JP4391366B2 - ヒートパイプを備えたヒートシンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、フィン部が搭載されるベース部の内部にヒートパイプおよび空気流路が設けられたヒートシンクおよびその製造方法に関する。

受熱部であるベースプレートにフィンを設けて、発熱体の熱を放熱する方法は、電子機器の放熱器として一般的に使用されている。従来は、ベースプレートおよびフィンからなる放熱器には、アルミニウムの押し出し材等が使用されてきたが、近年は放熱性能の高性能化のために銅が使われている。
銅は熱伝導性に優れているけれども、ベースプレートが大きい場合や熱源がベースプレートの端部に寄っている場合は、熱のスプレッド効果が十分ではなく、その場合、ヒートパイプやベーパーチャンバーをベースプレートに設けて、スプレッド効果を高めて放熱性能を向上させていた。

しかし、ベーパーチャンバーは、コスト高で、また、取り付けネジ用の穴加工等が当初から設計に盛り込まないと対応できず、設計のフレキシビリティに欠けている。一方、ヒートパイプを取り付けるためには穴や溝加工をベースプレートに施す必要があり、機械加工等が必須となる。
また、これらのスプレッダー機構を設けることでベースプレートの厚みが増すと、材料費のコストアップの他、質量が増して、固定方法等の対策が必要となる。
特開平８−８９３８３号公報

上述したように、ベーパーチャンバーは、コスト高で、また、取り付けネジ用の穴加工等が当初から設計に盛り込まないと対応できず、設計のフレキシビリティに欠けている。一方、ヒートパイプを取り付けるためには穴や溝加工をベースプレートに施す必要があり、機械加工等が必須となる。
また、これらのスプレッダー機構を設けることでベースプレートの厚みが増すと、材料費のコストアップの他、質量が増して、固定方法等の対策が必要となる。

従って、この発明の目的は、機械加工が少なく、軽量かつ低コストで、高性能のヒートシンクを提供することにある。

本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、第１のプレート材および第２のプレート材の２枚の板材でヒートパイプを挟み込む形状にすることによって、ヒートパイプを固定するための切削等の機械加工が不要になり、製造コストの低下が図れる。また、ヒートパイプ周囲に空間が形成されるので、ベース部の重量が軽くなり、全体として軽量化が図れる。さらに、熱源に近い部分に空気と熱交換が可能な面積を有しているため、放熱性能の向上、流路抵抗の低減による風量の増加が期待できることが判明した。

この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第１の態様は、その内部に複数のヒートパイプ、および、前記複数のヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部（例えば、空気流路）を有するベース部と、前記ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなり、前記ベース部が熱源と接続される第１のプレート材と、前記フィン部が熱的に接続される第２のプレート材とからなっており、前記複数のヒートパイプが、前記第１のプレート材と前記第２のプレート材によって挟まれて、それらに熱的に接続されており、前記ベース部の前記熱源に対応する部分では近接して配置され、他の部分では広がって配置され、前記第１のプレート材及び第２のプレート材の一方が側壁部および底面部からなるＵ字形の板材からなっており、他方が上面部からなる平らな板材からなっており、前記空間部が前記上面部、前記側壁部および前記底面部によって画定される、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第２の態様は、前記複数のヒートパイプの各々が、偏平型ヒートパイプからなっており、前記偏平型ヒートパイプの上面部が前記第２のプレート材に熱的に接続し、前記偏平型ヒートパイプの底面部が前記第１のプレート材に熱的に接続されている、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第３の態様は、前記空間部が、１つの前記ヒートパイプの側面と前記ベース部の前記側壁部によって形成された空間を含む、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第４の態様は、前記空間部が、隣接する前記ヒートパイプ間の空間、および、前記ヒートパイプの側面と前記ベース部の前記側壁部によって形成された空間を含む、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第５の態様は、前記ヒートパイプが前記フィンの長手方向に沿って延伸して設けられているヒートパイプを備えたヒートシンクである。
この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第６の態様は、前記ベース部が、前記第のプレート材と前記第２のプレート材によって挟まれて熱的に接続される金属ブロックを更に備えている、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第７の態様は、前記金属ブロックが前記第１のプレート材と一体的に形成されている、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第８の態様は、前記金属ブロックが、前記ベース部の全体に延伸して配置されている、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第９の態様は、前記金属ブロックが前記第１のプレート材の熱源と接続される部分にのみ配置されている、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第１０の態様は、前記金属ブロックが隣接する前記ヒートパイプの間に配置されて、前記ヒートパイプの一部と接触している、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。
この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第１１の態様は、前記複数のヒートパイプの一方の端部が近接して配置され、他方の端部が広がって配置される、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。
この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第１２の態様は、前記複数のヒートパイプのそれぞれの中央部が近接して配置され、両端部が広がって配置される、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法の第１の態様は、
下記ステップからなるヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法である：
側壁部および底面部を備えた熱源と接続されるＵ字形板材を準備し、前記Ｕ字形板材の底面部に、前記熱源に対応する部分では近接して配置され、他の部分では広がって配置される複数のヒートパイプを接合して第１のプレート材を準備し、
平らな板材を準備し、そして、前記平らな板材の一方の面に放熱フィン部を接合して第２のプレート材を準備し、
前記第１のプレート材と前記第２のプレート材とを接合して、その内部に複数のヒートパイプ、および、前記複数のヒートパイプの周辺部の一部に形成され且つ前記上面部、前記側面部および前記底面部によって画定される空間部を備えたベース部と、前記ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなる、ヒートパイプを備えたヒートシンクを製造する。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法の第２の態様は、前記第１のプレート材の準備において、前記Ｕ字形板材の前記底面部に更に金属ブロックを接合する、ヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法である。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法の第３の態様は、前記ベース部と前記複数のヒートパイプ、および、前記ベース部と、前記フィン部とを同時にハンダで接合する、ヒートパイプを備えたヒートシンクを製造する方法である。

上述したように、この発明によると、機械加工の少ないヒートシンクを提供することができる。更に、軽量のヒートシンクを提供することができる。更に、ローコストのヒートシンクを提供することができる。更に、高性能のヒートシンクを提供することができる。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクおよびその製造方法を、図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの第１の態様は、その内部に少なくとも１つのヒートパイプ、および、前記ヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部（例えば、空気流路）を有するベース部と、前記ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなる、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。更に、前記ベース部が熱源と接続される第１のプレート材と、前記フィン部が熱的に接続される第２のプレート材とからなっており、前記少なくとも１つのヒートパイプが、前記第１のプレート材と前記第２のプレート材によって挟まれて、それらに熱的に接続されている。

更に、前記第１のプレート材が側壁部および底面部からなるＵ字形の板材からなっており、前記第２のプレート材が上面部からなる平らな板材からなっている。なお、前記第２のプレート材が側壁部および底面部からなるＵ字形の板材からなっており、前記第１のプレート材が上面部からなる平らな板材からなっていてもよい。このように、ベース部は、上面部、側壁部および底面部からなっている。熱源が小さい場合、または、熱源がヒートシンクの端部に位置する場合には、熱をヒートシンクの全体に分散させて（スプレッドさせて）均熱化し、ベース部に接合されたフィンの放熱効率を向上させる必要がある。一般に、ヒートシンクにヒートパイプやベーパーチャンバーを用いるが、ヒートパイプの場合、従来はベース部に溝を形成し、あるいは孔を形成して、それらにヒートパイプを収容してハンダ等で固定していた。

本発明のヒートパイプを備えたヒートシンクにおいては、上述したように、第１のプレート材および第２のプレート材の２枚の板材でヒートパイプを挟み込む形状であるので、ヒートパイプを固定するための切削等の機械加工が不要になり、製造コストの低下が図れる。また、ヒートパイプ周囲に空間が形成されるので、ベース部の重量が軽くなり、全体として軽量化が図れる。さらに、熱源に近い部分に空気と熱交換が可能な面積を有しているため、放熱性能の向上、流路抵抗の低減による風量の増加が期待できる。

図１は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの１つの態様の斜視図である。図１に示すように、ベース部８の内部には、少なくとも１つのヒートパイプ５、および、ヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部６を有している。ベース部８には、フィン部３が熱的に接続されている。更に、ベース部８が熱源と接続される第１のプレート材４と、フィン部３が熱的に接続される第２のプレート材２とからなっている。少なくとも１つのヒートパイプ５が、第１のプレート材４と第２のプレート材２によって挟まれて、それらに熱的に接続されている。

第１のプレート材４が側壁部９および底面部１０からなるＵ字形の板材からなっており、第２のプレート材２が上面部２からなる平らな板材からなっている。従って、ベース部８は、上面部２、側壁部９および底面部１０からなっている。
ヒートパイプは、例えば丸型ヒートパイプを偏平させて、上面および下面と第１プレート材および第２プレート材との熱的な接触面を大きくする。図１においては、３本の偏平状のヒートパイプをベース部内に配置している。第１プレート材の側壁９とヒートパイプ５の間、および、隣接するヒートパイプ間には、空気流路としての機能をそなえた空間部が設けられる。空間部は、フィンの長手方向に沿ってベース部の全長にわたって形成されている。ファン等を設置して、強制空冷する際に、フィン部間だけでなく、ベース部内の上述した空間を空気が流れるので、放熱効率が向上する。

少なくとも１つのヒートパイプは、上述したように、偏平型ヒートパイプからなっており、偏平型ヒートパイプの上面部が第２のプレート材に熱的に接続し、偏平型ヒートパイプの底面部が第１のプレート材に熱的に接続されている。
ヒートパイプの厚さおよび第１のプレート材および第２のプレーと材の厚さを調整することによって、薄いベース部を形成することができる。

フィン部は、ハンダ等によってベース部の一方の面に接合してもよく、ベース部およびフィン部を一体的に形成してもよく、更に、ベース部に溝部を形成して、フィンを溝部に挿入して、フィンの両側を機械的にかしめてもよい。

図２は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの１つの態様の平面図である。図２に示すように、ベース部の一方の表面にはフィン部が形成されている。フィン部はフィンピッチを小さくして放熱効果を高めるように形成される。図示しないが、熱源は、例えば、図２の左端部に配置される。熱源が接続される第１のプレート材には、ヒートパイプが熱的に接続されているので、ヒートパイプによってベース部の長手方向に沿って熱が移動されて、第２のプレート材に接合されているフィン部を介して放熱される。上述したように、熱源の熱がヒートパイプによってベース部の全体にわたって分散されて均熱化された後、フィン部によって所定の場所に放熱される。

なお、図２に示すように、ヒートシンクを固定する部分は、フィンが切り取られ、固定部材が設置される。この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクは、熱源がベース部の一方の端部に熱的に接続されるとき、放熱効果が著しく向上する。

図３は、ベース部内に配置されるヒートパイプを説明する図である。図３に示すように、ベース部の内部には、少なくとも１つの偏平状のヒートパイプが配置される。図３においては、３つのヒートパイプがベース部内に配置される例を示している。即ち、熱源に接続する、側壁部および底面部からなるＵ字形の第１のプレート材の底面部と、フィン部が接合される上面部からなる第２のプレート材の平らな上面部との間に挟まれて、それぞれに広い面積で熱的に接続して、偏平状のヒートパイプ５がベース部の内部に配置される。ヒートパイプの配置は、熱源の大きさおよび位置に対応して決定されるが、ベース部の長手方向に沿ってベース部の全長にわたって配置される。なお、ヒートパイプは、必ずしもベース部の全長にわたって配置される必要はなく、ほぼ全長、または、長手方向の有効なスプレッダー効果を得るための長さであってもよい。

ベース部内の第の１プレート材の側壁部とヒートパイプ５の側面との間、および、隣接するヒートパイプ５間には空間部６が設けられている。ベース部の一方の端部に所定の強制空冷用のファンを設けることによって、空間部に空気を強制的に送ることができ、放熱効率を高める。

この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクは、次のように製造される。
即ち、側壁部および底面部を備えた熱源と接続されるＵ字形板材を準備し、前記Ｕ字形板材の底面部に少なくとも１つのヒートパイプを接合して第１のプレート材を準備し、平らな板材を準備し、そして、前記平らな板材の一方の面に放熱フィン部を接合して第２のプレート材を準備し、前記第１のプレート材と前記第２のプレート材とを接合して、その内部に少なくとも１つのヒートパイプ、および、前記ヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部とを備えたベース部と、前記ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなる、ヒートパイプを備えたヒートシンクを製造する。この発明のヒートシンクと共にその製造方法について説明する。

図４は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクを構成する、フィン部が接合された第２のプレート材、ヒートパイプが接合された第１のプレート材の２つの部材を分解して説明する図である。
図４の上部に示すように、平らな板材を準備し、そして、平らな板材の一方の面に放熱フィン部３を接合して第２のプレート材２を準備する。更に、図４の下部に示すように、側壁部および底面部を備えた熱源と接続されるＵ字形板材を準備し、Ｕ字形板材の底面部にヒートパイプを接合して第１のプレート材を準備する。

次いで、このように準備された、ヒートパイプが接合された第１のプレート材とフィン部が接合された第２のプレート材とを接合すると、その内部にヒートパイプ、および、ヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部とを備えたベース部と、ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなる、ヒートパイプを備えたヒートシンクが製造される。

上述したように、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法においては、第１のプレート材と第２のプレート材とによって挟まれてヒートパイプが広い面積で熱的に接続されるので、従来広く行われていたようにヒートパイプを配置するための溝部または孔部を形成する必要が無い。従って、製造コストを低下させ、容易に製造することができる。

図５は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの他の１つの態様の斜視図である。
この態様のヒートパイプを備えたヒートシンクは、その内部に少なくとも１つのヒートパイプ、ヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部、および、金属ブロックを有するベース部と、ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなる、ヒートパイプを備えたヒートシンクである。ベース部が熱源と接続される第１のプレート材と、フィン部が熱的に接続される第２のプレート材とからなっており、少なくとも１つのヒートパイプおよび金属ブロックが、第１のプレート材と第２のプレート材によって挟まれて、それらに熱的に接続されている。

図５に示すように、ベース部１８の内部には、少なくとも１つのヒートパイプ１５、ヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部１６、および、金属ブロック１７を有している。ベース部１８の上面部１２には、フィン部１３が熱的に接続されている。更に、ベース部１８が熱源と接続される第１のプレート材１４と、フィン部１３が熱的に接続される第２のプレート材１２とからなっている。少なくとも１つのヒートパイプ１５および金属ブロック１７が、第１のプレート材１４と第２のプレート材１２によって挟まれて、それらに熱的に接続されている。

第１のプレート材１４が側壁部１９および底面部２０からなるＵ字形の板材からなっており、第２のプレート材１２が上面部１２からなる平らな板材からなっている。従って、ベース部１８は、上面部１２、側壁部１９および底面部２０からなっている。
図５に示す態様においては、第１のプレート材１４の概ね中央部に金属ブロック１７が配置され、金属ブロック１７の両側には偏平状ヒートパイプ１５がそれぞれ配置されている。第１のプレート材１４の側壁部１９とヒートパイプ１５の間には空間部が形成されている。

図６は、第１のプレート材に接合される金属ブロックおよびヒートパイプの配置を説明する部分図である。図６に示すように、第１のプレート材１４の底面部の概ね中央部に矩形の金属ブロック１７が配置されている。偏平状ヒートパイプは、点線で示すように、金属ブロック１７に接して、その両側に設けられる。なお、金属ブロックおよびヒートパイプの配置は、上述した態様に限定されるものではなく、熱源の大きさ、位置に対応して、放熱効率を高めるように適宜修正することができる。

金属ブロックは、熱源の発熱量が特に大きい場合、ヒートパイプのいわゆるドライアウト現象の発生を防ぐことが出来る。ヒートパイプを、熱源が接続される第１のプレート材と金属ブロックに接続させることによって、第１のプレート材および金属ブロックの側壁面を経てヒートパイプの広い面で熱が吸収され、作動液の気相液相の相変化によって大量の熱がヒートパイプの他方端に移動する。

図７は、ベース部内に配置される、金属ブロックおよびヒートパイプを説明する図である。図７に示すように、ベース部の内部には、少なくとも１つの偏平状のヒートパイプおよび金属ブロックが配置される。図７においては、ベース部の内部の中央部に金属ブロックが配置され、金属ブロックの両側にヒートパイプがそれぞれ配置される例を示している。即ち、熱源に接続する、側壁部および底面部からなるＵ字形の第１のプレート材の底面部と、フィン部が接合される上面部からなる第２のプレート材の平らな上面部との間に挟まれて、それぞれに広い面積で熱的に接続して、金属ブロック１７および偏平状のヒートパイプ１５がベース部の内部に配置される。

ヒートパイプおよび金属ブロックの配置は、熱源の大きさおよび位置に対応して決定されるが、ベース部の長手方向に沿ってベース部の全長にわたって配置されている。更に、ベース部内の第の１プレート材の側壁部とヒートパイプ５の側面との間には空間部が設けられている。ベース部の一方の端部に所定の強制空冷用のファンを設けることによって、空間部に空気を強制的に送ることができ、放熱効率を高める。

上述した金属ブロックは第１のプレート材と接合するのではなく、一体的に形成されていてもよい。上述した態様においては、金属ブロックが、ベース部の全体に延伸して配置されているが、金属ブロックが第１のプレート材の熱源と接続される部分にのみ配置されていてもよい。

図８は、金属ブロックが第１のプレート材の熱源と接続される部分にのみ配置されている態様を説明する図である。図８に示すように、第１のプレート材の熱源と接続される部分にのみ金属ブロック１７が配置されている。ヒートパイプは、ベース部の全長にわたって長手方向に沿って設けられている。

図９は、ヒートパイプの別の配置要領を示す図である。図９に示すように、熱源３０が配置される位置に対応する第１のプレート材４の部分に、３つのヒートパイプ５の一方の端部が並べて近接して配置され、ヒートパイプの間隔は他の端部に向かって末広がりに次第に広がって配置される。この態様においても、ベース部内に配置されるヒートパイプ５の周辺部には空間部（例えば、空気流路）が形成される。

図１０は、図９に示したようにヒートパイプが配置されたこの発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの概略側面図である。図１０に示すように、ベース部８の内部に配置された３つのヒートパイプ５の一方の端部は、熱源３０が配置される位置に対応する第１のプレート材の部分に並べて近接して配置されている。第２プレート材の上面にはフィン部３が接合されている。

図１１は、銅ソリッドおよびヒートパイプを配置したこの発明の他の態様のヒートパイプを備えたヒートシンクを説明する図である。この態様においては銅ソリッドを併用し、ヒートシンクの一部に銅ソリッド、残りの部分に空間部およびヒートパイプを備えたベース部を併置している。図１１に示すように、銅ソリッドおよびベース部が一体的に形成されて、熱源が銅ソリッドおよびベース部に熱的に接続して配置されている。即ち、熱源の一部が熱的に接続されるように銅ソリッドが配置され、３つのヒートパイプの一部が同様に、第１プレート材４を介して熱源の一部に熱的に接続されるように配置されている。この態様においては、３つのヒートパイプは中央部分において近接配置され、ヒートパイプの間隔は、両端部に向かってそれぞれ末広がりに広がっている。

図１２は、図１０に示したように銅ソリッドおよびヒートパイプが配置されたこの発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの概略側面図である。図１２に示すように、銅ソリッドおよびベース部が一体的に形成され、ベース部８の内部には３つのヒートパイプ５が上述したように配置されている。熱源は、銅ソリッドおよび第１プレート材のそれぞれ一部に熱的に接続されている。第２プレート材の上面にはフィン部３が接合されている。この態様においても、ベース部内に配置されるヒートパイプ５の周辺部には空間部（例えば、空気流路）が形成される。

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。
ヒートパイプの吸熱側において、発熱電子部品から放熱フィンに伝わった熱は、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に戻る。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。

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。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。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してもよい。

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。偏平状に加工するため、加工性に優れたアルミニウム材が好ましい。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。
以下に、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの機能について詳細に述べる。

熱源は小さくヒートシンクの端部にある場合について説明する。まずサーマルインターフェイス（グリースや熱伝導シート）を介して熱源から第１のプレートに熱が移動する。第１のプレート材自体の熱伝導によって、熱はある程度第１のプレート材中に拡散し、第１のプレートに熱的に接続されたヒートパイプに移動する。ヒートパイプが複数の場合は、熱が１本に集中して入力することなく、第１のプレート材のスプレッド効果で複数のヒートパイプに熱が分散して流入する。ヒートパイプは第１のプレート材と、その反対面にフィンが設けられた第２のプレート材とによって挟み込まれている。ヒートパイプがプレート材の大略端部から端部まで設置されていることで、第１のプレート材から第２のプレート材への熱輸送時に、第２のプレート材をほぼ均熱化するように熱拡散が行われる。

この熱拡散はヒートパイプの熱輸送特性、均熱性によって行われる。これらのプレート材、ヒートパイプ、フィン等は一括してハンダ付けすることで、工程を簡素化できる。本ヒートシンクは、対流空気によって環境へ放熱するが、通常であれば空気はフィンの周囲のみを通過するのに対して、本ヒートシンクはヒートパイプの周囲にも空気流路が形成されて空気が流れるため、熱交換がより効率よく行われる。また、空気の流路が拡大されるため、空気の流路抵抗が小さく、同じファンなら高性能化、同じ風量ならば、低ノイズ、低消費電力が実現できる。

図１３は、ヒートパイプの他の配置要領を示す図である。図１４は、図１３のＡ−Ａ’断面図である。図１３に示すように、この態様においては、熱源３０が配置される位置に対応する第１のプレート材４の部分に、３つのヒートパイプ５の一方の端部が近接して、所定の間隔で並べて配置されている。即ち、図１４に示すように、ヒートパイプ５の間に所定の流路６を確保している。ヒートパイプの間隔は、熱源付近では平行で、他の端部に向かって末広がりに次第に広がって配置される。

この態様においては、ベース部内に配置されるヒートパイプ５の周辺部には空間部（例えば、空気流路）が形成されるので、熱源近傍のパイプ周囲（外壁）にも流路が確保されて風が流れる。従って、熱源からの熱を効率よく放熱することができる。即ち、風がヒートパイプの間隔が広いほうから流れる場合には、熱源３０付近で風の流れが集中し、大きい流速が得られる。

図１５は、ヒートパイプの他の配置要領を示す図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ’断面図である。図１７は、図１５のＢ−Ｂ’断面図である。図１５に示すように、この態様においては、熱源３０は第１のプレート材４の中央部分に配置されている。熱源３０が配置される位置に対応する第１のプレート材４の部分に、３つのヒートパイプ５が近接して、所定の間隔で並べて配置されている。即ち、図１６に示すように、ヒートパイプ５の間に所定の流路６を確保している。ヒートパイプの間隔は、熱源付近では平行で、両端に向かってそれぞれ末広がりに次第に広がって配置される。

図１７に示すように、両端部においては、ヒートパイプ間の流路が広くなっている。この態様においては、ベース部内に配置されるヒートパイプ５の周辺部には空間部（例えば、空気流路）が形成されるので、熱源近傍のパイプ周囲（外壁）にも流路が確保されて風が流れる。従って、熱源からの熱を効率よく放熱することができる。特に、ヒートパイプが中央部から両端部に向かって末広がりに次第に広がっているので、何れの方向から風が流れても熱源近くに効果的に風が流入して放熱効率を高めることができる。更に、中心部から概ね放射状にヒートパイプを配置することができるので、ベースプレートおよびフィンの放熱効率が向上する。

実施例１
図１に示す態様のこの発明のヒートパイプを備えたヒートシンクを作製した。本実施例では、第１のプレート材に1.2mm厚の銅板、第２のプレート材に0.8mm 厚の銅板を使用し、その間にφ６mm を厚さ３mm に扁平したヒートパイプを３本配置した。高さはトータルで20mm である。ヒートパイプは３本がベース部内に等間隔に入れられている。フィン厚は0.3mm であった。

熱源は第１のプレート材の短辺の中心で、長辺の一方の端部から20mm の部分に位置している。３本のヒートパイプのうち１本は熱源の直上に位置するが、第１のプレート材のスプレッド効果によって、他の２本のヒートパイプにも熱が分散して、ヒートパイプをドライアウトさせる要因である入熱量や熱密度の増大を低減することが出来た。また、ヒートパイプは長辺の一方の端から他方の端まで設けられており、ベース部全体を均熱化することが出来る。また、対流空気がベース部内に配置されたヒートパイプ周囲の空間部も通過するため、熱源に近いところでより多くの放熱が効率よく行われた。無垢のベースプレートと比較して流路面積が大きくなるため、流路抵抗の低減にもなる。

実施例２
図５に示す態様のこの発明のヒートパイプを備えたヒートシンクを作製した。基本的な構成は実施例１と同一であるが、第１のベース材と第２のベース材間にヒートパイプと共に金属ブロックが設けられている。即ち、第１のベース材の短辺の中心部に、幅10mm で長辺の一方の端部から他方の端部まで金属ブロック（センターブロックともいう）を設けている。センターブロックの両サイドには幅広タイプのヒートパイプが合計２本設けられている。ヒートパイプの幅はほぼ15mm である。

熱源の位置は実施例１と同じである。この場合、熱源の直上にはセンターブロックがあり、厚さ1.2mm の第１のプレート材に加えてさらに熱拡散効果が得られる。この結果、ヒートパイプに入熱する時点では熱流束が低減するため、実施例１よりも発熱量が多い熱源に対してもドライアウト現象が生じることはない。また、幅広ヒートパイプは１本あたりの熱輸送量が大きいため、本数に対しての熱輸送能力が大きく、２本であるが、実施例１よりも大容量の熱源に対応できる。

なお、本発明は上記内容に限られたわけではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適用できる。各部材は銅に限られたわけではなく、アルミニウムやアルミニウムにメッキしたものであっても構わない。フィンの接合はハンダ付に限らず、機械的な接合であっても構わない。ヒートパイプはいわゆる丸パイプやそれを扁平したものに限らず、蒸発潜熱を利用した熱伝導素子であっても構わない。ヒートパイプの長さ、径、扁平度合、本数は自由に選定できる。
ベース部を形成する第１のプレート材および第２のプレート材、ならびに、フィン厚さ等は自由に選定できる。

この発明によると、機械加工の少ないヒートシンクを提供することができる。更に、軽量のヒートシンクを提供することができる。更に、ローコストのヒートシンクを提供することができる。更に、高性能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１は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの１つの態様の斜視図である。 図２は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの１つの態様の平面図である。 図３は、ベース部内に配置されるヒートパイプを説明する図である。 図４は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクを構成する、フィン部が接合された第２のプレート材、ヒートパイプが接合された第１のプレート材の２つの部材を分解して説明する図である。 図５は、この発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの他の１つの態様の斜視図である。 図６は、第１のプレート材に接合される金属ブロックおよびヒートパイプの配置を説明する部分図である。 図７は、ベース部内に配置される、金属ブロックおよびヒートパイプを説明する図である。 図８は、金属ブロックが第１のプレート材の熱源と接続される部分にのみ配置されている態様を説明する図である。 図９は、ヒートパイプの別の配置要領を示す図である。 図１０は、図９に示したようにヒートパイプが配置されたこの発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの概略側面図である。 図１１は、銅ソリッドおよびヒートパイプを配置したこの発明の他の態様のヒートパイプを備えたヒートシンクを説明する図である。 図１２は、図１０に示したように銅ソリッドおよびヒートパイプが配置されたこの発明のヒートパイプを備えたヒートシンクの概略側面図である。 図１３は、ヒートパイプの他の配置要領を示す図である。 図１４は、図１３のＡ−Ａ’断面図である。 図１５は、ヒートパイプの他の配置要領を示す図である。 図１６は、図１５のＡ−Ａ’断面図である。 図１７は、図１５のＢ−Ｂ’断面図である。

符号の説明

１、１１．ヒートシンク
２、１２．第２のプレート材
３、１３．フィン部
４、１４．第１のプレート材
５、１５．ヒートパイプ
６、１６．空間部
８、１８．ベース部
９、１９．側壁部
１０、２０．底面部
１７．金属ブロック
３０．熱源

Claims (15)

1. その内部に複数のヒートパイプ、および、前記複数のヒートパイプの周辺部の一部に形成された空間部を有するベース部と、前記ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなり、
   前記ベース部が熱源と接続される第１のプレート材と、前記フィン部が熱的に接続される第２のプレート材とからなっており、前記複数のヒートパイプが、前記第１のプレート材と前記第２のプレート材によって挟まれて、それらに熱的に接続されており、前記ベース部の前記熱源に対応する部分では近接して配置され、他の部分では広がって配置され、
   前記第１のプレート材及び前記第２のプレートの一方が側壁部および底面部からなるＵ字形の板材からなっており、他方が上面部からなる平らな板材からなっており、前記空間部が前記上面部、前記側壁部および前記底面部によって画定される、ヒートパイプを備えたヒートシンク。
2. 前記複数のヒートパイプの各々が、偏平型ヒートパイプからなっており、前記偏平型ヒートパイプの上面部が前記第２のプレート材に熱的に接続し、前記偏平型ヒートパイプの底面部が前記第１のプレート材に熱的に接続されている、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
3. 前記空間部が、１つの前記ヒートパイプの側面と前記ベース部の前記側壁部によって形成された空間を含む、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
4. 前記空間部が、隣接する前記ヒートパイプ間の空間、および、前記ヒートパイプの側面と前記ベース部の前記側壁部によって形成された空間を含む、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
5. 前記ヒートパイプが前記フィンの長手方向に沿って延伸して設けられている、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
6. 前記ベース部が、前記第のプレート材と前記第２のプレート材によって挟まれて熱的に接続される金属ブロックを更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
7. 前記金属ブロックが前記第１のプレート材と一体的に形成されている、請求項６に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
8. 前記金属ブロックが、前記ベース部の全体に延伸して配置されている、請求項６に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
9. 前記金属ブロックが前記第１のプレート材の熱源と接続される部分にのみ配置されている、請求項６に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
10. 前記金属ブロックが隣接する前記ヒートパイプの間に配置されて、前記ヒートパイプの一部と接触している、請求項６に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
11. 前記複数のヒートパイプの一方の端部が近接して配置され、他方の端部が広がって配置されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
12. 前記複数のヒートパイプのそれぞれの中央部が近接して配置され、両端部が広がって配置されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートパイプを備えたヒートシンク。
13. 下記ステップからなるヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法：
    側壁部および底面部を備えた熱源と接続されるＵ字形板材を準備し、前記Ｕ字形板材の底面部に、前記熱源に対応する部分では近接して配置され、他の部分では広がって配置される複数のヒートパイプを接合して第１のプレート材を準備し、
    平らな板材を準備し、そして、前記平らな板材の一方の面に放熱フィン部を接合して第２のプレート材を準備し、
    前記第１のプレート材と前記第２のプレート材とを接合して、その内部に複数のヒートパイプ、および、前記複数のヒートパイプの周辺部の一部に形成され且つ前記空間部が前記上面部、前記側面部および前記底面部によって画定される空間部を備えたベース部と、前記ベース部に熱的に接続されたフィン部とからなる、ヒートパイプを備えたヒートシンクを製造する。
14. 前記第１のプレート材の準備において、前記Ｕ字形板材の前記底面部に更に金属ブロックを接合する、請求項１３に記載のヒートパイプを備えたヒートシンクの製造方法。
15. 前記ベース部と前記複数のヒートパイプ、および、前記ベース部と、前記フィン部とを同時にハンダで接合する、請求項１３に記載のヒートパイプを備えたヒートシンクを製造する方法。

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