JP5377158B2 - ヒートシンクおよび冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクを用いた冷却システムに関する。

近年、半導体の消費電力が加速度的に上昇し、それに伴って発熱量が増えており、より高性能な冷却システムの需要が高まっている。高密度に集積された回路で消費される電力は増加し、発熱量と同時に発熱密度も急激に上昇している。

光半導体であるＬＥＤにおいても、明るさの向上に伴って従来の表示用途から照明用途へと、大電力化の道を辿っている。ＬＥＤ素子における最大の問題点は、発光効率が向上しても未だなお、投入した電力の大部分が熱となり、自身の発する熱によって明るさが低下してしまうことである。特に大電力ＬＥＤにおいては、チップあたり数Ｗもの発熱を受け止められるだけのパッケージ・放熱構造が求められており、熱伝導性に優れたメタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。

チップサイズが高々１ｍｍ角程度と非常に熱密度の高い発熱体を効率よく冷却するためには、実装基板あるいはヒートシンクのベース基板を用いた熱拡散によって熱密度を下げることと、冷却ファンの風の流れに沿うように流路構造を工夫して、なるべく発熱体の真裏付近に多くの冷媒を集中させることが肝要である。

例えば、一般的な軸流ファンとヒートシンクの組み合わせの例では、特許文献１に示されているように、中心が疎で周辺が密という軸流ファン（ファンブレード）の風の流れ・密度に合うように、ヒートシンクの形状を最適化することで冷却能力を高められる。

一方、機器の小型化に伴って薄型の冷却ブロアの需要が高まり、これを解決する手段として、例えば特許文献２に示すような圧電素子を用いたブロアが提案されている。

特開２００７−００５４４６号公報 特開２００９−０９７３９３号公報

発熱体の効率的な冷却のためには、なるべくヒートシンクの全面に風が当たることが望ましい。

図１（ａ），（ｂ）は軸流ファンの場合の風の流れ（風が当たっている範囲）を例示する図である。図１（ａ），（ｂ）から、軸流ファンの場合には、中心部分を除いてほぼ均一な風の流れが形成される。さらに、ファンとヒートシンクの外形寸法を一致させて使用されることが多く、ヒートシンク全面に風が当たらないという問題は起こらないと言える。

しかしながら、軸流ファンの場合には、冷却システムの薄型化が困難であるという問題があった。

これに対し、特許文献２に示されているようなブロアは、冷却システムの薄型化に適している。

しかしながら、特許文献２に示されているようなブロアは、後述のように吐出口の直径が１ｍｍ程度と非常に小さいために、風の流れは狭小で突出した形状となる。図２（ａ），（ｂ）は特許文献２に示されているようなブロアの場合の風の流れ（風が当たっている範囲）を例示する図である。図２（ａ），（ｂ）から、特許文献２に示されているようなブロアの場合には、風の流れは狭小で突出した形状となることがわかる。したがって、薄型化を図るためにブロアの吐出口を従来のヒートシンクに近接させて配置した場合、従来のヒートシンクの全面に風を当てることは困難であり、ブロアの吐出口に対向した（正対した）従来のヒートシンクのフィン面のごく狭い局所的な範囲にしか風を当てることはできず、従来のヒートシンク全面を効率よく冷却することができないという問題があった。

図３（ａ），（ｂ）は従来のヒートシンクの構成例を示す図である。なお、図３（ａ）は正面図（発熱源とは反対の側から見た図）、図３（ｂ）は側面図である。図３（ａ），（ｂ）を参照すると、従来のヒートシンク５０は、発熱源６０からの熱を受けるベース基板（受熱部）５１と、該ベース基板５１の前記発熱源６０とは反対の側において前記ベース基板５１に立設している複数のフィン５２とを有し、前記複数のフィン５２は、それぞれ柱状（図３（ａ），（ｂ）の例では、円柱状）のものであって、同じピッチで格子状に配置されている。ここで、ベース基板（受熱部）５１、フィン５２は、熱伝導率の良い銅やアルミニウムなどで形成されている。

また、発熱源６０は、後述の図４の例では、ＬＥＤ６１と、ＬＥＤ６１が配置されＬＥＤ６１からの熱を放熱する放熱基板（セラミック基板）６２とからなっており、放熱基板（セラミック基板）６２をヒートシンク５０のベース基板（受熱部）５１に接着することで、ヒートシンク５０に取り付けられている。

図４には、特許文献２に示されているようなブロアと図３（ａ），（ｂ）に示した従来のヒートシンク５０とを組み合わせた冷却システムの例が示されている。

すなわち、図４の例では、ヒートシンク５０の複数のフィン５２に対向して（正対して）、特許文献２に示されているようなブロア７０が配置されている。

図５乃至図８は特許文献２に示されているブロア７０の図である。特許文献２に示されているブロア７０は、圧電マイクロブロア（薄型ブロア）であって、ブロア本体１と、外周部がブロア本体１に対して固定されたダイヤフラムユニット２とで構成されている。ここで、ブロア本体１は、天板（第２壁部）１０と、流路形成板１１と、セパレータ（第１壁部）１２と、ブロア枠体１３と、底板１４とを上方から順に積層固定したものであり、ブロア枠体１３と底板１４との間にダイヤフラムユニット２が固定されている。また、天板（第２壁部）１０は四角形平板で形成されており、その中心部に表裏に貫通する吐出口（第２開口部）１０ａが形成されている。流路形成板１１も天板（第２壁部）１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には吐出口（第２開口部）１０ａより大径な中央孔１１ａが形成されている。また、中央孔１１ａから４つのコーナ部に向かって放射方向に延びる流入通路１１ｂが形成されている。セパレータ（第１壁部）１２も天板（第２壁部）１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には吐出口（第２開口部）１０ａと対向する位置に、吐出口（第２開口部）１０ａとほぼ同一径の貫通孔１２ａ（第１開口部）が形成されている。４つのコーナ部近傍には、流入通路１１ｂの外側端部と対応する位置に流入孔１２ｂが形成されている。天板（第２壁部）１０と流路形成板１１とセパレータ（第１壁部）１２とを接着することにより、吐出口（第２開口部）１０ａと中央孔１１ａと貫通孔１２ａとが同一軸船上に並び、後述するダイヤフラムユニット２の中心部と対応する。ブロア枠体１３も天板（第２壁部）１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には大径な空洞部１３ａが形成されている。４つのコーナ部近傍には、上記流入孔１２ｂと対応する位置に流入孔１３ｂが形成されている。ブロア枠体１３を間にしてセパレータ（第１壁部）１２とダイヤフラムユニット２とを接着することにより、ブロア枠体１３の空洞部１３ａによってブロア室３が形成される。底板１４も天板（第２壁部）１０と同一外形を有する平板であり、その中心部にはブロア室３とほぼ同形の空洞部１４ａが形成されている。底板１４は、圧電素子２２及び中間板２３の厚さとダイヤフラム２１の変位量との合計により厚肉に形成されており、このブロア（マイクロブロア）を基板などに搭載した場合でも、圧電素子２２が基板と接触するのを防止できる。上記空洞部１４ａは、後述するダイヤフラムユニット２の圧電素子２２の周囲を取り囲む空洞部を形成している。底板１４の４つのコーナ部近傍には、上記流入孔１２ｂ、１３ｂと対応する位置に流入孔１４ｂが形成されている。ダイヤフラムユニット２は、図８に示すように、金属板などからなるダイヤフラム２１の中央部下面に、円形の中間板２３を間にして同直径の圧電素子２２を貼り付けた構造を有する。圧電素子２２及び中間板２３は、上述のブロア枠体１３の空洞部１３ａより小径な円板である。例えば、圧電素子２２として、表裏面に電極を持つ単板の圧電セラミックスを使用し、これを中間板２３の片面に接着し、中間板２３の他面をダイヤフラム２１の裏面（ブロア室３と逆側の面）中央部に貼り付けてユニモルフ構造とすることができる。中間板２３もダイヤフラム２１と同様に金属板で構成されている。圧電素子２２に交番電圧を印加することにより、圧電素子２２が平面方向に伸縮するのに対し、中間板２３及びダイヤフラム２１は伸縮しないので、ダイヤフラムユニット２全体が板厚方向に屈曲変形する。

図９は特許文献２に示されている上述したブロア７０（圧電マイクロブロア（薄型ブロア））の動作を説明するための図である。図９（ａ）は初期状態（非電圧印加時）であり、ダイヤフラム２１は平坦状である。図９（ｂ）は圧電素子２２への最初の１／４周期を示し、ダイヤフラム２１が下に凸に屈曲するので、貫通孔１２ａ（第１開口部）とダイヤフラム２１との距離が増大し、流入通路１１ｂから貫通孔１２ａ（第１開口部）を介してブロア室３内に流体が吸い込まれる。図９（ｂ）において矢印は流体の流れを示す。次の１／４周期で、図９（ｃ）のようにダイヤフラム２１が平坦状に戻る時、貫通孔１２ａ（第１開口部）とダイヤフラム２１との距離が減少し、流体は開口部１２ａ、１０ａを通って上方向に押し出される。この時、流入通路１１ｂの流体を一緒に巻き込みながら上方に流れるので、吐出口（第２開口部）１０ａの出口側では大流量が得られる。次の１／４周期では、図９（ｄ）のようにダイヤフラム２１が上に凸に屈曲するので、貫通孔１２ａ（第１開口部）とダイヤフラム２１との距離が減少し、ブロア室３内の流体が高速で開口部１２ａ、１０ａから上方向に押し出される。この高速流は、流入通路１１ｂの流体をさらに一緒に巻き込みながら上方に流れるので、吐出口（第２開口部）１０ａの出口側では大流量が得られる。次の１／４周期では、図９（ｅ）のようにダイヤフラム２１が平坦状に戻る時、貫通孔１２ａ（第１開口部）とダイヤフラム２１との距離が増大し、流体は貫通孔１２ａ（第１開口部）を通過してブロア室３内に若干吸い込まれるが、流入通路１１ｂの流体は慣性により中心方向に流れ続ける。その後、ダイヤフラム２１の動作は図９（ｂ）に戻り、それ以後図９（ｂ）〜図９（ｅ）の動作を周期的に繰り返す。ダイヤフラム２１を高周波で屈曲振動させることにより、流入通路１１ｂを流れる流体の慣性が終息する前に、開口部１２ａ、１０ａに次の流れを発生させることができ、流入通路１１ｂの中に常に中心方向への流れを惹起させることができる。

本願の発明者は、実際、図４の冷却システムの構成において、ブロア（薄型ブロア）７０とヒートシンク５０との間の距離（より正確には、図１０に示すように、ブロア７０の吐出口１０ａとヒートシンク５０のフィン５２の先端との間の距離（間隔）ｄ１）を変えて発熱源の温度を測定した（具体的には、距離（間隔）ｄ１を３ｍｍ・５ｍｍ・１０ｍｍ・１５ｍｍ・２０ｍｍの５点について測定を行った）。

ヒートシンク５０としては、具体的には、３０ｍｍ角・厚さ０．５ｍｍのベース基板（銅板）５１上に直径１．２ｍｍ・長さ５ｍｍの円柱状の銅製のフィン５２が縦横３ｍｍのピッチで格子状に計６４本（縦横８本ずつ）立設しているものを用いた。なお、フィン３２は、ベース基板３１と例えば一体のものとして形成されている。また、ヒートシンク５０の裏面には、３０ｍｍ角・厚さ１．５ｍｍの放熱基板（セラミック基板）６２を熱伝導性グリスによって接着し、発熱源となるＬＥＤ６１（投入電力３Ｗ）が放熱基板（セラミック基板）６２の中央に実装されている。なお、ヒートシンク５０と放熱基板（セラミック基板）６２の外形は等しく、放熱基板（セラミック基板）６２の表面には実装されたＬＥＤ６１を点灯させるための回路パターンと、給電のためのコネクタ（図示せず）が実装されている。なお、放熱基板（セラミック基板）６２へのＬＥＤの実装は、種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点からＡｕＳｎ共晶ハンダが好適である。また、放熱基板（セラミック基板）６２への回路パターンの実装も、種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点から、活性金属を含むロウによるロウ付けが好適である。

図１７には、図４の冷却システムにおける上記の実験結果（ブロア（薄型ブロア）７０とヒートシンク５０との間の距離に対する発熱源の温度上昇分）が「従来技術」として示されている。図１７の実験結果から、発熱源であるＬＥＤ６１の温度上昇は、ブロア７０とヒートシンク５０との間の距離ｄ１におよそ反比例して減少することがわかった。すなわち、ブロア７０とヒートシンク５０との間（より正確には、ブロア７０の吐出口１０ａとヒートシンク５０のフィン５２の先端との間）に２０ｍｍ程度の間隙ｄ１を設ければ、ブロア７０からの気流に周囲の空気がベルヌーイの定理によって巻き込まれ、ヒートシンク５０に当たる正味の風量と、風の当たっている面積が共に増加するため、十分な冷却効果が期待できる。

しかしながら、２０ｍｍという間隙ｄ１は厚さが約２ｍｍというブロア（マイクロブロア（薄型ブロア））７０の寸法に比べて遥かに大きく、冷却システムの薄型化を実現できない。一方、冷却システムの薄型化を実現するため、ブロア７０とヒートシンク５０との間の間隙ｄ１を３ｍｍ程度まで狭めてしまうと、ヒートシンク５０に当たる風量はブロア７０の風量のみとなり、さらに風が当たっている面積もブロア７０の吐出口程度の範囲まで狭まってしまう。したがって、ブロア７０とヒートシンク５０との間の間隙ｄ１が２０ｍｍの場合と比べて冷却能力は格段に落ちてしまい、ブロア（マイクロブロア）７０の特長である薄型を活かした冷却システムの構築は難しいという問題があった。

本発明は、ブロア（マイクロブロア（薄型ブロア））を用いる場合に、冷却能力を低下させることなく、小型で薄型の冷却システムを実現することの可能なヒートシンクおよび冷却システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、発熱源が取り付けられるヒートシンクと、前記ヒートシンクに風を送りヒートシンクを冷却させるためのブロアを備えた冷却システムであって、前記ヒートシンクは、発熱源からの熱を受けるベース基板と、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記ベース基板に立設している複数のフィンとを有し、前記複数のフィンは、それぞれ柱状のものであって、前記発熱源の中心部に対応した位置を中心に放射螺旋状に配置されており、前記複数のフィンの密度分布は、放射螺旋状の中心付近が高く、周辺部に行くにつれて低くなっており、前記ブロアの風の吐出口は、前記ヒートシンクの前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心部に対向させて設けられており、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心に、ピンが前記ベース基板に立設して設けられていない場合、前記ブロアの風の吐出口先端と前記フィンの先端との間の間隔は、２．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に設定されることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、発熱源が取り付けられるヒートシンクと、前記ヒートシンクに風を送りヒートシンクを冷却させるためのブロアを備えた冷却システムであって、前記ヒートシンクは、発熱源からの熱を受けるベース基板と、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記ベース基板に立設している複数のフィンとを有し、前記複数のフィンは、それぞれ柱状のものであって、前記発熱源の中心部に対応した位置を中心に放射螺旋状に配置されており、前記複数のフィンの密度分布は、放射螺旋状の中心付近が高く、周辺部に行くにつれて低くなっており、前記ブロアの風の吐出口は、前記ヒートシンクの前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心部に対向させて設けられており、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心に、さらに、ピンが前記ベース基板に立設して設けられており、前記ブロアの風の吐出口は、前記ピンに対向して配置され、前記ブロアの風の吐出口先端と前記ピンの先端との間の間隔は、２．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に設定されることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、ブロア（マイクロブロア（薄型ブロア））を用いる場合にも、冷却能力を低下させることなく、小型で薄型の冷却システムを実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、さらに、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心には、ピンが前記ベース基板に立設されて設けられているので、このピンによって、ブロア（マイクロブロア）の吐出口から一直線かつ狭い範囲に集中して吹き出される気流をある程度拡散させて、実効的な熱交換面積を大きくすることができ、より一層冷却能力を向上させ、小型で薄型の冷却システムを実現することができる。

軸流ファンの場合の風の流れ（風が当たっている範囲）を例示する図である。 ブロアの場合の風の流れ（風が当たっている範囲）を例示する図である。 従来のヒートシンクの構成例を示す図である。 特許文献２に示されているようなブロアと図３に示した従来のヒートシンクとを組み合わせた冷却システムの例を示す図である。 特許文献２に示されているブロアの図である。 特許文献２に示されているブロアの図である。 特許文献２に示されているブロアの図である。 特許文献２に示されているブロアの図である。 特許文献２に示されているブロアの動作を説明するための図である。 図４の冷却システムの構成において、ブロアの吐出口とヒートシンクのフィンの先端との間の距離（間隔）ｄ１を示す図である。 本発明のヒートシンクの第１の構成例を示す図である。 特許文献２に示されているようなブロアと図１１（ａ），（ｂ）に示した第１の構成例のヒートシンクとを組み合わせた冷却システムの例を示す図である。 図１２の冷却システムの構成において、ブロアの吐出口とヒートシンクのフィンの先端との間の距離（間隔）ｄ２を示す図である。 本発明のヒートシンクの第２の構成例を示す図である。 特許文献２に示されているようなブロアと図１４（ａ），（ｂ）に示した第２の構成例のヒートシンクとを組み合わせた冷却システムの例を示す図である。 図１５の冷却システムの構成において、ブロアの吐出口とヒートシンクのピンの先端との間の距離（間隔）ｄ３を示す図である。 ブロアとヒートシンクとの間の距離に対する発熱源の温度上昇分の実験結果を示す図である。 第１の構成例の熱流体解析結果を示す図である。 第２の構成例の熱流体解析結果を示す図である。 フィンの種々の断面形状を示す図である。 図２０（ｃ）の断面形状をもつフィンの配置例を示す図である。 側面に螺旋状の溝が設けられているピンを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１１（ａ），（ｂ）は本発明のヒートシンクの第１の構成例を示す図である。なお、図１１（ａ）は正面図（発熱源とは反対の側から見た図）、図１１（ｂ）は側面図である。図１１（ａ），（ｂ）を参照すると、第１の構成例のヒートシンク３０は、発熱源６０からの熱を受けるベース基板（受熱部）３１と、該ベース基板３１の前記発熱源６０とは反対の側において前記ベース基板３１に立設している複数のフィン３２とを有し、前記複数のフィン３２は、それぞれ柱状（図１１（ａ），（ｂ）の例では、円柱状）のものであって、前記発熱源６０の中心部に対応した位置を中心に放射螺旋状に配置されており、前記複数のフィン３２の密度分布は、放射螺旋状の中心付近が高く、周辺部に行くにつれて低くなっている。

ここで、ベース基板（受熱部）３１、フィン３２は、熱伝導率の良い銅やアルミニウムなどで形成されている。また、フィン３２は、ベース基板（受熱部）３１と一体のものとして形成されている。

また、発熱源６０は、後述の図１２の例では、ＬＥＤ６１と、ＬＥＤ６１が配置されＬＥＤ６１からの熱を放熱する放熱基板（セラミック基板）６２とからなっており、放熱基板（セラミック基板）６２をヒートシンク３０のベース基板（受熱部）３１に接着することで、ヒートシンク３０に取り付けられている。

図１２には、特許文献２に示されているような（図５乃至図９に示したような）ブロア（薄型ブロア）７０と図１１（ａ），（ｂ）に示した第１の構成例のヒートシンク３０とを組み合わせた冷却システムの例が示されている。

すなわち、図１２の例では、ヒートシンク３０の前記複数のフィン３２の放射螺旋状配置の中心部に対向させて（正対させて）、特許文献２に示されているような（図５乃至図９に示したような）ブロア（薄型ブロア）７０の風の吐出口が配置されている。

本発明のヒートシンクの第１の構成例では、図１２の例のように発熱源６０の真裏に吹き付けているブロア（薄型ブロア）７０の吐出口（直径が例えば１ｍｍ程度）からの気流を最大限に活用するために、ヒートシンク３０のフィン３２の配置構造が上述のように規定されている。すなわち、本発明のヒートシンクの第１の構成例では、フィン３２は、ブロア（薄型ブロア）７０からの気流との実効的な熱交換面積を大きくするために（すなわち、流路長を長くするために）、発熱源６０の真裏を中心に放射螺旋状に配置されている。さらに、フィン３２は、密度分布については、熱交換に最も寄与する中心部を高密度に、かつヒートシンク全体の流体抵抗を低減するべく周辺部に行くにつれて低密度となるように、密度に関して傾斜が設けられている。

本願の発明者は、実際、図１２の冷却システムの構成において、ブロア（薄型ブロア）７０とヒートシンク３０との間の距離（より正確には、図１３に示すように、ブロア７０の吐出口１０ａとヒートシンク３０のフィン３２の先端との間の距離（間隔）ｄ２）を変えて発熱源の温度を測定した（具体的には、距離（間隔）ｄ２を３ｍｍ・５ｍｍ・１０ｍｍ・１５ｍｍ・２０ｍｍの５点について測定を行った）。

ヒートシンク３０としては、具体的には、３０ｍｍ角・厚さ０．５ｍｍのベース基板（銅板）３１上に直径１．２ｍｍ・長さ５ｍｍの円柱状の銅製のフィン３２が、発熱源６０の真裏であって発熱源６０の中心部に対応した位置を中心として、１０条の軌跡を描きながら、１条あたり平均５．５本（計５５本）、放射螺旋状に立設しているものを用いた。ここで、フィン３２間のピッチは段階的に変化しており、中心部のピッチは１．５ｍｍ、外周部のピッチは２．５ｍｍとなっている。なお、フィン３２は、ベース基板３１と例えば一体のものとして形成されている。そして、複数のフィン３２の放射螺旋状配置の中心部が、丁度ブロア（薄型ブロア）７０の吐出口（直径が例えば１ｍｍ程度）の延長線上に位置するようにしている。また、ヒートシンク３０の裏面には、３０ｍｍ角・厚さ１．５ｍｍの放熱基板（セラミック基板）６２を熱伝導性グリスによって接着し、発熱源となるＬＥＤ６１（投入電力３Ｗ）が放熱基板（セラミック基板）６２の中央に実装されている。なお、ヒートシンク３０と放熱基板（セラミック基板）６２の外形は等しく、放熱基板（セラミック基板）６２の表面には実装されたＬＥＤ６１を点灯させるための回路パターンと、給電のためのコネクタ（図示せず）が実装されている。なお、放熱基板（セラミック基板）６２へのＬＥＤの実装は、種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点からＡｕＳｎ共晶ハンダが好適である。また、放熱基板（セラミック基板）６２への回路パターンの実装も、種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点から、活性金属を含むロウによるロウ付けが好適である。

図１７には、図１２の冷却システムにおける上記の実験結果（ブロア（薄型ブロア）７０とヒートシンク３０との間の距離に対する発熱源の温度上昇分）が「第１の構成例」として示されている。図１７の実験結果から、発熱源であるＬＥＤの温度上昇は、ブロア７０とヒートシンク３０との間の距離ｄ２におよそ反比例して減少することがわかった。すなわち、第１の構成例では、ブロア７０とヒートシンク３０との間（より正確には、ブロア７０の吐出口１０ａとヒートシンク３０のフィン３２の先端との間）に５ｍｍ程度の間隙ｄ２を設ければ、ブロア７０からの気流に周囲の空気がベルヌーイの定理によって巻き込まれ、ヒートシンク３０に当たる正味の風量と、風の当たっている面積が共に増加するため、十分な冷却効果が期待できる。

換言すれば、図１７において、第１の構成例の実験結果と従来技術の実験結果とを比較すると、従来技術のフィン配置に対する第１の構成例のフィン配置による温度低減効果への寄与は約１０℃であることがわかる。これは、図１７からわかるように、同じ冷却効果を得るのに、第１の構成例では従来技術よりも、ヒートシンクとブロア７０との間の距離を１５ｍｍ程度短くすることができることを意味する。すなわち、同じ冷却効果を得るのに、従来技術では、ヒートシンクとブロア７０との間の距離が２０ｍｍ必要であったが、第１の構成例では、ヒートシンクとブロア７０との間の距離を５ｍｍ以下にすることが可能となる。すなわち、第１の構成例では、ブロア７０の風の吐出口先端とフィン３２の先端との間の間隔ｄ２を、２．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に設定することが可能となり、ブロア（マイクロブロア（薄型ブロア））を用いる場合にも、冷却能力を低下させることなく、小型で薄型の冷却システムを実現することができる。

図１４（ａ），（ｂ）は本発明のヒートシンクの第２の構成例を示す図である。なお、図１４（ａ）は正面図（発熱源とは反対の側から見た図）、図１４（ｂ）は側面図である。なお、図１４（ａ），（ｂ）において、図１１（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。図１４（ａ），（ｂ）を参照すると、第２の構成例のヒートシンク４０は、第１の構成例のヒートシンク３０と基本的な構成は同じであり、第１の構成例の図１１（ａ），（ｂ）のヒートシンク３０において、さらに、ベース基板３１の発熱源６０とは反対の側において複数のフィン３２の放射螺旋状配置の中心には、ピン４３がベース基板３１に立設されて設けられている。

ここで、ピン４３は、熱伝導率の良い銅やアルミニウムなどで形成されている。また、ピン４３は、例えば、ベース基板（受熱部）３１と一体のものとして形成されている。

また、ピン４３は、図１４（ａ），（ｂ）の例では、ピン４３の先端（後述のように、ブロアの風の吐出口に対向する側のピン４３の先端）が円錐形状または角錐形状となっている。

図１４の例のようにピン４３の先端が円錐形状または角錐形状（例えば、三角錐、四角錐、五角錐、六角錐など）となっている場合、図１４（ｂ）に示すように、ピン４３の高さｈ１は、フィン３２の高さｈ０よりも高くなっているのが好ましい。

図１５には、特許文献２に示されているような（図５乃至図９に示したような）ブロア（薄型ブロア）７０と図１４（ａ），（ｂ）に示した第２の構成例のヒートシンク４０とを組み合わせた冷却システムの例が示されている。

すなわち、図１５の例では、複数のフィン３２の放射螺旋状配置の中心に設けられているピン４３に対向させて（正対させて）、特許文献２に示されているような（図５乃至図９に示したような）ブロア（薄型ブロア）７０の風の吐出口（直径が例えば１ｍｍ程度）が配置されている。

本発明のヒートシンクの第２の構成例では、放射螺旋状のフィン３２の配置構造の中央に、さらに先端が円錐形状または角錐形状のピン４３を立てることによって、ブロア（薄型ブロア）７０の吐出口（直径が例えば１ｍｍ程度）から吹き付けられた気流をピン４３の先端の円錐形状または角錐形状に沿って周囲に拡散させるようにしている。このように、ブロア（薄型ブロア）７０の吐出口（直径が例えば１ｍｍ程度）から一直線かつ狭い範囲に集中して吹き出される気流をある程度拡散させることによって、実効的な熱交換面積を大きくすることができ、第１の構成例よりもさらに一層十分な冷却効果を得ることができる。

本願の発明者は、実際、図１５の冷却システムの構成において、ブロア（薄型ブロア）７０とヒートシンク４０との間の距離（より正確には、図１６に示すように、ブロア７０の吐出口１０ａとヒートシンク４０のピン４３の先端との間の距離（間隔）ｄ３）を３ｍｍにして発熱源の温度を測定した（具体的には、距離（間隔）ｄ３を３ｍｍの１点について測定を行った）。

ヒートシンク４０としては、具体的には、３０ｍｍ角・厚さ０．５ｍｍのベース基板（銅板）３１上に直径１．２ｍｍ・長さ５ｍｍの円柱状の銅製のフィン３２が、発熱源６０の真裏であって発熱源６０の中心部に対応した位置を中心として、１０条の軌跡を描きながら、１条あたり平均５．５本（計５５本）、放射螺旋状に立設しているものを用いた。ここで、フィン３２間のピッチは段階的に変化しており、中心部のピッチは１．５ｍｍ、外周部のピッチは２．５ｍｍとなっている。なお、フィン３２は、ベース基板３１と例えば一体のものとして形成されている。さらに、フィン３２配置の中央に直径１．２ｍｍ・長さ８ｍｍ・先端が頂角６０度の円錐形の円柱状の銅製のピン４３が立設している。そして、この先端が円錐形のピン４３が、丁度ブロア（薄型ブロア）７０の吐出口の延長線上に位置するようにしている。また、ヒートシンク４０の裏面には、３０ｍｍ角・厚さ１．５ｍｍの放熱基板（セラミック基板）６２を熱伝導性グリスによって接着し、発熱源となるＬＥＤ６１（投入電力３Ｗ）が放熱基板（セラミック基板）６２の中央に実装されている。なお、ヒートシンク４０と放熱基板（セラミック基板）６２の外形は等しく、放熱基板（セラミック基板）６２の表面には実装されたＬＥＤ６１を点灯させるための回路パターンと、給電のためのコネクタ（図示せず）が実装されている。なお、放熱基板（セラミック基板）６２へのＬＥＤの実装は、種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点からＡｕＳｎ共晶ハンダが好適である。また、放熱基板（セラミック基板）６２への回路パターンの実装も、種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点から、活性金属を含むロウによるロウ付けが好適である。

図１７には、図１５の冷却システムにおける上記の実験結果（ブロア（薄型ブロア）７０とヒートシンク４０との間の距離に対する発熱源の温度上昇分）が「第２の構成例」として示されている。図１７の実験結果から、第２の構成例では、第１の構成例よりもさらに一層十分な冷却効果を得ることができることがわかる。

実際、図１７において、第２の構成例の実験結果と第１の構成例の実験結果とを比較すると、第１の構成例のフィン配置に対する第２の構成例のフィン配置による温度低減効果への寄与は約１０℃であることがわかる。これは、図１７からわかるように、同じ冷却効果を得るのに、第２の構成例では第１の構成例よりも、ヒートシンクとブロア７０との間の距離を２ｍｍ程度短くすることができることを意味する。すなわち、同じ冷却効果を得るのに、第１の構成例では、ヒートシンクとブロア７０との間の距離が５ｍｍ必要であったが、第２の構成例では、ヒートシンクとブロア７０との間の距離を３ｍｍ以下にすることが可能となる。また、第２の構成例の実験結果と従来技術の実験結果とを比較すると、従来技術のフィン配置に対する第２の構成例のフィン配置による温度低減効果への寄与は約２０℃であることがわかる。これは、図１７からわかるように、同じ冷却効果を得るのに、第２の構成例では従来技術よりも、ヒートシンクとブロア７０との間の距離を１７ｍｍ程度短くすることができることを意味する。すなわち、従来技術では、ヒートシンクとブロア７０との間の距離が２０ｍｍ必要であったが、第２の構成例では、ヒートシンクとブロア７０との間の距離を３ｍｍ以下にすることが可能となる。すなわち、第２の構成例では、ブロア７０の風の吐出口先端とピン４３の先端との間の間隔ｄ３を、２．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に設定することが可能となり、ブロア（マイクロブロア（薄型ブロア））７０を用いる場合にも、冷却能力を低下させることなく、小型で薄型の冷却システムを実現することができる。

本願の発明者は、本発明における気流拡散効果を検証するため、第１の構成例と第２の構成例の２モデルについて、熱流体解析を行った。図１８、図１９は、それぞれ、第１の構成例、第２の構成例の熱流体解析結果を示す図である。なお、図１８（ａ）、図１９（ａ）は正面図（発熱源とは反対の側から見た図）、図１８（ｂ）、図１９（ｂ）は側面図である。

図１９を図１８を比較すると、第２の構成例においては、ヒートシンクの放射螺旋状のフィン配置の中央に立設した、先端が円錐形の円柱状のピン４３に沿って、ブロア７０から吹き付けられた気流が円錐形状に沿って周囲に拡散されていることがわかる。気流が拡散されることによって、熱交換に寄与する正味のフィン３２の本数、ヒートシンクに風が当たる面積が増えて、ヒートシンクから気流への実効的な熱伝達率が向上したと考えられる。

一方、第１の構成例では、ブロア７０からの気流を拡散させる手段が無いために、図１８に示すように、ブロア７０からの気流のほとんどはそのまま直進してヒートシンクのベース面に当たっており、熱交換に寄与するフィン３２は中心部の５本程度と考えられる。そのため、第２の構成例と比べて、ヒートシンクに風が当たる面積は小さく、ヒートシンクから気流への実効的な熱伝達率が劣ると考えられる。

以上のことから、本発明では、従来技術に比べれば、第１の構成例ははるかに望ましいが、第２の構成例は、さらに、第１の構成例よりも好ましいことがわかる。

上述の各例では、フィン３２およびピン４３は、ベース基板（受熱部）３１と一体のものとして形成されていたが、フィン３２またはピン４３は、ベース基板（受熱部）３１と別体のものでもよく、この場合、フィン３２またはピン４３は、例えば、ベース基板（受熱部）３１に螺合して取り外し可能に取り付けられている。このように、ヒートシンクの成形法については種々の方法を用いることができるが、熱伝導の観点から、ベース基板（受熱部）３１とフィン３２またはピン４３とを別々に成型して両者を接合する手法よりは、機械加工や放電加工等によって１つの銅ブロックから削り出す手法が好適である。すなわち、フィン３２またはピン４３は、ベース基板（受熱部）３１と一体のものとして形成されているのが好ましい。

また、上述の例では、フィン３２は、円柱状のものとしたが、角柱状（三角柱、四角柱、五角柱、六角柱など）のものであっても良いし、あるいは、フィン３２の形状の、断面の長軸方向を螺旋の軌跡に沿わせるように配置することで、図２０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような種々の断面形状（楕円形状、長方形形状、・・・など）のものにすることもできる。図２１には、図２０（ｃ）の断面形状をもつフィン３２の配置例が示されている。また、全てのフィン３２が同じ形状のものになっていなくても良い。例えば、中心部から周辺部にかけて、フィン３２の形状を徐々に変えたりすることもできる。

また、ピン４３は、先端が円錐形状または角錐形状となっているとしたが、これの代わりに、図２２に示すように、ピン４３の側面に螺旋状の溝が設けられていても良い。この場合、ピン４３の高さは、フィン３２の高さと同じにすることができる。

また、上述の例では、ブロア（薄型ブロア）７０は、図５乃至図９に示したような構造（圧電素子を用いた圧電マイクロブロア）のものとしたが、吐出口から所定流量、流速の風を吐出する機能を有するものであれば、図５乃至図９に示した以外の構造のものをも用いることができる。また、上述の例では、ブロア（薄型ブロア）７０の吐出口は、直径が１ｍｍ程度であるとしたが、ブロア（薄型ブロア）７０の吐出口の直径は０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲であればよい。

また、上述の例では、発熱源６０はＬＥＤであるとしたが、ＬＥＤに限らず、発熱するものであれば、本発明のヒートシンクを適用できる。

本発明は、光源などの冷却に利用可能である。

３０、４０ ヒートシンク
３１ ベース基板（受熱部）
３２ フィン
４３ ピン
６０ 発熱源
７０ ブロア

Claims (2)

1. 発熱源が取り付けられるヒートシンクと、前記ヒートシンクに風を送りヒートシンクを冷却させるためのブロアを備えた冷却システムであって、
   前記ヒートシンクは、発熱源からの熱を受けるベース基板と、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記ベース基板に立設している複数のフィンとを有し、
   前記複数のフィンは、それぞれ柱状のものであって、前記発熱源の中心部に対応した位置を中心に放射螺旋状に配置されており、
   前記複数のフィンの密度分布は、放射螺旋状の中心付近が高く、周辺部に行くにつれて低くなっており、
   前記ブロアの風の吐出口は、前記ヒートシンクの前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心部に対向させて設けられており、
   前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心に、ピンを前記ベース基板に立設して設けていない場合、前記ブロアの風の吐出口先端と前記フィンの先端との間の間隔は、２．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に設定されることを特徴とする冷却システム。
2. 発熱源が取り付けられるヒートシンクと、前記ヒートシンクに風を送りヒートシンクを冷却させるためのブロアを備えた冷却システムであって、
   前記ヒートシンクは、発熱源からの熱を受けるベース基板と、前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記ベース基板に立設している複数のフィンとを有し、
   前記複数のフィンは、それぞれ柱状のものであって、前記発熱源の中心部に対応した位置を中心に放射螺旋状に配置されており、
   前記複数のフィンの密度分布は、放射螺旋状の中心付近が高く、周辺部に行くにつれて低くなっており、
   前記ブロアの風の吐出口は、前記ヒートシンクの前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心部に対向させて設けられており、
   前記ベース基板の前記発熱源とは反対の側において前記複数のフィンの放射螺旋状配置の中心に、さらに、ピンが前記ベース基板に立設して設けられており、
   前記ブロアの風の吐出口は、前記ピンに対向して配置され、前記ブロアの風の吐出口先端と前記ピンの先端との間の間隔は、２．５ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に設定されることを特徴とする冷却システム。

Images