JP5192445B2 - ヒートシンクおよび照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクに関し、特に、放熱特性の高いものに関する。

ICチップやLSIチップ等の半導体素子の放熱のために、ヒートシンクに半導体素子を接着した半導体パッケージが知られている。例えば、特許文献１には、板状のベースの上面に垂直に、複数の長方形のプレート状フィンを平行に配置したヒートシンクが開示されている。ベースおよびプレートは、いずれも放熱効率の高いアルミニウムや銅により構成される。半導体素子は、ベースの下面に半田等により固着される。このような従来の構造のヒートシンクの放熱効率を向上させるため、特許文献１では、長方形のプレート状フィンを波形とした構造を提案している。これにより、フィンの間を流れる空気の流量が、フィンの後方まで大きく保たれると記載している。

自然空冷の条件においては、ヒートシンクの放熱特性は、フィンの対流熱伝達率、輻射（放射）熱伝達率、熱伝導率に依存することが知られている。これらを考慮すると、フィンの枚数を増やして表面積を大きくすることで放熱性能が高くなる。しかしながら、実際の製品ではサイズに制限があるため、フィンの枚数を増加させて表面積を大きくしようとすると、フィン間隔が狭まり、隣り合う二つのフィンが輻射した熱を相互に受け取ってしまう熱干渉が生じる、あるいは、通風抵抗が増大して空気が流れにくくなるため、放熱特性が低下する。このため、サイズに制限のあるヒートシンクでは、最適なフィン間隔、フィン枚数が存在する。また、ヒートシンクのフィン形状は、製造・加工の容易さから、正方形や長方形等の矩形型が一般的に用いられている。

特開平４−２６９８５５号公報

従来のヒートシンクは、フィン間隔を狭めることなく、表面積を大きくするために、ベースのサイズを大きくする等の妥協的な解決策しか施されていなかった。しかしながら、ベースサイズを大きくすると、ヒートシンクの全体サイズが大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、放熱特性の高い、ヒートシンクを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のようなヒートシンクが提供される。

すなわち、ベースと、ベースに搭載された２以上のフィンとを有するヒートシンクであって、フィンは、先端部の主平面方向のフィン幅が、ベースに接する基部のフィン幅よりも狭められ、かつ、フィンの先端部の形状がフィン幅方向に非対称である。このようにフィンの先端のフィン幅が狭められていることにより、先端の自然対流速度が基部と比較して大きくなるため、フィンの対流熱伝達率が向上し、同じ表面積のフィンであっても放熱特性が高くなる。

２以上のフィンのうち隣接するフィンは、先端部の位置が、フィン幅方向について重ならない位置に配置することが可能である。これにより、隣接するフィン間の輻射による熱干渉を低減でき、さらに放熱特性を高めることができる。

例えば、隣接するフィン同士は、フィン幅方向について対称な形状を有する構成とする。

上述のフィンの先端部の領域の主平面方向の幅は、先端に近づくにつれて連続的に狭められた形状にすることが可能である。また、例えば、フィンの先端部の形状は、ベースの主平面に対して傾斜した直線、または、曲線とする。

上記目的を達成するために、本発明の第２の態様によれば、以下のような照明装置が提供される。

すなわち、導光板と、導光板の少なくとも一の端面に配置された発光素子ユニットとを有する照明装置であって、発光素子ユニットは、ヒートシンクと、ヒートシンクに搭載された発光素子とを含む。ヒートシンクは、主平面が導光板の端面に平行に配置されたベースと、ベースの端面側の面とは逆側の面に搭載された複数のフィンとを備える。フィンは、先端部の主平面方向のフィン幅が、ベースに接する基部のフィン幅よりも狭められ、かつ、先端部の形状がフィン幅方向に非対称である。

２以上のフィンのうち隣接するフィンは、例えば、先端部の位置が、フィン幅方向について重ならない位置にある形状とする。

第１の実施形態の照明装置の（ａ）表面の斜視図、（ｂ）裏面の斜視図。 （ａ）第１の実施形態の発光素子ユニット101の斜視図、（ｂ）発光素子ユニット101の部品ごとの斜視図。 第１の実施形態のヒートシンクの（ａ）斜視図、（ｂ）正面図。 比較例のヒートシンクの（ａ）斜視図、（ｂ）正面図。 （ａ）比較例のヒートシンクのフィン51間を流れる空気の速度を示す説明図、（ｂ）本実施形態のヒートシンクのフィン11間を流れる空気の速度を示す説明図。 第２の実施形態のヒートシンクの（ａ）斜視図、（ｂ）正面図。 第３の実施形態のヒートシンクの（ａ）斜視図、（ｂ）正面図。 第４の実施形態のヒートシンクの（ａ）斜視図、（ｂ）正面図。 （ａ）第４の実施形態のヒートシンクのフィン11先端部の自然対流を示す説明図、（ｂ）第１の実施形態のヒートシンクのフィン11先端部の自然対流を示す説明図。 第４の実施形態のヒートシンクのフィン11間を流れる空気の速度を示す説明図。 第５の実施形態のヒートシンクの（ａ）斜視図、（ｂ）正面図。 第５の実施形態の照明装置の（ａ）表面から見た斜視図、（ｂ）裏面から見た斜視図。 第５の実施形態の照明装置の発光素子ユニットの斜視図。

本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本実施形態の照明装置の全体構成について図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。本実施形態の照明装置は、全体の斜視図を図１（ａ），（ｂ）に示したように導光板102と、その両側面に取り付けられたヒートシンク付きの発光素子ユニット101とを備えている。

発光素子ユニット101は、図２（ａ）にその斜視図を、図２（ｂ）に部品ごとの斜視図を示すように、基板60と、基板60に一列に並べてはんだ等で固定された複数の発光素子61と、ヒートシンク1とを含む。ヒートシンク1は、ベース10とフィン11からなり、ベース10の主平面に垂直に複数のフィン11が所定の間隔で並べて固定された構造である。発光素子61がライン状に固定された基板60は、ヒートシンク1のベース10の裏面にねじ止め等により固定されている。導光板2は、主平面内において長手方向に伝搬する光を、伝搬に伴い少しずつ導光板102の表面の法線方向に偏向し、出射するようにその形状が設計されている。

このような構造の照明装置において、導光板2の両側面にそれぞれ配置された発光素子ユニット101の発光素子61が光を出射すると、光は導光板2の両側面から入射する。入射した光は、導光板102の主平面方向に伝搬する。伝搬の途中で光の一部は順次、導光板102の表面の法線方向に偏向され、出射されていくため、導光板102の表面全体から光が出射される照明装置となる。

一方、ライン状に並べられた発光素子61が発する熱は、基板60からヒートシンク1に伝導し、フィン11から放熱される。本実施形態では、ヒートシンク1を放熱効率を高めた構造に設計しているため、発光素子61の温度を所定温度以下に維持することができ、発光効率の低下を防止して、輝度の大きな照明装置を提供することができる。

ヒートシンクの放熱効率を高めるために、発明者らは、ヒートシンクの対流熱伝達および輻射（放射）熱伝達率を考慮してヒートシンクの熱設計を行った。本実施形態では、自然空冷におけるヒートシンクのフィンの根元の温度と先端の温度には差がある現象に着目した。この現象は、フィン周囲で対流する空気の速度に起因しており、根元に比べて先端では対流速度が速く、対流熱伝達効率が高くなっていることにより生じている。そこで、本実施形態では、先端における対流速度がさらに速くなるようにフィン形状を設計した。

すなわち、第１の実施形態では、フィン先端の主平面方向のフィン幅を基部よりも細くしたフィン形状に設計した。これにより、フィン先端部周囲の空気の対流速度は、フィン面積が同じでフィンが矩形の場合と比べて速くなる。その結果として対流熱伝達率が高まり、熱交換が促進されてフィン先端部の放熱性が向上するため、ヒートシンク全体の放熱性能を向上させることができる。

なお、フィン間隔は、フィン幅一定の矩形である場合に、自然空冷の理論的な最適フィン間隔に設定した。フィンの表面積は、矩形のフィンと同じ面積になるように設計した。

以下、具体的に第１の実施形態のヒートシンクについて説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態のヒートシンクの斜視図および正面図である。本実施形態のヒートシンク1は、主平面が長方形で所定の厚さの板状のベース10と、板状のベース10の主平面の一側の面（表面）に搭載された複数のフィン11とを有する。フィン11の基部は、ベースに一体に固定されている。複数のフィン11の主平面は、ベース10の主平面に垂直に向けられている。フィン11の間隔は、上述のように、フィン11が基部から先端部までフィン幅が一定の矩形である場合、自然空冷の理論的な最適フィン間隔に設定されている。

フィン11は、基部21と先端部22とを有し、基部21の主平面方向の幅21aは、ベース10の幅と同一であるが、先端部22の主平面方向の幅22aはベース10から離れるにつれ狭くなるように設計されている。これを実現するために図３（ａ），（ｂ）のフィン11の外形は、矩形状のフィンの先端部の片側を斜め方向に直線状に切り落とした形状に設計されている。

ヒートシンク1を、ベースの主平面が鉛直方向を向くように配置した場合（図３（ａ），（ｂ））、フィン11の周囲の空気の対流速度（フィンを通過する流速）をシミュレーションにより求めた。同様に、比較例として、図４（ａ），（ｂ）に示した矩形のフィン51のヒートシンクの対流速度を求めた。ただし、比較例のフィン51の表面積及びフィン間隔は、本実施形態のフィン11の表面積およびフィン間隔と等しく、かつ、フィン51の幅51aは、本実施形態のフィン11の基部21の幅21aと同じ値にした。

シミュレーションの結果、本実施形態のヒートシンク1は、図５（ｂ）に示すようにフィン11の基部よりも先端部の対流速度（フィンを通過する流速）が大きく、図５（ａ）に示した比較例の矩形のフィン51の先端部の対流速度よりも大きい。これは、フィン11先端部22の幅が狭いため、基部21よりも対流する空気に与える抵抗が小さく、自然対流の流速が向上するためである。これにより、先端部の対流熱伝達率が向上し、放熱性が向上する。よって、フィンの表面積が等しい場合には、本実施形態のヒートシンク1の方が、比較例のヒートシンクよりも放熱性能を向上させることができる。

このように、本実施形態のヒートシンクは、先端部の対流速度を向上させることにより、フィンの表面積を増加させることなく放熱性能を向上させることができるため、小型で放熱特性の高いヒートシンクを提供することができる。

ヒートシンク1の向きは、フィン11の幅方向が鉛直方向とほぼ一致する向きに配置した場合、自然対流の流速向上の効果が高まり望ましいが、必ずしもこの向きでなくともよく、例えば、フィンの長手方向を鉛直上向きや鉛直下向きに配置した場合、あるいは、所定の角度で傾斜させて配置した場合であっても、所定の対流速度向上の効果が得られる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、図１の照明装置のヒートシンクを、第１の実施形態とは異なる形状とした例について説明する。

本発明の第２の実施形態のヒートシンク3の斜視図および正面図を図６（ａ），（ｂ）に示す。ヒートシンク3は、第１の実施形態の図３（ａ），（ｂ）のヒートシンク1同様に基部21と先端部22とを有し、基部21の主平面方向の幅は一定であり、先端部22の幅がベース10から離れるにつれ狭くなる構成である。第１の実施形態と異なるのは図６のようにフィン31の先端部22は、先端の片側が曲線31aを描いている点である。曲線31aは、ベース10側から見た時に外向きに凸の曲線である。

このように、本実施形態のヒートシンクは、フィン31の主平面方向の幅がベース10から離れるにつれ狭くなるため、先端部の空気の対流速度を向上させることができ、フィンの表面積を増加させることなく放熱性能を向上させることができる。よって、小型で放熱特性の高いヒートシンクを提供することができる。

（第３の実施形態）
さらに別の実施形態のヒートシンク4の斜視図および正面図を図７（ａ），（ｂ）に示す。ヒートシンク4は、第２の実施形態のヒートシンク3と同様に、フィン31の先端部22は、先端の片側が曲線41aを描いている。曲線41aは、第３の実施形態では、ベース10側から見た時に凹の曲線である。

このように、本実施形態のヒートシンクは、フィン31の主平面方向の幅がベース10から離れるにつれ狭くなるため、先端部の空気の対流速度を向上させることができ、フィンの表面積を増加させることなく放熱性能を向上させることができる。よって、小型で放熱特性の高いヒートシンクを提供することができる。

上述してきたように、第１〜第３の実施形態では、対流熱伝達率を向上させるフィン形状としたことにより、矩形のフィンのヒートシンクと比べて、同じ表面積にもかかわらず放熱性能が高効率のヒートシンクを提供できる。

なお、第１〜第３の実施形態では、フィンの先端部の片側を直線または曲線形状に斜めに切り落とした形状にすることにより、先端部22の幅を狭めているが、フィンの切り込みの深さ、すなわち、先端部22の長さは、フィン全体に対して長い方が対流熱伝達率を向上させる効果が大きく好ましい。

また、本実施形態のフィンは上記形状に限られるものではなく、両側を斜めに切り落とした形状にすることにより先端部の幅を狭めた形状にすることも可能である。

また、本実施形態では、フィンの先端部の幅を基部の幅よりも連続的に徐々に狭めているが、基部よりも段階的に狭まっていてもよい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、対流熱伝達率を向上させた第１〜第３の実施形態のフィンを用いて、さらに熱放射に優れたヒートシンクを設計した。

すなわち、第４の実施形態では、隣接するフィン同士が、輻射(放射)した熱を相互に受け取る熱量（フィン間の放射伝熱量）を低減することにより、さらに熱放射特性を向上させる。具体的には、第１〜第３の実施形態のフィン形状がフィン幅方向について非対称な形状であることを利用して、隣接するフィンの先端がフィン幅方向について異なる側に位置するように、互い違いに配置する。これにより、フィン先端部が隣接するフィン間で重ならない配置とすることができ、隣接するフィン間の輻射熱による熱干渉を低減する。

図８（ａ），（ｂ）に、第１の実施形態のフィン11を用い、フィン11をフィン幅方向に非対称に互い違いに配置したヒートシンク5を示す。このヒートシンク5は、フィン11の先端部が、図９（ａ）のようにフィン幅方向にずれて配置されているため、フィン先端部で隣接フィン11同士が重なり合わない部分のフィン間隔111は、重なりあっている部分のフィン間隔112の２倍以上になる。隣接するフィン間の放射伝熱量は、フィン間隔が大きくなるほど低減するため、ヒートシンク5のようなフィン配置とすることにより、放射伝熱量を低減し、放熱特性を向上させることができる。

また、フィン11は、第１の実施形態で説明したように、フィン先端部の対流速度を基部よりも大きくするフィン形状に設計されている。フィン先端部の対流速度向上の効果は、図９（ａ）、図１０のようにフィン11を互い違いに配置した場合であっても、フィン周囲を対流する空気の流れを妨げることがなく、図９（ｂ）のように互い違いに配置しない第１の実施形態のヒートシンクの場合と同等またはそれ以上に生じる。よって、第１の実施形態と同等またはそれ以上に、対流熱伝達率向上の効果を得ることができる。

したがって、本実施形態のヒートシンクは、放射伝熱量（熱干渉）の低減と、対流熱伝達率の向上を同時に実現することができ、放熱性能を向上させることができる。

例えば、図４のような比較例の矩形型ヒートシンクでは、自然空冷時のフィン間の自然対流の風速は0.15ｍ／ｓ程度であるが、図８（ａ），（ｂ）のように第１の実施形態のフィン11を交互に配置したヒートシンクは、風速0.2ｍ／ｓ程度まで向上させることができる。これにより、発熱部（発光素子61）の温度を4〜10℃低減することができる。

例えば10℃の温度低減を、図４の比較例の矩形ヒートシンクで達成しようとすると、ヒートシンクの包絡体積は約1.5倍必要となり、ヒートシンクの容積・重量共に増加してしまう。

これに対し、本実施の形態のヒートシンク5は、フィン11の表面積は比較例のフィンと同一でありながら、フィン形状と配列により放熱効果の向上を図ることができる。よって、発光素子（LED）を用いた照明装置の小型化・高性能化に効果を発揮するものである。LEDは、温度が高くなると寿命が短くなり、明るさも低減する傾向があるデバイスであるため、換言すると、本実施形態のヒートシンクを用いることにより、長寿命化、高輝度化という大きなメリットを得ることができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態として、第３の実施形態のフィン41を交互に配置したヒートシンク6について図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。ヒートシンク6は、フィン41の形状がフィン幅方向に非対称であることを利用して、フィン41を互い違いに配置したことにより、第４の実施形態と同様に、隣接するフィン41の先端部が重なりあわない構成としている。

これにより、第４の実施形態と同様に、フィン先端部における放射伝熱量（熱干渉）の低減と、対流熱伝達率の向上を同時に実現することができ、放熱性能を向上させることができる。

図１２に本実施形態のヒートシンク6を用いた照明装置を示す。導光板102の両側面には、ヒートシンク6を用いた発光素子ユニット103が配置されている。発光素子ユニット103は、図１３のように、ヒートシンク6のベース10の裏面に基板60が配置され、基板60には複数の発光素子61が一列に並べて固定された構造である。ヒートシンク6は、放熱性能に優れるため、発光素子61の温度を低く維持することができる。よって、長寿命で高輝度の照明装置を提供できる。

本発明のヒートシンクは、一般照明装置の他に、例えば、車両用照明灯具向け放熱部品、電子部品用放熱部品等に使用することができる。

1、3、4…ヒートシンク、10…ベース、11…フィン、21…基部、21a…基部の幅、22…先端部、22a…先端部の幅、31…フィン、41…フィン、51…フィン、60…基板、61…発光素子、101…発光素子ユニット、102…導光板。

Claims (5)

1. ベースと、該ベースに搭載された２以上のフィンとを有し、
   該フィンは、先端部の主平面方向のフィン幅が、前記ベースに接する基部のフィン幅よりも狭められ、かつ、フィンの先端部の形状がフィン幅方向に非対称であり、
   前記２以上のフィンのうち隣接するフィンは、前記先端部の位置が、フィン幅方向について重ならない位置にあることを特徴とするヒートシンク。
2. 請求項１に記載のヒートシンクおいて、前記隣接するフィン同士は、フィン幅方向について対称な形状を有することを特徴とするヒートシンク。
3. 請求項１または２に記載のヒートシンクにおいて、前記フィンの先端部の領域の主平面方向の幅は、先端に近づくにつれて連続的に狭められていることを特徴とするヒートシンク。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、前記フィンの先端部の形状は、前記ベースの主平面に対して傾斜した直線、または、曲線であることを特徴とするヒートシンク。
5. 導光板と、該導光板の少なくとも一の端面に配置された発光素子ユニットとを有し、
   前記発光素子ユニットは、ヒートシンクと、ヒートシンクに搭載された発光素子とを含み、
   ヒートシンクは、主平面が前記導光板の端面に平行に配置されたベースと、ベースの前記端面側の面とは逆側の面に搭載された複数のフィンとを備え、該フィンは、先端部の主平面方向のフィン幅が、前記ベースに接する基部のフィン幅よりも狭められ、かつ、先端部の形状がフィン幅方向に非対称であり、
   前記２以上のフィンのうち隣接するフィンは、前記先端部の位置が、フィン幅方向について重ならない位置にあることを特徴とする照明装置。

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