JPWO2013180270A1 - heatsink - Google Patents
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Abstract
ヒートシンク(1)は、垂直空気流路(6)と、垂直空気流路(6)の周囲を取り囲むように放射状に配置された複数の下部冷却フィン(5)及び上部冷却フィン(4)を備え、隣接する下部冷却フィン(5)又は上部冷却フィン(4)の間には複数の放射状空気流路が形成されていて、放射状空気流路は、下部冷却フィン(5)及び上部冷却フィン(4)の外周の空間と垂直空気流路(6)を連絡するように形成される。その結果、ヒートシンク(1)の放熱効率が向上する。The heat sink (1) includes a vertical air flow path (6), and a plurality of lower cooling fins (5) and upper cooling fins (4) arranged radially so as to surround the vertical air flow path (6). A plurality of radial air flow paths are formed between adjacent lower cooling fins (5) or upper cooling fins (4), and the radial air flow paths are formed by lower cooling fins (5) and upper cooling fins (4). ) And the vertical air flow path (6). As a result, the heat dissipation efficiency of the heat sink (1) is improved.
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、当該電子素子等を冷却するヒートシンクに関する。 The present invention relates to a heat sink that releases heat generated from an electronic device or the like constituting an electronic device or the like to cool the electronic device or the like.
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。 The heat sink is a device that releases heat generated from an electronic element or the like constituting an electronic device or the like to cool the electronic element, and includes a plurality of cooling fins (for example, Patent Document 1). In general, if the total surface area of the cooling fins is increased, the amount of heat radiation per unit time can be increased. However, since electronic devices and the like are required to be smaller and lighter, heat sinks are also required to be smaller and lighter. Yes. For this reason, the heat sink has a large number of cooling fins arranged at high density to increase the total surface area of the cooling fins.
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。しかしながら、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。 However, if a large number of cooling fins are arranged at a high density, the spacing between the cooling fins becomes small, and the flow rate of air flowing between the cooling fins becomes small. As a result, the heat dissipation performance is reduced. In such a case, a cooling fan is provided and cooling air is blown onto the cooling fins to perform forced cooling. However, if a cooling fan is provided, the volume and weight of the electronic device and the like will increase accordingly, which contradicts the demand for a reduction in size and weight.
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。 Therefore, there is a need for a heat sink that can achieve a desired cooling performance without using a cooling fan and that is small and light. For example, Patent Literature 2 discloses an air-cooled semiconductor heat sink including a plurality of heat radiation fins formed radially with respect to the axial direction of the heat pipe.
特許文献2に開示された空冷式半導体ヒートシンクでは、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、放熱性能が非常に向上するとされている。 In the air-cooled semiconductor heat sink disclosed in Patent Document 2, a plurality of radiating fins are arranged radially with respect to the axial direction of the heat pipe to form radiating fins parallel to the direction of gravity. For this reason, the air flow caused by buoyancy is not hindered, so that the heat dissipation performance is greatly improved.
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。 Certainly, in the air-cooled semiconductor heat sink disclosed in Patent Document 2, since the radiating fins are formed in parallel to the direction of gravity, the air flow caused by buoyancy is not hindered. However, the air received from the radiation fin near the lower end of the radiation fin flows along the radiation fin to form a boundary layer, and the temperature of the air forming the boundary layer rises toward the upper end of the radiation fin. Therefore, above the heat radiating fins, the heat radiating fins are enveloped in high-temperature air, so that no heat is radiated from the heat radiating fins to the air layer. Therefore, as shown in the drawing of Patent Document 2, even if the heat dissipating fins are extended in the height direction and the heat dissipating area of the heat dissipating fins is expanded, the increase in heat dissipating performance is small compared to the increase in the volume weight of the heat sink. Become. Therefore, there is a problem that the heat dissipation performance is low for the volume weight.
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、すなわち、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。 The present invention has been made in view of the background as described above, and provides a heat sink having a high heat dissipation performance compared to the volume weight, that is, a heat sink having a desired heat dissipation performance and a small volume weight. Objective.
上記目的を達成するため、本発明に係るヒートシンクは、ヒートシンクにおいて、垂直空気流路と、前記垂直空気流路の周囲を取り囲むように放射状に配置された複数の冷却フィンを備え、隣接する前記冷却フィンの間には複数の放射状空気流路が形成されていて、前記放射状空気流路は、前記冷却フィンの外周の空間と前記垂直空気流路を連絡するように形成されていることを特徴する。 In order to achieve the above object, a heat sink according to the present invention comprises a vertical air flow path and a plurality of cooling fins arranged radially so as to surround the periphery of the vertical air flow path. A plurality of radial air flow paths are formed between the fins, and the radial air flow paths are formed so as to communicate the outer circumferential space of the cooling fin and the vertical air flow path. .
冷却対象物と伝熱的に連結されるとともに、前記複数の冷却フィンの下面に接して、前記複数の冷却フィンを機械的に結合する受熱部材を備えるようにしてもよい。 A heat receiving member that is connected to the object to be cooled in heat transfer and that is in contact with the lower surfaces of the plurality of cooling fins and mechanically couples the plurality of cooling fins may be provided.
前記ヒートシンクを上方から平面視する場合に、前記複数の冷却フィンの外側の端部が前記受熱部材の外縁よりも更に外側に突出するようにしてもよい。 When the heat sink is viewed from above, the outer ends of the plurality of cooling fins may protrude further outward than the outer edge of the heat receiving member.
前記冷却フィンの組を複数組備え、前記冷却フィンの組は上下に積層されるとともに、下層の放射状空気流路の上に、上層の冷却フィンが位置するように、中心軸周りにオフセットされて配置されるようにしてもよい。 A plurality of sets of the cooling fins are provided, and the sets of cooling fins are vertically stacked and offset around the central axis so that the upper cooling fins are positioned on the lower radial air flow path. It may be arranged.
上下に積層されて隣接する前記冷却フィンの組の間にあって、両者を機械的に結合するとともに伝熱的に連結する層間環状部材を備えるようにしてもよい。 An interlayer annular member may be provided between the pair of adjacent cooling fins that are stacked one above the other and that mechanically couples the two and connects them thermally.
本発明によれば、冷却フィンの間に複数の放射状空気流路が形成されていて、当該放射状空気流路は、前記冷却フィンの外周の空間と垂直空気流路を連絡するので、冷却フィンの放熱を受熱して高温になった空気が垂直空気流路に流入して、垂直空気流路内で上昇し排出されるので、冷却フィンに常に低温の空気が当る。そのため、放熱効率が高くなる。 According to the present invention, a plurality of radial air flow paths are formed between the cooling fins, and the radial air flow paths communicate with the outer peripheral space of the cooling fins and the vertical air flow paths. Since the air that has received heat radiation and has become high temperature flows into the vertical air flow path and rises and is discharged in the vertical air flow path, the low temperature air always hits the cooling fins. Therefore, the heat dissipation efficiency is increased.
また、冷却対象物と伝熱的に連結されるとともに、複数の冷却フィンの下面に接して、複数の冷却フィンを機械的に結合する受熱部材を備えれば、冷却対象物で発生する熱が複数の冷却フィンに等しく伝熱されるので、放熱効率が更に高くなる。また、前記ヒートシンクを上方から平面視する場合に、前記複数の冷却フィンの外側の端部が前記受熱部材の外縁よりも更に外側に突出するようすれば、ヒートシンクの下方から冷却フィン列に流入する空気の流線が改善されるので、放熱効率が更に高くなる。 Moreover, if it has a heat receiving member that is connected to the object to be cooled in heat transfer and is in contact with the lower surfaces of the plurality of cooling fins and mechanically couples the plurality of cooling fins, the heat generated in the object to be cooled can be obtained. Since heat is equally transferred to the plurality of cooling fins, the heat dissipation efficiency is further increased. Further, when the heat sink is viewed in plan from above, if the outer end portions of the plurality of cooling fins protrude further outward than the outer edge of the heat receiving member, the heat sink flows into the cooling fin row from below the heat sink. Since the air streamline is improved, the heat dissipation efficiency is further increased.
また、前記垂直空気流路の周囲を取り囲むように放射状に配置された複数の冷却フィンの組を複数組備えて、前記冷却フィンの組が上下に積層されれば、冷却フィンの数と、それらの放熱面積の総計が増加するので、放熱効率が高くなる。また、下層の冷却フィンの組の放射状空気流路の上に、上層の冷却フィンの組の冷却フィンが位置するように配置されれば、下層の冷却フィンに触れて温度が上昇した空気が、上層の冷却フィンに触れないから、つまり上層の冷却フィンには低温の空気が触れるから、放熱効率が更に高くなる。 In addition, if a plurality of sets of cooling fins arranged radially so as to surround the vertical air flow path are provided, and the sets of cooling fins are stacked vertically, the number of cooling fins, Since the total heat radiation area increases, the heat radiation efficiency increases. In addition, if the cooling fins of the upper cooling fins are arranged on the radial air flow path of the lower cooling fins, the air whose temperature has increased by touching the lower cooling fins, Since the upper cooling fins are not touched, that is, the low-temperature air touches the upper cooling fins, the heat dissipation efficiency is further increased.
また、隣接する前記冷却フィンの組の間にあって、両者を機械的に結合するとともに伝熱的に連結する層間環状部材を備えれば、下層の冷却フィンの組から上層の冷却フィンの組に均等に伝熱されるので、放熱効率が更に高くなる。 Further, if an interlayer annular member is provided between the adjacent cooling fin sets and mechanically couples and heat-transfers the two, the lower cooling fin set is equivalent to the upper cooling fin set. The heat dissipation efficiency is further increased.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明に係るヒートシンク1の概念的な構成を図1Aないし図1Cに示す。なお、図1Aはヒートシンク1の平面図であり、図1Bは正面図であり、図1Cはヒートシンク1を図1AのA−A線で切断した断面図である。
A conceptual configuration of a
図1Aないし図1Cにおいて明らかなように、ヒートシンク1は、上部フィン列2と下部フィン列3を備える。上部フィン列2は、放射状に配置された(具体的には、中心軸Xを中心とする半径方向に延びて、全体として円環状に配列された)18枚の上部冷却フィン4を有していて、下部フィン列3の上方に配置されている。また、下部フィン列3は、放射状に配置された(具体的には、中心軸Xを中心とする半径方向に延びて、全体として円環状に配列された)18枚の下部冷却フィン5を有している。また、上部冷却フィン4と下部冷却フィン5は、いずれも平面形において矩形をなす金属(例えば、アルミニウム合金や黄銅の)平板である。
As is apparent from FIGS. 1A to 1C, the
また、上部冷却フィン4と下部冷却フィン5は、それぞれ中心角において20°ピッチになるように、中心軸Xを中心とする円周上に等ピッチで配列されている。また、上部フィン列2と下部フィン列3は中心角において、10°だけオフセットされている。つまり平面図(図1A)において、隣接する2枚の上部冷却フィン4の中間に下部冷却フィン5が見えるように配置されている。
Further, the
また、上部フィン列2と下部フィン列3は、平面図(図1A)において、いわゆるドーナッツ形に配置され、上部フィン列2と下部フィン列3の中心には、垂直空気流路6が形成されている。垂直空気流路6は、中心軸Xを中心とする円柱状の空洞であって、ヒートシンク1の下面から上面まで貫通している。言い替えれば、上部冷却フィン4と下部冷却フィン5は垂直空気流路6の周囲に放射状に配列されている。
The upper fin row 2 and the
また、上部フィン列2と下部フィン列3の間には、第1の円筒部材7と第2の円筒部材8が配置される。第1の円筒部材7と第2の円筒部材8は、いずれも中心軸Xを中心とする円筒状の金属製の部材であって、上部フィン列2と下部フィン列3を機械的に結合するとともに、両者を伝熱的に連結する層間環状部材として機能する。
In addition, a first
下部フィン列3の下方には、環状部材9が配置される。環状部材9は下部フィン列3と機械的に結合される金属製の部材であって、ヒートシンク1の冷却対象と伝熱的に連結される部材である。つまり、環状部材9は冷却対象の排熱を受熱する受熱部材として機能する。本実施形態においては、環状部材9の下面に面状ヒートパイプ10が伝熱的に接触し、面状ヒートパイプ10の下面中央には、例えばLEDのような発熱素子11(冷却対象)が取り付けられる。したがって、発熱素子11で発生する熱は、面状ヒートパイプ10を通って環状部材9に伝熱し、更に環状部材9から下部フィン列3、第1の円筒部材7及び第2の円筒部材8を通って、上部フィン列2に伝熱し、下部フィン列3と上部フィン列2から環境、つまり周囲の空気に伝熱される。
An
ヒートシンク1は、図2A及び図2Bに示すような上部モジュール12と、図2C及び図2Dに示すような下部モジュール13を組み合わせて構成される。
The
上部モジュール12は、金属素材を鍛造して形成され、図2Aと図2Bに示すように、18枚の上部冷却フィン4、つまり上部フィン列2と第1及び第2の円筒部材7,8を備える。また、上部モジュール12において、上部冷却フィン4は第1及び第2の円筒部材7,8と格子状に組み合わされて、機械的に結合されている。なお、隣接する上部冷却フィン4の間には、放射状空気流路14が形成されている。したがって、上部フィン列2には、18本の放射状空気流路14が形成されて、垂直空気流路6と下部フィン列3の外側を連絡している。
The
下部モジュール13も、金属素材を鍛造して形成され、図2Cと図2Dに示すように、18枚の下部冷却フィン5、つまり下部フィン列3と環状部材9を備える。また、下部モジュール13において、下部冷却フィン5の下端は環状部材9と当接して、機械的に結合されている。隣接する下部冷却フィン5の間にも、放射状空気流路15が形成されている。したがって、下部フィン列3には18本の放射状空気流路15が形成されて、垂直空気流路6と下部フィン列3の外側を連絡している。
The
このように構成されているので、ヒートシンク1では、図3A及び図3Bに示すような冷却空気の流れが励起される。なお、図3A及び図3Bにおいて、矢印付の曲線はヒートシンク1に流入、流出する冷却空気の流線を示している。
With this configuration, the
すなわち、上部フィン列2と下部フィン列3は中心角において、10°だけオフセットされているので、図3Aに示すように、ヒートシンク1の下方から流入して、下部冷却フィン5の表面に沿って流れて、下部冷却フィン5から熱を受け取って温度が上昇した冷却空気は、上部冷却フィン4の間を通ってヒートシンク1の上方に抜ける。また下部冷却フィン5から離れた位置、つまり隣接する2枚の下部冷却フィン5の間を通って流れた冷却空気は下部冷却フィン5からほとんど熱を受け取ることなく、低温のまま上部フィン列2に流入し、上部冷却フィン4の表面に沿って流れて、上部冷却フィン4から熱を受け取ってヒートシンク1の上方に抜ける。つまり、上部フィン列2と下部フィン列3のいずれにも、低温の冷却空気が流入するので、効率良く、放熱(冷却)される。
That is, since the upper fin row 2 and the
また、図3Bに示すように、ヒートシンク1の下方から流入した冷却空気の一部は、前述したように、下部フィン列3と上部フィン列2を通って、ヒートシンク1の上方に抜け、残余は垂直空気流路6に流れて、垂直空気流路6を通ってヒートシンク1の上方に抜ける。また、下部フィン列3の側方から隣接する2枚の下部冷却フィン5の間の放射状空気流路15(図2C参照)に流入した冷却空気の一部は、上部フィン列2を通って、ヒートシンク1の上方に抜け、残余は垂直空気流路6に流れて、垂直空気流路6を通ってヒートシンク1の上方に抜ける。上部フィン列2の側方から隣接する2枚の上部冷却フィン4の間の放射状空気流路14(図2A参照)に流入した冷却空気の一部は、ヒートシンク1の上方に抜け、残余は垂直空気流路6に流れて、垂直空気流路6を通ってヒートシンク1の上方に抜ける。このように、ヒートシンク1には冷却空気が淀む部分、つまり行き止まり、袋小路のような形状がないので、効率良く放熱(冷却)できる。
Further, as shown in FIG. 3B, a part of the cooling air flowing from the lower side of the
さて、ヒートシンク1の性能を確認するために、以下のような13種のモデル(モデルNo.1〜13)を想定して、総熱抵抗を推定する数値シミュレーションを行なった。また比較のために、特許文献2に開示された従来技術に係るヒートシンクのモデル(従来品)についても数値シミュレーションを行なった。
Now, in order to confirm the performance of the
No.1:初期モデル
No.2:フィンを半径方向と高さ方向に拡大し、内径を小さくし、外径を初期モデルとほぼ同一にしたモデル。
No.3:フィンを半径方向と高さ方向に拡大し、内径を初期モデルと同一にして、外径を大きくしたモデル。
No.4:フィンの高さを変えずに、フィンを半径方向に拡大し、内径を初期モデルと同一にしたモデル。
No.5:フィンを高くして、内径と外径を初期モデルと同一にしたモデル。
No.6:No.4モデルをベースとし、下段のフィンを50mmだけ高くしたモデル。
No.7:No.4モデルをベースとし、リング部の厚みを増加させたモデル。
No.8:No.4モデルをベースとし、下段、上段のフィンの高さをそれぞれ25mm増加させたモデル。
No.9:No.8のモデルをベースとする変形モデル。
No.10:No.9のモデルをベースとして、フィンの枚数を24枚から18枚へと変更したモデル。
No.11:No.10のモデルをベースとする変形モデル。
No.12:No.11のモデルをベースとする変形モデル。
No.13:No.11のモデルをベースとする変形モデル。
従来品:特許文献2に開示されたヒートシンクであって、No.2−5のモデルとほぼ同一のフィン面積を有するモデル。No. 1: Initial model no. 2: A model in which the fins are enlarged in the radial direction and the height direction, the inner diameter is reduced, and the outer diameter is substantially the same as the initial model.
No. 3: A model in which the fin is enlarged in the radial direction and the height direction, the inner diameter is the same as the initial model, and the outer diameter is increased.
No. 4: A model in which the fins are enlarged in the radial direction without changing the height of the fins, and the inner diameter is the same as the initial model.
No. 5: A model in which the fins are raised and the inner and outer diameters are the same as the initial model.
No. 6: No. A model based on 4 models with the lower fin raised 50mm.
No. 7: No. A model based on 4 models with increased ring thickness.
No. 8: No. This model is based on 4 models, and the height of the lower and upper fins is increased by 25 mm each.
No. 9: No. Deformed model based on 8 models.
No. 10: No. Based on 9 models, the number of fins is changed from 24 to 18.
No. 11: No. A deformation model based on 10 models.
No. 12: No. A deformation model based on 11 models.
No. 13: No. A deformation model based on 11 models.
Conventional product: a heat sink disclosed in Patent Document 2, Model having almost the same fin area as 2-5 model.
モデルNo.1〜13及び従来品の寸法等を表1に示す。なお、表1に示した寸法等の意味については、図4を参照されたい。 Model No. Table 1 shows dimensions of 1 to 13 and conventional products. Refer to FIG. 4 for the meanings of dimensions and the like shown in Table 1.
表1から明らかなように、モデルNo.1〜13の寸法(外径と高さ)はいずれも従来品よりも小さい。また、モデルNo.6と8を除く各モデルの放熱部重量は従来品より小さい。 As is clear from Table 1, model no. The dimensions (outer diameter and height) of 1 to 13 are all smaller than the conventional product. Model No. Except for 6 and 8, the heat dissipation part weight of each model is smaller than the conventional product.
数値シミュレーションの結果を表2に示す。また、冷却フィンの面積の合計とヒートシンクの放熱部重量を、それぞれを横軸にして、数値シミュレーションの結果(総熱抵抗)を縦軸にしたグラフを、図5と図6に示す。 Table 2 shows the results of the numerical simulation. 5 and 6 are graphs in which the total area of the cooling fins and the heat radiation part weight of the heat sink are plotted on the horizontal axis, and the result of the numerical simulation (total thermal resistance) is plotted on the vertical axis.
表2から明らかなように、モデルNo.1〜13の熱抵抗はいずれも従来品の70%以下である。つまり、本発明に係るヒートシンクの熱抵抗は従来型のヒートシンクよりも小さく、放熱性に優れている。また、図5から明らかなように、フィン面積を大きくすると総熱抵抗は小さくなる傾向があるが、冷却フィンの面積が従来型と同等の場合であっても、熱抵抗は従来型の半分程度である。また、モデルNo.2〜5のフィン面積は、ほぼ同一であるが、総熱抵抗はモデルNo.4が最も小さい。このことから、フィン面積がほぼ同一ならば、フィンの外径を大きくすると総熱抵抗が小さくなることが解る。言い替えれば、フィンの半径を増加させて冷却フィンの面積を拡大する方が、フィンの高さを大きくして冷却フィンの面積を拡大する場合に比べて、総熱抵抗低減の効果が高いことが分かる。フィンの高さを大きくしても、冷却空気がフィンの表面に沿って上昇する境界層流れが発達して、フィンに接触する冷却空気の平均温度が上昇するためだと思われる。また、フィンの板厚を厚くしても、総熱抵抗低減の効果は低い。内部熱抵抗の減少は総熱抵抗の減少に大きな影響を与えないと考えられる。したがって、板厚をそのままにしてフィン面積を増加させ、あるいは板厚を小さくして、浮いた重量をフィン面積の増加に回すのが望ましいと考えられる。 As is clear from Table 2, model no. The thermal resistance of 1 to 13 is 70% or less of the conventional product. That is, the heat resistance of the heat sink according to the present invention is smaller than that of the conventional heat sink, and is excellent in heat dissipation. Further, as apparent from FIG. 5, the total thermal resistance tends to decrease when the fin area is increased, but the thermal resistance is about half that of the conventional type even when the area of the cooling fin is equal to that of the conventional type. It is. Model No. The fin areas of 2 to 5 are almost the same, but the total thermal resistance is model no. 4 is the smallest. From this, it can be seen that if the fin area is substantially the same, the total thermal resistance decreases as the fin outer diameter increases. In other words, increasing the fin radius to increase the cooling fin area is more effective in reducing the total thermal resistance than increasing the fin height to increase the cooling fin area. I understand. Even if the height of the fin is increased, a boundary layer flow in which the cooling air rises along the surface of the fin develops, and the average temperature of the cooling air in contact with the fin increases. Moreover, even if the plate thickness of the fin is increased, the effect of reducing the total thermal resistance is low. The decrease in internal thermal resistance is considered not to have a significant effect on the decrease in total thermal resistance. Therefore, it is desirable to increase the fin area while leaving the plate thickness as it is, or to reduce the plate thickness and to increase the floating weight to increase the fin area.
また、ヒートシンクの重量は冷却フィンの面積にほぼ比例するから、図6に示すように、重量が大きくなると、熱抵抗は小さくなるが、重量が従来品と同程度であって、熱抵抗は従来型の半分程度である。 Further, since the weight of the heat sink is substantially proportional to the area of the cooling fin, as shown in FIG. 6, when the weight increases, the thermal resistance decreases, but the weight is comparable to the conventional product, and the thermal resistance is About half of the mold.
また、ヒートシンク1の熱抵抗は、フィン列が環状部材9に対してオーバーハングするように配置されると減少する。言い替えると、ヒートシンク1を上方から平面視する場合に、フィン列を構成する複数の冷却フィンの外側、つまり垂直空気流路6の外側にある端部が、環状部材9の外縁よりも更に外側に、つまり垂直空気流路6から遠ざかる方向に突出するように配置すると、ヒートシンク1の性能は向上する。
Further, the thermal resistance of the
オーバーハングの効果を検証するために、フィン面積の異なる、3タイプの冷却フィン列を設定し、各タイプにオーバーハング量の異なる4種のモデル(実施例1,2、比較例1,2)を設定し、つまり合計12種のモデルを設定し、各モデルの熱抵抗等を計算した。 In order to verify the effect of overhang, three types of cooling fin arrays with different fin areas were set, and four types of models with different overhang amounts for each type (Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2). That is, a total of 12 types of models were set, and the thermal resistance of each model was calculated.
計算に使用した冷却フィン列のタイプは、以下の3タイプである。
タイプ1:幅40mm、高さ60mm の冷却フィンを18枚有する。
タイプ2:幅50mm、高さ60mm の冷却フィンを18枚有する。
タイプ3:幅55mm、高さ60mm の冷却フィンを18枚有する。
なお、冷却フィンの素材はいずれも銅であり、板厚は3mmである。The following three types of cooling fin arrays were used for the calculation.
Type 1: 18 cooling fins having a width of 40 mm and a height of 60 mm.
Type 2: It has 18 cooling fins with a width of 50 mm and a height of 60 mm.
Type 3: It has 18 cooling fins with a width of 55 mm and a height of 60 mm.
The material of the cooling fins is copper, and the plate thickness is 3 mm.
前記3タイプの冷却フィン列について、冷却フィン列がオーバーハングする2種のモデル、つまり実施例1,2と、オーバーハングしない2種のモデル、つまり比較例1,2を設定した。 For the three types of cooling fin arrays, two types of models in which the cooling fin array overhangs, that is, Examples 1 and 2, and two models in which no overhanging occurs, that is, Comparative Examples 1 and 2 were set.
[実施例1]
図9は、実施例1に係るヒートシンク21の外形を示す斜視図である。図9に示すように、ヒートシンク21は、放射状に配列された18枚の冷却フィン22からなる冷却フィン列23と、冷却フィン列23の下面に伝熱的に接する環状部材24とで構成され、冷却フィン列23(冷却フィン22)は環状部材24に固定されている。なお、環状部材24の素材はアルミニウムであり、板厚は8mmである。[Example 1]
FIG. 9 is a perspective view illustrating an outer shape of the
図10に示すように、冷却フィン列23と環状部材24は同心配置されて、冷却フィン列23は環状部材24に対してオーバーハングしている。すなわち、冷却フィン列23の外径Doが、環状部材24の外径Dboよりも大きくされている。言い替えると、ヒートシンク21を上方から平面視する場合に、冷却フィン22の外側の端部は、環状部材24の外縁よりも外側(冷却フィン列23と環状部材24の中心から離れる側)にある。なお、Diは冷却フィン列23の内径であり、垂直空気流路6(図1C参照)の直径に相当する。また、環状部材24の中心部には中心穴25が開けられていて、Dbiは中心穴25の直径(内径)である。
As shown in FIG. 10, the cooling
図11に示すように、ヒートシンク21は、例えばLED基板のような発熱体26に取り付けて使用される。発熱体26は環状部材24の下面に伝熱的に取り付けられ、中心穴25は発熱体26によって塞がれる。なお、Hは冷却フィン列23(冷却フィン22)の高さを示す符号である。
As shown in FIG. 11, the
[実施例2]
図12は、実施例2に係るヒートシンク27の立面図である。ヒートシンク27の基本的な構成及び素材はヒートシンク21と同一であるが、冷却フィン列23の環状部材24に対するオーバーハングがヒートシンク21に比べて小さい点で異なる。すなわち、冷却フィン列23の外径Doと環状部材24の外径Dboの差がヒートシンク21に比べて小さい。[Example 2]
FIG. 12 is an elevation view of the heat sink 27 according to the second embodiment. The basic configuration and material of the heat sink 27 are the same as those of the
[比較例1]
図13は、比較例1に係るヒートシンク28の立面図である。ヒートシンク28の基本的な構成及び素材もヒートシンク21と同一であるが、冷却フィン列23が環状部材24に対してオーバーハングしていない点で異なる。冷却フィン列23の外径Doは環状部材24の外径Dboと等しい。[Comparative Example 1]
FIG. 13 is an elevation view of the heat sink 28 according to Comparative Example 1. FIG. The basic configuration and material of the heat sink 28 are the same as those of the
[比較例2]
図14は、比較例2に係るヒートシンク29の立面図である。ヒートシンク29の基本的な構成及び素材もヒートシンク21と同一であるが、環状部材24の外径Dboが冷却フィン列23の外径Doより大きい点で異なる。[Comparative Example 2]
FIG. 14 is an elevation view of the
[タイプ1の各モデル]
タイプ1の各モデルの主要寸法は以下の通りである。[Each model of type 1]
The main dimensions of each
[タイプ2の各モデル]
タイプ2の各モデルの主要寸法は以下の通りである。[Each model of type 2]
The main dimensions of each type 2 model are as follows.
[タイプ3の各モデル]
タイプ3の各モデルの主要寸法は以下の通りである。[Each model of type 3]
The main dimensions of each
上記の3タイプ、12モデルについて、数値シミュレーションを行ったところ、以下のような結果を得た。なお、数値シミュレーションにおいては、雰囲気温度を298.15°K(25°C)とし、発熱体26の発熱量を70Wと仮定した。また、下表の「発熱体温度」とは、発熱体26の発熱量とヒートシンク21,27〜29による放熱量が均衡する時の発熱体26の下面中心の温度である。
When the above three types and 12 models were numerically simulated, the following results were obtained. In the numerical simulation, it was assumed that the ambient temperature was 298.15 ° K (25 ° C) and the heat generation amount of the
また、前記12個のモデルの重量と熱抵抗の関係を図15に示す。図15によれば、タイプ1,2,3の順で熱抵抗が小さくなることが分かる。つまり、冷却フィン列の表面積を大きくすれば熱抵抗が小さくなることが分かる。また、同タイプのモデルの中では、実施例1の熱抵抗が最も小さいことが分かる。つまり、冷却フィン列23を環状部材24に対してオーバーハングさせると熱抵抗が低下することが分かる。これは、ヒートシンク21の下方にある空気がオーバーハング部を通って冷却フィン列23の中に流入して、冷却フィン列23を効率よく冷却するためである。なお、オーバーハング部を通って冷却フィン列23の中に流入する空気の流線については、図3Bを参照されたい。
FIG. 15 shows the relationship between the weight and thermal resistance of the 12 models. FIG. 15 shows that the thermal resistance decreases in the order of
また、図15によれば、冷却フィン列23を環状部材24に対してオーバーハングさせると、ヒートシンク21の重量が軽くなることが分かる。つまり、冷却フィン列23を環状部材24に対してオーバーハングさせると、ヒートシンク21の熱抵抗を小さくできるだけでなく、ヒートシンク21の軽量化にも役立つことが分かる。
Further, according to FIG. 15, it is understood that when the cooling
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。 Although specific embodiments of the present invention have been described above, the technical scope of the present invention is not limited thereto. As long as the technical idea described in the scope of claims is applied, the invention can be freely modified and improved.
例えば、ヒートシンク1は、冷却フィン列を2段重ねたものには限られない。図7に示すように、冷却フィン列1段だけでヒートシンク1を構成してもよい。また、ヒートシンク1の形状は、図1ないし図3に示したような、全体として円柱形に構成されたものには限定されない。様々な変形が可能である。また図8に示すように、ヒートシンク1の平面形が長方形に内接するようにして、全体として角柱形に構成されてもよい。また、垂直空気流路6の平面形(断面形)も円形には限られない。
For example, the
また、上記実施形態の説明において、受熱部材の具体例として、環状部材9あるいは環状部材24を示したが、受熱部材は環状の平面形を有するものには限定されない。つまり、受熱部材は中央に開口を有するものには限られない。開口を有しない平板(例えば円板)であってもよい。あるいは、別の部材で開口を塞ぐようにしてもよい。
In the description of the above embodiment, the
ヒートシンク1等の素材は、用途や使用環境に応じて任意に選択できることは言うまでもない。
It goes without saying that the material of the
なお、本発明は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構の平成23年度先導的産業技術創出事業に係る「低エネルギー消費型高輝度・小型LED水中照明による低環境負荷型灯火漁業の実証研究」の成果物である。 In addition, the present invention relates to the “demonstration of low energy consumption type light and fishery by low energy consumption type high brightness and small LED underwater lighting” related to the 2011 new industrial technology development project of the New Energy and Industrial Technology Development Organization. It is a product of “research”.
本出願は2012年5月31日に出願された明細書、特許請求の範囲、図、および要約書を含む日本国特許出願2012−125170号に基づく優先権を主張するものである。この元となる特許出願の開示内容は参照により全体として本出願に含まれる。 The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-125170 filed on May 31, 2012, including the specification, claims, figures, and abstract. The disclosure of this original patent application is hereby incorporated by reference in its entirety.
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a heat sink that is attached to an electronic device or the like and releases heat generated from the electronic element or the like to the environment to cool the electronic element.
1 ヒートシンク
2 上部フィン列
3 下部フィン列
4 上部冷却フィン
5 下部冷却フィン
6 垂直空気流路
7 第1の円筒部材
8 第2の円筒部材
9 環状部材
10 面状ヒートパイプ
11 発熱素子
12 上部モジュール
13 下部モジュール
14 放射状空気流路
15 放射状空気流路
21 ヒートシンク
22 冷却フィン
23 冷却フィン列
24 環状部材
25 中心穴
26 発熱体
27 ヒートシンク
28 ヒートシンク
29 ヒートシンク1 heat sink 2
【0002】
先行技術文献
特許文献
[0006]
特許文献1:特開2002−368468号公報
特許文献2:特開2003−100974号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0007]
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。
[0008]
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、すなわち、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。
課題を解決する手段
[0009]
上記目的を達成するため、本発明に係るヒートシンクは、ヒートシンクにおいて、中心部垂直空気流路と、前記中心部垂直空気流路の周囲に放射状に広がる複数の冷却フィンを備え、隣接する前記冷却フィンの間には前記冷却フィンの前記中心部垂直空気流路から離れた端部において、前記冷却フィンの間を垂直方向に貫く端部垂直空気流路が形成されるともに、さらに、隣接する前記冷却フィンの間には、複数の放射状空気流路が形成され、前記放射状空気流路は、前記冷却フィンの外周の空間と前記中心部垂直空気流路を連絡するように形成されていることを特徴とする。
[0010]
冷却対象物と伝熱的に連結されるとともに、前記複数の冷却フィンの下面[0002]
Prior Art Literature Patent Literature [0006]
Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2002-368468 Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 2003-100484 Summary of the Invention Problems to be Solved by the Invention [0007]
Certainly, in the air-cooled semiconductor heat sink disclosed in Patent Document 2, since the radiating fins are formed in parallel to the direction of gravity, the air flow caused by buoyancy is not hindered. However, the air received from the radiation fin near the lower end of the radiation fin flows along the radiation fin to form a boundary layer, and the temperature of the air forming the boundary layer rises toward the upper end of the radiation fin. Therefore, above the heat radiating fins, the heat radiating fins are enveloped in high-temperature air, so that no heat is radiated from the heat radiating fins to the air layer. Therefore, as shown in the drawing of Patent Document 2, even if the heat dissipating fins are extended in the height direction and the heat dissipating area of the heat dissipating fins is expanded, the increase in heat dissipating performance is small compared to the increase in the volume weight of the heat sink. Become. Therefore, there is a problem that the heat dissipation performance is low for the volume weight.
[0008]
The present invention has been made in view of the background as described above, and provides a heat sink having a high heat dissipation performance compared to the volume weight, that is, a heat sink having a desired heat dissipation performance and a small volume weight. Objective.
Means for Solving the Problem [0009]
In order to achieve the above object, a heat sink according to the present invention comprises a central vertical air flow path and a plurality of cooling fins radially extending around the central vertical air flow path, and the adjacent cooling fins. Between the cooling fins, an end vertical air flow path penetrating the cooling fins in the vertical direction is formed at an end portion of the cooling fin away from the central vertical air flow path. A plurality of radial air flow paths are formed between the fins, and the radial air flow paths are formed so as to connect the outer circumferential space of the cooling fin and the central vertical air flow path. And
[0010]
The lower surface of the plurality of cooling fins is connected to an object to be cooled in heat transfer
Claims (5)
垂直空気流路と、
前記垂直空気流路の周囲を取り囲むように放射状に配置された複数の冷却フィンを備え、
隣接する前記冷却フィンの間には複数の放射状空気流路が形成されていて、
前記放射状空気流路は、前記冷却フィンの外周の空間と前記垂直空気流路を連絡するように形成されている
ことを特徴するヒートシンク。In the heat sink,
A vertical air flow path;
A plurality of cooling fins arranged radially to surround the periphery of the vertical air flow path;
A plurality of radial air flow paths are formed between the adjacent cooling fins,
The said radial air flow path is formed so that the space of the outer periphery of the said cooling fin and the said vertical air flow path may be connected. The heat sink characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク。The heat receiving member that is coupled to the object to be cooled in heat transfer and mechanically couples the plurality of cooling fins in contact with the lower surfaces of the plurality of cooling fins. heatsink.
ことを特徴とする請求項2に記載のヒートシンク。3. The heat sink according to claim 2, wherein, when the heat sink is viewed in plan from above, outer ends of the plurality of cooling fins protrude further outward than an outer edge of the heat receiving member.
前記冷却フィンの組は上下に積層されるとともに、下層の放射状空気流路の上に、上層の冷却フィンが位置するように、中心軸周りにオフセットされて配置されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載のヒートシンク。A plurality of sets of the cooling fins are provided,
The sets of cooling fins are stacked one above the other and are arranged offset around the central axis so that the upper cooling fins are positioned on the lower radial air flow path. The heat sink according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項4に記載のヒートシンク。5. The heat sink according to claim 4, further comprising an interlayer annular member that is disposed between adjacent sets of cooling fins that are stacked one above the other and that mechanically couples the two and thermally connects the two.
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