WO2020050313A1

WO2020050313A1 - ファン付きヒートシンク

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Publication number: WO2020050313A1
Application number: PCT/JP2019/034769
Authority: WO
Inventors: 拓哉井手; 村上　政明; 沼田　富行
Original assignee: 株式会社ロータス・サーマル・ソリューション
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2020-03-12
Also published as: US20210274679A1; TWI805837B; DE112019004445T5; JP7113504B2; US11510337B2; JP2020038918A; CN112703830B; TW202017460A; CN112703830A

Abstract

【課題】全体の薄型化およびコンパクト化が可能で、放熱効率が高く、静寂を保つことが可能であり、また、低コストで実現でき、平面視の全体形状も円形にとくに限定することなく放熱効率の低下や騒音の発生を防止でき、これにより電子機器筐体内のスペースに応じた形状にすることができ、筐体設計の自由度を維持できる、ファン付きヒートシンクを提供せんとする。【解決手段】金属製の受熱基体２と、受熱基体２の上面２１側に配される遠心ファン３と、受熱基体２の上面２１における遠心ファン３の空気の吐出口を有する外周部に対向する周りの位置に立設され、遠心ファン３に対向する板面４０に開口する複数の貫通孔４１が形成されている金属製の板状壁４と、板状壁４の上端４２に固定され、板状壁内側の空間ｓ１を塞ぐ蓋部材５とを備える。

Description

ファン付きヒートシンク

　本発明は、例えばコンピュータやプロジェクタ等の電子機器に使用されるＣＰＵや素子などの発熱量の多い部品の放熱に好適なファン付きヒートシンクに関する。

　近年、電子機器の内部のＣＰＵや素子などの発熱量が増えると同時に、筐体のコンパクト化、薄型化が求められており、それに伴い、コンパクトで放熱効率の高いヒートシンクが求められている。放熱効率が高く薄型化が可能なヒートシンクとして、例えば、特許文献１、２のように、遠心ファンの周囲に放熱フィンを設けることで、厚みを抑えつつ放熱効率を高めたファン付きヒートシンクが提案されている。具体的には、遠心ファンの周りに板状フィンを上下に間隔をあけて複数枚配置し、当該隙間に空気を通過させて放熱するものである。

　しかしながら、板状フィンには強度および熱伝導の観点から所定の厚みが必要であり、上下に配置できる枚数も限られることから、放熱効率を高めるためには、各板状フィンを広く大きなものにする必要がある。したがって、薄型化が可能であるとしても横方向の占有面積が広くなり、筐体の大型化、重量アップが避けられない。また、放熱効率を得るためには、各放熱フィンを遠心ファンの吐出口がある外側面にできるだけ近づけることが重要であり、遠心ファンの種類に応じて、その外側面に対向する部分の形状加工が必要となり、コスト高の原因にもなる。

　さらに、遠心ファンの静寂な回転のためには、低回転で機能する高い放熱効率以外に、各放熱フィンの間を通過する空気の流速が遠心ファンの周囲で均等であることが重要である。すなわち、前記流速を均等にすることで平均流速が小さくても放熱効果を維持でき、平均流速を小さくできるということはファンの騒音も小さくなる。特許文献２のような平面視円環状の放熱フィンであれば均等にできるが、方形その他異形になると前記流速が不均一になり、騒音が発生したり放熱効率が低下してしまうという虞がある。他方、特許文献２のような円環状の放熱フィンに形状が限定されると、電子機器の筐体内の狭いスペースを効率よく利用することができず、筐体設計の自由度を低減させてしまうといった問題もある。

特開２００７－２３４９５７号公報特開２００６－２７９００４号公報

　そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、全体の薄型化およびコンパクト化が可能で、かつ放熱効率が高く、遠心ファンの回転数を抑えて静寂を保つことが可能であり、また、遠心ファンの外形に応じた加工もとくに必要なく、低コストで実現でき、平面視の全体形状も円形にとくに限定することなく放熱効率の低下や騒音の発生を防止でき、これにより電子機器筐体内のスペースに応じた形状にすることができ、筐体設計の自由度を維持できる、ファン付きヒートシンクを提供する点にある。

　本発明者は、かかる現況に鑑み、鋭意検討し、従来提案されている遠心ファンの周囲の放熱フィンの代わりに、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を切断した板状壁を設け、遠心ファンから吐出される空気を、ある程度通気抵抗のある当該気孔を通過させて放熱させるように構成することで、当該板状壁および受熱基体からなるヒートシンク全体の外形形状が平面視円形でなくても、気孔通過流速がファン周囲で均一化し、放熱効率の低下や騒音の発生が防止されること、これによりヒートシンクを様々な外形形状にすることができ、限られた電子機器筐体内のスペースを効率よく放熱に活用できることを着想し、更に、上記気孔と同じような貫通孔を有する板状壁であれば、ロータス型ポーラス金属成形体でなくても、同様の効果が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

　すなわち本発明は、以下の発明を包含する。
　（１）　下面側に冷却対象物に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の受熱基体と、該受熱基体の前記当接面の反対側となる上面側に配される遠心ファンと、前記受熱基体の上面における前記遠心ファンの空気の吐出口を有する外周部に対向する位置に立設され、前記遠心ファンに対向する板面に開口する複数の貫通孔が形成されている金属製の板状壁とを備えることを特徴とするファン付きヒートシンク。

　（２）　前記板状壁が、前記遠心ファンの周りに全周にわたって連続的に、または間隔をあけて部分的に設けられている、（１）記載のファン付きヒートシンク。

　（３）　前記板状壁が、前記受熱基体とは別に形成された板材であり、
　該板材の板面に隣接する端面を前記受熱基体の前記上面に接合することにより立設されている、（１）又は（２）記載のファン付きヒートシンク。

　（４）　前記板材が、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなるものであり、前記切断により分断された前記気孔が、前記板状壁の前記貫通孔となる、（３）記載のファン付きヒートシンク。

　（５）　前記板材の端部には、前記成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン層が形成されており、前記板材の前記スキン層が形成されている端部を前記受熱基体の前記上面に接合することにより立設されている、（４）記載のファン付きヒートシンク。

　（６）　前記板状壁の上端に固定され、前記遠心ファンが配置されている前記板状壁の内側の空間を塞ぐ蓋部材を備え、該蓋部材は、遠心ファンの空気取り込み口に対応する位置に空気取り込み穴を有している、（１）～（５）の何れかに記載のファン付きヒートシンク。

　以上にしてなる本願発明のファン付きヒートシンクによれば、遠心ファンから吐出される空気が、板状壁の複数の貫通孔を通過する過程で、受熱基体から板状壁へ伝わった熱が前記空気中に放熱され、従来のフィン間を通過させる場合に比べて、格段に放熱効率を高めることが可能となる。したがって、板状壁も従来の放熱フィンに比べて小型化でき、ヒートシンク全体をより薄型化、コンパクト化することが可能となり、遠心ファンの回転数を抑えて静寂を保つことも可能となる。すなわち、放熱効率が高いのでファンの回転数を落とし、流速を遅くすることができるので騒音を小さくすることが可能となる。

　また、板状壁の貫通孔を通して放熱するものであるため、当該板状壁および受熱基体からなるヒートシンクの全体外形形状が平面視円形でなくても、貫通孔を通過する流速がファン周囲で均一化し、放熱効率の低下や騒音の発生が防止され、したがってヒートシンクを様々な外形形状にすることが可能であり、限られた電子機器筐体内のスペースを効率よく放熱に活用でき、筐体設計の自由度を維持できる。また、遠心ファンの外形に応じた加工もとくに必要なく、低コストで実現することができる。

本発明の代表的実施形態にかかるファン付きヒートシンクを示す分解斜視図。同じくファン付きヒートシンクを底側から見た斜視図。同じくファン付きヒートシンクの蓋部材を除いた分解斜視図。同じくファン付きヒートシンクの縦断面図。同じくファン付きヒートシンクの変形例を示す分解斜視図。同じくファン付きヒートシンクの他の変形例を示す分解斜視図。同じくファン付きヒートシンクの更に他の変形例を示す分解斜視図。実施例の計算シミュレーションで用いた解析モデルを示す図。実施例の解析結果を示す図。

　次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

　本発明の代表的実施形態にかかるファン付きヒートシンク１は、図１～図４に示すように、下面側に図示しない冷却対象物に当接される当接面２０を有し、該当接面２０を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の受熱基体２と、受熱基体２の当接面２０の反対側となる上面２１側に配される遠心ファン３と、受熱基体２の上面２１における遠心ファン３の空気の吐出口を有する外周部に対向する周りの位置に立設され、遠心ファン３に対向する板面４０に開口する複数の貫通孔４１が形成されている金属製の板状壁４と、板状壁４の上端４２に固定され、遠心ファン３が配置されている板状壁内側の空間ｓ１を塞ぐ蓋部材５とを備えている。

　蓋部材５は、遠心ファン３の空気取り込み口３０に対応する位置に空気取り込み穴５０を有している。そして、図４中にて矢印で示すように、蓋部材５の空気取り込み穴５０および遠心ファン３の空気取り込み口３０を通じて外部の空気が強制的に取り込まれ、遠心ファン３の外周面から板状壁４の内側の空間ｓ１内に外側に吐出されて、さらに板状壁４の貫通孔４１を通って外部に排出される。遠心ファン３から吐出される空気は、遠心ファン３の回転速度に応じて、放射方向から回転方向に傾斜した方向に吐出される。

　遠心ファン３から吐出された空気は、受熱基体２の上面２１や板状壁４の内側の板面、空間ｓ１内に溜まった熱を吸収しながら、板状壁４の貫通孔４１内に入り、さらに当該貫通孔の内壁から板状壁４の熱を吸熱しながら外部に排気される。

　すなわち、板状壁４は放熱壁であり、受熱基体２と板状壁４とにより熱を空気中に放熱するヒートシンクが構成されている。このように板状壁４の複数の貫通孔４１を通過する過程で熱が空気中に放熱されることから、従来のフィン間を通過させる場合に比べ、格段に放熱効率を高めることが可能である。すなわち、複数の貫通孔４１の存在により、体積当たりの空気接触面積が通常の放熱フィンに比べて数十倍大きくでき、放熱効果が格別に高くなる。このため板状壁を従来の放熱フィンに比べて小型化でき、ヒートシンク全体をより薄型化、コンパクト化することができ、遠心ファン３の回転数を抑えて静寂を保つことも可能となるのである。

　受熱基体２は、金属製の中実扁平な板状とされているが、このような構成に何ら限定されるものではない。凸レンズ状にして中央部から端部への伝熱抵抗を小さくしたものも好ましい。さらに中実ではなく中空としてもよく、中空部をヒートパイプ化することも好ましい。材料はアルミニウムや鉄、銅など従来のヒートシンクに使用されるものを広く適用できる。

　本例では、受熱基体２は平面視矩形に構成され、その下面の中央部と四方の隅部にブロック状に突出した当接面２０が形成されている。このような当接面は冷却対象物の被着面に応じて密着できる形状に設定することができる。当接面２０と冷却対象物の間には、適宜、公知の熱伝導性に優れるサーマルグリース（熱伝導グリース）を介在させることが好ましい。

　遠心ファン３は、シロッコファンやターボファンなど、公知のものから冷却対象物、取り付けの環境などに応じて風量、寸法など条件に適したものを広く採用することができ、受熱基体２の上面２１に接着剤やビス等で取り付けられる。遠心ファン３のファンモータが受熱基体２からの熱を受けて高温になるとファン寿命減少の要因になる。このような場合には、ファンモータと受熱基体２の間に、受熱基体２に比べて熱伝導性の低いスペーサ部材を介装する等して受熱基体２からの熱がファンモータに伝わりにくくすることも望ましい。

　板状壁４は、受熱基体２とは別に形成された板材であり、板状壁４を構成する金属材料としては、受熱基体２と同様、アルミや鉄、銅など従来のヒートシンクの板状フィンに使用されるものを広く適用できる。板状壁４は、当該板材の板面に隣接する端面４３を受熱基体２の上面２１に接合することにより立設されている。接合方法はロー付けやカシメなど、公知の金属間接合方法を用いることができる。本例の板状壁４は受熱基体２とは別に形成されているが、鋳型等により受熱基体２と一体形成されたものでも勿論可能である。この場合、一体形成の後、板状壁に貫通孔を穿設加工すればよい。

　板状壁４を構成する上記板材は、本例では金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工したものである。このようなロータス型ポーラス金属成形体は、高圧ガス法（Pressurized Gas Method）（例えば特許第４２３５８１３号公報開示の方法）や、熱分解法（Thermal Decomposition Method）など、公知の方法で成形することができる。切断により分断された前記気孔が、板状壁４の前記貫通孔４１となる。

　このようにロータス型ポーラス金属成形体から切り出した板材を用いることで、貫通孔４１を有する金属製の板状壁４を低コスト且つ容易に設けることができる。また、ロータス型ポーラス金属成形体から切り出した各板材の周端部には、成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン層４５が形成されている。このスキン層４５が形成されている板材の端部（端面４３）を受熱基体２の上面２１に接合・立設することで、当該端面４３と受熱基体上面２１との接合面積が確保され、十分な接合強度を維持できるとともに受熱基体２から板材（板状壁４）への伝熱も効率よく行われ、放熱効率をより向上させることができる。

　板状壁４の板厚、形状（板厚一定／テーパー状に変化など）、大きさ、貫通孔４１の軸方向（板面４０の法線に対する傾斜の有無、方向）や孔径（平均）、面積あたりの数、開口（気孔）率などは、熱設計や騒音などを考慮して適宜な値に設定できる。空気が貫通孔４１に入るときには流速が大きくなり、貫通孔４１から出るときは流速が小さくなるが、このように流速が急激に変換すると殆どの場合、ミクロ的にカルマン渦が発生するが、これが騒音の元になる。これを熱設計とあわせて考慮し、適宜な値を設定することができる。

　特に、貫通孔４１の軸方向は、板面４０の法線に対して前記ファンの回転方向と同じ方向に傾斜した方向に設定することが騒音をより低減できる点で好ましい。貫通孔４１はドリル加工などの機械加工で穿設したものでもよい。

　蓋部材５は、板状壁４の上端４２に接着され、内側の空間ｓ１を塞いで漏れをなくし、遠心ファン３の空気取り込み口３０に効率よく空気を取り込ませるためのものであり、軽量で低コストな合成樹脂成形品を用いることができる。勿論、それ以外の材料で構成してもよく、金属製とし、板状壁４から伝熱された熱を放熱するヒートシンクを構成することも可能である。

　図５は、板状壁４が遠心ファン３の周りに間隔（隙間１１）をあけて断続的に設けられた変形例を示している。このように、本発明は図１～図４の代表例のように板状壁４を遠心ファン３の周囲全周にわたって連続的に設ける必要はなく、図５のように部分的に設けられるものも含む。

　このように隙間１１を設けることで、受熱基体２から板状壁４５に伝わった熱は上述のとおり貫通孔４１を通じた気流により放熱し、隙間１１からは貫通孔４１を通過しない比較的冷たい空気が排出され、周辺の部位に当該冷たい空気を供給して冷却することも可能となる。より具体的には、本ヒートシンクにより例えば電子機器筐体の内部のＣＰＵ等の冷却対象物を冷却する場合、当該対象物以外にも、小さな冷却が必要な電子部品などが存在するため、本例のように板状壁４のない隙間１１を設けてこれらの部品にスポット的に冷風を当てることが可能となる。

　本例では、図５に示すように間隔をあけて立設された板状壁４を安定保持するために上端間を連結する保持枠４４が設けられている。このように間隔をあけて立設することで隙間１１を形成すること以外に、一枚の板状壁４の一部に切欠きや放熱用の貫通孔よりも大きな穴を設けて、空気を冷たいまま通過させる隙間１１と同様の隙間又は開口を構成することも勿論可能である。

　図６は、板状壁４からなるヒートシンク外形形状を、平面視円形にした変形例を示している。このようにヒートシンク外形形状は平面視で矩形でなくても、本例のような円形やその他、多角形、異形な形状を採用できる。これら円形その他の形状は板材を湾曲させるだけで容易に構成できる。また、図７は、板状壁４を、放射方向（内外）に隙間１２をあけて二重又は三重以上の壁になるように設けた変形例である。このようにして容易に放熱効果を高めることができる。

　以上の変形例を組み合わせて種々の形態で実施することも可能である。すなわち、図示しないが内外二重に設けられる板状壁の内側、外側の一方又は双方を周方向に断続的な壁とし、比較的冷たい空気を周囲に供給することが可能となるように構成してもよい。たとえば内外いずれも断続的な板状壁とし、かつその配置を周方向に千鳥状に交互に板状壁を立設するように構成してもよい。

　以上、本発明の実施形態および変形例について説明したが、本発明はこうした実施形態や変形例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

　以下、計算シミュレーションを用い、図１～図４で示した代表的実施形態のファン付きヒートシンクをモデルに、板状壁および受熱基体からなるヒートシンク全体の外形形状が平面視円形でなくても気孔通過流速がファン周囲で均一化していることを確認した解析結果について説明する。

（解析モデル）
　図８に示すモデルを用いた。
　上吸込口が開放された図示しない蓋材で蓋をする。
　上吸込口（空気取り込み穴）の内径φ６０ｍｍ、
　板状壁（板材）内側：縦（高さ）３０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚み３ｍｍを４枚、
　　　　　　　　外側：縦（高さ）３０ｍｍ×横８０ｍｍ×厚み３ｍｍを４枚、
　　　　　　　　内外の板材間の隙間　２ｍｍ、
　　　　　　　　貫通孔の内径（平均）φ１．０５ｍｍ、気孔率６０％、
　遠心ファン：均等に１６等分された排気口から吐出するものとし、正１６角形の各面からの吐出とした。各面からの吐出方向は回転により回転方向に傾斜して吐出されるとし、具体的には面の法線方向から回転方向に３０°傾いた方向の斜め方向に吹出するものとした。

（計算シミュレーションソフト）
　株式会社アドバンスドナレッジ研究所製「Flow Designer 2018」を用いた。

（解析結果）
　図９に示すように、ほぼ均一の孔通過流速が得られた。

（考察）
　遠心ファンからの流れはファン外周から離れる程、空間が大きくなるので流速が減少する。本モデルのように平面視四角形状のものでは、辺部（板状壁の中央位置付近）は比較的に遠心ファンに近く流速も大きいが、角部の流速は辺部より小さくなる。しかし、角部は流体漏斗のように角部に追いやられる結果、気孔に対して無限空間時の流速より大きい流速を流すことができる。すなわち、辺部も角部も同じような気孔通過流速を得ることができる。このような結果は、搭載する機器に応じた種々の形状に構成しても、気孔通過流速を均一化することができ、放熱効率を向上することができることを示している。

　１　ヒートシンク
　２　受熱基体
　３　遠心ファン
　４　板状壁
　５　蓋部材
　１１　隙間
　１２　隙間
　２０　当接面
　２１　上面
　３０　空気取り込み口
　４０　板面
　４１　貫通孔
　４２　上端
　４３　端面
　４４　保持枠
　４５　スキン層
　５０　空気取り込み穴
　ｓ１　空間

Claims

　下面側に冷却対象物に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の受熱基体と、
　該受熱基体の前記当接面の反対側となる上面側に配される遠心ファンと、
　前記受熱基体の上面における前記遠心ファンの空気の吐出口を有する外周部に対向する位置に立設され、前記遠心ファンに対向する板面に開口する複数の貫通孔が形成されている金属製の板状壁と、
　を備えることを特徴とするファン付きヒートシンク。
　前記板状壁が、前記遠心ファンの周りに全周にわたって連続的に、または間隔をあけて部分的に設けられている、請求項１記載のファン付きヒートシンク。
　前記板状壁が、前記受熱基体とは別に形成された板材であり、
　該板材の板面に隣接する端面を前記受熱基体の前記上面に接合することにより立設されている、請求項１又は２記載のファン付きヒートシンク。
　前記板材が、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなるものであり、
　前記切断により分断された前記気孔が、前記板状壁の前記貫通孔となる、請求項３記載のファン付きヒートシンク。
　前記板材の端部には、前記成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン層が形成されており、
　前記板材の前記スキン層が形成されている端部を前記受熱基体の前記上面に接合することにより立設されている、請求項４記載のファン付きヒートシンク。
　前記板状壁の上端に固定され、前記遠心ファンが配置されている前記板状壁の内側の空間を塞ぐ蓋部材を備え、該蓋部材は、遠心ファンの空気取り込み口に対応する位置に空気取り込み穴を有している、請求項１～５の何れか１項に記載のファン付きヒートシンク。