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

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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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