JP2014003059A - 放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱器を筺体の薄型化に対応できるようにすることである。
【解決手段】放熱器１０を星打ち加工した金属板１１の中で、冷却を必要としている面を取り付ける部分を吸熱部１４として、その他の部分に放熱塗料１３を塗布して放熱部１２として構成し、前記吸熱部１４をＬＳＩ素子のパッケージ１６の放熱させる冷却面１７に熱伝導材１５を介して装着する。こうして前記パッケージ１６に放熱器１０を装着したプリント配線基板１８は筐体１９の内部に配置すると、輻射熱の熱放射による熱移動と空気の対流による熱移動の２つの放熱作用でパッケージ１６の冷却面１７からもたらされる熱の放熱を行う。このように、対流による放熱と同時に、輻射熱によって放熱するので、筐体１９の薄型化、小型化、その内部の複雑化によって空気の流量が減っても十分に対応できる。
【選択図】図４

Description

この発明は、電気・電子機器（電池類も含む）の放熱に用いる放熱器に関するものである。

電気・電子機器では、発熱量が大きな部品（例えば、半導体素子等）には、放熱器（ヒートシンク）を取り付けて、部品を熱から守るようにしている。この放熱器には、熱伝導に優れた銅やアルミニウムなどの金属を鋳造や押し出しなどの加工により成形したものが多く用いられている。このような鋳造や押し出しなどの加工による放熱器は、放熱量に比例して形状が大きくなって重くなる。
そのため、例えば、特許文献１には、薄いアルミニウム板を短いピッチで折り曲げたコルゲートフィンを用いて軽量化を図ったものが記載されている。さらに、この放熱器では、コルゲートフィンに多数の小孔を設けるという方法が講じられており、小孔によって表面積を増して冷却効率を向上させている。また、特許文献２には、コルゲートフィンに小孔に換えてディンプルを形成して表面積を増して冷却効率を向上させたものが記載されている。
ところが、近年、電気・電子機器では、薄型化が進行しており（例えば、薄型テレビやスマートフォン、タブレット端末・・・）、筐体を薄く、小さく、その内部を複雑化したことによって内部の空きスペースがさらに減少している。

特開平８−１３０２７４号公報 特開２００６−２２８８８８号公報

しかしながら、上記のコルゲートフィンに小孔やディンプルを設けた放熱器では、折り曲げたアルミニウムのフィンの間を通る空気の対流によって放熱する仕組みである。そのため、薄型化によって、例えば筐体の高さが低くなり、その高さの低下に合わせてコルゲートフィンの高さを低くすると放熱効率が悪くなる。また、この放熱効率の低下を改善するため、小孔やディンプルの数を増やしたり、小孔やディンプルの径を変えたりすることが考えられる。
しかし、このように小孔やディンプルを変更しても、薄型化により狭くなった筐体では、内部の空気の流通量が減少し乱流を発生しやすくなるため、放熱効率の改善が見込めないという問題がある。

そこで、この発明の課題は、放熱器を薄型化に対応できるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、小さな凸部を金属面に押し付け圧縮する星打ちによるプレス加工を施した金属板を、冷却を必要としている面に装着する吸熱部と熱を放散する放熱部とに分けて、その放熱部に放熱塗料を塗布した構成を採用したのである。

このような構成を採用したことにより、冷却器は、受けた熱をヒートスプレッド（熱伝導）によって全体に拡げた後、輻射熱の熱放射による熱移動と空気対流の熱移動による２つの放熱作用で冷却面の放熱を行う。
すなわち、冷却面の熱は、まず、冷却器の吸熱部を介して放熱部に塗布された放熱塗料へ熱伝導され、輻射熱（電磁波：｛遠・中赤外線｝）として空間へ放射される。この放射された輻射熱は放熱部に対向する温度の低い筐体の壁面などを直接温める場合が多い。このとき、星打ち加工によりプレス加工された金属板は、鏡面のように歪みが少なく平面度が高くなっており、放熱塗料の放射する遠・中赤外線を散乱することなく効率よく放射すると考えられる。また、放熱部は、平面度を高くして表面積を増加したので、放熱部周囲を対流する空気に対しても乱流をあまり発生させずに熱伝達を行って放熱することができる。

また、このとき上記吸熱部を、冷却を必要としている面に熱伝導材を介して装着するようにした構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、熱伝導材が吸熱部と冷却面との熱伝導性を向上させる。こうすることで、冷却面から放熱器への熱の移動をスムースにできるようにして冷却効率を向上させる。

また、このとき、上記放熱塗料が密着性の高い塗料であるという構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、金属板の星打ち加工を行った放熱部と放熱塗料との結合を密にできるので、放熱塗料への熱の伝達が容易にできるようにして輻射熱への変換効率を向上させる。

また、このとき、上記吸熱部を金属板の一方に形成し、放熱部を屈曲させるという構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、放熱方向を変更して最も効率の良い設置条件を設定することができる。

また、上記放熱器は、二次電池のケースに装着したり、薄型テレビのＬＥＤ光源に装着したり、ＬＥＤ照明のＬＥＤ素子と電源ユニットに装着したり、携帯端末のケースとして装着したり、アルミ電解コンデンサの外装として装着したりして放熱に使用できる。

上記のように構成したことにより、薄型化で筐体内の冷却用の空気流量が少ない場合でも輻射と対流によって十分に放熱できる。

実施形態の平面図 図１の断面図 図１の装着状態を示す平面図 実施形態の作用説明図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）実施例１の作用説明図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）実施例１の作用説明図 （ａ）実施例２の放熱器の他の態様を示す斜視図、（ｂ）（ａ）の作用説明図 実施例２の放熱器の電池への態様を示す斜視図 （ａ）実施例２の放熱器の薄型テレビへの態様を示す分解斜視図、（ｂ）（ａ）の作用説明図 （ａ）実施例２の放熱器のＬＥＤ照明への態様を示す斜視図、（ｂ）（ａ）の作用説明図 実施例２の放熱器の携帯端末への態様を示す斜視図 （ａ）実施例２の放熱器のアルミ電解コンデンサへの態様を示す分解斜視図、（ｂ）（ａ）の作用説明図

以下、本願発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図１に本願発明を適用した放熱器１０の１つの形態を示す。また、その放熱器１０の断面を図２に示す。

この形態の放熱器１０は、ＱＦＰあるいはＢＧＡパッケージ１６のＬＳＩ半導体に装着用のものである。この放熱器１０は、図２に示すように、星打ち加工した金属板１１の一方の面を放熱部１２として放熱塗料１３を塗布し、他方の面を吸熱部１４として熱伝導材１５を介してパッケージ１６の上部の冷却面１７に装着するようになっている。なお、図２の符号１６´は発熱体である半導体素子本体である。

金属板１１は、アルミニウム基材で、プレス加工機にパンチとダイをセットし、パンチとダイの凸部の山と谷を合わせて精密プレスにより星打ち加工を行ったものである。
このとき、図１のものは、凹凸を隙間無く設けることでハニカム構造を形成している。
このように星打ち加工の施された金属板は、以下のような特徴を有する。
１．加工硬化と加工点の凸凹の形状が、金属面に施されることで、強度と剛性が高まり、歪や反りを抑制することができる。
２．星打ち効果により素材自体が持つ圧延時の残留応力や塑性加工時の応力を矯正することで平面度の精度が高まる。そのため、圧延時のコイル材に反りやねじれの癖のある材料についても星打ちにより状態を安定させることができるため、コイル交換時に頻繁に必要となる平面度調整の頻度を大幅に低減させることができる。
３．星打ち加工による加工硬化により、金属面に疵が付き難くなる。また、疵が付いた場合でも金属面の凹凸により疵が分断されるので、疵も直線ではなく点線状となるため、星打ち未加工品と比べて疵が目立ち難くできる。

放熱塗料１３は、酸化アルミニウム、チタン、ケイ素、ジルコニウム、鉄、銅、コバルト、ニッケル、マンガンなどの酸化物や、窒化アルミニウムなどのセラミックスをバインダーに混合したもので、密着性が高く、しかも、熱放射率が高く、かつ、熱伝導率の高いものである。
因みに、放熱塗料１３の放射率は、０．９０程度のものが好ましいが、より好ましい放射率は、０．９３程度である。

熱伝導材１５は、熱伝導シート、熱伝導テープ、熱伝導グリス、熱伝導接着剤等々のもので、放熱器１０の吸熱部１４と冷却面（被放熱側）１７との間の隙間を埋めて、吸熱部１４と冷却面１７の熱結合度を向上させて、熱伝導性を増加させるために用いるものである。

この放熱器１０は、上記のように構成されており、図３のように、プリント配線基板１８のＬＳＩ上面の冷却面１７に装着する。その際、ここでは、熱伝導材１５として熱伝導テープを介して前記冷却面１７に放熱器１０の吸熱部１４を装着する。このとき、熱伝導テープ１５は、高熱伝導性の両面テープを使用したものなので、放熱器１０の固定と装着が同時にできる。
このようにＬＳＩのパッケージ１６に放熱器１０を装着したプリント配線基板１８は、筐体１９の内部に配置して作動させる。すると、図４に示すように、輻射熱の熱放射による熱移動と空気の対流による熱移動の２つの放熱作用でＬＳＩのパッケージ１６の冷却面１７の放熱を行う。
すなわち、輻射熱による熱放射は、放熱器１０の放熱部１２に塗布された放熱塗料１３が行うもので、ＬＳＩの冷却面１７の熱は、放熱器１０の吸熱部１４を介して放熱部１２に塗布された放熱塗料１３へ熱伝導され、輻射熱（電磁波：｛遠・中赤外線｝）としてあまり散乱されることなく効果的に空間へ放射される。このとき、放熱塗料１３の密着性が高いので、放熱部１２から放熱塗料１３への熱伝導が少ないロスで容易に行えるので、輻射熱への変換率を向上できる。そして、放射された輻射熱は対向する温度の低い筐体１９の壁面などを直接温める。
すなわち、星打ち加工によりプレス加工された金属板１１は、鏡面のように平面度が高く、放熱塗料１３の放射する遠・中赤外線を反射して、図４の矢印（イ）で模式的に示すように、あまり散乱されることなく効果的に対向する筐体１９の壁面などへ放射して温める。
一方、筐体１９の内部の空気への熱移動による放熱は、平面度を高くして表面積が増加した放熱器１０が、周囲を対流する空気に対して、図４の矢印（ロ）で模式的に示すように、乱流をあまり発生させずに熱伝達を行って放熱する。
このように、従来の対流による放熱と同時に、輻射熱によって放熱するので、筐体１９の薄型化や小型化、その内部の複雑化によって空気の流量が減っても十分に冷却できる。

次に、実施例１として、本願の星打ち加工を施したアルミニウム平板の放熱器１０としての放熱性を評価するために、星打ち加工により凹凸をつけたアルミニウム板モデルによる放熱シミュレーションと、実機仕様に近い放熱器１０による放熱性測定を行って比較した。

１．放熱シミュレーション
まず、四角形タイプの星打ち加工を施すことによって凹凸をつけたアルミニウム板モデルを作成した。前記モデルは、図５（ａ）〜（ｃ）に示すような３種類のもので、同図（ａ）が、星打ち加工の面積割合８０％、同図（ｂ）が同割合５０％、同図（ｃ）が同割合０％としたものである。放熱シミュレーションは、FLOMERICS(NIKA)製熱流体解析装置（SBDJSF-8700）を用いて行った。
さらに、放熱塗料１３の効果を比較するため、前記モデルごとに、放熱塗料１３を塗布したものと、放熱塗料１３を塗布しないものを準備した。
Ａ．各モデルの仕様は、以下のとおりである。
ａ．アルミニウム板のサイズは共通で、７ｍｍ×３ｍｍ、板厚０．５ｍｍとした。
ｂ．星打ち加工の四角形の１片の長さは各モデルとも、０．６ｍｍとし、アルミニウム
基板表面から四角形の上面の高さは０．３２ｍｍとした。
ｃ．放熱塗料１３の熱輻射率は０．９３、無塗装の場合のアルミニウム表面の熱輻射率
は０．０２とした。
Ｂ．測定条件は以下のとおりである。
ａ．雰囲気温度２３℃の測定値が空間の大きさによって左右されない十分な大きな空間
の中で、星打ち面を上にして、０．０９Ｗのヒータ２０で加熱した。測定温度は、ヒー
タ２０の上部の温度とした。
２．放熱性測定
アルミニウム板に四角形タイプの星打ち加工を施した３種類の放熱器１０を準備した。各放熱器１０は、図６（ａ）に示す星打ち加工の面積割合８０％、同図（ｂ）の同割合５０％、同図（ｃ）の同割合０％である。さらに、放熱器１０ごとに、放熱塗料１３を塗布したものと、放熱塗料１３を塗布しない放熱器１０を準備した。
Ａ．放熱性測定の仕様は、以下のとおりである。
ａ．アルミニウム板のサイズは５５ｍｍ×４５ｍｍ、板厚０．３９ｍｍである。
ｂ．星打ち加工の四角形の一片の長は０．４ｍｍ、アルミニウム基板表面から四角形の上面の高さ０．３ｍｍである。
ｃ．放熱塗料１３の熱輻射率は０．９３（測定値）であった。無塗装の場合のアルミニウム表面の熱輻射率は、０．０２（文献値）とした。
Ｂ．測定条件
ａ．雰囲気温度２３℃の十分大きな部屋の中で、星打ち面を上にして、４Ｗのヒータ２０を星打ち加工の無い部分（１０×２０ｍｍ）に配置して加熱し、ヒータ２０の上に熱電対を取り付けて温度を測定した。
３．結果
結果は、表１に示すように、放熱シミュレーションと放熱性測定ともに、無塗装の場合において星打ち加工を施すことで、測定温度の低下が見られ、放熱性が増大した。これは対流による熱移動効果によるものと考えられる。
さらに、放熱塗料１３を塗布した場合には、いずれの結果も更なる測定温度の低下が見られた。これは、対流効果以外に熱輻射効果が発現したためと考えられる。
ここで、シミュレーション結果と放熱性測定結果が全体的に異なるのは、試料の大きさが大きくことなるだけでなく星打ち加工の大きさも異なるためである。
そこで、無塗装のものと放熱塗装を行ったものとの温度差を比較した。その結果を表２に示す。この結果から、特に、放熱性測定において、無塗装に比べ、放熱塗装を施した場合に大きくヒータ温度の低下が認められ、より熱輻射の効果が発現した。しかし、いずれの場合も星打ち加工の効果が大きく発現したことから、星打ち加工と放熱塗料塗布を組み合わせることで、放熱性を広く高めることができると考えられる結果が得られた。

この実施例２は、放熱器の実施形態以外の他の適用態様を示すものである。

図７（ａ）、（ｂ）に、放熱器１０をＬＳＩパッケージ１６よりも大きくして、吸熱部１４を金属板１１の一方に形成し、放熱部１２を屈曲させたもので、放熱効果を向上させたものである。この場合、狭い筺体１９に応じてパッケージ１６から食み出た部分を折り曲げて、最も効率の良い設置条件に設定できるようにしたものである。

図８に電池２１の放熱器１０として使用したものを示す。
この場合、リチウム二次電池のアルミニウム製の電池ケースに直接装着している。装着には、熱伝導テープ１５を介して貼り付けるようにすれば、容易に装着できる。このようにすることにより、筐体１９の電池収容スペースが狭い場合でも放熱が期待できる。
これ以外にも、図示はしていないが、太陽電池パネルのセルの裏面に放熱器１０として装着することも可能であると考えられる。この場合、反射板として使用することも可能であると期待できる。

図９（ａ）、（ｂ）に薄型テレビのバックライト用のＬＥＤ光源２２の放熱器１０として使用したものを示す。ここでは、ＬＥＤ光源２２がエッジタイプのものに使用した例を示している。この場合、放熱器１０は、図９（ａ）に示すように、ＬＥＤ光源２２に合わせた長尺状のもので、図９（ｂ）に模式的に示すように、ＬＥＤ素子２３を装着した基板１８に放熱器１０の一方の面の吸熱部１４が熱伝導テープ１５を介して装着され、放熱器１０の他方の面を放熱部１２として放熱塗料１３を塗布した構造となっている。このようにすると、薄型化して放熱用の空気流量の少ないパネルの放熱が効果的にできる。

図１０（ａ）、（ｂ）に、ＬＥＤ照明２４に使用したものを示す。
この照明は、図１０（ａ）に示すような直管タイプのもので、図のように、ＬＥＤ素子２５を直列に配置したものである。
そのため、図１０（ｂ）のように、放熱器１０を介してＬＥＤ素子２５と電源ユニット（点灯回路）２６を上下に配置することにより、両者の放熱を一つの放熱器１０で兼用させたものである。この場合、放熱塗料１３は、ＬＥＤ素子２５と電源ユニット２６に熱伝導テープ１５を介して装着する吸熱部１４を除く両面の放熱部１２に塗布する構造となっている。
このようにしたことにより、直管タイプの狭いカバーでも放熱ができる。

図１１に携帯端末２７の放熱器１０として使用したものを示す。
携帯端末２７は、スマートフォン、タブレット端末などのことで、この場合、放熱器１０は、端末２７の裏蓋に接するようにしたり、ケースの裏蓋の代用としたりしたものである。このようにして放熱効果を向上させることで、薄型化した携帯端末２７の放熱器１０として使用できる。
図１２（ａ）、（ｂ）にアルミ電解コンデンサ２８に適用したものを示す。
この場合、放熱器１０は、コンデンサ２８の外ケースとして筒状にして使用する。そのため、筒の内側を吸熱部１４とし熱伝導テープ１５を取り付け、外側を放熱部１２として放熱塗料１３を塗布する構造となっている。
このようにすることにより、薄型化した筐体１９に配置され、放熱用の空気の流量が少ない場合でも放熱して温度の上昇を抑えられる。

１０ 放熱器
１１ 金属板
１２ 放熱部
１３ 放熱塗料
１４ 吸熱部
１５ 熱伝導材
１７ 冷却面
１９ 筐体

Claims (9)

1. 小さな凸部を金属面に押し付け圧縮する星打ちによるプレス加工を施した金属板を、冷却面に装着する吸熱部と熱を放散する放熱部とに分けて、その放熱部に放熱塗料を塗布した放熱器。
2. 上記吸熱部を冷却する面に熱伝導材を介して装着するようにした請求項１に記載の放熱器。
3. 上記放熱塗料が密着性の高い塗料である請求項１または２に記載の放熱器。
4. 上記吸熱部を金属板の一方に形成し、輻射部を屈曲させた請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器。
5. 上記請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器をケースに装着した二次電池。
6. 上記請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器をＬＥＤ光源に装着した薄型テレビ。
7. 上記請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器にＬＥＤ素子と電源ユニットを装着した直管タイプのＬＥＤ照明。
8. 上記請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器をケースとして用いた携帯端末。
9. 上記請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器を円筒形に形成して外装として用いたアルミ電解コンデンサ。

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