JP3819303B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子素子などを冷却して、その過熱を防止するためのヒートシンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、ＣＰＵなどの電子素子の高速化、大容量化によってその発熱量が多くなってきており、それに伴って温度上昇による誤動作や破損などを回避するために、より効果的に放熱・冷却することが求められるようになってきている。コンピュータやサーバーなどは、可及的に小型であることが要求されるので、電子素子の温度上昇を防ぐためには、冷却よりもむしろ放熱の手段が採用されている。例えば、ＣＰＵなどの電子素子にヒートシンクを重ねて取り付け、さらには空冷ファンを取り付けて熱放散を積極化している。
【０００３】
後者の冷却装置は、電力の消費や騒音などの問題があり、これに対して前者の自然空冷をおこなう構造ではそのような不都合が生じない。しかしながら最近では、その自然空冷による放熱量を超える発熱量の電子素子が使用されるようになってきている。そこで、金属板にそれよりも厚い金属ブロックを取り付け、その金属ブロックに電子素子を密着させた構成の冷却装置が開発されている。その一例が米国特許第５３３９２１４号明細書に記載されている。これは、電子素子を取り付けた金属ブロックの下面側にヒートパイプの一端部を密着させ、そのヒートパイプの他方の端部を金属ブロックから離れる方向に延ばすとともに、その端部を多数のフィンを有するヒートシンクに連結した冷却装置である。
【０００４】
また、ヒートパイプを使用した他の冷却装置が、特開平９−２８３６７６公報に記載されている。この冷却装置は、フィンとヒートパイプの間に金属ベース等が介在せず、フィンが直接ヒートパイプの一端部に設けられ、ヒートシンクとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の冷却装置のうち、前者の米国特許第５３３９２１４号明細書に記載された冷却装置では、電子素子から発生した熱が金属ブロックを介して金属板に伝達される。そして、その金属ブロックからヒートパイプを介してフィンに伝達され、そのフィンから放熱するようになっている。このフィンを含む放熱部は、電子素子の発熱量の増加に伴って可及的な放熱性効率の向上が要求されている。
【０００６】
後者の特開平９−２８３６７６公報に記載されていた冷却装置では、ヒートパイプに直接フィンを設けていることによって、熱抵抗が低減されている。しかしながら、ヒートパイプ自体を、放熱のための手段として積極的には使用していないので、放熱効率を向上させるうえで、未だ改善の余地があった。
【０００７】
この発明は、上記の事情を背景にしたなされたものであり、放熱効率が良いヒートシンクを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ヒートパイプの一端部に前記ヒートパイプの軸線方向に直交する複数のフィンが、所定の間隔をあけて相互に平行に配列され、それらフィン間の隙間に一定方向に送風されてフィンから放熱させるヒートシンクにおいて、前記フィンの前記送風方向に対して直交する方向の上端に前記フィンと垂直でかつ前記フィンを覆うように平板部が設けられ、かつ前記平板部において、前記ヒートパイプの中心より風上側に通風孔が設けられ、さらに前記ヒートパイプの断面形状が前記送風による空気の流線方向に対して長径の方向が平行となる楕円形状もしくは扁平形状に形成されていることを特徴とするヒートシンクである。
【０００９】
したがって、請求項１の発明によれば、電子素子等の冷却のため、ファンで強制的にまたは、ファンが停止している場合はその温度差によって、前記ヒートシンクの内部に空気を送り込み、複数のフィンの間隙に空気流を発生させる。その際、前記フィンの間隙で昇温された空気が上昇流となって自然対流が起こり、複数のフィンの上端の平板部に設けられた通風孔からも排気される。
【００１１】
また、請求項１の発明によれば、ファンによって前記ヒートシンクの内部に空気を送り込み、前記複数のフィンの間隙に空気流を発生させる場合、前記フィンの上端の平板部に設けられた前記通風孔が、前記ヒートパイプの中心より風上に設けられているので、その通風孔にエジェクター効果が表れ、新たな外気が前記ヒートシンク内部に吸引される。
【００１３】
したがって、請求項１の発明によれば、前記複数のフィンの間に発生する空気流の前記ヒートパイプに対する流体抵抗が減少し、前記ヒートシンクの放熱性が向上される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を使用した具体例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るヒートシンクの一具体例を示したものであり、図２および図３は、図１の具体例のヒートシンクの一部詳細図である。図１において符号１は、アルミニウムもしくはその合金などの金属からなる放熱フィンを示し、この放熱フィン１は上下の端部が直角に折り曲げられ、断面がコの字型に形成された薄い板材である。放熱フィン１の中心には、貫通孔２が設けられている。この貫通孔２は、楕円形であり、その長径が放熱フィン１のコの字断面と直交する方向になるように形成されている。ここにヒートパイプ４が貫通して固着され、ヒートシンク５とされている。また、放熱フィン１の上端の折り曲げ部分である平板部３Ａには、外気の通風孔３となる切り欠きが設けてあり、この通風孔３は、図２に示すように、ヒートパイプ４の中心から少し風上側にずらした位置に設けられている。
【００１５】
ヒートパイプ４は、両端部を気密状態に密閉したパイプの内部に、空気などの非凝縮性ガスを脱気した状態で水などの凝縮性の流体を作動流体として封入し、さらに必要に応じて毛細管圧力を生じさせるウイックを内部に設けた熱伝導装置である。一例としてそのパイプには銅パイプが使用されており、したがってヒートパイプ４は、可撓性のある構造となっている。このヒートパイプ４は全体が、楕円形断面もしくは扁平断面に加工されている。ヒートパイプ４は、ほぼ直角に屈曲され、一方の端部が、各放熱フィン１の貫通孔２に挿入され固着されており、他方の端部が、受熱ブロック６と接触されている。
【００１６】
前記放熱フィン１のコの字型の折れ曲げ部の内、一方の面は、ベースプレート７と接触している。ベースプレート７は銅またはその合金などの金属板である。この長方形状の面に放熱フィン１が等間隔で配置され、ハンダ付け等の方法で固着されている。
【００１７】
受熱ブロック６は、銅またはその合金などの金属を直方体状に形成したものである。受熱ブロック６には、ヒートパイプ４の一端部を収納する凹部が形成されており、その凹部にヒートパイプ４の一端部をはめ込んだ状態で受熱ブロック６の接触面に固定した構造とされている。なお、前記のヒートパイプ４の固定方法は、溶接、接着、ハンダ付けなどの適宜の手段を採用することができる。また、前記接触面の反対の面には、電子素子８が密着させて固定されている。
【００１８】
さらに、ヒートシンク５の近傍には、マイクロファン９が配置されている。このマイクロファン９は、設置状態での厚さ（高さ）がヒートシンク５の高さよりも小さい設定の中空平板状のハウジング１０と、ハウジング１０の内部に収容された回転駆動するブレード１１とを備えたいわゆる横型軸流ファンが採用されている。
【００１９】
ハウジング１０における図１での上面部には、円形状に開口した吸込口１２が形成されており、またハウジング１０における同図での一側面部には、矩形状に開口した吐出口１３が形成されている。この吐出口１３の開口幅は、ベースプレート７の長さとほぼ等しい長さに設定されている。
【００２０】
このマイクロファン９は、吐出口１３をベースプレート７の図１での側面部に対して平行に対向させた姿勢で配置されている。つまり各放熱フィン１の側縁部に吐出口１３が対向している。また吐出口１３の吐出方向の両縁部は、ベースプレート７の長辺方向での両縁部に対して揃えられている。なお吐出口１３は、ヒートシンク５に対して離隔させてもあるいは密着させてもよい。したがってマイクロファン９を駆動させると、内部の空気が、ハウジング１０の内側に入り込むとともに、吐出口１３からヒートシンク５に向けて供給され、各放熱フィン１同士の間ならびにベースプレート７の上面部を通過して外部に送り出される。
【００２１】
上記の具体例によれば、まず電子素子８から発生した熱が、受熱ブロック６に伝達され、さらにヒートパイプ４内部の図示しない蒸発部に伝達される。それに伴ってヒートパイプ４の両端部において温度差が生じ、ヒートパイプ動作が自動的に開始される。
【００２２】
すなわち、内部に封入してある作動流体が蒸発し、その蒸気が温度の低い図示しないヒートパイプ４内部の凝縮部に流動して、放熱フィン１の貫通孔２に対して放熱する。このようにして、ヒートパイプ４からへ放熱フィン１の熱伝達が良好に行われる。
【００２３】
図２に示すように、放熱フィン１に伝達された熱は、マイクロファン９からの送風による空気流Ａ、および空気流Ａのために生じるエジェクター効果によって、通風孔３から吸気されることにより発生する空気流Ｂ、の２つの空気流に伝達され、その高温の空気流ＡおよびＢは同時に外部に排出される。なお、放熱して凝縮した作動流体は、ヒートパイプ４内部の蒸発部に向けて流下し、電子素子８の熱によって再度蒸発する。
【００２４】
図３は、マイクロファン９を止めた時などに生じる、図１の具体例の空気の動きを示したものである。内部と外部の温度差によって生じる空気流Ｃは、図２における空気流Ａほど流量がないので、エジェクター効果は生じない。そのため、放熱フィン１により昇温された空気が上昇流となり、通風孔３からも排気される。
【００２５】
したがって、上記の具体例によれば、放熱フィン１に通風孔３が設けられていることにより、マイクロファン９を起動させて強制冷却する場合には、エジェクター効果により通風孔３から空気が吸気される。そのため、２箇所から冷却風が各放熱フィン１の間に吸気されることになる。そのため、各放熱フィン１間の熱交換率が向上し、ヒートシンク５の放熱効率を向上させることができる。
【００２６】
また、マイクロファン９を停止させて自然対流によって冷却する場合には、エジェクター効果が生じず、通風孔３からも空気が排気される。そのため、空気が各放熱フィン１の外部に排気される箇所が増えることになるので、流量が増加し、その結果、ヒートパイプ４の放熱効率を向上させることができる。なお、強制冷却の場合でも、通風孔３をヒートパイプ４の中心および、風下の位置に設けた場合は、流体抵抗が生じてヒートパイプ４周辺の空気の流れが緩やかになるため、エジェクター効果が生じず、上述の状態となる。
【００２７】
また、ヒートパイプ４が楕円形もしくは扁平に加工され、ヒートシンク５の流線方向に、前記楕円形もしくは扁平の長径が平行になるように、ヒートパイプ４が放熱フィン１に固着されているので、ヒートシンク５の各放熱フィン１の間を流れる空気の流体抵抗が減少し、その結果、各放熱フィン１の間を流れる空気の流量を増加することができる。そのため、ヒートシンク５の放熱効率が向上する。
【００２８】
なお、上記の例では、ヒートシンク５の固定のためベースプレート７を使用したが、この発明は、ヒートシンク５およびベースプレート７の構成に限定されず、ベースプレート７がなくても良い。
【００２９】
また、上記の例では、マイクロファン９を使用したが、この発明はこの仕様のファンに限定されず、別仕様のファンでも良い。
【００３０】
また、上記の例においては、放熱フィン１の上端を直角に折り曲げて平板部３Ａを設けたが、この平板部の構成は上記の平板部の構成に限定されない。例えば、他の部材から形成された平板部材が、ハンダ付けで放熱フィン１の上端に取り付けられて、平板部とされてもよい。また、この平板部が前記平板部同士で連続して接続されていてもよい。要は、フィンの上端に前記フィンと垂直でかつ前記フィンを覆うように平板部が設けられていればよい。
【００３１】
また、上記の例においては、放熱フィン１の上下端部が直角に折り曲げられて断面コの字形状に形成されたが、この発明はこの形状のフィンに限定されない。要は、フィンの上端に前記フィンと垂直でかつ前記フィンを覆うように平板部が設けられていればよく、フィンの下端の形状は仕様や設計に合わせたものとすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、ヒートパイプに設けた複数のフィンの平板状の上端部に通風孔を設けることにより、前記通風孔からも空気が上昇流となって排気することができる。そのため、各フィンの間の空気による熱交換率が向上し、その結果、放熱効率が向上する。
【００３３】
また、請求項１の発明によれば、通風孔をヒートパイプの中心より風上に設けることで、前記フィンの間にエジェクター効果が生じる。このため、冷却のための空気を前記通風孔からも吸気することができるので、空気間の熱交換率を向上させることができる。その結果、放熱効率が向上する。
【００３４】
また、請求項１の発明によれば、ヒートパイプの断面形状を流線方向に扁平に形成することで、各フィンの間に流れる空気の流体抵抗を減少させることができる。そのため、各フィンの間に流れる空気量が増加し、放熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るヒートシンクの一具体例を示す斜視図である。
【図２】 図１のヒートシンクの一部詳細図である。
【図３】 図１のヒートシンクの一部詳細図である。
【符号の説明】
１…放熱フィン、 ３…通風孔、 ３Ａ…平板部、 ４…ヒートパイプ、 ６…受熱ブロック、 ５…ヒートシンク、 ９…マイクロファン、 １２…吸込口、 １３…吐出口、 Ａ，Ｂ，Ｃ…空気流。

Claims (1)

1. ヒートパイプの一端部に前記ヒートパイプの軸線方向に直交する複数のフィンが、所定の間隔をあけて相互に平行に配列され、それらフィン間の隙間に一定方向に送風されてフィンから放熱させるヒートシンクにおいて、
   前記フィンの前記送風方向に対して直交する方向の上端に前記フィンと垂直でかつ前記フィンを覆うように平板部が設けられ、かつ前記平板部において、前記ヒートパイプの中心より風上側に通風孔が設けられ、さらに前記ヒートパイプの断面形状が前記送風による空気の流線方向に対して長径の方向が平行となる楕円形状もしくは扁平形状に形成されていることを特徴とするヒートシンク。

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