JP5106292B2 - ヒートシンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、押し出し成形によって形成されるヒートシンク、特に押し出し成形によって形成されたヒートシンク材を加工して、風上側と風下側における温度差の小さいヒートシンクを製造する方法およびこの方法によって製造されたヒートシンクに関する。

ＣＰＵ、素子等の発熱量、発熱密度の増大によって、放熱効率に優れたヒートシンクが求められている。一方で低コストで製造することができるヒートシンクが要求されている。発熱素子はそれぞれ所定の温度を超えると熱によって機能が低下したり、破損されたりする。従って、ヒートシンクは、発熱素子の温度がその耐熱温度を超えないように、発熱素子の熱を分散し、放熱するために用いられる。低コストで製造が容易なヒートシンクとして、押し出し成形によるベース部と放熱フィン部が一体化されたヒートシンクが広く用いられている。ＩＣ、パワートランジスター、電池などの発熱素子の冷却に使用される従来の押し出し成形によって形成されたヒートシンクでは、フィンピッチが固定されているために、放熱フィンに冷却風が当る風上側と、フィンに当って温度が上がった冷却風が通過する風下側において大きな温度差を生じていた。

図９は従来のヒートシンクを説明する図である。複数の発熱素子が一方の面に熱的に接続されるベースプレートの他方の面に複数の放熱フィンが所定間隔を空けて平行に配置されている。複数の発熱素子はベースプレートの長軸方向に配置されている。冷却風は、矢印に示すように、放熱フィンの風上側から風下側に向かって放熱フィンの間を流れる。ヒートシンクは、押し出し成形によって形成されている。

図１０は、放熱フィンの間を流れる冷却風の温度を示すグラフである。図１０において、横軸に温度を、縦軸にヒートシンクの近端部からの距離を示している。図１０に示すように、従来のヒートシンクの放熱フィンの近端部では、冷却風の温度は著しく低いが、放熱フィンの遠端部に向かって次第に冷却風の温度が高くなり、遠端部に位置する発熱素子の部分では温度は非常に高くなっている。
特開２００１−２１０７６６号公報

ヒートシンクのベースプレートの一方の面に、ベースプレートの長手方向に沿って熱的に接続された複数の発熱素子の熱は、先ずベースプレートに伝わり、次いで、ベースプレートの他方の面に熱的に接続された放熱フィンに伝わって、放熱フィンの間を流れる冷却風に移動して放散される。このとき、図１０にグラフで示すように、冷却風の温度は、風上側では低く、風上側から風下側に行くにしたがって、大きく上昇している。即ち、風上側と風下側の間では大きさ温度差を生じている。

従って、風上側と風下側に配置された発熱素子の間の温度差が大きくなり、次のような問題点がある。
複数の発熱素子の中で、最も風下側に配置されている発熱素子の温度が高く、耐熱温度を超えている。
ヒートシンクの長手方向に沿って配置された複数の発熱素子の間で温度差が生じてプッシュプル回路に動作上の不都合が生じる。
複数の発熱素子の間で温度差が生じるので、発熱素子の寿命に差が生じる。

従って、この発明の目的は、ベースプレートに熱的に接続された発熱素子が耐熱温度を超えることがなく、複数の発熱素子の間に大きな温度差が生じない空冷のヒートシンクおよびヒートシンクの製造方法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べく鋭意研究を重ねた。その結果、風上側の熱抵抗よりも風下側の熱抵抗が低いような熱抵抗特性を有するヒートシンクでは、風上側の温度と風下側の温度との間における温度差が小さくなることが判明した。更に、風下側の温度上昇値を発熱素子の耐熱温度のスペック内になるように設定すると、ヒートシンクに熱的に接続される発熱素子が耐熱温度を超えることなく、且つ、風上側と風下側の温度差を小さくすることができることが判明した。

更に、上述したヒートシンクは、複数の発熱素子を使用し、発熱素子間の温度差が生じると動作上に不都合が生じる例えばプッシュプル回路を備えた発熱素子のような冷却に適していることが判明した。更に、押し出し成形によって形成されたヒートシンクは、フィンピッチが固定されている等、柔軟性にかけるが、機械的に一部を加工することによって、容易に風上側の熱抵抗よりも風下側の熱抵抗が低くなるように設定することができることが判明した。
この発明は、上述した研究成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製造方法の第１の態様は、ベース部と、該ベース部の一方の面に設けられており、長手方向に連続して伸びる板状のフィンを複数並列に配置したフィン部とを備えるヒートシンク材を、押し出し成型によって一体的に形成し、
前記フィン部の前記複数のフィンの一部を、風上側から所定の長さだけ幅方向に均等の割合で切り欠き、風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるように加工して、風上側と風下側とで冷却風の温度差が小さくなるようにしたヒートシンクを製造することを特徴とする。

この発明のヒートシンクの製造方法の第２の態様は、前記フィン部の前記複数のフィンを風上側から前記ベース部の３０％に相当する長さだけ、幅方向の全幅に亘り切り欠くことにより、前記風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるよう加工することを特徴とする。

この発明のヒートシンクの製造方法の第３の態様は、前記フィン部の前記複数のフィンの風上側の一部を１つおきに、前記風上側から前記ベース部の５０％に相当する長さだけ切り欠くことにより、前記風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるよう加工することを特徴とする。

この発明のヒートシンクの第１の態様は、一方の面に発熱素子が熱的に接続されるベース部と、該ベース部の他方の面に設けられており、長手方向に連続して伸びる板状のフィンを複数並列に配置したフィン部とが、押し出し成型によって一体的に形成されており、
前記フィン部の前記複数のフィンの一部が、風上側から所定の長さだけ幅方向に均等の割合で切り欠かれて、風下側の熱抵抗を風上側の熱抵抗よりも低くして風上側と風下側の冷却風の温度差が小さくなるようにしたことを特徴とする。

この発明のヒートシンクの第２の態様は、前記フィン部の前記複数のフィンの風上側を前記ベース部の３０％に相当する長さだけ、幅方向の全部に亘り切り欠かれていることを特徴とする。

この発明のヒートシンクの第３の態様は、前記フィン部の前記複数のフィンの風上側の一部を一つおきに、前記ベース部の５０％に相当する長さだけ切り欠かれていることを特徴とする。

この発明のヒートシンクは、風上側の熱抵抗よりも風下側の熱抵抗が低いような熱抵抗特性を有しているので、風上側の温度と風下側の温度との間における温度差が小さくすることができる。更に、風下側の温度上昇値を発熱素子の耐熱温度のスペック内になるように設定されるので、ヒートシンクに熱的に接続される発熱素子が耐熱温度を超えることなく、且つ、風上側と風下側の温度差を小さくすることができる。更に、この発明のヒートシンクによると、複数の発熱素子の間で温度差が小さいので、発熱素子間で寿命に差が出ることはない。更に、この発明のヒートシンクによると、発熱素子間における温度差が小さいので、プッシュプル回路に動作上の不都合が生じない。

この発明のヒートシンクおよびヒートシンクの製造方法を、図面を参照しながら説明する。
この発明のヒートシンクの製造方法の１つの態様は、押し出し成形によってベース部およびフィン部が一体的に形成されたヒートシンク材を形成し、
前記ヒートシンク材のフィン部の一部を、風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるように加工して、ヒートシンクを製造するヒートシンクの製造方法である。

図１は、この発明のヒートシンクの１つの態様を示す斜視図である。図１に示すように、この態様のヒートシンク１は、押し出し成形によってベース部２とフィン部３が一体的に形成され、フィン部３の風上側の一部が機械的に加工によって削除されている。即ち、押し出し成形によって形成されたベース部およびフィン部が一体的に形成されたヒートシンクにおいては、ベースの一方の面に等間隔でフィンが複数配置されている（所定のフィンピッチで形成されている）。ベース部の他方の面には、複数の発熱素子（ＩＣ、パワートランジスター、電池などの発熱素子）がベース部の長手方向に沿って所定間隔で配置され、熱的に接続されている。図１に示すように、フィン部の一部が削除された側から冷却風が、複数のフィンの間を矢印で示すように流れる。

図２は、この態様のヒートシンクの平面図である。図２に示すように、押し出し成形によって形成されたヒートシンクの風上側のフィンが所定長さにわたって機械的な加工によって削除されている。フィンとフィンの間には所定の間隔が設けられて、冷却風がフィンの間を流れる。
図３は、この態様のヒートシンクの裏面である。図３に示すように、押し出し成形によって形成されたヒートシンクのベース部の裏面に所定間隔をあけて複数の発熱素子が配置されて、ベース部と熱的に接続されている。

図に示すように、押し出し成形によって形成されたフィン部をヒートシンクの風上側から所定の長さにわたって機械的に加工して切り欠いているが、その切り欠きの長さは、風下側の熱抵抗（即ち、熱の伝わり難さを示し、熱抵抗が大きいと熱が伝わり難く、温度が高くなる）よりも風上側の熱抵抗が高くなるように設定される。一例として、ヒートシンクの長さを１００％としたときの、切り欠き部の長さを３０％に設定すると、風下側の熱抵抗よりも風上側の熱抵抗を高くすることができる。

図４は、図１から３に示す態様のヒートシンクのフィンの間を流れる冷却風の温度を示すグラフである。図４に示すように、この発明のヒートシンクにおいては、風上側の冷却風の温度が高くなり、風下側の冷却風の温度との差が小さくなっていることがわかる（特に、図１０を参照して説明した従来のヒートシンクの場合と比較すると明らかである）。

即ち、ヒートシンクのフィン部について前半部と後半部にわけて考えると、風上側に位置する前半部では、５０％うち３０％が削除され、２０％が残っているので、熱抵抗は切り欠きによって削除される前の状態と比較すると高くなる。一方で、後半部は５０％がそのままの状態で残るので、熱抵抗に変化はない。従って、図４に示すように、前半部の熱抵抗が高くなり、後半部の熱抵抗がそのままの状態であり、結果として、ヒートシンクの風上側に配置される発熱素子とヒートシンクの風下側に配置される発熱素子との間の温度差が小さくなる。

更に、風下側に位置する発熱素子の温度上昇値を、発熱素子の耐熱温度のスペック内になるように設定して、ヒートシンク全体の条件を設定する。このように設定することによって、ヒートシンクに熱的に接続される発熱素子が耐熱温度を超えることはなくなる。

図５は、この発明のヒートシンクの他の１つの態様を示す斜視図である。図５に示すように、この態様のヒートシンク１は、押し出し成形によってベース部２とフィン部３が一体的に形成され、フィン部３の複数のフィンが一本おきに、風上側の一部（図では概ね中央部まで）が機械的に加工によって削除されている。即ち、押し出し成形によって形成されたベース部およびフィン部が一体的に形成されたヒートシンクにおいては、ベースの一方の面に等間隔でフィンが複数配置されている（所定のフィンピッチで形成されている）。

ベース部の他方の面には、複数の発熱素子（ＩＣ、パワートランジスター、電池などの発熱素子）がベース部の長手方向に沿って所定間隔で配置され、熱的に接続されている。図５に示すように、フィン部の複数のフィンが一本おきに、風上側の端部から概ね中央部まで削除されている。このように、フィンが一本おきに切り欠かれた側から冷却風が、複数のフィンの間を矢印で示すように流れる。

図６は、この態様のヒートシンクの平面図である。図６に示すように、押し出し成形によって形成されたヒートシンクのフィン部の複数のフィンが一本おきに風上側から所定長さにわたって機械的な加工によって削除されている。即ち、図に示すように、もとのままのフィン３−１、概ね中央部まで削除されたフィン３−２がベース部に交互に配置されている。フィンとフィンの間には所定の間隔が設けられて、冷却風がフィンの間を流れる。
図７は、この態様のヒートシンクの裏面である。図７に示すように、押し出し成形によって形成されたヒートシンクのベース部の裏面に所定間隔をあけて複数の発熱素子４−１、４−２、４−３が配置されて、ベース部と熱的に接続されている。

図５および図６に示すように、押し出し成形によって形成されたヒートシンクのフィン部の複数のフィンを一本おきに風上側から所定の長さ（概ね中央部まで）にわたって機械的に加工して切り欠いているが、その切り欠きの長さは、全体として、風下側の熱抵抗（即ち、熱の伝わり難さを示し、熱抵抗が大きいと熱が伝わり難く、温度が高くなる）よりも風上側の熱抵抗が高くなるように設定される。一例として、ヒートシンクの長さを１００％としたときの、切り欠き部の長さを５０％に設定すると、風下側の熱抵抗よりも風上側の熱抵抗を高くすることができる。

図８は、図５から７に示す態様のヒートシンクのフィンの間を流れる冷却風の温度を示すグラフである。図８に示すように、この発明のヒートシンクにおいては、風上側の冷却風の温度が高くなり、風下側の冷却風の温度との差が小さくなっていることがわかる（特に、図１０を参照して説明した従来のヒートシンクの場合と比較すると明らかである）。

即ち、ヒートシンクのフィン部について前半部と後半部にわけて考えると、風上側に位置する前半部では、５０％のうちで複数のフィンのうち一本おきに、概ね中央部まで削除され、残りはそのままであるので、熱抵抗は切り欠きによって削除される前の状態と比較すると高くなる。一方で、後半部は５０％がそのままの状態で残るので、熱抵抗に変化はない。従って、図８に示すように、前半部の熱抵抗が高くなり、後半部の熱抵抗がそのままの状態であり、結果として、ヒートシンクの風上側に配置される発熱素子とヒートシンクの風下側に配置される発熱素子との間の温度差が小さくなる。

この態様のヒートシンクにおいても、風下側に位置する発熱素子の温度上昇値を、発熱素子の耐熱温度のスペック内になるように設定して、ヒートシンク全体の条件を設定する。このように設定することによって、ヒートシンクに熱的に接続される発熱素子が耐熱温度を超えることはなくなる。この発明のヒートシンクは、アルミニウム（またはアルミニウム合金）、銅（または銅合金）などの熱伝導に優れた材質を押し出し法によって所定断面形状にした後、簡単な加工を施すことによって、風上風下の温度差を緩和することができる。

なお、上述した“風上側の熱抵抗”、“風下側の熱抵抗”は、ヒートシンクを仮想的に風上風下方向に沿った中央部分で２分割して、それら分割された部分を、それぞれ独立して測定する場合の熱抵抗の値を指す。従って、例えば、空気の流入温度を、基準値の０℃とすると、風上側のヒートシンク、風下側のヒートシンクの何れも、基準値である０℃の空気が流入することになる。

例として挙げると、風上側のヒートシンクに流入する空気の温度が基準値の０℃であり、この風上側のヒートシンクの出口における空気の温度は１０℃であり、このときの風上側のヒートシンク自体の温度は１８℃である。このとき、風下側のヒートシンクに流入する空気の温度は、基準値の０℃であり、この風下側のヒートシンクの出口における空気の温度は、同様に１０℃であるけれども、風下側のヒートシンク自体の温度は１５℃である。

このように、それぞれのヒートシンクに流入する空気の温度（即ち、０℃）を基準として、それぞれの温度上昇値から熱抵抗を計算すると、風下側のヒートシンクの方が熱抵抗は低くなっている。本発明における上述した“風上側の熱抵抗”、“風下側の熱抵抗”はこのように計算される。従って、実使用時には、図４および図８に示したように、風下側の温度が高くなるので、一見風下側の熱抵抗が高そうに見えるけれども、上述した測定方法によると、それぞれの熱抵抗が明らかになり、その結果、“風上側の熱抵抗”より“風下側の熱抵抗”が低くなっている。従って、この発明のヒートシンクにおいては、従来のヒートシンクについて示した図１０よりは、温度差が小さくなっていることがわかる。

次に、この発明のヒートシンクおよびその製造方法を、実施例によってより詳細に説明する。
アルミニウム製の押し出し成形によって、ベース面の大きさが１００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍであるベース部の一方の面に図１および図２に示すように、フィンピッチ２．３ｍｍ、フィン厚さ１ｍｍ、フィン長さ２００ｍｍのフィンが一体的に形成されたヒートシンクを形成した。全てのフィンは、風上側からヒートシンクの全長を１００％としたときに、３０％の部分を加工して切り欠いて削除した。

このように形成されたベース部の他方の面に、３個の発熱素子を熱的に接続して配置した。
上述したように押し出し成形によって製造され、切り欠きによって一部が除去されたフィンを備え、３個の発熱素子が熱的に接続されたヒートシンクに、前面における風速１ｍ／ｓｅｃでフィン部のフィン間に冷却風を流した。そのときの温度を測定した。

比較例として、押し出し成形によって、ベース面の大きさが１００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍであるベース部の一方の面に図９に示すように、フィンピッチ２．３ｍｍ、フィン厚さ１ｍｍ、フィン長さ２００ｍｍのフィンが一体的に形成されたヒートシンクを形成した。フィンは全て押し出し成形によって形成されたままである。

このように形成されたベース部の他方の面に、３個の発熱素子を熱的に接続して配置した。
上述したように押し出し成形によって製造されたままの状態で、３個の発熱素子が熱的に接続されたヒートシンクに、前面における風速１ｍ／ｓｅｃでフィン部のフィン間に冷却風を流した。そのときの温度を測定した。その結果は次の通りであった。

実施例では、フィンの最高温度は、３０．２℃、最低温度は、１７．７℃であり、温度差は１２．５℃であった。これに対して比較例では、フィンの最高温度は、３０．５℃、最低温度は、１２．３℃であり、温度差は１８．２℃であった。
上述したように、従来のヒートシンクよりも、温度差を約３０％低減することが可能である。更に、フィンの最高温度も低減することができた。従って、発熱素子の動作の安定化、発熱素子の超寿命化を期待することができる。

実施例で示したように、発熱素子の最高温度を３０．４℃、温度差を１５℃と設定することによって、風下の発熱素子の温度上昇値をスペック内にしたうえで、風上風下方向の温度差を小さくすることができる。このようにして、従来よりも一層生産性に優れたヒートシンクを製造することができる。

上述したように、この発明によると、ベースプレートに熱的に接続された発熱素子が耐熱温度を超えることがなく、複数の発熱素子の間に大きな温度差が生じない空冷のヒートシンクおよびヒートシンクの製造方法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つの態様を示す斜視図である。 図２は、この態様のヒートシンクの平面図である。 図３は、この態様のヒートシンクの裏面である。 図４は、図１から３に示す態様のヒートシンクのフィンの間を流れる冷却風の温度を示すグラフである。 図５は、この発明のヒートシンクの他の１つの態様を示す斜視図である。 図６は、この態様のヒートシンクの平面図である。 図７は、この態様のヒートシンクの裏面である。 図８は、図５から７に示す態様のヒートシンクのフィンの間を流れる冷却風の温度を示すグラフである。 図９は従来のヒートシンクを説明する図である。 図１０は、放熱フィンの間を流れる冷却風の温度を示すグラフである。

符号の説明

１ この発明のヒートシンク
２ ベース部
３ フィン部
４ 発熱素子

Claims (6)

1. ベース部と、該ベース部の一方の面に設けられており、長手方向に連続して伸びる板状のフィンを複数並列に配置したフィン部とを備えるヒートシンク材を、押し出し成型によって一体的に形成し、
   前記フィン部の前記複数のフィンの一部を、風上側から所定の長さだけ幅方向に均等の割合で切り欠き、風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるように加工して、風上側と風下側とで冷却風の温度差が小さくなるようにしたヒートシンクを製造することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
2. 前記フィン部の前記複数のフィンを風上側から前記ベース部の３０％に相当する長さだけ、幅方向の全幅に亘り切り欠くことにより、前記風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるよう加工することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクの製造方法
3. 前記フィン部の前記複数のフィンの風上側の一部を１つおきに、前記風上側から前記ベース部の５０％に相当する長さだけ切り欠くことにより、前記風下側の熱抵抗が風上側の熱抵抗よりも低くなるよう加工することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクの製造方法。
4. 一方の面に発熱素子が熱的に接続されるベース部と、該ベース部の他方の面に設けられており、長手方向に連続して伸びる板状のフィンを複数並列に配置したフィン部とが、押し出し成型によって一体的に形成されており、
   前記フィン部の前記複数のフィンの一部が、風上側から所定の長さだけ幅方向に均等の割合で切り欠かれて、風下側の熱抵抗を風上側の熱抵抗よりも低くして風上側と風下側の冷却風の温度差が小さくなるようにしたことを特徴とするヒートシンク。
5. 前記フィン部の前記複数のフィンの風上側を前記ベース部の３０％に相当する長さだけ、幅方向の全部に亘り切り欠かれていることを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク。
6. 前記フィン部の前記複数のフィンの風上側の一部を一つおきに、前記ベース部の５０％に相当する長さだけ切り欠かれていることを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク。

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