JP2007317825A - ヒートシンクおよびそれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱体に接触した伝熱基板と外気に接する冷却フィンとの温度差により連続的に蒸発熱を利用して大量の熱を運ぶことが可能なヒートシンク及びそれを用いた電子装置を提供する。
【解決手段】 複数の冷却フィン４Ａを立設したヒートシンク４において、ヒートシンク４のフィン取付け部４Ｂには、内部に作動流体が封入されてなる伝熱基板１が設けられ、伝熱基板１は、該基板１の発熱体搭載面側に埋設されて作動流体の蒸発部となるウィックを有した円形パイプ２と、円形パイプ２の背面側に該パイプの先端部と連通し、かつ、フィン取付け部４Ｂに露出するように該基板１を凹溝状に形成されてなる作動液の凝縮部となる作動液槽３と、を備え、伝熱基板１をフィン取付け部４Ｂで覆うと共にロー付けにより一体化して、気密性を保つようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パワーデバイスなどの発熱体を有する電子装置に関し、冷却能力に優れたヒートパイプを内部に形成してなるヒートシンクおよびそれを用いた電子装置に関する。

従来、電子装置に用いられる、例えばパワーデバイス（ＩＧＢＴ、ダイオードモジュールなどの発熱体）で発生する熱を冷却するための、ヒートパイプを内蔵したヒートシンクは図１１に示すようになっている。なお、図１１は従来技術を示すヒートシンクの全体斜視図である。
図１１において、４はヒートシンク、４１は冷却フィン、４２はフィン取付け部、５は発熱体、１４はヒートパイプである。発熱体５からの熱が伝達されるフィン取付け部４２の背面に複数の冷却フィン４１を立設してなるヒートシンク４において、ヒートパイプ１４をヒートシンク４の発熱体５を搭載するフィン取付け部４２の内部に、発熱体５の熱をフィン取付け部４２の全面に拡散するように埋め込んだものである。
このヒートパイプ１４は、密閉された円管内の内壁に毛細管構造（ウィック）を備え、内部に適量の作動液を真空封入したものであり、発熱体の真下に位置する蒸発部において、作動液が発熱体５の熱により加熱されると蒸発し、蒸気が低温部であるヒートパイプ１４の両端に位置する凝縮部に素早く到達して凝縮を起こし、ヒートシンクを均一温度にする。凝縮部で凝縮した液は毛細管現象で蒸発部に環流し、一連の相変化が連続的に生じ、熱が素早く移動する。このようにヒートパイプ１４の作用により発熱体５の近傍の熱がフィン取付け部４２の両端まで運ばれるのでヒートシンク４を有効に使用できる。
特開平１０−２３８９７３号公報（明細書第２頁〜３頁、図１）

しかしながら従来技術では、ヒートパイプは発熱体直下の熱をフィン取付け部端まで移動させ、フィン取付け部の均熱化に使用されているだけで、フィン取付け部が均熱になった時点でヒートパイプは作動しなくなる。発熱体の熱はフィン取付け部からフィンへ熱伝導で運ばれ放熱されるので、伝熱量はヒートシンクの熱伝導率により決まり使用する材料により伝熱量に限界があり、発熱体の発熱量の増大に伴って、より大量の熱を運ぶことは困難であるといった問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、発熱体に接触したヒートシンクの伝熱基板と外気に接する冷却フィンとの温度差により連続的に蒸発熱を利用して大量の熱を運ぶことが可能なヒートシンクおよびそれを用いた電子装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の電子装置は以下のように構成したものである。
請求項１の発明は、発熱体からの熱を放熱するための複数の冷却フィンを立設してなるヒートシンクにおいて、前記ヒートシンクのフィン取付け部には、高熱伝導性の金属材料からなり、内部に作動流体が封入されてなる伝熱基板が設けられ、前記伝熱基板は、該基板の発熱体搭載面側に埋設されると共に前記作動流体の蒸発部を構成するウィックを有した円形パイプと、前記円形パイプの背面側に該パイプの先端部と連通して設けられると共に、前記フィン取付け部に露出するように該基板を凹溝状に形成されてなる前記作動液の凝縮部を構成する作動液槽と、を備えており、前記伝熱基板を前記フィン取付け部で覆うと共に、ロー付けにより一体化することで気密性を保つようにしたものである。

請求項２の発明は、請求項１記載の電子装置において、前記円形パイプは、前記発熱体との接触面側の断面形状の一部が平坦になるように加工されたものである。

請求項３の発明は、請求項１記載の電子装置において、前記円形パイプに替えて、矩形パイプを用いたものである。

請求項４の発明は、請求項１記載の電子装置において、前記伝熱基板の背面の前記作動液槽が配置される周囲に溝を設けると共に、該溝にＯリングを設置し、前記フィン側から前記伝熱基板側に向かって前記フィン取付け部と前記伝熱基板をネジにより締結したものである。

請求項５の発明は、請求項１記載の電子装置において、前記伝熱基板をダイカストで成形する際に、予め前記円形パイプを前記ダイカストの金型に敷設し、前記伝熱基板と前記ヒートシンクを同時に一体成形したものである。

請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のヒートシンクを備えたことを特徴とする電子装置を構成するものである。

以上述べたように本発明の実施例によれば以下の効果がある。
請求項１の発明によれば、高熱伝導性の金属材料からなる伝熱基板内部に、発熱体を搭載する面に、ウィックを持つ蒸発部となる円形パイプを埋設し、さらに、円形パイプの背面に円形パイプと連通すると共に該基板を凹溝状に形成してなる凝縮部となる作動液槽を設け、作動液槽が露出した伝熱基板をヒートシンクのフィン取付け部で覆って、伝熱基板とフィン取付け部をロー付けにより一体として気密性を保ち、ヒートパイプを構成したので、円形パイプ内の作動液が発熱体の熱で蒸発し、この蒸気は伝熱基板背面の凝縮部に移動し、冷却フィンで放熱されて凝縮した後、再び発熱体の熱で蒸発する。このように、伝熱基板の表裏で蒸発部と凝縮部を分離した構造のヒートパイプを構成しており、発熱体に接触した伝熱基板と外気に接するヒートシンクの冷却フィンとの温度差により連続的に蒸発熱を利用して、発熱体の熱を作動液槽側に移動させるという蒸発熱を利用した熱輸送を行うため、従来技術あるいは単なる熱伝導によるものに比べ非常に大量の熱を運ぶことができる。
また円形パイプ内のウィックの毛細管力により作動液が循環するので電子装置があらゆる姿勢で取り付けられても冷却できる。

請求項２の発明によれば、蒸発部となるウィックを有する円形パイプを発熱体との接触面側の断面形状の一部が平坦に加工したので、円形パイプが発熱体との接触面積を増やすことができ、伝熱特性が向上する。

請求項３の発明によれば、蒸発部となるパイプの断面形状を円形から矩形に加工したものに替えたので、発熱体との接触面積が大きく取れ、発熱体から熱を効率よくパイプに伝えることができ、伝熱特性が向上する。また、矩形パイプは円形パイプに比べると伝熱基板の埋設深さが浅くなるので伝熱基板の厚みを薄くできる。

請求項４の発明によれば、伝熱基板の作動液槽の周囲に溝を設けると共に該溝にＯリングを設置し、かつ、ネジで伝熱基板とフィン取付け部を一体化したので、ロー付け作業を不要とし手軽に組み立てが可能となる。

請求項５の発明によれば、伝熱基板をダイカストで成形する際に円形パイプを金型に布設しておき、同時に成形することにより一体としたので、伝熱基板本体と円形パイプの密着が良好となり伝熱効率が高くなる。また、大量生産時の製造能力を向上させることができる。

請求項６記載の発明によれば、発熱体を有する電子装置が、請求項１〜５のような最良の冷却能力を持ったヒートパイプ付のヒートシンクを備えることになるので、例えば電子装置に搭載されるパワーデバイス（ＩＧＢＴ、ダイオードモジュールなどの発熱体の発熱量の増大に応じて、大量の熱を運び放熱することができ、常に正確に動作させることができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す電子装置に用いられるヒートパイプを備えたヒートシンクの全体斜視図、図２は図１の分解斜視図、図３は図１の側断面図、図４は図３の蒸発部を構成するパイプと凝縮部を構成する作動液槽の結合部を拡大した側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じ点についてはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図１〜３において、１は伝熱基板、１Ａはパイプ装着溝、２は円形パイプ、３は作動液槽、６は作動液の注入口、７は注入口を塞ぐ栓、８は伝熱基板とヒートシンクの合わせ面である。

本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、発熱体５からの熱を放熱するための複数の冷却フィン４Ａを立設してなるヒートシンク４において、ヒートシンク４のフィン取付け部４Ｂには、高熱伝導性の金属材料からなり、内部に作動流体が封入されてなる伝熱基板１が設けられ、伝熱基板１は、該基板１の発熱体搭載面側に埋設されると共に作動流体の蒸発部を構成するウィックを有した円形パイプ２と、円形パイプ２の背面側に該パイプの先端部と連通して設けられると共に、フィン取付け部４Ｂに露出するように該基盤１を凹溝状に形成されてなる作動液の凝縮部を構成する作動液槽３と、を備えており、伝熱基板１をフィン取付け部４Ｂで覆うと共に、ロー付けにより一体化することで気密性を保つようにした点である。

次に、図１の冷却装置の組立について説明する。
図２〜図４に示すように、伝熱基板１の発熱体５を実装する面に作動液の蒸発部を構成する円形パイプ２を埋め込むためのパイプ装着溝１Ａを加工する。また、伝熱基板１の円形パイプ２の設置側と反対側の面に露出するように、伝熱基板１の内部を作動液の凝縮部を構成する作動液槽３となる穴を凹溝状に加工する。
円形パイプ２は内部にウィックを持ち図のように両端の先端部が湾曲しており、円形パイプ２の湾曲した部分を除く直線部分は伝熱基板１表面と同一面になるように設置され、そのとき円形パイプ２の先端部が作動液槽３に図４中の寸法Ｌミリだけ突出する。Ｌは冷却装置が、発熱体５が上になるいわゆるトップヒートになるように設置された場合にも作動液が円形パイプ２に十分接するだけの距離が必要である。
円形パイプ２を伝熱基板１のパイプ装着溝１Ａに設置したあと図４に示すように円形パイプ２と伝熱基板１の接触部をロー付けして円形パイプ２と伝熱基板１のすきまから作動液が漏れないようにする。
次に、作動液槽１の凹溝状の露出部分をヒートシンクのフィン取付部４Ｂで覆うと共に、伝熱基板１とヒートシンクのフィン取付部４Ｂの合わせ面８をロー付けして一体とする。
作動液の注入口６より作動液をいれて脱気を行い栓７にて封止する。




図５は、ヒートパイプの蒸発部の固定方法を示した図であって、（ａ）はヒートパイプを伝熱基板の溝に設置した状態、（ｂ）は円形パイプをかしめ固定した状態を示している。
図５（ａ）に示すように円形パイプ２を伝熱基板１のパイプ装着溝１Ａに設置したあと、図５（ｂ）に示すように、Ａ部をかしめて円形パイプ２を伝熱基板１に固定する。

次に図１の本冷却装置の動作について説明する。
上記のような構造をもつ冷却装置において、発熱体５からの熱は伝熱基板１に伝わり、伝熱基板１に伝わった熱は円形パイプ２を加熱し、一部の熱は周囲の接触面よりヒートシンク４へ移動し、あるいは作動液を直接加熱する。
円形パイプ２ではウィックに保持されている作動液が蒸発し、蒸気は作動液槽３側へ移動する。この蒸気は作動液槽３を覆っているヒートシンク４に熱を放出し液体にもどる。ヒートシンク４の熱は冷却フィン４Ａに伝わり大気へ放出される。作動液はウィックの毛細管力により再び円形パイプ２の内部に還流し蒸気となる。
このように本冷却装置は、円形パイプ２と作動液槽３を連通させて伝熱基板１全体としてヒートパイプを構成したため、作動液が伝熱基板１表面の円形パイプ２から背面の作動液槽３に流れることにより、発熱体に接触した伝熱基板と外気に接するヒートシンクとの温度差により連続的に蒸発熱を利用して、大量の熱を運ぶことができる。
また円形パイプ内のウィックの毛細管力により作動液が循環するので電子装置があらゆる姿勢で取り付けられても冷却できる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
図６は、本発明の第２実施例を示す蒸発部となるパイプの正断面図である。
図６に示すように、円形パイプ２の発熱体と接触する部分を平坦にして、発熱体との接触面積を広くする。これにより発熱体の熱は効率よく伝達される。発熱体と接触する部分が平坦になっているところ以外は実施例１と同じである。

次に、本発明の第３実施例について説明する。
図７は、本発明の第３実施例を示す蒸発部となるパイプの正断面図である。
図７は、円形パイプ２に替えて断面形状が矩形をした矩形パイプ２１を使用したものであり、発熱体５と矩形パイプ２１、及び矩形パイプ２１と伝熱基板１の接触面積が広くなり発熱体の熱が効率よく伝達される。
また、矩形パイプ２１は円形パイプに比べると伝熱基板の埋設深さが浅くなるので、伝熱基板の厚みを薄くできる。矩形パイプ２１がヒートパイプの蒸発部を構成する動作、その他の効果については第１実施例と同じである。

次に、本発明の第４実施例について説明する。
図８は、本発明の第４実施例を示すヒートパイプを内蔵する冷却装置の分解斜視図である。なお、図８はＯリング溝１０を見やすくするため冷却フィン４Ａを上にして示したものである。
図８に示すように、伝熱基板１の作動液槽３の周囲にＯリング溝１０を設け、Ｏリング１１を埋設してヒートシンク４をかぶせた後、ネジ１２で固定することにより伝熱基板１とヒートシンク４を一体にするものである。
これにより、ネジで固定するのでロー付け作業の設備が不要で手軽に組み立てが可能となる。

次に、本発明の第５実施例について説明する。
図９は、本発明の第５実施例を示すヒートパイプを内蔵する冷却装置の側断面図である。
冷却装置の大量生産を前提にしたとき、伝熱基板１を機械加工するよりダイカストで成形した方が有利である。図９では、円形パイプ２を金型に敷設しておき、ダイカストで同時に成形することにより一体とする。

図１０は、本発明の第６実施例を示すヒートパイプを備えたヒートシンクを電子装置に適用した全体斜視図である。
図１０において、Ｅは電子装置、１５は冷却ファン、１６はファン取り付け板、１７はケースである。
第６実施例は以下のとおりである。
ずなわち、ヒートパイプを内蔵した伝熱基板１と、伝熱基板１の背面に複数の冷却フィン４Ａを有してなるヒートシンク４を用いて、伝熱基板に発熱体５を取り付け、これらに対して、冷却風の通風空間となる風洞を形成し冷却フィン４Ａを収納するコ字状断面のケース１７と、ケース１７に設けられ冷却風を冷却フィン４Ａに強制導入するための冷却ファン１５と組み合わせて、電子装置を構成する。
これにより、伝熱基板１に設けた円形パイプ内のウィックの毛細管力により作動液が循環するので電子装置があらゆる姿勢で取り付けられても冷却することが可能であり、電子装置に搭載される発熱体の発熱量の増大に応じて、大量の熱を運び放熱することができる。

本発明は、作動液が伝熱基板の発熱体を搭載する面から背面の作動液槽に還流できる構造にし、伝熱基板全体としてヒートパイプを構成し蒸発熱を利用して大量の熱を運ぶことを可能し、且つ円形パイプ内のウィックの毛細管力により作動液が循環するのであらゆる姿勢での取り付けが可能な電子装置の冷却装置であり増大する発熱量に悩む電子装置の冷却に大いに役立つ技術である。

本発明の第１実施例を示す電子装置に用いられるヒートパイプを備えたヒートシンクの全体斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の側断面図である。 図３の蒸発部を構成する円形パイプと凝縮部を構成する作動液槽の結合部を拡大した側断面図である。 ヒートパイプの蒸発部の固定方法を示した図であって、（ａ）はヒートパイプを伝熱基板の溝に設置した状態、（ｂ）はパイプをかしめ固定した状態を示している。 本発明の第２実施例を示す蒸発部を構成するパイプの正断面図である。 本発明の第３実施例を示す蒸発部を構成するパイプの正断面図である。 本発明の第４実施例を示すヒートパイプを内蔵する冷却装置の分解斜視図である。 本発明の第５実施例を示すヒートパイプを内蔵する冷却装置の側断面図である。 本発明の第６実施例を示すヒートパイプを備えたヒートシンクを電子装置に適用した全体斜視図である。 従来技術を示すヒートシンクの全体斜視図である。

符号の説明

１ 伝熱基板、
１Ａ パイプ装着溝、
２ 円形パイプ、
３ 作動液槽、
４ ヒートシンク、
４Ａ 冷却フィン、
４Ｂ フィン取付け部、
５ 発熱体、
６ 注入口、
７ 栓、
８ 伝熱基板とヒートシンクの合わせ面、
１０ Ｏリング溝、
１１ Ｏリング、
１２ ネジ、
１４ ヒートパイプ、
１５ 冷却ファン、
１６ ファン取付け板。
１７ ケース、
２１ 矩形パイプ

Claims (6)

1. 発熱体からの熱を放熱するための複数の冷却フィンを立設してなるヒートシンクにおいて、
   前記ヒートシンクのフィン取付け部には、高熱伝導性の金属材料からなり、内部に作動流体が封入されてなる伝熱基板が設けられ、
   前記伝熱基板は、
   該基板の発熱体搭載面側に埋設されると共に前記作動流体の蒸発部を構成するウィックを有した円形パイプと、
   前記円形パイプの背面側に該パイプの先端部と連通して設けられると共に、前記フィン取付け部に露出するように該基板を凹溝状に形成されてなる前記作動液の凝縮部を構成する作動液槽と、
   を備えており、
   前記伝熱基板を前記フィン取付け部で覆うと共に、ロー付けにより一体化することで気密性を保つようにしたことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記円形パイプは、前記発熱体との接触面側の断面形状の一部が平坦になるように加工されたものであることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記円形パイプに替えて、矩形パイプを用いたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
4. 前記伝熱基板の背面の前記作動液槽が配置される周囲に溝を設けると共に、該溝にＯリングを設置し、前記フィン側から前記伝熱基板側に向かって前記フィン取付け部と前記伝熱基板をネジにより締結したものであることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
5. 前記伝熱基板をダイカストで成形する際に、予め前記円形パイプを前記ダイカストの金型に敷設し、前記伝熱基板と前記ヒートシンクを同時に一体成形したことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のヒートシンクを備えたことを特徴とする電子装置。

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