JPH05264182A - 一体化されたヒートパイプ・熱交換器・締め付け組立体およびそれを得る方法 - Google Patents

一体化されたヒートパイプ・熱交換器・締め付け組立体およびそれを得る方法

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JPH05264182A
JPH05264182A JP5020853A JP2085393A JPH05264182A JP H05264182 A JPH05264182 A JP H05264182A JP 5020853 A JP5020853 A JP 5020853A JP 2085393 A JP2085393 A JP 2085393A JP H05264182 A JPH05264182 A JP H05264182A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板の熱伝達性能を大幅に向上させる。 【構成】 蒸発器として機能する基板の内部に、交差す
る多数の平行な水平および垂直内部通路が配置される。
全ての通路に焼結された銅の熱ウイックが付着される。
凝縮器領域を構成する薄肉凝縮器管が、基板の通路の交
差位置において基板へ接合される。多数のひれが全ての
凝縮器管へ延長する。水平配置で動作するヒートパイプ
の場合には、基板内の、ウイックが付着されているすべ
ての通路は開かれたままである。斜めまたは垂直配置で
動作するヒートパイプの場合には、水平通路に対して垂
直に延長する通路は、栓により他の水平通路から分離さ
れる。垂直に分離されて水平に延長する通路は、作動流
体およびそれの蒸気を１つの水平通路内に拘束し、しか
も蒸発器の最大内部寸法内で横方向に分散する。凝縮器
領域から基板へ戻り、そこから毛管作用によって加熱領
域へ戻る凝縮された作動流体は、蒸発相と凝縮相をより
迅速に繰り返させられ、それにより一体ヒートパイプ装
置の熱効率を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱伝達装置に関するもの
であり、更に詳しく言えば、電子的計装装置およびコン
ピュータ装置に使用する熱伝達装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】電子回路素子を含む熱発生装置は、装置
の動作中に発熱部品により発生された熱を除去するため
の熱発散要素を一般に必要とする。ひれを並べたものそ
の他の表面積拡張部材を有する放熱器が発熱物体へ密着
され、放熱器の熱質量が熱を発熱物体から除去し、ひれ
がその熱を周囲の空気すなわち対流空気へ移動させる。
更に詳しくいえば、商業用および工業用の熱伝達応用、
とくに狭い物理的空間すなわち限られた物理的空間内で
効率的な熱伝達を行わなければならない場合、または液
冷技術が実際的でない場合に、ヒートパイプ技術が益々
普及するようになってきた。少なくとも２０年前から知
られており、１９４０年代に行われた研究を基にしてい
るヒートパイプは、つい最近商業用および工業用に一般
的に応用されるようになった。ヒートパイプというの
は、本質的には、内部が排気されて、少量の不活性作動
流体が注入されて密封された、銅のような熱伝導物質で
製作された中空の薄肉物体である。ヒートパイプに接触
させられている発熱体からヒートパイプの表面が熱を奪
うと、そのヒートパイプはその熱を密封されている作動
流体へ伝える。そうするとその作動流体は局部的に沸騰
し、その結果として発生された蒸気が、加熱されている
領域からヒートパイプ内部の通路を通って冷却領域へ急
速に動き、その冷却領域において作動流体は凝縮させら
れる。その凝縮された作動流体は、ヒートパイプの内面
に付着されている熱ウイックの毛管作用により加熱領域
へ戻る。ヒートパイプの基本的な特徴は、発熱体に接触
しているヒートパイプの外面全体を、妥当なパワー密度
に対して１℃以内に維持できることである。ヒートパイ
プの等温特性は、固体装置の接合温度を比較的狭い温度
範囲に維持せねばならず、かつ１つの回路モジュールに
おけるチップの間の温度差が大きく変化してはならない
ような、固体計装電子装置または固体情報処理電子装置
にとっては特に興味がある。
【０００３】ヒートパイプはコンピュータ部品および電
子装置部品を冷却するために従来用いられているが、ヒ
ートパイプ自体の物理的制約のために、特定の動作環境
へのヒートパイプの応用は限定されていた。たとえば、
ヒートパイプの要素は通常薄い金属材料で製造されてい
るから、ヒートパイプ要素自体の構造的な強度はほとん
ど無い。したがって、ヒートパイプは丈夫な基板へ取り
付けられ、その基板を冷却すべき物体へ密着するように
取り付ける。基板はヒートパイプ装置の構造的な強度を
持たせることに加えて、加熱された物体から熱をヒート
パイプへ伝えるための放熱機能も果たす。電子装置およ
び半導体冷却用のヒートパイプの代表的な例には、英国
ランカスター州、エデン・ロード（Ｅｄｅｎ Ｒｏａ
ｄ）７８０．ＰＡ １７６０１所在のサーモコア社（Ｔ
ｈｅｒｍｏｃｏｒｅ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）によ
り製造されているものが含まれる。
【０００４】最近、１９９１年４月に出版されたコーネ
ル大学技術報告Ｅ−９１−０６所載の「高熱束マルチチ
ップ・モジュール冷却用ヒートパイプ」と題するノース
およびアベディジアンの論文に、基板へ連結されている
ヒートパイプ要素の間に多数の流路を有するマニホルド
として構成されている基板が、従来の基板よりも優れた
性能を発揮できることが示唆されている。ノースおよび
アベディジアンのヒートパイプが図１に示されている。
図１を参照すると、ノースおよびアベディジアンは、凝
縮器要素６へ連結されたウイックを張られている穴８の
３本並列のセットを含む基板２が適度な表面温度（１０
０℃以下）を保ちながら、高い熱束（２０Ｗ／cm2） お
よび高い総パワー（８００Ｗ以上）を消費できることを
報告している。そのヒートパイプは表面と冷却空気の間
の温度差が約３０℃である環境において動作する。重要
なことは、上記論文において、ノースおよびアベディジ
アンが上記論文で報告しているように、ヒートパイプと
基板の組合わせは大きい物理的寸法によって高い熱束お
よび高いパワー発散を達成している。したがってヒート
パイプ装置を小型の計装電子装置または小型の情報処理
装置のためには一般に不適当にしていることである。
【０００５】ノースおよびアベディジアンにより開発さ
れ、報告されたヒートパイプ組立体は従来のヒートパイ
プの構成を改良したものであるが、報告された構造は、
従来のヒートパイプが遭遇していた２つの制約を依然と
してこうむっている。最初の制約は高い熱束および高い
総パワー発散が、ヒートパイプ要素へ熱を伝える広いベ
ース板表面積を有することにより、一般に達成されるこ
とである。あるいは、熱は薄い壁を通じて、基板内に直
接含まれている作動流体へ伝えられ、蒸発させられ、前
記凝縮器で凝縮させられる。ノースおよびアベディジア
ンの通路構成は、作動流体を局部的に蒸発させることが
でき、かつ後でヒートパイプ凝縮領域において凝縮でき
るように、基板に通路を設けて、基板を蒸発器領域とし
て構成することにより従来技術を改良するものである。
しかし、多数のヒートパイプ要素により形成されている
近くの凝縮器束の間で作動流体を移動させるための機構
が設けられていないから、この構成はそれ自身で限定し
ている。更に、ノースおよびアベディジアンの構成で
は、基板を水平にした場合を除き、ヒートパイプ装置は
任意の向きでは動作しない。その理由は、凝縮された作
動流体の流れが重力により蒸発器領域へ戻り、そこから
ウイックを張られている穴へ戻されるためである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、基板の蒸発
器領域内の蒸発させられた作動流体の移動度を高くする
ことにより、基板の熱伝達性能を大幅に向上させるもの
である。また、本発明はヒートパイプ組立体は水平また
は垂直位置のいずれでも最適に動作できるようにする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この明細書ではヒートパ
イプの熱伝達効率を向上させ、かつ熱容量を増大させる
方法および装置を開示する。蒸発器として動作させる基
板には、縦方向および横方向に基板を横切って延長する
平行な通路と垂直な通路がいくつか、穴開け加工その他
の手段により形成される。すべての通路には従来技術に
おけるようにウイックが張られる。凝縮器領域を形成す
る二重壁凝縮器管が、基板内の横方向通路と、それらの
通路と交差する通路が、交差する位置で基板へ取り付け
られる。連結はそれらの通路の交差位置に垂直な穴を開
けることにより行われる。その後で、従来技術における
ように、凝縮器管を多数の薄いひれ表面によりすべて連
結する。それから装置全体を排気し、既知の量の作動流
体を注入する。水平位置で動作させるヒートパイプ装置
では、基板内のウイックを張られている全ての通路は開
いたままにでき、それにより任意のヒートパイプ凝縮管
への作動流体およびそれの蒸気を、他の任意のヒートパ
イプ凝縮器と蒸発器との少なくとも一方へ移動させるた
めの連絡通路を設ける。斜めまたは垂直の位置で動作す
ることを意図するヒートパイプ装置では、一つの通路に
対して垂直に配置されている他の通路が、作動流体また
はそれの蒸気が一つの通路から、その通路へ流れること
を阻止する一連の栓により通路から分離される。蒸発器
領域内部の分離されている通路は、作動流体を拘束して
より小さい領域内部に保持し、しかも作動流体が蒸発器
の内部で水平方向に移動できるようにする。したがっ
て、凝縮器領域から基板へ戻り、そこから作動流体の毛
管作用により加熱領域へ戻る凝縮された作動流体は、ヒ
ートパイプの動作中の蒸発相および凝縮相においてより
迅速に繰り返され、それにより水平位置以外の配置にお
ける用途でのヒートパイプの効率を向上させる。蒸発器
ベースから延長するヒートパイプ管へ取り付けられてい
るひれ表面の上を、冷却空気が流される向きに長手方向
へ、ウイックが張られている蒸発器通路を延長されるこ
とにより、ヒートパイプ装置の全体の効率が更に向上さ
せられる。最後に蒸発器通路を、基板内で相互に連結さ
れているが、分離される構造とすることによって、蒸発
器領域の構造強度が与えられ、それにより、付加構造支
持体なしに、ヒートパイプ組立体全体を直接固定でき、
または発熱体へ機械的に取り付けることができる。本発
明の好適な実施例においては、基板あるいは基板と固定
板が十分に堅くて、基板の縁部のみに固定されている間
に、分布されている圧縮負荷に対して指定された平坦性
を維持する。
【０００８】
【実施例】この明細書においては、電子的計装装置およ
び情報処理装置に使用するための一体にされたヒートパ
イプ熱交換器およびダンピング板用の方法および装置を
開示する。以下の説明においては、本発明を完全に理解
できるようにするために、特定の数、パワー密度、およ
び熱伝達率について述べる。しかし、それらの特定の詳
細なしに本発明を実施できることが当業者には明らかで
あろう。他の場合には、本発明を不必要にあいまいにし
ないようにするために、周知の装置はブロック図で示
す。
【０００９】まず、本発明に従って製作されたヒートパ
イプ組立体の好適な実施例が示されている図２を参照す
る。図２において、基板２５からほぼ垂直な方向へ延長
する凝縮器管３０が基板２５へ連結される。基板２５は
それの幅方向に水平に延長するいくつかの通路２７を有
する。それらの通路２７は基板２５の厚さの中心に全体
として配置される。通路２７の内面に焼結されたウイッ
クが吹き付けその他の方法で付着される。同様に、基板
２５はそれの長さ方向に水平に延長するいくつかの通路
２８を有する。それらの通路２８は基板２５の垂直方向
の垂直中間点に配置される。通路２７の場合におけるよ
うに、長手方向に延長する通路２８へ焼結されたウイッ
クが付着される。そのウイックの機能は先の従来技術の
項で述べたが、以下に本発明の動作に関連して再び説明
することにする。通路２７と２８はほぼ垂直である。
【００１０】凝縮器管３０は、図２に示すように、通路
２７と２８の交差位置において基板２５へ取り付けられ
る。各凝縮器管３０の内部は垂直に延長する通路２９を
介して通路２７、２８と、流体が流れるように通じ合わ
される。通路２９は通路２７と２８の交差位置において
基板の外面２０へ垂直に延長する。垂直通路２９は開口
部２９ａを有し、その開口部の中に凝縮器管３０が挿入
される。凝縮器管３０はろう付けその他の方法で基板２
５へ適当に取り付けられ、確実な機械的接合（すなわ
ち、漏れ防止）および熱的接合を行う。全ての凝縮器管
３０の間を延長するいくつかの水平に延長するひれ３２
が、従来技術におけるようにして取り付けられる。ひれ
３２の間隔は、遭遇する特定の熱伝導状況に従って選択
できる。構造的な補強材３５がこの基板２５の構造的な
部分の基板２５の領域の通路２７、２８または２９を含
んでいない領域により表されている。したがって、補強
材３５は「構造がない」ものと考えることができるが、
補強材３５が配置されている領域に残っている基板２５
の材料が、強度およびねじれ剛性すなわちスチフネスを
増大する結果となる。補強材３５の寸法は、特定の応用
のために求められる曲げスチフネスおよびねじれスチフ
ネスに従って指定できる。それからヒートパイプ組立体
２０全体を排気し、その後で少量の作動流体たとえば水
を、通路２７、２８、２９と凝縮器管３０により構成さ
れたヒートパイプ組立体２０の内部容積内へ注入する。
【００１１】動作時には、ヒートパイプ組立体２０の基
板２５の底側が、ある発熱体へ密着して取り付けられ、
対流空気流が、凝縮器管３０とひれ３２により形成され
ている垂直に延長する凝縮器領域に当たる。
【００１２】基板２５内を２つの水平方向へ延長する互
いに直交する通路２７と２８のために、ただ１つの方向
の通路を用いている熱交換器の蒸発器と比較して、熱伝
達特性および等温特性が大幅に向上する結果となる。図
２に示すように、垂直に延長する任意の特定の凝縮器管
３０は、交差している通路２７と２８を介して他の任意
の凝縮器管３０と流体的および熱的に接続するものと考
えることができる。図１に示されている従来のヒートパ
イプ組立体は、蒸発器のただ１つの領域、すなわち、交
差して延長する１組の通路８へ連結されている凝縮器の
表面で凝縮するように作動流体を制約するが、本発明の
垂直に交差する通路２７と２８は、作動流体がどこで蒸
発させられたか、または最大熱束の領域がどこにあるか
とは無関係に、作動流体が凝縮器構造のどこでも凝縮で
きるようにする。したがって、図２に示されている本発
明のヒートパイプ組立体２０は、作動流体をそれの凝縮
−蒸発−凝縮動作サイクルで動作させる際に、相互に連
結されている凝縮器領域と蒸発器領域を完全に利用す
る。それにより小さい寸法で熱伝達効率と等温効率を向
上できる。ここで説明している好適な実施例において
は、ヒートパイプ組立体２０の寸法は約９×１４×８cm
（約３．５×５．５×３インチ）で、しかも２５０ワッ
トを消費する。
【００１３】更に、上記のように、構造補強材３５によ
りヒートパイプ組立体２０の全体を、付加構造支持体な
しに発熱体へボルトなどにより直接固定できる。とく
に、構造補強材３５を含んでいる基板２５は、ヒートパ
イプ組立体２０全体を小型電子装置における構造的固定
部材として機能させることができるように、十分に頑丈
でなければならない。本発明のヒートパイプ組立体を直
接固定できる小型電子装置の例を、 に出願さ
れた「三次元電子パッケージングのためのスタッキング
・ヒートパイプ（Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｈｅａｔｐｉｐｅ
ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ）」という名称
の米国特許出願第 号に見出すことができ
る。たとえば、冷却すべき発熱体の反対側の基板２５と
向き合う固定板の間に圧縮要素（すなわち、ねじ棒）を
取り付けることができる。したがって、ベースプレート
２５は、ヒートパイプ組立体２０のための効率的な蒸発
器として動作することに加えて、ヒートパイプ組立体を
発熱体へ固定するために必要な構造的剛性を持たせるこ
とができる。熱伝導性基板に付加強度が求められる時に
は、基板２５は市販されている分散硬化銅で製作でき
る。その分散硬化銅は小さい粒子寸法でより高い強度を
達成する。分散硬化銅の市販されている例には、アメリ
カ合衆国オハイオ州クリーブランド所在のＳＣＭ特殊金
属（ＳＣＭ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ Ｍｅｔａｌｓ）製
のＧｌｉｄｃｏｐが含まれる。
【００１４】ここで、ヒートパイプ組立体２０の平面図
と側面図が示されている図３Ａと図３Ｂを参照する。図
３Ａにおいては、水平に交差している通路２７と２８
が、垂直に延長している通路２９と交差している様子が
明らかに示されている。更に、図３Ｂから、ヒートパイ
プ管３０が垂直に延長している通路２９に連結され、基
板２５から垂直に延長していることがわかる。
【００１５】とくに、本発明のヒートパイプ装置２０は
水平以外の配置で動作すべきであることがわかる。とく
に、ヒートパイプ組立体を取り付ける発熱体の形状に応
じて、基板２５を斜めと垂直の少なくとも一方にする必
要があることがわかる。ここで、別の好適な実施例が示
されている図４Ａを参照する。図４Ａにおいて、基板４
５は、水平位置で用いるようにされている図２、図３Ａ
および図３Ｂに示されている基板２５にほぼ類似するこ
とがわかる。しかし、重要なことは、図４Ａに示されて
いる基板４５は図面上垂直に延長している通路３７の中
に配置される多数の栓３８を有することである。栓３８
は水平に延長している通路３６を実効的に「分離」する
から、図４Ｂに詳しく示されているように、作動流体お
よびそれに関連する蒸気は、特定の水平通路３６とそれ
に関連する凝縮器管４０とで構成されている、通路３７
内の１つの領域内部だけを作動流体が流されるようにさ
れる。前の図に示されている基板２５の場合とほぼ同様
に、凝縮器管４０は基板４５へ結合される。基板４５へ
の結合は、水平通路３６と垂直通路３７の交差位置で通
路３９を介して行われる。図４Ａと図４Ｂに示されてい
る一体ヒートパイプ熱交換器および締め付け体の動作
は、通常のヒートパイプの機能特性に従い、作動流体
は、蒸発、凝縮、および再蒸発のサイクルをさせられ、
凝縮した作動流体は重力の作用で基板へ戻る。
【００１６】図４Ａと図４Ｂに示されている第２の別の
実施例においては、栓３８が作動流体が垂直に延長して
いる通路３７の底へ戻ることを阻止する。その代わり
に、凝縮された作動流体は、関連する凝縮器管４０を有
する水平に延長しているそれぞれの通路３６の底へ戻
る。作動流体は、水平方向に延長する特定の通路３６の
内部に制約されるが、作動流体は水平方向に延長する通
路３６と、関連する凝縮器管４０と、凝縮器管４０を水
平通路３６へ連結する通路３９の内部の全てを自由に動
く。要するに、作動流体は基板４５の内部全体を水平に
動くが、栓３８の場所に応じて限られた垂直領域内に垂
直に制約される。基板４５の製作時に栓３８を指定で
き、全パワー、熱束、熱束の場所、等を含む、特定の熱
伝達応用に従って位置させられる。あるいは、水平応
用、または数度の傾斜を超えない斜め応用の場合には、
図２、図３Ａ、図３Ｂに示されている基板２５で十分で
ある。
【００１７】図４Ａ、図４Ｂに、大きい点状負荷、また
は適度な分布負荷がかかる構成において、基板４５のた
めに曲げスチフネスを大きくする固定板４９を含む第２
の別の実施例が示されている。とくに、高密度導電体、
たとえば、面積アレイ・コネクタは、電気接触ピンを２
０００本まで有することができる。各ピンは、発熱体
（たとえば、ＭＣＭ）が所定位置にあるときに約２８．
３〜５６．６グラム（１〜２オンス）の力を基板４５へ
加える。固定板４９は基板４５へ加えられる全荷重と、
非接触ピンにより起こり得る回路開放に耐えることがで
きる。あるいは、固定板４９の使用によって、基板４５
の材料として高価な分散硬化銅の使用を避けることがで
きる。それよりも、固定板４９を構造要素として安価な
鋼で製作できる。以上、電子的計装装置およびコンピュ
ータ装置に使用する一体ヒートパイプ・熱交換器・締め
付け組立体について説明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマニホルド・ヒートパイプの構造を示す
一部切り欠き斜視図である。
【図２】本発明のヒートパイプ組立体の二次元蒸発器通
路構造の斜視図を示す。
【図３】ヒートパイプ組立体の蒸発器部分の平面図と側
面図である。
【図４】本発明の第２の別の実施例の側面図と端面図で
ある。
【符号の説明】
２０、２５、４５ 基板 ２７、２８、２９、３６、３７、３９ 通路 ３０、４０ 凝縮器管 ３２ ひれ ３５ 補強材 ３８ 栓 ４９ 固定板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イーサン・エッテハディ アメリカ合衆国 94706 カリフォルニア 州・アルバニイ・ピアス ストリート ナ ンバー1205・555

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作動流体を含む第１及び第２の複数のウ
    イックを張られた通路を備える蒸発器と、 蒸発した作動流体を凝縮させるために前記蒸発器へ結合
    される凝縮器と、 この凝縮器により吸収された熱を移動させるために前記
    凝縮器へ結合される熱交換器と、を備え、前記第１の複
    数のウイックを張られた通路は前記蒸発器の内部を通っ
    て第１の向きへ延長し、 前記第２の複数のウイックを張られた通路は前記蒸発器
    の内部を通って、前記第１の向きに対してほぼ垂直な第
    ２の向きへ延長する、一体化されたヒートパイプ・熱交
    換器・締め付け組立体。
  2. 【請求項２】 作動流体を含む第１，第２及び第３のそ
    れぞれ複数のウイックを張られた通路を備える蒸発器
    と、 この蒸発器のねじれ剛性と曲げスチフネスを高くするた
    めに前記蒸発器へ連結された複数の構造補強材と、 前記蒸発器から垂直に延長し、蒸発した作動流体を凝縮
    させるために前記蒸発器へ密封させられた複数の細長い
    薄肉管と、 それらの細長い薄肉管へ熱結合させられ、前記複数の細
    長い薄肉管により吸収された熱を移動させる複数のひれ
    と、を備え、前記第１の複数のウイックを張られた通路
    は前記蒸発器の内部を通って第１の向きへ延長し、 前記第２の複数のウイックを張られた通路は前記蒸発器
    の内部を通って、前記第１の向きに対してほぼ垂直な第
    ２の向きへ延長し、 前記第３の複数のウイックを張られた通路は前記第１の
    向きと前記第２の向きとに対してほぼ垂直な第３の向き
    へ横方向に延長し、前記第１の複数の通路と前記第２の
    複数の通路が交差する場所において前記第１の複数の通
    路と前記第２の複数の通路と交差する、一体化されたヒ
    ートパイプ・熱交換器・締め付け組立体。
  3. 【請求項３】 作動流体を含む第１及び第２の複数のウ
    イックを張られた通路を備える蒸発器を用意する過程
    と、 蒸発した作動流体を凝縮させるために前記蒸発器へ凝縮
    器を結合する過程と、 この凝縮器により吸収された熱を移動させるために前記
    凝縮器へ熱交換器を結合する過程と、を備え、前記第１
    の複数のウイックを張られた通路は前記蒸発器の内部を
    通って第１の向きへ延長し、 前記第２の複数のウイックを張られた通路は前記蒸発器
    の内部を通って、前記第１の向きに対してほぼ垂直な第
    ２の向きへ延長する、一体化されたヒートパイプ・熱交
    換器・締め付け組立体を得る方法。
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