JP2000124374A - 板型ヒートパイプとそれを用いた冷却構造 - Google Patents

板型ヒートパイプとそれを用いた冷却構造

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匡視 池田
Masaaki Yamamoto
雅章 山本
Tatsuhiko Ueki
達彦 植木
Takeshi Sasaki
健 佐々木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気・電子部品の発熱による損傷を未然
に防ぐ放熱装置に適したヒートパイプの開発。 【解決手段】 本発明は、板型コンテナの空洞部内に当
該コンテナの吸熱面と放熱面の両内壁に接合する伝熱ブ
ロックを設け、該伝熱ブロックの側壁から放熱面内壁に
沿ってウィックが配置され、該ウィックと前記伝熱ブロ
ックとは位置決め部材により密接されている板型ヒート
パイプである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子等の電気
・電子部品の冷却に好適な板型ヒートパイプに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】パソコン等の各種機器や電力設備等の電
気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電気・電
子部品は、使用時にある程度発熱する。この発熱により
電気・電子部品が過度に加熱されると、その性能が低下
し、あるいは寿命が短縮されることになる。加えて近年
は、パソコン等に代表される電気機器の小型化が進んで
きているため、それらに搭載される電気・電子部品の優
れた冷却技術の開発が急務となってきている。
【０００３】冷却を必要とする電気・電子素子（以下、
被冷却部品という）を冷却する方法の一つとして、例え
ば空冷式、即ちそれらが搭載される電気機器の筐体にフ
ァン等を取り付け、その筐体内の雰囲気を冷やすことで
被冷却部品の過度な温度上昇を防ぐ方法がある。この方
法は特に比較的大型の電気機器においては有効である
が、小型の機器には不向きである。上述したような空冷
式の他に近年、被冷却部品にヒートシンクやフィン等を
接続し、そのヒートシンクを経由して熱を放散する方法
が多用化され、特に、ヒートシンクまたはフィンと被冷
却部品との間にヒートパイプを介在させた冷却方式が開
発され、放熱効果の向上を図っている。また、そのヒー
トシンクやフィン等に電動ファンで送風し、一層高い冷
却効率を実現させる技術も開発されている。
【０００４】ヒートパイプとは密封された空洞部を備
え、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動で
熱を輸送させるようになっている。ヒートパイプとして
は、パイプ状のものが広く実用化されているが、最近で
は、板型の形状のヒートパイプも注目されだしている。
板型のヒートパイプは平面型ヒートパイプ、あるいは平
板型ヒートパイプ等と呼称されることもあるが、この板
型ヒートパイプはその形状から被冷却素子と広い面積で
接触させることができ、効率的に被冷却素子を冷却でき
る等の利点を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように板型ヒ
ートパイプは、その広い吸熱面で被冷却部品と接触させ
効率よく冷却するという利点があり、理想的には作動流
体の還流をより確実にするために、ボトムヒートモード
（吸熱側を放熱側より下方に位置させて使用する形態）
で使用することが望ましい。そこで望ましい実装構造と
して、板型ヒートパイプの吸熱面が下向きになるように
配置し、その下側の吸熱面に被冷却部品を接触させ、上
側の放熱面にヒートシンクを取り付ける構造が最も理想
的である。このようにすれば、下側が吸熱面となり、ヒ
ートシンクが取り付けられた上側が放熱面となりボトム
ヒートモードとなる。
【０００６】しかしながら、近年はコンピューター等の
小型化が進み、被冷却部品が搭載された電気・電子機器
も定置型から携帯型と対象が広がってきている。特に小
型のコンピューター等の場合、それがある程度傾けられ
て使用される場合も想定される。このような事情から、
吸熱面が放熱面より下方に位置していない場合、即ち吸
熱面と放熱面とが逆転している場合（このような形態を
トップヒートモードという）においても優れた性能が維
持できる板型ヒートパイプが広く求められていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の事情等に
鑑み、トップヒートモードになっても優れた性能が維持
できる板型ヒートパイプを開発すべくなされたものであ
る。その板型ヒートパイプは、板型コンテナの空洞部内
に当該コンテナの吸熱面と放熱面の両内壁に接合する伝
熱ブロックを設け、該伝熱ブロックの側壁から放熱面内
壁に沿ってウィックが配置され、該ウィックと前記伝熱
ブロックとは位置決め部材により密接されていることを
特徴とするものである。また、前記コンテナの吸熱面に
は一つまたは複数の凹部を形成し、前記伝熱ブロックの
少なくとも一つをその凹部に位置決め部材と共に装着
し、前記ウィックと前記伝熱ブロックとを密接されるよ
うに構成すると良い。本発明は、更に、上記本発明の板
型ヒートパイプを、被冷却部品が実装された基板に相対
して配置し、被冷却部品と板型ヒートパイプとを熱的に
接続し、被冷却部品を冷却する板型ヒートパイプを用い
た冷却構造をも提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は本発明の板型ヒートパイプ
の一実施形態を模式的に示したものである。図におい
て、１は板型ヒートパイプＡを構成するコンテナで、該
コンテナ１は吸熱面２と、放熱面３とからなり、銅材や
アルミニウム材等の熱伝導性に優れる材質で成形されて
いる。コンテナ１を成形する銅材としてはＪＩＳ規格Ｃ
１０２０、Ｃ１１００等の銅合金材を、アルミニウム材
としては同じくＪＩＳ規格Ａ１１００、Ａ３０００系、
Ａ５０００系、Ａ６０００系等のアルミニウム合金材を
使用するとよい。６は伝熱ブロックで、コンテナ１の空
洞部４に配置され、コンテナ１の吸熱面２と放熱面３の
それぞれの内壁に接して設けられている。伝熱ブロック
６は被冷却部品の発生する熱を効率よく板状ヒートパイ
プＡに伝達するために設けるもので、従って、該伝熱ブ
ロック６をコンテナ１の吸熱面２および放熱面３に接合
しておくことで、これらの接合部分の熱抵抗がより小さ
くでき放熱効果は向上する。
【０００９】７はウィックで、該ウィック７はコンテナ
１の放熱面３内壁に沿って配置され、伝熱ブロック６の
側壁を辿るようにコンテナ１の吸熱面２の内壁まで延
び、その先端部は吸熱面２の内壁に接触するように配置
されている。このように配置すると、ウィック７とそれ
ぞれの内壁および側壁との熱抵抗が小さい状態で接続す
ることができる。なお、ウィック７の先端部を吸熱面２
の内壁に金属接合しても良い。金属接合すれば、これら
の間の熱抵抗は一層小さくなる。
【００１０】コンテナ１の空洞部４には図示しない作動
流体が適量収容されている。作動流体としては、水、代
替フロン、フロリナート、アンモニア、アルコール、ア
セトン等が使用できる。作動流体の選定に当たってはコ
ンテナ材料との適合性を考慮して決める必要がある。１
１、１２、１３は吸熱面２に設けた凹部で、該凹部は後
述するように被冷却部品の発熱容量等により使い分けら
れる大きさと、深さ（高さ）を有するものである。９は
位置決め部材で、該位置決め部材９は吸熱面２に設けた
凹部１１に設置した伝熱ブロック６とウィック７との接
触状態を改善するために設けるもので、弾性を有する金
属等で構成され、伝熱ブロック６をウィック７方向へ押
圧して両者が良好に接触（密接）するように圧力をかけ
る作用をさせるものである。このように、伝熱ブロック
６とウィック７とを密接させることにより被冷却部品か
らの熱を効率よく熱移動することが可能となる。
【００１１】なお、図中１２、１３は吸熱面２に設けた
凹部で、該凹部１２は伝熱ブロック６とウィック７とが
設置できる大きさに形成されており、伝熱ブロック６と
ウィック７とが設置される。被冷却部品の発熱容量がそ
れほど大きくない場合には位置決め部材を省略しても、
熱移動が充分であるため、そのような被冷却部品の放熱
には位置決め部材を省略することができる。また、凹部
１３には伝熱ブロック６の配置を省略している。被冷却
部品からの発熱が小さいようなところでは、伝熱ブロッ
ク６を省略しても、ヒートパイプ機能のみで充分に冷却
効果が果たせるためである。
【００１２】図２は本発明板型ヒートパイプＡを実際に
基板に実装した被冷却部品の冷却に組み込んだ状態を示
す模式図で、図において、２１は基板で、該基板２１に
は半導体等の被冷却部品２２、２３、２４が実装されて
いる。基板２１に実装された半導体等の被冷却部品とう
しは、発熱容量が大きい部品２２、中程度の部品２３、
小さい部品２４をそれぞれ想定して示している（図２で
はそれぞれ１つづつ示してある）。板型ヒートパイプＡ
の吸熱面２はそれぞれの被冷却部品の熱容量、大きさ、
高さ等に合わせて凹部１１、１２、１３が設けられ、各
々の凹部には、被冷却部品の熱容量に合わせて、凹部１
１には伝熱ブロック６、ウィック７、位置決め部材９
が、凹部１２には伝熱ブロック６とウィック７をセット
し、凹部１３は空洞の状態としてある。なお、図中２６
は放熱フィンである。
【００１３】図２に示すように板型ヒートパイプＡを基
板２１に実装した被冷却部品２２、２３、２４を冷却す
るように配置し、被冷却部品を稼働させると、被冷却部
品２２、２３、２４の温度が上昇する。最も発熱量の大
きい被冷却部品２２の熱は吸熱面２からヒートパイプの
作動と、被冷却部品２２と重なる位置に配置してある伝
熱ブロック６を伝わって、板型ヒートパイプＡの放熱面
３に伝わり、その熱が概ねフィン２６を経て外部に放出
され、被冷却部品２２は冷却される。凹部１１には伝熱
ブロック６とウィック７との接触面を押圧する位置決め
部材９が設けられているため、伝熱ブロック６にウィッ
ク７が密接し作動液の蒸発面積が拡大する。このため熱
伝達率がより向上し、多くの熱を放熱することができ
る。
【００１４】また、図示するように、ボトムヒートモー
ドで使用する場合には、板型ヒートパイプ１内の作動流
体は、重力作用による還流とウィック７による毛細管作
用によって、作動流体の還流は維持される。一方、使用
状態によっては大きく傾いたりしてトップヒートモード
になる場合もあるが、かかる場合においても、ウィック
７による毛細管作用によって、作動流体の還流は維持さ
れ、被冷却部品の冷却は良好になされる。特にウィック
７が被冷却部品２２が取り付けられる吸熱面の内壁にも
接触または接合しているので、作動流体の還流はより確
実になる。
【００１５】発熱量が中程度の被冷却部品２３の熱は吸
熱面２からヒートパイプの作動と、被冷却部品２３と重
なる位置に配置してある伝熱ブロック６を伝わって、板
型ヒートパイプＡの放熱面３に伝わり、その熱が概ねフ
ィン２６を経て外部に放出され、被冷却部品２３は冷却
される。凹部１２には伝熱ブロック６とウィック７とが
設けられ、位置決め部材は設けられていないため、伝熱
ブロック６とウィック７との接合具合はやや緩やかにな
り熱伝達率がやや低下するが、それでも多くの熱を放熱
することができるため、中程度の発熱量の被冷却部品２
３に適した冷却効果がある。また、図示するように、ボ
トムヒートモードで使用する場合には、板型ヒートパイ
プＡ内の作動流体は、重力作用による還流とウィック７
による毛細管作用によって、作動流体の還流は維持され
る。一方、トップヒートモードにでの使用となる場合に
おいても、ウィック７による毛細管作用によって、作動
流体の還流は維持され、被冷却部品の冷却は良好になさ
れることは前述したとおりである。
【００１６】発熱量が小さい被冷却部品２４の熱は吸熱
面２からヒートパイプの作動によって放熱面３に伝わ
り、その熱はフィン２６を経て外部に放出され、被冷却
部品２４は冷却される。なお、トップヒートモードにな
った場合でも板型ヒートパイプのコンテナを通じて熱が
伝達されるため、小容量の熱は放熱することができ、被
冷却部品２４は冷却され続ける。
【００１７】図３は位置決め部材９の一実施例を示すも
ので、バネ性のある金属を折り曲げて反発力を強めた形
状に仕上げてある。このような位置決め部材９を、図２
に示すようにコンテナの平面と伝熱ブロック６との間に
装着して伝熱ブロック６をウィック７方向へ押圧し、伝
熱ブロック６とウィック７とを密着させる。
【００１８】図２において、位置決め部材９を設けた凹
部１１部分の熱抵抗と、位置決め部材９を設けない凹部
１２部分の熱抵抗とを測定した結果、凹部１２では０．
０４５Ｋ／Ｗであったのに比べ、凹部１１では０．０９
０Ｋ／Ｗと倍増していた。このように、位置決め部材９
により伝熱ブロックとウィックとを密接させることによ
り熱伝達効率を著しく向上することができる。
【００１９】
【発明の効果】以上のように本発明の板型ヒートパイプ
は、位置決め部材を配置することにより伝熱効果が著し
く向上し、伝熱ブロックとウィックとの組み合わせによ
りトップヒートモードでも優れた性能を維持できるもの
である。このため本発明の板型ヒートパイプを例えば冷
却すべき半導体素子等の被冷却部品が搭載される電気・
電子機器に用いれば、その冷却効果は優れたものとな
り、例えその機器が傾けられて使用される（トップヒー
トモード）場合等においても優れた冷却性能が維持でき
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる板型ヒートパイプの位置実施形
態を示す断面模式図である。
【図２】本発明に係わる板型ヒートパイプを使用した例
を示す説明図である。
【図３】位置決め部材を示す斜視図である。
【符号の説明】
Ａ 板型ヒートパイプ １ コンテナ ２ 吸熱面 ３ 放熱面 ４ 空洞 ６ 伝熱ブロック ７ ウィック ９ 位置決め部材 １１ 凹部 １２ 凹部 １３ 凹部 ２１ 基板 ２２ 被冷却部品 ２３ 被冷却部品 ２４ 被冷却部品
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 健 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB60 BC33

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 板型コンテナの空洞部内に当該コンテナ
    の吸熱面と放熱面の両内壁に接合する伝熱ブロックを設
    け、該伝熱ブロックの側壁から放熱面内壁に沿ってウィ
    ックが配置され、該ウィックと前記伝熱ブロックとは位
    置決め部材により密接されていることを特徴とする板型
    ヒートパイプ。
  2. 【請求項２】 前記コンテナの吸熱面には一つまたは複
    数の凹部が形成されており、前記伝熱ブロックの少なく
    とも一つはその凹部に位置決め部材と共に装着されてい
    る請求項１に記載の板型ヒートパイプ。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の板型ヒートパ
    イプを、被冷却部品が実装された基板に相対して配置
    し、被冷却部品と板型ヒートパイプとを熱的に接続して
    なることを特徴とする請求項１または２に記載の板型ヒ
    ートパイプを用いた冷却構造。
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