JP2010141270A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプと伝熱ブロックの接続部分に滞留する接合材の量を増やして、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗が小さく、且つ、十分な機械的強度を有する電子機器放熱ユニットを提供する。
【解決手段】一方の端部が所定形状に形成された一つ以上のヒートパイプと、一方の面に発熱部品が熱的に接続され、他方の面に、ヒートパイプの一方の端部が熱的に接続される円柱状部または円筒状部を備えた伝熱ブロックであって、他方の面に対して突出して設けられ、ヒートパイプの一方の端部を支持する突起部を備えた伝熱ブロックとを備えた電子機器放熱ユニット。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品等から発生した熱を放散させるためのヒートパイプおよび伝熱ブロックを備えた電子機器放熱ユニット、特にヒートパイプの一方の端部を伝熱ブロックに接合材で接合する電子機器放熱ユニットおよびその製造方法に関する。

従来、電子機器には発熱部品が多く搭載され、これらの発熱部品の熱を効率的に放熱することが必要である。放熱機能が低下して、発熱部品の動作温度を超えてくると、発熱部品が十分に機能せず、更には、発熱部品を損傷してしまうことがあり、適切な放熱処理が望まれている。発熱部品の熱は、一般に、発熱部品に熱的に接続された伝熱ブロックやヒートパイプ等によって均熱・移動され、伝熱ブロックやヒートパイプの他方側に熱的に接続された複数の放熱フィンによって、大気中に放散される。

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。

近年、様々な光源装置が検討され、例えば、図９に示すように、複数の光源２０１を同一円周上に配置し、導光部材２０５によって光源２０１からの光を所定の方向Ｆに出射するものが検討されている (特許文献１)。

このような光源装置２００を冷却するための方法として、複数の光源２０２の外周に（図示しない）円筒状の伝熱ブロックを配置し、更に伝熱ブロックの外側に（図示しない）ヒートパイプの一方の端部を熱的に接続して光源２０２の熱を放散することが検討されている。ヒートパイプの他方の端部には薄板状の複数の（図示しない）放熱フィンが直接または間接的に熱的に接続される。
特開２００８−０９８０９５号公報

上述したように熱的に接続されたヒートパイプの一方の端部と伝熱ブロックの外表面とは、接合材によって固定されている。図１０は、従来の伝熱ブロックとヒートパイプとの間の接合状態を説明する部分拡大断面図である。図１０（ａ）は、丸型ヒートパイプを使用した場合の部分拡大断面図である。図１０（ｂ）は、扁平型ヒートパイプを使用した場合の部分拡大断面図である。図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、ヒートパイプ１０３と伝熱ブロック１０２とを半田等の接合材によって接合すると、半田が流動してヒートパイプ１０３と伝熱ブロック１０２の接続部分１０７に滞留する半田の量が少なくなり、接合面積が小さく、十分に接合されることが困難であった。

従って、ヒートパイプ１０３と伝熱ブロック１０２との間の熱抵抗が大きくなり、例えヒートパイプ１０３を用いても、電子機器放熱ユニットの放熱性能を低下させてしまうという問題点があった。更に、ヒートパイプ１０３と伝熱ブロック１０２との間の接合部分の機械的強度が低くなり、電子機器放熱ユニットの信頼性が低下するという問題点があった。

従って、この発明の目的は、ヒートパイプと伝熱ブロックの接続部分に滞留する接合材の量を増やして、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗が小さく、且つ、十分な機械的強度を有する電子機器放熱ユニットを提供することにある。

本発明者は、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、以下のことが判明した。
即ち、伝熱ブロックの円筒状部分の外周面に直角に水平な円環状の部材を設けて、円筒状部分の外周面と水平な円環状の部材の上面との間にヒートパイプを配置すると、伝熱ブロックの円筒状部分の外周面、水平な円環状の部材の上面とヒートパイプの外表面によって形成される空間部に十分な接合材を充填することができ、半田が流動しても、ヒートパイプと伝熱ブロックの接続部分に滞留する接合材の量を増加させて、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を小さくし、且つ、十分な機械的強度を得ることができる。

更に、伝熱ブロックの円筒状部分の外周面に垂直な水平な円環状の部材の上面を上方に凹状に形成すると、丸型ヒートパイプの外周面と円環状の部材の密着性を高めて、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を一層小さくすることができる。更に、接合材に金属粒子を含ませると、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を一層小さくすることができる。

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放熱ユニットの第１の態様は、一方の端部が所定形状に形成された一つ以上のヒートパイプと、一方の面に発熱部品が熱的に接続され、他方の面に、前記ヒートパイプの一方の端部が熱的に接続される円筒状部を備えた伝熱ブロックであって、前記他方の面に対して突出して設けられ、前記ヒートパイプの一方の端部を支持する突起部を備えた伝熱ブロックとを備えた電子機器放熱ユニットである。

この発明の電子機器放熱ユニットの第２の態様は、前記突起部が前記伝熱ブロックの外表面と概ね直角に円周方向に形成されており、前記ヒートパイプの一方の端部が前記伝熱ブロックの外表面の一部と概ね同一形状に形成され、前記突起部に沿って前記伝熱ブロックに熱的に接続されていることを特徴とする。

この発明の電子機器放熱ユニットの第３の態様は、前記突起部が、前記伝熱ブロックの外表面に、軸方向に所定間隔で配置された複数の円環状の受け部材であることを特徴とする。

この発明の電子機器放熱ユニットの第４の態様は、前記受け部材は、前記伝熱ブロックの外表面に接するリブ部と前記リブ部と一体的に形成された円環状部からなっていることを特徴とする。

この発明の電子機器放熱ユニットの第５の態様は、前記ヒートパイプの一方の端部と、前記伝熱ブロックの外表面および前記突起物との間に形成される空間に、接合材が充填されていることを特徴とする。

この発明の電子機器放熱ユニットの第６の態様は、前記接合材が、熱伝導粒子を含む半田からなることを特徴とする。

この発明の電子機器放熱ユニットの製造方法の第１の態様は、一方の端部が所定形状に形成された複数のヒートパイプを調製し、一方の面に発熱部品が熱的に接続される、本体と本体の表面から概ね直角に外方に向かって形成されたと突起部を備えた円筒形状の伝熱ブロックを調製し、前記伝熱ブロックの前記本体と前記突起部のそれぞれに熱的に接続した状態で、前記ヒートパイプの一方の端部を前記伝熱ブロックの本体の表面上に配置し、前記ヒートパイプの一方の端部と前記本体および前記突起部によって形成される空間に接合材を充填して、前記ヒートパイプと前記伝熱ブロックとを接合する、電子機器放熱ユニットの製造方法である。

この発明によると、ヒートパイプと伝熱ブロックの接続部分に滞留する接合材の量を増やして、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗が小さく、且つ、十分な機械的強度を有する電子機器放熱ユニットを提供することができる。また、この発明の電子機器放熱ユニットによると、伝熱ブロックの円筒状部分の外周面に直角に円環状の部材を設けて、円筒状部分の外周面と円環状の部材の上面とに沿ってヒートパイプを配置するので、伝熱ブロックの円筒状部分の外周面、水平な円環状の部材の上面とヒートパイプの外表面によって形成される空間部に十分な接合材を充填することができ、半田が流動しても、ヒートパイプと伝熱ブロックの接続部分に滞留する接合材の量を増加させて、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を小さくし、且つ、十分な機械的強度を得ることができる。

更に、伝熱ブロックの円筒状部分の外周面に対して垂直な円環状の部材の上面を断面が凹状に形成すると、丸型ヒートパイプの外周面と円環状の部材の密着性を高めて、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を一層小さくすることができる。更に、接合材に金属粒子を含ませることによって、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を一層小さくすることができる。

この発明の電子機器放熱ユニットおよびその製造方法の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の電子機器放熱ユニットの１つの態様は、一方の端部が所定形状に形成された一つ以上のヒートパイプと、一方の面に発熱部品が熱的に接続され、他方の面に、前記ヒートパイプの一方の端部が熱的に接続される円筒状部を備えた伝熱ブロックであって、前記他方の面に対して突出して設けられ、前記ヒートパイプの一方の端部を支持する突起部を備えた伝熱ブロックとを備えた電子機器放熱ユニットである。

図１（ａ）は、この発明の電子機器放熱ユニットの１つの態様を説明する部分斜視図である。図１（ｂ）は、この発明の電子機器放熱ユニットの他の１つの態様を説明する部分斜視図である。図１（ａ）に示すように、この発明の電子機器放熱ユニット１は、図示しない発熱部品に熱的に接続された、例えば円筒状の伝熱ブロック２、（図示しない）複数の薄板放熱フィンが熱的に接続された１本のヒートパイプ３を備えている。発熱部品は、例えば円筒状の伝熱ブロック２の内部に、従来技術で説明したように、熱的に接続され収納されている。

伝熱ブロック２は、本体に直交して設けられた突起部９を備えている。突起部９は、円筒上の伝熱ブロック２の外周面に対して垂直に、外側へ向って延伸する部分である。ヒートパイプ３は、伝熱ブロック２の本体外周面１０と突起部９の両部材に熱的に接続している。伝熱ブロック２の外周面１０と、外周面１０に対して垂直な突起部９の上面によって形成される空間部に、ヒートパイプ３を伝熱ブロック２に接合するための接合材が充填される。

即ち、ヒートパイプ２は、突起部９の上部分に熱的に接続するとともに支持され、伝熱ブロック２の本体外周面１０に接した状態で接合材が充填されて、伝熱ブロック２にヒートパイプ３が接続される。即ち、伝熱ブロック２の本体外周面１０に対して垂直に設けられた突起部９によって、伝熱ブロック２とヒートパイプ３の接触面積が拡大され、その状態で接合材によって接合される。接合材は、伝熱ブロック２の本体外周面１０と突起部９の上部分によって形成される空間に充填される際に、突起部９によって下方が支持されるので、ヒートパイプ３と伝熱ブロック２の接合部分から外部（下方）に流動して、接合材の量が不足することはない。このため、ヒートパイプ３と伝熱ブロック２との間の熱抵抗を小さくし、且つ、十分な機械的強度を得ることができる。

図１（ｂ）に示す態様においては、２本のヒートパイプの一方の端部が伝熱ブロック２の本体と本体に垂直に形成された突起部９によって形成された空間に、伝熱ブロック２の本体外周面１０に捲きつくようにして熱的に接続されている。ヒートパイプ３、４は、交互に捲きつけ方向を違えて接続されている。図１（ｂ）に示すように、２本のヒートパイプ３、４の数に対応して２つの突起部９が所定間隔で相互に平行に設けられている。このように伝熱ブロック２にヒートパイプ３、４を熱的に接続させることによって、伝熱ブロック２から小さい熱抵抗でヒートパイプ３、４に熱が伝わる。

図２は、それぞれ、この発明における伝熱ブロックに設けられた突起部の１つの態様を説明する部分拡大断面図である。図２に示す態様においては、伝熱ブロック２の本体１０と突起部９が別の部材で形成されている。即ち、伝熱ブロック２の本体１０の外周面から垂直に外側に延伸して形成された金属製の突起部９は、それぞれ別の部材で形成されている。上述したように、伝熱ブロック２の本体１０の外周面と突起部９の上面によって形成された角部１１にヒートパイプ（図示しない）が熱的に接続され、接合材が充填される。

上記説明では、突起部９は、伝熱ブロック２の本体１０と別の部材で形成されていたが、突起部９と伝熱ブロック２の本体１０とを一体に形成していても良い。

図４は、この発明の電子機器放熱ユニットの１つの態様における、突起部を備えた伝熱ブロックとヒートパイプの接合状態を説明する部分拡大断面図である。図４（ａ）は、伝熱ブロックの本体と突起部が別部材で形成された態様の伝熱ブロックと丸型ヒートパイプの接合状態を説明する部分拡大断面図である。図４（ａ）に示すように、伝熱ブロック２の本体１０の外周面に対して垂直に外側へ向って延伸する突起部９が設けられている。

ここで、ヒートパイプ３、本体１０の外周面および突起部９の上部分によって囲まれた空間に接合材１２が充填される。この態様では、従来と比較して、ヒートパイプ３と伝熱ブロック２との間に充填される接合材１２の量が多く、ヒートパイプ３が伝熱ブロック２に接合材１２を介して広い面積で熱的に接続されて接合されることがわかる。

図４（ｂ）は、伝熱ブロックの本体と突起部が別部材で形成された他の１つの態様の伝熱ブロックと扁平型ヒートパイプの接合状態を説明する部分拡大断面図である。

扁平型ヒートパイプ３１は、相対する２つの平らな面を備えているので、例えば、突起部９側に扁平型ヒートパイプ３１の平らな面が接続される。この態様においても、接合材１２形状が示すように、従来と比較して、充填される接合材１２の量が多く、ヒートパイプ３が伝熱ブロック２に接合材１２を介して広い面積で熱的に接続されて接合されることがわかる。
また、この態様では、扁平型ヒートパイプの扁平な面を伝熱ブロック２の本体１０の外周面に対して垂直になるように、ヒートパイプ３´を配置しているため、伝熱ブロックの軸方向（図の上下方向）により多くのヒートパイプを配置することができ、放熱容量を大きくすることができる。

図４に示す態様においては、伝熱ブロックの本体と突起部が別部材で形成されているが、伝熱ブロックの本体１０と突起部９とを一体的に形成してもよい。この場合の形状は、概ね図４に示した態様と同一である。

図５（ａ）は、伝熱ブロックと一体的に形成された突起部の１つの態様を示す斜視図である。図５（ｂ）は、伝熱ブロックと一体的に形成された突起部の他の１つの態様を示す斜視図である。図５（ａ）に示す態様においては、円筒状の伝熱ブロック２の本体１０の外周面に、伝熱ブロック２の軸方向に所定間隔を空けて、厚さが０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度の薄板からなる複数の円環状の突起部９が一体的に形成されている。円環状の突起部９を薄板で形成することで、ヒートパイプを配置することができる面積をより大きく確保することができ、また、全体の軽量化が図ることができる。

この場合、突起部９の熱抵抗が高くなるため、伝熱ブロック２の本体１０の外周面を介してヒートパイプへ移動する熱量が多くなる。このため、本体１０の外周面との接触面積が大きく取れるように、ヒートパイプとしては、断面が方角や扁平のものを用い、ヒートパイプの平らな面を本体１０の外周面に接するように配置することが好ましい。

図５（ｂ）に示す態様においては、円筒状の伝熱ブロック２の本体１０の外周面に、伝熱ブロックの軸方向に所定間隔を空けて厚さが３ｍｍ〜１０ｍｍ程度（ヒートパイプの太さ程度）の厚板からなる複数の円環状の突起部９が一体的に形成されている。この態様では、円環状の突起部９は厚板で形成されているため、突起部９を介して伝熱ブロック２からヒートパイプ３へ移動する熱量を高めることができる。

図６（ａ）は、伝熱ブロックと別部材で形成された突起部の１つの態様を示す斜視図である。図６（ａ）に示す態様においては、円筒状の伝熱ブロック２の本体１０に、別部材で形成された円環状の突起部９が接続される。突起部９の数は、接続されるヒートパイプの数に対応して形成され、突起部９の間隔はヒートパイプの径や形状に対応して設定される。

図６（ｂ）は、伝熱ブロックと別部材で形成された突起部の他の１つの態様を示す斜視図である。図６（ｂ）に示す態様においては、円筒状の伝熱ブロック２の本体１０に、別部材で形成された、リブ７と、リブ７と一体的に形成された円環状の受け部１３を備えた突起部９が接続される。リブ７の形状は、円筒状の伝熱ブロック２の本体１０の外周を覆って熱的に接続されるように、伝熱ブロック２の本体１０に対応した径の円筒状である。

図７は、図６を参照して説明した薄板円環状の突起部の１つの態様を説明する部分断面図である。図７（ａ）に示す態様では、円環状の突起部９は、リブ７と、平らな底面１４と、円環の外周部分で上方に延伸して形成された外周の端部１５とを備えている。リブ７によって突起部の機械的強度を増加させ、更に、外周の端部１５によって、充填された接合材１２が突起部９から外部（下方）に流出するのを防止して、十分な量の接合材１２を保持することができる。

図７（ｂ）に示す態様では、円環状の突起部９は、中央部に下方に向かって湾曲した凹部を備えた底面１６と、上方に延伸して形成された外周の端部１５とを備えている。中央部に下方に向かって形成された凹部を備えた底面１６は、ヒートパイプ３の外表面の形状に対応した形状を備えており、ヒートパイプとの接触面積を増やすことで熱抵抗を下げ、突起部９を介して移動する熱量を増やすことができる。上方に延伸して形成された外周の端部１５によって、図７（ａ）に示した態様と同様に、充填された接合材１２が突起部９から外部（下方）に流出するのを防止して、十分な量の接合材１２を保持することができる。

上述した突起部９は、熱伝導性が良く、かつ所定の剛性を備えた金属、例えば、銅、銅合金、または、ニッケルめっきアルミニウムからなっている

図８は、金属粒子を備えた接合材の接合状態を説明する模式図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示す態様では、接合材１２が熱伝導性粒子１８を備えている。例えば、接合材１２が半田からなり、半田の濡れ性に優れた熱伝導性粒子１８を含んでいる。このように接合材１２に熱伝導性粒子１８を含むことによって、熱抵抗を更に小さくして放熱効率を高めることができる。

金属粒子１８としては、表面に半田濡れ性を付加した単一の材料からなる粒子であってもよく、また、熱伝導性の優れた核と、半田濡れ性に優れた外周部とからなる複合粒子であってもよい。熱伝導性に優れた核の材料としては、金、銀、銅、ニッケル、窒化アルミ、アルミナ、カーボンなどが挙げられる。また、半田濡れ性に優れた外周部の材料としては、銅、ニッケル、パラジウム、金、銀、錫などが挙げられる。

上述したように、この発明によると、ヒートパイプと伝熱ブロックの接続部分に充填される接合材の量を増やして、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗が小さく、且つ、十分な機械的強度を有する電子機器放熱ユニットを提供することができる。

図１（ａ）は、この発明の電子機器放熱ユニットの１つの態様を説明する部分斜視図である。図１（ｂ）は、この発明の電子機器放熱ユニットの他の１つの態様を説明する部分斜視図である。 図２は、それぞれ、この発明における伝熱ブロックに設けられた突起部の１つの態様を説明する部分拡大断面図である。 図３は、それぞれ、この発明における伝熱ブロックに設けられた突起部の１つの態様を説明する部分拡大断面図である。 図４（ａ）は、伝熱ブロックの本体と突起部が別部材で形成された態様の伝熱ブロックと丸型ヒートパイプの接合状態を説明する部分拡大断面図である。図４（ｂ）は、伝熱ブロックの本体と突起部が別部材で形成された他の１つの態様の伝熱ブロックと扁平型ヒートパイプの接合状態を説明する部分拡大断面図である。 図５（ａ）は、伝熱ブロックと一体的に形成された突起部の１つの態様を示す斜視図である。図５（ｂ）は、伝熱ブロックと一体的に形成された突起部の他の１つの態様を示す斜視図である。 図６（ａ）は、伝熱ブロックと別部材で形成された突起部の１つの態様を示す斜視図である。図６（ｂ）は、伝熱ブロックと別部材で形成された突起部の他の１つの態様を示す斜視図である。 図７は、図６を参照して説明した薄板円環状の突起部の１つの態様を説明する部分拡大断面図である。 図８は、金属粒子を備えた接合材の接合状態を説明する部分拡大断面図である。 図９は、伝熱ブロックの内側に配置される光源の一例を説明する断面図である。 図１０は、従来の伝熱ブロックとヒートパイプとの間の接合状態を説明する部分拡大断面図である。図１０（ａ）は、丸型ヒートパイプを使用した場合の部分拡大断面図である。図１０（ｂ）は、扁平型ヒートパイプを使用した場合の部分拡大断面図である。

符号の説明

１ 電子機器放熱ユニット
２ 伝熱ブロック
３、４、５、６ ヒートパイプ
７ リブ部
９ 突起部
１０ 本体
１１ 角部
１２ 接合材
１３ 受け部
１４、１６ 底面
１５ 外周の端部
１８ 熱伝導性粒子

Claims (7)

1. 一方の端部が所定形状に形成された一つ以上のヒートパイプと、
   一方の面に発熱部品が熱的に接続され、他方の面に、前記ヒートパイプの一方の端部が熱的に接続される円筒状部を備えた伝熱ブロックであって、前記他方の面に対して突出して設けられ、前記ヒートパイプの一方の端部を支持する突起部を備えた伝熱ブロックとを備えた電子機器放熱ユニット。
2. 前記突起部が前記伝熱ブロックの外表面と概ね直角に円周方向に形成されており、前記ヒートパイプの一方の端部が前記伝熱ブロックの外表面の一部と概ね同一形状に形成され、前記突起部に沿って前記伝熱ブロックに熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電子機器放熱ユニット。
3. 前記突起部が、前記伝熱ブロックの外表面に、軸方向に所定間隔で配置された複数の円環状の受け部材であることを特徴とする、請求項２に記載の電子機器放熱ユニット。
4. 前記受け部材は、前記伝熱ブロックの外表面に接するリブ部と前記リブ部と一体的に形成された円環状部からなっていることを特徴とする、請求項３に記載の電子機器放熱ユニット。
5. 前記ヒートパイプの一方の端部と、前記伝熱ブロックの外表面および前記突起物との間に形成される空間に、接合材が充填されていることを特徴とする、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電子機器放熱ユニット。
6. 前記接合材が、熱伝導粒子を含む半田からなることを特徴とする、請求項５に記載の電子機器放熱ユニット。
7. 一方の端部が所定形状に形成された複数のヒートパイプを調製し、
   一方の面に発熱部品が熱的に接続される、本体と本体の表面から概ね直角に外方に向かって形成されたと突起部を備えた円筒形状の伝熱ブロックを調製し、
   前記伝熱ブロックの前記本体と前記突起部のそれぞれに熱的に接続した状態で、前記 ヒートパイプの一方の端部を前記伝熱ブロックの本体の表面上に配置し、
   前記ヒートパイプの一方の端部と前記本体および前記突起部によって形成される空間に接合材を充填して、前記ヒートパイプと前記伝熱ブロックとを接合する、電子機器放熱ユニットの製造方法。

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