JP2011247462A - ループ型ヒートパイプとループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ループ型ヒートパイプの構造とその製造方法に関するものである。
【解決手段】 本発明のループ型ヒートパイプは、管を介して蒸発器と凝縮器とに作動流体を循環するループ型ヒートパイプであり、蒸発器は内壁に溝を形成した筐体と、外壁表面に溝の溝山の形状に合わせた金属パターンが形成されて管から流入した前記作動流体を蒸発させるウィックとを備え、筐体にウィックが溝山と金属パターンとが相対して収容され、溝山と金属パターンとが拡散接合される、よう構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ループ型ヒートパイプの構造とループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法に関するものである。

ヒートパイプは、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用した装置で、コンピュータ等の電子機器の放熱に広く用いられている。このヒートパイプの一種としてループ型ヒートパイプがある。図８（ａ）はそのループ型ヒートパイプの原理図を示し、蒸発器１０、凝縮器２０、それらとを連結する蒸気管３０および液管４０から構成されることを示している。これらの内部にはアンモニアやフロンなどが作動流体として一定圧力で封入されている。発熱体は蒸発器１０に密着して配置され、発熱体からの熱は蒸発器１０に伝導するが、作動流体は蒸発器１０においてこの熱により液相から気相へと変化する。気相へと変化した作動流体は、蒸発器１０で吸収した熱を伴って蒸気管３０を通り凝縮器２０に移動する。ここで作動流体の吸収した熱が放熱され、気相からふたたび液相へと変化して、液管４０を通って蒸発器１０に戻る。

図８（ｂ）は、蒸発器１０の内部構造を示し、図８（ｃ）は図８（ｂ）のＡ−Ａ’断面を示したものである。蒸発器１０の筐体内壁には軸方向に延びた溝形状の複数のグルーブ（蒸気排出溝)１１が形成されており、そのグルーブ１１の溝山１２と接して円筒形のウィック(多孔質体)１３が挿入されている。ウィック１３は中空部１４を有し、液管４０からウィック１３に送り込まれた液相の作動流体はこの中空部１４に溜まり、ウィック１３の微細な孔を毛細管現象により浸透し、ウィック１３の外表面に滲み出す。このとき、蒸発器１０に密着している発熱体からの熱は蒸発器１０の筐体内壁の溝山を介してウィック１３の表面に伝導され、その熱で作動流体は蒸発して気相の作動流体となり、熱を吸収して発熱体を冷却する。熱を吸収した気相の作動流体はグルーブ１１を通って蒸気管３０に至り、凝縮器２０へと移動する。このように作動流体が循環し、相変化が繰り返されることで、発熱体の冷却が連続して行われる。

上記の説明のように、ループ型ヒートパイプは発熱体からの熱が蒸発器１０の筐体を介してウィック１３に伝導して作動流体を蒸発するため、筐体の溝山１２とウィック１３とが密着して接触し、効率よく熱伝導されることが重要である。この接触が不完全であると熱が充分にウィック１３に伝わらず蒸発の効率は低下し、結果としてループ型ヒートパイプの冷却性能が低下することになる。

蒸発器１０からウィック１３への熱伝導効率を高めるために、蒸発器筐体の内壁に形成された溝山とこれに密着するウィックの接触面との間に、金属多孔質層を設けることも知られている。

米国特許４７６５３９６号 特許３４５０１４８号

上記したように、ループ型ヒートパイプの蒸発器の筐体内壁とウィックとの密着の良否が冷却性能を左右する。しかしながら、ループ型ヒートハイプ動作時のウィックにかかる熱ひずみや、蒸発器の組み立て時にウィックに加わる機械的応力などによりウィックが変形し、隙間が生じて溝山とウィック表面との接触が不完全となる場合があり、冷却性能が低下する、という問題がある。

また、ウィック外周の表面に多孔質金属層を設け、蒸発器の内壁に形成した溝山とウィックとの熱伝導性を向上させることも知られている。しかし、多孔質金属層と溝山が機械的な圧力によって密着しているため、上記で述べたように熱的な応力や機械的な応力によって隙間が形成され、接触面での熱抵抗が大きくなって熱伝導性が低下する恐れがある。

本発明は、熱応力や機械的応力が働いても間隙を生ずることなく、高い冷却性能を有するループ型ヒートパイプを提供することを目的とする。

発明の一観点によれば、管を介して蒸発器と凝縮器とに作動流体を循環するループ型ヒートパイプであり、蒸発器は、内壁に溝を形成した筐体と、筐体の溝の溝山の形状に合わせた金属パターンを外壁表面に形成し、管から流入した作動流体を蒸発させるウィックとを備え、筐体にウィックを溝山と金属パターンとを相対して収容し、溝山を形成する金属に金属パターンを拡散させる拡散接合したループ型ヒートパイプが提供される。

発明の別の一観点によれば、管を介して蒸発器と凝縮器とに作動流体を循環するループ型ヒートパイプであり、蒸発器は筐体と外壁に溝を形成し、溝の溝山に金属膜を形成し管から流入した作動流体を蒸発させるウィックとを備え、筐体の内壁を形成する金属にウィックの溝山の金属膜を拡散させる拡散接合したループ型ヒートパイプが提供される。

また、発明の別の一観点によれば、扁平直方体形状のウィックの上下の外壁表面に、金属膜を所定の幅と間隔で帯状の金属パターンを形成する金属膜形成工程と、金属パターン上にインサート金属を配置するインサート金属配置工程と、扁平箱型の内壁底面に第１の溝山を金属パターンの形状に合わせた溝を形成した金属製の蒸発器の筐体に、インサート金属を配置したウィックをウィックの下面の金属パターンと第１の溝山に合わせて配置し、一方の面に第２の溝山を金属パターンの形状に合わせた溝が形成された金属製の蓋を、ウィックの上面の金属パターンを第２の溝山に合わせて蓋を載せるウィック収容工程と、ウィックが収容された筐体と蓋との接合面を溶着する溶着工程と、溶着された蒸発器を所定の温度で加熱し、インサート金属をウィックの金属パターンと第１および第２の溝山の金属に拡散させる拡散接合工程と、を備えるループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法が提供される。

また、発明の別の一観点によれば、扁平直方体形状のウィックの上下外壁表面に、所定の幅と間隔で帯状の溝を形成するウィック溝形成工程と、ウィックの溝の溝山に金属膜を形成する溝山金属膜形成工程と、金属膜上にインサート金属を配置するインサート金属配置工程と、金属製の蒸発器の筐体に、インサート金属を配置したウィックを配置し、ウィックの上面に金属製の蓋を載せるウィック収容工程と、ウィックが収容された筐体と蓋との接合面を溶着する溶着工程と、溶着された蒸発器を所定の温度で加熱し、インサート金属をウィックの金属膜と第１および第２の溝山の金属に拡散させる拡散接合工程と、を備えるループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法が提供される。

蒸発器筐体の内壁の溝山とウィックの外壁表面の金属パターンとを拡散接合により一体化するようにしたので、熱応力や機械的応力が働いても間隙を生ずることなく、高い冷却性能を持ったループ型ヒートパイプの提供ができる。

本発明のループ型ヒートパイプの蒸発器の構造例である。 実施例１の蒸発器の製造フロー（その１）である。 実施例１の蒸発器の製造フロー（その２）である。 実施例１のウィック外表面部分の拡大図である。 実施例２の金属パターンの形成法である。 実施例３の蒸発器の製造フロー（その１）である。 実施例３の蒸発器の製造フロー（その２）である。 ループ型ヒートパイプ例である。

（実施例１）
本発明のループ型ヒートパイプの蒸発器１００の構造例を図１を用いて説明する。なお、本発明のループ型ヒートパイプは図８に示したループ型ヒートパイプの蒸発器１０を除いて他の構成は同一である。

図１（ａ）は、蒸発器１００の外観例を示したもので、蒸発器１００には蒸気管３０および液管４０が連結されている。蒸発器１００の内部構造を説明するために、図１（ｂ）に図１（ａ）に示すＡ−Ａ’断面を、図１（ｃ）に図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ’断面を示す。

図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、蒸発器１００の外装はボックス型の筐体１０１とその筐体１０１を覆う蓋１０２からなり、それぞれの材質は例えばＣｕ（銅）である。そして、筐体１０１の内部底面と蓋１０２の内側の長手方向（図１で蒸気管３０と液管４０に連結する方向）に幅と高さがそれぞれ１ｍｍのグルーブ（溝）１１０を１ｍｍ間隔でストライプ状に形成している。

筐体１０１の内部には、例えばアルミナ粉末を焼結させた多孔質体（平均気孔径２μｍ、空隙率６０％）であるセラミックのウィック１３０を収容している。ウィック１３０の形状は、外形は筐体１０１に合わせた扁平の直方体形状をなし、内部に作動流体を溜める中空部１４０を有している。中空部１４０の一方は開口し、その開口部と液管４０とが連結して作動流体が流入し、他方は閉じた構造となっている。中空部１４０の作動流体は毛細管現象により多孔質体を通って外表面（ここでは、中空部１４０内の表面と区別するため「外表面」と表現する）に滲み出る。ウィック１３０表面は筐体１０１および蓋１０２から伝導した熱で熱せられ、ウィック１３０表面に滲み出た作動流体は蒸気となるが、蒸気となった作動流体（気相の作動流体）は、グルーブ１１０を通って蒸気管３０に流出する。なお、ウィック１３０の開口部は、作動流体が多孔質体を通らず直接筐体１０１内部に流れ出ないようにシール部材１６０で密閉している。

ウィック１３０の外表面は、筐体１０１および蓋１０２に形成したグルーブ１１０の溝山１２０に合わせた例えばＣｕからなる金属パターン１５０を形成している。この金属パターン１５０と、筐体１０１および蓋１０２の溝山１２０をなす金属とは拡散接合をしており、一体化している（詳細は後述）。即ち、ループ型ヒートパイプ１００の外装（筐体１０１および蓋１０２で構成）と接した発熱体からの熱は、この外装を介し拡散接合部を経てウィック１３０に伝熱されることになる。従来技術による構造は、外装内壁とウィック間に接合面があり、接合面が密着している場合は熱抵抗は小さいが、熱的あるいは機械的応力により接合面に隙間が生じると熱抵抗は大きなものとなって熱伝導率が低下するが、本発明のように一体化することで熱伝導率の低下を抑制できる。

次に、本発明のループ型ヒートパイプの蒸発器１００の製造フローについて図２と図３を用いて説明する。説明の過程において、ウィック１３０の外表面部分を拡大した図４を補助的に用いる。なお、図２と図３は、図１（ｃ）入力示したＢ−Ｂ’の断面である。

まず、ウィック１３０に対して次工程で行なう金属膜とウィック表面との密着を良くするため表面処理を行なう。表面処理の方法として例えばカップリング剤を用いる方法やＵＶ光を照射する方法等がある（図２（ａ））。

表面処理を行なったウィック１３０に対して、メタルマスクをウィック１３０の片側の外表面に密着させてＣｕを０．５μｍ蒸着する。メタルマスクは、筐体１０１および蓋１０２に形成したグルーブ１１０の溝山１２０に合わせたパターンが開口している。ウィック１３０表面には、この開口したパターンのＣｕ蒸着膜１３１が形成されることになる。片側の面の蒸着後、対向する他方の面も同様にＣｕ蒸着を行なう。図２（ｂ）は、蒸着後にメタルマスクを取り外し、Ｃｕ蒸着膜１３１が形成された状態を示している。

Ｃｕ蒸着に続いて、無電解めっき法によりＣｕめっきを行なう。蒸着で得られるＣｕの膜厚は限度があるので、Ｃｕめっきにより膜厚を増大させる。めっき厚は３０μｍである。図２（ｃ）は、Ｃｕ蒸着膜１３１とその上に生成したＣｕめっき膜１３２を示している（図１（ｃ）の金属パターン１５０は、Ｃｕ蒸着膜１３１とＣｕめっき膜１３２とからなる）。また、図４（ａ）にその部分を拡大した図を示している。

続いて、インサート金属１３３を金属パターン１５０上に配置する。ここでは、インサート金属１３３としてＳｎＡｇのペーストをスクリーン印刷法により塗布している。印刷後、所定の温度と時間でＳｎＡｇペーストを乾燥する。インサート金属１３３を配置した状態を、図２（ｄ）および図４（ｂ）に示す。

インサート金属１３３を金属パターン１５０上に配置したウィック１３０を筐体１０１内に収容する。このとき、金属パターン１５０と筐体１０１に形成されているグルーブ１１０の溝山１２０とは位置合わせされる。図３（ｅ）は、筐体１０１にウィック１３０を収容した状態を示している（筐体１０１には、蒸気管３０と液管４０とが連結され、シール部材１６０も装着されているものとする）。

続いて、蓋１０２を被せる。このとき、蓋１０２の内側に形成したグルーブ１１０の溝山１２０が金属パターン１５０と一致する。溝山１２０と金属パターン１５０、インサート金属１３３とが接している状態を図３（ｆ）および図４（ｃ）に示す。

蓋をした状態で、筐体１０１と蓋１０２の隙間にレーザ溶接を施して蒸発器１００を密閉構造にする。レーザ溶接の代わりに半田材により筐体１０１と蓋１０２の隙間を溶着するようにしてもよい（図３（ｇ））。

密閉構造の蒸発器１００を略２５０℃に加熱し、インサート金属１３３を溶融させ金属パターン１５０および筐体１０１、蓋１０２の溝山を形成する金属（Ｃｕ）を接合（液相拡散接合）する。図３（ｈ）および図４（ｄ）は、拡散接合によりインサート金属１３３が金属パターン１５０と溝山１２０の金属に拡散し、一体化した状態を示している。
（実施例２）
実施例１では、ウィック１３０外表面上の金属パターンの形成にマスク蒸着を行なうものであったが、実施例２では選択エッチングで形成するものである。図５は、ウィック１３０の外表面の部分を拡大した図で、この図を用いて金属パターンの形成方法を説明する。

まず図５（ａ）では、実施例１と同様にウィック１３０の表面処理を行い、続いて次工程のＣｕめっきに対するシード層としてのＣｒとＣｕの全面スバッタリング（Ｃｒのスパッタリングの後にＣｕのスパッタリング）を行なう（図５（ｂ））。ここでは、Ｃｒが０．１μｍ、Ｃｕが０．３μｍの膜厚である。なお、Ｃｒは下地であるウィック１３０に対しＣｕの密着性を高めるためのセメント層としての役割をなしている。全面スパッタリングにより、ＣｒとＣｕは多孔質体の空孔の中に入り込むことになるが、そのことは問題にはならない。また、ここではＣｒ／Ｃｕ膜１３４の生成にスパッタリングにより行なったが、蒸着で行なってもよい。

続いて、レジスト膜１３５の形成を行なう。レジストをウィック１３０外表面に全面塗布し、ベーキング、露光、現像といった通常のフォトリソグラフィのプロセスでレジスト膜１３５を形成する。レジスト膜１３５は次工程のＣｕめっきで析出するＣｕに対して保護膜の役割をなす。図５（ｃ）は、レジスト膜１３５を形成した状態を示す。

レジスト膜を形成した状態で，Ｃｕの電解めっきを行なう。レジスト膜１３５の開口している部分にＣｕめっき膜１３６が形成される（図５（ｄ））。Ｃｕのめっき膜厚は３０μｍである。

Ｃｕめっき膜１３６の形成後、レジスト膜１３５を除去し、続いてスパッタリングによって生成されたＣｕ、Ｃｒのエッチングを行なう。めっきされた部分のＣｕの表面も僅かエッチングにより溶解されるが、その最下層のＣｒはＣｕめっき膜１３６のマスキングにより溶解されることはなく、図５（ｅ）に示す金属パターン１５１が形成されることになる。

金属パターン１５１形成後のウィック１３０を蒸発器の筐体１０１への組み込みは実施例１と同様である。
（実施例３）
実施例１および実施例２では、蒸発器１００の筐体１０１の内壁に蒸気通路となるグルーブ１１０を形成し、ウィック１３０外表面はフラットとした例であったが、実施例３では蒸発器２００の筐体２０１の内壁はフラットで、ウィック３００の外表面にグルーブ３１０を形成した例である。なお、蒸発器２００の筐体２０１、蓋２０２、ウィック３００はグルーブの有無を除いてほぼ同形状である。

図６（ａ）は、外表面にグルーブ３１０を形成したウィック３００に対し実施例１と同様に表面処理を行なった状態を示す。なお、図６（ａ）以降に示す図は、実施例１と同様に図１（ｃ）に示したＢ−Ｂ’の断面である。

表面処理を行なった後、ウィック３００の溝山３２０の部分に対して、Ｃｒ、Ｃｕのマスク蒸着を行いＣｕ／Ｃｒ膜３０１を形成する。そして、Ｃｕの無電解めっきを行い、Ｃｕ／Ｃｒ膜３０１上にＣｕめっき膜３０２を生成する。蒸着膜によるＣｒ、ＣｕおよびめっきによるＣｕのそれぞれの膜厚は実施例１と同様である。Ｃｕめっき膜３０２形成後、その上にインサート金属３０３としてＳｎＡｇのペーストを実施例１と同様にスクリーン印刷法により形成し、所定の温度と時間でペーストを乾燥する（図６（ｂ）〜図（ｄ））。

以降は実施例１と同様にウィック３００を蒸発器２００の筐体２０１内に収容し、蓋２０２を被せ、隙間を溶着して密閉構造にし、加熱により拡散接合を行なう。即ち、図７（ａ）に示すように、溝山にインサート金属を配置したウィック２００を内壁がフラットな筐体２０１に収容し、やはり内側の面がフラトな蓋２０２を被せ、筐体２０１と蓋２０２の隙間にレーザ溶接を施して蒸発器２００を密閉構造にする。そして、２５０℃で所定時間加熱し、拡散接合する（図７（ａ）〜図７（ｈ））。

上記の実施例では、ウィックをセラミックの多孔質体を用いたが、ニッケル焼結金属（例えば平均気孔率は３μｍ、空隙率は５０％）やテフロン（登録商標）粉末を焼結させたもの（例えば平均気孔率は５μｍ、空隙率は４０％）であってもよい。

また、インサート金属としてＳｎＡｇを用いたが、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、Ｓｎ、Ｉｎなどであってもよい。

１０ 蒸発器
１１ グルーブ（蒸気排出溝）
１２ 溝山
１３ ウィック
１４ 中空部
２０ 凝縮器
３０ 蒸気管
４０ 液管
１００ 蒸発器
１０１ 筐体
１０２ 蓋
１０３ 溶着部
１１０ グルーブ
１２０ 溝山
１３０ ウィック
１３１ Ｃｕ蒸着膜
１３２ Ｃｕめっき膜
１３３ インサート金属
１３４ Ｃｒ／Ｃｕ膜
１３６ Ｃｕめっき膜
１４０ 中空部
１５０ 金属パターン
１５１ 金属パターン
１６０ シール部材
２００ 蒸発器
２０１ 筐体
２０２ 蓋
３００ ウィック
３０１ Ｃｕ／Ｃｒ膜
３０２ Ｃｕめっき膜
３０３ インサート金属
３１０ グルーブ
３２０ 溝山

Claims (4)

1. 管を介して蒸発器と凝縮器とに作動流体を循環するループ型ヒートパイプであって、
   前記蒸発器は、
   内壁に溝を形成した筐体と、
   前記筐体の溝の溝山の形状に合わせた金属パターンを外壁表面に形成し、前記管から流入した前記作動流体を蒸発させるウィックとを備え、
   前記筐体に前記ウィックを前記溝山を形成する金属と前記金属パターンとを相対して収容し、該溝山を形成する金属に該金属パターンを拡散させる拡散接合した
   ことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 管を介して蒸発器と凝縮器とに作動流体を循環するループ型ヒートパイプであって、
   前記蒸発器は、
   筐体と、
   外壁に溝を形成し、該溝の溝山に金属膜を形成し、前記管から流入した前記作動流体を蒸発させるウィックとを備え、
   前記筐体の内壁を形成する金属に前記ウィックの溝山の金属膜を拡散させる拡散接合した
   ことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
3. ループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法であって、
   扁平直方体形状のウィックの上下の外壁表面に、金属膜を所定の幅と間隔で帯状の金属パターンを形成する金属膜形成工程と、
   前記金属パターン上にインサート金属を配置するインサート金属配置工程と、
   扁平箱型の内壁底面に第１の溝山を前記金属パターンの形状に合わせた溝を形成した金属製の前記蒸発器の筐体に、前記インサート金属を配置したウィックを該ウィックの下面の金属パターンと該第１の溝山に合わせて配置し、一方の面に第２の溝山を該金属パターンの形状に合わせた溝が形成された金属製の蓋を、該ウィックの上面の金属パターンを該第２の溝山に合わせて該蓋を載せるウィック収容工程と、
   前記ウィックが収容された前記筐体と前記蓋との接合面を溶着する溶着工程と、
   溶着された蒸発器を所定の温度で加熱し、前記インサート金属を前記ウィックの金属パターンと第１および第２の溝山の金属に拡散させる拡散接合工程と、
   を備えることを特徴とするループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法。
4. ループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法であって、
   扁平直方体形状のウィックの上下外壁表面に、所定の幅と間隔で帯状の溝を形成するウィック溝形成工程と、
   前記ウィックの溝の溝山に金属膜を形成する溝山金属膜形成工程と、
   前記金属膜上にインサート金属を配置するインサート金属配置工程と、
   金属製の前記蒸発器の筐体に、前記インサート金属を配置したウィックを配置し、該ウィックの上面に金属製の蓋を載せるウィック収容工程と、
   前記ウィックが収容された前記筐体と前記蓋との接合面を溶着する溶着工程と、
   溶着された蒸発器を所定の温度で加熱し、前記インサート金属を前記ウィックの金属膜と第１および第２の溝山の金属に拡散させる拡散接合工程と、
   を備えることを特徴とするループ型ヒートパイプの蒸発器製造方法。