JP4753131B2 - 素子放熱器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の発熱体から熱を放熱するための素子放熱器に関する。特に、中央処理装置のような発熱密度が非常に高い素子に適応できる素子放熱器に関する。

電子機器の回路基板上に搭載される半導体素子等は、中央処理装置のように作動時の発熱が激しいものがあり、そのような素子の熱を放熱するために素子放熱器を用いる。このような素子放熱器の一種として、例えば、以下に述べる図７に示すものが知られている。図７は、従来の素子放熱器を概念的に示す正面図である。

図７に示すように、従来の素子放熱器４０１は、半導体素子に受熱板４０４が熱的に密着し、該受熱板４０４にラジエータ部４５１が取り付けられている。ラジエータ部４５１は、プレート状細孔ヒートパイプ４０５を渦巻き状に巻き、隣り合うプレート状細孔ヒートパイプ４０５の面間に隙間を開けてフィン４０９が密着されている。該ラジエータ部４５１は、プレート状細孔ヒートパイプ４０５が重なっている受熱部４０７を前記受熱板４０４と密着させ、さらに該受熱部と平行になるフィン４０９の装着平面部４１１が多くなるように構成されている。この様に構成することにより、受熱板４０４により半導体素子から熱を吸収し、受熱板４０４からプレート状細孔ヒートパイプ４０５に熱を伝える。
特開平９−１４８７５号公報

しかし、このような構成にした場合、受熱板４０４に近い部分ではプレート状細孔ヒートパイプ４０５の重なり部４１３が多く、熱移送量も多いが、受熱板４０４から離れるに従ってプレート状細孔ヒートパイプ４０５の重なり部４１５が減少していき、熱移送量も減少していき、放熱器としての最高性能を出すには十分な配置とはいえなかった。特に、放熱素子から、放射方向にラジエータ部４５１を伸ばして放熱しなければならない場合は、前記問題は顕著となっていた。
つまり、従来の放熱器で発熱素子に対して、高さを伸ばした場合、フィンの高さを固定すると、全ての段にフィンが隙間無く固着できるようにするために、巻き回し段数を増やすので、受熱部のプレート状細孔ヒートパイプの重なり枚数が増えて熱抵抗が増してしまうという問題が発生する。
逆に、巻き回し段数を２〜３に固定すると、フィン高さを増加しなければならず、フィン内部の温度降下が増加しフィン効率が低下し、冷却能力が落ちてしまうという問題が発生する。

前記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る素子冷却器は、 発熱素子の表面に当てられる受熱部材と、該受熱部材に熱的に接続されたヒートパイプと、該ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンとを備えた素子放熱器において、前記ヒートパイプはプ レート状細孔ヒートパイプで構成され、前記細孔はプレートの長尺方向に平行な複数の細 孔が開けられており、前記ヒートパイプは長尺方向で渦巻き状に折り曲げられて形成され、前記渦巻き状に折り曲げられたヒートパイプに少なくとも１つの平面を形成し、該平面では外ループと内ループとが面状に密着され、該ヒートパイプの平面を前記受熱部材に接続し、前記ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンが前記渦巻きのループ間の前記少 なくとも１つの平面以外の部分に配置されている構成とした。このような構成にすることによりラジエータ部の発熱素子から遠い末端部まで多くのヒートパイプにより多くの熱を移送することができるようになり、ヒートパイプの姿勢にほとんど影響を受けない、つま りヒートパイプの姿勢が変化しても性能がほとんど劣化することの無い素子放熱器を構成 することができる。

また、請求項２の発明によれば、前記長尺方向に平行な複数の細孔は蛇行するように両 端部で連通され、前記渦巻きのプレート状細孔ヒートパイプの隣り合う側面間に放熱フィンコルゲートフィンもしくはスタックフィンを配置した構成とした。この様な構成にすることにより、小型で、放熱効率の良い素子放熱器を構成することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明は、小型で、放熱効率の良い素子放熱器を提供することができる。特に放熱素子に対して放射方向に長く延びる空間に素子放熱器を配置する場合に前記効果は大きくなる。

まず、本件発明に用いるプレート状細孔ヒートパイプについて図面を参照しつつ説明する。
まず、プレート状細孔ヒートパイプは、一部の細孔の構成を除いて以下の特性を有する。
（Ａ）細孔の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（Ｂ）細孔の一部は受熱部、他の部分は放熱部となっている。
（Ｃ）受熱部と放熱部が交互に配置されており、両部の間を細孔が蛇行している。
（Ｄ）細孔内には２相凝縮性流体が封入されている。
（Ｅ）細孔の内壁は、上記作動流体が常に孔内を閉塞した状態のままで循環または移動することができる最大直径以下の径をもつ。

ここで、本発明に用いるプレート状細孔ヒートパイプについて具体的には、図１及び図２に例示するように、蛇行細孔や並列細孔が比較的薄い平板の中に作りこまれたタイプのもの、あるいは、それらの折衷型の細孔の構成がある。ここで、細孔の構成を以下の３種類のタイプに分けて例示する。
（１）プレート状非ループ型蛇行細孔ヒートパイプ（特許２７１４８８３号、ＵＳＰ５，２１９，０２０ＦＩＧ１参照）
このヒートパイプは、前記ヒートパイプの（Ａ）の特性を有しないもの、すなわち細孔の両端末が行き止まりとなっており、相互に連結されていないものである。
具体的な製造方法は、図１に示す様に、プレート状ループ型蛇行細孔ヒートパイプは、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属を押出し成形してできた多細孔プレートを用いる。この多細孔プレート５１は、全体として平板状の外形を有し、内部に平行に配置された多数の貫通細孔５７ａ及び５７ｂが押し出し成形時に形成される。該貫通細孔の端面の所定の隔壁を所定の深さだけ切除し、反対側の端面でも同様に切除する。該端面において多細孔プレートを溶接や圧設等の手段で封止することにより各細孔は端部で連通して一連の蛇行トンネル（熱媒体通路）となり、ここに作動流体を封入する。

（２）プレート状ループ型蛇行細孔ヒートパイプ（特開平４−１９００９０号、ＵＳＰ５，２１９，０２０ＦＩＧ５参照）
このヒートパイプは、前記（１）のヒートパイプの両端末の行き止まり部分が細孔で連通されているものである。

（３）プレート状並列型細孔ヒートパイプ（特開平９−３３１８１号、ＵＳＰ５，７３７，８４０ＦＩＧ７参照）
このヒートパイプは、受熱部や放熱部（あるいはその中間の部分）で、隣り合う細孔間を繋ぐ細孔を設けたものである。
具体的な製造方法は図１と同様、図２に示す様に、プレート状並列型細孔ヒートパイプは、多細孔プレート６１の内部に平行に配置された多数の貫通細孔６８ａ及び６８ｂの端面の隔壁を所定の深さだけ全て切除し、反対側の端面でも全て切除する。各細孔は端部で全て連通し並列トンネル（熱媒体通路）となり、ここに作動流体が封入される。

次に、前記プレート状細孔ヒートパイプを用いた本件発明の第一実施例に係る素子放熱器について説明する。図３は回路基板上に取り付けた状態を概念的に示す斜視図である。
図３において受熱板４は、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属からなる板状体である。図３に示す素子放熱器１の取り付け状態において、この受熱板４は、高熱伝導性グリスや熱伝導シート等を介して、ＣＰＵコア５６の表面にピッタリと当接される。

前記プレート状細孔ヒートパイプの下端には、前述の受熱板４が、ロウ付けや接着剤等を用いた熱伝導率の高い方法で取り付けられている。受熱板４の取り付けられたプレート状細孔ヒートパイプ５の部分（つまり下端部）が受熱部５ａとなる。図３に示すように、前記図１や図２で示した様な、プレート状細孔ヒートパイプ５は、正面からみて渦巻き状に折り曲げられて形成されている。基本的に細孔はプレートの長尺方向で開けられており、本件の場合折り曲げ線に垂直な方向に多細孔が配置される。

ここで、正面からみて渦巻き状に折り曲げられて形成されたプレート状細孔ヒートパイプ５の形状ついて具体的に説明する。プレート状細孔ヒートパイプ５は、受熱部５ａを底辺とすると、底辺の一端（図３の左端）からほぼ直角に上向きに折り曲げられて左側辺を形成する。この左側辺は所定の高さまで延びて、受熱部５ａと平行に且つ対向するように、ほぼ直角に右向きに折り曲げられて上辺５ｂを形成する。この上辺５ｂは放熱部となる。さらに、ほぼ直角に下向きに折り曲げられて右側辺を形成し、受熱部５ａの上面に達する。これで受熱部５ａ（底辺）、左側辺、上辺５ｂ及び右側辺からなる四角形の外ループが形成される。

外ループの受熱部５ａ（底辺）に達したプレート状細孔ヒートパイプ５は、ほぼ直角に左向きに折り曲げられて、受熱部５ａに沿って延びる第１内ループの受熱部５ｃ（底辺）を形成する。この受熱部５ｃは、外ループの手前２／３の距離まで延びると、ほぼ直角に上向きに折り曲げられて中央左側辺を形成する。この左側辺は所定の高さまで延びて、受熱部５ｃと平行に且つ対向するように、ほぼ直角に右向きに折り曲げられて第１内ループの上辺５ｄを形成する。この上辺５ｄも放熱部となる。上辺５ｄは、外ループの右側辺に達する距離の半分まで延びると、ほぼ直角に下向きに折り曲げられて中央右側辺を形成し、第１内ループの受熱部５ｃの上面に達する。これで受熱部５ｃ（底辺）、中央左側辺、上辺５ｄ及び中央右側辺からなる略四角形の内ループが形成される。

この内ループと同様にして、受熱部５ｃに沿って中央左側辺まで延びる受熱部５ｅ（底辺）が形成される。
このとき、プレート状細孔ヒートパイプ５の外ループの受熱部５ａ、内ループの受熱部５ｃ、５ｅ及び上辺放熱部５ｂ、５ｄは、互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。

外ループの左側辺と中央左側辺、中央左側辺と中央右側辺、中央右側辺と外ループ右側辺のそれぞれの間には、空間が形成される。これらの空間には、それぞれ放熱フィン７Ａ、７Ｂ及び７Ｃが配置される。放熱フィンの形状としては図４に示すようなジグザグに折り曲げた本実施例に適応したコルゲートフィンや、図５に示すような略コの字状の材質を連続的に繋げたスタックフィン等が使用される。各放熱フィン７Ａ〜７Ｃは、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料が波状に折り曲げられてなるコルゲートフィンである。放熱フィン７Ａ〜７Ｃの波状部の上面と下面は、各空間の側面を形成するプレート状細孔ヒートパイプ５に、熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で片面あるいは両面で接合されている。このようなプレート状細孔ヒートパイプ５は、コンパクトでありながら放熱面積を大きくとることができる。特に放熱素子に対して放射方向に長い放熱空間が伸びている場合、具体的には外ループ受熱部面積よりも外ループ左右側面の面積が大きい場合、放熱素子から距離の遠い放熱部まで大容量の熱を輸送することができ、各放熱フィン７Ａ〜７Ｃの末端部まで大容量の熱を移送することができ、放熱効率を上げることができる。

次に、本件発明の第二実施例に係る素子放熱器について説明する。図４は回路基板上に取り付けた状態を概念的に示す斜視図である。
図４において図３と共通する受熱板１０４、ＣＰＵコア１５６については説明を省略する。第一実施例と同様に、前記図１や図２で示した様な、プレート状細孔ヒートパイプ１０５は、正面からみて渦巻き状に折り曲げられて形成されている。

該渦巻き状のプレート状細孔ヒートパイプ１０５は放熱部１０５ａを頂辺とし、頂辺の一端（図４の左端）からほぼ垂直に下向きに折り曲げられて左側辺を形成する。この左側辺は所定の長さまで延びて、放熱部１０５ａと平行に且つ対抗するように、ほぼ直角に右向きに折り曲げられて底辺１０５ｂを形成する。
この底辺１０５ｂは受熱部となる。さらに、底辺右端部においてほぼ直角に上向きに折り曲げられて右側辺を形成し、放熱部１０５ａの下面に達する。これで放熱部１０５ａ（頂辺）、左側辺、底辺１０５ｂ及び右側辺からなる四角形の外ループが形成される。
外ループの放熱部１０５ａ（頂辺）に達したプレート状細孔ヒートパイプ１０５は、ほぼ直角に左向きに折り曲げられて、放熱部１０５ａに沿って延びる第１内ループの放熱部１０５ｃ（上辺）を形成する。この放熱部１０５ｃは、外ループの左端手前２／３の距離まで延びると、ほぼ直角に下向きに折り曲げられて中央左側辺を形成する。この左側辺は所定の長さまで延びて、放熱部１０５ｃと平行に且つ対向するように、ほぼ直角に右向きに折り曲げられて内ループの下辺１０５ｄを形成する。この下辺１０５ｄも受熱部となる。下辺１０５ｄは、外ループの右側辺に達する距離の半分まで延びると、ほぼ直角に上向きに折り曲げられて中央右側辺を形成し、内ループの放熱部１０５ｃの下面に達する。これで放熱部１０５ｃ、中央左側辺、下辺５ｄ及び中央右側辺からなる略四角形の内ループが形成される。
このとき、プレート状細孔ヒートパイプ１０５の外ループの放熱部１０５ａ、内ループの放熱部１０５ｃ及び下辺放熱部１０５ｂ、１０５ｄは、互いに熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で接合されている。
下端には、受熱板１０４が、ロウ付けや接着剤等を用いた熱伝導率の高い方法で取り付けられている。受熱板１０４の取り付けられたプレート状細孔ヒートパイプ１０５の部分（つまり下端部）が受熱部となる。

外ループの左側辺と中央左側辺、中央左側辺と中央右側辺、中央右側辺と外ループ右側辺のそれぞれの間には、空間が形成される。これらの空間には、それぞれ放熱フィン１０７Ａ、１０７Ｂ及び１０７Ｃが配置される。放熱フィンの形状としては第一実施例と同様に、図４に示すようなジグザグに折り曲げた本実施例に適応したコルゲートフィンや、図５に示すような略コの字状の材質を連続的に繋げたスタックフィン等が使用される。各放熱フィン１０７Ａ〜１０７Ｃは、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料が波状に折り曲げられてなるコルゲートフィンである。放熱フィン１０７Ａ〜１０７Ｃの波状部の上面と下面は、各空間の側面を形成するプレート状細孔ヒートパイプ１０５に、熱伝導性の高い方法（ロウ付け等）で片面あるいは両面で接合されている。このようなプレート状細孔ヒートパイプ１０５は、コンパクトでありながら放熱面積を大きくとることができる。特に放熱素子に対して放射方向に長い放熱空間が伸びている場合、具体的には外ループ受熱部面積よりも外ループ左右側面の面積が大きい場合、放熱素子から距離の遠い放熱部まで大容量の熱を輸送することができ、各放熱フィン１０７Ａ〜１０７Ｃの末端部まで大容量の熱を移送することができ、放熱効率を上げることができる。さらに第一実施例と比較して、折り曲げや接合部を減らすことができるので、製造が容易になる。

本件実施例の構成は渦巻き状に折り曲げられて形成されたプレート状細孔ヒートパイプ５の図３及び図４においてＸ方向の長さよりもＹ方向の長さが長いと場合に特に効果がある。

プレート状細孔ヒートパイプ（蛇行型）の内部を透視したものである。 プレート状細孔ヒートパイプ（並列型）の内部を透視したものである。 本発明の第一実施例を示す斜視図である。 コルゲートフィンの斜視図である。 スタックフィンの斜視図である。 本発明の第二実施例を示す斜視図である。 従来の素子放熱器を示す斜視図である。

符号の説明

１ 素子放熱器
４ 受熱板
５ プレート状細孔ヒートパイプ
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 放熱フィン
５１、６１ 多細孔プレート
５６ ＣＰＵコア
５７ａ、５７ｂ、６８ａ、６８ｂ 貫通細孔

Claims (2)

1. 発熱素子の表面に当てられる受熱部材と、該受熱部材に熱的に接続されたヒートパイプと、該ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンとを備えた素子放熱器において、前記ヒートパイプはプレート状細孔ヒートパイプで構成され、前記細孔はプレートの長尺方向に平行な複数の細孔が開けられており、前記ヒートパイプは長尺方向で渦巻き状に折り曲げられて形成され、前記渦巻き状に折り曲げられたヒートパイプは４つの平面で外ループを形成し、該平面のうち少なくとも１つの平面では前記外ループと内ループとが面状に密着され、該ヒートパイプの前記外ループと内ループとが面状に密着された平面を前記受熱部材に接続し、前記ヒートパイプの内ループは前記受熱部材を接続した平面と隣り合う前記外ロープの平面と平行に隙間を空けて平面状 に形成され、前記放熱フィンが少なくとも前記外ループの平面と平行に隙間を空けて平面状に形成された内ループの外ループ側平面と、前記外ループを形成する内平面との間に配置されており、前記外ループの受熱部材を接続した平面の面積よりも前記外ループ受熱部材を接続した平面に隣接する平面の面積のほうが大きいことを特徴とする素子放熱器。
2. 前記放熱フィンとしてコルゲートフィンもしくはスタックフィンを配置したことを特徴とする請求項１に記載の素子放熱器。

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