JP2012044049A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 重量を増加させることなく、かつ、構造を複雑化させることなく、従来よりもさらに一層放熱効率を向上させることの可能なヒートシンクを提供する。
【解決手段】 複数のフィン３が、同一の材料で形成され、発熱体１の近傍では、フィン３の長さが最も長く、かつ、隣接するフィン３間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体１から遠ざかるにつれて、フィン３の長さが短く、かつ、隣接するフィン３間の間隔が広くなるように、フィン３の長さ、および、隣接するフィン３間の間隔を変化させて複数のフィン３がベース２に立設されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ヒートシンクに関する。

近年、半導体素子の消費電力が加速度的に上昇し、それに伴って発熱量が増えており、より高性能な冷却システムの需要が高まっている。高密度に集積された回路で消費される電力は増加し、発熱量と同時に、発熱密度も急激に上昇した。従来のペルチェ素子による強制吸熱と、ヒートシンクとファンによる強制空冷構造では冷却能力に限界が見え始め、より高い冷却能力を持つ液冷システムを採用した例も登場するようになった。

光半導体素子であるＬＥＤ素子においても、明るさの向上に伴って従来の表示用途から照明用途へと、大電力化の道を辿っている。ＬＥＤ素子における最大の問題点は、発光効率が向上しても未だなお、投入した電力の大部分が熱となり、自身の発する熱によって明るさ・寿命が低下してしまうことである。

特に大電力ＬＥＤ素子においては、チップあたり数Ｗもの発熱を受け止められるだけのパッケージ・放熱構造が求められており、熱伝導性に優れたメタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。特にセラミック基板については、材料技術の進歩によって熱伝導率が向上したこと、絶縁性の基板であるためにメタルコア基板と違って絶縁層が不要なこと、という２つの大きな理由から、注目されている。また、大電力ＬＥＤ素子の応用製品にあたっては、ＬＥＤ素子の投入電力・発熱密度の増加に伴い、ヒートシンク等のみから構成される自然空冷では冷却能力が不足することから、軸流ＦＡＮ等と組み合わせた構成とする強制空冷や、熱伝達率の良い液体を介して熱を輸送するジャケット・ポンプ・ラジエータから構成される液冷、ペルチェ素子を利用した電子冷却が検討・実用化されている。

しかしながら、強制空冷や液冷は、可動部が存在することから、可動部のない自然空冷に比べて、短寿命であり、メンテナンスが必要であるといった問題がある。また、電子冷却についても熱輸送能力の確保には放熱側の性能向上がカギである。従って、放熱技術の根底にある自然空冷ヒートシンクの性能向上が重要であり、それが強制空冷や液冷、電子冷却の性能向上にも寄与することとなる。

自然空冷ヒートシンクの性能向上の具体例として、従来、例えば特許文献１には、ベースの板厚を変化させて熱拡散効果を高めた冷却装置（ヒートシンク）が示されている。また、特許文献２には、ヒートシンクの一部を高い熱伝導率を持つ金属で置き換えること（例：アルミと銅）によって、放熱性能を向上させる手法が示されている。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は特許文献１の冷却装置を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）をＹ軸方向から見た正面図、図１（ｃ）は図１（ａ）をＸ軸方向から見た側面図である。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照すると、特許文献１の冷却装置は、より詳細には、冷却すべき発熱体７３に対接される伝熱プレート（ベース）７２の上面に複数のフィン７１、７１ａ、７１ｂを有するヒートシンクで、伝熱プレート（ベース）７２を、該伝熱プレート（ベース）７２の受熱面に垂直な断面での板厚が少なくとも一方から他方へ徐々に大きくなる形状とすることで、発熱体７３からの熱拡散効果を高めるようにしている。

また、図２、図３は特許文献２のヒートシンクを示す図であり、図２は斜視図、図３は図２のＮ−Ｎ線における断面図である。図２、図３を参照すると、特許文献２のヒートシンクは、より詳細には、アルミニウムからなるアルミニウムヒートシンク８１のベース９２の中央部に設けた穴に、アルミニウムよりも熱伝導率の高い銅からなる銅ヒートシンク８２のベース８５を嵌め込み固定し、銅ヒートシンク８２のベース底面からピン８４ａの先端までの高さを、アルミニウムヒートシンク８１のピン８４の先端までの高さよりも高いものにしている。

特開２００３−０８６９８４号公報 特許２８４５８３３号公報

しかしながら、特許文献１の冷却装置（ヒートシンク）では、発熱体７３近傍のベースを厚くすることによって、熱拡散性能の向上が期待されるものの、ヒートシンク全体のうち最も重い部分の厚さが増えることになり、重量が増加してしまうという問題がある。

また、特許文献２のヒートシンクでは、発熱体近傍に熱伝導率の高い材料（銅）を配置することで、ベースだけでなくピンも含めて熱拡散効果が期待できるものの、アルミニウムに比べて銅は約３倍も重いため、ヒートシンクの重量が増加してしまうという問題がある。また、熱膨張係数の異なる２種の材料を接合させることで、構造が複雑なものとなり、熱応力による変形やひび割れなどが生じるという問題もある。

本発明は、重量を増加させることなく、かつ、構造を複雑化させることなく、従来よりもさらに一層放熱効率を向上させることの可能なヒートシンクを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、発熱体と、発熱体を載置するベースと、ベースに立設された複数のフィンとを備え、前記複数のフィンは、同一の材料で形成され、発熱体の近傍では、フィンの長さが最も長く、かつ、隣接するフィン間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体から遠ざかるにつれて、フィンの長さが短く、かつ、隣接するフィン間の間隔が広くなるように、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔を変化させて複数のフィンがベースに立設されていることを特徴とするヒートシンクである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、一方向についてのみ、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔が変化していることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、互いに異なる複数の方向のそれぞれについて、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔が変化していることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、発熱体の近傍では、フィンの厚さが最も厚くなっており、発熱体から遠ざかるにつれて、フィンの厚さが薄くなるように、フィンの厚さが変化していることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されていることを特徴としている。

請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、発熱体と、発熱体を載置するベースと、ベースに立設された複数のフィンとを備え、前記複数のフィンは、同一の材料で形成され、発熱体の近傍では、フィンの長さが最も長く、かつ、隣接するフィン間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体から遠ざかるにつれて、フィンの長さが短く、かつ、隣接するフィン間の間隔が広くなるように、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔を変化させて複数のフィンがベースに立設されているので、複数のフィンに例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる場合、重量を増加させることなく、かつ、構造を複雑化させることなく、従来よりもさらに一層放熱効率を向上させることができる。

特許文献１の冷却装置を示す図である。 特許文献２のヒートシンクを示す図である。 図２のＮ−Ｎ線における断面図である。 本発明のヒートシンクの構成例を示す図である。 図４のＭ−Ｍ線における断面図である。 本発明のヒートシンクの他の構成例を示す図である。 図６のＭ−Ｍ線における断面図である。 実施例１における距離ｄ、フィンの長さＬ、フィン間の間隙Ｐの設定値を示す図である。 実施例１、実施例２に対する比較例を示す図である。 図９のＭ−Ｍ線における断面図である。 実施例１、実施例２、比較例における効果の検証実験結果の一覧を示す図である。 実施例１、実施例２におけるベース２の温度分布の正面図である。 実施例１におけるベース２の温度分布の略断面図である。 実施例２におけるベース２の温度分布の略断面図である。 実施例１、実施例２における流速分布の透視図である。 比較例におけるベース２の温度分布の正面図である。 比較例におけるベース２の温度分布の略断面図である。 比較例における流速分布の透視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図４、図５は本発明のヒートシンクの構成例を示す図である。なお、図４は斜視図、図５は図４のＭ−Ｍ線における断面図である。

図４、図５を参照すると、このヒートシンクは、発熱体（例えば、照明用などのＬＥＤ素子や、電子機器用のＣＰＵ素子等）１と、発熱体１を載置するベース２と、ベース２に立設された複数のフィン３とを備えている。

そして、このヒートシンクでは、複数のフィン３は、同一の材料で形成されている。具体的には、複数のフィン３は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などのいずれか１つの材料で形成されている。

また、このヒートシンクでは、複数のフィン３は、一方向（Ｘ方向）についてのみ、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）、および、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）を変化させて（Ｘ方向に変化させて）、ベース２に立設されている。すなわち、複数のフィン３は、発熱体１の近傍では、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）が最も長く、かつ、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）は最も狭いものとなっており、発熱体１から遠ざかるにつれて、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）が短く、かつ、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）が広くなるように、一方向（Ｘ方向）についてのみ、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）、および、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）を変化させて、複数のフィン３がベース２に立設されている。

なお、図４、図５のヒートシンクでは、複数のフィン（フィンプレート）３の厚さｔは、全て同じものとなっている。

本発明をより具体的に説明すると、フィンと空気の熱伝達率向上のためには、フィン１枚１枚に印加されている熱量の分布を把握し、それに応じた熱交換面積と間隙を確保することが肝要である。ヒートシンクのベース２の略中央に搭載された発熱体１による温度分布は、発熱体１からの距離をｄとした温度Ｔ（ｄ）の拡散方程式の解として、次式のような対数関数に従う。
Ｔ（ｄ）＝―Ａ・ｌｎ（ｄ）＋Ｃ （式１）

ここで、Ａは比例定数、Ｃは積分定数であり、ｌｎ（ｄ）は発熱体１からの距離ｄを変数とした対数関数である。

この式１を基にして、現実的に成形可能な範囲で、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）は式１のＴ（ｄ）に比例するように設定し、隣接するフィン３間の間隙（Ｘ方向の間隔）は式１のＴ（ｄ）に反比例するように設定することで、ヒートシンクの形状を温度分布に即したものにすることができる。

すなわち、複数のフィン３は、発熱体１から遠ざかるにつれて（発熱体１からＸ方向に距離ｄだけ隔てるにつれて）、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）Ｌ（ｄ）、および、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）Ｐ（ｄ）が、それぞれ
Ｌ（ｄ）＝―Ｂ・ｌｎ（ｄ）＋Ｄ （式２）
Ｐ（ｄ）＝Ｅ／Ｌ（ｄ） （式３）
となるように設定することができる。ここで、Ｂ、Ｅは比例定数であり、Ｄは積分定数であり、ｌｎ（ｄ）は発熱体１からの距離ｄを変数とした対数関数である。

但し、中央部（ｄ＝０）のフィン３の長さは、式２に当てはめると無限大となってしまうので、搭載する機器の寸法制約に合わせて現実的な値に設定する。すなわち、発熱体１が搭載される中央部は、Ｙ方向の長さが長いフィンを狭い間隙で立設し、端部に向かうにつれてフィンのＹ方向の長さを短く、間隙を広く変化させて立設する。図４、図５には、以上の指針で作成した複数のフィン３の形状例が示されている。

図４、図５のヒートシンクの実際の使用時には、図４に示すように、ベース２の面、複数のフィン３の面を、鉛直方向（重力方向）Ｚに沿うように立てて使用する。

図４、図５のヒートシンクでは、複数のフィン３が、同一の材料で形成され、発熱体１の近傍では、フィン３の長さが最も長く、かつ、隣接するフィン３間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体１から遠ざかるにつれて、フィン３の長さが短く、かつ、隣接するフィン３間の間隔が広くなるように、フィン３の長さ、および、隣接するフィン３間の間隔を変化させて複数のフィン３がベース２に立設されているので、複数のフィン３に同一の材料として例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などが用いられる場合、重量を増加させることなく、かつ、構造を複雑化させることなく、従来よりもさらに一層放熱効率を向上させることができる。

また、図６、図７は本発明のヒートシンクの他の構成例を示す図である。なお、図６は斜視図、図７は図６のＭ−Ｍ線における断面図であり、図６、図７において、図４、図５と対応する箇所には同じ符号を付している。

図６、図７を参照すると、このヒートシンクは、図４、図５に示したヒートシンクと、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）Ｌ（ｄ）、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）Ｐ（ｄ）、および、枚数は、同一のものとなっているが、複数のフィン（フィンプレート）３の厚さｔが、発熱体１の近傍で最も厚く、発熱体１から遠ざかるにつれて薄くなるように設定されている。

図６、図７のヒートシンクも、実際の使用時には、図６に示すように、ベース２の面、複数のフィン３の面を、鉛直方向（重力方向）Ｚに沿うように立てて使用する。

そして、図６、図７のヒートシンクにおいても、複数のフィン３が、同一の材料で形成され、発熱体１の近傍では、フィン３の長さが最も長く、かつ、隣接するフィン３間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体１から遠ざかるにつれて、フィン３の長さが短く、かつ、隣接するフィン３間の間隔が広くなるように、フィン３の長さ、および、隣接するフィン３間の間隔を変化させて複数のフィン３がベース２に立設されているので、複数のフィン３に同一の材料として例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などが用いられる場合、重量を増加させることなく、かつ、構造を複雑化させることなく、従来よりもさらに一層放熱効率を向上させることができる。さらに、図６、図７のヒートシンクでは、さらに、複数のフィン（フィンプレート）３の厚さｔが、発熱体１の近傍で最も厚く、発熱体１から遠ざかるにつれて薄くなるように設定されているので、より一層放熱効率を向上させることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１は、図４、図５に示した構成例のヒートシンクに対応するものである。ここで、各フィン（フィンプレート）３の厚さｔを１ｍｍのものにし、ベース２中央に搭載された発熱体１からの距離をｄとして、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）Ｌ（ｄ）を、
Ｌ（ｄ）＝―９．６・ｌｎ（ｄ）＋５４．７ （式４）
で記述されるものにした。なお、中央（ｄ＝０ｍｍ）のフィンの長さは６０ｍｍに設定した。

そして、式４を基に、距離ｄ、フィン３の長さＬ、フィン３間の間隙Ｐを図８のように設定した。なお、この実施例１では、ｄ＝０ｍｍがベース２の中央であり、ｄ＝６０ｍｍがベース端であり、発熱体１を中央に配置したため、自ずと左右対称の形となる。また、フィン３の枚数は合計１７枚とした。

また、実施例２は、図６、図７に示した構成例のヒートシンクに対応するものである。実施例２では、実施例１とフィン３の長さＬ、間隙Ｐ、枚数は全て同一として、図７に示すように、中央に位置する最も長いフィンの厚さｔを２ｍｍ、その両隣に位置する２番目に長いフィンの厚さｔを１．５ｍｍ、さらに隣に位置する３番目に長いフィンの厚さｔを１．２ｍｍとし、それ以外のフィンの厚さｔを１．０ｍｍとした。これにより、発熱体１が配置されるベース２の中央付近において、ベース２からフィン３の先端までの熱伝導を向上させることを意図している。

また、図９、図１０は実施例１、実施例２に対する比較例を示す図である。なお、図９は斜視図、図１０は図９のＭ−Ｍ線における断面図であり、図９、図１０において、図４、図５と対応する箇所には同じ符号を付している。図９、図１０に示す比較例は、一般的な矩形状ヒートシンクであり、複数のフィン３の長さＬは全て３０ｍｍで一定とし、フィン３間の間隙Ｐは全て７ｍｍで一定とし、各フィン（フィンプレート）３の厚さｔを１ｍｍのものにした。また、フィン３の枚数は合計１６枚とした。

実施例１、実施例２、比較例における効果を検証するため、実施例１、実施例２、比較例のそれぞれについて実験と熱流体解析を行った。なお、実施例１、実施例２、比較例のいずれにおいても、発熱体１の熱量を１０Ｗにし、周囲空気の温度を２５℃に設定した。図１１は実験結果の一覧を示す図である。また、図１２は実施例１、実施例２におけるベース２の温度分布の正面図であり、図１３は実施例１におけるベース２の温度分布の略断面図であり、図１４は実施例２におけるベース２の温度分布の略断面図である。また、図１５は実施例１、実施例２における流速分布の透視図（ヒートシンクを取り巻く気流を可視化した図）である。また、図１６は比較例におけるベース２の温度分布の正面図であり、図１７は比較例におけるベース２の温度分布の略断面図である。また、図１８は比較例における流速分布の透視図（ヒートシンクを取り巻く気流を可視化した図）である。

実施例１、実施例２と比較例とを比較すると、まず、図１５を図１８と比べればわかるように、実施例１、実施例２では、比較例に対し、ヒートシンクから立ち上る気流が、速さ・量ともに段違いに大きくなっていることが分かる。これは、熱が集中している発熱体１の近傍のフィンの長さを長くし、フィン間の間隙を狭くすることによって、効率的に空気へと熱交換が行われていることを意味する。

また、図１２を図１６と比べればわかるように、比較例よりも実施例１、実施例２の方が温度分布の形状が楕円から真円に近づいている。これは、熱の拡散方程式に即して（具体的には、式２、式３のように）、フィンの長さと間隙を設定したことにより、各フィンの印加熱量が均一化されたことを示している。図１３と図１７とを比べても、比較例の方が実施例１に対し、中央付近のフィンが熱飽和している一方、端のフィンにまで十分に熱が伝導していないことが分かる。全体として、実施例１では、比較例を基準に、重量増加が約２％に対して温度低減が約１０％となった。

また、実施例１と実施例２とを比較すると、図１３を図１４と比べればわかるように、実施例１に対して、実施例２の方が、中央部の厚みを増したフィンについて、先端付近まで熱が伝導していることが分かる。全体として、実施例２では、実施例１を基準に、重量増加が約６％に対して温度低減が約１０％、比較例を基準に、重量増加が約１４％に対して温度低減が約１８％となった。

以上のように、本発明のヒートシンクでは、複数のフィン３が、同一の材料で形成され、発熱体１の近傍では、フィン３の長さが最も長く、かつ、隣接するフィン３間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体１から遠ざかるにつれて、フィン３の長さが短く、かつ、隣接するフィン３間の間隔が広くなるように、フィン３の長さ、および、隣接するフィン３間の間隔を変化させて複数のフィン３がベース２に立設されているので、複数のフィン３に例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などが用いられる場合、重量を増加させることなく、かつ、構造を複雑化させることなく、従来よりもさらに一層放熱効率を向上させることができる。

さらに、複数のフィン（フィンプレート）３の厚さが、発熱体１の近傍で最も厚く、発熱体１から遠ざかるにつれて薄くなるように設定すれば、より一層放熱効率を向上させることができる。

なお、上述の各例では、複数のフィン３は、一方向（Ｘ方向）についてのみ、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）、および、隣接するフィン３間の間隔（Ｘ方向の間隔）、さらにはフィン３の厚さ、を変化させて（Ｘ方向に変化させて）、ベース２に立設されているとしたが、一方向（Ｘ方向）のみならず、互いに異なる複数の方向のそれぞれについて、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔、さらにはフィン３の厚さ、を変化させても良い。具体的には、一方向（Ｘ方向）のみならず、他の方向（例えばＺ方向）にも、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）、および、隣接するフィン３間の間隔、さらにはフィン３の厚さ、を変化させても良い。但し、この場合には、一方向についてのみ、フィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）、および、隣接するフィン３間の間隔、さらにはフィン３の厚さ、を変化させる場合に比べ、高い放熱効率を維持するためには、中央付近のフィン３の長さ（Ｙ方向の長さ）をより長くする必要がある。

本発明は、照明装置や電子機器などの冷却に利用可能である。

１ 発熱体
２ ベース
３ フィン

Claims (5)

1. 発熱体と、発熱体を載置するベースと、ベースに立設された複数のフィンとを備え、前記複数のフィンは、同一の材料で形成され、発熱体の近傍では、フィンの長さが最も長く、かつ、隣接するフィン間の間隔は最も狭いものとなっており、発熱体から遠ざかるにつれて、フィンの長さが短く、かつ、隣接するフィン間の間隔が広くなるように、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔を変化させて複数のフィンがベースに立設されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、一方向についてのみ、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔が変化していることを特徴とするヒートシンク。
3. 請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、互いに異なる複数の方向のそれぞれについて、フィンの長さ、および、隣接するフィン間の間隔が変化していることを特徴とするヒートシンク。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、発熱体の近傍では、フィンの厚さが最も厚くなっており、発熱体から遠ざかるにつれて、フィンの厚さが薄くなるように、フィンの厚さが変化していることを特徴とするヒートシンク。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンクにおいて、前記複数のフィンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されていることを特徴とするヒートシンク。

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