JP5688477B1 - 放熱用熱伝達ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷却対象物とクーリングユニットとを容易にかつ確実に接続することができるように構成された放熱用熱伝達ユニットを提供する。【解決手段】ヒートパイプ３，４によって冷却対象物１の熱をクーリングユニット１５に熱輸送するように構成された放熱用熱伝達ユニットにおいて、一方の面２ａにヒートパイプ３，４の一部分３ａ，４ａが接続されかつ他方の面２ｂに冷却対象物１が接続される平坦な受熱プレート２と、ヒートパイプ３，４の他の部分３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃに接続される平坦な放熱プレート５，６と、一部分３ａ，４ａと他の部分３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃとの間に設けられ、ヒートパイプ３，４の曲げ変形を許容する屈曲部とを備え、ヒートパイプ３，４の他の部分３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃが受熱プレート２の側方に延び出ている。【選択図】図１

Description

この発明は、コンテナの内部に封入した作動流体によって熱を輸送するように構成されたヒートパイプに関し、特にヒートパイプによって冷却対象物の熱をクーリングユニットに熱輸送するように構成された装置に関するものである。

この種の装置の一例が特許文献１に記載されている。その構成について簡単に説明すると、基板に実装された第１の発熱体に対向して第１のサブヒートパイプの一端部が配置されている。第１のサブヒートパイプの他端部はメインヒートパイプにハンダ付けされている。具体的には、上記の一端部は、第１の発熱体の上面を覆う大きさに形成されており、また、板ばねとして機能する第１の押圧部材によって第１の発熱体に押し付けられている。そして第１の押圧部材の押圧力によって第１の発熱体の形状に沿って撓ませられて、第１の発熱体に密着させられている。これと同様に、基板に実装された第２の発熱体と第２のサブヒートパイプの一端部とが密着させられている。なお、第２のサブヒートパイプの他端部はメインヒートパイプにハンダ付けされている。特許文献１に記載された構成では、このように各サブヒートパイプを撓ませることにより、高さの異なる第１の発熱体と第２の発熱体とをメインヒートパイプに接続するように構成されている。なお、メインヒートパイプは各押圧部材によって実質的に撓まない剛性を有している。

特開２０１１−１０６７９３号公報

特許文献１に記載された構成では、第１のサブヒートパイプを第１の発熱体の形状に沿って撓ませることによりこれらの部材同士を密着させている。しかしながら、それらの部材同士を密着させた後は、第１のサブヒートパイプの一端部を再度変形させないと、第１のサブヒートパイプを第１の発熱体から取り外すことができない。また、第１のサブヒートパイプの他端部は、メインヒートパイプにハンダ付けされているため、ハンダを再度溶融させないと、第１のサブヒートパイプをメインヒートパイプから取り外すことができない。つまり第１のサブヒートパイプの取り付けおよび取り外しが困難であり、その作業性が悪い。

また、基板から取り外した第１の発熱体と、基板に新たに実装された第１の発熱体との大きさや高さが僅かに異なると、上記のように撓ませた第１のサブヒートパイプの一端部を新たに実装された第１の発熱体に押し付けても、これらの間に隙間が生じてしまう可能性がある。そのため、これらの部材間の熱抵抗が増大する可能性がある。なお、第２の発熱体と第２のサブヒートパイプの一端部とを密着させた場合も同様の課題がある。

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り、冷却対象物とクーリングユニットとを容易にかつ確実に接続することができるように構成された放熱用熱伝達ユニットを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、密閉されたコンテナ内に加熱されて蒸発し放熱して凝縮する作動流体が封入され、前記作動流体の潜熱によって熱輸送するヒートパイプを備え、前記ヒートパイプによって冷却対象物の熱をクーリングユニットに熱輸送するように構成された放熱用熱伝達ユニットにおいて、いずれか一方の面に前記ヒートパイプの長さ方向における中央部が熱伝達可能に接続されかついずれか他方の面に前記冷却対象物に熱伝達可能に接続される平坦な受熱プレートと、前記ヒートパイプにおける各端部に熱伝達可能に接続されかつ前記受熱プレートとは異なる高さに配置された平坦な放熱プレートと、前記ヒートパイプの長さ方向における中央部と前記ヒートパイプにおける各端部との間に設けられ、前記ヒートパイプの曲げ変形を許容する屈曲部とを備え、前記クーリングユニットは、前記冷却対象物の両側に配置され、かつ、前記放熱プレートに密着させられる平坦な熱接触面が形成された冷却ブロックと、前記冷却ブロック内に形成されかつ前記放熱プレートと前記冷却用流体との間で熱交換を行う冷却用流体が供給される中空部と、前記中空部に前記冷却用流体を流通させる配管とを備え、前記ヒートパイプにおける各端部は、前記受熱プレートの側方に前記放熱プレートに向けて延び出ており、かつ、前記放熱プレートとの高さを合わせるように前記ヒートパイプの長さ方向における中央部に対して上下方向に屈曲されており、さらに、前記ヒートパイプにおける各端部は共に前記ヒートパイプの長さ方向に対して直交する同一方向に屈曲されていることを特徴とするものである。

また、この発明では、前記ヒートパイプより長さの短い他のヒートパイプを備え、前記他のヒートパイプの長さ方向における中央部が前記受熱プレートにおける前記いずれか一方の面に熱伝達可能に接続され、前記他のヒートパイプにおける各端部が前記放熱プレートに熱伝達可能に接続されており、前記他のヒートパイプの長さ方向における中央部と前記他のヒートパイプにおける各端部との間に前記他のヒートパイプの曲げ変形を許容する他の屈曲部が設けられており、前記他のヒートパイプにおける各端部は、前記受熱プレートの側方に前記放熱プレートに向けて延び出ており、かつ、前記放熱プレートとの高さを合わせるように前記ヒートパイプの長さ方向における中央部に対して上下方向に屈曲されており、さらに、前記他のヒートパイプにおける各端部は共に前記他のヒートパイプの長さ方向に対して直交するように、同一方向に屈曲されており、前記他のヒートパイプにおける各端部の長さは、前記ヒートパイプにおける各端部の長さよりも短く、かつ、前記ヒートパイプにおける各端部と前記他のヒートパイプにおける各端部とは互いに反対方向に延びていてよい。

この発明によれば、冷却対象物と受熱プレートとの間に隙間がある場合に、屈曲部においてヒートパイプが曲げ変形することにより冷却対象物と受熱プレートとが密着させられる。また受熱プレートは平坦であるから、冷却対象物との接触面積を拡大することができ、これにより冷却対象物の熱を効果的にヒートパイプの一部分に熱伝達することができる。そのため、これらの間の熱抵抗を低減することができる。それらの結果、ロットごとのバラツキがあって冷却対象物の高さが異なる場合であっても、ヒートパイプが曲げ変形することにより各冷却対象物と受熱プレートとを確実に密着させることができる。また熱伝達可能に接続される部材間の熱抵抗を小さくして熱輸送能力に優れた放熱用熱伝達ユニットを得ることができる。

また、この発明によれば、ヒートパイプの他の部分に接続された平坦な放熱プレートはクーリングユニットの冷却ブロックに形成された平坦な熱接触面に密着させられる。そのため、これらの間の接触面積を拡大できるとともに、これらの間の熱抵抗を低減することができる。上記の冷却ブロックはその内部に冷却用流体が供給される中空部が形成されており、その冷却用流体は配管を介して中空部に供給される。つまりクーリングユニットは、ヒートパイプを介して熱輸送された冷却対象物の熱と、冷却用流体の熱とを交換するように構成されている。その結果、冷却対象物の熱はクーリングユニットを介して冷却用流体に放熱されるため、冷却対象物を冷却することができる。

この発明に係る放熱用熱伝達ユニットの一例を示す斜視図である。 この発明に係る放熱用熱伝達ユニットの一例の正面図である。 図２に示すIII-III線に沿う断面図である。 図２に示すIV-IV線に沿う断面図である。 この発明に係る放熱用熱伝達ユニットの一例の背面図である。

つぎにこの発明を具体的に説明する。図１は、この発明に係る放熱用熱伝達ユニットの一例を示す斜視図である。この発明に係る放熱用熱伝達ユニットは、回路が形成されているマザーボードなどの基板上に設けられた電子部品１に接触する熱拡散板２を備えている。熱拡散板２は電子部品１に接触してその熱を拡散させるためのものであり、したがって、電子部品１よりも大きくかつ平坦に形成されている。図１に示す例では、熱拡散板２は正方形に形成されており、その下面２ｂの中央部が、電子部品１の上面１ａに熱伝達可能に密着させられる。なお、上記の電子部品１がこの発明における冷却対象物に相当し、熱拡散板２がこの発明における受熱プレートに相当している。

図２に示すように、長さの異なる２本の扁平型ヒートパイプ３，４の中央部３ａ，４ａが互いに隣接して熱拡散板２の上面２ａに接続されている。それらのヒートパイプ３，４の基本的な構成は、従来知られている通りであり、その構成を簡単に説明すると、ヒートパイプ３，４は気密状態に密閉された所定長さのコンテナの内部に、空気などの非凝縮ガスを脱気した状態で作動流体が封入されて構成されている。そのコンテナは、要は、気密性のある中空の容器であり、またその内部と外部との間で熱を伝達する必要があるので、熱伝導性を有する素材で構成されていることが好ましく、例えば銅管を使用することが好ましい。作動流体としては、水やアルコール、アンモニア、代替フロンなどの目的とする温度範囲で蒸発および凝縮する凝縮性の流体が使用される。なお、コンテナの内部に、作動流体の流路となり、また毛細管力を発生するウイックや溝を設けることが好ましい。

上述した構成のヒートパイプ３，４では、コンテナの一部に熱を加え、かつ他の一部を冷却すると、作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気が温度および圧力の低い箇所に向けて流動し、その後、放熱して凝縮する。上記の加熱部分がヒートパイプ３，４の蒸発部となり、冷却部分がヒートパイプ３，４の凝縮部となっている。凝縮した作動流体は例えばウイックを介して蒸発部に還流される。ここに示す例では、ヒートパイプ３，４の中央部３ａ，４ａが熱拡散板２に熱伝達可能に接続されている。そのため、各中央部３ａ，４ａが、上述した蒸発部となっている。各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃが後述するクーリングユニットに熱伝達可能に接続されており、そのため、各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃが、上述した凝縮部となっている。なお、上記の中央部３ａ，４ａに熱伝達可能に接続される熱拡散板２の上面２ａが、この発明における受熱プレートのいずれか一方の面に相当し、電子部品１に熱伝達可能に接続される熱拡散板２の下面２ｂが、この発明における受熱プレートのいずれか他方の面に相当している。

各ヒートパイプ３，４は、図１ないし図４に示すように、扁平化されており、また屈曲されている。具体的には、ヒートパイプ３の各端部３ｂ，３ｃは、図４に示すように、熱拡散板２の側方に延びている。また、各端部３ｂ，３ｃは、図２の左右方向にほぼ平行に配置されている中央部３ａに対して図２の上方に屈曲されている。つまり中央部３ａが配置される平面上で、中央部３ａの長手方向に対して直交する位置に各端部３ｂ，３ｃが配置されるように、ヒートパイプ３が屈曲されている。ヒートパイプ４はヒートパイプ３よりも短く形成されている。その各端部４ｂ，４ｃは図４に示すように、熱拡散板２の側方に延びており、また、各端部４ｂ，４ｃは、図２の左右方向にほぼ平行に配置されている中央部４ａに対して図２の下方に屈曲されている。このように、ヒートパイプ４もヒートパイプ３と同様に、屈曲されている。

また各ヒートパイプ３，４の各中央部３ａ，４ａと各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃとの間の部分が、図４の上下方向に湾曲あるいは屈曲されるように構成されており、この曲げ変形する部分が屈曲部３ｄ，４ｄとなっている。例えば、図４の上下方向に各中央部３ａ，４ａと各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃとの間隔を拡大させる場合には、主として屈曲部３ｄ，４ｄが曲げ変形することにより前記間隔が拡大される。つまり、この発明における各ヒートパイプ３，４は柔軟性を有している。なお、図４に示す例では、クランク形状に予め湾曲あるいは屈曲されており、図４の上下方向で各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃよりも下方に各中央部３ａ，４ａが配置されている。

このようなヒートパイプ３，４の柔軟性は、一例として熱処理により得ることができる。その熱処理について簡単に説明すると、先ず、ヒートパイプ３，４を６５０℃まで加熱する。そして、この状態を１時間、保持する。その後、常温まで冷却する。なお、ここに示す例では、上述した構成のヒートパイプ３，４は、直径６．０ｍｍ、厚さ０．２５から０．３ｍｍの丸パイプ型ヒートパイプを半径方向に潰して構成される。その扁平化した各ヒートパイプ３，４の幅は１１．１ｍｍ、厚みは３．０ｍｍに設計されている。

さらに、図４に示すように、放熱プレート５，６の上面５ａ，６ａに各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃが熱伝達可能に接続されている。各放熱プレート５，６は、一例として平坦な板状部材であって、作動流体の潜熱の形で各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃに伝達された熱を拡散するように構成されている。なお、各放熱プレート５，６は、幅２６．０ｍｍ、長さ９６．０ｍｍ、厚み１．６ｍｍに設計されている。ヒートパイプ３，４に取り付けた各放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂから電子部品１に接触する熱拡散板２の下面２ｂとの間は１０．８ｍｍに設計されている。

また各ヒートパイプ３，４はベースプレート７に取り付けられ、そのベースプレート７を介して基板に固定される。上記のベースプレート７は、例えば長方形に形成されており、そのベースプレート７に、長手方向に延びる溝部８が形成されている。その溝部８に、上記のように屈曲させた扁平型ヒートパイプ３，４の中央部３ａ，４ａが配置されている。また、それらの中央部３ａ，４ａをベースプレート７に固定する押さえ部材９が設けられている。その押さえ部材９には、図３に示すように、溝部１０が形成されており、その幅は隣接して配置される各中央部３ａ，４ａの各幅を合算した幅とほぼ同じになっている。また、図２の上下方向における押さえ部材９の高さあるいは幅は、溝部８の高さあるいは幅とほぼ同じに形成されている。したがって、押さえ部材９はその溝部１０にヒートパイプ３，４の中央部３ａ，４ａを嵌合させ、また押さえ部材９がベースプレート７の溝部８に嵌合することにより、ヒートパイプ３，４をベースプレート７に一体化させるように構成されている。

また、溝部８の中央部に、正方形の取付孔１１が形成されている。その取付孔１１は、図５に示すように、上述した熱拡散板２と同じサイズに構成されている。つまり、取付孔１１に熱拡散板２が嵌合するようになっている。さらに上述したベースプレート７はボルトなどの締結部材によって基板に固定されるようになっている。具体的には、ベースプレート７の各角部に貫通孔１２が形成されており、各貫通孔１２にバネ１３とともに挿入されたボルト１４によって基板にベースプレート７が固定されている。またその場合に、電子部品１に過剰な応力が掛からないようにするために、バネ１３の弾性力は基板からベースプレート７を離隔するように作用している。なお、ベースプレート７は幅１０６．０ｍｍ、高さ７５．２ｍｍ、厚み７．９ｍｍに設計され、取付孔１１は深さ３．０ｍｍ、その一辺が３８．０ｍｍに設計されている。さらに押さえ部材９の上面と熱拡散板２の下面２ｂとの間が９．１ｍｍに設計されている。熱拡散板２の下面２ｂの平面度公差は０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。

上述した放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂのそれぞれに、この発明におけるクーリングユニット１５が熱伝達可能に接続される。そのクーリングユニット１５は、角柱形状の冷却ブロック１６を備えている。その冷却ブロック１６の外周面における放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂに対向している面が、それらの下面５ｂ，６ｂに熱伝達可能に接触する熱接触面１７となっている。その熱接触面１７に放熱プレート５，６が例えばボルトによって固定される。上記の冷却ブロック１６の内部にはその長手方向に延びる中空部１８が形成されている。この中空部１８に配管１９が連結されており、これらの配管１９および中空部１８を所定の冷却用流体が流動するように構成されている。つまりクーリングユニット１５は、放熱プレート５，６と冷却用流体との間で熱交換をおこなうことにより、ヒートパイプ３，４や放熱プレート５，６を介して伝達された電子部品１の熱を、冷却用流体に放熱するように構成されている。なお、上記の各端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃに熱伝達可能に接続される放熱プレート５，６の上面５ａ，６ａが、この発明における放熱プレートのいずれか一方の面に相当し、クーリングユニット１５に熱伝達可能に接続される放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂが、この発明における放熱プレートのいずれか他方の面に相当している。

次に、上記のように構成されたこの発明に係る放熱用熱伝達ユニットの取り付け方法について説明する。先ず、一対のクーリングユニット１５の間に、電子部品１を取り付けた基板を挿入する。またこの発明に係る放熱用熱伝達ユニットを、一対のクーリングユニット１５の間に取り付ける。その場合に、熱拡散板２の下面２ｂに電子部品１を対向させて配置する。次いで、冷却ブロック１６に各放熱プレート５，６を固定する。またボルト１４によってベースプレート７を基板に固定する。ここで、例えば冷却ブロック１６に各放熱プレート５，６を固定した状態で、熱拡散板２の下面２ｂと電子部品１の上面１ａとの間に隙間がある場合には、ボルト１４を基板にねじ込んでいくにつれて、各屈曲部３ｄ，４ｄが曲げ変形することにより図４での下方にベースプレート７が移動する。そして熱拡散板２の下面２ｂと電子部品１の上面１ａとの隙間が次第に小さくなり、ついには、電子部品１と熱拡散板２とが熱伝達可能に密着する。これに対して、図４の上下方向で熱拡散板２の下面２ｂと各放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂとの間隔よりも、各熱接触面１７と電子部品１の上面１ａとの間隔が狭い場合には、上述した冷却ブロック１６に各放熱プレート５，６を固定する際に、各屈曲部３ｄ，４ｄで曲げ変形が生じることにより熱拡散板２の下面２ｂと各放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂとの間隔が最適化される。その結果、放熱プレート５，６とクーリングユニット１５とが熱伝達可能に密着するとともに、電子部品１と熱拡散板２とが熱伝達可能に密着する。さらに、ヒートパイプ３，４を挟んで両側に配置される各クーリングユニット１５における冷却ブロック１６の高さが異なる場合には、各クーリングユニット１５に放熱プレート５，６を取り付けたり、ベースプレート７を基板に固定するためにボルト１４を巻き締めたりする際に、上述したように各屈曲部３ｄ，４ｄが変形する。そしてこれにより、図４の上下方向における熱拡散板２の下面２ｂと各放熱プレート５，６の下面５ｂ，６ｂとの間隔が最適化される。その結果、電子部品１と熱拡散板２とが熱伝達可能に密着するとともに、放熱プレート５，６とクーリングユニット１５とが熱伝達可能に密着する。

したがって、この発明に係る放熱用熱伝達ユニットによれば、上記のようにヒートパイプ３，４が変形することにより電子部品１と熱拡散板２とを熱伝達可能に密着させることができる。また、クーリングユニット１５と放熱プレート５，６とを熱伝達可能に密着させることができる。さらにヒートパイプ３，４の端部３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃに放熱プレート５，６が設けられているため、クーリングユニット１５に対して熱を伝達する面積を拡大することができる。そしてこれにより、ヒートパイプ３，４とクーリングユニット１５との間における熱抵抗を低減することができる。それらの結果、電子部品１の熱をヒートパイプ３，４を介してクーリングユニット１５に効果的に放熱することができる

なお、図１ないし図５に示す例では、長さの異なるヒートパイプ３，４を用いている。そのため、各放熱プレート５，６に対してベースプレート７が偏って配置されているが、同じ長さのヒートパイプを用い、かつ、それらのヒートパイプの端部を同様に屈曲させた場合には各放熱プレート５，６の中央部にベースプレート７を配置することができる。

１…電子部品、 ２…熱拡散板、 ２ａ…熱拡散板の上面、 ２ｂ…熱拡散板の下面、 ３，４…ヒートパイプ、 ３ａ，４ａ…ヒートパイプの中央部、 ３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃ…ヒートパイプの各端部、 ５，６…放熱プレート、 １５…クーリングユニット。

Claims (2)

1. 密閉されたコンテナ内に加熱されて蒸発し放熱して凝縮する作動流体が封入され、前記作動流体の潜熱によって熱輸送するヒートパイプを備え、前記ヒートパイプによって冷却対象物の熱をクーリングユニットに熱輸送するように構成された放熱用熱伝達ユニットにおいて、
   いずれか一方の面に前記ヒートパイプの長さ方向における中央部が熱伝達可能に接続されかついずれか他方の面に前記冷却対象物に熱伝達可能に接続される平坦な受熱プレートと、
   前記ヒートパイプにおける各端部に熱伝達可能に接続されかつ前記受熱プレートとは異なる高さに配置された平坦な放熱プレートと、
   前記ヒートパイプの長さ方向における中央部と前記ヒートパイプにおける各端部との間に設けられ、前記ヒートパイプの曲げ変形を許容する屈曲部とを備え、
   前記クーリングユニットは、前記冷却対象物の両側に配置され、かつ、前記放熱プレートに密着させられる平坦な熱接触面が形成された冷却ブロックと、前記冷却ブロック内に形成されかつ前記放熱プレートと前記冷却用流体との間で熱交換を行う冷却用流体が供給される中空部と、前記中空部に前記冷却用流体を流通させる配管とを備え、
   前記ヒートパイプにおける各端部は、前記受熱プレートの側方に前記放熱プレートに向けて延び出ており、かつ、前記放熱プレートとの高さを合わせるように前記ヒートパイプの長さ方向における中央部に対して上下方向に屈曲されており、さらに、前記ヒートパイプにおける各端部は共に前記ヒートパイプの長さ方向に対して直交する同一方向に屈曲されている
   ことを特徴とする放熱用熱伝達ユニット。
2. 前記ヒートパイプより長さの短い他のヒートパイプを備え、
   前記他のヒートパイプの長さ方向における中央部が前記受熱プレートにおける前記いずれか一方の面に熱伝達可能に接続され、前記他のヒートパイプにおける各端部が前記放熱プレートに熱伝達可能に接続されており、
   前記他のヒートパイプの長さ方向における中央部と前記他のヒートパイプにおける各端部との間に前記他のヒートパイプの曲げ変形を許容する他の屈曲部が設けられており、
   前記他のヒートパイプにおける各端部は、前記受熱プレートの側方に前記放熱プレートに向けて延び出ており、かつ、前記放熱プレートとの高さを合わせるように前記ヒートパイプの長さ方向における中央部に対して上下方向に屈曲されており、さらに、前記他のヒートパイプにおける各端部は共に前記他のヒートパイプの長さ方向に対して直交するように、同一方向に屈曲されており、
   前記他のヒートパイプにおける各端部の長さは、前記ヒートパイプにおける各端部の長さよりも短く、かつ、前記ヒートパイプにおける各端部と前記他のヒートパイプにおける各端部とは互いに反対方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の放熱用熱伝達ユニット。

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