(57)【要約】【課題】平板型のヒートパイプにおいて、内圧の上昇により発熱体を取り付ける平面が膨張湾曲することを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する平板型ヒートパイプ２は、一方の平板の表面が発熱体の取り付け面となっている一対の平板（天板３と底板４）と、対向する一対の平板の周囲を囲み、内部に閉空間を形成する側板５と、その閉空間６にて一対の平板同士を連結している弾性体７を備えている。このヒートパイプ２は、側板５が、一対の平板の間の距離の変化を許容するように伸縮する。典型的には側板５はベローズ構造を有している。ヒートパイプ２は、内圧が高まると、側板のベローズ構造によって一対の平板間の距離が広がるとともに、弾性体７が一対の平板を支持しているので、平板の中央部分の湾曲を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の平板の表面が発熱体の取り付け面となっている一対の平板と、
対向する一対の平板の周囲を囲み、内部に閉空間を形成する側板と、
前記閉空間にて一対の平板同士を連結している弾性体と、
を備えており
側板が、一対の平板の間の距離の変化を許容するように伸縮することを特徴とする平板型ヒートパイプ。
【請求項２】
側板は、ベローズ構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の平板型ヒートパイプ。
【請求項３】
弾性体は、取り付け面を平面視したときに発熱体の取り付け予定位置と重なるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の平板型ヒートパイプ。
【請求項４】
取り付け面を平面視したときに発熱体の取り付け予定位置と重なるように配置されている複数の第１弾性体と、
第１弾性体の周囲に配置されている複数の第２弾性体と、
を備えており、
第１弾性体の剛性が第２弾性体の剛性よりも低く、第１弾性体の分布密度が第２弾性体の分布密度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の平板型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、平板型ヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵや半導体チップを冷却するのに平板型のヒートパイプが用いられることがある。ヒートパイプは、密閉された内部空間に少量の作動液を封入したものであり、作動液の気化熱と凝縮熱を利用して熱を輸送するデバイスである。平板型のヒートパイプの一方の面にＣＰＵやチップなどの発熱体を取り付け、他方の面を冷却する。そうすると、一方の面で作動液が発熱体の熱を吸収して気化する。気化した作動液は他方の面にて、凝縮し熱を放出する。こうして、熱が一方の面から他方の面へと輸送される。説明の便宜上、平板型ヒートパイプの対向する平面に対して、ＣＰＵなどの発熱体を取り付ける側の板を底板と称し、底板と対向する板を天板と称することがある。
【０００３】
ヒートパイプは簡単な構造であるが、様々な技術が提案されている。例えば特許文献１には、側面を蛇腹構造とし、提灯のような形状をしたヒートパイプが提案されている。
【０００４】
他方、平板型のヒートパイプは、扁平な内部空間を有するため、薄板化すると構造強度が低下する虞がある。平板型のヒートパイプの構造強度を補強するため、内部に弾性体を配置する技術が例えば特許文献２や特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９３７００号公報（図１８、図１９、段落００６８）
【特許文献２】特開２０１１−００９７２０号公報
【特許文献３】特開２００４−０７７１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された側面が蛇腹構造のヒートパイプは、天板と底板に変形し難い程度の厚みを有するものと推察される。ヒートパイプの軽量化を図るには、天板と底板も薄肉化することが好ましい。しかしながら、天板と底板を薄肉化すると、内部の作動液が気化し、内圧が高まると、たとえ側板が伸縮しても、天板や底板が湾曲してしまう虞がある。発熱体を取り付ける領域が湾曲してしまうと、発熱体との接触度が低下し熱の移動が妨げられる。本明細書は、平板型のヒートパイプにおいて、内圧の上昇により発熱体を取り付ける平面が膨張湾曲することを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する平板型ヒートパイプは、一方の平板の表面が発熱体の取り付け面となっている一対の平板と、対向する一対の平板の周囲を囲み、内部に閉空間を形成する側板と、その閉空間にて一対の平板同士を連結する弾性体を備えている。このヒートパイプは、側板が伸縮部材で作られており、一対の平板の間の距離の変化を許容するように伸縮する。側板は、典型的には、一対の平板間の距離を伸縮させるベローズ構造（蛇腹構造）を有している。この平板型ヒートパイプは、内圧が高まると、側板のベローズ構造によって一対の平板間の距離が広がるとともに、内部の弾性体が一対の平板を相互に連結しているので、平板の中央部分が膨張湾曲することを抑制する。なお、先の天板と底板が一対の平板に相当する。通常は、底板（鉛直下側に位置する板）の表面が、発熱体（半導体素子）の取り付け面となる。
【０００８】
平板の湾曲を抑制したいのは、発熱体が取り付けられる場所である。それゆえ、弾性体は、取り付け面を平面視したときに発熱体取り付け予定位置と重なるように配置されていることが好ましい。また、弾性体は、いわゆるフィンと同様に、一対の平板の間で熱を伝達させる役割も果たす。それゆえ、発熱体と重なるように弾性体を配置することによって、対向する平板間での熱の輸送効率が向上する。
【０００９】
本明細書が開示するヒートパイプは、取り付け面を平面視したときに発熱体取り付け予定位置と重なるように配置されている複数の第１弾性体と、第１弾性体の周囲に配置されている複数の第２弾性体を備えており、第１弾性体の剛性が第２弾性体の剛性よりも低く、第１弾性体の分布密度が第２弾性体の分布密度よりも高いことが好ましい。前述したように、弾性体は平板間の熱伝達に寄与する。そこで、発熱体と重なるように、複数の弾性体を多数配置するとよい。しかし、発熱体と重なる位置に多数の弾性体を集中的に配置すると、弾性体を配置した領域と、その周囲の領域とで板材に生じる応力に大きな差が生じてしまい、不都合である。それゆえ、発熱体の近傍には剛性の低い第１弾性体を高密度で配置し、その周囲に剛性の高い第２弾性体を低密度で配置する。そのように２種類の弾性体を配置することによって、発熱体近傍において平板間の熱輸送力を向上させるとともに、応力が偏ることを防止する。
【００１０】
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（Ａ）は、第１実施例のヒートパイプの平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢＢ線に沿った断面図である。
【図２】第２実施例のヒートパイプの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施例）図面を参照して実施例のヒートパイプを説明する。図１は、ヒートパイプ２の平面図と断面図である。ヒートパイプ２は、対向する一対の平板である天板３と底板４、及び、それらの周囲を囲む側板５によって筐体が構成される。底板４の表面（図１においてヒートパイプ２の下面）が発熱体９０の取り付け面となっている。図１では、発熱体９０は仮想線で描いてある。発熱体９０は、例えば、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を実装したパッケージ（チップ）である。図１では、半導体素子を繋ぐケーブル（リード線）は図示を省略している。側板５は、対向する天板３と底板４を連結するとともにそれらを囲んでおり、内部に閉空間６を形成する。側板５は、接続する天板３と底板４の間の距離の変化を許容するように、伸縮自在のベローズ構造を有している。また、閉空間６には、天板３と底板４を繋ぐ複数のスプリング７が配置されている。スプリング７は、コイルスプリングである。
【００１３】
天板３、底板４、側板５は、銅あるいはアルミニウムなど、熱伝導率の高い金属で作られる。ベローズ状の側板５は、例えばプレス加工にて作られる。スプリング７は、剛性の高い鋼材などで作られる。
【００１４】
ヒートパイプ２の機能を説明する。製造に際して閉空間６は真空に引かれ、少量の作動液が封入される。作動液は、水、あるいは、アンモニアなどの不活性、非腐蝕性の液体である。前述したように、底板４の表面にトランジスタ素子などの発熱体９０が取り付けられる。発熱体９０の熱により作動液が気化する。気化したガスは、上昇し、天板３に触れる。天板３に触れたガスは冷却され凝縮し、液体に戻り重力により底板４へと戻る。作動液が気化するときに気化熱を吸収し、液体に戻るときに凝縮熱を放出する。こうして、作動液により熱が底板４から天板３へと輸送される。なお、従って天板３は外気に触れているだけでも或る程度の冷却効果が見込めるが、何らかの冷却器に接触していることが好ましい。
【００１５】
また、スプリング７がヒートブリッジとして機能し、底板４から天板３へと熱が伝達する。即ち、スプリング７も熱輸送に貢献する。特に、図１に示すように、スプリング７は、平面視したときに発熱体９０の取り付け予定位置（図１にて仮想線で描かれた部分）と重なるように配置される。即ち、スプリング７は、発熱体９０の熱を受けやすい位置に配置される。そのような配置により、スプリング７のヒートブリッジとしての熱輸送への貢献が大きくなる。なお、スプリング７は、平面視したときに一部でも発熱体の取り付け予定位置に重ねっていればよい。また、ヒートパイプ２が複数のスプリング７を備える場合、必ずしも全てのスプリングが取り付け予定位置と重なっている必要はない。
【００１６】
ヒートパイプ２の他の利点を説明する。ヒートパイプ２は、ベローズ構造の側板５とスプリング７を備える。図１（Ｂ）によく示されているように、ヒートパイプ２は、天板３と底板４が弾性体だけで連結されている構造となっている。それゆえ、内圧が高くなったときに、天板３と底板４のいずれもがあまり湾曲せず、平面を保ったまま、それらの距離が広がる。それゆえ、発熱体９０の取り付け面の湾曲が抑制されるので、発熱体９０と底板４との密着度が維持される。その結果、発熱体９０から底板４への熱伝達効率が低下しない。
【００１７】
（第２実施例）図２に第２実施例のヒートパイプ２ａの平面図を示す。ヒートパイプ２ａは、内部に２種類のスプリングを配置している。一つは、平面視したときに発熱体９０の取り付け位置と重なるように配置された第１スプリング７ａである。第１スプリング７ａは、第１実施例のヒートパイプ２におけるスプリング７と同様である。他の一つは、第１スプリング７ａを囲むようにその周囲に配置された第２スプリング７ｂである。第１スプリング７ａ、第２スプリング７ｂは、第１実施例のヒートパイプ２と同様に、ヒートパイプの内部にて天板３と底板４を連結している。その他の構造は第１実施例のヒートパイプ２の構造と同じである。即ち、第２実施例のヒートパイプ２ａも、その側板５は、ベローズ構造を有しており、天板３と底板４の間の距離の変化を許容するように伸縮する。
【００１８】
第２スプリング７ｂの剛性は、第１スプリング７ａの剛性よりも高い。また、図２によく示されているように、５個の第１スプリング７ａは、面積Ｓ１＝Ｌ１×Ｌ２の領域に配置されている。また、４個の第２スプリング７ｂは、面積Ｓ２＝Ｌ３×Ｌ４の領域に配置されている。明らかにＳ１＜Ｓ２である。即ち、第１スプリング７ａの分布密度は、第２スプリング７ｂの分布密度よりも高い。結局、第１スプリング７ａの方が、第２スプリング７ｂよりも剛性は低いが分布密度が高い。それゆえ、複数の第１スプリング７ａのトータルでの単位面積当たりの剛性と、複数の第２スプリング７ｂのトータルでの単位面積当たりの剛性とが概ね同じとなる。従って天板３と底板４との距離が膨張した場合に、天板３、底板４のそれぞれは、面全体にわたり概ね一様な荷重を受ける。それゆえ、板間距離が広がったときに天板３と底板４が湾曲し難い。その結果として、発熱体９０と底板４との密着性の低下が抑制される。即ち、冷却能力の低下が抑制される。
【００１９】
実施例の技術に関する留意点を述べる。ヒートパイプの筐体内に設置される弾性体はコイルスプリングに限られず、板バネでもよい。あるいは、弾性体は、ゴム等の弾力を有する材質で作られていてもよい。ヒートパイプ内部に備えられる弾性体の数は、実施例の場合に限られない。内部に備えられる弾性体は一つであってもよい。実施例の図では一つのヒートパイプに一つの発熱体９０を図示したが、ヒートパイプに取り付けられる発熱体の数は一つに限られるものではない。平面視したときのヒートパイプの形状は、矩形に限られない。円形や楕円形、あるいは、多角形であってもよい。
【００２０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２１】
２、２ａ：ヒートパイプ
３：天板
４：底板
５：側板
７、７ａ、７ｂ：スプリング
【図１】
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【図２】
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