JP2018189349A

JP2018189349A - ベーパーチャンバー

Info

Publication number: JP2018189349A
Application number: JP2017105038A
Authority: JP
Inventors: 岸本　敦司; Atsushi Kishimoto; 敦司岸本; 竜宏沼本; Tatsuhiro Numamoto; 拓生若岡; Takuo Wakaoka; 近川　修; Osamu Chikagawa; 修近川; 宗一久米; Soichi Kume
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: JP6988170B2

Abstract

【課題】蒸気となった作動液が移動する部分を狭めずに、周囲温度の変化によっても性能の低下を生じにくいベーパーチャンバーを提供する。【解決手段】筐体２と、前記筐体を内側から支持するように、前記筐体の内部空間に配置された柱３と、前記筐体の内部空間に封入された作動液と、前記筐体の内部空間に配置されたウィック４とを有し、前記筐体の主内面の少なくとも一部分が、前記筐体の内部空間に露出しており、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔を有している、ベーパーチャンバー。【選択図】図１

Description

本発明は、ベーパーチャンバーに関する。

近年、素子の高集積化、高性能化による発熱量が増加している。また、製品の小型化が進むことで、発熱密度が増加するため、放熱対策が重要となってきた。この状況はスマートフォンやタブレットなどのモバイル端末の分野において特に顕著である。近年、熱対策部材としては、グラファイトシートなどが用いられることが多いが、その熱輸送量は十分ではないため、様々な熱対策部材の使用が検討されている。なかでも、非常に効果的に熱を拡散させることが可能であるとして、面状のヒートパイプであるベーパーチャンバーの使用の検討が進んでいる。

ベーパーチャンバーとは、平板状の密閉容器内に揮発しやすい適量の作動流体を封入したものである。作動流体は熱源からの熱で気化し、内部空間内を移動した後、外部に熱を放出して液体に戻る。液体に戻った作動流体はウィックと呼ばれる毛細管構造により再び熱源付近へ運ばれて、再び気化する。これを繰り返すことにより、ベーパーチャンバーは外部動力を有することなく自立的に作動し、作動流体の蒸発潜熱および凝縮潜熱を利用して、二次元的に高速で熱を拡散することができる。

特許文献１には、作動流体が凝縮する凝縮部と作動流体が蒸発する蒸発部とを有するヒートパイプが記載されている。特許文献１において、ヒートパイプのコンテナの内部には作動流体が封入され、下側コンテナの内壁と上側コンテナの内壁の両方にナノメートルオーダーの凹凸構造を有するウィック構造が形成されている。このような構成により、二次元的な熱の拡散が達成されている。

特開２０１２−０５７８４１号公報

ベーパーチャンバーは、高温の熱源と近接させて使用する必要があるため、周囲温度の変化により性能の低下を生じないことが好ましい。しかしながら、ベーパーチャンバーは高温になると、内部で不純物ガスが発生するおそれがある。このような不純物ガスは、ベーパーチャンバーの所期の熱輸送特性を変化させ得る。また、上記の不純物ガスが、ウィックにトラップされると、ウィックの親水性が低下し、ベーパーチャンバーの熱輸送特性が低下するおそれがある。特許文献１のように下側コンテナの内壁と上側コンテナの内壁の両方にナノメートルのオーダーの凹凸構造を有するウィック構造を形成すれば、不純物ガスをウィックによってトラップすることができるが、同時にウィックの親水性が低下し、ベーパーチャンバーの熱輸送特性が低下するおそれがある。また、ウィックを下側コンテナの内壁と上側コンテナの内壁の両方に設けることにより、蒸気となった作動液が移動する部分が狭くなることが懸念される。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、周囲温度の変化によっても性能の低下を生じにくいベーパーチャンバーを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るベーパーチャンバーは、筐体と、前記筐体を内側から支持するように、前記筐体の内部空間に配置された柱と、前記筐体の内部空間に封入された作動液と、前記筐体の内部空間に配置されたウィックとを有し、前記筐体の主内面の少なくとも一部分が、前記筐体の内部空間に露出しており、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔を有している。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体の主内面の細孔の平均深さが４０ｎｍ以下である。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体の主内面の細孔の平均直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱の少なくとも一部分に、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔が設けられている。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱の細孔の平均深さが４０ｎｍ以下である。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記柱の細孔の平均直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体の主内面に対向する前記筐体の主内面に高さ１μｍ以上１００μｍ以下の凸部が形成されている。

また、一実施形態のベーパーチャンバーは、前記筐体が、外縁部が封止された対向する２つのシートから成る。

また、一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、少なくとも一部分に前記細孔を有する主内面に対向する主内面と、前記ウィックとが接している

さらに、本発明によれば、本発明のベーパーチャンバーを有して成る放熱デバイスが提供される。

さらに、本発明によれば、本発明のベーパーチャンバーまたは本発明の放熱デバイスを有して成る電子機器が提供される。

本発明によれば、蒸気となった作動液が移動する部分を狭めずに、周囲温度の変化によっても性能の低下を生じないベーパーチャンバーが提供される。

本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの細孔を有する主内面の断面の模式図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの主内面の凸部の模式図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの主内面の凸部の模式図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの細孔を有する主内面の断面のＳＥＭ像である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの細孔を有する主内面の断面のＳＥＭ像である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの細孔を有する主内面の断面のＳＥＭ像である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの断面図である。本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの上部筐体シートと接合層を有する下部筐体シートとの上方斜視図である。

以下、本発明について図面を参照してより詳細に説明する。

図１および図３は、それぞれ、本発明の一実施形態のベーパーチャンバー１ａおよび１ｂの断面図である。本発明のベーパーチャンバーは、図１および図３に示されるように、筐体２と、筐体２を内側から支持するように、筐体２の内部空間に配置された柱３と、筐体２の内部空間に配置されたウィック４とを有する。また、図示されていないが、本発明のベーパーチャンバーはさらに、筐体２の内部空間に封入された作動液を有する。図１および図３に示されるように、筐体２の主内面の少なくとも一部分が、筐体２の内部空間に露出している。

図２は、本発明のベーパーチャンバーの筐体２の内部空間に露出している主内面の、細孔１０を有する部分を模式的に示す部分拡大図である。細孔１０の平均深さは１０ｎｍ以上である。本発明のベーパーチャンバーの筐体２の主内面の少なくとも一部分が、筐体２の内部空間に露出しており、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔１０を有していることにより、ベーパーチャンバーが高温となった際に内部で発生し得る不純物ガスを細孔１０でトラップすることができる。これにより、ウィック４に付着する不純物ガスの量を効果的に低減することができ、ベーパーチャンバーの熱輸送能力の低下を抑制することができる。また、不純物ガスのトラップのために、筐体２の内部空間に露出する主内面の細孔１０を用いることにより、蒸気となった作動液が移動する部分を狭めずに不純物ガスをトラップすることができる。

以下において、本発明のベーパーチャンバーの各構成について詳細に説明する。

本発明のベーパーチャンバーの筐体２は、２つの対向する主内面を備えるものであればよい。筐体２の主内面の形状は多角形であってもよく、円形であってもよい。本明細書において主内面とは、筐体２の内部空間を規定する面のうち、最も面積の大きい面と、その面に対向する面とをいう。

図１においてＡで示される筐体２の高さＡ（すなわち、ベーパーチャンバーの厚さ）は、例えば１００μｍ以上６００μｍ以下であってよく、好ましくは２００μｍ以上５００μｍ以下の範囲にある。図１においてＢで示される筐体２の幅Ｂ（すなわち、ベーパーチャンバーの幅）は、例えば５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であってよく、好ましくは２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲にある。また、図示されていないが、図１において筐体２の幅Ｂを示す矢印と直行する、紙面手前から奥に向かう筐体２の奥行きＤ（すなわち、ベーパーチャンバーの奥行き）は、例えば５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であってよく、好ましくは２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲にある。上述した高さＡ、幅Ｂおよび奥行きＤは筐体２のいかなる箇所においても一様であってもよく、異なっていてもよい。

筐体２は、単一の部材から一体に形成されるものであってもよく、例えば図１および３に示されるように、外縁部が封止された対向する２つのシートから成るものであってもよい。また、２つ以上の板状部材から形成されてもよい。図１および３のベーパーチャンバー１ａおよび１ｂにおいて、上部筐体シート６は筐体２の上側の主内面を、下部筐体シート７は筐体２の下側の主内面を形成している。筐体２において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、それぞれの外縁部で互いに封止されている。上部筐体シート６および下部筐体シート７の外縁部とは、シートの端部から内側に所定距離の領域をいう。図１および３のベーパーチャンバーにおいて、上部筐体シート６の外縁部と下部筐体シート７の外縁部とは、レーザー溶接することにより封止されているが、外縁部を封止する方法はこれに限定されず、例えば抵抗溶接、拡散接合、ロウ接、ＴＩＧ溶接、樹脂封止等により封止することもできる。

筐体２を形成する材料は、特に限定されず、例えば銅、ニッケル、アルミ、マグネシウム、チタン、鉄、およびそれらを主成分とする合金等を用いることができ、好ましくは銅が用いられる。

筐体２が上部筐体シート６と下部筐体シート７とを外縁部で封止することにより形成される場合、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、いずれも同一の材料から形成されてもよく、異なる二つの材料からそれぞれ形成されてもよい。

図１においてＣで示される筐体２を構成する壁面の厚さＣ（図示する例においては、筐体シートの厚さ）は、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下であってよく、好ましくは３０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲にあり、さらに好ましくは４０μｍ以上６０μｍ以下の範囲にある。上述した厚さＣは筐体２のいかなる箇所においても一様であってよく、異なっていてもよい。上部筐体シート６の厚さＣと、下部筐体シート７の厚さとが異なっていてもよい。

ここで、本発明の一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つのシートから成り、前記２つのシートの少なくとも一方の熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上１００Ｗ／（ｍ・ｋ）以下であってもよい。

本発明において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、それぞれ任意の熱伝導率を有する材料から形成され得るが、例えば、１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上、より好ましくは１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上かつ１００Ｗ／（ｍ・ｋ）以下、より好ましくは５０Ｗ／（ｍ・ｋ）以下の熱伝導率を有する材料から形成されてもよい。上部筐体シート６と下部筐体シート７の少なくとも一方の熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることにより、効果的な熱の拡散が可能となる。また、上部筐体シート６と下部筐体シート７の少なくとも一方の熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・ｋ）以下であることにより、２つのシートを溶接する際に外縁部に与えられる熱を、拡散させることなく外縁部に効果的に留めることができるため、溶接工程の効率を向上させることができる。また、ベーパーチャンバーの主面に対して垂直な方向の熱伝導率を下げることができ、この方向に熱を伝えたくない用途で、効果的に使用できる。例えば、携帯電話等において、ベーパーチャンバーを、熱源とバッテリー、液晶等との間に、両者を遮るように設置することにより、バッテリー、液晶等への熱の伝達を抑制することができる。

熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上１００Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である材料として、例えば、ＴｉＣｕ（５４Ｗ／（ｍ・ｋ））、チタンを含む合金であるＳＵＳ４４４（２６．０Ｗ／（ｍ・ｋ））、ニッケルを含む合金であるＳＵＳ３０４（１６．７Ｗ／（ｍ・ｋ））および、ニッケルを含む合金であるＳＵＳ３１６（１６．７Ｗ／（ｍ・ｋ））等を使用することができる。

上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とには、後に詳述する細孔１０が設けられていなくてもよい。すなわち、筐体と、前記筐体を内側から支持するように、前記筐体の内部空間に配置された柱と、前記筐体の内部空間に封入された作動液と、前記筐体の内部空間に配置されたウィックとを有し、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つのシートから成り、前記２つのシートの少なくとも一方の熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上１００Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である、ベーパーチャンバーが提供され得る。

本発明の一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つのシートから成り、前記２つのシートは互いに異なる剛性を有する。

本発明において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、それぞれ任意の剛性を有し得るが、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは互いに異なる剛性を有することが好ましい。本明細書において、筐体シートの剛性とは、曲げなどの力に対する筐体シートの変形のしにくさをいう。上部筐体シート６の剛性と下部筐体シート７の剛性とが互いに異なることにより、外縁部の封止の際に、剛性のより低い一方の筐体シートが変形しやすくなり、これにより２つの筐体シートの外縁部における密着性が向上するため、より大きい外縁部の接合強度を有するベーパーチャンバーが得られる。上部筐体シート６の剛性が下部筐体シート７の剛性よりも大きい場合、ベーパーチャンバーは上部筐体側からの圧力によりつぶれにくくなる。下部筐体シート７の剛性が上部筐体シート６の剛性よりも大きい場合、ベーパーチャンバーは下部筐体側からの圧力によりつぶれにくくなる。

上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、互いに異なるヤング率を有する材料から形成されることにより、互いに異なる剛性を有し得る。これにより、ヤング率の大きい筐体シート側から筐体に圧力が掛かった場合の、ヤング率の小さい筐体シートの変形を効果的に低減することができる。上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、互いに異なるヤング率を有する任意の材料からそれぞれ形成され得る。例えば、上部筐体シート６をＣｕから形成し、下部筐体シート７をＣｕよりもヤング率が大きいＴｉＣｕから形成してもよい。

図９は、本発明の一実施形態のベーパーチャンバー１ｃの断面図である。上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とは、図９に示されるように互いに異なる厚さを有していてもよい。このように、上部筐体シート６と下部筐体シート７とが、互いに異なる厚さを有するように形成される場合、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを、同一の材料から形成しても、互いに異なる剛性を有し得る。具体的には、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを同一の材料で形成した場合、より大きい厚さを有する筐体シートが、大きい剛性を有することとなる。これにより、ベーパーチャンバーは、大きい厚さを有する筐体シート側からの圧力によってつぶれにくくなる。また、上部筐体シートの厚さと下部筐体シートの厚さの比を適切に設定することにより、大きい厚さを有する筐体シート側から筐体に圧力が掛かった場合の、小さい厚さを有する筐体シートの変形を効果的に低減することができる。

上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とには、後に詳述する細孔が設けられていなくてもよい。すなわち、筐体と、前記筐体を内側から支持するように、前記筐体の内部空間に配置された柱と、前記筐体の内部空間に封入された作動液と、前記筐体の内部空間に配置されたウィックとを有し、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つのシートから成り、前記２つのシートは互いに異なる剛性を有する、ベーパーチャンバーが提供され得る。

図１０は、本発明の一実施形態のベーパーチャンバーの筐体２を形成する上部筐体シート６および下部筐体シート７と、接合層８とを示す上方斜視図である。尚、図１０では、上部筐体シート６および下部筐体シート７は、別個に記載されているが、本発明のベーパーチャンバーにおいては、両者は外縁部が封止され、一の筐体２を形成する。すなわち、当該実施形態のベーパーチャンバーにおいて、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つの筐体シート６，７と、前記２つの筐体シートの外縁部間に位置する接合層８とを有している。

本発明の一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、接合層８は筐体シートを形成する材料よりも熱伝導率の低い材料から成る。上部筐体シート６と下部筐体シート７との外縁部間に、筐体シートを形成する材料よりも熱伝導率の低い材料から成る接合層８が位置することにより、２つのシートを溶接する際に外縁部に与えられる熱の一部を、拡散させることなく外縁部の接合層８に効果的に留めることができるため、溶接工程の効率を向上させることができる。接合層８には、筐体シートを形成する材料よりも熱伝導率の低い任意の材料を使用することができる。例えば、上部筐体シート６と下部筐体シート７とがＣｕから形成される場合、Ｃｕより熱伝導率の低いＮｉ等を、接合層８を形成する材料として使用し得る。

上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とが、間に筐体シートを形成する材料よりも熱伝導率の低い材料から成る接合層８を筐体の全周に設けることによって封止されていることにより、外縁部より内側の部分への熱の伝導をより効果的に抑制することができるようになり、溶接工程の効率をより向上させることができる。また、外縁部には、接合層８と接合層８とが離間して設けられている部分が存在していてもよい。例えば接合層８を、ベーパーチャンバー本体内部を減圧するために真空ポンプを挿入する部分にのみ設けずに形成してもよい。

上記実施形態において、接合層８の厚さを適切に設定することにより、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを十分な強度で接合することができる。また、接合層８の厚さを適切に設定することにより、接合層８が設けられていない部分にできる隙間が大きくなりすぎず、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを十分な強度と密閉性とを有するように接合することができる。接合層８の厚さは、接合層８全体に亘って一様であってもよく、場所により異なっていてもよい。例えば接合層８を、ベーパーチャンバー本体内部を減圧するために真空ポンプを挿入する部分のみ厚さが低減されるように形成してもよい。

上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とには、後に詳述する細孔１０が設けられていなくてもよい。すなわち、筐体と、前記筐体を内側から支持するように、前記筐体の内部空間に配置された柱と、前記筐体の内部空間に封入された作動液と、前記筐体の内部空間に配置されたウィックとを有し、前記筐体は、外縁部が封止された対向する２つのシートから成り、前記２つの筐体シートの外縁部間に接合層８が位置している、ベーパーチャンバーが提供され得る。

本発明の一実施形態のベーパーチャンバーにおいて、接合層８は筐体シートを形成する材料よりも融点の低い材料から成る。上部筐体シート６と下部筐体シート７との外縁部間に、筐体シートを形成する材料よりも融点の低い材料から成る接合層８が位置することにより、より低い温度で外縁部を溶接することができるようになるため、溶接工程の効率を向上させることができる。接合層８には、筐体シートを形成する材料よりも融点の低い任意の材料を使用することができる。例えば、上部筐体シート６と下部筐体シート７とがＣｕから形成される場合、Ｃｕより融点の低いバルク状のＳｎ合金等を、接合層８を形成する材料として使用し得る。

上記実施形態において、上部筐体シート６と下部筐体シート７とが、間に筐体シートを形成する材料よりも融点の低い材料から成る接合層８を筐体の全周に設けることによって封止されていることにより、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを十分な強度で接合することができる。また、外縁部には、接合層８と接合層８とが離間して設けられている部分が存在していてもよい。例えば接合層８を、ベーパーチャンバー本体内部を減圧するために真空ポンプを挿入する部分にのみ設けずに形成してもよい。

筐体２の主内面は少なくとも一部分が筐体２の内部空間に露出しており、内部空間に露出した部分に、図２に示されるような、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔１０を有している。本明細書において、筐体２の主内面の内部空間へ「露出」した部分とは、筐体２の、内部空間の気体と接し得る部分であり、例えばウィック４、柱３、その他の部材に接していない部分である。筐体２の主内面に平均深さが１０ｎｍ以上の細孔１０が設けられていることにより、不純物ガスを細孔１０によってトラップすることが可能となる。これにより、ウィック４に付着する不純物ガスの量を低減することができ、ベーパーチャンバーの熱輸送能力の低下を抑制することができる。

本明細書において「不純物ガス」とは、筐体２の内部空間に存在する作動液に含まれる成分以外のガスをいう。例えば、筐体２を構成する金属箔に付着した防錆剤の成分が、筐体２が高温になることによってガス化することにより発生し得る。不純物ガスの成分としては例えばアルコール系、炭化水素系、芳香族系、炭酸ガス等が挙げられる。

本明細書において、細孔１０の平均深さとは、主内面の任意の位置３箇所について、１μｍの長さで断面を観察し、深さ５ｎｍ以上、直径３００ｎｍ以下の細孔について、その細孔の深さの平均値を測定することにより測定される値をいう。本発明のベーパーチャンバーの細孔１０の平均深さは、１０ｎｍ以上であり、好ましくは２０ｎｍ以上であり、より好ましくは３０ｎｍ以上である。細孔１０の平均深さが１０ｎｍ以上であることにより、十分な量の不純物ガスを、主内面の細孔１０にトラップすることが可能となり、またトラップした不純物ガスを放出しにくくなる。

主内面の細孔１０の平均深さは好ましくは４０ｎｍ以下である。細孔１０の平均深さが４０ｎｍ以下であることにより、主内面の脆化を効果的に防ぐことができる。

主内面の細孔１０の平均直径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にあり、より好ましくは１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲にあり、さらに好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲にある。主内面の細孔１０の平均直径が１０ｎｍ以上であることにより、不純物ガスを効果的にトラップすることが可能になる。主内面の細孔１０の平均直径が１００ｎｍ以下であることにより、主内面の細孔１０に作動液がトラップされる可能性を有意に低減することができる。さらに、主内面の細孔１０の平均直径が５０ｎｍ以下であることにより、作動液の細孔１０への侵入を防ぐことができ、実質的に気体のみをトラップすることができる。

本明細書において、細孔１０の平均直径とは、主内面の任意の位置３箇所において１μｍの長さで断面観察を行った際に観察される、深さ５ｎｍ以上かつ直径３００ｎｍ以下の細孔の直径の平均値をいう。

筐体２の内部空間を規定する表面１μｍ^２あたりに設けられた細孔１０の数の平均は、
１０個以上１０００個以下であってよく、好ましくは３０個以上４００個以下であり、より好ましくは５０個以上２００個以下である。筐体２が高温になると、筐体２の内部空間に露出した部分から内部空間へ、防錆剤の成分由来の不純物ガスが発生するおそれがある。このとき発生する不純物ガスの量は、筐体２の内部空間を規定する表面の面積に比例するため、筐体２の内部空間を規定する表面１μｍ^２あたりに細孔１０が平均で１０個以上設けられることにより、発生する不純物ガスを効果的にトラップすることが可能になる。また、筐体２の内部空間を規定する表面１μｍ^２あたりに設けられた細孔１０の個数が平均で１０００個以下であることにより、細孔１０を有する主内面の脆化を効果的に防ぐことができる。

細孔１０の形成方法は、特に限定されないが、例えばエッチング、ブラスト等の表面処理によって形成する方法が挙げられ、その他の方法としては、めっき、溶射等が挙げられる。細孔１０をエッチングにより形成する場合、使用するエッチング液の種類、エッチングの温度およびエッチングの時間等の条件を調節することにより、形成される細孔１０の平均深さ、平均直径および筐体２の内部空間を規定する表面１μｍ^２あたりに設けられた細孔１０の個数の平均を制御することができる。

柱３は、筐体２を内側から支持するように、筐体２の内部空間に配置される。柱３は、筐体２の内部空間に、筐体２と一体に形成されていてもよく、筐体２に接合されていてもよい。柱３が筐体２の内部空間に配置されることにより、筐体２に荷重が作用した際の筐体２の変形を低減することができる。

本発明のベーパーチャンバーにおいて、筐体２の主内面に設けられる平均深さが１０ｎｍ以上の細孔１０は、柱３の、筐体２の内部空間に露出する部分の少なくとも一部分にも同様に設けられていてよい。柱３の細孔１０の平均深さは、１０ｎｍ以上であり、好ましくは２０ｎｍ以上であり、より好ましくは３０ｎｍ以上である。柱３にも平均深さが１０ｎｍ以上の細孔１０が設けられていることにより、細孔１０によって不純物ガスをより効果的にトラップすることが可能となる。これにより、ウィック４に付着する不純物ガスの量を効果的に低減することができ、ベーパーチャンバーの熱輸送能力の低下を防ぐことができる。

柱３の細孔１０の平均深さは好ましくは４０ｎｍ以下である。これにより主内面の脆化を効果的に防ぐことができる．

柱３の細孔１０の平均直径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にあり、より好ましくは１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下の範囲にあり、さらに好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲にある。柱３の細孔１０の平均直径が１０ｎｍ以上であることにより、不純物ガスを効果的にトラップすることが可能になる。柱３の細孔１０の平均直径が１００ｎｍ以下であることにより、柱３の細孔１０に作動液がトラップされる可能性を有意に低減することができる。さらに、柱３の細孔１０の平均直径が５０ｎｍ以下であることにより、作動液の細孔１０への侵入を防ぐことができ、実質的に気体のみをトラップすることができる。

柱３の表面１μｍ^２あたりの細孔１０の数の平均は、１０個以上１０００個以下であってよく、好ましくは３０個以上４００個以下であり、より好ましくは５０個以上２００個以下である。柱３の表面１μｍ^２あたりの細孔１０の個数が１０個以上であることにより、不純物ガスを効果的にトラップすることが可能になる。また、柱３の表面１μｍ^２あたりの細孔１０の個数が１０００個以下であることにより、細孔１０を有する柱３の表面の脆化を効果的に防ぐことができる。

図３に示されるように、細孔１０が設けられた筐体２の主内面に対向する筐体２の主内面には、高さ１μｍ以上１００μｍ以下の凸部５が形成されていてもよい。凸部５は、図３に示されるように筐体２の主内面に直接形成されていてよい。凸部５間の空間は作動液を還流させる役割を果たし得る。このため、凸部５を有する本発明のベーパーチャンバーにおいて、作動液の還流はウィック４と凸部５間の空間の両方によって促進されるため、凸部５を有しないベーパーチャンバーと比較して効率的な熱拡散が生じ得る。また、図３に示されるように、凸部５が筐体２の主内面に直接形成されている場合、筐体２の内部空間に露出する筐体２の主内面の面積が増える。これにより、筐体２はより多くの細孔１０を有し得るようになるため、細孔１０によって不純物ガスをより効果的にトラップすることが可能となる。これにより、ウィック４に付着する不純物ガスの量を効果的に低減することができ、ベーパーチャンバーの熱輸送能力の低下を防ぐことができる。

上記凸部５を形成する代わりに、凸部５を有する金属箔を別途準備し、主内面の上に載置してもよい。上記のように凸部５を有する金属箔を筐体内に設置することにより、主内面に凸部５を形成した場合と同様の効果を得ることができる。

本明細書において凸部とは、筐体２の主内面のうち、隣接する部分よりも大きい高さを有している部分をいう。凸部は筐体２の主内面または金属箔に突出部を設けることにより形成されてよく、また例えば、筐体２の主内面または金属箔に複数の溝を設けることにより、設けた溝と溝との間に形成されてもよい。

筐体２の凸部５は、隣接する凸部５との間に、作動液を還流させることができる空間が形成されるような任意の形状に形成することができる。凸部５の高さＥは、例えば１μｍ以上１００μｍ以下の範囲にあってよく、好ましくは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲にある。凸部５と、隣接する凸部５との間の距離Ｆは、例えば１μｍ以上５００μｍ以下の範囲にあってよく、好ましくは、５μｍ以上３００μｍ以下の範囲にあり、より好ましくは１５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲にある。距離Ｆがこのような範囲内にあることにより、作動液を効果的に還流させることができる。

筐体２の凸部５は、好ましくは、互いに平行な対向する底面を有する柱状に形成される。筐体２の凸部５は、例えば、略四角柱形状、略円柱形状、錐台形状であってよい。筐体２の凸部５が略四角柱形状に形成される場合、凸部５の底面は、図４に示されるように、長辺の長さに対する短辺の長さの比が１に近い四角形であってよい。また、図５に示すように、長辺の長さに対する短辺の長さの比が１を大きく下回っていてもよい。また、図示されていないが、長辺の長さに対する短辺の長さの比が１であってもよい。すなわち、凸部５の底面は正方形であってもよい。

ウィック４は、筐体２の内部空間に配置され、作動液を還流させる役割を果たす。ウィック４の配置の態様は、特に限定されず、例えば、図１に示されるように、筐体２の主内面と柱３との間に挟持されるように配置されてもよい。また、図２に示されるように、細孔１０が設けられた筐体２の主内面に対向する筐体２の主内面に凸部５が形成されている場合には、凸部５と柱３との間に挟持されるように配置されてもよい。

ウィック４の厚さは、例えば５μｍ以上２００μｍ以下の範囲にあってよく、好ましくは１０μｍ以上８０μｍ以下であり、より好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下である。ウィック４の厚さは、ウィック４のいかなる箇所においても一様であってよく、異なっていてもよい。また、ウィック４は必ずしも、ベーパーチャンバーの筐体２の主内面全体に亘って形成される必要はなく、部分的に形成されていてもよい。

ウィック４の材料は特に限定されず、例えば、多孔体、メッシュ、焼結体、不織布、ワイヤー等を用いることができ、好ましくはメッシュ、不織布が用いられる。

ウィック４は、少なくとも一部分に細孔１０を有する主内面に対向する主内面上に配置されることが好ましい。ウィック４が一方の主内面上に配置される場合、ウィック４が配置される主内面側に液体が、ウィック４が配置される主内面と対向する主内面側に気体が分布しやすくなる。そのため、ウィック４が、少なくとも一部分に細孔１０を有する主内面に対向する主内面上に配置されることにより、細孔１０を有する主内面側に気体が分布しやすくなり、細孔１０が不純物ガスと接しやすくなるため、不純物ガスを細孔１０で効果的にトラップすることができるようになる。

本明細書において、「ウィック４が主内面上に配置されている」状態とは、当該主内面とウィック４との距離が、当該主内面と対向する主内面とウィック４との距離よりも短いことをいう。ウィック４が主内面上に配置されている状態には、例えば、図１に示されるように下側筺体シート７側の主内面とウィック４とが接している状態と、図３に示されるように凸部５が形成された主内面の凸部５とウィック４とが接している状態とが含まれる。さらに、図示されていないが、主内面の上に載置された凸部５を有する金属箔の凸部５と、ウィック４とが接している状態も、「ウィック４が主内面上に配置されている」状態に含まれる。

図１および図３には示されていないが、本発明のベーパーチャンバーの筐体２内にはさらに作動液が封入されている。作動液は、発熱体からの熱により気化し、蒸気となる。その後、蒸気となった作動液は筐体２内を移動し、熱を放出して液体に戻る。液体に戻った作動液は、ウィック４による毛細管現象により再び熱源へ運ばれる。そして再び熱源からの熱により気化し、蒸気となる。これを繰り返すことにより、本発明のベーパーチャンバーは、外部動力を要することなく自立的に作動し、作動液の蒸発・凝縮潜熱を利用して、二次元的に迅速に熱を拡散させることができる。

作動液の種類は特に限定されず、例えば、水、アルコール類、代替フロン類等を用いることができ、好ましくは水が用いられる。

本発明のベーパーチャンバーは、熱源に近接させるように、放熱デバイスに搭載され得る。従って、本発明は、本発明のベーパーチャンバーを有して成る放熱デバイスも提供する。本発明の放熱デバイスが本発明のベーパーチャンバーを備えることにより、発熱している電子部品および部品の周辺の温度上昇を効果的に抑制することができる。

本発明のベーパーチャンバーまたは放熱デバイスは、放熱を目的として電子機器に搭載され得る。従って、本発明は、本発明のベーパーチャンバーまたは放熱デバイスを有して成る電子機器を提供する。本発明の電子機器としては、例えばスマートフォン、タブレット、ノートＰＣ等が挙げられる。本発明のベーパーチャンバーは上記のとおり、外部動力を必要とせず自立的に作動し、作動液の蒸発・凝縮潜熱を利用して、二次元的に高速で熱を拡散することができる。そのため、電子機器が本発明のベーパーチャンバーまたは放熱デバイスを備えることにより、電子機器内部の限られたスペースにおいて、放熱を効果的に実現することができる。

（実施例１）
はじめに、上部筐体シート６と下部筐体シート７とを形成するＣｕ箔を２枚準備した。上部筐体シート６を形成するＣｕ箔の寸法は、縦１１０ｍｍ横６０ｍｍであり、厚さが
０．２ｍｍであった。下部筐体シート７を形成するＣｕ箔の寸法は縦１１０ｍｍ横６０ｍｍであり、厚さが０．０８ｍｍであった。上部筐体シート６を形成するＣｕ箔にエッチングにより柱３を形成した。柱３の形成のために使用したエッチング液は過硫酸ソーダであり、エッチング時間は柱３の高さが１５０μｍになるように調整した。柱３の形成後、上部筐体シート６を形成するＣｕ箔を、大気圧において１８０℃で３０分間熱処理することにより、上部筐体シート６を形成するＣｕ箔の表面に酸化膜を形成した。表面に酸化膜を有する、上部筐体シート６を形成するＣｕ箔にエッチングにより細孔１０を形成した。細孔１０の形成のために使用したエッチング液は塩化鉄であり、エッチングの温度は２５℃であり、エッチング時間は３０秒間であった。細孔１０が形成された上部筐体シート６と下部筐体シート７とで挟持されるようにウィック４を配置し、上部筐体シート６の外縁部と、下部筐体シート７の外縁部とを、レーザー溶接することにより封止して、本発明のベーパーチャンバー本体を得た。次に、得られたベーパーチャンバー本体の４角のうちの１角を切り取り、そこにＣｕパイプを差し込んだあと、ベーパーチャンバー本体とＣｕパイプをハンダにより固定した。このＣｕパイプを、切り替えバルブを介して真空ポンプと作動液である水の入った注射器につないだ。始めに切り替えバルブをベーパーチャンバー内部と真空ポンプをつないだ状態にし、ベーパーチャンバー本体内部を減圧した。その後、バルブを切り替え、ベーパーチャンバー内部と作動液の入った注射器をつなぎ、所定量の作動液をベーパーチャンバー内部に注入した後、Ｃｕパイプをかしめて封止し、ベーパーチャンバーとした。使用したウィック４の厚さは、５０μｍであり、得られたベーパーチャンバーは、０．３ｍｍの高さＡと、１１０ｍｍの幅Ｂと、６０ｍｍの奥行きＤとを有していた。

（実施例２）
細孔１０の形成のために使用したエッチング液を塩化鉄とし、エッチングの温度を２５℃とし、エッチング時間を１分間にとした以外は、実施例１と同様の方法で、本発明のベーパーチャンバーを得た。

（実施例３）
細孔１０の形成のために使用したエッチング液を塩化鉄とし、エッチングの温度を２５℃とし、エッチング時間を２分間にとした以外は、実施例１と同様の方法で、本発明のベーパーチャンバーを得た。

（比較例１）
細孔１０の形成のためのエッチング工程を行わないこと以外は、実施例１と同様の方法で、本発明のベーパーチャンバーを得た。

実施例１〜３の上部筐体シート６の主内面の断面のＳＥＭ像を測定したところ、図６〜８のようになった。ここで、図６〜図８の図中央部の白い部分から上側は、観察用に後から設けた保護膜であり、図中央部の白い部分から下側が筺体断面である。図６に示される実施例１の上部筐体シート６の主内面は、平均深さ１０ｎｍの細孔１０を有していた。図７に示される実施例２の上部筐体シート６の主内面は、平均深さ２０ｎｍの細孔１０を有していた。図８に示される実施例３の上部筐体シート６の主内面は、平均深さ４０ｎｍの細孔１０を有していた。図６〜８において、細孔１０の位置を示すために、一部の細孔１０を破線の円で囲っている。

実施例１のベーパーチャンバーを５個製造して、高温側８５℃、低温側−４０℃の熱衝撃試験を３００サイクル行ったところ、熱衝撃試験を行う前と比較して最大熱輸送量が６０％以下となったものは０個であった。実施例２および３のベーパーチャンバーをそれぞれ５個ずつ製造して、同様に熱衝撃試験を行ったところ、熱衝撃試験を行う前と比較して最大熱輸送量が６０％以下となったものは０個であった。

これに対して、比較例１のベーパーチャンバーを５個製造して、同様に熱衝撃試験を行ったところ、５個のうち４個のベーパーチャンバーの最大熱輸送量が熱衝撃試験を行う前と比較して６０％以下となった。これは、比較例１のベーパーチャンバーの製造工程では細孔１０の形成のためのエッチング工程を行っていないため、比較例１のベーパーチャンバーが細孔１０を有していないためであると考えられる。比較例１のベーパーチャンバーの筐体２の主内面は細孔１０を有していないため、ウィックでトラップされる不純物ガスの量を低減することができず、ウィックの親水性が劣化し、ベーパーチャンバーの熱伝導特性が低下したものと考えられる。

本明細書において、最大熱輸送量とは、ベーパーチャンバーの一方の短辺部中央に１．５ｃｍ×１．５ｃｍのセラミックヒーターを設置し、このヒーターによる投入熱量を増加させていった際に、セラミックヒーターが設置された面と反対側の筐体の面の温度がベーパーチャンバー中央部の温度に比べ５℃以上高くなったときに、ヒーターから投入されている熱の量をいう。

このことから、本発明のベーパーチャンバーは、筐体２の主内面に細孔１０を有することにより、ウィック４でトラップされる不純物ガスの量を低減することができ、ウィック４の親水性が劣化し、ベーパーチャンバーの熱伝導特性が低下することを防ぐことができることが明らかになった。

本発明のベーパーチャンバー、放熱デバイスおよび電子機器は携帯情報端末等の分野において、広範な用途に使用できる。例えば、ＣＰＵ等の熱源の温度を下げ、電子機器の使用時間を延ばすために使用することができ、スマートフォン、タブレット、ノートＰＣ等に使用することができる。

１ａベーパーチャンバー
１ｂベーパーチャンバー
１ｃベーパーチャンバー
２筐体
３柱
４ウィック
５凸部
６上部筐体シート
７下部筐体シート
８接合層
１０細孔

Claims

筐体と、
前記筐体を内側から支持するように、前記筐体の内部空間に配置された柱と、
前記筐体の内部空間に封入された作動液と、
前記筐体の内部空間に配置されたウィックとを有し、
前記筐体の主内面の少なくとも一部分が、前記筐体の内部空間に露出しており、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔を有している、ベーパーチャンバー。
前記筐体の主内面の細孔の平均深さが４０ｎｍ以下である、請求項１に記載のベーパーチャンバー。
前記筐体の主内面の細孔の平均直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載のベーパーチャンバー。
前記柱の少なくとも一部分に、平均深さが１０ｎｍ以上の細孔が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
前記柱の細孔の平均深さが４０ｎｍ以下である、請求項４に記載のベーパーチャンバー。
前記柱の細孔の平均直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項４または５に記載のベーパーチャンバー。
前記細孔を有する主内面と対向する主内面に高さ１μｍ以上１００μｍ以下の凸部が形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
前記筐体が、外縁部が封止された対向する２つのシートから成る、請求項１〜７のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
前記ウィックが、少なくとも一部分に前記細孔を有する主内面と対向する主内面上に配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のベーパーチャンバー。
請求項１〜９のいずれか一項に記載のベーパーチャンバーを有して成る放熱デバイス。
請求項１〜９のいずれか一項に記載のベーパーチャンバーまたは請求項１０に記載の放熱デバイスを有して成る電子機器。