(57)【要約】【課題】本発明は、相手材との接触熱抵抗が小さいヒートパイプを低コストで提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るヒートパイプは、ヒートパイプの外周面の少なくとも一部に炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相を有し、該炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相上に、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを有することを特徴とする。また、前記炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りに、アルミニウム相を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートパイプの外周面の少なくとも一部に炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相を有し、該炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相上に、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを有することを特徴とするヒートパイプ。
【請求項２】
前記炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りに、アルミニウム相を有することを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
【請求項３】
前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、前記ヒートパイプの表面から外側に延びるように形成され、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ。
【請求項４】
前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載のヒートパイプ。
【請求項５】
前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載のヒートパイプ。
【請求項６】
ヒートパイプの外周面の少なくとも一部にアルミニウムを被覆し、該ヒートパイプを、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱し、該ヒートパイプの外面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成する第一の工程を含むことを特徴とするヒートパイプの製造方法。
【請求項７】
前記第一の工程の後に、前記炭化アルミニウムウィスカー層を形成したヒートパイプを、酸化雰囲気下で加熱し、該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含むことを特徴とする請求項６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、効率よく熱を輸送できるヒートパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータの高機能化に伴い、ＣＰＵの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱デバイスの高性能化が求められている。放熱手法としてはヒートパイプを用いる方法が、効果が高い。一般的なヒートパイプは、両端を封止した金属製の中空パイプで、内部に冷媒となる液体が予定の量含まれている。ヒートパイプの内壁には、通称、ウィックと呼ばれる多孔質層が形成されている。
【０００３】
ヒートパイプの一端を高温部、もう一端を低温部に接触させると、高温部では液体が蒸発してガス化し、ガスは低温部に移動する。低温部では、ガスが凝縮して液体に変化し、この液体は毛細管力により多孔質層を移動して高温部に環流される。高温部で液体が蒸発する時に熱源から潜熱を奪い、低温部で凝縮する時に潜熱を奪われて冷却が進行する。
【０００４】
例えば、Ｃu製のヒートパイプを実際に使用する際には、ヒートパイプで輸送した熱を、より面積の大きいＣu製のヒートシンク材に伝熱させなければならない。この際には、ネジ止め等で両者を圧着させる、又は、はんだなどを用いて接触させることになる（特許文献１等参照）。
【０００５】
しかし、圧着させた場合には両者の部材の表面に存在する凹凸のために、接触熱抵抗が大きくなり、これが熱輸送の律速となってしまう。また、後者の場合は、熱抵抗は低いが、はんだ付け工程が必要でありコストが上がる。また、はんだは相手材によっては、例えばセラミックス材など、均一に広がらないために不良品の発生につながるという問題もある。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２６６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みて、相手材との接触熱抵抗が小さいヒートパイプを低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ヒートパイプの表面に、である炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層を設けることが有効であることを見出した。該炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層は、各々、微細な髭状構造体である炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを無数に有する。該ウィスカー層は、少なくとも冷却体の相手部材と接触する表面に設けてあればよい。これにより、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが相手材表面の微細な凹凸に隙間なく接触し、接触熱抵抗を小さくすることができる
【０００９】
本発明に係るヒートパイプは、表面に炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層を有することにより、相手材の種類を選ばず、単に接触させるだけで低い熱抵抗にすることを可能とした。すなわち、本発明に係るヒートパイプは、以下の特徴を有する。
【００１０】
（１）本発明に係るヒートパイプは、ヒートパイプの外周面の少なくとも一部に炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相を有し、該炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相上に、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを有することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載のヒートパイプであって、前記炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りに、アルミニウム相を有することを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載のヒートパイプであって、前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、前記ヒートパイプの表面から外側に延びるように形成され、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層を形成していることを特徴とする。
（４）（３）に記載のヒートパイプであって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（５）上記（４）に記載のヒートパイプであって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
（６）本発明に係るヒートパイプの製造方法は、ヒートパイプの外周面の少なくとも一部にアルミニウムを被覆し、該ヒートパイプを、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱し、該ヒートパイプの外面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成する第一の工程を含むことを特徴とする。
（７）上記（６）に記載のヒートパイプの製造方法であって、前記第一の工程の後に、前記炭化アルミニウムウィスカー層を形成したヒートパイプを、酸化雰囲気下で加熱し、該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、相手材との接触熱抵抗が小さいヒートパイプを、低コストで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】
【００１３】
以下に本発明に係るヒートパイプを詳細に説明する（なお、以下の説明において、炭化アルミニウムウィスカー又は酸化アルミニウムウィスカーを、両者の区別なく、単にウィスカーと記す場合もある。また、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層も同様に、両者の区別なく単にウィスカー層と記す場合もある）。
【００１４】
本発明に係るヒートパイプは、外周面の少なくとも一部に、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層を有することを特徴とする。当該ウィスカー層は、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーがヒートパイプの外周面から外側に伸びるように成長して層状をなすことにより、形成されている。また、当該ウィスカーは、ヒートパイプの外周面の少なくとも一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から成長して形成されている。すなわち、ウィスカー層はヒートパイプの表面に直接形成されているため、ウィスカー層とヒートパイプ外周面の接触熱抵抗は極めてゼロに近い。なお、炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りにはアルミニウム相等が存在していてもよい。
【００１５】
本発明に係るヒートパイプは、例えば、外周面のウィスカーを発熱源（及び／又は冷却体）と接するように使用する。ウィスカーは微細な髭状物質であるため、その先端は発熱源表面の凹凸に侵入して良好な接触状態になる。このため、発熱源から発生する熱は効率的に髭状物質に伝えられてヒートパイプへと伝わる。熱はヒートパイプによってヒートパイプの長さ又は面方向に輸送され、さらに裏面に形成された複合層の髭状物質を介して最終的には放熱フィンへと伝わるのである。微細なウィスカーを無数に有するウィスカー層を形成する面は、その用途によってヒートパイプの片面のみの場合と両面の場合があるが、前述のように、両面に形成し、一面を発熱源と接触させ、もう一面を放熱フィンと接触させて使用する場合が多い。
【００１６】
ウィスカーは、ヒートパイプ表面に強固に密着していることが必要である。本発明者は、背景技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、Ｃu製ヒートパイプの表面に予めアルミニウム層をコーティングしておき、特定条件で加熱することによって上記の目的を達成できるウィスカー層を得ることができ、ヒートパイプとしての性能が向上することを見出した。
【００１７】
本発明に係るヒートパイプは、ヒートパイプの外周面の少なくとも一部にアルミニウムを被覆し、該ヒートパイプを、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱し、ヒートパイプ表面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成する工程を含む製造方法により製造される。すなわち、炭化水素含有物質を含む雰囲気化で加熱するだけで、アルミニウムの表面に炭化アルミニウムウィスカー層が形成され、該炭化アルミニウムウィスカー層を相手材と接触させることにより、極めて小さな熱抵抗を持つ高性能ヒートパイプにすることができることを見出したのである。
【００１８】
また、場合によっては、炭化アルミニウムウィスカーを酸化させてアルミナウィスカーに転化させることでも同様の高性能ヒートパイプが得られることも見出した。特に、炭化アルミニウムは、耐湿性に問題が生じる場合があるので、この場合には、酸化アルミニウムに転化させて用いることが好ましい。このため、本発明に係るヒートパイプの製造方法は、前記炭化アルミニウムウィスカー層を形成したヒートパイプを、酸化雰囲気下で加熱し、該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
図１は、この発明の一つの実施の形態として炭化アルミニウムウィスカー層の断面構造を模式的に示す図である。
アルミニウムをコーティングしたヒートパイプを、炭化水素含有物質を含む雰囲気で加熱することにより、ヒートパイプ表面の少なくとも一部には、炭化アルミニウムを主成分とする相が形成される。該炭化アルミニウム相の表面からは、ウィスカー状の形態で延びるように形成された炭化アルミニウムを主成分とする相が成長している。例えば、該炭化アルミニウム相は、主にＡl4Ｃ3結晶を含むものであるが、非晶質を含む場合がある。また基板のアルミニウムに含まれる各種不純物を含む場合がある。
【００２０】
アルミニウムが炭化されて炭化アルミニウムに転化する時、図１（ｂ）に示すような組織となる。図１（ｂ）の組織は、加熱温度が３００℃以上で得られる。反応効率を考えると４５０℃以上が好ましく、上限はアルミニウムの融点以下である。アルミニウムには種々の合金があり、それぞれの融点よりも低温にすればよい。
【００２１】
用いられる炭化水素含有物質の種類は特に限定されない。たとえば、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、又はこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素は、アルミニウム箔を加熱する工程においてガス状になるので好ましい。さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素である。最も好ましい炭化水素はメタンである。
【００２２】
また、アルミニウムを少なくとも一部にコーティングしたヒートパイプを配置する空間に導入される炭化水素含有物質の質量比率は、特に限定されないが、通常はアルミニウム１００質量部に対して炭素換算値で０．１質量部以上５０質量部以下の範囲内にするのが好ましく、特に０．５質量部以上３０質量部以下の範囲内にするのが好ましい。
加熱時間は、加熱温度等にもよるが、一般的には１時間以上１００時間以下の範囲内である。
【００２３】
炭化アルミニウムは水分と反応しやすく耐湿性に課題がある場合もあるので、その場合はアルミナに転化させてしまったほうがよい。炭化アルミニウムを大気中で加熱することによりアルミナウィスカーに転化することができる。このとき、３００℃以上で加熱することが好ましい。更に好ましい加熱温度は、４５０℃以上である。加熱温度の上限は、アルミニウム等、ヒートパイプに用いられている材質の融点である。
【００２４】
アルミニウム相を完全に炭化アルミニウムに転化させず、炭化アルミニウム相の周りにアルミニウム相が残存する状態にしてもよい。この場合には、上記酸化処理を行うことにより、酸化アルミニウム相の周りにアルミニウム相が残存する状態にもなる。
また、ヒートパイプの表面部に形成したアルミニウム相を完全に炭化アルミニウムに転化して、その上に炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層を形成しても構わない。この場合、ウィスカーの生成密度が増大するので熱抵抗はさらに低下する（図２参照）。
【００２５】
相手材（発熱体、冷却体等）の表面に存在する微細な凹凸に、上記ウィスカーを隙間なく効率的に侵入させるためには、ウィスカー層の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。しかし、相手材の表面粗度が高い場合はこの限りではない。
また、相手材の平坦度が低い、すなわち、相手材表面にうねりがある場合は、ウィスカー層の厚さは１０μｍ以上が好ましい。この場合、ウィスカー層を形成する炭化アルミニウムウィスカー及び／又はアルミナウィスカーが相手材の形状に応じて変形するため、相手材の表面形状への追従性が高まり、熱抵抗が低下する。しかし、相手材の平坦度が高い場合はこの限りではない。
【実施例】
【００２６】
（１）ヒートパイプ
幅２０×長さ１５０×厚さ０．７ｍｍの市販のヒートパイプを用いた（古河電工製、ペラフレックス（登録商標））。
（２）ヒートパイプの表面処理
ヒートパイプの両面にイオンプレーティング法でアルミニウム膜をコーティングした。
その後、ヒートパイプを、各種炭化水素ガスを含む雰囲気で加熱した。一部の試料は、更に酸化雰囲気下で加熱した。加熱後の各試料（ヒートパイプ）表面にはウィスカー（炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカー）が生成していた。Ｘ線回折によりウィスカー相を同定した。
【００２７】
（３）ヒートパイプの熱輸送性能評価
図３に示すように、供試ヒートパイプの一端をセラミックヒーターによって加熱し、加熱部及び断熱部の周囲は断熱材で断熱した。外部に露出した放熱部をＩＲカメラで撮影するとともに、８本のシース熱電対（０．１ｍｍφ）によって温度を測定した。ヒートパイプを水平状態で幅２０×長さ２０ｍｍのセラミックヒーターで４．０Ｗの発熱量で加熱した。また、比較として、ヒートパイプの代わりに同形状の銅板も用いた。
セラミックヒーターは、Ｃu製のホルダと断熱性セラミックスの接合体からなる加熱ホルダ内に収納し、加熱ホルダをヒートパイプに対してネジ止めした。尚、ネジ止めは、ヒートパイプの肉厚を考慮し、ヒートパイプ表面から１０μｍの深さまでとした。
【００２８】
一方、ヒートパイプの別の端部には、２５×２０ｍｍサイズのアルミニウム製放熱フィンを取り付け、同様にネジ止めした。放熱フィンの上部からファンによって空冷した。
実験は、セラミックヒーターにステップ状に入力を印加し、冷却部にファンで直接風を流し、断熱部Ｔ３の蒸気温度を約５０℃で一定になるように温調して実施した。そして、定常状態を確認し、データを取得した。
【００２９】
ヒートパイプの性能を示す熱抵抗値（Ｒ）は、
Ｒ＝｛Ｔ１−（Ｔ４＋Ｔ５＋Ｔ６＋Ｔ７＋Ｔ８）／５｝／Ｑ
で計算した。上式において、Ｑはインプットした熱量を示す。
表１に結果を示す。図４は、表１の「評価」を図化したものである。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
ヒートパイプ表面にウィスカー層を形成することにより、熱抵抗を低下させることができた。ウィスカー層の厚さが増大するほど熱抵抗は低下した。ヒーターからの熱が効率的にウィスカー層に伝わり、および、ヒートパイプの熱が効率的に冷却フィンに伝わったためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ウィスカー層の形成工程の様子の概略を表す図である。
【図２】ウィスカー層の形成工程の様子の概略を表す図である（Ａl層を完全に炭化物又は酸化物に転化させる場合）。
【図３】実施例において利用した評価装置の概略を表す図である。
【図４】表１中の各試料の評価をグラフにしたものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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