JP4491209B2

JP4491209B2 - ヒートパイプを備えるヒートシンク

Info

Publication number: JP4491209B2
Application number: JP2003307805A
Authority: JP
Inventors: 誠三上野; 俊之細川; 義弥枝
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005076979A

Description

本発明は、発熱体としてＩＧＢＴなどの発熱素子を冷却するために用いられるヒートパイプを備えるヒートシンクに関し、さらに詳しくは、一方の面に発熱体を保持し、他方の面に放熱フィンを並設させたベース板に対して、ヒートパイプを埋設して用いるようにしたヒートシンクの改良に係るものである。

従来から、ＩＧＢＴなどの発熱素子を冷却するヒートシンクとしては、一方の面に発熱体を保持させたベース板を用い、該ベース板の他方の面に複数の放熱フィンを櫛形や格子形に配設して構成した比較的安価なヒートシンクが多用されている。しかし、この構成のヒートシンクでは、その放熱性能が必ずしも十分ではないので、特に、高発熱密度の半導体素子を効果的に冷却させる場合などには、その冷却性能を向上させるために、熱伝導性の高い銅製ヒートパイプによるヒートシンクを使用するとか、あるいはヒートパイプ作動液としてフロリナートを用いた沸騰冷却式のヒートシンクを使用するのが一般的である。

ここで、前記銅製ヒートパイプによるヒートシンクとしては、例えば、特許文献１に見られるように、複数枚の放熱フィンを多段に接合させた数本組みのヒートパイプを設け、該各ヒートパイプの一端部側をベース板面に固着させたものであるが、このように各ヒートパイプに多段接合した各放熱フィンにベース板からの発生熱を伝熱させて熱放散する形式のヒートシンクでは、該ヒートシンク自体の高さが比較的低くされた構成の場合、すなわち、放熱フィンを配したヒートパイプにおける放熱部の長さ寸法が短い構成では、例えば、櫛形ヒートシンクのように、ベース板と各放熱フィンとが金属的に結合されているものより、ヒートパイプから放熱フィンへの効率的な熱伝導性に欠けることになり、このために冷却性能の点で劣るという問題点があった。

また、前記構成によるヒートシンクでは、使用場所での外気温度が氷点下にまで達すると、ヒートパイプ内の冷却水が放熱部側で凍結して受熱部側に還流しなくなる惧れを生じて、ヒートパイプとしての本来の機能を果たせなくなるという欠点もあり、さらには、ヒートパイプ自体がベース板面の外部にむき出しになっていることから、使用中や輸送中などにおける内部冷却水の凍結で該むき出し部分が破壊されるという問題点もあった。

一方、前記高発熱密度の素子冷却を行なう場合でのフロリナートを用いる沸騰冷却式ヒートシンクにおいては、その全体的構成が複雑化されて高価であり、かつ冷媒として温暖化係数の大きいフロリナートを使っているため、比較的良好な冷却性能を得られるのではあるが、環境悪化の問題を生じ易く、その使用が年々敬遠されつつある。

さらに、この種のヒートシンクの別な提案例として特許文献２に開示された構成があり、該構成の場合には、ベース板におけるヒートパイプ取付け孔内面と該ヒートパイプ外面とを凹凸形状に形成して相互に嵌着結合させたものであるが、本発明におけるように、ベース板に対してヒートパイプをほぼ全長に亘って埋め込む必要性については全く述べられておらず、ここでもヒートパイプがベース板面からむき出しにされていると、前記と同様な欠点を生ずることになるほか、ヒートパイプの配置形態（本発明での設置角度に対応）についても全く触れられていないため、設置角度の如何によっては該ヒートパイプが十分に機能せずに冷却性能に不利を生ずる惧れもあった。

特開平７−２６３６０１号公報特開２０００−１８８５２号公報

従って、本発明の目的は、発熱体の発生熱をベース板全体に均熱化させることで、放熱フィンによる放熱作用を広範囲に亘り有効に働かせて、意図する冷却性能を格段かつ効果的に向上させ得るようにしたヒートパイプを備えるヒートシンクを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のヒートパイプを備えるヒートシンクでは、一方の面に発熱体を保持し、かつ他方の面に放熱フィンを並設させたベース板を用いるヒートシンクであって、前記ベース板に対して少なくとも１本以上のヒートパイプをほぼ全長に亘って埋設配置させたことを特徴としている。

本発明のヒートパイプを備えるヒートシンクでは、ベース板に対してヒートパイプをほぼ全長に亘って埋設させたので、発熱体の発生熱をベース板全体に均熱化でき、この結果、放熱フィンによる放熱作用を広範囲に亘り有効に働かせて冷却性能の向上を容易に図り得る。

また、ヒートパイプがほぼ全長に亘ってベース板に埋め込まれるから、起動時に該ヒートパイプ内の冷却水がたとえ凍結したとしても、該起動に伴うベース板自体の温度上昇で容易に溶け出すため、ヒートパイプとしての機能が失なわれるようなことはない。しかも、このようにヒートパイプがベース板内に埋められ、その全長が外部にむき出しにされていないので、使用中あるいは輸送中などに内部の冷却水が凍結してもパイプ自体の破壊の惧れは回避される。

本発明のヒートパイプを備えるヒートシンクは、一方の面に発熱体を保持し、かつ他方の面に放熱フィンを並設させたベース板を用いるヒートシンクであって、前記放熱フィンが該ベース板に対し垂直方向に突出設置され、該ベース板中に少なくとも一本以上のヒートパイプを、予め傾斜埋設し、水平方向に対して下方で、かつ、該発熱体に接するベース板の側面を、傾斜埋設した受熱部側とし、他方の上方側の部分を放熱部側としたことを特徴としている。

本発明のヒートパイプを備えるヒートシンクでは、使用状態におけるヒートパイプの放熱部側が上方になるように傾斜して位置されるので、該ヒートパイプ自体がいわゆるトップヒートにはなり難く、これによって熱輸送量が実質的に増加されるため、ベース板全体の均熱化効果が一層促進されて放熱性能が向上することになるのである。
さらに本発明は、ヒートパイプを備えるヒートシンクにおいて、前記ベース板に対して埋設されるヒートパイプの端部が、口絞り加工などで十分な耐圧強度を有する場合、該端部をベース板の外部に露出させて用いるようにしてもよい。
このようにしたヒートパイプを備えるヒートシンクでは、埋設されるヒートパイプの端部に十分な耐圧強度が与えられているために、該端部がベース板の外部に露出されていても内部の冷却水の凍結によるヒートパイプ自体が破壊されることはない。

本発明に係るヒートパイプを備えるヒートシンクは、発熱体の発生熱をベース板全体に均熱化でき、これによって放熱フィンによる放熱作用を広範囲に亘り有効に働かせて冷却性能を向上させ得るもので、極めて簡単な構成であるのにも拘らず実用上、特段に優れた放熱効果が得られるのである。

以下、本発明に係るヒートパイプを備えるヒートシンクの好ましい実施形態につき、参考例とともに、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。

〔参考例〕
図１は参考例としての櫛形ヒートシンクの基本的な概要構成を示すもので、同図１(ｂ)は同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンと各ヒートパイプとをそれぞれ縦型にして用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図であり、同図１(ａ)は該図１(ｂ)の平面図、同図１(c)は該図１(ｂ)の側面図である。また、図２は同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンと各ヒートパイプとをそれぞれ横型にして用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図、図３は同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンを横型にし、かつ各ヒートパイプを縦型にして用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図である。

本参考例の櫛形ヒートシンクは、図１（ａ）ないし（ｃ）に示す如く、発熱体としてのＩＧＢＴなどの発熱素子１２を一方の面に固定的に保持させたベース板１１を用い、該ベース板１１の他方の面に複数個の放熱フィン１３を並設させることで、各放熱フィン１３，１３間に対して放熱作用を得るための冷却流体（ここでは冷却空気）を通流させる冷却流路１４をそれぞれに形成させてあり、かつ前記ベース板１１に対しては、ヒートパイプ２１をほぼ全長に亘って埋設配置させてある。

ここで、前記ベース板１１へのヒートパイプ２１の埋め込みについては、該ベース板１１に対して押出し成形時にヒートパイプ２１の埋め込み穴を形成しておくことで安価に製造できるのであるが、このほかにも、ベース板１１に適当する埋め込み溝を形成しておき、該埋め込み溝にヒートパイプ２１を装入させてから半田などで埋め込むようにしてもよい。

而して、本参考例の櫛形ヒートシンクの構成では、前記ベース板１１に対してヒートパイプ２１をほぼ全長に亘って埋設配置させたから、発熱素子１２の発生熱をベース板１１の全体に分散させて均熱化させ得るのであり、前記放熱フィン１３による放熱作用を広範囲に亘って有効に働かせることで冷却性能の向上を図り得るのである。

また、一方ではヒートパイプ２１がほぼ全長に亘ってベース板１１に埋め込まれるから、起動時にあって該ヒートパイプ２１内の冷却水がたとえ凍結したとしても、該起動に伴うベース板１１自体の温度上昇によって該凍結状態が容易かつ迅速に溶けるため、ヒートパイプ２１としての機能が失なわれるようなことは全くなく、しかも、このようにヒートパイプ２１がベース板１１内に埋め込まれ、その全長が外部にむき出しにされていないので、使用中あるいは輸送中などに内部の冷却水が凍結しても、パイプ自体が破壊する惧れを確実に避けられるのである。

〔本発明の一実施形態〕
図４は本発明の一実施形態を適用した櫛形ヒートシンクの基本的な概要構成を示すものである。なお、図４の実施形態による構成において、上記図１の参考例による構成と同一符号は同一または相当部分を示している。

本実施形態を適用した櫛形ヒートシンクにおいても、その基本的な構成は上記参考例の場合とほぼ同様であって、図４（ａ）ないし（ｂ）に示す如く、前記発熱素子１２を一方の面に固定保持させたベース板１１と、該ベース板１１の他方の面に並設させて各冷却流路１４を形成した各放熱フィン１３とを有しており、本実施形態では、上記参考例において、前記ベース板１１に埋め込まれるヒートパイプ２１に所要の傾斜角度を与えることで冷却性能の一層の向上を図ったものである。

すなわち、前記ヒートパイプ２１が水平に近付くことで、その熱輸送量が次第に低下するために、該ヒートパイプ２１の放熱部側を可能な限り上方に向け、かつ受熱部側を可及的下方に向けるように配置するのが好ましいのであり、この点を考慮して、本実施形態においては、前記ヒートパイプ２１での使用時に高温度になる受熱部側を水平方向に対して下方になるように傾斜設定させた上で、前記ベース板１１に埋め込むようにするのである。この場合のベース板１１に対する傾斜角度としては、図４(a)に見られるように、ほぼ１°程度の比較的緩い傾斜角度にするか、図４(b)に見られるように、ほぼ１５°程度の比較的急な傾斜角度にすればよい。

従って、このようにベース板１１に対してヒートパイプ２１を傾斜させて埋め込んだ構成の実施形態による櫛形ヒートシンクでは、使用状態におけるヒートパイプ２１の放熱部側が、上方になるように傾斜して位置されるので、先に述べた発熱体の発生熱のベース板１１全体への均熱化がより一層顕著になされることになる。

〔参考例、本発明の各実施形態による櫛形ヒートシンクの使用態様〕
図５は前記参考例による櫛形ヒートシンクと本発明の一実施形態による櫛形ヒートシンクとの各使用態様を示すもので、同図５(a)は本発明の一実施形態による櫛形ヒートシンクの使用態様例を表わした正面説明図、同図５(b)は参考例による櫛形ヒートシンクの使用態様例を表わした正面説明図である。

上記本発明の一実施形態による櫛形ヒートシンクにおいては、前記ベース板１１に対してヒートパイプ２１を傾斜させて埋め込むようにすることで、使用状態におけるヒートパイプ２１の放熱部側を上方に位置させ、これによってベース板１１での全体の均熱化を図っているのであるが、同様な作用は、極めて当然なことながら、該ヒートパイプ２１を埋め込んだベース板１１（参考例のヒートシンクに対応）のそれ自体を同一意図で傾斜させた状態に設置して使用しても容易に達成可能であり、また、この手段は本発明の実施形態に対しても、そのヒートパイプ２１の傾斜角度を調整するためなどに応用可能である。

従って、これらを要約してみると、参考例および本発明の各実施形態による櫛形ヒートシンクでは、前記ヒートパイプ２１が、前記ベース板１１に対し、予め水平方向に埋設配置されている場合（参考例）、使用状態においては該ヒートパイプ２１の放熱部が水平方向に対して上方側を向くようにベース板１１を水平方向に対して１°以上４５°以下の角度で傾斜させて設置して用い、また、前記ヒートパイプ２１の放熱部側が、前記ベース板１１に対し、予め水平方向に対して１°以上４５°以下の傾斜角度でヒートパイプ２１の放熱部側が水平方向に対して上方側を向くように埋設配置されている場合（本発明の一実施形態）、使用状態においては該ベース板１１を水平方向に維持させて用いるようにするのであり、これらの何れの場合にあっても、使用状態におけるヒートパイプ２１の放熱部側が上方になるように傾斜して位置されることになるので、該ヒートパイプ自体がいわゆるトップヒートにはなり難く、しかも、これによって熱輸送量が実質的に増加されるため、ベース板全体の均熱化効果が一層促進されて放熱性能を良好かつ効果的に向上させ得るのである。

参考例としての櫛形ヒートシンクの基本的な概要構成を示すもので、同図１(ｂ)は同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンと各ヒートパイプとをそれぞれ縦型にして用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図であり、同図１(ａ)は該図１(ｂ)の平面図、同図１(c)は該図１(ｂ)の側面図である。同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンと各ヒートパイプとをそれぞれ横型にして用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図である。同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンを横型にし、かつ各ヒートパイプを縦型にして用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図である。本発明の一実施形態を適用した櫛形ヒートシンクの各別例による基本的な概要構成を示すもので、同図４(a)は同上櫛形ヒートシンクでの各放熱フィンと各ヒートパイプとをそれぞれ横型にした上で、各ヒートパイプを１°程度の比較的緩い傾斜角度で埋設配置して用いる場合の外観態様を模式的に表わした全体斜視図、同図４(b)は同上各ヒートパイプを１５°程度の比較的急な傾斜角度で埋設配置して用いる場合の全体斜視図である。同上参考例の櫛形ヒートシンクと本発明の一実施形態による櫛形ヒートシンクとの各使用態様を示すもので、同図５(a)は本発明の一実施形態による櫛形ヒートシンクの使用態様例を表わした正面説明図、同図５(b)は参考例の櫛形ヒートシンクの使用態様例を表わした正面説明図である。

符号の説明

１１ベース板
１２発熱素子（発熱体）
１３放熱フィン
１４冷却流路（冷却流体の通流路）
２１ヒートパイプ

Claims

一方の面に発熱体を保持し、かつ他方の面に放熱フィンを並設させたベース板を用いるヒートシンクであって、前記放熱フィンが該ベース板に対し垂直方向に突出設置され、該ベース板中に少なくとも一本以上のヒートパイプを、予め傾斜埋設し、水平方向に対して下方で、かつ、該発熱体に接するベース板の側面を、傾斜埋設したヒートパイプに対する受熱部側とし、ヒートパイプの他方の上方側の部分を放熱部側とし、使用状態では該ベース板を水平状態に維持させて用いるようにしたことを特徴とするヒートパイプを備えるヒートシンク。