JP2014041929A - ヒートシンク及びこれを備えた高効率放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放熱性能を確保しつつ、製品の小型・薄型化及び軽量化を図ることができるヒートシンク及びこれを備えた高効率放熱構造を提供すること。
【解決手段】ベースプレート４Ａの背面に複数の放熱フィン４ａを平行に立設して成るヒートシンク４において、前記放熱フィン４ａの一方の放熱面の少なくとも一部に高放射率面４ａ１を形成し、他方の放熱面の少なくとも一部に前記高放射率面４ａ１よりも放射率が低い低放射率面４ａ２を形成し、隣接する放熱フィン４ａの相対向する放熱面において高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２とが対向するよう構成する。そして、このヒートシンク４の正面に、ＬＥＤ（発光素子）１を実装して成る基板２を高熱伝導部材３を介して密着させて高効率放熱構造を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ベースプレートの背面に複数の放熱フィンを立設して成るヒートシンクとこれを備えた高効率放熱構造に関するものである。

近年、電子機器の高性能化に伴って製品の発熱量が増大してきている。更に、製品に対する小型・薄型化の要求が高まり、電子機器の発熱密度が非常に高くなってきており、熱的に厳しい状況を強いられている。このため、電子機器に搭載された発熱体を冷却する手段として、一般的な放熱板やヒートシンク等の放熱器を用い、発熱体の熱を放熱器によって空気中に放散させることが行われている。

電子機器に搭載される発熱体としてはＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）等の発光素子があるが、発光素子は、それ自身が発する熱により寿命や性能が低下するという性質を有している。発光素子との組み合わせによって発光色を変化させる目的で使用される蛍光体も発光素子と同様に熱に対して負の特性を有している。従って、ＬＥＤやＬＤ、蛍光体を用いた製品においては、その温度を適切な温度以下に抑えらるための熱設計が求められる。

発光素子等の発熱体の放熱手段としては、例えばヒートシンク等の放熱器を用いて発熱体の熱を自然に空気中へ放散させるものが一般的である。ここで、ヒートシンクは、その包絡体積によって放熱性能がおおよそ決定され、包絡体積が大きいほど潜在的な性能が高まるという特性を有している。

他方、前述のように製品に対して小型化や薄型化の要求が高まっているため、ヒートシンクの包絡体積を単純に大きくすることは困難である。従って、限られたスペースの範囲で発熱体の熱を如何に効率良く空気に放散させるかが重要な課題となる。

ところで、ヒートシンクを用いた放熱構造に関して、特許文献１には、複数の放熱フィンを備えた放熱部が一体に設けられたプリント基板を放熱部の放熱フィンの一部を屈曲線として所定角度だけ屈曲させてシェード部を形成し、発光素子であるＬＥＤから放射される光をシェード部の反射面によって反射させる構成が提案されている。

特開２０１１−０４０５１０号公報

しかしながら、特許文献１において提案された構成を含む従来の放熱構造においては、ヒートシンクの放熱フィンの放熱面はアルマイト処理等によって高放射率面とされており、隣接する放熱フィンにおいては高放射率面同士が対向するため、隣接する放熱フィン同士の間で放射熱の干渉が生じ、ヒートシンクの放熱効率が低下して放熱性能が下がるという問題があった。そして、このようにヒートシンクの放熱性能が低下するため、所要の放熱性能を確保するためには該ヒートシンクの容積を大きくする必要があり、製品の小型・薄型化及び軽量化の要求に応えることができない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、高い放熱性能を確保しつつ、製品の小型・薄型化及び軽量化を図ることができるヒートシンク及びこれを備えた高効率放熱構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ベースプレートの背面に複数の放熱フィンを平行に立設して成るヒートシンクにおいて、前記放熱フィンの一方の放熱面の少なくとも一部に高放射率面を形成し、他方の放熱面の少なくとも一部に前記高放射率面よりも放射率が低い低放射率面を形成し、隣接する放熱フィンの相対向する放熱面において高放射率面と低放射率面とが対向するよう構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明は、前記放熱フィンの高放射率面をアルマイト処理又は放射塗料の塗布によって形成し、低放射率面を鏡面仕上げ又は金属蒸着によって形成したことを特徴とする。

請求項３記載の高効率放熱構造は、発光素子を実装して成る基板を高熱伝導部材を介して請求項１又は２記載のヒートシンクの正面に密着させて構成されることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、隣接する放熱フィンの相対向する放熱面において高放射率面と低放射率面とを対向させたため、隣接する放熱フィン同士に生じる放射熱の干渉が防がれ、各放熱フィンからの放熱効率が高められ、ヒートシンク全体の放熱性能が高められる。このため、ヒートシンクに所要の放熱性能を確保するために必要な容積が小さくて済み、該ヒートシンクを備える製品の小型・薄型化及び軽量化を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、放熱フィンの少なくとも一部を鏡面仕上げ又は金属蒸着することによって低放射率面を簡単に形成することができる。

請求項３記載の発明によれば、発光素子が発生する熱は、基板と高熱伝導部材を経てヒートシンクへと伝導し、放熱性能が高いヒートシンクの放熱フィンから空気中に効率良く放散されるため、発光素子の温度上昇が抑えられ、該発光素子の寿命延長と性能向上が図られる。

本発明に係る高効率放熱構造を示す斜視図である。 本発明に係る高効率放熱構造を示す平面図とヒートシンクの放熱フィンの高放射率面と低放射率面を示す図である。 本発明に係るヒートシンクの平面図と放熱フィンの高放射率面と低放射率面の種々の態様を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る高効率放熱構造を示す斜視図、図２は同高効率放熱構造を示す平面図とヒートシンクの放熱フィンの高放射率面と低放射率面を示す図であり、本発明に係る高効率放熱構造は、発光素子であるＬＥＤ１を中央部に実装して成る基板２を高熱伝導部材３を介してヒートシンク４の正面に密着させて構成されている。

上記基板２は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅等の金属によって矩形平板状に成形されており、この基板２とヒートシンク４の間にはグリースやシート、接着剤、テープ等の高熱伝導部材３を挟み込んで高効率放熱構造が構成されている。

又、前記ヒートシンク４は、矩形のベースプレート４Ａの背面に複数（図示例では１０枚）の矩形板状の放熱フィン４ａを等間隔ピッチで平行に立設して構成されており、その材質には熱伝導率の高いアルミニウムや銅が使用されている。

而して、図２に示すヒートシンク４においては、各放熱フィン４ａの一方の放熱面（黒塗りにて表示）の全体が高放射率面４ａ１を形成しており、他方の放熱面（ハッチングを付して表示）の全体は高放射率面４ａ１よりも放射率が低い低放射率面４ａ２を形成しており、隣接する放熱フィン４ａの相対向する放熱面において高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２とが対向するよう構成されている。ここで、放熱フィン４ａの高放射率面４ａ１は、該放熱フィン４ａの一方の面にアルマイト処理を施したり、放射塗料を塗布によって形成され、低放射率面４ａ２は、放熱フィン４ａの他方の放熱面を鏡面仕上げしたり、アルミニウム等を金属蒸着することによって形成される。

図１及び図２に示す高効率放熱構造において、ＬＥＤ１に電流が供給されて該ＬＥＤ１が発光すると、ＬＥＤ１は発光に伴って発熱し、その熱は放射と対流によってＬＥＤ１の表面から僅かに放熱されるが、大部分の熱は基板２から高熱伝導部材３を経てヒートシンク４へと伝導する。ヒートシンク４は熱伝導率の高いアルミニウムや銅によって構成されているため、該ヒートシンク４に伝導した熱は、ベースプレート４Ａから速やかに複数の放熱フィン４ａへと伝導し、放射と対流によって各放熱フィン４ａから周囲の空気に放熱され、この結果、ＬＥＤ１の温度上昇が抑えられる。

ところで、従来のヒートシンクにおいては、放熱フィンの放熱面はアルマイト処理等によって高放射率面とされており、隣接する放熱フィンにおいては高放射率面同士が対向するため、隣接する放熱フィン同士の間で放射熱の干渉が生じ、ヒートシンクの放熱効率が低下して放熱性能が下がるという問題があったことは前述の通りである。

而して、本実施の形態に係るヒートシンク４においては、各放熱フィン４ａの一方の放熱面の全体が高放射率面４ａ１を形成しており、他方の放熱面の全体は高放射率面４ａ１よりも放射率が低い低放射率面４ａ２を形成しており、隣接する放熱フィン４ａの相対向する放熱面において高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２とが対向するよう構成したため、隣接する放熱フィン４ａ同士に生じる放射熱の干渉が防がれる。この結果、各放熱フィン４ａからの放熱効率が高められ、ヒートシンク４全体の放熱性能が高められる。このため、ヒートシンク４に所要の放熱性能を確保するために必要な容積が小さくて済み、該ヒートシンク４を備える製品の小型・薄型化及び軽量化を図ることができるという効果が得られる。

ここで、本発明に係るヒートシンクと従来のヒートシンクの性能比較を行った結果について説明する。本比較においては、同一サイズのヒートシンクについて同一発熱量で同程度の温度に放熱する場合の放熱性能とサイズ及び重量について検討した。

比較条件は以下の通りである。

周囲温度：２５℃
発熱体サイズ：１０×１０×１．７ｍｍ
発熱量：２．５Ｗ
ＴＩＭ：１０×１０×０．１ｍｍ
ヒートシンク：材料：Ａ１０５０（熱伝導率：２２２Ｗ／ｍＫ）
ベースプレートサイズ：５０×５０×２ｍｍ アルマイト処理（放射率：０．９５）
放熱フィン；サイズ：５０×１×３ｍｍ
表裏面（従来）：アルマイト処理（放射率：０．９５）
表面（本発明）：アルマイト処理（放射率：０．９５）
裏面（本発明）：鏡面仕上げ（放射率：０．１〜０．３）
フィン枚数：１０枚
発熱体の温度とヒートシンクの容積及び重量を比較した結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明に係るヒートシンクによれば従来のヒートシンクに対して３．１℃の温度低減効果が得られる。又、発熱体を同じ温度に保つためには、本発明に係るヒートシンクではそのサイズが４６×４６×５ｍｍで同程度の放熱性能を示すため、１５％の小型化が可能となる。

更に、ヒートシンクをアルミニウムで構成した場合、従来のヒートシンクの重量１７．６ｇに対して本発明に係るヒートシンクでは１５．２ｇで同じ放熱性能を示すため、１４％の軽量化が可能となる。

尚、以上の実施の形態では、ヒートシンク４の各放熱フィン４ａの一方の放熱面の全体が高放射率面４ａ１を形成し、他方の放熱面の全体が低放射率面４ａ２を形成するよう構成したが、必ずしも放熱面の全体に高放射率面４ａ１又は低反射率面４ａ２を形成する必要はなく、図３に示すように放熱面の一部に高放射率面４ａ１又は低反射率面４ａ２を形成しても良い。

図３は本発明に係るヒートシンク４の平面図と放熱フィン４ａの高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２の種々の態様を示す図であり、図３（ａ）に示すように放熱フィン４ａの各放熱面の上下に高放射率面４ａ１と低放射率面を４ａ２形成したり、図３（ｂ）に示すように放熱フィン４ａの各放熱面の左右に高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２を形成したり、図３（ｃ）に示すように放熱フィン４ａの各放熱面の対角線によって仕切られた部分に高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２を形成し、隣接する放熱フィン４ａの相対向する放熱面において高放射率面４ａ１と低放射率面４ａ２とが対向するよう構成しても前記と同様の効果が得られる。

又、以上の実施の形態では、ヒートシンク４の放熱フィン４ａとして矩形プレート状のものを使用したが、放熱フィン４ａの形状としてはピン状、コルゲート等の定型形状や金型で作製する異形のものを採用することができる。

１ ＬＥＤ(発光素子)
２ 基板
３ 高熱伝導部材
４ ヒートシンク
４ａ ヒートシンクの放熱フィン
４ａ１ 放熱フィンの高放射率面
４ａ２ 放熱フィンの低放射率面

Claims (3)

1. ベースプレートの背面に複数の放熱フィンを平行に立設して成るヒートシンクにおいて、
   前記放熱フィンの一方の放熱面の少なくとも一部に高放射率面を形成し、他方の放熱面の少なくとも一部に前記高放射率面よりも放射率が低い低放射率面を形成し、隣接する放熱フィンの相対向する放熱面において高放射率面と低放射率面とが対向するよう構成したことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記放熱フィンの高放射率面をアルマイト処理又は放射塗料の塗布によって形成し、低放射率面を鏡面仕上げ又は金属蒸着によって形成したことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 発光素子を実装して成る基板を高熱伝導部材を介して請求項１又は２記載のヒートシンクの正面に密着させて構成されることを特徴とする高効率放熱構造。
   

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