(57)【要約】【課題】密閉されたパイプ状のコンテナ内に作動媒体を封入してなり、コンテナの側壁の内層を構成する、銅を含む金属層が、加工時に剥離し難い構造を備えたヒートパイプを提供する。【解決手段】密閉されたパイプからなり、第一端部と第二端部とを有するコンテナ１０１と、コンテナ１０１内に保持された作動媒体１０２と、を含み、第一端部１０１ａで蒸発した作動媒体１０２が第二端部１０１ｂで凝縮して、第一端部１０１ａから第二端部１０１ｂへの熱移動を行うヒートパイプ１００であって、コンテナの側壁１０３のうち、内層１０４が銅を含む第一金属によって構成され、外層１０５がアルミニウムを含む第二金属によって構成され、内層１０４と外層１０５との間に、金属間化合物によって構成される層１０６を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉されたパイプからなり、第一端部と第二端部とを有するコンテナと、
前記コンテナ内に保持された作動媒体と、を含み、
前記第一端部で蒸発した作動媒体が前記第二端部で凝縮して、前記第一端部から前記第二端部への熱移動を行うヒートパイプであって、
前記コンテナの側壁のうち、内層が銅を含む第一金属によって構成され、外層がアルミニウムを含む第二金属によって構成され、
前記内層と前記外層との間に、金属間化合物によって構成される層を備えている、ことを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記金属間化合物によって構成される層が、アルミニウムおよび銅を含んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記側壁の内側に、銅を含む第三金属からなるウィックをさらに備えている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体の潜熱として熱を輸送するヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートパイプは、空気などの非凝縮性ガスを排気して密閉したパイプ状のコンテナの内部に、作動媒体を封入したものである。通常は、コンテナの内面に、作動媒体の流路となるウィックが設けられている。
【０００３】
ヒートパイプ用のコンテナは、例えばアルミニウムのような、熱伝導率の高い材料を用いて形成されている。また、ヒートパイプ用の作動媒体としては、例えば潜熱の大きな水が用いられている。このような構成により、ヒートパイプの熱輸送量が大きくなることが知られている。
【０００４】
特許文献１には、図８に示すように、作動媒体２０２を封入したアルミニウム製の密閉されたコンテナ２０５と、その内壁面に銅微粒子を焼結または溶射してなる銅の被覆層２０４と、で構成されたヒートパイプ２００が開示されている。ところが、このような構成のヒートパイプ２００は、用途に合わせて形状を加工する際に、被覆層２０４が剥離する場合がある。この場合、剥離した部分において露出するコンテナ２０５の側壁が、作動媒体２０２に接することにより、コンテナ２０５、被覆層２０４に含まれる金属元素同士の間に電池が形成されるとともに、コンテナ２０５の側壁が腐食してヒートパイプ２００が壊れる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０４３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、密閉されたパイプ状のコンテナ内に作動媒体を封入してなり、コンテナの側壁の内層を構成する、銅を含む金属層が、加工時に剥離し難い構造を備えたヒートパイプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係るヒートパイプは、密閉されたパイプからなり、第一端部と第二端部とを有するコンテナと、前記コンテナ内に保持された作動媒体と、を含み、前記第一端部で蒸発した作動媒体が前記第二端部で凝縮して、前記第一端部から前記第二端部への熱移動を行うヒートパイプであって、前記コンテナの側壁のうち、内層が銅を含む第一金属によって構成され、外層がアルミニウムを含む第二金属によって構成され、前記内層と前記外層との間に、金属間化合物によって構成される層を備えている、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係るヒートパイプの構成においては、金属間化合物を介して、第一金属の層に含まれる銅と第二金属の層に含まれるアルミニウムとが強固に結合されている。そのため、ヒートパイプの形状を加工する場合に、銅を含む第一金属の層が、コンテナの側壁から剥離し難い構造となっている。したがって、請求項１に係るヒートパイプの構成によれば、第一金属の層の剥離にともなって、アルミニウムを含む第二金属の層が作動媒体に対して露出し、作動媒体中に溶け出して水素を発生することによって、ヒートパイプを壊してしまうのを防ぐことができる。
【０００９】
本発明の請求項２に係るヒートパイプは、請求項１において、前記金属間化合物からなる層が、アルミニウムおよび銅を含んでいる、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の構成によれば、金属化合物と第一金属との界面、金属化合物と第二金属との界面における連続性が高い構造となり、金属間化合物を介した第一金属と第二金属との結合をより強くすることができる。
【００１１】
本発明の請求項３に係るヒートパイプは、請求項１または２において、前記側壁の内側に、銅を含む第三金属からなるウィックをさらに備えている、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３の構成によれば、コンテナ内における作動媒体の表面積は、ウィックに接する分だけ増加する。そのため、作動媒体の表面張力が増加し、表面張力に起因して発生する毛管作用により、作動媒体の加熱部への還流を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るヒートパイプの構成においては、金属間化合物を介して、第一金属の層に含まれる銅と第二金属の層に含まれるアルミニウムとが強固に結合されている。そのため、ヒートパイプの形状を加工する場合に、銅を含む第一金属の層が、コンテナの側壁から剥離し難い構造となっている。したがって、請求項１に係るヒートパイプの構成によれば、第一金属の層の剥離にともなって、アルミニウムを含む第二金属の層が作動媒体に対して露出し、作動媒体中に溶け出して水素を発生することによって、ヒートパイプを壊してしまうのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のヒートパイプの構成を、模式的に示す図である。
【図２】本発明のヒートパイプの構成を、模式的に示す図である。
【図３】本発明のヒートパイプを製造するための工程フローである。
【図４】製造工程中のヒートパイプの構成を、模式的に示す図である。
【図５】製造工程中のヒートパイプの構成を、模式的に示す図である。
【図６】製造工程中のヒートパイプの構成を、模式的に示す図である。
【図７】本発明のヒートパイプの構成を、拡大して示す写真である。
【図８】従来のヒートパイプの構成を、模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、一例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１６】
＜第一実施形態＞
［ヒートパイプの構成］
本発明の第一実施形態に係るヒートパイプ１００の構成について、図１（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１（ａ）は、ヒートパイプ１００の概形を示す斜視図である。ヒートパイプ１００は、密閉されたパイプからなり、第一端部１０１ａと第二端部１０１ｂとを有するコンテナ（容器）１０１と、コンテナ１０１内に保持された作動媒体（図１（ｂ）、（ｃ）に図示）を含むものである。なお、本実施形態においては、以下、筒型のヒートパイプを例に挙げて説明するが、ヒートパイプは、作動媒体を封入することが可能な形状であればよく、例えば平面で囲まれた形状（平面型）のヒートパイプであってもよい。
【００１７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線において、ヒートパイプ１００を、その直径方向（短手方向）Sに垂直に切断した際の断面図である。また、図１（ｃ）は、図１（ａ）のB−B線において、ヒートパイプ１００を、その軸方向（長手方向）Ｌに垂直に切断した際の断面図である。ヒートパイプ１００は、第一端部１０１ａで蒸発させた作動媒体１０２を第二端部１０１ｂで凝縮させることにより、第一端部１０１ａから第二端部１０１ｂへの熱移動を行う機能を有する。
【００１８】
図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、ヒートパイプ１００は、密閉されたコンテナ１０１内に作動媒体１０２を封入してなるヒートパイプである。コンテナ１０１の側壁１０３のうち、内層１０４は銅（Ｃｕ）を含む第一金属によって構成され、外層１０５はアルミニウム（Ａｌ）を含む第二金属によって構成されている。側壁を構成する外層１０５と内層１０４との間には、金属間化合物によって構成される層１０６が備えられている。
【００１９】
第一金属は、銅を９９．９［％］以上の割合で含んでいる。また、第二金属は、アルミニウムを９９［％］以上の割合で含んでいる。金属間化合物は、第一金属と第二金属とを金属結合させてなる化合物である。
【００２０】
作動媒体（作動流体）１０２は、ヒートパイプの第一端部１０１ａに加えられた熱を、第二端部１０１ｂに熱輸送するためのものである。作動媒体１０２としては、例えば、潜熱が大きく、環境に優しい純水を用いることができる。
【００２１】
以上説明したように、第一実施形態に係るヒートパイプの構成においては、金属間化合物を介して、第一金属の層に含まれる銅と第二金属の層に含まれるアルミニウムとが強固に結合されている。そのため、ヒートパイプの形状を加工する場合に、銅を含む第一金属の層が、コンテナの側壁から剥離し難い構造となっている。したがって、第一実施形態に係るヒートパイプの構成によれば、第一金属の層の剥離にともなって、アルミニウムを含む第二金属の層が作動媒体に対して露出し、作動媒体中に溶け出して水素を発生することによって、ヒートパイプを壊してしまうのを防ぐことができる。
【００２２】
＜変形例１＞
図１に示したヒートパイプ１００の変形例１について、図２を用いて説明する。図２は、変形例１に係るヒートパイプ１１０の構成を、模式的に説明する断面図である。図２に示すように、ヒートパイプ１１０は、側壁１１３の内側に、銅を含む金属からなるウィック１１７を備えている。
【００２３】
また、図１に示したヒートパイプ１００と同様に、ヒートパイプ１１０は、密閉されたコンテナ１１１内に作動媒体１１２を封入してなるヒートパイプである。コンテナ１１１の側壁１１３のうち、内層１１４は銅（Ｃｕ）を含む第一金属によって構成され、外層１１５はアルミニウム（Ａｌ）を含む第二金属によって構成される。側壁の外層１１５と内層１１４との間には、金属間化合物によって構成される層１１６が備えられている。
【００２４】
上述した変形例１の構成によれば、コンテナ１１１内における作動媒体１１２の表面積は、ウィック１１７に接する分だけ増加する。そのため、作動媒体１１２の表面張力が増加し、表面張力に起因して発生する毛管作用により、凝縮した作動媒体１１２の加熱部（第一端部１０１ａ）への還流を促進させることができる。
【００２５】
［ヒートパイプの製造方法］
図３は、図１に示したヒートパイプ１００の製造方法に含まれる工程のフローを示している。ヒートパイプ１００の製造方法について、図３の工程フローに沿って、詳細に説明する。
【００２６】
まず、第一工程として、アルミニウムを含む第二金属によって構成される管（第二金属管）の一端から内部に、銅を含む第一金属によって構成される管（第一金属管）を差し込む。そして、図４に示すように、第一金属管１０４の外壁面１０４ａと第二金属管１０５の内壁面１０５ａとが重なった状態とする。第一金属としては、銅を９９．９［％］以上の割合で含んでいるものを用いる。第二金属としては、アルミニウムを９９［％］以上の割合で含んでいるものを用いる。第一金属管１０４については、例えば、外径６．７０［ｍｍ］、内径６．６０［ｍｍ］のものを用いる。第二金属管１０５については、例えば、外径１０．００［ｍｍ］、内径６．７０［ｍｍ］のものを用いる。
【００２７】
次に、第二工程として、第一金属管の外壁面１０４ａと第二金属管の内壁面１０５ａとが重なった状態の被処理体１０８に対して引き抜き加工を行い、第一金属管１０４と第二金属管１０５とを圧着させる。ここでの引き抜き加工は、図５に示すように、ダイス１１に設けられた貫通孔の一端１２ａから他端１２ｂの方向Ｄに被処理体１０８を差し込み、他端１２ｂ側から被処理体１０８を引き抜いて行う。
【００２８】
貫通孔の一端１２ａにおける開口面は、少なくとも差し込む方向Ｄに垂直な被処理体１０８の断面よりも広く形成されている。貫通孔の他端１２ｂにおける開口面は、少なくとも差し込む方向Ｄに垂直な被処理体１０８の断面よりも狭く形成されている。引抜きの方法としては、重なった状態の二つの管同士の圧着が可能であればよく、例えば玉引きや浮きプラグによる引抜き、心金引きによる方法がある。
【００２９】
次に、第三工程として、引抜き加工された状態の被処理体１０８に対して、加熱処理（焼鈍）を行う。具体的には、例えば第三工程中、被処理体１０８の支持台（支持手段）の温度を制御することにより、間接的に被処理体１０８を加熱する。第三工程において、加熱の時間は、３０［分］以上９０［分］以下とすることが望ましく、加熱の温度範囲は、３００［℃］以上４５０［℃］以下とすることが望ましい。加熱の時間が３０［分］に満たない場合、加熱の温度が３００［℃］に満たない場合には、被処理体１０８が正常に焼鈍されない傾向にある。また、加熱の時間が９０［分］を越える場合、加熱の温度が４５０［℃］を越える場合には、最終的に形成される金属間化合物層が厚くなり過ぎる傾向にある。
【００３０】
以上説明した第一〜第三工程を経ることにより、図６に示すように、第一金属管１０４と第二金属管１０５とを圧着させるとともに、両者の界面近傍に、第一金属と第二金属とが金属結合してなる、金属化合物の層１０６を形成することができる。
【００３１】
図７は、実際に第一〜第三工程の処理を行ったサンプルにおける界面近傍を、光学顕微鏡を用いて拡大した写真である。第一金属の層１０４と第二金属の層１０５との間に、厚さ約２［μｍ］の金属間化合物の層１０６が形成されている。金属間化合物の層１０６の厚さは、第一金属の層１０４、第二金属の層１０５の厚さによらず、数［μｍ］のオーダーとなる。
【００３２】
金属化合物の層１０６を形成した後に、第一金属管１０４の内部に作動液を注入するとともに、第一金属管１０４および第二金属管１０５の両端を封止することによって、図１に示すヒートパイプ１００を形成することができる。
【００３３】
作動液等の作動媒体の注入および金属管の両端の封止は、真空脱気法、加熱追出し法等を用いて行うことができる。真空脱気法は、一端を封止したパイプにスポイトやピペットを用いて作動媒体を注入し、パイプ内を減圧するとともに加熱し、パイプ内の作動媒体を沸騰させて脱気を行った後に、他端を封止する方法である。加熱追出し法は、一端を封止したパイプ内に、封入量よりも多量の作動媒体を注入し、パイプを加熱することにより、作動媒体を沸騰させて脱気した後に、他端を封止する方法である。金属管の両端の封止は、圧着や溶接を行うことによってなされる。なお、作動媒体の脱気は、封止後のパイプ内部の圧力を下げることを目的としている。
【００３４】
外径６．７０［ｍｍ］、内径６．６０［ｍｍ］の第一金属管と、外径１０．００［ｍｍ］、内径６．７０［ｍｍ］の第二金属管と、に対して、上述した工程処理を行った場合（図４）、外径３．００［ｍｍ］、内径１．９８［ｍｍ］程度の大きさのヒートパイプを形成することができる（図６）。なお、図４、６に示した、各構成要素の寸法は一例であり、適宜調整することができる。
【００３５】
なお、ヒートパイプは、上述したヒートパイプの製造方法以外に、例えば、第二金属管内に、第一金属管を構成する金属をめっきし、熱処理を行うことにより、製造することもできる。
【００３６】
第一実施形態としては、筒型のヒートパイプを製造する場合を例として説明したが、平面型のヒートパイプは、上述した第三工程を経たヒートパイプに対してさらに、プレス加工を行うことによって製造することができる。
【００３７】
上述した第三工程後に、第四工程として、銅を含む金属からなる金網積層ウィックや金属繊維のウィック、カーボンファイバなどの種々のウィックを、ヒートパイプ内に取付けてもよい。
【００３８】
金網積層ウィックの取付けは、例えば、所望のウィックをヒートパイプ内（第一金属管内）に挿入し、ウィックの一端を固定した上で、固定端側からベアリング用鋼球をさらに押し込むことにより、ウィックを第一金属管の内壁に押し付けて行うことができる。
【００３９】
カーボンファイバや金属繊維のウィックの取付けは、ヒートパイプ内（第一金属管内）に繊維束を挿入し、さらにスプリングを挿入することにより、ウィックを第一金属管の内壁に押し付けて行うことができる。
【実施例】
【００４０】
以下、第一実施形態に該当する実施例１、２を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明が適用可能な実施例は、実施例１、２に限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
図１のヒートパイプ１００に対して曲げ加工を行った場合における、第一金属からなる層（第一金属層）の厚さと、ヒートパイプの内部空間に対する、第二金属からなる層（第二金属層）の露出の有無との関係について、調べる実験を行った。曲げ加工は、ヒートパイプを、半径２０［ｍｍ］、角度９０［度］の扇形の弧が形成されるように変形させて行った。第一金属層と第二金属層との厚さの総和は、５００［μｍ］となるように調整した。実験用の試料としては、第一金属層の厚さを５、１０、２０［μｍ］とした試料１、２、３を用いた。
【００４２】
表１は、試料１、２、３に関する実験結果についてまとめたものである。第二金属層の露出有無については、曲げ加工された部分を、走査型顕微鏡を用いて観察し、露出が確認されなかった場合を○印、露出が確認された場合を×印として示している。表１に示されるように、曲げ加工による第二金属層の露出を防ぐために必要とされる第一金属層の厚さは、少なくとも５［μｍ］より大きく、より好ましくは１０［μｍ］以上であることが分かった。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
［実施例２］
図１のヒートパイプ１００に対して曲げ加工を行った場合における、第二金属層の厚さと、ヒートパイプの外部空間に対する、第一金属層の露出の有無との関係について、調べる実験を行った。曲げ加工は、ヒートパイプを、半径２０［ｍｍ］、角度９０［度］の扇形の弧が形成されるように変形させて行った。第一金属層と第二金属層との厚さの総和は、５００［μｍ］となるように調整した。実験用の試料としては、第二金属層の厚さを５、１０、２０［μｍ］とした試料４、５、６を用いた。
【００４５】
表２は、試料４、５、６に関する実験結果についてまとめたものである。第一金属層の露出有無については、曲げ加工された部分を、走査型顕微鏡を用いて観察し、露出が確認されなかった場合を○印、露出が確認された場合を×印として示している。表２に示されるように、曲げ加工による第一金属層の露出を防ぐために必要とされる第二金属層の厚さは、少なくとも５［μｍ］より大きく、より好ましくは１０［μｍ］以上であることが分かった。
【００４６】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００４７】
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広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１００、１１０、２００・・・ヒートパイプ、１０１、１１１・・・コンテナ、
１０１ａ・・・第一端部、１０１ｂ・・・第二端部、
１０２、２０２・・・作動媒体、１０３、１１３、２０３・・・側壁、
１０４、１１４、２０４・・・内層、１０４ａ・・・外壁面、
１０５、１１５、２０５・・・外層、１０５ａ・・・内壁面、
１０６、１１６・・・金属化合物の層、１１７・・・ウィック、１０８・・・被処理体、１１・・・ダイス、１２ａ・・・一端、１２ｂ・・・他端、Ｄ、Ｌ、Ｓ・・・方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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