JP2021181872A - ヒートパイプ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で熱輸送効率の高いヒートパイプ及びその製造方法を提供する。【解決手段】ヒートパイプ１は、作動媒体と、作動媒体を輸送する多孔質のウィック構造体２０と、を内部空間１０ａに収容する管状のコンテナ１０を備える。コンテナは、コンテナの延びる方向である延伸方向に垂直な断面において、上下方向に対向する底壁部１１及び上壁部１２と、一対の側壁部１３と、を有する。側壁部は、底壁部の両側端部及び上壁部の両側端部をそれぞれ連結する。ウィック構造体は、下部ウィック構造体２１と、一対の側部ウィック構造体２３と、を有する。下部ウィック構造体は、底壁部に接触して形成され、上面が前記内部空間に臨んで配置される。側部ウィック構造体は、下部ウィック構造体の両側端から側壁部に沿って上方に延びる。【選択図】図２

Description

本発明は、熱伝導部材であるヒートパイプ及びその製造方法に関する。

従来のヒートパイプは、水などの作動媒体と、ウィック構造体と、コンテナと、を備える。コンテナは、管状に形成され、作動媒体と、ウィック構造体と、を収容する。ウィック構造体は、コンテナの内周面の上部及び下部から上下方向に対向して形成される。

コンテナは、発熱体と接触して配置される。作動媒体は、発熱体によって加熱されてウィック構造体の長手方向に延びた側面部から気化する。気化した蒸気は、ヒートパイプの内部を放熱側に移動する。放熱側では、放熱によって蒸気が冷却され、液化する。液体となった作動媒体は、毛細管現象によってウィック構造体中を発熱体側に移動する。これにより、発熱体側から放熱側に熱が輸送される（例えば、国際公開ＷＯ２０１７／１１５７７１号参照）。

国際公開ＷＯ２０１７／１１５７７１号

しかしながら、上記のようなヒートパイプは、コンテナの内部空間が、ウィック構造体により仕切られており、蒸気の流路が狭められている。このため、熱輸送効率が低下する問題があった。また、ヒートパイプを薄型化した場合に、ウィック構造体の側面部の面積が小さくなる。このため、作動部材が、蒸発し難くなり、熱輸送効率が低下する問題があった。

本発明は、薄型で熱輸送効率の高いヒートパイプ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の例示的なヒートパイプは、作動媒体と、作動媒体を輸送する多孔質のウィック構造体と、を内部空間に収容する管状のコンテナを備える。コンテナは、コンテナの延びる方向である延伸方向に垂直な断面において、上下方向に対向する底壁部及び上壁部と、一対の側壁部と、を有する。側壁部は、底壁部の両側端部及び上壁部の両側端部をそれぞれ連結する。ウィック構造体は、下部ウィック構造体と、一対の側部ウィック構造体と、を有する。下部ウィック構造体は、底壁部に接触して形成され、上面が前記内部空間に臨んで配置される。側部ウィック構造体は、下部ウィック構造体の両側端から側壁部に沿って上方に延びる。

本発明の例示的なヒートパイプの製造方法は、塗布工程と、金属粉体加熱工程と、コンテナプレス工程と、封止工程と、を含む。塗布工程は、金属粒子と、揮発性の樹脂と、を含む金属粉体を、円管状のコンテナの内周面に塗布する。金属粉体加熱工程は、金属粉体をコンテナとともに加熱することにより、コンテナの内周面上に多孔質のウィック構造体を形成する。コンテナプレス工程は、コンテナを上下方向からプレスすることにより、コンテナを延伸方向に垂直な断面において扁平型に形成する。封止工程は、コンテナ内部のウィック構造体を作動媒体とともに封止する。

本発明によると、薄型化で熱輸送効率の高いヒートパイプを提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートパイプの概略の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るヒートパイプを模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係るヒートパイプの製造方法を説明する説明図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートパイプを模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係るヒートパイプの製造方法を説明する説明図である。

以下、本発明の例示的な実施形態に係る熱伝導部材としてのヒートパイプ１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面においては、適宜、３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、鉛直方向（すなわち上下方向）を示し、＋Ｚ方向が上方（重力方向の反対側）であり、−Ｚ方向が下方（重力方向）である。Ｚ軸方向は、後述する底壁部１１と上壁部１２との対向方向でもある。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｘ方向および−Ｘ方向とする。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の両方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｙ方向および−Ｙ方向とする。

＜第１実施形態＞
（１．ヒートパイプの構成）
図１は、一実施形態のヒートパイプ１の概略の構成を示す断面図であり、図２は、ヒートパイプ１を模式的に示す断面図である。図２は、ヒートパイプ１の延びる方向である延伸方向（Ｘ軸方向）に垂直な断面を示す。ヒートパイプ１は、発熱体Ｈの熱を輸送する熱伝導部材である。発熱体Ｈとしては、例えば、熱を発する電子部品またはその電子部品を搭載する基板が挙げられる。発熱体Ｈは、ヒートパイプ１による熱の輸送によって冷却される。ヒートパイプ１は、例えば、スマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータなどの、発熱体Ｈを有する電子機器に搭載される。

ヒートパイプ１は、被加熱部１０１と、放熱部１０２と、を備える。被加熱部１０１は、例えば発熱体Ｈと接して配置され、発熱体Ｈが発する熱によって加熱される。放熱部１０２は、被加熱部１０１で加熱された後述の作動媒体３０が有する熱を外部に放出する。また、放熱部１０２には放熱性を向上させるために、放熱フィンやヒートシンク等の熱交換手段（図示せず）が熱的に接続される。

ヒートパイプ１は、コンテナ１０と、作動媒体３０と、ウィック構造体２０と、を備える。被加熱部１０１は、コンテナ１０の一部により形成される。放熱部１０２は、コンテナ１０の他の一部により形成される。
（２．コンテナの構成）

コンテナ１０は、扁平型の管状に形成され、銅等の金属で形成される。コンテナ１０は、銅以外の金属により形成されてもよい。また、コンテナ１０は、内周面に銅メッキを施すことにより、他の金属と組み合わせて形成されてもよい。銅以外の金属としては、例えばステンレス鋼が考えられる。

コンテナ１０は、底壁部１１、上壁部１２、及び一対の側壁部１３を有する。底壁部１１及び上壁部１２は、平坦状であり、Ｚ軸方向に対向して配置される。すなわち、コンテナ１０は、延伸方向（Ｘ軸方向）に垂直な断面において、上下方向（Ｚ軸方向）に対向する底壁部１１及び上壁部１２と、底壁部１１の両側端部及び上壁部１２の両側端部をそれぞれ連結する一対の側壁部１３と、を有する。

底壁部１１の下面には発熱体Ｈ（図１参照）が接触する。底壁部１１を平坦状に形成することにより、底壁部１１の下面と発熱体Ｈとの接触面積を大きくすることができる。従って、発熱体Ｈの発熱は、底壁部１１に、効率良く伝達される。なお、発熱体Ｈの形状に応じて、底壁部１１の形状を変更してもよい。

側壁部１３は、上壁部１２の両側端部と、底壁部１１の両側端部と、をそれぞれ連結する。側壁部１３の上端部と下端部は径方向外側に凸に湾曲して形成される。コンテナ１０のＺ軸方向の厚みは、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成される。

コンテナ１０は、底壁部１１、上壁部１２及び側壁部１３で囲まれる内部空間１０ａを有する。作動媒体３０及びウィック構造体２０は、内部空間１０ａに配置される。液化した作動媒体３０は、多孔質のウィック構造体２０中を移動する。気化した作動媒体３０は、内部空間１０ａを移動する。すなわち、管状のコンテナ１０は、作動媒体３０と、作動媒体３０を輸送する多孔質のウィック構造体２０と、を内部空間１０ａに収容する。

内部空間１０ａは、密閉空間であり、例えば大気圧よりも気圧が低い減圧状態に維持される。内部空間１０ａが、減圧状態であることにより、内部空間１０ａに収容される作動媒体３０が、蒸発し易くなる。作動媒体３０は、例えば水であるが、アルコールなどの他の液体であってもよい。ウィック構造体２０は、作動媒体３０を輸送する多孔質の銅の焼結体で構成される。

（３．ウィック構造体の構成）
ウィック構造体２０は、多孔質であり、作動媒体３０の流路を形成する空隙部（不図示）を有する。ウィック構造体２０は、コンテナ１０の延伸方向（Ｘ軸方向）に延びる。ウィック構造体２０のコンテナ１０の内周面からの径方向の厚みは、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である。

ウィック構造体２０は、底壁部１１の内面から側壁部１３の内面に跨って均一の厚みで形成され、下部ウィック構造体２１と、一対の側部ウィック構造体２３、とを有する。下部ウィック構造体２１は、底壁部１１に接触して形成され、上面が内部空間１０ａに臨んで配置される。側部ウィック構造体２３は、底壁部１１の両側端から側壁部１３に沿ってそれぞれ上方に延びる。なお、本明細書において、内部空間１０ａに「臨む」とは、内部空間１０ａと「向かい合う」ことを指す。

下部ウィック構造体２１は、上面に作動媒体３０の気化面２１ａが形成される。気化面２１ａは、内部空間１０ａに臨んで配置されており、コンテナ１０をＺ軸方向に薄型化した場合でも、気化面２１ａの面積は変わらない。このため、ヒートパイプ１を薄型化しながら熱輸送効率の低下を低減できる。

また、下部ウィック構造体２１は、上壁部１２と非接触であり、内部空間１０ａの蒸気流路が、ウィック構造体２０により遮られない。

側部ウィック構造体２３は、側壁部１３の内面に接触して、側壁部１３を補強する。これにより、側壁部１３は、Ｚ軸方向の押圧に対して屈曲し難い。したがって、コンテナ１０の変形を防ぐことができる。これにより、内部空間１０ａの蒸気流路が狭められて熱輸送効率が、低下することを防止できる。

また、側部ウィック構造体２３の上端部２３ａは、側壁部１３から径方向内側に離れて形成される。コンテナ１０の上壁部１２が下方に押圧されて側壁部１３が外方に凸に屈曲した場合に、側壁部１３の上部内面が上端部２３ａに接触して支持される。これにより、蒸気の流路が確保され、熱輸送効率の低下を低減できる。

ウィック構造体２０は、例えば、マイクロ銅粒子、銅体及び樹脂を含む金属粉体４０（図３参照）をコンテナ１０の内周面に吹き付け塗布した後に焼成することにより形成される。なお、本明細書において、「塗布」とは、コンテナ１０の内周面に金属粉体４０を付着させることを指す。吹き付け塗布する方法以外に、金属粉体４０を直接塗布してもよい。また、コンテナ１０の内部に芯棒を挿入し、芯棒の外周面とコンテナ１０の内周面との間に形成される隙間に金属粉体４０を充填してもよい。このとき、金属粉体４０の充填後に芯棒をコンテナ１０から引き抜くことにより、コンテナ１０の内周面に金属粉体４０を付着させることができる。

マイクロ銅粒子は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。マイクロ銅粒子の粒径は、１μｍ以上１ｍｍ未満である。マイクロ銅粒子は、例えば多孔質である。

銅体は、マイクロ銅粒子よりも小さいサブマイクロ銅粒子が焼結により溶融して固まった銅溶融体である。サブマイクロ銅粒子は、複数の銅原子が凝集または結合した粒子である。溶融前のサブマイクロ銅粒子の粒径は、０．１μｍ以上１μｍ未満である。

樹脂は、マイクロ銅粒子および銅体を構成する銅の融点以下の温度で揮発する揮発性の樹脂である。このような揮発性の樹脂としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロースなどのセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。これらの中では、熱分解性の高いアクリル樹脂を用いることが好ましい。

（４．ヒートパイプの製造方法）
図３は、ヒートパイプ１の製造方法を説明する説明図である。ヒートパイプ１の製造方法は、塗布工程と、金属粉体加熱工程と、コンテナプレス工程と、封止工程と、を含む。

（４−１．塗布工程）
塗布工程では、金属粉体４０を、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の均一の厚さで真円管形状のコンテナ１０の内周面下部の周方向所定範囲に吹き付け塗布する（図３参照）。金属粉体４０は、金属粒子と、揮発性の樹脂と、を含む。金属粒子は、上述した複数のマイクロ銅粒子と、複数のサブマイクロ銅粒子と、を含む。

（４−２．金属粉体加熱工程）
金属粉体加熱工程では、塗布工程で塗布した金属粉体４０を、コンテナ１０とともに加熱炉に入れて加熱する。このときの加熱温度は、例えば４００℃であり、加熱時間は例えば１時間である。金属粉体４０の加熱により、金属粉体４０に含まれる樹脂が揮発するとともに、サブマイクロ銅粒子が焼結によって溶融し、焼き固められる。これにより、コンテナ１０の内周面上に多孔質のウィック構造体２０が形成される。

（４−３．コンテナプレス工程）
コンテナプレス工程では、金属粉体加熱工程で、ウィック構造体２０の周方向中央部を下方に配してコンテナ１０をＺ軸方向（上下方向）から挟んでプレスする。これにより、延伸方向に垂直な断面において、コンテナ１０が、扁平型に形成され、底壁部１１、上壁部１２及び側壁部１３が形成される。なお、側部ウィック構造体２３の上端部２３ａは、コンテナ１０をプレスする際に側壁部１３の湾曲に追従できず、側壁部１３から離れて形成される（図２参照）。従って、側壁部１３から径方向内側に離れた上端部２３ａを容易に形成することができる。

（４−４．封止工程）
封止工程では、コンテナ１０内部のウィック構造体２０を作動媒体３０とともに封止する。これにより、ヒートパイプ１が完成する。

（５．ヒートパイプの動作）
上記の構成のヒートパイプ１では、発熱体Ｈで発生した熱により、被加熱部１０１が加熱される。被加熱部１０１の温度が上昇すると、コンテナ１０の内部空間１０ａに収容された作動媒体３０が気化する。気化した蒸気は、内部空間１０ａを放熱部１０２側に移動する。放熱部１０２では、放熱によって蒸気が冷却されて液化する。液化した作動媒体３０は、毛細管現象によってウィック構造体２０中を被加熱部１０１に向かって移動する。なお、図１では、作動媒体３０が気化した蒸気の流れを黒矢印で示し、液体の作動媒体３０の流れを白抜き矢印で示す。上記のように作動媒体３０が状態変化を伴いながら移動することにより、被加熱部１０１側から放熱部１０２側への熱輸送が連続的に行われる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るヒートパイプ１を模式的に示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図３に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。第２実施形態ではウィック構造体２０の形状が第１実施形態とは異なる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

ウィック構造体２０は、上部ウィック構造体２２を有する。上部ウィック構造体２２は、側部ウィック構造体２３の上端から上壁部１２の下面に沿って径方向内側に延びる。上部ウィック構造体２２を形成することにより、ウィック構造体２０全体の表面積が大きくなり、作動媒体３０の気化を促進して熱輸送効率を向上させることができる。また、上部ウィック構造体２２を形成することにより、側部ウィック構造体２３と、側壁部１３の内面との接触面積が大きくなり、側壁部１３がより補強される。これにより、側壁部１３がＺ軸方向の押圧に対してより屈曲し難くなる。

また、下部ウィック構造体２１の上面は、上に凸に形成され、Ｙ軸方向中央部に向かうに従って厚みが大きく形成される。これにより、下部ウィック構造体２１のＹ軸方向中央部においてウィック構造体２０の空隙率が高くなり、ウィック構造体２０内を作動媒体３０がスムーズに流通する。これにより、発熱体Ｈを下部ウィック構造体２１のＹ軸方向中央部とＺ軸方向に対向して配置することにより、作動媒体３０による熱輸送効率を向上させることができる。

図５は、ヒートパイプ１の製造方法を説明する説明図であり、塗布工程において、金属粉体４０は、径方向の厚みを、コンテナ１０の下端部に向かうに従って大きく形成される。これにより、コンテナプレス工程において、コンテナ１０をＺ軸方向（上下方向）から挟んでプレスすることにより、底壁部１１において、下部ウィック構造体２１の上面が、上に凸に容易に形成される。また、下部ウィック構造体２１は、Ｙ軸方向中央部に向かうに従って厚みが大きく形成される。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。また、上記実施形態やその変形例は適宜任意に組み合わせることができる。

本発明のヒートパイプは、例えば電子機器に搭載される基板または電子部品の放熱用の部材として利用可能である。

１ ヒートパイプ
１０ コンテナ
１０ａ 内部空間
１１ 底壁部
１２ 上壁部
１３ 側壁部
２０ ウィック構造体
２１ 下部ウィック構造体
２２ 上部ウィック構造体
２３ 側部ウィック構造体
２３ａ 上端部
３０ 作動媒体
４０ 金属粉体
１０１ 被加熱部
１０２ 放熱部
Ｈ 発熱体

Claims (6)

1. 作動媒体と、前記作動媒体を輸送する多孔質のウィック構造体と、を内部空間に収容する管状のコンテナを備え、
   前記コンテナは、
   前記コンテナの延びる方向である延伸方向に垂直な断面において、上下方向に対向する底壁部及び上壁部と、
   前記底壁部の両側端部及び前記上壁部の両側端部をそれぞれ連結する一対の側壁部と、を有し、
   前記ウィック構造体は、
   前記底壁部に接触して形成され、上面が前記内部空間に臨んで配置される下部ウィック構造体と、
   前記下部ウィック構造体の両側端から前記側壁部に沿って上方に延びる一対の側部ウィック構造体と、を有する、ヒートパイプ。
2. 前記側部ウィック構造体の上端部は、前記側壁部から径方向内側に離れて形成される、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記ウィック構造体は、
   前記側部ウィック構造体の上端から前記上壁部の下面に沿って径方向内側に延びる上部ウィック構造体を有する、請求項１に記載のヒートパイプ。
4. 前記下部ウィック構造体の上面は、上に凸に形成される、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のヒートパイプ。
5. 金属粒子と、揮発性の樹脂と、を含む金属粉体を、円管状のコンテナの内周面の周方向所定範囲に塗布する塗布工程と、
   前記金属粉体を前記コンテナとともに加熱することにより、前記コンテナの内周面上に多孔質のウィック構造体を形成する金属粉体加熱工程と、
   前記ウィック構造体の周方向中央部を下方に配して前記コンテナを上下方向から挟んでプレスすることにより、延伸方向に垂直な断面において、前記コンテナを扁平型に形成するコンテナプレス工程と、
   前記コンテナ内部の前記ウィック構造体を作動媒体とともに封止する封止工程と、を含む、ヒートパイプの製造方法。
6. 前記塗布工程において、前記金属粉体の径方向の厚みを前記コンテナの下端部に向かうに従って大きく形成する、請求項５に記載のヒートパイプの製造方法。

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