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公開番号2021093511
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210617
出願番号2020044550
出願日20200313
発明の名称放熱器
出願人カンタツ株式会社
代理人
主分類H01L 23/36 20060101AFI20210521BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】小型・軽量でありながらも放熱性能の高い放熱器を提供する。
【解決手段】半導体素子や電子部品等の発熱体に当接する受熱面2および当該受熱面2に対向する伝熱面3を有するベース部4と、このベース部4の伝熱面3に延設されたフィン5とから放熱器1を構成する。このような構成の放熱器1においてフィン5を、伝熱面3に延設されたフィン基部5aと、当該フィン基部5aの表面に形成された複数の熱拡散突起8、9とから構成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
発熱体に接する受熱面および前記受熱面に対向する伝熱面を有するベース部と、
前記伝熱面に延設されたフィンとを備え、
前記フィンは、前記伝熱面に延設された単数または複数のフィン基部と、前記フィン基部の表面に形成された単数または複数の熱拡散突起とを有する、
放熱器。
続きを表示(約 730 文字)【請求項2】
前記ベース部、前記フィン基部および前記熱拡散突起は一体に形成される、
請求項1に記載の放熱器。
【請求項3】
前記ベース部および前記フィンは合成樹脂から形成される、
請求項1または2に記載の放熱器。
【請求項4】
前記フィン基部は板状に形成されるとともに、一方の底面が前記伝熱面と一体に形成され、
前記フィン基部の側面には、複数の前記熱拡散突起が設けられる、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の放熱器。
【請求項5】
複数の前記フィンを備え、
隣り合う前記フィンにおいて、対向するそれぞれの前記フィン基部の側面に設けられる前記熱拡散突起は、互いに位相が180°ずれた状態で配置される、
請求項4に記載の放熱器。
【請求項6】
発熱体に接する受熱面および前記受熱面に対向する伝熱面を有するベース部と、
前記伝熱面に延設されたフィンとを備え、
前記ベース部および前記フィンのいずれか一つまたは両方の内部に形成された流路を有する、
放熱器。
【請求項7】
前記流路は、前記ベース部の内部において、前記受熱面に近接した位置に配設されるとともに、前記フィンの内部において、フィンの延伸方向と直交する方向に蛇行した態様で配設される、
請求項6に記載の放熱器。
【請求項8】
前記流路は、その内面にめっき皮膜を有する、
請求項6または7に記載の放熱器。
【請求項9】
表面にめっき皮膜を有する、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の放熱器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子や電子部品等の発熱体に当接させることによって当該発熱体から放出される熱を周辺空気中に拡散する放熱器に関する。
続きを表示(約 5,500 文字)【背景技術】
【0002】
電子機器、産業機器および自動車等には、これら機器や自動車等の高性能化や機能複合化に伴い、半導体集積回路、LED素子、パワー半導体等の電流密度の高い半導体素子や電子部品が搭載されるようになった。半導体素子や電子部品は発熱を伴うため、温度上昇による部品劣化や性能低下を防ぐ必要がある。熱源となる素子や部品の温度を下げるためには、ヒートシンク等の放熱器を素子や部品上に取り付け、当該放熱器を介して周辺空気中へ放熱するのが一般的である。こうした放熱器は通常、銅合金やアルミニウム合金等の熱伝導率の高い金属素材から製造される。
【0003】
近年においては半導体素子の集積化、高密度化が進み、半導体素子や電子部品からの発熱量が増大する傾向にある。発熱量の増大に対しては、放熱器の放熱性能を向上させることで対応できる。例えば、放熱器に冷却ファンを取り付ければ、冷却ファンによる空気の強制循環によって放熱器の放熱能力が向上する。しかしながら、電子機器等の小型化および高密度化が一層進んでおり、発熱体である半導体素子や電子部品に放熱器を実装することはできても冷却ファンを実装する空間的な余裕がないこともある。
【0004】
特許文献1に記載の放熱器は、略鉛直方向に形成された基体と、基体の一方の面に立設された複数のフィンから構成される。複数のフィンは板部材で形成されており、これらフィン間に形成される熱対流空間の幅が、基体側よりもフィンの先端側の方が広くなるように、すなわち基体の一方の面から放射状に立設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2010−251730号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1に記載の放熱器によれば、冷却ファンが実装困難な狭小空間であっても、半導体素子や電子部品等の発熱体に対して冷却能力の高い自然空冷を行うことができる。しかし、電子機器等の小型化、高密度化とともに半導体素子や電子部品の発熱量は年々増加しており、発熱体から発生した熱を周辺空気中に拡散するためには、特許文献1に記載の放熱器では発熱体の発熱量に応じて放熱器そのものを大型化せざるを得ない。特許文献1に記載の放熱器ではその放熱能力に自ずと限界が生じる。
【0007】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、小型・軽量でありながらも放熱性能の高い放熱器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために本発明の放熱器は、発熱体に接する受熱面と当該受熱面に対向する伝熱面を有するベース部と、上記伝熱面に延設されたフィンを備える。上記フィンは、前記伝熱面に延設された単数または複数のフィン基部と、当該フィン基部の表面に形成された単数または複数の熱拡散突起を有する。
【0009】
放熱器、例えばヒートシンクは一般的に、熱伝導率の高い銅合金やアルミニウム合金を材料として用い、押出し加工、切削加工、スカイプ加工、冷間鍛造、ダイキャスト、スタンピング等の製造工法により製造される。このため、空気中に放熱する役割を担うフィンの形状は、加工上の制約から略板形状になることが多い。従来、半導体素子や電子部品等の発熱体の発熱量の増大に対しては、フィンの枚数を増加させることで対応してきた。しかしながら、このような構成の放熱器においては、発熱体の発熱量の増大に伴って放熱器が大型化してしまうため、電子機器等の小型化、高密度化への対応が困難である。
【0010】
本発明の放熱器では、ベース部の伝熱面に延設された単数または複数のフィン基部と、当該フィン基部の表面に形成された単数または複数の熱拡散突起とからフィンを構成する。発熱体から放出された熱はベース部の受熱面に伝わり、その後、フィン基部、熱拡散突起へと伝達される。フィンに伝達された熱はフィン基部および熱拡散突起から放熱される。このフィン基部の表面に設けられた熱拡散突起によってフィンの放熱面積が拡大するため、フィンを大型化させることなく放熱器の放熱性能を向上させることができる。また、フィンの大型化が抑制されるため、発熱体の発熱量の増大に伴う放熱器の大型化を好適に抑制できるとともに放熱器の軽量化を実現できる。
【0011】
上記放熱器においては、上記ベース部、上記フィン基部および熱拡散突起を一体に形成することが望ましい。これにより放熱器を構成する部品点数の削減を図ることができ、放熱器の小型化とともに一層の軽量化を達成できる。なお、複雑な形状を一体的に形成する加工方法としては、光硬化性樹脂にレーザー等の光を照射して造形する加工方法、いわゆる光造形法がある。
【0012】
上記放熱器においては、ベース部およびフィンを合成樹脂により形成することが望ましい。
【0013】
近年は熱伝導率の高い合成樹脂が開発されている。放熱器を合成樹脂から形成することにより、フィン基部の表面に熱拡散突起を容易に形成できるとともに、複雑な形状の熱拡散突起を形成することも可能となる。これにより、熱拡散突起の表面積の増大を通じてフィンの放熱面積を一層拡大できる。また、合成樹脂材料は金属材料に比較して一般的に軽量であるため、放熱器の軽量化を好適に実現できる。放熱器を合成樹脂から形成する加工方法としては、例えば上述の光造形法がある。
【0014】
上記放熱器においては、上記フィン基部を板状に形成するとともに一方の底面を上記伝熱面と一体的に形成し、フィン基部の側面に複数の熱拡散突起を設けることが望ましい。
【0015】
上記フィンにおいて熱拡散突起を設ける面としては、ベース部の伝熱面と一体的に形成される底面以外であればいずれの面でも可能である。電子機器等の小型化を考慮した場合、フィンの延伸方向の長さが制限されることが多い。そこで、熱拡散突起をフィン基部の側面に設けることにより、電子機器等の小型化を好適に図ることができる。
【0016】
なお、フィン基部の形状としては四角柱、円柱、紡錘形状等、種々の形状が考えられるが、複数の熱拡散突起を設けるためには、フィン基部の側面の表面積が広い方が望ましい。そのような形状としては例えば、略板形状が考えられる。
【0017】
上記放熱器においては上記熱拡散突起を、上記フィン基部の側面のうち表面積が広い側面の少なくとも一面に設けることが望ましい。フィン基部の側面のうち表面積が広い側面に熱拡散突起を設けることにより、フィンの放熱面積の拡大を効率よく図れる。なお、フィンの放熱面積のより一層の拡大を図るためには、上記熱拡散突起を、上記フィンの側面のうち表面積が広い2つの側面に設けることが望ましい。
【0018】
ところで、自然空冷式の放熱器では、フィン間に生じる空間において熱対流が生じ、この熱対流によってフィンの熱が周辺空気中に拡散する。このため、上記放熱器においては、複数のフィンを延設し、隣り合うフィンにおいて対向するそれぞれのフィン基部の側面に複数の熱拡散突起を設けることが望ましい。このように、フィン間の熱対流空間内に複数の熱拡散突起を設けることにより、放熱面積の拡大を通じて効率よく周辺空気中への熱拡散を行うことができる。
【0019】
なお、発熱体への放熱器の設置態様によってフィン基部の側面に対する熱拡散突起の配列を変更することが望ましい。上述のように、自然空冷式の放熱器においてはフィン間の熱対流によって周辺空気中への熱拡散が行われる。例えば、ベース部の伝熱面が水平に近い場合、熱の移動がフィンの根元部から先端部に向かって生じる。このため、フィンの延伸方向に沿った空気の流れを阻害しないように熱拡散突起を設けることが望ましい。
【0020】
一方、ベース部の伝熱面が鉛直に近い場合には、熱の移動がフィンを横断するように生じるため、フィンの延伸方向と直交する方向に沿った空気の流れを阻害しないように熱拡散突起を設けることが望ましい。このように放熱器の設置態様に応じて熱拡散突起を配置することにより、熱の移動がスムースに行われるようになり、周辺空気中への熱拡散を効率的に行うことができる。
【0021】
ところで、フィン基部の表面に熱拡散突起を設けると、その部分だけフィンの厚さが厚くなる。フィンが設けられている部位と設けられていない部位とでフィンの厚さが変わるため、フィンの内部において局所的な熱の集中が生じる可能性がある。そこで、上記放熱器においては熱拡散突起を、フィン基部の側面に対して周期的に形成することが望ましい。熱拡散突起を周期的に形成することにより、すなわち熱拡散突起を、ほぼ一定の間隔で繰り返して形成することにより、フィンにおける局所的な熱の集中を抑制できる。よって、放熱器の放熱性能を向上させることができる。
【0022】
上記放熱器においては、複数のフィンを備え、熱拡散突起を、対向するフィン基部の側面のそれぞれに、互いに位相が180°ずれた状態で形成することが望ましい。
【0023】
ベース部に複数のフィンを延設した場合、フィン同士は互いに対向する状態となる。。対向するフィン基部の側面のそれぞれに、互いに位相が180°ずれた状態で熱拡散突起を設けることにより、フィン間に形成される熱対流空間の厚さが略均一となる。このため、熱の移動経路が良好に確保されるため、周辺空気中への熱拡散をより効率的に行うことができる。
【0024】
また、本発明に係る放熱器は、発熱体に接する受熱面および当該受熱面に対向する伝熱面を有するベース部と、上記伝熱面に延設されたフィンとを備え、ベース部およびフィンのいずれか一つまたは両方の内部に形成された流路を有する。
【0025】
発熱体から放出された熱はベース部に伝達する。流路内に作動流体を流動させることにより、ベース部に伝達した熱は作動流体によって放熱器外へ輸送される。このため、フィンから周辺空気中への熱拡散に加えて作動流体による熱輸送が加わり、発熱体にて発生した熱の放熱をより効率的に行うことができる。なお、作動流体は一般的には液体や気体を指すが、液体と気体が混ざったものやこれらに微量の固体が混ざった混相流体のように特殊な流体を含むものとする。
【0026】
上記放熱器においては上記流路を、ベース部の内部においては受熱面に近接した位置に配設し、フィンの内部においてはフィンの延伸方向と直交する方向に蛇行した態様で配設することが望ましい。
【0027】
流路内に作動流体が流入すると、発熱体から放熱された熱がベース部の受熱面を介して流路内の作動流体に伝達される。その後、フィンの内部に設けられた流路内を作動流体が流動することで作動流体の有する熱がフィンに伝達される。フィン内部の流路はフィンの延伸方向と直交する方向に蛇行している。このため、作動流体の有する熱はフィン内部に満遍なく伝達され、フィンの熱拡散突起を通じて周辺空気中に効率よく拡散される。したがって、フィンから周辺空気中への熱拡散と作動流体による熱輸送とを一層効率よく行うことができる。
【0028】
上記放熱器において前記流路は、その内面にめっき皮膜を有することが望ましい。導体以外の素材にもめっき皮膜を形成することのできるめっき処理として、例えば無電解めっきが知られている。無電解めっきは、素材をめっき液に浸漬することによって均一なめっき皮膜を形成する成膜方法である。無電化めっきによれば、金属材料はもちろんのこと、合成樹脂材料にもめっき皮膜を形成することができる。浴種としては熱伝導率の高いものが望ましい。例えば、無電解金めっき、無電解銀めっき、無電解銅めっき等がある。本発明の放熱器において流路内面に無電解めっき、例えば無電解銅めっきを施すことにより、放熱器の放熱性能を向上させることができる。なお、めっき液の温度や浸漬時間等のめっき条件によりめっき皮膜の膜厚を制御できることから、放熱器の放熱性能に応じてめっき厚を決定することが望ましい。
【0029】
上記放熱器はその表面全体にめっき皮膜を有することが望ましい。例えば、放熱器全体に無電解めっきを施すことにより、放熱器を大型化させることなく、放熱器の放熱性能を一層向上させることができる。なお、めっき皮膜は無電解めっきによる皮膜に限定されるものではなく、熱伝導率の高いめっき皮膜であればめっき処理方法は限定されない。
【発明の効果】
【0030】
本発明の放熱器によれば、フィンに形成された熱拡散突起によってフィンの表面積が拡大するため、フィンの熱拡散性能が向上し、小型・軽量でありながらも放熱性能の高い放熱器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
(【0031】以降は省略されています)

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