JP2000150749A - ヒートシンク - Google Patents

ヒートシンク

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JP2000150749A
JP2000150749A JP10327250A JP32725098A JP2000150749A JP 2000150749 A JP2000150749 A JP 2000150749A JP 10327250 A JP10327250 A JP 10327250A JP 32725098 A JP32725098 A JP 32725098A JP 2000150749 A JP2000150749 A JP 2000150749A
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JP
Japan
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heat sink
heat
heat transfer
transfer substrate
working fluid
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JP10327250A
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English (en)
Inventor
Masatoshi Ishida
昌敏 石田
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NEC Corp
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 飛躍的に増大した冷却能力を有すると共に、
小型軽量化を達成できるヒートシンクを提供する。 【解決手段】 伝熱基板2とフィン3のそれぞれを中空
にして密封空間4を形成し、この密封空間4に作動流体
5を封入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートシンクに関
し、特に、冷却能力に優れたヒートシンクに関する。
【0002】
【従来の技術】オーディオ用高出力アンプ、パワートラ
ンジスタ、サイリスタ、コンピュータ用CPU等の発熱
体の冷却には、多数の立設したフィンを備える金属製の
ヒートシンクが用いられている。
【0003】図3はこのような発熱体10とヒートシン
ク20の一般的な接着形態を示す斜視図でり、図4は、
従来のヒートシンクの断面図である。ヒートシンク20
は、発熱体10よりも面積の大きな伝熱基板21の一面
側に多数のフィン22が立設し、放熱面積を大きくして
いる。このようなヒートシンク20の伝熱基板21の他
面側が発熱体10と接着される。これにより、発熱体1
0で発生した熱が伝熱基板21に伝達され、更に伝熱基
板21の熱がフィン22に伝達され、自然空冷、あるい
はファンによる空気の強制空冷によりフィン22の熱が
空気で奪われることによるヒートシンク2の熱拡散性に
より、発熱体10を冷却するものである。
【0004】ヒートシンク20は、通常は、熱伝導率の
高い銅やアルミニウムなどの金属体で構成される。発熱
体10の熱をヒートシンク20のフィン22の先端まで
効率良く伝達するためには、フィン22の肉厚を厚くす
る程良いが、放熱の効率を上げるためには表面積を大き
くする必要があり、自ずと適切な肉厚とフィン形状が決
まり、ヒートシンクの性能にも限界が生じる。また、肉
厚を大きくすると、必然的にヒートシンク20は重くな
り、値段も高価なものとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トラン
ジスタやサイリスタなどのデバイスを搭載した電子機器
や電力機器等は、高集積化、大容量化の傾向にあり、発
熱量が増大する傾向にある。
【0006】そのため、これらの電子機器や電力機器の
冷却に用いられるヒートシンクも、従来の放熱能力の限
界を向上し、冷却機能の向上が求められている。また、
近年の電子機器や電力機器の小型軽量化の傾向から、ヒ
ートシンクにも小型軽量化が要請されている。
【0007】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、飛躍的に増大した冷却能力を有すると共に、小型
軽量化を達成できるヒートシンクの提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載のヒートシンクは、発熱体からの熱が
伝達される伝熱基板と前記伝熱基板に立設された複数の
フィンとを有するヒートシンクにおいて、前記伝熱基板
の内部及び前記フィンそれぞれの内部にそれぞれ互いに
連通した空間が設けられ、かつ、これらの連通した空間
が外部から隔離された密封空間として構成され、前記密
封空間内に作動流体が封入されてなる構成としてある。
【0009】このような構成の発明によれば、ヒートシ
ンクの内部をいわゆるヒートパイプ構造にしているた
め、通常のアルミニウム等の熱伝導率の高い金属よりも
1〜2桁高い高熱伝送率のヒートシンクとすることがで
きると共に、内部が中空なので、軽量であり、しかも、
放熱能力が高いため、小型化が可能である。
【0010】請求項2記載のヒートシンクは、請求項1
記載のヒートシンクにおいて、前記伝熱基板内の空間の
前記発熱体側の壁面が前記作動流体の蒸発部であり、前
記フィン内の空間の先端側が前記作動流体の凝縮部であ
る構成としてある。
【0011】このような構成の発明によれば、蒸発部と
凝縮部とを作動流体が往復することにより、ヒートパイ
プとして有効に機能する。
【0012】請求項3記載のヒートシンクは、請求項2
記載のヒートシンクにおいて、前記凝縮部で凝縮した前
記作動流体が、重力で前記蒸発部に戻る構成としてあ
る。
【0013】このような構成の発明によれば、蒸発部と
凝縮部とを作動流体が往復できるため、ヒートパイプと
して有効に機能する。
【0014】請求項4記載のヒートパイプは、請求項1
又は2記載のヒートシンクにおいて、前記密封空間内の
壁面に毛細管現象により前記凝縮部で凝縮した前記作動
流体を前記蒸発部に戻す通路として機能する毛細管機能
体が設けられている構成としてある。
【0015】このような構成の発明によれば、伝熱基板
内で蒸発し、フィンの内面で凝縮した作動流体が、これ
らの空間内に壁面に設けられている毛細管機能体の毛細
管現象により、この毛細管機能体を介して伝熱基板内の
発熱体側の内面に戻ることができるため、ヒートパイプ
として有効に機能することができる。
【0016】請求項5記載のヒートパイプは、請求項4
記載のヒートシンクにおいて、前記伝熱基板内の空間の
前記発熱体側の壁面に設けられている前記毛細管機能体
と前記フィン内の空間の壁面に設けられている前記毛細
管機能体とを連絡する連絡用毛細管機能体が設けられて
いる構成としてある。
【0017】このような構成の発明によれば、フィンの
内面で凝縮した作動流体が、連絡用毛細管機能体を介し
て直接伝熱基板内の発熱体側の内面に戻ることができる
ため、ヒートパイプとしてより有効に機能する。
【0018】請求項6記載のヒートパイプは、請求項4
又は5記載のヒートシンクにおいて、前記毛細管機能体
が、ウイックである構成としてある。
【0019】このような構成の発明によれば、ウイック
は毛細管構造体であるので、毛細管機能体として有効に
機能する。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明のヒートシンクの実
施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、本
発明のヒートシンクの第1実施形態を示す断面図であ
る。このヒートシンク1は、発熱体10に密着させて配
置し、発熱体10から発生する熱を放出して発熱体10
を冷却する冷却機能を有する。ヒートシンク1aは、発
熱体10の一面側に接着などの方法で固定されて発熱体
10から熱を伝達される伝熱基板2と、この伝熱基板2
に立設している平板状の複数のフィン3を有する。
【0021】ここで、伝熱基板2内及びフィン3内はそ
れぞれ空洞になっていて、それぞれが連通する空間が設
けられ、この空間は、ヒートシンク1の薄い壁によって
外部から隔離された密封空間4となっている。この密封
空間4内は空気がなく、代わりに、例えば、水、アルコ
ール、ヘリウム、フロン、アンモニア、ナフタレン、そ
の他の有機媒体等の作動流体5が封入され、ヒートシン
ク1自体がいわゆるヒートパイプの構造を有している。
【0022】伝熱基板2の発熱体10と接する側の面を
構成する壁は、比較的厚く形成され、発熱体10からの
熱を伝熱基板2の長さ又は幅方向に拡散して、作動流体
5を広い面積で加熱できるようになっている。
【0023】なお、外観的には、図3に示した従来のヒ
ートシンクとほとんど変わらないが、フィンの厚さが、
中空構造のため、従来のヒートシンクより厚くなってい
る。
【0024】また、密封空間4を閉塞しているコンテナ
ーとしてのヒートシンク1aの壁は、例えば、アルミニ
ウム、銅、ステンレススチール、炭素鋼等の作動流体の
腐食に耐え、かつ、熱伝導率の良い材料で構成される。
【0025】このようなヒートシンク1aの機能につい
て説明する。発熱体10より放出された熱は、伝熱基板
2の発熱体10と密着している面の比較的厚い壁を伝達
して伝熱基板10の内壁面にある作動流体5を暖め、作
動流体5を蒸発させる。このような作動流体5を暖める
部分が蒸発部(加熱部)6として機能する。
【0026】蒸発した作動流体5は気化熱を奪い、伝熱
基板2の壁を冷却し、発熱体10を冷却する。作動流体
5が蒸発すると、その部分の蒸気圧が高まり、密封空間
5内の圧力の低いフィン3の先端側に向かって蒸気が進
む。この蒸気は温度の低いフィン3の先端側の凝縮部7
として機能する内壁面で冷却され、元の液体に戻る。こ
のとき、運んできた熱エネルギー(蒸気の潜熱)を凝縮
熱として放出する。この凝縮熱は、フィン3の壁を通し
てフィン3の外面で空気等の冷却媒体によって冷却され
る。凝縮液は、サイフォン原理で重力により蒸発部6に
戻る。
【0027】このような作動流体5の蒸発部6における
蒸発と、凝縮部7における凝縮のサイクルによる熱量と
その移動速度は、いわゆるヒートパイプの原理により、
通常の金属の熱伝導率に比較して非常に大きい。通常の
アルミニウム等の熱伝導率の高い金属よりも1〜2桁高
い高熱伝導率のヒートシンクを実現することができ、大
量の熱を非常に効率良く輸送することができる。そのた
め、従来の金属の固まりのヒートシンクと比較して小型
化が可能であると共に、中空であるから、軽量である。
【0028】このようなヒートシンクは、例えば、金属
板を組み合わせて溶接し、ヒートシンクの形状に加工し
た後、内部を真空にし、更に作動流体を封入することに
より製造することができる。
【0029】上記ヒートシンクは、サイフォン原理で重
力により凝縮液が蒸発部に戻る構造であったが、ウイッ
ク等の毛細管機能体を用いて毛細管力により凝縮液が蒸
発部に戻るような構造とすることができる。
【0030】図2は、そのようなウイックを用いた本発
明のヒートシンクの第2実施形態を示す断面図である。
このヒートシンク1の構造は、ヒートシンク1内部の空
間の壁面にウイック8が設けられている点を除き、基本
的に同一構造であり、同じ部材には同じ符号を付してそ
の説明は省略する。
【0031】このウイック8は、伝熱基板2内の空間及
びフィン3内部の空間のそれぞれの壁面全体に設けられ
ている壁面ウイック81と、伝熱基板2内の空間の発熱
体側の壁面に設けられている壁面ウイック81とフィン
3内の空間の壁面に設けられている壁面ウイック81と
を連絡するように設けられている連絡ウイック82とか
ら構成されている。
【0032】ウイック8は毛細管構造体であり、フィン
3内の凝縮部(図1参照)の壁面で凝縮した凝縮液を毛
細管力により、蒸発部6(図1参照)に戻す機能を有す
る。連絡ウイック82は、各フィン3内部で凝縮した凝
縮液を最短距離で蒸発部6に戻す機能を有する。例え
ば、発熱体10の下面にヒートシンクが設けられ、伝熱
基板2より下方にフィン3がある場合には、フィン3内
部で凝縮した凝縮液は、自重で蒸発部6に戻ることがで
きないが、本実施形態のヒートシンク1では、ウイック
8の毛細管力を利用して、凝縮部7から蒸発部6へ凝縮
液5を戻すことができる。従って、この第2実施形態の
ヒートシンク1は、取り付け位置にかかわらず、高性能
の冷却能力を発揮することができる。
【0033】ウイック8の種類としては、例えば、アル
ミニウムや銅の金属繊維の集合体、アスベスト繊維の集
合体、耐熱グラスウール等の多孔質が用いられる。ま
た、毛細管機能体としてウイック8を用いずに、例え
ば、壁面に毛細管として利用できるような、凝縮部から
蒸発部に向かって形成された細い溝を形成しても同様の
機能を有する。
【0034】このようなヒートシンクは、例えば、内面
にウイックを設けた金属板を組み合わせて溶接すること
により製造することができる。
【0035】上記ヒートシンクでは、ウイックなどの毛
細管機能体8を密封空間4の壁面全面に設けていたが、
凝縮部7で凝縮した作動流体5を蒸発部6に戻る路を形
成できれば良く、必ずしも密封空間4の壁面全面でなく
ても良い。
【0036】本発明のヒートシンクは、高い冷却能力を
有すると共に、小型軽量化できるため、従来のオーディ
オ用高出力アンプ、パワートランジスタ、サイリスタ、
コンピュータのCPU等の発熱体の冷却に有効に用いら
れるだけでなく、熱交換器や空調機等のラジエータ、ボ
イラや風呂などの加熱など幅広く利用できる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のヒートシ
ンクによれば、内部をいわゆるヒートパイプ構造とした
ことにより、冷却能力に優れる上、軽量化、小型化を達
成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のヒートシンクの第1実施形態を示す断
面図である。
【図2】本発明のヒートシンクの第2実施形態を示す断
面図である。
【図3】従来及び本発明のヒートシンクを示す斜視図で
ある。
【図4】従来のヒートシンクの構造を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1a,1b ヒートシンク 2 伝熱基板 3 フィン 4 密封空間 5 作動流体 6 蒸発部 7 凝縮部 8 ウイック 81 壁面ウイック 82 連絡ウイック

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発熱体からの熱が伝達される伝熱基板と
    前記伝熱基板に立設された複数のフィンとを有するヒー
    トシンクにおいて、 前記伝熱基板の内部及び前記フィンそれぞれの内部にそ
    れぞれ互いに連通した空間が設けられ、かつ、これらの
    連通した空間が外部から隔離された密封空間として構成
    され、前記密封空間内に作動流体が封入されてなること
    を特徴とするヒートシンク。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のヒートシンクにおいて、 前記伝熱基板内の空間の前記発熱体側の壁面が前記作動
    流体の蒸発部であり、前記フィン内の空間の先端側が前
    記作動流体の凝縮部であることを特徴とするヒートシン
    ク。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のヒートシンクにおいて、 前記凝縮部で凝縮した前記作動流体が、重力で前記蒸発
    部に戻ることを特徴とするヒートシンク。
  4. 【請求項4】 請求項1又は2記載のヒートシンクにお
    いて、 前記密封空間内の壁面に毛細管現象により前記凝縮部で
    凝縮した前記作動流体を前記蒸発部に戻す通路として機
    能する毛細管機能体が設けられていることを特徴とする
    ヒートシンク。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のヒートシンクにおいて、 前記伝熱基板内の空間の前記発熱体側の壁面に設けられ
    ている前記毛細管機能体と前記フィン内の空間の壁面に
    設けられている前記毛細管機能体とを連絡する連絡用毛
    細管機能体が設けられていることを特徴とするヒートシ
    ンク。
  6. 【請求項6】 請求項4又は5記載のヒートシンクにお
    いて、 前記毛細管機能体が、ウイックであることを特徴とする
    ヒートシンク。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7420810B2 (en) * 2006-09-12 2008-09-02 Graftech International Holdings, Inc. Base heat spreader with fins
KR101297046B1 (ko) * 2012-02-17 2013-08-14 정현종 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치
CN107062567A (zh) * 2017-05-31 2017-08-18 珠海格力电器股份有限公司 一种空调控制散热组件、空调室外机和空调器
JP2019054218A (ja) * 2017-09-19 2019-04-04 株式会社村田製作所 ヒートシンク

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US7420810B2 (en) * 2006-09-12 2008-09-02 Graftech International Holdings, Inc. Base heat spreader with fins
KR101297046B1 (ko) * 2012-02-17 2013-08-14 정현종 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치
CN107062567A (zh) * 2017-05-31 2017-08-18 珠海格力电器股份有限公司 一种空调控制散热组件、空调室外机和空调器
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