JP4028202B2 - 凍結破壊防止機能付ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却部品の冷却および冷却装置に用いられるヒートパイプを備えたヒートシンク、特に、ヒートパイプの凍結防止が可能なヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクス機器は、マイクロプロセッサ等の高出力、高集積の部品を内蔵している。マイクロプロセッサは、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、多量の熱を放出する。高出力かつ高集積の部品であるチップ、光学部品等を冷却するために、各種の冷却システムが提案されてきた。
【０００３】
その代表的な冷却システムの１つとして、例えば、半導体チップ、光学部品等の被冷却部品に金属ブロックを取り付け、金属ブロックに更にヒートパイプを取り付け、先ず、金属ブロックによって被冷却部品の熱を受熱し、受熱した熱をヒートパイプによって所定の位置に移動し、更に、ヒートパイプの端部を薄板状の放熱部材と熱的に接続させ、放熱部材に被冷却部品の熱を拡散させて、半導体チップ等の被冷却部品を冷却する冷却装置（ヒートシンク）がある。
ヒートパイプを使用すると、被冷却部品から離れた場所に多量の熱を移動することができる。
このようなヒートパイプを使用する冷却装置（ヒートシンク）は、寒冷地等の厳しい条件下において、保管され、使用されることがある。
【０００４】
図４は、従来のヒートシンクの一例を示す図である。図４に示すように、従来のヒートシンクは、金属ブロック１２、２本の丸型ヒートパイプ１３、放熱フィン１４、および、金属キャップ１５からなっている。金属ブロックには、ヒートパイプの収容孔１６が形成され、その中にヒートパイプの一方の端部が収容される。ヒートパイプの他方の端部には、金属キャップが設けられている。
【０００５】
金属ブロック１２に一方の端部が収容され、放熱フィン１４が固定されるヒートパイプについて説明する。ヒートパイプには、その形状において、丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状等のヒートパイプがある。冷却の対象となるＣＰＵ等の電子機器の被冷却部品の筐体内の配置、被冷却部品の形状によって、丸パイプ形状のヒートパイプ、平面形状のヒートパイプが適宜用いられる。
【０００６】
ヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。
【０００７】
密封された空洞部を備え、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移動が行われるヒートパイプの詳細は次の通りである。
金属ブロックに受熱された被冷却部品の熱は、金属ブロックの収容孔に収容された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。放熱側においては、作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。このように液相状態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行われる。放熱フィンは、上述したヒートパイプの放熱側に固定される。
【０００８】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、上述した従来のヒートシンクには下記の問題点がある。
即ち、上述したように、ヒートシンクは、寒冷地等において保管され、使用されることがある。寒冷地等の厳しい条件下において保管され、使用されるときに、優れた作動流体である水が凍結して、ヒートパイプを破損することがある。特に、保管時に、作動流体がヒートパイプの一方の端部に溜まった状態で凍結すると、ヒートパイプを膨張させて亀裂が生じたり、破損したりする。
【０００９】
このような凍結を防止するために、図４に示した従来のヒートシンクにおいては、ヒートパイプの一方の端部は金属ブロックの収容孔内に収容して、機械的にヒートパイプの膨張を抑制し、他方の端部には、金属キャップを設けて、他方の端部において機械的にヒートパイプの膨張を抑制し、凍結時のヒートパイプの破損を防止している。
【００１０】
ヒートパイプの端部に金属キャップを設けると、先ず、部品数が増加してコストが高くなると共に、突出した金属キャップ部分が、本体機器に組み込むときや輸送時に、他の器材、他のヒートシンク等に、引っ掛かって破損するという問題点がある。
【００１１】
従って、この発明の目的は、寒冷地等の厳しい条件下において保管、使用しても、作動流体の凍結によるヒートパイプの破壊を防止することができる、放熱効果に優れたヒートシンクを提供することにある。
【００１２】
【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、ヒートシンクに使用するヒートパイプとして、平行な２つの脚部および連接部からなるＵ字形ヒートパイプを使用し、２つの脚部のそれぞれの端部を伝熱ブロック内に収容し、そして、連接部を凍結破壊防止が可能な長さにすることによって、部品数を増大することなく、ヒートパイプの凍結破壊を防止することができるヒートシンクを提供することができることを知見した。即ち、Ｕ字形ヒートパイプの所定の長さの連接部が下方になるように配置された状態で、寒冷地に保存されても、作動流体の液相部分としての水が連接部の全体を満たすことがないので、作動流体の液相部分が凍結して固相となって膨張しても、ヒートパイプに亀裂が生じたり破損することはない。
【００１３】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの第１の態様は、被冷却部品からの熱を受け均熱化する伝熱ブロックと、その両端部が前記伝熱ブロック内に収容される、作動流体が封入された少なくとも１つのＵ字形ヒートパイプと、前記Ｕ字形ヒートパイプに備えられた複数枚の放熱フィンとを備えた、凍結破壊防止機能付ヒートシンクである。
【００１４】
この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの第２の態様は、前記Ｕ字形ヒートパイプが、平行な２つの脚部および該脚部をつなぐ連接部からなり、両端部が前記伝熱ブロック内に収容され、作動流体が封入された少なくとも１つのＵ字形ヒートパイプと、前記Ｕ字形ヒートパイプに備えられた複数枚の放熱フィンとを備え、該連接部が該伝熱ブロックよりも下方に配置されているヒートシンクであって、
前記作動流体が凍結しても前記ヒートパイプが破壊されないように、前記作動流体の液相部分が前記連接部の全体を満たしていないことを特徴とする凍結破壊防止機能付ヒートシンクである。
【００１５】
この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクのその他の態様は、前記Ｕ字形ヒートパイプが丸型ヒートパイプからなっている、凍結破壊防止機能付ヒートシンクである。
【００１６】
この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクのその他の態様は、前記少なくとも１つのＵ字形ヒートパイプが複数個のＵ字形ヒートパイプからなっており、前記複数個のＵ字形ヒートパイプが垂直方向に所定の間隔で相互に平行に配置され、そして、それぞれの両端部が前記伝熱ブロックに収容されている、凍結破壊防止機能付ヒートシンクである。
【００１７】
この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクのその他の態様は、前記伝熱ブロックがアルミニウムからなっており、前記Ｕ字形ヒートパイプが銅からなっており、そして、作動流体が水からなっている、凍結破壊防止機能付ヒートシンクである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクについて図面を参照しながら詳細に説明する。この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクは、被冷却部品からの熱を受け均熱化する伝熱ブロックと、その両端部が伝熱ブロック内に収容される少なくとも１つのＵ字形ヒートパイプと、Ｕ字形ヒートパイプに備えられた複数枚の放熱フィンとを備えた、凍結破壊防止機能付ヒートシンクである。上述したＵ字形ヒートパイプは、平行な２つの脚部および連接部からなっており、２つの脚部のそれぞれの端部が伝熱ブロック内に収容され、連接部が凍結破壊防止が可能な長さを備えている。上述したＵ字形ヒートパイプが丸型ヒートパイプからなっていてもよい。
【００１９】
図１は、この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの１つの態様を示す図である。図１に示すこの発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンク１は、伝熱ブロック２と、作動流体が封入されたＵ字形ヒートパイプ３と、Ｕ字形ヒートパイプに備えられた複数枚の放熱フィン４とを備えている。伝熱ブロック２は熱伝導性に優れた金属、例えば、銅、アルミニウムからなり、被冷却部品が熱的に接続される。被冷却部品が発する熱は、伝熱ブロックに熱伝導されて、熱伝導された熱が材質中に分散して均熱化される。
【００２０】
伝熱ブロック２には、収容孔６が形成されており、２つの脚部９および連接部８からなるＵ字形ヒートパイプ３の脚部９の端部が収容孔に密接して収容される。Ｕ字形ヒートパイプ３の脚部９には、複数枚の放熱フィン４が備えられる。Ｕ字形ヒートパイプ３の連接部は、放熱フィンに関して、伝熱ブロックと反対側に露出している。図１に示す態様においては、ヒートパイプは、丸型ヒートパイプをＵ字形に曲げてＵ字形ヒートパイプに成形されている。ヒートパイプの材質は、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム等からなっている。更に、ヒートパイプの表面に所要のメッキを施してもよい。なお、ヒートパイプの毛細管力を増大するために管壁に溝を形成したり、ウイックを設けてもよい。
【００２１】
Ｕ字形ヒートパイプ３の内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に作動流体が収容されている。伝熱ブロック２に受熱され、均熱化された被冷却部品の熱は、伝熱ブロック２の収容孔６に収容されたヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプ３を構成する容器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を通って放熱側、即ち、放熱フィン４が設けられた脚部９の一部および連接部８に移動する。放熱側の放熱フィンが設けられた脚部９の一部および連接部において、作動流体の蒸気は冷却されて液相状態に戻る。
【００２２】
このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側である伝熱ブロックの収容孔に収容された端部に移動（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行われる。ヒートパイプに固定された放熱フィン４によって、大気中または所定の位置に放熱され、更に、連接部に伝わった熱は、連接部８の広い表面積から大気中に放熱される。
【００２３】
図３は、Ｕ字形ヒートパイプとその中に封入された作動流体とを示す図である。図３に示すように、連接部が下方に位置するように設置されたときに、Ｕ字形ヒートパイプ３の連接部８が、作動流体５によって満たされない、即ち、内部に空間が存在するような長さを有している。連接部が作動流体によって満たされている場合には、寒冷地等に保管されて、作動流体が凍結すると、作動流体が膨張して、ヒートパイプに亀裂が発生したり、ヒートパイプが破損する恐れがある。なお、作動流体は、ヒートパイプの材質との適合性を考慮して、水、代替フロン等から選択する。
【００２４】
これに対して、図３に示すように、内部に空間が存在する場合には、作動流体が凍結して膨張しても、ヒートパイプに亀裂が発生したり、ヒートパイプが破損することはない。凍結破壊防止が可能な、Ｕ字形ヒートパイプの連接部の長さは、ヒートパイプの径、ヒートパイプ内に封入する作動流体の量によって決定することができる。
【００２５】
図２は、この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの他の態様を示す図である。図２に示すこの発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンク１は、伝熱ブロック２と、作動流体が封入された複数本のＵ字形ヒートパイプ３と、Ｕ字形ヒートパイプに備えられた複数枚の放熱フィン４とを備えている。伝熱ブロック２には被冷却部品が熱的に接続される。この態様の凍結破壊防止機能付ヒートシンクは、発熱量の多い被冷却部品の熱を効率的に放熱するのに適している。被冷却部品が発する多量の熱は、伝熱ブロックに熱伝導されて、熱伝導された熱が材質中に分散して均熱化される。
【００２６】
伝熱ブロック２には、複数本のＵ字形ヒートパイプの端部が収容される複数個の収容孔６が形成されており、２つの脚部９および連接部８からなるＵ字形ヒートパイプ３のそれぞれの脚部９の端部が収容孔に密接して収容される。複数個のＵ字形ヒートパイプは、例えば、伝熱ブロックの高さ方向に所定の間隔で相互に平行に配置され、そして、それぞれの両端部が前記伝熱ブロックに収容されている。なお、Ｕ字形ヒートパイプの配置は、上述した形態に限定されることはなく、伝熱ブロックの大きさに対応して適宜決めることができる。
【００２７】
Ｕ字形ヒートパイプ３の脚部９には、複数枚の放熱フィン４が備えられる。図２に示すように、複数枚の放熱フィンに、Ｕ字形ヒートパイプに対応する複数個の貫通孔が形成されて、ヒートパイプに放熱フィンが固定される。複数個のＵ字形ヒートパイプ３の各連接部は、放熱フィンに関して、伝熱ブロックと反対側に露出している。図２に示す態様においては、４本のＵ字形ヒートパイプが使用されている。各ヒートパイプは、丸型ヒートパイプをＵ字形に曲げてＵ字形ヒートパイプに成形されている。なお、ヒートパイプの毛細管力を増大するために、それぞれのヒートパイプの管壁に溝を形成したり、ウイックを設けてもよい。
【００２８】
図２に示す態様の凍結破壊防止機能付ヒートシンクにおいて、Ｕ字形ヒートパイプを形成する丸型ヒートパイプの径は同一でもよく、異なる径のヒートパイプを用いても良い。特に、発熱密度の高い被冷却部品を冷却するときには、被冷却部品に近い側のヒートパイプの径を大きく、被冷却部品から遠い側のヒートパイプの径を小さくしてもよい。
【００２９】
Ｕ字形ヒートパイプ３のそれぞれの内部には、図１に示す態様と同様に、作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に作動流体が収容されている。伝熱ブロック２に受熱され、均熱化された被冷却部品の熱は、図１に示す態様と同様に、伝熱ブロック２の収容孔６に収容されたヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプ３を構成する容器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を通って放熱側、即ち、放熱フィン４が設けられた脚部９の一部および連接部８に移動する。放熱側の放熱フィンが設けられた脚部９の一部および連接部において、図１に示す態様と同様に、作動流体の蒸気は冷却されて液相状態に戻る。
【００３０】
このように液相状態に戻った作動流体は、図１に示す態様と同様に、再び吸熱側である伝熱ブロックの収容孔に収容された端部に移動（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行われる。ヒートパイプに固定された放熱フィン４によって、大気中または所定の位置に放熱され、更に、連接部に伝わった熱は、連接部８の広い表面積から大気中に放熱される。
【００３１】
この態様のヒートシンクにおいても、連接部が下方に位置するように設置されたときに、Ｕ字形ヒートパイプ３のそれぞれの連接部８が、作動流体５によって満たされない、即ち、内部に空間が存在するような長さを有している。その結果、作動流体が凍結して膨張しても、ヒートパイプに亀裂が発生したり、ヒートパイプが破損することはない。
なお、この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの１つの態様においては、伝熱ブロックがアルミニウムからなっており、Ｕ字形ヒートパイプが銅からなっており、そして、作動流体が水からなっている。銅製のヒートパイプを使用することによって、作動流体として優れた水を使用することができる。
この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクを実施例によって更に詳細に説明する。
【００３２】
【実施例】
実施例１
図１に示すような、縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×高さ１５ｍｍのアルミニウム製伝熱ブロックを調製した。伝熱ブロックには、ヒートパイプの端部が収容される収容孔が形成されている。更に、長さ４００ｍｍの脚部および長さ１３０ｍｍの連接部からなる外径６．３５ｍｍの、その中に作動流体としての水が封入された空洞部を有する１本の銅製のＵ字形ヒートパイプを調製した。更に、縦１５ｍｍ×横２５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの板状のアルミニウム製の放熱フィンを調製した。
【００３３】
このように調製した伝熱ブロック、Ｕ字形ヒートパイプ、放熱フィンを図１に示すように組立ててヒートシンクを作製した。即ち、貫通孔を有する放熱フィンをＵ字形のヒートパイプに密着して固定して、ヒートパイプと放熱フィンとの間の熱抵抗を小さくし、更に、Ｕ字形のヒートパイプの２本の脚部の端部を伝熱ブロックの収容孔に密着して収容して、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を小さくした。
【００３４】
このように作製したヒートシンクの伝熱ブロックに、（図示しない）１５Ｗの熱を入力したＣＰＵブロックを接続して、ＣＰＵブロックを冷却した。このときのＣＰＵブロックの温度、放熱フィンの温度を測定した。
その結果、本発明のヒートシンクによると、伝熱ブロックに接続された被冷却部品のＣＰＵブロックの温度は９０℃であった。放熱フィンの側面部の温度は４０℃であった。従って、この発明のヒートシンクは、放熱効率において優れていることがわかる。
【００３５】
更に、上述したこの発明のヒートシンクを、Ｕ字形のヒートパイプの連接部が下方に位置するような状態で、−１０℃の温度で、９６時間保管した。その結果、作動流体としての水が凍結したけれども、ヒートパイプに亀裂は発生せず、ヒートパイプの破損も起きなかった。従って、この発明のヒートシンクは、寒冷地等においても、凍結によるヒートパイプの損傷を防止することができる。即ち、この発明によると、凍結破壊防止機能を備えたヒートシンクを提供することができる。
【００３６】
実施例２
図２に示すような、縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×高さ６０ｍｍのアルミニウム製伝熱ブロックを調製した。伝熱ブロックには、４本のヒートパイプの端部が収容される収容孔が形成されている。更に、長さ４００ｍｍの脚部および長さ１３０ｍｍの連接部からなる外径６．３５ｍｍの、その中に作動流体としての水が封入された空洞部を有する４本の銅製のＵ字形ヒートパイプを調製した。更に、縦６０ｍｍ×横２５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの板状のアルミニウム製の放熱フィンを調製した。
このように調製した伝熱ブロック、Ｕ字形ヒートパイプ、放熱フィンを図２に示すように組立ててヒートシンクを作製した。即ち、それぞれ８個の貫通孔を有する放熱フィンを４本のＵ字形のヒートパイプに密着して固定して、ヒートパイプと放熱フィンとの間の熱抵抗を小さくし、更に、各Ｕ字形のヒートパイプの２本の脚部の端部を伝熱ブロックの収容孔に密着して収容して、ヒートパイプと伝熱ブロックとの間の熱抵抗を小さくした。
【００３７】
このように作製したヒートシンクの伝熱ブロックに、（図示しない）６０Ｗの熱を入力したＣＰＵブロックを接続して、ＣＰＵブロックを冷却した。このときのＣＰＵブロックの温度、放熱フィンの温度を測定した。
その結果、本発明のヒートシンクによると、伝熱ブロックに接続された被冷却部品のＣＰＵブロックの温度は８５℃であった。放熱フィンの側面部の温度は３５℃であった。従って、この発明のヒートシンクは、放熱効率において優れていることがわかる。
【００３８】
更に、上述したこの発明のヒートシンクを、Ｕ字形のヒートパイプの連接部が下方に位置するような状態で、−１０℃の温度で、９６時間保管した。その結果、作動流体としての水が凍結したけれども、ヒートパイプに亀裂は発生せず、ヒートパイプの破損も起きなかった。従って、この発明のヒートシンクは、寒冷地等においても、凍結によるヒートパイプの損傷を防止することができる。即ち、この発明によると、凍結破壊防止機能を備えたヒートシンクを提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、部品数を少なくしてコストを安くし、引っ掛かり等による破損を防止することができ、寒冷地等においても、凍結によるヒートパイプの損傷を防止することができる放熱特性に優れた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、この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの１つの態様を示す図である。
【図２】図２は、この発明の凍結破壊防止機能付ヒートシンクの他の態様を示す図である。
【図３】図３は、Ｕ字形ヒートパイプとその中に封入された作動流体とを示す図である。
【図４】図４は、従来のヒートシンクの一例を示す図である。
【符号の説明】
１．凍結破損防止機能付ヒートシンク
２．伝熱ブロック
３．Ｕ字形ヒートパイプ
４．放熱フィン
５．作動流体
６．収容孔
８．連接部
９．脚部
１０．従来のヒートシンク
１２．金属ブロック
１３．丸型ヒートパイプ
１４．放熱フィン
１５．金属キャップ
１６．収容孔

Claims (1)

1. 被冷却部品からの熱を受け均熱化する伝熱ブロックと、平行な２つの脚部および該脚部をつなぐ連接部からなり、両端部が前記伝熱ブロック内に収容され、作動流体が封入された少なくとも１つのＵ字形ヒートパイプと、前記Ｕ字形ヒートパイプに備えられた複数枚の放熱フィンとを備え、該連接部が該伝熱ブロックよりも下方に配置されているヒートシンクであって、
   前記作動流体が凍結しても前記ヒートパイプが破壊されないように、前記作動流体の液相部分が前記連接部の全体を満たしていないことを特徴とする凍結破壊防止機能付ヒートシンク。

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