(57)【要約】【課題】ヒートシンクの放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積を増やし、放熱性能を向上させる。【解決手段】このヒートシンクは、ベース２に複数の放熱フィン３が設けられたヒートシンクであって、各放熱フィン３は、断面形状が正六角形状であり、また隣接した放熱フィン３同士は、互いに側面が全面対向し、かつ各互いに離間して対向した側面間の距離である側面間距離が等しく配置されている。そして、放熱フィン３の外接円半径がｒであり、側面間距離がｔのとき、外接円半径ｒと側面間距離ｔとの間で、０.１６９ｔ≦ｒ≦１.９８ｔが成立する。【選択図】図５
2016201391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、
各前記放熱フィンは、断面形状が正多角形であり、
また隣接した前記放熱フィン同士は、互いに側面が全面対向し、かつ各互いに離間して対向した前記側面間の距離である側面間距離が等しく配置されているヒートシンク。
【請求項２】
前記放熱フィンの前記断面形状は、外接円半径がｒである正六角形であり、前記側面間距離がｔのとき、前記外接円半径ｒと前記側面間距離ｔとの間で、
０.１６９ｔ≦ｒ≦１.９８ｔが成立する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記放熱フィンの前記断面形状は、外接円半径がｒである正方形であり、前記側面間距離がｔのとき、前記外接円半径ｒと前記側面間距離ｔとの間で、
０.２０７ｔ≦ｒ≦２.４２ｔが成立する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記放熱フィンの断面形状は、外接円半径がｒである正三角形であり、前記側面間距離がｔのとき、前記外接円半径ｒと前記側面間距離ｔとの間で、
０.２９２ｔ≦ｒ≦３.４２ｔが成立する請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記放熱フィンの前記側面には、凹凸部が形成されている請求項１〜４の何れか１項に記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば発熱素子を冷却するヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵ，ＬＳＩ、パワー半導体素子等の発熱素子の発熱密度が増大し高温になることから、ヒートシンクに求められる放熱性能は年々高まっている。
ヒートシンクの放熱性能は、ヒートシンクに設けられた放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積が大きい程高くなる。
放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積は、隣接した、放熱フィン間の隙間の距離が小さい程大きくなるが、隣接した、各放熱フィン間の隙間にゴミ等が詰ることを防止するために、ヒートシンクの使用環境に応じて、放熱フィン間の隙間の距離に下限が設けられる場合がある。よって、放熱フィン間の隙間の制約内で、いかに放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積を大きくするかが、ヒートシンクの放熱性能向上の鍵となる。
従来、ヒートシンクとして、断面形状が正六角形のフィンを規則的に配列したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１７は、上記特許文献におけるヒートシンクの各放熱フィン３の配置を示す図である。
このヒートシンクでは、複数の放熱フィン３の配列は、風の方向である第１の方向に沿って、各放熱フィン３の正六角形の第１の辺の側壁面と第１の辺に対向する他の第４の辺の側壁面とが平行に整列し、かつ第１の方向に対して、各放熱フィンの正六角形の第１の辺に隣接する第２の辺が第１の辺に対してなす角度の第２の方向に沿って、第２の辺の側壁面と第２の辺に対向する第５の辺の側壁面とが平行に整列され、かつ第１の方向に対して、各放熱フィン３正六角形の第１の辺に隣接する第６の辺が第１の辺に対してなる角度の第３の方向に沿って、第６の辺の側壁面と第６の辺に対向する第３の辺の側壁面とが平行に整列されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８４０９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ヒートシンクでは、各放熱フィン３は、正六角形の第１〜第６辺の各々について、辺の側壁面の延長面上に隣りの放熱フィン３における対応する辺の側壁面が位置付けられており、そのため図１８の斜線で示したように、隣接した放熱フィン３間で、空き領域７の面積が大きいため、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積の向上には限界があるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、ゴミ等が詰まることを防止するために設けられた隣接した放熱フィン間の距離の下限値を維持しつつ、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積を大きくし、放熱性能を高くすることができるヒートシンクを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るヒートシンクは、ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、
各前記放熱フィンは、断面形状が正多角形であり、
また隣接した前記放熱フィン同士は、互いに側面が全面対向し、かつ各互いに離間して対向した前記側面間の距離である側面間距離が等しく配置されている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ゴミ等が詰まることを防止するために設けられたフィン側面間距離の下限値を維持しつつ、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積を大きくし、放熱性能を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１のヒートシンクを示す分解斜視図である。
【図２】図１の放熱フィン及びベースを示す平面図である。
【図３】図２のＡの部位を拡大した図である。
【図４】図２のヒートシンクにおける放熱フィンを、紙面垂直方向に見た模式図である。
【図５】図１のヒートシンクにおける放熱フィンの外接円半径をｒ、フィン側面間距離をｔ、ｒ/ｔ＝αと置いたとき、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積からｔを除した値の１２α/(√３+α)(３+√３α)を縦軸に、αを横軸にとったグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２のヒートシンクの放熱フィン及びベースを示す平面図である。
【図７】図６のＢの部位を拡大した図である。
【図８】図６のヒートシンクにおける放熱フィンを、紙面垂直方向に見た模式図である。
【図９】図６のヒートシンクにおける放熱フィンの外接円半径をｒ、フィン側面間距離をｔ、ｒ/ｔ＝αと置いたとき、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積からｔを除した値の８√２α/(２+√２α)２を縦軸に、αを横軸にとったグラフである。
【図１０】この発明の実施の形態３のヒートシンクの放熱フィン及びベースを示す平面図である。
【図１１】図１０のＣの部位を拡大した図である。
【図１２】図１０のヒートシンクにおける放熱フィンを、紙面垂直方向に見た模式図である。
【図１３】図１０のヒートシンクにおける放熱フィンの外接円半径をｒ、フィン側面間距離をｔ、ｒ/ｔ＝αと置いたとき、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積からｔを除した値の４α/(α+１)２を縦軸に、αを横軸にとったグラフである。
【図１４】この発明の実施の形態４のヒートシンクにおける放熱フィンを示す平面図である。
【図１５】この発明の実施の形態５のヒートシンクにおける放熱フィンを示す平面図である。
【図１６】この発明の実施の形態６のヒートシンクにおける放熱フィンを示す平面図である。
【図１７】従来のヒートシンクの放熱フィンの配置を示す図である。
【図１８】図１７のヒートシンクの放熱フィンが無い空き領域を斜線で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明に係るヒートシンクの各実施の形態について図に基いて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１のヒートシンクを示す分解斜視図である。
このヒートシンクは、発熱素子１が表面に設置されたベース２と、このベース２の裏面に設けられた複数の放熱フィン３と、ベース２を収納したジャケット４と、このジャケット４の対向した側面にそれぞれ設けられた冷媒入口部５、及び冷媒出口部６と、を備えている。
【００１２】
このヒートシンクでは、冷媒は、図１の矢印イに示すように、冷媒入口部５を通って、ジャケット４とベース２との間の空間に入る。この空間内では、冷媒は、発熱素子１から受熱した放熱フィン３と熱交換し、放熱フィン３を通じて発熱素子１は冷却される。放熱フィン３との熱交換により受熱した冷媒は、そのまま冷媒出口部６を通じてヒートシンクの外部に排出される。
なお、冷媒は液体、気体、気液混合体を問わない。また、ヒートシンクが設置される環境によっては、ジャケット４は必ずしも必要ではなく、省略してもよい。
【００１３】
図２は、図１の放熱フィン３及びベース２を示す平面図、図３は図２のＡの部位を拡大した図である。
この放熱フィン３は、断面形状が外接円半径ｒの正六角形である。放熱フィン３の配置は、１つの放熱フィン３の周囲に６つの放熱フィン３が隣接して配置されている。一つの放熱フィン３の各辺は、周囲の各放熱フィン３のそれぞれの辺と対向している。
互いに側面が全面対向し、かつ互いに離間して対向した側面間の距離を側面間距離と呼び、この値がｔである。
【００１４】
なお、放熱フィン３は、角部に角Ｒ（丸み）を形成してもよい。この場合は、外接円半径ｒは、角Ｒが付く前の放熱フィン３の断面形状に対する外接円半径とすればよい。
また、放熱フィン３は、ベース２から垂直方向にテーパーを付けてもよい。この場合は、側面間距離ｔは、テーパーの付いた放熱フィン３での平均高さ（例えば、放熱フィン３が直線状に傾斜していた場合には、その中間部での高さ）における側面間距離とすればよい。
【００１５】
図４は、図２の放熱フィン３を紙面垂直方向に視た模式図、図５は、実施の形態１のヒートシンクにおける放熱フィン３の外接円半径をｒ、フィン側面間距離をｔ、ｒ/ｔ＝αと置いたとき、放熱フィン３の単位体積当たりの放熱面積からｔを除した値の１２α/(√３+α)(３+√３α)を縦軸に、αを横軸にとったグラフである。
図４より、放熱フィン３の高さをｈと置くと、図４の点線で囲まれた領域である、放熱フィン３の繰り返し単位の領域の放熱フィン３の体積は、（１）式で表すことができる。
【００１６】
(√３+α)(３+√３α)ｈ・・・・（１）
【００１７】
また、放熱フィン３から冷媒への放熱が側面からなされるものとすると、放熱フィン３の繰り返し単位の中にある放熱面積は、（２）式で表すことができる。
【００１８】
１２ｒｈ・・・・（２）
【００１９】
式（１）、式（２）より、放熱フィン３の繰り返し単位の領域での単位体積当たりの放熱面積は、
１２ｒｈ/{(√３ｒ+ｔ)(３ｒ+√３ｔ)ｈ}
＝(１/ｔ){１２α/(√３+α)(３+√３α)}・・・・（３）
ただし、α＝ｒ/ｔとする。
【００２０】
式（３）より、任意のｔに対し１２α/{(√３+α)(３+√３α)}が最大値をとるとき、そのｔにおける単位体積当たりの放熱フィン３の放熱面積は最大となることが分かる。
なお、図５より、１２α/{(√３+α)(３+√３α)}は、α=１.７で最大値１.０をとる。  さらに、式（３）より、単位体積当たりの表面積が最大値の７０％〜１００％となるαの範囲を求めると、０.５０６≦α≦５.９３であり、α＝ｔ/ｒの関係から、０.１６９ｔ≦ｒ≦１.９８ｔと変形することができる。
【００２１】
以上から、任意の側面間距離ｔに対し、放熱フィン３の外接円筒半径ｒの範囲を０.１６９ｔ≦ｒ≦１.９８ｔとすることで、放熱フィン３の繰り返し単位の領域での単位体積当たりの放熱面積を最大値の７０％〜１００％とすることができるため、ゴミ等が詰まることを防止するために設けられた側面間距離ｔの下限値の制約が設定されている場合であっても、その制約内で特に放熱性能を向上させることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２のヒートシンクおいて、放熱フィン３が設けられたベース２を示す平面図、図７は、図６のＢの部位を拡大した図である。
この実施の形態２における放熱フィン３は、断面形状が外接円半径がｒの正方形であり、放熱フィン３の配置は、１つの放熱フィン３の周囲に４つの放熱フィン３が隣接しており、隣接する放熱フィン３同士の側面間距離がｔである配置である。
他の構成は実施の形態１のヒートシンクと同じである。
【００２３】
なお、放熱フィン３は、角部に角Ｒ（丸み）を形成してもよい。この場合は、外接円半径ｒは、角Ｒが付く前の放熱フィン３の断面形状に対する外接円半径とすればよい。
また、放熱フィン３は、ベース２から垂直方向にテーパーを付けてもよい。この場合は、側面間距離ｔは、テーパーの付いた放熱フィン３の平均高さ（例えば、放熱フィン３が直線状に傾斜していた場合には、その中間部での高さ）における側面間距離とすればよい。
【００２４】
図８は、実施の形態２のヒートシンクにおける放熱フィン３を、紙面垂直方向に視た模式図である。
図９は、放熱フィン３の外接円半径をｒ、フィン側面間距離をｔ、ｒ/ｔ＝αと置いたとき、放熱フィン３の単位体積当たりの放熱面積からｔを除した値の８√２α/(２+√２α)２を縦軸に、αを横軸にとったグラフである。
【００２５】
放熱フィン３の高さをｈと置くと、放熱フィン３の繰り返し単位の領域の体積は（４）式で表される。
【００２６】
(２+√２α)２ｈ・・・・（４）
【００２７】
また、放熱フィン３から冷媒への放熱が側面からなされるものとすると、放熱フィン３の繰り返し単位の中にある放熱面積は、（５）式で表される。
【００２８】
８√２ｒｈ・・・・（５）
【００２９】
式（４）、式（５）より、放熱フィン３の繰り返し単位の領域での単位体積当たりの放熱フィン３の放熱面積は、（６）式で表される。
【００３０】
８√２ｒｈ/{(２+√２α)２ｈ}
＝(１/ｔ){８√２α/(２+√２α)２}・・・・（６）
ただし、α＝ｒ/ｔとする。
【００３１】
式（６）より、任意のｔに対し８√２α/(２+√２α)２が最大値をとるとき、そのｔにおける単位体積当たりの放熱フィン３の放熱面積は最大となることが分かる。
なお、図９より、８√２α/(２+√２α)２はα=１.３９のとき、最大値１.０をとる。  さらに、式（６）より、放熱フィン３の単位体積当たりの表面積が最大値の７０％〜１００％となるαの範囲を求めると、０.４１３≦α≦４.８４であり、α=ｔ/ｒの関係から、０.２０７ｔ≦ｒ≦２.４２ｔと変形することができる。
【００３２】
以上から、任意の側面間距離ｔに対し、放熱フィン３の外接円筒半径ｒの範囲を０.２０７ｔ≦ｒ≦２.４２ｔとすることで、放熱フィン３の単位体積当たりの放熱面積を最大値の７０％〜１００％とすることができるため、放熱フィン３間の隙間である側面間距離ｔに、ゴミ等が詰まることを防止するために設けられた下限値の制約が設定されている場合であっても、その制約内で特に放熱性能を向上させることができる。
放熱フィン３の単位体積当たりの放熱面積が大きくなることにより、ヒートシンクの放熱性能が高くなる。
【００３３】
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３のヒートシンクおいて、放熱フィン３が設けられたベース２を示す平面図、図１１は、図１０のＣの部位を拡大した図である。
この実施の形態３における放熱フィン３は、外接円半径がｒの正三角形であり、放熱フィン３の配置は、１つの放熱フィン３の周囲に３つの放熱フィン３が隣接しており、隣接する放熱フィン３同士の側面間距離がｔである配置である。
他の構成は、実施の形態１のヒートシンクと同じである。
【００３４】
なお、放熱フィン３は、角部に角Ｒ（丸み）を形成してもよい。この場合は、外接円半径ｒは、角Ｒが付く前の放熱フィン３の断面形状に対する外接円半径とすればよい。
また、放熱フィン３は、ベース２から垂直方向にテーパーを付けてもよい。この場合は、側面間距離ｔは、テーパーの付いた放熱フィン３の平均高さ（例えば、放熱フィン３が直線状に傾斜していた場合には、その中間部での高さ）における側面間距離とすればよい。
【００３５】
図１２は、実施の形態３のヒートシンクにおける放熱フィン３を、紙面垂直方向に見た模式図である。
図１３は、実施の形態３のヒートシンクにおける放熱フィン３の外接円半径をｒ、フィン側面間距離をｔ、ｒ/ｔ＝αと置いたとき、放熱フィン３の単位体積当たりの放熱面積からｔを除した値の４α/(α+１)２を縦軸に、αを横軸にとったグラフである。
【００３６】
放熱フィン高さをｈと置くと、放熱フィン３の繰り返し単位の領域の体積は、（７）式で表される。
【００３７】
(３ｒ+３ｔ)(√３ｒ+√３ｔ)ｈ・・・・（７）
【００３８】
また、放熱フィン３から冷媒への放熱が側面からなされるものとすると、放熱フィン３の繰り返し単位の中にある放熱面積は、（８）式で表される。
【００３９】
１２√３ｒｈ  …（８）
【００４０】
式（７）、式（８）より、単位体積当たりの放熱面積は、（９）式で表される。
【００４１】
１２√３ｒｈ/{(３ｒ+３ｔ)(√３ｒ+√３ｔ)ｈ}
＝(１/ｔ){４α/(α+１)２}・・・・（９）
ただし、α＝ｒ/ｔ
【００４２】
式（９）より、任意のフィン側面間距離ｔに対し４α/(α+１)２が最大値をとるとき、そのｔにおける単位体積当たりの放熱面積は最大となることが分かる。
なお、図１３より、４α/(α+１)２はα=０.９８７のとき、最大値１.０をとる。
さらに、式（９）より、単位体積当たりの表面積が最大値の７０％〜１００％となるαの範囲を求めると、０.２９２≦α≦３.４２であり、α=ｔ/ｒの関係から、０.２９２ｔ≦ｒ≦３.４２ｔと変形することができる。
【００４３】
以上から、任意の隣接した放熱フィン間の隙間であるフィン側面間距離ｔに対し、放熱フィン３の外接円筒半径ｒの範囲を０.２９２ｔ≦ｒ≦３.４２ｔとすることで、単位体積当たりの放熱面積を最大値の７０％〜１００％とすることができる。
そのため、フィン側面間隙間ｔに、ゴミ等が詰まることを防止するために設けられた下限値の制約が設定されている場合であっても、その制約内で放熱フィン３の無い空き領域を最小限に留めることができ、放熱フィン３の単位体積当たりの放熱面積を大きくすることができ、ヒートシンクの放熱性能が高くなる。
【００４４】
実施の形態４．
図１４は、この発明の実施の形態４のヒートシンクの放熱フィン３を示す平面図である。
この実施の形態４の放熱フィン３は、断面正六角形状であって、その側面には凹凸部３ａが形成されている。
他の構成は、実施の形態１のヒートシンクと同じである。
この実施の形態のヒートシンクによれば、放熱フィン３の側面に凹凸部３ａが設けられているので、隣接した放熱フィン３間を流れる冷媒の流れが撹拌され、実施の形態１のヒートシンクと比較して更に放熱が促進される。
【００４５】
実施の形態５．
図１５は、この発明の実施の形態５のヒートシンクの放熱フィン３を示す平面図である。
この実施の形態５の放熱フィン３は、断面正三角形状であって、その側面には凹凸部３ａが形成されている。
他の構成は、実施の形態３のヒートシンクと同じである。
この実施の形態のヒートシンクによれば、放熱フィン３の側面に凹凸部３ａが設けられているので、隣接した放熱フィン３間を流れる冷媒の流れが撹拌され、実施の形態３のヒートシンクと比較して更に放熱が促進される。
【００４６】
実施の形態６．
図１６は、この発明の実施の形態６のヒートシンクの放熱フィン３を示す平面図である。
この実施の形態６の放熱フィン３は、断面正四角形状であって、その側面には凹凸部３ａが形成されている。
この実施の形態のヒートシンクによれば、放熱フィン３の側面に凹凸部３ａが設けられているので、隣接した放熱フィン３間を流れる冷媒の流れが撹拌され、実施の形態２のヒートシンクと比較して更に放熱が促進される。
【００４７】
なお、各実施の形態では、断面形状がそれぞれ六角形状、四角形、三角形の場合について説明したが、この発明は、断面が正多角形である放熱フィンであればよく、他にも例えば八角形状であってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１  発熱素子、２  ベース、３  放熱フィン、３ａ  凹凸部、３ｂ  第１貫通穴、３ｃ  第２貫通穴、４  ジャケット、５  冷媒入口、６  冷媒出口、７  空き領域、８  ブロック、８ａ  小ブロック。
【図１】
2016201391.tif 000003
【図２】
2016201391.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016201391.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016201391.tif 000011
【図１０】
2016201391.tif 000012
【図１１】
2016201391.tif 000013
【図１２】
2016201391.tif 000014
【図１３】
2016201391.tif 000015
【図１４】
2016201391.tif 000016
【図１５】
2016201391.tif 000017
【図１６】
2016201391.tif 000018
【図１７】
2016201391.tif 000019
【図１８】
2016201391.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月24日(2016.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、
各前記放熱フィンは、断面形状が正多角形であり、
また隣接した前記放熱フィン同士は、互いに側面が全面対向し、かつ各互いに離間して対向した前記側面間の距離である側面間距離が等しく配置されており、
前記放熱フィンの前記断面形状は、外接円半径がｒである正六角形であり、前記側面間距離がｔのとき、前記外接円半径ｒと前記側面間距離ｔとの間で、
０.１６９ｔ≦ｒ≦１.９８ｔが成立するヒートシンク。
【請求項２】
ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、
各前記放熱フィンは、断面形状が正多角形であり、
また隣接した前記放熱フィン同士は、互いに側面が全面対向し、かつ各互いに離間して対向した前記側面間の距離である側面間距離が等しく配置されており、
前記放熱フィンの前記断面形状は、外接円半径がｒである正方形であり、前記側面間距離がｔのとき、前記外接円半径ｒと前記側面間距離ｔとの間で、
０.２０７ｔ≦ｒ≦２.４２ｔが成立するヒートシンク。
【請求項３】
ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、
各前記放熱フィンは、断面形状が正多角形であり、
また隣接した前記放熱フィン同士は、互いに側面が全面対向し、かつ各互いに離間して対向した前記側面間の距離である側面間距離が等しく配置されており、
前記放熱フィンの断面形状は、外接円半径がｒである正三角形であり、前記側面間距離がｔのとき、前記外接円半径ｒと前記側面間距離ｔとの間で、
０.２９２ｔ≦ｒ≦３.４２ｔが成立するヒートシンク。
【請求項４】
前記放熱フィンの前記側面には、凹凸部が形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載のヒートシンク。