JP4358963B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱体から生じる熱を放熱するヒートシンクに関する。特には、小型かつ軽量で、熱輸送効率の高いヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
電子機器に搭載される半導体素子等の発熱体の冷却には、従来よりヒートシンクが使用されている。このヒートシンクの一種として、発熱体が取り付けられるベース板と、ベース板に取り付けられるヒートパイプから主に構成されているものがある。ヒートパイプとは、内部の密閉空間を真空に引いた後に、水やブタン、アルコール等の作動流体を封入したものである。発熱体が取り付けられたベース板の部分は受熱部となり、発熱体から熱が伝えられる。受熱部に伝えられた熱は、受熱部のヒートパイプ内の作動流体を蒸発させる。蒸気はヒートパイプの放熱部に移動して放熱し、蒸気は液体に戻る。この密閉空間内の作動流体の相の変化や移動により、発熱体の熱が拡散する。このヒートパイプによって、発熱体から伝えられた熱はベース板全面に広げられる。
【０００３】
放熱効率をさらに上昇させるために、放熱部には放熱フィンが設けられている。放熱フィンは、長さが長いとフィン先端まで熱が伝わりにくく、放熱性能の向上には限界がある。一方、フィンが短いと、必要放熱面積を確保するためにフィンの数を増やす必要があり、ベース板を大きくしたり、フィンのピッチを小さくして対処することとなる。その結果、ヒートシンクの重量の増加や送風ファンの大型化が必要となり、コストアップとなる。
【０００４】
ところで、ヒートパイプは一般に円柱形であり、このヒートパイプを発熱体と接合するには大きなベース板が必要になり、重量の増加とコストアップにつながる。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、小型かつ軽量で、放熱性能の高いヒートシンクを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のベースとなるヒートシンクは、 プレート型ヒートパイプ及びこれに立設された放熱フィンを備え、発熱体の熱を放熱するヒートシンクであって； 発熱体の熱を受けるヒートパイプの受熱部が、複数のヒートパイプ層を熱的に接続した状態で積層した積層構造を有し、 それぞれの受熱部ヒートパイプ層に放熱フィンが立設された放熱部が接続されていることを特徴とする。
発熱体の熱は、積層構造の受熱部ヒートパイプ層をプレート型ヒートパイプの厚さ方向に伝達するとともに、各ヒートパイプの内部を通って各ヒートパイプの放熱部へ伝わり放熱される。このように熱が異なる方向へ拡散するため、狭い空間におけるヒートパイプ熱流路の密度を上げることができ、小型で高い放熱性能を有するヒートシンクを提供できる。
【０００７】
本発明においては、 上記複数の受熱部のヒートパイプ層のうち、発熱体に近い側のヒートパイプ層が、発熱体から遠い側の放熱部に接続されていることが好ましい。発熱体に近い側のヒートパイプ層の方が温度が高くなるので、より遠い部位まで効率的に熱輸送を行うことができる。
【０００８】
さらに、上記放熱部も、複数のヒートパイプ層と放熱フィン列が積層された積層構造を有することが好ましい。放熱部に伝えられた熱をより有効に拡散することができ、ヒートシンクが一層コンパクトとなる。
【０００９】
本発明に関連するヒートシンクは、 上記プレート型ヒートパイプが、渦巻き状に形成されており、 上記受熱部のヒートパイプ層が、渦巻きの外側のループから内側のループへと表裏面を合わせて接合されており、上記放熱部が、渦巻きの外側のループから内側のループへと、間にフィン列を挟んで配列されている。この態様では、１個の長いプレート型ヒートパイプを巻いて使うので、ヒートパイプ１個でヒートシンクを構成できる。
【００１０】
本発明のヒートシンクは、 上記プレート型ヒートパイプが、複数の開き寸法の異なるコの字状のヒートパイプからなり、小さいヒートパイプが大きいヒートパイプの中に入れ込まれている。この態様では、プレート型ヒートパイプの加工とヒートシンクの組み立てが容易である。
発熱体に最も近いプレート型ヒートパイプは、発熱体から最も遠い部位の放熱部と接続されることが好ましく、その場合、熱輸送効率が向上する。
【００１１】
上記態様においては、 上記フィンの基端及び先端を、該フィンを挟んで対向する２枚のヒートパイプ層にそれぞれ接合することが好ましい。各ヒートパイプ層から、フィンに対して効率的に熱を伝えることができる。また、ヒートシンクの構造強度が上がる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に関連する一例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。文中の上下左右方向は、図の上下左右方向を表す。このヒートシンク１は、受熱板３と、同受熱板３に熱的に接続されているプレート型ヒートパイプ５と、同プレート型ヒートパイプ５に熱的に接続されている放熱フィン７から構成されている。
【００１３】
受熱板３は、アルミニウムや銅等、熱伝導性の高い金属で作られる。受熱板３には、高熱伝導性接着剤等の熱伝導性の高い方法によって発熱体９が取り付けられている。
【００１４】
プレート型ヒートパイプ５は、蛇行細孔が比較的薄い平板の中に作りこまれた蛇行細孔ヒートパイプ等が使用される。蛇行細孔ヒートパイプとは、以下の特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１９００９０号参照）。
（１）細孔の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（２）細孔の一部は受熱部、他の部分は放熱部となっている。
（３）受熱部と放熱部が交互に配置されており、両部の間を細孔が蛇行している。
（４）細孔内には２相凝縮性流体が封入されている。
（５）細孔の内壁は、上記作動流体が常に孔内を閉塞した状態のままで循環または移動することができる最大直径以下の径をもつ。
【００１５】
プレート型ヒートパイプ５は、一部が受熱板３にロウ付けや接着剤、グリス等を用いた熱伝導率の高い方法で取り付けられている。受熱板３の取り付けられたプレート型ヒートパイプ５の部分が受熱部５ａとなっている。プレート型ヒートパイプ５は、正面からみて渦巻き状に折り曲げられて形成されている。
【００１６】
すなわち、プレート型ヒートパイプ５は、受熱部５ａを底辺とすると、底辺の一端からほぼ直角に上向きに折り曲げられて右側辺を形成する。右側辺は所定の高さで、受熱部５ａと平行で、受熱部５ａに対向するようにほぼ直角に左向きに折り曲げられて上辺５ｅを形成する。この上辺５ｅは放熱部となる。さらに、ほぼ直角に下向きに折り曲げられて左側辺を形成し、受熱部５ａの上面に達する。ここで受熱部５ａ（底辺）、右側辺、上辺５ｅ、左側辺からなる四角形の外ループが形成される。
【００１７】
外ループの受熱部５ａ（底辺）に達したプレート型ヒートパイプ５は、ほぼ直角に右向きに折り曲げられて受熱部５ａに沿って延びる中ループの受熱部５ｂ（底辺）を形成する。この受熱部５ｂは外ループの右側辺に達すると、ほぼ直角に上向きに折り曲げられて右側辺を形成する。右側辺は所定の高さで、受熱部５ｂと平行で、受熱部５ｂに対向するようにほぼ直角に左向きに折り曲げられて中ループの上辺５ｆを形成する。この上辺５ｆが放熱部となる。上辺５ｆは外ループの左側辺に達すると、ほぼ直角に下向きに折り曲げられて左側辺を形成し、中ループの受熱部５ｂの上面に達する。ここで受熱部５ｂ（底辺）、右側辺、上辺５ｆ、左側辺からなる四角形の中ループが形成される。
【００１８】
中ループの受熱部５ｂ（底辺）に達したプレート型ヒートパイプ５は、ほぼ直角に右向きに折り曲げられて受熱部５ｂに沿って延びる内ループの受熱部５ｃ（底辺）を形成する。この受熱部５ｃは中ループの右側辺に達すると、ほぼ直角に上向きに折り曲げられて右側辺を形成する。右側辺は所定の高さで、受熱部５ｃと平行で、受熱部５ｃに対向するようにほぼ直角に左向きに折り曲げられて内ループの上辺５ｇを形成する。この上辺５ｇが放熱部となる。ここで、受熱部５ｃ、右側辺、上辺５ｇからなる四角形の内ループが形成される。
【００１９】
このとき、プレート型ヒートパイプ５の外ループ、中ループ、及び、内ループの受熱部５a、５ｂ、５ｃは互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。
【００２０】
内ループの底辺５ｃと内ループの上辺５ｇとの間、内ループの上辺５ｇと中ループの上辺５ｆとの間、中ループの上辺５ｆと外ループの上辺５ｅとの間には、空間が形成される。これらの空間には各々放熱フィン７a、７ｂ、７ｃが配置される。各放熱フィンはアルミニウム等の熱伝導性の高い材料を波状に折り曲げて作ったコルゲートフィンである。ここではルーバ（切れ目）付きのコルゲートフィンが使用されている。放熱フィンの波状部の上面と下面は、各空間の上下面を形成するプレート型ヒートパイプ５に熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。この例のヒートシンクの熱輸送作用については後述する。
【００２１】
図２は、本発明の第一実施例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。この例のヒートシンク１１は、断面がコの字状に折り曲げられた三枚のプレート型ヒートパイプ１３、１５、１７を使用している。
【００２２】
各プレート型ヒートパイプは、底辺、右側辺、上辺からなる断面がコの字に折り曲げられている。コの字の開口部の幅（右側辺の高さ）は全て異なり、幅が大きいほうから外層、中層、内層プレート型ヒートパイプ１３、１５、１７となる。各プレート型ヒートパイプは、開口部を同じ方向に向けて、外層１７の中に中層１５が入れ込まれ、中層１５の中に内層１３が入れ込まれている。
【００２３】
このとき、放熱部が発熱体から最も遠い位置に位置する外層１３には、発熱体９が取り付けられた受熱板３が、熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。この受熱板３が取り付けられた外層１３の部分が受熱部１３ａとなる。各層の底辺は互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。したがって、外層１３の受熱部１３ａに接合する中層１５の底辺は受熱部１５ａとなり、この受熱部１５ａに接合する内層１７の底辺は受熱部１７ａとなっている。また、各層の上辺は放熱部となる。
【００２４】
また、内層１７の底辺（受熱部）１７ａと内層１７の上辺１７ｂとの間、内層１７の上辺１７ｂと中層１５の上辺１５ｂとの間、中層１５の上辺１５ｂと外層１３の上辺１３ｂとの間には、空間が形成される。これらの空間には放熱フィン７a、７ｂ、７ｃが配置される。放熱フィンの波状部の上面と下面は、各空間の上下面を形成するプレート型ヒートパイプに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。
【００２５】
この例のヒートシンクは、図１のヒートシンクに比べて、プレート型ヒートパイプの曲げ箇所が少ない。また、放熱フィンの取り付けも容易になるため、生産性が向上する。さらに、プレート型ヒートパイプの長さも短くなり（左辺がない）、軽量化を図ることができる。
また、プレート型ヒートパイプの枚数を二枚とし、放熱フィン７の長さを長くしてもよい。この場合、さらに生産コストが低減される。
【００２６】
図３は、本発明の第二実施例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。この例のヒートシンク２１は、断面がコの字状に折り曲げられた二枚のプレート型ヒートパイプ２３、２５を使用している。
【００２７】
各プレート型ヒートパイプは、底辺、右側辺、上辺からなる断面がコの字に折り曲げられている。コの字の開口部の幅（右側辺の高さ）は異なり、幅が大きい方から外層２３、内層２５となる。各プレート型ヒートパイプは、開口部が向き合うように、外層２３の中に内層２５が入れ込まれている。このとき、外層２３には、発熱体９が取り付けられた受熱板３が、熱伝導性の高い方法で接合されている。この受熱板３が取り付けられた外層２３の部分が受熱部２３ａとなる。各層の底辺は互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。したがって、外層２３の受熱部２３ａに接合する内層２５の底辺は受熱部２５ａとなる。また、各層の上辺は放熱部となる。
【００２８】
また、内層２５の底辺（受熱部）２５ａと上辺２５ｂとの間、内層２５の上辺２５ｂと外層２３の上辺２３ｂとの間には、空間が形成される。これらの空間及び外層２３の上辺には放熱フィン７a、７ｂ、７ｃが配置される。放熱フィン７ａ、７ｂの波状部の上面と下面は、各空間の上下面を形成するプレート型ヒートパイプに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。
【００２９】
この例のヒートシンクは、プレート型ヒートパイプの数が図２にヒートシンクより少ない。また、放熱フィンの取り付けも容易になり、生産性がさらに向上する。さらに、プレート型ヒートパイプの長さも短くなり、軽量化とコスト低減をさらに図ることができる。
【００３０】
図４は、図１のシートシンクの熱輸送作用を説明する図である。
ここで、発熱体９が取り付けられている受熱板３から発生する熱量をＱin、プレート型ヒートパイプ５の各ループの底辺が積層された受熱部５ａ、５ｂ、５ｃを通過して放熱フィン７ａで放熱される熱量をＱout０、プレート型ヒートパイプの外、中、内ループの内部を通過して放熱フィン７ａ、７ｂ、７ｃで放熱される熱量をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とすると、Ｑin＝Ｑout０＋Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３となる。
【００３１】
すなわち、受熱板３に伝えられた熱量は、プレート型ヒートパイプの各ループの底辺からなる積層受熱部を、プレート型ヒートパイプの厚さ方向に通過し、放熱フィン７ａから放熱される（Ｑout０）。ここで残った熱量の一部（Ｑ３）は、受熱板３に直接接合されている外ループを形成するプレート型ヒートパイプの受熱部５ａに伝わり、同プレート型ヒートパイプの内部を通過して放熱部の放熱フィン７ｃ及び外ループの放熱部（上辺）５ｅから放熱される（Ｑout３、Ｑout３´）。さらに、一部の熱量（Ｑ２）は、外ループの受熱部５ａから中ループを形成するプレート型ヒートパイプの受熱部５ｂに伝わり、同プレート型ヒートパイプの内部を通過して放熱部（上辺）５ｆの放熱フィン７ｂ、７ｃから放熱される（Ｑout２、Ｑout２´）。さらに、一部の熱量（Ｑ１）は、中ループの受熱部５ｂから内ループを形成するプレート型ヒートパイプの受熱部５ｃに伝わり、同プレート型ヒートパイプの内部を通過して放熱部（上辺）５ｇの放熱フィン７ａ、７ｂから放熱される（Ｑout１、Ｑout１´）。
ここで、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３である。
【００３２】
このように、受熱板３を、外ループを形成するプレート型ヒートパイプに直接接合しているため、最も大きい熱量（Ｑ３）が、発熱体９から最も遠い部位まで伝達される。すなわち、最も熱輸送長さの長い外ループが効率的に作動し熱輸送効率が向上する。さらに、有効寸法内に設置された放熱フィンの効率を最大限に引き出し、放熱効率を向上させることができる。
【００３３】
図５は、本発明に関連する他の例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。この例のヒートシンクは、平面状のプレート型ヒートパイプ３３と、断面がＬ字状のプレート型ヒートパイプ３５を使用している。
【００３４】
平面状プレート型ヒートパイプ３３は、一端が受熱板３に熱伝導性の高い方法で接合している。この受熱板３が取り付けられた平面状プレート型ヒートパイプ３３の部分が受熱部３３ａとなっている。平面状プレート型ヒートパイプ３３の他の端部は、横方向に延びて放熱部となっている。Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５は底辺と、底辺の一端からほぼ直角に上方向に立ち上がった右側辺からなる。この底辺は、平面状プレート型ヒートパイプ３３の受熱部３３ａに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されて、受熱部３５ａとなっている。Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５の右側辺は、平面状プレート型ヒートパイプ３３の放熱部の反対側に位置し、放熱部となっている。
【００３５】
平面状プレート型ヒートパイプ３３の放熱部、Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５の受熱部３５a、及び、Ｌ字状プレート型ヒートパイプ３５の放熱部の外側には、放熱フィン７a、７ｂ、７ｃが熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、発熱体の熱を受けるヒートパイプの受熱部が、複数のヒートパイプ層が熱的に接続された状態で積層された積層構造となっており、それぞれの受熱部ヒートパイプ層に放熱フィンが立設された放熱部が接続されている。このため、発熱体の熱は、受熱部ヒートパイプ層をプレート型ヒートパイプの厚さ方向に伝達されるとともに、各ヒートパイプ層から各ヒートパイプ層の放熱部へ伝わり放熱される。このように熱が異なる方向へ拡散するため、狭い空間におけるヒートパイプ熱流路の密度を上げることができ、小型で高い放熱性能を有するヒートシンクを提供できる。
さらに、プレート型ヒートパイプの放熱部が空間を介して積層となっており、この空間に長さの短いフィンを高さ方向に積層させたことにより、有効寸法内にある放熱フィン全体に熱を効率的に輸送し、放散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連する一例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。
【図２】 本発明の第一実施例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。
【図３】 本発明の第二実施例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。
【図４】 図１のシートシンクの熱輸送作用を説明する図である。
【図５】 本発明に関連する他の例に係るヒートシンクの構造を示す正面図である。
【符号の説明】
１ ヒートシンク ３ 受熱板
５ プレート型ヒートパイプ ７ 放熱フィン
９ 発熱体 １１、２１、３１ ヒートシンク
１３、１５、１７、２３、２５、３３、３５ プレート型ヒートパイプ

Claims (2)

1. プレート型ヒートパイプ及びこれに立設された放熱フィンを備え、発熱体の熱を放熱するヒートシンクであって；
   発熱体の熱を受けるヒートパイプの受熱部が、複数のヒートパイプ層を熱的に接続した状態で積層した積層構造を有し、
   それぞれの受熱部ヒートパイプ層に放熱フィンが立設された放熱部が接続されており、
   上記放熱部も、複数のヒートパイプ層と放熱フィン列が積層された積層構造を有し、
   上記プレート型ヒートパイプが、複数の開き寸法の異なるコの字状のヒートパイプからなり、小さいヒートパイプが大きいヒートパイプの中に入れ込まれていることを特徴とするヒートシンク。
2. 上記フィンの基端及び先端が、該フィンを挟んで対向する２枚のヒートパイプ層にそれぞれ接合されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。

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