特開 2024-79859 放熱モジュール

(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】P2024079859

(43)【公開日】2024-06-12

(54)【発明の名称】放熱モジュール

(51)【国際特許分類】

   F28D 15/04 20060101AFI20240605BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20240605BHJP

【ＦＩ】

F28D15/04 G

F28D15/02 102A

F28D15/02 102H

F28D15/02 101H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021055457

(22)【出願日】2021-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100126882

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 光永

(74)【代理人】

【識別番号】100160093

【弁理士】

【氏名又は名称】小室 敏雄

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】萩野 春俊

(72)【発明者】

【氏名】川原 洋司

(57)【要約】

【課題】熱輸送能力を向上させた放熱モジュールを提供する。
【解決手段】放熱モジュールは、作動流体が封入されたコンテナと、前記コンテナ内に収容された少なくとも２枚の多孔質シートと、を備え、前記コンテナ内には蒸気流路が形成され、前記多孔質シート同士の間には、前記作動流体に毛管力を生じさせる隙間が形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体が封入されたコンテナと、
前記コンテナ内に収容された少なくとも２枚の多孔質シートと、を備え、
前記コンテナ内には蒸気流路が形成され、
前記多孔質シート同士の間には、前記作動流体に毛管力を生じさせる隙間が形成されている、放熱モジュール。

【請求項2】

前記多孔質シートは、粉体の焼結体である、請求項１に記載の放熱モジュール。

【請求項3】

前記２枚の多孔質シートは相対移動可能である、請求項１または２に記載の放熱モジュール。

【請求項4】

前記コンテナは、互いに接合されたトッププレートおよびボトムプレートを有し、
前記トッププレートは、上板と、前記上板から前記ボトムプレートに向けて突出する複数のピラーを有し、
前記ピラー同士の間の隙間が前記蒸気流路であり、
前記多孔質シートの一部が前記ピラーによって圧縮されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の放熱モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、放熱モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

ベーパーチャンバー等の放熱モジュールは、作動流体が封入されたコンテナと、コンテナ内に配置されたウィックとを備える。コンテナの高温側で作動流体が加熱され、蒸発すると、蒸発した作動流体（蒸気）は蒸気流路を通って低温側に移動して凝縮する。凝縮した作動流体（液体）は、ウィックの毛管力によって高温側に戻る。これら蒸発および凝縮の繰返しにより、高温側から低温側へと熱が輸送される（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６６２３２９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ウィックの材質としては、例えばメッシュや粉体の焼結体が挙げられる。しかしながら、メッシュにより形成されたウィックは毛管力が弱いために液体を効率的に輸送できず、ベーパーチャンバーの熱輸送能力が低くなるという課題があった。また、粉体の焼結体により形成されたウィックは高い毛管力を生じさせるものの、液体がウィック内の粒子間をランダムな経路で動くために液体流路が長くなり、結果として熱輸送能力が低くなるという課題があった。

【0005】

本発明はこのような事情を考慮してなされ、熱輸送能力を向上させた放熱モジュール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】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る放熱モジュールは、作動流体が封入されたコンテナと、前記コンテナ内に収容された少なくとも２枚の多孔質シートと、を備え、前記コンテナ内には蒸気流路が形成され、前記多孔質シート同士の間には、前記作動流体に毛管力を生じさせる隙間が形成されている。

【0007】

上記態様の放熱モジュールによれば、低温側において液体となった作動流体が、多孔質シートが有する細孔を通じて、多孔質シート同士の間の隙間に流入する。多孔質シート同士の間の隙間は毛管力を生じさせる。この隙間を液体流路として用いることで、低温側から高温側に至る液体流路の長さを短くすることができる。したがって、液体が効率的に高温側へ輸送され、放熱モジュールの熱輸送能力を向上させることができる。

【0008】

ここで、前記多孔質シートは、粉体の焼結体であってもよい。

【0009】

また、前記複数の多孔質シートのそれぞれは、互いに相対移動可能であってもよい。

【0010】

また、前記コンテナは、互いに接合されたトッププレートおよびボトムプレートを有し、前記トッププレートは、上板と、前記上板から前記ボトムプレートに向けて突出する複数のピラーを有し、前記ピラー同士の間の隙間が前記蒸気流路であり、前記多孔質シートの一部が前記ピラーによって圧縮されていてもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明の上記態様によれば、熱輸送能力を向上させた放熱モジュールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係るベーパーチャンバーの注液後における断面図である。

【図2】第１実施形態に係るベーパーチャンバーの注液前における断面図である。

【図3】第２実施形態に係るベーパーチャンバーの加熱接合前における断面図である。

【図4】第２実施形態に係るベーパーチャンバーの加熱接合後における断面図である。

【図5】実施例および比較例に係るベーパーチャンバーの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（第１実施形態）
以下、第１実施形態のベーパーチャンバー（放熱モジュール）について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ベーパーチャンバー１Ａは、作動流体Ｗが封入されたコンテナ１０と、コンテナ１０内に収容されたウィック２０と、を備える。コンテナ１０は、互いに接合されたトッププレート１１およびボトムプレート１２を有する。ボトムプレート１２の外面には、熱源Ｈが接している。

【0014】

（方向定義）
ここで本実施形態では、ＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。トッププレート１１およびボトムプレート１２が対向する方向を厚さ方向Ｚという。厚さ方向Ｚにおけるトッププレート１１側（＋Ｚ側）を上方、ボトムプレート１２側（－Ｚ側）を下方という。厚さ方向Ｚに直交する一方向を第１方向Ｘといい、第１方向Ｘおよび厚さ方向Ｚの双方に直交する方向を第２方向Ｙという。本実施形態では、理解を容易にするために、熱が第１方向Ｘに輸送されるものとして説明する。ただし、熱は第２方向Ｙに輸送されてもよい。第１方向Ｘにおける熱源Ｈ側（＋Ｘ側）を高温側、他方側（－Ｘ側）を低温側という。

【0015】

作動流体Ｗは、相変化する周知の物質であって、コンテナ１０内部で気相と液相とに相変化する。例えば、作動流体Ｗとして、水（純水）、アルコール、アンモニア等を採用できる。本明細書では、気相の作動流体を「蒸気Ｗ１」、液相の作動流体を「液体Ｗ２」と呼ぶことがある。また、気相と液相とを特に区別しない場合には単に作動流体Ｗと呼ぶことがある。

【0016】

コンテナ１０は、密閉された中空容器である。トッププレート１１およびボトムプレート１２の材質としては、例えば銅などの熱伝導率が高い素材が望ましいが、銅以外の素材であってもよい。トッププレート１１は、上板１１ａと、複数のピラー１１ｂと、上側側壁部１１ｃと、を有する。上側側壁部１１ｃは、上板１１ａの外周縁から下方に突出している。複数のピラー１１ｂは、上板１１ａから下方に突出し、上側側壁部１１ｃによって囲まれている。複数のピラー１１ｂ同士の間の隙間には、蒸気流路Ｇが形成されている。図示は省略するが、蒸気流路Ｇは、蒸気Ｗ１が第１方向Ｘに流動できるように形成されている。例えば、複数の円柱状あるいは角柱状のピラー１１ｂが、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙの双方に並べて配置されていてもよい。あるいは、厚さ方向Ｚから見て、各ピラー１１ｂが熱源Ｈを中心として放射状に延びていてもよい。

【0017】

ボトムプレート１２は、底板１２ａと、下側側壁部１２ｂと、を有する。下側側壁部１２ｂは、底板１２ａの外周縁から上方に突出している。トッププレート１１およびボトムプレート１２は、例えば銅板にエッチング加工を施すことによって形成できるが、エッチング加工以外の手法によって形成されていてもよい。トッププレート１１およびボトムプレート１２は、上側側壁部１１ｃと下側側壁部１２ｂとが接合部１３を介して接合されることにより、互いに接合されている。本実施形態においては、接合部１３の材質はロウ材（ＢＡｇ－８）であり、コンテナ１０を窒素雰囲気中で８５０℃に加熱することにより接合を行っている。なお、接合部１３の材質はロウ材でなくてもよく、例えばはんだ合金や接着剤等であってもよい。あるいは、接合部１３を設けずに、例えばレーザー接合や超音波接合等によって上側側壁部１１ｃと下側側壁部１２ｂとが直接接合される構成を採用してもよい。

【0018】

ウィック２０は、２つの多孔質シート２１と、２つの多孔質シート２１同士の間に形成される隙間２２と、を有する。本明細書では、説明を容易とするために各多孔質シート２１を上方から順に「第１シート２１Ａ」「第２シート２１Ｂ」と呼ぶ場合がある。第１シート２１Ａと第２シート２１Ｂとは、互いに相対移動可能な状態で上下に重ねられている。ここで、第２シート２１Ｂは、ボトムプレート１２に固定されてもよいし、固定されていなくてもよい。また、多孔質シート２１の数は、３枚以上であってもよい。

【0019】

本実施形態において、多孔質シート２１は、銅などの金属粉をシート状に焼結させた焼結体である。金属粉としては、例えば、いわゆるアトマイズ法によって製造されたアトマイズ粉を用いることができる。蒸気流路Ｇで凝縮した作動流体Ｗ（液体Ｗ２）は、多孔質シート２１が有する細孔を通じて、隙間２２に流入する。
なお、多孔質シート２１は、粉体を焼結させた焼結体でなくてもよく、例えばポーラス金属体（発泡金属ともいう）によって形成されたシート等であってもよい。

【0020】

隙間２２は、液体Ｗ２が輸送される液体流路として利用される。液体Ｗ２は、隙間２２で起こる毛細管現象によって、第１方向Ｘに沿って輸送される。言い換えれば、液体Ｗ２は、隙間２２の毛管力によって、第１方向Ｘに沿って輸送される。ここで、多孔質シート２１は粉体の焼結体であるゆえに高い濡れ性を有するため、隙間２２は高い毛管力を生じさせる。また、液体Ｗ２が多孔質シート２１内の粒子間をランダムな経路で輸送される場合と比べて、液体流路の長さを短くすることができる。

【0021】

ベーパーチャンバー１Ａの製造は、トッププレート１１とボトムプレート１２とを接合してコンテナ１０を形成する加熱接合工程と、コンテナ１０内部を真空とする脱気工程と、コンテナ１０内部に作動流体Ｗの注液を行う注液工程と、の３つの工程を経て行われる。ここで、コンテナ１０には、注液孔（不図示）が形成されており、脱気および注液は当該注液孔を介して行われる。また、注液工程の後で注液孔は閉塞される。
なお、ベーパーチャンバー１Ａの製造には上記の３工程以外の工程が含まれていてもよい。

【0022】

加熱接合工程において、本実施形態に係るコンテナ１０は、トッププレート１１をボトムプレート１２に向けて押し付けながら、コンテナ１０全体を加熱し接合部１３をロウ付けすることによって形成される。
加熱接合工程が行われた後に、脱気工程が行われる。

【0023】

脱気工程に次いで、注液工程が行われる。図２に示すように、注液工程開始直前の状態において、第１シート２１Ａと第２シート２１Ｂとは、互いに接するように厚さ方向Ｚに重ねられている。つまり、第１シート２１Ａの下面と、第２シート２１Ｂの上面とが、互いに接している。ここで、第１シート２１Ａの厚みと第２シート２１Ｂの厚みの合計をＤ１、各ピラー１１ｂの下面から底板１２ａまでの厚さ方向Ｚにおける距離をＤ２とする。このとき、Ｄ２―Ｄ１＞０が成立する。言い換えれば、ウィック２０（第１シート２１Ａ）の上面は、ピラー１１ｂの下面と接していない。コンテナ１０に作動流体Ｗが注液されると、液体Ｗ２の表面張力によって、第１シート２１Ａは上方に移動してピラー１１ｂに当接する。注液前の状態において第２シート２１Ｂが底板１２ａに接していない場合、第２シート２１Ｂも液体Ｗ２の表面張力によって下方に移動し、底板１２ａに当接してもよい。

【0024】

つまり、コンテナ１０に作動流体Ｗを注液することで、図１に示すように隙間２２が厚さ方向Ｚに広がる。注液後の隙間２２の厚さ方向Ｚにおける寸法は、先述のＤ２－Ｄ１の値と略等しくなる。隙間２２が生じさせる毛管力、隙間２２の流路抵抗、およびコンテナ１０と多孔質シート２１の製造難度等を加味すると、隙間２２の厚さ方向Ｚにおける寸法は、例えば１０～１５μｍとすることが望ましい。

【0025】

次に、以上のように構成されたベーパーチャンバー１Ａの作用について説明する。

【0026】

ベーパーチャンバー１Ａは、熱源Ｈから熱を受け取り、受け取った熱を外部に放出する放熱モジュールである。
図１に示すように、ウィック２０の高温側に浸透している液体Ｗ２は、熱源Ｈから受け取った熱によって蒸発し、蒸気Ｗ１へと相変化して蒸気流路Ｇに向かう（Ｓ１）。蒸気Ｗ１は、高温側よりも圧力および温度が低い低温側へ向けて蒸気流路Ｇを流動する（Ｓ２）。蒸気Ｗ１は、低温側へ流動するにしたがってコンテナ１０に熱を奪われて温度が低下し、やがて凝縮して液体Ｗ２へと相変化する。液体Ｗ２はウィック２０に浸透し、隙間２２に吸収される（Ｓ３）。隙間２２に吸収された液体Ｗ２は、隙間２２の毛管力によって高温側に還流する（Ｓ４）。Ｓ１～Ｓ４のサイクルを繰り返すことにより、ベーパーチャンバー１Ａは熱源Ｈから熱を吸収し続け、吸収した熱を外部へ放出し続けることができる。

【0027】

以上説明したように、本実施形態のベーパーチャンバー１Ａは、作動流体Ｗが封入されたコンテナ１０と、コンテナ１０内に収容された少なくとも２枚の多孔質シート２１と、を備え、コンテナ１０内には蒸気流路Ｇが形成され、多孔質シート２１同士の間には、液体Ｗ２に毛管力を生じさせる隙間２２が形成されている。

【0028】

この構成によれば、低温側において液体Ｗ２となった作動流体Ｗが、多孔質シート２１が有する細孔を通じて、多孔質シート２１同士の間の隙間２２に流入する。多孔質シート２１同士の間の隙間２２は毛管力を生じさせる。この隙間２２を液体流路として用いることで、低温側から高温側に至る液体流路の長さを短くすることができる。したがって、液体Ｗ２が効率的に高温側へ輸送され、ベーパーチャンバー１Ａの熱輸送能力を向上させることができる。

【0029】

また、本実施形態の多孔質シート２１は、粉体の焼結体である。この構成によれば、多孔質シート２１の濡れ性が高くなるため、隙間２２が生じさせる毛管力を向上させることができる。したがって、液体Ｗ２がより効率的に輸送され、ベーパーチャンバー１Ａの熱輸送能力をより向上させることができる。

【0030】

また、本実施形態の２枚の多孔質シート２１は、相対移動可能である。これにより、液体Ｗ２の表面張力によって多孔質シート２１同士の間の隙間２２が広がる。隙間２２のサイズは、先述の寸法Ｄ１、Ｄ２によって定めることができる。２枚の多孔質シート２１を、隙間２２が形成されるようにそれぞれコンテナ１０に固定する場合と比較して、隙間２２のサイズをより容易に小さくすることが可能である。隙間２２のサイズを小さくすることで、毛管力をより大きくすることができる。したがって、液体Ｗ２がより効率的に輸送され、ベーパーチャンバー１Ａの熱輸送能力をより向上させることができる。

【0031】

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図３は、第２実施形態に係るベーパーチャンバー１Ｂの製造過程を示す図である。具体的には、先述の加熱接合工程直前のベーパーチャンバー１Ｂの断面図である。図３に示すように、本実施形態では、各多孔質シート２１の厚みの合計Ｄ１およびピラー１１ｂと底板１２ａの距離Ｄ２について、Ｄ２－Ｄ１≦０が成立する。例えば、Ｄ２－Ｄ１の値は、－１０～０μｍであってもよい。

【0032】

ベーパーチャンバー１Ａと同様に、ベーパーチャンバー１Ｂの製造は、加熱接合工程と、脱気工程と、注液工程と、の３つの工程を経て行われる。本実施形態のベーパーチャンバー１Ｂにおいて、先述の通りＤ２－Ｄ１≦０であるから、加熱接合工程は、第１シート２１Ａ（ウィック２０）の上面がピラー１１ｂと接した状態で開始される。加熱接合工程が開始されると、図４に示すように、トッププレート１１には下向きの圧力がかかる。この圧力は、上側側壁部１１ｃおよび下側側壁部１２ｂによって受け止められる。したがって、上側側壁部１１ｃには厚さ方向Ｚの圧力が作用するが、ピラー１１ｂにはこのような圧力が作用しない。このため、厚さ方向Ｚにおけるピラー１１ｂの熱膨張量は、上側側壁部１１ｃの熱膨張量よりも大きくなる。

【0033】

また、各多孔質シート２１も熱膨張する。このように、ピラー１１ｂの熱膨張量が上側側壁部１１ｃの熱膨張量よりも大きく、各多孔質シート２１も熱膨張することにより、ピラー１１ｂが第１シート２１Ａを下方に押し潰す。言い換えると、第１シート２１Ａ（ウィック２０）のうちピラー１１ｂに接している部分のみが下方に向けて圧縮される。第１シート２１Ａの圧縮された箇所には曲げモーメントが生じるため、第１シート２１Ａの一部（圧縮された箇所の周囲）が上方に隆起して隙間２２が形成される。第１実施形態同様、隙間２２は液体流路として利用される。

【0034】

脱気工程ではコンテナ１０の内部の気圧が低下するため、コンテナ１０には外気圧による圧縮力が生じる。本実施形態のベーパーチャンバー１Ｂにおいて、第１シート２１Ａ（ウィック２０）はピラー１１ｂによって圧縮されているため、ウィック２０がピラー１１ｂを介して上記の圧縮力を受けることにより、コンテナ１０の変形を防止することができる。

【0035】

脱気工程に次いで、注液工程が行われる。ここで、本実施形態のベーパーチャンバー１Ｂは、Ｄ２－Ｄ１≦０であるから、各多孔質シート２１の厚みの合計であるＤ１の値を大きくとることができる。Ｄ１の値を大きくすることで、注液工程においてウィック２０が保持できる液体Ｗ２の量を多くすることができる。また、ベーパーチャンバーが吸収・排出できる熱量はコンテナ１０内部に注液された作動流体Ｗの物質量に依存する。したがって、Ｄ１の値を大きくすることで、コンテナ１０内部に注液可能な作動流体Ｗの物質量を増やすことができ、これによりベーパーチャンバー１Ｂの許容熱量をより高めることができる。

【0036】

以上説明したように、本実施形態のベーパーチャンバー１Ｂにおいて、コンテナ１０は、互いに接合されたトッププレート１１およびボトムプレート１２を有し、トッププレート１１は、上板１１ａと、上板１１ａからボトムプレート１２に向けて突出する複数のピラー１１ｂを有し、ピラー１１ｂ同士の間の隙間が蒸気流路Ｇであり、多孔質シート２１の一部がピラー１１ｂによって圧縮されている。この構成によれば、コンテナ１０にかかる圧縮力を多孔質シート２１が受けることによって、コンテナ１０が外気圧によって変形するのを防止できる。

【実施例0037】

以下、具体的な実施例を用いて、上記実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。

【0038】

（比較例）
第１方向Ｘにおける寸法は９０ｍｍ、第２方向Ｙにおける寸法は５６ｍｍ、厚さ方向Ｚにおける寸法は０．３ｍｍのベーパーチャンバーを用意した。ウィック２０として、Φ５μｍの銅粉を焼結させた厚み８０μｍの多孔質シート２１を、１枚用いた。

【0039】

（実施例）
第１実施形態のベーパーチャンバー１Ａを用意した。各寸法は比較例と同一とした。ウィック２０として、Φ５μｍの銅粉を焼結させた厚み３５μｍの多孔質シート２１を２枚用いた。多孔質シート２１同士の間に、液体Ｗ２の表面張力によって隙間２２が形成された。

【0040】

表１は、比較例および実施例のそれぞれに熱源Ｈを接し（図１参照）、測定点Ｐ１～Ｐ４におけるトッププレート１１の温度を測定した結果である（図５参照）。測定点Ｐ１～Ｐ４は、第２方向Ｙにおけるコンテナ１０の中央に配置した。また、第１方向Ｘにおいて隣り合う測定点同士の間の間隔は、２０ｍｍとした。

【0041】

【表1】

【0042】

Ｐ１の温度と外気温の差が小さいことは、ベーパーチャンバーが、熱源Ｈから受け取った熱を低温側（Ｐ２～Ｐ４側）へと効率よく輸送できていることを意味する。言い換えれば、ベーパーチャンバーが高い熱輸送能力を有することを意味する。同様に、Ｐ１の温度とＰ４の温度の差が小さいことは、ベーパーチャンバーの温度勾配が小さく、ベーパーチャンバーの熱輸送能力が高いことを意味する。表１から、熱源Ｈの出力の大小や熱源Ｈの温度の高低に関わらず、比較例よりも実施例のほうが高い熱輸送能力を発揮できていることが確認できる。このように、ウィック２０に複数の多孔質シート２１を設け、多孔質シート２１同士の間の隙間２２を液体流路とすることによって、ベーパーチャンバーの熱輸送能力を向上させることができる。

【0043】

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【0044】

例えば、前記実施形態においてコンテナ１０は全体として直方体状に形成されていたが、例えば長円盤状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
また、前記実施形態の放熱モジュールはベーパーチャンバーであったが、その他の種類の放熱モジュールに対して前記実施形態を適用してもよい。具体的には、放熱モジュールは、コンテナ１０としてパイプ（例えば銅管）を用いたヒートパイプであってもよい。この場合、パイプの内側に２枚以上の多孔質シート２１を配置し、多孔質シート２１同士の間に隙間２２を形成することで、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。あるいは、放熱モジュールは、いわゆるループヒートパイプ等であってもよい。

【0045】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0046】

１Ａ、１Ｂ…ベーパーチャンバー（放熱モジュール） １０…コンテナ １１…トッププレート １１ａ…上板 １１ｂ…ピラー １２…ボトムプレート ２１…多孔質シート ２２…隙間 Ｇ…蒸気流路 Ｗ…作動流体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】