JP2006310739A - 電子機器用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溝等により受熱プレートとヒートパイプの接触面積を増やすことが困難である板金の受熱プレートにおいても、プレートとヒートパイプとの間で熱を十分に移動することができる電子機器用冷却装置を提供する。
【解決手段】受熱プレートとヒートパイプと放熱フィンを備えたヒートシンクであって、発熱素子近傍で受熱プレート上に金属ブロックが熱的に接合し、ヒートパイプが受熱プレートと金属ブロックの両方に２つ以上の面で熱的に接合する、電子機器用冷却装置。更に、ヒートパイプが２本以上用いられ、受熱部近傍で、ヒートパイプとヒートパイプの間に金属ブロックが配置され、金属ブロックの両側面に２本のヒートパイプがそれぞれ熱的に接合する電子機器用冷却装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器用冷却装置、特に、溝等により受熱プレートとヒートパイプの接触面積を増やすことが困難である板金の受熱プレートにおいても、プレートとヒートパイプとの間で熱を十分に移動することができる電子機器用冷却装置に関する。

ノートＰＣのＣＰＵ冷却に用いられるヒートパイプヒートシンクなどでは、受熱プレートとヒートパイプと放熱フィンを備えたものが用いられている。即ち、一方の面に発熱素子が熱的に接続され、他方の面にヒートパイプが熱的に接続され、ヒートパイプの放熱部には放熱フィンが熱的に接続されている。ここで一般に、受熱プレートとヒートパイプは、ハンダや熱伝導接着剤、機械的カシメなどの手段により、熱的に接合されている。

このように受熱プレートに熱的に接続されたヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。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により熱の移動が行われるヒートパイプの作動の詳細は次の通りである。

ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた被冷却部品が発する熱を潜熱として吸収して、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は凝縮して潜熱を放出するとともに、再び液相状態に戻る。このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側に移動（還流）する。このような作動流体の相変態や移動によって熱の移動が行われる。

図８は、従来の電子機器用冷却装置の部分を説明する図である。引例（特開平１０−７９５８６）には、ダイキャストまたは押出し材のような厚板に設けた溝にヒートパイプを埋め込み（図８（ａ））、カシメる（図８（ｂ））、あるいは板金等の薄板にヒートパイプをハンダ付けする（図８（ｄ））、板金等の薄板でヒートパイプを巻きつける（図８（ｅ））等の例が示されている。

特開平１０−７９５８６号公報

受熱プレートがダイキャスト材や押出し材などの厚物の場合は、受熱プレートに溝を設けてヒートパイプを埋め込み、広い面積で受熱プレートとヒートパイプを熱的に接合させ、受熱プレートとヒートパイプの熱伝達を良好にしている。しかし、厚さのあるプレートが常に使えるわけではなく、ＰＣ内の空間の制約や、コスト等により、薄板を板金加工した受熱プレートを使うことも多い。特に熱量が大きい場合、銅のプレートを用いるので、アルミのようにダイキャストや押出しで自由な形状を作れず、板金加工をせざるを得ない。

しかし板金の受熱プレートでは、溝等により受熱プレートとヒートパイプの接触面積を増やすことが困難であり、プレートとヒートパイプは１面で接合するのみであることが多い。この場合、少しでも接合面積を増やすため、偏平状のヒートパイプを用いたり、ヒートパイプとプレートの間をハンダで埋めたりすることが多い。しかしそれでも接合面積は十分でなく、ヒートパイプに有効に伝熱しないことがあった。

従って、この発明の目的は、溝等により受熱プレートとヒートパイプの接触面積を増やすことが困難である板金の受熱プレートにおいても、プレートとヒートパイプとの間で熱を十分に移動することができる電子機器用冷却装置を提供することにある。

本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、受熱部近傍で、受熱プレートとヒートパイプに加えて金属ブロックを配置すると、ヒートパイプが２つ以上の面で受熱プレートと金属ブロックにそれぞれ熱的に接合し、実質的に拡大した受熱部が得られることが判明した。

この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の電子機器用冷却装置の第１の態様は、一方の面に発熱素子が熱的に接続され、他方の面に、前記発熱素子の熱を放熱フィンに移動する少なくとも１本のヒートパイプが熱的に接続された受熱プレートと、他方の面における前記発熱素子に対応する位置において前記受熱プレートおよび前記ヒートパイプの吸熱部に熱的に接続する少なくとも１つの金属ブロックとを備えた電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第２の態様は、前記少なくとも１本のヒートパイプが２本のヒートパイプからなり、前記少なくとも１つの金属ブロックが１個の金属ブロックからなり、前記ヒートパイプのそれぞれの少なくとも一部が前記金属ブロックの側面および前記受熱プレートと熱的に接続している、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第３の態様は、前記少なくとも１本のヒートパイプが１本のヒートパイプからなり、前記少なくとも１つの金属ブロックが２個の金属ブロックからなり、前記２個の金属ブロックが前記ヒートパイプを挟むように配置されて熱的に接続されている、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第４の態様は、前記ヒートパイプと前記金属ブロックの側面との接触面が大きくなるように熱的に接続されている、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第５の態様は、前記ヒートパイプの断面が丸状または偏平状である、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第６の態様は、前記金属ブロックの断面が、略長方形または略台形または略三角形である、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第７の態様は、受熱プレートが、板金加工によって形成されている薄板からなっている、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第８の態様は、前記放熱フィンに空気を吹き付ける遠心ファンを更に備えている、電子機器用冷却装置である。

この発明の電子機器用冷却装置の第９の態様は、前記金属ブロックは、銅またはアルミニウム製の厚板を所定の形状に打ち抜いて形成される、所定形状の角棒を所定の長さに切断して形成される、所定の形状に鍛造される、または、金属粉を固めて形成される、電子機器用冷却装置である。

本発明により、発熱素子の熱が、受熱プレートと金属ブロックを通じてヒートパイプに効率よく伝達するので、ヒートパイプと受熱プレート間の接触熱抵抗が低減する。また、ヒートパイプの受熱面積が大きくなるので、受熱部での熱密度が緩和され、最大熱輸送量が大きくなる。その結果、大きい発熱量を放熱できるようになった。

この発明の電子機器用冷却装置を図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明の電子機器用冷却装置の１つの態様を示す図である。図１（ａ）は、裏側から見た電子機器用冷却装置の図である。図１（ｂ）は表側から見た電子機器用冷却装置の図である。図１（ｃ）は、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。

図１に示すように、この発明の電子機器用冷却装置１は、上または下方から空気を吸い込み側方から遠心方向に空気を送り出す（図示しない）遠心ファンと、遠心ファンの（図示しない）インペラーの上側または下側に設けられた空気吸い込み口５と、遠心ファンの側方に設けられ、放熱フィン７を備えた空気吹き出し口とを備えている。

図１（ａ）に示すこの発明の電子機器用冷却装置１を裏面から見た図である。この態様においては、２本のヒートパイプと１個の金属ブロックを用いている。図１（ｂ）は表側から見た電子機器用冷却装置の図である。図１（ｂ）に示すように、受熱プレート３の一方の面の端部付近に発熱素子６が熱的に接続されている。受熱プレート３の同じ面の他方の端部に遠心ファン、空気吹き出し口、空気吸い込み口等が熱的に接続されている。

図１（ａ）に示すように、受熱プレート３の裏面の発熱素子６に対応する位置に、例えば扁平型ヒートパイプ２、１２の吸熱部が熱的に接続され、放熱フィン７に沿ってヒートパイプの放熱部が熱的に接続して受熱プレート３の裏面に配置されている。２本のヒートパイプのそれぞれの吸熱部の間には１個の金属ブロック４が配置されている。図１（ｃ）は、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。

図１（ｃ）に示すように、受熱プレート３の下面には発熱素子６が熱的に接続されている。受熱プレートの上面には、発熱素子に対応する位置に、金属ブロック４が熱的に接続され、金属ブロックの両側面には、受熱プレートに熱的に接続されたヒートパイプ２、１２の吸熱部が熱的に接続されている。このような態様においては、発熱素子の熱は、受熱プレートに伝わり、次いで、ヒートパイプの吸熱部に伝わり、ヒートパイプ内の作動液を蒸発させる。

同時に、受熱プレートに伝わった熱は、金属ブロックに伝わり、更に、金属ブロックからヒートパイプの吸熱部に伝わる。このように、受熱プレートの発熱素子に対応する位置に配置された金属ブロックに、発熱素子の熱が伝わるので、発熱量の大きい発熱素子であっても、ヒートパイプとの接触面積を拡大して、効率的に熱を移動して放熱することができる。

図２は、他の態様における、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。この態様においては、１つのヒートパイプと１個の金属ブロックを用いている。

図２に示すように、受熱プレート３の下面には発熱素子６が熱的に接続されている。受熱プレートの上面には、発熱素子に対応する位置に、１個の金属ブロック１４が熱的に接続され、金属ブロック１４の一方の側面には、受熱プレートに熱的に接続されたヒートパイプ２の吸熱部が熱的に接続されている。ヒートパイプと受熱プレートの接触面積、および、ヒートパイプと金属ブロックの接触面積は可能な限り大きい方が好ましい。このような態様においては、発熱素子の熱は、受熱プレートに伝わり、次いで、ヒートパイプの吸熱部に伝わり、ヒートパイプ内の作動液を蒸発させる。

同時に、受熱プレートに伝わった熱は、金属ブロックに伝わり、更に、金属ブロックからヒートパイプの吸熱部に伝わる。このように、受熱プレートの発熱素子に対応する位置に配置された金属ブロックおよびヒートパイプに、同時に発熱素子の熱が伝わるので、発熱量の大きい発熱素子であっても、ヒートパイプとの接触面積を拡大して、効率的に熱を移動して放熱することができる。

図３は、他の態様における、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。この態様においては、１つのヒートパイプと２個の金属ブロックを用いている。

図３に示すように、受熱プレート３の下面には発熱素子６が熱的に接続されている。受熱プレートの上面には、発熱素子に対応する位置に、１つのヒートパイプ２が熱的に接続され、２個の金属ブロック１４がヒートパイプを挟むようにヒートパイプの両側側に配置され熱的に接続されている。ヒートパイプは、底面が受熱プレートと接触し、両側面が金属ブロックのそれぞれ対向する面と接触している。ヒートパイプと受熱プレートの接触面積、および、ヒートパイプと金属ブロックの接触面積は可能な限り大きい方が好ましい。

このような態様においては、発熱素子の熱は、受熱プレートに伝わり、次いで、ヒートパイプの吸熱部に伝わり、ヒートパイプ内の作動液を蒸発させる。同時に、受熱プレートに伝わった熱は、２個の金属ブロックに伝わり、更に、２個の金属ブロックの側面からヒートパイプの吸熱部に伝わる。このように、受熱プレートの発熱素子に対応する位置に配置された金属ブロックおよびヒートパイプに、同時に発熱素子の熱が伝わるので、発熱量の大きい発熱素子であっても、ヒートパイプとの接触面積を拡大して、効率的に熱を移動して放熱することができる。２個の金属ブロックを使用しているので、より大きな発熱量に対応することができる。

図４は、他の態様における、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。この態様においては、２つのヒートパイプと１個の金属ブロックを用いている。

図４に示すように、受熱プレート３の下面には発熱素子６が熱的に接続されている。受熱プレートの上面には、発熱素子に対応する位置に、１個の金属ブロックが熱的に接続され、金属ブロックを挟むように２つのヒートパイプ１２、１２が配置されて熱的に接続されている。２つのヒートパイプは、それぞれの底面が受熱プレートと接触し、金属ブロックのそれぞれ対向する面において金属ブロックと接触している。この態様においても、ヒートパイプと受熱プレートの接触面積、および、ヒートパイプと金属ブロックの接触面積は可能な限り大きい方が好ましい。金属ブロックの大きさは、２つのヒートパイプの吸熱部の能力及び発熱体のサイズに対応して設定することができる。

このような態様においては、発熱素子の熱は、受熱プレートに伝わり、次いで、２つのヒートパイプのそれぞれの吸熱部に伝わり、ヒートパイプ内の作動液を蒸発させる。同時に、受熱プレートに伝わった熱は、１個の金属ブロックに伝わり、更に、１個の金属ブロックの両側面からそれぞれのヒートパイプの吸熱部に伝わる。このように、受熱プレートの発熱素子に対応する位置に配置された金属ブロックおよびヒートパイプに、同時に発熱素子の熱が伝わるので、発熱量の大きい発熱素子であっても、ヒートパイプとの接触面積を拡大して、効率的に熱を移動して放熱することができる。２つのヒートパイプの吸熱能力に対応する大きさの金属ブロックを使用しているので、より大きな発熱量に対応することができる。

上述したように、図２から図４を参照して説明したように、ヒートパイプと金属ブロックの数と配置を変えた態様である。
ヒートパイプが１本で金属ブロックが１個、金属ブロックが２個で１本のヒートパイプを挟む、ヒートパイプが２本で１個の金属ブロックを挟む、等々の例がある。それにより、ヒートパイプの伝熱面を２面以上とすることができ、効率のよい熱伝達ができる。

図５は、他の態様における、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。この態様においては、ヒートパイプの断面形状が円形であり、１つのヒートパイプと１個の金属ブロックを用いている。

図５に示すように、受熱プレート１３の下面には発熱素子１６が熱的に接続されている。受熱プレートの上面には、発熱素子に対応する位置に、１個の金属ブロック１４が熱的に接続されている。金属ブロックの側面には、断面円形状のヒートパイプが熱的に接続されている。ヒートパイプ１２はその一部が受熱プレートに熱的に接続し、他の一部が金属ブロックに熱的に接続されている。所定の大きさの金属ブロックを用いることにより、発熱量の大きい発熱素子を用いた場合においても、熱の主要な一部を金属ブロックで吸収、拡散し、次いでヒートパイプに伝熱するので、ヒートパイプと受熱プレート間の接触熱抵抗が低減する。また、ヒートパイプの受熱面積が大きくなるので、熱密度を緩和し、ヒートパイプの吸熱部にいわゆるドライアウトが生じることを防止することができる。

このような態様においても、上述した態様と同様に、発熱素子の熱は、受熱プレートに伝わり、次いで、金属ブロックおよびヒートパイプの吸熱部に伝わり、熱の一部がヒートパイプ内の作動液を蒸発させ、同時に、金属ブロックの側面からヒートパイプの吸熱部に伝わる。

図６は、他の態様における、ヒートパイプ、金属ブロック、発熱素子、受熱プレートの相対位置を示す部分断面図である。この態様においては、ヒートパイプの断面形状が楕円形であり、１つのヒートパイプと１個の金属ブロックを用いている。

図６に示すように、受熱プレート１３の下面には発熱素子１６が熱的に接続されている。受熱プレートの上面には、発熱素子に対応する位置に、１個の金属ブロック１４が熱的に接続されている。金属ブロックの側面には、断面楕円形状のヒートパイプが熱的に接続されている。ヒートパイプ１２はその主要な一部が受熱プレートに熱的に接続し、他の一部が金属ブロックに熱的に接続されている。この態様においても、所定の大きさの金属ブロックを用いることにより、発熱量の大きい発熱素子を用いた場合においても、ヒートパイプで熱の主要な一部を吸収すると共に、熱の一部を金属ブロックで吸収し、金属ブロックで吸収した熱をヒートパイプで吸熱するので、熱を２つの方向に分けて、ヒートパイプの吸熱部にいわゆるドライアウトが生じることを防止することができる。

このような態様においても、上述した態様と同様に、発熱素子の熱は、受熱プレートに伝わり、次いで、金属ブロックおよびヒートパイプの吸熱部に伝わり、熱の一部がヒートパイプ内の作動液を蒸発させ、同時に、金属ブロックの側面からヒートパイプの吸熱部に伝わる。

上述したように、図５および図６は、ヒートパイプの形状を変えたものである。
ヒートパイプの断面形状が丸のもの、偏平状のものがある。本発明によれば、断面が丸でも伝熱面積を増やすことができる。断面が偏平状だと、さらに伝熱面積が大きくなり、性能が向上する。

図７は、金属ブロックの各種態様（形状を変えたもの）を示す図である。
図７（ａ）から図７（ｆ）に示すように、いちばん簡単には直方体状（図７（ａ））で、ヒートパイプの配置に合わせて平面図を三角や台形にしたもの（断面長方形）（図７（ｂ））などがある。さらに、断面形状を台形（図７（ｃ））や富士山型、三角形（図７（ｅ））や台形、三角の斜辺が凹んだ形状（７（ｆ）、７（ｄ））などにすると、ヒートパイプの丸みに合わせられるので、接触がより良くなり、ハンダで埋める量が減らせる。

なお、この発明の電子機器用冷却装置における金属ブロックは、次のような方法によって製造される。
（１）銅またはアルミニウム製の所定の寸法の厚板を準備し、作製しようとする金属ブロックの平面形状、例えば長方形、台形等に沿って打ち抜き加工を施して、金属ブロックを形成する。このように形成された金属ブロックの横断面形状は単純な長方形である。平面形状は、配置する金属ブロックの形状に応じて任意に選択することができる。
（２）銅またはアルミニウム製の所定の形状の角棒、例えば四角柱、ヒートパイプと接する面を凹面にした角柱等を準備し、所定の長さに切断して、金属ブロックを形成する。このように形成された金属ブロックの断面形状は角棒の断面形状と一致しているので、任意に角棒の断面形状を選択することができる。平面形状は長方形である。
（３）銅またはアルミニウム材を使用して、所望の形状の金属ブロックを鍛造によって形成する。この方法によると、金属ブロックの断面形状および平面形状を任意に選択することができる。
（４）金属粉を所定の形状に固めて金属ブロックを作製する。更に、例えば銅粉とペースト状の半田を混ぜ合わせたものを所定の形状に固めて金属ブロックを作製する。このように銅粉を混ぜると半田付け時に流れ難く、意図する部分に塊を形成しやすい。

この発明の電子機器用冷却装置の１つの態様においては、受熱プレートを板金で形成する。
従来ならば、ほぼ平らな面で、浅い凹凸しかつけられない板金加工品でも、本発明によると、金属ブロックによりヒートパイプとの接合面積を大きくすることができる。従って、受熱プレートが板金で成型されるときに、本発明は特に有効である。

この発明によると、発熱素子の熱が、受熱プレートとブロックを通じてヒートパイプに効率よく伝達するので、ヒートシンクの均熱性が向上し、大きい発熱量を放熱できるようになり、産業上利用価値が高い。

図１は、この発明の電子機器用冷却装置を説明する図である。図１（a）は表から見た図、図１（ｂ）は裏から見た図、図１（ｃ）は部分断面図である。 図２は、この発明の電子機器用冷却装置の１つの態様を示す図である。 図３は、この発明の電子機器用冷却装置の他の１つの態様を示す図である。 図４は、この発明の電子機器用冷却装置の他の１つの態様を示す図である。 図５は、この発明の電子機器用冷却装置の他の１つの態様を示す図である。 図６は、この発明の電子機器用冷却装置の他の１つの態様を示す図である。 図７は、各種金属ブロックを示す図である。 図８は、従来の電子機器用冷却装置の部分を説明する図である。

符号の説明

１ この発明の電子機器用冷却装置
２ ヒートパイプ
３ 受熱プレート
４ 金属ブロック
５ ファン用開口部
６ 発熱素子
７ 放熱フィン
８ ハンダ
１２ ヒートパイプ
１３ 受熱プレート
１４ 金属ブロック
１６ 発熱素子

Claims (9)

1. 受熱プレートの一方の面に発熱素子が熱的に接続され、他方の面に、前記発熱素子の熱を放熱フィンに移動する少なくとも１本のヒートパイプが熱的に接続され、さらに他方の面における前記発熱素子に対応する位置において前記受熱プレートおよび前記ヒートパイプの吸熱部に熱的に接続する少なくとも１つの金属ブロックとを備えた電子機器用冷却装置。
2. ２本のヒートパイプと１個の金属ブロックを備え、前記２本のヒートパイプが前記金属ブロックを挟むように配置されて熱的に接続されている、請求項１に記載の電子機器用冷却装置。
3. １本のヒートパイプと２個の金属ブロックを備え、前記２個の金属ブロックが前記ヒートパイプを挟むように配置されて熱的に接続されている、請求項１に記載の電子機器用冷却装置。
4. 前記ヒートパイプの断面が丸状または偏平状である、請求項１から３の何れか１項に記載の電子機器用冷却装置。
5. 前記金属ブロックの断面が、略長方形または略台形または略三角形である、請求項１から４の何れか１項に記載の電子機器用冷却装置。
6. 受熱プレートが、板金加工によって形成された薄板からなっている、請求項１から５の何れか１項に記載の電子機器用冷却装置。
7. 前記放熱フィンに空気を吹き付ける遠心ファンを更に備えている、請求項１から６の何れか１項に記載の電子機器用冷却装置。
8. ブロックの側面がヒートパイプの曲率に沿うように、前記ヒートパイプと前記金属ブロックの側面が熱的に接続されている、請求項１から７の何れか１項に記載の電子機器用冷却装置。
9. 前記金属ブロックは、銅またはアルミニウム製の厚板を所定の形状に打ち抜いて形成される、所定形状の角棒を所定の長さに切断して形成される、
   所定の形状に鍛造される、または、金属粉を固めて形成される、請求項１から８の何れか１項に記載の電子機器用冷却装置。

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