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JP4676090B2 - Plate heat pipe - Google Patents
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JP4676090B2 - Plate heat pipe - Google Patents

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    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器の冷却に用いる板型ヒートパイプに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
年々増大する電子機器の半導体チップからの発熱を効率よく放熱する手段のひとつにヒートパイプがある。特に、ヒートパイプの中でも、チップ表面に対する受熱面の確保と熱の拡散の点から板型ヒートパイプが着目されている。
【0003】
ヒートパイプは、内部が中空である容器(コンテナ)からなっており、コンテナ内は減圧され真空状態であり、そこには適量の液体が作動流体として封入されている。容器外部のある箇所から受熱があったときには、受熱があった部分に存在する液体が蒸発して、そこで蒸発潜熱を吸収する。蒸気は圧力差によって容器内に充満し、受熱部以外の箇所の容器の内面において凝縮し、そこで蒸発潜熱を放出する。凝縮した液体は、内部管壁にあらかじめ具備されたメッシュ、ワイヤーなどからなるウィックと呼ばれる液体還流機構によって蒸発部に戻り、再び受熱部で蒸発する。上述した循環を繰り返し、結果的に、容器全体に熱が拡散する効果がある。
【0004】
板型ヒートパイプの場合において、特に、ヒートパイプと熱的に接続される発熱素子としてのチップの面積が小さいと、ヒートパイプ内における、チップの面積に対応する蒸発部の面積は小さくなり、熱流束が大きくなるため、作動流体が存在しないいわゆるドライアウトが起こる可能性が高くなる。更に、チップそれ自体も、その面の全体にわたって均一に発熱するわけではなく、局所的にドライアウトが起こる可能性は高くなる。このような問題点を解決するために、板型ヒートパイプのチップと接する位置に対応する内面の位置に金属製ブロックを配置することが提案されている。
【0005】
図5は、金属製ブロックを備えた板型ヒートパイプの断面を示す図である。図5に示すように、板型ヒートパイプ20は、上板材21および下板材22によって形成された密閉されたコンテナを備え、コンテナ内の発熱素子の位置に対応する位置に金属製ブロック23を備えている。金属製ブロックは、4角柱状からなっており、その上面および下面においてコンテナの上板材および下板材にそれぞれ接合されている。金属製ブロックは、同一の大きさの断面を有している。
【0006】
金属製ブロック23を備えている板型ヒートパイプ20においては、先ず、チップが接続されたコンテナの下板材22の材質中を伝わった熱が、コンテナの内面に接合された金属製ブロック23によって受熱されて、そこである程度の均熱化された後、図5に斜線で示す、金属製ブロックの周囲のブロック側面24と、コンテナの内壁の金属ブロックと接している近傍面25、26とによって形成される部分が、総体として蒸発部の機能を果たし、結果的にドライアウトが生じない状態にするように考えられている。
【0007】
しかしながら、チップの集積度が飛躍的に高まり、それに伴って発熱量がさらに増大し、且つ、板型ヒートパイプの厚みを、周囲の機器の関係から、十分にとれない場合には、一層、ヒートパイプとして厳しい作動条件下におかれることになる。例えば、板型ヒートパイプの内部の厚みが2mm以下などの場合においては、上述したような金属ブロックをヒートパイプ内に設けても、ブロックの高さが制限されそれと共にブロックの側面の大きさが制限されて、従来のように十分な面積を有する蒸発部を確保することができなくなる。
【0008】
【発明が解決しょうとする課題】
上述したように、チップの集積度が飛躍的に高まり、それに伴ってチップからの発熱量が増大すると、従来の板型ヒートパイプでは、チップが接続される位置に対応するコンテナ内の部分において、作動流体が存在しないいわゆるドライアウトが生じて、チップを十分に冷却することができない。その問題点を解決するために、上板材および下板材によって形成された密閉されたコンテナを備え、コンテナ内の発熱素子の位置に対応する位置に金属製ブロックを備えている板型ヒートパイプが提案されているが、チップの集積度が飛躍的に高まり、それに伴ってチップからの発熱量が増大し、更に、板型ヒートパイプの厚さが制限されると、金属ブロックをヒートパイプ内に設けても、ブロックの高さおよびそれに伴って側面の大きさが制限されて、十分な面積を有する蒸発部を確保することができないおそれがある。
【0009】
従って、この発明の目的は、その厚さが制限されても、発熱密度が飛躍的に増大する電子機器の半導体チップ等を効率的に冷却することができる板型ヒートパイプを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の問題点を解決するために、発明者等は鋭意研究を重ねた。その結果、板型ヒートパイプの内部に設置される金属製ブロックの底部および上面部における断面積を変化させて、蒸発部を拡大させることにより、例え、ヒートパイプの厚さが制限されても、ドライアウトを生じることなく、半導体チップ等を効率的に冷却することができることを知見した。
【0011】
この発明は上述した知見等に基づいてなされたものであって、請求項1の発明は、熱伝導性部材の薄板からなる上板材とその一部に発熱素子が熱的に接続される熱伝導性部材の薄板からなる下板材によって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナと、前記発熱素子の位置に対応する前記コンテナ内の位置に配置される熱伝導性ブロックと、前記コンテナ内に収容される作動流体と、を備えた板型ヒートパイプにおいて、前記熱伝導性ブロックは、前記発熱素子が熱的に接続される一方の板材から他方の板材に向かって所定の曲率で円弧を画いて延伸した部分球状からなり、前記部分球状の周面を蒸発面としたことを特徴とする。
【0012】
請求項2の発明は、熱伝導性部材の薄板からなる上板材と、発熱素子が熱的に接続されるブロック部を備えた熱伝導性部材の薄板からなる下板材とによって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナと、前記コンテナ内に収容される作動流体と、を備えた板型ヒートパイプにおいて、前記ブロック部は、前記下板材から前記上板材に向かって所定の曲率で円弧を画いて延伸した部分球状からなり、前記部分球状の周面を蒸発面としたことを特徴とする。
【0016】
請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、前記熱伝導性ブロックまたは前記ブロック部が焼結金属からなることを特徴とする
【0017】
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発明において、前記コンテナ内に収容されるウイックを更に備えていることを特徴とする。
【0018】
この発明の板型ヒートパイプのその他の態様は、前記コンテナ、および、前記金属製ブロックまたは前記ブロックが銅製であり、前記作動流体が水であることを特徴とする、板型ヒートパイプである。
【0019】
この発明の板型ヒートパイプのその他の態様は、前記金属製ブロックが前記上板材および前記下板材とろう付けにより接合されていることを特徴とする、板型ヒートパイプである。
この発明の板型ヒートパイプのその他の態様は、前記金属製ブロックが前記上板材および前記下板材と機械接合されていることを特徴とする、板型ヒートパイプである。
【0020】
【発明の実施の形態】
この発明を図面を参照しながら説明する。
この発明の板型ヒートパイプの1つの態様は、(1)熱伝導性部材(例えば、中央部に窪み部分が形成された金属製)の薄板からなる上板材、および、その一部に発熱素子が熱的に接続される熱伝導性部材(例えば、平板な金属製)の薄板からなる下板材によって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナと、(2)前記発熱素子の位置に対応する前記コンテナ内の位置に配置される、拡大された蒸発面を有する熱伝導性(例えば、金属製)ブロックと、(3)前記コンテナ内に収容される作動流体とを備えた板型ヒートパイプである。
【0021】
上述した拡大された蒸発面が、金属製ブロックの受熱部側の断面の面積と、受熱部側と反対側における断面の面積が異なることによって形成されている。更に、上述した拡大された蒸発面が、金属製ブロックが角錐台状または円錐台状であることによって形成されていてもよい。更に、上述した拡大された蒸発面は、金属製ブロックが部分球状であることによって形成されていてもよい。更に、上述した拡大された蒸発面は、金属製ブロックが焼結金属からなっていることによって形成されていてもよい。なお、上述したコンテナ内にウイックが収容されてもよい。上述したコンテナ、および、金属製ブロックまたは、後述するブロックが銅製であり、作動流体が水であることが好ましい。
【0022】
これらの態様を、図面を参照しながら更に詳細に説明する。図1は、この発明の板型ヒートパイプの1つの態様の断面を示す図である。図1に示すように、板型ヒートパイプ10は、中央部に窪み部分が形成された金属製の薄板からなる上板材1および平板な金属製の薄板からなる下板材2によって形成され、密閉減圧された空洞部9を有するコンテナを備えており、上板材1と下板材2の間には、角錐台状の金属製ブロックが、上板材の内壁、下板材の内壁とそれぞれ接合されている。上板材は、例えば、矩形の銅板をプレス加工して、矩形の外周部に対し中央部が窪んだ形状のものを成形する。
【0023】
角錐台状の金属製ブロックは、下板材の内壁と接する下端部の断面の面積が、上板材の内壁と接する上端部の断面の面積よりも大きい。即ち、金属製ブロックの各側面5は所定の角度で傾斜しているので、側面5の面積は、従来の角柱状の金属ブロックの側面の面積よりも大きくなっている。従って、金属製ブロックの側面5と、上板材の内壁の金属ブロックと接している近傍部7と、下板材の内壁の金属ブロックと接している近傍部6とによって形成される蒸発部が拡大されている。その結果、板型ヒートパイプの厚さが制限されて薄くなっても、金属製ブロックの側面が所定の角度で傾斜しているので、拡大された蒸発部によって、発熱素子から伝わった熱が金属製ブロックによって均熱され、蒸発部に所在する作動流体を蒸発させて、効果的に発熱素子を冷却する。
【0024】
金属ブロックが、円錐台状である場合においても、金属製ブロックは、下板材の内壁と接する下端部の断面の面積が、上板材の内壁と接する上端部の断面の面積よりも大きい。即ち、金属製ブロックの側面5は、下板材から上板材に向かって所定の曲率で緩やかに弧を画いて延伸しているので、側面5の面積は、従来の角柱状の金属ブロックの側面の面積よりも大きくなっている。従って、金属製ブロックの側面5と、上板材の内壁の金属ブロックと接している近傍部7と、下板材の内壁の金属ブロックと接している近傍部6とによって形成される蒸発部が拡大されている。その結果、板型ヒートパイプの厚さが制限されて薄くなっても、金属製ブロックの側面が所定の曲率で傾斜しているので、拡大された蒸発部によって、発熱素子から伝わった熱が金属製ブロックによって均熱され、蒸発部に所在する作動流体を蒸発させて、効果的に発熱素子を冷却する。
【0025】
図2は、この発明の板型ヒートパイプの他の1つの態様の断面を示す図である。図2に示す態様においては、金属ブロックが部分球状からなっている。図2示すように、金属ブロックが、部分球状である場合においても、金属製ブロックは、下板材の内壁と接する下端部の断面の面積が、上板材の内壁と接する上端部の断面の面積よりも大きい。なお、部分球状の上端部は必ずしも上板材の内壁と接する必要はない。金属製ブロックの側面8は、下板材から上板材に向かって所定の曲率で円弧を画いて延伸しているので、側面8の表面積は、従来の角柱状の金属ブロックの側面の面積よりも大きくなっている。
【0026】
従って、金属製ブロックの側面8と、上板材の内壁の金属ブロックの近傍部11と、下板材の内壁の金属ブロックと接している近傍部12とによって形成される蒸発部が拡大されている。その結果、板型ヒートパイプの厚さが制限されて薄くなっても、金属製ブロックの側面が所定の曲率で傾斜しているので、拡大された蒸発部によって、発熱素子から伝わった熱が金属製ブロックによって均熱され、蒸発部に所在する作動流体を蒸発させて、効果的に発熱素子を冷却する。
【0027】
図3は、この発明の板型ヒートパイプの他の1つの態様の断面を示す図である。図3に示す態様においては、金属ブロックが焼結金属からなっている。図3示すように、金属ブロックが焼結金属からなっていることによって、金属ブロックの表面積が相対的に拡大する。更に、角錐台状、円錐台状、または、部分球状の焼結金属からなる金属ブロックを使用すると、材質による表面積の増加と共に更に、角錐台状、円錐台状、または、部分球状において述べたように、金属製ブロックは、下板材の内壁と接する下端部の断面の面積が、上板材の内壁と接する上端部の断面の面積よりも大きい。金属製ブロックの側面8は、下板材から上板材に向かって所定の角度で傾斜して、または、所定の曲率で円弧を画いて延伸しているので、側面8の表面積は、従来の角柱状の金属ブロックの側面の面積よりも大きくなっている。
【0028】
従って、焼結金属による表面積の増大に加えて、金属製ブロックの側面8と、上板材の内壁の金属ブロックの近傍部11と、下板材の内壁の金属ブロックと接している近傍部12とによって形成される蒸発部が拡大されている。その結果、板型ヒートパイプの厚さが制限されて薄くなっても、金属製ブロックの側面が所定の角度、または、曲率で傾斜しているので、拡大された蒸発部によって、発熱素子から伝わった熱が金属製ブロックによって均熱され、蒸発部に所在する作動流体を蒸発させて、効果的に発熱素子を冷却する。焼結金属からなる金属製ブロックを使用することによって、作動モードによっては他のウイックを用いることなく常に蒸発部を濡れた状態に維持することができる。
【0029】
更に、この発明の板型ヒートパイプの他の態様は、(1)中央部に窪み部分が形成された金属製の薄板からなる上板材、および、発熱素子が熱的に接続される面と反対側の面に一体的に形成された、拡大された蒸発面を有するブロック部を備えた金属製の薄板からなる下板材によって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナと、(2)前記コンテナ内に収容される作動流体を備えた板型ヒートパイプである。
【0030】
上述した拡大された蒸発面が、ブロック部の受熱部側の断面の面積と、受熱部側と反対側における断面の面積が異なることによって形成されていてもよい。更に、上述した拡大された蒸発面が、ブロック部が角錐台状または円錐台状であることによって形成されていてもよい。更に、上述した拡大された蒸発面は、ブロック部が部分球状であることによって形成されていてもよい。更に、上述した拡大された蒸発面は、ブロック部が焼結金属からなっていることによって形成されていてもよい。
【0031】
これらの態様を、図面を参照しながら更に詳細に説明する。
図4は、この発明の板型ヒートパイプの他の1つの態様の断面を示す図である。図4に示すように、板型ヒートパイプ10は、中央部に窪み部分が形成された金属製の薄板からなる上板材1、および、発熱素子が熱的に接続される面と反対側の面に一体的に形成された、拡大された蒸発面を有するブロック部3を備えた金属製の薄板からなる下板材2によって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナを備えており、上板材と下板材との間には、下板材と一体的に形成された部分球状のブロック部が、上板材の内壁と接合されている。
【0032】
上板材は、例えば、矩形の銅板をプレス加工して、矩形の外周部に対し中央部が窪んだ形状のものを成形する。即ち、この態様においては、下板材2には、発熱素子が熱的に接続される面と反対側の面に、一体的に形成されたブロック部が備えられている。ブロック部は、例えば、下板材を鍛造によって肉を盛り上げて形成する。下板材とブロック部とが一体的に形成されているので、熱抵抗が小さく、熱伝導性に優れている。上述したブロック部は、上板材とろう付けにより接合されていてもよく、または、機械接合されていてもよい。
【0033】
図4に示す態様においては、下板材と一体的に形成されたブロック部が部分球状からなっている。図4示すように、ブロック部が、部分球状であるので、上述した他の態様と同様に、ブロック部は、下板材の内壁に該当する部分の断面の面積が、上板材の内壁と接する上端部の断面の面積よりも大きい。なお、部分球状の上端部は必ずしも上板材の内壁と接する必要はない。ブロック部の側面8は、下板材から上板材に向かって所定の曲率で円弧を画いて延伸しているので、側面8の表面積は、従来の角柱状の金属ブロックの側面の面積よりも大きくなっている。
【0034】
従って、ブロック部の側面8と、上板材の内壁の金属ブロックの近傍部11と、下板材の内壁のブロック部に隣接する近傍部12とによって形成される蒸発部が拡大されている。その結果、板型ヒートパイプの厚さが制限されて薄くなっても、ブロック部の側面が所定の曲率で傾斜しているので、拡大された蒸発部によって、発熱素子から伝わった熱が下板材と一体的に形成されているブロック部によって均熱され、蒸発部に所在する作動流体を蒸発させて、効果的に発熱素子を冷却する。
【0035】
図示していないが、下板材と一体的に形成されたブロック部が、ブロック部が角錐台状または円錐台状からなっている場合、および、ブロック部が焼結金属からなっている場合においても、上述した他の態様において述べたと同様に、拡大された蒸発部を備えており、何れも、発熱素子から伝わった熱が下板材と一体的に形成されているブロック部によって均熱され、拡大された蒸発部に所在する作動流体を蒸発させて、効果的に発熱素子を冷却する。
この態様においても、コンテナ内にウイックが収容されてもよい。上述したコンテナ、および、ブロックが銅製であり、作動流体が水であることが好ましい。
【0036】
この発明によると、発熱素子において発生した不均一な熱は、金属製ブロックまたはブロック部によって、ある程度均熱化されて、ヒートパイプに伝わる。その際、金属製ブロックまたはブロック部が角錐台、円錐台、半球状等の形状であると、ヒートパイプの蒸発部として機能する面が増大して、安定した作動が確保される。板型ヒートパイプの厚さが制限される場合に、特に、効果がある。
金属製ブロックは、受熱側に関しては、ろう付け等によってヒートパイプのコンテナと接合されて、一体化されていることが重要である。なお、金属製ブロックまたはブロック部の上端部も、ろう付け等によってコンテナと接合されていることが望ましい。
上述したように、この発明によると、より高い熱負荷に対しても安定して熱拡散ができる板型ヒートパイプを得ることができる。上述した金属製の薄板、金属製ブロックは、金属製に限らず、熱伝導性部材からなっておればよい。
更に、実施例によってこの発明を詳細に説明する。
【0037】
【実施例】
実施例1
本発明の1つに従って、図1に示すように、厚さ1mm×横60mm×縦60mmの銅板において、外周3mm幅を残した中央部に、プレス化工によって約2mmの段差の窪みを形成して上板材1を調製した。更に、厚さ1mm×横60mm×縦60mmの矩形の銅板によって下板材2を調製した。このように調製した上板材1および下板材2を、2mmの間隙の空間が形成されるように組合わせて、その2つの銅板の間に、底面が10mm×10mm、上面が2mm×2mmの矩形であり、高さ2mmの角錐台状の銅製ブロック3を、中央部に位置するように挟み込み、2つの銅板および銅製ブロックを銀ろうにより接合して一体化した。
銅製ブロックの他に、コンテナの補強のために複数本の銅柱4を、2枚の銅板の間に挟み込んで、これらも銀ろうによって接合して一体化した。図示しない封止部を用いて、真空注液し、ヒートパイプを調製した。作動流体としては水を用いた。更に、ヒートパイプ空間内には、積層メッシュを充填しておいた。このようにして、外形4mm×60mm×60mmの板型ヒートパイプを作製した。
【0038】
上述したこの発明の板型ヒートパイプによると、同一外形形状の4角柱の同一断面積の銅製ブロックをコンテナ内に接合した従来の板型ヒートパイプと比較して、熱輸送限界が100%増加した。
【0039】
実施例2
本発明の1つにしたがって、図4に示すように、厚さ1mm×横40mm×縦40mmの銅板において、外周3mm幅を残した中央部に、プレス化工によって約1.5mmの段差の窪みを形成して上板材1を調製した。更に、厚さ1mm×横40mm×縦40mmの矩形の銅板に、鍛造加工によって中央部に底面15φ、高さ1.5mmの部分球状のブロック部(盛り上がり)3を形成して、下板材2を調製した。このとき、銅柱4も同時に形成した。このように調製した上板材1および下板材2を、1.5mmの間隙の空間が形成されるように組合わせて、それらを銀ろうにより接合して一体化した。
図示しない封止部を用いて、真空注液し、ヒートパイプを調製した。作動流体としては水を用いた。更に、ヒートパイプ空間内には、積層メッシュを充填しておいた。このようにして、外形3.5mm×40mm×40mmの板型ヒートパイプを作製した。
【0040】
上述したこの発明の板型ヒートパイプによると、同一外形形状の4角柱の同一断面積の銅製ブロックをコンテナ内に接合した従来の板型ヒートパイプと比較して、熱輸送限界が100%増加した。
【0041】
実施例3
本発明の1つに従って、図3に示すように、厚さ1mm×横40mm×縦40mmの銅板において、外周3mm幅を残した中央部に、プレス化工によって約1.5mmの段差の窪みを形成して上板材1を調製した。更に、厚さ1mm×横40mm×縦40mmの矩形の銅板によって下板材2を調製した。更に、下板材2の中央部に底面15φ、高さ1.5mmの部分球状の焼結金属のブロック3を接合した。このように調製した上板材1および下板材2を、1.5mmの間隙の空間が形成されるように組合わせて、それらを銀ろうにより接合して一体化した。
図示しない封止部を用いて、真空注液し、ヒートパイプを調製した。作動流体としては水を用いた。作動液の量は、30〜40%であった。ヒートパイプ空間内には、ウイックを用いなかった。このようにして、外形3.5mm×40mm×40mmの板型ヒートパイプを作製した。
【0042】
上述したこの発明の板型ヒートパイプによると、同一外形形状の4角柱の同一断面積の銅製ブロックをコンテナ内に接合した従来の板型ヒートパイプと比較して、熱輸送限界が70%増加した。
【0043】
【発明の効果】
この発明によると、板型ヒートパイプのコンテナの厚さが制限されても、発熱密度が飛躍的に増大する電子機器の半導体チップ等を効率的に冷却することができる板型ヒートパイプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の板型ヒートパイプの1つの態様の断面を示す図である。
【図2】図2は、この発明の板型ヒートパイプの他の1つの態様の断面を示す図である。
【図3】図3は、この発明の板型ヒートパイプの他の1つの態様の断面を示す図である。
【図4】図4は、この発明の板型ヒートパイプの他の1つの態様の断面を示す図である。
【図5】図5は、従来の金属製ブロックを備えた板型ヒートパイプの断面を示す図である。
【符号の説明】
1上板材
2下板材
3金属製ブロック、ブロック部
4銅柱
5側面
6近傍部
7近傍部
8表面
9空洞部
10板型ヒートパイプ
11近傍部
12近傍部
20板型ヒートパイプ
21上板材
22下板材
23金属製ブロック
24側面部
25近傍部
26近傍部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plate heat pipe used for cooling an electronic device.
[0002]
[Prior art]
One means for efficiently dissipating heat from the semiconductor chips of electronic equipment, which are increasing year by year, is a heat pipe. In particular, among heat pipes, plate heat pipes have attracted attention in terms of securing a heat receiving surface with respect to the chip surface and heat diffusion.
[0003]
The heat pipe is composed of a hollow container (container), the inside of the container is depressurized and in a vacuum state, and an appropriate amount of liquid is sealed as a working fluid therein. When heat is received from a certain location outside the container, the liquid present in the portion where the heat is received evaporates and absorbs latent heat of vaporization there. The vapor fills the container due to the pressure difference, condenses on the inner surface of the container other than the heat receiving portion, and releases latent heat of vaporization there. The condensed liquid returns to the evaporation unit by a liquid reflux mechanism called a wick made of a mesh, a wire, and the like previously provided on the inner tube wall, and again evaporates at the heat receiving unit. The circulation described above is repeated, and as a result, there is an effect that heat is diffused throughout the container.
[0004]
In the case of a plate-type heat pipe, in particular, when the chip area as a heat generating element thermally connected to the heat pipe is small, the area of the evaporation portion corresponding to the chip area in the heat pipe becomes small, and the heat flow Since the bundle becomes large, there is a high possibility that a so-called dry out in which no working fluid is present occurs. Further, the chip itself does not generate heat uniformly over the entire surface, and the possibility of local dryout increases. In order to solve such problems, it has been proposed to arrange a metal block at a position on the inner surface corresponding to a position in contact with the tip of the plate heat pipe.
[0005]
FIG. 5 is a view showing a cross section of a plate-type heat pipe provided with a metal block. As shown in FIG. 5, the plate heat pipe 20 includes a sealed container formed by an upper plate member 21 and a lower plate member 22, and includes a metal block 23 at a position corresponding to the position of the heating element in the container. ing. The metal block has a quadrangular prism shape, and is joined to the upper plate material and the lower plate material of the container on the upper surface and the lower surface, respectively. The metal block has a cross section of the same size.
[0006]
In the plate heat pipe 20 provided with the metal block 23, first, heat transmitted through the material of the lower plate material 22 of the container to which the chip is connected is received by the metal block 23 joined to the inner surface of the container. Then, after being soaked to some extent, it is formed by a block side surface 24 around the metal block and neighboring surfaces 25 and 26 in contact with the metal block on the inner wall of the container, which are indicated by diagonal lines in FIG. It is considered that the portion that functions as a whole functions as an evaporation section, and as a result, no dryout occurs.
[0007]
However, if the integration density of the chip is dramatically increased, the amount of heat generation is further increased, and the thickness of the plate heat pipe cannot be sufficiently taken into account due to the surrounding equipment, the heat is further increased. Pipes are subjected to severe operating conditions. For example, in the case where the thickness of the inside of the plate heat pipe is 2 mm or less, even if the metal block as described above is provided in the heat pipe, the height of the block is limited and the size of the side surface of the block is also reduced. Due to the limitation, it becomes impossible to secure an evaporation portion having a sufficient area as in the conventional case.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the degree of chip integration is dramatically increased and the amount of heat generated from the chip is increased accordingly, in the conventional plate heat pipe, in the portion in the container corresponding to the position where the chip is connected, A so-called dryout in which no working fluid is present occurs, and the chip cannot be sufficiently cooled. In order to solve the problem, a plate type heat pipe having a sealed container formed of an upper plate material and a lower plate material and having a metal block at a position corresponding to the position of the heating element in the container is proposed. However, when the integration density of the chip is dramatically increased, the amount of heat generated from the chip is increased, and when the thickness of the plate heat pipe is limited, a metal block is provided in the heat pipe. However, the height of the block and the size of the side surface are limited accordingly, and there is a possibility that an evaporation part having a sufficient area cannot be secured.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a plate heat pipe that can efficiently cool a semiconductor chip or the like of an electronic device whose heat generation density increases dramatically even if the thickness thereof is limited. .
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the inventors have conducted extensive research. As a result, even if the thickness of the heat pipe is limited, for example, by changing the cross-sectional area at the bottom and top surface of the metal block installed inside the plate heat pipe and expanding the evaporation part, It has been found that semiconductor chips and the like can be efficiently cooled without causing dryout.
[0011]
The present invention has been made on the basis of the above-described knowledge and the like, and the invention of claim 1 is directed to heat conduction in which a heat generating element is thermally connected to an upper plate made of a thin plate of a heat conductive member and a part thereof. A container formed of a lower plate made of a thin plate of a conductive member and having a cavity portion that is hermetically depressurized, a thermally conductive block disposed at a position in the container corresponding to the position of the heating element, and the container In the plate-type heat pipe having a contained working fluid, the thermally conductive block defines an arc with a predetermined curvature from one plate member to which the heat generating element is thermally connected toward the other plate member. And has a partial spherical shape that is elongated, and the peripheral surface of the partial spherical shape is an evaporation surface.
[0012]
The invention of claim 2 is formed by an upper plate made of a thin plate of a heat conductive member and a lower plate made of a thin plate of a heat conductive member provided with a block portion to which a heat generating element is thermally connected. In a plate heat pipe comprising a container having a hollow portion formed therein and a working fluid accommodated in the container, the block portion has an arc with a predetermined curvature from the lower plate material toward the upper plate material. It consists of a partially spherical shape drawn and stretched, and the peripheral surface of the partially spherical surface is an evaporation surface.
[0016]
The invention of claim 3 is the invention of claim 1 or 2, before Kinetsu conductive block or the block unit is characterized in that it consists of sintered metal.
[0017]
The invention of claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, further comprising a wick accommodated in the container .
[0018]
Another aspect of the plate heat pipe of the present invention is a plate heat pipe characterized in that the container and the metal block or the block are made of copper, and the working fluid is water.
[0019]
Another aspect of the plate-type heat pipe of the present invention is a plate-type heat pipe, wherein the metal block is joined to the upper plate material and the lower plate material by brazing.
Another aspect of the plate-type heat pipe of the present invention is a plate-type heat pipe, wherein the metal block is mechanically joined to the upper plate material and the lower plate material.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described with reference to the drawings.
One aspect of the plate-type heat pipe of the present invention is as follows: (1) an upper plate made of a thin plate of a heat conductive member (for example, a metal having a hollow portion formed in the central portion), and a heating element in a part thereof A container having a hollow portion formed of a thin plate of a thermally conductive member (for example, a flat metal) to be thermally connected, and (2) corresponding to the position of the heating element. A plate-type heat pipe provided with a thermally conductive (for example, metal) block having an enlarged evaporation surface and disposed at a position in the container, and (3) a working fluid contained in the container It is.
[0021]
The enlarged evaporation surface described above is formed by the difference in the area of the cross section on the heat receiving part side of the metal block and the area of the cross section on the opposite side to the heat receiving part side. Further, the enlarged evaporation surface described above may be formed by the metal block having a truncated pyramid shape or a truncated cone shape. Furthermore, the enlarged evaporation surface described above may be formed by the metal block being partially spherical. Further, the enlarged evaporation surface described above may be formed by the metal block made of sintered metal. In addition, a wick may be accommodated in the container mentioned above. It is preferable that the container mentioned above and a metal block or the block mentioned later are copper, and a working fluid is water.
[0022]
These aspects will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing a cross section of one embodiment of a plate heat pipe of the present invention. As shown in FIG. 1, a plate-type heat pipe 10 is formed by an upper plate 1 made of a metal thin plate having a hollow portion formed in the center and a lower plate 2 made of a flat metal thin plate, and is sealed and depressurized. A container having a hollow portion 9 is provided, and between the upper plate member 1 and the lower plate member 2, a truncated pyramid-shaped metal block is joined to the inner wall of the upper plate member and the inner wall of the lower plate member, respectively. As the upper plate material, for example, a rectangular copper plate is pressed to form a shape in which the central portion is recessed with respect to the rectangular outer peripheral portion.
[0023]
In the truncated pyramid-shaped metal block, the area of the cross section of the lower end portion in contact with the inner wall of the lower plate member is larger than the area of the cross section of the upper end portion in contact with the inner wall of the upper plate member. That is, since each side surface 5 of the metal block is inclined at a predetermined angle, the area of the side surface 5 is larger than the area of the side surface of the conventional prismatic metal block. Therefore, the evaporation portion formed by the side surface 5 of the metal block, the vicinity portion 7 in contact with the metal block on the inner wall of the upper plate member, and the vicinity portion 6 in contact with the metal block on the inner wall of the lower plate member is enlarged. ing. As a result, even if the thickness of the plate heat pipe is limited and thinned, the side of the metal block is inclined at a predetermined angle. The heating fluid is soaked by the manufacturing block and the working fluid located in the evaporation section is evaporated, thereby effectively cooling the heating element.
[0024]
Even when the metal block has a truncated cone shape, the metal block has a cross-sectional area of the lower end portion in contact with the inner wall of the lower plate member that is larger than an area of a cross section of the upper end portion in contact with the inner wall of the upper plate member. That is, since the side surface 5 of the metal block extends in an arc with a predetermined curvature from the lower plate material toward the upper plate material, the area of the side surface 5 is the same as that of the side surface of the conventional prismatic metal block. It is larger than the area. Therefore, the evaporation portion formed by the side surface 5 of the metal block, the vicinity portion 7 in contact with the metal block on the inner wall of the upper plate member, and the vicinity portion 6 in contact with the metal block on the inner wall of the lower plate member is enlarged. ing. As a result, even if the thickness of the plate heat pipe is limited and thinned, the side surface of the metal block is inclined with a predetermined curvature. The heating fluid is soaked by the manufacturing block and the working fluid located in the evaporation section is evaporated, thereby effectively cooling the heating element.
[0025]
FIG. 2 is a view showing a cross section of another embodiment of the plate heat pipe of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 2, the metal block has a partial spherical shape. As shown in FIG. 2, even when the metal block is partially spherical, the metal block has a lower cross-sectional area in contact with the inner wall of the lower plate material than an upper cross-sectional area in contact with the inner wall of the upper plate material. Is also big. The upper part of the partial spherical shape does not necessarily need to contact the inner wall of the upper plate material. Since the side surface 8 of the metal block extends in an arc with a predetermined curvature from the lower plate material toward the upper plate material, the surface area of the side surface 8 is larger than the area of the side surface of the conventional prismatic metal block. It has become.
[0026]
Therefore, the evaporation portion formed by the side surface 8 of the metal block, the vicinity 11 of the metal block on the inner wall of the upper plate member, and the vicinity 12 in contact with the metal block of the inner wall of the lower plate member is enlarged. As a result, even if the thickness of the plate heat pipe is limited and thinned, the side surface of the metal block is inclined with a predetermined curvature. The heating fluid is soaked by the manufacturing block and the working fluid located in the evaporation section is evaporated, thereby effectively cooling the heating element.
[0027]
FIG. 3 is a view showing a cross section of another embodiment of the plate heat pipe of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 3, the metal block is made of sintered metal. As shown in FIG. 3, the metal block is made of sintered metal, so that the surface area of the metal block is relatively enlarged. Furthermore, when a metal block made of a pyramidal frustum-shaped, frustum-shaped, or partially spherical sintered metal is used, as the surface area is increased by the material, the truncated pyramid-shaped, frustum-shaped, or partially spherical shape is further described. In addition, in the metal block, the area of the cross section of the lower end portion in contact with the inner wall of the lower plate member is larger than the area of the cross section of the upper end portion in contact with the inner wall of the upper plate member. Since the side surface 8 of the metal block is inclined at a predetermined angle from the lower plate material toward the upper plate material or extends in an arc with a predetermined curvature, the surface area of the side surface 8 is a conventional prismatic shape. The area of the side of the metal block is larger.
[0028]
Therefore, in addition to the increase in the surface area due to the sintered metal, the side surface 8 of the metal block, the vicinity 11 of the metal block on the inner wall of the upper plate, and the vicinity 12 in contact with the metal block on the inner wall of the lower plate The evaporation part to be formed is enlarged. As a result, even if the thickness of the plate heat pipe is limited and thinned, the side surface of the metal block is inclined at a predetermined angle or curvature, so that it is transmitted from the heating element by the enlarged evaporation section. The generated heat is soaked by the metal block, and the working fluid located in the evaporating portion is evaporated, thereby effectively cooling the heating element. By using a metal block made of sintered metal, the evaporation section can be always kept wet without using another wick depending on the operation mode.
[0029]
Further, another aspect of the plate heat pipe of the present invention is (1) the opposite of the upper plate member made of a thin metal plate having a recess in the center and the surface to which the heating element is thermally connected. A container having a cavity portion formed by a lower plate member made of a metal thin plate having a block portion having an enlarged evaporation surface, which is integrally formed on the side surface, and having a hermetically evacuated cavity portion; (2) It is the plate-type heat pipe provided with the working fluid accommodated in a container.
[0030]
The expanded evaporation surface mentioned above may be formed by the area of the cross section by the side of the heat receiving part of a block part differing from the area of the cross section by the side opposite to the heat receiving part side. Further, the enlarged evaporation surface described above may be formed by the block portion having a truncated pyramid shape or a truncated cone shape. Furthermore, the enlarged evaporation surface mentioned above may be formed by the block part being a partial spherical shape. Furthermore, the enlarged evaporation surface described above may be formed by the block portion being made of sintered metal.
[0031]
These aspects will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 4 is a view showing a cross section of another embodiment of the plate heat pipe of the present invention. As shown in FIG. 4, the plate heat pipe 10 includes an upper plate 1 made of a metal thin plate having a recessed portion formed in the center, and a surface opposite to the surface to which the heating elements are thermally connected. The container is provided with a container having a hollow part that is formed by a metal thin plate having a block part 3 having an enlarged evaporation surface and is formed of a metal plate, and is hermetically decompressed. Between the lower plate member and the lower plate member, a partially spherical block formed integrally with the lower plate member is joined to the inner wall of the upper plate member.
[0032]
As the upper plate material, for example, a rectangular copper plate is pressed to form a shape in which the central portion is recessed with respect to the rectangular outer peripheral portion. That is, in this aspect, the lower plate member 2 is provided with a block portion that is integrally formed on the surface opposite to the surface to which the heat generating elements are thermally connected. The block portion is formed by, for example, raising the meat by forging the lower plate material. Since the lower plate material and the block portion are integrally formed, the thermal resistance is small and the thermal conductivity is excellent. The block part mentioned above may be joined to the upper plate material by brazing, or may be mechanically joined.
[0033]
In the embodiment shown in FIG. 4, the block portion formed integrally with the lower plate material has a partial spherical shape. As shown in FIG. 4, since the block portion is partially spherical, the block portion has an upper end where the area of the cross section of the portion corresponding to the inner wall of the lower plate material is in contact with the inner wall of the upper plate material, as in the other embodiments described above. It is larger than the area of the cross section of the part. The upper part of the partial spherical shape does not necessarily need to contact the inner wall of the upper plate material. Since the side surface 8 of the block part extends from the lower plate material toward the upper plate while forming an arc with a predetermined curvature, the surface area of the side surface 8 is larger than the area of the side surface of the conventional prismatic metal block. ing.
[0034]
Accordingly, the evaporation portion formed by the side surface 8 of the block portion, the vicinity portion 11 of the metal block on the inner wall of the upper plate member, and the vicinity portion 12 adjacent to the block portion of the inner wall of the lower plate member is enlarged. As a result, even if the thickness of the plate heat pipe is limited and thinned, the side surface of the block portion is inclined with a predetermined curvature, so that the heat transmitted from the heating element by the enlarged evaporation portion is the lower plate material So as to cool the heat generating element effectively by evaporating the working fluid located in the evaporation portion.
[0035]
Although not shown in the drawings, the block portion formed integrally with the lower plate material is also used when the block portion is in the shape of a truncated pyramid or a truncated cone and when the block portion is made of sintered metal. In the same manner as described in the other aspects described above, each has an enlarged evaporation part, and in each case, the heat transmitted from the heating element is soaked and enlarged by the block part formed integrally with the lower plate material. The working fluid located in the evaporated portion is evaporated to effectively cool the heating element.
Also in this aspect, the wick may be accommodated in the container. The container and the block described above are preferably made of copper and the working fluid is water.
[0036]
According to the present invention, the non-uniform heat generated in the heating element is soaked to some extent by the metal block or block portion and transmitted to the heat pipe. At that time, if the metal block or block portion has a shape such as a truncated pyramid, a truncated cone, or a hemisphere, the surface functioning as the evaporation portion of the heat pipe increases, and a stable operation is ensured. This is particularly effective when the thickness of the plate heat pipe is limited.
Regarding the heat receiving side, it is important that the metal block is joined and integrated with the heat pipe container by brazing or the like. It is desirable that the metal block or the upper end portion of the block portion is also joined to the container by brazing or the like.
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a plate heat pipe capable of stably diffusing heat even with a higher heat load. The metal thin plate and the metal block described above are not limited to being made of metal, but may be made of a heat conductive member.
Further, the present invention will be described in detail by examples.
[0037]
【Example】
Example 1
According to one of the present invention, as shown in FIG. 1, in a copper plate having a thickness of 1 mm × width of 60 mm × length of 60 mm, a depression having a level difference of about 2 mm is formed by pressing at the central portion leaving the outer periphery of 3 mm. An upper plate 1 was prepared. Furthermore, the lower board | plate material 2 was prepared with the rectangular copper plate of thickness 1mm * width 60mm * length 60mm. The upper plate member 1 and the lower plate member 2 thus prepared are combined so that a space of 2 mm is formed, and a rectangular shape having a bottom surface of 10 mm × 10 mm and a top surface of 2 mm × 2 mm is formed between the two copper plates. The pyramidal pyramid-shaped copper block 3 having a height of 2 mm was sandwiched so as to be located in the center, and the two copper plates and the copper block were joined and integrated with a silver solder.
In addition to the copper block, a plurality of copper pillars 4 were sandwiched between two copper plates to reinforce the container, and these were also joined together by silver brazing and integrated. Using a sealing portion (not shown), vacuum injection was performed to prepare a heat pipe. Water was used as the working fluid. Furthermore, the heat pipe space was filled with a laminated mesh. In this way, a plate-type heat pipe having an outer shape of 4 mm × 60 mm × 60 mm was produced.
[0038]
According to the plate-type heat pipe of the present invention described above, the heat transport limit is increased by 100% compared to a conventional plate-type heat pipe in which a rectangular block of the same external shape and the same cross-sectional area is joined in a container. .
[0039]
Example 2
In accordance with one of the present invention, as shown in FIG. 4, in a copper plate having a thickness of 1 mm × width of 40 mm × length of 40 mm, a depression having a step of about 1.5 mm is formed by pressing at the central portion leaving the outer periphery of 3 mm. The upper board | plate material 1 was prepared by forming. Furthermore, a rectangular spherical copper plate having a thickness of 1 mm, a width of 40 mm, and a length of 40 mm is formed by forming a partial spherical block portion (swelling) 3 having a bottom surface 15φ and a height of 1.5 mm at the center by forging. Prepared. At this time, the copper pillar 4 was also formed at the same time. The upper plate member 1 and the lower plate member 2 thus prepared were combined so that a space of a gap of 1.5 mm was formed, and they were joined together by silver brazing.
Using a sealing portion (not shown), vacuum injection was performed to prepare a heat pipe. Water was used as the working fluid. Furthermore, the heat pipe space was filled with a laminated mesh. In this way, a plate heat pipe having an outer shape of 3.5 mm × 40 mm × 40 mm was produced.
[0040]
According to the plate-type heat pipe of the present invention described above, the heat transport limit is increased by 100% compared to a conventional plate-type heat pipe in which a rectangular block of the same external shape and the same cross-sectional area is joined in a container. .
[0041]
Example 3
In accordance with one of the present invention, as shown in FIG. 3, in a copper plate having a thickness of 1 mm × width of 40 mm × length of 40 mm, a depression having a step of about 1.5 mm is formed by pressing at the central portion leaving the outer periphery of 3 mm. Thus, an upper plate 1 was prepared. Furthermore, the lower board | plate material 2 was prepared with the rectangular copper plate of thickness 1mm * width 40mm * length 40mm. Further, a partially spherical sintered metal block 3 having a bottom surface 15φ and a height of 1.5 mm was joined to the center of the lower plate 2. The upper plate member 1 and the lower plate member 2 thus prepared were combined so that a space of a gap of 1.5 mm was formed, and they were joined together by silver brazing.
Using a sealing portion (not shown), vacuum injection was performed to prepare a heat pipe. Water was used as the working fluid. The amount of hydraulic fluid was 30-40%. No wick was used in the heat pipe space. In this way, a plate heat pipe having an outer shape of 3.5 mm × 40 mm × 40 mm was produced.
[0042]
According to the plate heat pipe of the present invention described above, the heat transport limit is increased by 70% compared to a conventional plate heat pipe in which a rectangular block of the same external shape and the same cross-sectional area is joined in a container. .
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a plate heat pipe capable of efficiently cooling a semiconductor chip or the like of an electronic device whose heat generation density increases dramatically even if the thickness of the plate heat pipe container is limited. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a cross section of one embodiment of a plate heat pipe of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a cross section of another embodiment of the plate heat pipe of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a cross section of another embodiment of the plate heat pipe of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a cross section of another embodiment of the plate heat pipe of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a cross section of a plate heat pipe provided with a conventional metal block.
[Explanation of symbols]
1 Upper plate material 2 Lower plate material 3 Metal block, Block portion 4 Copper pillar 5 Side surface 6 Near portion 7 Near portion 8 Surface 9 Cavity portion 10 Plate heat pipe 11 Near portion 12 Near portion 20 Plate heat pipe 21 Upper plate material 22 Below Plate material 23 Metal block 24 Side surface portion 25 Near portion 26 Near portion

Claims (4)

熱伝導性部材の薄板からなる上板材とその一部に発熱素子が熱的に接続される熱伝導性部材の薄板からなる下板材によって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナと、前記発熱素子の位置に対応する前記コンテナ内の位置に配置される熱伝導性ブロックと、前記コンテナ内に収容される作動流体と、を備えた板型ヒートパイプにおいて、A container having a cavity portion formed by an upper plate member made of a thin plate of a heat conductive member and a lower plate member made of a thin plate of a heat conductive member to which a heating element is thermally connected to a part of the upper plate member; In a plate heat pipe comprising a heat conductive block disposed at a position in the container corresponding to a position of the heating element, and a working fluid accommodated in the container,
前記熱伝導性ブロックは、前記発熱素子が熱的に接続される一方の板材から他方の板材に向かって所定の曲率で円弧を画いて延伸した部分球状からなり、前記部分球状の周面を蒸発面としたことを特徴とする板型ヒートパイプ。The thermally conductive block is formed of a partial sphere extending in an arc with a predetermined curvature from one plate member to which the heat generating element is thermally connected to the other plate member, and evaporates the peripheral surface of the partial sphere. A plate-type heat pipe characterized by having a surface.
熱伝導性部材の薄板からなる上板材と、発熱素子が熱的に接続されるブロック部を備えた熱伝導性部材の薄板からなる下板材とによって形成され、密閉減圧された空洞部を有するコンテナと、前記コンテナ内に収容される作動流体と、を備えた板型ヒートパイプにおいて、A container having a cavity portion formed by an upper plate member made of a thin plate of a heat conductive member and a lower plate member made of a thin plate of a heat conductive member provided with a block portion to which a heat generating element is thermally connected and hermetically reduced in pressure. And a plate-type heat pipe provided with a working fluid contained in the container,
前記ブロック部は、前記下板材から前記上板材に向かって所定の曲率で円弧を画いて延伸した部分球状からなり、前記部分球状の周面を蒸発面としたことを特徴とする板型ヒートパイプ。The block-shaped heat pipe is characterized in that it has a partial spherical shape that extends from the lower plate material toward the upper plate material while drawing an arc with a predetermined curvature, and the peripheral surface of the partial spherical surface is an evaporation surface. .
記熱伝導性ブロックまたは前記ブロック部が焼結金属からなることを特徴とする請求項1または2に記載の板型ヒートパイプ。Plate-type heat pipe of claim 1 or 2 before Kinetsu conductive block or the block unit is characterized in that it consists of sintered metal. 前記コンテナ内に収容されるウイックを更に備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の板型ヒートパイプ。The plate-type heat pipe according to any one of claims 1 to 3, further comprising a wick accommodated in the container.
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