JP2017079226A - ヒートシンクおよび電子機器 - Google Patents

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啓 庄司
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Abstract

【課題】軽量かつ防水性の優れたヒートシンクを提供する。【解決手段】ヒートシンクは、平板状のベース板金と、ベース板金の第1面に接合される放熱フィンと、を備え、放熱フィンは、ベース板金の第1面に重ね合されて接合される平板状の接合板部と、接合板部に対して立設するフィン部材と、を有し、ベース板金および接合板部は、ハーフパンチ加工によってベース板金と接合板部の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合されることで接合されている。【選択図】図9

Description

本発明は、ヒートシンクおよび電子機器に関する。

電子機器に搭載される電子部品を冷却するための冷却装置として、ヒートシンクが知られている。ヒートシンクは、電子部品と熱的に接触するように設置され、電子部品の熱を冷却フィンから放熱することで電子部品を冷却する。

ヒートシンクの一形態として、板金に放熱フィンを接合して形成される板金型のヒートシンクが広く用いられている。板金型のヒートシンクは、軽量化を図り易いという利点がある。板金型のヒートシンクにおける板金と放熱フィンとの接合は、予め形成した貫通孔に挿通させたリベット等を加圧変形させる加締め(カシメ)による接合方法が知られている。また、板金の一面にスリット(切り込み)を予め形成しておき、そのスリットに放熱フィンを差し込むことで板金と放熱フィンを接合する接合方法も知られている。

特開2007−180369号公報 特開2009−218603号公報

しかしながら、板金型のヒートシンクにおいて加締めによる接合方法を採用する場合、板金および放熱フィンを貫通する貫通孔から水が漏ってしまい、防水性を確保することが難しい。つまり、この場合には、防水型の電子機器の筐体の一部に板金型のヒートシンクを用いることが困難である。一方、板金のスリットに放熱フィンを差し込む接合方法の場合、放熱フィンおよび板金が線接触することとなり、板金から放熱フィンへの伝熱量が少なく、拡散効率が悪化し易くなる。そして、伝熱量を増やすためには、板金の厚さを確保してスリット深さを十分に確保する必要があり、軽量化を図ることが難しくなってしまう。本件は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、軽量かつ防水性の優れたヒートシンクを提供することを目的とする。

本件の一観点によると、平板状のベース板金と、前記ベース板金の第1面に接合される放熱フィンと、を備え、前記放熱フィンは、前記ベース板金の前記第1面に重ね合されて接合される平板状の接合板部と、当該接合板部に対して立設するフィン部材と、を有し、前記ベース板金および前記接合板部は、ハーフパンチ加工によって前記ベース板金と前記接合板部の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合されることで接合されている、ヒートシンクが提供される。

また、本件の他の観点によると、基板と、前記基板に搭載される電子部品と、平板状のベース板金と、当該ベース板金の第1面に接合される放熱フィンとを有し、前記電子部品を冷却するヒートシンクと、を備え、前記放熱フィンは、前記ベース板金の前記第1面に重ね合されて接合される平板状の接合板部と、当該接合板部に対して立設するフィン部材とを有し、前記ベース板金および前記接合板部は、ハーフパンチ加工によって前記ベース板金と前記接合板部の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合されることで接合されている、電子機器が提供される。

本件によれば、軽量かつ防水性の優れたヒートシンクを提供できる。

図1は、実施形態に係る電子機器の斜視図である。 図2は、実施形態に係る防水筐体から取り外した状態のヒートシンクの背面側を示す斜視図である。 図3は、実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。 図4は、実施形態に係るヒートスプレッダの平面図である。 図5は、実施形態に係るヒートスプレッダの斜視図である。 図6は、図4におけるA−A´矢視断面図である。 図7は、図4におけるB−B´矢視断面図である。 図8は、実施形態に係るヒートスプレッダの製造方法を示す図である。 図9は、実施形態に係るヒートシンクにおけるベース板金と放熱フィンとの接合構造を説明する図である。 図10は、実施形態に係るヒートシンクにおけるハーフパンチ接合部の配置パターンを示す図である。

以下、ヒートシンクおよび電子機器に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。

<実施形態>
図1は、実施形態に係る電子機器1の斜視図である。電子機器1は、防水性の筐体(以下、「防水筐体」という)2と、ヒートシンク3を有している。防水筐体2は、一面が開口した直方体の外形を有する防水ケースである。ヒートシンク3は、防水筐体2の開口面を塞ぐように防水筐体2に取り付けられている。ヒートシンク3および防水筐体2の接合部には図示しないパッキン等が配設されており、水密構造となっている。なお、電子機器1については種々のものを適用することができ、例えば測定機器、電源装置、産業用カメラ等であっても良い。また、防水筐体2は、所謂シールドケースであっても良い。

図2は、実施形態に係る防水筐体2から取り外した状態のヒートシンク3の背面側を示す斜視図である。ヒートシンク3は、板金型のヒートシンクである。ヒートシンク3は、平板状のベース板金31と、ベース板金31の第1主面31aに接合される放熱フィン32と、ベース板金31の第2主面31bに取り付けられるヒートスプレッダ4を有している。ヒートシンク3は、複数の放熱フィン32を有し、ベース板金31に対して垂直に放熱フィン32が立設している。符号5は基板である。基板5の実装面5aには、電子部品6(図7を参照)が実装されている。以下、基板5および当該基板5に搭載された電子部品6を含んで基板ユニット7と呼ぶ。実施形態における第1主面31aは第1面の一例であり、第2主面31bは第2面の一例である。

図3は、実施形態に係るヒートシンク3の背面側を示す斜視図であり、基板ユニット7の図示を省略している。ヒートシンク3(ベース板金31、放熱フィン32)およびヒートスプレッダ4は、例えば熱伝導性が優れたアルミニウム等の金属によって形成されている。ヒートスプレッダ4は、ベース板金31と一体に接合されている。本実施形態では、ヒートスプレッダ4とベース板金31は、拡散接合によって接合されている。拡散接合とは、接合する金属材料同士を密着させ、真空や不活性ガス等の雰囲気中で、加圧・加熱することで金属材料同士の接合面に生じる原子の拡散を利用して金属材料同士を原子レベルで接合する技術である。但し、ヒートスプレッダ4とベース板金31の接合方法は拡散接
合に限られず、溶着などによって接合してもよい。

図4および図5は、実施形態に係るヒートスプレッダ4を示す図である。図4は、実施形態に係るヒートスプレッダ4の平面図である。図5は、実施形態に係るヒートスプレッダ4の斜視図である。ヒートスプレッダ4は、二枚のアルミニウム製の板材41,42を貼り合せることで形成されている。以下、符号41を第1板材と呼び、符号42を第2板材と呼ぶ。第1板材41および第2板材42は概ね矩形状の平面を有しており、第2板材42に比べて第1板材41の方が一回り大きい。但し、第1板材41および第2板材42の形状は特に限定されない。

図6は、図4におけるA−A´矢視断面図である。図7は、図4におけるB−B´矢視断面図である。第2板材42は、第1板材41との間に中空の内部空間43が形成されるように、第1板材41に貼り合されている。

また、図4および図5における符号44は、第1板材41および第2板材42の内面同士が密着した状態で貼り合わされた「密着領域部」である。第1板材41および第2板材42の貼り合せ平面領域において、複数の密着領域部44が縦横方向に一定間隔で規則的に配置されている。なお、本実施形態においては、密着領域部44を円形状としているが、密着領域部44の平面形状はこれに限られない。また、密着領域部44の数や、平面的な配置パターンも適宜変更することができる。

第1板材41および第2板材42の貼り合せ平面領域において、密着領域部44以外の部分は、第1板材41および第2板材42の内面同士が離反することで、上述した中空の内部空間43が形成されている。

符号45は、電子部品6を載置する領域である「電子部品載置部」である。また、符号46は、「一般隆起部」である。本実施形態においては、電子部品載置部45が6カ所に設けられているが、その数、位置、および大きさは特に限定されない。電子部品載置部45を配置する数、位置および大きさは、基板5の実装面5aに実装される電子部品6の数、位置および大きさに対応させるとよい。また、電子部品載置部45の形状も特に限定されない。電子部品載置部45は、一般隆起部46に比べて隆起している(図3を参照)。電子部品載置部45は平坦な載置面45aを有しており、この載置面46aに電子部品6を載置することができる。

本実施形態において、ヒートスプレッダ4は、内部空間43に流体の冷媒(例えば、水)が封入されることで、所謂ヒートパイプとして機能する。つまり、内部空間43は、冷媒の流れる流路として機能する。以下、冷媒が封入された内部空間43を「冷媒封入部43」とも呼ぶ。

ヒートスプレッダ4の電子部品載置部45は、載置面45aに載置された電子部品6が発する熱を受熱し、冷媒封入部43に封入された冷媒と熱交換を行う。その結果、冷媒が電子部品6の熱を奪うことで、電子部品6が冷却される。一方、電子部品6の熱を奪うことで加熱された冷媒は、電子部品載置部45(冷媒封入部43)内で蒸発する。このように電子部品載置部45で生成された冷媒の蒸気は、冷媒封入部43内を一般隆起部46側に移送される過程で冷やされ、凝縮することで再び液体となる。このような蒸発と凝縮に伴う潜熱移動により、電子部品載置部45において電子部品6から奪った熱を、ヒートスプレッダ4の平面方向に効率的に且つ均等に拡散することができる。

そして、ヒートスプレッダ4の平面方向に均等に拡散した熱は、ヒートスプレッダ4の第1板材41からヒートシンク3のベース板金31に伝達される。第1板材41は平坦面
を有しており、ベース板金31と面接触して接合されており、第1板材41からヒートシンク3のベース板金31に効率よく熱を伝導させることができる。そして、ヒートシンク3のベース板金31に伝達された熱は、ベース板金31の第1主面31aに接合されている放熱フィン32に伝達され、当該放熱フィン32から空気中に放熱される。これにより、電子部品6の冷却を効率よく行うことができる。

図8は、実施形態に係るヒートスプレッダ4の製造方法を示す図である。まず、第1板材41に対して第2板材42を貼り付ける。より具体的には、所定位置に開口部47を残しつつ、第2板材42の輪郭線L1(図8中、鎖線によって示す)に沿って第2板材42を第1板材41に貼り付ける。本実施形態では、開口部47を2箇所に形成しているが、開口部47の数や位置は特に限定されない。

次に、開口部47から空気Airを導入することで、第1板材41に対して第2板材42を隆起させる。これにより、第1板材41および第2板材42を貼り合せた貼り合せ面同士が離反する方向に膨らみ、内部空間43が形成される。開口部47からの空気Airの
導入は、第1板材41および第2板材42の外側に金型を配置した状態で行うと良い。そして、第2板材42側に配置する金型には、電子部品載置部45および一般隆起部46に対応する凹部や、密着領域部44を形成するための凸部を形成しておくと良い。開口部47からの空気導入時において、第2板材42が金型に設けられた凹部に沿って膨らむことで電子部品載置部45および一般隆起部46が形成される。また、金型に設けられた凸部によって、第2板材42の膨らみが抑制される結果、密着領域部44が形成される。

ヒートスプレッダ4の成形後、一方の空気導入部47を封止材48によって封止した状態で、他方の空気導入部47から流体の冷媒(例えば、水)Wを内部空間43内に供給する。内部空間43に対する冷媒の導入完了後、残りの空気導入部47を封止材48によって封止する。これにより、ヒートスプレッダ4における内部空間(冷媒封入部)43への冷媒Wの封入が完了し、ヒートスプレッダ4が完成する。

次に、ヒートシンク3の詳細構造について説明する。図9は、実施形態に係るヒートシンク3におけるベース板金31と放熱フィン32との接合構造を説明する図である。図9に示すように、放熱フィン32は、ベース板金31の第1主面31aに重ね合されて接合される平板状の接合板部321と、この接合板部321に対して立設する複数のフィン部材322と、を有している。本実施形態においては、複数の接合板部321が一定間隔でフィン部材322から垂直に立設している。

ヒートシンク3におけるベース板金31および放熱フィン32の接合板部321は、ハーフパンチ加工によってベース板金31と接合板部321の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合されることで接合されている。ハーフパンチ加工は、所謂半抜き加工である。図9に示す例では、ベース板金31の第1主面31a上に接合板部321を重ねて積層した状態で、ベース板金31の第2主面31b側からパンチ(図示せず)をプレスすることでハーフパンチ加工を行う。即ち、パンチ(図示せず)をベース板金31の第2主面31b側からベース板金31の厚さの半分程まで押し込むことで、ベース板金31の第1主面31a側を隆起させることで凸部311を形成させる。

図中の符号321aは、接合板部321における「板金側対向面」である。接合板部321の板金側対向面321aは、ベース板金31の第1主面31aに対向する方の面である。上記のように、ベース板金31の第1主面31a側に凸部311が形成される際、第1主面31aに重ねられている放熱フィン32の接合板部321は、ベース板金31の隆起に伴って変形する。その結果、図9に示すように、接合板部321の板金側対向面321a側に凹部323が形成されると共にベース板金31の凸部311が凹部323に嵌合
される。そして、ベース板金31の凸部311と、接合板部321の凹部323との間の接触抵抗によって、凹部323に凸部311が固定される。その結果、ヒートシンク3におけるベース板金31と放熱フィン32の接合板部321が一体に接合される。なお、接合板部321の凹部323にベース板金31の凸部311が嵌合されることで形成される接合部を、「ハーフパンチ接合部8」と呼ぶ。図10に示すように、ハーフパンチ接合部8は、放熱フィン32に沿って一定間隔で配置されていてもよい。但し、ハーフパンチ接合部8の配置パターンは適宜変更することができる。

以上のように、本実施形態に係るヒートシンク3においては、ベース板金31に貫通孔を形成することなく、ハーフパンチ接合部8によってベース板金31および放熱フィン32を接合することができる。これによれば、ヒートシンク3のベース板金31の内側(即ち、ヒートスプレッダ4側)と外側(即ち、放熱フィン32側)の空間が遮断されているため、ヒートシンク3を通じて外部から防水筐体2の内部に水が進入することを抑制できる。つまり、ヒートシンク3の防水性を担保することができる。また、ベース板金31に放熱フィン32を接合するためのスリットを形成する必要がないため、ベース板金31の厚さを薄くすることができ、ヒートシンク3の軽量化を容易に図ることができる。

さらに、ヒートシンク3は、基板5に搭載される電子部品6とベース板金31の間に挿設されるヒートスプレッダ4を備えるため、ベース板金31の板厚を薄くしても、ベース板金31から放熱フィン32への伝熱量を十分に確保することができ、拡散効率を向上させることができる。ヒートスプレッダ4は、流体の冷媒Wが封入された冷媒封入部43を有しているため、ベース板金31から放熱フィン32への伝熱量を顕著に増大させることができ、拡散効率の向上を図ることができる。従って、軽量かつ防水性および拡散効率の優れたヒートシンク3を実現することができる。

以上、実施形態に沿って本件に係るヒートシンク3および電子機器1について説明したが、本件はこれらに制限されるものではない。そして、上記実施形態について、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者にとって自明である。

1・・・電子機器
2・・・防水筐体
3・・・ヒートシンク
4・・・ヒートスプレッダ
5・・・基板
6・・・電子部品
7・・・基板ユニット
8・・・ハーフパンチ接合部
31・・・ベース板金
32・・・放熱フィン
43・・・冷媒封入部(内部空間)
44・・・密着領域部
45・・・電子部品載置部
46・・・一般隆起部
47・・・空気導入部
311・・・凸部
321・・・接合板部
322・・・フィン部材
323・・・凹部

Claims (3)

  1. 平板状のベース板金と、
    前記ベース板金の第1面に接合される放熱フィンと、
    を備え、
    前記放熱フィンは、前記ベース板金の前記第1面に重ね合されて接合される平板状の接合板部と、当該接合板部に対して立設するフィン部材と、を有し、
    前記ベース板金および前記接合板部は、ハーフパンチ加工によって前記ベース板金と前記接合板部の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合されることで接合されている、
    ヒートシンク。
  2. 前記ベース板金における前記第1面と反対側に位置する第2面と、基板に搭載される電子部品との間に設けられるヒートスプレッダを、さらに備え、
    前記ヒートスプレッダは、流体の冷媒が封入された冷媒封入部を有している、
    請求項1に記載のヒートシンク。
  3. 基板と、
    前記基板に搭載される電子部品と、
    前記基板を収容する筐体と、
    前記筐体の開口面を塞ぐように当該筐体に取り付けられるヒートシンクであって、平板状のベース板金と、当該ベース板金の第1面に接合される放熱フィンとを有し、前記電子部品を冷却するヒートシンクと、
    を備え、
    前記放熱フィンは、前記ベース板金の前記第1面に重ね合されて接合される平板状の接合板部と、当該接合板部に対して立設するフィン部材とを有し、
    前記ベース板金および前記接合板部は、ハーフパンチ加工によって前記ベース板金と前記接合板部の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合されることで接合されている、
    電子機器。
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