JP2016039157A - 放熱構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】配線基板に実装できる電子回路部品の数に大きな制約が生じることなく、かつ電子部品の従来レベルの冷却効果を有する放熱構造体を提供する。【解決手段】一方の主面5aがメインヒートシンク1に接触して配線基板3の放熱を行う板状のサブヒートシンク5と、サブヒートシンク5を配線基板3に対してほぼ直交して取り付ける取付具7とを備え、サブヒートシンク5は、他方の主面5bに、他方の主面5bに直交する方向に偏位した支持部51を有し、支持部51に、配線基板3上の配線パターンにリード線333が取り付けられた電子部品33の本体331が接触して支持される、放熱構造体HS。【選択図】図1
Description
本発明は、ヒートシンクと、配線基板に該ヒートシンクを取り付ける取付具とを含み、配線基板の放熱を行う放熱構造体に関する。
従来から、配線基板上に存在する能動素子のような電子部品で生じた熱を含む、配線基板で生じた熱を放熱するために、取付具を介して配線基板に取り付けられたヒートシンクが使用されている。ヒートシンクには、例えば電子部品の本体が接触して取り付けられる。特許文献1には、電子部品を覆い、かつヒートシンクの機能を有するシールド板から配線基板側に突出させた接触部を、配線基板に実装された電子部品の本体に接触させた放熱構造が開示されている。この放熱構造では、ヒートシンクに相当する上記シールド板と配線基板とが平行に配置される。
また、従来より、複数の配線基板が並置される場合には、図6に示すように、各配線基板3に板状のサブヒートシンクsbが取り付けられる一方で、各サブヒートシンクsbを、共通の板状のメインヒートシンク1に取り付けることで放熱面積を大きくしている。この場合、電子部品がリード線をほぼ直角に折り曲げられて配線基板3に取り付けられると共に、各サブヒートシンクsbの一方の面sb1に電子部品の本体が接触して取り付けられ、該一方の面の反対側にある他方の面sb2に、メインヒートシンク1が取り付けられ、電子部品とメインヒートシンク1とは、サブヒートシンクsbを挟んで表裏に存在している。
図6に示す従来の放熱構造では、配線基板3に取り付けられたサブヒートシンクsbと配線基板3とが平行であるため、配線基板3とメインヒートシンク1とが平行になるので、メインヒートシンク1に取り付けられる配線基板3の数には制約があることから、複数の配線基板3が並置される場合には、各配線基板3の大きさには制約があった。よって、配線基板3に実装できる上記電子部品および受動素子等を含む電子回路部品の数にも制約が生じていた。
そこで、例えば図7に示すような、L字状のサブヒートシンクsbhを使用することが考えられる。このサブヒートシンクsbhの水平な連結部sbh1をメインヒートシンク1に連結し、垂直な基板取付部sbh2にスペーサspを介して配線基板3を取り付ける。この配線基板3に平行なサブヒートシンクsbhの基板取付部sbh2に、リード線EC2がほぼ直角に折り曲げられた電子部品ECの本体EC1が接触して取り付けられる。この構造の場合、メインヒートシンク1に取り付けられるサブヒートシンクsbhの数すなわち配線基板3の数は、従来同様に制約があるものの、配線基板3はメインヒートシンク1に対してほぼ直立するので、配線基板3をメインヒートシンク1に直交する方向に延長可能となることから、配線基板3の大きさに制約が生じる問題はなくなる。よって上記のような、配線基板3に実装できる電子回路部品の数に制約があるという問題は解消される。
しかし、この図7に示すほぼ直角に折り曲げられたサブヒートシンクsbhを使用した放熱構造では、電子部品ECの本体EC1からメインヒートシンク1までの距離が、電子部品とメインヒートシンク1とがサブヒートシンクsbを挟んで表裏の位置関係にあった図6に示す従来例よりも長くなるため、電子部品における冷却効果は従来よりも低下する。
そこで、本発明は、配線基板に実装できる電子回路部品の数に大きな制約が生じることなく、かつ電子部品の従来レベルの冷却効果を有する放熱構造体を提供することを目的とする。
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明に係る放熱構造体は、一方の主面がメインヒートシンクに接触して配線基板の放熱を行う板状のサブヒートシンクと、前記サブヒートシンクを前記配線基板に対してほぼ直交して取り付ける取付具とを備える放熱構造体であって、前記サブヒートシンクは、他方の主面に、該他方の主面に直交する方向に偏位した支持部を有し、前記支持部に、前記配線基板上の配線パターンにリード線が取付けられた電子部品の本体が接触して支持される。ここでいう、サブヒートシンクと配線基板とが「ほぼ直交する」とは、サブヒートシンクと配線基板とのなす角が80°〜100°程度の範囲にある事を言う。
本発明の放熱構造体は、メインヒートシンクに取り付けられるサブヒートシンクの数すなわち配線基板の数には制約があるものの、サブヒートシンクと配線基板とのなす角がほぼ直角となるため、配線基板はメインヒートシンクに対してほぼ直立するので、配線基板をメインヒートシンクに直交する方向に延長可能となることから、配線基板の大きさに制約が生じる問題はなくなり、配線基板に実装できる電子回路部品の数に制約が生じるという問題は解消される。加えて、この放熱構造体は、サブヒートシンクの一方の主面に接触するメインヒートシンクと、サブヒートシンクの他方の主面に存在する支持部にその本体が接触する電子部品との間の距離は図6の従来レベル近くにまで短くすることができ、従来に近いレベルで電子部品における発熱をメインヒートシンクへ伝達可能となる。よって、本発明の放熱構造体は、配線基板に実装できる電子回路部品の数に大きな制約が生じることなく、かつ電子部品における冷却効果の低下が改善され、電子部品の従来レベル(図6)の冷却効果を有することができる。
また、一般的に配線基板の端縁付近には電子回路部品が実装されないことから、配線基板の端縁に取り付けられたサブヒートシンクと電子部品の本体との間に大きな距離が生じて、電子部品がサブヒートシンクから浮いた状態となる。その場合でも、本発明の放熱構造体は、サブヒートシンクの他方の主面に直交する方向に偏位した支持部を有し、当該支持部に、配線基板上の配線パターンにリード線が取付けられた電子部品の本体が接触して支持されるため、他方の主面に直交する方向への支持部の偏位がサブヒートシンクと電子部品の本体との間の距離を相殺し、リード線を曲げることなくサブヒートシンクに電子部品の本体を取り付け可能とする。これにより、上述の電子部品における冷却効果の低下が改善され、かつ電子部品において従来レベルの冷却効果を有することに加えて、支持部に本体が接触する電子部品のリード線を折り曲げる加工が不要となり、工数を削減できる。
前記支持部は、前記電子部品の前記本体に接触する支持面を有し、該支持面が前記他方の主面と平行であることが好ましい。この構成により、サブヒートシンクの他方の主面および支持面が配線基板に対してほぼ直交するので、電子部品のリード線を折り曲げることなく、電子部品の本体と支持面との密着性を容易に確保することができる
前記サブヒートシンクは、平板状の前記支持部と、平板状の本体部とを有し、前記支持部は、矩形状であり、該矩形の三辺に切り目が設けられ、残りの一辺に設けられた曲げ部を介して前記本体部に連結されていることが好ましい。この構造により、支持部を、打ち抜き加工などにより、簡便に形成することができる。
本発明の放熱構造体において、前記サブヒートシンクは、前記切り目を跨いで、前記電子部品から前記サブヒートシンクの前記本体部へ前記電子部品で発生した熱を伝導させる熱伝導体を備えていることが好ましい。前記支持部は、矩形の三辺の切り目によって本体部から切り離され、残りの一辺に設けられた曲げ部を介してのみ電子部品の発熱がサブヒートシンクの本体部へ熱伝導されるところ、当該熱伝導体により、切り目を跨いで電子部品の発熱を本体部へ熱伝導する新たな熱伝導経路が設定されるので、上記の放熱構造体は、電子部品の従来レベルの冷却効果が得られる。
本発明の放熱構造体において、前記サブヒートシンクに、前記電子部品の前記本体を取り付ける放熱性の留め具が装着されていることが好ましい。この構成により、サブヒートシンクからメインヒートシンクに向けて電子部品で発生した熱が伝搬して放熱され、加えて留め具自体でも放熱されるので、電子部品の冷却効率が向上する。また、当該留め具により電子部品の本体がサブヒートシンクに対して取り付けられることで、電子部品の本体からサブヒートシンクへ効率的に熱伝達されるので、電子部品の冷却効果を向上させることができる。
本発明により、配線基板に実装できる電子回路部品の数に大きな制約が生じることなく、かつ電子部品の従来レベルの冷却効果を有することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号は、同一または相当部分を示し、特段変更等の説明がない限り、適宜その説明を省略する。
図1〜図5に、本発明の一実施形態に係る放熱構造体HSを備えた配線基板3からなる電気機器の一例である電源装置100を示す。図1の放熱構造体HSは、板状のサブヒートシンク5と取付具7とを有し、配線基板3に対してほぼ直交して、すなわちサブヒートシンク5と配線基板3とのなす角が80°〜100°程度の範囲で、取り付けられている。図1の例では、サブヒートシンク5と配線基板3とのなす角は90°である。サブヒートシンク5は、その下方の板状のメインヒートシンク1に取り付けられ、メインヒートシンク1に、サブヒートシンク5からの熱が伝導される。メインヒートシンク1は、例えばアルミニウム製であり、平面寸法がサブヒートシンク5よりも大きく、メインヒートシンク1には、その長手方向Xに沿って、他の1つまたは複数の電源装置100が並べて配置される。この構造により、配線基板3および配線基板3上に配置された電子部品31の熱がサブヒートシンク5およびメインヒートシンク1を介して周囲の雰囲気中に放熱される。ここで、電源装置100に取り付けられる放熱構造体HSおよびサブヒートシンク5は、本実施形態では1つであるが複数であっても良く、またメインヒートシンクに取り付けられる電源装置100は、1つであってもよい。
配線基板3は、種々の電子回路部品31を主にサブヒートシンク5が存在する側の表面に有しており、配線基板3内の複数の層に存在する配線にそれら電子回路部品31がはんだ付けのような接合手段で接合され、該配線によってそれら電子回路部品31を電気的に接続している。図5に示すように、配線基板3と取付具7には、挿通孔HL3、HL7が各々設けられ、図2に示すねじ体71をこれら挿通孔HL3、HL7に挿通し、ワッシャWAを介してナットNAに螺合させることにより、サブヒートシンク5が取付具7を介して配線基板3に取り付けられる。
また、配線基板3は、図1に示すFET(Field effect transistor)およびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー素子である電子部品33をサブヒートシンク5側の表面に有している。なお、電子部品33は、上記パワー素子以外の他の電子回路部品であってもよい。本実施形態では、電子部品33は、配線基板3の長手方向X1に沿って並んで配列されている。本実施形態では、この長手方向X1は、メインヒートシンク1の長手方向Xに対して直交している。
電子部品33は、ほぼ直方体形状の本体331を有している。また、電子部品33は3本のリード線333を有し、それら各リード線333が、図2に示すように、配線基板3を貫通して配線基板3上の配線パターンにはんだ付けされて、電子部品33が配線基板3に取り付けられている。電子部品33の各リード線333は、途中で折り曲げられることなくほぼ直線状であり、図4に示すように、電子部品33の本体331はその主面が配線基板3に対してほぼ直交し、サブヒートシンク5に対して平行となっている。
サブヒートシンク5は、配線基板3上に存在する電子部品33で生じた熱を含む配線基板3で生じた熱を放熱するために使用される部材である。サブヒートシンク5は、例えばアルミニウム製の板状であり、下面となる一方の主面5aがメインヒートシンク1に対向し、上面となる他方の主面5bが配線基板3側を向いている。サブヒートシンク5は、ねじ体59がサブヒートシンク5の挿通孔に挿通されてメインヒートシンク1に設けられたねじ孔にねじ込まれることによって、メインヒートシンク1に連結されている。これにより、サブヒートシンク5とメインヒートシンク1との結合が強固となり、確実にサブヒートシンク5からメインヒートシンク1へ放熱できる。なお、一方の主面5aとメインヒートシンク1とは、例えばセラミックグリースやシリコングリース等である粘性を有し高熱伝導性の放熱グリースを介して、粘着されていてもよい。放熱グリースにより、サブヒートシンク5とメインヒートシンク1との間の微小隙間が埋められ、サブヒートシンク5からメインヒートシンク1へ効率よく放熱できる。
サブヒートシンク5は、取付具7により、配線基板3に対して主面5a、5bがほぼ直交するように、配線基板3に取り付けられる。通常、配線の引き回しが複雑にならないように配線基板3上の配線パターンは配線基板3の端縁Edから離れた中央寄りに配置される。他方、図5に示す取付具7の上記ねじ止め用の挿通孔HL3が配線基板3の4辺の端縁Edの近傍寄りに設けられることから、サブヒートシンク5は、具体的には、配線基板3の端縁Edの近傍に取り付けられる。サブヒートシンク5の主面5aは、図3に示すように、配線基板3の下縁よりも若干下方に位置している。
サブヒートシンク5は、他方の主面5bに、他方の主面5bに直交する方向に偏位した支持部51を有している。本実施形態では、矩形の平板状の本体部54から突出する形で、平板状の一つの支持部51が形成されている。より具体的には、支持部51は、配線基板3側で他方の主面5bに直交する方向に突出しており、支持部51には、電子部品33の本体331が接触して支持される。支持部51は、矩形状であり、該矩形の三辺に切り目513が設けられ、残りの一辺に設けられた曲げ部515を介して前記サブヒートシンクに連結されている。三辺に存在する切り目513は、連続しており、平面視でいわゆるU字状である。三辺の連続する切り目513と残りの一辺に設けられた曲げ部515とは、打ち抜き加工などにより支持部51が打ち抜かれることで、簡便に形成することができる。打ち抜き加工により、支持部51は、上述のように配線基板3側で他方の主面5bに直交する方向に突出する。
支持部51は、支持面511を有しており、電子部品33の本体331が接触して支持される。支持面511は、各切り目513と曲げ部515に囲まれる部分であり、平坦な表面を有して他方の主面5bと平行である。このことにより、サブヒートシンク5の他方の主面5bおよび支持面511が配線基板3に対してほぼ直交し、支持部51が上述のように偏位しているので、電子部品33のリード線333を折り曲げることなく、電子部品33の本体331と支持面511とを接触させて放熱性を向上させることができる。
本実施形態において、支持部51が上述のように偏位しているのは、次の理由による。既に述べた様に、配線基板3上の配線パターンが配線基板3の中央寄りに配置されるため、配線基板3に取り付けられた電子部品33は、配線基板3の端縁Ed近傍には存在せずに配線基板3の中央寄りに配置される。一方、サブヒートシンク5は、既に述べた様に、配線基板3の端縁Edの近傍に取り付けられる。よって、配線基板3の端縁Edに取り付けられたサブヒートシンクの他方の主面5bと電子部品33の本体331との間に図4に示す距離Disが生じて、電子部品33の本体331がサブヒートシンクから距離Disの分だけ浮いた状態となる。しかし、支持部51が、配線基板3側で他方の主面5bに直交する方向に偏位していることで、浮いた状態の電子部品33の本体331を支持面511で接触して支持することが可能となる。すなわち、「他方の主面5bに直交する方向への支持部51の他方の主面5bに対する偏位距離h≒距離Dis」となればよい。さらに詳細には、配線基板3の端縁Edからリード線はんだ付け位置までの距離Hと、上記支持部51の偏位距離hとの関係が、電子部品33の本体331の厚さdに対して、「H≒h+d/2」となることで、電子部品33の各リード線333は途中で折り曲げられる必要なくほぼ直線状の状態を保ちつつ、電子部品33の本体331を支持面511で接触して支持することが可能となる。
本実施形態では、サブヒートシンク5は、さらに、図5に示す切り目513を跨いで、電子部品33からサブヒートシンク5の本体部54へ電子部品33で発生した熱を伝導させる熱伝導体53を備えている。熱伝導体53は、例えばグラファイトシートやヒートパイプ等である。本実施形態では、支持部51の矩形形状における曲げ部515が存在する辺に対向する辺に存在する切り目513を跨ぐように、熱伝導体53が設けられている。熱伝導体53が存在しない場合、支持部51は、前記矩形の三辺に切り目513が存在して切り離されているため、残りの一辺に設けられた曲げ部515を介してのみ電子部品33の発熱がサブヒートシンク5へ熱伝導される。しかし、切り目513を跨いで電子部品33とサブヒートシンク5との間に熱伝導体53が設けられることで、曲げ部515を介してしか熱伝導できなかったところに、電子部品33の発熱をサブヒートシンク5へ熱伝導する新たな熱伝導経路を追加することができる。これにより、従来レベル(図6)の電子部品の冷却効果が得られる。
さらに、サブヒートシンク5は、サブヒートシンク5の温度を検出する温度センサ52と、電子部品33の本体331を支持面511に取り付ける留め具55とが装着されている。留め具55は、例えばステンレス製であり、高い放熱性および熱伝導性を有している。留め具55は、ステンレス以外に、鉄、アルミ、銅などの熱伝導率が高い材料が用いられてもよい。また各留め具55は、図1に示すように、例えば長手方向の断面がクランク形状をしており、支持面511に設けられたねじ孔を介してサブヒートシンク5にねじ体551によってねじ止めされる。留め具55により、電子部品33の本体331がサブヒートシンク5に対して押圧されて固定される。これにより、電子部品33から発生した熱がサブヒートシンク5からメインヒートシンク1へとより効果的に伝搬して放熱されるのに加えて、留め具55自体でも放熱されるため、電子部品33の放熱効率が向上する。
電子部品33の本体331には、これを包み込む形で、例えばシリコン製の絶縁シート57が巻きつけられている。絶縁シート57により、電子部品33の本体331と金属製留め具55との間、および電子部品33の本体331とサブヒートシンク5との間が電気絶縁される。その一方で、第1絶縁シート57は熱伝導性を有しているので、電子部品33で発生した熱が留め具55およびサブヒートシンク5へと熱伝搬されることが妨げられない。絶縁シート57は、隣接する複数の電子部品33を包み込んでいるが、一つの電子部品33を包み込んでいてもよく、また、絶縁シート57は、省略されてもよい。なお、本実施形態では、従来の様にサブヒートシンク5と配線基板3とが平行に近接していないので、従来では必要であったサブヒートシンク5と配線基板3との間の絶縁シートは不要である。
取付具7は、既に述べた様に、本実施形態ではサブヒートシンク5と一体成形されているが、サブヒートシンク5とは別部材とされて、サブヒートシンク5に接着またはねじ留めなどされるL字状の金具であっても良い。取付具7は、上述のように配線基板3に対してサブヒートシンク5の主面5a、5bがほぼ直交となるように、サブヒートシンク5を配線基板3に取り付ける。取付具7を介して、サブヒートシンク5からメインヒートシンク1に向けて配線基板3で発生した熱の一部が伝搬する。
以上の構成の放熱構造体HSは、サブヒートシンク5と配線基板3とのなす角がほぼ直角となるため、メインヒートシンク1に取り付けられるサブヒートシンク5の数すなわち配線基板3の数には制約があるものの、配線基板3はメインヒートシンク1に対してほぼ直立するので配線基板3をメインヒートシンク1に直交する方向に延長可能となる。このことから、配線基板3の大きさに制約が生じる問題はなくなり、配線基板3に実装できる電子回路部品31の数に制約が生じるという問題は解消される。加えて、この放熱構造体HSは、他方の主面5bの支持部51にその本体331が接触する電子部品33と、サブヒートシンク5の逆側の一方の面5aに接触するメインヒートシンク1との間の距離は図6の従来レベル近くにまで短くすることができ、従来に近いレベルで図1の電子部品33における発熱をメインヒートシンク1へ伝達可能となる。よって、本発明の放熱構造体は、配線基板3に実装できる電子回路部品33の数に大きな制約が生じることなく、かつ電子部品33における冷却効果の低下が改善可能となり、電子部品の従来レベルの冷却効果を有することができる。
また、上述のように一般的に配線基板3の端縁Ed付近には電子回路部品31が実装されないことから、電子部品33の本体331と配線基板3の端縁Edに取り付けられたサブヒートシンク5との間に距離Disが生じて、電子部品33がサブヒートシンク5から浮いた状態となる。その場合でも、本実施形態の放熱構造体HSは、サブヒートシンク5の他方の主面5bに直交する方向に偏位した支持部51に、電子部品33の本体331が接触して支持されるため、他方の主面5bに直交する方向への支持部51の偏位距離hがサブヒートシンク5と電子部品33の本体331との間の距離Disを相殺し、リード線を曲げることなくサブヒートシンク5に電子部品33の本体331を取り付け可能とする。これにより、電子部品33における冷却効果の低下が改善され、かつ電子部品において従来レベルの冷却効果を有することに加えて、配線基板3の配線パターンにはんだ付けされた、支持部51に本体331が接触する電子部品33のリード線333を、折り曲げる加工が不要となり、工数を削減できる。
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。例えば、通常、複数の電子部品33を1つの支持部51に接触させることで、1つのサブヒートシンク5に対して支持部51は1つで足りるが、例えば支持部51を複数設けて、各支持部51に1つまたは複数の電子部品33を支持させてもよい。これにより、異なる偏位距離hの支持部51を複数設けることができ、各偏位距離hの支持部51を異なる距離Disの電子部品33に各々対応させることで、各支持部51は、各電子部品33の本体331を対応する支持面511に接触させて支持することができる。
1 メインヒートシンク
3 配線基板
33 電子部品
331 本体
333 リード線
5 サブヒートシンク
51 支持部
511 支持面
513 切り目
515 曲げ部
53 熱伝導体
54 本体部
55 放熱性留め具
5a 一方の主面
5b 他方の主面
7 取付具
HS 放熱構造体
3 配線基板
33 電子部品
331 本体
333 リード線
5 サブヒートシンク
51 支持部
511 支持面
513 切り目
515 曲げ部
53 熱伝導体
54 本体部
55 放熱性留め具
5a 一方の主面
5b 他方の主面
7 取付具
HS 放熱構造体
Claims (5)
- 一方の主面がメインヒートシンクに接触して配線基板の放熱を行う板状のサブヒートシンクと、前記サブヒートシンクを前記配線基板に対してほぼ直交して取り付ける取付具とを備える放熱構造体であって、
前記サブヒートシンクは、他方の主面に、該他方の主面に直交する方向に偏位した支持部を有し、
前記支持部に、前記配線基板上の配線パターンにリード線が取り付けられた電子部品の本体が接触して支持される、放熱構造体。 - 請求項1において、
前記支持部は、前記電子部品の前記本体に接触する支持面を有し、該支持面が前記他方の主面と平行である、放熱構造体。 - 請求項1または2において、
前記サブヒートシンクは、平板状の前記支持部と、平板状の本体部とを有し、
前記支持部は、矩形状であり、該矩形の三辺に切り目が設けられ、残りの一辺に設けられた曲げ部を介して前記本体部に連結されている、放熱構造体。 - 請求項3において、
前記サブヒートシンクは、前記切り目を跨いで、前記電子部品から前記サブヒートシンクの前記本体部へ前記電子部品で発生した熱を伝導させる熱伝導体を備えている、放熱構造体。 - 請求項1〜4のいずれか一項において、
前記サブヒートシンクに、前記電子部品の前記本体を取り付ける放熱性の留め具が装着されている、放熱構造体。
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- 2014-08-05 JP JP2014159212A patent/JP2016039157A/ja active Pending
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