JP2011040558A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで製造することができると共に軽量化を実現し、且つ放熱効率を向上させることができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】ヒートシンク１は、ベースプレート１０と、ベースプレート１０にかしめ接合にて取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイ２０と、ベースプレート１０にかしめ接合にて第１フィンアレイ２０に隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが上記所定の配列ピッチで配置された第２フィンアレイ３０とを備える。第１フィンアレイ２０は、該第１フィンアレイを構成する板状フィン２１の長手方向と第２フィンアレイ３０を構成する板状フィン３１の長手方向とが略平行となるように配されている。第１フィンアレイ２０は、第２フィンアレイに対して、第１フィンアレイ２０を構成する板状フィン２１のフィン部２１ｂに垂直な方向にずれて配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクに関し、特に、ベースプレート及び該ベースプレートに設けられた板状フィンを有し、発熱体で発生した熱を放熱するヒートシンクに関する。

近年、ＣＰＵや素子等のデバイスの高性能化に伴い、デバイスの発熱量や発熱密度が増大する傾向にあることから、放熱効率に優れた冷却装置が求められている。一方、冷却装置を備える機器の軽量化、低コスト化を実現するべく、低コストで製造することが可能な軽量の冷却装置が求められており、これらの要求を満たす種々の冷却装置が提案されている。

図７は、従来の冷却装置としてのヒートシンクの製造工程を示す断面図であり、（ａ）はかしめ前の状態、（ｂ）はかしめ作業時の状態、（ｃ）はかしめ作業後の状態を示す。

図７に示すように、ヒートシンクは、基板（ベースプレート）７０１と、基板７０１上に設けられた複数の突起部７０２と、突起部７０２の長手方向に沿って設けられた断面略矩形の溝７０３と、溝７０３に挿入される板状フィン７０４とを備える。突起部７０２を構成する突起部片７０８は溝７０３側に押圧可能に設けられており、この突起部片７０８によって板状フィン７０４の基部がかしめられている。そして、溝７０３の深さをＢ、板状フィンの厚さをｔ、突起部片７０８の幅をＡ、突起部片７０８の上端部における円弧状角部の半径をＲとしたとき、突起部片７０８をかしめる前の基板７０１及び板状フィン７０４が、関係式（ａ）０．８？（Ａ／Ｂ）？０．４、（ｂ）２．０？（Ｒ／Ａ）？０．３、（ｃ）０．４？（Ｗ−ｔ）／ｔ？０．０５、なる関係を満たしている。

図７の構成によれば、基板上に設けられた突起部を構成する突起部片の幅Ａと溝深さＢの比（Ａ／Ｂ）、突起部片の反溝側の円弧状角部の半径Ｒと突起部片の幅Ａの比（Ｒ／Ａ）、および溝幅Ｗと板状フィンの厚さｔとの関係（Ｗ−ｔ）／ｔが適正に規定される。また、基板と板状フィンとをかしめて固定する構成であるため安価に製造することができる。これにより、板状フィンのかしめ作業性及びかしめ状態に優れると共に、放熱効率が良く且つ低コストのヒートシンクを提供することが可能となる（特許文献１）。

特開２００２−２６５５０号公報

ここで、特許文献１記載のヒートシンクでは、ベースプレートがある程度以上の厚みを有していることが必要となるため、ヒートシンクの軽量化が困難となる。この問題を解消すべく、１．０ｍｍ前後の厚さを有するベースプレートとＬ字型板状フィンとをダボ等でかしめ、複数のＬ字型板状フィンを所定ピッチで並べて固定するように構成されたヒートシンクが提案されている。この構成によれば、ベースプレートの厚さを薄くすることができ、ヒートシンクの軽量化を実現できる。

しかしながら、上記のようなヒートシンクでは、かしめる際の作業スペースが必要となるため、Ｌ字型板状フィンの配列ピッチを小さくすることに限界があり、ヒートシンクの放熱効率を向上させることができないという問題がある。

本発明の目的は、低コストで製造することができると共に軽量化を実現し、且つ放熱効率を向上させることができるヒートシンクを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、ベースプレートと、前記ベースプレートにかしめ接合にて取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイと、前記ベースプレートにかしめ接合にて前記第１フィンアレイに隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが前記所定の配列ピッチで配置された第２フィンアレイとを備え、前記第１フィンアレイが、前記第１フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンの長手方向と前記第２フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンの長手方向とが略平行となるように配され、前記第１フィンアレイが前記第２フィンアレイとずれて配置されていることを特徴とする。

好ましくは、前記Ｌ字型板状フィンは、前記ベースプレートに取り付けられる基部と、前記基部と一体的に形成され、前記基部に対して垂直に設けられたフィン部とを有し、前記第１フィンアレイは、前記第２フィンアレイに対して、前記フィン部に垂直な方向にずれて配置されていることを特徴とする。

また、好ましくは、前記第１フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンのフィン部が、前記第２フィンアレイを構成する２つのＬ字型板状フィンのフィン部間に延出している。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、ベースプレートと、前記ベースプレートにかしめ接合にて取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイと、前記ベースプレートにかしめ接合にて前記第１フィンアレイに隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが前記所定の配列ピッチとは異なる配列ピッチで配置された第２フィンアレイとを備え、前記第１フィンアレイが、前記第１フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向と前記第２フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向とが略平行となるように配されることを特徴とする。

好ましくは、前記Ｌ字型板状フィンは、前記ベースプレートに取り付けられた基部と、前記基部と一体的に形成され、前記基部に対して垂直に設けられたフィン部とを有し、前記第２フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンのフィン部が、前記第１フィンアレイを構成する２つのＬ字型板状フィンのフィン部間に延出している。

また、好ましくは、前記第１フィンアレイの配列ピッチは３．０ｍｍ以上であり、前記第２フィンアレイの配列ピッチは、前記第１フィンアレイの配列ピッチより大きい。

本発明によれば、第１フィンアレイが、該第１フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向と第２フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向とが略平行となるように配される。そして、第１フィンアレイが第２フィンアレイとずれて配置される。これにより、第１フィンアレイと第２フィンアレイの境界部を通過した空気流がその下流側で乱されて、熱伝導率が増大する。これによりヒートシンクの放熱効率を向上させることができる。また、第１フィンアレイ及び第２フィンアレイが夫々ベースプレートにかしめ接合されるので、ベースプレートの厚さを薄くすることができると共に各フィンアレイとベースプレートとを低コストで接合することができる。したがって、ヒートシンクを低コストで製造することができると共に軽量化を実現し、且つ放熱効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、第２フィンアレイのＬ字型板状フィンが第１フィンアレイのＬ字型板状フィンの配列ピッチとは異なる配列ピッチで配置され、また、該第１フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向と第２フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向とが略平行となるように配される。これにより、第１フィンアレイと第２フィンアレイを通過した空気流がその境界部で乱されて乱流となり、これによりヒートシンクの放熱効率を向上させることができる。また、第１フィンアレイ及び第２フィンアレイが夫々ベースプレートにかしめ接合されるので、ベースプレートの厚さを薄くすることができると共に各フィンアレイとベースプレートとを低コストで接合することができる。したがって、ヒートシンクを低コストで製造することができると共に軽量化を実現し、且つ放熱効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。 図１のヒートシンクの変形例を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るヒートシンクの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。 図４のヒートシンクの変形例を示す平面図である。 従来の冷却装置としてのヒートシンクの製造工程を示す断面図であり、（ａ）はかしめ前の状態、（ｂ）はかしめ作業時の状態、（ｃ）はかしめ作業後の状態を示す。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒートシンクの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図を示す。図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）において、ヒートシンク１は、ベースプレート１０と、ベースプレート１０に取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイ２０と、ベースプレート１０に第１フィンアレイ２０に隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが上記所定の配列ピッチで配置された第２フィンアレイ３０とを備える。

ベースプレート１０は、押出成形等によって成形された厚さ１．０ｍｍ程度の板状部材であり、銅、アルミニウム、又はこれらの合金から成る。このベースプレートには、板状フィンを固定するダボ１２が所定ピッチで形成されている。

第１フィンアレイ２０は、ベースプレート１０上に並列して配置された複数のＬ字型板状フィン２１で構成されている。Ｌ字型板状フィン２１は、ベースプレートに取り付けられる基部２１ａと、該基部と一体的に形成され、基部２１ａに対して垂直に設けられたフィン部２１ｂとを有する。基部２１ａには、ベースプレート１０のダボ１２が挿入される２つの貫通孔（不図示）が形成されている。板状フィン２１は、ベースプレート１０のダボ１２をＬ字型板状フィン２１の基部２１ａに形成された貫通孔に挿通し、ダボ１２の頭部をかしめることによりベースプレート１０にかしめ接合され、このかしめ接合によって基部２１ａの下面がベースプレートの上面に圧接されている。板状フィン２１は、プレス成形等によって成形された厚さ１．０ｍｍのＬ字型部材であり、銅、アルミニウム、又はこれらの合金から成る。

第２フィンアレイ３０は、ベースプレート１０上に並列して配置された複数のＬ字型板状フィン３１で構成されている。板状フィン３１は、ベースプレートに取り付けられた基部３１ａと、該基部と一体的に形成され、基部３１ａに対して垂直に設けられたフィン部３１ｂとを有する。基部３１ａには、ベースプレート１０のダボ１２が挿入される２つの貫通孔３２が形成されている（図２）。板状フィン３１は、ベースプレート１０のダボ１２をＬ字型板状フィン３１の基部３１ａに形成された貫通孔に挿通し、ダボ１２の頭部をかしめることによりベースプレート１０にかしめ接合され、このかしめ接合によって基部３１ａの下面３１ａ’がベースプレートの上面１０’に圧接されている。板状フィン３１は、プレス成形等によって成形された厚さ１．０ｍｍのＬ字型部材であり、銅、アルミニウム、又はこれらの合金から成る。

第１フィンアレイ２０は、該第１フィンアレイを構成する板状フィン２１の長手方向と第２フィンアレイ３０を構成する板状フィン３１の長手方向とが略平行となるように配されている。また、第１フィンアレイ２０は、第２フィンアレイ３０とずれて配置され、第２フィンアレイ３０に対して、第１フィンアレイ２０を構成する板状フィン２１のフィン部２１ｂに垂直な方向にずれて配置されている。第１フィンアレイ２０の配列ピッチは第２フィンアレイ３０の配列ピッチと同じであり、第１フィンアレイ２０及び第２フィンアレイ３０の配列ピッチは、例えば３．０ｍｍである。

上述したように、本実施の形態によれば、第１フィンアレイ２０が、配列ピッチが同じである第２フィンアレイ３０とずれて配置されるので、第１フィンアレイ２０と第２フィンアレイ３０を通過した空気流がその境界部で乱されて乱流となり、熱伝達率が増大する。これによりヒートシンク１の放熱効率を向上させることができる。また、第１フィンアレイ２０及び第２フィンアレイ３０が夫々ベースプレート１０にかしめ接合されるので、ベースプレート１０の厚さを薄くすることができると共に各フィンアレイとベースプレート１０とを低コストで接合することができる。したがって、ヒートシンク１を低コストで製造することができると共に軽量化を実現し、且つ放熱効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、フィンアレイの数が、第１フィンアレイおよび第２フィンアレイの２つの場合を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、３つ以上のフィンアレイを組み合わせても良い。

図３は、図１のヒートシンクの変形例を示す平面図である。尚、図３のヒートシンクは、その構成が図１のヒートシンクと基本的に同じであり、図１のものと同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略し、図１のヒートシンクと異なる構成要素を以下に説明する。

図３において、ヒートシンク３００は、ベースプレート１０に第１フィンアレイ２０に隣接して取り付けられた第２フィンアレイ３３０を備える。

第２フィンアレイ３３０は、ベースプレート１０上に並列して配置された複数のＬ字型板状フィン３３１で構成されている。板状フィン３３１は、ベースプレートに取り付けられた基部３３１ａと、該基部と一体的に形成され、基部３３１ａに対して垂直に設けられたフィン部３３１ｂとを有する。フィン部３３１ｂは、第１フィンアレイ２０を構成する２つの板状フィン２１のフィン部２１ｂ間に延出する延出部３３１ｂ’を有している。延出部３３１ｂ’の延出長さには特に限定はなく、板状フィンの放熱効率を考慮して、適宜設定することができる。

本変形例によれば、延出部３３１ｂ’が２つの板状フィン２１のフィン部２１ｂ間に延出しているので、フィン部３３１ｂの表面積を増大させることができる。これにより、各フィンアレイの設置面積を増大させることなく放熱効率を更に向上させることができる。

尚、本第１の実施の形態では、第１フィンアレイ２０及び第２フィンアレイ３０の配列ピッチは３．０ｍｍであるが、これに限るものではなく、３．０ｍｍ以上であってもよい。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係るヒートシンクの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図を示す。図５は、図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。尚、図４のヒートシンクは、その構成が図１のヒートシンクと基本的に同じであり、図１のものと同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略し、図１のヒートシンクと異なる構成要素を以下に説明する。

図４（ａ），図４（ｂ）及び図５に示すように、ヒートシンク４００は、ベースプレート１０と、ベースプレート１０に取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイ４２０と、ベースプレート１０に第１フィンアレイ２０に隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが上記所定の配列ピッチとは異なる配列ピッチで配置された第２フィンアレイ４３０とを備える。

第１フィンアレイ４２０は、該第１フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向と第２フィンアレイ４３０を構成する板状フィンの長手方向とが平行となるように配され、第１フィンアレイ４２０の配列ピッチは、第２フィンアレイの配列ピッチと異なる。第１フィンアレイ２０の配列ピッチは、例えば３．０ｍｍであり、第２フィンアレイの配列ピッチは、例えば３．２〜５．０ｍｍである。

本第２の実施の形態によれば、第１フィンアレイ４２０の配列ピッチが第２フィンアレイ４３０の配列ピッチと異なるので、第１フィンアレイ４２０と第２フィンアレイ４３０を通過した空気流がその境界部で乱されて乱流となり、これによりヒートシンク１の放熱効率を向上させることができる。また、第１フィンアレイ及び第２フィンアレイが夫々ベースプレートにかしめ接合されるので、ベースプレートの厚さを薄くすることができると共に各フィンアレイとベースプレートとを低コストで接合することができる。したがって、ヒートシンクを低コストで製造することができると共に軽量化を実現し、且つ放熱効率を向上させることができる。

図６は、図４のヒートシンクの変形例を示す平面図である。尚、図６のヒートシンクは、その構成が図４のヒートシンクと基本的に同じであり、図４のものと同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略し、図４のヒートシンクと異なる構成要素を以下に説明する。

図６に示すように、ヒートシンク６００は、ベースプレート１０に第１フィンアレイ４２０に隣接して取り付けられた第２フィンアレイ６３０を備える。

第２フィンアレイ６３０は、ベースプレート１０上に並列して配置された複数のＬ字型板状フィン６３１で構成されている。板状フィン６３１は、ベースプレートに取り付けられた基部６３１ａと、該基部と一体的に形成され、基部６３１ａに対して垂直に設けられたフィン部６３１ｂとを有する。フィン部６３１ｂは、第１フィンアレイ４２０を構成する２つの板状フィン４２１のフィン部４２１ｂ間に延出する延出部６３１ｂ’を有している。延出部６３１ｂ’の延出長さには特に限定はなく、板状フィンの放熱効率を考慮して、適宜設定することができる。

本変形例によれば、延出部６３１ｂ’が２つの板状フィン４２１のフィン部４２１ｂ間に延出しているので、フィン部６３１ｂの表面積を増大させることができる。これにより、各フィンアレイの設置面積を増大させることなく放熱効率を更に向上させることができる。

尚、本第２の実施の形態では、第１フィンアレイ４２０の配列ピッチは、例えば３．０ｍｍであり、第２フィンアレイ４３０，６３０の配列ピッチは、例えば３．２〜５．０ｍｍであるが、これに限るものではない。第１フィンアレイの配列ピッチが３．０ｍｍ以上であり、第２フィンアレイの配列ピッチが第１フィンアレイの配列ピッチと異なり、第１フィンアレイの配列ピッチより大きくてもよい。

以下、本発明の実施例を説明する。
上記実施の形態に係るヒートシンクの放熱効率を解析するために、シミュレーションソフト（ＳＴＲＥＡＭ ｆｏｒ Ｗｉｎｄｏｗｓ(登録商標) Ｖ７）を使用して、以下のような条件にて模擬実験を行った。
１．ヒートシンクの種類
（１）実施例１（第１の実施形態に相当するモデル）：第１フィンアレイ有り、第２フィンアレイ有り、第２フィンアレイに延出部無し
（２）実施例２（第１の実施形態の変形例に相当するモデル）：第１フィンアレイ有り、第２フィンアレイ有り、第２フィンアレイに延出部有り
（３）比較例１：第１フィンアレイのみ、Ｌ字型板状フィンに延出部無し
２．解析条件
（１）解析方法：層流モデル／定常解析／輻射解析
（２）環境温度（ヒートシンク周囲温度）：５０℃
（３）熱源発熱量：熱源１…４．４Ｗ 熱源２…３．３Ｗ
（４）放熱条件：強制空冷 風量３０Ｌ／ｍｉｎ
（５）放熱姿勢：受熱面（ベースプレート）を下にする姿勢
（６）放熱空間：ヒートシンクをダクト内に設置
（７）ヒートシンク条件：
・ダボ円周−板金 熱抵抗なし、ベースプレート平面部と板金の接触面 熱伝達係数（５００Ｗ／ｍ^２・Ｋ）
・材質：
板状フィン アルミニウム（Ａ１０５０：２２０Ｗ／ｍ^２・Ｋ）、輻射率０．５
ベースプレート アルミニウム（Ａ１０５０：２２０Ｗ／ｍ^２・Ｋ）、輻射率０．３

上記条件の下、熱源からの輻射はないものとしてシミュレーションを行った結果を表１及び表２に示す。表１は、熱源と周囲温度との温度差および熱抵抗を示し、表２は、全体の熱収支を示している。

尚、表１中、温度差ΔＴ_１は熱源１の温度（℃）から周囲温度（５０℃）を引いた値であり、温度差ΔＴ_２は熱源２の温度（℃）から周囲温度（５０℃）を引いた値である。また、熱抵抗Ｒ_１は、温度差ΔＴ_１を素子発熱量（熱源１：４．４Ｗ）で除した値であり、熱抵抗Ｒ_２は、温度差ΔＴ_２を素子発熱量（熱源２：３．３Ｗ）で除した値である。

この結果から、第１フィンアレイ及び第２フィンアレイ３０を互いにずれて配置させると、空気流が乱されて乱流となり、熱伝達率が増大してヒートシンク１の放熱効率を向上させることができることが分かった。また、第２フィンアレイにおける板状フィンのフィン部を、第１フィンアレイにおける２つの板状フィンのフィン部間に延出させると、フィン部の表面積を増大させることができ、各フィンアレイの設置面積を増大させることなく放熱効率を更に向上させることができることが分かった。

１ ヒートシンク
１０ ベースプレート
１２ ダボ
２０ 第１フィンアレイ
２１ 板状フィン
２１ａ 基部
２１ｂ フィン部
３０ 第２フィンアレイ
３１ 板状フィン
３１ａ 基部
３１ｂ フィン部
３２ 貫通孔

Claims (6)

1. ベースプレートと、
   前記ベースプレートにかしめ接合にて取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイと、
   前記ベースプレートにかしめ接合にて前記第１フィンアレイに隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが前記所定の配列ピッチで配置された第２フィンアレイとを備え、
   前記第１フィンアレイが、前記第１フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンの長手方向と前記第２フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンの長手方向とが略平行となるように配され、
   前記第１フィンアレイが前記第２フィンアレイとずれて配置されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記Ｌ字型板状フィンは、前記ベースプレートに取り付けられる基部と、前記基部と一体的に形成され、前記基部に対して垂直に設けられたフィン部とを有し、
   前記第１フィンアレイは、前記第２フィンアレイに対して、前記フィン部に垂直な方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記第１フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンのフィン部が、前記第２フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンのフィン部間に延出していることを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
4. ベースプレートと、
   前記ベースプレートにかしめ接合にて取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが所定の配列ピッチで配置された第１フィンアレイと、
   前記ベースプレートにかしめ接合にて前記第１フィンアレイに隣接して取り付けられ、複数のＬ字型板状フィンが前記所定の配列ピッチとは異なる配列ピッチで配置された第２フィンアレイとを備え、
   前記第１フィンアレイが、前記第１フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向と前記第２フィンアレイを構成する板状フィンの長手方向とが略平行となるように配されることを特徴とするヒートシンク。
5. 前記Ｌ字型板状フィンは、前記ベースプレートに取り付けられた基部と、前記基部と一体的に形成され、前記基部に対して垂直に設けられたフィン部とを有し、
   前記第２フィンアレイを構成するＬ字型板状フィンのフィン部が、前記第１フィンアレイを構成する２つのＬ字型板状フィンのフィン部間に延出していることを特徴とする請求項４記載のヒートシンク。
6. 前記第１フィンアレイの配列ピッチは３．０ｍｍ以上であり、
   前記第２フィンアレイの配列ピッチは、前記第１フィンアレイの配列ピッチより大きいことを特徴とする請求項４又は５記載のヒートシンク。