(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の金属板が積層接合され、隣り合う金属板の対向面に所定のパターンで圧着抑止部が形成されたプレート積層体において、該金属板の積層接合が、真空槽内で該金属板の接合面が予め活性化処理された後、該金属板の活性化処理面同士が対向するように当接して重ね合わせ、前記圧着抑止部は、圧接装置の圧接面に前記所定のパターンに対応するように圧延ロールの表面に窪みの深さが０．１〜１ｍｍの非加圧部を設けて冷間圧接されることを特徴とするプレート積層体。
【請求項２】
前記活性化処理が１０〜１×１０−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、金属板をアース接地した一方の電極Ａとし、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａの面積が、電極Ｂの面積の１／３以下でスパッタエッチング処理されることを特徴とする請求項１に記載のプレート積層体。
【請求項３】
前記圧着抑止部の表面粗度Ｒａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）が１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のプレート積層体。
【請求項４】
前記金属板が銅板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレート積層体。
【請求項５】
前記金属板の少なくとも一方が２層の積層金属板からなり、圧着抑止部側の金属板が銅板であり、圧着抑止部とは隔離された側の金属板がアルミニウム板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート積層体。
【請求項６】
前記銅板の厚さが０．０１〜０．６ｍｍで、前記アルミニウム板の厚さが０．０５〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載のプレート積層体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のプレート積層体の前記圧着抑止部を膨らませることによって、前記隣り合う金属板の対向面に所定形状の中空部が形成されることを特徴とする中空積層体。
【請求項８】
前記中空部がトンネル状部を有することを特徴とする請求項７に記載の中空積層体。
【請求項９】
請求項７または８に記載の中空積層体の前記中空部内にヒートパイプ作動体が封入されることを特徴とするプレート型ヒートパイプ。
【請求項１０】
前記ヒートパイプ作動体が水であることを特徴とする請求項９に記載のプレート型ヒートパイプ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、パーソナルコンピュータのＭＰＵ等の放熱等に用いられるプレート型ヒートパイプおよびそのプレート型ヒートパイプ等に用いられる中空積層体およびその中空積層体に用いられるプレート積層体に関する。
背景技術
パーソナルコンピュータのＭＰＵ等のコンピュータ機器においては、その高性能化が急速に進められているが、この高性能化を実現していくためには、ＭＰＵ等から発生する熱を効率よく放熱させることができる放熱器が必要とされていた。
このような放熱器として、近年、アルミニウム合金材を複数枚積層圧着し、積層境界面に蛇行した細径のトンネルをロールボンド法により形成し、そのトンネル内にヒートパイプ作動液としてフロン１３４ａ等を封入した熱拡散板に用いられるプレート型ヒートパイプが提案されている（特開平１０−１８５４６５）。図１の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、このプレート型ヒートパイプ１は２枚の金属薄板３、４を積層し熱間圧延にて接合して、予め圧着防止剤を所定のパターンで塗布し未圧着となった境界面のパターン部を膨管して前記蛇行した細径のトンネル２を形成しており、単位幅あたりの蛇行ターン数を格段に増加させることにより放熱性能を向上させるものである。
しかしながら、上記のような従来のプレート型ヒートパイプを用いた放熱器では、近年の環境問題からフロン系冷媒の使用が規制される状況には対応できず、さらに一層のＭＰＵの高性能化に対しては放熱効率が追いつかない等の問題点が生じている。また熱間圧延により金属薄板を接合するため、母材の変形が大きく、トンネルの形状を精度良く形成できないばかりでなく、接合面における異種金属間の合金化等により接合強度が低下する等の問題点も生じている。さらに圧着防止剤の塗布むらが発生して圧着部と圧着防止部との境界が精度良く形成できないばかりでなく、圧着防止剤の印刷や洗浄等に余分な工程を必要とし、洗浄しても圧着防止剤を完全には除去できない等の問題点も生じている。
本発明は、上記のような技術的背景に鑑み、環境上の制約を受けることなく軽量でしかも放熱効率のより一層の向上を図ることができる放熱器等に用いられるプレート型ヒートパイプ、そのプレート型ヒートパイプ等に用いられる中空積層体およびその中空積層体に用いられるプレート積層体を提供することを課題とする。
発明の開示
請求項１記載のプレート積層体は、複数枚の金属板が積層接合され、隣り合う金属板の対向面に所定のパターンで圧着抑止部が形成されたプレート積層体において、該金属板の積層接合が、真空槽内で該金属板の接合面が予め活性化処理された後、該金属板の活性化処理面同士が対向するように当接して重ね合わせて冷間圧接される積層体である。
この場合、活性化処理が１０〜１×１０−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、金属板をアース接地した一方の電極Ａとし、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａの面積が、電極Ｂの面積の１／３以下でスパッタエッチング処理されることが好ましい。前記圧着抑止部は、圧接装置の圧接面に前記所定のパターンに対応するように非加圧部を設けて、前記複数枚の金属板を冷間圧接して形成されることが好ましい。
前記圧着抑止部の表面粗度Ｒａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６１０）が１〜１０μｍであることが好ましい。前記金属板が銅板であることが好ましい。前記金属板の少なくとも一方が２層の積層金属板からなり、圧着抑止部側の金属板が銅板であり、圧着抑止部とは隔離された側の金属板がアルミニウム板であることが好ましい。前記銅板の厚さが０．０１〜０．６ｍｍで、前記アルミニウム板の厚さが０．０５〜０．５ｍｍである構成とした。プレート積層体の前記圧着抑止部を膨らませることによって、前記隣り合う金属板の対向面に所定形状の中空部が形成されることが好ましい。中空積層体は、前記中空部がトンネル状部を有することが好ましい。プレート型ヒートパイプは、中空積層体の前記中空部内にヒートパイプ作動体が封入される構成とした。本発明のプレート型ヒートパイプは、前記ヒートパイプ作動体が水である構成とした。
発明を実施するための最良の形態
図２は、本発明の中空積層体の一実施形態を示すもので、（Ｃ）は概略平面図、（Ｄ）は金属板２枚で中空部を形成した例を示す。図３は、本発明の中空積層体の他の実施形態を示すもので、（Ｅ）は金属板２枚で形成された中空部の一方の側にさらに別の金属板を積層接合した例を示し、（Ｆ）は金属板２枚で形成された中空部の両側にさらに別の金属板を積層接合した例を示す。
図２の（Ｃ）に示される中空積層体１０において、１１は中空部である。この中空部１１は（Ｄ）に示すように、２枚の金属板を、その対向面に活性化処理を行った後、形成される中空部のパターンに対応する非加圧部を圧接面に設けた圧接装置を用いて冷間圧接して圧着抑止部を形成するように積層接合し、この圧着抑止部を膨らませて形成したものである。
具体的には、２枚の金属板として、それぞれ銅板１２、１３を用いる。銅板材料としては、銅または銅合金が利用できる。銅合金としては、ＪＩＳ  Ｈ  ３１００に示す合金番号として、Ｃ１０００番台やＣ２０００番台の銅合金、および黄銅、快削黄銅、すず入り黄銅、アドミラルティ黄銅、ネーバル黄銅、アルミニウム青銅、白銅等が利用できる。熱伝導の観点からは、純銅であることが望ましい。また銅板の厚さは、０．０１〜０．６ｍｍとすることが好ましい。０．０１ｍｍ未満では充分な強度や耐食性が得られず、０．６ｍｍを超えて厚くなれば重くなりすぎる。
さらに中空部１１の内部にヒートパイプ作動体を封入した場合に毛細管効果領域を拡大させるために、２枚の金属板間に形成される圧着抑止部に微少な凹凸を設けてもよい。この凹凸は、電解処理やエッチング処理等の粗化処理やエンボスロールによる表面仕上げ等により形成可能である。この凹凸の表面粗度Ｒａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）は、１〜１０μｍとすることが好ましい。１μｍ未満では充分な毛細管効果が得にくく、１０μｍを超えると生産性が落ちたり毛細管効果が飽和してくる。ついでこれら２枚の金属板の対向面に、下記に示す活性化処理を行う。
活性化処理は、以下のようにして実施する。すなわち銅板１２、１３を真空槽内に装填し、銅板１２、１３をそれぞれアース接地した一方の電極Ａとし、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に１０〜１×１０−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気好ましくはアルゴンガス中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、かつ、グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａの面積が、電極Ｂの面積の１／３以下で、スパッタエッチング処理する。なお不活性ガス圧力が１×１０−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。また、効率よくエッチングするためには電極Ａの面積を電極Ｂの面積より小さくする必要があり、１／３以下とすることにより充分な効率でエッチング可能となる。
その後、両金属板を下記に示すように積層接合する。すなわち、銅板１２、１３の活性化処理された面が対向するようにして両者を当接して重ね合わせて冷間圧接して積層接合する。この際に冷間圧接に使用する圧接装置の圧接面に、形成される中空部のパターンに対応した窪み部等の非加圧部を設けることにより、中空部を形成させる部分の圧着が抑制された状態で積層接合することができる。なおこの際の積層接合は、低温度・低圧延率下で可能であり、熱間圧接や高圧延率の圧接におけるような金属板ならびに積層接合に組織変化や合金化、破断等といった悪影響を軽減または排除することが可能である。また中空積層体の変形や延びを低く押さえることが可能であり、中空部形状を精度良く加工できる。この積層接合時の金属板の温度Ｔ（℃）は、３００℃以下が好ましい。より好ましくは０℃を超えて３００℃以下の範囲であることが好ましい。０℃以下では大掛かりな冷却装置が必要となり、３００℃を超えると接合部が合金化し接合強度が低下するため好ましくない。圧延率Ｒ（％）は、３０％以下が好ましい。より好ましくは、０．１％〜３０％の範囲がよい。０．１％未満では充分な接合強度が得られず、３０％を超えると変形が大きくなり加工精度上好ましくない。
上記のように積層接合することにより、形成される中空部のパターン部分の圧着が抑制された状態で圧接され、圧着抑止部が形成される。その後、必要により所定の大きさに切り出して本発明の圧着抑止部を有するプレート積層体が製造される。
本発明の中空積層体は、上記のようにプレート積層体を作成した後、必要により切り出して、プレート積層体の圧着抑止部に封入口１１ａから圧縮空気を送り込んで金型により金属板の一方の片面のみを膨らませる。このようにして中空部１１が形成される。以上のようにして本発明の中空部１１を有する中空積層体１０が製造される。
さらに本発明のプレート型ヒートパイプは、上記のようにして中空積層体を作成した後、中空積層体の封入口１１ａを通じてヒートパイプ作動体を所定量封入し、内部を真空状態または減圧状態にして封入口を溶接等の方法を用いて密封する。ヒートパイプ作動体としては取り扱いの容易な液体、特に脱フロン化の観点等から、水、純水または超純水を用いる。このようにして本発明のプレート型ヒートパイプが製造される。
また、図３の（Ｅ）に示すように、中空部の一方の側に用いる金属板として銅板１２にアルミニウム板１４を積層接合した２層の積層金属板を用いても良い。この場合、予め銅板１２とアルミニウム板１４とを積層接合して積層金属板を製造しておき、その後、銅板１３と前記積層金属板の銅板１２側を対向させた状態で上記の如くに製造する。
図３の（Ｆ）に示すように、中空部の両側に用いる金属板として銅板１２、１３にそれぞれアルミニウム板１４、１５を積層接合した２層の積層金属板を用いても良い。この場合も、予め銅板１２、１３とアルミニウム板１４、１５とをそれぞれ積層接合して積層金属板を製造しておき、その後２枚の２層の積層金属板の銅板面同士を対向させた状態で上記の如くに製造する。
なお銅板を用いるのは、水に対する耐食性が高いためであり、銅−アルミニウムの積層金属板を用いるのは、銅板のみの場合よりも軽量化が図れ比強度を高くできるからである。アルミニウム板材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が利用できる。アルミニウム合金としては、ＪＩＳ  Ｈ  ４０００あるいは４１６０に記載の２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系等が利用できる。さらにこの積層金属板においては、銅板の厚さを０．０１〜０．６ｍｍとすることが好ましい。０．０１ｍｍ未満では充分な耐食性が得られず、０．６ｍｍを超えて厚くなれば重くなりすぎるとともに強度面から積層接合して補強する必要もなくなる。またアルミニウム板の厚さは０．０５〜０．５ｍｍとすることが好ましい。０．０５ｍｍ未満では充分な強度を得られず、０．５ｍｍを超えて厚くなれば重くなりすぎ、また単位幅あたりの中空部の個数が減少するため好ましくない。
このようにして製造されたプレート型ヒートパイプにおいては、中空部１１内の幅方向両側部に毛細管力によるヒートパイプ作動体の引き込み部１７が形成され、保持姿勢に影響されることなく放熱性能を発揮することが可能となる。
次に、本発明に用いる２層の積層金属板の製造方法を、図３の（Ｅ）または（Ｆ）の銅−アルミニウム接合を例にとり説明する。図４の積層金属板製造装置において、巻き戻しリール２０、２１からそれぞれ巻き戻された銅板材２２とアルミニウム板材２３は、その一部がエッチングチャンバ２４内において、前記した条件でスパッタエッチング処理され活性化する。その後、真空槽２７内に設けた圧延ユニット２８によって前記した条件で冷間圧延され、一体化した積層金属板２９は巻き取りリール３０に巻き取られる。
なお銅−銅接合の場合は、前記説明のアルミニウム板材２３を銅板材と置き換えることによって達成される。この接合法ではこの他、アルミニウム−アルミニウム接合や金属板と積層金属板の接合、積層金属板同士の接合、その他の金属板間の組み合わせにおける接合も可能である。
図４に示した装置の冷間圧延装置の圧延ユニットロールの少なくとも一方に、形成される中空部のパターンに対応した窪み部等の非加圧部を設けて圧着を抑制することにより、図４に示した装置を用いて上記の如く金属板を積層接合して所定パターンの圧着抑止部を有する積層金属板のプレート積層体が得られ、この圧着抑止部を膨らませることにより所要の中空部形状を有する中空積層体を得ることができる。圧延ユニットロールの表面に作る窪みの深さは０．１ｍｍ以上が好ましい。より好ましくは、０．２〜１ｍｍの範囲が良い。０．１ｍｍ未満では、積層接合時、窪み部分のロールに接した金属板はもう一方の金属板に接合し、膨管の形状が一定とならない。窪みの深さは１．０ｍｍを超えても使用上問題ないが、窪みを作るためのの加工費が高くなる。より好ましくは１．０ｍｍ以下が良い。窪みの断面形状は長方形、台形、半円あるいは楕円状等が可能であり、特に限定するものではない。なお巻き取りロール部の代わりに所定の大きさに切り出す切り出し工程を設けても良い。
また前記の真空槽内の冷間圧延装置を、プレス加工装置と置き換えることによっても積層接合が達成される。この場合、プレス金型の少なくとも一方にロールに設けたような所定パターンの圧着抑止部に対応した窪み部等の非加圧部を設けることにより、所定パターンの圧着抑止部を有する積層金属板のプレート積層体が得られる。この場合、窪みの深さは０．１ｍｍ以上が好ましい。より好ましくは、０．２〜１ｍｍの範囲が良い。０．１ｍｍ未満では、積層接合時、窪み部分のロールに接した金属板はもう一方の金属板に接合し、膨管の形状が一定とならない。窪みの深さは１．０ｍｍを超えても使用上問題ないが、窪みを作るためのの加工費が高くなる。より好ましくは１．０ｍｍ以下が良い。窪みの断面形状は長方形、台形、半円あるいは楕円状等が可能であり、特に限定するものではない。さらにスパッタエッチング処理後に、銅板材等を所定の大きさに切り出した後積層し、プレス加工を行うことも可能である。また先に銅板材等を所定の大きさに切り出した後に、スパッタエッチング処理を行って、積層しプレス加工を行うことも可能である。なおこの場合は安全面等から、金属板を絶縁支持された一方の電極Ａとし、アース接地した他の電極Ｂとの間で活性化処理を行ってもよい。
なお、中空部として外周側と内周側にそれぞれ角形のループ状トンネルを設けて、その間を放射状に延びる複数のトンネルによって接続した形態をとっており、発熱源は内周トンネルの膨管部間の平坦部または裏面平坦部に取り付けられ、コンピュータのＭＰＵに適用した場合優れた冷却効果が得られるが、中空部の形態はこれに限定されることはなく、自由度の高い形状設計が可能である。また金型により片面のみならず、両面を膨らませることも可能である。
実施例
以下実施例について説明する。
（実施例１）
金属板として厚み２００μｍの銅板と厚み１００μｍの銅板を用意した。
▲１▼活性化処理
銅板２２および、金属板巻き戻しリール２１から巻き戻された厚み１００μｍの銅板はエッチングチャンバ２４内の電極ロール２５、２６においてそれぞれ巻き付け、スパッタエッチング法により、銅板２２及び銅板のそれぞれの片面を活性化した。
▲２▼圧接
表面を活性化処理した銅板２２および銅板は、次の圧延ユニット２８で活性化処理した面同士を、１％の低圧下率で圧接し、銅板（厚み２００μｍ）／銅板（厚み１００μｍ）の積層板を得た。この場合、銅板２２（厚み２００μｍ）は、表面にパターン化した窪み（窪みの深さ：０．２５ｍｍ、断面形状：楕円形）を持った圧延ロールに接し、一方の銅板（厚み１００μｍ）は、窪みのないロールに接し、２枚の銅板を圧延した。圧着抑止部となる窪み部分の圧延ロールに接した銅板は、積層接合しなかった。この積層板を板状に裁断し、圧縮空気をこの窪み部に通し、膨管した。更に真空雰囲気で冷却水として純水を膨管の中に注入し、封止してヒートパイプを作製した。封止は開口部をつぶし、更に半田付けにより行った。
（実施例２）
金属板としてＡｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）、Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）、銅板（厚み１００μｍ）と銅板（厚み１００μｍ）を用意した。
▲１▼活性化処理
銅板および、金属板巻き戻しリール２１から巻き戻された厚み４００μｍのＡｌ板２３（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０）はエッチングチャンバ２４内の電極ロール２５、２６においてそれぞれ巻き付け、スパッタエッチング法により、銅板及びＡｌ板のそれぞれの片面を活性化した。
▲２▼圧接
表面を活性化処理した銅板およびＡｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０）は、次の圧延ユニット２８で活性化処理した面同士を、１％の低圧下率で圧接し、銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）の積層板を得た。
▲３▼活性化処理
銅板および、金属板巻き戻しリール２１から巻き戻されたＡｌ板２３（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）はエッチングチャンバ２４内の電極ロール２５、２６においてそれぞれ巻き付け、スパッタエッチング法により、銅板及びＡｌ板のそれぞれの片面を活性化した。
▲４▼圧接
表面を活性化処理した銅板およびＡｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３）は、次の圧延ユニット２８で活性化処理した面同士を、５％の低圧下率で圧接し、銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）の積層板を得た。
▲５▼活性化処理
銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）の積層板と、金属板巻き戻しリール２１から巻き戻された銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）の積層板はエッチングチャンバ２４内の電極ロール２５、２６においてそれぞれ巻き付け、スパッタエッチング法により、積層板の銅板の表面を活性化した。
▲６▼圧接
表面を活性化処理した銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）の積層板および、銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）の積層板は、次の圧延ユニット２８で活性化処理した面同士を、５％の低圧下率で圧接し、Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）／銅板（厚み１００μｍ）／銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）の積層板を得た。
この場合、銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）の積層板は、表面にパターン化した窪み（窪みの深さ０．２５ｍｍ、断面形状：楕円形）を持った圧延ロールに接し、一方の銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  ６００３、厚み４００μｍ）の積層板は、窪みのないロールに接し、２枚の銅板を圧延した。圧着抑止部となる窪み部分の圧延ロールに接した銅板（厚み１００μｍ）／Ａｌ板（ＪＩＳ  Ｈ  １０５０、厚み４００μｍ）の積層板の銅板は、もう一方の積層板の銅板には、積層接合しなかった。この積層板を板状に裁断し、銅板（厚み１００μｍ）／銅板（厚み１００μｍ）の接合してない部分に圧縮空気で膨管した。更に真空雰囲気で冷却水として純水を膨管の中に注入し、封止してヒートパイプを作製した。封止は開口部をつぶし、更に溶接により行った。
産業上の利用可能性
以上説明したように本発明のプレート積層体は、複数枚の金属板に表面を活性化処理した後、活性化処理面同士を対向するように当接し重ね合わせて、所定のパターンの非加圧部を設けた圧接装置を用いて低圧延率で冷間圧接して圧着抑止部を形成したものである。また本発明の中空積層体は、形成された圧着抑止部を膨らませて中空部を形成したものである。さらに本発明のプレート型ヒートパイプは、この中空部内にヒートパイプ作動体を封入したものであり、フロン系冷媒の代わりに水をヒートパイプ作動体として封入可能であるため、環境に優しく放熱効率の向上を図ることが可能で、また薄い金属板を低圧延率で接合が可能であるので形状の高精度化および軽量薄形化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来のプレート型ヒートパイプを示すもので、（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は概略断面図である。図２は、本発明の中空積層体の一実施形態を示すもので、（Ｃ）は概略平面図、（Ｄ）は概略断面図である。図３は、本発明の中空積層体の他の実施形態を示すもので、（Ｅ）は他の実施例の概略断面図、（Ｆ）はさらに他の実施例の概略断面図である。図４は、本発明に用いる金属板を積層接合する製造装置の概略断面正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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