JP2018031549A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い伝熱効率でヒートパイプから放熱部材へ伝熱させることのできる放熱装置を提供する。
【解決手段】ヒートパイプ３と放熱部材２とを備える放熱装置であって、放熱部材２は、略直線状に延びるフレーム部６と該フレーム部６と連続して形成された薄板状の放熱平面部５とを備えて放熱平面部５の板厚方向に複数積層されて配置されており、対向する少なくとも一方の放熱部材２のフレーム部６の長手方向には、対向する放熱部材２のフレーム部６との対向面７Ａ（７Ｂ）に溝８Ａ（８Ｂ）が形成されており、対向する放熱部材２のフレーム部６と溝８Ａ（８Ｂ）とで形成された中空部Ｓにヒートパイプ３を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、機器の内部に配置された電子・電気部品を冷却する放熱装置に関する。

電気・電子分野等に搭載されている半導体素子等の部品は、発熱を伴う部品であり、温度による劣化を防ぐ必要性がある。発熱部品の温度を下げるために、ヒートシンク等の放熱装置が発熱素子上に取り付けられ、周辺空気へと放熱するのが一般的である。放熱装置は、主にアルミ合金等の熱伝導率の高い素材で形成されているが、近年においては、半導体素子の熱流束が増大しており、放熱装置の素材そのものの熱伝導だけでは放熱装置全体に熱を効率よく拡散できないことから、ヒートパイプ等の高熱伝導デバイスを併用することで冷却効率を高めたものがある。

ヒートパイプについてヒートパイプの長手方向の一部を受熱部とし、受熱部から離れた位置を冷却部とした場合を例に簡単に説明する。ヒートパイプは、内部に冷媒が封入されており、受熱部における加熱により冷媒は液体から気体へと状態変化する。この状態変化の際に生じる蒸発圧力により気体が冷却部へと移動され、冷却部において冷媒が気体から液体へと再度状態変化し、還流機構によって受熱部へと再び戻るようになっている。このように冷媒の移動により受熱部からヒートパイプの長手方向へ熱を移動させることができる。このような放熱装置としては、ヒートパイプの外周に複数枚の板状の熱交換部材を取り付けてヒートパイプを長手方向に移動する熱を放熱するものがある（例えば、特許文献１）。

特許第４５５０６６４号公報（第５頁、第１図）

特許文献１にあるような放熱装置にあっては、複数の放熱板（放熱部材）は、対向する放熱平面が外気と接するように、それぞれ間隔を空けて並べられており、これら並べられた放熱平面をヒートパイプが貫通するような構造となっている。この構造によれば、ヒートパイプの外周面は、放熱板に形成されたヒートパイプが挿入される孔の内周面とのみ接触することになるため、接触面積が小さく、ヒートパイプの放熱部から放熱板への伝熱効率が十分に高いとはいい難いという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、高い伝熱効率でヒートパイプから放熱部材へ伝熱させることのできる放熱装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の放熱装置は、
ヒートパイプと放熱部材とを備える放熱装置であって、
前記放熱部材は、略直線状に延びるフレーム部と該フレーム部と連続して形成された薄板状の放熱平面部とを備えて前記放熱平面部の板厚方向に複数積層されて配置されており、
対向する少なくとも一方の前記放熱部材のフレーム部の長手方向には、対向する放熱部材のフレーム部との対向面に溝が形成されており、前記対向する放熱部材のフレーム部と前記溝とで形成された中空部に前記ヒートパイプが配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、熱交換部材は放熱平面部が薄板状であることから放熱効率が高くなっていながらフレーム部により強度が確保されていることに加え、ヒートパイプの外周面が、対向する放熱部材のフレーム部とフレーム部に形成された溝とで形成された中空部の内周面に長手方向に渡り当接可能であることから、ヒートパイプからフレーム部への伝熱効率が高くなっており、ヒートパイプで運ばれた熱をフレーム部より連続する放熱平面部から十分に放熱させることができる。

前記ヒートパイプは、１本の蛇行細管型であり、該ヒートパイプは各フレーム部の前記溝に渡って配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、蛇行細管型であるヒートパイプ内では、気体の冷媒と液体の冷媒とが同方向へと流れるため、長距離即ち１本のヒートパイプの長手方向に渡って大量の熱を運ぶことができ、放熱装置の全体に熱を行き届かせることができる。

前記溝は、前記対向する放熱部材のフレーム部にそれぞれ形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、対向する各放熱部材のフレーム部の溝部の内周面がヒートパイプの外周面と接するため、対向する各放熱部材への伝熱の偏りを防止できる。

前記対向する放熱部材のフレーム部の対向面には、凹凸がそれぞれ形成されており、
前記放熱部材の前記フレーム部は、前記放熱平面部の両側端部に形成されており、一方の前記放熱部材の各フレーム部の対向面には内方を向く傾斜面と、板厚方向に沿って突出する嵌合凸部とがそれぞれ形成されており、対向する他方の前記放熱部材の各フレーム部の対向面には前記傾斜面と面接する傾斜面と、内方に向く傾斜面を備え前記嵌合凸部が噛み込む嵌合凹部とがそれぞれ形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、対向する各放熱部材のフレーム部の対向面同士の当接面積を確保でき、対向する各放熱部材への伝熱の偏りを防止できることに加え、嵌合凸部は、嵌合凹部内に挿入されることで、嵌合凹部の傾斜面に案内されて変形し幅方向内側方向に噛み込むことになり、隣り合う放熱部材のフレーム部同士の離間方向の移動が規制されるとともに、嵌合凸部には、その弾性力により外側に向けて元の状態に戻ろうとする力が働き、この力により隣り合う放熱部材のフレーム部同士及びその間に配置されたヒートパイプとの密着性が維持され、ヒートパイプからフレーム部への伝熱効率が高い状態が維持される。また、一方の放熱部材の両側端部に設けられたフレーム部の傾斜面が、他方の放熱部材のフレーム部の傾斜面を挟む構成となるため、放熱部材が相互のフレーム部における短手方向への移動を規制するように作用し、前記中空部に配置されたヒートパイプの変形を防止できる。

前記ヒートパイプは、内部を複数の空間に仕切る仕切り板を有することを特徴としている。
この特徴によれば、ヒートパイプの径方向への強度が高く、隣接する放熱部材を積層した際に、ヒートパイプがつぶれにくく、作動流体の流動を阻害しない。

前記仕切り板は、断面略十字形状であることを特徴としている。
この特徴によれば、ヒートパイプの径方向への強度が高く、隣接する放熱部材を積層した際に、ヒートパイプの変形を確実に防止することができる。

実施例における放熱装置を示す斜視図である。 同様に放熱装置を示す正面図である。 放熱装置を構成する放熱部材を示す斜視図である。 放熱部材のフレーム部を示す一部拡大図である。 隣り合う放熱部材のフレーム部を示す一部拡大斜視図である。 隣り合う放熱部材のフレーム部同士の連結態様を示す概念図であり、（ａ）は複数のフレーム部とヒートパイプとの配置を示す図であり、（ｂ）は嵌合凸部が嵌合凹部の内壁に案内される様子を示す図である。 左右の嵌合凸部が嵌合凹部にそれぞれ噛み込んだ様子を示す図である。 ヒートパイプの内部構造を示す一部断面斜視図である。 変形例における放熱装置を示す斜視図である。

本発明に係る放熱装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る放熱装置につき、図１から図９を参照して説明する。以下、図２の紙面手前側を放熱装置の正面側（前方側）とし、図２の紙面左右方向を左右方向、紙面上下方向を上下方向として説明する。

図１に示されるように、放熱装置１は、板厚方向に複数連接される放熱部材２，２，…とヒートパイプ３とにより構成されている。連接される放熱部材２は、両端に位置する放熱部材２０，２０以外は全て同形状であり、これら放熱部材２，２０，…が連結されることで、放熱筐体４が構成されている。

ヒートパイプ３は、両端が放熱部材２，２０，…の連接方向（放熱筐体４の上下方向）の両端部に位置するように略コイル状に湾曲されて構成されている。また、ヒートパイプ３は所謂、蛇行細管型でありヒートパイプ３内では、気体の冷媒と液体の冷媒とが同方向へと流れるため、長距離即ち１本のヒートパイプ３の長手方向に渡って大量の熱を運ぶことができる。

放熱装置１は、図示しない半導体素子等の被放熱機器に受熱面４ａ（ここでは図１における左側の面を指しているが、これに限らずどの面を受熱面としてもよい）を当接させて利用され、受熱面４ａから伝達された熱は、放熱筐体４を伝うとともに、放熱筐体４に外周面３ａが面接して埋設されたヒートパイプ３に伝わる。ヒートパイプ３に伝わった熱は、ヒートパイプ３に充填された作動流体の移動によりヒートパイプ３の長手方向に移動され、ヒートパイプ３の外周面３ａに長手方向に渡り当接する放熱筐体４に伝熱される。そのため、放熱筐体４の全体に熱が行き届き、放熱筐体４から外気に熱を熱伝達させて効果的に放熱を行うことできる。尚、放熱筐体４はファン等の送風手段を用いて強制対流によって放熱される態様であってもよいし、送風手段を用いずに自然対流によって放熱される態様であってもよい。

放熱部材２は、例えばアルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料を押し出し成形すること等によって断面同形状に形成されており、図２及び図３に示されるように、２枚の放熱平面部５，５と、放熱平面部５，５の両端（図２における上下両端）と連続し、放熱平面部５，５の両端と略並行に直線状に延びて設けられた略面対称の一対のフレーム部６，６と、を備えている。尚、放熱平面部５，５は、連結部９，９により連結されている。

図４及び図５に示されるように、フレーム部６は、隣り合う放熱部材と対向する一方の対向面７Ａには嵌合凸部６１が、他方の対向面７Ｂには嵌合凹部６３が形成されている。また、フレーム部６の対向面７Ａ，７Ｂには、対向面７Ａ，７Ｂの長手方向に渡って略半円状の凹溝８Ａ，８Ｂがそれぞれ形成されており、図７に示されるように、隣り合う放熱部材２，２の連結時には、対向する凹溝８Ａ，８Ｂにより円形の中空部Ｓが構成されるようになっている。凹溝８Ａ及び８Ｂは、ヒートパイプ３の外径より若干太径に形成されている。

嵌合凸部６１は、基端部６１１から先端部６１２に向かうにしたがって漸次幅方向寸法が小さくなるように放熱部材２の積層方向に向けて上方に突出して形成されており、隣り合う放熱部材の嵌合凹部６３に圧入可能となっている。また、嵌合凹部６３は、開口部６３２と嵌合凸部６１の突出方向に対して傾斜して形成された内壁６３３とを有している。

また、対向面７Ａにおける嵌合凸部６１と凹溝８Ａが形成されている以外の部分は、平面部６５と凹凸形状部６２とにより構成されており、対向面７Ｂも同様に、嵌合凹部６３と凹溝８Ｂが形成されている以外の部分が、平面部６６と凹凸形状部６４とにより構成されている。

次に、複数の放熱部材２を連結して放熱装置１を組み上げる工程について、図６及び図７を参照して説明する。尚、ここでは代表する３つの放熱部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃの連結を例に取り説明し、他の放熱部材２の連結についての説明は省略する。尚、本実施形態においては、３つ以上の放熱部材２を略同時に嵌合させる態様を例に説明するが、放熱部材２を順次嵌合させていってもよい。

まず、図６（ａ）に示されるように、嵌合凸部６１の先端部６１２と嵌合凹部６３の開口部６３２とを位置合わせし、かつ凹溝８Ａ，８Ｂの間にヒートパイプ３が配置されるように３つの放熱部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃを板厚方向に並べる。

このような状態から、図示しないプレス機等を用いて３つの放熱部材２Ａ、２Ｂ、２Ｃ同士を相対接近させていく。このとき、嵌合凸部６１は、図６（ｂ）に示されるように、ガイド壁６３１に沿って案内されつつ嵌合凹部６３に挿入され、先端部６１２が嵌合凹部６３の内壁６３３に当接する。更に加圧を継続すると、先端部６１２が内壁６３３に沿って変形する。

先端部６１２は、加圧により更に嵌合凹部６３内を上方向に移動され、図７に示されるように、対向面７Ａの平面部６５と対向面７Ｂの平面部６６とが当接するとともに、対向面７Ａの凹凸形状部６２と対向面７Ｂの凹凸形状部６４とが係合する。対向面７Ａの平面部６５と対向面７Ｂの平面部６６との当接により、凹溝８Ａ，８Ｂが中空部Ｓを構成し、この中空部Ｓにヒートパイプ３が内包される。

図７に示されるように、前述の加圧により、嵌合凸部６１が嵌合凹部６３内に完全に挿入されることで、幅方向内側方向に噛み込むことになり、隣り合う放熱部材のフレーム部６，６，…同士が離間方向の移動が規制された状態で連結される。

また、嵌合凸部６１には、その弾性力により外側に向けて元の状態に戻ろうとする力が働き、嵌合凸部６１の先端部６１２が内壁６３３に押圧される。この力により隣り合う放熱部材のフレーム部６，６，…同士が近接方向に常に付勢された状態となるため、フレーム部６，６，…同士の間に配置されたヒートパイプ３とフレーム部６，６，…との密着性が維持され、ヒートパイプ３からフレーム部６，６，…への伝熱効率が高い状態が維持される。

また、対向面７Ａ，７Ａはそれぞれ内方を向く傾斜面となっており、かつ対向面７Ａ，７Ａと対向する対向面７Ｂ，７Ｂは対向面７Ａ，７Ａの傾斜に対応する傾斜面となっている。放熱部材２Ａの対向面７Ａ，７Ａは、放熱部材２Ｂの対向面７Ｂ，７Ｂの内側に位置するため、対向面７Ｂ，７Ｂにより放熱部材２Ａの両側方向の移動が規制されている。そのため、隣り合う放熱部材が幅方向に相対移動して、中空部Ｓを構成する凹溝８Ａ，８Ｂにそれぞれ遊嵌するヒートパイプ３が破損するといった事態の発生を防止することができる。

また、対向面７Ａと対向面７Ｂとの当接面、即ち連結された放熱部材同士の境界線は、対向面７Ａの凹凸形状部６２と対向面７Ｂの凹凸形状部６４とが係合することにより凹凸形状となっている。そのため、対向面７Ａ，７Ｂ同士の当接面積を確保でき、対向面７Ａ側のフレーム部と、対向面７Ｂ側のフレーム部とにそれぞれ伝導した熱が、凹凸形状により互いに伝導し合い易く、対向する各放熱部材へのヒートパイプ３からの伝熱の偏りを防止できる。

また、図８に示されるように、ヒートパイプ３には、配管本体３０の内部を仕切る隔壁３１，３１，３１，３１が、配管本体３０の中心軸から配管本体３０の内周面３０ａにかけて放射状に設けられている。これら隔壁３１，３１，３１，３１によりヒートパイプ３の径方向への強度が高められている。そのため、隣接する放熱部材２，２を積層して連結する際、特に加圧により嵌合凸部６１と嵌合凹部６３との連結作業においても、ヒートパイプ３がつぶれにくくなっており、ヒートパイプ３内に充填された作動流体の流動を阻害しないようになっている。また、隔壁３１，３１，３１，３１によりヒートパイプ３の断面形状が保持されるため、大きい曲率で湾曲させてもヒートパイプ３がつぶれにくく、ヒートパイプ３を放熱筐体４の形状に合わせてコンパクトな形状とすることができる。尚、これら隔壁３１，３１，３１，３１は、配管本体３０の長手方向の大部分に渡り設けられているが、これに限らず、例えば、配管本体３０の長手方向において放熱部材２，２同士の間に位置しない部分では省略されてもよい。

以上説明したように、フレーム部６の長手方向に渡り形成された中空部Ｓを構成する凹溝８Ａ，８Ｂの内周面に、ヒートパイプ３の外周面３ａが長手方向に渡り当接可能であることから、ヒートパイプ３の外周面３ａと放熱部材２との接触可能面積を大きく確保でき、伝熱効率が高い。そのため、放熱筐体４とヒートパイプ３との間の伝熱効率が高く、熱を放熱筐体４全体に行き届かせることができる。これによれば、放熱筐体４全体で放熱を行うことができるため、放熱効率が高く、熱流束の大きい半導体素子等の被放熱機器であっても効率よく冷却することができる。

また、図７に示されるように、凹溝８Ａ，８Ｂは円形の中空部Ｓの略半円をそれぞれ構成しているため、隣り合うフレーム部６，６において、ヒートパイプ３の外周面３ａとの接触可能面積が略同面積となり、それぞれのフレーム部６，６に均等に熱が伝熱されるようになっている。

また、放熱装置１は上述した放熱部材２，２，…の連結構造により、放熱部材２，２，…とヒートパイプ３とが一体となる構成であり、ハンダ付けや接着剤等を用いないことから、量産性が高く、コスト安である。

また、ヒートパイプ３は、蛇行細管型であるため内部に所謂ウィックを持たない構造であり、どの方向に湾曲させても冷媒の移動が妨げられることがない。そのため、１本のヒートパイプを放熱筐体４の形状に合わせて略コイル状に成形させることができる。

また、図２に示されるように、放熱部材２，２０，…が複数連結されて構成された放熱筐体４は、風力源側に向けて配置される通風面４ｂ側において、一方面（受熱面４ａ）側に並ぶ中空部Ｓ，Ｓ，…から反対側に並ぶ中空部Ｓ，Ｓ，…に対し回り込んで挿入されるヒートパイプ３は、上下方向（ここでは上方向）に１つ隣の中空部Ｓに挿入されており、ヒートパイプ３の外部に露出する一部が放熱筐体４の通風面４ｂと斜めに重なるように配置されている。これによれば、放熱筐体４の通風面４ｂを通る風によりヒートパイプ３が冷やされ、放熱効率が補助的に高められている。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例におけるヒートパイプ３は、１本のヒートパイプが、放熱筐体４の各中空部Ｓ，Ｓ，…を通って配置されているが、ヒートパイプの数はこれに限らず、例えば図９に示される変形例のように、放熱筐体４の一方面（受熱面４ａ）側に並ぶ中空部Ｓ，Ｓ，…と、反対側に並ぶ中空部Ｓ，Ｓ，…とに、それぞれヒートパイプ１３Ａ，１３Ｂを配置してもよい。

また、前記実施例における放熱部材２，２０，…は、放熱平面部５の両側にフレーム部６，６を備える構成であるが、この構成に限らず、例えば放熱部材の左右方向中央に一本のフレーム部が配置され、このフレーム部の左右両端から放熱平面部がそれぞれ延設した構成としてもよい。

更に、フレーム部は放熱平面部の両側に２つ形成される構成に限らず、例えば放熱平面部の両側に加え、放熱平面部を左右方向に分断するように放熱部材の左右方向の略中央部にフレーム部が形成されていてもよい。

また、ヒートパイプは、前記実施例のように、配管本体３０の内部を４つに仕切る隔壁を備えた構造のものに限らず、例えば、配管本体３０の内部を３つに仕切る構成でもよいし、短尺の複数のヒートパイプを用いる場合には、曲率の大きい湾曲を必要としないため仕切る構造を備えないものであってもよい。

また、前記実施例において放熱部材２，２０，…は、加圧手段により、嵌合凸部６１を嵌合凹部６３に対し幅方向内側方向に噛み込ませることにより、隣り合う放熱部材のフレーム部６，６，…同士の離間方向の移動を規制して連結する構成で説明したが、これに限らず、例えばネジ等の締結手段等を用いて連結されてもよい。

また、前記実施例において凹溝８Ａ，８Ｂは、円形の中空部Ｓの略半円をそれぞれ構成する構造で説明したが、これに限らず、例えば対向する一方のフレーム部にヒートパイプが完全に嵌入する深さを有する凹溝を形成し、他方のフレーム部の凹溝を省略してもよく、この場合、他方のフレーム部の対向面が一方のフレーム部に形成された凹溝の開口部を閉じて中空部を構成することになる。

１ 放熱装置
２，２０，… 放熱部材
３ ヒートパイプ
３ａ ヒートパイプ外周面
４ 放熱筐体
４ａ 放熱筐体通風面
５，５ 放熱平面部
６，６ フレーム部
７Ａ，７Ｂ 対向面
８Ａ，８Ｂ 凹溝
９，９ 連結部
３０ 配管本体
３０ａ 配管本体内周面
３１，３１，… 隔壁
６１ 嵌合凸部
６３ 嵌合凹部
６２，６４ 凹凸形状部
６５，６６ 平面部
６１１ 基端部
６１２ 先端部
６３１ ガイド壁
６３２ 開口部
６３３ 内壁
Ｓ 中空部

Claims (6)

1. ヒートパイプと放熱部材とを備える放熱装置であって、
   前記放熱部材は、略直線状に延びるフレーム部と該フレーム部と連続して形成された薄板状の放熱平面部とを備えて前記放熱平面部の板厚方向に複数積層されて配置されており、
   対向する少なくとも一方の前記放熱部材のフレーム部の長手方向には、対向する放熱部材のフレーム部との対向面に溝が形成されており、前記対向する放熱部材のフレーム部と前記溝とで形成された中空部に前記ヒートパイプが配置されていることを特徴とする放熱装置。
2. 前記ヒートパイプは、１本の蛇行細管型であり、該ヒートパイプは各フレーム部の前記溝に渡って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱装置。
3. 前記溝は、前記対向する放熱部材のフレーム部にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱装置。
4. 前記対向する放熱部材のフレーム部の対向面には、凹凸がそれぞれ形成されており、
   前記放熱部材の前記フレーム部は、前記放熱平面部の両側端部に形成されており、一方の前記放熱部材の各フレーム部の対向面には内方を向く傾斜面と、板厚方向に沿って突出する嵌合凸部とがそれぞれ形成されており、対向する他方の前記放熱部材の各フレーム部の対向面には前記傾斜面と面接する傾斜面と、内方に向く傾斜面を備え前記嵌合凸部が噛み込む嵌合凹部とがそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の放熱装置。
5. 前記ヒートパイプは、内部を複数の空間に仕切る仕切り板を有す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放熱装置。
6. 前記仕切り板は、断面略十字形状であることを特徴とする請求項５に記載の放熱装置。

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