JP5112374B2

JP5112374B2 - 電子機器用放熱装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP5112374B2
Application number: JP2009095224A
Authority: JP
Inventors: 李驥
Original assignee: 北京奇宏科技研發中心有限公司
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP2010245451A

Description

本発明は、ループヒートパイプの放熱タイプの電子機器用放熱装置及びその製造方法に関する。

仕事率の大きい電子チップの冷却は、電子製品や電卓、通信及び光電設備の中で、重要な技術である。現在マーケットでは、仕事率の大きい電子製品の放熱で常用している方法は、(1)ファン+放熱器、(2)ファン+ヒートパイプ+放熱器、(3)ファン+液体冷却技術などがある。これらの方法は、ある程度放熱問題を解決することはできるが、下記の欠点がある。(1)ファン+放熱器では、放熱装置のパワーを強めるためには、放熱フィンの面積を大きくし、及びファンの回転速を速める必要があるが、騒音が大きくなるだけでなく、放熱装置の体積が大きくなり、電子製品に設置しにくい。(2)ファン+ヒートパイプ+放熱器は、(1)の欠点を解決することができるが、構造が複雑である上、ヒートパイプのデザインとその設置は、実装する際構造の制限を受けやすく、また、ヒートパイプの放熱パワーに限りがある。(3)液体冷却技術は、性能上では前記の二つより超越し、液体冷却の放熱技術の潜在力は非常に高いといえる。小型の液体冷却放熱装置の性能を改良し、騒音を抑えることを前提として、1000ワットの熱を放出することは既に可能となっている(液体冷却は、放熱器全体の熱抵抗は0.12℃/W以下に抑えることができる。)。しかしながら、液体冷却技術による放熱装置の構造は大変複雑であり、液体を循環させるポンプを設置し、及び現在では必ず漏れないパイプの接続技術がないため、液体冷却放熱装置の寿命を延ばすことができない。また、液体冷却放熱装置の製造価格が高く、同じ放熱能力では、価格が普通のヒートパイプ放熱器の3倍程である。

それらに鑑みてループヒートパイプ技術が生み出された。ループヒートパイプ技術は、1974年に発明され、広く飛行機関係に使用されているが、5年程前から次第に電子チップの放熱にも使われるようになってきた。ここで、ループヒートパイプとは、ヒートパイプ及び液体冷却放熱技術のメリットだけを集めた放熱方法であり、放熱力は液体冷却技術と同じである。マイクロ型ループヒートパイプでは、軽々と500ワット以上を放熱することができ(ループヒートパイプ全体の熱抵抗は0.15^℃/W以下に抑えることができる。)、製造価格は液体冷却技術より遥かに低い。ループヒートパイプ放熱器は、他に下記のメリットがある。(1)一般のヒートパイプと比べ、性能はさほど重力の影響を受けない。(2)構造の形状が多様化でき、異なるニーズを満足させる。(3)距離が遠くても熱を放出することができる。ループヒートパイプの製造技術は一般のヒートパイプと類似しているため、正確性と使用寿命は一般のヒートパイプと同じと見なすことができ、広く過酷な環境に使用することができる。

伝統的なループヒートパイプ放熱器は、毛細構造のある蒸発器を備え、作動媒質循環の蒸気パイプと液体パイプを有し、熱を冷却器に放出する。作動時、蒸発器底部より発熱機材(電子チップなど)から伝わる熱を受け、作動媒質が毛細構造内部で蒸発する。蒸気が蒸発器から離れ、彎曲した蒸気パイプを通って、フィンのある冷却器にまで流れる。蒸気が冷却器を通ると、熱を冷却器の環境媒質中(例えば空気)に放出する。蒸気が自然冷却、或いはファンによる強制冷却した後は液体となり、液体が毛細管の作用で液体パイプを通って蒸発器に戻ることで、一回の熱力学の循環が完成する。このように反復して循環することで、絶えず熱を発熱器から周りの空気に放出することができる。

現在ループヒートパイプを電子機器の放熱に使用している製品及び特許(中国特許01259718.X；200810028106.7)は、まだ少ない。現有の特許は蒸発器の設計に係り、基本的な構造は(1)シリンダータイプ(cylinder type)と(2)フラットプレイトタイプ(flat plate type)の2種類がある。図1及び図2のようなシリンダータイプの構造は、従来のループヒートパイプの基本構造である。フラットプレイトタイプは、(1)図3、図4、図5のようなディスクタイプ(disk type)と、(2)図6、図7のようなマイクロ加工技術で作ったプラットプレイト形式(ZL01259718.X)の2種類がある。

通常の電子チップのスタンダード形状が四方形(正方体或いは長方体)であり、シリンダー型蒸発器は、その丸い形状がチップのフラットな表面と接触しにくい。また、ディスクタイプでは蒸発器の製造過程が複雑であり、実装する際に他のスペースを占用することになる。現在に至るまで、マイクロ加工技術で製造したフラットプレイトタイプの蒸発器のループヒートパイプの放熱性能は、ビジネスレベルのニーズに達していないことを鑑みて、更なる改善が必要であった。

本発明の目的は、(1)電子チップと十分に、有効的に接触する、(2)最大限に放熱熱抵抗を下げる、(3)占用スペースを小さくした小型化の蒸発器を製造し、シンプルな構造である上、コストを抑え、実用的且つ放熱力の大きい電気機器用放熱装置とその製造方法を提供することにある。

上述の目的を解決するために、本発明による電気機器用放熱装置は、蒸発器、蒸気パイプ、液体パイプ及び冷却器を備え、フラットプレイトの蒸発器を使用し、外形は矩形或いは多角形体或いは幾何形体とする。該フラットプレイト蒸発器は主体を有し、該主体は底板及び少なくとも一つの多孔質材料と上蓋とで組成する。該多孔質材料は前記底板に設置し、前記上蓋と底板とを互いに組み合わせる。前記多孔質材料に蒸気排出ルートを設け、前記上蓋の両側はそれぞれ一つの蒸気ジョイント及び液体ジョイントを設け、それぞれ蒸気パイプと液体パイプとに接続する。

また、フラットプレイト蒸発器の上蓋の中に仕切り板を設けることで、仕切り板と液体ジョイントとの間に補償空間を形成し、前記仕切り板と蒸気ジョイントとの間に蒸気収集空間を形成して、仕切り板で補償空間と蒸気収集空間を完全にセパレートする。蒸発器の補償空間の上蓋頂上に空気を抜いて真空にするためと、作動媒質を投入するための開口を一つ設ける。

上述のループヒートパイプを用いた放熱装置の製造方法は、
(1) 多孔質材料を製造する工程。該多孔質材料は金属粉末或いは金属網など、高い熱伝導性能のあるものや、セラミック粉末など無機材料とすることができる。金属粉末で多孔質材料を製造すると、多孔質材料は単独の焼結方法で製造することができる。または直接底板に焼結することができる。多孔質材料を焼結する過程で、焼結粉末を充填するための一組の治具が必要であり、該治具の材料は鋼や高温のセラミックとする。治具の内部構造は多孔質材料の外部幾何構造と同じであり、蒸気排出ルートの断面形状と一致する中心棒を使用し、蒸気排出ルートに必要な多孔質材料を形成する。中心棒の材料は石墨や鋼とすることができる。焼結粉末を充填した型を焼結炉の中に入れ、焼結終了後に中心棒及び治具を取り除くと、必要とする多孔質材料を得ることができる。
多孔質材料はマイクロ電子加工方法で製造できるほか、ナノロッドで作ることができる。
(2)上蓋を製造する工程。上蓋の材料は、銅或いはアルミや半導体の材料とする。金属の材料を使用する場合、機械加工或いは圧力鋳造プラス機械加工の方法で上蓋を製造する。半導体の材料を使用する場合は、マイクロ電子加工方法で製造する。
(3)底板を製造する工程。底板は、高い熱伝導性能のある銅やアルミ、ケイ素などを使用し、機械加工、プレス或いは鋳造で製造し、またはマイクロ電子加工で製造する。
(4) 前記多孔質材料の製造後、蒸発器の上蓋と底板を結合することにより、蒸発器の加工が完了する。前記上蓋と底板との材料が金属材料である場合には、溶接で両者を接続し、半導体材料である場合は、ボンディングで接続する。
(5) 加工したフラットプレイト蒸発器を冷却器と一緒にパイプで溶接してから、スタンダードのヒートパイプ生産工程に入る。基本ステップは清掃後、真空にする、作動媒質の投入及び密閉で、フラットプレイト蒸発器のループヒートパイプの製造が完成する。

本発明は従来技術と比べ下記の利点が得られる：
1. 電子チップを有効的に且つ大面積に貼合して接触するため、設置スペースを節約できる。
一般的な電子チップの基本形状は四方形体であるため、本発明のフラットプレイト蒸発器の外形は矩形体、多角体或いは幾何形体とする。電子チップと接合する側は平面にすることで、チップの表面と全面的に接触貼合するため、設置スペースを節約できることで、マイクロ化しやすい。
2. 熱抵抗を下げる。
本発明の蒸発器内部は、毛細構造のある多孔質材料を備え、多孔質材料を直接基板に焼結することで、最大限熱抵抗を下げ、十分にループヒートパイプの放熱を行うことができる。ここで、発明者のテストによると、ループヒートパイプ放熱器のシステム熱抵抗が0.15℃/Wに達すると、ループヒートパイプ自身の熱抵抗が0.05℃/Wより小さくなり、放熱能力が600Wより大きくなる。
3.製造がシンプルでコストが低い。
本発明の蒸発器の上蓋、底板、投入用ジョイント、液体パイプと蒸気パイプは、溶接と同時に完成することができるため、加工時間とコストを節約することができる。

本発明は、矩形体などの形状のフラットプレイト蒸発器を使用することで、電子チップを有効的に且つ大面積に貼合して接触するため、設置スペースを節約し、小型化しやすい。また、多孔質材料を直接基板に焼結することで、最大限熱抵抗を下げることができる。上蓋や底板などの部品が、溶接によって同時に完成することができ、製造がシンプルで製造コストが低い。

従来技術のシリンダータイプ蒸発器の構造を示す説明図である。図1のA−Aの断面図である。従来技術の円形フラットプレイト蒸発器の構造を示す説明図である。図3のA−Aの断面図である。図3のB−Bの断面図である。従来技術のマイクロ加工技術で作成したフラットプレイト蒸発器の構造を示す説明図である。図6のA−Aの断面図である。本発明の実施例に係るフラットプレイト蒸発器のループヒートパイプを示す斜視図である。図8のフラットプレイト蒸発器の構造を示す説明断面図である。図9のA−Aの断面図である。図9の底板構造を示す説明図である。本発明の実施例におけるフラットプレイト蒸発器の多孔質材料のアーチ型蒸気排出ルートを示す斜視図である。本発明実施例のフラットプレイト蒸発器の多孔質材料の矩形型蒸気排出ルートの立体構造を示す斜視図である。本発明実施例のフラットプレイト蒸発器の多孔質材料の楕円形蒸気排出ルートの立体構造を示す斜視図である。本発明実施例のフラットプレイト蒸発器の多孔質材料の円形蒸気排出ルートの側面図である。本発明の実施例に用いる多孔質材料を示す分解斜視図である。本発明実施例のフラットプレイト蒸発器の上蓋立体構造を示す斜視図である。本発明実施例のフラットプレイト蒸発器の上蓋立体構造を示す斜視図である。本発明実施例のフラットプレイト蒸発器の構造を示す分解斜視図である。本発明実施例のループヒートパイプの構造を示す分解斜視図である。

図8は、本発明の実施例の放熱装置におけるフラットプレイト蒸発器のループヒートパイプの具体的構造を示す斜視図である。本実施例の放熱装置は、フラットプレイト蒸発器1、蒸気パイプ2、液体パイプ3、冷却器4及び/或いは空気を冷却器4に流すファン5を備え、該ファン5は冷却器4の片側に設置している。前記フラットプレイト蒸発器1の外形は矩形或いは多角形体或いは幾何形体とする。

図9及び図10、図19に示すように、フラットプレイト蒸発器1は主体を有し、該主体は底板11、多孔質材料12及び上蓋13で構成する。図11に示すように、該底板11の下側は平面(図に未掲載)であり、電子チップに対応させて貼合することができる。前記底板11の上側には凸台111を設け、該凸台111の断面はフック状或いは針状或いは錨状などの幾何形体とすることができる。前記凸台111は、多孔質材料12を直接底板11に焼結する際に、定置付けと挟む役割をするようになっている。図9及び図10に示すように、前記底板11の上方に多孔質材料12を設置し、当該材料12は高い熱伝導性能のある金属粉末或いは金属網或いは、セラミック粉末など、其の他の無機材料とすることができる。該多孔質材料12に蒸気が流れる道である蒸気排出ルート121を設け、該蒸気排出ルート121の断面形状は、図12に示すアーチ型や、図13に示す矩形或いは、図14に示す楕円形、或いは図15に示す円形或いは類円形或いは蜂の巣の形や、多角形など、如何なる幾何形体(図に未掲載)にすることもできる。

図17及び図18は、本実施例のフラットプレイト蒸発器の上蓋の構造を示している。この上蓋13の内部には、仕切り板134を設け、該上蓋13の頂上に空気を抜いて真空にするためと、作動媒質を入れるための開口133を一つ設けている。該開口133にはパイプを接続し、該パイプは真空ポンプ及び作動媒質貯蔵容器に通じるようになっている。作動媒質を投入完了後、放熱装置内部の真空の度合いが一定値に達すると、パイプを溶接して封鎖する(図8を参照)。当該パイプは完成品では存在しないため、図17及び図18では示していない。ヒートパイプ類の製品の作動媒質投入の具体的なプロセスは、関連する教科書或いは文献を参考することができるため、ここでは再度言及しない。図9に示すように、上蓋13の両側にそれぞれ液体ジョイント132及び蒸気ジョイント131を設ける。仕切り板134と液体ジョイント132との間には補償空間135を形成し、前記仕切り板134と蒸気ジョイント131との間には蒸気収集空間136を形成する。前記仕切り板134により、補償空間135と蒸気収集空間136とが完全にセパレートするため、作動媒質が蒸発器の内部にて片方向で流動する目的を達する。蒸気パイプ2の両端は、それぞれフラットプレイト蒸発器の上蓋にある蒸気ジョイント131及び、冷却器4の片側に連通し、液体パイプ3の両端はそれぞれフラットプレイと蒸発器の上蓋にある液体ジョイント132及び冷却器4の別側と連通する。

本実施例の電子機器用放熱装置の製造ステップは下記の通りである。

(1) 多孔質材料を製造する工程。該多孔質材料12は銅の粉末或いは金属網など、高い熱伝導性能のあるものや、セラミック粉末など無機材料とすることができる。図12に示すように、多孔質材料の内部に蒸気が流動する孔−蒸気排出ルート121を設ける。金属粉末で多孔質材料12を製造すると、多孔質材料12は単独の焼結方法で製造することができる。または直接底板11に焼結することができる。焼結の過程で、特殊な治具と中心棒8で蒸気排出ルート121を形成する。治具と中心棒の材料は高温の石墨や高温のセラミック或いはカーボンスチールとすることができる。また、多孔質材料は多孔質ケイ素を使ってマイクロ電子加工方法で作るほか、ナノロッドで作ることができ、以上全てが本発明の範囲とする。具体的な製造過程は図16に示す通りである。治具と中心棒8を組合せ、治具は下板71、上板72、枠73を含み、下板71と中心棒8は一体化に加工することで、特殊な定置構造の必要が無くなる。続いて粉末材料9を均等に治具に投入してから上板72を使って、枠73の上縁に沿ってスライドすることで、治具内部に粉末材料を充填する。最後に一般的なヒートパイプの焼結加工過程と同じく、治具を焼結炉の中に入れて焼結すると、粉末材料が成型し、治具と中心棒を取り除くと、多孔質材料が完成する。該多孔質材料の製造方法は、半導体材料を使ってスタンダードなガラスエッチング法で、或いはナノロッドで、またはグレージングアングル沈積技術など、マイクロ電子加工方法で製造することができる。

(2)上蓋を製造する工程。上蓋の材料は、銅或いはアルミや半導体の材料とする。金属の材料を使用する場合、機械加工或いは圧力鋳造プラス機械加工の方法で上蓋を製造する。半導体の材料を使用する場合は、マイクロ電子加工方法で製造する。

(3)底板を製造する工程。底板は、高い熱伝導性能のある銅やアルミ、ケイ素などを使用し、機械加工、プレス或いは鋳造で製造し、またはマイクロ電子加工で製造する。蒸発器の上蓋の材料はアルミや銅など、底板と同じにすることができるが、上蓋をアルミに、底板を銅にと、異なる材料を使用することもできる。

(4)多孔質材料製造後、蒸発器の上蓋と底板を結合することにより、蒸発器の加工が完了する。前記上蓋と底板の材料が銅などの金属である場合は、溶接(はんだごてや、真鋳或いはディフュージョンボンディング)で接続し、ケイ素など半導体材料である場合は、ボンディングで接続する。

(5)加工したフラットプレイト蒸発器を冷却器と一緒にパイプで溶接してから、スタンダードのヒートパイプ生産工程に入る。基本ステップは清掃、真空にする、作動媒質の投入及び密閉で、プラットプレイト蒸発器のループヒートパイプの製造が完成する。

本実施例に用いる放熱装置の冷却器とパイプとはいずれも現在販売されている部品である。

作動時、蒸発器1の底面より発熱器部品より伝わる熱を受け取り、作動媒質は蒸発器の内部で蒸発する。蒸気が蒸発器から離れ、彎曲した蒸気パイプ2を通ってフィンのある冷却器4にまで流れる。蒸気が冷却器を通るとき、熱は冷却器を流れた環境媒質の中(例えば空気)に放つことで、蒸気は自然冷却或いはファン5による強制冷却を経て液体となる。液体が毛細力(蒸発器の多孔質材料よりこの作用力を提供)の作用により、液体パイプ3を通って蒸発器1に戻り、一回の熱力学の循環が完了する。このように繰り返し循環し、絶えず熱を発熱器部品から周りの空気に放つ。

本実施例の放熱装置は、電卓チップの放熱や、CPUとGPUの他、LED、無線通信や有線通信業界の高エネルギー電子チップ或いは、光電チップや無線周波数の冷却や、軍用レーダー、レーザー設備、医療機器或いは航空宇宙飛行設備の内部にある高エネルギー発熱部品の冷却に適用することが可能である。

以上の実施例は本発明の最良実施例であり、本発明の詳細な説明は本考案の範囲を制限するものではない。本技術に熟知する者が、本発明の範囲内にて行う変更や調整を行っても、本発明の重要な意義は失われず、本発明の範囲に含まれる。

1. フラットプレイト蒸発器
2. 蒸気パイプ
3. 液体パイプ
4. 冷却器
5. ファン
6. 支え
8. 中心棒
9. 粉末材料
11. 底板
12. 多孔質材料
13. 上蓋
111. 凸台
121. 蒸気排出ルート
131. 蒸気パイプジョイント
132. 液体パイプジョイント
133. 作動媒質投入ジョイント
134. 仕切り板
135. 補償空間
136. 蒸気収集空間
71 下板
72 上板
73 枠

Claims

フラットプレイト蒸発器、蒸気パイプ、液体パイプ及び冷却器を備え、
前記蒸発器は、主体及び少なくとも一つの多孔質材料を有して、前記主体に前記多孔質材料を設置する収納空間を形成し、該主体の両側にそれぞれ蒸気パイプ及び液体パイプの一端に接続するジョイントを設け、前記多孔質材料により蒸気を排出する蒸気排出ルートを設け、
前記主体は上蓋及び底板で構成し、前記底板の上側面に一つの凸台を設け、該凸台により、前記多孔質材料を当該底板の上に固定し、前記主体の両側にそれぞれ蒸気ジョイント及び液体ジョイントを設け、
前記上蓋に仕切り板を設け、該仕切り板と液体ジョイントとで補償空間を形成し、前記仕切り板と蒸気パイプジョイントとで蒸気収集空間を形成し、前記仕切り板により、補償空間と蒸気収集空間とを完全にセパレートし、
前記蒸発器の補償空間の上蓋の頂上に、真空にするためと、作動媒質を投入できる開口を設けることを特徴とする電子機器用放熱装置。
前記底板の下側面はフラット面とし、電子チップに対応して貼合できることを特徴とする請求項１記載の電子機器用放熱装置。
前記冷却器の片側にファンを設置することを特徴とする請求項１記載の電子機器用放熱装置。
前記フラットプレイト蒸発器の外形は、矩形体或いは多角体或いは幾何形体とすることを特徴とする請求項１記載の電子機器用放熱装置。
前記蒸気排出ルートの断面は、アーチ型或いは矩形或いは類円形或いは蜂の巣の形或いは多角形や幾何形体とすることを特徴とする請求項１記載の電子機器用放熱装置。
多孔質材料を製造する工程と、
金属材料或いは半導体の材料により上蓋を製造する工程と、
高い熱伝導性能のある銅やアルミ、ケイ素などを使用して底板を製造する工程と、
前記多孔質材料を製造する工程の後、前記上蓋と前記底板を結合してフラットプレイト蒸発器を形成し、前記フラットプレイト蒸発器を冷却器と一緒にパイプで接続した後に、前記フラットプレイト蒸発器の内部を真空にして作動媒質を投入してから密閉するヒートパイプ生産工程と、を備え、
前記上蓋及び前記底板で主体を構成し、前記底板の上側面に一つの凸台を設け、該凸台により、前記多孔質材料を当該底板の上に固定し、前記主体の両側にそれぞれ蒸気ジョイント及び液体ジョイントを設け、
前記上蓋に仕切り板を設け、該仕切り板と液体ジョイントとで補償空間を形成し、前記仕切り板と蒸気パイプジョイントとで蒸気収集空間を形成し、前記仕切り板により、補償空間と蒸気収集空間とを完全にセパレートし、
前記蒸発器の補償空間の上蓋の頂上に、真空にするためと、作動媒質を投入できる開口を設けることを特徴とする電子機器用放熱装置の製造方法。
前記多孔質材料は、銅の粉末或いは金属網など、高い熱伝導性能のある材料で製造することを特徴とする請求項６記載の電子機器用放熱装置の製造方法。
前記多孔質材料は、セラミック粉末などの無機材料としてマイクロ電子加工方法、或いはナノロッドで製造することを特徴とする請求項６記載の電子機器用放熱装置の製造方法。
前記多孔質材料を焼結する過程において、蒸気排出ルートを形成する治具と中心棒の材料は、高温の石墨や高温のセラミック或いはカーボンスチールとすることを特徴とする請求項７記載の放熱装置の製造方法。
前記上蓋と底板とがいずれも金属材料を使用する場合、上蓋と底板の材料は、同じ金属材料を使用、或いは異なる金属材料を使用することを特徴とする請求項６記載の放熱装置の製造方法。
前記マイクロ電子加工方法は、多孔質半導体材料をガラスエッチング法で製造し、ナノロッドで多孔質材料を製造する場合は、グレージングアングル沈積技術を用いることを特徴とする請求項８記載の電子機器用放熱装置の製造方法。