JP2018173193A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプにホットスポットが発生するのを抑制することで、優れた冷却性能を発揮するヒートシンクを提供する。
【解決手段】発熱体が熱的に接続される受熱板と、該受熱板と熱的に接続されたヒートパイプと、を備え、前記受熱板の熱伝導率が、前記ヒートパイプのコンテナの材料の熱伝導率よりも高いヒートシンク。
【選択図】図１

Description

本発明は、高熱伝導率の材料から形成された受熱板を備えることで、ヒートパイプにホットスポットが発生することを抑制できるヒートシンクに関するものである。

電気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品は、高機能化に伴う高密度搭載等により、発熱量が増大し、近年、その冷却がより重要となっている。電子部品等の発熱体の冷却方法として、ヒートシンクが使用されることがある。

発熱体を効率的に冷却するためには、ヒートシンクの放熱効率を向上させることが要求される。そこで、放熱部となる複数のフィンが取り付け部となるベース部に立設されたヒートシンクにおいて、フィンとベース部とが一体に鋳造されるとともに、そのベース部にヒートパイプの少なくとも一部が一体に鋳包まれているヒートシンクが提案されている（特許文献１）。特許文献１のヒートシンクでは、ヒートパイプが金属製のベース部によって鋳包まれていることから、ヒートパイプとベース部間の熱伝導性が向上し、結果、ヒートシンクの放熱効率が向上するというものである。

しかし、特許文献１のヒートシンクでは、冷却対象である発熱体がヒートパイプのコンテナと、直接、熱的に接続されるので、発熱体の発熱密度が増大するとヒートパイプにホットスポットが発生しやすくなり、十分な冷却特性が得られない場合があるという問題があった。

特開平１１−１９５７３８号公報

上記事情に鑑み、本発明は、ヒートパイプにホットスポットが発生することを抑制することで、優れた冷却性能を発揮するヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明の態様は、発熱体が熱的に接続される受熱板と、該受熱板と熱的に接続されたヒートパイプと、を備え、前記受熱板の熱伝導率が、前記ヒートパイプのコンテナの材料の熱伝導率よりも高いヒートシンクである。

上記態様では、ヒートシンクの受熱板に冷却対象である発熱体が熱的に接続されることで、発熱体が冷却される。発熱体の熱は、発熱体から受熱板へ伝達され、受熱板へ伝達された熱は、受熱板からヒートパイプへ伝達され、ヒートパイプへ伝達された熱は、ヒートパイプの熱輸送機能により、ヒートシンクの外部環境へ放出される。発熱体の熱が、受熱板とヒートパイプを介して外部環境へ放出されることで、発熱体が冷却される。上記態様では、ヒートパイプは受熱板を介して発熱体と熱的に接続される。また、ヒートパイプと受熱板は、熱伝導率の異なる材料から形成されており、相互に、別部材である。

本発明の態様は、前記コンテナの一部領域が、前記受熱板と熱的に接続されたヒートシンクである。上記態様では、ヒートパイプのコンテナには、受熱板と接していない部位と受熱板と接した部位が存在する。

本発明の態様は、前記受熱板の熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、前記コンテナの材料の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であるヒートシンクである。

上記態様でも、受熱板は、ヒートパイプのコンテナ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料を使用する。また、本明細書中、「熱伝導率」は２５℃における熱伝導率を意味する。

本発明の態様は、前記コンテナの材料が、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、銅及び銅合金からなる群から選択された少なくとも１種であるヒートシンクである。

本発明の態様は、前記受熱板が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、グラファイト及びカーボン材からなる群から選択された少なくとも１種であるヒートシンクである。

本発明の態様は、前記受熱板の長手方向の長さが、前記コンテナの長手方向の長さの０．１０〜１．０倍であるヒートシンクである。

本発明の態様は、前記受熱板の平面視の面積が、前記コンテナの平面視の面積の０．１０〜１．０倍であるヒートシンクである。

本明細書中、「平面視」とは、受熱板からヒートパイプへの熱伝達方向に対して平行方向であって、ヒートパイプ側から視認した態様を意味する。

本発明の態様は、前記受熱板の厚さが、前記コンテナの厚さの０．１〜５．０倍であるヒートシンクである。

本発明のヒートシンクの態様によれば、ヒートパイプが受熱板と熱的に接続されており、受熱板の熱伝導率がヒートパイプのコンテナ材料の熱伝導率よりも高いことにより、発熱体から受熱板へ伝達された熱は、受熱板を拡散してから、ヒートパイプへ伝達されるので、実効的な蒸発部面積が拡大し、ヒートパイプにホットスポットが発生することを抑制できる。すなわち、本発明の態様によれば、受熱板によって熱密度が低減された状態でヒートパイプへ熱が伝達されるので、ヒートパイプにホットスポットが発生することを抑制できる。従って、本発明のヒートシンクの態様によれば、ヒートパイプへの熱負荷を低減できるので、優れた冷却性能を発揮することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、コンテナの一部領域が受熱板と熱的に接続されることにより、受熱板の熱拡散特性とヒートパイプの熱輸送機能がさらに向上するので、さらに優れた冷却性能が得られる。

本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの平面図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクに発熱体が熱的に接続された状態を示す底面図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの部分側面断面図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの平面図である。 実施例及び比較例の結果を示すグラフである。

以下に、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクについて、図面を用いながら説明する。図１、２に示すように、第１実施形態例に係るヒートシンク１は、受熱板１０と、受熱板１０に熱的に接続された第１のヒートパイプ１１と、第１のヒートパイプ１１と一方の端部１３の部位で熱的に接続された第２のヒートパイプ１２と、第２のヒートパイプ１２の他方の端部１４と熱的に接続された放熱フィン１５と、を備えている。発熱体１００は、受熱板１０に熱的に接続されることで、ヒートシンク１によって冷却される。

第１のヒートパイプ１１のコンテナ１６は平板状である。平板状のコンテナ１６は、一方の板状体と該一方の板状体と対向する他方の板状体とを重ねることによって形成されている。一方の板状体は、その中央部が、凸状に塑性変形されている。一方の板状体の、凸状に塑性変形された部位が、コンテナ１６の凸部（図示せず）であり、凸部の内部が空洞部となっている。空洞部の内部空間は、脱気処理によって減圧されており、作動流体（図示せず）が封入されている。さらに、減圧された空洞部内部には、毛細管力を有するウィック構造体（図示せず）が設けられている。コンテナ１６が平板状である第１のヒートパイプ１１は平面型ヒートパイプなので、ベーパーチャンバである。

コンテナ１６の形状は、特に限定されないが、第１のヒートパイプ１１では、平面視（第１のヒートパイプ１１の平面に対して鉛直方向からの視た態様）が矩形状となっている。コンテナ１６の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、０．３〜１．０ｍｍを挙げることができる。

図２、３に示すように、第１のヒートパイプ１１のコンテナ１６には、平板状の受熱板１０が熱的に接続されている。また、受熱板１０の平面視の形状は、特に限定されないが、図２に示すように、ヒートシンク１では矩形状となっている。また、受熱板１０の長手方向とコンテナ１６の長手方向が略平行となるように、受熱板１０がコンテナ１６に取り付けられている。

図２に示すように、ヒートシンク１では、平板状の受熱板１０の一方の面全体がコンテナ１６と熱的に接続されている。すなわち、受熱板１０全体が、平面視において第１のヒートパイプ１１のコンテナ１６と重なり合う位置に設けられている。一方で、平板状の受熱板１０の他方の面には、冷却対象である発熱体１００が熱的に接続される。コンテナ１６の平面視（底面視）の面積は、受熱板１０の平面視（底面視）の面積よりも大きく、コンテナ１６の平面視（底面視）における一部領域が、受熱板１０と熱的に接続されている。すなわち、受熱板１０の平面視（底面視）の面積は、コンテナ１６の平面視（底面視）の面積の１．０倍未満となっている。受熱板１０の平面視（底面視）の面積は、特に限定されず、受熱板１０の熱拡散特性を確実に得る点から、コンテナ１６の平面視（底面視）の面積の０．１０〜１．０倍が好ましく、受熱板１０の熱拡散特性と第１のヒートパイプ１１の熱輸送機能をバランスよく向上させる点から０．３〜０．７倍が特に好ましい。

また、図２、３に示すように、ヒートシンク１では、受熱板１０の長手方向の長さは、コンテナ１６の長手方向の長さよりも短くなっている。すなわち、受熱板１０の長手方向の長さは、コンテナ１６の長手方向の長さの１．０倍未満となっている。受熱板１０の長手方向の長さは、特に限定されず、受熱板１０の熱拡散特性を確実に得る点から、コンテナ１６の長手方向の長さの０．１０〜１．０倍が好ましく、受熱板１０の熱拡散特性と第１のヒートパイプ１１の熱輸送機能をバランスよく向上させる点から０．３〜０．７倍が特に好ましい。

なお、ヒートシンク１では、受熱板１０の長手方向に対して直交方向の長さは、受熱板１０の熱拡散特性と第１のヒートパイプ１１の熱輸送機能をバランスよく向上させる点から、コンテナ１６の長手方向に対して短くなっている。

受熱板１０の厚さは、特に限定されず、熱拡散特性とコンテナ１６への熱伝導性のバランスの点から、コンテナ１６の厚さに対して、０．１〜５．０倍が好ましく、０．３〜３．０倍が特に好ましい。

コンテナ１６と受熱板１０の熱的接続の方法は、特に限定されず、ヒートシンク１では、受熱板１０の平面部がコンテナ１６の平面部に直接接することで、コンテナ１６（第１のヒートパイプ１１）と受熱板１０が熱的に接続されている。受熱板１０のコンテナ１６への接続、固定手段としては、特に限定されず、例えば、ねじ止め、はんだ付け、ろう付け、溶接等を挙げることができる。

コンテナ１６と受熱板１０の材料は、受熱板１０の材料の熱伝導率がコンテナ１６の材料の熱伝導率よりも高ければ、特に限定されず、例えば、受熱板１０の熱伝導率は、受熱板１０の熱拡散特性を確実に得、且つ材料の入手が容易な点から、２５℃にて２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が好ましく、３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が特に好ましい。コンテナ１６の材料の熱伝導率は、例えば、熱密度が確実に低減された状態でコンテナ１６へ熱伝達する点から、２５℃にて１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が好ましく、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満がより好ましく、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が特に好ましい。

受熱板１０の材料としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、グラファイト（例えば、グラファイトシート等）、カーボン材（例えば、炭素繊維を用いた複合部材等）等を挙げることができる。また、コンテナ１６の材料としては、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、銅、銅合金等を挙げることができる。ただし、受熱板１０の材料の熱伝導率はコンテナ１６の材料の熱伝導率よりも高いので、コンテナ１６は、受熱板１０の材料とは異なる材料を使用する。

このうち、第１のヒートパイプ１１の軽量化・薄型化及び機械的強度と受熱板１０の熱拡散特性との点から、受熱板１０の材料が、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、コンテナ１６の材料が、ステンレス鋼、チタンまたはチタン合金の組み合わせが好ましく、受熱板１０の材料が銅または銅合金であり、コンテナ１６の材料がステンレス鋼である組み合わせが特に好ましい。

コンテナ１６の空洞部に封入される作動流体としては、コンテナ１６の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水を挙げることができ、その他に、代替フロン、フルオロカーボン類、シクロペンタン、エチレングリコール、これらと水との混合物等を挙げることができる。また、ウィック構造体としては、例えば、銅粉等の金属粉の焼結体、金属線からなる金属メッシュ、グルーブ、不織布等を挙げることができる。

図１、２に示すように、第１のヒートパイプ１１のコンテナ１６縁部には、第２のヒートパイプ１２が熱的に接続されている。第２のヒートパイプ１２のコンテナは管体であり、その一方の端部１３が、第１のヒートパイプ１１のコンテナ１６縁部で熱的に接続されている。従って、第２のヒートパイプ１２は、第１のヒートパイプ１１を介して受熱板１０と熱的に接続されている。第２のヒートパイプ１２のコンテナの径方向の形状は、特に限定されず、例えば、丸形状、楕円形状等が挙げられ、また、管体を扁平加工した扁平型でもよい。

第２のヒートパイプ１２のコンテナの材料としては、特に限定されず、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を挙げることができる。また、第２のヒートパイプ１２の内部に封入される作動流体としては、例えば、第１のヒートパイプ１１で列挙されたものを挙げることができる。また、第２のヒートパイプ１２の内部に収納されるウィック構造体としては、例えば、第１のヒートパイプ１１で列挙されたものを挙げることができる。第２のヒートパイプ１２の第１のヒートパイプ１１への接続手段としては、特に限定されず、例えば、はんだ付け、ろう付け、溶接等を挙げることができる。

第２のヒートパイプ１２の他方の端部１４には、放熱フィン１５が取り付けられており、他方の端部１４に放熱フィン１５が熱的に接続されている。放熱フィン１５の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を挙げることができる。

次に、ヒートシンク１の作用について説明する。ヒートシンク１の受熱板１０に冷却対象である発熱体１００が取り付けられると、発熱体１００の熱は、発熱体１００から受熱板１０へ伝達され、受熱板１０へ伝達された熱は、受熱板１０から第１のヒートパイプ１１の受熱部（受熱板１０と接した部位）へ伝達される。第１のヒートパイプ１１の受熱部へ伝達された熱は、第１のヒートパイプ１１の熱輸送機能により、第１のヒートパイプ１１の受熱部から、該受熱部から離れた部位である放熱部（ヒートシンク１では、第２のヒートパイプ１２の一方の端部１３が熱的に接続された部位）へ輸送され、第１のヒートパイプ１１の放熱部から第２のヒートパイプ１２の一方の端部１３（受熱部）へ伝達される。第２のヒートパイプ１２の一方の端部１３へ伝達された熱は、第２のヒートパイプ１２の熱輸送機能により、一方の端部１３から第２のヒートパイプ１２の他方の端部１４（放熱部）へ輸送され、さらに、他方の端部１４から放熱フィン１５へ伝達される。放熱フィン１５へ伝達された熱は、放熱フィン１５からヒートシンク１の外部環境へ放出される。発熱体１００の熱が、放熱フィン１５から外部環境へ放出されることで、発熱体１００が冷却される。

ヒートシンク１では、第１のヒートパイプ１１が受熱板１０と熱的に接続されており、受熱板１０の熱伝導率が第１のヒートパイプ１１のコンテナ１６材料の熱伝導率よりも高いことにより、発熱体１００から受熱板１０へ伝達された熱は、熱伝導率が相対的に高い受熱板１０を優先的に拡散していく。受熱板１０での熱拡散後に、受熱板１０から第１のヒートパイプ１１へ熱が伝達されるので、第１のヒートパイプ１１にホットスポットが発生することを抑制できる。従って、ヒートシンク１では、受熱板１０を介して発熱体１００と熱的に接続される第１のヒートパイプ１１への熱負荷を低減できるので、優れた冷却性能を発揮することができる。

次に、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクについて、図面を用いながら説明する。なお、第１実施形態例に係るヒートシンクと同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。

第１実施形態例に係るヒートシンクでは、受熱板と熱的に接続される第１のヒートパイプは平面型ヒートパイプ、すなわち、ベーパーチャンバであり、その設置数は１つであったが、これに代えて、図４に示すように、第２実施形態例に係るヒートシンク２では、受熱板１０と熱的に接続される第１のヒートパイプ２１として、複数（図４では２つ）の扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２からなるヒートパイプ群が用いられている。２つの扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２は、相互に、略同一の形状・寸法であり、並列、且つ側面が接触して配置されていることで、受熱板１０と熱的に接続される第１のヒートパイプ２１が形成されている。

扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２には、例えば、径方向の断面が円形である管体を扁平加工することで形成したコンテナが用いられている。

ヒートシンク２でも、受熱板１０の長手方向の長さは、扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２の長手方向の長さよりも短くなっている。一方で、受熱板１０の長手方向に対して直交方向の長さは、第１のヒートパイプ２１の長手方向に対して直交方向の長さと、略同一となっている。ヒートシンク２では、２つの扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２の一方の端部（すなわち、第１のヒートパイプ２１の一方の端部）が、受熱板１０と熱的に接続されることで受熱部として機能し、受熱板１０と接続されていない、一方の端部に対向する他方の端部が、放熱部として機能する。第１のヒートパイプ２１の他方の端部（放熱部）には、放熱フィン１５が取り付けられている。

なお、ヒートシンク２では、第１のヒートパイプ２１と熱的に接続された第２のヒートパイプは設けられていない。

ヒートシンク２でも、発熱体（図示せず）から受熱板１０へ伝達された熱は、第１のヒートパイプ２１のコンテナよりも熱伝導率が相対的に高い受熱板１０を拡散してから、扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２へ伝達されるので、扁平型ヒートパイプ２１−１、２１−２にホットスポットが発生することを抑制できる。

次に、本発明のヒートシンクの他の実施形態例について説明する。第１実施形態例に係るヒートシンクでは、受熱板と熱的に接続された第１のヒートパイプの縁部（放熱部）に第２のヒートパイプが設けられていたが、使用状況に応じて、第２のヒートパイプは設けなくてもよく、第１のヒートパイプに放熱フィンを設けてもよい。また、第２実施形態例に係るヒートシンクでは、必要に応じて、受熱板と熱的に接続された扁平型ヒートパイプ（第１のヒートパイプ）に、さらに、第２のヒートパイプを熱的に接続してもよい。この場合、第２のヒートパイプは、扁平型ヒートパイプを介して受熱板と熱的に接続される。

次に、本発明の実施例を説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り、これらの例に限定されるものではない。

ヒートシンクとして、図１〜３に示す第１実施形態例に係る態様のヒートシンクを用いた。
・第１のヒートパイプ：５０ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのステンレス鋼製コンテナ、作動流体は水。
・受熱板：２０×３０×厚さ０．１ｍｍの銅（実施例１）、２０×３０×厚さ０．１ｍｍのステンレス鋼（比較例２）、比較例１は受熱板なし。
・第２のヒートパイプ：φ６ｍｍ×Ｔ２ｍｍ×Ｌ１００ｍｍの銅製扁平型コンテナ、作動流体は水。
・放熱フィン：２０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの銅製、２０枚
・発熱体：２０Ｗ

温度の測定箇所は、発熱体（１）、第１のヒートパイプのうち、発熱体と接続された部位の直上（２）、第１のヒートパイプのうち、第２のヒートパイプの取り付けられた縁部（３）、第２のヒートパイプの他方の端部（４）の、４箇所とした。温度の測定は、当該箇所表面に熱電対を設置することで行った。

実施例１、比較例１、２の結果を図５に示す。図５から、ステンレス鋼製のコンテナと銅製の受熱板を使用した実施例１では、発熱体の温度が大きく低減した。一方で、ステンレス鋼製のコンテナを用い、受熱板を設けなかった比較例１、ステンレス鋼製のコンテナとステンレス鋼製の受熱板を使用した比較例２では、発熱体を十分に冷却することはできなかった。

本発明のヒートシンクは、ヒートパイプにホットスポットが発生するのを抑制できることから、発熱体の発熱量が増大しても優れた冷却性能を発揮できるので、広汎な分野で利用可能であり、例えば、発熱量の大きな電子部品が搭載される、ノート型のパーソナルコンピュータ、タブレット型のパーソナルコンピュータ、スマートフォン等のモバイル電子機器に実装される電子部品の冷却分野で、特に、利用価値が高い。

１、２ ヒートシンク
１０ 受熱板
１１、２１ 第１のヒートパイプ
１６ コンテナ

Claims (8)

1. 発熱体が熱的に接続される受熱板と、該受熱板と熱的に接続されたヒートパイプと、を備え、
   前記受熱板の熱伝導率が、前記ヒートパイプのコンテナの材料の熱伝導率よりも高いヒートシンク。
2. 前記コンテナの一部領域が、前記受熱板と熱的に接続された請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記受熱板の熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、前記コンテナの材料の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記コンテナの材料が、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、銅及び銅合金からなる群から選択された少なくとも１種である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記受熱板が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、グラファイト及びカーボン材からなる群から選択された少なくとも１種である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記受熱板の長手方向の長さが、前記コンテナの長手方向の長さの０．１０〜１．０倍である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. 前記受熱板の平面視の面積が、前記コンテナの平面視の面積の０．１０〜１．０倍である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
8. 前記受熱板の厚さが、前記コンテナの厚さの０．１〜５．０倍である請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートシンク。

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