JP2023147079A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】熱輸送特性を損なうことなく、環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材のドライアウトを防止でき、また、熱輸送部材を円滑に起動できる、熱輸送部材を備えた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、前記熱輸送部材の放熱部にて熱的に接続された、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放熱部まで連通し、且つ作動流体が封入された内部空間を有し、前記熱輸送部材と前記放熱フィンとの間の接続部に、作動流体が封入された内部空間を有する熱輸送体が設けられているヒートシンク。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気部品や電子部品等の発熱体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。電子機器内部に収納された電子部品等の発熱体を冷却する手段として、作動流体が減圧封入された内部空間を有するヒートパイプやベーパーチャンバ等の熱輸送部材、上記したヒートシンクやベーパーチャンバ等の熱輸送部材を備えたヒートシンクが使用されることがある。

ヒートシンクやベーパーチャンバの環境温度が、水等の作動流体の融点よりも低温である場合、ヒートシンクやベーパーチャンバの内部空間に封入された作動流体は凍結している。従って、ヒートシンクやベーパーチャンバの環境温度が作動流体の融点よりも低温である場合、ヒートシンクやベーパーチャンバが冷却対象である発熱体から受熱すると、作動流体は凍結している状態にて、ヒートシンクやベーパーチャンバが起動することとなる。

図８に示すように、従来のヒートシンク１０１では、作動流体は凍結している状態にて、ヒートシンクやベーパーチャンバ等の熱輸送部１１０が、受熱部１４１にて発熱体１００から所定の熱量Ｑinにて受熱すると、受熱部１４１にて、凍結している固相の作動流体２００が気相の作動流体２０１へ相変化する。気相の作動流体２０１は、受熱部１４１から熱輸送部１１０の断熱部１４２を介して、放熱フィン群１２０が、直接、接続されている熱輸送部１１０の放熱部１４３へ流通する。放熱部１４３へ流通した気相の作動流体２０１は、放熱フィン群１２０の熱交換作用によって液相の作動流体２０２に相変化して、潜熱として所定の熱量Ｑoutを放出する。

しかし、ヒートシンク１０１の環境温度が、作動流体の融点よりも低温である場合、放熱部１４３にて、液相の作動流体２０２が凍結して固相の作動流体２００に相変化してしまう。放熱部１４３にて液相の作動流体２０２が凍結してしまうと、作動流体が放熱部１４３から受熱部１４１へ還流できずに、熱輸送部１１０がドライアウトしてしまう。また、熱輸送部１１０の作動流体が凍結している状態では、放熱部１４３に貯留している固相の作動流体２０２が液相の作動流体２０２へ相変化してから、液相の作動流体２０２が放熱部１４３から受熱部１４１へ還流するので、ヒートシンクやベーパーチャンバの起動に時間を要することとなる。

そこで、作動流体の凍結を防止するために、グリコール類を含有した水をヒートパイプの作動流体として用いることが提案されている（特許文献１）。特許文献１では、作動流体としてグリコール類を含有した水を用いることで、純粋な水と比較して融点が低下することから、ヒートシンクやベーパーチャンバの使用環境が低温であっても、作動流体が凍結せずに放熱部から受熱部へ還流してドライアウトを防止するというものである。

しかし、特許文献１では、作動流体である水にグリコール類等の有機溶媒を混合するので、ヒートパイプの熱輸送特性が低下してしまうという問題があった。また、特許文献１では、有機溶媒がヒートパイプの内部空間に封入されているので、熱輸送特性の長期信頼性が低下するという問題があった。

特開２００５－００９７５２号公報

上記事情に鑑み、本発明は、熱輸送特性を損なうことなく、環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材のドライアウトを防止でき、また、熱輸送部材を円滑に起動できる、熱輸送部材を備えた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、前記熱輸送部材の放熱部にて熱的に接続された、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放熱部まで連通し、且つ作動流体が封入された内部空間を有し、
前記熱輸送部材と前記放熱フィンとの間の接続部に、作動流体が封入された内部空間を有する熱輸送体が設けられているヒートシンク。
［２］前記熱輸送体が、前記熱輸送部材と前記放熱フィンに熱的に接続されている［１］に記載のヒートシンク。
［３］前記熱輸送体が、ヒートパイプまたはベーパーチャンバである［１］または［２］に記載のヒートシンク。
［４］前記熱輸送体が、前記接続部の全域に設けられている［１］乃至［３］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［５］前記熱輸送体が、前記熱輸送体の伸び方向中央部に曲げ部を有し、前記熱輸送体の一端が前記接続部に位置し、前記熱輸送体の他端が前記放熱フィンの先端に熱的に接続されている［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［６］前記熱輸送体が、前記受熱部、及び前記受熱部と前記放熱部の間に位置する前記熱輸送部材の断熱部に設けられていない［１］乃至［５］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［７］前記熱輸送部材の内部空間が、一体である［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、複数のヒートパイプが並列に配置されたヒートパイプ群である［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［９］前記熱輸送部材の前記放熱部が、前記受熱部よりも拡幅されている［１］乃至［８］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、放熱フィンと熱的に接続された部位が熱輸送部材の放熱部として機能する。放熱部には、熱輸送部材と放熱フィンとの間の接続部に、熱輸送部材とは別部材である熱輸送体が設けられている。熱輸送体は、作動流体が封入された内部空間を有する。また、熱輸送部材のうち、受熱部と放熱部の間の部位が、断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、気相の作動流体が潜熱を放出して気相から液相へ相変化する。また、上記態様では、気相の作動流体が、熱輸送部材の受熱部から、断熱部を通って放熱部まで流通し、液相の作動流体が、熱輸送部材の放熱部から、断熱部を通って受熱部まで流通する。従って、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、断熱部を介して熱輸送部材の放熱部まで輸送される。

また、上記態様では、熱輸送部材の放熱部と放熱フィンとの間に熱輸送体が設けられているので、熱輸送部材の放熱部から熱輸送体を介して放熱フィンへ熱が伝えられる。

本発明のヒートシンクの態様では、熱輸送部材と放熱フィンとの間の接続部に作動流体が封入された内部空間を有する熱輸送体が設けられていることにより、環境温度が作動流体の融点より低温の時には熱輸送体の作動流体が凍結することから、熱輸送体が断熱材として機能して、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンへの伝熱が抑制される。環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温の時に、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンへの伝熱が抑制されることにより、熱輸送部材の放熱部にて、熱輸送部材の液相の作動流体が凍結して固相の作動流体に相変化することを防止する。環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材の液相の作動流体が凍結することが防止されるので、熱輸送部材の作動流体が熱輸送部材の放熱部から受熱部へ還流して、熱輸送部材のドライアウトを防止できる。また、本発明のヒートシンクの態様では、環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温の時には、熱輸送体が断熱材として機能することから、熱輸送部材の作動流体が凍結することが抑制されている。環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材の作動流体が凍結することが抑制されていることから、熱輸送部材の起動に要する時間を短縮化することができる。

また、本発明のヒートシンクの態様では、環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より高温（例えば、常温）の時には、熱輸送体の作動流体は凍結していないので、熱輸送部材の放熱部から熱輸送体を介しての放熱フィンへの伝熱が円滑化される。また、熱輸送体の熱輸送特性により、熱輸送部材の放熱部が全体にわたって均熱化されるので、放熱フィンのフィン効率が向上して、ヒートシンクは優れた冷却性能を発揮する。

上記から、本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送特性を損なうことなく、環境温度が熱輸送部材の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材のドライアウトを防止でき、また、熱輸送部材を円滑に起動できる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送体が熱輸送部材と放熱フィンに熱的に接続されていることにより、環境温度が作動流体の融点より低温の時に、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンへの伝熱が確実に抑制されて、熱輸送部材の放熱部にて熱輸送部材の液相の作動流体が凍結することを確実に防止できる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送体が熱輸送部材と放熱フィンとの間の接続部全域に設けられていることにより、環境温度が作動流体の融点より低温の時に、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンへの伝熱の抑制効果がさらに向上して、熱輸送部材の放熱部にて熱輸送部材の液相の作動流体が凍結することをさらに確実に防止できる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送体が、熱輸送体の伸び方向中央部に曲げ部を有し、熱輸送体の一端が前記接続部に位置し、熱輸送体の他端が放熱フィンの先端に熱的に接続されていることにより、環境温度が常温の時には、熱輸送体の熱輸送特性によって、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンの先端部へも熱輸送される。従って、本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンへの熱伝達だけではなく、熱輸送部材の放熱部から放熱フィンの先端部へ熱輸送もされることで、放熱フィンのフィン効率が向上して、ヒートシンクの冷却性能がさらに向上する。

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が一体であることにより、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、熱輸送部材が複数のヒートパイプが並列に配置されたヒートパイプ群であることにより、熱輸送部材の熱輸送特性がさらに確実に向上する。

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側面断面図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面図である。 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側面断面図である。 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側面断面図である。 本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクの熱輸送体と放熱フィン群の構造の概要を説明する分解斜視図である。 本発明の第４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。 従来のヒートシンクの概要を説明する側面図である。

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である。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側面断面図である。図３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（蒸発部）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、を備えている。ヒートシンク１では、熱輸送部材１０は１つである。放熱フィン群２０が熱的に接続されている熱輸送部材１０の部位が、放熱部（凝縮部）４２である。熱輸送部材１０の放熱部４２にて、放熱フィン群２０が熱輸送部材１０と熱的に接続されている。

熱輸送部材１０は、中空の空洞部を有するコンテナ１９と、空洞部を流通する作動流体とを有している。空洞部内には、毛細管力を有するウィック構造体（図示せず）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部材である。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部材である。従って、一方の板状体１１と他方の板状体１２は、いずれも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、空洞部を有するコンテナ１９が形成されている。従って、コンテナ１９の形状は平面型であり、熱輸送部材１０はベーパーチャンバの構成となっている。コンテナ１９の内部空間である空洞部は、外部環境に対して密閉されており、脱気処理により減圧されている。

熱輸送部材１０の内部空間は、受熱部４１から放熱部４２まで連通しており、熱輸送部材１０の内部空間には、作動流体が封入されている。また、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の内部空間は、その全体が一体となっている。

コンテナ１９外面のうち、被冷却体である発熱体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、ヒートシンク１の冷却作用により発熱体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、熱輸送部材１０の一方端が受熱部４１となっている。また、発熱体１００は、コンテナ１９外面のうち、一方の板状体１１に熱的に接続されている。

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、コンテナ１９の一方端に対向する他方端に、放熱フィン群２０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の放熱部４２は、受熱部４１よりも拡幅されている。ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の放熱部４２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Ｈに対して略直交方向（幅方向Ｗ）に延在している。また、熱輸送部材１０の放熱部４２は、２方向に延在している。ヒートシンク１では、放熱部４２の延在方向が熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈと平行ではないので、熱輸送部材１０から輸送された熱は、放熱部４２によって、熱輸送部材１０の延在方向とは異なる方向へ拡散される。従って、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈ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。また、熱輸送部材１０の放熱部４２は、受熱部４１よりも拡幅されているので、放熱フィン群２０を構成する放熱フィン２１の設置枚数を増大させることができる。

熱輸送部材１０では、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、熱輸送方向Ｈの中間部が、断熱部４３として機能する。熱輸送部材１０の断熱部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り、熱輸送部材１０への積極的な入熱及び熱輸送部材１０からの積極的な放熱が行われない部位である。発熱体１００から受熱部４１へ伝達された熱は、熱輸送部材１０の延在方向に沿って、受熱部４１から断熱部４３を介して放熱部４２へ輸送される。

ヒートシンク１では、断熱部４３の幅方向Ｗの寸法は、受熱部４１の幅方向Ｗの寸法と略同じとなっている。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。

ヒートシンク１では、放熱フィン群２０は、放熱部４２の外面に立設された複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・で形成されている。上記から、熱輸送部材１０の放熱部４２に、複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・が配置された放熱フィン群２０が熱的に接続されている。放熱フィン２１は、その主表面が熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに対して略平行方向となるように、放熱部４２の外面に取り付けられている。複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・が、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに対して略直交方向に延在する放熱部４２に沿って所定間隔にて並列配置されて、放熱フィン群２０が形成されている。放熱フィン群２０を形成している複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・の高さは、いずれも略同じとなっている。

放熱フィン群２０は、コンテナ１９の一方の板状体１１と他方の板状体１２に、それぞれ、設けられている。上記から、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈの他方端では、放熱フィン２１は、コンテナ１９の両面（すなわち、一方の板状体１１と他方の板状体１２）に分割された態様で、コンテナ１９に熱的に接続されている。

図１～３に示すように、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間の接続部３１に、熱輸送体３０が設けられている。熱輸送体３０は、作動流体が封入された内部空間を有している部材である。熱輸送体３０の内部空間は、脱気処理により減圧されている。上記内部構造から、熱輸送体３０は、熱輸送機能を備えた部材である。また、熱輸送体３０は、熱輸送部材１０とは別部材であり、熱輸送体３０の内部空間は、熱輸送部材１０の内部空間とは連通していない。

熱輸送体３０は、熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間に介装されている。また、熱輸送体３０は、熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）に接しており、熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）に熱的に接続されている。熱輸送体３０と接している放熱フィン２１の基部には、熱輸送体３０の位置に対応する部位に、熱輸送体３０の横断面の形状と大きさに対応した切り欠き部２２が設けられている。熱輸送体３０は、切り欠き部２２とコンテナ１９の外面に囲まれた空間部に挿入されている。放熱フィン２１に切り欠き部２２が設けられていることにより、熱輸送体３０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との熱的接続性及び熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との熱的接続性が向上する。

熱輸送体３０は、熱輸送部材１０の外面に沿って、熱輸送部材１０の外面に接した状態で延在している。ヒートシンク１では、熱輸送体３０は、受熱部４１よりも拡幅されている放熱部４２の平面方向に沿って、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに対して略直交方向（幅方向Ｗ）に延在している。熱輸送体３０は、放熱部４２の幅方向Ｗの一端５１から他端５２にわたって、直線状に延在している。熱輸送体３０の一端３３は、放熱部４２の幅方向Ｗの一端５１に位置し、熱輸送体３０の他端３４は、放熱部４２の幅方向Ｗの他端５２に位置している。

また、熱輸送体３０は、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈにおける放熱部４２の一部領域に設けられている。ヒートシンク１では、熱輸送体３０は、熱輸送方向Ｈにおける放熱部４２の中央部に設けられ、熱輸送方向Ｈにおける放熱部４２の両端部には、熱輸送体３０は設けられていない。上記から、切り欠き部２２は、放熱フィン２１基部の中央部に設けられ、放熱フィン２１基部の両端部には、切り欠き部２２は設けられていない。従って、放熱フィン２１基部の中央部では、放熱フィン２１が熱輸送体３０に接し、放熱フィン２１基部の両端部では、放熱フィン２１がコンテナ１９に接している。

また、熱輸送体３０は、コンテナ１９の一方の板状体１１の外面と他方の板状体１２の外面に、それぞれ、設けられている。ヒートシンク１では、一方の板状体１１の外面に設けられている熱輸送体３０と他方の板状体１２の外面に設けられている熱輸送体３０は、コンテナ１９を挟んで平面視重なり合う部位に設けられている。

ヒートシンク１では、熱輸送体３０はヒートパイプ３２である。ヒートパイプ３２の形状は、管状体となっている。また、ヒートパイプ３２の長手方向の形状は、直線状となっている。ヒートパイプ３２の内部空間は、外部環境に対して密閉されており、脱気処理により減圧されている。ヒートパイプ３２は、その長手方向に沿って熱を輸送する熱輸送体３０である。

図１～３に示すように、熱輸送体３０は、複数のヒートパイプ３２、３２、３２・・・で構成されている。図１～３では、説明の便宜上、一方の板状体１１の外面と他方の板状体１２の外面に、それぞれ、２つのヒートパイプ３２が設けられている。複数のヒートパイプ３２、３２、３２・・・は、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに沿って並列に配置されている。

熱輸送部材１０の受熱部４１、受熱部４１と放熱部４２の間に位置する熱輸送部材１０の断熱部４３には、熱輸送体３０は設けられていない。熱輸送体３０は熱輸送部材１０の放熱部４２にのみ設けられ、断熱部４３及び受熱部４１までは延在していない。

ヒートシンク１では、発熱体１００の熱は、受熱部４１から、断熱部４３を介して、放熱フィン群２０が熱的に接続された放熱部４２へ輸送される。放熱部４２へ輸送された熱は、コンテナ１９から熱輸送体３０であるヒートパイプ３２を介して放熱フィン２１へ伝達、またはコンテナ１９から直接放熱フィン２１へ伝達される。放熱フィン２１へ伝達された熱は、放熱フィン２１の熱交換作用によりヒートシンク１の外部環境へ放出される。

コンテナ１９の内部には、毛細管力を生じるウィック構造体（図示せず）が設けられている。ウィック構造体は、例えば、コンテナ１９の内面全体にわたって設けられている。ウィック構造体の毛細管力によって、熱輸送部材１０の放熱部４２にて気相から液相へ相変化した作動流体が、熱輸送部材１０の放熱部４２から断熱部４３を介して受熱部４１へ還流する。

ウィック構造体の種類としては、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、不織布、コンテナ１９の内面に形成されたグルーブ（複数の細溝）等、またはそれらを組み合わせたものを挙げることができる。

気相の作動流体は、蒸気流路（図示せず）によってコンテナ１９の内部を流通することができる。蒸気流路は、コンテナ１９の内部空間であり、コンテナ１９全体にわたって延在している。従って、気相の作動流体は、コンテナ１９全体にわたって流通可能となっている。また、蒸気流路には、必要に応じて、コンテナ１９の減圧処理されている内部空間を維持するために、支持部であるピラー（図示せず）を設けてもよい。ピラーとしては、特に限定されないが、液相の作動流体が還流するときの流路抵抗を低減するために、例えば、柱形状の金属部材（例えば、銅部材）の周囲にウィック構造体が被覆された複合材のピラー、柱形状である銅粉等の金属粉の焼結体等を挙げることができる。

コンテナ１９の材質としては、例えば、ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を挙げることができる。放熱フィン２１の材質としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料を挙げることができる。

コンテナ１９の内部空間に封入される作動流体としては、コンテナ１９の材質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る。

ヒートパイプ３２のコンテナの材質としては、熱輸送部材１０のコンテナ１９と同じく、例えば、ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を挙げることができる。ヒートパイプ３２のコンテナの内部空間に封入される作動流体としては、コンテナの材質との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、熱輸送部材１０と同じく、水を挙げることができる。すなわち、熱輸送体３０の作動流体の種類は、熱輸送部材１０の作動流体と同じ種類とすることができる。

また、ヒートシンク１は、必要に応じて、送風ファン（図示せず）により強制空冷されてもよい。送風ファンからの冷却風が、放熱フィン２１の主表面に沿って供給されることで、放熱フィン群２０の冷却機能が向上する。

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を熱的に接続する。熱輸送部材１０がコンテナ１９の一方端に位置する受熱部４１にて発熱体１００から受熱すると、熱輸送部材１０の受熱部４１において、発熱体１００からコンテナ１９の内部空間に封入されている液相の作動流体へ熱が伝達されて、液相の作動流体が気相の作動流体へと相変化する。液相から相変化した気相の作動流体は、蒸気流路を、熱輸送部材１０の受熱部４１から、熱輸送部材１０の中央部に位置する断熱部４３を通って、コンテナ１９の他方端に位置する放熱部４２へ流通する。気相の作動流体がコンテナ１９の一方端に位置する受熱部４１から断熱部４３を通ってコンテナ１９の他方端に位置する放熱部４２へ流通することで、発熱体１００からの熱が熱輸送部材１０の一方端から他方端へ輸送される。熱輸送部材１０の一方端から他方端へ流通した気相の作動流体は、熱輸送部材１０の放熱部４２に熱的に接続されている放熱フィン群２０の熱交換作用によって潜熱を放出して、気相から液相へ相変化する。作動流体から放出された潜熱は、熱輸送部材１０のコンテナ１９から放熱フィン群２０へ伝達される。コンテナ１９から放熱フィン群２０へ伝達された熱は、放熱フィン群２０からヒートシンク１の外部環境へ放出される。潜熱を放出して気相から液相へ相変化した作動流体は、コンテナ１９内部に設けられたウィック構造体の毛細管力により、熱輸送部材１０の放熱部４２から断熱部４３を通って受熱部４１へ還流する。

本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク１では、熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間の接続部３１に、作動流体が封入された内部空間を有する熱輸送体３０であるヒートパイプ３２が、別途、設けられていることにより、ヒートシンク１の環境温度が作動流体の融点より低温の時には、ヒートパイプ３２の作動流体が凍結する。従って、作動流体が凍結したヒートパイプ３２は断熱材として機能し、結果、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱が抑制される。ヒートシンク１の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温の時に、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱がヒートパイプ３２によって抑制されることにより、熱輸送部材１０の放熱部４２にて、熱輸送部材１０の液相の作動流体が凍結して固相の作動流体へ相変化することを防止する。このように、ヒートシンク１の環境温度が作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材１０の液相の作動流体が凍結することが防止されるので、熱輸送部材１０の作動流体が熱輸送部材１０の放熱部４２から受熱部４１へ還流して、熱輸送部材１０のドライアウトを防止できる。また、ヒートシンク１では、ヒートシンク１の環境温度が作動流体の融点より低温の時には、ヒートパイプ３２が断熱材として機能することから、熱輸送部材１０の作動流体が凍結することが抑制されている。このように、ヒートシンク１の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材１０の作動流体が凍結することが抑制されていることから、熱輸送部材１０の起動に要する時間を短縮化することができる。

また、ヒートシンク１の態様では、ヒートシンク１の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より高温（例えば、常温）の時には、ヒートパイプ３２の作動流体は凍結していないので、熱輸送部材１０の放熱部４２からヒートパイプ３２を介しての放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱が円滑化される。また、ヒートパイプ３２の熱輸送特性により、熱輸送部材１０の放熱部４２が全体にわたって均熱化されるので、放熱フィン２１（放熱フィン群２０）のフィン効率が向上して、ヒートシンク１は優れた冷却性能を発揮する。

上記から、ヒートシンク１の態様によれば、熱輸送部材１０の熱輸送特性を損なうことなく、ヒートシンク１の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトを防止でき、また、熱輸送部材１０を円滑に起動できる。

また、ヒートシンク１の態様によれば、熱輸送体３０であるヒートパイプ３２が熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）に熱的に接続されていることにより、ヒートシンク１の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温の時に、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱が確実に抑制されて、熱輸送部材１０の放熱部４２にて熱輸送部材１０の液相の作動流体が凍結することを確実に防止できる。また、ヒートシンク１の態様によれば、放熱フィン２１基部の両端部では、放熱フィン２１がコンテナ１９に接しているので、ヒートシンク１の環境温度が常温時においては、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱性がさらに向上する。

また、ヒートシンク１の態様によれば、熱輸送部材１０の内部空間が一体であることにより、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詳細を説明する。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な構成要素が共通しているので、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。図４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側面断面図である。

第１実施形態例に係るヒートシンク１では、熱輸送体３０であるヒートパイプ３２が接続部３１の一部領域に設けられていたが、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、熱輸送体３０であるヒートパイプ３２が接続部３１の全域に設けられている。

図４に示すように、ヒートシンク２では、ヒートパイプ３２は、熱輸送方向Ｈにおける放熱部４２の中央部と両端部に設けられている。上記から、ヒートシンク２では、熱輸送体３０は、ヒートシンク１よりも多い複数のヒートパイプ３２、３２、３２・・・で構成されている。図４では、説明の便宜上、一方の板状体１１の外面と他方の板状体１２の外面に、それぞれ、４つのヒートパイプ３２が設けられている。複数のヒートパイプ３２、３２、３２・・・は、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに沿って並列に配置されている。上記から、切り欠き部２２は、放熱フィン２１基部の中央部と両端部に設けられている。従って、放熱フィン２１基部の中央部と両端部で、放熱フィン２１がヒートパイプ３２に接している。

なお、ヒートシンク２でも、ヒートパイプ３２の長手方向の形状は直線状であり、熱輸送体３０であるヒートパイプ３２は、放熱部４２の幅方向の一端から他端にわたって、直線状に延在している。ヒートパイプ３２の一端は、放熱部４２の幅方向の一端に位置し、ヒートパイプ３２の他端は、放熱部４２の幅方向の他端に位置している。

ヒートシンク２の態様によれば、熱輸送体３０が熱輸送部材１０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間の接続部３１全域に設けられていることにより、ヒートシンク２の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温の時に、熱輸送体３０の断熱材としての機能がさらに向上する。従って、ヒートシンク２の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温の時に、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱抑制の効果がさらに向上して、熱輸送部材１０の放熱部４２にて熱輸送部材１０の液相の作動流体が凍結することをさらに確実に防止できる。

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詳細を説明する。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な構成要素が共通しているので、第１、第２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。図５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側面断面図である。図６は、本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクの熱輸送体と放熱フィン群の構造を説明する分解斜視図である。

第１、第２実施形態例に係るヒートシンク１、２では、熱輸送体３０であるヒートパイプ３２の長手方向の形状は直線状であったが、図５、６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、ヒートパイプ３２の一端３３が接続部３１に位置し、ヒートパイプ３２の他端３４が放熱フィン２１の先端上に位置している。熱輸送体３０であるヒートパイプ３２は、その長手方向中央部に曲げ部３５を有し、その長手方向の両端部（一端３３と他端３４）が直線状となっている。ヒートシンク３では、ヒートパイプ３２は、Ｕ字状となっている。

熱輸送体３０であるヒートパイプ３２は、ヒートパイプ３２の長手方向（伸び方向）中央部に曲げ部３５を有し、ヒートパイプ３２の直線状である一端３３が接続部３１に位置して放熱フィン２１基部と熱輸送部材１０に熱的に接続され、ヒートパイプ３２の直線状である他端３４が放熱フィン２１の先端に熱的に接続されている。ヒートパイプ３２の一端３３と他端３４は、複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・の配列方向に沿って延在し、放熱フィン群２０の長手方向全体にわたって放熱フィン群２０と熱的に接続されている。

ヒートシンク３では、ヒートシンク３の環境温度が常温の時には、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）基部への伝熱だけではなく、熱輸送体３０であるヒートパイプ３２の熱輸送特性によって、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）の先端へ熱輸送もされる。ヒートシンク３では、熱輸送部材１０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）の先端へ熱輸送もされることで、放熱フィン２１（放熱フィン群２０）のフィン効率が向上して、ヒートシンク３の冷却性能がさらに向上する。

次に、本発明の第４実施形態例に係るヒートシンクについて詳細を説明する。第４実施形態例に係るヒートシンクは、第１～第３実施形態例に係るヒートシンクと主要な構成要素が共通しているので、第１～第３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。図７は、本発明の第４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。

第１～第３実施形態例に係るヒートシンク１、２、３では、熱輸送部材１０は、コンテナ１９の形状が平面型であり、コンテナ１９の内部空間全体が一体となっているベーパーチャンバであったが、図７に示すように、第４実施形態例に係るヒートシンク４では、熱輸送部材１０は、複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・が並列に配置されたヒートパイプ群６０となっている。また、第１～第３実施形態例に係るヒートシンク１、２、３では、熱輸送体３０は複数のヒートパイプ３２、３２、３２・・・であったが、図７に示すように、第４実施形態例に係るヒートシンク４では、熱輸送体３０は、コンテナの形状が平面型であり、コンテナの内部空間全体が一体となっているベーパーチャンバ６２となっている。ベーパーチャンバ６２は、１つ設けられている。

図７に示すように、ヒートシンク４では、熱輸送部材１０は、複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・が並列に配置されたヒートパイプ群６０の構成なので、熱輸送部材１０としての内部空間は複数に分割された構成となっている。ヒートパイプ６１は、径方向と長手方向を有する管状体である。ヒートパイプ６１は、作動流体が封入された内部空間を有している部材であり、ヒートパイプ６１の内部空間は、脱気処理により減圧されている。上記内部構造から、ヒートパイプ６１は、熱輸送機能を備えた部材である。

熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０の受熱部４１と断熱部４３では、複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・がヒートパイプ６１の径方向に沿って並列に配置されている。一方で、熱輸送部材１０の放熱部４２は受熱部４１及び断熱部４３よりも拡幅されていることに対応して、熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０の放熱部４２では、ヒートパイプ６１がＬ字状に曲げられている。ヒートパイプ群６０の左側に位置するヒートパイプ６１は、放熱部４２にて左方向へ曲げられて放熱部４２を左方向へ延在している。ヒートパイプ群６０の右側に位置するヒートパイプ６１は、放熱部４２にて右方向へ曲げられて放熱部４２を右方向へ延在している。

図７に示すように、ヒートシンク４では、ヒートパイプ群６０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間の接続部に、熱輸送体３０であるベーパーチャンバ６２が設けられている。すなわち、ベーパーチャンバ６２は、ヒートパイプ群６０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間に介装されている。ベーパーチャンバ６２の形状は、板状である。ベーパーチャンバ６２は、ヒートパイプ群６０と放熱フィン群２０との間を、放熱フィン群２０の略全体にわたって面状に延在している。

また、ベーパーチャンバ６２は、作動流体が封入された内部空間を有している部材である。ベーパーチャンバ６２の内部空間は、脱気処理により減圧されている。上記内部構造から、ベーパーチャンバ６２も、熱輸送機能を備えた部材である。また、ベーパーチャンバ６２は、熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０とは別部材であり、ベーパーチャンバ６２の内部空間は、ヒートパイプ群６０の内部空間とは連通していない。

ヒートシンク４では、ヒートパイプ群６０と放熱フィン２１（放熱フィン群２０）との間の接続部に、面状に延在したベーパーチャンバ６２が、別途、設けられていることにより、ヒートシンク４の環境温度が作動流体の融点より低温の時には、ベーパーチャンバ６２の作動流体が凍結する。従って、作動流体が凍結したベーパーチャンバ６２は断熱材として機能し、結果、ヒートパイプ群６０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱が抑制される。ヒートシンク４の環境温度がヒートパイプ群６０の作動流体の融点より低温の時に、ヒートパイプ群６０の放熱部４２から放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱がベーパーチャンバ６２によって抑制されることにより、ヒートパイプ群６０の放熱部４２にて、ヒートパイプ群６０の液相の作動流体が凍結して固相の作動流体へ相変化することを防止する。このように、ヒートシンク４の環境温度がヒートパイプ群６０の作動流体の融点より低温であっても、ヒートパイプ群６０の液相の作動流体が凍結することが防止されるので、ヒートパイプ群６０の作動流体がヒートパイプ群６０の放熱部４２から受熱部４１へ還流して、ヒートパイプ群６０のドライアウトを防止できる。また、ヒートシンク４では、ヒートシンク４の環境温度がヒートパイプ群６０の作動流体の融点より低温の時には、面状に延在したベーパーチャンバ６２が断熱材として機能することから、ヒートパイプ群６０の作動流体が凍結することが抑制されている。このように、ヒートシンク４の環境温度がヒートパイプ群６０の作動流体の融点より低温であっても、ヒートパイプ群６０の作動流体が凍結することが抑制されていることから、ヒートパイプ群６０の起動に要する時間を短縮化することができる。

また、ヒートシンク４の態様では、ヒートシンク４の環境温度がヒートパイプ群６０の作動流体の融点より高温（例えば、常温）の時には、ベーパーチャンバ６２の作動流体は凍結していないので、ヒートパイプ群６０の放熱部４２からベーパーチャンバ６２を介しての放熱フィン２１（放熱フィン群２０）への伝熱が円滑化される。また、ベーパーチャンバ６２の熱輸送特性により、ヒートパイプ群６０の放熱部４２が全体にわたって均熱化されるので、放熱フィン２１（放熱フィン群２０）のフィン効率が向上して、ヒートシンク４は優れた冷却性能を発揮する。

上記から、ヒートシンク４でも、熱輸送部材１０の熱輸送特性を損なうことなく、ヒートシンク４の環境温度が熱輸送部材１０の作動流体の融点より低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトを防止でき、また、熱輸送部材１０を円滑に起動できる。また、ヒートシンク４では、熱輸送部材１０が複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・が並列に配置されたヒートパイプ群６０であることにより、熱輸送部材１０としての熱輸送特性がさらに確実に向上する。

次に、本発明の他の実施形態例について説明する。上記各実施形態例のヒートシンクでは、コンテナの両面に放熱フィンが立設されていたが、コンテナのいずれか一方の面にのみ放熱フィンが立設されている態様でもよい。また、上記第１～第３実施形態例のヒートシンクでは、熱輸送体は管状体である複数のヒートパイプであったが、これに代えて、平面型であるベーパーチャンバを１つ設けてもよい。また、上記第４実施形態例のヒートシンクでは、熱輸送体として平面型であるベーパーチャンバを１つ設けていたが、これに代えて、管状体である複数のヒートパイプを設けてもよい。

本発明のヒートシンクは、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であってもドライアウトを防止することができるので、特に、低温環境下に設置された電子部品等の発熱体を冷却する分野で利用価値が高い。

１、２、３、４ ヒートシンク
１０ 熱輸送部材
２０ 放熱フィン群
２１ 放熱フィン
３０ 熱輸送体
３１ 接続部
４１ 受熱部
４２ 放熱部
４３ 断熱部

Claims (9)

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、前記熱輸送部材の放熱部にて熱的に接続された、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放熱部まで連通し、且つ作動流体が封入された内部空間を有し、
   前記熱輸送部材と前記放熱フィンとの間の接続部に、作動流体が封入された内部空間を有する熱輸送体が設けられているヒートシンク。
2. 前記熱輸送体が、前記熱輸送部材と前記放熱フィンに熱的に接続されている請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記熱輸送体が、ヒートパイプまたはベーパーチャンバである請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記熱輸送体が、前記接続部の全域に設けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記熱輸送体が、前記熱輸送体の伸び方向中央部に曲げ部を有し、前記熱輸送体の一端が前記接続部に位置し、前記熱輸送体の他端が前記放熱フィンの先端に熱的に接続されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記熱輸送体が、前記受熱部、及び前記受熱部と前記放熱部の間に位置する前記熱輸送部材の断熱部に設けられていない請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. 前記熱輸送部材の内部空間が、一体である請求項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、複数のヒートパイプが並列に配置されたヒートパイプ群である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
9. 前記熱輸送部材の前記放熱部が、前記受熱部よりも拡幅されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
   

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