特開 2024-163661 熱輸送装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024163661

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】熱輸送装置

(51)【国際特許分類】

   F28D 15/02 20060101AFI20241115BHJP

   F28D 15/04 20060101ALI20241115BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20241115BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241115BHJP

【ＦＩ】

F28D15/02 102A

F28D15/02 L

F28D15/02 101H

F28D15/04 B

H01L23/46 B

H05K7/20 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079470

(22)【出願日】2023-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】598011259

【氏名又は名称】太陽金網株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000180313

【氏名又は名称】四国計測工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520398490

【氏名又は名称】株式会社モナテック

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 槙哉

(72)【発明者】

【氏名】岩重 朝仁

(72)【発明者】

【氏名】神谷 真行

(72)【発明者】

【氏名】横山 弘樹

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322DB08

5E322FA09

5F136CC12

5F136CC14

(57)【要約】

【課題】蒸気流路での乱流の発生を抑制することにより放熱性能の向上を図ることができる熱輸送装置を提供する。
【解決手段】蒸気流路６に面する第２一方壁面部４１２では凹凸面積よりも平滑面積の方が大きい。そのため、例えば第２一方壁面部４１２の全体が凹凸面４ａになっている場合と比較して、蒸気流路６での乱流の発生を抑制することが可能である。その結果、半導体素子２の熱が蒸気流路６を通って拡散されやすくなり、放熱性能の向上を図ることができる。また、第２一方壁面部４１２は、蒸気流路６に対し、半導体素子２が配置された側である筐体厚み方向Ｄｔの一方側に形成された流路壁面である。そして、第２一方壁面部４１２を平滑面４ｂにする方が、蒸気流路６に対し半導体素子２が配置された側とは反対側の第２他方壁面部４２２を平滑面４ｂにするよりも、半導体素子２の熱によって気化した作動流体の乱流を抑制する上では有利である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱体（２）が発する熱を輸送する熱輸送装置であって、
一方向（Ｄｔ）に厚みを有し、前記発熱体が配置され前記発熱体から熱が伝わる発熱体配置部（４４）を前記一方向の一方側に有し、作動流体が内部に封入された筐体（４）と、
前記筐体内に配置され、液相の前記作動流体を毛細管現象によって送る毛細管流路（５０）を形成するウィック（５）とを備え、
前記毛細管流路は、前記発熱体に対し前記発熱体配置部を挟んで前記一方向の前記一方側とは反対側の他方側に重なる発熱体重複部分（５１）を含み、
前記筐体内には、前記毛細管流路に連通し気相の前記作動流体が流れる蒸気流路（６）が形成され、
前記筐体は、毛細管現象によって液相の前記作動流体を移動させる複数の毛細管溝（４８）が形成され前記毛細管流路に対して前記一方向の前記一方側から面する第１一方壁面部（４１１）と、該第１一方壁面部につながり前記蒸気流路に対して前記一方向の前記一方側から面する第２一方壁面部（４１２）とを有し、
前記第２一方壁面部では、複数の前記毛細管溝の形成による凹凸が生じた凹凸面（４ａ）が占める面積である凹凸面積（Ｓａ）よりも、複数の前記毛細管溝が設けられていない平滑面（４ｂ）が占める面積である平滑面積（Ｓｂ）の方が大きい、熱輸送装置。

【請求項2】

前記筐体は、複数の前記毛細管溝が形成され前記毛細管流路に対して前記一方向の前記他方側から面する第１他方壁面部（４２１）と、該第１他方壁面部につながり前記蒸気流路に対して前記一方向の前記他方側から面する第２他方壁面部（４２２）とを有し、
前記第２他方壁面部では、前記平滑面積よりも前記凹凸面積の方が大きい、請求項１に記載の熱輸送装置。

【請求項3】

前記筐体は、前記一方向の前記一方側に設けられ前記発熱体配置部と前記第１一方壁面部と前記第２一方壁面部とを有する一方板部（４１）と、前記一方向の前記他方側に設けられた他方板部（４２）と、前記一方板部と前記他方板部との間に挟まれ前記筐体の周縁を形成する中間周縁部（４３１）とを有し、
前記ウィックと前記中間周縁部は、前記一方板部と前記他方板部との間に積層された中板部（４３）を構成する、請求項１または２に記載の熱輸送装置。

【請求項4】

前記筐体内に配置され、前記一方向の前記一方側に設けられた一端（７１）と前記一方向の前記他方側に設けられた他端（７２）とを有する柱状部（７）を備え、
前記一方板部は、前記毛細管溝が形成されておらず前記柱状部の一端に対し対向して接合された一方側土台面（４１３ａ）を有し、
前記他方板部は、前記毛細管溝が形成されておらず前記柱状部の他端に対し対向して接合された他方側土台面（４２３ａ）を有し、
前記一方向に沿う方向視で、前記一方側土台面が占める範囲（Ｒ１、Ｒ２）内に前記柱状部の一端の全部が入り、且つ、前記他方側土台面が占める範囲（Ｒ３、Ｒ４）内に前記柱状部の他端の全部が入る、請求項３に記載の熱輸送装置。

【請求項5】

前記一方側土台面と前記他方側土台面と前記柱状部はそれぞれ複数設けられ、
前記一方向に沿う方向視で、前記蒸気流路は前記発熱体配置部を中心とした放射状に形成され、複数の前記一方側土台面と複数の前記他方側土台面と複数の前記柱状部はそれぞれ、前記発熱体配置部を中心とした放射状に配置されている、請求項４に記載の熱輸送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発熱体が発する熱を輸送する熱輸送装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

この種の熱輸送装置として、例えば特許文献１に記載されたヒートパイプが従来から知られている。この特許文献１に記載されたヒートパイプは、通電により発熱する半導体素子などの発熱体の放熱装置として用いられる。

【0003】

特許文献１のヒートパイプは、冷媒などの作動流体が内部に封入された筐体を有し、その筐体には、筐体の厚み方向の一方側に配置された発熱体が接続されている。また、筐体内には、液相の作動流体が毛細管現象によって送られる毛細管流路と、気相の作動流体が流れる蒸気拡散流路（別言すれば、蒸気流路）とが形成されている。

【0004】

特許文献１のヒートパイプでは、発熱体から熱を受けると、毛細管流路のうち発熱体の近傍で作動流体が蒸発し、気体となった作動流体が蒸気流路へ移動する。そして、その作動流体は、蒸気流路を流れながら、発熱体の配置場所から外れた所で筐体を介して外気などに放熱して凝縮する。その凝縮により液体となった作動流体は毛細管流路に流れ毛細管流路での毛細管現象により、毛細管流路内で発熱体の近傍へと還流される。このような作動流体の循環により、特許文献１のヒートパイプは、発熱体を放熱させることが可能である。

【0005】

また、特許文献１のヒートパイプの筐体内において筐体の厚み方向の一方側と他方側とにそれぞれ設けられ筐体内の毛細管流路と蒸気流路とに面する内壁面には、毛細管現象を生じる複数の溝部が形成されている。すなわち、その厚み方向の一方側の内壁面と他方側の内壁面は、その複数の溝部とその溝部の相互間に形成された凸部とからなる凹凸面になっているので、その凹凸面が毛細管流路と蒸気流路とにそれぞれ面している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１９－１１３２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１のヒートパイプのような熱輸送装置において、気相の作動流体が流れる蒸気流路に面する壁面は、流体力学的観点から乱流を生まないように、凹凸がなく平滑であることが好ましい。一方で、毛細管流路に面する壁面は、冷却され液化した作動流体を発熱体の直下へ還流できるように、凹凸面になっていることが好ましい。

【0008】

これに対し、特許文献１のヒートパイプでは、筐体の厚み方向の一方側から蒸気流路に面する内壁面と他方側から蒸気流路に面する内壁面との何れでもその全面が凹凸面になっている。そのため、蒸気流路では乱流が発生しやすいことに起因して蒸気拡散が阻害され、放熱する性能が低下していた。発明者らの詳細な検討の結果、以上のようなことが見出された。

【0009】

本発明は上記点に鑑みて、蒸気流路での乱流の発生を抑制することにより放熱性能の向上を図ることができる熱輸送装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の熱輸送装置は、
発熱体（２）が発する熱を輸送する熱輸送装置であって、
一方向（Ｄｔ）に厚みを有し、発熱体が配置され発熱体から熱が伝わる発熱体配置部（４４）を上記一方向の一方側に有し、作動流体が内部に封入された筐体（４）と、
筐体内に配置され、液相の作動流体を毛細管現象によって送る毛細管流路（５０）を形成するウィック（５）とを備え、
毛細管流路は、発熱体に対し発熱体配置部を挟んで上記一方向の一方側とは反対側の他方側に重なる発熱体重複部分（５１）を含み、
筐体内には、毛細管流路に連通し気相の作動流体が流れる蒸気流路（６）が形成され、
筐体は、毛細管現象によって液相の作動流体を移動させる複数の毛細管溝（４８）が形成され毛細管流路に対して上記一方向の一方側から面する第１一方壁面部（４１１）と、その第１一方壁面部につながり蒸気流路に対して上記一方向の一方側から面する第２一方壁面部（４１２）とを有し、
第２一方壁面部では、複数の毛細管溝の形成による凹凸が生じた凹凸面（４ａ）が占める面積である凹凸面積（Ｓａ）よりも、複数の毛細管溝が設けられていない平滑面（４ｂ）が占める面積である平滑面積（Ｓｂ）の方が大きい。

【0011】

上記のように、蒸気流路に面する第２一方壁面部では凹凸面積よりも平滑面積の方が大きいので、例えば第２一方壁面部の全体が凹凸面になっている場合と比較して、蒸気流路での乱流の発生を抑制することが可能である。そして、その蒸気流路での乱流の発生が抑制されることで、発熱体からの熱が蒸気流路を通って拡散されやすくなり、発熱体から放熱させる放熱性能の向上を図ることができる。

【0012】

また、第２一方壁面部は、蒸気流路に対し、発熱体が配置された側である上記一方向の一方側に形成された壁面である。そして、第２一方壁面部を平滑面にする方が、蒸気流路に対し発熱体が配置された側とは反対側の壁面を平滑面にするよりも、発熱体からの熱によって気化した作動流体の乱流を抑制する上では有利である。

【0013】

なお、出願書類中の各欄において、各要素に括弧付きの参照符号が付されている場合がある。この場合、参照符号は、同要素と後述する実施形態に記載の具体的構成との対応関係の単なる一例を示すものであるにすぎない。よって、本発明は、参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態の熱輸送装置を備えた半導体モジュールの外観を示した図である。

【図2】第１実施形態において、熱輸送装置を筐体厚み方向に垂直な平面で切断した断面図であって、図１のII－II断面を示した断面図である。

【図3】図２のIII－III断面を示した断面図である。

【図4】図２のIV部分を拡大した図であって、筐体内のウィックの一部分を拡大した模式図である。

【図5】図２のV－V断面を示した断面図である。

【図6】図３のVI－VI断面を示した断面図であって、一方板部のうち筐体の内側に向いた形状を模式的に示した図である。

【図7】図３のVII－VII断面を示した断面図であって、他方板部のうち筐体の内側に向いた形状を模式的に示した図である。

【図8】図６および図７のVIII部分を拡大した図であって、凹凸面を拡大して模式的に示した図である。

【図9】図２のIX－IX断面を示した断面図であって、蒸気流路に向かって開放された毛細管溝を示した図である。

【図10】図２のX－X断面を示した断面図であって、筐体内の柱状部の断面を示した図である。

【図11】図１０のXI－XI断面を示した断面図であって、筐体内の柱状部の断面を示した図である。

【図12】第１実施形態の半導体モジュール、比較例の半導体モジュール、および銅板について、半導体素子に通電した際の電力損失と熱輸送装置における熱抵抗との関係を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しながら、実施形態を説明する。なお、後述する他の実施形態を含む以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

【0016】

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の半導体モジュール１は、半導体素子２と熱輸送装置３とを備えている。半導体素子２は、通電により発熱する発熱体である。熱輸送装置３は、半導体素子２が発する熱を輸送し、放熱させる放熱装置である。具体的には、熱輸送装置３は、ベイパーチャンバーまたはヒートパイプである。

【0017】

以下、熱輸送装置３の構成について説明する。
図１～図３に示すように、熱輸送装置３は、筐体４、ウィック５、複数の柱状部７、および複数の隔壁５３などを備えている。なお、図２は、図１および図３のII－II断面を示した断面図である。

【0018】

筐体４は、熱輸送装置３の外殻を成すものである。筐体４は、一方向である筐体厚み方向Ｄｔに厚みを有しその筐体厚み方向Ｄｔを法線方向とした面状に拡がる扁平形状に形成されている。筐体４の内部には気密な密閉空間が形成され、作動流体が封入されている。その作動流体としては、例えばエタノール、メタノール、アセトンなどを用いてもよいが、本実施形態では、潜熱の大きな純水が用いられる。筐体４の内部の密閉空間は、大気圧よりも減圧された状態（例えば真空に近い減圧状態）とされている。

【0019】

具体的に、熱輸送装置３は、筐体厚み方向Ｄｔにそれぞれ厚みを有する平板状の一方板部４１と他方板部４２と複数の中板部４３とを含み、その一方板部４１と他方板部４２と複数の中板部４３とが筐体厚み方向Ｄｔに積層された構成になっている。熱輸送装置３において一方板部４１は筐体厚み方向Ｄｔの一方側に設けられ、他方板部４２は筐体厚み方向Ｄｔの他方側に設けられ、複数の中板部４３は一方板部４１と他方板部４２との間に積層されている。

【0020】

例えば、本実施形態の熱輸送装置３は筐体厚み方向Ｄｔが鉛直方向になるように配置される。そして、筐体厚み方向Ｄｔの一方側は鉛直方向の上側になり、筐体厚み方向Ｄｔの他方側は鉛直方向の下側になる。従って、一方板部４１は上板とも称され、他方板部４２は下板とも称され、中板部４３は中板とも称される。

【0021】

熱輸送装置３が上記のような積層構造であるので、筐体４は、一方板部４１と、他方板部４２と、複数の中板部４３に含まれる中間周縁部４３１とから構成される。その中間周縁部４３１は複数の中板部４３の外縁部分を構成する。そして、一方板部４１は筐体４のうち筐体厚み方向Ｄｔの一方側に設けられ、他方板部４２は筐体４のうち筐体厚み方向Ｄｔの他方側に設けられ、中間周縁部４３１は一方板部４１と他方板部４２との間に挟まれ筐体４の周縁を形成する。

【0022】

一方板部４１と他方板部４２と複数の中板部４３は、例えば銅などの熱伝導率の大きい金属材料で構成されている。一方板部４１と他方板部４２と複数の中板部４３は、互いに拡散接合されている。具体的には、一方板部４１と複数の中板部４３と他方板部４２は、その順で重ね合わされ、筐体厚み方向Ｄｔに加圧された状態で熱圧着されている。

【0023】

一方板部４１の略中央部に発熱体としての半導体素子２が配置されている。従って、その一方板部４１を有する筐体４は、一方板部４１に含まれ半導体素子２が配置された発熱体配置部４４を筐体厚み方向Ｄｔの一方側に有し、筐体４のうち発熱体配置部４４に半導体素子２から熱が伝わる。詳細に言うと、半導体素子２は一方板部４１に対し筐体厚み方向Ｄｔの一方側に配置され、筐体４のうち発熱体配置部４４に対し熱伝導可能に接続されている。筐体４のうち発熱体配置部４４を除いた部分は、例えば空気に露出してもよいし、不図示のヒートシンクまたはフィンなどが接続されてもよい。

【0024】

なお、本実施形態の説明では、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、筐体４のうち発熱体配置部４４周りの周辺部分、すなわち半導体素子２に重ならず半導体素子２から外れた部分は、発熱体周辺部４５と称される。また、筐体４内の密閉空間において発熱体配置部４４に対し筐体厚み方向Ｄｔの他方側に重なる部分は受熱部４６と称される。また、筐体４内の密閉空間のうち受熱部４６周りの周辺部分、すなわち筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で発熱体周辺部４５と重なる部分は放熱部４７と称される。また、図２、および図３では、受熱部４６と放熱部４７の境界４６１は破線で示されている。

【0025】

ウィック５は、複数の中板部４３に含まれ、複数の中板部４３が筐体厚み方向Ｄｔに積層されることによって構成されている。ウィック５は筐体４内に配置され、液相の作動流体を毛細管現象によって送る毛細管流路５０を形成している。この毛細管流路５０はウィック５で満たされているので、筐体４内において毛細管流路５０が占める範囲とウィック５が占める範囲は同じである。

【0026】

具体的には図４に示すように、各中板部４３においてウィック５を構成する部位は、格子形状、言い換えれば網目形状に形成される。複数の中板部４３は、その格子または網目が筐体厚み方向Ｄｔに互い違いとなるように重ねられる。ウィック５の格子または網目の隙間は、液相の作動流体が毛細管力により流れる大きさとされている。そのため、ウィック５によって形成された毛細管流路５０では、液相の作動流体が毛細管力により流れる。

【0027】

図２、図３に示すように、毛細管流路５０は、筐体４の内側において受熱部４６と放熱部４７との両方に及ぶように設けられている。すなわち、毛細管流路５０は、受熱部４６に設けられた受熱側毛細管流路５１と、放熱部４７に設けられた放熱側毛細管流路５２とを含んで構成されている。その毛細管流路５０のうち受熱側毛細管流路５１は、半導体素子２に対し発熱体配置部４４を挟んで筐体厚み方向Ｄｔの他方側に重なる発熱体重複部分である。

【0028】

受熱側毛細管流路５１は、受熱部４６とほぼ同じ外形および大きさとされている。放熱側毛細管流路５２は、受熱側毛細管流路５１から、筐体厚み方向Ｄｔに直交する向きで放射状に延びている。別言すると、放熱側毛細管流路５２は、受熱側毛細管流路５１から中間周縁部４３１へ向かって放射状に延びている。なお、受熱側毛細管流路５１と放熱側毛細管流路５２は連続して形成されている。

【0029】

筐体４内には、毛細管流路５０に連通し気相の作動流体が流れる複数の蒸気流路６が形成されている。この蒸気流路６は一方板部４１と他方板部４２との間に挟まれるようにしてその一方板部４１と他方板部４２との間に形成されている。筐体４内においてウィック５が設けられていない空洞部分が蒸気流路６となっている。言い換えると、一方板部４１と他方板部４２と複数の中板部４３とによって囲まれた空間が蒸気流路６となっている。

【0030】

複数の蒸気流路６のうちの幾つかは、筐体４の内側において受熱部４６と放熱部４７との両方に及ぶように設けられている。すなわち、複数の蒸気流路６は、受熱部４６に設けられた受熱側蒸気流路６１と、放熱部４７に設けられた放熱側蒸気流路６２とを含んで構成されている。

【0031】

蒸気流路６のうち受熱側蒸気流路６１は、放熱側蒸気流路６２から受熱部４６と放熱部４７との境界４６１を跨いで受熱部４６に入り込むような形状とされている。一方、放熱側蒸気流路６２は、受熱側蒸気流路６１から連続して筐体４の中間周縁部４３１へ向かって放射状に延びるものと、受熱部４６よりも外側の位置から中間周縁部４３１へ向かって放射状に延びるものとがある。要するに、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、複数の蒸気流路６は、その蒸気流路６の相互間に毛細管流路５０を介在させて、発熱体配置部４４を中心とした放射状に形成されている。

【0032】

なお、本実施形態では図５に示すように、蒸気流路６と毛細管流路５０との間には隔壁５３が設けられている。この隔壁５３は複数の中板部４３に含まれ、複数の中板部４３が筐体厚み方向Ｄｔに積層されることによって構成されている。隔壁５３により、蒸気流路６を流れる気相の作動流体とウィック５を流れる液相の作動流体との間で熱交換される熱量を低減できる。例えば図２に示すように、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視では、複数の蒸気流路６はそれぞれ、隔壁５３と中間周縁部４３１と後述の柱状部７とにより全周にわたって囲まれている。

【0033】

図２、図３に示すように、柱状部７は、受熱部４６の一部および放熱部４７の一部において複数個所に設けられ、何れも筐体４内に配置されている。柱状部７は、筐体４内において一方板部４１と他方板部４２とを部分的に連結する補強部分である。すなわち、柱状部７は、一方板部４１と他方板部４２とを筐体厚み方向Ｄｔに近づけるように作用する外力に対抗し、筐体厚み方向Ｄｔにおける一方板部４１と他方板部４２との間隔を保持する。また、受熱部４６の一部に柱状部７が設けられているので、受熱部４６において作動流体の蒸発に伴う体積膨張などにより筐体４が筐体厚み方向Ｄｔに膨らむことを防ぐことが可能である。

【0034】

例えば、複数の柱状部７はそれぞれ毛細管流路５０と蒸気流路６との境目に配置されているので、毛細管流路５０に面する部分と蒸気流路６に面する部分とを有している。

【0035】

具体的に、複数の柱状部７は複数の中板部４３の一部を構成している。別言すると、その複数の柱状部７はそれぞれ複数の中板部４３に含まれる。そして、複数の柱状部７はそれぞれ、複数の中板部４３が筐体厚み方向Ｄｔに積層されることによって構成されている。複数の柱状部７はそれぞれ、筐体厚み方向Ｄｔの一方側に設けられた一端７１と、筐体厚み方向Ｄｔの他方側に設けられた他端７２とを有している。

【0036】

図３、図６に示すように、一方板部４１は毛細管流路５０と蒸気流路６とにそれぞれ面する。従って、一方板部４１は、毛細管流路５０に対して筐体厚み方向Ｄｔの一方側から面する第１一方壁面部４１１と、その第１一方壁面部４１１につながり蒸気流路６に対して筐体厚み方向Ｄｔの一方側から面する第２一方壁面部４１２とを有している。

【0037】

また、図３、図７に示すように、他方板部４２も毛細管流路５０と蒸気流路６とにそれぞれ面する。従って、他方板部４２は、毛細管流路５０に対して筐体厚み方向Ｄｔの他方側から面する第１他方壁面部４２１と、その第１他方壁面部４２１につながり蒸気流路６に対して筐体厚み方向Ｄｔの他方側から面する第２他方壁面部４２２とを有している。なお、図７では、第１他方壁面部４２１と第２他方壁面部４２２との境界は、破線Ｌｂで表されている。

【0038】

一方板部４１において、例えば第１一方壁面部４１１には、図３、図６、図８に示すように、微細な複数の毛細管溝４８が形成されている。その複数の毛細管溝４８は、液相の作動流体に対し毛細管現象を生じその毛細管現象によって液相の作動流体を移動させる溝である。詳細には、その毛細管溝４８の溝幅が、毛細管力によって液相の作動流体を流す大きさとされている。第１一方壁面部４１１にはその複数の毛細管溝４８が形成されているので、第１一方壁面部４１１は、複数の毛細管溝４８の形成による凹凸が生じた凹凸面４ａとなっている。

【0039】

凹凸面４ａでは、複数の毛細管溝４８は所定の相互間隔をあけて格子状に配置されている。そのため、隣り合う毛細管溝４８同士の間には、毛細管溝４８の底に対して相対的に突き出た凸部４９が形成されている。すなわち、隣り合う凸部４９同士の間の流路が毛細管溝４８になっているとも言える。そして、凹凸面４ａには、複数の毛細管溝４８と複数の凸部４９とが交互に並んで形成されている。

【0040】

また、一方板部４１において、第２一方壁面部４１２は、その全体または略全体において、毛細管溝４８が設けられず筐体厚み方向Ｄｔを法線方向として平滑に拡がる平滑面４ｂとなっている。例えば、第１一方壁面部４１１と第２一方壁面部４１２との境界付近で、凹凸面４ａが第２一方壁面部４１２側に僅かに食み出ている箇所もあるが、そこを除けば、第２一方壁面部４１２の全体が平滑面４ｂとなっている。

【0041】

従って、第２一方壁面部４１２では、凹凸面４ａが占める面積である凹凸面積Ｓａと、平滑面４ｂが占める面積である平滑面積Ｓｂとの大小関係は、「Ｓｂ＞Ｓａ」となっている。これに対し、第１一方壁面部４１１では、その第１一方壁面部４１１の全体が凹凸面４ａとなっている。従って、第１一方壁面部４１１における凹凸面積Ｓａと平滑面積Ｓｂとの大小関係は、「Ｓａ＞Ｓｂ」となっている。

【0042】

また、図５、図９に示すように、筐体厚み方向Ｄｔにおける第２一方壁面部４１２の平滑面４ｂの位置は、毛細管溝４８の底の位置に揃えられている。従って、第１一方壁面部４１１の凹凸面４ａに含まれる凸部４９は、第２一方壁面部４１２の平滑面４ｂに対し相対的に筐体厚み方向Ｄｔへ突き出ている。

【0043】

一方、他方板部４２では、図３、図７、図８に示すように、第１他方壁面部４２１の全体および第２他方壁面部４２２の全体が、複数の毛細管溝４８と複数の凸部４９とが形成された凹凸面４ａとなっている。従って、第１他方壁面部４２１と第２他方壁面部４２２との何れでも、凹凸面積Ｓａと平滑面積Ｓｂとの大小関係は、「Ｓａ＞Ｓｂ」となっている。

【0044】

そして、図５、図９に示すように、蒸気流路６と毛細管流路５０との間には隔壁５３が設けられているが、その隔壁５３は、毛細管溝４８を塞いでいない。そのため、蒸気流路６と毛細管流路５０は、隔壁５３に対する筐体厚み方向Ｄｔの一方側と他方側とのそれぞれで、毛細管溝４８を介して互いに連通している。例えば、放熱側蒸気流路６２を流れつつ発熱体周辺部４５で放熱し凝縮した作動流体は、毛細管溝４８を経由して毛細管流路５０へ流入する。また、受熱側毛細管流路５１で蒸発した作動流体は、毛細管溝４８を経由して蒸気流路６へ流入する。

【0045】

図１０、図１１に示すように、一方板部４１は、筐体４内の柱状部７が接合された複数の一方側土台部４１３を有している。この一方側土台部４１３は柱状部７と同数設けられている。そして、複数の一方側土台部４１３はそれぞれ、柱状部７の一端７１に対し対向して接合された一方側土台面４１３ａを有している。この一方側土台面４１３ａには毛細管溝４８が形成されていない。一方板部４１と中板部４３との接合は拡散接合であるので、一方側土台面４１３ａと柱状部７の一端７１との接合も拡散接合である。

【0046】

一方板部４１において複数の一方側土台部４１３はそれぞれ、毛細管溝４８の底に対し、凸部４９と同様に突き出るように形成されている。例えば、筐体厚み方向Ｄｔにおける一方側土台面４１３ａの位置は、一方板部４１に設けられた凸部４９の先端位置に揃えられている。

【0047】

また、一方側土台面４１３ａは、その一方側土台面４１３ａに対向する柱状部７の一端７１よりも広く形成されている。すなわち、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、一方側土台面４１３ａが占める範囲Ｒ１、Ｒ２内に柱状部７の一端７１の全部が入る。なお、図１０、図１１に表示された範囲Ｓ１、Ｓ２は、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で柱状部７の一端７１が占める範囲である。

【0048】

上記の一方板部４１と同様に、他方板部４２は、筐体４内の柱状部７が接合された複数の他方側土台部４２３を有している。この他方側土台部４２３は柱状部７と同数設けられている。そして、複数の他方側土台部４２３はそれぞれ、柱状部７の他端７２に対し対向して接合された他方側土台面４２３ａを有している。他方側土台面４２３ａと柱状部７の他端７２との接合も拡散接合であり、他方側土台面４２３ａには毛細管溝４８が形成されていない。

【0049】

他方板部４２において複数の他方側土台部４２３はそれぞれ、毛細管溝４８の底に対し、凸部４９と同様に突き出るように形成されている。例えば、筐体厚み方向Ｄｔにおける他方側土台面４２３ａの位置は、他方板部４２に設けられた凸部４９の先端位置に揃えられている。

【0050】

また、他方側土台面４２３ａは、その他方側土台面４２３ａに対向する柱状部７の他端７２よりも広く形成されている。すなわち、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、他方側土台面４２３ａが占める範囲Ｒ３、Ｒ４内に柱状部７の他端７２の全部が入る。なお、図１０、図１１に表示された範囲Ｓ３、Ｓ４は、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で柱状部７の他端７２が占める範囲である。

【0051】

図２に示すように本実施形態では、複数の柱状部７は、毛細管流路５０と複数の蒸気流路６との境界に沿って並べられている。そして、上記したように、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、複数の蒸気流路６は、発熱体配置部４４を中心とした放射状に形成されている。そのため、図２、図６、図７に示すように、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、複数の一方側土台面４１３ａと複数の他方側土台面４２３ａと複数の柱状部７はそれぞれ、発熱体配置部４４を中心とした放射状に配置されている。

【0052】

次に、本実施形態の半導体モジュール１の作動について説明する。

【0053】

半導体素子２が通電されると、電力損失に応じて半導体素子２に発熱が生じる。その半導体素子２が発する熱は、図２、図３に示すように、筐体４の発熱体配置部４４から受熱部４６に伝わり、受熱側毛細管流路５１に貯えられた液相の作動流体が蒸発する。受熱側毛細管流路５１で気体となった作動流体は、一方板部４１の毛細管溝４８または他方板部４２の毛細管溝４８を経由し、図２の矢印Ｇ１に示すように、蒸気流路６に流入する。その気相の作動流体は、図２の矢印Ｇ２に示すように、蒸気流路６を筐体４の外周側に向かって移動しつつ、発熱体周辺部４５から外気など筐体４の外部へ放熱して凝縮する。そして、凝縮し液体となった作動流体は、一方板部４１の毛細管溝４８または他方板部４２の毛細管溝４８を経由して放熱側毛細管流路５２に流入し、図２の矢印Ｌ１に示すように、その放熱側毛細管流路５２を流れて再び受熱側毛細管流路５１に還流する。このような作動流体の循環により、熱輸送装置３は、半導体素子２を放熱させることが可能である。

【0054】

図１２は、本実施形態の半導体モジュール１、比較例の半導体モジュール、および銅板について、発明者らが行った実験結果を示すグラフである。比較例の半導体モジュールでは、その半導体モジュールに含まれる熱輸送装置３の第２一方壁面部４１２の全体が、平滑面４ｂではなく、第１一方壁面部４１１と同様に凹凸面４ａとなっている。この点を除き、比較例の半導体モジュールは本実施形態の半導体モジュール１と同様である。

【0055】

図１２の横軸は、半導体素子２に通電した際の電力損失を示し、縦軸は、筐体４における発熱体配置部４４の任意の位置と発熱体周辺部４５の任意の位置との間の熱抵抗を示している。なお、横軸の電力損失は、受熱部４６の受熱量と読み替えることができる。

【0056】

図１２では、本実施形態の半導体モジュール１における電力損失と熱抵抗との関係は実線Ａで示されている。上記比較例の半導体モジュールにおける電力損失と熱抵抗との関係は破線Ｂで示されている。半導体モジュール１の熱輸送装置３を単なる銅板とした場合の電力損失と熱抵抗との関係は一点鎖線Ｃで示されている。

【0057】

図１２の実線Ａ、破線Ｂに示すように、本実施形態の半導体モジュール１では、比較例の半導体モジュールに比べて、計測された電力損失の全域にわたり、矢印Ａ１で示すように熱抵抗が低減されている。特に、本実施形態の半導体モジュール１では、比較例の半導体モジュールに比べて、高電力損失時の熱抵抗が大きく改善されていると言える。また、図１２の実験における電力損失の計測範囲内では、本実施形態の半導体モジュール１の熱抵抗は、一点鎖線Ｃで示される銅板の熱抵抗よりも低いまま推移した。

【0058】

上述したように、本実施形態によれば、図２、図３、図６に示すように、蒸気流路６に面する第２一方壁面部４１２では凹凸面積Ｓａよりも平滑面積Ｓｂの方が大きい。そのため、例えば第２一方壁面部４１２の全体が凹凸面４ａになっている場合と比較して、蒸気流路６での乱流の発生を抑制することが可能である。そして、その蒸気流路６での乱流の発生が抑制されることで、半導体素子２からの熱が蒸気流路６を通って拡散されやすくなり、半導体素子２から放熱させる放熱性能の向上を図ることができる。

【0059】

また、第２一方壁面部４１２は、蒸気流路６に対し、半導体素子２が配置された側である筐体厚み方向Ｄｔの一方側に形成された流路壁面である。そして、第２一方壁面部４１２を平滑面４ｂにする方が、蒸気流路６に対し半導体素子２が配置された側とは反対側の第２他方壁面部４２２を平滑面４ｂにするよりも、半導体素子２からの熱によって気化した作動流体の乱流を抑制する上では有利である。

【0060】

このように蒸気流路６での乱流が抑制されることで、半導体素子２直下の受熱部４６で蒸発した作動流体が効率よく放熱部４７へ拡散する。その結果、発熱体配置部４４から発熱体周辺部４５へ伝熱されやすくなり、高い電力損失下でも低い熱抵抗を得ることができる。

【0061】

（１）また、本実施形態によれば、第２他方壁面部４２２では、平滑面積Ｓｂよりも凹凸面積Ｓａの方が大きい。これにより、気化した作動流体の乱流を抑制する作用を第２一方壁面部４１２によって得つつ、半導体素子２から遠い側の第２他方壁面部４２２では、凝縮して液化した作動流体を毛細管溝４８の毛細管現象により毛細管流路５０へ送る作用を促進することができる。すなわち、蒸気流路６内での気液分布に対応して、気相の作動流体の乱流を抑制する作用と、液相の作動流体を毛細管溝４８の毛細管現象によって毛細管流路５０へ送る作用との両立を図ることが可能である。

【0062】

（２）また、本実施形態によれば、筐体４は、筐体厚み方向Ｄｔの一方側に設けられた一方板部４１と、筐体厚み方向Ｄｔの他方側に設けられた他方板部４２と、一方板部４１と他方板部４２との間に挟まれ筐体４の周縁を形成する中間周縁部４３１とを有する。そして、その中間周縁部４３１と筐体４内のウィック５は、一方板部４１と他方板部４２との間に積層された複数の中板部４３を構成する。言い換えると、その中間周縁部４３１とウィック５は、複数の中板部４３から構成される積層体に含まれる。

【0063】

従って、一方板部４１と複数の中板部４３と他方板部４２とをその順で積層し互いに接合することで、毛細管流路５０や蒸気流路６などの筐体４内の構成、および筐体４を容易に作製することができる。

【0064】

（３）また、本実施形態によれば、図１０、図１１に示すように、一方板部４１は、柱状部７の一端７１に対し対向して接合された一方側土台面４１３ａを有し、その一方側土台面４１３ａには毛細管溝４８が形成されていない。他方板部４２は、柱状部７の他端７２に対し対向して接合された他方側土台面４２３ａを有し、その他方側土台面４２３ａには毛細管溝４８が形成されていない。そして、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、一方側土台面４１３ａが占める範囲Ｒ１、Ｒ２内に柱状部７の一端７１の全部が入り、且つ、他方側土台面４２３ａが占める範囲Ｒ３、Ｒ４内に柱状部７の他端７２の全部が入る。

【0065】

従って、筐体４が筐体厚み方向Ｄｔに圧縮される外力を受けた場合に、その外力に対抗する柱状部７が一方側土台面４１３ａまたは他方側土台面４２３ａからずれて外れようとする動きを抑制することができる。例えば、柱状部７が一方側土台面４１３ａまたは他方側土台面４２３ａからずれることに起因して筐体厚み方向Ｄｔに対し傾こうとする動きを抑制することができる。また、拡散接合により柱状部７が一方側土台面４１３ａと他方側土台面４２３ａとに接合される場合には、一方側土台面４１３ａまたは他方側土台面４２３ａからの柱状部７の位置ズレに起因して柱状部７が筐体厚み方向Ｄｔに対し傾いて接合されることを防止することが可能である。このように柱状部７の傾きが抑制され柱状部７が一方板部４１と他方板部４２とにしっかりと接合されることは、熱輸送装置３の耐熱性の確保につながる。

【0066】

（４）また、本実施形態によれば、図２、図６、図７に示すように、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、複数の蒸気流路６は、発熱体配置部４４を中心とした放射状に形成されている。そして、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、複数の一方側土台面４１３ａと複数の他方側土台面４２３ａと複数の柱状部７はそれぞれ、発熱体配置部４４を中心とした放射状に配置されている。従って、複数の蒸気流路６の配置場所を確保しながら、複数の一方側土台面４１３ａと複数の他方側土台面４２３ａと複数の柱状部７とを筐体４内の全体にわたって配置することが可能である。

【0067】

また、本実施形態によれば、図５、図６、図９に示すように、第１一方壁面部４１１の凹凸面４ａに含まれる凸部４９は、第２一方壁面部４１２の平滑面４ｂに対し筐体厚み方向Ｄｔへ突き出ている。

【0068】

そのため、蒸気流路６へ開放された第１一方壁面部４１１の毛細管溝４８は、その毛細管溝４８の延伸方向に沿った向きで蒸気流路６側へ開放されることになる。従って、その毛細管溝４８を通って蒸気流路６へ吹き出る気相の作動流体は、その作動流体の流れの向きを変えられることなく、図３の矢印Ａ２のように円滑に蒸気流路６に流れ込むことができる。その結果、気相の作動流体が毛細管流路５０から毛細管溝４８を経て蒸気流路６に流れる動きが円滑になるので、熱輸送装置３の放熱性能の向上を図ることができる。

【0069】

（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、熱輸送装置３は、柱状部７を備えるものとして説明したが、それに限らず、例えば、柱状部７を廃止してもよい。

【0070】

（２）上記実施形態では、熱輸送装置３は、隔壁５３を備えるものとして説明したが、これに限らず、例えば、隔壁５３を廃止してもよい。

【0071】

（３）上記実施形態では、熱輸送装置３の発熱体配置部４４には発熱体として半導体素子２が設けられるものとして説明したが、これに限らず、熱輸送装置３は、例えば、半導体素子２以外の発熱体に接続されるものであってもよい。

【0072】

（４）上述の実施形態では、筐体厚み方向Ｄｔに沿う方向視で、複数の一方側土台面４１３ａと複数の他方側土台面４２３ａと複数の柱状部７はそれぞれ、発熱体配置部４４を中心とした放射状に配置されているが、これは一例である。その複数の一方側土台面４１３ａと複数の他方側土台面４２３ａと複数の柱状部７は、放射状ではない配置で設けられていても差し支えない。

【0073】

（５）上述の実施形態では、一方板部４１と他方板部４２との間には複数の中板部４３が積層されるが、その中板部４３は複数である必要はなく、１枚であっても差し支えない。

【0074】

（６）上述の実施形態では、熱輸送装置３は、一方板部４１と複数の中板部４３と他方板部４２とが筐体厚み方向Ｄｔに積層された積層構造になっているが、そのような積層構造でなくても差し支えない。

【0075】

（７）なお、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

【0076】

また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0077】

２ 半導体素子（発熱体）
３ 熱輸送装置
４ 筐体
４ａ 凹凸面
４ｂ 平滑面
５ ウィック
４８ 毛細管溝
５０ 毛細管流路
４１１ 第１一方壁面部
４１２ 第２一方壁面部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】