JP2020176752A - ヒートシンク - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、ヒートシンクの設置スペース、特に、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースが制限される環境でも、受熱部、断熱部及び放熱部の体積が十分に得られつつ、放熱フィンのフィン面積を増大させることができるヒートシンクを提供する。【解決手段】発熱体と熱的に接続される受熱部を有する熱輸送部材と、該熱輸送部材の放熱部にて接続された管体と、該管体と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群と、を備え、前記熱輸送部材が、前記受熱部から前記管体との接続部まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有し、前記熱輸送部材の内部空間が、前記管体の内部空間と連通し、前記放熱部の前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して直交方向の内部空間の断面積が、前記受熱部と前記放熱部の間の断熱部の前記断面積よりも小さいヒートシンク。【選択図】図１

Description

本発明は、電気・電子部品等を冷却するヒートシンクに関する。
電子機器の高機能化に伴い、電子機器内部には、電子部品等の発熱体を含め、多数の部品が高密度に搭載されている。また、電子機器の高機能化に伴い、電子部品等の発熱体の発熱量が増大している。電子部品等の発熱体を冷却する手段として、ヒートシンクが使用されることがある。ヒートシンクとして、一般的には、管形状のヒートパイプを備えたヒートパイプ式のヒートシンクが使用される。
ヒートパイプ式ヒートシンクとしては、例えば、複数設けられた管形状のヒートパイプの外周面に突出して平板状の多数の放熱フィンが設けられたヒートパイプ式ヒートシンクがある（特許文献１）。特許文献１のヒートパイプ式ヒートシンクは、複数の管形状のヒートパイプによって発熱体の熱を放熱フィンへ輸送し、該放熱フィンから放熱させることで、発熱体を冷却するヒートシンクである。
一方で、近年、電子機器内部には、電子部品等の発熱体を含め、多数の部品がますます高密度に搭載されているので、ヒートシンクの設置スペースが制限されることがある。特に、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースが制限されることがある。また、電子部品等の発熱量がますます増大しているので、ヒートシンクの冷却特性をさらに向上させることが要求されることがある。
特許文献１のヒートシンク等、複数のヒートパイプによって発熱体の熱を受熱部から放熱フィンへ輸送するヒートシンクでは、冷却性能を向上させるためには、受熱部から放熱フィンへの熱輸送量を増大させるために、多数のヒートパイプを並列配置させたヒートパイプ群を形成することが必要である。また、ヒートシンクの冷却性能を向上させるためには、放熱フィンの放熱性能を向上させるために、放熱フィンのフィン面積を増大させることが必要となる。しかし、多数のヒートパイプからなるヒートパイプ群を形成し、放熱フィンのフィン面積を増大させるには、電子機器内部にヒートシンクを設置するための大きなスペース、特に、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースを確保する必要がある。すなわち、ヒートパイプ式ヒートシンクでは、ヒートシンクの省スペース化と冷却性能の向上とに改善の余地があった。
また、各ヒートパイプの外周面にはＲ部があり、Ｒ部外側に生じる空隙はヒートパイプ群の熱輸送に寄与しないので、ヒートパイプ群の受熱部、断熱部及び放熱部の体積が十分に得られず、やはり、十分な冷却性能が得られない場合があった。
さらに、多数のヒートパイプからなるヒートパイプ群を発熱体に熱的に接続すると、発熱体からの距離によってヒートパイプの受熱量が異なるので、発熱体から離れて設置されたヒートパイプでは受熱が十分ではない場合がある。従って、ヒートパイプ群の受熱部における入熱を十分に均一化することができず、ヒートパイプ群の受熱部と発熱体間の熱抵抗が増大するので、十分な冷却性能の向上が図れない場合があるという問題があった。
特開２００３−１１００７２号公報
上記事情に鑑み、本発明は、ヒートシンクの設置スペース、特に、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースが制限される環境でも、受熱部、断熱部及び放熱部の体積が十分に得られつつ、放熱フィンのフィン面積を増大させることができ、また、受熱部における入熱を均一化できるヒートシンクを提供することを目的とする。
本発明のヒートシンクの構成の要旨は、以下の通りである。
［１］発熱体と熱的に接続される受熱部を有する熱輸送部材と、該熱輸送部材の放熱部にて接続された管体と、該管体と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群と、を備え、
前記熱輸送部材が、前記受熱部から前記管体との接続部まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有し、前記熱輸送部材の内部空間が、前記管体の内部空間と連通し、
前記放熱部の前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して直交方向の内部空間の断面積が、前記受熱部と前記放熱部の間の断熱部の前記断面積よりも小さいヒートシンク。
［２］前記受熱部の前記断面積が、前記断熱部の前記断面積と同じである［１］に記載のヒートシンク。
［３］前記受熱部の前記断面積が、前記断熱部の前記断面積よりも大きい［１］に記載のヒートシンク。
［４］前記管体が、前記放熱フィンの配置方向に沿って延在している［１］乃至［３］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［５］前記管体の延在方向が、前記熱輸送部材の熱輸送方向と平行ではない［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［６］前記管体が、複数設けられ、前記熱輸送部材から複数の方向に延在している［１］乃至［５］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［７］前記熱輸送部材の少なくとも一面が、平面形状である［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［８］前記熱輸送部材が、熱輸送方向に対して直交方向の段差部を有する［１］乃至［７］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
上記態様では、熱輸送部材のうち、冷却対象である発熱体と熱的に接続される部位が受熱部として機能し、管体と接続された部位が熱輸送部材の放熱部として機能する。熱輸送部材の受熱部では、作動流体が発熱体から受熱して液相から気相へ相変化し、熱輸送部材の放熱部では、気相の作動流体の一部が潜熱を放出して気相から液相へ相変化する。本発明のヒートシンクの態様では、発熱体の熱は、熱輸送部材によって熱輸送部材の受熱部から熱輸送部材の放熱部まで輸送され、さらには、熱輸送部材の放熱部から管体まで輸送される。また、熱輸送部材が発熱体から受熱することで気相に相変化した作動流体は、熱輸送部材から管体へ流通する。気相の作動流体が熱輸送部材から管体へ流通することで、管体は、熱輸送部材から熱を受け、さらに、熱輸送部材から受けた熱を放熱フィン群へ伝達する。管体が熱輸送部材から受けた熱を放熱フィン群へ伝達する際に、熱輸送部材から管体へ流通した気相の作動流体は液相へ相変化する。管体から放熱フィン群へ伝達された熱は、放熱フィン群からヒートシンクの外部環境へ放出される。また、上記態様では、放熱部の熱輸送部材の熱輸送方向、すなわち、受熱部から放熱部の方向に対して直交方向の内部空間の断面積が、断熱部の前記断面積よりも小さいので、熱輸送部材の内部空間は、断熱部から放熱部までの間の部位に断面積が変化する部位を有している。
なお、「熱輸送部材の熱輸送方向に対して直交方向の内部空間の断面積」における「内部空間の断面積」とは、液相の作動流体やウィック構造体等の部材が熱輸送部材の内部空間に収納されている場合には、該部材の上記断面積を含めた断面積を意味する。
本発明のヒートシンクの態様では、受熱部を有する熱輸送部材の内部空間は、複数のヒートパイプが並列配置されたヒートパイプ群の内部空間とは異なり、全体が連通して一体となっている。よって、内部空間が一体である熱輸送部材が発熱体の熱を受熱部から放熱フィンと熱的に接続された管体との接続部まで輸送する本発明のヒートシンクの態様によれば、液相の作動流体の還流特性に優れ、また、発熱体からの発熱量が増大しても、受熱部における入熱を均一化でき、受熱部における熱抵抗を低減できる。また、本発明のヒートシンクの態様によれば、放熱部の熱輸送部材の熱輸送方向に対して直交方向の内部空間の断面積が、断熱部の前記断面積よりも小さいので、ヒートシンクの設置スペースが制限される環境、特に、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースが制限される環境でも、受熱部、断熱部及び放熱部の体積が十分に得られつつ、放熱フィン群のフィン面積を増大させることができる。従って、本発明のヒートシンクの態様によれば、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースが制限される環境でも、冷却対象に対して優れた冷却性能を発揮できる。
このように、本発明のヒートシンクの態様によれば、放熱部の断面積が断熱部の断面積よりも小さいことにより、放熱フィン群のフィン面積を増大させることができるので、放熱フィン群の放熱性能が向上し、ひいては、冷却対象に対して優れた冷却性能を発揮できる。また、本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送部材の内部空間は全体が連通して一体となっているので、発熱体に発熱ムラが生じていても、発熱体全体を均一に冷却できる。
本発明のヒートシンクの態様によれば、受熱部の断面積が断熱部の断面積よりも大きいことにより、特に、ヒートシンクの高さ方向において、ヒートシンクの設置スペースが制限される場合でも、液相の作動流体が管体及び熱輸送部材の放熱部から受熱部へ還流する際に、気相の作動流体の圧力により、受熱部への還流が阻害されることを防止できる。
本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送部材の内部空間と連通した管体が放熱フィンの配置方向に沿って延在していることにより、気相の作動流体が、管体内部を放熱フィンの配置方向に沿って流通する。従って、放熱フィン群のフィン効率が向上して、ヒートシンクの冷却性能が確実に向上する。
本発明のヒートシンクの態様によれば、管体の延在方向が熱輸送部材の熱輸送方向と平行ではないことにより、熱輸送部材から管体へ輸送された熱は熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）とは異なる方向へ輸送される。従って、熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）について、ヒートシンクの寸法の増大を防止することができ、結果、省スペース化を図ることができる。
本発明のヒートシンクの態様によれば、複数の管体が熱輸送部材から複数の方向に延在していることにより、熱輸送部材から輸送された熱は熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）とは異なる複数の方向へ輸送される。従って、熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）について、ヒートシンクの寸法の増大をより確実に防止することができる。
本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送部材が、熱輸送方向に対して直交方向の段差部を有することにより、熱輸送部材の受熱部と放熱部の間の領域に障害物等の禁止領域が設定されていても、ヒートシンクを所望の位置に設置することができる。
本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面断面図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面断面図である。 本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。
以下に、本発明の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。先ず、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクについて説明する。図１は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図、図２は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面断面図である。
図１に示すように、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク１は、発熱体１００と熱的に接続される受熱部４１を有する熱輸送部材１０と、熱輸送部材１０と熱的に接続された放熱フィン群２０と、放熱フィン群２０と熱的に接続された管体３１と、を備えている。放熱フィン群２０は、管体３１に取り付けられた複数の第１の放熱フィン２１、２１・・・と、熱輸送部材１０に取り付けられた、第１の放熱フィン２１よりも面積の小さい複数の第２の放熱フィン２２、２２・・・を備えている。管体３１は、熱輸送部材１０とは、熱輸送部材１０の放熱部４２にて接続されている。また、熱輸送部材１０の内部空間が、管体３１の内部空間と連通している。すなわち、第１実施形態例に係るヒートシンク１では、熱輸送部材１０は、受熱部４１から管体３１との接続部まで連通し且つ作動流体（図示せず）が封入された一体である内部空間を有している。
図１、２に示すように、熱輸送部材１０は、中空の空洞部１３を有するコンテナ１９と、空洞部１３を流通する作動流体とを有している。空洞部１３内には、毛細管力を有するウィック構造体１４が収納されている。コンテナ１９は、一方の板状体１１と一方の板状体１１と対向する他方の板状体１２とを重ね合わせることにより形成されている。
一方の板状体１１は平面部の縁部に平面部から立設した側壁を有する板状である。他方の板状体１２も、平面部の縁部に平面部から立設した側壁を有する板状である。従って、一方の板状体１１と他方の板状体１２は、凹形状となっている。凹形状の一方の板状体１１と凹形状の他方の板状体１２とを重ね合わせることにより、コンテナ１９の空洞部１３が形成される。従って、コンテナ１９の形状は平面型である。空洞部１３は、外部環境に対して密閉された内部空間であり、脱気処理により減圧されている。
コンテナ１９外面のうち、冷却対象である発熱体１００が熱的に接続される部位が受熱部４１であり、発熱体１００がコンテナ１９に熱的に接続されることで、発熱体１００が冷却される。熱輸送部材１０では、一方端に発熱体１００が熱的に接続されているので、一方端に受熱部４１が形成されている。
熱輸送部材１０は、発熱体１００の位置から所定方向へ延在しており、一方端に対向する他方端に放熱フィン群２０を形成する第２の放熱フィン２２が熱的に接続されている。放熱フィン群２０が熱的に接続されている熱輸送部材１０の他方端が、熱輸送部材１０の放熱部４２として機能する。
熱輸送部材１０は、コンテナ１９の一方端に位置する受熱部４１とコンテナ１９の他方端に位置する放熱部４２との間に位置する中間部が、断熱部４３として機能する。断熱部４３は、放熱フィン群２０も発熱体１００も熱的に接続されていない部位である。断熱部４３の延在方向に沿って、発熱体１００から受熱部４１へ伝達された熱が、受熱部４１から放熱部４２へ輸送される。従って、断熱部４３における、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して直交方向の内部空間（すなわち、空洞部１３）の断面積（以下、単に、空洞部１３の断面積ということがある。）を所定面積以上確保することで、熱輸送部材１０に所望の熱輸送量を付与することに寄与できる。なお、上記の通り、「空洞部１３の断面積」とは、液相の作動流体やウィック構造体１４等の部材が熱輸送部材１０の空洞部１３に収納されている場合には、該部材の上記断面積を含めた断面積を意味する。
図１に示すように、ヒートシンク１では、空洞部１３の断面積が、受熱部４１から放熱部４２までの間で変化している。具体的には、ヒートシンク１では、空洞部１３の断面積が、断熱部４３と放熱部４２との間で変化している。より具体的には、ヒートシンク１では、放熱部４２における空洞部１３の断面積が、断熱部４３における空洞部１３の断面積よりも小さい態様となっている。また、断熱部４３における空洞部１３の断面積は、受熱部４１における空洞部１３の断面積と略同じ態様となっている。
ヒートシンク１では、コンテナ１９の厚さ及び一方の板状体１１と他方の板状体１２の肉厚は、コンテナ１９の一方端から他方端まで略同じとなっている。従って、コンテナ１９は、平面視において、熱輸送方向に対して直交方向（幅方向）の寸法が異なる形状となっている。具体的には、平面視において、熱輸送部材１０の幅方向の寸法が、断熱部４３と放熱部４２との間で変化している。より具体的には、放熱部４２における熱輸送部材１０の幅方向の寸法が、断熱部４３における熱輸送部材１０の幅方向の寸法よりも小さい態様となっている。また、断熱部４３における熱輸送部材１０の幅方向の寸法は、受熱部４１における熱輸送部材１０の幅方向の寸法と略同じ態様となっている。なお、「平面視」とは、熱輸送部材１０の平面部に対して鉛直方向から視認した状態を意味する。
断熱部４３における空洞部１３の断面積に対する放熱部４２における空洞部１３の断面積の比率は、１．０未満であれば、特に限定されないが、ヒートシンク１の設置スペース、特に、ヒートシンク１の高さ方向の設置スペースが制限される場合でも、後述するように、第２の放熱フィン２２よりも面積の大きい第１の放熱フィン２１の設置枚数をより増やすことで放熱フィン群２０のフィン面積をより増大させつつ、放熱部４２まで円滑に気相の作動流体を流通させる点から、０．５以上１．０未満が好ましく、０．７以上０．９以下がより好ましく、０．８以上０．９以下が特に好ましい。
また、熱輸送部材１０では、受熱部４１、断熱部４３及び放熱部４２は、同一平面上に沿って延在している。従って、ヒートシンク１の高さ方向の寸法、特に、受熱部４１と断熱部４３の高さ方向の寸法増大を防止できる。
図１、２に示すように、ウィック構造体１４は、コンテナ１９の受熱部４１から放熱部４２まで延在している。ウィック構造体１４としては、特に限定されないが、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（複数の細溝）、不織布、金属繊維等を挙げることができる。熱輸送部材１０では、ウィック構造体１４として、金属粉の焼結体が用いられている。空洞部１３のうち、ウィック構造体１４の設けられていない部位が、気相の作動流体の流通する蒸気流路１５として機能する。蒸気流路１５は、ウィック構造体１４がコンテナ１９の受熱部４１から放熱部４２まで延在していることに対応して、コンテナ１９の受熱部４１から放熱部４２まで延在している。熱輸送部材１０は、作動流体の動作による熱輸送特性によって、受熱部４１にて受けた発熱体１００の熱を受熱部４１から放熱部４２へ輸送する。
図１、２に示すように、熱輸送部材１０の放熱部４２である他方端には、コンテナ１９の空洞部１３と内部空間の連通した管体３１が設けられている。従って、熱輸送部材１０の空洞部１３を流通する作動流体は、空洞部１３から管体３１内部までの空間に封入されている。管体３１の形状は、特に限定されないが、ヒートシンク１では、長手方向の形状は直線状であり、長手方向に対して直交方向の形状は円形状となっている。また、いずれの管体３１も、形状、寸法は略同じとなっている。
管体３１は、熱輸送部材１０の平面方向に沿って、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向に延在している。ヒートシンク１では、管体３１の延在方向が熱輸送部材１０の熱輸送方向と平行ではないので、熱輸送部材１０から輸送された熱は、管体３１によって、熱輸送部材１０の延在方向とは異なる方向へ輸送される。従って、熱輸送部材１０の熱輸送方向におけるヒートシンク１の寸法の増大を防止することができるので、ヒートシンク１の省スペース化を図ることができる。
ヒートシンク１では、管体３１は、複数設けられており、熱輸送部材１０から複数の方向に延在している。ヒートシンク１では、管体３１は、熱輸送部材１０の放熱部４２を中心にして左右両方向、すなわち、２方向へ延在している。また、管体３１は、熱輸送部材１０の放熱部４２を中心にして左右両方向に同じ本数ずつ（図では、３本ずつ）設けられている。複数の管体３１が熱輸送部材１０から複数の方向（ヒートシンク１では２方向）に延在しているので、熱輸送部材１０から輸送された熱は、熱輸送部材１０の延在方向とは異なる複数の方向（ヒートシンク１では２方向）へ分岐して輸送される。従って、熱輸送部材１０の延在方向におけるヒートシンク１の寸法の増大をより確実に防止することができる。
管体３１の空洞部１３側端部（以下、「基部」ということがある。）３２は開口しており、空洞部１３とは反対の端部（以下、「先端部」ということがある。）３３は閉塞している。また、コンテナ１９の空洞部１３と管体３１の内部空間は連通しており、管体３１の内部空間は、空洞部１３と同様に、脱気処理により減圧されている。従って、作動流体は、コンテナ１９の空洞部１３と管体３１の内部空間との間で流通可能となっている。
コンテナ１９の側面部には、管体３１をコンテナ１９に取り付けるための貫通孔（図示せず）が形成されている。貫通孔の形状と寸法は、管体３１の形状と寸法に対応しており、管体３１の基部３２が、コンテナ１９の貫通孔に嵌挿されることで、管体３１がコンテナ１９に接続されている。従って、管体３１とコンテナ１９は、別の部材からなっている。コンテナ１９に取り付けた管体３１を固定する方法としては、特に限定されないが、例えば、溶接、はんだ付け、ろう付け等を挙げることができる。
管体３１と熱輸送部材１０のコンテナ１９とは別の部材からなっているので、管体３１の配置や形状、寸法等を自由に選択でき、ヒートシンク１の形状について、設計の自由度が向上する。また、ヒートシンク１では、コンテナ１９の貫通孔に管体３１を嵌挿することで、管体３１をコンテナ１９に取り付けることができるので、組み立てが容易である。
図２に示すように、管体３１の内面には、コンテナ１９に収納されたウィック構造体１４とは異なる、毛細管力を生じる他のウィック構造体３４が設けられている。他のウィック構造体３４としては、特に限定されないが、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、金属繊維等を挙げることができる。管体３１では、他のウィック構造体３４として、管体３１の内面全体を覆うように管体３１の内面に形成されている複数の細溝が用いられている。細溝は、管体３１の長手方向に沿って延在している。
必要に応じて、管体３１に設けられた他のウィック構造体３４は、熱輸送部材１０に設けられたウィック構造体１４と接続部材３５を介して接続してもよい。管体３１内部で潜熱を放出して気相から液相へ相変化した作動流体は、管体３１内の他のウィック構造体３４の毛細管力によって、他のウィック構造体３４内を管体３１の先端部３３から基部３２方向へ還流する。管体３１の基部３２まで還流した液相の作動流体は、他のウィック構造体３４から接続部材３５の一端へ流通する。他のウィック構造体３４から接続部材３５の一端へ流通した液相の作動流体は、接続部材３５を一端から他端へ流通し、接続部材３５の他端から熱輸送部材１０のウィック構造体１４へ還流することができる。
上記から、ウィック構造体１４と他のウィック構造体３４との間に接続部材３５を設けることにより、管体３１内部にて液相に相変化した作動流体が管体３１から熱輸送部材１０へより円滑に還流できる。接続部材３５としては、例えば、毛細管力を有するウィック部材を挙げることができ、具体的には、金属メッシュ、金属線の編組体、金属繊維等を挙げることができる。上記から、管体３１と熱輸送部材１０間における液相の作動流体の流通特性が向上するので、ヒートシンク１の冷却性能がより向上する。
コンテナ１９及び管体３１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、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス、チタン、チタン合金等を挙げることができる。コンテナ１９の空洞部１３及び管体３１の内部空間に封入する作動流体としては、コンテナ１９及び管体３１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、フルオロカーボン類、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、シクロペンタン、エチレングリコール、これらの混合物等を挙げることができる。
コンテナ１９の厚さとしては、機械的強度、重量等から適宜選択可能であるが、例えば、０．５〜３ｍｍを挙げることができる。断熱部４３における空洞部１３の断面積は、例えば、２５０〜３５０ｍｍ２を挙げることができる。放熱部４２における空洞部１３の断面積は、例えば、１５０〜２５０ｍｍ２を挙げることができる。また、管体３１の直径としては、機械的強度、重量等から適宜選択可能であるが、例えば、５〜１０ｍｍを挙げることができる。
図１に示すように、放熱フィン群２０は、複数の第１の放熱フィン２１、２１・・・、複数の第２の放熱フィン２２、２２・・・が、それぞれ、並列配置されて形成されている。第１の放熱フィン２１、第２の放熱フィン２２は、いずれも、薄い平板状の部材である。このうち、第１の放熱フィン２１は、放熱フィン群２０の両側部に位置している。第１の放熱フィン２１は、管体３１の位置に取り付け、固定されて、管体３１と熱的に接続されている。また、第１の放熱フィン２１は、管体３１の長手方向に対して略平行方向に所定間隔にて並列配置されている。従って、管体３１は、第１の放熱フィン２１の配置方向に沿って延在している。なお、管体３１と熱的に接続されている第１の放熱フィン２１は、いずれも、同じ形状、寸法となっている。
第２の放熱フィン２２は、放熱フィン群２０の中央部に位置している。第２の放熱フィン２２は、放熱フィン群２０の中央部に位置する熱輸送部材１０の位置に取り付け、固定されて、熱輸送部材１０と熱的に接続されている。第２の放熱フィン２２は、熱輸送部材１０に立設されるように取り付けられている。上記から、第２の放熱フィン２２の主表面の面積は、第１の放熱フィン２１の主表面の面積よりも小さい態様となっている。熱輸送部材１０と熱的に接続されている第２の放熱フィン２２は、いずれも、同じ形状、寸法となっている。
第１の放熱フィン２１の主表面が、主に第１の放熱フィン２１の放熱機能を発揮する面であり、第２の放熱フィン２２の主表面が、主に第２の放熱フィン２２の放熱機能を発揮する面である。第１の放熱フィン２１の主表面、第２の放熱フィン２２の主表面は、管体３１の延在方向、すなわち、管体３１の長手方向に対して、略直交方向となるように配置されている。冷却風Ｆは、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略平行方向から供給される。第１の放熱フィン２１の管体３１への熱的接続方法は、特に限定されず、公知の方法をいずれも使用可能であり、例えば、第１の放熱フィン２１に貫通孔を形成し、この貫通孔に管体３１を嵌挿する方法や、はんだによる接合等が挙げられる。また、第２の放熱フィン２２の熱輸送部材１０への熱的接続方法は、特に限定されず、公知の方法をいずれも使用可能であり、例えば、第２の放熱フィン２２の端部に、第２の放熱フィン２２の主表面に対して鉛直方向に伸延した固定用片部（図示せず）を設け、この固定用片部を熱輸送部材１０の平面に接続して熱輸送部材１０に第２の放熱フィン２２を立設させる方法が挙げられる。
ヒートシンク１は、例えば、送風ファン（図示せず）により強制空冷される。送風ファン由来の冷却風Ｆが、第１の放熱フィン２１の主表面及び第２の放熱フィン２２の主表面に沿って供給されて、第１の放熱フィン２１及び第２の放熱フィン２２が冷却される。
第１の放熱フィン２１及び第２の放熱フィン２２の材質は、特に限定されず、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属、黒鉛等の炭素材料、炭素材料を用いた複合部材などを挙げることができる。
次に、ヒートシンク１の冷却機能のメカニズムについて説明する。まず、熱輸送部材１０のコンテナ１９の一方端に、被冷却体である発熱体１００を熱的に接続して一方端を受熱部４１として機能させる。コンテナ１９の一方端が発熱体１００から受熱すると、コンテナ１９の一方端において、空洞部１３の液相の作動流体へ熱が伝達されて、コンテナ１９の一方端の空洞部１３にて、液相の作動流体が気相の作動流体へと相変化する。気相の作動流体は、蒸気流路１５をコンテナ１９の一方端から放熱部４２である他方端へ流通する。気相の作動流体が、コンテナ１９の一方端から他方端へ流通することで、熱輸送部材１０が、その一方端から他方端へ熱を輸送する。コンテナ１９の他方端へ流通した気相の作動流体の一部が、潜熱を放出して液相へ相変化し、放出された潜熱は、熱輸送部材１０の位置に取り付けられている第２の放熱フィン２２へ伝達される。熱輸送部材１０と熱的に接続されている第２の放熱フィン２２へ伝達された熱は、第２の放熱フィン２２を介してヒートシンク１の外部環境へ放出される。コンテナ１９の他方端にて液相に相変化した作動流体は、熱輸送部材１０の空洞部１３に収納されたウィック構造体１４の毛細管力により、コンテナ１９の他方端から一方端へ還流する。
また、コンテナ１９の空洞部１３とコンテナ１９の側壁部に接続された管体３１の内部空間とは連通しているので、液相の作動流体から相変化した気相の作動流体のうち、コンテナ１９の他方端にて液相に相変化しなかった作動流体は、コンテナ１９の空洞部１３から管体３１の内部空間へ流入する。管体３１の内部空間へ流入した気相の作動流体は、管体３１内部にて潜熱を放出して、液相の作動流体へ相変化する。管体３１内部にて放出された潜熱は、管体３１の位置に取り付けられている第１の放熱フィン２１へ伝達される。管体３１と熱的に接続されている第１の放熱フィン２１へ伝達された熱は、第１の放熱フィン２１を介してヒートシンク１の外部環境へ放出される。管体３１内部にて気相から液相に相変化した作動流体は、管体３１内面の他のウィック構造体３４の毛細管力によって、管体３１の中央部及び先端部３３から、管体３１の基部３２へ還流する。管体３１の基部３２へ還流した液相の作動流体は、管体３１の基部３２から熱輸送部材１０に設けられたウィック構造体１４へ還流する。熱輸送部材１０に設けられたウィック構造体１４へ還流した液相の作動流体は、ウィック構造体１４の毛細管力により、コンテナ１９の一方端へ還流する。
本発明の実施形態例に係るヒートシンク１では、熱輸送部材１０の空洞部１３は、複数のヒートパイプが並列配置されたヒートパイプ群の空洞部とは異なり、全体が連通して一体となっている。上記から、ヒートシンク１では、空洞部１３が一体である熱輸送部材１０が発熱体１００の熱を受熱部４１から放熱フィン群２０と熱的に接続された管体３１との接続部まで輸送することで、液相の作動流体の還流特性に優れ、また、発熱体１００からの発熱量が増大しても、受熱部４１における入熱を均一化でき、受熱部４１における熱抵抗を低減できる。
また、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の空洞部１３の断面積が、受熱部４１から放熱部４２までの間で変化しているので、ヒートシンク１の設置スペースが制限される環境でも、設置スペースの状況に応じて、受熱部４１、断熱部４３及び放熱部４２の体積が十分に得られつつ、放熱フィン群２０のフィン面積を増大させることができる。特に、ヒートシンク１では、放熱部４２における空洞部１３の断面積が断熱部４３における空洞部１３の断面積及び受熱部４１における空洞部１３の断面積よりも小さいことにより、第２の放熱フィン２２と比較して主表面の面積が大きい第１の放熱フィン２１の設置枚数を増大させることができる。従って、特にヒートシンク１の高さ方向において設置スペースが制限される場合でも、放熱フィン群２０のフィン面積を増大させることができる。上記から、ヒートシンク１では、設置スペースが制限される場合でも、放熱フィン群２０の放熱性能が向上して、発熱体１００に対して優れた冷却性能を発揮できる。また、熱輸送部材１０の空洞部１３は全体が連通して一体となっているので、発熱体１００に発熱ムラが生じていても、発熱体１００全体を均一に冷却できる。
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２実施形態例に係るヒートシンクは、第１実施形態例に係るヒートシンクと主要部は共通しているので、同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図３は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面断面図である。
第１実施形態例に係るヒートシンクでは、熱輸送部材について、受熱部における空洞部の断面積は断熱部における空洞部の断面積と略同じであったが、これに代えて、図３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、熱輸送部材１０について、受熱部４１における空洞部１３の断面積は断熱部４３における空洞部１３の断面積よりも大きくなっている。従って、ヒートシンク２では、放熱部４２における空洞部１３の断面積が、断熱部４３における空洞部１３の断面積よりも小さく、断熱部４３における空洞部１３の断面積は、受熱部４１における空洞部１３の断面積よりも小さい態様となっている。
ヒートシンク２でも、コンテナ１９の厚さ及び肉厚は、コンテナ１９の一方端である受熱部４１から他方端である放熱部４２まで略同じとなっている。従って、図３に示すように、ヒートシンク２では、放熱部４２における熱輸送部材１０の幅方向の寸法が、断熱部４３における熱輸送部材１０の幅方向の寸法よりも小さく、断熱部４３における熱輸送部材１０の幅方向の寸法は、受熱部４１における熱輸送部材１０の幅方向の寸法よりも小さい態様となっている。
ヒートシンク２では、断熱部４３における空洞部１３の断面積に対する受熱部４１における空洞部１３の断面積の比率は、１．０超であれば、特に限定されないが、ヒートシンク２の設置スペース、特に、ヒートシンク２の高さ方向の設置スペースが制限される場合でも、熱輸送部材１０に所望の熱輸送量を付与しつつ、気相の作動流体の圧力によって受熱部４１への液相の作動流体の還流が阻害されることを確実に防止できる点から、１．０超１．５以下が好ましく、１．２以上１．４以下が特に好ましい。また、断熱部４３における空洞部１３の断面積に対する放熱部４２における空洞部１３の断面積の比率は、１．０未満であれば、特に限定されず、例えば、第１実施形態例に係るヒートシンクと同じ比率を挙げることができる。
受熱部４１における空洞部１３の断面積は、例えば、３５０〜４５０ｍｍ２を挙げることができる。
ヒートシンク２では、受熱部４１における空洞部１３の断面積が断熱部４３における空洞部１３の断面積よりも大きいことにより、特に、ヒートシンク２の高さ方向において、ヒートシンク２の設置スペースが制限される場合でも、液相の作動流体が管体３１及び熱輸送部材１０の放熱部４２から受熱部４１へ還流する際に、気相の作動流体の圧力により、受熱部４１への還流が阻害されることを防止できる。
次に、本発明の第３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３実施形態例に係るヒートシンクは、第１、第２実施形態例に係るヒートシンクと主要部は共通しているので、同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図４は、本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。
図４に示すように、第３実施形態例に係るヒートシンク３では、平面視において、断熱部４３と受熱部４１との間に、熱輸送部材１０の幅方向の寸法が断熱部４３及び受熱部４１よりも小さくなっているくびれ部６０を有している。また、ヒートシンク３では、受熱部４１における熱輸送部材１０の幅方向の寸法が、断熱部４３における熱輸送部材１０の幅方向の寸法よりも小さくなっている。
ヒートシンク３では、断熱部４３と受熱部４１との間にくびれ部６０が形成されていることにより、断熱部４３と受熱部４１間の領域にて熱輸送部材１０の幅方向の設置スペースが制限される場合でも、放熱フィン群２０のフィン面積を増大させたヒートシンク３を設置することができる。また、ヒートシンク３では、受熱部４１における熱輸送部材１０の幅方向の寸法が、断熱部４３における熱輸送部材１０の幅方向の寸法よりも小さいことにより、受熱部４１の領域にて熱輸送部材１０の幅方向の設置スペースが制限される場合でも、放熱フィン群２０のフィン面積を増大させたヒートシンク３を設置することができる。
次に、本発明のヒートシンクの他の実施形態例について、以下に説明する。第１、第２実施形態例に係るヒートシンクでは、熱輸送部材の受熱部、断熱部及び放熱部は、同一平面上に沿って延在していたが、これに代えて、熱輸送部材の熱輸送方向に対して略直交方向の段差部が熱輸送部材に設けられてもよい。段差部の位置としては、例えば、断熱部と放熱部の間を挙げることができる。段差部を有することにより、熱輸送部材の受熱部と放熱部の間の領域に障害物等の禁止領域が設定されていても、ヒートシンクを所望の位置に設置することができる。
本発明のヒートシンクは、設置スペース、特に、ヒートシンクの高さ方向の設置スペースが制限される環境でも、受熱部、断熱部及び放熱部の体積が十分に得られつつ、放熱フィンのフィン面積を増大させて、優れた冷却性能を発揮できる。上記から、例えば、狭小空間に設置された高発熱量の電子部品、例えば、中央演算処理装置等の電子部品を冷却する分野で利用価値が高い。
１、２、３ ヒートシンク
１０ 熱輸送部材
２０ 放熱フィン群
２１ 第１の放熱フィン
２２ 第２の放熱フィン
３１ 管体
４１ 受熱部
４２ 放熱部
４３ 断熱部

Claims (8)

  1. 発熱体と熱的に接続される受熱部を有する熱輸送部材と、該熱輸送部材の放熱部にて接続された管体と、該管体と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群と、を備え、
    前記熱輸送部材が、前記受熱部から前記管体との接続部まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有し、前記熱輸送部材の内部空間が、前記管体の内部空間と連通し、
    前記放熱部の前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して直交方向の内部空間の断面積が、前記受熱部と前記放熱部の間の断熱部の前記断面積よりも小さいヒートシンク。
  2. 前記受熱部の前記断面積が、前記断熱部の前記断面積と同じである請求項１に記載のヒートシンク。
  3. 前記受熱部の前記断面積が、前記断熱部の前記断面積よりも大きい請求項１に記載のヒートシンク。
  4. 前記管体が、前記放熱フィンの配置方向に沿って延在している請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  5. 前記管体の延在方向が、前記熱輸送部材の熱輸送方向と平行ではない請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  6. 前記管体が、複数設けられ、前記熱輸送部材から複数の方向に延在している請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  7. 前記熱輸送部材の少なくとも一面が、平面形状である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
  8. 前記熱輸送部材が、熱輸送方向に対して直交方向の段差部を有する請求項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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