JP2019036694A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】
空冷式ヒートシンクにおいて、冷却対象を配置したベース板をむらなく冷却することができ、冷却対象を効率的に冷却することができるようにする。
【解決手段】
冷却対象を配置する冷却面を有するベース部と、ベース部の冷却面と反対側の面に設けられた放熱部を備え、放熱部は、ベース部の一方方向に沿って延びる複数のフィン部材が、ベース部の一方方向に直交する方向に並べられて形成されているとともに、一方方向で中央部位に、フィン部材の反ベース部側端からベース部側に向かってフィン部材の存在しない欠落空間を有しており、欠落空間は、ベース部側における一方方向寸法が、反ベース部側における一方方向寸法よりも小さい形状をしている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子部品等の冷却に使用するヒートシンクに関するものである。

従来、半導体等を含む電子部品の冷却等には、空冷式のヒートシンクが用いられ、例えば、電子部品が備えられるベース部に立設された冷却フィンに対して、一方側から冷却風を通して電子部品を冷却するヒートシンクは知られていた。（特許文献１）

特開２０１０−１６５７６１号公報

上記特許文献１のヒートシンクは、冷却対象である電子部品を配置するベース部の電子部品間に穴が形成されており、風下に配置された電子部品に対して、穴から吸引された空気により冷却するようにして、冷却性能を向上させている。
しかし、上記特許文献１のヒートシンクでは、ベースに吸気のための穴を形成する必要があるので、ベース部における冷却箇所に制約が生じて比較的大きな冷却対処を冷却することができず、また、穴を形成しても、風下に配置されたフィンやベース部には、風上の電子部品により加熱された空気も送られるので、ベース部の冷却面に冷却能力のむらが生じる可能性があった。

本発明は、上記の事情を鑑み、空冷式ヒートシンクにおいて、冷却対象を配置したベース板をむらなく冷却することができ、冷却対象を効率的に冷却することができるようにする。

本発明の一つの実施形態のヒートシンクは、冷却対象を配置する冷却面を有するベース部と、ベース部の冷却面と反対側の面に設けられた放熱部を備え、放熱部は、ベース部の一方方向に沿って延びる複数のフィン部材をベース部の一方方向に直交する方向に並べられて形成されているとともに、一方方向で中央部位に反ベース部側端からベース部側に向かってフィン部材の存在しない欠落空間を有しており、欠落空間は、ベース部側における一方方向寸法が、反ベース部側における一方方向寸法よりも小さい形状をしているヒートシンクである。

本発明のひとつの実施形態のヒートシンクにより、冷却対象を配置したベース部をむらなく冷却することができ、冷却対象を効率的に冷却することができる。

本発明の実施形態に係るヒートシンク装置の図であり、（ａ）は、送風手段の斜視図、（ｂ）は、ヒートシンク本体を覆うカバー部材の斜視図、（ｃ）は、ヒートシンク本体の斜視図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク装置の図であり、（ａ）は、送風手段の側面図、（ｂ）は、ヒートシンク本体を覆うカバー部材の側面図、（ｃ）は、ヒートシンク本体の側面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク装置の図であり、（ａ）は、送風手段を装着するまでのヒートシンク手段の斜視図、（ｂ）は、送風手段を装着したヒートシンク手段の斜視図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク装置の図であり、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、側面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクの側面図であり、（ａ）は、実施例１のファン部材の側面図、（ｂ）は、実施例２のファン部材の側面図、（ｃ）は、比較例１のファン部材の側面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク装置の他の実施形態の図であり、（ａ）はフィン部材を２つの部材によって形成したヒートシンクの正面図、（ｂ）は、さらにガイドを設けたヒートシンクの側面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク装置の他の実施形態の斜視図である。 本発明の実施形態のヒートシンクの風速と圧力損失との関係を示すグラフである。

本発明の一つの実施形態に係るヒートシンクについて、図面を参照しながら説明する。
（全体の構成）
本発明の実施形態に係るヒートシンク装置は、図１，２に示すように、電子部品等の冷却対象５を配置するベース部１１及び放熱部１２を有するヒートシンク本体１と、ヒートシンク本体１を覆うカバー部材２と、カバー部材２に固定されヒートシンク本体１の放熱部に向けて冷却風を送る送風手段３を有している。

ヒートシンク本体１のベース部１１は、アルミニウム合金の押出型材等により形成され、図１（ｃ），図２（ｃ）に示すように、冷却風が流れる方向を平面視で長手（一方）方向（長手方向に直交する他方方向を短手方向とする）とする略長方形状の板状部材により形成されている。板状部材からなるベース部１１の一面（図１では、下面）には、冷却対象５を配置する冷却面１１ａを有しており、他面には、複数の取付溝１１１ｂ，１１１ｂ・・が短手方向に並んで形成された固定面１１ｂを有している。

ヒートシンク本体１の放熱部１２は、図１（ｃ），図２（ｃ）に示すように、アルミニウム合金の押出型材等により形成された複数の薄板状のフィン部材１２１，１２１・・を有している。フィン部材１２１は、ベース部１１の長手（一方）方向の寸法に比べて短い長さ寸法を有しており、複数のフィン部材１２１，１２１・・の長手方向の一側縁がベース部１１の固定面１１ｂの複数の取付溝１１１ｂ，１１１ｂ・・に挿入され、カシメ等の固定手段によりベース部１１に固定されている。
そして、放熱部１２は、反ベース部側で長手（一方）方向略中央部位に、反ベース部側端からベース部側に向かってフィン部材１２１がない欠落空間１３有している。

カバー部材２は、ベース部１１に固定される側板部２１，２１と、両側板部２１，２１の反ベース部側を連結する天板部２２を有している。
側板部２１，２１の幅寸法ｈ１は、フィン部材１２１の幅寸法ｈ２よりも若干大きく形成されており、図４（ａ），（ｂ）に示すように、側板部２１，２１の端部の固定部分２１ａ，２１ａを、ベース部１１の短手（他方）方向の両側端面に溶接等して固定したときに、天板部２２の内周面とベース部１１に固定された放熱部１２のフィン部材１２１の先端部が近接する寸法となっている。
カバー部材２の一方方向で略中央位置の天板部２２に、外気を取り込む吸気口２２ａが形成されている。

そして、ヒートシンク本体１の放熱部１２を囲むように、ベース部１１の両側面にカバー部材２の側板部２１下端の固定部分２１ａ，２１ａが固定されることで、図３（ａ）に示すように、上面に冷却風を取り込む吸気口２２ａを有し、左右両端、すなわち一方方向両端部に排出口２１ｂ，２１ｂを有する断面矩形のダクト状のヒートシンク手段が形成される。

ベース部１１とカバー部材２とにより形成されたダクト状のヒートシンク手段は、図４（ａ）に示すように、カバー部材２の天板部２２に形成された吸気口２２ａから図中左側の排出口２１ｂへ続く流路Ａ１と、吸気口２２ａから、右側の排出口２１ｂへ続く流路Ａ２が形成されており、吸気口２２ａから吸気された冷却気体は流路Ａ１及び流路Ａ２に均等に流れていく。

ファン等の送風手段３は、図３（ｂ）に示すように、カバー部材２の天板部２２上の吸気口２２ａを覆うように配置されており、ダクト状のヒートシンク手段内に外気を吸引している。ヒートシンク手段内に吸引された冷却風は、内部で左右に均等に分かれて、それぞれの流路Ａ１，Ａ２内を排出口２１ｂ，２１ｂに向かって流れ、ベース部１１の冷却面１１ａに配置された左右（一方方向両側）の冷却対象をむらなく均等に冷却することができる。

−放熱部の構成−
本実施形態のヒートシンクの特徴について、図面を参考にして、説明する。
本実施形態のヒートシンク装置は、図１，３に示すように、ダクト状のヒートシンク手段の長手（一方）方向中央位置に吸気口２２ａが形成されており、吸気口２２ａに対向するように送風手段３が配置されている。さらに、ヒートシンク手段のヒートシンク本体１の放熱部１２は、吸気口２２ａと対向する位置に欠落空間１３が形成されている。
そして、放熱部１２に形成される欠落空間１３は、放熱部１２の長手（一方）方向略中央位置に、反ベース部側端からベース部側に向かって欠落空間１３の一方方向の寸法が小さくなるように形成されている。

欠落空間１３を形成するためのフィン部材１２１として、一例として、図４，図５（ａ）に示すように、欠落部１２１ａの形状が、反ベース部側に底辺を有しベース部側に頂点を有する三角形状、特に二等辺三角形状である欠落部１２１ａを有するフィン部材１２１を用いることができる。
欠落部１２１ａを三角形状とすることで、冷却風をよりベース部１１近傍に送り込むことができ、冷却効率を上げることができる。
なお、三角形状の欠落部１２１ａを形成する際には、その先端部を円弧状にしてもよい。それにより、加工性を向上させることができる。
また、他の例としては、図５（ｂ）に示すような、欠落部１２１ａの形状が、反ベース部側に長辺、ベース部側に短辺を有する台形状である欠落部１２１ａを有するフィン部材１２１を用いることができる。
欠落部１２１ａを台形状とすることで、冷却風をよりベース部１１近傍に送り込むことができ、冷却効率を向上させることができると共に、加工を容易にすることができる。

また、フィン部材１２１の欠落部は、一枚のフィン部材１２１の中央位置に切欠き等を設けることによって形成されるだけではなく、複数枚のフィン部材１２１によって形成してもよい。
具体的には、図６（ａ）に示すように、台形状のフィン部材１２１、１２１を流路Ａ１，Ａ２にそれぞれ設け、フィン部材間に形成される間隔を欠落部１２１ａとして形成することで、放熱部１２に欠落空間１３を形成してもよい。これによって、フィン部材１２１の加工が容易となる。

以上のように、本実施形態のヒートシンク手段は、カバー部材２の天板部２２の中央位置に設けた吸気口２２ａからヒートシンクの一方方向の両側に均等に冷却風を送り込むことができるので、ヒートシンクの長手方向における冷却むらの発生を抑制することができる。また、ヒートシンクの放熱部１２は、ダクト状のヒートシンク手段の中央位置で吸気口２２ａの対向位置に、フィン部材１２１，１２１・・の存在しない欠落空間１３を有しているので、送風手段３により吸気された冷却風を速やかにヒートシンク内のベース部１１近傍に流入することができる。
そして、欠落空間１３は、ベース部１１から離れるに従って長手方向の寸法が大きくなる形状をしているので、フィン部材１２１は、できるだけ広い冷却面積を確保しながら、冷却風をベース部１１の近傍にすみやかに送り込んで放熱部１２の全体に行き渡らせることができ、各フィン部材１２１を効率的に冷却することができる。

ここで、上記の放熱部１２の欠落空間１３の形状の相違による冷却効果の違いを確認するために、欠落部１２１ａの形状が異なるフィン部材１２１を用いて熱解析を行った。
熱解析および風速の測定に用いるヒートシンク及び解析条件は、以下のとおりである。
・ヒートシンク長さ：３５０ｍｍ
・冷却対象の発熱量：６２５Ｗ × ２ ＝１，２５０Ｗ
・周囲温度：４０℃
・フィン部の長さＬ：３４７ｍｍ
・フィン部の高さ寸法Ｈ：１０７．５ｍｍ
・フィン間隔ｄ：２．３ｍｍ
・フィン肉厚ｓ：０．６ｍｍ
・切り欠き部の面積：６,２４０ｍｍ^２

なお、冷却風については、通常同程度の規模のヒートシンク装置に使用されるＦＡＮを用いて、欠落部の無いフィン部材（フィン長：３４７ｍｍ)を有するヒートシンクを冷却した場合の冷却風の風速が５．０ｍ／ｓであり、フィン部材の欠落部の存否による圧力損失の比較から、欠落部があるフィン部材を有するヒートシンクに対する風速を算出した。
欠落部が存在するフィン部材と欠落部が存在しないフィン部材における、風速と圧力損失との関係を表１及び図８に示す。

図８における曲線（１）は、表１の（１）フィン部材に欠落部が無い場合の風速と圧力損失との関係を示し、曲線（２）は、表１の（２）フィン部材に欠落部がある場合の風速と圧力損失との関係を示す。表１から、欠落部が無いフィン部材の場合の風速５．０ｍ／ｓのときの圧力損失２６４．０５ｐｓに対して、欠落部があるフィン部材の場合で同程度の圧力損失となる風速を図８のグラフより設定した。
結果、風速を以下のように設定した。
・ＦＡＮによる冷却風の風速（欠落部なしの場合）Ｗ１：５．０ｍ／ｓ
・ＦＡＮによる冷却風の風速（欠落部ありの場合）Ｗ２：５．４ｍ／ｓ

熱解析の対象とするフィン部材の実施例および比較例を、図５に示す。図５（ａ）は、欠落部１２１ａの形状を三角形とした実施例１のフィン部材１２１であり、図５（ｂ）は、欠落部１２１ａの形状を台形とした実施例２のフィン部材１２１であり、上記の実施例は、いずれも放熱部１２を構成するフィン部材１２１の長手方向略中央位置に、反ベース部側端からベース部側に向かって長手方向の寸法が小さくなるように欠落部１２１ａが形成されている。図５（ｃ）は、欠落部１２１ａの形状を長方形とした比較例１のフィン部材１２１であり、ともに欠落部の面積は、６,２４０ｍｍ^２である。

熱解析における冷却対象の温度の測定ポイントＰ０１、Ｐ０２及び風速の測定ポイント１ないしポイント５を、図５（ａ）に記載の実施例１のフィン部材１２１に示す。
温度の解析位置は、ヒートシンクの冷却面１１ａ表面の他方方向略中央位置に設定し、放熱対象５の略中央位置となる、フィン部材１２１の側端部よりｗ２（＝８０ｍｍ）離間した位置に設定した。なお、測定ポイントは、ヒートシンクの一方方向の左右２カ所に設定し、図５（ａ）において、左側の測定ポイントをポイントＰ０１とし、右側の測定ポイントをポイントＰ０２とする。

また、風速の解析位置は、ヒートシンクの短手方向略中央位置に設定し、ポイントＰ１は、フィン部材１２１の側端部よりｗ３（＝１２０ｍｍ）離間した位置で、フィン部材１２１の反ベース部側の端縁から距離Ｌ３（＝１０１．０ｍｍ）離間した位置に設定し、ポイントＰ２は、フィン部材１２１の側端部よりｗ２（＝８０ｍｍ）離間した位置で、フィン部材１２１の反ベース部側の端縁から距離Ｌ３（＝１０１．０ｍｍ）離間した位置に設定し、ポイントＰ３は、フィン部材１２１の側端部よりｗ１（＝４０ｍｍ）離間した位置で、フィン部材１２１の反ベース部側の端縁から距離Ｌ３（＝１０１．０ｍｍ）離間した位置に設定した。
また、ポイントＰ４は、フィン部材１２１の側端部よりｗ２（＝８０ｍｍ）離間した位置で、フィン部材１２１の反ベース部側の端縁から距離Ｌ２（＝８１．０ｍｍ）離間した位置に設定し、ポイントＰ３は、フィン部材１２１の側端部よりｗ２（＝８０ｍｍ）離間した位置で、フィン部材１２１の反ベース部側の端縁から距離Ｌ１（＝６１．０ｍｍ）離間した位置に設定した。

（実施例１）
実施例１のフィン部材１２１は、図５（ａ）に示すように、フィン部材１２１の欠落部１２１ａが三角形状に形成されている。欠落部１２１ａを形成する三角形の寸法は、底辺ｄ１が１２０ｍｍ、高さｈ１が１０３．９２ｍｍである。
熱解析の結果、第１の実施例のフィン部材では、左右のポイントＰ０１とポイントＰ０２の温度がほぼ均等に上昇し、左が４２．６（Ｋ）、右が４２．５（Ｋ）に抑えられることが求められた。
また、ヒートシンク手段内における風速は、ポイントＰ１における風速が４．２８ｍ／ｓ、同ポイントＰ２における風速が、４．３７ｍ／ｓ、同ポイントＰ３における風速が３．７３ｍ／ｓ、ポイントＰ４における風速が，４．２４ｍ／ｓ、ポイントＰ５における風速が、４．１２ｍ／ｓであった。

（実施例２）
第２の実施例のフィン部材は、図５（ｂ）に示すように、フィン部材１２１の欠落部１２１ａを台形形状に形成している。欠落部１２１ａを形成する台形形状の寸法は、底辺ｄ２が１２０ｍｍ、上辺ｄ３が＝４６．２８ｍｍ、高さｈ２が７５ｍｍである。
第２の実施例のフィン部では、左右のポイントＰ０１とポイントＰ０２の温度が均等に上昇し、左が４２．９（Ｋ）、右が４２．９（Ｋ）に抑えられた。また、ヒートシンク手段内における風速は、ポイントＰ１における風速が４．１７ｍ／ｓ、ポイントＰ２における風速が、４．２０ｍ／ｓ、ポイントＰ３における風速が３．４０ｍ／ｓ、ポイントＰ４における風速が，４．１９ｍ／ｓ、ポイントＰ５における風速が、４．１３ｍ／ｓであった。

（比較例１）
図５（ｃ）に示す比較例のフィン部材１２１では、フィン部材１２１の欠落部１２１ａを長方形状に形成している。欠落部１２１ａを形成する一方形状の寸法は、底辺ｄ４が１２０ｍｍ、高さｈ３が５２ｍｍである。
比較例のフィン部材１２１では、左右のポイントＰ０１とポイントＰ０２の温度が均等に上昇し、左が４４．４（Ｋ）、右が４４．４（Ｋ）に抑えられた。また、ヒートシンク手段内における風速は、ポイントＰ１における風速が３．９４ｍ／ｓ、ポイントＰ２における風速が、３．８３ｍ／ｓ、ポイントＰ３における風速が２．９０ｍ／ｓ、ポイントＰ４における風速が，３．９１ｍ／ｓ、ポイントＰ５における風速が、４．０９ｍ／ｓであった。

以上の結果を、表２，３にまとめた。
なお、表２の温度上昇の結果には、比較例として、欠落部のない放熱部を有するヒートシンクを用い、ヒートシンクの一方方向中央位置の吸気口から吸気した冷却風を一方方向の両側の排気口に送風した例、及び、欠落空間のない放熱部を有するヒートシンクを用い、ダクトの一方方向の一方側の吸気口から吸気した冷却風を他方側の排気口へ送風した例を、それぞれ比較例２及び比較例３として追加して記載した。また、表３の風速の結果には、上記比較例２を追加して記載した。

表２の比較例３の左右の温度上昇と実施例１,２の左右の温度上昇の比較から、実施例１，２のヒートシンクは、左右（一方方向の両側）の温度にむらがなく左右均等に冷却することができ、横風を用いて冷却するヒートシンク(比較例３)に比べて、風下（右側）の冷却対象の温度が小さくなるとの結果が得られた。
また、表２の実施例１，２と比較例２との比較から、フィン部材１２１の一方方向中央位置に欠落部を設けたヒートシンクであって欠落部１２１ａの形状を三角形もしくは台形とした実施例１，２では、欠落部１２１ａのない比較例２に比べて、フィン部材の面積が減少しているにも関わらず、温度上昇が小さくなるとの結果が得られた。
これに対して、表２の比較例１と比較例２との比較から、フィン部材１２１の一方方向中央位置に欠落部を設けたヒートシンクであっても、欠落部の形状を長方形にした比較例１では、欠落部を形成しない比較例２に比べて左右（一方方向の両側）の温度が大きくなるとの結果が得られた。これは、欠落部によるフィン部材の面積の減少によって冷却能力の低下が生じているためと考えられる。

また、表３の実施例１，２と比較例２との比較から、フィン部材１２１の一方方向中央位置に欠落部を設けたヒートシンクであって欠落部１２１ａの形状を三角形もしくは台形とした実施例１，２では、欠落部１２１ａのない比較例２に比べて、ダクト状のヒートシンク手段内を通過する冷却風の風速が、ベース部近傍で大きくなるという結果が得られた。
これに対して、表２の比較例１と比較例２との比較から、フィン部材１２１の一方方向中央位置に欠落部を設けたヒートシンクであっても、欠落部の形状を長方形にした比較例１では、欠落部を形成しない比較例２に比べて、各地点での風速が小さくなるとの結果が得られた。
特に、実施例１、２においては、フィン部材１２１の一方方向中央位置に形成する欠落部１２１ａをベース部に向かってその幅寸法が小さくなるように形成することによって、放熱部１２を構成するフィン部材１２１の根元部分(ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３)における冷却風の減速を抑えることができることがわかった。このように、実施例１、２においては、放熱部１２の冷却対象位置におけるベース部１１及びベース部近傍のフィン部材１２１に風速の速い冷却風を送ることができるので、冷却能力が向上していると考えられる。

以上のように、本実施形態のヒートシンクにおいては、ヒートシンクの冷却風の流れる方向である一方方向の中央位置より冷却風を導入し、一方方向の両側に均等に排出することで、ヒートシンクの冷却面をむらなく冷却することができる。そして、ヒートシンク内部のフィン部材の冷却風の導入位置に欠落部を設けると共に、欠落部の形状を、ベース部に向かってその幅寸法が小さくなるように形成することで、できるだけ広い冷却面積を確保しながら風速の速い冷却風によって効率的に冷却対象を冷却することができる。

なお、本実施形態においては、ベース部及びフィン部材はアルミニウム合金により形成されているが、他の金属材料により形成してもよく、伝熱性を備える材料であれば、何ら特定されるものではない。
また、本実施形態のヒートシンクにおいては、放熱部１２に形成する欠落空間は、フィン部材１２１に切欠き部等を設けることによって形成しているが、欠落空間の形成方法は、何ら限定されるものではなく、例えば、ベース部１１の長手方向に２枚のフィン部材を離間させた状態で一直線上に並べて固定することで、２枚のフィン部材の間に欠落部を形成して欠落空間を形成してもよい。
また、放熱部１２を構成する複数のフィン部材の欠落部の形状は、同一でなくてもよく、放熱部の欠落部が反ベース部側に向かって長手方向に広がる形状であればよい。
また、例えば、図６（ｂ）に示すように、放熱部の欠落部に吸気口から吸気された冷却風を左右の流路Ａ１，Ａ２にスムーズに流すためのガイド６を設けることもできる。
また、ベース部は、冷却面と放熱部を固定する固定面を備える平板部材であれば、平面形状は冷却風が流れる方向（一方方向）を長手方向とする長方形に限定されるものでもなく、例えば、図７に示すような、冷却風が流れる一方方向を長手方向としない略正方形等の形状でもよく、また、複数の送風手段を備えるなど、その形状等は何ら限定されない。

１ ：ヒートシンク本体
１１ ：ベース部
１１ａ ：冷却面
１１ｂ ：固定面
１１１ｂ ：取付溝
１２ ：放熱部
１２１ ：フィン部材
１２１ａ ：欠落部
１３ ：欠落空間
２ ：カバー部材
２１ ：側板部
２１ｂ ：排出口
２２ ：天板部
２２ａ ：吸気口
３ ：送風手段
４ ：送風手段
５ ：冷却対象
Ａ１ ：流路
Ａ２ ：流路

Claims (1)

1. 冷却対象を配置する冷却面を有するベース部と、ベース部の冷却面と反対側の面に設けられた放熱部を備え、
   放熱部は、ベース部の一方方向に沿って延びる複数のフィン部材が、ベース部の一方方向に直交する方向に並べられて形成されているとともに、一方方向で中央部位に、フィン部材の反ベース部側端からベース部側に向かってフィン部材の存在しない欠落空間を有しており、
   欠落空間は、ベース部側における一方方向寸法が、反ベース部側における一方方向寸法よりも小さい形状をしている
   ヒートシンク。

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