(57)【要約】【課題】ヒートパイプ等の別の手段を使用することなく、複数の薄板フィンがベースプレートの一方の面に接合されたヒートシンクを用いて、低コストで筐体を効率的に冷却することができる冷却装置および冷却装置の設計方法を提供する。【解決手段】内部に発熱部品が配置された筐体の一方から空気を取り入れ、他方へ排気する、所定の範囲内のＰＱ特性を有するファンと、前記ＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さを有する複数の薄板フィンを、ベースプレートの一方の面に備えたヒートシンクとを備えた冷却装置。前記ＰＱ特性の前記所定の範囲は、薄板フィンの厚さおよびフィンピッチと相関関係を有し、所定の厚さの薄板フィンのフィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に発熱部品が配置された筐体の一方から空気を取り入れ、他方へ排気する、所定の範囲内のＰＱ特性を有するファンと、
前記ＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さを有する複数の薄板フィンを、ベースプレートの一方の面に備えたヒートシンクとを備えた冷却装置。
【請求項２】
前記ＰＱ特性の前記所定の範囲は、薄板フィンの厚さおよびフィンピッチと相関関係を有し、所定の厚さの薄板フィンのフィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域である、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記ＰＱ特性の前記所定の範囲は、縦軸に圧力損失（Ｐａ）、横軸に風速（ｍ／ｓ）をとった場合のＰＱ特性の近似直線の傾きが−０．６以上である、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記薄板フィンの前記所定の厚さが、０．１〜０．５ｍｍの範囲内であり、前記フィンピッチが２．０〜３．５ｍｍの範囲内である、請求項２から３の何れか１項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記薄板フィンの前記所定の厚さが、０．１〜０．３ｍｍの範囲内であり、前記フィンピッチが２．５〜３．５ｍｍの範囲内である、請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記薄板フィンが、概ねコの字形の薄板を並列配置して形成されているフィンである、請求項１から５の何れか1項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記薄板フィンが、前記ベースプレートの一方の面に形成された溝部に装入され、溝部の両側部を塑性変形によって固定されたフィンである、請求項１から５の何れか1項に記載の冷却装置。
【請求項８】
所定の範囲内のＰＱ特性を有するファンを準備し、
前記ＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さに基づいて、ベースプレートと複数の薄板フィンとからなるヒートシンクを準備する、冷却装置の設計方法。
【請求項９】
前記ＰＱ特性の前記所定の範囲を、所定の厚さの薄板フィンのフィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域に設定する、請求項８に記載の冷却装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筐体の内部に配置された発熱部品を冷却するための冷却装置、特に、ヒートシンクの薄板フィンの厚さおよびフィンピッチをファンの所定のＰＱ特性に対応して設定した冷却装置および冷却装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵ、素子等の発熱量、発熱密度の増大によって、放熱効率に優れた高性能のヒートシンクが求められている。筐体の内部に配置された発熱部品を冷却するために、筐体に一方から空気を取り入れ、他方から排気するためのファンが筐体の一方の端部に設けられ、筐体の内部には発熱部品と熱的に接続されたヒートシンクが配置されている。
【０００３】
従来、製造コストの安価なアルミニウムの押し出し材によるヒートシンクが利用されてきた。押し出し材によるヒートシンクは、ベースプレートと放熱フィンとが一体的に形成されるので、製造は容易であるが、製造上の制限によってフィンのピッチが限定され細かなピッチでフィンを形成することが技術的に困難であった。
【０００４】
フィンピッチを小さくするために、ベースプレートの一方の面に薄板フィンを半田等で接合するヒートシンクが提案されている。更に、ベースプレートの一方の面に溝部を設け、溝部に薄板フィンを装入して、薄板フィンを機械的にカシメて固定するヒートシンクが提案されている（特開２００３−１５８２２７号公報参照）。これらのヒートシンクを使用することによって、小さいフィンピッチで、多数の薄板フィンをベースプレートに接合することができる。
【０００５】
更に、熱伝導性の異なる２種類の金属を使用して放熱フィンを作製し、半導体チップ等の発熱素子に近いところに熱伝導性の高い金属で作製した放熱フィンを配置し、その他の部分には相対的に熱伝導性の低い金属で作製した放熱フィンを配置するヒートシンクが提案されている（特開２００２−２３７５５５号公報参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５８２２７号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、フィンピッチが小さく多数の薄板フィンがベースプレートに接合されたヒートシンクが広く用いられているが、実際には、フィンピッチを小さくして多数の薄板フィンをベースプレート上に配置しても、所望の冷却が得ることができず、ヒートパイプをヒートシンクのベースプレートに熱的に接続させて熱を別のところに移動させる処置がとられている。しかし、冷却装置も低コストで性能の向上が要求され、ヒートパイプ等の別の手段をとりつけると、冷却装置全体としてコストが高くなるという問題点がある。
【０００７】
従って、この発明の目的は、ヒートパイプ等の別の手段を使用することなく、複数の薄板フィンがベースプレートの一方の面に接合されたヒートシンクを用いて、低コストで筐体を効率的に冷却することができる冷却装置および冷却装置の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、薄板フィンのフィンピッチを小さくしていくと、熱交換面積は増加するけれども、ある程度を過ぎると、フィン間を通過する空気流の圧力損失が高くなり、熱抵抗が増加し、逆に、薄板フィンのフィンピッチを大きくすると熱交換面積が減少するけれども、風量が大きくなり、ある領域では、熱抵抗が改善できることが判明した。
【０００９】
更に、筐体に取り付けるファンのＰＱ（静圧・風量）特性を所定の範囲内とするとき、ＰＱ（静圧・風量）特性に対応するフィンピッチおよび厚さを有する複数の薄板フィンを、ベースプレートの一方の面に備えたヒートシンクを用いると、高い冷却効果が得られることが判明した。この発明は、上述した結果に基づいてなされたものである。
【００１０】
この発明の冷却装置の第１の態様は、内部に発熱部品が配置された筐体の一方から空気を取り入れ、他方へ排気する、所定の範囲内のＰＱ特性を有するファンと、
前記ＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さを有する複数の薄板フィンを、ベースプレートの一方の面に備えたヒートシンクとを備えた冷却装置である。
【００１１】
この発明の冷却装置の第２の態様は、前記ＰＱ特性の前記所定の範囲は、薄板フィンの厚さおよびフィンピッチと相関関係を有し、所定の厚さの薄板フィンのフィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域である、冷却装置である。
【００１２】
この発明の冷却装置の第３の態様は、前記ＰＱ特性の前記所定の範囲は、縦軸に圧力損失（Ｐａ）、横軸に風速（ｍ／ｓ）をとった場合のＰＱ特性の近似直線の傾きが−０．６以上である、冷却装置である。
【００１３】
この発明の冷却装置の第４の態様は、前記薄板フィンの前記所定の厚さが、０．１〜０．５ｍｍの範囲内であり、前記フィンピッチが２．０〜３．５ｍｍの範囲内である、冷却装置である。
【００１４】
この発明の冷却装置の第５の態様は、前記薄板フィンの前記所定の厚さが、０．１〜０．３ｍｍの範囲内であり、前記フィンピッチが２．５〜３．５ｍｍの範囲内である、冷却装置である。
【００１５】
この発明の冷却装置の第６の態様は、前記薄板フィンが、概ねコの字形の薄板を並列配置して形成されているフィンである、冷却装置である。
【００１６】
この発明の冷却装置の第７の態様は、前記薄板フィンが、前記ベースプレートの一方の面に形成された溝部に装入され、溝部の両側部を塑性変形によって固定されたフィンである、冷却装置である。
【００１７】
この発明の冷却装置の設計方法の第１の態様は、所定の範囲内のＰＱ特性を有するファンを準備し、
前記ＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さに基づいて、ベースプレートと複数の薄板フィンとからなるヒートシンクを準備する、冷却装置の設計方法である。
【００１８】
この発明の冷却装置の設計方法の第２の態様は、前記ＰＱ特性の前記所定の範囲を、所定の厚さの薄板フィンのフィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域に設定する、冷却装置の設計方法である。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によると、ヒートパイプ等の別の手段を使用することなく、複数の薄板フィンがベースプレートの一方の面に接合されたヒートシンクを用いて、低コストで筐体を効率的に冷却することができる冷却装置および冷却装置の設計方法を提供することができる。この発明によると、所望のＰＱ特性に対応してフィンの厚さおよびフィンピッチが決定するので、無駄な風量を流すことなく、薄板フィン間を適切な風量がながれて、効果的に熱抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の冷却装置および冷却装置の設計方法を、図面を参照しながら説明する。
この発明の冷却装置の１つの態様は、内部に発熱部品が配置された筐体の一方から空気を取り入れ、他方へ排気する、所定の範囲内のＰＱ特性を有するファンと、上述したＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さを有する複数の薄板フィンを、ベースプレートの一方の面に備えたヒートシンクとを備えた冷却装置である。
【００２１】
上述したＰＱ特性の所定の範囲は、薄板フィンの厚さおよびフィンピッチと相関関係を有し、所定の厚さの薄板フィンのフィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域である。
更に、詳述すると、上述したＰＱ特性の所定の範囲は、縦軸に圧力損失（Ｐａ）、横軸に風速（ｍ／ｓ）をとった場合のＰＱ特性の近似直線の傾きが−０．６以上である（縦軸に関して傾斜が小さくなる）。
【００２２】
即ち、この発明においては、従来考えられていた、ベースプレートの上にフィンピッチを小さくしてできるだけ沢山の薄板フィンを形成し、熱抵抗を小さくするのではなく、フィンピッチを広くしていくと、逆に熱抵抗が小さくなっている領域（所謂、熱性能逆転領域）があり、その領域にフィンピッチを設定する。その結果、適切な量の風がフィン間を流れて、効率的に放熱をすることができるという考え方に基づいている。上述したフィンピッチの大きさは、薄板フィンの厚さおよび使用するファンのＰＱ特性に対応している。
【００２３】
上述した所謂熱性能の逆転領域を可能にするＰＱ特性の好ましい範囲、および、ＰＱ特性に対応したフィンピッチおよび厚さについて以下に説明する。
図１は、ファンのＰＱ特性と、筐体内（ヒートシンク）のインピーダンスの関係を示すグラフである。図１には、３種類（Ｘ、Ｙ、Ｚで示す）のＰＱ特性を示している。ヒートシンクのインピーダンスとしてＡ、Ｂ、Ｃの３つの場合を示している。ヒートシンクのフィンピッチがＡ、Ｂ、Ｃの順で大きくなっている。
使用するファンは、筐体内で発生する熱（消費電力）によってスペックが決まるので、ＰＱ特性は一様に決まる。図中に示すＰＱ特性は、Ｘ、Ｙ、Ｚの順に傾斜が小さくなっている。
【００２４】
Ｘで示すＰＱ特性は、従来使用されているヒートシンクに用いられているファンのＰＱ特性である。従来のヒートシンクに用いられているファンのＰＱ特性では、ヒートシンクのインピーダンスとしてＡ、Ｂ、Ｃの３つの何れの場合も風量が小さく、所望の風量を得ることができない。
Ｘで示すＰＱ特性よりも傾きが小さいＰＱ特性の場合は、フィンピッチが大きくなっても、所望の風量を得ることによって熱抵抗を低下させることができる。従って、Ｘで示すＰＱ特性よりも傾きが小さいＰＱ特性のファンが必要である。
【００２５】
図２は、傾きが小さいＰＱ特性のファンを使用した場合の、各種フィンＮｏ．１から７のフィンピッチと風速と圧力損失の関係を示すグラフである。図２に示すファンのＰＱ特性は、最大静圧６Ｐａ、最大風速３．３ｍ／ｓである。図中Ｎｏ．１から４は、概ねコの字形のフィンを並列に配置して一方の面が全体として受熱面を形成しているフィンである。
【００２６】
これらのフィンは何れも厚さが０．３ｍｍである。Ｎｏ．１のフィンはフィンピッチが１．５ｍｍ、Ｎｏ．２のフィンはフィンピッチが２．５ｍｍ、Ｎｏ．３のフィンはフィンピッチが３ｍｍ、Ｎｏ．４のフィンはフィンピッチが３．５ｍｍである。これに対して、Ｎｏ．５から７のフィンは押し出し成形によって形成されたフィンである。これらのフィンは何れも厚さが０．５ｍｍである。Ｎｏ．５のフィンはフィンピッチが２ｍｍ、Ｎｏ．６のフィンはフィンピッチが２．５ｍｍ、Ｎｏ．７のフィンはフィンピッチが３ｍｍである。
【００２７】
図２に示すように、フィンピッチを小さくしていくと、風量（風速）が小さくなり、圧力損失が多くなっている。このことは、Ｎｏ．１のフィン、押し出し成形によるＮｏ．５のフィンで顕著である。押し出し成形によるＮｏ．６のフィンについては、フィンピッチが大きくなっているが圧力損失は依然として高い。これに対して、フィンピッチを広くしていくと、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４のフィン、および、押し出し成形によるＮｏ．７のフィンに示すように、風量（風速）が増加して、圧力損失が低くなっている。
【００２８】
図３は、図２に示した各種フィンＮｏ．１から７の風量（風速ｍ／ｓ）と熱抵抗（℃／ｗ）との関係を示すグラフである。図３のグラフに示すように、厚さ０．３ｍｍでフィンピッチが１．５ｍｍであるＮｏ．１のフィンは、風量（風速ｍ／ｓ）が０．５以下と少なく、熱抵抗が非常に大きくなっている。また、厚さ０．５ｍｍでフィンピッチが２ｍｍの押し出し成形によるＮｏ．５のフィンは、同様に風量（風速ｍ／ｓ）が０．５以下と少なく、熱抵抗が非常に大きくなっている。
【００２９】
これに対して、厚さ０．３ｍｍでフィンピッチが２．５ｍｍであるＮｏ．２のフィン、厚さ０．３ｍｍでフィンピッチが３ｍｍであるＮｏ．３のフィン、厚さ０．３ｍｍでフィンピッチが３．５ｍｍであるＮｏ．４のフィンは、何れも風量（風速ｍ／ｓ）が１から１．５の範囲で、熱抵抗が小さくなっている。
【００３０】
上述したところから明らかなように、所定の範囲内の（図1で示した傾斜の小さい）ＰＱ特性を有するファンを使用すると、フィンピッチが狭いときと比較してフィンピッチが大きい方が熱抵抗が小さくなる領域（所謂、熱性能逆転領域）が存在している。
【００３１】
上述したように、ＰＱ特性の所定の範囲は、縦軸に圧力損失（Ｐａ）、横軸に風速（ｍ／ｓ）をとった場合のＰＱ特性の近似直線の傾きが−０．６以上である（縦軸に関して傾斜が小さくなる）。
【００３２】
上述したＰＱ特性に対応して、薄板フィンの厚さおよびフィンピッチを設定する。好ましい薄板フィンの厚さは、０．１〜０．５ｍｍの範囲内であり、フィンピッチは２．０〜３．５ｍｍの範囲内である。更に好ましくは、薄板フィンの厚さは、０．１〜０．３ｍｍの範囲内であり、フィンピッチは２．５〜３．５ｍｍの範囲内である。
【００３３】
薄板フィンは、どのような形状のフィンでもよいが、所望の厚さの薄板フィンを使用することができる点から、概ねコの字形の薄板を並列配置して形成されているフィンが好ましい。その他、薄板フィンが、ベースプレートの一方の面に形成された溝部に装入され、溝部の両側部を塑性変形によって固定された所謂クリンプフィンでもよい。
ファンは、所望のＰＱ特性を有するファンを使用する。軸流ファンのＰＱ特性は、ファンをｎ個並列に配置することによって、最大静圧は変化しないが、最大風量（風速）がｎ倍になるため、筐体の排気側に複数（例えば２つ）のファンを並列に配置してもよい。
【００３４】
上述したように、この発明によると、ヒートパイプ等の別の手段を使用することなく、複数の薄板フィンがベースプレートの一方の面に接合されたヒートシンクを用いて、低コストで筐体を効率的に冷却することができる冷却装置および冷却装置の設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、ファンのＰＱ特性と、筐体内（ヒートシンク）のインピーダンスの関係を示すグラフである。
【図２】図２は、傾きが小さいＰＱ特性のファンを使用した場合の、各種フィンＮｏ．１から７のフィンピッチと風速と圧力損失の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、図２に示した各種フィンＮｏ．１から７の風量（風速ｍ／ｓ）と熱抵抗（℃／ｗ）との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、フィンピッチが２．５ｍｍおよび３．０ｍｍのときの熱抵抗、風速、圧力損失、ＰＱ特性の傾きを示す表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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