JP4389335B2 - ヒートシンク装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ，ＬＳＩ，ＭＰＵなどの半導体装置や電子部品などを冷却するヒートシンク装置及びそれを用いた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のヒートシンク装置を示す平面図であり、図１０は従来のヒートシンク装置を示す断面図であり、図９、図１０において、１はヒートシンク基板、２はヒートシンク基板１に設けられたモータ、３はモータ２によって回転するファン、４はカバーで、カバー４には吸気口５が設けられている。６は一方向に気体流を放出する排気口である。
【０００３】
以上の様に、構成されたヒートシンク装置は、コンピュータ等に搭載されたＭＰＵ等に取り付けられ、ＭＰＵで発生した熱をヒートシンク装置で、放熱しＭＰＵの熱暴走等を防止していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらＭＰＵ等の高性能化によって、更にＭＰＵ等の半導体装置の発熱量が大きくなっている。従って、冷却性能を向上させるために、モータ２の回転速度を大きくすると、ファン３がカバー４側から気体流を吸い込んで、略直角方向にある排気口６から排気する構成なので、ファン３と空気の干渉によって、騒音がより大きくなったり、気体流量があまり大きくならずモータ２を高回転にしても冷却性能が悪いという問題があった。
【０００５】
更に、上述のヒートシンク装置を搭載した電子機器では、電子機器内部の暖まった空気をヒートシンク装置で吸い込んで、ＭＰＵを冷却し、ヒートシンク装置から排気される気体流は、筐体外に放出する構成となっているが、前述の様に、モータ２を高回転にすると、騒音は大きくなり、しかも排気効率が悪いのでＭＰＵの冷却をうまく行うことができず、しかも筐体内の気体循環も悪く、筐体内の温度を低下することも困難であった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するもので、冷却性能が大きいか或いは騒音が小さなヒートシンク装置及びそれを用いた電子機器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気する構成とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気することによって、気体流量を大きくすることができ、冷却性能を向上させることができる。
【００２３】
図１，図２はそれぞれ本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を示す平面図及び側面図である。
【００２４】
図１，２において、１０はヒートシンク基板で、ヒートシンク基板１０には、底部に貫通孔を設けることによって、排気口１１，１２が設けられている。１３はヒートシンク基板１０に取り付けられたファンであり、ファン１３は一般的にモータなどの駆動手段と、駆動手段によって回転させる羽根車などで構成されている。本実施の形態の場合には、図示していないが、例えばコイルや磁石を設けた回転式のモータ部１４とこのモータ部１４に取り付けられた羽根車１５によって構成されている。
【００２５】
１６はヒートシンク基板１０に直接的或いは間接的に取り付けられたカバーで、カバー１６にはファン１３と対向する部分に開口１６ａが設けられており、主にこの開口１６ａは吸気口として用いられる。
【００２６】
１７はヒートシンク基板１０に立設された一乃至複数のフィンで、フィン１７を設けることによってより放熱効果を向上させることができる。なお、このフィン１７は必ずしも必要でなく、放熱性能に応じて、フィン１７を設けたり或いはそのフィン１７の数を調整することが好ましい。なお、フィン１７の代わりにヒートシンク基板１０のファン１３との対向部に溝等を形成することによって、凹凸を形成しても良い。
【００２７】
１８は少なくともファン１３を回転させる電力を供給するリード線である。
【００２８】
ヒートシンク基板１０の縁端部には一つの縁端部を除いてヒートシンク基板１に一体に形成された側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられており、この側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃにカバー１６が当接している。また、ヒートシンク基板１の側壁が存在しない部分とカバー１６で囲まれた開口が排気口１９となっている。
【００２９】
また、ヒートシンク基板１０には回路基板等に取り付ける際等に用いられる孔１０ｄ，１０ｅが設けられており、更には、ヒートシンク基板１０にカバー１６を取り付けるかしめ部１０ｆが４カ所設けられている。
【００３０】
ファン１３の回転に伴って鉛直方向Ａから流入してきた気体の一部は、排気口１１，１２から排出され、更に気体の一部は排気口１９からＢ方向に排出される。
【００３１】
以上の様に、ヒートシンク基板１０の底部に排気口１１，１２を設けることで、従来の様に、全ての気体流をヒートシンク基板の端部から放出している構成に比較して、モータ部１４の回転数が同じ場合、気体の排気量を多くすることができ、冷却性能を向上させることができる。また、特に、ヒートシンク基板１０の排気口１９と対向する反対側の底部に排気口１２を設けることによって、空気と羽根車１５の干渉を抑えることができ、騒音の低減を行うことができる。更には、排気口１９に隣接し、ヒートシンク基板１０の底部において羽根車１５が排気口１９側から進入してくる部分に排気口１１を設けることによって、同様に騒音の低減を行うことができる。
【００３２】
以上の様に構成されたヒートシンク装置において、各部を詳細に説明する。
【００３３】
まず、ヒートシンク基板１０について、説明する。
【００３４】
ヒートシンク基板１０の外形形状は円形或いは多角形状のものが好適に用いられる。外形形状を円形状とした場合には、発熱体にヒートシンク装置を取り付ける際に方向性などはあまり生じることはなく、安定した特性を有する。また、外形形状を多角形状とする事によって、外形に角部などを目標として、ヒートシンク装置を半導体装置等へ容易に取り付け可能となる。更に特に、ＭＰＵ等の半導体装置は一般に外形形状が四角形状であるから、ヒートシンク基板１０の外形形状を四角形状とすることで、半導体装置との接触面積を広くしかも狭いスペースで取り付けられるので放熱性を向上させることができる。
【００３５】
ヒートシンク基板１０の構成材料としては、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か、アルミニウムと前記材料グループから選ばれる少なくとも一つの合金等から構成した。
【００３６】
また、本実施の形態では、ヒートシンク基板１０は一種の金属材料等で構成したが、ヒートシンク基板１０を複数枚の伝熱部材を積層して構成しても良い。例えばヒートシンク基板１０の少なくとも下面に銅などの熱伝導性の良い材料の板，箔，薄膜など形成しても良い。
【００３７】
ヒートシンク基板１０に設けられた側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、ヒートシンク基板１０と一体に構成したが、別部材をヒートシンク基板１０などに圧入或いは接着或いはネジ止めなどで取り付けても良い。この様に構成することによって、ヒートシンク基板１０は実質的に平板とすることができるので、ヒートシンク基板１０の生産性が向上したり、部品の共用化を行うことができる。なお、図１，２に示すヒートシンク装置は１方向吹き出し構成となっているので、側壁は１０ａ，１０ｂ，１０ｃを設けたが、２方向の吹き出しの場合には、側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃのいずれかを一つを省くことで実現でき、更には３方向吹き出しにする場合には、側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃのいずれか２つを省くことで、実現できる。なお、４方向吹き出しにする場合には、側壁を設けることなく、実現でき、この場合には、カバー１６はヒートシンク基板１０に立設した支柱（図示せず）に固定される。
【００３８】
また、本実施の形態では、ヒートシンク基板１０の底部に排気口１１，１２の２つを設ける構成としたが、ヒートシンク基板１０の底部に一つ或いは３以上の排気口を設けても良い。しかしながら、前述の様に騒音対策を行う場合には、図１に示すような位置に排気口１１，１２を設けることが好ましい。なお、排気口の外径形状は、方形状，円形状，楕円形状等にしても良いし、それら形状の排気口を連結することで、コ字状，Ｊ字状，Ｌ字状となるように形成しても良い。
【００３９】
また、ヒートシンク基板１０の排気口１１，１２の周縁部は、図示していないがテーパー状や階段状となるように加工することによって、排気口１１，１２の周縁部からヒートシンク基板１０の屑などが脱落することを防止できる。
【００４０】
次に、ファン１３について説明する。
【００４１】
ファン２としては図１等に示されるように、例えば、ヒートシンク基板１の底部に突起部（図示せず）を設け、この突起部に嵌入や圧入或いは接着などによって、モータ部１４が設けられ、そのモータ部１４に羽根車１５（好ましくはプロペラ型）が取り付けられており、モータ部１４の回転によって、羽根車１５を回転させる構成となっている。なお、モータ部１４としては、コイルと磁石を用いた電機モータ又は超音波モータ等を用いることができる。また、羽根車１５は軽量化する様に樹脂等の材料が好適に用いられる。なお、ヒートシンク基板１０からの熱がモータ部１４を介して羽根車１５に伝えられるので、羽根車１５を金属などの熱伝導材で構成することによって、更に放熱効果を向上させることができる。
【００４２】
ファン１３は空気などの周りの環境にある気体を吸い込んでヒートシンク基板１０に吹き付けたり、或いは、図１，２に示す気体の流れとは逆に排気口１９から気体を吸い込んで開口１６ａから外部に放出する等の動作を行う。なお、ここで言う気体とは、空気はもちろんのこと、ファン１３が配置されている周りに存在する気体のことであり、例えば、ファン１３が存在する環境に窒素や不活性ガス等が存在する場合には、気体とは、その窒素ガスや不活性ガスを示す。
【００４３】
また、特に、モータ部１４の軸受けとして流体軸受けを搭載することによって、モータ部１４の回転時の振動を抑制し、振動による騒音の低減や、半導体装置の接合部分の破壊などを抑制することができる。
【００４４】
また、図１，図２に示す形態は、モータ部１４をヒートシンク基板１０に直接取り付けることによって、薄型のヒートシンク装置を提供できるが、例えば図示していないが、カバー１６にモータ部１４を設けることで天吊り構造のファンとしてもよい。この様に構成することで、多少厚さが厚くなる傾向になるものの、モータ部１４の軸受けに熱的ダメージが加わることを低減できるので、モータ部１４の寿命を向上させることができる。なお、天吊り構造とした場合には、当然の事ながら突起部は不要とする事ができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、羽根車１５の上面をカバー１６の上面と略同一平面とした構成としたが、羽根車１５の上面をカバー１６上面より突出させることによって、電子機器などに取り付けた際に、カバー１６の開口１６ａが塞がるのを防止できる。なお、ファン１３を天吊り構造とした場合には、モータ部１４がカバー１６の上面から突出する構成となる。
【００４６】
次にカバー１６について説明する。
【００４７】
カバー１６は、前述の様に、ヒートシンク基板１０にかしめなどによって取り付けられている。なお、他の実施の形態として、ヒートシンク基板１０の側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接着などの手法によって、接合しても良い。
【００４８】
カバー１６の構成材料としては、樹脂，金属などが好適に用いられるが、放熱効果を向上させるように、金属などの熱伝導材料で構成することが好ましい。すなわち、側壁１ａ，１ｂ，１ｃにも当然の事ながら発熱体からの熱は伝わるが、その熱をカバー１６にも伝熱して、カバー１６から放熱させる構成としても良い。
【００４９】
なお、本実施の形態では、カバー１６を設けることによって、気体の流入口となる開口１６ａを決定し、気体の流れを制御し、効率的に放熱を行うことができる等の有効な効果を得ることはできるが、使用環境などによっては、カバー１６は特に設けなくても良い。
【００５０】
次に、リード線１８について説明する。
【００５１】
リード線１８は図示していないが、先端部にコネクタが設けられており、そのコネクタを電源などに接続することによって、モータ部１４に少なくとも電流を供給している。リード線１８は、図示していないが、モータ部１４に少なくとも電力を供給するようにモータ部１４に接続されている。また、リード線１８には、モータ部１４の回転速度を検知器（図示せず）で検知し、その検知信号を送出する信号線を有しても良い。更に、薄型化などのために、リード線１８をフレキシブルプリントヒートシンク基板等の薄い配線としても良く、この場合にはコネクタは不要となる。
【００５２】
次に羽根車１５と排気口１１，１２の関係について説明する。
【００５３】
図１に示すように、排気口１１，１２の一部と羽根車１５が直接対向しており、排気口１１，１２の他の部分は羽根車１５と対向していないように構成したり、或いは、図示していないが、排気口１１，１２の全てが羽根車１５と対向するように構成したり、更には、排気口１１，１２が羽根車１５と全く対向しないように構成したり、あるいは、排気口１１を羽根車１５と対向させ、排気口１２を羽根車１５と対向させないような構成としても良い。
【００５４】
次に羽根車１５の回転中心Ｐと側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃの配置関係について説明する。
【００５５】
図１に示すように、羽根車１５の回転中心Ｐと各側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃとの距離をそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３とするとＬ１＞Ｌ２＞Ｌ３となるように羽根車１５は配置される。そして、最も距離が短い側壁１０ａ近傍の底部に排気口１１を設けることで、騒音の低減を行うことができる。さらに、距離が２番目に短い側壁１０ｂ近傍の底部に排気口１２を設けることで、騒音の低減を行うことができる。また、排気口１１，１２の少なくとも一方を設けることで、従来よりも騒音低下を実現させることができる。
【００５６】
この様に、羽根車１３の回転中心を各側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃからの距離を異ならせることによって、ファン１３自体の排気効率を向上させることができる。
【００５７】
次に、本発明の一実施の形態における電子機器について図３を用いて説明する。
【００５８】
なお、電子機器としては、パーソナルコンピュータ，カーナビゲーション装置，デジタルテレビ等の高性能の半導体装置（ＭＰＵ等）を搭載するものなどが挙げられる。
【００５９】
図３は、本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を用いた電子機器を示す断面図で、図３において、２０は電子機器の外装となる筐体で、筐体２０には排気口２０ａが設けられている。２１は回路基板で、回路基板２１には、半導体装置２２などの電子部品（発熱体）が実装されている。なお、回路基板２１は筐体２０の内側に突出したリブなどにネジや接着剤で固定されている。２３は図１等に示されたヒートシンク装置で、ヒートシンク装置２３は半導体装置２２上に実装されている。また、ヒートシンク装置２３の排気口１９は筐体２０に設けられた排気口２０ａと連結されている。
【００６０】
この様に構成された電子機器は、ファン１３により筐体２０内の気体が開口１６ａより吸い込まれる。半導体装置２２で発生した熱をヒートシンク基板１０で受熱して、排気口１９，２０ａから排出される気体によって、冷却される。また、ファンにより吸い込まれた気体の一部は排気口１２と排気口１１（図示せず）により排出され、筐体２０内に戻される。
【００６１】
この様に、排気口１２等によって吸い込んだ気体の一部を再び筐体２０内に戻すことによって、筐体２０内の空気の循環を効率よく行うことができ、特に、筐体の底部２０ｂと回路基板２１との隙間２４には、熱がこもりやすく、底部２０ｂが熱くなることがあるので、図３に示すように排気口１２などから放出された気体を隙間２４に供給する構成とすることで、隙間２４の気体の循環を良好に行うことができるので、底部２０ｂが高温になることを防止できる。
【００６２】
次に他の実施の形態について、説明する。
【００６３】
図４は、本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図で、図４において、ヒートシンク装置２３は図１〜３に示すものと多少構成が異なる。すなわち、ファン１３と排気口１９間の距離を図１〜３に示すヒートシンク装置に比して長くして、その長くなったヒートシンク基板１０に複数のフィン１７を形成した構成である。また、ヒートシンク基板１０の半導体装置２２との接触部分に他の部分よりも厚みが厚くなるように***部１０ｇをヒートシンク基板１０に一体にあるいは、別部材を設けて形成した。***部１０ｇを設けることで、伝熱効率を大きくして、更に冷却効率を向上させることができる。好ましくは図４に示すように、***部１０ｇと反対側にの面にはフィン１７が存在するようにお互いを配置することが好ましい。また、***部１０ａ等のヒートシンク基板１０の底部に外方に突出する部分を設けることによって、筐体２０何取り付けた際、ヒートシンク基板１０と回路基板２１の間に隙間が設けられるので、排気口１１，１２からの気体の排出を良好に行うように構成できる。
【００６４】
この様な構成によって、排気口１２等によって吸い込んだ気体の一部を再び筐体２０内に戻すことによって、筐体２０内の空気の循環を効率よく行うことができる。更に、排気口１２や排気口１１（図示せず）から排出された空気は直接回路基板２１に吹き付けられ、更には回路基板２１上に実装された電子部品２２ａ等に直接吹き付けられるので、回路基板２１自体の冷却や半導体装置２２以外の電子部品２２ａやその周りの電子部品を冷却することができる。
【００６５】
この様に、排気口２０，２０ａから排出される気体によって、主に半導体装置２２を冷却し、しかも排気口１２や排気口１１から放出された空気は回路基板２１に直接吹き付ける構成としたので、回路基板２１自体を冷却することによって回路基板２１の裏面に設けられた電子部品２２ｂや別の半導体装置２２ｃ等から発生して回路基板２１に伝えたれた熱を放熱でき、しかも電子部品２２ａ自体に空気流を吹き付けるので、電子部品２２ａ自体の冷却を行うことができ、全体として筐体２０の中の放熱を効率よく行うことができる。
【００６６】
更に他の実施の形態について説明する。
【００６７】
図５は、本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図で、図５において、図４と異なる部分は、排気口１２の形成位置である。すなわち図５において、排気口１２を半導体装置２２の近傍に設ける構成とした。
【００６８】
図５に示す構成では、排気口１２から排出された気体は半導体装置２２に吹き付けられ、半導体装置２２はヒートシンク基板１０との接触によって冷却され、更に、排気口１２から吹き付けられる気体によって、冷却されるので半導体装置２２の冷却をより確実に行うことができ、しかも回路基板２１にも排気口１２から排出された気体が吹き付けられるので、回路基板２１自体の冷却や半導体装置２２の周りの電子部品の冷却を行うことができる。
【００６９】
次に、本実施の形態におけるヒートシンク装置の性能について説明する。
【００７０】
図６は、ヒートシンク装置の流量と圧力の関係を示すグラフであり、Ｍ１は図９，１０に示す従来のヒートシンク装置の曲線であり、Ｍ２，Ｍ３は図１，２に示す本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置の曲線である。Ｍ２は排気口１９から放出される気体流量と圧力の関係を示しており、Ｍ３は排気口１９，１１，１２のトータルの気体流量と圧力の関係を示している。なお、投入する電力を双方同じにした。
【００７１】
図６から判るように、排気口１９から排出される気体流量は、従来のヒートシンク装置の排気口６から排出される気体流量よりも小さくなっているが、Ｍ３では、低圧側においてＭ１よりも遙かに大きな気体流量を得ている。すなわち、同じ電力でありながら、本実施の形態のヒートシンク装置の方がより多くの気体を動かすことができる。すなわち、本実施の形態において、例えば、従来では不十分であった電子機器などの筐体内の気体の循環を効率よく行うことができるので、冷却性能を向上させることができる。更に実際のノートブック用のパーソナルコンピュータの筐体内の負荷曲線をＭ４に示す。すなわちＭ４とＭ１，Ｍ３双方の交点を比較すると、Ｍ３の方が圧力も高く、気体流量もＭ１に比して遙かに大きくなっている。
【００７２】
また、図７、図８はそれぞれ従来のヒートシンク装置と本実施の形態のヒートシンク装置の周波数別の騒音の発生状態をみたグラフである。図７，８から判るように図８に示す方が各周波数における騒音は小さくなっており、本実施の形態のヒートシンク装置の方が騒音が低減していることが判る。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は、ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気する構成としたことによって、気体流量を大きくすることができ、冷却性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を示す平面図
【図２】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を示す側面図
【図３】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を用いた電子機器を示す断面図
【図４】本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図
【図５】本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図
【図６】従来及び本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置の気体流量と圧力の関係を示すグラフ
【図７】従来のヒートシンク装置の周波数別の騒音を示すグラフ
【図８】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置の周波数別の騒音を示すグラフ
【図９】従来のヒートシンク装置を示す平面図
【図１０】従来のヒートシンク装置を示す断面図
【符号の説明】
１０ ヒートシンク基板
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 側壁
１１，１２ 排気口
１３ ファン
１４ モータ部
１５ 羽根車
１６ カバー
１６ａ 開口
１７ フィン
２０ 筐体
２０ａ 排気口
２０ｂ 底部
２１ 回路基板
２２ 半導体装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ，ＬＳＩ，ＭＰＵなどの半導体装置や電子部品などを冷却するヒートシンク装置及びそれを用いた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のヒートシンク装置を示す平面図であり、図１０は従来のヒートシンク装置を示す断面図であり、図９、図１０において、１はヒートシンク基板、２はヒートシンク基板１に設けられたモータ、３はモータ２によって回転するファン、４はカバーで、カバー４には吸気口５が設けられている。６は一方向に気体流を放出する排気口である。
【０００３】
以上の様に、構成されたヒートシンク装置は、コンピュータ等に搭載されたＭＰＵ等に取り付けられ、ＭＰＵで発生した熱をヒートシンク装置で、放熱しＭＰＵの熱暴走等を防止していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらＭＰＵ等の高性能化によって、更にＭＰＵ等の半導体装置の発熱量が大きくなっている。従って、冷却性能を向上させるために、モータ２の回転速度を大きくすると、ファン３がカバー４側から気体流を吸い込んで、略直角方向にある排気口６から排気する構成なので、ファン３と空気の干渉によって、騒音がより大きくなったり、気体流量があまり大きくならずモータ２を高回転にしても冷却性能が悪いという問題があった。
【０００５】
更に、上述のヒートシンク装置を搭載した電子機器では、電子機器内部の暖まった空気をヒートシンク装置で吸い込んで、ＭＰＵを冷却し、ヒートシンク装置から排気される気体流は、筐体外に放出する構成となっているが、前述の様に、モータ２を高回転にすると、騒音は大きくなり、しかも排気効率が悪いのでＭＰＵの冷却をうまく行うことができず、しかも筐体内の気体循環も悪く、筐体内の温度を低下することも困難であった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するもので、冷却性能が大きいか或いは騒音が小さなヒートシンク装置及びそれを用いた電子機器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気する構成とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気することによって、気体流量を大きくすることができ、冷却性能を向上させることができる。
【００２３】
図１，図２はそれぞれ本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を示す平面図及び側面図である。
【００２４】
図１，２において、１０はヒートシンク基板で、ヒートシンク基板１０には、底部に貫通孔を設けることによって、排気口１１，１２が設けられている。１３はヒートシンク基板１０に取り付けられたファンであり、ファン１３は一般的にモータなどの駆動手段と、駆動手段によって回転させる羽根車などで構成されている。本実施の形態の場合には、図示していないが、例えばコイルや磁石を設けた回転式のモータ部１４とこのモータ部１４に取り付けられた羽根車１５によって構成されている。
【００２５】
１６はヒートシンク基板１０に直接的或いは間接的に取り付けられたカバーで、カバー１６にはファン１３と対向する部分に開口１６ａが設けられており、主にこの開口１６ａは吸気口として用いられる。
【００２６】
１７はヒートシンク基板１０に立設された一乃至複数のフィンで、フィン１７を設けることによってより放熱効果を向上させることができる。なお、このフィン１７は必ずしも必要でなく、放熱性能に応じて、フィン１７を設けたり或いはそのフィン１７の数を調整することが好ましい。なお、フィン１７の代わりにヒートシンク基板１０のファン１３との対向部に溝等を形成することによって、凹凸を形成しても良い。
【００２７】
１８は少なくともファン１３を回転させる電力を供給するリード線である。
【００２８】
ヒートシンク基板１０の縁端部には一つの縁端部を除いてヒートシンク基板１に一体に形成された側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられており、この側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃにカバー１６が当接している。また、ヒートシンク基板１の側壁が存在しない部分とカバー１６で囲まれた開口が排気口１９となっている。
【００２９】
また、ヒートシンク基板１０には回路基板等に取り付ける際等に用いられる孔１０ｄ，１０ｅが設けられており、更には、ヒートシンク基板１０にカバー１６を取り付けるかしめ部１０ｆが４カ所設けられている。
【００３０】
ファン１３の回転に伴って鉛直方向Ａから流入してきた気体の一部は、排気口１１，１２から排出され、更に気体の一部は排気口１９からＢ方向に排出される。
【００３１】
以上の様に、ヒートシンク基板１０の底部に排気口１１，１２を設けることで、従来の様に、全ての気体流をヒートシンク基板の端部から放出している構成に比較して、モータ部１４の回転数が同じ場合、気体の排気量を多くすることができ、冷却性能を向上させることができる。また、特に、ヒートシンク基板１０の排気口１９と対向する反対側の底部に排気口１２を設けることによって、空気と羽根車１５の干渉を抑えることができ、騒音の低減を行うことができる。更には、排気口１９に隣接し、ヒートシンク基板１０の底部において羽根車１５が排気口１９側から進入してくる部分に排気口１１を設けることによって、同様に騒音の低減を行うことができる。
【００３２】
以上の様に構成されたヒートシンク装置において、各部を詳細に説明する。
【００３３】
まず、ヒートシンク基板１０について、説明する。
【００３４】
ヒートシンク基板１０の外形形状は円形或いは多角形状のものが好適に用いられる。外形形状を円形状とした場合には、発熱体にヒートシンク装置を取り付ける際に方向性などはあまり生じることはなく、安定した特性を有する。また、外形形状を多角形状とする事によって、外形に角部などを目標として、ヒートシンク装置を半導体装置等へ容易に取り付け可能となる。更に特に、ＭＰＵ等の半導体装置は一般に外形形状が四角形状であるから、ヒートシンク基板１０の外形形状を四角形状とすることで、半導体装置との接触面積を広くしかも狭いスペースで取り付けられるので放熱性を向上させることができる。
【００３５】
ヒートシンク基板１０の構成材料としては、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か、アルミニウムと前記材料グループから選ばれる少なくとも一つの合金等から構成した。
【００３６】
また、本実施の形態では、ヒートシンク基板１０は一種の金属材料等で構成したが、ヒートシンク基板１０を複数枚の伝熱部材を積層して構成しても良い。例えばヒートシンク基板１０の少なくとも下面に銅などの熱伝導性の良い材料の板，箔，薄膜など形成しても良い。
【００３７】
ヒートシンク基板１０に設けられた側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、ヒートシンク基板１０と一体に構成したが、別部材をヒートシンク基板１０などに圧入或いは接着或いはネジ止めなどで取り付けても良い。この様に構成することによって、ヒートシンク基板１０は実質的に平板とすることができるので、ヒートシンク基板１０の生産性が向上したり、部品の共用化を行うことができる。なお、図１，２に示すヒートシンク装置は１方向吹き出し構成となっているので、側壁は１０ａ，１０ｂ，１０ｃを設けたが、２方向の吹き出しの場合には、側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃのいずれかを一つを省くことで実現でき、更には３方向吹き出しにする場合には、側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃのいずれか２つを省くことで、実現できる。なお、４方向吹き出しにする場合には、側壁を設けることなく、実現でき、この場合には、カバー１６はヒートシンク基板１０に立設した支柱（図示せず）に固定される。
【００３８】
また、本実施の形態では、ヒートシンク基板１０の底部に排気口１１，１２の２つを設ける構成としたが、ヒートシンク基板１０の底部に一つ或いは３以上の排気口を設けても良い。しかしながら、前述の様に騒音対策を行う場合には、図１に示すような位置に排気口１１，１２を設けることが好ましい。なお、排気口の外径形状は、方形状，円形状，楕円形状等にしても良いし、それら形状の排気口を連結することで、コ字状，Ｊ字状，Ｌ字状となるように形成しても良い。
【００３９】
また、ヒートシンク基板１０の排気口１１，１２の周縁部は、図示していないがテーパー状や階段状となるように加工することによって、排気口１１，１２の周縁部からヒートシンク基板１０の屑などが脱落することを防止できる。
【００４０】
次に、ファン１３について説明する。
【００４１】
ファン２としては図１等に示されるように、例えば、ヒートシンク基板１の底部に突起部（図示せず）を設け、この突起部に嵌入や圧入或いは接着などによって、モータ部１４が設けられ、そのモータ部１４に羽根車１５（好ましくはプロペラ型）が取り付けられており、モータ部１４の回転によって、羽根車１５を回転させる構成となっている。なお、モータ部１４としては、コイルと磁石を用いた電機モータ又は超音波モータ等を用いることができる。また、羽根車１５は軽量化する様に樹脂等の材料が好適に用いられる。なお、ヒートシンク基板１０からの熱がモータ部１４を介して羽根車１５に伝えられるので、羽根車１５を金属などの熱伝導材で構成することによって、更に放熱効果を向上させることができる。
【００４２】
ファン１３は空気などの周りの環境にある気体を吸い込んでヒートシンク基板１０に吹き付けたり、或いは、図１，２に示す気体の流れとは逆に排気口１９から気体を吸い込んで開口１６ａから外部に放出する等の動作を行う。なお、ここで言う気体とは、空気はもちろんのこと、ファン１３が配置されている周りに存在する気体のことであり、例えば、ファン１３が存在する環境に窒素や不活性ガス等が存在する場合には、気体とは、その窒素ガスや不活性ガスを示す。
【００４３】
また、特に、モータ部１４の軸受けとして流体軸受けを搭載することによって、モータ部１４の回転時の振動を抑制し、振動による騒音の低減や、半導体装置の接合部分の破壊などを抑制することができる。
【００４４】
また、図１，図２に示す形態は、モータ部１４をヒートシンク基板１０に直接取り付けることによって、薄型のヒートシンク装置を提供できるが、例えば図示していないが、カバー１６にモータ部１４を設けることで天吊り構造のファンとしてもよい。この様に構成することで、多少厚さが厚くなる傾向になるものの、モータ部１４の軸受けに熱的ダメージが加わることを低減できるので、モータ部１４の寿命を向上させることができる。なお、天吊り構造とした場合には、当然の事ながら突起部は不要とする事ができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、羽根車１５の上面をカバー１６の上面と略同一平面とした構成としたが、羽根車１５の上面をカバー１６上面より突出させることによって、電子機器などに取り付けた際に、カバー１６の開口１６ａが塞がるのを防止できる。なお、ファン１３を天吊り構造とした場合には、モータ部１４がカバー１６の上面から突出する構成となる。
【００４６】
次にカバー１６について説明する。
【００４７】
カバー１６は、前述の様に、ヒートシンク基板１０にかしめなどによって取り付けられている。なお、他の実施の形態として、ヒートシンク基板１０の側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接着などの手法によって、接合しても良い。
【００４８】
カバー１６の構成材料としては、樹脂，金属などが好適に用いられるが、放熱効果を向上させるように、金属などの熱伝導材料で構成することが好ましい。すなわち、側壁１ａ，１ｂ，１ｃにも当然の事ながら発熱体からの熱は伝わるが、その熱をカバー１６にも伝熱して、カバー１６から放熱させる構成としても良い。
【００４９】
なお、本実施の形態では、カバー１６を設けることによって、気体の流入口となる開口１６ａを決定し、気体の流れを制御し、効率的に放熱を行うことができる等の有効な効果を得ることはできるが、使用環境などによっては、カバー１６は特に設けなくても良い。
【００５０】
次に、リード線１８について説明する。
【００５１】
リード線１８は図示していないが、先端部にコネクタが設けられており、そのコネクタを電源などに接続することによって、モータ部１４に少なくとも電流を供給している。リード線１８は、図示していないが、モータ部１４に少なくとも電力を供給するようにモータ部１４に接続されている。また、リード線１８には、モータ部１４の回転速度を検知器（図示せず）で検知し、その検知信号を送出する信号線を有しても良い。更に、薄型化などのために、リード線１８をフレキシブルプリントヒートシンク基板等の薄い配線としても良く、この場合にはコネクタは不要となる。
【００５２】
次に羽根車１５と排気口１１，１２の関係について説明する。
【００５３】
図１に示すように、排気口１１，１２の一部と羽根車１５が直接対向しており、排気口１１，１２の他の部分は羽根車１５と対向していないように構成したり、或いは、図示していないが、排気口１１，１２の全てが羽根車１５と対向するように構成したり、更には、排気口１１，１２が羽根車１５と全く対向しないように構成したり、あるいは、排気口１１を羽根車１５と対向させ、排気口１２を羽根車１５と対向させないような構成としても良い。
【００５４】
次に羽根車１５の回転中心Ｐと側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃの配置関係について説明する。
【００５５】
図１に示すように、羽根車１５の回転中心Ｐと各側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃとの距離をそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３とするとＬ１＞Ｌ２＞Ｌ３となるように羽根車１５は配置される。そして、最も距離が短い側壁１０ａ近傍の底部に排気口１１を設けることで、騒音の低減を行うことができる。さらに、距離が２番目に短い側壁１０ｂ近傍の底部に排気口１２を設けることで、騒音の低減を行うことができる。また、排気口１１，１２の少なくとも一方を設けることで、従来よりも騒音低下を実現させることができる。
【００５６】
この様に、羽根車１３の回転中心を各側壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃからの距離を異ならせることによって、ファン１３自体の排気効率を向上させることができる。
【００５７】
次に、本発明の一実施の形態における電子機器について図３を用いて説明する。
【００５８】
なお、電子機器としては、パーソナルコンピュータ，カーナビゲーション装置，デジタルテレビ等の高性能の半導体装置（ＭＰＵ等）を搭載するものなどが挙げられる。
【００５９】
図３は、本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を用いた電子機器を示す断面図で、図３において、２０は電子機器の外装となる筐体で、筐体２０には排気口２０ａが設けられている。２１は回路基板で、回路基板２１には、半導体装置２２などの電子部品（発熱体）が実装されている。なお、回路基板２１は筐体２０の内側に突出したリブなどにネジや接着剤で固定されている。２３は図１等に示されたヒートシンク装置で、ヒートシンク装置２３は半導体装置２２上に実装されている。また、ヒートシンク装置２３の排気口１９は筐体２０に設けられた排気口２０ａと連結されている。
【００６０】
この様に構成された電子機器は、ファン１３により筐体２０内の気体が開口１６ａより吸い込まれる。半導体装置２２で発生した熱をヒートシンク基板１０で受熱して、排気口１９，２０ａから排出される気体によって、冷却される。また、ファンにより吸い込まれた気体の一部は排気口１２と排気口１１（図示せず）により排出され、筐体２０内に戻される。
【００６１】
この様に、排気口１２等によって吸い込んだ気体の一部を再び筐体２０内に戻すことによって、筐体２０内の空気の循環を効率よく行うことができ、特に、筐体の底部２０ｂと回路基板２１との隙間２４には、熱がこもりやすく、底部２０ｂが熱くなることがあるので、図３に示すように排気口１２などから放出された気体を隙間２４に供給する構成とすることで、隙間２４の気体の循環を良好に行うことができるので、底部２０ｂが高温になることを防止できる。
【００６２】
次に他の実施の形態について、説明する。
【００６３】
図４は、本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図で、図４において、ヒートシンク装置２３は図１〜３に示すものと多少構成が異なる。すなわち、ファン１３と排気口１９間の距離を図１〜３に示すヒートシンク装置に比して長くして、その長くなったヒートシンク基板１０に複数のフィン１７を形成した構成である。また、ヒートシンク基板１０の半導体装置２２との接触部分に他の部分よりも厚みが厚くなるように***部１０ｇをヒートシンク基板１０に一体にあるいは、別部材を設けて形成した。***部１０ｇを設けることで、伝熱効率を大きくして、更に冷却効率を向上させることができる。好ましくは図４に示すように、***部１０ｇと反対側にの面にはフィン１７が存在するようにお互いを配置することが好ましい。また、***部１０ａ等のヒートシンク基板１０の底部に外方に突出する部分を設けることによって、筐体２０何取り付けた際、ヒートシンク基板１０と回路基板２１の間に隙間が設けられるので、排気口１１，１２からの気体の排出を良好に行うように構成できる。
【００６４】
この様な構成によって、排気口１２等によって吸い込んだ気体の一部を再び筐体２０内に戻すことによって、筐体２０内の空気の循環を効率よく行うことができる。更に、排気口１２や排気口１１（図示せず）から排出された空気は直接回路基板２１に吹き付けられ、更には回路基板２１上に実装された電子部品２２ａ等に直接吹き付けられるので、回路基板２１自体の冷却や半導体装置２２以外の電子部品２２ａやその周りの電子部品を冷却することができる。
【００６５】
この様に、排気口２０，２０ａから排出される気体によって、主に半導体装置２２を冷却し、しかも排気口１２や排気口１１から放出された空気は回路基板２１に直接吹き付ける構成としたので、回路基板２１自体を冷却することによって回路基板２１の裏面に設けられた電子部品２２ｂや別の半導体装置２２ｃ等から発生して回路基板２１に伝えたれた熱を放熱でき、しかも電子部品２２ａ自体に空気流を吹き付けるので、電子部品２２ａ自体の冷却を行うことができ、全体として筐体２０の中の放熱を効率よく行うことができる。
【００６６】
更に他の実施の形態について説明する。
【００６７】
図５は、本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図で、図５において、図４と異なる部分は、排気口１２の形成位置である。すなわち図５において、排気口１２を半導体装置２２の近傍に設ける構成とした。
【００６８】
図５に示す構成では、排気口１２から排出された気体は半導体装置２２に吹き付けられ、半導体装置２２はヒートシンク基板１０との接触によって冷却され、更に、排気口１２から吹き付けられる気体によって、冷却されるので半導体装置２２の冷却をより確実に行うことができ、しかも回路基板２１にも排気口１２から排出された気体が吹き付けられるので、回路基板２１自体の冷却や半導体装置２２の周りの電子部品の冷却を行うことができる。
【００６９】
次に、本実施の形態におけるヒートシンク装置の性能について説明する。
【００７０】
図６は、ヒートシンク装置の流量と圧力の関係を示すグラフであり、Ｍ１は図９，１０に示す従来のヒートシンク装置の曲線であり、Ｍ２，Ｍ３は図１，２に示す本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置の曲線である。Ｍ２は排気口１９から放出される気体流量と圧力の関係を示しており、Ｍ３は排気口１９，１１，１２のトータルの気体流量と圧力の関係を示している。なお、投入する電力を双方同じにした。
【００７１】
図６から判るように、排気口１９から排出される気体流量は、従来のヒートシンク装置の排気口６から排出される気体流量よりも小さくなっているが、Ｍ３では、低圧側においてＭ１よりも遙かに大きな気体流量を得ている。すなわち、同じ電力でありながら、本実施の形態のヒートシンク装置の方がより多くの気体を動かすことができる。すなわち、本実施の形態において、例えば、従来では不十分であった電子機器などの筐体内の気体の循環を効率よく行うことができるので、冷却性能を向上させることができる。更に実際のノートブック用のパーソナルコンピュータの筐体内の負荷曲線をＭ４に示す。すなわちＭ４とＭ１，Ｍ３双方の交点を比較すると、Ｍ３の方が圧力も高く、気体流量もＭ１に比して遙かに大きくなっている。
【００７２】
また、図７、図８はそれぞれ従来のヒートシンク装置と本実施の形態のヒートシンク装置の周波数別の騒音の発生状態をみたグラフである。図７，８から判るように図８に示す方が各周波数における騒音は小さくなっており、本実施の形態のヒートシンク装置の方が騒音が低減していることが判る。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は、ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気する構成としたことによって、気体流量を大きくすることができ、冷却性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を示す平面図
【図２】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を示す側面図
【図３】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置を用いた電子機器を示す断面図
【図４】本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図
【図５】本発明の他の実施の形態における電子機器を示す断面図
【図６】従来及び本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置の気体流量と圧力の関係を示すグラフ
【図７】従来のヒートシンク装置の周波数別の騒音を示すグラフ
【図８】本発明の一実施の形態におけるヒートシンク装置の周波数別の騒音を示すグラフ
【図９】従来のヒートシンク装置を示す平面図
【図１０】従来のヒートシンク装置を示す断面図
【符号の説明】
１０ ヒートシンク基板
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 側壁
１１，１２ 排気口
１３ ファン
１４ モータ部
１５ 羽根車
１６ カバー
１６ａ 開口
１７ フィン
２０ 筐体
２０ａ 排気口
２０ｂ 底部
２１ 回路基板
２２ 半導体装置
Claims (1)
- ヒートシンク基板の底部に設けられた第１の排気口と、前記ヒートシンク基板に気体流を供給する羽根車を有したファンと、前記ファンを回転させる駆動手段と、前記ヒートシンク基板の縁端部に一つの縁端部を除いて形成された三つの側壁と、前記側壁が形成されていない前記ヒートシンク基板の縁端部に設けられた第２の排気口とを備え、
前記羽根車は前記羽根車の回転中心位置から前記三つの側壁までの距離がそれぞれ異なるように配置され、
前記第１の排気口は前記羽根車の回転中心位置と最も距離が短い前記側壁近傍に設けられ、
前記ファンの回転により発生する気体流を前記第１の排気口と前記第２の排気口から排気することを特徴とするヒートシンク装置。
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