JP6645915B2 - ヒートシンク - Google Patents

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Description

半導体素子等の冷却に使用するヒートシンクに関するものである。
従来、電子機器に搭載される半導体の冷却等には、空冷式のヒートシンクが用いられており、例えば、矩形形状の基板上に平板状の多数のフィンを立設して構成され、基板に配置した半導体の冷却を可能とするヒートシンクは知られている(特許文献1)。
特開平8−222665号公報
空冷式のヒートシンクにおいて放熱能力を向上させるためにはフィン部の表面積を増やすことが必要であり、そのためにベース板に立設されるフィン部の間隔を短くしてフィン部の数を増やすことなどが有効である。しかし、上記特許文献1のヒートシンクにおいてフィンの間隔を狭くして形成することが難しく、フィン部の表面積を増やすことが難しかった。
また、ヒートシンクを押出成形により成形することも行われているが、押出成形により成形してもフィン部の間隔を狭くすると成形不良が生じやすく、間隔を狭くして表面積を増やすことが難しかった。
本発明は、上記の事情を鑑みたものであり空冷式のヒートシンクにおいて、フィン部を押出成形により成形するとともに、成形不良の発生を抑制しながらフィン部の表面積を増やして放熱能力の高いヒートシンクを提供することを目的とする。
本発明は、一方のヒートシンク部材と他方のヒートシンク部材を備え、
一方のヒートシンク部材及び他方のヒートシンク部材は、ベース部と、ベース部に互いに間隔をおいて立設した複数の板状のメインフィン部と、メインフィン部の両側面に互いに間隔をおいて設けられた板状のサブフィン部とを有し、ベース部同士が対向しており、一方のヒートシンク部材のメインフィン部が他方のヒートシンク部材のメインフィン部の間に配置されているとともに、一方のヒートシンク部材のサブフィン部間に他方のヒートシンク部材のサブフィン部の先端が対向していることを特徴とする。

本発明のヒートシンクによると、押出成形によってフィン部の成形を簡単に行うことができ、フィン部の表面積が大きい放熱能力の高いヒートシンクを提供できる。
本発明の実施形態に係るヒートシンクの斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの断面図であり、(a)は一つのヒートシンク部材の断面図であり、(b)は(a)に示すヒートシンク部材を2つ連結して構成したヒートシンクの断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの断面図であり、(a)は一つのヒートシンク部材の断面図であり、(b)は(a)に示すヒートシンク部材を2つ連結して構成したヒートシンクの断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る片面実装ヒートシンクの断面図であり、(a)はカバー部材(ヒートシンク部材)の断面図であり、(b)はベース部材(ヒートシンク部材)であり、(c)は(a)に示すカバー部材(ヒートシンク部材)と(b)に示すベース部材(ヒートシンク部材)を連結して構成したヒートシンクの断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクを構成するヒートシンク部材の断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクのヒートシンク部材同士を連結する手順を説明するための図であり、(a)は連結し始め時の全体断面図であり、(b)は同一部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクのヒートシンク部材同士を連結する手順を説明するための図であり、(a)は連結途中の全体断面図であり、(b)は同一部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクのヒートシンク部材同士を連結する手順を説明するための図であり、(a)は連結完了時の全体断面図であり、(b)は同一部拡大断面図である。
本発明に係るヒートシンクについて、図面を参照しながら説明する。
(全体の構成)
本発明の実施形態に係るヒートシンクは、図1に示すように、高い熱伝導性を有するアルミニウム合金等の押出成形により成形される複数のヒートシンク部材1を備え、全体として断面略矩形状のダクト状をなすヒートシンクとして構成されており、ヒートシンク部材1,1は、おおむね上下方向に延びるように設けられた複数のフィン部13を有している。
なお、本説明においては、図1に示すように、ダクト状のヒートシンクの空気が流れる方向を長手方向といい、フィン部13が立ち上がる方向を上下方向といい、複数のフィン部が並ぶ方向を幅方向という。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るヒートシンクは、同一構造を備える一対のヒートシンク部材1,1を対向して連結することにより製造することができる。
各ヒートシンク部材1は、図2(a)に示すように、平面視略矩形の板状部材からなりその外周面が発熱体を配置する冷却面11aとなるベース部11と、ベース部11の幅方向一側端からベース部11に対して略垂直に延設される側板部12と、ベース部11の冷却面11aと反対側の面11b(以下、「内周面」という。)に立設されるフィン部13を備えている。
ベース部11は、その内周面11bに3つのフィン部13が幅方向に並べて設けられており、ベース部11の内周面11bの側板部12とフィン部13との間及び隣接するフィン部13,13間には、対向して連結されるヒートシンク部材1のフィン部13の先端部が挿入される合計3つの挿入溝111が設けられている。
また、ベース部11の内周面11bの幅方向他側端部には、対向して連結されるヒートシンク部材1の側板部12の先端部が嵌入される嵌入溝112が設けられている。
側板部12は、ベース部11の幅方向一側端から、外周面をベース部11の一側面と面一にして設けられており、その内周面(一方の面)には、ヒートシンク部材1の幅方向に延びる板状の側板フィン部(サブフィン部)121が上下方向に複数枚設けられている。側板部12の先端部は外周端面から少し内周方向に屈曲して延びており、対向するヒートシンク部材1のベース部11の嵌入溝112に嵌入する嵌入部122として形成されている。
フィン部13は、ベース部11の内周面から立設する板状のメインフィン部131と、メインフィン部131の両側面から幅方向に延びる板状のサブフィン部132とから構成されており、サブフィン部132は上下方向に複数枚設けられている。メインフィン部131の先端部は対向するヒートシンク部材1のベース部11の挿入溝111に挿入する挿入部133として形成されている。
そして、側板部12の側板フィン部(サブフィン部)121と隣接するフィン部13のサブフィン部132の先端同士の間隔d1及び隣接するフィン部13,13のサブフィン部132,132先端同士の間隔d2は、一つのフィン部13の幅寸法d3よりも大きく形成されており、一方のヒートシンク部材1に対して他方のヒートシンク部材1を上下方向に近づけて連結できるように構成されている。
ヒートシンクを製造するに際しては、図2(b)に示すように、押出成形した一対のヒートシンク部材1の内周面11bを対向させて近づけて、一方及び他方のヒートシンク部材1の側板部12の嵌入部122を他方及び一方のヒートシンク部材1の嵌入溝112に嵌入し、一方及び他方のヒートシンク部材1のフィン部13の挿入部133を他方及び一方のヒートシンク部材1の挿入溝111に挿入して、嵌入溝112と嵌入部122とをカシメ等の手段により固定して連結することで、上下両外周面に冷却面11a,11aを備える断面略矩形のダクト状のヒートシンクを製造することができる。
以上の第1の実施形態のヒートシンクにおいては、ヒートシンクのダクトA内部において、隣接するフィン部13及び側板部12のサブフィン部132,121が上下方向に位置がずれるようにメインフィン部131及び側板部12に対するサブフィン部132,121の位置が設定されており、フィン部同士の間隔を狭くしなくても表面積を増やすことができ、また、ダクトA内を流れる空気に乱流が発生しやすく冷却効率を向上させることができる。さらに、サブフィン部132,121が配置される空間aが上下方向に連続する断面を形成するので、ダクトA内を流れる空気が上下方向で分断されることなく、ダクトAの長手方向一方にファンを直接取り付けた場合などにも冷却ムラが生じ難いように構成されている。
また、ヒートシンク部材1,1のベース部11に側板部12を有し、側板部12にもサブフィン部121を設けているので、別にカバー部材を配置することなくダクトを形成できると共に、側板部12にも放熱機能を持たせることができ、放熱性能を向上させることができる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係るヒートシンクのヒートシンク部材2は、図3に示すように、第1の実施形態に係るヒートシンクと同様に同一構造を備える一対のヒートシンク部材2を対向して連結することにより製造することができ、基本的には、図2に示す第1の実施形態と同じである。
そして、第2の実施形態に係るヒートシンクは、図3(a)に示すように、ベース部21の内周面21bの両側に***部21c,21cが形成されて断面形状が幅方向中央部分に凹部を有する形状となっている点、及び、ベース部21の幅方向一側端から延設される側板部がベース部21の内周面から立設するフィン部23と類似する片フィン部24により形成されている点で第1の実施形態と概ね相違している。
ベース部21は、内周面21bの両側部が***部21c,21cとして形成されており、両***部21c,21c間は凹部として形成されている。ベース部21の内周面21bには、幅方向で一方側***部21cの端部上面から片フィン部24が立設され、凹部上面から2つのフィン部23,23が立設され、幅方向で他方側***部21cの上面から1つのフィン部23が立設されており、各フィン部23,24は幅方向に並べて設けられている。
一方側***部21cの上面及び凹部の上面であって各フィン部23,24の間には、対向して連結されるヒートシンク部材2のフィン部23の先端部が挿入される合計3つの挿入溝211が設けられている。
また、ベース部11の内周面11bの幅方向で他方側***部21cの上面には、対向して連結されるヒートシンク部材1の片フィン部24の先端部が嵌入される嵌入溝212が設けられている。
フィン部23は、ベース部21の内周面から立設する板状のメインフィン部231と、メインフィン部231の両側面から幅方向に延びる板状のサブフィン部232とから構成されており、サブフィン部232は上下方向に複数枚設けられている。メインフィン部231の先端部は対向するヒートシンク部材2のベース部21の挿入溝211に挿入する挿入部233として形成されている。
また、片フィン部24は、ベース部21の一方側***部21cの上面から立設する板状のメインフィン部241と、メインフィン部241の内周側面からヒートシンク部材2の幅方向に延びる板状のサブフィン部242とから構成されており、サブフィン部242は上下方向に複数枚設けられている。メインフィン部241の先端部は対向するヒートシンク部材2のベース部21の嵌入溝212に嵌入する嵌入部243として形成されている。
そして、片フィン部24と隣接するフィン部23のサブフィン部232,242の先端の間隔及び隣接するフィン部23,23のサブフィン部232,232先端の間隔d4は、一つのフィン部23の幅寸法d5よりも小さく形成されている。
以上の第2の実施形態においては、図3(b)に示すように、一対のヒートシンク部材2,2の内周面21bを対向して連結させた状態でダクトAの4隅部分に***部21cが配置され、***部21cにファンをネジ止めするなどして直接固定することができるので、ヒートシンクの小型化することができ、取り扱いを容易にすることができる。
また、隣接するフィン部23,24のサブフィン部232,242を平面視で重複するように配置することでダクトAの断面積あたりの放熱性能を向上させることができる。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係るヒートシンクのヒートシンク部材は、図4に示すように、第1、2の実施形態に係るヒートシンクと異なり、異なる構造を備える一組のヒートシンク部材3、4を対向して連結することにより製造することができる。
一方のヒートシンク部材3は、図4(b)に示すように、平面視略矩形の板状部材からなりその外周面が発熱体を配置する冷却面31aとなるベース部31と、ベース部31の内周面31bに立設されるフィン部32を備えている。
また、他方のヒートシンク部材4は、図4(a)に示すように、ベース部31の幅方向両端部に固定されてベース部31の上方を覆うように装着されるカバー部41と、カバー部41の内周面に設けられるフィン部42を備えている。
一方のヒートシンク部材3のベース部31は、板状部材の内周面31bに幅方向に4つのフィン部32が並んで立設されている。ベース部31の内周面31bの4枚のフィン部32の間には、他方のヒートシンク部材4のカバー部41の内周面に設けられたフィン部42の先端部が挿入される3つの挿入溝311が設けられている。
また、ベース部31の内周面31bの幅方向両端部には、他方のヒートシンク部材4のカバー部41の両端部が嵌入される嵌入溝312,312が設けられている。
一方のヒートシンク部材3のフィン部32は、ベース部31の内周面31bから立設する板状のメインフィン部321と、メインフィン部321の両側面から幅方向に延びる板状のサブフィン部322とから構成されており、サブフィン部322は上下方向に複数枚設けられている。
他方のヒートシンク部材4のカバー部41は、ベース部31の嵌入溝312,312に嵌合される嵌合部411a,411aを備える左右の側壁部411,411と、側壁部411,411の上端間に配置される天井部412とを備えており、側壁部411の内周面には、幅方向に延びる板状のサブフィン部413が上下方向に複数枚設けられている。
また、天井部412の内周面(下面)412bには、3つのフィン部42が設けられている。
他方のヒートシンク部材4のフィン部42は、カバー部41の天井部412の内周面(下面)から垂設されるメインフィン部421と、メインフィン部421の両側面から幅方向に延びる板状のサブフィン部422とから構成されており、サブフィン部422は上下方向に複数枚設けられている。メインフィン部421の先端部は対向するヒートシンク部材3のベース部31の挿入溝311に挿入する挿入部423として形成されている。
そして、フィン部32,42のサブフィン部322,422の先端と隣接するフィン部フィン部32,42のサブフィン部322,422の先端との間隔d6は、一つのフィン部32の幅寸法d7よりも小さく形成されている。
ヒートシンクを製造するに際しては、図4(c)に示すように、押出成形した一組のヒートシンク部材3,4の内周面を対向させて他方のヒートシンク部材4の側壁部411,411の嵌合部411a,411aを一方のヒートシンク部材3のベース部31の嵌入溝312,312に嵌入するとともに、他方のヒートシンク部材4のカバー部41の天井部412の内周面412bに設けたフィン部42,42の挿入部423,423を一方のヒートシンク部材3のベース部31に設けた挿入溝311,311に挿入して、嵌入溝312,312と嵌合部411a,411aとをかしめ等の手段により固定して連結することで、一面(下面)に冷却面31aを備える断面略矩形のダクト状のヒートシンクを製造することができる。
ヒートシンクのダクトA内部において、隣接するフィン部32,42の及び側壁部411のサブフィン部322,422,413が上下方向に位置がずれるように配置されるようにメインフィン部321,421及び側壁部411に対するサブフィン部322,422,413の位置が設定されている。
以上の第3実施形態においては、サブフィン部322,422,413が配置される空間aが上下方向に連続する断面を形成するとともに、二つの空間a,aが上方で連絡しているので、ダクトA内を流れる空気がさらに分断されることなく、冷却ムラが生じ難いように構成されている。
また、一方のヒートシンク部材をカバー部により形成しているので、別にカバー部材を設けることなく、ダクトを構成することができ、また、カバー部自体によっても放熱することができるので、放熱効果を向上させることができる。
以上のように、フィン部をメインフィン部とサブフィン部とにより複雑な断面形状としながら、それぞれフィン部を有するヒートシンク部材同士を対向させて一つのヒートシンク部材を形成したので、押出成形時には極端に幅狭にフィン部を形成することなく、ヒートシンクとして製造された際には、複雑な断面形状を有する高いフィンを構成することができ、製造を煩雑化することなく放熱効率の高いヒートシンクを製造することができる。
(ヒートシンク部材の連結構造)
本実施形態に係るヒートシンクのような、押出形材からなる複数のヒートシンク部材を連結してダクトAを形成するヒートシンクにおいては、ヒートシンク部材のベース部とフィン部との間で熱の伝達をスムーズに行うために、両者を確実に密着させることが好ましく、本実施形態に係るヒートシンクにおいては、複数のヒートシンク部材を連結した際に、フィン部の挿入部がベース部の挿入溝の内周面に対して押しつけられて密着するように形成されている。
以下、第1の実施形態の例をあげて具体的に説明する。
本実施形態に係るヒートシンクは、図5に示すように、ヒートシンク部材1が、ベース部に対してフィン部が傾斜して立設されており、さらに隣接するフィン部同士が異なる方向に傾斜して設けられている。
具体的には、3つのフィン部13のうち側板部12に隣接するフィン部(第1のフィン部)13Aは、ベース部11の内周面11bに対する直角の面から1°以下小さい傾斜角α1(89〜90°)を有して立設されており、第1のフィン部13Aに隣接するフィン部(第2のフィン部)13Bは、ベース部11の内周面11bに対する直角の面から1°以下大きい傾斜角α2(90〜91°)を有して立設されており、第2のフィン部13Bに隣接するフィン部(第3のフィン部)13Cは、ベース部11の内周面11bに対する直角の面から1°以下小さい傾斜角α3(89〜90°)を有して立設されている。
そのため、ヒートシンク部材1,1同士を連結して一方のヒートシンク部材1のフィン部13の挿入部133Aないし挿入部133Cが他方のヒートシンク部材1のベース部11に設けられた挿入溝111に挿入された時には、フィン部13の弾性力によってフィン部の挿入部133の側面がベース部11の挿入溝111の側面に対して押しつけられることになる。
なお、側板部12については、ベース部11の内周面11bに対して略直角(90°±0.5°)に立設されている。
ここで、ヒートシンク部材1,1同士を連結してヒートシンクを製造する工程について具体的に説明する。
ヒートシンク部材1,1同士を連結するために一方のヒートシンク部材1の側板部12の嵌入部122が他方のヒートシンク部材1のベース部11に設けられた嵌入溝112に嵌入する際には、その初期段階として、図6(a)に示すように、一方のヒートシンク部材1の第1フィン部13Aないし第3のフィン部13Cの先端が他方のヒートシンク部材1のベース部11に設けられた挿入溝111に対して幅方向にずれた状態で近づいていく。
そして、ベース部11の挿入溝111のうち、第1のフィン部13Aと第3のフィン部13Cに対向する挿入溝111は第1のフィン部13Aと第3のフィン部13Cが傾斜している側板部12側(図中、右側)の縁に、第2のフィン部13Bに対向する挿入溝111は第2のフィン部13Bが傾斜している反側板部12側(左側)の縁に、即ちフィン部の先端がずれる側の縁には、挿入溝111から離れるにしたがってベース部11の内周方向に盛り上がるスライド壁111aが形成されており、スライド壁111aに、ベース部11に対してずれた状態で近づいてくる第1のフィン部13Aと第3のフィン部13Cの挿入部133A、133C、及び第2のフィン部13Bの挿入部133B(図6(b))がそれぞれ当接する。
挿入部133A,133B,133Cが当接した状態で、さらにヒートシンク部材1,1を連結するために近づけていくと、図7(a)に示すように、スライド壁111aに当接した第1のフィン部13A及び第3のフィン部13Cの挿入部133A、133Cが傾斜して立設された第1のフィン部13A及び第3のフィン部13Cの弾性に抗して挿入溝111方向に導かれ、また、また第2のフィン部13Bの挿入部133Bが傾斜して立設されたフィン部13Bの弾性に抗して挿入溝111方向(図7(b)中、右方向)に導かれ、やがて図8(a)に示すように、挿入部133A,133B,133Cが挿入溝111に挿入されるとともに、ヒートシンク部材1の側板部12が他方のベース部11に設けられた嵌入溝112に嵌入される。
そして、ベース部11の嵌入溝112と側板部12の嵌入部122とをビス等により固定することで、ダクトA状のヒートシンクが形成される。
この状態において、フィン部13の先端部はフィン部の弾性力に抗してベース部の挿入溝111内に挿入維持されているために、例えば第2のフィン部13Bについて図8(b)を用いて説明すれば、挿入溝111内に挿入されたフィン部13Bの先端部(挿入部133B)には、先端部の側面133b(図中、左側面)を挿入溝111の側面111bに強く押しつける押付力Yが働き、カシメ等の処理を行わなくてもフィン部の先端部側面がベース部の挿入溝の側面に密着して熱の伝達を確実に行うことができる。
以上の本実施形態のヒートシンクにおいては、押出形材からなる複数のヒートシンク部材のフィン部が傾斜して立設されており、隣接するフィン部が異なる方向に傾斜して設けられているので、ヒートシンク部材を連結することによって、ヒートシンク部材のフィン部がベース部の挿入溝に対して自然と密着して挿入させることができ、フィン部と挿入溝とをカシメたりネジ等の特別な固定具を用いて固定する必要がなく、製造を容易にすることができる。
また、少なくとも一つのヒートシンク部材は、一面にフィン部が設けられている板状のベース部を有し、ベース部の一面のフィン部間にはフィン嵌合溝を有しており、複数のヒートシンク部材は、一方及び/又は他方のヒートシンク部材に設けられたフィン部の先端部が他方及び/又は一方のヒートシンク部材に設けられたフィン嵌合溝に嵌合して接合されている、すなわち、少なくとも一つのヒートシンク部材を、一面にフィン部が設けられている板状のベース部を有するように構成し、ベース部の一面のフィン部間にフィン嵌合溝を設けて構成しているので、ヒートシンク部材に設けられたフィン部の先端部を他のヒートシンク部材に設けられたフィン嵌合溝に嵌合して接合することができ、接合により熱の伝達がなされ、放熱性能が向上する。
さらに、少なくとも一つのヒートシンク部材は側板部を有しており、側板部は、一方面にサブフィン部を有しており、接合された一方のヒートシンク部材に設けられたフィン部または側板部が他方のヒートシンク部材に設けられたフィン部または側板部に隣接するとともに、隣接するフィン部または側板部のサブフィン部同士が位置をずらして配置されている、すなわち、少なくとも一つのヒートシンク部材は側板部を有しており、側板部の一方面にはサブフィン部が設けられており、側板部が他方のヒートシンク部材に設けられたフィン部に隣接するとともに、側板部とそれに隣接するフィン部のサブフィン部同士が位置をずらして配置されていることで、側板部にも放熱機能を持たせることができ、放熱性能を向上させることができる。
以上のように、本実施形態のヒートシンクにおいては、メインフィン部の側面にサブフィンが形成された複雑な構造を有しながら、押出成形による成形を容易にし、かつ、十分な表面積を有するヒートシンクを形成することができる。
また、ダクトA内を流れる空気に乱流を発生させて冷却効率を向上させることができ、ダクトA内を流れる空気を上下方向で分断することなく、ダクトAの長手方向一方にファンを直接取り付けた場合などにも冷却能力の低下を防止することができる。
1 :ヒートシンク部材
11 :ベース部
11a :冷却面
11b :内周面
111 :挿入溝
111a :スライド壁
112 :嵌入溝
12 :側板部
121 :サブフィン部
122 :嵌入部
13 :フィン部
131 :メインフィン部
132 :サブフィン部
133 :挿入部
2 :ヒートシンク部材
21 :ベース部
21b :内周面
21c :***部
211 :挿入溝
212 :嵌入溝
23 :フィン部
231 :メインフィン部
232 :サブフィン部
233 :挿入部
24 :片フィン部
241 :メインフィン部
242 :サブフィン部
243 :嵌入部
3 :ヒートシンク部材
31 :ベース部
31a :冷却面
31b :内周面
311 :挿入溝
312 :嵌入溝
32 :フィン部
321 :メインフィン部
322 :サブフィン部
4 :ヒートシンク部材
41 :カバー部
41b :内周面
411 :側壁部
411a :嵌合部
412 :天井部
412b :内周面
413 :サブフィン部
42 :フィン部
421 :メインフィン部
422 :サブフィン部
423 :挿入部
A :ダクト
a :空間

Claims (1)

  1. 一方のヒートシンク部材と他方のヒートシンク部材を備え、
    一方のヒートシンク部材及び他方のヒートシンク部材は、ベース部と、ベース部に互いに間隔をおいて立設した複数の板状のメインフィン部と、メインフィン部の両側面に互いに間隔をおいて設けられた板状のサブフィン部とを有し、ベース部同士が対向しており、
    一方のヒートシンク部材のメインフィン部が他方のヒートシンク部材のメインフィン部の間に配置されているとともに、一方のヒートシンク部材のサブフィン部間に他方のヒートシンク部材のサブフィン部の先端が対向していることを特徴とするヒートシンク。
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