JP4278791B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種電子・電気機器に搭載される電子機器やその部品の放熱に用いられるヒートシンクの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピューター等に代表される各種電子・電気機器に搭載されている半導体素子等の放熱は、近年、重要課題として注目されてきている。このような放熱が必要な半導体素子等の放熱方法として、それが搭載される機器筐体にファンを取り付け、その機器筐体内の空気を強制循環する方法や、放熱すべき半導体素子等にヒートシンクを取り付けて放熱する方法、あるいはこれらを組み合わせた方法等が代表的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
放熱すべき半導体素子等の部品（以下、被冷却部品と言う）を放熱するヒートシンクとしては従来から各種のものが提案され実用化されている。中でも、近年この種ヒートシンクの小型化を図るためにフィン付きベースプレートとファンとを一体的に組み立てた空冷式のファン付きヒートシンクが提案され、実用化の段階に入っている。
このようなヒートシンクの一つを図７に示す。図７に示すヒートシンク７０は銅、アルミあるいはマグネシウム等のベースプレート７１にフィン７２として薄い平板を複数枚、ベースプレート７１に対して直角に取り付け、該フィン７２上方に設けたファン７３により風を送る構成となっている。
かかるヒートシンク７０による被冷却部品７４の放熱は、被冷却部品７４をベースプレート７１の受熱部７５に面接触するように取り付ける。被冷却部品７４からの熱はベースプレート７１からフィン７２を介して外気へ放熱する。フィン７２はファンの回転による強制送風により空冷され、被冷却部品７４の熱を放熱する。この構造のヒートシンク７０はベースプレート７１に薄板のフィン７２を直接取り付けているので伝熱面積を大きく取れ、従って、装置を小型化することが容易であるという利点がある。
【０００４】
しかしながら、電子機器装置内の発熱量の増大や、実装密度の高まり等から従来の空冷方式では十分な冷却性能が得られなくなってきている。また、従来のヒートシンクはベースプレートとフィンとをアルミニウムやマグネシウムのダイキャストによる一体成形や一体押出し、あるいは機械加工で制作されていた。この内、ダイキャストによる一体成形や押出成形ではフィンの厚さを薄くしたり、高さを高くするのに限界があり、ヒートシンクとして十分な性能を引き出すことができず、また、機械加工ではコストが高くなり、量産には適さない等の問題点があった。
このため、ベースプレート７１とフィン７２とを別々に作り、ベースプレート７１にフィン７２を一枚一枚組み付ける方法が提案されているが、薄いフィン７２をベースプレート７１に直角に、かつ一定の幅をおいて立設するには精密な機械加工や熟練した技術を要し、コスト高にもなっていた。
このため、一枚の長い薄板をコルゲート状に折り曲げたコルゲートフィンが提案されている。このコルゲートフィンはフィン全体が一枚の薄板で構成されているのでベースプレートへの取付けは容易となるが、このフィンに図７に示すように上方からファンの風を送る構造とすると各々のフィンの片面にしか風が当たらず、従って放熱効率が悪いという欠点があった。
【０００５】
この解決策の一つとして本発明者等はフィンの構造を種々考案し、放熱性を犠牲にすることなく加工性、組み立て性に優れたフィン構造を開発するとともに、ファンの羽の構造とフィンの高さとの関係を解明し、全体の大きさ（特に高さ）を大きくすることなく放熱効果に優れた、フィン付きベースプレートとファンとを一体に組み付けたヒートシンクを種々実験の結果完成させた。
【０００６】
本発明は、上述した従来のヒートシンクの問題点を解消し、放熱効率に優れ、コンパクトなヒートシンクを提供することにある。
【０００７】
発熱体を取り付けるベースプレートと、該ベースプレートに立設しベースプレートの熱を放熱するフィンと、該フィンに風を送るファンを収納するケーシングとからなるヒートシンクにおいて、前記ベースプレートに立設した前記フィンの先端側において、前記フィンは隣接するフィンと連結する連結部と連結していない部分とを有しており、前記連結部は前記連結していない部分よりも高く構成され、前記ケーシングは前記連結していない部分に配置され、前記ケーシングは前記連結部と前記連結していない部分との段差で動きが規制されるように装着されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１（イ）（ロ）はヒートシンクの一例を示すもので、（イ）はフィン付きヒートプレート、（ロ）はヒートプレートにファンを組付けたヒートシンクである。図において、Ｈはヒートシンクで、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等の伝熱性に優れたベースプレート１と、該ベースプレート１に立設した銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等の伝熱性に優れたフィン２と、該フィン２の上方に設けたファン３とから構成され、フィン２付きベースプレート１とファン３とは一体に組み立てられている。前記ファン３は図示しないモータで回転する回転羽４と、該回転羽４を取り付けたケーシング５からなり、回転羽４は回転軸６と翼７とで構成されている。８は電子部品等の発熱体（被冷却部品）でベースプレート１のフィン取り付け面とは反対側の面１０（受熱面）に伝熱効率よく取り付けられている。
【０００９】
上記ヒートシンクＨのフィン２は、図１（イ）に示すようにベースプレート１に立設され、その先端は隣接するいずれかのフィンと少なくともその一か所で連結されている。図中９はその連結部である。このように、フィン２の先端を隣接するフィン２とその一か所で連結することによりフィンを薄くしてもフィン相互の間隔が不規則になることがなく、強度も向上し、フィンとしての放熱性能も向上する。即ち、連結部９はフィン相互の間隔が不規則になるのを防止し、かつ、強度を落とさない程度の幅とすることで空気の流れを阻害することなく、連結部９を設けることで放熱効率が低下するようなこともない。
【００１０】
かかるフィン２の制作は、図２（イ）に示すように長尺の薄板１２に一定間隔でスリット１３を開け、図２（ロ）に示すように破線１４に沿ってコルゲート状に折り曲げることにより極めて簡単に作成することができる。図３（イ）は、連結部９が中央にくるようにスリット１３を両端に抜けるように設けて構成したものである。なお、連結部９の位置は図２（イ）に示すように同一位置でもよく、あるいは図３（ロ）に示すように任意に設けてもよく、放熱効果とデザインとを加味して設計することが可能である。
このように、フィン２をコルゲート状に折り曲げることによりフィン２をベースプレート１に取り付ける作業はフィン全体が一体となっており、かつフィン２とベースプレート１との接触面が平面となっているので、例えばベースプレート１のフィン立設面に接着剤（半田、合成樹脂性接着剤等）を塗布してフィン２を取り付けることができ、取付け作業に特殊な加工や熟練を要さずに組み付けることができる。
【００１１】
図４（イ）（ロ）は本発明の一実施形態を示すもので、（イ）はフィン付きヒートプレートを、（ロ）はフィン付きヒートプレートにファンを組付けたものである。本実施例では、フィン２相互はその両端に連結部９を有し、該連結部９はフィン先端よりもやや高く構成され、フィン先端部の両連結部９間にはファン３が設けられた構造となっている。フィン連結部９をフィン先端よりも高く構成するには、図５（イ）に示すようにフィン用薄板１２に設けるスリット１３の幅よりも狭い幅の破線１４に沿って折り曲げることにより簡単に構成することができる。上述したようにファン３はフィン先端の連結部９、９間に配置される。このようにファン３を連結部９、９間に配置することによりファン３は連結部９でその動きを規制され、従って、ファン３のフィン付きベースプレートへの取付けは極めて容易となる。特に、図５（ロ）または（ハ）に示すように連結部９の位置をファン３（あるいはケーシング５）の外形に合わせて構成すれば、ファン３は前後左右に動くことができなくなるため、その取付けはなお一層簡素化でき、組み立て工数が削減できてコスト低減となる効果がある。
【００１２】
ベースプレ−ト１とフィン２との部材（材質、あるいは材料）を選択することによってもヒートシンクとしての性能を大きく変更することができる。例えば軽量のヒートシンクを構成するには、軽く熱伝導率の良いアルミニウムを使用し、ベースプレートとしては強度に優れるアルミ合金（例えば６０００系合金）を使用し、フィン材としては加工性に優れるアルミ合金（例えば１０００系合金）を採用することにより軽量で優れた性能を有するヒートシンクを提供できる。
また、熱伝導性能を重視するならばベースプレートにアルミニウムよりも約２倍熱伝導率に優れる銅を使用し、フィンとしては加工性に優れるアルミニウムを使用することで、要求性能を満足するヒートシンクを提供することができる。このように、放熱効率、重量、価格等を勘案して設計値に合わせた構成とすることが可能となる。
【００１３】
次に、フィン２の高さとファン３の回転羽４の回転軸６の関係につき種々実験した結果、フィン２の高さａをファンの羽回転軸６の軸径ｂより短くすることにより放熱効率がよくなることを見いだした。
図６は横軸に（フィン２の高さａ／ファン３の羽回転軸６の軸径ｂ）を、縦軸に放熱性能（°Ｃ／Ｗ）をとり、実験結果をグラフとしたもので、このグラフから明らかなように、フィン２の高さａがファンの羽回転軸６の軸径ｂよりも大きい場合（グラフの右サイド）の放熱効率はフィンの高さが大きい程悪く、フィン２の高さａがファンの羽回転軸６の軸径ｂと等しいか、小さくなると（グラフの左サイド）放熱効率はよくなることが分かる。
【００１４】
【実施例１】
図４に示すヒートシンクを、フィンの高さ（ａ）を２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍと変化させ、また、風量特性を類似させて、羽回転軸の軸径（ｂ）を表１に示すように異ならせて作成し、放熱性能を実験した。実験結果を表１に併記する。
表１

上記表１から明らかなように、ファンの羽回転軸の軸径とフィンの高さが等しいかあるいは短い時に放熱効率が向上していることが分かる。
【００１５】
本発明は上述したように、フィン２の先端の少なくとも一か所を隣接するいずれかのフィン２に連結したことにより、フィン２の作成、ならびにフィン２をベースプレート１に組付ける作業を極めて容易とし、該フィン２の上方に設けたファン３からの風をフィン２の両面に受けることで放熱効率が従来のコルゲートフィンを使用した場合に比べて１．８倍向上したヒートシンクを構成することができる。
また、フィンとフィンとを連結する連結部９をフィン２の高さよりも高くし、該連結部９でファンの動きを規制することで、ファンの取り付け作業が簡素化されるとともにファン３とフィン２との位置が長年にわたりズレることがなく、安定した性能のヒートシンクを提供することができる。
なお、フィン２の高さとファン３の羽回転軸６の軸径との関係を、（フィン２の高さａ／ファン３の羽回転軸６の軸径ｂ）が１かまたは１より小さくすることで放熱効果に優れたヒートシンクを構成することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は放熱性に優れ、かつ製造、加工の容易なヒートシンクを効率よく安価に提供できる優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（イ）（ロ）は本発明の一実施形態を示す説明図で、（イ）はフィン付きヒートプレートを、（ロ）はヒートシンクを示す斜視図である。
【図２】（イ）（ロ）はフィンを作成する工程を示す説明図である。
【図３】（イ）（ロ）はフィンを作成する薄板の加工過程を示す説明図である。
【図４】（イ）（ロ）は本発明の他の実施形態を示す説明図で、（イ）はフィン付きヒートプレートを、（ロ）はヒートシンクを示す斜視図である。
【図５】（イ）（ロ）（ハ）はフィンを作成する薄板の加工過程を示す説明図である。
【図６】ヒートシンクにおけるフィンの高さと羽回転軸の軸径の関係を示すグラフである。
【図７】従来のヒートシンクを示す説明図である。
【符号の説明】
Ｈ ヒートシンク
１ ベースプレート
２ フィン
３ ファン
６ 回転軸
７ 翼
９ 連結部
１２ フィン用薄板
１３ スリット
１４ 破線（折り曲げ線）

Claims (1)

1. 発熱体を取り付けるベースプレートと、該ベースプレートに立設しベースプレートの熱を放熱するフィンと、該フィンに風を送るファンを収納するケーシングとからなるヒートシンクにおいて、前記ベースプレートに立設した前記フィンの先端側において、前記フィンは隣接するフィンと連結する連結部と連結していない部分とを有しており、前記連結部は前記連結していない部分よりも高く構成され、前記ケーシングは前記連結していない部分に配置され、前記ケーシングは前記連結部と前記連結していない部分との段差で動きが規制されるように装着されていることを特徴とするヒートシンク。

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