JP6031068B2 - 放熱部材、ヒートシンク、及び、ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放熱板を有する放熱部材、複数の該放熱部材が積層されたヒートシンク、及び、複数の前記放熱部材を用いたヒートシンクの製造方法に関する。

従来、放熱板を有する放熱部材同士が凸部と凹部との嵌合によって接続されたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された従来のヒートシンクでは、図６（Ａ）に示すように、放熱部材１００、２００同士の対向方向に突出した複数の凸部１０１が一方の放熱部材１００に形成され、複数の凸部１０１のそれぞれと嵌合可能な複数の凹部２０１が他方の放熱部材２００に形成されている。

このような凹部２０１は対向方向に対して傾斜を有しており、図６（Ｂ）に示すように凸部１０１と凹部２０１とを嵌合させると、凸部１０１が凹部２０１の内壁２０２に沿って弾性変形する。嵌合時に内壁２０２と凸部１０１との間に生じる摩擦力によってこれらの界面に形成された酸化被膜が剥離されるようになっている。

特開平８−２９０２２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来のヒートシンクでは、凸部１０１と凹部２０１とを嵌合させる際に対向方向へ加圧する必要があるものの、加圧を停止すると、放熱部材１００、２００が自らの弾性によって互いに離れようとし、図６（Ｃ）に示すように、放熱部材１００、２００同士の間に対向方向の隙間が形成されてしまうことがあった。このような隙間が形成されてしまうと、対向方向における放熱部材１００、２００同士の熱伝達効率が低下してしまう。特に、ヒートシンクに隣接して設けられる被放熱機器の対向方向寸法がヒートシンクの対向方向寸法よりも小さい場合、ヒートシンクを構成する放熱部材のうち被放熱機器と隣接しない放熱部材に伝熱されにくく、ヒートシンク全体の放熱効果が低下してしまう。

本発明の目的は、放熱効果の低下を抑制することができる放熱部材、放熱部材を備えたヒートシンク、及び、ヒートシンクの製造方法を提供することにある。

本発明の放熱部材は、放熱板を有するとともに該放熱板の板厚方向に複数が積層されることによってヒートシンクを構成可能な放熱部材であって、前記放熱板と、隣り合う放熱部材と嵌合可能に構成されるとともに、前記放熱板の通風方向及び前記板厚方向と交差する方向から当該放熱板を挟むように設けられる一対の嵌合部と、を有して構成され、前記一対の嵌合部の前記板厚方向における一面は、前記放熱板に対して互いに対向する側への傾斜を有し、前記一対の嵌合部の前記板厚方向における他面は、それぞれ、隣り合う放熱部材の前記一面と当接可能な傾斜を有していることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、嵌合部の一面が互いに対向する側への傾斜を有するとともに、他面が隣り合う放熱部材の一面と当接可能な傾斜を有することから、放熱部材は、通風方向から見た際に、放熱板を底部とするとともに嵌合部を斜面とする谷状に形成されている。このような谷状の放熱部材を板厚方向に複数重ね合わせ、一面と他面とが当接した状態からさらに板厚方向に加圧すると、一面と他面とが摺接しつつ放熱部材が弾性変形し、一面側において交差する方向（即ち、一対の嵌合部同士の対向方向）に伸び変形し、他面側において縮み変形する。このように放熱部材が弾性変形した状態において加圧を停止すると、伸び変形又は縮み変形を解消するように交差する方向への復元力が生じる。

以上のように、一面及び他面が傾斜を有していることにより、板厚方向への加圧によって交差する方向への復元力を生じさせることができる。この復元力によって隣り合う放熱部材の一面と他面とが互いに押圧されて密着性が向上し、嵌合部同士の熱伝達効率を向上させることができる。従って、このような放熱部材によってヒートシンクを構成することにより、放熱効果の低下を抑制することができる。尚、一対の嵌合部のそれぞれは、通風方向に延在していてもよいし、通風方向に離隔するとともに並設された複数で構成されていてもよい。

この際、本発明の放熱部材では、前記嵌合部は、前記交差する方向の一方側を鋭角形成側として前記一面又は前記他面から前記板厚方向に沿って突出する嵌合凸部と、隣り合う放熱部材の前記嵌合凸部に嵌合可能な嵌合凹部と、を備え、前記嵌合凹部は、嵌合時に前記嵌合凸部を前記鋭角形成側と反対側に向けて変形させるように、前記板厚方向に対して傾斜を有していることが好ましい。

このような構成によれば、互いに傾斜した嵌合凸部と嵌合凹部とを嵌合させることによって嵌合強度を向上させることができる。また、前述のような交差する方向への復元力によって、嵌合凸部と嵌合凹部との密着性を向上させることができる。さらに、嵌合時において、嵌合凸部は、鋭角形成側と反対側に弾性変形して復元力によって元の状態に戻ろうとすることから、一面又は他面との間に鋭角を形成するように嵌合凹部を当該一面又は他面に近づけようとし、嵌合部同士の密着性をさらに向上させることができる。尚、嵌合凹部は、密着性の向上のために、変形後の嵌合凸部が鋭角形成側において一面又は他面との間に鋭角を形成するような傾斜を有していることが好ましいが、変形後の嵌合凸部が直角又は鈍角を形成するような傾斜を有していてもよい。鋭角形成側において鈍角を形成するように嵌合凸部が弾性変形すると、一面と他面とが離れる方向にも復元力が働いてしまうものの、嵌合凸部の変形量を大きくして嵌合凸部と嵌合凹部との嵌合強度を向上させることができる。

さらに、本発明の放熱部材では、前記一面には、隣り合う放熱部材の前記他面と係合可能な第１凹凸部が形成され、前記他面には、隣り合う放熱部材の前記第１凹凸部と係合可能な第２凹凸部が形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、第１凹凸部と第２凹凸部とを係合させるとともに、前述のように板厚方向への加圧によって放熱部材に交差する方向への復元力を生じさせることにより、一面と他面との密着性をさらに向上させることができる。

また、本発明の放熱部材では、前記放熱板は、前記板厚方向に並べられるとともに互いに離隔した複数で構成されることが好ましい。

このような構成によれば、放熱部材を前述のように交差する方向に弾性変形させる際、一面側に設けられた放熱板を伸び変形させるとともに他面側に設けられた放熱板を縮み変形させることができ、放熱板が１枚で構成される場合と比較して、交差する方向へ弾性変形させやすくすることができる。

一方、本発明のヒートシンクは、前記いずれかに記載の放熱部材が前記板厚方向に複数積層されることによって構成されたヒートシンクであって、互いに隣り合う２つの放熱部材の前記一面と前記他面とが当接するとともに前記嵌合部同士が嵌合していることを特徴とする。

このような本発明によれば、前述のように放熱部材の嵌合部同士の熱伝達効率を向上させることができ、ヒートシンクの放熱効果の低下を抑制することができる。

一方、本発明のヒートシンクの製造方法は、前記いずれかに記載の放熱部材を複数積層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って、前記放熱部材を前記板厚方向に重ねるとともに当該板厚方向に加圧することにより当該放熱部材を前記交差する方向に変形させることを特徴とする。

このような本発明によれば、板厚方向への加圧によって放熱部材を交差する方向に変形させて復元力を生じさせることで、前述のように一面と他面との密着性を向上させて嵌合部同士の熱伝達効率を向上させることができ、ヒートシンクの放熱効果の低下を抑制することができる。

以上のような本発明の放熱部材、ヒートシンク、及び、ヒートシンクの製造方法によれば、嵌合部の一面及び他面が放熱板に対して傾斜を有し、嵌合時に放熱板を変形させて復元力によって一面と他面との密着性を向上させることで、放熱効果の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図である。 前記ヒートシンクを構成する放熱部材の要部を示す側面図である。 複数の前記放熱部材を嵌合させる様子を示す側面図である。 前記放熱部材が嵌合時に変形する様子を示す側面図である。 変形例の放熱部材の嵌合部を示す側面図である。 従来の放熱部材を嵌合させる様子を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のヒートシンク１０は、図１に示すように、複数（本実施形態では６）の放熱部材１が放熱板２の板厚方向に積層されることにより構成され、図１に示す長手方向の一方側の面を伝達面１０Ａとして電子機器等の図示しない被放熱機器に当接又は近接するように配置されるものである。被放熱機器が発熱すると伝達面１０Ａにおいてヒートシンク１０に熱伝達されるとともに、各放熱部材１内で熱伝導されて放熱板２において外気に放熱される。尚、放熱部材１の数や、図１に示す通風方向や長手方向の寸法は、被放熱機器の寸法や発熱量に応じて適宜に設定されればよい。また、本実施形態におけるヒートシンク１０の板厚方向、通風方向、及び、長手方向（即ち、通風方向及び板厚方向に交差する方向）は、図１に示す通りとする。

放熱部材１は、例えばアルミニウム等の熱伝導率が高い金属材料を押し出し成形することによって一体に形成され、２枚の放熱板２と、放熱板２の長手方向の両端に設けられる一対の嵌合部３と、２枚の放熱板２を連結する連結部４と、を備える。以下、長手方向において、嵌合部３から見て放熱板２側を内側とするとともに、その反対側を外側とする。

放熱板２は、被放熱機器から伝達された熱が内側において伝導されるとともに、その表面において外気に熱伝達することによって放熱する。尚、放熱板２は、ファン等の送風手段を用いて強制対流によって放熱する構成であってもよいし、送風手段を用いずに自然対流によって放熱する構成であってもよい。

嵌合部３は、隣り合う放熱部材１と嵌合するためのものであって、図２にも示すように、板厚方向の一面３Ａ（図１中上側の面）に形成された嵌合凸部３１及び第１凹凸部３２と、他面３Ｂ（下側の面）に形成された嵌合凹部３３及び第２凹凸部３４と、を備える。一対の嵌合部３の一面３Ａは、放熱板２に対して、互いに対向する側（長手方向内側）への傾斜（本実施形態においては約２０°）を有している。一対の嵌合部３の他面３Ｂは、それぞれ、一面３Ａと略平行な傾斜を有することで、隣り合う放熱部材１の一面３Ａと当接可能に形成されている。以下、図２を参照し、図１における左側の嵌合部３について説明するが、一対の嵌合部３は通風方向及び板厚方向に平行な平面を対称面として互いに略面対称に形成されており、右側の嵌合部３も同様の構成を有している。

嵌合凸部３１は、図２に示す嵌合前の状態において、板厚方向に沿って突出するとともに通風方向に延在し、嵌合凹部３３に圧入可能な板厚方向寸法及び長手方向寸法を有し、基端部３１１から先端部３１２に向かうにしたがって長手方向寸法が小さくなるように形成されている。以下、嵌合凸部３１が各方向や他の部材との間に成す角の角度は、長手方向における基端部３１１の中心と先端部３１２の中心とを通る仮想的な直線を基準とし、嵌合凹部３２についても、嵌合凸部３１と嵌合した際の当該嵌合凸部３１の基端部３１１の中心と先端部３１２の中心とを通る仮想的な直線を基準とする。また、嵌合凸部３１は、板厚方向に沿って突出することで、長手方向外側を鋭角形成側として一面３Ａとの間に鋭角（本実施形態においては約７０°）を形成している。

第１凹凸部３２は、互いに隣り合う２つの放熱部材１の一面３Ａと他面３Ｂとを当接させた際に、当該他面３Ｂに形成された第２凹凸部３４と係合可能に構成されている。

嵌合凹部３３は、板厚方向に対して傾斜するとともに通風方向に延在し、板厚方向に沿ったガイド壁３３１と、板厚方向の下方に向かって開口した開口部３３２と、を有して形成されている。本実施形態において、嵌合凹部３３は、板厚方向に対して長手方向内側に向かって約４０°傾斜するとともに、長手方向内側（即ち、鋭角形成側と反対側）において嵌合部３の他面３Ｂとの間に約７０°の鋭角を形成している。

連結部４は、板厚方向に延びることで２枚の放熱板２を連結するように構成され、放熱板２の過剰な変形を抑制する。放熱板２の長手方向寸法が小さい場合や、放熱板２が充分な強度を有している場合、放熱部材１が１枚の放熱板２を有する場合には、連結部４は省略されてもよい。

次に、複数の放熱部材１を嵌合させてヒートシンク１０を製造するヒートシンクの製造方法について、図３、４を参照して説明する。図３、４には、代表する３つの放熱部材１Ａ、１Ｂ、１Ｃについて示すが、他の放熱部材１も同様に嵌合する。尚、本実施形態においては、３つ以上の放熱部材１を略同時に嵌合させるものとするが、２つの放熱部材１を順次嵌合させていってもよい。

まず、図３（Ａ）に示すように、嵌合凸部３１の先端部３１２と嵌合凹部３３の開口部３３２とを位置合わせし、３つの放熱部材１Ａ、１Ｂ、１Ｃを板厚方向に並べる。

このような状態から、図示しないプレス機等を用いて嵌合部３を板厚方向に加圧し、３つの放熱部材１Ａ、１Ｂ、１Ｃ同士を相対接近させていく。このとき、嵌合凸部３１は、図３（Ｂ）に示すように、ガイド壁３３１に沿って案内されつつ嵌合凹部３３に挿入されていき、先端部３１２が嵌合凹部３３の内壁３３３に当接する。さらに加圧を継続すると、先端部３１２が内壁３３３に沿って変形するとともに嵌合凹部３３内を上方に向かって移動していき、図３（Ｃ）に示すように、一面３Ａと他面３Ｂとが当接し、第１凹凸部３２と第２凹凸部３４とが係合し、放熱部材１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、中間嵌合状態となる。このとき、嵌合凸部３１は、嵌合凹部３３の内壁に沿って弾性変形するとともに嵌合した第１変形状態となる。第１変形状態において、嵌合凸部３１は、基端部３１１の左側において嵌合凹部３３の内壁３３３との間に隙間が形成されるとともに、長手方向外側において一面３Ａとの間に鈍角を形成する。

さらに加圧を継続する（過加圧する）と、一面３Ａ及び他面３Ｂが加圧の方向（板厚方向）に対して傾斜していることから、一面３Ａと他面３Ｂとが摺接し、図４（Ａ）に示すように、放熱部材１Ａがその下側の放熱部材１Ｂの長手方向内側に入り込もうとし、放熱部材１Ｂがその下側の放熱部材１Ｃの長手方向内側に入り込もうとすることにより、放熱部材１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、過変形状態となり、それぞれの放熱板２が弾性変形する。即ち、最も上側の放熱部材１Ａの放熱板２は長手方向に縮み変形しようとし、最も下側の放熱部材１Ｃの放熱板２は長手方向に伸び変形しようとする。さらに、これらの放熱部材１Ａ、１Ｃに挟まれた放熱部材１Ｂでは、上側の放熱板２が長手方向に伸び変形しようとするとともに下側の放熱板２が長手方向に縮み変形しようとすることによって、嵌合部３の板厚方向及び通風方向に沿った側面は、一面３Ａ側から他面３Ｂ側に向かうにしたがって長手方向内側に向かう傾斜を有する。

さらに、過変形状態において、第１凹凸部３２及び第２凹凸部３４が一面３Ａ及び他面３Ｂに沿った方向に弾性変形するとともに、嵌合凸部３１が嵌合凹部３３の内壁３３３に沿ってさらに弾性変形し、第１変形状態よりも変形量の大きい第２変形状態となる。第２変形状態において、嵌合凸部３１は、基端部３１１付近を中心として全体が時計回りに回動するように変形した状態となるとともに、左側が内壁３３３に当接する。

このような状態で加圧を停止すると、上記のように弾性変形した各部が復元力によって元に戻ろうとし、放熱部材１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、図４（Ｂ）に示すように、中間嵌合状態と過変形状態との中間の嵌合完了状態となる。以下、嵌合完了状態において各部に生じる復元力の詳細について説明する。

まず、嵌合凸部３１に生じる復元力について説明する。嵌合凸部３１には反時計回りに回動しようとする復元力が生じる。このとき、嵌合凸部３１が長手方向外側において一面３Ａとの間に鈍角（本実施形態においては約１１０°）を形成することから、この復元力は一面３Ａと他面３Ｂとが互いに離れる方向の成分を有しているものの、この成分は充分に小さい。嵌合凸部３１が復元力によって嵌合凹部３３の内壁３３３を押圧することにより、嵌合凸部３１と内壁３３３との間に摩擦力が生じ、外力によって放熱部材１同士が板厚方向に引き離されそうになった場合に、この摩擦力を抗力とすることができ、嵌合部３同士の嵌合力を向上させることができる。

次に、第１凹凸部３２及び第２凹凸部３４に生じる復元力について説明する。第１凹凸部３２及び第２凹凸部３４には、一面３Ａ及び他面３Ｂに沿った方向の復元力が生じる。このような復元力により、第１凹凸部３２と第２凹凸部３４とが互いに押圧し合って密着性が向上する。

次に、放熱板２に生じる復元力について説明する。放熱部材１Ａの放熱板２が復元力によって長手方向に伸びようとし、放熱部材１Ｂの上側の放熱板２が復元力によって長手方向に縮もうとすることにより、放熱部材１Ａの他面３Ｂと放熱部材１Ｂの一面３Ａとが互いに押圧される。また、放熱部材１Ｂの下側の放熱板２が復元力によって長手方向に伸びようとし、放熱部材１Ｃの放熱板２が復元力によって長手方向に縮もうとすることにより、放熱部材１Ｂの他面３Ｂと放熱部材１Ｃの一面３Ａとが互いに押圧される。即ち、放熱板２に生じる長手方向への復元力によって、一面３Ａと他面３Ｂとの密着性が向上する。さらに、このような長手方向への復元力により、一面３Ａ及び他面３Ｂに形成された凹凸同士（嵌合凸部３１及び嵌合凹部３３、並びに、第１凹凸部３２及び第２凹凸部３４）が押圧されてより密着し合う。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、板厚方向への過加圧によって放熱板２に長手方向への復元力が生じ、一面３Ａと他面３Ｂとの密着性が向上するとともに、一面３Ａ及び他面３Ｂに形成された凹凸同士の密着性が向上することで、隣り合う放熱部材１の嵌合部３同士の熱伝達効率を向上させることができる。さらに、このような放熱部材１によって構成されたヒートシンク１０における放熱効果の低下を抑制することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、放熱板２に対して互いに対向する側（長手方向内側）への傾斜した一面３Ａに嵌合凸部３１が形成され、他面３Ｂに嵌合凹部３３が形成されるものとしたが、図５に示すように、一面３Ａに嵌合凹部３５が形成され、他面３Ｂに嵌合凸部３６が形成される構成であってもよい。

また、前記実施形態では、嵌合完了状態において嵌合凸部３１が長手方向外側（鋭角形成側）において一面３Ａとの間に鈍角にするように、嵌合凹部３３が他面３Ｂに対して傾斜を有するものとしたが、嵌合凹部は、嵌合完了状態において嵌合凸部３１が鋭角形成側において一面３Ａとの間に鋭角を形成するような傾斜を有していてもよい。このような構成によれば、嵌合凸部３１に生じる復元力が一面３Ａと他面３Ｂとを近づける方向の成分を有し、一面３Ａと他面３Ｂとの密着性をさらに向上させることができる。

また、前記実施形態では、一面３Ａに第１凹凸部３２が形成されるとともに他面３Ｂに第２凹凸部３４が形成されるものとしたが、過加圧によって生じる長手方向への復元力によって一面と他面とが充分に密着すれば、第１凹凸部及び第２凹凸部は省略されてもよい。

また、前記実施形態では、放熱部材１が２枚の放熱板２を有するとともに、板厚方向から他の放熱部材１Ａ、１Ｃによって挟まれた放熱部材１Ｂの上側の放熱板２が伸び変形するとともに下側の放熱板２が縮み変形するものとしたが、放熱部材は３枚以上の放熱板を有していてもよい。また、放熱部材が１枚の放熱板を有するとともに、過変形状態において、当該放熱板が一面側において伸びるとともに他面側において縮むことによって撓み変形する構成であってもよい。

また、前記実施形態では、放熱部材１が過変形状態となった際に、放熱板２が長手方向に弾性変形するものとしたが、放熱板だけでなく嵌合部も長手方向に弾性変形してもよく、放熱部材のうち少なくとも一部が弾性変形して長手方向への復元力が生じる構成であればよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１０ ヒートシンク
１ 放熱部材
２ 放熱板
３ 嵌合部
３Ａ 一面
３Ｂ 他面
３１ 嵌合凸部
３２ 第１凹凸部
３３ 嵌合凹部
３４ 第２凹凸部

Claims (6)

1. 放熱板を有するとともに該放熱板の板厚方向に複数が積層されることによってヒートシンクを構成可能な放熱部材であって、
   前記放熱板と、
   隣り合う放熱部材と嵌合可能に構成されるとともに、前記放熱板の通風方向及び前記板厚方向の両方と交差する方向から当該放熱板を挟むように設けられる一対の嵌合部と、を有して構成され、
   前記一対の嵌合部の前記板厚方向における一面は、前記放熱板に対し、互いに対向するように傾斜し、
   前記一対の嵌合部の前記板厚方向における他面は、それぞれ、隣り合う放熱部材の前記一面と当接可能に傾斜し、
   前記嵌合部は、前記一面又は前記他面から前記板厚方向に沿って突出する嵌合凸部と、隣り合う放熱部材の前記嵌合凸部に嵌合可能な嵌合凹部と、を備えることを特徴とする放熱部材。
2. 前記嵌合凸部は、前記交差する方向の一方側において前記一面又は前記他面との間に鋭角を形成するように突出し、
   前記嵌合凹部は、嵌合時に前記嵌合凸部を前記交差する方向の他方側に向けて変形させるように、前記板厚方向に対して傾斜を有していることを特徴とする請求項１に記載の放熱部材。
3. 前記一面には、隣り合う放熱部材の前記他面と係合可能な第１凹凸部が形成され、
   前記他面には、隣り合う放熱部材の前記第１凹凸部と係合可能な第２凹凸部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱部材。
4. 前記放熱板は、前記板厚方向に並べられるとともに互いに離隔した複数で構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱部材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱部材が前記板厚方向に複数積層されることによって構成されたヒートシンクであって、
   互いに隣り合う２つの放熱部材の前記一面と前記他面とが当接するとともに前記嵌合部同士が嵌合していることを特徴とするヒートシンク。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱部材を複数積層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って、
   前記放熱部材を前記板厚方向に重ねるとともに当該板厚方向に加圧することにより当該放熱部材を前記交差する方向に変形させることを特徴とするヒートシンクの製造方法。

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