JP6503224B2

JP6503224B2 - ヒートシンク

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Publication number: JP6503224B2
Application number: JP2015101865A
Authority: JP
Inventors: 秀満渡邉; 泰之渡邉; 剛文渡邉
Original assignee: APS JAPAN CO Ltd
Current assignee: APS JAPAN CO Ltd
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: CN106168364A; US20160341492A1; JP2016219575A; CN106168364B; US10297524B2

Description

本発明は、冷却対象物に取り付けられ、該冷却対象物から伝わる熱を空気中に放熱するヒートシンクに関する。

この種のヒートシンクとしては、従来、冷却対象物に密着固定される良熱伝導性材料よりなる支持板と、該支持板に立設される良熱伝導性材料よりなる複数の板状、柱状、筒状のフィンとを備え、冷却対象物から支持板に伝わった熱をフィン表面から空気中に放熱するように構成したものが提供されている（例えば、特許文献１、２参照）。例えば近年、ＬＥＤ照明が広く普及し、倉庫用の照明など高出力のものも提供されている。出力が上がると発熱量も大きくなり、熱で寿命が低下しやすいＬＥＤ素子を保護するためヒートシンクの放熱性能の向上がより求められている。

ヒートシンクの大型化を回避しつつ放熱性能を向上させるためには、フィンの数を増やすことが考えられる。フィンを増やすと放熱面積が増大するため、放熱性能の向上が期待できる。しかしながら、フィンを増やすとこれを支持する支持板の強度が低下し、これによりフィンの支持強度も低下してしまうという問題がある。また、フィンが密集するとフィンの間に熱気が溜まり、特に基端側の支持板近くに熱気が溜まって冷却対象物からの吸熱性も低下してしまい、放熱性能の向上に一定の限界が生じる。別途、ファン等の送風手段を設けてフィンの間の熱気を強制的に放熱することもできるが限界があり、重量化やスペースなどの関係でこのような送風手段を設けられないものもある。

特開２０１３−１７５４５０号公報特開２０１４−７８５６３号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、放熱性能をより高めることができるヒートシンクを提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、冷却対象物に対して隙間を確保した状態に固定される良熱伝導性材料よりなる支持本体と、該支持本体に立設され、良熱伝導性材料よりなる単又は複数の筒状体とを備え、前記筒状体が、先端に内外開放された開口部を有するとともに、基端側の側壁に内外連通させる貫通口を設けてなり、前記筒状体を、基端側が前記支持本体を貫通して前記隙間に突出し、前記貫通口が該隙間に開口するとともに、先端側が前記支持本体の前記隙間と反対側の面上にも突出した状態に立設し、前記冷却対象物からの熱を含む隙間内の雰囲気を、前記貫通口を通じて筒状体の内部に流入させ、該筒状体の内部空間を流通させたうえ、先端の開口部から外部に放出可能としたことを特徴とするヒートシンクを提供する。

ここで、前記筒状体の基端を冷却対象物に当接する状態に固定したものが好ましい。

また本発明は、冷却対象物が固定される良熱伝導性材料よりなる支持本体と、該支持本体に立設された単又は複数の良熱伝導性材料よりなる筒状体とを備え、前記筒状体が、先端に内外開放された開口部を有するとともに、基端側の側壁に内外連通させる貫通口を設けてなり、前記筒状体を、前記貫通口を有し且つ前記支持本体に固定される基端側の筒体と、前記開口部を有する先端側の筒体とを含む、少なくとも２つ以上の筒体を内部空間が連通した状態で軸方向に連結して構成し、前記支持本体から放射された熱を含む雰囲気を、前記貫通口を通じて筒状体の内部に流入させるとともに、該筒状体の内部空間を流通させたうえ、先端の開口部から外部に放出可能としたことを特徴とするヒートシンクをも提供する。

ここで、基端側の筒体の外径を先端側の筒体よりも小径に設定するとともに、基端側の筒体を先端側の筒体よりも熱伝導性の高い材料で構成したものが好ましい。

さらに、先端側の筒体の外周面に、軸方向に沿って延びる突条部を周方向に間隔をおいて複数設けたものが好ましい。

また、筒体同士の連結を、拡管カシメで互いにの端部同士を固定することにより連結したものが好ましい。

また、前記支持本体を、プレス加工により前記筒状体をカシメ固定する支持板より構成したものが好ましい。

特に、支持板に筒状体を挿入して固定するための取付穴を設け、該取付穴の内周縁に沿ってバーリング加工により厚肉部を形成し、筒状体を前記取付穴に挿入した状態において厚肉部を軸方向から圧縮プレス加工し、該厚肉部を取付穴中心方向に塑性変形させて筒状体の外周面に圧着させることによりカシメ固定したものが好ましい。

以上にしてなる本願発明に係るヒートシンクは、筒状体が、先端に内外開放された開口部を有するとともに、基端側の側壁に内外連通させる貫通口を設けてなり、前記筒状体を、基端側が前記支持本体を貫通して前記隙間に突出し、前記貫通口が該隙間に開口するとともに、先端側が前記支持本体の前記隙間と反対側の面上にも突出した状態に立設したので、従来のように支持本体を冷却対象物に密着させる構造に比べて筒状体を比較的自由に立設でき、設計の自由度が高まるとともに、冷却対象物の熱は支持本体及び筒状体を通じて外部に放熱するとともに、特に、支持本体と冷却対象物との間の隙間内の熱についても、貫通口から筒状体の内部空間に取り込み、先端側への熱流となって該先端の開口部から外部へ効率よく排熱することができ、その過程でも筒状体の周壁を通じて外部へ熱が排熱させ、筒状体の数を増大させるまでもなく優れた放熱効果を備えたヒートシンクとすることができる。

また、筒状体の基端を冷却対象物に当接する状態に固定したので、筒状体が途中部を支持本体に固定されるとともに基端が冷却対象物に当接した安定した姿勢となり、筒状体の支持強度を向上させ、筒状体の素材、外径、肉厚寸法等についても選択の幅が広がり、設計の自由度が向上する。

また、筒状体を、貫通口を有し且つ支持本体に固定される基端側の筒体と、開口部を有する先端側の筒体とを含む、少なくとも２つ以上の筒体を内部空間が連通した状態で軸方向に連結して構成し、前記支持本体から放射された熱を含む雰囲気を、前記貫通口を通じて筒状体の内部に流入させるとともに、該筒状体の内部空間を流通させたうえ、先端の開口部から外部に放出可能としたので、筒状体を構成する複数の筒体の材料や構造を異なるものとして各位置に応じた構成とすることが可能となり、筒状体の数を増大させるまでもなく、コストを抑えつつ優れた放熱性を有する構造とすることが可能となる。

また、基端側の筒体の外径を先端側の筒体よりも小径に設定するとともに、基端側の筒体を先端側の筒体よりも熱伝導性の高い材料で構成したので、支持本体に固定される基端側の筒体の外径を先端側の筒体よりも小さくしてこれを固定する支持本体自体の強度低下（カシメ固定用の穴が大きいと強度が低下する。）を防止しつつ、筒状体内部空間を維持するために肉厚が薄くなってしまう点については、素材としてより熱伝導性の高いものを選択し、支持本体からの熱の吸熱効果を補完し、優れた吸熱性、熱伝導性を維持することができる。

さらに、先端側の筒体は、例えば、熱伝導性が筒体よりも低いが値段の安い材料を選択し、大径の寸法として断面積を維持することが可能である。特に、例えば高価な材料で構成される基端側の筒体を支持本体に固定される部位、貫通口を設ける部位、筒体が連結される部位を有する最小限の長さとし、他を比較的安価な材料で構成される筒体で構成することができ、これにより上記のとおり吸熱性、熱伝導性を高めつつ低コスト化を図ることが可能となる。

また、先端側の筒体の外周面に、軸方向に沿って延びる突条部を周方向に間隔をおいて複数設けたので、表面積が大きくなり放熱性が高まる。これにより内部空間に取り込まれた熱気が先端側へ流通する過程で管壁を通じて外部に放熱させる効果を高めることができる。この結果、筒状体内部空間の熱気の流通がより促進され、これにより基端側における熱気の取り込み、先端側への移動、及び放出といった一連の放熱効果をより高めることができる。

また、筒体同士の連結を、拡管カシメで互いにの端部同士を固定することにより連結したので、接着剤等に比べて両者の間の連結強度、熱伝導性をより高めることができ、製造も効率化することができる。

また、支持本体を、プレス加工により筒状体をカシメ固定する支持板より構成したので、同じく接着剤等に比べて両者の間の連結強度、熱伝導性をより高めることができ、製造も効率化することができる。

また、支持板に筒状体を挿入して固定するための取付穴を設け、該取付穴の内周縁に沿ってバーリング加工により厚肉部を形成し、筒状体を前記取付穴に挿入した状態において厚肉部を軸方向から圧縮プレス加工し、該厚肉部を取付穴中心方向に塑性変形させて筒状体の外周面に圧着させることによりカシメ固定したので、支持板の厚肉部内面と筒状体の外周面との接触面積が大きく、これにより支持強度の向上とともに支持板が吸収した熱を筒状体側へ効率よく伝熱することができ、放熱効果をより高めることができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図。同じくヒートシンクを冷却対象物側から見た斜視図。同じくヒートシンクの断面図。同じくヒートシンクの筒状体を示す斜視図。同じく筒状体を支持本体（支持板）にカシメ固定する手順を示す説明図。本発明の第２実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図。同じくヒートシンクの断面図。（ａ）は同じくヒートシンクの筒状体を示す斜視図、（ｂ）は筒状体を構成する筒体同士の接合方法を示す縦断面図。本発明の第３実施形態に係るヒートシンクを示す斜視図。同じくヒートシンクを冷却対象物側から見た斜視図。同じくヒートシンクの断面図。（ａ）は同じくヒートシンクの筒状体を示す斜視図、（ｂ）は筒状体を構成する筒体同士の接合方法を示す縦断面図。同じく筒状体を支持本体（支持板）にカシメ固定する手順を示す説明図。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。尚、以下の各実施形態では本発明に係るヒートシンクをＬＥＤ照明装置のＬＥＤ基板が発する熱を放熱するための構造に適用した例について説明するが、本発明はこのようなＬＥＤ照明装置のヒートシンクに何ら限定されるものではなく、例えばパワーアンプ等のパワーＩＣ、各種電子回路や電子・電機機器のヒートシンクなど、種々の物のヒートシンクとして広く適用することができ、用途に応じて具体的な形状、寸法、材料等を適宜選択することができる。

まず、図１〜図５に基づき、本発明の第１実施形態を説明する。

本実施形態のヒートシンク１は、図１〜図３に示すように、良熱伝導性材料よりなる支持本体２と、該支持本体２に立設された単又は複数の良熱伝導性材料よりなる筒状体３とを備え、支持本体２は冷却対象物９に対して隙間ｓ１を確保した状態に固定されている。これら支持本体２や筒状体３の良熱伝導性材料としては、例えばアルミニウム、銅、鉄などの金属材料が好ましい。

冷却対象物９は、本例ではＬＥＤ照明装置を構成するＬＥＤ基板９１と該ＬＥＤ基板９１が取り付けられる金属製の筐体プレート９０であり、筐体プレート９０のＬＥＤ基板９１と反対側の面に支持本体２が固定され、支持本体２の当該固定面２０と反対側の面２１に筒状体３が立設されている。勿論、熱源であるＬＥＤ基板９１を支持本体２に直接固定してもよい。

支持本体２は、プレス加工により筒状体３をカシメ固定することのできる金属製の支持板４より構成されている。支持板４は対向する端辺に断面視略Ｌ字状の脚部４２が設けられており、該脚部４２により筐体プレート９０の上記ＬＥＤ基板９１と反対側の面に隙間ｓ１を維持した状態に固定されている。支持本体２と冷却対象物９との固定手段、本例では脚部４２の筐体プレート９０への固定手段は、ネジ止め、ピン止めのほか、接着剤、はんだ付け、ろう付け、溶接等による接合など、種々の固定手段を広く適用できる。

筒状体３の支持板４によるカシメ固定の構造は、より具体的には、図５に示すように、支持板４に筒状体３を挿入して固定するための取付穴４０を設け、該取付穴４０の内周縁に沿ってバーリング加工により厚肉部４１を形成し、筒状体３を取付穴４０に挿入した状態において厚肉部４１を軸方向から圧縮プレス加工し、該厚肉部４１を取付穴中心方向に塑性変形させて筒状体３の外周面に圧着させることによりカシメ固定される。

このようなカシメ固定の構造によれば、支持板４の厚肉部４１内面と筒状体３の外周面との接触面積を稼ぐことができ、支持強度の向上とともに支持板４が吸収した熱を筒状体３側へ効率よく伝熱することができ、放熱効果を高めることができる。このようなカシメ固定の構造は、支持板４が金属材料で構成される必要があるが、筒状体３は金属材料以外の材料、例えば高熱伝導性樹脂からなるものでも可能となる。

筒状体３は、先端に内外開放された開口部３ａを有するとともに、基端側の側壁に内外連通させる貫通口３ｂが設けられている。より具体的には、筒状体３の基端側が支持板４を貫通して隙間ｓ１に突出し、基端３ｃが冷却対象物に当接する状態とされている。筒状体３の先端側は、支持板４の前記冷却対象物９と反対側の面２１から突出した状態に立設されている。

そして、貫通口３ｂは、カシメ固定部分３０と基端３ｃとの間の位置３２、すなわち隙間ｓ１の空間に開口する位置に設けられている。本例では、貫通口３ｂは図１２に示すように基端３ｃに開放された切欠き溝として構成されている。

本実施形態の構成によれば、冷却対象物９の熱はこれに当接する筒状体３に直接伝わり、該筒状体３及び支持板４を通じて外部に放熱されるとともに、支持板４と冷却対象物９（筐体プレート９０）との間の隙間ｓ１に籠る熱は筒状体３の貫通口３ｂから筒状体３の内部空間に取り込まれ、先端側への熱流となって該先端の開口部３ａから外部へ効率よく排熱、並びにその過程で筒状体３の周壁を通じて外部へ排熱される。

また、本実施形態では、支持板４で筒状体３の途中部を固定し、基端３ｃを冷却対象物９に当接させる構造であるので、筒状体３の支持強度は著しく向上する。勿論、基端３ｃを冷却対象物９に当接させずに浮かして構成することも可能である。

筒状体５は、本例では円筒形状であるが、断面視円形に何ら限定されず、楕円形や方形、多角形、その他の形状でも勿論可能である。また、異なる材料からなる内外二重管、三重以上の管とすることもできる。

次に、図６〜図８に基づき、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態のヒートシンク１Ａは、図６〜図８に示すように、筒状体３を、貫通口３ｂを有し且つ支持本体２に固定される基端側の筒体５と、先端に開口部３ａを有する先端側の筒体６とを含む２つ以上の筒体を内部空間が連通した状態で軸方向に連結して構成したものである。このような連結した構造とすることで筒体の材料や構造を異なるものとして各位置に応じた構成とすることが可能となる。

本実施形態では、支持本体２（支持板４）に固定される基端側の筒体５の外径を先端側の筒体よりも小さくしてこれを固定する支持本体２自体の強度低下（カシメ固定用の穴が大きいと強度が低下する。）を防止しつつ、内部空間を維持するために肉厚が薄くなってしまう点については、素材としてより熱伝導性の高いものを選択し、支持本体２からの熱の吸熱効果を補完している。

また、先端側の筒体６は、熱伝導性が筒体５よりも低いが値段の安い材料を選択し、熱伝導性を補完するべく筒体５の端部に外嵌する大径の寸法とし、断面積を維持している。特に、高価な材料で構成される筒体５を支持本体２（支持板４）に固定される部位、貫通口３ｂを設ける部位、筒体６が連結される部位を有する最小限の長さとし、他を比較的安価な材料で構成される筒体６で構成することで、上記のとおり熱伝導性を高めつつ低コスト化を図ることが可能となるのである。

筒体５と筒体６の連結は、本例では上記のとおり筒体５の端部に筒体６の端部を外嵌した構造であり、図８（ｂ）に示すように嵌合された部分の筒体５端部を拡径変形させてカシメ結合させる拡管カシメにより互いに密着固定され、両者の間の優れた連結強度と熱伝導性が維持されている。本例の筒体５は、支持板４によるカシメ固定、並びに筒体６との拡管カシメの双方に有利な円筒形状とされている。

また、先端側の筒体６は、表面積を大きくして放熱性を高めるべく外周面に軸方向に沿って延びる突条部６１を周方向に間隔をおいて複数設けた凹凸表面６０を有する構造とされている。これにより内部空間に取り込まれた熱気が先端側へ流通する途中で筒体６の管壁を通じて外部に放熱される効果を高めることができ、結果、内部空間における熱気の流通がより促進され、隙間ｓ１にたまる熱気の取り込み、先端側への移動、放出による放熱効果を高めることができる。

筒体６の内周面は、上記筒体５との拡管カシメにおいて互いの内外周面同士で密着させることで熱伝導性を高めるべく凹凸のない面とされているが、この連結部分を除く部位あるいはすべての部位を同様の凹凸表面で構成し、内部空間に取り込んだ熱気を先端側へ流通させる過程で効率よく筒体６の内周面から吸熱し、外周面から外部へ放熱させるように構成してもよい。

筒体５、６は、本例では基本的に円筒形状であるが、断面視円形に何ら限定されず、楕円形や方形、多角形、その他の形状でも勿論可能である。また、異なる材料からなる内外二重管、三重以上の管とすることもできる。

筒体５の支持本体２（支持板４）へのカシメ固定、筒体５、６同士の拡管カシメ連結の手順は、いずれを先にしてもよく、筒体５を支持板４にカシメ固定してから筒体６を拡管カシメにより固定することもできるし、筒体６がすでに拡管カシメにより連結された筒体５を支持板４にカシメ固定することもできる。

本例では二つの筒体５、６を互いに連結したものであるが、間に一つ以上の筒体を介在させた三つ以上の筒体で連結構成したものでも勿論よい。その他の構成、変形例等については基本的には上記第１実施形態と同様であり、同一構造については同一符号を付してその説明を省略する。

次に、図９〜図１３に基づき、本発明の第３実施形態を説明する。

本実施形態のヒートシンク１Ｂは、図９〜図１１に示すように、支持本体２が冷却対象物９対して隙間をあけることなく密着した状態に固定されている。具体的には、筒状体３が固定された支持本体２としての支持板４の該筒状体３の立設面と反対側の面を冷却対象物９である筐体プレート９０に面接触状態で固定されている。これによりＬＥＤ基板９１から筐体プレート９０に伝わった熱が支持板４に効率よく移動し、後述のように支持板４の表面及び筒状体５を通じて効率よく放熱されることとなる。

筒状体３は、第２実施形態と同様、貫通口３ｂを有し且つ支持本体２（支持板４）に固定される基端側の筒体５と、先端に開口部３ａを有する先端側の筒体６とを含む２つ以上の筒体を内部空間が連通した状態で軸方向に連結して構成したものである。

本実施形態では、筒体５がその基端３ｃを支持板４の一方の面（冷却対象物９に固定される側の面である固定面２０）から突出させることなく、該支持板４内にカシメ固定され、支持板４の他方の面２１側にのみ突出した状態に設けられている。支持板４が筐体プレート９０から吸熱した熱は、他方の面２１の表面から空気中に放熱されるとともに筒体５に伝熱し、筒体６を含む筒状体３から空気中に放熱される。

筒体５の支持板４によるカシメ固定の構造は、具体的には、図１３に示すように、支持板４に筒体５を挿入して固定するための取付穴４０を設け、該取付穴４０の内周縁に沿ってバーリング加工により厚肉部４１を形成し、筒体５を取付穴４０に挿入した状態において厚肉部４１を軸方向から圧縮プレス加工し、該厚肉部４１を取付穴中心方向に塑性変形させて筒状体３の外周面に圧着させることによりカシメ固定される。

このようなカシメ固定の構造によれば、支持板４の厚肉部４１内面と筒体５の外周面との接触面積を稼ぐことができ、支持強度の向上とともに支持板４が吸収した熱を筒体５側へ効率よく伝熱することができ、放熱効果を高めることができる。このようなカシメ固定の構造は、支持板４が金属材料で構成される必要があるが、筒体５は金属材料以外の材料、例えば高熱伝導性樹脂からなるものでも可能となる。

また、支持板４の他方の面２１の表面近く、すなわち筒体５の根元付近の空気は、放熱された熱により高温となるが、この熱気は後述するように筒体５の貫通口３ｂから内部に取り込まれ、筒体６の先端の開口部３ａから放出されることとなる。すなわち、筒状体３は、先端側表面からの熱を放熱するとともに、当該根元付近の熱を内部に取り込んで先端開口部から外部に排出し、放熱効果を著しく高める構造とされている。

貫通口３ｂは、支持板の表面２１側における筒体５の基端部のカシメ固定部分３０に隣接する位置３１に開口するように設けられている。これにより、支持板４の表面２１近くの熱気を当該貫通口３ｂを通じて効率よく内部空間に取り込み、該内部空間の熱の偏りによって生じる先端側へ向けた気流となって移動し、その過程で筒状体３（筒体５、６）の内壁から外部へと放熱されつつ、開口部３ａから外部に放出されることとなる。

したがって、このような筒状体３を密集させて放熱効果を高めつつ、密集させることによって基端側の支持部材表面近くに籠りがちな熱気も、ファンなどの強制的な送風手段を設けなくても、当該筒状体３の内部空間を通じて先端側へ効率よく排熱させることができ、放熱効果に優れたヒートシンクを低コストに実現することが可能となる。

その他の構成、変形例等については基本的には上記第１実施形態と同様であり、また、特に筒状体の構成、変形例については基本体には上記第２実施形態と同様であり、同一構造については同一符号を付してその説明を省略する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、更にファンなどの強制的な送風手段を組み付けたものなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂヒートシンク
２支持本体
３筒状体
３ａ開口部
３ｂ貫通口
３ｃ基端
４支持板
５、６筒体
９冷却対象物
２０、２１面
３０固定部分
３１、３２位置
４０取付穴
４１厚肉部
４２脚部
６０凹凸表面
６１突条部
９０筐体プレート
９１基板
ｓ１隙間

Claims

冷却対象物が固定される良熱伝導性材料よりなる支持本体と、
該支持本体に立設された単又は複数の良熱伝導性材料よりなる筒状体とを備え、
前記筒状体が、先端に内外開放された開口部を有するとともに、基端側の側壁に内外連通させる貫通口を設けてなり、
前記筒状体を、前記貫通口を有し且つ前記支持本体に固定される基端側の筒体と、前記開口部を有する先端側の筒体とを含む、少なくとも２つ以上の筒体を内部空間が連通した状態で軸方向に連結して構成し、
前記支持本体から放射された熱を含む雰囲気を、前記貫通口を通じて筒状体の内部に流入させるとともに、該筒状体の内部空間を流通させたうえ、先端の開口部から外部に放出可能としたことを特徴とするヒートシンク。
基端側の筒体の外径を先端側の筒体よりも小径に設定するとともに、基端側の筒体を先端側の筒体よりも熱伝導性の高い材料で構成してなる請求項１記載のヒートシンク。
先端側の筒体の外周面に、軸方向に沿って延びる突条部を周方向に間隔をおいて複数設けてなる請求項１又は２記載のヒートシンク。
筒体同士の連結を、拡管カシメで互いの端部同士を固定することにより連結してなる請求項１〜３の何れか１項に記載のヒートシンク。
前記支持本体を、プレス加工により前記筒状体をカシメ固定する支持板より構成してなる請求項１〜４の何れか１項に記載のヒートシンク。
支持板に筒状体を挿入して固定するための取付穴を設け、該取付穴の内周縁に沿ってバーリング加工により厚肉部を形成し、筒状体を前記取付穴に挿入した状態において厚肉部を軸方向から圧縮プレス加工し、該厚肉部を取付穴中心方向に塑性変形させて筒状体の外周面に圧着させることによりカシメ固定してなる請求項５記載のヒートシンク。