(57)【要約】【課題】  放熱性能が高くかつ軽量の自然空冷式ヒートシンクを提供する。【解決手段】  フィン部３２においては、ベース３１の長さ方向の両端部、中央部（Ｗ＝０、ｗｂ／２、ｗｂ）に３つの矩形フィン３２１を平行に立設し、また、矩形フィン３２１の間（Ｗ＝ｗｂ／４、３・ｗｂ／４）に平行に隣接して３つのピンフィン列３２２を立設する。つまり、矩形フィン３２１とピンフィン列３２２とが交互にかつ平行に配置されている。【選択図】        図４
2017011203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベース上に立設された少なくとも１つの矩形フィンと、
前記ベース上に立設され、前記矩形フィンの一面側に隣接した少なくとも１つのピンフィン列と
を具備する自然空冷式ヒートシンク。
【請求項２】
前記矩形フィンと前記ピンフィン列とが前記ベース上に平行に立設された請求項１に記載の自然空冷式ヒートシンク。
【請求項３】
前記矩形フィンと前記ピンフィン列とが前記ベース上に交互に立設された請求項１または２に記載の自然空冷式ヒートシンク。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の自然空冷式ヒートシンクと、
発熱素子と、
表面に前記発熱素子が実装され、裏面に前記自然空冷式ヒートシンクが取付けられた放熱基板と
を具備する発熱素子装置。
【請求項５】
前記発熱素子は前記放熱基板を介して前記自然空冷式ヒートシンクの前記矩形フィンに対向している請求項４に記載の発熱素子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピンフィン及び矩形フィンを有する自然空冷式ヒートシンク及びこれを用いた発熱素子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器、自動車部品等の応用製品の高性能化に伴い、応用製品に搭載された電子部品の発熱量が増加している。また同時に、応用製品の小型化、薄型化の要求により電子部品の発熱密度も増加している。従って、応用製品の機能及び信頼性を確保するためには、電子部品を適切な温度に保持する必要がある。
【０００３】
特に、応用製品の電子部品が発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、レーザダイオード（ＬＤ）素子等の半導体発光素子である場合には、自身が発生する熱により半導体発光素子の寿命及び性能が低下するという負の特性を有する。また、半導体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同様の負の特性を有する。
【０００４】
ＬＥＤ素子、ＬＤ素子及び蛍光体層等の電子部品の放熱手法としてヒートシンクがある。ヒートシンクはその包絡体積によりその放熱性能が決定付けられ、包絡体積が大きい程、潜在的な放熱性能が高まる。一方、応用製品の小型化、薄型化に対する要求によりヒートシンクの包絡体積を単純に大きくすることはできない。
【０００５】
従来の強制対流式ヒートシンクは、ファンと、ベースと、ベース上の上流側に立設された複数のピンフィンと、ベース上の下流側に立設された複数の平行な平板フィン（矩形フィン）とによって構成されており、ファンの冷却風をピンフィンから矩形フィンに平行に流す、ピンフィンに向けて垂直に流す、またはピンフィンに向けて俯角４５°で斜め下向きに流すようにしている（参照：特許文献１）。
【０００６】
しかしながら、上述の従来の強制対流式ヒートシンクのファンを取外して自然空冷式に適用すると、ピンフィン群と矩形フィン群とが分離されているので、熱伝導がピンフィン群と矩形フィン群との境界で不連続となり、熱伝導性能が低下する。さらに、対流もピンフィン群と矩形フィン群との境界で不連続となり、対流性能が低下する。この結果、放熱性能は低下する。
【０００７】
図７に示す第１の従来の自然空冷式ヒートシンクは、ベース１０１と、ベース１０１上に立設された複数のピンフィン１０２とによって構成されている（参照：特許文献２の図３）。
【０００８】
図８に示す第２の従来の自然空冷式ヒートシンクは、ベース２０１と、ベース２０１上に立設された複数の平行な矩形フィン２０２とによって構成されている（参照：特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１６６９２３号公報
【特許文献２】特開平６−２１２８３号公報
【特許文献３】特開２０１１−４０５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図７に示す第１の従来の自然空冷式ヒートシンクは、対流性能が向上し、かつ重量（包絡体積）は小さくなるも、ピンフィン間の熱伝導性も低く、この結果、放熱性能が低いという課題がある。他方、図８に示す第２の従来の自然空冷式ヒートシンクは、熱伝導性が向上して放熱性能が向上するも、重量（包絡体積）が大きいという課題がある。つまり、重量の軽量化と放熱性能の向上とはトレードオフの関係にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するために本発明に係る自然空冷式ヒートシンクは、ベースと、ベース上に立設された少なくとも１つの矩形フィンと、ベース上に立設され、矩形フィンの一面側に隣接した少なくとも１つのピンフィン列とを具備するものである。これにより、ヒートシンク全体としての熱伝導性の低下も小さく、ピンフィン列の存在のために対流性能の低下もない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第２の従来の自然空冷式ヒートシンクよりも重量（包絡体積）を小さくでき、しかも、第１の従来の自然空冷式ヒートシンクよりも放熱性能を向上できる。つまり、重量の軽量化及び放熱性能の向上の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る自然空冷式ヒートシンクが適用される発熱素子装置を示す断面図である。
【図２】本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第３の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図２、図３、図４の自然空冷式ヒートシンクの重量及びこれらの自然空冷式ヒートシンクを適用した発熱素子装置の素子温度のシミュレーション結果を示す表である。
【図６】図２、図３、図４の自然空冷式ヒートシンクの温度分布及び流速ベクトルを示す図である。
【図７】第１の従来の自然空冷式ヒートシンクを示す斜視図である。
【図８】第２の従来の自然空冷式ヒートシンクを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクが適用される発熱素子装置を示す断面図である。
【００１５】
図１においては、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子等及び蛍光体層を含む発熱素子としての光源１は給電及び放熱のための放熱基板２の表面に実装されている。放熱基板２の裏面にはグリス、熱伝導性シートまたは熱伝導性インターフェイス材料（ＴＩＭ）層（図示せず）を介して自然空冷式ヒートシンク３を取り付ける。熱伝導性インターフェイス材料層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、放熱基板２と自然空冷式ヒートシンク３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、光源１に対する温度低減効果を奏する。
【００１６】
自然空冷式ヒートシンク３は熱伝導率が高いアルミニウム、銅、マグネシウム等の金属またはこれらの合金よりなり、ベース３１及びフィン部３２によって構成される。尚、以下の図面で各部位の幅、長さ、高さを次のごとく定義する。
ベース３１について
ｗｂ：ベース幅（たとえば２５ｍｍ）
ｌｂ：ベース長さ（たとえば２５ｍｍ）
ｈｂ：ベース高さ（たとえば２ｍｍ）
フィン部３２のピンフィン３２２（図２参照）について
ｗｐ：ピン幅（たとえば１ｍｍ）
ｌｐ：ピン長さ（たとえば１ｍｍ）
ｈｐ：ピン高さ（たとえば２８ｍｍ）
複数のピンフィン３２２のピッチについて
ｐｗ：幅方向ピッチ（たとえば１ｍｍ）
ｐｌ：長さ方向ピッチ（たとえば５ｍｍ）
フィン部３２の矩形フィン３２１（図２参照）について
幅＝ｗｂ
厚さ＝ｌｐ
高さ＝ｈｐ
【００１７】
図２は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第１の実施の形態を示す斜視図である。図２のフィン部３２においては、ベース３１の長さ方向の中央部（W＝ｗｂ／２）に１つの矩形フィン３２１を立設し、また、矩形フィン３２１の両面側（Ｗ＝０、ｗｂ／４、３・ｗｂ／４、ｗｂ）に平行に隣接して４つのピンフィン列３２２を立設する。
【００１８】
図３は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第２の実施の形態を示す斜視図である。図３のフィン部３２においては、ベース３１の長さ方向の中央２ヶ所（Ｗ＝ｗｂ／４、３・ｗｂ／４）に２つの矩形フィン３２１を平行に立設し、また、矩形フィン３２１の両面側（Ｗ＝０、ｗｂ／２、ｗｂ）に平行に隣接して３つのピンフィン列３２２を立設する。つまり、この場合、矩形フィン３２１とピンフィン列３２２とが交互にかつ平行に配置されている。
【００１９】
図４は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第３の実施の形態を示す斜視図である。図４のフィン部３２においては、ベース３１の長さ方向の両端部及び中央部（Ｗ＝０、ｗｂ／２、ｗｂ）に３つの矩形フィン３２１を平行に立設し、また、矩形フィン３２１の間（Ｗ＝ｗｂ／４、３・ｗｂ／４）に平行に隣接して３つのピンフィン列３２２を立設する。つまり、この場合も、矩形フィン３２１とピンフィン列３２２とが交互にかつ平行に配置されている。
【００２０】
図５は図２、図３、図４の自然空冷式ヒートシンクを図１の発熱素子装置に適用した場合の素子温度及び自然空冷式ヒートシンクの重量のシミュレーション結果を従来の自然空冷式ヒートシンクの場合を比較して表す表である。図５において、「従来１」は図７の第１の従来の自然空冷式ヒートシンクに相当し、ベース上に５つのピンフィン列を立設し、矩形フィンは設けない場合であり、「従来２」は図８の第２の従来の自然空冷式ヒートシンクに相当し、ベース上に５つの矩形フィンを立設し、ピンフィン列は設けない場合である。発熱素子装置の条件は次のごとくである。
周囲温度：２５℃
発熱素子の位置：自然空冷式ヒートシンクの中央
発熱素子のサイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
発熱素子の発熱量：１．２５Ｗ
矩形フィン、ピンフィン：上向き
【００２１】
また、図６は図５における図２、図３、図４、従来２（図８）の自然空冷式ヒートシンクの中心温度分布及び流速ベクトルを示す図である。尚、従来１（図７）の自然空冷式ヒートシンクについては図示省略してある。
【００２２】
自然空冷式ヒートシンクの放熱性能は、基本的には、自然空冷式ヒートシンクの重量つまり包絡体積で決定され、その決められた包絡体積で最大放熱量となるように、パラメータｗｂ、ｌｂ、ｈｂ、ｗｐ、ｌｐ、ｈｐ、ｐｗ、ｐｌを決定する。図５においては、従来２を除いて重量（ｇ）が６．８、８．０、…、１０．４と大きくなるにつれて放熱性能を示す素子温度が低下している。すなわち、矩形フィンの数が増加しピンフィン列の数が減少すると、放熱性能が上昇する。また、この場合、自然空冷式ヒートシンクの中心断面の流速ベクトルは、特に、図４及び従来２の場合、流れ場が上部方向に規則正しく発達しており、従って、自然空冷式ヒートシンク全体から外部空気への積極的な放熱経路が確保されて素子温度は４４．２℃、４４．３℃と低下する。すなわち、両端に矩形フィンが配置されると、流れ場は上部方向に規則正しく発達すると考えられる。他方、矩形フィンの数が減少しピンフィン列の数が増加すると、放熱性能が低下する。また、この場合、特に、従来１、図２、図３の場合、自然空冷式ヒートシンクの中心断面の流速ベクトルは、両端のピンフィン列のピンフィンの根元付近から斜め上部方向の流速が発達してその後消滅している。従って、両端のピンフィン列とその内側のピンフィン列または矩形フィンとの間で流れ場の発達が阻害されて放熱効率が低下して放熱性能が低下する。この結果、素子温度は４５．０℃、４４．９℃、４４．８℃と上昇する。
【００２３】
尚、矩形フィン数３かつピンフィン列数２の図４の場合は矩形フィン数５かつピンフィン列数０の「従来２」に比較して若干放熱性能が向上して素子温度が低下する。これはピンフィン列によって対流性能が上昇すると考えられる。
【００２４】
図５、図６から放熱性能の向上（素子温度の低下）及びヒートシンクの重量の軽量化の両立を考慮すると、図４の自然空冷式ヒートシンクが最も優れていることが分る。また、図２、図３の自然空冷式ヒートシンクの放熱性能は従来１の自然空冷式ヒートシンクの放熱性能よりも優れており、従来２の自然空冷式ヒートシンクの放熱性能より若干劣るが、軽量化の点では「従来２」の自然空冷式ヒートシンクより優れている。従って、図２、図３の自然空冷式ヒートシンクも放熱性能の向上及び軽量化の両立の点で優れている。
【００２５】
本発明に係る自然空冷式ヒートシンクは、切削、鍛造、カシメ、ブレージング、プレス加工などで成形される。
【００２６】
尚、上述の実施の形態においては、発熱素子としての光源１が放熱基板２の表面中央に位置し、つまり、自然空冷式ヒートシンク３の中央に対向している。従って、光源１は矩形フィン３２１に対向して熱抵抗を低減させ、放熱性能を大きくするように作用する。しかし、光源１が自然空冷式ヒートシンク３の中央に対向していない場合には、矩形フィン３２１を光源１に対向させるように、図２、図３、図４の自然空冷式ヒートシンク３を選択する。特に、図２の自然空冷式ヒートシンク３を選択した場合には、矩形フィン３２１の位置を光源１の位置に合致させるべく移動させる。これにより、光源１と自然空冷式ヒートシンク３との間の熱拡散及び熱伝導を増大せしめ熱抵抗を低減して、この結果、放熱性能を向上させることができる。
【００２７】
また、上述の実施の形態では、自然空冷の点から、矩形フィンは重力方向つまり鉛直向きとなっているが、傾斜または水平でもよい。同様に、ピンフィンが水平向きになっているが、上向きや下向きの場合でもよい。この場合、上向きと下向きは上下±９０度の場合だけでなく、０度の水平向きの除くそれ以外の角度でもよい。さらに、ピンフィンは、四角柱だけでなく六角柱などの多角形でもよく、円柱、楕円などの形状でもよい。
【００２８】
さらにまた、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にも適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る自然空冷式ヒートシンクは、車両前照灯、照明機器、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）等の光源、集積回路素子等の発熱素子を有する発熱素子装置に利用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１：光源
２：放熱基板
３：自然空冷式ヒートシンク
３１：ベース
３２：フィン部
３２１：矩形フィン（平板フィン）
３２２：ピンフィン列
１０１：ベース
１０２：ピンフィン
２０１：ベース
２０２：矩形フィン（平板フィン）
【図１】
2017011203.tif 000003
【図２】
2017011203.tif 000004
【図３】
2017011203.tif 000005
【図４】
2017011203.tif 000006
【図５】
2017011203.tif 000007
【図７】
2017011203.tif 000008
【図８】
2017011203.tif 000009
【図６】
2017011203.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月29日(2015.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
自然空冷式ヒートシンク３は熱伝導率が高いアルミニウム、銅、マグネシウム等の金属またはこれらの合金よりなり、ベース３１及びフィン部３２によって構成される。尚、以下の図面で各部位の幅、長さ、高さを次のごとく定義する。
ベース３１について
ｗｂ：ベース幅（たとえば２５ｍｍ）
ｌｂ：ベース長さ（たとえば２５ｍｍ）
ｈｂ：ベース高さ（たとえば２ｍｍ）
フィン部３２のピンフィン３２２（図２参照）について
ｗｐ：ピン幅（たとえば１ｍｍ）
ｌｐ：ピン長さ（たとえば１ｍｍ）
ｈｐ：ピン高さ（たとえば２８ｍｍ）
複数のピンフィン３２２のピッチについて
ｐｗ：幅方向ピッチ（たとえば５ｍｍ）
ｐｌ：長さ方向ピッチ（たとえば１ｍｍ）
フィン部３２の矩形フィン３２１（図２参照）について
幅＝ｗｂ
厚さ＝ｌｐ
高さ＝ｈｐ
【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】
2017011203.tif 000011