(57)【要約】【課題】毛細管力が強く重力の影響を受けることがなく、作動液の流量も十分で運搬機能の低下が生じ難い冷却器を提供する。【解決手段】金属繊維２６によりウェブ繊維２８を形成し、このウェブ繊維２８からなる不織布３１を焼結することにより、ウェブ繊維２８どうしを接合して構成される焼結シート３２を得る。この焼結シート３２をヒートパイプ３の内壁に装填すると共に、グルーブ１９，１９間に形成されるリブ２０の先端にほぼ密着して焼結シート３２を設ける。グルーブ１９の毛細管力に加えて、微細な金属繊維２６による強い毛細管力で、重力による影響を受けずに純水を確実に運搬できると共に、純水の蒸発で純水が無くならない程度の流量を十分に維持できるように、ヒートパイプ３の内壁に形成されたグルーブ１９に焼結シート３２をほぼ密着させたので、純水の運搬機能もさらに失われ難い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属繊維によりウェブ繊維を形成し、前記ウェブ繊維からなる不織布を焼結することにより、該ウェブ繊維どうしを接合して構成される焼結シートと、
内面にグルーブを形成してなる管体とを備え、
前記焼結シートを前記管体の内壁に装填すると共に、前記焼結シートが前記グルーブに形成されるリブの先端にほぼ密着していることを特徴とする冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源の冷却に好適であり、小型でありながら熱輸送量の大きな冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、放熱部に凝縮する作動液を受熱部に運ぶ手段として、管体の内壁にグルーブを形成したり、管体の内壁に銅粉を焼結したりすることで、これらのグルーブや銅粉のもつ毛細管力を利用して、作動液を放熱部から受熱部に運ぶ冷却器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし従来の構成では、放熱部から受熱部に作動液を運ぶ機能が十分ではなかった。すなわち、管体の内壁にグルーブを形成したものでは毛細管力が弱く、放熱器の設置姿勢によっては重力の影響を受けて、作動液の運搬機能が停止する場合があった。また、管体の内壁に銅粉を焼結したものでは、作動液の流量が十分ではなく、作動液の運搬機能が低下し易いものであったり、十分な作動液の流量を得るには銅粉の量を多くせざるを得ず、装置が大きくなったり重くなったりする欠点があった。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、毛細管力が強く重力の影響を受けることがなく、小型・薄型であっても作動液の流量も十分で、運搬機能の低下が生じ難い冷却器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明では、グルーブの毛細管力に加えて、微細な繊維による強い毛細管力で、重力による影響を受けずに作動液を確実に運搬できると共に、作動液の蒸発で作動液が無くならない程度の流量を十分に維持できるように、管体の内壁に形成したグルーブに焼結シートをほぼ密着させたので、冷却器としての作動液の運搬機能もさらに失われ難い。また、ウェブ繊維からなる不織布を焼結することにより、当該ウェブ繊維どうしを接合して得た焼結シートを、管体の内部に装填することで、焼結シートリブとの密着性が良く、しかもグルーブの開口部が微細な空隙を有するシートにより覆われるので、毛細管力が飛躍的に向上し、冷却器の性能を高めることができると共に、薄い焼結シートによって、管体の薄型化も可能になる。しかも、管体の内壁に形成したグルーブに焼結シートを焼結により装填することで、管体と焼結シートとの熱伝導性を良好に保ち、管体の熱抵抗を優れたものとすることができる。さらに、ウェブ繊維だけで形成した不織布を焼結して、管体に装填される焼結シートを構成しているので、特定の方向で不織布の強度が弱くなる欠点を改善して、焼結シートとリブの先端との密着性をさらに向上させることができ、この点でもヒートシンクユニットの性能を高めることができる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１の発明によれば、毛細管力が強く重力の影響を受けることがなく、小型薄形であっても作動液の流量も十分で、運搬機能の低下が生じ難い冷却器を提供できる。また、毛細管力が飛躍的に向上し、冷却器の性能を高めることができると共に、管体の薄型化が可能となり、管体の熱抵抗を優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態における冷却器としてのヒートシンクユニットの外観斜視図である。
【図２】同上、扁平加工後におけるヒートパイプ単体の外観斜視図である。
【図３】同上、扁平加工前におけるヒートパイプ単体の外観斜視図である。
【図４】本発明の第一実施形態における図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】同上、段ボール片に巻き付けられた金属繊維を示す写真である。
【図６】同上、金属繊維から不織布への製造イメージを示す説明図である。
【図７】同上、焼結シートの表面を部分的に拡大した写真である。
【図８】同上、焼結シートの全体外観図である。
【図９】同上、焼結シートを装填する途中の要部外観図である。
【図１０】同上、ヒートパイプの要部断面を撮影した写真である。
【図１１】同上、ヒートパイプの全体断面を撮影した写真である。
【図１２】図１１との比較として、従来技術におけるヒートパイプの全体断面を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明における冷却器の好ましい一実施形態について、パソコン（パーソナルコンピュータ）の主な発熱部品であるＣＰＵなどを冷却するヒートシンクユニットを例にして説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態における冷却器としてのヒートシンクユニットの全体構成を示している。同図において、１は前記ＣＰＵ（図示せず）に密着して取付けられる銅製の受熱プレート、２は複数の通気路を区画形成するために複数枚の金属板を組み合わせてなる放熱フィンで、受熱プレート１は管体としてのヒートパイプ３の他端側に形成した受熱部１１に密着接続される一方で、放熱フィン２はヒートパイプ３の一端側に形成した放熱部１２に密着接続される。放熱フィン２の各通気路は、図示しない送風装置からの風が通過するようになっている。
【００１１】
図２や図３にも示すように、ヒートパイプ３は、好ましくは熱伝導性の高い銅若しくは銅合金などの金属パイプ材から形成され、本体部となる中空円筒状の長手方向に延びるコンテナ４の両端に、Ｔｉｇ溶接などの適宜手段による封止部５，６をそれぞれ形成することで、コンテナ４の内部を真空状態に密閉している。また、図３に示す扁平および曲げ加工前の状態では、ヒートパイプ３は全体が直線状をなしていて、封止部５，６を除いて外形および肉厚が軸方向の全長に亘り一定に形成される。
【００１２】
ところで、ノート型パソコンなどの薄型電子機器にヒートパイプ３を含めたヒートシンクユニットを設置する場合は、薄型電子機器内の設置スペースが限られるため、図２に示す扁平および曲げ加工後の状態では、コンテナ４の適所に必要に応じて折曲げ部２１が形成されると共に、コンテナ４の一部若しくは全体に潰し加工を施した扁平部２２が形成される。この扁平部２２を形成したコンテナ４の表面は概ね平板状になっている。本実施形態では、少なくともヒートパイプ３の受熱部１１と放熱部１２に扁平部２２を形成して、この扁平部２２に受熱プレート１や放熱フィン２を取付けることで、受熱プレート１や放熱フィン２とヒートパイプ３との密着性を高めるようにしている。
【００１３】
図４〜図１１は、本発明の一実施形態に係わるヒートシンクユニットを示しており、特に図４では、図３に示すヒートパイプ３の長手方向に直交した断面図を示している。同図において、ここでのコンテナ４は、ヒートパイプ３の内壁に複数のグルーブ（溝）１９が全周にわたり均一に形成される。また、銅繊維の不織布３１を焼結して得た焼結シート３２が、グルーブ１９の内側に密着するように、ヒートパイプ３内に装填収容される。ウィック構造をなす焼結シート３２と各グルーブ１９は、ヒートパイプ３の一端から他端にかけて、途中で途切れることなく連続的に設けられる。これにより、ヒートパイプ３の内部には、焼結シート３２と各グルーブ１９中に形成され、放熱部１２で凝縮された作動液としての純水（図示せず）を受熱部１１に向けて移動させる第１の流路１７と、焼結シート３２で囲まれたコンテナ４の中心領域に形成され、受熱部１１で蒸発した蒸気を放熱部１２に向けて移動させる第２の流路１８がそれぞれ設けられる。
【００１４】
図４に示すように、ヒートパイプ３の内部には、隣接するグルーブ１９，１９間に形成され、ヒートパイプ３の内壁より中心に向けて突出する複数のリブ２０が形成される。ヒートパイプ３内に装填された焼結シート３２は、グルーブ１９により形成されるリブ２０の先端にほぼ密着した状態で固定される。
【００１５】
図５は、段ボール片２５などの被装着体に巻き付けられた状態の金属繊維２６を示している。金属繊維２６は段ボール２５から引き出され、図６に示すような切断機２７で適当な長さに切断してウェブ繊維２８を形成する。この切断機２７から連続的に排出されるウェブ繊維２８を、例えばベルトコンベアなどの運搬装置２９上に、ランダムな向きでほぼ均一に重ね合せて載置することにより、不織布３１が形成される。その後で、不織布３１は焼結によりウェブ繊維２８どうしを接合して、焼結シート３２を形成する。
【００１６】
一般的な繊維シートは、網状に縦糸と横糸を編むが、本実施形態の不織布３１は、金属繊維２６を編むのではなく、ランダムな方向に配置されるウェブ繊維２８をほぼ均一に重ね合せ、多数のウェブ繊維２８を絡み合わせることで、シート状の不織布３１を形成する。また、ここでのウェブ繊維２８は、線径が１０〜２００μｍの範囲にある銅繊維などの金属繊維２６を、数ミリから百数十ミリの範囲に切断して形成される。金属繊維２６は、細線径であるほど優れた性能のヒートパイプ３とすることができる一方、太線径であるほど金属繊維２６としての加工が容易で、コストの低下を図ることができる。
【００１７】
図７は、不織布３１を焼結した後の焼結シート３２の表面を部分的に拡大した写真である。本実施形態の焼結シート３２は、どの面においてもランダムな方向のウェブ繊維２８だけで形成されているのが確認できる。また図８は、ヒートパイプ３の形状に合せて、焼結シート３２を適切なサイズに切断した後の外観を示している。同図に示す焼結シート３２の長手方向の長さは、ヒートパイプ３の長さ（１８０ｍｍ程度が多い）に概ね一致する。
【００１８】
上述した焼結シート３２を用いて、図４に示すような断面構造のヒートパイプ３を製造するには、先ず両端を開放したヒートパイプ３の一端（または他端）から、適切なサイズに切断した前記焼結シート３２を筒状に丸め、ヒートパイプ３の内壁に沿って、リブ２０の可能な限り広い領域に密着するように装填する。焼結シート３２をヒートパイプ３内にある程度装填した状態を、図９に示す。図中、白抜きの矢印が焼結シート３２の装填方向である。この際に、当該焼結シート３２はグルーブ１９により形成されるリブ２０の先端にほぼ密着させている。そして、焼結シート３２をリブ２０の先端に焼結により接合することで、後程コンテナ４に施される扁平加工を行なっても、焼結シート３２とリブ２０の先端との密着が維持できる。
【００１９】
このように、本実施形態ではウェブ繊維２８からなる焼結シート３２を、ヒートパイプ３の内壁に設けたグルーブ１９，１９間に形成されるリブ２０の先端にほぼ密着させたので、従来のような金属細線を固定具により取り付けたり、網状の繊維シートを装填したりする場合などに比べて、焼結シート３２とリブ２０との密着性に優れ、毛細管力が飛躍的に向上すると共に、薄型化にも適している。
【００２０】
なお、焼結シート３２は金属繊維２６の不織布３１からなることから、焼結シート３２をリブ２０の先端の全領域に完全に密着させることは不可能であり、その一部が密着して他の領域は近接している程度になる。したがって、焼結シート３２はヒートパイプ３の内部において、リブ２０の先端と完全ではない「ほぼ」密着した状態となるが、この程度の密着であっても、上述した本実施形態の効果を十分に得ることが可能になる、
また、本願出願人は先に直線繊維とウェブ繊維との組み合わせによる不織布を提案しているが（特願２０１２−５５０９号）、本実施形態では直線繊維を含まず、方向性のないウェブ繊維２８だけで不織布３１を形成する。直線繊維とウェブ繊維とを組み合わせた場合、直線繊維の向きと直交する方向では不織布の強度が弱くなるが、本実施形態の不織布３１では、そのような欠点は改善され、最終的に焼結シート３２とリブ２０の先端との密着性も改善される。
【００２１】
ヒートパイプ３に焼結シート３２を装填した後は、ヒートパイプ３の一端をスウェージング加工により絞って縮径し、更にその縮径部をＴｉｇ溶接により封止して、封止部５を形成する。また、ヒートパイプ３の他端もスウェージング加工により絞って縮径し、純水の注水と真空引きを行なうためのノズルとして形成しておく。次に、このノズルからヒートパイプ３の内部への純水の注水を行なうと共に、真空引きを行ってから当該ノズル部をＴｉｇ溶接により封止して、封止部６を形成する。この時点で、ヒートパイプ３の内部は外気から遮断密閉され、図３に示すような直線状のコンテナ４の両端を封止部５，６で封止したヒートパイプ３が得られる。このときのヒートパイプ３内部の状態を、図１０および図１１に示す。その後は前述したように、コンテナ４の適所に折曲げ加工を施して折曲げ部２１を形成し、コンテナ４の一部若しくは全体に潰し加工を施して扁平部２２を形成することで、図２に示すような所望形状のヒートパイプ３が得られる。
【００２２】
上記一連の製造工程では、ヒートパイプ３の内壁部において、グルーブ１９，１９間に形成されるリブ２０に密着するように焼結シート３２を装填することで、各グルーブ１９の開口部は微細な空隙を有する作動液の通過が可能な焼結シート３２により覆われて、グルーブ１９に生じる毛細管力が飛躍的に向上する。そして、この毛細管力を最大限に高めるために、ヒートパイプ３と焼結シート３２の材質は、何れも銅を選定している。また特に、不織布３１を焼結させて得た焼結シート３２を用いることにより、ヒートパイプ３の内壁部において、リブ２０との密着性がさらに改善されると共に、ウェブ繊維２８が途中で外れることもなく、不織布３１を装填する作業性が容易になる。さらに、焼結シート３２を、ヒートパイプ３の内部に装填した後に、焼結シート３２をリブ２０に密着させるために、ヒートパイプ３の外周方向に押し広げてから、焼結シート３２とリブ２０とを焼結により接合すれば、第１の流路１７における毛細管力を最大限に高めることができると共に、その後で扁平部２２を形成するのに行われる潰し加工で、焼結シート３２とリブ２０との間に隙間が生じる問題も回避できる。
【００２３】
焼結シート３２をヒートパイプ３の外周方向に押し付ける際に、当該焼結シート３２が圧縮されることで、高密度の金属繊維２６からなる薄厚の焼結シート３２は、ヒートパイプ３の全体厚さを薄くすることができ、使用時に好ましい最適な形態とすることが可能になる。この場合の焼結シート３２は、金網よりもヒートパイプ３のリブ２０に対して高密着性を有し、高密度繊維により高毛細管力を有するので、ヒートパイプ３としての性能が著しく向上する。
【００２４】
また、ヒートパイプ３内の焼結シート３２は、従来の焼結金属（銅粉焼結品）に比べて薄型に形成できるが、その理由は、焼結金属の場合、グルーブ１９付きヒートパイプ３の内側に設置した心棒と、そのヒートパイプ３の内壁部との間の隙間に銅粉を装填し、銅粉を焼結した後で心棒を引き抜く必要があるが、隙間を小さくすると銅粉が行き渡らず、銅粉全体の厚さを薄型化できないからである。実際に、ヒートパイプ３の内部に装填した後の焼結シート３２の厚さは、０．２〜０．３ｍｍ程度であり、銅粉を焼結した場合の厚さ（０．５〜０．６ｍｍ程度）に比べて、半分以下にすることができる。さらに、本実施形態における焼結シート３２はシート状に形成されるため、金属繊維２６による繊維径を細くでき、微細な空隙が得られ、上述のような高毛細管力の優れたヒートパイプ３を得ることができる。
【００２５】
図１１は、本実施形態の扁平加工後におけるヒートパイプ３の断面を撮影したものである。この写真は、断面カットの処理が悪くグルーブ１９が視認できない箇所があるが、実際にはヒートパイプ３内の全周でグループ１９を視認できる。また比較として、従来のコンテナ４の内壁に銅粉６０を焼結させたヒートパイプ３の断面を図１２に示す。
【００２６】
従来のヒートパイプ３は、銅粉６０を薄く均一に設けることが難しく、空隙も不均一である。そのため、ヒートパイプ３内において運搬する水量が不足し、機能停止に陥る可能性が高かった。一方、本実施形態のヒートパイプ３は、ウェブ繊維２８からなる焼結シート３２を備えているため、このような課題を克服して、ヒートパイプ３としての機能を著しく向上させることができる。また、銅粉６０をヒートパイプ３の内壁部に焼結させた従来の焼結金属型のものに比べて、本実施形態の焼結シート３２は均一で且つ薄くすることが可能であるから、潰し加工後におけるヒートパイプ３の扁平部２２の厚さを、薄くすることができる。
【００２７】
次に上記構成について、その作用を説明すると、ノート型パソコンの使用時に、ＣＰＵからの熱が受熱プレート１からヒートパイプ３の他端部である受熱部１１に伝わると、ヒートパイプ３の内部において、受熱部１１内の純水が温度上昇して蒸発する。この蒸発熱によりＣＰＵが冷却されると共に、受熱部１１の内部では蒸気圧が上昇し、温度の高い蒸気が第２の流路１８を通してヒートパイプ３の一端部である放熱部１２に向かって流れる。放熱部１２には放熱フィン２が熱的に接続され、この放熱フィン２に送風装置からの風が通過することにより、放熱部１２の内部に到達した蒸気が冷やされて凝縮し、凝縮熱が放熱部１２から放出される。この作用は受熱部１１と放熱部１２の温度差が無くなるまで継続し、グルーブ１９と焼結シート３２とにより生じる毛細管力により、ヒートパイプ３内部の純水が、放熱部１２から焼結シート３２内の第１の流路１７を通して受熱部１１に向けて流れる。
【００２８】
この一連の冷却サイクルにおいて、放熱フィン２により冷やされる放熱部１２では蒸気の凝縮により純水が溜まる一方で、ＣＰＵからの熱を受ける受熱部１１では純水が蒸発するが、ヒートシンクユニットがどのような設置姿勢にあっても、強い毛細管力によって重力による影響を受けずに放熱部１２で凝縮した純水を受熱部１１にまで確実に運搬でき、且つ受熱部１１に達した純水も、蒸発で全てが無くならない程度の流量を維持できるように、ヒートパイプ３の内壁に形成されたグルーブ１９に焼結シート３２をほぼ密着させたので、ヒートパイプ３の純水運搬機能が失われ難く、ヒートパイプ３としての性能を著しく向上することができる。また、従来の銅粉６０をヒートパイプ３の内壁部に焼結させた焼結金属型のものに比べて、本実施形態の焼結シート３２は均一で且つ薄くすることが可能であるから、潰し加工後におけるヒートパイプ３の扁平部２２の厚さを、薄くすることも可能である。
【００２９】
以上のように、本実施形態におけるヒートシンクユニットは、銅繊維などの金属繊維２６によりウェブ繊維２８を形成し、このウェブ繊維２８だけからなる不織布３１を焼結することにより、ウェブ繊維２８どうしを接合して構成される焼結シート３２と、内面にグルーブ１９を形成してなる管体としてのヒートパイプ３とを備えており、焼結シート３２をヒートパイプ３の内壁に装填すると共に、焼結シート３２が隣り合うグルーブ１９，１９間に突出して形成されるリブ２０の先端にほぼ密着して設けられている。
【００３０】
この場合、グルーブ１９の毛細管力に加えて、微細な金属繊維２６による強い毛細管力で、重力による影響を受けずに純水を確実に運搬できると共に、純水の蒸発で純水が無くならない程度の流量を十分に維持できるように、ヒートパイプ３の内壁に形成したグルーブ１９に焼結シート３２をほぼ密着させたので、ヒートシンクユニットとしての純水の運搬機能もさらに失われ難い。また、ウェブ繊維２８からなる不織布３１を焼結することにより、当該ウェブ繊維２８どうしを接合して得た焼結シート３２を、ヒートパイプ３の内部に装填することで、焼結シート３２とリブ２０との密着性がさらに良くなり、しかもグルーブ１９の開口部が微細な空隙を有する焼結シート３２により覆わるので、毛細管力が飛躍的に向上し、ヒートシンクユニットの性能を高めることができると共に、薄い焼結シート３２によって、ヒートパイプ３の薄型化も可能になる。しかも、ヒートパイプ３の内壁に形成したグルーブ１９に焼結シート３２を焼結により装填することで、ヒートパイプ３と焼結シート３２との熱伝導性を良好に保ち、ヒートパイプ３の熱抵抗を優れたものとすることができる。さらに本実施形態では、直線繊維を含まず、ウェブ繊維２８だけで形成した不織布３１を焼結して、ヒートパイプ３に装填される焼結シート３２を構成しているので、特定の方向で不織布３１の強度が弱くなる欠点を改善して、焼結シート３２とリブ２０の先端との密着性をさらに向上させることができ、この点でもヒートシンクユニットの性能を高めることができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更可能である。例えば、各実施形態に示す冷却器としてのヒートシンクユニットは、パソコン以外にも冷却を必要とする各種機器に組み込むことが可能であり、純水以外の作動液をヒートパイプ３の内部に密封収容することも可能である。また各実施形態に共通して、ヒートパイプ３や焼結シート３２の材質は、熱輸送用に大きな熱伝導率を有し、封入用の水に対し腐食せず、親水性を有し、焼成用に適しており、しかもパイプと繊維を同じ材料で形成することを条件として考えると、銅が最適であるが、冷却器としての用途に応じて例えばアルミニウムや、ＳＵＳ（ステンレス鋼）などの他の金属でも可能である。さらに、グルーブ１９と金属繊維２６との間で、気相と液相との自由な交換を可能とするために、金属繊維２６の線径をグルーブ１９の溝幅よりも小さくするのが好ましい。
【符号の説明】
【００３２】
３  ヒートパイプ（管体）
１９  グルーブ
２０  リブ
２６  金属繊維
２８  ウェブ繊維
３１  不織布
３２  焼結シート
【図１】
2014081185.tif 000003
【図２】
2014081185.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図５】
2014081185.tif 000009
【図７】
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【図８】
2014081185.tif 000011
【図１０】
2014081185.tif 000012
【図１１】
2014081185.tif 000013
【図１２】
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