JP3095778U - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 最適な熱伝導作用を達成することができるヒ
ートシンクを提供する。 【解決手段】 伝熱エレメント９２および伝熱エレメン
ト９２を覆う放熱シェル９４を有する放熱ベース９０
と、放熱シェル９４に対して垂直に取付けられる複数の
放熱フィン８２とを有するヒートシンク８０である。伝
熱エレメント９２の底面は、発熱装置と接触しており、
また、伝熱エレメント９２の上面より大きな面積を有す
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、ヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】

電子装置の効率の増加に伴い、放熱装置あるいは放熱システムは、必須の機器 となっている。電子装置により発生される熱が、環境に適切に放出されない場合 、効率が悪化あるいは装置が燃焼する虞がある。したがって、放熱装置は、超小 形電子装置（例えばＩＣ）に取って、特に重要である。

【０００３】 エレメントの密度の増加およびパッケージング技術の進歩に伴い、ＩＣは、よ り小さい面積を有するようになっている。同時に、単位面積当たりの蓄積される 熱は、増加している。したがって、非常に効率的なヒートシンクは、電子産業に おいて、常に、重要な研究対象を形成する。

【０００４】 一般的に言って、放熱装置は、発熱装置の表面上に取付けられ、当該装置から 熱を取り除く。放熱ベースの形状によれば、放熱装置は、平面状および円筒状の ものに、分類することができる。

【０００５】 図９〜１１を参照する。図９は、従来の放熱装置１０の概略図である。図１０ は、図９に示される平面状ヒートシンク２０の平面図である。図１１は、図１０ の線ＸＩ−ＸＩに関する平面状ヒートシンク２０の断面図である。

【０００６】 図９〜１１に示されるように、放熱装置１０は、軸流ファン１２および平面状 ヒートシンク２０を有する。平面状ヒートシンク２０は、伝熱プレート２４、放 熱シェル２６、複数の放熱フィン２２を有する。伝熱プレート２４は、銅または 銅合金から形成される。

【０００７】 放熱シェル２６は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成され、伝熱 プレート２４を覆っている。放熱フィン２２は、アルミニウムまたはアルミニウ ム合金から形成され、放熱シェル２６に、垂直に取付けられる。軸流ファン１２ は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２にはめ込まれ、固定される。伝熱プレー ト２４の底面は、発熱装置（例えば、ＣＰＵ（不図示））の上に、取付けられる 。

【０００８】 発熱装置は、作動中、多量の熱を放出する。銅は、極めて良好な熱伝導特性を 有するため、放出された熱は、伝熱プレート２４を経由して、放熱シェル２６お よび放熱フィン２２に急速に流れる。軸流ファン１２は、放熱フィン２２上の熱 を、風によって除去し、それによって、放熱作用を達成する。

【０００９】 しかし、発生した熱は、伝熱プレート２４の内側で、熱移動フィールド（heat flow field）（図１１参照）を形成する。この結果、放熱ベース２４の中心領 域に、熱伝導作用の悪化を引き起こす。さらに、典型的な発熱装置において、最 も多くの熱を発生する位置は、中心領域である。したがって、平面状ヒートシン ク２０の伝熱プレート２４の中心領域は、放熱作用を向上させるために、良好な 伝熱エレメントを必要とする。

【００１０】 伝熱プレート２４の中心領域における放熱作用を向上させるために、円筒状ヒ ートシンクが、従来技術において提案されている。図１２〜１４を参照。図１２ は、従来の別の放熱装置３０の概略図を示している。図１３は、図１２に示され る円筒状ヒートシンク４０の平面図である。図１４は、図１３の線ＸＩＶ−ＸＩ Ｖに関する円筒状ヒートシンク４０の断面図である。

【００１１】 図１２〜１４に示されるように、放熱装置３０は、軸流ファン１２（図９に記 載と同じもの）と、円筒状ヒートシンク４０とを有する。円筒状ヒートシンク４ ０は、伝熱シリンダ４４、放熱シェル４６、複数の放熱フィン４２を有する。伝 熱シリンダ４４は、銅または銅合金から形成される。

【００１２】 放熱シェル４６は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成され、伝熱 シリンダ４４のリム部を覆っている。放熱フィン４２は、アルミニウムまたはア ルミニウム合金から形成され、放熱シェル４６に垂直に取付けられている。同様 に、軸流ファン１２は、円筒状ヒートシンク４０の放熱フィン４２に、はめ込ま れて固定されている。そして、円筒状ヒートシンク４０の他面は、発熱装置（例 えば、ＣＰＵ）に取付けられる。

【００１３】 発熱装置が、円筒状ヒートシンク４０の表面４０と直接接触している場合、発 熱装置の作動の間に放出される熱は、伝熱シリンダ４４、放熱シェル４６、放熱 フィン４２に、急速に流れる。円筒状のデザインによって、熱は、伝熱シリンダ ４４、放熱シェル４６、放熱フィン４２に沿って、軸流ファン１２に向かった軸 方向に流れる。そして、軸流ファン１２は、空気の対流を提供し、熱を放出する 。

【００１４】

【考案が解決しようとする課題】

上記の説明から、円筒状ヒートシンク４０が、平面状ヒートシンク２０におけ る中心領域の不十分な放熱作用を、本当に解決することが理解される。しかし、 図１４に示される熱移動フィールドから容易に理解できるように、円筒状ヒート シンク４０と軸流ファン１２の連結界面の近傍領域は、良好な放熱作用を有しな い。

【００１５】 これは、明らかに、放熱装置３０における利用可能なスペースの浪費である。 小さい電子機器において、このような装置を使用することは、非常に実際的でな い。さらに、平面状ヒートシンク２０の伝熱プレート２４および円筒状ヒートシ ンク４０の伝熱シリンダ４４は、はんだ付け、ボンディング、あるいは、高圧固 定（high-pressure mounting）によって、放熱シェル２６，４６にそれぞれ連結 される。

【００１６】 伝熱プレート２４、伝熱シリンダ４４、および放熱シェル２６，４６の精度が 、十分には良好でない場合、空気ギャップが、連結界面に現れる可能性がある。 また、はんだ付けは、しばしば、接触界面の熱抵抗率を増加させ、また、平面状 ヒートシンク２０および円筒状ヒートシンク４０の熱伝導作用に影響を及ぼす。

【００１７】 本考案は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、最 適な熱伝導作用を達成することができるヒートシンクを提供することを目的とす る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するための請求項１に記載の考案は、 伝熱プレートおよび前記伝熱プレートの中央部に取付けられる伝熱ブロックを 有する放熱ベースと、 前記伝熱プレートおよび前記伝熱ブロックに対して垂直に取付けられる複数の 放熱フィンとを有し、 前記伝熱ブロックの底面の面積は、前記伝熱ブロックの上面の面積より大きい ことを特徴とするヒートシンクである。

【００１９】 上記目的を達成するための請求項６に記載の考案は、 伝熱エレメントおよび前記伝熱エレメントを覆う放熱シェルを有する放熱ベー スと、 前記放熱シェルに対して垂直に取付けられる複数の放熱フィンとを有し、 前記伝熱エレメントの底面は、発熱装置と接触しており、また、前記伝熱エレ メントの上面より大きな面積を有する ことを特徴とするヒートシンクである。

【００２０】

【考案の実施の形態】

以下、本考案の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、本考案は、 例証としてのみ下記に示される詳細な説明から、より完全に理解されるようにな る。そして、これは、本考案を制限するものではない。

【００２１】 図１は、本考案に係る放熱装置の概略図である。図２は、本考案の実施の形態 １に係るヒートシンクの平面図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに関す る断面図である。本考案に係るヒートシンクは、マイクロプロセッサまたは中央 部処理装置（ＣＰＵ）等の発熱装置に取付けられる。図１〜３に示されるように 、本考案に係る放熱装置５０は、軸流ファン１２と、実施の形態１に係る改良さ れたヒートシンク６０とを有する。ヒートシンク６０は、三次元曲面および複数 の放熱フィン６２を備えている放熱ベース７０を有する。

【００２２】 放熱ベース７０は、伝熱プレート６４と、伝熱プレート６４の上面６１の中央 部に設置される伝熱ブロック６６とを有する。放熱フィン６２は、伝熱プレート ６４の上面６１および伝熱ブロック６６の側面６８に対して垂直に取付けられる 。

【００２３】 放熱フィン６２は、側面６８に沿って複数設置されているため、それぞれ異な る表面積を有する。軸流ファン１２は、四隅に位置する放熱フィン６２上の４つ の固定具（例えばネジ）を使用し、ヒートシンク６０に固定することが可能であ る。

【００２４】 実施の形態１に係るヒートシンク６０の強調されなければならない特徴は、放 熱ベース７０の伝熱プレート６４が、伝熱プレート６４の上面６１に位置する、 略円筒状の伝熱ブロック６６に取付けられることである。つまり、伝熱ブロック ６６の底面の面積は、上面の面積より大きい。

【００２５】 伝熱ブロック６６および伝熱プレート６４は、高熱伝導率を有するアルミニウ ム、アルミニウム合金、銅、あるいは銅合金を使用することにより、一体的に形 成されており、三次元曲面を有する放熱ベース７０を形成している。放熱フィン ６２は、放熱ベース７０にハンダ付けによって固定、あるいは、放熱ベース７０ と一体的に形成されている。

【００２６】 伝熱ブロック６６の形状は、熱導体内部における熱移動フィールドの分布およ び実験において得られる熱伝導率によって設定されている。ここで、簡単な記述 および関連する図を使用し、開示された伝熱ブロック６６の製造および形成を説 明する。

【００２７】 図３〜６を参照する。なお、図４は、本考案の実施の形態１に係り、放熱ベー ス７０の熱抵抗率Ｒを、伝熱プレート６４の断面幅Ｄに対する、伝熱ブロック６ ６の底面の断面幅ｄの比率ｄ／Ｄの関数として示している。図５は、本考案の実 施の形態１に係り、放熱ベース７０の熱抵抗率Ｒを、放熱ベース７０の底面６３ と放熱フィン６２のトップ部との間の垂直高さＨに対する、放熱ベース７０の垂 直高さｈの比率ｈ／Ｈの関数として示している。図６は、本考案の実施の形態１ に係り、放熱ベース７０の熱抵抗率Ｒを、伝熱ブロック６６の底面６７と側面６ ８との間の角度αの関数として示している。

【００２８】 伝熱ブロック６６の設計に影響を及ぼすパラメータは、伝熱プレート６４の断 面幅Ｄ、伝熱ブロック６６の底面の断面幅ｄ、放熱ベース７０の垂直高さｈ（伝 熱プレート６４および伝熱ブロック６６のトータル高さ）、放熱ベース７０の底 面６３から放熱フィン６２のトップ部までの垂直高さＨ（伝熱プレート６４、伝 熱ブロック６６、および放熱フィン６２のトータル高さ）、伝熱ブロック６６の 底面６７と側面６８との間の角度α、および、放熱ベース７０の熱抵抗率Ｒを含 んでいる。

【００２９】 図４〜６に示されるように、実施の形態１の伝熱ブロック６６は、以下の特徴 を有する。

【００３０】 （１）底面の断面幅ｄは、伝熱プレート６４の断面幅Ｄより小さい。比率ｄ／ Ｄが０．５に近づく場合、図４に示されるポイントＡにおいて、放熱ベース７０ は、最小の熱抵抗率に到達する。

【００３１】 （２）放熱ベース７０の垂直高さｈは、放熱ベース７０の底面６３から放熱フ ィン６２のトップ部までの垂直高さＨより小さい、あるいは、等しい。つまり、 伝熱ブロック６６の高さは、各放熱フィン６２の高さより大きくない。比率ｈ／ Ｈが０．９〜１．０の範囲にある場合、放熱ベース７０は、図５に示されるポイ ントＢにおいて、最小の熱抵抗率を有する。

【００３２】 （３）伝熱ブロック６６の底面６７と側面６８との間の角度αは、９０度より 小さい。換言すれば、底面６７の面積は、上面６５の面積より大きい。角度αが ８０〜８５度の範囲にある場合、放熱ベース７０は、図６に示されるポイントＣ において、最小の熱抵抗率に到達する。

【００３３】 実施の形態１の伝熱プレート６４の底面６７が、発熱装置（不図示）に取付け られる場合、装置により発生される熱は、開示された伝熱ブロック６６を経由し て、各々の放熱フィン６２へ移動させることができる。そして、軸流ファン１２ は、空気の対流を提供し、熱を取り除く。

【００３４】 図７は、本考案の実施の形態２に係るヒートシンク８０の断面図である。ヒー トシンク８０と、実施の形態１に係るヒートシンク６０との間の最大の差は、ヒ ートシンク８０が、伝熱エレメント９２を有する放熱ベース９０と、伝熱エレメ ント９２を覆うための放熱シェル９４を有することである。

【００３５】 放熱シェル９４および放熱ベース９０は、異なる金属材料から形成される。例 えば、伝熱エレメント９２は、銅から形成され、放熱シェル９４は、アルミニウ ムから形成される。複数の放熱フィン８２は、放熱シェル９４と一体的に形成さ れる。なお、放熱フィン８２は、放熱シェル９４の上面８１および側面８８にの み形成される。

【００３６】 一方、伝熱エレメント９２は、放熱ベース７０に類似し、また、伝熱プレート ８４および伝熱ブロック８６が、形成されている。実施の形態２における伝熱プ レート８４と伝熱ブロック８６のサイズ、形状、構成、および特性は、実施の形 態１に類似していることを言及しておく。唯一の相違は、伝熱エレメント９２の 三次元曲面が、はんだ付けまたは高圧固定によって、放熱シェル９４の薄い部分 によって、覆われていることである。

【００３７】 伝熱エレメント９２の底面８３（すなわち、伝熱プレート８４の底面８３）は 、また、発熱装置と直接接触している。実施の形態２において、伝熱ブロック８ ６を設計する際のパラメータが、実施の形態１と異なる点は、断面幅ｄが、両側 の放熱シェル９４の幅をプラスした伝熱ブロック８６の底面８７の幅であること のみである。

【００３８】 そのため、伝熱ブロック８６の形状は、熱導体内部の熱移動フィールドおよび 実験から得られる熱伝導率に従って、特に設計される。また、実施の形態２に係 る実験結果は、図４〜６と類似しており、放熱作用は、実施の形態１の場合と同 様であるため、その説明は、繰返さない。

【００３９】 以上のように、ヒートシンク８０は、クーラ用であり、伝熱エレメント９２、 伝熱エレメント９２を覆う放熱シェル９４、放熱シェル９４上に取付けられ複数 の放熱フィン８２を有する。伝熱エレメント９２は、伝熱プレート８４と、中央 部に取付けられる伝熱ブロック８６とを有する。伝熱ブロック８６の底面の面積 は、上面の面積より大きい。伝熱プレート８４の底面が放熱を必要とする装置と 接触する場合、伝熱ブロック８６は、伝熱プレート８４の中央部における熱伝導 量を増加させ、発熱装置によって発生させられた熱を、最適の速度で放出するこ とができる。

【００４０】 図８は、本考案の実施の形態３に係るヒートシンク１００の断面図である。ヒ ートシンク１００の構成および構造は、実施の形態２に係るヒートシンク８０と 同様である。唯一の相違は、ヒートシンク１００が、放熱シェル９４および伝熱 ブロック８６を連結するためのコネクタつまりねじ（連結要素）１０２を有する ことである。放熱シェル９４は、貫通孔１０４を有し、伝熱ブロック８６は、溝 部１０６が形成されている。溝部１０６は、貫通孔１０４に対応し、同じ直径を 有する。

【００４１】 実施の形態３に係る別の特徴は、伝熱エレメント９２および放熱シェル９４が 互いに連結される場合、貫通孔１０４および溝部１０６の直径より若干大きい直 径を有するネジ１０２が、放熱シェル９４の貫通孔１０４に挿入されることであ る。ネジ１０２は、手あるいは機械によって回転させられ、伝熱ブロック８６の 溝部１０６に挿入される。そして、放熱シェル９４は、ネジ１０２によって、伝 熱エレメント９２に密着して連結される。したがって、はんだ付けによって２つ の異なる金属を連結する場合、熱抵抗率が明白に増加するが、この場合は、熱抵 抗率の増加を避けることができる。

【００４２】 伝熱ブロックの側面は、平面状である必要はないことは、ここで強調されなけ ればならない。例えば、滑らかな曲面とすることも可能である。また、放熱フィ ンは、より大きい放熱面積を有する他の形状に形成することも可能である。これ らの変形は、本考案の範囲内であるが、ここでは、さらに詳細には説明しない。

【００４３】 以上のように、従来技術と比較した本考案の異なる特徴は、本考案の実施の形 態における全てのヒートシンク６０，８０，１００が、三次元曲面を有する放熱 ベース７０，９０を有することである。これらは、熱導体内部の熱移動フィール ドおよび実験から得られる熱伝導率のデータにより設計される。したがって、従 来の平面状および円筒状ヒートシンクが有する放熱の問題を解決する。実施の形 態３において導入された連結要素によって、ヒートシンクの放熱作用を、更に向 上させることができる。

【００４４】

【考案の効果】 以上説明したように、三次元曲面を有する放熱ベースを備えることによって、 最適な熱伝導作用を達成することができるヒートシンクを提供することができる 。特に、連結要素を使用し、放熱ベースと放熱シェルを緊密結合させる場合、さ らに良好な熱伝導作用を、達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案に係る放熱装置の概略図である。

【図２】 本考案の実施の形態１に係るヒートシンクの
平面図である。

【図３】 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに関する断面図であ
る。

【図４】 本考案の実施の形態１に係り、放熱ベースの
熱抵抗率を、伝熱プレートの断面幅に対する伝熱ブロッ
クの底面の断面幅の比率の関数として示している。

【図５】 本考案の実施の形態１に係り、放熱ベースの
熱抵抗率を、放熱ベースの底面と放熱フィンのトップ部
との間の垂直高さに対する放熱ベースの垂直高さの比率
の関数として示している。

【図６】 本考案の実施の形態１に係り、放熱ベースの
熱抵抗率を、伝熱ブロックの底面と側面との間の角度の
関数として示している。

【図７】 本考案の実施の形態２に係るヒートシンクの
断面図である。

【図８】 本考案の実施の形態３に係るヒートシンクの
断面図である。

【図９】 従来の放熱装置の概略図である。

【図１０】 図９に示される平面状ヒートシンクの平面
図である。

【図１１】 図１０の線ＸＩ−ＸＩに関する平面状ヒー
トシンクの断面図である。

【図１２】 従来の別の放熱装置の概略図である。

【図１３】 図１２に示される円筒状ヒートシンクの平
面図である。

【図１４】 図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する円筒状
ヒートシンクの断面図である。

【符号の説明】

１０，３０，５０…放熱装置、 １２…軸流ファン、 ２０，４０，６０，１００…ヒートシンク、 ２２，４２，６２，８２…放熱フィン、 ２４，６４，８４…伝熱プレート、 ２６，４６，９４…放熱シェル、 ４４…伝熱シリンダ、 ６１，８１…上面、 ６３，８３…底面、 ６５…上面、 ６６…伝熱ブロック、 ６７，８７…底面、 ６８，８８…側面、 ７０，９０…放熱ベース、 ９２…伝熱エレメント、 １０２…ネジ、 １０４…貫通孔、 １０６…溝部、 ｄ…断面幅、 Ｄ…断面幅、 ｈ…垂直高さ、 Ｈ…垂直高さ、 Ｒ…熱抵抗率、 α…角度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 黄 文 喜 台灣中▲れき▼市國泰街144號

Claims (11)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱プレートおよび前記伝熱プレートの
   中央部に取付けられる伝熱ブロックを有する放熱ベース
   と、 前記伝熱プレートおよび前記伝熱ブロックに対して垂直
   に取付けられる複数の放熱フィンとを有し、 前記伝熱ブロックの底面の面積は、前記伝熱ブロックの
   上面の面積より大きいことを特徴とするヒートシンク。
2. 【請求項２】 前記複数の放熱フィンは、異なる表面積
   を有しており、前記伝熱ブロックの側面に取付けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】 前記伝熱ブロックの高さは、前記放熱ベ
   ース上の放熱フィンの高さより大きくないことを特徴と
   する請求項１に記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】 前記伝熱ブロックの側面は、なめらかな
   曲面であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシ
   ンク。
5. 【請求項５】 前記放熱フィンには、軸流ファンが取付
   けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒート
   シンク。
6. 【請求項６】 伝熱エレメントおよび前記伝熱エレメン
   トを覆う放熱シェルを有する放熱ベースと、 前記放熱シェルに対して垂直に取付けられる複数の放熱
   フィンとを有し、 前記伝熱エレメントの底面は、発熱装置と接触してお
   り、また、前記伝熱エレメントの上面より大きな面積を
   有することを特徴とするヒートシンク。
7. 【請求項７】 前記伝熱エレメントは、 前記発熱装置と接触する底面を有する伝熱プレートと、 前記伝熱プレートの中央部に取付けられる伝熱ブロック
   とを有し、 前記伝熱ブロックの上面および側面は、前記放熱シェル
   に直接接触しており、 前記伝熱プレートの上面および側面の面積は、前記伝熱
   ブロックの上面および側面の面積より大きく、また、前
   記伝熱ブロックの上面の面積は、前記伝熱ブロックの底
   面の面積より小さいことを特徴とする請求項６に記載の
   ヒートシンク。
8. 【請求項８】 前記伝熱ブロック以外において、前記放
   熱シェルに取付けられている複数の放熱フィンは、異な
   る表面積を有することを特徴とする請求項７に記載のヒ
   ートシンク。
9. 【請求項９】 前記伝熱ブロックの高さは、前記放熱シ
   ェル上の前記放熱フィンの高さより、大きくないことを
   特徴とする請求項７に記載のヒートシンク。
10. 【請求項１０】 前記伝熱ブロックの側面に取付けられ
    る前記放熱シェルの表面は、なめらかな曲面であること
    を特徴とする請求項７に記載のヒートシンク。
11. 【請求項１１】 さらに、連結要素を有し、 前記放熱シェルは、貫通孔を有し、 前記伝熱ブロックは、前記貫通孔に対応している溝部が
    形成されており、 前記連結要素の直径は、前記溝部の直径より若干大き
    く、前記連結要素は、前記貫通孔に挿入され、前記溝部
    の内部に固定されることによって、 前記放熱シェルは、前記伝熱ブロックに密着して連結さ
    れることを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク。