JP4739347B2 - 電子装置及びヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、例えば、プロセッサなど、稼働時に熱を生じ得る電子部品を冷却するためのヒートシンクを備えた電子装置に関し、特に、ヒートシンクの放熱部となるフィン組立体の構造に関する。

電子部品に取り付けられるヒートシンクは、放熱部の表面積を広くして、熱を拡散させやすいように、多数のフィンを組み立てたフィン組立体を有するのが一般的である。
従来のフィン組立体は、複数の長板状のフィンを平行に配置したものが殆どであった。

フィン組立体は金属製なので、個々のフィン又は隣り合うフィンの間に形成されるスロット部分がそれぞれアンテナとなって、電磁波の不要輻射をもたらすことがある。
しかし、従来のヒートシンクには、熱放射効率の向上という視点だけで、フィン組立体自体が電磁波の不要輻射源となる問題を解決しようとする思想はなかった。
本発明は、外部への電磁波の不要輻射又は外部からの電磁波の影響を抑制する電子装置及び、電磁波の不要輻射源となることを防止するヒートシンを提供することを、その課題とする。
長板状のフィンが平行に配置されるフィン組立体では、フィン間のスロット部分がスロットアンテナとして動作してしまう。すなわち、スロットの長さがある不要波の波長の１／２であるとき、スロットアンテナは、不要波を輻射してしまう。フィン組立体を電子部品に対する電磁シールドとして見た場合にも、スロットの長さが長いと、そこを通過する電磁波が増えてしまう。そのため、スロットの長さは、冷却用の流体の流れを阻害しない限りにおいて、できるだけ短い方が良い。また、複数の開口部と、各開口部を始端とする筒状の壁部とが形成された導波管構造になっている場合、電磁波の通過を制限する効果がある。
上記の考察に基づき、本発明は、熱を発生し得る電子機器を搭載するための筐体と、この筐体に搭載された前記電子機器で発生した熱を吸収する受熱媒体と、前記筐体の所定部位に設けられたヒートシンクと、前記受熱媒体で吸収された熱を前記ヒートシンクに導く熱伝達媒体とを備えた電子装置を提供する。
この電子装置において、前記ヒートシンクは、前記筐体の所定部位に網目状の複数の開口部が形成されており、個々の前記開口部は方形状を呈しており、当該開口部それぞれの最も長い内辺の長さは、不要波の最短波長の１／２よりも短くされており、各開口部からは当該開口部を始端とする筒状の壁部が形成されており、前記筐体の内部からいずれかの開口部を介して当該筐体の外部方向へ向かう電磁波、又は、当該筐体の外部からいずれかの開口部を介して当該筐体の内部方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造を有している。冷却効果を高める観点からは、前記ヒートシンクに伝達された熱を前記開口部を通じて前記筐体の外部に放出するためのファンを更に有するものとしても良い。
本発明は、また、電子装置等での使用に適したヒートシンクを提供する。本発明のヒートシンクは、熱を発生し得る被冷却物において生じた熱を放散するためのヒートシンクであって、網目状の複数の開口部と、各開口部を始端とする筒状の壁部とが形成されており、個々の前記開口部は方形状を呈しており、当該開口部それぞれの最も長い内辺の長さは、不要波の最短波長の１／２よりも短くされており、いずれかの開口部から壁部の方向へ向かう電磁波、又は、いずれかの壁部から開口部の方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造を有するものである。
本発明のヒートシンクは、より具体的には、所定の繰り返し形状の断面を有するフィンが複数整列して全体として網目状又は略網目状の複数の開口部と各開口部を始端とする筒状の壁部とが形成されており、個々の前記開口部は方形状を呈しており、当該開口部それぞれの最も長い内辺の長さは、不要波の最短波長の１／２よりも短くされており、いずれかの開口部から壁部の方向へ向かう電磁波、又は、いずれかの壁部から開口部の方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造のフィン組立体を備えるようにする。前記複数のフィンの各々は、例えば、複数の立上がり部及び複数の立下り部を有する形状が繰り返される断面の形状が方形波である板状体であり、これらの断面方形波状のフィンが互いに平行に整列して接合されることにより前記フィン組立体を構成する。
本発明のヒートシンクの他の実施の態様では、被冷却物において生じた熱を吸収する受熱媒体と、この受熱媒体で吸収した熱をいずれかの前記壁部に導く熱伝達媒体とを更に備えたものとする。
本発明の電子装置では、ヒートシンクの開口部が網目状なので、長板状のフィンが平行に配置されるフィン組立体に比べてスロット長を短くすることができ、ヒートシンク自体が電磁波の不要輻射源として動作してしまうことを防止することができると共に、ヒートシンクを被冷却物に対する電磁シールド体として機能させることもできる。
また、所定の繰り返し形状の断面を有するフィンを複数整列させることができるので、ヒートシンクの製造が安易であり、コストも低く抑えることができる。

第１図は、本発明の実施形態によるヒートシンクの概略構成図である。
第２図は、複数のフィンを支持軸に嵌着している状態を示す斜視図である。
第３図は、フィン組立体の外観斜視図である。
第４図は、ある電子機器における隙間の対角線距離と周波数とのシールド効果の関係を示した図である。
第５図は、壁部の構造による電磁波の漏れの様子を示す説明図である。
第６図は、開口部の内壁の長さ及び壁部の長さとシールド効果との関係を示した図である。
第７図は、フィン組立体の他の例を示す外観斜視図である。
第８図は、ヒートシンクを内蔵した電子装置の内部構造を模式的に示した図である。
第９図は、第８図の背面図である。

以下、本発明を適用したヒートシンクの実施の形態例を、図面を参照して説明する。
この実施形態のヒートシンクは、第１図に示されるように、放熱部として機能するフィン組立体１０と、被冷却物に接触して被冷却物、例えば電子部品（図示省略）の発する熱を吸収する受熱板２０と、フィン組立体１０及び受熱板２０に接続されたヒートパイプ３０とを備えている。受熱板２０は、電子部品に当接して当該電子部品で生じた熱を直接吸収するものであっても良く、その電子部品の近傍からその周囲に生じた熱を吸収するものであっても良い。なお、フィン組立体１０を電子部品に当接させる態様、あるいは、フィン組立体１０を電子部品の近傍に配置して、電子部品の周囲に生じた熱を吸収するものであっても良い。
フィン組立体１０は、枠体１３の内部に、複数のフィン１１を配設して構成される。第１図に示されるように、この実施形態のヒートシンクは、被冷却物の発する熱を受熱板２０からフィン組立体１０にヒートパイプ３０を通じて伝達させて被冷却物を冷却するものである。
フィン組立体１０は、例えば第２図のような構造を有する。すなわち、複数の立上がり部及び複数の立下り部を有する方形波の形状が繰り返される断面を有する所定幅の金属板から成るフィン１１を１つずつ図示のように接合するとともに、各フィン１１の略中央部に形成された孔１１ａに、中空筒状の支持軸１２を嵌着して構成される。接合は、導電性接着剤で行っても良く、圧着、溶接その他の手段でそれを行っても良い。これにより、複数のフィン１１は、互いに平行となるように配列され、その断面部が、全体として網目状又は略網目状の複数の開口部を成し、かつ、各開口部を始端とする筒状の壁部が形成される。フィン１１は、原則としてすべて同じ形状及びサイズの金属板であるが、常にそのようにしなければならないというものではなく、一部が同じ形状及びサイズの金属板であっても良い。繰り返される方形波形状の内壁に相当する部分のうち、長手方向の長さＬは、隣り合うフィン１１と接合したときに、そのまま方形状の開口部内壁の長さＬとなる。
このような構造の複数のフィン１１は、第３図に示されるように、枠体１３内に収められ、これによってフィン組立体１０が構成される。
枠体１３にはフィン１１の孔１１ａに対応する連結用孔が設けられており、この連結用孔を通じて、支持軸１２は、中空のヒートパイプ３０に接続される。これにより、受熱板２０からヒートパイプ３０を通じて伝達された熱は、支持軸１２を介して各フィン１１に伝達され、各フィン１１から外部に放散されることとなる。
本実施形態によるフィン組立体１０の特徴の一つは、開口部とその開口部から延びる壁部の構造にある。例えばすべてのフィン１１が同じ形状及びサイズの場合、第１図乃至第３図に示されるように、これらのフィン１１が整列することにより、フィン組立体１０全体としては、網目状又は略網目状の複数の開口部と各開口部を始端とする筒状の壁部とが形成される。複数のフィン１１の形状及びサイズの一部が同じ場合には、その同じ部分が上記の構造となる。
特に、本実施形態のヒートシンクは、各フィン１１が、方形波の断面を有している。そのため、開口部における各網目の形状もまた方形となる。従って、このフィン組立体１０は、開口部が長辺と短辺とを有する方形であり、開口部から一定長延びる壁部を有する方形導波管の構造となっている。方形導波管の開口部に相当する各網目の長辺の長さＬ（第２図参照）は、想定される不要輻射の最短波長の１／２よりも短い。これにより、フィン組立体１０が意図しないスロットアンテナとして機能してしまうことを防ぐことができ、フィン組立体１０自体が不要輻射源となってしまうことを避けることができる。また、２Ｌよりも長い波長を有するノイズに対するシールド効果を発揮することもできる。
以下、このことを詳細に説明する。方形導波管は、遮断波長λｃ以上の電磁波を通さないという性質がある。本実施形態のフィン組立体１０は、この性質を利用したものである。遮断波長λｃは、方形導波管の長辺の内壁の長さの２倍の長さの波長である。遮断波長λｃに対応する周波数は、遮断周波数（ｆｃ）と呼ばれる。遮断周波数ｆｃは、「３×１０＾１０／λｃ」の式より求めることができる。従って、フィン組立体１０の開口部を方形導波管の開口部に対応させ、その長辺の内壁の長さＬを電磁波の不要輻射の最短波長の１／２よりも短くすることにより、不要放射に対するシールド効果を発揮することができる。
電子機器において電磁波の影響を考慮した規格としてＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）規格がある。電子機器を設計する場合、隙間や外部とのインタフェースケーブルの存在を無視すれば、ＥＭＣ規格を満足するシールド効果を得ることは、さほど困難なことではない。しかし、実際の電子機器は、隙間だらけでインタフェースケーブルも付いており、電磁波の不要放射は必ず生じる。ある電子機器における隙間の対角線距離と周波数とのシールド効果の関係は、第４図に例示される。第４図において、横軸は周波数、縦軸がシールド効果［ｄＢ］である。
開口部の平面サイズだけに着目すれば、遮断周波数ｆｃの半波長以下にすれば、不要輻射は防止されそうである。例えば、３［ＧＨｚ］の場合、遮断波長λｃは１００［ｍｍ］、開口部の長辺の長さＬは、５０［ｍｍ］となる。つまり、３［ＧＨｚ］においては、長辺が５０［ｍｍ］以下の隙間や穴は、電磁波の不要輻射を防止する観点からは、開けてはならないことになる。しかし、それは現実的ではない。そこで、開口部から延びる壁部の長さも考慮することになる。
第５図は、壁部の構造による電磁波の漏れの様子を示している。開口部の内径が大きくなるにつれて、つまり、第５図の左側から右側に向かうにつれて、電磁波は開口部の内部から外部方向に漏れやすくなる。しかし、第５図の右側に示されるように（円で囲んだ部分）、開口部の内径がその左隣のものと同じであっても、壁部が筒状になっている場合は、電磁波の漏れは抑制される。開口部の内径ｇは、上述した長辺の長さＬに相当する。壁部の長さｄと、この内壁ｇとの関係は、実測によれば、第６図に示されるようになる。第６図は、横軸が遮断周波数ｆｃ［ＧＨｚ］、縦軸がシールド効果［ｄＢ］である。第６図によれば、実用的なシールド効果が得られる開口部のサイズは、約２７・ｄ／ｇ前後となることがわかる。なお、第５図は、開口部の内側から漏れる電磁波の例を示しているが、その逆も同じとなる。
このように、本実施形態のフィン組立体１０は、個々の開口部から壁部の方向へ向かう電磁波、又は、個々の壁部から開口部の方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造なので、簡易な構造で電磁波のシールド効果を得ることができる。
加えて、本実施形態においては、各網目の形状が長方形であることから、長さＬを特定しやすく、不要輻射抑制の制御やそれを意図した設計も容易になる。更には、繰返し波形状のフィン１１を複数個並置することにより網目状の開口部を形成しているので、製造も容易でコストも低く抑えることができる。
なお、開口部の形状は、導波管構造であれば良いので、必ずしも長方形に限らず、正方形その他の形状であっても良いことはもちろんである。
第７図は、フィン組立体の他の構造例を示している。このフィン組立体１１０は、各フィンに複数の孔を形成し、これらの孔に、それぞれ中空筒状の支持軸を嵌着したものである。このような構成のフィン組立体１１０は、上述したフィン組立体１０に比べて熱の放射効率をより高めることができる。複数の支持軸は、それぞれヒートパイプ１３１，１３２，１３３を通じて図示しない受熱板に接続される。この場合、受熱板は、最大で、ヒートパイプの数だけ設けることができる。
以上、本発明のヒートシンクについて具体的な例を掲げて説明してきたが、本発明は、上述した構造のヒートシンクに限られず、様々な変更が可能である。例えば、フィン組立体１０，１１０の近傍にファンを配置してフィン組立体１０，１１０からの放熱を積極的に行う（所謂アクティブタイプ）こととしても良い。また、フィン組立体１０，１１０と受熱板２０をヒートパイプ３０で接続する形態に代えて、受熱板２０（又は受熱ブロック等）の上部にフィン組立体１０を直接設けることとしても良い。
次に、本発明のヒートシンクを内蔵した電子装置の実施形態例を、第８図及び第９図を参照して説明する。第８図は、電子装置の内部構造を模式的に示した図、第９図はその背面図である。ここでは、受熱板１２０と、３つのヒートパイプ１３１，１３２，１３３と、フィン組立体１１０とを有するヒートシンクの例を示す。このヒートシンクは、電子装置の筐体１００に、図示のように配設される。すなわち、筐体１００の所定部位に配された電子機器、例えばプロセッサボード上に、受熱板１２０を配備し、プロセッサボードで発生した熱をこの受熱板１２０で吸収する。受熱板１２０で吸収した熱は、ヒートパイプ１３１，１３２，１３３を通じてフィン組立体１１０に伝達される。
フィン組立体１１０は、筐体１００の側面部に取り付けられており、網目状又は略網目状の複数の開口部が、筐体に形成された開口部１０１（第９図参照）から露出するようになっている。つまり、筐体１００の内部の空気と筐体外部との間で空気の流通が可能になっている。フィン組立体１１０の各開口部からは当該開口部を始端とする筒状の壁部が形成されており、筐体１００の内部からフィン組立体１１０の開口部及び筐体の開口部１０１を介して筐体１００の外部方向へ向かう電磁波、又は、筐体１００の外部から筐体の開口部１０１を介して筐体１００の内部方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造を有することは、上述したとおりである。
なお、図示を省略したが、フィン組立体１１０の背後にファンを設け、フィン組立体１１０に伝達された熱をファン及び開口部１０１を通じて筐体１００の外部に放出するようにしても良い。
また、第８図及び第９図では、受熱板１２０とフィン組立体１１０とを３本のヒートパイプ１３１，１３２，１３３で接続したヒートシンクの例を示したが、ヒートパイプの数は４本以上であっても良い。また、受熱板１２０をフィン組立体１１０に直づけする場合には、ヒートパイプは不要となる。さらに、電子機器がフィン組立体１１０の近傍にあるときは、受熱板１２０を省略することもできる。フィン組立体１１０も一つに限定されず、複数に分割して筐体１００に取り付けても良い。

Claims (6)

1. 熱を発生し得る電子機器を搭載するための筐体と、
   この筐体に搭載された前記電子機器で発生した熱を吸収する受熱媒体と、
   前記筐体の所定部位に設けられたヒートシンクと、
   前記受熱媒体で吸収された熱を前記ヒートシンクに導く熱伝達媒体とを備えており、
   前記ヒートシンクは、
   前記筐体の所定部位に網目状の複数の開口部が形成されており、
   個々の前記開口部は方形状を呈しており、当該開口部それぞれの最も長い内辺の長さは、不要波の最短波長の１／２よりも短くされており、
   各開口部からは当該開口部を始端とする筒状の壁部が形成されており、
   前記筐体の内部からいずれかの開口部を介して当該筐体の外部方向へ向かう電磁波、又は、当該筐体の外部からいずれかの開口部を介して当該筐体の内部方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造を有する、
   電子装置。
2. 前記ヒートシンクに伝達された熱を前記開口部を通じて前記筐体の外部に放出するためのファンを更に有する、
   請求項１記載の電子装置。
3. 熱を発生し得る被冷却物において生じた熱を放散するためのヒートシンクであって、
   網目状の複数の開口部と、各開口部を始端とする筒状の壁部とが形成されており、
   個々の前記開口部は方形状を呈しており、当該開口部それぞれの最も長い内辺の長さは、不要波の最短波長の１／２よりも短くされており、
   いずれかの開口部から壁部の方向へ向かう電磁波、又は、いずれかの壁部から開口部の方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造を有する、
   ヒートシンク。
4. 熱を発生し得る被冷却物において生じた熱を放散するためのヒートシンクであって、
   所定の繰り返し形状の断面を有するフィンが複数整列して全体として網目状の複数の開口部と各開口部を始端とする筒状の壁部とが形成されており、
   個々の前記開口部は方形状を呈しており、当該開口部それぞれの最も長い内辺の長さは、不要波の最短波長の１／２よりも短くされており、
   いずれかの開口部から壁部の方向へ向かう電磁波、又は、いずれかの壁部から開口部の方向へ向かう電磁波の通過を制限する導波管構造のフィン組立体を備えて成る、
   ヒートシンク。
5. 複数の前記フィンの各々は、複数の立上がり部及び複数の立下り部を有する形状が繰り返される断面の形状が方形波である板状体であり、
   これらの断面方形波状のフィンが互いに平行に整列して接合されることにより前記フィン組立体を構成する、
   請求項４記載のヒートシンク。
6. 前記被冷却物において生じた熱を吸収する受熱媒体と、
   この受熱媒体で吸収した熱をいずれかの前記壁部に導く熱伝達媒体とを更に備えて成る、
   請求項３乃至５のいずれかの項記載のヒートシンク。

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