JP2004022815A - ヒートシンクおよびそれを用いた電子装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】最適なフィン基板の厚さを持ったヒートシンクを提供する。
【解決手段】フィン基板４と、フィン基板４に複数枚並行に配置された放熱用のフィン７とから成るヒートシンク３であって、ＩＧＢＴ１をフィン基板４に密着設置するためのヒートシンク３において、ヒートシンク３の高さをフィン基板４の厚さとフィン７の長さの和としたとき、フィン基板４の厚さをヒートシンク３の高さの１５〜４５％とした。
【選択図】 図２
【解決手段】フィン基板４と、フィン基板４に複数枚並行に配置された放熱用のフィン７とから成るヒートシンク３であって、ＩＧＢＴ１をフィン基板４に密着設置するためのヒートシンク３において、ヒートシンク３の高さをフィン基板４の厚さとフィン７の長さの和としたとき、フィン基板４の厚さをヒートシンク３の高さの１５〜４５％とした。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーデバイスを直接又は間接的に密着設置して、その発生熱を外部に排出するためのヒートシンクおよびそれを用いた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電子装置に用いられるパワーデバイスで発生する熱を冷却するのに、強制空冷と自然空冷とが従来より採用されていた。
図１１は従来公知の強制空冷によるヒートシンク、図１２は従来公知の自然空冷によるヒートシンクをそれぞれ示している。
図１１において、１はＩＧＢＴ、２はＤＭ（ダイオードモジュール）、３はヒートシンク、４’はフィン基板、５はプリント基板、６はファン、７はフィン、８は冷却風である。なお、フィン基板４’、フィン７は何れもアルミ又はアルミ合金などの高熱伝導材料で製造されている。
制御回路を構成しているプリント基板５は、擬似交流の周波数を決めるスイッチング指令を発生するスイッチング指令発生部であり、ＩＧＢＴ１およびＤＭ２といったパワーデバイスは、商用交流電流（図示なし。）から得た電流をいったん直流に整流して後、任意の周波数の擬似交流に変換する擬似交流変換部である。そして、ヒートシンク３の一部を構成するフィン基板４’は、パワーデバイスでの交流変換で発生した熱をパワーデバイスの伝熱面から、接触面を介して伝達する熱伝達部であり、ヒートシンク３のフィン７は、該フィン基板４’に複数枚並行に配置されると共に伝達された熱を冷却風８により放熱する部品で、ファン６は冷却風８を誘起する風誘起部である。
以上の構成において、商用交流電源から得た電流をいったん直流に整流した後、任意周波数の疑似交流電流に変換して交流モータに供給し任意の回転数で回転させる。この疑似交流の周波数はプリント基板５に構成されている制御回路からのスイッチング指令によって決まる。この過程においてパワーデバイスであるＩＧＢＴ１やＤＭ２で発生した熱は、デバイスの伝熱面とフィン基板４’との接触面を介してヒートシンク３に伝わり、さらに、ヒートシンク３ではフィン基板４’に接合されているフィン７から冷却風８に伝わって外部に放散する。冷却風８はファン６によって誘起される。
【０００３】
上記のような制御装置では、小型化の要求が強いため装置自体が小さくなるとヒートシンクに割り当てられる占有体積も小さくなり、ヒートシンク３については冷却能力の向上が大きな課題となる。
一般に冷却能力向上のためには、フィン基板４’を薄くしてフィン７を長くしたり、フィン７にサブフィンを追加して表面積を増やすという方策が採られる。従来使用されてきたこのようなパワーデバイス用ヒートシンクでは、フィン長さの伸長やサブフィンの設置による表面積増加およびフィンの薄型化による冷却風増加などの工夫がなされており、フィン基板４’の厚さは１０ｍｍ前後かそれ以下で、ヒートシンク３高さ（ヒートシンク高さ＝フィン基板厚さ＋フィン長さ）に対するフィン基板４’の厚さの割合は１０％以下が一般的であった。
【０００４】
さらに、従来，電子装置の発熱体の熱を自然空冷で大気に放出する手段として図１２に示すようなヒートシンクを使用している。
図において，１はＩＧＢＴなどの発熱体，４’はフィン基板，７はフィン，７１はフィン７の主要放熱面，４１’はフィン基板４’の放熱側の面である。発熱体１はフィン基板４’に密着設置している。フィン３は一体成形，あるいはカシメなどの手段によって複数枚が並行にフィン基板４’に設置されている。ヒートシンクはフィン７の主要放熱面７１とフィン基板４’の放熱側の面４１’とが重力方向に平行になるように保持されている。
このような構造において，発熱体１で発生した熱は密着しているフィン基板４’に接触面を介して伝わり，伝わった熱はフィン基板４’内に拡散するとともに放熱側の面５からフィン７の間にある空気に放熱し，同時にフィン７へも伝わる。フィン７に伝わった熱も主にフィン７の主要放熱面４からフィン７の間にある空気に放熱される。したがってフィン７のフィン間すきまにある空気はフィン基板４’の放熱側の面４１’とフィン７の主要放熱面７１から熱を伝えられて温度が上がるため，浮力によって上昇し熱を持ち去る。
【０００５】
ところが，自然空冷では放熱面上に形成される温度境界層が厚いためフィン７のフィン間すきまが狭いと互いの温度境界層が干渉して熱伝達率が低下し放熱能力が小さくなる。これを解消するためにフィン間すきまを広くすると熱伝達率は大きくなるが，ヒートシンクの幅が決まっていることから設置できるフィン７の数が減りヒートシンクとしての冷却性能が低下するという結果になる。市販フィンを採用したり旧来のヒートシンク寸法を模倣したりしていた従来技術では，冷却性能の観点から最適な構造，すなわち最適なフィン間隔を設定しているとは限らないという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した上記従来の強制空冷によるヒートシンクにおいては、ヒートシンク３の冷却性能向上という観点からはフィン基板４’をできるだけ薄くせざるを得ない。
また、ヒートシンク３の冷却能力からＩＧＢＴ１やＤ２をフィン基板４上の中央部に設置することが望ましいが、制御装置におけるＩＧＢＴ１やＤＭ２のフィン基板４’上の設置位置は他の電用品との接続、あるいはノイズ対策などの観点からフィン基板４’上の外辺付近に設置されるとフィン基板４’が薄いためパワーデバイスの熱がフィン基板４’全体に拡散できず、冷却風８に対するフィン７の放熱性能を良くしてもそれを十分に活かすことができないという課題があった。
そこで、本発明は、ヒートシンクの高さとフィン基板の厚さを基にした実験的裏付けのある数値を基に最適なフィン基板の厚さを持ったヒートシンクを得ることを第１の目的とする。
【０００７】
また、図１２に示した従来の自然空冷によるヒートシンクにおいて、自然空冷では放熱面上に形成される温度境界層が厚いため、フィン間すきまが狭いと互いの温度境界層が干渉して熱伝達率が低下し、放熱能力が小さくなる。これを解消するためにフィン間すきまを広くすると熱伝達率は大きくなるが，ヒートシンクの幅が決まっていることから設置できるフィンの数が減り、ヒートシンクとしての冷却性能が低下するという結果になる。
市販フィンを採用したり旧来のヒートシンク寸法を模倣したりしていた従来技術では，冷却性能の観点から最適な構造，すなわち最適なフィン間隔を設定することができなかった。
そこで，本発明ではフィン高さとフィン厚さを基にした実験的裏付けのある数値を基に最適なフィン間すきまを持った自然空冷ヒートシンクを得ることを第２の目的とする。
【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、請求項１記載のヒートシンクの発明は、フィン基板と、該フィン基板に複数枚並行に配置された放熱用のフィンを備え、該フィン基板にパワーデバイスを直接又は間接的に密着設置するためのヒートシンクにおいて、前記ヒートシンクの高さを前記フィン基板の厚さと前記フィンの長さの和としたとき、前記フィン基板の厚さを前記ヒートシンクの高さの１５〜４５％としたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記パワーデバイス設置箇所の前記フィン基板の厚さを他の箇所の厚さよりも薄く形成し、当該箇所のフィン基板の厚さを前記ヒートシンク高さの１５〜４５％としたことを特徴とする。
上記構成によれば、フィン基板を最適な厚さとすることにより、パワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散でき、冷却能力を向上できるようになる。
【０００９】
請求項３記載のヒートシンクの発明は、フィン基板と、該フィン基板に複数枚並行に配置された放熱用のフィンを備え、前記フィンの高さが４５ｍｍ以下かつ前記フィンの厚さが５ｍｍ以下のヒートシンクにおいて、実際のフィン高さＸ（ｍｍ）および実際のフィン厚さＹ（ｍｍ）が決まっているとき、該フィン高さＸを式（１）および式（２）に代入してＹ１とＹ２を求め、求めたＹ１およびＹ２から前記フィン厚さＹが満足する範囲を式（３）により求め、満足する範囲に該当するフィン間すきまＺ（ｍｍ）が設けられたことを特徴とする。
Ｙ１＝ｆ（ｙ１ｉ） ・・・・・式（１）
ｙ１１＝１．０／２．５（ｘ１１−１２．５） ただし、１２．５≦ｘ１１＜１５
ｙ１２＝０．６／５．０（ｘ１２−１５．０） ＋１ ただし、１５．０≦ｘ１２＜２０
ｙ１３＝０．４／５．０（ｘ１３−２０．０） ＋１．６ ただし、２０．０≦ｘ１３＜３０
ｙ１４＝０×ｘ１４ ＋２．４ ただし、３０．０≦ｘ１４＜３３
ｙ１５＝０．３／７．０（ｘ１５−３３．０） ＋２．４ ただし、３３．０≦ｘ１５＜４０
ｙ１６＝０×ｘ１６ ＋２．７ ただし、４０．０≦ｘ１６＜４２
ｙ１７＝０．３／３．０（ｘ１７−４２．０） ＋２．７ ただし、４２．０≦ｘ１７≦４５
Ｙ２＝ｆ（ｙ２ｉ） ・・・・・式（２）
ｙ２１＝１．０／２．５（ｘ２１−１６．５） ただし、１６．５≦ｘ２１＜１９
ｙ２２＝０．５／６．０（ｘ２２−１９．０） ＋１ ただし、１９．０≦ｘ２２＜２５
ｙ２３＝０×ｘ２３ ＋１．５ ただし、２５．０≦ｘ２３＜２８
ｙ２４＝０．２／２．０（ｘ２４−２８．０） ＋１．５ ただし、２８．０≦ｘ２４＜３０
ｙ２５＝０×ｘ２５ ＋１．６ ただし、３０．０≦ｘ２５＜３７
ｙ２６＝０．１／３．０（ｘ２６−３７．０） ＋１．６ ただし、３７．０≦ｘ２６＜４０
ｙ２７＝０×ｘ２７ ＋１．７ ただし、４０．０≦ｘ２７≦４５
フィン間すきま（Ｚ）の決定式 ・・・・・式（３）
（イ）Ｙ≦Ｙ２ ならば、Ｚ＝ ３〜 ７（ｍｍ）
（ロ）Ｙ２＜Ｙ≦Ｙ１ ならば、Ｚ＝ ７〜１１（ｍｍ）
（ハ）Ｙ１＜Ｙ ならば、Ｚ＝１１〜１５（ｍｍ）
上記構成によれば、フィン間すきまがフィン高さおよびフィン厚さからフィン放熱能力推定式を基に決定されるので、所要の寸法仕様に対して常に最良の冷却性能を持った自然空冷ヒートシンクを得ることができる。
請求項４記載の電子装置の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のヒートシンクを備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、発熱するモータ駆動用制御装置が、請求項１〜３のような最良の冷却能力を持ったヒートシンクを備えることになるので、スイッチングトランジスタ等を熱的逸走なく常に正確に動作させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施の形態）
まず、本発明の第１実施の形態について図１〜図４を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施の形態を示す強制空冷によるヒートシンクの正面図である。同図において、１はＩＧＢＴ、２はＤＭ、３はヒートシンク、４はヒートシンク３のフィン基板、６は強制空冷用のファンである。そしてＩＧＢＴ１とＤＭ２をヒートシンク３のフィン基板４に密着設置し、ヒートシンク３はファン６で強制空冷している。通常、モータドライブ装置の設計では電気部品の配置等を優先するためヒートシンクに割ける体積は自ずから決まってしまう。
図からわかるように、図１１の従来公知のヒートシンクとの違いはフィン基板の厚さにある。従来公知のヒートシンクのフィン基板４’の厚さはできるだけ薄くしているのに対してこのフィン基板４ではかなり厚くなっているのが特徴である。そこで、このフィン基板４の厚さの決定の仕方について以下に説明する。
【００１１】
図２は図１のヒートシンクの側面図である。
図２に示すようにフィン基板４の厚さとフィン７の長さを合わせたヒートシンク高さは８０ｍｍに固定されている。そして、９０ｍｍ角の軸流ファン６を２台並列に配置して冷却風を発生させている。製造やコストの制約から、フィン材質、フィン厚さ、フィンピッチは決められている。この条件でヒートシンクの高性能化を図るということはヒートシンク高さ８０ｍｍにおけるフィン基板４の厚さとフィン７の長さの最適配分を求めることになる。
【００１２】
図３は、フィン基板４の厚さを変数としたときのヒートシンク３の冷却能力変化のグラフを示したものである。横軸はフィン基板厚さ（ｍｍ）、縦軸は熱コンダクタンス（Ｗ／℃）、すなわち冷却能力である。熱コンダクタンスの値は大きいほど良いことになる。図３から、フィン基板４の厚さが薄いほどヒートシンクとしての冷却能力は良くなっていくのがわかる。
これは、図１および図２において、ヒートシンク高さが一定という条件下ではフィン基板４の厚さが薄くなるほど、フィン７の長さが長くなって表面積が増えると同時にフィン間の通風断面積も増加して冷却風の流量が増え、フィン基板４とフィン７の表面から冷却風８へ熱が伝わりやすくなるためである。この指標によるとフィン基板４は薄ければ薄いほど良いということになる。
ところが、ＩＧＢＴ１やＤＭ２の熱はフィン基板４上に一様に伝熱しているわけではなく、それぞれの設置場所で局所的に伝熱しているため、伝わった熱がフィン基板４内で効率的に拡散しないとヒートシンク３の冷却能力が十分に発揮できない。
【００１３】
図４は、フィン基板４の厚さを変数としたときのＩＧＢＴ１のジャンクション温度上昇の変化を示している。横軸は基板厚さの比率（％）、すなわち基板厚さをヒートシンク高さで割った値×１００（％）、縦軸はＩＧＢＴケースの最高温度上昇（℃）である。このＩＧＢＴのジャンクション温度上昇にはヒートシンク３の冷却能力とフィン基板４内の熱拡散効果とが相乗した冷却効果が反映されている。この温度はモータドライブ装置の熱設計における温度スペックの一つであり、低いほど良い。図４の例ではフィン基板４の厚さがヒートシンク３高さの２５％（ｍ）の時に最も温度が低く、この前後ではフィン基板４が薄くなっても厚くなってもＩＧＢＴジャンクション温度上昇が高くなることがわかる。
図３に示したようにヒートシンク３の冷却能力で評価した場合はフィン基板４は薄いほど良いという結果であったが、フィン基板４内の熱拡散効果も含めたジャンクション温度上昇で評価すると最適値が存在することになる。フィン基板４上のパワーデバイスがフィン基板４の外辺近くに設置されるほど温度変化が顕著になって最適値が明確になる。すなわち、フィン基板上の発熱体の配置によってはフィン基板厚さを１０ｍｍ前後以下で、ヒートシンク３高さに対するフィン基板４の厚さの割合は１０％以下という従来の寸法よりもフィン基板の厚さをヒートシンク高さの１５〜４５％、好ましくは２０〜４０％とした方が、パワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散でき、冷却能力を向上でき、最適な冷却効果を得ることができる。
【００１４】
（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態について説明する。
図５は本発明の第２実施の形態を示すヒートシンクで、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。なお、図では強制空冷用のファンの図示は省略している。
同図において、１はＩＧＢＴ、３はヒートシンク、４はヒートシンク３のフィン基板、７はフィンである。図からわかるように、ＩＧＢＴ１をヒートシンク３のフィン基板４に密着設置し、フィン基板４のＩＧＢＴ１が設置されている反対面のＩＧＢＴ１の設置投影面にかかる部分を含む一部の面のフィン基板４ａが薄くなっている。このような構造にしても、ＩＧＢＴ１とフィン基板４との接触面の一部が厚い部分（すなわち、薄い部分４ａ以外のフィン部分）４ｂに重なっているので、ＩＧＢＴ１からフィン基板４に伝わった熱はフィン基板４の厚い部分４ｂを伝わってフィン基板４の全体に拡がるため、図１に示した実施の形態と同じ効果が得られる。
さらに、フィン基板４の一部４ａが薄くなるためヒートシンク３の重量が軽くなり、フィン基板４が薄くなった部分４ａにフィン７を設けて放熱面積を増やすことでヒートシンクとしての冷却能力も向上できる。
【００１５】
図１および図５に示した実施形態ではＩＧＢＴ１やＤＭ２といったパワーデバイスを直接ヒートシンク３に設置しているが、パワーデバイスとヒートシンク３との間に金属板又はペルチェ素子などを挿入し、パワーデバイスとヒートシンク３とを間接的に密着設置し、冷却しても同様の効果が得られる。
また、図１および図５に示した実施形態では、インバータのような制御装置について示したが、モータの制御アンプまたは、レーザ制御機のアンプまたは、パソコンや計算機内のデバイスなどの発熱装置に適用しても、同様の高い冷却効果が得られる。
ここで参考までに、従来のヒートシンクの例として市販の株式会社リョーサン製ヒートシンク１２４ＣＢ１２４のカタログから、フィンの長さＡとフィン基板厚さＢとその比Ｃ（％）の値を記載しておく。
Ａ＝１１２ｍｍ、Ｂ＝６ｍｍ、Ｃ＝５％。
このケースでは、本実施の形態によれば本来Ｃ＝１４〜４５％の範囲に入るべきものであるが、実際には５％であった。これではパワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散できず、冷却能力が十分に発揮できない。このように、従来のヒートシンクは本実施の形態による最適寸法の範囲から外れている。
【００１６】
（第３実施の形態）
次に、本発明の第３実施の形態について説明する。
図６は本発明の第３実施の形態を説明するヒートシンクの平面図である。
図において、６１はＩＧＢＴ、６２はフィン基板、６３はフィン、Ｗはヒートシンク幅，Ｘはフィン高さ（単位ｍｍ），Ｙはフィン厚さ（単位ｍｍ），Ｚはフィン間すきま（単位ｍｍ）である。
通常，ヒートシンクの熱設計では，装置全体の構造からヒートシンク幅Ｗとフィン高さＸが決まる。この条件のもとでフィン厚さＹとフィン間すきまＺを決定するわけであるが，ヒートシンクの冷却性能はフィン厚さＹとフィン間すきまＺに大きく左右されることが分かった。
すなわち，ヒートシンクの冷却性能である熱コンダクタンスは式（４）で表される。式（４）中のフィン表面熱伝達率を求める式はフィン性能実験に基づいた出願人独自の実験式であり，その推定精度はきわめて高い。
【００１７】
Ｇ＝α×（Ａｂ＋φ・Ａｆ） ・・・・ 式（４）
ここで， Ｇ ： 熱コンダクタンス ［Ｗ／℃］
α ： フィン表面熱伝達率 ［Ｗ／ｍ２／℃］
Ａｂ ： フィン基板面放熱面積 ［ｍ２］
φ ： フィン効率
Ａｆ ： フィン放熱面積 ［ｍ２］
式（４）の右辺の各ファクターもフィン高さＸ，フィン厚さＹ，フィン間すきまＺなどをパラメータとした関数であり，それぞれのファクターにおける個々のパラメータの影響も異なっている。
図７は横軸がフィン間すきま（ｍｍ）、縦軸がフィン表面熱伝達率α（Ｗ／ｍ２／℃）で、フィン間すきまがフィン表面熱伝達率αにおよぼす影響を示している。 同図によれば、フィン間すきまが広くなれば、フィン表面熱伝達率αも大きくなり、したがって上記式（４）のフィン表面熱伝達率αは増加することとなる。したがって冷却性能も高くなることが理解できる。
一方、図８は横軸がフィン間すきま（ｍｍ）、縦軸が有効放熱面積（ｍ２）で、
フィン間すきまが有効放熱面積に及ぼす影響を示すグラフである。同図によれば、フィン間すきまが広くなれば、ヒートシンク幅Ｗが決まっているためヒートシンク上のフィンの数が減少するので、上記式（４）の「Ａｂ＋φ・Ａｆ」で表される有効放熱面積は減少することとなる。
そこで、例えば，図７に示すようにフィン間すきまが広くなれば、フィン表面熱伝達率が大きくなるので冷却性能が高くなることが予測されるが，同時に図８に示すようにフィン間すきまが広くなればヒートシンク幅Ｗが決まっているためヒートシンク上のフィンの数が減少して Ａｂ＋φ・Ａｆ で表される有効放熱面積は減少することとなり、冷却性能（熱コンダクタンス）は式（４）に示すように両者の積であるから、フィン間すきまについて熱コンダクタンスを最も高くする最適値，あるいは最適範囲が存在することが示唆される。
【００１８】
図９はフィン間すきまが熱コンダクタンスに及ぼす影響を示す図で、横軸がフィン間すきま（ｍｍ）、縦軸が単位面積あたりの熱コンダクタンス（Ｗ／ｍ２／℃）である。冷却性能が良い場合は縦軸の熱コンダクタンス値が大きく、良くない場合は熱コンダクタンス値が小さい。これによりフィン間すきまが熱コンダクタンスに及ぼす影響が理解できるる。各グラフのパラメータは、図において上から下に、フイン高さ４５ｍｍ、４０ｍｍ、３５ｍｍ、３０ｍｍ、２５ｍｍ、２０ｍｍ、１５ｍｍ、１０ｍｍ、７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍで、フインの厚さは全て２ｍｍである。
図からわかることは、フィン高さ３〜４５ｍｍについて各熱コンダクタンスの変化が見られ、その変化グラフの中で各フィン高さにおいて熱コンダクタンスが最も高くなるフィン間すきまの範囲が横軸からわかる、ということである。
そして，熱コンダクタンスが最も高くなるフィン間すきまの範囲もフィン高さによってそれぞれ違っていることもわかる。
図９はフィン厚さが２ｍｍの場合であるが，フィン厚さが変わればこの傾向もまた違ってくる。
【００１９】
このような考え方に基づいて自然空冷を採用するヒートシンクで採りうるフィン寸法として，フィン高さ４５ｍｍ以下，フィン厚さ５ｍｍ以下としたときのそれぞれの組み合わせについて冷却性能の最適値を得るフィン間すきまを詳しく実験すると図１０のようになった。図１０において、横軸がフィン高さ（ｍｍ）、縦軸がフィン厚さ（ｍｍ）である。
図において、線図Ｙ１とＹ２とが延びており、線図Ｙ２以下の領域はフィン間すきまが３〜７（ｍｍ）であり、線図Ｙ２を超えて線図Ｙ１以下の領域はフィン間すきまが７〜１１（ｍｍ）であり、線図Ｙ１を超える領域はフィン間すきまが１１〜１５（ｍｍ）である。
したがって、いま実際のフィン高さＸおよび実際のフィン厚さＹが決まっているとき、該フィン高さＸ（ｍｍ）を式（１）および式（２）に代入してＹ１とＹ２を求め、求めたＹ１およびＹ２から前記フィン厚さＹが満足する範囲を式（３）により求め、当該満足する範囲に該当するフィン間すきまが本発明の第３の実施の形態により決定される値である。
Ｙ１＝ｆ（ｙ１ｉ） ・・・・・式（１）
ｙ１１＝１．０／２．５（ｘ１１−１２．５） ただし、１２．５≦ｘ１１＜１５
ｙ１２＝０．６／５．０（ｘ１２−１５．０） ＋１ ただし、１５．０≦ｘ１２＜２０
ｙ１３＝０．４／５．０（ｘ１３−２０．０） ＋１．６ ただし、２０．０≦ｘ１３＜３０
ｙ１４＝０×ｘ１４ ＋２．４ ただし、３０．０≦ｘ１４＜３３
ｙ１５＝０．３／７．０（ｘ１５−３３．０） ＋２．４ ただし、３３．０≦ｘ１５＜４０
ｙ１６＝０×ｘ１６ ＋２．７ ただし、４０．０≦ｘ１６＜４２
ｙ１７＝０．３／３．０（ｘ１７−４２．０） ＋２．７ ただし、４２．０≦ｘ１７≦４５
Ｙ２＝ｆ（ｙ２ｉ） ・・・・・式（２）
ｙ２１＝１．０／２．５（ｘ２１−１６．５） ただし、１６．５≦ｘ２１＜１９
ｙ２２＝０．５／６．０（ｘ２２−１９．０） ＋１ ただし、１９．０≦ｘ２２＜２５
ｙ２３＝０×ｘ２３ ＋１．５ ただし、２５．０≦ｘ２３＜２８
ｙ２４＝０．２／２．０（ｘ２４−２８．０） ＋１．５ ただし、２８．０≦ｘ２４＜３０
ｙ２５＝０×ｘ２５ ＋１．６ ただし、３０．０≦ｘ２５＜３７
ｙ２６＝０．１／３．０（ｘ２６−３３．０） ＋１．７ ただし、３７．０≦ｘ２６＜４０
ｙ２７＝０×ｘ２７ ＋１．８ ただし、４０．０≦ｘ２７≦４５
フィン間すきま（Ｚ）の決定式 ・・・・・式（３）
（イ）Ｙ≦Ｙ２ ならば、Ｚ＝ ３〜 ７（ｍｍ）
（ロ）Ｙ２＜Ｙ≦Ｙ１ ならば、Ｚ＝ ７〜１１（ｍｍ）
（ハ）Ｙ１＜Ｙ ならば、Ｚ＝１１〜１５（ｍｍ）
【００２０】
すなわち，この図１０によってフィン高さＸとフィン厚さＹが決まればその条件下で最も高い冷却性能を示すフィン間すきまｚの最適範囲が一義的に決まることになる。例を２，３挙げて説明する。
例１：フィン高さＸ＝１０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝３（ｍｍ）なら、図１０の点ａであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は１１〜１５（ｍｍ）となる。
例２：フィン高さＸ＝３０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝３（ｍｍ）なら、図１０の点ｂであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は１１〜１５（ｍｍ）となる。
例３：フィン高さＸ＝３０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝２（ｍｍ）なら、図１０の点ｃであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は７〜１１（ｍｍ）となる。
例４：フィン高さＸ＝３０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝１（ｍｍ）なら、図１０の点ｄであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は３〜７（ｍｍ）となる。
このように、第３の実施の形態によれば、自然空冷で使用するヒートシンクに関して独自のフィン放熱能力推定式を基にフィン高さとフィン厚さとをパラメータとしてフィン間すきまの最適範囲を一義的に決めたので，所要の寸法仕様に対して常に最良の冷却性能を持った自然空冷ヒートシンクを得ることができる。
ここで参考までに、従来のヒートシンクの例として市販の株式会社リョーサン製ヒートシンク４０ＢＳ２５６のカタログから、フィン高さＸとフィン厚さＹとフィン間すきまｚの値を記載しておく。
Ｘ＝３４ｍｍ、Ｙ＝４ｍｍ、Ｚ＝８ ｍｍ。
このケースでは、本実施の形態によれば本来１１〜１５の範囲に入るべきものであるが、実際には８ｍｍであり、これではフィン間すきまが狭いため温度境界層が干渉して表面積のわりに冷却性能が低いであろうと推測される。このように、従来のヒートシンクは図１０の本実施の形態による最適寸法の範囲から外れている。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように，本発明の第１の実施の形態によれば、強制空冷で使用するヒートシンクに関して、フィン基板を厚くすることにより、パワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散でき、冷却能力を向上できる。
また、第２の実施の形態によれば、強制空冷で使用するヒートシンクに関して、フィン基板の一部が薄くなるためヒートシンクの重量が軽くなり、フィン基板が薄くなった部分にフィンを設けて放熱面積を増やすことでヒートシンクとしての冷却能力も向上できる。
さらに、第３の実施の形態によれば、自然空冷で使用するヒートシンクに関して独自のフィン放熱能力推定式を基にフィン高さとフィン厚さとをパラメータとしてフィン間すきまの最適範囲を一義的に決めたので，所要の寸法仕様に対して常に最良の冷却性能を持った自然空冷ヒートシンクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示す強制空冷によるヒートシンクの正面図である。
【図２】図２は図１のヒートシンクの側面図である。
【図３】フィン基板厚さによるヒートシンク冷却能力の変化を表すグラフである。
【図４】フィン基板厚さの比率によるＩＧＢＴジャンクション温度上昇の変化を表すグラフである。
【図５】本発明の第２実施の形態を示すヒートシンクの図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】本発明の第３実施の形態を示す自然空冷によるヒートシンクの平面図である。
【図７】フィン間すきまがフィン表面熱伝達率におよぼす影響を示すグラフである。
【図８】フィン間すきまが有効放熱面積に及ぼす影響を示すグラフである。
【図９】フィン間すきまがヒートシンク冷却性能におよぼす影響を示すグラフである。
【図１０】フィン間すきまの最適範囲を得る本発明の第３実施形態に係るグラフである。
【図１１】従来公知の強制空冷によるヒートシンクを示す正面図である。
【図１２】従来公知の自然空冷によるヒートシンクを示す斜視図である。
【符号の説明】
１：ＩＧＢＴ
２：ＤＭ
３：ヒートシンク
４：フィン基板
５：プリント基板
６：ファン
７：フィン
８：冷却風
６１ ＩＧＢＴ
６２ フィン基板
６３ フィン
Ｗ ヒートシンク幅
Ｘ フィン高さ
Ｙ フィン厚さ
Ｚ フィン間すきま
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーデバイスを直接又は間接的に密着設置して、その発生熱を外部に排出するためのヒートシンクおよびそれを用いた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電子装置に用いられるパワーデバイスで発生する熱を冷却するのに、強制空冷と自然空冷とが従来より採用されていた。
図１１は従来公知の強制空冷によるヒートシンク、図１２は従来公知の自然空冷によるヒートシンクをそれぞれ示している。
図１１において、１はＩＧＢＴ、２はＤＭ（ダイオードモジュール）、３はヒートシンク、４’はフィン基板、５はプリント基板、６はファン、７はフィン、８は冷却風である。なお、フィン基板４’、フィン７は何れもアルミ又はアルミ合金などの高熱伝導材料で製造されている。
制御回路を構成しているプリント基板５は、擬似交流の周波数を決めるスイッチング指令を発生するスイッチング指令発生部であり、ＩＧＢＴ１およびＤＭ２といったパワーデバイスは、商用交流電流（図示なし。）から得た電流をいったん直流に整流して後、任意の周波数の擬似交流に変換する擬似交流変換部である。そして、ヒートシンク３の一部を構成するフィン基板４’は、パワーデバイスでの交流変換で発生した熱をパワーデバイスの伝熱面から、接触面を介して伝達する熱伝達部であり、ヒートシンク３のフィン７は、該フィン基板４’に複数枚並行に配置されると共に伝達された熱を冷却風８により放熱する部品で、ファン６は冷却風８を誘起する風誘起部である。
以上の構成において、商用交流電源から得た電流をいったん直流に整流した後、任意周波数の疑似交流電流に変換して交流モータに供給し任意の回転数で回転させる。この疑似交流の周波数はプリント基板５に構成されている制御回路からのスイッチング指令によって決まる。この過程においてパワーデバイスであるＩＧＢＴ１やＤＭ２で発生した熱は、デバイスの伝熱面とフィン基板４’との接触面を介してヒートシンク３に伝わり、さらに、ヒートシンク３ではフィン基板４’に接合されているフィン７から冷却風８に伝わって外部に放散する。冷却風８はファン６によって誘起される。
【０００３】
上記のような制御装置では、小型化の要求が強いため装置自体が小さくなるとヒートシンクに割り当てられる占有体積も小さくなり、ヒートシンク３については冷却能力の向上が大きな課題となる。
一般に冷却能力向上のためには、フィン基板４’を薄くしてフィン７を長くしたり、フィン７にサブフィンを追加して表面積を増やすという方策が採られる。従来使用されてきたこのようなパワーデバイス用ヒートシンクでは、フィン長さの伸長やサブフィンの設置による表面積増加およびフィンの薄型化による冷却風増加などの工夫がなされており、フィン基板４’の厚さは１０ｍｍ前後かそれ以下で、ヒートシンク３高さ（ヒートシンク高さ＝フィン基板厚さ＋フィン長さ）に対するフィン基板４’の厚さの割合は１０％以下が一般的であった。
【０００４】
さらに、従来，電子装置の発熱体の熱を自然空冷で大気に放出する手段として図１２に示すようなヒートシンクを使用している。
図において，１はＩＧＢＴなどの発熱体，４’はフィン基板，７はフィン，７１はフィン７の主要放熱面，４１’はフィン基板４’の放熱側の面である。発熱体１はフィン基板４’に密着設置している。フィン３は一体成形，あるいはカシメなどの手段によって複数枚が並行にフィン基板４’に設置されている。ヒートシンクはフィン７の主要放熱面７１とフィン基板４’の放熱側の面４１’とが重力方向に平行になるように保持されている。
このような構造において，発熱体１で発生した熱は密着しているフィン基板４’に接触面を介して伝わり，伝わった熱はフィン基板４’内に拡散するとともに放熱側の面５からフィン７の間にある空気に放熱し，同時にフィン７へも伝わる。フィン７に伝わった熱も主にフィン７の主要放熱面４からフィン７の間にある空気に放熱される。したがってフィン７のフィン間すきまにある空気はフィン基板４’の放熱側の面４１’とフィン７の主要放熱面７１から熱を伝えられて温度が上がるため，浮力によって上昇し熱を持ち去る。
【０００５】
ところが，自然空冷では放熱面上に形成される温度境界層が厚いためフィン７のフィン間すきまが狭いと互いの温度境界層が干渉して熱伝達率が低下し放熱能力が小さくなる。これを解消するためにフィン間すきまを広くすると熱伝達率は大きくなるが，ヒートシンクの幅が決まっていることから設置できるフィン７の数が減りヒートシンクとしての冷却性能が低下するという結果になる。市販フィンを採用したり旧来のヒートシンク寸法を模倣したりしていた従来技術では，冷却性能の観点から最適な構造，すなわち最適なフィン間隔を設定しているとは限らないという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した上記従来の強制空冷によるヒートシンクにおいては、ヒートシンク３の冷却性能向上という観点からはフィン基板４’をできるだけ薄くせざるを得ない。
また、ヒートシンク３の冷却能力からＩＧＢＴ１やＤ２をフィン基板４上の中央部に設置することが望ましいが、制御装置におけるＩＧＢＴ１やＤＭ２のフィン基板４’上の設置位置は他の電用品との接続、あるいはノイズ対策などの観点からフィン基板４’上の外辺付近に設置されるとフィン基板４’が薄いためパワーデバイスの熱がフィン基板４’全体に拡散できず、冷却風８に対するフィン７の放熱性能を良くしてもそれを十分に活かすことができないという課題があった。
そこで、本発明は、ヒートシンクの高さとフィン基板の厚さを基にした実験的裏付けのある数値を基に最適なフィン基板の厚さを持ったヒートシンクを得ることを第１の目的とする。
【０００７】
また、図１２に示した従来の自然空冷によるヒートシンクにおいて、自然空冷では放熱面上に形成される温度境界層が厚いため、フィン間すきまが狭いと互いの温度境界層が干渉して熱伝達率が低下し、放熱能力が小さくなる。これを解消するためにフィン間すきまを広くすると熱伝達率は大きくなるが，ヒートシンクの幅が決まっていることから設置できるフィンの数が減り、ヒートシンクとしての冷却性能が低下するという結果になる。
市販フィンを採用したり旧来のヒートシンク寸法を模倣したりしていた従来技術では，冷却性能の観点から最適な構造，すなわち最適なフィン間隔を設定することができなかった。
そこで，本発明ではフィン高さとフィン厚さを基にした実験的裏付けのある数値を基に最適なフィン間すきまを持った自然空冷ヒートシンクを得ることを第２の目的とする。
【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、請求項１記載のヒートシンクの発明は、フィン基板と、該フィン基板に複数枚並行に配置された放熱用のフィンを備え、該フィン基板にパワーデバイスを直接又は間接的に密着設置するためのヒートシンクにおいて、前記ヒートシンクの高さを前記フィン基板の厚さと前記フィンの長さの和としたとき、前記フィン基板の厚さを前記ヒートシンクの高さの１５〜４５％としたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記パワーデバイス設置箇所の前記フィン基板の厚さを他の箇所の厚さよりも薄く形成し、当該箇所のフィン基板の厚さを前記ヒートシンク高さの１５〜４５％としたことを特徴とする。
上記構成によれば、フィン基板を最適な厚さとすることにより、パワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散でき、冷却能力を向上できるようになる。
【０００９】
請求項３記載のヒートシンクの発明は、フィン基板と、該フィン基板に複数枚並行に配置された放熱用のフィンを備え、前記フィンの高さが４５ｍｍ以下かつ前記フィンの厚さが５ｍｍ以下のヒートシンクにおいて、実際のフィン高さＸ（ｍｍ）および実際のフィン厚さＹ（ｍｍ）が決まっているとき、該フィン高さＸを式（１）および式（２）に代入してＹ１とＹ２を求め、求めたＹ１およびＹ２から前記フィン厚さＹが満足する範囲を式（３）により求め、満足する範囲に該当するフィン間すきまＺ（ｍｍ）が設けられたことを特徴とする。
Ｙ１＝ｆ（ｙ１ｉ） ・・・・・式（１）
ｙ１１＝１．０／２．５（ｘ１１−１２．５） ただし、１２．５≦ｘ１１＜１５
ｙ１２＝０．６／５．０（ｘ１２−１５．０） ＋１ ただし、１５．０≦ｘ１２＜２０
ｙ１３＝０．４／５．０（ｘ１３−２０．０） ＋１．６ ただし、２０．０≦ｘ１３＜３０
ｙ１４＝０×ｘ１４ ＋２．４ ただし、３０．０≦ｘ１４＜３３
ｙ１５＝０．３／７．０（ｘ１５−３３．０） ＋２．４ ただし、３３．０≦ｘ１５＜４０
ｙ１６＝０×ｘ１６ ＋２．７ ただし、４０．０≦ｘ１６＜４２
ｙ１７＝０．３／３．０（ｘ１７−４２．０） ＋２．７ ただし、４２．０≦ｘ１７≦４５
Ｙ２＝ｆ（ｙ２ｉ） ・・・・・式（２）
ｙ２１＝１．０／２．５（ｘ２１−１６．５） ただし、１６．５≦ｘ２１＜１９
ｙ２２＝０．５／６．０（ｘ２２−１９．０） ＋１ ただし、１９．０≦ｘ２２＜２５
ｙ２３＝０×ｘ２３ ＋１．５ ただし、２５．０≦ｘ２３＜２８
ｙ２４＝０．２／２．０（ｘ２４−２８．０） ＋１．５ ただし、２８．０≦ｘ２４＜３０
ｙ２５＝０×ｘ２５ ＋１．６ ただし、３０．０≦ｘ２５＜３７
ｙ２６＝０．１／３．０（ｘ２６−３７．０） ＋１．６ ただし、３７．０≦ｘ２６＜４０
ｙ２７＝０×ｘ２７ ＋１．７ ただし、４０．０≦ｘ２７≦４５
フィン間すきま（Ｚ）の決定式 ・・・・・式（３）
（イ）Ｙ≦Ｙ２ ならば、Ｚ＝ ３〜 ７（ｍｍ）
（ロ）Ｙ２＜Ｙ≦Ｙ１ ならば、Ｚ＝ ７〜１１（ｍｍ）
（ハ）Ｙ１＜Ｙ ならば、Ｚ＝１１〜１５（ｍｍ）
上記構成によれば、フィン間すきまがフィン高さおよびフィン厚さからフィン放熱能力推定式を基に決定されるので、所要の寸法仕様に対して常に最良の冷却性能を持った自然空冷ヒートシンクを得ることができる。
請求項４記載の電子装置の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のヒートシンクを備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、発熱するモータ駆動用制御装置が、請求項１〜３のような最良の冷却能力を持ったヒートシンクを備えることになるので、スイッチングトランジスタ等を熱的逸走なく常に正確に動作させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施の形態）
まず、本発明の第１実施の形態について図１〜図４を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施の形態を示す強制空冷によるヒートシンクの正面図である。同図において、１はＩＧＢＴ、２はＤＭ、３はヒートシンク、４はヒートシンク３のフィン基板、６は強制空冷用のファンである。そしてＩＧＢＴ１とＤＭ２をヒートシンク３のフィン基板４に密着設置し、ヒートシンク３はファン６で強制空冷している。通常、モータドライブ装置の設計では電気部品の配置等を優先するためヒートシンクに割ける体積は自ずから決まってしまう。
図からわかるように、図１１の従来公知のヒートシンクとの違いはフィン基板の厚さにある。従来公知のヒートシンクのフィン基板４’の厚さはできるだけ薄くしているのに対してこのフィン基板４ではかなり厚くなっているのが特徴である。そこで、このフィン基板４の厚さの決定の仕方について以下に説明する。
【００１１】
図２は図１のヒートシンクの側面図である。
図２に示すようにフィン基板４の厚さとフィン７の長さを合わせたヒートシンク高さは８０ｍｍに固定されている。そして、９０ｍｍ角の軸流ファン６を２台並列に配置して冷却風を発生させている。製造やコストの制約から、フィン材質、フィン厚さ、フィンピッチは決められている。この条件でヒートシンクの高性能化を図るということはヒートシンク高さ８０ｍｍにおけるフィン基板４の厚さとフィン７の長さの最適配分を求めることになる。
【００１２】
図３は、フィン基板４の厚さを変数としたときのヒートシンク３の冷却能力変化のグラフを示したものである。横軸はフィン基板厚さ（ｍｍ）、縦軸は熱コンダクタンス（Ｗ／℃）、すなわち冷却能力である。熱コンダクタンスの値は大きいほど良いことになる。図３から、フィン基板４の厚さが薄いほどヒートシンクとしての冷却能力は良くなっていくのがわかる。
これは、図１および図２において、ヒートシンク高さが一定という条件下ではフィン基板４の厚さが薄くなるほど、フィン７の長さが長くなって表面積が増えると同時にフィン間の通風断面積も増加して冷却風の流量が増え、フィン基板４とフィン７の表面から冷却風８へ熱が伝わりやすくなるためである。この指標によるとフィン基板４は薄ければ薄いほど良いということになる。
ところが、ＩＧＢＴ１やＤＭ２の熱はフィン基板４上に一様に伝熱しているわけではなく、それぞれの設置場所で局所的に伝熱しているため、伝わった熱がフィン基板４内で効率的に拡散しないとヒートシンク３の冷却能力が十分に発揮できない。
【００１３】
図４は、フィン基板４の厚さを変数としたときのＩＧＢＴ１のジャンクション温度上昇の変化を示している。横軸は基板厚さの比率（％）、すなわち基板厚さをヒートシンク高さで割った値×１００（％）、縦軸はＩＧＢＴケースの最高温度上昇（℃）である。このＩＧＢＴのジャンクション温度上昇にはヒートシンク３の冷却能力とフィン基板４内の熱拡散効果とが相乗した冷却効果が反映されている。この温度はモータドライブ装置の熱設計における温度スペックの一つであり、低いほど良い。図４の例ではフィン基板４の厚さがヒートシンク３高さの２５％（ｍ）の時に最も温度が低く、この前後ではフィン基板４が薄くなっても厚くなってもＩＧＢＴジャンクション温度上昇が高くなることがわかる。
図３に示したようにヒートシンク３の冷却能力で評価した場合はフィン基板４は薄いほど良いという結果であったが、フィン基板４内の熱拡散効果も含めたジャンクション温度上昇で評価すると最適値が存在することになる。フィン基板４上のパワーデバイスがフィン基板４の外辺近くに設置されるほど温度変化が顕著になって最適値が明確になる。すなわち、フィン基板上の発熱体の配置によってはフィン基板厚さを１０ｍｍ前後以下で、ヒートシンク３高さに対するフィン基板４の厚さの割合は１０％以下という従来の寸法よりもフィン基板の厚さをヒートシンク高さの１５〜４５％、好ましくは２０〜４０％とした方が、パワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散でき、冷却能力を向上でき、最適な冷却効果を得ることができる。
【００１４】
（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態について説明する。
図５は本発明の第２実施の形態を示すヒートシンクで、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。なお、図では強制空冷用のファンの図示は省略している。
同図において、１はＩＧＢＴ、３はヒートシンク、４はヒートシンク３のフィン基板、７はフィンである。図からわかるように、ＩＧＢＴ１をヒートシンク３のフィン基板４に密着設置し、フィン基板４のＩＧＢＴ１が設置されている反対面のＩＧＢＴ１の設置投影面にかかる部分を含む一部の面のフィン基板４ａが薄くなっている。このような構造にしても、ＩＧＢＴ１とフィン基板４との接触面の一部が厚い部分（すなわち、薄い部分４ａ以外のフィン部分）４ｂに重なっているので、ＩＧＢＴ１からフィン基板４に伝わった熱はフィン基板４の厚い部分４ｂを伝わってフィン基板４の全体に拡がるため、図１に示した実施の形態と同じ効果が得られる。
さらに、フィン基板４の一部４ａが薄くなるためヒートシンク３の重量が軽くなり、フィン基板４が薄くなった部分４ａにフィン７を設けて放熱面積を増やすことでヒートシンクとしての冷却能力も向上できる。
【００１５】
図１および図５に示した実施形態ではＩＧＢＴ１やＤＭ２といったパワーデバイスを直接ヒートシンク３に設置しているが、パワーデバイスとヒートシンク３との間に金属板又はペルチェ素子などを挿入し、パワーデバイスとヒートシンク３とを間接的に密着設置し、冷却しても同様の効果が得られる。
また、図１および図５に示した実施形態では、インバータのような制御装置について示したが、モータの制御アンプまたは、レーザ制御機のアンプまたは、パソコンや計算機内のデバイスなどの発熱装置に適用しても、同様の高い冷却効果が得られる。
ここで参考までに、従来のヒートシンクの例として市販の株式会社リョーサン製ヒートシンク１２４ＣＢ１２４のカタログから、フィンの長さＡとフィン基板厚さＢとその比Ｃ（％）の値を記載しておく。
Ａ＝１１２ｍｍ、Ｂ＝６ｍｍ、Ｃ＝５％。
このケースでは、本実施の形態によれば本来Ｃ＝１４〜４５％の範囲に入るべきものであるが、実際には５％であった。これではパワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散できず、冷却能力が十分に発揮できない。このように、従来のヒートシンクは本実施の形態による最適寸法の範囲から外れている。
【００１６】
（第３実施の形態）
次に、本発明の第３実施の形態について説明する。
図６は本発明の第３実施の形態を説明するヒートシンクの平面図である。
図において、６１はＩＧＢＴ、６２はフィン基板、６３はフィン、Ｗはヒートシンク幅，Ｘはフィン高さ（単位ｍｍ），Ｙはフィン厚さ（単位ｍｍ），Ｚはフィン間すきま（単位ｍｍ）である。
通常，ヒートシンクの熱設計では，装置全体の構造からヒートシンク幅Ｗとフィン高さＸが決まる。この条件のもとでフィン厚さＹとフィン間すきまＺを決定するわけであるが，ヒートシンクの冷却性能はフィン厚さＹとフィン間すきまＺに大きく左右されることが分かった。
すなわち，ヒートシンクの冷却性能である熱コンダクタンスは式（４）で表される。式（４）中のフィン表面熱伝達率を求める式はフィン性能実験に基づいた出願人独自の実験式であり，その推定精度はきわめて高い。
【００１７】
Ｇ＝α×（Ａｂ＋φ・Ａｆ） ・・・・ 式（４）
ここで， Ｇ ： 熱コンダクタンス ［Ｗ／℃］
α ： フィン表面熱伝達率 ［Ｗ／ｍ２／℃］
Ａｂ ： フィン基板面放熱面積 ［ｍ２］
φ ： フィン効率
Ａｆ ： フィン放熱面積 ［ｍ２］
式（４）の右辺の各ファクターもフィン高さＸ，フィン厚さＹ，フィン間すきまＺなどをパラメータとした関数であり，それぞれのファクターにおける個々のパラメータの影響も異なっている。
図７は横軸がフィン間すきま（ｍｍ）、縦軸がフィン表面熱伝達率α（Ｗ／ｍ２／℃）で、フィン間すきまがフィン表面熱伝達率αにおよぼす影響を示している。 同図によれば、フィン間すきまが広くなれば、フィン表面熱伝達率αも大きくなり、したがって上記式（４）のフィン表面熱伝達率αは増加することとなる。したがって冷却性能も高くなることが理解できる。
一方、図８は横軸がフィン間すきま（ｍｍ）、縦軸が有効放熱面積（ｍ２）で、
フィン間すきまが有効放熱面積に及ぼす影響を示すグラフである。同図によれば、フィン間すきまが広くなれば、ヒートシンク幅Ｗが決まっているためヒートシンク上のフィンの数が減少するので、上記式（４）の「Ａｂ＋φ・Ａｆ」で表される有効放熱面積は減少することとなる。
そこで、例えば，図７に示すようにフィン間すきまが広くなれば、フィン表面熱伝達率が大きくなるので冷却性能が高くなることが予測されるが，同時に図８に示すようにフィン間すきまが広くなればヒートシンク幅Ｗが決まっているためヒートシンク上のフィンの数が減少して Ａｂ＋φ・Ａｆ で表される有効放熱面積は減少することとなり、冷却性能（熱コンダクタンス）は式（４）に示すように両者の積であるから、フィン間すきまについて熱コンダクタンスを最も高くする最適値，あるいは最適範囲が存在することが示唆される。
【００１８】
図９はフィン間すきまが熱コンダクタンスに及ぼす影響を示す図で、横軸がフィン間すきま（ｍｍ）、縦軸が単位面積あたりの熱コンダクタンス（Ｗ／ｍ２／℃）である。冷却性能が良い場合は縦軸の熱コンダクタンス値が大きく、良くない場合は熱コンダクタンス値が小さい。これによりフィン間すきまが熱コンダクタンスに及ぼす影響が理解できるる。各グラフのパラメータは、図において上から下に、フイン高さ４５ｍｍ、４０ｍｍ、３５ｍｍ、３０ｍｍ、２５ｍｍ、２０ｍｍ、１５ｍｍ、１０ｍｍ、７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍで、フインの厚さは全て２ｍｍである。
図からわかることは、フィン高さ３〜４５ｍｍについて各熱コンダクタンスの変化が見られ、その変化グラフの中で各フィン高さにおいて熱コンダクタンスが最も高くなるフィン間すきまの範囲が横軸からわかる、ということである。
そして，熱コンダクタンスが最も高くなるフィン間すきまの範囲もフィン高さによってそれぞれ違っていることもわかる。
図９はフィン厚さが２ｍｍの場合であるが，フィン厚さが変わればこの傾向もまた違ってくる。
【００１９】
このような考え方に基づいて自然空冷を採用するヒートシンクで採りうるフィン寸法として，フィン高さ４５ｍｍ以下，フィン厚さ５ｍｍ以下としたときのそれぞれの組み合わせについて冷却性能の最適値を得るフィン間すきまを詳しく実験すると図１０のようになった。図１０において、横軸がフィン高さ（ｍｍ）、縦軸がフィン厚さ（ｍｍ）である。
図において、線図Ｙ１とＹ２とが延びており、線図Ｙ２以下の領域はフィン間すきまが３〜７（ｍｍ）であり、線図Ｙ２を超えて線図Ｙ１以下の領域はフィン間すきまが７〜１１（ｍｍ）であり、線図Ｙ１を超える領域はフィン間すきまが１１〜１５（ｍｍ）である。
したがって、いま実際のフィン高さＸおよび実際のフィン厚さＹが決まっているとき、該フィン高さＸ（ｍｍ）を式（１）および式（２）に代入してＹ１とＹ２を求め、求めたＹ１およびＹ２から前記フィン厚さＹが満足する範囲を式（３）により求め、当該満足する範囲に該当するフィン間すきまが本発明の第３の実施の形態により決定される値である。
Ｙ１＝ｆ（ｙ１ｉ） ・・・・・式（１）
ｙ１１＝１．０／２．５（ｘ１１−１２．５） ただし、１２．５≦ｘ１１＜１５
ｙ１２＝０．６／５．０（ｘ１２−１５．０） ＋１ ただし、１５．０≦ｘ１２＜２０
ｙ１３＝０．４／５．０（ｘ１３−２０．０） ＋１．６ ただし、２０．０≦ｘ１３＜３０
ｙ１４＝０×ｘ１４ ＋２．４ ただし、３０．０≦ｘ１４＜３３
ｙ１５＝０．３／７．０（ｘ１５−３３．０） ＋２．４ ただし、３３．０≦ｘ１５＜４０
ｙ１６＝０×ｘ１６ ＋２．７ ただし、４０．０≦ｘ１６＜４２
ｙ１７＝０．３／３．０（ｘ１７−４２．０） ＋２．７ ただし、４２．０≦ｘ１７≦４５
Ｙ２＝ｆ（ｙ２ｉ） ・・・・・式（２）
ｙ２１＝１．０／２．５（ｘ２１−１６．５） ただし、１６．５≦ｘ２１＜１９
ｙ２２＝０．５／６．０（ｘ２２−１９．０） ＋１ ただし、１９．０≦ｘ２２＜２５
ｙ２３＝０×ｘ２３ ＋１．５ ただし、２５．０≦ｘ２３＜２８
ｙ２４＝０．２／２．０（ｘ２４−２８．０） ＋１．５ ただし、２８．０≦ｘ２４＜３０
ｙ２５＝０×ｘ２５ ＋１．６ ただし、３０．０≦ｘ２５＜３７
ｙ２６＝０．１／３．０（ｘ２６−３３．０） ＋１．７ ただし、３７．０≦ｘ２６＜４０
ｙ２７＝０×ｘ２７ ＋１．８ ただし、４０．０≦ｘ２７≦４５
フィン間すきま（Ｚ）の決定式 ・・・・・式（３）
（イ）Ｙ≦Ｙ２ ならば、Ｚ＝ ３〜 ７（ｍｍ）
（ロ）Ｙ２＜Ｙ≦Ｙ１ ならば、Ｚ＝ ７〜１１（ｍｍ）
（ハ）Ｙ１＜Ｙ ならば、Ｚ＝１１〜１５（ｍｍ）
【００２０】
すなわち，この図１０によってフィン高さＸとフィン厚さＹが決まればその条件下で最も高い冷却性能を示すフィン間すきまｚの最適範囲が一義的に決まることになる。例を２，３挙げて説明する。
例１：フィン高さＸ＝１０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝３（ｍｍ）なら、図１０の点ａであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は１１〜１５（ｍｍ）となる。
例２：フィン高さＸ＝３０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝３（ｍｍ）なら、図１０の点ｂであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は１１〜１５（ｍｍ）となる。
例３：フィン高さＸ＝３０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝２（ｍｍ）なら、図１０の点ｃであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は７〜１１（ｍｍ）となる。
例４：フィン高さＸ＝３０（ｍｍ）でフィン厚さＹ＝１（ｍｍ）なら、図１０の点ｄであるから、フィン間すきまｚの最適範囲は３〜７（ｍｍ）となる。
このように、第３の実施の形態によれば、自然空冷で使用するヒートシンクに関して独自のフィン放熱能力推定式を基にフィン高さとフィン厚さとをパラメータとしてフィン間すきまの最適範囲を一義的に決めたので，所要の寸法仕様に対して常に最良の冷却性能を持った自然空冷ヒートシンクを得ることができる。
ここで参考までに、従来のヒートシンクの例として市販の株式会社リョーサン製ヒートシンク４０ＢＳ２５６のカタログから、フィン高さＸとフィン厚さＹとフィン間すきまｚの値を記載しておく。
Ｘ＝３４ｍｍ、Ｙ＝４ｍｍ、Ｚ＝８ ｍｍ。
このケースでは、本実施の形態によれば本来１１〜１５の範囲に入るべきものであるが、実際には８ｍｍであり、これではフィン間すきまが狭いため温度境界層が干渉して表面積のわりに冷却性能が低いであろうと推測される。このように、従来のヒートシンクは図１０の本実施の形態による最適寸法の範囲から外れている。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように，本発明の第１の実施の形態によれば、強制空冷で使用するヒートシンクに関して、フィン基板を厚くすることにより、パワーデバイスの熱をフィン基板全体に拡散でき、冷却能力を向上できる。
また、第２の実施の形態によれば、強制空冷で使用するヒートシンクに関して、フィン基板の一部が薄くなるためヒートシンクの重量が軽くなり、フィン基板が薄くなった部分にフィンを設けて放熱面積を増やすことでヒートシンクとしての冷却能力も向上できる。
さらに、第３の実施の形態によれば、自然空冷で使用するヒートシンクに関して独自のフィン放熱能力推定式を基にフィン高さとフィン厚さとをパラメータとしてフィン間すきまの最適範囲を一義的に決めたので，所要の寸法仕様に対して常に最良の冷却性能を持った自然空冷ヒートシンクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示す強制空冷によるヒートシンクの正面図である。
【図２】図２は図１のヒートシンクの側面図である。
【図３】フィン基板厚さによるヒートシンク冷却能力の変化を表すグラフである。
【図４】フィン基板厚さの比率によるＩＧＢＴジャンクション温度上昇の変化を表すグラフである。
【図５】本発明の第２実施の形態を示すヒートシンクの図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】本発明の第３実施の形態を示す自然空冷によるヒートシンクの平面図である。
【図７】フィン間すきまがフィン表面熱伝達率におよぼす影響を示すグラフである。
【図８】フィン間すきまが有効放熱面積に及ぼす影響を示すグラフである。
【図９】フィン間すきまがヒートシンク冷却性能におよぼす影響を示すグラフである。
【図１０】フィン間すきまの最適範囲を得る本発明の第３実施形態に係るグラフである。
【図１１】従来公知の強制空冷によるヒートシンクを示す正面図である。
【図１２】従来公知の自然空冷によるヒートシンクを示す斜視図である。
【符号の説明】
１：ＩＧＢＴ
２：ＤＭ
３：ヒートシンク
４：フィン基板
５：プリント基板
６：ファン
７：フィン
８：冷却風
６１ ＩＧＢＴ
６２ フィン基板
６３ フィン
Ｗ ヒートシンク幅
Ｘ フィン高さ
Ｙ フィン厚さ
Ｚ フィン間すきま
Claims (4)
- フィン基板と、該フィン基板に複数枚並行に配置された放熱用のフィンを備え、該フィン基板にパワーデバイスを直接又は間接的に密着設置するためのヒートシンクにおいて、
前記ヒートシンクの高さを前記フィン基板の厚さと前記フィンの長さの和としたとき、前記フィン基板の厚さを前記ヒートシンクの高さの１５〜４５％としたことを特徴とするヒートシンク。 - 前記パワーデバイス設置箇所の前記フィン基板の厚さを他の箇所の厚さよりも薄く形成し、当該箇所のフィン基板の厚さを前記ヒートシンク高さの１５〜４５％としたことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
- フィン基板と、該フィン基板に複数枚並行に配置された放熱用のフィンを備え、前記フィンの高さが４５ｍｍ以下かつ前記フィンの厚さが５ｍｍ以下のヒートシンクにおいて、
実際のフィン高さＸ（ｍｍ）および実際のフィン厚さＹ（ｍｍ）が決まっているとき、該フィン高さＸを式（１）および式（２）に代入してＹ１とＹ２を求め、求めたＹ１およびＹ２から前記フィン厚さＹが満足する範囲を式（３）により求め、満足する範囲に該当するフィン間すきまＺ（ｍｍ）が設けられたことを特徴とするヒートシンク。
Ｙ１＝ｆ（ｙ１ｉ） ・・・・・式（１）
ｙ１１＝１．０／２．５（ｘ１１−１２．５） ただし、１２．５≦ｘ１１＜１５
ｙ１２＝０．６／５．０（ｘ１２−１５．０） ＋１ ただし、１５．０≦ｘ１２＜２０
ｙ１３＝０．４／５．０（ｘ１３−２０．０） ＋１．６ ただし、２０．０≦ｘ１３＜３０
ｙ１４＝０×ｘ１４ ＋２．４ ただし、３０．０≦ｘ１４＜３３
ｙ１５＝０．３／７．０（ｘ１５−３３．０） ＋２．４ ただし、３３．０≦ｘ１５＜４０
ｙ１６＝０×ｘ１６ ＋２．７ ただし、４０．０≦ｘ１６＜４２
ｙ１７＝０．３／３．０（ｘ１７−４２．０） ＋２．７ ただし、４２．０≦ｘ１７≦４５
Ｙ２＝ｆ（ｙ２ｉ） ・・・・・式（２）
ｙ２１＝１．０／２．５（ｘ２１−１６．５） ただし、１６．５≦ｘ２１＜１９
ｙ２２＝０．５／６．０（ｘ２２−１９．０） ＋１ ただし、１９．０≦ｘ２２＜２５
ｙ２３＝０×ｘ２３ ＋１．５ ただし、２５．０≦ｘ２３＜２８
ｙ２４＝０．２／２．０（ｘ２４−２８．０） ＋１．５ ただし、２８．０≦ｘ２４＜３０
ｙ２５＝０×ｘ２５ ＋１．６ ただし、３０．０≦ｘ２５＜３７
ｙ２６＝０．１／３．０（ｘ２６−３７．０） ＋１．６ ただし、３７．０≦ｘ２６＜４０
ｙ２７＝０×ｘ２７ ＋１．７ ただし、４０．０≦ｘ２７≦４５
フィン間すきま（Ｚ）の決定式 ・・・・・式（３）
（イ）Ｙ≦Ｙ２ ならば、Ｚ＝ ３〜 ７（ｍｍ）
（ロ）Ｙ２＜Ｙ≦Ｙ１ ならば、Ｚ＝ ７〜１１（ｍｍ）
（ハ）Ｙ１＜Ｙ ならば、Ｚ＝１１〜１５（ｍｍ） - 請求項１〜３のいずれか１項記載のヒートシンクを備えたことを特徴とする電子装置。
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| JP2002175793A JP2004022815A (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | ヒートシンクおよびそれを用いた電子装置 |
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2002
- 2002-06-17 JP JP2002175793A patent/JP2004022815A/ja active Pending
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