JPH0629683A - 電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニット - Google Patents

電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニット

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JPH0629683A
JPH0629683A JP5054804A JP5480493A JPH0629683A JP H0629683 A JPH0629683 A JP H0629683A JP 5054804 A JP5054804 A JP 5054804A JP 5480493 A JP5480493 A JP 5480493A JP H0629683 A JPH0629683 A JP H0629683A
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heat
heat pipe
heat dissipation
fin
pipe type
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JP5054804A
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Suemi Tanaka
末美 田中
Jiyunji Sotani
順二 素谷
Kenichi Nanba
研一 難波
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子部品などの熱発生部品の熱をヒートパイ
プを用いて放熱する電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニ
ットに関し、放熱性能の向上と省スペース化を図ること
を目的とする。 【構成】 熱を発生する電子部品の熱をヒートパイプの
蒸発部から吸収し、この吸収した熱をヒートパイプの凝
縮部に取り付けた放熱部材から放熱する放熱ユニットで
あって、放熱部材は内部にヒートパイプの凝縮部が挿着
される平板状の熱伝導部材と放熱フィンとから構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子部品などの熱発生
部品の熱をヒートパイプを用いて放熱する電子機器用ヒ
ートパイプ式放熱ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】最近の電子機器装置では、ＬＳＩ（大規
模集積回路）などの熱発生部品をプリント基板上に高密
度で実装し、このプリント基板を架（キャビネット）の
中に小さなピッチで多数枚収納するようになっている。
このため、電子機器装置内での発熱量が著しく増大し、
ファンユニットを用いた従来の強制空冷方式では冷却能
力に限界がきている。しかし、放熱器の実装スペースは
ますます狭くなりつつあり、電子機器装置の熱放散は極
めて困難な状況になりつつある。
【０００３】そこで、熱発生部品上にヒートパイプを取
り付け、蒸発部で吸収した熱を凝縮部に伝達して放熱す
る冷却構造が用いられるようになっている。ヒートパイ
プは大きな潜熱を蒸気で高速輸送するため、ほとんど温
度差なしで熱輸送でき、しかも優れた熱応答性が得られ
るため、ＬＳＩなどの半導体素子の冷却に幅広く使用さ
れ始めている。
【０００４】図１０は、ヒートパイプを利用した従来の
放熱ユニットの一例を示す概略的斜視図である。この放
熱ユニットはプリント基板２に実装したＬＳＩ３などの
熱発生部品をヒートパイプ１の蒸発部（吸熱部）に直接
または冷却板４を介して接触させ、プレート型の放熱フ
ィン５をヒートパイプ１の凝縮部（放熱部）に直接取り
付け、放熱フィン５からＬＳＩ３の発生熱を外気中に拡
散させている。ヒートパイプ１の凝縮部に取り付ける放
熱部材の構造としては、図１０に示すプレート型のほか
にも、フィンと熱伝導板とをアルミ押し出し材で一体成
形した図１１に示すような構造の放熱部材６も登場して
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電子機器装
置の性能を向上させるためには、前述したようにプリン
ト基板上に電子部品を高密度で実装し、同時に隣接する
プリント基板間のピッチを小さくして架内に収納する必
要がある。近年、この傾向はさらに進み、これに伴って
発生する熱量も大幅に増大する傾向にある。
【０００６】このように、プリント基板間のピッチが小
さくなって熱発生量が増大すると、発熱素子の上にフィ
ンを直接取り付ける従来の放熱方式では全く対応できな
いのはもちろんのこと、ヒートパイプを使用した前述の
放熱ユニットでも放熱対応が難しくなってきている。例
えば、図１０に示す放熱ユニットの放熱部分の大きさは
寸法ａがプリント基板２の大きさから、寸法ｂが基板２
間のピッチから、寸法ｃが架の大きさからそれぞれ決ま
るため、高密度実装になるほど放熱容積が小さくなる。
したがって、放熱部分の高性能化が必要となるが、図１
０に示すプレート型の放熱フィン５では、ヒートパイプ
１からの熱がヒートパイプ１から遠い部分Ｙまでには充
分に伝わらないため、放熱性能の向上には限界がある。
また、図１１に示す放熱ユニットでは、放熱部材６全体
が均一温度に近くなるものの、放熱面積が小さく、やは
り放熱性能の向上には限界がある。
【０００７】そこで、本発明はヒートパイプ式放熱ユニ
ットの放熱性能の向上と省スペース化とを図ることを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による電子機器用
ヒートパイプ式放熱ユニットは、熱を発生する電子部品
の熱をヒートパイプの蒸発部から吸収し、この吸収した
熱をヒートパイプの凝縮部に取り付けた放熱部材から放
熱する放熱ユニットであって、放熱部材は内部にヒート
パイプの凝縮部が挿着される平板状の熱伝導部材と放熱
フィンとから構成される。
【０００９】この場合、ヒートパイプの形状として、蒸
発部および凝縮部の断面形状が偏平形状となるように構
成すること、加えて凝縮部の断面形状が蒸発部の断面形
状に比べて偏平率が大きくなるように構成すること、し
かしながら蒸発部と凝縮部の中間部分の断面形状は略円
形とすること等の実施態様が考えられる。
【００１０】また、放熱フィンの態様としては、薄板か
ら成形されたフィン部材で構成すること、あるいは切り
起こしフィンで構成すること、線材から構成すること、
さらには波状に成形されたフィン部材で構成すること、
波状に成形されたフィン部材と平板状に成形されたフィ
ン部材とを交互に積層して構成すること、さらには波状
に成形されたフィン部材の波を所定の間隔毎にずらせて
構成すること等の実施態様が考えられる。
【００１１】
【作用】本発明において、ＬＳＩ等の熱発生部品で発生
した熱はヒートパイプの蒸発部を加熱し、内部に密閉さ
れている作動流体を温めて蒸発させる。これによりヒー
トパイプの蒸発部空間内の蒸気圧が高まり、蒸気流が圧
力の低い凝縮部へと生じる。凝縮部へ移動した蒸気の熱
は、平板状に形成した熱伝導部材に伝わり、熱伝導部材
に取り付けた放熱フィンの全表面から大気中に放散され
る。
【００１２】熱伝導部材はヒートパイプの凝縮部からの
熱を拡散によりヒートパイプから離れた位置にも伝達で
きるため、全体がほとんど均一な温度になる。また、熱
伝導部材には、薄板、切り起こし、あるいは線材からな
る単位体積当たりの表面積の大きい放熱フィンが取り付
けられているが、放熱フィンの熱伝導部材から離れた位
置でも大きな温度降下は生じず、放熱フィン全体がほと
んど均一な温度になる。したがって、ヒートパイプの凝
縮部からの熱は熱伝導部材および放熱フィンの全体、す
なわち放熱部材全体に万遍なく伝わり、これにより表面
積の大きいフィンの全体が十分に放熱効果をあげるの
で、本発明のヒートパイプ式放熱ユニットは優れた放熱
性能を発揮する。
【００１３】ヒートパイプについては、従来から多く用
いられている全長にわたって断面形状が略円形であるヒ
ートパイプを用いても、本発明の放熱ユニットは十分に
効果を発揮するものであるが、ヒートパイプの蒸発部に
ついては基板間ピッチというスペースの制限および吸熱
性能の向上のために、また凝縮部については熱伝導部材
の厚さがヒートパイプの取り付け位置と放熱フィンの容
積とで決まるため一概には言えないが、通常薄いところ
に最適値があるために、断面形状をそれぞれ偏平とする
ことが好ましく、さらに空冷時の風圧の圧損を考える
と、蒸発部よりも凝縮部の偏平率を大きくすることが好
ましい。
【００１４】また、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部との
中間部分については断面形状が偏平でも本発明の放熱ユ
ニットは十分に効果を発揮するものであるが、ヒートパ
イプの熱輸送量は断面形状が円形のときが最も高くなる
ことから、中間部分の断面形状は円形に近い形状にする
と、より好ましい。
【００１５】本発明における薄板から成形されたフィ
ン、切り起こしフィン、線材からなる例えばピンフィン
やワイヤフィンは、単位体積当たりの表面積が大きく、
かつその重量は小さいため電子機器用の放熱ユニットに
適している。
【００１６】また、放熱フィンを薄板から成形する場合
は、薄板を波状に成形すれば単位体積当たりの表面積の
大きい放熱フィン部材を製造することが容易であるので
好ましく、波状のフィン部材と平板状のフィン部材とを
交互に積層して構成すれば、放熱フィンの組み立てが容
易であり好ましい。さらに、波状のフィン部材の波を所
定の間隔毎にずらして構成すれば、空冷の風の流れに渦
が生じてさらなる放熱性能の向上が図れるため、より好
ましい。
【００１７】なお、本発明では、ヒートパイプ、熱伝導
部材および放熱フィンの材質として銅、アルミニウムお
よびそれらの合金等、熱伝導性のよいものが選択され
る。
【００１８】
【実施例】図１および図２は、本発明によるヒートパイ
プ式放熱ユニットの一実施例を示す概略的斜視図および
側面図であり、図１０に示す構成と同一部分には同一符
号を付して説明する。
【００１９】本実施例による放熱ユニットは、２本の偏
平状のヒートパイプ１の蒸発部（吸熱部）に冷却板４を
取り付け、凝縮部（放熱部）に熱伝導板１０を取り付
け、熱伝導板１０の表面および裏面に放熱フィン１１を
取り付ける構造となっている。冷却板４は本体４ａと蓋
体４ｂとからなり、本体４ａの表面に穿設した溝部にヒ
ートパイプ１の蒸発部を固定し、その上に蓋体４ｂを被
せてプリント基板２にネジで固着するようにしている。
また、本体４ａの裏面は熱伝導性のよい高熱伝導ゴム７
を介してプリント基板２に実装されているＬＳＩ３が接
触している。
【００２０】熱伝導板１０はアルミニウム製の２枚の板
を貼り合わせた厚さ２.5mmの平板状の構造を有し、その
一方または双方の板に穿設した溝部内にヒートパイプ１
の凝縮部を固定する構造となっている。この熱伝導板１
０はプリント基板２を架内に装着したときに架外にはみ
出るように取り付けられている。
【００２１】熱伝導板１０の表面および裏面に半田付け
などによって固着される放熱フィン１１はアルミニウム
製で、図３に示すように、厚さ０.1mmの平板状のフィン
部材１１ａの両面に、矩形波状にプレス加工した同一形
状のフィン部材１１ｂおよび１１ｃをロウ付けなどで固
着した構造となっている。この熱伝導板１０および放熱
フィン１１によって放熱部材が構成される。
【００２２】フィン部材１１ｂ，１１ｃは厚さ（ｔ）0.
３mmのアルミ板を幅（ｗ）２mm、高さ（ｈ）２mmの矩形
波状にプレス加工し、さらに奥行き（ｄ）４mm毎に幅方
向Ｗの位相をずらせた構造となっている。このフィン部
材１１ｂ，１１ｃは幅方向Ｗとヒートパイプ１の長手方
向とが一致するように取り付けられている。空冷の風は
フィン部材１１ｂ，１１ｃの奥行き方向Ｄに吹くように
ファンユニット（図示せず）を設置する。
【００２３】この構成において、ＬＳＩ３で発生した熱
は高熱伝導ゴム７を経て冷却板４に伝わり、ヒートパイ
プ１の蒸発部を加熱して内部に密閉されている作動流体
を温めて蒸発させる。これによりヒートパイプ１の蒸発
部空間内の蒸気圧が高まり、圧力の低い凝縮部へと蒸気
流が生じる。凝縮部へ移動した蒸気の熱は、熱伝導板１
０を経て放熱フィン１１に伝わり、空気と接触する放熱
フィン１１の全表面から大気中に放散される。
【００２４】熱伝導板１０はヒートパイプ１の凝縮部か
らの熱をヒートパイプ１から遠い部分にも伝えることが
出来るため、熱伝導板１０はほとんど均一温度になる。
熱伝導板１０に取り付けられている放熱フィン１１は、
単位体積当たりの表面積が従来のフィン部材に比べて２
倍以上ある。熱伝導板１０からの距離はフィン部材１１
ｂを３層ほど積層しても短いので、熱伝導板１０から最
も遠い部分でも大きな温度降下は生じない。したがっ
て、放熱フィン１１は全体がほとんど均一な温度にな
り、表面積が大きくなった分だけ放熱効果が向上する。
そのうえ、フィン部材１１ｂ，１１ｃは一定間隔で半ピ
ッチずれた構成になっているので、空冷の風の流れに渦
が生じて放熱性能が大きく向上し、表面積が大きくなっ
た以上に性能が向上する。
【００２５】図４に、従来の放熱ユニットと本発明の放
熱ユニットとの性能を比較したグラフを示す。図中、横
軸はＬＳＩ１個当たりの発熱量Ｑ〔ワット〕、縦軸はＬ
ＳＩのケース上昇温度ΔＴ〔℃〕である。
【００２６】図中、ラインＡはヒートパイプ１にプレー
ト型の放熱フィン５を取り付けた従来の放熱ユニットＡ
（図１０）、ラインＢはヒートパイプ１にフィンと熱伝
導板とが一体の放熱部材６を取り付けた従来の放熱ユニ
ットＢ（図１１）、ラインＣはヒートパイプ１に矩形波
状に成形した放熱フィン１１を直接ロウ付けした放熱ユ
ニットＣ、ラインＤはヒートパイプ１に平板状の熱伝導
板１０と矩形波状の放熱フィン１１とからなる本発明に
よる放熱部材を取り付けた放熱ユニットＤ（図１）のそ
れぞれの性能を示すものである。
【００２７】なお、各放熱ユニットのプリント基板２側
は全く同じ構造とし、プリント基板２に発熱量１５ワッ
トのＬＳＩを４個取り付け、かつ９本のネジでプリント
基板２に冷却板４を取り付けた構造となっている。ま
た、各放熱部材の放熱フィンの放熱体積は等しく取り、
ヒートパイプ１は１.5mm×５mmの偏平の形状のものを２
本使用した。また、プリント基板２間のピッチは１０mm
とし、放熱部材に当たる空気の風速は３ｍ／sec で一定
とした。
【００２８】一般にＬＳＩの許容最高温度は制限されて
おり、今回使用したＬＳＩではケース温度で４０℃まで
の上昇しか許容できない。したがって、図４から明らか
なように、ＬＳＩの許容発熱量は放熱ユニットＡで４.7
ワット、放熱ユニットＢで５ワット、放熱ユニットＣで
７ワット、放熱ユニットＤで１５ワットとなる。なお、
今回実施した基板間ピッチでは、ヒートパイプを用いず
にＬＳＩの上に直接放熱フィンを取り付ける構造では、
２ワットまでしか許容できない。
【００２９】放熱ユニットＣのように、本発明の構成の
うち熱伝導板１０を省略して放熱フィン１１を直接ヒー
トパイプ１に取り付けると、放熱面積は大きくなるもの
の放熱フィン１１自体に大きな温度分布が生じ、その先
端近辺やヒートパイプから遠い部分の放熱効果はほとん
どなくなってしまう。このことによっても本発明の構成
による放熱ユニットＤによって放熱性能が大幅に向上す
ることが分かる。
【００３０】図５は、放熱フィン１１の他の実施例を示
す構成図である。図（ａ）に示す実施例は、平板状のフ
ィン部材１１ａを省略し、矩形波状のフィン部材１１ｂ
および１１ｃを積み重ねて構成したものである。また、
図（ｂ）に示す実施例は、フィン部材１１ｂおよび１１
ｃを台形状に変形し、フィン部材１１ｂ′および１１
ｃ′として積み重ねて構成したものである。なお、フィ
ン部材を複数段積み重ねるスペースがないような場合に
は、波状に成形したフィン部材を単層取り付けるだけで
もよい。
【００３１】図６は、本発明による放熱ユニットの他の
実施例を示す構成図である。本実施例では、ヒートパイ
プ１の蒸発部および凝縮部の断面形状を偏平形状とし、
両部の中間部１ａの断面形状を円形としたことを特徴と
する。凝縮部の断面形状の偏平率は蒸発部の断面形状の
偏平率に比べて大きく取り、空冷の風向きに対して垂直
方向の断面積を小さく取ることによって同じスペース内
でのフィン面積を増加させ、さらに風圧の圧損を減少さ
せて放熱効果を向上させている。また、ヒートパイプ１
は中間部１ａの断面形状を円形にすることにより、ヒー
トパイプ１の性能を最大限に発揮するように構成してい
る。
【００３２】図７〜図９は、それぞれ本発明によるヒー
トパイプ式放熱ユニットの他の実施例を示す概略的斜視
図で、とくに放熱フィンの他の実施例を示すものであ
る。これらの各実施例において、図７に示す放熱ユニッ
トは、熱伝導板１０に取り付けられる放熱フィン１１が
正弦波状に波打った形状の多数本の線材を併設して構成
したワイヤフィン１２となっており、この構成において
も単位体積当たりの表面積が大きく、かつ重量の小さい
放熱効果の優れた放熱部材を提供することが出来る。
【００３３】図８に示す放熱ユニットは、熱伝導板１０
に取り付けられる放熱フィン１１が多数のピン状の線材
を直立して構成したピンフィン１３からなるものであ
る。また、図９に示す放熱ユニットは、熱伝導板１０に
取り付けられる放熱フィン１１が多数の平板を弓状に切
り起こした切り起こしフィン１４からなるものである。
これらの各構成においても単位体積当たりの表面積が大
きく、かつ重量の小さい放熱効果の優れた放熱部材を提
供することが出来る。
【００３４】なお、前述の実施例においては、フィン部
材の波の方向がヒートパイプの長手方向と一致するよう
に放熱フィンを取り付けるようにしたが、ヒートパイプ
の長手方向と直行する方向に放熱フィンを取り付けるよ
うにしてもよい。また、薄板を波状に成形して構成する
フィン部材は、前述の実施例では矩形波状に加工したフ
ィン部材を用いるようにしたが、これに限らず、例えば
正弦波状に加工した波状のフィン部材を用いるようにし
てもよい。熱伝導部材についても前述の実施例では２分
割方式としたが、これに限るものではない。
【００３５】また、前述の実施例においては、熱伝導部
材の両面にフィン部材を取り付けるようにしたが、これ
に限らず、熱伝導部材の片面のみに取り付けるようにし
てもよい。このようにすれば、さらなる省スペース化が
可能となる。さらに、本発明における各種のフィン部材
とヒートパイプとの組み合わせについては、前述した実
施例に特に限定されるものではなく、ユニットのスペー
スや要求性能等により適宜決定されるものである。
【００３６】
【発明の効果】本発明によれば、熱を発生する電子部品
の熱を放熱するヒートパイプを使用した放熱ユニットの
放熱性能の大幅な向上と省スペース化が可能となる。ま
た、省スペース化が図れることにより、高密度実装によ
る発熱量の増大にも対応でき、工業的に顕著な効果を奏
することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による放熱ユニットの一実施例を示す概
略的斜視図である。
【図２】図１に示す放熱ユニットの概略的側面図であ
る。
【図３】本発明による放熱ユニットの放熱フィンの一実
施例を示す構成図である。
【図４】各放熱ユニットの性能を比較した特性図であ
る。
【図５】本発明による放熱ユニットの放熱フィンの他の
実施例を示す構成図である。
【図６】本発明による放熱ユニットの他の実施例を示す
概略的側面図である。
【図７】本発明による放熱ユニットの他の実施例を示す
概略的斜視図である。
【図８】本発明による放熱ユニットの他の実施例を示す
概略的斜視図である。
【図９】本発明による放熱ユニットの他の実施例を示す
概略的斜視図である。
【図１０】従来の放熱ユニットを示す概略的斜視図であ
る。
【図１１】従来の放熱ユニットを示す概略的斜視図であ
る。
【符号の説明】
１ ヒートパイプ ２ プリント基板 ３ ＬＳＩ ４ 冷却板 ７ 高熱伝導ゴム １０ 熱伝導板 １１ 放熱フィン

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱を発生する電子部品の熱をヒートパイ
    プの蒸発部から吸収し、この吸収した熱を前記ヒートパ
    イプの凝縮部に取り付けた放熱部材から放熱する放熱ユ
    ニットにおいて、 前記放熱部材は内部に前記ヒートパイプの凝縮部が挿着
    される平板状の熱伝導部材と放熱フィンとからなること
    を特徴とする電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニット。
  2. 【請求項２】 前記ヒートパイプは、前記蒸発部および
    前記凝縮部の断面形状が偏平形状であることを特徴とす
    る請求項１記載の電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニッ
    ト。
  3. 【請求項３】 前記ヒートパイプは、前記蒸発部および
    前記凝縮部の断面形状が偏平形状であって、かつ前記凝
    縮部の断面形状が前記蒸発部の断面形状に比べて偏平率
    が大きいことを特徴とする請求項１記載の電子機器用ヒ
    ートパイプ式放熱ユニット。
  4. 【請求項４】 前記ヒートパイプの前記蒸発部と前記凝
    縮部の中間部分の断面形状が略円形であることを特徴と
    する請求項２または３記載の電子機器用ヒートパイプ式
    放熱ユニット。
  5. 【請求項５】 前記放熱フィンは、薄板から成形された
    フィン部材であることを特徴とする請求項１ないし４の
    いずれかに記載の電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニッ
    ト。
  6. 【請求項６】 前記放熱フィンは、波状に成形されたフ
    ィン部材であることを特徴とする請求項５記載の電子機
    器用ヒートパイプ式放熱ユニット。
  7. 【請求項７】 前記放熱フィンは、波状に成形されたフ
    ィン部材と平板状に成形されたフィン部材とを交互に積
    層してなることを特徴とする請求項５記載の電子機器用
    ヒートパイプ式放熱ユニット。
  8. 【請求項８】 前記放熱フィンは、前記波状に成形され
    たフィン部材の波を所定の間隔毎にずらせて構成してな
    ることを特徴とする請求項６または８記載の電子機器用
    ヒートパイプ式放熱ユニット。
  9. 【請求項９】 前記放熱フィンは、切り起こしフィンで
    あることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記
    載の電子機器用ヒートパイプ式放熱ユニット。
  10. 【請求項１０】 前記放熱フィンは、線材からなること
    を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電子
    機器用ヒートパイプ式放熱ユニット。
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