JP2004047789A - Heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
【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、大容量発熱素子を冷却するためには、一般に沸騰冷却器やヒートパイプを用いて素子を冷却する方式が用いられていた。図11に沸騰冷却器の一例の外観図を示す。この沸騰冷却器100は下方に発熱する素子104を取り付けた台座101があり、台座101には冷却塔102が接続されており、冷却塔102の外周表面には多数のフィン103が設置されている。また、台座101と冷却塔102は内部が一体の容器に形成されており、その中には気化し易く又気化熱の大きなフッ化炭素等の冷却媒体106が封入されている。この沸騰冷却器においては素子104の発熱によって冷却塔102下部の台座101にある冷却媒体106が気化し、冷却塔102上部に上昇していく。冷却塔102上部に上昇した冷却媒体はフィン103の放熱によって凝縮し、再び台座101に降下してくる。このような冷却媒体の循環を繰り返すことにより、素子の発熱量を放熱し、素子の加熱を防止して一定温度を維持するようになっている。
【0003】
ところが近年冷媒を使用する沸騰冷却器やヒートパイプは地球温暖化に関連する環境問題から廃止の方向にあり、冷媒を使用しない乾式の高性能ヒートシンクに転換する傾向が著しい。たとえばインバータ、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使用されている。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。
【0004】
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12〜図14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12に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フィン体113aを有するフィン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。
【0005】
図13に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122上に取りつけた押出し材からなる格子状のフィン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。
【0006】
図14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。
【0007】
これらのヒートシンクは、素子の発熱量が0.6〜2kWの小型・低容量の素子に用いられており、フィンに当てる風速は2〜3m/sでシロッコファン等を使用して風冷する方式が採用されてきた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年電子素子の大容量化が進み、1個の素子の発熱量が3kWタイプのものが実用化され、このような大容量素子を複数個使用した電子機器も採用されるようになってきた。高発熱量の素子に対応させて、ヒートシンクの高性能化を図るためには、フィンの表面積を拡大したり、各フィンの間隔を狭くして、設置するフィン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がある。
【0009】
たとえば、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、取り付け場所の制約もありフィンの数を無限に増やすこともできず、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、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。
そこでフィンに吹き込む冷却用空気の風速を5〜13m/秒に上げて多量の冷却用空気で冷却する方法が試みられている。ところが風速を上げると格子状のフィン中で圧力損失が急激に増加し、期待するほど風量が増加しないという問題が発生する。
本発明の目的は、大熱容量素子用のヒートシンクとしてフィン本体の通風抵抗(圧力損失)の上昇を抑え、冷却用空気の十分な流量を確保して、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できる高性能ヒートシンクを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために詳細な実験を重ねた結果、本発明のヒートシンクは、格子状のフィンを有するヒートシンクにおいて、縦フィンの板厚を厚くして発熱する素子からの熱移動を容易にし、縦フィンの高さを高くして放熱面積を確保すると共に、冷却空気の通過する開口面積を広くして、圧力損失の上昇を抑えることにより、大風量を利用して高発熱量の素子を効率よく冷却することを可能にした。
すなわち、本発明のヒートシンクは裏面に発熱素子を接合した基板と、この基板に立設した複数の縦フィンと、相隣接する前記縦フィンの間に横フィンを設けてなるヒートシンクであって、基板との接合部における前記縦フィンの厚さ(T)が1.2mmから3.2mmで、かつ縦フィンの高さ(H)が140mm以上であるヒートシンクとした。
【0011】
本発明のヒートシンクでは、前記横フィンの厚さ(t)を、前記縦フィンの厚さ(T)の0.38倍以下となるようにするのが好ましい。
また、前記縦フィンの厚さ(T)と前記横フィンのピッチ(p)との比を0.23以下又は0.32以上とするのが好ましい。
さらに、前記横フィンのピッチ(p)と前記縦フィンピッチ(P)との比を0.15〜0.72となるようにするのが好ましい。
このような寸法関係でヒートシンクを構成すれば、大容量の風量を利用しつつ圧力損失を低く抑えて、大容量素子からの発熱を効率よく放熱することが可能となる。
【0012】
また、本発明のヒートシンクでは、縦フィンの厚さが基板との接合部から遠ざかるにしたがって薄くなるように構成するのが好ましい。縦フィンが接合部から遠ざかるにしたがって温度が降下し、熱移動量も少なくなるのでフィンの熱容量も小さくて良く、それよりも厚さを薄くして格子状部の開口面積を大きくした方が圧力損失を小さくすることができるので得策である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下図面を使用して本発明をさらに詳細に説明する。
図1から図3は本発明のヒートシンクを示すものであり、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、本発明のヒートシンク11はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品(図1では省略)等が装着される、例えば縦寸法L及び横寸法Wがそれぞれ600mm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13a、13bを有するフィン13と、この互いに隣接する縦フィン13a、13b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又はアルミニウム合金を使用するのが好ましい。
縦フィン13a、13b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13a、13bも熱伝導性の良い金属、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金が好んで用いられる。
【0014】
図2は図1に示すヒートシンクの線A−A’に沿った断面図であって、基板12の裏面に素子16が取り付けられ、基板12の表面には複数の縦フィン13a、13bがほぼ垂直に立設されている。各縦フィン13a、13bの間には、横フィン14が配置され、開口部は全体として格子状断面となるように構成されている。
図3は図1に示すヒートシンクの線B−B’に沿った断面図であって、高さHの縦フィン13a、13bの長さ方向のほぼ一杯に、横フィン14が並行に配置されている。
【0015】
図4はフィン13の詳細断面図であって、フィン13は2本の並行する縦フィン13a、13bの間を繋ぐようにして多数の横フィン14が配置されている。このような断面形状のフィンを複数並べることによって、全体として格子状のフィンが構成されている。このフィン13はアルミニウム又はアルミニウム合金の押し出し成形によって製造され、ブレージングシートを利用して基板12の表面にろう付け固定される。
【0016】
図5は、図4に示したフィン13の一部を拡大して示した図であって、縦フィン13bの一部と3枚の横フィン14を示している。横フィン14は厚さが薄く、強度的に弱いので図5に示すように横フィン14の一部には、フィン13を並列に立設させる場合の支持部となる突起14aが設けてある。突起14aの長さは他のフィン14の長さよりも若干長いので、フィン13を並列に立設させる場合、各横フィン14と隣設する縦フィン13a、13bとの間に若干の間隙が生じるが、冷却用空気の圧力損失にはほとんど影響しない。図4ではこのような突起14aが、縦フィン13bの上方と下部の2箇所に設けてある例を示している。
【0017】
図4及び図5に示すように、本発明のヒートシンクにおいては縦フィン13a,13bの高さを(H)、縦フィン13a,13bの間隔(ピッチ)を(P)、横フィン14の厚さを(t)、さらに横フィン14の間隔(ピッチ)を(p)で表す。そしてこれらT,t,P,pの値を種々変化させてヒートシンクを設計して放熱実験を繰り返し、格子状のフィンの間を流れる空気の圧力損出が少なく、素子の発熱を効果的に発散させて素子温度の上昇を防ぐためのT,t,P,pの最適値を求めた。実験は600×600×28mmのA1050合金からなる基板の裏面に、総発熱量8kWの発熱素子を取り付けて行った。冷却はターボファンを使用した風冷でおこない、ダクトを通して風速9m/秒の冷却用空気を断面格子状のヒートシンクに吹き付けた。ヒートシンク特性の目標値は圧力損出が1200Pa以下、素子の温度上昇が50℃以下、好ましくは圧力損出が800Pa以下、素子の温度上昇が40℃以下である。
【0018】
図6は、このようにして求めた縦フィン13a,13bの厚さ(T)と、素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。ここで、縦フィン13a,13bの厚さ(T)とは、縦フィンと基板との接合部近傍の縦フィン厚さを指す。図4では基板との接合部分でやや厚く、基板から遠ざかるにしたがって次第に薄くなるように傾斜を付しているが、これは基板から遠ざかるにしたがって温度が降下して熱移動量が少なくなるので、フィンの熱容量も少なくて済むので、縦フィンを薄くして開口部の断面積をなるべく広く確保する方が得策だからである。勿論、縦フィンの全長に渡って同じ厚さに形成しても良い。
【0019】
図6の曲線bから縦フィンの厚さ(T)が増すにつれて開口部の断面積が狭くなるので圧力損失が増大し、一方、図6の曲線aから縦フィンの熱容量が増して熱移動量が増えるので、素子温度の上昇は低く抑えられるようになることが判る。圧力損出が1200Pa以下となるのは縦フィンの厚さ(T)が3.2mm以下であり、素子の温度上昇が50℃以下となるのは縦フィンの厚さ(T)が1.2mm以上である。したがって、適切な縦フィンの厚さ(T)は、1.2mm以上3.2mm以下とした。好ましくは縦フィンの厚さ(T)は、1.8mm以上3mm以下とするのがよい。この範囲にすれば圧力損出が800Pa以下、素子の温度上昇は40℃以下とすることができる。
【0020】
次に、図7にフィン高さ(H)と素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示した。基板との接合部における縦フィンの厚さ(T)は2mmとした。図7の曲線cからフィン高さ(H)は75mm以上有れば圧力損出が1000Pa以下となり、図7の曲線dから素子の温度上昇は40℃以下となることが判る。また、フィン高さ(H)が250mm以上になると素子の温度上昇は30℃に収束してほとんど変わらなくなる。これはフィン温度が冷却気流の温度に近づくため、熱交換効率が低下するためである。したがって、フィン高さ(H)をいたずらに長くするのは効果が少なくて得策ではない。また、フィン高さ(H)を140mm以上にすれば、縦フィン厚さ(T)を厚くしても圧力損出を800Pa以下に抑えることが可能となる。
したがって、適正なフィン高さ(H)は、140mm以上に設定することとした。本発明のヒートシンクでは、縦フィンの厚さ(T)を厚くして開口部の断面積が減少した分を、縦フィンの高さ(H)を高くすることによって補い、開口部の断面積を確保して、熱交換面積を拡大すると同時に冷却媒体の流量を増加させて、大容量の放熱を可能にした。
【0021】
続いて横フィン14の厚さ(t)を検討した。横フィン14の厚さ(t)を厚くすれば熱容量が大きくなり熱移動は容易となるが、開口部の断面積を減少させることになるので、圧力損失が増大する。そこで縦フィンの厚さ(T)を2mm、縦フィンの高さ(H)を234.6mmとした場合の、縦フィン厚さ(T)に対する横フィン厚さ(t)の割合(100×t/T、%)を測定し、結果を図8に示した。図8の曲線fによればt/Tが65%以下ならば圧力損失は1200Pa以下となり、38%以下ならば圧力損失は800Pa以下となる。また素子の温度上昇はいずれの場合も30℃以下となる。したがって、縦フィン厚さ(T)に対する横フィン厚さ(t)の割合(100×t/T)は、65%以下より好ましくは38%以下とするのが良い。
【0022】
最後に横フィンピッチ(p)に対する縦フィン厚さ(T)の割合(100×T/p、%)について検討した。縦フィン厚さ(T)が厚くなった時に横フィンピッチ(p)が狭くなると開口部面積も小さくなり、圧力損失が大きくなることが懸念されるからである。そこで縦フィン厚さ(T)を2mm、縦フィンの高さ(T)を234.6mm、横フィンの厚さ(t)を0.6mm(t/T=0.3)とした場合について測定し、結果を図9に示した。図9の曲線gから素子の温度上昇はいずれの場合にも50℃以下となり、圧力損失も1000Pa以下となるものの、横フィンピッチ(p)に対する縦フィン厚さ(T)の割合(100×T/p)が0.23から0.32の間では圧力損失が800Paを越えることが判明した。したがって、横フィンピッチ(p)に対する縦フィン厚さ(T)の割合(100×T/p)は、23%以下又は32%以上とするのが好ましい。
【0023】
【実施例】
図10に示す各部構造を有し、表1及び表2に示す各フィン寸法を有するヒートシンクを作成し、放熱実験をして性能を評価した。図10のフィン3は、図4に示す断面形状のものを、同じ向きに並立させて配置したものである。基板1は550×550×28mmの寸法のA1050アルミニウム合金を使用し、基板1とフィン3との間に両面ブレージングシート2を挿入して、基板1とフィン3とを図のようにろう付け接合した。フィン3は縦フィン、横フィン共にA1070アルミニウム合金を使用した。発熱する素子4は発熱量2kWの高熱容量のものを4個図10(b)のように全体的に風上側に寄せて配置し、取り付けた。冷却はターボファンを使用した風冷でおこない、ダクトを通して風速9m/sの冷却用空気を断面格子状のヒートシンクに吹き込んだ。素子の温度上昇は基板1の素子4との接合面近傍に熱電対を埋設して測定した。又圧力損失はフィンの入り口側と出口側に微小圧力計を配置して測定した。
測定結果を表1と表2に併記する。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
(比較例)
比較のため、図10に示す各部構造を有し、表3に示す各フィン寸法を有するヒートシンクを作成し、実施例と同様にして放熱実験をして性能を評価した。測定結果を表3に併記した。
【0027】
【表3】
【0028】
表1から表3の結果から、本発明によれば高発熱量の素子を接合したヒートシンクにおいて、風速を高めても格子状のフィン内での圧力損失を低く抑え、効率的な素子の放熱が行われるので、素子の性能を最大限に発揮できることが判る。
【0029】
【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、特に車両の制御機器のように設置する空間が限られ、しかも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】縦フィンの構造を示す断面図である。
【図5】図4の一部を拡大して示した図である。
【図6】縦フィンの板厚と素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図7】フィンの高さと素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図8】縦フィン厚さに対する横フィン厚さの割合と、素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図9】横フィンピッチに対する縦フィン厚さの割合と、素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図10】本発明のヒートシンクの各部構造を示す図で、(a)は平面図、(b)は裏面図、(c)は正面図、(d)は側面図を示す。
【図11】従来の沸騰冷却器の構造を説明する図で、(a)は外観斜視図、(b)は冷却塔の内微を示部を示す図である。
【図12】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13】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14】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】
11,111,121,131・・・・・・ヒートシンク、1,12・・・・・・基板、3,13,103,123,133・・・・・・フィン、14・・・・・・横フィン、4,16,104・・・・・・素子、100・・・・・・沸騰冷却型ヒートシンク、106・・・・・・冷却媒体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat sink, and more particularly, to a heat sink for forcibly cooling a heat generating portion by a cooling fluid such as air flowing by a fan or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to cool a large-capacity heating element, a method of cooling the element using a boiling cooler or a heat pipe has been generally used. FIG. 11 shows an external view of an example of the boiling cooler. The boiling
[0003]
However, in recent years, boiling coolers and heat pipes that use refrigerants are being abolished due to environmental problems related to global warming, and there is a remarkable tendency to switch to dry high-performance heat sinks that do not use refrigerants. For example, heat exchangers called heat sinks are provided at various heat generating parts of inverters, machine tools, etc., and a cooling fluid such as air is forced to flow through the heat sink by a fan or the like to cool the heat sink. Have been. The heat sink is made of a metal having good thermal conductivity, and is configured to increase the surface area as much as possible to increase the contact area with the cooling medium, thereby suppressing the temperature rise of various heating elements.
[0004]
Hereinafter, an example of this type of conventional heat sink will be described.
12 to 14 are front views illustrating the configuration of a conventional heat sink.
A
[0005]
A
[0006]
A
[0007]
These heat sinks are used for small and low-capacity elements having a heat generation amount of 0.6 to 2 kW, and a wind speed applied to the fins is 2 to 3 m / s, and air cooling is performed using a sirocco fan or the like. Has been adopted.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, the capacity of electronic elements has been increased, and a type in which one element generates 3 kW of heat has been put to practical use, and electronic devices using a plurality of such large-capacity elements have come to be employed. In order to improve the performance of the heat sink in response to the elements that generate a large amount of heat, the surface area of the fins must be increased, the spacing between the fins must be reduced, and the number of fins installed must be increased to increase the fins. A method of density arrangement is conceivable. Even with a structure in which the fins are arranged at high density, there is a limit to increasing the number of fins, and if the interval between the fins is reduced, the ventilation resistance (pressure loss) of cooling fluid such as air passing between the fins is reduced. ) Is increased, and as a result, the amount of air passing through the fin body is reduced, and there is a problem that the cooling efficiency cannot be improved.
[0009]
For example, heat sinks for control elements that generate a large amount of heat, such as control equipment for vehicles in recent years, cannot be infinitely increased in number of fins due to restrictions on mounting locations. It has been found that there is a limit in improving the performance, and the required cooling performance cannot be satisfied.
Therefore, a method of increasing the wind speed of the cooling air blown into the fins to 5 to 13 m / sec and cooling with a large amount of cooling air has been attempted. However, when the wind speed is increased, the pressure loss rapidly increases in the lattice-shaped fins, and a problem arises that the air volume does not increase as expected.
An object of the present invention is to suppress a rise in ventilation resistance (pressure loss) of a fin body as a heat sink for a large heat capacity element, secure a sufficient flow rate of cooling air, and as a result, enhance the heat radiation function of the entire heat sink, and provide cooling. An object is to provide a high-performance heat sink capable of improving efficiency.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated detailed experiments to solve the above-described problems, the heat sink of the present invention, in a heat sink having lattice-shaped fins, increases the thickness of the vertical fins to facilitate heat transfer from an element that generates heat. By increasing the height of the vertical fins to secure a heat dissipation area, and by increasing the opening area through which cooling air passes to suppress the rise in pressure loss, a large heat generation element It has enabled efficient cooling.
That is, the heat sink of the present invention is a heat sink comprising a substrate having a heating element bonded to the back surface, a plurality of vertical fins erected on the substrate, and a horizontal fin between the adjacent vertical fins. The thickness (T) of the vertical fin at the junction with the heat sink was 1.2 mm to 3.2 mm, and the height (H) of the vertical fin was 140 mm or more.
[0011]
In the heat sink according to the aspect of the invention, it is preferable that the thickness (t) of the horizontal fin be equal to or less than 0.38 times the thickness (T) of the vertical fin.
Preferably, the ratio of the thickness (T) of the vertical fins to the pitch (p) of the horizontal fins is 0.23 or less or 0.32 or more.
Further, it is preferable that the ratio of the pitch (p) of the horizontal fins to the pitch (P) of the vertical fins is 0.15 to 0.72.
When the heat sink is configured in such a dimensional relationship, it is possible to efficiently release the heat generated from the large-capacity element while suppressing the pressure loss while utilizing the large-capacity air flow.
[0012]
Further, in the heat sink according to the present invention, it is preferable that the thickness of the vertical fin is reduced as the distance from the junction with the substrate increases. The temperature decreases as the vertical fins move away from the joint, and the amount of heat transfer also decreases, so the heat capacity of the fins can be small, and it is better to reduce the thickness and increase the opening area of the grid-like part. This is advantageous because the loss can be reduced.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
1 to 3 show a heat sink of the present invention. FIG. 1 is an external perspective view of the heat sink, FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1, and FIG. 3 is a line B of FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional view along the line −B ′.
In the following drawings, the scale is not always accurate for easy understanding of the structure.
As shown in FIGS. 1 to 3, a
The shape of the
As shown in FIG. 1, a number of
[0014]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the heat sink shown in FIG. 1 taken along the line AA ′, in which an
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat sink shown in FIG. 1 taken along the line BB ′. In FIG. 3, the
[0015]
FIG. 4 is a detailed cross-sectional view of the
[0016]
FIG. 5 is an enlarged view of a part of the
[0017]
As shown in FIGS. 4 and 5, in the heat sink of the present invention, the height of the
[0018]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness (T) of the
[0019]
From the curve b in FIG. 6, as the thickness (T) of the vertical fin increases, the cross-sectional area of the opening decreases, so that the pressure loss increases. On the other hand, the heat capacity of the vertical fin increases from the curve a in FIG. It can be seen that the rise in the element temperature can be suppressed to a low level because the number of elements increases. The pressure loss is 1200 Pa or less when the thickness (T) of the vertical fin is 3.2 mm or less, and when the temperature rise of the element is 50 ° C. or less, the thickness (T) of the vertical fin is 1.2 mm. That is all. Therefore, the appropriate thickness (T) of the vertical fin is set to be 1.2 mm or more and 3.2 mm or less. Preferably, the thickness (T) of the vertical fin is not less than 1.8 mm and not more than 3 mm. Within this range, the pressure loss can be 800 Pa or less, and the temperature rise of the element can be 40 ° C. or less.
[0020]
Next, FIG. 7 shows the relationship between the fin height (H) and the temperature rise and pressure loss of the element. The thickness (T) of the vertical fin at the joint with the substrate was 2 mm. It can be seen from the curve c in FIG. 7 that if the fin height (H) is 75 mm or more, the pressure loss becomes 1000 Pa or less, and from the curve d in FIG. 7 the temperature rise of the element becomes 40 ° C. or less. When the fin height (H) is 250 mm or more, the temperature rise of the element converges to 30 ° C. and hardly changes. This is because the fin temperature approaches the temperature of the cooling airflow, and the heat exchange efficiency is reduced. Therefore, it is not advantageous to lengthen the fin height (H) unnecessarily because the effect is small. If the fin height (H) is 140 mm or more, the pressure loss can be suppressed to 800 Pa or less even when the vertical fin thickness (T) is increased.
Therefore, the appropriate fin height (H) is set to 140 mm or more. In the heat sink of the present invention, the reduction in the cross-sectional area of the opening by increasing the thickness (T) of the vertical fin is compensated for by increasing the height (H) of the vertical fin, thereby reducing the cross-sectional area of the opening. As a result, the heat exchange area was increased, and at the same time, the flow rate of the cooling medium was increased to enable large-capacity heat radiation.
[0021]
Subsequently, the thickness (t) of the
[0022]
Finally, the ratio (100 × T / p,%) of the vertical fin thickness (T) to the horizontal fin pitch (p) was examined. This is because when the vertical fin thickness (T) is increased and the horizontal fin pitch (p) is reduced, the area of the opening decreases, and there is a concern that the pressure loss increases. Therefore, the measurement was performed when the vertical fin thickness (T) was 2 mm, the vertical fin height (T) was 234.6 mm, and the horizontal fin thickness (t) was 0.6 mm (t / T = 0.3). The results are shown in FIG. From the curve g in FIG. 9, the temperature rise of the element is 50 ° C. or less and the pressure loss is 1000 Pa or less in any case, but the ratio of the vertical fin thickness (T) to the horizontal fin pitch (p) (100 × T) / P) was between 0.23 and 0.32, it was found that the pressure loss exceeded 800 Pa. Therefore, the ratio (100 × T / p) of the vertical fin thickness (T) to the horizontal fin pitch (p) is preferably 23% or less or 32% or more.
[0023]
【Example】
A heat sink having each part structure shown in FIG. 10 and each fin size shown in Table 1 and Table 2 was prepared, and a heat dissipation experiment was performed to evaluate the performance. The
The measurement results are shown in Tables 1 and 2.
[0024]
[Table 1]
[0025]
[Table 2]
[0026]
(Comparative example)
For comparison, a heat sink having each part structure shown in FIG. 10 and each fin size shown in Table 3 was prepared, and a heat radiation experiment was performed in the same manner as in the example to evaluate the performance. Table 3 also shows the measurement results.
[0027]
[Table 3]
[0028]
According to the results of Tables 1 to 3, according to the present invention, in the heat sink to which the elements having a high calorific value are bonded, even if the wind speed is increased, the pressure loss in the lattice-shaped fins is suppressed to be low, and the efficient heat radiation of the elements is achieved. It can be seen that the performance of the element can be maximized.
[0029]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to suppress an increase in ventilation resistance (pressure loss) when the cooling fluid hits the fin body, and to bring in sufficient cooling fluid into the heat sink body to improve the cooling efficiency. The space to be installed is limited as in the case of the control device described above, and it is effective for controlling the temperature of a control element that generates a large amount of heat.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view illustrating the structure of a heat sink according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 1 taken along line AA ′.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 1 taken along line BB ′.
FIG. 4 is a sectional view showing a structure of a vertical fin.
FIG. 5 is an enlarged view of a part of FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the plate thickness of a vertical fin and the temperature rise and pressure loss of an element.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the height of a fin and the temperature rise and pressure loss of an element.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the ratio of the horizontal fin thickness to the vertical fin thickness and the temperature rise and pressure loss of the element.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the ratio of the vertical fin thickness to the horizontal fin pitch and the temperature rise and pressure loss of the element.
10A and 10B are diagrams showing the structure of each part of the heat sink of the present invention, wherein FIG. 10A is a plan view, FIG. 10B is a rear view, FIG. 10C is a front view, and FIG. 10D is a side view.
11A and 11B are diagrams illustrating a structure of a conventional boiling cooler, in which FIG. 11A is an external perspective view, and FIG. 11B is a diagram illustrating a part of the inside of a cooling tower.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of a conventional heat sink.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating another structure of a conventional heat sink.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating another structure of a conventional heat sink.
[Explanation of symbols]
11, 111, 121, 131 ... heat sink, 1, 12 ... board, 3, 13, 103, 123, 133 ... fin, 14 ... Horizontal fin, 4, 16, 104: Element, 100: Boiling cooling heat sink, 106: Cooling medium
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