JPH0669385A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 限られたスペースで対流入力面面積占有率と
対流出力面面積占有率を最適な関係とし、最も効率のよ
い冷却効果が得られるヒートシンクとする。 【構成】 放熱プレート14と複数の放熱ピン10を備える
ヒートシンクにおいて、対流入力面面積占有率（Ｓｉ）
と対流出力面面積占有率（Ｓｏ）、全放熱ピンの表面積
合計（Ｓ）、全放熱ピンの熱抵抗（Ｒｐ）より数１Ｆ＝
（Ｓｏ×Ｓ）／（Ｓｉ×Ｒｐ）で放熱効果係数（Ｆ）を
求め、これにより前記放熱ピン10の数と大きさ、形状を
決定する。また前記放熱ピン10はヒートパイプを使用し
てもよく、放熱ピン10に設ける放熱フィンは前記放熱ピ
ン10の先端より低い位置に設けてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特に集積回路等に用
いられる電子素子の放熱を行なうヒートシンクに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等の電子装置用集積回路で
は近年ますます大量の情報を処理するために高速応答性
および高集積化が要求されている。これに伴い集積回路
の消費電力密度が増大し、実装時の回路構成素子の放熱
技術がきわめて重要になってきている。前記放熱技術に
は、例えば回路構成素子にヒートシンクを設け、これに
対流（風）を与える方法がある。

【０００３】周知のごとく従来のヒートシンクの１例と
して図１１と１２に示すように、アルミニウム等金属材
料で構成される放熱プレート14に金属材料等で構成され
る放熱ピン10が複数個取り付けられているものがある。

【０００４】図１２は図１１のＡ−Ａ断面を矢印方向に
見た図で、前記対流はこの図１２の上部から矢印が示す
ように放熱ピン10に与えられ（入力）、放熱プレート14
の上面に沿って抜け出ている（出力）。

【０００５】図１１においては前記放熱プレート14の下
方部には被冷却物（図示なし、例えばマルチチップモジ
ュール）の上面部が配置され、ここから発する熱は放熱
プレート14の底面を介し放熱ピン10に伝えられ、これら
により放熱されている。

【０００６】またこの放熱プレート14にはヒートシンク
を被冷却物に取り付ける取り付け穴25が設けられてい
る。

【０００７】図１１に示すような従来のヒートシンク10
において強制対流下で寸法ａとｂ、ｃ、ｈを換えること
なく放熱能力を向上させるには、放熱ピン10の表面積を
大きくするか、放熱ピン10の放熱抵抗を小さくすること
が一般に知られている。

【０００８】具体的に前記「放熱ピン10の表面積を大き
くする」とは、例えば図５に示すように設置される放熱
ピン10全てにアルミニウム等金属材料で構成される放熱
フィン（以下単に「フィン」と呼ぶ）12を設けるか、ま
たは図７に示すように放熱ピン10にフィン12を設けない
でこの本数を増加させるということであり、「放熱ピン
の放熱抵抗を小さくする」とは、例えば図９に示すよう
に放熱ピン10にフィン12を設けないで放熱ピン10の断面
積を大きくするということである。

【０００９】また例えば図５に示すように放熱ピン10に
フィン12を設ければ、対流方向を限定しないで放熱面積
が多く得られる。

【００１０】なお図６と８、１０は、それぞれ図５と
７、９のヒートシンクをＡ−Ａ断面で矢印方向に見た図
であり、図１２と同様に対流はそれぞれ図６と８、１０
の上部から矢印が示すように放熱ピン10に入力され、放
熱プレート14の上面に沿って出力されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】コンピュータ等の電子
装置用集積回路にヒートシンクを取り付ける場合、この
取り付けスペースは例えば図１１に示す寸法ａとｂ、
ｃ、ｈで固定されてしまうためこれ以上のスペースを確
保することは期待できない。

【００１２】従って上述した、放熱ピン10全てにフィン
12を設ける場合、及び放熱ピン10にフィン12を設けない
でこの断面積を必要以上に大きくする場合では放熱面積
は増加するが、放熱プレート14の限られた面積中では放
熱ピン10の数を減らすことになり、この結果熱抵抗を増
加させてしまうことがある。

【００１３】さらにフィン12を設ける、または放熱ピン
10自体が大型化するために対流入力面面積占有率（対流
がぶつかる放熱プレート14の面積に対する冷却部10の面
積の比）が大きくなる場合があり、このため対流を有効
に利用できなくなる。

【００１４】換言すれば、限られた放熱プレート14面積
にフィン12または放熱ピン10が必要以上に密集した場
合、「風通し」が悪くなりヒートシンクの放熱能力を低
下させる。

【００１５】またフィン12を設ける代わりに放熱ピン10
の数を増加させる場合では放熱面積は増加するが、必然
的に放熱ピン10の個々の断面積を小さくしなければなら
ず、周知のごとく放熱ピン10では個々の断面積を小さく
するにしたがって放熱機能が低下し、前記断面積を小さ
くした代わりに放熱ピン10の数を増加できてもこれに見
合った放熱効果は得られない。

【００１６】さらにフィン12が設けられていないため対
流出力面面積占有率（対流が抜け出る放熱プレート14の
面積に対する冷却部10の面積の比）があまり大きな値に
ならず、対流を有効に使えない。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本発明では、放熱プレートに取り付ける放熱ピン
を対流入力面面積占有率と対流出力面面積占有率、前放
熱ピンの表面積合計、前放熱ピンの熱抵抗より、ヒート
シンク取り付けスペースに最適な大きさと数を算出す
る。

【００１８】また前記放熱ピンにフィンを設ける場合
は、対流入力面面積占有率を考慮し風通しの良いフィン
形状とすると共に、放熱ピンの先端より低い位置に設け
てもよい。さらに前記放熱ピンは後述のヒートパイプを
使用することも考えられる。

【００１９】

【作用】上記手段で対流入力面面積占有率と対流出力面
面積占有率が最適な関係になり効率のよい冷却効果が得
られるヒートシンクを得ることができる。

【００２０】また前記放熱ピン10を後述のヒートパイプ
とし、放熱ピン10に設けるフィンを対流入力面面積占有
率を考慮し風通しの良い形状とすると共に、前記フィン
を放熱ピンの先端より低い位置から設ければ、より一層
対流入力面面積占有率を小さくでき、効率のよい冷却効
果が得られるヒートシンクになる。

【００２１】

【実施例】図１に本発明の実施例を、また図２に図１の
ヒートシンクをＡ−Ａ断面で矢印方向に見た図を示す。
図１と２において、アルミニウム等金属材料で構成され
る放熱プレート14に放熱ピン10が固定され、この放熱ピ
ン10には対流入力面面積占有率を考慮した風通しの良い
形状を持つフィンを備える放熱ピン（以下「フィン付き
放熱ピン11」と呼ぶ）がいくつか含まれている。

【００２２】また本発明では、対流は図２の上部から矢
印が示すように放熱ピン10に入力され、放熱プレート14
の上面に沿って出力されている。

【００２３】なおこの実施例のヒートシンクでは４イン
チ角放熱プレート14に直径３ｍｍの放熱ピン10を取り付
け、前記放熱プレート14の下方部にはマルチチップモジ
ュール（図示なし）の上面部が密着している。

【００２４】またこの放熱プレート14には、ヒートシン
クをマルチチップモジュールに取り付ける放熱プレート
取り付け穴25が設けられている。なお従来前記放熱プレ
ート取り付け穴25は放熱プレート14の４隅に配置される
ため、この放熱プレート取り付け穴25の周囲は一部分し
か放熱ピン10で覆われていないが、本発明では放熱プレ
ート取り付け穴25は周囲全体を放熱ピン10またはフィン
付き放熱ピン11で覆われる位置に配置する。

【００２５】上記実施例では放熱効果を向上させるた
め、放熱ピン10は本発明が通常の放熱ピンより有効とな
る後述のヒートパイプとする。

【００２６】前記ヒートパイプとは、密閉した容器に作
動流体と呼ばれる気体層と液体層に交互に変化し易い媒
体を封入し、その相変化の潜熱を仲介して流動によって
熱を輸送するものであり、小さな温度差で大量の熱輸送
が可能である。

【００２７】前記放熱プレート14に取り付けられる放熱
ピン10の大きさと数、フィン付き放熱ピン11の数は以下
の手段で決定すれば最も効率のよい冷却効果を得ること
ができる。

【００２８】上記手段とは、対流入力面面積占有率を
「Ｓｉ」とし、対流出力面面積占有率を「Ｓｏ」、全放
熱ピンの表面積合計（フィン付き放熱ピン11であればこ
のフィンの表面積となる）を「Ｓ」、全放熱ピンの熱抵
抗を「Ｒｐ」とし、これらにより放熱効果係数「Ｆ」を
下記の数１より求める。

【数１】Ｆ＝（Ｓｏ×Ｓ）／（Ｓｉ×Ｒｐ） ここで「Ｓｉ」と「Ｓｏ」は、それぞれ下記に示す数２
と数３によりより求められる。

【数２】Ｓｉ＝（ｉｐ×Ｎ１＋ｉｆ×Ｎ２）／（ａ×
ｂ） ここで「ｉｐ」は図１に示す放熱ピン10の上面面積で、
「ｉｆ」はフィン付き放熱ピン11の上面面積、「Ｎ１」
はフィンを持たない放熱ピン10の個数で、「Ｎ２」はフ
ィン付き放熱ピン11の個数である。

【数３】Ｓｏ＝（ｏｐ×ｎ１＋ｏｆ×ｎ２）／（ｂ×
ｈ） ここで「ｏｐ」は図３に示す放熱ピン10の側面の断面面
積で、「ｏｆ」はフィン付き放熱ピン11の側面の断面面
積、「ｎ１」は図３に示すようなヒートシンクを側面か
ら見た、１列のフィンを持たない放熱ピン10の個数で、
「ｎ２」は同様に図３に示すようなヒートシンクを側面
から見た、１列のフィン付き放熱ピン11の個数である。

【００２９】上記手段により求められる放熱効果係数
「Ｆ」とは、この値が大きいほど効率のよい冷却効果を
得るヒートシンクとなるので、この「Ｆ」が最も大きく
なるように放熱ピン10の大きさと数、フィン付き放熱ピ
ン11の数を決定すればよい。

【００３０】また上記手段よりフィン付き放熱ピン11と
持たない放熱ピン10の最適の割合が算出できるが、図１
のように取り付け穴25等により放熱プレート14に放熱ピ
ン10の配置できる範囲が制限されれば、必ずしも前記計
算結果で放熱ピン10を配置できないが、この場合は、な
るべく前記計算結果に近い割合で放熱ピン10とフィン付
き放熱ピン11を決定すればよい。

【００３１】上記実施例ではフィン付き放熱ピン11のフ
ィンはピンの全体を覆っているが、これは図３に示すよ
うにピンの先端より低い位置に設けてもよく、また前記
フィンは放熱ピン10の外形を変形し形成されているが、
これは「従来の技術」で述べたように単独の部品フィン
12として放熱ピン10を覆ってもよい。

【００３２】また上記実施例では放熱ピン10にヒートパ
イプを使用したが、これを使用しない場合は図４に示す
ように放熱ピン10及びフィン付き放熱ピン11のピン径を
細くし、対流を取り入れ易くする（対流入力面を広げ
る）ため、放熱ピン10及びフィン付き放熱ピン11全体の
上端部を放熱プレート14端面方向に曲げ広げ、これによ
りフィン付き放熱ピン11を減少もしくは無くしても数１
を満足すさせることが可能である。

【００３３】

【発明の効果】上記構成のヒートシンクを使用する、発
熱電力100から150ワットのマルチチップモジュールで
は、温度上昇が２０℃以内に抑えられることが実験で求
められており、上記手段により求められる放熱ピン10を
使用すれば、限られたヒートシンクのスペースで最高の
冷却効果が得られ、同時にヒートシンクの信頼性も向上
する。

【００３４】また放熱ピン10をヒートパイプにして、フ
ィンをピンの先端より低い位置に設ければより一層効率
のよい冷却効果が得られる。

【００３５】さらに放熱プレート取り付け穴25は周囲全
体を放熱ピン10で覆われる位置に配置すれば、より多く
の放熱ピン10へ対流を送ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示すヒートシンクの上面図
である。

【図２】 図１に示すヒートシンクをＡ−Ａ断面で矢印
方向に見た側面図である。

【図３】 フィンが放熱ピンの先端より低い位置に配置
されている本発明のヒートシンクの側面図である。

【図４】 放熱ピン全体の上端部を放熱プレート端面方
向に曲げ広げた本発明のヒートシンクの側面図である。

【図５】 放熱ピン全てにフィンを備えるヒートシンク
の上面図である。

【図６】 図４に示すヒートシンクをＡ−Ａ断面で矢印
方向に見た側面図である。

【図７】 放熱ピンの断面積を大きくしたヒートシンク
の上面図である。

【図８】 図６に示すヒートシンクをＡ−Ａ断面で矢印
方向に見た側面図である。

【図９】 従来の放熱プレートと同じ面積で放熱ピンの
数を増加させたヒートシンクの上面図である。

【図１０】 図７に示すヒートシンクをＡ−Ａ断面で矢
印方向に見た側面図である。

【図１１】 従来のヒートシンクの上面図である。

【図１２】 図１０に示すヒートシンクをＡ−Ａ断面で
矢印方向に見た側面図である。

【符号の説明】

図において同一符号は同一、または相当部分を示す。 １０ 放熱ピン １１ フィン付き放熱ピン １２ 放熱フィン １４ 放熱プレート ２５ 放熱プレート取り付け穴

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放熱プレートと複数の放熱ピンを備える
   ヒートシンクにおいて、対流入力面面積占有率（Ｓｉ）
   と対流出力面面積占有率（Ｓｏ）、全放熱ピンの表面積
   合計（Ｓ）、全放熱ピンの熱抵抗（Ｒｐ）より放熱効果
   係数（Ｆ）を求め、これにより前記放熱ピンの数と大き
   さ、形状を決定しているヒートシンク。
2. 【請求項２】 請求項１記載のヒートシンクにおいて、
   放熱ピンにヒートパイプを使用するヒートシンク。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のヒートシンク
   において、放熱フィンを放熱ピンの先端より低い位置に
   設けているヒートシンク。