JPH07332883A - 平型ヒートパイプ及び前記平型ヒートパイプを用いたヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多量の熱を迅速且つ均一に輸送できるヒート
シンクを提供する。 【構成】 面状空洞体内部の少なくとも周縁にウィック
が配置されており、前記面状空洞体内部に作動液が真空
封入されている平型ヒートパイプ１を伝熱基板６にフィ
ン状に取付けたヒートシンク９。 【効果】 平型ヒートパイプ１を伝熱基板６にフィン状
に取付けたものなので、伝熱基板６に接触させた発熱体
８は迅速且つ均一に冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多量の熱を迅速且つ均
一に輸送できる平型ヒートパイプ、及び前記平型ヒート
パイプを用いたヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヒートパイプは、作動液を真空封入した
密閉容器からなり、作動液の蒸発と凝固の際の熱の入出
を利用した熱輸送体である。その熱輸送量は銀の 100倍
にも達する。ヒートパイプは、熱交換器や空調等の熱輸
送、ボイラや風呂等の加熱、オーディオ用高出力アン
プ、パワートランジスタ、サイリスタ等の冷却に使用さ
れている。

【０００３】ヒートパイプはサイホン式とウィック式に
大別される。前者は密閉容器に作動液を真空封入したも
の、後者は、密閉容器内面の上下方向にウィックと称す
る多孔質体を配置したものである。前記ウィックは蒸発
した作動液の戻りを促進する働きがあり、金網、素焼
体、繊維集合体等が用いられる。このヒートパイプは、
一端を発熱体に接触させ、他端を発熱体から離して配置
される。発熱体と接触する蒸発部で作動液が蒸発して熱
を奪い、発熱体から離れた凝縮部で作動液の蒸気が凝縮
して熱を放出する。ヒートパイプは水平に、又は凝縮部
が上になるように配置して用いられる。

【０００４】ヒートシンクは、図８に示すように、複数
本の円筒状ヒートパイプ12を埋込んだ銅板16上に、複数
本の円筒状ヒートパイプ22を垂直に配置し、前記ヒート
パイプ22に金属フィン13を取付けたヒートシンク29、図
９に示すように内部に作動液の通路が所定模様に形成さ
れたパネル状ヒートパイプ14の裏面に金属フィン13を取
付けたヒートシンク39等である。発熱体８は、前者では
ヒートシンク29の下に、後者ではヒートシンク39の上に
配置されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】トランジスタやサイリ
スタ等のデバイスを搭載した電子機器や電力機器等は、
高集積化、大容量化の傾向にあり、その発熱量も増大し
ている。発熱量が大きいパワーデバイスを冷却するよう
な場合には、大量の熱を迅速且つ均一に輸送できる高性
能ヒートシンクが要求される。図８及び図９に示したよ
うな従来のヒートシンクではこのような要求に応えられ
なかった。特に、図９に示すように発熱体を上に載せた
場合はヒートパイプの蒸発部が上になり作動液が供給さ
れない為、ヒートパイプの機能が生かされなかった。従
ってヒートシンクは発熱体の上に配置して用いられ、ス
ペース的に用途が制限された。又金属フィンを風冷して
も、金属フィンの熱伝導性が悪い為、送風源からの距離
により冷却能に差が生じ、均一に冷却ができないという
問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような状
況の中で鋭意研究を行いなされたもので、その目的とす
るところは、発熱体を迅速且つ均一に冷却し得る高性能
の平型ヒートパイプ及び前記平型ヒートパイプを用いた
ヒートシンク、及びその使用方法を提供することにあ
る。即ち、請求項１の発明は、面状空洞体内部の少なく
とも周縁にウィックが配置されており、前記面状空洞体
内部に作動液が真空封入されていることを特徴とする平
型ヒートパイプである。

【０００７】以下に本発明を図を参照して具体的に説明
する。図１イ、ロは、本発明の平型ヒートパイプの態様
を示すそれぞれ斜視図及び断面図である。図１に示す平
型ヒートパイプ１は、面状空洞体内部２の周縁にウィッ
ク３が配置されたものである。前記周縁のウィック保持
部４は断面円形に形成され、ウィック３が保持され易い
形状になっている。前記空洞体内部２に作動液が真空封
入され、作動液はウィック３の毛細管力により上昇又は
下降する。ウィックには、アルミや銅の金属繊維の集合
体、アスベスト繊維の集合体、耐熱グラスウール等の多
孔質材が使用される。ウィックの代わりに周縁部内面に
細溝を切っても同様の効果がある。作動液には、水、ア
ルコール、フロン、アンモニア、有機媒体、ナフタレン
等が使用される。平型ヒートパイプの壁部は、アルミ、
銅、炭素鋼、ステンレス鋼等で構成される。

【０００８】図２イ、ロは、本発明の平型ヒートパイプ
の他の態様を示すそれぞれ斜視図及び断面図である。面
状空洞体内部２にウィック保持部が周縁部と中央部に形
成されている。中央のウィック保持部５は、その上下端
部で周縁のウィック保持部４に連通している。ウィック
保持部を中央にも設けたことにより作動液の供給量及び
供給速度が増大する。このようにウィック保持部を面状
空洞体内部の周縁部以外の箇所にも形成して作動液の供
給を促進するのが好ましい。

【０００９】この平型ヒートパイプの製造は、次のよう
にしてなされる。即ち、周縁部と中央部に断面半円形の
ウィック保持部を形成したアルミ板を２枚用意し、一方
のアルミ板のウィック保持部にウィックを入れ、この２
枚のアルミ板を外周部内面にブレージングシートを挟ん
で鏡面対象に重ね合わせ、この重ね合わせた２枚のアル
ミ板を均熱炉内で所定温度に保持して外周部をろう付け
する。ろう付け後作動液を入れ、内部を真空に脱気し封
止する。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の平型ヒ
ートパイプを伝熱基板にフィン状に取付けたことを特徴
とするヒートシンクである。

【００１１】図３は、この発明のヒートシンクの態様を
示す斜視図である。伝熱基板６の表面に多数の凹溝７が
平行に形成されており、前記凹溝７の各々に図２に示し
た平型ヒートパイプ１の側部が差し込まれ、半田付けさ
れている。発熱体８はこのヒートシンク９の下側に配置
されている。発熱体８の熱は伝熱基板６を介して平型ヒ
ートパイプ１内の作動液を蒸発させる。蒸気は平型ヒー
トパイプ１の空洞部内を上昇して空洞部内上方にて凝縮
する。凝縮熱は平型ヒートパイプ１の上方にて放出され
る。

【００１２】図４は、図３に示したヒートシンクを横向
きにして用いたものである。図５は前記ヒートシンク９
の伝熱基板６が上になるように配置し、その上に発熱体
８を載せたものである。

【００１３】発熱体８をヒートシンク９の上に配置した
とき（図５）の熱輸送メカニズムを、図６を参照して説
明する。伝熱基板６を介して伝達される熱により、平型
ヒートパイプ１内の上方にあるウィック３内の作動液が
蒸発する。蒸気は空洞内の作動液10の液面15に触れて凝
縮する。作動液10が蒸発したあとのウィック３には、作
動液10がウィック３内を毛細管力により上昇して供給さ
れる。前記作動液10のウィック３内の上昇は、空洞内の
空間部17の蒸気による圧力の高まりによっても促進され
る。このようにして、本発明のヒートパイプ及びヒート
シンクは、発熱体を上部に配置して用いても所要の冷却
効果が得られる。

【００１４】図７は、本発明のヒートシンクの他の態様
を示す斜視図である。このヒートシンク19は銅パイプ11
の外周に凹溝７を８本平行に形成し、前記凹溝７の各々
に平型ヒートパイプ１を半田付けしたものである。この
ヒートシンク19は、銅パイプ11内にボイラの高温排ガス
を通し、前記銅パイプ11の外周に清浄な外気を流して排
熱を冷却する。清浄な外気は加熱されて、暖房やボイラ
の燃焼用空気として利用される。このヒートシンクは、
放熱フィンを平型ヒートパイプで構成したものなので、
大量の排ガスを処理できる。高温排水も同様にして処理
できる。

【００１５】本発明において、伝熱基板６には銅板やア
ルミ板等の熱伝導性に優れた任意の金属板材が用いられ
る。伝熱基板６に取付ける平型ヒートパイプ１の枚数は
任意である。平型ヒートパイプと伝熱基板との接触面積
は広くとる方が好ましい。平型ヒートパイプの表面を凹
凸状に形成しておくと風冷の際に、風が乱流となって冷
却効率が向上する。

【００１６】

【作用】本発明の平型ヒートパイプは、面状空洞体内部
の少なくとも周縁にウィックが配置されているので、真
空封止された作動液は、前記ウィック内を毛細管力によ
り迅速且つ均一に移動して、良好な熱輸送がなされる。
発熱体を上部に配置した場合でも、作動液は前記ウィッ
ク内を毛細管力により上昇して供給されるので、冷却が
十分になされる。又本発明のヒートシンクは、前記平型
ヒートパイプを伝熱基板にフィン状に取付けたものなの
で、フィンによる冷却効果が増大して、伝熱基板に接触
配置した発熱体は迅速且つ均一に冷却される。

【００１７】

【実施例】以下に本発明を実施例により詳細に説明す
る。 （実施例１）図１又は図２に示した平型ヒートパイプを
用いて、電気機器に組込まれたＳＭＴ用高周波トランス
を冷却した。このトランスの上方にはスペースがなかっ
たので、４枚の平型ヒートパイプを横に並べ、その側面
をトランスの底面に直接半田付けして取付けた。平型ヒ
ートパイプの下部をケースの外方に突出させてファンに
より風冷した。平型ヒートパイプの容器は厚さ 0.5mmの
銅板で形成した。ヒートパイプの寸法は、長さ70mm、高
さ40mm、平面部の厚さ４mm、ウィック保持部の外径９mm
φ、作動液には水を用いた。ウィックにはアルミ極細線
の集合体を用いた。使用中のトランスの温度を測定した
ところ、トランス温度はいずれも最高42℃に抑えられ
た。従来はケース内に小型のファンを入れて冷却してい
たが、許容温度（50℃）を超えることがしばしばあっ
た。

【００１８】（実施例２）実施例１で用いた平型ヒート
パイプを、70×70×10mmの銅板に横断面５×５mmの凹溝
を５本形成した伝熱基板の前記凹溝に半田付けして、図
３に示したような形状のヒートシンクを２種類作製し
た。このヒートシンクを、伝熱基板を下にして、オーデ
ィオアンプ上に配置した。比較の為、図８に示した円筒
状ヒートパイプを用いたヒートシンクについても同様の
冷却実験を行った。平型ヒートパイプ又は金属フィンを
風冷する場合としない場合の両方について実験した。結
果を表１に示す。

【００１９】

【表１】 ＊ＨＰ：ヒートパイプ、ＨＳ：ヒートシンク。

【００２０】表１より明らかなように、本発明例品（N
o.1,2) は、オーディオアンプの許容温度（60℃）を十
分下回った。ウィックを中央部にも配置したヒートパイ
プを用いた方（No.2) が冷却が幾分良好であった。他
方、比較例品のNo.3は、風冷した場合に許容温度を下回
り、風冷しない場合は許容温度を大幅に超えた。

【００２１】（実施例３）図５に示した本発明のヒート
シンクを用いてオーディオアンプを冷却した。ヒートシ
ンクは伝熱性基板を上にして配置し、オーディオアンプ
は前記伝熱性基板の上面に配置した。比較の為、図９に
示した従来のヒートシンクについても同様の冷却実験を
行った。結果を表２に示す。

【００２２】

【表２】 ＊ＨＰ：ヒートパイプ、ＨＳ：ヒートシンク。

【００２３】表２より明らかなように、本発明例品（N
o.4,5) は、風冷しないときは許容温度（60℃）を若干
超えたが、風冷することにより許容温度を下回った。こ
れに対し、従来のヒートシンクでは許容温度を大幅に超
えた。これはヒートパイプ上方に作動液が殆ど供給され
なかった為である。

【００２４】以上、銅製容器を用い、面状空洞体内周縁
部等にアルミ極細線の集合体（ウィック）を配置した平
型ヒートパイプについて説明したが、本発明は、アルミ
等他の容器を用い、他のウィックを配置し或いは細溝を
形成したヒートパイプを用いた場合にも同様の効果が得
られる。

【００２５】

【効果】以上述べたように、本発明のヒートシンクによ
れば、高い冷却効果が得られ、工業上顕著な効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平型ヒートパイプの態様を示す斜視図
及び断面図である。

【図２】本発明の平型ヒートパイプの他の態様を示す斜
視図及び断面図である。

【図３】本発明のヒートシンク及びその第１の使用例を
示す斜視図である。

【図４】本発明のヒートシンクの第２の使用例を示す斜
視図である。

【図５】本発明のヒートシンクの第３の使用例を示す斜
視図である。

【図６】本発明の平方ヒートパイプの熱輸送メカニズム
の説明図である。

【図７】本発明のヒートシンクの第４の態様を示す斜視
図である。

【図８】従来のヒートシンク及びその使用例を示す斜視
図である。

【図９】従来のヒートシンク及びその使用例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１──────平型ヒートパイプ ２──────面状空洞体内部 ３──────ウィック ４──────周縁のウィック保持部 ５──────中央のウィック保持部 ６──────伝熱基板 ７──────凹溝 ８──────発熱体 ９,19,29,39 ─ヒートシンク 10──────作動液 11──────銅パイプ 12,22 ────円筒状ヒートパイプ 13──────金属フィン 14──────パネル状ヒートパイプ 15──────作動液の液面 16──────円筒状ヒートパイプを埋込んだ銅板 17──────空洞内の空間部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面状空洞体内部の少なくとも周縁にウィ
   ックが配置されており、前記面状空洞体内部に作動液が
   真空封入されていることを特徴とする平型ヒートパイ
   プ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の平型ヒートパイプを伝熱
   基板にフィン状に取付けたことを特徴とするヒートシン
   ク。