JP2013124841A - 冷却器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、押出成形、鋳造、鍛造などの方法によってヒートパイプ本体とフィンを同時に成形する技法を採用しながら、フィンピッチを小さくする技術を提供する。
【解決手段】本明細書は、ヒートパイプにフィンを付けた冷却器の製造方法を開示する。その方法は、第１工程と第２工程を有する。第１工程では、平板状のヒートパイプの表面に、相互に平行な複数の第１フィンと、第１フィンの列と横並びに配置されており、第１フィンと平行であるがピッチをずらして配置されている第２フィンと、を形成する。第２工程では、第１フィンと第２フィンが交互に入れ違いに重なるように、第１フィンが立設している第１平坦部に対して第２フィンが立設している第２平坦部を折り曲げる。第１フィンと第２フィンが交互に入れ違いに重なっているので、フィンの密度が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージなどの冷却器によく用いられるヒートパイプを使った冷却器に関する。特に、ヒートパイプにフィンを取り付けた冷却器とその製造方法に関する。

ヒートパイプとは、良く知られているように、内部に揮発性の液体（作動液）を封入したパイプであり、パイプの一部分を熱し、他の部分を冷却することで熱を移動／拡散させるデバイスである。なお、「パイプ」には、単純な円筒管のほか、内部に平行な多数の長孔を有する平板（多穴管）が用いられることもある。

ヒートパイプにフィンを設け、フィンを使って熱を放出する冷却器もよく用いられる。フィンに冷媒（液体あるいは空気などのガス）を当てることによって、熱の拡散を促進させることができる。冷却器（フィン付きヒートパイプ）は、ＣＰＵやパワーＩＧＢＴなどの半導体パッケージを冷却するデバイスとしてよく用いられる。例えば、特許文献１乃至３に、フィン付きヒートパイプが開示されている。

特開２００４−２２６０３２号公報 特開２００４−０３９８６１号公報 特開２００６−０２４６６１号公報

通常はヒートパイプの表面に複数のフィンが平行に取り付けられる。フィンを付けるにはその分の容積が必要となる。フィン付きヒートパイプを使った冷却器の単位体積当たりの冷却能力（放熱効率）を高める一つの方法は、フィンのピッチ（隣接するフィンの間の距離）を小さくすることである。ヒートパイプを製造した後にフィンを取り付けるのであれば、フィンピッチを小さくすることはできるがコストが嵩む。ヒートパイプそのものは、押出成形、鋳造（典型的にはアルミダイカスト）、鍛造などの製造方法で安価に製造することができる。そのため、フィンも安価に付加できることが望ましい。押出成形、鋳造、鍛造などによってヒートパイプの本体とフィンを同時に成形することは可能ではあるが、金型の強度などの制約によりフィンピッチを小さくするには限界がある。本明細書は、押出成形、鋳造、鍛造などの方法によってヒートパイプ本体とフィンを同時に成形する技法を採用しながら、フィンピッチを小さくする技術（冷却器の製造方法と、その製造方法に適した冷却器そのもの）を提供する。

そこで、本明細書が開示する技術は、フィンが一体化した平板状のヒートパイプを製造した後にヒートパイプ本体自体を変形させてフィンピッチを小さくする。本明細書が開示する冷却器（フィン付きヒートパイプ）の製造方法の一例を説明する。まず、平板状のヒートパイプの表面に、相互に平行な複数の第１フィンと、第１フィンの列と横並びに配置されており、第１フィンと平行であるがピッチがずれている第２フィンと、を形成する。なお「第２フィンは、第１フィンの列と横並びに配置されており、第１フィンと平行であるがピッチがずれている」ということは、詳しく説明すると以下の通りである。複数の第１フィンは、隣接するフィンの面と面が対向するように１列に並んで配置される。複数の第２フィンも同様である。第２フィンは、第１フィンの列の横に配置される。第１フィンと第２フィンも相互に平行となる。第１フィンのピッチ（隣接するフィン間の距離）と第２フィンのピッチはほぼ同じである。フィンの長手方向にみたとき、隣接する第１フィンの間に第２フィンが位置する。

次いで、第１フィンと第２フィンが交互に入れ違いに重なるように、第１フィンが立設しているヒートパイプの第１平坦部に対して第２フィンが立設しているヒートパイプの第２平坦部を折り曲げる。その結果、フィンピッチは、製造時の半分になり、単位体積当たりの冷却能力を向上させた冷却器が完成する。なお、「第２平坦部を折り曲げる」とは、第１平坦部に対して第２平坦部を折り曲げることを意味し、第２平坦部を固定し、第１平坦部を折り曲げることを含む。

上記の冷却器（フィン付きヒートパイプ）の適用例を簡単に説明する。上記の冷却器では、例えば第１平坦部のフィン設置面とは反対の面が、発熱体取付面となる。発熱体は、例えば半導体パッケージである。発熱体の熱は、ヒートパイプ内の作動液によって、第１平坦部から第２平坦部へと輸送される。なお、作動液の流路は、第１平坦部と第２平坦部に亘って形成されている。別言すれば、フィンの長手方向は、ヒートパイプ内の作動液の流路の長手方向に略一致する。第１平坦部には第１フィンが設けられており、第２平坦部には第２フィンが設けられている。発熱体の熱は、第１平坦部から第２平坦部へと移動し、そして第１フィンと第２フィンの双方から大気へと放出される。第１フィンと第２フィンは、交互に入れ違いに重なっているので、それらが占める空間の体積は、第１フィンだけが占める空間の体積とほぼかわらない。即ち、単位体積当たりの冷却能力が向上する。

鍛造や鋳造であれば、ピッチがずれている第１フィンと第２フィンを成形することもできるが、押出成形では、そのような形態を実現することは難しい。他方、押出成形によるヒートパイプ製造は、鍛造や鋳造よりもはるかに安価である。そこで、本明細書が開示する技術は、押出成形に適した製造方法も提供する。相互にピッチがずれている第１フィンと第２フィンは、次の工程で製造することができる。
（１）平板状のヒートパイプの上面に、相互に平行な一列の共通フィンを形成する工程。なお、相互に平行な一列の共通フィンを有するヒートパイプは、押出成形によって製造することが可能である。
（２）全ての共通フィンの一部をその並び方向に切除し、一列の共通フィンを第１フィンと第２フィンの２列に分断する工程。
（３）第１フィンと第２フィンのピッチがずれるように、第１平面部と第２平面部とに相互に逆向きの面内方向の荷重を加え、ヒートパイプをその平面内で塑性変形させる工程。

本明細書は、上記の技術をさらに改良し、ヒートパイプからフィンへの伝熱性能を向上させる技術も提供する。即ち、第１フィンと第２フィンの少なくとも一方のフィンは、その２辺で第１平坦部と第２平坦部の双方に接していることが好ましい。ここで、２辺とは、ヒートパイプと一体となっているフィンの底辺と、相手の平坦部と対向するフィン側端の辺である。上記の構造によれば、フィンは、その２辺を通じてヒートパイプの第１平坦部と第２平坦部の双方から熱を奪うので、熱放出効率が向上する。なお、第１フィンと第２フィンの双方がその２辺で第１平坦図と第２平坦部に接していることがより好ましい。フィン側端の辺は、相手の平面部に固定されずに単純に接しているだけでもよいし、固定されていてもよい。固定の方法としては、金属接合（溶接、摩擦撹拌接合）、接着、溶着、圧着、ロウ付け、など、いかなる方法であってもよい。

フィンの側端の辺での伝熱を向上するために、フィンと平坦部が線接触でなく面接触していることが好ましい。そこで、第２平坦部を屈曲させるのに先立って、第１フィンと第２フィンの少なくとも一方のフィンの側端部を折り曲げる工程をさらに備え、第２平坦部を折り曲げる工程では、フィン側端部の折り曲げた面が相対する平坦部に当接するまで第２平坦部を折り曲げることが好ましい。

本明細書が開示する技術の他の側面は、上記した製造方法に適した冷却器（フィン付きヒートパイプ）を提供する。その冷却器は、略Ｌ字状に屈曲したヒートパイプと、相互に平行な複数の第１フィンと、相互に平行な複数の第２フィンを備える。第１フィンは、ヒートパイプのＬ字の水平面を構成する第１平坦部から立設する。第２フィンは、ヒートパイプのＬ字の垂直面を構成する第２平坦部から立設しており、第１フィンと交互に入れ違いになっている。なお、「水平面」、「垂直面」とは、Ｌ字状のヒートパイプの２面を区別するための便宜上の用語であることに留意されたい。

第１フィンと第２フィンは、ヒートパイプと一体成形される。ここで、第１フィンと第２フィンの少なくとも一方のフィンは、その２辺で第１平坦部と第２平坦部の双方に接していることが好ましい。さらには、第１フィンは、第１平坦部と一体に成形されおり、第２平坦部と対向する側の側端部が折れ曲がっており、折れ曲がった部分の表面が第２平坦部と面接触していることが好ましい。あるいは、第２フィンが、第２平坦部と一体に成形されおり、第１平坦部と対向する側の側端部が折れ曲がっており、折れ曲がった部分の表面が第１平坦部と面接触しているのでもよい。第１フィンと第２フィンの双方が、その側端部が折れ曲がっており相対する平坦部と接していることが最も好ましい。

本明細書が開示する技術の詳細およびさらなる改良は発明を実施するための形態の欄において詳細に説明する。

第１実施例の冷却器の斜視図である。 ヒートパイプを折り曲げる前の冷却器の斜視図である。 平坦なヒートパイプを押出成形するための型の斜視図である。 平坦なヒートパイプを押出成形している様子を示す図である。 フィン付き多穴管の斜視図である。 共通フィンを２分した状態を示す図である。 フィン付きの平坦なヒートパイプの平面図である。 ヒートパイプに面内方向の荷重を加えて第１平坦部と第２平坦部を相互にずらせた状態を示す平面図である。 フィン付きの平坦なヒートパイプを折り曲げる様子を説明する図である。 第２実施例の冷却器の製造方法を説明する図である。 第２実施例の冷却器の斜視図である。

（第１実施例）図１に、第１実施例の冷却器１００の斜視図を示す。冷却器１００は、略Ｌ字に屈曲したヒートパイプ２に複数のフィン（第１フィン５と第２フィン６）が取り付けられた構造を有している。第１フィン５は平行に並んだ複数のフィンを意味し、第２フィン６も、平行に並んだ複数のフィンを意味する。第１フィン５と第２フィン６は交互に入れ違いに重なるように間隔をもって並んでいる。なお、図１では、第２フィン６のうち、最も手前の一枚のフィンのみ、見えない部分を隠れ線で描いている。ヒートパイプ２のうち、Ｌ字の水平部分を第１平坦部２ａと称し、垂直に立った部分を第２平坦部２ｂと称する。なお、ここでの「水平」、「垂直」は、単にＬ字を形成する２つの平坦部を区別するための便宜上の表現であり、「水平」、「垂直」という言葉そのものに技術的な意味はないことに留意されたい。

ヒートパイプ２は、内部に多数の細長孔（後述する細長孔１３０）が設けられた多穴管をベースとしており、細長孔の内部に少量の液体（作動液）が封入されている。細長孔は、作動液が入れられたのちに両端が閉じられ、流路３を構成する。流路３は、ヒートパイプ２のＬ字形状に沿って屈曲しており、ヒートパイプ２の端から端まで長手方向に伸びている。なお、図では、流路３を視認できるように、ヒートパイプ２の両端に孔を描いているが、実際には孔の両端は閉じられており、流路３の内部空間は密閉されていることに留意されたい。

良く知られているように、ヒートパイプは、発熱体を取り付けた部分（吸熱部）で内部の作動液が熱（気化熱）を奪って蒸発し、移動する。移動先（放熱部）で作動液は熱（凝縮熱）を放出して液化する。ヒートパイプは、こうして熱を輸送する。ヒートパイプにフィンが付いている場合、作動液の凝縮熱はフィンを通じて外部に放出される。冷却器（フィン付きヒートパイプ）は、こうして対象物を冷却する。ヒートパイプ自体は良く知られているので詳しい説明は省略する。

図２に、ヒートパイプ２を略Ｌ字に折り曲げる前の状態（平坦ヒートパイプ１０１）を示す。平坦ヒートパイプ１０１は平板状であり、第１平坦部２ａと第２平坦部２ｂからなる。

図２によく表れているように、第１フィン５は、面同士が相対するように一列に平行に並んだ複数のフィンであり、第１平坦部２ａと一体で成形されている。同様に、第２フィン６は、面同士が相対するように一列に平行に並んだ複数のフィンであり、第２平坦部２ｂと一体で成形されている。当然、第１フィンと第２フィンも相互に平行となる。第１フィン５の側端５ａ（第２平坦部２ｂに相対する側端）は、平坦ヒートパイプ１０１をＬ字に折り曲げた際に、第２平坦部２ｂの表面に接する。同様に、第２フィン６の側端６ａ（第１平坦部２ａに相対する側端）は、平坦ヒートパイプ１０１をＬ字に折り曲げた際に、第１平坦部２ａの表面に接する。即ち、フィン５、６は、２辺でヒートパイプ２に接する。なお、図１、図２では、符号５ａ、６ａの引き出し線は、一枚のフィンの側端しか指していないが、全てのフィンの側端を意味することに留意されたい。

冷却器１００は、フィン５、６の２辺（２つの側端）がヒートパイプ２に接している。それゆえ、冷却対象の発熱体がいずれの平坦部に取り付けられても、その熱は２辺からフィンに伝達される。フィンがその一辺でのみヒートパイプに接している冷却器では、フィンの先端まで熱が伝わり難い。それに比べて冷却器１００は、フィンの２辺がヒートパイプと接しているため、フィン全体に熱が伝わり易いという利点を有する。また、第１平坦部２ａと一体に成形されたフィン５と、第２平坦部２ｂと一体に成形されたフィン６が交互に重なり合っているので、フィンの密度が高まるという利点も有する。

次に、冷却器１００の製造方法について説明する。フィンが一体成形された平坦なヒートパイプ１０１は、押出成形法によって製造される。図３に、成形型１０の斜視図を示し、図４に、フィン一体型の多穴管を押出成形している様子を示す。成形型１０は、成形する目的の形状にくり抜かれた射出孔１２を有する。ヒートパイプの細長孔３（図１参照）を形成するための独立部分１３は、成形型１０の内側で支持されている。成形型に溶融したアルミニウムを充填し、後方から加圧すると、アルミニウムが目的の多穴管の形状に成形されて射出孔１２から出てくる（図４参照）。これを適当な長さでカットすると、図５に示す、フィン付き多穴管１０２が得られる。多穴管１０２には、相互に平行な多数の貫通孔１３０が形成されている。多穴管１０２が、ヒートパイプの外郭（外形状）に相当する。また、この段階では、相互に平行な一連の共通フィン１０４が形成されている。

次に、多穴管１０２の貫通孔１３０に少量の作動液を入れて両端を閉じ、密閉された細長孔を形成する。密閉された細長孔３が流路に相当する。なお、流路３はその両端が閉じられているが、図１、図２、及び図６以降では、流路を視認し易くするために、流路３は、貫通孔のままで描かれていることに留意されたい。

次に、一列の共通フィン１０４を２列に分断する（図６参照）。全ての共通フィン１０４のほぼ中央を削除し（切れ込み１０７を形成し）、共通フィン１０４を第１フィン５と第２フィン６に分割する。平坦なヒートパイプ１０１において、第１フィン５が立設している部分が第１平坦部２ａに相当し、第２フィン６が立設している部分が第２平坦部２ｂに相当する。

図７に図６のフィン付き平坦ヒートパイプ１０１の平面図を示す。このときは、第１フィン５と第２フィン６は同じピッチで並んでいる。次に、ヒートパイプ１０１の第１平坦部２ａと第２平坦部２ｂに、フィンの長手方向に直交する方向で相互に逆向きの荷重Ｆを加える。荷重Ｆを加え、第２平坦部２ａと第２平坦部２ｂがその境界で塑性変形を生じた様子を図８に示す。第１フィン５と第２フィン６が相互に１／２ピッチ（１／２Ｐｔ）だけずれるまで、荷重Ｆを加える。ここで、ピッチＰｔは、第１フィン５のフィンピッチ（隣接するフィンの間の距離）を表す。なお、第２フィン６のフィンピッチも同じＰｔである。

最後に、平坦なヒートパイプ１０１がＬ字型となるように、第２平坦部２ｂを折り曲げる（図９参照）。第１フィン５と第２フィン６は、相互に１／２ピッチずれているので、第２平坦部２ｂを折り曲げると、第１フィン５と第２フィン６は、交互に入れ違いに重なる。ここで、第１フィン５の側端が第２平坦部２ｂに接し、第２フィン６の側端が第１平坦部２ａに接するまで、第２平坦部２ｂを折り曲げる。折り曲げたのち、第１フィン５の側端と第２平坦部２ｂを接合し、第２フィン６の側端部と第１平坦部２ａを接合する。この接合には、例えばロウ付け、摩擦撹拌接合、超音波接合などが採用される。こうして、図１に示したＬ字型の冷却器１００が完成する。

（第２実施例）次に、第２実施例の冷却器２００について説明する。第１実施例の冷却器１００は、第１平坦部２ａから立設する第１フィン５の側端が第２平坦部２ｂに接しており、第２平坦部２ｂから立設する第２フィン６の側端が第１平坦部２ａに接していた。第２実施例の冷却器２００では、フィンの側端部とこれに対応する平坦部を面接触させ、接触面積を増大させる。

冷却器２００の製造方法は、図６の状態までは、第１の冷却器１００の製造方法と同じである。即ち、平坦なヒートパイプ１０１に、一列の共通フィンを形成し、これを２つに分断して第１フィンと第２フィンを形成する。図１０に、次の工程を示す。第２実施例では、第１フィン２０５の側端２０５ａ（第２平坦部２ｂ側の側端）をほぼ９０度折り曲げる。同様に、第２フィン２０６の側端２０６ａ（第１平坦部側の側端）をほぼ９０度折り曲げる。最後に、平坦なヒートパイプ１０１がＬ字型となるように、第１平坦部２ａに対して第２平坦部２ｂを略９０度折り曲げる。完成した冷却器２００の斜視図を図１１に示す。図１２では、複数の第２フィン２０６の内、最も手前の一枚だけ、見えない部分を隠れ線で描いてある。第１フィン２０５の側端２０５ａは折り曲げられているので、側端２０５ａの外側面が第２平坦部２ｂと面接触する。同様に。第２フィン２０６の側端２０６ａは折り曲げられているので、側端２０６ａの外側面が第１平坦部２ａと面接触する。

冷却器２００では、フィンの側端が折り曲げられ、対応する平坦部と面接触するので、熱の伝達効率が向上するという利点である。また、ヒートパイプを折り曲げる工程では、ヒートパイプを塑性変形させるので、成形精度が高くはないが、フィンの側端を折り曲げることで、高くない精度であっても十分にフィンの側端と平坦部を接触させることができる。

実施例の冷却器に関する留意点を述べる。押出成形、鋳造、鍛造などの製造方法でフィンが一体化したヒートパイプを製造する際、金型の制約などによりフィンピッチを小さくするには限界がある。他方、押出成形、鋳造、鍛造などの製造方法で製造するヒートパイプは、アルミニウムや銅などの比較的柔らかい金属で肉厚の薄いパイプであることが多い。即ちヒートパイプは比較的に変形させ易い。そこで、実施例が開示する技術の一つは、フィンが一体化した平板状のヒートパイプを製造した後にヒートパイプ本体自体を変形させてフィンピッチを小さくするものである。

実施例のヒートパイプ２は、Ｌ字の両端に亘って伸びる複数の平行な流路３を有していた。複数の流路の幾つかを連結し、ヒートパイプの両端の間を往復する流路を形成してもよい。そのような流路を採用すると、自励振動式のヒートパイプを構成することができる。ヒートパイプの技術で良く知られているように、流路の内部にウィックを入れることも好適である。第１フィンあるいは第２フィンは、全てが双方の平坦部に接触していることが好ましい。しかしながら、第１フィンと第２フィンの全てが双方の平坦部に接触していなくとも、第１フィンと第２フィンとが交互に入り組んでいることで、フィンの密度が高まるという利点は得られる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ヒートパイプ
２ａ、２ｂ：平坦部
３：流路
５、６：フィン
５ａ、６ａ：側端
１０：成形型
１２：射出孔
１００、２００：冷却器
１０１：平坦ヒートパイプ
１０２：多穴管
１０４：共通フィン
１３０：貫通孔

Claims (9)

1. 平板状のヒートパイプの表面に、相互に平行な複数の第１フィンと、第１フィンの列と横並びに配置されており、第１フィンと平行であるがピッチをずらして配置されている第２フィンと、を形成する工程と、
   第１フィンと第２フィンが交互に重なるように、第１フィンが立設している第１平坦部に対して第２フィンが立設している第２平坦部を折り曲げる工程と、
   を備えることを特徴とする冷却器の製造方法。
2. 相互にピッチがずれている第１フィンと第２フィンを形成する工程は、
   平板状のヒートパイプの上面に相互に平行な共通フィンを形成する工程と、
   全ての共通フィンの一部をその並び方向に切除し、一列の共通フィンを第１フィンと第２フィンの２列に分断する工程と、
   第１フィンと第２フィンのピッチがずれるように、第１平坦部と第２平坦部とに相互に逆向きの面内方向の荷重を加え、ヒートパイプをその平面内で塑性変形させる工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. ヒートパイプの外郭とフィンを押し出し成形によって同時に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 第１フィンと第２フィンの少なくとも一方のフィンは、その２辺で第１平坦部と第２平坦部の双方に接していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 第２平坦部を屈曲させるのに先立って、第１フィンと第２フィンの少なくとも一方のフィンの側端部を折り曲げる工程をさらに備えており、
   第２平坦部を折り曲げる工程では、フィン側端部の折り曲げた面が相対する平坦部に当接するまで第２平坦部を折り曲げることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
6. 略Ｌ字状に屈曲したヒートパイプと、
   相互に平行な複数のフィンであって前記ヒートパイプのＬ字の水平面を構成する第１平坦部から立設する第１フィンと、
   相互に平行な複数のフィンであってヒートパイプのＬ字の垂直面を構成する第２平坦部から立設しており、第１フィンと交互に重なっている第２フィンと、
   を備えていることを特徴とする冷却器。
7. 第１フィンの側端は第２平坦部に接しており、第２フィンの側端は第１平坦部に接触していることを特徴とする請求項６に記載の冷却器。
8. 第１フィンは、
   第１平坦部と一体に成形されおり、
   第２平坦部と対向する側の側端部が折れ曲がっており、
   折れ曲がった部分の表面が第２平坦部と面接触している、
   ことを特徴とする請求項６に記載の冷却器。
9. 第２フィンは、
   第２平坦部と一体に成形されおり、
   第１平坦部と対向する側の側端部が折れ曲がっており、
   折れ曲がった部分の表面が第１平坦部と面接触している、
   ことを特徴とする請求項６又は８に記載の冷却器。

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