JP5788069B1 - 平面型ヒートパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】コンテナの歪みが低減され、ウィック構造を有する空隙部の気密性と水等の作動液に対する適合性に優れた平面型ヒートパイプを提供する。【解決手段】対向する２枚の板状体により空洞部が中央部に形成されたコンテナと、前記空洞部に封入された作動液とを有し、前記空洞部にウィック構造が備えられた平面型ヒートパイプであって、前記板状体の少なくとも一方は、２種類以上の金属部材が積層され一体化された複合部材であり、前記複合部材のうち、空洞部に接した層を形成する金属部材が、２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有し、外部に接した層を形成する金属部材が、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有し、前記空洞部の外周部が封止されている平面型ヒートパイプ。【選択図】図１

Description

本発明は、コンテナの歪みが低減され、水等の作動液に対する適合性に優れた平面型ヒートパイプに関するものである。

電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、近年、その冷却がより重要となっている。電子部品の冷却方法として、平面型ヒートパイプが使用されることがある。

平面型ヒートパイプのコンテナ材料として、作動液として広汎に使用される水に対する適合性に優れかつ熱伝導率の高い銅材を使用すると、銅材はレーザー光線の反射率が高くレーザー溶接には不向きであり、また、電気抵抗が低いためにシーム溶接等の抵抗溶接にも不向きなので、ウィック構造を有する空隙部を封止するために、ロウ付けまたははんだ付けにて空洞部の外周を接合するのが一般的である。しかし、ロウ付けまたははんだ付けによる封止方法は、コンテナ材料である銅材を高温下で加熱する必要があるので、コンテナ材料の剛性が低下して平面型ヒートパイプの耐圧性が劣化する傾向にあるという問題があった。

一方で、ロウ付けまたははんだ付けによる平面型ヒートパイプの耐圧性の低下を防止するために、コンテナ材料として銅材以外の材料、例えば、ステンレス鋼等を使用すると、作動液として広汎に使用される水との適合性に劣るという問題があった。

一方で、コンテナ材料として２種の金属部材からなるクラッド材を使用することもある。該クラッド材として、軽量化と優れた加工性のために、銅材とアルミニウム材との二層構造の部材を使用し、コンテナの内壁を形成するクラッド材の面が銅材からなる平面型ヒートパイプも提案されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１の平面型ヒートパイプでは、ロウ付けまたははんだ付け等の加熱処理を用いた封止方法では、銅材とアルミニウム材の線膨張率の差からコンテナに歪みが生じる場合があり、また、レーザー光線を用いた封止方法では、アルミニウム材もレーザー光線の反射率が高いので、レーザー溶接には不向きという問題があった。

特開２００２−１６８５７５号公報

上記事情に鑑み、本発明は、コンテナの歪みが低減され、ウィック構造を有する空隙部の気密性と水等の作動液に対する適合性に優れた平面型ヒートパイプを提供することを目的とする。

本発明の態様は、対向する２枚の板状体により空洞部が中央部に形成されたコンテナと、前記空洞部に封入された作動液とを有し、前記空洞部にウィック構造が備えられた平面型ヒートパイプであって、前記板状体の少なくとも一方は、２種類以上の金属部材が積層され一体化された複合部材であり、前記複合部材のうち、空洞部に接した層を形成する金属部材が、２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有し、外部に接した層を形成する金属部材が、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有し、前記空洞部の外周部が封止されている平面型ヒートパイプである。なお、本明細書の熱伝導率は、２５℃での値である。

本発明の態様は、前記空洞部の外周部が、レーザー溶接で封止されている平面型ヒートパイプである。

本発明の態様は、前記空洞部の外周部が、抵抗溶接で封止されている平面型ヒートパイプである。

本発明の態様は、前記複合部材が、クラッド材またはめっき材である平面型ヒートパイプである。

本発明の態様は、前記空洞部に接した層を形成する金属部材が、銅であり、前記外部に接した層を形成する金属部材が、ステンレス鋼である平面型ヒートパイプである。

本発明の態様は、前記空洞部に接した層を形成する金属部材の層の厚さが、前記複合部材の厚さの１／２以下である平面型ヒートパイプである。

本発明の態様は、上記平面型ヒートパイプが搭載されたヒートシンクである。

本発明の態様によれば、平面型ヒートパイプのコンテナ材料が、空洞部に接した層を形成する金属部材が２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有し、外部に接した層を形成する金属部材が１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する複合部材であることにより、空洞部の外周部を溶接等にて封止する際に、まず、外部に接した層である１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する金属部材が速やかに溶融して溶融熱を放出し、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する金属部材から放出された溶融熱は、空洞部に接した層である２００W／ｍ・K以上の熱伝導率、すなわち、相対的に高い熱伝導率を有する金属部材へ円滑に伝熱されて、該金属部材も速やかに溶融するので、コンテナに歪みが発生するのが防止され、平面度の高い平面型ヒートパイプとなる。

また、外部に接した層である金属部材と空洞部に接した層である金属部材ともに、速やかに溶融するので、ウィック構造を有する空隙部の気密性に優れた平面型ヒートパイプとなる。さらに、空洞部に接した層を形成する金属部材が２００W／ｍ・K以上と、高い熱伝導率を有することから、水等の作動液に対する適合性に優れ、さらに熱輸送特性にも優れた平面型ヒートパイプとなる。

本発明の態様によれば、空洞部がレーザー溶接で封止されていることにより、外部に接した層である１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する金属部材がより速やかに溶融して溶融熱を放出し、空洞部に接した層である２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有する金属部材へ溶融熱が円滑に伝熱されて該金属部材もより速やかに溶融するので、レーザー溶接による封止処理にあたり、コンテナの歪みの発生をさらに低減でき、ウィック構造を有する空隙部の気密性もさらに向上する。なお、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する金属部材にレーザー光線が照射されると、より速やかに該金属部材が溶融するのは、熱伝導率のより低い金属部材は電気伝導度もより低く、電気伝導度のより低い金属部材はレーザー光線の吸収率がより高いので、レーザー光線が熱伝導率のより低い金属部材に照射されると、該金属部材はより速やかにレーザー光線のエネルギーを吸収して溶融するためである。

本発明の態様によれば、空洞部が抵抗溶接で封止されていることにより、外部に接した層である１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する金属部材がより速やかに溶融するので、抵抗溶接による封止処理にあたり、コンテナの歪みの発生をさらに低減でき、ウィック構造を有する空隙部の気密性もさらに向上する。なお、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する金属部材に対して溶接電流を流す抵抗溶接がなされると、より速やかに該金属部材が溶融するのは、熱伝導率のより低い金属部材に電流を印加すると、より高いジュール熱が発生するので、熱伝導率のより低い金属部材に対して抵抗溶接が施されると、該金属部材はより速やかに溶融するためである。

本発明の態様によれば、空洞部に接した層の金属部材が銅、外部に接した層の金属部材がステンレス鋼であることにより、水等の作動液との適合性に優れ、コンテナ材料の剛性が高く耐圧性に優れた平面型ヒートパイプとなる。

本発明の第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプの側面断面図である。 本発明の第２実施形態例に係る平面型ヒートパイプの側面断面図である。

以下に、本発明の第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。図１に示すように、第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１は、対向する２枚の板状体、すなわち、一方の板状体４と他方の板状体３とを重ねることにより空洞部５を有する凸部６が中央部に形成された平面視矩形状のコンテナ２と、空洞部５内に封入された作動液（図示せず）とを有している。空洞部５内には、毛細管構造を有するウィック構造体（図示せず）が収納されている。

一方の板状体４は平板状である。他方の板状体３も平板状であるが、中央部が凸状に塑性変形されている。この板状体３の、外側に向かって突出し、凸状に塑性変形された部位が、コンテナ２の凸部６となる。凸部６の内部は、空洞部５となっている。平面型ヒートパイプ１では、凸部６の外周部に、すなわち、凸部６の周りを囲むようにレーザー光線７にてレーザー溶接部８が形成されることで空洞部５が封止され、空洞部５に気密性が付与される。なお、図１では、凸部６の外周部のうち、コンテナ２の側面断面図の一方の端部に相当する位置において、レーザー光線７を照射してレーザー溶接部８を形成している様子を示している。従って、その後、コンテナ２の側面断面図の他方の端部に相当する位置においてもレーザー光線７が照射されて、レーザー溶接部８が形成される。

一方の板状体４と他方の板状体３ともに、それぞれ、空洞部に接した第１の層４−１、３−１と外部環境に接した第２の層４−２、３−２が、積層され一体化された複合部材である。一方の板状体４では、空洞部に接した第１の層４−１を形成する金属部材は、２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有し、平面型ヒートパイプ１の外部環境に接した第２の層４−２を形成する金属部材は、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する。他方の板状体３も、一方の板状体４と同様に、空洞部に接した第１の層３−１を形成する金属部材は、２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有し、平面型ヒートパイプ１の外部環境に接した第２の層３−２を形成する金属部材は、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する。

第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１では、第１の層３−１、４−１と第２の層３−２、４−２は、いずれも、１種の金属部材からなる単層構造である。

熱伝導率の低い金属部材は電気伝導度も低く、電気伝導度の低い金属部材はレーザー光線の吸収率が高いので、レーザー光線が熱伝導率の低い金属部材に照射されると、該金属部材は速やかにレーザー光線のエネルギーを吸収して溶融する。よって、例えば、他方の板状体３の表面側にレーザー光線７が照射、すなわち、他方の板状体３の１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する第２の層３−２の金属部材に対してレーザー光線７が照射されると、速やかに他方の板状体３の第２の層３−２の金属部材が溶融する。この金属部材の溶融熱は、空洞部５に接した層である２００W／ｍ・K以上の熱伝導率、すなわち、相対的に高い熱伝導率を有する、他方の板状体３の第１の層３−１の金属部材へ円滑に伝熱されて、第１の層３−１の金属部材も速やかに溶融する。他方の板状体３の第１の層３−１の金属部材の溶融熱は、同様に、さらに、一方の板状体４の第１の層４−１の金属部材、一方の板状体４の第２の層４−２の金属部材へと伝えられて、第１の層４−１の金属部材及び第２の層４−２の金属部材も速やかに溶融する。従って、レーザー光線７による溶接にて、コンテナ２の歪みの発生をより低減でき、ウィック構造を有する空隙部５の気密性もさらに向上する。

また、第１の層３−１、４−１を形成する金属部材の熱伝導率が２００W／ｍ・K以上と、高い熱伝導率であることにより、作動液との適合性を有しつつ良好な熱輸送特性を有する平面型ヒートパイプとすることができる。第１の層３−１、４−１を形成する金属部材の熱伝導率は、２００W／ｍ・K以上であれば特に限定されないが、平面型ヒートパイプ１の優れた熱輸送特性と、第２の層３−２、４−２の溶融熱の第１の層３−１、４−１内部への伝熱性及び一方の板状体４への伝熱性の点から、３００W／ｍ・K以上が好ましく、より優れた熱輸送特性とより優れた上記伝熱性の点から、３５０W／ｍ・K以上が特に好ましい。

また、第１の層３−１、４−１を形成する金属部材の熱伝導率の上限は特に限定されないが、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率である金属部材から形成された第２の層３−２、４−２との熱膨張率の差に起因するコンテナ２の歪み発生を確実に防止する点から５００W／ｍ・K以下が好ましく、４５０W／ｍ・K以下が特に好ましい。

第１の層３−１、４−１の金属部材は、上記熱伝導率を有する金属部材であれば、金属種は特に限定されず、２００W／ｍ・K以上３００W／ｍ・K未満の金属材料として、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等、３００W／ｍ・K以上３５０W／ｍ・K未満の金属材料として、例えば、金、銅合金等、３５０W／ｍ・K以上５００W／ｍ・K未満の金属材料として、銅、銀等、を挙げることができる。このうち、作動液として汎用されている水との優れた適合性と優れた熱輸送特性の点から、銅が好ましい。

一方で、第２の層３−２、４−２を形成する金属部材の熱伝導率が１００W／ｍ・K以下であることにより、第２の層３−２、４−２の金属部材はレーザー光線のエネルギーを速やかに吸収して溶融するので、コンテナ２の歪みの発生を低減でき、ウィック構造を有する空隙部の気密性も向上する。第２の層３−２、４−２を形成する金属部材の熱伝導率は、１００W／ｍ・K以下であれば、特に限定されないが、レーザー光線のエネルギーをより速やかに吸収することで、コンテナ２の歪みの発生をさらに低減して平面型ヒートパイプ１の平面度をより向上させる点から７０W／ｍ・K以下が好ましく、レーザー溶接の高速化による生産性向上の点から４０W／ｍ・K以下が特に好ましい。

第２の層３−２、４−２の金属部材は、上記熱伝導率を有する金属部材であれば、金属種は特に限定されず、７０W／ｍ・K超１００W／ｍ・K以下の金属部材として、例えば、ニッケル、鉄等、４０W／ｍ・K超７０W／ｍ・K以下の金属部材として、例えば、青銅、スズ等、４０W／ｍ・K以下の金属部材として、例えば、ステンレス鋼、チタン等、を挙げることができる。このうち、剛性が高く耐圧性に優れたコンテナ２としつつ、コンテナ２の歪みの発生を低減する点から、ステンレス鋼、チタンが好ましい。

積層された一方の板状体４と他方の板状体３の厚さの合計は、特に限定されず、例えば、０．１mm〜１．０mmである。また、一方の板状体４の厚さは、特に限定されず、例えば、０．０５mm〜０．５mmであり、他方の板状体３の厚さも、特に限定されず、例えば、０．０５mm〜０．５mmである。第１の層３−１、４−１の厚さと第２の層３−２、４−２の厚さの比率は、特に限定されず、例えば、第２の層３−２、４−２の厚さに対する第１の層３−１、４−１の厚さの比は、一方の板状体及び他方の板状体の剛性の点から０．１〜１．０が好ましく、溶接の安定性と信頼性の点から０．２〜０．８が特に好ましい。

第１の層３−１、４−１と第２の層３−２、４−２が積層され一体化された複合部材として、例えば、クラッド材またはめっき材を使用することができる。本発明で使用するクラッド材は、公知の方法にて製造することができ、例えば、第１の層３−１、４−１の金属部材の接合面と第２の層３−２、４−２の金属部材の接合面を洗浄して、所定の活性化処理をした後、両金属部材の接合面を重ねて冷間圧延にて接合し、熱処理することにより製造できる。また、本発明で使用するめっき材も、公知の方法にて製造することができ、例えば、被めっき部材である第２の層３−２、４−２を形成する金属部材に対して無電解めっきまたは電気めっきを施すことで第２の層３−２、４−２上に第１の層３−１、４−１を形成することで製造できる。

レーザー溶接部８の形成に使用するレーザーは、特に限定されないが、高速加工の点及びレーザー溶接部８の溶接幅を低減して空洞部５の歪みを防止する点から、例えば、コンテナ２のレーザー照射側表面における集光径が小さい、例えば、該集光径２０〜２００μｍのファイバーレーザーを挙げることができる。

空洞部５に封入する作動液としては、コンテナ２の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水を挙げることができる。その他の作動液としては、例えば、代替フロン、フロリーナ、シクロペンタン等を挙げることができる。毛細管構造を有するウィック構造体（図示せず）としては、例えば、メッシュ、ワイヤ等を有する薄板を挙げることができる。

次に、本発明の第２実施形態例に係る平面型ヒートパイプについて、図面を用いながら説明する。本発明の第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。

図２に示すように、第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１では、凸部６の外周部にレーザー光線７にてレーザー溶接部８が形成されることで空洞部５が封止されていたが、これに代えて、第２実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１０では、凸部６の外周部にシーム溶接機等の抵抗溶接機１１にて抵抗溶接機による溶接部１２が形成されることで空洞部５が封止されている。なお、図２でも、図１と同様に、凸部６の外周部のうち、コンテナ２の側面断面図の一方の端部に相当する位置において、抵抗溶接機１１にて抵抗溶接機による溶接部１２を形成している様子を示している。従って、その後、コンテナ２の側面断面図の他方の端部に相当する位置においても抵抗溶接機１１にて抵抗溶接機による溶接部１２が形成されることとなる。

熱伝導率の低い金属部材に電流を印加すると高いジュール熱が発生するので、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有する第２の層３−２、４−２の金属部材に対して溶接電流を流すシーム溶接等の抵抗溶接がなされると、速やかに第２の層３−２、４−２の金属部材が溶融する。この金属部材の溶融熱は、空洞部５に接した層である２００W／ｍ・K以上の熱伝導率、すなわち、相対的に高い熱伝導率を有する、第１の層３−１、４−１の金属部材へ円滑に伝熱されて、第１の層３−１、４−１の金属部材も速やかに溶融する。従って、シーム溶接機等の抵抗溶接機１１にて凸部６の外周部を溶接しても、レーザー光線７による溶接と同様に、コンテナ２の歪みの発生をより低減でき、ウィック構造を有する空隙部５の気密性もさらに向上する。

次に、本発明の実施形態例に係る平面型ヒートパイプの使用方法例について説明する。ここでは、パソコン等の電子機器内部のＣＰＵ等が実装されているフレキシブルプリント配線板を、本発明の平面型ヒートパイプを用いて冷却する場合を例にとって説明する。電子機器内部の空隙の状況とフレキシブルプリント配線板の収納状況に応じて、適宜、平面型ヒートパイプを曲げて、フレキシブルプリント配線板を平面型ヒートパイプの入熱側と熱的に接続させる。平面型ヒートパイプの放熱側には、必要に応じて、放熱用のフィンを設ける。これにより、電子機器内部の狭い空間に収容されたフレキシブルプリント配線板を面状に冷却することができる。

また、本発明の実施形態例に係る平面型ヒートパイプをヒートシンクに搭載して、ヒートシンクの冷却能力を向上させることもできる。上記搭載方法としては、例えば、ヒートシンクの受熱ブロック表面に平面型ヒートパイプの放熱側を熱的に接続させる方法、ヒートシンクの受熱ブロックに平面型ヒートパイプの入熱側を熱的に接続させ、ヒートシンクの放熱フィンに平面型ヒートパイプの放熱側を熱的に接続させる方法等を挙げることができる。

次に、本発明の他の実施形態例について説明する。上記各実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１、１０では、第１の層３−１、４−１と第２の層３−２、４−２は、いずれも、１種の金属部材からなる単層構造であったが、これに代えて、２種以上の金属部材から形成された２層以上の構造でもよい。この場合、金属部材の具体的な金属種としては、上記した金属種を挙げることができる。

上記各実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１、１０では、他方の板状体３と一方の板状体４ともに、それぞれ、空洞部５に接した第１の層３−１、４−１と外部環境に接した第２の層３−２、４−２からなる複合部材、すなわち、２種の金属部材が積層され一体化された２層構造の複合部材であったが、これに代えて、第１の層３−１、４−１と第２の層３−２、４−２との間に、さらに、第１の層３−１、４−１及び第２の層３−２、４−２の金属部材とは別の種類の金属部材にて形成した中間層を１つ以上設けた、３層以上の構造の複合部材としてもよい。中間層を形成する金属部材は、熱伝導率が１００W／ｍ・K超２００W／ｍ・K未満の金属部材であり、例えば、タングステン等を挙げることができる。

また、上記の通り、上記各実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１、１０では、他方の板状体３と一方の板状体４ともに、第１の層３−１、４−１と第２の層３−２、４−２からなる２層構造の複合部材であったが、これに代えて、他方の板状体３または一方の板状体４を、第１の層３−１、４−１のみまたは第２の層３−２、４−２のみからなる１層構造の部材としてもよい。この実施形態例では、レーザー光線７が照射される場合には、コンテナに歪みが発生するのを確実に防止する点から、レーザー光線７が照射される方の板状体が２層構造の複合部材、レーザー光線７が照射されない方の板状体が上記１層構造の部材であることが好ましい。なお、他方の板状体３または一方の板状体４を上記１層構造の部材とする場合にも、複合部材は２層構造ではなく３層以上の構造としてもよい。

第１実施形態例に係る平面型ヒートパイプ１では、他方の板状体３の表面にレーザー光線９が照射されたが、これに代えて、一方の板状体４の表面にレーザー光線９が照射されてもよく、他方の板状体３と一方の板状体４の両表面にレーザー光線９が照射されてもよい。

本発明の平面型ヒートパイプは、コンテナの歪みが低減され、ウィック構造を有する空隙部の気密性と水等の作動液に対する適合性に優れるので、特に、冷却対象の発熱体を面状に均一に冷却する分野で利用価値が高い。

１、１０ 平面型ヒートパイプ
２ コンテナ
３ 他方の板状体
４ 一方の板状体
５ 空洞部
８ レーザー溶接部
１２ 抵抗溶接機による溶接部

Claims (5)

1. 対向する２枚の板状体により空洞部が中央部に形成されたコンテナと、前記空洞部に封入された作動液とを有し、前記空洞部にウィック構造が備えられた平面型ヒートパイプであって、
   前記板状体の少なくとも一方は、２種類以上の金属部材が積層され一体化された複合部材であり、前記複合部材のうち、空洞部に接した層を形成する金属部材が、２００W／ｍ・K以上の熱伝導率を有し、外部に接した層を形成する金属部材が、１００W／ｍ・K以下の熱伝導率を有し、前記空洞部の外周部が、レーザー溶接で封止されている平面型ヒートパイプ。
2. 前記複合部材が、クラッド材またはめっき材である請求項１に記載の平面型ヒートパイプ。
3. 前記空洞部に接した層を形成する金属部材が、銅であり、前記外部に接した層を形成する金属部材が、ステンレス鋼である請求項１または２に記載の平面型ヒートパイプ。
4. 前記空洞部に接した層を形成する金属部材の層の厚さが、前記複合部材の厚さの１／２以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の平面型ヒートパイプ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の平面型ヒートパイプが搭載されたヒートシンク。

Images