JP3843240B2 - フィン付きヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄板状の多数のフィンを介して熱放散させることにより冷却をおこなうヒートシンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報処理装置の主要部分を構成する電子部品の高集積化が進み、ＬＳＩやＶＬＳＩが多用されている。このような電子部品の高集積化は、単位素子の小型化により実現されているため、集積度が向上するのに比例して単位体積当たりの発熱量も増大する。したがって、高温化することによる電子部品の誤動作や破損などを回避するために、電子部品からより効果的に放熱させてこれを冷却することが求められている。
【０００３】
従来、電子部品の形状および電子部品を配置しているケースの内部空間に応じてさまざまな構造のヒートシンクが使用されている。例えば、金属ベースの上に金属製の板状あるいは軸状のフィンを立設させた構造のヒートシンクや、薄い金属板あるいは金属テープを九十九折りしたフォールデッドフィンを、金属板や平板型ヒートパイプに固着したヒートシンクなどが知られている。さらに、ヒートパイプを放熱のための手段および放熱フィンへの熱輸送のための手段として使用したヒートシンクが、従来、知られている。
【０００４】
ヒートパイプを使用したヒートシンクの一例がタワー型のヒートシンクであり、その一例が米国特許第５，４１２，５３５号明細書に記載されている。その構造を簡単に説明すると、ベース板の下面に電子部品が接合され、そのベース板の上面に、上端部が密閉されたチューブの開口した下端部が、密閉状態に取り付けられている。このチューブがヒートパイプ用のコンテナであり、その内部に脱気した状態で作動流体が封入されて、そのチューブがヒートパイプ化されている。
【０００５】
また、前記チューブの下端側の開口部は、開口径が増大するように拡張されており、その拡張部分の端部が、前記ベース板に形成された凹部に嵌合させられている。すなわちこの部分がインローになっている。そして、このようにして形成されたヒートパイプの内面全体にウイックが設けられている。
【０００６】
さらに、前記チューブの外周の全体には、その軸線方向に配列した多数のフィンが取り付けられている。そのフィンは、接着やロー付けなどの方法でチューブに固定される以外に、チューブをマンドレルや流体圧で拡張させ、その加圧力でフィンを保持することが好ましい、とされている。
【０００７】
したがって上記従来のタワー型のヒートパイプ式ヒートシンクでは、ベース板に接合された電子部品の熱が、ベース板から直接、ヒートパイプの作動流体に伝達され、その結果、作動流体が蒸発し、その上記が密閉された一端側に流動する。したがって、電子部品とヒートパイプとの間の熱抵抗が小さくなっている。そして、その作動流体蒸気がチューブの内面に接触して熱をチューブおよびフィンに伝達して凝縮する。すなわち、作動流体がその潜熱によって熱を輸送する。
【０００８】
こうして運ばれた熱は、フィンから外気に放散させられるので、結局、前記電子部品が間接的に空冷される。なお、凝縮した作動流体は、前記ウイックを介してベース板側に還流し、再度、蒸発して熱を輸送する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した構成のヒートシンクでは、電子部品で発生した熱が、ベース部に伝達され、そのベース部からヒートパイプを介して各フィンに熱が伝達され、さらにそのフィンから周囲の大気に放熱して電子部品などの所定の対象物が冷却される。このような熱源である電子部品と冷却媒体である大気との間の熱伝達経路を構成するベース部やヒートパイプおよびフィンは、それぞれ熱伝導率が高いことが好ましく、さらに熱容量の小さいことが好ましい。
【００１０】
したがってフィンは、強度の点での不都合が生じない範囲で薄くすることが望まれる。このようにすれば、フィンの設置枚数を多くして放熱面積を広くすることができ、同時にヒートシンクを軽量化することができる。
【００１１】
上述したヒートシンクにおけるフィンは、要は、前記ヒートパイプの放熱面積を拡大するためのものであるから、ヒートパイプに対する嵌合固着部分からその半径方向で外側に大きく張り出した構造となる。そして、この嵌合固着部分から外周端部までの長さが長いほど、放熱面積が大きくなる。その反面、各フィンは、構造上、いわゆる片持ち梁と同様の構造となり、曲げ剛性が低くなる。
【００１２】
そのため、強制冷却するべく上記のヒートシンクに向けて送風した場合は、その風圧やフィン同士の間で生じる乱流による圧力などによってフィンが振動する。また、上記のヒートシンクを固定している基板やフレームなどに、送風ファンのモータやその他の用途のためのモータなどの駆動部品が取り付けられている場合には、フィンがその駆動部品に共振して騒音が拡大される可能性がある。特に各フィンが靱性のある薄い材料で構成され、かつヒートパイプから大きく張り出している場合には、騒音として感知されやすい低中周波数の音が大きくなって騒音源となってしまう可能性がある。
【００１３】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであって、騒音の発生要因とならないように構成したフィン付きヒートシンクを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段およびその作用】
この発明は、上記の目的を達成するために、フィン同士をその一部で連結してフィンの曲げ荷重に対する剛性を高くしたことを特徴とするものである。より具体的には、請求項１の発明は、薄板状の多数のフィンが、軸状もしくは管状の高温部に、該高温部から半径方向に突出し、かつ互いに所定の間隔をあけて平行に取り付けられたフィン付きヒートシンクにおいて、前記フィンが多角形をなす平板体であるとともに、前記フィンにおける所定の対角線上に位置する端部が折り曲げられて各フィンが互いに連結され、前記平板体の平板部分の内周部を所定の幅に亘って伝熱管の軸線方向に曲げて筒状部が形成され、その筒状部と平板部分とを繋いでいる部分が、筒状部の先端方向に対して反対方向に凸となるように湾曲されていることを特徴とするものである。
【００１５】
したがって請求項１の発明では、高温部からこれに取り付けられている多数のフィンに熱が伝達され、さらにそのフィンから放熱される。そのフィンの少なくともいずれかは、高温部に対する取り付け部分から離れた箇所で互いに連結されている。そのため、これらのフィンは、高温部を介して連結されるとともに、これとは離れた箇所で連結されているので、いわゆる骨組み構造を構成している。その結果、これらのフィンの曲げ荷重に対する強度が高くなるので、振動しにくく、特に低中周波数での振動を生じにくいので、ヒートシンクが要因となった騒音が防止もしくは低減される。
【００１７】
さらに、請求項１の発明では、高温部から最も離れた箇所でフィン同士が連結されるので、これらのフィンの曲げに対する強度が高くなって、更に振動しにくくなる。
【００１８】
さらに、請求項２の発明は、請求項１の構成において、前記高温部が、蒸発および凝縮を伴って流動する作動流体によって熱を輸送するヒートパイプ構造の伝熱管によって構成されていることを特徴とするフィン付きヒートシンクである。
【００１９】
したがって請求項２の発明では、請求項１の発明と同様の作用を生じることに加え、伝熱管での熱の移動が、作動流体の潜熱としておこなわれるので、フィンに対する熱の移動が促進されて、放熱効率が向上する。
【００２０】
そして、請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、前記伝熱管の一端部が、電子部品が熱伝達可能に取り付けられるベース部に連結されていることを特徴とするフィン付きヒートシンクである。
【００２１】
したがって請求項３の発明では、請求項１または２の発明と同様の作用を生じることに加えて、電子部品で発生した熱が、ベース部およびこれに取り付けてある伝熱管を介してフィンに伝達され、そのフィンから放熱される。その電子部品をより積極的に冷却するために、フィンに向けて送風しても、いずれかのフィン同士が、伝熱管から離れた箇所で連結されていて、それらのフィンの曲げに対する強度が高くなっているので、それらのフィンが風圧や乱流による圧力などで振動することがなく、騒音が防止もしくは抑制される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図に示す具体例を参照して説明する。図１ないし図３に示す例は、ＬＳＩなどの電子部品１を冷却するように構成した例であり、図１はその全体的な構成を示す斜視図であり、図２はその縦断面図である。図２において、発熱部材に相当する電子部品１を熱授受可能に接触させるベース部２が、アルミニウムや銅もしくはその合金などの熱伝導性の良好な金属によって平板状に形成されている。
【００２３】
そのベース部２の下面が電子部品１を接触もしくは接合させる面とされており、そのベース部２の上面に、軸長の短い筒状の保持部材であるハブ３が立設されている。このハブ３は、ベース部２と同様の金属からなり、ロー付けなどの手段で、ベース部２の上面に気密状態に接合されている。
【００２４】
また、ハブ３の内部に、薄肉のパイプ状を成すヒートパイプコンテナ４が密着した状態に嵌合されている。このヒートパイプコンテナ４は、その先端部（図での下端部）をベース部２の上面に突き当てた状態で、ベース部２およびハブ３に対してロー付けなどの手段で気密状態に接合されている。
【００２５】
また、ヒートパイプコンテナ４の他方の端部（図での上端部）には、端板５が気密状態に嵌合して取り付けられ、この端板５によってヒートパイプコンテナ４の上端部が密閉されている。この端板５には、細いパイプ状のノズル６が貫通して取り付けられている。そして、このノズル６は、端板５の外面（図での上面）に沿う方向に湾曲されられており、その状態でシリコンゴムなどの合成ゴムからなる保護材７を端板５の上面に充填することにより、その保護材７の内部に埋め込まれている。
【００２６】
上記のベース部２の上面のうち、ヒートパイプコンテナ４の内部に位置する部分には、毛細管圧力を生じさせるためのウイック材８が設けられている。このウイック材８は、一例として多孔質材であり、銅粉末などの粉末材料をベース部２の上面に溶射して形成され、あるいはその粉末材料をシート状もしくは薄板状に焼結させるとともに、ベース部２の上面に接着もしくは焼結させて設けられている。
【００２７】
これに対してヒートパイプコンテナ４の内周面には、凹凸状のウイック材９が形成されている。これは、銅粉末などの粉末材料を焼結したシート状もしくは薄肉筒状の部材をヒートパイプコンテナ４の内周面に接合して形成し、あるいはヒートパイプコンテナ４の内周面に粉末材料を溶射して形成し、さらにはヒートパイプコンテナ４の内周面にブラスト加工を施すことによって形成されている。
【００２８】
そして、上記のヒートパイプコンテナ４の内部は、前記ノズル６を介して脱気した後、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体１０として封入されてヒートパイプ化されている。すなわち、ヒートパイプ１１が構成されている。
【００２９】
上記のヒートパイプ１１の外周面、すなわちヒートパイプコンテナ４および前記ハブ３の外周面に、放熱のための多数のフィン１２が設けられている。このフィン１２は、アルミニウムあるいはその合金などの金属からなる環状をなす薄板状の部材であり、ヒートパイプコンテナ４およびハブ３に嵌合させることにより、これらに取り付けられている。
【００３０】
フィン１２の一例を図３に示してある。ここに示すフィン１２は、全体として多角形をなす平板体であって、その所定の対角線上に位置する端部（すなわち外周端部の一部）が、ほぼ直角に折り曲げられており、その折り曲げた部分が連結片１２ａとなっている。また、中心部分には、上記のヒートパイプ１１に嵌合させるための取付孔１２ｂが形成されている。その連結片１２ａの高さは、フィン１２の配列ピッチとほぼ同じに設定されている。
【００３１】
したがって図１および図２に示すように、各フィン１２は、ヒートパイプ１１に嵌合させられた状態では、各々の連結片１２ａが隣接するフィン１２に接触しており、この状態でハンダ付けあるいはカシメなどの適宜の手段で連結片１２ａが隣接するフィン１２に固定されている。すなわち、各フィン１２が各々の連結片１２ａによって互いに連結されている。
【００３２】
その結果、各フィン１２は、その中心部分がヒートパイプ１１を介して互いに連結されるとともに、その外周端部の一部が連結片１２ａを介して連結されているので、構造上は、骨組み構造と同様の構造を構成している。そのため、曲げ荷重に対する強度が高く、振動を生じにくい構造となっている。
【００３３】
ここで、フィン１２のヒートパイプ１１に対する取付構造をより具体的に説明すると、各フィン１２の内周部には、弾性嵌合部１３が形成されている。この弾性嵌合部１３は、ヒートパイプコンテナ４あるいはハブ３を締め付ける弾性力を生じる部分であって、平板部分の内周部を所定の幅に亘って軸線方向に曲げて、筒状部が形成され、その筒状部と平板部分とを繋いでいる部分が、筒状部の先端方向に対して反対方向に凸となるように湾曲されて湾曲部として形成されている。
【００３４】
したがってその湾曲部の曲率が弾性的に変化することにより、筒状部に半径方向の弾性力が生じるようになっている。なお、弾性嵌合部に荷重の作用していないいわゆる自由状態での筒状部の最小内径は、前記ヒートパイプコンテナ４の外径およびハブ３の外径より小さくなっている。
【００３５】
したがって各フィン１２は、ヒートパイプコンテナ４およびハブ３に対して相対的に軸線方向に移動させることにより嵌合させることができ、その場合、弾性嵌合部１３が弾性的に変形して、ヒートパイプコンテナ４およびハブ３を外周側から締め付ける弾性力が生じ、その弾性力によってヒートパイプコンテナ４およびハブ３に対して固定される。
【００３６】
このように、上記のフィン１２の構造では、ヒートパイプコンテナ４およびハブ３に対する取り付け作業を容易におこなうことができる。また、フィン１２は弾性力によってヒートパイプコンテナ４およびハブ３に対して密着するので、これらの間の熱抵抗が小さくなる。なお、フィン１２は、接着や溶着などの手段で積極的に固定してもよい。
【００３７】
上記のヒートシンクでは、ベース部２の下面に接触させた電子部品１に通電してこれを動作させると、電子部品１が不可避的に発熱する。その熱が、ベース部２の上面に設けてあるウイック材８およびこれに保持されている作動流体１０に伝達され、その作動流体１０が蒸発する。
【００３８】
その場合、電子部品１と作動流体１０の間には、ベース部２のみが介在し、それ以上の部材が介在しないので、両者の間の熱抵抗が小さくなる。その結果、電子部品１の熱が効率よく作動流体１０に伝達される。言い換えれば、電子部品１を効率良く冷却することができる。
【００３９】
また、ベース部２には前記ハブ３が一体化されているので、電子部品１の熱は、ベース部２からハブ３を介してヒートパイプ１１に伝達される。すなわち、ヒートパイプコンテナ４のうちハブ３に嵌合している部分およびその近傍で作動流体１０の熱が伝達され、この部分がいわゆる蒸発部になる。したがって、作動流体１０に対する熱の伝達が、ベース部２の上面とヒートパイプコンテナ４の下端部の内周面とで生じ、作動流体１０に対する熱伝達面積が広くなるから、この点でも電子部品１を効率良く冷却することができる。
【００４０】
また、上記のヒートシンクでは、ベース部２の上面にハブ３を一体に接合し、かつそのハブ３にヒートパイプコンテナ４を密着させて嵌合させるとともに接合することにより、ヒートパイプコンテナ４を気密状態に封止できる。したがってハブ３やヒートパイプコンテナ４は単純なパイプ状の部材であればよいので、容易に製造することができる。
【００４１】
さらに、強制空冷する場合には、フィン１２の面と平行な方向すなわち図では水平方向に送風する。その場合、各フィン１２に風圧が作用し、またフィン１２同士の間の空間部分を冷却風が通過する際に乱流が生じ、それに伴う圧力がフィン１２に作用することがある。
【００４２】
さらに、電子部品１が所定の図示しない基板に取り付けられている場合には、上記のヒートシンクもその基板に連結されることがある。その場合、冷却用のファン（図示せず）が基板に取り付けられていれば、そのファンが回転することによる振動がヒートシンクに伝達されることがある。
【００４３】
このような圧力あるいは振動がフィン１２に作用した場合、上記のフィン１２はその外周端部の一部で互いに連結されていて変形もしくは変位しにくくなっているので、フィン１２の振動もしくは共振が防止もしくは抑制される。その結果、ヒートシンクが要因となって騒音が生じることが可及的に回避される。
【００４４】
なお、この発明は上記の具体例に限定されない。すなわち、この発明における高温部は、上述したいわゆるベーパーチャンバー型のヒートパイプに限られないのであって、例えば図４に示すように、ベース部２に立設された複数のヒートパイプ１１Ａであってもよい。あるいは高温流体が流通する管路であってもよい。
【００４５】
また、この発明のヒートシンクでは、多数設けられているフィンのうちのいずれかが互いに連結されていればよいのであり、その連結位置は、要は、高温部から離れた箇所であればよく、外周端部に限られない。また、上記の具体例で示したように、板厚方向に連続した状態に連結する必要は特にないのであり、連結位置はフィン毎に任意であってよい。さらに、連結のための手段は、上述した連結片に限られないのであって、フィンに貫通させた軸状の部材など適宜でよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、高温部からこれに取り付けられている多数のフィンに熱が伝達され、さらにそのフィンから放熱され、そのフィンの少なくともいずれかが、高温部に対する取り付け部分から離れた箇所で互いに連結されている。そのため、これらのフィンは、高温部を介して連結されるとともに、これとは離れた箇所で連結されているので、いわゆる骨組み構造を構成し、その結果、これらのフィンの曲げ荷重に対する強度が高くなるので、振動しにくく、特に低中周波数での振動を生じにくいので、ヒートシンクが要因となった騒音を防止もしくは低減することができる。ひいては、パソコンなどの電子機器を静寂なものとすることができる。
【００４７】
また、請求項１の発明によれば、高温部から最も離れた箇所でフィン同士が連結されるので、これらのフィンの曲げに対する強度が高くなって、更に振動しにくくなり、騒音の防止もしくは抑制効果を向上させることができる。
【００４８】
さらに、請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果を得られることに加え、伝熱管での熱の移動が、作動流体の潜熱としておこなわれるので、フィンに対する熱の移動が促進され、その結果、放熱効率を向上させることができる。
【００４９】
そして、請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明と同様の効果を得られることに加え、電子部品をより積極的に冷却するために、フィンに向けて送風しても、いずれかのフィン同士が、伝熱管から離れた箇所で連結されていて、それらのフィンの曲げに対する強度が高くなっているので、それらのフィンが風圧や乱流による圧力などで振動することがなく、その結果、騒音を効果的に防止もしくは抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一例を示す斜視図である。
【図２】 その縦断面図である。
【図３】 そのフィンの一つを示す概略的な斜視図である。
【図４】 この発明の他の例を示す側面図である。
【符号の説明】
１…電子部品、 ２…ベース部、 １０…作動流体、 １１…ヒートパイプ、
１２…フィン、 １２ａ…連結片。

Claims (3)

1. 薄板状の多数のフィンが、軸状もしくは管状の高温部に、該高温部から半径方向に突出し、かつ互いに所定の間隔をあけて平行に取り付けられたフィン付きヒートシンクにおいて、
   前記フィンが多角形をなす平板体であるとともに、前記フィンにおける所定の対角線上に位置する端部が折り曲げられて各フィンが互いに連結され、前記平板体の平板部分の内周部を所定の幅に亘って伝熱管の軸線方向に曲げて筒状部が形成され、その筒状部と平板部分とを繋いでいる部分が、筒状部の先端方向に対して反対方向に凸となるように湾曲されていることを特徴とするフィン付きヒートシンク。
2. 前記高温部が、蒸発および凝縮を伴って流動する作動流体によって熱を輸送するヒートパイプ構造の伝熱管によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィン付きヒートシンク。
3. 前記伝熱管の一端部が、電子部品が熱伝達可能に取り付けられるベース部に連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィン付きヒートシンク。

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