JP2011247544A

JP2011247544A - 板型ヒートパイプの製造方法

Info

Publication number: JP2011247544A
Application number: JP2010123137A
Authority: JP
Inventors: Hsiu-Wei Yang; 修維楊
Original assignee: Kiko Kagi Kofun Yugenkoshi
Current assignee: Kiko Kagi Kofun Yugenkoshi
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】製造工程が簡単且つ迅速で、歩留まりが高いことにより、コストを低下させる板型ヒートパイプの製造方法を提供する。
【解決手段】充填空間および溝内に焼結粉末を充填し、焼結粉末が充填された管体を焼結した後、中心棒を取り除くと、チャンバーの内表面に毛細管構造層および毛細管構造突起が形成され、毛細管構造突起は毛細管構造層の表面から突出し、自由端を形成するステップＳ１と、管体を圧縮して板型管体を成型し、毛細管構造突起が管体支持するステップＳ２と、導管が提供されるステップＳ３と、板型管体の２つの開口がそれぞれ密封口を密封してチャンバーを形成するステップＳ４と、導管を板型管体に結合させるステップＳ５と、導管からチャンバー内の空気を抜き取り、作動液を導管からチャンバー内に注入し、導管の端部を密封するステップＳ６とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、板型ヒートパイプの製造方法に関し、特に、毛細管構造および毛細管構造突起を内部に一体成型した板型ヒートパイプの製造方法に関する。

電子産業の発展にともない、電子デバイスまたはシステムの冷却性および放熱性の向上が大きな課題となっている。電子デバイスまたはシステムの高機能化への需要、統合性の向上および多機能の応用にともない、放熱に対する要求が大きなものとなってきている。そのため、放熱効率に関する研究が電子産業の最も大きな課題の一つとされてきた。

電子デバイスまたはシステムから発生された熱を空気中に放出するのにヒートシンク（Heat Sink）が多く用いられるが、熱抵抗が低い場合、ヒートシンクは、高い放熱効率を示す。
一般的に、熱抵抗としては、ヒートシンク内の拡散熱抵抗、およびヒートシンク表面と空気との間の対流熱抵抗等が知られている。ここで、拡散熱抵抗を低下させるため、熱伝導性の高い銅、アルミニウムなどの材料によりヒートシンクが製造されることが多いが、対流熱抵抗がヒートシンクの放熱効果を限定してしまうため、このようなヒートシンクでは次世代電子デバイスの放熱要求を満たすことができなかった。

そこで、目下、市場においては、放熱効率がさらに高い放熱器が注目されはじめており、熱伝導効率がさらに高いヒートパイプ（Heat pipe）や、ベイパー・チャンバー（Vapor chamber）等が出現している。また、それらを放熱器に組み合わせて従来の放熱問題を解決する構成も周知であり、例えば特許文献１に開示されている。

以下、従来技術を、図１を用いて説明する。図１は、従来の板型ヒートパイプを示す断面図である。図１に示すように、従来の板型ヒートパイプは、第１の銅板１０および第２の銅板１１からなる。

第１の銅板１０は、対向する第２の銅板１１とともに、内部にチャンバー１２を具備している。チャンバー１２には、水等の液体から構成された作動液体が充填されている。
チャンバー１２内において、第１の銅板１０および第２の銅板１１の内面には、チャンバー１２内を覆うように毛細管構造１３が設けられている。つまり、毛細管構造１３は、チャンバー１２の内部表面を形成している。
ここで、従来の毛細管構造１３は、液膜効果により壁面の熱流量を低下させる機能や、沸騰伝熱および蒸発面積を増加させる機能や、毛細管構造が壁面に接することにより蒸気膜の形成を防止する機能を有している。
尚、前述の作動液体は、重力および毛細管作用により、チャンバー１２内部の毛細管構造１３上（第１の銅板１０および第２の銅板１１の毛細管構造１３上を指す）に液体が分布する。

第１の銅板１０におけるチャンバー１２とは反対側の表面において、ＣＰＵなどの発熱デバイスが配置された端面は、発熱デバイスの発生した熱を第２の銅板１１に伝熱することにより放熱を行う。尚、この場合、第１の銅板は、蒸発部または受熱部を構成し、第２の銅板１１は、凝縮部を構成する。
以下、このメカニズムを詳細に説明する。発熱デバイスが熱を発生すると、第１の銅板１０が熱を吸収すると同時に、内部の毛細管構造１３上で流動する作動液が受熱によって蒸発して蒸気となる。蒸気は、凝縮部である第２の銅板１１に向かって迅速に流動し、第２の銅板１１に到達すると熱を放出して液体となり、その後、第２の銅板１１の毛細管構造１３内の毛細管力により第１の銅板１０に回流して１サイクルの放熱を完成させる。

尚、放熱が行なわれる一方で、第１の銅板１０内の毛細管構造１３上で流動する作動液がスムーズな相変化を行えないといった欠点が従来技術には存在する。
このため、熱輸送量の増加により作動液の相変化速度は加速するが、毛細管構造の内径が小さく、浸透率が低いため、回流における抵抗が増加して、蒸発部に十分な作動液を供給することができないことから、ヒートパイプの受熱部がドライアウト(dry out)して、均熱および放熱不良を起こしてしまうといった問題があった。
また、熱流量が連続して増加すると、液体の気体圧力が液体内の圧力を超えて、毛細管構造内に気泡ができてしまうことから、該気泡は、作動液の回流を妨げるだけでなく、ヒートパイプの熱伝導面と毛細管構造との間に熱抵抗が高い蒸気膜層を形成してしまうため、作動液が蒸発部から熱をスムーズに奪い去ることができなくなってしまい、ヒートパイプの受熱部がドライアウトして、均熱および放熱不良を起こしてしまうといった問題があった。

特開２００８−４５８２０号公報

ここで、従来の板型ヒートパイプは、使用上において、上板及び下板からなる容器は、各板が所定の厚さを有していないと四隅において容器内を密封できないことから、板の厚さを確保すると、容器内の空間が小さくなってしまうといった問題があり、板の厚さを減らされなければ、容器内に大きな空間を確保することができないといった問題があった。
また、容器の４隅を密封することによって、容器内にチャンバーを形成するため、製造に手間が掛かり、製造コストが高くなってしまうといった問題もあった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、製造工程が簡単であって、かつ迅速に、歩留まりを高く、製造コストを低下させて板型ヒートパイプを製造することができるとともに、変形を防ぎ、構造強度を維持することができる板型ヒートパイプの製造方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明による板型ヒートパイプの製造方法は、チャンバーを規定する円状の管壁を有するとともに端部に第１の開口および第２の開口が形成された管体を用意し、前記管体内に外表面に複数の溝が形成された中心棒を挿入して該中心棒の前記外表面を前記チャンバーの内表面に対向させ、前記中心棒の前記外表面と前記チャンバーの前記内表面との間に充填空間を形成して、該充填空間に前記複数の溝を連通させ、その後、前記充填空間および前記溝内に焼結粉末を充填し、焼結粉末が充填された前記管体を焼結した後、前記中心棒を取り除くことにより、前記チャンバーの前記内表面に毛細管構造層、および少なくとも一つの前記毛細管構造層の表面から突出して自由端を形成する毛細管構造突起を形成する工程と、前記管体を圧縮して、上板部および下板部を有する板型管体を成型し、前記毛細管構造突起の前記自由端が、前記上板部および前記下板部のどちらかと結合することにより、前記毛細管構造突起によって、前記上板部と前記下板部との間を支持する工程と、前記板型管体に接続後、前記板型管体の外に露出する第１の端部と、前記チャンバーに連通する第２の端部とを有する導管を用意する工程と、前記板型管体の前記第１の開口および前記第２の開口を第１の密封口および第２の密封口としてそれぞれ密封して、密閉された前記チャンバーを形成する工程と、前記導管を、前記板型管体に接続する工程と、前記導管を介して、前記チャンバー内の空気を抜き取り、作動液を前記導管から前記チャンバー内に注入した後、前記導管の前記第１の端部を密封する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の板型ヒートパイプの製造方法は、管体内に毛細管構造および毛細管構造突起が直接一体成型され、管体を圧縮しても毛細管構造突起が管体内を支持するため、板型ヒートパイプが変形するのを防いだり、構造強度を維持することができる。また、製造工程が簡単且つ迅速で、歩留まりが高いため、製造コストを低下させることができる。

従来の板型ヒートパイプを示す断面図本発明の一実施形態による板型ヒートパイプの製造方法を示すブロック図本発明の一実施形態による管体および中心棒を示す斜視図図３の管体内に中心棒を配置した状態を示す図図３のチャンバーの表面に形成された毛細管構造層および毛細管構造突起を示す図図３の管体内に中心棒を挿入し、焼結粉末を充填した状態において、管体を圧縮した状態を示す図図６のチャンバーの表面に形成された毛細管構造層および毛細管構造突起を示す断面図図７の管体に導管が挿入された状態を示す断面図図８の管体の第１の開口及び第２の開口が密封された板型ヒートパイプを示す断面図図９の板型ヒートパイプの長手方向の断面図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の一実施形態による板型ヒートパイプの製造方法を示すブロック図、図３は、本発明の一実施形態による管体および中心棒を示す斜視図、図４は、図３の管体内に中心棒を配置した状態を示す図、図５は、図３のチャンバーの表面に形成された毛細管構造層および毛細管構造突起を示す図である。
また、図６は、図３の管体内に中心棒を挿入し、焼結粉末を充填した状態において、管体を圧縮した状態を示す図、図７は、図６のチャンバーの表面に形成された毛細管構造層および毛細管構造突起を示す断面図である。
さらに、図８は、図７の管体に導管が挿入された状態を示す断面図、図９は、図８の管体の第１の開口及び第２の開口が密封された板型ヒートパイプを示す断面図、図１０は、図９の板型ヒートパイプの長手方向の断面図である。

先ず、図２のステップＳ１において、図３および図４に示すように、管体１１および中心棒１２が用意される。
管体１１は、チャンバー１１２を規定する円状の管壁１１１を有する。また、チャンバー１１２は、管体１１の一方の端部に第１の開口１１３が形成され、他方の端部に第２の開口１１４が形成されている。
中心棒１２は、管体１１内に挿入されるものであり、挿入後、中心棒１２の外表面がチャンバー１１２の内表面に対向する。中心棒１２の外表面とチャンバー１１２の内表面との間に、充填空間１３が形成されている。中心棒１２の側部である外表面には、複数の溝１２１が形成され、該溝１２１は、挿入後、充填空間１３に連通している。
ステップＳ１においては、充填空間１３および溝１２１内に焼結粉末を充填する。次に、焼結粉末が充填された管体１１を焼結した後、中心棒１２を取り除く。
すると、図５に示すように、チャンバー１１２の内表面に毛細管構造層１４および少なくとも一つの毛細管構造突起１４１が形成される。毛細管構造突起１４１は、毛細管構造層１４の表面から突出し、自由端１４１１を形成する。

次いで、図２のステップＳ２において、図６および図７に示すように、管体１１を圧縮して、板型管体１１を成型する。板型管体１１は、上板部１１５および下板部１１６を有し、毛細管構造突起１４１の自由端１４１１が、上板部１１５と下板部１１６とのどちらかと結合している。尚、本実施形態においては、自由端１４１１が、上板部１１５に結合することにより、上板部１１５と下板部１１６との間を支持している。

次いで、図２のステップＳ３において、図８に示すように、接続後、管体１１の外に露出する第１の端部と、チャンバー１１２内に連通する第２の端部とを有する導管１５を用意する。

次いで、図２のステップＳ４において、図９および図１０に示すように、板型ヒートパイプの第１の開口１１３および第２の開口１１４を、第１の密封口１１７および第２の密封口１１８として、それぞれ密封してチャンバー１１２を形成する。

次いで、図２のステップＳ５において、導管１５を板型管体１１に結合させる。

最後に、図２のステップＳ６において、導管１５からチャンバー１１２内の空気を抜き取り、該抜き取り後、作動液を導管１５からチャンバー１１２内に注入し、その後、導管１５の第１の端部を密封する。このようにして、板型ヒートパイプは製造される。

尚、上述した焼結粉末は、銅粉などの金属粉末またはセラミック粉末である。上述した図２のステップＳ１において、焼結粉末が充填された管体１１が焼結炉で焼結された後、冷却されるのを待ち、冷却後、焼結炉から管体１１を取り出し、管体１１から中心棒１２を抜き取る。

また、上述した図２のステップＳ２においては、自由端１４１１は、上板部１１５と拡散結合により結合している。
さらに、上述した図２のステップＳ４においては、第１の開口１１３および第２の開口１１４は、拡散結合により第１の密封口１１７および第２の密封口１１８としてそれぞれ密閉される。

尚、毛細管構造突起１４１は、銅の繊維、金網または銅柱を管体に入れて焼結されたもので、毛細管構造突起１４１および毛細管構造層１４は、間隙率が同様であったり、異なっていたりする。

本発明では好適な実施形態を前述の通りに開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知する者は誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１１…管体
１２…中心棒
１３…充填空間
１４…毛細管構造層
１５…導管
１１１…管壁
１１２…チャンバー
１１３…第１の開口
１１４…第２の開口
１１５…上板部
１１６…下板部
１１７…第１の密封口
１１８…第２の密封口
１２１…溝
１４１…毛細管構造突起
１４１１…自由端

Claims

チャンバーを規定する円状の管壁を有するとともに端部に第１の開口および第２の開口が形成された管体を用意し、前記管体内に外表面に複数の溝が形成された中心棒を挿入して該中心棒の前記外表面を前記チャンバーの内表面に対向させ、前記中心棒の前記外表面と前記チャンバーの前記内表面との間に充填空間を形成して、該充填空間に前記複数の溝を連通させ、その後、前記充填空間および前記溝内に焼結粉末を充填し、焼結粉末が充填された前記管体を焼結した後、前記中心棒を取り除くことにより、前記チャンバーの前記内表面に毛細管構造層、および少なくとも一つの前記毛細管構造層の表面から突出して自由端を形成する毛細管構造突起を形成する工程と、
前記管体を圧縮して、上板部および下板部を有する板型管体を成型し、前記毛細管構造突起の前記自由端が、前記上板部および前記下板部のどちらかと結合することにより、前記毛細管構造突起によって、前記上板部と前記下板部との間を支持する工程と、
前記板型管体に接続後、前記板型管体の外に露出する第１の端部と、前記チャンバーに連通する第２の端部とを有する導管を用意する工程と、
前記板型管体の前記第１の開口および前記第２の開口を第１の密封口および第２の密封口としてそれぞれ密封して、密閉された前記チャンバーを形成する工程と、
前記導管を、前記板型管体に接続する工程と、
前記導管を介して、前記チャンバー内の空気を抜き取り、作動液を前記導管から前記チャンバー内に注入した後、前記導管の前記第１の端部を密封する工程と、
を含むことを特徴とする板型ヒートパイプの製造方法。
前記溝は、前記中心棒の側部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記毛細管構造層は、前記充填空間に充填された焼結粉末により形成することを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記毛細管構造突起は、前記溝に充填された焼結粉末により形成することを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記焼結粉末は、銅粉などの金属粉末またはセラミック粉末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記毛細管構造突起は、前記上板部と前記下板部とのどちらかと拡散結合により結合することを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの製造方法。
前記第１の開口および前記第２の開口は、拡散結合を用いて、前記第１の密封口および前記第２の密封口としてそれぞれ密閉することを特徴とする請求項１に記載の気体燃料供給システム。
前記毛細管構造突起は、銅の繊維、金網または銅柱を前記管体に入れて焼結することにより形成することを特徴とする請求項１に記載の板型ヒートパイプの製造方法。