JP2008258457A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の発熱体の冷却にあたり、ヒートシンクの構造の簡素化と冷却性能の向上により、信頼性の高い、高性能な電子機器を提供する。
【解決手段】電子機器１における発熱体３の熱を放熱するためのヒートシンク４を高熱伝導特性を有する金属製部材であって、ベース部と、スカイブ加工によって形成された複数のフィン部とを一体的に有する構造としている。また、複数のフィン部の先端部側を発熱体に熱接続するように配置し、フィン部を弾性変形によって発熱部との接触圧力を得るように押圧して設置される構成として、発熱体の熱をフィン部の先端部側によって受熱して、フィン部、およびベース部によって放熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体を搭載した電子機器に係わり、電子部品が発生する熱を受熱し、放熱するためのヒートシンクの構造に関するものである。

近年の電子機器においては、パーソナルコンピュータのＣＰＵに代表されるように、高性能な半導体集積回路が搭載されている。この半導体集積回路は、急速に高集積化、高速処理化が図られており、半導体集積回路における発熱量を増大させている。また、液晶表示機器や、プラズマディスプレイ機器等の電子機器においては、電子機器の大型化、高精細化による高輝度化によって、電子機器の発熱量が増大している。半導体集積回路における発熱は、半導体集積回路の性能を発揮できないだけでなく、半導体集積回路自体の破損にいたる場合がある。また、電子機器における発熱は、画質の劣化や、電子機器を構成するガラス基板の破損となる場合もある。よって、発熱体を搭載する電子機器は、性能の維持や、安全性、信頼性の確保のために、発熱体における発熱を抑制する課題を有している。

電子機器における発熱体の冷却方法には、熱伝達効率の良い冷媒液を利用した液冷方式も見られるが、民生用の電子機器においては、冷媒液の管理や、冷却対象の大面積化などから、広く普及する状況に至っていなく、空冷方式による冷却が一般的に行われている。

ただ、空冷方式においても、近年の発熱量が大きな電子機器においては、発熱体の温度上昇に対応した冷却性能の向上が必要である。ただ、ファンの大型化などによって送風量を増強して冷却性能の向上を図ることは、電子機器の大型化や送風音等の問題を呈することになる。この問題を回避して冷却性能を向上させるには、ヒートシンクの熱変換効率の向上を図ることになる。

ヒートシンクの熱変換効率を向上させるためには、発熱体に熱接続する受熱部材における熱伝達量を増加させることであり、また、放熱部材における大気中に放熱させる熱伝達効率を上げることであるが、この観点においても、電子機器の複雑化や、作業性の劣化は避けねばならない重要な課題である。

発熱体に熱接続するヒートシンクの受熱部における受熱量を増加させるにあたり、発熱体と受熱部材との接触界面に熱伝導効率の低い空隙を生じさせないように、発熱体と受熱部材の間に熱伝導性シートを介在させる技術が一般的に行われている。この熱伝導性シートの高熱伝導率化や、熱伝導性シートによる熱接続方法の技術が、特許文献１に開示されている。

さらには、高熱伝導性媒体として、熱伝導性シートに代えて高熱伝導性グリースを介在させる技術が、特許文献２に開示されている。

一方、放熱部材の熱伝達効率を向上させるために熱伝導率の良い材質においてスカイブ加工による微細フィンの形成に関する技術が、特許文献３に開示されている。

また、プラズマディスプレイのように広い面積を有する発熱体の発熱に対し、表示パネルと放熱板との熱接続における基本的な構成に関する技術が、特許文献４に開示されている。

特開２００３−１９８１６６号公報 特開２００４−２６９６４号公報 特開２００１−３２６３０８号公報 特開平１０−４０８２３号公報

ただ、本発明の電子機器の簡素化と放熱性能の向上の両立について、上記した従来技術には、解決しなければならない課題がある。

特許文献１には、発熱電子部品から発生する熱を冷却部材に効率良く伝達することのできる発熱電子部品の冷却方法およびそれに用いる熱伝導性シートを提供するために、熱伝導性充填剤を含有する熱伝導層を設け、発熱電子部品を密接状態で覆うようにして配置して発熱電子部品から受熱し、熱伝導性シートの反対面で熱接続している冷却部材に熱伝達を図り、冷却部材より大気中に放熱することが記載されている。しかし、熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導率は、黒鉛化炭素の配向性を厚み方向で管理しながらも６．８Ｗ／ｍ・Ｋ程度を実現するに過ぎない。熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導を利用する構成においては、発熱体と冷却部材との熱伝導性能に対し、自ずと熱伝導、熱伝達の限界を有することになる。

特許文献２には、発熱生体と放熱器との間に介在される熱伝導性グリースの熱伝導率を従来のシリコーングリースと比べて高いものとすることの製造方法、及びその使用方法を提供するために、熱伝導性の高い超微粒子を混在し、混錬して製作され、発熱電子部品と放熱器との間に介設して電子部品の効率的な放熱を行うことが記載されている。ただ、この熱伝導性グリースは、発熱体と放熱器の界面における空隙の排除による気密性を高めることはできるが、熱伝導率の向上には混在させる超粉末の量によることから、ここにも自ずと熱伝導率の向上に関する限界を有するものである。

特許文献３には、優れた放熱効率を有するフィン形状による放熱部材を提供するために、銅合金製の基材をスカイブ加工によって一体的に形成される複数のフィンを有する放熱部材とすることが記載されている。ただ、スカイブ加工によるフィンの形成は、材質によって大きく異なる。放熱性能を向上させるためには、フィン形状の整形を図る必要性を有し、材質の選定や、後加工等によるフィン形状の形成に関する記載はあるが、スカイブ加工において、フィン形状の整形を必要としない放熱部材の構造や、使い方についての記載はない。

特許文献４には、ＰＤＰに関し、簡単な構成によって表示パネルの温度を低く抑え、パネル輝度を高めて高い表示品位を備えるために、表示パネルと放熱板の間に熱伝導性媒体を設けている。プラズマディスプレイパネルの発熱に対して放熱板に熱伝導性媒体によって熱伝達して放熱するものであり、広い面積を有する熱伝導性媒体を設ける構成であり、密着性を高める作業性の問題や、コスト高に関する課題を有することになる。そのため、熱伝導性媒体を接着剤として塗布するものや、接着面積を縮減する方法も検討されているが、いずれも熱伝導性媒体を介在させている状況である。

上記の課題を解決するために、本発明の筐体内に搭載された発熱体を搭載した電子機器は、発熱体の熱を放熱するためのヒートシンクを有しており、ヒートシンクは、高熱伝導特性を有する金属製部材であって、ベース部とスカイブ加工によって形成された複数のフィン部とを一体的に有する構造であって、複数のフィン部の先端部側を発熱体に熱接続するように配置し、フィン部の弾性変形によって発熱部との接触圧力を得るように押圧して設置される構成として、発熱体の熱をフィン部の先端部側より受熱して、フィン部、およびベース部により放熱している。

さらには、本発明の電子機器は、ヒートシンクのベース部には、フィン部を形成される平面側においてベース部の周辺部、あるいはベース部の周辺部の一部に保持部を有し、保持部の高さは、スカイブ加工によって形成されるフィン長の高さよりも低く形成されてなり、発熱体にヒートシンクを設置する際に、発熱体にフィン部の先端を当接させ、保持部によって定められたヒートシンクの設置位置においてフィン部を押圧して、弾性変形させ、発熱体に熱設続する構成としている。

さらには、ヒートシンクのスカイブ加工による複数のフィン部は、複数列に分割されて形成されている。

さらには、複数列に分割されて形成される複数のフィン部は、フィン列、またはフィン行において異なるピッチで形成されている。

上記の構成の本発明によれば、簡素な構造による冷却装置によって、電子機器の発熱体を効率よく冷却可能とした電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明における電子機器を模式的に示した概略構成図である。図１において示されるように、本実施例の電子機器は、プラズマディスプレイ装置としたものであり、平面図は、説明の都合で一部を取り除いて示している。

電子機器１は、筐体２内に自発光型のプラズマディスプレイパネル（以後、表示パネルと称す）３を有している。この表示パネル３は、放電素子層３１を前面ガラス基板３２と背面ガラス基板３３で挟持して、封止しており、放電素子をこの封止空間で放電させてガラス基板上の蛍光体を発光表示することから、発熱することになる。表示パネル３の発熱を均一化し、かつ放熱するためにヒートシンク４が発熱体である表示パネル３に熱接続して設置されている。さらには、筐体２内には、表示パネル３、及びヒートシンク４の背面側においてプラズマディスプレイ装置１を操作、駆動するための回路基板５が載置されている。また、表示パネル３の前面側において、表示パネル３及びヒートシンク４を保持した固着部材６が、筐体２に付設される。

本発明は、上記のように電子機器１の筐体２内に搭載された発熱体３を冷却し、電子機器１の性能の向上、動作の信頼性の確保を目的とするものであることから、冷却対象とする発熱体は、表示パネル３に限られるものではなく、半導体回路部品に対応する構成を可能とするものである。よって、電子機器１は、半導体回路部品を搭載するプラズマディスプレイ装置に限られるものではなく、パーソナルコンピュータ、ＨＤＤ装置，光ディスクドライブ装置等であっても良い。

本発明は、これらの電子機器１における発熱体３の熱を効率よく放熱するためのヒートシンク４の構成に関するものであり、その構造について、図２によって説明する。

図２は、本発明における発熱体に熱接続されるヒートシンクの構造を説明する概略斜視図である。図２に示されるように、ヒートシンク４は、熱伝導性の良い金属製のベース部４１と、ベース部４１の表面をスカイブ加工によって削ぎ起こした複数のフィン部４２と、ベース部４１の周辺部、あるいは周辺部の一部においてフィン部４２を有する平面側に向けて突出して設けられた保持部４３とによって構成されている。図２に示すフィン部４２の形状は、概念的な形状として示してあり、フィン部４２のピッチ（Ｐ）、及び高さ（Ｈ）は発熱量に対応して所定の値で構成されるものである。また、図2に示したフィン部４２の長さ（Ｌ）は、ベース部４１の幅に略等しい長さで示しているが、発熱体が表示パネル３のように広い面積を有する場合には、加工性の観点とともに、発熱分布状態のからも所定に長さ（ｌ）に分割して、複数列として形成される（図１参照）ことが好ましい。

さらには、金属性のベース部４１の材質については、スカイブ加工性に優れるが、熱伝導性にやや劣るアルミニウム材や、逆に熱伝導性に優れるが、スカイブ加工性にやや劣る銅材等を発熱量に応じて使用されるものである。

さらには、ベース部４１のフィン部４２が形成される平面側の周辺部において、突出して形成された保持部４３は、例えば、図２においては、ベース部４１の両端部に連続的な一つの矩形状の部材として設けている。ただ、フィン長さ方向（Ｙ方向）において複数に分割して設けても良く、保持する部分として最低限必要な、例えば四隅だけに設けても良い。また、保持部４３の高さ（ｈ）は、所定位置に設置する際にフィン部４２を弾性変形させるに足りる少なくともフィン部４２の高さ（Ｈ）より低く（Ｈ＞ｈ）構成している。

ここで、フィン部４２の発熱体３との熱接続について以下説明する。

図３は、本発明におけるヒートシンクを発熱体に熱接続するための位置関係を示す分解斜視図である。図３に示すように、ヒートシンク４を発熱体３に熱接続する構成において、ヒートシンク４のベース部４１を発熱体３に固体接触する構成ではなく、ヒートシンク４のフィン部４２の先端部を発熱体３に接触させる構成である。すなわち、発熱体３に対し、白抜きの矢印方向からヒートシンク４を設置する。ヒートシンク４は、保持部４３によって、発熱体３を載置した固着部材６に当接して位置決めされ、図示しないネジ等によって保持される。また、固着部材６は、電子機器１に付設される。

この発熱体３にヒートシンク４を熱接続させて保持する際に、フィン部４２の高さ形状（Ｈ）が保持部４３の高さ形状（ｈ）より大きいため、フィン部４２の先端部分は、発熱体３の外形の対向平面に当接して、フィン部４２が押圧されることによって、弾性変形した状態で発熱体３と熱接続状態に維持される構成である。

ここで、フィン部４２における発熱体３からの熱伝達状態を説明する。図４は、フィン部の発熱体への接触状態を拡大して概念的に説明した図である。

フィン部４２は、発熱体３への熱接続を容易に、かつ確実に行うためにバネ特性を有し、バネ特性における弾性変形によってスイッチ等において実施されているナイフエッジ形接触状態により線状の接触圧力を高めて、固体接触状態の実質接触面積比率の増大を確保する構造としている。

例えば、発熱体３とヒートシンク４のベース部４１で固体接触させると、固体間の見かけ上の接触面における実際に接触している面積は非常に小さく、接触部は分散している分散接触状態となる。一般的には分散接触の量は、見かけ上の接触面積の数％程度とされている。

ここで、この接触部の熱抵抗に関して説明する。固体接触状態の等価熱抵抗Ｒは、銅材での熱伝導抵抗Ｒ1と空気層での熱伝導抵抗Ｒ２の並列合成熱抵抗であって、（数１）のようになる。
（数１）
Ｒ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）
また、銅材（熱伝導率λ１）での熱伝導抵抗Ｒ１は分散接触率θと接触部面積Ａ、接触部厚さＬを用いて、（数２）のようになる。
（数２）
Ｒ１＝Ｌ／（λ１・θ・Ａ）
空気（熱伝導率λ２）層での熱伝導抵抗Ｒ２は、上記分散接触率θと接触部面積Ａ、接触部厚さＬを用いて、（数３）のようになる。
（数３）
Ｒ２＝Ｌ／（λ２・（１−θ）・A）
（数１）〜（数３）を用いて、固体接触状態の等価熱抵抗Ｒは（数４）のようになる。
（数４）
Ｒ＝１／[１／｛Ｌ／（λ１・θ・Ａ）｝＋１／｛Ｌ／（λ２・（１−θ）・Ａ）｝]
＝Ｌ／[｛λ１・θ＋λ２・（１−θ）｝・Ａ]
従って、固体接触状態の等価熱伝導率λは｛λ１・θ＋λ２・（１−θ）｝で表示される。

仮に、ヒートシンク４の材質を銅材として、銅の熱伝導率は、約４００Ｗ／ｍ・Ｋであり、分散接触率を１％とすると、非接触部の９９％部分の空気層熱伝導率は、約０．０２６Ｗ／ｍ・Ｋである。この場合の固体接触状態の等価熱伝導率は約４Ｗ／ｍ・Ｋとなる。

この熱伝導率を増大するために従来技術においては、高熱伝導性シートや、熱伝導性グリースを介在させて非接触部の空気熱伝導率を高熱伝導率材の熱伝導率に置き換えることによって等価熱伝導率を増大させている。しかし、本発明においては、分散接触率を上げることにより等価熱伝導率を増大させるものであり、仮に、一般的な分散接触状態の良好な状態である１０％の分散接触率にすると等価熱伝導率は約４０Ｗ／ｍ・Ｋとすることができることを示している。本発明は、銅材等の高熱伝導率を活用することにより、高熱伝導シートや熱伝導性グリースを割愛し、ヒートシンク４の発熱体３への組み付け作業性の向上をはかるとともに、電子機器１の冷却性能の向上と、熱伝導性グリース等の枯渇等を生じることのない信頼性の向上を図ることを可能としている。フィン部４２の形状は、発熱体３とのナイフエッジ形接触状態により分散接触率を向上させるに十分な弾性変形による押圧力を確保するために、薄型のフィン厚さとし、さらには、幅方向においても出来得る限り小さな形状とし、短冊状の形状に構成されることが望ましいい。このことは、フィン部の形成は、スカイブ加工によるベース部４１の削ぎ起しによる方法が最適であることを示している。また、熱伝達性能が、フィン部４２の弾性変形による押圧によるものであることから、弾性変形の反力を呈する素材によって形成されることは、より強固な熱接続を可能とするに好適である。

また、フィン部４２の弾性変形による接触をナイフエッジの線接触状態として説明したが、フィン部４２の構成が変形しやすい形状として、フィン部４２の表面部と発熱体３との接触として見かけ上の接触面積の増大による実質接触面積を確保する方法であっても良い。

尚、フィン部４２の形成はスカイブ加工による切り起こしであるから、発熱体３の発熱部分に対応して、フィン部４２の加工ピッチを異ならせて、加工性と冷却性能の最適化を図ることが可能である。

また、フィン部４２の形成において、ベース部材の材質によって、スカイブ加工の切り起こし片の加工性が大きく異なることから、従来の冷却装置としての使用方法である冷媒の通風路としては、材質によって切り起こし片の切り起こし加工後の整形が必要となっているが、本発明においては切り起こし片を押圧して弾性変形させること、及びフィン部４２を発熱体３からの熱伝導材として作用させることからフィン部４２として整形の作業も必要としない。

以上のように、本構成によって、小型で簡素な構成のヒートシンク４により、小型で、信頼性が高く、冷却性能の優れる電子機器が実現できる。

本発明における電子機器を模式的に示した概略構成図である。 本発明における発熱体に熱接続されるヒートシンクの構造を説明する概略斜視図である。 本発明におけるヒートシンクを発熱体に熱接続するための位置関係を示す分解斜視図である。 本発明におけるフィン部の発熱体への接触状態を概念的に拡大して説明した図である。

符号の説明

１ 電子機器
２ 筐体
３ 発熱体
４ ヒートシンク
５ 回路基盤
６ 保持部材

Claims (4)

1. 筐体内に発熱体を搭載された電子機器において、
   前記発熱体の熱を放熱するためのヒートシンクを有し、
   前記ヒートシンクは、高熱伝導特性を有する金属製部材であって、ベース部と、スカイブ加工によって形成された複数のフィン部とを一体的に有する構造であり、
   前記複数のフィン部の先端部側を前記発熱体に熱接続するように配置し、前記フィン部を弾性変形によって前記発熱部との接触圧力を得るように押圧して設置される構成として、
   前記発熱体の熱を前記フィン部の先端部側によって受熱して、フィン部、およびベース部によって放熱することを特徴とする電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   前記ヒートシンクのベース部には、
   フィン部を形成した平面側においてベース部の周辺部、あるいは周辺部の一部に保持部を有し、
   前記保持部の高さは、前記スカイブ加工によって形成されるフィン高よりも低く形成されてなり、
   前記発熱体に前記ヒートシンクを設置する際に、前記発熱体に前記フィン部の先端を当接させ、前記保持部によって定められる前記ヒートシンクの設置位置において前記フィン部を押圧して弾性変形させる構造により前記発熱体に熱接続することを特徴とする電子機器。
3. 請求項１乃至２に記載の電子機器において、
   前記ヒートシンクの前記スカイブ加工による複数のフィン部は、複数列に分割されて形成されたことを特徴とする電子機器。
4. 請求項３に記載の電子機器において、
   前記複数列に分割されて形成される複数のフィン部は、フィン列、またはフィン行において異なるピッチで形成されたことを特徴とする電子機器。

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