JP2014109401A - ヒートパイプとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、ウィックをヒートパイプの筐体壁の内面に適切に密着させ、冷却効率の向上を図る技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示するヒートパイプ２は、内部にウィック４を備える。そのウィック４は、ヒートパイプ２の筐体外面に定められた冷却対象取付領域３ａに対応する筐体壁内面領域に接合されている。温度が高くなる冷却対象取付領域の裏側でウィックを接合することで、冷却対象の熱をウィックへ伝わり易くする。別言すれば、ヒートパイプの熱抵抗を低下させる。また、冷却対象取付領域３ａの周囲では、ヒートパイプ筐体壁とウィックが過度に密着せず、作動液の流れを阻害しない。上記の構造は、ヒートパイプの熱抵抗の低減と作動液の移動し易さを両立する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートパイプとその製造方法に関する。特に、内部にウィックを備えるヒートパイプとその製造方法に関する。

ヒートパイプの冷却効率を向上させるため、ウィックと呼ばれる、多孔質材や金網状の金属をヒートパイプ内部に配置することがある。ウィックは、毛細管現象を利用して作動液を移動させる部品である。特許文献１〜４に、ウィックを内蔵するヒートパイプの例が開示されている。

ウィックがヒートパイプ内部でねじれたり移動したりしないように、ウィックをヒートパイプ筐体壁の内面に接合する場合がある。特許文献３には、拡散接合法にてウィックをヒートパイプの筐体壁の内面に接合する技術が開示されている。特許文献４には、ウィックを筐体壁内面に半田付けする技術が開示されている。

特開２０００−１６１８７８号公報 登録実用新案第３０６２４５９号公報 特開２０１１−２４７４６２号公報 特開２００２−２８６３８４号公報

ウィックはヒートパイプの筐体壁の内面に適度に密着しているのがよい。密着していないとケースの熱がウィックに伝わり難くなり、冷却効率が悪くなる。しかしながら、逆に密着し過ぎると作動液の移動を阻害し、やはり冷却効率が悪化する。本明細書は、ウィックをヒートパイプの筐体壁の内面に適切に密着させ、冷却効率の向上を図る技術を提供する。

本明細書が開示するヒートパイプの一実施形態は、筐体内面の所定の領域であってヒートパイプの筐体外面に定められた冷却対象取付領域に対応する筐体壁内面領域の中でウィックが接合されている。別言すれば、ヒートパイプの筐体壁の冷却対象取付領域の裏側でウィックが接合されている。このヒートパイプは、温度が高くなる冷却対象取付領域の裏側でウィックを接合することで、冷却対象の熱をウィックへ伝わり易くする。別言すれば、ヒートパイプの熱抵抗を低減する。また、冷却対象取付領域の周囲では、ヒートパイプ筐体壁とウィックが過度に密着せず、作動液の流れを阻害しない。上記の構造は、ヒートパイプの熱抵抗の低減と作動液の移動し易さを両立する。なお、本明細書が開示する技術は、冷却対象取付領域の裏側の領域に加えて冷却対象取付領域の裏側以外の位置でウィックが筐体内壁と接合されることを排除するものではない。

本明細書が開示するヒートパイプは、さらに、ウィックが、冷却対象取付領域の略中央に対応する筐体壁内面の位置で接合されているとよい。別言すれば、ウィックが、冷却対象取付領域の略中央の裏側で接合されているとよい。冷却対象取付領域の中でも略中央がその周囲よりも比較的に温度が高く、その裏側でウィックが接合されていれば、ウィックへの熱移送量が大きくなるからである。

ウィックの好適な一例は金網であり、また、接合の好適な一例は溶接である。

本明細書は、また、上記したヒートパイプの製造方法も提供する。その方法は、ウィックに、周囲よりも気孔率の低い領域を形成する工程と、気孔率の低い領域を筐体壁に溶接する工程と、を備える。溶接する工程は、より詳しくは、気孔率の低い領域を、筐体壁内面の領域であって、ヒートパイプの筐体外面に定められた冷却対象取付領域に対応する筐体壁内面領域内で溶接する。なお、気孔率の低い領域の全部を筐体壁に溶接する必要はない。気孔率の低い領域内の一部が筐体壁に溶接されればよい。また、「気孔率」とは、金網や多孔質材などにおける、空洞の割合を意味する。気孔率の一つの計算式は、［空隙の体積／その物体の全体積］で表される。気孔率が高いと、溶接時にウィックとヒートパイプ筐体壁の間の電気抵抗が高くなり、溶接不良を起こしやすい。そこで、予め周囲よりも気孔率を低くした場所を形成し、そこを溶接することで溶接不良を抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

図１（Ａ）は、実施例のヒートパイプの平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視における断面図である。 図１（Ｂ）の破線IIで囲んだ範囲の拡大図である。 ヒートパイプの製造方法を説明する図である。図３（Ａ）は初期のウィックを示す。図３（Ｂ）は、一部の厚みを圧縮したウィックを示す。図３（Ｃ）は、筐体壁にウィックを溶接する様子を示す。図３（Ｄ）は、溶接後のヒートパイプの部分断面図を示す。 ヒートパイプの別の製造方法を説明する図である。図４（Ａ）は初期のウィックを示す。図４（Ｂ）は、一部に金属粉を充填した状態のウィックを示す。図４（Ｃ）は、筐体壁にウィックを溶接する様子を示す。図４（Ｄ）は、溶接後のヒートパイプの部分断面図を示す。 図５（Ａ）は、変形例のヒートパイプの部分断面図を示す。図５（Ｂ）は、ウィックの平面図を示す。

図面を参照して実施例のヒートパイプを説明する。図１にヒートパイプ２の模式図を示す。図１（Ａ）は、ヒートパイプ２の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１のＢＢ線矢視における断面図を示す。ヒートパイプ２は、密閉された内部空間を有する平板状の筐体３を有する。図１では符号Ｃが内部空間を示している。筐体３の一方の面に冷却対象が取り付けられ、他方の面には冷却効果を促進するためのフィン５が取り付けられている。冷却対象は、例えば半導体チップである。図１（Ｂ）において符号９０が示す仮想線（２点鎖線）が、冷却対象である半導体チップを示している。冷却対象を取り付ける領域は、予め定められている。図１（Ａ）の符号３ａが示す破線が、その領域を示している。その領域は、例えば、チップ取り付け用のネジ孔９で囲まれた領域として定めることができる。本明細書では、ヒートパイプ２の筐体外面において、冷却対象を取り付ける予定の領域を冷却対象取付領域３ａと称する。

筐体３の内部には、作動液とウィック４が封止されている。作動液は、水やアンモニアなど、不活性の液体が用いられることが多い。なお、図では、作動液の図示は省略している。

ウィック４は、金網状、あるいは、多孔質化した金属である場合が多く、その材料には、熱伝導率の高い銅が用いられることが多い。本実施例におけるウィックは、銅の金網である。ウィック４は、毛細管現象を利用し、凝縮した作動液を熱源部に還流させる役割を担う。それゆえ、ウィック４は、冷却対象に相当する位置（熱源部）から作動液が冷却される位置にわたって拡がっている。図１の例では、熱源部から最も遠い内部空間Ｃの両端が冷却位置に相当する。図１（Ａ）では、ウィック４は、筐体内の一つの面のほぼ全域にわたって拡がっている。なお、図１では、ウィック４が筐体空洞内の上側に位置しているが、使用時には、筐体空洞内にてウィック４が鉛直下方となるようにヒートパイプ２が配置される。

ウィック４は、筐体壁７の内面７ａにおいて、冷却対象取付領域３ａに対応する領域内で筐体壁７に接合されている。別言すれば、ウィック４は、冷却対象取付領域３ａの筐体壁裏面領域で接合されている。より詳しくは、ウィック４は、冷却対象取付領域３ａの略中央に対応する位置で筐体壁７に接合される。ウィック４は溶接にて接合される。図２の符号６は、接合部を示している。接合部６では、半田材にて、ウィック４の金網が筐体壁内面７ａに固着される。

冷却対象取付領域３ａは、冷却対象の熱が最初に伝わる場所であり、冷却対象から受ける熱量が最も大きい場所である。ウィック４は、その冷却対象取付領域３ａの裏側で筐体壁７に接合しているので、多くの熱量がウィック４へ移動する。即ち、実施例のヒートパイプ２は、熱抵抗が低く、冷却効率が良い。

接合部６の周囲では、筐体壁内面７ａとウィック４の間には僅かな隙間Ｓｐが形成される。隙間Ｓｐの大きさは、１．０〜１００ミクロン程度である。毛細管現象の際、ウィック４の中だけでなく、この隙間Ｓｐを通じて、作動液は、低温領域から高温領域へと移動する。即ち、ヒートパイプ２は作動液が移動し易く、この点においても冷却効率がよい。

図１（Ａ）に示されているように、ヒートパイプ２には、４箇所の冷却対象取付領域３ａが規定されており、それぞれの冷却対象取付領域３ａの略中心の裏側の位置でウィック４が筐体壁内面７ａに接合される。複数の位置でウィック４を筐体壁７に接合することで、ウィック４が筐体壁内面から離れたり捻れたりすることが防止される。なお、ウィック４の縁が筐体壁７から離れないように、平面状のウィック４の縁や角にも筐体壁との接合部を設けてもよい。

次に、図３を参照してヒートパイプの一つの製造方法を説明する。まず、平面状のウィック４を準備する（図３（Ａ））。前述したように、ウィック４は、銅の金網であり、内部には多くの空隙が存在する。その一部をプレスし、厚みを薄くする（図３（Ｂ））。例えば、初期のウィックの厚みをＴ１とし、プレス後のウィックの厚みをＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２となる。初期のウィックの厚みをＴ１は、厚みを薄くした領域の周囲の領域の厚みに相当する。従って、ウィック４の一部の厚みを薄くすることは、別言すれば、ウィックに窪みを設けることに相当する。

厚みを薄くすると、ウィック内の空隙の体積が減少する。即ち、厚みが薄い領域では、気孔率が周囲よりも低くなる。その領域を低気孔率領域４ａと称する。次に、ウィック４を筐体壁７の内側面に当てる。この低気孔率領域４ａが、冷却対象取付領域３ａの裏側に位置するようにウィック４を配置する（図３（Ｃ））。そうして、溶接棒１３を低気孔率領域４ａに近づけて、ウィック４を筐体壁７の内面７ａに溶接する（図３（Ｃ）−（Ｄ））。最後に、内部空間に作動液を注入して封止し、ヒートパイプ２が完成する。溶接には、例えばアーク溶接法やスポット溶接法が用いられる。接合部６は、冷却対象取付領域３ａに対応する筐体壁内面の領域に形成される。なお、接合部６の周囲では、ウィック４と筐体壁内面との間に隙間Ｓｐが形成される。隙間Ｓｐの大きさは、前述したように、０．１〜１００ミクロン程度である。

上記の製造方法には、次の利点がある。ウィック４は金網であり、内部に多くの空隙が存在する。空隙が多いと、ウィック４の電気抵抗が高く、溶接の際にウィック４と筐体壁７との間で放電が十分に行われない可能性がある。十分な放電が行われないと、溶接不良が生じる虞がある。上記の方法では、予めウィック４の気孔率を低くしておくので、溶接不良が生じ難い。

次に、図４を参照してヒートパイプの別の製造方法を説明する。まず、平面状のウィック４を準備する（図４（Ａ））。ウィック４は、銅の金網である。次に、溶接予定の領域に金属粉あるいは金属ペーストを充填する（図４（Ｂ））。図４（Ｂ）にてグレーのハッチングを施した領域が、金属粉あるいは金属ペーストを充填した領域である。金属粉あるいは金属ペーストは、ウィック４と同種の材料であることが好ましい。ウィック４が銅製である場合、充填する金属粉も銅粉であることが好ましい。銅を充填した領域を金属粉充填領域４ｂと称する。次に、金属粉充填領域４ｂが、冷却対象取付領域３ａの裏側に位置するように、ウィック４を筐体壁７の内面７ａに配置する（図４（Ｃ））。そうして、溶接棒１３を金属粉充填領域４ｂに近づけて、ウィック４を筐体壁７の内面７ａに溶接する（図４（Ｃ）−（Ｄ））。こうして、接合部６は、冷却対象取付領域３ａに対応する筐体壁内面領域に形成される。最後に、内部空間に作動液を注入して封止し、ヒートパイプ２ａが完成する。

金網の隙間に金属粉を充填することによって気孔率が低下する。従って、図４の製造方法も、図３の製造方法と同様に、溶接不良が生じ難いという利点を有する。

図５を参照してさらに別の製造方法を説明する。この方法では、孔４ｃ設けたウィック４を準備する（図５（Ｂ））。そして、孔４ｃが冷却対象取付領域３ａの裏側に位置するように、ウィック４を筐体壁７の内面７ａに配置する。このとき、孔４ｃが筐体壁７の冷却対象取付領域３ａの裏側に位置するようにウィック４を配置する。より詳しくは、孔４ｃが筐体壁７の冷却対象取付領域３ａの略中央の裏側に位置するようにウィック４を配置する。そして、孔４ｃの縁を筐体壁７に溶接する（図５（Ａ））。最後に、内部空間に作動液を注入して封止し、ヒートパイプ２ｂが完成する。この方法は、孔４ｃの縁を筐体壁７に溶接するので、ウィックを強固に接合できるという利点を有する。

実施例で説明した技術について留意点を述べる。ウィック４は、冷却対象取付領域が設けられた筐体一面の裏側全体に拡がっているのがよい。ウィックは、複数の位置で筐体壁内面に接合するのがよい。図１の例の場合、ウィックは４箇所で接合されている。その４箇所は全て、筐体壁７を挟んで冷却対象取付領域３ａの略中央の裏側の位置である。そのようなヒートパイプ２では、取り付けられた全ての冷却対象の中央裏側でウィック４が筐体壁に接合しているので、全ての冷却対象から熱がウィック４へ効率よく移送される。なお、冷却対象取付領域３ａの裏側に加えて、ウィック４は別の位置で筐体壁に接合されていてもよい。また、本明細書が開示する技術は、全ての冷却対象取付領域３ａの裏側でウィック４が接合されている必要はない。

ウィックは金網が好ましいが、金網に限られてない。熱伝導率が高く多孔質であればよい。本明細書が開示する技術は、他の従来のヒートパイプに用いられるウィックを利用することができる。

本明細書が開示した技術によるヒートパイプを冷却対象に取り付けたデバイスは、次のように表現することができる。そのようなデバイスは、別言すればヒートパイプ付きデバイスである。ヒートパイプ付きデバイスは、ヒートパイプの筐体壁の内面に部分的にウィックが接合しており、その接合部が、ヒートパイプの筐体壁を挟んで冷却対象のデバイスの裏側に位置している。そして、少なくとも接合部の周囲には、筐体壁内面とウィックの間に隙間が設けられている。図１（Ｂ）の破線９０が冷却対象（デバイス）に相当し、例えば半導体チップである。

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、２ａ、２ｂ：ヒートパイプ
３：筐体
３ａ：冷却対象取付領域
４：ウィック
４ａ：低気孔率領域
４ｂ：金属粉充填領域
４ｃ：孔
５：フィン
６：接合部
７：筐体壁
７ａ：筐体壁内面
９：ネジ孔
１３：溶接棒
９０：冷却対象
Ｃ：内部空間
Ｓｐ：隙間

Claims (4)

1. 内部にウィックを備えたヒートパイプであり、
   筐体壁内面の領域であって、ヒートパイプの筐体外面に定められた冷却対象取付領域に対応する筐体壁内面領域内でウィックが接合されていることを特徴とするヒートパイプ。
2. ウィックが、冷却対象取付領域の略中央に対応する筐体壁内面位置で接合されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. ウィックは金網であり、溶接でヒートパイプに接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ。
4. 請求項１から３のいずれか１項のヒートパイプを製造する方法であり、
   ウィックに、周囲よりも気孔率の低い領域を形成する工程と、
   前記領域を筐体壁に溶接する工程と、
   を備えることを特徴とするヒートパイプの製造方法。

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