JP2010098004A

JP2010098004A - ヒートシンクおよびその製造方法

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Publication number: JP2010098004A
Application number: JP2008265647A
Authority: JP
Inventors: Masaji Furukawa; 正司古川
Original assignee: SATSUMA SOKEN KK
Current assignee: SATSUMA SOKEN KK
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】冷却能力を高めることができ、また、発熱体の発熱時にヒートシンク自体を一定の温度範囲に制御することが可能な、ヒートシンクを提供する。
【解決手段】ヒートシンク本体３の放熱フィン４に対し、潜熱蓄熱材を含みかつ熱伝導性のある蓄熱樹脂ブロック５を取付け加工する。蓄熱樹脂ブロック５の周囲には防湿コート層６を設ける。さらに、ヒートシンク本体３の発熱体１に対する取付面３ａに高熱伝導性シート層７を予め印刷加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体の発熱部に取り付けるヒートシンクに係り、特に潜熱蓄熱材を利用して、その潜熱冷却効果により、冷却性能を向上させ、ヒートシンクを一定の温度範囲に制御し得る、ヒートシンクに関するものである。

近年、電子機器、特にコンピューターの性能向上は目覚しく、性能向上に伴い、コンピューターのチップやＣＰＵ等の発熱対策が重要となっている。例えば、パーソナルコンピューターでは、従来から筐体内部に空冷ファンを設けて空気の強制対流によって放熱を促進しており、近年はパーソナルコンピューターの性能向上に伴いより高性能な水冷タイプも提案されている。一方、内部のボードに実装されるチップやＣＰＵそのものを冷却するため、チップ等の発熱体の発熱部に取り付けるヒートシンクが提案されている（特許文献１参照）。

ヒートシンクは、多数の放熱フィンを付けて表面積を大きくした金属製ブロックが用いられ、発熱体の発熱部に固定されて使用され、発熱体から発生する熱を放熱フィンを介して空気中に放熱し、発熱体を冷却する仕組みになっている。

特開２００４−８９００５号公報

しかしながら、従来のヒートシンクでは、空気の自然対流による熱伝導を用いて放熱するに過ぎず、冷却能力にはおのずと限界がある。ヒートシンクの冷却能力を高めるには、放熱フィンを長く延ばして表面積を拡大し、あるいは空気の強制対流を起こさせるファンを組み合わせる方法等があるが、前者の場合、ヒートシンクを取り付けるスペースが狭い場合には難しく、後者の場合、駆動電力の増加や騒音等の問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、上記の従来手段によることなく、冷却能力を高めることができ、また、発熱体の発熱時にヒートシンク自体を一定の温度範囲に制御することが可能な、ヒートシンクを提供することを目的としている。

さらに、本発明は、製造コストに優れたヒートシンクの製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１記載のヒートシンクは、ヒートシンク本体の放熱フィンに対し、潜熱蓄熱材を含みかつ熱伝導性のある蓄熱樹脂体を取付け加工したことを特徴とする。

請求項１記載のヒートシンクによれば、発熱体から発生する熱は、その発熱部に取り付けられたヒートシンク本体に伝達され、ヒートシンク本体に設けられた放熱フィンから、放熱フィンに取り付けられた蓄熱樹脂体に吸熱される。蓄熱樹脂体では、これに含まれる潜熱蓄熱材が、相変化する際に吸収する潜熱を蓄熱する。この潜熱蓄熱材による潜熱冷却作用によって、ヒートシンク自体が強制冷却され、発熱体からの熱を吸熱するための冷却能力が向上し、また、ヒートシンク自体の温度が一定の温度範囲に制御される。

潜熱蓄熱体に蓄熱された熱は、熱伝導性樹脂によって潜熱蓄熱材から徐々に外部へ放熱される。

本発明に係る請求項２記載のヒートシンクは、前記蓄熱樹脂体が、前記潜熱蓄熱材を熱伝導性樹脂内に練り込んで板状又はブロック状に一体成形してなり、当該蓄熱樹脂体に対し前記放熱フィンの先端部側を埋設したことを特徴とする。

請求項２記載のヒートシンクによれば、潜熱蓄熱材を熱伝導性樹脂内に練り込んで板状又はブロック状に一体成形した蓄熱樹脂体を放熱フィンの先端部に当該先端部が埋設されるように取付け加工することにより、極めて簡単な構造で、潜熱蓄熱材による潜熱冷却作用によって、ヒートシンク自体を強制冷却することができる。これにより、発熱体からの熱を吸熱するための冷却能力を向上させ、また、ヒートシンク自体の温度を一定の温度範囲に制御することが可能である。板状又はブロック状の蓄熱樹脂体に対し、その硬化前に、放熱フィンの先端部を根元側へかけて埋設するように押し込んで取付け加工すればよい。取付スペースがほとんど嵩張らず、従って、発熱体に従来のヒートシンクを取り付けるスペースがあれば、蓄熱樹脂体付きのヒートシンクもその殆どが取付け可能である。

本発明に係る請求項３記載のヒートシンクは、前記潜熱蓄熱材が、３０℃〜１２０℃の範囲で、固相から液相又は液相から気相に変化する材料から構成されていることを特徴とする。

本発明に係る請求項４記載のヒートシンクは、前記潜熱蓄熱材が、氷、無機水和塩系、パラフィン系のいずれかであることを特徴とする。

本発明に係る請求項５記載のヒートシンクは、前記潜熱蓄熱材が、チオ硫酸ナトリウム水和物であることを特徴とする。

本発明に係る請求項６記載のヒートシンクは、前記熱伝導性樹脂の熱伝導率が、０．３Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特徴とする。

本発明に係る請求項７記載のヒートシンクは、前記蓄熱樹脂体が、防湿コート層で被覆されていることを特徴とする。

本発明に係る請求項８記載のヒートシンクは、発熱体の発熱部に対するヒートシンク本体の接触面に、柔軟性および密着性を有する高熱伝導性シート層を設けたことを特徴とする。

ヒートシンク本体の接触面、具体的には発熱体の発熱部へのヒートシンク本体の取付面に、前記熱伝導性シート層を設けたから、ヒートシンク本体をねじ締めあるいは押さえ付けバネ等によって、発熱体の発熱部に固定すればよい。柔軟性および密着性を有する高熱伝導性シート層が、ヒートシンク本体の取付面と発熱体の発熱部との間の凹凸を吸収して、過度の歪が発熱体にかからず、損傷することもない。また、高熱伝導性シート層は、印刷により最小厚さを容易に制御可能であるから、熱抵抗を格段に下げることが可能である。

本発明に係る請求項９記載のヒートシンクは、前記高熱伝導性シート層が、前記ヒートシンク本体の接触面に予め印刷加工されていることを特徴とする。

印刷はスクリーン印刷又はオフセット印刷でよい。これらの印刷によって、高熱伝導性シート層の厚さを、ヒートシンク本体の接触面上に最小３０ミクロンまで薄く積層することができ、熱抵抗を格段に低下させることができて、ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。

また、予めヒートシンク本体の接触面に高熱伝導性シート層を印刷加工することで、ヒートシンク本体の接触面に後から熱伝導性シートを貼り付ける煩雑な作業が不要となり、仕上げ品質にも優れる。

本発明に係る請求項１０記載のヒートシンクの製造方法は、潜熱蓄熱材を熱伝導性樹脂内に練り込んで板状又はブロック状に成形加工し、成形加工して得られた蓄熱樹脂体に対し、当該蓄熱樹脂体の硬化前に、ヒートシンク本体の放熱フィンの先端部側を埋設し、当該埋設状態で蓄熱樹脂体を硬化させることを特徴とする。

請求項１０記載のヒートシンクの製造方法によれば、ヒートシンクの放熱フィンに対し蓄熱樹脂体を容易に取付け加工することができ、ファンを組み合わせる場合等に比べると、冷却性能向上のためのコストを下げることができる。

以上説明したように、本発明に係るヒートシンクによると、発熱体から発生する熱をヒートシンクの放熱フィンを介して蓄熱樹脂体に吸熱させて、蓄熱することにより、潜熱蓄熱材による潜熱冷却作用を利用して、ヒートシンク自体を強制冷却することができ、これにより、発熱体からの熱を吸熱するための冷却能力を向上させ、また、ヒートシンク自体の温度を一定の温度範囲に制御して、冷却性能を持続させることができるという優れた効果を奏する。

また、ファン等の手段が要らないから、冷却能力の向上を図りながら、消費電力の減少を同時に図ることができ、さらに、ファン等の設置スペースも不要で省スペース化を図れ、静音効果も期待できる等の優れた効果を奏する。

また、本発明に係るヒートシンクの製造方法によれば、ヒートシンクの放熱フィンに蓄熱樹脂体を容易に取付け加工することができ、ファンを組み合わせる場合等に比べると、コストを下げながら、冷却性能の向上を図ることができるという優れた効果を奏する。

本発明を実施するための第１の実施形態を図１ないし図５を参照して説明する。図１および図２において、符号１は電子部品（発熱体）、符号２はヒートシンクである。

ヒートシンク２は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属製からなり、図１に示すように、電子部品１の発熱部に取り付けられ、ヒートシンク本体３の上面には多数の放熱フィン４が立設されている。各放熱フィン４・・・の上端部（先端部）４ａには、蓄熱樹脂ブロック（蓄熱樹脂体）５が取付け加工されている。

蓄熱樹脂ブロック５は、後述する潜熱蓄熱材を含み、電子部品１から発生する熱を、ヒートシンク本体３の各放熱フィン４を介して吸熱し、内部の潜熱蓄熱材が相変化する際に吸収する潜熱を蓄熱するようになっている。この潜熱蓄熱材による潜熱冷却作用によって、ヒートシンク２自体が強制冷却され、これにより、電子部品１からの熱を吸熱するための冷却能力が向上し、また、ヒートシンク２自体の温度を一定の温度範囲（３０℃〜１２０℃）に制御可能となっている。

蓄熱樹脂ブロック５は、潜熱蓄熱材を熱伝導性樹脂内に練り込んで板状又はブロック状に成形加工されたものである。潜熱蓄熱材の代表例として、氷（水）（Ｈ_２Ｏ）、無機水和塩系、パラフィン系が挙げられる。無機水和塩系としては、塩化カルシウム水和物（ＣａＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ）、硫酸ナトリウム水和物（Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）、チオ硫酸ナトリウム水和物（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ₃・５Ｈ_２Ｏ）、酢酸ナトリウム水和物（ＣＨ₃ＣＯＯＮａ・３Ｈ_２Ｏ）が用いられる。パラフィン系としては、Ｃ_１８Ｈ_３８、Ｃ₂₀Ｈ₄₂、Ｃ₂₂Ｈ₄₆などが用いられる。

熱伝導性樹脂は、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂を主成分とし、熱伝導性フィラー、添加剤等が含まれる。熱伝導性フィラーには炭素や炭化ケイ素等が用いられ、添加剤にはシランカップリング剤等が用いられる。配合比率は、エポキシ樹脂１００重量部に対し、イミダゾール系硬化剤１〜５０重量部、樹脂増粘剤１〜２０重量部、熱伝導性フィラーとして、炭素１〜１５０重量部、炭化ケイ素０〜２５０重量部、シランカップリング剤０〜２０重量部が配合され、さらに、潜熱蓄熱材としてチオ硫酸ナトリウム水和物（潜熱蓄熱材）１〜３５０重量部が配合される。また、シリコーン樹脂１００重量部に対しては、樹脂増粘剤１〜２０重量部、炭素１〜１５０重量部、炭化ケイ素０〜２５０重量部が配合され、さらに、潜熱蓄熱材としてチオ硫酸ナトリウム水和物（潜熱蓄熱材）１〜３５０重量部が配合される。熱伝導性樹脂の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍ・ｋ以上である。

蓄熱樹脂ブロック５の全表面には、図２に示すように、防湿コート層６が被覆加工されている。防湿コート層６は、蓄熱樹脂ブロック５内の潜熱蓄熱材が潜熱により固相から液相に変化した際に、液相が蓄熱樹脂ブロック５から排湿されるのを防止する。防湿コート層６は、エポキシ樹脂を主成分とし、熱伝導性フィラー、添加剤等が含まれる。熱伝導性フィラーには炭素や炭化ケイ素等が用いられ、添加剤にはシランカップリング剤等が用いられる。配合比率は、エポキシ樹脂１００重量部に対し、イミダゾール系硬化剤１〜５０重量部、炭素１〜１５０重量部、炭化ケイ素０〜２５０重量部、シランカップリング剤０〜２０重量部が配合される。

なお、防湿コート層６は、アルミニウム等の金属箔で蓄熱樹脂ブロック５の全表面を被服加工したものであってもよい。

ヒートシンク本体３の取付面３ａには、図１に示すように、柔軟性および密着性を有する厚さ１２０ミクロン程度の熱伝導性シート層７が予め印刷加工により設けられている。熱伝導性シート層７は、柔軟性および密着性を有して、ヒートシンク本体３の取付面３ａと電子部品１の発熱部１ａとの間の凹凸を吸収し、厚さが非常に小さいから、熱抵抗を格段に下げることが可能である。

熱伝導性シート層７は、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂を主成分とし、熱伝導性フィラー、添加剤が含まれる。熱伝導性フィラーには炭素や炭化ケイ素等が用いられ、添加剤にはシランカップリング剤等が用いられる。配合比率は、エポキシ樹脂１００重量部に対し、イミダゾール系硬化剤１〜５０重量部、炭素１〜１５０重量部、炭化ケイ素０〜２５重量部、シランカップリング剤０〜２０重量部が配合され、シリコーン樹脂１００重量部に対しては、炭素１〜１５０重量部、樹脂増粘剤１〜２０重量部が配合される。

次に、上記ヒートシンク２について、その製造手順を図３ないし図５を参照して、説明する。

まず、溶剤でエポキシ樹脂（主剤）を溶かした後のエポキシ樹脂溶液中に、所定の配合比率で、イミダゾール系硬化剤、熱伝導性フィラー（炭素、炭化ケイ素）、樹脂増粘剤、添加剤、チオ硫酸ナトリウム水和物を投入して混錬し、図３（Ａ）に示すように、得られた蓄熱樹脂溶液８を第１容器９内に流し込む。そして、図３（Ａ）から図３（Ｂ）に示すように、第１容器９内に流し込んだ蓄熱樹脂溶液８の上から、放熱フィン４の先端部４ａを下向きにして、各放熱フィン４の先端部４ａ側を所定の深さＤまで蓄熱樹脂溶液８中に含浸し、当該状態で蓄熱樹脂溶液８を硬化させる。

一定時間経過により、第１容器９内の蓄熱樹脂溶液８が硬化したら、第１容器９から、硬化してできた蓄熱樹脂ブロック５をヒートシンク２ごと取り出す。これにより、各放熱フィン４の先端部４ａ側に蓄熱樹脂ブロック５が取付け加工されたヒートシンク２が得られる。

次に、放熱フィン４の先端部４ａの蓄熱樹脂ブロック５に対し、防湿コート層６となる防湿樹脂を被覆加工する。溶剤でエポキシ樹脂（主剤）を溶かしたエポキシ樹脂溶液に対し、所定の配合比率で、硬化剤、熱伝導性フィラー（炭素、炭化ケイ素）、添加剤（シランカップリング剤）を投入・混錬し、防湿樹脂溶液１０を得る。そして、図４（Ａ）に示すように、防湿樹脂溶液１０を第２容器１１内に流し込み、ヒートシンク２の放熱フィン４の先端部４ａの蓄熱樹脂ブロック５を下にした姿勢で、図４（Ｂ）に示すように、同蓄熱樹脂ブロック５を第２容器１１内の防湿樹脂溶液１０に浸し、蓄熱樹脂ブロック５の表面全体を防湿樹脂溶液１０で被覆する。蓄熱樹脂ブロック５の周囲を防湿樹脂で完全に固める。

次に、一定時間経過により、第２容器１１内の防湿樹脂溶液１０が硬化したら、第２容器１１から、ヒートシンク２を取り出す。そして、図５に示すように、ヒートシンク２の取付面３ａに対し、熱伝導性シート層７を印刷する。印刷はスクリーン印刷で行なう。これにより、図１および図２に示すヒートシンク２が出来上がる。

本発明者は、表１の材料、配合で得られた蓄熱樹脂溶液を、２．５ｃｍ角、高さ２ｃｍの容器内に深さ約３ｍｍに注入し、２ｃｍ角、高さ３ｃｍのヒートシンクを容器内に浸し、５０℃で一日放置し、硬化させた。次に、表２の材料、配合で得られた防湿樹脂溶液を２．５ｃｍ角、高さ２ｃｍの容器内に深さ約１ｍｍに注入し、上記ヒートシンクにおける蓄熱樹脂ブロックを容器内に浸し、防湿樹脂溶液で浸されていない部分には上から同溶液を流し込み、完全にブロック周囲を被覆し、そのまま５０℃で一日放置し、硬化させた。最後に、ヒートシンク本体の取付面に表３の材料、配合で得られた熱伝導性シート用材料を１２０μの厚みにスクリーン印刷し、８０℃で３時間の熱乾燥を行ない、熱伝導性シート層を硬化させた。また、比較例として、蓄熱樹脂ブロックを備えずヒートシンクの取付面に熱伝導性シート層を印刷したものを用意した。

発熱体（１３０℃）の上面に実施例のヒートシンクと比較例のヒートシンクをそれぞれ取付け、各ヒートシンクの発熱部受取面裏側と、ヒートシンクの放熱フィンの先端側における温度変化を測定した。表４および表５にそれらの結果を示す。表４の結果によると、比較例のヒートシンクは発熱部受取面裏側の温度が６０分で１２０℃まで達するのに対し、実施例のヒートシンクは１８０分でも１００℃を下回った。また、表５の結果によると、比較例のヒートシンクは放熱フィンの先端側の温度が１８０分で１００度超まで達するのに対し、実施例のヒートシンクは１８０分でも６０度を下回った。これらの結果から、比較例に比べて、実施例のヒートシンクは、ヒートシンクから蓄熱樹脂ブロックに効果的に吸熱されていることが分かった。

また、発明者は、アルミ板の上面に表３の熱伝導性シート用材料を１２０μの厚さに塗布して熱乾燥させたものと、アルミ板の上面に市販のサーマルシートを後付けしたものを２つ用意し、それぞれの上に１３０℃の発熱体を固定し、各アルミ板の裏面温度をサーモグラフィで観察し、温度変化を測定した。表６にその結果を示す。表６の結果から、表３の熱伝導性シート層の方が熱伝導性効果に優れていることを確認できた。

本発明に係るヒートシンクは、冷却能力を高めることができ、また、発熱体の発熱時にヒートシンク自体を一定の温度範囲に制御可能なヒートシンクとして、利用可能である。

第１の実施形態を示すもので、電子部品の発熱部にヒートシンクを取り付けた状態を示す側面図、図１に示すヒートシンクの断面図、図１に示すヒートシンクの製造方法を説明するもので、（Ａ）および（Ｂ）はその製造手順を示す説明図、図１に示すヒートシンクの製造方法を説明するもので、（Ａ）および（Ｂ）はその製造手順を示す説明図、図１に示すヒートシンクの製造方法を説明するもので、製造手順を示す説明図である。

符号の説明

１電子部品（発熱体）
１ａ発熱部
２ヒートシンク
３ヒートシンク本体
３ａヒートシンク本体の取付面
４放熱フィン
４ａ放熱フィンの上端部
５蓄熱樹脂ブロック（蓄熱樹脂体）
６防湿コート層
７熱伝導性シート層
８蓄熱樹脂溶液
９第１容器
１０防湿樹脂溶液
１１第２溶液
Ｈ第１容器内の蓄熱樹脂溶液中に放熱フィンの先端部を含浸させる深さ

Claims

発熱体の発熱部に取り付けられるヒートシンクにおいて、ヒートシンク本体の放熱フィンに対し、潜熱蓄熱材を含みかつ熱伝導性のある蓄熱樹脂体が取付け加工されていることを特徴とするヒートシンク。
前記蓄熱樹脂体は、前記潜熱蓄熱材が熱伝導性樹脂内に練り込まれて板状又はブロック状に一体成形され、当該蓄熱樹脂体に対し前記放熱フィンの先端部側が埋設されていることを特徴とする、請求項１記載のヒートシンク。
前記潜熱蓄熱材は、３０℃〜１２０℃の範囲で、固相から液相又は液相から気相に変化する材料から構成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載のヒートシンク。
前記潜熱蓄熱材は、氷、無機水和塩系、パラフィン系のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
前記潜熱蓄熱材は、チオ硫酸ナトリウム水和物であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
前記熱伝導性樹脂の熱伝導率は、０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク。
前記潜熱蓄熱体は、防湿コート層で被覆されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のヒートシンク。
発熱体の発熱部に対するヒートシンク本体の接触面に、柔軟性および密着性を有する高熱伝導性シート層が設けられていることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク。
前記高熱伝導性シート層は、前記ヒートシンク本体の接触面に予め印刷加工されていることを特徴とする、請求項８記載のヒートシンク。
発熱体の発熱部に取り付けられるヒートシンクの製造方法において、潜熱蓄熱材を熱伝導性樹脂内に練り込んで板状又はブロック状に成形加工し、成形加工された蓄熱樹脂体が硬化する前に、ヒートシンク本体の放熱フィンの先端部側を蓄熱樹脂体に埋設し、当該埋設状態で前記蓄熱樹脂体を硬化させることを特徴とするヒートシンクの製造方法。