JPH10503276A - 集積回路冷却装置のための可撓性ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 撓みやすく、したがって配備されるスペースに適合するヒートパイプ(10)は、２つまたは３つの層、すなわち、最下層としての比較的薄い高伝導性板(12)と、最上層としてのプラスチックシート(16)と、任意の中間層としてのウィック材(14)とから構成される。最下板(12)は比較的高い弾性率を有し、堅いが、変形可能である。それは、好ましくは、アルミニウムなどの金属やプラスチックのシートまたは板から作られる。このヒートパイプ(10)を製造するために、最下層(12)と最上層(16)とをそれらの間のウィック材(14)とともに一列に並べ、３方の端とともに封止する。次いで、液体の冷却剤を加えて第４の端を封止する。この封止はヒートシールにより行われるのが好ましい。ヒートパイプ(10)は、凝縮器として機能する、パイプ端における放熱用のフィン(36)や隆起を含んでいてもよい。蒸発器として機能するパイプの他端は、熱発生要素に最も近く置かれる。代わりの実施例では、付加的なプラスチック層と任意のウィック材層とが最下層の他の露出面に取り付けられる。このヒートパイプは、幅が狭いので、据え付けを促進するために必要に応じて曲げ、そして／または弾性変形させることで、熱発生要素に最も近い存在スペースに据え付けることができる。さらに、このヒートパイプは、同要素の形状に適合させるために曲げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 集積回路冷却装置のための可撓性ヒートパイプ 発明の分野 本発明は、一般に、集積回路に含まれる電子要素を冷却するための装置、特に 、ヒートパイプの構造に関する。 発明の背景 現代では、電子システムはコンパクトであり、しばしば、マイクロプロセッサ のような、高性能で高密度の１つ以上の装置を含んでいる。これらのマイクロプ ロセッサの機能性が増大するにつれて、それらはいっそう密になってきており、 より高速で作動され、したがっていっそう熱を発生する。典型的には、熱発生装 置が１つ以上の集積回路に組み込まれている。それぞれの集積回路またはダイは 、比較的平坦な回路パッケージまたはハウジングに収納されている。以下で使わ れるように、「チップ」という用語は回路パッケージと収納されたダイとをいう 。 高性能、高密度のチップはしばしば、電子システムの全体を冷却するのに用い られる従来の強制空冷システムでは適切に冷 却することができない。代わりに、これらのチップには、それ自体の、すなわち 専用の冷却システムが必要になる。 ある種の専用冷却システムでは、熱を吸収し放散するときに相が変化する液体 の冷却剤（ｃｏｏｌａｎｔ，冷媒）を用いる。その冷却剤は、熱がチップからそ れに伝わると液体から蒸気に変化し、それが熱を周囲環境へ放散すると蒸気から 液体に戻るように変化する。 その冷却剤は、一端が蒸発器として機能し他端が凝縮器として機能する従来の ヒートパイプに収容できる。蒸発器として機能するパイプ端は、チップと熱的に 接触する状態に置かれ、その壁を通してチップから冷却剤へ熱を導く。これによ り冷却剤は気化される。次いで、その蒸気はパイプの凝縮器端へ移動する。この 端で熱は蒸気から周囲環境へ放散され、蒸気は凝縮する。ウィックまたは他の毛 管状装置が凝縮された冷却剤をパイプを通して蒸発器へ引き戻し、そこで熱は再 びチップからそこへ伝えられる。 従来のヒートパイプは比較的堅く、また同様に堅い、変形可能なベローを含ん でいることもある。これらのヒートパイプは曲げることはできるが、大きな曲げ 半径が必要になり、その結果、厚い有効断面が生じる。したがって、これら従来 のヒートパイプは、電子システムのスペース制約に適合させる際に、弾性的にも 塑性的にも容易に変形することができない。もし、ヒートパイプが例えば金属で あれば、取り付けを容易にするためであっても、それは一般的に撓めたり曲げた りすることがで きない。したがって、同システム内の受け入れスペース、すなわちパイプの寸法 と形状であり熱発生チップに最も近い箇所は、そのパイプに適応させて考案しな ければならない。需要者がいっそう小さくて高性能のシステムを要求するにつれ て、これらの堅いヒートパイプのための準備スペースはますます問題になってく る。 このような、比較的平らな回路ハウジングの中に組み込まれた要素以外の要素 、例えば電力トランジスタは、一般的に円筒状であるが、これも冷却が要求され る。従来の堅いヒートパイプは容易に形成できるものではなく、したがって、注 文に応じて作られるパイプはそれらの要素のために特別に製造しなければならな い。そのような注文パイプは製作するのが一般的にいっそう高価である。 要求されるのは、あるシステムの中における存在スペースに適合させるために 、そして／あるいは、その回路ハウジング内に組み込まれない要素に適合させる ために、比較的狭いスペースの中にうまく入れることができ、しかも弾性的また は塑性的に容易に成形することができるヒートパイプである。 より高速でより高性能の電子システムを要求する需要者の便宜を図るために、 高性能チップが装置の中にますます含まれるようになることが予想される。した がって、ヒートパイプはこれらのシステム中にますます含まれるようになるであ ろう。そして、これらのヒートパイプの製造コストは、同システムの製造コスト 及び価格に占める重要なファクターになってくる。し たがって、要求されるのは、製造に費用のかからないヒートパイプである。 発明の概要 本発明に組み込まれるヒートパイプは、撓みやすく、したがって配備されるス ペースに適合する。それは、基本的に３つの層、すなわち、最下層としての、比 較的薄くて高伝導性の、好ましくは金属の板と、中間層としてのウィック材(wic king)と、最上層としてのプラスチックシートとから構成される。製造業者は、 最下層と最上層とをそれらの間のウィック材とともに一列に並べ、それらの層を ３方の端とともに封止し、液体の冷却剤（冷媒）（ｃｏｏｌａｎｔ）を加えて第 ４の端を封止する。したがって、このヒートパイプは比較的費用がかからない。 組み立てられたヒートパイプは薄いものであり、その最下板が最も厚い要素で ある。さらに、パイプ空洞が、比較的高い弾性率を有する最下板と、より低い弾 性率を有する最上シートとの間に形成されるので、パイプは曲げ的にもねじり的 にも可撓性を有している。最下板は堅いものであるが、弾性変形が可能であるの で、パイプは、熱発生チップに最も近い、狭い存在スペースへの据え付けを容易 にしかつその全体形状をなお維持するために、容易に曲げることができる。パイ プもまた、曲げることと引き延ばすことの両方、すなわち塑性変形が可能である ので、熱発生要素の形状に基本的に適合させるために手で扱う ことができる。 別の実施例において、最下板は凝縮された冷却剤のための溝を区画する縦長の 隆起を含んでいる。プラスチックの最上シートは、その隆起の頂部に封止されて もよく、そのような場合、プラスチックシートの中間部は、パイプが曲げられた り変形されたりしても、その最下シートから引き離されることがない。代わりに 、そのプラスチックシートは前記隆起に適合し、したがってその隆起とともに「 動く」ようなものでもよい。このような隆起した最下板を有するヒートパイプは 、システムの中で垂直に置かれてもよく、そのような場合、凝縮された冷却剤は 重力でパイプの蒸発器端へ流れる。そのような配置では、ウィック材の中間層は 省略することができる。代わりに、前記の溝は毛管装置として機能する寸法に設 けることができ、中間のウィック材層の必要性を排除することも可能である。 この多層ヒートパイプの一端は、熱発生チップに熱的に接触する箇所に置かれ る。この端は、蒸発器の端であるが、熱をチップからパイプに収容されている液 体冷却剤へ伝える。その冷却剤は蒸発して、凝縮器端であるパイプの他端へ流れ る。この端は熱を冷却剤から周囲環境へ放散し、冷却剤は凝縮する。前記のウィ ック材または溝は、適切なことであるが、凝縮した冷却剤をパイプを通してその 蒸発端へ引き戻し、そこで再びチップから冷却剤へ熱が伝わる。 最下板は、接着剤、パッドまたはテープを含んでいてもよく、その表面が剥き 出しでもよい。したがって、パイプは、容易に 熱発生チップまたは要素に取り付けることができる。代わりに、最下板の一端に おける縁は、そのパイプをチップに固着するために用いることのできるスプリン グクリップになるように形成されてもよい。パイプとクリップとの双方が可撓性 を有しているので、それらは、チップを曲げたり潜在的に傷つけたりすることな くパイプをチップに取り付けるために容易に手で扱うことができる。これらのク リップは、代わりにパイプの端に取り付けられても、同様の結果をもたらす。 適切なことであるが、付加的なウィック材の層がパイプに含まれていてもよい 。さらに、プラスチックとウィック材との層が最下板の反対側にも取り付けられ 、そこに液体冷却剤が付加されてもよい。そのような場合、ヒートパイプの一方 の側または両側が、熱を最も近いチップまたは要素から導くために用いられる。 パイプの凝縮器端からパイプの蒸発器端への凝縮された冷却剤の流れを増加させ るために、ウィック材の多層が一方の側または両側に含まれていてもよい。代わ りに、最下板が第２のプラスチックシートに置き換えられてもよい。 図面の簡単な説明 本発明の前記の、そしてさらなる利点は、添付図面とともに次の記載を参照す ることでいっそうよく理解できる。 図１は、最上層としてのプラスチックシート、任意のウィック材層及び最下層 としての変形可能な板を含む可撓性ヒートパ イプの分解図である。 図２は、図１のヒートパイプの正面図である。 図３は、円筒状の熱発生要素の周りに形成された、図１のヒートパイプを描く 。 図４は、図３のヒートパイプの代わりの形態を描く。 図５は、液体冷却剤を導くための縦長の溝を含む最下板が形成された、図１の 可撓性ヒートパイプの底面図を描く。 図６は、複数の内部箇所で最下板に取り付けられた最上シートを持った、図１ のヒートパイプの上面図である。 図７は、図１のヒートパイプの代わりの実施例の分解側面図であり、この実施 例は、ウィック材の多層と、最下シートの露出面における接着剤とを含んでいる 。 図８は、パイプを熱発生要素に取り付けるためのクリップを一端に持った、図 １のヒートパイプの側面図である。 図９は、外部リブを持った、図１のヒートパイプを描く。 図１０は、一体化しているフィンを持った、図１のヒートパイプを描く。 図１１は、付加的な層を持った、図１のヒートパイプを描く。 好ましい実施例の詳細な説明 図１は、金属であるのが好ましい、薄く高伝導性の最下板１２で構成される最 下層、ウィック材１４で構成される中間層、及びプラスチックシート１６で構成 される最上層からなる可撓 性ヒートパイプ１０の第１の実施態様を示す。プラスチックシート１６と最下板 １２は、端部１８をめぐって互いに封止され、液体冷却剤１３（図２）がそれら の間に含まれる。端部１８はヒートシールによって接合されるのが好ましい。 さて、再び図２において、可撓性ヒートパイプ１０の一端１２ａ、すなわち熱 発生チップ１５に接触している端は蒸発器として機能し、反対の端１２ｂは凝縮 器として機能する。蒸発器端１２ａにおいて、パイプはチップ１５からの熱を液 体冷却剤１３に伝える。この冷却剤は熱を吸収し蒸気になり、この蒸気はパイプ の凝縮器端１２ｂに流れる。凝縮器は蒸気から熱を周囲環境へ放散させ、冷却剤 を凝縮させる。ウィック材１４は凝縮器から蒸発器へと凝縮した冷却剤を引き寄 せる。 ヒートパイプ１０の製造には、最下板１２と最上プラスチックシート１６とを ３辺でヒートシールし、ウィック材をその間に入れる。次に液体冷却剤を付加ま たは注入し、第４の辺を封止する。このようにパイプの製造は比較的易しく比較 的安価である。例えば、ファーストフード用の袋入りケチャップパッケージ等の 可撓性パッケージの製造に用いられる高速度成形、充填、封止装置をこれらのヒ ートパイプの大量生産に用いることができる。 組み立てたヒートパイプは、極小の厚さを有する。最下板１２は厚さ約０．０ ０１−０．１２５インチ、プラスチックシート１６とウィック材１４とは実質的 に紙の厚さである。最下板１２はアルミニウム等の比較的高い弾性率を有する材 料で作る のが好ましい。このように、この板は、撓んだり曲がったりするよう、弾性的か つ可塑的に変形可能である。したがって、この板は取り付け時に必要に応じて撓 みその原形を保ち、また所望の形に合うように曲がる。この板は金属である必要 はなく、代わりに曲がるときに割れないプラスチックシートやプラスチック板で 作ってもよい。 図３は、曲げて円柱状の熱発生要素２０の形に部分的に適合させたヒートパイ プ１０を示す。パイプ１０の蒸発器として機能する一端は要素２０の周りに合わ せて処理または成形され、パイプの凝縮器として機能する反対の端１２ｂは要素 から外側へと延び、放熱のため比較的広い表面を提供する。また、図４に示すよ うに、ヒートパイプを要素２０の形に完全に合わせ、要素の上方に延ばすことも できる。この上方に延びた端が凝縮器として働き、要素の周りに巻かれた端が蒸 発器として働く。 図５に示すように、最下板１２は、溝２４を形成する縦長の隆起２６を含んで いてもよい。溝２４は、凝縮された冷却剤を重力により凝縮器から蒸発器に導く 。このパイプは、電子システムの使用時に重力が凝縮した冷却剤を戻す場合は、 そのシステムにおいて適切に配置する必要がある。また、重力によって冷却剤を 戻すのではなく、溝２４が毛細管装置として機能し、ウィック材を補いまたはそ の代わりをする寸法にしてもよい。このようなパイプは、特別な配置に取り付け または特別な配置で操作する必要はない。 隆起２６は製造時に最下板１２に型打ちしてもよい。この隆 起２６は、したがって溝２４はまっすぐである必要はない。例えば、冷却剤を関 連する装置の特定の熱い部位に導く形にすることもできる。 最上プラスチックシート１６を隆起２６の頂部２８に封止し、最下板とごく近 接させてよい。また、最上シート１６は隆起に合わせ、パイプの撓曲時及び成形 時に実質的に「動いて」もよい。 図６は、端部１８だけでなく最下板１２の表面上の数々の点１９で最下板１２ に封止させた最上プラスチックシート１６を有するヒートパイプ１０を示す。ウ ィック材がパイプ１０に含まれる場合、このウィック材もまた点１９で最下板に 封止される。したがって、プラスチックシート及びウィック材は、最下板がどの ように扱われようと、適切に全く完全に最下板に接触し続ける。 図７は、最上層及び最下層１６・１２、多重シートを有するウィック材層１４ を含むヒートパイプ１０の断面図である。このヒートパイプはまた、最下板１２ の外部表面に接着剤のストリップ３０を含む。このストリップ３０は熱発生要素 に接着してヒートパイプを固定する。ストリップ３０は、適宜、テープ、１つ以 上の接着パッド、あるいはにかわまたはエポキシのすじであってもよい。 図８は、最下板１２の蒸発器として機能する端１２ａに形成されたスプリング クリップ３２を有するヒートパイプ１０を示す。また、クリップ３２は別途形成 し、端１２ａに付けてもよ い。スプリングクリップ３２は、熱発生装置にパイプを固定するのに用いること ができる。ヒートパイプ１０に可撓性があるので、クリップを操作しパイプを装 置に取り付けるときに曲がったり撓んだりする。可撓性のないパイプでは、クリ ップを装置に取り付けるときに装置を曲げたり撓めたりしなければならず、その 結果、装置が割れることも考えられる。ヒートパイプの他の端１２ｂ（図示なし ）に追加のクリップを形成しまたは取り付けて、凝縮器端を固定するのに用いて もよい。 図９は、放熱リブ３４を有するヒートパイプ１０を示す。これらのリブは凝縮 器の表面積を増加させることで放熱を促進する。図１０は、パイプの凝縮器であ る端１２ｂに一体化したフィン３６を有するヒートパイプ１０を示す。これらの フィン３６は端１２ｂの表面積を増加させ、放熱を促進する。フィン３６はまた 、例えば、システム内の空気流路に延びるように形成してもよい。 図１１は、最下板１２の最上面３８と最下面４０との両面に取り付けたプラス チックシート１６とウィック材１４とを有するヒートパイプ１０を示す。したが って、このヒートパイプ１０は、パイプの片側もしくは両側に近接する装置また は要素を冷却することができる。 上記のヒートパイプは、簡単、安価に製造される。これらのパイプは非常に薄 く、電子システムの存在空間に収めるのに扱い易い。さらに、パイプは熱発生要 素に適合させて形成することができる。したがって、オーダーメードの形のパイ プを製造 する必要がない。パイプはまた、回路板の撓みに適応するので可撓性回路板にも 使用できる。 これまで本発明を特別の実施例に限定して記載した。しかしながら、本発明の いくつかまたは全ての利点を達成しつつ、変更や修正を本発明に加えることがで きる。したがって、そのような変更や修正について本発明の精神及び範囲内に含 まれるものとして保護することが、添付した請求の範囲の目的である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 応じて曲げ、そして／または弾性変形させることで、熱 発生要素に最も近い存在スペースに据え付けることがで きる。さらに、このヒートパイプは、同要素の形状に適 合させるために曲げることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．熱発生要素を冷却するためのヒートパイプであって、 高い熱伝導性を有する可撓板を含み、比較的高い弾性率を有する最下層と、 ウィック材として機能する材料のシートを含む中間層と、 比較的低い弾性率を有し前記最下層に封止された最上層と、 この最上層と前記最下層との間に収容された液体冷却剤とを含んでいるヒート パイプ。 ２．最下層がアルミニウム板を含んでいる請求項１記載のヒートパイプ ３．最上層が最下層にヒートシールされている請求項１記載のヒートパイプ ４．最下層が、最上層の取り付けられる最上面と露出される最下面とを含み、ヒ ートパイプがさらに、最下層の最下面に取り付けられてヒートパイプを熱発生要 素に固着する粘着性ストリップを含んでいる請求項１記載のヒートパイプ。 ５．最下層が、第１端と第２端とを含み、ヒートパイプがさらに、最下層の第１ 端に取り付けられてヒートパイプの第１端を熱発生要素に固着するクリップを含 んでいる請求項１記載のヒートパイプ。 ６．最下層が、第１端と第２端とを含み、その第１端が、第１ 端を熱発生要素に固着するためのスプリングクリップとして形成されている請求 項１記載のヒートパイプ。 ７．最下層が、凝縮された冷却剤の流れを導く溝を区画する複数の縦長の隆起を 含んでいる請求項１記載のヒートパイプ。 ８．熱発生要素と、 第１端と第２端とを備え、その第１端が前記熱発生要素に熱的に連絡している 可撓性ヒートパイプと を含み、 そのヒートパイプが、 ｉ．高い熱伝導性の板を含み、その板が最上面と最下面とを有しかつ比較的 高い弾性率を有する最下層と、 ii プラスチックシートを含み、比較的低い弾性率を有し、前記最下層の最 上面に封止されている最上層と、 iii 前記の最上層と最下層との間に収容され、前記熱発生要素から熱を吸収 することのできる液体冷却剤と を含んでいる要素冷却システム。 ９．最上層が最下層にヒートシールされている請求項８記載のヒートパイプ。 10．さらに、最上層と最下層との間にウィック材の層を含み、そのウィック材が 、凝縮された冷却剤を前記第２端から前記第１端へ引き寄せる請求項８記載のヒ ートパイプ。 11．最下層が、凝縮された冷却剤の流れを導く溝を区画する複数の縦長の隆起を 含んでいる請求項８記載のヒートパイプ。 12．最下層がアルミニウムの薄板からなる請求項８記載のヒー トパイプ。 13．最下層がプラスチックシートを備えている請求項８記載のヒートパイプ。 14．プラスチックシートが、そのシートを前記隆起のそれぞれの最上面に気密的 に密封することでそれらの隆起に取り付けられている請求項11記載のヒートパイ プ。 15．さらに、最下層の第２端に、熱放散を促進する外部リブを含んでいる請求項 10記載のヒートパイプ。 16．さらに、最下層の第２端に、熱放散を促進する放熱フィンを含んでいる請求 項10記載のヒートパイプ。 17．フィンが、ヒートパイプの最下層の第２端に一体化している請求項16記載の ヒートパイプ。 18．さらに、付加的なプラスチックシートからなる付加的な層を含み、その付加 的なプラスチックシートが、その付加的なプラスチックシートと最下層との間に 収容された液体冷却剤とともに、最下層の最下面に封止されている請求項８記載 のヒートパイプ。 19．さらに、最下層と最上層との間にウィック材を含んでいる請求項18記載のヒ ートパイプ。 20．さらに、最下層と付加的なプラスチックシートとの間にウィック材を含んで いる請求項19記載のヒートパイプ。 21．最下層が、第１端と第２端とを含み、その第１端が、第１端を熱発生要素に 取り付けるためのスプリングクリップとして形成されている請求項８記載のヒー トパイプ。 22．ヒートパイプの第２端がクリップとして形成されている請求項21記載のヒー トパイプ。 23．最下層が塑性的に変形する請求項８記載のヒートパイプ。 24．最下層が金属板を備えている請求項８記載のヒートパイプ。 25．最下層がプラスチックシートを備えている請求項８記載のヒートパイプ。 26．さらに、１つ以上のウィック材のシートからなる中間層を含んでいる請求項 25記載のヒートパイプ。 27．さらに、１つ以上のウィック材のシートからなる中間層を含んでいる請求項 24記載のヒートパイプ。 28．最下層を形成する前記の板が、凝縮器として機能するヒートパイプの第１端 と蒸発器として機能する第２端との間で毛管作用をもたらす溝を含んでいる請求 項８記載のヒートパイプ。 29．ヒートパイプが、１つ以上のウィック材のシートからなる中間層を含んでい る請求項28記載のヒートパイプ。 30．熱発生要素を冷却するためのヒートパイプであって、 比較的高い弾性率を有する、薄い高伝導性可撓板を含み、その板が最上面及び 最下面を含んでいる最下層と、 比較的低い弾性率を有する、薄い可撓性プラスチックシートを含み、前記最下 層の最上面に封止された最上層と、 この最上層と前記最下層との間に収容された液体冷却剤と を含んでいるヒートパイプ。 31．さらに、１つ以上のウィック材のシートからなる中間層を含んでいる請求項 30記載のヒートパイプ。