JP2011003690A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、伝熱効果に優れ、板状フィンの固定が容易で、筐体外からの吸気・排気方向に自由に対応することができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】一方の面に発熱部品が熱的に接続されるベースプレートと、それぞれ複数の貫通孔部を備え、所定間隔で積層される複数枚の板状フィンと、ベースプレートの他方の面に垂直に設けられ、冷却風が通り抜ける切り欠き部を備え、前記板状フィンが前記貫通孔部で装着されて、径方向の復元力によって前記薄板状フィンを熱的に接続して固定する円筒状金属部材とを備えたヒートシンク。
【選択図】図２

Description

この発明は、ヒートシンク、特に、積層した薄板フィンを、ベースプレートに垂直に設けた伝熱部材で固定して、ベースプレートから伝熱部材を介して薄板フィンに熱を移動し、薄板フィン間を通る冷却風によって薄板フィンに伝わった熱を放散するヒートシンクに関し、筐体外からの吸気・排気方向に自由に対応することができるヒートシンクに関する。

従来、家電製品等を含み、製品の多機能、高性能化に伴って、搭載されている発熱部品から発生する熱の量が多くなり、正常な機能を維持するためには、熱の適切な処理が求められている。一方で、製品の薄型、軽量化も要求されるようになっている。

このような発熱部品から発生する熱は、一般的に発熱部品に取り付けられたヒートシンクに移動され、ヒートシンクの周囲の空気によって冷却されて大気中に放散されている。

図６は従来のヒートシンクの詳細を説明する図である。図６に示すように、薄い金属製の板からなるベースプレート１０１の表面に、複数の薄板フィン１０２が並列に配置されている。

薄板フィン１０２は、ベースプレートに全面が接触して熱的に接続されて配置される底面部１０３と、底面部の一方の端部から垂直に一体的に形成された垂直面部１０４とからなる断面が概ねＬ字形のフィンを複数連結することによって形成されている。矢印１１１で示す方向がヒートシンクへの吸気方向を示し、そして、矢印１１２で示す方向がヒートシンクからの排気方向を示す。

図６に示すヒートシンクにおいては、冷たい空気が、吸気側（即ち、下部）から筐体内に入り込み、並列に配置された薄板フィンの間を通る。発熱部品からベースプレートに移動した熱が薄板フィンに伝わり、薄板フィン間を通る空気に放散される。薄板フィン間を通って昇温した空気は、軽くなって上方に移動し、排気側（上部）から筐体外に排出される。
このように、所謂自然対流によって、薄板フィンの間を下部から上方へと移動していく空気の流れが形成される。

更に、積層した薄板フィンを、ベースプレートに立設した伝熱柱で固定して、ベースプレートから伝熱柱を介して薄板フィンに熱を移動し、薄板フィン間を通る冷却風によって薄板フィンに伝わった熱を冷却するヒートシンクが知られている（例えば、特開平１１−３４０６６６号公報参照）。即ち、このヒートシンクにおいては、ベースプレートに複数の柱状の金属ブロックである伝熱柱を立設し、伝熱柱に対応する位置に孔部を有する薄板フィンを所定間隔で積層し、孔部に伝熱柱を圧入または挿入して半田付けによって接合して伝熱柱に固定している。このようにして積層された薄板フィンは、ベースプレートの面と平行に配置されている。

上述した伝熱柱によって固定された薄板フィンを有するヒートシンクにおいては、発熱部品からの熱がベースプレートに移動し、次いでベースプレートに立設された角柱、円柱等の柱状の伝熱柱に移動する。伝熱柱には上述したように複数の板状フィンが所定間隔で積層して配置されている。従って、伝熱柱に移動した熱は、熱的に接続された薄板フィンに伝わり、薄板フィン間を通る冷却風によって空気中に放散される。

特開平１１−３４０６６６号公報

しかしながら、上述したような、ベースプレートに対して垂直方向に板状フィンを配置するヒートシンクは、配置方向（即ち、筐体外からの吸気・排気方向）が制限されてしまい、製品ごとにフィンの方向を設定する必要があるという問題点がある。

また、上述したような、孔部のある積層した薄板を、金属の伝熱柱に圧入または半田で接合するヒートシンクにおいては、例えば円柱形状の伝熱柱を使用すると、ベースプレートから伝熱柱への伝熱効果は高くなるが、伝熱柱によって重量が大きくなり、軽量化の傾向に反すると共に、板状フィンに形成される孔部と、円柱の径との間の設計誤差が極めて小さくなり、製造が難しくなり、コストが高くなるという問題点があった。

従って、この発明の目的は、軽量で、伝熱効果に優れ、板状フィンの固定が容易で、筐体外からの吸気・排気方向に自由に対応することができるヒートシンクを提供することにある。

本発明者は、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、以下のことが判明した。
即ち、柱状の金属ブロックである伝熱柱の代わりに、冷却風が通過するための切り欠き部を所定の部位に備えた、中空の円筒状金属部材を用いることによって、重量を軽減することができると共に、円筒状金属部材の切り欠き部を通って、冷却風が通過し、更に、円筒状金属部材の中を冷却風が移動することができるので、板状フィン間の冷却風の移動が容易になり、放熱効率が高まる。

更に、円筒状金属部材は、中空の板状部材であるので、切り欠き部を挟んで形成される円筒状金属部材の側部は、弾力（復元力)を備えており、板状フィンの孔部に円筒状金属部材を装着するだけで、円筒状金属部材によって、板状フィンが熱的に接続されて、容易に固定される。

この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明のヒートシンクの第１の態様は、一方の面に発熱部品が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垂直に設けられ、少なくとも前記ベースプレートと平行に冷却風が通り抜ける切り欠き部を有する複数の円筒状の伝熱部材と、
それぞれが前記伝熱部材に対応した位置に複数の貫通孔部を備え、前記伝熱部材を前記貫通孔部に挿通することによって、前記ベースプレートと平行に所定間隔をおいて積層される複数の板状フィン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、前記円筒状の伝熱部材は、前記ベースプレートに熱的に接続されて固定される底部と、前記板状フィンと接続される側部とからなっており、前記切り欠き部は、前記側部の対向する部位に、前記側部の軸方向全長にわたって設けら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、前記伝熱部材の前記底部は、中心に開口部を備え、前記ベースプレートは、前記開口部に対応する突起部を備え、前記突起部が開口部に嵌合することによって、前記伝熱部材が前記ベースプレートに熱的に接続して固定され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、前記円筒状の伝熱部材の上端部に嵌合されて、前記伝熱部材の形状を支持する形状支持部材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５の態様は、前記貫通孔部は、前記側部に対応する位置にフランジ部を有していることを特徴とするヒートシンクである。

この発明によると、軽量で、伝熱効果に優れ、板状フィンの固定が容易で、筐体外からの吸気・排気方向に自由に対応することができるヒートシンクを提供することができる。

更に、この発明によると、柱状の金属ブロックである伝熱柱の代わりに、冷却風が通過するための切り欠き部を所定の部位に備えた、中空の円筒状金属部材を用いることによって、重量を軽減することができると共に、円筒状金属部材の切り欠き部を通って、冷却風が通過し、更に、円筒状金属部材の中を冷却風が移動することができるので、板状フィン間の冷却風の移動が容易になり、放熱効率を高めることができる。

更に、円筒状金属部材は、中空の板状部材であるので、切り欠き部を挟んで形成される円筒状金属部材の側部は、弾力（復元力)を備えており、板状フィンの孔部に円筒状金属部材を装着するだけで、円筒状金属部材によって、板状フィンが熱的に接続されて、容易に固定することができる。

図１は、この発明のヒートシンクを説明する斜視図である。 図２は、図１のＢ−Ｂ断面の斜視図である。 図３は、図３は、ヒートシンクの板状フィンに固定された円筒状の伝熱部材を説明する部分平面図である。 図４は、図４は、冷却風の方向に垂直な方向から見たこの発明のヒートシンクの側面図である。 図５は、図１のＢ−Ｂ断面における円筒状の伝熱部材を示す部分断面図である。 図６は、従来のヒートシンクの詳細を説明する図である。

この発明のヒートシンクの実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明のヒートシンクの１つの態様は、一方の面に発熱部品が熱的に接続されるベースプレートと、ベースプレートの他方の面に垂直に設けられ、少なくともベースプレートと平行に冷却風が通り抜ける切り欠き部を有する複数の円筒状の伝熱部材と、それぞれが伝熱部材に対応した位置に複数の貫通孔部を備え、伝熱部材を貫通孔部に挿通することによって、ベースプレートと平行に所定間隔をおいて積層される複数の板状フィンとを備えたヒートシンクである。

図１は、この発明のヒートシンクを説明する斜視図である。図１に示すように、図示しない発熱部品にベースプレート２の一方の面が熱的に接続され、ベースプレート２の他方の面に複数の円筒状の中空の伝熱部材４が熱的に接続されて垂直に設けられている。円筒状の伝熱部材４は、概ね吸気側−排気側に平行に所定間隔で配置されている。

更に、円筒状の伝熱部材４は中空で、ベースプレート２と平行に冷却風が通り抜ける切り欠き部を有している。切り欠き部は、円筒状の伝熱部材４の概ね全長にわたって側部に対向して形成されている。板状フィン３は、それぞれ、円筒状の伝熱部材４の位置に対応した位置に複数の貫通孔部５を備えている。ベースプレート２に垂直に設けられた伝熱部材４を貫通孔部５に挿通することによって、板状フィン３が伝熱部材４に熱的に接続されて固定される。このように、複数の板状フィン３が所定間隔をおいて積層される。板状フィン３は、図ではコの字形状であるが、この形状に限定されることはなく、ベースプレート２上の利用できる配置空間に応じて適宜選択することができる。

ベースプレート２に垂直に設けられた円筒状の伝熱部材４に複数の板状フィン３が積層されたこの発明のヒートシンク１は、例えば、矢印１０に示す重力方向に沿ってベースプレート２が配置され、矢印２０で示す吸気側から冷却風が吸気されて積層された板状フィン３間を通過して、矢印３０で示す排気側から筐体外部に排出される。この発明のヒートシンク１においては、積層される板状フィン３がベースプレート２に平行に配置されているので、吸気方向が何れの方向であっても、自在に対応することができる。

図２は、図１のＢ−Ｂ断面の斜視図である。即ち、Ｂ−Ｂ線に沿って切った面を、斜め方向から見た図である。従って、円筒状の伝熱部材４が概ね中央部分で長軸方向に沿って切断された状態が前面に示され、その他の部分が斜め上方向から示されている。図２に示すように、ベースプレート２に円筒状の伝熱部材４の底面部が固定（詳細は後述する）されて、垂直に設けられている。円筒状の伝熱部材４の側部には、対向する位置に切り欠き部６が設けられている。

複数の円筒状の伝熱部材４は、吸気側−排気側に平行に所定間隔で配置され、それぞれの切り欠き部６が吸気側−排気側に平行に配置されて、冷却風が複数の切り欠き部６を通過する。ベースプレート２と円筒状の伝熱部材４は、発熱部品７の熱がベースプレート２から伝熱部材４へ容易に移動することができるように、円筒状の伝熱部材４の底面の広い部分で熱的に接続され、固定される。円筒状の伝熱部材４は、熱伝導性を高めるために、底面部と側部が一体的であることが望ましい。

積層された板状フィン３の貫通孔部５の壁面と、円筒状の伝熱部材４の切り欠き部６によって形成された断面円弧状部分の外周面とが、全面において熱的に接続されて、円筒状の伝熱部材４に板状フィン３が固定される。貫通孔部５の壁面と円弧状部分の外周面が対応した形状を有しているので、貫通孔部５の壁面と円弧状部分の外周面が広い面で接続される。更に、円筒状の伝熱部材４は、形成された切り欠き部６が、径方向に外側に広がる復元力（所謂スプリングバック）を備え、板状フィン３の貫通孔部５に挿通されたとき、この復元力によって貫通孔部５の壁面部を押圧して、板状フィン３を伝熱部材４に固定する。

図２にヒートシンクの熱伝導経路を合わせて示す。この発明のヒートシンク１においては、上述したように、ベースプレート２の一方の面に、切り欠き部６を有する複数の円筒状の伝熱部材４が、それぞれの切り欠き部６が吸気側−排気側に平行に位置するように垂直に設けられ、伝熱部材４の復元力によって積層された板状フィン３が固定されている。冷却風は、ヒートシンクの吸気側から取り込まれ、積層された板状フィン３の間、形成された切り欠き部６を通って排気側から外部に放出される。

図２に矢印で示すように、発熱部品７からベースプレート２に伝わった熱は、均熱されて、ベースプレート２上に固定されたそれぞれの円筒状の伝熱部材４中を垂直方向に伝わって、積層された板状フィン３のそれぞれに伝わり、板状フィン３の中を、貫通孔部５を中心とした放射状に伝わる。このように板状フィン３に伝わった熱は、積層された板状フィン間を通過する冷却風に放散され、板状フィンが冷却される。

同時に、円筒状の伝熱部材４の切り欠き部６を通った冷却風は、一部が中空の伝熱部材４の中を通って移動するため、隣接する板状フィン３間の冷却風の移動が容易になり、ヒートシンクの放熱性能を向上することができる。

図３は、ヒートシンクの板状フィン３が固定された円筒状の伝熱部材４を説明する部分平面図である。図３に示すように、円筒状の伝熱部材４は、長軸に垂直な断面において、所定厚さの環状の側部を備えており、対向する部位に切り欠き部６が設けられている。切り欠き部６によって、環状の側部は、２つの円弧状部分８を形成している。円筒状の伝熱部材４の切り欠き部６は、円筒状の伝熱部材４の側部の概ね全長にわたって概ね同じ幅で形成されている。

切り欠き部６を備えた円筒状の伝熱部材４は、例えば、所定の弾性を有する金属を使用して、板金等によって成型されているので、円弧状部分８に中心方向に向かって力を加えると、径方向に外に広がる復元力が生じる。円筒状の伝熱部材４への板状フィン３の固定は、上述した復元力によって板状フィン３の貫通孔部５の壁面を内側から支持することによって行われる。従って、従来行われていたような、半田等による接合は不要となり、工程数が減少してコストの低下を図ることができる。図３において、矢印４０で示すように、板状フィン３間を通る冷却風は、板状フィン３が固定された円筒状の伝熱部材４の切り欠き部６を通過する。板状フィン３の貫通孔部５の壁面と、円筒状の伝熱部材４の円弧状部分の外表面は対応した形状をしているので、相互に広い面で熱的に接続され、熱抵抗が増大することはない。

図３に示す状態は、積層された板状フィン３のそれぞれの貫通孔部５近傍において共通である。即ち、円筒状の伝熱部材４には、それぞれ、図３に示す状態で、積層された板状フィン３が固定される。図２を参照して説明した、複数の円筒状の伝熱部材４の切り欠き部６は、図２に示す矢印４０と同一線上に配列されているので、板状フィン間を流れる冷却風は複数の切り欠き部を通って少ない抵抗で流れる。

なお、上述した円筒状の伝熱部材４の側部の厚さおよび幅は、板状フィンを固定するための所望の復元力、切り欠き部６を通る所望の冷却風の風量、および、伝熱部材４の熱伝導性能等によって決定される。即ち、ベースプレート２から板状フィン３への、伝熱部材４の本来の熱伝導性能を維持しつつ、板状フィン３が固定される円弧状部分の復元力を確保することが必要である。

このような伝熱部材４の側部の厚さとしては、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍが望ましい。また、切欠き部６の幅は、それぞれ円筒における径方向の中心角が３０°以上、９０°以下が望ましい。

図４は、ベースプレートに対して水平な方向から見たこの発明のヒートシンクの部分的な側面図である。図４に示すように、ベースプレート２に垂直に円筒状の伝熱部材４が熱的に接続されて設けられ、伝熱部材４によって固定されて、板状フィン３が所定間隔で積層されている。積層された板状フィンの間を矢印４０で示すように、冷却風が流れる。

図３を参照して説明したように、同時に、円筒状の伝熱部材の切り欠き部（図示しない）を通って冷却風が流れる。なお、板状フィン３は、貫通孔部５の、円筒状の伝熱部材４の側部に対応する位置にフランジ部９を有していてもよい。フランジ部９を設けることによって、伝熱部材への板状フィンの固定が容易になり、且つ、伝熱部材４と板状フィン３の間の接触面積が広くなり、両部材の間の熱移動が容易になる。

図５は、図１のＢ−Ｂ断面における円筒状の伝熱部材４を示す部分断面図である。円筒状の伝熱部材４は、概ね中心部に孔部１４を備えた円盤形状の底面部１２と、底面部１２から垂直に上方に伸びる円筒状の側部とを備えた中空状の部材である。上述したように、側部には、切り欠き部６が設けられて、残りの部分は、円弧状部分８を形成している。

ベースプレート２は、発熱部品（図示しない）と反対側の面の、円筒状の伝熱部材４の底面部１２の孔部１４に対応する位置に例えば円柱状の突起部１１を備えている。円柱状の突起部１１に、上述した底面部１２の孔部１４が装着され、円柱状の突起部の頭部が機械的にかしめられて、円筒状の伝熱部材４がベースプレート２に熱的に接続して固定される。また、伝熱部材４は、円柱状の突起部１１を円筒状の伝熱部材４の底面部１２の孔部１４に圧入して固定してもよい。

円筒状の伝熱部材４の側部は、所望の熱伝導性能を有する概ね同一厚さを有し、ベースプレートに垂直に固定され、上述した円弧状部分８の外側方向への復元力によって、板状フィン３を固定している。冷却風の方向は、符号４０に示すように、紙面に垂直な方向である。

上述したように、円筒状の伝熱部材４の２つの円弧状部分８の径方向の復元力によって板状フィン３が、円筒状の伝熱部材４に熱的に接続して固定されている。また、円筒状の伝熱部材４の形状を固定するための形状支持部材１３が、円筒状の伝熱部材４の上端部に嵌合されることによって、伝熱部材４の復元力を保持していても良い。すなわち、形状支持部材１３は、円弧状部分８が径方向の内側へ向って変形し、伝熱部材４と板状フィン３との固定（熱接触）が弱まるのを防止することができる。

形状支持部材１３は、下部の一部が円筒状の伝熱部材４の中空の上端部に対応する凹部を縁部に備え、伝熱部材４の上端部に嵌合されて固定される。形状支持部材の形は、円柱状の蓋の形でもよく、軽量化のために、対向する円弧状部分を固定する幅の狭い板状物でもよい。また、形状支持部材１３は上記の機能を発揮するものであれば、材料に特に限定はないが、軽量化や低コスト化を考慮すると樹脂製の部材であることが望ましい。
形状支持部材１３によって、板状フィンが円筒状の伝熱部材に確実に固定され、優れた熱接続を確保することができる。

上述したように、この発明によると、ベースプレート２に平行に板状フィン３を配置するので、冷却風の風向きに影響されることなく、ヒートシンク１を自在に配置でき、円筒状の伝熱部材４に板状フィン３を嵌め込むだけでフィンが固定されるので、軽量で、伝熱効果に優れ、板状フィンの固定が容易で、筐体外からの吸気・排気方向に自由に対応することができるヒートシンクを提供することができる。

１ ヒートシンク
２ ベースプレート
３ 板状フィン
４ 円筒状の伝熱部材
５ 貫通孔部
６ 切り欠き部
７ 発熱部品
８ 円弧状部分
９ フランジ部
１０ 重力方向
１１ 突起部
１２ 底面部
１３ 形状支持部材
１４ 底面の孔部
２０ 吸気方向
３０ 排気方向
４０ 冷却風の方向
１００ 従来のヒートシンク
１０１ ベースプレート
１０２ 薄板フィン
１０３ 底面部
１０４ 垂直面部
１１０ 重力方向
１１１ 吸気方向
１１２ 排気方向

Claims (5)

1. 一方の面に発熱部品が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垂直に設けられ、少なくとも前記ベースプレートと平行に冷却風が通り抜ける切り欠き部を有する複数の円筒状の伝熱部材と、
   それぞれが前記伝熱部材に対応した位置に複数の貫通孔部を備え、前記伝熱部材を前記貫通孔部に挿通することによって、前記ベースプレートと平行に所定間隔をおいて積層される複数の板状フィンとを備えたヒートシンク。
2. 前記円筒状の伝熱部材は、前記ベースプレートに熱的に接続されて固定される底部と、前記板状フィンと接続される側部とからなっており、前記切り欠き部は、前記側部の対向する部位に、前記側部の軸方向全長にわたって設けられている、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記伝熱部材の前記底部は、中心に開口部を備え、前記ベースプレートは、前記開口部に対応する突起部を備え、前記突起部が開口部に嵌合することによって、前記伝熱部材が前記ベースプレートに熱的に接続して固定される、請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記円筒状の伝熱部材の上端部に嵌合されて、前記伝熱部材の形状を支持する形状支持部材を更に備えている、請求項１から３の何れか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記貫通孔部は、前記側部に対応する位置にフランジ部を有していることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のヒートシンク。
   
   
   

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