JP2002022378A

JP2002022378A - ヒートパイプ

Info

Publication number: JP2002022378A
Application number: JP2000205016A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Fukui; 紘一郎福井; Yuichi Furukawa; 裕一古川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた放熱性能や耐食性を有しながら、従来
よりも軽量のヒートパイプを提供する。【解決手段】ヒートパイプ(1)は、作動流体が封入さ
れるパイプ本体10、16、18が、外部の発熱体Ｈを装着す
る装着部11、17と、この装着部11、17と平行状に対向す
る対向部12、19とによって扁平状に形成され、前記パイ
プ本体10、16、18の内面側が銅系材料11aで構成されて
いるとともに、少なくとも前記対向部12、19が銅系材料
11aとアルミニウム系材料11bとが接合されたクラッド材
で構成されているヒートパイプによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ヒートパイプ、
特にＣＰＵ等の電子部品の放熱に用いられるヒートパイ
プに関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等の電子機器では、高速化
・高性能化による発熱量の増大と、機器の小型軽量化と
に伴い、ＣＰＵ等の電子部品の放熱に用いられる放熱部
材も小型軽量で冷却効率の優れたものが要求され、その
一例として設置スペースが少なくて済むフラットプレー
ト型のヒートパイプ、あるいはこのようなヒートパイプ
を発熱体に接するベース部として用いたヒートシンクが
知られている。

【０００３】前記ヒートパイプは、熱伝導性や熱拡散性
が良好であるとともに、封入される水等の作動流体に対
する耐食性が良好であることから、従来では銅または銅
合金製のものが用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銅また
は銅合金製のヒートパイプは重量が重いため、次のよう
な欠点があった。

【０００５】即ち、ＣＰＵ等の発熱体をヒートパイプに
装着する際には、発熱体とヒートパイプとをクリップ等
の締着部材で簡易的に固定する方法が採用される場合が
あるが、この場合ヒートパイプの重量が重いと、輸送時
の振動や衝撃による影響を大きく受けるために、ヒート
パイプが発熱体にクッリプ留めして組み込まれている場
合、発熱体から外れやすいという問題点があった。ま
た、電子機器の小型軽量化の点でもヒートパイプの軽量
化が希求されている。

【０００６】なお、アルミニウムまたはアルミニウム合
金製のヒートパイプは軽量であるが、作動流体の種類に
よっては耐食性が悪くなるという欠点がある。

【０００７】この発明は、上述の技術背景に鑑み、優れ
た放熱性能や耐食性を有しながら、従来よりも軽量のヒ
ートパイプの提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的は、作動流体が
封入されるパイプ本体(10)(16)(18)が、外部の発熱体
（Ｈ）を装着する装着部(11)(17)と、この装着部(11)(1
7)と平行状に対向する対向部(12)(19)とによって扁平状
に形成され、前記パイプ本体(10)(16)(18)の内面側が銅
系材料(11a)で構成されているとともに、少なくとも前
記対向部(12)(19)が銅系材料(11a)とアルミニウム系材
料(11b)とが接合されたクラッド材で構成されているヒ
ートパイプによって達成される。

【０００９】前記ヒートパイプは、作動流体が接触する
パイプ本体(10)(16)(18)の内面側が銅系材料(11a)で形
成されているから、放熱性能および作動流体に対する耐
食性が優れている上に、外部の発熱体（Ｈ）とは直接接
触しない対向部(12)(19)が、銅系材料(12a)よりも軽量
のアルミニウム系材料(12b)と銅系材料(12a)とのクラッ
ド材で構成されているから、ヒートパイプは軽量化され
る。

【００１０】また、前記ヒートパイプにおいて、前記装
着部(11)は、銅系材料(11a)とアルミニウム系材料(11b)
とが接合されたクラッド材で構成しても良い。この構成
により、装着部(11)および対向部(12)の両者の外面側、
即ちパイプ本体(10)の外面側がアルミニウム系材料(11
b)(12b)で形成されることとなり、ヒートパイプは益々
軽量化される。あるいは、前記装着部(17)は、銅系材料
(11a)の単独材からなるものであっても良い。この構成
により、外部の発熱体（Ｈ）は銅系材料(11a)に接触さ
せてヒートパイプに装着されることとなり、発熱体
（Ｈ）からの入熱が速やかに拡散されて優れた放熱性能
が得られる。

【００１１】また、前記パイプ本体(10)(16)内における
前記装着部(11)(17)の内底部に、多孔性構造体が配置さ
れていることが好ましい。この構成により、凝縮液を確
実に発熱体（Ｈ）の接触部およびその近傍に環流させて
優れた放熱性能が得られる。

【００１２】具体的には、前記多孔性構造体は、金属発
泡体(20)または銅粉末焼結体(21)からなることが好まし
い。前者はパイプ本体(10)への配置が容易であり、後者
は焼結時にパイプ本体(16)に融着することによって熱伝
導性が向上する。

【００１３】また、前記パイプ本体(10)(16)内に、断面
において山部(31)と谷部(32)とが交互に形成された波板
(30)が、前記パイプ本体(10)(16)に内接して配置されて
いること、あるいは前記対向部(19)に、パイプ本体(18)
内に突出するリブ(19a)が形成されていることが好まし
い。これらの構成により、圧縮方向の外力に対して波板
(30)またはリブ(19a)が対向部(12)(19)を支えてパイプ
本体(10)(18)の強度が向上する。また、多孔性構造体が
配置されている場合は、その押さえ材となって位置ずれ
を防ぐことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】〔第１実施態様〕図１に示すヒー
トパイプ(1)において、作動流体が封入される扁平状の
パイプ本体(10)は、外部の発熱体（Ｈ）を装着し、この
発明の装着部に対応する下部材(11)と、この下部材(11)
上に配置されて対向部に対応する上部材(12)とにより構
成されている。

【００１５】前記下部材(11)および上部材(12)は、いず
れも銅系材料(11a)(12a)とアルミニウム系材料(11b)(12
b)とを圧延して接合させたクラッド材、あるいは該クラ
ッド材をプレス加工等の周知手段によって成形した成形
クラッド材からなる。前記下部材(11)は平板状である。
一方、前記上部材(12)は、横断面において銅系材料(12
a)側を凹ませた概略倒コの字形であり、幅方向（紙面左
右方向）の両端に外向きのフランジ部(14)(14)が形成さ
れている。また、前記クラッド材において、銅系材料(1
1a)(12a)のクラッド率は１０〜３０％が好ましい。銅系
材料(11a)(12a)がこれよりも薄くなると十分な放熱性能
が得られず、逆にこれよりも厚くなると軽量化効果が乏
しくなる。特に好ましいクラッド率の下限値は１５％で
あり、上限値は２５％である。

【００１６】そして、前記下部材(11)の銅系材料(11a)
が内面側となるように、下部材(11)の両端部と上部材(1
2)のフランジ部(14)(14)とを重ねて接合することによ
り、中空の作動流体通路(15)を有するパイプ本体(10)が
形成されている。前記パイプ本体(10)において、作動流
体が接触する内面側は銅系材料(11a)(11b)で構成され、
外面側はアルミニウム系材料(11b)(12b)で構成されてい
る。なお、下部材(11)の両端と上部材(12)のフランジ部
(14)(14)の接合は、超音波溶接やレーザ溶接等の周知手
段により適宜行う。

【００１７】さらに、パイプ本体(10)の長さ方向（紙面
厚さ方向）の両端開口部は、図示しない蓋体で閉塞され
るとともに、パイプ本体(10)内を真空引きした後、水、
アルコール類、無公害フルオロカーボン、無公害クロロ
フルオロカーボン、不凍液等の１種又は２種以上からな
る作動流体が封入されている。

【００１８】前記ヒートパイプ(1)は、作動流体が接触
する内面側が銅系材料(11a)で構成されいるために優れ
た放熱性能および耐食性を発揮する。特に作動流体が水
の場合に耐食効果が著しい。また、外面側がアルミニウ
ム系材料(11b)で構成されているために、従来の銅また
は銅合金製のヒートパイプよりも軽量である。

【００１９】本実施態様および後述の各実施態様におい
て、パイプ本体(10)の内面側を構成する銅系材料(11a)
の組成は何ら限定されず、タフピッチ銅、無酸素銅等幅
広く使用できる。これらのなかでも、異種金属であるア
ルミニウム系材料とのクラッド時に酸化物やアルミニウ
ムとの化合物の生成を抑制できるとともに、後述する銅
粉末の焼結体を良好に形成できる点で、無酸素銅を推奨
できる。また、アルミニウム系材料(11b)の組成も限定
されず、高純度アルミニウム、ＪＩＳ１０００系のＡ
ｌまたはＡｌ合金、２０００系のＡｌ−Ｃｕ系合金、３
０００系のＡｌ−Ｍｎ系合金、４０００系のＡｌ−Ｓｉ
系合金、５０００系のＡｌ−Ｍｇ系合金、６０００系の
Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、７０００系のＡｌ−Ｚｎ−Ｍ
ｇ−Ｃｕ系合金およびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金等幅広く
使用できる。これらのなかでも、高強度かつ高熱伝導性
である点で６０００系のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を推奨
できる。〔第２実施態様〕図２に示す本実施態様のヒートパイプ
(2)は、第１実施態様のヒートパイプ(1)とは、パイプ本
体(10)の装着部の内底部、即ち下部材(11)上に、多孔性
構造体として金属発泡体(20)が配置されている点が異な
る。

【００２０】前記多孔性構造体は、毛細管力によって凝
縮液を発熱体（Ｈ）との接触部およびその近傍への環流
させるウィックとして機能する。このため、図２に示す
ように扁平状のヒートパイプ(2)を水平状態で使用する
横型において凝縮液を上方および側方から発熱体（Ｈ）
との接触部に導く他、ヒートパイプ(2)を縦型で使用し
ても凝縮液を上昇させて発熱体（Ｈ）との接触部に導く
ことができ、放熱性能を向上させることができる。

【００２１】前記多孔性構造体として、銅等の金属粉末
の焼結体、金属発泡体、金属メッシュ、金属フェルト等
を例示でき、本実施態様においては金属発泡体が用いら
れている。

【００２２】前記金属発泡体は、溶融金属に発泡剤を投
入し、発泡させた状態で冷却固化させたものであって、
多数の連通気孔を有する。前記金属発泡体は、ヒートパ
イプの製造とは別工程で発泡体ブロックを製作し、さら
に発泡体ブロックを所要形状に切断して使用する。この
ような金属発泡体では、凝縮液の環流機能の良否を決め
る一要因である空隙率あるい嵩比重を、発泡度によって
容易に制御できる点で好ましい。また、材料金属は、熱
伝導性、熱拡散性、耐食性の点で銅が好ましい前記金属
発泡体(20)は、下部材(11)上にかしめや接着等によって
取付られており、後述の銅粉末焼結体よりも、パイプ本
体(10)への配置作業が容易である。〔第３実施態様〕図３に示す本実施態様のヒートパイプ
(3)は、第２実施態様のヒートパイプ(2)とは、パイプ本
体(10)内に波板(30)が追加配置されている点が異なる。

【００２３】図４に示すように、前記波板(30)は、銅板
を曲げ加工して山部(31)と谷部(32)とを交互に連続形成
したものであり、隣接する山部(31)と谷部(32)とをつな
ぐ連繋壁(33)に多数の貫通穴(34)が設けられている。

【００２４】前記パイプ本体(10)内において、前記波板
(30)は、金属発泡体(20)上に重ねられ、山部(31)の頂端
が上部材(12)に内接して金属発泡体(20)を押さえ付けた
状態に配設されている。この配設状態において、前記波
板(30)は、金属発泡体(20)の位置ずれを防ぐとともに、
波板(20)自身の位置ずれを防いでいる。さらに、上部材
(12)を内側から支えて強度を向上させ、パイプ本体(10)
の厚さ方向に加えられる外力に対抗して潰れを防止する
ことができる。また、作動流体封入時に真空引きがなさ
れたパイプ本体(10)の耐圧性を高めることができる。

【００２５】また、前記波板(30)の配設によって、パイ
プ本体(10)内は幅方向において多数の小さい作動流体通
路(15a)(15a)....に分割されているが、作動流体蒸気は
多数の貫通穴(34)を介して通路(15a)(15a)間を自在に流
通してパイプ本体(10)内の蒸気圧が均一化される。この
ようなヒートパイプ(3)では、発熱体（Ｈ）がパイプ本
体(10)の幅よりも小さい場合でも、一部の熱通路の蒸気
損失が上昇するという現象を防止することができる。〔第４実施態様〕図５に示す本実施態様のヒートパイプ
(4)は、第１実施態様のヒートパイプ(1)とは、パイプ本
体(16)を構成する下部材(17)が銅系材料(11a)の単独材
で形成されている点が異なる。なお、上部材(12)は、第
１実施態様と同様に、銅系材料(11a)とアルミニウム系
材料(11b)とのクラッド材による成形材で構成され、パ
イプ本体(16)の内側は銅系材料(11a)のみで構成されて
いる。

【００２６】前記ヒートパイプ(4)は、外部の発熱体
（Ｈ）との接触部分が銅系材料(11a)であるから、発熱
体（Ｈ）からの入熱が速やかに拡散されて顕著に優れた
放熱性能が得られる。〔第５実施態様〕図６に示す本実施態様のヒートパイプ
(5)は、図５に示した第４実施態様のヒートパイプ(1)と
は、パイプ本体(16)の装着部の内底部、即ち下部材(17)
上に、多孔性構造体として銅粉末焼結体(21)が配置され
ている点が異なる。

【００２７】前記銅粉末焼結体(21)は、上述の金属発泡
体(20)と同様に凝縮液の環流を促進するものであり、下
部材(17)の所定位置に銅粉末を置いて加熱することによ
り粉末粒子どうしが融着して多数の連通気孔を形成する
とともに、下部材(17)に固着された状態に形成される。
また、銅自体が熱伝導性、熱拡散性、作動流体に対する
耐食性に優れている上に、焼結によってパイプ本体(16)
に融着されているために熱伝導性が良く、位置ずれのお
それもない。さらに、環流機能の良否を決める一要因で
ある連通気孔の占有率を、焼結前の粉末の粒径によって
容易に制御できる。なお、焼結材料となる銅粉末にリン
が含まれていると、作動流体として水を使用した場合に
リンと水とが反応してリン酸を生成し、銅を腐食させて
ヒートパイプの寿命に悪影響を与えるため、無酸素銅粉
末が好ましい。本実施態様では、粒径１００μｍの銅粉
末によって焼結体が形成されている。なお、前記銅粉末
焼結体は、下部材と銅粉末との同時加熱の他、銅粉末を
下部材に溶射することによっても形成することができ
る。

【００２８】また、多孔性構造体として銅粉末焼結体を
用いる場合、焼結時に同時に下部材も加熱されるため、
耐熱温度の点でアルミニウム系材料とのクラッド材より
も銅系材料単独の下部材を用いることが好ましい。〔第６実施態様〕図７に示す本実施態様のヒートパイプ
(6)は、図５に示した第４実施態様のヒートパイプ(4)と
は、パイプ本体(18)の上部材(19)にリブ(19a)が形成さ
れている点が異なる。

【００２９】前記リブ(19a)は、パイプ本体(18)の幅方
向の２箇所に、上部材(19)の頂壁をしわ付けするように
内側に凹ませて形成されている。そして、前記下部材(1
7)との組合せ状態においてリブ(19a)の先端部が下部材
(17)に接触し、下部材(17)と上部材(19)とを支えてパイ
プ本体(18)の強度を向上させて、外力による潰れ防止や
真空引きに抗して耐圧性向上に寄与している。なお、前
記リブ(19a)はパイプ本体(18)の長さ方向の全域にわた
って形成する必要はなく、パイプ本体(18)の寸法に応じ
て短いリブを１箇所以上設けることによって前記効果を
奏することができる。

【００３０】なお、本発明のヒートパイプは、上述の各
実施態様に示したものに限定されない。例えば、第２実
施態様の金属発泡体(20)を銅粉末焼結体に置換したも
の、第５実施態様の銅粉末焼結体(21)を金属発泡体に置
換したもの、第３実施態様の波板(30)の代わりにリブ(1
9a)付の上部材(19)を用いたもの等もこの発明に含まれ
る。パイプ本体の装着部の材質、多孔性構造体の有無と
種類、波板の有無、上部材のリブの有無の組合せは自在
である。いずれのヒートパイプにおいても、パイプ本体
の内面側を銅系材料で構成することにより、優れた放熱
性と耐食性とを確保しつつ、少なくとも一部にアルミニ
ウム系材料とのクラッド材を用いることでヒートパイプ
の軽量化を図ることができる。さらに、多孔性構造体の
配置により凝縮液の環流機能を促進して放熱機能を向上
させることができる。また、波板の配置または対向部に
おけるリブの形成によって、パイプ本体の強度を向上さ
せ、多孔性構造体の位置ずれを防ぐことができる。

【００３１】また、上述の各実施態様では、パイプ本体
(10)(16)(18)として別部材の下部材(11)(17)と上部材(1
2)(19)とで形成されたものを例示したが、本発明のヒー
トパイプはこのようなパイプ本体に限定されない。例え
ば図８に示すように、クラッド材の所要部分に凸凸部を
形成した一つの部材(40)を中央で折り曲げてもパイプ本
体を形成することもできる。また、第４〜６実施態様の
ように装着部（下部材）が銅系材料の単独材で形成され
ている場合は、銅系材料の一部のみにアルミニウム系材
料がクラッドされた材料を用いれば良い。また、パイプ
本体内に銅粉末焼結体を配置する場合を除き、クラッド
押出によって、異種材料のクラッドと所要断面形状への
成形とを同時に行い、内面側が銅系材料、外面側がアル
ミニウム系材料で形成されたパイプ本体を製作すること
ができる。

【００３２】さらに、この発明のヒートパイプは、単独
で放熱器として用いる他、対抗部にフィンを形成して、
放熱器の熱拡散部として用いることもできる。

【００３３】

【発明の効果】以上の次第で、この発明のヒートパイプ
は、作動流体が封入されるパイプ本体外部の発熱体を装
着する装着部と、この装着部と平行状に対向する対向部
とによって扁平状に形成され、前記パイプ本体の内面側
が銅系材料で構成されているから、放熱性能および作動
流体に対する耐食性が優れている上に、少なくとも前記
対向部が銅系材料と銅系材料よりも軽量のアルミニウム
系材料とが接合されたクラッド材によって構成されてい
るから、ヒートパイプを軽量化でき、優れた放熱性能お
よび耐食性と軽量性とを兼ね備えたヒートパイプとなし
得る。また、このような軽量化されたヒートパイプは、
外部からの振動や衝撃に対する影響が少なく、電子機器
内において、このヒートパイプがＣＰＵ等にクリップ留
めして組み込まれている場合、輸送時の振動等によって
も外れにくい。。

【００３４】また、前記ヒートパイプにおいて、前記装
着部が銅系材料とアルミニウム系材料とが接合されたク
ラッド材からなる場合は、装着部および対向部の両者の
外面側、即ちパイプ本体の外面側が全てアルミニウム系
材料で形成されることとなり、ヒートパイプは顕著に軽
量化される。また、前記装着部が銅系材料の単独材から
なる場合は、銅系材料で外部の発熱体に接触させてヒー
トパイプを装着することとなり、発熱体からの入熱が速
やかに拡散されて顕著に優れた放熱性能が得られる。

【００３５】また、前記パイプ本体内における前記装着
部の内底部に、多孔性構造体が配置されている場合は、
凝縮液を確実に発熱体の接触部およびその近傍に環流さ
せて優れた放熱性能が得られる。さらに、前記多孔性構
造体が金属発泡体からなる場合はパイプ本体への配置が
容易であり、銅粉末焼結体からなる場合は焼結によるパ
イプ本体への融着により熱伝導性が向上する。

【００３６】さらに、前記パイプ本体内に、断面におい
て山部と谷部とが交互に形成された波板が、前記パイプ
本体に内接して配置されている場合、あるいは前記対向
部に、パイプ本体内に突出するリブが形成されている場
合は、波板またはリブが対向部を支えてパイプ本体の強
度が向上し、外力を加えられてもパイプ本体が潰れにく
くなり、また真空引きに対しても耐圧性が向上する。ま
た、多孔性構造体が配置されている場合は、その押さえ
材となって位置ずれを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のヒートパイプの第１実施態様の横断
面図である。

【図２】この発明のヒートパイプの第２実施態様の横断
面図である。

【図３】この発明のヒートパイプの第３実施態様の横断
面図である。

【図４】図３のヒートパイプに用いる波板の斜視図であ
る。

【図５】この発明のヒートパイプの第４実施態様の横断
面図である。

【図６】この発明のヒートパイプの第５実施態様の横断
面図である。

【図７】この発明のヒートパイプの第６実施態様の横断
面図である。

【図８】パイプ本体の製造方法の他の例を示す横断面図
である。

【符号の説明】

１，２，３，４，５，６…ヒートパイプ 10、16、18…パイプ本体 11、17…下部材（装着部） 11a、12a…銅系材料 11b、12b…アルミニウム系材料 12、19…上部材（対向部） 19a…リブ 20…金属発泡体（多孔性構造体） 21…銅粉末焼結体（多孔性構造体） 30…波板 31…山部 32…谷部Ｈ…発熱体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作動流体が封入されるパイプ本体(10)(1
6)(18)が、外部の発熱体（Ｈ）を装着する装着部(11)(1
7)と、この装着部(11)(17)と平行状に対向する対向部(1
2)(19)とによって扁平状に形成され、前記パイプ本体(10)(16)(18)の内面側が銅系材料(11a)
で構成されているとともに、少なくとも前記対向部(12)
(19)が銅系材料(12a)とアルミニウム系材料(12b)とが接
合されたクラッド材で構成されていることを特徴とする
ヒートパイプ。
【請求項２】前記装着部(11)は、銅系材料(11a)とア
ルミニウム系材料(111b)とが接合されたクラッド材から
なる請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】前記装着部(17)は、銅系材料(11a)の単
独材からなる請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項４】前記パイプ本体(10)(16)内における前記
装着部(11)(17)の内底部に、多孔性構造体が配置されて
いる２または３に記載のヒートパイプ。
【請求項５】前記多孔性構造体は、金属発泡体(20)か
らなる請求項４に記載のヒートパイプ。
【請求項６】前記多孔性構造体は、銅粉末焼結体(21)
からなる請求項４に記載のヒートパイプ。
【請求項７】前記パイプ本体(10)(16)内に、断面にお
いて山部(31)と谷部(32)とが交互に形成された波板(30)
が、前記パイプ本体(10)(16)に内接して配置されている
請求項２〜６のいずれかに記載のヒートパイプ。
【請求項８】前記対向部(19)に、パイプ本体(18)内に
突出するリブ(19a)が形成されている請求項２〜６のい
ずれかに記載のヒートパイプ。