JP7340709B1 - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】省スペース化しつつ、気相の作動流体の流通特性と冷却性能に優れ、また、気相の作動流体の漏れを防止できるヒートシンクを提供する。【解決手段】 発熱体と熱的に接続される蒸発部を有する熱輸送部材と、前記熱輸送部材の凝縮部に位置する接続部にて接続された、前記熱輸送部材の熱輸送方向とは異なる熱輸送方向を有する管体と、前記管体と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群と、を備え、前記熱輸送部材が、前記蒸発部から前記管体との前記接続部まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有し、前記熱輸送部材の内部空間が、前記接続部を介して前記管体の内部空間と連通し、前記管体が、径方向の形状が円形状である円形部と径方向の形状が扁平形状である扁平部とを有し、前記円形部が、前記接続部に位置し、前記扁平部が、前記放熱フィン群が熱的に接続された部位に位置するヒートシンク。【選択図】図１

Description

本発明は、電子回路基板等の基板に搭載された電気・電子部品等の発熱体を冷却するヒートシンクに関し、特に、気相の作動流体の流通特性に優れ、また、気相の作動流体の漏れを防止できるヒートシンクに関する。

電子機器の高機能化に伴い、電子機器内部には、電子部品等の発熱体を含め、多数の部品が電子回路基板等の基板上に搭載されている。また、電子機器の高機能化に伴い、電子部品等の発熱体の発熱量が増大している。電子部品等の発熱体を冷却する手段として、ベーパーチャンバ、ヒートパイプ、ヒートシンク等の熱輸送部材が使用されることがある。

一方で、近年、電子機器内部には、多数の部品がますます高密度に搭載されているので、ヒートシンクの設置スペースが狭小空間に制限されることがある。また、電子部品等からの発熱量が増大していることから、ヒートシンクには、省スペース化と冷却性能のさらなる向上が要求されている。

そこで、電子部品等の発熱体を冷却する熱輸送部材として、ウィック構造体と作動流体とが収容されているベーパーチャンバであって、第１セクションと、第１セクションから離れる方向に第１セクションの一端から延在する第２セクションと、第２セクションから左右の方向に延在する第４セクションと、第１セクションから離れる方向に第１セクションの一端から延在する第３セクションと、第３セクションから左右の方向に延在する第５セクションと、を備え、第１セクション～第５セクションの全てにわたって前記ウィック構造体が延在したベーパーチャンバが提案されている（特許文献１）。

特許文献１では、第１セクションに熱的に接続された発熱体の熱を、蒸発部である第１セクションの一端から延在する第２セクションと第３セクションを介して、左右の方向に延在する凝縮部である第４セクションと第５セクションへ輸送することで、省スペース化を図りつつ、発熱体を冷却する。

しかし、特許文献１では、省スペース化、特に、厚さ方向の省スペース化のために、第１セクション～第５セクションの全てにわたって、全体が扁平形状なので、特に、各セクションの接続部において、気相の作動流体の流通特性が低下してしまうという問題があった。

また、熱輸送部材の冷却性能のさらなる向上のために、制約された空間にて、凝縮部である第４セクションと第５セクションの設置数を増加させると、凝縮部を構成するセクションの間隔が狭くなり、凝縮部を構成するセクション同士が接触して亀裂が生じる可能性があった。凝縮部を構成するセクションに亀裂が生じると、亀裂から気相の作動流体の漏れ（リーク）が生じてしまうという問題がある。

米国特許出願公開第２０２０／００１８５５５号明細書

上記事情に鑑み、本発明は、省スペース化しつつ、気相の作動流体の流通特性と冷却性能に優れ、また、気相の作動流体の漏れを防止できるヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明のヒートシンクの構成の要旨は、以下の通りである。
［１］発熱体と熱的に接続される蒸発部を有する熱輸送部材と、前記熱輸送部材の凝縮部に位置する接続部にて接続された、前記熱輸送部材の熱輸送方向とは異なる熱輸送方向を有する管体と、前記管体と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群と、を備え、
前記熱輸送部材が、前記蒸発部から前記管体との前記接続部まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有し、前記熱輸送部材の内部空間が、前記接続部を介して前記管体の内部空間と連通し、
前記管体が、径方向の形状が円形状である円形部と径方向の形状が扁平形状である扁平部とを有し、
前記円形部が、前記接続部に位置し、前記扁平部が、前記放熱フィン群が熱的に接続された部位に位置するヒートシンク。
［２］前記熱輸送部材の内部空間に、前記蒸発部から前記凝縮部へ伸延した第１のウィック構造体が設けられ、前記管体の内部に、第２のウィック構造体が設けられている［１］に記載のヒートシンク。
［３］前記第１のウィック構造体が、前記接続部に位置する接続部材を介して、前記第２のウィック構造体と接続されている［２］に記載のヒートシンク。
［４］前記接続部材が、毛細管力を有するウィック部材である［３］に記載のヒートシンク。
［５］前記管体が、前記円形部と前記扁平部との間に、前記扁平部から前記円形部へ向かって傾斜した傾斜部を有する［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［６］前記熱輸送部材が、同一平面上に延在する平面型である［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［７］前記熱輸送部材が、前記蒸発部と前記凝縮部の間に位置する断熱部と前記凝縮部との間に、前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた放熱側段差部を有する［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［８］前記熱輸送部材が、前記蒸発部と前記断熱部との間に、前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた受熱側段差部を有する［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［９］前記管体が、複数の前記放熱フィンの配置方向に沿って延在している［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［１０］前記管体が、複数設けられ、前記熱輸送部材から複数の方向に延在している［１］乃至［４］のいずれか１つに記載のヒートシンク。

上記態様では、熱輸送部材のうち、冷却対象である発熱体と熱的に接続される部位が蒸発部（受熱部）として機能し、管体と接続された部位が熱輸送部材の凝縮部（放熱部）として機能する。熱輸送部材の蒸発部では、作動流体が発熱体から受熱して液相から気相へ相変化し、熱輸送部材の凝縮部では、気相の作動流体の一部が潜熱を放出して気相から液相へ相変化する。本発明のヒートシンクの態様では、発熱体の熱は、熱輸送部材によって熱輸送部材の蒸発部から熱輸送部材の凝縮部まで輸送され、さらには、熱輸送部材の凝縮部から管体まで輸送される。また、熱輸送部材が発熱体から受熱することで気相に相変化した作動流体は、熱輸送部材から接続部を介して管体へ流通する。気相の作動流体が熱輸送部材から管体へ流通することで、管体は、熱輸送部材から熱を受け、さらに、熱輸送部材から受けた熱を管体と熱的に接続された放熱フィン群へ伝達する。管体が熱輸送部材から受けた熱を放熱フィン群へ伝達する際に、熱輸送部材から管体へ流通した気相の作動流体は液相へ相変化する。管体から放熱フィン群へ伝達された熱は、放熱フィン群からヒートシンクの外部環境へ放出される。

上記態様では、熱輸送部材の熱輸送方向と管体の熱輸送方向は相違するので、熱輸送部材の延在方向と管体の延在方向は相違する。

本発明のヒートシンクの態様によれば、管体が、径方向の形状が円形状である円形部と径方向の形状が扁平形状である扁平部とを有し、前記円形部が熱輸送部材との接続部に位置することにより、接続部における気相の作動流体の圧力損失が低減されるので、気相の作動流体の流通特性が優れている。また、接続部における管体の径方向の形状が円形状であることにより、冷却特性を向上させるために管体の設置数を増加させても、接続部に位置する管体の基部において管体間の間隔を十分に確保することができるので、優れた冷却性能を得つつ、管体と熱輸送部材の接触等によって管体と管体の間の部位における熱輸送部材に亀裂（クラック）が発生することを防止できる。熱輸送部材に亀裂（クラック）が発生することを防止できることで、管体を熱輸送部材に接合するろう等の接合材料が、亀裂（クラック）から管体と熱輸送部材の内部空間へ侵入することを防止でき、結果、管体と熱輸送部材の内部空間に設けられた毛細管力を有する部材に、ろう等の接合材料が吸収されることで毛細管力を低減させることを防止できる。また、熱輸送部材に亀裂（クラック）が発生することを防止できることで、気相の作動流体の漏れ（リーク）を防止できる。また、本発明のヒートシンクの態様によれば、前記扁平部が、放熱フィン群が熱的に接続された部位に位置することにより、ヒートシンクを省スペース化することができる。

本発明のヒートシンクの態様では、蒸発部を有する熱輸送部材の内部空間は、複数のヒートパイプが並列配置されたヒートパイプ群の内部空間とは異なり、全体が連通して一体となっている。上記から、内部空間が一体である熱輸送部材が発熱体の熱を蒸発部から放熱フィンと熱的に接続された管体との接続部まで輸送する本発明のヒートシンクの態様では、作動流体の流通特性に優れ、また、発熱体からの発熱量が増大しても、蒸発部における入熱を均一化でき、蒸発部における熱抵抗を低減できる。また、本発明のヒートシンクの態様では、熱輸送部材の内部空間は全体が連通して一体となっているので、発熱体に発熱ムラが生じていても、発熱体全体を均一に冷却できる。

また、本発明のヒートシンクの態様では、前記管体が、前記熱輸送部材の熱輸送方向とは異なる熱輸送方向を有することにより、熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）について、ヒートシンクの寸法の増大を防止することができ、結果、省スペース化を図ることができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記熱輸送部材の内部空間に、前記蒸発部から前記凝縮部へ伸延した第１のウィック構造体が設けられ、前記管体の内部に、第２のウィック構造体が設けられていることにより、管体の内部空間にて気相から液相へ相変化した作動流体は、熱輸送部材の蒸発部へ円滑に還流できる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記第１のウィック構造体が前記接続部に位置する接続部材を介して前記第２のウィック構造体と接続されていることにより、第２のウィック構造体から第１のウィック構造体への液相の作動流体の還流が円滑化される。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記管体が、前記円形部と前記扁平部との間に、前記扁平部から前記円形部へ向かって傾斜した傾斜部を有することにより、管体から熱輸送部材への液相の作動流体の還流がさらに円滑化され、管体から熱輸送部材への液相の作動流体の還流特性がさらに向上する。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記熱輸送部材が同一平面上に延在する平面型であることにより、熱輸送部材が省スペース化、特に、熱輸送部材の厚さ方向において省スペース化される。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記熱輸送部材が、前記断熱部と前記凝縮部との間に、前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた放熱側段差部を有することにより、ヒートシンクの設置スペースが制限される環境下、前記凝縮部近傍の設置スペースに禁止領域が存在していてもヒートシンクを設置することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記熱輸送部材が、前記蒸発部と前記断熱部との間に、前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた受熱側段差部を有することにより、ヒートシンクの設置スペースが制限される環境下、前記蒸発部近傍の設置スペースに禁止領域が存在していてもヒートシンクを設置することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記管体が、複数設けられ、前記熱輸送部材から複数の方向に延在していることにより、熱輸送部材から管体へ輸送された熱は熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）とは異なる複数の方向へ輸送される。従って、熱輸送部材の延在方向（熱輸送方向）について、ヒートシンクの寸法の増大をより確実に防止することができる。

本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する側面図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの熱輸送部材と管体の接続部の概要を示す説明図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する側面図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する側面図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する斜視図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの熱輸送部材と管体の接続部の概要を示す説明図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する側面図である。

以下に、本発明の実施形態例に係るヒートシンクについて、図面を用いながら説明する。まず、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクについて説明する。なお、図１は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する側面図である。図３は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの熱輸送部材と管体の接続部の概要を示す説明図である。図５は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する側面図である。

図１、２に示すように、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク１は、発熱体１００と熱的に接続される蒸発部４１（受熱部４１）を有する熱輸送部材１０と、熱輸送部材１０の凝縮部４２（放熱部４２）に位置する接続部３０にて接続された、熱輸送部材１０の熱輸送方向とは異なる熱輸送方向を有する管体３１と、管体３１と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群２０と、を備えている。放熱フィン群２０は、管体３１に取り付けられた複数の第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・と、熱輸送部材１０に取り付けられた複数の第２の放熱フィン２２、２２、２２・・・を備えている。管体３１は、熱輸送部材１０とは、熱輸送部材１０の凝縮部４２にて接続されている。

熱輸送部材１０は、蒸発部４１から管体３１との接続部３０まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有している。熱輸送部材１０の内部空間は、複数のヒートパイプが並列配置されたヒートパイプ群の内部空間とは異なり、全体が連通して一体となっている。

熱輸送部材１０の内部空間は、接続部３０を介して管体３１の内部空間と連通している。すなわち、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の内部空間と管体３１の内部空間とは連通して一体となっており、一体である内部空間には、作動流体が封入されている。

図１、２に示すように、熱輸送部材１０は、中空の空洞部１３を有するコンテナ１９と、空洞部１３を流通する作動流体（図示せず）とを有している。また、空洞部１３内には、蒸発部４１から凝縮部４２へ伸延した毛細管力を有する第１のウィック構造体１４が設けられている。コンテナ１９は、ヒートシンク１の設置面側に位置する一方の板状体１１と一方の板状体１１と対向する他方の板状体１２とを重ね合わせることにより形成されている。

一方の板状体１１は平面部の縁部に平面部から立設した側壁を有する板状である。他方の板状体１２も、平面部の縁部に平面部から立設した側壁を有する板状である。従って、一方の板状体１１と他方の板状体１２は、凹形状となっている。一方の板状体１１と他方の板状体１２とを凹形状を対向させた状態で重ね合わせることにより、コンテナ１９の空洞部１３が形成される。コンテナ１９は、同一平面上に延在している。上記から、熱輸送部材１０は、同一平面上に延在する平面型である。コンテナ１９の空洞部１３は、外部環境に対して密閉された内部空間であり、脱気処理により減圧されている。

コンテナ１９外面のうち、冷却対象である発熱体１００が熱的に接続される部位が蒸発部４１として機能する。発熱体１００がコンテナ１９に熱的に接続されることで、発熱体１００が冷却される。熱輸送部材１０では、一方端に発熱体１００が熱的に接続されているので、一方端に蒸発部４１が形成されている。また、コンテナ１９内面のうち、蒸発部４１には、受熱部内面表面積増大部４４が設けられている。受熱部内面表面積増大部４４は、凹凸が繰り返し形成された部位であり、ヒートシンク１では、複数の板状フィン４５、４５・・・が、一方の板状体１１の内面上に立設されている。蒸発部４１に受熱部内面表面積増大部４４が設けられていることにより、蒸発部４１から液相の作動流体への熱伝達が円滑化される。なお、ヒートシンク１の使用条件等に応じて、受熱部内面表面積増大部４４は設けなくてもよい。

熱輸送部材１０は、発熱体１００の位置から所定方向へ延在しており、一方端に対向する他方端に放熱フィン群２０を形成する複数の第２の放熱フィン２２、２２、２２・・・が熱的に接続されている。放熱フィン群２０が熱的に接続されている熱輸送部材１０の他方端が、熱輸送部材１０の凝縮部４２として機能する。

熱輸送部材１０は、コンテナ１９の一方端に位置する蒸発部４１とコンテナ１９の他方端に位置する凝縮部４２との間に位置する中間部が、断熱部４３として機能する。断熱部４３は、放熱フィン群２０も発熱体１００も熱的に接続されていない部位である。従って、断熱部４３は、積極的に受熱と放熱がされていない部位である。発熱体１００から蒸発部４１へ伝達された熱が、断熱部４３の延在方向に沿って、蒸発部４１から凝縮部４２へ輸送される。

熱輸送部材１０の幅方向の寸法は、特に限定されず、ヒートシンク１では、説明の便宜上、蒸発部４１、断熱部４３及び凝縮部４２は、略同じ寸法となっている。また、蒸発部４１における熱輸送部材１０の幅方向の寸法は、発熱体１００の幅方向の寸法等に応じて適宜選択可能である。

図１、３に示すように、第１のウィック構造体１４は、熱輸送部材１０の幅方向中央部にてコンテナ１９の蒸発部４１から凝縮部４２まで伸延している。コンテナ１９が同一平面上に延在していることに対応して、第１のウィック構造体１４は、同一平面上に伸延している。

第１のウィック構造体１４の構成としては、特に限定されないが、例えば、銅粉等の金属粉の焼結体、金属線からなる金属メッシュ、グルーブ（複数の細溝）、不織布、金属繊維等を挙げることができる。熱輸送部材１０では、第１のウィック構造体１４として、金属粉の焼結体が用いられている。空洞部１３のうち、第１のウィック構造体１４の設けられていない部位が、気相の作動流体の流通する蒸気流路１５として機能する。蒸気流路１５は、第１のウィック構造体１４が熱輸送部材１０（コンテナ１９）の蒸発部４１から凝縮部４２まで伸延していることに対応して、熱輸送部材１０（コンテナ１９）の蒸発部４１から凝縮部４２まで延在している。熱輸送部材１０は、作動流体の動作による熱輸送特性によって、蒸発部４１にて受けた発熱体１００の熱を蒸発部４１から凝縮部４２へ輸送する。

図１～３に示すように、熱輸送部材１０の他方端には、コンテナ１９の空洞部１３と内部空間の連通した複数の管体３１、３１、３１・・・が設けられている。管体３１の内部空間は、接続部３０を介して熱輸送部材１０の空洞部１３と連通している。従って、空洞部１３を流通する作動流体は、空洞部１３から管体３１内部までの空間に封入されている。

ヒートシンク１では、管体３１は、長手方向に対して直交方向（径方向）の形状が円形状である円形部３６と、長手方向に対して直交方向（径方向）の形状が扁平形状である扁平部３７と、を有している。扁平部３７の形状としては、例えば、楕円形状、角丸長方形等が挙げられる。また、扁平部３７は、熱輸送部材１０の延在方向に沿った扁平形状（すなわち、横扁平）となっている。扁平部３７は、径方向の形状が円形状である部位を扁平加工することで形成することができる。管体３１の円形部３６は熱輸送部材１０との接続部３０に位置し、管体３１の扁平部３７は複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・が熱的に接続された部位に位置する。

また、管体３１は、円形部３６と扁平部３７の間に境界部３８を有している。境界部３８の径方向の形状は、円形状でも扁平形状でもなく、円形状から扁平形状へ変化する過程の形状である。上記から、管体３１は、長手方向に沿って接続部３０から順に、円形部２６、境界部３８、扁平部３７を有している。また、円形部２６、境界部３８及び扁平部３７の内部空間は、相互に連通しており、作動流体が流通可能となっている。

ヒートシンク１では、複数の管体３１、３１、３１・・・は、いずれも、径方向の形状が円形状である円形部３６と径方向の形状が扁平形状である扁平部３７とを有している構造となっている。上記から、相互に隣接する管体３１同士の間隔は、熱輸送部材１０と管体３１の接続部３０が、複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・が熱的に接続された部位よりも広い態様となっている。

図４に示すように、管体３１では、円形部３６と扁平部３７との間が、扁平部３７から円形部３６へ向かって傾斜した傾斜部３９となっている。傾斜部３９は、ヒートシンク１の設置面方向へ傾斜している。ヒートシンク１では、境界部３８は、管体３１の長手方向に沿ってスロープ状に傾斜した傾斜部３９となっている。

管体３１の内部空間において、円形部３６の直径と扁平部３７の厚さの割合は、特に限定されず、ヒートシンク１の使用条件等により、適宜選択可能である。管体３１の内部空間において、円形部３６の直径に対する扁平部３７の厚さの比率は、例えば、０．３０以上０．９０以下が好ましく、０．５０以上０．８０以下が特に好ましい。なお、管体３１の長手方向の形状は、特に限定されないが、ヒートシンク１では、略直線状となっている。また、いずれの管体３１も、形状、寸法は略同じとなっている。

ヒートシンク１では、管体３１は、熱輸送部材１０の凝縮部４２の平面方向に沿って、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向に延在している。管体３１の延在方向が熱輸送部材１０の熱輸送方向と平行ではないので、管体３１は、熱輸送部材１０の熱輸送方向とは異なる熱輸送方向を有する。熱輸送部材１０にて蒸発部４１から凝縮４２へ輸送された熱は、管体３１によって、熱輸送部材１０の延在方向とは異なる方向へ輸送される。従って、熱輸送部材１０の延在方向（熱輸送方向）におけるヒートシンク１の寸法の増大を防止することができるので、ヒートシンク１の省スペース化を図ることができる。

また、管体３１は、複数設けられており、熱輸送部材１０の凝縮部４２から複数の方向に延在している。ヒートシンク１では、管体３１は、熱輸送部材１０を中心にして左右両方向、すなわち、２方向へ延在している。また、管体３１は、熱輸送部材１０を中心にして左右両方向に同じ本数ずつ設けられている。複数の管体３１、３１、３１・・・が熱輸送部材１０から複数の方向（ヒートシンク１では２方向）に延在しているので、熱輸送部材１０から管体３１へ輸送された熱は、熱輸送部材１０の延在方向（熱輸送方向）とは異なる複数の方向（ヒートシンク１では２方向）へ分岐して輸送される。従って、熱輸送部材１０の延在方向（熱輸送方向）におけるヒートシンク１の寸法の増大をより確実に防止することができる。

図１～４に示すように、管体３１の熱輸送部材１０側端部（以下、「基部」ということがある。）３２は、接合部３０に位置し、開口している。開口している基部３２は、円形部３６を構成している。一方で、熱輸送部材１０とは反対の端部（以下、「先端部」ということがある。）３３は閉塞している。閉塞している先端部３３は、扁平部３７を構成している。また、コンテナ１９の空洞部１３と管体３１の内部空間は連通しており、管体３１の内部空間は、空洞部１３と同様に、脱気処理により減圧されている。従って、作動流体は、コンテナ１９の空洞部１３と管体３１の内部空間との間で流通可能となっている。

また、コンテナ１９の側面部には、管体３１をコンテナ１９に取り付けるための貫通孔（図示せず）が形成されている。貫通孔の形状と寸法は、管体３１の基部３２の形状と寸法に対応しており、管体３１の基部３２が、コンテナ１９の貫通孔に嵌挿されることで、管体３１がコンテナ１９に接続されている。従って、管体３１とコンテナ１９は、別の部材からなっている。コンテナ１９に取り付けた管体３１を固定する方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう等の接合材料による接合手段を挙げることができる。

ヒートシンク１では、管体３１と熱輸送部材１０とは別の部材からなっているので、管体３１の配置、寸法等を自由に選択でき、ヒートシンク１の設計の自由度が向上する。また、ヒートシンク１では、コンテナ１９の貫通孔に管体３１を嵌挿することで、管体３１をコンテナ１９に取り付けることができるので、組み立てが容易である。

図３、４に示すように、管体３１の内部には、コンテナ１９に設けられた第１のウィック構造体１４とは異なる、毛細管力を有する第２のウィック構造体３４が設けられている。熱輸送部材１０に、蒸発部４１から凝縮部４２へ伸延した第１のウィック構造体１４が設けられ、管体３１の内部に、第２のウィック構造体３４が設けられていることにより、管体３１の内部空間にて気相から液相へ相変化した作動流体は、熱輸送部材１０の蒸発部４１へ円滑に還流できる。第２のウィック構造体３４としては、特に限定されないが、例えば、銅粉等の金属粉の焼結体、金属線からなる金属メッシュ、グルーブ、不織布、金属繊維等を挙げることができる。管体３１では、第２のウィック構造体３４として、管体３１の内面全体を覆うように、複数の細溝が形成されている。細溝は、管体３１の長手方向に沿って延在している。

図４に示すように、熱輸送部材１０に設けられた第１のウィック構造体１４は、接続部３０に位置する接続部材３５を介して、管体３１に設けられた第２のウィック構造体３４と接続されていてもよい。管体３１内部で気相から液相へ相変化した作動流体は、管体３１内部の第２のウィック構造体３４の毛細管力によって、第２のウィック構造体３４内を管体３１の先端部３３から基部３２の方向へ還流し、管体３１の基部３２まで還流した液相の作動流体は、第２のウィック構造体３４から接続部材３５の一端へ流通する。第２のウィック構造体３４から接続部材３５の一端へ流通した液相の作動流体は、接続部材３５を一端から他端へ流通し、接続部材３５の他端から熱輸送部材１０の第１のウィック構造体１４へ還流することができる。

従って、接続部３０に接続部材３５を設けることで、第２のウィック構造体３４から第１のウィック構造体１４への液相の作動流体の還流が円滑化される。上記から、接続部材３５により、管体３１と熱輸送部材１０間における液相の作動流体の流通性能が向上するので、ヒートシンク１の冷却性能が向上する。接続部材３５としては、例えば、毛細管力を有するウィック部材を挙げることができ、具体的には、金属メッシュ、金属線の編組体、金属繊維等を挙げることができる。

コンテナ１９及び管体３１の材料としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス、チタン、チタン合金等を挙げることができる。コンテナ１９の空洞部１３及び管体３１の内部空間に封入する作動流体としては、コンテナ１９及び管体３１の材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、フルオロカーボン類、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、シクロペンタン、エチレングリコール、これらの混合物等を挙げることができる。

コンテナ１９の厚さとしては、機械的強度、重量等から適宜選択可能であり、例えば、０．５～３ｍｍを挙げることができ、熱輸送部材１０の幅は、例えば、４～２０ｍｍを挙げることができる。また、管体３１の円形部３６の直径としては、機械的強度、重量等から適宜選択可能であり、例えば、５～１０ｍｍを挙げることができる。

図１～４に示すように、放熱フィン群２０は、複数の第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・、複数の第２の放熱フィン２２、２２、２２・・・が、それぞれ、並列配置されて形成されている。第１の放熱フィン２１、第２の放熱フィン２２ともに、薄い平板状の部材である。このうち、放熱フィン群２０の両側部に位置する第１の放熱フィン２１は、管体３１の長手方向に対して略平行方向に所定間隔にて並列配置されている。従って、管体３１は、複数の第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・の配置方向に沿って延在している。また、第１の放熱フィン２１は、管体３１の位置に取り付け、固定されて、管体３１と熱的に接続されている。第１の放熱フィン２１は、いずれも、略同じ形状、寸法となっている。放熱フィン群２０の中央部に位置する第２の放熱フィン２２は、熱輸送部材１０の位置に取り付け、固定されて、熱輸送部材１０と熱的に接続されている。第２の放熱フィン２２が取り付けられた熱輸送部材１０の部位が、凝縮部４２として機能する。第２の放熱フィン２２は、熱輸送部材１０に立設されるように取り付けられている。

第１の放熱フィン２１の主表面が、主に第１の放熱フィン２１の放熱機能を発揮する面である。第２の放熱フィン２２の主表面が、主に第２の放熱フィン２２の放熱機能を発揮する面である。第１の放熱フィン２１の主表面、第２の放熱フィン２２の主表面は、管体３１の延在方向、すなわち長手方向に対して、略直交方向となるように配置されている。

第１の放熱フィン２１の管体３１への熱的接続方法は、特に限定されず、公知の方法をいずれも使用可能であり、例えば、第１の放熱フィン２１に貫通孔（図示せず）を形成し、この貫通孔に管体３１を嵌挿する方法が挙げられる。第２の放熱フィン２２の熱輸送部材１０への熱的接続方法は、特に限定されず、公知の方法をいずれも使用可能であり、例えば、第２の放熱フィン２２の端部に、放熱フィン２２の主表面に対して鉛直方向に伸延した固定用片部を設け、該固定用片部を熱輸送部材１０の平面に接続して熱輸送部材１０に放熱フィン２２を立設させる方法が挙げられる。

ヒートシンク１は、例えば、送風ファン（図示せず）により強制空冷される。送風ファン由来の冷却風Ｆは、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略平行方向から供給される。冷却風Ｆが、第１の放熱フィン２１の主表面及び第２の放熱フィン２２の主表面に沿って供給されて、放熱フィン群２０が冷却される。

第１の放熱フィン２１及び第２の放熱フィン２２の材質は、特に限定されず、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属、黒鉛等の炭素材料、炭素材料を用いた複合部材などを挙げることができる。

次に、図１、３、５を用いて、ヒートシンク１の冷却機能のメカニズムについて説明する。まず、熱輸送部材１０のコンテナ１９の一方端に被冷却体である発熱体１００を熱的に接続して、一方端を蒸発部４１として機能させる。コンテナ１９の一方端が発熱体１００から受熱すると、コンテナ１９の一方端において、空洞部１３の液相の作動流体へ熱が伝達されて、コンテナ１９の一方端の空洞部１３にて、液相の作動流体が気相の作動流体へと相変化する。気相の作動流体は、蒸気流路１５をコンテナ１９の一方端から凝縮部４２である他方端へ流通する。気相の作動流体が、コンテナ１９の一方端（蒸発部４１）から他方端（凝縮部４２）へ流通することで、熱輸送部材１０が、その一方端から他方端へ熱を輸送する。コンテナ１９の他方端へ流通した気相の作動流体の一部が、潜熱を放出して液相の作動流体Ｌへ相変化し、放出された潜熱は、熱輸送部材１０と熱的に接続されている第２の放熱フィン２２へ伝達される。第２の放熱フィン２２へ伝達された熱は、第２の放熱フィン２２を介してヒートシンク１の外部環境へ放出される。コンテナ１９の他方端にて液相に相変化した作動流体Ｌは、第１のウィック構造体１４の毛細管力により、コンテナ１９の他方端から一方端へ還流する。

また、コンテナ１９の空洞部１３と管体３１の内部空間とは連通しているので、コンテナ１９の一方端（蒸発部４１）にて液相から気相へ相変化した作動流体のうち、コンテナ１９の他方端（凝縮部４２）にて液相に相変化しなかった作動流体は、空洞部１３から管体３１の内部空間へ流入する。管体３１の内部空間へ流入した気相の作動流体は、管体３１内部にて潜熱を放出して、液相の作動流体Ｌへ相変化する。管体３１内部にて放出された潜熱は、管体３１と熱的に接続されている第１の放熱フィン２１へ伝達される。第１の放熱フィン２１へ伝達された熱は、第１の放熱フィン２１を介してヒートシンク１の外部環境へ放出される。管体３１内部にて気相から液相へ相変化した作動流体Ｌは、管体３１内面の第２のウィック構造体３４の毛細管力によって、扁平部３７である管体３１の先端部３３及び中央部から、円形部３６である管体３１の基部３２へ還流する。管体３１の基部３２へ還流した液相の作動流体Ｌは、管体３１の基部３２から第１のウィック構造体１４へ還流する。第１のウィック構造体１４へ還流した液相の作動流体Ｌは、第１のウィック構造体１４の毛細管力により、コンテナ１９の他方端からコンテナ１９の一方端へ還流する。

ヒートシンク１では、管体３１が、径方向の形状が円形状である円形部３６と径方向の形状が扁平形状である扁平部３７とを有し、円形部３６が熱輸送部材１０との接続部３０に位置するので、接続部３０における気相の作動流体の圧力損失が低減されて、気相の作動流体の流通特性に優れている。また、接続部３０における管体３１の径方向の形状が円形状であることにより、ヒートシンク１の冷却特性を向上させるために管体３１の設置数を増加させても、接続部３０に位置する管体３１の基部３２において管体３１間の間隔を十分に確保することができるので、優れた冷却性能を得つつ、管体３１と熱輸送部材１０の接触等、例えば、管体３１を熱輸送部材１０に取り付ける作業時における管体３１と熱輸送部材１０の接触等によって管体３１と管体３１の間の部位における熱輸送部材１０に亀裂（クラック）が発生することを防止できる。熱輸送部材１０に亀裂（クラック）が発生することを防止できることで、管体３１を熱輸送部材１０に固定するろう等の接合材料が、亀裂（クラック）から管体３１と熱輸送部材１０の内部空間へ侵入することを防止できる。その結果、管体３１と熱輸送部材１０の内部空間に設けられた、接続部材３５等の毛細管力を有する部材に、ろう等の接合材料が吸収されることで毛細管力が低減することを防止できる。また、熱輸送部材１０に亀裂（クラック）が発生することを防止できることで、気相の作動流体の漏れ（リーク）を防止できる。また、ヒートシンク１では、管体３１の扁平部３７が、放熱フィン群２０が熱的に接続された部位に位置することにより、ヒートシンク１を省スペース化することができる。

また、ヒートシンク１では、内部空間が一体である熱輸送部材１０が発熱体１００の熱を蒸発部４１から放熱フィン群２０と熱的に接続された管体３１との接続部３０まで輸送するので、作動流体の流通特性に優れ、また、発熱体１００からの発熱量が増大しても、蒸発部４１における入熱を均一化でき、蒸発部４１における熱抵抗を低減できる。また、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の内部空間は全体が連通して一体となっているので、発熱体１００に発熱ムラが生じていても、発熱体１００全体を均一に冷却できる。

また、ヒートシンク１では、管体３１が、円形部３６と扁平部３７との間に、扁平部３７から円形部３６へ向かって傾斜した傾斜部３９を有するので、管体３１から熱輸送部材１０への液相の作動流体の還流がさらに円滑化され、管体３１から熱輸送部材１０への液相の作動流体の還流特性がさらに向上する。

また、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０が同一平面上に延在する平面型であることにより、熱輸送部材１０が省スペース化、特に、熱輸送部材１０の厚さ方向において省スペース化され、狭小空間であってもヒートシンク１を設置することができる。

次に、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクについて、図面を用いながら説明する。なお、第２実施形態例に係るヒートシンクは、第１実施形態例に係るヒートシンクと主要部は共通しているので、同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図６は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。図７は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する側面図である。図８は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する斜視図である。図９は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの熱輸送部材と管体の接続部の概要を示す説明図である。図１０は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンク内部の概要を説明する側面図である。

第１実施形態例に係るヒートシンク１では、熱輸送部材１０が同一平面上に延在する平面型であったが、これに代えて、図６～８に示すように、第２実施形態例に係るヒートシンク２では、熱輸送部材１０が、蒸発部４１と凝縮部４２の間に位置する断熱部４３と凝縮部４２との間に、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた放熱側段差部５０を有している。

ヒートシンク２では、放熱側段差部５０は、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差となっている。また、放熱側段差部５０は、ヒートシンク２の設置面に対して略鉛直方向の段差となっている。放熱側段差部５０を有することにより、ヒートシンク２の設置スペースが制限される環境下、凝縮部４２近傍の設置スペースに禁止領域１０１が存在していてもヒートシンク２を設置することができる。

放熱側段差部５０は、一方の板状体１１に設けられた熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部５１と、他方の板状体１２に設けられた熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部５２とから形成されている。従って、一方の板状体１１においては、断熱部４３と凝縮部４２は同一平面上に位置していない。また、他方の板状体１２においても、断熱部４３と凝縮部４２は同一平面上に位置していない。

また、図６～８に示すように、ヒートシンク２では、熱輸送部材１０が、蒸発部４１と断熱部４３との間に、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた受熱側段差部６０を有している。

ヒートシンク２では、受熱側段差部６０は、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差となっている。また、受熱側段差部６０は、ヒートシンク２の設置面に対して略鉛直方向の段差となっている。受熱側段差部６０を有することにより、ヒートシンク２の設置スペースが制限される環境下、蒸発部４１近傍の設置スペースに禁止領域１０１が存在していてもヒートシンク２を設置することができる。

受熱側段差部６０は、一方の板状体１１に設けられた熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部６１から形成されている。他方の板状体１２には、受熱側段差部６０を形成する段差は設けられていない。従って、一方の板状体１１においては、断熱部４３と蒸発部部４１は同一平面上に位置していない。一方で、他方の板状体１２においては、断熱部４３と蒸発部４１は同一平面上に位置している。

図６、８に示すように、ヒートシンク２では、第１のウィック構造体１４は、放熱側段差部５０の段差に追従した第１の段差部７０を有する。すなわち、第１のウィック構造体１４のうち、熱輸送部材１０の断熱部４３と凝縮部４２との間の部位に、第１の段差部７０が設けられている。第１の段差部７０の段差は、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に設けられている。ヒートシンク２では、放熱側段差部５０が熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差となっていることに対応して、第１の段差部７０は熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差となっている。また、放熱側段差部５０がヒートシンク２の設置面に対して略鉛直方向の段差となっていることに対応して、第１の段差部７０はヒートシンク２の設置面に対して略鉛直方向の段差となっている。さらに、放熱側段差部５０は、断熱部４３から凝縮部４２へ向かってヒートシンク２の設置面方向への段差となっていることに対応して、第１の段差部７０は断熱部４３から凝縮部４２へ向かってヒートシンク２の設置面方向への段差となっている。

第１の段差部７０は、断熱部４３側に設けられた、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部７１と、凝縮部４２側に設けられた、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部７２とから形成されている。従って、第１のウィック構造体１４は、一方の板状体１１側においては、断熱部４３に位置する部位と凝縮部４２に位置する部位は同一平面上に位置していない。また、第１のウィック構造体１４は、他方の板状体１２側においても、断熱部４３に位置する部位と凝縮部４２に位置する部位は同一平面上に位置していない。上記から、第１のウィック構造体１４は、凝縮部４２に位置する部位が断熱部４３に位置する部位よりもヒートシンク１の設置面側に位置している。

また、図６、８に示すように、第１のウィック構造体１４は、受熱側段差部６０の段差に追従した第２の段差部８０を有する。すなわち、熱輸送部材１０の断熱部４３と蒸発部４１との間の部位に、第２の段差部８０が設けられている。第２の段差部８０の段差は、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に設けられている。ヒートシンク２では、受熱側段差部６０が熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差となっていることに対応して、第２の段差部８０は熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差となっている。また、受熱側段差部６０がヒートシンク２の設置面に対して略鉛直方向の段差となっていることに対応して、第２の段差部８０はヒートシンク２の設置面に対して略鉛直方向の段差となっている。さらに、受熱側段差部６０が断熱部４３から蒸発部４１へ向かってヒートシンク２の設置面方向への段差となっていることに対応して、第２の段差部８０は断熱部４３から蒸発部４１へ向かってヒートシンク２の設置面方向への段差となっている。

第２の段差部８０は、断熱部４３側に設けられた、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部８１と、蒸発部４１側に設けられた、熱輸送部材１０の熱輸送方向に対して略直交方向の段差である段差部８２とから形成されている。従って、第１のウィック構造体１４は、一方の板状体１１側においては、断熱部４３に位置する部位と蒸発部４１に位置する部位は同一平面上に位置していない。また、第１のウィック構造体１４は、他方の板状体１２側においても、断熱部４３に位置する部位と蒸発部４１に位置する部位は同一平面上に位置していない。上記から、第１のウィック構造体１４は、蒸発部４１に位置する部位が断熱部４３に位置する部位よりもヒートシンク２の設置面側に位置している。

図６～８に示すように、ヒートシンク２でも、管体３１は、長手方向に対して直交方向（径方向）の形状が円形状である円形部３６と、長手方向に対して直交方向（径方向）の形状が扁平形状である扁平部３７と、を有している。管体３１の円形部３６は熱輸送部材１０との接続部３０に位置し、管体３１の扁平部３７は複数の放熱フィン２１、２１、２１・・・が熱的に接続された部位に位置する。

図９に示すように、ヒートシンク２でも、管体３１では、円形部３６と扁平部３７との間の境界部３８が、扁平部３７から円形部３６へ向かってスロープ状に傾斜した傾斜部３９となっている。

また、図９に示すように、ヒートシンク２でも、熱輸送部材１０に設けられた第１のウィック構造体１４は、接続部３０に位置する接続部材３５を介して、管体３１に設けられた第２のウィック構造体３４と接続されていてもよい。

図１０に示すように、ヒートシンク２では、禁止領域１０１を回避するために、熱輸送部材１０が放熱側段差部５０と受熱側段差部６０を有していても、第１のウィック構造体１４は、放熱側段差部５０の段差に追従した第１の段差部７０と受熱側段差部６０の段差に追従した第２の段差部８０を有するので、コンテナ１９の他方端にて液相に相変化した作動流体Ｌは、第１のウィック構造体１４の毛細管力により、コンテナ１９の他方端から放熱側段差部５０と受熱側段差部６０を流通してコンテナ１９の一方端へ還流することができる。

ヒートシンク２でも、管体３１が、径方向の形状が円形状である円形部３６と径方向の形状が扁平形状である扁平部３７とを有し、円形部３６が熱輸送部材１０との接続部３０に位置するので、接続部３０における気相の作動流体の圧力損失が低減されて、気相の作動流体の流通特性に優れている。また、接続部３０における管体３１の径方向の形状が円形状であることにより、ヒートシンク１の冷却特性を向上させるために管体３１の設置数を増加させても、接続部３０に位置する管体３１の基部３２において管体３１間の間隔を十分に確保することができるので、優れた冷却性能を得つつ、管体３１と熱輸送部材１０の接触等によって管体３１と管体３１の間の部位における熱輸送部材１０に亀裂（クラック）が発生することを防止できる。

次に、本発明のヒートシンクの他の実施形態例について、以下に説明する。上記各実施形態例のヒートシンクでは、第１のウィック構造体１４は、接続部３０に位置する接続部材３５を介して第２のウィック構造体３４と接続されていたが、接続部材３５を設けなくてもよく、第１のウィック構造体１４は、接続部材３５を介さずに第２のウィック構造体３４と接続されていてもよい。

本発明のヒートシンクは、省スペース化しつつ、気相の作動流体の流通特性と冷却性能に優れ、また、気相の作動流体の漏れを防止できるので、例えば、狭小空間に設置された回路基板に搭載された高発熱量の電子部品、例えば、中央演算処理装置等の電子部品を冷却する分野で利用価値が高い。

１、２ ヒートシンク
１０ 熱輸送部材
１４ 第１のウィック構造体
２０ 放熱フィン群
３０ 接続部
３１ 管体
３４ 第２のウィック構造体
３６ 円形部
３７ 扁平部
３９ 傾斜部
４１ 蒸発部
４２ 凝縮部

Claims (11)

1. 発熱体と熱的に接続される蒸発部を有する熱輸送部材と、前記熱輸送部材の凝縮部に位置する接続部にて接続された、前記熱輸送部材の熱輸送方向とは異なる熱輸送方向を有する管体と、前記管体と熱的に接続された、複数の放熱フィンが配置された放熱フィン群と、を備え、
   前記熱輸送部材が、前記蒸発部から前記管体との前記接続部まで連通し、且つ作動流体が封入された一体である内部空間を有し、前記熱輸送部材の内部空間が、前記接続部を介して前記管体の内部空間と連通し、
   前記管体が、径方向の形状が円形状である円形部と径方向の形状が扁平形状である扁平部とを有し、
   前記円形部が、前記接続部に位置し、前記扁平部が、前記放熱フィン群が熱的に接続された部位に位置し、
   前記管体の内部に第２のウィック構造体が設けられ、前記扁平部の内面全体が前記第２のウィック構造体で覆われているヒートシンク。
2. 前記熱輸送部材の内部空間に、前記蒸発部から前記凝縮部へ伸延した第１のウィック構造体が設けられている請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記第１のウィック構造体が、前記接続部に位置する接続部材を介して、前記第２のウィック構造体と接続されている請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記接続部材が、毛細管力を有するウィック部材である請求項３に記載のヒートシンク。
5. 前記管体が、前記円形部と前記扁平部との間に、前記扁平部から前記円形部へ向かって傾斜した傾斜部を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記熱輸送部材が、同一平面上に延在する平面型である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. 前記熱輸送部材が、前記蒸発部と前記凝縮部の間に位置する断熱部と前記凝縮部との間に、前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた放熱側段差部を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
8. 前記熱輸送部材が、前記蒸発部と前記断熱部との間に、前記熱輸送部材の熱輸送方向に対して平行方向ではない方向に段差が設けられた受熱側段差部を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
9. 前記管体が、複数の前記放熱フィンの配置方向に沿って延在している請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
10. 前記管体が、複数設けられ、前記熱輸送部材から複数の方向に延在している請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
11. さらに、前記傾斜部に放熱フィンが熱的に接続されている請求項５に記載のヒートシンク。

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