JP2007093020A - 液冷熱交換器、および、その作動流体封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 中空平板状の内部に作動流体を容易に注入することができ、さらに内部を容易に所定の真空状態にすることができる液冷熱交換器を提供すると共に、中空平板状の内部への作動流体の注入と脱気を容易に行うことができる作動流体封止方法を提供する。
【解決手段】 液冷熱交換器は、平板状のコンテナ２と被冠部材３により密閉構造に形成された中空内部４に蒸発部５と凝縮部６とに繋がる溝部７が形成され、中空内部４に作動流体が封入される。コンテナ２または被冠部材３には中空内部４と外部とを連通させる透孔１０が形成され、透孔１０は中空内部４への作動流体注入手段および真空脱気手段が接続可能に構成される。透孔１０から作動流体注入手段により作動流体を注入し、その後、透孔１０に脱気手段を接続して中空内部４を真空脱気し、脱気手段を接続した状態で透孔１０を封止手段により封止して作動流体が注入された中空内部４を真空状態にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップや集積回路基板等の発熱体を冷却するために用いられる平面型ヒートパイプまたはベーパーチャンバー等の液冷熱交換器、および液冷熱交換器の中空内部に作動流体を封止するための封止方法に関する。

近年、コンピュータ機器は小型化と高性能化がますます加速されている。ところが、高性能化に伴い、半導体素子や集積回路から発生する熱量も増大しており、その熱量の効率的な冷却方法がコンピュータ機器の更なる小型化と高性能化を押し進める上での課題となっている。

高出力、高集積のチップ等を冷却するために、各種の冷却システムが提案されている。その冷却システムとしてヒートパイプに代表される液冷熱交換器が注目されている。液冷熱交換器としてのヒートパイプは、大別して丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状のヒートパイプに分類される。電子機器を冷却用するためには、チップ等の被冷却部品に取り付けることから、平面型のヒートパイプが好ましい。従来から提案されているヒートパイプは、内部に作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が蒸発部と凝縮部を移動し、蒸発、凝縮等の相変化を行うことによってチップ等を冷却している。

ヒートパイプは、密封された空洞部を備え、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の移動が行われる。すなわち、ヒートパイプの蒸発部において、被冷却部品から発する熱により作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。蒸気となった作動流体は放熱側において冷却されることにより凝縮し、再び液相状態の作動流体に変化して吸熱側に移動（還流）する。このような作動流体の相変態や移動によって熱の移動が行われる。一方、重力式のヒートパイプにおいては、相変態によって液相状態になった作動流体を重力または毛細管作用等によって、吸熱側に移動（還流）する。

被冷却部品の冷却に適した平面型ヒートパイプとしては、特開平１１−２３１６７号公報（特許文献１）の構成が提案されている。このヒートパイプは、図２１に示すように、コンテナ１０１と被冠部材１０２とによって中空平板状の密閉構造に構成され、内部に真空脱気した状態で凝縮性流体を作動流体として封入し、コンテナ１０１の内面には蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部１０５が形成されている。また、溝部１０５の開口部分には、毛細管圧力を生じさせる多孔質層１０６が、溝部１０５の内部空間を埋めない状態で覆われている。

この特許文献１のヒートパイプ１００によれば、コンテナ１０１の一部に伝達された熱が、液相作動流体を加熱して蒸発し、その作動流体蒸気が、多孔質層１０６内や溝部１０５の内部空間から抜け出して凝縮部に向けて流動し、そこで冷却されて凝縮する。凝縮部で再度液相になった作動流体は、多孔質層１０６の隙間に浸透して溝部１０５の内部空間に入り込む。この液相作動流体は、多孔質層１０６の毛細管圧力によって、蒸発部に向けて流動する。その場合、多孔質層１０６をウィックとして作用させることにより、溝部１０５の内部空間を移動する液相作動流体の飛散現象を抑制し、作動流体の蒸発部側への還流を促進して熱輸送能力を良好にしている。

また、コンテナ内部に溝部を形成して液相作動流体を流動させるヒートパイプとして、特開２０００−１９３３８５号公報（特許文献２）に示す構成が提案されている。この平面型ヒートパイプは、並列に配置された複数の穴を有する上部材と底部材および支柱部材からなる多穴管のうち、底部材の内側に毛細管力を有するグルーブ（溝）を形成し、多穴管内に作動流体を封入している。

このような平面型ヒートパイプ１００は、図２０に示すように、パソコンのケースの内部に設置され、コンテナ１０１の凝縮部１０４は、ケース内に配設された金属製電子遮蔽板１１１等の放熱部材に密着した状態に配設される。一方、コンテナ１０１の蒸発部１０３は、ＣＰＵ１１３の上面部に熱授受可能に配設される。そして、ＣＰＵ１１３（半導体素子や集積回路等の発熱部品）が発熱すると、コンテナ１０１に熱伝導して溝部内の作動流体を蒸発させる。この蒸発によって気化熱を奪うので、ＣＰＵ１１３から発生する熱量が奪われ、ＣＰＵ１１３の過度な温度上昇を防止する。蒸発した作動流体の蒸気は、凝縮部１０４に向けて流動し、放熱部材によって冷却されて凝縮して再び液相状態に戻る。液相状態に戻った作動流体は、ウィックとして作用する多孔質層１０６の毛細管圧力により蒸発部１０３まで移動する。以上のような、作動流体および蒸気の相変態や移動を繰り返すことにより、ＣＰＵ１１３等の発熱部品の温度上昇を抑制している。

上述したように、この種のヒートパイプは、上述したように、コンテナと被冠部材からなる中空平板状の内部に、真空脱気した状態で作動流体を封入した後にコンテナと被冠部材を封止して密閉構造に形成している。このように、中空平板状の内部を真空脱気した状態とするためには、真空状態とした真空炉の内部にコンテナと被冠部材を設置し、コンテナ内に作動流体を注入した後、被冠部材を被冠して、コンテナと被冠部材とを接合した周囲を例えばろう付け等の封止手段によって封止している。

ところが、中空平板状の内部を所定の真空状態とするためには、上記の作業を行う真空炉の内部を中空平板状の内部と同じ真空状態とする必要がある。この真空状態においては作動流体が沸騰することがあり、注入が困難になる問題がある。また、中空平板状の内部を密閉構造とするために、コンテナと被冠部材の周囲を封止する場合にも、真空炉内が真空状態のために封止作業が著しく困難となる問題があった。これにより、作動流体が不足して、蒸発部の作動流体の液量が不足して発熱部品の冷却が行われなくなり、発熱部品の温度が過度に上昇し、半導体素子や集積回路等と云った発熱部品の性能低下や故障などを招くことになる。また、コンテナと被冠部材との封止が不完全なために、中空平板状の内部の真空度が低下すると共に、作動流体の相変態や移動が低下することにより熱の移動が低下し、ヒートパイプとしての冷却能力が著しく低下する重大な問題が生ずる。

特開平１１−２３１６７号公報 特開２０００−１９３３８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、第１に、中空平板状の内部に作動流体を容易に注入することができ、さらに内部を容易に所定の真空状態にすることができる液冷熱交換器を提供することにあり、第２に、中空平板状の内部への作動流体の注入と真空状態にするための脱気を容易に行うことができる液冷熱交換器における作動流体封止方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に載の発明は、平板状のコンテナと被冠部材により密閉構造に形成された中空内部に蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部が形成され、上記中空内部に作動流体を封入した液冷熱交換器であって、
上記コンテナまたは被冠部材には上記中空内部と外部とを連通させる透孔が形成され、
上記透孔は、上記中空内部への上記作動流体注入手段および真空脱気手段が接続可能に構成すると共に、作動流体注入および真空脱気した後に封止されることを要旨とする。

また、請求項２に記載の発明は、上記コンテナと被冠部材は熱伝導率が良好なアルミニウムや銅等の金属材によって形成され、
上記コンテナと被冠部材の少なくとの一方の内面にはその金属材自体を掘り起こすことによって起立させた板状のフィンが所定の間隔で複数条形成されると共に、各々の上記フィンの間に毛細管力を有する所定幅の複数条の上記溝部が上記蒸発部と凝縮部とに繋がって形成され、
上記透孔を介して上記溝部内に上記作動流体が入れられると共に真空脱気することを要旨とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、上記透孔は、上記中空内部に形成された複数条の上記溝部に隣接する液溜まり部に形成されることを要旨とする。

さらにまた、請求項４に記載の発明は、上記透孔は上記中空内部に形成された複数条の上記溝部の両側に各々形成されたことを要旨とする。

また、請求項５に記載の発明は、上記透孔には上記コンテナまたは被冠部材から外方に突出する中空の筒部を一体形成したことを要旨とする。

また、請求項６に記載の発明は、上記透孔は、上記コンテナと被冠部材の外縁に形成された接合部の少なくとも一方に凹溝を形成することにより構成されたことを要旨とする。

また、請求項７に記載の発明は、平板状のコンテナと被冠部材により密閉構造に形成された中空内部に蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部が形成され、上記中空内部に作動流体を封入した液冷熱交換器であって、
上記コンテナまたは被冠部材に形成された上記中空内部と外部とを連通させる透孔に作動流体注入手段によって作動流体を注入した後、上記透孔に脱気手段を接続して上記中空内部を真空脱気し、上記脱気手段を接続した状態で上記透孔を封止手段により封止して上記作動流体が注入された上記中空内部を真空状態としたことを要旨とする。

また、請求項８に記載の発明は、上記コンテナまたは被冠部材に突出形成された筒部に真空ポンプに接続されたパイプを連結して上記中空内部を真空状態にした後、上記筒部に上記パイプを接続した状態で上記筒部の基端部を圧縮工具により圧縮して上記透孔を封止したことを要旨とする。

また、請求項９に記載の発明は、上記コンテナまたは被冠部材の外縁に形成された上記凹溝に真空ポンプに接続されたパイプの一端を接続して上記中空内部を真空状態にした後、上記凹溝に上記パイプを接続した状態で上記接合部を押圧工具により押圧して上記透孔を封止したことを要旨とする。

本発明によれば、液冷熱交換器の中空内部と外部とを連通するように透孔を形成しているので、透孔から中空内部へ作動流体を注入し、中空内部を真空脱気して所定の真空状態にすることが容易にできる。また、作動流体が注入された中空内部を真空脱気するときに平常気圧の室内で作業を行うことが可能となり、しかも、作動流体が沸騰する等の問題を未然に防止することが可能となる。さらに、真空脱気した後に透孔を封止することによって液冷熱交換器の中空内部を所定の真空状態にすることができる。この結果、液冷熱交換器に注入した作動流体が正常に相変態や移動を繰り返すので、高性能の液冷熱交換器を提供することが可能となる。

また、液冷熱交換器の内面に、蒸発部と凝縮部とに繋がって形成される毛細管力を有する所定の幅の溝部を、コンテナの金属材自体を掘り起こすことによって所定の間隔で起立形成させる板状のフィン間に形成したので、適正な毛細管力を有する微細な幅の溝部が形成されることから、姿勢差による影響とばらつきの小さくなり、しかも冷却効率が高い液冷熱交換器を提供することができる。この液冷熱交換器において、透孔を介して確実に溝部内に作動流体が入れると共に真空脱気することができるので、さらに液冷熱交換器の冷却効率を高くすることが可能となる。

さらに、透孔には、コンテナまたは被冠部材から外方に突出する中空の筒部を一体形成することにより、上記筒部には作動流体を注入する注入パイプの嵌入、或いは注入針を挿入が容易になると共に、真空ポンプの接続したパイプの嵌入が容易になる。

また、透孔には、コンテナと被冠部材の外縁に形成された接合部の少なくとも一方に凹溝を形成することにより、上記凹溝には作動流体を注入するための注入パイプや注入針の挿入が容易になると共に、真空ポンプの接続したパイプの嵌入が容易になる。

上記液冷熱交換器は、平板状のコンテナまたは被冠部材に形成した透孔によって、作動流体を注入した後、上記透孔に脱気手段を接続して中空内部を真空脱気し、上記脱気手段を接続した状態で上記透孔を封止手段により封止するので、作動流体が注入された中空内部を容易かつ確実に真空状態にすることが可能となる。

また、コンテナまたは被冠部材に突出形成された筒部を介して作動流体を注入すると共に中空内部を真空状態にした後、筒部の基端部を圧縮工具によって圧縮する簡単な手段によって透孔を封止することができるので、簡易な作業によって中空内部を確実に真空状態にすることが可能になる。

一方、コンテナまたは被冠部材の外縁に形成された凹溝を介して作動流体を注入すると共に中空内部を真空状態にした後、凹溝を押圧工具によって押圧する簡単な手段によって透孔を封止することができるので、簡易な作業によって中空内部を確実に真空状態にすることが可能になる。

平板状の液冷熱交換器は、平板状のコンテナと被冠部材により密閉構造に形成された中空内部に蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部が形成され、上記中空内部に作動流体を封入している。上記コンテナまたは被冠部材には中空内部と外部とを連通させる透孔が形成されている。上記透孔は、中空内部への作動流体注入手段および真空脱気手段が接続可能に構成され、上記作動流体注入および真空脱気した後に封止される。

上記コンテナと被冠部材は、熱伝導率が良好なアルミニウムや銅等の金属材によって形成される。上記コンテナと被冠部材の少なくとの一方の内面には、その金属材自体を掘り起こすことによって起立させた板状のフィンが所定の間隔で複数条形成され、各々の上記フィンの間には毛細管力を有する所定幅の複数条の溝部が蒸発部と凝縮部とに繋がって形成される。そして、上記溝部内には、上記透孔を介して作動流体注入手段によって作動流体が入れられ、さらに、真空脱気手段によって中空内部が真空脱気される。

中空内部に形成された複数条の溝部に隣接して、溝部の一方側または両側に液溜まり部に形成され、この液溜まり部に対応する位置に上記透孔が形成されている。上記液溜まり部には作動流体を滞留させ、蒸発部と凝縮部とに繋がって形成された複数条の溝部に作動流体が供給される。そして、半導体素子や集積回路等の発熱部品から発生する熱を奪うことにより温度上昇を防止し、作動流体および蒸気の相変態や移動を繰り返すときに、上記液溜まり部の作動流体を溝部内に供給して上記発熱部品の温度上昇を抑制している。

コンテナまたは被冠部材には、外方に突出する中空の筒部が一体形成され、この筒部内に中空内部と外部とを連通させる透孔が形成されている。この筒部には、作動流体注入手段や真空脱気手段が連結される。

コンテナと被冠部材の外縁に形成された接合部の少なくとも一方には凹溝が形成され、この凹溝内に上記透孔が構成される。凹溝内には、作動流体注入手段や真空脱気手段が連結される。

平板状の液冷熱交換器は、平板状のコンテナと被冠部材により密閉構造に形成された中空内部に蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部が形成され、中空内部に作動流体が封入される。このように構成された平板状の液冷熱交換器における作動流体封止方法は、上記コンテナまたは被冠部材に形成された上記中空内部と外部とを連通させる透孔に、まず作動流体注入手段によって作動流体が注入される。その後、上記透孔に脱気手段を接続して上記中空内部を真空脱気する。そして、上記脱気手段を接続した状態で上記透孔を封止手段により封止する。その結果、上記作動流体を注入した中空内部が真空状態に形成される。

上記作動流体封止方法において、上記コンテナまたは被冠部材に突出形成された筒部には真空ポンプに接続されたパイプを連結し、上記中空内部を真空状態にする。その後、上記筒部に上記パイプを接続した状態で上記筒部の基端部を圧縮工具により圧縮することにより上記透孔を封止する。この結果、上記中空内部は真空状態で密閉される。

上記作動流体封止方法において、上記コンテナまたは被冠部材の外縁に形成された上記凹溝に真空ポンプに接続されたパイプの一端を接続し、上記中空内部を真空状態にする。その後、上記凹溝に上記パイプを接続した状態で上記接合部を押圧工具により押圧して上記透孔を封止する。この結果、上記中空内部は真空状態で密閉される。

図１は、本発明における第１の実施例にかかる液冷熱交換器として平板状ヒートパイプを示す断面図、図２は、上記平板状ヒートパイプを示す平面図、図３は、上記平板状ヒートパイプを示す一部断面斜視図である。なお、本発明においては、液冷熱交換器としてベーパーチャンバーにも適用されるが、同様の構成のため、平板状ヒートパイプを例に説明する。

平板状ヒートパイプ１は、コンテナ２と、このコンテナ２に被冠される被冠部材３との周縁どうしを互いに接合すると共に封止され、その間に中空平板状の密閉構造に形成された中空内部４によって構成されている。被冠部材３は凹所を有する略皿状に形成されていて、略平板状のコンテナ２の内面には、蒸発部５と凝縮部６とに繋がる溝部７が形成されている。そして、このように封止された中空内部４には作動流体が封入されている。作動流体としては、純水、代替フロン、アセトン、メタノール、ヘリウム、窒素、アンモニア、ダウサムＡ、ナフタリン、ナトリウム等を使用することができる。

また、被冠部材３には鍔部３ａが外周方向に突出形成され、コンテナ２の周縁部と互いに接合すると共に、互いに接合された外周縁が溶接やロー付或いは接着等の封止手段によって封止されている。

コンテナ２および被冠部材３は、熱伝導率が良好なアルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金あるいはステンレス鋼等の金属材によって形成される。コンテナ２の内面に形成した溝部７は、後述する掘り起こし工具の刃部により、コンテナ２の金属材自体を掘り起こすことによって起立させた複数条の板状のフィン８との間に形成される。

複数条の溝部７は、図４（Ａ）に示すように、底部の断面形状が略矩形状に形成されている。さらに、溝部７の少なくとも一方の角部が鋭角に形成されている。このように角部を鋭角に形成すると、毛細管力をさらに高めることができる。そして、フィン８の板厚ｔは０．１〜１ｍｍに形成され、底部における溝部７の幅ｗは、十分な毛細管力を発生させるために０．０１〜１．０ｍｍに形成されている。また、溝部７の深さｄは、０．１〜１．０ｍｍに形成されている。また、溝部７の底部とコンテナ２との間の肉厚は、０．１〜１．０ｍｍに形成されている。

溝部７の断面形状は、ややカーリングしている。これは、掘り起こし工具の刃部によりコンテナ２の金属材自体を掘り起こすときに、フィン８がややカーリングして形成されているためであり、溝部７がフィン８の間に形成されることから、溝部７の断面形状はフィン８の断面形状により必然的に定められる。

図４（Ｂ）は、フィン８の変形例として、一部を拡大したフィン８を示し、図４（Ａ）に示したフィン８よりも平板状に形成されている。フィン８の形状は、上記掘り起こし工具の刃部の形状、或いは掘り起こし角度によって種々の形成することができる。また、掘り起こし工具の刃部により形成されるフィン８は、コンテナ２側の基端から先端に至るに従って肉薄に形成されることから、溝部７の断面形状も底部から開口部に至るに従って幅ｗ１がやや広くなるように形成される。

複数条の溝部７によってヒートパイプ１に毛細管力が付与される。即ち、複数条の溝部７に収容された作動流体は、蒸発部５において被冷却部品の発熱によって蒸気になり、上下の溝部７の間を離間することによって形成した空間を蒸気流として流れ、凝縮部６において冷却され液体状態に戻る。液体状の作動流体は、溝部７が有する毛細管力によって再び蒸発部５に向けて移動する。

平板状ヒートパイプ１は、例えばノートブック型パソコンの内部に設置される。図２に示すように、平板状ヒートパイプ１の凝縮部６は、上記パソコンのケース内に備えられる金属製の放熱部材１１に密着した状態に配設されている。これに対して、コンテナ２の蒸発部５は、ＣＰＵ１２の上面部に熱授受可能に配設されている。また、平板状ヒートパイプ１は、適宜の手段によってパソコン内に取り付けられている。

上述した構成からなる平板状ヒートパイプ１において、図１に示すように、被冠部材３には、この被冠部材３から外方に突出する中空の筒部９が一体形成され、この筒部９内には中空内部３と外部とを連通させる透孔１０が形成されている。上記筒部９は、図３に示すように、被冠部材３の角部近傍であり、コンテナ２に形成された複数条の溝部７の端部に対応する位置に形成されている。この筒部９は、例えばバーリング加工等の適宜の手段によって形成される。また、筒部９は、図２に示すように、被冠部材３の相対向する各々の角部近傍の２個所形成しても良い。２個所に筒部９を形成した場合の使用例については後述する。

次に、上述した平板状ヒートパイプ１における作動流体の封止方法を図５に基づいて説明する。まず、図示しない作動流体注入手段に接続された注入パイプを筒部９に嵌挿し、所定量の作動流体を注入する。この作動流体は、ウィックとして作用する溝部７の毛細管圧力により溝部７内に浸透する。なお、筒部９の透孔１０に例えば注射針のような注入針を挿入して作動流体を注入しても良い。

その後、図５（Ａ）に示すように、図示しない真空ポンプからなる脱気手段に接続された脱気用パイプ１３を筒部９に嵌挿接続し、中空内部４を真空脱気する。そして、この中空内部４が所定の真空状態に脱気されたときに、図５（Ｂ）に示すように、筒部９に脱気用パイプ１３を接続した状態で筒部９の基端部を左右一対の圧縮工具１４により加圧圧縮することにより、透孔９を封止する。この結果、平板状ヒートパイプ１の中空内部４は、作動流体が注入された状態で真空状態にすることができる。その後、図５（Ｃ）に示すように、圧縮工具１４により圧縮された筒部９の基端部を適宜の切断手段により切断する。このとき、被冠部材３に表面から筒部９の基端部が一部突出しているが、筒部９をパソコンの放熱部材１１やＣＰＵ１２から離間した位置に形成することにより影響を受けない。筒部９の突出部分を平坦にする場合には、平押し加工を施すことによって被冠部材３の表面全面を平坦にすることができる。

図６および図７は、平板状ヒートパイプ１の中空内部４と外部とを連通させる透孔の他の実施例を示している。すなわち、被冠部材３の外縁に形成されたコンテナ２と接合する接合部に凹溝１５が形成され、被冠部材３とコンテナ２の外縁部分を接合することによって凹溝１５内に透孔１６が形成される。上記凹溝１５は、被冠部材３をプレス加工するときに形成することができる。また、上記凹溝１５は、被冠部材３の相対向する各々の角部近傍の２個所形成しても良い。さらに、上記凹溝１５は、コンテナ２外縁部分の形成しても良く、被冠部材３とコンテナ２外縁部分の両側に形成しても良い。

以上のように凹溝１５によって形成された透孔１６を使用した平板状ヒートパイプ１における作動流体の封止方法を図７に基づいて説明する。まず、図示しない作動流体注入手段に接続された注入パイプに先端を透孔１６に当接し、所定量の作動流体を注入する。この作動流体は、ウィックとして作用する溝部７の毛細管圧力により溝部７内に浸透する。なお、透孔１６に例えば注射針のような注入針を挿入して作動流体を注入しても良い。

その後、図７（Ａ）に示すように、図示しない脱気手段に接続された脱気用パイプ１７の先端を透孔１６に当接し、中空内部４を真空脱気する。そして、この中空内部４が所定の真空状態に脱気されたときに、図７（Ｂ）に示すように、凹溝１５の透孔１６に脱気用パイプ１７を当接した状態で被冠部材３の接合部を上方からパンチ等の押圧工具１８により押圧して透孔１６を閉塞する。この結果、平板状ヒートパイプ１の中空内部４は、作動流体が注入された状態で真空状態にすることができる。

次に、上述した構成からなる平板状ヒートパイプ１の形成方法について、図８乃至図１１を参照しながら説明する。平板状ヒートパイプ１を構成するコンテナ２と被冠部材３に使用する金属材は、塑性加工が可能であり、しかも熱伝導率が良好な金属材として、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金あるいはステンレス鋼等の素材により形成された、コンテナ２を形成するために必要な板厚及び幅を有する金属板２０が使用される。まず、コンテナ２の形成方法について説明する。

掘り起こし工具３０は、図８および図９に示すように、底面側の先端に刃部３１が形成されている。さらに、図１０に示すように、底面側の両側にはテーパ状に形成したテーパ刃３２が各々形成されている。そして、この掘り起こし工具３０は、金属板２０に対して後端側が高くなるように所定の角度θで傾斜させて図示しない駆動装置に取り付けられている。掘り起こし工具３０の傾斜角度θは、フィン８の高さ、板厚、或いは、金属板２０の材質等によって適宜に設定されるが、概ね５度から２０度に設定される。

まず、金属板２０を図示しないダイに位置決めした状態で載置する。図９（Ａ）に示すように、掘り起こし工具３０を金属板２０の一方面に当接させた後、駆動装置（図示しない）によって駆動される掘り起こし工具３０を所定の角度で金属板２０の他方面方向に移動させる。すると、図９（Ｂ）に示すように、掘り起こし工具３０の先端の刃部３１によって金属板２０が掘り起こされ、肉薄なフィン８の先端が起立する。掘り起こし工具３０をさらに所定の位置まで移動すると、図９（Ｃ）に示すように、金属板２０が徐々に深く掘り起こされると共に、第１のフィン８ａが所定の高さｄに形成される。また、金属板２０を掘り起こすとき、掘り起こし工具３０の先端両側に形成されたテーパ刃３２が、図１０に示すように、凹部２１の両壁を切削し、凹部２１の両壁には、図１１に示すように、テーパ面２２が形成される。さらに、第１のフィン８ａが掘り起こされた跡の凹部２１内には被加工面２４が形成される。そして、第１のフィン８ａを形成した後に、掘り起こし工具３０を後退させて待機位置まで復帰させる。

以上のように、第１のフィン８ａが起立形成された後に、次の第２のフィン８ｂを形成する。このとき、金属板２０を図示右方の下流側に所定のピッチだけ送られて、上記ダイに位置が決められて固定する。そして、図９（Ｄ）に示すように、掘り起こし工具３０の刃部３１を被加工面２４よりも上流側に当接させる。この当接位置は、被加工面２４に所定の掘り起こし代ｔが得られる位置に設定される。因みに、掘り起こし代ｔは、０．０１ｍｍ乃至０．５ｍｍ程度に設定している。

その後、掘り起こし工具３０を所定の角度で金属板２０の他方面方向に移動させ、図９（Ｅ）に示すように、掘り起こし工具３０の刃部３１を所定のピッチｐとなる位置まで移動して金属板２０を掘り起こすことにより、肉薄な第２のフィン８ｂを起立形成させる。これにより、金属板２０には凹部２１が形成されると共に、この凹部２１内には被加工面２４が形成される。そして、掘り起こし工具３０を再び後退させて待機位置まで復帰させる。

このように、以前に形成された第１のフィン８ａと、次に形成された第２のフィン８ｂとの間には、溝部７が形成される。この溝部７は、底部の断面形状が略矩形状に形成されている。さらに、溝部７の図示右側の角部は鋭角に形成される。この角部の角度は、上記掘り起こし工具３０の刃部３１の角度にほぼ等しい９０度未満に形成される。

また、フィン８ａ、８ｂの板厚は０．１〜１ｍｍに形成され、底部における溝部７の幅ｗは、第１のフィン８ａを形成した後に、第２のフィン８ｂを形成するとき、掘り起こし工具３０を停止する位置によって設定される。この溝部７の幅ｗは、十分な毛細管力を発生させるために必要な０．０１〜１．０ｍｍに設定される。また、溝部７の深さｄは、フィン９の高さと等しい０．１〜１．０ｍｍに設定される。また、溝部７の底部の肉厚は、掘り起こし工具３０により金属板２０を深く掘り起こすことによって薄くなり、０．１〜１．０ｍｍに形成される。なお、溝部７の底部は上記凹部２１によって形成される。

さらに、金属板２０に複数条のフィン８を起立形成すると共に、複数条の溝部７を形成するために、掘り起こし工具３０を移動させて所定ピッチの上記フィン８を形成する。つまり、金属板２０を下流側に送り、ダイに位置決め固定した後、掘り起こし工具３０を移動させてフィン８を起立形成する工程を繰り返すことによって、金属板２０には、図８に示すように、複数条のフィン８が所定のピッチで連続して形成されると共に、所定の幅ｗを有する複数条の溝部７が連続して形成される。

上述したように形成されたコンテナ２の外周縁に、略皿状に形成された被冠部材３の鍔部３ａを接合すると共に、互いに接合された外周縁を溶接やロー付或いは接着等の封止手段によって封止される。

上述した金属板は、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金あるいはステンレス鋼等のフープ状金属板を使用することができる。すなわち、図１２に示すように、フープ状金属板４０を図示しないダイに位置決めした状態で載置した後、前述した掘り起こし工具３０の刃部３１によってフープ状金属板４０の一方面を掘り起こし、所定の高さのフィン４１を起立形成する。

その後、フープ状金属板４０を所定のピッチだけ送り、上記ダイに位置決め固定する。そして、掘り起こし工具３０の刃部３１を被加工面４２よりも上流側であって、所定の掘り起こし代が得られる位置に当接させた後、掘り起こし工具３０を所定の角度でフープ状金属板４０の他方面方向に所定のピッチとなる位置まで移動させ、フープ状金属板４０を掘り起こすことにより、先に起立形成した上記フィン４１と所定ピッチ隔てた位置に肉薄な次のフィン４１を起立形成させる。

このように、以前に形成されたフィン４１と、次に形成されたフィン４１との間には溝部４３が形成される。この溝部４３は、底部の断面形状が略矩形状に形成されている。さらに、溝部４３の角部が鋭角に形成される。この角部の角度は、上記掘り起こし工具３０の刃部３１の角度にほぼ等しい９０度未満の角度に形成される。

以上の溝部の形成工程は、フープ状金属板４０の所定個所に所定数の溝部４３が形成されるまで繰り返される。このとき、各フィン４１の間隔を高精度なピッチに形成することにより、所定数の溝部４３を形成したときの幅を一定にすることができる。そして、所定数の溝部４３からなる溝部群４４を形成した後、上記フープ状金属板４０を次の溝部群４４形成位置まで所定寸法移送させ、上述したように、掘り起こし工具３０によって所定数のフィン４１を起立形成すると共に、これらフィン４１の間に所定数の溝部４３からなる次の溝部群４４を形成する。この溝部形成工程は順次繰り返される。

このように、所定間隔毎に溝部群４４が形成された後に、溝部群４４間のカットラインの位置で切断することにより、また、必要に応じて所定形状に切断することによりコンテナ２が形成される。この切断工程は、１個の溝部群４４が形成された直後に切断しても良く、また、複数個の溝部群４４が形成された後に切断しても良い。

図１３および図１４は、平板状ヒートパイプの構成の変形例を示している。図１に示した平板状ヒートパイプ１は、内面に複数条の溝部７が形成されたコンテナ２に、略皿状に形成された被冠部材３との周縁どうしを互いに接合させて、内部に密閉構造に形成された中空内部４を構成するようにしている。図１３に示す平板状ヒートパイプ５０は、被冠部材５１を上記コンテナ２と同じに内面に複数条の溝部５２が形成され、溝部７と溝部５２とを対向させると共に、スペーサー５３を介してコンテナ２に周縁どうしを互いに接合させて、内部に密閉構造に形成された中空内部５４を構成するようにしている。さらに、被冠部材５１の角部近傍には、前述した被冠部材３と同様に、外方に突出する中空の筒部５５が一体形成され、この筒部５５内には中空内部５２と外部とを連通させる透孔５６が形成されている。なお、スペーサー５３はコンテナ２および被冠部材５１と同じ金属素材を使用することが望ましい。

このように、被冠部材５１にもコンテナ２と同様に複数条の溝部５２を形成することによって、前述した蒸発部５と凝縮部６における作動流体の移動量が多くなり、しかも、溝部７と溝部５２が十分な毛細管力を有しているので、多くの作動流体が相変態や移動を繰り返すことから、高性能の液冷熱交換器を提供することが可能となる。また、被冠部材５１とコンテナ２に各々溝部７と溝部５２が形成されているので、表裏を変えるような姿勢の変化があっても機能の低下がない。

図１４は、コンテナ６０の鍔部６０ａの開口端に、平坦な金属板からなる被冠部材６３を被冠した例を示している。すなわち、コンテナ６０は、略皿状に形成された凹所の内面に複数条の溝部６１が形成され、外周には開口側を平坦に形成した鍔部６０ａが形成されている。また、溝部６１を形成するフィン６２の高さは、上記凹所の深さよりも小さく形成されている。さらに、平坦に形成された被冠部材６３には、前述した被冠部材３と同様に、外方に突出する中空の筒部６４が一体形成され、この筒部６４内には中空内部６６と外部とを連通させる透孔６５が形成されている。

そして、被冠部材６３の筒部６４に図示しない真空ポンプからなる脱気手段に接続された脱気用パイプを嵌挿接続し、中空内部６６を真空脱気する。そして、この中空内部６６が所定の真空状態に脱気されたときに、筒部６４に脱気用パイプを接続した状態で筒部６４の基端部を圧縮工具により加圧圧縮することにより透孔６５を封止する。この結果、平板状ヒートパイプの中空内部６６は、作動流体が注入された状態で真空状態にすることができる。圧縮工具１４により圧縮された筒部６４の基端部が適宜の切断手段によって切断される。なお、図１４の符号６７は、コンテナ６０を前述したパソコン内に備えられる放熱部材１１に固定するためのビスである。

図１５および図１６は、コンテナに形成された溝部の変形例を示している。図１５において、前述した平板状ヒートパイプ１と相違する点は、溝部の深さを異ならせたことである。すなわち、図１５に示す平板状ヒートパイプにおいては、フィン８の頂部を切削することによって平坦面８ａを形成し、溝部７の断面形状を略四角形に形成すると共に深さを小さくしている。

溝部７の形成方法は、前述した形成方法と同様に、まず、図１６（Ａ）に示すように、金属板２０をダイ７０に位置決めした状態で載置した後、掘り起こし工具３０によって金属板２０の一方面を掘り起こす工程を繰り返すことによって、所定の高さとした複数条のフィン８を形成すると共に各フィン９の間に溝部７を形成する。その後、図１６（Ｂ）に示すように、金属板２０の一方面に形成されたフィン８の頂部を例えばカッター８０等の切削工具により切削してフィン８の先端に平坦面８ａを形成する。

その後、前述した図１に示した平板状ヒートパイプ１と同様に、略皿状に形成された被冠部材３をコンテナ２に被冠すると共に周縁どうしを互いに接合して封止し、その間に密閉構造に形成された中空内部４を構成している。そして、コンテナ２に形成された溝部７内には、作動流体が封入される。

図１５に示す平板状ヒートパイプ１においても、被冠部材３の角部近傍には外方に突出する中空の筒部９が一体形成され、この筒部９内には中空内部４と外部とを連通させる透孔１０が形成されている。そして、筒部９に図示しない真空ポンプに接続された脱気用パイプを筒部９に嵌挿接続し、中空内部４を真空脱気する。さらに、中空内部４が所定の真空状態に脱気されたときに、筒部９に脱気用パイプを接続した状態で筒部９の基端部を加圧圧縮することにより透孔１０を封止する。これにより、平板状ヒートパイプ１の中空内部４は、作動流体が注入された状態で真空状態にすることができる。

このように、フィン８の頂部を例えばカッター等の切削工具により切削してフィン８の先端に平坦面８ａを形成したことによって、溝部７の深さを任意に設定することが可能となり、最適な溝部を形成することが可能となる。また、フィン８の高さを小さくすることにより、平板状ヒートパイプ１を薄型にすることができる。

図１７および図１８は、平板状ヒートパイプにおける被冠部材とコンテナとを高精度に被冠して互いに接合するための位置決め手段の一例を示している。すなわち、図１７に示すように、コンテナ２の左右両側には略円柱状に形成された突起２ｂが各々形成されている。一方、被冠部材３には、上記突起２ｂの対応位置に嵌合穴３ｂが形成されている。そして、図１８に示すように、被冠部材３をコンテナ２に被冠するときに、コンテナ２の突起２ｂを被冠部材３の嵌合穴３ｂに嵌合することにより、被冠部材３とコンテナ２とが精度良く位置決めされる。その後、被冠部材３とコンテナ２との外周の接合部分を封止することにより、内部には密閉構造に形成された中空内部４が構成される。

なお、上記突起を被冠部材３に形成し、嵌合穴をコンテナ２に形成しても良い。また、突起２ｂを略円錐台状に形成し、嵌合穴３ｂを略すり鉢状に形成して、突起２ｂの外径や嵌合穴３ｂに内径の寸法誤差を吸収するようにしても良い。さらに、突起２ｂを例えば、コンテナ２外周縁近傍の全周囲に突堤状に形成し、被冠部材３の外周縁近傍の全周囲に溝状の嵌合穴３ｂを形成して、被冠部材３をコンテナ２に被冠するときに、両者を嵌合するように構成しても良い。このように全周囲の突起２ｂと嵌合穴３ｂを嵌合することによって、被冠部材３とコンテナ２とを高精度に位置決めすることは勿論のこと、嵌合部分がラビリンス状態となって、中空内部４に密閉度をさらに高めることが可能となる。

図１９は、前述した構成からなる平板状ヒートパイプ１において、筒部９を２個所に形成した例を示している。この筒部９は、被冠部材３の角部近傍であり、コンテナ２に形成された複数条の溝部７の外側に対応する位置に形成されている。コンテナ２の２個所の筒部９が対応する個所には、図１９に示すように、溝部７を形成することなく、空間部が形成されている。この空間部は、作動流体を蓄える液溜まり部１９として構成されている。このように、液溜まり部１９を設けることにより、十分な量の作動流体を蓄えることができ、順次複数条の溝部７に作動流体を供給するようにしている。これにより、凝縮部６と蒸発部５との間に十分な量の作動流体を移動させることが可能となる。

上記筒部９を２個所に形成した場合には、平板状ヒートパイプではなく、水冷式ラジエターとして構成することもできる。つまり、２個所の筒部９は被冠部材３とコンテナ２との間の中空内部３とが連通する状態とする。そして、一方の筒部９を水冷液の注入孔として図示しないパイプを接続して冷却水を中空内部３に注入し、他方の筒部９を排出孔として冷却水を排出するようにする。これにより、一方の筒部９から注入された水冷液が複数条の溝部７の間を通過してパソコン内の例えばＣＰＵとの間で熱授受を行い、その後、温度が上昇した水冷液を他方の筒部９を排出孔から排出させることにより、循環式の液冷熱交換器が構成される。この場合には、水冷液が上記液溜まり部１９に蓄えられる。

以上説明した各実施例において、金属板を位置決め固定した状態で、掘り起こし工具を移動させることによって、フィンを起立形成すると共に溝部を形成するようにしたが、反対に、掘り起こし工具を固定し、金属板を移動させることによってフィンを形成するようにしても良く、金属板と掘り起こし工具が相対的に移動することによってフィンを起立形成することができる。また、ＣＰＵおよび放熱部材に接合する下側コンテナを熱伝導率が良好な金属素材を使用し、上側コンテナを下側コンテナより熱伝導率が低い異種の金属素材を組み合わせて形成しても良い。このように、本発明はこれら実施例に限定されることなく本発明を逸脱しない範囲において種々変更できる。

本発明は、特に、半導体集積回路等の電子部品を冷却するヒートパイプまたはベーパーチャンバー等の液冷熱交換器に適用可能である。

本発明にかかる液冷熱交換器として平板状ヒートパイプを示す断面図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプを示す平面図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプを示す一部断面斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、平板状ヒートパイプにおける溝部を示す拡大断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の液冷熱交換器における作動流体封止方法を示す工程説明図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプにおける透孔の他の実施例を示す一部断面斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の液冷熱交換器における他の作動流体封止方法を示す工程説明図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプの溝部を形成する工程を示す斜視図である。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、本発明にかかる平板状ヒートパイプの溝部の形成工程を示す説明図である。 溝部形成工程における金属板への掘り起こし工具による掘り起こし状態を示す説明図である。 本発明にかかる溝部とフィンを示す断面図である。 フープ状金属板に溝部を形成する溝部形成工程を示す斜視図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプの変形例を示す断面図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプの他の片敬礼を示す断面図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプの溝部の変形例を示す断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、図１５における溝部形成工程を示す説明図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプにおける被冠部材とコンテナの位置決め手段を示す平面図である。 図１７における位置決め手段を示す一部断面図である。 本発明にかかる平板状ヒートパイプに筒部を２個所に形成した例を示す平面図である。 平板状ヒートパイプの使用状態を示す斜視図である。 従来のヒートパイプの溝部を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 平板状ヒートパイプ
２ コンテナ
３ 被冠部材
３ａ 鍔部
４ 中空内部
５ 蒸発部
６ 凝縮部
７ 溝部
８ フィン
９ 筒部
１０ 透孔
１３ 脱気用パイプ
１４ 圧縮工具
１５ 凹溝
１６ 透孔
１７ 脱気用パイプ
２０ 金属板
３０ 掘り起こし工具
４０ フープ状金属板
４１ フィン
４３ 溝部
４４ 溝部群

Claims (9)

1. 平板状のコンテナと被冠部材により密閉構造に形成された中空内部に蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部が形成され、上記中空内部に作動流体を封入した液冷熱交換器であって、
   上記コンテナまたは被冠部材には上記中空内部と外部とを連通させる透孔が形成され、
   上記透孔は、上記中空内部への上記作動流体注入手段および真空脱気手段が接続可能に構成すると共に、上記作動流体注入および真空脱気した後に封止されることを特徴とする平板状液冷熱交換器。
2. 上記コンテナと被冠部材は熱伝導率が良好なアルミニウムや銅等の金属材によって形成され、
   上記コンテナと被冠部材の少なくとの一方の内面にはその金属材自体を掘り起こすことによって起立させた板状のフィンが所定の間隔で複数条形成されると共に、各々の上記フィンの間に毛細管力を有する所定幅の複数条の上記溝部が上記蒸発部と凝縮部とに繋がって形成され、
   上記透孔を介して上記溝部内に上記作動流体が入れられると共に真空脱気する請求項１に記載の平板状液冷熱交換器。
3. 上記透孔は、上記中空内部に形成された複数条の上記溝部に隣接する液溜まり部に形成された請求項１および２に記載の平板状液冷熱交換器。
4. 上記透孔は上記中空内部に形成された複数条の上記溝部の両側に各々形成された請求項１乃至３に記載の平板状液冷熱交換器。
5. 上記透孔には上記コンテナまたは被冠部材から外方に突出する中空の筒部を一体形成した請求項１乃至３に記載の平板状液冷熱交換器。
6. 上記透孔は、上記コンテナと被冠部材の外縁に形成された接合部の少なくとも一方に凹溝を形成することにより構成された請求項１乃至３に記載の平板状液冷熱交換器。
7. 平板状のコンテナと被冠部材により密閉構造に形成された中空内部に蒸発部と凝縮部とに繋がる溝部が形成され、上記中空内部に作動流体を封入した液冷熱交換器であって、
   上記コンテナまたは被冠部材に形成された上記中空内部と外部とを連通させる透孔に作動流体注入手段によって作動流体を注入した後、上記透孔に脱気手段を接続して上記中空内部を真空脱気し、上記脱気手段を接続した状態で上記透孔を封止手段により封止して上記作動流体が注入された上記中空内部を真空状態としたことを特徴とする液冷熱交換器の作動流体封止方法。
8. 上記コンテナまたは被冠部材に突出形成された筒部に真空ポンプに接続されたパイプを連結して上記中空内部を真空状態にした後、上記筒部に上記パイプを接続した状態で上記筒部の基端部を圧縮工具により圧縮して上記透孔を封止した請求項７に記載の液冷熱交換器の作動流体封止方法。
9. 上記コンテナまたは被冠部材の外縁に形成された上記凹溝に真空ポンプに接続されたパイプの一端を接続して上記中空内部を真空状態にした後、上記凹溝に上記パイプを接続した状態で上記接合部を押圧工具により押圧して上記透孔を封止した請求項７に記載の液冷熱交換器の作動流体封止方法。
   
   

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