JP2011138974A

JP2011138974A - ヒートシンク

Info

Publication number: JP2011138974A
Application number: JP2009299030A
Authority: JP
Inventors: Hisao Anzai; 久雄安斎
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-07-14
Also published as: TW201144995A; US20110155352A1; CN102117787A

Abstract

【課題】放熱効率の向上を図ること。
【解決手段】ヒートシンク１は、ベース２と、フィン集合部３と、複数のヒートパイプ４ａ、４ｂとを有している。フィン集合部３は、ベース２上に設けられ、複数のフィン３ａを有している。ヒートパイプ４ａ、４ｂは、それぞれ、湾曲部と直線部とをそれぞれ備えている。これらヒートパイプ４ａ、４ｂは、それぞれ、１つのヒートパイプの湾曲部が位置するフィン３ａに、他のヒートパイプの直線部が接触するようにフィン集合部３内に設けられ、ベース２に伝導した熱をフィン３ａに放熱する。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートシンクに関する。

製品の発熱源（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、スイッチング素子等）の放散した熱を外部に逃がすためのヒートシンクが知られている。
製品にヒートシンクを配置する場合、配置するスペースが限られている場合が多く、限られたスペースにおいて、放熱効率を向上させるための種々の試みが行われている。

その試みの１つとして、ヒートシンクには、熱を効率よくフィンに伝導するためのヒートパイプが設けられている場合がある。
図７は、ヒートパイプが配設されたヒートシンクを示す図であり、図８は、ヒートパイプの配置状態を説明する図であり、図９はヒートパイプが配設されたヒートシンクの分解図である。

ヒートシンク９０は、受熱板９１と、受熱板９１上に所定の間隙にて配置された複数のフィン９２を有している。
この複数のフィン９２に対し、図８に示すように、２本のＵ字型ヒートパイプ９３、９４が所定角度傾斜した状態で、図７中手前側から奥側に向かって挿入されている。挿入された状態で、ヒートパイプ９３、９４の全体が、複数のフィン９２によって覆われるように配置されている。

ヒートパイプ９３、９４を配置することで、受熱板９１の熱をフィン９２の受熱板９１から離れた位置にも伝導することができるため、放熱効率が向上する。
なお、ヒートパイプ９３、９４の湾曲部の曲率半径は、ヒートパイプ内部に微細構造を持つため、例えば、管の径がφ６ｍｍである場合、１５ｍｍ程度が限界である。

図７および図９に示すように、ヒートシンク９０のヒートパイプ９３、９４の湾曲部が配設されるフィン９２には、湾曲部の形状に対応する切り欠き部９５、９６が設けられている。これにより、ヒートパイプ９３、９４の全体をフィン９２の集合体の内部に配置することができる。湾曲部にもフィンを配置することで、この領域における受熱板９１からの熱を放熱することに寄与することができる。

特開平１１−１４５３５４号公報特開２００４−２７３６３２号公報

切り欠き部は、ヒートパイプの湾曲部と接していない。従って、切り欠き部を有するフィンは、ヒートパイプとの接触面積が減少する。このため、切り欠きのないフィンに比べ、放熱効果が低いという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、放熱効率の向上を図ることができるヒートシンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、開示のヒートシンクが提供される。このヒートシンクは、ベースと、フィン集合部と、複数のヒートパイプとを有している。
フィン集合部は、ベース上に設けられ、複数のフィンを有している。

各ヒートパイプは、それぞれ、湾曲部と直線部とをそれぞれ備えている。これら各ヒートパイプは、それぞれ、１つのヒートパイプの湾曲部が位置するフィンに、他のヒートパイプの直線部が接触するようにフィン集合部内に設けられ、ベースに伝導した熱をフィンに放熱する。

開示のヒートシンクによれば、放熱効率の向上を図ることができる。

第１の実施の形態のヒートシンクを示す斜視図である。ヒートシンクの構造を説明する図である。ヒートパイプの位置関係を説明する図である。ヒートシンクの変形例を示す図である。ヒートシンクの変形例を示す図である。第２の実施の形態のヒートシンクを示す図である。ヒートパイプが配設されたヒートシンクを示す図である。ヒートパイプの配置状態を説明する図である。ヒートパイプが配設されたヒートシンクの分解図である。

以下、実施の形態のヒートシンクを、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態のヒートシンクを示す斜視図である。

実施の形態のヒートシンク（放熱器）１は、ベース基板（受熱板）２と、フィン集合部３と、ヒートパイプ４ａ、４ｂとを有している。
ベース基板２は、矩形をなしている。

ベース基板２には、２本の溝部２１、２２が、ベース基板２の辺２ａに平行に所定の間隔で設けられている。溝部２１に、ヒートパイプ４ａの一部が半田を介して接触している。溝部２２に、ヒートパイプ４ｂの一部が半田を介して接触している。

また、ベース基板２のフィン集合部３が配置されている側と反対側が、グリス等の熱伝導部材を介して、発熱源（図示せず）に接触している。
なお、発熱源としては、例えば、ＣＰＵ等の半導体チップや、スイッチング素子や、抵抗素子、並びにこれらを備える半導体パッケージ等が挙げられる。

また、ベース基板２の構成材料としては、例えば、銅やアルミニウム等が挙げられる。
ベース基板２には、ベース基板２内に熱拡散用のヒートパイプ（ヒートパイプ４ａ、４ｂとは別個のヒートパイプ）が埋め込まれていてもよい。

ベース基板２上には、半田等を介してフィン集合部３が配置されている。
フィン集合部３は、複数のフィン３ａを有している。各フィン３ａは、板状をなしており、ベース基板２に対し、垂直方向に複数並べられている。これら各フィン３ａは、辺２ｂ側（手前側）から辺２ａに沿って設けられた矢印の方向（奥側）に向かって規則的に並べられている。

また、各フィン３ａは、それぞれ他のフィン３ａとの間に所定の間隙を有している。
なお、フィン３ａの構成材料としては、例えば、アルミニウムや銅が挙げられる。
なお、図１には図示していないが、例えば、各フィン３ａそれぞれに、他のフィン３ａと係合するための係合部が設けられており、この係合部によって、各フィン３ａが他のフィン３ａと接続されていてもよい。

フィン集合部３内には、ヒートパイプ４ａ、４ｂが配置されている。
ヒートパイプ４ａ、４ｂは、それぞれ、銅等の金属でできたＵ字状の本体を有している。本体は、管状をなしている。Ｕ字の先端は閉じており、内部が気密に保たれている。また、本体の内壁には、多孔性物質を有するウィック（WICK）や、細かい溝（グルーブ）が配置されている。

この内部には少量の液体（作動液）が封入されている。作動液としては、例えば、純水やアンモニア、代替フロン等が挙げられる。
図２は、ヒートシンクの構造を説明する図である。

ヒートパイプ４ａは、手前側から奥側を見て（正面視で）、ベース基板２に垂直な方向に対し、左側に所定角度傾斜した状態で配置されている。ヒートパイプ４ｂは、正面視で、ベース基板２に垂直な方向に対し、右側に所定角度傾斜した状態で配置されている。

図２に示すように、フィン集合部３は、その形状により、３つのフィン３ａの集合に大別することができる。
図２中左側のフィン３ａが複数集まって形成される集合部５１は、一番手前から奥側に向かって予め定められた枚数の同じ形状のフィン３ａの集合である。

この集合部５１は、組み立てられた状態で、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２が位置するフィン３ａの集合を示している。
集合部５１の各フィン３ａには、それぞれ、ヒートパイプ４ａの直線部４３が挿入されて通過する円形の孔部（貫通孔）３１と、ヒートパイプ４ａの直線部４５が挿入されて通過する半円形の溝部３２と、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２に対応する切り欠き部３３とが設けられている。

また、右側のフィン３ａが複数集まって形成される集合部５２は、一番奥から手前側に向かって予め定められた枚数の同じ形状のフィン３ａの集合である。
この集合部５２は、組み立てられた状態で、ヒートパイプ４ａの湾曲部４１が位置するフィン３ａの集合を示している。

集合部５２の各フィン３ａには、それぞれヒートパイプ４ｂの直線部４４が挿入されて通過する孔部３１と、ヒートパイプ４ｂの直線部４６が挿入されて通過する溝部３２と、ヒートパイプ４ａの湾曲部４１に対応する切り欠き部３３とが設けられている。

なお、切り欠き部３３が設けられるフィン３ａの枚数は、湾曲部４１の曲率半径によって決定される。ヒートパイプ４ａの湾曲部４１の曲率半径と、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２の曲率半径は、それぞれ、例えば管の径がφ６ｍｍである場合、１５ｍｍ程度である。

これら切り欠き部３３を設けたことにより、ヒートパイプ４ａ、４ｂの全体がフィン集合部３内に配置される。なお、これら切り欠き部３３の形状は、それぞれ等しい。
また、集合部５１、５２以外のフィン３ａが複数集まって形成される集合部５３は、組み立てられた状態で、それぞれヒートパイプ４ａの直線部４３、４５およびヒートパイプ４ｂの直線部４４、４６が位置するフィン３ａの集合を示している。

これらの各フィン３ａには、それぞれヒートパイプ４ａの直線部４３が挿入されて通過する孔部３１と、ヒートパイプ４ｂの直線部４４が挿入されて通過する孔部３１と、ヒートパイプ４ａの直線部４５が挿入されて通過する溝部３２と、ヒートパイプ４ｂの直線部４６が挿入されて通過する溝部３２とが設けられている。

このような構造のヒートシンク１は、組み立てられた状態で、ヒートパイプ４ａの湾曲部４１が位置するフィン３ａに、ヒートパイプ４ｂの直線部４４、４６が接触している。そして、一番奥のフィン３ａに、ヒートパイプ４ａの直線部４４、４６の各先端部が位置するようになっている。なお、ヒートパイプ４ａの先端部は、外部から視認可能となっている。

また、組み立てられた状態で、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２が位置するフィン３ａに、ヒートパイプ４ａの直線部４３、４５が接触している。また、一番手前のフィン３ａにヒートパイプ４ｂの直線部４３、４５の各先端部が位置するようになっている。なお、ヒートパイプ４ｂの先端部は、外部から視認可能となっている。

図３は、ヒートパイプの位置関係を説明する図である。
図３では、ヒートパイプ４ａ、４ｂ以外の図示を省略している。
図３に示すヒートパイプ４ａ、４ｂは、フィン集合部３に挿入された状態の位置関係を示している。

ヒートパイプ４ａ、４ｂは、それぞれが有する湾曲部４１、４２が平面視で交差した状態で、互いに反対方向からフィン集合部３に挿入されて配置されている。すなわち、ヒートパイプ４ａは、その直線部の挿入方向が、各フィン３ａの平面に対し直交した方向（垂直な方向）になるように、図１中、奥側から手前側に向かって挿入されて配置されている。一方、ヒートパイプ４ｂは、その直線部の挿入方向が、各フィン３ａの平面に対し直交した方向になるように、図１中、手前側から奥側に向かって挿入されて配置されている。

また、ヒートパイプ４ａ、４ｂは、それらの湾曲部４１、４２が互いに向き合うように配置されている。
次に、ヒートシンク１の放熱の仕組みを説明する。

ヒートシンク１を使用する場合には、ベース基板２のほぼ中央部に、発熱源が接触するように、ヒートシンク１を配置する。
まず、発熱源からの熱がベース基板２に伝わる。

ベース基板２に伝わった熱の一部は、溝部２１からヒートパイプ４ａの直線部４５に伝わる。また、溝部２２からヒートパイプ４ｂの直線部４６に伝わる。また、熱の一部は、直接フィン３ａに伝わる。

ヒートパイプ４ａ、４ｂの作動液に熱が伝わると、作動液の温度が上昇し、気化する。気化した蒸気は、湾曲部４１、４２を伝わりヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４にも移動する。

次に、移動した蒸気は、フィン３によって冷やされ液化する。詳しくは、集合部５１の各フィン３ａの孔部３１にヒートパイプ４ａの直線部４３が配置されている。従って、直線部４３に移動した蒸気は、これらの孔部３１から各フィン３ａに熱が伝導することにより、冷やされ液化する。

また、集合部５２の各フィン３ａの孔部３１にヒートパイプ４ｂの直線部４４が配置されている。従って、直線部４４に移動した蒸気は、これらの孔部３１から各フィン３ａに熱が伝導することにより、冷やされ液化する。

液化した作動液は、内壁を伝い、毛細管現象によって、直線部４５、４６に戻る。
次に、ヒートシンク１の製造方法を説明する。
まず、溝部２１、２２が形成されたベース基板２を用意する。

また、フィン３ａを前述した係合部等によって互いに接続し、フィン集合部３を作成する。
そして、フィン集合部３の溝部３２および切り欠き部３３が、ベース基板の溝部２１、２２上に位置するように、フィン集合部３を、ベース基板２上に載置する。

次に、ヒートパイプ４ａ、４ｂにクリーム半田を塗布して、フィン集合部３に挿入する。
これにより、ヒートパイプ４ａの直線部４５は、溝部２１に沿って配置される。また、ヒートパイプ４ｂの直線部４６は、溝部２２に沿って配置される。

その後、炉に入れてクリーム半田を溶かす。半田が、硬化することで、ベース基板２、フィン集合部３、ヒートパイプ４ａ、４ｂが固着する。
これにより、ヒートシンク１を製造することができる。

以上述べたように、ヒートシンク１によれば、ヒートパイプ４ａ（４ｂ）の湾曲部４１（４２）が位置するフィン３ａに、ヒートパイプ４ｂ（４ａ）の直線部４４（４３）が接触するような構造とした。

具体的には、製造時においてヒートパイプ４ａの直線部４３を、ヒートパイプ４ｂの直線部４４を挿入する方向と反対の方向から挿入して配置するようにした。
これにより、ヒートパイプ４ａ、４ｂに接触するフィン３ａの総面積が、向上する。従って、ヒートパイプ４ａ、４ｂをフィン集合部３に埋め込むような構造をなすヒートシンク１において、放熱効率を向上させることができる。

また、例えば、図７に示すようなヒートシンク９０の構造では、ヒートパイプ９３、９４を所定角度傾斜して実装すると、フィン９２の切り欠き部９５、９６に挟まれた領域は、切り欠き部９５、９６の存在により、他の領域からの熱が伝わりにくい構造となる。このため、フィン中央部の逆三角形部分は殆ど放熱に寄与しないデッドスペースとなる。

しかし、挟まれた領域を狭くしようとしてヒートパイプのベース基板に対する傾斜を小さくすると、フィン９２の全体に熱が行き渡らず、放熱効率が低下する。
対してヒートシンク１によれば、フィン３ａの切り欠き部３３によって挟まれた部分の領域が存在しない。このため、放熱効率の低下を抑制することができる。

また、ヒートパイプ４ａ、４ｂを互いに交差して配置することにより、交差しない場合に比べ、曲率半径のより大きなヒートパイプを配置することができる。これにより、放熱効率がより高まる。

＜変形例１＞
図４は、ヒートシンクの変形例を示す図である。ヒートシンク１と同様の事項については、その説明を省略する。

前述したヒートシンク１のヒートパイプ４ａ、４ｂは、ベース基板２に垂直な方向に対し、所定角度傾斜した状態で配置した。
しかし、図４に示すヒートシンク１ａは、ベース基板２に対しヒートパイプ４ａ、４ｂを垂直に配置している。

なお、ヒートパイプ４ａの湾曲部４１の曲率半径と、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２の曲率半径は、それぞれ、例えば管の径がφ６ｍｍである場合、１５ｍｍ程度である。
このようなヒートシンク１ａによっても、切り欠き部３３が設けられた部分のフィン３ａの放熱能力を向上させることができるという効果を奏する。

＜変形例２＞
図５は、ヒートシンクの変形例を示す図である。ヒートシンク１と同様の事項については、その説明を省略する。

前述した実施の形態では、ヒートパイプ４ａ、４ｂの挿入方向を反対方向にし、かつ、平面視で互いに交差させる位置になるように配置した。
しかし、図５に示すヒートシンク１ｂは、ヒートパイプ４ａ、４ｂの挿入方向を反対方向にし、交差させずに所定角度傾斜させるように配置している。

なお、ヒートパイプ４ａの湾曲部４１の曲率半径と、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２の曲率半径は、それぞれ、例えば管の径がφ６ｍｍである場合、１５ｍｍ程度である。
このようなヒートシンク１ｂによっても、切り欠き部が設けられた部分のフィン３ａの放熱能力を向上させることができ、ヒートシンク１ａに比べ、フィン３ａの放熱効率を向上させることができるという効果を奏する。

次に、第２の実施の形態のヒートシンクについて説明する。
＜第２の実施の形態＞
以下、第２の実施の形態のヒートシンクについて、前述した第１の実施の形態のヒートシンクとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図６は、第２の実施の形態のヒートシンクを示す図である。
ヒートシンク１ｃは、フィン３ａに３本のヒートパイプ４ａ、４ｂ、４ｃが配置されている。

ヒートパイプ４ａとヒートパイプ４ｂの位置関係は、第１の実施の形態のヒートシンク１ａと同様であるが、ヒートパイプ４ａとヒートパイプ４ｂは、ヒートシンク１ａに比べ、右寄りに配置されている。

そして、ヒートパイプ４ａとヒートパイプ４ｂの左側にヒートパイプ４ｃが、ベース基板２に垂直な方向に対し、左側に所定角度傾斜した状態で配置されている。
ヒートパイプ４ｃの形状は、ヒートパイプ４ａ、４ｂと同じ形状である。

ヒートパイプ４ｃは、その先端部が、図６の紙面手前側から奥側に向かってフィン集合部３に挿入されて配置されている。
本実施の形態の集合部５１の各フィン３ａには、それぞれ、ヒートパイプ４ａの直線部４３が挿入されて通過する孔部３１と、ヒートパイプ４ａの直線部４５が挿入されて通過する溝部３２と、ヒートパイプ４ｂの湾曲部４２に対応する切り欠き部３３とに加え、ヒートパイプ４ｃの湾曲部４７に対応する切り欠き部３４が設けられている。

また、集合部５２の各フィン３ａには、それぞれヒートパイプ４ｂの直線部４４が挿入されて通過する孔部３１と、ヒートパイプ４ｂの直線部４６が挿入されて通過する溝部３２と、ヒートパイプ４ａの湾曲部４１に対応する切り欠き部３３とに加え、ヒートパイプ４ｃの直線部が挿入されて通過する孔（図示せず）が設けられている。

また、集合部５３の各フィン３ａには、それぞれヒートパイプ４ａ、４ｂの直線部４３、４４が挿入されて通過する孔部３１、３１に加え、ヒートパイプ４ｃの直線部が挿入されて通過する孔（図示せず）が設けられている。

このヒートシンク１ｃによれば、フィン３ａのヒートパイプ４ｂと４ｃに挟まれた領域には、ヒートパイプ４ａの直線部４３が配置されている。
従って、フィン３ａの切り欠き部３３、３４によって仕切られることにより形成された逆三角形部分には、直線部４３の熱が伝導するため、デッドスペースが解消し、放熱効果の低下を抑制することができる。

この第２の実施の形態のヒートシンク１ｃによれば、第１の実施の形態のヒートシンク１と同様の効果が得られる。
そして、第２の実施の形態のヒートシンク１ｃによれば、さらに、放熱効率を高めることができる。

以上、本発明のヒートシンクを、図示の実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物や工程が付加されていてもよい。

また、本発明は、前述した各実施の形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

１、１ａ、１ｂ、１ｃヒートシンク
２ベース基板
２ａ、２ｂ辺
３フィン集合部
３ａフィン
４ａ、４ｂ、４ｃヒートパイプ
２１、２２、３２溝部
３１孔部
３３、３４切り欠き部
４１、４２、４７湾曲部
４３、４４、４５、４６直線部
５１、５２、５３集合部

Claims

ベースと、
前記ベース上に設けられ、複数のフィンを有するフィン集合部と、
湾曲部と直線部とをそれぞれ備える複数のヒートパイプとを有し、
前記各ヒートパイプは、それぞれ、１つの前記ヒートパイプの湾曲部が位置する前記フィンに、他の前記ヒートパイプの直線部が接触するように前記フィン集合部内に設けられ、前記ベースに伝導した熱を前記フィンに放熱することを特徴とするヒートシンク。
前記複数のヒートパイプは、それぞれ直線部が前記フィンの面に対して直交した方向に配置されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
前記複数のヒートパイプは、それぞれＵ字状をなしており、各湾曲部が、正面視で前記ベースに対し垂直な方向から所定角度傾斜して設けられていることを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
少なくとも２つの前記ヒートパイプは、各湾曲部が、正面視で互いに交差することを特徴とする請求項３記載のヒートシンク。