JP2008210876A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化、軽量化を実現しながら、ノイズが少なく冷却性能に優れ、信頼性の高いヒートシンクを提供する。
【解決手段】一方の面に熱源が熱的に接続される受熱プレートと、一方の端部が前記受熱プレートに熱的に接続され、一方の端部から他方の端部に熱を移動する少なくとも１本のヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端部に熱的に接続される複数の金属製フィンプレートと、前記フィンプレートの前記ヒートパイプが固定される近傍の部位に設けられて、前記ヒートパイプおよび前記フィンプレートを振動させる振動素子とを備えたヒートシンク。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子などの被冷却素子の冷却に用いる冷却デバイス、特に圧電素子を伴うヒートシンクに関する。

ＣＰＵ、素子等の発熱量の増大、発熱密度の高まりによって、放熱効率に優れた高性能のヒートシンクが求められている一方で、オフィスなどで利用される汎用のPCなどに用いられる発熱量が大きくないCPU向けには、低コストでしかも容易に製造することができるヒートシンクが求められている。従来、この要望に応えるべくヒートシンクについては、アルミの押し出しヒートシンクを利用し、自然空冷で半導体素子の冷却を行うことが多く、冷却性能が不足する場合には、例えば、一方の面に発熱素子が熱的に接続される受熱プレートの他方の面に放熱フィンを接合して形成されたヒートシンクに対して、放熱フィン間を冷却風が通るようにヒートシンクの側面または上面に、遠心ファンを備えた電動ファンを取り付けて、ファンの回転によって放熱フィン間に強制的に冷却風を送り込んで、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散していた。

更に、一方の端部が受熱プレートに熱的に接続され、他方の端部に放熱フィンが取り付けられるヒートパイプによって、発熱素子が熱的に接続される受熱プレートから離れた位置に熱を移動し、そこで放熱フィンに強制冷却用の電動ファンを取り付けて、ファンの回転によって放熱フィン間に強制的に冷却風を送り込んで、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散していた。

また、特開平８−３３０４８８号公報に開示されているように、ファンを用いることなく、圧電素子を使用するヒートシンクが提案されている。

特開平８−３３０４８８号公報

上述した電動ファンを用いるヒートシンクにおいては、ヒートシンクの周りに放熱フィンに送風するファンモータ、ファンケースを設置するためのスペースが必要であり、薄型、小型化が進んだ状態で使用される環境に対応するためには、放熱フィンのためのスペースを狭くすることが余儀なくされ、必要とされる放熱性能を得るためのスペースを十分にとることができなかった。

更に、受熱プレート上に細かいピッチでフィンを並設する場合には、ヒートシンクの圧損が大きくなる。従って、所定の風量を流すためには大型のファンが必要となり、そのために装置が大型化する必要があり、使用される環境に適応できないし、ファンノイズが大きくなる。また、所定の風量を流すためにはファンを高速回転させる必要があり、ファンノイズが大きくなるという問題があった。

特開平８−３３０４８８号公報に開示されたヒートシンクにおいては、圧電ファンを別途取り付けているが、この場合には、ファンを構成するために圧電素子と、冷却風を発生させるための振動素子が必要となり、部材数が多くなり、低コスト化が難しいという問題があった。

従って、この発明の目的は、低コスト化、軽量化を実現しながら、ノイズが少なく冷却性能に優れ、信頼性の高いヒートシンクを提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、一方の端部が受熱プレートに接続され、他方の端部に放熱フィン（フィンプレート）が挿通され固定されたヒートパイプの他方の端部に固定された方熱フィンの一部に振動素子を取り付けて、ヒートパイプを振動させることによって、ヒートパイプ内の作動流体を流れ易くすることができ、放熱効率を高めることができると共に、振動素子によって放熱フィンを振動させることによって、電動ファンを用いることなく、放熱性能が高まることが判明した。
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明のヒートシンクの第１の態様は、一方の面に熱源が熱的に接続される受熱プレートと、一方の端部が前記受熱プレートに熱的に接続され、一方の端部から他方の端部に熱を移動する少なくとも１本のヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端部に熱的に接続される複数の金属製フィンプレートと、前記フィンプレートの前記ヒートパイプが固定される近傍の部位に設けられて、前記ヒートパイプおよび前記フィンプレートを振動させる振動素子とを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第２の態様は、前記受熱プレートに前記ヒートパイプの前記一方の端部が埋め込まれ、前記ヒートパイプの前記他方の端部に、複数枚の矩形のフィンプレートが並列に配置され挿通されて固定されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第３の態様は、挿通する前記ヒートパイプの近傍の前記フィンプレート上に前記振動素子が設けられているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第４の態様は、前記フィンプレートの一方の表面上で、前記ヒートパイプの上表面および下表面に接するように２つの振動素子が並列に配置されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第５の態様は、前記振動素子のそれぞれの周波数が前記フィンプレートの概ね共振周波数となるように調整されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第６の態様は、前記振動素子のそれぞれが同位相で動作するように調整されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第７の態様は、前記振動素子がピエゾ素子などの圧電素子からなっているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第８の態様は、前記振動素子を駆動する駆動回路を更に備えているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第９の態様は、前記熱源と前記受熱プレートの間に熱電変換素子が組み込まれて、前記駆動回路が形成され、前記熱源と前記受熱プレートの間の温度差によって電力を発生させて、前記振動素子を駆動するヒートシンクである。

この発明のヒートシンクによると、ヒートパイプの凝縮部を振動素子によって振動させるので、ヒートパイプ内の作動流体の流れを容易にし、放熱性能を高めることができると共に、放熱フィンを振動させて実質的に冷却風を発生させるので、放熱フィン間に送風するための電動（冷却）ファンを設置するためのスペースが必要なくなり、その分、放熱フィンのためのスペースを大きくとれるので、冷却性能が向上する。
更に、電動ファン用のファンモータなどの稼動部を必要としないので、冷却モジュールの信頼性が向上する。更に、電動ファン用のファンモータを必要としないので、冷却モジュールの小型、軽量化が可能となる。更に、冷却風を発生させるための振動板を必要としないので、部材数を低減させ、構成が簡単となる。

この発明のヒートシンクを、図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートパイプの１つの態様は、一方の面に熱源が熱的に接続される受熱プレートと、一方の端部が前記受熱プレートに熱的に接続され、一方の端部から他方の端部に熱を移動する少なくとも１本のヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端部に熱的に接続される複数の金属製フィンプレートと、前記フィンプレートの前記ヒートパイプが固定される近傍の部位に設けられて、前記ヒートパイプおよび前記フィンプレートを振動させる振動素子とを備えたヒートシンクである。

受熱プレートにヒートパイプの一方の端部が埋め込まれ、ヒートパイプの他方の端部に、複数枚の矩形のフィンプレートが並列に配置され挿通されて固定されており、挿通するヒートパイプの近傍のフィンプレート上に振動素子が設けられている、特に、フィンプレートの一方の表面上で、ヒートパイプの上表面および下表面に接するように２つの振動素子が並列に配置されているのが好ましい。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を示す斜視図である。図１に示すように、この発明のヒートシンクは、一方の面に（図示しない）熱源が熱的に接続される受熱プレート２と、一方の端部が受熱プレート２に熱的に接続され、一方の端部から他方の端部に熱を移動するヒートパイプ３（図では３本のヒートパイプを並列に配置している）と、ヒートパイプ３の他方の端部に熱的に接続される複数の金属製フィンプレート４と、フィンプレート４のヒートパイプ３が固定される近傍の部位に設けられて、ヒートパイプおよびフィンプレートを振動させる振動素子５とを備えたヒートシンクである。

即ち、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム等の金属製の受熱プレート２の一方の面にはＣＰＵ等の（図示しない）熱源が、熱伝導グリース等のサーマルインターフェース材（ＴＩＭ）を介して熱的に接続されている。金属製の受熱プレート２には、概ねヒートパイプと同じ大きさの孔部が形成されて、ヒートパイプの一方の端部がその孔部に埋め込まれている。ヒートパイプの一方の端部と受熱プレートは、熱伝導が良好に行われるように熱的に接続される。受熱プレートの熱を効果的にヒートパイプに移動するために、ヒートパイプの一方の端部は受熱プレートの全体にわたるように配置されるのが好ましい。

図１では受熱プレート２とフィンプレートとの間の距離が短くなっているが、部品等の配置によって両者の間の距離は、その状況に適合するように適宜選択することができる。ヒートパイプ３の他方の端部には、振動素子５を備えた複数の薄板状フィンプレート４が熱的に接続されて固定されている。図１では３本のヒートパイプが並列に配置されて、３本のヒートパイプが並列に配置された状態でフィンプレートを挿通している。

並列に配置された各フィンプレートには、ヒートパイプの凝縮部を振動させてヒートパイプ内の作動流体の流れを容易にすると共に、各フィンプレートを振動させて冷却風を発生させるために振動素子５が設けられている。各フィンプレートにおいて振動素子を設ける位置の選択にあたっては、上述したヒートパイプの凝縮部の振動と、フィンプレートの振動が効果的に行えることが好ましい。

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。即ち、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により、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、作動流体の蒸気は冷却され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。

このような作動流体の相変態や移動に際して、ヒートパイプの内壁に液膜が形成されると作動流体の流れが阻害され、放熱性能を劣化させる。この発明のヒートシンクにおいては、特にヒートパイプの凝縮部を振動素子によって振動させて、液膜を除去して、作動流体の流れを容易にし、放熱性能を向上させる。

図２は、振動素子が設けられたフィンプレートの細部を説明する図である。図２に示すように、フィンプレートの中央部には、ヒートパイプが挿通され、ヒートパイプとフィンプレートの間の熱の伝導を容易にするために押出し加工等によって円筒形状に突出部６が形成されている。突出部６の内壁部によってヒートパイプとの接触面積が拡大している。フィンプレートの突出部６の近傍、好ましくは突出部６の周縁部に直接接触して、振動素子５が設けられる。振動素子５は突出部６の上下両側に概ね平行に配置される。

図３は動作中のヒートシンクを説明する斜視図である。図１および図２を参照して説明したように、ヒートシンク１のヒートパイプの他方の端部に熱的に接合されたフィンプレートの突出部６の上下に平行に配置された振動素子５に電流を流すことによって振動させ、振動素子５とフィンプレート４を共振によって、図３に示すように、フィンプレート４の上端部および下端部がヒートパイプ３の長軸方向に振動する。同時に、振動素子５によってヒートパイプ３の凝縮部が振動して、ヒートパイプ３内部に作動流体によって形成された液膜を取り除き、凝縮して液相に戻った作動流体が吸熱部（受熱プレート２側）に還流し易くなり、放熱性能を高める。

振動素子５は圧電体（誘電体）を２枚の電極で挟んだ素子である。振動素子５の電極に交流電流を流す（または直流電流を断続的に流す（断接を繰り返す））と、振動素子５が所定の周波数で振動する。振動素子５の周波数をフィンプレート４の共振周波数と概ね同じに設定すると、少ない電力により、フィンプレート４を大きな振幅で振動させることができる。更に、それぞれの振動素子５を同位相で動作させるように設定することによって、隣り合うフィンプレート４同士が振動によって緩衝しないように振動させることができる。

このようにフィンプレートを振動素子によって振動させることによって、フィンプレート周辺に冷却風が発生し、この冷却風によって、フィンプレートを通して熱源からの熱が放熱される。なお、このときにヒートシンク全体の共振周波数とフィンプレートの共振周波数が異なるように設計することにより、フィンプレートを振動させることによってヒートシンク全体が共振し、半導体素子を破壊するなどの不具合を防止することができる。フィンプレートは中央部でヒートパイプに固定され、ヒートパイプの上下両端部に振動素子が配置されているので、フィンプレートの上端部および下端部が別個に作動する。

図４はこの発明のヒートシンクの他の１つの態様を示す斜視図である。この態様においては、ヒートシンクは振動素子を駆動する駆動回路を更に備えている。即ち、例えば、熱源と受熱プレートの間に熱電変換素子が組み込まれて、駆動回路が形成され、熱源と受熱プレートの間の温度差によって電力を発生させて、振動素子を駆動する。

図４に示すように、ヒートシンク１のヒートパイプ３の他方の端部に熱的に接合されたフィンプレート４の突出部６の上下に平行に配置された振動素子５に電流を流すことによって振動させ、振動素子５とフィンプレート４を共振によって、フィンプレート４の上端部および下端部がヒートパイプ３の長軸方向に振動する。同時に、振動素子５によってヒートパイプ３の凝縮部が振動して、ヒートパイプ３内部に作動流体によって形成された液膜を取り除く。ＣＰＵ等の熱源７と受熱プレート２の表面の間に熱電変換素子８が配置され、それぞれ熱的に接続されている。

熱電変換素子８は温度差により発生する起電力（ゼーベック効果）を利用した素子である。即ち、熱電変換素子はｐ型半導体材料とｎ型半導体材料を組み合わせて作製され、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料の２種類の半導体材料の両端を接続して、その両端を異なる温度に保つと回路に電流が流れる。ゼーベック効果による熱電変換素子は、ｐ型半導体素子とｎ型半導体素子の一方を低温、もう一方を高温とすることで温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。ＣＰＵ等の熱源部は、熱電変換素子の吸熱と、熱電変換素子で得られた電気によって、振動素子を駆動して振動させ、共振によってフィンプレートを振動させて放熱することによって、冷却される。

このようにこの態様によると、ＣＰＵ等の熱源７の冷却を外部から少ない電力を加えるだけで冷却を行うことができ，また、特別な制御システムを用いることなく冷却を行うことができる。
次に、実施例によってこの発明のヒートシンクを更に詳細に説明する。
図１に示すように、ＣＰＵ等の熱源からの熱を拡散する、大きさ４０mm×４０ｍｍ、厚さ８ｍｍの受熱プレートに、３本のヒートパイプの一方の端部を埋め込んだ。３６Ｗの熱源を使用し、熱源と受熱プレートは、熱伝導グリースを介して熱的に接続されている。並列に配置された３本のヒートパイプに、熱を放出する大きさ３０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのフィンプレートを装着し、電気信号を振動に変換する圧電素子を、ヒートパイプを固定するフィンプレートの突出部の上下部に設けた。

圧電素子には５００ｍWの電力の交流電流を印可して、周波数１５４Ｈｚで振動させた。圧電素子は同位相で動作するように設定した。圧電素子の振動に共振して、フィンプレートの上下両端部が振動して、フィンプレートの周辺に冷却風が発生し、この冷却風によって、フィンプレートを通じて熱源の熱が放熱された。同時に、ヒートパイプの凝縮部が振動して、作動流体の流れを容易にした。その結果、熱源の動作温度を８０℃以下に維持することができた。

更に、振動素子の動力として熱電変換素子を使用する別の実施例を以下に説明する。
図４に示すように、ＣＰＵ等の熱源からの熱を拡散する、大きさ４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ８ｍｍの受熱プレートに、３本のヒートパイプの一方の端部を埋め込んだ。３６Ｗの熱源を使用し、熱源と受熱プレートは、熱伝導グリースを介して熱的に接続されている。並列に配置された３本のヒートパイプに、熱を放出する大きさ３０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのフィンプレートを装着し、電気信号を振動に変換する圧電素子を、ヒートパイプを固定するフィンプレートの突出部の上下部に設けた。更に、熱源と受熱プレートとの間に熱電変換素子を配置し、これらを熱伝導グリースを介して熱的に接続した。

熱電変換素子と圧電素子間に回路を形成し、熱電変換素子によって発生した電力を圧電素子に印可して、圧電素子を周波数１５４Ｈｚで振動させた。圧電素子の振動に共振して、フィンプレートの上下両端部が振動して、フィンプレートの周辺に冷却風が発生し、この冷却風によって、フィンプレートを通じて熱源の熱が放熱された。同時に、ヒートパイプの凝縮部が振動して、作動流体の流れを容易にした。その結果、他の電源から圧電素子の電力を３００mＷ加えるのみで、熱源の動作温度を８０℃以下に維持することができた。

この発明によると、放熱フィン間に送風するための電動（冷却）ファンを設置するためのスペースが必要なくなり、その分、放熱フィンのためのスペースを大きくとれるので、冷却性能が向上する。更に、電動ファン用のファンモータなどの稼動部を必要としないので、冷却モジュールの信頼性が向上する。更に、電動ファン用のファンモータを必要としないので、冷却モジュールの小型、軽量化が可能となる。更に、冷却風を発生させるための振動板を必要としないので、部材数を低減させ、構成が簡単となる。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を示す斜視図である。 図２は、振動素子が設けられたフィンプレートの細部を説明する図である。 図３は動作中のヒートシンクを説明する斜視図である。 図４はこの発明のヒートシンクの他の１つの態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ この発明のヒートシンク
２ 受熱プレート
３ ヒートパイプ
４ フィンプレート
５ 振動素子
６ 突出部
７ 熱源
８ 熱電変換素子

Claims (9)

1. 一方の面に熱源が熱的に接続される受熱プレートと、一方の端部が前記受熱プレートに熱的に接続され、一方の端部から他方の端部に熱を移動する少なくとも１本のヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端部に熱的に接続される複数の金属製フィンプレートと、前記フィンプレートの前記ヒートパイプが固定される近傍の部位に設けられて、前記ヒートパイプおよび前記フィンプレートを振動させる振動素子とを備えたヒートシンク。
2. 前記受熱プレートに前記ヒートパイプの前記一方の端部が埋め込まれ、前記ヒートパイプの前記他方の端部に、複数枚の矩形のフィンプレートが並列に配置され挿通されて固定されている、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 挿通する前記ヒートパイプの近傍の前記フィンプレート上に前記振動素子が設けられている、請求項1または２に記載のヒートシンク。
4. 前記フィンプレートの一方の表面上で、前記ヒートパイプの上表面および下表面に接するように２つの振動素子が並列に配置されている、請求項３に記載のヒートシンク。
5. 前記振動素子のそれぞれの周波数が前記フィンプレートの概ね共振周波数となるように調整されている、請求項４に記載のヒートシンク。
6. 前記振動素子のそれぞれが同位相で動作するように調整されている、請求項４または５に記載のヒートシンク。
7. 前記振動素子がピエゾ素子などの圧電素子からなっている、請求項４または５に記載のヒートシンク。
8. 前記振動素子を駆動する駆動回路を更に備えている、請求項１から７の何れか１項に記載のヒートシンク。
9. 前記熱源と前記受熱プレートの間に熱電変換素子が組み込まれて、前記駆動回路が形成され、前記熱源と前記受熱プレートの間の温度差によって電力を発生させて、前記振動素子を駆動する、請求項８に記載のヒートシンク。
   
   
   

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