(57)【要約】【課題】ヒートパイプの作動液循環動作が生じる温度領域の下限未満の温度であっても十分な熱拡散性能を得ることができる平板型ヒートパイプを提供する。【解決手段】内部空間を有する平板状金属部材1と、内部空間に封入された作動液とを有するヒートパイプであって、平板状金属部材1の主平面方向の内壁には、金属部材1よりも主平面方向の熱伝導率の大きいシート状グラファイト4が固定されている。シート状グラファイト4の表面には、作動液に毛細管現象を生じさせる凹凸形状が形成されている。これにより、作動液が循環動作を生じる温度未満においては発熱源からの熱をシート状グラファイトで拡散することができる。シート状グラファイト表面の凹凸により凝縮した作動液を移動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を有する平板状の金属部材と、前記内部空間に封入された作動液とを有し、
前記平板状の金属部材の主平面方向の内壁には、前記金属部材よりも主平面方向の熱伝導率の大きいシート状のグラファイトが固定され、
前記シート状グラファイトの表面には、前記作動液に毛細管現象を生じさせる凹凸形状が形成されていることを特徴とする平板型ヒートパイプ。
【請求項２】
請求項１に記載の平板型ヒートパイプにおいて、前記凹凸形状は、底面形状が六角形の凸部を繰り返し並べた形状であることを特徴とする平板型ヒートパイプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の平板型ヒートパイプにおいて、前記シート状グラファイトは、主平面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導性であり、
前記金属部材の内部空間には、金属製の柱部材が配置され、該柱部材は、前記シート状グラファイトの中央設けられた貫通孔を貫いて、両端が金属部材と接していることを特徴とする平板型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプに関し、特に、熱拡散部材（ヒートスプレッダ）として好適な、外形が平板型のヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なヒートパイプは、銅管の内壁にウィックと称する毛細管現象を引き起こす微細構造（網目や焼結体による凹凸）を形成し、作動液を封入して端部をカシメなどによって封止したものである。その外形は、熱輸送を主目的とするために円柱形状をしている。これに対し、ＣＰＵなどの発熱密度の大きい発熱源を効率よく冷却する手段として、外形が平板状のヒートパイプを用い、熱を拡散させてから冷却する方法が用いられる。
【０００３】
平板状のヒートパイプは、例えば特許文献１および２のように、スリットを有する薄板からなる仕切板等を複数重ね合わせて配置し、その重ね合わせたものの上下に外壁部材を重ねてコンテナを構成している。コンテナ内空間には作動液が封入されている。特許文献１の構成では、重ね合わせられた複数の仕切り板の間隙が毛細管流路を構成している。特許文献２の構成では、外壁部材の内側の側面には毛細管現象を引き起こすための微細形状が形成されている。
【０００４】
熱源は平板状ヒートパイプの上面または下面の中央部に配置される。作動液は、熱源からの熱によって内部空間の中央で蒸発し、蒸気は仕切り板のスリットを通って外周部に向かう。蒸気は外周部で冷却されて凝縮され、液体となって仕切り板の間の毛細管流路や、外壁部材の内側の微細管形状で構成された毛細管流路を通って中央に回帰する。このような平板状のヒートパイプは、全体が薄い板材で構成されているため、薄型の形状を提供できる。
【０００５】
また、グラファイト材を使って熱拡散を促進させる技術については、近年数多くの特許文献が公開されている。例えば特許文献３では、熱伝導性膜としてグラファイト製の部材を用いて、既存の放熱構造を覆った放熱構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−０３９６９３号公報
【特許文献２】特許４０４７９１８号公報
【特許文献３】特開平１１−９５８７１号公報（段落「0015」等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ヒートパイプの動作温度領域は作動液の蒸気圧によって決定される。一般的に、ヒートパイプは作動液を蒸発させやすくするため、減圧状態で封入される。しかしながら円柱型に比べて平板型は構造的に弱く、作動液の減圧度を低くせざるを得ない。減圧度が低いと作動液が蒸発しにくく、動作温度領域の下限が律則される（例えば、円柱型：20℃に比べて平型：60℃程度）。下限に満たない低温度領域では作動液の蒸発が著しく少なくなり、ヒートパイプ特有の高い等価熱伝導率（数千[W/mK]）が得られず、外壁材料の熱伝導率（例えば銅：約380[W/mK]）に支配され、ヒートスプレッダとしての熱拡散性能が低下してしまう。
【０００８】
動作温度領域の下限を拡張するためには、減圧度を大きくすることが考えられるが、その減圧状態に耐えるためには構造を工夫して強度を高めることが必要である。強度を高める手段としては、外壁だけでなくコンテナ内部に支柱を多数設けて補強するといった方法が考えられるが、スリット構造の邪魔になるため作動液の回帰性が悪化し、結果として熱拡散性能の低下につながる。すなわち、強度と熱拡散性能の両立は困難である。
【０００９】
また、平板状のヒートパイプの内壁の凹凸構造（ウィック）に、特許文献３のグラファイト材を膜状にしたものを貼り付けることも考えられるが、ウィックのピッチは1mm以下と緻密なため、凹凸形状に沿ってグラファイト材が折れ曲がることによりグラファイト中の炭素結合が乱れ、グラファイト材の高熱伝導率という特性を害する恐れがある。
【００１０】
本発明の目的は、ヒートパイプの作動液循環動作が生じる温度領域の下限未満の温度であっても十分な熱拡散性能を得ることができる平板型ヒートパイプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のような平板型ヒートパイプが提供される。すなわち、内部空間を有する平板状の金属部材と、内部空間に封入された作動液とを有する平板型ヒートパイプであって、平板状の金属部材の主平面方向の内壁には、金属部材よりも主平面方向の熱伝導率の大きいシート状のグラファイトが固定されている。シート状グラファイトの表面には、作動液に毛細管現象を生じさせる凹凸形状が形成されている。これにより、作動液の循環動作が生じる温度未満においては、シート状グラファイトの熱伝導率で熱拡散を生じさせることができる。シート状グラファイトの表面の凹凸は、毛細管現象による作動液の移動を生じさせるため、作動液の循環動作に寄与する。
【００１２】
上記凹凸形状は、例えば、底面形状が六角形の凸部を、繰り返し並べた形状とすることができる。
【００１３】
シート状グラファイトは、主平面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導性のものを用いることができる。この場合、金属部材の内部空間には、金属製の柱部材を配置し、柱部材がシート状グラファイトの中央に設けられた貫通孔を貫いて、両端が金属部材と接するように構成することが望ましい。これにより、異方性熱伝導性のシート状グラファイトを用いた場合であっても、発熱源の熱を内部空間に効率よく伝達することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発熱源からの熱を効率よく拡散し、使用温度領域に制約が少ない平板型のヒートパイプ（ヒートスプレッダ）を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態の平板型ヒートパイプ（ヒートスプレッダ）の断面図である。
【図２】図１のヒートスプレッダの各部材の斜視図である。
【図３】図１のヒートスプレッダのシート状グラファイトの表面凹凸の（ａ）拡大上面図、（ｂ）拡大側面図である。
【図４】図１のヒートスプレッダにおける作動液とその蒸気の流れを示す説明図である。
【図５】比較例の平板型ヒートパイプ（ヒートスプレッダ）の断面図である。
【図６】図５のヒートスプレッダの各部材の斜視図である。
【図７】図５のヒートスプレッダの外層金属板の凹部の底面の拡大した切り欠き斜視図である。
【図８】図５のヒートスプレッダにおける作動液とその蒸気の流れを示す説明図である。
【図９】実施例および比較例の評価実験に用いた装置構成を示す説明図である。
【図１０】実施例および比較例のヒートスプレッダについて図９の装置で測定した、発熱源５の温度変化を示すグラフである。
【図１１】実施例および比較例のヒートスプレッダについて図９の装置で測定した、ヒートスプレッダの外周部の温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１および図２を用いて本実施形態の平板状ヒートパイプ（以下、ヒートスプレッダと称す）の構成について説明する。図１はヒートスプレッダの断面図であり、図２は、各部品の斜視図である。ヒートスプレッダは、対向面に凹部１ａが形成された一対の外層金属板１を外縁部で接合した構造である。外層金属板１のそれぞれの凹部１ａの底面はシート状グラファイト４で覆われている。接合された外層金属板１の内部空間には、複数枚の内層スリット板２が重ねて配置されている。また、外層金属板１の内部空間には、所定の圧力まで減圧され、所定の作動液が封入されている。
【００１８】
内層スリット板２は、微細な貫通孔が厚さ方向に多数設けられたメッシュ構造の板状部材を微小な高さ（振幅）で波打たせた構造である。主平面には、中央から外周部に向かって放射状に延びるスリット２ａが設けられている。重ねられた複数の内層スリット板３の間隙および放射状のスリット２ａは、作動液の蒸気が中央から外周部に向かって流れる流路となる。メッシュ構造は、外周部で凝縮されて液体状態に戻った作動液が、毛細管現象で中央へ回帰する毛細管流路となる。
【００１９】
外層金属板１および内層スリット板２は、熱伝導性の良い金属、例えば銅で構成されている。シート状グラファイト４は、外層金属板１および内層スリット板２よりも主平面方向の熱伝導率が大きい。ここでは、主平面方向の熱伝導率が、厚み方向の熱伝導率よりも数倍大きい（主平面方向1200W/mK、厚み方向20W/mK）、異方性熱伝導性を有するグラファイトシートを用いる。
【００２０】
シート状グラファイト４および内層スリット板２の中央には、円形の貫通孔が設けられており、同径の円柱３が貫通孔の側面と接触するように貫通している。円柱３の両端は、外層金属板１に固定されている。また、円柱３は、外層金属板１の一方と一体成形された構成とすることも可能である。
【００２１】
また、シート状グラファイト４の表面には、液体状態の作動液の毛細管流路となる凹凸構造が形成されている。図３（ａ）および（ｂ）に、シート状グラファイト４の凹凸構造の上面図および側面図を示す。図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように、シート状グラファイト４の表面は六角錐が隙間なく繰り返し並べられた形状である。このように六角錐の凹凸構造を設けることにより、中央から外周に向かって６方向に放射状に延びる凹凸が形成されるため、外周部で凝縮された作動液を毛細管現象により効率よく中央へ回帰させることができる。
【００２２】
表面に六角錐が繰り返し並べられた形状の凹凸構造を備えるシート状グラファイト４を製造する方法を説明する。材料としてポリイミド等の高分子フィルムを用いる。あらかじめ蜂の巣状にパンチングで六角形の孔を空けた高分子フィルムを複数枚（孔位置は同じで孔形のみ異なるもの）用意する。これら複数間の高分子フィルムを、孔径が徐々に変化するように積層し、不活性雰囲気中で、2000〜3000℃で高温焼成する。さらに片側の表面を六角錐状の凹凸を形成したローラーで圧延する。これにより、表面に六角錐の凹凸が形成されたシート状グラファイトを生成できる。なお、外層金属板１に固定される逆側の面は、平坦なローラーで圧延し、平坦な面とする。
【００２３】
なお、内層スリット板２の枚数は、図１では３枚の例を示しているが、１枚以上であればよく、所望の枚数にすることができる。
【００２４】
次に、本実施形態のヒートスプレッダの動作について説明する。
【００２５】
図４のように、ヒートスプレッダの上面中央に発熱源５を配置すると、発熱源５からの熱は、外層金属板１および円柱３を通って、シート状グラファイト４および内層スリット板２に熱伝導し、内部空間の中央付近の作動液を加熱する。これにより作動液は蒸発し、蒸気は内層スリット板２の間隙およびスリット２ａを通って外周部に向かう。蒸気は外周部で冷却されて凝縮され、液体となってシート状グラファイト４の表面の凹凸構造および内層スリット板２のメッシュ構造を毛細管現象で移動し、中央に回帰する。これにより、中央の発熱源５の熱を外周部まで効率よく拡散することができる。
【００２６】
一方、発熱源５の温度が低く、作動液が蒸発しない温度領域である場合には、発熱源５の熱は、外層金属板１に伝導するとともに、円柱３を介してシート状グラファイト４および内層スリット板３に伝導し、これらによって主平面方向に伝導し、外周部まで拡散される。シート状グラファイト４は、主平面方向の熱伝導率が、金属と比較して数倍大きいため、発熱源５の熱を外周部に効率よく伝導することができる。
【００２７】
このように、本実施形態では、平型ヒートパイプ（ヒートスプレッダ）の外層金属板１の内側に、凹凸形状を有する高熱伝導率のグラファイトシートを使用することにより、ヒートパイプの作動液循環動作が生じる温度領域の下限未満でも十分な熱拡散性能を確保することができる。
【００２８】
また、シート状グラファイト４の表面の凹凸形状は、一般的にウィックと称されるヒートパイプの作動液の循環に不可欠な毛細管構造と同機能を果たすため、作動液の回帰に寄与する。
【００２９】
シート状グラファイト４の中央には貫通孔を設け、円柱３により、外層金属板１とシート状グラファイト４と内層スリット板２とが熱伝導率の高い円柱３によって直に接するため、厚み方向の熱伝導率が小さい異方性のシート状グラファイト４を用いた場合であっても、発熱源５の熱を内層スリット板２に効率よく伝導することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、シート状のグラファイト４を直接凹凸形状に加工しているため、シート状のグラファイト中の炭素結合が乱れず、高熱伝導特性を維持したまま毛細管構造を実現できる。
【００３１】
また、本実施形態では、シート状グラファイト４を外層金属板１の内壁に固定したことにより、外壁に固定した場合と比較して、発熱源５からの熱を外層金属板１の内部空間に容易に伝達できる。すなわち、内壁に固定したことにより、シート状のグラファイト４を円柱３で貫通した構造をとることができる。これにより、シート状のグラファイト４として主平面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導性のグラファイトを用いた場合であっても、円柱３により厚み方向の熱伝導性を容易に確保でき、発熱源５の熱を作動液や内層スリット板２に高熱伝導率で伝達することができる。また、グラファイトシートを内壁に配置したことにより、ヒートスプレッダの外壁は外層金属板１の滑らかな面であり、発熱源５を固定する際に制約が少なく、汎用性の高いヒートスプレッダを提供できる。
【実施例】
【００３２】
（実施例）
実施例として図１の構造の平板型ヒートパイプ（ヒートスプレッダ）を作製した。
【００３３】
まず、外層金属板１として、外形が50mm角・厚さ1.5mmの外層銅板を用意し、片面に45mm角・深さ0.5mmの窪みを設けた。シート状グラファイト４として、厚さ0.1mm・面方向の熱伝導率1200[W/mK]・厚み方向の熱伝導率20[W/mK]のグラファイトシートを上述した製造方法により製造し、これを外層金属板１の凹部の底面に貼り合わせた。なお、グラファイトシート４の表面は、図３（ａ），（ｂ）のように六角錐が隙間なく繰り返し並べられた形状の凹凸形状を備えている。六角錐の底面の径は0.5mm、高さは0.3〜0.5mm程度とした。
【００３４】
内層スリット板２としては、0.5mmピッチのメッシュ構造を有する厚さ0.1mmの薄銅板を用意し、高さ（振幅）0.1〜0.2mmで波打たせた形状に加工したものを3枚積層とした。円柱３は銅製であり、直径は5mmとした。
【００３５】
２枚の外層銅板１を、グラファイトシート４を貼った面がそれぞれ内側になるように合わせ、外縁部を加圧加熱することで接合した。なお、図示していないが、外層金属板１には作動液を封入するための穴が設けられており、この孔から内部空間を減圧し、作動液として、所定量の純水を封入した。作動液の循環開始温度は60℃程度になるように、減圧度を設定した。
【００３６】
（比較例）
比較例のヒートスプレッダを作製した。比較例のヒートスプレッダは、図５に断面図を、図６に各部材の斜視図を示すように、実施例のヒートスプレッダのシート状グラファイトを備えていない。外層金属板１の内壁面には、図７のように四角錐を隙間なく繰り返し並べた構造の凹凸構造が形成されている。また、円柱３は比較例では配置されていない。内層スリット板２を支持するために、外層金属板１の内側に1mm角の銅角柱が計16本接合されている（不図示）。この角柱による熱拡散性能への寄与は、無視できるレベルである。他の構造は、実施例と同様である。
【００３７】
比較例のヒートスプレッダでは、図８のようにヒートスプレッダの上面中央に発熱源５を配置すると、発熱源５からの熱は、外層金属板１を伝導して、内部空間の中央付近の作動液を加熱する。これにより作動液は蒸発し、蒸気は内層スリット板２の間隙およびスリット２ａを通って外周部に向かう。蒸気は外周部で冷却されて凝縮され、液体となって外層金属板１の表面の凹凸構造および内層スリット板２のメッシュ構造を毛細管現象で移動し、中央に回帰する。これにより、中央の発熱源５の熱を外周部まで拡散する。
【００３８】
発熱源５の温度が、作動液が蒸発しない温度領域の場合には、発熱源５の熱は、外層金属板１の熱伝導によって主平面方向に拡散される。
【００３９】
（評価実験）
実施例と比較例のヒートスプレッダの性能を評価する実験を行った。図９に評価に用いた装置構成を示す。実施例または比較例のヒートスプレッダ１１の片面中央に、発熱源５として5mm角のセラミックヒーター５を、熱伝導グリス（不図示）を介して接着した。さらにヒートスプレッダ１１の表面温度分布を放射温度計で一括測定するため、放射率が既知のセラミックシートをヒーター部をくり貫いて貼り付けた。もう一方の面には放熱のために50mm角・高さ30mmのアルミ（JIS規格：A6063）製ヒートシンク１４を、熱伝導グリスを介して接着した。
【００４０】
実施例・比較例ともに作動液の循環開始温度は60℃程度に設定されている。
【００４１】
発熱源５のセラミックヒーターに15Ｗを印加し、放射温度計を用いてヒートスプレッダ１１の中央部と外周部の温度上昇の様子を経時記録した。図１０に発熱源５の温度変化を、図１１にヒートスプレッダ１１の端部（外周部）の温度変化を示す。
【００４２】
図１０より、発熱源５の温度は、実施例および比較例ともに作動液の循環が始まる60℃付近を境にして、温度上昇の傾きが低減していることがわかる。これは、実施例および比較例ともに、作動液の循環が開始される60℃付近で、ヒートスプレッダ１１の等価熱伝導率が上昇し、熱拡散が促進され、発熱源５の熱を効果的に拡散でき、ヒートシンク１４から放熱されるためである。
【００４３】
図１１より、ヒートスプレッダ１１の端部の温度については、比較例では60℃付近を境にして、温度上昇の傾きが大きくなる。これは、作動液の循環が開始され、より多くの熱が運ばれてくるためである。実施例では、６０℃付近での温度上昇の勾配に顕著な変化は見られない。
【００４４】
一方、図１０より、60℃未満の温度領域において、発熱源５の温度上昇の傾きは、実施例の方が比較例より小さく、発熱源5の温度は実施例の方が低かった。逆に、ヒートスプレッダ１１の外周部の温度上昇の傾きは、図１１のように、60℃未満の温度領域においては、実施例の方が比較例よりも大きく、外周部の温度は実施例の方が高かった。このことから、60℃未満の温度領域では、実施例の方が比較例よりも、等価熱伝導率が大きく、効果的に熱拡散が実現されていることが確認できた。
【００４５】
このように60℃未満の温度領域で、実施例のヒートスプレッダが、比較例よりも等価熱伝導率が大きいのは、シート状グラファイト４を備えているためである。
【００４６】
60℃以上の温度領域においては、実施例・比較例ともに作動液の蒸発・凝縮による高い熱伝導率が支配的となり、温度上昇率はほぼ等しくなる（図１０、図１１の比較例、実施例のグラフを時間軸に対して平行移動するとほぼ重なる）。
【００４７】
本評価実験における、実施例と比較例の発熱源５の温度の差は、作動液の循環が始まる直前の60℃付近において最も大きく、20℃程度も差があった。このことから、本実施例の構造を用いることにより、発熱源５の熱を効果的に放熱できることが確認された。なお、発熱源５の温度は、印加電力とヒートシンクの冷却能力によって左右される。一般的に、発熱源の印加電力が大きく、ヒートシンクの冷却能力が低い場合に、ヒートスプレッダの効果を大きく得ることができる。
【００４８】
本実施例のヒートスプレッダは、約60℃以下の温度領域で効果的に熱拡散を行うことができるため、例えば人間が手で触る可能性がある装置のヒートスプレッダとして用いるのに好適である。例えば、製品例としては、LEDデスクライトが挙げられる。ハイパワーLEDを用いたデスクライトは、一般的に筐体面に熱を拡散する構成であるが、筐体面は点灯中に人間が手で触れる可能性があるため、60℃以下においても効果的に熱拡散を行い、放熱を促進することが望まれる。本実施例のヒートスプレッダは、約60℃以下の温度領域においても効果的に熱拡散を行うことができるため、好適である。
【符号の説明】
【００４９】
1…外層金属板、１ａ…凹部、２…内層スリット板、２ａ…スリット、３…円柱、４…シート状グラファイト、５…発熱源、１１…ヒートスプレッダ、１２…セラミックシート、１４…ヒートシンク
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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