JP3431004B2 - ヒートシンクおよびそれを用いた冷却装置 - Google Patents

ヒートシンクおよびそれを用いた冷却装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ、ＣＰＵおよ
びＭＰＵ等と省略して表現される半導体等の発熱体や、
その他の発熱部を有する諸電子部品の冷却に用いられる
ヒートシンクとそのヒートシンクの製造方法と、そのヒ
ートシンクにファン等の冷却手段を組み合わせて発熱体
の冷却を行う冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器においては半導体等の電
子部品の高集積化、動作クロックの高周波数化等に伴う
発熱量の増大に対して、電子部品の正常動作の為に、そ
れぞれの電子部品の接点温度を動作温度範囲内に如何に
保つかが大きな問題となってきている。特に、マイクロ
プロセッシングユニット（以下、ＭＰＵと略す）の高集
積化、高周波数化はめざましく、動作の安定性、また動
作寿命の確保などの点からも放熱対策が重要な問題とな
ってきている。
【０００３】一般に、電子機器からの放熱は、放熱面積
を広げ、空気等の冷媒と効率よく熱を交換させるための
ヒートシンクと、このヒートシンクに空気などの冷媒を
強制的に送り込むためのモータ付きのファンとを組み合
わせた冷却装置によりなされる。
【０００４】ここで従来の例を図１２、図１３および図
１４を用いて説明する。
【０００５】図１２は従来のヒートシンクの構成を示す
斜視図で、図１３は従来の冷却装置の構成を示す上面図
および断面図で、図１４は従来の他のヒートシンクの構
成を示す斜視図および側面図である。これらのヒートシ
ンクは、図１２（ａ）のように伝熱部であるベースプレ
ート２ｂ上に多数の薄板よりなるプレート状フィン１ｃ
を配列したプレート型と、図１２（ｂ）のようにベース
プレート２ｂ上に多数のピン状フィン１を配列したピン
型、更に図１４（ａ）のように支柱２の軸垂直方向に薄
板よりなるプレート状フィン１ｃを多数配列したタワー
型とに分類される。これらのヒートシンクは、主にアル
ミニウムや、銅等の高い熱伝導率を示す材料を主成分と
してなり、押出し成形（あるいは引抜き成形と呼ばれ
る）、冷間鍛造、ダイキャストおよび薄板積層等の方法
で製造されている。このようなヒートシンクを発熱体へ
取り付ける場合、ピン型のヒートシンクでは図１３
（ａ）に示すように発熱体３の上に直接ヒートシンクを
搭載する場合と、図１３（ｂ）のように発熱体３とヒー
トシンクとの間に発熱体３からの熱をヒートシンクに伝
えるとともに熱の分散と保護を目的とした熱拡散プレー
ト２ｃを設ける場合がある。実際の冷却装置の冷却原理
は、図１３（ｂ）のように発熱体３で発生した熱が、ア
ルミニウム等の高い伝熱性を有する伝熱性のベースプレ
ート２ｂを経てピン状フィン１へと伝わり、熱はピン状
フィン１の表面で冷却ファン４から送られてくる空気へ
熱伝達されることで空気中へ放散され冷却される。
【０００６】ここで冷却装置の性能を高めるには、伝熱
部全体に均一に熱が分散し、形成されている全ての放熱
用のフィンから放熱を行える状態とするのが最も望まし
い。しかし、プレート型やピン型のヒートシンクでは発
熱体３からの熱は、発熱体３自体が伝熱部に比べて非常
に小さく接触面積が狭いことが原因で、発熱体３直上近
傍の放熱フィンには集中的に熱が伝わり易く、周辺部の
放熱フィンには相対的に熱が伝わりにくいという傾向が
あり、結果的に放熱フィン全体が有効に機能していない
場合が多い。また、放熱フィンの周りの風量が同じなら
ばフィン数を増やして表面積を増やせば、放熱能力は高
まるのであるが、実際は、単位面積当たりで考えた場
合、放熱フィン断面積が増加すると、空気が流入可能な
部分、例えば図１３（ａ）の斜線で示す部分等の空気流
入面積７ｅが減少し、流入総風量自体も減少するため、
結果的には逆に放熱能力が低下する場合もある。つま
り、単純に放熱フィンだけを増やしても効果がないこと
になる。
【０００７】ここで最も重要な要素は、前述したように
発熱体３からの熱を可能な限り広範囲の放熱フィンに効
率よく伝えることができるかということであり、この点
を考慮した例として、図１４に示すようなタワー型ヒー
トシンク等は、発熱体から発生した熱は中央の支柱によ
り直接ヒートシンクの上方部に伝えられ、さらに支柱の
軸と垂直方向に形成されたプレート状フィン１ｃにより
面状に広げられる。面状に広げられた薄板両面からの熱
は一般に自然空冷により空気中へ放散されることにな
る。このタワー型ヒートシンクにおいても、その放熱性
能を向上させるために改良が考案されており、例えば実
開昭６２−１８２６００号公報開示では、各薄板の対応
する位置の薄板を切起し薄板上にプレート型のフィンを
形成することで薄板両面に貫通する通風孔を形成し、通
風孔を通じて支柱の軸平行方向に空気が対流し易くした
構造のものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
等の電子部品では、更なる高速化の進展等によって益々
発熱が大きくなる傾向にあり、従来の構成の冷却装置を
用いた場合では、十分な冷却等を行うことができにくく
なって来ており、特にＭＰＵなどの高発熱電子部品で
は、その性能を十分に発揮することができなかったり、
あるいは熱暴走などを起こし、電子機器に異常が生じる
等の問題が生じている。また発熱量の増加に伴って冷却
装置そのものを相対的に大きくして冷却能力を高める方
法も考えられるが、電子機器自体の大きさから、自ずと
冷却装置の大きさや重さに制限を受けるという状況もあ
る。これに対して、一般的にタワー型ヒートシンクは、
図１４に示す様にピン型やプレート型ヒートシンクと比
較して発熱体からの熱を各フィンに効率的に伝導する支
柱２を有しており、構造的に熱伝導の効率は良いのであ
るが、プレート状フィン１ｃを積み上げた構造であるた
め構造上空気の淀みが生じやすく、また空気の流れを考
えると、タワー型ヒートシンクの上部に冷却ファンを搭
載するのは困難であり、タワー型ヒートシンクではその
側面に冷却ファンを搭載することになる。しかし、この
ような場合でも、冷却ファンの幅方向に直立したヒート
シンクの高さが必要となり、冷却装置全体としての形状
が非常に大きくなるばかりではなく、大きさの割にはプ
レート状フィン１ｃであるがためにフィン表面の十分な
表面積を得にくく、全体としての放熱効率の向上はあま
り期待できなかった。
【０００９】本発明は上記の課題を解決するもので、発
熱体から発生した熱の放熱性能を向上させて高性能化す
るとともに、小型化を実現したヒートシンクと、そのヒ
ートシンクを用いて冷却性能に優れ、小型化できる冷却
装置を提供する事を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のヒートシンク
は、発熱体に対接し受熱面を有する伝熱プレート部と、
前記伝熱プレート部の前記受熱面と反対側に突出して伝
熱部となる支柱とが設けられ、前記支柱の側面にＸ軸
（後に記載する）とＺ軸（後に記載する）とで形成され
る面に平行に設けられた複数の第２のスリットと、前記
第２のスリットに交差するように設けられた複数の第１
のスリットとにより多数のピン状のフィンが形成されて
いることを特徴とする。
【００１１】あるいは本発明のヒートシンクは、発熱体
に対接し受熱面を有する伝熱プレート部と、前記伝熱プ
レート部の前記受熱面と反対側に突出して伝熱部となる
支柱とが設けられ、前記支柱のＸ軸とＺ軸とで形成され
る面の断面形状は、台形、三角形または前記受熱面から
略垂直方向に徐々に支柱の断面幅が小さくなる形状を有
し、前記支柱の側面に前記受熱面に沿って複数のピン状
フィンが形成されていることを特徴とする。
【００１２】これらの本発明のヒートシンクによれば、
小型でありながらも、発熱体からの熱を効率よくヒート
シンク全体に導くことができ、高い放熱特性を有するヒ
ートシンクが得られる。
【００１３】ここで、受熱面に略垂直な基準線に対しピ
ン状のフィンの中心線が直角に配置されたもの、もしく
は受熱面に垂直な基準線に対しそれぞれのピン状のフィ
ンの中心線が所定の角度を持って配置されたもの、およ
び発熱面に垂直な基準線に対しピン状フィンの中心線が
所定の角度をもち、複数の前記ピン状フィンの先端部が
支柱の上面と同じ高さまで延びているもの等は放熱性能
が優れており、特に複数のピン状のフィンの表面が凹凸
を有する場合は空気中への熱の放散効果が高くなる。
【００１４】
【００１５】
【００１６】さらに本発明の冷却装置は、上記のヒート
シンクにファン等の冷却手段を設ける事を特徴とする。
ここで上記のヒートシンクの支柱の上面に、受熱面と対
向するファン等の送風手段を設けることができる。
【００１７】これにより本発明の冷却装置は、そのヒー
トシンクを用いて冷却性能に優れ、小型化できる冷却装
置となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、発熱体
に対接し受熱面を有する伝熱プレート部と、前記伝熱プ
レート部の受熱面と反対側に突出する支柱と、前記支柱
の側面にＸ軸とＺ軸とで形成される面に平行に設けられ
た複数の第２のスリットと、前記第２のスリットに交差
するように設けられた複数の第１のスリットとにより形
成された複数のピン状のフィンとを有し、前記支柱のＸ
軸とＺ軸とで形成される面の断面形状は、台形、三角形
または前記伝熱プレート部から略垂直方向に徐々に支柱
の断面幅が小さくなる形状のいずれか一の形状を有する
ヒートシンクであり、支柱の長手方向に広い断面積を確
保し発熱面からの熱を効率よく拡散することができると
ともに、受熱面の鉛直方向に効率良く熱を伝える支柱に
対し、その側面に空気の対流が良好となるように、少な
くとも２種類のスリットにより形作られて放熱性能に優
れた多数のピン状のフィンを配置するとともに、支柱の
最上部の断面幅を細くすることで、冷却ファンからの空
気の十分な流入面積を確保できるため、小型でありなが
らも高い放熱特性を有するヒートシンクとなっている。
【００１９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のヒートシンクにおいて、前記伝熱プレートと前記支柱
と前記ピン状フィンとが一体に形成されたヒートシンク
であり、生産性が良くなり、しかも支柱とピン状のフィ
ンとの間に熱抵抗となる部分が存在しないため、伝熱効
果が良くなるため、小型でありながらも高い放熱特性を
有するヒートシンクとなっている。
【００２０】請求項３に記載の発明は、請求項１および
２に記載のヒートシンクにおいて、発熱体の発熱面に対
接した前記支柱の両側面に複数のピン状フィンを有する
ヒートシンクであって、前記発熱面に略垂直な基準線に
対しピン状フィンの中心線が直角に配置されたことを特
徴とするものであり、発熱面に略垂直な基準線に対しピ
ン状フィンの中心線が直角に配置されたことによって、
ピン状フィンの放熱面としての十分な表面積を確保しつ
つ、同時にヒートシンクの高さを低くすることができ
る。
【００２１】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
のヒートシンクにおいて、複数のピン状のフィンの表面
が凹凸を有するものであり、ヒートシンクのピン状フィ
ンの表面を凹凸状にすることによって、さらに広い表面
積を確保し、放熱能力を高めるという効果がある。
【００２２】請求項５に記載の発明は、請求項３に記載
のヒートシンクにおいて、受熱面が伝熱プレート部平面
より突出して形成しているものであり、受熱面と、この
受熱面近傍のピン状フィンとの間に隙間を作ることがで
き、冷却ファンからの空気流を効率よく受熱面近傍のピ
ン状のフィンの表面に運ぶことができる。
【００２３】請求項６に記載の発明は、請求項１および
２に記載のヒートシンクにおいて、ピン状のフィンは支
柱側端部より他端部側の方が受熱面からの垂直距離が長
いものであり、請求項３と同一の効果が得られるととも
に、ピン状フィンの傾斜によって流入空気が支柱側に誘
導され、放熱能力を高めることができる。
【００２４】請求項７に記載の発明は、請求項６記載の
ヒートシンクにおいて、ピン状のフィンは支柱の高さよ
り高くないものであり、請求項６と同一の効果が得られ
るとともに、冷却ファンからの空気の流入面積が増加さ
せることができ、放熱特性を高める効果がある。
【００２５】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
のヒートシンクにおいて、複数のピン状フィンの表面が
凹凸を有するものであり、ヒートシンクのピン状フィン
の表面を凹凸状にすることによって、さらに広い表面積
を確保し、放熱能力を高めるという効果がある。
【００２６】請求項９に記載の発明は、請求項７に記載
のヒートシンクにおいて、受熱面が伝熱プレート部平面
より突出して形成しているものであり、受熱面と、この
受熱面近傍のピン状フィンとの間に隙間を作ることがで
き、冷却ファンからの空気流を効率よく受熱面近傍のピ
ン状のフィンの表面に運ぶことができる。
【００２７】
【００２８】
【００２９】請求項１０に記載の発明は、ヒートシンク
に冷却手段を設けた冷却装置であり、空気の対流に優れ
た前記の自然空冷のヒートシンクに対し、飛躍的に放熱
特性を高めることができる。
【００３０】請求項１１に記載の発明は、前記のヒート
シンクの支柱の上面に、受熱面と対向する送風手段を設
けた冷却装置であり、その上面から送風手段で強制的に
空気を送ることにより、小型化が図られた状態で自然空
冷に比べて飛躍的に放熱特性を高めることができる。
【００３１】以下、本発明の実施の形態について、図面
を参照しながら説明する。
【００３２】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１におけるヒートシンクの要部斜視図および側面図
で、図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるヒート
シンクを示す要部斜視図、図１（ｂ）は冷却ファン４を
搭載した状態での支柱２の長手方向（以下、Ｙ軸方向）
から見た発熱体３直上における本発明の冷却装置の断面
図、および図１（ｃ）は冷却ファン４を搭載した状態で
の支柱２の幅方向（以下、Ｘ軸方向）から見た本発明の
冷却装置の側面図を示す。図２は本発明の実施の形態１
における各ヒートシンクの外形を表す斜視図および支柱
の断面形状図で、図２（ａ）は本発明の実施の形態１に
おけるヒートシンクの外形を表す斜視図、図２（ｂ）〜
（ｅ）は本発明の実施の形態１におけるヒートシンクに
おいて、支柱２の断面形状を変化させた各ヒートシンク
の上面図および側面図を示したものである。
【００３３】図１（ａ）〜（ｃ）において、１はピン状
フィンで、このピン状フィン１は複数個が設けられてい
る。２は、ピン状フィン１を配する支柱（すなわち伝熱
部）であり、３は、支柱２の下部方向（以下、負のＺ軸
方向）に設けられた発熱体である。また、４は、ヒート
シンクの上部に取り付けた冷却ファンである。この場
合、ヒートシンクはピン状フィン１と支柱２で構成され
ている。ここで発熱体３としては、ＩＣ、ＬＳＩ、ＭＰ
Ｕ等の半導体やトランジスタ等の電子部品の発熱するも
のである。
【００３４】なお、以降は説明を容易にするために、図
１に示すように部分的な名称の表現の他に、前述したよ
うに支柱２の幅方向をＸ軸方向、支柱２の長手方向をＹ
軸方向、支柱２の高さ方向をＺ軸方向というように表現
も併用する事にする。
【００３５】図１において、支柱２の形状は、長手方向
（Ｙ軸方向）断面が三角形の三角柱とすることによっ
て、発熱体３と接触させたときの密着性が良好となり、
しかも使用する材料等に無駄が出ないようにすることが
できる。特に、支柱２の形状を三角柱形状とすることに
よって実装性や熱伝導性の面で優れたヒートシンクが得
られる。この支柱２にはピン状フィン１が設けられてお
り、図１中のピン状フィン１は支柱２の長手方向の両側
面に設けられていることになる。
【００３６】一般に小さな発熱体３に対接した放熱機器
では、熱が受熱面から等方的材料の内部に流入すると半
球体状の温度分布を持って拡散する傾向にある、したが
って理想的なヒートシンク形状は、半球体状の伝熱部と
伝熱部の中心の発熱源を起点とした放射状に多数の放熱
フィンを形成する事が最も放熱特性が高いと考えられ
る。しかし、このような構成では、実際の形状が使えな
い形状や大きさとなったり、製造コストが極端に高いな
ど、性能以外の様々な問題が出てくる。また図１２に示
したような従来のベースプレート２ｂを持ったプレート
型やピン型のヒートシンクでは、前述の通り、発熱体３
からの熱は、発熱体３自体が伝熱部に比べて非常に小さ
く接触面積が狭いことが原因で、発熱体３直上近傍の放
熱フィンには集中的に熱が伝わり易く、周辺部の放熱フ
ィンには相対的に熱が伝わりにくいという傾向があり、
結果的に放熱フィン全体が有効に機能していない場合が
多い。さらに図１４のタワー型ヒートシンクでも、前述
の通り、プレートフィンの積み上構造であるため空気の
淀みが生じやすく、これに冷却ファンを搭載する場合、
ヒートシンク上部への搭載が困難であったり、ヒートシ
ンクの側面搭載による全体のサイズ増加、あるいは大き
さの割にはプレート状フィンであるため十分な表面積が
得られ難くく全体としての放熱効率の向上が期待できな
いなどの問題があった。
【００３７】これらに対して本発明のようなヒートシン
クの構成をとれば、熱伝達と放熱特性が優れ、かつ小型
の冷却装置を実現することができるのである。
【００３８】図１に示した本実施の形態１のヒートシン
クでは、発熱体３の熱は、発熱面と対接した三角柱の支
柱２の底面（すなわち受熱面）で受熱し、支柱２の底面
から立体的（すなわちＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各方向）
に拡散することになる。この場合、支柱２は三角柱とい
う構造であるため、支柱内に従来のプレート型やピン型
のヒートシンクの板状伝熱部に比べれば遙かに大きな範
囲で安定した半球体状温度分布を実現することができて
いる。発熱体３から放散される熱は、その半球体状温度
分布から伝熱され、放熱フィンとして機能するピン状フ
ィン１の範囲に広がり、同じサイズであれば従来のヒー
トシンクよりも遙かに高い放熱特性が得られることにな
る。また、このような球体状温度分布が得られ難いヒー
トシンクの両端面に近い所でも、支柱２そのものの断面
積が大きく、伝熱のための熱抵抗は低く抑えられること
から、周辺部のピン状フィン１も放熱フィンとして十分
に機能するようになる。
【００３９】図２（ｂ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形
態１におけるヒートシンクの支柱２の断面形状を変えた
場合の複数の他の実施の形態を示している。図２（ｂ）
〜（ｃ）では支柱２の断面形状の違いから、支柱２の断
面積と、上部の冷却ファン側に開口される空気流入部の
断面積が、それぞれの形状に応じて異なる。図２（ａ）
は、図１の支柱断面が三角形である場合の支柱２の状態
を示しているが、熱の拡散に直接関係する支柱２の断面
積は、図２（ｂ）の四角形、図２（ｃ）の台形、図２
（ｄ）の三角形および図２（ｅ）のベル形（すなわち曲
率半径Ｒの局面を有する形）の順に小さくなる。ここで
は、より広い範囲に熱を伝導（すなわち熱の拡散）させ
るために、できるだけ広い支柱２の断面積を確保すべき
である。これに対して、熱をヒートシンクから受け取り
外部へ放熱する空気量に関係する空気流入部の断面積
は、図２（ｂ）〜（ｃ）で示すようにヒートシンク上部
に開口したサイドＡとサイドＢの寸法の長いものほど広
く、図２（ｂ）の四角形、図２（ｃ）の台形、図２
（ｄ）の三角形、および図２（ｅ）のベル形の順に大き
くなる。この空気流入部の面積もまた十分な流入空気量
を得るために、可能な限り広い面積を確保すべきであ
る。よって、理想的には、発熱体３から熱を伝える伝熱
部である支柱２の断面積は最大で、かつ放熱に必要な最
大空気量を得るために、空気流入面積もまた最大とする
のが望ましい。すなわち、この両者の関係には相反する
ところがあるが、熱を放熱するための十分な空気量を確
保するための最大の流入面積を確保しつつ、可能な限り
広い断面積形状を選択すべきなのである。図２（ｂ）〜
（ｅ）の中では、図２（ｄ）および図２（ｅ）のよう
に、空気流入部の幅（すなわちサイドＡとサイドＢの合
計の長さ）が大きいもの、つまり空気流入面積が大きい
もので、支柱２の断面積が大きい形状とすることが望ま
しい。
【００４０】これらのヒートシンクでは、ピン状フィン
１の端面や支柱２の下部の角には面取りを施すことが好
ましく、この角部の面取りによって欠け等による屑の発
生を防止できる。もし角部に鋭い部分を有していると、
電子部品上にヒートシンクを実装する際に他の部品など
に接触して他の部品などを破壊してしまう可能性も生じ
る。さらに角部により屑が発生すると、配線などの上に
落ちる事によって、短絡などを起こしてしまうことにな
り、電子機器の動作不良等の原因になる可能性がある。
【００４１】支柱２とピン状フィン１は一体に形成した
り、あるいは、支柱２に別部品としてピン状フィン１を
接着剤などによって接着したり、支柱２に孔部を設け、
その孔部にピン状フィン１を圧入して固定しても良い。
【００４２】支柱２とピン状フィン１を一体に形成する
と、生産性が良くなり、しかも支柱２とピン状フィン１
との間に熱抵抗となる部分が存在しないため、伝熱効果
が良くなる。更に、ピン状フィン１を接着や圧入によっ
て支柱２に固定する場合には、支柱２やピン状フィン１
それぞれに適した材料を用いることができ、ヒートシン
クの設計が容易になる。
【００４３】ピン状フィン１の構成としては、図１等に
示されているように四角柱状のものや、円柱状のもの、
或いは多角柱状のもの、楕円形状のもの等を用いること
ができる。特にピン状フィン１を四角柱状形状とするこ
とによって、ピン状フィン１の実装密度などを高めるこ
とができ、放熱性を向上させることができる。
【００４４】また、本実施の形態では、ピン状フィン１
の太さはほぼ一定としたが、例えば、ピン状フィン１の
太さが先端から支柱２に近づくに従って太くなる形状
や、ピン状フィン１の太さが先端から支柱２に近づくに
従って細くなる形状や、ピン状フィン１の中間部分が他
の部分よりも太かったり、細かったりする形状でも良
い。
【００４５】また、ピン状フィン１に形成された角部に
面取りなどを施すことによって、上述と同様に欠け等に
よって生じる屑の発生などを防止できる。
【００４６】更に、ピン状フィン１は図１等に示す様に
周期的に立設した方が放熱性や生産性の面で好ましい。
【００４７】また、ヒートシンクの構成材料としては、
１００℃における熱伝導率が１００ｋ／Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1
以上の材料で構成することが好ましい。具体的材料とし
ては、亜鉛，アルミニウム，黄銅，金，銀，タングステ
ン，銅，ベリリウム，マグネシウム，モリブデン（以下
材料グループと略す）から選ばれる材料単体か、あるい
は前記材料グループから選ばれた複数の材料の合金や、
また、前記材料グループから選ばれる少なくとも一つの
材料と、前記材料グループ以外の少なくとも一つの材料
との合金などを用いることができる。本実施の形態で
は、加工性やコスト面を考慮して、アルミニウム単体
か、アルミニウムと他の前記材料グループから選ばれる
少なくとも一つとの合金等から構成した。
【００４８】（実施の形態２）図３、４は、本発明の実
施の形態２におけるヒートシンクの支柱とピン状フィン
の構成を変えた場合の平面図と側面図を示している。
【００４９】図３（ａ）は、ピン状フィン１の中心線
が、支柱２の発熱面に垂直な基準線９ａに対して直角に
配置された場合を示している。このように中央の支柱２
の両側面にピン状フィン１を配することにより、放熱面
としての十分な表面積を多数のピン状フィン１で確保し
つつ、同時にヒートシンクの高さを低くすることができ
るのである。冷却ファンは、ヒートシンクの上部に搭載
され、送風された空気は、斜線で示した空気流入部７ａ
（ピン状フィン空隙）を通って、空気流５ａのようにヒ
ートシンクの上部から下部へと通り抜けることで放熱す
る。唯一この構成で多少不利な点は、ヒートシンク上部
のサイズが同じ従来の図１３（ａ）に示すような冷却装
置のピン状フィンを持ったタイプのヒートシンクと比較
した場合、単位面積当たりの空気流入面積が数１０％程
度減少する事である。つまり、図１３（ａ）の斜線で示
すような従来タイプの空気流入面積７ｅが、ヒートシン
ク上部の全面積から全ピン状フィン１の端面の面積を差
し引いた面積となるのに対して、本発明の構成では前記
した通りヒートシンク上部の面積の約５０％前後をピン
状フィン１の側面でが覆っているため、空気流入面積を
がその分だけ減少している。しかし、この点を考慮して
も本発明の支柱の両側面にピン状フィン１を配する構成
であれば、支柱の十分な熱拡散効果により遙かに高い放
熱特性を得ることが可能である。
【００５０】また、図３（ｂ）は、ピン状フィン１の中
心線が、支柱２の発熱面に垂直な基準線に対して所定の
角度θを持って配置された場合のヒートシンクを示して
いる。このように中央の支柱２の両側面にピン状フィン
１を配することにより、図３（ａ）と同様のフィン表面
積とヒートシンクの高さを維持しつつ、フィンが角度θ
だけ傾き、その端面をヒートシンク上面の基準線９ｂに
沿うように揃えることにより、斜線で示したヒートシン
ク上部の空気流入部７ｂは、従来の技術図１３（ａ）の
場合よりも更に広く、図３（ａ）の場合の空気流入部７
ａに比べて２倍近い面積を確保することができ、より高
い放熱特性を得ることが可能である。さらに、この様に
ピン状フィン１が、角度θを持って傾いていることでヒ
ートシンク上部から流入した空気の流れは、空気流５ａ
の他にピン状フィン１の側面に沿って支柱２の表面へ導
かれる空気流５ｂとなり、更に放熱特性を高めることが
できるのである。
【００５１】図４（ａ）は、支柱２の発熱面に垂直な基
準線９ａ上の１点を基点に放射状にピン状フィン１が配
置された場合のヒートシンクを示しており、この場合も
図３（ｂ）と同様に図３（ａ）に比べて大きく空気流入
面積を増加させることができ、より高い放熱特性を得る
ことが可能である。
【００５２】図４（ｂ）は、図３（ａ）のピン状フィン
１が途中で９０度折れ曲がった形をしている場合のヒー
トシンクを示しており、この場合でも図３（ｂ）や図４
（ａ）と同様の効果が期待できる。
【００５３】（実施の形態３）図５は、本発明の実施の
形態１および２におけるヒートシンクのピン状フィンの
斜視図である。同図にピン状フィン１の表面形状を示す
とおり、ヒートシンクのピン状フィン１の表面を凸凹状
にする事によって表面積を増加させ、さらに放熱能力を
高めることが可能である。尚、ピン状フィン１の凹凸は
ピン状フィン１の一部でも、またフィンの全数でなくて
も同様の効果は得られ、ピン状フィン１の表面形状はデ
ィンプル状等の形状でもよい。
【００５４】（実施の形態４）図６は、本発明の実施の
形態１および２におけるヒートシンクおよび冷却装置の
正面図と側面図で、図７は、本発明の実施の形態１およ
び２におけるヒートシンクおよび冷却装置の空気流の状
態を示す側面図である。
【００５５】図６（ａ）、（ｂ）より、発熱体取付面側
の支柱２の全体か、少なくともその一部が発熱体側に、
隆起した伝熱プレート部２ａを形成することで、受熱面
と受熱面近傍のピン状フィン１との間に隙間を作ること
ができ、冷却ファン４からの空気流を効率よく受熱面近
傍のピン状フィン１の表面に運ぶことができるという効
果がある。伝熱プレート部２ａの発熱体取付部は受熱面
が形成されている。具体的には、図７（ａ）の様に支柱
２の伝熱プレート部２ａが、存在することで、冷却ファ
ン４からの空気流５ａは、ヒートシンクの上部から下部
へ直接流すことができ、言い換えれば前記した通り受熱
面近傍のピン状フィン１の表面に運ぶことができるため
放熱フィンとしての機能が高まり、放熱特性を向上させ
ることができるのである。また同様に、図７（ｂ）と同
図（ｃ）は、支柱２に伝熱プレート部２ａが有るものと
無いものに熱拡散プレート２ｃと発熱体３を配した状態
を示した状態を比較したものであるが、同図（ｂ）の構
成では、隆起部分が存在しないため受熱面近傍のピン状
フィン１は熱拡散プレート２ｃに直接接触しておりフィ
ンの下部まで空気を送ることができない構造になってい
る。これに対して同図（ｃ）の構成では、支柱２に隆起
した伝熱プレート部２ａが存在し、その伝熱プレート部
２ａの幅Ｌ１を、ヒートシンク幅Ｌ２よりも狭くするこ
とで熱拡散プレート２ｃとの間に隙間ができ受熱面近傍
のピン状フィンの下部まで空気を送ることができるので
ある。
【００５６】（実施の形態５）図８は本発明の実施の形
態１および２におけるヒートシンクの製造方法を示す斜
視図で、図９は本発明の実施の形態１および２のヒート
シンクの製造方法における押し出し加工の状態を示す斜
視図で、図１０は本発明の実施の形態１および２のヒー
トシンクの斜視図と製造方法における切削加工時のジグ
固定状態を示すヒートシンクの側面図である。
【００５７】図８（ａ）は、伝熱性素材６の初期状態を
示し、同図（ｂ）は、切削加工、押し出しまたは引き抜
き加工により支柱２の長手方向に複数のプレート状フィ
ン１ｃを成形する第一の工程を示す。次に、同図（ｃ）
プレート状フィン１ｃの長手方向と垂直な方向にスリッ
ト加工を施す第二の工程により、支柱２の両側面に複数
のピン状フィン１を形成するヒートシンクの製造方法で
ある。
【００５８】第一の工程は、切削加工、押し出しまたは
引き抜き加工により行うが、ここでは、押し出し加工を
例に説明する。図９（ａ）は、高温状態の伝熱性素材６
を図中の矢印の方向から押し出し加工用ダイス１０に加
圧した状態である。次に同図（ｂ）のようにダイスの型
穴と同じ形状に伝熱性素材６が塑性変形して押し出され
る。この時、図８（ｂ）で示す支柱２とプレート状フィ
ン１ｃが同時に形成される。そして図９（ｃ）のように
所定の長さに切断するこてで第一工程が終了する。
【００５９】第二の工程は、図１０（ａ）のような多数
のピン状フィンを有するヒートシンク形状を切削加工に
よって形成する工程である。実際には同図（ｂ）、
（ｃ）に示すように、切削加工用工具１１で片面ごとに
傾斜治具１２ａ、１２ｂに並列に並べた複数のヒートシ
ンクを同時にスリット加工することで多数のピン状フィ
ン１を形成する。
【００６０】これにより、小型で多数のピン状フィン１
を有する高性能なヒートシンクを低コストでかつ効率よ
く製作可能な製造方法を得ることができる。
【００６１】図１１は本発明の実施の形態１および２の
ヒートシンク上部に冷却ファンを搭載した冷却装置の斜
視図である。同図（ａ）は、１つの冷却ファンを同図
（ｂ）は、２つの冷却ファンを本発明のヒートシンクに
搭載した状態の冷却装置であり、冷却ファン４の取付方
法はネジ、接着剤、クリップ、ベルト、クッリプピン等
を用いて取付けることができ、本発明のヒートシンクは
高い冷却性能を維持しつつ、高さを低くすることが可能
であるため冷却ファン４を搭載した状態でも全体の高さ
を抑制する事ができ、結果的に小型の冷却装置を実現す
ることが容易である。
【００６２】尚、本実施の形態では冷却ファン４を用い
たが、ぺルチェ素子等の熱交換素子を用いてもよく、ま
たヒートパイプ等を用いてヒートシンクの熱を他の位置
に導いて冷却を行なうことも可能である。
【００６３】以上のように冷却装置を構成する本発明の
ヒートシンクは、伝熱部である支柱２の両側面にピン状
フィン１を配する構造を有しており、同一体積であれば
最大の冷却性能が得られ、言い換えれば同一性能であれ
ば最小最軽量の冷却装置を実現することが可能である。
【００６４】
【発明の効果】本発明のヒートシンクは、伝熱部を柱状
構造の支柱として発熱体からの熱拡散効果を高め、さら
に支柱の側面にピン状フィンを配することで十分な放熱
面積を確保できるため、放熱性能が高く、しかも小型化
が実現できるものとなっている。
【００６５】また本発明の冷却装置は、上記のヒートシ
ンクを用いることにより、高性能で小型化が実現できる
冷却装置となっている。
【００６６】さらに本発明のヒートシンクの製造方法
は、高性能のヒートシンクを生産性良く安価に作製でき
るヒートシンクの製造方法となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートシンクの
要部斜視図および側面図
【図２】本発明の実施の形態１における各ヒートシンク
の外形を表す斜視図および支柱の断面形状図
【図３】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの
上面図および側面図
【図４】本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの
上面図および側面図
【図５】本発明の実施の形態１および２におけるヒート
シンクのピン状フィンの斜視図
【図６】本発明の実施の形態１および２におけるヒート
シンクおよび冷却装置の正面図と側面図
【図７】本発明の実施の形態１および２におけるヒート
シンクおよび冷却装置の空気流の状態を示す側面図
【図８】本発明の実施の形態１および２におけるヒート
シンクの製造方法を示す斜視図
【図９】本発明の実施の形態１および２のヒートシンク
の製造方法における押し出し加工の状態を示す斜視図
【図１０】本発明の実施の形態１および２のヒートシン
クの斜視図と製造方法における切削加工時のジグ固定状
態を示すヒートシンクの側面図
【図１１】本発明の実施の形態１および２のヒートシン
ク上部に冷却ファンを搭載した冷却装置の斜視図
【図１２】従来のヒートシンクの構成を示す斜視図
【図１３】従来の冷却装置の構成を示す上面図および断
面図
【図１４】従来の他のヒートシンクの構成を示す斜視図
および側面図
【符号の説明】
１ ピン状フィン １ａ、１ｂ 凹凸形状を持ったピン状フィンの形状 １ｃ プレート状フィン １ｄ ベース部と一体のプレート状フィン ２ 支柱 ２ａ 伝熱プレート部 ２ｂ ベースプレート ２ｃ 熱拡散プレート ３ 発熱体 ４ 冷却ファン ５ａ、５ｂ 空気流 ６ 伝熱性素材 ７ａ〜７ｄ 空気流入部 ８ ヒートシンク ９ａ 発熱面に垂直な基準線 ９ｂ ヒートシンク上面の基準線 １０ 押し出し加工用ダイス １１ 切削加工用工具 １２ａ、１２ｂ 傾斜治具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上鶴 忍 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−242352（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−47960（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−259323（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316389（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】発熱体に対接し受熱面を有する伝熱プレー
    ト部と、前記伝熱プレート部の受熱面と反対側に突出す
    る支柱と、前記支柱の側面にＸ軸とＺ軸とで形成される
    面に平行に設けられた複数の第２のスリットと、前記第
    ２のスリットに交差するように設けられた複数の第１の
    スリットとにより形成された複数のピン状のフィンとを
    有し、前記支柱のＸ軸とＺ軸とで形成される面の断面形
    状は、台形、三角形または前記伝熱プレート部から略垂
    直方向に徐々に支柱の断面幅が小さくなる形状のいずれ
    か一の形状を有し、前記支柱の幅方向をＸ軸方向、前記
    支柱の長手方向をＹ軸方向、前記支柱の前記伝熱プレー
    ト部の受熱面と反対側に突出する方向をＺ軸方向とする
    ことを特徴とするヒートシンク。
  2. 【請求項２】前記伝熱プレートと前記支柱と前記ピン状
    フィンとが一体に形成された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】前記ピン状のフィンは前記受熱面と略平行
    に配設されたことを特徴とする請求項２記載のヒートシ
    ンク。
  4. 【請求項４】前記ピン状のフィンは表面が凹凸を有する
    ことを特徴とする請求項３記載のヒートシンク。
  5. 【請求項５】前記受熱面は前記伝熱プレート部より突出
    して形成されたことを特徴とする請求項３記載のヒート
    シンク。
  6. 【請求項６】前記ピン状のフィンは前記支柱側端部より
    他端部側の方が前記受熱面からの垂直距離が長いことを
    特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
  7. 【請求項７】前記ピン状のフィンは前記支柱の高さより
    高くないことを特徴とする請求項６記載のヒートシン
    ク。
  8. 【請求項８】前記ピン状のフィンは表面が凹凸を有する
    ことを特徴とする請求項７記載のヒートシンク。
  9. 【請求項９】前記受熱面は前記伝熱プレートより突出し
    て形成されたことを特徴とする請求項７記載のヒートシ
    ンク。
  10. 【請求項１０】発熱体に対接し受熱面を有する伝熱プレ
    ートと、前記伝熱プレート部の前記受熱面と反対側に突
    出する支柱と、前記支柱の側面にＸ軸とＺ軸とで形成さ
    れる面に平行に設けられた複数の第２のスリットと、前
    記第２のスリットに交差するように設けられた複数の第
    １のスリットとにより形成された複数のピン状のフィン
    とを有するヒートシンクと、前記ヒートシンクに取付け
    られた冷却手段とを有し、前記支柱のＸ軸とＺ軸とで形
    成される面の断面形状は、台形、三角形または前記伝熱
    プレート部から略垂直方向に徐々に支柱の断面幅が小さ
    くなる形状のいずれか一の形状を有し、前記支柱の幅方
    向をＸ軸方向、前記支柱の長手方向をＹ軸方向、前記支
    柱の前記伝熱プレート部の受熱面と反対側に突出する方
    向をＺ軸方向とすることを特徴とする冷却装置。
  11. 【請求項１１】前記冷却手段は送風手段であって、前記
    送風手段を前記ヒートシンクの支柱の上面に、受熱面と
    対向するように配設したことを特徴とする請求項１０記
    載の冷却装置。
  12. 【請求項１２】前記送風手段はファンであって、前記フ
    ァンは前記ヒートシンクの支柱の上面に取付けられ、前
    記伝熱プレート部方向に送風するように配設したことを
    特徴とする請求項１１記載の冷却装置。
  13. 【請求項１３】発熱体に対接し受熱面を有する伝熱プレ
    ート部と、前記伝熱プレート部の前記受熱面と反対側に
    突出する支柱と、前記支柱の側面にＸ軸とＺ軸とで形成
    される面に平行に設けられた複数の第２のスリットと、
    前記第２のスリットに交差するように設けられた複数の
    第１のスリットとにより形成された複数のピン状のフィ
    ンとを有するヒートシンクと、前記ヒートシンクに取付
    けられたファンとを有する冷却装置であって、前記支柱
    のＸ軸とＺ軸とで形成される面の断面形状は、台形、三
    角形または前記伝熱プレート部から略垂直方向に徐々に
    支柱の断面幅が小さくなる形状のいずれか一の形状を有
    し、前記支柱の幅方向をＸ軸方向、前記支柱の長手方向
    をＹ軸方向、前記支柱の前記伝熱プレート部の受熱面と
    反対側に突出する方向をＺ軸方向とすることを特徴とす
    る冷却装置。
  14. 【請求項１４】前記ファンは前記ヒートシンクの支柱の
    上面に取付けられ、前記伝熱プレート部方向に送風する
    ように配設したことを特徴とする請求項１３記載の冷却
    装置。
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