JP2010219085A - 自然空冷用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】強制冷却用の送風ファン等を使用しない自然空冷用ヒートシンクであっても、発熱素子からの熱を効果的に放熱することができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】筐体内の発熱素子を冷却するための自然空冷用ヒートシンクであって、一方の面が発熱素子に熱的に接続されるベースプレートと、その下端部が、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された複数のフィンからなる放熱フィン部とを備え、前記フィンは、前記発熱素子に対応する部分の上端部近傍に一つ以上の切欠き部を有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、強制冷却用の送風ファン等を使用しない自然空冷用ヒートシンク、特に自然対流を生起させる自然空冷用ヒートシンクおよびそれを用いた自然空冷用冷却装置に関する。

近年、ＩＣ、ＣＰＵ等がパソコン等の特殊な製品だけでなく、家電製品等の広い分野で使用されるようになり、筐体内に内蔵された、ＣＰＵ等の各種発熱部品の熱を、効率よく放熱することができる冷却装置が要求されている。
従来、このような冷却装置の一種として、ヒートシンクが用いられている。ヒートシンクの性能を向上させるためには、例えば特許文献１に記載されているように、一方の面に発熱素子が熱的に接続される受熱プレートの他方の面に放熱フィンを接合して形成されたヒートシンクに、放熱フィン間を冷却風が通るように電動ファンを取り付けて、ファンの回転によって放熱フィン間に強制的に冷却風を送り込んで、発熱素子から伝わった熱を大気中に放散する強制空冷タイプのヒートシンクが利用されている。

このような強制空冷タイプのヒートシンクでは、一層優れた放熱効果を求めて、ファンを高速回転させ、または、大型ファンを利用する等の改善が進められている。例えば、特許文献１に記載の発明では、ヒートシンク上に所定の距離を隔ててカバーを設けることによって、フィン間に流れる送風量を増加させ、冷却効率を改善することが記載されている（図１０参照）。

また、ヒートシンクが家電製品等の広い分野で使用されるようになったことで、更に低コストで効率的な冷却装置が要求されている。
ヒートシンクの低コスト化のため、従来、製造コストの安価なアルミニウムの押し出し材によるヒートシンクが利用されてきた。押し出し材によるヒートシンクは、受熱ブロックと放熱フィンとが一体的に形成されるので、製造が容易であるため、広く用いられてきた。

特開２０００−２９４６９５号公報

しかしながら、電動ファンは、強制的に冷却風を放熱フィン間に送り込むことができるため、発熱部品からヒートシンクに伝わった熱を効果的に空気中に放散し、冷却することができるが、ファンの回転に伴う騒音の発生、更に、ファンを取り付けることによる高コスト等の問題点がある。

また、押し出し材によるヒートシンクは、断面が同じ形状のヒートシンクであり、種々の目的に応じて受熱ブロックおよび放熱フィンの形状を変更しようとすると、研削加工等が必要となり、コストアップの問題があった。

このような押出材によるヒートシンクは、放熱性能を高めるため、筐体の大きさ等、配置される場所に応じて最大限の大きさで設計される。そのため、ヒートシンクはフィンの上端部が、筐体の内壁に近接するように配置されるため、ヒートシンクの周辺の空気の対流は、隣接するフィン間に限定されて流速が制限され、効果的に放熱することができなかった。

従って、この発明の目的は、強制冷却用の送風ファン等を使用しない自然空冷用ヒートシンクであっても、発熱素子からの熱を効果的に放熱することができるヒートシンクを提供することにある。

本発明の自然空冷用ヒートシンクの第１の態様は、筐体内の発熱素子を冷却するための自然空冷用ヒートシンクであって、一方の面が発熱素子に熱的に接続されるベースプレートと、その下端部が、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された複数のフィンからなる放熱フィン部とを備え、前記フィンは、前記発熱素子に対応する部分の上端部近傍に一つ以上の切欠き部を有することを特徴とする。

本発明の自然空冷用ヒートシンクの別の態様は、前記フィンは、前記切欠き部の一の辺に、前記切欠き部の形状に対応する切り起し部を有することを特徴とする。

本発明の自然空冷用ヒートシンクの別の態様は、前記切欠き部は、前記フィンの上辺を一辺とする矩形状であり、前記一の辺は、前記上辺に隣接する辺のいずれか一方であることを特徴とする。

本発明の自然空冷用ヒートシンクの別の態様は、前記フィンは、前記ベースプレートに熱的に接続される受熱部と、前記受熱部から立ち上がる放熱部とを備えた断面略Ｌ字形状の金属薄板であることを特徴とする。

本発明の自然空冷用ヒートシンクの別の態様は、前記フィンは、前記ベースプレートに熱的に接続される受熱部と、前記受熱部から立ち上がる第1放熱部と、前記フィンの上辺近傍に形成され前記筐体に熱的に接続される第２放熱部とを備えた金属薄板であることを特徴とする。

本発明の自然空冷用ヒートシンクの別の態様は、前記フィンは、前記第１放熱部に、前記受熱部と前記第２放熱部との間にかかる応力を緩和する弾性変形部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、強制冷却用の送風ファン等を使用しない自然空冷用ヒートシンクであっても、筐体内の熱の対流を促進することができるため、発熱素子からの熱を効果的に放熱することができる。

本発明の第1の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンク１００の斜視図である。 本発明の自然空冷用ヒートシンク１００を筐体内に配置した状態の一例を示す側面図である。 本発明の自然空冷用ヒートシンク１００を筐体内に配置した状態の一例を示す断面図である。 本発明に用いられるフィンの別の態様を示す斜視図である。 本発明に用いられるフィンを製造するための金属板材の一例を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンク２００を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンク２００を筐体内に配置した一例を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンクに用いられるフィン２０Ｂの一の態様を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンクに用いられるフィン２０Ｂの別の態様を示す側面図である。 従来技術に係るヒートシンクを示す斜視図である。

本発明の好ましい実施の形態における自然空冷用ヒートシンクについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第1の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンクの斜視図である。図１に示すように、自然空冷用ヒートシンク１００は、一方の面が図示しない発熱素子（被冷却素子）に熱的に接続されるベースプレート１０と、ベースプレート１０の他方の面に熱的に接続される複数のフィン２０が並列に立設された放熱フィン部とを備えている。また、フィン２０は、ベースプレート１０の発熱素子が取り付けられる部分に対応した部分の上端部２３の近傍に切欠き部２５を備えている。

ベースプレート１０は、例えば０．２〜３．０ｍｍ程度の厚さの熱伝導性に優れた金属板（例えば、銅、アルミニウム、銅−タングステン合金等）で形成されている。また、フィン２０は、例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の厚さの熱伝導性に優れた金属板で形成されている。ベースプレート１０とフィン２０とは、後述する様々な方法によって熱的に接続されている。
ベースプレート１０及びフィンの縦、横の長さは、配置される発熱素子の形状、筐体の大きさ等によって適宜設計される。

フィン２０に形成された切欠き部２５としては、三角形、四角形、台形等の多角形、円弧等、様々な形状を採用することができるが、放熱性および製造の容易性を考慮すると四角形（矩形）が特に好ましい。また、切欠き部２５は、少なくとも、発熱素子が取付けられる部分に配置されたフィンに形成されていれば良いが、全てのフィンに形成されていることが望ましい。

図２、３は、それぞれ本発明の自然空冷用ヒートシンク１００を筐体内に配置した状態の一例を示す側面図、及び正面図（図２におけるＩ−Ｉ´断面図）である。図２に示すように、筐体３０の内部には、様々な部材を実装する基板３２、及び基板３２上に実装された発熱素子３４が配置されている。本発明の自然空冷用ヒートシンク１００は、ベースプレート１０の一方の面が発熱素子３４に熱的に接続され、かつ、ベースプレート１０又はフィン２０に設けられた図示しない固定方法によって基板３２に固定されている。

フィン２０は、ベースプレート１０に熱的に接続される受熱部２７と、該受熱部２７から略垂直に立ち上がる放熱部２９を備えており、横断面が略Ｌ字形状となっている。このようなフィン２０をベースプレート１０上に複数立設することによって放熱部を形成している。

また、図３に示すように、フィン２０は、上端部２３の近傍に切欠き部２５を備えている。図２及び図３の複数の矢印Ａ１〜Ａ４は、自然空冷用ヒートシンク１００の周囲の空気の流れを示している。

ここで、ヒートシンク内の熱の移動について説明する。まず、発熱素子３４の熱は、ベースプレート１０に移動し、ベースプレート１０の面内全体に拡散する。次にベースプレート１０に移動した熱は、ベースプレート１０に熱的に接続されたフィン２０の受熱部２７に移動し、さらに、放熱部２９へ移動することで、自然空冷用ヒートシンク１００の上方へ移動する。

次に、自然空冷用ヒートシンク１００の周囲の空気の流れについて説明する。図２に示すように、自然空冷用ヒートシンク１００のベースプレート１０近傍で暖められた空気は、隣接するフィン２０間を上方へ移動する（Ａ１）。このとき、空気は、フィン２０間を移動しながら、フィン２０の放熱部２９の熱によっても暖められる。

自然空冷用ヒートシンク１００の上部まで移動した空気の一部は、フィン２０の上端部２３の近傍に設けられた切欠き部２５を通って、フィン２０の放熱部２９に対して垂直な方向に移動することが可能となっている（Ａ２）。また、ヒートシンク１００の上部まで移動した空気の他の一部は、図３に示すように、フィン２０の放熱部２９の面方向に移動し、自然空冷用ヒートシンク１００の外側へ抜ける（Ａ３）。

上記Ａ１〜Ａ３の空気の流れに伴って、自然空冷用ヒートシンク１００の下側方から筐体内の空気が導入される（Ａ４）。自然空冷用ヒートシンク１００の周囲において、Ａ１〜Ａ４の空気の流れが循環することによって、発熱素子３４の熱を効率よく、筐体３０内の空気へ放散することができる。
ここで、本発明の自然空冷用ヒートシンク１００は、切欠き部２５を備えているため、ヒートシンク１００の上部へ移動した空気が滞留することなく、フィン２０の放熱部２９に対して垂直な方向に移動するため、空気の循環が一層促進され、効率的な放熱が可能となる。

切り欠き部２５が無い場合、ヒートシンク１００の下側方から導入される空気（Ａ４）のほとんどはフィン２０の上側方から外にでていく（Ａ３）。このため、フィン２０の中央（発熱素子３４に対応する部分）の気流（Ａ１）の流速は小さく、フィン２０の上側方の気流（Ａ３）の流速は大きくなる。放熱効率を向上させるために、切り欠き部２５をフィン２０の上端部２３の中央に設置して、フィン２０の中央の気流（Ａ１）、およびフィン２０の上端部２３を通る気流（Ａ２）を促進する。

切り欠き部２５は、発熱素子３４に対応するフィン２０の上端部２３に設ければよい。フィン２０の上端部２３の側方（発熱素子３４に対応する部分以外）に設置すると、もともと流速が大きく熱伝達の効率が大きい側方の空気（Ａ３）と放熱部２９との接触面積が減少するため、ヒートシンク１００全体の性能は低下してしまうおそれがあるため、好ましくない。

次に、本発明の自然空冷用ヒートシンクに用いられるフィンについて詳細に説明する。図４は、本発明に用いられるフィンの別の態様を示す斜視図である。図４に示すように、このフィン２０Ａは、図１に示すフィン２０の構成に加え、切欠き部２５に対応する形状の切り起し部２５ａを備えている。

このようなフィンの製造方法については、特に限定されないが、例えば、図５（ａ）に示すように、受熱部２７、放熱部２９に対応した形状の金属板材４０Ａを調製する。該金属板材４０Ａには、放熱部２９の所定の位置に切欠き部２５に対応した切り込み４１が形成される。その後、プレス等によって受熱部２７、及び切り起し片２５ｂを曲げ部４２に沿って、放熱部２９に対して略直角となるように曲げ加工されることによって本発明の自然空冷用ヒートシンクに用いられるフィンを形成することができる。

ここで、切り起し片２５ｂの形状としては、図５（ａ）〜（ｄ）に示すような、四角形、台形、三角形、円弧形などが望ましい。ここで、切り起し部２５ａは、上述した空気の流れＡ１〜Ａ３に沿って形成されることが望ましい。

このような構成とすることで、フィン２０Ａの放熱部２９の面積を減少させることなく、ヒートシンクの周囲の空気を効果的に循環させることができるため、より効率良く放熱することが可能となる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンク２００を示す斜視図である。図６に示すように、この自然空冷用ヒートシンク２００に用いられるフィン２０Ｂは、図４に示すフィン２０Ａの構成に加え、上端部２３から、受熱部２７に対して水平に延伸し、図示しない筐体と熱的に接続される第２の放熱部２３ａを備えている。第２の放熱部２３ａは、隣接する他のフィンの第２の放熱部２３ａと接続され、放熱面を形成している。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンク２００を筐体内に配置した一例を示す側面図である。図７に示すように、自然空冷用ヒートシンク２００は、ベースプレート１０の一方の面が発熱素子３４に熱的に接続され、かつ、ベースプレート１０又はフィン２０Ｂに設けられた図示しない固定方法によって基板３２に固定されている
また、第２の放熱部２３ａによって形成された放熱面がＴＩＭ（Thermal Interface Material）３６を介して、筐体に熱的に接続されている。

本発明の第２の実施形態によれば、自然空冷用ヒートシンク２００の上端部２３に形成された第２の放熱部２３ａと、筐体３０とが熱的に接続されているため、発熱素子３４の熱を筐体３０を介して放散することができるため、さらに放熱効率を向上させることができる。

本発明の第２の実施形態に用いられるＴＩＭとしては、所定の厚さを有する伝熱シート、熱伝導性グリース等を用いることができる。伝熱シートを用いる場合、その厚さは熱伝導性を良好に保つために、０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下が好ましい。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンクに用いられるフィン２０Ｂの一の態様を示す斜視図である。図８に示すように、フィン２０Ｂは、図示しないベースプレートに熱的に接続される受熱部２７と、該受熱部２７から略垂直に立ち上がる放熱部（第１の放熱部）２９を備えている。さらに、フィン２０Ｂは、上端部２３から、受熱部２７に対して水平に延伸する第２の放熱部２３ａを備えている。

第２の放熱部２３ａは、第１の放熱部２９に対して、受熱部２７と同じ方向に延伸していてもよく、逆方向に延伸していてもよい。
第２の放熱部２３ａが、第１の放熱部２９に対して、受熱部２７と同じ方向に延伸している場合、断面は略コの字型となっている。

このようなフィン２０Ｂをベースプレート上に複数並列に立設することによって、図６に示すように、ベースプレート及び筐体に熱的に接続されるヒートシンクを形成することができる。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る自然空冷用ヒートシンクに用いられるフィンの別の態様を示す側面図である。図９に示すように、フィン２０Ｃは、第１の放熱部２９に凸部（又は凹部）２９ａを設け、この部分の弾性変形により受熱部２７と第２の放熱部２３ａの間にかかる応力を緩和するようにしている。凸部（又は凹部）２９ａの形状としては、所定の弾性力を備えていれば特に制限はなく、断面がコの字、三角、半円形等、様々な形を採用することができる。また、弾性変形する部分は、１箇所以上設けていればよく、複数設けていても良い。

１００、２００ 自然冷却用ヒートシンク
１０ ベースプレート
２０、２０Ａ〜Ｃ フィン
２３ （フィンの）上端部
２３ａ 第２の放熱部
２５ 切欠き部
２５ａ 切り起し部
２５ｂ 切り起し片
２７ 受熱部
２９ 放熱部（第１の放熱部）
２９ａ 凸部（又は凹部）
３０ 筐体
３２ 基板
３４ 発熱素子
３６ ＴＩＭ
４０Ａ〜Ｄ 金属板材
４１ 切り込み
４２ 曲げ部

Claims (6)

1. 筐体内の発熱素子を冷却するための自然空冷用ヒートシンクであって、
   一方の面が発熱素子に熱的に接続されるベースプレートと、
   その下端部が、前記ベースプレートの他方の面に熱的に接続された複数のフィンからなる放熱フィン部とを備え、
   前記フィンは、前記発熱素子に対応する部分の上端部近傍に一つ以上の切欠き部を有することを特徴とする自然空冷用ヒートシンク。
2. 前記フィンは、前記切欠き部の一の辺に、前記切欠き部の形状に対応する切り起し部を有することを特徴とする請求項１に記載の自然空冷用ヒートシンク。
3. 前記切欠き部は、前記フィンの上辺を一辺とする矩形状であり、
   前記一の辺は、前記上辺に隣接する辺のいずれか一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の自然空冷用ヒートシンク。
4. 前記フィンは、前記ベースプレートに熱的に接続される受熱部と、
   前記受熱部から立ち上がる放熱部とを備えた断面略Ｌ字形状の金属薄板であることを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか1項に記載の自然空冷用ヒートシンク。
5. 前記フィンは、前記ベースプレートに熱的に接続される受熱部と、
   前記受熱部から立ち上がる第1放熱部と、
   前記フィンの上辺近傍に形成され前記筐体に熱的に接続される第２放熱部とを備えた断面略コの字形状の金属薄板であることを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか1項に記載の自然空冷用ヒートシンク。
6. 前記フィンは、前記第１放熱部に、前記受熱部と前記第２放熱部との間にかかる応力を緩和する弾性変形部を備えることを特徴とする請求項５に記載の自然空冷用ヒートシンク。

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