JP5041435B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク、特に、サーバ等に用いられるヒートシンク、または、薄型ディスプレイ用のヒートシンクに関する。

基板等に搭載されたＣＰＵ、素子等の発熱部品の発熱量、発熱密度が増大し、これらを効率的に放熱するために、各種のヒートシンクが提案されている。金属板材とヒートパイプを組み合わせたヒートシンクとして、例えば、発熱部品の熱を金属板材に移動させ、更に、ヒートパイプによって金属板材の全体にわたって熱拡散して均熱化したり、発熱部品の熱をヒートパイプによって所定の位置に移動して放熱フィン等によって放散することが行われている。

金属板へのヒートパイプの固定方法が、特開平９−１５９３８１号公報に開示されている。
従来の金属板へのヒートパイプの固定方法を図７から図９に示す。図７に示すように、平らな金属板１０１上に、概ね円形断面のヒートパイプ１０２がその金属板上の加熱箇所から冷却箇所に至るように這わされて配置されている。この円形断面のヒートパイプの両先端部は、図８のように、概ね円形断面のヒートパイプの外周の形状に合わせて概ね円形状に湾曲されて形成されたホールド部１１９と、平面状の固定部１２０とを備えた両側支持金具１０３により、金属板１０１上に押さえ付けられて固定されている。

そして、両側支持金具１０３のヒートパイプ１０２を挟んだ両側において、両側支持金具１０３の固定部１２０を貫通したネジ１０４が備えられ、このネジ１０４を締め付けることにより、金属板１０１上に円形断面のヒートパイプの両端部が固定されている。なお、金属板１０１と円形断面のヒートパイプ１０２との間隙には熱伝達面積を増大するためにサーマルグリス１０６が注入されている。また、円形断面のヒートパイプ１０２を固定する金具には、図９に示すようにホールド部１２１および片側のみをネジ１０７により支持する固定部１２２を備えた片側支持金具１０５が用いられることもあるが、この種の金具では、ホールド部１２１のホールド力が弱く、円形断面のヒートパイプ１０２と片側支持金具１０５とが接する部分との間に隙間１０８を生じることがあるので、サーマルグリス１０６が注入されている。

その他、最近では、大型液晶表示装置が実用化されてきた。大型液晶表示装置に光源として使用される蛍光管を使用して白色光を発光する冷陰極蛍光管や発光ダイオード等の発熱素子の発生する熱の処理が問題になってきている。大型液晶表示装置においては、バックシャーシ、伝熱シート等が使用され、これらを利用した放熱処理が求められている。
特開平９−１５９３８１号公報 特開２００７−３２２６９７号公報 特開２００５−２０２０３６号公報

特許文献１に開示された従来の方法では、ヒートパイプの両端部を、ホールド部１１９と、平面状の固定部１２０とを備えた両側支持金具１０３により、平らな金属板に取り付けるため、金属板、ヒートパイプおよび支持金具を含む全体の厚さが大きくなり、薄型化された電子機器に使用することができなくなるという問題点がある。
更に、ヒートパイプが金属板を介して発熱部品に熱的に接続されるので、発熱密度が高くなると放熱効率に劣るという問題点がある。

また、特許文献２および３に開示されたような透過型カラー液晶表示装置としての薄型ディスプレイにおいては、ディスプレイが大型になり、その性能が高まるにつれて、発熱素子（ＬＥＤ）の発生する熱を、広い範囲において効果的に処理することが必要である。使用されるバックシャーシ、伝熱シート等にヒートパイプを接続する場合に、全体の厚さが制限されるという問題点がある。

したがって、本発明の目的は、厚さが薄く、且つ放熱効率に優れたヒートシンク、および、薄型ディスプレイ用のヒートシンクを提供することにある。

発明者は上述した従来の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートの櫛部間の空間にそれぞれヒートパイプを装着し、このようにヒートパイプが装着された櫛型金属プレートに、切り起こしフィン部を接合すると、薄型で簡易に製作でき、高い放熱性能を備えたヒートシンクが得られることが判明した。

更に、薄型ディスプレイのバックライト装置に使用されている、各種基板等の変形を抑制し、これらを保護するバックシャーシの一部を切り抜き、切り抜いた部分に、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートの櫛部間の空間にそれぞれヒートパイプを装着し、このようにヒートパイプが装着された櫛型金属プレートに、切り起こしフィン部を熱的に接続したヒートシンクを嵌め込むことによって、バックシャーシに取り付けられた発光素子の熱を、薄さを維持しながら、高い性能で、効率的に放熱することができることが判明した。この発明は上述した研究結果に基づいてなされたものである。

この発明のヒートシンクの第１の態様は、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートと、
前記櫛型金属プレートの櫛部間の空間に装着されたヒートパイプと、
前記ヒートパイプが装着された前記櫛型金属プレートに熱的に接続されたフィン部と、
を備え、
前記フィン部は、金属板を切り起こして形成した切り起こしフィン部であり、
前記切り起こしフィン部が、プレート部と、前記プレート部を垂直方向に切り起こして形成された複数のフィンと、切り起こしによって形成された複数の開口部と、を備え、
前記ヒートパイプは、前記櫛型金属プレートの櫛部の厚さと概ね同じ厚さを有する板型ヒートパイプまたは扁平型ヒートパイプであり、
前記ヒートパイプの形状は、前記ヒートパイプが前記櫛部間の空間に装着されたとき、前記櫛型金属プレートの表面と前記ヒートパイプの表面とが概ね同一平面を形成し、かつ、前記櫛型金属プレートの裏面と前記ヒートパイプの裏面とが概ね同一平面を形成し、かつ、前記櫛部間の空間の３つの辺と前記ヒートパイプの３つの辺とが熱的に接続される形状であることを特徴とするヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第２の態様は、上記のこの発明のヒートシンクの第１の態様において、前記櫛型金属プレートの脚部を含む一部に接触又は接合され、前記櫛型金属プレートの脚部側から延伸した前記ヒートパイプに接合されている金属プレートを更に備えているヒートシンクである。

この発明のヒートシンクの第３の態様は、上記のこの発明のヒートシンクの第２の態様において、前記櫛型金属プレートに対し、前記フィン部と前記金属プレートとが同じ主面側に装着されているヒートシンクである。

この発明の薄型ディスプレイ用のヒートシンクの第１の態様は、薄型ディスプレイ装置の背面側に配置されて、各種基板等の変形を抑制するバックシャーシに、上記のこの発明のヒートシンクの第１乃至３のいずれか１つの態様に記載のヒートシンクが熱的に接続されている、薄型ディスプレイ用のヒートシンクである。

この発明によると、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートの櫛部間の空間にそれぞれヒートパイプを装着し、このようにヒートパイプが装着された櫛型金属プレートに、切り起こしフィン部を接合するので、薄型で簡易に製作でき、高い放熱性能を備えたヒートシンクを得ることができる。

この発明によると、薄型ディスプレイのバックライト装置に使用されている、各種基板等の変形を抑制し、これらを保護するバックシャーシの一部を切り抜き、切り抜いた部分に、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートの櫛部間の空間にそれぞれヒートパイプを装着し、このようにヒートパイプが装着された櫛型金属プレートに、切り起こしフィン部を熱的に接続したヒートシンクを嵌め込むので、バックシャーシの他方の面に取り付けられた発光素子の熱を効率的に放熱することができる。

更に、放熱効率に優れたヒートパイプを組み込みながら、概ね２枚の板材の厚さのヒートシンクを嵌め込むので、薄型のヒートシンクを提供できる。
ヒートシンクにフィンを鉛直方向に配置すると、フィンに沿って自然対流が生じ、効果的な放熱が可能になる。
更に、この発明によると、一枚板から軽易にフィンを切り起こしによって形成することができるので、部品数を少なくし、製品の設計に自由度をもたせつつ、軽量で、発熱素子の熱を効果的に放熱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。

この発明のヒートシンクの１つの態様は、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートと、前記櫛型金属プレートの櫛部間の空間に装着されたヒートパイプと、前記ヒートパイプが装着された前記櫛型金属プレートに熱的に接続された切り起こしフィン部とからなるヒートシンクである。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を説明する斜視図である。ヒートシンク４は、複数の櫛部を有する櫛型金属プレート５と、櫛型金属プレート５の櫛部間の空間に装着されたヒートパイプ６と、ヒートパイプ６が装着された櫛型金属プレート５に熱的に接続された切り起こしフィン部８と、切り起こしフィン部８と並列して配置された金属プレート７とからなっている。即ち、櫛部の間の空間にヒートパイプ６が装着された櫛型金属プレート５の頭部側に、切り起こしフィン部８、脚部側に金属プレート７が並列配置されている。金属プレート７は、櫛型金属プレート５の櫛部の間の空間に装着されたヒートパイプ６の延伸した脚部の上に、切り起こしフィン部８と並列して配置されている。

図２から図５は、ヒートシンクを製作する工程を説明する図である。図２は櫛型金属プレートにヒートパイプを装着する状態を説明する図である。図２に示すように、櫛型金属プレート５は、一体的に形成された、頭部１４と、並列に配置された複数の櫛部１２とからなっており、複数の櫛部１２の間にはそれぞれ空間１３がある。複数の櫛部１２は概ね同じ大きさの同一の形状からなっている。櫛部１２の間の空間も同様に概ね同じ大きさの同一の形状からなっている。複数の櫛部１２は頭部１４によって連結されて、一体物としての櫛型金属プレート５を形成している。頭部１４の反対側の端部には、櫛部１２の脚部１５が位置している。

図２に示すように、櫛型金属プレート５の櫛部１２の間の空間１３の各々に、平面型ヒートパイプ６または扁平型ヒートパイプ６が装着される。即ち、空間１３の３つの辺に、ヒートパイプの対応する３つの辺が、熱抵抗が小さくなるように、ヒートパイプが嵌め込まれて、熱的に接続される。
櫛型金属プレート５の櫛部１２の間の空間１３に、ヒートパイプ６の先端部が接合された状態では、ヒートパイプ６の他方の端部は、櫛部１２の脚部１５から延伸して頭部１４と反対側に突き出ている。

櫛型金属プレート５の厚さと、ヒートパイプ６の厚さは概ね同一であるので、ヒートパイプ６が櫛部１２の間の空間１３に嵌め込まれた状態では、櫛型金属プレート５の表面と、ヒートパイプ６の表面とが概ね同一平面を形成し、櫛型金属プレート５の裏面とヒートパイプ６の裏面とが概ね同一平面を形成している。

図３は、櫛部の間にヒートパイプが嵌め込まれた櫛型金属プレートに金属プレートを接合する状態を説明する図である。図２を参照して説明した、櫛部１２の間にヒートパイプ６が嵌め込まれた櫛型金属プレート５の上に金属プレート７を半田付け等によって接合する。金属プレート７は平らな一枚板で、先端部が櫛部１２の脚部１５を覆い、主部が櫛部１２の脚部１５から延伸している複数のヒートパイプ６の上面を覆うように、櫛部１２の間にヒートパイプ６が嵌め込まれた櫛型金属プレート５に接合される。

櫛部１２の間にヒートパイプ６が嵌め込まれた櫛型金属プレート５に、金属プレート７が接合された状態では、裏面は、櫛部１２およびヒートパイプ６が同一面に位置し、表面は、金属プレート７の部分が、厚さ分だけ、櫛型金属プレート５の面よりも高く位置している。従って、この段階では、ヒートシンクの厚さは、櫛型金属プレートの厚さと金属プレートの厚さを合わせた厚さになっている。

図４は、ヒートパイプおよび金属プレートが接合された櫛型金属プレートに切り起こしフィン部を接合する状態を説明する図である。図３を参照して説明した、櫛部１２の間にヒートパイプ６が嵌め込まれ、一部に金属プレート７が接合された櫛型金属プレート５の上に、切り起こしフィン部８を半田付け等によって接合する。切り起こしフィン部８は、金属の平らな一枚板を、所定の形状、例えば、コの字形に三辺に切り込みを入れて、残りの部分を折り曲げて、切り起こしたものである。

切り起こしフィン部８は、平らなプレート部１６と、プレート部１６を、プレート部に垂直方向に切り起こして形成された複数のフィン９と、切り起こしによって形成された複数の開口部１１とを備えている。この態様では、切り起こして形成された複数のフィン９の形状は、プレート部１６の概ね全長にわたって連続した状態（即ち、１つの部分）で切り起こして形成されているが、複数の切り起こし部分を間歇的に形成してもよい。フィン９の方向は、ヒートパイプ６と直交する方向だけでなく、ヒートパイプ６と平行な方向であってもよい。切り起こしフィン部８の大きさは、ヒートパイプ６が嵌め込まれた櫛型金属プレート５の金属プレート７に覆われていない部分と概ね同一である。

図４に矢印で示すように、ヒートパイプ６が嵌め込まれた櫛型金属プレート５の金属プレート７に覆われていない部分の上に、切り起こしフィン部８が合わせられて接合される。このようにして、図１に示したような、ヒートシンク４が形成される。図４に示すように、複数のフィン９がヒートパイプに直交する方向に配置される。切り起こしフィン部８の厚さは、概ね金属プレート７と同一であり、櫛型金属プレート５上に接合されたきり起こしフィン部８のプレート部１６の表面と、金属プレート７の表面とが概ね同一面を形成する。なお、図１に示すように、切り起こしによって形成された開口部１１からヒートパイプ６が見える。

図５（ａ）は、金属プレート７側から見たヒートシンクの側面図である。この態様は、切り起こしフィン部８のフィン９が図５（ｂ）に示すように、ヒートパイプ６と平行に形成されている。図５（ａ）に示すように、ヒートシンク４の厚さは、櫛型金属プレート５（櫛部１２）と、金属プレート７の厚さの合計であり、フィン９がその上に突出している。上述したように、ヒートシンク４の厚さは、ヒートパイプ６を組み込みながら、櫛型金属プレート５と金属プレート７の厚さの合計厚さであるので、非常に薄型で、高い放熱能力を備えている。

次に、この発明の薄型ディスプレイ用のヒートシンクについて図面を参照しながら説明する。
この発明の薄型ディスプレイ用のヒートシンクの１つの態様は、薄型ディスプレイ装置の背面側に配置されて、各種基板等の変形を抑制する、一部に切り抜き部分を有するバックシャーシの切り抜き部分に、複数の櫛部を有する櫛形金属プレートと、櫛型金属プレートの櫛部間の空間に装着されたヒートパイプと、ヒートパイプが装着された櫛型金属プレートに熱的に接続された切り起こしフィン部とからなる、発光素子の熱を放熱するヒートシンクを備えた、薄型ディスプレイ用のヒートシンクである。

一般に、薄型ディスプレイの１つの例としての透過型カラー液晶表示装置は、透過型のカラー液晶表示パネルと、カラー液晶表示パネルの背面側に設けられたバックライト装置とからなっている。透過型のカラー液晶表示パネルは、ガラス等で構成された２枚の透明な基板（ＴＦＴ基板、対向電極基板）を互いに対向配列させ、その間隙に、ＴＮ（ツイステッドネマチック）液晶を封入した液晶層を設けている。
ＴＦＴ基板には、マトリックス状に配列された信号線、走査線、信号線および走査線の交点に配列されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタ、および、画素電極が形成されている。対向電極基板には、その内表面に対向電極およびカラーフィルタが形成されている。

バックライト装置は、光源や、光源から出射された光を白色光へと混色するために、バックライト筐体内に、拡散板、拡散板上に重ねて配列される拡散シート、プリズムシート、偏光変換シート等の光学機能シート群を備えている。
光学機能シート群は、例えば、入射光を直交する偏光成分に分解する機能、光波の位相差を補償して広角視野角化や着色防止を図る機能、入射光を拡散させる機能、輝度向上を図る機能などを備えたシートからなっている。

液晶表示パネルの背面側に組み合わされて照明光を照射するバックライト装置は、液晶表示パネルの背面と概ね同じ大きさの外形寸法を有しており、背面フレーム部材に組み合わされるバックシャーシと、バックシャーシに取り付けられ、複数の発光素子を光源として照明光を照射する光源ブロックと、バックシャーシと対向間隔を介して取り付けられ光学機能を有する光学機能シート群とを有している。

図６は、バックシャーシにおける切り抜き部と、切り抜き部分に嵌込まれる装着するヒートシンクの位置を示す図である。個々のヒートシンクは、例えば、フィン部が鉛直方向に位置するように配置される。バックシャーシ２は、薄型ディスプレイのバックライト装置に使用されて、各種基板等の変形を抑制し、これらを保護する。バックシャーシ２の液晶表示パネル側の面には、光源として複数の発光素子が取り付けられている。図６に示すように、バックシャーシ２には、垂直方向に、バックシャーシ２の強度を補完するために複数の柱状部材３（図の態様では、２本）が設けられている。

バックシャーシ２は、上述したように各種基板等の変形を抑制し、これらを保護する機能を備えているので、亜鉛メッキ鋼板等の強度の大きい鋼板が使用されている。バックシャーシ２の好ましくは、上部の所定位置に切り抜き部１０を形成し、切り抜き部分１０にその形状に対応した熱伝導性に優れたヒートシンク４を嵌め込む。バックシャーシ２は上述したように、各種基板等の変形を抑制しこれらを保護するため所望の強度が要求される。このため、切り抜き部分１０を形成するときには、所望の強度を維持するように留意する必要がある。

従って、柱状部材３の近傍に切り抜き部１０を形成する。図６に示す態様では、２つの柱状部材３の中央部に２つの切り抜き部１０を形成している。バックシャーシ２の上部に切り込み部を設けるのは、バックライト装置内で発光素子によって生じた熱は、上部に上昇して、バックシャーシ２の上部の温度が上昇するからである。
このようにバックシャーシ２の上部に切り抜き部１０を形成し、切り抜き部１０に熱伝導性に優れたヒートシンク４を嵌め込むことによって、バックシャーシ２の液晶表示パネル側の面に取り付けられた、光源として複数の発光素子の熱を効果的に放熱することができる。

図１から５に示したヒートシンク４を、図６に示すように、バックシャーシ２の所定の位置に配置することができる。その際、フィン９の向きをバックシャーシ２の柱状部材３と平行にすることによって、フィン９に沿った自然対流を形成することができる。
ヒートパイプ６の内部には作動流体の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動流体が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。即ち、ヒートパイプ６の吸熱側において、ヒートパイプ６を構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた発光素子が発する熱により、作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプ６の放熱側に移動する。放熱側においては、作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。このように液相状態に戻った作動流体は再び吸熱側に移動（還流）する。このような作動流体の相変態や移動によって、大量の熱の移動が行われる。

切り抜き部分１０に嵌め込むヒートシンク４は、機械的な変形、即ちかしめによって固定し、または、更に半田を併用してもよい。鉛メッキ鋼板は、半田によってアルミニウム等の伝熱部材を容易に接合することができる。
櫛型金属プレート５および金属プレート７は、金属板材からなり、例えば、アルミニウムプレートからなっている。

上述したように、薄型ディスプレイのバックライト装置に使用されている、各種基板等の変形を抑制し、これらを保護するバックシャーシに切り込み部を形成し、そこに複数の櫛部を有する櫛形金属プレートの櫛部間の空間にそれぞれヒートパイプを装着し、このようにヒートパイプが装着された櫛型金属プレートに、切り起こしフィン部を熱的に接続したヒートシンクを嵌め込んで固定するので、バックシャーシの他方の面に取り付けられている、光源としての発光素子の熱を効率的に放熱することができる。

上述したように、この発明によると、厚さが薄く、且つ放熱効率に優れたヒートシンク、および、薄型ディスプレイ用のヒートシンクを提供することができる。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を説明する斜視図である。 図２は櫛型金属プレートにヒートパイプを装着する状態を説明する図である。 図３は、櫛部の間にヒートパイプが嵌め込まれた櫛型金属プレートに金属プレートを接合する状態を説明する図である。 図４は、ヒートパイプおよび金属プレートが接合された櫛型金属プレートに切り起こしフィン部を接合する状態を説明する図である。 図５は、金属プレート７側から見たヒートシンクの側面図である。 図６は、バックシャーシにおける切り抜き部と、切り抜き部分に嵌込まれる装着するヒートシンクの位置を示す図である。 従来の金属板へのヒートパイプの固定方法を説明する図である。 従来の金属板へのヒートパイプの固定方法を説明する図である。 従来の金属板へのヒートパイプの固定方法を説明する図である。

符号の説明

１ 薄型ディスプレイ用のヒートシンク
２ バックシャーシ
３ 柱状部材
４ ヒートシンク
５ 櫛型金属プレート
６ ヒートパイプ
７ 金属プレート
８ 切り起こしフィン部
９ フィン
１０ 切り抜き部
１１ 開口部
１２ 櫛部
１３ 空間
１４ 頭部
１５ 脚部
１６ プレート部

Claims (4)

1. 複数の櫛部を有する櫛形金属プレートと、
   前記櫛型金属プレートの櫛部間の空間に装着されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプが装着された前記櫛型金属プレートに熱的に接続されたフィン部と、
   を備え、
   前記フィン部は、金属板を切り起こして形成した切り起こしフィン部であり、
   前記切り起こしフィン部が、プレート部と、前記プレート部を垂直方向に切り起こして形成された複数のフィンと、切り起こしによって形成された複数の開口部と、を備え、
   前記ヒートパイプは、前記櫛型金属プレートの櫛部の厚さと概ね同じ厚さを有する板型ヒートパイプまたは扁平型ヒートパイプであり、
   前記ヒートパイプの形状は、前記ヒートパイプが前記櫛部間の空間に装着されたとき、前記櫛型金属プレートの表面と前記ヒートパイプの表面とが概ね同一平面を形成し、かつ、前記櫛型金属プレートの裏面と前記ヒートパイプの裏面とが概ね同一平面を形成し、かつ、前記櫛部間の空間の３つの辺と前記ヒートパイプの３つの辺とが熱的に接続される形状であることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記櫛型金属プレートの脚部を含む一部に接触又は接合され、前記櫛型金属プレートの脚部側から延伸した前記ヒートパイプに接合されている金属プレートを更に備えている、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記櫛型金属プレートに対し、前記フィン部と前記金属プレートとが同じ主面側に装着されている、請求項２記載のヒートシンク。
4. 薄型ディスプレイ装置の背面側に配置されて、各種基板等の変形を抑制するバックシャーシに、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンクが熱的に接続されていることを特徴とする薄型ディスプレイ用のヒートシンク。

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