JP2015038396A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体の冷却効率の向上を図ったヒートシンクを提供すること。【解決手段】各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプ２３を並列に配置し、隣接するヒートパイプ２３，２３同士を側面２３Ａで面接触させたヒートパイプユニット５５を備え、ヒートパイプユニット５５は、放熱フィン２２が熱的に接続されるベース板２１と、半導体素子１１が熱的に接続される受熱板２４とで狭持されている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のヒートパイプを備えるヒートシンクに関する。

一般に、その内部に複数のヒートパイプ、及び、複数のヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部を有するベース部と、ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなるヒートシンクが知られている。この種のヒートシンクは、ベース部が発熱体と接続される第１のプレート材と、フィン部が熱的に接続される第２のプレート材とからなっており、複数のヒートパイプが、第１のプレート材と第２のプレート材によって挟まれている（例えば、特許文献１参照）。

特許４３９１３６６号公報

しかしながら、従来の技術では、ヒートパイプは、上面及び下面が平坦な扁平型に形成されるものの、側面が湾曲して膨出しているため、ヒートパイプ同士の接触が抑制され、該ヒートパイプ間の熱の授受が抑えられる。このため、発熱体の大きさに対する発熱量（発熱密度）が大きい発熱体を接続した場合には、該発熱体に近い特定のヒートパイプに負荷がかかり、一本以上のヒートパイプがドライアウトを起こすと、ヒートシンクとしての熱抵抗が増大し、発熱体の冷却効率が低下する問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発熱体の冷却効率の向上を図った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、本発明は、各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプを並列に配置し、隣接するヒートパイプ同士を面接触させたヒートパイプユニットを備え、前記ヒートパイプユニットは、放熱フィンが熱的に接続されるベース板と、発熱体が熱的に接続される受熱板とで狭持されたことを特徴とする。

この構成において、前記ヒートパイプユニットは、前記ヒートパイプの一端から他端に亘って面接触させて形成されていても良い。

また、前記ヒートパイプユニットは、略同一高さの前記ヒートパイプを面接触させて形成されても良い。また、前記ベース板は、前記ヒートパイプユニットを収容する略矩形状の溝部を備え、この溝部は、前記ヒートパイプユニットの両側面にそれぞれ接触する側壁を備えても良い。

本発明によれば、各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプを並列に配置し、隣接するヒートパイプ同士を面接触させたヒートパイプユニットを備え、前記ヒートパイプユニットは、放熱フィンが熱的に接続されるベース板と、発熱体が熱的に接続される受熱板とで狭持されたため、ヒートパイプユニットとベース板及び受熱板との伝熱面積を増大させることができ、受熱板で受けた熱を、ヒートパイプユニットを介して、ベース板及び放熱フィンに迅速に伝達することができる。更に、ヒートパイプユニットは、各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプを並列に配置し、隣接するヒートパイプ同士を面接触させたため、ヒートパイプ間の熱の授受が促進されることにより、ヒートパイプユニット全体の熱移送量が増加し、発熱体を効率良く冷却できる。

第１実施形態にかかるヒートシンクを上方から見た外観斜視図である。 ヒートシンクを下方から見た外観斜視図である。 放熱フィンの部分拡大図である。 ヒートシンク内の熱の移動を説明する側断面図である。 第２実施形態にかかるヒートシンクを下方から見た外観斜視図である。 第３実施形態にかかるヒートシンクの側面図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかるヒートシンク１０を上方から見た外観斜視図であり、図２は、ヒートシンク１０を下方から見た外観斜視図である。
ヒートシンク１０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の電子機器に用いられ、不図示の回路基板に搭載されるＣＰＵ等の半導体素子（発熱体）１１（図２）と熱的に接続されて、当該半導体素子１１の冷却を行うものである。

ヒートシンク１０は、図１及び図２に示すように、平板状のベース板２１と、このベース板２１の上面（表面）に重ねて配置される放熱フィン２２と、ベース板２１の下面２１Ａ（裏面）に接して並列に配置される複数（本実施形態では６本）のヒートパイプ２３と、これらヒートパイプ２３の下面（裏面）に接して配置される受熱板２４とを備え、この受熱板２４に半導体素子１１が熱的に接続されている。ヒートパイプ２３は、ベース板２１と受熱板２４とで挟み込まれている。

ベース板２１は、アルミニウム金属等の金属板により形成されている。
放熱フィン２２は、図１に示すように、ベース板２１の上面に重ねて配置され、該ベース板２１を通じて伝達された熱を空気中に放出するものである。放熱フィン２２は、ベース板２１と略同一の長さ及び幅に形成され、ベース板２１上の領域に広域にわたって存在する。
放熱フィン２２は、図３に示すように、例えば、アルミニウム等の金属板５０の上縁５１及び下縁５２をそれぞれ略平行に折り曲げて、断面略コ字状に形成された複数のフィン板５３を備える。これらフィン板５３は、ヒートパイプ２３の延出方向に並べて配置され、各フィン板５３は、例えば、半田付けによって一体に固定されている。
これにより、隣接するフィン板５３間の隙間を通じて空気が流通可能となるため、放熱フィン２２では、ヒートパイプ２３に伝達された熱を放熱フィン２２全体に拡散させることができ、この熱を上記したフィン板５３間の隙間を流れる空気と熱交換することで放熱できる。

受熱板２４は、ベース板２１よりも熱伝導度の高い金属（例えば銅）で形成されており、並列に配置された複数のヒートパイプ２３よりも幅広に形成されている。受熱板２４の裏面（図中下面）２４Ａには、図２に示すように、半導体素子１１が接続され、表面（図中上面）２４Ｂには、ヒートパイプ２３の下面の一部が接触されている。これにより、本構成では、ヒートシンク１０は、ヒートパイプ２３をベース板２１と受熱板２４とで狭持される。
この構成では、半導体素子１１から発せられた熱は、受熱板２４を通じて、ヒートパイプ２３に伝達され、このヒートパイプ２３を通じて、速やかに放熱フィン２２に伝達することができ、ヒートシンク１０の冷却性能を高めることができる。

ヒートパイプ２３は、受熱板２４で受けた熱を、ベース板２１を介して放熱フィン２２に拡散させるための部材である。ヒートパイプ２３は、例えば、銅等の熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナの内部に、水等の作動液が減圧状態で封入されて形成されている。

ところで、複数のヒートパイプを並列に配置する構成では、各ヒートパイプ内を熱が移送されることにより、伝熱量を増大することができる。一方で、素子の大きさに対する発熱量（発熱密度）が大きい半導体素子１１を冷却対象とした場合には、該半導体素子１１に近い特定のヒートパイプに熱的な負荷がかかり、ヒートパイプ全体の熱移送量が低下することにより、半導体素子１１の冷却効率が低下するおそれがあった。

このため、本実施形態では、ヒートパイプ２３は、それぞれコンテナの断面が略矩形状に形成されており、図２に示すように、隣接するヒートパイプ２３，２３同士が側面２３Ａで面接触させている。具体的には、略矩形状に形成されたヒートパイプ２３，２３同士を面接触させた状態で、半田付け等により、ヒートパイプユニット５５として一体化している。
ここで、略矩形とは、四隅に角部が形成された方形のみならず、四隅に若干のＲ（丸み）が残った形状を許容するものである。ただし、略矩形のヒートパイプ２３は、４面のうち相対する面が略平行となっている形状であり、理想的には矩形であることが好ましい。
なお、ヒートパイプを矩形へ形成するには、例えば丸型パイプをプレス加工することで形成することができる。

ヒートパイプユニット５５は、矩形状の各ヒートパイプ２３を長手方向（図中Ｘ方向）一端から他端に亘って面接触させて形成されている。すなわち、各ヒートパイプ２３が隣りのヒートパイプ２３と面接触することにより、図４に示すように、ヒートパイプ２３，２３間の熱移動が促進される。このため、特定のヒートパイプにかかる熱的な負荷が分散されることにより、ヒートパイプユニット５５全体の熱移送量が増大し、半導体素子（発熱体）１１を効率良く冷却できる。また、円形のヒートパイプを用いるよりも略矩形のヒートパイプを用いる方が、熱輸送体の実装密度を向上させることができる。

また、ヒートパイプユニット５５は、略同一の高さに形成されたヒートパイプ２３を並列に配置して形成される。これによれば、ヒートパイプユニット５５におけるベース板２１及び受熱板２４との対向面５５Ａ，５５Ｂを平坦に形成できるため、ベース板２１及び受熱板２４に対し、ヒートパイプの外形形状に合わせた加工を別途施す必要がなく、製造工程の簡素化及び製造コストの低減化を図ることができる。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態にかかるヒートシンク１１０を下方から見た外観斜視図である。
この第２実施形態のヒートシンク１１０は、上記した第１実施形態のものと放熱フィン１２２の大きさ及び受熱板２４の配置箇所が異なる。このため、この第２実施形態では、構成の異なる点のみを説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
放熱フィン１２２は、ベース板２１の約半分の長さに形成され、このベース板２１の一端側に配置されている。一方で、受熱板２４は、放熱フィン１２２とは反対側に位置するヒートパイプユニット５５の下面に接触して配置されている。
このように、放熱フィンの位置は、図２のように受熱板２４の直上を含むこともできるし、また、図５のように受熱板２４からオフセットの位置にすることも可能であり、ヒートシンクが配置される筐体のスペースに合わせた設計が可能である。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態にかかるヒートシンク１２０の側面図である。
この第３実施形態では、ヒートシンク１２０は、図６に示すように、ベース板２１の下面２１Ａに、熱伝導性の高い金属（例えば、銅やアルミニウム）で形成された角柱状のスペーサ（側壁）３３，３３を備え、これらスペーサ３３は、例えば、半田付け等により、ベース板２１の下面に固定される。このため、ベース板２１とスペーサ３３，３３とによって、ベース板２１の下面２１Ａにヒートパイプユニット５５が収容される空間４０（溝部）が形成される。
受熱板２４は、空間４０に跨って各スペーサ３３の下面３３Ｂに固定され、受熱板２４の表面２４Ｂには、ヒートパイプユニット５５の対向面５５Ｂ（図中下面）の一部が接触されている。
スペーサ３３は、図６に示すように、ヒートパイプユニット５５の両側方に配置されるため、ヒートシンク１０を回路基板に配置した際に、ヒートパイプ２３に過剰な荷重がかかることを防止できる。すなわち、スペーサ３３は、ヒートパイプ２３からの熱を伝達することに加え、該ヒートパイプを保護する保護部材として機能する。

また、スペーサ３３は、ヒートパイプユニット５５（ヒートパイプ２３）と略同一の高さに形成されると共に、該スペーサ３３の内側面３３Ａがヒートパイプユニット５５の側面５５Ｃ（端に配置されたヒートパイプ２３の側面）と密着する間隔で配置されるため、ヒートパイプユニット５５の対向面５５Ａ（図中上面）をベース板２１の下面２１Ａに密着させることができると共に、ヒートパイプユニット５５の側面５５Ｃをスペーサ３３の内側面３３Ａに密着させることができる。
従って、ヒートパイプユニット５５と、ベース板２１との伝熱面積を増大させることができるため、ヒートパイプユニット５５で移送された熱を、ベース板２１を通じて、速やかに放熱フィン２２に伝達することができる。

以上、本実施の形態によれば、各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプ２３を並列に配置し、隣接するヒートパイプ２３，２３同士を側面２３Ａで面接触させたヒートパイプユニット５５を備え、ヒートパイプユニット５５は、放熱フィン２２が熱的に接続されるベース板２１と、半導体素子１１が熱的に接続される受熱板２４とで狭持されたため、ヒートパイプユニット５５とベース板２１及び受熱板２４との伝熱面積を増大させることができ、受熱板２４で受けた熱を、ヒートパイプユニット５５を介して、ベース板２１及び放熱フィン２２に迅速に伝達することができる。更に、ヒートパイプユニット５５は、各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプ２３を並列に配置し、隣接するヒートパイプ２３，２３同士を側面２３Ａで面接触させたため、ヒートパイプ２３，２３間の熱の授受が促進されることにより、ヒートパイプユニット５５全体の熱移送量が増加し、発熱体を効率良く冷却できる。

また、本実施形態によれば、ヒートパイプユニット５５は、ヒートパイプ２３の長手方向の一端から他端に亘って側面２３Ａにて面接触させて一体に形成されるため、ヒートパイプユニット５５を板状に形成することができ、ヒートシンク１０の組立作業時における取扱いを容易に行うことができる。また、ヒートパイプユニット５５のいずれの部位に受熱板２４が接続されても、熱をヒートパイプユニット５５に均等に拡散できるため、該ヒートパイプユニット５５を利用するヒートシンク１０の設計の自由度を増すことができる。

また、本実施形態によれば、ヒートパイプユニット５５は、略同一高さのヒートパイプ２３，２３を側面２３Ａで面接触させて形成されるため、ヒートパイプユニット５５におけるベース板２１及び受熱板２４との対向面５５Ａ，５５Ｂを平坦に形成できる。このため、ベース板２１及び受熱板２４に対し、ヒートパイプの外形形状に合わせた加工を別途施す必要がなく、製造工程の簡素化及び製造コストの低減化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、ベース板２１は、ヒートパイプユニット５５を収容する略矩形状の空間４０を備え、この空間４０は、ヒートパイプユニット５５の両側面５５Ｃにそれぞれ接触する側壁としてのスペーサ３３を備えるため、ヒートパイプユニット５５と、ベース板２１との伝熱面積を増大させることができ、ヒートパイプユニット５５で移送された熱を、ベース板２１を通じて、速やかに放熱フィン２２に伝達することができる。
更に、スペーサ３３がヒートパイプユニット５５を保護するため、ヒートパイプユニット５５、ひいては各ヒートパイプ２３に過剰な荷重がかかることが防止される。

以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では、ヒートパイプユニット５５は、並列に配置された６本のヒートパイプ２３を備える構成としたが、隣接するヒートパイプ２３同士が側面で面接触していれば、本数は適宜変更しても良い。

また、本実施形態では、ヒートパイプユニット５５は、すべて同一形状のヒートパイプ２３を並列に配置して形成していたが、ヒートパイプの高さを略同一としていればよく、各ヒートパイプの幅は、発熱体の位置や大きさによって適宜に変更しても良い。
また、本実施形態では、隣接するヒートパイプ２３同士を側面で面接触させた状態で一体に接合させているが、面接触した状態でベース板２１と受熱板２４とで挟まれてさえいれば、ヒートパイプ２３同士を接合していなくても良い。
また、本実施形態では、回路基板に配置される半導体素子１１を発熱体とする構成としたが、これに限るものではなく、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子のように、素子の大きさに対する発熱量（熱密度）が大きいものに適用することができる。

また、本実施形態では、ベース板２１の下面に別個のスペーサ３３，３３を固定しているが、これに限るものではなく、ベース板の下面に側壁を延ばし、該ベース板の下面にヒートパイプユニット５５を収容する溝部を形成する構成としても良い。
また、本実施形態では、ベース板２１は、１枚の板で形成しているが、複数の部位に分割した構成としても良い。

１０、１１０、１２０ ヒートシンク
１１ 半導体素子（発熱体）
２１ ベース板
２２、１２２ 放熱フィン
２３ ヒートパイプ
２３Ａ 側面
２４ 受熱板
３３ スペーサ（側壁）
４０ 空間（溝部）
５３ フィン板
５５ ヒートパイプユニット
５５Ａ 対向面
５５Ｂ 対向面
５５Ｃ 側面

上記目的を達成するために、本発明は、各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプを並列に配置し、隣接するヒートパイプ同士を面接触させたヒートパイプユニットを備え、前記ヒートパイプユニットは、放熱フィンが熱的に接続されるベース板と、発熱体が熱的に接続される受熱板とで狭持され、前記受熱板は、前記ヒートパイプユニットよりも小さく形成されて該ヒートパイプユニットの一部と接触することを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明は、作動液が封入されるコンテナの断面が各々略矩形状に形成された複数のヒートパイプを並列に配置し、隣接するヒートパイプのコンテナ同士を面接触させたヒートパイプユニットを備え、前記ヒートパイプユニットは、放熱フィンが熱的に接続されるベース板と、発熱体が熱的に接続される受熱板とで狭持され、前記受熱板は、前記ヒートパイプが並ぶ方向では前記ヒートパイプユニットよりも大きく、かつ、前記ヒートパイプの長手方向では前記ヒートパイプユニットよりも小さく形成されて該ヒートパイプユニットの一部と接触することを特徴とする。

Claims (4)

1. 各々の断面が略矩形状に形成された複数のヒートパイプを並列に配置し、隣接するヒートパイプ同士を面接触させたヒートパイプユニットを備え、
   前記ヒートパイプユニットは、放熱フィンが熱的に接続されるベース板と、発熱体が熱的に接続される受熱板とで狭持されたことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記ヒートパイプユニットは、前記ヒートパイプの一端から他端に亘って面接触させて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記ヒートパイプユニットは、略同一高さの前記ヒートパイプを面接触させて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記ベース板は、前記ヒートパイプユニットを収容する略矩形状の溝部を備え、この溝部は、前記ヒートパイプユニットの両側面にそれぞれ接触する側壁を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク。

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