JP2008089253A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】厚さが極めて薄く、コンパクトで放熱効率に優れ、傾斜した状態で使用する場合においても所謂ドライアウトが生じることがなく、ヒートパイプの外周面を直接冷却することができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】略水平に配置された複数のヒートパイプが略並列に配列されたヒ−トパイプ部と、前記ヒートパイプ部の両端部にそれぞれ取り付けられた放熱フィン部と、前記ヒートパイプ部の中央部に取り付けられた複数の吸熱部材とを備え、複数の前記ヒートパイプのうち少なくとも１本は、前記ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が前記吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した当該放熱フィン部に最も近接する前記吸熱部材まで浸す量の作動液を有しているヒートシンク。
【選択図】図２

Description

この発明は、所定の間隙を空けて水平に並列配置された複数本のヒートパイプを備えたヒートシンク、特にヒートパイプが傾斜した場合にも高い放熱効率を維持することができるヒートシンクに関する。

薄型の筐体の中に配置されるＣＰＵ、素子等の発熱部品の発熱量、発熱密度が増大し、これらを効率的に放熱する薄型の高性能のヒートシンクが求められている。パーソナルコンピュータにおいても、CPUに加え、グラフィックチップ（GPUまたはVGA）、チップセットなど積極的な放熱を必要とする素子が増加してきた。更に、１つのヒートシンクで複数の発熱体を放熱冷却することが望まれている。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、更に、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。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。

ヒートパイプの内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、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、ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた被冷却部品が発する熱により、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。放熱側においては、作動流体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。
特開平１１−３５１７６９号公報

薄型の筐体の中に配置されるＣＰＵ、素子等の発熱部品の発熱量、発熱密度が増大し、これらを効率的に放熱するためには、ヒートパイプによって所定の位置に熱を移動し、放熱フィンによって冷却するだけでは不十分であり、より一層の放熱効果が期待される。更に、複数の発熱部品を同時に冷却する状態で、使用中に傾斜させると所謂ドライアウトが生じ、発熱部品の放熱が不十分になることがあった。

従って、この発明の目的は、厚さが極めて薄く、コンパクトで放熱効率に優れ、傾斜した状態で使用する場合においても所謂ドライアウトが生じることがなく、ヒートパイプの外周面を直接冷却することができるヒートシンクを提供することにある。

発明者は従来の問題点を解決するため、鋭意研究を重ねた。その結果、ヒートシンクを形成する複数のヒートパイプを所定の間隙を空けて並列配置し、ヒートパイプの中央部を、配置された発熱体に対応させて湾曲させ、両端部に放熱フィンを熱的に接続させて、中央部から吸気された冷たい空気が直接ヒートパイプの外周面を冷却すると、冷却効率がより一層向上することが判明した。

更に、上述した複数のヒートパイプのうち少なくとも１本が、ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した放熱フィン部に最も近接する吸熱部材近傍まで浸す量の作動液を有していると、所謂ドライアウトが生じにくいことが判明した。この発明は上述した研究結果に基づいてなされたものである。

この発明のヒートシンクの第１の態様は、略水平に配置された複数のヒートパイプが略並列に配列されたヒ−トパイプ部と、前記ヒートパイプ部の両端部にそれぞれ取り付けられた放熱フィン部と、前記ヒートパイプ部の中央部に取り付けられた複数の吸熱部材とを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第２の態様は、複数の前記ヒートパイプが少なくとも前記中央部において所定の間隙を空けて略並列に配列されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第３の態様は、複数の前記ヒートパイプが、いずれも扁平断面を有しているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第４の態様は、前記中央部が湾曲して、前記両端部から同一平面上で後退して配置され、前記所定の間隔が中央部のほぼ全長にわたり設けられているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第５の態様は、電気機器等の筐体に搭載された上述したヒートシンクであって、湾曲した前記中央部の湾曲方向側に放熱フィン部とファンとを備え、前記中央部に略垂直方向に吸気された空気が、前記間隔を通って前記ヒートパイプの外周面を冷却し、前記ファンによって前記フィン部を経て筐体外に排出されるヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第６の態様は、冷却すべき発熱部品に熱的に接続される前記吸熱部材のうち、少なくとも１つには、前記所定の間隔を保持する保持部材が付設されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第７の態様は、複数の前記ヒートパイプのうち少なくとも１本は、前記ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が前記吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した当該放熱フィン部に最も近接する前記吸熱部材近傍まで浸す量の作動液を有しているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクによると、厚さが薄く小型の筐体内に配置された発熱密度が高い複数の被冷却部品を効率的に冷却することができる。
即ち、複数のヒートパイプのうち少なくとも１本は、ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した放熱フィン部に最も近接する吸熱部材近傍まで浸す量の作動液を有しているので、所謂ドライアウトが生じることなく、傾斜した状態でも高い放熱効率を維持することが出来る。

更に、複数のヒートパイプが中央部において所定の間隙を空けて略並列に配列されているので、ヒートパイプの間を冷却用空気が通過することができ、ヒートパイプ自体も冷却するので冷却効率が向上する。
更に、ヒートパイプの中央部を、配置された発熱体に対応させて湾曲させ、両端部に放熱フィンを熱的に接続させて、中央部から吸気された冷たい空気が直接ヒートパイプの外周面、発熱体等を冷却するので、冷却効率がより一層向上する

この発明のヒートシンクを図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートシンクの１つの態様は、略水平に配置された複数のヒートパイプが略並列に配列されたヒ−トパイプ部と、ヒートパイプ部の両端部にそれぞれ取り付けられた放熱フィン部と、ヒートパイプ部の中央部に取り付けられた複数の吸熱部材とを備えているヒートシンクである。複数のヒートパイプのうち少なくとも１本は、ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した放熱フィン部に最も近接する吸熱部材近傍まで浸す量の作動液を有しているヒートシンクである。複数のヒートパイプが中央部において所定の間隙を空けて略並列に配列されている。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を説明する表側から見た平面図である。図１（a）に示すように、同一平面上（例えば水平）に所定の間隙を空けて２本のヒートパイプ２−１、２−２が並列に配置されている。上述した所定の間隔が中央部のほぼ全長にわたり設けられている。ヒートパイプは丸型ヒートパイプであっても、扁平型ヒートパイプであってもよい。扁平型ヒートパイプを用いることによって、ヒートパイプの幅を極めて薄くすることができる。ヒートパイプのサイズは必ずしも同一でなくても良い。例えば細い径のヒートパイプと太い径のヒートパイプを組み合わせてもよい。

この態様においては、ヒートパイプ２−１、２−２は、扁平断面を有する所謂扁平型ヒートパイプである。各ヒートパイプ２−１、２−２の両端部には放熱フィン３−１、３−２が熱的に接続されている。放熱フィン３−１、３−２は、矩形であり、例えば相互に平行な上面、底面および側面を備えており、平らな上面が扁平型ヒートパイプの両端部の一方の平らな面（例えば裏側の面）に熱抵抗が小さくなるように熱的に接続されている。ヒートパイプの両端部は放熱フィンの長軸方向に沿ってその全長にわたって熱的に接続することが好ましい。冷却風はヒートパイプと垂直方向に沿って放熱フィンを通過する。

扁平型ヒートパイプは、（図示しない）発熱素子の配置、放熱フィンの位置に対応して、例えば、中央部が後退するように湾曲されている。図１に示す態様においては、筐体の側壁の開口部に放熱フィンの一方の端部が接するように配置され、筐体内の空気が放熱フィンを通って筐体外に放出される。このようにヒートパイプの両端部は筐体の側壁に沿って配置されている。ヒートパイプの両端部に関して、ヒートパイプの中央部は筐体の側壁から後退して筐体の内部側に湾曲する。

即ち、ヒートパイプの中央部は、上述したように、複数個の発熱体に熱的に接続できるように、湾曲されて後退し、その一方の面（即ち裏面）が、所定位置に配列された複数個の発熱体と吸熱部材４−１、４−２、４−３を介して熱的に接続される。

図１（ｂ）は吸熱部材を説明する図である。吸熱部材４は一方の面が発熱体と熱的に接続される。吸熱部材４の他方の面はヒートパイプと熱的に接続される。吸熱部材４の概ね中央部には、並列に配置されたヒートパイプの所定の間隙を保持するための保持部材６が付設されている。保持部材６は吸熱部材４と一体的に形成されていてもよく、または、それぞれ別部材を準備して、これらを接合して形成してもよい。

保持部材は複数個ある吸熱部材の少なくとも１つに設ければよい。吸熱部材４−１、４−２、４−３は、図１（a）に示すように、所定間隙を空けて並列配置された扁平型ヒートパイプの一方の面（例えば、放熱フィンと同じ側の面）に熱的に接続される。その際、図１（ｂ）に示した保持部材がヒートパイプの間に位置して、所定の間隙を保持する。吸熱部材は発熱体の発熱量に応じて、１本のヒートパイプに熱的に接続するか、２本のヒートパイプに熱的に接続する。

図１（ｃ）は、図１（a）に示すヒートシンクの正面図である。図１（a）に示すように、扁平型ヒートパイプ２の両端部の下方には放熱フィン３−１、３−１が熱的に接続されている。ヒートパイプの中央部の下方には、吸熱部材４−１、４−２、４−３が熱的に接続されている。吸熱部材の高さ（厚さ）は、発熱体の高さに対応して適宜設定することが出来る。即ち、異なる高さの発熱体に吸熱部材の厚さを変化させて、発熱体とヒートパイプとを吸熱部材を介して熱的に接続する。

図２は、この発明のヒートシンクの他の１つの態様を説明する表側から見た平面図である。この態様においては、所定の間隔を空けて並列配置された２本のヒートパイプを支持する支持部材を備えている。即ち、図１（a）から図１（ｃ）を参照して説明したように、同一平面上（例えば水平）に所定の間隙を空けて２本の扁平型ヒートパイプ２−１、２−２が並列に配置されている。

各ヒートパイプ２−１、２−２の両端部には放熱フィン３−１、３−２が熱的に接続されている。放熱フィン３−１、３−２は、平らな上面が扁平型ヒートパイプの両端部の一方の平らな面に熱的に接続されている。ヒートパイプの両端部は放熱フィンの長軸方向に沿ってその全長にわたって熱的に接続する。冷却風はヒートパイプと垂直方向に沿って放熱フィンを通過する。

扁平型ヒートパイプは、中央部が後退するように湾曲されている。図１に示す態様においては、筐体の側壁の開口部に放熱フィンの一方の端部が接するように配置され、筐体内の空気が放熱フィンを通って筐体外に放出される。このようにヒートパイプの両端部は筐体の側壁に沿って配置されている。ヒートパイプの両端部に関して、ヒートパイプの中央部は筐体の側壁から後退して筐体の内部側に湾曲する。

更に、並列配置された扁平型ヒートパイプ２−１、２−２を支持するための支持部材５が備えられている。支持部材は扁平型ヒートパイプのそれぞれの外側の側部に沿って配置された支持部材本体５−１と、両端部のブリッジ部分５−２、および、中央部のブリッジ部分５−３からなっている。支持部材５は更に筐体等への固定に使用される（図示しない）固定部材を備えていても良い。固定部材は例えば板バネからなっていてもよく、スプリングを介するフロートとネジからなっていてもよい。このように、支持部材はヒートパイプの保護と、筐体等への固定を容易にする。

図３は、この発明のヒートシンクの他の１つの態様を説明する裏側から見た平面図である。即ち、ヒートパイプの中央部は、上述したように、複数個の発熱体に熱的に接続できるように、湾曲されて後退し、その一方の面（即ち裏面）が、所定位置に配列された複数個の発熱体と吸熱部材４−１、４−２、４−３を介して熱的に接続される。なお、複数の吸熱部材を概ね直列に配置することによって、所謂ドライアウトをより効果的に回避することができる。

吸熱部材４は、図１（ｂ）を参照して説明したように、一方の面が発熱体と熱的に接続される。吸熱部材４の他方の面はヒートパイプと熱的に接続される。吸熱部材４の概ね中央部には、並列に配置されたヒートパイプの所定の間隙を保持するための保持部材６が付設されている。吸熱部材４−１、４−２、４−３は、所定間隙を空けて並列配置された扁平型ヒートパイプの一方の面（即ち、放熱フィンと同じ側の面）に熱的に接続される。

その際、図１（ｂ）を参照して説明したように保持部材がヒートパイプの間に位置して、所定の間隙を保持する。さらに、吸熱部材は支持部材５の支持部材本体５−１の一方の面に固定される。このように、支持部材は、吸熱部材を扁平型ヒートパイプに熱的に接続した状態で固定する機能を合わせ備えている。なお、吸熱部材は発熱体の配列に対応してその位置を変化することができる。

図４は図２、３に示すこの発明のヒートシンクの他の１つの態様の正面図である。即ち、図４に示すように、扁平型ヒートパイプ２の両端部の下方には放熱フィン３−１、３−１が熱的に接続されている。ヒートパイプの中央部の下方には、吸熱部材４−１、４−２、４−３が熱的に接続されている。更に、ヒートパイプを支持する支持部材５−１がヒートパイプの側面を覆っている。支持部材のブリッジ部分がヒートパイプの上方に突出している。この態様においても、吸熱部材の高さ（厚さ）は、発熱体の高さに対応して適宜設定することが出来る。即ち、異なる高さの発熱体に吸熱部材の厚さを変化させて、発熱体とヒートパイプとを吸熱部材を介して熱的に接続する。

なお、この発明のヒートシンクは、電気機器等の筐体に搭載され、湾曲した中央部の湾曲方向側に放熱フィン部と（図示しない）ファンとを備え、中央部に略垂直方向に吸気された空気が、並列配置され保持部材に保持されたヒートパイプの間隔を通ってヒートパイプの外周面を冷却し、ファンによってフィン部を経て筐体外に排出される。即ち、筐体の側壁近傍に配置され、筐体の内部側に湾曲した中央部向かってに吸気された冷たい空気が、ヒートパイプの外周面、その周りに配置された支持部材、保持部材、吸熱部材、発熱体を直接冷却し、更に筐体内を通過して、強制空冷ファンによって筐体側壁の開口部にその一部が接して配置された放熱フィンを通って筐体外に排出される。

従って、ヒートパイプの外周面を冷却するだけでなく、上述したように冷たい空気によって筐体内が冷却されるので、CPUやVGA等の素子の冷却と共に、PCの外装（所謂膝上、パームレスト等）に熱が伝わりに難くすることができる。更に、設けられた間隙によって、空気の通りが良くなるので、ファンを余計に強めに回す必要がなくなり、静寂性が高まる。また、別途にファンや空気取り入れ口を余計に設ける必要がなく、軽量化とコストダウンが図れる。

次に、この発明のヒートシンクは、複数のヒートパイプのうち少なくとも１本は、ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した放熱フィン部に最も近接する吸熱部材近傍まで浸す量の作動液を有している。即ち、作動液が下側の吸熱部材を完全に浸す必要はなく、毛細管力等によって持ち上げられた作動液が届く程度であればよい。なお好ましくは、図３を参照して説明したヒートシンクにおいて、吸熱部材４−１が下側に、吸熱部材４−３が上側になるようにヒートシンクが傾斜した場合に、２本のヒートパイプの少なくとも１本のヒートパイプの作動液が吸熱部材４−１の概ね全体を浸す量の作動液を内部に備えている。このように規定された作動液を内部に備えることによって、上側に位置する吸熱部材４−３においても所謂ドライアウトが生じることはない。

ヒートパイプの材質は銅、アルミニウムまたはこれらの合金からなっており、内壁部には、所望の毛細管力が発揮されるグルーブが形成されるか、メッシュ等が配置される。作動液はヒートパイプの材質との適合性に優れた液体を使用する。
上述したように、この発明のヒートシンクは厚さが極めて薄く、コンパクトで放熱効率に優れ、傾斜した状態で使用する場合においても所謂ドライアウトが生じることはない。更に、筐体内に取り込まれる冷たい空気によって、発熱体、吸熱部材、ヒートパイプの外周面が直接冷却されるので、熱効率において優れている。

図１（a）は、この発明のヒートシンクの１つの態様を説明する表側から見た平面図である。図１（ｂ）は吸熱部材を説明する図である。図１（ｃ）は、図１（a）に示すヒートシンクの正面図である。 図２は、この発明のヒートシンクの他の１つの態様を説明する表側から見た平面図である。 図３は、図３は、この発明のヒートシンクの他の１つの態様を説明する裏側から見た平面図である。 図４は、図４は図２、３に示すこの発明のヒートシンクの他の１つの態様の正面図である。

符号の説明

１ この発明のヒートシンク
２、２−１、２−２ ヒートパイプ
３、３−１、３−２ 放熱フィン
４、４−１、４−２、４−３ 吸熱部材
５ 支持部材
５−１ 支持部材本体
５−２、５−３ ブリッジ部
６ 保持部材

Claims (7)

1. 略水平に配置された複数のヒートパイプが略並列に配列されたヒ−トパイプ部と、前記ヒートパイプ部の両端部にそれぞれ取り付けられた放熱フィン部と、前記ヒートパイプ部の中央部に取り付けられた複数の吸熱部材とを備えたヒートシンク。
2. 複数の前記ヒートパイプが少なくとも前記中央部において所定の間隙を空けて略並列に配列されている、請求項１記載のヒートシンク。
3. 複数の前記ヒートパイプが、いずれも扁平断面を有している、請求項１または２項に記載のヒートシンク。
4. 前記中央部が湾曲して、前記両端部から同一平面上で後退して配置され、前記所定の間隔が中央部のほぼ全長にわたり設けられている、請求項１〜３の何れか１項に記載のヒートシンク。
5. 電気機器等の筐体に搭載された請求項１〜４の何れか１項に記載のヒートシンクであって、湾曲した前記中央部の湾曲方向側に放熱フィン部とファンとを備え、前記中央部に略垂直方向に吸気された空気が、前記間隔を通って前記ヒートパイプの外周面を冷却し、前記ファンによって前記フィン部を経て筐体外に排出されるヒートシンク。
6. 冷却すべき発熱部品に熱的に接続される前記吸熱部材のうち、少なくとも１つには、前記所定の間隔を保持する保持部材が付設されている、請求項５に記載のヒートシンク。
7. 複数の前記ヒートパイプのうち少なくとも１本は、前記ヒートパイプ部が傾斜して一方の放熱フィン部が前記吸熱部材より下方に位置した状態にあっても、下方に位置した当該放熱フィン部に最も近接する前記吸熱部材近傍まで浸す量の作動液を有している、請求項１〜６項の何れかに記載のヒートシンク。

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