JP2001050682A - パネル型熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄型軽量で熱交換効率の優れたパネル型熱交
換器およびその製造方法を目的とする。 【解決手段】 材料金属板30の所要部分に凸状通路12を
成形して成形板11を製作し、この成形板11を含む２枚の
金属板11、13を前記凸状通路12が外側に張り出すように
重ね合わせ、２枚の金属板11、13の接触部分を金型41、
42で挟み付けて加熱するとともに加圧してこれらの金属
板11、13を接合し、作動流体を流通させる回路14を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】各種電子機器を冷却する熱交
換器、特にコンピュータのマイクロプロセッサユニット
（ＭＰＵ）等の小型発熱デバイスの放熱器として好適に
用いられるパネル型熱交換器およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】パソコンには、ＣＰＵ、ＣＤ−ＲＯＭド
ライブ、ハードディスクドライブ等の数多くの発熱デバ
イスが組込まれており、長時間にわたって正常な動作を
維持するために、発生した熱を排出してこれらのデバイ
スを冷却する必要がある。そのため、各種放熱器が用い
られているが、特にノートブック型パソコンや携帯用パ
ソコンでは、小型ケースの中に前述の発熱デバイスを装
填し、かつキーボードも同じケース内に装填する必要
上、狭いスペースに多くの発熱デバイスが組み込まれる
こととなり、高い熱交換効率が求められる。

【０００３】このようなパソコン用放熱器として、放熱
性が優れていることはもとより薄くてスペースをとらず
かつ軽量であることから、基板上に作動流体の流通回路
を設けたロールボンドヒートパイプパネルと呼ばれるパ
ネル型熱交換器が使用されることが多い。前記ロールボ
ンドヒートパイプパネルは、予めアルミニウム板の非圧
着部分に離型剤を塗布しておき、２枚のアルミニウム板
を張り合わせ状態に圧着するとともに、開口部から圧力
を加えて非圧着部分を上面側に膨出させてパネルのほぼ
全面にわたって通路を縦横に形成し、この通路内に作動
流体を充填した後、開口部を溶接して閉じたものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のロール
ボンド式のパネル型熱交換器では、非圧着部分に塗布し
た離型剤が回路内部に封入されることとなり、熱交換効
率を低下させるという問題があった。また、材料となる
アルミニウム板は、圧着後に膨出させる必要上薄肉化に
限度があり、さらなる小型軽量化に十分応えることがで
きない。

【０００５】この発明は、このような技術背景に鑑み、
薄型軽量で熱交換効率の優れたパネル型熱交換器および
その製造方法の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明のパネル型熱交換器は、外側に張り出す凸
状通路（12）が形成された金属製成形板（11）を含む２
枚の金属板（11）（13）が加熱および加圧により接合さ
れて、作動流体を流通させる回路（14）が形成されてい
ることを基本要旨とする。

【０００７】また、前記パネル型熱交換器において、前
記金属板（11）（13）が、銅または銅合金により形成さ
れていること、あるいはアルミニウム時効合金で形成さ
れていることが好ましい。アルミニウム時効合金で形成
されている場合は、少なくとも回路（14）形成部分の内
面が銅または銅合金により形成されていることが好まし
い。また、前記金属板（11）（13）は、肉厚（ｔ）が
０．１〜０．８mmであることが好ましく、前記回路（1
4）の断面形状は、半円形、円形、楕円形、半月形、多
角形、台形のうちのいずれかが好ましい。

【０００８】また、この発明のパネル型熱交換器の製造
方法は、材料金属板（30）の所要部分に凸状通路（12）
を成形して成形板（11）を製作し、この成形板（11）を
含む２枚の金属板（11）（13）を前記凸状通路（12）が
外側に張り出すように重ね合わせ、２枚の金属板（11）
（13）の接触部分を金型（41）（42）で挟み付けて加熱
するとともに加圧してこれらの金属板（11）（13）を接
合し、作動流体を流通させる回路（14）を形成すること
を基本要旨とする。

【０００９】また、前記パネル型熱交換器の製造方法に
おいて、前記接合は、非酸化雰囲気中で、加熱温度：３
００〜８５０℃、加圧力：１．５ｋｇｆ／mm² 以上、加
熱加圧保持時間：１０分以上の条件で行うことが好まし
い。また、前記２枚の金属板（11）（13）をインサート
材（15）を介在させて重ね合わせることが好ましい。ま
た、前記２枚の金属板（11）（13）を一組とし、各組の
間に接合部を押圧する中子（45）を介在させて複数組の
金属板（11）（13）を重ね合わせ、重ね合わせた両端を
金型（41）（42）で挟み付けて複数組の接合を同時に行
うことが好ましい。また、前記金型（41）（42）および
中子（45）は鋼材またはカーボンからなることが好まし
い。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１および図２に、この発明のパ
ネル型熱交換器（１）の一例を示す。

【００１１】前記パネル型熱交換器（１）は、外側に張
り出す蛇行状の凸状通路（12）が形成された金属製の成
形板（11）と平板（13）とを張り合わせて、凸状通路
（12）と平板（13）とで形成される空間を作動流体の回
路（14）としたものである。

【００１２】前記金属板（11）（13）の材質は、熱伝導
性に優れている点でアルミニウムまたは銅あるいはこれ
らの合金を推奨できる。特に、作動流体として水を使用
する場合、水との反応性が低くた銅またはその合金が好
ましい。銅またはその合金を用いることにより、耐食性
に優れ、また反応生成物による熱交換効率の低下もな
い。ただし、作動流体が触れるのは回路を形成する成形
板（11）の凸状通路（12）および平板（13）の前記凸状
通路（12）対向部分であるから、これら金属板（11）
（13）の基材にアルミニウムを用いて内面側の全面また
は必要部分のみを銅材料で被覆することによっても対処
することができる。被覆の方法は、メッキ、電着、蒸
着、クラッド等を例示できる。好適な銅材料として特に
水との反応性が低いＯＦＨＣ（無酸素高伝導銅）やＣｕ
−Ｚｒ系化合物を推奨できる。また、アルミニウムを用
いる場合は、時効合金で形成することが好ましく、接合
時の加熱により強度を向上させることができ、薄肉板で
も強度を確保することができる。具体的なアルミニウム
時効合金として、６０６３、ＳＴ６０などの６０００系
合金を推奨できる。

【００１３】また、前記金属板（11）（13）の肉厚
（ｔ）は、パネルとしての剛性と強度を確保しつつ軽量
化を図るために０．１〜０．８mmが好ましい。肉厚
（ｔ）の好ましい下限値は０．２mmであり、好ましい上
限値は０．５mmである。因みに、従来のロールボンドヒ
ートパイプパネルは、肉厚１mm程度の材料板を使用する
のが一般的であり、これに比べると薄肉軽量化を実現で
きる。

【００１４】また、前記回路（14）の断面形状は、優れ
た熱交換効率を発現させる上で、図２に示す半円形の
他、円形（図３（Ａ））、楕円形、半月形（図３
（Ｂ））、多角形、台形（図３（Ｃ））うちのいずれか
が好ましい。回路（14）は図２等のように片面のみに張
り出して形成されても、また図３（Ａ）のように両面に
張り出して形成されていても良い。換言すれば、２枚の
金属板（11）（13）のうちの少なくとも１枚に凸状通路
（12）が形成された成形板であれば良い。

【００１５】また、一方の金属板として平板（13）を使
用する場合、他方の成形板は平板（13）と同一輪郭に形
成する必要はなく、図４に示すように凸状通路（12）お
よびその縁部のみからなる成形板（11’）を使用するこ
ともできる。このような形態を採用することにより、さ
らに軽量化を図ることができる。

【００１６】前記パネル型熱交換器（１）は、この発明
の方法により製造される。

【００１７】まず、材料金属板に作動流体の回路となる
凸状通路（12）を膨出させる成形を行って成形板（11）
を製作する。成形方法は、例えば図５に示すように材料
金属板（30）を上下の金型（31）（32）に挟んでプレス
加工する等の周知の方法による。また、金属板（11）
（13）の全面あるいは一部を銅材料で被覆する場合は、
成形前に被覆処理しておくことが好ましい。

【００１８】次に、成形した２枚の金属板、あるいは成
形した金属板と平板状の金属板とを重ね合わせて回路を
除く金属板の接触部分を接合する。接合は、図６に示す
ように重ね合わせた金属板（11）（13）を金型（41）
（42）で挟み付け、加熱しながら加圧することにより行
う。なお、図６においては、断面半円形の凸状通路（1
2）が形成された成形板（11）と平板（13）とを重ね合
わせ、上下一対の金型（41）（42）で挟み付ける接合例
を示している。このように加熱と加圧を同時に行うこと
により、接合は拡散接合または圧縮接合により行われる
こととなる。また、接合は金属板（11）（13）の表面酸
化を抑制して強い接合力を発現させるために、真空また
はＡｒ、Ｎ₂ 等の不活性ガス中の非酸化雰囲気で行うこ
とが好ましい。真空の場合は１０^-2Torr以下が好まし
い。また加熱温度：３００〜８５０℃、加圧力は１．５
ｋｇｆ／mm² 以上、加熱加圧保持時間：１０分以上が好
ましい。それぞれ下限値未満では拡散が不十分で強い接
合力が得られない。一方、８５０℃を超えると金属板が
軟化溶融する。加熱温度の好ましい下限値は３５０℃、
好ましい上限は８００℃である。また、加圧保持時間の
好ましい下限値は、２０分、好ましい上限値は１０時間
である。また、加熱は、加熱室内での雰囲気加熱でも、
接合部にヒーター等の加熱装置を配置する部分加熱の何
れでも良い。

【００１９】また、図６に示すように、金属板（11）
（13）の接合界面にインサート材（15）を介在させるこ
とが好ましく、インサート材（15）の構成原子が金属板
（11）（13）に拡散することにより強力な接合を達成で
きる。また、金属板（11）（13）の表面平坦度にばらつ
きがある場合でもインサート材（15）の介在によりばら
つきを吸収して強力な接合力が得られる。インサート材
（15）の材質は、金属板（11）（13）がアルミニウムま
たはその合金の場合は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が好まし
く、銅またはその合金の場合は銀ろうが好ましい。

【００２０】また、金属板の表面をＲａ０．１μｍ以下
に鏡面化することも好ましく、拡散性が増してより強力
な接合を達成できる。

【００２１】また、接合用金型（41）（42）は、耐熱性
および耐圧性が優れている点で、ＳＵＳ３１６等の鋼材
製またはカーボン製を推奨できる。

【００２２】また、図５に示すように一対の金型（41）
（42）で重ね合わせた１組の金属板（11）（13）を挟み
付けて接合するほか、中子を用いることにより複数組の
金属板を同時に接合することができる。図８に示す接合
例においては、上下の押圧面がそれぞれ１組２枚の金属
板（11）（13）の凹凸形状に倣って形成された中子（4
5）を使用し、組み付けた金属板（11）（13）と前記中
子（45）とを交互に重ね合わせ、さらにその両端を金型
（41）（42）で挟み付けて接合部を加圧している。

【００２３】また、図６、７、８に例示した金型（41）
（42）および中子（45）は、断面が概略長方形で加圧方
向の全面で押圧するようになされているが、図９に示す
中子（46）のように、加圧方向の両面に凹部（47）と凸
部（48）とを設けて凹部（47）内に凸部（48）を嵌合さ
せて押圧する構造にしても良い。図９に例示する中子
（46）は、加圧方向の両面にそれぞれ凹部（47）および
凸部（48）を形成し、さらに凹部（47）の底面および凸
部（48）の頂面を金属板（11）（13）に倣って形成した
ものであって、凸部（48）を他の中子（46’）の凹部
（47）に嵌合させて１組の金属板（11）（13）を押圧す
る。このような嵌合状態においては、挟んだ金属板（1
1）（13）がずれにくく良好な接合を達成できる。な
お、前記凹部（47）と凸（48）部との間には、若干の隙
間（Ｄ）を設けることが好ましい。この隙間（Ｄ）がな
いと凹部（47）と凸（48）部とがかみ合いにくいし押圧
面間の脱気ができない。一方、隙間（Ｄ）が大き過ぎる
と、金属板（11）（13）がずれやすくなる。また、多数
組の同時接合を行う場合、プレス軸がずれやすくなる
が、金属板、金型および中子の共通位置にそれぞれ１つ
または複数の貫通穴を設け、これらを重ねてから穴に棒
を通すことによりずれを防ぐことができる。

【００２４】

【実施例】図１に示すパネル型熱交換器（１）を製作し
た。前記パネル型熱交換器（１）は、片面に回路（14）
が張り出したものであり、成形板と平板をとを張り合わ
せて接合したものである。

【００２５】材料金属板として、板厚０．２mmのＯＦＨ
Ｃ（無酸素高伝導銅）Ｈ１／２条を用いた。また、接合
用金型（41）（42）として、ＳＵＳ３１６からなり２０
０mm×３００mm×厚さ２０mmのものを使用し、接合用中
子（45）として、ＳＵＳ３１６からなり２００mm×３０
０mm×厚さ９mmのものを使用した。

【００２６】まず、図５に示すプレス加工により、材料
金属板（30）に高さ１．０mm×幅６．０mmの蛇行状の凸
状通路（12）部を成形して１０枚の成形板（11）を作製
した。一方、材料金属板（30）を前記成形板（11）と同
じ輪郭寸法に切断し、１０枚の平板（13）を作製した。
前記成形板（11）および平板（13）は表面洗浄を行って
清浄にした。

【００２７】次に、成形板（11）の凸状通路（12）が外
側に張り出すように成形板（11）と平板（13）とを重ね
合わせたものを１０組用意した。そして、図８に示すよ
うに加熱室（50）内において、１０組の金属板（11）
（13）を中子（45）介在させて重ね合わせ、さらに上下
を一対の金型（41）（42）で挟んだ。このとき、金属板
（11）（13）とこれらとの圧着を防止するために、金型
（41）（42）および中子（45）の表面に離型剤（ＢＮ）
を塗布した。そして、前記加熱室（50）内を１０^-4Torr
の真空にし、室温から７５０℃まで３００℃／時間で昇
温して７５０℃で９０分間保持し、さらに２００℃／時
間で８００℃に昇温して８００℃で４５トン（面圧３．
５１ｋｇｆ／mm² ）の加圧力を付与した状態で３０分保
持し、これら（11）（13）を接合した。

【００２８】冷却後、接合品を取り出して観察したとこ
ろ、１０組のパネル型熱交換器（１）は全て良好に接合
されていた。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のパネル
型熱交換器は、作動流体の流通回路となる凸状通路が形
成された成形板を含む２枚の金属板を加熱および加圧に
より張り合わせて接合したものであるから、その製造工
程において従来のロールボンド式のパネル型熱交換器の
ように離型剤を使用しない。そのため、回路内に残留し
た離型剤による熱交換効率の低下はなく、優れた熱交換
性能が得られる。また、凸状通路は接合前に形成するか
ら、圧着後に膨出成形するよりも薄肉板を使用でき、熱
交換器の薄型軽量化を図ることができる。また、接合前
の成形では回路の経路や断面形状に成形上の制約もな
い。

【００３０】また、前記パネル型熱交換器において、前
記金属板が銅または銅合金で形成されているこ場合は、
作動流体である水との反応性が低く耐食性に優れ、反応
生成物による熱交換効率の低下もない。また、アルミニ
ウム時効合金で形成されている場合は、優れた強度が得
られ、強度保持に必要な金属板の肉厚が薄くて済み、熱
交換器のさらなる薄肉軽量化を実現できる。このとき、
少なくとも回路形成部分の内面を銅または銅合金により
形成すれば、作動流体との反応も防止できる。また、前
記金属板は、肉厚（ｔ）が０．１〜０．８mmであること
が好ましく、パネル型熱交換器としての強度と薄肉軽量
化との両者を具備するものとなる。また、前記回路の断
面形状は、半円形、円形、楕円形、半月形、多角形、台
形のうちのいずれかが好ましく、優れた熱交換効率を発
現させることができる。

【００３１】また、この発明のパネル型熱交換器の製造
方法は、材料金属板の所要部分に凸状通路を成形して成
形板を製作し、この成形板を含む２枚の金属板を前記凸
状通路が外側に張り出すように重ね合わせ、２枚の金属
板の接触部分を金型で挟み付けて加熱するとともに加圧
してこれらの金属板を接合し、作動流体を流通させる回
路を形成するものであるから、上述の効果を有するパネ
ル型熱交換器を容易に製造できる。

【００３２】また、前記パネル型熱交換器の製造方法に
おいて、前記接合を、非酸化雰囲気中で、加熱温度：３
００〜８５０℃、加圧力：１．５ｋｇｆ／mm² 以上、加
熱加圧保持時間：１０分以上の条件で行うことにより、
接合面近傍の元素の拡散を活発にして優れた接合強度を
達成できる。また、前記２枚の金属板をインサート材を
介在させて重ね合わせることにより、接合面の平坦度の
ばらつきを吸収して優れた接合強度を達成できる。ま
た、前記２枚の金属板を一組とし、各組の間に接合部を
押圧する中子を介在させて複数組の金属板を重ね合わ
せ、重ね合わせた両端を金型で挟み付けて複数組の接合
を同時に行うことにより、１回の加熱および加圧で複数
のパネル型熱交換器を製造でき、生産性を向上させるこ
とができる。また、前記金型および中子を、耐熱性およ
び耐圧性が優れた鋼材またはカーボンで形成することに
より、加熱加圧下における接合を円滑に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のパネル型熱交換器の一例を示す斜視
図である。

【図２】図１のII-II線要部断面図である。

【図３】この発明のパネル型熱交換器の回路の断面形状
を示す断面図であり、（Ａ）は円形、（Ｂ）は半月形、
（Ｃ）は台形である。

【図４】この発明のパネル型熱交換器において、回路の
他の例を示す断面図である。

【図５】成形板の製造工程を示す断面図である。

【図６】この発明のパネル型熱交換器の製造方法の一例
を示す断面図である。

【図７】この発明のパネル型熱交換器の製造方法の他の
例を示す断面図である。

【図８】この発明のパネル型熱交換器の製造方法におい
て、中子を用いる方法を示す断面図である。

【図９】他の中子を示す断面図である。

【符号の説明】

１…パネル型熱交換器 11…金属板（成形板） 12…凸状通路 13…金属板（平板） 14…回路 15…インサート材 31、32、41、42…金型 45、46、46’…中子

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外側に張り出す凸状通路（12）が形成さ
   れた金属製成形板（11）を含む２枚の金属板（11）（1
   3）が加熱および加圧により接合されて、作動流体を流
   通させる回路（14）が形成されていることを特徴とする
   パネル型熱交換器。
2. 【請求項２】 前記金属板（11）（13）は、銅または銅
   合金により形成されている請求項１に記載のパネル型熱
   交換器。
3. 【請求項３】 前記金属板（11）（13）は、アルミニウ
   ム時効合金で形成されていることを特徴とする請求項１
   に記載のパネル型熱交換器。
4. 【請求項４】 前記金属板（11）（13）は、少なくとも
   回路（14）形成部分の内面が銅または銅合金により形成
   されている請求項３に記載のパネル型熱交換器。
5. 【請求項５】 前記金属板（11）（13）は、肉厚（ｔ）
   が０．１〜０．８mmである請求項１〜４のいずれかに記
   載のパネル型熱交換器。
6. 【請求項６】 前記回路（14）の断面形状は、半円形、
   円形、楕円形、半月形、多角形、台形のうちのいずれか
   である請求項１〜５のいずれかに記載のパネル型熱交換
   器。
7. 【請求項７】 材料金属板（30）の所要部分に凸状通路
   （12）を成形して成形板（11）を製作し、この成形板
   （11）を含む２枚の金属板（11）（13）を前記凸状通路
   （12）が外側に張り出すように重ね合わせ、２枚の金属
   板（11）（13）の接触部分を金型（41）（42）で挟み付
   けて加熱するとともに加圧してこれらの金属板（11）
   （13）を接合し、作動流体を流通させる回路（14）を形
   成することを特徴とするパネル型熱交換器の製造方法。
8. 【請求項８】 前記接合は、非酸化雰囲気中で、加熱温
   度：３００〜８５０℃、加圧力：１．５ｋｇｆ／mm² 以
   上、加熱加圧保持時間：１０分以上の条件で行う請求項
   ７に記載のパネル型熱交換器の製造方法。
9. 【請求項９】 前記２枚の金属板（11）（13）をインサ
   ート v材（15）を介在させて重ね合わせる請求項７また
   は８に記載のパネル型熱交換器の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記２枚の金属板（11）（13）を一組
    とし、各組の間に接合部を押圧する中子（45）を介在さ
    せて複数組の金属板（11）（13）を重ね合わせ、重ね合
    わせた両端を金型（41）（42）で挟み付けて複数組の接
    合を同時に行う請求項７〜９のいずれかに記載のパネル
    型熱交換器の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記金型（41）（42）および中子（4
    5）は鋼材またはカーボンからなる請求項７〜１０のい
    ずれかに記載のパネル型熱交換器の製造方法。