(57)【要約】【課題】約0.1〜1mmの溝、約50〜100μmの金属メッシュあるいは約25〜250μmの焼結金属により構成されている従来のヒートパイプ用ウィック構造では、最近求められているヒートパイプの小型化、高性能化に対応できなくなった。【解決手段】下側コンテナ２の内壁には、間隔Wが10μm以下の凹凸構造を形成したグラファイト基板４をウィック構造として設けてある。蒸発部５側の凹凸構造は凝縮部６側の凹凸構造より密となっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィック構造を具備するヒートパイプにおいて、
前記ウィック構造は表面に間隔が10μm以下の凹凸構造を形成した炭素系基板を具備するヒートパイプ。
【請求項２】
前記凹凸構造の間隔はナノメートルのオーダである請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記ウィック構造の両端部を蒸発部及び凝縮部と規定した場合に、
前記蒸発部側の凹凸構造は前記凝縮部側の凹凸構造より密とした請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記炭素系基板はグラファイト基板を具備する請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
炭素系基板の表面を間隔が10μm以下の凹凸構造に加工してヒートパイプのウィック構造を形成する凹凸構造加工工程を具備するヒートパイプの製造方法。
【請求項６】
前記凹凸構造加工工程がプラズマエッチング工程である請求項５に記載のヒートパイプの製造方法。
【請求項７】
前記ウィック構造の両端部を蒸発部及び凝縮部と規定した場合に、    
前記プラズマエッチング工程のプラズマエッチング条件を制御して前記蒸発部側の凹凸構造は前記凝縮部側の凹凸構造より密とした請求項６に記載のヒートパイプの製造方法。
【請求項８】
前記炭素系基板はグラファイト基板を具備する請求項５に記載のヒートパイプの製造方法。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発熱電子機器の熱輸送部材として作用するヒートパイプ、ベーパーチャンバ等、特に、その毛細管構造（以下、ウィック構造という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器たとえば発光ダイオード（LED）、半導体素子、太陽電池等の高性能化に伴いその発熱量が増加している。他方、電子機器の小型化、薄型化の要求が高まっている。この結果、電子機器の発熱密度が非常に高くなり、電子機器は熱的に厳しい状況を強いられている。このような電子機器を冷却するために、熱輸送部材としてのヒートパイプが注目されている。
【０００３】
ヒートパイプは銅などの中空密閉容器（以下、コンテナという）内に空気等の非凝縮性ガスを脱気した状態で水等の凝縮性の作動流体を封入して真空密封し、コンテナの内壁にウィック構造を設け、作動流体の相変態及び移動によって熱の移動が行われる。具体的には、ヒートパイプの蒸発部（吸熱部ともいう）側では、加熱により液相状態の作動流体が蒸発して気相状態となってヒートパイプの凝縮部（放熱部ともいう）へ移動する。他方、ヒートパイプの凝縮部側では、蒸気となった作動流体が冷却されて凝縮して再び液相状態の作動流体に変化し、ウィック構造による毛細管圧力によって蒸発部へ還流する。
【０００４】
ウィック構造は毛細管圧力つまり液相作動流体に対するポンプ力を生じさせるためのものであるので、作動流体とのいわゆる濡れ性が良好であること、かつ液相作動流体の液面に形成されるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小さいことが好ましい。従って、従来のヒートパイプ用ウィック構造は、約0.1〜1mmの溝（参照：特許文献１、２）、約50〜100μmの金属メッシュ（参照：特許文献２）あるいは約25〜250μmの焼結金属（参照：特許文献２）により構成されている。
【０００５】
尚、蒸発部側と凝縮部側とでウィック構造を異ならせることにより液相作動流体を還流させるポンプ力を高くすることが知られている（参照：特許文献２）。つまり、蒸発部側では、比較的小さな毛細管構造を有してメニスカスでの実効毛細管半径を比較的小さくし、他方、凝縮部側では、比較的大きな毛細管構造を有してメニスカスでの実効毛細管半径を比較的大きくし、これらを連結させることにより、蒸発部側では、積極的に毛細管圧力を生じさせ、他方、凝縮部側では、液相作動流体の流動化を円滑にする。たとえば、約25〜250μmの焼結金属を用いた場合には、前処理としてサイズの異なる金属焼結体を用意してコンテナの内壁に定着させることによって達成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１９３３８５号公報
【特許文献２】特開２００５−１８０８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、20μm以上の微細構造である上述の従来のヒートパイプ用ウィック構造では、そのウィック構造によって生じるメニスカスでの実効毛細管半径の小径化に限界があるため、最近求められているヒートパイプの小型化、高性能化に対応できないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る放熱材料ヒートパイプ用ウィック構造は、表面に間隔が10μm以下たとえばナノメートルオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を具備する。これにより、液相作動流体の液面に形成されるメニスカスでの実効毛細管半径が小さくなる。
【０００９】
また、本発明に係るヒートパイプ用ウィック構造の製造方法は、炭素系基板の表面に間隔が10μm以下たとえばナノメートルのオーダの凹凸構造を加工する工程を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ナノメートルのオーダの凹凸構造を有する炭素系基板を用いてウィックを形成しているので、実効毛細管半径が小さくなるため、毛細管圧力が大きくなり、ヒートパイプを高性能化できる。また、高性能化つまり、熱輸送能力を高めることができる分、ヒートパイプを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るヒートパイプの実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】図１のグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。
【図３】図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図４】本発明の効果を説明するための表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明に係るヒートパイプの実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１３】
図１を参照すると、ヒートパイプのコンテナ１は、銅等の熱伝導性の良い金属よりなる下側コンテナ２及び下側コンテナ２の封止部材としての上側コンテナ３によって構成される。尚、コンテナ１は直方体をなしているが、円筒形でもよい。
【００１４】
下側コンテナ２及び上側コンテナ３の内壁には間隔Wが10μm以下の凹凸構造を形成したグラファイト基板４、４’が設けられており、ウィック構造として作用する。たとえば、このグラファイト基板４、４’の凹凸構造はたとえばナノメートル（nm）のオーダである。尚、ナノメートルのオーダとは、約1nm〜100nmの範囲を意味する。
【００１５】
下側コンテナ２の開口端部と上側コンテナ３の開口端部とを接合することにより封止する際には、空気等の非凝縮性ガスを脱気した状態で水、代替フロン等の凝縮性の作動流体を封入して真空密封する。点線５で示す領域は蒸発部を示し、発熱電子部品たとえばLED（図示せず）の下部に配設される。他方、点線６で示す領域は凝縮部を示し、放熱部材（図示せず）に配設される。蒸発部５と凝縮部６との間は断熱部材（図示せず）によって覆われていてもよい。
【００１６】
図１において、蒸発部５側の凹凸構造を凝縮部６側の凹凸構造より密にして蒸発部５側と凝縮部６側とでウィック構造を異ならせる。これにより、蒸発部５側では積極的に毛細管圧力を生じさせ、他方、凝縮部６側では、液相作動流体の流体化を円滑にする。つまり、作動流体の内部抵抗が低減し、熱輸送性能が向上する。尚、複数の発熱源が存在する場合には、複数の蒸発部を設け、これら蒸発部側の凹凸構造を選択的に密にすることもできる。
【００１７】
図２は図１のグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。
【００１８】
図２のステップ２０１において、図３の（Ａ）に示す鏡面状表面を有するグラファイト基板をH2ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングして図３の（Ｂ）に示す間隔がナノメートルのオーダの凹凸構造のグラファイト基板を得る。このプラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：100-1000W
反応室内圧力：133-13300Pa (1-100Torr)
水素流量：5-500sccm
エッチング時間：1-100分
【００１９】
尚、図２のステップ２０１でのプラズマエッチング法は、反応性イオンエッチング（RIE）法、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、マイクロ波プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、H2ガス以外のArガス、O2ガス、CF4ガス等のいずれでもよい。
【００２０】
たとえば、RIE法はドライエッチングに分類される微細加工方法の１つであり、反応室内において処理ガスに電磁波等を与えることによりプラズマ化し、グラファイト基板設置電極に高周波電圧を印加する。この結果、グラファイト基板とプラズマとの間にバイアス電圧が発生し、プラズマ中のイオン、ラジカルがグラファイト基板に衝突する。このとき、イオンによるスパッタリングと処理ガスの化学反応とが同時に起こり、高精度の凹凸微細加工をすることができる。従って、RFパワー、反応室内圧力、ガス流量、エッチング時間を上述の範囲内で制御でき、また、RIE法は異方性エッチングが可能なので、ヒートパイプ用ウィック構造を制御できる。この結果、グラファイト基板４に対して上述のRIE条件を制御して蒸発部５側の凹凸構造を凝縮部６側の凹凸構造より密にして蒸発部５側と凝縮部６側とでウィック構造を異ならせる。これにより、上述のごとく、蒸発部５側では積極的に毛細管圧力を生じさせ、他方、凝縮部６側では、液相作動流体の流体化を円滑にする。この結果、熱輸送性能が向上する。尚、複数の発熱源が存在する場合には、複数の蒸発部側の凹凸構造を選択的に制御する。
【００２１】
次に、従来の25μmの銅焼結金属よりなるウィック構造と本発明に係る間隔10μmの凹凸構造を形成したグラファイト基板よりなるウィック構造とを比較する。ここでは、ウィック構造は共に2.5cm角で厚さ0.6mmの平板とすることにより同一体積（=0.375cm3）とし、また、便宜上、蒸発部側、凝縮部側におけるウィック構造は同一とする。
【００２２】
図４の（Ａ）に示すように、比重は、銅焼結金属の場合、8.92であり、他方、凹凸構造グラファイト基板の場合、1.5である。従って、同一体積（=0.375cm3）では、重量は、銅焼結金属の場合、3.345gであり、他方、凹凸構造グラファイト基板の場合、0.5625gであり、銅焼結金属の場合の17％に過ぎない。このように、電子機器の小型化、薄型化の要求が高まっている一方、放熱部材の重量割合が比較的大きいので、熱輸送部材としてのウィック構造つまりヒートパイプの軽量化は電子機器に対して非常に効果がある。
【００２３】
また、図４の（Ｂ）に示すように、銅焼結金属の微小構造サイズを25μmとすると、表面積は1,000,000μm2程度であり、他方、凹凸構造グラファイト基板の微小構造サイズを10μmとすると、表面積は6,250,000μm2程度であり、銅焼結金属の場合の6倍以上となる。このように、表面積が大きくなると、メニスカスでの実効毛細管半径が小さくなり、強い毛細管圧力を示し、高い熱輸送能力を発揮できる。また、高い熱輸送性能分だけ、凹凸構造グラファイト基板を小型化できる。
【００２４】
尚、上述のグラファイト基板は金属を含浸させた金属含浸の稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性は大きいので、加工性、コンテナとの密着性が向上し、コンテナとの間の空隙がなくなる。
【００２５】
また、上述の実施の形態では、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板たとえばダイヤモンド基板表面をプラズマエッチングして凹凸構造を形成した基板を用いてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１：コンテナ 
２：下側コンテナ 
３：上側コンテナ 
４、４’：グラファイト基板 
５：蒸発部 
６：凝縮部 
２０１：ナノ凹凸構造加工ステップ
【図１】
2012057841.tif 000003
【図２】
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【図４】
2012057841.tif 000005
【図３】
2012057841.tif 000006