JP5624771B2 - ヒートパイプおよびヒートパイプ付ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、電子機器内の被冷却部品（パソコン内のＣＰＵ、ＭＰＵ等の発熱部品）の冷却に用いるヒートパイプおよびヒートパイプ付ヒートシンクに関する。

ＣＰＵ、素子等の発熱量、発熱密度の増大によって、放熱効率に優れた高性能のヒートシンクが求められている。従来、製造コストの安価なアルミニウムの押し出し材によるヒートシンクが利用されてきた。押し出し材によるヒートシンクは、ベースプレートと放熱フィンとが一体的に形成されるので、製造は容易であるが、製造上の制限によってピッチが限定され細かなピッチでフィンを形成することが技術的に困難であった。しかしながら、ベースプレートと放熱フィンの組み合わせだけでは発熱量の増大に対応することが難しくなり、さらに、ヒートパイプを組み合わせたヒートシンクが使用されるようになった。その中でも、Ｕ字形に曲げたヒートパイプをベースプレートに取り付け、さらに、ヒートパイプに放熱フィンを取り付けるタイプのヒートシンクが広く使用されるようになってきた。このようにヒートパイプを使用することによって、フィン効率を向上し、小型軽量化が期待される。

図９は、従来のヒートパイプ５０の断面図である。
ヒートパイプ５０の内部には作動流体５１の流路となる空間Ｓが設けられ、その空間Ｓに収容された作動流体５１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。即ち、ヒートパイプ５０の吸熱側において、ヒートパイプ５０を構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた発熱体（被冷却部品）が発する熱により、作動流体５１が蒸発（図９中で矢印および符号５２で示す）し、その蒸気がヒートパイプ５０の放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体５１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（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７３４８９５号公報

しかしながら、上述したヒートパイプ付ヒートシンクでは、以下の問題点があった。
（１）熱源にて発生する熱を放熱する放熱システムに使用されるヒートパイプ（Ｕ字、Ｌ字、その他曲げＨＰ、直管）において、従来のウィック構造だけでは、入熱量、熱密度により蒸発部の作動流体が十分に蒸発せず蒸発部と断熱部の温度差がひらき、十分な伝熱性能が得られない。
（２）ヒートパイプ、受熱ブロック、放熱フィンで構成されるヒートシンクにおいて、入熱量、熱密度によりヒートパイプ蒸発部の作動流体が蒸発が不十分となりヒートパイプが十分に作動せず、ヒートパイプ温度が上がらず、受熱ブロックとヒートパイプの温度差が広がり、結果的に発熱素子が十分に冷却できない問題があった。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、ヒートパイプの蒸発部で作動流体が蒸発し易いヒートパイプおよびヒートパイプ付ヒートシンクを提供するためのものである。

上述の課題を解決するため、本発明は、作動流体の相変化に基づいて熱の移動を行うヒートパイプにおいて、外管と、該外管内に配置された内管とを備え、前記内管の上側には、前記外管の内部と連通して前記作動流体を流送可能とするスリットが、前記内管の延在方向に亘って連続して形成され、かつ、前記内管の下側の外周面に前記外管の内周面を接触させることで、前記内管と外管との間に、前記内管の上側から下側に向かって狭くなる空間を形成し、前記外管と前記内管との間に形成された空間で前記作動流体を蒸発させ、蒸発させた作動流体を前記スリットを通じて前記内管内の空間へ入れて循環させることを特徴とする。

さらに、前記外管の一部を内側方向に潰して接触部を形成し、前記内管の前記スリットに前記接触部を嵌合させることもできる。

一方、前記外管の内周面と前記内管の外周面のいずれか片面または両面がウィック構造であり、グルーブ、メッシュ、粉末を焼結したものあるいは繊維を束ねたものであってもよい。

また、前記外管の内周面と外周面のいずれか片面または両面がベア構造であってもよい。

また、前記ヒートパイプがＵ字形状、Ｌ字形状、または直管形状に形成されていてもよい。

他方、発熱体からの熱を受ける受熱ブロックと、この受熱ブロックと熱伝達可能に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプと熱伝達可能に取り付けられたフィンとを備えたヒートパイプ付ヒートシンクにおいて、前記ヒートパイプは、作動流体が流れる外管と、該外管内に配置された内管とを備え、前記内管の上側には、前記外管の内部と連通して前記作動流体を流送可能とするスリットが、前記内管の延在方向に亘って連続して形成され、かつ、内管の下側の外周面に前記外管の内周面を接触させることで、前記内管と外管との間に、前記内管の上側から下側に向かって狭くなる空間を形成し、前記受熱ブロックからの熱を受けて、前記外管と前記内管との間に形成された空間で前記作動流体を蒸発させ、蒸発させた作動流体を前記スリットを通じて前記内管内の空間へ入れて循環させ、前記作動流体の熱を前記フィンに伝達することを特徴とする。

本発明に係るヒートパイプでは、外管と、該外管内に配置された内管とを備え、前記内管には、前記外管の内部と連通して前記作動流体を流送可能とするスリットが形成され、かつ、内管の外周面と外管の内周面との一部が接触していることによって、外管と内管との間の空間で作動流体が蒸発し、蒸発して気体となった作動流体が上昇して、この気体がスリットから内管内部へ入り込み循環することができるようになる。このようにして作動流体が循環することにより、ヒートパイプが吸収した熱は、外管と内管との間を流れる作動流体に伝達され易くなる。そのため、外管と内管との間の空間で作動流体が蒸発するようになり、ヒートパイプ全体での作動流体の蒸発を促進することができる。その結果、蒸発が不十分なことに起因する発熱体の冷却不足の問題を解消することができる。また、ヒートパイプへの入熱量が不均一であってもヒートパイプを十分に作動させることができる。

また、本発明に係るヒートパイプ付ヒートシンクでは、発熱体からの熱を受ける受熱ブロックと、この受熱ブロックと熱伝達可能に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプと熱伝達可能に取り付けられたフィンとを備え、前記ヒートパイプは、作動流体が流れる外管と、該外管内に配置された内管とを備え、内管には、外管の内部と連通して作動流体を流送可能とするスリットが形成され、かつ、内管の外周面と外管の内周面との一部が接触していることによって、外管と内管との間に作動流体が送流可能となっている。このような外管と内管を備えることにより、前記受熱ブロックからの熱を受けて、前記外管と前記内管との間を流れる前記作動流体を蒸発させ、前記作動流体の熱を前記フィンに伝達しているので、ヒートパイプが蒸発部で吸収した熱は、外管と内管との間の空間を流れる作動流体に伝達され易くなる。そのため、この空間で作動流体を蒸発するようになり、ヒートパイプ全体での作動流体の蒸発を促進することができる。その結果、蒸発が不十分なことに起因する発熱体の冷却不足の問題を解消することができる。また、ヒートパイプへの入熱量が不均一であってもヒートパイプを十分に作動させることができるので、受熱ブロックとヒートパイプとの間の温度差が縮まり、発熱体を効率よく冷却することができる。

本発明の実施の形態に係るヒートパイプ付ヒートシンクの外観斜視図である。 図１に示すヒートパイプ付ヒートシンクの側面図である。 ヒートパイプ付ヒートシンクに使用されるヒートパイプの断面図である。 ヒートパイプの断面図であって、外管の一部を潰したものである。 内管を単体で示す斜視図である。 本発明の変形例であるヒートパイプの断面図である。 本発明の変形例であるヒートパイプ付ヒートシンクの外観斜視図である。 図７に示すヒートパイプ付ヒートシンクの側面図である。 従来のヒートパイプ付ヒートシンクに使用されるヒートパイプの断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係るヒートパイプ付ヒートシンクについて、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るヒートパイプ付ヒートシンク１の外観斜視図、図２は、図１に示すヒートパイプ付ヒートシンク１の側面図である。

ヒートパイプ付ヒートシンク１は、発熱体２の表面に接触する態様で取り付けられる受熱ブロック１０と、この受熱ブロック１０と熱伝導可能に取り付けられたヒートパイプ２０と、このヒートパイプ２０に取り付けられたフィン３０とで構成されている。
なお、ここで発熱体２とは、本発明における冷却対象であり、例えば、半導体素子等の発熱部品をいうが、その他の電気・電子部品であって、冷却を必要とするものであってもよい。

受熱ブロック１０は、熱伝導性に優れる銅材やアルミニウム材等で形成されている。また受熱ブロック１０は、発熱体２と接触する接触面１１ａと、その反対側に、ヒートパイプ２０が取り付けられる取付面１１ｂとを有している。この取付面１１ｂには、ヒートパイプ２０の蒸発部２１ａ（詳細は後述する）の管の外周部が嵌り込む溝部１２が形成されている。この溝部１２にヒートパイプ２０を熱伝導可能に取り付ける（例えば、半田付け、蝋付けなど）ことにより、発熱体２の熱がヒートパイプ２０に伝熱されることになる。
なお、上述した接触面１１ａは、発熱体２と直接接触している場合のほか、他の伝熱部材を介して熱伝導可能に接続されていてもよい。

ヒートパイプ２０は、図２に示すように、略Ｕ字形状に折り曲げたものであり、Ｕ字形状の底辺部を構成する蒸発部２１ａと、この蒸発部２１ａの両端から上方に向けて延びる断熱部２１ｂと、この断熱部２１ｂよりさらに上側に延びる凝縮部２１ｃとで構成されている。なお、このヒートパイプ２０の内部の構造については後述する。

フィン３０は、図１および図２に示すように、外形が長方形をなす平板状に形成されており、その平面が略水平になるように取り付けられている。このフィン３０には、複数の取付穴３１が形成されており、この取付穴３１にヒートパイプ２０の断熱部２１ｂおよび凝縮部２１ｃが嵌合する態様で挿通されている。また、取付穴３１には、例えば、接触面積を広く確保するためのバーリング加工が施されていても良い。この取付穴３１とヒートパイプ２０との嵌合部は、例えば蝋付けなどの方法によって、熱伝導可能に固定されている。これにより、ヒートパイプ２０の熱は、フィン３０に伝達されることになる。また、フィン３０は、図１および図２に示すように、複数枚が上下に間隔をあけてそれぞれ略平行に取り付けられている。

このフィン３０の付近には、図示しないファンが設けられ、このファンからの送風が複数のフィン３０の間を通過することにより、フィン３０が空冷されることになる。これにより、ヒートパイプ付ヒートシンク１の熱が外部へ放出されることになる。

図３は、ヒートパイプ付ヒートシンク１に使用されるヒートパイプ２０の断面図である。また、図４は、ヒートパイプ２０の断面図であって、外管の一部を潰して内管を固定する構造を示したものである。さらに、図５は、内管２３単品の斜視図である。

ヒートパイプ２０は、図３に示すように、外管２２と、この外管２２の内側に位置する内管２３とで二重管構造に構成されており、この外管２２の内部を作動流体２４が流れるようになっている。この二重管構造は、ヒートパイプ２０の延在方向の全長に亘って連続して設けられている。

外管２２は、図３に示すように、その内周面２２ａに複数の溝２５が形成されたグルーブ構造（内面溝付管）の管が使用されており、外管２２からフィン３０への伝熱性能を高めている。また、外管２２には、図４に示すように、外管２２の延在方向の一部を半径内側方向に潰して内側に突出させた接触部２７が設けられている。

内管２３には、図３に示すように、外管２２の内部に挿入されており、外管２２の延在方向の全長に亘って設けられている。この内管２３には、図５に示すように、内管２３の延在方向に亘って連続して形成されたスリット２６が形成されている。このスリット２６の開口は、図３および図４に示すように、上側に向けられている。これにより、外管２２と内管２３との間の空間Ｓ１で作動流体２４が蒸発し、蒸発して気体となった作動流体２４が上昇して、この気体がスリット２６から内管２３内の空間Ｓ２へ入り込み、循環することができるようになる。

また、スリット２６には、図４に示すように、上述した外管２２の接触部２７が嵌合するようになっている。この接触部２７は、外管２２に内管２３を挿入した後に、外管２２を潰してスリット２６に嵌合するように形成されるものである。これにより、外管２２と内管２３とが固定される。

また、外管２２の内周面２２ａの下側は、図３および図４に示すように、内管２３の外周面２３ａの下側（上述した接触部２７とスリット２６との嵌合部の反対側）と接触するように形成されている。これにより、受熱ブロック１０から外管２２に伝達された熱は、さらに外管２２から内管２３へと伝達されるようになる。

本発明の実施の形態に係るヒートパイプ２０によれば、外管２２と、外管２２内に挿入され、外管２２の内部と連通するスリット２６が形成され、外管２２との間に作動流体２４が送流可能に配置された内管２３とを備えているので、このヒートパイプ２０が吸収した熱は、外管２２と内管２３との間の空間Ｓ１を流れる作動流体２４に伝達され易くなる。そのため、この空間Ｓ１で作動流体２４を蒸発するようになり、ヒートパイプ２０全体での作動流体２４の蒸発を促進することができる。その結果、蒸発が不十分なことに起因する発熱体の冷却不足の問題を解消することができる。また、ヒートパイプ２０への入熱量が不均一であってもヒートパイプ２０を十分に作動させることができる。

また、内管２３の外周面２３ａと外管２２の内周面２２ａとが接触しているので、外管２２が吸収した熱を内管２３へとロスを少なく伝達することができる。

さらに、外管２２の一部を内側方向に潰して接触部２７を形成し、内管２３のスリット２６に接触部２７を嵌合させているので、外管２２の内部で内管２３の位置を固定することができる。また、内管にはスリットが形成されていることがより好ましいが、内管内の空間Ｓ２と内管２３と外管２２との空間Ｓ１の循環できればよく、スリットがない内管や貫通した穴が形成された内管でも適用できる。

また、外管２２の内周面２２ａがグルーブ構造であるため、外管２２が吸収した熱を空間Ｓ１を流れる作動流体２４に大きな面積で伝熱することができる。そのため、作動流体２４の蒸発を促進することができる。ここでグルーブ構造を一例に挙げたが、毛細管力を高めるウィック構造であればよく、メッシュ、粉末を焼結したものあるいは繊維を束ねたものでも良い。

また、外管２２の内周面２２ａがベア構造であるため、外管２２を低コストで構成することができる。すなわち、外管２２と内管２３とで構成することで十分に作動流体２４への伝熱が行える場合には、外管２２にグルーブ構造を有する管を用いないで、コストを低減することができる。

さらに、ヒートパイプ２０がＵ字形状に形成されているので、１つのヒートパイプで２つの凝縮部２１ｃを形成することができ、ヒートパイプ付ヒートシンク１を製造するのに適している。

他方、本発明の実施の形態に係るヒートパイプ付ヒートシンク１によれば、発熱体２からの熱を受ける受熱ブロック１０と、この受熱ブロック１０と熱伝達可能に取り付けられたヒートパイプ２０と、このヒートパイプ２０と熱伝達可能に取り付けられたフィン３０とを備え、ヒートパイプ２０は、作動流体２４が流れる外管２２と、外管２２内に挿入され、外管２２と連通するスリット２６が形成され、外管２２との間の空間Ｓ１に作動流体２４が送流可能に配置された内管２３とを備え、受熱ブロック１０からの熱を受けて、外管２２と内管２３との間の空間Ｓ１を流れる作動流体２４を蒸発させ、作動流体２４の熱をフィン３０に伝達しているので、このヒートパイプ２０が蒸発部２１ａで吸収した熱は、外管２２と内管２３との間の空間Ｓ１を流れる作動流体２４に伝達され易くなる。そのため、この空間Ｓ１で作動流体２４が蒸発するようになり、ヒートパイプ２０全体での作動流体２４の蒸発を促進することができる。その結果、蒸発が不十分なことに起因する発熱体２の冷却不足の問題を解消することができる。また、ヒートパイプ２０への入熱量が不均一であってもヒートパイプ２０を十分に作動させることができるので、受熱ブロック２とヒートパイプ２０との間の温度差が縮まり、発熱体２を効率よく冷却することができる。

以上、本発明の実施の形態に係るヒートパイプ付ヒートシンク１について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
例えば、本実施の形態では、ヒートパイプ２０を略Ｕ字形状に折り曲げて形成しているが、このＵ字形状に限定するものではない。すなわち、略Ｕ字形状の代わりに、略Ｌ字形状に折り曲げて形成したものであってもよい。この場合、略Ｌ字形状の底辺部が受熱ブロック１０と熱伝達可能に取り付けられ、この底辺部が蒸発部２１ａとして機能することになる。
一方、これらのＵ字形状やＬ字形状の他、ヒートパイプを直管形状で構成してもよい。

また、本実施の形態では、外管２２として、その内周面２２ａに複数の溝２５が形成されたグルーブ構造（内面溝付管）の管を使用しているが、フィン３０への伝熱性能が十分である場合には、図６に示すように、外管の内周面に溝２５のないベア構造の管を使用することもできる。

他方、図７および図８に示すように、ヒートパイプ付ヒートシンク１００の受熱ブロック１０を垂直面に設置可能に構成することもできる。この場合、図８に示すように、ヒートパイプ１２０を基端部（蒸発部２１ａ側、受熱ブロック１０側）から先端部（凝縮部２１ｃ側）に向けて斜め上側に傾斜する態様で配置する。これにより、蒸発部２１ａで気化した作動流体２４が断熱部２１ｂを通過して凝縮部２１ｃへと斜め上側に向けて上昇していくようになる。また、図示は省略するが、内管２３のスリット２６の開口も、上側に向くように配置する。これにより、実施の形態と同様に、作動流体２４の蒸発を外管２２と内管２３との間の空間Ｓ２で行わせて、この作動流体２４の蒸発を促進することができる。その結果、受熱ブロック１０からの入熱量が不均一であっても、ヒートパイプ１２０が十分に作動し、受熱ブロック１０とヒートパイプ１２０との間の温度差を少なくして、発熱体２を効率よく冷却することができるようになる。

１ ヒートシンク
２ 発熱体
１０ 受熱ブロック
１１ａ 接触面
１１ｂ 取付面
１２ 溝部
２０ ヒートパイプ
２１ａ 蒸発部
２１ｂ 断熱部
２１ｃ 凝縮部
２２ 外管
２２ａ 内周面
２３ 内管
２３ａ 外周面
２４ 作動流体
２５ 溝
２６ スリット
２７ 接触部
３０ フィン
３１ 取付穴
５０ ヒートパイプ
５１ 作動流体
５２ 蒸発
１００ ヒートパイプ付ヒートシンク
１２０ ヒートパイプ
Ｓ 空間
Ｓ１ 外管と内管との間の空間
Ｓ２ 内管内の空間

Claims (6)

1. 作動流体の相変化に基づいて熱の移動を行うヒートパイプにおいて、
   外管と、
   該外管内に配置された内管と
   を備え、
   前記内管の上側には、前記外管の内部と連通して前記作動流体を流送可能とするスリットが、前記内管の延在方向に亘って連続して形成され、
   かつ、前記内管の下側の外周面に前記外管の内周面を接触させることで、前記内管と外管との間に、前記内管の上側から下側に向かって狭くなる空間を形成し、
   前記外管と前記内管との間に形成された空間で前記作動流体を蒸発させ、蒸発させた作動流体を前記スリットを通じて前記内管内の空間へ入れて循環させることを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記外管の一部を内側方向に潰して接触部を形成し、前記内管の前記スリットに前記接触部を嵌合させたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記外管の内周面と前記内管の外周面のいずれか片面または両面がウィック構造であり、グルーブ、メッシュ、粉末を焼結したものあるいは繊維を束ねたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記外管の内周面と外周面のいずれか片面または両面がベア構造であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
5. 前記ヒートパイプがＵ字形状、Ｌ字形状、または直管形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
6. 発熱体からの熱を受ける受熱ブロックと、この受熱ブロックと熱伝達可能に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプと熱伝達可能に取り付けられたフィンとを備えたヒートパイプ付ヒートシンクにおいて、
   前記ヒートパイプは、
   作動流体が流れる外管と、
   該外管内に配置された内管と
   を備え、
   前記内管の上側には、前記外管の内部と連通して前記作動流体を流送可能とするスリットが、前記内管の延在方向に亘って連続して形成され、
   かつ、前記内管の下側の外周面に前記外管の内周面を接触させることで、前記内管と外管との間に、前記内管の上側から下側に向かって狭くなる空間を形成し、
   前記受熱ブロックからの熱を受けて、前記外管と前記内管との間に形成された空間で前記作動流体を蒸発させ、蒸発させた作動流体を前記スリットを通じて前記内管内の空間へ入れて循環させ、前記作動流体の熱を前記フィンに伝達することを特徴とするヒートパイプ付ヒートシンク。

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