JP4714638B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明はヒートシンクに係わり、特に半導体装置等を冷却するのに適した立体構造のヒートパイプを有するヒートシンクに関する。

近年、発熱量の大きい半導体装置を冷却する冷却装置として、熱伝達能力が極めて高いヒートパイプを使用したヒートシンクが実用化されている。ヒートパイプにおいて、一般的に、パイプや平板状の容器の内部に封入された冷却媒体が吸熱部で気化することによって吸熱部で熱を吸収し、気化した冷却媒体が放熱部に移動して冷却されて液化し、その際に吸熱部で吸収した熱が放出される。放熱部で液化した冷却媒体は、ウィックと称される網状または繊維状の部材に浸透し、毛細管現象によりウィックの中を移動して吸熱部に戻り、再び気化して放熱部に移動する。

ヒートパイプに封入される冷却媒体としては、純水を使用する場合が多い。気化温度を下げて動作温度を低くするために、冷却媒体が封入されたヒートパイプの内部を低い圧力にすることもある。また、ヒートパイプの外器は高い熱伝導性を有する銅又はアルミニウムによって形成されることが多い。

ヒートパイプをヒートシンクとして構成する際に、放熱部に放熱フィンを取り付けて放熱効率を上げることが一般的である。放熱効率を更に高くするには、放熱部を大きくすればよい。例えば、ヒートパイプを平板状の容器として形成し、一方の平面に放熱フィンを取り付ける構造がある。また、棒状のヒートパイプをＵ字上に曲げて小さな容積に長いヒートパイプを収容する構造もある。あるいは、棒状のヒートパイプの一端側を吸熱部とし、外周面全体を放熱部として放熱フィンを設けた構造も考えられる。

ヒートパイプ自体を立体構造としてヒートパイプ内部の容積を大きくすることで、より高い放熱効率を得ることも提案されている。ヒートパイプ内部の容積を大きくするには、ヒートパイプ自体を立体構造とすることが考えられる。

例えば、棒状のヒートパイプをコの字状に曲げて立体構造とし、その両端部を放熱フィンを構成するベース部材に挿入した構造のヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１参照。）また、一つのヒートパイプに対して垂直に他のヒートパイプを接続し、互いのヒートパイプの内部を連通させた構造のヒートパイプが提案されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。
特開平６−１３５１１号公報 特開平７−１４２６５２号公報 特開平７−２６３６０１号公報

上述の特許文献１に開示されたヒートシンクでは、ヒートパイプを折り曲げて立体構造を形成する。ところが、ヒートパイプの内面にはウィックが取り付けられており、ヒートパイプを曲げる際にウィックが切断されてしまうおそれがある。ウィックが切断されると冷却媒体の流れが阻害され、冷却効率が低下してしまう。また、棒状のヒートパイプではなく、平板状のヒートパイプをコ字状に曲げるのは難しい。

上述の特許文献２及び３に開示されたヒートシンクは、例えば、平板状のヒートパイプに、棒状あるいは平板状の複数のヒートパイプを垂直に接続する構造であるが、ヒートパイプ内部のウィックの構造については説明されていない。例えば、図１に示すように、２枚の平板状のヒートパイプ１Ａ，１Ｂ同士を垂直に接続した場合を考える。この場合、内面に取り付けられたウィック２Ａ，２Ｂを互いに接続する必要があるが、単純にヒートパイプの接続部でウィック２Ａ，２Ｂ同士を接続しただけでは、ヒートパイプ１Ａの受熱部（すなわち発熱体３に接触している冷却部）までのウィックによる液体輸送経路が長くなってしまい、冷却媒体が液体となってウィックに沿って受熱部に戻ることによる熱輸送効率が低下するという問題がある。図１において、冷却媒体の流れが矢印で示されている。また、ウィックが接続部でうまく接続されていない場合、受熱部が上や横になった配置（すなわち、発熱体がヒートパイプの上部や側部に取り付けられている配置）であるトップヒートでは、液体の冷却媒体の流れがウィックの切れ目で止まってしまい、冷却媒体を受熱部まで輸送できないという問題もある。

以上のように、ヒートパイプを立体的に接続することは提案されていたが、内部の冷却媒体の流れを考慮した接続構造ではなく、複数のヒートパイプのウィックの接続方法に関しては全く考慮されていなかった。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、複数のヒートパイプを接続して立体構造としても、ウィックが確実に接続され、トップヒートであっても冷却性能を高く維持することのできるヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明によれば、平板状の第１のヒートパイプと、該第１のヒートパイプに垂直に接続された第２のヒートパイプとを含む複数のヒートパイプで構成され、前記第１のヒートパイプは、その内面に沿って設けられた第１のウィックを有し、前記第２のヒートパイプは、その内面に沿って設けられた第２のウィックを有し、前記第１と第２のヒートパイプの接続部分における該第１及び第２のウィックの端部は櫛歯状の凹凸に形成された櫛歯部を有し、該櫛歯部が互いに嵌合することにより前記第１及び第２のウィックが互いに接続され、 前記第２のウィックの前記櫛歯部は前記第１のヒートパイプの内部を横切って反対側の前記第１のウィックに当接していることを特徴とするヒートシンクが提供される。

本発明によるヒートシンクにおいて、前記第１のヒートパイプに受熱部が設けられることが好ましい。また、前記第１及び第２のウィックは、多孔質の焼結シートより形成されることが好ましい。

本発明によるヒートシンクにおいて、前記第２のヒートパイプが２つ、距離をおいて互いに平行に前記第１のヒートパイプに垂直に接続され、前記第１のヒートパイプの、前記第２のヒートパイプが接続された側とは反対側に受熱部が設けられることとしてもよい。 ２つの前記第２のヒートパイプは前記第１のヒートパイプの同じ面に接続され、前記第１のヒートパイプの該面に平行に前記第２のヒートパイプの間に放熱フィンが設けられることとしてもよい。前記第１のヒートパイプの前記面に垂直に設けられた放熱フィンを更に有することとしてもよい。あるいは、２つの前記第２のヒートパイプは前記第１のヒートパイプの同じ面の両端部に接続され、前記第１のヒートパイプの該面に平行に前記第２のヒートパイプの間に放熱フィンが取り付けられることとしてもよい。

本発明によるヒートシンクにおいて、前記第２のヒートパイプに垂直に接続された第３のヒートパイプを有し、該第３のヒートパイプは、その内面に沿って設けられた第３のウィックを有し、前記第２と第３のヒートパイプの接続部分における前記第２及び第３のウィックの端部は櫛歯状の凹凸に形成された櫛歯部を有し、該櫛歯部が互いに嵌合することにより前記第２及び第３のウィックが互いに接続され、前記第２のウィックの前記櫛歯部は前記第３のヒートパイプの内部を横切って反対側の前記第３のウィックに当接していることとしてもよい。

前記第１のヒートパイプと前記第３のヒートパイプは、互いに対向して平行に前記第２のヒートパイプの両端部に接続され、 該第３のヒートパイプと前記第１のヒートパイプとの間に前記第２のヒートパイプに平行に放熱フィンが設けられることとしてもよい。
前記第１及び第３のヒートパイプの一方に受熱部が設けられることとしてもよい。

本発明によれば、立体構造のヒートパイプの内面に貼り付けられたウィックを確実に接続することができ、液体の冷却媒体をウィックにより受熱部まで移送することができる。したがって、トップヒートでの使用においても確実に液体の冷却媒体を受熱部に移送することができ、冷却性能を向上させることができる。また、ウィックの端部の接続部分において、櫛歯部が延在して反対側のウィックに当接するため、ウィックによる液体輸送経路を短くすることができる。これにより、ヒートパイプによる熱輸送効率を高めることができ、高い冷却性能の立体構造のヒートパイプを有するヒートシンクを構成することができる。

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図２は本発明の一実施形態による立体構造のヒートパイプの断面図である。図２において、ヒートパイプ１１Aは平板状のヒートパイプであり、ヒートパイプ１１Aに垂直にヒートパイプ１１B，１１Ｃが取り付けられている。ヒートパイプ１１B，１１Ｃは平板状であっても、棒状であってもよい。ヒートパイプ１１B，１１Ｃの冷却媒体（作動流体）が封入される空間は、ヒートパイプ１１Ａの冷却媒体（作動流体）が封入される空間と互いに連通している。

ヒートパイプ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの内面全体には、ウィック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが夫々貼り付けられている。ウィック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、熱伝導率のよい材料で形成された網状または繊維状の部材あるいは多孔質のシート部材であり、液化した冷却媒体を毛細管現象で移送することができるように構成されている。

発熱体３はヒートパイプ１１Ａに取り付けられており、発熱体３が取り付けられた部分が受熱部となる。受熱部においてウィック１２Ａに浸透している液体の冷却媒体は、熱を吸収して気化して気体となる。気化した冷却媒体はヒートパイプ１１Ａの両端方向に移動するとともに、ヒートパイプ１１Ｂ，１１Ｃの内部にも移動する。ヒートパイプ１１Ａの両端側及びヒートパイプ１１Ｂ，１１Ｃは放熱部として機能する。すなわち、ヒートパイプ１１Ａの両端側及びヒートパイプ１１Ｂ，１１Ｃの内部に移動した気体の冷却媒体は、その部分のウィック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに接触して冷却されて液化する。液体の冷却媒体は、液化した時点でウィック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに浸透し、毛細管現象によりウィック内を移動して再びヒートパイプ１１Ａの受熱部に戻ってくる。このようなサイクルにおいて、ヒートパイプ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの内部に圧力作が生じ、冷却媒体は効率的に受熱部と放熱部との間を循環し、熱を輸送することができる。

ここで、ウィック１２Ｂ及び１２Ｃとウィック１２Ａが接続されていないと、ウィック１２Ｂ及び１２Ｃ内を移動する液体の冷却媒体が、ウィック１２Ａに移動することができないため、冷却媒体を効率的に循環させることができない。また、例えば、ウィック１２Ｂの図２における上側の部分に浸透した液体の冷却媒体は、ヒートパイプ１１Ａ（ウィック１２Ａ）の上端部を回ってから吸熱部に移動することとなり、液体の冷却媒体の輸送経路が長くなる。

そこで、本実施形態では、ウィック１２Ａとウィック１２Ｂ及びウィック１２Ｃとの接続構造を特殊な構造とすることにより、ウィック１２Ａとウィック１２Ｂ及びウィック１２Ｃとが良好に接続され、且つウィック１２Ｂ，１２Ｃから受熱部までの距離が短縮された立体構造のヒートパイプを構成する。

次に、ウィックの接続構造について図３乃至図５を参照しながら説明する。図３はヒートパイプ１１Ｂ，１１Ｃを取り付ける前のヒートパイプ１１Ａを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４はヒートパイプ１１Ａに取り付けられる前のヒートパイプ１１Ｂを示す図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図５はウィック１２Ａとウィック１２Ｂとの接続部分を示す断面図である。なお、ウィック１２Ａとウィック１２Ｃとの接続部分はウィック１２Ａとウィック１２Ｂとの接続部分と同じ構造であるため、ウィック１２Ａとウィック１２Ｂとの接続部分についてのみ説明する。

図３に示すように、ヒートパイプ１１Ａはヒートパイプ１１Ｂが接続される部分に開口１３を有している。ヒートパイプ１１Ｂは開口１３に挿入された状態でヒートパイプ１１Ａに固定される。開口１３には、ウィック１２Ａに形成された複数の櫛歯部１２Ａ１が突出している。

図４に示すように、ヒートパイプ１１Ｂのウィック１２Ｂは、ヒートパイプ１１Ａに接続される側に、複数の櫛歯部１２Ｂ１を有している。櫛歯部１２Ｂ１の各々は、ヒートパイプ１１Ａのウィック１２Ａの隣接する櫛歯部１２Ａ１の間に入る形状に形成されている。すなわち、櫛歯部１２Ａ１と櫛歯部１２Ｂ１は図５に示すように互いに嵌合するように構成されている。また、櫛歯部１２Ｂ１は、図５に示すように、ヒートパイプ１１Ｂがヒートパイプ１１Ａに取り付けられた状態で、ヒートパイプ１１Ａの内部空間に延在し、その先端がヒートパイプ１１Ａのウィック１２Ａに当接するような長さに形成されている。

以上のように、ウィック１２Ａとウィック１２Ｂとは、櫛歯部１２Ａ１と櫛歯部１２Ｂ１とが互いに入り込んで接続されるため、互いに確実に当接することができる。このため、ウィック１２Ａとウィック１２Ｂとが確実に接続され、毛細管現象による液体の冷却媒体の流れがウィック１２Ａとウィック１２Ｂとの間で途切れることがない。したがって、ウィック１２Ｂからの液体の冷却媒体を確実にウィック１２Ａに移動させることができる。

また、隣接する櫛歯部１２Ｂ１の間に空間が形成されており、この空間を通じて気体の冷却媒体が自由に移動することができる。このため、ヒートパイプ１１Ａの内部空間にウィック１２Ｂを延在させてウィック１２Ａに当接させた構造であっても、ウィック１２Ｂによってヒートパイプ１１Ａの内部空間を遮断してしまうことはなく、気体の冷却媒体の流路を十分に確保することができる。

以上のようなウィックの接続構造により、図２の矢印で示すように、冷却媒体の循環経路を短い経路で形成することができ、熱輸送効率を向上させることができる。

なお、ヒートパイプ１１Ｃのウィック１２Ｃも同様に櫛歯部１２Ｃ１を有しており、ウィック１２Ｂと同様の接続構造でウィック１２Ａに接続されている。

次に、ウィックが上述の接続構造で接続された立体構造のヒートパイプを有するヒートシンクについて説明する。

図６はヒートシンクの第１実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図６に示すヒートシンク２０は、平板状のヒートパイプ２１Ａに、平板状のヒートパイプ２１Ｂ，２１Ｃが垂直に接続された立体構造であり、ヒートパイプ２１Ｂ，２１Ｃを繋ぐように複数の放熱フィン２３が、ヒートパイプ２１Ａに平行に取り付けられている。ヒートパイプ２１Ａ内のウィック２２Ａと、ヒートパイプ２１Ｂ，２１Ｃ内のウィック２２Ｂ，２２Ｃとは、図２乃至図５を参照して説明した接続構造により接続されている。本実施例では、発熱体である半導体装置２４にヒートパイプ２１Ａの受熱部となる中央部分が接合されており、ヒートシンク２０は半導体装置２４を冷却する冷却装置として機能する。

図７はヒートシンクの第２実施例を示す断面図である。図７に示すヒートシンク３０は、ヒートパイプ３１Ａの両端にヒートパイプ３１Ｂ，３１Ｃが垂直に接続された立体構造であり、ヒートパイプ３１Ｂ，３１Ｃを繋ぐように複数の放熱フィン３３が、ヒートパイプ３１Ａに平行に取り付けられている。ヒートパイプ３１Ａ内のウィック３２Ａと、ヒートパイプ３１Ｂ，３１Ｃ内のウィック３２Ｂ，３２Ｃの内側の部分とは、図２乃至図５を参照して説明した接続構造により接続されている。本実施例では、発熱体である半導体装置２４にヒートパイプ３１Ａの受熱部となる中央部分が接合されており、ヒートシンク３０は半導体装置２４を冷却する冷却装置として機能する。

図９はヒートシンクの第４実施例を示す断面図である。図９に示すヒートシンク５０は、平板状のヒートパイプ５１Ａの端部に、平板状のヒートパイプ５１Ｂが垂直に接続され、さらにヒートパイプ５１Ｂの端部に平板状のヒートパイプ５１Ｃが垂直に接続された立体構造であり、ヒートパイプ５１Ａ，５１Ｃを繋ぐように複数の放熱フィン５３が、ヒートパイプ５１Ｂに平行に取り付けられている。ヒートパイプ５１Ｂ内のウィック５２Ｂと、ヒートパイプ５１Ａ，５１Ｃ内のウィック５２Ａ，５２Ｃとは、図２乃至図５を参照して説明した接続構造により接続されている。本実施例では、発熱体である半導体装置２４にヒートパイプ５１Ａの受熱部となる中央部分が接合されており、ヒートシンク５０は半導体装置２４を冷却する冷却装置として機能する。ヒートパイプ５１Ｃの中央部分を受熱部とし、ヒートパイプ５１Ｃを半導体装置２４に接合することとしてもよい。

従来の接続構造で接続されたヒートパイプの断面図である。 本発明の一実施形態によるヒートパイプの断面図である。 図２に示すヒートパイプの一部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図２に示すヒートパイプの一部を示す図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 ウィック同士の接続部分を示す断面図である。 ヒートシンクの第１実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 ヒートシンクの第２実施例を示す断面図である。 ヒートシンクの第３実施例を示す断面図である。 ヒートシンクの第４実施例を示す断面図である。

符号の説明

１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ ヒートパイプ
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ ウィック
１２Ａ１，１２Ｂ１，１２Ｃ１，２２Ｂ１，２２Ｃ１，３２Ｂ１，３２Ｃ１，４２Ｂ１，４２Ｃ１，５２Ｂ１ 櫛歯部
１３ 開口部
２３，３３，４３，４４，５３ 放熱フィン
２４ 半導体装置

Claims (10)

1. 平板状の第１のヒートパイプと、該第１のヒートパイプに垂直に接続された第２のヒートパイプとを含む複数のヒートパイプで構成され、
   前記第１のヒートパイプは、その内面に沿って設けられた第１のウィックを有し、
   前記第２のヒートパイプは、その内面に沿って設けられた第２のウィックを有し、
   前記第１と第２のヒートパイプの接続部分における該第１及び第２のウィックの端部は櫛歯状の凹凸に形成された櫛歯部を有し、該櫛歯部が互いに嵌合することにより前記第１及び第２のウィックが互いに接続され、
   前記第２のウィックの前記櫛歯部は前記第１のヒートパイプの内部を横切って反対側の前記第１のウィックに当接していることを特徴とするヒートシンク。
2. 請求項１記載のヒートシンクであって、
   前記第１のヒートパイプに受熱部が設けられたことを特徴とするヒートシンク。
3. 請求項１記載のヒートシンクであって、
   前記第１及び第２のウィックは、多孔質の焼結シートより形成されることを特徴とするヒートシンク。
4. 請求項１記載のヒートシンクであって、
   前記第２のヒートパイプが２つ、距離をおいて互いに平行に前記第１のヒートパイプに垂直に接続され、
   前記第１のヒートパイプの、前記第２のヒートパイプが接続された側とは反対側に受熱部が設けられたことを特徴とするヒートシンク。
5. 請求項４記載のヒートシンクであって、
   ２つの前記第２のヒートパイプは前記第１のヒートパイプの同じ面に接続され、前記第１のヒートパイプの該面に平行に前記第２のヒートパイプの間に放熱フィンが設けられたことを特徴とするヒートシンク。
6. 請求項５記載のヒートシンクであって、
   前記第１のヒートパイプの前記面に垂直に設けられた放熱フィンを更に有することを特徴とするヒートシンク。
7. 請求項４記載のヒートシンクであって、
   ２つの前記第２のヒートパイプは前記第１のヒートパイプの同じ面の両端部に接続され、前記第１のヒートパイプの該面に平行に前記第２のヒートパイプの間に放熱フィンが取り付けられたことを特徴とするヒートシンク。
8. 請求項１記載のヒートシンクであって、
   前記第２のヒートパイプに垂直に接続された第３のヒートパイプを有し、
   該第３のヒートパイプは、その内面に沿って設けられた第３のウィックを有し、
   前記第２と第３のヒートパイプの接続部分における前記第２及び第３のウィックの端部は櫛歯状の凹凸に形成された櫛歯部を有し、該櫛歯部が互いに嵌合することにより前記第２及び第３のウィックが互いに接続され、
   前記第２のウィックの前記櫛歯部は前記第３のヒートパイプの内部を横切って反対側の前記第３のウィックに当接していることを特徴とするヒートシンク。
9. 請求項８記載のヒートシンクであって、
   前記第１のヒートパイプと前記第３のヒートパイプは、互いに対向して平行に前記第２のヒートパイプの両端部に接続され、
   該第３のヒートパイプと前記第１のヒートパイプとの間に前記第２のヒートパイプに平行に放熱フィンが設けられたことを特徴とするヒートシンク。
10. 請求項９記載のヒートシンクであって、
    前記第１及び第３のヒートパイプの一方に受熱部が設けられたことを特徴とするヒートシンク。

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