(57)【要約】【課題】  放熱性能が向上した放熱装置を提供すること。【解決手段】  発熱素子１は配線基板２に搭載されて発熱源Ｈを構成する。発熱源Ｈは熱伝導性インターフェイス材料層３によってベース４に取り付けられている。ベース４上には、放熱面積を増大させるための1本のピン状の突起部５が設けられている。放熱装置Dはベース４及び突起部５により構成される。【選択図】        図１
2014183159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
該ベースの面に接した唯一の突起部と
を具備する放熱装置。
【請求項２】
前記放熱装置の放熱面積に対する前記突起部の放熱面積比率Rは
0 < R < 0.25  あるいは
0.25 < R < 1  
である請求項１に記載の放熱装置。
【請求項３】
前記突起部は正四角柱、円柱もしくは多角柱である請求項１に記載の放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子及び蛍光体層等の放熱に用いられる放熱装置（ヒートシンク）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、LED素子、LD素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子を内蔵する電子機器の高性能化に伴い、電子機器の発熱量は増大してきている。一方、電子機器の小型化、薄型化の要求が高まり、電子機器の発熱密度は非常に高くなり熱的に厳しい状況を強いられている。このような電子機器の発熱素子を冷却するために、一般に、放熱板、ヒートシンク等の放熱装置を採用して発熱素子の熱を空気中に放散する。
【０００３】
特に、LED素子、LD素子等の発光素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性がある。また、発光素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。
【０００４】
そのため、発光素子、蛍光体層の温度上昇が問題となり、発光素子、蛍光体層の放熱効率を高めて発光素子、蛍光体層を適切な温度以下にする放熱装置が求められている。
【０００５】
従来の放熱装置は、ベースに複数の突起部たとえばフィンを設けたヒートシンクである（参照：特許文献１）。
【０００６】
尚、ヒートシンクは発熱素子の熱を自然に空気中に放散させるものであり、その包絡体積が大きい程、潜在的放熱性能が上昇する。従って、包絡体積によってほぼ放熱機能が決定付けられる。一方、電子機器の小型化、薄型化の要求の高まり、ヒートシンクの包絡体積を単純に大きくできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２１２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の従来の放熱装置においては、ベースに接する１本の突起部の面がそのベースの他の突起部の面に対向しているので、熱の干渉が大きくなり、つまり、形態係数が大きくなり、従って、突起部の面が放熱面としても受熱面としても作用し、この結果、放熱性能が低下するという課題がある。尚、形態係数とは、熱のやり取りする２つの面の間の幾何学的位置関係を示す値である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために本発明に係る放熱装置は、ベースと、このベースの面に接した唯一の突起部とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、突起部は1本のために突起部の面に対向する他の面が存在しないので、熱の干渉がなくなり、つまり、形態係数が小さくなり、従って、突起部の面は放熱面のみとして作用し、この結果、放熱性能を高くできる。たとえば、ベースのサイズを縦25mm×横25mm×高さ2mmとし、従来の場合、16本の突起部とし、本発明の場合、1本の突起部とした場合、従来の場合の放射放熱量、最高温度は約0.29W、約72℃にあったのに対し、本発明の場合の放射放熱量、最高温度は約0.34W、約65℃であった。つまり、本発明は従来に比較して約7℃の温度低下を達成できた。この結果、放熱装置の小型化、薄型化及び軽量化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る放熱装置の実施の形態を含む発熱素子装置を示す断面図である。
【図２】図１の放熱装置の斜視図である。
【図３】図２の放熱装置のサンプルを示す斜視図である。
【図４】図３の放熱装置のサンプルの形状データを示す表である。
【図５】図２の放熱装置のサンプルの放熱性能シミュレーション結果を示す表である。
【図６】図２の放熱装置のサンプルの突起部放熱面積比と放熱装置の最高温度との関係を示すグラフである。
【図７】図２の放熱装置のサンプルの突起部放熱面積比と形態係数との関係を示すグラフである。
【図８】図２の放熱装置のサンプルの流速領域を示す図である。
【図９】図２の放熱装置のサンプルの突起部放熱面積比と放熱装置の放射放熱量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明に係る放熱装置の実施の形態を含む発熱素子装置を示す断面図である。
【００１３】
図１においては、LED素子、LD素子等の発熱素子１は配線基板２に搭載されて発熱源Ｈを構成する。
【００１４】
図２をも参照すると、発熱源Ｈは熱伝導性インターフェイス材料（Thermal Interface Material）層３によって放熱装置Dとしてのベース４に取り付けられている。また、ベース４の上には、放熱面積を増大させるために、放熱装置Dとしての１つのピン状の突起部５が設けられている。この際、突起部５の中心軸はベース４の面に対して垂直となっている。熱伝導性インターフェイス材料層３はたとえばシート状のシリコーン樹脂によって形成され、発熱源Ｈと放熱板４との間に発生する接触熱抵抗を軽減させる作用を有するので、発熱素子１に対する温度低減効果を奏する。
【００１５】
図１、図２における放熱装置Dとしてのベース４及び突起部５は熱伝導性のよい表面を酸化したアルミニウム、アルミニウム合金、銅、高伝導性樹脂、紙等よりなる。
【００１６】
次に、図１の発熱素子装置の動作を説明する。
【００１７】
発熱素子１から発生した熱は、矢印Ａに示す伝導により、放熱装置Dのベース４及び突起部５に受熱される。また、放熱装置Dのベース４及び突起部５に受熱された熱は、矢印Ｂ＋Ｃに示す対流及び放射により、ベース４及び突起部５の放熱面から外気へ放熱される。
【００１８】
他方、発熱素子１から発生した熱は、矢印Ｂ’＋Ｃ’に示す対流及び放射により、発熱素子１及び配線基板２よりなる発熱源Ｈの放熱面から外気に放熱される。
【００１９】
上述の３つの放熱要素つまり伝導A、対流B及び放射Cが効果的に作用するように、放熱装置Dのベース４及び突起部５を設計する。この場合、放熱性能に係るベース４の放熱面及び突起部５の放熱面の温度は、伝導A、対流B及び放射Cの連成解析である複雑な数値計算によるが、主に、対流B及び放射Cによる放熱量によって決定される。
【００２０】
対流B（B’）による対流放熱量Qconv(W)は、理論的に、（１）式で与えられる。
Qconv=h×S×(T1-T2)              （１）
但し、hは対流熱伝達率(W/m2/K)、
Sは伝熱面積(m2)、
T1は放熱装置側温度(K)、
T2は周囲温度(K)である。
【００２１】
また、放射C（C’）による放射放熱量Qrad(W)は、理論的に、（２）式で与えられる。
Qrad=α×F×σ×S×(T14-T24)       （２）
但し、αは放射率、
Fは形態係数、
σはステファン−ボルツマン定数(W/m2/K4)、
Sは伝熱面積(m2)、
T1は放熱装置側温度(K)、
T2は周囲温度(K)である。
【００２２】
図３は図２の放熱装置Dのサンプルを示し、いずれの例においても、ベース４及び突起部５の材料は熱伝導率200W/mKのアルミニウム（A6063）をアルマイト（登録商標）化して放射率を高めてあり、これにより、放射性能を高めている。
【００２３】
図３の各放熱装置Dの形状データは、図４に示すごとく、ベース４のサイズ及び突起部５のサイズは異なるが、ベース４の放熱面積と突起部５の放熱面積とのトータル面積を2100mm2と同一とした。
【００２４】
図３、図４の放熱装置Dの各サンプルに対して放熱性能をシミュレーションした結果を図５に示す。尚、図５においては、発熱源Hの発熱量は一定値1.25W、周囲温度は一定値25℃であるが、放熱装置Dのサンプル間相違によって伝導Aの熱に僅かに相違が発生し、この結果、放熱装置Dの対流放射熱量B+C及び発熱源Hの対流放射熱量B’+C’に僅かなサンプル間相違が発生する。
【００２５】
突起部５の放熱面積比率Rが大きい程、放熱性能が向上して放熱装置Dの最高温度Tmaxは低下すると予想される。しかし、実際には、図５及び図６に示すように、放熱装置Dの最高温度Tmaxは、突起部５の放熱面積比率Rが0〜0.25の間で増大し、0.25〜1.0の間で減少する。また、図７に示すごとく、突起部５の放熱面積比率Rと形態係数Fとの関係は、図６に示す突起部５の放熱面積比率Rと放熱装置Dの最高温度Tmaxとの関係と類似している。つまり、形態係数Fが小さい程、熱の干渉が小さくなり、放熱装置Dの最高温度Tmaxは小さくなる。
【００２６】
図４、図５に示すように、形態係数Fが変化しても、最高流速は0.24〜0.25m/sとほとんど変化しない。しかし、図８に示すように、突起部５の放熱面積比率R（形態係数F）が変化すると、流速領域は変化する。つまり、突起部５の放熱面積比率Rが小さいサンプル（１）、（２）、（３）では、流速が大きい領域V1に突起部５が入り込むので、突起部５の放熱面積比率Rが小さくとも、図９に示すごとく、対流放熱量Bが大きくなって対流放射放熱量B+Cが大きくなる。他方、突起部５の放熱面積比率Rが大きいサンプル（５）、（６）、（７）では、図９に示すごとく、突起部５は流速が小さい領域V3に存在するが、突起部５の放熱面積比率Rが非常に大きくなるので、図９に示すごとく、放射放熱量Cが大きくなって対流放射放熱量B+Cが大きくなる。尚、図８における領域V2は流速の中間領域を示す。
【００２７】
尚、従来の放熱装置としても、図３の場合と同一の材料によりサイズ25mm×25mm×2mmのベース及びサイズ3.1mm×3.1mm×3.2mmの16本の突起部で構成し、図３の場合と同一のトータル放熱面積2100mm2とした場合、突起部の面は放熱面として放射性能が高く、他方、外から受熱性能も高い。このとき、16本の突起部は一定間隔で対向配置され、もしくは金型の抜き勾配から数度傾斜して配置しているので、突起部の面は互いに放射した熱を受熱し合っている。つまり、熱の干渉が大きくなり、形態係数Fが大きくなる。この結果、放熱装置の最高温度は約72℃と高かった。
【００２８】
このように、図３に示すいずれのサンプル（１）〜（７）の放熱装置Dの最高温度Tmaxも、従来の放熱装置の最高温度72℃より約5℃程度低くなるが、より最高温度を低くするには、突起部５の放熱面積比率Rを
0 < R < 0.25  あるいは
0.25 < R < 1  
とすればよい。また、図４に示すごとく、サンプル（１）、（２）、（３）については包絡体積が大きく、他方、サンプル（５）、（６）、（７）については包絡体積が小さいので、小型化の点からは、
0.25 < R < 1  
が好ましい。逆に、図４に示すごとく、サンプル（１）、（２）、（３）については重量が小さく、他方、サンプル（５）、（６）、（７）については重量が大きいので、軽量化の点からは、
0 < R < 0.25  
が好ましい。
【００２９】
上述の実施の形態では、ベース４の形状は正方形であるが、他の形状たとえば円形でもよい。また、突起部５の形状は正四角柱であるが、他の形状たとえば円柱、多角柱でもよい。
【００３０】
尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る放熱装置は発光ダイオード（LED）を用いた照明機器、ヘッドライト、フォグライト、プロジェクタ蛍光体等の発熱素子装置に利用できる。
【符号の説明】
【００３２】
１：発熱素子
２：配線基板
３：熱伝導性インターフェイス材料層
４：ベース
５：突起部
H：発熱源
D：放熱装置
A：伝導
B、B’：対流
C、C’： 放射
【図１】
2014183159.tif 000003
【図２】
2014183159.tif 000004
【図３】
2014183159.tif 000005
【図４】
2014183159.tif 000006
【図５】
2014183159.tif 000007
【図６】
2014183159.tif 000008
【図７】
2014183159.tif 000009
【図９】
2014183159.tif 000010
【図８】
2014183159.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月29日(2013.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014183159.tif 000012
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2014183159.tif 000013
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2014183159.tif 000014
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2014183159.tif 000015
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2014183159.tif 000016
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2014183159.tif 000017
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2014183159.tif 000018