JP2004111969A - 角度付きヒートパイプを備えたヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】　発熱部品からの熱をより効率的に放散させることができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】　電子部品のヒートシンクにおいて、前記電子部品（２０）と接続するための実質的に平坦部分を有する基部（１２）と、前記基部（１２）と実質的に平行な第１の部分（１４）と、前記基部（１２）の前記平坦部分と０°〜１８０°で配置された第２の部分（１３）とを有する少なくとも１つのヒートパイプ（１０）とを備える。
【選択図】図１

Description

　本出願は、「Ｈｅａｔｓｉｎｋ　ｗｉｔｈ　ｈｅａｔ　ｐｉｐｅ　ｉｎ　ｄｉｒｅｃｔ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ」と題する一般特許出願である米国出願第１０／２４６３４３号と、「Ｈｅａｔｓｉｎｋ　ｗｉｔｈ　ｈｅａｔ　ｐｉｐｅ　ａｎｄ　ｂａｓｅ　ｆｉｎｓ」と題する米国出願第１０／２４６，３２２号に関連する。

　電子部品は、動作するときに熱を生成することは周知である。発生した熱が臨界温度よりも高くなると、電子部品の動作に障害が起こることがある。したがって、そのような障害を防ぐために、過剰な熱を放散させなければならない。

　熱を放散させるために使用される１つのタイプのヒートシンクには、ヒートパイプがある。ヒートパイプは、水などの熱伝達液体が充填され、ヒートパイプの内壁がウィッキング材料で覆われている真空に封止されたパイプである。電子部品が熱くなるとき、ヒートパイプの電子部品に最も近い「高温」端も熱くなる。ヒートパイプの高温端の近くにある液体は、最終的に蒸発し、得られた蒸気は、ヒートパイプの「低温」端に集まり、そこで蒸気が凝縮する。凝縮した液体は、ウィッキングを介してヒートパイプの高温端に戻る。蒸発した液体は、再び、ヒートパイプの低温端に移動する。この蒸発／凝縮サイクルは、ヒートパイプがきわめて効率的に熱を伝達するときに繰り返し、したがってヒートパイプの高温端は、低温端と同じ温度かまたはそれに近く維持される。さらに、流体の沸点は圧力によって変化するので、ヒートパイプ内の真空を、沸騰が所望の温度で起こるように設定することができる。

　ヒートパイプは、一般に、特定の電子部品用に設計されている。例えば、ヒートパイプのベースは、一般に、冷却する部品の表面領域と同じまたはほぼ同じ形状および領域である。したがって、様々な表面領域および／または形状を有する部品は、一般に、特にそのような特定の領域および形状のために設計されているヒートパイプを必要とする。部品の冷却に使用されるほとんどの従来技術のヒートパイプは、比較的大きい直径（１／４インチより大きい）を有する。さらに、このようなヒートパイプのベースは、長方形のことがあり、またヒートパイプ自体は、ベースパイプ界面が複雑な設計になることがあるように円形である。例えば、長方形のベースは、円筒形のヒートパイプの内側を連結する中空の内部を有することがある。代替として、ベースは、ベースに取り付けられたヒートパイプとつながっている。しかしながら、これは、ベースと、ヒートパイプをベースに取り付けるために使用される材料（例えば、接着材）の熱抵抗が高くなるためあまり効率的でない。

　ヒートパイプの直径は、ヒートシンク・アセンブリを介した熱伝達の量に影響する。ヒートパイプの投影平面面積は、その直径と共に増大し、その直径が大きくなると、空気がパイプ内に循環するように強制的に流され、それにより、空気の冷却効果が弱まるので、空気抵抗が大きくなる。

　ヒートパイプのさらにもう１つの問題は、恐らくウィッキング材料の腐食、流体の汚染などによって真空圧力が低下するように漏れを形成することによってヒートパイプが故障する可能性があることである。その結果、ヒートパイプが故障したとき、電子部品から周囲の環境に熱を伝達する効果が下がり、したがって、部品を冷却する効果が低下する。ヒートパイプの故障が十分に大きくなると、部品は過熱したり故障したりすることがある。

　本発明の実施形態によれば、ヒートシンクは、熱発生部品と接続する実質的に平坦部分を有する基部と、基部の平坦部分と実質的に水平な第１の部分と、基部の平坦部分と実質的に垂直な第２の部分とを有する少なくとも１つのヒートパイプとを具備する。

　ヒートシンク内にＬ字形またはＵ字形のヒートパイプを設けることによって、ヒートパイプのより大きい部分が、熱発生電子部品と接触した状態になる。その結果、ヒートパイプと間接接触している場合よりも熱がより効率的に放散される。ヒートパイプは、２つの異なる部分が２つの異なる平面にある任意の形状でよく、１つの平面は、基部の実質的に平坦な部分の平面である。この点で、熱を放散する熱発生部品とヒートパイプの接触面積を最大にするようにヒートパイプを設計することができる。

　以下の説明は、当業者が本発明を作成し使用できるようにするために提示される。開示された実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかになり、本明細書における包括的な原理は、併記された特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく他の実施形態および応用例に適用することができる。したがって、本発明は、示した実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示した原理と特徴と一致する最も広い範囲があたえられるべきである。

　図１は、本発明の実施形態によるヒートシンク５の等角図である。ヒートシンク５は、複数のヒートパイプを含むが、代替の実施形態は、１つのヒートパイプだけを含む。この実施形態によれば、ベース１２に取り付けられた２つのヒートパイプ１０がある。ヒートパイプ１０は、接着材、はめ込み（「スナップ留め」）、ベルト留め、ボルト留めなどを含む、任意の従来の方式でベース１２に取り付けられる。

　ベース１２は、例えばプリント回路基板（図示せず）に取り付けられた電子部品のような熱発生部品に取り付けられるような適切な任意の形状のものである。熱発生部品は、望ましくない熱を生成する可能性がある任意の装置であり、最も一般には、例えば中央処理装置などの電子部品である。ベース１２は、一体物であり、すなわち、熱を伝導する傾向が高い材料の連続体として形成されるが、ベース１２は、複数の接合部品、すなわち非一体物で形成されてもよい。

　ベース１２は、アルミニウム、銅、その他の合金、プラスチック、エポキシなどの材料および／または適切な熱伝達材料などから形成することができる。１つの実施形態において、ベース１２は、アルミニウム合金の連続片から形成され、その最下部は、１つまたは複数の電子部品の輪郭に適合するように形成されている。もう１つの実施形態において、ベース１２は、例えば第１の領域のアルミニウムや第２の領域の銅のような２つの異なる材料から形成される。２つの領域は、ボルト締めや熱伝導接着材などによる従来の手段によって接合される。

　ヒートシンク５は、また、従来の対流熱放散のような、周囲空気冷却効果を高めるために、ベース１２に取り付けられかつヒートシンクの表面積を大きくするように意図された垂直フィン１１を含む。周囲空気の表面接触を増大させることによって、熱は、電子部品からヒートシンクを介して周囲空気へと、より効率的に放散される。この実施形態において、垂直フィン１１は、少なくともヒートパイプ１０の屈曲部の長さだけ延在する。垂直フィン１１は、また、ベース１２の厚さを減少させ、それによりコストが減少し、冷却が効率が高まる。垂直フィン１１は、固体のベース・ブロックを機械加工するか（例えば、一体物のフィンまたは削ったフィン）、従来の方法でベース１２に取り付けられる（例えば、折りたたみフィン）ことによって形成される。

　前に説明したように、垂直フィン１１は、ベース１２から、ヒートパイプ１０の湾曲部が止まる場所まで形成される。したがって、第２組の水平フィン１８を、ヒートパイプ１０のまわりに配置することができ、水平フィン１８は、水平フィン１８がヒートシンク５に取り付けられたときに垂直フィン１１と接触する。水平フィン１８は、一般に、パイプ１０に押し付けられるプレスオン・フィンである。習慣によって、水平フィンは、組み立てられたときに摩擦が水平フィン１８を適所に保持し、フランジ・スペーサが水平フィンの間に空間を維持するために使用されるそのような、１つまたは複数のヒートパイプ１０のまわりにぴったりと合うように機械加工されたフィンである。代替として、水平フィン１８は、接着材やバンド留めなどの別の従来の方式で取り付けられる。水平フィン１８は、ヒートシンク５から取り外すことができる。垂直フィン１１と水平フィン１８をすべてのヒートパイプ１０の垂直方向の長さに沿って位置決めすることによって、ヒートシンク５の熱放散率が向上する。

　さらに図１を参照すると、２つのヒートパイプ１０が、ベース１２は、各ヒートパイプ１０の低温端１３をベースの下面と実質的に垂直に位置合わせし、ヒートパイプ１０の高温端１４をベースの下面と実質的に平行に位置合わせするようにベースに取り付けられる。さらに、各ヒートパイプ１０の高温端１４は、ヒートシンクが取り付けられている任意の熱発生部品が、各ヒートパイプ１０の高温端１４と直接接触するように、ベース１２の下部に沿って露出される。１つの実施形態において、各ヒートパイプ１０の高温端１４は、平坦でありかつベース１２の下部と同じ高さである。ヒートシンク５を、ベース１２の下部から露出された各ヒートパイプの高温端１４に取り付けることによって、熱発生部品と直接接触させることによって熱放散効率を高めることができる。ベース１２の下部平面の残りの部分は、さらに、熱発生部品と接触したままであるが、ヒートパイプ１０は、はるかに効率的な熱放散手段を適用している。したがって、ヒートパイプ１０のより多くの表面積が、部品アセンブリと直接接触しており、熱は、部品からより効率よく放散され、接触面積を大きくすることにより、比較的小さい直径を有する各ヒートパイプ１０が、より大きい直径を有する従来通りに取り付けられたヒートパイプと同じくらい効率的に熱を放散させることができる。

　図２は、本発明の実施形態による湾曲部を備えたヒートシンク・ベース１２に取り付けられたヒートパイプ１０を示す。ヒートパイプは、ベース１２の下部の平面に対して０°〜１８０°の任意の角度で曲げることができる。一般に、各ヒートパイプ１０は、ヒートパイプ１０が曲げられる曲率半径が、ヒートパイプ１０の内部のピンチオフが起きないように十分に大きいように設計される。例えば、ヒートパイプ１０は、約１４５°に曲げられた実線と、９０°（図１に示したような）と４５°の角度の破線で示される。

　ヒートパイプ１０をＬ字形（図１に示したような１つの９０°の角）またはＵ字形（図示していないような２つの９０°の角）に曲げることによって、ヒートパイプ１０のきわめて大きな部分が、ヒートパイプ１０が曲げられていない場合よりも熱発生部品と直接接触することができる。

　代替として、ヒートパイプ１０の低温端１３（すなわち、図１に示したようなベース１２内に配置されたヒートパイプ１０の端部）は、らせん状に形成されてもよく、冷却する熱発生部品と接触した状態でヒートパイプ１０の表面積を大きくする任意の他の形状でもよい。

　直径の小さいヒートパイプ１０を使用することにより、１つのヒートシンク５内で複数のヒートパイプ１０を使用することができ、それにより、熱効率を高めることができる。さらに、複数のヒートパイプ１０は、ヒートシンク５に冗長性を提供する。すなわち、ヒートパイプ１０の故障、例えば漏れが生じたとき、他のヒートパイプ１０が熱を放散し続け、これにより熱発生部品の過熱を防ぐことができる。また、一般に、小さい直径のヒートパイプ１０の方が、大きい直径のヒートパイプ１０よりも安価でかつ広く入手可能である。例えば、直径１／４インチのヒートパイプ１０は、「既製品」を購入することができ、また所望の形状に曲げることができる。次に、ヒートパイプ１０は、特定の熱発生部品用に設計された予備成形されたベース１２に取り付けられる。一度、ヒートシンク５が、組み立てられた後で、図３と関連して後で示すように、熱発生部品に取り付けることができる。

　さらに、小さい直径のヒートパイプ１０の方が、１つまたは複数の大きい直径のヒートパイプ１０よりも、典型的な電子システムの筐体内の気流の制約を小さくするように配列することができる。例えば、代表的な電子システムは筐体内のヒートシンク上に空気を循環させるファンを含む。この循環する空気によって、ヒートシンクが熱をより効率的に放散することができる。大きい直径のヒートパイプは、気流と垂直な大きい断面積を有し、小さい断面積を有する小さい直径のヒートパイプよりも気流を妨害する。残念ながら、気流の妨害が大きいほど、熱効率が低下する。しかし、複数の小さい直径のパイプを気流と平行な方向に次々と位置合わせすることによって、気流の抵抗を小さくしながらより大きい直径の熱の流れの熱効率を達成することができる。これにより、ファンのサイズを小さくすることによって冷却システムのコストを削減し、あるいはファンの速度を遅くすることによって冷却システムによる消費エネルギーを減少させることができる可能性がある。

　図３は、図１つのヒートシンクを含むヒートシンク・アセンブリ３０と本発明の実施形態による熱発生部品２０の側面図である。ヒートシンク５は、各Ｌ形ヒートパイプ１０の高温端１４が熱発生部品２０と直接接触するように熱発生部品２０に取り付けられる。ヒートシンク５を熱発生部品２０への取り付けは、接着材やワイヤ留めなどの従来の方法で達成される。

　図４は、本発明の実施形態によるプリント回路基板３２に取り付けられた図３のヒートシンク・アセンブリ３０を含む回路基板アセンブリ３５の側面図である。ヒートシンク・アセンブリ３０は、熱発生部品２０によって生成された熱が、導電性トレース（基板上に示していない）１つまたは複数の電源電圧（図示せず）やその他の回路に電子的に接続されるようにプリント回路基板３２に取り付けられている。

　図５は、本発明の実施形態による回路基板アセンブリ３５の代替の実施形態を示す。この実施形態において、プリント回路基板３２は、いくつかの熱発生部品２０を含む。複数のヒートパイプ１０を有するヒートシンク５は、熱発生部品２０に取り付けられているように示されている。この実施形態において、各ヒートパイプ１０は、共通ベース１２の下部を通って露出される各ヒートパイプ１０が、それぞれの熱発生部品２０と直接接触するように熱発生部品２０と位置合わせされる。代替として、各熱発生部品２０に、接触する複数のヒートパイプ１０があってもよく、または各ヒートパイプ１０が、複数の熱発生部品２０と接触してもよい。

　図６は、コンピュータ・システムなど、本発明の実施形態により図３と図４の回路基板アセンブリ３０または３５の１つまたは複数を含む電子システム４０のブロック図である。しかしながら、例示のため、システム４０は、回路基板アセンブリ３０の１つまたは複数を有するように考察される。システム４０は、一般に筐体４７内に取り付けられた１つまたは複数の回路基板アセンブリ３０を含む電子回路４５を含む。そのようなアセンブリ３０の１つまたは複数は、一般に、プロセッサ・ユニット４１とメモリ４２を含む。回路４５には、ディスク・ドライブなどの１つまたは複数のデータ記憶装置４３、キーボードなどの１つまたは複数の入出力装置４４、あるいは表示装置が結合されている。また、周辺装置４３、４４は、本発明による回路基板アセンブリ３０を含むことができる。

本発明の実施形態による熱発生部品と直接接触することができるヒートパイプを有するヒートシンクの等角図である。 本発明の実施形態による屈曲部を備えたヒートパイプを有するヒートシンクの側面図である。 本発明の実施形態による図１つのヒートシンクを含むヒートシンク・アセンブリの側面図である。 本発明の１つの実施形態による、複数の熱発生部品に取り付けられた図３のヒートシンク・アセンブリの代替の実施形態を含む回路基板アセンブリの側面図である。 本発明の実施形態による、熱発生部品を含むプリント回路基板に取り付けられた図３のヒートシンク・アセンブリを含む回路基板アセンブリの側面図である。 本発明の実施形態による図３の回路基板アセンブリを含む電子システムのブロック図である。

符号の説明

５　ヒートシンク
１０　ヒートパイプ
１１　フィン
１２　基部
１３　第２の部分
１４　第１の部分
１８　フィン
２０　電子部品

Claims (11)

1. 　電子部品のヒートシンクにおいて、
   　前記電子部品と接続するための実質的に平坦部分を有する基部と、
   　前記基部と実質的に平行な第１の部分と、前記基部の前記平坦部分と０°〜１８０°で配置された第２の部分とを有する少なくとも１つのヒートパイプと、
   を備えることを特徴とするヒートシンク。
2. 　前記少なくとも１つのヒートパイプが、前記基部の前記平坦部分に対して０°〜１８０°で配置された第３の領域を有することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 　前記ヒートシンクと前記少なくとも１つのヒートパイプに取り付けできるように適合されたフィンを備えたことを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
4. 　前記基部が、前記少なくとも１つのヒートパイプを複数の熱発生部品に取り付けるように適合されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
5. 　前記基部が、前記少なくとも１つのヒートパイプを前記熱発生部品に取り付けるように適合され、取り付けられた少なくとも１つのヒートパイプが、前記熱発生部品と直接接触していることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
6. 　電子部品のヒートシンクにおいて、
   　基部と、
   　前記基部に結合された複数のヒートパイプと、
   を備えることを特徴とするヒートシンク。
7. 　前記複数のヒートパイプが、前記基部が取り付けられた熱発生部品と直接接触するように動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク。
8. 　前記基部上に前記基部と実質的に垂直に配置されたフィンを備えることを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク。
9. 　前記複数のヒートパイプがそれぞれ、前記基部の平坦部分と実質的に平行な第１の部分と、前記基部の前記平坦部分に対して０°〜１８０°に配置された第２の部分とを有することを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク。
10. 　前記複数のヒートパイプ内の前記ヒートパイプが、一列に位置合わせされたことを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク。
11. 　前記複数のヒートパイプがそれぞれ、前記基部の前記領域よりもかなり小さい断面積を有することを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク。

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