JP2014027232A - 冷却部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒートシンクにおける放熱フィンの放熱効率を改善することを課題とする。
【解決手段】 被冷却部品から熱を吸収する吸熱部材２と、吸熱部材２が吸収した熱を放熱する放熱部材３０とを設ける。放熱部材３０は、互いに平行に延在する複数の第１のフィン３２が整列して設けられた放熱部材３０を有する。放熱部材３０の第１のフィン３２の一部は、第１のフィン３２の他の部分より大きな厚みを有する。
【選択図】 図４

Description

実施形態は、発熱部品を冷却するための冷却部品に関する。

電子装置等において、ＣＰＵの性能向上に伴い、ＣＰＵからの放熱量が増大している。一方、電子装置には小型化・薄型化が求められており、ＣＰＵ等の電子部品を薄型化することに加え、ＣＰＵを冷却するためのヒートシンクにも薄型化が求められている。ヒートシンクには、周囲の空気に熱を放出するための放熱フィンを有するものが多い。放熱フィンの放熱効率を上げることで、放熱フィンを小型化・薄型化することができる。

図１は従来の放熱フィンを有するヒートシンクの一例を示す斜視図である。図２は図１に示すヒートシンクが組み込まれた電子装置の内部を示す斜視図である。

図１に示すヒートシンク１は、ＣＰＵ等の発熱部品に接触するダイプレート２が設けられたベースプレート３と、放熱フィン５と、ダイプレート２と放熱フィン５とを接続するヒートパイプ４とを有する。図２に示すように、ベースプレート３は、電子装置１０の回路基板１１に搭載されているＣＰＵ（被冷却部品）の上面にダイプレート２が接触するように、回路基板１１に取り付けられる。図２では、ＣＰＵはダイプレート２に覆われているので、図中には現れていない。

ダイプレート２から延在するヒートパイプ４に取り付けられた放熱フィン５は、電子装置１０のシャーシに取り付けられる。放熱フィン５の近傍にファン１３が設けられ、ファン１３からの空気流で放熱フィン５を空冷する。放熱フィン５は多数の薄い金属板（フィン）が所定のピッチで整列して構成され、ファン１３からの空気が放熱フィン５のフィンの間を流れて電子装置の筐体外部に排出される。

なお、図２に示す電子装置１０は例えばパーソナルコンピュータであり、筐体内部に、メモリ１４、ハードディスクドライブ１５、オプチカルディスクドライブ１６等の多数の機能部品が収容されている。

以上のような構成の電子装置１０において、放熱フィン５は比較的大きな容積を占める部品である。そこで、放熱フィン５の放熱効率を改善して、放熱フィン５を小型化することにより、電子装置１０の小型化・薄型化に寄与することができる。あるいは、同じ大きさの放熱フィン５を用いて、被冷却部品（ここでは、ＣＰＵ）をより効率的に冷却して温度を低くすることができる。

そこで、放熱フィンのフィン形状や配列を工夫することで放熱効率を改善することが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平０１−２１５０９８号公報 特開２００３−８６７４２号公報 実案登録第３１４８５９３号

図３は図１に示す放熱フィン５の側面図である。図１に示すヒートシンク１に組み込まれた放熱フィン５では、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａに、放熱フィン５から放出すべき熱が供給される。熱は薄い金属板により形成されたフィン５ｂを伝わって、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａとは反対側５ｃに至る。フィン５ｂを伝わる間に熱の一部はフィン５ｂの周囲に放出されるので、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの温度が最も高く、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａとは反対側５ｃの温度は、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの温度より低くなる。

放熱量（放熱効率）は温度差に比例するので、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの反対側５ｃでの放熱効率は、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａでの放熱効率より低くなる。

そこで、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの反対側５ｃに伝わる熱量を多くすれば、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの反対側５ｃの温度を上昇させることができる。これにより、ヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの反対側５ｃにおける放熱効率も上昇させることができ、その結果、放熱フィン５全体での放熱効率も上昇させることができる。

ところが、従来の放熱フィンでは、フィン５ｂの厚みとフィン５ｂのピッチは、放熱フィン５全体の体積と、フィン５ｂの間を通る空気流に基づいて、放熱効率が高くなる最適値に決められている。すなわち、上述のようにヒートパイプ４が取り付けられた側５ａの反対側５ｃに効率的に熱を伝えることは考慮されていない。

実施形態によれば、被冷却部品から熱を吸収する吸熱部材と、前記吸熱部材が吸収した熱を放熱すると共に、互いに平行に延在する複数の第１のフィンが整列して設けられた放熱部材とを有し、前記第１のフィンの一部は、前記第１のフィンの他の部分より大きな厚みを有する冷却部品が提供される。

フィンの厚みを部分的に厚くすることで、放熱部材の熱供給側から反対側まで伝わる熱量を大きくすることができ、放熱部材全体での放熱効率を改善することができる。

ヒートシンクの斜視図である。 図１に示すヒートシンクが組み込まれた電子装置の内部を示す斜視図である。 放熱フィンの側面図である。 一実施形態によるヒートシンクの斜視図である。 図４に示すヒートシンクが組み込まれた電子装置の内部の一部を示す斜視図である。 放熱フィンの斜視図である。 放熱フィンの正面図である。 肉厚のフィン部を形成するための折り曲げ加工された金属板の分解図である。 放熱フィンの冷却性能をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図４は一実施形態によるヒートシンク（冷却部品）の斜視図である。図５は図４に示すヒートシンクが組み込まれた電子装置の内部の一部を示す斜視図である。図４及び図５において、図１及び図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付す。

図４に示すヒートシンク２０は、ＣＰＵ等の発熱部品に接触して熱を吸収するダイプレート２（吸熱部材）が設けられたベースプレート３（支持部材）と、放熱フィン３０（放熱部材）と、ダイプレート２と放熱フィン３０とを接続するヒートパイプ４（熱移送部材）とを有する。図５に示すように、ベースプレート３は、電子装置１０の回路基板１１に搭載されているＣＰＵ（被冷却部品）の上面にダイプレート２が接触するように、回路基板１１に取り付けられる。ベースプレート３は略３角形状の金属板であり、その中央部分にダイプレート２が支持されている。ベースプレート３の３つの隅には、ベースプレート３を固定してダイプレート２をＣＰＵ上に固定するための取り付け部として、ネジ６が挿入されるネジ挿通部３ａが設けられている。なお。図５において、被冷却部品の一例であるＣＰＵはダイプレート２に覆われているので、図中には現れていない。

熱移送部材の一例であるヒートパイプ４の一端４ａは、ベースプレート３に支持されたダイプレート２に接続される。ヒートパイプ４の他端４ｂは放熱フィン３０に接続される。ヒートパイプ４が取り付けられた放熱フィン３０は、電子装置１０の筐体又はシャーシに取り付けられる。放熱フィン３０の近傍にファン１３が設けられ、ファン１３からの空気流で放熱フィン３０を空冷する。ファン１３から送り出された空気が放熱フィン３０のフィンの間を流れて電子装置１０の筐体外部に排出される。

次に、本実施形態による放熱フィン３０についてさらに詳細に説明する。図６は放熱フィン３０の斜視図である。図７は放熱フィン３０の正面図である。放熱部材の一例である放熱フィン３０は、略直方体形状であり、第１の面３０ａと第１の面３０ａの反対側の第２の面３０ｂとを有する。第１の面３０ａと第２の面３０ｂの間に、複数の第１のフィン３２が所定の間隔を置いて互いに平行に整列して設けられている。

本実施形態では、第１の面３０ａと第２の面３０ｂの間のほぼ中央の位置に、第２のフィン３４が、第１のフィン３２に直交する方向に延在するように形成されている。後述のように第２のフィン３４は第１のフィン３２の一部に、厚みの大きな部分を形成するために設けられる部分であり、第１のフィン３２の延在方向に対して直交する方向に延在する。すなわち、第２のフィン３４は、製造上の理由で必要な部分である
放熱フィン３０の第１の面３０ａには、ヒートパイプ４の他端４ｂが接続され、ヒートパイプ４内で移送されてきた熱が第１の面３０ａに伝わる。したがって、放熱フィン３０から見れば、第１の面３０ａはヒートパイプ４から熱が供給される熱供給面となる。もちろん、熱供給面であっても、第１の面３０ａからも周囲の空気に熱を放出している。

放熱フィン３０の第１の面３０ｂには、第１のフィン３２及び第２のフィン３４を伝わって熱が供給され、その熱が周囲の空気に放出される。したがって、第２の面３０ｂは熱放出面となる。第１のフィン３２及び第２のフィン３４を伝わってくる間に熱の一部は第１のフィン３２及び第２のフィン３４からも周囲の空気に放出される。

本実施形態では、放熱フィン３０は、曲げ加工を施した複数の金属板を重ねてつなぎ合わせることで形成されている。複数の金属板を重ねてつなぎ合わせて形成された放熱フィンは図１に示すように周知の構成であり、ここでは特に金属板をつなぎ合わせて略直方体の放熱フィンを形成する製造方法についての説明は省略する。

放熱フィン３０を形成する複数の金属板としては、例えば熱伝導率及び熱伝達率が大きい銅板やアルミ板を用いることができる。放熱フィン３０を形成するための金属板としては、銅板やアルミ板に限られず、例えば鉄板や鋼板、これらにめっきを施したものなど様々な材料を用いることができる。

本実施形態では、第１のフィン３２の各々は、第１の面３０ａ側のフィン部３２ａと、第２の面３０ｂ側のフィン部３２ｂに分かれており、フィン部３２ａとフィン部３２ｂが整列して接合されて第１のフィン３２の各々が形成される。また、複数のフィン部３２ａが重なって接合された部分として肉厚フィン部３２ｃが形成される。肉厚フィン部３２ｃは、第１の面３０ａから第２の面３０ｂに向けて延在し、第１の面３０ａと第２の面３０ｂの間のほぼ中央まで延在している。

肉厚フィン部３２ｃの先端からは、第２のフィン３４が直交する方向に延在する。第２のフィンは、第１のフィン３２を形成するための金属板を、フィン部３２ａを重ね合わせて肉厚にしたフィン部３２ｃを形成するために折り曲げた部分に相当する。

本実施形態では、放熱フィン３０の放熱効率を高めるために、例えば０．２ｍｍの金属板を用い、金属板と金属板の間隔（すなわち、整列した第１のフィン３２のピッチ）を例えば１．５ｍｍとする。金属板の厚み（即ち、フィンの厚み）と金属板の間隔（即ち、フィンのピッチ）は、フィンの間を流れる空気流による放熱が高くなる値に設定されている。

以上のような金属板の厚み寸法と間隔の寸法を考慮し、ピッチ一つ分の厚みのフィン部３２ｃを形成する。このためには、８枚の金属板が重なってフィン部３２ｃを形成するように金属板を折り曲げ加工する。

図８は肉厚のフィン部３２ｃを形成するための折り曲げ加工された金属板の分解図である。肉厚フィン部３２ｃを形成するための８枚の金属板は、第１のフィン３２の下側の部分であるフィン部３２ｂが形成された金属板である。８枚の金属板の各々は、フィン部３２ｂの上端においてフィン部３２ｂに直交する方向に折り曲げられ、さらに、フィン部３２ｃがフィン部３２ｂと同じ方向になるように折り曲げられている。

また、８枚の金属板の各々は、フィン部３２ｂの下端において、フィン部３２ｂに直交する方向に折り曲げられて平面部３２ｄが形成されている。この平面部３２ｄは、金属板が重ね合わされると連結して平面となり、放熱フィン３０の第２の面３０ｂを形成する。

フィン部３２ｃの左右にはそれぞれフィン部３２ａを形成する金属板がそれぞれ３枚づつ配置される。フィン部３２ａの上端はフィン部３２ａに直交する方向に折り曲げられて平面部３２ｅが形成されている。また、フィン部３２ｃを形成する一番右側の金属板の上端はフィン部３２ｃと直交する方向に折り曲げられて平面部３２ｆが形成されている。平面部３２ｅ及び平面部３２ｆは、金属板が重ね合わされると連結して平面となり、放熱フィン３０の第１の面３０ａを形成する。

図８に示すように折り曲げられた金属板を組み合わせて接合することで、８枚のフィン部３２ｂが形成され、それらの中央の上に一枚の肉厚フィン部３２ｃが形成され、肉厚フィン部３２ｃの両脇にフィン部３２ａが３枚ずつ形成された放熱フィン３０が形成される。図６に示す放熱フィン３０は、図９に示す金属板で形成した放熱フィンを５個繋いで形成したものである。

以上のように、本実施形態では、第１のフィン３２の一部の厚みを大きくして肉厚フィン部３２ｃを形成しているので、第１のフィン３２による伝熱面積が増大し、より多くの熱量を第１の面３０ａ側から第２の面３０ｂ側に移動させることができる。これにより、放熱フィン３０の第２の面３０ｂ側の温度が上昇して第１の面３０ａ側の温度に近くなり、第２の面３０ｂ側の放熱効率が高くなる。したがって、放熱フィン３０全体での放熱効率が向上し、より多くの熱を放出することができるので、ヒートシンク２０の冷却効率が向上する。これにより、ヒートシンク２０を小型化・薄型化することができる。

より多くの熱量を第１の面３０ａ側から第２の面側に移動させることができるのは、伝熱面積を増大させたことばかりではなく、第１のフィン３２の一部を肉厚としたことが寄与している。板状の部材を伝わる熱の伝熱特性において、部材の断面において表面側よりは内側のほうが伝熱量が多くなるという特性がある。薄いフィンであると表面付近を伝わる熱が多いが、厚いフィンにすると、表面にくらべて内側（断面において中心に近い部分）を伝わる熱が多く、その分伝熱量が増える。したがって、例えば、８枚のフィンを互いに分離した状態で伝熱させるより、８枚のフィンを重ね合わせて接合した状態で伝熱させたほうが、フィンの内部を伝わる熱が多くなり、全体として伝熱量が増えることとなる。本実施形態では、８枚の金属板を重ねた部分で肉厚フィン部３２ｃを形成しているので、伝熱量をより多くすることができ、その分放熱効率を向上させることができる。

肉厚フィン部３２ｃは、第１のフィンの延在方向でどの位置に設けてもよいが、より多くの熱を伝える熱供給側である第１の面３０ａから延在させることが好ましい。本実施形態では、肉厚フィン部３２ｃは、第１の面３０ａから第２の面３０ｂまでの間のほぼ中央の位置まで延在しているが、中央に限ることなく、適宜設定することが好ましい。肉厚フィン部３２ｃが長すぎると、空気が通る部分が少なくなり、その分放熱効率が減少してしまうので、放熱フィン全体での放熱効率を考慮しながら適宜設定することが好ましい。また、肉厚のフィン部３２ｃの厚みについても同様であり、厚みが大きいとフィン部３２ｃでの伝熱効率は上昇するが、空気が通る部分が少なくなり、その分放熱効率が減少してしまう。したがって、肉厚フィン部３２ｃの厚みについても、放熱フィン３０全体での放熱効率を考慮しながら適宜設定することが好ましい。

なお、第２のフィン３４は、肉厚フィン部３２ｃから直交する方向に延在しながら、複数のフィン部３２ｂに繋がっている。これにより、肉厚フィン部３２ｃを伝わってきた熱を複数のフィン部３２ｂに分散させることができ、肉厚フィン部３２ｃからフィン部３２ｂを介して第２の面３０ｂへの熱の移動をより効率的にしている。

フィンを形成する材料としてアルミ板（Ａ１０５０）を用いて、図１に示す放熱フィン５と図４及び図６に示す本実施形態による放熱フィン３０による熱伝導のシミュレーションを行い、熱供給面となる第１の面３０ａの温度と放熱面となる第２の面３０ｂの温度を比較した。シミュレーションでは、３５ＷのＣＰＵからの熱がヒートパイプ４で移送されて放熱フィンに供給されることとした。また、放熱フィンの周囲の温度は３５℃とした。

シミュレーションの結果、図１に示す放熱フィン５では、熱供給側である第１の面３０ａの温度は６１．１℃であり、放熱側である第２の面３０ｂの温度は５１．４℃であり、温度差が９．７℃あることがわかった。一方、図４及び図６に示す本実施形態による放熱フィン３０では、熱供給側である第１の面３０ａの温度は５９．１℃であり、放熱側である第２の面３０ｂの温度は５３．５℃であり、温度差が５．６℃に低減されていることがわかった。すなわち、図４及び図６に示す本実施形態による放熱フィン３０では、肉厚フィン部３２ｃを設けたことにより、第１の面３０ａと第２の面３０ｂの間の熱抵抗が減少し、第１の面３０ａから第２の面３０ｂにより多くの熱が伝わり、温度差が低減されているものと考えられる。

ここで、図１に示す放熱フィン５を用いた場合と、図４及び図６に示す本実施形態による放熱フィン３０を用いた場合の冷却性能をシミュレーションで求め、比較した結果について説明する。図９は冷却性能をシミュレーションにより求めた結果を示す。

シミュレーションでは、銅板（Ｃ１１００）、アルミ板（Ａ１０５０）及びアルミ板（Ａ５０５２）の３種類の金属板で作成した放熱フィンについて、図１に示す構造（従来ＦＩＮ）と図４及び図６に示す構造（新構造ＦＩＮ）による冷却性能を求めた。そして、図１に示す構造（従来ＦＩＮ）での冷却性能に対する図４及び図６に示す構造（新構造ＦＩＮ）での冷却性能の改善率を求めた。放熱フィンの周囲の温度Ｔａは３５℃とし、被冷却部品として３５ＷのＣＰＵを用いた。

銅板（Ｃ１１００）を用いた場合、冷却性能の改善率は１．４％であり、図４及び図６に示す構造（新構造ＦＩＮ）での冷却性能に改善が見られた。アルミ板（Ａ１０５０）を用いた場合、冷却性能の改善率は４．０％であり、図４及び図６に示す構造（新構造ＦＩＮ）での冷却性能に大きな改善が見られた。また、アルミ板（Ａ５０５２）を用いた場合、冷却性能の改善率は５．７％に達し、図４及び図６に示す構造（新構造ＦＩＮ）での冷却性能にさらに大きな改善が見られた。このような冷却性能の改善は、肉厚フィン部３２ｃを設けたことによる効果であると推測される。

なお、上述の実施の形態の変形例として、例えば、ヒートパイプタイプの冷却部品ではなく、被冷却部品に直載されるような冷却部品に上述の実施の形態を適用することもできる。この場合、冷却部品が被冷却部品に直に取り付けられるので、熱移送部品は不要となる。

以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
被冷却部品から熱を吸収する吸熱部材と、
前記吸熱部材が吸収した熱を放熱すると共に、互いに平行に延在する複数の第１のフィンが整列して設けられた放熱部材と
を有し、
前記第１のフィンの一部は、前記第１のフィンの他の部分より大きな厚みを有する
冷却部品。
（付記２）
付記１記載の冷却部品であって、
前記吸熱部材が吸収した熱を放熱部材に移送する熱移送部材を更に有し、
前記第１のフィンの一部は、前記第１のフィンの延在方向において前記熱移送部材が接続された側に設けられる冷却部品。
（付記３）
付記１又は２記載の冷却部品であって、
前記第１のフィンは所定の間隔で整列し、複数の前記第１のフィンが接触して重なり合うことで、前記第１のフィンの前記一部が形成された冷却部品。
（付記４）
付記１乃至３のうちいずれか一項記載の冷却部品であって、
前記第１のフィンの延在方向に直交して延在する第２のフィンが設けられた冷却部品。
（付記５）
付記４記載の冷却部品であって、
前記第２のフィンは、前記第１のフィンの前記一部の端部に相当する位置で前記第１のフィンに直交して延在する冷却部品。
（付記６）
付記４又は５記載の冷却部品であって、
前記第１のフィン及び前記第２のフィンは金属板を折り曲げて形成された冷却部品。
（付記７）
付記１乃至６記載のうちいずれか一項記載の冷却部品であって、
前記熱移送部材はヒートパイプである冷却部品。
（付記８）
付記１乃至７記載のうちいずれか一項記載の冷却部品であって、
前記吸熱部材は熱伝導性の金属板である冷却部品。
（付記９）
付記１乃至８記載のうちいずれか一項記載の冷却部品であって、
前記吸熱部材を支持する支持部材をさらに有し、
前記支持部材は、前記吸熱部材を前記被冷却部品に接触させた状態が維持されるように固定する取り付け部を有する冷却装置。

２ ダイプレート
３ ベースプレート
３ａ ネジ挿通孔
４ ヒートパイプ
６ ネジ
１０ 電子装置
１１ 回路基板
１３ ファン
２０ ヒートシンク
３０ 放熱フィン
３０ａ 第１の面
３０ｂ 第２の面
３２ 第１のフィン
３２ａ フィン部
３２ｂ フィン部
３２ｃ 肉厚フィン部
３４ 第２のフィン

Claims (5)

1. 被冷却部品から熱を吸収する吸熱部材と、
   前記吸熱部材が吸収した熱を放熱すると共に、互いに平行に延在する複数の第１のフィンが整列して設けられた放熱部材と
   を有し、
   前記第１のフィンの一部は、前記第１のフィンの他の部分より大きな厚みを有する
   冷却部品。
2. 請求項１記載の冷却部品であって、
   前記吸熱部材が吸収した熱を放熱部材に移送する熱移送部材を更に有し、
   前記第１のフィンの一部は、前記第１のフィンの延在方向において前記熱移送部材が接続された側に設けられる冷却部品。
3. 請求項１又は２記載の冷却部品であって、
   前記第１のフィンは所定の間隔で整列し、複数の前記第１のフィンが接触して重なり合うことで、前記第１のフィンの前記一部が形成された冷却部品。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の冷却部品であって、
   前記第１のフィンの延在方向に直交して延在する第２のフィンが設けられた冷却部品。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の冷却部品であって、
   前記第１のフィン及び前記第２のフィンは金属板を折り曲げて形成された冷却部品。

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