JPH10267571A - 板型ヒートパイプとそれを用いた冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実装された複数の半導体素子等の冷却を効率
的に実現させること。 【解決手段】 複数個の被冷却素子２０〜２２と板型
ヒートパイプ１０とが相対しており、その距離に従って
所定の凸部１３を設けた板型ヒートパイプ１０。これを
適用した冷却構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は板型ヒートパイプと
それを用いた、半導体素子等の被冷却素子の冷却構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】パソコン等の各種機器や電力設備等の電
気・電子機器に搭載されている半導体素子等の電子部品
は、その使用によってある程度の発熱が避けがたく、近
年はその冷却が重要な技術課題となりつつある。冷却を
要する電気・電子素子（以下被冷却素子と称する）を冷
却する方法としては、例えば機器にファンを取り付け、
機器筐体内の空気の温度を下げる方法や、被冷却素子に
冷却体を取り付けることで、その被冷却素子を特に冷却
する方法等が代表的に知られている。

【０００３】被冷却素子に取り付ける冷却体として、例
えば銅材やアルミニウム材などの伝熱性に優れる材料の
板材が適用されている。このような板材に放熱用のフィ
ンを取り付けたり、或いはこの板材とフィンとを一体成
形（鋳造や鍛造等による）したものを用いると一層効果
的である。尚、この種の冷却体はヒートシンク等と呼称
されることもある。

【０００４】近年は、被冷却素子に取り付ける冷却体と
して、単なる伝熱性の金属材ではなく、ヒートパイプ構
造の冷却体、或いは例えば銅材やアルミニウム材などの
伝熱性に優れる板材にヒートパイプを取り付けた形態の
ものが提案、実用化されている。

【０００５】ヒートパイプは密封された空洞部を備えて
おり、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動
により熱の輸送が行われるものである。もちろん、ヒー
トパイプを構成する容器（コンテナ）を熱伝導すること
で運ばれる熱もあるが、ヒートパイプは主に作動流体に
よる熱移動作用を意図した熱移動装置である。

【０００６】ヒートパイプの作動について簡単に記すと
次のようになる。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（コンテナ）の材質中
を熱伝導して伝わってきた熱により、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
側では、作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻
る。そして液相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
り、熱の移動がなされる。

【０００７】重力式のヒートパイプの場合は、相変態に
より液相状態になった作動流体は、重力または毛細管作
用等により、吸熱側に移動（還流）するようになってい
る。この場合、吸熱側を放熱側より下方に配置すればよ
い。

【０００８】ヒートパイプ内の作動流体としては通常、
水や水溶液、アルコール、その他有機溶剤等が使用され
る。特殊な用途としては水銀を作動流体に用いる場合も
ある。前述したようにヒートパイプは内部の作動流体の
相変態等の作用を利用するものであるから、密封された
内部への作動流体以外のガス等の混入をなるべく避ける
ように製造されることになる。このような混入物は通
常、製造途中に混入する大気（空気）や作動流体中に溶
存している炭酸ガス等である。

【０００９】ヒートパイプの形状は、代表的な丸パイプ
形状のものの他、近年は平面型のヒートパイプのものも
注目されている。平面型のヒートパイプはその形状から
半導体素子等の被冷却素子と広い面積で接触させやすい
等の利点がある。

【００１０】このような平面型ヒートパイプとして、２
枚の平板をその間に空洞部が形成されるように溶接等に
よって接合したものや、離型剤を一部塗布した２枚の平
板を接合後、膨らませて空洞部を形成したもの等が提案
されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ヒートパイプを用い
て、例えばプリント基板に実装された半導体素子等（被
冷却素子）を冷却する方法として、プリント基板の実装
面側の上方にヒートパイプを配置して、冷却すべき半導
体素子と接触させる方法がある。この場合、ヒートパイ
プと半導体素子とは伝熱グリス等を介在させて接触させ
ても良い。

【００１２】しかしプリント基板に実装された半導体素
子は一つとは限らない。冷却が必要な素子も複数存在す
る場合があるが、これら複数の半導体素子は全て同じ形
状のものとは限らず、またその発熱量も一定ではない場
合が通常である。従って、単なる平板形態のヒートパイ
プでは、これら冷却が必要が半導体素子の全てを一つの
平板形態のヒートパイプに接触させることが難しい。

【００１３】そこで複数のヒートパイプを用意し、個々
の素子毎にヒートパイプを接触させる方法も考えられる
が、このような方法（形態）では、プリント基板周辺の
スペース上の問題や、また複数のヒートパイプを用いる
コスト面において問題が多い。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上述のような事
情を鑑みてなされたものである。本発明の板型ヒートパ
イプは、複数の被冷却素子が実装された基板に相対して
設けられる板型ヒートパイプであって、前記板型ヒート
パイプはそれと相対する前記被冷却素子との距離に従っ
て所定の凸部が設けられているものである。また、複数
の被冷却素子が実装された基板に相対して設けられる板
型ヒートパイプであって、前記被冷却素子と相対する側
の前記板型ヒートパイプのコンテナ壁が、相対する前記
被冷却素子との距離に従って凸部形状に成形された形態
の板型ヒートパイプでも良い。

【００１５】また、上述の板型ヒートパイプにおいて、
内部に一つまたは複数のメッシュを設けてもよい。ま
た、前記凸部内部の少なくとも一部には、前記板型ヒー
トパイプと前記被冷却素子とが相対する方向に沿ってメ
ッシュあるいは、伝熱金属体を備えると良い。この場合
のメッシュは巻き形態である場合もある。

【００１６】その他、前記凸内部には、前記板型ヒート
パイプと前記被冷却素子とが相対する方向に支持体が備
わる場合もある。その支持体に替わり、或いは併用に
て、前記板型ヒートパイプの前記被冷却素子と相対する
側またはその対面側のコンテナ壁にエンボス部を設け、
当該エンボス部を対面するコンテナ壁に接合する場合も
ある。

【００１７】また本発明では、上記板型ヒートパイプの
前記凸部と被冷却素子とを熱的に接続した板型ヒートパ
イプを用いた冷却構造も提案する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の板型ヒートパイプ
とそれを用いた冷却構造を説明するためのものであり、
図１（ア）はその一部断面図である。板型ヒートパイプ
１０の図面における下側には半導体素子等の冷却すべき
被冷却素子２０、２１、２２がプリント基板３０に実装
されている（図１（ア））。尚、尚、この例では冷却す
べき素子の数は３個になっているがこれに限られること
はない。図中の符号２３は被冷却素子２０、２１、２２
のリードである。

【００１９】これら被冷却素子２０、２１、２２のプリ
ント基板３０からの高さは各々異なっている。板型ヒー
トパイプ１０は、被冷却素子２０、２１、２２が実装さ
れた基板に相対して設けられている。そして板型ヒート
パイプ１０には、相対する被冷却素子２０、２１、２２
との距離に従って所定の凸部１３が備わっている。従っ
て被冷却素子２０、２１、２２の高さが各々異なってい
ても、これらの被冷却素子２０、２１、２２を一つの板
型ヒートパイプ１０に熱的な接触をさせることができ
る。

【００２０】尚、被冷却素子２０、２１、２２と板型ヒ
ートパイプ１０との接触は、直接接触させても良いし、
伝熱シートや伝熱グリス等を介在させて接触させても良
い。或いは半田等により接合する場合もある。被冷却素
子２０、２１、２２から板型ヒートパイプ１０に伝わっ
た熱は概ねフィン３１を経て放熱される。図１では被冷
却素子２０、２１、２２と板型ヒートパイプ１０との間
に存在する伝熱シートや伝熱グリス等は図示を省略して
ある。

【００２１】図１（イ）は図１の板型ヒートパイプ１０
の組み立て状況を示す説明図である。上板１１０と、凸
部１３０、１３１、１３２が設けられた下板１１１とを
接合して図１に示されるコンテナ１１を組み立てる。こ
の上板１１０と下板１１１との間に図１（ア）における
空洞部１２が形成される。板型ヒートパイプ１０を構成
する上板１１０や下板１１１等は熱伝導性に優れる銅材
やアルミニウム材を用いると望ましい。図１（ア）では
省略してあるが、この空洞部１２内には適宜作動流体が
収容されている。作動流体はコンテン１１の材質との適
合性その他を考慮して選定すれば良い。例えば水、代替
フロン、フロリナート等が適用できる。また、作動流体
の蒸発、凝縮の相変化がなされやすいように、空洞部１
２の内部は洗浄や、真空脱気等がなされている。

【００２２】尚、被冷却素子２０、２１、２２の熱は概
ねフィン３１を経て外に放出されるが、図３に示すよう
に、その放熱をより効率的にするためファン３１０を取
り付けもよい。

【００２３】図２は本発明の板型ヒートパイプの他の例
を示す説明図である。図１に示される板型ヒートパイプ
１０では、空洞部１２が概ねコンテナ１１の外形に追随
したような形状になっているが、図２に示すように、空
洞部１６は必ずしもコンテナ１５の外形に追随した形状
を有していなくてもよい。

【００２４】図１に示した板型ヒートパイプは、その空
洞部１２内にメッシュ等が備わっていないものである
が、図４に示すように、この空洞部１２内にメッシュ４
０を配置すると、その毛細管作用による性能向上が望め
る。メッシュとは通常は網状のシートを指すが、これが
コンテナ１１の下壁に設けられた凸部の部分になるべく
沿って配置されるように、適宜、メッシュ４０に絞り加
工や切り込み加工を施すと良い。

【００２５】図４の板型ヒートパイプ１０では、コンテ
ナ１１の下壁側にのみメッシュ４０を設けた場合である
が、図５に示すように、コンテナ１１の上壁側にもメッ
シュ４００を設けてもよい。こうすることで、ヒートパ
イプとして放熱部（凝縮部）の面積が実質増大し、一層
の性能向上が望めるからである。コンテナ１１の上壁側
にメッシュ４００が保持されるようにするには、例えば
メッシュ４００をコンテナ１１に接合したりすれば良
い。接合方法は抵抗溶接法が簡易に適用できる。或い
は、メッシュのシートを丸め、メッシュ自体のバネ力に
より、メッシュの一部がコンテナ１１の上壁側に接触す
るようにすることもできる。

【００２６】図６は２つの形態のメッシュを空洞部１２
内に設けた例を示すものである。この例では、メッシュ
４０の他に、凸部から板型ヒートパイプの厚さ方向に立
ち上がった形態のメッシュ４１を設けてある。メッシュ
４１は図７に示すように、メッシュのシートを丸めて渦
巻き状にしたものである。このメッシュ４１はコンテナ
１１の下壁や上壁と接合させると、これらとの熱抵抗が
小さくなって望ましい。この際、渦巻き状のメッシュ４
１の下部や上部に切り込み等を設け、コンテナ１１の下
壁や上壁との接合面積を増大させると良い。

【００２７】このように凸部から板型ヒートパイプの厚
さ方向に立ち上がった形態のメッシュ４１は、被冷却素
子２０、２１、２２の内、最も熱流速の大きな素子（こ
の例では例えば被冷却素子２１を最も熱流速の大きな素
子としている）の部分に設けると特に望ましい。メッシ
ュ４１を設けることで、被冷却素子２１の熱を受けて作
動流体が蒸発するための蒸発部分の表面積が実質増大す
るからである。

【００２８】図８（ア）に示すものは、メッシュ５２の
他に、凸部から板型ヒートパイプの厚さ方向に立ち上が
った形態の伝熱金属体５３を設けたものである。この伝
熱金属体５３の形状は任意であるが、例えば図８（イ）
に正面図を示す伝熱金属体５３のような表面に凹凸面を
有するものにすると、その表面積が増大し望ましい。こ
の伝熱金属体５３はコンテナ５０の下壁や上壁とろう付
け法や溶接等によって接合すると良い。この伝熱柱５３
は冷却すべき素子の内、最も熱流速の大きな素子に該当
する凸部に備えると良い。伝熱柱５３を設けることで、
蒸発部分の表面積が実質増大する。

【００２９】ところで、板型ヒートパイプは、その運転
に際し、内部の作動流体の蒸発に伴う内圧の上昇が生ず
る。このとき板型の板厚方向に膨らみやすい。そこで、
内圧上昇による板型ヒートパイプのコンテナの変形を抑
制する意味で、図９に示すような支持体６３を設けると
良い。この支持体６３は板型ヒートパイプの上下のコン
テナ壁に接合されて、膨らみを抑制する支柱の機能を奏
する。

【００３０】或いは、図１０に示すように、コンテナ７
０自体にエンボス加工によるエンボス部７００を設け、
これを支柱として働かせても良い。またこれら支持体６
３やエンボス７００は、その両方を併用しても構わな
い。

【００３１】図１１はメッシュのシートを丸めたものに
支柱の機能を持たせたものである。尚、図６の例におけ
るメッシュ４１や図８における伝熱金属体５３について
も、これらを上下のコンテナ壁に接合することで、支柱
の機能を併せ持たせることも可能である。

【００３２】図１２は本発明の板型ヒートパイプに設け
るメッシュの一例を説明する平面図である。この例のメ
ッシュ９では、シート状のメッシュシート９２の他に、
その中央付近には、図の手前側に立ち上げる渦巻き形態
のメッシュ９１が、左上と右下付近には、シート状のメ
ッシュ９２の一部に切り込みを入れ、それを図の手前側
に立ち上げた形態のメッシュ立ち上がり部９０が設けら
れている。

【００３３】上述した本発明の板型ヒートパイプは、実
装高さが各々異なる複数の被冷却素子との熱的な接続が
容易であり、スペース効率等で有効な冷却構造を実現す
るものである。また、適宜メッシュを設けることで、発
熱量の異なる被冷却素子の冷却も効率的に行うことがで
きる。メッシュは本発明の板型ヒートパイプの耐圧生向
上にも寄与させることも可能である。また本発明の板型
ヒートパイプに適宜支柱を設けることで、蒸発部の面積
を増大させたり、或いは耐圧性を高めることもできる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明の板型ヒートパイプ
は、複数の被冷却素子の冷却に適したものであり、実装
された複数の被冷却素子の高さが各々異なっている場合
や、各々の被冷却素子の熱流速が異なる場合でも、これ
らの効率的な冷却構造が実現するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる板型ヒートパイプの一例とそれ
を用いた冷却構造の一例を示す説明図である。（ア）は
その一部断面図、（イ）は（ア）の板型ヒートパイプ１
０の組み立て状況を示す説明図である。

【図２】本発明に係わる板型ヒートパイプの一例とそれ
を用いた他の冷却構造を示す説明図である。

【図３】本発明に係わる板型ヒートパイプの一例とそれ
を用いた他の冷却構造を示す説明図である。

【図４】本発明に係わる板型ヒートパイプの他の例とそ
れを用いた冷却構造を示す説明図である。

【図５】本発明に係わる板型ヒートパイプの他の例とそ
れを用いた冷却構造を示す説明図である。

【図６】本発明に係わる板型ヒートパイプの他の例とそ
れを用いた冷却構造を示す説明図である。

【図７】図５のメッシュ４１を示す説明図である。

【図８】（ア）は本発明に係わる板型ヒートパイプの他
の例を示す説明図である。（イ）は（ア）の伝熱柱５３
を示す説明図である。

【図９】本発明に係わる板型ヒートパイプの他の例を示
す説明図である。

【図１０】本発明に係わる板型ヒートパイプの他の例を
示す説明図である。

【図１１】本発明に係わる板型ヒートパイプの他の例を
示す説明図である。

【図１２】本発明の板型ヒートパイプの内部に備わるメ
ッシュの一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ 板型ヒートパイプ １１ コンテナ １１０ 上板 １１１ 下板 １２ 空洞部 １３ 凸部 １３０、１３１、１３２ 凸部 １３３ 凸部 １５ コンテナ １６ 空洞部 １７ 板型ヒートパイプ ２０、２１、２２ 被冷却素子 ２３ リード ３０ プリント基板 ３１ フィン ３１０ ファン ４０ メッシュ ４００ メッシュ ４１ メッシュ ５ 板型ヒートパイプ ５０ コンテナ ５１ 空洞部 ５２ メッシュ ５３ 伝熱金属体 ６ 板型ヒートパイプ ６０ コンテナ ６１ 空洞部 ６２ メッシュ ６３ 支持体 ７ 板型ヒートパイプ ７０ コンテナ ７００ エンボス部 ７１ 空洞部 ７２ メッシュ ８ 板型ヒートパイプ ８０ コンテナ ８１ 空洞部 ８２ メッシュ ８３ メッシュ ９ メッシュ ９０ メッシュ立ち上がり部 ９１ メッシュ ９２ メッシュシート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 匡視 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の被冷却素子が実装された基板に相
   対して設けられる板型ヒートパイプであって、前記板型
   ヒートパイプはそれと相対する前記被冷却素子との距離
   に従って所定の凸部が設けられている、板型ヒートパイ
   プ。
2. 【請求項２】 複数の被冷却素子が実装された基板に相
   対して設けられる板型ヒートパイプであって、前記被冷
   却素子と相対する側の前記板型ヒートパイプのコンテナ
   壁が、相対する前記被冷却素子との距離に従って凸部形
   状に成形された、板型ヒートパイプ。
3. 【請求項３】 前記凸部内部の少なくとも一部には、前
   記板型ヒートパイプと前記被冷却素子とが相対する方向
   に沿ってメッシュが設けられている、請求項１または２
   記載の板型ヒートパイプ。
4. 【請求項４】 前記凸部内部に設けられたメッシュが巻
   き形態である、請求項３記載の板型ヒートパイプ。
5. 【請求項５】 前記凸部内部には、前記板型ヒートパイ
   プと前記被冷却素子とが相対する方向に伝熱金属体が備
   わっている、請求項１〜４の何れかに記載の板型ヒート
   パイプ。
6. 【請求項６】 前記凸部内部には、前記板型ヒートパイ
   プと前記被冷却素子とが相対する方向に支持体が備わっ
   ている、請求項１〜５の何れかに記載の板型ヒートパイ
   プ。
7. 【請求項７】 前記板型ヒートパイプの前記被冷却素子
   と相対する側またはその対面側のコンテナ壁にエンボス
   部が設けられており、当該エンボス部が対面するコンテ
   ナ壁に接合されている、請求項１〜６の何れかに記載の
   板型ヒートパイプ。
8. 【請求項８】 請求項１〜７の何れかに記載の板型ヒー
   トパイプの前記凸部と被冷却素子とを熱的に接続した、
   板型ヒートパイプを用いた冷却構造。