TWI593931B - Flat heat pipe - Google Patents

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Hirofumi Aoki
Hiroshi Sakai
Tatsuro Miura
Yoshikatsu Inagaki
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Furukawa Electric Co Ltd
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Description

平面型熱管
本發明係有關於一種平面型熱管，該平面型熱管係減少容器之變形，並在對水等之動作液的適合性優異。
被搭載於電氣、電子機器之半導體元件等的電子元件係因高功能化所伴隨之高密度搭載等，發熱量增大，近年來，其冷卻變得更重要。作為電子元件之冷卻方法，會使用平面型熱管。
作為平面型熱管之容器材料，若使用在對被廣泛地用作動作液之水的適合性優異而且導熱係數高的銅材，因為銅材係導熱係數高、電阻低，為了封閉具有燈芯構造之空隙部，一般以硬焊或軟焊將空洞部之外周接合。可是，利用硬焊或軟焊之封閉方法係因為需要在高溫下對是容器材料的銅材進行加熱，所以具有有容器材料的剛性降低而平面型熱管之耐壓性變差之傾向的問題。
另一方面，為了防止硬焊或軟焊所造成之平面型熱管之耐壓性的降低，作為容器材料，若使用例如不銹鋼等銅材以外的材料，具有在與對被廣泛地用作動作液之水的適合性變差的問題。
另一方面，作為容器材料，亦有使用由兩種金屬 構件所構成之包層材料。作為該包層材料，為了輕量化與優異之加工性，使用銅材與鋁材之雙層構造的構件，亦提議形成容器之內壁的包層材料之面由銅材所構成的平面型熱管(專利文獻1)。
可是，在專利文獻1之平面型熱管，因為使用銅材與鋁材之導熱係數都比較大的材料，所以若以雷射焊接或電阻焊接將該空隙部封閉，則有在容器發生變形的情況。
【先行專利文獻】
【專利文獻】
[專利文獻1]特開2002-168575號公報
鑑於上述的情況，本發明之目的在於提供一種平面型熱管，該平面型熱管係減少容器之變形，並在具有燈芯構造之空隙部的氣密性與對水等之動作液的適合性優異。
本發明之形態係一種平面型熱管，係具有：容器，係藉相對向之兩片板狀體將空洞部形成於中央部；及被封入該空洞部的動作液；並在該空洞部具備燈芯構造的平面型熱管，該板狀體之至少一方係由兩種以上之金屬構件所積層而一體化的複合構件，該複合構件之中形成與空洞部接觸之層的金屬構件具有200W/m．K以上的導熱係數，形成與外部環境接觸之層的金屬構件具有100W/m．K以下的導熱係數，該空洞部之外周部被封閉。此外，本專利說明書之導熱係數係在25℃的 值。
本發明之形態係以雷射焊接將該空洞部之外周部封閉的平面型熱管。
本發明之形態係以電阻焊接將該空洞部之外周部封閉的平面型熱管。
本發明之形態係該複合構件是包層材料或電鍍材料的平面型熱管。
本發明之形態係形成與該空洞部接觸之層的金屬構件係銅，形成與該外部環境接觸之層的金屬構件係不銹鋼的平面型熱管。
本發明之形態係形成與該空洞部接觸之層的金屬構件之層的厚度是該複合構件之厚度的1/2以下的平面型熱管。
本發明之形態係係被搭載該平面型熱管的散熱器。
若依據本發明之形態，藉由平面型熱管之容器材料係形成與空洞部接觸之層的金屬構件具有200W/m．K以上的導熱係數，形成與外部環境接觸之層的金屬構件具有100W/m．K以下的導熱係數，在以焊接等將空洞部之外周部封閉時，首先，是與外部接觸之層的具有100W/m．K以下之導熱係數的金屬構件迅速地熔化而釋出熔化熱，從具有100W/m．K以下之導熱係數的金屬構件所釋出的熔化熱係向與空洞部接觸之層之具有200W/m．K以上的導熱係數、亦即 導熱係數比較高的金屬構件圓滑地導熱，因為該金屬構件亦迅速地熔化，而防止在容器發生變形，成為平面度高的平面型熱管。
又，因為是與外部接觸之層的金屬構件和是與空洞部接觸之層的金屬構件都迅速地熔化，所以成為在具有燈芯構造之空隙部的氣密性優異的平面型熱管。進而，因為形成與空洞部接觸之層的金屬構件具有200W/m．K以上之高的導熱係數，所以在對水等之動作液的適合性優異，進而成為在熱輸送特性亦優異的平面型熱管。
若依據本發明之形態，藉由以雷射焊接將空洞部封閉，因為是與外部接觸之層的具有100W/m．K以下之導熱係數的金屬構件更迅速地熔化而釋出熔化熱，向與空洞部接觸之層的具有200W/m．K以上的導熱係數之金屬構件圓滑地導熱，該金屬構件亦更迅速地熔化，所以在藉雷射焊接之封閉處理時，可更減少容器之變形的發生，具有燈芯構造之空隙部的氣密性亦更提高。此外，若將雷射光線照射於具有100W/m．K以下之導熱係數的金屬構件，該金屬構件更迅速地熔化，這係因為導熱係數更低之金屬構件係導電係數亦更低，導電係數更低之金屬構件對雷射光線的吸收率更高，所以將雷射光線照射於導熱係數更低的金屬構件時，該金屬構件係更迅速地吸收雷射光線的能量而熔化。
若依據本發明之形態，藉由以電阻焊接將空洞部封閉，因為與外部接觸之層之具有100W/m．K以下之導熱係數的金屬構件更迅速地熔化，所以在藉電阻焊接之封閉處理 時，可更減少容器之變形的發生，具有燈芯構造之空隙部的氣密性亦更提高。此外，若進行使焊接電流流至具有100W/m．K以下的導熱係數之金屬構件的電阻焊接，該金屬構件更迅速地熔化，這係因為對導熱係數更低之金屬構件施加電流時，產生更高的焦耳熱，所以對導電係數更低之金屬構件實施電阻焊接時，該金屬構件係更迅速地熔化。
若依據本發明之形態，藉由與空洞部接觸之層的金屬構件係銅，與外部接觸之層的金屬構件係不銹鋼，成為在與水等之動作液的適合性優異、容器材料之剛性高而在耐壓性優異的平面型熱管。
1、10‧‧‧平面型熱管
2‧‧‧容器
3‧‧‧另一方之板狀體
4‧‧‧一方之板狀體
5‧‧‧空洞部
8‧‧‧雷射焊接部
12‧‧‧利用電阻焊接機之焊接部
第1圖係本發明之第1實施形態例之平面型熱管的側面剖面圖。
第2圖係本發明之第2實施形態例之平面型熱管的側面剖面圖。
在以下，一面使用圖面，一面說明本發明之第1實施形態例的平面型熱管。如第1圖所示，第1實施形態例的平面型熱管1具有：平面圖上矩形的容器2，係藉由將相對向之2片板狀體，即一方之板狀體4與另一方之板狀體3重疊，而將具有空洞部5的凸部6形成於中央部；及被封入空洞部5內的動作液(未圖示)。具有毛細管構造之燈芯構造體(未圖示)被收容於空洞部5內。
一方之板狀體4係平板狀。另一方之板狀體3亦是平板狀，但是中央部塑性變形成凸狀。此板狀體3之朝向外側突出並塑性變形成凸狀的部位成為容器2的凸部6。凸部6的內部成為空洞部5。在平面型熱管1，在凸部6的外周部，即以包圍凸部6之周圍的方式以雷射光線7形成雷射焊接部8，藉此，將空洞部5封閉，而對空洞部5賦予氣密性。此外，在第1圖，表示在凸部6的外周部中相當於容器2之側面剖面圖之一方的端部之位置，照射雷射光線7，而形成雷射焊接部8的狀況。因此，以後，在相當於容器2之側面剖面圖之另一方的端部之位置，亦照射雷射光線7，而形成雷射焊接部8。
一方之板狀體4與另一方之板狀體3都分別是由與空洞部接觸之第1層4-1、3-1和與外部環境接觸之第2層4-2、3-2所積層而一體化的複合構件。在一方之板狀體4，形成與空洞部接觸之第1層4-1的金屬構件係具有200W/m．K以上的導熱係數，形成與平面型熱管1的外部環境接觸之第2層4-2的金屬構件係具有100W/m．K以下的導熱係數。另一方之板狀體3亦與一方之板狀體4一樣，形成與空洞部接觸之第1層3-1的金屬構件係具有200W/m．K以上的導熱係數，形成與平面型熱管1的外部環境接觸之第2層3-2的金屬構件係具有100W/m．K以下的導熱係數。
在第1實施形態例的平面型熱管，係第1層3-1、4-1與第2層3-2、4-2都是由一種金屬構件所構成的單層構造。
將雷射光線照射於導熱係數低的金屬構件時，該 金屬構件係迅速地吸收雷射光線的能量而熔化。因此，例如，將雷射光線7照射於另一方之板狀體3的表面側，即將雷射光線7照射於另一方之板狀體3之具有100W/m．K以下的導熱係數之第2層3-2的金屬構件時，另一方之板狀體3之第2層3-2的金屬構件迅速地熔化。此金屬構件之熔化熱係向與空洞部接觸之具有200W/m．K以上的導熱係數、即比較高之導熱係數的另一方之板狀體3之第1層3-1的金屬構件圓滑地導熱，而第1層3-1之金屬構件亦迅速地熔化。另一方之板狀體3的第1層3-1之金屬構件的熔化熱係一樣地，進而，向一方之板狀體4之第1層4-1的金屬構件、一方之板狀體4之第2層4-2的金屬構件導熱，而第1層4-1之金屬構件及第2層4-2之金屬構件亦迅速地熔化。因此，藉利用雷射光線7之焊接，可更減少容器2之變形的發生，具有燈芯構造之空洞部5的氣密性亦更提高。
又，藉由形成第1層3-1、4-1之金屬構件的導熱係數係200W/m．K以上之高的導熱係數，可作成具有與動作液之適合性且具有良好之熱輸送特性的平面型熱管。只要形成第1層3-1、4-1之金屬構件的導熱係數係200W/m．K以上，無特別限定，但是從平面型熱管1之優異的熱輸送特性、第2層3-2、4-2之熔化熱之往第1層3-1、4-1之內部的導熱性及往一方之板狀體4的導熱性的觀點，300W/m．K以上較佳，從更優異之熱輸送特性與更優異之該導熱性的觀點，350W/m．K以上特佳。
又，形成第1層3-1、4-1之金屬構件的導熱係 數的上限係無特別限定，但是從確實地防止由與是100W/m．K以下之導熱係數的金屬構件所形成之第2層3-2、4-2的熱膨脹係數之差所引起的容器2之變形的發生的觀點，500W/m．K以下較佳，450W/m．K以下特佳。
第1層3-1、4-1之金屬構件係只要是具有上述導熱係數的金屬構件，金屬種類係無特別限定，作為200W/m．K以上且未滿300W/m．K的金屬材料，例如可列舉鋁、鋁合金等，作為300W/m．K以上且未滿350W/m．K的金屬材料，例如可列舉金、銅合金等，作為350W/m．K以上且未滿500W/m．K的金屬材料，例如可列舉銅、銀等。其中，從與作為動作液所泛用的水之優異的適合性與優異之熱輸送特性的觀點，銅較佳。
另一方面，因為第2層3-2、4-2之金屬構件迅速地吸收雷射光線的能量而熔化，可減少容器2之變形的發生，具有燈芯構造之空隙部的氣密性亦提高。只要形成第2層3-2、4-2之金屬構件的導熱係數係100W/m．K以下，無特別限定，但是從藉由更迅速地吸收雷射光線之能量，更減少容器2之變形的發生，並更提高平面型熱管1之平面度的觀點，70W/m．K以下較佳，從藉雷射焊接之高速化來提高產能的觀點，40W/m．K以下特佳。
第2層3-2、4-2之金屬構件係只要是具有上述導熱係數的金屬構件，金屬種類係無特別限定，作為超過70W/m．K且100W/m．K以下的金屬材料，例如可列舉鎳、鐵等，作為超過40W/m．K且70W/m．K以下的金屬材料，例 如可列舉青銅、錫等，作為40W/m．K以下的金屬材料，例如可列舉不銹鋼、鈦等。其中，從一面作成剛性高、耐壓性優異之容器2，一面減少容器2之變形的發生的觀點，不銹鋼、鈦較佳。
所積層之一方之板狀體4與另一方之板狀體3的總厚度係無特別限定，例如是0.1mm~1.0mm。又，一方之板狀體4的厚度係無特別限定，例如是0.05mm~0.5mm，另一方之板狀體3亦無特別限定，例如是0.05mm~0.5mm。第1層3-1、4-1之厚度與第2層3-2、4-2之厚度的比率係無特別限定，例如從一方之板狀體及另一方之板狀體之剛性的觀點，第1層3-1、4-1之厚度對第2層3-2、4-2之厚度的比係0.1~1.0較佳，從焊接之穩定性與可靠性的觀點，0.2~0.8特佳。
作為由第1層3-1、4-1與第2層3-2、4-2所積層而一體化的複合構件，例如可使用包層材料或電鍍材料。在本發明所使用之包層材料係能以周知之方法製造，例如可藉由以下所述製造：在將第1層3-1、4-1之金屬構件的接合面與第2層4-2、3-2之金屬構件的接合面清潔並進行既定活化處理後，將兩金屬構件的接合面重疊並以冷軋進行接合，再進行熱處理。又，在本發明所使用之電鍍材料係能以周知之方法製造，例如可藉由以下所述製造：對作為被電鍍構件之形成於第2層3-2、4-2的金屬構件實施無電解電鍍或電鍍，而將第1層3-1、4-1形成於第2層3-2、4-2上。
為了雷射焊接部8之形成所使用的雷射係無特別限定，但是從高速加工之觀點及減少雷射焊接部8之焊接寬度 而防止空洞部5之變形的觀點，可列舉例如在容器2之雷射照射側表面的聚光徑小之例如該聚光徑20~200μm的光纖雷射。
作為被封入空洞部5的動作液，係可因應於與容器2之材料的適合性，適當地選擇。可列舉例如水。作為其他的動作液，可列舉例如替代氟氯烷、FluorinertTM電子化學液、環戊烷等。作為具有毛細管構造之燈芯構造體(未圖示)，可列舉例如具有網孔、線等之薄板。
其次，一面使用圖面、一面說明本發明之第2實施形態例的平面型熱管。對與本發明之第2實施形態例的平面型熱管相同之構成元件。使用相同之符號來說明。
如第2圖所示，在第1實施形態例的平面型熱管1，藉由以雷射光線7將雷射焊接部8形成於凸部6的外周部，而將空洞部5封閉，但是取而代之，在第2實施形態例的平面型熱管10，藉由以縫焊機等之電阻焊接機11將利用電阻焊接機之焊接部12形成於凸部6的外周部，而將空洞部5封閉。此外，在第2圖，亦與第1圖一樣，表示在凸部6的外周部中相當於容器2之側面剖面圖之一方的端部之位置，以電阻焊接機11形成利用電阻焊接機之焊接部12的狀況。因此，以後，在相當於容器2之側面剖面圖之另一方的端部之位置，亦以電阻焊接機11形成利用電阻焊接機之焊接部12。
因為對導熱係數低之金屬構件施加電流時產生高的焦耳熱，所以使焊接電流流至具有100W/m．K以下的導熱係數之第2層3-2、4-2的金屬構件時，第2層3-2、4-2之金屬構件迅速地熔化。此金屬構件之熔化熱係向與空洞部接 觸之層之具有200W/m．K以上的導熱係數、即比較高之導熱係數之第1層3-1、4-1的金屬構件圓滑地導熱，而第1層3-1、4-1之金屬構件亦迅速地熔化。因此，以縫焊接機等之電阻焊接機11對凸部6的外周部焊接，亦與利用雷射光線7之焊接一樣，可更減少容器2之變形的發生，具有燈芯構造之空隙部5的氣密性亦更提高。
其次，說明本發明之實施形態例之平面型熱管的使用方法例。此處，以使用本發明之平面型熱管來冷卻組裝有個人電腦等之電子機器內部的CPU等之軟性印刷電路板的情況為例加以說明。因應於電子機器內部之空隙的狀況與軟性印刷電路板的收容狀況，將平面型熱管適當地彎曲，而使軟性印刷電路板與平面型熱管之熱輸入側在熱性上連接。在平面型熱管之散熱側，因應於需要，設置散熱用之散熱片。藉此，可面狀地冷卻電子機器內部之窄空間所收容的軟性印刷電路板。
又，將本發明之實施形態例的平面型熱管搭載於散熱器，亦可提高散熱器之冷卻性能。作為上述搭載方法，可列舉例如使平面型熱管之散熱側與散熱器之受熱方塊表面在熱性上連接的方法；使平面型熱管之熱輸入側與散熱器之受熱方塊在熱性上連接，並使平面型熱管之散熱側與散熱器之散熱片在熱性上連接的方法等。
其次，說明本發明之其他的實施形態例。在上述各實施形態例之平面型熱管1、10，第1層3-1、4-1與第2層3-2、4-2都是由一種金屬構件所構成的單層構造，但是亦可取而代之，而為由2種以上之金屬構件所形成之雙層以上 的構造。在此情況，作為金屬構件之具體的金屬種類，可列舉上述的金屬種類。
在上述各實施形態例之平面型熱管1、10，另一方之板狀體3與一方之板狀體4都分別是由與空洞部接觸之第1層3-1、4-1和與外部環境接觸之第2層3-2、4-2所構成的複合構件，即由兩種金屬構件所積層而一體化的複合構件，但是亦可取而代之，採用將一層以上之以種類與第1層3-1、4-1及第2層3-2、4-2之金屬構件不同的金屬構件所形成的中間層設置於第1層3-1、4-1與第2層3-2、4-2之間之3層以上之構造的複合構件。形成中間層之金屬構件係導熱係數超過100W/m．K且未滿200W/m．K的金屬構件，可列舉例如鎢等。
又，如上述所示，在上述各實施形態例之平面型熱管1、10，另一方之板狀體3與一方之板狀體4都是由第1層3-1、4-1與第2層3-2、4-2所構成之雙層構造的複合構件，但是亦可取而代之，另一方之板狀體3或一方之板狀體4採用僅由第1層3-1、4-1或僅由第2層3-2、4-2所構成之單層構造的構件。在本實施形態例，在被照射雷射光線7的情況。從確實地防止在容器產生變形的觀點，被照射雷射光線7之一方的板狀體是該單層構造的構件較佳。此外，在另一方之板狀體3或一方之板狀體4都採用該單層構造之構件的情況，亦亦可複合構件係不是雙層構造，而採用三層以上之構造。
在第1實施形態例的平面型熱管1，將雷射光線7照射於另一方之板狀體3的表面，但是替代之，亦可將雷射光 線7照射於一方之板狀體4的表面，並將雷射光線7照射於另一方之板狀體3與一方之板狀體4之兩表面。
【工業上的可應用性】
因為本發明之平面型熱管係減少容器之變形的發生，並在具有燈芯構造之空隙部的氣密性與對水等之動作液的適合性優異，所以尤其在成面狀均勻地冷卻冷卻對象之發熱體的領域利用價值高。
1‧‧‧平面型熱管
2‧‧‧容器
3‧‧‧另一方之板狀體
3-1、4-1‧‧‧第1層
3-2、4-2‧‧‧第2層
4‧‧‧一方之板狀體
5‧‧‧空洞部
6‧‧‧凸部
7‧‧‧雷射光線
8‧‧‧雷射焊接部

Claims (7)

  1. 一種平面型熱管，係具有：容器，係藉相對向之兩片板狀體將空洞部形成於中央部；及被封入該空洞部的動作液；並在該空洞部具備燈芯構造的平面型熱管，該板狀體之至少一方係由兩種以上之金屬構件所積層而一體化的複合構件，該複合構件之中形成與空洞部接觸之層的金屬構件具有200W/m．K以上的導熱係數，形成與外部環境接觸之層的金屬構件具有100W/m．K以下的導熱係數，形成與該空洞部接觸之層的金屬構件的厚度對形成與該外部環境接觸之層的金屬構件的厚度的比係0.1~1.0，該空洞部之外周部被封閉。
  2. 如申請專利範圍第1項之平面型熱管，其中以雷射焊接將該空洞部之外周部封閉。
  3. 如申請專利範圍第1項之平面型熱管，其中以電阻焊接將該空洞部之外周部封閉。
  4. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的平面型熱管，其中該複合構件係包層材料或電鍍材料。
  5. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的平面型熱管，其中形成與該空洞部接觸之層的金屬構件係銅，形成與該外部環境接觸之層的金屬構件係不銹鋼。
  6. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的平面型熱管，其中形成與該空洞部接觸之層的金屬構件的厚度對形成與該外部環境接觸之層的金屬構件的厚度的比係0.2~0.8。
  7. 一種散熱器，係被搭載如申請專利範圍第1至6項之任一 項的平面型熱管。
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