JP4305068B2 - 偏平型ヒートパイプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、偏平型ヒートパイプ、特に半導体パワーデバイス等の放熱に利用される小型・軽量化された偏平型ヒートパイプに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年になり、パワー半導体装置の大容量化が進み、これに伴いパワー半導体チップの発熱損失も益々増大する傾向にある。また、半導体装置は小型軽量化が求められており、放熱条件は、益々厳しくなっている。このため、冷却に利用される放熱部材は、小型・軽量で、効率良く放熱する事が必要となり、偏平型ヒートパイプが用いられる様になった。
【0003】
ここで、偏平型ヒートパイプとは、円筒状のヒートパイプを半径方向から加圧して、対向する2面を平らにしたものである。また、周知のように、ヒートパイプは、ウイックを備えたたパイプの内部を真空にして少量の作動液を封入し、その作動液の相変化(蒸発,凝縮)により熱を蒸発部(加熱部)側から凝縮部(冷却部)側に運搬する熱輸送体であり、ヒートパイプの内部に封入した作動液は、加熱部から熱を吸収して蒸気となり、ヒートパイプの内部を反対側に拡散移動した後に、冷却部で外部に放熱して液体に凝縮し、ウイックの毛細管現象を利用して、再び加熱部に還流するように蒸発/凝縮サイクルを繰り返す。
【0004】
上記偏平型ヒートパイプの構造や製造方法に関しては、種々の方式が提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。
【0005】
前記特許文献1に記載されたように、従来の汎用的な偏平型ヒートパイプは、主として本体内壁の全面が、グルーブ・ウィックやメッシュ・ウィックで構成されているために、近年要求されている熱輸送量が大きく薄型(例えば、熱輸送量10W以上、厚さ1.5mm以下)の偏平型ヒートパイプを得ることが難しい。
【0006】
その理由は、蒸気通路の高さが小となるので、ヒートパイプの作動蒸気流によって、還流作動液が飛散する限界が早く来るからである。上記飛散限界問題は、必然的に逆台形断面を有するグルーブ・ウィックが顕著である。一方、メッシュ・ウィックは、偏平化によるウィックの弛みが発生し易く、また曲げることによってウィックの座屈などによる変形で蒸気通路を塞ぐ問題が生じる。
【0007】
特許文献1は、「ヒートパイプを変形させた場合でもウイックの変形や位置ズレが最小限に抑えられる扁平状ヒートパイプとその加工方法を提供することを目的として、コンテナの内壁にグルーブ・ウィックを有すると共に、当該コンテナの断面形状が扁平状のヒートパイプにおいて、扁平断面の幅方向の両方の内側には軸方向に伸びる線状の補助ウィックを少なくとも各一本配置した扁平状ヒートパイプ」を開示している。
【0008】
図3は、特許文献1に開示された扁平状ヒートパイプの構造を示し、図3(a)は斜視図、図3(b)は、要部側断面図を示す。図3において、1はコンテナとなるパイプ、2は作動液を還流させるグルーブ・ウイック、3は蒸気による作動液の飛散限界を向上するために配設した棒状の補助ウイックである。このように内壁にグルーブ・ウイック2を有したパイプ1に補助ウイック3を配設してパイプの偏平加工を実施し、次にパイプの一端を圧接・接合して偏平ヒートパイプに作動液を入れ、内部を減圧した状態で残りの端部を圧接・接合して、図3(a)に示すような偏平ヒートパイプを完成させる。
【0009】
また、特許文献2は、「金網状ウイック材を内蔵した金属パイプを押し潰して扁平状に加工しても、扁平化した金属コンテナの中の長手方向に適正な蒸気通路の形成が可能であり、しかも、長尺のヒートパイプの製造が容易なフラットヒートパイプおよびその製造方法を提供すること」を目的として、図4に示すような偏平ヒートパイプとその製造方法を開示する。
【0010】
即ち、同公報の記載によれば、「所定の幅と厚さを有する長い銅条などの金属板の片面の長手方向に、金網状ウイック材4を縦添えしシーム溶接部4Aにより重ね接合して固定し、金網状ウイック材4を内側にして金属板を筒状に丸めて合わせ目を溶接部2Aにより縫合して円形または楕円の銅パイプに加工し、銅パイプに扁平加工を施して、所定の幅と厚さの断面を有する扁平状の銅パイプの金属コンテナ5に形成することにより、金属コンテナ5の中に長手方向に伸びるウイック材4と所定の空隙部6を有するフラットヒートパイプに加工することによりフラットヒートパイプを製造する。」
ところで、前記した従来の偏平型ヒートパイプの場合、パイプを圧接して偏平にする際、内部に配設された丸棒状の補助ウイックもしくは金網状ウイック材は、加圧力を線もしくは柔軟な金網で受けるため、偏平型ヒートパイプの表面に窪みが生じ、偏平型ヒートパイプの表面を平坦にする事が出来ない。上記のように平坦度が損なわれた場合、冷却対象となる半導体装置との熱的接触抵抗が大となり、冷却性能が十分に得られない問題を生じる。
【0011】
上記平坦度の問題を解消する偏平型ヒートパイプの一例として、特許文献3は、図5に示すような構成を開示する。図5において、部番10はグルーブ・ウィック付きの偏平パイプ、13はグルーブ・ウィック、28は仕切り板棒である。即ち、図5に示すヒートパイプは、「扁平状コンテナと、このコンテナ内部の少なくとも幅方向の両側面方向に空間をもたせるように、コンテナ狭壁間に棒や板を固定設置したヒートパイプ。」であり、前記仕切り板棒28をコンテナ内に設置することにより、上記平坦度が損なわれる問題は解消する。
【0012】
【特許文献1】
特開2002−81875号公報(第2〜3頁、図1)
【特許文献2】
特開2001−208489号公報(第1頁、図1)
【特許文献3】
特許第3045491号公報(第1〜4頁、図9)
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の図5に示すような偏平型ヒートパイプ構造の場合には、平坦度が損なわれる問題は解消するものの、グルーブ・ウィック付きの偏平パイプを用いているので、パイプの偏平化加工は、図4に示すようなグルーブ・ウィックのないコンテナパイプに比較して容易ではなく、かつコストも高く、さらに、前記特許文献1に記載された作動液の飛散限界対策も問題として残る。
【0014】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、前記三つの問題を全て解消し、ヒートパイプ表面の平坦度の向上,作動液の飛散限界の向上およびパイプ偏平化加工の容易化を図った低コストの偏平型ヒートパイプを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、偏平状パイプと、この偏平状パイプ内部に、偏平状パイプの幅方向の両内側部に空間部をもたせて補助プレートを配設した偏平型ヒートパイプにおいて、前記補助プレートは、前記偏平状パイプの平坦部に対向して、グルーブ・ウィック機能を有するスリット状の複数個の溝を備え、かつ、前記複数個の溝と少なくとも前記空間部とを連通する孔を備え、前記連通する孔は、前記偏平状パイプの両平坦部に対向する溝とそれぞれ連通する第1の孔と、この第1の孔と前記空間部とを連通する第2の孔と、前記両平坦部に対向する第1の孔相互を連通する第3の孔とを備えるものとする(請求項1の発明)。
【0016】
前記発明の構成によれば、円筒状のパイプを圧接して偏平にする際、内部に配設された補助プレートの平坦面がパイプの平坦化に寄与する。また、補助プレートにグルーブ・ウィック機能をもたせたので、パイプの偏平化加工が容易となり、さらに、補助プレートが備えるウィックは、偏平化に伴って変形することがないので、予めウィックの形状寸法を適切に設計することにより、所望の作動液の飛散限界に応じた設計を行なうことによって、従来より設計自由度が高くして、かつ飛散限界の向上を図ることが容易となる。
【0017】
また、前述の課題は、前記請求項1の発明に代えて、下記請求項2の発明によっても達成できる。下記請求項2の発明は、コスト低減や蒸気流路の改善に伴う効率向上の観点から好適である。
【0018】
即ち、偏平状パイプと、この偏平状パイプ内部に、偏平状パイプの幅方向の両内側部に空間部をもたせて補助プレートを配設した偏平型ヒートパイプにおいて、前記補助プレートは、前記偏平状パイプの平坦部に対向して、グルーブ・ウィック機能を有するスリット状の複数個の溝を備え、かつ、前記複数個の溝と少なくとも前記空間部とを連通する孔を備え、さらに、前記補助プレートは、中空矩形状断面を有する長尺の中空プレートからなり、前記偏平状パイプの平坦部に対向する中空プレートの両面板部は、グルーブ・ウィック機能を有する複数個のスリットを備え、かつ、前記中空プレートの両側板部は、中空プレートの中空部と前記偏平状パイプの幅方向の両空間部とそれぞれ連通する窓状の孔を備え、さらに、前記中空プレートの中空部は、前記両面板部を連接する補強ステーを備えるものとする(請求項2の発明)。上記構成によれば、後に詳述するように、偏平型ヒートパイプの薄形化にも好適である。
【0019】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、この発明の実施例について以下にのべる。
【0020】
(実施例1)
図1は、この発明の実施例に関わる偏平型ヒートパイプの模式的構成図を示し、図1(a)は要部側断面図、図1(b)は図1(a)における補助プレート4の斜視図を示す。図1において、1はパイプ、4は補助プレート、5はグルーブ・ウィックとしての溝、6は孔で、6a,6b,6cはそれぞれ第1の孔,第2の孔,第3の孔、8は蒸気通路としての空間部を示す。前記第1の孔6aは、偏平状パイプ1の両平坦部に対向する溝5とそれぞれ連通し、また第2の孔6bは、前記第1の孔6aと空間部7とを連通し、さらに、第3の孔6cは、前記両平坦部に対向する第1の孔6a相互を連通する。
【0021】
上記構成において、グルーブ・ウィックとしての溝5に充填された作動液が、加熱部で蒸発した際には、補助プレート4の内部に設けられた孔6および空間部8を介して蒸気が容易に移動して、冷却部で凝縮し、効率良く作動液の蒸発/凝縮を実施する事が可能となる。
【0022】
上記のような補助プレート4は、例えば、無酸素銅やリン脱酸銅等の比較的熱伝導性および濡れ性に優れた材質で製作した押出し加工材に、一部の孔加工を行なって製造することができる。これにより、グルーブ・ウィックとしての溝5の形状・寸法の精度は比較的良好となる。従って、全体として製造が容易となり、また、飛散限界の向上を図ることが容易となる。さらに、パイプ1の加圧された両面が平坦になると共に、パイプ1として標準的な中空パイプを使用することができるため、コストダウンが可能となる。
【0023】
(実施例2)
次に、図2に基づき請求項2に係る実施例について述べる。図2(a)は偏平型ヒートパイプの要部側断面図、図2(b)は図2(a)における補助プレート4の斜視図を示す。図2において、図1と同一機能または類似機能を有する部材には同一番号を付して、その詳細説明を省略する。
【0024】
図2の実施例は、補助プレート4が、偏平状パイプ1の平坦部に対向して、グルーブ・ウィック機能を有するスリット7を備え、かつ、前記スリット7と空間部8とを連通する孔6を備える点では、基本的に図1と同様であるが、下記の点で図1と相違する。
【0025】
即ち、図2においては、補助プレート4は、中空矩形状断面を有する長尺の中空プレートからなり、偏平状パイプの平坦部に対向する中空プレートの両面板部4aに、グルーブ・ウィック機能を有する複数個のスリット7を備え、かつ、前記中空プレートの両側板部4bには、中空プレートの中空部と前記偏平状パイプの幅方向の両空間部8とそれぞれ連通する窓状の孔6dを備え、さらに、前記中空プレートの中空部は、前記両面板部4aを連接する補強ステー4cを備える。
【0026】
なお、前記補強ステー4cは、必要に応じて、複数設ける。また、窓状の孔6dの形状は、図示のような矩形状の窓以外に円形状他の形状としてもよい。
【0027】
上記図2の構成によれば、図1と同様に、パイプ1の加圧された2面が平坦になると共に、パイプ1として標準的な中空パイプを使用することができるため、コストダウンが可能となる。また、補助プレート4の中空部は、図1の実施例に比べて蒸気の還流をさらに容易とし、より効率良く作動液の蒸発/凝縮を実施する事が可能となる。さらに、補助プレート4を薄くする事が可能となるため、偏平型ヒートパイプ全体を薄形化する事が可能となる。
【0028】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、偏平状パイプと、この偏平状パイプ内部に、偏平状パイプの幅方向の両内側部に空間部をもたせて補助プレートを配設した偏平型ヒートパイプにおいて、前記補助プレートは、前記偏平状パイプの平坦部に対向して、グルーブ・ウィック機能を有するスリット状の複数個の溝を備え、かつ、前記複数個の溝と少なくとも前記空間部とを連通する孔を備えるものとし、前記連通する孔は、前記偏平状パイプの両平坦部に対向する溝とそれぞれ連通する第1の孔と、この第1の孔と前記空間部とを連通する第2の孔と、前記両平坦部に対向する第1の孔相互を連通する第3の孔とを備えるもの(請求項1)とし、もしくは、前記補助プレートは、さらに、中空矩形状断面を有する長尺の中空プレートからなり、前記偏平状パイプの平坦部に対向する中空プレートの両面板部は、グルーブ・ウィック機能を有する複数個のスリットを備え、かつ、前記中空プレートの両側板部は、中空プレートの中空部と前記偏平状パイプの幅方向の両空間部とそれぞれ連通する窓状の孔を備え、さらに、前記中空プレートの中空部は、前記両面板部を連接する補強ステーを備えるもの(請求項2)としたので、ヒートパイプ表面の平坦度の向上,作動液の飛散限界の向上およびパイプ偏平化加工の容易化を図った低コストの偏平型ヒートパイプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例に関わる偏平型ヒートパイプの模式的構成図
【図2】 この発明の図1とは異なる実施例に関わる偏平型ヒートパイプの模式的構成図
【図3】 特許文献1に開示された従来の偏平型ヒートパイプの構造図
【図4】 特許文献2に開示された従来の偏平型ヒートパイプの構造図
【図5】 特許文献3に開示された従来の偏平型ヒートパイプの構造図
【符号の説明】
1:パイプ、4:補助プレート、4a:面板部、4b:側板部、4c:補強ステー、5:溝、6:孔、6a:第1の孔、6b:第2の孔、6c:第3の孔、6d:窓状の孔、8:空間部。
Claims (2)
- 偏平状パイプと、この偏平状パイプ内部に、偏平状パイプの幅方向の両内側部に空間部をもたせて補助プレートを配設した偏平型ヒートパイプにおいて、
前記補助プレートは、前記偏平状パイプの平坦部に対向して、グルーブ・ウィック機能を有するスリット状の複数個の溝を備え、かつ、前記複数個の溝と少なくとも前記空間部とを連通する孔を備え、
前記連通する孔は、前記偏平状パイプの両平坦部に対向する溝とそれぞれ連通する第1の孔と、この第1の孔と前記空間部とを連通する第2の孔と、前記両平坦部に対向する第1の孔相互を連通する第3の孔とを備えることを特徴とする偏平型ヒートパイプ。 - 偏平状パイプと、この偏平状パイプ内部に、偏平状パイプの幅方向の両内側部に空間部をもたせて補助プレートを配設した偏平型ヒートパイプにおいて、
前記補助プレートは、前記偏平状パイプの平坦部に対向して、グルーブ・ウィック機能を有するスリット状の複数個の溝を備え、かつ、前記複数個の溝と少なくとも前記空間部とを連通する孔を備え、
さらに、前記補助プレートは、中空矩形状断面を有する長尺の中空プレートからなり、前記偏平状パイプの平坦部に対向する中空プレートの両面板部は、グルーブ・ウィック機能を有する複数個のスリットを備え、かつ、前記中空プレートの両側板部は、中空プレートの中空部と前記偏平状パイプの幅方向の両空間部とそれぞれ連通する窓状の孔を備え、さらに、前記中空プレートの中空部は、前記両面板部を連接する補強ステーを備えることを特徴とする偏平型ヒートパイプ。
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