JPH06314758A - 剣山形ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 従来の剣山形ヒートシンクはその多数個を対
流の流れ方向に直列または段列配置して適用する場合上
流側ヒートシンクからの熱干渉、または流れの相互干渉
により放熱能力が大幅に低下したり、個々の放熱能力に
大きなバラツキが発生する。発明の目的はこの問題を解
消することにある。 ［構成］ 剣山形ヒートシンクの受熱用金属平板の所定
の端縁に対流制御フィンを設け、対流の主流の流れ方向
に一定の角度をなすよう配置した。これにより各剣山形
ヒートシンクに等温度の冷却対流が均一な流量流速で導
入されるようにすると共に、各剣山形ヒートシンクを通
過した高温対流が下流側の剣山形ヒートシンクに流入す
ることがないように構成した。 ［効果］ すべての剣山形ヒートシンクが同等に活発に
作動するようになり、冷却対象の各発熱素子は総て有効
且つ均一に冷却されるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートシンクの構造に関
するもので、特に受熱用金属平板の放熱面に直立して配
接されたピンフィン群が剣山形状に形成されてなる剣山
形ヒートシンクの構造に関す術ものである。

【０００２】

【従来の技術】剣山形ヒートシンクは受熱面と放熱面を
有する受熱用金属平板の、放熱面に直立して配接された
ピンフィン群が剣山形状に形成されて構成される。この
ような剣山形ヒートシンクは同一容積のプレートフィン
群により構成されたヒートシンクに比較して、伝熱面積
が数倍も大きく、またフィン内の対流が層流を形成する
ことが無いので、放熱効率が極めて良好であり、また放
熱量の割合に軽量である利点もあり近来の機器内に於け
る発熱部品の高密度実装に対応して使用するのに適して
いるのでその利用が拡大されつつある。

【０００３】また剣山形ヒートシンクには、その適用時
にピンフィン群内に導入される冷却対流の流れ方向を問
わず良好な放熱性能を発揮し、または冷却対流内におけ
る装着の方向性を問わず良好な放熱性能を発揮すると云
う特徴があるので実装設計上の自由度が大きく、実装作
業に際しての作業性が良いと云う利点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し剣山形ヒートシン
クにはピン状フィン群内に導入された冷却対流が散乱し
て、流れ方向外に流失する割合が大きいのでフィン群の
前面から流入する対流の流速がフィン群の背面から流出
する時点では大幅に低下するという点、冷却対流に乱流
を発生させるための圧力損失が大きい点等の問題があっ
た。

【０００５】また剣山形ヒートシンクには、熱交換効率
が高いので受熱平板に加えられる熱量が通常のヒートシ
ンクと同等の場合でも剣山形ヒートシンクを通過した対
流の温度上昇のほうが高く、更に一般に剣山形ヒートシ
ンクには通常のヒートシンクより大きな熱量を与えられ
るのが常であるから、剣山形ヒートシンクを通過した対
流は温度が高いのが特徴になっている。

【０００６】上述のような特徴から剣山形ヒートシンク
の複数個を直列配置して使用する場合や多数個を段列配
置して使用する場合に熱交換効率が大幅に低下するもの
で機器内の部品配列設計や筐体構造設計等の実装設計上
大きな問題点となっている。

【０００７】熱交換効率低下の原因及び状態は以下の通
りである。 （イ）第一列目の剣山形ヒートシンクによる圧力損失の
増加及び流速の低下により下流側第二列目に侵入する対
流の圧力が降下し、流速が低下して熱交換効率が低下す
る。以降同様に下流列に至るにつれて順次対流の流速が
低減しヒートシンクの熱交換効率は大幅に低下する。 （ロ）第一列目の剣山形ヒートシンクによる対流の温度
上昇により下流側第二列目の熱交換効率が低下し、対流
の温度は更に上昇する。以降同様に下流列に至るにつれ
て対流の温度は益々上昇し順次ヒートシンクの熱交換効
率は大幅に低下する。 （ハ）第一列目の剣山形ヒートシンクに於ける対流の散
乱により下流側第二列目隣接段の剣山形ヒートシンクに
高温対流が侵入し熱交換効率が低下する。以降同様に下
流列に至るにつれて熱交換効率が益々低下する。 本発明は上述（イ）（ロ）（ハ）の各問題点を解決す
る。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】問題点を解決するための手
段の基本的な考え方としては総ての受熱用金属平板の所
定の端縁に対流制御フィンを設け、総ての対流制御フィ
ンが冷却対流の主流の流れ方向に対して一定の角度をな
すよう配置する。これにより、総ての剣山形ヒートシン
クに対して等温度の冷却対流が均一な流量流速で導入さ
れることを可能にし、各列を通過した対流が風下の列に
侵入することを最小限に止どめることを可能にし、対流
制御フィンを設けることにより対流の散乱を防ぎ風下側
隣接段に上流側の高温対流が侵入することを防ぐことに
ある。

【０００９】その場合の対流制御フィンの配設に必要な
条件は放熱対象である発熱部品の実装の妨げにならない
こと、対流制御フィンそれ自身の実装が容易であるこ
と、対流制御機能の調整が可能なことの三点である。

【００１０】本発明の剣山形ヒートシンクは上述の構造
と機能及び必要条件を完全に満足するもので図１〜図４
に例示の如く構成されてある。図において１はｌ字形状
ピンフィン群であって、受熱面と放熱面とを有する受熱
用金属平板２の放熱面に剣山形状に形成されてある。受
熱用金属平板２の形状は方形に示してあるが如何なる形
状であっても良い。この受熱用金属平板２の所定の片側
端縁（図１、図２）もしくは所定の相対する両端縁（図
３、図４）には、長方形の対流制御フィン３がその長辺
を端縁に接して形成されてあり、この対流制御フィン３
は受熱用金属平板２の放熱面にほぼ直交直立しており、
少なくともｌ字形状ピンフィン群の高さと同等以上の高
さで、且つ少なくともｌ字形状ピンフィン群の配設幅と
同等以上の長さであることを特徴としている。

【００１１】図１及び図３に於て１０は冷却対象の一例
としての発熱素子を示し、１１はその実装基板面を表す
仮想線である。実際の適用に際しては対流風に対する気
密を保持する為に、発熱素子１０と受熱用金属平板２と
の間は隔壁を介して接着される場合もある。

【００１２】図１及び図３に於て１２は隔壁を示す仮想
線であって、隔壁と実装基板面とは対流制御フィン３と
相俟ってそれらの間隙は対流の流路を構成する。隔壁面
１２と剣山形ヒートシンクとは殆ど密着するように示さ
れてあるが、剣山形ヒートシンクの高さが低い場合は、
対流の流路が狭隘になり、対流の流体抵抗が大きくなる
こともあるので、この場合は隔壁面１２と剣山形ヒート
シンクの頂部との間には充分な間隙を設けて構成する場
合もある。

【００１３】

【作用】図５、図６、及び図７は上述の如き本発明の剣
山形ヒートシンクの適用例及び作用を示す説明図であ
る。図５は図１、図２に例示の対流制御フィンが一端縁
のみに設けられてある剣山形ヒートシンクの適用例であ
り、図６、図７は図３、図４に例示の両端縁に対流制御
フィンが設けられてある剣山形ヒートシンクの適用例で
ある。 図５、図６は対流４、５の流れの中に直列配置
されてあり、図７は２段３列に段列配置された例を示
す。これらの剣山形ヒートシンク及びそれらに設けられ
た対流制御フィンは隔壁８、９、１１、１２及び実相基
板面１１等と相まって対流の流路を形成している。各図
に於て４の矢印は低温対流を示し５はヒートシンク通過
後の高温対流を示す。各ヒートシンクの対流制御フィン
３は対流の全体的な流れ方向に対し所定の角度をなすよ
うに配置されてあり、矢印が示す如く対流は低温対流４
として夫々のヒートシンク内に分流して導入され、ヒー
トシンク内にて熱量を吸収して高温対流５となって排出
される。

【００１４】邪魔板６、７は対流の主流が高温対流流路
に侵入するのを防ぎ、その殆どを低温対流流路内に導入
せしめて、対流を無駄なくなく各ヒートシンクに配分し
低温対流４の流量、流速を増加せしめる役目がある。然
し対流の流路が狭い場合など低温対流４の流量増加は、
流路内の静圧を大幅に増大せしめることもある。この静
圧の増大が対流発生源のファンの能力を超える場合は低
温対流４は風量も風速も増加せず、ファンのオーバーロ
ードによる寿命低下の如き逆効果が発生する場合もあ
る。邪魔板６、７はその配設が省略された場合でも本発
明の効果は発揮することが出来る。その場合は高温対流
５の流路内にも対流の主流の一部が流入するので、高温
対流流路内の流速が上昇し、それによる静圧の低下によ
り、ヒートシンク内の静圧も低下し、低温対流を吸引す
る効果が発生する。即ちこれにより、ヒートシンク内に
流入する低温対流の流量が増加し、邪魔板の省略により
かえってヒートシンクの性能が向上することも有る。

【００１５】この様に配設された剣山形ヒートシンクは
対流制御フィンの作用によって次の様に作用する。 （イ）各ヒートシンクには対流の主流の静圧を維持した
ままの低温対流４が同一条件で導入され、上流側ヒート
シンクで圧力降下し、流速が低下した対流が侵入するこ
とが無い。従って各ヒートシンクはすべて同一の冷却性
能を発揮すると共にヒートシンク間に相互間の流速の干
渉が発生しない。

【００１６】（ロ）同様に各ヒートシンクに於て熱吸収
した高温の対流５は決して下流側ヒートシンク内に侵入
することが無い。従って各ヒートシンクは上流側ヒート
シンクの熱的干渉を受けることなく、何れも同一の放熱
性能を発揮する。

【００１７】図７の如く配設することにより、対流制御
フィンの整流作用により上流側ヒートシンクに於て、対
流が散乱することが無いので下流隣接段のヒートシンク
が熱的干渉を受けることが全くない。

【００１８】図の如く配設された本発明の剣山形ヒート
シンクは上述の如き優れた機能を発揮するだけで無くそ
の実装作業が容易である点も大きな利点である。その作
用は剣山形ヒートシンクと対流制御フィンの組み合わせ
により発生する機能であり、それらは個別に製作し、個
別に実装しても十分に目的を達成することが出来る。し
かし最近の高密度実装基板上に対流制御フィン群を配設
することは極めて煩雑で困難な作業になるもので、多く
の損失時間の発生が推定される。然し本発明の剣山形ヒ
ートシンクは対流制御フィンと一体化されたハイブリッ
ド形になっているので対流制御フィン群を配設する時間
は全く考慮に入れる必要が無い。

【００１９】各図の如く配設された剣山形ヒートシンク
に於て、対流の主流の流れ方向に対する対流制御フィン
の傾斜角度は、低温対流４と高温対流５のそれぞれの流
速、流量に応じて最適の角度に調整する必要がある。本
発明の剣山形ヒートシンクに於てその接着角度を調整す
るだけで対流制御フィンの傾斜角度は容易に調整するこ
とが出来る。また図の如く対流制御フィンの長さが充分
に長く形成されてある場合はその先端部を屈曲せしめる
だけで対流の流入、流出状態を容易に制御することが出
来る。

【００２０】対流制御フィンは熱伝導率の良好な金属で
形成され、且つ受熱用金属平板との接続が良好であれ
ば、それ自身が放熱フィンとして作用する。したがって
剣山形ヒートシンクのみのときより放熱性能は向上す
る。

【００２１】図１、図２及び図５に例示の如く受熱用金
属平板２の所定の一端縁のみに対流制御フィン３を形成
してある剣山形ヒートシンクの場合は冷却対象発熱素子
及び剣山形ヒートシンクの配設間隔が小さい場合に適し
ており、また対流の主流の流れ方向に対する対流制御フ
ィン３の角度の形成の自由度が高い利点がある。特に図
２及び図５に示す如く、対流制御フィン３が形成されて
ある端縁に相対する側の縁が、剣山形状ピンフィン群の
円筒形状外形に沿って半円形に成形されてある場合は、
剣山形ヒートシンクの配設間隔を最小に保ったまま、個
々の剣山形ヒートシンクを回転せしめて、対流制御フィ
ン３の角度を自由に設定して配設することが出来る。

【００２２】図３、図４及び図６に例示の如く受熱用金
属平板２の所定の相対する両側端縁に対流制御フィン３
が設けられてある場合は、図６の配設状態から明らかな
如く、対流制御フィン３の重なり部分が形成され、対流
制御区間が長くなり対流制御が確実になる利点がある。
またこの場合は対流制御フィン３の枚数が多いのでその
放熱フィンとしての効果が増大し、ハイブリッド剣山形
ヒートシンクとしての放熱性能が向上する。

【００２３】

【実施例】冷却の対象とする発熱素子は対流の流れ方向
に八個直列に配置された発熱素子であり、一個当たりの
発熱量は２５Ｗであり、これらを周囲温度４０℃に於て
素子表面温度を８５℃以下に保持するよう放熱せしめる
必要があった。冷却用ヒートシンクとして、先ず従来型
の剣山形ヒートシンクを使用した。受熱用金属平板のサ
イズは４０ｍｍｍ×４０ｍｍ、ｌ字形状ピンフィン群の
高さは２０ｍｍ、剣山形状ピンフィン群の外形は直径４
０ｍｍの円筒形、剣山形ヒートシンクの放熱能力は３０
Ｗ（但し温度上昇４０℃にて）であり、これを８個使用
して発熱素子を個々に冷却した。

【００２４】使用ヒートシンクとしては充分に余裕ある
ものを用いたにもかかわらず、上流側から１個目は充分
に冷却されたが２個目以降については下流側に至るにつ
れて放熱性能が大幅に悪化し、４個目より下流側の発熱
素子は目標温度以下に冷却することが出来なかった。そ
の測定結果を表１に示す。

【００２５】測定時の対流風速は２ｍ／ｓで、全熱入力
は２００Ｗであった。表において列順欄の数値は上流側
から数えたヒートシンクの順番を示し、素子表面温度欄
の数値は発熱素子表面とヒートシンク受熱面の接着面に
於ける素子表面温度及びヒートシンク受熱面温度を示
し、周囲温度欄の数値はヒートシンクに導入される空気
の主流の温度を示し、Δｔの欄の数値はヒートシンクに
より冷却されつつ平行温度に達している発熱素子の表面
温度と周囲温度との温度差、即ち熱入力前から熱入力後
平衡に達する迄の発熱素子の表面温度の温度上昇値を表
す。熱抵抗値欄の数値は入力された熱量がヒートシンク
の受熱面から受熱され、剣山形状ピンフィン群表面から
放熱されるに至るまでの熱移動の抵抗値を表している。

【００２６】

【表１】

【００２７】次に冷却用ヒートシンクとして、全く同サ
イズ同形状の剣山形状ピンフィン群を有する本発明の剣
山形ヒートシンクを使用した。即ち図１に例示の如く受
熱用金属平板２の一端縁を延長せしめて折り曲げ、金属
平板の端縁に高さ２２ｍｍの対流制御フィン３が設けら
れた形状とした。対流制御フィンの長さは６０ｍｍであ
った。対流制御フィン形成部に相対する端縁は図２、図
５に示されてある如く直径４０ｍｍの円筒形状の剣山形
状ピンフィン群の外周に添った半円形状とした。

【００２８】このように構成された本発明の剣山形ヒー
トシンク８個を、その対流制御フィン３が対流の主流の
流れ方向に対し所定の角度をなすよう配置して、図５の
如く配設した。このような状態で対流風速２ｍ／ｓ、全
熱入力２００Ｗにて放熱性能を測定した。その結果を表
２に示す。表に於ける列順、素子表面温度、周囲温度、
Δｔ、熱抵抗値、等の用語及び記号、欄内数値、の定義
は表１と全く同じである。

【００２９】

【表２】

【００３０】表１表２を比較すると、各対流制御フィン
３の作用によって、ヒートシンク群の性能が大幅に改善
され、各発熱素子の表面温度が大幅に低下したことが良
く分かる。また各ヒートシンクに導入された対流の温
度、流量、流速が均等化され、これにより各発熱素子の
表面温度の均一性が目覚ましく改善されたことも良く分
かる。

【００３１】

【発明の効果】従来多数の剣山形ヒートシンクを冷却対
流の流れ方向に直列または段列に配置して適用する場合
ヒートシンクの列間または段間の相互の熱干渉により、
または各ヒートシンクを通過する対流の流れの相互の干
渉により、総合的な放熱性能が大幅に低下したり、発熱
素子が均等に冷却されず素子間に大きな温度のバラツキ
が発生することが避けられないものであった。

【００３２】本発明の剣山形ヒートシンクを適用しそれ
らの総ての受熱用金属平板の所定の端縁に設けられた対
流制御フィンは、各剣山形ヒートシンクに導入される冷
却対流の流量流速を均一化せしめ、各剣山形ヒートシン
クを通過して温度上昇した高温対流が対流の下流側剣山
形ヒートシンク内に侵入することを防ぐことを可能にし
た。このことは放熱性能の低下を完全に防ぎ同時に各発
熱素子の均一な放熱を可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の剣山形ヒートシンクの基本構造の一例
を示す正面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】本発明の剣山形ヒートシンクの基本構造の他の
一例を示す正面図である。

【図４】図３の平面図である。

【図５】図１の剣山形ヒートシンクの適用例と作用効果
を示す説明図である。

【図６】図３の剣山形ヒートシンクの適用例と作用効果
を示す説明図である。

【図７】図３の剣山形ヒートシンクの他の適用例とその
作用効果を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ｌ字形状ピンフィン群 ２ 受熱用金属平板 ３ 対流制御フィン ４ 低温対流 ５ 高温対流 ６ 邪魔板 ７ 邪魔板 ８ 隔壁 ９ 隔壁 １０ 発熱素子 １１ 実装基板面 １２ 隔壁面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受熱面と放熱面を有する受熱用金属平板
   の、放熱面に直立して配接されたピンフィン群が剣山形
   状に形成されてなる剣山形ヒートシンクに於て、受熱用
   金属平板の所定の一端縁若しくは所定の相対する両側端
   縁には、長方形の対流制御フィンがその長辺を端縁に接
   して形成されてあり、この対流制御フィンは受熱用金属
   平板の放熱面にほぼ直交直立しており、少なくとも剣山
   形状ピンフィン群の高さと同等以上の高さで、且つ少な
   くとも受熱用金属平板上に於ける剣山形状ピンフィン群
   の配設幅と同等以上の長さであることを特徴とする剣山
   形ヒートシンク。
2. 【請求項２】 対流制御フィンは受熱用金属平板が所定
   の一端縁に於て、若しくは所定の相対する両側端縁に於
   て延長せしめられ、この金属平板の延長された部分がほ
   ぼ直角に折り曲げられて形成されてあることを特徴とす
   る請求項１に記載の剣山形ヒートシンク。
3. 【請求項３】 剣山形ヒートシンクの受熱用金属平板上
   に形成されてある剣山形状ピンフィン群の剣山の形状は
   円筒形であり、対流制御フィンは受熱用金属平板の所定
   の一端縁に配接されてあり、受熱用金属平板の形状は、
   対流制御フィンが配設されてある側の端縁に相対する側
   の端縁は、剣山形状ピンフィン群の円筒形外周に添った
   半円形状になっていることを特徴とする請求項１に記載
   の剣山形ヒートシンク。