JP2015169420A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプを用いて高い放熱効果が得られるとともに、容易に製造できるヒートシンクを提供する。
【解決手段】発熱体５に接触する受熱プレート２と、受熱プレート２に設けられた複数のヒートパイプ３とを備える。受熱プレート２には、作動液貯留部９と第２の孔１３とが設けられている。作動液貯留部９は、受熱面６と平行な方向に延びる複数の第１の孔７によって形成されている。第２の孔１３は、受熱面６と交差する方向に延び、作動液貯留部９に接続されている。ヒートパイプ３は、外パイプ１５と内パイプ１６とを含む。外パイプ１５は、開口端が第２の孔１３に挿入されかつ他端が閉塞された有底筒状に形成されている。内パイプ１６は、外パイプ１５との間に作動液通路１７が形成される状態で外パイプ１５の中に挿入されている。作動液貯留部９とヒートパイプ３の内部には作動液１８が充填されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、放熱用のヒートパイプを備えた空冷式のヒートシンクに関するものである。

従来の一般的なヒートシンクは、アルミニウムや銅を押出成形、切削加工、鋳造または冷間鍛造によって製造されている。この種のヒートシンクの中には、ヒートパイプを組み合わせたものも存在している。ヒートパイプが組み合わせられたヒートシンクとしては、ヒートパイプを介して放熱プレートに接続されたものや、ヒートシンクのプレート面にヒートパイプが埋め込まれたものなどがある。ヒートパイプの効果を活用するためには、ヒートシンクとヒートパイプとの間の熱抵抗を可及的小さくすることが望ましい。
この熱抵抗が小さくなる従来のヒートシンクとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

特許文献１に開示されているヒートシンクは、発熱体に接触する箱状の受熱部と、この受熱部に取付けられた複数の金属管とを備えている。受熱部は、箱本体と蓋体とによって構成されている。箱本体は、一端が開口する有底角筒状に形成されている。蓋体は、箱本体の開口部を閉塞する板状に形成されている。金属管は、単管からなり、内部の空間が受熱部内の空間に連通する状態で蓋体に取付けられている。受熱部内には、冷媒が注入されている。

特許第３１２３３３５号公報

特許文献１に開示されたヒートシンクでは、受熱部の製造が煩雑で、受熱部の製造時間が長くなるという問題があった。この理由は、箱本体を所定の形状に形成する第１の製造工程と、箱本体に蓋体を取付ける第２の製造工程との両方において複雑な作業を要するからである。第１の製造工程においては、機械加工または鋳造によって箱本体を有底角筒状に形成する作業が行われる。第２の製造工程においては、蓋体を箱本体に例えばろう付けによってシールと接合とが両立するように取付ける作業が行われる。なお、このような不具合を解消するにあたっては、放熱効果が低下するようなことは避けなければならない。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、ヒートパイプを用いて高い放熱効果が得られるとともに、容易に製造できるヒートシンクを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、発熱体に接触する受熱部材と、前記受熱部材に設けられた複数のヒートパイプとを備え、前記受熱部材には、前記発熱体と接触する受熱面と平行な方向に延びる複数の第１の孔によって形成された作動液貯留部と、前記受熱面と交差する方向に延び、前記作動液貯留部に接続された複数の第２の孔とが設けられ、前記ヒートパイプは、開口端が前記第２の孔に挿入されて前記受熱部材に気密に接続されかつ他端が閉塞された有底筒状の外パイプと、前記外パイプとの間に作動液通路が形成される状態で前記外パイプの中に挿入された筒状の内パイプとを含み、前記作動液貯留部と前記ヒートパイプの内部には作動液が充填されているものである。

本発明は、前記発明において、前記第１の孔は、前記受熱面と平行な第１の方向に延びる縦孔と、前記受熱面と平行な方向であって前記第１の方向とは交差する第２の方向に前記縦孔を貫通して延びる横孔とによって構成され、前記第２の孔は、前記縦孔と横孔とが交差する位置に設けられていることを特徴とする。

本発明は、前記発明において、前記内パイプの断面形状は非円形に形成され、前記内パイプは、前記外パイプの中に圧入されていることを特徴とする。

本発明は、前記発明において、前記複数のヒートパイプが貫通する薄板からなる複数のフィンをさらに備え、前記複数のフィンは、ヒートパイプの長手方向に所定の間隔をおいて並べられていることを特徴とする。

本発明は、前記発明において、前記作動液貯留部は、第１の孔と、この第１の孔の開口端を閉塞する栓部材とによって形成され、前記栓部材は、前記受熱部材に螺着されたねじ部材によって構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の孔を形成する孔開け加工を受熱部材に施すことによって、受熱部材の中に作動液貯留部となる空間が形成される。このため、作動液貯留部を単純な孔開け加工によって形成できるから、受熱部材を容易に製造することができる。
一方、作動液貯留部内で作動液が蒸発することによって発生した気体は、ヒートパイプ内を受熱部材から離れる方向に進む。この気体は、ヒートパイプの外パイプとの接触により冷却されて液化する。この液体は、外パイプと内パイプとの間を通って受熱部材内に戻る。すなわち、作動液が蒸発して生じた気体と、この気体が液化してなる液体とが通る経路がヒートパイプ内に形成されるから、ヒートパイプにおいて高い放熱効果が得られる。

作動液貯留部の壁面には、作動液貯留部が複数の第１の孔によって形成されているために、凹凸が形成される。このため、発熱体と作動液との間の熱伝達経路の熱抵抗を小さくするにも限界がある。しかし、本発明に係るヒートシンクにおいては、高い放熱効果が得られる二重管構造のヒートパイプを用いているから、上述した凹凸の影響を受けるにもかかわらず、放熱効果が高くなる。
したがって、本発明によれば、ヒートパイプを用いて高い放熱効果が得られるとともに、容易に製造可能なヒートシンクを提供することができる。

本発明に係るヒートシンクの斜視図である。 受熱プレートを示す図で、図２（Ａ）は平面図、図２（B)は側面図である。 本発明に係るヒートシンクの縦断面図である。図３の破断位置は、図２（Ａ）中にIII-III線によって示す位置である。 受熱プレートの横断面図である。図４の破断位置は、図２（Ｂ）中にIV-IV線によって示す位置である。 ヒートパイプの一部を拡大して示す断面図である。 第２の実施の形態によるヒートシンクの斜視図である。 栓部材の変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係るヒートシンクの一実施の形態を図１〜図６によって詳細に説明する。
図１に示すヒートシンクは、同図において最も下に位置する受熱プレート２と、この受熱プレート２に取付けられた複数のヒートパイプ３および作動液供給用パイプ４とを備えている。

受熱プレート２は、アルミニウムや銅などの熱伝導率が高い材料からなる四角形の板によって形成されている。この実施の形態においては、この受熱プレート２によって本発明でいう「受熱部材」が構成されている。受熱プレート２には、図３に示すように、発熱体５に接触する平坦な受熱面６が形成されている。
受熱プレート２には、受熱面６と平行な方向に延びる複数の第１の孔７が穿設されている。この第１の孔７は、例えばドリル（図示せず）を用いて受熱プレート２に孔開け加工を施すことによって形成されている。

この第１の孔７は、図２に示すように、受熱面６と平行な第１の方向（図２においては上下方向）に延びる縦孔７ａと、受熱面６と平行な方向であって第１の方向とは交差する第２の方向に延びる横孔７ｂとによって構成されている。横孔７ｂは、図４に示すように、縦孔７ａを貫通する状態で延びている。縦孔７ａと横孔７ｂの孔径は同一である。
縦孔７ａと横孔７ｂは、受熱プレート２を貫通することなく、一端部のみが開口するように形成されている。すなわち、縦孔７ａと横孔７ｂの最も奥に位置する先端には、ドリルによる切削によってテーパ面８が形成されている。

縦孔７ａと横孔７ｂは、受熱プレート２の内部で互いに連通されている。このため、受熱プレート２の内部には、縦孔７ａと横孔７ｂとによって構成された空間からなる作動液貯留部９（図３参照）が形成されている。
縦孔７ａと横孔７ｂの開口部分は、図３および図４に示すように、複数の栓部材１１と１本の作動液供給用パイプ４とによって閉塞されている。図３および図４に示す栓部材１１は、縦孔７ａまたは横孔７ｂに嵌合する円柱状に形成されており、縦孔７ａまたは横孔７ｂに嵌合した状態でろう付けによって受熱プレート２に取付けられている。

このろう付けは、受熱プレート２と栓部材１１との間が気密にシールされるように行われる。作動液供給用パイプ４は、作動液貯留部９に作動液（図示せず）を充填するためのもので、縦孔７ａまたは横孔７ｂの開口部に嵌合した状態でろう付けによって受熱プレート２に取付けられている。作動液供給用パイプ４の先端部は、着脱可能な蓋部材１２（図１参照）によって閉塞されている。

受熱プレート２における受熱面６とは反対側の端部（図１において上側に位置する端部）には、図２（Ａ）に示すように、複数の第２の孔１３が形成されている。これらの第２の孔１３は、受熱面６と直交する方向から見て縦孔７ａと横孔７ｂとが交差する位置に設けられており、作動液貯留部９の内と外とを連通している。
受熱プレート２の四隅となる角部には、このヒートシンク１を発熱体に固定するためのボルト（図示せず）が通される貫通孔１４が形成されている。

ヒートパイプ３は、図３に示すように、二重管構造となる外パイプ１５と内パイプ１６とを備えている。これらの外パイプ１５と内パイプ１６を形成する材料は、アルミニウムや銅などの熱伝導率が高い材料である。外パイプ１５は、一端が開口するとともに他端が閉塞された有底円筒状に形成されている。この外パイプ１５は、他端となる底部が突出する状態で開口端が受熱プレート２に取付けられている。外パイプ１５の開口端は、上述した第２の孔１３に挿入された状態でろう付けによって受熱プレート２に接続されている。この実施の形態による外パイプ１５の開口端は、第２の孔１３に嵌合している。外パイプ１５と第２の孔１３との間は、ろう付けによって気密にシールされている。

内パイプ１６は、図５に示すように、断面形状が非円形のものが用いられている。この実施の形態による内パイプ１６の断面形状は、多葉形状である。この内パイプ１６は、外縁部分が外パイプ１５の内周面に接触する状態で外パイプ１５の中に挿入されている。この実施の形態による内パイプ１６は、外パイプ１５の中に圧入されている。すなわち、内パイプ１６は、自らの弾性と摩擦抵抗とによって外パイプ１５の中に移動できないように固定されている。

このように内パイプ１６が外パイプ１５の中に挿入されることにより、外パイプ１５と内パイプ１６との間に作動液通路１７が形成される。この作動液通路１７は、外パイプ１５と内パイプ１６との接触部分と隣り合う幅狭部１７ａを含んでいる。幅狭部１７ａの形成幅は、外パイプ１５と内パイプ１６との接触部分に向かうにしたがって次第に小さくなる。
この作動液通路１７と内パイプ１６内の空間とからなるヒートパイプ３の内部空間と、上述した作動液貯留部９は、作動液１８によって満たされている。

次に、このヒートシンク１の製造方法を説明する。このヒートシンク１の製造は、受熱プレート２と、栓部材１１と、複数のヒートパイプ３と、作動液供給用パイプ４とを個別に形成し、これらの部材をろう付けにより接合することによって行われる。
受熱プレート２を形成するためには、先ず、受熱プレート２の母材である板材料に複数の第１の孔７を例えばドリルによって形成する。そして、この板材料に第２の孔１３と貫通孔１４とを例えばドリルによって形成する。

ヒートパイプ３は、外パイプ１５の中に内パイプ１６を圧入することによって形成される。栓部材１１は、棒状部材（図示せず）を所定の長さに切断することによって形成される。作動液供給用パイプ４は、所定の長さの管材（図示せず）を所定の形状に曲げて形成される。
このように各部材が形成された後、受熱プレート２に栓部材１１と、ヒートパイプ３と作動液供給用パイプ４とをろう付けによって接合する。このろう付けは、後述する複数のステップによって行う。

これらのステップは、各部材の接合部分にろう材を塗布するステップと、受熱プレート２に栓部材１１と、ヒートパイプ３と、作動液供給用パイプ４とを仮に組付けてヒートシンク組立体を形成するステップと、このヒートシンク組立体を加熱炉内で加熱してろう材を溶融させるステップである。

受熱プレート２に栓部材１１と、複数のヒートパイプ３および作動液供給用パイプ４とがそれぞれろう付けされた後、作動液供給用パイプ４からパイプ内の空気を排出し、作動液貯留部９内とヒートパイプ３内とを真空状態にする。そして、作動液１８を作動液供給用パイプ４に吸い込ませ、作動液貯留部９内とヒートパイプ３内とに充填する。その後、作動液供給用パイプ４をキャップ１２により閉塞することによって、このヒートシンク１の製造工程が完了する。

このように製造されたヒートシンク１を発熱体５の上面５ａに重ねて取付けると、発熱体５の熱が図３中に太線の矢印で示すように受熱プレート２に伝導によって伝達される。そして、受熱プレート２内の作動液１８が加熱されて蒸発する。作動液１８が蒸発する際に受熱プレート２の熱が熱交換により気化熱として奪われ、受熱プレート２が冷却される。

作動液１８が蒸発して生じた気体１８ａは、図３中に破線の矢印で示すように、ヒートパイプ３の中（内パイプ１６の内部と、内パイプ１６と外パイプ１５との間）を先端に向けて上昇する。ヒートパイプ３の先端部に達した気体１８ａは、外パイプ１５に接触し、外パイプ１５の温度を上昇させる。この外パイプ１５の熱は、図３中に太線の矢印で示すように、外パイプ１５の外面から大気中に放散される。このように外パイプ１５に接触した気体１８ａは、外パイプ１５と熱交換が行われることによって冷却され、凝縮して液化される。すなわち、気体１８ａが凝縮する際に凝縮熱が発生し、外パイプ１５の外側の周囲空気と熱交換することにより放熱する。

凝縮して液化した作動液１８は、図３中に細線の矢印によって示すように、主に内パイプ１６と外パイプ１５との間の作動液通路１７を通って重力により下降し、液体の状態で受熱プレート２内に貯留される。そして、この作動液１８は、再び加熱され、上述した動作を繰り返す。この実施の形態によるヒートシンク１は、このような作動液１８の蒸発、凝縮を繰り返すことによって受熱プレート２の受熱面６より受熱した熱を効率よく放熱する。

この実施の形態によるヒートシンク１は、第１の孔７を形成する孔開け加工を受熱プレート２に施すことによって、受熱プレート２の中に作動液貯留部９となる空間が形成される。このため、作動液貯留部９を単純な孔開け加工によって形成できるから、受熱プレート２を容易に製造することができる。

また、この実施の形態によるヒートパイプ３内には、作動液１８が蒸発して生じた気体１８ａと、この気体１８ａが液化してなる液体（作動液１８）とが通る経路が形成されるから、ヒートパイプ３において高い放熱効果が得られる。
作動液貯留部９の壁面には、作動液貯留部９が複数の第１の孔７によって形成されているために、図４に示すように、凹凸が形成される。このため、発熱体５と作動液１８との間の熱伝達経路の熱抵抗を小さくするにも限界がある。しかし、この実施の形態によるヒートシンク１においては、上述したように高い放熱効果が得られる二重管構造のヒートパイプ３を用いているから、上述した凹凸の影響を受けるにもかかわらず、放熱効果が高くなる。
したがって、この実施の形態によれば、ヒートパイプ３を用いて高い放熱効果が得られるとともに、容易に製造可能なヒートシンクを提供することができる。

この実施の形態による第１の孔７は、受熱プレート２の受熱面６と平行な第１の方向に延びる縦孔７ａと、この受熱面６と平行な方向であって第１の方向とは交差する第２の方向に縦孔７ａを貫通して延びる横孔７ｂとによって構成されている。また、第２の孔１３は、縦孔７ａと横孔７ｂとが交差する位置に設けられている。
この実施の形態においては、作動液１８が蒸発して生成された気体１８ａが第２の孔１３に入り易くなる。このため、この実施の形態によれば、作動液１８が蒸発してなる気体１８ａがヒートパイプ３に入り易くなるから、より一層放熱効果が高いヒートシンクを提供することができる。

この実施の形態による内パイプ１６の断面形状は、非円形に形成されている。この内パイプ１６は、外パイプ１５の中に圧入されている。このため、この実施の形態においては、外パイプ１５の中に内パイプ１６を保持させるにあたって、溶接を行う必要はない。したがって、この実施の形態によれば、二重管構造からなるヒートパイプ３を簡単に製造することができる。二重管構造のヒートパイプ３は、作動液１８が蒸発してなる気体１８ａと、この気体１８ａが凝縮してなる液体とが循環し易くなるから、実質的なヒートパイプ３の表面積が増大して放熱効率が高くなるものである。

また、このヒートパイプ３は、外パイプ１５と内パイプ１６との間に幅狭部１７ａが形成されるから、この幅狭部１７ａを利用した毛細管効果が得られ、気体１８ａから液化してなる作動液１８が受熱プレート２内に戻り易くなる。
したがって、この実施の形態によれば、作動液１８がヒートパイプ３内で効率よく流れてヒートパイプ３の放熱効率が高くなるから、さらに放熱効果が高いヒートシンクを提供することができる。

この実施の形態においては、ヒートパイプ３の内パイプ１６として断面多葉形状に形成されたものを使用した例を示した。しかしながら、本発明は、このような限定にとらわれることはない。内パイプ１６の断面形状は、三角形や四角形など、適宜変更することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係るヒートシンクは、図６に示すように構成することができる。図６において、図１〜図５によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図６に示すヒートシンク２１は、請求項４に記載した発明を構成するものである。

図６に示すヒートシンク２１は、複数のフィン２２を備えている。これらのフィン２２は、熱伝導率が高い材料からなる薄板によって形成されており、全てのヒートパイプ３が貫通する状態でこれらのヒートパイプ３に支持されている。複数のフィン２２は、ヒートパイプ３の長手方向に所定の間隔をおいて並べられている。
この実施の形態によれば、ヒートパイプ３の放熱が複数のフィン２２によって促進されるから、放熱効果がさらに高いヒートシンクを提供することができる。

（第３の実施の形態）
第１の孔の開口端を閉塞する栓部材は、図７に示すように形成することができる。図７において、図１〜図５によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図７に示す作動液貯留部９は、第１の孔７と、この第１の孔７の開口端を閉塞する栓部材２３とによって形成されている。栓部材１１は、受熱プレート２に螺着されたねじ部材によって構成されている。このねじ部材の螺合部分２３ａには、図示してはいないが、シール材が設けられている。

この実施の形態においては、第１の孔７の開口端をねじ部材からなる栓部材２３によって簡単に閉塞することができる。
したがって、この実施の形態によれば、製造がより一層簡単なヒートシンクを提供することができる。

１…ヒートシンク、２…受熱プレート（受熱部材）、３…ヒートパイプ、５…発熱体、６…受熱面、７…第１の孔、７ａ…縦孔、７ｂ…横孔、９…作動液貯留部、１１，２３…栓部材、１３…第２の孔、１５…外パイプ、１６…内パイプ、１７…作動液通路、１８…作動液、２２…フィン。

Claims (5)

1. 発熱体に接触する受熱部材と、
   前記受熱部材に設けられた複数のヒートパイプとを備え、
   前記受熱部材には、
   前記発熱体と接触する受熱面と平行な方向に延びる複数の第１の孔によって形成された作動液貯留部と、
   前記受熱面と交差する方向に延び、前記作動液貯留部に接続された複数の第２の孔とが設けられ、
   前記ヒートパイプは、
   開口端が前記第２の孔に挿入されて前記受熱部材に気密に接続されかつ他端が閉塞された有底筒状の外パイプと、
   前記外パイプとの間に作動液通路が形成される状態で前記外パイプの中に挿入された筒状の内パイプとを含み、
   前記作動液貯留部と前記ヒートパイプの内部には作動液が充填されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 請求項１記載のヒートシンクにおいて、
   前記第１の孔は、前記受熱面と平行な第１の方向に延びる縦孔と、
   前記受熱面と平行な方向であって前記第１の方向とは交差する第２の方向に前記縦孔を貫通して延びる横孔とによって構成され、
   前記第２の孔は、前記縦孔と横孔とが交差する位置に設けられていることを特徴とするヒートシンク。
3. 請求項１または請求項２記載のヒートシンクにおいて、
   前記内パイプの断面形状は非円形に形成され、
   前記内パイプは、前記外パイプの中に圧入されていることを特徴とするヒートシンク。
4. 請求項１ないし請求項３のうちいずれか一つに記載のヒートシンクにおいて、
   前記複数のヒートパイプが貫通する薄板からなる複数のフィンをさらに備え、
   前記複数のフィンは、ヒートパイプの長手方向に所定の間隔をおいて並べられていることを特徴とするヒートシンク。
5. 請求項１ないし請求項４のうちいずれか一つに記載のヒートシンクにおいて、
   前記作動液貯留部は、第１の孔と、この第１の孔の開口端を閉塞する栓部材とによって形成され、
   前記栓部材は、前記受熱部材に螺着されたねじ部材によって構成されていることを特徴とするヒートシンク。

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