JP6372845B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は電子機器等を構成する電子素子等から発生する熱を環境に放出して、当該電子素子を冷却するヒートシンクに関する。

ヒートシンクは電子機器等を構成する電子素子等から発生する熱を環境に放出して、当該電子素子を冷却する装置であり、複数の冷却フィンを備える（例えば、特許文献１）。一般に冷却フィンの表面積の総計を大きくすれば、単位時間当たりの放熱量を大きくできるが、電子機器等は小型軽量にすることが求められているから、ヒートシンクも小型化及び軽量化が求められている。そのため、ヒートシンクは多数の冷却フィンを高密度で配置して、冷却フィンの表面積の総計を拡大している。

しかしながら、多数の冷却フィンを高密度で配置すれば、冷却フィン相互の間隔が小さくなるので、冷却フィンの間を流れる空気の流量流速が小さくなる。そのため、逆に放熱性能が低下する。このような場合には、冷却ファンを備えて冷却空気を冷却フィンに吹き付けて強制冷却を行なうが、冷却ファンを備えれば、その分、電子機器等の容積と重量が大きくなるから、小型軽量化の要請と矛盾する。

そこで、冷却ファンを使用しないで所望の冷却性能が得られ、しかも、小型軽量なヒートシンクが求められている。例えば、特許文献２には、ヒートパイプの軸方向に対して放射状に形成された複数の放熱フィンを備える空冷式半導体ヒートシンクが開示されている。

前記空冷式半導体ヒートシンクは、複数の放熱フィンをヒートパイプの軸方向に対して放射状に配置して、重力方向に平行な放熱フィン列を形成している。そのため、浮力によって生じる空気の流れが妨げられないので、放熱性能を非常に向上するとされている。

特開２００２−３６８４６８号公報 特開２００３−１００９７４号公報

確かに、特許文献２に開示された空冷式半導体ヒートシンクは、放熱フィンが重力方向に平行に形成されているので、浮力によって生じる空気の流れが妨げられない。しかし、放熱フィンの下端付近で放熱フィンから受熱した空気は、放熱フィンに沿って流れ、境界層を形成し、境界層を形成する空気は放熱フィンの上端に向かうにつれて温度が上昇する。したがって、放熱フィンの上方にあっては、放熱フィンは高温の空気に包まれるので、放熱フィンから空気層への放熱が生じなくなる。そのため、特許文献２の図面にあるように、放熱フィンを高さ方向に伸ばして、放熱フィンの放熱面積を拡大しても、ヒートシンクの容積重量の増加に比して、放熱性能の伸びは小さくなる。そのため、容積重量の割には放熱性能が低いという問題がある。

本発明は、以上のような背景に鑑みてなされたものであり、容積重量に比べて放熱性能が高いヒートシンクを提供することを目的とする。言い替えれば、所望の放熱性能を有して、容積重量が小さいヒートシンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヒートシンクは、垂直空気流路の周囲に複数の冷却フィンを放射状に配置してなるヒートシンクにおいて、前記垂直空気流路の周囲を取り囲むように放射状に冷却フィンを配置してなる複数のフィン列が上下に積層配置されていて、上層に配置された前記フィン列の外径は、その直下の層に配置された前記フィン列の外径よりも大きく、上層に配置された前記フィン列の内径は、その直下の層に配置された前記フィン列の内径よりも大きいことを特徴とする。

上層に配置された前記フィン列と、その直下の層に配置された前記フィン列の間に間隙が形成されるようにしてもよい。

前記間隙には、下層に配置された前記フィン列を覆うとともに、中心部に開口を有し、逆漏斗状をなす整流板が配置されるようにしてもよい。

冷却対象物と伝熱的に連結される受熱部材と、前記受熱部材から前記フィン列へ熱を輸送するヒートパイプを備えるようにしてもよい。
また、前記ヒートパイプは、各層の前記フィン列に１つずつ設けられ、対応する前記フィン列のフィンを貫くように環状に構成されており、上層に配置された前記フィン列に対応する前記ヒートパイプの環状部分の径は、その直下の層に配置された前記フィン列に対応する前記ヒートパイプの環状部分の径よりも大きいようにしてもよい。

前記フィン列において隣接する前記冷却フィンの間には、放射状空気流路が形成されていて、上層に配置された前記フィン列の前記放射状空気流路の下に、その直下の層に配置された前記フィン列の前記冷却フィンが位置するように、前記直下の層に配置された前記フィン列は中心軸周りにオフセットされて配置されているようにしてもよい。

本発明によれば、垂直空気流路の周囲を取り囲むように放射状に冷却フィンを配置してなる複数のフィン列が上下に積層配置されていて、上層に配置されたフィン列の外径は、その直下の層に配置されたフィン列の外径よりも大きいので、上層に配置された冷却フィンには、下層に配置された冷却フィンに接触していない空気が接触する。そのため、各層の冷却フィンに常に低温の空気が当るので、放熱効率が向上する。

また、上層に配置されたフィン列と、その直下の層に配置されたフィン列の間に間隙を形成すれば、該間隙を通って低温の空気が上層に配置されたフィン列に流入するので、放熱効率が更に向上する。

また前記間隙に、下層に配置された前記フィン列を覆うとともに、中心部に開口を有し、逆漏斗状をなす整流板が配置されれば、下層に配置された冷却フィンから熱を受け取って昇温した空気が垂直空気流路に誘導される。そのため、昇温した空気が上層のフィン列に流れることが抑制されるので、放熱効率が更に高くなる。

冷却対象物と伝熱的に連結される受熱部材と、受熱部材からフィン列へ熱を輸送するヒートパイプを備えるようにすれば、固体熱伝導に頼って両者の間で熱輸送を行う場合に比べて、空気流の抵抗が小さくなるから、放熱効率が更に高くなる。

フィン列において隣接する冷却フィンの間には、放射状空気流路が形成されていて、上層に配置されたフィン列の放射状空気流路の下に、その直下の層に配置されたフィン列の冷却フィンが位置するように、直下の層に配置されたフィン列は中心軸周りにオフセットして配置すれば、直下の層に配置された冷却フィンに直接触れて温度が上昇した空気は上層のフィン列の放射状空気流路を通って通過する。そのため、温度が上昇した空気が上層の冷却フィンに触れることが少ないから、放熱効率が更に高くなる。

本発明に係るヒートシンクの外形を示す斜視図である。 ヒートシンクの平面図である。 ヒートシンクの側面図である。 ヒートシンクを中心軸Ａｘを含む平面で切断した概念的な断面図である。 第１フィン列と第２のフィン列の部分的、概念的な断面図である。 ヒートシンクの変形例を示す斜視図である。 ヒートシンクを中心軸Ａｘを含む平面で切断した概念的な断面図である。 計算モデルを示す概念的な断面図であって、（ａ）は本発明の実施例、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２をそれぞれ示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１ないし図３を参照して、本発明に係るヒートシンク１の構成を説明する。なお、図１は斜視図であり、図２は平面図であり、図３は側面図である。

図１ないし図３において明らかなように、ヒートシンク１は、４層のフィン列２〜５を上下に積層して構成される。以下、説明の便宜のために、これらを最下層から順に第１フィン列２、第２フィン列３、第３フィン列４及び第４フィン列５と呼ぶことにする。また、特に図３において明らかなように、第１フィン列２〜第４フィン列５は上下方向に所定の間隔を空けて積層されている。つまり、第１フィン列２〜第４フィン列５の間には、所定の間隙が存在する。

また、特に図２において明らかなように、第１フィン列２〜第４フィン列５は、それぞれ多数の冷却フィン６を放射状に配列して形成されている。また、第１フィン列２〜第４フィン列５の中心にはヒートシンク１を上下方向に貫く垂直空気流路７が形成されている。言い替えれば、第１フィン列２〜第４フィン列５を構成する冷却フィン６は垂直空気流路７の中心から放射状に配列されていて、全体として円環を形成している。

また、ヒートシンク１は、受熱フランジ８を備える。受熱フランジ８は冷却対象物（例えばＬＥＤ基板９）と熱的に接触して、冷却対象物から受熱する部材である。受熱フランジ８には８本のヒートパイプ１０が取り付けられていて、ヒートパイプ１０は第１フィン列２〜第４フィン列５に延びている（図が繁雑になるのを避けるために、一部のヒートパイプ１０には符号を付してないことに注意されたい）。したがって、受熱フランジ８が冷却対象物（ＬＥＤ基板９）から受熱した熱は、それぞれ２本のヒートパイプ１０を通って、第１フィン列２〜第４フィン列５のそれぞれに輸送され、冷却フィン６から環境に排出（放熱）される。

またヒートパイプ１０は第１フィン列２〜第４フィン列５を貫いて、平面図（図２）において円弧状に延びている。ヒートパイプ１０は前述した熱輸送手段としての機能に加えて、冷却フィン６を保持して第１フィン列２〜第４フィン列５の形態を維持する構造部材としての機能も有している。また、ヒートパイプ１０は、受熱フランジ８と第１フィン列２〜第４フィン列５を機械的に連結する機能も有している。

第１フィン列２〜第４フィン列５を構成する冷却フィン６の寸法及び形状は全て同一であって、上層にある冷却フィン６は、その直下の層にある冷却フィン６に対してオーバーハングしている。つまり、上層にある冷却フィン６は、その直下の層にある冷却フィン６よりも、垂直空気流路７の中心軸Ａｘから遠い位置にある。言い替えれば、第１フィン列２〜第４フィン列５の外径は、上層に行くほど大きくなるように配置されている。

ここで、図４を参照しながら、ヒートシンク１の作用を説明する。なお、図４において矢印付きの太い実線は空気が流れる方向を示している。第１フィン列２には、ヒートシンク１の下方から空気が流入し、冷却フィン６から受熱して垂直空気流路７に流れる。第２フィン列３には、第１フィン列２に対してオーバーハングした部分の下方から空気が流入する。また、第１フィン列２と第２フィン列３の間の隙間を通って空気が第２フィン列３に流入する。流入した空気は冷却フィン６から受熱して垂直空気流路７に流れる。同様に、第３フィン列４には、第２フィン列３に対してオーバーハングした部分から直接、あるいは第２フィン列３との間の隙間を通って空気が流入し、垂直空気流路７に流れる。第４フィン列５には、第３フィン列４に対してオーバーハングした部分から直接、あるいは第３フィン列４との間の隙間を通って空気が流入し、冷却フィン６から受熱して、ヒートシンク１の上方に流れる。

このように、垂直空気流路７には上向きの空気の流れが生じるから、垂直空気流路７内の気圧は周囲に比べて低くなる。そのため、ヒートシンク１の周囲の空気は垂直空気流路７に向かって吸引される。その結果、冷却フィン６からの放熱が促進される。また、ヒートシンク１においては、第１フィン列２〜第４フィン列５のそれぞれに外部から新鮮な、つまり、まだ受熱していない空気が流入するので、効率良く放熱できる。

また、冷却フィン６はヒートシンク１を平面視する場合に、上下にある冷却フィン６が重ならないように配置される。例えば、図５に示すように、第２フィン列３と第１フィン列２の一部を平面視すると、第２フィン列３において隣接する冷却フィン６の間にある放射状空気流路から、第１フィン列２の冷却フィン６が見えるように、第２フィン列３は第１フィン列２に対して中心軸Ａｘ回りに回転オフセットされた位置に配置される。前述したように、第１フィン列２で受熱して昇温した空気は垂直空気流路７に流れるが、一部が第２フィン列３に流入する場合がある。このような場合であっても、第１フィン列２において冷却フィン６に沿う境界層を流れた空気、つまり冷却フィン６に触れて昇温した空気は、第２フィン列３においては、２枚の冷却フィン６の間を流れる。そのため、第１フィン列２で受熱して昇温した空気が第２フィン列３において冷却フィン６に触れることが少ない。つまり、昇温していない空気が冷却フィン６に触れることが多い。その結果、さらに冷却効率が向上する。

［変形例］
ヒートシンク１は図６及び図７に示すように構成されても良い。すなわち、第１フィン列２と第２フィン列３の間に整流板１１が配置されても良い。整流板１１は、中心部が切り明けられた笠形の板であって、第１フィン列２の上面を覆っている。また整流板１１は中心端１１ａ（整流板１１の中心部開口の外縁）が、周辺端１１ｂ（整流板１１の外縁）よりも高い円錐形状に形成されていて、全体として逆漏斗状をなしている。そのため、第１フィン列２に触れて昇温した空気は、整流板１１によって誘導されて、殆ど全てが垂直空気流路７に導かれるので、第２フィン列３に流れることがない。その結果、さらに冷却効率が向上する。

最後に、本発明に係るヒートシンクの性能を従来技術によるものと比較して示す。
［実施例］
実施例に係るヒートシンクの概念的な構成を図８（ａ）に示す。このヒートシンクは図１〜図４に示したヒートシンク１と同じものであって、第１フィン列２〜第４フィン列５を上下に積層して構成されている。第１フィン列２〜第４フィン列５を構成する冷却フィン６は９０ｍｍ×６０ｍｍ×１．５ｍｍのアルミニウム板であり、第１フィン列２は１６枚の、第２フィン列３は２６枚の、第３フィン列４は４２枚の、第４フィン列５は５６枚の冷却フィン６を、それぞれ備える。また、第１フィン列２〜第４フィン列５の内径Ｄｉと外径Ｄｏは以下の通りである。なお段間の間隙はすべて１０ｍｍである。

［比較例１］
比較例１に係るヒートシンクの概念的な構成を図８（ｂ）に示す。このヒートシンクは実施例に係るヒートシンクを上下反転したものであって、その他の構成は全く同一である。

［比較例２］
比較例２に係るヒートシンクの概念的な構成を図８（ｃ）に示す。このヒートシンクは第１フィン列２〜第４フィン列５の全てにおいて内径Ｄｉが１３０ｍｍであって、外径Ｄｏが３１０ｍｍであることを特徴としていて、その他の構成は実施例に係るヒートシンクと全く同一である。

［計算結果］
前記の実施例、比較例１及び比較例２について、第１フィン列２〜第４フィン列５の熱伝達率（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）を計算で求めたところ、以下のような結果が得られた。

このように、実施例に係るヒートシンクは、比較例１，２に係るヒートシンクに比べて熱伝達率が大きいことが計算によって確認されている。つまり、本発明によれば、ヒートシンクの冷却効率が向上することが確認されている。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。特許請求の範囲に記載した技術的思想の限りにおいて、自由に応用変形あるいは改良して実施することができる。

例えば、本発明に係るヒートシンク１は、フィン列を上下に積層することを特徴としているから、フィン列を少なくとも２層備えていれば足りる。つまりフィン列を２層だけ備えていても良いし、フィン列が３層、４層あるいは５層以上積層されていてもよい。

上記実施形態においては、冷却フィン６の寸法を全ての層で同一にして、上層に行くにしたがって、フィン列の内径が大きくなる例を示したが、冷却フィン６の寸法は層毎に異なっていても良い。あるいは、上層に行くにしたがって、フィン列の外径だけが大きくなって内径は一定になるように、各層の冷却フィン６の寸法を選んでもよい。つまり垂直空気流路の直径が全ての高さで一定になるように設計しても良い。

また、図１〜図３においては、受熱部材（受熱フランジ８）をヒートシンク１の側方に配置した例を示し、図６においては、受熱部材（受熱フランジ８）をヒートシンク１の下方に配置した例を示したが、請求項４に係る発明の技術的範囲は受熱部材の位置によっては限定されない。受熱部材は任意の場所に配置されることができる。例えば、受熱部材を筐体の中に、第１フィン列２〜第４フィン列５を筐体の外側に配置して、両者の間をヒートパイプ１０で熱的に連絡するようにしても良い。なお、請求項１〜３に係る発明において、受熱部材が必須の構成要素でないことは言うまでもない。

また、上記実施形態においては、「逆漏斗状をなす整流板」の具体例として整流板１１を例示したが、このような形状を備えるものには限定されない。つまり「整流板」は、笠形である必要もないし、円錐面を備える必要もない。「整流板」は、下層に配置されたフィン列から受熱した空気を「開口」に誘導するような形状を備えていれば十分であり、例えば、全体として椀を伏せたような形状、つまり図７のような断面図において、「整流板」の下方の輪郭が曲線で構成されるような形状を選択することもできる。また、「整流板」の上方あるいは上面の形状は限定されない。つまり図７のような断面図における「整流板」の上方の輪郭は限定されない。もっとも、整流板１１のように全体として笠形をなしていれば、新鮮な空気、つまり下層に配置されたフィン列から受熱していない空気を、上層に配置されたフィン列に誘導できるので好適であることは言うまでもない。

また、上記実施形態においては、冷却対象物の具体例としてＬＥＤ基板９を例示したが、冷却対象物はＬＥＤ基板９には限定されない。またＬＥＤ基板９の内部に面状ヒートパイプを組み込めば、つまり面状ヒートパイプ基板でＬＥＤ基板９を構成すれば、ＬＥＤ素子発熱をさらに効率良く放出することができる。

また、上記実施形態に示されたヒートシンク１の詳細な構成、例えば冷却フィン６の寸法、素材、枚数、第１フィン列２〜第４フィン列５の寸法（内径、外径）等が、例示であって、本発明の技術的範囲がこれらによって限定されないことは言うまでもない。

本発明は、電子機器等に取り付けられて、電子素子等から発生する熱を環境に放出して、当該電子素子を冷却するヒートシンクとして有用である。

１：ヒートシンク
２：第１フィン列
３：第２フィン列
４：第３フィン列
５：第４フィン列
６：冷却フィン
７：垂直空気流路
８：受熱フランジ
９：ＬＥＤ基板
１０：ヒートパイプ
１１：整流板

Claims (6)

1. 垂直空気流路の周囲に複数の冷却フィンを放射状に配置してなるヒートシンクにおいて、
   前記垂直空気流路の周囲を取り囲むように放射状に冷却フィンを配置してなる複数のフィン列が上下に積層配置されていて、
   上層に配置された前記フィン列の外径は、その直下の層に配置された前記フィン列の外径よりも大きく、
   上層に配置された前記フィン列の内径は、その直下の層に配置された前記フィン列の内径よりも大きい
   ことを特徴とするヒートシンク。
2. 上層に配置された前記フィン列と、その直下の層に配置された前記フィン列の間に間隙が形成されている
   ことを特徴する請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記間隙には、下層に配置された前記フィン列を覆うとともに、中心部に開口を有し、逆漏斗状をなす整流板が配置されている
   ことを特徴する請求項２に記載のヒートシンク。
4. 冷却対象物と伝熱的に連結される受熱部材と、
   前記受熱部材から前記フィン列へ熱を輸送するヒートパイプを備える
   ことを特徴する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 前記ヒートパイプは、各層の前記フィン列に１つずつ設けられ、対応する前記フィン列のフィンを貫くように環状に構成されており、
   上層に配置された前記フィン列に対応する前記ヒートパイプの環状部分の径は、その直下の層に配置された前記フィン列に対応する前記ヒートパイプの環状部分の径よりも大きい
   ことを特徴する請求項４に記載のヒートシンク。
6. 前記フィン列において隣接する前記冷却フィンの間には、放射状空気流路が形成されていて、
   上層に配置された前記フィン列の前記放射状空気流路の下に、その直下の層に配置された前記フィン列の前記冷却フィンが位置するように、前記直下の層に配置された前記フィン列は中心軸周りにオフセットされて配置されている
   ことを特徴する請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のヒートシンク。

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