JP3413151B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の各
種電子部品を冷却するための超薄型ヒートシンク、特
に、偏平型ヒートパイプと複数枚のコの字形板状フィン
とを備えたヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】パソコン等の各種機器や電子設備等の電
気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品
は、その使用によってある程度の発熱が避けがたく、近
年はその冷却が重要な技術課題となりつつある。冷却を
要する電気・電子素子を冷却する方法として、例えば機
器にファンを取り付け、機器筐体内の空気の温度を下げ
る方法や、被冷却素子に冷却体を取り付けることによっ
て、その被冷却素子を冷却する方法等が代表的に知られ
ている。

【０００３】被冷却素子に取り付ける冷却体として、単
なる伝熱性の金属材ではなく、ヒートパイプ構造の冷却
体、或いは、例えば銅材やアルミニウム材などの伝熱性
に優れた丸型ヒートパイプを取り付けた形態のものが提
案、実用化されている。ヒートパイプは、密封された空
洞部を備えており、その空洞部に収容された作動流体の
相変態と移動により熱の輸送が行われる。熱の一部は、
ヒートパイプを構成する容器（コンテナ）を直接伝わっ
て運ばれるが、大部分の熱は、作動流体による相変態と
移動によって移動される。

【０００４】ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパ
イプを構成する容器（コンテナ）の材質中を熱伝導して
伝わってきた熱により、作動流体が蒸発し、その蒸気が
ヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側では、作動流
体の蒸気は冷却され再び液相状態い戻る。そして、液相
に戻った作動流体は再び吸熱側に移動（還流）する。こ
のような作動流体の相変態や移動によって、熱の移動が
なされる。

【０００５】ヒートパイプ内の作動流体としては通常、
水や水溶液、アルコール、その他有機溶剤等が使用され
る。特殊な用途としては水銀を作動流体に用いる場合も
ある。前述したようにヒートパイプは内部の作動流体の
相変態等の作用を利用するものであるので、密封された
内部への作動流体以外のガス等の混入をなるべく避ける
ように製造されることになる。このような混入物は、通
常、製造途中に混入する大気（空気）や作動流体中に溶
在している炭酸ガス等である。

【０００６】ヒートパイプの形状は、代表的な丸パイプ
形状の他、平面型も広く用いられている。平面型のヒー
トパイプは、その形状から、半導体素子等の被冷却素子
と広い面積で接触させやすい等の利点を有している。更
に、ヒートパイプで移動した熱をファン等を使用して強
制的に冷却するヒートシンクが広く用いられてきてい
る。

【０００７】更に、近年エレクトロニクス機器は、ＣＰ
Ｕ等の高出力、高集積の部品を内蔵している。半導体素
子等の各種電子部品は、集積度が極めて高くなり、高速
で情報の演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を発
生する。高出力かつ高集積の部品である半導体素子等の
熱を冷却する装置が要求されている。

【０００８】更に、インターネットを介する活動の機会
が急激に増大し、デスクトップ型の固定されたパソコン
ではその機能を十分に発揮することができないような状
態が多くなってきた。即ち、ＣＰＵ等の各種電子部品を
搭載するパソコン等は、小型化し、移動性を備え、車等
で移動の途中においても、出張先においてもその機能を
十分に発揮することが重要な要素として考慮されるよう
になってきている。

【０００９】それに伴って、ＣＰＵ等の各種電子部品を
冷却するヒートシンクも小型薄型化が要求されるように
なってきている。図６にヒートパイプを用いた従来のヒ
ートシンクを示す。図７は、従来のヒートシンクの部分
拡大図である。図６に示すように、従来のヒートシンク
は、丸型ヒートパイプ２０と、丸型ヒートパイプ２０の
一方端部（即ち、放熱側）に設けられた複数枚の放熱フ
ィン２１からなっている。従来のヒートシンクにおいて
は、図７に示すように、放熱効果を高めるために、放熱
フィン２１の中央部をバーリング加工２２によって穴を
開けて、開口部に丸型ヒートパイプ２０が挿入されて、
放熱フィンと丸型ヒートパイプが接続されている。

【００１０】しかしながら、図６に示す従来のヒートシ
ンクにおいては、丸型ヒートパイプ２０が挿入される放
熱フィン２１は、その高さが所定以上の値、例えば、１
０ｍｍを超える値になり、上述した高い移動性を備えた
超薄型のパソコンに搭載することができないという致命
的な欠陥がある。

【００１１】

【発明が解決しょうとする課題】上述したように、ＣＰ
Ｕ等の各種電子部品を搭載するパソコンは、薄型小型化
し、集積度の高くなったＣＰＵを冷却するためのヒート
シンクを配置するスペースが制約され、更に、性能の高
いヒートシンクが要求される。特に、１０ｍｍ以下、更
には、７〜８ｍｍ程度の高さを要求されると、上述した
従来のヒートシンクでは対応が不可能であるという問題
点が有る。

【００１２】従って、この発明の目的は、高い移動性を
有する薄型小型の電子機器等に搭載可能な放熱性能に優
れたヒートシンクを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した従
来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、
厚さが例えば１．５ｍｍ以下の偏平状ヒートパイプを用
い、上面部、垂直面部および下面部からなるコの字形板
材からなり、上述した垂直面部の最下部に形成された、
偏平状ヒートパイプが挿入されるコの字形開口部を有す
る板状フィンが複数枚並列配置されたフィン部を上述し
た偏平状ヒートパイプの端部に取り付け、そして、コの
字形開口部を有する板状フィンが複数枚並列配置された
上記フィン部の両側面に備えられた、並列配置された複
数個の矩形の開口部からファンによって空気を吹き付け
強制空冷することによって、高い移動性を有する薄型小
型のパソコン等に搭載可能な、且つ、放熱性能に優れた
ヒートシンクを提供することができることを知見した。

【００１４】この発明は、上記知見に基づいてなされた
ものであって、この発明のヒートシンクの第１の態様
は、下記部材を備えたヒートシンクである （ａ）作動液が封入され、密閉された空洞部を有する偏
平状ヒートパイプ、（ｂ）上面部、垂直面部および下面
部からなるコの字形板材からなり、前記垂直面部の最下
部に形成された、前記偏平状ヒートパイプが嵌合される
コの字形開口部を有する板状フィンが複数枚並列配置さ
れたフィン部。

【００１５】この発明のヒートシンクの第２の態様は、
前記コの字形開口部を有する板状フィンが複数枚並列配
置された前記フィン部に形成された溝部の形状が前記偏
平状ヒートパイプの形状と同一であることを特徴とする
ヒートシンクである。

【００１６】この発明のヒートシンクの第３の態様は、
前記コの字形開口部は、その上端部に、前記下面部と同
一方向且つ平行に延伸し、前記下面部と概ね同一幅を有
し、前記偏平状ヒートパイプの上面と密接する縁部を備
えていることを特徴とするヒートシンクである。

【００１７】この発明のヒートシンクの第４の態様は、
前記コの字形開口部の縁部が前記偏平状ヒートパイプの
上面と密接し、そして、前記下面部が前記偏平状ヒート
パイプの下面と概ね同一平面に位置していることを特徴
とするヒートシンクである。

【００１８】この発明のヒートシンクの第５の態様は、
前記コの字形開口部を有する板状フィンが複数枚並列配
置された前記フィン部の両側面は、並列配置された複数
個の矩形の開口部を備えていることを特徴とするヒート
シンクである。

【００１９】この発明のヒートシンクのその他の態様
は、前記偏平状ヒートパイプが曲線部を備えていること
を特徴とする、ヒートシンクである。

【００２０】

【発明の実施の形態】この発明のヒートシンクの態様に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。この発明の
ヒートシンクは、作動液が封入され、密閉された空洞部
を有する偏平状ヒートパイプ、および、上面部、垂直面
部および下面部からなるコの字形板材からなり、上記垂
直面部の最下部に形成された、上記偏平状ヒートパイプ
が嵌合されるコの字形開口部を有する板状フィンが複数
枚並列配置されたフィン部を備えている。

【００２１】図１は、この発明のヒートシンクの１つの
態様を表側から見た斜視図である。図１に示すように、
偏平状ヒートパイプ２の１つの端部（即ち、放熱側）に
は、コの字形開口部を有する板状フィン４が複数枚並列
配置されたフィン部３が備えられている。この発明の偏
平状ヒートパイプ２は、例えば、厚さ１ｍｍ、幅１０ｍ
ｍの薄型の偏平状ヒートパイプである。偏平状ヒートパ
イプの密閉された空洞部には、（図示しない）メッシュ
状のウイックが内蔵され、（図示しない）作動液が封入
されている。作動液の還流を容易にするために、偏平状
ヒートパイプの中央部にメッシュ状ウイックを配置し、
両側部を通路として開放してもよい。なお、この発明の
偏平状ヒートパイプの厚さは１．５ｍｍ未満が好まし
い。

【００２２】図２は、この発明のヒートシンクの１つの
態様を裏側から見た斜視図である。図２に示すように、
この発明のヒートシンクにおいて、コの字形開口部を有
する板状フィンが複数枚並列配置されて形成された溝
部、即ち、コの字形開口部が並列配置されて形成され、
偏平状ヒートパイプが嵌合される溝部の形状が偏平状ヒ
ートパイプの形状と同一である。図３は、この発明の板
状フィンの１つの態様の表側からの斜視図である。図４
は、この発明の板状フィンの１つの態様の裏側からの斜
視図である。図３に示すように、板状フィン４は、上面
部５、垂直面部６および下面部７からなるコの字形板材
からなっており、上記垂直面部６の最下部に形成され
た、上記偏平状ヒートパイプ２に嵌合されるコの字形開
口部８を有している。この発明の下面部は２つの部分に
分離されている。上述した開口部８は垂直部６によって
上の辺が形成され、垂直部および下面部によって両側の
辺が形成されたコの字形からなっている。即ち、開口部
８には偏平状ヒートパイプ２が嵌合される。図４に示す
ように、偏平状ヒートパイプが挿入される開口部８が垂
直面の最下部に形成されている。

【００２３】更に、図３に示すように、コの字形開口部
８に嵌合された偏平状ヒートパイプ２とコの字形板材４
との間の熱的接続を容易にするために、開口部８の上端
部には、上面部５と同一方向且つ平行に延伸し、上面部
５と概ね同一幅を有し、偏平状ヒートパイプ２の上面と
密接する縁部９を備えている。このように開口部を形成
することによって、偏平状ヒートパイプ２の上面は開口
部の縁部９に熱的に接続し、そして、偏平状ヒートパイ
プ２の両側面はコの字形板材４の分離された２つの下面
部７によって嵌合され熱的に接続し、ＣＰＵ等の発熱体
からの熱は、偏平状ヒートパイプ２の放熱側からフィン
部３を介して外部に放熱される。即ち、偏平状ヒートパ
イプ２とフィン４との間の接触部分の面積を増大してい
る。

【００２４】なお、偏平状ヒートパイプとは、このよう
に板状フィンと熱的に接続する部分が少なくとも偏平状
もしくは平面形状であるものを含む。従って、円筒状ヒ
ートパイプを偏平加工したヒートパイプの他に板形状ヒ
ートパイプであってもよい。コの字形開口部８を有する
板状フィン４が複数枚並列配置されたフィン部の両側面
は、並列配置された複数個の矩形の開口部１０を備えて
いるので、何れか１方から（図示しない）ファン等によ
って空気を送り込み、強制空冷することによって、更
に、ヒートシンクの放熱効果を高めることができる。図
２に示すように、板状フィン４の分離された２つの下面
部７は偏平状ヒートパイプの両側面と密接している。

【００２５】図５に、偏平状ヒートパイプの端部に複数
枚の板状フィンが取り付けられたヒートシンクの断面を
示す。図５に示すように、偏平状ヒートパイプは、板状
フィン４の下面部７の側部と縁部９とによって嵌合され
密接し、熱的に接続されている。図５に示すように、側
面部には広い空間の矩形の開口部１０が形成されてい
る。

【００２６】更に、ＣＰＵ等の発熱体の電子機器内の配
置位置に適応して、偏平状ヒートパイプ２が湾曲部を備
えていてもよい。即ち、ＣＰＵ等の発熱体に偏平状ヒー
トパイプの吸熱部を接続し、偏平状ヒートパイプの例え
ば中央部において概ね直角方向に曲がる湾曲部を備え、
更に所定の長さにわたり直線的に延伸して、他端部の放
熱側に上述したフィン部３を備えてもよい。

【００２７】この発明のヒートパイプのコンテナの材質
は、銅またはアルミニウム等の熱伝導の良好な金属を使
用することができる。ウイックは偏平状ヒートパイプの
コンテナと同一材質の部材を使用することができる。作
動液は、ヒートパイプのコンテナの材質との適合性に応
じて、水、代替フロン、フロリナートを使用する。な
お、コンテナの材質は、作動液としての水との適合性に
優れた銅が望ましい。

【００２８】

【実施例】以下に、この発明の面型ヒートパイプを実施
例により、更に詳細に説明する。以下に述べる方法によ
って、図１に示すこの発明のヒートシンクを製作した。
即ち、板厚０．５ｍｍのアルミニウム板材によってコの
字形板材（板状フィン）４を調製した。板状フィンの上
面部は幅１．５ｍｍ、長さ２０ｍｍからなっており、下
面部は幅１．５ｍｍ、長さ６ｍｍの２つの部分からなっ
ている。２つの下面部の間には８ｍｍの開口部用の間隙
が形成されている。上面部および下面部を接続する垂直
面部は高さ７ｍｍ、横２０ｍｍからなっている。

【００２９】更に、垂直面部の最下部には高さ１．５ｍ
ｍ、長さ８ｍｍのコの字形開口部８が設けられている。
コの字形開口部の上端部には幅１．５ｍｍ、長さ８ｍｍ
の縁部が設けられている。このように調製された１２枚
のコの字形板材を並列配置して、側面部に矩形の開口部
１０が形成されたフィン部４を調製した。

【００３０】次いで、ＯＦＣ（無酸素高伝導銅）材によ
って厚さ１ｍｍ、幅７ｍｍの偏平状ヒートパイプのコン
テナを調製した。コンテナ内の中央部にはＯＦＣメッシ
ュのウイックを設置し、コンテナの両側部は通路として
開放した。作動液として純水を使用し、コンテナ内に封
入し、減圧密閉した。このように調製した偏平状ヒート
パイプを、フィン部のコの字形開口部８に緊密に嵌合
し、ヒートシンクを調製した。

【００３１】このように調製したこの発明のヒートシン
クは、偏平状ヒートパイプの上面とコの字形開口部の上
端部に設けられた複数個の縁部とが密接し、そして、偏
平状ヒートパイプの側面と複数個のコの字形板材の下面
部の側面とが密接している。更に、複数個のコの字形板
材を並列配置することによって、側面部に形成された複
数個の矩形の開口部１０の一方端に接して、フィン部と
同一高さのファンを取り付けた。

【００３２】この発明のヒートシンクは高さが７ｍｍの
極めて小型のヒートシンクであり、且つ、大きく開放さ
れた複数の矩形の開口部からファンによって強制空冷す
るので、放熱効果が大きく、移動性を有する薄型小型の
パソコンに搭載されるＣＰＵを冷却するために使用する
ことができる。

【００３３】

【発明の効果】上述したように、この発明によると、高
い移動性を有する薄型小型の電子機器等に搭載可能な放
熱性能に優れたヒートシンク、特に、高さ１０ｍｍ以下
のヒートシンクを提供することができ、産業上利用価値
が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様
を表側から見た斜視図である。

【図２】図２は、この発明のヒートシンクの１つの態様
を裏側から見た斜視図である。

【図３】図３は、この発明の板状フィンの１つの態様の
表側からの斜視図である。

【図４】図４は、この発明の板状フィンの１つの態様の
裏側からの斜視図である。

【図５】図５は、偏平状ヒートパイプの端部に複数枚の
板状フィンが取り付けられたヒートシンクの断面を示す
概略断面図である。

【図６】図６は、ヒートパイプを用いた従来のヒートシ
ンクを示す図である。

【図７】図７は、従来のヒートシンクの部分拡大図であ
る。

【符号の説明】

１．ヒートシンク ２．偏平状ヒートパイプ ３．フィン部 ４．コの字形板材 ５．上面部 ６．垂直面部 ７．下面部 ８．コの字形開口部 ９．縁部 １０．矩形開口部 ２０．丸型ヒートパイプ ２１．フィン ２２．バーリング加工

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大海 勝 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古河電気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−211657（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−203590（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−340391（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−64368（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記部材を備えたヒートシンク （ａ）作動液が封入され、密閉された空洞部を有する偏
   平状ヒートパイプ、（ｂ）上面部、垂直面部および下面
   部からなるコの字形板材からなり、前記垂直面部の最下
   部に形成された、前記偏平状ヒートパイプが嵌合される
   コの字形開口部を有する板状フィンが複数枚並列配置さ
   れたフィン部。
2. 【請求項２】前記コの字形開口部を有する板状フィンが
   複数枚並列配置された前記フィン部に形成された溝部の
   形状が前記偏平状ヒートパイプの形状と同一であること
   を特徴とする、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】前記コの字形開口部は、その上端部に、前
   記下面部と同一方向且つ平行に延伸し、前記下面部と概
   ね同一幅を有し、前記偏平状ヒートパイプの上面と密接
   する縁部を備えていることを特徴とする、請求項１に記
   載のヒートシンク。
4. 【請求項４】前記コの字形開口部の縁部が前記偏平状ヒ
   ートパイプの上面と密接し、そして、前記下面部が前記
   偏平状ヒートパイプの下面と概ね同一平面に位置してい
   ることを特徴とする、請求項３に記載のヒートシンク。
5. 【請求項５】前記コの字形開口部を有する板状フィンが
   複数枚並列配置された前記フィン部の両側面は、並列配
   置された複数個の矩形の開口部を備えていることを特徴
   とする、請求項１から４の何れか１項に記載のヒートシ
   ンク。