JP2011077247A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却用空気の流れに対してヒートシンクを自動的に最適な向きとすることのできるヒートシンクを提供することを課題とする。
【解決手段】 ヒートシンク４のプレート型フィン１０は、互いに平行に延在する複数のフィン１０ｂを有する。プレート型フィン１０を支持する取り付け部１２が放熱部品２に固定される。プレート型フィン１０と取り付け部１２との間にころがり軸受が設けられる。ころがり軸受はプレート型フィン１０を取り付け部１２に対して微小な力で回転可能に支持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は部品冷却用の放熱器として用いられるヒートシンクに関する。

電子機器の部品には動作中に発熱する部品がある。例えば、ＣＰＵ等の半導体装置を含む電子部品は動作中に熱を発生するため、内部で発生した熱を外部に放出する必要がある。熱を外部に放出するための放熱器として、ヒートシンクが用いられることが多い。

一般的に、ヒートシンクは例えば熱伝達率の高いアルミニウム等の金属により形成された多数のフィンを有する。フィンの表面から雰囲気に熱が放出されることで、ヒートシンクが取り付けられた電子部品が発生した熱を外部に放熱することができる。

ヒートシンクは、電子部品のプリント基板に搭載された電子部品に取り付けられることが多い。近年、電子部品のプリント基板への高密度実装化が進み、電子部品間の距離が短くなっている。これに伴い、プリント基板上の狭い領域に多数の電子部品が配置されるようになっている。このような電子部品にもヒートシンクが取り付けられる電子部品が多く、プリント基板上の狭い領域に多数のヒートシンクが配置されることとなる。

通常、ヒートシンクは、フィンの延在方向がその領域での空気の流れ方向に一致するように配置されている。ところが、狭い領域に外形や大きさの異なる多数のヒートシンクが配置されると、狭い領域内においてヒートシンクにより空気の流れる方向が変えられてしまうことがある。また、プリント基板上の領域にはヒートシンクの他に大きな電子部品が配置されることがあり、このような大きな電子部品によっても空気の流れが変えられてしまうこともある。プリント基板上で空気の流れる方向が変わると、ヒートシンクのフィンに斜め方向から空気流がぶつかることでフィンの間を空気が効率的に流れなくなり、ヒートシンクによる放熱効率が低下してしまう。

そこで、プリント基板の設計の段階で冷却用空気の流れる方向を解析しておき、フィンの方向が空気流に沿うようにヒートシンクを電子部品に取り付けることが提案されている。このためには、電子部品に対してフィンの方向を変えてヒートシンクを取り付ける必要がある。そのようなヒートシンクとして、例えば、電子部品に取り付けた固定プレートに対して、フィンが形成されたフィンプレートをネジ止めで固定する構造が提案されている。取り付けネジ孔を円周方向に多数形成しておくことで、固定プレートに対してフィンプレートを適当な回転位置となるようにネジ孔を選択してネジ止めすることができる。

ここで、ヒートシンクが取り付けられるソケットカバーに対して、ヒートシンクをその中央の回転軸を中心に回転できる構造とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この提案では、ヒートシンクが回転可能に取り付けられるが、設定した回転位置からヒートシンクが動いて（回転して）しまわないように、ヒートシンクを適当な回転位置で止めておく必要がある。したがって、ヒートシンクを回転させるためにはある程度の力をもって手動で回転しなければならない構造とする必要がある。

また、放熱フィンが取り付けられたフィン取り付け板を回転軸を中心に回転可能に支持し、フィン取り付け板に作用する重力によりフィン取り付け板を自動的に所定の方向に配向させることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。すなわち、フィン取り付け板の重量分布を調整しておき、装置が縦置きとされてフィン取り付け板が縦になったときに、重力によりフィン取り付け板が自動的に回転してフィンが所定の方向に向くようにする構造である。

特開平２−２６５１８６号公報 特開平１０−１３０６８号公報

特許文献１に開示されているようにヒートシンクを回転して所定の向きで固定する構造では、設計時の空気の流れ方向に対してヒートシンクの向きを調整して固定することができる。しかし、空気の流れが設計時の解析とは異なってしまう場合には、ヒートシンクの放熱効率は低下してしまう。例えば、冷却用の空気流を複数の冷却ファンで生成しているような場合で、冷却ファンの一つが故障して停止してしまったような場合が考えられる。冷却ファンの一つが停止した分、冷却用空気の流量が減って冷却効率が低下するだけでなく、ヒートシンクのフィンに供給される空気流の方向が変わってしまい、ヒートシンクの放熱効率が低下してしまう。

特許文献２に開示されているように、重力を利用してヒートシンクを回転させる構造では、装置（すなわちヒートシンク）が縦置きの場合にのみ有効であり、横置きの場合には効果はない。また、上述のように冷却用空気の流れる方向が設計時の方向から変わってしまった場合に対応することはできない。

したがって、冷却用空気の流れに対してヒートシンクを自動的に最適な向きとすることのできるヒートシンクの構造が望まれている。

本発明の実施形態によれば、互いに平行に所定の方向に延在する複数のフィンを有するプレート型フィンと、放熱部品に固定され、前記プレート型フィンを支持する取り付け部と、前記プレート型フィンと前記取り付け部との間に設けられ、前記プレート型フィンを前記取り付け部に対して回転可能に支持するころがり軸受とを有するヒートシンクが提供される。

ヒートシンクのフィンがヒートシンクの周囲を流れる空気流の方向に一致していない場合は、空気流がフィンに及ぼす力によりヒートシンクが自動的に回転して、フィンの延在方向が空気流の方向に一致することとなる。したがって、ヒートシンクの周囲を流れる空気流の方向が変化した場合でも、自動的にフィンの向きが変化し、ヒートシンクを放熱効率が高い状態に維持することができる。

本発明の一実施形態によるヒートシンクの断面図である。 プレート型フィン１０の斜視図である。 ローラベアリングが形成された部分の平面図である。 図１に示すヒートシンクが組み込まれた電子装置の内部を示す概略平面図である。 冷却ファンユニットの一つが停止した状態の電子装置の内部を示す概略平面図である。 延在方向の片側のみの面積が大きくなるような形状のフィンを有するプレート型フィンの斜視図である。 延在方向の片側のみの面積が大きくなるような形状のフィンを有するプレート型フィンの斜視図である。 図１に示すヒートシンクの変形例を示す断面図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態によるヒートシンクの断面図であり、発熱デバイスに取り付けられた状態が示されている。図１に示す例では、発熱デバイス２は作動中に発熱する電子部品である。発熱デバイス２の熱を周囲に放出するために、ヒートシンク４が発熱デバイス２に取り付けられる。発熱デバイス２は、例えば、プリント基板６に実装された半導体装置である。

ヒートシンク４は、発熱デバイス２の上面に、熱伝導性の良い伝熱性接着剤８を用いて接着される。発熱デバイス２の内部で発生した熱は、接着剤８を介してヒートシンク４に伝達され、ヒートシンク４から周囲の空気に放出される。

ヒートシンク４はプレート型フィン１０（フィンプレート）と取り付け部１２とを含む。図２はプレート型フィン１０の斜視図である。プレート型フィン１０のプレート部１０ａの上面には多数のフィン１０ｂが形成されている。フィン１０ｂは所定の間隔で所定の方向に互いに平行に延在している。本実施形態では、プレート部１０ａの外形は円形である。プレート部１０ａの底面から円柱状の突出部１０ｃが突出している。突出部１０ｃは、後述のようにころがり軸受を取り付けるための部分として設けられている。

プレート型フィン１０は、ころがり軸受を介して取り付け部１２に回転可能に支持される。取り付け部１２は、上述のように熱伝導性の良い伝熱性接着剤８により発熱デバイス２に接着され固定されている。取り付け部１２とプレート型フィン１０の間にころがり軸受が設けられているので、プレート型フィン１０は取り付け部１２に対して、すなわち発熱デバイス２に対して、非常に小さな力で回転可能である。すなわち、後述のようにフィン１０ｂが受ける空気流の圧力のような微小な力でもプレート型フィン１０ｂを回転させることができる。

本実施形態では、上述のころがり軸受はローラベアリングである。ローラベアリングは、内円カバー１４と、取り付け部１２と、それらの間に配置された複数のローラ１６とを含む。図３はローラベアリングが形成された部分の平面図である。内円カバー１４はローラベアリングのインナレースに相当し、取り付け部１２がアウタレースに相当し、円柱状のローラ１６がインナレースとアウタレースとの間で回転可能に支持された構造のローラベアリングが形成される。

なお、円柱状のローラ１６の代わりに金属ボールを配置してボールベアリングを形成してもよい。ボールベアリングのほうがローラベアリングよりころがり抵抗が少ないため、小さな力で回転させることができる。ただし、ローラベアリングのほうがローラ１６とインナレース及びアウタレースとの接触面積が大きいので、伝熱性の観点から有利である。

インナレースとして機能する内円カバー１４は、プレート型フィン１０の突出部１０ｃが収容される凹部を有している。突出部１０ｃを内円カバー１４の凹部１４ａに嵌め込んで伝熱性接着剤等で固定することで、プレート型フィン１０は取り付け部１２に対してころがり軸受を介して回転可能に支持される。

内円カバー１４の外周面はローラ１６が転動する面となるので、外周面が摩耗あるいは変形し難いように、内円カバー１４を比較的高度の高い伝熱性材料で形成することが好ましい。あるいは、内円カバー１４の外周面の硬度を高くする処理を施すこととしてもよい。このように、内円カバー１４は硬度の高い外周面を提供するために設けられるものである。すなわち、プレート型フィン１０は比較的硬度の低いアルミニウム等で形成されることが多いため、硬度の高い外周面を提供する内円カバー１４をプレート型フィン１０に設けている。プレート型フィン１０の突出部１０ｃの外周面の硬度を高くできるのであれば、内円カバー１４を設けずに、突出部１０ｃの外周面をローラベアリングのインナレースとすることもできる。

また、アウタレースとして機能する取り付け部１２の内周面はローラ１６が転動する面となるので、取り付け部１２も内円カバー１４と同様に比較的硬度の高い伝熱性材料で形成することが好ましい。あるいは、取り付け部１２の内周面の硬度を高くする処理を施すこととしてもよい。

なお、内円カバーの底面１４ｂは、取り付け部１２の底面１２ａに対向しているが接触しないように僅かな間隙が形成され、その間隙に粘度の低い伝熱性の潤滑剤が充填されていることが好ましい。内円カバー１４の底面１４ｂが取り付け部１２の底面１２ａに接触すると摩擦抵抗が生じてプレート型フィン１０が回転し難くなるので、これを防止するためである。内円カバーの底面１４ｂと取り付け部１２の底面１２ａとの間に間隙を設けると、間隙が熱抵抗となって取り付け部１２から内円カバー１４に熱が伝わり難くなる。これを避けるために、間隙に粘度の低い伝熱性の潤滑剤を充填して熱抵抗を低減し、取り付け部材１２から内円カバー１４への熱の移動を促進する。この潤滑剤がローラベアリングにも供給されるようにすればローラベアリングがより円滑に回転することとなる。

以上のように、本実施形態によるヒートシンク４において、取り付け部１２とプレート型フィン１０との間にころがり軸受が設けられているので、プレート型フィン１０は常に微小な力が加わっただけで回転可能な状態となっている。すなわち、プレート型フィン１０のフィン１０ｂの周囲を通過する空気流による圧力のみでプレート型フィン１０は回転することができる。

図４はヒートシンク４が組み込まれた電子装置２０の内部を示す概略平面図である。電子装置２０には、内部の部品を冷却するために２つの冷却ファンユニット２２−１，２２−２が設けられている。冷却ファンユニット２２−１，２２−２は、装置の外部の空気を吸い込んで電子装置２０の筐体内部に導入する。冷却ファンユニット２２−１，２２−１の両方が正常に作動しているときは、空気流はほぼ平行に筐体内部を流れ、冷却ファンユニット２２−１，２２−２の反対側から筐体外に排出される。このとき、ヒートシンク４のプレート型フィン１０は、フィン１０ｂが筐体内を流れる空気流の方向に一致するよう配向されている。すなわち、フィン１０ｂの延在方向が空気流の方向から傾くと、フィン１０ｂの側面に対して空気流による圧力が加わるので、プレート型フィン１０は、フィン１０ｂに加わる圧力が最も小さくなる位置で安定する。このプレート型フィン１０安定する位置は、フィン１０ｂの延在方向が空気流の方向に一致した位置であり、空気流がフィン１０ｂに沿って抵抗無く通過できるため冷却効率が最も高くなる位置である。

ここで、冷却ファンユニット２２−１，２２−２のどちらかが故障して停止した場合を考える。図５は冷却ファンユニット２２−２が停止して冷却ファンユニット２２−１だけが作動している状態の電子装置２０の内部を示す概略平面図である。

冷却ファンユニット２２−２が停止して冷却ファンユニット２２−１だけが作動した状態では、冷却ファンユニット２２−１から導入される空気は、本来冷却ファンユニット２２−２から導入された空気が流れる領域に拡散しながら流れる。結果として図５において矢印で示すように、冷却ファンユニット２２−１から導入された空気が流れる方向は、本来の空気流に対して斜めとなる。

プレート型フィン１０が従来のように固定されていると、空気流はフィン１０ｂに対して斜めに流れることとなり、フィン１０ｂの周囲を流れる空気量が減少するので、ヒートシンク４の放熱効率が低下する。しかし、本実施形態によるプレート型フィン１０は微小な力でも回転可能であるので、斜めからの空気流の圧力により自動的に回転し、図５に示すように、フィン１０ｂの延在方向が空気流の方向に一致するような位置となって安定する。この位置となると、フィン１０ｂの周囲を空気流が抵抗無く通過するので、フィン１０ｂの周囲を流れる空気量が最大となり、放熱効率も最大となる。

このように、本実施形態によるヒートシンク４は、その放熱効率が最大となる位置にプレート型フィン１０が自動的に回転するので、ヒートシンク４の周囲の冷却用空気流の方向が変わってしまっても、高い放熱効率を維持することができる。

ここで、フィン１０ｂの形状について説明する。上述のようにフィン１０ｂの周囲を流れる空気流の方向にフィン１０ｂの延在方向を一致させるには、風向計の原理（風見鶏の原理）を利用してフィン１０ｂの形状を決めることが好ましい。すなわち、フィン１０ｂの形状を、その延在方向の片側のみの面積が大きくなるようにすることで、面積の大きい部分が常に下流側（風下）となるようにフィン１０ｂ（すなわち、プレート型フィン１０）を配向することができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、延在方向の片側のみの面積が大きくなるような形状のフィンを有するプレート型フィン１０Ａ〜１０Ｅの斜視図である。

図６（ａ）に示すプレート型フィン１０Ａでは、全てのフィン１０ｂにおいてその延在方向の片側半分の高さが高くなっており、高さの高い部分の面積が大きくなっている。フィン１０ｂの高さの低い部分と高い部分との間の部分は、空気流がぶつかることを考慮して傾斜面となっている。必ずしもフィン１０ｂの片側半分を高くする必要はなく、片側半分のうちの一部を高くすれば、風向計の原理を利用することができる。

図６（ｂ）に示すプレート型フィン１０Ｂでは、図６（ａ）に示すプレート型フィン１０のフィン１０ｂの傾斜面の角度（高さ方向に対する角度）を大きくして、フィン１０ｂの高さを徐々に高くしている。図６（ｃ）に示すプレート型フィン１０Ｃでは、図６（ｂ）に示すプレート型フィン１０のフィン１０ｂの傾斜面の角度をさらに大きくして、フィン１０ｂの高さを徐々に高くしている。

図７（ａ）に示すプレート型フィン１０Ｄでは、フィン１０ｂのうち中央の３つのフィン１０ｂのみが図６（ａ）に示すフィンの形状となっている。このように、フィン１０ｂの全てについて高い部分と低い部分を有する形状としなくても、フィン１０ｂの一部のみについて高い部分と低い部分を有する形状とすることで、風向計の原理を利用することができる。図７（ｂ）に示すプレート型フィン１０Ｅでは、フィン１０ｂのうち中央の３つのフィン１０ｂ以外のフィン１０ｂが図６（ａ）に示すフィンの形状となっている。

図１に示すヒートシンク４では、内円カバー１４の底面１４ｂと取り付け部１２ｂの底面１２ａとの間に潤滑剤を充填して、内円カバー１４の底面１４ｂと取り付け部１２ｂの底面１２ａとの間の摩擦を極力小さくしている。内円カバー１４の底面１４ｂと取り付け部１２ｂの底面１２ａとの間の摩擦を極力小さくするには、図８に示すように、内円カバー１４の底面１４ｂと取り付け部１２ｂの底面１２ａとの間にも複数のローラ１８を配置してスラストローラベアリングを形成することが好ましい。取り付け部１２から内円カバー１４への伝熱を考慮すると、スラストローラベアリングとすることが好ましいが、ローラ１８の代わりに金属ボールを用いてスラストボールベアリングとしてもよい。

以上のように、本実施形態のヒートシンク４によれば、取り付け部１２とプレート型フィン１０との間にころがり軸受が設けられているので、プレート型フィン１０は常に回転可能な状態となっている。すなわち、プレート型フィン１０のフィン１０ｂの周囲を通過する空気流による圧力のみでプレート型フィン１０は回転することができる。したがって、ヒートシンク４のフィン１０ｂがヒートシンク４の周囲を流れる空気流の方向に一致していない場合は、空気流がフィン１０ｂに及ぼす力によりフィン１０ｂを有するプレート型フィン１０が自動的に回転して、フィン１０ｂの延在方向が空気流の方向に一致することとなる。したがって、ヒートシンク４の周囲を流れる空気流の方向が変化した場合でも、自動的にフィン１０ｂの向きが変化し、ヒートシンク４を放熱効率が高い状態に維持することができる。

２ 発熱デバイス
４ ヒートシンク
６ プリント基板
８ 接着剤
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ プレート型フィン
１０ａ プレート部
１０ｂ フィン
１０ｃ 突出部
１２ 取り付け部
１２ａ 底面
１４ 内円カバー
１４ａ 凹部
１４ｂ 底面
１６，１８ ローラ
２０ 電子装置
２２−１，２２−２ 冷却ファンユニット

Claims (5)

1. 互いに平行に所定の方向に延在する複数のフィンを有するプレート型フィンと、
   放熱部品に固定され、前記プレート型フィンを支持する取り付け部と、
   前記プレート型フィンと前記取り付け部との間に設けられ、前記プレート型フィンを前記取り付け部に対して回転可能に支持するころがり軸受と
   を有するヒートシンク。
2. 請求項１記載のヒートシンクであって、
   前記プレート型フィンと前記取り付け部との間に、伝熱性潤滑剤が充填されているヒートシンク。
3. 請求項１又は２記載のヒートシンクであって、
   前記プレート型フィンは外形が円柱状の突出部を含み、且つ前記取り付け部は環状の凹部を有し、
   前記突出部の外周面と前記環状の凹部の内周面との間に前記ころがり軸受が配置されたヒートシンク。
4. 請求項３記載のヒートシンクであって、
   前記突出部の底面と前記環状の凹部の底面との間にも前記ころがり軸受が配置されたヒートシンク。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のヒートシンクであって、
   前記プレート型フィンの複数のフィンのうち少なくとも一部のフィンは、前記フィンの延在方向において片側だけ面積が大きい部分を有するヒートシンク。

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