JP4297301B2 - ヒートパイプサーマルコネクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートパイプと被冷却部品とを接続するためのヒートパイプサーマルコネクタ、特に、マイクロヒートパイプと被冷却部品とを着脱自在に接続するためのマイクロヒートパイプサーマルコネクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクス機器は、マイクロプロセッサ等の高出力、高集積の部品を内蔵している。マイクロプロセッサは、集積度が極めて高くなり、高速で情報の演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する。高出力かつ高集積の部品であるチップ等を冷却するために、冷却システムとして、ヒートパイプが使用される。
【０００３】
ヒートパイプによって発熱部品である被冷却部品の熱を所定の位置まで移動して、冷却するときに、ヒートパイプと被冷却部品とを接続するヒートパイプサーマルコネクタが使用される。ヒートパイプサーマルコネクタを介して、被冷却部品が発する熱が、ヒートパイプに伝達され、ヒートパイプによってフィン等の放熱板が設置された場所に熱が移動され、冷却される。
【０００４】
ヒートパイプおよびヒートパイプサーマルコネクタを使用する冷却システムは、デスクトップパソコン、ノートブックパソコン等において適用され、ＣＰＵ等の発熱を筐体内の所要の位置に移動して冷却する。その他、通信基地局用機器、通信交換機、サーバ、光通信用等基板を使用する広い分野において、ヒートパイプおよびヒートパイプサーマルコネクタを使用する冷却システムが使用されている。
【０００５】
ヒートパイプには、その形状において、丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状のヒートパイプがある。基板に搭載された被冷却部品としてのＣＰＵ等を、ヒートパイプサーマルコネクタを使用して冷却するためには、所要の場所に熱を移動することが容易であることから、丸パイプ形状のマイクロヒートパイプが好んで用いられる。
【０００６】
ヒートパイプは、被冷却部品の取り付け位置において、被冷却部品が上部に位置するトップヒートモードと被冷却部品が下部に位置するボトムヒートモードに区分される。携帯用のノートパソコン等においては、トップヒートモードにおいても、効率的に熱移動が行われるように、通常ウイックが用いられる。
【０００７】
ヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。
【０００８】
発熱部品と直接接触する伝熱性材に伝わった熱は、サーマルコネクタを介して、密封された空洞部を備え、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の移動が行われるヒートパイプの吸熱側に伝わる。ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた熱により、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側に移動（還流）する。このような作動流体の相変態や移動によって熱の移動が行われる。
【０００９】
ヒートパイプにおいては、相変態によって液相状態になった作動流体は、重力または毛細管作用等によって、吸熱側に移動（還流）する。
【００１０】
図４に従来のヒートパイプサーマルコネクタが使用されたヒートパイプを使用する冷却システムを示す。図４において、基板１０１に搭載された発熱部品であるＣＰＵの上に伝熱性部材１０２が密着接触して、発熱部品の熱が伝熱性部材に熱移動する。伝熱性部材１０２の中央部にはヒートパイプ１０３の端部が金属板等によって着脱不能に伝熱性部材に固定されている。
【００１１】
図４において、上述したように、発熱部品から伝熱性部材に移動した熱は、ヒートパイプの端部（吸熱側）にその材質中を伝わって伝達され、ヒートパイプの空洞部に収容された作動流体を気化し、気化された蒸気流は、ヒートパイプ内を上方に移動する。筐体１０５内の上部には、ヒートパイプに放熱フィン１０４が取り付けられており、蒸気流は、そこで、放熱フィンによって冷却されて再び液相状態に戻る。液相状態に戻った作動流体は、ヒートパイプ内を重力の作用およびウイックの作用によって、伝熱性部材に固定されたヒートパイプの吸熱側端部に環流する。
【００１２】
従来のヒートパイプサーマルコネクタにおいては、ヒートパイプと伝熱性部材との間の熱抵抗を小さくするために、上述したように、ヒートパイプの端部を金属板等によって着脱不能に伝熱性部材に堅固に固定されている。更に、ヒートパイプの端部を伝熱性部材に堅固に固定することによって、基板との相対的な位置を維持する（即ち、位置決めを行う）ことが容易である。
【００１３】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、従来のヒートパイプサーマルコネクタには、下記の問題点がある。
即ち、図４にも示すように、技術の進展に伴って、基板の使用範囲が格段に広がり、複数の基板を並列または直列に配置する等、基板の使用形態が多様化してきている。従って、配置された複数の基板の何れかが故障したとき、故障した基板を筐体から取り出し、新しい基板と交換する必要がある。交換に際して、伝熱性部材からヒートパイプを取り外そうとすると、伝熱部材に堅固に固定されたヒートパイプの端部は、変形している場合が多く、容易に取り外せないという問題点があった。
【００１４】
更に、基板の作動チェックを必要とする場合も多くなり、ヒートパイプサーマルコネクタを基板から取り外す必要がある。従って、作動チェックの必要が生じたときに、伝熱性部材を発熱部品から容易に取り外すことができない
という問題があった。更に、作動チェックの結果、交換が必要になったときには、上述したと同様に、伝熱性部材からヒートパイプを、容易に取り外せないという問題点があった。
【００１５】
取り外しを容易にするために、伝熱性部材とヒートパイプとの間の熱抵抗を小さく維持しつつ、着脱可能に伝熱性部材とヒートパイプを接続するために、伝熱性部材およびヒートパイプにそれぞれネジを形成して、ヒートパイプを回転させて、伝熱性部材にネジ止めする方法も考えられたが、ヒートパイプおよびそれに取り付けられているフィン等を回転させなければならないので、特定の場所以外において使用することが困難であった。
【００１６】
従って、この発明の目的は、熱抵抗を増加させることなく、ヒートパイプと被冷却とを着脱可能に接続することができるヒートパイプサーマルコネクタを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、被冷却部品の発熱部に着脱可能に取り付けるための取付部と、ヒートパイプの端部を収容するための収容部とを有する熱伝導性ブロック本体、および、ヒートパイプの端部を、収容部に押圧して、端部を着脱可能に密着挟持する挟持部材とを備えたヒートパイプサーマルコネクタを使用することによって、熱抵抗を増加させることなく、ヒートパイプと被冷却部品とを着脱可能に接続することができることを知見した。
【００１８】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第1の態様は、被冷却部品の発熱部に着脱可能に取り付けるための取付部、および、ヒートパイプの少なくとも一部を収容するための収容部を有する熱伝導性ブロック本体と、前記ヒートパイプの前記一部を、前記収容部に押圧して、前記一部を着脱可能に密着挟持する挟持部材と、を備えた、ヒートパイプと熱伝導性ブロック本体とを着脱可能に接続するためのヒートパイプサーマルコネクタであって、前記収容部は、ヒートパイプの前記収容部との接触部分とほぼ同一形状の面を有しており、そして、前記挟持部材が係合するための開口部を有していることを特徴とする、ヒートパイプサーマルコネクタである。
【００１９】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第２の態様は、前記収容部の前端部に前記ヒートパイプを受け入れるための受入部を更に備えていることを特徴とするものである。
【００２０】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第３の態様は、前記受入部は円錐形状の受入部からなっていることを特徴とするものである。
【００２１】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第４の態様は、前記収容部は、ヒートパイプの前記収容部との接触部分とほぼ同一形状の面を有しており、そして、前記挟持部材が係合するための開口部を有していることを特徴とするものである。
【００２２】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第５の態様は、前記挟持部材は、弾性部材からなっており、前記ヒートパイプを、前記弾性部材の弾性力によって前記収容部に密着挟持し、もって、前記収容部と前記ヒートパイプの間の熱抵抗を小さくすることを特徴とするものである。
【００２３】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第６の態様は、前記弾性部材は形状記憶合金からなっており、前記弾性部材は所定の温度において、前記ヒートパイプを前記収容部に密着挟持することを特徴とするものである。
【００２４】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第７の態様は、前記取付部がワンタッチ式で前記発熱部に取り付けられる部材を備えていることを特徴とするものである。
【００２５】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第８の態様は、前記ヒートパイプの前記端部がワンタッチ式で前記収容部に着脱可能に挟持されることを特徴とするものである。
【００２６】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第９の態様は、前記挟持部材は、弾性部材からなっており、前記弾性部材は、前記収容部の少なくとも一方の側面に係止または固定されることを特徴とするものである。
【００２７】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第1０の態様は、前記挟持部材は、弾性部材からなっており、前記弾性部材は、前記ヒートパイプを前記収容部に押圧するための平面部と、前記収容部の両側に嵌合固定される係合部とを備えていることを特徴とするものである。
【００２８】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第1１の態様は、前記ヒートパイプを所定の位置に導くためのガイド部を更に備えていることを特徴とするものである。
【００２９】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタの第1２の態様は、前記ヒートパイプがマイクロヒートパイプからなっていることを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明のヒートパイプサーマルコネクタの態様について図を参照しながら詳細に説明する。
図１および図２は、この発明のヒートパイプサーマルコネクタの１つの態様を示す概略斜視図である。図２においては、ヒートパイプの端部を、収容部に押圧して、ヒートパイプの端部を着脱可能に密着挟持する挟持部材が、熱伝導性ブロック本体から取り外された状態が示されている。
【００３１】
図１および図２に示すように、この発明のヒートパイプサーマルコネク１は、ヒートパイプと被冷却部品とを着脱可能に接続するためのものであって、被冷却部品の発熱部１０に着脱可能に取り付けるための取付部１１と、ヒートパイプ７の端部を収容するための収容部５とを有する熱伝導性ブロック本体２と、そして、ヒートパイプ７の端部を、収容部５に押圧して、端部を着脱可能に密着挟持する挟持部材４とを備えている。
【００３２】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタ１には、収容部５の前端部にヒートパイプ７を受け入れるための受入部３を更に備えていてもよい。
更に、この発明のヒートパイプサーマルコネクタ１において、上述した受入部３は、図１に示すように、円錐形状の受入部からなっていてもよい。このように円錐形状の受入部を用いると、収容部５へのヒートパイプ７端部を容易に収容することができる。
【００３３】
この発明のヒートパイプサーマルコネクタ１において、上述した収容部５は、ヒートパイプ７の外側面とほぼ同一形状の面を有していると、弾性部材の挟持部で押圧するだけで、密着接触し、収容部５とヒートパイプの間の熱抵抗を小さくすることができる。ヒートパイプ７の多くの外観は丸棒形状であるため、前述の収容部５はヒートパイプの外側面の曲率とほぼ同一曲率の面を有していれば、ヒートパイプ７と収容部５の間の熱抵抗を小さくすることができる。更に、収容部の中央部には、上述した挟持部材が係合するための開口部が設けられていてもよい。更に、この発明においては、収容部の中央部だけでなく、収容部の全体にわたって開口していてもよい。
【００３４】
更に、この発明のヒートパイプサーマルコネクタ１においては、挟持部材４は、弾性部材からなっており、ヒートパイプ７の端部を、弾性部材の弾性力によって収容部５に密着挟持してもよい。その結果、収容部５とヒートパイプ７の間の熱抵抗を更に小さくすることができる。
【００３５】
上述した弾性部材は形状記憶合金からなっていてもよい。形状合金からなる弾性部材を使用すると、熱伝導性ブロック本体が所定の温度になると、ヒートパイプ７が収容部５に収容された状態のままで、挟持部材４は、所定の形状になり、ヒートパイプ７の端部を収容部５に密着挟持する。更に、熱伝導性ブロック本体の温度が低下すると、挟持部材４は、元の形状に戻り、ヒートパイプの着脱が容易になる。
【００３６】
更に、上述した取付部１１が、ワンタッチ式で発熱部１０に取り付けられる、例えば、バネ等からなる部材を備えていてもよい。その際には、取付部１１と発熱部１０との間の熱抵抗を小さくする。その結果、小さい熱抵抗を維持しながら、発熱部と熱伝導性ブロック本体とをワンタッチで着脱することができる。
【００３７】
更に、この発明において、好ましくは、ヒートパイプ７の端部がワンタッチ式で収容部５に着脱可能に挟持される。
更に、この発明において、挟持部材は、上述したように弾性部材からなっており、そして、弾性部材は、収容部の一方の側面または両側面にクリップ式に固定される形態からなっていてもよい。
【００３８】
即ち、収容部の両側面には、係合溝が設けられ、そして、弾性部材からなる挟持部材４は、ヒートパイプ７の端部を収容部５に押圧するための平面部と、収容部の両側に設けられた係合溝と嵌合される係合部とを備えていてもよい。その結果、弾性部材からなる平面部によって、ヒートパイプ７の端部が収容部５に押圧されて、密着接触し、係合部によって収容部の係合溝６と嵌合固定される。しかも、挟持部材４は弾性部材からなっているので、ヒートパイプと収容部との間の熱抵抗を小さく維持し、更に、ヒートパイプを変形させることなく、容易に着脱することができる。
【００３９】
図３は、基板に取り付けられたこの発明のヒートパイプサーマルコネクタの使用形態の一例を概略示す図である。図３に示すように、この発明のヒートパイプサーマルコネクタ１は、基板１０１に配置されているマイクロプロセッサユニット（MＰＵ）等の発熱部品１０上に、着脱可能に密着接続されている。ヒートパイプサーマルコネクタ１には、マイクロヒートパイプの先端部を受け入れる受入部３が設けられ、受入部は円錐形状の部分を有している。更に、図示されない収容部の上に弾性部材からなる挟持部４が取り付けられている。
【００４０】
更に、基板１０１には、マイクロヒートパイプを誘導するガイド９が備えられている。図３に示すように、他端に放熱用フィン８が取り付けられたマイクロヒートパイプ７は、ガイド９に従って、基板１０１に向って前進して、マイクロヒートパイプ７の端部が、ヒートパイプサーマルコネクタ１の受入部から図示されない収容部に、ワンタッチで着脱可能に収容される。マイクロヒートパイプはガイド９に従って動くので、予め決められた所定の位置に容易に前進し、位置決めが容易である。従って、収容部とヒートパイプの端部とを予め決められた、熱抵抗の小さい状態で、接続することができる。
【００４１】
発熱部品からの熱は、熱伝導性ブロック本体、収容部に熱移動し、更に、マイクロヒートパイプの端部（吸熱側）に伝わる。マイクロヒートパイプの吸熱側において、上述した熱によって、空洞部に封入された作動流体が蒸発し、蒸気流がマイクロヒートパイプの他端側に移動して、放熱用フィンから熱が放出される。その際、蒸気は再び液相に戻り、ウイックによる毛細管現象によって、吸熱側に環流する。
【００４２】
熱伝導性ブロック本体は、熱伝導性材からなっており、熱伝導性材としては、銅、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、タングステン、タルタル、ニオブ合金、インコネル、チタン、ガラス、セラミックス等がある。その中でも、銅、アルミニウムが適している。作動流体として、水、代替フロン、アセトン、メタノール、ヘリウム、窒素、アンモニア、ダウサムＡ、ナフタリン、セシウム、ナトリウム、リチウム、銀等が使用される。その中でも、水、、代替フロン、アセトン、メタノールが適している。
【００４３】
挟持部材の材料としては、銅合金、ステンレス鋼等が適している。
なお、挟持部材がマイクロヒートパイプの端部を押圧する力は、収容部の内壁とマイクロヒートパイプの端部の外表面とが密着接続し、且つ、マイクロヒートパイプの端部を変形させない程度であればよい。
【００４４】
【実施例】
以下に、本発明のヒートパイプサーマルコネクタを実施例により、更に詳細に示す。
実施例１
図１および２に示すように、発熱部品に取り付ける取付部１１、ヒートパイプを受け入れる受入部３、および、ヒートパイプの端部を収容する半円筒状の収容部５を備えたアルミニウム製の熱伝導性ブロック本体２、ならびに、ヒートパイプ７の端部を、収容部５に押圧して、端部を着脱可能に密着挟持する弾性部材からなるステンレス鋼製の挟持部材４を備えたヒートパイプサーマルコネクタ１を調製した。収容部の内径は３．１ｍｍ、受入部の円錐形状の傾斜角度は３０度、ヒートパイプの端部の外径は３．０ｍｍであった。ヒートパイプの先端部は球状に形成された。
【００４５】
挟持部材４は、図２に示すように、ヒートパイプ７の端部を収容部５に押圧するための平面部と、収容部の両側に設けられた係合溝と嵌合される係合部とを備えている。
このように形成したヒートパイプサーマルコネクタ１を発熱部品のＭＰＵに取り付け、ガイドを使用して、マイクロヒートパイプの端部をヒートパイプサーマルコネクタ１に接続した。
【００４６】
その結果、位置決めが正確に行われ、且つ、挟持部材４の弾性部材からなる平面部によって、ヒートパイプ７の端部が収容部５に押圧されて、密着接触し、係合部によって収容部の係合溝と嵌合固定されていた。その結果、ヒートパイプ７の端部とヒートパイプサーマルコネクタ１との間の熱抵抗は、従来の固定型のサーマルコネクタを使用した場合と、同一の熱抵抗であった。
【００４７】
上述したように、本発明によると、正確な位置決めによって密着接続ができ、小さな熱抵抗で、且つ、着脱容易なヒートパイプサーマルコネクタが得られる。
【００４８】
比較例
比較のために、図５に示すように、発熱部品に取り付ける取付部１１１、ヒートパイプを受け入れる入り口１１３、および、ヒートパイプの端部を収容する円筒状部１１２が一体的に形成されたアルミニウム製のサーマルコネクタ１１０を調製した。収容部の内径は３．１ｍｍ、受入部の円錐形状の傾斜角度は３０度、ヒートパイプの端部の外径は３．０ｍｍであった。ヒートパイプの先端部は球状に形成された。
【００４９】
このように形成されたサーマルコネクタとヒートパイプを接続して、サーマルコネクタとヒートパイプとの間の熱抵抗を調べた。その結果、サーマルコネクタとヒートパイプとの間の熱抵抗は、上述した固定型のサーマルコネクタの熱抵抗の３〜３．５倍であった。
【００５０】
上述したように、非固定型の場合、サーマルコネクタとヒートパイプを着脱可能に接続すると、サーマルコネクタとヒートパイプとの間の熱抵抗が高くなり、効果的な熱移動ができないことがわかる。
【００５１】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、熱抵抗を増加させることなく、ヒートパイプと被冷却とを着脱可能に接続することができるヒートパイプサーマルコネクタを提供することができ、基板を使用する広い範囲において、電子機器を冷却するために使用でき、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のヒートパイプサーマルコネクタの１つの態様を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、この発明のヒートパイプサーマルコネクタの１つの態様を示す概略斜視図である。
【図３】図３は、基板に取り付けられたこの発明のヒートパイプサーマルコネクタの使用形態の一例を概略示す図である。
【図４】図４は、従来のヒートパイプサーマルコネクタが使用されたヒートパイプを使用する冷却システムを示す図である。
【図５】図５は、比較のために使用した非固定型サーマルコネクタを示す図である。
【符号の説明】
１．この発明のヒートパイプサーマルコネクタ
２．熱伝導性ブロック本体
３．受入部
４．挟持部材
５．収容部
６．係合溝
７．ヒートパイプ
８．放熱用フィン
９．ガイド
１０．発熱部
１１．取付部
１０１．基板
１０２．伝熱性部材
１０３．ヒートパイプ
１０４．放熱板
１０５．筐体
１１１．取付部
１１２．円筒状部
１１３．入り口

Claims (11)

1. 被冷却部品の発熱部に着脱可能に取り付けるための取付部、および、ヒートパイプの少なくとも一部を収容するための収容部を有する熱伝導性ブロック本体と、
   前記ヒートパイプの前記一部を、前記収容部に押圧して、前記一部を着脱可能に密着挟持する挟持部材と、を備えた、ヒートパイプと熱伝導性ブロック本体とを着脱可能に接続するためのヒートパイプサーマルコネクタであって、
   前記収容部は、前記ヒートパイプの前記収容部との接触部分とほぼ同一形状の面を有しており、そして、前記挟持部材が係合するための開口部を有していることを特徴とする、ヒートパイプサーマルコネクタ。
2. 前記収容部の前端部に前記ヒートパイプを受け入れるための受入部を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
3. 前記受入部は円錐形状の受入部からなっていることを特徴とする、請求項２に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
4. 前記挟持部材は、弾性部材からなっており、前記ヒートパイプを、前記弾性部材の弾性力によって前記収容部に密着挟持し、もって、前記収容部と前記ヒートパイプの間の熱抵抗を小さくすることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
5. 前記弾性部材は形状記憶合金からなっており、前記弾性部材は所定の温度において、前記ヒートパイプを前記収容部に密着挟持することを特徴とする、請求項４に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
6. 前記取付部がワンタッチ式で前記発熱部に取り付けられる部材を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
7. 前記ヒートパイプの前記端部がワンタッチ式で前記収容部に着脱可能に挟持されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
8. 前記挟持部材は、弾性部材からなっており、前記弾性部材は、前記収容部の少なくとも一方の側面に係止または固定されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
9. 前記挟持部材は、弾性部材からなっており、前記弾性部材は、前記ヒートパイプを前記収容部に押圧するための平面部と、前記収容部の両側に嵌合固定される係合部とを備えていることを特徴とする、請求項８に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
10. 前記ヒートパイプを所定の位置に導くためのガイド部を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。
11. 前記ヒートパイプがマイクロヒートパイプからなっていることを特徴とする、請求項１、２、４、５、７、９または１０に記載のヒートパイプサーマルコネクタ。

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