(57)【要約】【課題】寒冷地、高温高湿度等の気象条件下の厳しい状況における使用に耐えることができ、寒冷地に保管される電気・電子装置や輸送機（自動車、電車、飛行機、船、ロケット等）に搭載された発熱部品の冷却に適した、作動液として水を用い、コンテナ材質として純銅を用い、軽量、且つ安価な信頼性の高い板状ヒートパイプ、およびその製造方法を提供する【解決手段】２枚の銅箔によって形成された密閉された空洞部を備える銅製コンテナと、銅製コンテナの外表面を覆う受熱面および放熱面を備えた金属板材からなる鎧体と、銅製コンテナ内に収容される作動液と、ウイックとを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプ。【選択図】図１
2005249226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉された空洞部を備える内層としての銅薄板材および外層としての金属板材の２重構造からなる受熱面および放熱面を備えたコンテナと、その内部に収納される作動液としての水とを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプ。
【請求項２】
２枚の銅箔によって形成された密閉された空洞部を備える銅製コンテナと、前記銅製コンテナの外表面を覆う受熱面および放熱面を備えた金属板材からなる鎧体と、前記銅製コンテナ内に収容される作動液と、ウイックとを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプ。
【請求項３】
前記金属板材がアルミニウム板材からなっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の板状ヒートパイプ
【請求項４】
前記銅箔は、周辺部および中央部からなり、貼り合わせた２枚の前記銅箔の周辺部は水密に接合され、前記中央部にはエンボス加工が施されていることを特徴とする、請求項２に記載の板状ヒートパイプ。
【請求項５】
前記放熱面に放熱フィンが熱的に接続され、前記受熱面に車載用電池が熱的に接続されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の板状ヒートパイプ。
【請求項６】
前記銅箔または銅薄板材の厚さが０．３mm以下であることを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載の板状ヒートパイプ。
【請求項７】
前記銅箔の厚さが０．０３から０．１mmの範囲内であることを特徴とする、請求項６に記載の板状ヒートパイプ。
【請求項８】
それぞれ凸形状に突出した中央部と平らな周辺部からなる２枚の銅製薄板材、所定高さのコルゲート状ウイック、および、前記銅製薄板材に対応した形状の中央部および平らな周辺部を有する２枚のアルミニウム板材を準備し、
前記２枚の銅製薄板材を、前記中央部が空洞部を形成するように周辺部を合わせてコンテナを形成し、その内部に前記ウイックを配置して、銅製薄板材の前記周辺部を接合し、
前記コンテナの外表面を覆うように、前記２枚のアルミニウム板材を配置し、前記アルミニウム板材の周辺部を機械的に接合し、
前記コンテナに脱ガス処理を施し、作動液の水を注入し、封止する板状ヒートパイプの製造方法。
【請求項９】
前記銅製薄板材の接合をシーム溶接によって行い、前記銅製薄板材および前記アルミニウム板材の間に熱伝導性に優れたグリスを配置する、請求項８に記載の板状ヒートパイプの製造方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気・電子機器の放熱冷却装置に用いる板状ヒートパイプおよびその製造方法に関するものである。特に、車載用電池等の充電放電時に発熱する装置を安全に冷却することができる点に優れた板状ヒートパイプおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気・電子機器装置においては、各種制御を行う各種のエレクトロニクス機器が搭載されており、エレクトロニクス機器は、マイクロプロセッサ等の高出力、高集積の部品を内蔵している。マイクロプロセッサは、集積度が極めて高くなり、高速で情報の演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する。これらの高出力かつ高集積の部品であるチップ等を冷却するために、各種の冷却システムが提案されてきた。
【０００３】
更に、自動車においては、その他に、電気自動車に搭載された二次電池等の充電放電時に発熱する装置を冷却するために、各種の冷却システムが提案されてきた。その代表的な冷却システムの１つとして、ヒートパイプがある。
ヒートパイプには、その形状において、丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状の板状ヒートパイプがある。複数個のセルを備えた二次電池等の被冷却部品の冷却用としては、個々のセルの発生する熱を放熱するために、広い接触面が得られることから、板状ヒートパイプが好んで用いられる。
【０００４】
更に、ヒートパイプは、被冷却部品の取り付け位置において、被冷却部品が上部に位置するトップヒートモードと被冷却部品が下部に位置するボトムヒートモードに区分される。ボトムヒートモードの場合、重力により液が還流するが、トップヒートモードの場合、重力に逆らって液を還流させなければならず、通常はウイックによる毛管現象を利用する。
ヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。
【０００５】
密封された空洞部を備え、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の移動が行われるヒートパイプの詳細は次の通りである。
ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた被冷却部品が発する熱を潜熱として吸収して、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は凝縮して潜熱を放出するとともに、再び液相状態に戻る。このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側に移動（還流）する。このような作動流体の相変態や移動によって熱の移動が行われる。
重力式のヒートパイプにおいては、相変態によって液相状態になった作動流体は、重力によって、吸熱側に移動（還流）する。
【０００６】
図４は、従来の板状ヒートパイプの概念図（斜視図）である。図４に示すように、従来の板状ヒートパイプ１００は、例えばアルミニウム、または、銅製の２枚の金属薄板１０１、１０２によって形成された密閉されたコンテナを備えている。コンテナの強度を向上するために、２枚の金属薄板１０１、１０２の全周囲をとりまく縁部１０６を除く中央部分は、高原状に突き出すようにエンボス加工が施された突き出し部を備えている。２枚の金属薄板１０１、１０２は、縁部１０６で水密に接合されて、内部に密閉された空洞部を備えたコンテナが形成される。このように形成されたコンテナ内部にはシクロペンタン、水等の揮発性の液体である作動液が封入されている。
【０００７】
板状ヒートパイプ１００の突き出し部には、コンテナ内部に封入されている作動液の気化、液化時および凍結時のコンテナ内部圧力の変化によるコンテナの変形を防止するために、図４に示すように、適当な数のディンプル凹部１０５が形成されて、コンテナの機械的強度を大きくしている。
板状ヒートパイプは、上述したように、その吸熱部１０３で発熱体に当接して吸熱し、吸熱部内部に位置する作動液が蒸発し、その蒸気が放熱部１０４に移動し、放熱部で放熱して凝縮し、元の液体の状態の作動液に戻る。この過程を繰り返すことによって発熱体の発する熱を放熱部へ移動させる動作を行う。
【０００８】
吸熱部１０３と放熱部１０４について、コンテナ内部は連設された一続きの空洞であって、特に構造に差異は無いが、放熱部１０４の外表面には例えば（図示しない）ファンによって強制的に冷却される放熱フィン１０７が取り付けられて、放熱を促進する。
【０００９】
作動液として、常温で可燃性の高い液体であるシクロペンタンを使用する場合には、板状ヒートパイプのコンテナの材質にはアルミニウムを使用することができる。作動液として水を使用する場合には、板状ヒートパイプのコンテナの材質は、ヒートパイプとしての性能上の制約から純銅に限定される。板状ヒートパイプを自動車に適用しょうとする際に安全性の観点から、難燃性の要件を満たすことを要求される場合には、シクロペンタンを作動液として使用する板状ヒートパイプは不適当である。ところが、作動液として水を使用し、コンテナの材質として純銅を用いる板状ヒートパイプは、作動液としてシクロペンタンを使用し、コンテナの材質はアルミニウムである板状ヒートパイプに比較して大幅に重量が増加し、自動車に搭載する機器としては大きな不利点である。
【００１０】
作動液として水を用い、コンテナ材質として純銅を用いる板状ヒートパイプの他の問題点としては、コンテナ内部に封入された作動液である水の蒸発、凝縮及び凍結に伴うコンテナ内部の圧力変化に耐えるためには、コンテナを形成する純銅板の板厚は例えば０．３mm以上必要であり、このような板厚の銅板を水密に接合することは不可能ではないが極めて困難であり、接合に要する費用が高額となり、板状ヒートパイプのコストが高くなるという問題がある。
【００１１】
薄型化および軽量化されたヒートパイプが特開２００１−１６５５８４号公報に開示されている。即ち、特開２００１−１６５５８４号公報には、２枚の金属箔を接合して形成されたシート状コンテナが提案されている。しかしながら、薄型化および軽量化されてはいるものの、自動車に搭載され、寒冷地、高温高湿度等の気象条件下の厳しい状況における使用に耐えることが困難であり、信頼性に欠けるという致命的な問題点がある。  
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１６５５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、この発明の目的は、寒冷地、高温高湿度等の気象条件下の厳しい状況における使用に耐えることができ、寒冷地に保管される電気・電子装置や輸送機（自動車、電車、飛行機、船、ロケット等）に搭載された発熱部品の冷却に適した、作動液として水を用い、コンテナ材質として純銅を用い、軽量、且つ安価な信頼性の高い板状ヒートパイプ、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、水密の接合が比較的容易である薄厚の銅箔を用いてコンテナを形成し、コンテナ内部に作動液の移動を助けるウイックを作動液である水と共に封入するとともに、銅箔で形成したコンテナの外部をアルミニウム板材で作成した鎧体で覆うことによって、コンテナ内部が負圧になる場合にコンテナが潰れることをウイックによって支持して防止し、コンテナ内部の圧力上昇によるコンテナが過度に膨張して破裂すること及び鋭利な異物がコンテナに当接されることによってコンテナが破れる等の損傷を鎧体によって防止することができると共に、軽量な板状ヒートパイプを得ることができることが判明した。
【００１５】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の板状ヒートパイプの第１の態様は、密閉された空洞部を備える内層としての銅薄板材および外層としての金属板材の２重構造からなる受熱面および放熱面を備えたコンテナと、その内部に収納されるウイックおよび作動液としての水とを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプである。
【００１６】
この発明の板状ヒートパイプの第２の態様は、２枚の銅箔によって形成された密閉された空洞部を備える銅製コンテナと、前記銅製コンテナの外表面を覆う受熱面および放熱面を備えた金属板材からなる鎧体と、前記銅製コンテナ内に収容される作動液と、ウイックとを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプである。
この発明の板状ヒートパイプの第３の態様は、前記金属板材がアルミニウム板材からなっていることを特徴とする、板状ヒートパイプである。
【００１７】
この発明の板状ヒートパイプの第４の態様は、前記銅箔は、四周の周辺部および中央部からなり、貼り合わせた２枚の前記銅箔の周辺部は水密に接合され、前記中央部にはエンボス加工が施されている、板状ヒートパイプである。
【００１８】
この発明の板状ヒートパイプの第５の態様は、前記放熱面に放熱フィンが熱的に接続され、前記受熱面に過酷な気象条件下で使用される自動車用二次電池が熱的に接続される、板状ヒートパイプである。
【００１９】
この発明の板状ヒートパイプの第６の態様は、前記銅箔または銅薄板材の厚さが０．３mm以下である、板状ヒートパイプである。
【００２０】
この発明の板状ヒートパイプの第７の態様は、前記銅箔の厚さが０．０３から０．１mmの範囲内である、板状ヒートパイプである。
【００２１】
この発明の板状ヒートパイプの製造方法の第１の態様は、それぞれ凸形状に突出した中央部と平らな周辺部からなる２枚の銅製薄板材、所定高さのコルゲート状ウイック、および、前記銅製薄板材に対応した形状の中央部および平らな周辺部を有する２枚のアルミニウム板材を準備し、
前記２枚の銅製薄板材を、前記中央部が空洞部を形成するように周辺部を合わせてコンテナを形成し、その内部に前記ウイックを配置して、銅製薄板材の前記周辺部を接合し、
前記コンテナの外表面を覆うように、前記２枚のアルミニウム板材を配置し、前記アルミニウム板材の周辺部を機械的に接合し、
前記コンテナに脱ガス処理を施し、作動液の水を注入し、封止する板状ヒートパイプの製造方法である。
【００２２】
この発明の板状ヒートパイプの製造方法の第２の態様は、前記銅製薄板材の接合をシーム溶接によって行い、前記銅製薄板材および前記アルミニウム板材の間に熱伝導性に優れたグリスを配置する、板状ヒートパイプの製造方法である。  
【発明の効果】
【００２３】
この発明によると、作動液として水を用い、コンテナ材質として純銅を用い、その外表面に金属板材を使用するので、電気自動車に搭載された二次電池などの冷却に適した軽量、且つ、安価で、信頼性の高い板状ヒートパイプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明の板状ヒートパイプを図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の板状ヒートパイプの１つの態様は、２枚の銅箔によって形成された密閉された空洞部を備える銅製コンテナと、前記銅製コンテナの外表面を覆う受熱面および放熱面を備えた金属板材からなる鎧体と、前記銅製コンテナ内に収容される作動液と、ウイックとを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプである。
上述した金属板材がアルミニウム板材からなっていてもよい。
【００２５】
自動車に搭載されるヒートパイプは、灼熱・極寒の地で過酷な条件下において使用される場合においても、その機能を停止することは許されず、極めて高い信頼性が要求される。特に、二次電池等の冷却においては、その作動環境における温度条件は厳しく制限され、冷却の不具合が発生すると、被冷却部品である二次電池のセルを損傷してしまうという重大な問題を生じる。この発明のヒートパイプは、このような過酷な条件下においても高い信頼性を備えることが要求される。
【００２６】
図１は、この発明の板状ヒートパイプの１つの態様を示す概略図である。図１に示すように、コンテナは２枚の銅箔２−１、２−２によって形成された密閉された空洞部を備える銅製コンテナ２からなっており。銅製コンテナ２の外表面を受熱面および放熱面を備えた２枚の金属板材３−１、３−２からなる鎧体３が覆っている。銅製コンテナ２の内部には、ウイック４および図示しない作動液としての水が、脱ガス処理後に封入されている。２枚の銅箔２−１、２−２の四周を囲む周辺部２aは、シーム溶接によって水密に接合されている。鎧体３は、例えば、２枚のアルミニウム板材の一方の板材３−２（図では下方に位置する板材）を他方の板材３−１（図では上方に位置する板材）よりも大きく準備し、大きい方の板材の周辺部３−３で折り返して、上方に位置する板材の周辺部をコの字状に囲んで、挟み込んでカシメ等によって機械的に接合してもよい。
【００２７】
図２に２枚の銅箔および銅箔の上を覆う鎧体の周辺部の詳細を示す。図２（a）は、２枚の銅箔２−１、２−２によって形成されたコンテナの断面を示す図である。予め中央部が凸形状に突出した形状の２枚の銅箔をプレス加工によって調製し、図に示すように、それを合わせて中央部に空洞部が形成された状態で、周辺部２−３が例えばシーム溶接によって接合される。図２(b)は図２(a)に示す２枚の銅箔によって形成されたコンテナの外周面を鎧体で覆う場合の周辺部の処理方法を示している。
【００２８】
図２(b)に示すように、２枚の銅箔２−１、２−２によって形成されたコンテナの外周面を２枚の金属板材、例えば、アルミニウム板材３−１、３−２によって覆っている。２枚のアルミニウム板材は、銅箔の形状に対応して中央部が凸形状に突出している。周辺部においては、上述したように、上側のアルミニウム板材３−１の周辺部を、下側のアルミニウム板材３−２の周辺部の先端部３−３がコの字状に取り囲み、カシメ等の機械的手段によって接合されている。  
【００２９】
図３は、この発明の板状ヒートパイプの部分拡大図である。拡大図には、２枚の銅箔２−１、２−２によって形成されたコンテナの内部に配置されたウイック４の形状の一例が示されている。鎧体３−１、３−２が上述したように、コンテナの外表面の全体を覆い、周辺部において機械的に接合されている。
【００３０】
ウイックは、図３に示すように、コルゲート状のウイックからなっている。コルゲート状のウイックの上端部および下端部には、切り込み部が形成されている。ウイックの形状はこの形状に限定されることはない。即ち、ウイックは、２枚の銅箔によって形成されたコンテナ内の作動液の移動を容易にするために、毛管力を高める働きをする、銅箔と鋭角を形成する部分が存在する形状が好ましい。更に、コンテナ内の作動液の相変化に伴う圧力変化に対してコンテナの形状を維持できるような、所望の強さを備えていることが好ましい。ウイックは、コンテナの長軸方向および短軸方向の何れの方向に沿った移動ができることが好ましく。ウイックの形状の設定に当たっては、作動液の移動方向の自由を考慮する。図３に示す態様においては、上述した上端部および下端部に形成された切り込み部によって、作動液の移動の自由度が高まっている。
【００３１】
更に、この発明の板状ヒートパイプの他の１つの態様は、密閉された空洞部を備える内層としての銅薄板材および外層としての金属板材の２重構造からなる受熱面および放熱面を備えたコンテナと、その内部に収納されるウイックおよび作動液としての水とを備えたことを特徴とする板状ヒートパイプである。
【００３２】
この態様の板状ヒートパイプは、コンテナが銅製で、その外側をアルミニウムの板材で覆うのではなく、外側を覆うアルミニウムもコンテナの材料として使用する、所謂２層構造のヒートパイプである。例えば、銅およびアルミニウムのクラッドを用い、銅が内層に、アルミニウムが外層になるように、２枚のクラッド材を使用して、コンテナ部分を形成する中央部を凸形状に突出させ、平らな周辺部をあわせて、空洞部を形成し、周辺部を水密に接合する。クラッド材でなくても、別々に対応する形状の板材を準備し、銅が内層に、アルミニウムが外層になるように接着材等によって接合して使用してもよい。
【００３３】
コンテナを形成する２枚の銅箔は、予め全周囲をとりまく周辺部を除く部分が高原状に突き出すエンボス加工が施されていてもよい。その場合には、ウイックは網状のウイックを使用してもよい。
コンテナを形成する銅箔は、例えば、シーム溶接等による接合が容易である。銅箔の厚さは０．３mm以下、好ましくは、０．０３〜０．１mmの範囲内が好ましい。鎧体とコンテナとの間の熱の移動がスムーズにおこなわれる様に、両者の間に熱伝導性に優れたシリコングリス等の熱伝導を促進する材料を配置してもよい。
【００３４】
この発明の板状ヒートパイプは次のステップによって製造することができる。即ち、それぞれ凸形状に突出した中央部と平らな周辺部からなる２枚の銅製薄板材、所定高さのコルゲート状ウイック、および、前記銅製薄板材に対応した形状の中央部および平らな周辺部を有する２枚のアルミニウム板材を準備し、
前記２枚の銅製薄板材を、前記中央部が空洞部を形成するように周辺部を合わせてコンテナを形成し、その内部に前記ウイックを配置して、銅製薄板材の前記周辺部を接合し、
前記コンテナの外表面を覆うように、前記２枚のアルミニウム板材を配置し、前記アルミニウム板材の周辺部を機械的に接合し、
前記コンテナに脱ガス処理を施し、作動液の水を注入し、封止して、板状ヒートパイプを製造する。銅製薄板材の接合をシーム溶接によって行い、銅製薄板材およびアルミニウム板材の間に熱伝導性に優れたグリスを配置してもよい。  
この発明の板状ヒートパイプを、実施例によって更に詳細に説明する。
【実施例】
【００３５】
図１に示すこの発明の板状ヒートパイプを作製した。なお、図１は、板状ヒートパイプの内部構造を明らかにするために、一部を劈開した状態を示している。
中央部および周辺部を備えた２枚の純銅製の厚さ０．０３mmの薄板によって、縦８０ｍｍ×横４００ｍｍ×高さ３ｍｍのコンテナを作製した。周辺部の幅は３ｍｍであった。次いで、厚さ約０．３ｍｍの純銅の薄板をプレス加工してウイックを作製した。更に、銅箔のコンテナの形状に対応する鎧体を、厚さ約１ｍｍの２枚のアルミニウム板材によって作製した。このように作製した銅箔、ウイック、鎧体を使用して、図１に示すような板状ヒートパイプを作製した。即ち、板状ヒートパイプは、純銅の薄板をプレス加工して製作したウイックを内部に封入するように、２枚の銅箔の周囲をとりまく周辺部（縁部）で水密に接合されてコンテナを作成し、次いで、周囲をとりまく縁部でカシメ接合された２枚のアルミニウム板材によって形成される鎧体で全体が覆われて作製されている。なお、コンテナの内部には、真空引き等の脱ガス処理の後、作動液である水が封入される。
【００３６】
鎧体の表面の一部に放熱フィン５を配置して、放熱部を形成し、それ以外の鎧体の表面は吸熱部として利用した。
なお、鎧体とコンテナとの間の熱の移動がスムーズにおこなわれる様に、両者の間に熱伝導性に優れたシリコングリスを配置した。
このように作製した板状ヒートパイプを使用して二次電池を冷却したところ、従来のアルミニウム製のコンテナを使用したヒートパイプでは、３〜４℃であったのに対して、この発明の銅箔のコンテナを使用したヒートパイプでは、約１℃の温度まで冷却することができた。
【００３７】
上述したように、作動液として水を用い、コンテナの材質として、純銅を用いる板状ヒートパイプは、薄い銅でコンテナを形成し、コンテナ内部にウイックを配置し、コンテナ外部をアルミニウム板材よりなる鎧体により覆うので、コンテナ内部の作動液を蒸発、凝縮及び凍結による圧力変化に耐えることができると共に、厚い銅板でコンテナを形成する場合に較べて、コンテナを形成するための水密な接合が容易であるので、安価に且つ軽量な板状ヒートパイプを形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明によると、作動液として水を用い、コンテナ材質として純銅を用い、その外表面に金属板材を使用するので、電気自動車に搭載された二次電池などの冷却に適した軽量、且つ、安価で、信頼性の高い板状ヒートパイプを提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、この発明の板状ヒートパイプの１つの態様を示す概略図である。
【図２】図２（a）は、２枚の銅箔２−１、２−２によって形成されたコンテナの断面を示す図である。図２(b)は図２(a)に示す２枚の銅箔によって形成されたコンテナの外周面を鎧体で覆う場合の周辺部の処理方法を示す図である。
【図３】図３は、この発明の板状ヒートパイプの部分拡大図である。
【図４】図４は、従来の板状ヒートパイプの概念図（斜視図）である。
【符号の説明】
【００４０】
・  板状ヒートパイプ
２−１、２−２．銅箔
２−３．周辺部
３−１、３−２．アルミニウム板材
３−３．周辺部
４．ウイック
５．放熱フィン
【図１】
2005249226.tif 000003
【図２】
2005249226.tif 000004
【図３】
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【図４】
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