JP4874664B2 - ヒートパイプ - Google Patents

Description

本発明は、電子機器などに用いられるヒートパイプに関する。

ヒートパイプは、蒸発部と凝縮部を有し、内部に熱媒体が保持されたコンテナ（パイプ）を備え、蒸発部で蒸発した熱媒体が凝縮部に移動して放熱するとともに凝縮し、毛細管作用や重力により蒸発部に移動するようになっている。このように、ヒートパイプは、熱媒体の相変化を利用して熱を蒸発部から凝縮部へ移動させ、外部に放熱することができる。
ヒートパイプとしては、コンテナ内面に溝が形成され、熱媒体が溝内を毛細管作用によって凝縮部から蒸発部に移動するようにされたものがある。

近年では、省スペース化を目的として、薄型のヒートパイプが提案されている。
特許文献１および特許文献２には、扁平な形状のパイプ状のコンテナを用いたヒートパイプが開示されている。これらは、内面に溝が形成されたパイプ状のコンテナを径方向に押しつぶして扁平な形状とすることにより作製できる。
特開２００２−２２３８１号公報 特開２００５−９７６３号公報

しかしながら、扁平なパイプ状のコンテナを用いたヒートパイプでは、薄型化を図ると、平坦な形状とするのが難しくなるという問題があった。また、パイプ状のコンテナを用いるため、複雑な形状の熱媒体流路を形成するのが難しかった。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、薄型化および平坦化が可能であり、しかも熱媒体流路の設計の自由度が高いヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明は、内部に熱媒体が保持されたヒートパイプであって、板状の第１の基材と、該第１の基材の一方の面に重ねあわされた板状の第２の基材とからなる積層体を備え、該積層体の一部が、入熱により前記熱媒体が蒸発する蒸発部とされ、他の少なくとも一部が、放熱により前記熱媒体が凝縮する凝縮部とされ、少なくとも前記第１の基材の前記一方の面には、前記蒸発部から凝縮部にわたって、熱媒体流通路をなす溝状凹部が形成され、該溝状凹部内の少なくとも一部に、前記熱媒体が保持され、前記溝状凹部の内面には、複数の島状の凸部が形成され、前記凝縮部における隣り合う前記凸部の間隔は、前記蒸発部における隣り合う前記凸部の間隔よりも大きいヒートパイプを提供する。
前記凸部は、前記溝状凹部の長さ方向に沿う１または複数の列をなすよう配列され、前記蒸発部から凝縮部に向けて単位長さあたりの熱流体通路の体積が大きくなるように形成されていてよい。

本発明のヒートパイプは、板状の第１基材と板状の第２基材が積層された積層体を備えた構成であるので、薄型化を図ることができ、しかも平坦に形成することができる。
また、第１基材に形成された溝状凹部が熱媒体流通路をなす構成であるので、溝状凹部の形状にほとんど制限がなく、任意の形状の熱媒体流通路を形成することができる。従って、熱交換システムとしての設計の自由度の点で優れている。

図１は、本発明のヒートパイプの第１の例を示す断面図である。図２は、このヒートパイプの第１基材１を示す平面図である。
ここに示すヒートパイプは、平板状の第１基材１と、第１基材１の一方の表面１ａに重ね合わされた平板状の第２基材２とからなる積層体３を備えている。
第１基材１および第２基材２は、銅、銅合金、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属からなる。また、金属とプラスチックとの複合材料を用いてもよい。

図示例では、積層体３は平面視長方形状とされ、一端側の部分は、熱媒体が蒸発する蒸発部４とされている。積層体３の他端側の部分は、熱媒体が凝縮する凝縮部５とされている。
第１基材１の表面１ａには、蒸発部４から凝縮部５にわたって、熱媒体が流れる熱媒体流通路６をなす第１溝状凹部７が形成されている。
第１溝状凹部７の平面視形状は、用途に応じて定めることができ、例えば直線状、蛇行状、Ｌ字状、Ｓ字状などとすることができる。図示例では、第１溝状凹部７は直線状とされている。
第１溝状凹部７の断面形状は、特に限定されず、多角形状（矩形状、Ｖ字状など）、半円状、円弧状などとすることができる。図示例では第１溝状凹部７は断面略矩形状とされている。

第１溝状凹部７の底面７ａには、蒸発部４から凝縮部５にかけて凸部８が形成されている。凸部８の高さは、第１溝状凹部７の深さより小さいと、熱媒体の流通がスムーズになるため好ましい。
凸部８の断面形状は特に限定されず、多角形状（矩形状、逆Ｖ字状など）、半円状、円弧状などとすることができる。図示例では凸部８は断面略矩形状とされている。
凸部８の平面視形状は、例えば直線状、蛇行状、Ｌ字状、Ｓ字状などとすることができる。図示例では、凸部８は、第１溝状凹部７に沿って連続的に延びる直線状とされている。
凸部８の数は、１でもよいが、第１溝状凹部７の幅方向に間隔をおいて複数形成すると、熱媒体流通路６の表面積を大きくすることができる。
凸部８の形成によって、熱媒体流通路６の表面積を大きくできるため、熱交換効率を高めることができる。

第１基材１と第２基材２は互いに液密に接合され、熱媒体流通路６は密閉空間となっている。
第１溝状凹部７の少なくとも一部には、熱媒体が保持されている。熱媒体としては、水、アセトン、メタノールなどが使用でき、用途に応じて選択することができる。
なお、図示例では第１基材１に１つの第１溝状凹部７が形成されているが、これに限らず、複数の第１溝状凹部を第１基材に形成することもできる。

次に、上記ヒートパイプを製造する方法を説明する。
第１溝状凹部７および凸部８を形成するには、エッチング法、アディティブ法（めっき法）などを採用することができる。また、これらを組み合わせた方法も可能である。
以下、エッチング法の一例を説明する。
図３に示すように、銅などの金属からなる平板状の基材１１を用意し、その表面にエッチングマスク１２（レジスト）を形成する。エッチングマスク１２は、第１溝状凹部７以外の部分、および凸部８に相当する部分に形成する。
次いで、図４に示すように、基材１１を、塩化銅水溶液、塩化鉄水溶液などのエッチング液に接触させることによって、エッチングマスク１２がない部分に溝を形成する。これによって、底面７ａに凸部１３を有する第１溝状凹部７が形成される。
基材１１をエッチング液に接触させるには、基材１１をエッチング液に浸漬するか、エッチング液を噴霧する方法をとることができる。

次いで、図５に示すように、凸部８に相当する部分のエッチングマスク１２を取り除く。これによって、エッチングマスク１２は、第１溝状凹部７以外の部分にのみ残ることになる。
エッチングマスクをこの図に示す構成とするには、この方法に限らず、いったんすべてのエッチングマスクを除去した後、第１溝状凹部７以外の部分に新たにエッチングマスクを形成する方法も可能である。

次いで、図６に示すように、基材１１をエッチング液に接触させることによって、凸部１３の一部を除去し、第１溝状凹部７の深さより低い凸部８が形成された第１溝状凹部７を有する第１基材１を得る。
この製造方法では、エッチング法の採用によって、ファインピッチ化および高アスペクト化が可能となる。

エッチングマスク１２を除去した後、第１基材１に第２基材２を重ね合わせ、これらを接合することによって、図１に示すヒートパイプを得る。接合方法としては、ろう付けや放電加工を採用できる。
熱媒体流通路６に熱媒体を封入するには、第１基材１または第２基材２に形成した注入経路を通して、熱媒体を真空下で熱媒体流通路６に注入した後、注入経路を塞ぐ方法をとることができる。

アディティブ法を採用する場合には、例えば次の方法が可能である。金属製の基材の表面にレジスト層を形成し、このレジスト層にフォトリソグラフィ技術を利用してパターニングを施す。レジスト層は、例えば、凸部８を除く部分の第１溝状凹部７に相当する位置に残るようにする。厚いレジスト層が必要となる場合には、レジスト層を形成した後、その上にレジスト層を重ねて形成する方法をとることができる。
レジスト層がない部分に、めっき法（例えば電解めっき法）により金属膜を形成することによって、前記基材上に、第１溝状凹部７以外の部分と、凸部８を形成し、図１に示す第１基材１を得る。
この製造方法では、アディティブ法の採用によって、さらなるファインピッチ化および高アスペクト化が可能となる。

エッチング法とアディティブ法を組み合わせた方法としては、例えば次の方法が可能である。まず、基材１１の表面にエッチングマスク（レジスト）を形成し、エッチング液に接触させることによって、エッチングマスクがない部分に溝を形成する。これによって、エッチングマスクがある部分が凸部となる。
この凸部の上に、前記アディティブ法により金属膜を形成することによって、図１に示す第１基材１を得る。
この方法では、エッチング法により凸部を形成し、その上にアディティブ法によりレジスト層を形成するので、レジスト層の形成が容易となる。
このほか、基材上に凹凸を形成する技術としては、切削、レーザ加工、モールド加工、放電加工などがある。

上記ヒートパイプでは、蒸発部４に外部から入熱すると、熱媒体流通路６内の熱媒体が蒸発し凝縮部５に移動する。凝縮部５では、熱媒体が放熱するとともに熱媒体が凝縮する。凝縮した熱媒体は、毛細管作用や重力により熱媒体流通路６の壁面を伝って蒸発部４に移動する。上記ヒートパイプでは、このようにして、外部からの熱を蒸発部から凝縮部へ移動させ、放熱することができる。

上記ヒートパイプは、板状の第１基材１と板状の第２基材２が積層された積層体３からなるので、薄型化を図ることができ、しかも平坦に形成することができる。
また、上記ヒートパイプは、第１基材１に形成された第１溝状凹部７が熱媒体流通路６をなす構成であるので、第１溝状凹部７の形状にほとんど制限がなく、任意の形状の熱媒体流通路６を形成することができる。従って、熱交換システムとしての設計の自由度の点で優れている。

上記ヒートパイプでは、第１基材１に形成された第１溝状凹部７が熱媒体流通路６をなすので、エッチングによって第１溝状凹部７内に微細な凸部８を形成するのが容易である。このため、熱媒体流通路６の表面積を大きくし、熱交換効率を高めることができる。
また、容易な操作で第１溝状凹部７を形成できるため、製造工程を簡略化し、製造コスト低減が可能となる。
さらに、上記ヒートパイプは、板状の第１基材１と板状の第２基材２が積層された積層体３からなるので、十分な強度をもつことから、大型化も可能である。

図７は、本発明のヒートパイプの第２の例を示すもので、このヒートパイプは、第２基材２に、第２溝状凹部１７が形成されている。第２溝状凹部１７は、第１溝状凹部７に対応した位置に形成されており、第１溝状凹部７と第２溝状凹部１７の内部が熱媒体流通路１６となっている。
第２溝状凹部１７の断面形状は、多角形状（矩形状、Ｖ字状など）、半円状、円弧状などとすることができる。図示例では、第２溝状凹部１７は断面略矩形状とされ、その幅および深さは第１溝状凹部７とほぼ等しくされている。

第２溝状凹部１７の底面１７ａには、蒸発部４から凝縮部５に延びる凸部１８が複数形成されている。
凸部１８の高さは、第２溝状凹部１７の深さより小さいと、熱媒体の流通がスムーズになるため好ましい。
凸部１８の断面形状は特に限定されず、多角形状（矩形状、逆Ｖ字状など）、半円状、円弧状などとすることができる。図示例では凸部１８は断面略矩形状とされている。
凸部１８の数は、１でもよいが、第２溝状凹部１７の幅方向に間隔をおいて複数形成すると、熱媒体流通路６の表面積を大きくすることができるため好ましい。

上記ヒートパイプでは、第２基材２にも、熱媒体流通路１６を構成する第２溝状凹部１７が形成されているので、広い熱媒体流通路１６を形成することができ、多量の熱媒体が流通できるようになる。また、熱媒体流通路１６の表面積を大きくすることができる。従って、熱交換効率を高めることができる。

第１溝状凹部７の内面の少なくとも一部には、粗面化処理を施すことができる。
図８は、粗面化処理が施された溝状凹部の例を模式的に表すものであって、この図に示す第１溝状凹部７は、粗面化処理によって表面に微細な凹凸が形成されている。
粗面化処理は、例えば黒化処理として知られている方法を用いることで可能となる。黒化処理は、例えば、酸化剤、アルカリ、ｐＨ緩衝剤を含む処理液で第１溝状凹部７の表面を処理する方法をとることができる。処理液の具体例としては、酸化剤（ＮａＣｌＯ_２）５２ｇ／Ｌ、アルカリ（ＮａＯＨ）１５ｇ／Ｌ、ｐＨ緩衝剤（Ｎａ_３ＰＯ_４／１２Ｈ_２Ｏ）８ｇ／Ｌを含む水溶液を挙げることができる。形成される微細凸部（針状結晶）の高さは、例えばサブミクロン（１０^−７ｍ）〜ミクロン（１０^−６ｍ）である。
第１溝状凹部７の表面を粗面化することによって、その表面積を大きくし、熱交換効率を高めることができる。
なお、粗面化処理は、第１および第２溝状凹部の両方に施すこともできる。また、第１および第２溝状凹部のいずれか一方に粗面化処理を施すこともできる。

図９は、本発明のヒートパイプの第３の例を示す平面図である。
このヒートパイプは、凸部２８が、蒸発部４から凝縮部５に向けて、漸次幅が減少するように形成されており、凝縮部５側の端部２８ａは、蒸発部４側の端部２８ｂに比べて幅が小さくなっている。
凸部２８の高さは、蒸発部４から凝縮部５に向けて漸次低くなっていてもよいし、ほぼ一定とすることもできる。
このヒートパイプでは、凸部２８が、蒸発部４から凝縮部５に向けて漸次幅が減少するように形成されているため、第１溝状凹部７の単位長さあたりの熱媒体流通路６の体積は、蒸発部４から凝縮部５に向けて大きくなる。
熱媒体流通路６が、蒸発部４から凝縮部５に向けて広くなっているので、凝縮部５において多量の熱媒体が流通可能となり、熱媒体が凝縮する際の熱交換効率が向上する。また、蒸発部４では、熱媒体流通路６の表面積が比較的大きいため、熱媒体が蒸発する際の熱交換効率が高められる。

図１０〜図１２は、本発明のヒートパイプの第４の例を示すものである。
図１０は、このヒートパイプを示す平面図であり、図１１は、図１０におけるＡ−Ａ断面矢視図であり、図１２は、図１０におけるＢ−Ｂ断面矢視図である。
このヒートパイプは、凸部３８が、蒸発部４から凝縮部５に向けて、漸次高さが減少するように形成されており、蒸発部４側の端部３８ａは、凝縮部５側の端部３８ｂに比べて低くなっている。凸部３８の幅は、ほぼ一定とすることができる。
このヒートパイプでは、凸部３８が、蒸発部４から凝縮部５に向けて漸次高さが減少するように形成されているため、第１溝状凹部７の単位長さあたりの熱媒体流通路６の体積は、蒸発部４から凝縮部５に向けて大きくなる。
従って、凝縮部５において熱媒体が凝縮する際の熱交換効率が向上する。また、蒸発部４において熱媒体が蒸発する際の熱交換効率が高められる。

図１３〜図１５は、本発明のヒートパイプの他の例を示すものである。前述のヒートパイプでは、凸部は、第１溝状凹部に沿って連続的に延びるように形成されているが、凸部の形状は、これに限らず、第１溝状凹部に沿って断続的に形成されていても良い。
図１３に示すヒートパイプでは、凸部４８は複数の島状とされ、第１溝状凹部７の長さ方向に沿って配列されている。凸部４８は、１列でも良いが、幅方向に間隔をおいて複数列をなすように形成するのが好ましい。図示例では、第１溝状凹部７の長さ方向に隣り合う凸部４８、４８の間隔は、ほぼ一定とされている。

本発明のヒートパイプでは、隣り合う凸部の間隔は一定でなくてもよい。
図１４に示すヒートパイプでは、凝縮部５において隣り合う凸部４８の間隔は、蒸発部４において隣り合う凸部４８の間隔に比べて大きくされている。このため、第１溝状凹部７の単位長さあたりの熱媒体流通路６の体積は、蒸発部４から凝縮部５に向けて大きくなっている。
従って、凝縮部５において熱媒体が凝縮する際の熱交換効率が向上する。また、蒸発部４において熱媒体が蒸発する際の熱交換効率が高められる。

図１５に示すように、島状の凸部と、所定方向に延在する凸部とを混在させてもよい。図示例のヒートパイプは、もっとも凝縮部５側に位置する凸部５８が、第１溝状凹部７に沿う直線状に形成されている点で図１４に示すものと異なる。
なお、溝状凹部内に形成する凸部の数および高さは図示例に限定されない。

本発明は、冷却が必要な素子を搭載した機器、例えば半導体パッケージなどに適用できる。

本発明のヒートパイプの第１の例を示す模式的な断面図である。 図１に示すヒートパイプの第１基材を示す模式的な平面図である。 図１に示すヒートパイプの製造工程を示す工程図である。 前図に続く工程図である。 前図に続く工程図である。 前図に続く工程図である。 本発明のヒートパイプの第２の例を示す模式的な断面図である。 粗化処理された溝状凹部を示す模式的な断面図である。 本発明のヒートパイプの第３の例を示す模式的な断面図である。 本発明のヒートパイプの第４の例を示す模式的な断面図である。 図１０に示すヒートパイプのＡ−Ａ断面矢視図である。 図１０に示すヒートパイプのＢ−Ｂ断面矢視図である。 本発明のヒートパイプの他の例を示す平面図である。 本発明のヒートパイプの他の例を示す平面図である。 本発明のヒートパイプの他の例を示す平面図である。

符号の説明

１…第１基材、１ａ…第１基材の表面、２…第２基材、３…積層体、４…蒸発部、５…凝縮部、６…熱媒体流通路、７…第１溝状凹部、８、１８、２８、３８、４８、５８…凸部。

Claims (2)

1. 内部に熱媒体が保持されたヒートパイプであって、
   板状の第１の基材と、該第１の基材の一方の面に重ねあわされた板状の第２の基材とからなる積層体を備え、
   該積層体の一部が、入熱により前記熱媒体が蒸発する蒸発部とされ、他の少なくとも一部が、放熱により前記熱媒体が凝縮する凝縮部とされ、
   少なくとも前記第１の基材の前記一方の面には、前記蒸発部から凝縮部にわたって、熱媒体流通路をなす溝状凹部が形成され、該溝状凹部内の少なくとも一部に、前記熱媒体が保持され、
   前記溝状凹部の内面には、複数の島状の凸部が形成され、
   前記凝縮部における隣り合う前記凸部の間隔は、前記蒸発部における隣り合う前記凸部の間隔よりも大きいことを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記凸部は、前記溝状凹部の長さ方向に沿う１または複数の列をなすよう配列され、前記蒸発部から凝縮部に向けて単位長さあたりの熱流体通路の体積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ。

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