JP2008210875A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化、軽量化を実現しながら、ノイズが少なく冷却性能に優れ、信頼性の高いヒートシンクを提供する。
【解決手段】一方の面に熱源６が熱的に接続される、複数の溝部５を備えた金属製のベースプレート２と、前記溝部５に一部が嵌め込まれて接合された複数の金属製フィンプレート３と、前記溝部５に前記フィンプレート３と共に一部が嵌め込まれて接合され、複数の前記フィンプレート３を振動させる振動素子４とを備えたヒートシンク。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子などの被冷却素子の冷却に用いる冷却デバイス、特に圧電素子を伴うヒートシンクに関する。

ＣＰＵ、素子等の発熱量の増大、発熱密度の高まりによって、放熱効率に優れた高性能のヒートシンクが求められている一方で、オフィスなどで利用される汎用のPCなどに用いられる発熱量が、それほど大きくないCPU向けには、低コストでしかも容易に製造することができるヒートシンクが求められている。従来、これらの要望に応えるべくヒートシンクについては、アルミの押し出しヒートシンクを利用し、自然空冷で半導体素子の冷却を行うことが多く、冷却性能が不足する場合には、例えば、一方の面に発熱素子が熱的に接続されるベースプレートの他方の面に放熱フィンを接合して形成されたヒートシンクに対して、放熱フィン間を冷却風が通るようにヒートシンクの側面または上面に、遠心ファンを備えた電動ファンを取り付けて、ファンの回転によって放熱フィン間に強制的に冷却風を送り込んで、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散していた。

また、特開平８−３３０４８８号公報に開示されているように、ファンを用いることなく、圧電素子を使用するヒートシンクが提案されている。

特開平８−３３０４８８号公報

上述した電動ファンを用いるヒートシンクにおいては、ヒートシンクの周りに放熱フィンに送風するファンモータ、ファンケースを設置するためのスペースが必要であり、薄型、小型化が進んだ状態で使用される環境に対応するためには、放熱フィンのためのスペースを狭くすることが余儀なくされ、必要とされる放熱性能を得るためのスペースを十分にとることができなかった。

更に、ベースプレート上に細かいピッチでフィンを並設する場合には、ヒートシンクの圧損が大きくなる。従って、所定の風量を流すためには大型のファンが必要となり、そのために装置が大型化する必要があり、使用される環境に適応できないし、ファンノイズが大きくなる。また、所定の風量を流すためにはファンを高速回転させる必要があり、ファンノイズが大きくなるという問題があった。

特開平８−３３０４８８号公報に開示されたヒートシンクにおいては、圧電ファンを別途取り付けているが、この場合には、ファンを構成するために圧電素子と、冷却風を発生させるための振動素子が必要となり、部材数が多くなり、低コスト化が難しいという問題があった。

従って、この発明の目的は、低コスト化、軽量化を実現しながら、ノイズが少なく冷却性能に優れ、信頼性の高いヒートシンクを提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ベースプレートの一方の面に形成された溝部に、放熱フィンと共に振動素子の一部を嵌め込んで、ベースプレートと放熱フィンおよび振動素子を接合すると、振動素子とフィンプレートが共振し、フィンピッチが小さくても、フィンプレートが相互に接触することなく振動して、放熱性能が高まることが判明した。
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものである。

この発明のヒートシンクの第１の態様は、一方の面に熱源が熱的に接続される、複数の溝部を備えた金属製のベースプレートと、前記溝部に一部が嵌め込まれて接合された複数の金属製フィンプレートと、前記溝部に前記フィンプレートと共に一部が嵌め込まれて接合され、複数の前記フィンプレートを振動させる振動素子とを備えたヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第２の態様は、前記溝部近傍を塑性変形させることによって金属製フィンプレートおよび前記振動素子が接合されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第３の態様は、前記フィンプレートのそれぞれに前記振動素子が配置され、前記溝部内に接合された前記振動素子の長さが前記フィンプレートの長さと概ね同一であるヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第４の態様は、前記振動素子のそれぞれの周波数が前記フィンプレートの概ね共振周波数となるように調整されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第５の態様は、前記振動素子のそれぞれが同位相で動作するように調整されているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第６の態様は、前記振動素子がピエゾ素子などの圧電素子からなっているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第７の態様は、前記振動素子を駆動する駆動回路を更に備えているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第８の態様は、前記熱源と前記ベースプレートの間に熱電変換素子が組み込まれて、前記駆動回路が形成され、前記熱源と前記ベースプレートの間の温度差によって電力を発生させて、前記振動素子を駆動するヒートシンクである。

この発明のヒートシンクによると、放熱フィン間に送風するための電動（冷却）ファンを設置するためのスペースが必要なくなり、その分、放熱フィンのためのスペースを大きくとれるので、冷却性能が向上する。
更に、電動ファン用のファンモータなどの稼動部を必要としないので、冷却モジュールの信頼性が向上する。更に、電動ファン用のファンモータを必要としないので、冷却モジュールの小型、軽量化が可能となる。更に、冷却風を発生させるために別途振動板を必要としないので、部材数を低減させ、構成が簡単となる。

この発明のヒートシンクを、図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートパイプの１つの態様は、一方の面に熱源が熱的に接続される、複数の溝部を備えた金属製のベースプレートと、前記溝部に一部が嵌め込まれて接合された複数の金属製フィンプレートと、前記溝部に前記フィンプレートと共に一部が嵌め込まれて接合され、複数の前記フィンプレートを（交錯しないように）振動させる振動素子とを備えたヒートシンクである。

溝部近傍を塑性変形させることによって金属製フィンプレートおよび振動素子が両方からカシメられ、接合されていてもよい。振動素子のそれぞれの周波数がフィンプレートの概ね共振周波数となるように調整されていることが好ましい。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を示す斜視図である。図１に示すように、この発明のヒートシンクは、一方の面に熱源６が熱的に接続される、複数の溝部５を備えた金属製のベースプレート２と、溝部５に一部が嵌め込まれて接合された複数の金属製フィンプレート３と、溝部５にフィンプレートと共に一部が嵌め込まれて接合され、複数のフィンプレート３を振動させる振動素子４とを備えたヒートシンクである。

即ち、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム等の金属製のベースプレート２の一方の面の幅方向に、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム等の金属製のフィンプレート３および振動素子４が嵌め込まれる複数の溝部５が形成されている。ベースプレート２の他方の面にはＣＰＵ等の熱源６が、熱伝導グリース等のサーマルインターフェース材（ＴＩＭ）を介して熱的に接続されている。

図２はこの発明のヒートシンクの各部材を説明する分解図である。図２に示すように、ベースプレート２の一方の面上に幅方向に複数の溝５が形成されている。振動素子４の一部（図では下端部）は、フィンプレート３の一部（図では下端部）と共に上述した溝部に嵌め込まれて、接合される。

振動素子４の長さは、溝部５の長さおよびフィンプレート３の溝部５内に嵌め込まれる部分の長さと概ね同一である。振動素子４の高さ（幅）は、一部が溝部から出る程度である。フィンプレート３は振動素子４と並べて溝部内に嵌め込まれる。このように溝部内にフィンプレートおよび振動素子が並べて嵌め込まれた状態で半田付けによって接合される。外観上は通常のベースプレートに複数のフィンプレートが並列配置されて接合されたヒートシンクと何ら変わるところは無い。

図３は、フィンプレートおよび振動素子が溝部に塑性変形によってカシメられて接合された状態を説明する部分拡大図である。図３に示すように、ベースプレート２の一方の面に形成された溝部５内にフィンプレート３および振動素子４が嵌め込まれ、このように溝部５内に嵌め込まれた状態で、溝部５の近傍の平らな部分を所定の治具によって機械的に押して塑性変形させる。

治具によって機械的に押されて凹部１０が形成され、凹部１０の肩部７が溝部５内に嵌め込まれたフィンプレート３の一方の面（振動素子４と接していない面）を横方向に押し、同時に、溝部５内に嵌め込まれた振動素子４の一方の面（フィンプレートと接していない面）を横方向に押して、フィンプレート３および振動素子４を溝部５内に機械的にカシメて固定する。

凹部１０は平らな底面と傾斜した両側面からなるように治具によって形成すると、溝部５を形成する側面が広い部分にわたってフィンプレート３および振動素子４と接触して、溝部内にフィンプレートと振動素子とを堅固に固定する。
上述したように、この発明のヒートシンクにおいては、フィンプレートの根元の部分に振動素子が並べて配置され、振動素子の振動によってフィンプレートが振動する。

図４は動作中のヒートシンクを説明する斜視図である。図１から図３を参照して説明したヒートシンク１のベースプレート２に形成された溝部５内に嵌め込まれて接合されたフィンプレート３を、同じくフィンプレート３と共に溝部５内に嵌め込まれて接合された振動素子４に交流電流を流すことによって振動させ、振動素子４とフィンプレート３を共振によって、図４に示すように、フィンプレート３の上端部がベースプレート２の幅方向に大きく振動する。

振動素子４は圧電体（誘電体）を２枚の電極で挟んだ素子である。振動素子４の電極に交流電流を流すと、振動素子４が所定の周波数で振動する。振動素子４の周波数をフィンプレート３と振動素子４を組合わせたシステムの共振周波数と概ね同じに設定すると、少ない電力により、フィンプレート３の振幅を大きくさせること（共振）ができる。更に、それぞれの振動素子４を同位相で動作させるように設定することによって、隣り合うフィンプレート３同士が振動によって緩衝しないように振動させることができる。このようにフィンプレートを振動素子によって振動させることによって、フィンプレート周辺に冷却風が発生し、この冷却風によって、フィンプレートを通して熱源からの熱が放熱される。なお、このときにヒートシンク全体の共振周波数とフィンプレートの共振周波数が異なるように設計することにより、フィンプレートを振動させることによってヒートシンク全体が共振し、半導体素子を破壊するなどの不具合を防止することができる。

図５はこの発明のヒートシンクの他の１つの態様を示す斜視図である。この態様においては、ヒートシンクは振動素子を駆動する駆動回路を更に備えている。即ち、例えば、熱源とベースプレートの間に熱電変換素子が組み込まれて、駆動回路が形成され、熱源とベースプレートの間の温度差によって電力を発生させて、振動素子を駆動する。

図５に示すように、ヒートシンク１のベースプレート２に形成された溝部５内に嵌め込まれて接合されたフィンプレート３を、同じくフィンプレート３と共に溝部５内に嵌め込まれて接合された振動素子４に電流を流すことによって振動させ、振動素子４とフィンプレート３を共振によって、フィンプレート３の上端部がベースプレート２の長軸方向に大きく振動する。ＣＰＵ等の熱源６とベースプレート２の表面の間に熱電変換素子８が配置され、それぞれ熱的に接続されている。

熱電変換素子は温度差により発生する起電力（ゼーベック効果）を利用した素子である。即ち、熱電変換素子はｐ型半導体材料とｎ型半導体材料を組み合わせて作製され、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料の２種類の半導体材料の両端を接続して、その両端を異なる温度に保つと回路に電流が流れる。ゼーベック効果による熱電変換素子は、ｐ型半導体素子とｎ型半導体素子の一方を低温、もう一方を高温とすることで温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。ＣＰＵ等の熱源部は、熱電変換素子の吸熱と、熱電変換素子で得られた電気によって、振動素子を駆動して振動させ、共振によってフィンプレートを振動させて放熱することによって、冷却される。

このようにこの態様によると、ＣＰＵ等の熱源６の冷却を外部から少ない電力を供給するだけで冷却を行うことができ、また、特別な制御システムを用いることなく冷却することができる。
次に、実施例によってこの発明のヒートシンクを更に詳細に説明する。
ＣＰＵ等の熱源からの熱を拡散する、大きさ６４ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍのベースプレートに、幅１ ｍｍ深さ２ｍｍの溝部を、間隔３ｍｍで形成した。熱源とベースプレートは、熱伝導グリースを介して熱的に接続されている。このように形成した溝部に、熱を放出する大きさ３０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのフィンプレート、および、電気信号を振動に変換する圧電素子が嵌め込まれ、溝部の周辺の平らな部分を、図３を参照して説明したように、カシメ固定（クリンプ加工）した。

圧電素子には５００ｍWの電力の交流電流を印可して、周波数１５４Hzで振動させた。圧電素子は同位相で動作するように設定した。圧電素子の振動に共振して、フィンプレートが振動して、フィンプレートの周辺に冷却風が発生し、この冷却風によって、フィンプレートを通じて熱源の熱が放熱された。その結果、３６Ｗの熱源の動作温度を８０℃以下に維持することができた。

更に、振動素子の動力として熱電変換素子を使用する別の実施例を以下に説明する。
ＣＰＵ等の熱源からの熱を拡散する、大きさ６４ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍのベースプレートに、幅１ｍｍ深さ２ｍｍの溝部を、間隔３ｍｍで形成した。３６Ｗの熱源を使用し、熱源とベースプレートの間に、熱電変換素子を挟み込むように配置した。熱源、熱電変換素子、ベースプレートのそれぞれの間は、熱伝導グリースを介して熱的に接続されている。このように形成した溝部に、熱を放出する大きさ３０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのフィンプレート、および、電気信号を振動に変換する圧電素子が嵌め込まれ、溝部の周辺の平らな部分を、図３を参照して説明したように、カシメ固定（クリンプ加工）した。

熱電変換素子と圧電素子間に回路を形成し、熱電変換素子によって発生した電力を圧電素子に印可して、圧電素子を周波数１５４Ｈｚで振動させた。圧電素子の振動に共振して、フィンプレートが振動して、フィンプレートの周辺に冷却風が発生し、この冷却風によって、フィンプレートを通じて熱源の熱が放熱された。その結果、他の電源から圧電素子の電力を２００mＷ加えるのみで、３６Ｗの熱源の動作温度を８０℃以下に維持することができた。

この発明によると、放熱フィン間に送風するための電動（冷却）ファンを設置するためのスペースが必要なくなり、その分、放熱フィンのためのスペースを大きくとれるので、冷却性能が向上する。更に、電動ファン用のファンモータなどの稼動部を必要としないので、冷却モジュールの信頼性が向上する。更に、電動ファン用のファンモータを必要としないので、冷却モジュールの小型、軽量化が可能となる。更に、冷却風を発生させるための振動板を必要としないので、部材数を低減させ、構成が簡単となる。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を示す斜視図である。 図２はこの発明のヒートシンクの各部材を説明する分解図である。 図３は、フィンプレートおよび振動素子が溝部に塑性変形によってカシメられ、接合された状態を説明する部分拡大図である。 図４は動作中のヒートシンクを説明する斜視図である。 図５はこの発明のヒートシンクの他の１つの態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ この発明のヒートシンク
２ ベースプレート
３ フィンプレート
４ 振動素子
５ 溝部
６ 熱源
７ 凹部の肩部
８ 熱電変換素子
９ 駆動回路
１０ 凹部

Claims (8)

1. 一方の面に熱源が熱的に接続される、複数の溝部を備えた金属製のベースプレートと、前記溝部に一部が嵌め込まれて接合された複数の金属製フィンプレートと、前記溝部に前記フィンプレートと共に一部が嵌め込まれて接合され、複数の前記フィンプレートを振動させる振動素子とを備えたヒートシンク。
2. 前記溝部近傍を塑性変形させることによって金属製フィンプレートおよび前記振動素子が接合されている、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記フィンプレートのそれぞれに前記振動素子が配置され、前記溝部内に接合された前記振動素子の長さが前記フィンプレートの長さと概ね同一である、請求項1または２に記載のヒートシンク。
4. 前記振動素子のそれぞれの周波数が前記フィンプレートの概ね共振周波数となるように調整されている、請求項１から３の何れか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記振動素子のそれぞれが同位相で動作するように調整されている、請求項１から４の何れか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記振動素子がピエゾ素子などの圧電素子からなっている、請求項１から５の何れか１項に記載のヒートシンク。
7. 前記振動素子を駆動する駆動回路を更に備えている、請求項１から６の何れか１項に記載のヒートシンク。
8. 前記熱源と前記ベースプレートの間に熱電変換素子が組み込まれて、前記駆動回路が形成され、前記熱源と前記ベースプレートの間の温度差によって電力を発生させて、前記振動素子を駆動する、請求項７に記載のヒートシンク。
   
   
   

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