JP2010087016A - 自然空冷用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】強制冷却用の送風ファン等を使用しないヒートシンクで、発熱素子からの熱を効果的に放熱することができる自然空冷用ヒートシンクを提供する。
【解決手段】一方の面が発熱素子に熱的に接続されたベースプレート１１と、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された、発熱素子に対応する部分の高さが、その他の部分の高さよりも低い金属薄板１が、複数枚並列配置された放熱フィン部１２とを備えた自然空冷用ヒートシンク。前記金属薄板が底面部と垂直面部からなる概ねＬ字形からなっており、前記底面部が前記ベースプレートに熱的に接続される。
【選択図】図２

Description

この発明は、強制冷却用の送風ファン等を使用しない自然空冷用ヒートシンク、特に自然対流を生起させる自然空冷用ヒートシンクおよびそれを用いた自然空冷用冷却装置に関する。

ＩＣ、ＣＰＵ等がパソコン等の特殊な製品だけでなく、家電製品等の広い分野で使用されるようになり、筐体内に内蔵された発熱を伴うこれらＣＰＵ、素子等の各種部品の熱を、効率よく放熱することができるヒートシンク等の冷却装置が要求されている。
従来、ヒートシンクの性能を向上させるためには、例えば特許文献１に記載されているように、一方の面に発熱素子が熱的に接続される受熱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、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する強制空冷タイプのヒートシンクが利用されている。

また、一方の端部が受熱プレートに熱的に接続され、他方の端部に放熱フィンが取り付けられるヒートパイプによって、発熱素子が熱的に接続される受熱プレートから離れた位置に熱を移動し、そこで放熱フィンに強制冷却用の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。

更に、冷却風を発生させるために羽を回転させて動作させる電動ファンを取り付け、冷却風の流量を増加させて放熱性能を高める装置も用いられている。このような冷却装置では、一層優れた放熱効果を求めて、ファンを高速回転させ、または、大型ファンを利用する等、高い放熱効率が求められていた。またヒートシンクが家電製品等の広い分野で使用されるようになり、更に低コストで効率的な冷却装置が要求されている。

低コスト化のため、従来、製造コストの安価なアルミニウムの押し出し材によるヒートシンクが利用されてきた。押し出し材によるヒートシンクは、受熱ブロックと放熱フィンとが一体的に形成されるので、製造は容易であり、フィンの高さも一定であるため、広く用いられてきた。
特開２０００−２９４６９５号公報

遠心ファンを備えた電動ファン等は、強制的に冷却風を放熱フィン間に送り込むため、発熱部品から受熱ブロック等を介して放熱フィンに伝わった熱を効果的に冷却することができるけれども、ファンの回転に伴う騒音の発生、更に、ファンを取り付けることによる高コスト等の問題点がある。
押し出し材によるヒートシンクは、製造上の制限によって放熱フィンのピッチや、放熱フィンの厚さ等が限定され細かなピッチでフィンを形成することが技術的に困難であり、また、押し出し成形によるため、所望の放熱フィンの形状の変化に対応できないという問題点がある。

従って、この発明の目的は、強制冷却用の送風ファン等を使用しないヒートシンクで、発熱素子からの熱を効果的に放熱することができる自然空冷用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、金属薄板からなる放熱フィンの形状を工夫することによって、放熱フィンの下方から冷たい空気が放熱フィン間に導かれ、発熱素子から放熱フィンに伝わった熱によって空気の温度が上昇して、上方に移動し、空気が循環する自然対流が形成され、電動ファン等を使用することなく、効果的に放熱することができることが判明した。更に、放熱フィンの形状は、発熱素子に対応する部分の高さが、その他の部分よりも低い形状にすることで、上述した冷たい空気が放熱フィンの下方から導かれ、昇温して上方に移動して空気の循環を促す自然対流が生じることが判明した。この発明は、上述した結果に基づいてなされたものである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第１の態様は、一方の面が発熱素子に熱的に接続されるベースプレートと、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された、前記発熱素子に対応した部分の高さが、その他の部分の高さよりも低い複数の金属薄板が、並列に立設された放熱フィン部とを備えた自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第２の態様は、前記金属薄板が底面部と垂直面部からなる概ねＬ字形からなっており、前記底面部が前記ベースプレートに熱的に接続される自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第３の態様は、前記金属薄板が前記垂直面部の上端部に連結部を更に備え、前記連結部が隣接する前記金属薄板の垂直面部と接続されている自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第４の態様は、前記ベースプレートの一部に突起部が形成され、前記金属薄板の前記底面部に形成された孔部が前記突起部に装着され、前記突起部が機械的にカシメられて前記金属薄板が前記ベースプレートに固定されている自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第５の態様は、前記突起部は前記ベースプレートの一部にバーリング加工が施されたバーリング加工部である自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第６の態様は、前記ベースプレートの幅が、前記金属薄板の幅に比べて小さい自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用ヒートシンクの第７の態様は、前記金属薄板の少なくとも一部が黒色である自然空冷用ヒートシンクである。

この発明の自然空冷用冷却装置は、前記自然空冷用ヒートシンクが、前記自然空冷用ヒートシンクと概ね同一の高さの筐体内に収納されて前記筐体内の発熱素子の熱を自然空冷する自然空冷用冷却装置である。

この発明によると、放熱フィンの形状が、発熱素子に対応した部分の高さが、その他の部分よりも低いので、放熱フィンの下方から冷たい空気が放熱フィン間に導かれ、発熱素子から放熱フィンに伝わった熱によって空気の温度が上昇して、上方に移動し、空気が循環する自然対流が形成され、電動ファン等を使用することなく、効果的に放熱することができる。

この発明の自然空冷用ヒートシンクおよびそれを用いた自然空冷用冷却装置を、図面を参照しながら説明する。
この発明の自然空冷用ヒートシンクに用いられる放熱フィンは、発熱素子が取り付けられる部分に対応した部分の高さが、その他の部分の高さよりも低い金属薄板が、複数枚並列配置された自然空冷用放熱フィンである。

図１は、この発明の自然空冷用ヒートシンクに用いられる放熱フィンの１つの態様を説明する正面図である。図１に示すように、放熱フィン１は所定の厚さ、例えば０．１〜１．０ｍｍの厚さの金属薄板で形成され、中央部２の高さが、両端部３、４の高さよりも低く、凹部５を形成している。金属薄板の形状は、図１に示すものに限定されることなく、後述する自然対流が生じるような形状、すなわち発熱素子が取り付けられる部分に対応した部分の高さがその他の部分の高さよりも低ければ良い。発熱素子(図示しない)の熱が放熱フィン１の中央下部に伝わり、放熱フィン１の中央下部から放熱フィン１の全体に広がっていく。

このとき、放熱フィン１の中央上部が凹部５を形成しているので、発熱素子の熱の一部は中央上部から大気中に放熱され、大部分は両端部３、４の下部から上部に移動する。従って、放熱フィンの下部の空気が、発熱素子から放熱フィン１に伝わった熱によって温度が上昇し上方に移動する。

その結果、放熱フィン１の下部に位置する冷たい空気が温度を上昇しつつ放熱フィン１の上方に移動する空気の循環が生じて、所謂、自然対流が生じる。このように、放熱フィン１の形状を発熱素子に対応する部分の高さを低くすることによって、空気の自然対流は、上方に移動した空気が放熱フィン１の間だけではなく、放熱フィン１の凹部５によって形成される空間にも流れるため、効率良く自然対流を生じさせて、電動ファン等を取り付けなくても、効果的な放熱が可能になる。

次に、上述した放熱フィンを組み込んだヒートシンクについて説明する。
この発明の自然空冷用ヒートシンクの第１の態様は、一方の面が発熱素子に熱的に接続されたベースプレートと、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された、中央部の高さが、その他の部分の高さよりも低い金属薄板が、複数枚並列配置された放熱フィン部とを備えた自然空冷用ヒートシンクである。

図２は、この発明の自然空冷用ヒートシンクの１つの態様を説明する概略斜視図である。図２に示すように、この発明の自然空冷用のヒートシンク１０は、（図示しない）発熱素子が一方の面に熱的に接続されたベースプレート１１と、ベースプレート１１の他方の面に熱的に接続された放熱フィン部１２とからなっている。放熱フィン部１２は、図１を参照して説明した放熱フィン１が複数枚並列に配置されている。図３に示すように、個々の放熱フィン１は、ベースプレート１１に熱的に接続される底面部１３と、底面部１３に垂直に延伸する放熱部１４からなっている。図２に示す放熱フィン１は、放熱部が中央部分２の高さが低く、両端部３、４が高くなっている。

図２に示すように、一方の面に発熱素子が熱的に接続されたベースプレート１１の他方の面に、複数枚の金属薄板からなる放熱フィン１が並列に配置されて、放熱フィン部を形成している。個々の放熱フィン１は、図３を参照して説明したように、例えば、底面部１３および放熱部１４からなる概ねＬ字形の金属薄板からなっている。上述したように、個々の放熱フィン１の中央部の高さは両端部の高さよりも低く、正面からみると概ね凹形である。ベースプレート１１の幅は、放熱フィン１の長さに比べると、小さい。

上述したヒートシンク１０を筐体の中に配置すると、図示しない発熱素子からの熱がベースプレート１１に伝わる。ベースプレート１１に伝わった発熱素子の熱は、並列配置された複数枚の放熱フィン１の中央部に位置する底面部に伝わり、次いで、放熱部の中央下部から放熱部の全体に広がっていく。放熱フィン１の中央上部が削り取られて凹部５を形成しているので、一部は中央上部から大気中に放熱され、大部分は両端部３、４の下部から上部に移動する。従って、放熱フィン１の下部の両側に位置する冷たい空気が、発熱素子から放熱フィン１に伝わった熱によって温度が上昇し、軽くなって放熱フィン１の間を上方に移動する。

その結果、放熱フィン１の下部に位置する冷たい空気が温度を上昇しつつ放熱フィン１の上方に向かって移動する空気の循環が生じて、所謂、自然対流が生じる。このように、放熱フィン１の形状を発熱素子に対応する部分の高さを低くすることによって、効率良く自然対流を生じさせて、電動ファン等を取り付けなくても、効果的な放熱が可能になる。

図４は、放熱フィンの底面部とベースプレートの接続の一例を示す図である。図４に示すように、放熱フィンの長さと比較すると、ベースプレートの幅は小さい。この態様では、底面部が概ねベースプレートの幅と概ね同じ大きさであり、放熱フィンの放熱部（垂直部分）は、かなり大きくなっている。図４に示すように、隣接する放熱フィンの間には下方から上方に空気が流れるような間隙が形成されている。このように放熱フィン間に下方から上方に抜ける間隙を設けることによって、放熱フィンによって熱せられた空気が上方に向かって移動しやすくなり、自然対流を生じやすい。隣接する放熱フィンの間隔は、例えば３〜１０ｍｍが好ましい。

図５は、ベースプレートと放熱フィンとの接合を説明する部分断面図である。図５（ａ）は、ベースプレートにバーリング加工を施した例を示す。図５（ｂ）は、ベースプレートに突起部を形成した例を示す。図５（ａ）に示す態様では、ベースプレート１１の所定位置（放熱フィンを固定する位置に対応）にバーリング加工１５が施されている。対応する放熱フィン１の底面部１３には対応する大きさの孔部１６が設けられている。バーリング加工が施された部分に、放熱フィン１の底面部の孔部１６が装着される。

次いで、バーリング加工が施された部分の上端部１７が機械的にカシメられて、放熱フィン１の底面部１３がベースプレート１１に固定される。この際、ベースプレート１１と放熱フィン１の底面部１３は密着された状態で固定されるので、熱抵抗は小さい。

図５（ｂ）に示す態様では、同様に、ベースプレート１１の所定位置（放熱フィンを固定する位置に対応）に突起部１８が形成されている。対応する放熱フィン１の底面部１３には対応する大きさの孔部１６が設けられている。突起部１８に、放熱フィン１の底面部１３の孔部１６が装着される。次いで、突起部１８の上端部１９が機械的にカシメられて、放熱フィン１の底面部１３がベースプレート１１に固定される。この際、ベースプレート１１と放熱フィン１の底面部１３は密着された状態で固定されるので、熱抵抗は小さい。図５（ａ）および図５（ｂ）に示す以外の方法で放熱フィン１１の底面部１３を、熱抵抗が小さい状態で固定することができればよい。

なお、放熱フィン１の放熱効率を高めるために、例えば、放熱フィンの一部、例えば並列配置された両端の放熱フィンを黒色塗装を施しても良い。更に、放熱フィンの表面積を拡大するために、表面に凹凸を形成したり、放熱フィンの間隔に比べて十分小さい突起部を設けてもよい。

図６は、この発明の自然空冷用ヒートシンクの他の１つの態様を説明する概略斜視図である。図６に示す態様では、放熱フィンが図２に示す放熱フィンと一部異なっている。即ち、図２を参照して説明した放熱フィン１は、ベースプレート１１に熱的に接続される底面部１３と、底面部１３に垂直に延伸する放熱部１４からなっているが、この態様の放熱フィン１は、それぞれ、放熱部１４の先端部の一部が直角に折り曲げられてベースプレートと平行に延伸し、隣接する放熱フィンとの間で結合されている。

即ち、図６に示すように、放熱部１４の先端部の一部が延伸され、直角に折り曲げられて連結部２１を形成している。連結部２１の中央には、図の右側の端部に爪部２２、図の左側の端部に爪受け部２３が形成されている。爪部２２と爪受け部２３は対応した形状および大きさで、隣接する放熱フィン１の爪部２２が対象となる放熱フィン１の爪受け部２３に嵌合され、対象となる放熱フィン１の爪部２２が別の隣接する放熱フィン１の爪受け部２３に嵌合される。このようにして、金属薄板の放熱フィンを固定して強度を高め、フィンの損傷を防止することができる。

図７は、筐体の中にこの発明のヒートシンクを配置する状況を説明する断面図である。図７に示すように、発熱素子２０に熱的に接続された状態でベースプレート１１が配置される。ベースプレートの他方の面には、発熱素子に対応する部分の高さがその他の部分の高さよりも低い放熱フィンの底面部が熱的に接続されている。従って、この発明の自然空冷用ヒートシンクは、発熱素子２０に接続されたヒートシンク５の高さがほぼ同一の筐体３０の中に配置されていても、上述したような自然対流を生じるため、ファン等を使用することなく、効果的に発熱素子の熱を放熱することができる。

即ち、図７に示すように、放熱フィンの両端部は、筐体の内壁との間に小さな間隙（例えば０〜３ｍｍ程度）を備えているだけであるが、放熱フィンの中央部は凹部５が設けられているので、筐体の内壁との間に所望の間隙を確保することができる。その結果、放熱フィンの中央部の上面においても空気の流れが確保でき、効果的に自然対流を生じることができる。凹部５の高さとその他の部分の高さの差は、３ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上あれば、効果的に自然対流を生じることができる。

次いで、この発明の放熱フィンを使用したヒートシンクと、従来の放熱フィンを使用するヒートシンクを用いて、放熱実験を行った。図８は、従来の放熱フィンを使用するヒートシンクの正面図である。図８（ａ）に示す例は、放熱フィンの高さが発熱素子に対応する部分においてもその他の部分においても同一の放熱フィンである。図８（ｂ）に示す例は、発熱素子に対応する部分の高さがその他の部分の高さよりも高い放熱フィンである。

図８（ａ）に示すヒートシンクでは、ベースプレートの温度が２９．４４℃に上昇した。そのときの発熱素子の温度が２９．６３℃であった。これに対して、本発明のヒートシンクでは、ベースプレートの温度が２７．４１℃に上昇した。そのときの発熱素子の温度は２７．８１℃であった。図８（ｂ）に示すヒートシンクでは、図８（ａ）に示すヒートシンクと同程度であった。

上述した実験結果から、本発明の自然空冷用ヒートシンクによると、放熱フィンに設けられた切り欠き（凹部）によって、自然対流が効果的に生じて、放熱効率を高めていることが確認できる。

この発明によると、放熱フィンの形状が、発熱素子に対応する部分の高さが、その他の部分の高さよりも低いので、放熱フィンの下方から冷たい空気が放熱フィン間に導かれ、発熱素子から放熱フィンに伝わった熱によって空気の温度が上昇して、上方に移動し、空気が循環する自然対流が形成され、電動ファン等を使用することなく、効果的に放熱することができる。

図１は、この発明の自然空冷用ヒートシンクに用いられる放熱フィンの１つの態様を説明する正面図である。 図２は、この発明の自然空冷用ヒートシンクの１つの態様を説明する概略斜視図である。 図３は、ベースプレートに放熱フィンを装着する状態を説明する側面図である。 図４は、放熱フィンの底面部とベースプレートの接続の一例を示す図である。 図５は、ベースプレートと放熱フィンとの接合を説明する部分断面図である。図５（ａ）は、ベースプレートにバーリング加工を施した例を示す。図５（ｂ）は、ベースプレートに突起部を形成した例を示す。 図６は、この発明の自然空冷用ヒートシンクの他の１つの態様を説明する概略斜視図である。 図７は、筐体の中にこの発明のヒートシンクを配置する状況を説明する断面図である。 図８は、従来の放熱フィンを使用するヒートシンクの正面図である。図８（ａ）に示す例は、放熱フィンの高さが端部においても中央部においても同一の放熱フィンである。図８（ｂ）に示す例は、端部の高さが中央部の高さよりも低い放熱フィンである。

符号の説明

１ 放熱フィン
２ 中央部
３ 端部
４ 端部
５ 凹部
１０ ヒートシンク
１１ ベースプレート
１２ 放熱フィン部
１３ 底面部
１４ 放熱部
１５ バーリング加工
１６ 孔部
１７ バーリング加工上端部
１８ 突起部
１９ 突起部の上端部
２０ 発熱素子
２１ 連結部
２２ 爪部
２３ 爪受け部
３０ 筐体

Claims (8)

1. 一方の面が発熱素子に熱的に接続されるベースプレートと、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された、前記発熱素子に対応した部分の高さが、その他の部分の高さよりも低い複数の金属薄板が、並列に立設された放熱フィン部とを備えた自然空冷用ヒートシンク。
2. 前記金属薄板が底面部と垂直面部からなる概ねＬ字形からなっており、前記底面部が前記ベースプレートに熱的に接続される、請求項１に記載の自然空冷用ヒートシンク。
3. 前記金属薄板が前記垂直面部の上端部に連結部を更に備え、前記連結部が隣接する金属薄板と接続されていることを特徴とする請求項２に記載の自然空冷用ヒートシンク。
4. 前記ベースプレートの一部に突起部が形成され、前記金属薄板の前記底面部に形成された孔部が前記突起部に装着され、前記突起部が機械的にカシメられて前記金属薄板が前記ベースプレートに固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の自然空冷用ヒートシンク。
5. 前記突起部は前記ベースプレートの一部にバーリング加工が施されたバーリング加工部であることを特徴とする請求項４に記載の自然空冷用ヒートシンク。
6. 前記ベースプレートの幅が、前記金属薄板の幅に比べて小さいことを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の自然空冷用ヒートシンク。
7. 前記金属薄板の少なくとも一部が黒色であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の自然空冷用ヒートシンク。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の前記自然空冷用ヒートシンクが、前記自然空冷用ヒートシンクと概ね同一の高さの筐体内に収納されて前記筐体内の発熱素子の熱を自然空冷することを特徴とする自然空冷用冷却装置。

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