JP7450125B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、電気・電子部品等の発熱体を冷却するヒートシンクに関する。

電子機器の高機能化に伴い、電子機器内部には、電子部品等の発熱体を含め、多数の部品が高密度に搭載されている。また、電子機器の高機能化に伴い、電子部品等の発熱体の発熱量が増大している。電子機器内部の電子部品等の発熱体を冷却する手段として、作動流体が減圧封入された内部空間を有するヒートパイプ、作動流体が減圧封入された内部空間を有するベーパーチャンバ、上記したヒートシンクやベーパーチャンバを備えたヒートシンクが使用されることがある。

ヒートシンクやベーパーチャンバの使用環境温度が、作動流体の融点よりも低温である場合、ヒートシンクやベーパーチャンバの内部空間に封入された作動流体は凍結している。従って、ヒートシンクやベーパーチャンバの使用環境温度が作動流体の融点よりも低温である場合、ヒートシンクやベーパーチャンバが冷却対象である発熱体から受熱すると、作動流体は凍結している状態にて、ヒートシンクやベーパーチャンバが起動することとなる。

図５に示すように、従来のヒートシンク１０１では、作動流体は凍結している状態にて、ヒートシンクやベーパーチャンバ等の熱輸送部１１０が、受熱部１４１にて発熱体１００から所定の熱量Ｑinにて受熱すると、受熱部１４１にて、凍結している固相の作動流体２００が気相の作動流体２０１へ相変化する。気相の作動流体２０１は、受熱部１４１から熱輸送部１１０の断熱部１４２を介して、放熱フィン群１２０が熱的に接続された熱輸送部１１０の放熱部１４３へ流通する。放熱部１４３へ流通した気相の作動流体２０１は、放熱フィン群１２０の熱交換作用によって液相の作動流体２０２に相変化して、潜熱として所定の熱量Ｑoutを放出する。

しかし、ヒートシンク１０１の使用環境温度が、作動流体の融点よりも低温である場合、放熱部１４３にて、液相の作動流体２０２が凍結して固相の作動流体２００に相変化してしまう。放熱部１４３にて液相の作動流体２０２が凍結してしまうと、作動流体が放熱部１４３から受熱部１４１へ還流できずに、熱輸送部１１０がドライアウトしてしまう。

熱輸送部が、受熱部にて発熱体から受熱して、受熱部にて、作動流体が気相の作動流体へ相変化し、気相の作動流体が、受熱部から熱輸送部の断熱部を介して、放熱フィン群が熱的に接続された熱輸送部の放熱部１４３へ流通し、放熱部へ流通した気相の作動流体が、放熱フィン群の熱交換作用によって液相の作動流体に相変化して潜熱を放出するヒートシンクとして、特許文献１が提案されている。

特許文献１では、熱輸送部材の一方端に位置する受熱部と熱輸送部材の他方端に位置する放熱部との間に位置する中間部が、断熱部として機能する。断熱部は、放熱フィン群も発熱体も熱的に接続されていない部位となっている。従って、特許文献１のヒートシンクでは、断熱部は、熱輸送部材への積極的な入熱も熱輸送部材からの積極的な放熱も行われない部位となっている。

そこで、作動流体の凍結を防止するために、ヒートパイプの作動流体として、グリコール類を含有した水を用いることが提案されている（特許文献１）。特許文献１では、作動流体としてグリコール類を含有した水を用いることで、純粋な水と比較して融点が低下することから、ヒートシンクやベーパーチャンバの使用環境が低温であっても、作動流体が凍結せずに放熱部から受熱部へ還流してドライアウトを防止するというものである。

しかし、特許文献１では、作動流体にグリコール類等の有機溶媒を混合するので、ヒートパイプの熱輸送特性が低下してしまうという問題があった。また、特許文献１では、有機溶媒がヒートパイプの内部空間に封入されているので、熱輸送特性の長期信頼性が低下するという問題があった。

特開２０２０－１７６７５２号公報 特開２００５－００９７５２号公報

上記事情に鑑み、本発明は、熱輸送特性を損なうことなく、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であってもドライアウトを防止することができるヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明のヒートシンクの構成の要旨は、以下の通りである。
［１］発熱体と熱的に接続される受熱部を有する熱輸送部材と、前記熱輸送部材の放熱部にて熱的に接続された、複数の第１の放熱フィンが配置された第１の放熱フィン群と、を備え、
前記熱輸送部材が、前記受熱部から前記放熱部まで連通し、且つ第１の作動流体が封入された第１の内部空間を有し、
前記熱輸送部材の、前記受熱部と前記放熱部の間に位置する断熱部に、伝熱部材が熱的に接続されているヒートシンク。
［２］前記伝熱部材が、熱交換部材である［１］に記載のヒートシンク。
［３］前記熱交換部材が、複数の第２の放熱フィンが配置された第２の放熱フィン群である［２］に記載のヒートシンク。
［４］前記第２の放熱フィン群のフィン面積が、前記第１の放熱フィン群のフィン面積よりも小さい［３］に記載のヒートシンク。
［５］前記伝熱部材が、第２の作動流体が封入された第２の内部空間を有するヒートパイプである［１］に記載のヒートシンク。
［６］前記ヒートパイプが、前記断熱部から前記受熱部まで延在している［５］に記載のヒートシンク。
［７］前記伝熱部材が、前記第１の放熱フィン群と所定の間隔をあけて配置されている［１］乃至［６］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［８］前記熱輸送部材の内部空間が、一体である［１］乃至［７］のいずれか１つに記載のヒートシンク。
［９］前記熱輸送部材の前記放熱部が、前記受熱部よりも拡幅されている［１］乃至［８］のいずれか１つに記載のヒートシンク。

上記態様では、熱輸送部材のうち、冷却対象である発熱体と熱的に接続される部位が受熱部として機能し、第１の放熱フィンと熱的に接続された部位が熱輸送部材の放熱部として機能する。また、熱輸送部材のうち、受熱部と放熱部の間の部位が、断熱部として機能し、断熱部には伝熱部材が熱的に接続されている。熱輸送部材の受熱部では、作動流体（第１の作動流体）が発熱体から受熱して液相から気相へ相変化し、熱輸送部材の放熱部では、気相の作動流体が潜熱を放出して気相から液相へ相変化する。また、上記態様では、気相の作動流体が、熱輸送部材の受熱部から、断熱部を通って放熱部まで流通し、液相の作動流体が、熱輸送部材の放熱部から、断熱部を通って受熱部まで流通する。従って、発熱体の熱は、熱輸送部材によって、熱輸送部材の受熱部から、断熱部を介して熱輸送部材の放熱部まで輸送される。

また、上記態様では、断熱部には伝熱部材が熱的に接続されているので、発熱体の熱が、熱輸送部材の受熱部から断熱部を介して熱輸送部材の放熱部まで輸送されるにあたり、断熱部でもヒートシンクへ入熱またはヒートシンクから放熱する。すなわち、本発明のヒートシンクでは、断熱部は、熱輸送部材への積極的な入熱または熱輸送部材からの積極的な放熱が行われる部位である。

本発明のヒートシンクの態様では、熱輸送部材の受熱部と放熱部の間に位置する断熱部に伝熱部材が熱的に接続されていることにより、伝熱部材の伝熱作用によって断熱部にて熱輸送部材へ入熱または熱輸送部材から放熱するので、断熱部において作動流体（第１の作動流体）が受熱し、または断熱部において作動流体から熱が放出される。断熱部において液相の作動流体が受熱することで、熱輸送部材内部に封入された液相の作動流体が受熱部から断熱部にわたって受熱して、ひいては、断熱部及び断熱部に隣接した放熱部における熱輸送部材内部に封入された液相の作動流体の凍結が防止される。また、断熱部において気相の作動流体から熱が放出されることで、気相の作動流体の一部は、放熱部ではなく、受熱部に隣接した断熱部にて気相から液相へ相変化する。従って、断熱部を流通する気相の作動流体の一部が液相へ相変化することで、液相の作動流体の一部は受熱部までの還流距離が短縮化されて、液相の作動流体の受熱部への還流が円滑化される。また、気相の作動流体の一部は、受熱部及び断熱部と比較して凍結しやすい放熱部ではなく、断熱部にて気相から液相へ相変化するので、液相の作動流体の凍結が防止される。

上記から、本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送特性を損なうことなく、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材のドライアウトを防止することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、伝熱部材が熱交換部材であり、前記熱交換部材が複数の第２の放熱フィンが配置された第２の放熱フィン群であることにより、第２の放熱フィン群の熱交換作用によって断熱部を流通する気相の作動流体から熱が円滑に放出されるので、断熱部における気相の作動流体の液相への相変化が円滑化される。従って、本発明のヒートシンクの態様によれば、液相の作動流体の受熱部への還流がより円滑化され、また、液相の作動流体の凍結が確実に防止されるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材のドライアウトをより確実に防止することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、伝熱部材である第２の放熱フィン群のフィン面積が、放熱部に熱的に接続された第１の放熱フィン群のフィン面積よりも小さいことにより、断熱部におけるヒートシンクからの放熱が促進され過ぎるのを防止できるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材のドライアウトをより確実に防止することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、伝熱部材が作動流体（第２の作動流体）の封入された内部空間（第２の内部空間）を有するヒートパイプであることにより、熱輸送部材の断熱部への伝熱が円滑化されて断熱部において熱輸送部材に封入された液相の作動流体の受熱が促進されることで、断熱部及び断熱部に隣接した放熱部における熱輸送部材の液相の作動流体の凍結がより確実に防止される。従って、本発明のヒートシンクの態様によれば、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材のドライアウトをより確実に防止することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、前記ヒートパイプが熱輸送部材の断熱部から受熱部まで延在していることにより、伝熱部材であるヒートパイプにより熱輸送部材の受熱部から断熱部への熱輸送が促進されるので、断熱部において熱輸送部材の液相の作動流体の受熱量が確実に増大して、断熱部及び断熱部に隣接した放熱部における熱輸送部材の液相の作動流体の凍結がさらに確実に防止される。

本発明のヒートシンクの態様によれば、伝熱部材が第１の放熱フィン群と所定の間隔をあけて配置されていることにより、ヒートシンク全体からの放熱が促進され過ぎるのを防止できるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材のドライアウトをより確実に防止することができる。

本発明のヒートシンクの態様によれば、熱輸送部材の内部空間が一体であることにより、発熱体に発熱ムラが生じていても、発熱体全体を均一に冷却できる。

本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する側面図である。 本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面図である。 本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。 従来のヒートシンクの概要を説明する側面図である。

以下に、本発明の実施形態例に係るヒートシンクについて、図面を用いながら説明する。先ず、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクについて説明する。図１は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する側面図である。

図１、２に示すように、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク１は、発熱体１００と熱的に接続される受熱部（蒸発部）４１を有する熱輸送部材１０と、熱輸送部材１０と熱的に接続された第１の放熱フィン群２０と、を備えている。ヒートシンク１では、熱輸送部材１０は１つである。第１の放熱フィン群２０が熱的に接続されている熱輸送部材１０の部位が、放熱部（凝縮部）４２である。熱輸送部材１０の放熱部４２にて、第１の放熱フィン群２０が熱輸送部材１０と熱的に接続されている。

熱輸送部材１０は、中空の空洞部を有するコンテナ１９と、空洞部を流通する作動流体（第１の作動流体）とを有している。空洞部内には、毛細管力を有するウィック構造体（図示せず）が収納されている。コンテナ１９は、一方の板状体１１と、一方の板状体１１と対向する他方の板状体１２と、を重ね合わせることにより形成されている。

一方の板状体１１は平面部の縁部に平面部から立設した側壁を有する板状である。他方の板状体１２も、平面部の縁部に平面部から立設した側壁を有する板状である。従って、一方の板状体１１と他方の板状体１２は、いずれも凹形状となっている。凹形状の一方の板状体１１と凹形状の他方の板状体１２とを重ね合わせることにより、空洞部を有するコンテナ１９が形成される。従って、コンテナ１９の形状は平面型であり、熱輸送部材１０はベーパーチャンバの構成である。コンテナ１９の内部空間（第１の内部空間）である空洞部は、外部環境に対して密閉されており、脱気処理により減圧されている。

熱輸送部材１０の内部空間は、受熱部４１から放熱部４２まで連通しており、熱輸送部材１０の内部空間には、作動流体が封入されている。また、熱輸送部材１０の内部空間は、その全体が一体となっている。

コンテナ１９外面のうち、冷却対象である発熱体１００が熱的に接続される部位が受熱部４１であり、発熱体１００がコンテナ１９に熱的に接続されることで、ヒートシンク１の冷却作用により発熱体１００が冷却される。熱輸送部材１０では、一方端に発熱体１００が熱的に接続されているので、一方端に受熱部４１が形成されている。また、発熱体１００は、コンテナ１９外面のうち、一方の板状体１１に熱的に接続されている。

熱輸送部材１０は、発熱体１００の位置から所定方向へ延在しており、コンテナ１９の一方端に対向する他方端に、第１の放熱フィン群２０が熱的に接続されている。第１の放熱フィン群２０が熱的に接続されている熱輸送部材１０の他方端が、熱輸送部材１０の放熱部４２として機能する。

熱輸送部材１０の放熱部４２は、受熱部４１よりも拡幅されている。ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の放熱部４２は、熱輸送部材１０の平面方向に沿って、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに対して略直交方向（幅方向Ｗ）に延在している。また、熱輸送部材１０の放熱部４２は、２方向に延在している。ヒートシンク１では、放熱部４２の延在方向が熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈと平行ではないので、熱輸送部材１０から輸送された熱は、放熱部４２によって、熱輸送部材１０の延在方向とは異なる方向へ拡散される。従って、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈにおけるヒートシンク１の寸法の増大を防止することができるので、ヒートシンク１の省スペース化を図ることができる。また、熱輸送部材１０の放熱部４２は、受熱部４１よりも拡幅されているので、第１の放熱フィン群２０を構成する第１の放熱フィン２１の設置枚数を増大させることができる。

熱輸送部材１０では、コンテナ１９の一方端に位置する受熱部４１とコンテナ１９の他方端に位置する放熱部４２との間に位置する、熱輸送方向Ｈの中間部が、断熱部４３として機能する。断熱部４３は、第１の放熱フィン群２０も発熱体１００も熱的に接続されていない部位である。発熱体１００から受熱部４１へ伝達された熱は、熱輸送部材１０の延在方向に沿って、受熱部４１から断熱部４３を介して放熱部４２へ輸送される。

ヒートシンク１では、断熱部４３の幅方向Ｗの寸法は、受熱部４１の幅方向Ｗの寸法と略同じとなっている。また、熱輸送部材１０では、受熱部４１、断熱部４３及び放熱部４２は、同一平面上に沿って延在している。

ヒートシンク１では、第１の放熱フィン群２０には、放熱部４２の外面に立設された複数の第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・が配置されている。複数の第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・が、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈに対して略直交方向に延在する放熱部４２に沿って所定間隔にて並列配置されて、第１の放熱フィン群２０が形成されている。ヒートシンク１では、第１の放熱フィン群２０を形成している複数の第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・の高さは、いずれも略同じとなっている。

ヒートシンク１では、第１の放熱フィン群２０は、コンテナ１９の一方の板状体１１と他方の板状体１２に、それぞれ、設けられている。上記から、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈの他方端では、第１の放熱フィン２１は、コンテナ１９の両面（すなわち、一方の板状体１１と他方の板状体１２）に分割された態様で、コンテナ１９に熱的に接続されている。

図１、２に示すように、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の、受熱部４１と放熱部４２の間に位置する断熱部４３に、伝熱部材３９が熱的に接続されている。ヒートシンク１では、伝熱部材３９として、熱交換部材が使用されており、具体的には、熱交換部材として、複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・が配置された第２の放熱フィン群３０が設けられている。

熱輸送部材１０の断熱部４３の外面に、第２の放熱フィン３１が立設されて、コンテナ１９に第２の放熱フィン３１が熱的に接続されている。上記から、ヒートシンク１では、断熱部４３は、熱輸送部材１０からの積極的な放熱が行われる部位である。第２の放熱フィン３１は、熱輸送部材１０の断熱部４３のうち、コンテナ１９の他方の板状体１２に立設されている。また、第２の放熱フィン３１は、第２の放熱フィン３１の主表面が第１の放熱フィン２１の主表面と略平行となるように、断熱部４３の外面に立設されている。また、第２の放熱フィン３１は、熱輸送部材１０の幅方向Ｗに沿って、所定間隔にて、複数、並列配列されている。複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・が、並列配列されて、第２の放熱フィン群３０を形成している。ヒートシンク１では、第２の放熱フィン群３０を形成している複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・の高さは、いずれも略同じとなっている。また、ヒートシンク１では、第２の放熱フィン３１の高さは、第１の放熱フィン２１の高さよりも低い態様となっている。

一方で、熱輸送部材１０の断熱部４３のうち、コンテナ１９の一方の板状体１１には、第２の放熱フィン３１は立設されていない。また、伝熱部材３９である第２の放熱フィン３１は、熱輸送部材１０の受熱部４１には設けられていない。

ヒートシンク１では、第２の放熱フィン群３０のフィン面積は、第１の放熱フィン群２０のフィン面積よりも小さい態様となっている。すなわち、第２の放熱フィン群３０を構成している全ての第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・のフィン面積の総計は、第１の放熱フィン群２０を構成している全ての第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・のフィン面積の総計よりも小さい態様となっている。上記から、第２の放熱フィン群３０の放熱量は、第１の放熱フィン群２０の放熱量よりも小さい構造となっている。すなわち、放熱部４２を構成する第１の放熱フィン群２０の冷却特性は、断熱部４３に設けられた伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０の冷却特性よりも高い構造となっている。上記から、ヒートシンク１では、放熱部４２の冷却特性が断熱部４３の冷却特性よりも高い点で、放熱部４２と断熱部４３は機能と構造が相違する。

なお、フィン面積とは、薄板状である放熱フィン（第１の放熱フィン２１、第２の放熱フィン３１）の主表面の面積を意味する。

また、ヒートシンク１では、それぞれの第２の放熱フィン３１のフィン面積は、それぞれの第１の放熱フィン２１のフィン面積よりも小さい態様となっている。また、ヒートシンク１では、第２の放熱フィン３１の設置枚数は、第１の放熱フィン２１の設置枚数よりも少ない態様となっている。なお、それぞれの第２の放熱フィン３１のフィン面積が、それぞれの第１の放熱フィン２１のフィン面積よりも大きいまたは同等の態様であっても、あるいは、第２の放熱フィン３１の設置枚数が、第１の放熱フィン２１の設置枚数よりも多いまたは同数の態様であっても、第２の放熱フィン群３０を構成している全ての第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・のフィン面積の総計が、第１の放熱フィン群２０を構成している全ての第１の放熱フィン２１、２１、２１・・・のフィン面積の総計よりも小さい態様であればよい。

ヒートシンク１では、伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０は、第１の放熱フィン群２０と所定の間隔３３をあけて配置されている。従って、第２の放熱フィン群３０は、第１の放熱フィン群２０とは連設されていない。熱輸送部材１０の断熱部４３と放熱部４２との境界部には、伝熱部材３９も第１の放熱フィン群２０も設けられていない。また、熱輸送部材１０の断熱部４３のうち、放熱部４２近傍には、伝熱部材３９は設けられていない。

ヒートシンク１では、発熱体１００の熱は、受熱部４１から、伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０が熱的に接続された断熱部４３を介して、第１の放熱フィン群２０が熱的に接続された放熱部４２へ輸送され、放熱部４２の第１の放熱フィン群２０の熱交換作用により外部環境へ放出される。また、発熱体１００の熱の一部は、断熱部４３の第２の放熱フィン群３０の熱交換作用により外部環境へ放出される。

コンテナ１９の空洞部には、毛細管力を生じるウィック構造体（図示せず）が設けられている。ウィック構造体は、例えば、コンテナ１９の内面全体にわたって設けられている。ウィック構造体の毛細管力によって、熱輸送部材１０の放熱部４２にて気相から液相へ相変化した作動流体が、熱輸送部材１０の放熱部４２から断熱部４３を介して受熱部４１へ還流する。また、ウィック構造体の毛細管力によって、熱輸送部材１０の断熱部４３にて気相から液相へ相変化した作動流体が、熱輸送部材１０の断熱部４３から受熱部４１へ還流する。

ウィック構造体としては、特に限定されないが、例えば、銅粉等の金属粉の焼結体、金属線からなる金属メッシュ、不織布、コンテナ１９の内面に形成されたグルーブ（複数の細溝）等、またはそれらを組み合わせたものを挙げることができる。

気相の作動流体は、蒸気流路（図示せず）によって、コンテナ１９全体にわたって流通することができる。蒸気流路は、コンテナ１９の内部空間であり、コンテナ１９全体にわたって延在している。また、蒸気流路には、必要に応じて、コンテナ１９の減圧処理されている内部空間を維持するために、支持部であるピラー（図示せず）を設けてもよい。ピラーとしては、特に限定されないが、液相の作動流体が還流するときの流路抵抗を低減するために、例えば、柱形状の金属部材（例えば、銅部材）の周囲にウィック構造体が被覆された複合材のピラー、柱形状である銅粉等の金属粉の焼結体等を挙げることができる。

コンテナ１９の材質としては、例えば、ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を挙げることができる。第１の放熱フィン２１と第２の放熱フィン３１の材質は、特に限定されず、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料を挙げることができる。

コンテナ１９の内部空間に封入される作動流体としては、コンテナ１９の材質との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水を挙げることができる。

また、ヒートシンク１は、必要に応じて、送風ファン（図示せず）により強制空冷されてもよい。送風ファンからの冷却風が、第１の放熱フィン２１の主表面に沿って供給されることで、第１の放熱フィン群２０の冷却が促進される。

次に、ヒートシンク１の冷却機能のメカニズムについて説明する。まず、熱輸送部材１０のコンテナ１９の一方端に被冷却体である発熱体１００を熱的に接続する。コンテナ１９の一方端に位置する受熱部４１にて発熱体１００から受熱すると、熱輸送部材１０の受熱部４１において、発熱体１００からコンテナ１９の内部空間に封入されている液相の作動流体へ熱が伝達されて、液相の作動流体が気相の作動流体へと相変化する。相変化した気相の作動流体は、蒸気流路を、熱輸送部材１０の受熱部４１から、熱輸送部材１０の中央部に位置する断熱部４３を通って、コンテナ１９の他方端に位置する放熱部４２へ流通する。気相の作動流体がコンテナ１９の一方端に位置する受熱部４１から断熱部４３を通ってコンテナ１９の他方端に位置する放熱部４２へ流通することで、発熱体１００からの熱が熱輸送部材１０の一方端から他方端へ輸送される。熱輸送部材１０の一方端から他方端へ流通した気相の作動流体は、第１の放熱フィン群２０の熱交換作用によって潜熱を放出して気相から液相へ相変化する。放出された潜熱は、熱輸送部材１０の放熱部４２に熱的に接続されている第１の放熱フィン群２０へ伝達される。コンテナ１９から第１の放熱フィン群２０へ伝達された熱は、第１の放熱フィン群２０を介してヒートシンク１の外部環境へ放出される。潜熱を放出して気相から液相に相変化した作動流体は、コンテナ１９に設けられたウィック構造体の毛細管力により、熱輸送部材１０の放熱部４２から断熱部４３を通って受熱部４１へ還流する。

また、ヒートシンク１では、気相の作動流体が熱輸送部材１０の受熱部４１から断熱部４３へ流通する際に、気相の作動流体の一部が、断熱部４３において伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０の熱交換作用によって潜熱を放出して気相から液相へ相変化する。放出された潜熱は、熱輸送部材１０の断熱部４３に熱的に接続されている第２の放熱フィン群３０へ伝達される。コンテナ１９から第２の放熱フィン群３０へ伝達された熱は、第２の放熱フィン群３０を介してヒートシンク１の外部環境へ放出される。断熱部４３において潜熱を放出して気相から液相に相変化した作動流体は、コンテナ１９に設けられたウィック構造体の毛細管力により、熱輸送部材１０の断熱部４３から受熱部４１へ還流する。

本発明の第１実施形態例に係るヒートシンク１では、熱輸送部材１０の受熱部４１と放熱部４２の間に位置する断熱部４３に伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０が熱的に接続されていることにより、第２の放熱フィン群３０の熱交換作用によって断熱部４３にてヒートシンク１から放熱するので、断熱部４３において作動流体から熱が放出される。断熱部４３において気相の作動流体から熱が放出されることで、気相の作動流体の一部は、放熱部４２ではなく、受熱部４１に隣接した断熱部４３にて気相から液相へ相変化する。従って、断熱部４３を流通する気相の作動流体の一部が液相へ相変化することで、液相の作動流体の一部は、放熱部４２にて気相から液相へ相変化する作動流体と比較して、受熱部４１までの還流距離が短縮化されて、液相の作動流体の受熱部４１への還流が円滑化される。また、気相の作動流体の一部は、受熱部４１及び断熱部４３と比較して凍結しやすい放熱部４２ではなく、断熱部４３にて気相から液相へ相変化するので、液相の作動流体の凍結が防止される。従って、ヒートシンク１の態様によれば、熱輸送特性を損なうことなく、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトを防止することができる。

また、ヒートシンク１では、伝熱部材３９が第２の放熱フィン群３０であることにより、第２の放熱フィン群３０の熱交換作用によって断熱部４３を流通する気相の作動流体から熱が円滑に放出されるので、断熱部４３における気相の作動流体の液相への相変化が円滑化される。従って、ヒートシンク１では、液相の作動流体の受熱部４１への還流がより円滑化され、また、液相の作動流体の凍結が確実に防止されるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトをより確実に防止することができる。

また、ヒートシンク１では、第２の放熱フィン群３０のフィン面積が、放熱部４２に熱的に接続された第１の放熱フィン群２０のフィン面積よりも小さいことにより、断熱部４３におけるヒートシンク１からの放熱が促進され過ぎるのを防止できるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトをより確実に防止することができる。

また、ヒートシンク１では、伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０が第１の放熱フィン群２０と所定の間隔３３をあけて配置されていることにより、ヒートシンク１全体からの放熱が促進され過ぎるのを防止できるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトをより確実に防止することができる。

また、ヒートシンク１では、熱輸送部材１０の内部空間が一体であることにより、発熱体１００に発熱ムラが生じていても、発熱体１００全体を均一に冷却できる。

次に、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクについて詳細を説明する。第２実施形態例に係るヒートシンクは、第１実施形態例に係るヒートシンクと主要な構成要素が共通しているので、第１実施形態例に係るヒートシンクと同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。図３は、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する平面図である。

第１実施形態例に係るヒートシンク１では、断熱部４３に、伝熱部材３９として熱交換部材である第２の放熱フィン群３０が設けられていたが、これに代えて、図３に示すように、本発明の第２実施形態例に係るヒートシンク２では、伝熱部材３９として、作動流体（第２の作動流体）が封入された内部空間（第２の内部空間）を有するヒートパイプ３５が断熱部４３に熱的に接続されている。ヒートシンク２では、複数（図３では３本）のヒートパイプ３５、３５、３５・・・が断熱部４３の外面に熱的に接続されている。また、複数のヒートパイプ３５、３５、３５・・・は、熱輸送部材１０の幅方向Ｗに沿って並列に配置されている。ヒートパイプ３５は、熱輸送部材１０の断熱部４３のうち、コンテナ１９の面方向に沿って他方の板状体１２の外面に取り付けられている。

ヒートパイプ３５は、管状体である。ヒートパイプ３５の内部空間は、外部環境に対して密閉されており、脱気処理により減圧されている。ヒートパイプ３５は、長手方向に沿って熱を輸送する熱輸送部材である。

ヒートシンク２では、コンテナ１９は、平面視にて、断熱部４３が受熱部４１から放熱部４２へ向かうに従って幅広となっている。これに伴い、複数のヒートパイプ３５、３５、３５・・・のうち、熱輸送部材１０の幅方向Ｗ端部に位置するヒートパイプ３５は、外方向への曲げ部を有している。

図３に示すように、ヒートパイプ３５は、熱輸送部材１０の断熱部４３から受熱部４１まで延在している。従って、ヒートパイプ３５は、受熱部４１において、熱輸送部材１０のコンテナ１９を介して発熱体１００と熱的に接続されている。上記から、ヒートパイプ３５は、コンテナ１９の外面にて、熱輸送部材１０の熱輸送機能とは別に、熱輸送部材１０の受熱部４１から断熱部４３へ発熱体１００の熱を輸送する。ヒートパイプ３５は、熱輸送部材１０の受熱部４１に対応する部位が、ヒートパイプ３５の受熱部（蒸発部）であり、熱輸送部材１０の断熱部４３に対応する部位が、ヒートパイプ３５の放熱部（凝縮部）である。上記から、ヒートシンク２では、断熱部４３は、熱輸送部材１０への積極的な入熱が行われる部位である。

ヒートシンク２でも、伝熱部材３９であるヒートパイプ３５は、第１の放熱フィン群２０と所定の間隔３３をあけて配置されている。従って、ヒートパイプ３５は、第１の放熱フィン群２０とは連設されていない。すなわち、ヒートパイプ３５は、第１の放熱フィン群２０までは延在しておらず、第１の放熱フィン群２０とは熱的に接続されていない。上記から、ヒートシンク２でも、熱輸送部材１０の断熱部４３と放熱部４２との境界部には、伝熱部材３９も第１の放熱フィン群２０も設けられていない。また、熱輸送部材１０の断熱部４３のうち、放熱部４２近傍には、伝熱部材３９は設けられていない。

ヒートパイプ３５のコンテナの材質としては、熱輸送部材１０のコンテナ１９と同じく、例えば、ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、スズ、スズ合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を挙げることができる。ヒートパイプ３５のコンテナの内部空間に封入される作動流体としては、コンテナの材質との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水を挙げることができる。

なお、ヒートシンク２でも、ヒートシンク１と同様に、熱輸送部材１０の熱輸送方向Ｈの他方端では、第１の放熱フィン２１は、コンテナ１９の両面に分割された態様でコンテナ１９に熱的に接続されている。

本発明の第２実施形態例に係るヒートシンク２では、熱輸送部材１０の受熱部４１と放熱部４２の間に位置する断熱部４３の外面に伝熱部材３９であるヒートパイプ３５が熱的に接続されていることにより、ヒートパイプ３５の熱輸送作用によって、熱輸送部材１０の断熱部４３にてヒートパイプ３５から熱輸送部材１０へ入熱する。従って、ヒートシンク２では、熱輸送部材１０の断熱部４３において熱輸送部材１０に封入された作動流体が受熱する。断熱部４３において熱輸送部材１０に封入された液相の作動流体が受熱することで、熱輸送部材１０の液相の作動流体が受熱部４１から断熱部４３にわたって受熱して、ひいては、断熱部４３及び断熱部４３に隣接した放熱部４２における、熱輸送部材１０の液相の作動流体の凍結が防止される。従って、ヒートシンク２の態様によれば、熱輸送特性を損なうことなく、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトを防止することができる。

また、ヒートシンク２では、伝熱部材３９が作動流体の封入された内部空間を有するヒートパイプ３５であることにより、熱輸送部材１０の断熱部４３への伝熱が円滑化されて、断熱部４３において熱輸送部材１０に封入された液相の作動流体の受熱が促進されることで、断熱部４３及び断熱部４３に隣接した放熱部４２において熱輸送部材１０に封入された液相の作動流体の凍結がより確実に防止される。従って、ヒートシンク２では、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトをより確実に防止することができる。

また、ヒートシンク２では、ヒートパイプ３５が熱輸送部材１０の断熱部４３から受熱部４１まで延在していることにより、伝熱部材３９であるヒートパイプ３５の熱輸送作用により、熱輸送部材１０の受熱部４１から断熱部４３への熱輸送が促進される。従って、断熱部４３における熱輸送部材１０に封入された液相の作動流体の受熱量が確実に増大して、断熱部４３及び断熱部４３に隣接した放熱部４２における熱輸送部材１０の液相の作動流体の凍結がさらに確実に防止される。

また、ヒートシンク２でも、伝熱部材３９であるヒートパイプ３５が第１の放熱フィン群２０と所定の間隔３３をあけて配置されていることにより、ヒートシンク２全体からの放熱が促進され過ぎるのを防止できるので、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトをより確実に防止することができる。

次に、本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクについて詳細を説明する。第３実施形態例に係るヒートシンクは、第１、第２実施形態例に係るヒートシンクと主要な構成要素が共通しているので、第１、第２実施形態例に係るヒートシンクと同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。図４は、本発明の第３実施形態例に係るヒートシンクの概要を説明する斜視図である。

第１～第２実施形態例に係るヒートシンク１、２では、熱輸送部材１０は、コンテナ１９の形状が平面型であり、コンテナ１９の内部空間全体が一体となっているベーパーチャンバであったが、図４に示すように、第３実施形態例に係るヒートシンク３では、熱輸送部材１０は、複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・が並列に配置されたヒートパイプ群６０となっている。ヒートシンク３では、熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０の断熱部４３は扁平加工されており、扁平加工されたヒートパイプ群６０の外面に、複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・が立設されて、第２の放熱フィン群３０を形成している。ヒートシンク３でも、伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０は、第１の放熱フィン群２０と所定の間隔３３をあけて配置されている。

ヒートシンク３では、熱輸送部材１０は、複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・が並列に配置されたヒートパイプ群６０の構成なので、熱輸送部材１０としての内部空間は複数に分割された構成となっている。ヒートパイプ６１は、径方向と長手方向を有する管状体である。ヒートパイプ６１は、作動流体が封入された内部空間を有している部材であり、ヒートパイプ６１の内部空間は、脱気処理により減圧されている。上記内部構造から、ヒートパイプ６１は、熱輸送機能を備えた部材である。

熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０の受熱部４１と断熱部４３では、複数のヒートパイプ６１、６１、６１・・・がヒートパイプ６１の径方向に沿って並列に配置されている。一方で、熱輸送部材１０の放熱部４２は受熱部４１及び断熱部４３よりも拡幅されていることに対応して、熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０の放熱部４２では、ヒートパイプ６１がＬ字状に曲げられている。ヒートパイプ群６０の左側に位置するヒートパイプ６１は、放熱部４２にて左方向へ曲げられて放熱部４２を左方向へ延在している。ヒートパイプ群６０の右側に位置するヒートパイプ６１は、放熱部４２にて右方向へ曲げられて放熱部４２を右方向へ延在している。

第２の放熱フィン群３０は、１枚のプレート３２に複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・が立設されている構成であり、プレート３２に複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・が固定されている。従って、複数の第２の放熱フィン３１、３１、３１・・・は、プレート３２によって一体化されている。第２の放熱フィン群３０のプレート３２は、熱輸送部材１０の幅方向Ｗに沿って延在し、プレート３２が、扁平加工されたヒートパイプ群６０の外面に接している。

ヒートシンク３でも、熱輸送部材１０であるヒートパイプ群６０の受熱部４１と放熱部４２の間に位置する断熱部４３に伝熱部材３９である第２の放熱フィン群３０が熱的に接続されていることにより、第２の放熱フィン群３０の熱交換作用によって断熱部４３にてヒートシンク３から放熱するので、断熱部４３において作動流体から熱が放出される。断熱部４３において気相の作動流体から熱が放出されることで、気相の作動流体の一部は、放熱部４２ではなく、受熱部４１に隣接した断熱部４３にて気相から液相へ相変化する。断熱部４３を流通する気相の作動流体の一部が液相へ相変化することで、液相の作動流体の一部は、受熱部４１までの還流距離が短縮化されて、液相の作動流体の受熱部４１への還流が円滑化される。また、気相の作動流体の一部は、受熱部４１及び断熱部４３と比較して凍結しやすい放熱部４２ではなく、断熱部４３にて気相から液相へ相変化するので、液相の作動流体の凍結が防止される。従って、ヒートシンク３でも、熱輸送特性を損なうことなく、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であっても、熱輸送部材１０のドライアウトを防止することができる。

次に、本発明の他の実施形態例について説明する。上記各実施形態例のヒートシンクでは、コンテナの両面に第１の放熱フィンが立設されていたが、コンテナのいずれか一方の面にのみ第１の放熱フィンが立設されている態様でもよい。また、上記各実施形態例のヒートシンクでは、熱輸送部材のコンテナの両面のうち、伝熱部材は、発熱体が熱的に接続されていない面のみに設けられていたが、これに代えて、伝熱部材は、熱輸送部材のコンテナの両面に設けられてもよく、発熱体が熱的に接続されている面のみに設けられてもよい。

また、第３実施形態例のヒートシンクでは、プレートに複数の第２の放熱フィンが固定されていたが、これに代えて、独立した複数のコ字状の第２の放熱フィンが、連結された態様でもよい。また、第３実施形態例のヒートシンクに、さらに、伝熱部材として、受熱部から断熱部まで延在したヒートパイプが熱的に接続されてもよい。

本発明のヒートシンクは、使用環境温度が作動流体の融点よりも低温であってもドライアウトを防止することができるので、特に、低温環境下に設置された電子部品等の発熱体を冷却する分野で利用価値が高い。

１、２、３ ヒートシンク
１０ 熱輸送部材
２０ 第１の放熱フィン群
２１ 第１の放熱フィン
３０ 第２の放熱フィン群
３１ 第２の放熱フィン
３５ ヒートパイプ
３９ 伝熱部材
４１ 受熱部
４２ 放熱部
４３ 断熱部

Claims (6)

1. 発熱体と熱的に接続される受熱部を有する熱輸送部材と、前記熱輸送部材の放熱部にて熱的に接続された、複数の第１の放熱フィンが配置された第１の放熱フィン群と、を備え、
   前記熱輸送部材が、前記受熱部から前記放熱部まで連通し、且つ第１の作動流体が封入された第１の内部空間を有し、
   前記熱輸送部材の、前記受熱部と前記放熱部の間に位置する断熱部に、伝熱部材が熱的に接続され、
   前記伝熱部材である第２の放熱フィン群のフィン面積が、前記第１の放熱フィン群のフィン面積よりも小さいヒートシンク。
2. 発熱体と熱的に接続される受熱部を有する熱輸送部材と、前記熱輸送部材の放熱部にて熱的に接続された、複数の第１の放熱フィンが配置された第１の放熱フィン群と、を備え、
   前記熱輸送部材が、前記受熱部から前記放熱部まで連通し、且つ第１の作動流体が封入された第１の内部空間を有し、
   前記熱輸送部材の、前記受熱部と前記放熱部の間に位置する断熱部に、伝熱部材が熱的に接続され、
   前記伝熱部材が、第２の作動流体が封入された第２の内部空間を有するヒートパイプであるヒートシンク。
3. 前記ヒートパイプが、前記断熱部から前記受熱部まで延在している請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記伝熱部材が、前記第１の放熱フィン群と所定の間隔をあけて配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記熱輸送部材の内部空間が、一体である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記熱輸送部材の前記放熱部が、前記受熱部よりも拡幅されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
   

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