JPH11354694A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却用空気をフィン間に流通させて熱放射さ
せるヒートシンクにおいて、フィン全体の均熱化を図り
冷却性能向上を実現するヒートシンクを提供する。 【解決手段】 平板状の受熱部を形成するベースとベー
スに突設して放熱面を形成する複数個数の平板状のフィ
ンからなるヒートシンクにおいて、前記フィンの投影断
面積をベース近傍から先端部の方向に順次に小さく形成
する。

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、冷却用空気をフ
ィン間に流通させて熱放射させるヒートシンクに関し、
特に、フィン全体の均熱化を図り冷却性能向上を実現す
るヒートシンクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４に発熱体モジュールの冷却形態の図
を示す。同図において、プリント回路板７２にはヒート
シンク付きＣＰＵや高消費電力の素子などからなる高発
熱体７０が実装されている。高発熱体７０を実装したモ
ジュールを冷却する場合、高発熱体７０の上面に設置し
たヒートシンク５１のベース６１が高発熱体７０の発熱
を受熱しフィン６２に熱伝導し、冷却用空気をフィン６
２間に流通させて熱放射させることになる。また、モジ
ュールに十分な冷却用空気の風量を確保するため、高発
熱体７０はダクト７１内に実装する方式が用いられる。

【０００３】図５に発熱体モジュールの冷却形態の図を
示す。同図において、フィン６２間に流通させた冷却用
空気は、ヒートシンク５１内ではフィン６２表面の粘性
抵抗などにより、フィン６２下部では風速が低下するこ
とは一般に知られている。

【０００４】このようなダクト内に実装した発熱体モジ
ュールの冷却に用いられるヒートシンクは、冷却用空気
の圧力損失の低下を防ぐために薄型フィンを形成するヒ
ートシンクを用いたり、あるいは、フィンへの高熱伝導
を得るために厚型フィンを形成するヒートシンクを用い
て、発熱素子の冷却と、冷却用空気の下流域への風量や
風速を確保して発熱体モジュール全体の冷却を行ってい
る。

【０００５】ヒートシンクにおいて、厚型フィン、すな
わち投影断面積が大きいフィンほど熱抵抗を小さくする
ことができるので熱輸送効果を高めることができること
は一般に知られている。なお、熱伝導を効果的に活用す
る場合の熱抵抗は次式によって求められる。 θ＝Ｌ／λ×Ａ 上式において、 θ：熱抵抗。 Ｌ：伝熱路の長さ（フィンの高さ）。 λ：熱伝導率。 Ａ：フィンの投影断面積。

【０００６】図６は従来技術の図を示す。同図（ａ）に
おいて、ヒートシンク６１は、受熱面を形成する平板状
のベース６１と、ベース６１に複数個数突設して放熱面
を形成する平板状のフィン６２とで構成されている。さ
らに、フィン６２の厚み寸法ｔ１を薄型に形成して低圧
力損失型のヒートシンクになるように形成している。

【０００７】図６（ａ）に示す薄型フィンによる低圧力
損失型のヒートシンクの場合は、圧力損失を押えるため
にフィンを薄型化したことにより、下流域への風速を維
持することで熱放射は向上できる。しかし、フィンの投
影断面積が小さいため、熱輸送をフィンの上部まで十分
に行うことができないので、冷却効果を十分に発揮する
ことができない。

【０００８】上記の理由から、フィンの熱伝導（熱輸
送）に頼れない分を補う手法として、放熱面積を拡大し
て熱伝達と熱放射とを効果的に活用する手法が考えられ
る。

【０００９】なお、熱伝達を効果的に活用する場合の熱
抵抗は次式によって求められる。 θ＝１／ｈ×Ａ 上式において、 θ：熱抵抗。 ｈ：表面熱伝達率。 Ａ：フィンの放熱面積。

【００１０】また、熱放射を効果的に活用する場合の熱
抵抗は次式によって求められる。 θ＝１／４×ε×σ×Ｔ×Ａ 上式において、 θ：熱抵抗。 ε：物体表面の放射率。 σ：ステファン・ボルツマン係数。 Ｔ：熱源の平均温度の３乗。 Ａ：フィンの放熱面積。

【００１１】しかし、フィンの放熱面積の拡大は、ヒー
トシンクの大型化を意味し、実装スペースの大型化を招
くことになる。

【００１２】一方、図６（ｂ）において、ヒートシンク
６１は、フィン６２の厚み寸法ｔ２を厚型に形成して高
熱伝導型のヒートシンクになるように形成している。

【００１３】図６（ｂ）に示す厚型フィンによる高熱伝
導型のヒートシンクの場合は、熱伝導を向上するために
フィンを厚型化することで、ヒートシンクの吸気口にお
いて圧力損失が増加することになる。したがって、ヒー
トシンク全体として風速は低下し流速による放熱効果が
損なわれ十分な冷却ができなくなる。このため、圧力損
失増加を補うような大風量を持つ冷却ファンを用いるこ
とになる。この場合は騒音が増大したり、コストアップ
を招くことになる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前記のごとく、従来の
技術によるヒートシンクでは次のような問題点がある。

【００１５】１）薄型フィンによる低圧力損失型のヒー
トシンクの場合は、フィン上部への熱伝導が悪化する。

【００１６】２）放熱面積の拡大を図るとヒートシンク
の大型化を招き省スペース実装が困難となる。

【００１７】３）厚型フィンによる高熱伝導型のヒート
シンクの場合は、圧力損失増加を補うために大風量を持
つ冷却ファンを用いるので、騒音の悪化と、コストアッ
プとを招く。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ために、この発明では次のような手段を取る。

【００１９】フィン上部への熱伝導を向上させる高熱伝
導部と、冷却用空気の下流域への風速を維持して熱放射
を向上させる低圧力損失部とを兼備えるフィンを形成す
る。

【００２０】上記の手段を取ることにより、ベースで受
熱した熱をフィン上部まで良好に熱伝達してフィン全体
の均熱化を図り、下流域の風速低下を防止して良好に熱
放射する。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明は、次に示したような実
施の形態をとる。

【００２２】図１に示す本発明のヒートシンク１は、平
板状の受熱面を形成するベース１１とベース１１に突設
して放熱面を形成する複数個数の平板状のフィン１２か
らなるヒートシンク１において、前記フィン１２の投影
断面積をベース１１近傍から先端部の方向に順次に小さ
く形成する。つまり、平板状のフィン１２において、フ
ィン１２の下部を厚肉部１３とし、フィン１２の上部を
薄肉部１４とする。

【００２３】上記の実施の形態をとることにより、フィ
ン下部を厚型化し、フィン上部を薄型化することで、フ
ィン表面の粘性抵抗などによりフィン下部は風速が低下
するが、ベースで受熱した熱をフィン上部まで十分に熱
伝導する。そして、熱伝導されたフィン上部は、冷却空
気の圧力損失が低減され、風速は下流域まで低下するこ
となく持続することにより、空気への熱伝達と熱放射と
が向上する。

【００２４】またさらに、本発明のヒートシンクにおい
て、前記フィンの投影断面積は、フィン間を流通する冷
却用空気の風速分布によってベース近傍から先端部の方
向に順次に小さく形成する割合を可変することが好まし
い。

【００２５】さらに、図２に示すように、本発明のヒー
トシンクの前記フィンの投影断面積をベース近傍から先
端部の方向に順次に小さく形成する割合は、冷却用空気
の上流側から下流側に向けて順次に多くする。例えば、
冷却用空気の上流側は冷却用空気の風速が速いので、空
気への熱伝達と熱放射とが期待できるので熱伝導を優先
する。つまりフィンの投影断面積を大にする割合を多く
する。すなわち、板状フィンにおいては厚肉部にする割
合を多くする。一方、冷却用空気の下流側は冷却用空気
の風速が遅いので、風速確保を優先する。つまり、フィ
ンの投影断面積を小にする割合を多くする。すなわち、
板状フィンにおいては薄肉部にする割合を多くする。要
するに、板状フィンにおいてはフィン厚肉部を形成する
高さを上流側から下流側に向けて順次に小さくする。

【００２６】さらに、図３に示すように、本発明のヒー
トシンクの前記フィンの投影断面積をベース近傍から先
端部の方向に順次に小さく形成する割合は、冷却用空気
を供給する冷却ファンの風速分布特性に対応して可変す
る。例えば、冷却ファンの風速特性が大きい所に対応す
るフィンは、空気への熱伝達と熱放射とが期待できるの
で熱伝導を優先する。つまりフィンの投影断面積を大に
する割合を多くする。すなわち、板状フィンにおいては
厚肉部の割合を多くする。一方、冷却ファンの風速特性
が小さい所に対応するフィンは、風速確保を優先する。
つまり、フィンの投影断面積を小にする割合を多くす
る。すなわち、板状フィンにおいては薄肉部の割合を多
くする。要するに、板状フィンにおいては、フィン厚肉
部を形成する高さを冷却ファンの風速特性が大きい所か
ら風速特性が小さい所に向けて順次に小さくする。

【００２７】上記の実施の形態をとることにより、冷却
空気の風速分布に対応してフィン下部の厚肉部とフィン
上部の薄肉部との割合を変化させることにより、各フィ
ンの持つ空気への熱伝達特性および熱放射特性に合致す
るようにフィン全体の均熱化を図る。これにより、フィ
ンへの熱伝導と、空気への熱伝達および熱放射とが向上
する。

【００２８】

【実施例】この発明による代表的な実施例を図１ないし
図３によって説明する。なお、以下において、同じ箇所
は同一の符号を付して有り、詳細な説明を省略すること
がある。

【００２９】図１は本発明の実施例の図を示す。

【００３０】同図（ａ）において、ヒートシンク１は、
受熱面を形成する平板状のベース１１と、ベース１１に
複数個数突設して放熱面を形成する平板状のフィン１２
とで構成されている。また、フィン１２の下部は、フィ
ンの厚み寸法ｔ２を厚型にした厚肉部１３を形成する。
一方、フィン１２の上部は、フィンの厚み寸法ｔ１を薄
型に形成した薄肉部１４を形成する。すなわち、フィン
１２間に流通させた冷却用空気がヒートシンク１内でフ
ィン１２表面の粘性抵抗などにより風速が低下するフィ
ン１２の下部は、厚型化し低熱抵抗化を図り、フィン１
２の上部は、低圧力損失化を図るものである。

【００３１】要するに、ヒートシンク１に形成するフィ
ン１２において、冷却用空気の風速が遅い所は熱伝導
（熱輸送）を優先する。つまり、フィンの投影断面積を
大にする。一方、冷却用空気の風速が速い所は熱放射を
優先する。つまり、フィンの投影断面積を小にする。

【００３２】前記フィンの投影断面積をベース近傍に比
較して先端部の方を小さく形成する形態は、図１（ａ）
に示すようにフィン１２を先端部に向けて階段状に形成
してもよいし、図１（ｂ）に示すようにフィン１２を先
端部に向けて傾斜させて形成してもよいし、図１（ｃ）
に示すようにフィン１２を先端部に向けて湾曲させて形
成してもよい。

【００３３】図１に示す構成では、フィン下部を厚型化
し、フィン上部を薄型化することで、フィン表面の粘性
抵抗などによりフィン下部は風速が低下するので空気へ
の熱伝達と熱放射とを期待せず、ベースで受熱した熱を
フィン上部まで十分に熱伝導を行う。そして、熱伝導さ
れたフィン上部は、冷却空気の圧力損失が低減され、風
速は下流域まで低下することなく持続させることで、空
気への熱伝達と熱放射とを向上させる。

【００３４】図２は本発明の実施例の図を示す。

【００３５】同図において、前述の図１で示したフィン
１２において、フィン下部に形成する厚肉部１３と、フ
ィン上部に形成する薄肉部１４との割合を変化させるも
のである。例えば、薄肉部１４の割合を冷却用空気の上
流側から下流側に向けて順次に多くする。すなわち、冷
却用空気の上流側は冷却用空気の風速が速いので、空気
への熱伝達と熱放射とが期待できるので熱伝導を優先す
る。つまり、板状フィンにおいては厚肉部１３の割合を
多くする。一方、冷却用空気の下流側は冷却用空気の風
速が遅いので、風速確保を優先して空気への熱伝達と熱
放射とをさせる。つまり、板状フィンにおいては薄肉部
の割合を多くする。

【００３６】図２に示す構成では、冷却空気の風速分布
に対応してフィン下部の厚肉部とフィン上部の薄肉部と
の割合を変化させることにより、冷却空気の風速分布に
対応する各フィンの持つ空気への熱伝達特性および熱放
射特性に合致するようにフィン全体の均熱化を図ること
で、フィンへの熱伝導と、空気への熱伝達および熱放射
とを向上させる。

【００３７】図３は本発明の実施例の説明図を示す。

【００３８】同図（ａ）は、ヒートシンクに冷却用空気
を供給する冷却用ファンを示している。例えば、当該冷
却用ファンの風速特性は、同図（ｂ）に示すように冷却
用ファンの中央部が風速特性に劣る場合が多い。この場
合、板状フィンにおけるフィンの厚肉部を形成する高さ
は、冷却用ファンの風速特性が大きい所から風速特性が
小さい所に向けて順次に小さくするものである。

【００３９】すなわち、冷却ファンの風速特性が大きい
所に対応するフィン１２は、空気への熱伝達と熱放射と
が期待できるので熱伝導を優先する。つまり、前述の図
２で示したフィン１２において、厚肉部１３の割合を多
くする。一方、冷却用ファンの中央部のように風速特性
が小さい所に対応するフィン１２は、風速確保を優先す
る。つまり、前述の図２で示したフィン１２において、
薄肉部１４の割合を多くする。

【００４０】図３に示す構成では、冷却空気の風速分布
に対応してフィン下部の厚肉部とフィン上部の薄肉部と
の割合を変化させることにより、冷却空気の風速分布に
対応する各フィンの持つ空気への熱伝達特性および熱放
射特性に合致するようにフィン全体の均熱化を図ること
で、フィンへの熱伝導と、空気への熱伝達および熱放射
とを向上させる。

【００４１】また図１ないし図３に示す構成のヒートシ
ンクを用いて、風速の低下を防止してフィンへの熱伝導
と、空気への熱伝達および熱放射とを向上させること
で、冷却性能を向上させた小型化のヒートシンクにする
ことができる。さらに、冷却用空気を供給する冷却ファ
ンを小型化することができる。

【００４２】なお、本実施例は平板状に形成されたフィ
ンについて説明したが、フィンの形状はこれに限定する
ものではなく、例えば、丸棒や角棒などからなる棒状に
形成されたフィンでも同様の作用を得ることができるこ
とは明らかである。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
に示すような効果が期待できる。

【００４４】フィン下部を厚型化し、フィン上部を薄型
化することにより、フィン表面の粘性抵抗などによりフ
ィン下部は風速が低下するが、ベースで受熱した熱をフ
ィン上部まで十分に熱伝導を可能とすることができる。
そして、熱伝導されたフィン上部は、冷却空気の圧力損
失が低減され、風速は下流域まで低下することなく持続
できる。これにより、フィンへの熱伝導と空気への熱伝
達および熱放射とを向上することができるので、冷却効
率を向上させることができる。

【００４５】さらに、冷却空気の風速分布に対応してフ
ィン下部の厚肉部とフィン上部の薄肉部との割合を変化
させることにより、冷却空気の風速分布に対応する各フ
ィンの持つ空気への熱伝達特性および熱放射特性に合致
するようにフィン全体の均熱化を図ることができる。こ
れにより、フィンへの熱伝導と、空気への熱伝達および
熱放射とが向上するので、冷却効率をさらに向上させる
ことができる。

【００４６】さらに、ヒートシンクを小型化することが
でき、実装領域を縮小することができる。また、冷却用
空気を供給する冷却ファンを小型化することができ、騒
音の防止と低コスト化とを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の図である。

【図２】本発明の実施例の図である。

【図３】本発明の実施例の説明図である。

【図４】発熱体モジュールの冷却形態の図である。

【図５】発熱体モジュールの冷却形態の図である。

【図６】従来技術の図である。

【符号の説明】

１：ヒートシンク １１：ベース １２：フィン １３：厚肉部 １４：薄肉部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状の受熱面を形成するベースとベース
   に突設して放熱面を形成する複数個数の平板状または棒
   状のフィンからなるヒートシンクにおいて、 前記フィンの投影断面積をベース近傍から先端部の方向
   に順次に小さく形成する、 ことを特徴とするヒートシンク。
2. 【請求項２】前記フィンの投影断面積は、 フィン間を流通する冷却用空気の風速分布によってベー
   ス近傍から先端部の方向に順次に小さく形成する割合を
   可変する、 ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】前記フィンの投影断面積をベース近傍から
   先端部の方向に順次に小さく形成する割合は、 冷却用空気の上流側から下流側に向けて順次に多くす
   る、 ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒート
   シンク。
4. 【請求項４】前記フィンの投影断面積をベース近傍から
   先端部の方向に順次に小さく形成する割合は、 冷却用空気を供給する冷却ファンの風速分布特性に対応
   して可変する、 ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒート
   シンク。