JP2018031550A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源から筐体に効率よく伝熱を行うことができる放熱装置を提供する。【解決手段】少なくとも１面に開口部４ａを備えて熱源１１を覆う筐体２と、該筐体２内に配置されるヒートパイプ８とを備え、開口部４ａはアルミ合金等で形成された蓋体５により閉塞可能となっており、ヒートパイプ８は、内部に冷媒が封入されるとともに、該冷媒の環流機構を有し、長手方向の一部で構成される受熱部１２が熱源１１に、ヒートパイプ８の外周面３ａが蓋体５の裏面６ａに当接している。【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。このような熱源である素子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。

図８に示されるように、このような放熱装置１００は、主にアルミ合金等の熱伝導率の高い素材で形成された６面体である筐体２００を備えており、素子１１０を内部の所定の面上に配置させている。筐体２００内の素子１１０には、アルミ合金等の熱伝導率の高い素材で形成された板状の放熱部材３００が当接しており、この放熱部材３００から熱が筐体２００内の空気へと伝熱され、この温められた空気は筐体２００の各内壁面から伝熱されて、筐体２００の外部の空気へと伝熱されるようになっている。

特許第４５５０６６４号公報（第５頁、第１図）

しかし、このような放熱装置は、熱が空気を媒介にして筐体に伝熱されるため、特に所定の面に配置された発熱素子と対向する面には、その距離から伝熱しにくく、冷却効率が低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、熱源から筐体に効率よく伝熱を行うことが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、
少なくとも１面に開口部を備えて熱源を覆う筐体と、該筐体内に配置されるヒートパイプとを備え、前記開口部はアルミ合金等で形成された蓋体により閉塞可能となっており、
前記ヒートパイプは、内部に冷媒が封入されるとともに、該冷媒の環流機構を有し、長手方向の一部で構成される受熱部が前記熱源に、当該ヒートパイプの外周面が前記蓋体の裏面に当接していることを特徴としている。
この特徴によれば、ヒートパイプの受熱部で加熱された冷媒は液体から気体へと状態変化し、この状態変化の際に生じる蒸発圧力により気体はヒートパイプの長手方向へ移動され、冷媒の環流機構により再度受熱部へと戻る。この機能を利用し、熱源からの熱をヒートパイプの外周面と当接する蓋体に効率的に移動させて筐体外部へ放熱させることができ、冷却効率が高い。

前記ヒートパイプは、１本で略コイル状に整形された蛇行細管型であり、該ヒートパイプは前記受熱部で束ねられており、前記蓋体の裏面に前記外周面が複数箇所で当接し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、蓋体全体に効率的に熱を行き届かせることができる。

前記ヒートパイプは、該ヒートパイプを構成するアルミ又はアルミ合金により形成される中空の管部材の内部に、空間を仕切る隔壁が長手方向に渡り形成されており、前記蓋体の裏面に複数箇所配置される固定部材により長手方向に渡り前記蓋体に対して押圧固定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、ヒートパイプを構成する管部材が変形させ易いアルミ又はアルミ合金により形成されていることに加え、管部材が長手方向に渡り内部を仕切る隔壁により径方向の強度が高められていることから、管部材の径方向の塑性変形を防止しながら、蓋体の裏面に沿わせて管部材を長手方向に渡り当接させることができ、高い伝熱効率でヒートパイプから熱交換部材へ伝熱させることができる。

前記隔壁は、前記管部材の内部を複数の空間に仕切る断面形状であることを特徴としている。
この特徴によれば、管部材の周方向に渡り、径方向の塑性変形を防止できる。

前記隔壁は、前記管部材の内部を４つに仕切る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、管部材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、管部材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。 蓋体を外した状態の筐体本体を示す斜視図である。 放熱装置を示す一方向視の側面図である。 固定部材を示す斜視図及びヒートパイプを示す一部断面斜視図である。 放熱装置を示す他方向視の側面図である。 図５における一部を拡大する拡大断面図である。 ヒートパイプを固定部材と蓋体とで挟んだ状態を示す一部拡大側面図である。 従来の放熱装置を示す図である。

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７を参照して説明する。

図１及び図２に示されるように、放熱装置１は、筐体２と熱移動装置３とにより主に構成されている。筐体２は、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料により成る１面に開口部４ａを備える筐体本体４と、開口部４ａを閉塞する蓋体５とを備えている。

蓋体５は、板状の基面部６と基面部６から上方に複数立ち上がる放熱フィン７，７，…とにより構成されており、ネジ１０，１０，…により筐体本体４の開口部４ａを構成する側壁上縁４ｂ，４ｂ，…に固定されている。

図２及び図３に示されるように、筐体本体４は、略直方体形状であり、内部に熱移動装置３が内包されている。熱移動装置３は、ヒートパイプ８と、ヒートパイプ８の胴部を一体に結束する受熱板９と、この受熱板９が接する熱源である素子１１とが内包されている。

放熱装置１は、熱移動装置３のヒートパイプ８と接する熱源である素子１１から伝達された熱を、ヒートパイプ８に充填された作動流体の移動によりヒートパイプ８の長手方向に移動させ、更にヒートパイプ８の外周面３ａ（図３参照）に当接する蓋体５に熱を伝熱させ、表面積の大きく、かつ放熱に適した素材により形成された蓋体５から外気に熱を熱伝達させて効果的に放熱を行うことを目的としたものである。尚、放熱装置１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。

ヒートパイプ８は、始端から終端まで略コイル状に整形された１本のヒートパイプであり、ヒートパイプ８の胴部が受熱板９内に埋設されるようにして複数本が一体に結束されており、結束されたヒートパイプ８の一部と受熱板９とで受熱部１２が構成されている。尚、ヒートパイプ８の受熱部１２と対向する部位（図では筐体本体４の開口部４ａ側）が略放射状に拡げられた状態で、後に詳述する固定部材１３を用いて蓋体５に固定されており、蓋体５と共に放熱部を構成している。

また、図３に示されるように、ヒートパイプ８の受熱部１２と対向する部位、即ち蓋体５の裏面６ｂと対向する部位は、蓋体５の長さ方向に渡り配置されており、蓋体５との当接面積が確保されている。

また、ヒートパイプ８は所謂、蛇行細管型でありヒートパイプ８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８の長手方向に渡って大量の熱を運ぶことができるようになっている。

図４に示されるように、固定部材１３は、所謂サドルバンドであり、半円状の湾曲部１３ａと、湾曲部１３ａの左右から平板状に延出する固定片１３ｂ，１３ｂと、を備えて構成されており、図３に示されるように、ヒートパイプ８の長手方向に２箇所所定距離離間して配置されている。固定片１３ｂ，１３ｂには、それぞれ後述する固定ネジ１５，１５と螺合する孔１３ｃ，１３ｃが穿設されている。

図５，図６に示されるように、固定片１３ｂ，１３ｂに設けられた孔１３ｃ，１３ｃは、蓋体５の基面部６を上下に貫通して所定距離離間して複数穿設された孔部６ａ，６ａ，…と対応する位置に配置される。上方から固定ネジ１５，１５が孔部６ａ，６ａを挿通し、先端部が孔１３ｃ，１３ｃと螺合し、この螺合により固定部材１３が基面部６と相対的に近接される構造となっている。尚、孔部６ａ，６ａ，…は、放熱フィン７，７，…の間に形成されている（図３参照）。

図１及び図３に示されるように、ヒートパイプ８における蓋体５の裏面６ｂと対向する部位は、放熱フィン７，７，…とそれぞれ直交して配置されており、ヒートパイプ８の長手方向に移動される熱を放熱フィン７，７，…に効率よく伝熱させることができることに加え、複数本のヒートパイプ８における蓋体５の裏面６ｂと対向する部位がそれぞれ全ての放熱フィン７，７，…と交差するため、偏りなく放熱フィン７，７，…に伝熱させることができる。

湾曲部１３ａ上に配置されたヒートパイプ８は、前述した固定部材１３と基面部６との近接により、その外周面３ａが蓋体５の基面部６の下端面に押圧支持されることになる。このとき、ヒートパイプ８の外周面３ａは、固定部材１３の湾曲部の長手方向に渡って蓋体５の基面部６の裏面６ｂに押圧支持される（図７参照）ため、ヒートパイプ８の外周面３ａを基面部６の裏面６ｂの形状に沿わせ易く、ヒートパイプ８から蓋体５への効率のよい伝熱に必要な接触面積を確保することができる。

図４に示されるように、ヒートパイプ８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８の径方向への強度が高められている。そのため、固定ネジ１５と固定部材１３の孔１３ｃとの螺合による固定部材１３と基面部６との近接の際にヒートパイプ８の径方向に掛かる押圧力によっても、ヒートパイプ８がつぶれにくくなっており、ヒートパイプ８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８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８がつぶれにくく、ヒートパイプ８を筐体２の内部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固定部材１３と基面部６とに挟まれる位置以外では省略されてもよい。

また、ヒートパイプ８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筐体２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５及び図６に示されるように、固定ネジ１５は蓋体５の外側から孔部６ａから挿入され、筐体２の内側の固定部材１３を蓋体５の内側に固定できる構造となっている。そのため、組み立て時には、ヒートパイプ８を挟んだ状態で固定部材１３を固定ネジ１５により蓋体５の基面部６に仮固定し、蓋体５を筐体本体４に固定した後に固定ネジ１５を増し締めすることで、ヒートパイプ８を基面部６の裏面６ｂに押圧させることができる。これによれば、筐体２の形状に合わせてコンパクトにヒートパイプ８を整形可能であることに加え、基面部６の裏面６ｂの全体に渡ってヒートパイプ８の外周面３ａを当接させることで、蓋体５全体に効率的に熱を行き届かせることができる。

また、反対に素子１１のメンテナンス時等の放熱装置１の分解時には、固定部材１３と蓋体５との固定を解き、蓋体５を筐体本体４から取り外すことで、素子１１にアクセスすることができる。

また、ヒートパイプ８はアルミ合金で形成されて形状を変形させ易いことに加え、内部に隔壁３１，３１，３１，３１を備えて座屈し難い構造であることから、メンテナンス時にヒートパイプ８を完全に取り去った後に、同様のヒートパイプ８を所定の形状に整形し直すことで再利用することができ、コスト安となる。

また、１本のヒートパイプ８を略コイル状に整形して筐体２内に配置することから、ヒートパイプ８の長手方向に渡り移動する熱が、ヒートパイプ８の周辺空気に一部伝熱されることになり、ヒートパイプ８がそれぞれ近接する筐体本体４の各内壁への伝熱効率が高く、筐体２全体での冷却効果が高められている。

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８は、１本のヒートパイプが、筐体２内で略コイル状に整形されて配置されているが、ヒートパイプの数はこれに限らず、例えば短尺の複数本のヒートパイプの一端を受熱板９で結束し、他端をそれぞれ蓋体５に対して固定してもよい。

また、前記実施例において放熱装置１の組み立ては、ヒートパイプ８を挟んだ状態で固定部材１３を固定ネジ１５により蓋体５の基面部６に仮固定し、蓋体５を筐体本体４に固定した後に固定ネジ１５を増し締めすることで、ヒートパイプ８を基面部６の裏面６ｂに押圧させる態様で説明したが、この態様に限らず、例えば、予め固定ネジ１５を増し締めした状態で蓋体５を筐体本体４に固定してもよい。

また、筐体本体４に形成された開口部４ａは、素子１１が配置される面と対向する面に形成されることに限らず、例えば、図３における左右の側壁のいずれかに左右方向に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、ヒートパイプ８における蓋体５の裏面６ｂと対向する部位は、放熱フィン７，７，…とそれぞれ直交して配置される構成に限らず、例えば放熱フィン７，７，…とそれぞれ並行に配置されていてもよいし、それぞれ斜めに交差して配置される構成でもよい。

１ 放熱装置
２ 筐体
３ 熱移動装置
３ａ 外周面
４ 筐体本体
４ａ 開口部
５ 蓋体
６ 基面部
６ｂ 基面部裏面
６ａ，６ａ，… 孔部
７，７， 放熱フィン
８ ヒートパイプ
９ 受熱板
１０，１０， ネジ
１１ 素子
１２ 受熱部
１３ 固定部材
１３ａ 湾曲部
１３ｂ，１３ｂ 固定片
１３ｃ，１３ｃ 孔
１５ 固定ネジ
３０ 配管本体
３０ａ 内周面
３１，３１，… 隔壁

Claims (5)

1. 少なくとも１面に開口部を備えて熱源を覆う筐体と、該筐体内に配置されるヒートパイプとを備え、前記開口部はアルミ合金等で形成された蓋体により閉塞可能となっており、
   前記ヒートパイプは、内部に冷媒が封入されるとともに、該冷媒の環流機構を有し、長手方向の一部で構成される受熱部が前記熱源に、当該ヒートパイプの外周面が前記蓋体の裏面に当接し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本で略コイル状に整形された蛇行細管型であり、該ヒートパイプは前記受熱部で束ねられており、前記蓋体の裏面に前記外周面が複数箇所で当接していることを特徴とする請求項１に記載の放熱装置。
3. 前記ヒートパイプは、該ヒートパイプを構成するアルミ又はアルミ合金により形成される中空の管部材の内部に、空間を仕切る隔壁が長手方向に渡り形成されており、前記蓋体の裏面に複数箇所配置される固定部材により長手方向に渡り前記蓋体に対して押圧固定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. 前記隔壁は、前記管部材の内部を複数の空間に仕切る断面形状であることを特徴とする請求項３に記載の放熱装置。
5. 前記隔壁は、前記管部材の内部を４つに仕切る断面略十字形状であることを特徴とする請求項３に記載の放熱装置。

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