JP2001118972A - 強制空冷式櫛形ヒートシンク - Google Patents
強制空冷式櫛形ヒートシンクInfo
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Abstract
能の向上を図る。 【解決手段】 被冷却体であるフィンを櫛形に配置した
強制空冷式櫛形ヒートシンクで、発熱体(3)を搭載し
たベース(2)の片面に配置したフィン(1)にルーバ
ー(5)を冷却流体の流れ方向からベースに向かって1
0度〜45度の角度で傾斜して、その高さ中央よりもフ
ィン先端(1´)寄りに1列に一様に分布させて設けた
ものである。
Description
トシンクに係り、特にパワートランジスタなどの高発熟
量の電子部品を冷却するための高性能な強制空冷式櫛形
ヒートシンクに関する。
(a)に示すように、発熱体(3)を搭載したベース
(2)の片面に被冷却体として板状フィン(1)が立て
られ、ロウ付けまたはカシメにより接合されている。冷
却の際には、フィン(1)の間に向けて冷却流体を吹き
付けるか、またはフィン(1)の間から冷却流体を吸い
出すような位置にファンを設け、板状フィン(1)の間
を流れる冷却流体により、フィン(1)およびベース
(2)からの放熱を行い冷却するものである。
示した従来の櫛形ヒートシンクでは、板状フィン(1)
の間を流れる冷却流体(4)は、図10(b)に示すよ
うな分布でフィン(1)間を流れており、最も温度の高
いベース(2)との間には厚い境界層があるために、効
率の良い放熱が行えないという問題があった。また、フ
ィン(1)の先端が開放されていると、フイン(1)間
に冷却流体を吹き付けても、流入した冷却流体は、流れ
にくいフィン(1)間から、フイン(1)の先端側へと
流出してしまい、ヒートシンクの風下側では、強制空冷
の効果がほとんどなくなってしまい、また冷却流体をフ
ィン(1)の間から吸い出す方法をとっても、冷却流体
はフィン(1)の先端側から吸い込まれ、フィン(1)
間のごく一部を通ってファンへと到達してしまうので、
ヒートシンク体積の大部分が冷却に寄与しないという問
題があった。
の先端側を封鎖して、フイン(1)間に冷却流体を流す
ことについて検討してみたが、これはフィン先端付近で
冷却流体の摩擦抵抗が増加することにより流速が低下
し、放熱性能が低下してしまうという問題点があった。
また、フィンに千鳥状または縦横平行に、切り起こし形
成した突片を多数分散して設け、フィンの間に冷却流体
を流がして冷却を行うものが提案されているが(例えば
特開平10−4159号公報)、これは冷却流体の流れ
をベース側に偏らせるようにすることができないもの
で、効率の良い放熱が行えないという問題点がある。
決するためのもので、発熱体を搭載するベースの片面に
被冷却体であるフィンを櫛形に配置した強制空冷式櫛形
ヒートシンクにおいて、前記フィンにルーバーを冷却流
体の流れ方向からベースに向かって10度〜45度の角
度で傾斜し、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄り
に1列または複数列を一様に分布させて設け、ヒートシ
ンクの冷却流体流入部分から送り込まれた冷却流体をル
ーバーの案内により、フィンと接する発熱体を搭載する
ベース部分もしくはその近傍に向けて、冷却流体の流れ
を偏向させることを特徴とする強制空冷式櫛形ヒートシ
ンクである。また本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンク
は、ルーバーがフィンの一部に四角形のうちの3辺分に
切り込みを入れ、残る1辺を軸として折り曲げ、フィン
間距離に相当する高さの四角形部分を切り起こしたこと
を特徴とするものである。
は、発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置されたフ
ィンは、その先端側が開放されたことを特徴とするもの
である。さらに本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンク
は、発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置されたフ
ィンが風洞で覆われており、フィン先端側にフィン間流
路断面積の10%〜30%の断面積を持つ空間を設けた
ことを特徴とするものである。
スの片面に櫛形に配置されたフィンに、ルーバーを冷却
流体の流れ方向からベースに向かって10度〜45度の
角度で傾斜し、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄
りに1列または複数列を設けることにより、このルーバ
ーがガイド役となって、フィン間に流入した冷却流体を
ベース近傍へと押しやるように、冷却流体の挙動を制御
が可能となり、これによって、ベース付近の局所流量が
増加するので、比較的温度の高いベース側から集中的に
熱を奪うことになり、効率の良い放熱ができ、ヒートシ
ンクの放熱効率を向上させるものである。具体的には、
フィンに冷却流体の流れ方向からベースに向かって10
度〜45度の角度で傾斜してルーバーを設置することに
より、フィン間を通る冷却流体は波打つような挙動を見
せ、これによって、ベース付近の境界層厚さが薄くな
り、べ−ス付近からの効率的な放熱が可能となるもので
ある。
ルーバーの角度を冷却流体の流れ方向からベースに向か
って10度〜45度の角度としたのは、10度未満では
ルーバーを設置した効果がほとんどなく、45度を越え
るとフィン間での圧力損失が高くなり、かえって放熱性
能が低下するためである。また、より明らかなルーバー
の効果を得るには、ルーバー角度を20度〜30度とす
るのが好ましい。
ベースに向かって10度〜45度の角度で傾斜して設け
た櫛形フィンを風洞等で覆うときには、フィン間流路断
面積の10〜30%に相当する断面積を持つ空間をフィ
ン先端側に設ける。上述のようにフィンに冷却流体の流
れ方向からベースに向かって10度〜45度の角度で傾
斜してルーバー設けることにより、ルーバーがガイド役
となって、フィン間に流入した冷却流体をベース近傍へ
と押しやられるので、当然ながらフィン先端の冷却流体
は疎になりがちである。そこでフィン先端側にフィン間
流路断面積の10〜30%に相当する断面積を持つ空間
を設けて冷却流体を流してやると、冷却流体が疎になっ
た部分にフィン先端側空間より冷却流体が流れ込むの
で、ヒートシンクがフィン先端空間から冷却流体を吸い
込むような状態になる。これによって、フィン間の冷却
流体速度が増加し、さらに放熱効率が向上するものであ
る。
〜3を参照して説明する。図1は櫛形ヒートシンクの斜
視図で、発熱体(3)を搭載するベース(2)の片面に
被冷却体であるフィン(1)を櫛形に配置しているもの
で、フィン(1)にルーバー(5)が、冷却流体の流れ
方向からベースに向かって10度〜45度の角度で傾斜
して設けられている。このルーバー(5)の傾斜は、冷
却流体(10)の流入側(5a)より、その後方(5
b)がベース(2)側になっいるもので、ベース(2)
との角度が10度〜45度である。また、ルーバー
(5)はフィン(1)高さ中央よりもフィン先端(1
´)寄りに1列に一様に分布させているものである。本
発明の櫛形ヒートシンクは、冷却流体(10)流入部分
から送り込まれた冷却流体をルーバー(5)の案内によ
り、フィンと接する発熱体を搭載するベース(2)部分
もしくはその近傍に向けて、冷却流体の流れを偏向させ
るものである。
して示す図で、ルーバー(5)は四角形のものであり、
図2(a)に示すようにフィン(1)の一部に四角形の
うちの3辺分(6a)に切り込みを入れ、これを図2
(b)に示すように残る1辺(6b)を軸として折り曲
げ、フィン間距離に相当する高さの四角形部分を切り起
こしてルーバー(5)を形成するものであり、フィン間
に通路が造られたような状態となるものである。
体(3)を搭載するベース(2)の片面にフィン(1)
を櫛形に配置し、フィン(1)にルーバー(5)を角度
θで冷却流体(10)の流入側(5a)より、その後方
(5b)がベース(2)側になるように傾斜して設けら
れているもので、角度θが10度〜45度のものであ
る。この角度10度〜45度に傾斜して設けられるルー
バー(5)は、フィン(1)の高さ中央(一点鎖線)よ
りもフィン先端(1´)寄りに2列に一様に分布させた
ものである。
発熱体を搭載するベース、被冷却体であるフィンの材質
としては、例えば熱伝達性能の高いアルミニウム、ある
いはアルミニウム合金が用いられている。またベースの
片面に設けるフィンの接合方法は、ロウ付け接合、かし
め等の機械的接合など、ベースからフィンへの熱移動が
可能なものであればよい。また、本発明の櫛形ヒートシ
ンクは、フィンの間に向けて冷却流体を吹き付けるか、
または冷却流体を吸い出すような位置にファンを設け、
フィンの間を流れる冷却流体により、フィンおよびベー
スからの放熱を行い冷却するものである。
参照して説明する。櫛形ヒートシンクは、上述した図1
に示すように、発熱体(3)を搭載するベース(2)の
片面にフィン(1)を等間隔で櫛形に配置し、フィン
(1)にルーバー(5)を傾斜して設けているものであ
る。ここでは、ベース(2)、フィン(1)の材質とし
ては、アルミニウム合金を用いており、ベースの片面に
設けるフィンの接合は、ロウ付け接合によるものであ
る。
(2)の片面にフィン(1)を櫛形に配置し、フィン
(1)にルーバー(5)を傾斜して設けている櫛形ヒー
トシンクにおける、ルーバー(5)の角度、列数、設置
位置による熱抵抗値を示したものである。熱抵抗値は、
発熱体とベースの間に取りつけた熱電対により測定した
温度より算出したものである。図4(a)〜図8(a)
は櫛形ヒートシンクの側面図で発熱体(3)を搭載した
ベース(2)に櫛形に配置したフィン(1)にルーバー
(5)を設置したものであり、図4(b)〜図8(b)
は、それぞれのフィン(1)間流路内での冷却流体の挙
動を示したものである。
シンクは、フィンにルーバーを設けていない従来の櫛形
ヒートシンクで、熱抵抗値0.042で効率の良いもの
ではなかった。No.2の櫛形ヒートシンクは、フィン
にルーバーを角度5度で2列、フィン高さ半分(中央)
よりもフィン先端寄りに設置したものであり、熱抵抗値
0.041で、ルーバーを設けているが、No.1の従
来の櫛形ヒートシンクより熱効率が明確に向上するもの
ではなかった。No.3の櫛形ヒートシンクは、フィン
にルーバーを角度10度で等間隔に2列に、フィン高さ
半分(中央)よりもフィン先端寄りに一様に分布させた
ものであり、熱抵抗値0.036で、ルーバーを設けた
ことによりNo.1の従来ヒートシンク、No.2ルー
バー角度5度のものに比較して熱抵抗値が減少してお
り、放熱性能が向上しているものである。No.4の櫛
形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度20度で等
間隔に2列、フィン高さ半分(中央)よりもフィン先端
寄りに一様に分布させたものであり、熱抵抗値0.03
1で、放熱性能が向上しているものである。
(a)に示すように発熱体(3)を搭載したベース
(2)にフィン(1)を櫛形に配置し、フィン(1)に
ルーバー(5)を角度θ=30度で等間隔に2列、フィ
ン高さ半分(中央)よりもフィン先端寄りに一様に分布
したものであり、図4(b)に示すようにフィン(1)
間流路内での冷却流体は、流線(4)の挙動を示すもの
であり、熱抵抗値0.029で、放熱性能が向上してい
るものである。No.6の櫛形ヒートシンクは、フィン
にルーバーを角度45度で等間隔に2列に、フィン高さ
半分(中央)よりもフィン先端寄りに一様に分布させた
ものであり、熱抵抗値0.034で、ルーバーを設けた
ことにより放熱性能が向上しているものである。No.
7の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度60
度で2列、フィン高さ半分(中央)よりもフィン先端寄
りに設置したものであり、熱抵抗値0.043で、効率
の良いものではなかった。
o.2の櫛形ヒートシンクは、No.1の従来ヒートシ
ンクと熱抵抗の値がほとんど変わらないものであり、ま
たルーバー角度60度のNo.7の櫛形ヒートシンク
は、フィン間での流動抵抗が大きくなってしまい、熱抵
抗は従来のヒートシンクと同じかそれよりも悪い傾向を
示した。これは、フィンに設けるルーバーの角度は、冷
却流体の流れ方向からベースに向かって10度〜45度
のものが、ルーバーがガイド役となって、フィン間に流
入した冷却流体をベース近傍へと押しやるようになり、
これによって、ベース付近の局所流量が増加するので、
比較的温度の高いベース側から集中的に熱を奪うことに
なり、効率の良い放熱ができ、ヒートシンクの放熱効率
を向上させるものであることを示すものである。また図
4(b)のフィン(1)間流路内での冷却流体の流線
(4)が示すように、フィン間を通る冷却流体は波打つ
ような挙動を見せ、ベース付近の境界層厚さが薄くな
り、べ−ス付近からの効率的な放熱がなされているもの
である。
(a)に示すように発熱体(3)を搭載したベース
(2)にフィン(1)を櫛形に配置し、フィン(1)に
ルーバー(5)を角度θ=30度で等間隔に2列設け、
1列はフィン高さ半分よりもベース寄りに設けたもので
あり、図5(b)に示すようにフィン(1)間流路内で
の冷却流体は、流線(4)の挙動を示すものであり、熱
抵抗値0.041である。これは、図4(a)に示した
No.5の櫛形ヒートシンクと、ルーバー(5)の角度
は同じであるが、ルーバー(5)の設置位置だけが異な
る。2列のうち1列がフィン高さ半分よりもベース
(2)寄りに設置されている。このためフィン(1)間
に流入した冷却流体は、ベース(2)側だけに偏るので
はなく、もともと熱の伝わりが最も小さいフィン先端
(1´)側にも分かれて偏った流れとなる。よって、ベ
ース(2)近傍に偏った冷却流体だけで冷却するような
ものなので、かえって冷却効率は悪くなる。
(a)に示すように発熱体(3)を搭載したベース
(2)に配置したフィン(1)にルーバー(51)を角
度θ1=10度、ルーバー(52)を角度θ1=30度
で、ルーバー(53)を角度θ1=45度で3列を冷却
流体が流れ方向に向かうにつれ、ルーバー角度が大きく
なっていくように設置されている。また1列はフィン高
さ半分よりもベース寄りに設けたものであり、ルーバー
(51)、ルーバー(52)、ルーバー(53)は冷却
流体の流入側(10)に偏って配置されたものである。
図6(b)に示すようにフィン(1)間流路内での流線
(4)が示すように、冷却流体は一度ベース側に偏った
後、大きく渦を作りながら再び分散する。ベース(2)
が偏った部分では局地的に冷却効率が上がっている可能
性がある。しかし、ベース(2)上に搭載された発熱体
(3)の熱は、ベース(2)上でスプレッドされている
ので、局地的に冷却できても、スプレッドされた全面を
冷却できなければ意味がない。
(a)に示すように発熱体(3)を搭載したベース
(2)に配置したフィン(1)の冷却流体の流出側に偏
って、ルーバー(51)を角度θ1=10度、ルーバー
(52)を角度θ1=30度で、ルーバー(53)を角
度θ1=45度で3列を冷却流体が流れ方向に向かうに
つれ、ルーバー角度が大きくなっていくように設置され
ている。また1列はフィン高さ半分よりもベース寄りに
設けたものである。図7(b)に示すようにフィン
(1)間流路内での流線(4)が示すようになる。この
No.10は、No.9とは逆に流出側にルーバーを偏
らせて配置したものであるが、冷却のシステムはNo.
9と同じであるから、同様の結果となっており、ルーバ
ーを設定した効果はなかった。
(a)に示すように発熱体(3)を搭載したベース
(2)にフィン(1)を櫛形に配置し、フィン(1)に
ルーバー(5)を角度θ=20度で等間隔に1列、フィ
ン高さ半分(中央)よりもフィン先端寄りに一様に分布
たものであり、図8(b)に示すようにフィン(1)間
流路内での冷却流体は、流線(4)の挙動を示すもので
あり、熱抵抗値0.034で、放熱性能が向上している
ものである。また、No.12の櫛形ヒートシンクは、
フィンにルーバーを角度30度で等間隔に1列に、フィ
ン高さ半分(中央)よりもフィン先端寄りに一様に分布
させたものであり、熱抵抗値0.032で、ルーバーを
設けたことにより放熱性能が向上しているものである。
表1の結果を総合すると、No.3、No.4、No.
5、No.6、No.11、No.12の角度10度〜
45度で、フィン高さ半分よりもフィン先端寄りにルー
バーを設けたものは、熱抵抗値が低くなっており放熱性
能が向上している。特にルーバーの角度20度〜30度
のNo.4、No.5、11、No.12ものは熱抵抗
値が低く、優れた放熱性能を示している。
ンが風洞で覆われており、フィン先端側に空間を設けた
櫛形ヒートシンクであり、図9(a)(b)を参照して
説明する。図9(a)は、実施例2の櫛形ヒートシンク
の正面図であり、(b)は(a)のB−Bの断面図でフ
ィン(1)間流路内での冷却流体の挙動を示したもので
ある。図9(a)(b)に示すように、発熱体(3)を
搭載するベース(2)の片面に配置している櫛形フィン
(1)にルーバー(5)を角度30度で傾斜して設けら
れている。ルーバー(5)はフィン(1)高さ中央より
もフィン先端(1´)寄りに2列、一様に分布させたも
のである。また発熱体(3)を搭載したベース(2)は
装置筐体(7)に取付金具(9)で取り付けられてお
り、櫛形に配置されたフィン(1)は装置筐体(7)、
裏面カバー(8)の風洞で覆われている。
a,フィン(1)の高さをh1,フィン(1)間の流路
数をn,風洞の筐体(7)のフィン先端(1´)空間幅
をb,その高さをh2とすると、 (0.1〜0.3)×a×h1×n=b×h2 の関係にするものである。すなわち、フィン(1)間の
流路の断面積a×h1の10%〜30%に相当する空間
b×h2をフィン先端(1´)側に設けたものである。
ヒートシンクのフィン先端にこのような空間を設けるこ
とによりフィン先端面も放熱面とすることができ、放熱
性能が向上するものである。このとき、フィン先端空間
断面積をフィン間流路断面積の10%未満とすると、フ
ィン先端空間に冷却流体が流れ込みにくく、圧力損失が
高くなって流体速度が遅くなるので、かえって放熱効率
が低下してしまう。また、30%を越えると、冷却流体
の大部分が、より流体抵抗の低いフィン先端空間に流れ
込もうとするため、ヒートシンク内に冷却流体が流入せ
ず、放熱効率が低下してしまう。
路断面積の20%断面積を持つ空間を設け、冷却流体
(10)を流入した場合のフィン(1)間流路内での冷
却流体の挙動を示したものである。図9(b)に示すご
とく、冷却流体は、その流線(4)のようにな挙動を見
せベース(2)付近からの効率的な放熱がなされるとと
もに、フィン先端(1´)の空間から冷却流体を流線
(4´)のようにを吸い込むような状態となり、これに
よって、フィン間の冷却流体の速度が増加し、温度の低
い流体が入るので、さらに放熱効率が向上する。すなわ
ちフィン先端に空間を設けずに、フィン先端を閉塞して
いる場合には、フィン間の冷却流体はベース側に押し寄
せられ、フィン先端の冷却流体は疎になりがちである
が、フィン先端側に空間を設けて冷却流体を流してやる
と、図9(b)に示すように、冷却流体が疎になる部分
にフィン先端側空間より冷却流体が流れ込むので、ヒー
トシンクがフィン先端空間から冷却流体を吸い込むよう
な状態となり、フィン間の冷却流体の速度が増加し、か
つ温度の低い流体が入るので放熱効率が向上しているも
のである。
ヒートシンクによれば、各フィンに冷却流体の流れ方向
からベースに向かって10度〜45度の角度で傾斜し
て、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄りに1列ま
たは複数列を一様に分布させてルーバーを設けているの
で、冷却流体の流れをベース側に偏らせるように制御す
ることができ、そのため、温度の高いベースから効率的
に放熱を行うことが可能となり、放熱性能の高いヒート
シンクとすることができるという効果を奏する。さら
に、風洞で覆わたフィン先端側にフィン間流路断面積の
10%〜30%の断面積を持つ空間を設けたことによ
り、この空間側からヒートシンクフィン間に冷却流体が
引き込まれ、フィン間を通る冷却流体の流量が増加する
と同時に低温の流体が入り込むので、さらに放熱性能が
向上するという効果を奏するものである。
大図
Claims (4)
- 【請求項1】発熱体を搭載するベースの片面に被冷却体
であるフィンを櫛形に配置した強制空冷式櫛形ヒートシ
ンクにおいて、前記フィンにルーバーを冷却流体の流れ
方向からベースに向かって10度〜45度の角度で傾斜
し、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄りに1列ま
たは複数列を一様に分布させて設け、ヒートシンクの冷
却流体流入部分から送り込まれた冷却流体をルーバーの
案内により、フィンと接する発熱体を搭載するベース部
分もしくはその近傍に向けて、冷却流体の流れを偏向さ
せることを特徴とする強制空冷式櫛形ヒートシンク。 - 【請求項2】ルーバーは、フィンの一部に四角形のうち
の3辺分に切り込みを入れ、残る1辺を軸として折り曲
げ、フィン間距離に相当する高さの四角形部分を切り起
こすしたものであることを特徴とする請求項1に記載の
強制空冷式櫛形ヒートシンク。 - 【請求項3】発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置
されたフィンは、その先端側が開放されたものであるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の強制空冷式櫛
形ヒートシンク。 - 【請求項4】発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置
されたフィンは、風洞で覆われており、フィン先端側に
フィン間流路断面積の10%〜30%の断面積を持つ空
間を設けたものであることを特徴とする請求項1または
2に記載の強制空冷式櫛形ヒートシンク。
Priority Applications (1)
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JP29770399A JP3604310B2 (ja) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | 強制空冷式櫛形ヒートシンク |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29770399A JP3604310B2 (ja) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | 強制空冷式櫛形ヒートシンク |
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Family Applications (1)
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