JP3355462B2 - 大容量剣山形ヒートシンク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートパイプ式ヒートシ
ンクの構造に関するものであり、特に剣山形状の細管ヒ
ートパイプ式大容量ヒートシンクの構造に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】剣山形ヒートシンクは受熱面と放熱面を
有する熱量授受金属平板の放熱面に直立して配接された
ピンフィン群が剣山形状に形成されて構成される。この
ような剣山形ヒートシンクは同一容積のプレートフィン
群により構成されたヒートシンクに比較して、放熱フィ
ン群の伝熱面積が数倍も大きく、またフィン内の対流が
層流を形成することが無いので、放熱効率が極めて良好
であり、また放熱量の割合に軽量である利点もある。更
に剣山形ヒートシンクの特筆すべき利点として、小型強
力な放熱性能に加えて、熱量授受平板の受熱面を放熱対
象発熱素子の放熱面に接着せしめるだけの簡易な手段で
適用できる構造である利点が有り、近来の機器内に於け
る発熱部品の高密度実装にその利用が急速に拡大されつ
つある。

【０００３】剣山形ヒートシンクは一般的には金属ピン
群が使用され、フィン高さを高くするとフィン効率が低
下する為、フィン高さには限界が有り、放熱能力にも自
ら限界が生じ、強力なヒートシンクを構成することが出
来なかった。その問題を解決する為に長尺蛇行細管ヒー
トパイプを応用することが発案され実用化されている。
適用される長尺蛇行細管ヒートパイプとしては次の各種
の構造のものが適用されてる。即ち特開昭６３−３１８
４９３（ループ型細管ヒートパイプ）、特願平２−３１
９４６１（ループ型細管ヒートパイプ）、特願平３−６
１３８５（マイクロヒートパイプ）等である。実用上の
構造としては上記の各種細管ヒートパイプを使用して、
特願平４−１３５５０７（ｌ字形状ピン群を有する剣山
型ヒートシンク）に係る構造に構成して適用される。

【０００４】この様に構成された剣山形ヒートシンクは
ピン群が全てヒートパイプであるから作動時のピン温度
はピンの根本から先端に至る迄同一温度になり、ピン高
さが十分に高く形成されてあってもフィン効率は１００
％を維持することが出来る。これによりフィン高さの高
い大型の剣山形ヒートシンクを構成して比較的大容量の
ヒートシンクを構成することが可能になった。またピン
群が全てヒートパイプであるから熱応答性も、熱輪送能
力も大幅に改善され極めて高性能の剣山形ヒートシンク
として構成することが可能になった。

【０００５】この様な特願平４−１３５５０７にかかる
従来構造のｌ形ピンフィン群を有する剣山形ヒートシン
クを図７に斜視図として示す。図に於て６は熱量授受平
板であって６−１はその受熱面、６−２はその放熱面で
ある。３はｌ形ピンフィン群であってＣはその放熱部Ｈ
はその受熱部である。受熱部Ｈの群は熱量授受平板の放
熱面６−２に一括してろう接されてある。

【０００６】図８はｌ形ピンフィン群３を形成する為の
予備成型工程として形成されるベルト形状ピンフィン群
を示す説明図であって、線状体は線図で示してある。Ｃ
は放熱部でＨは受熱部である。ベルト形状ピンフィン群
は長尺細管ヒートパイプのコンテナ、アルミニゥム細
線、純銅細線等熱伝導性の良好な長尺線材を螺旋状に形
成したる後、同一平面内で引き伸ばすことにより、連続
するｌ字形状のベルトとして簡易に形成することができ
る。線材の交叉部３−１の群は一括してろう接接続さ
れ、それにより伸縮性が失われベルト形状体として固定
されてある。

【０００７】図９は図８のベルト形状ピンフィン群を用
いて剣山形状ピンフィンとして形成する方法の一例を示
す説明図である。図９は円筒形状の剣山形状ピィンフィ
ンの形成例であって、心棒５の回りにベルト形状ピンフ
ィン群を巻回するだけで容易に形成される。心棒５の断
面形状の選択によって各種形状の剣山形状ピィンフィン
を容易に形成することが出来る。

【０００８】ｌ形ピンフィン群を有する剣山形ヒートシ
ンクのフィン高さはピンフィンの形成素材の熱伝導性に
より定まるフィン効率によって自ら限界がある。ｌ形ピ
ンフィンが金属線材で形成されてある場合のフィン高さ
は通常２５ｍｍ以下でありまれに３０ｍｍ前後とする場
合もある。細管ヒートパイプで形成されてある場合は、
フィン効率が１００％であるからフィン高さは１００ｍ
ｍ前後と大幅に増加せしめるとが出来る。

【０００９】剣山形ヒートシンクは細管ヒートパイプ式
ｌ形ピンフィンの適用により高性能化及び大容量化が可
能になり、それと共にその適用領域は逐次拡大され最近
は発熱量３００Ｗ〜５００Ｗ級の重電機器用発熱素子の
冷却にも適用される様になった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】重電機器用発熱素子は
最近の技術革新によりＩＧＢＴ素子に代表される如く３
００Ｗ〜５００Ｗ級の強力な素子であっても従来より大
幅に小型化されると共に高機能化され、単独の重電機器
用の強力発熱素子を単独の強力放熱器で放熱せしめる方
式から、多数の強力発熱素子の多数個を近接して整列配
置し、一括して放熱冷却せしめる方式に変革しつつあ
る。更にそのような方式の放熱に適用される放熱器とし
て、従来の大型複雑な構成の強力放熱器に変えて、簡易
な適用構造の放熱器により装置全体の小型化、簡略化を
測るため、剣山形に構成されたヒートシンクが要求され
るようになっている。即ち数ＫＷ級の大容量剣山形ヒー
トシンクの出現が業界に要望されるようになった。

【００１１】業界の具体的な要望は、受熱面積０．０ｍ
^２以上の大型熱量授受平板を有する単数の剣山形ヒート
シンクの受熱平面に、強力発熱素子の数個乃至数十個を
整列配置せしめた総発熱量数キロワット乃至十数キロワ
ットの大きな熱量を一挙に放熱せしめることであった。
このような大容量放熱器は空冷型の機器用放熱器として
は前例を見ない強力なものであり、特に剣山形ヒートシ
ンクでは従来型のｌ形ピンフィン群を有する細管ヒート
パイプ式剣山形ヒートシンクを適用した場合でもその製
作は全く不可能なものであった。

【００１２】そのような大容量の細管ヒートパイプ式剣
山形ヒートシンクを構成するためには以下の各項に述べ
る如き解決すべき問題点が有った。 （１）大容量ヒートシンクによる対流放熱には充分な冷
却風量を必要とする。従来の細管ヒートパイプ式剣山形
ヒートシンクのフィン高さは大型のものであっても８０
ｍｍ程度であり、フィン群を通過する対流風の流路断面
積が小さく、数ＫＷの放熱に十分な風量を得るためには
風速を１５ｍ／ｓ以上にする必要が有った。このような
風速の場合僅かな接着面積の従来形ｌ字形状ピンフィン
群では風圧に対する強度上の信頼性に懸念があった。剣
山形ヒートシンクにとって充分に安全な風速３ｍ／ｓ以
下を保ったまま大容量化を図る為には、フィン高さを少
なくも２５０ｍｍ以上にする必要があった。またヒート
シンクの大容量化の為には放熱面積の拡大も必要であ
り、この点からもフィン高さを大幅に増大せしめる必要
があった。このようなフィン高さの増大は更に以下の項
に述べる如き問題点を発生せしめるものであった。

【００１３】（２）従来の細管ヒートパイプ式剣山形ヒ
ートシンクではフィン高さ１００ｍｍ程度が限界であ
り、それ以上フィン高さを増加せしめても放熱性能は向
上せずかえって性能が低下する。図７、図８から分かる
通り、従来構造のものでは熱量授受平板１に対する、ｌ
形ピンフィン３と熱量授受平板６の放熱面６−１との接
着長さは極めて短く、即ち細管ヒートパイプとしての受
熱部長さが極めて短く、ピン一本あたり数ｍｍに過ぎな
い。この為フィン高さ１００ｍｍ以上の長尺の細管コン
テナ内の作動液を循環または振動せしめ、細管ヒートパ
イプとしての作動を活発ならしめるには、発生する作動
液蒸気の量が不足であった。従来構造の各種サイズの細
管ヒートパイプ式剣山形ヒートシンクで実験の結果で
は、平均的にフィン高さ８０ｍｍが最も放熱特性は良好
であり、８０ｍｍ〜１００ｍｍの間ではフィン高さ増大
の効果はなく、１００ｍｍ以上では逆に性能は低下する
ことが分かった。

【００１４】（３）熱量授受平板６に対する、ｌ形ピン
フィン３の接着長さが極めて短いので、フィン高さが３
００ｍｍの如く放熱部Ｃの長さが長い場合には、放熱部
に外力が加わると、ｌ形ピンフィン３の接着部には極め
て強い剪断応力または曲げ応力が加わるので、この接着
部の接着信頼性が大幅に低下する。特に強力な衝撃、振
動が加えらる如き用途に適用することは寿命保証の点で
危険が有る。またｌ形ピンフィン３の保持姿勢が水平と
なる如き装着姿勢で適用される場合には接着部には常に
曲げモーメントが加えられていることになり、接着信頼
性は更に大幅に低下する。

【００１５】

【課題を解決する為の手段】上述の如き課題を解決する
為の本発明にかかる手段は下記の各項の総てが実施され
ることである。これら各項につき図２、図３、及び図４
により説明する。 （１）ｌ形ピンフィンには放熱部の長さに対応して作動
液を循環または振動せしめるに充分な長さに受熱部の長
さを延長する。図２は本発明の剣山形ヒートシンクを構
成するｌ形ピンフィン群３の構造を示す線書き略図であ
って、Ｃは放熱部、Ｈは受熱部である。図８に示した従
来型のものと異なる点は受熱部Ｈの夫々の長さが充分に
長くなっている点である。図に於て受熱部Ｈは交叉部３
−１及び連結部３−２を含む側になっているが、本発明
に於ては図２の上下関係を逆転せしめて、交叉部３−１
及び連結部３−２を含む側を放熱部として使用しても良
い。受熱部長さを長くすることの出来る新規な手段につ
いては以下の（２）及び（３）項に説明する。 （２）上述のごとく形成されたｌ形ピンフィン群３の受
熱部Ｈは、図３に例示の如く、ｌ形ピンフィン群３の受
熱部長さＨに等しい幅を有し且つ対をなす二枚の長方形
熱量授受用金属平板２−１、２−２により形成されてあ
る副熱量授受平板２の対間に挟持せしめられると共に、
熱伝導性に優れた接着手段にて強固に接着せしめられ、
放熱ユニットとして構成される。 （３） 図４に例示の如く、ｌ形ピンフィン群３を挟持
している各対の副熱量授受平板２の群即ち放熱ユニット
群は、平板の所定の部分において主熱量授受平板１の放
熱面１−２に形成された条溝群１−３またはプレートフ
ィン間隙群の夫々に挿着され、熱伝導性に優れかつ強靭
な接着力を有する接着手段で接着一体化される。

【００１６】図１に上述各項の問題点解決手段の総てが
適用された本発明にかかる大容量剣山形ヒートシンクを
斜視図により示す。図２、図３、図４、図５、及び図６
には夫々図１の剣山形ヒートシンクの構成部品を示して
あり、組立工程の順序に従って示されてある。図に於て
１は主熱量授受平板、１−１はその受熱面、１−２は放
熱面である。１−３は放熱面１−２に設けられた条溝群
である。条溝群１−３は放熱面１−２に設けられたプレ
ートフィン群のフィン間隙であっても良い。２は副熱量
授受平板の群であって、対をなす二枚の熱量授受用金属
平板２−１、２−２で構成されてあり、それらの所定の
部分は夫々条溝群１−３の夫々に挿入接着されてある。
３はｌ形ピンフィン群であってそれらの受熱部は副熱量
授受平板２の対間に挟持されて主熱量授受平板の放熱面
に直立せしめられて剣山形状フィンを構成している。主
熱量授受平板１の各辺は何れも数百ミリであり、また剣
山形状フィンのフィン高さも数百ミリと大型化されてあ
る。

【００１７】

【作用】上述各項の手段は夫々に下記の如き作用を発揮
する。 （１）従来のｌ形ピンフィン群を有する剣山形状ヒート
シンクに於てはその構造上及び製造方法上の理由から、
図８に例示の如くｌ形ピンフィンのターン部（交叉部３
−１及び連結部３−２）と熱量授受平板との接着部の長
さのみが受熱部長さとなり、それは極めて短い為に作動
液の蒸気発生量が少なく、その蒸気量はｌ形ピンフィン
群の高さを１００ｍｍ以上に高くするには不充分であっ
た。本手段に於けるｌ形ピンフィン群の受熱部Ｈは図２
に例示の如くｌ形ピンフィン群３の高さに対応して、充
分に長い受熱部長さに設定されるから、充分に多量の作
動液蒸気が得られ、ｌ形ピンフィン群は如何様にも高く
することが出来る。即ち大容量化に対応した冷却風量を
得る為、及び放熱面積を得る為に必要な長さの受熱部長
さが与えられる。

【００１８】（２）各対の副熱量授受平板２の作用は以
下の通りで有る。（イ）副熱量授受平板２の対の熱量授
受用金属平板２−１、２−２は図３に例示の如くｌ形ピ
ンフィン群を確実強固に支持すると共にこれらを主熱量
授受平板１の放熱面１−２に対して垂直に保持し、剣山
形状フィンの放熱ユニット群を構成する。（ロ）副熱量
授受平板２は主熱量授受平板１から比較的小さな受熱面
積で受熱した熱量を、ｌ形ピンフィン群３の受熱部群Ｈ
の受熱面積と同等の面積の受熱面の全体に拡散せしめ、
この受熱面によりｌ形ピンフィン群の受熱部群Ｈを挟持
してこれに熱量を伝達するので、ｌ形ピンフィン群３は
充分な受熱面積が与えられその作動が活発となる。これ
によりピンフィンの高さが数百ミリ以上であってもｌ形
ピンフィン群３は活発な作動をすることが可能になる。
（ハ）副熱量授受平板２はｌ形ピンフィン群３と主熱量
授受平板１との間に介在してこれらを機械的に連結する
ので、放熱器全体が激しい振動や衝撃を受ける場合の応
力を緩和し、ｌ形ピンフィン群３を保護する。

【００１９】（３）主熱量授受平板１の作用は以下の通
りで有る。（イ）主熱量授受平板１はその放熱面１−２
に設けられてある条溝群１−３により、副熱量授受平板
２とｌ形ピンフィン群３で構成された放熱ユニットの群
を強固にかつ垂直に保持する。また主熱量授受平板１と
副熱量授受平板２との間の接着は、圧入されたうえに強
力な接着手段で接着されてあるから、その接着強度は極
めて強力であって激しい振動や衝撃に対して高い信頼性
を保証する。特にｌ形ピンフィン群３、副熱量授受平板
２、主熱量授受平板１の接続構造は、柔弾性、強弾性、
剛性の三段階接続であるから、剣山形ヒートシンクのど
の部分に、またどの方向に加わる外力に対しても、それ
により発生する応力を相互に緩和し合って、各部及びそ
れらの接続部の強度上の信頼性を大幅に向上させる。
（ロ）条溝群１−３は副熱量授受平板２に対し、端面か
らだけでなく両側面からも熱量を供給するから、主熱量
授受平板１と副熱量授受平板２との間の熱量の授受は極
めて効果的に行なわれる。

【００２０】

【実施例】長径３．３ｍｍ、短径２．４ｍｍの長円形断
面の細管にて形成されたループ形細管ヒートパイプを用
いてｌ形ピンフィン群３を形成し、図１に例示の本発明
に係る大容量剣山形ヒートシンクを構成した。ｌ形ピン
フィン群３の放熱部Ｃの長さは３００ｍｍ、受熱部Ｈの
長さは５０ｍｍ、ｌ形ピンフィン群３のピン数は副熱量
授受平板２の１枚当たり６０対（１２０本）を１段とし
３０列、総計３６００本とした。

【００２１】副熱量授受平板２は厚さ６ｍｍ、幅５０ｍ
ｍ、長さ５００ｍｍ（実効長さ４５０ｍｍ）のアルミ製
熱量授受用金属平板の２枚２−１、２−２を対として形
成した。それらの対の内側面には、深さ３ｍｍ、幅５ｍ
ｍの条溝群２−３をピッチ１５ｍｍで並列に且つ全幅に
わたり形成した。形成された条溝は３０本、条溝の山部
分は２９本であった。

【００２２】ｌ形ピンフィン群３の受熱部Ｈの各細管コ
ンテナは長径３ｍｍ短径２．４ｍｍ長円断面形状にに再
成形の後、夫々の熱量授受用金属平板２−１、２−２の
条溝群２−３内に夫々各２本ずつを熱伝導性接着剤を塗
布しながら圧入接着せしめた。受熱部Ｈに於ける細管コ
ンテナのターン部は条溝の山部分２−４の端縁に巻回し
て形成することにより、副熱量授受平板２の端縁からの
ターン部の突出高さは最低に押さえられる。然る後対を
なす２枚の熱量授受用金属平板２−１、２−２は条溝群
側の面を内側にして熱伝導性の良好な手段で接着一体化
され、副熱量授受平板２とｌ形ピンフィン群３との組み
合わせ構造体の放熱ユニットとして構成されてある。図
４は副熱量授受平板２とｌ形ピンフィン群３の組み合わ
せ状態を示す断面略図であってｌ形ピンフィン群３の受
熱部Ｈが条溝群２−３内に圧入接着され、更に熱量授受
用金属平板２−１、２−２が相互に接着され、副熱量授
受平板２とピインフィン群３との組み合わせにより放熱
ユニットが構成されてあることが示されてある。図５は
ｌ形ピンフィン群３の受熱部Ｈのターン部が条溝の山部
分２−４の端縁に巻回されて形成されてある状態を示す
断面略図である。図に示されていない部分のｌ形ピンフ
ィン群３の放熱部Ｃは冷却風の対流を良好ならしめるた
めに所定の距離間隔に展開される。

【００２３】図６の断面略図に示す如く、上述の様にし
て構成された放熱ユニット群は、副熱量授受平板２の所
定の深さに到るまで主熱量授受平板１の条溝群１−３の
中に圧入されるとともに強固に接着固定される。

【００２４】このように構成された実施例の剣山形ヒー
トシンクを用いて、その熱量授受平板１の受熱面１−１
に、総発熱量６．５ＫＷに相当するＩＧＢＴ素子の複数
個を接着してそれらの最大熱量を発生せしめた。同時に
ｌ形ピンフィン群３の放熱部Ｃには２５℃ 、風速３ｍ
／ｓの対流を送入して放熱せしめた。実施例の剣山形ヒ
ートシンクとＩＧＢＴ素子群との接着面の温度は７２℃
で平衡状態になりそれ以上上昇することはなく、大容量
の熱入力に因る発熱から素子群を完全に保護することが
出来た。

【００２５】

【発明の効果】以上の如く構成された本発明にかかる大
容量剣山形ヒートシンクはその構成要素である蛇行細管
ヒートパイプに充分な作動液蒸発面積と充分な放熱面積
を与え、従来の剣山形ヒートシンクでは不可能であった
領域の大容量熱量の受放熱を可能にした。このような大
容量剣山形ヒートシンクが提供されることになったの
で、各種の強力なパワー用素子の多数個を単一のヒート
シンクに装着してそれらの発熱を一括して冷却する事が
可能になり、これにより機器の実装上の自由度が大幅に
拡大される効果があり、更に小型化軽量化の効果も発揮
される事になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の大容量剣山形ヒートシンクの１例を示
す斜視図である。

【図２】本発明の大容量剣山形ヒートシンクに適用され
るｌ型ピンフィン群の構成を示す説明図である。

【図３】放熱ユニットの斜視説明図である。

【図４】副熱量授受平板とｌ型ピンフィン群の組み合わ
せ状態を示す断面説明図である。

【図５】副熱量授受平板とｌ形ピンフィン群の組み合わ
せ状態を示す他の説明図である。

【図６】主熱量授受平板と放熱ユニットとの組み合わせ
状態を示す説明図である。

【図７】従来構造の細管ヒートパイプ式剣山形ヒートシ
ンクを示す斜視図である。

【図８】従来構造の細管ヒートパイプ式剣山形ヒートシ
ンクを構成するｌ型ピンフィン群の構成を示す説明図で
ある。

【図９】従来構造の剣山形ヒートシンクの製造方法の一
例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 主熱量授受平板 １−１ 受熱面 １−２ 放熱面 １−３ 条溝群 ２ 副熱量授受平板 ２−１ 熱量授受用金属平板 ２−２ 熱量授受用金属平板 ２−３ 条溝群 ２−４ 条溝の山部分 ３ ｌ形ピンフィン群 ６ 熱量授受平板 ６−１ 受熱面 ６−２ 放熱面 Ｃ 放熱部 Ｈ 受熱部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/427 F28D 15/02 H01L 23/36 H05K 7/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受熱面と放熱面を有する熱量授受金属平
   板の、放熱面に直立して配接されたピンフィン群が剣山
   形状に形成されてなる剣山形ヒートシンクに於て、ピン
   フィン群は長尺の細管ヒートパイプの細管コンテナが、
   連続する多数のｌ字形状体に成型されてあり、ｌ字形状
   体の所定の部分を放熱部とし、ｌ字形状体のターン部に
   近接する所定の長さの部分を受熱部とするｌ形ピンフィ
   ン群であって、熱量授受金属平板はその放熱面に多数の
   条溝が設けられた一枚の主熱量授受平板と、この主熱量
   授受平板の各条溝内に挿設されて熱伝導性の良好な手段
   にて強固に接着一体化されて、主熱量授受平板に直立す
   るよう挟持されてある多数の副熱量授受平板とからな
   り、各副熱量授受平板は夫々一対の金属平板からなり、
   各対の金属平板の対間にはｌ形ピンフィン群の受熱部群
   が熱伝導性良好な手段にて接着挟持されてあり、主熱量
   授受平板の受熱面は放熱対象とする発熱体と相互に伝熱
   的に接着することが出来る構造に形成されてあり、全体
   として剣山形の放熱器として構成されてあることを特徴
   とする大容量剣山形ヒートシンク。
2. 【請求項２】 対をなす金属平板により形成されてある
   副熱量授受平板のｌ形ピンフィン群を挟持する挟持方向
   の幅はｌ形ピンフィンの受熱部長さに等しく、それらの
   何れか一方または双方の金属平板の、ｌ形ピンフィン群
   を挟持する面には、ｌ形ピンフィン群の挟持方向の幅の
   全長に亙り、多数の条溝またはプレートフィンが平行並
   列に形成されてあり、細管ヒートパイプからなるｌ形ピ
   ンフィン群はその受熱部の夫々が上記条溝またはプレー
   トフィンのフィン間隙内に圧入又は挿入されると共に夫
   々の受熱部は夫々の条溝の山部分の下端または夫々のプ
   レートフィンの下端の端縁に巻回されて、ｌ形ピンフィ
   ンの下端ターン部が形成されてあり、ｌ形ピンフィン群
   はこのような状態が保持されたまま、副熱量授受平板と
   熱伝導性の良好な手段で強固に接着一体化されてあるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の大容量剣山形ヒートシ
   ンク。