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公開番号2021076297
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210520
出願番号2019203145
出願日20191108
発明の名称熱伝導部材
出願人日本電産株式会社,超しゅう科技股ふん有限公司,Chaun-Choung Technology Corp.
代理人個人
主分類F28D 15/02 20060101AFI20210423BHJP(熱交換一般)
要約【課題】低コストで製造できる熱伝導部材を提供する。
【解決手段】熱伝導部材1は、内部に密閉空間2aが形成されている筐体2と、前記密閉空間2aに配置されるウィック構造体3と、前記密閉空間2aに封入される作動液とを備える。前記筐体2は、1又は複数の金属板4と、前記金属板4を繋ぎ合わせる接合構造5とを有する。前記接合構造5は、積層した2層の金属板層5aと、前記2層の金属板層5aの境界部5bとを有する。前記境界部5bは、前記2層の金属板層5aに跨って存在する結晶粒CPにより構成される第1領域A1を有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
内部に密閉空間が形成されている筐体と、
前記密閉空間に配置されるウィック構造体と、
前記密閉空間に封入される作動液と
を備える熱伝導部材であって、
前記筐体は、1又は複数の金属板と、前記金属板を繋ぎ合わせる接合構造とを有し、
前記接合構造は、積層した2層の金属板層と、前記2層の金属板層の境界部とを有し、
前記境界部は、前記2層の金属板層に跨って存在する結晶粒により構成される第1領域を有する、熱伝導部材。
続きを表示(約 690 文字)【請求項2】
前記境界部は、前記2層の金属板層間の界面により構成される第2領域を更に有する、請求項1に記載の熱伝導部材。
【請求項3】
前記接合構造から無作為に選択された10箇所において前記境界部の1mmの範囲を断面観察した際に、全ての前記境界部は、前記第1領域と、前記第2領域とが交互に存在している、請求項2に記載の熱伝導部材。
【請求項4】
前記境界部は、平面視した際に、不連続相として存在する前記第1領域と、連続相として存在する前記第2領域とにより構成される海島構造を有する、請求項2又は3に記載の熱伝導部材。
【請求項5】
前記接合構造から無作為に選択された10箇所において前記境界部の1mmの範囲を断面観察した際に、前記境界部に含まれる前記第1領域の個数の平均値は、10.0個以上20.0個以下である、請求項1〜4の何れかに記載の熱伝導部材。
【請求項6】
前記接合構造から無作為に選択された10箇所において前記境界部の1mmの範囲を断面観察した際に、前記境界部に含まれる前記第1領域の合計長さの平均値は、0.05mm以上0.95mm以下である、請求項1〜5の何れかに記載の熱伝導部材。
【請求項7】
前記筐体は、筒状であり、
ヒートパイプとして用いられる、請求項1〜6の何れかに記載の熱伝導部材。
【請求項8】
前記筐体は、対向して配設される2枚の前記金属板により構成され、
ベーパチャンバーとして用いられる、請求項1〜6の何れかに記載の熱伝導部材。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、熱伝導部材に関する。
続きを表示(約 7,200 文字)【背景技術】
【0002】
従来、作動液を用いた熱伝導部材として、例えば、ベーパチャンバー及びヒートパイプが知られている。従来の一方の板状体と該一方の板状体と対向する他方の板状体とにより空洞部が形成されたコンテナと、空洞部に封入された作動液と、空洞部に収容されたガラスファイバを備えるウィック構造体とを備える(例えば、特許文献1)。
【0003】
従来のヒートパイプは、作動液が封入された長尺状のコンテナと、コンテナの内壁に接触し、かつ蒸気流路に面する第1ウィックと、コンテナの長手方向に延びる空間を内部に有する第2ウィックとを備える(例えば、特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2019−82264号公報
特開2018−204941号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来のベーパチャンバー及びヒートパイプは、内部に密閉空間が形成されている筐体を備える。このような筐体は、通常、拡散接合又はロウ付けにより1又は複数の金属板(例えば、銅板)を繋ぎ合わせることで形成される。ここで、拡散接合又はロウ付けは、特殊な設備を必要とし、かつ高温高圧での処理を長時間行う必要があるため、製造コストを増大させる要因となる可能性がある。そのため、拡散接合又はロウ付けにより形成された筐体を備える熱伝導部材は、製造コストが高くなる可能性がある。
【0006】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで製造できる熱伝導部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の例示的な熱伝導部材は、内部に密閉空間が形成されている筐体と、前記密閉空間に配置されるウィック構造体と、密閉空間に封入される作動液とを備える。前記筐体は、1又は複数の金属板と、前記金属板を繋ぎ合わせる接合構造とを有する。前記接合構造は、積層した2層の金属板層と、前記2層の金属板層の境界部とを有する。前記境界部は、前記2層の金属板層に跨って存在する結晶粒により構成される第1領域を有する。
【発明の効果】
【0008】
例示的な本発明は、低コストで製造できる熱伝導部材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1は、本発明の実施形態に係る熱伝導部材の一例の模式図である。
図2は、図1の断面線II−IIに沿った断面図である。
図3は、接合していない2層の金属板層を示す模式図である。
図4は、ロウ付けにより形成された接合構造を示す模式図である。
図5は、拡散接合により形成された接合構造を示す模式図である。
図6は、図2における境界部の平面構造を示す模式図である。
図7は、本発明の実施形態に係る熱伝導部材の変形例の模式図である。
図8は、実施例で行った試験を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を適宜参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。図中の寸法、形状及び構成要素間の大小関係は、実際の寸法、形状及び構成要素間の大小関係とは必ずしも同一ではない。特に、図中の筐体及びウィック構造体の厚さ及び曲率は、実物の筐体及びウィック構造体の厚さ及び曲率と大きく異なる場合がある。
【0011】
<熱伝導部材>
本発明の実施形態に係る熱伝導部材は、内部に密閉空間が形成されている筐体と、密閉空間に配置されるウィック構造体と、密閉空間に封入される作動液とを備える。筐体は、1又は複数の金属板と、金属板を繋ぎ合わせる接合構造とを有する。接合構造は、積層した2層の金属板層と、2層の金属板層の境界部とを有する。境界部は、2層の金属板層に跨って存在する結晶粒により構成される第1領域を有する。
【0012】
本実施形態に係る熱伝導部材は、以下の原理により熱伝導を行う。まず、本実施形態に係る熱伝導部材の筐体の一部を加熱すると、加熱された部位(加熱部)で作動液が蒸発する。この際、加熱部は、蒸発潜熱の吸収により冷却される。次に、作動液の蒸発により発生した蒸気は、筐体内を高速移動し、比較的低温の部位(低温部)で凝集する。この際、低温部は、蒸発潜熱の放出により加熱される。次に、凝集した作動液は、毛細管構造を有するウィック構造体に吸着する。次に、ウィック構造体に吸着した作動液は、毛細管現象によって加熱部に還流される。そして、加熱部で作動液が再度蒸発する。以上のサイクルを繰り返すことにより、本実施形態に係る熱伝導部材は、加熱部から冷却部に熱伝導を行う。
【0013】
本実施形態に係る熱伝導部材は、通常の金属板又は金属線よりも効率的に熱伝導を行うことができる。また、本実施形態に係る熱伝導部材は、形状の自由度が高い。そのため、本実施形態に係る熱伝導部材は、例えば、電子機器(特に、スマートフォン及びタブレット端末に代表される小型電子機器)の放熱部材として用いることができる。
【0014】
本実施形態に係る熱伝導部材は、筐体の形成において、ロウ付け又は拡散接合を行う必要がない。詳しくは、本実施形態に係る熱伝導部材の筐体は、後述する緩い条件での加熱加圧により形成できる。そのため、本実施形態に係る熱伝導部材は、低コストで製造できる。
【0015】
境界部は、2層の金属板層間の界面により構成される第2領域を更に有することが好ましい。第2領域を有する境界部は、より緩い条件での加熱及び加圧により形成できる。そのため、境界部に第2領域が形成される条件で筐体を形成することで、本実施形態に係る熱伝導部材をより低コストで製造できる。
【0016】
以下、図面を参照して、本実施形態に係る熱伝導部材の詳細を説明する。図1は、本実施形態に係る熱伝導部材の一例である熱伝導部材1の模式図である。熱伝導部材1は、内部に密閉空間2aが形成されている筐体2と、密閉空間2aに配置されるウィック構造体3と、密閉空間2aに封入される作動液(図示略)とを備える。筐体2は、対向して配設される2枚の金属板4により構成される。筐体2は、2枚の金属板4と、金属板4を繋ぎ合わせる接合構造5とを有する。熱伝導部材1は、ベーパチャンバーとして好適に用いられる。
【0017】
熱伝導部材1の平面形状は、特に限定されず、用途に応じた平面形状(例えば、帯状及び正方形状)を採用できる。熱伝導部材1の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、100μm以上1000μm以下とすることができる。熱伝導部材1の幅としては、特に限定されないが、例えば、5mm以上500mm以下とすることができる。
【0018】
図2は、図1の断面線II−IIに沿った断面図である。図2に示すように、接合構造5は、積層した2層の金属板層5aと、2層の金属板層5aの境界部5bとを有する。2層の金属板層5aは、それぞれ、2枚の金属板4に対応する層である。境界部5bは、2層の金属板層5aに跨って存在する結晶粒CPにより構成される第1領域A1を有する。図2中では、第1領域A1は、少なくとも10個以上存在する。境界部5bは、2層の金属板層5aの界面S(金属組織のズレが確認される面)により構成される第2領域A2を更に有する。図2中では、第2領域A2は、11個存在する。
【0019】
図2に示す接合構造5と、公知の熱伝導部材の筐体が有する接合構造との相違点について説明する。公知の熱伝導部材の筐体は、例えば、ロウ付け又は拡散接合により形成された接合構造を有する。図3は、接合していない2層の金属板層C1及び金属板層C2を示す模式図である。図4は、ロウ付けにより形成された接合構造を示す。図4に示す接合構造は、金属板層C1及び金属板層C2の間に、ロウ材により形成されたロウ材層Bが形成されている。そのため、図4に示す接合構造は、2層の金属板層C1及び金属板層C2が直接積層していない。また、図5は、拡散接合により形成された接合構造を示す。図5に示す接合構造は、金属板層C1及び金属板層C2が完全に一体化することで一層の金属板層Cが形成されている。そのため、図5に示す接合構造は、明確な境界部が確認されない。このように、図2に示す接合構造5は、2層の金属板層5aが直接積層しているという点、及び2層の金属板層5aの間に境界部5bが存在するという点で、公知の熱伝導部材の筐体が有する接合構造と相違する。
【0020】
接合構造5は、以下の方法により形成される。まず、筐体2の材料となる2枚の金属板4を積層した状態で加熱加圧処理する。これにより、2層の金属板層5aの接触箇所では金属組織が徐々に再構成される。仮に、加熱加圧処理において、温度、圧力及び処理時間の全てを一定以上とした場合、2層の金属板層5aは完全に一体化する。この場合、図5に示す接合構造(拡散接合により形成された接合構造)が形成される。しかし、接合構造5の形成では、加熱加圧処理において、2層の金属板層5aが完全に一体化しないように、温度、圧力及び処理時間のうち少なくとも1つを意図的に一定以下に調整する。これにより、接合構造5の形成では、加熱加圧処理において、2層の金属板層5aを部分的に一体化させる。その結果、2層の金属板層5aの間には、金属組織が再構成されて結晶粒CPが新生された領域である第1領域A1と、金属組織が再構成されておらず界面Sが残っている領域である第2領域A2とを有する境界部5bが形成される。このように、接合構造5は、拡散接合と比較して、緩い条件での加熱加圧処理により形成される。
【0021】
本発明者らは、接合構造5を有する筐体2は、境界部5bにおいて2層の金属板層5aが完全に一体化していないにも関わらず、高い密閉性を有していることを発見した。これは、以下の理由によると推察される。まず、境界部5bの第1領域A1は、2層の金属板層5aが完全に一体化している(2層の金属板層5aが強い金属結合で接合されている)ため、当然に流体(例えば、作動液及び作動液の蒸気)の透過を高度に抑制する。また、境界部5bは、第1領域A1が形成される程度の強さの加熱加圧処理により形成される。そのため、境界部5bの第2領域A2は、2層の金属板層5aの間に界面Sが存在するものの、2層の金属板層5aが完全に分離しているわけではない。詳しくは、境界部5bの第2領域A2では、2層の金属板層5aが弱い金属結合で接合されている。そのため、境界部5bの第2領域A2は、流体の透過をある程度抑制する。詳細には、境界部5bの第2領域A2では、2層の金属板層5aの接合は、金属結合に近い接合になっており水及び高温蒸気に対して十分な透過抑制効果がある。このように、境界部5bでは、第1領域A1では流体の透過を高度に抑制し、第2領域A2でも流体の透過をある程度抑制する。そのため、筐体2は、全体として高い密閉性を有する。
【0022】
接合構造5から無作為に選択された10箇所において境界部5bの1mmの範囲を断面観察した際に、全ての境界部5bは、図2に示すように、第1領域A1及び第2領域A2が交互に存在していることが好ましい。このように、接合構造5において第1領域A1及び第2領域A2がミクロレベルで混在していることで、筐体2の密閉性がより向上する。
【0023】
境界部5bは、平面視した際に、不連続相として存在する第1領域A1と、連続相として存在する第2領域A2とにより構成される海島構造を有することが好ましい。以下、このような海島構造について、図6を参照しつつ説明する。図6は、境界部5bの平面構造を示す。図6において、右側は筐体2の密閉空間2a側を示し、左側は筐体2の外側を示す。図6において、境界部5bは、第2領域A2内に複数の第1領域A1が不規則に散在している。図6において、Xは、流体(例えば、作動液及び作動液の蒸気)を示す。矢印は、流体Xの移動方向を示す。図6において、流体Xは、左方向に直進した場合に最短距離で境界部5bを透過することができる。以下、流体Xが筐体2の密閉空間2aから筐体2の外部に移動するための最短の移動方向を第1方向と記載することがある。流体Xは、可能な限り第2領域A2内を第1方向に直進しようとする。しかし、上述の通り、第1領域A1は、流体Xの透過を高度に抑制する。即ち、流体Xは、第1領域A1を実質的に透過することができない。そのため、流体Xが境界部5bを透過しようとする場合、流体Xは、第1領域A1を回避しながら第2領域A2を透過する必要がある。詳しくは、第1方向に移動する流体Xは、第1領域A1に直面すると、第1領域A1を回避するために、第1方向と直行する第2方向(図6では上下方向)への移動を強いられる。そして、流体Xは、第2方向に移動することにより第1領域A1を回避する。その後、流体Xは、再び第1方向に移動する。以上を繰り返すため、流体Xは、境界部5b内を直進せず、屈曲して移動する。その結果、流体Xは、境界部5bを透過する際に、迷路内を移動するかの如く長距離の移動を強いられることとなる。これにより、流体Xは、境界部5bを透過し難い。このように、境界部5bが上述の海島構造を有することで、境界部5bにおける第1領域A1の割合が比較的低いとしても、筐体2が高い密閉性を発揮できる。
【0024】
接合構造5から無作為に選択された10箇所において境界部5bの1mmの範囲を断面観察した際に、境界部5bに含まれる第1領域A1の個数の平均値としては、10.0個以上20.0個以下が好ましい。上述の平均値が10.0個以上20.0個以下であることで、筐体2の密閉性がより向上する。
【0025】
接合構造5から無作為に選択された10箇所において境界部5bの1mmの範囲を断面観察した際に、境界部5bに含まれる第1領域A1の合計長さの平均値としては、0.05mm以上0.95mm以下が好ましい。上述の平均値は、接合構造5の境界部5bにおける第1領域A1の割合を示す。上述の平均値が1.00mmに近づくほど、拡散接合により形成した接合構造に類似していく。上述の平均値が0.05mm以上であることで、筐体2の密閉性がより向上する。上述の平均値が0.95mm以下である接合構造5は、製造が容易である。
【0026】
[筐体]
筐体2は、2枚の金属板4と、2枚の金属板4を繋ぎ合わせる接合構造5とを有する。2枚の金属板4のうち、一方の金属板4は平坦な構造を有する。他方の金属板4は、一方の金属板4から離間する方向に中央部分が窪んでいる。接合構造5は、2枚の金属板4の外縁部を接合している。筐体2は、このような2枚の金属板4が対向して配設されることにより、密閉空間2aが形成されている。密閉空間2aは、金属板4の内面と、接合構造5とによって囲まれている。
【0027】
密閉空間2aは、減圧状態(大気圧よりも気圧が低い状態)であることが好ましい。このように、密閉空間2aが減圧状態であることにより、作動液が蒸発し易くなる。
【0028】
金属板4は、金属を主成分とする板状部材である。金属板4が含む金属としては、例えば、銅、鉄、アルミニウム、亜鉛、銀、金、マグネシウム、マンガン、チタン及びこれらの金属を含む合金(例えば、真鍮、ステンレス及びジュラルミン)が挙げられる。金属板4の厚さとしては、例えば、10μm以上1000μm以下である。金属板4が銅を含む場合(即ち、金属板4が銅板である場合)、金属板4における銅の含有割合としては、60質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましく、99質量%以上が更に好ましい。金属板4における銅の含有割合を60質量%以上とすることで、接合構造5を容易に形成できる。
【0029】
筐体2は、密閉空間2aが圧し潰されないように密閉空間2aを内側から支持する柱状構造体(図示略)を有していてもよい。筐体2が柱状構造体を有することで、筐体2の強度が増大する。柱状構造体は、金属板4に形成された凹凸であってもよい。また、柱状構造体は、金属板4及びウィック構造体3とは別部材であってもよい。また、筐体2は、密閉空間2aで作動液と作動液の蒸気とを隔離する隔壁(図示略)を有していてもよい。
【0030】
[作動液]
作動液は、筐体2の密閉空間2aに封入されている。作動液は、熱伝導部材1の使用環境において蒸発及び凝集する液体であれば特に限定されない。作動液としては、例えば、水、アルコール化合物(例えば、メタノール及びエタノール)、代替フロン、炭化水素化合物、フッ素化炭化水素化合物及びグリコール化合物(例えば、エチレングリコール)が挙げられる。作動液としては、水が好ましい。
(【0031】以降は省略されています)

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