JP2001257300A

JP2001257300A - ヒートシンク

Info

Publication number: JP2001257300A
Application number: JP2000065926A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Hagiwara; 克之萩原
Original assignee: TS Heatronics Co Ltd
Current assignee: TS Heatronics Co Ltd
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2001-09-21
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP4358963B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型かつ軽量で、放熱性能の高いヒートシン
クを提供する。【解決手段】ヒートシンク１は、プレート型ヒートパ
イプ５が渦巻き状に形成されている。このとき受熱部の
ヒートパイプ層５ａ、５ｂ、５ｃが、渦巻きの外側のル
ープから内側のループへと表裏面を合わせて接合されて
おり、放熱部５ｅ、５ｆ、５ｇが、渦巻きの外側のルー
プから内側のループへと、間に放熱フィン７ｃ、７ｂ、
７ａを挟んで配列されている。発熱体９の熱は、積層構
造の受熱部ヒートパイプ層をプレート型ヒートパイプの
厚さ方向に伝達されるとともに、各ヒートパイプの内部
を通って各ヒートパイプの放熱部へ伝わり放熱される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の発
熱体から生じる熱を放熱するヒートシンクに関する。特
には、小型かつ軽量で、熱輸送効率の高いヒートシンク
に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】電子機
器に搭載される半導体素子等の発熱体の冷却には、従来
よりヒートシンクが使用されている。このヒートシンク
の一種として、発熱体が取り付けられるベース板と、ベ
ース板に取り付けられるヒートパイプから主に構成され
ているものがある。ヒートパイプとは、内部の密閉空間
を真空に引いた後に、水やブタン、アルコール等の作動
流体を封入したものである。発熱体が取り付けられたベ
ース板の部分は受熱部となり、発熱体から熱が伝えられ
る。受熱部に伝えられた熱は、受熱部のヒートパイプ内
の作動流体を蒸発させる。蒸気はヒートパイプの放熱部
に移動して放熱し、蒸気は液体に戻る。この密閉空間内
の作動流体の相の変化や移動により、発熱体の熱が拡散
する。このヒートパイプによって、発熱体から伝えられ
た熱はベース板全面に広げられる。

【０００３】放熱効率をさらに上昇させるために、放熱
部には放熱フィンが設けられている。放熱フィンは、長
さが長いとフィン先端まで熱が伝わりにくく、放熱性能
の向上には限界がある。一方、フィンが短いと、必要放
熱面積を確保するためにフィンの数を増やす必要があ
り、ベース板を大きくしたり、フィンのピッチを小さく
して対処することとなる。その結果、ヒートシンクの重
量の増加や送風ファンの大型化が必要となり、コストア
ップとなる。

【０００４】ところで、ヒートパイプは一般に円柱形で
あり、このヒートパイプを発熱体と接合するには大きな
ベース板が必要になり、重量の増加とコストアップにつ
ながる。

【０００５】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、小型かつ軽量で、放熱性能の高いヒー
トシンクを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明のヒートシンクは、プレート型ヒートパイ
プ及びこれに立設された放熱フィンを備え、発熱体の熱
を放熱するヒートシンクであって；発熱体の熱を受け
るヒートパイプの受熱部が、複数のヒートパイプ層を熱
的に接続した状態で積層した積層構造を有し、それぞ
れの受熱部ヒートパイプ層に放熱フィンが立設された放
熱部が接続されていることを特徴とする。発熱体の熱
は、積層構造の受熱部ヒートパイプ層をプレート型ヒー
トパイプの厚さ方向に伝達するとともに、各ヒートパイ
プの内部を通って各ヒートパイプの放熱部へ伝わり放熱
される。このように熱が異なる方向へ拡散するため、狭
い空間におけるヒートパイプ熱流路の密度を上げること
ができ、小型で高い放熱性能を有するヒートシンクを提
供できる。

【０００７】本発明においては、上記複数の受熱部の
ヒートパイプ層のうち、発熱体に近い側のヒートパイプ
層が、発熱体から遠い側の放熱部に接続されていること
が好ましい。発熱体に近い側のヒートパイプ層の方が温
度が高くなるので、より遠い部位まで効率的に熱輸送を
行うことができる。

【０００８】さらに、上記放熱部も、複数のヒートパイ
プ層と放熱フィン列が積層された積層構造を有すること
が好ましい。放熱部に伝えられた熱をより有効に拡散す
ることができ、ヒートシンクが一層コンパクトとなる。

【０００９】本発明の１つの具体的態様のヒートシンク
は、上記プレート型ヒートパイプが、渦巻き状に形成
されており、上記受熱部のヒートパイプ層が、渦巻き
の外側のループから内側のループへと表裏面を合わせて
接合されており、上記放熱部が、渦巻きの外側のループ
から内側のループへと、間にフィン列を挟んで配列され
ている。この態様では、１個の長いプレート型ヒートパ
イプを巻いて使うので、ヒートパイプ１個でヒートシン
クを構成できる。

【００１０】本発明の他の具体的態様のヒートシンク
は、上記プレート型ヒートパイプが、複数の開き寸法
の異なるコの字状のヒートパイプからなり、小さいヒー
トパイプが大きいヒートパイプの中に入れ込まれてい
る。この態様では、プレート型ヒートパイプの加工とヒ
ートシンクの組み立てが容易である。いずれの態様にお
いても、発熱体に最も近いプレート型ヒートパイプは、
発熱体から最も遠い部位の放熱部と接続されており、熱
輸送効率が向上する。

【００１１】上記態様においては、上記フィンの基端
及び先端を、該フィンを挟んで対向する２枚のヒートパ
イプ層にそれぞれ接合することが好ましい。各ヒートパ
イプ層から、フィンに対して効率的に熱を伝えることが
できる。また、ヒートシンクの構造強度が上がる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明す
る。図１は、本発明の第一実施例に係るヒートシンクの
構造を示す正面図である。文中の上下左右方向は、図の
上下左右方向を表す。このヒートシンク１は、受熱板３
と、同受熱板３に熱的に接続されているプレート型ヒー
トパイプ５と、同プレート型ヒートパイプ５に熱的に接
続されている放熱フィン７から構成されている。

【００１３】受熱板３は、アルミニウムや銅等、熱伝導
性の高い金属で作られる。受熱板３には、高熱伝導性接
着剤等の熱伝導性の高い方法によって発熱体９が取り付
けられている。

【００１４】プレート型ヒートパイプ５は、蛇行細孔が
比較的薄い平板の中に作りこまれた蛇行細孔ヒートパイ
プ等が使用される。蛇行細孔ヒートパイプとは、以下の
特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１
９００９０号参照）。（１）細孔の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉
されている。（２）細孔の一部は受熱部、他の部分は放熱部となって
いる。（３）受熱部と放熱部が交互に配置されており、両部の
間を細孔が蛇行している。（４）細孔内には２相凝縮性流体が封入されている。（５）細孔の内壁は、上記作動流体が常に孔内を閉塞し
た状態のままで循環または移動することができる最大直
径以下の径をもつ。

【００１５】プレート型ヒートパイプ５は、一部が受熱
板３にロウ付けや接着剤、グリス等を用いた熱伝導率の
高い方法で取り付けられている。受熱板３の取り付けら
れたプレート型ヒートパイプ５の部分が受熱部５ａとな
っている。プレート型ヒートパイプ５は、正面からみて
渦巻き状に折り曲げられて形成されている。

【００１６】すなわち、プレート型ヒートパイプ５は、
受熱部５ａを底辺とすると、底辺の一端からほぼ直角に
上向きに折り曲げられて右側辺を形成する。右側辺は所
定の高さで、受熱部５ａと平行で、受熱部５ａに対向す
るようにほぼ直角に左向きに折り曲げられて上辺５ｅを
形成する。この上辺５ｅは放熱部となる。さらに、ほぼ
直角に下向きに折り曲げられて左側辺を形成し、受熱部
５ａの上面に達する。ここで受熱部５ａ（底辺）、右側
辺、上辺５ｅ、左側辺からなる四角形の外ループが形成
される。

【００１７】外ループの受熱部５ａ（底辺）に達したプ
レート型ヒートパイプ５は、ほぼ直角に右向きに折り曲
げられて受熱部５ａに沿って延びる中ループの受熱部５
ｂ（底辺）を形成する。この受熱部５ｂは外ループの右
側辺に達すると、ほぼ直角に上向きに折り曲げられて右
側辺を形成する。右側辺は所定の高さで、受熱部５ｂと
平行で、受熱部５ｂに対向するようにほぼ直角に左向き
に折り曲げられて中ループの上辺５ｆを形成する。この
上辺５ｆが放熱部となる。上辺５ｆは外ループの左側辺
に達すると、ほぼ直角に下向きに折り曲げられて左側辺
を形成し、中ループの受熱部５ｂの上面に達する。ここ
で受熱部５ｂ（底辺）、右側辺、上辺５ｆ、左側辺から
なる四角形の中ループが形成される。

【００１８】中ループの受熱部５ｂ（底辺）に達したプ
レート型ヒートパイプ５は、ほぼ直角に右向きに折り曲
げられて受熱部５ｂに沿って延びる内ループの受熱部５
ｃ（底辺）を形成する。この受熱部５ｃは中ループの右
側辺に達すると、ほぼ直角に上向きに折り曲げられて右
側辺を形成する。右側辺は所定の高さで、受熱部５ｃと
平行で、受熱部５ｃに対向するようにほぼ直角に左向き
に折り曲げられて内ループの上辺５ｇを形成する。この
上辺５ｇが放熱部となる。ここで、受熱部５ｃ、右側
辺、上辺５ｇからなる四角形の内ループが形成される。

【００１９】このとき、プレート型ヒートパイプ５の外
ループ、中ループ、及び、内ループの受熱部５a、５
ｂ、５ｃは互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で
接合されている。

【００２０】内ループの底辺５ｃと内ループの上辺５ｇ
との間、内ループの上辺５ｇと中ループの上辺５ｆとの
間、中ループの上辺５ｆと外ループの上辺５ｅとの間に
は、空間が形成される。これらの空間には各々放熱フィ
ン７a、７ｂ、７ｃが配置される。各放熱フィンはアル
ミニウム等の熱伝導性の高い材料を波状に折り曲げて作
ったコルゲートフィンである。ここではルーバ（切れ
目）付きのコルゲートフィンが使用されている。放熱フ
ィンの波状部の上面と下面は、各空間の上下面を形成す
るプレート型ヒートパイプ５に熱伝導性の高い方法（ロ
ウ付け等）で接合されている。この例のヒートシンクの
熱輸送作用については後述する。

【００２１】図２は、本発明の第二実施例に係るヒート
シンクの構造を示す正面図である。この例のヒートシン
ク１１は、断面がコの字状に折り曲げられた三枚のプレ
ート型ヒートパイプ１３、１５、１７を使用している。

【００２２】各プレート型ヒートパイプは、底辺、右側
辺、上辺からなる断面がコの字に折り曲げられている。
コの字の開口部の幅（右側辺の高さ）は全て異なり、幅
が大きいほうから外層、中層、内層プレート型ヒートパ
イプ１３、１５、１７となる。各プレート型ヒートパイ
プは、開口部を同じ方向に向けて、外層１７の中に中層
１５が入れ込まれ、中層１５の中に内層１３が入れ込ま
れている。

【００２３】このとき、放熱部が発熱体から最も遠い位
置に位置する外層１３には、発熱体９が取り付けられた
受熱板３が、熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合
されている。この受熱板３が取り付けられた外層１３の
部分が受熱部１３ａとなる。各層の底辺は互いに熱伝導
性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。したが
って、外層１３の受熱部１３ａに接合する中層１５の底
辺は受熱部１５ａとなり、この受熱部１５ａに接合する
内層１７の底辺は受熱部１７ａとなっている。また、各
層の上辺は放熱部となる。

【００２４】また、内層１７の底辺（受熱部）１７ａと
内層１７の上辺１７ｂとの間、内層１７の上辺１７ｂと
中層１５の上辺１５ｂとの間、中層１５の上辺１５ｂと
外層１３の上辺１３ｂとの間には、空間が形成される。
これらの空間には放熱フィン７a、７ｂ、７ｃが配置さ
れる。放熱フィンの波状部の上面と下面は、各空間の上
下面を形成するプレート型ヒートパイプに熱伝導性の高
い方法（ロウ付け等）で接合されている。

【００２５】この例のヒートシンクは、図１のヒートシ
ンクに比べて、プレート型ヒートパイプの曲げ箇所が少
ない。また、放熱フィンの取り付けも容易になるため、
生産性が向上する。さらに、プレート型ヒートパイプの
長さも短くなり（左辺がない）、軽量化を図ることがで
きる。また、プレート型ヒートパイプの枚数を二枚と
し、放熱フィン７の長さを長くしてもよい。この場合、
さらに生産コストが低減される。

【００２６】図３は、本発明の第三実施例に係るヒート
シンクの構造を示す正面図である。この例のヒートシン
ク２１は、断面がコの字状に折り曲げられた二枚のプレ
ート型ヒートパイプ２３、２５を使用している。

【００２７】各プレート型ヒートパイプは、底辺、右側
辺、上辺からなる断面がコの字に折り曲げられている。
コの字の開口部の幅（右側辺の高さ）は異なり、幅が大
きい方から外層２３、内層２５となる。各プレート型ヒ
ートパイプは、開口部が向き合うように、外層２３の中
に内層２５が入れ込まれている。このとき、外層２３に
は、発熱体９が取り付けられた受熱板３が、熱伝導性の
高い方法で接合されている。この受熱板３が取り付けら
れた外層２３の部分が受熱部２３ａとなる。各層の底辺
は互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合され
ている。したがって、外層２３の受熱部２３ａに接合す
る内層２５の底辺は受熱部２５ａとなる。また、各層の
上辺は放熱部となる。

【００２８】また、内層２５の底辺（受熱部）２５ａと
上辺２５ｂとの間、内層２５の上辺２５ｂと外層２３の
上辺２３ｂとの間には、空間が形成される。これらの空
間及び外層２３の上辺には放熱フィン７a、７ｂ、７ｃ
が配置される。放熱フィン７ａ、７ｂの波状部の上面と
下面は、各空間の上下面を形成するプレート型ヒートパ
イプに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されて
いる。

【００２９】この例のヒートシンクは、プレート型ヒー
トパイプの数が図２にヒートシンクより少ない。また、
放熱フィンの取り付けも容易になり、生産性がさらに向
上する。さらに、プレート型ヒートパイプの長さも短く
なり、軽量化とコスト低減をさらに図ることができる。

【００３０】図４は、図１のシートシンクの熱輸送作用
を説明する図である。ここで、発熱体９が取り付けられ
ている受熱板３から発生する熱量をＱin、プレート型ヒ
ートパイプ５の各ループの底辺が積層された受熱部５
ａ、５ｂ、５ｃを通過して放熱フィン７ａで放熱される
熱量をＱout０、プレート型ヒートパイプの外、中、内
ループの内部を通過して放熱フィン７ａ、７ｂ、７ｃで
放熱される熱量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とすると、Ｑin＝Ｑ
out０＋Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３となる。

【００３１】すなわち、受熱板３に伝えられた熱量は、
プレート型ヒートパイプの各ループの底辺からなる積層
受熱部を、プレート型ヒートパイプの厚さ方向に通過
し、放熱フィン７ａから放熱される（Ｑout０）。ここ
で残った熱量の一部（Ｑ３）は、受熱板３に直接接合さ
れている外ループを形成するプレート型ヒートパイプの
受熱部５ａに伝わり、同プレート型ヒートパイプの内部
を通過して放熱部の放熱フィン７ｃ及び外ループの放熱
部（上辺）５ｅから放熱される（Ｑout３、Ｑout３
´）。さらに、一部の熱量（Ｑ２）は、外ループの受熱
部５ａから中ループを形成するプレート型ヒートパイプ
の受熱部５ｂに伝わり、同プレート型ヒートパイプの内
部を通過して放熱部（上辺）５ｆの放熱フィン７ｂ、７
ｃから放熱される（Ｑout２、Ｑout２´）。さらに、一
部の熱量（Ｑ１）は、中ループの受熱部５ｂから内ルー
プを形成するプレート型ヒートパイプの受熱部５ｃに伝
わり、同プレート型ヒートパイプの内部を通過して放熱
部（上辺）５ｇの放熱フィン７ａ、７ｂから放熱される
（Ｑout１、Ｑout１´）。ここで、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３で
ある。

【００３２】このように、受熱板３を、外ループを形成
するプレート型ヒートパイプに直接接合しているため、
最も大きい熱量（Ｑ３）が、発熱体９から最も遠い部位
まで伝達される。すなわち、最も熱輸送長さの長い外ル
ープが効率的に作動し熱輸送効率が向上する。さらに、
有効寸法内に設置された放熱フィンの効率を最大限に引
き出し、放熱効率を向上させることができる。

【００３３】図５は、本発明の第四実施例に係るヒート
シンクの構造を示す正面図である。この例のヒートシン
クは、平面状のプレート型ヒートパイプ３３と、断面が
Ｌ字状のプレート型ヒートパイプ３５を使用している。

【００３４】平面状プレート型ヒートパイプ３３は、一
端が受熱板３に熱伝導性の高い方法で接合している。こ
の受熱板３が取り付けられた平面状プレート型ヒートパ
イプ３３の部分が受熱部３３ａとなっている。平面状プ
レート型ヒートパイプ３３の他の端部は、横方向に延び
て放熱部となっている。Ｌ字状プレート型ヒートパイプ
３５は底辺と、底辺の一端からほぼ直角に上方向に立ち
上がった右側辺からなる。この底辺は、平面状プレート
型ヒートパイプ３３の受熱部３３ａに熱伝導性の高い方
法（ロウ付け等）で接合されて、受熱部３５ａとなって
いる。Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５の右側辺は、
平面状プレート型ヒートパイプ３３の放熱部の反対側に
位置し、放熱部となっている。

【００３５】平面状プレート型ヒートパイプ３３の放熱
部、Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５の受熱部３５
a、及び、Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５の放熱部
の外側には、放熱フィン７a、７ｂ、７ｃが熱伝導性の
高い方法（ロウ付け等）で接合されている。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、発熱体の熱を受けるヒートパイプの受熱部
が、複数のヒートパイプ層が熱的に接続された状態で積
層された積層構造となっており、それぞれの受熱部ヒー
トパイプ層に放熱フィンが立設された放熱部が接続され
ている。このため、発熱体の熱は、受熱部ヒートパイプ
層をプレート型ヒートパイプの厚さ方向に伝達されると
ともに、各ヒートパイプ層から各ヒートパイプ層の放熱
部へ伝わり放熱される。このように熱が異なる方向へ拡
散するため、狭い空間におけるヒートパイプ熱流路の密
度を上げることができ、小型で高い放熱性能を有するヒ
ートシンクを提供できる。さらに、プレート型ヒートパ
イプの放熱部が空間を介して積層となっており、この空
間に長さの短いフィンを高さ方向に積層させたことによ
り、有効寸法内にある放熱フィン全体に熱を効率的に輸
送し、放散させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に係るヒートシンクの構造
を示す正面図である。

【図２】本発明の第二実施例に係るヒートシンクの構造
を示す正面図である。

【図３】本発明の第三実施例に係るヒートシンクの構造
を示す正面図である。

【図４】図１のシートシンクの熱輸送作用を説明する図
である。

【図５】本発明の第四実施例に係るヒートシンクの構造
を示す正面図である。

【符号の説明】

１ヒートシンク３受熱板５プレート型ヒートパイプ７放熱フィ
ン９発熱体１１、２１、３
１ヒートシンク１３、１５、１７、２３、２５、３３、３５プレート
型ヒートパイプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プレート型ヒートパイプ及びこれに立設
された放熱フィンを備え、発熱体の熱を放熱するヒート
シンクであって；発熱体の熱を受けるヒートパイプの受
熱部が、複数のヒートパイプ層を熱的に接続した状態で
積層した積層構造を有し、それぞれの受熱部ヒートパイプ層に放熱フィンが立設さ
れた放熱部が接続されていることを特徴とするヒートシ
ンク。
【請求項２】上記複数の受熱部のヒートパイプ層のう
ち、発熱体に近い側のヒートパイプ層が、発熱体から遠
い側の放熱部に接続されていることを特徴とする請求項
１記載のヒートシンク。
【請求項３】上記放熱部も、複数のヒートパイプ層と
放熱フィン列が積層された積層構造を有することを特徴
とする請求項１又は２記載のヒートシンク。
【請求項４】上記プレート型ヒートパイプが、渦巻き
状に形成されており、上記受熱部のヒートパイプ層が、渦巻きの外側のループ
から内側のループへと表裏面を合わせて接合されてお
り、上記放熱部が、渦巻きの外側のループから内側のループ
へと、間にフィン列を挟んで配列されていることを特徴
とする請求項３記載のヒートシンク。
【請求項５】上記プレート型ヒートパイプが、複数の
開き寸法の異なるコの字状のヒートパイプからなり、小
さいヒートパイプが大きいヒートパイプの中に入れ込ま
れていることを特徴とする請求項３記載のヒートシン
ク。
【請求項６】上記フィンの基端及び先端が、該フィン
を挟んで対向する２枚のヒートパイプ層にそれぞれ接合
されていることを特徴とする請求項３記載のヒートシン
ク。