JP2013172047A

JP2013172047A - 放熱フィン付き冷却器

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Publication number: JP2013172047A
Application number: JP2012035816A
Authority: JP
Inventors: Takumi Tanizaki; 巧谷崎; Masahiro Fukuda; 真弘福田; Masaki Ueda; 真己上田; Tatsuya Murakami; 達也村上; Seiichi Fujishima; 誠一藤島
Original assignee: Saijo INX Co Ltd
Current assignee: Saijo INX Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP5952026B2

Abstract

【課題】比較的低消費電力型ヒートシンクの分野では、旧来の押出し成型タイプのヒートシンク、或いはコルゲートフィンが多く使われるようになってきたが、近年の小形通信端末装置や家電製品、可搬型医療機器等々からの要求は日々高度化しており、設置条件を制限してしまう放熱指向性、軽量化を阻む重量、電子機器のコンパクトに適合した容量、等々の全ての課題が解消された理想的な構造が全く存在していないというのが現状であった。
【解決手段】谷折り稜線を介して集熱部より外側に放射状に延出する放熱翼が、該集熱部外周を周回する形で３つ以上配置された薄板製冷却器であって、該３つ以上の放熱翼それぞれの該谷折り稜線の両端は、隣接する谷折り稜線の端部と離反しており、且つ、該個々の放熱翼はその該谷折り稜線の外側に該谷折り稜線と平行ではない山折り稜線が設けられたもの。

【選択図】図１

Description

主に電子装置のプリント配線板等に実装される半導体部品などを冷却するための放熱フィン付き冷却器の構造に関するものである。

電子装置などに使用する半導体部品においては、近年その集積度が飛躍的に向上し、また一方では装置のコンパクト化や軽量化、更には低コスト化が以前にも増して厳しく要求されてきている。
こうした状況の中で、比較的低消費電力型ヒートシンクの分野では、押出し成型タイプのヒートシンクが現在主流となっているが、引き抜き型のものも多く、近時は薄板をコルゲート状に繰り返し折り曲げ形成しベースプレートと接合させたいわゆるコルゲートフィンも多く使われるようになってきている。また、切削加工しか製造方法がないが故にコスト高であることから敬遠されているが、丸棒金属材料から、薄い円盤を何層にも切り出した、いわゆるディスク型フィンもごく一部で採用されている。

特許第３１５８９８３号公報特開２００９−２８３６７２公報特開２００３−０３１７４３公報

即ち、元来が熱に対して脆弱である電子部品でありながら自身が発熱体であるという現実、そして、これを冷却するに当たって許容される設置位置やその容積が、加速するコンパクト化や軽量化の要求に応じて次第に制限されてきているという環境から、旧来構造が淘汰され、時代の要求に適うと謳う構造が提案され、その一部が実施され、やがてそれも淘汰される、という循環にあるのが現状である。

例えば主流である押出し成型タイプのヒートシンクの場合、その製造方法に由来し基本的に一種類の断面が連続したもの（これに切削加工を付加することで、一部を切除したものがある）となるため、フィンの形状に沿った一定方向に設置したときだけしか効率の良い放熱ができない、一定方向に設置される装置ではその放熱特性が有効であるが、近年の小形通信端末装置や家電製品、可搬型医療機器等においては、ユーザー設置条件の多様化に伴いその設置方向をメーカー側が制約することが非常に困難になってきている。加えてどうしても軽量化が難しい、という課題があるため次世代を担う構造足り得ない。
また、薄板をコルゲート状に繰り返し折り曲げ形成しベースプレートと接合させたコルゲートフィンや、コルゲートの一部をオフセット曲げして放熱性を高めたオフセットフィンなどが開発された。これらは軽量化は果たすものとなったが、前記押出し型フィンなどと同様、一定方向に対して放熱性が高まるような指向性を有するだけではなく、ロウ付け加工なども必要であってフィンの大きさや形状、さらには保形のための制約があり、汎用性に欠ける構造である。

そのほかにも種々の構造（例えばこの指向性が顕著でないピン型フィン）が市場に投入されているが、設置条件を制限してしまう放熱指向性、軽量化を阻む重量、電子機器のコンパクトに適合した容量、等々の全ての課題が解消された理想的な構造が全く存在せず、提案すらなされていないというのが現状であった。

そこで本発明者らは上記諸点に鑑み鋭意研究の結果、遂に本発明を完成させたものであり、その特徴とするところは、谷折り稜線を介して集熱部より外側に放射状に延出する放熱翼が、該集熱部外周を周回する形で３つ以上配置された薄板製冷却器であって、該３つ以上の放熱翼それぞれの該谷折り稜線の両端は、隣接する谷折り稜線の端部と離反しており、且つ、該個々の放熱翼はその該谷折り稜線の外側に該谷折り稜線と平行ではない山折り稜線が設けられたものである点にある。

ここで「集熱部」とは、発熱体（例えば半導体パッケージ）に接触する部分を指す。集熱効率という観点で言うと発熱体の表面形状に合致する表面形状が最適である。実際には、発熱体自体が冷却器付設を前提として平滑な直平面で設計されているのが殆どであるので、集熱部も基本的には直平面ということになるが、以上の理由により直平面に限定はしない。。
また集熱部は、後述する谷折り稜線を介して放熱翼と連続するものであるので、概して述べると集熱部の形状は、全ての谷折り稜線によって構成される形状ということになる。但し各谷折り稜線はその両端が、隣接する谷折り稜線の端部と離反しているので、全谷折り稜線だけでは閉じた図形とはならない。そこで、この離反部分が外周線として存在する。つまり、集熱部の外形は、この外周線と全谷折り稜線によって構成される図形ということになる。
集熱部の形状については特に限定するものではない。指向性を極限までなくしてゆくという意味では、円或いは正多角形に近い形状が好ましいが、長方形（長短辺の長さが大きく異なるもの）や、不等辺多角形であっても良いものとする。

「放熱翼」は、谷折り稜線を介して集熱部より外側に放射状に延出するもの、即ち集熱部と谷折り稜線で分画されるものとして定義する。集熱部と一体的な部材であるが、平板に曲げ加工を加えてこの稜線を形成するか、曲げ加工工程を伴わない手法によって稜線形成を図るかは問わない。
但し、本発明が種々試行した範囲では、本発明の目的である軽量化・低コスト化等を成すには、１枚の平薄板にスリットを設けたものに曲げ加工を施すものが最適であったので、これを請求項２として提案している。請求項２の構造の場合、前述した集熱部の外形の一部となっている「外周線」は、このスリットの一部となる。なお、本明細書中において「スリット」は、幅を持たない単純な切り込みも、幅を持つことによって切欠が生じるような切り込みも含む概念の語句とする。
放熱翼に関しても上記集熱部と同様、指向性を極限までなくしてゆくという意味では、放熱効率を等しくするため全て同形とする方が好ましいし、一つの円周上に等角度で回転させたような配置が好ましいが、これに関しても限定はしない。
放熱翼の配置個数は３つ以上とし、個数の上限は限定しない。

谷折り稜線の両端は、隣接する谷折り稜線の端部と離反している。これは、放熱によって生じる空気の対流を乱流化させるための方策の一つであって、放熱翼の個数だけ存在するこの離反部分が通風窓として機能し、熱流の淀みを低減させることに寄与する。
谷折り稜線部分における集熱部と放熱翼の成す角度については特に限定しない。放熱翼の大きさが一定であれば、この角度によって放熱能力に大きな差が生じることはないが、例えば全放熱翼を集熱部に対して０度から９０度まで変化させた場合、平面視的には次第に小さくなり、側面視的には次第に大きくなってゆくことになる。従ってこの角度は、設置箇所の空間状況その他に応じて設計されるべき値であると言える。但し、０度に近いと放熱翼による乱流化は図りにくいものとなるし、９０度に近いとかえって熱流が淀みやすくなるので、１０度から６０度程度の範囲が好適であると言える。

また放熱翼は「山折り稜線」を有する。これは、集熱部で生じ谷折り稜線箇所で一度方向を変えた熱流を更に方向変換させることで、より分散性の高い（即ちより指向性のない）対流とするための構造である。この目的を達成するために、山折り稜線を谷折り稜線と平行ではないものとした。山折り稜線を設けたことによる副次的な効果として、本発明冷却器の寸法を高さに関してコンパクト化しやすい点が挙げられる。
なお本発明において放熱翼は、集熱部と谷折り稜線を介して連続する点、谷折り稜線と平行ではない山折り稜線が設けられている点は必須要件であるが２本の稜線だけで構成されることに限定しているわけではなく、ここに更に稜線（谷折り又は山折り）を付加存在させることを否定するものではない。

本発明冷却器は薄板製であるがその厚さは、従来のコルゲートフィンの原板程度の厚さから、従来のディスク型フィンの円盤部分程度の厚さまでの厚さを指す。材料によって重量も保形力も異なるので具体的な数値によって限定はしない。

本発明に係る放熱翼付き冷却器の材質については新規材料を提案するものではなく、限定はしない。製品に要求される性状を満足する材質、例えば旧来多用されている金属、或いは熱伝導性が良好であることで知られる、カーボン含有量の多いグラファイト系プラスチック等を適宜採用すれば良い。

本発明に係る放熱翼付き冷却器は、谷折り稜線を介して集熱部より外側に放射状に延出する放熱翼が、該集熱部外周を周回する形で３つ以上配置された薄板製冷却器であって、該３つ以上の放熱翼それぞれの該谷折り稜線の両端は、隣接する谷折り稜線の端部と離反しており、且つ、該個々の放熱翼はその該谷折り稜線の外側に該谷折り稜線と平行ではない山折り稜線が設けられたものであることを特徴とするものであり、以下述べる如き効果を有する極めて高度な発明である。
（１）一定方向に整列したコルゲートフィン形状などではなく、あらゆる方向の対流を促進する低指向性冷却器であるので、熱流の淀みが低減される。
（２）従来のコルゲートやオフセットフィンなどに必要であった部材同士のロウ付け接合が不要で、金属薄板材料１枚での製造も可能となるため、軽量化や低コスト化が図り易い。

本発明に係る放熱翼付き冷却器の一例を概略的に示す斜視図である。図１の例の概略平面図である。図１の例の概略側面図である。図１の例の製作のための原板を概略的に示す平面図である。図１の例の使用状態の一例を概略的に示す平面図である。本発明に係る放熱翼付き冷却器の他の一例を概略的に示す斜視図である。図６の例の製作のための原板を概略的に示す平面図である。本発明に係る放熱翼付き冷却器の更に他の一例を概略的に示す斜視図である。図８の例の製作のための原板を概略的に示す平面図である。

図１乃至３は、本発明に係る放熱翼付き冷却器１（以下「本発明冷却器１」という）の一例を示すものであり、図１はその斜視図、図２は平面図、図３は側面図である。これらの図より明らかなように本例の本発明冷却器１は、集熱部２の周囲に８枚の放熱翼３が配置されて成る構造物である。

各放熱翼３は、谷折り稜線３１を介して集熱部２と連続しており、且つ、山折り稜線３２によって二平面に分画されている。また、谷折り稜線３１と山折り稜線３２とは平行ではなく、本例では挟角が約３０度程度となるよう設計されている。平面同士の成す角度は、本例の場合谷折り稜線３１部分、山折り稜線３２部分いずれも約４５度である。
なお本例の場合、８枚の放熱翼３は全て同形であり、これらが集熱部２の周りに均等、即ち、４５度ずつ回転する形で配置されている。但し、８枚の放熱翼３のそれぞれの谷折り線３１の両端は離反しており、故に８本の谷折り線３１全体として正八角形とはならない。

本発明冷却器１は一体成形も可能であるが、本例では１枚の金属板を材料とし、これを加工して製作している。図４はその原板１０を示すものである。原板１０は平坦な円形板であり、円周上の１点から円中心に向かい円半径の途中まで刻設されたスリット１０１が、４５度間隔で８本設けられている。ここでスリット１０１の内側端部をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇと呼び、またこれら８つの端部Ａ〜Ｇのそれぞれより少し外側の位置をａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈと呼ぶこととする。（本例では、ａの位置はＡに近いものであるが、スリット１０１上であれば理論上はどこでも良い。但し、ａが外周に近づくにつれて放熱翼３の面積が小さくなり放熱効率が低下してしまうので、実際にはスリット１０１の中点よりも中心となるようにするのが好ましい。）
放熱翼３は、隣接する二本のスリット１０１で挟まれた部分を折曲して形成することになるが、その稜線はスリット１０１の内側端部同士を結ぶ線とせず、Ａとｂ、Ｂとｃ、Ｃとｄ、・・・、Ｈとａを結ぶ線とする。結果、各谷折り稜線３１（本図で言うと、線分Ａｂ、Ｂｃ、Ｃｄ、・・・、Ｈａが該当）の端部同士が離反することになる。また離反部分（本図で言うと、線分Ａａ、Ｂｂ、Ｃｃ、Ｄｄ、・・・、Ｈｈが該当）は、スリット１０１の一部でもある。
なお、山折り稜線３２作成に関しては、本発明者らの試作実験段階では谷折り稜線３１部の曲げ作業完了後に作業したが、作業順序が前後逆（先に山折り稜線３２を作成する）であっても良いし、加工機次第では同時にする方が能率的であると想像できるので、作業工程については限定せず詳述もしないものとする。
このように、スリット付きの平板一枚に曲げ工程を加えるだけでも本発明冷却器１は製造できる。

図５は、上述した例の本発明冷却器１の使用状態の一例を、本発明の説明に不必要な部材の描出を省略し概略的に示したものであり、プリント配線板４上に実装された発熱体５（ＬＳＩ等の半導体パッケージ）２基のそれぞれに、本発明冷却器１を固定した状態を示している。固定は、熱伝導性を損なうことがないように勘案する必要があるが、接着剤にせよ両面テープにせよ適切なものが多種市販されているのでそれらから適切なものを採用すれば良い。

図６及び図７は、本発明の他の実施例を示すものであり、図６は斜視図、図７は１枚の金属板を材料としこれを加工して製作する場合の原板１１を示す平面図である。
既述した実施例との相違点は、原板１１が円形ではない点であり、これに由来して、形成される放熱翼の形状が全て同一ではなくなっている。基本的な構造・目的・効果に関しては、前述の構造のものとほぼ等しいので詳述しない。
本例の本発明冷却器１は、発熱体は円形や正方形であるものの、冷却器設置ゾーンとして許容された空間が制限されていて、平面視長方形とするしかない、という場合に適したものである。

図８及び図９は、本発明の更に他の例を示すものであり、図８は斜視図、図９は１枚の金属板を材料としこれを加工して製作する場合の原板１２を示す平面図である。
本例は、原板１２が縦横差のある長方形であるというだけでなく、集熱部２自体が縦横差の大きい形状となっているものである。
本例の本発明冷却器１は、発熱体自体が一方に長い形状のものである場合、或いは近接する２基の発熱体を、一つの本発明冷却器１を以てカバーするといった場合に適している。

１本発明に係る放熱翼付き冷却器
２集熱部
３放熱翼
３１谷折り稜線
３２山折り稜線
４プリント配線板
５発熱体
１０原板（実施例１）
１０１スリット
Ａ〜Ｈスリット１０１の一端
ａ〜ｈＡ〜Ｈ以外の谷折り線の一端
１１原板（実施例２）
１２原板（実施例３）

Claims

谷折り稜線を介して集熱部より外側に放射状に延出する放熱翼が、該集熱部外周を周回する形で３つ以上配置された薄板製冷却器であって、該３つ以上の放熱翼それぞれの該谷折り稜線の両端は、隣接する谷折り稜線の端部と離反しており、且つ、該個々の放熱翼はその該谷折り稜線の外側に該谷折り稜線と平行ではない山折り稜線が設けられたものであることを特徴とする放熱翼付き冷却器。
１枚の平薄板にスリットを設けたものに曲げ加工を施して成るものである請求項１記載の放熱翼付き冷却器。