JP2008196787A - ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】接合に際して、封止部の安定性の低下を防止することができるヒートパイプを提供する。
【解決手段】内部に作動流体が封入された空洞部を有するコンテナと、空洞部に備えられて毛細管力を有する毛管構造と、作動流体を封入したコンテナの端末部を接合して形成された封止部と、封止部を強化する封止部強化部材とを備えたヒートパイプ。封止部強化部材が金属製リング、リングを円弧状に湾曲させた構造、または、受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材からなっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ヒートパイプ、特に、その封止部の形成時や、ヒートパイプと受熱ブロックやフィン等とを接合する際に、封止の安定性を高めたヒートパイプに関する。

パーソナルコンピュータ、ＡＶ、家電等の各種電気機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、その使用に大小発熱を伴う。このような電子部品の温度が過度に上昇すると、その部品性能の低下が起こる。近年はパーソナルコンピュータのＭＰＵに代表される半導体素子の高発熱化が進み、電気機器に搭載された電子部品の放熱・冷却装置が必須となっている。

電子部品（以下、「被冷却部品」と称する）を冷却する方法の１つに、電気機器の筐体にファン等を取り付け、その筐体内の雰囲気を冷やすことによって被冷却部品の温度が過度に上昇することを防ぐ空冷方式が知られている。この方法は、比較的大型の電気機器において有効である。

上述した空冷式の他、被冷却部品にヒートシンクやフィン等を接続し、そのヒートシンク等を経由して放熱する方法が有力になってきている。そのヒートシンクまたはフィンと被冷却部品との間に高性能熱伝達素子であるヒートパイプを介在させる場合もある。この方法は特にノート型パーソナルコンピュータのように発熱密度の非常に高い被冷却部品の放熱において有力な方法のひとつである。

以下に、ヒートパイプについて説明する。ヒートパイプは密封された空洞部を備えており、主にその空洞部に収容された作動流体の相変移と移動により熱の移動・交換が行われる。棒状のヒートパイプを例に説明すると、その一方端付近に発熱部品（被冷却部品）を接続し、他方端付近には放熱用のフィンを取り付けておく。被冷却部品が取り付けられた部分（以下、「吸熱部または吸熱側」と呼ぶ）において、コンテナの肉厚部分を熱伝導によって伝わってきた被冷却部品の熱により作動流体が蒸発し、その蒸発がフィンを取り付けた部分（以下、「放熱部または放熱側」と呼ぶ）に移動する。そしてその蒸気は放熱部において再び液相に戻り、その熱は概ねフィンを経由して空洞部から外部に放出される。このようにして吸熱部から放熱部に熱移動がなされる。

上述した熱移動が連続的になされるようにするためには、放熱側では液相状態に戻った作動流体を、再び吸熱側に移動（還流）させる必要がある。このため、ヒートパイプ内部にはウイックと呼ばれる毛細管構造を持たせ、毛細管力による作動流体の還流を行う。ヒートパイプのウイックには金属のメッシュワイヤーあるいは多孔質金属焼結体あるいはコンテナ自体に微細な溝構造をもたせて毛細管力を付与したものが知られている。

また、この密封容器構造をもつ棒状ヒートパイプの端末封止方法にはカシメ等の圧接による接合を行ったあとに、より封止信頼性を高めるためにＴＩＧ・プラズマあるいは超音波等による溶接が広く適用されている。

特開２０００−２３２１９１号公報

従来ヒートパイプの端末には圧接と溶接による封止がよく用いられるが、ヒートパイプの特性上、２００℃を超える高温の加熱に対しては非常に脆弱である。すなわち、加熱により密閉されたヒートパイプ内部にて作動流体である水の蒸気圧力が上昇し、コンテナが膨張・変形することによって、端末封止部に応力が集中して亀裂が発生、最終的にはヒートパイプの封止部の安定性が低下し、リークが生じる場合がある。

昨今、ヒートパイプを利用した放熱機器はヒートパイプと受熱ブロック・フィンを組み合わせた形態を多くとり、その接合には半田付けが多く用いられる。ここで、半田付けの加熱でヒートパイプ端末封止部の安定性が低下するという現象が起きる場合がある。特に近年環境問題から融点２００℃を超える高温鉛フリー半田の適用が全世界的に広がっており、信頼性の観点からヒートパイプは高温鉛フリー半田付けを適用しづらいことが知られている。

従って、この発明の目的は、接合に際して、封止部の安定性を高めることができるヒートパイプを提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ヒートパイプの封止部を溶接等によって接合するとき、温度が２３０〜２６０℃に達し、そのときのヒートパイプの内部圧力は５ＭＰａに達するので、ヒートパイプの溶接封止部の加熱膨張および変形を防ぐためには、内部圧力５ＭＰａに耐えることができるように封止部を強化する必要があることが判明した。

封止部強化部材として、金属製リングを扁平して機械的に組み付けた構造、または、扁平させたリングを円弧状に湾曲させた構造を採用することによって、５ＭＰａの内部圧力に耐えて封止部を強化することができることが判明した。または、受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材に埋め込む、または、放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体挿通固定することによって、５ＭＰａの内部圧力に耐えて封止部を強化することができることが判明した。
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明のヒートパイプの第１の態様は、内部に作動流体が封入された空洞部を有するコンテナと、前記作動流体を封入したコンテナの端末部を接合して形成された封止部と、前記封止部を強化する封止部強化部材とを備えたヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第２の態様は、前記封止部強化部材が所定の厚みを有する金属製リングを扁平して機械的に組み付けた構造からなっているヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第３の態様は、前記封止部強化部材が扁平させたリングを円弧状に湾曲させた構造からなっているヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第４の態様は、前記封止部強化部材が、受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材からなっており、前記封止部が前記金属板状材または前記金属ブロック材に埋め込まれているヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第５の態様は、前記封止部強化部材が、放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体からなっており、前記封止部が前記フィン組立体に挿通固定されているヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第６の態様は、一方の端末部が受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材に埋め込まれ、前記封止部強化部材が、他方の端部が挿通固定される放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体からなっているヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第７の態様は、接合時の温度が２００℃以上であるヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第８の態様は、コンテナの内圧が５ＭＰａ以上であるヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第９の態様は、前記コンテナの材質が銅またはアルミニウムであるヒートパイプである。

この発明のヒートパイプの第１０の態様は、前記コンテナが直径３ｍｍから８ｍｍの丸形状、または、それを扁平した薄型形状であるヒートパイプである。

この発明のヒートパイプにおいては、封止部強化部材として、金属製リングを扁平して機械的に組み付けた構造を使用する、または、扁平させたリングを円弧状に湾曲させた構造を採用している。また、別の機能を有する部材を封止部強化部材として使用する、即ち、受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材を使用してヒートパイプの封止部を埋め込む、または、放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体にヒートパイプの封止部を挿通固定している。従って、ヒートパイプの封止部を溶接によって接合するときに、５ＭＰａの内部圧力に耐えて、ヒートパイプの封止部を強化するので、封止部に亀裂が発生したり、ヒートパイプの封止部の安定性が低下したり、リークが生じたりすることを防止することができる。

この発明のヒートパイプを、図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートパイプの１つの態様は、内部に作動流体が封入された空洞部を有するコンテナと、前記作動流体を封入したコンテナの端末部を接合して形成された封止部と、前記封止部を強化する封止部強化部材とを備えたヒートパイプである。空洞部に毛細管力を有する毛管構造を備えていてもよい。

図１は、この発明のヒートパイプの１つの態様を示す部分拡大図である。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。図１（ａ）に示すように、丸型ヒートパイプ１のコンテナ２の１つの端末部（溶接部）３に金属製リング４を取り付けて、カシメている。即ち、丸型ヒートパイプのコンテナの上板部２−１と下板部２−２が合わさり、作動液の注入およびコンテナ内の圧力を減じる減圧口として機能する端末の溶接部３に、上下両方から板状の金属製リング４−１、４−２を取り付けて、端末部（溶接部）３が所定の厚さになるようにカシメた。図１（ｂ）に示すように、丸型ヒートパイプ１の端末部３に取り付けられた板状の金属製リング４によってカシメられて幅方向に広がっている。このように端末部３が金属製リング４によってカシメられ圧接された状態で溶接等によって接合される。

図２は板状の金属製リング４をヒートパイプ２の端末部（溶接部）３にカシメて圧接した後、更にリング４を円弧状に曲げた状態を示す図である。このようにリング４を円弧状に曲げることによって、耐圧強度を更に増大することができる。図３は板状の金属製リング４をヒートパイプ２の端末部（溶接部）にカシメて圧接した後、リング４に凹凸のカシメを追加した状態を示す図である。図ではＴ字形に追加のカシメ５を施しているが、追加のカシメの形状は特に限定されるものではない。このようにヒートパイプ１の端末部３に圧接されたリング４に、更に追加のカシメを施すことによって、耐圧強度を更に増大することができると共に、ヒートパイプ１からのリング４の脱落を防止することができる。なお、リングの材料として、強度、耐熱、耐腐食性等の観点から、ＳＵＳ３０４等のステンレス材が適している。

図４はこの発明のヒートパイプを更に具体的に説明する断面拡大図である。
図４に示すように、直径６ｍｍ、コンテナの厚さが０．３ｍｍの銅またはアルミニウム材の丸型ヒートパイプの空洞部に作動流体としての水が封入されるヒートパイプ（ａ）の端末部（溶接部）に対して、材質がＳＵＳ３０４の厚さ０．５ｍｍの矩形のリング（ｂ）を上下から圧接してカシメた。即ち、図４に示すように、長さが６ｍｍの材質がＳＵＳ３０４の矩形のリングで、ヒートパイプの溶接部端（ｃ）から２ｍｍの長さの部分に、上側のリングの上端と下側のリングの下端との厚さが１．８ｍｍになるように垂直方向にリングで加圧してカシメを施した。

ここで、リング取り付けが無い場合には、ヒートパイプが内圧２．５ＭＰａにあたる高温鉛フリー半田の溶融温度２３０℃相当に達すると、（ｄ）で示す箇所で概ね０．５ｍｍのヒートパイプ端部膨張が発生し、破損が生じる可能性が高まった。しかし、上述したようにヒートパイプの端末部にステンレス製リングによって上下方向から圧接してカシメた場合、高温鉛フリー半田の溶融温度２３０℃では膨張が発生せず、更に、内圧５ＭＰａ相当となる２６０℃に達しても膨張は０．１ｍｍ未満に抑えられ、ヒートパイプの封止部の安定性の低下は生じなかった。

上述した態様においては、ヒートパイプの端末部（溶接部）を金属製のリングによって圧接してヒートパイプ端末部をカシメて強化したが、以下に述べる態様においては、別の機能を備えた部材を利用して、ヒートパイプの端末部（溶接部）を強化する。

図５は、この発明のヒートパイプの別の態様を示す斜視図である。この態様では、熱源の熱を伝える受熱ブロックを使用して、ヒートパイプの端末部（溶接部）をカシメる。図５に示すように、例えば扁平型のヒートパイプ２の端末部（溶接部）７を収容する孔部８を受熱ブロック６に設ける。

受熱ブロック６は熱伝導性に優れた金属、例えばアルミニウムまたは銅系の材料で作製されている。特に純銅が好ましい。受熱ブロック６は、一方の面に熱源例えばＣＰＵが熱的に接続されて、熱源が発生する熱を一旦全体で受け入れて、他方の面または一部に熱的に接続されたヒートパイプ２の吸熱部に熱を移動する。受熱ブロック６は通常熱源の熱を受け入れるに必要な大きさ（縦横、厚さ）を備えている。

吸熱部では、受熱ブロック６からヒートパイプを形成する材料中を熱が伝導されて、ヒートパイプ２の中に封入された作動流体を蒸発させ、ヒートパイプ２の内部を気化した作動流体が他方の端部の放熱部に向かって高速で移動し、放熱部で冷却されて再び液相に戻り、毛細管力および重力によって吸熱部に還流する。このような現象を生じるヒートパイプ２の吸熱部が受熱ブロック６に形成された孔部に挿着される。

上述したように、例えば純銅製の受熱ブロック６に形成された孔部８に扁平型のヒートパイプ２の吸熱部として機能する側の端末部（溶接部）７を収容し、受熱ブロック６を機械的にカシメて、ヒートパイプ２と受熱ブロック６を接合する。なお、カシメる前に受熱ブロック６の孔部８とヒートパイプ２との間に伝熱グリースを塗布して、ヒートパイプ２と受熱ブロック６の間の熱の伝達が効率的に行われるように準備する。

この態様では、熱源からの熱を受け入れてヒートパイプ等に熱を伝達する本体的な機能を備えた受熱ブロック６を使用して、ヒートパイプ２の端末部（溶接部）７を強化する。即ち、発熱体の放熱およびヒートパイプの端末部の保護を同時に行う。受熱ブロック６を使用することによって、高温鉛フリー半田の溶融温度２３０℃以上、更には、内圧５ＭＰａ相当となる２６０℃に達しても膨張を抑制し、ヒートパイプ端末部７の封止の安定性の低下を防止する。

図６は、この発明のヒートパイプの他の態様を示す斜視図である。この態様では、図５で示した受熱ブロックの代わりに積層フィンからなる放熱フィンを使用したものである。図６に示すように、複数の並列配置された積層フィン９のそれぞれに突出部１０を備えた孔部１４を設ける。突出部１０は、挿通された扁平型ヒートパイプ２を周囲から固定するように、例えば押出成形によって積層フィン９の中央部に設けられている。個々の積層フィン９は主面部と、両端部が突出部１０と反対側に折り曲げられた側面部１３とを有し、概ねコの字形に形成されている。側面部１３は隣接する側面部１３と機械的に嵌合するように（図示しない）爪部および爪受部を備え、図に示すように積層されて組み立てられている。

積層フィンのそれぞれのフィン９は、例えば厚さ０．２〜１ｍｍで、熱伝導性に優れた金属、例えばアルミニウムまたは銅系の材料で作製されている。積層されたフィンからなる放熱フィン１２の上述した突出部１０を備えた孔部１４に、ヒートパイプ２の放熱部が挿通されて熱的に接続される。この態様では、ヒートパイプの端末部（溶接部）１１が放熱部になるようにヒートパイプを準備して、孔部１４に端末部１１を挿通する。扁平型ヒートパイプ２の他方の端部には（図示しない）熱源例えばＣＰＵが熱的に接続されている。

吸熱部では、熱源からヒートパイプ２を形成する材料中を熱が伝導されて、ヒートパイプ２の中に封入された作動流体を蒸発させ、ヒートパイプ２の内部を気化した作動流体が他方の端部の放熱部に向かって高速で移動し、放熱部で冷却されて再び液相に戻り、毛細管力および重力によって吸熱部に還流する。このような現象を生じるヒートパイプ２の放熱部が積層フィンに形成された孔部１４に挿着され熱的に接続される。

例えばアルミニウム製の積層フィン９からなる放熱フィン１２に形成された孔部１４に扁平型のヒートパイプ２の放熱部として機能する側のカシメられた端末部（溶接部）１１を収容して、ヒートパイプ２と積層フィン９を接合する。なお、積層フィン９の孔部１４とヒートパイプ２との間に伝熱グリースを塗布して、ヒートパイプ２と積層フィン９の間の熱の伝達が効率的に行われるように準備する。

この態様では、吸熱部である一方の端部で熱源からの熱を吸熱するヒートパイプ２の他方の端部である放熱部を溶接部として使用し、本質的に放熱機能を備えた放熱フィン１２の孔部１４に溶接部１１を挿通して、ヒートパイプ２の端末部（溶接部）１１を強化する。即ち、発熱体の放熱およびヒートパイプ２の端末部１１の保護を同時に行う。積層フィン９からなる放熱フィン１２を使用することによって、上述したように、フィン９の突出部１０によってヒートパイプ２が挿通され固定されて、高温鉛フリー半田の溶融温度２３０℃以上、更には、内圧５ＭＰａ相当となる２６０℃に達しても膨張を抑制し、ヒートパイプ端末部の封止の安定性の低下を防止する。

図７は、この発明のヒートパイプの他の態様を示す斜視図である。この態様のヒートパイプは、一方の端末部が受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材に埋め込まれ、前記封止部強化部材が、他方の端部が挿通固定される放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体からなっているヒートパイプである。

即ち、図５を参照して説明した受熱ブロックと、図６を参照して説明した放熱フィンとが熱的に接続されたヒートパイプである。受熱ブロック６に形成された孔部８にヒートパイプ２の一方の端部（吸熱部）が挿通されて熱的に接続されている。積層フィンからなる放熱フィンの突出部１０を備えた孔部１４にヒートパイプの端末部（溶接部）となる他方の端部（放熱部）が挿通されて熱的に接続されて固定されている。受熱ブロックの孔部と吸熱部の間、および、放熱フィンの孔部と放熱部との間にはそれぞれ伝熱グリースを塗布して、ヒートパイプ２と受熱ブロック６の間、ヒートパイプ２と放熱フィン１２の間の熱の伝達が効率的に行われるように準備する。

図６を参照して説明したように、複数の並列配置された積層フィン９のそれぞれに突出部１０を備えた孔部１４を設ける。突出部１０は、挿通された扁平型ヒートパイプ２を周囲から固定するように、例えば押出成形によって積層フィン９の中央部に設けられている。個々の積層フィン９は主面部と、両端部が突出部１０と反対側に折り曲げられた側面部１３とを有し、概ねコの字形に形成されている。側面部１３は隣接する側面部１３と機械的に嵌合するように（図示しない）爪部および爪受部を備え、図に示すように積層されて組み立てられている。

この態様においても、吸熱部である一方の端部で熱源から受熱ブロックに伝わった熱を吸熱するヒートパイプ２の他方の端部である放熱部を溶接部として使用し、本質的に放熱機能を備えた放熱フィン１２の孔部１４に溶接部１１を挿通して、ヒートパイプ２の端末部（溶接部）１１を強化する。即ち、発熱体の放熱およびヒートパイプ２の端末部１１の保護を同時に行う。積層フィン９からなる放熱フィン１２を使用することによって、上述したように、フィン９の突出部１０によってヒートパイプ２が挿通され固定されて、高温鉛フリー半田の溶融温度２３０℃以上、更には、内圧５ＭＰａ相当となる２６０℃に達しても膨張を抑制し、ヒートパイプ端末部の封止の安定性の低下を防止する。
なお、コンテナの材質は、銅またはアルミニウムが好ましい。またコンテナが直径３ｍｍから８ｍｍの丸形状、または、それを扁平した薄型形状であってもよい。

この発明によると、金属製リング、扁平させたリングを円弧状に湾曲させた構造、別の機能を有する部材等の封止部強化部材を使用するので、ヒートパイプの封止部を溶接によって接合するときに、５ＭＰａの内部圧力に耐えて、ヒートパイプの封止部を強化するので、封止部に亀裂が発生したり、ヒートパイプの封止部の安定性が低下したり、リークが生じたりすることを防止することができる。

図１は、この発明のヒートパイプの１つの態様を示す部分拡大図である。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。 図２は板状の金属製リング４をヒートパイプ２の端末部（溶接部）３にカシメて圧接した後、更にリング４を円弧状に曲げた状態を示す図である。 図３は板状の金属製リング４をヒートパイプ２の端末部（溶接部）にカシメて圧接した後、リング４に凹凸のカシメを追加した状態を示す図である。 図４はこの発明のヒートパイプを更に具体的に説明する断面拡大図である。 図５は、この発明のヒートパイプの別の態様を示す斜視図である。 図６は、この発明のヒートパイプの他の態様を示す斜視図である。 図７は、この発明のヒートパイプの他の態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ ヒートパイプ
２ コンテナ
３ 端末部（溶接部）
４ 金属製リング
５ 追加のカシメ
６ 受熱ブロック
７ 端末部（溶接部）
８ 孔部
９ 積層フィン
１０ 突出部
１１ 端末部（溶接部）
１２ 放熱フィン
１３ 側面部
１４ 突出部

Claims (10)

1. 内部に作動流体が封入された空洞部を有するコンテナと、前記作動流体を封入したコンテナの端末部を接合して形成された封止部と、前記封止部を強化する封止部強化部材とを備えたヒートパイプ。
2. 前記封止部強化部材が所定の厚みを有する金属製リングを扁平して機械的に組み付けた構造からなっている、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記封止部強化部材が扁平させたリングを円弧状に湾曲させた構造からなっている、請求項１に記載のヒートパイプ。
4. 前記封止部強化部材が、受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材からなっており、前記封止部が前記金属板状材または前記金属ブロック材に埋め込まれている、請求項１に記載のヒートパイプ。
5. 前記封止部強化部材が、放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体からなっており、前記封止部が前記フィン組立体に挿通固定されている、請求項１に記載のヒートパイプ。
6. 一方の端末部が受熱機能を備えた金属板状材または金属ブロック材に埋め込まれ、前記封止部強化部材が、他方の端部が挿通固定される放熱機能を備えた複数枚のフィン組立体からなっている、請求項１に記載のヒートパイプ。
7. 接合時の温度が２００℃以上である、請求項１から６の何れか１項に記載のヒートパイプ。
8. コンテナの内圧が５ＭＰａ以上である、請求項１から６の何れか１項に記載のヒートパイプ。
9. 前記コンテナの材質が銅またはアルミニウムである、請求項１から６の何れか１項に記載のヒートパイプ。
10. 前記コンテナが直径３ｍｍから８ｍｍの丸形状、または、それを扁平した薄型形状である、請求項１から６の何れか１項に記載のヒートパイプ。

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