JPH11103183A

JPH11103183A - ヒートシンク装置

Info

Publication number: JPH11103183A
Application number: JP9261199A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kitahara; 孝志北原
Original assignee: PFU Ltd
Current assignee: PFU Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ヒートシンク装置に関し、放熱フィ
ンの形状を境界層制御に適した形状とすることにより高
い放熱機能を実現することを目的とする。【解決手段】基体１から垂直に突設した複数のプレート
状の放熱フィン２が、冷却風の流れの方向に一致する第
１の方向に複数の列をなすように配設される。列の各々
は複数のプレート状の放熱フィン２からなり、千鳥状に
配設される。複数の放熱フィン２の内、少なくとも予め
定められた位置にある放熱フィン２の上流側端部又は下
流側端部が、第１の方向に対して予め定められた角度で
交わる第２の方向又は第３の方向に曲げられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートシンク装置
に関し、特に、基体から突設される放熱フィンで構成さ
れ高い放熱機能を実現したヒートシンク装置に関する。

【０００２】近年、電子機器の小型化、高性能化を実現
するために、ＣＰＵを中心としたＬＳＩ素子では、集積
度が飛躍的に増加しつつあるとともに、動作周波数の高
周波数化が飛躍的に進みつつある。これに伴って、回路
の低電力化等の努力にもかかわらず発熱量が増加する傾
向にあり、効率的な放熱装置が求められている。このＬ
ＳＩ素子のような高発熱素子の効率的な放熱を実現する
ための放熱装置として、一般に、ヒートシンク装置が広
く用いられている。

【０００３】

【従来の技術】ヒートシンク装置は、アルミニウム又は
その合金、銅又はその合金のような高い熱伝導率を持つ
材料を用い、ＬＳＩで発生した熱を高速で放散させるの
に適した形状とされる。例えば、ヒートシンク装置は、
図１０に示すように、高発熱素子の取り付け面に固定さ
れる基体１０と、この基体１０から実質的に垂直方向に
突設される複数の放熱フィン２０とで構成される。図１
０（Ａ）に示すヒートシンク装置はピン形状の放熱フィ
ン２０を持ち、図１０（Ｂ）に示すヒートシンク装置は
プレート形状の放熱フィン２０を持つ。このような構造
のヒートシンク装置は、冷却ファン等により送風される
冷却風を利用して、その放熱フィン２０からＬＳＩの発
生する熱を高速に空気中に放熱する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ヒートシンク装置の放
熱効率を高めるためには、熱伝達率を向上させること、
即ち、放熱フィン２０の表面積を増加させることが必要
である。このため、従来は、放熱フィン２０間のピッチ
を狭くしたり、放熱フィン２０自体の厚さを薄くして放
熱フィン２０の数を増加させることにより、放熱面積の
総計を増加させていた。

【０００５】しかし、ヒートシンク装置の放熱効率は、
放熱フィン２０の表面積の総計だけで決定されるもので
はなく、放熱フィン２０の間を流れる冷却風の速度や、
流れの状態に関係している。例えば、流れが放熱フィン
２０から離れる状態（剥離状態）や、放熱フィン２０の
近傍に生成される空気境界層の厚さの状態に大きく依存
する。

【０００６】放熱フィン２０の個数を増加させると、放
熱フィン２０の密集により空気抵抗（圧力損失）が増加
する。このため、冷却風が放熱フィン２０を避けて上部
（基体１０の垂直方法）に逃げて（剥離して）しまう。
この結果、放熱フィン２０の間を流れる冷却風の速度と
量が低下する。この冷却風の速度と量の低下は放熱効率
の低下に直結する。この対策として、従来、冷却風を送
り出すファンの大型化や冷却風の風量の増大（風速の増
加）により、放熱フィン２０による空気抵抗の増加に起
因する冷却風の速度と量の低下を補おうとしていた。

【０００７】また、放熱フィン２０の近傍の空気境界層
が厚いと、放熱フィン２０から空気への熱伝達が効率良
く行われず、放熱効率が直ちに低下する。これに対して
は、従来、空気境界層を薄くする試みはあまりなされて
いなかった。特に、放熱フィン２０については、専ら放
熱効率を向上させる形状とすることのみが考慮され、空
気境界層を薄くする形状とすることは考慮されることが
なかった。

【０００８】本発明は、放熱フィンの形状を境界層制御
に適した形状として高い放熱機能を実現するヒートシン
ク装置を提供することを目的とする。また、本発明は、
放熱フィンの形状を境界層制御に適した形状と空気抵抗
を抑える形状とを併存させた形状として高い放熱機能を
実現するヒートシンク装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図１は本発明のヒートシ
ンク装置を示し、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正
面図、図１（Ｃ）は側面図である。本発明のヒートシン
ク装置は、基体１とこの基体１から突設される複数の放
熱フィン２とで構成される。各々の放熱フィン２は基体
１から実質的に垂直に突設されるプレート（平板）状と
される。放熱フィン２を上から見たときの形状におい
て、複数のプレート状の放熱フィン２が第１の方向に複
数の列をなすように配設される。この第１の方向は、後
述するように、冷却風の流れの方向に一致する。

【００１０】また、放熱フィン２を上から見たときの形
状において、当該列の各々は複数のプレート状の放熱フ
ィン２からなり、当該列を構成するプレート状の放熱フ
ィン２が、互いに隣接する列において、第１の方向にお
いて互いに異なる位置となるように配設される。即ち千
鳥状に配設される。更に、放熱フィン２を上から見たと
きの形状において、この千鳥状に配設された複数の放熱
フィン２の内、少なくとも予め定められた位置にあるプ
レート状の放熱フィン２の上流側又は下流側端部が、第
２の方向に曲げられる。第２の方向は第１の方向に対し
て予め定められた角度で交わる。

【００１１】本発明のヒートシンク装置によれば、複数
のプレート状の放熱フィン２が、冷却風の流れの方向に
一致する第１の方向に複数の列をなすように配設され
る。これにより、放熱フィン２の上流側（ファン側）に
おいて、冷却風を抵抗なく放熱フィン２の内部に取り込
むことができる。

【００１２】その上で、本発明のヒートシンク装置によ
れば、列の各々において放熱フィン２は千鳥状に配設さ
れ、かつ、各列の放熱フィン２の内、少なくとも予め定
められた位置にある放熱フィン２の上流側端部又は下流
側端部が、第１の方向に対して予め定められた角度で交
わる第２の方向又は第３の方向に曲げられる。この曲げ
により、放熱フィン２の内部に取り込んだ冷却風の流れ
の一部を意図的に乱すことにより、放熱フィン２の表面
部分に形成される空気境界層を薄くして（又は無くし
て）、放熱フィン２の熱伝導率を高めることができる。
また、この曲げにより、流れを乱した冷却風の流れを意
図的な方向にまげることにより、温度の高い放熱フィン
２の中央部分に冷却風を意図的に当てて冷却風を集め
て、その部分から効率的に放熱することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に従って、本発明のヒートシ
ンク装置について詳細に説明する。ヒートシンク装置の
基体１は、通常、ＬＳＩ等の高発熱素子のパッケージの
上表面の取り付け面に固定される。このために、基体１
は４角形状のプレート状とされ、その下側表面が平坦面
とされる。ヒートシンク装置の放熱フィン２は基体１の
上表面に複数設けられる。各々の放熱フィン２は基体１
から実質的に垂直方向に突設された、実質的なプレート
形状とされる。

【００１４】なお、実際のヒートシンク装置のサイズ
は、後述するヒートシンク装置のモデル３４（図３参
照）と略同様とされる。即ち、基体１の幅Ｌ＝１６．６
５ｍｍ、基体１の長さＷ＝６０．０ｍｍ、放熱フィン２
の高さＨ＝３５．０ｍｍである。従って、図１（Ａ）及
び図１（Ｃ）は、基体１の長さ方向の寸法を省略して示
している。

【００１５】図１（Ａ）に示すように、ヒートシンク装
置又は放熱フィン２を上から見たときの形状（平面図）
において、複数のプレート状の放熱フィン２が第１の方
向に複数の列をなすように配設される。この第１の方向
はファン（図示せず）から供給される冷却風（空気）の
流れの方向（図中の矢印）に一致する。冷却風は図１
（Ａ）中の矢印の方向に流れるので、図１（Ａ）の右側
が上流側で、左側が下流側である。

【００１６】図１（Ｂ）に示すように、放熱フィン２を
正面から見たときの形状（正面図）において、冷却風の
流れの上流から下流まで、冷却風の直線的な通路は確保
されている。一方、図１（Ｃ）に示すように、放熱フィ
ン２を側面から見たときの形状（側面図）において、冷
却風の流れに交わる方向には、冷却風の直線的な通路は
存在しない。

【００１７】実際は、本発明のヒートシンク装置の取り
付けられたＬＳＩ等の高発熱素子が、プレート状の放熱
フィン２の作る列の方向が冷却風の流れの方向に一致す
る状態で、実装基板（図示せず）上にマウントされる。
これにより、放熱フィン２の上流（ファン側）におい
て、冷却風を抵抗なく放熱フィン２の内部に取り込むこ
とができる。この時、図１（Ａ）の右側が上流側となる
ようにされる。

【００１８】また、図１（Ａ）に示すように、放熱フィ
ン２を上から見たときの形状において、当該列の各々は
複数のプレート状の放熱フィン２からなり、当該列を構
成するプレート状の放熱フィン２が、互いに隣接する列
において、第１の方向において互いに異なる位置となる
ように配設される。即ち千鳥状に配設される。

【００１９】更に、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すよ
うに、この千鳥状に配設された複数の放熱フィン２の
内、少なくとも予め定められた位置にあるプレート状の
放熱フィン２の上流側又は下流側端部が、第２の方向に
曲げられる。第２の方向は第１の方向に対して予め定め
られた角度θ２で交わる。また、同様に、少なくとも予
め定められた位置にあるプレート状の放熱フィン２の端
部が、第３の方向に曲げられる。第３の方向は第１の方
向に対して予め定められた角度θ３で交わる。これによ
り、当該放熱フィン２の端部は第２の方向と逆方向に曲
げられる。なお、図２（Ａ）は、図１に示すヒートシン
ク装置の平面構成の一部を模式的に示したものであり、
図１（Ａ）に対応するものである。

【００２０】具体的には、図１（Ａ）に示すヒートシン
ク装置においては、放熱フィン２を上から見たときの形
状において、放熱フィン２の作る複数の列の奇数列にお
いて、放熱フィン２の下流側端部が第２の方向に曲げら
れ、複数の列の偶数列において、放熱フィン２の下流側
端部が第３の方向に曲げられる。即ち、複数の列の放熱
フィン２の下流側端部が交互に逆方向に曲げられる。

【００２１】この結果、この態様によれば、後述するよ
うに、冷却風に対する空気抵抗が曲げのない時より大き
くなる間隙と、空気抵抗が曲げのない時と変わりない
（むしろ小さくなる）間隙とが交互に生じる。空気抵抗
が大きくなるのは、隣接する放熱フィン２を共に当該間
隙の内側方向に曲げることにより、当該間隙が実質的に
狭められるためである。空気抵抗がむしろ小さくなるの
は、隣接する放熱フィン２を共に当該間隙の外側方向に
曲げることにより、当該間隙が実質的に広げられるため
である。

【００２２】また、本発明のヒートシンク装置において
は、隣接する放熱フィン２により規定される間隙におい
て、その内部での冷却風の流れがその中心線に対して非
対象となるようにされる。また、隣接する間隙の間にお
いてその内部での冷却風の流れが異なるようにされ、複
数の間隙の間において交互に同様の冷却風の流れが生じ
るようにされる。

【００２３】ここで、本発明のヒートシンク装置におい
て、空気抵抗の増加が放熱効率の低下を招かない理由に
ついて説明する。プレート状の放熱フィン２の端部を第
２の方向及び／又は第３の方向に曲げることにより、図
２（Ａ）に示すように、この曲げの部分に冷却風がぶつ
かり（図中、矢印で表す）、放熱フィン２の内部に取り
込まれた冷却風に対する空気抵抗はやや大きくなる。従
って、これにより、冷却風の流量が小さくなり、放熱フ
ィン２からの放熱の効率が低下するように思われる。

【００２４】一般に、粘性流である空気の流れ中におい
ては、放熱フィン２の表面部分に空気境界層（遅い流速
の層）が形成される。特に、本発明のヒートシンク装置
では、プレート状の放熱フィン２の伸びる方向（第１の
方向）が冷却風の流れの方向に一致させられるので、空
気境界層が容易に形成される。この空気境界層は放熱フ
ィン２からの放熱を妨げる。

【００２５】しかし、前記曲げにより、図２（Ａ）に示
すように、放熱フィン２の内部に取り込んだ冷却風の流
れの一部が意図的に乱される（図中、矢印で表す）。こ
れにより、粘性流である空気の流れ中において放熱フィ
ン２の表面部分に形成される空気境界層（遅い流速の
層）を薄くすることができる。特に、上流側においては
空気境界層を殆ど無くすることができる。従って、放熱
フィン２の曲げを用いた境界層制御により放熱フィン２
からの放熱の効率を高めることができる。なお、冷却風
を乱すことによる放熱効率の向上は、曲げに起因する空
気抵抗の増加による放熱効率の低下より大きい。

【００２６】また、この曲げにより、図２（Ａ）に示す
ように、乱された冷却風の流れが意図的な方向に曲げら
れる。これにより、温度の高い放熱フィン２の中央部分
（図中、丸で囲んだ領域）に冷却風を意図的に当てるこ
とができる（図中、矢印で表す）。従って、温度の高い
部分に当たる冷却風の流量を増加させて、その部分から
効率的に放熱することができる。この結果、冷却風の流
れを曲げることによる放熱効率の向上を、曲げに起因す
る空気抵抗の増加による放熱効率の低下より、十分に大
きくすることができる。

【００２７】従って、図１（Ａ）に示すヒートシンク装
置は、放熱フィン２の作る複数の列において、放熱フィ
ン２の下流側端部を、第１の方向即ち冷却風の流れの方
向に対して各列毎に交互に逆方向（角度θ２及びθ３）
に曲げることにより、放熱の効率を向上したものであ
る。本発明のヒートシンク装置は、その放熱フィンの間
を通り抜ける冷却風の方向を、冷却風が放熱フィン２か
らより多くの熱を奪い得るように制御することができる
ので、熱を効率的に放熱できる。

【００２８】なお、冷却風の流れが曲げられることによ
る空気抵抗の増加分は、流れの乱された冷却風の一部が
千鳥状の配置の放熱フィン２の間隙から、他の放熱フィ
ン２間に流れ出ることにより、ある程度は補償される。
これは、前述のように、冷却風に対する空気抵抗が曲げ
のない時よりむしろ小さくなる間隙が生じることから、
明らかである。これにより、冷却風が放熱フィン２を避
けてその上方に流れ出ること（基体１の垂直方法に剥離
してしまうこと）を防止できる。この結果、放熱フィン
２の間を流れる冷却風の速度と量が低下して、放熱効率
が低下することを防止できる。従って、冷却風を送り出
すファンの大型化や冷却風の風量の増大（風速の増加）
により、空気抵抗の増加に起因する冷却風の速度と量の
低下を補う必要はない。

【００２９】第２の方向及び第３の方向が、各々、第１
の方向と交わる角度θ２及びθ３の大きさは等しくされ
る。従って、角度θ２及びθ３は、その大きさが等しく
符号が異なるのみである。角度θ２及びθ３の大きさ
（曲げの量）は、放熱の効率が最大（境界層制御が最
適）となるように、適切な値とされる（後述する）。

【００３０】また、その端部が第２の方向に曲げられる
放熱フィン２とその端部が第３の方向に曲げられる放熱
フィン２との位置関係（曲げの方向）は、所定の関係と
される。また、冷却風の流れの方向に一致するように配
置されるプレート状の放熱フィン２において、その上流
側又は下流側の端部を曲げるか、双方の端部を曲げるか
（曲げの位置）も、所定の関係とされる。そして、曲げ
の方向と曲げの位置との間も、所定の関係とされる。

【００３１】また、放熱フィン２の作る複数の列におい
て、そのいずれを奇数列とし偶数列とするかは任意であ
る。図１（Ａ）において、図の最も右端の列を奇数列と
しても偶数列としても良い。また、第２の方向及び第３
の方向のいずれの方向を図の右側及び左側への曲げ方向
とするかは任意である。図１（Ａ）において、図の右側
への曲げ方向を第２の方向としても第３の方向としても
良い。

【００３２】以上のように、本発明のヒートシンク装置
は、第２の方向及び第３の方向に曲げられる放熱フィン
２との位置関係（曲げの方向）、放熱フィン２の上流側
及び／又は下流側の端部を曲げるか（曲げの位置）、及
び、どの程度放熱フィン２の端部を曲げるか（曲げの
量）を様々に選択することにより、境界層制御が最適と
なるように種々の変形が可能である。

【００３３】図２（Ｂ）は本発明の他の実施態様を示
し、本発明のヒートシンク装置の平面形状を模式的に示
し、図２（Ａ）に相当する図である。なお、この実施態
様における正面及び側面の形状は図１（Ｂ）及び図１
（Ｃ）と類似であるので、その図示を省略する（以下の
実施態様においても同様である）。

【００３４】図２（Ｂ）においては、放熱フィン２を上
から見たときの形状において、放熱フィン２の作る複数
の列において、複数の列の１列おきに、放熱フィン２の
下流側端部が、第２の方向に曲げられる。即ち、この実
施態様は、図１に示す実施態様において、放熱フィン２
の下流側端部を第３の方向に曲げることを省略した態様
である。従って、放熱フィン２の作る複数の列の奇数列
（又は偶数列）においてのみ、放熱フィン２の下流側端
部が第２の方向に曲げられる。

【００３５】この態様によれば、放熱フィン２の端部を
曲げることにより増加する空気抵抗は、図１に示す実施
態様におけるそれよりもやや小さくなる。一方、曲げに
より放熱フィン２の表面部分の空気境界層を薄くする効
果及び放熱フィン２の高温度分に当たる冷却風の流量を
増加させる効果は、図１に示す実施態様におけるそれよ
りもやや小さくなる。従って、この態様は、例えば、冷
却風を送出するファンがあまり大きくなく、かつ、ＬＳ
Ｉ等からの放熱もあまり大きくない場合に選択される。

【００３６】なお、放熱フィン２を上から見たときの形
状において、放熱フィン２の作る複数の列において、複
数の列毎に、放熱フィン２の下流側端部を第２の方向に
曲げるようにしても良い。但し、この場合には、図２
（Ｂ）の実施態様の如く空気抵抗の増加しない通路（放
熱フィン２の間隙）が存在しなくなるので、空気抵抗が
大きく増加することを十分に考慮する必要がある。

【００３７】図２（Ｃ）は本発明の更に他の実施態様を
示し、本発明のヒートシンク装置の平面形状を模式的に
示し、図２（Ａ）に相当する図である。図２（Ｃ）にお
いては、放熱フィン２を上から見たときの形状におい
て、放熱フィン２の作る複数の列において、複数の列の
１列おきに、最も上流側にある放熱フィン２の上流側端
部が、第２の方向に曲げられる。

【００３８】この態様によれば、最も上流側にある放熱
フィン２の上流側端部を曲げることにより、冷却風を放
熱フィン２の内部に取り込む際の空気抵抗が、図１に示
す実施態様におけるそれよりも大きくなる。また、曲げ
により放熱フィン２の表面部分の空気境界層を薄くする
効果及び放熱フィン２の高温度分に当たる冷却風の流量
を増加させる効果は、図１に示す実施態様におけるそれ
よりも小さくなる。従って、この態様は、例えば、第１
の方向（冷却風の流れの方向）の寸法が小さく、空気抵
抗の増加が放熱効率にあまり大きく影響しない場合に選
択される。

【００３９】一方、この態様のヒートシンク装置は、最
も上流側にある放熱フィン２の上流側端部のみを曲げれ
ば良いので、その製造が極めて容易で低価格となる。従
って、この態様のヒートシンク装置は、小型で安価な放
熱素子に向いている。

【００４０】図２（Ｄ）は本発明の更に他の実施態様を
示し、本発明のヒートシンク装置の平面形状を模式的に
示し、図２（Ａ）に相当する図である。図２（Ｄ）にお
いては、放熱フィン２を上から見たときの形状におい
て、放熱フィン２の作る複数の列において、複数の列の
１列おきに、放熱フィン２の上流側端部が第２の方向に
曲げられ、かつ当該放熱フィン２の下流側端部が第３の
方向に曲げられる（第２の方向と逆方向に曲げられ
る）。この実施態様は、図２（Ｂ）に示す実施態様にお
いて、上流側端部の曲げられた放熱フィン２の下流側端
部を上流側端部の曲げの方向と逆の方向に曲げた態様で
ある。従って、放熱フィン２の作る複数の列の奇数列
（又は偶数列）においてのみ、放熱フィン２の上流側端
部及び下流側端部が第２の方向（又は第３の方向）及び
第３の方向（又は第２の方向）に曲げられる。

【００４１】この態様によれば、放熱フィン２の上流側
端部及び下流側端部を曲げることにより増加する空気抵
抗は、図１及び図２（Ｂ）に示す実施態様におけるそれ
よりも大きくなる。一方、曲げにより放熱フィン２の表
面部分の空気境界層を薄くする効果及び放熱フィン２の
高温度分に当たる冷却風の流量を増加させる効果は、図
１に示す実施態様におけるそれよりも大きくなる。従っ
て、この態様は、例えば、冷却風を送出するファンがあ
る程度大きく、かつ、ＬＳＩ等からの放熱もある程度大
きい場合に選択される。

【００４２】なお、放熱フィン２を上から見たときの形
状において、放熱フィン２の作る複数の列において、複
数の列毎に、放熱フィン２の上流側端部及び下流側端部
を第２の方向（又は第３の方向）及び第３の方向（又は
第２の方向）に曲げるようにしても良い。但し、この場
合には、空気抵抗が大きく増加すること、及び、冷却風
の流れの制御が複雑化して困難になることを十分に考慮
する必要がある。

【００４３】

【実施例】次に、本発明者が行った、本発明のヒートシ
ンク装置の有効性を検証するためのシミュレーションに
ついて説明する。このシミュレーションは有限体積法を
使用した汎用の熱流体解析プログラムを用いて行った。

【００４４】このシミュレーションは図３に示すシミュ
レーションモデルを想定して行った。即ち、熱伝導率
０.3Ｗ／ｍｋのプリント板３０上に熱伝導率３６Ｗ／ｍ
ｋのヒータ３１、熱伝導率３６Ｗ／ｍｋのセラミック板
３２を順に載置し、その上に塗布した熱伝導率１.0Ｗ／
ｍｋのグリース３３を介してシミュレーション対象であ
るヒートシンク装置モデル３４を載置するとともに、こ
れらをダクト３５の内部に配置する。ヒートシンク装置
モデル３４としては、図１に示すヒートシンク装置を用
いた。

【００４５】このシミュレーションにおける諸元は以下
のように設定した。即ち、冷却風の風速は１.0ｍ／ｓ、
環境温度は３５°Ｃ、ヒータ３１の発熱量は１０Ｗ、プ
リント板３０の材質はガラスエポキシ樹脂、プリント板
３０の銅泊の厚みは１８μｍ、プリント板３０のサイズ
は幅９０ｍｍ、長さ１５８ｍｍ、高さ１.6ｍｍ、ダクト
３５のサイズは幅９４ｍｍ、長さ１５８ｍｍ、高さ４０
ｍｍ、ヒートシンク装置モデル３４のサイズは幅１６．
６５ｍｍ、長さ６０．０ｍｍ、高さ３５．０ｍｍであ
る。ここで、幅は冷却風の流れの方向に直交する方向の
寸法であり、長さは冷却風の流れの方向（長手方向）の
寸法であり、高さは基体１に垂直方向の寸法である。

【００４６】実際は、図４（Ａ）に示すように、ヒート
シンク装置モデル３４は、シミュレーションにおける計
算量の圧縮のために、図１に示すヒートシンク装置の１
／３カットモデルとした。即ち、ヒートシンク装置モデ
ル３４の幅１６．６５ｍｍの１／３の幅（５．５３ｍ
ｍ）についてのみ解析した。この１／３カットモデルを
用いてもシミュレーション結果には影響がない。即ち、
長さ方向は温度分布があるので省略できないが、幅方向
は一定の繰り返しで放熱フィン２が配置されるので、１
／３カットモデルを用いれば十分なシミュレーション結
果が得られる。

【００４７】また、図１に示すヒートシンク装置におい
て、空気境界層制御の効果を確認するために、第２の方
向と第１の方向との角度θ２及び第３の方向と第１の方
向との角度θ３の大きさ、即ち、放熱フィン２の曲げの
量を種々の値に設定した。このシミュレーションにおい
ては、角度θ２等により放熱フィン２の形状を表すので
はなく、図４（Ｂ）に示す方法で放熱フィン２の形状を
規定した。

【００４８】即ち、複数の列をなす隣接するプレート状
の放熱フィン２の平行部分の距離ｄと、第２又は第３の
方向に曲げられることによる放熱フィン２の曲げの量ａ
との比、即ち、（放熱フィン２の曲げの量）／（隣接す
る放熱フィン２の平行部分の距離）＝ａ／ｄによって、
放熱フィン２の形状を規定した。なお、放熱フィン２の
曲げの量ａは、図４（Ｂ）から判るように、当該放熱フ
ィン２のプレート状の部分が構成する平面と曲げられた
先端を含む平面との距離である。

【００４９】図５、図６及び図７の各図において、
（Ａ）はａ／ｄ＝０％、（Ｂ）はａ／ｄ＝１０％、
（Ｃ）はａ／ｄ＝２０％、（Ｄ）はａ／ｄ＝３０％の場
合を表す。ｄは一定であるので、この順に曲げの量ａ、
即ち、角度θ２等が大きくなる。ａ／ｄ＝０％の場合
は、曲げの量ａ＝０、即ち、従来のプレート状のみで曲
げの無い放熱フィン２の場合であり、比較のために同様
に解析した。

【００５０】図５、図６及び図７に示すシミュレーショ
ン結果は、放熱フィン２の表面温度の分布を示す。特
に、図５は放熱フィン２の下段、図６は放熱フィン２の
中段、図７は放熱フィン２の上段における温度分布を示
す。下段は放熱フィン２の高さ０ｍｍの位置、中段は放
熱フィン２の高さ１７．５ｍｍの位置、上段は放熱フィ
ン２の高さ３５ｍｍの位置である。即ち、下段は放熱フ
ィン２の最下部（実質的に基体１の表面部分）、中段は
放熱フィン２の中央、上段は放熱フィン２の最上部であ
る。

【００５１】図５、図６及び図７の各図において、６本
の等温線は、３５．０００℃（冷却風の上流側）から５
５．０００℃までの間の温度分布を示し、冷却風（各図
において、矢印で示す）の上流側から、順に、約３７．
９℃、約４０．７℃、約４３．６℃、約４６．４℃、約
４９．２℃、約５２．１℃の温度を示す。図示した温度
及び位置は概略値であるが、実際のシミュレーションに
おいては、正確に、３７．８５７℃、４０．７１４℃、
４３．５７１℃、４６．４２９℃、４９．２８６℃、５
２．１４３℃であり、その温度となる位置も正確に求め
た。なお、実際のシミュレーションにおいては、放熱フ
ィン２内においても温度の分布が生じるが、一部を除
き、図示の都合上省略した。また、図示はしないが、実
際のシミュレーションにおいては、更に詳細な温度分布
を得た。

【００５２】図５、図６及び図７に示すシミュレーショ
ン結果から共通して判るように、放熱フィン２の下段、
中段及び上段のいずれにおいても、ａ／ｄ＝０％の場合
は、温度分布が幅方向において類似する。即ち、放熱フ
ィン２の間隙の各々において同様の温度分布となる。こ
れに対し、ａ／ｄ＝１０％、ａ／ｄ＝２０％、ａ／ｄ＝
３０％のいずれの場合も、低温領域の広がりが小さい間
隙と大きい間隙とが交互に生じる。これは、前述のよう
に、冷却風に対する空気抵抗が大きくなる間隙と、空気
抵抗が曲げのない時と変わりない（むしろ小さくなる）
間隙とが交互に生じるためである。この現象は、ａ／ｄ
＝１０％の場合は小さく、ａ／ｄ＝２０％及びａ／ｄ＝
３０％の場合に顕著である。なお、低温領域の広がりが
小さい間隙（即ち、空気抵抗が大きくなる間隙）に対し
てより多くの熱エネルギが放出されている。

【００５３】このことから、放熱フィン２の下段、中段
及び上段のいずれにおいても、ａ／ｄ＝１０％の場合、
空気抵抗が大きくなる間隙におけるその増加が比較的小
さいことが判る。一方、ａ／ｄ＝２０％、ａ／ｄ＝３０
％の場合、空気抵抗が大きくなる間隙におけるその増加
が比較的大きいことが判る。

【００５４】一方、後述するように、放熱効果を従来よ
りも大きくできる（ように設定できる）ので、このよう
に空気抵抗が大きくなる間隙が生じても、問題ないこと
が判る。また、放熱効果を従来よりも大きくできるの
で、プレート状の放熱フィン２の両側から均等に放熱す
る必要はないことが判る。むしろ、一方の間隙の空気抵
抗を敢えて大きくしてでもプレート状の放熱フィン２の
側面の一方からの放熱量を大きくすることと、側面の他
方からの放熱量を敢えて小さくしてでも他方の間隙の空
気抵抗を小さくすることとを併用することが、放熱効率
を向上に寄与することが判る。

【００５５】図５に示すシミュレーション結果から判る
ように、放熱フィン２の下段においては、ａ／ｄ＝０％
の場合に比べ、ａ／ｄ＝１０％、ａ／ｄ＝２０％、ａ／
ｄ＝３０％のいずれの場合も、全体に温度が低く、低温
領域の広がりが大きい。これは放熱効率が従来（ａ／ｄ
＝０％の場合）よりも良いことを示す。特に、ａ／ｄ＝
１０％の場合は、５０℃を超える領域が下流側のごく一
部に散在するのみで、殆ど見られない。放熱フィン２の
下段はヒータ（即ち、ＬＳＩ等の発熱素子）の温度に近
い温度を示していると考えて良いので、ａ／ｄ＝１０％
の場合は極めて放熱効果が大きいことを示す。

【００５６】図６に示すシミュレーション結果から判る
ように、放熱フィン２の中段においては、ａ／ｄ＝０％
の場合に比べ、ａ／ｄ＝１０％、ａ／ｄ＝２０％、ａ／
ｄ＝３０％のいずれの場合も、低温領域の広がりがやや
大きい。特に、ヒートシンク装置の中央部分にまで、約
４０℃の領域が広がっている。また、ａ／ｄ＝１０％の
場合は、約５０℃を超える領域が見られない。なお、図
示はしないが、詳細なシミュレーションによれば、放熱
フィン２自体の温度は、ａ／ｄ＝０％の場合よりもａ／
ｄ＝１０％、ａ／ｄ＝２０％、ａ／ｄ＝３０％の場合が
やや低い。

【００５７】図７に示すシミュレーション結果から判る
ように、放熱フィン２の上段においては、図６に示す放
熱フィン２の中段についてのシミュレーション結果に類
似の結果が得られる。なお、この場合も、図示はしない
が、詳細なシミュレーションによれば、放熱フィン２自
体の温度は、ａ／ｄ＝０％の場合よりもａ／ｄ＝１０
％、ａ／ｄ＝２０％、ａ／ｄ＝３０％の場合がやや低
い。

【００５８】図８及び図９は、放熱フィン２の上部（上
段）についての温度分布を、放熱フィン２の位置に着目
して示したものである。前部は冷却風の流れの最も上流
側の位置であり、中央は冷却風の流れの中間の位置であ
り、後部は冷却風の流れの最も下流側の位置である。な
お、図８にはヒータ内部の温度も併せて示し、図９には
ヒータ内部の温度、ヒートシンク装置の基体（ベース
部）１の温度、ファンでの排気温度も併せて示す。

【００５９】図８及び図９に示すシミュレーション結果
から判るように、ａ／ｄ＝２０％以下（ａ／ｄ＝０％の
場合を除く）であれば、従来（ａ／ｄ＝０％の場合）よ
りも各部分の温度が低い。特に、この範囲においては、
ヒータ内部の温度をも従来よりも低くすることができ、
放熱効率の向上が顕著である。また、ａ／ｄ＝１０％の
場合に、各部分の温度が最も低くなる。この場合、ヒー
タ内部の温度を従来よりも１．２℃低下させることがで
きる。

【００６０】一方、放熱フィン２がヒートシンク装置の
前部にある場合に、最も放熱効率が改善され、その効果
が極めて大きいことが判る。即ち、冷却風の流れの上流
側においては、空気境界層が実質的に無くなっているこ
とが判る。従って、ヒートシンク装置の長さＬが小さい
時には放熱効率を大きく向上できる。

【００６１】以上から、本発明のヒートシンク装置にお
いては、ａ／ｄが実質的に２０％以下の値（ａ／ｄ＝０
％の場合を除く）とされる。即ち、０％＜（放熱フィン
２の曲げの量）／（隣接する放熱フィン２の平行部分の
距離）≦２０％とされる。ａ／ｄ≦２０％の範囲であれ
ば、従来（ａ／ｄ＝０％の場合）と同等又はこれ以上の
放熱効率を得ることができる。

【００６２】更に、ａ／ｄが実質的に１０％であること
が望ましい。即ち、（放熱フィン２の曲げの量）／（隣
接する放熱フィン２の平行部分の距離）≒１０％とされ
ることが望ましい。ａ／ｄ≒１０％である時、最も優れ
た放熱効率を得ることができる。

【００６３】なお、本発明者は、前述と同様の有限体積
法を使用した汎用の熱流体解析プログラムを用いたシミ
ュレーションにより、図１のヒートシンク装置を用いた
ヒートシンク装置モデル３４における放熱フィン２間の
風速（流量）分布についても、同様のシミュレーション
を行った。

【００６４】このシミュレーション結果は、前述の放熱
フィン２の表面温度分布についてのシミュレーション結
果に忠実に対応する結果となった（従って、このシミュ
レーション結果についての説明は省略する）。即ち、放
熱フィン２の表面温度の低い領域での風速は大きく、放
熱フィン２の表面温度の高い領域での風速は小さくな
り、両者の間には極めて高い相関関係があった。

【００６５】以上、本発明をその実施の形態に沿って説
明したが、本発明はこれに限定されるものではない。即
ち、本発明のヒートシンク装置は、放熱の効率が最大と
なるように、放熱フィン２の端部の曲げの量及び方向
と、端部を曲げる放熱フィン２の位置とを様々に選択す
ることにより、種々の変形が可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヒートシンク装置において、複数のプレート状の放熱フ
ィンを冷却風の流れの方向に一致する第１の方向に複数
の列をなすようにかつ千鳥状に配設するとともに、少な
くとも予め定められた位置にある放熱フィンの上流側端
部又は下流側端部を第２の方向又は第３の方向に曲げる
ことにより、冷却風を抵抗なく放熱フィンの内部に取り
込むことができ、内部に取り込んだ冷却風の流れを乱し
て空気境界層を薄くして熱伝導率を高めると共に流れを
乱した冷却風を放熱フィンの中央部分に集めて効率的に
放熱することができるので、冷却風が放熱フィンからよ
り多くの熱を奪い得るようにすることができ、ＬＳＩ等
から効率的に放熱させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートシンク装置説明図である。

【図２】本発明の実施態様説明図である。

【図３】シミュレーションモデルの説明図である。

【図４】シミュレーションモデルの説明図である。

【図５】シミュレーション結果の説明図である。

【図６】シミュレーション結果の説明図である。

【図７】シミュレーション結果の説明図である。

【図８】シミュレーション結果の説明図である。

【図９】シミュレーション結果の説明図である。

【図１０】従来技術説明図である。

【符号の説明】

１基体２放熱フィン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体とこの基体から突設される複数の放
熱フィンとで構成されるヒートシンク装置において、前記放熱フィンを基体から実質的に垂直に突設されるプ
レート状とし、複数の前記プレート状の放熱フィンを第１の方向に複数
の列をなすように配設し、当該列の各々が複数の前記プレート状の放熱フィンから
なり、当該列を構成する前記プレート状の放熱フィンが、互い
に隣接する列において、前記第１の方向において互いに
異なる位置となるように配設し、少なくとも予め定められた位置にある前記プレート状の
放熱フィンの上流側又は下流側端部が、前記第１の方向
に対して予め定められた角度で交わる第２の方向に曲げ
られることを特徴とするヒートシンク装置。
【請求項２】前記複数の列の１列おきに、最も上流側
にある前記プレート状の放熱フィンの上流側端部が、前
記第２の方向に曲げられることを特徴とする請求項１に
記載のヒートシンク装置。
【請求項３】前記複数の列の１列おきに、前記プレー
ト状の放熱フィンの下流側端部が、前記第２の方向に曲
げられることを特徴とする請求項１に記載のヒートシン
ク装置。
【請求項４】少なくとも予め定められた位置にある
前記プレート状の放熱フィンの端部が、前記第１の方向
に対して予め定められた角度で交わる第３の方向に曲げ
られることにより前記第２の方向と逆方向に曲げられる
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク装置。
【請求項５】前記複数の列の奇数列において、前記プ
レート状の放熱フィンの下流側端部が、前記第２の方向
に曲げられ、前記複数の列の偶数列において、前記プレート状の放熱
フィンの下流側端部が、前記第３の方向に曲げられるこ
とにより前記第２の方向と逆方向に曲げられることを特
徴とする請求項４に記載のヒートシンク装置。
【請求項６】前記複数の列の１列おきに、前記プレー
ト状の放熱フィンの上流側端部が前記第２の方向に曲げ
られ、かつ当該放熱フィンの下流側端部が前記第３の方
向に曲げられることにより前記第２の方向と逆方向に曲
げられることを特徴とする請求項４に記載のヒートシン
ク装置。
【請求項７】前記複数の列をなす隣接する前記プレー
ト状の放熱フィンの平行部分の距離と、前記第２又は第
３の方向に曲げられることによる放熱フィンの曲げの量
との比が、実質的に２０％以下の値とされることを特徴
とする請求項１に記載のヒートシンク装置。
【請求項８】前記放熱フィンの平行部分の距離と、前
記放熱フィンの曲げの量との比が実質的に１０％である
ことを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク装置。