JP2008147319A

JP2008147319A - 冷却装置

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Publication number: JP2008147319A
Application number: JP2006331271A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Mochida; 敏治持田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: JP5076476B2

Abstract

【課題】発熱する半導体素子等からなる電子装置を冷却するものにおいて、冷却効果が高く、大容量化の容易な冷却装置を提供する
【解決手段】電子装置などの発熱体の取り付けられた冷却基板と、放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した放熱体とを設け、この冷却基板と放熱体とをヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とする
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子の発熱する電子素子を有する電子装置を効果的に冷却するための冷却装置に関する。

電子装置を構成する半導体素子は、年々その容量が増大し、発熱量も多くなっている。そのため、このような電子装置を冷却するための冷却装置も大形にして冷却容量を増大する必要がある。

ところで、このような冷却装置としては、図６に示すように平板状の冷却基板７１の一面に櫛歯状に放熱フィン７２を多数結合して構成した櫛歯形冷却体７０を電子装置などの発熱体８０に取り付け、この冷却体７０の放熱フィン７２を自然冷却または強制冷却することにより発熱体８０の冷却を行うようにしたものが、最も一般的である。

このような櫛歯形冷却体を用いた従来の冷却装置は、冷却容量を大きくするために、冷却基板７１および放熱フィン７２の形状を変えずにただ単にこれらの寸法を大きくしても、寸法が大きくなるにしたがって冷却基板７１および放熱フィン７２の放熱効率が低下するため、例えば、冷却体の体積を２倍に増大したとしても、冷却容量を２倍にすることはできず、せいぜい１．５倍程度にしか増加させることができない。このため、櫛歯形冷却体だけを用いた冷却装置は、冷却容量の増大に限界があり、冷却可能な電子装置等の発熱体の容量も限定される。

特許文献１および２に示されるような放熱フィンとヒートパイプを組み合わせた冷却装置とすれば、より容量の大きい電子装置の冷却が可能となる。このような放熱フィンとヒートパイプを組み合わせた従来の冷却装置を図７に示す。

この図７の従来の冷却装置は、クリップ７４により電子装置などの発熱体８０に結合された冷却基板７１にＵ字形のヒートパイプ７３の受熱端部となる中間部を熱的に結合し、このヒートパイプ７３の放熱端となる先端部に複数の放熱フィン７２を直接結合して構成している。

このような冷却装置によれば、電子装置などの発熱体８０の熱は冷却基板７１からヒートパイプ７３により放熱端側の放熱フィン７２に運ばれてこの放熱フィン７２から自然冷却または強制冷却によって放熱されることにより、発熱体８０の冷却が行われる。このように、ヒートパイプ７３を用いると、ヒートパイプの特性により、その受熱端と放熱端の間で低温度差で熱輸送が可能になるため、ヒートパイプの放熱端となる先端部でも十分な冷却性能が得られる。そのため、先端部の放熱フィンを大きくしたり、その枚数を多くしたりすると、それに比例して冷却容量が増大し、大容量の電子装置などの発熱体の冷却が可能となる。

しかして、前記のようなヒートパイプを用いた従来の冷却装置においては、図７（ｂ）に示すように、平板の薄板からなる放熱フィン７２の平板面にヒートパイプを挿通するため貫通孔７２ａを設け、この貫通孔７２ａにヒートパイプ７３の放熱端となる先端部を挿入してろう付けしたり、圧入したりすることにより放熱フィン７２とヒートパイプ７３との機械的および熱的な結合を行うようにしている。

このため、このような冷却装置おいても、冷却容量が増大すると、大形の放熱フィンを多数ヒートパイプに直接結合する必要があるため、高い加工精度が必要になるとともに、ろう付け等による結合作業の困難度が高まり、ヒートパイプと放熱フィンの結合作業に多大の労力とコストが必要となる問題がある。

図８に、特許文献３に示された従来の冷却装置を示す。この図８に示す冷却装置は、電子装置などの発熱体８０の取り付けられた冷却基板７１に受熱端部を結合されたヒートパイプ７３の放熱端となる先端部を、冷却体９０を構成する放熱フィン９２の上に載置し、カバー９３により固定するようにしている。そして、冷却ファン９５により、放熱フィン９２に冷却空気を強制送風して冷却を行う。

この図８の従来装置によれば、ヒートパイプ７３の放熱端となる先端部が放熱フィンの上面に載置して、固定されているので、前記の図７に示す従来装置のうようにヒートパイプを放熱フィンに貫通して取り付けるものに比して、ヒートパイプと放熱フィンとの結合作業が容易となり、前記の問題は解決できる。

しかし、この図８の従来装置においては、ヒートパイプが放熱フィンの上に載置されてこれと接触するだけであるので、特にヒートパイプが円形断面の金属管で構成されている場合は、カバー９３により固定されているといえども、ヒートパイプと放熱フィンとの接触面積が小さくなるため、ヒートパイプから放熱フィンへの熱伝達効率が低くなり、冷却効果を高めることができないという不都合がある。
特開平１１−１２１６６７号公報特開２００４−０８７５５３号公報特開平１１−０９７８７３号公報

この発明は、前記のような従来装置における不都合を解消するため、ヒートパイプから放熱体への熱伝達効率を高くして、冷却効果が高く、かつ大容量化の容易な冷却装置を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、電子装置などの発熱体の取り付けられた冷却基板と、放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した放熱体とを設け、この冷却基板と放熱体とをヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とするものである。

この発明においては、前記放熱体の放熱基板に取付穴を形成し、この取付穴に前記ヒートパイプの放熱端となる側の端部を挿入してヒートパイプを前記放熱体に結合するようにするのがよい。

また、この発明おいては、前記ヒートパイプの放熱端となる側の端部に補助放熱体を結合し、この補助放熱体に前記放熱体の放熱基板を結合するようにすることもできる。この場合、前記補助放熱体に少なくとも１つの平坦な接合面を形成し、この接合面に前記放熱体の放熱基板を接合して結合するのがよい。

さらに、この発明においては、冷却容量が不足する場合は、電子装置などの発熱体の取り付けられた冷却基板と、放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した放熱体とを設け、この冷却基板と放熱体とをヒートパイプにより熱的に結合し、さらに放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した別の放熱体を設け、前記放熱体の放熱基板と前記別の放熱体の放熱基板とをヒートパイプにより熱的に連結するようにすることができる。

このようにこの発明によれば、電子装置などの発熱体の取り付けられた冷却基板と、放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した放熱体とを設け、この冷却基板と放熱体とをヒートパイプにより熱的に結合して冷却装置を構成しているので、ヒートパイプは放熱フィンに直接結合することなく放熱フィンの結合された放熱体の放熱基板に結合することにより、ヒートパイプの全外周を冷却体の放熱基板と接触させて結合するので放熱体との接触面積が大きくなり、ヒートパイプから放熱体への熱伝達効率を高めることができるとともに、その結合精度を高くする必要がないため、ヒートパイプへの放熱フィンの結合作業が容易となり、簡単に冷却容量を高めることができる。

この発明の実施の形態を、図に示す実施例に基づいて説明する。

図１はこの発明の第１の実施例を示すもので、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線の断面図である。

この図１において、１は冷却基板であり、電子装置等の発熱体２が上下両面に結合されている。この基板１の中心部に設けられた結合穴１１にヒートパープ３の受熱端となる側の端部を挿入して、冷却基板１にヒートパイプ３を熱的に結合する。

４は、放熱基板４１の対向する両面に、ろう付け、またはカシメ加工等により多数の放熱フィン４２を結合して構成した放熱体である。この放熱体４の放熱基板４１の中心部に取付穴４３を設け、この取付穴４３にヒートパイプ３の放熱端となる側の端部を挿入して熱的に結合する。

このヒートパイプ３と放熱体４の放熱基板４１との結合は、取付穴４３に挿入されたヒートパイプと基板４１とをろう付けしたり、ヒートパイプの外径を多少基板４１の取付穴４３の内径より大きくして挿入時に圧入することにより締り嵌めにしたりすることにより熱的に良好な結合となるようにする。冷却基板１とヒートパイプ３の結合も同様である。

この実施例によれば、図１（ｃ）から明らかなように、ヒートパイプ３の放熱端側の端部が放熱体４の放熱基板４１の取付穴４３に挿入されてこの基板４１と結合されるため、ヒートパイプ３の全外周が基板４１と接触すすため、両者の接触面積が大きくなる。これによりヒートパイプ３から放熱体４への熱伝達効率が高くなるため、発熱体２で発生された熱を冷却基板１からこのヒートパイプ３を介して放熱体４へ良好に伝達でき、放熱フィン４２から外気へ効果的に放熱することができ、高い冷却効果を得ることできる。

なお、この図１に示す放熱体４は、全体が一体的に構成されているが、図２に示すように、放熱体４の放熱基板４１を中心から上下に２分割して構成することもできる。

この場合は、分割された放熱体４ａ、４ｂの放熱基板４１ａ、４１ｂの対向面にヒートパイプ３を挿入するための断面が半円の取付溝４３ａ、４３ｂを形成し、一方の冷却体４ｂの取付溝４３ｂにヒートパイプ３を納め、その上から他方の放熱体４ａを重ね合わせて、接合部分をろう付けなどにより結合して、放熱体４ａ、４ｂおよびヒートパイプ３を一体的に結合する。

このように構成すると、放熱体４を分割して製造することができるので、これ自身の製造が容易となるとともに、ヒートパイプの放熱体への挿入作業が容易となる。

図３および図４にこの発明の第２の実施例を示す。図３は組立て前の分解状態を示すもので、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線の断面図である。図４は組立ての完成した状態の正面断面図を示すものである。

図３および図４に示すようにこの実施例においては、電子装置等の発熱体２の結合された冷却基板１に受熱端側を結合されたヒートパイプ３の放熱端となる側の端部に補助放熱体４ｃを結合する。４ａおよび４ｂは、補助放熱体４ｃとは、別に構成された放熱体であり、それぞれ平板状の放熱基板４１ａおよび４１ｂに多数の放熱フィン４２ａおよび４２ｂを結合して構成されている。

補助放熱体４ｃは、放熱体４２ａ，４２ｂとの結合を容易にするため、この実施例においては対向する２面に平坦な接合面４６ｃ、４７ｃが形成さた直方体状とし、その中心部にこの接合面と平行に設けられたヒートパイプ取付け用の取付穴４３ｃを備えている。

この取付穴４３ｃに、図３（ａ）に示すように冷却基板１に受熱端側の端部を結合されたヒートパイプ３の放熱端となる側の端部を挿入し、ろう付けやカシメ加工等によりヒートパイプ３と補助放熱体４ｃとを熱的に良好に結合する。

このヒートパイプ３に結合された補助放熱体４ｃの対向した上下の平坦な接合面４６ｃ、４７ｃにそれぞれ放熱体４ａおよび４ｂの平板状の放熱基板４１ａおよび４１ｂの平板面を接合して、ろう付けなどにより熱的および機械的に結合する。このようにして補助放熱体４ｃに放熱体４ａ、４ｂを結合し、組立てを完成した冷却装置は、図４に示すとおりとなる。

この第２の実施例においては、ヒートパイプ３は、放熱体４ａ、４ｂに結合される補助放熱体４ｃに全外周を接して結合されるので、ヒートパイプ３から補助放熱体４ｃへの熱伝達効率が高くなり、そして補助放熱体４ｃと放熱体４ａ、４ｂとも平坦な広い面積の接合面で接合して結合されるので、補助放熱体４ｃから放熱体４ａ、４ｂへの熱伝達も良好に行われる。このため、発熱体２で発生した熱は、冷却基板１からヒートパイプ３により放熱体４ａ、４ｂへ効率よく伝達されて、放熱フィン４２ａ、４２ｂから放熱される。

この第２の実施例においても、ヒートパイプ３をブロック状の補助放熱体に結合し、この補助放熱体を放熱基板に放熱フィンの取り付けて構成した放熱体に結合することによりヒートパイプと放熱フィンとを結合するので、放熱フィンを直接ヒートパイプに結合するようにした従来装置と比較すると、ヒートパイプと放熱フィンの結合作業がはるかに容易となる。

図５は、この発明の第３の実施例を示すものである。この図５において、１、２および３は、それぞれ、前記した実施例と同様に構成された、冷却基板、電子装置等の発熱体およびヒートパイプである。４は、放熱基板４１とこれに取付けられた多数の放熱フィン４２とからなる第１の放熱体であり、受熱端となる側の端部を冷却基板１に結合されたヒートパイプ３の放熱端となる側の端部に結合される。この第１の放熱体４だけでは冷却容量が不足するために、この実施例においては、さらにもう１個、この第１の放熱体４と同じく放熱基板４１ｄと多数の放熱フィン４２ｄとから構成された第２の放熱体４ｄを設けている。そして、この第２の放熱体４ｄの放熱基板４１ｄと第１の放熱体４の放熱基板４１とを前記のヒートパイプ３とは別のヒートパイプ３ｄにより熱的に結合する。

これにより、発熱体２の熱が、２個の放熱体４および４ｄから放熱されるようになり、冷却容量が放熱体１個の場合の２倍にすることができるので、より容量の大きな発熱体２の冷却を行うことができる。

なお、ここでは、２個の放熱体を結合するヒートパイプを発熱体の取り付けられた冷却基板１に結合したヒートパイプ３とは別のヒートパイプとしているが、前記のヒートパイプ３を放熱体４を貫通して延長し、その先端部に追加する放熱体４ｄを結合するようにしてもよいのである。これによっても、放熱体の容積が増大し、冷却容量を増加することができる。

この発明によれば、電子装置などの発熱体の結合された冷却基板から熱を伝達するヒートパイプを予め放熱基板に放熱フィンを取り付けて構成した放熱体に熱的に結合することにより、ヒートパイプと放熱フィンとの結合が容易となるだけでなく、放熱基板に放熱フィンを取り付けて構成した放熱体として市販されている量産型の櫛歯形冷却体（ヒートシンク）を使用することが可能となるため、冷却装置のコストを低減できる効果もえられる。

この発明の実施例１による冷却装置の構成を示すもので、（ａ）は、その正面断面図、（ｂ）は、その平面図、（ｃ）は、（ａ）におけるｃ−ｃ線の断面図である。この発明の実施例１の変形例を示す分解断面図である。この発明の実施例２による冷却装置の構成を示すもので、（ａ）は、その分解正面断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるｂ−ｂ線の断面図である。この発明の実施例２による冷却装置の組立て状態の正面断面図である。この発明の実施例３による冷却装置の構成を示すもので、（ａ）は、その平面図、（ｂ）はその側面図である。従来の第１の冷却装置の構成を示すもので、（ａ）は、その平面図、（ｂ）は、その正面図である。従来の第２の冷却装置の構成を示すもので、（ａ）は、その正面図、（ｂ）モは、放熱フィンの平面図である。従来の第３の冷却装置の構成を示すもので、（ａ）は、その斜視図、（ｂ）は、その正面断面図である。

符号の説明

１：冷却基板
２：発熱体（電子装置）
３：ヒートパイプ
４：放熱体
４１：放熱基板
４２：放熱フィン

Claims

電子装置などの発熱体の取り付けられた冷却基板と、放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した放熱体とを設け、この冷却基板と放熱体とをヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とする冷却装置。
前記放熱体の放熱基板に取付穴を形成し、この取付穴に前記ヒートパイプの放熱端となる側の端部を挿入してヒートパイプを前記放熱体に結合することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記ヒートパイプの放熱端となる側の端部に補助放熱体を結合し、この補助放熱体に前記放熱体の放熱基板を結合することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記補助放熱体に少なくとも１つの平坦な接合面を形成し、この接合面上に前記放熱体の放熱基板を接合して結合することを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
電子装置などの発熱体の取り付けられた冷却基板と、放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した放熱体とを設け、この冷却基板と放熱体とをヒートパイプにより熱的に結合し、さらに放熱基板に複数の放熱フィンを結合して形成した別の放熱体を設け、前記放熱体の放熱基板と前記別の放熱体の放熱基板とを前記ヒートパイプまたは別のヒートパイプにより熱的に連結したことを特徴とする冷却装置。