JP2017183590A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】ベースプレートの厚さの増大を防止しつつ、ベースプレートにおける、ヒートパイプの設置位置の優れた自由度が得られるヒートシンクを提供することを目的とする。【解決手段】平板状のベースプレートと、該ベースプレートに熱的に接続された、切り欠き部を有する放熱フィンと、該ベースプレートと該放熱フィンとに熱的に接続されたヒートパイプと、を備え、前記ヒートパイプが、前記放熱フィンの切り欠き部に配置されているヒートシンク。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体を冷却するヒートシンクに関するものである。

近年、各種電子機器は、高機能化と処理の高速化に伴って、消費電力の多い高発熱量の電子部品等の発熱体が多数搭載されており、その発熱量も増大の一途をたどっている。そこで、高発熱量の電子部品等の発熱体を冷却して電子部品等の発熱体の動作を正常に保つことが、益々、重要となっている。

電子部品等の発熱体を有するモジュールをヒートシンクにて冷却する場合、ヒートシンクにねじ穴を形成し、電子部品を有するモジュールを、ヒートシンクにねじ止めして、ヒートシンクに熱的に接続することが行われることがある（特許文献１）。

また、前記高発熱量の電子部品として、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスが用いられる場合がある。パワーデバイスをヒートシンクにて冷却する場合、パワーデバイスは従来の電子部品と比較して大型かつ重いので、ヒートシンクに対して、更に安定して固定されることが要求される。そこで、ヒートシンクのベースプレートに多数のねじ穴を形成し、パワーデバイスをベースプレートにねじ止めして、パワーデバイスをヒートシンクに熱的に接続する必要があった。

一方で、電子部品等の発熱体の寸法が、ベースプレートの寸法と比較して小さい場合、ベースプレートの表面方向の全体に熱を広げる必要があるので、ヒートパイプをベースプレートに設置することがある。上記ヒートパイプの設置方法として、ベースプレートの表面に沿って、ベースプレート表面にヒートパイプ全体を埋設する溝を設けたり、ベースプレートの表面方向にベースプレートを貫通する孔部である貫通孔を設けることが行われている。また、上記ヒートパイプの設置方法として、ヒートパイプを２枚のベースプレートにて挟持する態様が使用される場合もある。

しかし、上記の通り、パワーデバイスをヒートシンクに熱的に接続するために、ヒートシンクのベースプレートに多数のねじ穴を形成する必要があるので、ベースプレートの厚さの増大を防止するには、ベースプレートのねじ穴部を回避するように、ヒートパイプ設置用の溝または貫通孔を形成する必要があった。しかし、この場合、ヒートパイプのベースプレートにおける設置位置が制約されるので、ベースプレートの表面方向に、十分に熱を広げることができず、また、ヒートパイプの形状が複雑化するという問題があった。また、ベースプレートのねじ穴部に制約されずに、つまり、発熱体の設置位置に制限されずにヒートパイプ設置用の溝または貫通孔を形成するには、ねじ穴の深さ分、ベースプレートの厚さを増大させる必要があり、ヒートシンクの重量、寸法が増大してしまうという問題があった。

特開２０１０−２８７８２１号公報

上記事情に鑑み、本発明は、ベースプレートの厚さの増大を防止しつつ、ベースプレートにおける、ヒートパイプの設置位置の優れた自由度が得られるヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明の態様は、平板状のベースプレートと、該ベースプレートに熱的に接続された、切り欠き部を有する放熱フィンと、該ベースプレートと該放熱フィンとに熱的に接続されたヒートパイプと、を備え、前記ヒートパイプが、前記放熱フィンの切り欠き部に配置されているヒートシンクである。

本発明の態様は、前記ヒートパイプが、扁平加工されているヒートシンクである。

本発明の態様は、前記ヒートパイプが、前記ベースプレートの表面上に配置され、前記放熱フィンが、前記切り欠き部以外の部位において、前記ベースプレートの表面と接する部位を有するヒートシンクである。

本発明の態様は、前記放熱フィンが、前記ベースプレートの表面に対して垂直方向に立設され、前記ヒートパイプの長手方向が、前記ベースプレートの表面に対して平行である部位を有するヒートシンクである。

本発明の態様は、前記切り欠き部の形状が半楕円状または矩形状であるヒートシンクである。

本発明の態様は、前記ヒートパイプが、曲部を有し、前記ベースプレートと前記放熱フィンの頂部とに熱的に接続されているヒートシンクである。

本発明の態様は、パワーデバイスの冷却用であるヒートシンクである。

本発明の態様は、前記ベースプレートが、前記パワーデバイスの固定のためのねじ穴を形成できる厚みを有するヒートシンクである。

本発明の態様は、前記ヒートパイプが、前記ベースプレートの厚さ方向において、前記ねじ穴と重なり合う部位を有するヒートシンクである。

本発明の態様によれば、放熱フィンに切り欠き部が設けられ、前記切り欠き部にヒートパイプが配置されているので、ベースプレートに発熱体固定用のねじ穴が形成されても、ベースプレートの厚さの増大を防止しつつ、ヒートパイプのベースプレートにおける設置位置の自由度に優れたヒートシンクを得ることができる。

本発明の態様によれば、ヒートパイプが扁平加工されていることにより、放熱フィン及びベースプレートに対する熱的接続性が向上する。

本発明の態様によれば、放熱フィンが切り欠き部以外の部位においてベースプレート表面と接する部位を有することにより、放熱フィンに切り欠き部が設けられても、ベースプレートに対して優れた熱的接続性が得られる。

本発明の態様によれば、ヒートパイプが曲部を有し、ベースプレートと放熱フィンの頂部とに熱的に接続されていることにより、放熱フィンの頂部における放熱効率が向上し、結果、放熱フィン全体の放熱効率が向上する。

本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクに発熱体を接続した第１の使用方法例を示す説明図である。 本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクに発熱体を接続した第２の使用方法例を示す説明図である。

以下に、本発明の第１実施形態例に係るヒートシンクについて、図面を用いながら説明する。

図１に示すように、第１実施形態例に係るヒートシンク１は、平板状のベースプレート１０と、ベースプレート１０に熱的に接続された放熱フィン１１（図１では、複数）と、ベースプレート１０と放熱フィン１１とに熱的に接続されたヒートパイプ１２（図１では、複数）とを有し、それぞれの放熱フィン１１には、切り欠き部１３（図１では、複数）が設けられている。

ヒートシンク１では、平板状であるベースプレート１０の表面側に、複数のヒートパイプ１２が熱的に接続されている。図１では、ベースプレート１０の表面に、各ヒートパイプ１２が、直接、接することで、ベースプレート１０とヒートパイプ１２が熱的に接続されている。すなわち、ベースプレート１０の表面に、各ヒートパイプ１２が載置された態様となっている。従って、ヒートパイプ１２は、その全体が、ベースプレート１０の表面から突出した態様となっている。また、ヒートパイプ１２の長手方向における形状、すなわち、平面視の形状は、直線状であり、ヒートパイプ１２の長手方向（すなわち、熱輸送方向）が、ベースプレート１０の表面に対して平行となっている。

ヒートパイプ１２は、ベースプレート１０及び放熱フィン１１に対する優れた熱的接続性を得るために、扁平加工されている。また、ヒートパイプ１２は、ベースプレート１０の一方の端部から他方の端部へ、相互に、その長手方向が平行または略平行となるように、並列配置されている。従って、ヒートシンク１では、ベースプレート１０が発熱体（図１では、図示せず）から受熱した熱は、ヒートパイプ１２によって、ベースプレート１０の表面方向に輸送され、ベースプレート１０全体が均熱化される。

ヒートシンク１では、平板状であるベースプレート１０の表面側には、複数の矩形状の放熱フィン１１がベースプレートの表面に対して垂直方向に立設されて、放熱フィン群１４を形成している。放熱フィン１１の下端部１５、すなわち、ベースプレート１０側の端部がベースプレート１０の表面側に取り付けられることで、ベースプレート１０に放熱フィン１１が立設され、ベースプレート１０に放熱フィン１１が熱的に接続されている。それぞれの放熱フィン１１は、放熱フィン１１の表面が、相互に、平行または略平行の位置関係となるように、ベースプレート１０の表面側に配置されている。また、放熱フィン１１は、ベースプレート１０の一方の端部から他方の端部へ、並列に配置されている。

それぞれの放熱フィン１１には、下端部１５に切り欠き部１３が形成されている。切り欠き部１３の位置は、ヒートパイプ１２の配置位置に対応するよう設けられ、さらに、ヒートパイプ１２の設置数に応じて、切り欠き部１３の設置数が設定されている。さらに、切り欠き部１３の寸法は、ヒートパイプ１２の径方向の断面の寸法に対応している。従って、ベースプレート１０表面に対して平行方向における切り欠き部１３の寸法は、ベースプレート１０表面に対して平行方向におけるヒートパイプ１２の径方向の断面の寸法であり、ベースプレート１０表面に対して垂直方向における切り欠き部１３の寸法は、ベースプレート１０表面に対して垂直方向におけるヒートパイプ１２の径方向の断面の寸法となっている。

それぞれの放熱フィン１１において、各切り欠き部１３にヒートパイプ１２が配置されている。従って、放熱フィン１１の切り欠き部１３にて、ヒートパイプ１２と放熱フィン１１とが熱的に接続されている。ヒートシンク１では、切り欠き部１３の内面がヒートパイプ１２の外面と直接接することで、ヒートパイプ１２と放熱フィン１１とが熱的に接続されている。

一方で、放熱フィン１１の下端部１５は、切り欠き部１３以外の部位においては、ベースプレート１０の表面と、直接接している。従って、放熱フィン１１の下端部１５は、切り欠き部１３以外の部位において、ベースプレート１０と、直接、熱的に接続されている。

切り欠き部１３の形状は、特に限定されないが、ヒートシンク１では、ヒートパイプ１２が扁平加工されていることに対応して、ヒートパイプ１２に対する熱的接続性を向上させるために、略半楕円状または略矩形状が好ましく、図１では、矩形状となっている。

放熱フィン１１及びベースプレート１０は、いずれも熱伝導性のよい金属材料の平板であり、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などで製造されている。また、ヒートパイプ１２のコンテナの材料としては、特に限定されないが、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス等を挙げることができる。また、コンテナに封入する作動流体としては、コンテナの材料との適合性に応じて、適宜選択可能であり、例えば、水、代替フロン、パーフルオロカーボン、シクロペンタン等を挙げることができる。また、放熱フィン１１のベースプレート１０への固定方法は、特に限定されず、例えば、はんだ付けや塑性変形（例えば、カシメ等）による固定やエポキシ樹脂等の接着剤を用いた固定等を挙げることができる。

ヒートシンク１では、放熱フィン１１に設けられた切り欠き部１３にヒートパイプ１２が配置されているので、ベースプレート１０に発熱体固定用のねじ穴（図１では、図示せず）が設けられても、ベースプレート１０の厚さを増大させることなく、ベースプレート１０における、ヒートパイプ１２の設置位置の自由度が得られる。

次に、本発明のヒートシンクの使用方法例として、第１実施形態例に係るヒートシンク１に発熱体を接続する態様を、図面を用いて説明する。

ヒートシンク１に発熱体を接続する第１の使用方法例として、図２に示すように、ヒートシンク１のベースプレート１０の裏面側、すなわち、放熱フィン１１の配置されている側の反対側に、発熱体（例えば、ＩＧＢＴ等のパワーデバイス）１０１が熱的に接続される。図２では、大小様々な発熱体１０１が、複数、熱的に接続され、各発熱体１０１のいずれかの側辺部が、ヒートパイプ１２の長手方向に対して、平行方向となるように、各発熱体１０１が設置されている。また、それぞれの発熱体１０１は、ベースプレート１０の裏面側に設けられた複数の発熱体固定用のねじ穴１０２によって、ベースプレート１０にねじ止めされている。従って、ベースプレート１０の厚さは、特に限定されないが、発熱体１０１がＩＧＢＴ等のパワーデバイスの場合には、ベースプレート１０は、パワーデバイスを固定できるだけの深さを有するねじ穴を形成できる厚さ、例えば、１５ｍｍ以上の厚さを有することが好ましい。

図２に示すように、ヒートシンク１は、ベースプレート１０の厚さ方向において、ねじ穴１０２の位置と重なり合うように、すなわち、ねじ穴１０２の位置に制約されずに、ヒートパイプ１２の位置を自由に設定することができる。つまり、ベースプレート１０に発熱体固定用のねじ穴１０２が設けられても、ベースプレート１０の厚さを増大させることなく、ヒートパイプ１２のベースプレート１０における設置位置の自由度を得ることができる。

なお、ヒートシンク１では、発熱体固定用のねじ穴１０２の位置にかかわらず、ヒートパイプ１２をベースプレート１０に自由に配置できるので、発熱体１０１の設置方向は特に限定されず、発熱体を接続する第２の使用方法例として、図３に示すように、少なくとも一部の発熱体１０１について、ヒートパイプ１２の長手方向に対して、発熱体１０１の側辺部が斜め方向となるように配置させてもよい。前記発熱体１０１の斜め方向の配置により、ベースプレート１０の厚さ方向において、発熱体１０１とヒートパイプ１２とが効果的に重なりあう事が可能となり、ヒートシンク１は、ベースプレート１０の表面方向に熱をより円滑に広げることができる。これにより、効果的にベースプレート１０からフィンへの伝熱が行われるため、放熱効率が向上する。

また、発熱体１０１の設置数、ベースプレート１０上における発熱体１０１の設置位置は、特に限定されず、ヒートシンク１の使用状況に応じて、適宜、選択可能である。ＩＧＢＴ等のパワーデバイスには、いろいろな種類があるので、従来、ヒートパイプ１２と干渉しない位置に設置していくように設計していく必要があったが、本発明ではヒートシンク１の発熱体１０１の設置をねじ穴１０２箇所の制限を設けることなく自由に設置できるので、発熱体１０１の変更ごとにヒートシンク１の設計変更を行う必要がなくなり、例えば１種類のヒートシンク１でいろいろな種類のＩＧＢＴ等のパワーデバイスに対応も可能になる。

次に、本発明のヒートシンクの他の実施形態例について説明する。上記第１実施形態例に係るヒートシンクでは、ヒートパイプの長手方向における形状（すなわち、平面視の形状）は直線状であったが、該形状は特に限定されず、例えば、Ｌ字状、Ｕ字状等、曲部を有する形状でもよい。

また、上記第１実施形態例に係るヒートシンクでは、ヒートパイプは、直線状であり、放熱フィンのうち、その下端部、すなわち、ベースプレート側の端部においてヒートパイプと熱的に接続されていたが、これに代えて、ヒートパイプをコ字状等の２つの直線部と１つの曲部とを有する形状とし、放熱フィンの下端部だけでなく、放熱フィンの上端部（頂部）、すなわち、ベースプレート側の端部とは反対側の端部でも、上記ヒートパイプと熱的に接続してもよい。上記態様により、放熱フィンの上端部（頂部）における放熱効率が向上し、結果、放熱フィン全体の放熱効率が向上する。

上記第１実施形態例に係るヒートシンクでは、ヒートパイプは、ベースプレートの一方の端部から他方の端部へ、相互に、その長手方向が平行または略平行となるように、並列配置されていたが、ヒートパイプの配置は、特に限定されず、使用状況に応じて適宜選択可能であり、例えば、相互に、その長手方向が所定の角度（例えば、０°超〜９０°）を有する態様で配置されてもよい。

本発明のヒートシンクは、ベースプレートに発熱体固定用のねじ穴が形成されても、ベースプレートの厚さの増大を防止しつつ、ベースプレートにおける、ヒートパイプの設置位置の優れた自由度を得ることができるので、例えば、大型かつ重い電子部品であるＩＧＢＴ等のパワーデバイスの冷却用として、特に利用価値が高い。

１ ヒートシンク
１０ ベースプレート
１１ 放熱フィン
１２ ヒートパイプ
１３ 切り欠き部

Claims (9)

1. 平板状のベースプレートと、該ベースプレートに熱的に接続された、切り欠き部を有する放熱フィンと、該ベースプレートと該放熱フィンとに熱的に接続されたヒートパイプと、を備え、
   前記ヒートパイプが、前記放熱フィンの切り欠き部に配置されているヒートシンク。
2. 前記ヒートパイプが、扁平加工されている請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記ヒートパイプが、前記ベースプレートの表面上に配置され、前記放熱フィンが、前記切り欠き部以外の部位において、前記ベースプレートの表面と接する部位を有する請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記放熱フィンが、前記ベースプレートの表面に対して垂直方向に立設され、前記ヒートパイプの長手方向が、前記ベースプレートの表面に対して平行である部位を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記切り欠き部の形状が半楕円状または矩形状である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記ヒートパイプが、曲部を有し、前記ベースプレートと前記放熱フィンの頂部とに熱的に接続されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. パワーデバイスの冷却用である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
8. 前記ベースプレートが、前記パワーデバイスの固定のためのねじ穴を形成できる厚みを有する請求項７に記載のヒートシンク。
9. 前記ヒートパイプが、前記ベースプレートの厚さ方向において、前記ねじ穴と重なり合う部位を有する請求項８に記載のヒートシンク。

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