JP2002368468A - ヒートシンクとその製造方法およびそれを用いた冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高発熱電子部品から発生した熱の放熱性能を
向上させるとともに、小型軽量化を実現したヒートシン
クとその製造方法およびそれを用いた冷却装置を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 冷却すべき発熱体３に対接される伝熱プ
レート２の上面に複数の柱状フィン１を有するヒートシ
ンクで、前記伝熱プレート２の受熱面に垂直な断面での
板厚が少なくとも一方から他方へ徐々に大きくなる形状
とすることで発熱体３からの熱拡散効果を高めた構成と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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１３、図１４、図１５
および図１６を用いて説明する。

【０００５】図１３は従来のヒートシンクの構成を示す
斜視図で、図１４は従来の冷却装置の構成を示す上面図
および正面図で、図１５は従来の他のヒートシンクの斜
視図と冷却装置の正面図および側面図、図１６は従来の
冷却装置の構成を示す正面図とその放熱特性を示したグ
ラフである。これらのヒートシンクは、図１３（ａ）の
ように伝熱部であるベースプレート２ａ上に多数の薄板
よりなるプレート状フィン１ａを配列したプレート型
と、図１３（ｂ）のようにベースプレート２ａ上に多数
の柱状フィン１を配列した柱状型、更に図１５（ａ）の
ように伝熱プレート２の軸垂直方向に薄板よりなるプレ
ート状フィン１ａ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、図１４（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１４（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放熱体の保護を目的
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１４（ｂ）のように発熱体で
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を経て柱状フィン１へと伝わ
り、熱は柱状フィン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、放熱用に形成されている全
て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、図１３の従来のプレート型や柱状型のヒー
トシンクでは発熱体からの熱は、発熱体自体が伝熱部に
比べて非常に小さく接触面積が狭いことが原因で、発熱
体直上近傍の放熱フィンには集中的に熱が伝わり易い
が、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１４（ａ）の斜線で示す部分
等の空気流入面積１８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、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、図１５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
伝熱プレートにより直接ヒートシンクの上方部に伝えら
れ、さらに伝熱プレートの軸と垂直方向に形成されたプ
レート状フィン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
放散される構造になっている。

【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、一般的に図１５のタワー型ヒートシ
ンクでは、図１３のプレート型や柱状型のヒートシンク
と比べてはるかに発熱体からの熱を各フィンに効率的に
伝導する伝熱プレート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１ａ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
部に単純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
ンが幅方向に直立した状態でヒートシンクの伝熱プレー
トの側面に張り付く構成となるため、伝熱プレートの断
面部がファンからの空気の送風の障害となり、流入空気
量が制限されるばかりではなく、フィンがプレート状フ
ィンであるがためにフィン表面の十分な表面積を確保し
難くく、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】また、図１６（ａ）に示すようにヒートシ
ンクに冷却ファンを搭載する場合、冷却ファン上部に十
分な空間があれば問題はないが、最近の電子機器の小型
化に伴い冷却ファン上部に他の構成物が配置されること
が多く、十分なファン上部隙間ｄが確保できない場合が
ある。図１６（ｂ）は、このような場合の、放熱特性と
ファン上部隙間との関係を示したグラフである。同グラ
フでは、縦軸に放熱性能の比Ｗ／Ｗmax（以下、規格化
放熱性能）、横軸にファン上部隙間の比ｄ／ｄmaxを表
している。ここで、Ｗは、冷却ファン上部隙間がｄの時
の放熱性能であり、Ｗmaxは、冷却ファン上部隙間ｄを
０から少しずつ大きくし放熱特性が一定になる時の最大
放熱性能であり、そのときの距離がｄmaxである。同グ
ラフより、冷却ファン上部隙間の減少とともに、放熱性
能も低下しているかとがわかる。

【００１０】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、電子機器の小型化に伴う制約による放熱性
能低下を抑制し、且つ小型軽量なヒートシンクと、その
ヒートシンクを用いて冷却性能に優れた小型の冷却装置
を提供する事を目的とする。また本発明は、高性能のヒ
ートシンクを生産性良く安価に作製するヒートシンクの
製造方法も提供することを目的としている。

【００１１】

【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からの熱を拡散する伝熱プレ
ート部と、伝熱プレート部の上面に受熱面に非平行に設
けられた複数の第１のスリットと、伝熱プレートの上面
に前記第１のスリットと交差するように設けられた複数
の第２のスリットにより形成された複数の柱状のフィン
を有するヒートシンクであって、前記伝熱プレート部の
受熱面に垂直な断面での板厚が少なくとも一方から他方
へ徐々に大きくなる形状を有することを特徴とする。

【００１２】あるいは本発明のヒートシンクは、発熱体
に対接し受熱面からの熱を拡散する伝熱プレート部と、
前記伝熱プレート部の上面に前記受熱面に非平行に設け
られた複数の第１のスリットと、前記伝熱プレートの前
記上面に前記第１のスリットと交差するように設けられ
た複数の第２のスリットにより複数の柱状のフィンが形
成されていることを特徴としたものであっても良い。

【００１３】また本発明のヒートシンクの製造方法は、
金型を用いる金属材料の押出し成形加工等により伝熱プ
レートおよび前記伝熱プレートの上面に複数のプレート
状フィンを成形して第１のスリットを設ける第１の工程
と、前記プレート状フィンの長手方向と略垂直な方向に
スリット加工を施して第２のスリットを設ける第２の工
程とから柱状のフィンを形成するヒートシンクの製造方
法を用いる。これにより高性能のヒートシンクを生産性
良く安価に作製できる製造方法となっている。

【００１４】さらに本発明の冷却装置は、発熱体に対接
し受熱面からの熱を拡散する伝熱プレート部と、前記伝
熱プレート部の上面に前記受熱面に非平行に設けられた
複数のスリットにより形成された複数のフィンを有する
ヒートシンクであって、前記伝熱プレート部の受熱面に
垂直な断面での板厚が少なくとも一方から他方へ徐々に
大きくなる形状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することを特徴とす
る。ここで上記のヒートシンクの上面にあるいは側面に
ファン等の送風手段を設けることを特徴とする。

【００１５】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、そのヒートシンクを生産性良く安価に製作できる
ヒートシンクの製造方法となっている。

【００１６】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、発熱体
に対接し受熱面からの熱を拡散する伝熱プレート部と、
前記伝熱プレート部の上面に複数スリットにより形成さ
れた複数の柱状のフィンを有するヒートシンクにあっ
て、前記伝熱プレート部の受熱面に垂直な断面での板厚
を少なくとも一方から他方へ徐々に大きくなる形状とす
ることで、熱拡散効果が促進され放熱に寄与する有効な
フィン数が増加し、放熱特性を高めることができる。

【００１７】請求項２に記載の発明は、発熱体に対接し
受熱面からの熱を拡散する伝熱プレート部と、前記伝熱
プレート部の上面に前記受熱面に非平行に設けられた複
数の第１のスリットと、前記伝熱プレートの前記上面で
前記第１のスリットと交差するように設けられた複数の
第２のスリットにより形成された複数の柱状のフィンを
形成することで放熱に必要な十分な放熱面積を確保する
ことができる。

【００１８】請求項３に記載の発明は、前記伝熱プレー
ト部の受熱面から水平方向に効率良く熱を伝える伝熱プ
レートに対し、その上面に前記受熱面に非平行に設けら
れた複数の第１のスリットと、前記伝熱プレートの上面
で前記第１のスリットと交差するように設けられた複数
の第２のスリットとにより多数の柱状のフィンが形成さ
れているヒートシンクであって、前記第１のスリットま
たは第２のスリットの少なくとも一方のスリットの前記
伝熱プレートの上面への切り込みが他方のスリットの切
り込みより深く形成されることで、溝の底部に流入する
流体に乱流を発生させることができ、放熱特性を高める
ことができる。

【００１９】請求項４に記載の発明は、前記伝熱プレー
トの受熱面に垂直な断面での板厚が少なくとも一方から
他方へ徐々に大きくなる形状を有するヒートシンクであ
って、前記伝熱プレートの板厚が大きい方の側面と受熱
面が交差する角部近傍に切り込みを入れることで伝熱プ
レートの体積を減少させ、放熱特性をほとんど損なうこ
と無く、ヒートシンクの重量を軽量化することができ
る。

【００２０】請求項５に記載の発明は、前記伝熱プレー
トと、伝熱プレートの上面に複数のプレート状フィンと
を同時に成形する第１の工程と、前記プレート状フィン
の長手方向と略垂直な方向にスリット加工を施す第２の
工程とからなるヒートシンクの製造方法であり、このよ
うに容易で且つ安価な工法で多数の柱状フィンを形成で
きるため、高性能なヒートシンクを安価に生産性良く作
製できる。

【００２１】請求項６に記載の発明は、請求項６で記載
の製造方法で多数の柱状のフィンを形成したヒートシン
クの表面を酸化被膜処理を施すというヒートシンクの製
造方法であり、これにより外部環境に対する防錆効果な
どの信頼性の向上と共に熱輻射能力を高め放熱特性も向
上させることができる効果がある。

【００２２】請求項７に記載の発明は、前記ヒートシン
クに冷却手段を設けた冷却装置であり、従来の自然対流
による自然空冷のヒートシンクに比べて、飛躍的に放熱
特性を高めることができる。

【００２３】請求項８に記載の発明は、前記ヒートシン
クの上面または側面に送風手段を設けた冷却装置であ
り、前記ヒートシンクの上面または側面から送風手段で
強制的に空気を送ることにより、小型軽量化が図られ
た、かつ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。

【００２４】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。

【００２５】（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正面図お
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、伝
熱プレートのＹ軸方向から見た本発明のヒートシンクに
冷却ファンを搭載した状態での正面図、および図１
（ｃ）は、伝熱プレート２のＸ軸方向から見た本発明の
ヒートシンクに冷却ファンを搭載した状態での側面図で
ある。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に
おけるヒートシンクの側面に冷却ファンを搭載した場合
の構成例である。図２（ｃ）、（ｄ）は、本発明の実施
の形態１におけるヒートシンク上部に冷却ファンを搭載
した場合の構成例である。図３は本発明の実施の形態１
における冷却装置の正面図と放熱特性を示したグラフ
で、本発明の実施の形態１におけるヒートシンクと吹き
込みタイプの冷却ファンを側面と上部に搭載した場合の
構成例を用いて、ヒートシンク近傍に電気機器の構成物
が存在する場合の構成物との距離と放熱特性の関係を示
したグラフである。

【００２６】図１（ａ）〜（ｃ）において、１は柱状フ
ィンで、この柱状フィン１は複数個が設けられている。
２は柱状フィン１を配する伝熱プレート（すなわち伝熱
部）であり、３は伝熱プレート２の下部方向（負のＺ軸
方向）に取付けられた発熱体である。この場合、ヒート
シンクは柱状フィン１と伝熱プレート２とで構成されて
いる。ここで発熱体３としては、ＩＣ、ＬＳＩ、ＭＰＵ
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。

【００２７】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
うに伝熱プレート２の幅方向をＸ軸方向、伝熱プレート
２の奥行き方向をＹ軸方向、伝熱プレート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。

【００２８】一般に小さな発熱体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方向に多数の放
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。

【００２９】また、図１３に示したような従来の板状伝
熱部２ａを持ったプレート型や柱状フィン型のヒートシ
ンクでは、前述の通り、発熱体からの熱は、発熱体自体
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。この伝熱部の熱拡散効
果を高めるためにはベースプレート２ｂの厚さを厚くす
れば良いことは容易に推測できるが、板厚をかなり厚く
する必要がありヒートシンク重量自体がきわめて重くな
ってしまうという問題があった。

【００３０】さらに図１５の従来のタワー型ヒートシン
クでは、図１３の例に比べれば中央の支柱によりヒート
シンク全体の熱分布は改善されるが、プレート状フィン
の積み上構造であるため自然空冷では空気の淀みが生じ
やすい構造であり、また、このタワー型のヒートシンク
に冷却ファンを搭載する場合には、ヒートシンク上部へ
の搭載は困難で、図１５（ｂ）の様にヒートシンク側面
に搭載することになるが、この構成では、発熱体から熱
の拡散に不可欠な伝熱部２のＹ方向断面がファンからの
送風の大きな障害となり、十分な送風量が確保できない
ことが原因で全体として十分な放熱特性が得られないな
どの問題があった。

【００３１】また、ヒートシンクの側面に冷却ファンを
搭載する図１５に示すような場合を除いて、冷却ファン
は、図１６の様に発熱体３の対向面に当たるヒートシン
ク上部に搭載される場合が多い。しかし、最近の小型化
した電子機器内で図１６（ａ）に示すようにヒートシン
ク上部に冷却ファンを搭載すると、冷却ファンと電子機
器内の他の構成物１９との隙間ｄが少ない場合が多い。
冷却時この様な状態では、流入空気量が制限され、冷却
に必要な空気量が確保できなくなり、冷却ファン上部隙
間の減少とともに、放熱性能も急激に低下するという問
題がある。

【００３２】したがって、これらの問題に対して本発明
のようなヒートシンクの構成をとれば、熱伝導と放熱特
性に優れ、かつ小型の電子機器でも使用可能な小型で軽
量な冷却装置を実現することができるのである。

【００３３】図１に示した本実施の形態１のヒートシン
クでは、伝熱プレート２の形状は、同図（ｂ）に示すよ
うに奥行き方向（Ｙ軸方向）断面の両側の板厚をｈ１、
ｈ２とすると、板厚が、小さいほうの板厚ｈ２から徐々
にｈ１まで増加する台形の四角柱となっている。これに
より、伝熱プレート内に従来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の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から拡散される熱
は、その半球体状温度分布から伝熱され、放熱フィンと
して機能する柱状フィン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、同図（ｂ）、（ｃ）のよ
うに、伝熱プレート２の片側の板厚を薄くすることで、
この部分に（板厚ｈ２側）に容易に冷却ファンを搭載す
る事でき、図１５の従来のタワー型ヒートシンクの伝熱
部のベースプレート２ｂの様なファンからの送風の障害
も少なくなり、十分な送風量を確保することができる。

【００３４】次に、図２（ａ）、（ｂ）は、図１（ｂ）
に示したように本発明のヒートシンクの側面に冷却ファ
ンを搭載し、ヒートシンクに対して送風の方向を変えた
場合の例である。図２（ａ）は、ファンを吹き込み状態
で使った場合であり、同図（ｂ）は、ファンを吸い込み
状態で使用した場合である。同図（ａ）より、冷却ファ
ン１から供給された空気は、柱状フィン１の間を通って
冷却ファン１の対面側とヒートシンク上部へと抜けて行
き、このとき各フィンの表面から熱が空気へ熱伝達され
て放熱される。通常、放熱の寄与率が高いのは、放熱面
の温度が高いところであり、ヒートシンクで言えば、伝
熱プレート２と柱状フィン１が接合しているフィンの根
元近傍ということになる。したがって、高性能なヒート
シンクとは、この部分に十分な空気を導くことが不可欠
となる。これに対して、従来の単純な平板に柱状フィン
を立てたヒートシンクでは、仮にヒートシンク側面に同
様に冷却ファンを搭載したとしても、フィン間を通る空
気は、フィン間の流体抵抗によって自然とヒートシンク
の途中でフィンの上部へ逃げて行く傾向にあり、特に冷
却ファンの対面に当たるヒートシンクの側面でのフィン
の根元近傍には必ずしも十分な空気が供給されてない場
合が多い。そこで、本発明のヒートシンクでは、冷却フ
ァンが搭載されている側の伝熱プレート２の厚さが薄
く、ファンの対面側に近づくにしたがって厚さが厚くな
る構造を採用している。この構造のヒートシンクでは、
ファンから供給された空気の本流は伝熱プレート２の斜
面を駆け登るかたちとなり、柱状フィン１の根元をの隙
間を抜けて行く空気流も伝熱プレート２の上面から離れ
ることなく張り付いた状態で流れる状態となり、放熱に
寄与する空気量をより多く確保することができるため、
高い放熱特性を発揮することができるのである。言い換
えれば、この放熱には本発明によるヒートシンクの斜面
を持つという特徴的な構造の利点が生かされていること
になる。また、同図（ｂ）は、ファンを吸い込み状態で
使用した場合の他の実施の形態である。この場合は、ヒ
ートシンク上部に遮へい板７を搭載することが必要にな
る。これによって、空気は、ヒートシンクの左側面とヒ
ートシンク左上部からの流入することになり、特にヒー
トシンク上部から流入する空気のベクトルが下向き（マ
イナスＺ方向）であるため、ヒートシンクの左側面から
流入する空気と合流した場合、空気の流れを伝熱プレー
ト２の表面に押しつける効果があり、この場合も、冷却
ファンへ流入する空気の本流は、伝熱プレート２の斜面
を駆け下るかたちとなるため高い放熱特性を確保するこ
とができるのである。

【００３５】次に、図２（ｃ）、（ｄ）は、発熱体３の
対面に当たる本発明のヒートシンクの上部に冷却ファン
を搭載し、ヒートシンクに対して送風の方向を変えた場
合の本発明の他の実施の形態である。図２（ｃ）は、冷
却ファンをヒートシンクの上部に搭載し空気を吹き込ん
だ場合の構成であり、この場合も空気の本流は、伝熱プ
レートの斜面近傍を駆け下るかたちとなり、図２（ａ）
と同様の性能が期待できる。そして、図２（ｄ）もま
た、冷却ファンをヒートシンクの上部に搭載し空気を吸
い込んだ場合の構成であり、この場合も空気の本流は、
伝熱プレートの斜面近傍を駆け上がるかたちとなり、図
２（ｂ）と同様の性能が期待できる。だだし、この場合
には、図１（ｂ）と同様の遮へい板７を伝熱プレートの
厚さの薄い方のヒートシンク側面に設ける必要がある。

【００３６】次に、最近の電子機器の小型化に伴い冷却
ファン上部には、他の構成物が配置されることが多く、
十分なファン上部隙間ｄが確保できない場合があること
は、前記した通りであり、図３（ａ）、（ｂ）は、発熱
体３の対面に当たる本発明のヒートシンクの側面または
上部に吹き込み型の冷却ファンを搭載し、ヒートシンク
上部方向に電子機器内の他の構成物１９が存在した状態
を示した説明図である。また、同図（ｃ）は、電子機器
内の他の構成物との距離ｄに対する性能の変化を規格化
して表したグラフである。このグラフでは、図１６と同
様に縦軸は、放熱性能の比Ｗ/Ｗmax（規格化放熱性
能）、横軸はファン上部隙間の比ｄ／ｄmax（規格化上
部隙間）を表している。ここで、Ｗは冷却ファン上部隙
間がｄの時の放熱性能であり、同様にＷmaxとは冷却フ
ァン上部隙間ｄを０から少しずつ大きくし放熱特性が一
定になる時の最大放熱性能がＷmaxであり、そのときの
距離がｄmaxである。また、図３（ａ）の構成に対応し
た記号がＷ１、Ｗ１max、ｄ１、ｄ１maxであり、図３
（ｂ）の構成に対応した記号がＷ２、Ｗ２max、ｄ２、
ｄ２maxである。この結果より、図３（ｂ）の様な冷却
ファンの空気の吸い込み側に電子機器の他の構成物１９
がある場合は、やはり、流入空気量が制限されるため、
図１６の従来のヒートシンクの場合と同様に上部隙間の
減少に伴って性能の低下しており、ファン上部の空気の
流入する隙間が制限されるため避けられない結果となっ
ていることが分かる。これに比べて図３（ａ）の場合
は、ヒートシンク上部に接するまで他の構成物が近づい
てもファンへの流入空気量が制限されることが少ないた
め性能の低下はわずかで、高い放熱性能を維持すること
ができる。したがって、ファン上部隙間が十分確保でき
る場合は問題ないが、前記したとおり、電子機器の小型
化に伴って冷却ファン上部の隙間が狭くなり、流入空気
量が制限されるような構成の場合には、図３（ｂ）の様
なヒートシンクの上部に冷却ファンを搭載するよりも図
３（ａ）の様に冷却ファンをヒートシンクの側面に搭載
する構成を選択すべきである。

【００３７】（実施の形態２）次に、図４は本発明の実
施の形態２における冷却装置の正面図で、本発明の実施
の形態２におけるヒートシンクの第１スリットの溝深さ
より第２スリットの溝深さの方が深い場合の本発明の他
の実施の形態を示したもので、図５は本発明の実施の形
態２における他の冷却装置の正面図と側面図、図６は本
発明の実施の形態２における他の冷却装置の正面図と側
面図で、ヒートシンクの第１スリットの溝深さより第２
スリットの溝深さの方がが浅い場合の例をを示したもの
である。

【００３８】図４（ａ）、（ｂ）では、第１スリットよ
り第２スリットの方が溝深さが深い場合のヒートシンク
の側面に冷却ファンを搭載し、それぞれ、ファンを吹き
込み型で使った場合と吸い込み型で使った場合の例であ
る。このように第２のスリット方向に深溝を形成する構
造の場合、流速方向はこの第２スリットの方向で決定さ
れ、全体風量のほとんどが第２スリットの方向に流れる
構造となる。また、この構造では、もっとも温度が高く
なると考えらられる伝熱プレート直上近傍のフィン形状
はプレート状であり、単純な柱状フィン１に比べて断面
積が広く高い熱伝導性能う有するため効果的に伝熱プレ
ート２からの熱を吸い上げることができ、その熱は、さ
らに大きな表面積を有する上部の柱状フィンに導かれ効
率的に放熱される構造を実現することができる。なお、
図４（ｂ）の様に冷却ファンを吸い込み型で使った場合
には、図２（ｂ）と同様に遮へい板７を用いることで図
４（ａ）と同等の性能を実現することができる。

【００３９】さらに、図４（ｃ）、（ｄ）では、同じヒ
ートシンクに側面ではなく上部に冷却ファンを搭載し、
それぞれ、ファンを吹き込み型で使った場合と吸い込み
型で使った場合の例である。この場合でも図３で記した
様に冷却ファン上部近傍に電子機器の他の構成物が存在
しなければ、基本的には、図４（ａ）、（ｂ）の場合と
同程度の性能が期待できる。

【００４０】次に、図５、図６は、ヒートシンクの第１
スリットの溝深さより第２スリットの溝深さの方が浅い
場合の本発明の他の実施の形態を示したものである。

【００４１】図５（ａ）では、第１スリットより第２ス
リットの方が溝深さが浅い場合のヒートシンクの上部に
冷却ファンを搭載し、ファンを吹き込み型で使った場合
の例である。この場合の空気流の方向は、伝熱プレート
２の直上近傍では第１のスリットの深溝で形成されるプ
レート状フィンの方向（Ｙ方向）すなわち空気流５ａ´
の方向となる。その上部の柱状フィン部では、空気流５
ａと空気流５ａ´の２方向に分かれて流れる構造とな
り、特に空気流５ａ方向の流れは、各第１スリットの段
差部で乱流が発生し放熱特性を高める効果が期待でき
る。また、図５（ｂ）では、第１スリットより第２スリ
ットの方が溝深さが浅い場合のヒートシンクの上部に冷
却ファンを搭載し吸い込み型で使った場合の例である。
この場合空気流の方向は、伝熱プレート２の直上近傍で
は第１のスリットの深溝で形成されるプレート状フィン
の方向（Ｙ方向）すなわち空気流５ｂ´の方向となり、
その上部の柱状フィン部では、空気流５ｂと空気流５ｂ
´の２方向から合流して流れる構造となり、特に空気流
５ｂ方向の流れは、図５（ａ）の場合と同様に各第１ス
リットの段差部で乱流が発生し放熱特性を高める効果が
ある。なお、図５（ｂ）の様に冷却ファンを吸い込み型
で使った場合には、図４（ｂ）と同様に遮へい板７を用
いることで図５（ａ）と同等の性能を実現することがで
きる。

【００４２】ただし、このタイプのヒートシンクの場
合、かならずしも全ての構成で良好な性能が得られる訳
ではない。例えば、図６（ａ）、（ｂ）で示すように、
図５（ａ）、（ｂ）と同じ第１スリットより第２スリッ
トの方が溝深さが浅い場合のヒートシンクの側面に冷却
ファンを搭載した時、ファンを吹き込み型と吸い込み型
のどちらを使ったの場合でも、図１から図５までに紹介
した構成に比べて、十分な性能が得られない場合が多
い。なぜなら、図６（ａ）、（ｂ）の様にこのタイプの
ヒートシンクの側面に冷却ファンを搭載した場合、どち
らの構成でも、吹き込み型や吸い出し型の冷却ファンに
よって発生する送風方向は、第２スリットの部分が本流
になるため、伝熱プレート２の直上近傍の第１スリット
によって形成された溝部（図６の斜線部）では、空気の
よどみが発生し、空気の排気がうまく行かないため、十
分な放熱性能が得られない構成となってしまう。したが
って、図６（ａ）、（ｂ）の様な構成は、選択すべきで
はない。

【００４３】（実施の形態３）次に、図７は本発明の実
施の形態３における冷却装置の正面図で、本発明の実施
の形態３におけるヒートシンクの前記伝熱プレート２の
受熱面に垂直な断面での板厚が少なくとも一方から他方
へ徐々に大きくなる形状を有するヒートシンクで、前記
伝熱プレートの板厚が大きい方の側面と受熱面が交差す
る角部近傍に切り込みを入れ、性能を確保しつつ軽量化
を図った本発明の実施の形態である。例えば、図７
（ａ）は、伝熱プレートの受熱面に垂直な断面での板厚
が一方から他方へ徐々に大きくなる形状を有し、且つ第
１スリットより第２スリットの方が溝深さが深いヒート
シンクを用い、図４（ａ）と同じ吹き込み型の冷却ファ
ンを搭載した場合を例に説明する。基本的に、図７
（ａ）に示す様な板厚が厚い部分の角部（以下、エッジ
部８）を有する伝熱プレート２は、高い熱拡散効果が得
られるため、より大きな放熱特性が期待できる。しか
し、この伝熱プレート２は、エッジ部８の板厚が厚くな
る分だけ重量も重くなる点が問題であり、また、このエ
ッジ部８へは、十分な熱量が伝導されるが、放熱するた
めの表面積自体は大きくないので、全体放熱性能への寄
与率も低いと言える。そこで、図７（ｂ）の様に、この
エッジ部８近傍を所定の傾斜角で切除することで、性能
をほとんど低下させること無く、ヒートシンクを軽量化
することができる。なお、ここでの傾斜角は、簡単に表
現すれば、熱をエネルギーの流れと考えると、発熱体中
心と最も遠い放熱フィンの根元をまでを最短距離となる
直線で結び、その時の角度が上記の傾斜角となる。

【００４４】また、図７（ｃ）、（ｄ）は、電子機器の
中で図７（ｂ）のヒートシンクが外力を受けた時、ヒー
トシンク全体が傾き方向９へ傾くことを防止するため、
傾き防止プレート１０を形成した場合の本発明の他の実
施の形態である。通常、図７（ａ）の様に、ヒートシン
クにエッジ部８が存在する場合は、ヒートシンクに外力
が加わり、全体が多少傾いても発熱体（ＭＰＵ）の基板
１１と接して大きく傾くことは少ない。しかし、図７
（ｂ）の様にエッジ部８を軽量化のために除去した場合
ヒートシンク全体が大きく傾き、発熱体３が破損した
り、ヒートシンクが発熱対から分離して電気機器内部を
損傷する場合がある。そこで、この点を考慮した形状が
図７（ｃ）、（ｄ）で示す傾き防止プレート１０であ
る。この傾き防止プレート１０を形成する事で、図７
（ｂ）と同様に性能を低下させること無く軽量化でき、
且つ同時にヒートシンク全体の傾斜あるいは転倒を防止
することができる構造を実現できる。

【００４５】（実施の形態４）図８は本発明の実施の形
態４における冷却装置の正面図と側面図、図９は本発明
の実施の形態４における他の冷却装置の正面図と側面図
で、伝熱プレート２の受熱面に垂直な断面での板厚が一
方から他方へ徐々に大きくなる形状を有し、且つ第１ス
リットより第２スリットの方が溝深さが深いヒートシン
クにダクトを介して冷却ファンを搭載した場合の本発明
の他の実施の形態である。

【００４６】図８（ａ）、（ｂ）は、ヒートシンクの側
面に直管型ダクト１２を介して、それぞれ吹き込み型と
吸い込み型の冷却ファンを搭載した状態を示しており、
この様な構成を採用することで、離れた位置での冷却フ
ァンを容易に利用する事ができることになる。特に、図
８（ｂ）の様に吸い込み型の冷却ファンが電子機器の筐
体の壁面１４にあり、ダクト１２を介してヒートシンク
と接続した場合、ヒートシンクから放熱された熱は、電
気機器内にほとんど拡散することなく直接、外部へ排熱
される構成を容易に実現することができる。これによ
り、電子機器の安定動作を確保する上でが大きな問題と
なっている機器内の残留熱量を抑制する事が可能であ
る。

【００４７】図９（ａ）、（ｂ）は、図８と同様にヒー
トシンクの側面に湾曲型ダクト１３を介して、それぞれ
吹き込み型と吸い込み型の冷却ファンを搭載した状態を
示しており、この様な構成を採用した場合でも、離れた
位置での冷却ファンを容易に利用する事ができることに
なる。また、図９（ｂ）の場合も図８（ｂ）と同様の効
果があり、電子機器内に熱を残さず、直接、外部へ排熱
できる構成を容易に実現することができるため、特に熱
の残留が問題となるような電子機器の安定動作を確保す
る上では非常に有利な構成をい実現する事が可能であ
る。

【００４８】（実施の形態５）図１０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１１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１２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および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正面図である。

【００４９】図１０（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
抜き加工により伝熱プレート２と前記伝熱プレート２の
長手方向に複数のプレート状フィン１ａを同時に成形す
る第１の工程を示す。次に、同図（ｃ）前記プレート状
フィン１ａの長手方向と垂直な方向にスリット加工を施
す第２の工程により、前記伝熱プレートの両上面に複数
の柱状フィン１を形成するヒートシンクの製造方法であ
る。

【００５０】第１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１１（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１８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９（ｂ）で示す伝熱プレート２とプレ
ート状フィン１ａが同時に形成される。このプレート状
フィン１ａの溝が第１スリットとなる。そして、所定の
長さに切断するこてで第１工程が終了する。

【００５１】第２の工程は、図１２（ａ）に示すような
多数の柱状フィン１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。ここでは、第２スリッ
トが第１スリットより深い場合を例に説明を行う。図１
２（ｂ）に示すように、切削工具１７で伝熱プレート２
の上面を傾斜治具１５に並列に並べて、同時に複数ヒー
トシンクの第２スリットの加工を行う。この時、図１２
（ｂ）の第２スリットの加工ライン１６（切削工具１７
の切り込み深さ）を第１スリットの深さより深くするこ
とで第１のスリット方向に段差部ができ、この方向に流
れる流体に乱流を発生させ放熱特性を高める構造を容易
に製作することができる。また、図は省略するが逆に、
この第２スリットの加工ライン１６（切削工具１７の切
り込み深さ）を第１のスリット深さより浅くした場合で
は、第２のスリット方向に段差部ができ、この方向に流
れる流体に放熱特性を高める効果のある乱流を発生させ
る構造を容易に製作することができる。

【００５２】これにより、小型で多数の柱状フィン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。

【００５３】（実施の形態６）図１（ｂ）は、本発明の
実施の形態１におけるヒートシンクの側面に冷却ファン
を搭載した状態の冷却装置である。冷却ファンの取付方
法はネジ、接着剤、クリップ、ベルト、クッリプ柱状等
を用いて取付けることができ、本発明のヒートシンクの
側面に冷却ファンを搭載した場合、ヒートシンクの上部
にほとんど空間を必要とせず、他の電子機器の構成物が
近くに存在しても高い冷却性能を実現することができ
る。また、これにより高さを低くすることが可能である
ため冷却ファン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。

【００５４】尚、本実施の形態では冷却ファンを用いた
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。

【００５５】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、冷却すべき発熱体３に対接される伝熱
プレート部の上面に複数の柱状フィンを有するヒートシ
ンクで、前記伝熱プレート部の受熱面に垂直な断面での
板厚が一方から他方へ徐々に大きくなる形状を採用する
ことで、小型軽量できわめて高い放熱性能を有する冷却
装置を実現することが可能である。

【００５６】

【発明の効果】本発明の請求項１から４に記載のヒート
シンクは、発熱体に対接する伝熱プレート部の受熱面に
垂直な断面での板厚が一方から他方へ徐々に大きくなる
形状を採用することで発熱体からの熱拡散効果を高め、
さらに前記伝熱プレートの上面に柱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。

【００５７】また、本発明の請求項５および６に記載の
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。

【００５８】さらに、本発明の請求項７および８に記載
の本発明の冷却装置は、上記のヒートシンクに冷却ファ
ンを搭載することにより、高性能で小型軽量化が実現可
能な冷却装置となっている。

【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
要部斜視図および正面図および側面図

【図２】本発明の実施の形態１における冷却装置の正面
図

【図３】本発明の実施の形態１における冷却装置の正面
図と放熱特性を示したグラフ

【図４】本発明の実施の形態２における冷却装置の正面
図

【図５】本発明の実施の形態２における他の冷却装置の
正面図と側面図

【図６】本発明の実施の形態２における他の冷却装置の
正面図と側面図

【図７】本発明の実施の形態３における冷却装置の正面
図

【図８】本発明の実施の形態４における冷却装置の正面
図と側面図

【図９】本発明の実施の形態４における他の冷却装置の
正面図と側面図

【図１０】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１１】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１２】本発明の実施の形態１および２のヒートシン
クの斜視図とその製造方法における切削加工の模式図

【図１３】従来のヒートシンクの構成を示す斜視図

【図１４】従来の冷却装置の構成を示す上面図および正
面図

【図１５】従来の他のヒートシンクの斜視図と冷却装置
の正面図および側面図

【図１６】従来の冷却装置の構成を示す正面図とその放
熱特性を示したグラフ

【符号の説明】

１ 柱状フィン １ａ プレート状フィン １ｂ ベース部と一体のプレート状フィン ２ 伝熱プレート（伝熱部） ２ａ、２ｂ ベースプレート ２ｃ 熱拡散プレート（伝熱部） ３ 発熱体 ４ 冷却ファン ５ａ、５ａ´、５ｂ、５ｂ´ 空気流 ６ 伝熱性素材 ７ 遮へい板 ８ 伝熱プレートのエッジ部 ９ 傾き方向 １０ 傾き防止用プレート １１ ＭＰＵの基板 １２ 直管型ダクト １３ 湾曲型ダクト １４ 電子機器の筐体壁面 １５ 切削加工用傾斜冶具 １６ 第２スリットの加工ライン １７ 切削加工用工具 １８ 加工用ダイス １９ 電子機器内の他の構成物

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体に対接し受熱面からの熱を拡散する
   伝熱プレート部と、前記伝熱プレート部の上面に前記受
   熱面に非平行に設けられた複数のスリットにより形成さ
   れた複数のフィンを有するヒートシンクであって、前記
   伝熱プレート部の受熱面に垂直な断面での板厚が少なく
   とも一方から他方へ徐々に大きくなる形状を有すること
   を特徴とするヒートシンク。
2. 【請求項２】発熱体に対接し受熱面からの熱を拡散する
   伝熱プレート部と、前記伝熱プレート部の上面に前記受
   熱面に非平行に設けられた複数の第１のスリットと、前
   記伝熱プレートの前記上面に前記第１のスリットと交差
   するように設けられた複数の第２のスリットにより複数
   の柱状のフィンが形成されていることを特徴とする請求
   項１に記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】第１のスリットまたは第２のスリットに関
   し、少なくとも一方のスリットの前記伝熱プレートの上
   面への切り込みが他方のスリットの切り込みより深く形
   成されていることを特徴とする請求項１および請求項２
   に記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】伝熱プレートの受熱面に垂直な断面での板
   厚が少なくとも一方から他方へ徐々に大きくなる形状を
   有するヒートシンクであって、前記伝熱プレートの板厚
   が大きい方の側面と受熱面が交差する角部近傍に切り込
   みを有することを特徴とする請求項１記載のヒートシン
   ク。
5. 【請求項５】発熱体に対接し受熱面からの熱を拡散する
   伝熱プレート部と、前記伝熱プレート部の上面に前記受
   熱面に非平行に設けられた複数の第１のスリットと、前
   記伝熱プレートの前記上面に前記第１のスリットと交差
   するように設けられた複数の第２のスリットにより形成
   された複数の柱状のフィンを有し、前記第１のスリット
   または第２のスリットに関して少なくとも一方のスリッ
   トの前記伝熱プレートの上面への切り込みを深くできる
   ヒートシンクの製造方法であって、前記伝熱プレート
   と、前記伝熱プレート上面の第１のスリットとを同時に
   成形する第１の工程と、前記第１のスリットと略垂直な
   方向に第２のスリットを形成する第２の工程とから柱状
   のフィンを形成することを特徴とするヒートシンクの製
   造方法。
6. 【請求項６】前記伝熱プレートと第１スリットを成形し
   た後に多数のスリットを切削にて柱状のフィンを形成
   し、その後にアルマイト処理を施すことを特徴とした請
   求項５記載のヒートシンクの製造方法。
7. 【請求項７】発熱体に対接し受熱面からの熱を拡散する
   伝熱プレート部と、前記伝熱プレート部の上面に前記受
   熱面に非平行に設けられた複数のスリットにより形成さ
   れた複数のフィンを有するヒートシンクであって、前記
   伝熱プレート部の受熱面に垂直な断面での板厚が少なく
   とも一方から他方へ徐々に大きくなる形状を有するヒー
   トシンクと、前記ヒートシンクに取付けられた冷却手段
   とを有することを特徴とする冷却装置。
8. 【請求項８】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側面または受熱面と対向す
   るように上面に配設するか、あるいは、ダクト等の送風
   路を介して離れた位置に配置することを特徴とする請求
   項７に記載の冷却装置。