JP2020016425A - ヒートシンク及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の簡素化を図りつつ、気温の低い土地や時期においてもヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止すること。【解決手段】ヒートシンク３は、発熱体１００に対して熱的に接続する背面部４ａを有するベースブロック４と、ベースブロック４の正面部４ｂに固定されるとともに、当該正面部４ｂから立設する主ヒートパイプ５１と、正面部４ｂに固定されるとともに、当該正面部４ｂから立設する伝熱部材５２，５３と、主ヒートパイプ５１及び伝熱部材５２，５３の立設方向に並列する複数のフィン６とを備える。複数のフィン６は、主ヒートパイプ５１及び伝熱部材５２，５３にそれぞれ接触する第１のフィン６１と、第１のフィン６１よりも伝熱部材５２，５３の基端側に配置され、主ヒートパイプ５１及び伝熱部材５２，５３のうち当該主ヒートパイプ５１にのみ接触する第２のフィン６２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンク及び冷却装置に関する。

従来、半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置として、密閉のコンテナに封入された作動流体が相変化する際の潜熱を利用して発熱体を冷却するヒートシンク、すなわち、熱輸送機能を有するヒートパイプを使用したヒートシンクが用いられている。
ところで、このようなヒートシンクが寒冷地で用いられた場合には、ヒートパイプの凝縮部で気相から液相へ相変化した作動流体がヒートパイプの蒸発部へ還流する前に凝縮部にて凍結してしまい、ヒートパイプの熱輸送機能が低下してしまう場合がある。

そこで、寒冷地向けの冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の冷却装置では、発熱体からの熱を受熱する受熱部の温度を受熱部温度センサにて測定するとともに、ヒートパイプの先端部（凝縮部）の温度を放熱部温度センサにて測定する。また、当該冷却装置では、受熱部温度センサの測定値と放熱部温度センサの測定値とに基づいて、ヒートパイプに封入された作動流体が凍結しているか否かを演算部にて判断する。そして、当該冷却装置では、演算部にて作動流体が凍結していると判断された場合には、当該凍結した作動流体に熱を付与して当該作動流体を融解させる。これにより、寒冷地においてもヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止している。

特開２０１４−１３８４７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置では、作動流体が凍結しているか否かを判断するために、受熱部温度センサ、放熱部温度センサ、及び演算部を別途、設ける必要がある。すなわち、冷却装置の構造が複雑化してしまう。
そこで、構造の簡素化を図りつつ、気温の低い土地や時期においてもヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止することができる技術が要望されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造の簡素化を図りつつ、気温の低い土地や時期においてもヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止することができるヒートシンク及び冷却装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、発熱体に対して熱的に接続する背面部を有するベースブロックと、前記ベースブロックの正面部に固定されるとともに、当該正面部から立設する主ヒートパイプと、前記正面部に固定されるとともに、当該正面部から立設する伝熱部材と、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材の立設方向に並列する複数のフィンとを備え、前記複数のフィンは、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材にそれぞれ接触する第１のフィンと、前記第１のフィンよりも前記伝熱部材の基端側に配置され、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材のうち当該主ヒートパイプにのみ接触する第２のフィンとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートシンクでは、上記発明において、前記第１のフィンには、前記主ヒートパイプが挿通されるとともに縁部が当該主ヒートパイプに接触する第１の開口部と、前記伝熱部材が挿通されるとともに縁部が当該伝熱部材に接触する第２の開口部とが設けられ、前記第２のフィンには、前記主ヒートパイプが挿通されるとともに縁部が当該主ヒートパイプに接触する第３の開口部と、前記伝熱部材が挿通されるとともに縁部が当該伝熱部材に接触しない第４の開口部とが設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係るヒートシンクでは、上記発明において、前記伝熱部材は、前記正面部からの立設方向の長さ寸法が前記主ヒートパイプよりも短いことを特徴とする。

また、本発明に係るヒートシンクでは、上記発明において、前記伝熱部材は、ヒートパイプであることを特徴とする。

本発明に係る冷却装置は、上述したヒートシンクと、前記ヒートシンクを囲み、当該ヒートシンクに向けて空気を流通させるダクト部材とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る冷却装置では、上記発明において、前記ダクト部材は、空気を内部に流入させるための流入口、及び内部の空気を流出させるための流出口を有し、当該流入口から当該流出口に向けて直線状に延在し、前記流入口は、前記ダクト部材の延在方向に沿って見た場合に、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材の先端側にのみ設けられ、前記第１のフィンは、前記ダクト部材の延在方向に沿って見た場合に、前記流入口に重なる位置に配置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る冷却装置では、上記発明において、前記ダクト部材は、空気を内部に流入させるための流入口、及び内部の空気を流出させるための流出口を有し、当該流入口から当該流出口に向けて鉛直方向に延在し、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材は、それぞれ複数、設けられるとともに、鉛直方向に並列し、複数の前記伝熱部材のうち最も上側に位置する最上位置伝熱部材と最も下側に位置する最下位置伝熱部材との間に位置する前記主ヒートパイプの数は、当該最上位置伝熱部材よりも上側、及び当該最下位置伝熱部材よりも下側に位置する前記主ヒートパイプの数よりも多いことを特徴とする。

本発明に係るヒートシンク及び冷却装置によれば、構造の簡素化を図りつつ、気温の低い土地や時期においてもヒートパイプの熱輸送機能の低下を防止することができる。

図１は、実施の形態に係る冷却装置の構成を示す図である。 図２は、ヒートシンクの全体構成を示す斜視図である。 図３は、図２の一部の領域を拡大した図である。 図４は、ヒートシンクの構成を示す図である。 図５は、主ヒートパイプの構成を示す断面図である。 図６は、第１の副ヒートパイプの構成を示す断面図である。 図７は、第２の副ヒートパイプの構成を示す断面図である。 図８は、第１のフィン及び第３のフィンの構成を示す図である。 図９は、第２のフィンの構成を示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態）について説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

〔冷却装置の概略構成〕
図１は、本実施の形態に係る冷却装置１の構成を示す図である。
なお、図１において、Ｚ軸は、鉛直方向に平行な軸（＋Ｚ軸側が上側、−Ｚ軸側が下側）を示している。また、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に直交する２つの軸である。図２以降の図面も同様である。
冷却装置１は、発熱体である半導体素子等の電気部品１００（図１）を冷却する冷却装置である。この冷却装置１は、図１に示すように、ダクト部材２と、ヒートシンク３とを備える。

ダクト部材２は、ヒートシンク３を囲み、当該ヒートシンク３に向けて空気を流通させる部材である。このダクト部材２は、図１に示すように、鉛直方向に延在する筒形状を有し、上端に空気を内部に流入させる流入口２１１が設けられ、下端に内部の空気を流出させる流出口２２１が設けられている。そして、ダクト部材２は、当該ダクト部材２の上側に配設されたブロワ（図示略）から吐出された空気を、流入口２１１を介して流入し、鉛直方向に流通させた後、流出口２２１を介して流出する。

本実施の形態では、ダクト部材２において、流入口２１１が設けられた上側の部位２１は、図１に示すように、流出口２２１が設けられた下側の部位２２よりもＸＹ平面に沿う断面が小さく設定されている。また、上側の部位２１におけるＸＹ平面に沿う断面の中心は、下側の部位２２におけるＸＹ平面に沿う断面の中心よりも＋Ｘ軸側に位置する。すなわち、ダクト部材２は、Ｙ軸に沿って見た場合に、Ｌ字形状を有する。
以下では、説明の便宜上、ダクト部材２の内部において、Ｚ軸に沿って見た場合に、流入口２１１に重なる領域を先端側領域Ａｒ１（図１）と記載し、当該先端側領域Ａｒ１よりも−Ｘ軸側に位置し、流入口２１１に重ならない領域を基端側領域Ａｒ２（図１）と記載する。
また、下側の部位２２において、−Ｘ軸側の側面には、図１に示すように、ダクト部材２の内外を連通する窓孔２２２が設けられている。

ヒートシンク３は、熱輸送機能を有するヒートパイプを使用したヒートシンクであり、図１に示すように、下側の部位２２の内部に配置される。そして、ヒートシンク３は、電気部品１００からの熱をベースブロック４で受熱し、ヒートパイプ及びフィンにより当該熱を放熱する。以下、ヒートシンク３の詳細な構成について説明する。

〔ヒートシンクの構成〕
図２は、ヒートシンク３の全体構成を示す斜視図である。図３は、図２に示した領域Ａｒを拡大した図である。図４は、ヒートシンク３の構成を示す図である。具体的に、図４は、ヒートシンク３の一部分をＸＺ平面に沿って切断した断面図である。
ヒートシンク３は、図１ないし図４に示すように、ベースブロック４と、ヒートパイプ群５と、フィン群６と、支持部材７（図１，図２）とを備える。

ベースブロック４は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料で構成された板体である。そして、ベースブロック４は、図１に示すように、下側の部位２２の内部から窓孔２２２を閉塞するように当該下側の部位２２に固定される。
ここで、ベースブロック４において、窓孔２２２を介して下側の部位２２の外部に露出する−Ｘ軸側の板面は、本発明に係る背面部４ａ（図１〜図４）に相当する。また、ベースブロック４において、下側の部位２２の内部に面する＋Ｘ軸側の板面は、本発明に係る正面部４ｂ（図１〜図４）に相当する。そして、背面部４ａには、図１ないし図４に示すように、電気部品１００が熱的に接続される。

ヒートパイプ群５は、図１ないし図４に示すように、複数の主ヒートパイプ５１と、複数の第１の副ヒートパイプ５２と、複数の第２の副ヒートパイプ５３とを備える。ここで、第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３は、本発明に係る伝熱部材に相当する。
そして、主ヒートパイプ５１及び第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３は、Ｚ軸方向に並列している。本実施の形態では、主ヒートパイプ５１及び第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３は、Ｚ軸方向に全部で１３列、設けられている。具体的な図示は省略したが、上側から１番目の列には、４本の主ヒートパイプ５１がＹ軸方向に並列している。上側から２番目、４番目、６〜９番目、１１番目、及び１３番目の列には、３本の主ヒートパイプ５１がＹ軸方向にそれぞれ並列している。上側から３番目及び１２番目の列には、４本の第１の副ヒートパイプ５２がＹ軸方向にそれぞれ並列している。上側から５番目及び１０番目の列には、４本の第２の副ヒートパイプ５３がＹ軸方向にそれぞれ並列している。すなわち、ヒートパイプ群５は、４４本のヒートパイプで構成されている。

以下では、説明の便宜上、複数の第１の副ヒートパイプ５２のうち、上側から３番目の列に設けられた第１の副ヒートパイプを最上位置副ヒートパイプ５２ａと記載し、上側から１２番目の列に設けられた第１の副ヒートパイプを最下位置副ヒートパイプ５２ｂと記載する。当該最上位置副ヒートパイプ５２ａは、本発明に係る最上位置伝熱部材に相当する。また、当該最下位置副ヒートパイプ５２ｂは、本発明に係る最下位置伝熱部材に相当する。
そして、最上位置副ヒートパイプ５２ａ及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂの間に位置する主ヒートパイプ５１の数（１８本）は、最上位置副ヒートパイプ５２ａよりも上側、及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂよりも下側に位置する主ヒートパイプ５１の数（１０本）よりも多い。また、第２の副ヒートパイプ５３は、最上位置副ヒートパイプ５２ａ及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂの間に位置付けられている。

図５は、主ヒートパイプ５１の構成を示す断面図である。具体的に、図５は、主ヒートパイプ５１をＹ軸に沿う平面にて切断した断面図である。
主ヒートパイプ５１は、図４または図５に示すように、第１の筒部５１１ａ及び一対の第２の筒部５１１ｂを有するコンテナ５１１と、当該コンテナ５１１の内部に封入された作動流体５１２（図５）とを備える。
第１の筒部５１１ａは、直線状に延在した筒体である。
ここで、正面部４ｂには、図４または図５に示すように、Ｙ軸方向に延在した凹溝４１が設けられている。そして、第１の筒部５１１ａは、当該凹溝４１に嵌合している。また、当該嵌合した部分をはんだ等の接合手段（図示略）で固定することで、主ヒートパイプ５１は、正面部４ｂに固定される。これにより、主ヒートパイプ５１は、ベースブロック４に熱的に接続する。

一対の第２の筒部５１１ｂは、第１の筒部５１１ａの両端から互いに平行に直線状に延在するとともに、当該第１の筒部５１１ａにそれぞれ連通した筒体である。これら一対の第２の筒部５１１ｂの長さ寸法は、同一に設定されている。また、一対の第２の筒部５１１ｂの各先端５１１ｃ（図５）の端面は、それぞれ封止されている。本実施の形態では、一対の第２の筒部５１１ｂは、図１または図４に示すように、＋Ｘ軸方向に向かうにしたがって上側に傾斜するように配置されている。このように、一対の第２の筒部５１１ｂが上側に傾斜するように配置されていることによって、作動流体５１２が第１の筒部５１１ａ側に流入し易くしている。また、一対の第２の筒部５１１ｂは、正面部４ｂから下側の部位２２における＋Ｘ軸側の側面に近接する位置まで延在している。すなわち、一対の第２の筒部５１１ｂは、先端側領域Ａｒ１及び基端側領域Ａｒ２の全体におけるＸ軸方向の長さ寸法と略同一の長さ寸法を有する。
以上のように、コンテナ５１１は、全体略Ｕ字形状を有する。なお、コンテナ５１１は、Ｕ字形状に限らず、Ｌ字形状であってもよい。

そして、コンテナ５１１の内面には、具体的な図示は省略したが、一方の先端５１１ｃから他方の先端５１１ｃまで、ウィック構造体が設けられている。すなわち、当該ウィック構造体は、コンテナ５１１の長手方向に延在している。また、当該ウィック構造体としては、毛細管力を生じる構造体であればよく、コンテナ５１１の長手方向に延在した複数の細溝（グルーブ）、金属粉の焼結体、金属繊維の焼結体、金属メッシュ等を例示することができる。

なお、コンテナ５１１の材質としては、熱伝導率に優れた点から銅、銅合金、軽量性の点からアルミニウム、アルミニウム合金等を例示することができる。
また、作動流体５１２としては、コンテナ５１１の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を例示することができる。

図６は、第１の副ヒートパイプ５２の構成を示す断面図である。具体的に、図６は、第１の副ヒートパイプ５２をＹ軸に沿う平面にて切断した断面図である。
第１の副ヒートパイプ５２は、主ヒートパイプ５１と同様の構成を有する。すなわち、第１の副ヒートパイプ５２は、図４または図６に示すように、コンテナ５１１（第１，第２の筒部５１１ａ，５１１ｂ及びウィック構造体（図示略）を含む）及び作動流体５１２と同様のコンテナ５２１（第１の筒部５２１ａ、第２の筒部５２１ｂ及びウィック構造体（図示略）を含む）及び作動流体５２２（図６）を備える。

そして、第１の副ヒートパイプ５２は、図４に示すように、主ヒートパイプ５１と同様に、正面部４ｂに設けられた凹溝４１に第１の筒部５２１ａが嵌合し、当該嵌合した部分をはんだ等の接合手段（図示略）で固定することで、正面部４ｂに固定される。これにより、第１の副ヒートパイプ５２は、ベースブロック４に熱的に接続する。この状態では、一対の第２の筒部５２１ｂは、一対の第２の筒部５１１ｂと平行となる。
ここで、一対の第２の筒部５２１ｂは、図１に示すように、第２の筒部５１１ｂよりも長さ寸法が小さく設定されている。このため、一対の第２の筒部５２１ｂは、各先端５２１ｃが下側の部位２２における＋Ｘ軸側の側面から離間し、基端側領域Ａｒ２に位置する長さ寸法の方が先端側領域Ａｒ１に位置する長さ寸法よりも長くなっている。

図７は、第２の副ヒートパイプ５３の構成を示す断面図である。具体的に、図７は、第２の副ヒートパイプ５３をＹ軸に沿う平面にて切断した断面図である。
第２の副ヒートパイプ５３は、主ヒートパイプ５１と同様の構成を有する。すなわち、第２の副ヒートパイプ５３は、図４または図７に示すように、コンテナ５１１（第１の筒部５１１ａ、第２の筒部５１１ｂ及びウィック構造体（図示略）を含む）及び作動流体５１２と同様のコンテナ５３１（第１の筒部５３１ａ、第２の筒部５３１ｂ及びウィック構造体（図示略）を含む）及び作動流体５３２（図７）を備える。

そして、第２の副ヒートパイプ５３は、図４に示すように、主ヒートパイプ５１と同様に、正面部４ｂに設けられた凹溝４１に第１の筒部５３１ａが嵌合し、当該嵌合した部分をはんだ等の接合手段で固定することで、正面部４ｂに固定される。これにより、第２の副ヒートパイプ５３は、ベースブロック４に熱的に接続する。この状態では、一対の第２の筒部５３１ｂは、一対の第２の筒部５１１ｂと平行となる。
ここで、一対の第２の筒部５３１ｂは、図１に示すように、第２の筒部５１１ｂよりも長さ寸法が小さく、かつ、第２の筒部５２１ｂよりも長さ寸法が大きく設定されている。このため、一対の第２の筒部５３１ｂは、各先端５３１ｃが下側の部位２２における＋Ｘ軸側の側面から離間し、基端側領域Ａｒ２に位置する長さ寸法の方が先端側領域Ａｒ１に位置する長さ寸法よりも長くなっている。

フィン群６は、図１ないし図７に示すように、複数の第１のフィン６１と、複数の第２のフィン６２と、複数の第３のフィン６３（図１，図２，図５〜図７）とを備える。
図８は、第１のフィン６１及び第３のフィン６３の構成を示す図である。
複数の第１のフィン６１及び複数の第３のフィン６３は、同一の形状を有する。本実施の形態では、複数の第１のフィン６１及び複数の第３のフィン６３は、薄い平板形状をそれぞれ有し、アルミニウム等の金属材料で構成されている。そして、複数の第１のフィン６１及び複数の第３のフィン６３は、先端側領域Ａｒ１において、板面がＹＺ平面にそれぞれ平行となる姿勢でＸ軸方向に特定のピッチＰｉ１（図１，図４〜図７）で並列している。ここで、複数の第１のフィン６１は、図１に示すように、先端側領域Ａｒ１において、先端５３１ｃよりも−Ｘ軸側に配置されている。一方、複数の第３のフィン６３は、先端側領域Ａｒ１において、先端５３１ｃよりも＋Ｘ軸側に配置されている。
なお、本実施の形態では、図８に示すように、同一のＹＺ平面に位置する第１のフィン６１を２枚で構成しているが、これに限らず、当該２枚同士を接続した１枚で構成しても構わない。第３のフィン６３も同様である。

第１のフィン６１には、図８に示すように、複数の第１の開口部６１１と、複数の第２の開口部６１２とが設けられている。
複数の第１の開口部６１１は、第１のフィン６１の表裏をそれぞれ貫通する孔であり、複数の主ヒートパイプ５１における各第２の筒部５１１ｂに対応した位置にそれぞれ設けられている。本実施の形態では、第１の開口部６１１は、バーリング孔で構成されている。そして、第１の開口部６１１には、図５に示すように、第２の筒部５１１ｂが嵌挿される。すなわち、第１の開口部６１１の縁部は、第２の筒部５１１ｂに接触する。これにより、第１のフィン６１は、主ヒートパイプ５１に熱的に接続する。

複数の第２の開口部６１２は、第１のフィン６１の表裏をそれぞれ貫通する孔であり、複数の第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３における各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂに対応した位置にそれぞれ設けられている。本実施の形態では、第２の開口部６１２は、第１の開口部６１１と同様に、バーリング孔で構成されている。
以下では、説明の便宜上、複数の第１のフィン６１のうち、先端５２１ｃよりも−Ｘ軸側に位置する第１のフィンを基端側フィン６１ａ（図１，図２，図５〜図７）と記載し、先端５２１ｃよりも＋Ｘ軸側に位置する第１のフィンを先端側フィン６１ｂ（図１，図２，図５〜図７）と記載する。

そして、基端側フィン６１ａにおける複数の第２の開口部６１２には、図６または図７に示すように、各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂがそれぞれ嵌挿される。すなわち、当該複数の第２の開口部６１２の縁部は、各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂにそれぞれ接触する。これにより、基端側フィン６１ａは、第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３に熱的にそれぞれ接続する。
また、先端側フィン６１ｂにおける複数の第２の開口部６１２のうち、各第２の筒部５３１ｂに対応した位置に設けられた第２の開口部６１２には、当該第２の筒部５３１ｂが嵌挿される。すなわち、当該第２の開口部６１２の縁部は、第２の筒部５３１ｂに接触する。これにより、先端側フィン６１ｂは、第２の副ヒートパイプ５３に熱的に接続する。なお、各第２の筒部５２１ｂは、図６に示すように、先端側フィン６１ｂには届かない。このため、先端側フィン６１ｂにおける複数の第２の開口部６１２のうち、各第２の筒部５２１ｂに対応した位置に設けられた第２の開口部６１２には、何も挿通されない。

第３のフィン６３は、上述したように、第１のフィン６１と同一の形状を有する。すなわち、第３のフィン６３には、図８に示すように、複数の第１の開口部６１１及び複数の第２の開口部６１２とそれぞれ同様の複数の第５の開口部６３１及び複数の第６の開口部６３２が設けられている。
そして、第５の開口部６３１には、図５に示すように、第２の筒部５１１ｂが嵌挿される。すなわち、第５の開口部６３１の縁部は、第２の筒部５１１ｂに接触する。これにより、第３のフィン６３は、主ヒートパイプ５１に熱的に接続する。
また、各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂは、図６または図７に示すように、第３のフィン６３には届かない。このため、複数の第６の開口部６３２には、何も挿通されない。なお、第３のフィン６３としては、第６の開口部６３２が形成されていない形状としてもよい。この場合、第１のフィン６１と第３のフィン６３とは、異なる形状となる。

図９は、第２のフィン６２の構成を示す図である。
複数の第２のフィン６２は、同一の形状を有する。本実施の形態では、複数の第２のフィン６２は、薄い平板形状をそれぞれ有し、アルミニウム等の金属材料で構成されている。そして、複数の第２のフィン６２は、基端側領域Ａｒ２において、板面がＹＺ平面にそれぞれ平行となる姿勢でＸ軸方向にピッチＰｉ１よりも大きいピッチＰｉ２（図１，図４〜図７）で並列している。
なお、本実施の形態では、図９に示すように、同一のＹＺ平面に位置する第２のフィン６２を２枚で構成しているが、これに限らず、当該２枚同士を接続した１枚で構成しても構わない。

この第２のフィン６２には、図９に示すように、複数の第３の開口部６２１と、複数の第４の開口部６２２とが設けられている。
複数の第３の開口部６２１は、第２のフィン６２の表裏をそれぞれ貫通する孔であり、複数の主ヒートパイプ５１における各第２の筒部５１１ｂに対応した位置にそれぞれ設けられている。本実施の形態では、第３の開口部６２１は、バーリング孔で構成されている。そして、第３の開口部６２１には、図３または図５に示すように、第２の筒部５１１ｂが嵌挿される。すなわち、当該第３の開口部６２１の縁部は、第２の筒部５１１ｂに接触する。これにより、第２のフィン６２は、主ヒートパイプ５１に熱的に接続する。

複数の第４の開口部６２２は、第２のフィン６２の表裏をそれぞれ貫通する孔や切欠きであり、複数の第１の副ヒートパイプ５２及び複数の第２の副ヒートパイプ５３における各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂに対応した位置にそれぞれ設けられている。本実施の形態では、第４の開口部６２２は、各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂの外径寸法よりも大きいサイズの孔や切欠きで構成されている。そして、複数の第４の開口部６２２には、図３、図６または図７に示すように、各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂがそれぞれ挿通される。なお、当該複数の第４の開口部６２２の縁部は、各第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂに接触しない。すなわち、第２のフィン６２は、第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３に熱的に接続しない。

支持部材７は、平板形状を有し、複数の主ヒートパイプ５１における各第２の筒部５１１ｂの先端部分をそれぞれ支持する。そして、支持部材７は、下側の部位２２における＋Ｘ軸側の側面に固定される。

〔作動流体の凍結時におけるヒートシンクの作動メカニズム〕
次に、夜間の電気部品１００の動作停止時等に作動流体５１２，５２２，５３２が凍結してしまった場合でのヒートシンク３の作動メカニズムについて説明する。
すなわち、作動流体５１２，５２２，５３２が凍結している場合には、ヒートパイプ群５は、熱輸送機能を発揮することができない状態（熱輸送機能が低下した状態）となっている。
この状態において、電気部品１００が動作すると、ベースブロック４は、当該電気部品１００に発生した熱を受熱する。そして、ベースブロック４に伝達された熱は、ヒートパイプ群５における各第１の筒部５１１ａ，５２１ａ，５３１ａにそれぞれ伝達される。これにより、各第１の筒部５１１ａ，５２１ａ，５３１ａの内部で凍結した作動流体５１２，５２２，５３２は、解凍される。

ここで、第２の筒部５１１ｂ，５２１ｂ，５３１ｂの長さ寸法は、上述した通り、第２の筒部５１１ｂ＞第２の筒部５３１ｂ＞第２の筒部５２１ｂ、の関係である。
すなわち、第２の筒部５２１ｂが最も短いため、以下に示すように、先ず、当該第２の筒部５２１ｂの内部における先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２が解凍される。
具体的に、ベースブロック４から第１の筒部５２１ａに伝達された熱は、第２の筒部５２１ｂの肉厚分の熱伝導により、当該第２の筒部５２１ｂの基端側から先端側に向かい、先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２に伝達される。そして、当該先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２が徐々に解凍される。
また、ベースブロック４からの熱により加熱されることで第１の筒部５２１ａの内部で蒸発した作動流体５２２は、第２の筒部５２１ｂの内部で基端側から先端側に向かい、先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２を徐々に解凍する。そして、解凍された作動流体５２２がウィック構造体を辿って、第１の筒部５２１ａに戻り、再び蒸発する。以上の蒸発、液化、及び蒸発を繰り返すことにより、先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２が徐々に解凍される。ここで、第１の副ヒートパイプ５２では、第１の筒部５２１ａがベースブロック４からの熱によって加熱される蒸発部として機能し、第２の筒部５２１ｂが第１の筒部５２１ａからの熱を放出する凝縮部として機能する。
以上のように、先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２は、第２の筒部５２１ｂの肉厚分の熱伝導、及び第１の副ヒートパイプ５２におけるヒートパイプ本来の熱輸送機能の双方により、解凍される。

また、第２の筒部５３１ｂが２番目に短いため、当該第２の筒部５３１ｂの内部における先端５３１ｃ側で凍結した作動流体５３２は、第２の筒部５２１ｂの内部における先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２の解凍タイミングから遅れて解凍される。
なお、当該先端５３１ｃ側で凍結した作動流体５３２が解凍される仕組みは、上述した先端５２１ｃ側で凍結した作動流体５２２が解凍される仕組みと同様である。すなわち、当該先端５３１ｃ側で凍結した作動流体５３２は、第２の筒部５３１ｂの肉厚分の熱伝導、及び第２の副ヒートパイプ５３におけるヒートパイプ本来の熱輸送機能の双方により、解凍される。ここで、第２の副ヒートパイプ５３では、第１の筒部５３１ａがベースブロック４からの熱によって加熱される蒸発部として機能し、第２の筒部５３１ｂが第１の筒部５３１ａからの熱を放出する凝縮部として機能する。

また、第２の筒部５１１ｂは、最も長い。このため、第２の筒部５１１ｂでは、中腹部から先端５１１ｃにかけては、当該第２の筒部５１１ｂの肉厚分の熱伝導の影響を受け難い。また、主ヒートパイプ５１では、当該中腹部から先端５１１ｃにかけて冷えているため、ベースブロック４からの熱により加熱されることで第１の筒部５１１ａの内部で蒸発した作動流体５１２は、当該中腹部あたりで冷やされて液化した後、再び凍結する。すなわち、第１の筒部５１１ａまで作動流体５１２が戻ってこないため、主ヒートパイプ５１の熱輸送機能がうまく機能しない。ここで、主ヒートパイプ５１では、第１の筒部５１１ａがベースブロック４からの熱によって加熱される蒸発部として機能し、第２の筒部５１１ｂが第１の筒部５１１ａからの熱を放出する凝縮部として機能する。

そして、第２の筒部５１１ｂの内部において、中腹部から先端５１１ｃにかけて凍結した作動流体５１２は、以下に示すように、解凍される。
第２の筒部５２１ｂの肉厚分の熱伝導により先端５２１ｃに向けて伝達された熱、及び第１の副ヒートパイプ５２の熱輸送機能により先端５２１ｃに向けて輸送された熱は、基端側フィン６１ａを介して、第２の筒部５１１ｂに伝達される。同様に、第２の筒部５３１ｂの肉厚分の熱伝導により先端５３１ｃに向けて伝達された熱、及び第２の副ヒートパイプ５３の熱輸送機能により先端５３１ｃに向けて輸送された熱は、第１のフィン６１を介して、第２の筒部５１１ｂに伝達される。
ここで、第１のフィン６１は、先端側領域Ａｒ１において、第２の筒部５１１ｂの中腹部に位置する。
このため、第２の筒部５１１ｂに伝達された熱は、当該第２の筒部５１１ｂの肉厚分の熱伝導により、中腹部から先端５１１ｃにかけて凍結した作動流体５１２に伝達される。そして、当該中腹部から先端５１１ｃにかけて凍結した作動流体５１２が徐々に解凍される。また、主ヒートパイプ５１の熱輸送機能が徐々に発揮されることにより、当該中腹部から先端５１１ｃにかけて凍結した作動流体５１２が徐々に解凍される。

そして、ヒートパイプ群５の熱輸送機能が発揮されると、主ヒートパイプ５１の熱輸送機能により輸送された熱は、第２のフィン６２及び第１のフィン６１を介して、ダクト部材２の内部を流通する空気に放熱される。また、第１の副ヒートパイプ５２の熱輸送機能により輸送された熱は、基端側フィン６１ａを介して、ダクト部材２の内部を流通する空気に放熱される。さらに、第２の副ヒートパイプ５３の熱輸送機能により輸送された熱は、第１のフィン６１を介して、ダクト部材２の内部を流通する空気に放熱される。

なお、第２の筒部５３１ｂの内部における先端５３１ｃ側で凍結した作動流体５３２が解凍される仕組みは、環境温度によっては、第１の筒部５１１ｂの内部における中腹部から先端５１１ｃにかけて凍結した作動流体が解凍される仕組みと同様になる場合がある。

以上説明した本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
本実施の形態に係るヒートシンク３では、フィン群６は、主ヒートパイプ５１及び第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３にそれぞれ接触する第１のフィン６１と、当該第１のフィン６１よりも−Ｘ軸側に配置され、主ヒートパイプ５１、第１の副ヒートパイプ５２、及び第２の副ヒートパイプ５３のうち当該主ヒートパイプ５１にのみ接触する第２のフィン６２とを備える。
このため、ベースブロック４から第１の筒部５２１ａ，５３１ａに伝達された熱を、第１の筒部５２１ａ，５３１ａ〜第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂ〜第１のフィン６１〜第２の筒部５１１ｂの熱伝達経路を辿って、第２の筒部５１１ｂの先端まで伝達させることができる。すなわち、第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２を解凍することができる。したがって、第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３を設けるとともに当該第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３とフィン群６との接触及び非接触の構造を工夫するだけで、主ヒートパイプ５１の熱輸送機能を発揮させることができる。
以上のことから、本実施の形態に係るヒートシンク３及び冷却装置１によれば、構造の簡素化を図りつつ、気温の低い土地や時期においても主ヒートパイプ５１の熱輸送機能の低下を防止することができる、という効果を奏する。また、第１の副ヒートパイプ５２及び第２の副ヒートパイプ５３は、ヒートパイプで構成されているため、主ヒートパイプ５１内（例えば、中腹部から先端側）で凍結している作動流体５１２を解凍する機能のみならず、発熱体である電気部品１００からの熱を放熱する機能も有する。

ところで、第２のフィン６２が主ヒートパイプ５１の他、第１の副ヒートパイプ５２及び第２の副ヒートパイプ５３にも接触する構成とした場合には、以下の問題が生じてしまう。
上述した場合には、ベースブロック４から第１の筒部５２１ａ，５３１ａに伝達された熱は、第２のフィン６２を介して、ダクト部材２の内部を流通する空気に放熱されてしまう。すなわち、上述した熱伝達経路を辿って第２の筒部５１１ｂに伝達される熱量が低減してしまう。このため、第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２を解凍することができない。
本実施の形態に係るヒートシンク３では、第２のフィン６２が主ヒートパイプ５１にのみ接触する構成としているため、上述した熱伝達経路を辿って第２の筒部５１１ｂに伝達される熱量を十分に確保し、当該第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２を効果的に解凍することができる。

また、本実施の形態に係るヒートシンク３では、第２のフィン６２には、主ヒートパイプ５１が挿通されるとともに縁部が当該主ヒートパイプ５１に接触する第３の開口部６２１と、第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３が挿通されるとともに縁部が当該第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３に接触しない第４の開口部６２２とが設けられている。
すなわち、第２のフィン６２は、主ヒートパイプ５１にのみ接触する構造としながらも、その表面積を十分に大きくすることができる。このため、気温の低い土地や時期においても主ヒートパイプ５１の熱輸送機能の低下を防止しつつ、第２のフィン６２の表面積を大きくすることでヒートシンク３の冷却性能を十分に高めることができる。

ところで、ブロワ（図示略）を駆動した場合（以下、強制空冷の場合と記載）において、ダクト部材２の内部を流通する空気は、当該ダクト部材２の形状により、先端側領域Ａｒ１で高い風速となり、基端側領域Ａｒ２で低い風速となる。当該高い風速とは、例えば、２ｍ／ｓである。当該低い風速とは、例えば、１ｍ／ｓである。
ここで、第２の筒部５１１ｂは、先端側領域Ａｒ１及び基端側領域Ａｒ２の全体におけるＸ軸方向の長さ寸法と略同一の長さ寸法を有する。このため、第２の筒部５１１ｂは、先端側領域Ａｒ１において高い風速で流通する空気に晒される長さ寸法が長いため、当該空気により冷やされ、内部で凍結した作動流体５１２が解凍し難いものとなっている。
そして、例えば、第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂの長さ寸法を第２の筒部５１１ｂと同一の長さ寸法とした場合には、当該第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂは、先端側領域Ａｒ１において高い風速で流通する空気に晒される長さ寸法が長いため、当該空気により冷やされてしまう。すなわち、上述した熱伝達経路を辿って第２の筒部５１１ｂに伝達される熱量を十分に確保することが難しく、当該第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２を効果的に解凍することが難しい。

本実施の形態に係るヒートシンク３では、第２の筒部５１１ｂ，５２１ｂ，５３１ｂの長さ寸法は、第２の筒部５１１ｂ＞第２の筒部５３１ｂ＞第２の筒部５２１ｂ、の関係である。
このため、第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂは、先端側領域Ａｒ１において高い風速で流通する空気に晒される長さ寸法が短いため、当該空気により冷やされ難い。すなわち、上述した熱伝達経路を辿って第２の筒部５１１ｂに伝達される熱量を十分に確保することができ、当該第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２を効果的に解凍することができる。

また、本実施の形態に係るヒートシンク３では、第１のフィン６１は、先端側領域Ａｒ１に配置されている。
このため、上述した熱伝達経路を辿って、先端側領域Ａｒ１において高い風速で流通する空気に晒されて作動流体５１２が解凍し難い箇所に効果的に熱を伝達することができる。このため、当該作動流体５１２を効果的に解凍することができる。

また、本実施の形態に係るヒートシンク３では、本発明に係る伝熱部材として、ヒートパイプで構成された第１の副ヒートパイプ５２及び第２の副ヒートパイプ５３を採用している。
このため、上述した熱伝達経路を辿る熱伝導の他、第１の副ヒートパイプ５２及び第２の副ヒートパイプ５３の熱輸送機能により、第２の筒部５１１ｂに伝達される熱量を高めることができる。したがって、当該第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２をさらに効果的に解凍することができる。

ところで、強制空冷の場合には、第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂの熱は、上述した熱伝達経路を辿る他、ダクト部材２の内部の空気の対流によって、上側から下側（鉛直方向）に向かう。一方、ブロワ（図示略）を駆動していない場合（以下、自然空冷の場合と記載）には、第２の筒部５２１ｂ，５３１ｂの熱は、上述した熱伝達経路を辿る他、ダクト部材２の内部の空気の対流によって、上記とは逆に、下側から上側に向かう。
本実施の形態に係るヒートシンク３では、最上位置副ヒートパイプ５２ａ及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂの間に位置する主ヒートパイプ５１の数（１８本）は、最上位置副ヒートパイプ５２ａよりも上側及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂよりも下側に位置する主ヒートパイプ５１の数（１０本）よりも多い。
このため、強制空冷の場合には、最上位置副ヒートパイプ５２ａ及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂにおける各第２の筒部５２１ｂの熱は、上述した熱伝達経路を辿る他、ダクト部材２の内部の空気の対流によって、最上位置副ヒートパイプ５２ａよりも下側に位置する主ヒートパイプ５１の第２の筒部５１１ｂにそれぞれ伝達される。一方、自然空冷の場合には、最上位置副ヒートパイプ５２ａ及び最下位置副ヒートパイプ５２ｂにおける各第２の筒部５２１ｂの熱は、上述した熱伝達経路を辿る他、ダクト部材２の内部の空気の対流によって、最下位置副ヒートパイプ５２ｂよりも上側に位置する主ヒートパイプ５１の第２の筒部５１１ｂにそれぞれ伝達される。
したがって、強制空冷及び自然空冷の双方の場合において、上述した空気の対流による熱を略全ての主ヒートパイプ５１の第２の筒部５１１ｂに伝達することができる。すなわち、略全ての主ヒートパイプ５１における各第２の筒部５１１ｂの内部で凍結した作動流体５１２を効果的に解凍することができる。

（その他の実施形態）
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。
上述した実施の形態では、主ヒートパイプ５１の一対の第２の筒部５１１ｂの長さが同じ構成について説明したが、長さが異なる構成でもよい。例えば、主ヒートパイプ５１は、一方の第２の筒部５１１ｂを図５に示すように長尺の筒部とし、他方の第２の筒部５１１ｂを図７に示すように中尺の筒部（第２の筒部５３１ｂ）とする構成が考えられる。また、主ヒートパイプ５１は、一方の第２の筒部５１１ｂを図５に示すように長尺の筒部とし、他方の第２の筒部５１１ｂを図６に示すように短尺の筒部（第２の筒部５２１ｂ）とする構成が考えられる。このような構成の場合、他方の第２の筒部５１１ｂが本発明に係る伝熱部材となるので、第１の副ヒートパイプ５２と第３の福ヒートパイプ５４を不要とすることができる利点がある。

上述した実施の形態では、第２のフィン６２は、孔や切欠きで構成された第４の開口部６２２により第１，第２の副ヒートパイプ５２，５３に接触しない構成としていたが、これに限らない。第１の副ヒートパイプ５２及び第２の副ヒートパイプ５３に接触しない形状であれば、第２のフィン６２をその他の形状で構成しても構わない。

上述した実施の形態では、本発明に係る伝熱部材として、ヒートパイプで構成された第１の副ヒートパイプ５２及び第２の副ヒートパイプ５３を採用していたが、これに限らず、ヒートパイプ以外の構成、例えば、熱伝導性の高い材料で構成された柱状の部材（例えば、銅製の棒状部材等）で構成しても構わない。さらに、本発明に係る伝熱部材の長さ寸法は、主ヒートパイプ５１よりも短い構成に限らず、主ヒートパイプ５１と同一としてもよく、あるいは、主ヒートパイプ５１よりも長くしても構わない。また、本発明に係る伝熱部材として、異なる２種類の長さの副ヒートパイプについて説明したが、この構成に限らず、３種類以上の長さの異なる副ヒートパイプにより構成されてもよい。

上述した実施の形態において、主ヒートパイプ５１、第１の副ヒートパイプ５２、第２の副ヒートパイプ５３、第１のフィン６１、及び第２のフィン６２の数は、上述した実施の形態で説明した数に限らず、その他の数で構成しても構わない。また、第１のフィン６１、第２のフィン６２、及び第３のフィン６３のピッチは、上述した例に限らず、全て等間隔でもよいし、先端に向かうにしたがって間隔を徐々に狭くする、あるいは、先端に向かうにしたがって間隔を徐々に拡げる等、様々な形態が考えられる。

１ 冷却装置
２ ダクト部材
３ ヒートシンク
４ ベースブロック
４ａ 背面部
４ｂ 正面部
５ ヒートパイプ群
６ フィン群
７ 支持部材
２１ 上側の部位
２２ 下側の部位
４１ 凹溝
５１ 主ヒートパイプ
５２ 第１の副ヒートパイプ（伝熱部材）
５２ａ 最上位置副ヒートパイプ（最上位置伝熱部材）
５２ｂ 最下位置副ヒートパイプ（最下位置伝熱部材）
５３ 第２の副ヒートパイプ（伝熱部材）
６１ 第１のフィン
６１ａ 基端側フィン
６１ｂ 先端側フィン
６２ 第２のフィン
６３ 第３のフィン
１００ 電気部品
２１１ 流入口
２２１ 流出口
２２２ 窓孔
５１１，５２１，５３１ コンテナ
５１１ａ，５２１ａ，５３１ａ 第１の筒部
５１１ｂ，５２１ｂ，５３１ｂ 第２の筒部
５１１ｃ，５２１ｃ，５３１ｃ 先端
５１２，５２２，５３２ 作動流体
６１１ 第１の開口部
６１２ 第２の開口部
６２１ 第３の開口部
６２２ 第４の開口部
６３１ 第５の開口部
６３２ 第６の開口部
Ａｒ 領域
Ａｒ１ 先端側領域
Ａｒ２ 基端側領域
Ｐｉ１，Ｐｉ２ ピッチ

Claims (7)

1. 発熱体に対して熱的に接続する背面部を有するベースブロックと、
   前記ベースブロックの正面部に固定されるとともに、当該正面部から立設する主ヒートパイプと、
   前記正面部に固定されるとともに、当該正面部から立設する伝熱部材と、
   前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材の立設方向に並列する複数のフィンとを備え、
   前記複数のフィンは、
   前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材にそれぞれ接触する第１のフィンと、
   前記第１のフィンよりも前記伝熱部材の基端側に配置され、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材のうち当該主ヒートパイプにのみ接触する第２のフィンとを備える
   ことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記第１のフィンには、
   前記主ヒートパイプが挿通されるとともに縁部が当該主ヒートパイプに接触する第１の開口部と、前記伝熱部材が挿通されるとともに縁部が当該伝熱部材に接触する第２の開口部とが設けられ、
   前記第２のフィンには、
   前記主ヒートパイプが挿通されるとともに縁部が当該主ヒートパイプに接触する第３の開口部と、前記伝熱部材が挿通されるとともに縁部が当該伝熱部材に接触しない第４の開口部とが設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記伝熱部材は、
   前記正面部からの立設方向の長さ寸法が前記主ヒートパイプよりも短い
   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. 前記伝熱部材は、
   ヒートパイプである
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のヒートシンク。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載のヒートシンクと、
   前記ヒートシンクを囲み、当該ヒートシンクに向けて空気を流通させるダクト部材とを備える
   ことを特徴とする冷却装置。
6. 前記ダクト部材は、
   空気を内部に流入させるための流入口、及び内部の空気を流出させるための流出口を有し、当該流入口から当該流出口に向けて直線状に延在し、
   前記流入口は、
   前記ダクト部材の延在方向に沿って見た場合に、前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材の先端側にのみ設けられ、
   前記第１のフィンは、
   前記ダクト部材の延在方向に沿って見た場合に、前記流入口に重なる位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記ダクト部材は、
   空気を内部に流入させるための流入口、及び内部の空気を流出させるための流出口を有し、当該流入口から当該流出口に向けて鉛直方向に延在し、
   前記主ヒートパイプ及び前記伝熱部材は、
   それぞれ複数、設けられるとともに、鉛直方向に並列し、
   複数の前記伝熱部材のうち最も上側に位置する最上位置伝熱部材と最も下側に位置する最下位置伝熱部材との間に位置する前記主ヒートパイプの数は、
   当該最上位置伝熱部材よりも上側、及び当該最下位置伝熱部材よりも下側に位置する前記主ヒートパイプの数よりも多い
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の冷却装置。

Images