JP2008045820A - 平板式ヒートパイプの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶接を応用した熱伝導性、密閉性のよい平板式ヒートパイプの製造方法。
【解決手段】平板式ヒートパイプの製造方法において、熱伝導性の良い銅などからなる毛細構造体１２を折り曲げてそれより粗い網目構造からなる熱伝導性のよい材質の支持体１３を挟んで超音波接合により接合して一体化し、更にこれらを熱伝導性のよい金属からなる上下平板に超音波接合すると共に、上下平板を接合しても毛細構造体を密封して一体化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、「平板式ヒートパイプの製造方法」に関し、特に超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法に関する。

CPU等の集積回路デバイスの集積密度は絶え間なく向上し、その発熱度も増大し、効果的な冷却ができない場合、デバイスの処理性能に影響する。

携帯式電子機器が日増しに軽薄短小の方向に発展する中、直面する冷却の問題は更に重要になり、従来の冷却装置では十分な冷却効果が得られずに徐々にボトルネックとなりつつある。

従って、平板式ヒートパイプの出現は、時宜を得た携帯式電子機器の良好な冷却装置となっている。

平板式ヒートパイプの動作原理は、大部分が従来のヒートパイプと同じであり、異なる箇所は従来のヒートパイプは外形が制限され、熱量を一次元方向のみに伝達できることに対し、平板式ヒートパイプは、二次元方式で熱量を伝達するように設計でき、又、平板式ヒートパイプは更に薄く製造でき、外形も従来のヒートパイプのように制限されることなく、従って対象とする冷却デバイスへの適用に弾力性および応用性を大きく向上することができる。

図１および図２は、従来の平板式ヒートパイプを示す図であり、覆蓋面積が比較的大きい２つの平板１１の間を利用して２つの毛細構造体１２を挟み、２つの毛細構造体１２の間には支持体１３を挟んで配置する。

上記構成部材は、一般に高温環境で熱膨張により各部材が変形して隙間が生じ易く、このため冷却効果の低下を引き起こすが、熱処理により上記各構成部材の間に拡散接合を形成して結合することにより各構成部材の間に隙間が生じることを防止し、良好な熱伝導効果を保持することができる。

但し、拡散接合を実行する場合、各構成部材に対して位置決めを行い、各構成部材間の相対位置を調整したうえで治具を利用して各構成部材を固定する必要があり、治具により各構成部材に大きな圧力を加えて各構成部材間に緊密な接触を形成する。最後に8時間から9時間の長時間の熱処理を通して各部材の間に接合を形成する。

位置決めの正確性は、平板式ヒートパイプの冷却性能に影響する。多層構造を採用した毛細構造体の平板式ヒートパイプにおいて、位置決めの問題は明らかに更に重要である。

例えば、平板式ヒートパイプの構造において、金属銅網を利用して毛細構造体とし、熱源と接触する箇所（例えばCPUと接触する箇所）に比較的細かい網目の金属銅網を採用して作動液体が熱に触れて気化する速度を向上し、残りの箇所は比較的粗い網目の金属銅網を採用して作動液体の流動性を向上し、平板式ヒートパイプ全体の冷却効果を向上する。この時、製造工程において、比較的細かい網目の金属銅網の位置決めが正確であるか否かは、平板式ヒートパイプの冷却効果に影響する。

この他、圧力を施す治具の平面度の影響を受け易く、治具の平面度が適切でない場合、治具により各構成部材の間を圧力接合する接合密度が悪くなり易く、拡散接合を実行した後の接合強度と緊密度が不十分になり、接合箇所の構成部材は熱により変形し隙間が生じ、熱抵抗が増加し冷却効果が低下する。
特開２００４−３２４９０６号公報 特開２００３−２４７７９号公報

本発明は、簡単に各構成部材を位置決めして各構成部材間の接合強度および緊密度を向上すると共に、製造工程の時間を低減した、超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法は、
（A）毛細構造体表面の少なくとも１つの部分を超音波により上平板および前記上平板と形状が対応した下平板のうちいずれか１つ上に溶接し、前記上平板および前記下平板が相互に畳み合うと共に前記毛細構造体は前記平板間に配置する。
（B）前記平板を接合し、前記毛細構造体を前記平板内に密封する。
を含むものである。

超音波溶接を応用し毛細構造体を上平板または下平板のいずれか１つに接合し、毛細構造体と平板との間に良好な接合強度と緊密度を具有させ、効果的に熱抵抗を低下させ冷却効果を向上するとともに、接合工程の所要時間を大幅に短縮することができる。

本発明が提供する超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造は、平板式ヒートパイプの構成部材（毛細構造体、支持体、および平板等）間を容易に位置決めするだけではなく、前記構成部材間の接合強度および緊密度を向上し、熱抵抗を効果的に下げ冷却効果を向上すると共に、接合工程にかかる時間を短縮することができる。

この他、本発明の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法は、更に超音波溶接により毛細構造体を前記平板の間であるとともに前記毛細構造体と相互に接触する支持体上に接合し、毛細構造体と支持体との間に良好な接合強度と密度を具有させ、熱抵抗を効果的に下げ冷却効果を向上すると共に、接合工程にかかる時間を短縮することができる。

本発明の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法は、更に前記平板周縁に沿って超音波溶接を実施することを含み、前記平板周縁を密封することにより、前記平板との間に良好な接合強度と密度を具有させ、熱抵抗を効果的に下げ冷却効果を向上すると共に、接合工程にかかる時間を短縮することができる。

本発明の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法は、更に超音波溶接を応用し少なくとも２つの子毛細構造体を接合し毛細構造体を生成させることを含むものである。

本発明の特徴、構造および達成する効果を更に明確にする為、図を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法の好適な実施形態は、以下の工程を含むものである：
先ず、図３を参照すると、工程２１において、毛細構造体３１を支持体３２上に位置決めする。その位置決めの方式はそれぞれ図４および図５に示すものである。
図４が示すものは、片状の毛細構造体３１を折り曲げて片状の支持体３２を挟み、毛細構造体３１および支持体３２の上下表面に均一に接触させ、この構造により毛細構造体３１の上部３１１における熱量を側部３１２を経由して下部３１３へ分散して伝達し、効率的に冷却効果を向上する。

毛細構造体３１の作用は熱量を吸収することに用いられ、前記熱量を毛細構造体３１の上部に付着する作動液体に伝達し、前記作動液体に熱量を吸収させて昇華させて気体へと変化させる。本実施形態中、毛細構造体３１は熱伝導性の良好な金属銅線が編込まれてなる金属銅網を典型例とする。

この他、図５に示すように、更に複数の子毛細構造体３１１を結合し多層構造の毛細構造体３１を構成することができる。2種類の異なる網目の金属銅網を応用してそれぞれ子毛細構造体３１４,３１５とし、前記子毛細構造体３１４,３１５を結合して毛細構造体３１とし、全体の冷却効果を向上させる。その内、比較的網目の細かい金属銅網を用いて熱を受ける箇所（例えば、ＣＰＵと接触する箇所）に設置することで、その上に付着する作動液体の気化速度を向上することができ、その他の箇所は比較的網目の粗い金属銅網を用い作動流体の良好な流動性を維持させ、冷却効果を向上する。

支持体３２の作用は、相互に貫通する隙間３２１を提供することであり、作動液体を隙間３２１内で自由に流動させることができる。本実実施形態中、支持体３２は比較的粗い金属銅線を編みこんでなる金属銅網を代表とし、その網目の大きさは毛細構造体３１の金属銅網の網目の大きさより大きいものである。

図６が示すように、毛細構造体３１を支持体３２の両側に沿って折り畳んで支持体３２を覆い包み、毛細構造体３１の上部３１１に位置する熱量を左右両側部３１２に介してそれぞれ下部に分散して伝達させることができ、効率的に冷却効果を向上する。

毛細構造体３１および支持体３２の位置決め方式は、上記図４および図６の形式に限らず、毛細構造体３１は多層形式として支持体３２を覆わせることもできる。毛細構造体３１および支持体３２の数量は１片に限らず、多数であることもでき、その形状も限定しない。毛細構造体３１は支持体３２の表面の少なくとも１部分のみ接触することも可能である。

続いて、図３が示すように、工程２２は、毛細構造体３１および支持体３２を超音波溶接により接合する。図７および図８が示すようにそれぞれ超音波点溶接および超音波ローラー溶接を利用し、毛細構造体３１および支持体３２を接合する。

更に、同様に、超音波点溶接およびローラー溶接を応用して前記２種類の異なる網目の子毛細構造体３１４，３１５を接合し毛細構造体を形成することができる。

図７が示す点溶接方式は、溶接ヘッド４１の下方に上ブラシ４２を形成し、前記上ブラシ４２および載置台４３に設置される下ブラシ４４を対応させる。操作時、まず毛細構造体３１および支持体３２を位置決めして上下ブラシ４２，４４の間に配置し、上ブラシ４２を下方に加圧し、毛細構造体３１および支持体３２を上下ブラシ４２，４４の間に緊密に挟ませる。溶接ヘッド４１が上ブラシ４２を連動することにより、超音波周波数により実質上水平方向に微小震動し、毛細構造体３１および支持体３２が相互に接触する表面に摩擦作用を受けさせ局部溶接を生じさせて接合を形成する。

図８が示すローラー溶接方式は、その原理は点溶接とほぼ同一であり、回転可能な上ローラー４５が連動するリング状上ブラシ４６を形成し、上ブラシ４６は回転可能な下ローラー４７上のリング状下ブラシ４８に対応する。操作時、まず毛細構造体３１および支持体３２を位置決めして上下ブラシ４６,４８の間に配置し、上ブラシ４６を下方に加圧し、毛細構造体３１および支持体３２を上下ブラシ４６,４８の間に緊密に挟ませる。上ローラー４５が上ブラシ４２を連動して超音波周波数により実質上水平方向に微小震動し、毛細構造体３１および支持体３２が相互に接触する表面に摩擦作用を受けさせ、局部溶接を発生させて接合を形成する。更に、反対方向に回転する上下ローラー４５，４７により、毛細構造体３１および支持体３２を連動して横方向に移動させ、毛細構造体３１および支持体３２を連続的に接合させる目的を達成する。

超音波を利用し点溶接またはローラー溶接のどちらを実行しても、毛細構造体３１および支持体３２の相互に接触する表面を摩擦し、摩擦により局部溶解が発生する前に、先ずその表面上に形成される酸化物が摩擦により除去され、その表面に元の材質が露出される。従って、酸化物が除去されることにより、局部溶解が形成する接合の接合強度および緊密度は従来の拡散接合に比較して良好であり、更に熱伝導抵抗が低下し冷却効率が向上する。また、超音波溶接が要する時間はわずかに３０分間であり、拡散接合が要する８，９時間よりもはるかに少ない時間である。

この他、超音波溶接を利用して予め毛細構造体３１および支持体３２を接合することは、更に洗浄の効果を有する。

一般に平板式ヒートパイプの製造工程中、汚染物がヒートパイプ内を塞ぎ処理性能に影響することを防止する必要があり、従って毛細構造体３１および支持体３２に対して洗浄を行うが、従来の拡散接合を応用した製造工程においては、毛細構造体３１および支持体３２をそれぞれ洗浄した後、位置決めを行い、位置決めの捜査過程中、容易に汚染物が付着し、二次汚染引き起こすのである。

本発明は超音波溶接を利用し拡散接合に取って代わり、洗浄する前に、予め毛細構造体３１および支持体３２を接合して、効果的に二次汚染の問題が発生することを防止する。

上記のように、超音波溶接法（点溶接またはローラー溶接）を応用して毛細構造体３１を製造および毛細構造体３１を支持体３２に接合する。以下は、同様に超音波溶接法を応用し、更に平板式ヒートパイプのその他の構成要素を接合させる。

図３および図９が示すように、工程２３において、接合後の毛細構造体３１および支持体３２を、超音波溶接により下平板３４上に接合する。毛細構造体３１は既に支持体３２に接合されているため、直接に下平板３４を位置決めして接合を実行することができ、従来の毛細構造体、支持体および下平板の三者をそれぞれ調整する面倒を回避する。

図３および図１０が示すように、工程２４において、下平板３４に対応した形状の上平板３３を下平板３４上に対応させて位置決めし、超音波点溶接を利用し熱源に対応する箇所（例えば、CPUとの接触箇所）に図１０に示すような少なくとも１つの凹部３５を形成し、上平板３３と毛細構造体３１、支持体３２および下平板３４とを結合し、上記構成要素の相互の間で位置がずれることを防止し、各構成要素間の接合密度を強化し、熱源付近の構成要素が変形して隙間が発生することを効果的に防止し、熱伝導抵抗が増加し冷却効果が低下することを防止する。

図３および図１１が示すように、工程２５において、超音波ローラー溶接法を利用し、上下平板３３，３４周縁に沿ってローラー溶接を実行し、上平板３３と下平板３４を接合し、毛細構造体３１および支持体３２をその中に密封する。

または、気相成長法を利用して上平板３３、または下平板３４、または上下平板３３，３４両者の周縁に金属材質の接合層を形成し、上下平板３３，３４を密封する。上下平板３３，３４は、銅、アルミニウム等の金属材質により生成することができ、接合層の金属材質は、錫、銀、銅および上記の組み合わせのいずれかを選択することができる。また、前記金属材質は、錫、鉛および上記の組み合わせのいずれかであることもできる。更に、前記金属材質は、錫、ビスマスおよび上記の組み合わせのいずれかであることもできる。

上記のように、超音波溶接法を応用することにより、毛細構造体３１、支持体３２おおよび上下平板３３，３４を接合し、接合強度および緊密度を効果的に向上させ、間接的に冷却効果を向上する。更に、接合工程に要する時間を大幅に短縮し、本発明の目的を確実に達成する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

公知の平板式ヒートパイプの立体分解図である。 公知の平板式ヒートパイプの局部断面図である。 本発明の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの制作方法の好適な実施例のフロー図である。 本実施例の局部断面図であり、毛細構造体＠＠ 本実施例の前記毛細構造体の局部断面図であり、複数の子毛細構造体の局部が前記毛細構造体を構成する説明図である。 本実施例の局部断面図であり、リング状の毛細構造体を支持体に被せる説明図である。 本実施例の局部断面図であり、超音波を利用し毛細構造体を支持体上に溶接する説明図である。 本実施例の局部断面図であり、超音波を利用し毛細構造体を支持体上に溶接する説明図である。 本実施例の局部断面図であり、超音波を利用し毛細構造体と支持体を下平板上に溶接する説明図である。 本実施例の局部断面図であり、超音波を利用し上平板と下平板との間に支持の役割をなす凹部を形成する説明図である。 本実施例の局部断面図であり、超音波を利用し上、下平板の周縁を接合する説明図である。

符号の説明

２１〜２５ ステップ
３１ 毛細構造体
３１１ 上部
３１２ 側部
３１３ 下部
３１４ 子毛細構造体
３２ 支持体
３２１ 隙間
３３ 上平板
３４ 下平板
３５ 凹部
４１ 溶接ヘッド
４２ 上ブラシ
４３ 載置台
４４ 下ブラシ
４５ 上ローラー
４６ 上ブラシ
４７ 下ローラー
４８ 下ブラシ
２１ 毛細構造体を支持体上に位置決めする
２２ 毛細構造体を超音波により支持体上に溶接する
２３ 毛細構造体を超音波により下平板上に溶接する
２４ 上平板を下平板に位置決めする
２５ 上下平板周縁に密封接合を形成する

Claims (21)

1. 以下の工程；
   （A）毛細構造体表面の一面を上平板および前記上平板と形状が対応した下平板のうちいずれか１つの上に超音波接合し、該毛細構造体を間に配置収容して前記上平板および前記下平板を相互に重ね、
   （B）前記平板を相互に超音波接合し、前記毛細構造体を前記平板の囲む空間内に密封する、
   からなることを特徴とする超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
2. 前記工程（A）において、前記超音波溶接は超音波点溶接である請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
3. 前記工程（A）において、更に前記毛細構造体に対して支持体を配置し、前記平板の間に相互に接触させて配置することを特徴とする請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
4. 前記工程（A）において、前記毛細構造体は片状体であるとともに、折り畳んで前記支持体を挟むものである請求項２記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
5. 前記工程（A）において、前記毛細構造体は支持体の両側に沿って折り畳み前記支持体を覆うものである請求項２記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
6. 前記工程（A）において、更に前記毛細構造体の少なくとも１つの部分を前記支持体に接合することを含むものである請求項３，４，５記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
7. 前記工程（A）において、超音波溶接により前記毛細構造体の少なくとも１つの部分を前記支持体に接合することを含むものである請求項６記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
8. 前記工程（A）において、前記超音波溶接は超音波点溶接、超音波ローラー溶接または上記の組み合わせのいずれかである請求項７記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
9. 前記工程（B）において、前記平板周縁に沿い超音波溶接を実行して前記平板周縁を密封接合させるものである請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
10. 前記工程（B）において、前記平板周縁に沿い超音波ローラー溶接を実行して前記平板周縁を密封接合させるものである請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
11. 前記工程（B）において、先ず気相成長法により前記平板の周縁に金属接合層を形成して、前記平板に密封接合を形成させるものである請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
12. 前記支持体は、金属線を編み込んでなる金属網である請求項２記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
13. 前記金属線は、銅線である請求項１２記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
14. 前記毛細構造体は、金属線を編み込んでなる金属網であり、前記毛細構造体の編み込む密度は前記支持体の編み込む密度より大きいものである請求項１２記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
15. 前記金属線は、銅線である請求項１４記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
16. 前記平板は、金属材料からなることを特徴とする請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
17. 前記平板の金属材料は、アルミニウムまたは銅のいずれかを選択したものである請求項１６記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
18. 前記毛細構造体は、少なくとも２つの子毛細構造体を含むものである請求項１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
19. 前記子毛細構造体は、金属線を編み込んでなる金属網である請求項１８記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
20. 前記金属線は、銅線である請求項１９記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。
21. 前記子毛細構造体は、超音波溶接を利用して接合されるものである請求項２１記載の超音波溶接を応用した平板式ヒートパイプの製造方法。

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