JP2003086742A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板と、この基板に保持された複数の縦フィ
ンを有するヒートシンクにおいて、冷却流体の圧力損失
が少なく、フィンの深部にまで十分な冷却流体が導入で
き、ヒートシンク全体で均一に冷却効果が得られる発熱
量の大きい電子素子を高効率に冷却できるヒートシンク
を提供する。 【解決手段】 裏面に発熱素子を接合する基板と、この
基板に立設した複数の縦フィンを設けたフィンであっ
て、相隣接する前記縦フィンの間に薄い横フィンを設け
たフィンとする。冷却流体が侵入するヒートシンク前面
の基板に接する部分の横フィンを一部削除して、ヒート
シンク深部に直接冷却流体が当たるようにするとなお良
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートシンクに係
わり、さらに詳しくはファン等によって流動する空気等
の冷却流体により発熱部位を強制冷却するためのドライ
タイプのヒートシンクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、インバータ、工作機械等の各
種発熱部位には、ヒートシンクと称される熱交換器を設
け、そのヒートシンクにファン等により空気等の冷却流
体を強制的に流通させて冷却するようにしたものが知ら
れている。ヒートシンクは熱伝導率の良い金属で構成さ
れ、なるべく表面積を大きくして冷却媒体との接触面積
を多くして、各種発熱素子の温度上昇を抑えるように構
成されている。

【０００３】以下、従来のこの種のヒートシンクの例に
ついて説明する。図１３〜図１５は従来のヒートシンク
の構成を説明する正面図である。図１３示す従来のヒー
トシンク１１１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部
品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板
１１２と、基板１１２上に重層されている波板状の多数
の板曲げ縦フィン体１１３ａを有するフィン本体１１３
とから構成されている。このヒートシンクは、高さが高
くなるに従い板曲げフィンにおける熱交換効率が大幅に
低下するため、大きな熱量を放散させる目的には不向き
である。

【０００４】図１４示す従来のヒートシンク１２１はサ
イリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が
固着された平面ほぼ矩形形状の基板１２２と、基板１２
２上に取りつけた押出し材からなる格子状のフィン本体
１２３から構成されている。このヒートシンクは、押出
し材の肉厚が通常０．６ｍｍ程度が下限であるので、フ
ィン体での圧力損失が大きく、空気等の必要な冷却流体
が得られないため冷却能力が低くなり、ヒートシンク全
体としての冷却効率を高めることが困難であった。

【０００５】図１５に示す従来のヒートシンク１３１
は、サイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省
略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１３２と、
基板１３２上に立設されている平板状の多数の縦フィン
体１３３ａを有するフィン本体１３３とから構成されて
いる。そして各縦フィン体１３３ａは、各側面を相互に
対向するようにして空気等の所望の冷却流体の流通方向
（図では紙面に垂直な方向）に対向して、適度な間隔Ｇ
を保ってほぼ並行に整列配置されている。

【０００６】ところで、近年種々の製品の小型化・高性
能化が進み、ヒートシンクも一層の小型化・高性能化が
求められている。ヒートシンクの小型化・高性能化を図
るためには、フィン本体の表面積を拡大したり、各フィ
ン体の間隔を狭くして、フィン体の数を増加させてフィ
ンを高密度配置する方法が考えられる。フィンを高密度
配置するような構造にしても、フィンの数を増加させる
には限界があり、フィンの間隔を狭くすると、各フィン
の間を通過する空気等の冷却流体の通風抵抗（圧力損
失）が大きくなり、結果としてフィン体を通過する風量
が減少し、冷却効率を向上させることができないという
問題点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、フィン
の配置を工夫しただけでは冷却性能の向上に限界があ
り、昨今の車両用制御機器のような大熱量を発生する制
御素子用のヒートシンクでは、要求される冷却性能を満
足させることができないことが判明した。。本発明の目
的は、大熱容量素子用のヒートシンクとして有用な、フ
ィン本体の通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え十分な流
量が確保でき、結果としてヒートシンク全体の放熱機能
を高め、冷却効率を向上させることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明のヒートシンクは、裏面に発熱素子を装着す
る基板と、この基板に立設した複数の縦フィンを有し、
相隣接する前記縦フィンの間に厚さが縦フィン厚さの５
〜２０％の横フィンを設けたヒートシンクとした。基板
と縦フィン及び横フィンは、いずれもアルミニウム等の
熱伝導性の良い金属で形成し、互いにろう付け加工をし
て組み立て、良熱伝導性を確保する。縦フィンはやや肉
厚の金属板で構成し、基板からの熱を縦フィン全面に伝
えるようにする。横フィンは極薄板ないしは金属箔でな
るべく薄く構成し、表面積を大きくして冷却流体との接
触機会を増やして、熱交換効率の向上を図るようにす
る。ヒートシンクをこのように構成することにより、フ
ィン体深部においても冷却流体の圧力損失を低く抑え、
十分な流量が確保でき、結果としてヒートシンク全体の
放熱機能を高め、冷却効率を向上させることが可能とな
る。

【０００９】上記の性能を最大限に発揮させるために
は、前記各縦フィンのピッチ（Ｐ）と縦フィンの厚さ
（ｔ）との比（Ｐ／ｔ）を３〜６とするのが好ましい。

【００１０】さらに、本発明のヒートシンクでは、基板
と接する部分の横フィンであって、冷却流体導入面にあ
る前記横フィンの一部に切り欠き部を設けても良い。特
に、ヒートシンク寸法が大きくなる場合には、横フィン
の一部に切り欠き部を設けることにより、フィン体深部
においても冷却流体の圧力損失が低く、十分な流量が確
保できるのでヒートシンク深部の冷却効率を向上させる
ことが可能となる。本発明のヒートシンクでは、前記切
り欠き部の高さを縦フィン高さの１０〜５０％、前記切
り欠き部の長さは縦フィンの長さの１０〜７０％とする
のが適当である。切欠き部分は１段のみでなく、多段に
してフィン体深部に設けても良い。本発明のヒートシン
クでは、基板裏面に複数の発熱素子を搭載する場合、互
いに隣接する素子間の間隔を風上−風下方向の素子間で
は２５〜１００ｍｍ、風上−風下と直角方向の素子間で
は５〜１５ｍｍとすることが好ましい。このような配置
にすれば、大容量の発熱素子にも対応可能である。以下
図面を使用して本発明をさらに詳細に説明する。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１から図４
は本発明のヒートシンクの第１の実施形態を示すもので
あり、図１はその外観斜視図を、図２は図１の線Ａ−
Ａ’に沿った断面図、図３は図１の線Ｂ−Ｂ’に沿った
断面図、図４は図２の一部拡大図を示す。なお、以下の
図においては構造を分かり易く説明するため、縮尺は必
ずしも正確ではない。図１から図３に示すように、本実
施形態のヒートシンク１１はサイリスタ、トランジスタ
等の電子部品等の素子１６が装着される、例えば縦寸法
Ｌ及び横寸法Ｗがそれぞれ５５０ｍｍ程度の正方形状の
基板１２と、基板１２の一方の面（図１では上方の面）
に立設させた多数の縦フィン体１３ａを有するフィン本
体１３と、この互いに隣接する縦フィン体１３ａの間に
ほぼ水平に配置した横フィン１４から形成されている。
基板１２の形状としては、正方形平板に限らず、平面矩
形形状、平面楕円形状、平面円形形状等が利用できる。
基板１２の材質としては、アルミニウムや銅等の熱伝導
率の良い金属を使用する。特に、軽量化の点からはアル
ミニウムを使用するのが好ましい。

【００１２】縦フィン体１３ａは、図１に示すように基
板１２の一方の上面に、矢印で示す冷却流体の流路方向
Ｆに対してほぼ平行になるように多数整列配置してあ
る。縦フィン体１３ａの大きさは、例えば高さは１００
〜２００ｍｍ程度、長さは１００〜５００ｍｍ程度、厚
さは１．０ｍｍから３．０ｍｍ程度、縦フィンピッチ
（Ｐ）は、５〜１２ｍｍに構成する。縦フィン体１３ａ
も熱伝導性の良い金属、例えばアルミニウムが好んで用
いられる。

【００１３】横フィン１４は、厚さ０．１〜０．３ｍｍ
程度のアルミニウムや銅などの極薄板もしくは箔にろう
材を付着させたいわゆるブレージングシートをコルゲー
ト加工したものを、縦フィン体１３ａの間に挟み、ろう
付けして形成する。図４に示す横フィン１４のピッチｐ
は５〜１２ｍｍ、横フィン１４の高さ（ｈ、縦フィンの
ピッチＰにほぼ等しい）は５〜１２ｍｍ、横フィン１４
の長さは縦フィン体１３ａの長さにほぼ等しく、長さは
１００〜５００ｍｍ程度に構成する。

【００１４】縦フィン体１３ａ及び横フィン１４は、冷
却流体が流れてきたときになるべく流路抵抗の上昇を抑
え、フィン本体１３の深部にまで充分な冷却流体が流入
し易いように構成する。冷却流体がフィン本体１３衝突
したときに流路抵抗に影響を及ぼすと考えられるのは、
縦フィン体１３ａの厚さ（ｔ）とピッチ（Ｐ）である。
適正なピッチ（Ｐ）と厚さ（ｔ）を決めるため、本発明
者らは縦フィン体１３ａの適正なピッチ（Ｐ）と厚さ
（ｔ）を種々変化させた場合の、フィン内での冷却流体
の圧力損失（ΔＰ）とヒートシンクの冷却流体の風上側
と素子接触面との温度差（ΔＴ）との関係を調べた。実
験方法は、以下のようにした。

【００１５】実験に使用したヒートシンクは、外観が図
１に示すようなものであり、材質は純アルミニウムとし
た。基板の大きさは縦横各５５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの
正方形の平板を使用した。縦フィンは高さ１４０ｍｍ、
長さ５００ｍｍ、厚さ２ｍｍとし、横フィンは厚さ０．
２ｍｍのブレージングシートを、ピッチ６ｍｍに設定
し、高さを変化させてコルゲート加工したものを使用し
た。これらの基板、縦フィン、横フィンを図１のように
ろう付け加工で組み立て、基板裏面に総発熱量７６００
Ｗの熱源となる素子を取り付け、図１の矢印Ｆの方向か
ら温度２０℃の空気を毎秒１１ｍで送風した。この時、
フィン体の冷却流体の入り口側と出口側の基板の温度
と、冷却流体の静圧を測定し、ヒートシンク温度と圧力
損失を調べた。比較のため、従来の縦フィンのみで横フ
ィンの無いヒートシンクについても同様の測定をした。
これらの測定結果を図５に示す。

【００１６】図５において直線（イ）及び（ロ）は冷却
流体の風上側と素子接触面との温度差を示している。ま
た、曲線（ハ）及び（ニ）は、冷却流体の風上側と風下
側の冷却流体の圧力損失を示したものである。直線
（イ）及び曲線（ハ）本発明の横フィン付きのものであ
り、直線（ロ）及び曲線（ニ）は、従来の横フィンの無
いものである。但し、温度差とは最大値を示している。
図５に示すとおり、本発明のように横フィンを取り付け
ることにより、冷却流体の風上側と素子接触面との温度
差は著しく減少し、冷却効率が高くなることが判る。ま
た、横フィンを取り付けることにより、フィン体内での
冷却流体の圧力損失は当然上昇するが、縦フィンのピッ
チと幅との比（Ｐ／ｔ）を３．６以上とすることによ
り、圧力損失を実用上支障のない７００Ｐａ（パスカ
ル）以下に抑えることができることが判明した。以上の
結果から、横フィンを設ける場合には、縦フィンのピッ
チと幅との比（Ｐ／ｔ）を３以上６以下とするのが適当
である。この比が３より小さい場合は、横フィンの有無
による圧力損失差が大幅に増えるため、冷却風量が減少
して十分な冷却能力が得られない。

【００１７】（第２の実施形態）図６は本発明のヒート
シンクの第２の実施形態を示す一部を破断した外観斜視
図である。第２の実施形態のヒートシンク２１が、図１
に示した第１の実施形態と異なる点は、フィン本体２３
の間にもうけた、冷却流体の流入方向に面して基板２２
に接する部分の横フィン２４の一部を、高さＨ、長さＬ
にわたって削除し、冷却流体がヒートシンク深部にまで
容易に流入できるようにした点である。図７及び図８
は、図６のヒートシンク２１の線Ｃ−Ｃ’及び線Ｄ−
Ｄ’に沿った断面を示す。図７では横フィン２４が基板
２２まで設けられているのに対して、図８では基板２２
の近傍には横フィン２４は存在しない。冷却流体入口近
傍に横フィン２４が存在しないので、冷却流体の圧力損
失は小さく抑えられ、冷却流体はヒートシンクの奥深く
まで十分に流れ込むことができ、ヒートシンク全域で高
い冷却能力を発揮することができるようになる。

【００１８】図９は、図６に示す本発明のヒートシンク
の線分Ｅ−Ｅ’に沿った（冷却流体に流路方向に平行
な）断面を示す。図９に示すように横フィン２４の切り
欠き部２５は、基板２２に接する部分でかつ冷却流体の
入口近傍に設けてある。これは冷却流体の圧力損失の原
因となる障害物を無くし、発熱源である素子２６に近い
部分の深部を効率よく冷却するようにするためである。
切り欠き部の大きさは、高さ（Ｈ）は縦フィンの高さの
１０〜３０％程度、例えば１０〜４０ｍｍ、長さ（Ｌ）
は同じく縦フィンの長さの１０〜５０％程度、例えば５
０〜２５０ｍｍとするのがよい。

【００１９】横フィンの切り欠き部分の効果を確認する
ため、従来の横フィンを有しないヒートシンク、横フィ
ンは有するが切り欠き部分の無いヒートシンク及び横フ
ィンを有しかつ切り欠き部を設けたヒートシンクについ
て冷却性能を調査した。実験に使用したヒートシンク
は、構造が図１０に示すようなものであり、材質は純ア
ルミニウムとした。基板２２の大きさは幅５５０ｍｍ、
長さ５５０ｍｍ、厚さ２８ｍｍの長方形の平板を使用し
た。フィン本体２３は高さ１４０ｍｍ、長さ５００ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍのプレート３５〜８４枚を、ピッチ５〜
１２ｍｍで、冷却流体の流路方向に平行に配置した。横
フィンは厚さ０．２ｍｍのブレージングシートを、高さ
３〜１０ｍｍ、ピッチ６ｍｍにコルゲート加工したもの
を使用した。これらの基板２２、フィン本体２３、横フ
ィン２４を図１０のようにろう付け加工で組み立てた。
図１０（ａ）は平面図を、図１０（ｂ）は正面図を、そ
して図１０（ｃ）は側面図を表わしている。基板裏面の
図１０（ａ）に示す位置（Ｘ、Ｙ）に、発熱量２０００
Ｗの素子２６を２個を取り付け、図１０の矢印Ｆの方向
から温度２０℃の空気を毎秒８．８ｍで送風した。位置
（Ｘ）は冷却流体の風上側、位置（Ｙ）は冷却流体の風
下側に位置している。

【００２０】この時、各熱源中心位置の基板の温度と冷
却流体の流路静圧を測定し、フィン体中での温度変化と
圧損を測定し、ヒートシンク温度の均一性と圧力損失を
調べた。比較のため、従来の縦フィンのみで横フィンの
無いヒートシンクについても同様の測定をした。各部の
寸法は同一とした。これらの測定結果を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に結果から、横フィンを設けることの
より冷却能力が向上することが判る。さらに、横フィン
に切り欠き部を設けることにより、フィン体内での冷却
流体の圧力損失が低く、ヒートシンク全面にわたって比
較的均一な冷却能を有するようになることが判る。

【００２３】（第３の実施形態）図１１は本発明のヒー
トシンクの第３の実施形態を示す断面図である。第３の
実施実施形態のヒートシンク３１が第１や第２の実施形
態と異なる点は、横フィン体に切り欠きを設け、この切
り欠きが多段式に構成されていることである。すなわち
図１１に断面構造を示すように、切り欠き部３５は横フ
ィン３４を有し、該横フィン３４の冷却流体導入面側の
一部に切り欠き部を有するものであり、図１１の例では
基板に近ずくほどヒートシンク３１の奥深くまで切り欠
き部３５が形成されている。すなわち、縦フィン体３３
ａの入口近傍から奥に向かうに従って、高さはＨ４から
Ｈ１まで変化し、基板３２からの距離はＬ１〜Ｌ４に変
化する切り欠き部３５を設けた。切り欠き部は横フィン
が無いが、素子３６からの発熱は縦フィン体３３ａを伝
わって縦フィン上部に接合されている横フィン３４に伝
わり、横フィン３４から冷却流体へ伝わって放熱され
る。したがって、基板３２と縦フィン体３３ａとは完全
にろう付けし熱伝導を良くしておくべきである。

【００２４】上記のように本発明のヒートシンク３１を
構成し、その基板裏面に複数の発熱する素子３６を搭載
する場合の平面は位置を図１２に例示する。図１２の例
では、互いに隣接する素子３６間の間隔を、風上−風下
方向の素子間（Ａ）では２５〜１００ｍｍ（図１２では
６９．５ｍｍ）、風上−風下方向と直角方向（Ｂ）では
５〜２５ｍｍ（図１２では１６ｍｍ）とすることが好ま
しい。また、最も風下にある素子から縦フィンの風下先
端までの間隔（Ｃ）は、８０〜１５０ｍｍ（図１２では
６７．５ｍｍ）として、Ａ／Ｃの比を０．２〜３．４と
することが好ましい。一般に素子間隔を大きくとれば熱
密度が疎となり素子の温度上昇は和らげられるが、制御
装置をなるべく小型化するために、本発明によりヒート
シンクの熱交換効率を高めた上で、適当な間隔で素子を
配置すれば、車両制御用等の大発熱量の素子の温度制御
にも有効に作用するものとなる。

【００２５】

【作用】本発明は、基板とこの基板に保持された複数の
縦フィンを有するヒートシンクにおいて、前記各縦フィ
ンの間に良熱伝導性の金属箔板からなる水平な横フィン
を配置することにより、ヒートシンク本体内での冷却流
体の通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、十分な冷却流
体をヒートシンク本体内に呼び込んで冷却効率を向上さ
せるようにしたものである。さらに、本発明では上記横
フィンの一部を削除して、ヒートシンク本体深部にまで
冷却流体を導入することを可能にして、ヒートシンク全
体で均一に放熱できるようにした。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、冷却流体がフィン体に
当ったときの通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、十分
な冷却流体をヒートシンク本体内に呼び込んで冷却効率
を向上させることができるので、従来よりも小型化・高
性能化したヒートシンクを提供することが可能となる。
本発明のヒートシンクは、特に車両の制御機器のような
多量の熱を発生する制御素子の温度制御に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態の係わるヒートシンク
の構造を説明する外観斜視図である。

【図２】 図１のヒートシンクの線Ａ−Ａ’に沿った断
面図である。

【図３】 図１のヒートシンクの線Ｂ−Ｂ’に沿った断
面図である。

【図４】 図２の一部を拡大して示した図である。

【図５】 縦フィンのピッチと厚さの比が、温度と圧損
に及ぼす影響を示す図である。

【図６】 本発明の第２実施形態の係わるヒートシンク
の構造を説明する一部破断した外観斜視図である。

【図７】 図６のヒートシンクの線Ｃ−Ｃ’に沿った断
面図である。

【図８】 図６のヒートシンクの線Ｄ−Ｄ’に沿った断
面図である。

【図９】 図６のヒートシンクの線Ｅ−Ｅ’に沿った断
面図である。

【図１０】 実験に使用した本発明のヒートシンクの構
造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図を示す。

【図１１】 本発明の第３実施形態に係わるヒートシン
クの構造を説明する断面図である。

【図１２】 本発明の第３実施形態に係わるヒートシン
クの素子の平面配置を例示する図である。

【図１３】 従来のヒートシンクの構造の一例を説明す
る断面図である。

【図１４】 従来のヒートシンクの他の構造を説明する
断面図である。

【図１５】 従来のヒートシンクの別の構造を説明する
断面図である。

【符号の説明】

１１，２１，３１，１１１，１２１，１３１・・・・・・ヒー
トシンク １２，２２，３２，１１２，１２２，１３２・・・・・・基板 １３，２３，１１３，１２３，１３３・・・・・・フィン本体 １４，２４，３４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・横フィン ２５，３５・・・・・・切り欠き部 １６，２６，３６・・・・・・素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 末木 靖人 静岡県裾野市千福194番地 株式会社エム エーファブテック内 (72)発明者 湯山 公春 静岡県裾野市平松194番地 株式会社エム エーファブテック内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB05 BB35

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 裏面に発熱素子を接合する基板と、この
   基板に立設した複数の縦フィンを有し、相隣接する前記
   縦フィンの間に厚さが縦フィン厚さの５〜２０％である
   横フィンを設けてなることを特徴とするヒートシンク。
2. 【請求項２】 前記各縦フィンのピッチ（Ｐ）と縦フィ
   ンの厚さ（ｔ）との比（Ｐ／ｔ）が３〜６であることを
   特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】 基板と接する部分の前記横フィンの一部
   であって、冷却流体導入面側の一部に切り欠き部を有す
   ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒ
   ートシンク。
4. 【請求項４】 前記切り欠き部の高さが縦フィン高さの
   １０〜５０％であることを特徴とする請求項３に記載の
   ヒートシンク。
5. 【請求項５】 前記切り欠き部の長さが縦フィンの長さ
   の１０〜７０％であることを特徴とする請求項３に記載
   のヒートシンク。
6. 【請求項６】 前記切り欠き部が多段式に構成されてな
   ることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか
   １項に記載のヒートシンク。