JP6635880B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

半導体素子等の冷却に使用するヒートシンクに関するものである。

従来、電子機器に搭載される半導体の冷却等には、空冷式のヒートシンクが用いられており、例えば、対峙する板体間にフィンを挟持固定して、対峙する両板体の表面において半導体の冷却を可能とするヒートシンクは知られていた（特許文献１）。

特開平９−２９３８０９号公報

空冷式のヒートシンクにおいて放熱能力を向上させるためにはフィン部の表面積を増やすことが有効であり、そのためにベース板に立設されるフィン部の間隔を短くしてフィン部の数を増やすことなどが実施されている。
しかし、上記特許文献１のアルミニウム合金を押出成形して形成するヒートシンクにおいては、フィン部の間隔を小さくして形成することが難しく、間隔を短くすることによりフィン部に不良部分が発生する可能性が高くなり、あまりフィン部の間隔を小さくすることは難しかった。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、空冷式のヒートシンクにおいて、押出成形により形成するフィン部と薄板を折り曲げ加工することにより形成するコルゲートフィンとを効率的に組み合わせることで、加工を容易して製造不良を少なくするとともに、放熱能力の高いヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明のヒートシンクは、板状のベース板部とベース板部の一面から略垂直に延びる複数のフィン部を一体的に有するベース部材と、薄板を折り返し部により折り返して断面波形状に形成したコルゲートフィン部材を備え、ベース板部は、一面の複数のフィン部間にフィン固定部を有しており、ベース板部のフィン固定部にコルゲートフィン部材の折り返し部が固定されて結合されることで、ベース部材のフィン部をコルゲートフィン部材により覆ってあり、ベース部材のフィン部の外周側面とコルゲートフィン部材の内周側面とが非接触で、両者間に空間が形成されていることを特徴とする。

本発明によると、製造不良を増加させることなくヒートシンクの放熱板同士の間隔を狭くすることが可能となり、放熱能力の高いヒートシンクを提供することが出来る。

本発明の実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクを構成する部材の断面図であり、（ａ）はコルゲートフィン部材の断面図であり、（ｂ）はベース部材の断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクを構成する部材の断面図であり、（ａ）はベース部材にコルゲートフィン部材を固定した状態の断面図であり、（ｂ）はさらにカバー部材を固定した状態の断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクのコルゲートフィン部材の斜視図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクのコルゲートフィン部材の冷却方法を説明するための図であり、（ａ）は３つのコルゲートフィン部材からなる通常状態の側面図であり、（ｂ）は３つのコルゲートフィン部材からなりダクト入口に遮蔽板を付けた状態の側面図であり、（ｃ）は３つのコルゲートフィン部材を離間して配置した状態の側面図である。

本発明に係るヒートシンクについて、図面を参照しながら説明する。
（全体の構成）
本発明の実施形態に係るヒートシンクは、図１に示すように、高い伝熱性を有するアルミニウム合金からなり押出成形により形成されるベース部材１と、高い伝熱性を有するアルミニウム合金からなる薄板を折り返して断面略波形状に形成されるコルゲートフィン部材２と、ベース部材１の両側面に固定されてベース部材１及びコルゲートフィン部材２を覆うカバー部材３を備えており、ベース部材１の外周面（図１における下面）を発熱体が配置される冷却面１１ａとするものである。

ベース部材１は、図２（ｂ）に示すように、平面視略長方形状の板状部材１１と板状部材１１の冷却面１１ａと反対側の面（以下、「内周面１１ｂ」という。）に設けられる複数枚のフィン部１２，１２・・を有しており、板状部材１１とフィン部１２とが押出成形により一体的に形成されている。
なお、この説明において、図１に示すように、ヒートシンクのベース部材１の短辺方向を幅方向といい、長辺方向を長手方向という。また、ベース部材１のフィン部１２が延びる方向を上下方向という。

フィン部１２，１２・・は、板状部材１１の内周面１１ｂに長手方向の略全長に亘って突設される所定幅の基台部１２１と基台部１２１の幅方向中央部が長手方向の略全長に亘って上方に突設されてなる薄板状のフィン１２２を有しており、板状部材１１の内周面１１ｂの隣接する基台部１２１，１２１間にコルゲートフィン部材２を固定するためのフィン固定部として第１の嵌合溝１３ａ，１３ａ・・が形成されている。
また、板状部材１１の幅方向の両端には、長手方向の略全長に亘ってリブ部１４，１４が形成されており、板状部材１１の幅方向の両端に突設された基台部１２１，１２１とリブ部１４，１４とによって、コルゲートフィン部材２の幅方向両端部を固定するためのフィン固定部として第２の嵌合溝１３ｂ，１３ｂが形成されている。

コルゲートフィン部材２は、薄板を折り返して形成されており、図２（ａ）に断面を示すように、少なくともベース部材１のフィン部１２の上下幅寸法以上の上下幅寸法を有する放熱板部２ａと、放熱板部２ａの上方端部同士を連結する上部折り返し部２ｂと、放熱板部２ａの下方端部同士を連結する下部折り返し部２ｃと、コルゲートフィン部材２の幅方向両端部の放熱板部２ａの下端を折り曲げてなる左右の端部折り曲げ部２ｄ，２ｄを有している。

そして、図３（ａ）に示すように、ベース部材１に形成された第１の嵌合溝１３ａ，１３ａ・・に対してコルゲートフィン部材２の下部折り返し部２ｃを嵌合するとともに、ベース部材１の第２の嵌合溝１３ｂ，１３ｂに対してコルゲートフィン部材２の左右の端部折り曲げ部２ｄ，２ｄを嵌合することにより、ベース部材１に対してコルゲートフィン部材２が固定される。
ベース部材１にコルゲートフィン部材２を固定した状態で、ベース部材１のフィン部１２，１２・・がコルゲートフィン部材２の放熱板部２ａ，２ａ及び上部折り返し部２ｂにより覆われてヒートシンクの放熱部分が構成されている。

カバー部材３は、ベース部材１との固定部分３ａ，３ａを端部とする断面略逆Ｕ字状の部材として形成されており、図１，図３（ｂ）に示すように、断面略板状のベース部材１とベース部材１の幅方向両側面に固定された断面略逆Ｕ字状のカバー部材３とにより、内部に空気を通すことができる断面略四角形状のダクトＡとして構成することができる。
そして、ダクトＡ内部に空気を流すことでダクトＡ内部に配置された放熱部分を冷却して、ベース部材１の冷却面１１ａに配置する放熱体を冷却することができる。

（コルゲートフィン部材による冷却効率の向上）
本実施形態のヒートシンクのように、ダクト内に放熱板を配置してダクト内に空気を流入することにより放熱板を冷却するヒートシンクは、ヒートシンクの長さ方向全域に亘って同一高さの放熱板部が存在することになると、ダクトＡの入口付近の放熱板部については流入される空気によって十分に冷却されるものの、流入された空気はダクトＡ内を流れるにしたがって暖められて出口付近においては放熱板部を十分に冷却することができなくなり、ヒートシンクのベース部材１の冷却面１１ａに冷却能力のばらつきが生じる可能性がある。

そのため、本実施形態に係るヒートシンクは、コルゲートフィン部材２による放熱部分がダクトＡ内を流れる空気により効率的に冷却されるように、ダクトＡの冷却空気の入口から出口に向かって放熱板部２ａの上下方向の幅寸法が大きくなるように変化している。

具体的には、本実施形態に係るヒートシンクのコルゲートフィン部材２は、図４に示すように、ベース部材１の上面を長手方向に３つの領域に分割して、分割した各領域に異なるコルゲートフィン部材２１，２２，２３を配置している。ダクトＡの入口に近い部分には、上下方向の幅寸法の短い放熱板部２１ａを備える第１のコルゲートフィン部材２１を配置して、その次に同幅寸法の中程度の放熱板部２２ａを備える第２のコルゲートフィン部材２２を配置して、ダクトＡの出口に近い部分には、上下方向幅寸法がカバー部材３内に略一杯に収まる寸法に設定された長い放熱板部２３ａを備える第３のコルゲートフィン部材２３を配置している。

それによって、図５（ａ）に示すように、ファン６によりダクトＡ内に吸引された空気の一部は、ダクトＡの入口に近い第１のコルゲートフィン部材２１によりあまり温められることなく中程の第２のコルゲートフィン部材２２や出口に近い第３のコルゲートフィン部材２３に到達することとなり、第１から第３の各コルゲートフィン部材２１，２２，２３をバランスよく冷却することができる。

ここで、第１から第３のコルゲートフィン部材２１，２２，２３の上下方向の幅寸法に差があると空気は抵抗の少ない流路に多く流れることから、ダクトＡの入口に近い領域において多くの空気が第１のコルゲートフィン部材２１を通過せずにコルゲートフィン部材２１のない上方の領域を通過して、第１のコルゲートフィン部材２１が十分に冷却されない可能性が生じる。
そのため、図５（ｂ）に示す実施形態においては、ダクトＡ内に進入した空気が第１のコルゲートフィン部材２１に十分に接触するようにダクトＡの入口の上方領域を遮蔽板５により塞いでいる。
これによって、ダクトＡ内に進入する空気は、第１のコルゲートフィン部材２１に十分に接触して、冷却ムラを防止することができる。

また、図５（ｃ）に示すように、ダクトＡ内に配置する第１から第３のコルゲートフィン部材２１，２２，２３を、長手方向に離間させて配置することもできる。これにより、ダクトＡ内を流れる空気に乱流が生じて、より冷却効率を向上させることが可能となる。

以上のように、本実施形態のヒートシンクにおいては、押出成形による形成される複数のフィン部１２，１２・・をコルゲートフィン部材２の放熱板部分で覆うように組み合わせることで、フィン部１２，１２・・の製造工程において間隔の狭いフィンを成形することなく、ヒートシンクのフィン（放熱板）同士の間隔が狭いヒートシンクを形成することができるので、冷却効率の高いヒートシンクを不良品の発生率を上げることなく容易に製造することができる。

また、本実施形態のヒートシンクは、ダクトＡ内に配置するコルゲートフィン部材２を長手方向に分割し、ダクトの入口から出口に向かって上下方向寸法が変更するように形成しているので、ダクト内でのコルゲートフィン部材２の冷却ムラの発生を抑制することができる。
このとき、配置されるコルゲートフィン部材２１，２２，２３の長手方向の寸法を同じくすることにより，異なるコルゲートフィンを同一の板材により折り曲げ位置を変更することで成形することができるので、製造のために異なる幅の板材を用意する必要がなく、材料の共通化がはかれ、冷却能力を下げることなく簡単に製造コストを削減することができる。

また、押出成形による形成される複数のフィン部１２，１２・・をコルゲートフィン部材と組み合わせたときには、ベース板に対するコルゲートフィンの取付け数、長さ方向の幅及び取付位置を適宜設定できるので、押出成形により形成される複数のフィン部材によってヒートシンクの冷却面全体に亘る必要最低限の冷却能力を確保しながら、冷却対象の配置位置や発熱量に応じてベース板の適宜の位置に適宜寸法のコルゲートフィンを配置することにより、冷却対象に応じた効率的なヒートシンクを構成することができる。

なお、本実施形態においては、コルゲートフィン部材２をベース部材１に固定するためのフィン固定部を第１の嵌合溝１３ａ，１３ａ・・と第２の嵌合溝１３ｂ，１３ｂで構成し、コルゲートフィン部材２の下部折り返し部２ｃ及び左右の端部折り曲げ部２ｄ，２ｄを嵌合することにより固定しているが、コルゲートフィン部材２をベース部材１に固定するための手段は、嵌合に限るものではない。
また、フィン固定部（嵌合溝）は、全てのフィン部の間に設ける必要は無く、複数のフィン部１２，１２・・をコルゲートフィン部２でまとめて覆うように、複数置きに設けることもできる。
さらに、本実施形態においては、ベース部材及びコルゲートフィン部材はアルミニウム合金により形成されているが、他の金属材料により形成してもよく、伝熱性を備える材料であれば、何ら特定されるものではない。

１ ：ベース部材
１１ ：板状部材
１１ａ ：冷却面
１１ｂ ：内周面
１２ ：フィン部
１２１ ：基台部
１２２ ：フィン
１３ａ ：第１の嵌合溝（フィン固定部）
１３ｂ ：第２の嵌合溝（フィン固定部）
１４ ：リブ部
２ ：コルゲートフィン部材
２ａ ：放熱板部
２ｂ ：上部折り返し部
２ｃ ：下部折り返し部
２ｄ ：端部折り曲げ部
３ ：カバー部材
３ａ ：固定部分
５ ：遮蔽板
６ ：ファン
Ａ ：ダクト

Claims (1)

1. 板状のベース板部とベース板部の一面から略垂直に延びる複数のフィン部を一体的に有するベース部材と、薄板を折り返し部により折り返して断面波形状に形成したコルゲートフィン部材を備え、
   ベース板部は、一面の複数のフィン部間にフィン固定部を有しており、
   ベース板部のフィン固定部にコルゲートフィン部材の折り返し部が固定されて結合されることで、ベース部材のフィン部をコルゲートフィン部材により覆ってあり、
   ベース部材のフィン部の外周側面とコルゲートフィン部材の内周側面とが非接触で、両者間に空間が形成されていることを特徴とするヒートシンク。

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