JP2003142637A - ヒートシンク及び発熱体の冷却構造 - Google Patents

ヒートシンク及び発熱体の冷却構造

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俊之 細川
Yoshihisa Hatosaki
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 基板の高温発熱部分(発熱体の取付部分)の
熱を効率的に放熱して基板全体の均熱化を図ることがで
き、しかも、冷却風のフィン間摩擦圧力損失の均一化を
図ることができるヒートシンクを提供することにある。 【解決手段】 基板2の片面に一定方向に沿って互いに
平行な多数のプレートフィン3が立てられており、前記
基板1は、前記プレートフィン3の長さ方向と直交する
方向に沿ってフィンピッチpを異にする複数の領域を有
し、フィンピッチの最も粗な領域でのフィンピッチpに
対する各プレートフィン両面の平均面積を1としたとき
に、他の領域でのフィンピッチpに対する各プレートフ
ィン両面の平均面積が0.8〜1.2となるように、プ
レートフィン3を配置したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはヒート
シンク及び発熱体の冷却構造に関し、さらに具体的に
は、パワートランジスタその他の高発熱量の電子素子
(発熱体)の冷却に適するヒートシンク及びそれらの発
熱体の冷却構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、プレートフィンを使用した一般的
な櫛形ヒートシンクは、例えば図4及び図5で示されて
いるように、アルミ又はアルミ合金等の熱伝導性の高い
基板2の片面に一定方向に沿って互いに平行に多数のプ
レートフィン3をほぼ均一なピッチ(隣接するフィンの
厚みの中心相互の間隔)で立てたものである。各プレー
トフィン3は、ロウ付け又はカシメにより基板2に固定
されている。基板2の他の片面に、パワートランジスタ
その他の発熱素子からなる発熱体4を接触させるか又は
定着させ、図示しないファンにより矢印5のように各プ
レートフィン3の長さ方向に沿って冷却風を流し、発熱
体4が発した熱を基板2で拡散するとともにプレートフ
ィン3を通じて大気中に放散することにより、発熱体4
を冷却する構造になっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述のヒートシンク
は、基板2に対してプレートフィン3がほぼ均一なピッ
チで形成されているので、基板2は各部においてほぼ均
一に冷却される。しかし、近年の発熱体4の小型化,高
性能化によりその発熱密度が増大しているため、基板2
による熱伝導のみでは熱拡散が間に合わず、基板2の発
熱体4との接触部で局所的に高温部分が生じ、十分に放
熱することができなくなっている。基板2に局所的な高
熱部が生じないように熱拡散を促進させるには、基板2
の肉厚内にヒートパイプを埋め込み状に貫通させ、これ
らのヒートパイプにより基板全体の均熱化を図る手段が
あるが、コストの増大を伴う。
【0004】ヒートパイプを使用しないで、基板上に局
所的に生じた高熱を拡散放熱する手段として、以下のよ
うな手段が提案されている。その第1は、例えば特開平
8−321569号公報で開示されているもので、基板
の片面にピン型フィンを多数直立させたピンフィン型ヒ
ートシンクであり、基板の中央部のピン密度を密にし、
基板の外周方向に沿って次第にピン密度を粗にしたもの
である。しかしこのヒートシンクは、取付基板に設置さ
れた軸流ファンにより、ピン頂部方向からピンフィン及
び基板に対して冷却風を流すものであるので、フィン間
を通過した冷却風をヒートシンクの四周から排出する必
要があり、機器の設計変更を伴うので実用性に乏しかっ
た。
【0005】その第2は、特開平11−307705号
公報で開示されているように、基板に多数のピンフィン
を直立させ、基板面と平行な特定方向又は反特定方法に
冷却風を流すピンフィン型ヒートシンクである。このヒ
ートシンクは、発熱体が装着された基板部分の風上側又
は/及び風下側において、ピンフィンの高さを他の部分
よりも小さくするか、当該部分のピンフィンの密度を他
の部分より粗にするか、あるいは当該部分のピンフィン
をなくするように構成している。このヒートシンクは、
ピンフィン群に対して側方より冷却風を流しながら使用
するのであるが、流入方向に沿って真っ直ぐに通過する
冷却風の量は少なく、高発熱領域(発熱体を装着した部
分の基板の反対側領域)に流入した冷却風の大半は流入
方向の側方に逸れ(逃げ)、高発熱部の下流側ではピン
フィンに接触する冷却風の量が相対的に小さくなるた
め、冷却性能が低下する。また、ピンフィンの高さを小
さくした場合には、冷却風の多くの部分は途中でフィン
頂部の方向へ逸れ(逃げ)、下流側で風量が少なくなる
ため、冷却性能が低下する。前述のような冷却風の逸れ
(逃げ)を防止するには、冷却風が逸れる方向に対抗す
るように風向制御板を設けることが必要と考えられる
が、風向制御板の材料費や組立費等のコスト増大を招く
ことになる。
【0006】本発明は前述の各課題を解決するために提
案されるもので、その目的とするところは、発熱体が接
触する基板部分が他の部分より高熱になった場合でも、
当該部分の熱を効率的に放熱して基板全体の均熱化を図
ることができ、しかも、冷却風のフィン間摩擦圧力損失
(冷却風がフィンに接触することによる圧力損失)の均
一化を図ることができる櫛形のヒートシンクを提供する
ことにある。本発明の他の目的は、ヒートシンクの基板
に接触又は定着された発熱体を効率的に放熱することが
できる発熱体の放熱構造を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係るヒートシン
クは、前述の課題を解決するため以下のように構成した
ものである。すなわち、請求項1に記載のヒートシンク
は、基板の片面には一定方向に沿って互いに平行な多数
のプレートフィンが立てられており、前記基板は、プレ
ートフィンの長さ方向と直交する方向に沿ってフィンピ
ッチを異にする複数の領域を有し、フィンピッチの最も
粗な領域でのフィンピッチに対する各プレートフィン両
面の平均面積を1としたときに、他の領域でのフィンピ
ッチに対する各プレートフィン両面の平均面積が0.8
〜1.2となるようにプレートフィンを配置したことを
特徴としている。
【0008】請求項2に記載のヒートシンクは、請求項
1のヒートシンクにおいて、前記他の領域の個々におい
ては、各プレートフィンの長さがほぼ同じであることを
特徴としている。
【0009】請求項3に記載のヒートシンクは、請求項
1のヒートシンクにおいて、前記他の領域の個々におい
ては、プレートフィンは長さの小さいものと長さの大き
いものとが混在していることを特徴としている。
【0010】請求項4に記載の発熱体の冷却構造は、前
記請求項1〜3のいずれかのヒートシンクの基板の他の
片面において、前記他の領域のプレートフィンが立てら
れている部分と対応する部分に発熱体を接触ないし定着
させ、前記各プレートフィンの長さ方向に沿ってフィン
相互間に冷却風を流すことを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】図面を参照しながら、本発明に係
るヒートシンク及び発熱体冷却構造の好適な実施形態を
説明する。 第1実施形態 図1は本発明に係る第1実施形態のヒートシンクの平面
図である。
【0012】基板2はアルミニウム又はアルミニウム合
金その他の熱伝導性の良い方形の金属板であり、基板2
の片面には図の上下方向に沿って互いに平行な多数のプ
レートフィン3がロウ付け又はカシメにより立てられて
いる。基板2は、前記プレートフィン3の長さ方向と直
交する方向に沿ってフィンピッチp(隣合うプレートフ
ィンの厚みの中心間の距離)を異にする領域a1,a
2,a3とb及びcの五つの領域を有している。この実
施形態では、領域a1,a2,a3のフィンピッチpは
等しくかつ最も粗であり、以下領域b,cの順でフィン
ピッチpが密になっているので、フィンピッチpの大き
さで分けると三種の領域に分かれている。そして、フィ
ンピッチpの最も粗な領域a1,a2,a3でのフィン
ピッチpに対する各プレートフィン3両面の平均面積を
1としたときに、他の領域b,cでのフィンピッチpに
対する各プレートフィン3両面の平均面積がそれぞれ
0.8〜1.2となるように、プレートフィン3を配置
している。
【0013】各領域のフィンピッチpに対する各プレー
トフィン3両面の平均面積の算出方法について、図1を
参照しながら以下説明する。図1のヒートシンクにおい
て、各領域a1,a2,a3及びb,cの総ピッチ幅
は、同図の上方にそれらの各領域として各符号で指示し
た幅(当該領域におけるフィンピッチp×フィン数)と
することもできるが、ここでは便宜上、当該領域におけ
る両端部のプレートフィン3の厚みの中心相互の距離を
当該領域の総ピッチ幅とした。したがって、領域a1,
a2,a3及びb,cの総ピッチ幅をそれぞれBa1,
Ba2,Ba3及びBb,Bcとする。元来、フィンピ
ッチpが等しい三つの領域a1,a2,a3におけるプ
レートフィン3の総枚数はNa、他の領域b,cにおけ
るプレートフィン3の総枚数はそれぞれNb,Ncであ
るが、前述の便宜に合わせて、領域a1,a2,a3の
プレートフィン3の総枚数をNa−3、他の領域b,c
のプレートフィン3の総枚数をそれぞれNb−1,Nc
−1とする。フィンピッチpの最も粗な各領域a1,a
2,a3のプレートフィン3の長さはそれぞれLaであ
り、他の領域b,cにおけるプレートフィン3の長さは
それぞれLb,Lcである。各領域におけるプレートフ
ィン3の高さは等しくそれぞれHとする。
【0014】以上を基礎として、領域a1,a2,a3
におけるプレートフィン3の両面の総面積Aaと、他の
領域b,cにおけるプレートフィン3の両面の総面積A
b,Acをそれぞれ以下の演算式で求める。 Aa=La×H×2(Na−3) Ab=Lb×H×2(Nb−1) Ac=Lc×H×2(Nc−1) そして、フィンピッチpの最も粗な領域a1,a2,a
3の単位ピッチ幅当たりの各プレートフィン3両面の平
均面積を、Aa/(Ba1+Ba2+Ba3)の演算式
で求める。この演算式で求められた値を1としたとき
に、Ab/Bb,Ac/Bcの各演算式で求められる他
の領域b,cにおける単位ピッチ幅当たりのプレートフ
ィン3両面の平均面積が、それぞれ0.8〜1.2の範
囲内となるように、例えば各領域b,cのプレートフィ
ン3の長さを調整する。
【0015】第1実施形態のヒートシンクを使用して発
熱体を冷却するするには、基板2のフィンピッチpが密
な領域b,cのプレートフィン3が立てられている部分
の反対側に発熱体4を接触ないし定着させ、図1の矢印
5又はその逆方向に各プレートフィン3の長さ方向に沿
ってフィン相互間に冷却風を流す。各プレートフィン3
相互間に冷却風の流すには、冷却風の風上側に吹き込み
ファンを設置するか、あるいは、冷却風の風下側に吸い
込みファンを設置する。
【0016】第1実施形態のヒートシンク及び発熱体の
放熱構造によれば、基板2の発熱体4直下のプレートフ
ィン3のフィンピッチpが小さくなっており、温度上昇
が顕著な領域b,cでは局所的な放熱面積が増大し、こ
れらの領域b,cからより多くの放熱が集中的に行われ
るので、高温発熱部分でより高効率の放熱が可能とな
る。
【0017】通常単純に他の部分よりもフィンピッチp
を狭くした領域b,cを形成した場合には、フィンピッ
チpの密な領域b,cではプレートフィン3と空気との
接触面積が大きくなるのでその分圧力損失(フィン間摩
擦圧力損失)が増大し、冷却風はフィンピッチpの広い
方の領域a1,a2,a3等に流れ易くなり、フィンピ
ッチpの狭い領域b,cでは十分な風量を確保し難くな
る。しかし、前記実施形態では、フィンピッチpが最も
広い領域a1,a2,a3の単位ピッチ幅あたりのフィ
ン両面の平均面積を1としたときに、他の領域b,cの
単位ピッチ幅あたりのフィン両面の平均面積が0.8〜
1.2となるようにプレートフィン3のフィン配置を設
計しているため、フィンピッチpが領域間で異なってい
ても冷却風とフィン両面の摩擦によって生じるフィン間
摩擦圧力損失は大差がなくなり、フィン間の通風量を平
均的に確保することができる。このように、フィンピッ
チpが狭い領域b,cでの冷却風の風量をフィンピッチ
pが広い領域a1,a2,a3とほぼ同様に確保し、か
つ、発熱体4の取付部位直下の放熱面積を局所的に従来
の櫛形ヒートシンクよりも大きくできることから、高温
部位からの放熱が効率的に行われ、ヒートシンク全体の
放熱性能を向上させることができる。
【0018】図1の矢印5の方向又はその逆方向へ冷却
風を送風する場合、フィンピッチpの密な領域b,cで
は、プレートフィン3の長さが短く、送風される冷却風
は領域b,cの各プレートフィン3と接触するまでは
(風上側では)熱を吸収せず温度はあまり上がらないの
で、その低温の冷却風はフィンピッチの密な領域b,c
において発熱体4の直下に流入し易い。すなわち、フィ
ンピッチの密な領域b,cでは、発熱体4により上昇し
た当該部分の温度とは温度差の大きい冷却風が通過する
ので、ヒートシンクの当該部分に対してより大きな温度
差の冷却風により、ヒートシンクの当該部分から冷却風
への放熱は大きくなる。
【0019】前記実施形態のヒートシンクでは、前記作
用効果の説明から明らかなように、フィンピッチpが最
も粗な領域a1,a2,a3の単位ピッチ幅あたりの各
プレートフィン3両面の平均面積が1であるときに、他
の領域b,cの単位ピッチ幅あたりのフィン両面の平均
面積が0.8〜1.2となるようにプレートフィン3の
フィン配置を設計することが必要である。前者を1とし
たときに後者が0.8未満では、領域b,cでのプレー
トフィン3のフィンピッチpが粗に過ぎるか、あるいは
当該領域b,cでのプレートフィン3の長さが小さ過ぎ
て、当該領域での高効率の放熱が期待できないおそれが
ある。他方、前者を1としたときに後者が1.2を超え
ると、当該領域b,cでのプレートフィン3のフィンピ
ッチpが密に過ぎ、あるいは当該領域でのプレートフィ
ン3の長さが大きすぎて、冷却風のフィン間摩擦圧力損
失が増大し、前述のような効果が発揮できないおそれが
ある。
【0020】第2実施形態 図2は本発明に係るヒートシンク、及び発熱体の放熱構
造の第2実施形態を示す平面図である。この実施形態で
は、熱伝導性の良い方形の金属板からなる基板2の片面
には、図の上下方向に沿って互いに平行な多数のプレー
トフィン3が立てられている。基板2の片面には、プレ
ートフィン3の長さ方向と直交する方向に沿って、フィ
ンピッチpの最も粗な二つの領域a1,a2と、それら
の中間に位置するようにフィンピッチpの密な一つの領
域bとが形成されている。フィンピッチpの密な領域b
における各プレートフィン3の長さLbを、フィンピッ
チpの粗な領域a1,a2のプレートフィン3の長さL
aよりも一様に短くすることにより、フィンピッチpの
最も粗な領域a1,a2の単位ピッチ幅当たりのプレー
トフィン3両面の平均面積を1としたときに、他の領域
bの単位ピッチ幅当たりのプレートフィン3両面の平均
面積が0.8〜1.2となるように構成している。
【0021】第2実施形態のヒートシンク及び発熱体の
放熱構造において、基板2に対する発熱体4の取付位置
や冷却風の通風方向、及びその他の構成や作用効果は、
第1実施形態のヒートシンク及び発熱体の放熱構造とほ
ぼ同様であるので、それらの説明は省略する。
【0022】第3実施形態 図3は本発明に係るヒートシンク、及び発熱体の放熱構
造の第3実施形態を示す平面図である。熱伝導性の良い
方形の金属板からなる基板2の片面には、図の上下方向
に沿って互いに平行な多数のプレートフィン3が立てら
れている。基板2のフィン形成面には、プレートフィン
3の長さ方向にと直交する方向に沿って、フィンピッチ
pの最も粗な二つの領域a1,a2と、それらの中間に
位置するようにフィンピッチpの密な一つの領域bとが
形成されている。フィンピッチpの密な領域bでは、フ
ィンピッチpの粗な領域a1,a2におけるプレートフ
ィン3の長さLaよりも、長さLb1がはるかに短いプ
レートフィン3と、前記長さLaよりも長さLb2がや
や短いプレートフィン3とを混在させることにより、フ
ィンピッチpの最も粗な領域a1,a2の単位ピッチ幅
当たりのプレートフィン3両面の平均面積を1としたと
きに、他の領域bの単位ピッチ幅当たりのプレートフィ
ン3両面の平均面積が0.8〜1.2となるように構成
している。
【0023】第3実施形態において、基板2に対する発
熱体4の取付位置は、プレートフィン3のフィンピッチ
pが密である領域bにおいてプレートフィン3が最も集
中設置されている部位(フィンピッチpの最も密な部
位)の反対側である。基板2へ図3のように発熱体4を
取り付け、図3の矢印5の方向又はその逆方向へ冷却風
を送風する場合、フィンピッチpの密な領域bでは、風
上側においてフィンピッチが極めて粗になっていて、当
該部分における基板2とプレートフィン3とからなるヒ
ートシンクの温度はあまり上昇していないので、その低
温の冷却風はフィンピッチの密な領域bにおいて発熱体
4の直下に流入し易い。すなわち、フィンピッチの密な
領域bでは、発熱体4により上昇した当該部分の温度と
は比較的温度差の大きい冷却風が通過するので、当該部
分のヒートシンクに対してより大きな温度差の冷却風に
より、ヒートシンクから冷却風への放熱は相対的に大き
くなる。第3実施形態のヒートシンク及び発熱体の放熱
構造のその他の構成や作用効果は、第1実施形態の場合
と同様であるのでそれらの説明は省略する。
【0024】その他の実施形態 第3実施形態(図3)のように、フィンピッチpが密で
ある領域に、長さの長いプレートフィン3と長さの短い
プレートフィン3とを混在させて設置する場合において
は、異なる長さパターンは二種でなく三種以上であって
も実施することができるほか、長さパターンの異なるプ
レートフィン3は同数でなく異なる数であっても実施す
ることができる。これらの場合において、長さの最も大
きいプレートフィン3は、フィンピッチpの最も粗な領
域のプレートフィン3と同じであっても実施することが
できる。前記各実施形態では、フィンピッチpの最も粗
な領域の単位ピッチ幅当たりのプレートフィン3両面の
平均面積が1であるときに、他の領域bの単位ピッチ幅
当たりのプレートフィン3両面の平均面積が0.8〜
1.2となるようにするため、フィンピッチpの密な領
域のプレートフィン3の全部又は一部のフィンの長さを
調整し、各領域のフィン高さをほぼ等しくしている。し
かし、ヒートシンク自体や機器類の冷却スペースの都合
等により、冷却性能に影響がない範囲で高さの異なるプ
レートフィンを設置しても差し支えない。
【0025】
【発明の効果】本発明に係るヒートシンク及びこれを使
用した発熱体の放熱方法によれば、基板のフィンピッチ
が小さい領域のプレートフィンが設置されている部位の
反対側に発熱体を取り付け、プレートフィンの長さ方向
に沿って冷却風を流すことにより、温度上昇が顕著な領
域で局所的に放熱面積が増大し、これらの領域からより
多くの放熱が集中的に行われるので、高温発熱部分でよ
り高効率の放熱が可能となる。
【0026】また、フィンピッチが最も粗な領域の単位
ピッチ幅あたりの各プレートフィン両面の平均面積を1
としたときに、他の領域の単位ピッチ幅あたりのプレー
トフィン両面の平均面積が0.8〜1.2となるように
プレートフィンのフィン配置を設計しているため、フィ
ンピッチが領域間で異なっていても冷却風とフィン両面
の摩擦によって生じるフィン間摩擦圧力損失はそれらの
領域間で大差がなくなり、フィン間の通風量を平均的に
確保することができる。このように、フィンピッチが密
な領域での冷却風の風量をフィンピッチが最も粗な領域
とほぼ同様に確保し、かつ、発熱体の取付部位直下の放
熱面積を局所的に従来の櫛形ヒートシンクよりも大きく
できることから、高温部位からの放熱が効率的に行わ
れ、ヒートシンク全体の放熱性能を向上させることがで
きる。
【0027】さらに、フィンピッチの密な領域では、送
風される冷却風はヒートシンクの当該部分と接触するま
では熱を少ししか吸収せず温度があまり上がらないの
で、その低温の冷却風はフィンピッチの密な領域におい
て発熱体の直下に流入し易い。すなわち、フィンピッチ
の密な領域では、発熱体により上昇した当該部分の温度
とは温度差の大きい冷却風が通過するので、ヒートシン
クの当該部分に対してより大きな温度差の冷却風によ
り、ヒートシンクの当該部分から冷却風への放熱はより
大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るヒートシンクと発熱体の冷却構造
の第1実施形態を示す平面図である。
【図2】本発明に係るヒートシンクと発熱体の冷却構造
の第2実施形態を示す平面図である。
【図3】本発明に係るヒートシンクと発熱体の冷却構造
の第3実施形態を示す平面図である。
【図4】従来の櫛形ヒートシンクと発熱体の冷却構造の
一形態を示す斜視図である。
【図5】図4のヒートシンクと発熱体の冷却構造の平面
図である。
【符号の説明】
2 基板 3 プレートフィン 4 発熱体 5 冷却風の方向を示す矢印 a1,a2,a3,b,c 領域 p フィンピッチ La,Lb,Lb1,Lb2,Lc プレートフィンの
長さ Ba1,Ba2,Ba3,Bb,Bc 領域の幅
フロントページの続き (72)発明者 細川 俊之 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 鳩崎 芳久 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 Fターム(参考) 5E322 AA01 EA11 5F036 AA01 BA24 BB05

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板の片面には一定方向に沿って互いに
    平行な多数のプレートフィンが立てられており、 前記基板は、プレートフィンの長さ方向と直交する方向
    に沿ってフィンピッチを異にする複数の領域を有し、 フィンピッチの最も粗な領域でのフィンピッチに対する
    各プレートフィン両面の平均面積を1としたときに、他
    の領域でのフィンピッチに対する各プレートフィン両面
    の平均面積が0.8〜1.2となるようにプレートフィ
    ンを配置した、 ことを特徴とするヒートシンク。
  2. 【請求項2】 前記他の領域の個々においては、各プレ
    ートフィンの長さがほぼ同じ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】 前記他の領域の個々においては、プレー
    トフィンは長さの小さいものと長さの大きいものとが混
    在していることを特徴とする、請求項1に記載のヒート
    シンク。
  4. 【請求項4】 前記請求項1〜3のいずれかのヒートシ
    ンクの基板の他の片面において、前記他の領域のプレー
    トフィンが立てられている部分と対応する部分に発熱体
    を接触ないし定着させ、前記各プレートフィンの長さ方
    向に沿ってフィン相互間に冷却風を流すことを特徴とす
    る、発熱体の冷却構造。
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