JP2012533183A - 電子的若しくは電気的部品のためのヒートシンク - Google Patents

Abstract

前記発明は、近接した熱的接触の状態で電気的部品を受けるために適した第１の主表面（２ａ）を有する基礎要素（２）と、空気循環をもたらすために複数のフィンの間に十分な空間を有する容器要素の全周囲に配置され、前記第１の表面（２ａ）の反対側の基礎要素（２）の第２の主表面（２ｂ）から外側へ張り出し複数の細長いフィン（３）と、を有し、前記空間は、薄板の基礎要素と複数のフィンとを適合する星型の幾何学的形状に切断し、基礎要素の面に関連する複数のフィンを折り曲げることによって得られることができることを特徴とする、電子的若しくは電気的部品のためのヒートシンク（１）に関連する。

Description

本発明は、製造が効率的で、簡易的で、及び安価な電子的若しくは電気的部品のためのヒートシンクに関する。例えば、マイクロプロセッサ、若しくはＬＥＤ光源のような、電子的部品と、例えば、変圧器若しくは変電器のような、電気的部品と、の幾つかの種類が使用され得る。

ますます多数の分野で多数の電子的部品が、出てきている。当然、我々は、機械、若しくはコンピュータのマイクロプロセッサだけでなく、ＬＥＤ（発光ダイオード）のような一般的に良く知られる光源に使用される半導体についても説明している。全てのこれらの電子的部品は、通常、使用中に熱が発生する。残念ながら、これら電子的部品の効率及び耐用年数は、温度に密接に依存している（幾人の著書人は、ＬＥＤスポットライトの耐用年数の温度依存性をモデル化するために、アレニウスの法則を適用している）。これら電子的部品の稼動によって発生される熱は、結果的に電子的部品の性能を低下させる。従って、これら電子的部品によって発生される熱を放熱することが必要である。この目的は、例えば、ファン、熱交換器に用いられる能動的手段若しくは、例えば、放熱器として知られているラジエータ、若しくは、ヒートシンクに用いられる受動的手段によって達成され、これらの表現は、ここでは、同義になるものとして見なしている。

多数のヒートシンクモデルが、市場で市販されている。これらは、熱が放熱される電子的部品に熱的接触の状態で設置されている、例えば、アルミニウム、タングステン、チタン、若しくは銅などのような高い熱伝導材料で構成され、前記部品からの距離で前記熱を放熱することに適している形状を有する要素の汎用的な特徴を全て有している。例えば、電子的部品が接着されたヒートシンクの基礎要素を有するヒートシンクと、基礎要素に関係する同心の外輪へ熱の放熱を可能にする基礎要素に関連して放射状に配置された要素と、を引用することができる。このような装置は、例えば、米国特許出願公開公報第７１５３００４と、国際特許出願公開公報第２００６／１１８４５７と、に記載されている。

過度な放射状の容積問題を改善するために、さらにヒートシンクが、電子的部品の後部に熱を放熱し、基礎要素の面の外側に広がる複数のフィン、若しくは複数のシャフトを有する。複数のフィンは、国際特許出願公開公報第２００８／１３５９２７に記載のように、基礎要素の周囲に配置され、若しくは、米国特許公報ＵＳ２００７／００３６１６１、米国特許出願公開公報第ＵＳ７１０８０５５、米国特許出願公開公報第６８２６０５０、国際特許出願公開公報第２００８／００５８３３に記載のように基礎要素の全表面に配置され得る。複数のフィンの形状は、単なる三角形から立体形状へ変化する。米国特許出願公開公報第２００５／０２５７９１４で、複数のフィンが接着されている、基礎要素は、最初ものに対して普通の面を引き伸ばしている中空体に接続されている。

前述されたヒートシンクは、複雑性及び効率性を変えることができるが、全てが高額、若しくは長期間の実装手段を必要とする。さらに、これらは、１塊を鋳造されるというよりもむしろ、押出され、若しくは代わりに、種々の部品の組立てを必要とする。米国特許出願公開公報第５６６０４６１は、ＬＥＤユニットからの熱を放熱するために適したマトリクスを形成するように、仕上げられることを意図した個別の要素から構成されるヒートシンクを説明している。もうひとつの実施形態で、ヒートシンクの各個別の要素は、金属片を切り取り、Ｕ字形状に同様に曲げることによって形成され、この結果、基礎要素に接続された２つのフィンを形成する。Ｕ字形状は、次に複数の片に、若しくは、マトリクスに仕上げられる。ここで再び、重要な手作業が含まれ、そして前記複数のヒートシンクは、多数のＬＥＤを有する特定の製品のみに適用する。
従って、可能な限り低いレベルで電子的部品の温度を維持するために適し、多様な幾何学的形状及び量を製造することが簡易で、安価である電子的部品のヒートシンクの必要がある。

本発明は、付随される独立した複数の請求項で規定されている。好適なその他の実施形態は、独立した複数の請求項で規定されている。本発明は、好適には平坦である、近接した熱的接触の状態で電子的、若しくは電気的部品を受けるために適した第１の主表面を有する基礎要素と、第１の表面と反対側の基礎要素の第２の主表面から外側へ張り出し、空気循環をもたらすために複数のフィンの間に十分な空間を有する基礎要素の全周囲に配置される複数の細長いフィンと、これら複数のフィンは、少なくとも２つの同心の規則的な幾何学的形状に対して正割（secant）、若しくは実質的に正接（tangent）の前記複数の主表面の前記形状に従って配置され、複数のフィンは、短辺が基礎要素に接合している台形形状を有する電子的若しくは電気的部品のヒートシンクに関する。

前記ヒートシンクは、平坦な基礎要素と薄板の複数のフィンとに対応する幾何学的形状に切断され、基礎要素の面に関係する複数のフィンを曲げることによって得られる。

本発明は、短辺が薄板の基礎要素に接合している台形形状を有する基礎要素と、複数の細長いフィンと、に対応する幾何学的形状に切断する工程と、複数のフィンが、空気循環をもたらすために複数のフィンの間に十分な空間を有する基礎要素の全周囲の少なくとも２つの同心の規則的な幾何学的形状に従って配置されるように、板の面の外側へ複数のフィンを曲げる工程と、を有する、電子的部品のヒートシンクを製造するための方法にも関する。

本発明に係る台形のフィンという用語は、短辺が前記基礎要素に接合している実質的な台形の幾何学的形状を有する幾つかのフィン形状を参照する。
台形のフィンは、前記形状の高さが増大し、そして空気とフィンとの間の温度の差（ΔＴ）が、前記形状の全高さに従って実質的に一定の熱放出を保証するために減少するように、結果的に広がっている。従って、フィンの形状は、ヒートシンクの単位体積当たりの熱放出を最大限引き出すように作用する。

本発明に係る交換表面積と、このためのヒートシンクの冷却効果とは、十分な数のフィンと、各台形のフィンの大きな表面積との両方によって最大限に引き出される。
この形状のために、基礎要素と接触する表面が、例えば楕円若しくは円などのような、屈曲された規則正しい幾何学的形態に好適に設置されるので、複数のフィンは、特に多量に薄板から切断され得る。

また、フィンの特別な形状と数とのために、基礎要素に接触する前記複数のフィンの表面が、連続的な、若しくは順次的な複数のフィンの屈曲後に、同心の規則正しい形状上で埋め合わされるならば、２つの隣接するフィンは、部分的に重なり合わないことでのみ（同様の角度に従って）曲げられることができる。

本発明は、発光ダイオード、若しくはＬＥＤの分野と、コンピュータ、若しくは機械で使用されるマイクロプロセッサとで特に利用される。一般的に、本発明に係るヒートシンクは、部品の耐用年数を実質的に増大するように、大多数の市販のヒートシンクで可能にされた温度よりも低いレベルに、例えば、半導体などのような、電子的部品の温度を維持することを可能にする。
本発明のこれら態様及びさらなる態様は、図を参照して、本発明の特有な実施形態の詳細な説明で明確に示されるであろう。

図１ａは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｂは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｃは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｄは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｅは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｆは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｇは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図１ｈは、全体図若しくはそれ以外で、上部と底部との斜視図で屈曲する前の展開された状態から屈曲後の最終形状への製造の種々の段階の本発明に係るヒートシンクを示す図である。 図２（ａ）は、先行技術に係るヒートシンクに取り付けられたＬＥＤスポットライトを示す図であり、図２（ｂ）は、比較例として使用される、本発明に係るヒートシンクに取り付けられた同様のＬＥＤスポットライトを示す図である。 図３は、本発明及び先行技術に係るヒートシンクに取り付けられたＬＥＤスポットライトの時間基準の関数として温度のグラフを示した図である。 図４は、本発明に係るヒートシンクのフィン形状の実施形態を示す図である。

図１ａ乃至図１ｈは、ヒートシンクの製造の様々な連続する段階での本発明に係るヒートシンクの種々の図である。例えば、アルミニウム、銅、タングステン、若しくはチタン、又は、そのほかの金属、若しくは合金などの伝熱性材料製の薄板を取得し、図１ａのような、星型を形成している複数のフィン３（この幾何学形状は、所望のヒートシンク構造に依る）が張り出し、ヒートシンクの基礎要素２を規定する中央部を有する幾何学形状を得ることが、単に必要なだけであるので、ヒートシンクの製造方式は、非常に簡易である。この図は、複数のフィン３が後の段階にそこで曲げられるであろう２つの同心円４’及び４”も示している。円４”は、第１の円の外側に位置付けられている。本発明に適した薄板は、簡単で、安価な市販品であり、例えば圧延によって製造される。前記板は、フィンの交換表面積を増大するために、膨らみ、溝、穴、組み紐模様、突起部、隆起部などのような、粗い質感の板の表面をしているだろう。板の“星”型は、例えば、スタンピング、レーザ切断、光化学加工を含む、当業者によく知られている幾つかの方法によって得られる。レーザ切断は、星の幾何形状が規則正しい変化に従い得る細かな製造工程で特に好適である。

図１ｂ及びｃに示されるように、第２グループの６枚の非隣接のフィン３”は、基礎要素２の板に維持される一方で、第１グループの６枚の非隣接のフィン３’は、約９０°の角度で円４’に従って、曲げられている。図１ｄは、円４’に従って屈曲後の複数のフィン３’を示している。図１ｅ乃至図１ｈは、円４”に従った第２グループの複数のフィン３”の屈曲後のヒートシンク１を表している。複数のフィンの２つのグループの間の放射状のオフセットは、空気循環を促進し、この結果これらフィンの冷却を促進する、ことがわかる。国際特許出願公開公報第ＷＯ２００８／１３５９２７に説明されている幾何学的形状に関して比較的に似ているが、各々広い表面積を有するさらに大きな密度の複数のフィンを有し、本発明に係る方法を使用して、さらに低コストで、さらに製造される一組の複数のフィン３は、基礎要素２の周囲で環を形成している。特に図１ｅで、基礎要素２に接触する複数のフィン３（３’及び３”）の表面は、各々、円４’と円４”とに対して正割（secant）であることが、明確にわかる。前記複数の表面は、前記複数の円に対して正接（tangential）でもあり得る。基礎要素２は、１つ、若しくは複数の電子部品を受けるために適した容積を有し得る。これは、汎用的に、電子部品を最適な熱接触にするために平坦な断面から構成されるが、適用に依存して、基礎要素２は、立体幾何学的形状を同様に有し得る。

本発明によれば、複数のフィン３は、台形形状を有する。ここで短辺は、三角形の開口部が、空気循環を可能にするための２つのフィンの間に挿入されるように基礎要素２に接合している（図１を参照）。対応するフィンの複数の実施形態は、図４で確認できる。

明らかに、その他の実施形態が、利用され得る。例えば、複数のフィンの側端は、必ずしも直線ではなく、少なくとも１つの湾曲した断面から成り得る。同様に、複数の開口部が、空気循環を促進し、ヒートシンクの熱質量を減少するために複数のフィンに従って設置され得る。

さらに、複数のフィンは、フィンの大きさを減少し、そのために単位体積当たりのヒートシンクの性能を増強するために内側、若しくは外側に曲げられたフィンの上部を有し得る。
複数のフィンは、手動で曲げられ得るが、適切な幾何学的形状を有する空洞を有する道具を使用し、頭頂部に星型の切り込みを入れた板を配置し、ピストンを使用して、空洞の底で基礎要素（２）を形成する星の中心を押圧し、これにより所望される角度に複数のフィン（３）を引き上げることが、好適である。フィンの屈曲角度は、好適には、０°乃至１２０°であり、さらに好適には、３０°乃至９０°である。角度の選択は、電子的部品が配置されるための配置の幾何学構造によってしばしば決定される。９０度は、円筒チャンバで装置を元に戻せる差込みを可能にする。この構造の形式は、ＬＥＤのケースでしばしば見られる。しかし、部品実装方式に採用された場合、各フィンは、隣接する複数のフィンから分離され、複数のフィンの熱に曝されないので、９０°以下の角度は、もっと効率的に熱を放出することが可能である。９０°より大きな角度は、複数のフィンを互いにさらに近接させるが、例えば部品への電力供給ケーブルの通路が冷却されることを促進し得る。３０°以下の角度は、空気循環（自然対流）の観点からあまり良くないが、それでもなお美的景観の便益を示し得る。

複数のフィン３に加えて、さらなる冷却手段が、複数のフィン３に対して同じ、若しくは違う方向に設けられ得る。
基礎要素２及び複数のフィン３は、薄板に切り込みが入れられた後に、本発明に係る方法は、複数のフィン３をnグループの非隣接の複数のフィンに区分する工程と（nは、２より大きい、若しくは同一である。）、板の面からグループ外側へ、第１の楕円４’に沿った第１のグループ３’の第１の複数のフィン、次に、第１の外側の第２の同心の楕円４”に沿った第２のグループ３”の複数のフィン、最後に、前の楕円の外側の第ｎの同心の楕円に沿った第ｎグループの複数のフィン、の順番に複数のフィンを曲げる工程と、を有する。
この方法の実施形態は、図１ａ乃至図１ｈに示されている。ここで、楕円は、円であり、ｎは２に等しい。
屈曲後に、複数のフィンは、所望の構造に位置づけられるように、さらに捻られ得る。
この製造方法は、本発明に係るヒートシンクを製造するための方法の自動化を可能にし、先行技術の大部分のヒートシンク製造方法よりも高い生産速度を達成することを可能にする。さらに、この稼動に必要される道具は、鋳型よりも非常に安い。

発生した熱がヒートシンクへ移動されるので、接触が十分な熱伝導をもたらすが、使用中に発生された熱が放熱される電子的部品は、当業者によく知られている幾つかの手段によって基礎要素２の第１の主表面２ａに一体化され得る。例えば、電子的部品は、適切な高熱伝導性の接着剤で接着され得る。あるいは、この部品は、接着する間に過度の熱によって電子的部品を損傷しないように気をつけながら、溶接若しくは溶着、ネジ、レーザ、又は幾つかの他の周知技術によって基礎要素２に接着され得る。

特定の使用によって発生した熱の放熱を必要とする幾つかの電子的、若しくは、電気的部品、特に幾つかの種類のコンピュータ、若しくはマシンのマイクロプロセッサのように使用される半導体は、本発明に係るヒートシンクに接着され得る。本発明に係るヒートシンクが特に興味深いものである適用の分野は、ＬＥＤ光源の分野である。使用中にＬＥＤによって発生した熱を放熱するための特別な測定器が機能しなくなった場合、ＬＥＤ温度は、ＬＥＤに回復不可能な損傷を引き起こし、耐用年数を大幅に減少する１００℃より大きな温度に達し得る。

例１
２個のＯＳＲＡＭによって販売されているＣＯＩＮｌiｇｈｔ−ＯＳＴＡＲＣ００６Ａスポットライトが、以下のように試験されている。“ＯＳＲＡＭ”を参照して、第１のスポットライトは、配電線に接続され、購入時にスポットライトを備えた最初のヒートシンクに取り付けられている（図２（ａ）参照）。“ＩＮＶ”を参照して、第２のスポットライトは、“ＯＳＲＡＭ”スポットライトのように同様の電力供給（ＯＳＲＡＭ ＯＴ７５／２２０−２４０／２４）の配電線に接続され、図１ａ及び図２（ｂ）に示すような、本発明に係るヒートシンクを有する。温度は、例えば、基礎要素２の第２の表面（２ｂ）上で、ＬＥＤモジュールに接触された点Ｐｔ１と、複数の通気溝の間に配置された点Ｐｔ２となどの、各スポットライトの２点に配置された熱電対を使用して測定された。試験は、午後１時と午後４時との間にベランダで実施され、自然放熱する温度は、スポットライトの前の５０ｃｍで測定された。この試験の結果は、以下の表に与えられ、図３にグラフで示されている。

点Ｐｔ１及びＰｔ２での温度は、試験されたスポットライトの独自のヒートシンクで、よりも本発明に係るヒートシンクで、の方が約７．５℃低く、本発明に係るヒートシンクを有するＬＥＤ（Ｐｔ１）で達する最大温度は、僅かに９０℃を越える一方、独自のヒートシンクで、１時間半以上の間で９５℃よりも大きな温度を有し、９７．１℃に温度が達せられることが観測された。この温度のかなりの減少は、スポットライトの耐用年数を大幅に延ばすことを可能にする。

例２
本発明に係るヒートシンクは、交換表面積に関して、同一の表面積を有する基礎要素の周囲で曲げられた同一の高さの長方形の複数のフィンを有する先行技術に係るヒートシンクと比較された。本発明に係るヒートシンク交換の表面積は、６０％より大きな領域である。

従って、本発明に係るヒートシンクは、
電子的部品の耐用年数をかなり増大する効率的な高い熱放出することと、
ヒートシンクの単位体積当たりの高い放熱性能に基づくヒートシンクの極めて小型なデザインと、
材料に関してかなりの節約をもたらすヒートシンクの軽さと、
安価で、量の制限がなく販売できる薄板の形状の出発原料と、
簡単、安価、非常に高価な設備を必要とせず、大と小との両方の製造体積に適している製造方法と、
観測するための所望の適用と空間制約とに従って、ヒートシンクデザインのかなり自由を許容すること、
鋳型の、若しくは押出のアルミニウム部品の大多数に存在する、自然に断熱している気泡を抑えることを可能にする、という効果を有することを結論付けることができる。

Claims (19)

1. 近接した熱的接触の状態で電子的、若しくは電気的部品を受けるために適した第１の主表面（２ａ）を有する基礎要素（２）と、
   前記第１の主表面（２ａ）の反対側の、前記基礎要素（２）の第２の主表面（２ｂ）から外側に張り出し、空気循環をもたらすために複数のフィンの間に十分な空間を有すると共に、前記基礎要素の全周囲に配置されている細長い複数のフィン（３）と、を具備し、
   少なくとも２つの同心の規則的な幾何学的形状（４’、４”）に関係する正割、若しくは実質的な正接の前記複数の主表面を有する前記形状（４’、４”）に従って、さらに配置されている前記複数のフィンと、
   前記複数のフィンは、短辺が前記基礎要素（２）に接合している台形形状を有し、
   前記ヒートシンクは、
   薄板で前記平坦な基礎要素と、前記複数のフィンと、に対応する幾何学的形状に切断することと、
   前記基礎要素の前記平板に関連した複数のフィンを屈曲することと、
   によって得られること、
   を特徴とする、電子的、若しくは電気的部品のためのヒートシンク。
2. 前記複数のフィンは、０°乃至１２０°の角度に従って曲げられる、ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記角度は、３０°乃至９０°である、ことを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク。
4. 屈曲後に前記複数のフィン（３）を捻ることによって得ることができる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のヒートシンク。
5. 前記少なくとも２つの同心の規則正しい幾何学的形状（４’、４”）は、楕円形状若しくは円形状であることを、特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のヒートシンク。
6. 前記少なくとも２つの同心の規則正しい幾何学的形状（４’、４”）は、多角形であることを、特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載のヒートシンク。
7. 前記複数のフィンの上部は内側若しくは外側に曲げられていることを、特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載のヒートシンク。
8. 前記薄板は、圧延によって製造されることを、特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載のヒートシンク。
9. 前記薄板は、アルミニウム、タングステン、チタン、若しくは銅で構成されることを、特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載のヒートシンク。
10. 前記基礎要素（２）の第１主表面（２ａ）に近接した熱的接触の状態の電子的、若しくは電気的部品を具備し、
    前記電子的部品は、汎用半導体、特にマイクロプロセッサと、発光ダイオードと、から選択され、
    前記電気的部品は、変圧器と、変電器と、から選択される、
    請求項１乃至９のいずれか１に記載のヒートシンク。
11. 基礎要素（２）に対応する幾何学的形状と、短辺が薄板の前記基礎要素（２）に接合している台形形状を有する複数の細長いフィン（３）と、を切断する工程と、
    空気循環をもたらすために複数のフィンの間に十分な空間を有する基礎要素の全周囲で少なくとも２つの同心の規則正しい幾何学的形状に従って配置された前記複数のフィンのような、前記平板の表面の外側の複数のフィン（３）を曲げる工程と、を有する、
    電子的、若しくは電気的部品のためのヒートシンク（１）を製造するための方法。
12. 前記複数のフィンは、０°乃至１２０°の角度に従って曲げられる、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記角度は、３０°乃至９０°である、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記薄板の幾何学的形状の切断の後に、
    非隣接の複数のフィンをｎグループの複数のフィンに区分する工程と、
    最初に、第１の楕円（４’）に従って第１グループ（３’）の複数のフィン、次に、第１の外側の第２の同心の楕円（４”）に従った第２のグループ（３”）からの複数のフィン、最後に、前述の楕円の外側の第ｎの同心の楕円に従った第ｎグループからの複数のフィン、を前記板の表面から外側のグループに順番に前記複数のフィン（３）を曲げる工程と、
    を有すること、を特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１に記載の方法。
15. 前記ｎは、２に等しい、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の楕円（４’、４”）は、円である、ことを特徴とする請求項１４若しくは１５に記載の方法。
17. 屈曲後に前記複数のフィン（３）を捻るための工程を有する、ことを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１に記載の方法。
18. 前記切断工程は、スタンピング、レーザビーム、若しくは光化学加工によって実行される、ことを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１に記載の方法。
19. 前記屈曲工程は、所望の幾何学的形状を有する空洞の上側に切り取られた面を配置し、前記空洞の底部へ基礎要素を押圧するためのピストンを使用して前記空洞で押圧することによって実行され、その結果、所望の角度へ前記複数のフィンを引き起こす、ことを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれか１に記載の方法。

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