JP4493350B2

JP4493350B2 - 放熱モジュールの構造およびその製造方法

Info

Publication number: JP4493350B2
Application number: JP2004010221A
Authority: JP
Inventors: 欣政林
Original assignee: 奇▲こう▼科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-01-19
Also published as: JP2005203665A

Description

本発明は放熱モジュールの構造およびその製造方法に係り、特にヒートパイプとベース板の結合による放熱モジュールの構造、およびその製造方法に関わる。

ヒートパイプは、簡単に言うと、一本の細長く、中空で、両端を封止した金属の管で、その形状に制限はなく、理論上、如何なる形状の設計も可能であり、パイプの内壁には一層のウィックが形成されており、そこは作動液と呼ばれる液体によって湿らされており、ヒートパイプの構造は、熱量、および温度の違いによって異なる。

現在のヒートパイプは、黄銅、ニッケル、ステンレス、タングステン、およびその他の合金によって外殻が作られており、ヒートパイプの一端を高温の場所に置き、もう一端を比較的低温の場所に置いた時、伝熱現象が始まり、熱は高温の場所から金属管壁を通りウィック内に進入し、ウィック内の作動液は熱を受け蒸発し始める。ヒートパイプの高温の場所に置かれる部分は蒸発部と呼ばれ、蒸発後の気体は蒸発部の中空管内に集まり、同時にヒートパイプのもう一端に流動し、ヒートパイプのもう一端は比較的温度の低い場所に接触しているので、気体は比較的低い温度のもう一端に到達した時、凝縮し始める。この時、熱量は、気体がウィック、作動液、金属管壁を通ることにより、温度の比較的低い場所に伝わり、そのためヒートパイプの比較的温度の低い部分は凝縮部と呼ばれ、凝縮部内においては、先ず蒸発部で蒸発した気体が凝縮され液体となり、この凝縮後の液体は、毛管現象の作用により凝縮部から蒸発部へと戻っていく。このように流体は絶えず循環し、これがヒートパイプの伝熱原理であり、熱量は高温の場所から低温の場所へと伝わっていく。

ヒートパイプの優れている点は多く、主には、ヒートパイプの構造上、および原理上具有する独特の性能によるものであり、構造上から見ると、ヒートパイプは中空の管であり、同体積の金属棒と比べると大いに軽く、外観は単純であり、これを他の器械と連用した時、装置の構造上における多くの不都合を無くすことができ、また、封止された管であり、作動液を添加する必要はなく、可動する部品はないので、磨耗することはなく、それによりヒートパイプは耐久性を持ち、無騒音であり、原理上から見れば、ヒートパイプ内部の蒸発、および凝縮現象により、高効率で等温に近い熱伝導性能を具有している。

このほか、毛管現象の応用により、ヒートパイプ内部の流体は外部の力の作用によらなくても無重力状態の下において循環させ続けることができ、このようにヒートパイプには多くの優れた点があるために、放熱器との組み合わせに広く応用されており、日々増加している電子製品の使用効果を高めている。

図１，２は公知構造による放熱モジュールであり、図に示すように、複数の放熱フィン、ベース板、およびヒートパイプによって構成されており、前記複数の放熱フィン上には貫通孔が設けられており、放熱フィンを配列した後、前記Ｕ字型に形成したヒートパイプが放熱フィン上の貫通孔に貫通されており、ヒートパイプと放熱フィンが結合され、さらに複数の放熱フィンの下方、およびベース板上に半田が塗られ、ベース板とヒートパイプとが接合されており、さらに前記ベース板の面積は複数の放熱フィンによって構成される接合表面部分より大きいか、あるいは同等である。

また、上述の公知構造による放熱モジュールは下記のように二種類に分けられる。

（１）放熱フィンの材料はアルミ金属であり、ベース板の材料は銅金属であり、二者を溶接する前に放熱フィンはニッケルメッキが必要である。
（２）放熱フィンとベース板の材料は共に銅金属であり、二者は直接溶接される。

上述の公知構造は実施上問題があり、（１）の放熱モジュールの放熱フィンとベース板は異なる材料であり、さらに半田によって接合しており、二種類の異なる材料の伝導速度の違いにより、熱伝導効率を悪くしており、さらに一層の媒質、つまり半田によっての接合により、放熱効果に影響を与えており、さらに材料がアルミである放熱フィンとベース板を接合する前に、ニッケルメッキ処理をする必要があり、製造コストを引き上げており、同時に良品率が下がってしまう。

（２）の放熱モジュールは、媒質、つまり半田によって放熱効果が下がる以外に、ベース板が銅金属で、体積が比較的大きいために、放熱モジュールの重量が過重になってしまい、さらに銅質の放熱フィンにより、全体の重量がアルミ金属製のものと比べて６００〜７００ｇ重くなり、実用的ではない。

以上の公知構造の欠点を解決するために、本発明の発明者は、研究と改良を重ね、ついに本案件の発明に成功した。
特公平５−５５８０号公報

前記公知構造の欠点を解決するために、本発明の主な目的は、ベース板とヒートパイプを直接接合し、ベース板と複数の放熱フィンを接合する必要を無くし、放熱モジュールの製造工程を簡単にすることによって、良品率を高め、生産コストを下げることである。

本発明のもう一つの目的は、同一の材質のベース板とヒートパイプを接合し、熱伝導率を高めた放熱モジュールの構造を提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、ベース板の面積を複数の放熱フィンによって構成される表面部分の面積よりも小さくし、放熱モジュールの重量、およびコストを下げることである。

前記課題を解決するために、
請求項１の発明は、放熱モジュールの製造方法であって、
（Ａ）複数のアルミニウム製放熱フィンに銅製のヒートパイプ貫通孔を設けると共に該貫通孔の片側にフィンとフィンの間に一定の間隔を持たせるための突出した環縁を形成し、
（Ｂ）該複数の放熱フィンを平行に配列し、
（Ｃ）銅製のＵ字型ヒートパイプの一方を該複数の放熱フィンに上記環縁により一定の間隔を持たせて垂直に該貫通孔を貫通して固定し、
（Ｄ）ヒートパイプに対応する凹溝を形成した銅製ベース板を該複数の放熱フィンの配列に垂直に配置して該凹溝内に該ヒートパイプのＵ字型の他方を半田、金、或いは銀などのロウ材によって直接接合する
工程からなることを特徴とする放熱モジュールの製造方法である。

前記工程（Ｄ）におけるベース板とヒートパイプ間は、接合物質によって接合することを特徴とする。

前記接合物質の材料は、半田、金、あるいは銀からなるロウ材であることを特徴とする。

前記複数の放熱フィンの材料はアルミであり、前記ベース板とヒートパイプの材料は銅であることを特徴とする。

請求項２の発明は、放熱モジュールの構造において、
複数のアルミニウム製放熱フィンと、複数のＵ字型銅製ヒートパイプと、複数の銅製ベース板とから構成され、
前記放熱フィンには、銅製ヒートパイプ貫通孔を設けると共にその片側にフィンとフィンの間に一定の間隔を持たせるための突出した環縁を形成し、
前記ヒートパイプは、該Ｕ字型の一方を貫通孔を貫通してこれら複数の放熱フィンに環縁による一定の間隔を保持して放熱フィンを配列し、
前記ベース板は、銅製ヒートパイプ収容凹溝を設けて該銅製ヒートパイプのＵ字型の他方を該収容溝内にろう材により直接接合され、
ベース板から該ろう材による接合を介してヒートパイプに熱を伝導して前記複数の放熱フィンによって放熱させるようにしてなることを特徴とする放熱モジュールである。

前記ベース板の面積は、複数の放熱フィンで構成される表面部分よりも小さいことを特徴とする。

前記複数の放熱フィンの材料は、アルミであり、前記ヒートパイプとベース板の材料は銅であることを特徴とする。

前記複数の放熱フィンで構成される表面部分には下部凹部が設けられており、ベース板を嵌入するのに用いられることを特徴とする。

前記ヒートパイプには、少なくとも一つの湾曲部が設けられていることを特徴とする。

前記ヒートパイプは複数であることを特徴とする。

前記ベース板とヒートパイプ間は、接合物質によって接合されていることを特徴とする。

前記接合物質は、半田、金、あるいは銀からなるロウ材であることを特徴とする。

ベース板を公知構造のものよりも小さくしたために、重量を公知構造のものよりも軽くすることができ、またベース板とヒートパイプを接合しており、複数の放熱フィンと接合する必要がないので、複数の放熱フィンを接合する前に行う、ニッケルメッキ処理の工程を省くことができ、製造工程を簡単にすることができ、良品率を高めることができ、製造コストも大幅に下げることができた。

本発明の目的、その構造、および機能上の特性を比較的好適な実施例として図に沿って説明する。

図３，４，５は本発明の第一の比較的好適な実施例であり、図に示す放熱モジュールの構造においては、少なくとも、複数の放熱フィン２１、ヒートパイプ２２、ベース板２３によって構成されており、前記複数の放熱フィン２１には同軸の上部貫通孔２１１、および同軸の下部貫通孔２１２が設けられており、その孔縁部の片側には凸出した環縁２１１１，２１２１が設けられており、平行に配列されたフィンとフィンの間には環縁２１１１，２１２１の幅の流道２１３が開けられており、気体が流動し、前記上部貫通孔２１１、および下部貫通孔２１２は通道を形成しており、前記ヒートパイプ２２は複数本であり、それぞれ少なくとも一つの湾曲部２２１を持つＵ字型をしており、ヒートパイプ２２の両端はそれぞれ複数の放熱フィン２１に設けられた上部貫通孔２１１、および下部貫通孔２１２によって形成された通道に貫通しており、それにより複数の放熱フィン２１とヒートパイプ２２は接合されており、前記ベース板２３はヒートパイプ２２と同一の材料であり、
その片面は平面であり、もう一方の面には窪んだ凹溝が設けられており、さらに半田、金、あるいは銀等の熱伝導性の優れた接合物質によって、ベース板２３の凹溝の一面とヒートパイプ２２は接合されており、さらに前記ベース板２３は複数の放熱フィン２１によって構成される表面部分に接触しており、さらに前記ベース板２３の面積は複数の放熱フィン２１によって構成される表面部分より小さい。

前記複数の放熱フィン２１によって構成される表面部分には局部的に下部凹部２１４が設けられており、下部貫通孔２１２に貫通している前記ヒートパイプ２２は局部的に露出し、ベース板２３とヒートパイプ２２と接合しており、さらにベース板２３は下部凹部２１４の場所に嵌入しており、さらに前記複数の放熱フィン２１の材料はアルミであり、前記ベース板２３とヒートパイプ２２の材料は銅であり、ベース板２３とヒートパイプ２２の材料は共に同一である銅であるので、熱は素早く伝導され、さらに複数の放熱フィン２１によって放熱される。

上述の放熱モジュールの製造方法を下記に示す。
（Ａ）複数の放熱フィン２１上にそれぞれ分けて同軸の上部貫通孔２１１、下部貫通孔２１２を設け、前記貫通孔２１１，２１２の片側には凸出した環縁２１１１，２１２１を形成する。
（Ｂ）複数の放熱フィン２１は平行に配列し、フィンとフィンの間には環縁２１１１，２１２１の幅を持たせ、さらに前記複数の放熱フィン２１の貫通孔２１１，２１２は通道を形成する。
（Ｃ）ヒートパイプ２２は前記貫通孔２１１，２１２を経由し、前記通道内に貫通させ、前記複数の放熱フィン２１とヒートパイプ２２を固定する。
（Ｄ）前記ヒートパイプ２２と同一の材料であるベース板２３を前記ヒートパイプ２２に接続する。

さらにベース板２３を公知構造のものよりも小さくしたために、重量を公知構造のものよりも軽くすることができ、またベース板２３とヒートパイプ２２を接合しており、複数の放熱フィン２１と接合する必要はないので、複数の放熱フィン２１を接合する前に行う、ニッケルメッキ処理の工程を省くことができ、製造工程を簡単にすることができ、良品率を高めることができ、製造コストも大幅に下げることができる。

図６，７，８は本発明の第二の比較的好適な実施例を示すものであり、全体の構造、機能、実施状態は、前述の実施例と同様であるが、異なる点として、ベース板３３は両面が平面であり、さらに側面から貫通孔３３１が設けられており、前記複数の放熱フィン２１には上部貫通孔２１１が設けられており、複数の放熱フィン２１の表面部分には凹溝３１２が設けられており、ヒートパイプ２２の一部分は前記複数の放熱フィン２１に設けられた上部貫通孔２１１を貫通しており、一部分は前記複数の放熱フィン２１の凹溝３１２に嵌入しており、凹溝３１２に嵌入している部分のヒートパイプ２２は半分露出した状態であり、さらにベース板３３に設けられている貫通孔３３１に貫通しており、それによりヒートパイプ２２とベース板３３は接合している。

図９，１０，１１は本発明の第三の比較的好適な実施例を示すものであり、全体の構造、機能、実施状態は、前述の実施例と同様であるが、異なる点として、ヒートパイプ４３は二つの湾曲部４３１を具有しており、Ｓ字型を呈しており、パイプ上段４３２、パイプ中段４３３、パイプ下段４３４を形成しており、複数の放熱フィンは二組になっており、前記第一組の複数の放熱フィン４１には、貫通孔４１１と凹溝４１２が設けられており、さらに前記貫通孔４１１の片側には凸出した環縁４１１１が形成されており、平行に配列する第一組の複数の放熱フィン４１間に環縁４１１１の幅の流道を形成させており、前記第二組の複数の放熱フィン４２には、貫通孔４２１と凹溝４２２、および下部凹部４２３が設けられており、さらに前記貫通孔４２１の片側には凸出した環縁４２１１が形成されており、平行に配列する第二組の複数の放熱フィン４２間に環縁４２１１の幅の流道を形成させており、前記ヒートパイプ４３のパイプ上段４２２は第一組の複数の放熱フィン４１における貫通孔４１１に貫通しており、前記第一組の複数の放熱フィン４１における凹溝４１２はヒートパイプ４３のパイプ中段４３３上半部に嵌合しており、ヒートパイプ４３のパイプ下段４３４は第二組の複数の放熱フィン４２に設けられている貫通孔４２１に貫通しており、前記第二組の複数の放熱フィン４２における凹溝４２２はヒートパイプ４３のパイプ中段４３３下半部を嵌合しており、前記第一組の複数の放熱フィン４１と第二組の複数の放熱フィン４２はヒートパイプ４３と接合しており、さらに前記ヒートパイプ４３のパイプ下段４３４は第二組の複数の放熱フィン４２における下部凹部４２３において、局部的に露出し、ベース板２３とヒートパイプ４３とが接合されている。

上記実施の形態は、単に本発明の比較的好適な実施例であり、本発明における方法、形状、構造、装置を利用した各種の変化等も本発明の権利範囲内に含まれる。

公知構造による放熱モジュールの分解図である。公知構造による放熱モジュールの組立後の斜視図である。本発明の第一の比較的好適な実施例における分解図である。本発明の第一の比較的好適な実施例における組立後の斜視図である。本発明の第一の比較的好適な実施例における断面図である。本発明の第二の比較的好適な実施例における分解図である。本発明の第二の比較的好適な実施例における組立後の斜視図である。本発明の第二の比較的好適な実施例における断面図である。本発明の第三の比較的好適な実施例における分解図である。本発明の第三の比較的好適な実施例における組立後の斜視図である。本発明の第三の比較的好適な実施例における断面図である。

符号の説明

１１複数の放熱フィン
１１１貫通孔
１２ベース板
１３ヒートパイプ
２１複数の放熱フィン
２１１上部貫通孔
２１１１環縁
２１２下部貫通孔
２１２１環縁
２１３流道
２１４下部凹部
２２ヒートパイプ
２２１湾曲部
２３ベース板
３３ベース板
３３１貫通孔
３１２凹溝
４１第一組の複数の放熱フィン
４１１第一組の複数の放熱フィンにおける貫通孔
４１１１第一組の複数の放熱フィンにおける環縁
４１２第一組の複数の放熱フィンにおける凹溝
４２第二組の複数の放熱フィン
４２１第二組の複数の放熱フィンにおける貫通孔
４２１１第二組の複数の放熱フィンにおける環縁
４２２第二組の複数の放熱フィンにおける凹溝
４２３第二組の複数の放熱フィンおける下部凹部
４３ヒートパイプ
４３１湾曲部
４３２パイプ上段
４３３パイプ中段
４３４パイプ下段

Claims

放熱モジュールの製造方法であって、
（Ａ）複数のアルミニウム製放熱フィンに銅製のヒートパイプ貫通孔を設けると共に該貫通孔の片側にフィンとフィンの間に一定の間隔を持たせるための突出した環縁を形成し、
（Ｂ）該複数の放熱フィンを平行に配列し、
（Ｃ）銅製のＵ字型ヒートパイプの一方を該複数の放熱フィンに上記環縁により一定の間隔を持たせて垂直に該貫通孔を貫通して固定し、
（Ｄ）ヒートパイプに対応する凹溝を形成した銅製ベース板を該複数の放熱フィンの配列に垂直に配置して該凹溝内に該ヒートパイプのＵ字型の他方を半田、金、或いは銀などのロウ材によって直接接合する
工程からなることを特徴とする放熱モジュールの製造方法。
放熱モジュールの構造において、
複数のアルミニウム製放熱フィンと、複数のＵ字型銅製ヒートパイプと、複数の銅製ベース板とから構成され、
前記放熱フィンには、銅製ヒートパイプ貫通孔を設けると共にその片側にフィンとフィンの間に一定の間隔を持たせるための突出した環縁を形成し、
前記ヒートパイプは、該Ｕ字型の一方を貫通孔を貫通してこれら複数の放熱フィンに環縁による一定の間隔を保持して放熱フィンを配列し、
前記ベース板は、銅製ヒートパイプ収容凹溝を設けて該銅製ヒートパイプのＵ字型の他方を該収容溝内にろう材により直接接合され、
ベース板から該ろう材による接合を介してヒートパイプに熱を伝導して前記複数の放熱フィンによって放熱させるようにしてなることを特徴とする放熱モジュール。
前記ベース板の面積は、複数の放熱フィンで構成される表面部分よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の放熱モジュールの構造。
前記複数の放熱フィンで構成される表面部分には下部凹部が設けられてベース板を嵌入する箇所を構成しており、また、前記ヒートパイプには、少なくとも一つの湾曲部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の放熱モジュールの構造。
前記ベース板とヒートパイプ間の接合は、半田、金、或いは銀などのロウ材料からなる接合物質によって接続されていることを特徴とする請求項２に記載の放熱モジュールの構造。