JP2011247543A - 平板式ヒートパイプ構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度を有するとともに、ヒートパイプ内において、作業流体の回流ルートを確保することができるともに、ヒートパイプ内の空間を広く確保することができる構成を具備する平板式ヒートパイプ構造を提供する。
【解決手段】平板式で連続して周囲を取り囲む、上板部及び上板部に対向する下板部からなる壁ユニット２１１を備える管体２１と、管体２１の内部において、作業流体を備えるチャンバー２１２と、チャンバー２１２内に配置された、上端が上板部に結合され下端が下板部に結合されることにより、上板部と下板部との間に直立して設けられた複数の柱状体２２１を備える焼結サポート層２２と、チャンバー２１２内において、壁ユニット２１１の内面に配置された毛細構造層２３と、を具備していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、平板式ヒートパイプ構造及びその製造方法に関し、特に平板式管体内に焼結サポート層を設置する平板式ヒートパイプ構造及びその製造方法に関するものである。

産業の発展において、冷却或いは散熱は、電子産業にとって発展の重要な課題となっている。
なぜなら、高性能、統合度の引き上げ、多機能応用が広まるに従い、散熱の面でも極めて高い要求がなされるようになっているからである。

ヒートシンク（Heat Sink）は、通常は、パーツ或いはシステムの熱を大気中に放出するために使用される。
ヒートシンク（Heat Sink）は、熱抵抗が比較的低いため、高い散熱効率を備える。 一般的に、熱抵抗には、ヒートシンク内部の拡散熱抵抗や、ヒートシンク表面と大気環境との間の対流熱抵抗等が挙げられる。
応用上は、銅、アルミニウムなどの伝導性が高い材料が、ヒートシンクの製造に用いられ、これにより拡散熱抵抗を低下させている。

しかし、対流熱抵抗は、従来のヒートシンクでは十分に低下できず、これが原因で、次世代電子パーツの散熱要求を達成することができない。
これに対して、現在市場では、より効率の高い散熱メカニズムが考慮されるようになっており、また高い導熱性能を備えるヒートパイプ（Heat pipe）、及びベイパーチャンバー（Vapor chamber）が続々と開発され、これらと散熱器とを組み合わせることで、現段階での散熱問題を効果的に解決することができるようになっている。

ベイパーチャンバー（Vapor chamber）の散熱原理とヒートパイプ原理とは同じであり、バイパーチャンバーは、作業流体の蒸発を利用して熱を持ち去り、しかも該熱を気流中に発散するものである。
蒸気は、冷表面に接触すると凝結して液体となり、これにより熱は、作業流体の蒸発表面(熱源との接触面)から、蒸発表面とは異なる凝結表面(冷凝表面)へと伝達される。

図１に示すように、従来の平板型ヒートパイプは、チャンバー１２を構成する、第一銅板１０及び第二銅板１１から構成されている。
チャンバー１２には、作業流体（水、液体など）が充填されて収容されている。
また、第一銅板１０及び第二銅板１１の対向する表面上には、それぞれ毛細構造１３が配置されている。毛細構造１３は、チャンバー１２の内部表面を構成している。
ここで、一般的に、従来の毛細構造の主要機能としては、液膜効果により壁面の熱流束を低下させる機能や、核沸騰を増やし、蒸発面積を増大させる機能や、毛細構造と壁面接触により蒸気膜の成長を阻止する機能等が挙げられる。

作業流体は、重力及び毛細作用のために、チャンバー１２内部の毛細構造１３上、即ち、第一銅板１０及び第二銅板１１の毛細構造１３上に分布する。
第一銅板１０の外部表面は、ＣＰＵ等の発熱パーツの端面に接触し、発熱パーツが発生する熱を第二銅板１１に伝熱することにより、散熱する。この場合、第一銅板１０は、蒸発端或いは受熱端と呼ばれ、第二銅板１１は、冷凝端と呼ばれる。
よって、発熱パーツが熱を発すると、第一銅板１０が熱を吸収すると同時に、その内部の毛細構造１３上で流動する作業流体は、熱を受けることで、蒸発して蒸気となる。
続いて、蒸気は、より温度が低い部位、即ち、第二銅板１１へと迅速に流れ、蒸気が第二銅板１１に達すると熱を放出して液体に変化する。
その後、液体は、第二銅板１１の毛細構造１３内の毛細力によって、第一銅板１０上に戻ることにより、散熱は行われる。
このような構造を有するヒートパイプは、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００８−４５８２０号公報

しかしながら、第一銅板１０内の毛細構造１３上で流動する作業流体では、フェーズ変化の過程がスムーズにいかないことで、種々問題が発生する。
具体的には、熱輸送量の増加に従い、作業流体のフェーズ変化は速度を増すが、毛細構造は、孔隙が小さく、浸透率が低いため、回流の抵抗が拡大し、十分な作業流体を即座に蒸発端に戻すことができない。これにより、ヒートパイプの受熱端はドライアウト(dry out)を生じ、気化及び散熱の不良を招くといった問題がある。
さらに、熱流束が拡大を続けると、液面の気体圧力は液体内の圧力より大きくなる。この時、毛細構造内では蒸気気泡が生まれるが、該気泡は作業流体の回流を阻害し、ヒートパイプの熱伝面と毛細構造との間に、熱抵抗が非常に大きい蒸気膜層を生じる。これにより、作業流体の転換によって熱を蒸発端からスムーズに持ち去ることができず、熱は受熱端に累積し続け、ヒートパイプ受熱端ではドライアウト(dry out)が生じ、気化及び散熱の不良を招くといった問題がある。

また、従来の技術においては、ハウジングは上板（第一銅板１０）及び下板（第二銅板１１）からなるが、ハウジングの四隅を密封するためには、上板及び下板にある程度の厚みを残す必要がある。ここで、ハウジング中の作業空間の最大面積は、ハウジングの四隅に残された厚みを差し引く必要があるため、ハウジング中の作業空間は小さくなってしまうといった問題がった。
さらに、ハウジングの四隅を封鎖しなければ、ハウジングは密閉状のチャンバーにはならないため、製造工程に必要がかかり、コストが上昇してしまうといった問題もある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、機械的強度を有するとともに、ヒートパイプ内において、作業流体の回流ルートを確保することができるともに、ヒートパイプ内の空間を広く確保することができる構成を具備する平板式ヒートパイプ構造及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による平板式ヒートパイプ構造は、平板式で連続して周囲を取り囲む、上板部及び該上板部に対向する下板部からなる壁ユニットを備える管体と、前記管体の内部において、前記壁ユニットの第一封鎖側と第二封鎖側とが封鎖されることにより密閉されて形成された、作業流体を備えるチャンバーと、前記チャンバー内に配置された、上端が前記上板部に結合され下端が前記下板部に結合されることにより、前記上板部と前記した下板部との間に直立して設けられた複数の柱状体を備える焼結サポート層と、前記チャンバー内において、前記壁ユニットの内面に配置された毛細構造層と、を具備していることを特徴とする。
また、平板式ヒートパイプ構造の製造方法は、連続して周囲を取り囲む壁ユニットを備えるとともに、内部に第一貫通口及び第二貫通口が形成されたチャンバーを有する管体を用意するステップと、前記管体に第一次平圧を行い、平板式管体とし、該平板式管体の前記壁ユニットに上板部及び下板部を形成するステップと、複数の柱状体を備える焼結サポート層を予め製造し、前記焼結サポート層を前記チャンバー内に入れるステップと、前記管体に第二次平圧を行い、前記上板部と前記下板部との間の間隔距離を縮小し、前記各柱状体の上端を上板部に密着させるとともに、下端を下板部に密着させるステップと、前記平板式管体の前記第一貫通口及び第二貫通口を、第一封鎖側及び第二封鎖側に接合して密封し、前記チャンバーを封鎖するステップと、導管を、前記平板式管体に結合し、前記導管の第一端を前記管体外に露出させ、第二端を、前記チャンバーに連通させるステップと、前記導管を通して、前記チャンバー内の空気を排出し、さらに前記導管を通して、作業液体を前記チャンバー内に注入するステップと、前記導管の前記第一端を封鎖するステップと、を具備したことを特徴とする。

本発明平板式ヒートパイプ構造及びその製造方法は、焼結サポート層を利用して、平板式管体の上板部と下板部との間を支えるため、平板式管体の変形を防止し、構造の強度を維持し、焼結構造は孔隙を備えるため、気態状の作業流体は、平板であるヒートパイプ空間全体に広がり、しかも管体内で凝結した液態状の作業流体は、焼結サポート層に沿って横方向及び縦方向に伝わり、作業流体の回流ルートとなることができ、本発明の平板式管体の壁はより薄くでき、ヒートパイプ構造全体をさらに薄くすることができ、しかも両側を封鎖するだけで封鎖チャンバーを形成できるため、作業流体が作動するためのより広いチャンバー空間を確保することができる。

図１は、従来の平板式ヒートパイプ構造の模式図 本実施の形態の平板式ヒートパイプ構造が具備する管体の模式図 図２の管体を、図２中のIII方向からみた模式図 図２の管体を、図２中のIV方向からみた模式図 平板式ヒートパイプ構造の製造方法を示すブロック図 加圧される前の管体を示す模式図 管体が第一次平圧を受ける様子を示す模式図 焼結サポート層をチャンバー内に入れる前の模式図 導管を管体に結合した状態を示す模式図

以下に図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図２〜図４に示すように、平板式ヒートパイプ構造は、平板からなり連続して周囲を取り囲む壁ユニット２１１を備える管体２１を具備し、管体２１内のチャンバー２１２には、焼結サポート層２２と、毛細構造層２３（wick structure）とが構成されている。

壁ユニット２１１の両側には、第一封鎖側２４と、第二封鎖側２５とがそれぞれ設けられている。
この２個の封鎖側２４、２５により、管体２１内のチャンバー２１２は封鎖され、チャンバー２１２は、密閉空間となっている。

図３、４に示すように、壁ユニット２１１は、上板部２１１１及び下板部２１１２からなる。
上板部２１１１は、下板部２１１２に対向し、第一封鎖側２４及び第二封鎖側２５は、上板部２１１１及び下板部２１１２の両側に位置している。

第一封鎖側２４及び第二封鎖側２５は、下板部２１１２に近接して位置している。また、壁ユニット２１１は、例えば銅からなる。

さらに、図２に示すように、焼結サポート層２２は、複数の柱状体２２１と、複数の連結部品２２２とを備える。尚、柱状体２２１は、任意の幾何形状を有している。

各柱状体２２１は、チャンバー２１２内において、上板部２１１１と下板部２１１２との間において、直立状に起立して配置されており、各柱状体２２１の上端及び下端は、上板部２１１１及び下板部２１１２にそれぞれ結合されている。

連結部品２２２は主に、２本の柱状体２２１の間を連結するものであり、連結部品２２２の一端は、一の柱状体２２１に結合され、他端は、他の柱状体２２１に結合されている。

連結部品２２２は、焼結サポート層２２の構造強度を維持するものであり、連結部品２２２の上端及び他端は、上板部２１１１及び下板部２１１２に結合されている。

複数の柱状体２２１及び複数の連結部品２２２を含む焼結サポート層２２は、毛細構造により構成する。
毛細構造は、具体的には、粉末焼結或いはファイバー（Fiber）或いは発泡により形成する。

毛細構造層２３は、焼結サポート層２２と同じで、粉末焼結或いはファイバー（Fiber）或いは発泡を利用して形成し、壁ユニット２１１のチャンバー２１２に対向する面を覆って設置されている。

第一封鎖側２４または第二封鎖側２５のいずれかに、導管２６が連結されており、導管２６は、管体２１の外部に露出する封鎖端である第一端２６１と、チャンバー２１２に連通する開放端である第二端２６２とを具備している。

導管２６は、作業流体を、チャンバー２１２内に注入する、或いはチャンバー２１２内の空気を排出するものである。第一端２６１は、空気の排出後、封鎖され、チャンバー２１２内は密閉されることにより真空空間が形成される。

このように構成された管体２１においては、下板部２１１２が、ＣＰＵ等の発熱パーツの端面に触れると（この時、下板部２１１２は、いわゆる蒸発端或いは受熱端を構成する）、発熱パーツが発生する熱が、上板部２１１１に熱伝導されることにより散熱される。この際、上板部２１１１は、いわゆる冷凝端を構成している。

発熱パーツが熱を発すると、下板部２１１２は熱を吸収すると同時に、内部の毛細構造層２３と焼結サポート層２２上において流動する作業流体は、熱を受けることで、蒸発して蒸気となる。

さらに、蒸気はより温度が低い部位へと迅速に流れ、蒸気は、上板部２１１１に到達すると、熱を放射後に液体に変化し、毛細構造層２３と焼結サポート層２２の毛細力により、下板部２１１２に戻る。その結果、管体２１内での流体の循環が完成され、熱は、上板部２１１１から散熱される。

次に、平板式ヒートパイプ構造の製造方法について、図５〜図９を用いて説明する。

先ず、ステップ１においては、図６に示すように、例えば円筒状の管体２１を用意する。管体２１の内部には、管体２１の連続して周囲を取り囲む壁ユニット２１１により、管体２１の両側に、貫通口がそれぞれ形成されたチャンバー２１２が形成されている。尚、管体２１の形状は、限定されず、あらゆる形状の管体が採用可能である。

次いで、ステップ２において、図７に示すように、管体２１に対して第一次平圧を行い（管体を予圧するともいう）、平板式管体２１を形成する。これにより壁ユニット２１１には、上板部２１１１及び下板部２１１２が形成され、上板部２１１１は、下板部２１１２に対向され、第一次平圧の力は、上板部２１１１と下板部２１１２との間に存在する適当な間隔距離により制御され、チャンバー２１２内に、焼結サポート層２２の収容スペースが形成される。

次いで、ステップ３において、図８に示すように、複数の柱状体２２１及び連結部品２２２を備える焼結サポート層２２を、チャンバー２１２内に入れる。これにより各柱状体２２１の上端及び下端は、上板部２１１１及び下板部２１１２にそれぞれ対向し、各連結部品２２２の上端及び下端も、上板部２１１１及び下板部２１１２にそれぞれ対向する。
尚、本ステップ中では、焼結サポート層２２は、モールド中に任意に配列するとともに相互に通じるポケットを開設し、次に、銅粉などの粉がポケット中に緊密に充填し、続いて焼結して毛細構造を形成し、或いはモールド中において、ファイバー或いは発泡を利用して毛細構造を形成する等、従来の一般的な技術を利用して製造する。

次いで、ステップにおいて、平板式管体２１に対して第二次平圧を行うことにより、上板部２１１１と下板部２１１２との間の間隔距離を縮小することにより、各柱状体２２１の両端及び各連結部品２２２の上端及び下端は、上板部２１１１と下板部２１１２に対してそれぞれ密着する。
尚、本ステップ中では、上板部２１１１及び下板部２１１２は、圧力を受けて、焼結サポート層２２の柱状体２２１の上端及び下端及び各連結部品２２２の上端及び下端に、緊密に密着することにより、図３、図４に示すように、各柱状体２２１及び連結部品２２２は、上板部２１１１と下板部２１１２との間に直立し、上板部２１１１及び下板部２１１２を支える。

次いで、ステップ５では、図９に示すように、導管２６を、上述したように、管体２１の任意の貫通口に設置し、導管２６の第一端２６１を、管体２１外に露出させ、第二端２６２を、チャンバー２１２に連通させる。

次いで、ステップ６では、平板式管体２１の両貫通口を、第一封鎖側２４及び第二封鎖側２５において密封し、これによりチャンバー２１２を封鎖する。また、各柱状体２２１の両端を、上板部２１１１及び下板部２１１２とそれぞれ結合させるとともに、連結部品２２２の両側を、上板部２１１１及び下板部２１１２にそれぞれ結合させる。 尚、本ステップ中では、具体的には、拡散結合の手段を利用して、第一封鎖側２４の導管２６を回避しながら、チャンバー２１２の封鎖を行うとともに、柱状体２２１及び連結部品２２２の結合を行う。

次いで、ステップ７において、導管２６と平板式管体２１とを結合させる。本ステップ中では、具体的には、溶接接合の手段を利用して導管２６を結合し、第一封鎖側２４の導管２６と平板式管体２１との間の連結位置を密閉する。こうして導管２６を固定するばかりか、導管２６と平板式管体２１との間の間隙を封鎖する。

次いで、ステップ８において、導管２６を通じて、チャンバー２１２内の空気を排出し、次に、導管２６を介して、作業液体をチャンバー２１２内に注入する。このステップにおいては、先ず、チャンバー２１２内を真空状態とし、次に、作業液体をチャンバー２１２内に導入する。こうして作業液体は、真空空間内で作動することができる。

最後に、ステップ９において、導管２６の第一端２６１を封鎖する。本ステップにより、図２に示すように、チャンバー2２１２全体は、完全な密封状態となる。

尚、図５において、ステップ１の前には、壁ユニット２１１のチャンバー２１２に対向する内面に、予め毛細構造層２３を形成し、或いは毛細構造層２３を別に形成し、次に毛細構造層２３を壁ユニット２１１の内面に結合させるステップを行っている。

以上、説明した管体２１の構成及び製造方法によれば、従来の構成と比較して、著しい効果を有する。
具体的には、焼結サポート層２２を利用して、平板式管体２１の上板部２１１１と下板部２１１２との間を支えるため、平板式管体２１の変形を防止し、構造の強度を維持できる他、焼結サポート蒼２２は孔隙を備えるため、気体状の作業流体は、平板であるヒートパイプ空間全体に広がり、しかも管体２１内で凝結した液体状の作業流体は、焼結サポート層２２に沿って横方向及び縦方向に伝わり、作業流体の回流ルートとなることができる。
また、管体２１に対して加圧を行うことにより平板式とすることで、従来の上下ハウジングの結合に比較し、平板式管体２１の壁をより薄くでき、こうしてヒートパイプ構造全体をさらに薄くすることができ、しかも両側を封鎖するだけで、封鎖チャンバーを形成でき、四隅を封鎖しなければならない従来のベイパーチャンバーに比べ、同体積であれば、より広いチャンバー空間を獲得できる。

上記の本発明名称と内容は、本発明技術内容の説明に用いたのみで、本発明を限定するものではない。本発明の精神に基づく等価応用或いは部品（構造）の転換、置換、数量の増減はすべて、本発明の保護範囲に含むものとする。

２１…管体
２２…焼結サポート層
２３…毛細構造層
２４…第一封鎖側
２５…第二封鎖側
２６…導管
２１１…壁ユニット
２１２…チャンバー
２２１…柱状体
２２２…連結部品
２６１…第一端
２６２…第二端
２１１１…上板部
２１１２…下板部

Claims (18)

1. 平板式で連続して周囲を取り囲む、上板部及び該上板部に対向する下板部からなる壁ユニットを備える管体と、
   前記管体の内部において、前記壁ユニットの第一封鎖側と第二封鎖側とが封鎖されることにより密閉されて形成された、作業流体を備えるチャンバーと、
   前記チャンバー内に配置された、上端が前記上板部に結合され下端が前記下板部に結合されることにより、前記上板部と前記した下板部との間に直立して設けられた複数の柱状体を備える焼結サポート層と、
   前記チャンバー内において、前記壁ユニットの内面に配置された毛細構造層と、
   を具備していることを特徴とする平板式ヒートパイプ構造。
2. 前記第一封鎖側及び前記第二封鎖側の内、いずれの側には、導管が連結されており、
   前記導管は、前記管体外部に露出する第一端及び前記チャンバーに連通する第二端を備え、前記第一端は、封鎖端であることを特徴とする請求項１記載の平板式ヒートパイプ構造。
3. 前記焼結サポート層は、２本の前記柱状体間を連結する複数の連結部品を備え、
   各前記連結部品の上端及び下端は、前記上板部及び前記下板部にそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項１記載の平板式ヒートパイプ構造。
4. 前記焼結サポート層は、毛細構造によって構成されていることを特徴とする請求項３記載の平板式ヒートパイプ構造。
5. 前記各柱状体は、幾何形状を有していることを特徴とする請求項４記載の平板式ヒートパイプ構造。
6. 前記毛細構造は、粉末焼結、ファイバー或いは発泡により形成されていることを特徴とする請求項４記載の平板式ヒートパイプ構造。
7. 前記壁ユニットは、銅から形成されていることを特徴とする請求項１記載の平板式ヒートパイプ構造。
8. 前記毛細構造層は、粉末焼結、ファイバー或いは発泡により形成されていることを特徴とする請求項１記載の平板式ヒートパイプ構造。
9. 連続して周囲を取り囲む壁ユニットを備えるとともに、内部に第一貫通口及び第二貫通口が形成されたチャンバーを有する管体を用意するステップと、
   前記管体に第一次平圧を行い、平板式管体とし、該平板式管体の前記壁ユニットに上板部及び下板部を形成するステップと、
   複数の柱状体を備える焼結サポート層を予め製造し、前記焼結サポート層を前記チャンバー内に入れるステップと、
   前記管体に第二次平圧を行い、前記上板部と前記下板部との間の間隔距離を縮小し、前記各柱状体の上端を上板部に密着させるとともに、下端を下板部に密着させるステップと、
   前記平板式管体の前記第一貫通口及び第二貫通口を、第一封鎖側及び第二封鎖側に接合して密封し、前記チャンバーを封鎖するステップと、
   導管を、前記平板式管体に結合し、前記導管の第一端を前記管体外に露出させ、第二端を、前記チャンバーに連通させるステップと、
   前記導管を通して、前記チャンバー内の空気を排出し、さらに前記導管を通して、作業液体を前記チャンバー内に注入するステップと、
   前記導管の前記第一端を封鎖するステップと、
   を具備したことを特徴とする平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
10. 前記壁ユニットの内面に、毛細構造層を形成するステップをさらに有することを特徴とする請求項９記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
11. 毛細構造層を、前記管体を用意するステップの前に、予め製造するステップを有することを特徴とする請求項９記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
12. 前記毛細構造層は、粉末焼結、ファイバー或いは発泡により形成することを特徴とする請求項１０或いは１１記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
13. 前記第一貫通口及び前記第二貫通口は、拡散結合を利用して、前記第一封鎖側及び前記第二封鎖側に接合して密封することを特徴とする請求項９記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
14. 前記各柱状体の前記上端及び前記下端は、拡散結合を利用して、前記上板部及び前記下板部にそれぞれ結合することを特徴とする請求項９記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
15. 前記導管は、溶接を利用して、前記平板式管体に結合することを特徴とする請求項９記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
16. 前記焼結サポート層は、２本の前記柱状体間を連結する複数の連結部品を備え、
    各前記連結部品の上端及び下端は、前記上板部及び前記下板部にそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項９記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
17. 前記連結部品の前記上端及び前記下端は、拡散結合を利用して、前記上板部及び前記下板部とそれぞれ結合することを特徴とする請求項１６記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。
18. 前記焼結サポート層は、粉末焼結、ファイバー或いは発泡により形成することを特徴とする、請求項９或いは１６に記載の平板式ヒートパイプ構造の製造方法。

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