JP2014126249A

JP2014126249A - ヒートシンク

Info

Publication number: JP2014126249A
Application number: JP2012282372A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Sasaki; 泰海佐々木; Kenya Kawabata; 賢也川畑
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】発熱体の冷却効率の向上を図ったヒートシンクを提供すること。
【解決手段】ＬＥＤ素子１１が熱的に接続されるベース板２１と、ベース板２１に横並びに配置される複数のヒートパイプ２２とを備えたヒートシンクであって、ベース板２１は、複数のヒートパイプ２２のうち、ＬＥＤ素子１１との距離が近い中央側ヒートパイプ２２Ａを側方側ヒートパイプ２２ＢよりもＬＥＤ素子１１からベース板２１の厚み方向に離間させる肉厚部３１を備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、ベース板に横並びに配置される複数のヒートパイプを備えるヒートシンクに関する。

一般に、発熱体が熱的に接続されるベース板と、ベース板に横並びに配置される複数のヒートパイプとを備えたヒートシンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のヒートシンクでは、ベース板で受けた熱は、各ヒートパイプを通じて放熱フィンに移送されることにより、発熱体を効率良く冷却することができる。

特許４３９１３６６号公報

ところで、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（発熱体）のように、発熱体の小型化に伴い、発熱体の大きさに対する発熱量（熱密度）が増加する傾向にある。
この種の熱密度が高い状況では、熱はベース板内を、発熱体を中心とした略同心円状に伝播する。このため、複数のヒートパイプのうち、発熱体に近いヒートパイプに多くの熱が入り、その後、ヒートパイプ同士の接触伝熱効果によって他のヒートパイプにも熱が伝わる。この場合、発熱体に近いヒートパイプの入熱部の熱流束が大きくなるため、ヒートパイプの蒸発熱伝達係数が小さくなり、その結果として発熱体の冷却効率が低下する問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発熱体の冷却効率の向上を図ったヒートシンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、発熱体が熱的に接続されるベース板と、前記ベース板に横並びに配置される複数のヒートパイプとを備えたヒートシンクであって、前記ベース板は、複数の前記ヒートパイプのうち、前記発熱体との距離が近い少なくとも一のヒートパイプを、他のヒートパイプよりも前記発熱体から当該ベース板の厚み方向に離間させる突部を備えたことを特徴とする。

この構成において、前記突部は、前記ベース板の前記発熱体と反対面における当該発熱体に対応する位置を含む領域に設けられても良い。また、前記突部は、前記発熱体よりも前記ベース板の幅方向に大きく形成されていても良い。

また、前記突部は、前記ベース板よりも一段高く形成され、該突部の高い面に接触して前記一のヒートパイプが配置されても良い。

また、前記突部は、略円弧状に形成され、該突部の表面に前記ヒートパイプが収容される溝部が形成されても良い。

また、前記突部は、略半球状に形成され、前記ヒートパイプは、前記突部の形状に追従して湾曲しても良い。

本発明によれば、ベース板は、複数のヒートパイプのうち、発熱体との距離が近い少なくとも一のヒートパイプを、他のヒートパイプよりも発熱体からベース板の厚み方向に離間させる突部を備えたため、一のヒートパイプ及び他のヒートパイプの熱源からの距離が均等化されることにより、一のヒートパイプへの熱負荷が減り、ひいては、発熱体を効率良く冷却することができる。

第１実施形態にかかるヒートシンクの外観斜視図である。ヒートシンクの分解斜視図である。図２の側面図である。発熱体からヒートパイプへの伝熱過程を説明する図である。第２実施形態にかかるヒートシンクの側面図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかるヒートシンク１０の外観斜視図であり、図２は、ヒートシンク１０の分解斜視図である。
ヒートシンク１０は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明装置に用いられ、不図示の回路基板に搭載されるＬＥＤ素子（発熱体）１１と熱的に接続されて、当該ＬＥＤ素子１１の冷却を行うものである。

ヒートシンク１０は、図１に示すように、平板状のベース板２１を備える。このベース板２１は、例えば、銅やアルミニウム、これらの合金等の金属を用いてダイカスト成形されており、このベース板２１の一方の面２１ＡにはＬＥＤ素子１１が熱的に接続されている。ＬＥＤ素子１１は、ベース板２１に比べて小さく（一辺が３〜５ｍｍ四方）形成され、発熱量が大きい（例えば１００Ｗ）素子である。
また、ベース板２１の他方の面（反対の面）２１Ｂには、このベース板２１の幅方向（図中Ｘ方向）に複数（本実施形態では４本）のヒートパイプ２２の一端部２２０が横並びに配置されている。これらヒートパイプ２２の他端部２２１には、放熱フィン（放熱部）２３が接続されている。

ヒートパイプ２２は、ベース板２１で受けた熱を放熱フィン２３に拡散させるための部材である。ヒートパイプ２２は、例えば、銅などの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナの内部に、水等の作動液が減圧状態で封入されて形成されている。コンテナは、高さ（厚さ）を抑えて、ベース板２１及び放熱フィン２３との接触面積を多く確保するために扁平に形成されている。
本実施形態では、図２に示すように、横並びに配置された４本のヒートパイプ２２のうち、ベース板２１の幅方向において、ＬＥＤ素子１１の近くに配置される中央の２本のヒートパイプを中央側ヒートパイプ（一のヒートパイプ）２２Ａとし、この中央側ヒートパイプ２２Ａの側方に配置される２本のヒートパイプを側方側ヒートパイプ（他のヒートパイプ）２２Ｂと表記して区分けする。区分けの必要のない場合には、単にヒートパイプ２２と表記する。

放熱フィン２３は、ヒートパイプ２２を通じて伝達された熱を空気中に放出するものであり、例えば銅やアルミニウム、これらの合金等で形成された複数のフィン板４１を備える。
これらフィン板４１には、それぞれ並列に形成された複数（本実施形態では４つ）の孔部４２を備え、これら各孔部４２にヒートパイプ２２の他端部２２１が貫通されている。これにより、各フィン板４１は、相互に隙間を設けつつヒートパイプ２２の延出方向に並列に配置される。各フィン板４１は、例えば、半田付けによって一体に固定され、隣接するフィン板４１間の隙間を通じて空気が流通可能となっている。このため、放熱フィン２３では、ヒートパイプ２２に伝達された熱を放熱フィン２３全体に拡散させることができ、この熱をフィン板４１間の隙間を流れる空気と熱交換する。
本実施形態では、放熱部として空気と熱交換する放熱フィン２３を例示したが、これに限るものではなく、例えば、水冷式の放熱部を採用しても良い。

ところで、ベース板２１にＬＥＤ素子１１のような熱密度の高い素子を配置した構成では、熱はベース板２１内を、ＬＥＤ素子１１を中心とした略同心円状に伝播する。このため、横並びに配置された複数のヒートパイプ２２のうち、ＬＥＤ素子１１に近い中央側ヒートパイプ２２Ａに多くの熱が入り、その後、ヒートパイプ同士の接触伝熱効果によって側方側ヒートパイプ２２Ｂにも熱が伝わる。この場合、ＬＥＤ素子１１に近い中央側ヒートパイプ２２ＡにおけるＬＥＤ素子１１と対応する部分（入熱部）の熱流束が大きくなるため、これら中央側ヒートパイプ２２Ａの蒸発熱伝達係数が小さくなり、その結果として、ＬＥＤ素子１１の冷却効率が低下する問題があった。

このため、本構成では、ベース板２１は、図３に示すように、上記した中央側ヒートパイプ２２Ａを側方側ヒートパイプ２２ＢよりもＬＥＤ素子１１から当該ベース板２１の厚み方向（図中Ｙ方向）に離間させる肉厚部（突部）３１が一体に形成されている。この肉厚部３１は、ベース板２１の他方の面２１ＢにおけるＬＥＤ素子１１に対応する位置を含む領域に設けられている。
具体的には、ベース板２１の他方の面２１Ｂと対向した場合に、肉厚部３１は、ＬＥＤ素子１１よりもベース板２１の幅方向よりも大きく、かつ、ＬＥＤ素子１１と重なる領域に設けられる。この肉厚部３１は、中央側ヒートパイプ２２ＡをＬＥＤ素子１１からベース板２１の厚み方向に離間させる機能とともに、ベース板２１に比べて小さなＬＥＤ素子１１から発せられた熱を拡散させる機能を有する。このため、肉厚部３１にて熱が拡散されることにより、中央側ヒートパイプ２２Ａの一部に局所的に熱がかかることが防止され、いわゆるドライアウトを防止できる。

本実施形態では、肉厚部３１は、ベース板２１の他方の面２１Ｂと略平行な平行面３１Ａと、ベース板２１の他方の面２１Ｂに略垂直な垂直面３１Ｂとを備えて略矩形状に形成されており、中央側ヒートパイプ２２Ａ及び側方側ヒートパイプ２２Ｂは、この肉厚部３１の平行面３１Ａ及び垂直面３１Ｂに接触して配置される。
中央側ヒートパイプ２２Ａは、少なくとも、肉厚部３１の平行面３１Ａに対向する対向面２２Ａ１が扁平に形成され、この対向面２２Ａ１と上記平行面３１Ａとの伝熱面積を確保している。同様に、側方側ヒートパイプ２２Ｂは、少なくとも、肉厚部３１の垂直面３１Ｂに対向する第１対向面２２Ｂ１、及び、ベース板２１の他方の面２１Ｂに対向する第２対向面２２Ｂ２がそれぞれ扁平に形成されて、第１対向面２２Ｂ１と垂直面３１Ｂ、及び、第２対向面２２Ｂ２と他方の面２１Ｂとの伝熱面積を確保している。
なお、本実施形態では、ヒートパイプ２２は、一端部２２０側が略矩形状に形成されているが、側方側ヒートパイプ２２Ｂのように、第１対向面２２Ｂ１、及び、第２対向面２２Ｂ２が扁平に形成されているのであれば、他の面の形状は変更が可能であり、いわゆるＤシェイプと呼ばれる形状のヒートパイプを用いても良い。

次に、本構成の動作について説明する。
上述のように、ベース板２１にＬＥＤ素子１１のような熱密度の高い素子を配置した構成では、熱はベース板２１内をＬＥＤ素子１１を中心とした略同心円状に伝播する。本実施形態では、図４に示すように、ベース板２１は、ＬＥＤ素子１１に対応する位置に、このＬＥＤ素子１１との距離が近い中央側ヒートパイプ２２Ａを側方側ヒートパイプ２２ＢよりもＬＥＤ素子１１からベース板２１の厚み方向に離間させる肉厚部３１を備えたため、中央側ヒートパイプ２２Ａ及び側方側ヒートパイプ２２ＢのＬＥＤ素子１１からの距離が略均等化されることにより、中央側ヒートパイプ２２Ａへの熱負荷が減少する。
さらに、ＬＥＤ素子１１から発せられた熱は、肉厚部３１で拡散されることにより、各ヒートパイプ２２に伝熱されるため、ヒートシンク１０全体での熱抵抗を低減でき、ＬＥＤ素子１１を効率良く冷却することができる。

また、本実施形態によれば、肉厚部３１は、ＬＥＤ素子１１よりもベース板２１の幅方向に大きく形成されているため、肉厚部３１にて熱が拡散されることにより、中央側ヒートパイプ２２Ａの一部に局所的に熱がかかることが防止され、いわゆるドライアウトを防止できる。

また、本実施形態によれば、肉厚部３１は、略矩形状に形成され、該肉厚部３１の平行面３１Ａに接触して中央側ヒートパイプ２２Ａが配置されるとともに、該肉厚部３１の垂直面３１Ｂに接触して側方側ヒートパイプ２２Ｂが配置されるため、中央側ヒートパイプ２２Ａ及び側方側ヒートパイプ２２Ｂと肉厚部３１との伝熱面積を確保しつつ、中央側ヒートパイプ２２Ａ及び側方側ヒートパイプ２２Ｂを肉厚部３１を中心としてコンパクトに配置することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、ヒートシンクの別の実施形態について説明する。この第２実施形態のヒートシンク１００は、上記した第１実施形態のものとベース板の肉厚部の形状が異なる。このため、この第２実施形態では、構成の異なる点のみを説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、第２実施形態にかかるヒートシンク１００の側面図である。
本実施形態のベース板１２１は、ヒートパイプ２２を略円弧状に配置すべく、略円弧状に形成された肉厚部１３１を備え、この肉厚部１３１の表面にヒートパイプ２２が収容される溝部１３２が形成されている。
ヒートパイプ２２（中央側ヒートパイプ２２Ａ及び側方側ヒートパイプ２２Ｂ）は、それぞれ円筒形状に形成され、溝部１３２は、ヒートパイプ２２の外形に合わせた円弧状となっている。
この実施形態によれば、上記のように、ＬＥＤ素子１１と中央側ヒートパイプ２２Ａ及び側方側ヒートパイプ２２Ｂとの距離をより均等にすることができ、冷却効率の向上を実現できる。

以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、ベース板２１、１２１に４本のヒートパイプ２２を配置する構成としたが、少なくとも中央側ヒートパイプ２２Ａとして少なくとも１本配置すれば、ヒートパイプ２２全体の本数は、３本や５本に適宜変更しても良い。さらに、ヒートパイプ２２は、扁平形状としたが丸型としても良いことは勿論である。
また、上記実施形態では、肉厚部３１を略矩形に形成し、１つの段差を設ける構成としたが、ヒートパイプ２２の本数に合わせて、段数を適宜変更しても良い。
また、図示は省略したが、肉厚部をドーム状（略半球状）に形成し、このドーム状の表面形状に追従してヒートパイプ２２を湾曲させても良い。
また、上記実施形態では、回路基板に配置されるＬＥＤ素子１１を発熱体とする構成としたが、これに限られるものではないことは勿論である。

１０、１００ヒートシンク
１１ＬＥＤ素子（発熱体）
２１、１２１ベース板
２１Ａ一方の面
２１Ｂ他方の面（反対の面）
２２ヒートパイプ
２２Ａ中央側ヒートパイプ（一のヒートパイプ）
２２Ａ１対向面
２２Ｂ側方側ヒートパイプ（他のヒートパイプ）
２２Ｂ１第１対向面
２２Ｂ２第２対向面
２３放熱フィン
３１、１３１肉厚部（突部）
３１Ａ平行面
３１Ｂ垂直面
４１フィン板
４２孔部
１３２溝部
２２０一端部
２２１他端部

Claims

発熱体が熱的に接続されるベース板と、前記ベース板に横並びに配置される複数のヒートパイプとを備えたヒートシンクであって、
前記ベース板は、複数の前記ヒートパイプのうち、前記発熱体との距離が近い少なくとも一のヒートパイプを、他のヒートパイプよりも前記発熱体から当該ベース板の厚み方向に離間させる突部を備えたことを特徴とするヒートシンク。
前記突部は、前記ベース板の前記発熱体と反対面における当該発熱体に対応する位置を含む領域に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
前記突部は、前記発熱体よりも前記ベース板の幅方向に大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
前記突部は、略矩形状に形成され、該突部の前記ベース板と略平行な面に接触して前記一のヒートパイプが配置されるとともに、該突部の前記ベース板に略垂直な面に接触して前記他のヒートパイプが配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク。
前記突部は、略円弧状に形成され、該突部の表面に前記ヒートパイプが収容される溝部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク。
前記突部は、略半球状に形成され、前記ヒートパイプは、前記突部の形状に追従して湾曲していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク。