JP2005174995A - ヒートパイプ式ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプ式ヒートシンクの問題を解消し、より放熱効率に優れた小型化の可能なヒートパイプ式ヒートシンクを提供することを目的とする。
【解決手段】発熱素子が備わる受熱ブロックと、第１の放熱フィンが取り付けられる屈曲ヒートパイプと、該受熱ブロックと該第1の放熱フィンで挟まれる空間に該受熱ブロックから該第１の放熱フィン方向に取り付けられる第２の放熱フィンとを、備えたことを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンク。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子・電気機器に搭載される熱を発生する部品の放熱および冷却に用いるヒートシンクに関するものである。

種々の電子・電気機器に搭載されている半導体素子などの小型部品の冷却あるいは変電用整流器、車両用電源装置などに用いられるパワー系半導体素子の冷却は、電子・電気機器や電源装置などの小型・高性能化に伴い重要課題として注目されている。
その冷却方法には、半導体素子を搭載する機器の筐体にファンを取り付け、機器の筐体内の空気を循環させて冷却する方法、或いは半導体素子に直接冷却体（ヒートシンク）を取り付けて発生した熱を拡散放熱する方法などが使用されている。

このような冷却方法の中で、半導体素子などの発熱体をヒートシンクにより直接冷却する方法は、冷却効率並びにコストパフォーマンスなどの点でいろいろな形式のものが提案、実用化されている（特許文献１、２参照）。
図５は特許文献１に提案された半導体素子冷却用ヒートパイプ式ヒートシンク１ｃで、放熱フィン４を備えたヒートパイプ３を受熱ブロック５に設けた挿入溝に挿入してハンダで固定した構造のヒートシンクである。このヒートシンク１ｃは、放熱フィン４が設けられる側を受熱ブロックの放熱面とし、その反対側を発熱体６との熱受渡しの接触面としている。
このようなヒートパイプ式ヒートシンクは、ヒートパイプを持たない通常のヒートシンクに比べて放熱フィンの面積を増やすことが容易で、熱交換量およびその効率が高い。

特開平１０−３２１７７７号公報 特開平１０−２２３８１４号公報

しかしながら、前記ヒートパイプ式ヒートシンクは、屈曲したヒートパイプを使用しているために、その屈曲部位に放熱フィンを取り付けることは容易ではなく、放熱フィンと受熱ブロックの間に空間を作ってしまっていた。そのために、屈曲部位はその放熱性に寄与しないばかりでなく、多くの空気がその空間を通過することで放熱効率を低下させていた。それを防ぐために、屈曲部位の曲げ半径を小さくして屈曲部位を短くすると放熱フィンを多く取り付けることができるが、過度に曲げ半径を小さくするとヒートパイプが座屈してつぶれてしまい、ヒートパイプの熱輸送量が大きく減少するか機能しなくなる問題がある。

本発明は前記ヒートパイプ式ヒートシンクの問題を解消し、より放熱効率に優れた小型化の可能なヒートパイプ式ヒートシンクを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、発熱素子を備える受熱ブロックと、該受熱ブロックに設けられ且つ第１の放熱フィンを備える屈曲ヒートパイプと、該受熱ブロックと該第1の放熱フィンで挟まれる空間に該受熱ブロックから該第１の放熱フィン方向に取り付けられる第２の放熱フィンとを、備えることを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項２記載の発明は、発熱素子を備える受熱ブロックと、該受熱ブロックに設けられ且つ第１の放熱フィンを備える屈曲ヒートパイプと、該受熱ブロックと該第１の放熱フィンで挟まれる空間および前記空間と連続する空間であって該受熱ブロック上部空間に該受熱ブロックから該第１の放熱フィン方向に取り付けられる第２の放熱フィンとを、備えたことを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項３記載の発明は、前記屈曲ヒートパイプが、扁平形の断面形状を有する屈曲ヒートパイプであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項４記載の発明は、前記第２の放熱フィン及び前記受熱ブロックが一体成形品からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項５記載の発明は、前記第２の放熱フィンが接合材を介して前記受熱ブロックと一体化した構造からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項６記載の発明は、前記第１の放熱フィンが取り付けられる屈曲ヒートパイプが、複数本であることを特徴とする請求項1乃至請求項５記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項７記載の発明は、前記第１の放熱フィンが、屈曲ヒートパイプに差込んで装着される差込みフィンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンクである。

請求項８記載の発明は、前記第１の放熱フィンが、屈曲ヒートパイプに巻付けて装着される巻付けフィンであることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンクである。

本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンクによれば、従来のヒートパイプ式ヒートシンクでは放熱性に十分寄与していなかったヒートパイプの屈曲部位が含まれるヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと受熱ブロックで囲まれた空間に向けて、受熱ブロックから伸びる放熱フィンを配置することで、より放熱効率に優れた小型化可能なヒートパイプ式ヒートシンクを提供することにある。依って工業上顕著な効果を奏するものである。

本発明のような放熱フィン付きヒートパイプ式ヒートシンクにおける放熱性を左右する要件は放熱面積の大きさであることは周知であるが、ただ単に放熱フィンの枚数を増やしたり形状を大きくしたりするだけでは十分でなく逆に放熱性があまり向上しないこともある。

そこで、本発明では放熱効率をより高めるためにヒートシンクの占有する空間の有効利用を図ることで放熱面積を増大させるもので、放熱フィンを取り付けた屈曲ヒートパイプが接合された受熱ブロックに放熱フィンを設けるものである。この受熱ブロックに設けられる放熱フィンは、屈曲ヒートパイプに取り付けられた放熱フィンと受熱ブロックに囲まれる空間に、受熱ブロックから伸びて配置されるもので、屈曲ヒートパイプの弱点とされる放熱フィンを備えられない屈曲部位周辺の空間にも、放熱フィンが設けられることで、放熱特性の向上が図れるものである。これにより屈曲ヒートパイプに取り付けた放熱フィンからの放熱と受熱ブロックの一部又はほぼ全面に設けた放熱フィンからの放熱が可能となり、両者の効果を合わせ持つことにより、これまでにない優れた放熱特性が得られる。また、これまで利用されることのなかった屈曲ヒートパイプと受熱ブロックに囲まれた空間を利用することが可能なために、ヒートパイプ式ヒートシンクの大きさを殆ど変更することなく放熱特性の向上が可能となる。

受熱ブロックに備わる放熱フィンは、屈曲ヒートパイプの屈曲部位の放熱フィンが取り付けられない空間に設けられるもので、その高さは放熱フィンの放熱面積を多くすること及び流れる空気を有効に利用することから、前記空間内にできるだけ高くするのが好ましく、６ｍｍ〜４０ｍｍがよい。
しかしながら、６ｍｍ未満では放熱フィンを設けるとしても流入する空気量を十分に確保することが難しいので良好な放熱性が得られない。更に、ヒートパイプを半径６ｍｍ未満で曲げることになり、直径３ｍｍの細径のヒートパイプを用いても屈曲部で座屈を起こしてしまいヒートパイプ自体の性能を低下させてしまう。
又、４０ｍｍを超えると受熱ブロックからの距離が遠くなり受熱ブロックに備わる放熱フィンの放熱効率が低下してしまい、逆に放熱フィンの高さを抑えて屈曲ヒートパイプに放熱フィンを取り付けたほうが放熱効率を高められるためである。
受熱ブロックに備わる放熱フィンの厚み、形状およびフィン間隔、並びに屈曲ヒートパイプに取り付けられる放熱フィンの厚み、形状およびフィン間隔は、このヒーパイプ式ヒートシンクが用いられる状況に合わせて設定される。

受熱ブロックへの放熱フィンの取り付けは、アルミニウム合金の押出し成形により一体品として作ることも受熱ブロックに放熱フィンをロウ付け材などの接合材を用いて作製してもよい。

屈曲ヒートパイプは、通常断面が円形の円筒管を用い、その内面にウィックとなる細い溝を設けた溝形ヒートパイプを所定の形状に曲げ加工して用いられるが、小さいヒートシンク占有体積が求められるような場合には、断面が扁平形のヒートパイプを用いると曲げ加工による座屈の影響を抑え、小さな半径でヒートパイプの屈曲部位を構成することができる。

図６は放熱フィンの屈曲ヒートパイプ取り付け部形状を示す平面図で、図７は屈曲ヒートパイプ取り付け部のバーリング加工を説明する図で、図８はＨスリット型の屈曲ヒートパイプ取り付け部を有する放熱フィンの平面図である。
図６に示すように屈曲ヒートパイプへの放熱フィンの取り付けは、放熱フィン４に屈曲ヒートパイプ断面形に準じた形状の孔、即ち断面形状が円形の場合には丸孔１２ａ、或いは扁平形の場合には扁平孔１２ｂを穿つか、又は円形断面の直径或いは扁平断面の長径及び短径より少し小さめの長さのスリット１２ｃ、１２ｄを設けて、これらに屈曲ヒートパイプを差込み圧入して屈曲ヒートパイプと放熱フィンを弾性接触力で保持する方法、かしめによる方法若しくは接合材を介して接合する方法などによる差込みフィン方式が用いられる。更に図７で示すバーニング加工により丸孔１２ａを少し突出させた後、そこに屈曲ヒートパイプを圧入することもできる。

又、図８のように放熱フィンにＨ型の切込み１２ｅを入れ、これを所定角度θで切り起し、切り起し部に屈曲ヒートパイプを圧入し、屈曲ヒートパイプと放熱フィンを弾性接触力で保持する方法などがある。切り起しの所定角度θは７０°から８８°の範囲、より望ましくは７５°から８５°の範囲が良い。７０°未満の場合は圧入時の変形が大きく形状が安定せず、８８°を超えると圧入時の変形が小さく、弾性接触力を充分に得られない。又、切り起し部と切り起していない部分をつなぐ部分は適当な曲率で曲げる。

図９は巻付け放熱フィン付き屈曲ヒートパイプの外観図である。
テープ状放熱フィン１４は、巻付け前に板幅方向に外周部板厚を薄くするようにテーパー圧延される。これにより巻付け部の外周の周長が内周のそれより大きくなり、屈曲ヒートパイプ３への巻付けを可能とする。そして、その外周に螺旋状に巻付けて接合材を介して接合して巻付け放熱フィン１３とする巻付けフィン方式なども用いられる。

更に、放熱フィンに屈曲ヒートパイプを複数本、取り付けて用いることもできる。
図１０は、放熱フィン４に屈曲ヒートパイプ３を３本取り付けた場合の本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンクを示している。
使用する屈曲ヒートパイプ３の本数は、発熱素子の個数、発熱量、配置などの要求される放熱性に合わせ、ヒートパイプ式ヒートシンクの設置箇所の状況を加味して決められ、複数本とすることができる。このように複数本の屈曲ヒートパイプを利用することにより、受熱ブロックからの熱の移動を促進し、広範囲から同時に熱を移動することができ、放熱性の向上をもたらすことができる。
以下に実施例を用いて本発明を説明する。

（本発明例１）
図１は本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンクの第１の実施形態を示すもので、１ａはヒートパイプ式ヒートシンク、２は受熱ブロックに設けられた第２の放熱フィン、３は屈曲ヒートパイプ、４は屈曲ヒートパイプに取り付けられた第１の放熱フィン、５は受熱ブロック、６は半導体素子などの発熱源を表している。
押出し成形により一体性成形品として作製されたアルミニウム合金製の第２の放熱フィン２付き受熱ブロック５に、複数枚のアルミニウム合金製の第１の放熱フィン４を円形屈曲ヒートパイプ３の一端にかしめ、その円形屈曲ヒートパイプ３の他端を受熱ブロック５に設けられたヒートパイプ設置溝にはめ込み、ロウ付けすることで受熱ブロック５と接合して、ヒートパイプ式ヒートシンク１を作製する。
図１では屈曲ヒートパイプを１本使用した場合のヒートパイプ式ヒートシンクの例を示したが、発熱素子６の個数、発熱量、配置などにより複数本の屈曲ヒートパイプを設けてもよい。

（本発明例２）
図２は本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンクの第２の実施形態を示すもので、１ｂは図１のヒートパイプ式ヒートシンク１ａに、更に受熱ブロック５に新たに第２の放熱フィン７を設けたヒートパイプ式ヒートシンクを表している。
第２の放熱フィン７の取り付けは、受熱ブロック５に設置溝を設け、第２の放熱フィン７をはめ込み、ろう付けして接合した。
受熱ブロック５は、通常発熱源６で発生する熱を拡散する働きが主体で、外部に熱を放出する働きは表面積を大きくすることが難しいので弱いが、受熱ブロック５に第２の放熱フィン２乃至放熱フィン７が備わることにより放熱に対する寄与が増し、より冷却効果を高めている。
図２では、第２の放熱フィン２及び第２の放熱フィン７が分離して設けられている例を示したが、第２の放熱フィン２と第２の放熱フィン７は一体化していても良い。

（本発明例３）
図３は扁平形断面屈曲ヒートパイプ８を用い、複数枚のアルミニウム合金製の第１の放熱フィン４を設けた場合のフィン付きヒートパイプ９を表している。
扁平形断面屈曲ヒートパイプ８の受熱ブロック５への接合は、図４に示すような構造で受熱ブロック５に設けられた設置溝１０にはめ込まれ、ろう材１１で接合する。このような断面方向でヒートパイプを用いることにより、ヒートパイプ屈曲部の曲率半径をより小さくでき、従ってヒートシンク自体の占有体積も小さくする。

（従来例）
図５は受熱ブロック５に第２の放熱フィン２乃至７を持たない従来のヒートパイプ式ヒートシンク１ｃを表している。従来のヒートパイプ式ヒートシンク１ｃでは、屈曲ヒートパイプ３に備えられた放熱フィン４からの熱放出が主であり、受熱ブロック５はその表面積を大きくできないことから熱放出への寄与は小さくなっている。

本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンクの第１の実施形態を示す外観図である。 本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンクの第２の実施形態を示す外観図である。 扁平形断面屈曲ヒートパイプで構成される放熱フィン付きヒートパイプの外観図である。 扁平形断面屈曲ヒートパイプの受熱ブロックへの接合構造を示す断面図である。 従来型ヒートパイプ式ヒートシンクの透視外観図である。 放熱フィンの屈曲ヒートパイプ取り付け部形状を示す平面図である。 屈曲ヒートパイプ取り付け部のバーリング加工を説明する図である。 Ｈスリット型の屈曲ヒートパイプ取り付け部を有する放熱フィンの平面図である。 巻付け放熱フィン付き屈曲ヒートパイプの外観図である。 屈曲ヒートパイプを３本備えるヒートパイプ式ヒートシンクの実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１ａ 本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンク
１ｂ 本発明に係るヒートパイプ式ヒートシンク
１ｃ 従来のヒートパイプ式ヒートシンク
２ 受熱ブロックに設けた第２の放熱フィン
３ 屈曲ヒートパイプ
４ 屈曲ヒートパイプに設けた第１の放熱フィン
５ 受熱ブロック
６ 発熱源
７ 受熱ブロックに設けた第２の放熱フィン
８ 扁平形断面屈曲ヒートパイプ
９ 放熱フィン付き扁平形断面屈曲ヒートパイプ
１０ ヒートパイプ設置溝
１１ ろう材
１２ａ 円形断面屈曲ヒートパイプ取り付け孔
１２ｂ 扁平形断面屈曲ヒートパイプ取り付け孔
１２ｃ 円形断面屈曲ヒートパイプ取り付けスリット
１２ｄ 扁平形断面屈曲ヒートパイプ取り付けスリット
１２ｅ 屈曲ヒートパイプ取り付けＨ型スリット
１３ 巻付け放熱フィン
１４ テープ状放熱フィン

Claims (8)

1. 発熱素子を備える受熱ブロックと、該受熱ブロックに設けられ且つ第１の放熱フィンを備える屈曲ヒートパイプと、該受熱ブロックと該第1の放熱フィンで挟まれる空間に該受熱ブロックから該第１の放熱フィン方向に取り付けられる第２の放熱フィンとを、備えることを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンク。
2. 発熱素子を備える受熱ブロックと、該受熱ブロックに設けられ且つ第１の放熱フィンを備える屈曲ヒートパイプと、該受熱ブロックと該第１の放熱フィンで挟まれる空間および前記空間と連続する空間であって該受熱ブロック上部空間に該受熱ブロックから該第１の放熱フィン方向に取り付けられる第２の放熱フィンとを、備えたことを特徴とするヒートパイプ式ヒートシンク。
3. 前記屈曲ヒートパイプが、扁平形の断面形状を有する屈曲ヒートパイプであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートパイプ式ヒートシンク。
4. 前記第２の放熱フィン及び前記受熱ブロックが一体成形品からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンク。
5. 前記第２の放熱フィンが接合材を介して前記受熱ブロックと一体化した構造からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンク。
6. 前記第１の放熱フィンが取り付けられる屈曲ヒートパイプが、複数本であることを特徴とする請求項1乃至請求項５記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンク。
7. 前記第１の放熱フィンが、屈曲ヒートパイプに差込んで装着される差込みフィンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンク。
8. 前記第１の放熱フィンが、屈曲ヒートパイプに巻付けて装着される巻付けフィンであることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載のいずれかのヒートパイプ式ヒートシンク。
   

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