JP2012004454A - 空冷放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクとファン装置との関係を明確化して、発熱源に対して効率的なファン装置の配置を提供し、結果として、静音化、小型化、省電力化、低コスト化することができるようにする。
【解決手段】第１軸方向に広がる発熱源１０の裏面に接触する板状のベース部１４ａと、該ベース部の裏面から延びる多数のピン状のフィン部１４ｂとを有するヒートシンク１４と、ヒートシンク１４のフィン部の裏面側に設けられて、ファン１８と、該ファン１８を内部に収容すると共にヒートシンク１４から出口へと向かう流路２０ａを画成するファンフレーム２０と、を有するファン装置１６と、を備える。１つのヒートシンク１４に対して１つのファン装置１６のみが設けられ、ファン装置１６の流路の流路の横寸法または縦寸法をＬとしたときに、ヒートシンク１４のベース部１４ａの第１軸方向寸法Ｘは、Ｌ＜Ｘ≦２．５Ｌが成り立つようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ファン装置を用いて空気の流れによって発熱源から発生される熱を効率良く放熱するための空冷放熱装置に関する。

従来、空冷放熱装置としては、発熱源に対して接触するヒートシンクと、ヒートシンクに伝達される熱を放熱するべくヒートシンクに対して空気の流れを強制させるファン装置と、を備える構成が一般的に知られている。

この場合、一般的には、特許文献１〜３に示されるように、ヒートシンク全体を空気に曝すために、ヒートシンクとファン装置との寸法はほぼ等しく設定されており、これによって、ヒートシンク全体にファン装置からの空気またはファン装置に向かって空気を強制的に流すようにしている。

特開２００５−２０９８６５号公報 特開２００９−１７２９３７号公報 特開２００９−１５２１９２号公報

従って、かかる従来の空冷放熱装置においては、発熱源が大きくなれば、それに合わせてヒートシンクの面積を大きく確保すると共にファン装置の大きさもヒートシンクの面積に合わせるか、またはヒートシンク及びファン装置を複数設ける必要がある。そのため、騒音、重量、消費電力が大きくなり、高コスト化するという問題がある。

ところで、本発明者らの研究によれば、ヒートシンクの面積が大きくなるのに合わせてファン装置の個数を徒に増加しても、冷却効率は必ずしも良くなるとは限らないことが分かった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、本発明は、ヒートシンクとファン装置との関係を明確化して、発熱源に対して効率的なファン装置の配置を提供し、結果として、静音化、小型化、省電力化、低コスト化することができる空冷放熱装置を提供することをその目的とする。

前述した目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくともある軸方向に広がりを持った発熱源を空冷する空冷放熱装置において、
前記発熱源の裏面に接触する板状のベース部と、該ベース部の裏面から延びる多数のピン状のフィン部とを有するヒートシンクと、
前記ヒートシンクのフィン部の裏面側に設けられて、ファンと、該ファンを内部に収容すると共にヒートシンクから出口へと向かう流路を画成するファンフレームと、を有するファン装置と、
を備え、
１つの前記ヒートシンクに対して１つの前記ファン装置のみが設けられており、
前記ヒートシンクのベース部の前記軸方向寸法をＸとし、前記ファン装置の前記軸方向寸法をＬとしたときに、Ｌ＜Ｘ≦２．５Ｌが成り立ち、
前記ヒートシンクのフィン部の裏面の、前記ファン装置のファンフレームよりも外側に位置する部分は、カバーによって閉塞されており、
前記ファン装置は、前記ヒートシンクからの空気を吸い出して、前記流路を通して前記出口へと排気することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の空冷放熱装置において、前記カバーは、前記ヒートシンクのフィン部の裏面側から、前記フィン部の側面の表側と裏側の途中部分まで延設されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の空冷放熱装置において、前記ベース部には、前記発熱源と重ならない部分で且つ前記ファン装置と対向する部分に、表側と裏側とを連通する貫通孔が設けられることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、空冷放熱構造において、前記軸方向に広がりを持った発熱源に対して、請求項１ないし３の空冷放熱装置が少なくとも２つ以上、前記軸方向に沿って離間して並設されており、よって隣り合う空冷放熱装置のそれぞれのヒートシンクのフィン部同士の間に隙間が形成されることを特徴とする。

本発明者らは、発熱源の軸方向の長さが長くなるのに合わせてヒートシンクの面積が大きくなったときに、ファン装置をヒートシンクの面積の大きさに合わせて複数設けても、複数のファン装置による流れが互いに打ち消しあって干渉し合う為に、ファン装置を複数設けたことによる効果が十分発揮されていないことを見出した。

そして、ヒートシンクの軸方向寸法Ｘが、ファン装置の軸方向寸法Ｌに対して、Ｌ＜Ｘ≦２．５Ｌという範囲においては、１つのファン装置で冷却を行っても、複数のファン装置を設けた場合とほとんど変わらないことを見出した。

よって、１つのファン装置を用いて、ヒートシンクの上記範囲において、放熱を行うことで、静音化、小型化、省電力化、低コスト化を図ることができ、結果的に効率良く放熱を行うことができる。

本発明の第１実施形態による空冷放熱装置の全体斜視図である。 本発明による空冷放熱装置の正面図である。 本発明による空冷放熱装置の平面側よりみた断面図である。 ファン装置を１つのみ設けた場合（実施例１）と２つ設けた場合（比較例１）での冷却効果を表す実験結果のグラフである。 比較例１の実験の状態を表す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は比較例１の実験の状態を表す断面図である。 発熱源の軸方向寸法が大きい場合の空冷放熱構造の例を示す図である。 本発明の第２実施形態による空冷放熱装置の全体斜視図である。 本発明の第２実施形態の変形例を表す空冷放熱装置の側面よりみた断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
図１ないし図３は本発明の空冷放熱装置の第１実施形態を表す図である。

本発明の空冷放熱装置で冷却するべき発熱源１０としては、熱を発生する任意の発熱源とすることができ、一例としては、ＬＥＤ素子のような発光素子とすることができる。

発熱源１の形状は、点状ではなく、少なくとも第１軸方向に広がりを持っている。より具体的には、第１軸と、該第１軸に直交する第２軸とに広がりを持つ二次元形状となっている。例えば、その二次元形状としては、第１軸方向寸法（図の横寸法）が第２軸方向寸法（図の縦寸法）よりも長い長方形、長円、楕円形等の横長の形状とする他に、第１軸方向寸法と第２軸方向寸法が互いに等しくなる正方形形状や円形形状とすることも可能である。

但し、発熱源１０は、複数のほぼ点状または複数の線状の熱源から構成することができ、その場合の発熱源１０の形状は、複数の熱源の全体外形形状とする。例えば、熱源としてＬＥＤ素子のような発光素子を例にとった場合、発熱源１０は、多数の発光素子が並設されてなるアレイ若しくはアレイ群、または多数の発光素子からなる全体部分とすることができる。

本明細書及び特許請求の範囲において、発熱源１の第１軸は、二次元形状の最も寸法が長い方向（最も寸法が長い方向が２つある場合には、その内の１つの方向）に沿ってとるものとする。

本発明による空冷放熱装置１２は、大まかに、ヒートシンク１４と、ファン装置１６とを備えている。

ヒートシンク１４は、発熱源１０の裏面に接触して配置され、板状のベース部１４ａと、多数のピン状のフィン部１４ｂとを有する。ヒートシンク１４は、熱伝導率が高く、熱容量の大きい高熱伝導率材料から構成される。具体的には、高熱伝導率材料としては、アルミニウム、銅、真鍮等またはこれらの合金等から選択することができる。

ベース部１４ａの表面は、発熱源１０の裏面と直接接触しており、発熱源１０の裏面をカバーするように、発熱源１０よりはやや大きい二次元平面を有している。よって、ベース部１４ａも発熱源１０の第１軸及び第２軸に合わせて第１軸と第２軸とを有する。発熱源１０が第１軸方向に最も長い長方形形状をしている場合には、ベース部１４ａも、第１軸方向に最も長い長方形形状をなしているとよい。但し、発熱源１０とベース部１４ａとの間には、別途熱伝導率の高いスペーサ部材を介在させることもできる。

フィン部１４ｂは、ベース部１４ａの裏面全体から裏側方向に延びる多数の細長のピンを備えている。多数のピンは、隣合うピンと整列して、または互い違いになるようにして、２次元的に配設され、ピン間に形成された空間によって２次元的な空気の流通を図ることができるようになっている。各ピンの断面形状は正方形、多角形等の任意の形状とすることができる。

ファン装置１６は、フィン部１４ｂの裏面側に設けられており、ファン１８と、ファン１８を内部に収容するファンフレーム２０と、を有している。ファンフレーム２０は、ヒートシンク１４からファン１８を通り裏側の出口までの流路２０ａを画成している。流路２０ａは、回転するファン１８を包囲するべくその断面形状において、横寸法と縦寸法が基本的に等しいものとなっており、好ましくは、正方形形状、またはファン１８の円形形状の回転軌跡よりもやや大きい円形形状をなしている。また、ファンフレーム２０の外形形状も（意匠部分等を除き）基本的には、その横寸法と縦寸法とが等しいものとなっている。

ファン装置１６は、１つのヒートシンク１４に対して１つのみが割り当てられており、好ましくは、該１つのヒートシンク１４の第１軸及び第２軸のそれぞれの中央付近に位置づけられるように固定されている。

ファン装置１６の流路２０ａの横寸法または縦寸法をＬとし、ヒートシンク１４のベース部１４ａの第１軸方向の寸法をＸ、第２軸方向の寸法をＹとしたときに、ＬとＸの関係は、Ｌ＜Ｘ≦２．５Ｌ、より好ましくは２Ｌ≦Ｘ≦２．５Ｌが成り立つようになっている。また、ＬとＹの関係は、好ましくはＬ＝Ｙとなっているか、または、ＹはＬよりもやや大きい程度にすればよい。

尚、ここで、ファン装置１６のファンフレーム２０によって画成される流路２０ａの寸法と、ファンフレーム２０の外部の寸法とは、ファンフレーム２０の肉厚分の差があるものの、肉厚は流路の寸法に比較して小さいので、ファンフレーム２０の外形の横寸法または縦寸法をＬとおいてもよい。

上記Ｘの範囲は、１つのファン装置１６で効率的に冷却を行うことができるヒートシンクの大きさの範囲を表している。

上記範囲に設定することにより、ヒートシンク１４の裏面には、ファン装置１６の設けられていない部分が発生する。このファン装置１６の設けられていない部分、即ち、ヒートシンク１４の裏面のファンフレーム２０の外側に位置する部分は、空気の流通を防ぐカバー２２によって閉塞される。カバー２２は、フィン部２２ｂのピンの先端と接触して、ピンとカバー２２との間には隙間のないようになっているとよい。また、カバー２２は、ヒートシンク１４の四側方において、裏側と表側の途中部分まで延設されており、フィン部１４ｂの側面の裏面側がカバー２２の折り返しによって被覆されている。これに対して、フィン部１４ｂの側面の表面側、即ち、ベース部側は、原則四方が開放されている。そのため、ヒートシンク１４の側方から、空気がヒートシンク１４のフィン部１４ｂのピンと隣り合うピンとの間内に流入することが可能となっている。

好ましくは、ヒートシンク１４の裏面からファン１８までの流路２０ａの距離は、０．３Ｌ以上とするとよく、これによって、流路２０ａの断面内の風の流れを均一にすることができる。ヒートシンク１４から出口までの流路２０ａの距離は任意であり、また、その長手軸は、直線状のみならず屈曲、折曲、蛇行していてもよい。即ち、ヒートシンク１４とファン１８または出口は、近接していなくてもよい。

以上のように構成される空冷放熱装置にあっては、ファン装置１６が駆動されて、ファン１８が回転し、ヒートシンク１４の側方から空気がヒートシンク１４へと吸入され、ヒートシンク１４のフィン部１４ｂを通過して、ファン装置１６の流路２０ａを通り、出口へと排気されるようになっており、ヒートシンク１４からの熱を吸い出す、所謂吸い出し方式で冷却を行うようになっている。

１つのみのファン装置１６で冷却を行うことで、同じヒートシンク１４に対して複数のファン装置１６を配設する場合と比較して、静音化、小型化、省電力化、低コスト化を図ることができると共に、複数のファン装置１６を駆動した場合と比較して遜色のない冷却効果を得ることができる。

図４は、ファン装置１６を１つのみ設けた場合と複数設けた場合での冷却効果を表す実験結果である。

この実験では、Ｙ＝６０ｍｍのヒートシンク１４（アルミニウム製、ベース部の厚さ：７ｍｍ、フィン部のピンの断面形状：２ｍｍ×２ｍｍの正方形、ピン間の空間の断面形状：２ｍｍ×２ｍｍの正方形、ピンの長さ：３３ｍｍ）、及び横寸法及び縦寸法Ｌ＝６０ｍｍの正方形形状のファン装置１６（山洋電気製、９ＧＶ０６１２Ｐ１Ｇ０３，定格電圧１２Ｖ，定格電流２．８Ａ、デューティ比５０％でＰＷＭ制御）を用いて、ヒートシンク１４のＸを様々に変化させた。発熱源１０の電力は一律１００Ｗとし、ヒートシンク１４の大きさに合わせて発熱源１０を可能な限り均等に分散させて配した状態で、ファン装置１６を予め駆動し室温にある状態から、発熱源１０の発熱を開始し、発熱源１０の第１軸及び第２軸方向中央部における温度を計測して、発熱開始から３分経過して温度が定常状態になったときの温度を、ファン装置１６を１つ設けた場合と２つ設けた場合とでそれぞれ比較した。

ファン装置１６の位置については、１つのファン装置１６を設けた場合には、ヒートシンク１４の第１軸の中央付近に配置した。２つのファン装置１６を設けた場合は、Ｘ＜２Ｌ＝１２０ｍｍまでは、図５に示すように、ヒートシンク１４の裏面からファン装置１６の方がはみ出すので、はみ出したファン装置１６の流路２０ａの入口部分については、カバー２２を設けた。また、Ｘ＞２Ｌ＝１２０ｍｍの場合には、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、２つのファン装置１６を離して第１軸の両端に設けた場合と、近づけた場合とに位置を変えて実験を行ったものの、結果は同じであった。また、図６（ａ）において、中央の２つのファン装置１６の隙間にカバー２２を設けた場合と、図６（ｂ）に示すように、中央の隙間にカバーを設けずに仕切り３０を設けた場合とで実験を行ったが、結果は同じであった。

図４において、●は、ファン装置１６を１つ設けた場合（実施例１）、■は、ファン装置１６を２つ設けた場合（比較例１）を示す。

同図に示すように、ファン装置１６を２つ設けた比較例１の方が１つ設けた実施例１よりも温度上昇は全体的に低いものの、Ｘが比較的小さい範囲では、あまり大きな差異が出ていないことが分かる。

一方、同図において、発熱源１０の電力を５０Ｗとして、ヒートシンク１４のＸ及びＹを共に６０ｍｍとし１つのファン装置１６で同様に実験を行った場合（比較例２）の結果を▲で示す。

比較例２は、比較例１における１００Ｗでヒートシンク１４のＸを１２０ｍｍとした場合と比較すると、発熱量に対するヒートシンク１４の面積及びファン装置の個数の割合が同じであるから、本来であれば同じ温度上昇を示すべきである。それにも拘わらず、比較例１は、比較例２に比べて、温度上昇がかなり高くなっており、２つのファン装置１６を設けたことにより、１つのファン装置１６だけを設けた場合と比較して、冷却効果が悪化している。この理由としては、２つのファン装置１６を設けたことにより、互いによって発生される流れが互いに打ち消し合って干渉がおこり、２つのファン装置１６の中間において風が弱まり、効率的に熱交換を行うことができないため、と考えられる。

比較例１と比較例２とを比較すると、１つのファン装置１６当たりの発熱量が等しい条件下にある。また、実施例１及び比較例１からヒートシンク１４の面積を大きくした方が冷却には有利である。従って、Ｙ＝ＸとなりＸが最も小さい比較例２は冷却に最も不利な状態での結果である。よって、その最も不利な条件下にある比較例２よりも高い冷却効果が得られなければ、２つのファン装置１６を設けた効果が十分に発揮されていないことを意味する。

比較例２における温度上昇が比較例１における温度上昇よりも小さい結果をもたらすＸの範囲は図４に示すように約１５０ｍｍ以下である。よって、このＸの範囲では１つのファン装置１６で冷却を行った方が１つのファン装置当たりの冷却能力が高いことになり、このＸ／Ｌの範囲としては、約１５０ｍｍ÷６０ｍｍ＝２．５以下とすると妥当であることになる。

特に、Ｘ＝２Ｌ以上においては、図５に示したような比較例１の２つのファン装置１６のはみ出しはないから、実施例１と比較例１とで測定条件の差が全くない。そのため、測定条件の差がないＸ≧２Ｌの範囲において、１つのファン装置１６とする優位性が認められる。

こうして１つのヒートシンク１４に対して１つのファン装置１６を設けることで、効率的な冷却効果が得られるだけでなく、静音化、小型化、省電力化、低コスト化という効果も併せて得ることができる。

また、ファン装置１６のファンの向きを逆にして、ヒートシンク１４へと空気を吹き付ける吹き付け方式にすると、吸い出し方式に比較して冷却効果が悪くなることが分かった。その一因としては、吹き付け方式では、ファン装置１６自身の発熱の影響を受けるおそれがあるのに対して、吸い出し方式では、ファン装置１６自身の発熱の影響を受けないから、と考えられる。

また、ヒートシンク１４の第２軸寸法Ｙに関しては、Ｘ＝１００において、Ｙ＝１００としても、Ｙ＝６０とした場合と同じ結果であった。従って、ヒートシンク１４の第２軸方向寸法Ｙに関しては、Ｌ≦Ｙ≦１．７程度の自由度があることが分かった。

発熱源１０の第１軸方向の寸法が大きく、発熱源１０の第１軸方向寸法が２．５Ｌを超える場合には、図７に示すように、１つの発熱源１０に対して複数の空冷放熱装置１２を互いに離間して並設する空冷放熱構造とするとよい。離間して並設するとは、隣り合う空冷放熱装置１２のそれぞれのヒートシンク１４同士の間に隙間が形成されて、この隙間を通して各ヒートシンク１４の側方から空気を取り込むことができる程度になっていればよい。具体的には、隣り合う空冷放熱装置１２のヒートシンク１４のそれぞれのフィン部１４ｂ同士の間に空気が通過する十分な隙間が形成されればよく、隣り合う空冷放熱装置１２のヒートシンク１４のベース部１４ａに関しては延長させて一体的に連続していてもよい。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態を表す図である。第１実施形態と同一または同様の部材は同一の符号を付してその説明を省略する。

この例では、ヒートシンク１４のベース部１４ａに、ヒートシンク１４の表側と裏側とを連通する複数の貫通孔１４ｃが設けられている。

貫通孔１４ｃは、好ましくは、ファン装置１６の流路２０ａに対向することができる位置に設けるとよい。

このように貫通孔１４ｃを設けることで、ベース部１４ａの表側から裏側へと空気の流れを形成することができて、より効果的に、ヒートシンク１４から熱を奪い、放熱させることができる。

さらに、図９に示すように、貫通孔１４ｃを設ける場合に、孔からの塵埃等の侵入を抑えるべく、高熱伝導性の化粧板２４を貫通孔１４ｃに重なるように、発熱源１０の周囲に設けることも可能である。また、この化粧板２４によって、冷却効果を向上させることもできる。

以上の貫通孔１４ｃと化粧板２４を図４に示す実験のＸ＝１２０ｍｍにおいて付加することで、１つのファン装置１６によって、貫通孔及び化粧板なしで２つのファン装置１６を設けた場合とほぼ同等の冷却効果が得られることが分かった。

こうして、１つのファン装置１６であっても、２つのファン装置１６の場合と等価の冷却効果が得られるので、静音化、小型化、省電力化、低コスト化を図ることができ、より一層の冷却効率の向上を図ることができる。

本発明は、上述のように任意の発熱源１０に適用することができるが、例えば、紫外線発光素子アレイを発熱源１０とし、紫外線照射によって熱硬化を発生させる紫外線硬化装置や、紫外線硬化インクを用いて印刷を行うプリンタヘッドに好適に適用することができる。

１０ 発熱源
１２ 空冷放熱装置
１４ ヒートシンク
１４ａ ベース部
１４ｂ フィン部
１４ｃ 貫通孔
１６ ファン装置
１８ ファン
２０ ファンフレーム
２０ａ 流路

Claims (4)

1. 少なくともある軸方向に広がりを持った発熱源を空冷する空冷放熱装置において、
   前記発熱源の裏面に接触する板状のベース部と、該ベース部の裏面から延びる多数のピン状のフィン部とを有するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクのフィン部の裏面側に設けられて、ファンと、該ファンを内部に収容すると共にヒートシンクから出口へと向かう流路を画成するファンフレームと、を有するファン装置と、
   を備え、
   １つの前記ヒートシンクに対して１つの前記ファン装置のみが設けられており、
   前記ヒートシンクのベース部の前記軸方向寸法をＸとし、前記ファン装置の前記軸方向寸法をＬとしたときに、Ｌ＜Ｘ≦２．５Ｌが成り立ち、
   前記ヒートシンクのフィン部の裏面の、前記ファン装置のファンフレームよりも外側に位置する部分は、カバーによって閉塞されており、
   前記ファン装置は、前記ヒートシンクからの空気を吸い出して、前記流路を通して前記出口へと排気することを特徴とする空冷放熱装置。
2. 前記カバーは、前記ヒートシンクのフィン部の裏面側から、前記フィン部の側面の表側と裏側の途中部分まで延設されることを特徴とする請求項１記載の空冷放熱装置。
3. 前記ベース部には、前記発熱源と重ならない部分で且つ前記ファン装置と対向する部分に、表側と裏側とを連通する貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１または２記載の空冷放熱装置。
4. 前記軸方向に広がりを持った発熱源に対して、請求項１ないし３の空冷放熱装置が少なくとも２つ以上、前記軸方向に沿って離間して並設されており、よって隣り合う空冷放熱装置のそれぞれのヒートシンクのフィン部同士の間に隙間が形成されることを特徴とする空冷放熱構造。

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