JP2008258242A - 放熱構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱部材と放熱部材とが三次元的な可動性を持って熱的に連結し、且つ繰り返し使用に耐える耐久性に優れた放熱構造体を提供する。
【解決手段】発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続され、吸熱部材に関して三次元的に可動な可撓性熱伝導部材と、可撓性熱伝導部材の他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、ヒートパイプの他方の端部に熱的に接続された放熱部材とを備えた放熱構造体。
【選択図】図１

Description

この発明は、各種電気・電子部品等の放熱を行うためのヒートシンクに用いる部品に関し、特に、ヒートパイプを応用した技術に関する。

各種装置に搭載された半導体モジュール等の発熱性の電気・電子部品を冷却するために、ヒートパイプを応用したヒートシンクが各種提案され、また実用化もしている。ヒートパイプを用いる利点の一つは、放熱すべき電気・電子部品の熱を別の場所に移動させ、その場所で外部に放熱することができる点にある。

例えば、パソコンに搭載される電気・電子部品の被冷却部品は、通例、そのパソコンの内部に設置されているため、その電気・電子部品の周囲に熱を発散することが望ましくない場合もある。即ち、電気・電子部品が装置の筐体内に搭載されている場合などは、その電気・電子部品の周囲に熱を発散させると筐体内に熱がこもってしまう等の問題が生じる。

従って、効率的な冷却を実現するには、その容器の外部に熱を運ぶ必要がある。そこで、ヒートパイプを用いた典型的なヒートシンクとして、下記のような構造が提案され、実用化もしている。即ち、機器内部に搭載された被冷却部品に受熱部材（金属板等）を熱的に接続し、その受熱部材にヒートパイプの受熱部を接続し、ヒートパイプの放熱部を、例えば機器の外部または外部近傍に設置した放熱用のフィン等の放熱部材に接続する構成等である。

ところで、機器内部に搭載された被冷却部品が、機器または放熱用のフィン等に対し、可動状態に取り付けられている場合もある。その例としてノートパソコンの本体側（キーボード側）にＩＣチップ等の発熱部品が搭載され、その熱を開閉式のディスプレイの部分で外部に発散させようとする場合が挙げられる。

あるいは自動車用ＬＥＤライトでは、車の進行方向等によって、ライトの向きを変更させる場合もある。
その角度変更は、通常、数°程度以下であるが、自動車の耐用年数や使用頻度を考えると、数万回、場合によっては百万回に及ぶ繰り返し曲げに耐えなければならない。仮に金属コンテナを有するヒートパイプ自体を曲げ可能なものとした場合、繰り返し曲げに対し、所定の性能を維持することが難しい。更には、コンテナに亀裂が入ってしまうこともある。
そこで、何らかの摺動部を設け、発熱部品の熱を、その摺動部を経由して放熱フィンに伝える構造も発案されている。

しかし、ヒートパイプのコンテナ表面を摺動部として、他の伝熱ブロック等から熱を摺動部を経由して直にヒートパイプに伝える構造もありうる。この場合、繰り返しの摺動動作のために、次第に熱抵抗が上昇し、その結果、放熱性能が使用程度に応じて低下してしまう。
ヒートパイプにスリーブを被せ、摺動部としても同様である。なお、ヒートパイプのコンテナを摺動部とした場合、コンテナの破壊を起こす原因にもなりかねない。摺動部の熱抵抗を低下させる意図で、伝熱グリス等を介在させる方策もある。しかし、グリスはその性質上、経年劣化・変質等が起きやすく、また、繰り返し摺動によって、グリス減少等も起こる。

ヒートシンクを、開閉可能に連結されたノートパソコン本体とディスプレイ部とに適用させるために、ヒンジ構造で複数のヒートパイプを連結する構造が提案されている。一例として特開平１０−１８７２８４号公報（特許文献１）に記載の構造の概要を図３に示す。図３に記載の構造は概ね次の通りである。即ち、被冷却部品２４（ＣＰＵ等）が搭載されるノートパソコン本体１２と、ディスプレイ部１４とが、開閉可能に取り付けられており、被冷却部品２４には受熱部材４６を介してヒートパイプ３８が接続され、そのヒートパイプ３８は銅製のヒンジ部材５２に接続される。そしてヒンジ部材５２に別のヒートパイプ６６が接続され、そのヒートパイプ６６にはディスプレイ部１４に取り付けられた放熱部材６８が接続されている。

このような構成により、被冷却部品２４の熱を受熱部材４６が受け取り、その熱をヒートパイプによりヒンジ部材５２まで運ばれ、その熱が更にヒートパイプ６６を通じて放熱部材６８へ伝わり、ディスプレイ側から周囲環境へ放熱される。このような構成を採用すれば、通例、ディスプレイ部１４はその性質上、相対的に広い面積を持つ形状となるため、ディスプレイ部１４に広い面積の放熱部材を設けるか、或いは、ディスプレイ部１４自体を伝熱性の高いアルミニウム材等で構成し、そのアルミニウム材から外部放熱させるなど、設計上の自由度が高まる。

ヒートシンクを開閉可能に連結されたノートパソコン本体とディスプレイ部とに適用させた例は田にも提案されている。ここでは特開２０００−２９３２７１号公報（特許文献２）に記載の構造等を挙げておくが、これらの公知技術は何れも被冷却部品の熱を受ける受熱部材とその熱を放熱させる放熱部材とが可動な状態にある構造を、複数のヒートパイプとヒンジ構造を用いて実現させたものである。

その他、２本のヒートパイプを連結して受熱部材と放熱部材との位置関係が可動または調整可能にしたヒートパイプ応用技術としては、他に、特開平１１−１７３７７３号公報（特許文献３）、および、実開平２−６２２７４号公報（特許文献４）に記載の構造等も挙げられる。特許文献３に記載の構造は、ユニバーサルジョイント付ヒートパイプを用いて複数のヒートパイプを接続させたものである。

特許文献４に記載の構造は、嵌着体とコネクタ本体とにそれぞれ別個のヒートパイプを取り付け、嵌着体とコネクタ本体とをネジとナットで締めて密着固定させる、というものである。従って、ヒートパイプを可動式に連結した構造とは異なるが、必要に応じて、ネジとナットを緩め、位置を変えて再度密着固定させれば、２本のヒートパイプの位置関係を変化させるような調整が可能となる。
特開平１０−１８７２８４号公報 特開２０００−２９３２７１号公報 特開平１１−１７３７７３号公報 実開平２−６２２７４号公報

上述した従来の構造においては、２本のヒートパイプを可動式に連結し、その各々に接続された受熱部材と放熱部材を可動状態にするものである。しかし、いずれも受熱部材に対し、放熱部材がある平面内では移動可能になっただけである。従って、より自由度の高い可動状態が求められる用途には使うことができなかった。

従って、この発明の目的は、受熱部材と放熱部材とが三次元的な可動性を持って熱的に連結し、且つ繰り返し使用に耐える耐久性に優れた放熱構造体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、可撓性のある熱伝導部材、特に細銅線を撚り合せた撚線導体ケーブルを使用することによって、発熱部品の熱を吸熱する吸熱部材と放熱部材が熱的に接続されたヒートパイプとの間で、三次元的に可動で、繰り返し使用しても、確実な耐用性が得られることが判明した。従来の摺動部を要する可動構造では、その摺動面を経由するルートが熱経路になる場合に、その摺動面の熱抵抗の増大（使用劣化、経年劣化）の影響が大きいのに対して、撚線導体ケーブルを使用すると、撚線導体ケーブルを構成する素線（銅細線など）同士がある程度摺動して、その結果、素線表面の摺動面の熱抵抗が増大しても、摺動面を跨がないルートである素線中を通る熱経路が十分にあるので、繰り返し使用（可動）による熱輸送量の低下が少ないことが判明した。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。

この発明の放熱構造体の第１の態様は、発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、前記吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続された撚線導体ケーブルと、前記撚線導体ケーブルの他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材と、を備えた放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第２の態様は、発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、
前記吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、
前記ヒートパイプに、一方の端部が熱的に接続された撚線導体ケーブルと、
前記撚線導体ケーブルの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材と、を備えた放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第３の態様は、発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、
前記吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、
前記ヒートパイプに、一方の端部が熱的に接続された撚線導体ケーブルと、
前記撚線導体ケーブルの他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続された他のヒートパイプと、
前記他のヒートパイプの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材と、を備えた放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第４の態様は、前記撚線導体ケーブルと前記ヒートパイプとが半田接合されて熱的に接続されている放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第５の態様は、前記撚線導体ケーブルと前記ヒートパイプとを機械的に固定する固定部材が備わっている放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第６の態様は、前記撚線導体が径０．５ｍｍ以下の細銅線を撚ったものからなっている放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第７の態様は、前記撚線導体ケーブルの長さと前記ヒートパイプの長さの比が１：５以上である放熱構造体である。

この発明の放熱構造体の第８の態様は、前記発熱部品が自動車用ライト用のＬＥＤであり、前記撚線導体が径０．５ｍｍ以下の細銅線を撚ったものである放熱構造体である。

この発明の放熱構造体によると、可撓性のある熱伝導部材、特に細銅線を撚り合せた撚線導体ケーブルを使用するので、かなりの回数の繰り返し曲げに耐え、使用頻度、耐用年数等の厳しい条件に耐えうる自動車用部品としても、高い信頼性をもって使用することができる。

可撓性のある熱伝導部材、特に細銅線を撚り合せた撚線導体ケーブルは熱伝導性に優れ、従来のように摺動部を備えないので、繰り返しの摺動動作による熱抵抗の上昇は生じないので、使用程度に応じて放熱性能が低下することはない。
可撓性のある熱伝導部材、例えば可撓軟銅撚線は、容易に入手でき、低コストで製造ができ、更に、撚り線の径を選択することによって、熱輸送速度をかなりの程度まで高めることができる。

この発明の放熱構造体の実施態様を、図面を参照しながら説明する。
この発明の放熱構造体の１つの態様は、発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続された撚線導体ケーブルと、撚線導体ケーブルの他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、ヒートパイプの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材とを備えた放熱構造体である。
上述した態様においては、撚線導体ケーブルを吸熱部材に接続したものであるが、この発明の放熱構造体の他の態様においては、ヒートパイプを吸熱部材に接続し、ヒートパイプを撚線導体ケーブルに接続している。更に、撚線導体ケーブルの両端部にヒートパイプを接続してもよい。

上述した撚線導体ケーブルは、例えば細銅線を撚り合せた可撓軟銅撚線である。また、撚線導体ケーブルを構成する細銅線が、半田や錫などの被覆を施したものであっても良い。

図１は、この発明の放熱構造体の１つの態様を説明する斜視図である。図１に示すように、この発明の放熱構造体１は、発熱部品に熱的に接続される吸熱部材３と、吸熱部材３に一方の端部が固定され熱的に接続され、吸熱部材に関して三次元的に可動な可撓性熱伝導部材２と、可撓性熱伝導部材２の他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプ４と、ヒートパイプ４の他方の端部に熱的に接続された放熱部材７とを備えている。

可撓性熱伝導部材は撚線導体ケーブル２からなり、この態様では、一方の端部が吸熱部材３に機械的に固定される固定端部５を備え、他方の端部にヒートパイプ４と接続される接続端部６を備えている。固定端部５は、例えば撚線導体ケーブル２の端部の外周部を覆うように、中央部に撚線導体ケーブル２の大きさに対応する凹部を備え、撚線導体ケーブル２を吸熱部材３に固定する。撚線導体ケーブル２が例えば百万回の繰り返し曲げに耐えるようにネジ等を使用して固定端部５によって吸熱部材３に堅固に固定する。

撚線導体ケーブルは、軟銅撚線からなっているので、熱伝導性に優れ、且つ、十分な可撓性を有している。上述したように撚線導体ケーブルの一方の端部はそのまま固定部材によって吸熱部材に固定され、他方の端部には接続端部６が備えられて、ヒートパイプと熱的に接続されて固定されている。接続端部６は例えば円柱形状のブロックからなり、一方の側面にヒートパイプが嵌め込まれる孔部を備えて、ヒートパイプの一方の端部が挿入されて固定される。接続端部６の他方の側面には撚線導体ケーブルが嵌め込まれる孔部を備えて、撚線導体ケーブルが挿入されて固定される。接続端部６への固定は、例えば、ヒートパイプはカシメ接合し、撚線導体ケーブルは半田接合する。

図１に示す態様においては、発熱体に接続された吸熱部材３に発熱体の熱が直接伝わり、一部は吸熱部材３を介して固定部材５に伝わる。このように伝わった熱は、吸熱部材３および固定部材５から撚線導体ケーブル２の端部に伝わる。撚線導体ケーブル２の端部に伝わった熱は、ヒートパイプ４の一方の端部に熱的に接続された接続端部６に伝わる。接続端部６は熱伝導性に優れた金属製ブロックからなり、撚線導体ケーブル２が接合された側と反対側にはヒートパイプ４の吸熱側の端部が嵌め込まれカシメによって接合されている。上述したように、撚線導体ケーブル２の端部に伝わった熱は、撚線導体ケーブル２を通り接続端部６に伝わる。そうしてヒートパイプ４の一方の端部に伝わった熱はヒートパイプ４の中に封入された作動液を蒸発させる。

ヒートパイプ４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４の吸熱側において、ヒートパイプ４を構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた発熱体が発する熱により、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプ４の放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は放熱フィン等の放熱部材７によって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。

吸熱部材３に熱的に接続された発熱体に関して、ヒートパイプ４を３次元的に自在に移動することができる。従って、ヒートパイプ４そのものが吸熱部材３に熱的に接続された発熱体に向かって下方に傾斜された状態で容易に配置される。従って、ヒートパイプに内蔵されている作動液が、発熱体と熱的に接続する吸熱部材３に向かって流れ易く、受熱部に所謂ドライアウトが生じないので、トップヒートモードを回避することができる。

上述した態様では、吸熱部材３に撚線導体ケーブル２の端部が直接接続されているが、吸熱部材３と撚線導体ケーブル２との間にヒートパイプを接続してもよい。この場合は、撚線導体ケーブルの他方の端部が直接放熱部材に接続される。

即ち、発熱体に接続された吸熱部材３に発熱体の熱が直接伝わり、吸熱部材に熱的に接続されたヒートパイプの吸熱部において、ヒートパイプ４の中に封入された作動液を蒸発させる。その蒸気はヒートパイプの放熱側に移動し、ヒートパイプの放熱側に接続された撚線導体ケーブルを通って、放熱部材に伝わり、放熱フィン等の放熱部材７によって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２は、この発明の放熱構造体の他の１つの態様を説明する斜視図である。この態様では、撚線導体ケーブルの両方の端部に接続端部６−１、６−２を備えている。即ち、この発明の放熱構造体１は、発熱部品に熱的に接続される吸熱部材３と、吸熱部材３に関して三次元的に可動な可撓性熱伝導部材２と、可撓性熱伝導部材２の両方の端部に備えられた接続端部６−１、６−２にそれぞれ固定され熱的に接続されたヒートパイプ４−１、４−２と、ヒートパイプ４−２の他方の端部に熱的に接続された放熱部材７とを備えている。

可撓性熱伝導部材２は、上述したように、撚線導体ケーブルは、軟銅撚線からなっているので、熱伝導性に優れ、且つ、十分な可撓性を有している。撚線導体ケーブルの両方の端部には接続端部６−１、６−２が備えられて、２本のヒートパイプ４−１、４−２と熱的に接続されて固定されている。接続端部６は例えば柱形状のブロックからなり、一方の側面にヒートパイプが嵌め込まれる孔部を備えて、ヒートパイプの一方の端部が挿入されて固定され、接続端部６の他方の側面には撚線導体ケーブルが嵌め込まれる孔部を備えて、撚線導体ケーブルが挿入されて固定される。接続端部６への固定は、例えば、ヒートパイプはカシメ接合し、撚線導体ケーブルは半田接合する。

ヒートパイプ４−２の他方の端部には放熱フィン等の放熱部材７が熱的に接続されている。図２に示す態様においては、発熱体に接続された吸熱部材３に発熱体の熱が直接伝わり、その熱が吸熱部材３に固定され熱的に接続されたヒートパイプ４−１の吸熱側において内部に封入された作動液を蒸発させる。その蒸気がヒートパイプ４−１の他方の端部に移動する。ヒートパイプ４−１の他方の端部に移動した熱は、ヒートパイプ４−１の他方の端部に熱的に接続された接続端部６−１に移動する。

接続端部６−１に移動した熱は、撚線導体ケーブル２、接続端部６−２に伝わり、接続端部６−２に熱的に接続されたヒートパイプ４−２に伝わる。このように伝わった熱によって、ヒートパイプ４−２の中に封入された作動液を蒸発させる。その蒸気がヒートパイプ４−２の放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は放熱フィン等の放熱部材７によって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部材７に移動する。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。

この態様の放熱構造体においても、吸熱部材に熱的に接続された発熱体に関して、ヒートパイプを３次元的に自在に移動することができる。従って、撚線導体ケーブル２を介してヒートパイプ４−１、４−２そのものが吸熱部材３に熱的に接続された発熱体に向かって下方に傾斜された状態で容易に配置される。従って、ヒートパイプに内蔵されている作動液が、発熱体と熱的に接続する吸熱部材３に向かって流れ易く、受熱部に所謂ドライアウトが生じないので、トップヒートモードを回避することができる。

撚線導体ケーブルについて具体的に例を挙げて説明する。
長さ１０ｍｍ、直径６ｍｍの丸型ヒートパイプの一方の端部近傍に、厚さ５ｍｍの放熱ブロックをカシメ接合し、他方の端部近傍に直径０．２ｍｍの純銅細線を撚り合わせたものを半田接合した。撚り線の長さは３０ｍｍであった。撚り線として、略外径１４．４ｍｍ、素線径０．４５ｍｍ、３４本撚り×１９本撚りの可撓性軟銅撚線を使用した。

撚り線は同じサイズならば、ヒートパイプよりも熱輸送量が劣るので、太く・短く設定することが好ましい。短くても、用途によって必要なレベルの可動性（例えば数°レベル）が得られればよい。より大きな角度の可動性が必要な場合は、より細い素線の撚り線またはより長い撚り線等、適宜選ぶことができる。即ち、ヒートパイプよりも熱輸送量が劣ることは、撚り線の径を選択することによって解決することができる。

なお、図１および図２を参照して説明した例ではヒートパイプが１本の場合であるが、ヒートパイプは複数本であってもよい。
図示しないが、撚線導体ケーブル２の上下左右方向への摺動移動を所定の範囲内に制限するストッパーを設けても良い。即ち、ストッパーを設けることによって、所定の領域以外に撚線導体ケーブル２が移動するのを防止することができる。

従来の摺動部を要する可動構造では、その摺動面を経由するルートが熱経路になる場合に、その摺動面の熱抵抗の増大（使用劣化、経年劣化）の影響が大きく、長期間使用し、耐久性が要求される放熱構造体には適さなかったが、この発明においては、撚線導体ケーブルを使用しているので、撚線導体ケーブル２を構成する素線同士がある程度摺動して素線表面の摺動面の熱抵抗が増大しても、摺動面を跨がないルートである素線中を通る熱経路が十分にあるので、繰り返し可動による熱輸送量の低下が少ない。しかも、熱伝導性を有する撚線導体ケーブルによって、繰り返し曲げが生じる場合でも、耐久性に優れた放熱構造体が得られる。

この発明によると、受熱部材と放熱部材とが三次元的な可動性を持って熱的に連結し、且つ繰り返し使用に耐える耐久性に優れた放熱構造体を提供することができる。

図１は、この発明の放熱構造体の１つの態様を説明する斜視図である。 図２は、この発明の放熱構造体の他の１つの態様を説明する斜視図である。 図３は、従来のヒンジ構造を含む放熱構造体を説明する図である。

符号の説明

１ 放熱構造体
２ 可撓性熱伝導部材、撚線導体ケーブル
３ 吸熱部材
４ ヒートパイプ
５ 固定部材
６ 接続端部
７ 放熱部材
１２ ノートパソコン本体
１４ ディスプレイ部
２４ 被冷却部品
３８ ヒートパイプ
５２ ヒンジ部材
６８ 放熱部材

Claims (8)

1. 発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、
   前記吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続された撚線導体ケーブルと、
   前記撚線導体ケーブルの他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材と、を備えた放熱構造体。
2. 発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、
   前記吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプに、一方の端部が熱的に接続された撚線導体ケーブルと、
   前記撚線導体ケーブルの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材と、を備えた放熱構造体。
3. 発熱部品に熱的に接続される吸熱部材と、
   前記吸熱部材に一方の端部が固定され熱的に接続されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプに、一方の端部が熱的に接続された撚線導体ケーブルと、
   前記撚線導体ケーブルの他方の端部に、一方の端部が固定され熱的に接続された他のヒートパイプと、
   前記他のヒートパイプの他方の端部に固定され熱的に接続された放熱部材と、を備えた放熱構造体。
4. 前記撚線導体ケーブルと前記ヒートパイプとが半田接合されて熱的に接続されている請求項１から３の何れかに記載の放熱構造体。
5. 前記撚線導体ケーブルと前記ヒートパイプとを機械的に固定する固定部材が備わっている請求項１から４の何れかに記載の放熱構造体。
6. 前記撚線導体が径０．５ｍｍ以下の細銅線を撚ったものからなっている、請求項１から５の何れか１項に記載の放熱構造体。
7. 前記撚線導体ケーブルの長さと前記ヒートパイプの長さの比が１：５以上である、請求項１から６の何れか１項に記載の放熱構造体。
8. 前記発熱部品が自動車用ライト用のＬＥＤであり、前記撚線導体が径０．５ｍｍ以下の細銅線を撚ったものである、請求項７に記載の放熱構造体。
   

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