JPH10116942A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱フィンの熱容量を可及的に小さくし、か
つ、放熱面積を可及的に広くするとともに、さらに、小
型で軽量なヒートシンクを提供する。 【解決手段】 ベースプレート２と、ベースプレート２
に立設された多数の放熱フィン３とを有するヒートシン
ク１において、多数の放熱フィン３の基端部３Ａがベー
スプレート２に埋設され、かつ、各放熱フィン３の高さ
ｈと放熱フィン３の肉厚ｔとの比率Ｃ＝ｈ／ｔが、ｈ／
ｔ＝Ｃ≧４０に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子機器の電子
部品や電子素子などを冷却するために用いられるヒート
シンクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器、例えばコンピュータには、多
機能化や処理速度の向上を目的として中央演算処理装置
などの電子部品や電子素子が搭載されている。これらの
電子部品や電子素子は通電抵抗によって発熱するため、
過熱状態になれば本来の機能が損なわれる可能性があ
る。

【０００３】そこで、従来ではこれらの電子部品や電子
素子の熱を外部に放散させるためのヒートシンクが配置
されている。このようなヒートシンクの一例として、板
状のベースプレートの表面に多数の放熱フィンを一体的
に配置したものがある。ヒートシンクの構成材料として
は、熱伝導性に優れたアルミニウムや銅などの金属材料
が用いられる。このヒートシンクは、ダイスを有するコ
ンテナ内に材料を挿入して押し出す押し出し加工や、金
型により材料を加圧、圧縮する鍛造などの製造方法によ
り一体成形されている。

【０００４】上記構成のヒートシンクは、電子部品や電
子素子の表面にベースプレートを面接触させた状態で使
用される。すると、電子部品や電子部品の熱がベースプ
レートに伝達されるとともに、放熱フィンの表面、つま
り放熱面から外部に熱が放散され、電子部品や電子素子
の過熱が防止される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヒートシン
クの放熱効率を向上させるためには、放熱フィンの熱容
量を可及的に小さくするとともに、放熱面積を可及的に
広く確保することが望ましい。この要求を満足するため
には放熱フィンを極力薄肉化し、かつ、高さを高く設定
する必要がある。一方、上記のような電子機器は、小型
化および軽量化が強く望まれているため、電子機器の内
部空間においてヒートシンクが占有できる設置スペース
も極めて限定されているうえ、ヒートシンク自体の軽量
化が要求されている。

【０００６】しかしながら、従来のヒートシンクは押し
出し加工や鍛造などの加工法により一体成形されてい
る。このため、押し出し加工では放熱フィンの成形時
に、金属材料とダイスとの摩擦抵抗により材料流動が制
約を受けるために成形可能な寸法が限定される。一方、
鍛造においては、一回の加圧による金属材料の伸展性に
限界があるために成形可能な寸法が限定されていた。

【０００７】このため、放熱フィンの薄肉化や高さの確
保による放熱面積拡大には限界があった。具体的には放
熱フィンの厚さをほぼ２mm程度、高さは２０mm程度に設
定することが限界である。つまり、放熱フィンの高さを
ｈとし、厚さをｔとし、ｈ／ｔにより求められる比率を
Ｃとしたとき、Ｃ≦１０程度が限界であった。したがっ
て、放熱フィンの熱容量が大きく、かつ、放熱面積を充
分確保できず、充分な放熱効率が得られなかった。

【０００８】また、放熱フィンの薄肉化に限界があるた
め、放熱フィン同士のピッチを狭めることができず、ピ
ッチが５mm程度に設定されていた。このため、ベースプ
レートの単位面積当たりの放熱フィンの配置数が制限さ
れ、放熱面積を拡大することが困難であった。

【０００９】さらに、放熱フィンの薄肉化に限界があっ
たため、充分な放熱効率を確保するためにはヒートシン
クの設置スペースが拡大され、電子機器の小型化や軽量
化に寄与することができなかった。

【００１０】この発明は、上記事情を背景としてなされ
たもので、放熱フィンの熱容量を可及的に小さくし、か
つ、放熱面積を可及的に広くし、小型で軽量なヒートシ
ンクを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するため、請求項１の発明は、ベースプレート
と、このベースプレートに立設された多数の放熱フィン
とを有するヒートシンクにおいて、前記多数の放熱フィ
ンの基端部が前記ベースプレートに埋設され、かつ、前
記各放熱フィンの高さｈと放熱フィンの肉厚ｔとの比率
Ｃ＝ｈ／ｔが、ｈ／ｔ＝Ｃ≧４０に設定されていること
を特徴とする。

【００１２】請求項１に記載された発明によれば、別個
に成形されたベースプレートと放熱フィンとを一体化し
ているため、放熱フィンの高さを可及的に高く設定し、
かつ、肉厚を可及的に薄く設定して放熱フィンの熱容量
を可及的に小さくすることができる。したがって、放熱
面積が可及的に広くなり放熱効率が向上する。また、同
一放熱効率を確保するために必要な放熱フィンの数を可
及的に抑制でき、ヒートシンクが小型化、軽量化されて
冷却対象物におけるヒートシンクの設置スペースが可及
的に狭められ、冷却対象物の小型化、軽量化に寄与でき
る。

【００１３】請求項２の発明は、前記ベースプレートの
前記放熱フィンが立設された面とは反対側の面の一部が
発熱体への取付面とされ、この取付面の部分における前
記ベースプレートの肉厚が最も厚く、該部分から離れる
にしたがって薄肉に形成されていることを特徴とする。

【００１４】請求項２の発明によれば、請求項１と同様
の作用を得られるほか、冷却対象物への取付部分の強度
を確保しつつ熱容量を小さくし、かつ、ヒートシンクを
一層軽量化できる。

【００１５】請求項３の発明は、前記放熱フィンが、金
属材料と、この金属材料よりも弾性係数が大きく、か
つ、比重の小さい補助材料との複合材からなることを特
徴とする。ここで、金属材料としては熱伝導性に優れた
アルミニウム、銅などが例示され、補助材としてはグラ
ファイト、繊維強化プラスチックなどが例示される。

【００１６】請求項３の発明によれば、請求項１または
請求項２のいずれかと同様の作用を得られるほか、放熱
フィンが一層軽量化される。また、物体が放熱フィンに
接触して荷重が放熱フィンに加わった場合でも、放熱フ
ィンの弾性力により荷重が吸収されるため、放熱フィン
の塑性変形が抑制されて放熱機能を維持できる。したが
って、放熱フィンの薄肉化による強度不足を補うことが
できる。

【００１７】請求項４の発明は、前記放熱フィンが、前
記ベースプレートに設けられた第１フィンと、この第１
フィンに対してほぼ直交させて組み合わせた第２フィン
とを備えていることを特徴とする。

【００１８】請求項４の発明によれば、請求項１または
請求項２のいずれかと同様の作用を得られるほか、放熱
フィンの放熱面積が増加して放熱効率が一層向上する。
また、第１フィンと第２フィンとが直交しているため、
肉厚方向の曲げ強度が相互に補強され、放熱フィンの薄
肉化による強度不足を補うことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（第１実施例）つぎに、この発明を添付図面に基づいて
説明する。図１は請求項１に対応する構成のヒートシン
ク１を示す側面図、図２はヒートシンク１の斜視図であ
る。ヒートシンク１は、ほぼ方形の平面形状を備えた板
状のベースプレート２と、ベースプレート２の一方の面
に立設された複数の放熱フィン３とを備えている。ベー
スプレート２と複数の放熱フィン３とは同一の金属材
料、例えば熱伝導性に優れたアルミニウム、銅などによ
り構成されている。

【００２０】複数の放熱フィン３はそれぞれ板状に成形
され、ほぼ方形の側面形状を備えている。複数の放熱フ
ィン３は、その基端部３Ａがベースプレート２に埋設さ
れた状態で、互いに並行に、かつ、一定のピッチｐで配
列されている。

【００２１】また、ベースプレート２の表面から複数の
放熱フィン３の自由端までの高さｈはほぼ同一に設定さ
れ、かつ、高さｈにほぼ直交する方向の寸法、つまり肉
厚ｔもほぼ同一に設定されている。そして、ｈ／ｔによ
り求められる比率Ｃが４０以上となるように高さｈと肉
厚ｔとが設定されている。

【００２２】上記のヒートシンク１は、電子機器の電子
部品、電子素子、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）の
表面に、ベースプレート２の放熱フィン３とは反対側の
面を当接させた状態の空冷条件で使用されたり、あるい
は、ヒートパイプと組み合わせた状態で使用される。そ
して、対象物の熱がベースプレート１により吸収される
とともに、放熱フィン３を介して空気中に放熱され所定
の冷却機能を発揮する。

【００２３】つぎに、ヒートシンク１の製造方法を説明
する。まず、金属材料を圧延加工して複数の放熱フィン
を別々に成形する。そして、複数の放熱フィンを鋳型
（図示せず）内に、平行、かつ、一定ピッチで配列す
る。ついで、鋳型を型締めしてキャビティー内に溶湯状
態の金属材料を鋳込んで凝固させ、ベースプレート２と
放熱フィン３とが一体化されたヒートシンク１が完成す
る。

【００２４】このようにして製造されたヒートシンク１
は、放熱フィン３がｔ＝０．５mmのときには、ｈ＝２０
mm程度に設定される。また、ヒートシンク１の材料とし
てアルミニウムが選択されていた場合は、ｔ＝０．５mm
のときｈ＝５０mm程度に設定される。このように、アル
ミニウムを用いた場合に高さｈを大きく設定できる理由
は、軽量で展延性に優れた機械的特性を備えているから
である。さらに、この実施例ではピッチｐが１．５mm以
上に設定されている。これは、放熱フィン３同士の間で
空気の流動を促進して放熱効果を高めるためである。

【００２５】この実施例では、放熱フィンを別々に圧延
加工により成形しているため、肉厚ｔを可及的に薄く
し、かつ、高さｈを可及的に高くすることにより、比率
Ｃを可及的に大きく設定することが可能となる。つま
り、放熱フィン３の熱容量を小さくして放熱フィン３の
放熱面積を充分に確保できる。

【００２６】また、複数の放熱フィン３の肉厚ｔを可及
的に薄く設定できるため、複数の放熱フィン３同士のピ
ッチｐを可及的に狭くし、ベースプレート２の単位面積
当たりの放熱フィン３の設置数を可及的に増加させ、ヒ
ートシンク１の全体としての放熱面積を一層増加させる
ことができる。

【００２７】また、同一放熱効率を確保するために必要
な放熱フィン３の数を可及的に抑制でき、ヒートシンク
１が小型化、軽量化されて電子機器におけるヒートシン
ク１の設置スペースが可及的に狭められ、電子機器の小
型化、軽量化に寄与することができる。

【００２８】図３は、放熱フィン３の高さｈを２５mmに
設定したヒートシンク１を空冷状態で使用した場合にお
いて、放熱フィン３の肉厚ｔとフィン効率との関係を示
すグラフである。図３において、□印は空気の流速が１
ｍ／ｓの場合のフィン効率を示し、◇印は空気の流速が
２ｍ／ｓの場合のフィン効率を示し、△印は空気の流速
が３ｍ／ｓの場合のフィン効率を示している。この実施
例のヒートシンク１によれば、放熱フィン３の肉厚ｔを
２mm以上に設定すれば、フィン効率が０．７以上の良好
な放熱状態に維持することが可能となる。

【００２９】ここで、放熱フィンのピッチｐ＝１．５な
いし２．５、比率Ｃ≧４０に設定した実施例のヒートシ
ンクと、放熱フィンのピッチｐ＝１．５ないし２．５、
比率Ｃ＜４０に設定した比較例のヒートシンクとの機能
を比較する放熱試験を行った。試験に用いた発熱源の温
度は８０℃である。この試験の結果、実施例のヒートシ
ンクでは熱抵抗が０．５℃／Ｗ未満となり、比較例のヒ
ートシンクでは熱抵抗が１．０℃／Ｗ以上となることが
判明した。

【００３０】（第２実施例）図４は、請求項１に対応す
る構成のヒートシンク４を示す部分的な斜視図である。
ヒートシンク４は、平面形状がほぼ方形に成形されたベ
ースプレート５と、ベースプレート５の表面に立設した
複数の放熱フィン６とを備えている。この複数の放熱フ
ィン６は円柱状に成形され、その基端部６Ａがベースプ
レート５に埋設されて、縦横に一定のピッチｐで配列さ
れている。ベースプレート５および放熱フィン６は、熱
伝導性に優れた金属材料、例えばアルミニウム、銅など
により構成されている。

【００３１】複数の放熱フィン６の高さｈはほぼ同一に
設定され、高さｈにほぼ直交する方向の寸法、つまり直
径ｄもほぼ同一に設定されている。そして、ｈ／ｄによ
り求められる比率Ｃが４０以上となるように高さｈと直
径ｄとが設定されている。このヒートシンク４は、第１
実施例と同様の圧延加工および加圧鋳造法により製造し
たものである。このヒートシンク４においても、第１実
施例のヒートシンク１と同様の効果を得られる。

【００３２】（第３実施例）図５は、請求項１、請求項
２、請求項３に対応する構成のヒートシンク７を示す正
面図である。このヒートシンク７は、平面形状がほぼ方
形に成形されたベースプレート８と、ベースプレート８
の表面に立設された複数の放熱フィン９とを備えてい
る。複数の放熱フィン９の基端部９Ａがベースプレート
８に埋め込まれている。

【００３３】複数の放熱フィン９は、放熱フィン９の外
側部分を構成する金属材料１０と、金属材料１０の内側
に配置された補助材料１１とを備えている。金属材料１
０としては、例えばアルミニウム、銅などが例示され、
補助材料１１としては、金属材料１０よりも弾性係数が
大きく、かつ金属材料１０よりも比重の小さいグラファ
イト、繊維強化プラスチックなどが例示される。

【００３４】ここで、複数の放熱フィン９の外形は、第
１実施例のように板状に成形されていてもよいし、第２
実施例のように円柱状に成形されていてもよい。放熱フ
ィン９の外形が板状である場合は、補助材料１１の形状
も板状に成形される。また、放熱フィン９の外形が円柱
状である場合は、補助材料１１の形状も円柱状に成形さ
れる。そして、放熱フィン６の高さｈ、肉厚ｔまたは直
径ｄは、第１実施例または第２実施例と同様に比率Ｃが
４０以上となる値に設定されている。

【００３５】さらに、ベースプレート８の放熱フィン９
の配置面とは反対側の面には、ほぼ中央部に平坦な取付
面１２が形成され、この取付面１２からベースプレート
８両端に向けて傾斜した傾斜面１３が形成されている。
傾斜面１３の傾斜方向は、中央部から両端に向けてベー
スプレート８の厚さが徐々に薄くなる方向に設定されて
いる。

【００３６】つぎに、ヒートシンク７の製造方法を説明
する。まず、接着、溶着、圧着などの加工法により金属
材料１０と補助材料１１とを一体化して、複数の放熱フ
ィン９を成形する。そして、放熱フィン９に対してベー
スプレート８が加圧鋳造法により一体化されてヒートシ
ンク７が完成する。

【００３７】この実施例のヒートシンク７においても、
第１実施例と同様の効果を得られる。また、ヒートシン
ク７では、複数の放熱フィン９の内側部分が、金属材料
１０よりも比重の小さい補助材料１１構成されているた
め、ヒートシンク７を一層軽量化することができる。さ
らに、複数の放熱フィン９の内側部分が、金属材料１０
よりも弾性係数の大きな補助材料１１で構成され、放熱
フィン９の弾性強度が向上している。つまり、放熱フィ
ン９の薄肉化による強度不足が補強されている。したが
って、物体が放熱フィン９に接触した場合の荷重が補助
材料１１の弾性力で吸収され、放熱フィン９の塑性変形
を抑制して放熱効率の低下を抑制できる。

【００３８】さらにまた、ベースプレート８の取付面１
２に相当する部分の肉厚が最も厚く、当該部分から離れ
るにともなって薄肉に形成されている。このため、ベー
スプレート８の取付面１２を冷却対象物に当接させた場
合に、ベースプレート８の取付面１２付近の強度を確保
しつつ、ベースプレート８の熱容量を小さくし、ヒート
シンク７が一層軽量化できる。

【００３９】（第４実施例）図６は、請求項１、請求項
４に対応する構成のヒートシンク１４を示す側面図であ
る。ヒートシンク１４は、平面形状がほぼ方形に成形さ
れた板状のベースプレート１５と、ベースプレート１５
の表面に立設された放熱フィン１６とを備えている。ベ
ースプレート１５と複数の放熱フィン１６とは同一の金
属材料、例えば熱伝導性に優れたアルミニウム、銅など
により構成されている。

【００４０】また、放熱フィン１６は、ベースプレート
１５に対してほぼ垂直に立設された複数の第１放熱フィ
ン１７と、複数の第１放熱フィン１７に対してほぼ直交
して配置された第２放熱フィン１８とを備えている。つ
まり、第１放熱フィン１７と第２放熱フィン１８とが格
子状に組み合わされている。この第１放熱フィン１７と
第２放熱フィン１８とは、第１実施例のように板状に成
形されていてもよいし、第２実施例のように円柱状に成
形されていてもよい。この場合、第１放熱フィン１７の
厚さまたは外径よりも、第２放熱フィン１８の厚さまた
は外径の方が小さく設定されている。そして、第１放熱
フィン１７の基端部１７Ａがベースプレート１５に埋設
されている。

【００４１】また、第１放熱フィン１７の高さｈはほぼ
同一に設定され、高さｈにほぼ直交する方向の寸法、つ
まり第１放熱フィン１７の肉厚ｔまたは直径ｄもほぼ同
一に設定されている。そして、ｈ／ｔまたはｈ／ｄによ
り求められる比率Ｃが４０以上となるように、高さｈと
肉厚ｔまたは直径ｄとが設定されている。なお、そのほ
かの構成は第１実施例と同様である。

【００４２】つぎに、ヒートシンク１４の製造方法を説
明する。まず、第１フィン１７と第２フィン１８とを別
々に圧延加工し、これに切削加工などの所定の加工を施
した後、第１フィン１７と第２フィン１８とを組立て放
熱フィン１６を成形する。そして、放熱フィン１６に対
してベースプレート１５を加圧鋳造法により一体化させ
てヒートシンク１４が完成する。

【００４３】このヒートシンク１４においても、第１実
施例のヒートシンク１と同様の効果を得られる。また、
ヒートシンク１４によれば、放熱フィン１６が、第１放
熱フィン１７と第２放熱フィン１８とを格子状に組み合
わせて構成されているため、第１実施例ないし第３実施
例に比べて放熱面積が倍増し、放熱効率が一層向上す
る。さらに、第１放熱フィン１７と第２放熱フィン１８
とを格子状に組み合わせされて相互の肉厚方向の強度を
補強し合っているため、放熱フィン１６の薄肉化による
強度不足が補われる。

【００４４】なお、この発明の第２実施例、第３実施例
に用いる放熱フィンの形状は、四角柱、六角柱などでも
よい。また、第３実施例のベースプレート８の形状は、
第１実施例、第２実施例、第４実施例のベースプレート
に適用することも可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、別個に成形されたベースプレートと放熱フィン
とを一体化しているため、放熱フィンの熱容量が可及的
に小さくなり、かつ、放熱面積が可及的に広くなり放熱
効率が向上する。また、同一放熱効率を確保するために
必要な放熱フィンの数を可及的に抑制でき、ヒートシン
クが小型化、軽量化されて冷却対象物におけるヒートシ
ンクの設置スペースが可及的に狭められ、冷却対象物の
小型化、軽量化に寄与できる。

【００４６】請求項２の発明によれば、請求項１と同様
の効果を得られるほか、冷却対象物への取付部分の強度
を確保しつつ熱容量を小さくし、かつ、ヒートシンクを
一層軽量化できる。

【００４７】請求項３の発明によれば、請求項１または
請求項２のいずれかと同様の効果を得られるほか、放熱
フィンが一層軽量化される。また、物体が放熱フィンに
接触して荷重が放熱フィンに加わった場合でも、放熱フ
ィンの弾性力により荷重が吸収されるため、放熱フィン
の塑性変形が抑制されて放熱機能を維持できる。したが
って、放熱フィンの薄肉化による強度不足を補うことが
できる。

【００４８】請求項４の発明によれば、請求項１または
請求項２のいずれかと同様の効果を得られるほか、放熱
フィンの放熱面積が増加して放熱効率が一層向上する。
また、第１フィンと第２フィンとが直交しているため、
肉厚方向の曲げ強度が相互に補強され、放熱フィンの薄
肉化による強度不足を補うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例のヒートシンクを示す側
面図である。

【図２】図１のヒートシンクの斜視図である。

【図３】この発明の第１実施例のヒートシンクにおい
て、放熱フィンの厚さとフィン効率との関係を示すグラ
フである。

【図４】この発明の第２実施例のヒートシンクを示す部
分的斜視図である。

【図５】この発明の第３実施例のヒートシンクを示す側
面図である。

【図６】この発明の第４実施例のヒートシンクを示す側
面図である。

【符号の説明】

１，４，７，１４…ヒートシンク、 ２，５，８，１５
…ベースプレート、３，６，９，１６…放熱フィン、
３Ａ，６Ａ，９Ａ，１７Ａ…基端部、 １０…金属、
１１…補助材料、 １７…第１放熱フィン、 １８…第
２放熱フィン、 ｔ…厚さ、 ｈ…高さ、 ｄ…外径。

フロントページの続き (72)発明者 斎藤 祐士 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースプレートと、このベースプレート
   に立設された多数の放熱フィンとを有するヒートシンク
   において、 前記多数の放熱フィンの基端部が前記ベースプレートに
   埋設され、かつ、前記各放熱フィンの高さｈと放熱フィ
   ンの肉厚ｔとの比率Ｃ＝ｈ／ｔが、 ｈ／ｔ＝Ｃ≧４０ に設定されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 【請求項２】 前記ベースプレートの前記放熱フィンが
   立設された面とは反対側の面の一部が発熱体への取付面
   とされ、この取付面の部分における前記ベースプレート
   の肉厚が最も厚く、該部分から離れるにしたがって薄肉
   に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒ
   ートシンク。
3. 【請求項３】 前記放熱フィンが、金属材料と、この金
   属材料よりも弾性係数が大きく、かつ、比重の小さい補
   助材料との複合材からなることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】 前記放熱フィンが、前記ベースプレート
   に設けられた第１フィンと、この第１フィンに対してほ
   ぼ直交させて組み合わせた第２フィンとを備えているこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒート
   シンク。