JP2006165165A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱量が多いレーザダイオード（ＬＤ）等のパワーエレクトロニクス用半導体素子向けのヒートシンクにおいて、素子の破損や故障を防ぎ、かつ特性が劣化しないために素子内に温度分布を生じるのを防ぐ、高い冷却効果を有するヒートシンクを提供する。
【解決手段】 銅などの腐食されにくい部材で形成されたヒートシンク１の上面端部に実装されたＬＤ４から発生する熱は、ヒートシンク１の前壁１ｃ及びヒートシンク上壁１ｄを介して、中間冷媒流路２ｃ内に設けられた冷媒通孔５ａを有する多孔体５に伝導し、一方、入口側冷媒流路２ａから中間冷媒流路２ｃを通って出口側冷媒流路２ｂへ流れる水などの冷媒は、途中の中間冷媒流路２ｃに設けられた多孔体５の冷媒通孔５ａを導通する際に、伝導してきた熱を奪うことで放熱動作が行われる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば半導体素子等の発熱体を冷却するためのヒートシンクに係わり、特に、レーザダイオード（以下、ＬＤという）等のパワーエレクトロニクス用半導体素子を、冷媒を用いて冷却するヒートシンクに関するものである。

従来のＬＤ向けのヒートシンクとして、例えば特許文献１では、ＬＤ等の半導体素子である発熱体に対する冷却性能を高めるために、３枚の平板状銅製部材（以下、平面部材という）を上下に平行に重ね合わせて、中間の平面部材と下側の平面部材との間に流入水路を形成する一方、中間の平面部材と上側の平面部材との間に流出水路を形成する構成としている。そして発熱体を上側の平面部材の上の一端に実装し、中間の平面部材の発熱体に近い端部に、流入水路と流出水路とを繋ぐ導水孔を一列状に複数設けて、流入水路に供給された水等の冷媒を上側平面部材の発熱体に近い壁部に噴出させることで、発熱体の冷却を図っている。

一方、半導体素子向けの冷却性能を高めたヒートシンクとして、例えば特許文献２では、半導体素子の実装部の直下を冷媒が一方向に流れる冷媒流路を設け、冷媒流路中にポーラス部材を備える構成としている。この場合、半導体素子で発生した熱は、ヒートシンクの上壁のみを伝わってポーラス部材に伝導する。ここでポーラス部材は冷媒が流れる直円筒状の孔が流路と概ね平行に多数貫通している。このためポーラス部材と冷媒との接触面積が増大し、その結果、半導体素子からポーラス部材へ伝導した熱を効率よく冷媒に放熱できる。

特開２００３−２７３４４１号公報（第５、６頁、図３） 特開２００１−３５８２７０号公報（図１）

一般に半導体素子は温度が低いほど、また素子内の温度分布が小さいほど動作が安定することが知られている。中でもパワーエレクトロニクス用半導体素子は、その他の半導体素子と比べて発熱量が多いため、安定動作のためにはヒートシンクによる充分な冷却が必要であり、冷却が充分になされないと破損や故障等のおそれがある。例えばパワーエレクトロニクス用半導体素子であるＬＤは発熱密度が高い。すなわち、わずかな実装面積であるにもかかわらず数１０Ｗに達するほど大量の発熱がある。これに対して従来のＬＤ向けのヒートシンクは、例えば特許文献１に示すようにＬＤに近い限られた面積の壁部だけからしか放熱できない構成であるため、充分な放熱面積を確保できなかった。従って特許文献１では、ＬＤ等のパワーエレクトロニクス用半導体素子に対する冷却は不充分となり、破損や故障等のおそれがあった。特にＬＤは僅かな温度変動に対しても発振光波長が変動するので、冷却性能が不充分な従来のヒートシンクを使用した場合は素子内に温度分布が生じ、深刻な特性劣化の要因となるという課題があった。

一方、ＬＤにおいて充分な発振光出力を得るためには、ＬＤから発振光が出力される方向に発振光を妨げるおそれのある物を置くことができない。すなわち、発振光の出力方向にヒートシンクをはみ出して設けることはできない。その結果、特許文献１に示されるようにヒートシンクの端部にＬＤを実装する構成とせざるを得ない。しかしながら当該構成とすれば、必然的にＬＤの実装部の直下には、常にヒートシンクの壁部が存在することとなる。ゆえに、特許文献２に示されるようにＬＤの実装部の直下に冷媒が一方向に流れるような冷媒流路を設けて、冷媒流路中にポーラス部材を備える構成を採用することができない。すなわち、ＬＤの実装部の近くでは冷媒の流入する方向と流出する方向が概ね逆方向に変化するため、直円筒状の穴を有するポーラス部材を特許文献２に示されるようにＬＤの実装部の直下に設けることが構造的に困難であるという課題があった。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、ＬＤのような発熱量が多いパワーエレクトロニクス用半導体素子を使用する場合であっても、冷媒への十分な放熱面積を確保して冷却性能を大幅に向上させることができ、さらに発熱体の温度分布を均一にできるヒートシンクを得ることを目的とする。

この発明に係るヒートシンクは、発熱体が実装され、前記発熱体が発生する熱を、冷媒を用いて冷却するヒートシンクにおいて、前記ヒートシンクの内部空間に流路構成部材によって分割形成され、前記ヒートシンクの端部に実装された前記発熱体の近傍へ向かって前記冷媒が流れる第１の流路、前記発熱体の近傍から前記冷媒が流れる第２の流路及び前記第１の流路と前記第２の流路とを前記発熱体の近傍で繋ぐ第３の流路により構成される冷媒流路と、前記第１ないし第３の流路のいずれかに設けられ全ての冷媒が流れる孔を有する多孔体とを備えたものである。

この発明によれば、ヒートシンク内に発熱体の近傍へ向かって冷媒が流れる第１の流路、発熱体の近傍から冷媒が流れる第２の流路及び第１の流路と第２の流路とを発熱体の近傍で繋ぐ第３の流路により構成される冷媒流路を設け、発熱体の実装部に近い冷媒流路中に、冷媒が内部を流れる穴を有する多孔体を設けることで、冷媒への充分な放熱面積を確保でき、発熱体からヒートシンクを介して多孔体に伝導した熱が、多孔体の穴を流れる冷媒により効率よく奪われるため、冷却性能を大幅に向上することができる。また、冷却性能が向上する結果、発熱体の温度分布を均一にすることができる。

以下この発明を、その実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお実施の形態１では、この発明に係るヒートシンクによりＬＤの冷却を行う場合を例にとり説明する。
実施の形態１．
図１の（ａ）は実施の形態１におけるヒートシンク１の横断平面図であり、図１の（ｂ）のＡ−Ａ断平面図に相当する。一方、図１の（ｂ）はヒートシンク１の縦断側面図であり、図１の（ａ）のＢ−Ｂ断側面図に相当する。ヒートシンク１の本体は、例えば銅などの熱伝導率が高く冷媒に腐食されにくい部材で形成され、内部に冷媒流路２が形成されている。冷媒流路２は、ヒートシンク１内に流路構成部材３をヒートシンク１と一体的に結合することにより、流路構成部材３の側壁面３ａとヒートシンク１の内側壁面１ａ及び流路構成部材３の前壁面３ｂとヒートシンク１の内前壁面１ｂとの間に形成される。流路構成部材３もヒートシンク１の本体と同様に、冷媒に腐食されにくい銅などの部材で形成される。

図１の（ｂ）において、ヒートシンク１の前壁１ｃの上部には、パワーエレクトロニクス用半導体素子の一種で、発熱体であるＬＤ４が実装される。図１の（ｂ）に示すように、ＬＤ４は通常、ヒートシンク１の端部、すなわちヒートシンク１の前壁１ｃの上部に実装され、ヒートシンク１の前壁１ｃから離れた場所、例えば図１の（ｂ）における点線Ｐで示すような位置には実装されない。なぜならば、ＬＤ４による発振光が、図１の（ｂ）の矢印ＬＢの方向に照射されるため、ＬＤ４から見てＬＢの方向にヒートシンク１をはみ出して設けることができないためである。すなわちヒートシンク１では、ＬＤ４は常にヒートシンク１の端部、すなわちヒートシンク１の前壁１ｃの上部に実装されることとなる。また、図１の（ａ）にはＬＤ４の長手方向の長さＬＬ及びヒートシンク１の幅ＬＨを示す。通常、ＬＬが概ねＬＨの０.８倍程度の値となるようにヒートシンク１の幅ＬＨが決められる。

次に、冷媒流路２は図１の（ａ）に示すように、水などの冷媒がＬＤ４の実装部近傍へ向かって流入する第１の流路である入口側冷媒流路２ａと、冷媒がＬＤ４の実装部近傍から流出する第２の流路である出口側冷媒流路２ｂと、ＬＤ４の実装部近傍で入口側冷媒流路２ａと出口側冷媒流路２ｂとを接続し、冷媒がＬＤ４の長手方向と平行に流れる第３の流路である中継冷媒流路２ｃとから構成される。中継冷媒流路２ｃ内には、流路構成部材３からＬＤ４の実装部近傍への延長上に直方体の多孔体５が配置されており、多孔体５は、ヒートシンク１の内前壁面１ｂ、流路構成部材３の前壁面３ｂ及びヒートシンク１の上壁１ｄおよびヒートシンク１の下壁１ｅと接している。多孔体５は例えばロータス（蓮根）型ポーラス金属等で構成されており、入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ冷媒が流れるための全ての冷媒が流れる孔である冷媒通孔５ａが設けられている。すなわち、冷媒は冷媒通孔５ａを流れることによってのみ、入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ流れる。図１の（ａ）において、冷媒流路２の中を冷媒が流れる方向を矢印で示す。また図１の（ｂ）には入口側冷媒流路２ａを冷媒が流れる方向を実線の矢印で示す一方、出口側冷媒流路２ｂを冷媒が流れる方向を破線の矢印で示す。なお多孔体５もヒートシンク１と同様に銅などの熱伝導率が高い部材で形成される。

次に、中継冷媒流路２ｃにおける多孔体５の配置と寸法について、図を用いて説明する。図２は多孔体５の斜視図であり、図２において多孔体５の幅をＷ、高さをＨ、長さをＬとする。幅Ｗは、図１の（ａ）及び（ｂ）におけるヒートシンク１の内前壁面１ｂと流路構成部材３との距離に相当する。また高さＨは、図１の（ｂ）における中継冷媒流路２ｃの高さに相当する。さらに長さＬは、流路構成部材３の幅に相当する。Ｗ、Ｈ、Ｌを、それぞれ図１の（ａ）及び（ｂ）に示す。詳細は後述するが、ＬＤ４からの熱はヒートシンク１の前壁１ｃ及びヒートシンク１の上壁１ｄを介して多孔体５に伝わり、冷媒へ放熱される。多孔体５ではＬＤ４からの距離が遠くなるほど熱伝導量が少なくなるため、放熱効率が低下する。従って多孔体５の寸法には設計上の最適値があり、例えばＬＤ４の寸法が長手方向（中継冷媒流路２ｃを冷媒が流れる方向）ＬＬが１０ミリメートル×幅２ミリメートルで、発熱量が約５０ワットの場合には、多孔体５の幅Ｗ×長さＬ×高さＨは、１０ミリメートル×１０ミリメートル×１０ミリメートル以下の値が一般的に使用される。

実施の形態１では図２に示すように冷媒通孔５ａの直径をｄとし、全ての冷媒通孔５ａの孔径は等しいものとする。また図２に示すように、冷媒通孔５ａは多孔体の面５ｂから反対側の面５ｃへ直円筒状に穿孔されている。さらに多孔体５は、図１の（ｂ）に示すように面５ｂを入口側冷媒流路２ａ側に向ける一方、面５ｃを出口側冷媒流路２ｂ側に向けて設けられる。すなわち、冷媒は冷媒通孔５ａを通って入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ流れる。

一方、ＬＤ４から多孔体５へ伝導した熱は、冷媒通孔５ａの内側面に到達し、冷媒通孔５ａの中を冷媒が流れることにより、冷媒中に放熱される。一般に冷媒通孔５ａの直径ｄが小さいほど、かつ冷媒通孔５ａの数が多いほど、多孔体５が冷媒と接触する放熱面積を大きくすることができる。放熱面積を大きくすると冷媒への放熱量が増加して、放熱効率を向上できるメリットがある。しかしながら、冷媒通孔５ａの直径ｄが小さいほど、冷媒が流れる際の流動抵抗が増大するというデメリットがある。さらに冷媒通孔５ａの数が多いほど、ＬＤ４からの熱伝導が冷媒通孔５ａによって阻害され、ＬＤ４から遠い位置にある冷媒通孔５ａへの熱伝導量が低下するというデメリットもある。以上のような理由から、冷媒通孔５ａの直径ｄの寸法には設計上の最適値があり、一般的には１０〜５００マイクロメートル程度の値が用いられる。また多孔体５の気孔率（多孔体５の全体積に占める冷媒通孔５ａの部分の体積）は５０％以下の値が用いられる。

次にヒートシンク１の放熱動作について説明する。上述のようにＬＤ４は充分な発振光出力を得るためにヒートシンク１の前壁１ｃの上部に実装される。この場合、ＬＤ４で発生する熱は、ヒートシンク１の前壁１ｃ及びヒートシンク１の上壁１ｄを伝導し、図１の（ｂ）におけるヒートシンク１の内前壁面１ｂ及びヒートシンク１の内上壁面１ｆに到達する。仮に多孔体５が中継冷媒流路２ｃ中に存在しないとすれば、伝導してきた熱はヒートシンク１の当該壁面からのみ冷媒に放熱される。これに対して、実施の形態１では図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多孔体５はヒートシンク１の内前壁面１ｂ及びヒートシンク１の内上壁面１ｆに接しているため、熱は多孔体５へ伝導する。

図３の（ａ）はヒートシンク１における熱伝導の様子を説明するためのＬＤ４近傍の詳細な縦断側面図であり、図１の（ｂ）の多孔体５の周辺を拡大したものである。ＬＤ４で発生した熱は図３の（ａ）の破線の矢印のようにヒートシンク１の前壁１ｃ及びヒートシンク１の上壁１ｄを介して多孔体５に伝導し、冷媒通孔５ａに達すると内部を流れる冷媒に放熱される。このとき、上述のように多孔体５と冷媒との接触面積が大きいほど多くの熱を放熱できるが、多孔体５には多数の冷媒通孔５ａがあいているため、大きな表面積を有する。すなわち冷媒通孔５ａを設けたことにより、多孔体５と冷媒との放熱面積が大きくなるため、放熱量が増大する。

図３の（ｂ）は図３の（ａ）のＣ−Ｃ横断平面図である。図３の（ｂ）に破線の矢印で示すように、ＬＤ４で発生した熱はヒートシンク１の上壁１ｄやヒートシンク１の前壁１ｃのみならず、多孔体５に伝導した後にＬＤ４の長手方向に伝導する。このことから、発熱量が通常最も多いＬＤ４の長手方向の中心から左右の方向へ熱が拡散しつつ、冷媒通孔５ａにより効率的な放熱がなされる。このような放熱動作の結果、実施の形態１ではＬＤ４の温度分布を均一にできる効果がある。

ＬＤ４の温度分布を均一にできる効果について、シミュレーション結果に基づき説明する。まず図３の（ｂ）に示すように、ヒートシンク１におけるＬＤ４の長手方向に座標軸をとり、ヒートシンク１の中心を原点とし、原点からの距離をＸとする。図４は実施の形態１におけるＬＤ４の温度分布を均一にできる効果を表すシミュレーション結果を示す図である。図４の縦軸はヒートシンク１におけるＬＤ４の実装面と冷媒との温度差Ｔ（Ｋ）であり、横軸は距離ＸをＬＨで規格化した位置である。図４の実線は本発明を適用した場合のシミュレーション結果を示し、一方、破線は多孔体５を適用しない従来のヒートシンクを適用した場合のシミュレーション結果を示す。

図４に示すように、本発明を適用した場合のＴの値は従来の場合と比べて全体的に低下している。このことは、本発明によりＬＤ４を充分に冷却できていることを示す。さらに上述のようにＬＤ４の長手方向の長さＬＬはＬＨの概ね０．８倍程度であるから、ＬＤ４は概ねＸ＝−０．４〜０．４の範囲に実装されるが、この範囲を図４に点線で示す。図４において２本の点線で挟まれた部分、すなわちＬＤ４が搭載される範囲に着目すると、従来の場合は原点付近の温度が、原点以外の部位の温度と比べて高くなることが認められる。これに対して本発明によれば、従来の場合よりも温度分布が平坦になることが認められる。従って、本発明によりＬＤ４の温度分布を均一とできていることがわかる。換言すれば、上述のように半導体素子は温度が低いほど、また温度分布が小さいほど動作が安定するため、実施の形態１により、安定した半導体素子の動作を得ることができる効果がある。

なお、実施の形態１では多孔体５が銅であるとして説明したが、熱伝導率が高く、冷媒に腐食されにくい材料であれば、銅に限らずどのような材料であってもよく、必ずしも金属材料とは限らない。また、実施の形態１における多孔体５や冷媒通孔５ａの寸法等は、理想的性能を得るための一例について示したものであり、上記と異なる寸法等であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに多孔体５は全て一体構造にて形成する必要はなく、例えば、より小さな寸法に分割したものを組み合わせる構成としても、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

また、実施の形態１では冷媒を水などであるとして説明したが、冷媒は水に限るものではなく、ヒートシンク１を腐食しないものであれば、どのような冷媒であってもよい。たとえばエチレングリコールなどの有機冷媒を使用してもよい。

また、実施の形態１ではＬＤ４の長さＬＬの値をヒートシンクの幅ＬＨの０．８倍程度であるとして説明したが、これは必ずしも０．８倍である必要はない。ＬＨに占めるＬＬの割合を低くすれば、ヒートシンク１の幅が広くなるため、より大きな発熱量のＬＤ４にも適用できる。反対に発熱が比較的少ないＬＤ４であれば、当該割合を高くすることにより、ヒートシンク１の幅を狭くして、全体をコンパクト化することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ヒートシンク１の内部に冷媒を水平方向に流す冷媒流路２を形成し、中継冷媒流路２ｃ内のみに多孔体５を配置する場合について説明した。これに対して実施の形態２では、多孔体を中継冷媒流路２ｃ内だけでなく、入口側冷媒流路２ａ及び出口側冷媒流路２ｂにも配置する構成とする。このような構成とすることで、ヒートシンク１の放熱効率をより高めることができる。

図５は、実施の形態２におけるヒートシンク１の横断平面図であり、実施の形態１における図１の（ａ）に対応している。図５においては、図１ないし図３と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。ＬＤ４の実装部の近傍を通る中継冷媒流路２ｃ内には、多孔体５がヒートシンク１の内前壁面１ｂ、流路構成部材３、ヒートシンク１の上壁１ｄ及びヒートシンク１の下壁１ｅと接している点で実施の形態１と同様である。

一方、実施の形態２では実施の形態１と異なり、入口側冷媒流路２ａ及び出口側冷媒流路２ｂにも、それぞれ相異なる多孔体５１及び５２を備える。これらの多孔体５１及び５２は、ヒートシンク１の内側壁面１ａ、流路構成部材３、ヒートシンク１の上壁１ｄ及びヒートシンク１の下壁１ｅと接している。さらに多孔体５１及び５２は、それぞれ多孔体５と密着して設けられる。すなわち、これらの多孔体５、５１及び５２は、図５に示すように断平面図においてコの字型の多孔体群を構成するよう配置される。この場合の多孔体５、５１及び５２からなる多孔体群の斜視図を図６の（ａ）に示す。なお図６の（ａ）の矢印は、冷媒の流れを表している。さらに理解を助けるため、これらの多孔体群を多孔体５、５１及び５２に分離した状態の斜視図を図６の（ｂ）に示す。図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多孔体５、５１及び５２にはそれぞれ冷媒通孔５ａが穿孔されており、これらの冷媒通孔５ａは、多孔体５、５１及び５２を密着させたときに、図６の（ａ）に示すように相対する位置に来るように設けられる。

このように、多孔体５、５１及び５２における冷媒通孔５ａを、それぞれが相対する位置に来るように設けることにより、図５及び図６の（ａ）に矢印で示すような冷媒の流れを構成することができる。すなわち、図６の（ａ）及び（ｂ）に示す多孔体５、５１及び５２に直円筒状の冷媒通孔５ａを設け、それぞれの多孔体を図５に示すように密着させると、冷媒通孔５ａにより入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ冷媒を流すことができる。また、このとき冷媒が冷媒通孔５ａのみを流れて入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｃへ達する点については、実施の形態１と同様である。

次にヒートシンク１の放熱動作について説明する。実施の形態１と同様に、ＬＤ４で発生した熱はヒートシンク１の内前壁面１ｂ及びヒートシンク１の内上壁面１ｆを介して中継冷媒流路２ｃ内の多孔体５に伝導し、冷媒通孔５ａに達すると内部を流れる冷媒に放熱される。実施の形態２では、このような伝導ルートに限らず、一部の熱がヒートシンク１の上壁１ｄを介して入口側冷媒流路２ａおよび出口側冷媒流路２ｂにそれぞれ配置された多孔体５１及び５２に伝導される。そして、多孔体５１及び５２の冷媒通孔５ａで内部を流れる冷媒に放熱される。この場合、冷媒通孔５ａの全表面積は、入口側冷媒流路２ａおよび出口側冷媒流路２ｂに新たに設けた多孔体５１及び５２の分だけ、実施の形態１と比較して広くなるため、冷媒への放熱面積が広くなって放熱量が増大する。従って、実施の形態２におけるヒートシンク１では実施の形態１の場合よりも冷却性能を高めることができ、より良好にＬＤ４の冷却をすることができる。

なお、実施の形態２では多孔体５を入口側冷媒流路２ａ内、出口側冷媒流路２ｂ内及び中継冷媒流路２ｃ内の３個の部材で別々に構成する例について説明したが、これらは別々の部材で構成する必要はない。すなわち、入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ冷媒が導通するような冷媒通孔５ａが形成されていれば、多孔体５は一体形成されていてもよい。また、実施の形態２では図６に２個の冷媒通孔５ａを有する多孔体５、５１及び５２を描いて説明したが、冷媒通孔５ａは２個とは限らず、２個以上であってもよい。

また、実施の形態２では３個の多孔体５、５１及び５２を密着させる例について示したが、必ずしも密着させる必要はない。例えば図７に示すように、互いの多孔体５、５１及び５２の間に隙間を有し、それぞれが独立する構成としてもよい。図７に示す構成であれば、冷媒通孔５ａは多孔体５、５１及び５２をそれぞれ直円筒状に貫通する簡易な構成で済み、さらに冷媒通孔５ａは、必ずしも密着させたときに相対する位置に穿孔する必要がないため、図５に示す場合と比較して多孔体５、５１及び５２の製造工程を簡略化することができる。さらに、入口側冷媒流路２ａ、出口側冷媒流路２ｂ及び中継冷媒流路２ｃの３箇所全てに多孔体５、５１及び５２を配置する必要はなく、いずれか２箇所のみ又は１箇所のみに配置しても同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

実施の形態３．
実施の形態１では、ヒートシンク１の内部に冷媒を水平方向に流す冷媒流路２を形成した場合について説明した。これに対して実施の形態３では、ヒートシンク１の内部空間を上下に仕切って、その下部空間から上部空間に向かって上下方向に冷媒を流す冷媒流路２を形成する構成としたものであり、多孔体５をＬＤ４の長手方向端部まで配置して温度分布をより均一にできる。

図８の（ａ）は実施の形態３におけるヒートシンク１を示す横断平面図であり、図８の（ｂ）におけるＤ−Ｄ断平面図に相当する。一方、図８の（ｂ）は縦断側面図であり、図８の（ａ）におけるＥ−Ｅ断側面図に相当する。図８の（ａ）及び（ｂ）においては、図１ないし図７と同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態３では、ヒートシンク１の内部空間を、水平方向の流路構成部材である仕切り板６で上下に仕切り、仕切り板６におけるヒートシンク１の前壁１ｃ側(ＬＤ４の実装部に近い側)の端部を切り欠く。そして仕切り板６により仕切った下部空間のうち冷媒がＬＤ４の実装部近傍へ向かって流入する部分を入口側冷媒流路（下側冷媒流路）２ａとし、上部空間のうち冷媒がＬＤ４の実装部近傍から流出する部分を出口側冷媒流路（上側冷媒流路）２ｂとする。さらにＬＤ４の実装部近傍で、入口側冷媒流路２ａと出口側冷媒流路２ｂとを接続し、冷媒がＬＤ４の長手方向と垂直に下から上に流れる部分を中継冷媒流路２ｃとする。なお図８の（ａ）において、実線の矢印は冷媒が入口側冷媒流路２ａを流れる向きを示し、破線の矢印は冷媒が出口側冷媒流路２ｂを流れる向きを示す。

中継冷媒流路２ｃ及び出口側冷媒流路２ｂには、図８の（ｂ）に示すように、入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ冷媒が流れるように冷媒通孔５ａが穿孔された多孔体５及び５１が設けられている。このうち多孔体５はヒートシンク１の内前壁面１ｂ及び仕切り板６と接し、一方多孔体５１はヒートシンク１の内上壁面１ｆ及び仕切り板６と接している。さらに多孔体５と多孔体５１は、図８の（ｂ）に示すように互いに密着して設けられる。多孔体５及び５１が密着した状態の斜視図を図９の（ａ）に示す。なお図９の（ａ）の矢印は、冷媒の流れを表している。さらに理解を助けるため、これらの多孔体５及び５１を分離した状態の斜視図を図９の（ｂ）に示す。図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多孔体５及び５１にはそれぞれ冷媒通孔５ａが穿孔されている。これらの冷媒通孔５ａは、多孔体５及び５１を密着させたときに、図８の（ａ）、（ｂ）及び図９の（ａ）に矢印で示すような冷媒の流れを構成することができるよう、図９の（ａ）に示すように多孔体５及び５１の相対する位置に設けられる。

すなわち、図９の（ａ）及び（ｂ）に示す多孔体５及び５１に直円筒状の冷媒通孔５ａを設け、それぞれの多孔体を図８の（ｂ）に示すように密着させると、冷媒通孔５ａにより入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ冷媒を流すことができる。また、このとき冷媒が冷媒通孔５ａのみを流れて入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｃへ達する点については、実施の形態１及び２と同様である。

次にヒートシンク１の放熱動作について説明する。実施の形態１及び２と同様に、ＬＤ４にて発生した熱はヒートシンク１の内前壁面１ｂ及びヒートシンク１の内上壁面１ｆを介して多孔体５に伝わり、冷媒通孔５ａに達すると内部を流れる冷媒に放熱される。ここで実施の形態１では、図１の（ａ）に示したように多孔体５がＬＤ４の長手方向の端部付近には配置されないため、図４に示すシミュレーション結果のようにＬＤ４の長手方向の端部、すなわちヒートシンク１の側壁近傍で温度の分布が生じていた。これに対して実施の形態３では、多孔体５がＬＤ４の長手方向の端部近傍にも配置されるため、実施の形態１と比較して、ＬＤ４の長手方向の温度分布を均一にすることができる。

なお実施の形態３では、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように多孔体５及び５１の２個の多孔体を用いるものとして説明したが、必ずしも２個の多孔体で構成する必要はない。すなわち、多孔体は入口側冷媒流路２ａから出口側冷媒流路２ｂへ冷媒が流れるように冷媒通孔５ａが穿孔されていれば１個の多孔体で構成されていてもよい。さらに３個以上の部材で構成されていてもよいことはいうまでもない。

また実施の形態３では、多孔体５及び５１をそれぞれ中継冷媒流路２ｃ及び出口側冷媒流路２ｂに配置する場合について説明したが、これは必ずしも中継冷媒流路２ｃ及び出口側冷媒流路２ｂである必要はない。例えば実施の形態１や実施の形態２で説明したように、多孔体を中継冷媒流路２ｃ、入口側冷媒流路２ａ又は出口側冷媒流路２ｂのうちの任意の１箇所ないし３箇所全てに配置する構成としてもよい。すなわち例えば多孔体５、５１及び５２を、それぞれ中継冷媒流路２ｃ、出口側冷媒流路２ｂ、入口側冷媒流路２ａに配置してもよい。この場合の図８の（ｂ）に対応する縦断平面図を図１０に示す。図１０に示すように３箇所全ての冷媒流路に多孔体を設ける構成としてもよい。

実施の形態４．
実施の形態３では、多孔体５及び５１の形状として、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すような形状を用いて説明したが、多孔体５及び５１は必ずしもこのような形状である必要はなく、冷媒流路２内に配置できる構造であれば、どのような形状であってもよい。実施の形態４では、多孔体５の形状を変えることにより、冷媒通孔５ａの流動抵抗を制御して冷却性能を向上することができる。

図１１の（ａ）は実施の形態４における多孔体５及び５１の形状の一例を説明するためのヒートシンク１の縦断平面図であり、実施の形態３における図８の（ｂ）に相当する。図１１の（ａ）に示すように、多孔体５は中継冷媒流路２ｃ及び出口側冷媒流路２ｂに接する面において、冷媒の流れる方向と直交しない点で実施の形態３と異なる。このように、実施の形態４における多孔体５及び５１の形状は任意の形状でよい。

図１１の（ｂ）は図１１の（ａ）の効果を説明するためのヒートシンク１の縦断平面図であり、図１１の（ａ）の多孔体５及び５１付近の拡大図である。図１１の（ｂ）において、矢印Ｆ１は多孔体５及び５１の冷媒通孔５ａを流れる冷媒のうち、ＬＤ４から離れた場所を流れる冷媒の経路であり、一方、矢印Ｆ２はＬＤ４に近い場所を流れる冷媒の経路である。実施の形態４と実施の形態３とを比較すると、実施の形態３では図８の（ｂ）からわかるように、冷媒が流れる場所によって冷媒通孔５ａの長さは異なる。すなわち、具体的にはＬＤ４に近いほど、冷媒通孔５ａの長さは長くなる。すると実施の形態３の場合、ＬＤ４に近いほど、流動抵抗が大きくなり、その結果、冷媒が流れにくくなって放熱の効率が低下する。

これに対して実施の形態４では、図１１の（ｂ）に示すようにＬＤ４から離れた場所を流れる冷媒の経路Ｆ１と、ＬＤ４に近い場所を流れる冷媒の経路Ｆ２の長さをほぼ等しくすることができる。これによりＬＤ４からの距離に関わらず、いずれの冷媒通孔５ａであっても流動抵抗を等しくすることができ、その結果、冷媒は多孔体５を均等に流れるため、ＬＤ４を実施の形態３の場合と比較して効率よく冷却することができる。

なお、上記実施の形態１ないし３では、多孔体５に円形の冷媒通孔５ａが等間隔にあけられている構成であるものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。すなわち冷媒通孔５ａは、内部を冷媒が流れることにより多孔体５から熱を奪える形態であればどのような形態であっても良い。図１２は冷媒通孔５ａの配置の一例を示す図であり、実施の形態１における図２の面５ｂに相当する。実施の形態４では、図１２に示すように冷媒通孔５ａは多孔体５の面５ｂに規則的に配置されておらず、不規則な配置であってもよい。また、図１３は冷媒通孔５ａの寸法の一例を示す図であり、図１２と同様に実施の形態１における図２の面５ｂに相当する。実施の形態４では、図１３に示すように冷媒通孔５ａの孔径ｄが各孔ごとに異なっていてもよい。また図示しないが、孔の断面形状も円形である必要はなく、楕円形や矩形であってもよい。さらに言えば、多孔体５は複数の冷媒通孔５ａが穿孔された構成に限らず、例えば粒状の構成材料を焼結して形成し、内部を冷媒が導通するような構造であってもよい。すなわち多孔体５の構造は、入口側冷媒流路２ａから出口側２ｃへ冷媒が通過できれば、どのような形状または配置であっても同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に用いられるヒートシンクの断面図である。 この発明の実施の形態１に用いられる多孔体の斜視図である。 この発明の実施の形態１における熱の流れを説明するためのヒートシンクの断面図である。 この発明の実施の形態１における温度分布に関するシミュレーション結果である。 この発明の実施の形態２に用いられるヒートシンクの横断平面図である。 この発明の実施の形態２に用いられる多孔体の斜視図である。 この発明の実施の形態２に用いられるヒートシンクの横断平面図である。 この発明の実施の形態３に用いられるヒートシンクの断面図である。 この発明の実施の形態３に用いられる多孔体の斜視図である。 この発明の実施の形態３に用いられるヒートシンクの縦断面図である。 この発明の実施の形態４に用いられる多孔体の形状を説明するためのヒートシンクの縦断側面図である。 この発明の実施の形態４に用いられる冷媒通孔の配置を示す図である。 この発明の実施の形態４に用いられる冷媒通孔の寸法を示す図である。

符号の説明

１ ヒートシンク
２ 冷媒流路
２ａ 第１の流路である入口側冷媒流路
２ｂ 第２の流路である出口側冷媒流路
２ｃ 第３の流路である中間冷媒流路
３ 流路構成部材
４ 発熱体であるＬＤ
５ 多孔体
５ａ 全ての冷媒が流れる孔である冷媒通孔
６ 仕切り板

Claims (10)

1. 発熱体が実装され、前記発熱体が発生する熱を、冷媒を用いて冷却するヒートシンクにおいて、前記ヒートシンクの内部空間に流路構成部材によって分割形成され、前記ヒートシンクの端部に実装された前記発熱体の近傍へ向かって前記冷媒が流れる第１の流路、前記発熱体の近傍から前記冷媒が流れる第２の流路及び前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路とを前記発熱体の近傍で繋ぐ第３の流路により構成される冷媒流路と、前記第１ないし第３の流路のいずれかに設けられ全ての冷媒が流れる孔を有する多孔体とを備えることを特徴とするヒートシンク。
2. 冷媒流路は、ヒートシンクの内部空間を上下に仕切る流路構成部材によって垂直方向に分離した第１の流路と第２の流路とに分割形成され、前記流路構成部材における発熱体の実装部近傍に切欠きを設けることで、前記第１の流路と前記第２の流路とを繋ぐ第３の流路が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 冷媒流路は、ヒートシンクの内部空間を左右に仕切る流路構成部材によって水平方向に分離した第１の流路と第２の流路とに分割形成され、前記流路構成部材における発熱体の実装部近傍に切欠きを設けることで、前記第１の流路と前記第２の流路とを繋ぐ第３の流路が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のヒートシンク。
4. 実装される発熱体はパワーエレクトロニクス用半導体素子であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載のヒートシンク。
5. 実装される発熱体はレーザダイオードであることを特徴とする、請求項４に記載のヒートシンク。
6. 発熱体はヒートシンクの上面の端部に実装されることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一に記載のヒートシンク。
7. 多孔体は複数に分割された部材から構成されることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか一に記載のヒートシンク。
8. 多孔体はポーラス金属により構成されることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか一に記載のヒートシンク。
9. 多孔体が有する冷媒が流れる孔は、孔の長さが等しいことを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれか一に記載のヒートシンク。
10. 多孔体が有する冷媒が流れる孔は、冷媒の流動抵抗が等しいことを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれか一に記載のヒートシンク。

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