JP6999452B2 - ループ型ヒートパイプ、及びループ型ヒートパイプ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ループ型ヒートパイプ、及びループ型ヒートパイプ製造方法に関する。

スマートフォン等の電子機器で発生した熱を輸送するデバイスとしてループ型ヒートパイプがある。ループ型ヒートパイプは、作動流体の相変化を利用して熱輸送を行うデバイスであって、作動流体が封入されたループ状の管路を有する。

ループ型ヒートパイプにおいては、管路を作動流体が一方向に流れることにより電子部品で発生した熱を凝縮器に輸送するため、作動流体が管路から受ける抵抗が大きいと効率的に熱を輸送することができない。

国際公開第２０１５／０８７４５１号 特開平１０－１２２７７４号公報 特開平１１－３７６７８号公報

一側面によれば、本発明は、作動流体が管路から受ける抵抗を低減して効率的に熱を輸送することができるループ型ヒートパイプ、及びループ型ヒートパイプ製造方法を提供することを目的とする。

一側面によれば、ループ状の管路が形成された中間金属層と、前記中間金属層の下に接合され、前記管路を下から塞ぐ下側金属層と、前記中間金属層の上に接合され、前記管路を上から塞ぐ上側金属層と、前記管路に封入され、液状又は蒸気の状態で存在する作動流体と、前記管路に設けられ、前記液状の作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記管路に設けられ、前記蒸気を凝縮する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間の前記管路であって、前記蒸気が流れる蒸気管と、前記蒸発器と前記凝縮器との間の前記管路であって、液状の前記作動流体が流れる液管とを備え、前記凝縮器、前記液管、及び前記蒸気管のいずれかの一部において、前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方が前記管路の外に向かって膨張し、前記蒸気管は、電子部品と重なる第１部分と、前記電子部品とは重ならない第２部分と、を有し、前記第１部分における前記管路の高さは、前記第２部分における前記管路の高さよりも小さいことを特徴とするループ型ヒートパイプが提供される。

一側面によれば、下側金属層と上側金属層の少なくとも一方を管路の外に向かって膨張させるため、作動流体が管路から受ける抵抗が減る。これにより、作動流体が管路内をスムーズに流れるようになり、作動流体で熱を効率的に輸送することができるようになる。

図１は、検討に使用したループ型ヒートパイプの上面図である。 図２は、図１のI－I線に沿う断面図である。 図３は、本実施形態に係るループ型ヒートパイプの上面図である。 図４は、図３のII－II線に沿う断面図である。 図５は、図３のIII－III線に沿う断面図である。 図６は、図３のIV－IV線に沿う断面図である。 図７は、図３のV－V線に沿う断面図である。 図８は、第１実施形態において多孔質体を設ける部位について説明するための平面図である。 図９は、第１実施形態において液管の一部のみに多孔質体を設けた場合の平面図である。 図１０（ａ）は、図９のVI－VI線に沿った液管の断面図であり、図１０（ｂ）は、図９のVII－VII線に沿った凝縮器の断面図である。 図１１は、第１実施形態において筐体に固着された凝縮器の断面図である。 図１２は、第１実施形態に係るループ型ヒートパイプの熱輸送性能を調査して得られたグラフである。 図１３は、第１実施形態に係るループ型ヒートパイプで使用する下側金属層と上側金属層の各々の平面図である。 図１４は、第１実施形態に係るループ型ヒートパイプで使用する中間金属層の平面図である。 図１５は、図１４の領域Aにおける複数の中間金属層の各々の拡大平面図である。 図１６（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態の第１例に係るループ型ヒートパイプの製造途中の断面図（その１）である。 図１７は、第１実施形態の第１例に係るループ型ヒートパイプの製造途中の断面図（その２）である。 図１８（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態の第２例に係るループ型ヒートパイプの製造途中の断面図（その１）である。 図１９は、第１実施形態の第２例に係るループ型ヒートパイプの製造途中の断面図（その２）である。 図２０は、第１実施形態の第１変形例におけるループ型ヒートパイプの断面図である。 図２１は、第１実施形態の第１変形例において、下側金属層を上側金属層よりも厚くした場合の断面図である。 図２２は、第１実施形態の第２変形例におけるループ型ヒートパイプの断面図である。 図２３は、第１実施形態の第２変形例において、下側金属層の管壁部を接合部よりも薄くした場合の断面図である。 図２４（ａ）は、第２実施形態において下側金属層と上側金属層とを管路の外側に膨張させる前の蒸気管の断面図であり、図２４（ｂ）は、第２実施形態において下側金属層と上側金属層とを管路の外側に膨張させた後の蒸気管の断面図である。 図２５は、第２実施形態において、凹部の平面形状について説明するための平面図である。 図２６は、第２実施形態に係るループ型ヒートパイプにおいて凹部を形成する部位を示す平面図である。 図２７（ａ）～（ｃ）は、本実施形態に係る下側金属層の加工方法について説明するための断面図である。 図２８は、第２実施形態の第１変形例に係る蒸気管の断面図である。 図２９は、第２実施形態の第２変形例に係る下側金属層の拡大平面図である。 図３０は、第２実施形態の第３変形例に係る下側金属層の拡大平面図である。 図３１は、第２実施形態の第４変形例に係る下側金属層の拡大平面図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

図１は、検討に使用したループ型ヒートパイプの上面図である。

このループ型ヒートパイプ１は、スマートフォンやデジタルカメラ等の筐体２に収容されており、蒸発器３と凝縮器４とを備える。

蒸発器３と凝縮器４には蒸気管５と液管６とが接続されており、これらの管５、６によって作動流体Cが流れるループ状の管路９が形成される。また、蒸発器３にはCPU(Central Processing Unit)等の発熱部品７が固着されており、その発熱部品７の熱により作動流体Cの蒸気Cvが生成される。

その蒸気Cvは、蒸気管５を通って凝縮器４に導かれ、凝縮器４において液化した後に液管６を通って再び蒸発器３に供給される。

このようにループ型ヒートパイプ１の内部を作動流体Cが循環することにより発熱部品７で発生した熱が凝縮器４に移動し、発熱部品７の冷却を促すことができる。

図２は、図１のI－I線に沿う断面図である。

図２に示すように、この例では複数の金属層８を積層して接合し、その内部に管路９を形成する。

このように金属層８を積層してループ型ヒートパイプ１を作製することにより、ループ型ヒートパイプの厚さを薄くすることができ、筐体２の薄型化を推し進めることが可能となる。

しかしながら、この構造では管路９の高さｈが金属層８を数層重ねた程度の厚みしかないため、作動流体Ｃが管路９から受ける抵抗が大きくなる。そのため、作動流体Ｃがループ型ヒートパイプ１内を循環するのが阻害されてしまい、作動流体Ｃの流れによって発熱部品７の熱を凝縮器４に輸送するのが難しくなり、発熱部品７を効率的に冷却するのが困難となる。

以下に、作動流体が管路から受ける抵抗を低減することができる本実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図３は、本実施形態に係るループ型ヒートパイプの上面図である。

このループ型ヒートパイプ１１は、電子機器の筐体１２に収容されており、蒸発器１３と凝縮器１４とを備える。電子機器は、冷却対象の発熱部品を有する機器であれば特に限定されず、スマートフォン、デジタルカメラ、人工衛星、車載電子機器、及びサーバ等を電子機器として採用し得る。

蒸発器１３と凝縮器１４には蒸気管１５と液管１６とが接続されており、これらの管１５、１６によって作動流体Cが流れるループ状の管路１７が形成される。また、蒸発器１３にはCPU等の発熱部品１８が固着されており、その発熱部品１８の熱により液状の作動流体Cが蒸発し、作動流体Cの蒸気Cvが生成される。

蒸気Cvは、蒸気管１５を通って凝縮器１４に導かれ、凝縮器１４において液化した後に液管１６を通って再び蒸発器１３に供給される。

ループ型ヒートパイプ１１の内部をこのように作動流体Cが循環することにより発熱部品１８で発生した熱が凝縮器１４に移動し、発熱部品１８の冷却を促すことができる。

また、筐体１２の内部には、ループ型ヒートパイプ１１が冷却の対象とする発熱部品１８の他に、積極的な冷却が不要な電子部品１９も収容される。そのような電子部品１９としては、例えば、不図示の配線基板に実装される表面実装型の電子部品がある。

なお、図３では一つの電子部品１９のみを例示しているが、筐体１２内に複数の電子部品１９を設けてもよい。

図４は、図３のII－II線に沿う断面図である。

図４に示すように、本実施形態では下側金属層２１、中間金属層２２、及び上側金属層２３をこの順に積層してループ型ヒートパイプ１１を作製する。これらの金属層のうち、中間金属層２２には幅Wが５mm～１０mm程度の管路１７が設けられており、下側金属層２１がその管路１７を下側から塞ぐと共に、上側金属層２３が管路１７を上から塞ぐ。

各金属層２１～２３の材料は特に限定されないが、本実施形態では熱伝導性と加工性が良好な銅層を各金属層２１～２３として採用する。なお、銅層に代えてアルミニウム層やステンレス層を各金属層２１～２３として採用してもよい。

また、各金属層２１～２３のそれぞれの厚さは１００μm～３００μm、例えば１００μm程度であり、各金属層２１～２３を合わせた合計の厚さTは６００μm～１８００μm程度である。

このように厚さが薄い各金属層２１～２３を積層することでループ型ヒートパイプ１１の厚さを薄くすることができ、ループ型ヒートパイプ１１が収容される筐体１２の薄型化に寄与することができる。

なお、中間金属層２２の積層数は特に限定されず、中間金属層２２を一層のみ設けてもよいし、複数の中間金属層２２を積層してよい。

また、本実施形態では下側金属層２１と上側金属層２３の各々を管路１７の外に向かって膨張させることにより、管路１７の高さHを０．６mm～１．２mm程度に高くする。

これにより、作動流体Cが管路１７から受ける抵抗が小さくなるため、作動流体Cがループ型ヒートパイプ１１内を循環し易くなる。その結果、作動流体Cの流れによって発熱部品１８の熱を凝縮器１４に輸送するのが容易となり、発熱部品１８を効率的に冷却することができる。

但し、図３のように筐体１２の内部には電子部品１９が設けられており、平面視でその電子部品１９と重なる部分のループ型ヒートパイプ１１は電子部品１９と近接しており、下側金属層２１と上側金属層２３の両方を膨張させるのは難しい。

そのため、本実施形態では、平面視で電子部品１９と重なる部分のループ型ヒートパイプ１１においては、以下のように各金属層２１、２３の一方の膨らみを抑制する。

図５は、図３のIII－III線に沿う断面図であって、電子部品１９と重なる部分のループ型ヒートパイプ１１の断面図に相当する。

図５に示すように、この部分においては、各中間金属層２２の各々に形成された管路１７の幅Wが、上側金属層２３から下側金属層２１に向かって階段状に狭くなる。後述のように、下側金属層２１や上側金属層２３は、管路１７の内部の圧力を高めることにより外側に膨張する。よって、このように下側金属層２１に向かって幅Wを階段状に狭くすると、下側金属層２１において管路１７の内部から圧力を受ける部分が少なくなり、上側金属層２３と比較して下側金属層２１の膨張が少なくなる。

その結果、下側金属層２１の下に電子部品１９が存在しても、その電子部品１９にループ型ヒートパイプ１１が接触するのを防止することができる。

なお、上下に隣接する中間金属層２２における幅Wの差ΔWは特に限定されないが、この例では差ΔWを２００μm～５００μm程度とする。

図６は、図３のIV－IV線に沿う断面図であって、作動流体Cの流れ方向に沿ったループ型ヒートパイプ１１の断面図に相当する。

図６に示すように、本実施形態では電子部品１９が存在しない部分では下側金属層２１の膨らみによって管路１７の高さHを大きく確保しつつ、電子部品１９の上ではその膨らみを抑制して電子部品１９にループ型ヒートパイプ１１が接触するのを防止できる。

次に、液管１６の構造について説明する。

図７は、図３のV－V線に沿う断面図であって、液管１６の断面図に相当する。

図７に示すように、液管１６には、液状の作動流体Cを保持する多孔質体２５が設けられる。その多孔質体２５は、中間金属層２２とその各々に設けられた微細な孔２２ａから形成される。上下に隣接する孔２２ａ同士は互いに連通しており、これにより液状の作動流体Cが流れる微細な三次元チャネルが各孔２２ａにより形成される。そして、その多孔質体２５から作動流体Cに作用する毛細管力が、液管１６内の作動流体Cを蒸発器１３に移動させる駆動力となる。

液管１６における下側金属層２１と上側金属層２３は、この多孔質体２５に接合しているため外側への膨張が規制され、各々の外側表面２１ｘ、２３ｘは平坦面となる。

図８は、その多孔質体２５を設ける部位について説明するための平面図である。

図８の例では、液管１６の全ての部位と蒸発器１３に多孔質体２５を設ける。

なお、多孔質体２５によって蒸発器１３に作動流体Ｃを移動させる駆動力が十分に得られるのであれば、以下のように液管１６の一部のみに多孔質体２５を設けてもよい。

図９は、液管１６の一部のみに多孔質体２５を設けた場合の平面図である。

図９の例では、液管１６において多孔質体２５を設ける部位を、液管１６の中途部１６ａから蒸発器１３に至る部分P1とする。そして、中途部１６ａから凝縮器１４に至る部分P2における管路１７には多孔質体２５を設けない。

図１０（ａ）は、図９のVI－VI線に沿った部分P2における液管１６の断面図である。

部分P2には、各金属層２１、２３が外側に膨らむのを規制する多孔質体２５が存在しない。よって、液管１６が電子部品１９（図３参照）に接触しない限り、図１０（ａ）のように下側金属層２１や上側金属層２３を膨らませ、作動流体Cが液管１６から受ける抵抗を減らすのが好ましい。

図１０（ｂ）は、図９のVII－VII線に沿った凝縮器１４の断面図である。

凝縮器１４にも多孔質体２５が存在しないため、図１０（ｂ）のように下側金属層２１や上側金属層２３を膨らませて作動流体Cが液管１６から受ける抵抗を減らすのが好ましい。

なお、凝縮器１４における作動流体Cの冷却を促すために、筐体１２に凝縮器１４を固着し、凝縮器１４の熱を筐体１２を介して外部に放熱してもよい。

図１１は、筐体１２に固着された凝縮器１４の断面図であって、図９のVII－VII線に沿った凝縮器１４の断面図に相当する。

図１１の例では、熱伝導性グリスや樹脂等のTIM(Thermal Interface Material)２６を介して下側金属層２１の外側表面２１ｘに筐体１２を固着する。また、図５と同様に、管路１７の幅が上側金属層２３から下側金属層２１に向かって階段状に狭くなる構造を採用し、下側金属層２１の膨らみを抑制する。これにより、下側金属層２１の外側表面２１ｘの凹凸が低減するため、TIM２６を介して下側金属層２１と筐体１２とが良好に密着し、凝縮器１４の熱を筐体１２を介して外部に効率的に放熱することができる。

なお、外側表面２１ｘの凹凸をTIM２６が十分に吸収できる場合には、このように下側金属層２１の膨らみを抑制せずに、図１０（ｂ）のように下側に大きく膨らんだ下側金属層２１にTIM２６を介して筐体１２を固着してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、下側金属層２１や上側金属層２３を膨らませることにより管路１７から作動流体Ｃが受ける抵抗を低減する。また、管路１７の断面を階段状とすることにより、電子部品１９とループ型ヒートパイプ１１とが近接している部位においては下側金属層２１や上側金属層２３の膨らみを抑制する。

下側金属層２１や上側金属層を膨らませる部位は、ループ型ヒートパイプ１１が電子部品１９と接触しない限り部位であれば特に限定されない。そのような部位としては、凝縮器１４、蒸気管１５、及び液管１６のいずれかの一部がある。なお、蒸発器１３における下側金属層２１と上側金属層２３は、多孔質体２５（図８参照）や発熱部品１８によって変形が規制されているため、無理に膨張させなくてもよい。

本願発明者は、このように下側金属層２１や上側金属層２３を膨らませることによりループ型ヒートパイプ１１の熱輸送性能がどの程度向上するのかを調査した。

その調査結果を図１２に示す。

図１２は、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１１の熱輸送性能を調査して得られたグラフであって、その横軸は蒸発器１３への熱入力量を示し、縦軸はループ型ヒートパイプ１１の熱抵抗を示す。

なお、図１２においては、図１に示したループ型ヒートパイプ１の調査結果を比較例として併記してある。その比較例に係るループ型ヒートパイプ１においては、図２を参照して説明したように管路９に膨らみがない。

本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１１は、熱入力量の増大と共に熱抵抗が減少する動作領域A1において正常に動作し、動作領域A1よりも熱入力量が大きな動作不能領域A2では管路１７内の過剰な圧力損失で動作しなくなる。

図１２に示されるように、本実施形態においては、動作領域A1の大部分の領域において比較例よりも熱抵抗が小さくなる。これは、本実施形態のように管路１７を膨らませることにより管路１７内の作動流体Cの流れがスムーズになるためと考えられる。

しかも、本実施形態においてループ型ヒートパイプ１１が動作し得る熱入力量の最大値Q1は、比較例における最大値Q2よりも大きくなる。

これらの結果から、本実施形態のように管路１７を膨らませることが、ループ型ヒートパイプ１１の熱輸送性能を高めるのに有効であることが確かめられた。

次に、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１１の製造方法について説明する。

図１３は、ループ型ヒートパイプ１１で使用する下側金属層２１と上側金属層２３の各々の平面図である。

図１３に示すように、下側金属層２１と上側金属層２３の各々は、蒸発器１３、凝縮器１４、蒸気管１５、及び液管１６の各々に対応した平面形状を有する。

一方、図１４は、ループ型ヒートパイプ１１で使用する中間金属層２２の平面図である。

図１４に示すように、中間金属層２２も蒸発器１３、凝縮器１４、蒸気管１５、及び液管１６の各々に対応した平面形状を有する。

また、中間金属層２２には管路１７が設けられる。管路１７は平面視でループ状であって、その管路１７に作動流体Cを注入するための注入口１１ａが中間金属層２２に形成される。更に、蒸発器１３と液管１６に相当する部分の中間金属層２２には、多孔質体２５を形成する複数の微細な孔２２ａが開口される。

なお、図１４の領域Aでは、管路１７と電子部品１９（図３参照）とが重なる。図１５は、その領域Aにおける複数の中間金属層２２の各々の拡大平面図である。

図１５に示すように、管路１７の幅Wは、一層目の中間金属層２２において最も狭く、二層目、三層目の順に広くなる。

上記した金属層２１～２３を積層することによりループ型ヒートパイプ１１は製造されるが、その製造方法には以下の第１例と第２例とがある。

・第１例
図１６～図１７は、第１例に係るループ型ヒートパイプ１１の製造途中の断面図である。

なお、これらの図においては、図３のII－II線とIII－III線のそれぞれに沿った断面を併記する。

まず、図１６（ａ）に示すように、前述の下側金属層２１、中間金属層２２、及び上側金属層２３をこの順に積層する。そして、各金属層２１～２３を５００℃以上の温度、例えば７００℃に加熱しながら、１０MPa程度の圧力で各金属層２１～２３同士をプレスして拡散接合により各金属層２１～２３同士を接合し、下側金属層２１と上側金属層２３とで管路１７をその上下から塞ぐ。

その管路１７は、II－II線に沿った断面では概略矩形状であるのに対し、III－III線に沿った断面では下側金属層２１に向かって幅が狭くなる階段状の側面を有する。

また、このように各金属層２１～２３を積層することより、これらの金属層２１～２３の積層体に前述の蒸発器１３、凝縮器１４、蒸気管１５、及び液管１６の各々が形成される。

次に、図１６（ｂ）に示すように、各金属層２１～２３の積層体を室温に維持しながら、大気圧よりも高い圧力のガスGを注入口１１ａ（図１４参照）から管路１７に導入する。これにより、ガスGの圧力Pで下側金属層２１と上側金属層２３の各々が塑性変形し、これらの金属層２１、２３の各々が管路１７の外側に膨張する。そのガスGとして、本実施形態では圧力が０．５MPaの空気を採用する。

また、III－III線に沿った断面では、下側金属層２１に近づくにつれて管路１７の幅を狭くしたため、下側金属層２１の膨張が抑制される。

次いで、図１７に示すように、注入口１１ａから管路１７に作動流体Cとして水を注入する。その後、注入口１１ａを封止することにより、管路１７内に作動流体Cを封入する。

以上により、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１１が完成する。

本例に係るループ型ヒートパイプ１１の製造方法によれば、下側金属層２１や上側金属層２３に対して機械的な加工を施すことなく、ガスGの圧力でこれらの金属層２１、２２を簡単に膨張させることができる。

・第２例
図１８～図１９は、第２例に係るループ型ヒートパイプ１１の製造途中の断面図である。これらの図においても、図１６～図１７と同様に、図３のII－II線とIII－III線のそれぞれに沿った断面を併記する。

まず、図１８（ａ）に示すように、図１６（ａ）と同様にして各金属層２１～２３同士を加熱しながらプレスすることにより、拡散接合により各金属層２１～２３同士を接合する。

次に、図１８（ｂ）に示すように、注入口１１ａ（図１４参照）から管路１７に作動流体Cとして水を注入する。その後、注入口１１ａを封止することにより、管路１７内に作動流体Cを封入する。

そして、図１９に示すように、管路１７の外側から作動流体Cをその沸点よりも高い２００℃程度の温度に加熱して気化させる。これにより、気化した作動流体Cの圧力Pで下側金属層２１と上側金属層２３の各々が塑性変形し、これらの金属層２１、２３の各々を管路１７の外側に膨張させることができる。

このとき、III－III線に沿った断面では、第１例と同様に下側金属層２１の膨張が抑制される。

以上により、本実施形態に係るループ型ヒートパイプ１１が完成する。

本例に係るループ型ヒートパイプ１１の製造方法によれば、気化した作動流体Cの圧力で下側金属層２１や上側金属層２３を膨張させるため、これらの金属層を膨張させるための専用のガスを管路１７に注入する工程が不要となり、工程の簡略化を図ることができる。

次に、本実施形態の様々な変形例について説明する。

（第１変形例）
図２０は、第１変形例におけるループ型ヒートパイプ１１の断面図であって、図３のII－II線に沿う断面図に相当する。

図２０に示すように、本変形例においては、上側金属層２３の厚さを２００μm程度とすることにより、上側金属層２３の厚さを下側金属層２１の厚さ（１００μm）よりも厚くする。これにより、図１６（ｂ）や図１９の工程で管路１７内の圧力を高めたときに、その圧力によって下側金属層２１が外側に容易に膨らむのに対し、塑性変形が困難な厚い上側金属層２３は膨らみ難くなり、上側金属層２３の外側表面２３ｘを平坦に維持できる。

よって、上側金属層２３と筐体１２とが互いに近接しており、これらの間に上側金属層２３の膨らみを許容する空間がない場合であっても、上側金属層２３が筐体１２に接触するのを防ぎつつ、下側金属層２１のみを選択的に含まらせることができる。

なお、図２０の例では上側金属層２３を下側金属層２１よりも厚くしたが、これとは逆に下側金属層２１を上側金属層２３よりも厚くしてもよい。

図２１は、この場合の断面図である。

この場合は、下側金属層２１の膨らみが抑制されてその外側表面２１ｘが平坦となるため、下側金属層２１の下に近接するように筐体１２を設けることができる。

（第２変形例）
図２２は、第２変形例におけるループ型ヒートパイプ１１の断面図であって、図３のII－II線に沿う断面図に相当する。

図２２に示すように、本変形例における上側金属層２３は、中間金属層２２に接合された接合部２３ａと、管路１７に面した管壁部２３ｂとを有する。そして、本変形例においては、管壁部２３ｂの厚さを接合部２３ａの厚さよりも薄くする。

これにより、図１６（ｂ）や図１９の工程で管路１７内の圧力を高めたときに、その圧力で管壁部２３ｂを外側に大きく膨らませることができる。

なお、このように管壁部２３ｂを接合部２３ａよりも薄くするには、接合部２３ａを不図示のレジストマスクで覆いながら、管壁部２３ｂをウエットエッチングすればよい。

また、図２２の例では上側金属層２３の管壁部２３ｂを薄くしたが、これとは逆に下側金属層２１を薄くしてもよい。

図２３は、この場合の断面図である。

この場合は、下側金属層２１のうち、管路１７に面した管壁部２１ｂの厚さを、中間金属層２２に接合された接合部２１ａの厚さよりも薄くすることにより、下側金属層２１が管路１７の外に向かって大きく膨らみ易くなる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、下側金属層２１と上側金属層２３の少なくとも一方を膨張させた。これにより作動流体が管路１７から受ける抵抗を低減できるものの、ループ型ヒートパイプ１１に対する信頼性試験の際に管路１７が破裂する危険性もある。そのような信頼性試験として、例えば冷熱試験がある。冷熱試験は、ループ型ヒートパイプ１１の冷却と加熱とを繰り返して行う試験であり、その試験の際に作動流体Cが液相と気相との間で繰り返し相変化を行うことで管路１７が破裂する可能性が生じる。

そこで、本実施形態では、以下のようにして管路１７が破裂する危険性を低減する。

図２４（ａ）は、各金属層２１、２３を管路１７の外側に膨張させる前の蒸気管１５の断面図である。

図２４（ａ）に示すように、各金属層２１、２３の各々は、管路１７に対向する内側表面２１ｙ、２３ｙと、これらの内側表面２１ｙ、２３ｙに相対する外側表面２１ｘ、２３ｘとを有する。そして、本実施形態では、内側表面２１ｙ、２３ｙの各々に凹部２１ｗ、２３ｗを形成する。

図２４（ｂ）は、第１実施形態の図１６（ｂ）や図１９の工程で下側金属層２１と上側金属層２３を管路１７の外側に膨張させた後の蒸気管１５の断面図である。

本実施形態では上記のように下側金属層２１と上側金属層２３の各々に凹部２１ｗ、２３ｗを形成したため、各金属層２１、２３の各々が塑性変形し易くなり、これらの金属層２１、２３を外側に膨張させるのが容易となる。

しかも、凹部２１ｗ、２３ｗが形成されていない部分の各金属層２１、２３は厚さが維持されているため、膨張時にこれらの金属層２１、２３が破裂する危険性も低減できる。

なお、この例では下側金属層２１と上側金属層２３の各々に凹部２１ｗ、２３ｗを形成したが、下側金属層２１と上側金属層２３のいずれか一方のみに凹部２１ｗ、２３ｗを形成してもよい。

また、凹部２１ｗの大きさは特に限定されない。この例では凹部２１ｗの幅Aを１mm程度とし、隣接する凹部２１ｗ同士の間隔Bを１mm程度とする。また、各凹部２１ｗの深さは３０μm～６０μm程度とする。凹部２３ｗの幅、間隔、及び寸法もこれと同様である。

図２５は、凹部２１ｗの平面形状について説明するための平面図である。

図２５に示すように、凹部２１ｗは、平面視で蒸気Cvの流れ方向に沿って延びたストライプ状の溝である。これにより凹部２１ｗが蒸気管１５に沿って蒸気Cvをガイドするガイド溝として機能するようになるため、蒸気管１５における蒸気Cvの流れがスムーズとなる。

なお、接合部２１ａには凹部２１ｗは形成されない。これにより、接合部２１ａと中間金属層２２（図２４（ｂ）参照）との接触面積が確保されるため、接合部２１ａと中間金属層２２との接合強度を維持することが可能となる。

また、凹部２３ｗも凹部２１ｗと同じ平面形状を有するため、その説明は省略する。

各凹部２１ｗ、２３ｗを形成する部位は蒸気管１５に限定されない。

図２６は、ループ型ヒートパイプ１１において各凹部２１ｗ、２３ｗを形成する部位Rを示す平面図である。

図２６に示すように、部位Rは、蒸気管１５から凝縮器１４に延びる。このように凝縮器１４にも各凹部２１ｗ、２３ｗを形成することで、各金属層２１、２３の強度を維持しながら凝縮器１４における各金属層２１、２３を膨張させ易くすることができる。

但し、凝縮器１４における管路１７と他の部品とが接触するおそれがある場合には、凝縮器１４における各金属層２１、２３に凹部２１ｗ、２３ｗを形成せずに、凝縮器１４における管路１７を膨張させなくてもよい。

次に、本実施形態に係る下側金属層２１の加工方法について説明する。なお、上側金属層２３の加工方法もこれと同様なので、以下ではその説明を省略する。

図２７（ａ）～（ｃ）は、本実施形態に係る下側金属層２１の加工方法について説明するための断面図である。

まず、図２７（ａ）に示すように、銅層等の金属層２１ｚを用意する。そして、その金属層２１ｚの内側表面２１ｙに第１のレジスト層３１を形成すると共に、金属層２１ｚの外側表面２１ｘに第２のレジスト層３２を形成する。このうち、第１のレジスト層３１には、前述の凹部２１ｗに対応したレジスト開口３１ａが形成される。

次いで、図２７（ｂ）に示すように、各レジスト層３１、３２をマスクにしながら、金属層２１ｚをその両面からウエットエッチングする。

これにより、レジスト開口３１ａの下の金属層２１ｚに凹部２１ｗが形成されると共に、各レジスト層３１、３２のいずれにも覆われていない部分の金属層２１ｚがウエットエッチングにより除去される。

その後に、図２７（ｃ）に示すように、各レジスト層３１、３２を除去し、下側金属層２１の基本構造を得る。

本実施形態は上記に限定されない。以下に、本実施形態の様々な変形例について説明する。

（第１変形例）
図２８は、第１変形例に係る蒸気管１５の断面図である。

本変形例では、各金属層２１、２３の各々の外側表面２１ｘ、２３ｘに凹部２１ｗ、２３ｗを形成する。これにより、図２４（ｂ）の例と同様に各金属層２１、２３を管路１７の外側に膨張させ易くすることができると共に、凹部２１ｗ、２３ｗが形成されていない部分の各金属層２１、２３の厚みを維持して、膨張時に各金属層２１、２３が破裂するのを防止できる。

しかも、各金属層２１、２３の各々の内側表面２１ｙ、２３ｙは平滑であるため、管内部を流れる蒸気Cvの圧力損失を低減することもできる。

（第２変形例）
図２９は、第２変形例に係る下側金属層２１の拡大平面図である。

この例では、下側金属層２１の内側表面２１ｙに形成する凹部２１ｗを平面視で格子状とする。これにより、図２５のように凹部２１ｗをストライプ状とする場合と比較して下側金属層２１が塑性変形し易くなり、管路１７を膨張させるのが容易となる。

なお、上側金属層２３に形成する凹部２３ｗの平面形状もこれと同様であるため、その説明は省略する。

（第３変形例）
図３０は、第３変形例に係る下側金属層２１の拡大平面図である。

この例では、凹部２１ｗの平面形状を円形とし、内側表面２１ｙに凹部２１ｗを間隔をおいて複数形成する。下側金属層２１において膨張させたい部分にそのような凹部２１ｗを選択的に配置することで、下側金属層２１において必要な部位のみを膨張させることができる。

なお、上側金属層２３に形成する凹部２３ｗの平面形状もこれと同様であるため、その説明は省略する。

（第４変形例）
図３１は、第４変形例に係る下側金属層２１の拡大平面図である。

この例では、蒸気管１５の延在方向に延びるストライプ状の三本の溝と、これらの溝の間に設けられた円形の有底孔とを組み合わせた形状の凹部２１ｗを内側表面２１ｙに形成する。

なお、上側金属層２３に形成する凹部２３ｗの平面形状もこれと同様であるため、その説明は省略する。

１、１１…ループ型ヒートパイプ、２、１２…筐体、３、１３…蒸発器、４、１４…凝縮器、５、１５…蒸気管、６、１６…液管、７、１８…発熱部品、８…金属層、９、１７…管路、１９…電子部品、２１…下側金属層、２１ａ…接合部、２１ｂ…管壁部、２１ｘ…外側表面、２１ｙ…内側表面、２１ｗ…凹部、２２…中間金属層、２２ａ…孔、２３…上側金属層、２３ａ…接合部、２３ｂ…管壁部、２３ｘ…外側表面、２３ｙ…内側表面、２３ｗ…凹部、２５…多孔質体、２６…TIM、C…作動流体、Cv…蒸気。

Claims (15)

1. ループ状の管路が形成された中間金属層と、
   前記中間金属層の下に接合され、前記管路を下から塞ぐ下側金属層と、
   前記中間金属層の上に接合され、前記管路を上から塞ぐ上側金属層と、
   前記管路に封入され、液状又は蒸気の状態で存在する作動流体と、
   前記管路に設けられ、前記液状の作動流体を蒸発させる蒸発器と、
   前記管路に設けられ、前記蒸気を凝縮する凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器との間の前記管路であって、前記蒸気が流れる蒸気管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器との間の前記管路であって、液状の前記作動流体が流れる液管とを備え、
   少なくとも前記蒸気管において、前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方が前記管路の外に向かって膨張し、
   前記蒸気管は、
   電子部品と重なる第１部分と、
   前記電子部品とは重ならない第２部分と、
   を有し、
   前記第１部分における前記管路の高さは、前記第２部分における前記管路の高さよりも小さいことを特徴とするループ型ヒートパイプ。
2. 前記上側金属層の厚さは前記下側金属層よりも厚く、
   前記上側金属層の外側表面は平坦であることを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
3. 前記中間金属層が複数積層され、
   前記複数の中間金属層の各々に形成された前記管路の幅が、前記上側金属層から前記下側金属層に向かって階段状に狭くなり、
   前記上側金属層と比較して前記下側金属層の膨張が少ないことを特徴とする請求項１に記載のループ型ヒートパイプ。
4. 前記上側金属層は、前記中間金属層に接合された接合部と、前記管路に面した管壁部とを有し、
   前記管壁部の厚さが前記接合部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
5. 前記液管の中途部から前記蒸発器に至る部分の前記管路に、液状の前記作動流体を保持する多孔質体が設けられ、
   前記液管の前記中途部から前記凝縮器に至る部分の前記管路において、前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方が前記管路の外に向かって膨張したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
6. 前記下側金属層と前記上側金属層の各々は、前記管路に対向する内側表面と、前記内側表面に相対する外側表面とを有し、
   少なくとも前記蒸気管に相当する部分の前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方の前記内側表面又は前記外側表面に凹部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプ。
7. 前記凹部は、前記蒸気の流れ方向に沿って延びた溝であることを特徴とする請求項６に記載のループ型ヒートパイプ。
8. 前記凹部は平面視で円形であり、前記凹部が間隔をおいて複数形成されたことを特徴とする請求項６に記載のループ型ヒートパイプ。
9. 前記凹部は、平面視で格子状の溝であることを特徴とする請求項６に記載のループ型ヒートパイプ。
10. 下側金属層、ループ状の管路が形成された中間金属層、及び上側金属層を順に積層して接合することにより、蒸発器、凝縮器、液管、及び蒸気管の各々を形成する工程と、
    前記管路の内部の圧力を高めることにより、少なくとも前記蒸気管において、前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方を前記管路の外に向かって膨張させる工程と、
    前記管路に作動流体を封入する工程と、
    を有し、
    前記蒸気管は、
    電子部品と重なる第１部分と、
    前記電子部品とは重ならない第２部分と、
    を有し、
    前記第１部分における前記管路の高さを、前記第２部分における前記管路の高さよりも小さくすることを特徴とするループ型ヒートパイプの製造方法。
11. 前記膨張させる工程は、
    前記管路に前記作動流体を封入する工程の後に、前記作動流体を加熱して気化させ、気化した前記作動流体の圧力で前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方を膨張させることにより行われることを特徴とする請求項１０に記載のループ型ヒートパイプの製造方法。
12. 前記膨張させる工程は、
    前記作動流体を封入する工程の前に、大気圧よりも高い圧力のガスを前記管路に導入し、前記ガスの圧力で前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方を膨張させることにより行われることを特徴とする請求項１０に記載のループ型ヒートパイプの製造方法。
13. 前記上側金属層の厚さは前記下側金属層よりも厚いことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のループ型ヒートパイプの製造方法。
14. 前記下側金属層、前記中間金属層、及び前記上側金属層を順に積層して接合する工程において、前記管路の幅が前記上側金属層から前記下側金属層に向かって階段状に狭くなるように前記中間金属層を複数積層して接合することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプの製造方法。
15. 前記下側金属層と前記上側金属層の各々は、前記管路に対向する内側表面と、前記内側表面に相対する外側表面とを有し、
    少なくとも前記蒸気管に相当する部分の前記下側金属層と前記上側金属層の少なくとも一方の前記内側表面又は前記外側表面に凹部を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載のループ型ヒートパイプの製造方法。

Images