JP2000154982A - ヒートパイプ装置及びそれを用いた半導体素子冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トップヒートモードでも、被冷却体を冷却す
ることができるヒートパイプを提供することを目的とす
る。 【解決手段】 ヒートパイプ３が、上部に被冷却体（半
導体素子）１側に接続される吸熱領域３ａを、下部に冷
却構造側に接続される放熱領域３ｂを備えて、その間を
複数の流路３ｃで連結しているトップヒートモードのヒ
ートパイプ装置において、放熱領域３ｂに近い位置で、
流路３ｃの中から選択されたいくつかの流路に、ヒータ
４を設け、ヒータ４の加熱によって、内部動作液の還流
を生成するように構成したことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として半導体素
子を冷却するトップヒートモードのヒートパイプに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子機器を高性能のものとするた
めに、電子機器内の半導体素子を高集積化し、その動作
を高速化していた。半導体素子を高集積化すると、半導
体素子から発生する熱は増加する。たとえば、ＣＰＵな
どの半導体素子には、１チップで数十Ｗの発熱を生じる
ものがある。ところが、半導体素子を安定して動作させ
るには、半導体素子を冷却して温度を下げる必要があ
る。このため、ヒートシンクなどの冷却構造体を半導体
素子に装着し、半導体素子で発生する熱をヒートシンク
へ伝熱して冷却していた。

【０００３】しかし、電子機器を高速で動作させるため
には、半導体素子を高集積化するだけでなく、半導体素
子間の距離を縮めて、半導体素子間を伝送する信号の伝
送時間を短縮化するという手法がとられている。このた
め、半導体素子にその放熱を満たすに足る大きさのヒー
トシンクを設ける空間的余裕はない。

【０００４】そこで，従来、半導体素子の冷却には、ヒ
ートシンクを半導体素子から離れたところに設け、被冷
却体とヒートシンクとをヒートパイプを介して接続する
構造が採用されている。そして、半導体素子を駆動する
ことによって生じた熱をヒートパイプを介してヒートシ
ンク側に送ってそこで充分に放熱することにより効果的
な冷却を実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、電子機器の内
部構造によっては、ヒートシンクを半導体素子（被冷却
体）の下方に位置しなければならない場合がある。これ
には、ヒートパイプをトップヒートモードで使用する必
要があるが、ヒートパイプの原理から理解されるよう
に、半導体素子の熱によって気化した動作液がヒートパ
イプの上方に貯まり、動作液の還流が具合良くできな
い。そのために、ヒートシンクに熱が伝わらず、半導体
素子を充分に冷却することができない。

【０００６】ここで、トップヒートモードを利用した半
導体素子冷却装置について図３を用いて説明する。半導
体素子冷却装置は、半導体素子１の下方にヒートシンク
２を備え、これらをヒートパイプ３の吸熱領域及び放熱
領域に接続している。したがって、半導体素子１が発熱
すると、気化した動作液の蒸気は、ヒートパイプ３内の
上方に貯まり、ヒートパイプ３中で動作液が還流されず
ヒートシンク２側に移動しない。そのため、半導体素子
１を冷却することができない。

【０００７】一方、ヒートパイプ３をトップヒートモー
ドで使用した場合に、ヒートパイプ３のウイックに金網
やスポンジなどを組み込むことにより、動作液を毛細管
現象で還流させ、ヒートシンク２側に熱を伝える工夫も
されている。しかし、このような場合には、ヒートパイ
プ３内を流れる動作液の流量を確保するために、流路断
面を大きくする必要があり、ヒートパイプ３全体が大型
化してしまう。

【０００８】そこで、本発明は上記の課題を解決するた
めに、トップヒートモードで被冷却体を冷却することが
できるヒートパイプ装置及びそれを用いた半導体素子冷
却装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、ヒートパイプが、被冷却体側に上部の吸
熱領域を、加熱側に下部の放熱領域を備えて、その間を
複数の流路で連結しているトップヒートモードのヒート
パイプ装置において、前記放熱領域に近い位置で、前記
流路の中から選択されたいくつかの流路に、ヒータを設
け、該ヒータの加熱によって、内部動作液の還流を生成
するように構成したことを特徴としている。

【００１０】また、本発明の半導体素子冷却装置は、上
記のヒートパイプ装置を用いた半導体素子冷却装置であ
って、被冷却体として、前記吸熱領域に半導体素子を配
置し、また、前記放熱領域にヒートシンクを配置してい
ることを特徴としている。

【００１１】すなわち、ヒートパイプ内の動作液をあら
かじめ温め、気化することにより、少なくとも被冷却体
からの負荷を受ける前に動作液をヒートパイプ内で還流
させ、ヒートシンクで放熱させるのである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。ここでは、本発明にかかる
ヒートパイプ装置を、半導体素子を被冷却体とする半導
体冷却装置にて起用した例として、図１を用いて説明す
る。図１は本実施形態の半導体素子冷却装置を模式的に
示したものであり、被冷却体としての半導体素子１を冷
却するヒートシンク２と、半導体素子１からヒートシン
ク２に熱を伝えるための伝熱部材であるヒートパイプ３
とを備えている。

【００１３】ヒートパイプ３は、半導体素子１側に上部
の吸熱領域３ａを、ヒートシンク２側に下部の放熱領域
３ｂを備え、その間を複数の流路３ｃで連結している還
流型のトップヒートモードの構造であり、その複数ある
流路３ｃの中から選択されたいくつか流路、例えば、図
１に示すように５本の流路のうち２本の流路のヒートシ
ンク２寄りに位置してヒータ４を設けている。

【００１４】なお、本実施形態では、ヒートパイプ３の
コーナーや溝をウイックとして利用し、ヒートパイプ３
の厚さは５mm以下の薄型とし、さらに、ヒートパイプ３
は複数の流路を備える平板状のものを用いる。

【００１５】つぎに、本実施形態の半導体素子冷却装置
の動作について図２を用いて説明する。図２は図１に示
した半導体素子冷却装置の動作を説明する図である。以
下に説明する動作は、動作液を還流させるものである。

【００１６】まず、半導体素子１を駆動する前にヒータ
４を駆動する。すると、図中の矢印Ａに示すように、ヒ
ータ４が備えられた流路にある動作液は温められ、その
動作液は対流現象でヒートパイプ３の上方の吸熱領域３
ａ、すなわち、半導体素子１側へ移動する。そして、温
められた動作液は、さらに、図中の矢印Ｂに示すよう
に、ヒータ４が備えられていない流路を通って、ヒート
パイプ３の下方の放熱領域３ｂ、すなわち、ヒートシン
ク２側へ移動し、その後、ふたたびヒータ４近傍のある
箇所へと還流する。

【００１７】つづいて、このようにヒータ４の働きで動
作液を還流させた状態で半導体素子１を駆動すると、半
導体素子１に発生した熱がヒートパイプ３の吸熱領域３
ａを介して、そこを流れる動作液によってヒートパイプ
３の下方の放列領域３ｂへと伝達する。そして、ヒート
シンク２によって放熱される。なお、半導体素子１を駆
動し始めてからのヒータ４は、動作液の還流を促す程度
に附勢されていればよく、たとえば、ヒートパイプ３
が、半導体素子１を駆動したときに動作液の還流が維持
されるような特性のものであれば、その後、ヒータ４の
附勢は不要となる。

【００１８】上記のように本実施形態では、ヒータ４を
あらかじめ駆動することによって動作液に還流を生起さ
せてから半導体素子１を駆動するため、半導体素子１に
生じた熱は動作液によってヒートパイプ３の下方へ伝達
され、ヒートシンク２によって放熱される。したがっ
て、ヒートパイプ３をトップヒートモードで使用する条
件において、動作液に還流が生じないために半導体素子
１を冷却することができないという事態を回避すること
ができる。

【００１９】なお、本実施形態のヒートパイプ装置は、
被冷却体として半導体素子１を冷却するものを例として
説明したが、被冷却体は半導体素子１に限定されず、他
の電子機器の素子などでもよい。また、ヒートパイプの
形態は、平板式のものに限定されず、他の形態であって
もよい。

【００２０】

【発明の効果】本発明のヒートパイプ装置によれば、ヒ
ートパイプの放熱領域に近い位置で、いくつかの流路に
ヒータを設け、そのヒータの加熱によって、動作液に還
流を生じさせるようにしたため、トップヒートモードで
ヒートパイプ装置を用いても、ヒートパイプ内の動作液
が蒸気となり吸熱領域に貯まり、動作液が還流しないと
いう事態がなくなる。したがって、トップヒートモード
でヒートパイプを使用する条件にあっても被冷却体を確
実に冷却することができる。

【００２１】また、本発明の半導体素子冷却装置によれ
ば、上記のヒートパイプ装置のヒートパイプの吸熱領域
に半導体素子を設け、放熱領域にヒートシンクを設ける
ことによって、半導体素子の小型化を妨げることなく、
充分に放熱して冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の半導体素子冷却装置を示す図であ
る。

【図２】図１の半導体素子冷却装置の動作を示す図であ
る。

【図３】従来の半導体素子冷却装置の動作説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ ヒートシンク ３ ヒートパイプ ４ ヒータ Ａ 蒸気の流れる方向 Ｂ 動作液の流れる方向

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１２月２４日（１９９９．１２．
２４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】

【発明の効果】本発明のヒートパイプ装置は、複数の流
路の中から選択されたいくつかの流路にヒータを設けて
いるだけの簡単な構成のため、ヒートパイプ装置を大型
化することなく、トップヒートモードでヒートパイプを
使用する条件にあっても被冷却体を確実に冷却すること
ができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒートパイプが、上部に被冷却体側に接
   続される吸熱領域を、下部に冷却構造体側に接続される
   放熱領域を備え、その間を複数の流路で連結しているト
   ップヒートモードのヒートパイプ装置において、 前記放熱領域に近い位置で、前記流路の中から選択され
   たいくつかの流路に、ヒータを設け、該ヒータの加熱に
   よって、内部動作液の還流を生成するように構成したこ
   とを特徴とするヒートパイプ装置。
2. 【請求項２】 前記被冷却体の放熱時期を、少なくと
   も、前記ヒータによる、前記ヒートパイプ内での動作液
   に還流が生起した後に、設置していることを特徴とする
   請求項１に記載のヒートパイプ装置。
3. 【請求項３】 前記ヒートパイプは、一対の平板を成形
   して所要の流路を形成した平板式ヒートパイプの構成で
   ある請求項１又は２に記載のヒートパイプ装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載のヒー
   トパイプ装置を用いた半導体素子冷却装置であって、被
   冷却体として、前記吸熱領域に半導体素子を配置し、ま
   た、前記放熱領域にヒートシンクを配置していることを
   特徴とする半導体素子冷却装置。