JP2008193007A - アルミ押出形材製ヒートシンク - Google Patents

アルミ押出形材製ヒートシンク Download PDF

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Abstract

【課題】 放熱性能の良好なアルミ押出形材製ヒートシンクの提供。
【解決手段】 基板1と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィン2,2,…とを備え、基板とフィンは押出成形により一体成形したものであり、フィンは、切れ目3を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィン2a,2bが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィン2bが他方の列のフィン2aに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してある。
【選択図】 図1

Description

本発明は、各種電子・電気機器における電子デバイスや回路基板、変換機等の発熱部分に、放熱のために取付けられるアルミ押出形材製ヒートシンクに関する。
一般に各種の電子機器や電気機器においては、特許文献1や特許文献2に記載されているようなアルミ押出形材製ヒートシンクがよく用いられるが、小型化・軽量化を求められる時代となってきたのに伴い放熱性能の高いヒートシンクが求められてきた。
特開2005−57033号公報 特開平7−77338号公報
本発明は以上に述べたような実情に鑑みてなされたものであって、放熱性能の良好なアルミ押出形材製ヒートシンクの提供を目的とする。
上記の課題を達成するために請求項1記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが他方の列のフィンに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してあることを特徴とする。
請求項2記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが押出方向に対して傾斜して配置してあることを特徴とする。
請求項3記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが他方の列のフィンに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してあり且つ押出方向に対して傾斜して配置してあることを特徴とする。
請求項4記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが押出方向に直角な方向に根元から傾斜して配置してあることを特徴とする。
請求項5記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、請求項1〜4記載の発明の構成に加え、フィンを分断する切れ目が、押出方向に直角な方向に並ぶ各フィンで同じ位置に設けてあることを特徴とする。
請求項6記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、請求項1〜5記載の発明の構成に加え、フィンが、列ごとに同一の方向にずれるか又は傾斜していることを特徴とする。
請求項7記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、請求項1〜6記載の発明の構成に加え、フィンを分断する切れ目の切り口が、押出方向に直角な方向に対して傾斜していることを特徴とする。
請求項1記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンに切れ目を入れて押出方向に複数列に分断したことにより、フィンに沿う温度境界層が薄くなってフィンからの放熱が促進されることに加え、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが他方の列のフィンに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してあることにより、後列のフィンの周りに比較的温度の低い空気が流入するため、放熱性能を大幅に向上できる。
請求項2記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンに切れ目を入れて押出方向に複数列に分断したことにより、フィンに沿う温度境界層が薄くなってフィンからの放熱が促進されることに加え、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが押出方向に対して傾斜して配置してあることにより、フィンの前縁で剥離流れが生じてフィンの熱伝達率が向上するため、放熱性能を大幅に向上できる。
請求項3記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンに切れ目を入れて押出方向に複数列に分断したことにより、フィンに沿う温度境界層が薄くなってフィンからの放熱が促進されることに加え、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが他方の列のフィンに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してあり且つ押出方向に対して傾斜して配置してあることにより、後列のフィンの周りに比較的温度の低い空気が流入するようになり、且つフィンの前縁で剥離流れが生じてフィンの熱伝達率が向上するため、放熱性能をさらに大幅に向上できる。
請求項4記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンに切れ目を入れて押出方向に複数列に分断したことにより、フィンに沿う温度境界層が薄くなってフィンからの放熱が促進されることに加え、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが押出方向に直角な方向に根元から傾斜して配置してあることにより、後列のフィンの周りに比較的温度の低い空気が流入するため、放熱性能を大幅に向上できる。
請求項5記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンを分断する切れ目が、押出方向に直角な方向に並ぶ各フィンで同じ位置に設けてあるので、切れ目の形成が容易である。
請求項6記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンが列ごとに同一の方向にずれるか又は傾斜しているので、フィンをずらして配置したり傾斜させたりするのが容易である。
請求項7記載の発明によるアルミ押出形材製ヒートシンクは、フィンを分断する切れ目の切り口が、押出方向に直角な方向に対して傾斜していることにより、空気がフィン前縁で衝突することによる圧力損失とフィン後縁で剥離することによる圧力損失を低減する効果がある。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係るアルミ押出形材製ヒートシンクの第1実施形態を示している。本ヒートシンクは、アルミニウム合金を押出成形したものを加工して製作したものであり、縦長の長方形の基板1上に複数のフィン2が押出方向に直角な方向に一定の間隔Pを開けて垂直に立設してある。各フィン2は、図1(c)に示すように、押出方向に等間隔で切れ目3を入れることで、押出方向に4列(2a,2b,2c,2d)に分断してある。2列目のフィン2bと4列目のフィン2dは、図1(a)に示すように、1列目のフィン2aと3列目のフィン2cに対して、押出方向に直角な同一の方向に根元付近からΔsだけ平行にずらして、すなわちオフセットして配置してある。より詳細には、フィン2b,2dを根元から斜めに曲げた上で、基板1から約3mmの高さ位置で上方に向けて曲げることでオフセットしている。各フィン2a,2b,2c,2dは、先端の厚みを根元の厚みよりも薄くしてある。
このヒートシンクは、押出成形により基板1とフィン2とを一体成形し、次に押出方向と直角な方向から丸鋸状のカッターで切れ目3を入れてフィンを2a,2b,2c,2dに分断し、その後、金型を使用してプレス加工することで2列目と4列目のフィン2b,2dをオフセットする形に成形する。
以下、本ヒートシンクの性能を評価するために行った数値解析の結果を示す。数値解析は、フィン2に348Kの熱を与え、押出方向と平行に流速2m/s、温度300Kの冷却空気を流入させ、フィン2の放熱性能を検証した。解析対象としたヒートシンクは、基板1の寸法が縦×横×厚み=145mm×107mm×13.5mm、フィン2の枚数17、フィンピッチPが6mm、フィン2の高さ36.5mm、フィン2の根元厚さ1.7mm、フィン2の先端厚さ0.8mm、フィンの切れ目3の幅3mmである。
図2は、2列目と4列目のフィン2b,2dのオフセット量Δsを変化させたときの放熱量の変化を示すグラフである。図3は、2列目と4列目のフィン2b,2dのオフセット量Δsを変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。図4(a)(b)は、フィンのオフセット量Δsが3mmのときと0mmのときの温度分布を示している。
図2のグラフより、放熱量はオフセット量Δsを大きくするにつれて大きくなり、2,4列目のフィン2b,2dが1,3列目のフィン2a,2cのちょうど中間に位置することとなるオフセット量Δs=3mmのときで放熱量が最大となった。オフセット量Δs=3mmのときの放熱量は、オフセットしないときの約1.4倍になった。このようにオフセット量Δsが3mmのときに放熱量が最大となるのは、図4(a)から明らかなように、前列のフィン2aで熱交換されなかった比較的温度の低い空気が後列のフィン2bに衝突し、後列のフィン2bで新たに熱交換されるためである。
圧力損失は、図3のグラフから分かるように、オフセット量Δsを大きくするにつれて大きくなり、オフセット量Δs=3mmのときで最大になる。このように圧力損失が大きくなるのは、2列目のフィン2bの前縁に最も流速の速い空気が衝突するためである。
図5は、フィン2の分割数を変化させたときの放熱量の変化を示すグラフであり、図6は、フィンの分割数を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。フィン2は、偶数列のフィンを奇数列のフィンに対して3mmオフセットした。
図5のグラフに示すように、フィン分割数を増やすにつれて放熱量が増大し、分割数24のときに最大となった。フィン分割数を増やすと放熱量が増大するのは、フィンの前縁により温度境界層が分断される機会が増加するからである。28分割すると放熱量が減少しているのは、フィンの分割数を増やすとフィンの面積が減少するので、その放熱面積の減少による放熱量の減少がフィン分割による放熱量を増大させる効果よりも顕著に現れたためと考えられる。
圧力損失は、図6のグラフに示すように、フィン分割数を増やすにつれて比例的に大きくなる。その理由は、フィン前縁に冷却空気が衝突する機会が増大するためである。
圧力損失は、フィン2の先端厚さを薄くすることにより小さくすることができる。図7は、フィン先端厚さを変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。同図から分かるように、フィン先端厚さを薄くするにつれて圧力損失は小さくなる。なお、図7のグラフの圧力損失の値が図3のグラフの圧力損失の値よりも全体的に大きいのは、図3はフィンの分割数を4列にして解析したのに対して、図7はフィンの分割数を8列にして解析したためである。圧力損失が小さくなることで、冷却空気を送るファンの負荷を低減できる。
図8は、第1実施形態のヒートシンクの変形例を示している。このヒートシンクは、2,3,4列目のフィン2b,2c,2dがそれぞれオフセットしてあり、1列目のフィン2aと2列目のフィン2bのオフセット量Δs1、2列目のフィン2bと3列目のフィン2cのオフセット量Δs2、3列目のフィン2cと4列目のフィン2dのオフセット量Δs3が、順番に小さくなるようにしている。
下流側に冷却空気が流れるにつれて空気温度が次第に上昇していくので、オフセット量が大きいメリットが次第に減少する。一方、圧力損失はオフセット量が大きいと確実に増大するので、下流側ではオフセット量が大きいとデメリットの方が大きくなる。本実施例のように、下流側にいくにつれてオフセット量を次第に小さくすることにより、ファン動力一定の条件では、圧力損失を低減して放熱性能を向上できる。
図9は、第1実施形態のヒートシンクの他の変形例を示している。このヒートシンクでは、1〜4列目の各フィンの長さL1,L2,L3,L4が次第に長くなるようにしている。
下流側に冷却空気が流れるにつれて空気温度が次第に上昇していくので、フィンを分割するメリットが次第に減少する。フィンを分割することによって圧力損失も増大するので、本実施例のように、分割数を減らして下流側にいくにつれてフィン長さを次第に長くすることにより、ファン動力一定の条件では、圧力損失を低減して放熱性能を向上できる。
図10は、本発明に係るヒートシンクの第2実施形態を示している。このヒートシンクは、第1実施形態のものと同じように、2,4列目のフィン2b,2dを1,3列目のフィン2a,2cの中間位置にオフセットした上で、さらに2,4列目のフィン2b,2dを根元付近から水平面内でねじるようにして、冷却空気の流れ方向(押出方向)に対して迎え角を有するように僅かに傾斜させている。
図11は、2列目のフィン2bの傾斜角度αを変化させたときの熱伝達率の変化を示しており、図12は、2列目のフィン2bの傾斜角度αを変化させたときの圧力損失の変化を示している。図11のグラフに示すように、フィン傾斜角度α=2°までは傾斜角度の増加につれて熱伝達率は増大し、それ以上傾斜させても熱伝達率はほとんど変わらなかった。圧力損失は、図12のグラフに示すように、フィン傾斜角度αを増大するにつれて僅かに増大した。以上の結果から、フィン傾斜角度αは2°が良いといえる。
フィンを傾斜させると熱伝達率が向上するのは、図13に示すように、フィン2b前縁で剥離流れ4が発生するためである。熱伝達率が向上することにより放熱量は増大する。
図14は、第2実施形態のヒートシンクの変形例を示している。このヒートシンクは、図10のものと同じように、2,4列目のフィン2b,2dをオフセットし且つ傾斜させてあり、さらに3列目のフィン2cを2,4列目のフィン2b,2dとは逆向きに傾斜させている。
図15は、3列目のフィン2cの傾斜角度α´を変化させたときの熱伝達率の変化を示すグラフであり、図16は、3列目のフィン2cの傾斜角度α´を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。フィン傾斜角度α´の+−は、時計回りに回転する向きを+、反時計回りに回転する向きを−としている。2,4列目のフィン2b,2dは、+2°傾斜させている。
図15のグラフから分かるように、熱伝達率はフィン傾斜角度α´=−2°としたときに最も大きくなった。図16のグラフから、圧力損失はフィン2cを+側に傾斜させるよりも−側に傾斜させた方が小さくなることが分かった。以上のことから、3列目のフィン2cは、2,4列目のフィン2a,2dとは逆向きに2°傾斜させるのが良いと言える。
2,4列目のフィン2b,2dを+2°傾斜させ、3列目のフィン2cを−2°傾斜させたもので放熱量を解析したところ、93.0Wとなり、図2に示したフィン2b,2dをオフセットしただけのものよりもさらに放熱量を増大できる。圧力損失は、9.0Paであった。
図20は、本発明のヒートシンクの他の実施例を示している。このヒートシンクは、1列目のフィン2aと2列目のフィン2b、3列目のフィン2cと4列目のフィン2dが押出方向から見て互いに重ならないように、2列目のフィン2bと4列目のフィン2dが根元付近から水平面内でねじるようにして、押出方向に対して傾斜して配置してある。このように、フィン2b,2dをオフセットさせないで傾斜させただけの場合でも、温度境界層が分断されることによる放熱量が増大する効果、フィン2b,2d前縁で剥離流れが生じることによる熱伝達率を向上する効果が期待できる。
図17は、本発明に係るヒートシンクの第3実施形態を示している。このヒートシンクでは、2,4列目のフィン2b,2dは、これまでの実施形態のようにオフセットさせる代わりに、図17(a)に示すように、押出方向に直角な方向に根元から傾斜して配置してある。
図18は、フィン傾斜量ΔXを変化させたときの放熱量の変化を示すグラフであり、図19は、フィン傾斜量ΔXを変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。ここで、フィン傾斜量ΔXは、図17(a)に示すように、フィン2b,2d先端が押出方向に直角な方向にずれた量である。フィン分割数、フィンピッチ等の条件は、第1実施形態のときと同じである。
図18に示すように、放熱量は、フィン傾斜量ΔXを大きくするにつれて増大し、フィン傾斜量ΔX=5mmとしたときに最大となり、その値は図2に示したフィン2b,2dを3mmオフセットしたときよりも大きくなった。フィン傾斜量ΔX=6mmでは、放熱量は減少傾向となった。これは、前列のフィン2aで熱交換されなかった比較的温度の低い空気が衝突する後列のフィン2bの面積が、フィン傾斜量ΔX=5mmのときに最大になるためと考えられる。フィン傾斜量ΔXが5mmよりも小さいときは、前後の列のフィン2a,2bの根元部が空気流れ方向において交わった位置となるため、フィン根元部で熱交換が行われにくくなり、またフィン傾斜量ΔX=6mmにすると、前後の列のフィン2a,2bの先端部が空気流れ方向において交わった位置となるため、フィン先端部で熱交換が行われにくくなる。
また図19より、圧力損失もフィン傾斜量ΔX=5mmのときで最大となった。これは、後列のフィン2bに流れ込んだ空気が衝突するフィン2bの面積がフィン傾斜量ΔX=5mmのときに最大となっているからと考えられる。
図21は、フィンを分割する切れ目3の入れ方の他の実施形態を示している。この実施形態では、押出方向に直角な方向に対して斜めの方向から切れ目3を入れ、その上で2列目のフィン2bを押出方向に直角な方向にオフセットしている。したがって切れ目3の切り口3a,3bは、押出方向に直角な方向に対して傾斜している。このように切り口3a,3bを傾斜させると、空気流れがフィン2b前縁で衝突することによる圧力損失とフィン2a,2b後縁で剥離することによる圧力損失を低減する効果がある。
本発明は、以上に述べた実施形態に限定されない。フィンは、押出方向に隣接する列のフィンを左右方向に互い違いにオフセット又は傾斜させることもできる。また、2列目のフィンは右方向、4列目のフィンは左方向といった具合に、列ごとにオフセット又は傾斜させる方向を異ならせてもよいし、一つの列のフィンの内でオフセット又は傾斜させる方向を左右に異ならせることもできる。フィンを分断する切れ目の位置は、必ずしも押出方向に直角な方向に並ぶ各フィンで同じでなくてもよく、例えば平面視で切れ目が千鳥状の配置となるように設けることもできる。本発明のヒートシンクは、発熱部分の放熱のために広く利用することができ、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備、鉄道等の発熱部分の放熱にも利用することができる。
(a)は本発明の第1実施形態のヒートシンクの正面図であり、(b)は同ヒートシンクの平面図であり、(c)は同ヒートシンクの側面図である。 第1実施形態のヒートシンクにおいて、フィンのオフセット量を変化させたときの放熱量の変化を示すグラフである。 第1実施形態のヒートシンクにおいて、フィンのオフセット量を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。 (a)はフィンのオフセット量が3mmのときの温度分布を示す図であり、(b)はフィンのオフセット量が0mmのときの温度分布を示す図である。 第1実施形態のヒートシンクにおいて、フィン分割数を変化させたときの放熱量の変化を示すグラフである。 第1実施形態のヒートシンクにおいて、フィン分割数を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。 第1実施形態のヒートシンクにおいて、フィン先端厚さを変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。 (a)は第1実施形態のヒートシンクの変形例を示す平面図であり、(b)は同ヒートシンクの側面図である。 (a)は第1実施形態のヒートシンクの他の変形例を示す平面図であり、(b)は同ヒートシンクの側面図である。。 (a)は本発明の第2実施形態のヒートシンクの正面図であり、(b)は同ヒートシンクの平面図であり、(c)は同ヒートシンクの側面図である。。 第2実施形態のヒートシンクにおいて、2列目のフィン傾斜角度を変化させたときの熱伝達率の変化を示すグラフである。 第2実施形態のヒートシンクにおいて、2列目のフィン傾斜角度を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。 第2実施形態のヒートシンクにおいて、1列目と2列目のフィンに流入する空気の流れを模式的に示す平面図である。 (a)は第2実施形態のヒートシンクの変形例を示す正面図であり、(b)は同ヒートシンクの平面図であり、(c)は同ヒートシンクの側面図である。 図14に示すヒートシンクにおいて、3列目のフィン傾斜角度を変化させたときの熱伝達率の変化を示すグラフである。 図14に示すヒートシンクにおいて、3列目のフィン傾斜角度を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。 (a)は本発明の第3実施形態のヒートシンクの正面図であり、(b)は同ヒートシンクの平面図であり、(c)は同ヒートシンクの側面図である。 第3実施形態のヒートシンクにおいて、フィンの傾斜量を変化させたときの放熱量の変化を示すグラフである。 第3実施形態のヒートシンクにおいて、フィンの傾斜量を変化させたときの圧力損失の変化を示すグラフである。 本発明のヒートシンクの他の実施例を示す平面図である。 フィンの切れ目の入れ方の他の実施形態を示す平面図である。
符号の説明
1 基板
2 フィン
2a 1列目のフィン、2b 2列目のフィン、2c 3列目のフィン、2d 4列目のフィン
3 切れ目
3a,3b 切れ目の切り口
Δs,Δs1,Δs2,Δs3 フィンオフセット量
α,α´ フィン傾斜角度
ΔX フィン傾斜量

Claims (7)

  1. 基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが他方の列のフィンに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してあることを特徴とするアルミ押出形材製ヒートシンク。
  2. 基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが押出方向に対して傾斜して配置してあることを特徴とするアルミ押出形材製ヒートシンク。
  3. 基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが他方の列のフィンに対して押出方向に直角な方向にずれた位置に配置してあり且つ押出方向に対して傾斜して配置してあることを特徴とするアルミ押出形材製ヒートシンク。
  4. 基板と、基板上に間隔を開けて立設した複数のフィンとを備え、フィンは、切れ目を入れて押出方向に複数列に分断してあるとともに、押出方向に隣接する2つの列のフィンが押出方向から見て互いに重ならないように、一方の列のフィンが押出方向に直角な方向に根元から傾斜して配置してあることを特徴とするアルミ押出形材製ヒートシンク。
  5. フィンを分断する切れ目が、押出方向に直角な方向に並ぶ各フィンで同じ位置に設けてあることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載のアルミ押出形材製ヒートシンク。
  6. フィンが、列ごとに同一の方向にずれるか又は傾斜していることを特徴とする請求項1,2,3,4又は5記載のアルミ押出形材製ヒートシンク。
  7. フィンを分断する切れ目の切り口が、押出方向に直角な方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項1,2,3,4,5又は6記載のアルミ押出形材製ヒートシンク。
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