混合粉体を付着させることを指す。吹き付け塗布する方法以外に、混合粉体を含むペーストを塗布してもよい。
マイクロ銅粒子は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。マイクロ銅粒子の粒径は、1μm以上1mm未満である。マイクロ銅粒子は、例えば多孔質である。
銅体は、マイクロ銅粒子よりも小さいサブマイクロ銅粒子が焼結により溶融して固まった銅溶融体である。サブマイクロ銅粒子は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。溶融前のサブマイクロ銅粒子の粒径は、0.1μm以上1μm未満である。
樹脂は、マイクロ銅粒子および銅体を構成する銅の融点以下の温度で揮発する揮発性の樹脂である。このような揮発性の樹脂としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロースなどのセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。これらの中では、熱分解性の高いアクリル樹脂を用いることが好ましい。
<2.熱伝導部材の動作>
図2において、作動媒体20が気化して生成される蒸気の流れを熱伝導部材1内の黒矢印で示し、液状の作動媒体20の流れを熱伝導部材1内の白抜き矢印で示す。
上記の構成の熱伝導部材では、発熱体Hで発生した熱により、第2金属板12の温度が上昇すると、第2ウィック構造体32に含まれた液状の作動媒体20が、気化する。
気化して蒸気とされた作動媒体20は、蒸気空間Sで拡散する。なお、蒸気空間Sは、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間の隙間空間から第1柱部16および第3ウィック構造体33により占有される空間を除いた空間である。
このとき、気化した作動媒体20の一部は、第1ウィック構造体31に接触して冷却され、凝縮する。第1ウィック構造体31は、第1金属板11の下面よりも表面積が大きく冷却効率が高い。このため、第1ウィック構造体31を設けることにより、気化した作動媒体20の冷却効率が向上して凝縮が促進される。
第1ウィック構造体31で凝縮した作動媒体20の一部は、滴下して第2ウィック構造体32に吸収される。また、第1ウィック構造体31で凝縮した作動媒体20の一部は、第1ウィック構造体31中及び第3ウィック構造体33中を移動して第2ウィック構造体32に吸収される。また、第1ウィック構造体31で凝縮した作動媒体20の一部は、第1柱部16の外面に沿って移動して第2ウィック構造体32に吸収される。
凝縮した作動媒体20は、毛細管現象によって第2ウィック構造体32中を第1領域U1に向かって移動する。また、第1ウィック構造体31から第2ウィック構造体32に吸収された作動媒体20も、毛細管現象によって第2ウィック構造体32中を第1領域U1に向かって移動する。
このとき、第2ウィック構造体32の毛細管力は、第1ウィック構造体31の毛細管力よりも高いため、第2ウィック構造体32を介して凝縮した作動媒体20を発熱体Hが配置される位置に、より早く移動させることができる。従って、作動媒体20による熱輸送効率が向上する。
また、第2ウィック構造体32の厚みW2を、第1ウィック構造体31の厚みW1よりもZ方向に大きくし、発熱体HとZ方向に対向する領域において、ドライアウトの発生を抑制する。これにより、第2ウィック構造体32中において、第1領域U1に向かって液状の作動媒体20を連続して円滑に移動させることができる。従って、ドライアウトの発生による、作動媒体20の熱輸送効率の低下を抑制できる。
上記のように作動媒体20が状態変化を伴いながら移動することにより、発熱体H側から冷却側への熱輸送が連続的に行われる。
<3.蒸気空間について>
先述したように、蒸気空間Sは、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32との間の隙間空間から第1柱部16および第3ウィック構造体33により占有される空間を除いた空間である。すなわち、蒸気空間Sは、内部空間10aにおける第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32、第3ウィック構造体33及び第1柱部16以外の空間である。
そして、本実施形態では、下記式(5)が満たされる。
V1>V2 ・・・(5)
ただし、V1:蒸気空間Sの体積、V2:合計体積
このとき、合計体積は、第1ウィック構造体31、第2ウィック構造体32及び第3ウィック構造体33の各体積を合計した体積である。すなわち、本実施形態において、合計体積は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の合計体積に第3ウィック構造体33の体積をさらに含む。
なお、第3ウィック構造体33が設けられていない場合、合計体積は、第1ウィック構造体31及び第2ウィック構造体32の各体積を合計して算出される。
このようにすることで、蒸気空間Sの体積を確保し、作動媒体20の蒸気の拡散を促進することができる。従って、熱伝導部材1の熱輸送効率を向上させることができる。
また、第1柱部16は、筐体10の強度を確保することができるが、配置することにより蒸気空間Sが狭くなる要因となり、そのような第1柱部16を設ける場合でも上記式(5)を満たすことで蒸気の拡散を促進できる。
また、上記式(5)より、蒸気空間Sの体積は、第1ウィック構造体31と第2ウィック構造体32と第3ウィック構造体33との各体積の総和よりも大きくなるので、蒸気の拡散を促進できる。
<4.第1柱部と第3ウィック構造体>
本実施形態では、第1柱部16と第3ウィック構造体33は、次のような構成であることが好ましい。
第1柱部16の上面と第1金属板11の下面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の上面と第1ウィック構造体31の下面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。かつ、第1柱部16の下面と第2金属板12の上面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の下面と第2ウィック構造体32の上面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。なお、接合面積の総和とは、1本の第1柱部16または第3ウィック構造体33についての接合面積のすべての本数分の総和のことである。
ただし、図3に変形例を示すように、第3ウィック構造体33が第1ウィック構造体31を貫通して第1金属板11に接合されるとともに、第2ウィック構造体32を貫通して第2金属板12に接合されてもよい。このような場合には、第1柱部16の上面と第1金属板11の下面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の上面と第1金属板11の下面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。かつ、第1柱部16の下面と第2金属板12の上面とが接合される接合面積の総和は、第3ウィック構造体33の下面と第2金属板12の上面とが接合される接合面積の総和よりも大きい。
すなわち、第1柱部16の一方側端部が第1金属板11と接する接触面積の総和は、第3ウィック構造体33の一方側端部が第1ウィック構造体31または第1金属板11と接する接触面積の総和よりも広く、かつ、第1柱部16の他方側端部が第2金属板12と接する接触面積の総和は、第3ウィック構造体33の他方側端部が第2ウィック構造体32または第2金属板12と接する接触面積の総和よりも広い。
中実な柱部15の強度は、第3ウィック構造体33の強度よりも高い。従って、上記のような接触面積の大小関係により、第3ウィック構造体33を用いる構成であっても、第1柱部16によって筐体10の強度を十分に確保することができる。
<5.その他>
以上、本開示の実施形態を説明した。なお、本開示の範囲は上述の実施形態に限定されない。本開示は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。
例えば、第1ウィック構造体31をメッシュ材で構成し、第2ウィック構造体32を多孔質の焼結体で構成してもよい。または、第1柱部16と第3ウィック構造体33のうち少なくとも一方を設けないようにしてもよい。
また、第1ウィック構造体31は、発熱体HとZ方向(第1金属板11及び第2金属板12の鉛直方向)に重なる第1領域U1の少なくとも一部において、凹部を有していても良い。その場合、効果として、凝縮を抑制することで、蒸気が拡散しやすくなる。
本開示の実施形態では柱部15は第1柱部16と第3ウィック構造体33が混在するとしたが、柱部15はすべてが第1柱部16でもよく、すべてが第3ウィック構造体33でもよい。
本開示は、各種発熱体の冷却に利用することができる。
1 熱伝導部材
10 筐体
10a 内部空間
11 第1金属板
12 第2金属板
13a 第1側壁部
13b 第2側壁部
14 接合部
15 柱部
16 第1柱部
20 作動媒体
31 第1ウィック構造体
32 第2ウィック構造体
32a 凸部
33 第2柱部、第3ウィック構造体
H 発熱体
S 蒸気空間
U1 第1領域
U2 第2領域

Claims (15)

  1. 内部空間を有する筐体と、
    第1ウィック構造体と、
    第2ウィック構造体と、
    作動媒体と、
    柱部と、を備え、
    前記筐体は、
    第1金属板と、前記第1金属板に対向して配置されるとともに外面に発熱体が配置される第2金属板と、を有し、
    前記柱部は、
    前記第1金属板及び前記第2金属板の間に配置され、
    前記作動媒体と、前記第1ウィック構造体と、前記第2ウィック構造体とは、前記内部空間に収容され、
    前記第1ウィック構造体は、前記第1金属板の内面に配置され、
    前記第2ウィック構造体は、前記第2金属板の内面に配置され、
    前記第2ウィック構造体は、内面から前記鉛直方向に突出する凸部を有し、
    前記凸部の少なくとも一部が、前記第1金属板及び前記第2金属板の前記鉛直方向に前記発熱体と重なる第1領域に位置する、熱伝導部材。
  2. 前記柱部は、前記内部空間に配置され、
    第1金属板11及び第2金属板12を支持する中実な第1柱部と、
    前記第1ウィック構造体及び前記第2ウィック構造体を支持し、多孔質の焼結体である第2柱部と、の少なくともいずれか一方、を備える、請求項1に記載の熱伝導部材。
  3. 前記第1ウィック構造体は、多孔質の焼結体である、請求項1または請求項2に
    記載の熱伝導部材。
  4. 前記第2ウィック構造体は、複数の金属線状部材が編み込まれたメッシュ部材である、 請求項1から請求項3のいずれかに記載の熱伝導部材。
  5. 前記第2ウィック構造体は、多孔質の焼結体である、請求項1から請求項3のいずれかに記載の熱伝導部材。
  6. 前記第2ウィック構造体の前記凸部は、平面視において前記第1領域より大きい面積を有し、
    前記凸部は、鉛直方向において、前記第1領域の全域と重なる、請求項1から請求項5のいずれかに記載の熱伝導部材。
  7. 前記凸部における前記第2ウィック構造体の厚みが、前記第1領域内の所定位置に向かって漸次大きく形成される、請求項1から請求項6のいずれかに記載の熱伝導部材。
  8. 前記第1ウィック構造体と、前記第2ウィック構造体と、前記第2柱部とが、一体である、請求項1から請求項5のいずれかに記載の熱伝導部材。
  9. 前記第2ウィック構造体は、前記第1ウィック構造体よりも空隙率が高い、請求項1から請求項8のいずれかに記載の熱伝導部材。
  10. 前記第2ウィック構造体の毛細管力は、前記第1ウィック構造体の毛細管力よりも高い、請求項1から請求項9のいずれかに記載の熱伝導部材。
  11. 前記第2ウィック構造体の平均厚さは、前記第1ウィック構造体の平均厚さよりも大きい、請求項1から請求項10のいずれかに記載の熱伝導部材。
  12. 前記第1領域において、前記鉛直方向における前記第1ウィック構造体と前記第2ウィック構造体との隙間の長さと、前記第2ウィック構造体の厚みと、前記第1ウィック構造体の厚みとは、下記式(1)を満たす、請求項11に記載の熱伝導部材。
    W3>W2a+W1 ・・・(1)
    W1:第1ウィック構造体の厚み
    W2a:第2ウィック構造体の厚み
    W3:前記第1ウィック構造体と前記第2ウィック構造体との隙間の長さ
  13. 前記第1領域において、前記鉛直方向における前記第1ウィック構造体と前記第2ウィック構造体との隙間の長さと、前記第2ウィック構造体の厚みと、前記第1ウィック構造体の厚みとは、下記式(2)から式(4)を満たす、請求項12に記載の熱伝導部材。
    4W1≧W2a≧2W1 ・・・(2)
    7W1≧W3≧5W1 ・・・(3)
    W3+W2a=9W1 ・・・(4)
  14. 前記内部空間における前記第1ウィック構造体、前記第2ウィック構造体、前記第1柱部及び第2柱部以外の空間に含まれ、前記作動媒体の蒸気が存在しうる蒸気空間の体積と、前記第1ウィック構造体及び前記第2ウィック構造体の合計体積とは、下記式(5)を満たす、請求項1から請求項13のいずれかに記載の熱伝導部材。
    V1>V2 ・・・(5)
    V1:前記内部空間における前記第1ウィック構造体、前記第2ウィック構造体、前記第1柱部及び第2柱部以外の空間に含まれ、前記作動媒体の蒸気が存在しうる蒸気空間の体積
    V2:前記第1ウィック構造体及び前記第2ウィック構造体の合計体積
  15. 前記合計体積は、前記第2柱部の体積をさらに含む、請求項14に記載の熱伝導部材。
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