JP2011114102A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 フィン間同士の間隙を広くしても冷却性能に優れるヒートシンクを提供する。
【解決手段】 入口部（１３ａ）から出口部（１３ｂ）までを結ぶ基線（Ａｘ）を含む鉛直面に対して第１鋭角（θ１）に配置された面内においてベースプレート（１００Ａ）の表面から伸びた柱状の複数のフィン（１０Ａ）が一定の間隔で並ぶことにより構成された第１フィン列（２０ａ）と、第１鋭角（θ１）とは反対側で基線（Ａｘ）を含む鉛直面に対して第２鋭角（θ２）に配置された面内においてベースプレート（１１）の表面から伸びた柱状の複数のフィンが一定の間隔で並ぶことにより構成された第２フィン列（２０ｂ）とを備える。出口部側において第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとは近接して配置され、出口部側に冷却用流体の流れを制限する制限手段（１４）を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＰＵ、集積回路、半導体素子等の各種電子部品、電子機器、そのほか各種電気機器などの放熱のために使用されるヒートシンクに関するものである。特にフィン間の目詰まりを防止し得るヒートシンクに関するものである。また、製造コストを低減し得るヒートシンクに関するものでもある。

ＣＰＵ、集積回路、半導体素子などの電子部品、電子機器及び各種電気機器においては、放熱のためにヒートシンクが設けられる。また、これらの素子又は機器の発熱量、発熱密度の増大によって、冷却性能に優れた高性能のヒートシンクが求められる。

特許文献１に開示されたヒートシンクは、ベースプレート部の上に、複数の板状フィンが縦方向に所定の間隔で配置されている。その中の図８のヒートシンクでは、複数の板状フィンは入口部に対してＶ字型、つまり、冷却用流体に沿って入口部から出口部に向かって漸次狭まるように配置されている。このようなＶ字型のフィンは冷却性能が優れる。
特許文献１で提案されている該ヒートシンクは、放熱フィンにおける冷却用流体通路の長さが短くなったことによる冷却効率の低下を補うために、放熱フィンの相互間の間隔を或る程度狭くすることが必要となっている。
また、複数の板状フィンはベースプレート部に嵌合され又はろう付けなどの方法により熱的に接合されて固定される。

特開平２００８−２０５４２１号公報

しかし、前記した特許文献１で提案されている該ヒートシンクは、板状フィン間同士の間隙が狭いので、例えば空気を冷却用流体として自動車用の用途に用いられる場合など必ずしも清浄でない使用環境下においては、前記間隙にゴミが詰まってしまい目詰まりが生じてヒートシンクの性能が損なわれてしまうという重大な支障を惹き起こす原因となり得る。このため、フィン間同士の間隙をより広くしても冷却性能に優れるヒートシンクの実現が望まれる。

また、特許文献１に開示されたヒートシンクはフィンがベースプレート部に嵌合され又はろう付けなどの方法により熱的に接合されているため製造コストがかかるという問題がある。製造コストの低減には、溶融した金属を加圧して金型に流し込むダイカスト法が知られている。

ダイカスト法では金型に最薄部でも少なくとも２．０ｍｍ程度の厚みを与えなければならない。このため、フィン間同士の間隙を２．０ｍｍ程度に広くしても冷却性能に優れるヒートシンクの実現が望まれる。
しかし、フィン間同士の間隔が２．０ｍｍ以上のＶ字型配置のフィンを試作してみたが、冷却性能が劣り所望の性能が得られないことが分かった。

本発明は、フィン間同士の間隔が２．０ｍｍ以上であっても優れた冷却性能を示すヒートシンクを提供するものである。これにより、目詰まりが生じにくいヒートシンクを得ることが出来る。また、製造コストの低いダイカスト法によっても冷却性能の良い優れたヒートシンクを製造することが可能となる。

第１の観点のヒートシンクは、ベースプレートの一端側から冷却用流体が流入する入口部と、一端側とは反対側である他端側から冷却用流体が流出する出口部とを備える。また、ヒートシンクは入口部から出口部までを結ぶ基線を含む鉛直面に対して第１鋭角に配置された面内においてベースプレートの表面から伸びた柱状の複数のフィンが一定の間隔で並ぶことにより構成された第１フィン列と、第１鋭角とは反対側で基線を含む鉛直面に対して第２鋭角に配置された面内においてベースプレートの表面から伸びた柱状の複数のフィンが一定の間隔で並ぶことにより構成された第２フィン列とを備える。そして、出口部側において第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとは近接して配置され、出口部側に冷却用流体の流れを制限する制限手段を形成している。

第２の観点のヒートシンクにおいては、制限手段は出口部から同じ距離にある第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとの間に前記ベースプレートの表面から伸びた横断隔壁を設ける。

第３の観点のヒートシンクにおいては、制限手段は第１フィン列のフィン間および第２フィン列のフィン間に前記ベースプレートの表面から伸びた縦断隔壁を設ける。

第４の観点のヒートシンクにおいては、制限手段は出口部から同じ距離にある第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとを、それらの先端が互いに近づくように押し曲げて形成されている。

第５の観点のヒートシンクにおいては、制限手段は出口部側に近いフィンに冷却用流体の流れを大きく制限させ、出口部側から遠いフィンに冷却用流体の流れを小さく制限させる。

第６の観点のヒートシンクにおいては、入口部に近い第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとを、それらの先端が互いに遠ざかるように押し曲げて形成されている。

第７の観点のヒートシンクにおいては、第１フィン列および第２フィン列が複数並列され、入口部に一番近い隣り合う第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとが一つのフィンに形成され、一つのフィンは冷却用流体の流れを制限する。

第８の観点のヒートシンクにおいては、第１フィン列および第２フィン列が複数並列され、入口部に一番近い隣り合う第１フィン列のフィンと第２フィン列のフィンとを、それらの先端が互いに近づくように押し曲げて形成されている。

第９の観点のヒートシンクにおいては、第１鋭角と第２鋭角とを合わせた角度は、１０度以内である。

本発明のヒートシンクは、冷却性能が優れるとともに目詰まりが生じにくい。また、製造コストの低いダイカスト法によっても冷却性能の良い優れたヒートシンクを製造することが可能となる。

第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａの斜視図である。 （ａ）は、第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａの平面図である。 （ｂ）は、第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａの側面図である。 隔壁がないヒートシンク２００を用いて行った流速シミュレーションを示した図である。 （ａ）は、空気がヒートシンク２００を通過する際の速度分布を示した平面図である。 （ｂ）は、（ａ）の点線Ｅで囲まれた部分の拡大図である。 図３において、色が白いほど空気の速度が速いことを示し、色が黒いほど空気の速度が遅いことを示している。 横断隔壁１４が形成されているヒートシンク１００Ａを、第１フィン列と第２フィン列の間の対称面で分割切断し、その分割切断面側から見た部分拡大図である。 （ａ）は、空気が図４の上部断面Ｍ１（−Ｚ側の底部から約２５ｍｍ）を通過する速度分布を示した平面図である。 （ｂ）は、（ａ）の点線Ｆで囲まれた部分の拡大図である。 （ａ）は、空気が図４の中間部断面Ｍ２（−Ｚ側の底部から約１５ｍｍ）を通過する速度分布を示した平面図である。 （ｂ）は、（ａ）の点線Ｇで囲まれた部分の拡大図である。 （ａ）は、空気が図４の下部断面Ｍ３（−Ｚ側の底部から約５ｍｍ）で通過する速度分布を示した平面図である。 （ｂ）は、（ａ）の点線Ｈで囲まれた部分の拡大図である。図５〜図７においても色が白いほど速度が速いことを示し、色が黒いほど速度が遅いことを示している。 第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂの斜視図である。 （ａ）は、第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂの平面図である。 （ｂ）は、第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂの側面図である。 第３実施形態の第３ヒートシンク１００Ｃの斜視図である。 （ａ）は、図１０のＡ−Ａ断面図である。 （ｂ）は、図１０のＢ−Ｂ断面図である。 第４実施形態の第４ヒートシンク１００Ｄの平面図である。 第５実施形態の第５ヒートシンク１００Ｅの斜視図である。

（第１実施形態）
＜第１ヒートシンク１００Ａの構成＞
第１ヒートシンク１００Ａの構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａの斜視図である。図２（ａ）は、第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａの平面図である。図２（ｂ）は、第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａの側面図である。ここで、ベースプレート部１１の面をＸＹ平面とし、冷却用流体が流入する方向を＋Ｘ軸方向と、ＸＹ平面においてＸ軸方向と垂直な方向をＹ軸方向とする。また、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸方向とする。

図１に示されたように、第１ヒートシンク１００Ａは半導体素子、集積回路又はＣＰＵ等の発熱部品１２に取り付けられる。理解を助けるため発熱部品１２がベースプレート部１１より大きく描かれているが、実際には、ベースプレート部１１より小さい場合もある。また、ベースプレート部１１の裏側に小さい複数の発熱部品１２が熱的に接続される場合もある。なお、発熱部品１２は第１ヒートシンク１００Ａに付属するものではない。第１ヒートシンク１００Ａは発熱部品１２のＸＹ平面に密着して載置されたベースプレート部１１と、そのＸＹ平面に沿って伸びたベースプレート部１１に対して垂直に接続された複数のフィン１０Ａとを有している。図１及び図２では２６本、すなわちＹ軸方向で対応する１３対の、フィン１０Ａが描かれている。もちろん数十本から数百本のフィン１０Ａが設けられていてもよい。また、図１でフィン１０Ａがベースプレート部１１に対して垂直に配置されているが、フィン１０Ａがベースプレート部１１に対して斜めに配置されてもよい。ただし、製造方法をダイカスト法とする場合には、鋳造後に分割金型から片開きして製品を取り出し易くするためには垂直に配置されていることが好ましい。

ここで、フィン１０Ａはアルミニウム、銅、あるいはそれらの合金などの熱伝導性が良好な金属より形成された直方体であり、Ｘ軸方向の幅Ｗ１及びＹ軸方向の幅Ｗ２は２．０〜５．０ｍｍである。もちろん、Ｘ軸方向の幅Ｗ１とＹ軸方向の幅Ｗ２とは同じでもよいし、異なっていてもよい。また、フィン１０Ａ同士の距離Ｄは２．０ｍｍ以上である。これは、ヒートシンクを製造する際、ダイカスト法により溶けたアルミ合金（以下、溶湯という。）を金型に圧力をかけて入れるため、金型に２．０ｍｍ程度の厚みがないと変形あるいは破損してしまうからである。また、フィン１０ＡのＺ軸方向の長さＬは、製品として許容される範囲内で冷却条件に応じて決められるが、一般に２〜１００ｍｍであればよい。さらに、第１実施形態では直方体のフィン１０Ａが用いられているが、そのほかにも直径が２．０〜５．０ｍｍ程度で、Ｚ軸方向の長さが２〜１００ｍｍである円柱体などを用いてもよい。また、ベースプレート部１１は厚さが例えば５〜２０ｍｍ程度のアルミニウム、銅、あるいはそれらの合金などの熱伝導性が良好な材料より構成され、例えば発熱部品１２に合わせて四角形板状に作られている。ただし、上記した寸法は例示であって、本発明はこの範囲に限定されるものではない。

図１及び図２では、ベースプレート部１１の−Ｘ側が冷却用流体の入口部１３ａであり、ベースプレート部１１の＋Ｘ側が冷却用流体の出口部１３ｂである。入口部１３ａと出口部１３ｂとを結ぶ基線Ａｘは、Ｘ軸方向に沿って伸びている。矢印ＡＲ１は、冷却用流体が入口部１３ａから第１ヒートシンク１００Ａに流入する方向を示している。

第１ヒートシンク１００Ａは、基線Ａｘの＋Ｙ側の一辺に配置された第１フィン列２０ａと基線Ａｘの−Ｙ側の他辺に配置された第２フィン列２０ｂとで構成される。第１実施形態では、第１フィン列２０ａと第２フィン列２０ｂとは、基線Ａｘを含む鉛直面に対して面対称、即ち、図２（ａ）に示した平面図で基線Ａｘに線対称である。そして第１フィン列２０ａと第２フィン列２０ｂとの距離は入口部１３ａで大きくなっており、出口部１３ｂで幅が狭くなっている。つまり、第１実施形態において、複数のフィン１０Ａは図１及び図２（ａ）に示されたようにＸＹ平面で「Ｖ」字型に配置されている。以下、複数のフィン１０Ａの配列を「Ｖ」字型という。

第１フィン列２０ａと基線Ａｘとの成す第１角度θ１と、第２フィン列２０ｂと基線Ａｘとの成す第２角度θ２とは同じにした。第１フィン列２０ａと第２フィン列２０ｂとのなす角度（θ１＋θ２）は２度とした。角度（θ１＋θ２）は１度から１０度以内にすることが好ましい。これは、角度（θ１＋θ２）を１０度以上にすると、ベースプレート部１１上に設けることが出来るフィン１０Ａの総数量が少なくなり、冷却性能を上げることができないからである。また、特許文献１でも述べられているように、各フィン間を冷却用流体が減速して概ね均一に流れるようにするというのが、本「Ｖ」字型配置のヒートシンクの基本的な冷却設計の考え方であるが、角度（θ１＋θ２）が大きすぎると、入口部から流入した冷却用流体の流速が十分減速されないまま各フィン間を通ることになってしまうためでもある。なお、第１角度θ１と第２角度θ２とは必ずしも同じにする必要はなく、異なっていてもよい。また、冷却用流体としては、空気（気体）でもよいし、水（液体）でもよい。または、別の冷却媒体でもよい。冷却用流体に関しては、以下の各実施形態においても同様である。

図１及び図２に示されたように、第１ヒートシンク１００Ａの出口部１３ｂ側では、第１フィン列２０ａと第２フィン列２０ｂとの間に、Ｙ軸方向に伸びる横断隔壁１４をさらに有している。横断隔壁１４はＹ軸方向で対応するフィン１０Ａの間で冷却用流体の流れを制限する。ここで、横断隔壁１４はベースプレート部１１の表面から伸びて形成され、冷却用流体の流れを制限できさえすれば、その厚さＴ１は任意にしてもよい。また、図２では、最も出口部１３ｂ側のフィン１０Ａが点線で分けて描かれているが、ダイカスト法により第１ヒートシンク１００Ａの最も出口部１３ｂ側の２つのフィン１０Ａは１つのフィン１５で形成されている。

隔壁の役割を示すために、横断隔壁１４がないヒートシンク２００及び横断隔壁１４を有するヒートシンク１００Ａを用いた流速シミュレーションの結果について、図３を参照しながら説明する。図３は、横断隔壁１４がないヒートシンク２００を用いて行った流速シミュレーションを示した図である。この流速シミュレーションは、冷却用流体として空気が用いられている。図３（ａ）は、空気がヒートシンク２００を通過する際の速度分布を示した平面図である。図３（ｂ）は、（ａ）の点線Ｅで囲まれた部分の拡大図である。

ここで、ヒートシンク２００とは、第１ヒートシンク１００Ａと同様にフィン１０Ａから成る第１及び第２フィン列から構成されるが、出口部１３ｂ側に前記した横断隔壁１４は設けないものである。すなわち、ヒートシンク２００の平面図は、特にはここに示さないが、図２（ａ）に示した第１ヒートシンク１００Ａの平面図において網掛けを施して表わした横断隔壁１４を取り除いたものに相当する。

なお、ヒートシンク２００は上から見て（即ち、第１ヒートシンク１００Ａに係る図２（ａ）に相当する平面図において）入口側に向かって左右対称であるので、シミュレーション計算のコンピューター負荷を小さくするために、計算は、上から見て入口側に向かって中心線より右側の片半分のみを対象にして実行した。左半分については、これと対称になっていると考えればよい。

図３（ａ）に示されたように、ヒートシンク２００の複数のフィン１０Ａは、Ｘ軸方向（冷却用流体が流入する方向）に沿ってＸ軸に対して１度傾いて配置された。また、フィン列の空気の出口側には空気の流れを制限するプレートＢＰ１が配置された。そして、空気の入口側にも空気の流れを制限するプレートＢＰ２が配置された。

矢印ＡＲ２に示されたようにヒートシンク２００に空気が流入し、矢印ＡＲ３に示されたように通過すると、空気流はヒートシンク２００中に設けられたフィン１０Ａによって、その空気流の速度分布は図３（ａ）に示されたようになった。ここで、色が白いほど速度が速いことを示し、色が黒いほど速度が遅いことを示している。図３（ａ）は、隣り合うフィン１０Ａ同士の間及びプレートＢＰ１の＋Ｘ側が他の部分と比べて黒っぽくなった。また、入口側の隣り合うフィン１０Ａ同士の間が、出口側の隣り合うフィン１０Ａ同士の間よりも黒くなった。すなわち、入口側の隣り合うフィン１０Ａ同士の間では空気の速度が遅いことを示している。このことから、入口側のフィン１０Ａの冷却性能が出口側のフィン１０Ａの冷却性能より低くなったと言える。

図３（ｂ）に示されたように、フィン１０Ａの＋Ｙ側領域２１から、プレートＢＰ１と最も出口側のフィン１０Ａとの間の領域２４、プレートＢＰ１の−Ｙ側領域２２にわたって白く表れた。すなわち、空気はこれらの領域２１、２２および２４で速度が速いことを示している。また、出口側から３，４番目のフィン１０Ａ同士の間の領域２３が黒く表れた。すなわち、空気はこれらの領域２３で速度が遅いことを示している。

図３（ａ）及び図３（ｂ）で示された流速シミュレーションの結果から理解できるように、矢印ＡＲ２に沿って流入した空気の大部分は直接＋Ｘ側に設けられたプレートＢＰ１まで流れた。その後、空気はプレートＢＰ１に当たって−Ｙ軸方向に流れ、矢印ＡＲ３に示したようにヒートシンク２００から流出した。つまり、空気は複数のフィン１０Ａがあるにも関わらず、隣り合うフィン１０Ａ同士の間を流れなかったので、入口側から出口側の複数のフィン１０Ａで均一に熱交換できなかった。すなわちヒートシンク２００は、冷却効率が極めて悪いと言える。

次に、ヒートシンク１００Ａに横断隔壁１４を設けた場合について、流速シミュレーションを行った。図１及び図２に示したヒートシンク１００Ａでは、図を分かり易くするためにフィン１０Ａが１３本の場合について図示したが、実際に使われるヒートシンクではそれより遥かに多い数のフィン１０Ａが用いられる場合が多いので、ここでのシミュレーションはフィン１０Ａが４４本の場合について行った。また、図１及び図２に示したヒートシンク１００Ａでは横断隔壁１４が４個の場合について図示したが、本シミュレーションは横断隔壁１４が７個の場合について行った。また、図１及び図２に示したヒートシンク１００Ａでは隔壁１４の厚さがフィン１０Ａの厚さと等しい場合について図示したが、本シミュレーションは隔壁１４がフィン１０Ａの厚さより薄い場合について行った。

図１及び図２に示したヒートシンク１００Ａの横断隔壁１４の様子が分かり易いように描き直した部分拡大図を、図４に示す。但し、図５〜図７に示すシミュレーション計算の対象である上から見て（即ち、図２（ａ）の平面図において）入口側に向かって中心線より右側の片半分（換言すれば、出口側に向かって中心線より左側の片半分）が分かり易いように、図１及び図２とは入口側・出口側の方向を変えて描いてある。

図５（ａ）は図４の上部断面Ｍ１（−Ｚ側の底部から約２５ｍｍ）を通過する空気の速度分布を示した平面図である。図５（ｂ）は、（ａ）の点線Ｆで囲まれた部分の拡大図である。図６（ａ）は図４の中間部断面Ｍ２（−Ｚ側の底部から約１５ｍｍ）を通過する空気の速度分布を示した平面図である。図６（ｂ）は、（ａ）の点線Ｇで囲まれた部分の拡大図である。図７（ａ）は図４の下部断面Ｍ３（−Ｚ側の底部から約５ｍｍ）で通過する空気の速度分布を示した平面図である。図７（ｂ）は、（ａ）の点線Ｈで囲まれた部分の拡大図である。図５〜図７においても色が白いほど速度が速いことを示し、色が黒いほど速度が遅いことを示している。

なお、ヒートシンク１００Ａは上から見て（即ち、図２（ａ）の平面図において）左右対称であるので、シミュレーション計算のコンピューター負荷を小さくするために、図３のときと同様に、計算は、上から見て入口側に向かって中心線より右側の片半分のみを対象にして実行した。

図４に示されたヒートシンク１００Ａは、Ｘ軸方向に沿ってＸ軸に対して１度傾いてフィン１０Ａが配置されており、出口部側でフィン１０Ａの＋Ｙ側に＋Ｘ軸方向（冷却用流体が流出する方向）に向けて次第に高くなる横断隔壁１４が形成されておる。そのほかの構成は図３（ａ）で説明したヒートシンク２００と同じであるので、説明を省略する。

以下、横断隔壁１４の役割について、図５〜図７の流速シミュレーション結果を参照しながら説明する。ここで、フィン１０Ａ同士の間の空気の流れを説明し易くするために、図５〜図７において、出口側の端のフィン１０Ａをフィン１０１とし、そこから−Ｘ軸方向に向かって順次に番号を付けた。例えば、入口側のフィン１０Ａは４４番目のフィンでフィン１４４となった。以下の図５〜図７は、これらの番号で説明する。

ヒートシンク１００Ａの上部断面Ｍ１においては、図５に示されたように、＋Ｘ側端部のフィン１０１にしか横断隔壁１４が形成されていない。
そして、図５（ｂ）に示されたように＋Ｘ側端部に近いフィン１０１〜１０３の間の領域が著しく白く表れた。すなわち、空気は＋Ｘ側端部（出口側）に近いフィン１０１〜１０３の領域で速度が著しく速く、他の大部分の領域では速度が遅いことを示している。換言すれば、図３のシミュレーションの結果に近いといえる。

ヒートシンク１００Ａの中間部断面Ｍ２においては、図６に示されたように、＋Ｘ側端部のフィン１０１〜１０４に横断隔壁１４が形成された。
そして、図６（ｂ）に示されたようにフィン１０５〜１０６の間の領域が著しく白く表れた。フィン１０５〜１０６の間の領域で速度が速く、他の大部分の領域で速度が遅いことを示している。換言すれば、図５に示された上部断面Ｍ１に比べて、空気の速度が速い領域が＋Ｘ側（出口側）端部から少し−Ｘ側（入口側）方向に移動したといえる。

ヒートシンク１００Ａの下部断面Ｍ３においては、図７に示されたように、＋Ｘ側端部のフィン１０１〜１０７に横断隔壁１４が形成された。
そして、図７（ｂ）に示されたようにフィン１０７〜１１０の間の領域が著しく白く表れた。すなわち、空気はフィン１０７〜１１０の間の領域で速度が速く、他の大部分の領域で速度が遅いことを示している。換言すれば、図６の中間部断面Ｍ２に比べて、空気の速度が速い領域は少しだけ更に−Ｘ側（入口側）方向へと移動したといえる。

つまり、図５〜図７を図３の場合と比較して見れば容易に分かるように、図１、図２及び図４に示されたヒートシンク１００Ａは横断隔壁１４が存在することにより風の流れがコントロールされ、風が出口側端部に近いフィン間のみから流れ出ることが改善された。すなわち、図５に示された上部断面Ｍ１では、図３の状態に近く、風が出口側端部のフィン間のみから流れ出る傾向が強い。ところが、図６及び図７に示された中間部断面Ｍ２及び下部断面Ｍ３では、下段に行くに従って、風が主として流れ出るフィン間箇所は、出口側端部からより入口側に近い位置へと次第にシフトした。換言すれば、ヒートシンク１００Ａ全体を用いてより均一に熱交換が行なわれる傾向となり、冷却性能が向上するといえる。
ちなみに、実際にヒートシンクを試作して発熱部品に取り付けて実用試験を行なってみたところ、図３に示されたヒートシンク２００では４８度の温度上昇となったのに対してが、図１、図２及び図４に示されたヒートシンク１００Ａでは温度上昇は４１度に抑えることができた。

図１及び図２に戻り、第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａを再び説明する。図３の流速シミュレーションで示された結果から、出口部１３ｂ側においてフィン１０Ａの間に冷却用流体の流れを制限する複数の横断隔壁１４を形成した。また、冷却用流体が出口部１３ｂ側のフィン１０Ａ同士の間から均一に流出するように、横断隔壁１４は入口部１３ａから出口部１３ｂに至るまで次第に高くなるように形成された。また、複数の横断隔壁１４は、入口部１３ａから出口部１３ｂまでの全体にわたって設けられてもよいし、入口部１３ａから出口部１３ｂまでの距離の半分より出口部１３ｂ側のみに設けられてもよい。図１に示された例では合計１３対のフィン１０Ａのうち出口部１３ｂ側から第４対目までのフィン１０Ａに横断隔壁１４が設けられている。また、複数の横断隔壁１４は等差数列的（直線的）に大きくなってもよいし、等比数列的（曲線的）に大きくなってもよい。冷却用流体の流量や発熱部品１２の発熱量などを考慮して、横断隔壁１４の大きさ、数量、配置状態等が適宜変更される。

第１実施形態に示された構成によれば、入口部１３ａから流入した冷却用流体は複数の横断隔壁１４で流れが制限された。その結果、出口部１３ｂ側端部のみに多量の冷却用流体が集中し（圧力が高くなり）、冷却用流体が出口部１３ｂ側に流れることが防止される。したがって、冷却用流体はより入口部１３ａ側のフィン１０Ａ間の隙間からも流出しながら熱交換を行うことができる。これにより、熱交換が均一になって冷却性能を上げることができる。

＜第１ヒートシンク１００Ａの製造＞
第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａは、金型鋳造法のひとつであるダイカスト法により形成することが可能である。金型鋳造法は金型を用いる鋳造法の総称で、ダイカスト法は溶湯を鋳型に注入するにあたって、大きな圧力を作用させ射出圧入する。すなわち、ダイカスト法は精密に造られた金型に溶湯を高圧で注入する。

ダイカスト法により第１ヒートシンク１００Ａを製造すると、フィンがベースプレート部に嵌合され又はろう付けなどにより熱的に接合される際の製造コストの増加などの問題がない。以下に説明する各実施形態のヒートシンクもダイカスト法によって製造することが可能である。

（第２実施形態）
＜第２ヒートシンク１００Ｂの構成＞
第２ヒートシンク１００Ｂの構成について、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂの斜視図である。図９（ａ）は、第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂの平面図である。図９（ｂ）は、第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂの側面図である。

第２実施形態の第２ヒートシンク１００Ｂは、第１フィン列３０ａと第２フィン列３０ｂとで構成された。これらを構成するフィン１０Ｂは、基本的に第１ヒートシンク１００Ａのフィン１０Ａと同じ形状で同じ配置である。また、図８及び図９（ａ）でも最も出口部１３ｂ側のフィンが点線で分けて描かれているが、実際には１つのフィン１５で形成されたことを示している。

第１実施形態では各フィン部１０Ａの一辺が基線Ａｘに平行するように配置されているが、第２実施形態では第１フィン列３０ａの各フィン１０Ｂの一辺が基線Ａｘに対して同じ第１角度θ１で斜めに配置され、第２フィン列３０ｂの各フィン１０Ｂが基線Ａｘに対して同じ第２角度θ２で斜めに配置された。このため、図９（ｂ）では第１フィン列３０ａまたは第２フィン列３０ｂの伸びる方向をＸ’軸方向とし、ＸＹ平面でＸ’軸方向に垂直な方向をＹ’とする。

また第２実施形態でも、第１フィン列３０ａと第２フィン列３０ｂとは、基線Ａｘを含む鉛直面に対して面対称、すなわち、図９（ａ）に示した平面図でＸ軸方向に沿って伸びた基線Ａｘに対称である。ここで、角度θ１、θ２は必ずしも同じである必要はなく、異なっていてもよい。また、角度（θ１＋θ２）は１度から１０度以内にすることが好ましい。

第２実施形態においても図３のシミュレーションに現われた問題を解決するために、第２ヒートシンク１００Ｂは第１フィン列３０ａのフィン１０Ｂ同士の間、及び第２フィン列３０ｂのフィン１０Ｂ同士の間に縦断隔壁１６を有している。縦断隔壁１６は、冷却用流体の流れを制限する。縦断隔壁１６はベースプレート部１１の表面から伸びて形成され、冷却用流体の流れを制限できさえすれば、その厚さＴ２は任意にしてもよい。

また、冷却用流体が出口部１３ｂ側のフィン１０Ｂ同士の間から均一に流出するように、縦断隔壁１６は入口部１３ａから出口部１３ｂに至るまで次第に高くなるように形成された。また、複数の縦断隔壁１６は、入口部１３ａから出口部１３ｂまでの全体にわたって設けられてもよいし、入口部１３ａから出口部１３ｂまでの距離の半分より出口部１３ｂ側に設けられてもよい。図８に示された例では、第１フィン列３０ａまたは第２フィン列３０ｂの１３本のフィン１０Ｂの出口部１３ｂ側から第１０本目までのフィン１０Ｂに縦断隔壁１６が設けられた。また、複数の縦断隔壁１６は等差数列的（直線的）に大きくなってもよいし、等比数列的（曲線的）に大きくなってもよい。冷却用流体の流量や発熱部品１２の発熱量などを考慮して、縦断隔壁１６の大きさ、数量、配置状態等を適宜変更することができる。

第２実施形態に示された構成によれば、入口部１３ａから流入した冷却用流体は複数の縦断隔壁１６により流れが制限された。その結果、出口部１３ｂ側端部のみに多量の冷却用流体が集中し（圧力が高くなり）、冷却用流体が出口部１３ｂ側に流れることが防止される。したがって、冷却用流体はより入口部１３ａ側のフィン１０Ｂ間の隙間からも流出しながら熱交換を行うことができる。これにより、熱交換が均一になって冷却性能を上げることができる。
また、図示しないが、複数のフィン１０に、図１または図２で示した横断隔壁１４と縦断隔壁１６とを組み合わせて配置してもよい。

（第３実施形態）
＜第３ヒートシンク１００Ｃの構成＞
第３ヒートシンク１００Ｃの構成について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、第３実施形態の第３ヒートシンク１００Ｃの斜視図である。図１１（ａ）は図１０のＡ−Ａ断面図で、図１１（ｂ）は図１０のＢ−Ｂ断面図である。

図１０に示されたように、第３ヒートシンク１００Ｃは、Ｙ軸方向で対応する１５対のフィン１０Ｃがベースプレート部１１の表面から＋Ｚ軸方向に沿って伸びている。これらの１５対のフィン１０Ｃは４種類のフィンに分けられる。すなわち、最も出口部１３ｂ側のフィン１５と、フィン１５の−Ｘ側に隣接する３対のフィン１０Ｃａと、中間部の６対のフィン１０Ｃｂと、入口部１３ａ側の５対のフィン１０Ｃｃとに分けられる。また、第３実施形態でもフィン１０Ｃより構成された第１フィン列４０ａと第２フィン列４０ｂとは、Ｘ軸方向に沿って伸びた基線Ａｘを含む鉛直面に対して面対称である。また、第１フィン列４０ａと第２フィン列４０ｂとは入口部１３ａで幅広くなっており、出口部１３ｂで幅狭くなっている。

第３実施形態において、フィン１５は第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。以下、フィン１０Ｃａ部分と、フィン１０Ｃｂ部分と、フィン１０Ｃｃとに分けて説明する。
まず、出口部１３ｂ側のフィン１０Ｃａについて、図１１（ａ）を参照しながら説明する。図１１（ａ）に示されたように、フィン１０Ｃａは、直線状があるフィンをその根元部（−Ｚ側）に近い部分で基線Ａｘ側（即ち、内側）に向かって押し曲げ加工（以下、「狭圧加工」という。）されて形成したものである。なお、フィン１０Ｃａの根元部より上の押し曲げ加工された部分を、狭圧部１７Ａという。また、フィン１０Ｃａの根元部に近い部分には１対の押し曲げ加工部１７Ｂが形成された。

始めにダイカスト法で必要な２．０ｍｍの間隔を持ってダイカスト法で形成された１対のフィン１０Ｃａに対して、このような狭圧加工を施すことにより、狭圧部１７Ａについてはその１対のフィン１０Ｃａ同士の間隔を２．０ｍｍ以下にすることができる。すなわち、実質上２．０ｍｍ以下の間隔を持つフィン対をダイカスト法を用いて製造することができるようになるといえる。

なお、出口部１３ｂ側において、始めにダイカスト法で必要な２．０ｍｍの間隔を維持して直線状のフィン１０Ｃａの対を形成した。その後、狭圧加工を施して第１フィン列４０ａの狭圧部１７Ａと前記第２フィン列４０ｂの狭圧部１７Ａとがなす角度（第１実施形態において、第１フィン列２０ａと第２フィン列２０ｂとのなす角度（θ１＋θ２）と呼んだところに相当するもの。）を、出口部１３ｂ側でフィン対の狭圧部１７Ａ同士が２．０ｍｍ以下の間隔になったところでもその角度になるように保つことが好ましい。このため、図１１（ａ）の押し曲げ加工部１７Ｂの長さを、入口部側（−Ｘ側）から出口部側（＋Ｘ側）に向かって徐々に大きくする。

そして、中間部の６対のフィン１０Ｃｂは第１または第２実施形態と同じであるため説明省略する。

次に、入口部１３ａ側のフィン１０Ｃｃについて、図１１（ｂ）を参照しながら説明する。図１１（ｂ）に示されたように、フィン１０Ｃｃは、直線であるフィンがその根元部に近い部分で基線Ａｘの反対側（即ち、外側）に向かって押し曲げ加工（以下、「拡圧加工」という。）されて形成したものである。なお、フィン１０Ｃｃの根元部より上の押し曲げ加工された部分を、以下、拡圧部１８Ａという。また、フィン１０Ｃｃの根元部に近い部分に１対の押し曲げ加工部１８Ｂが形成された。これにより、第３ヒートシンク１００Ｃの冷却用流体の入口部１３ａがより広くなり、入口部に入る時に冷却用流体がフィンにぶつかる抵抗を小さく抑えることができる。

また、出口部１３ｂでは、上部（狭圧部１７Ａ）は「Ｖ」字型が閉じるように接してきて、下部（根元部）は２．０ｍｍの間隔を維持している。入口部１３ａでは、下部（根元部）は「Ｖ」字型のままで、上部（拡圧部１８Ａ）は「Ｖ」字型よりも押し拡げられる。

第３実施形態に示された構成によれば、「Ｖ」字型の内側の流路断面積が狭められた分だけ、「Ｖ」字型の外側の流路断面積が広げられ、つまり、フィンを通過した後に出口から外に向かう冷却用流体の流路断面積が広げられ、圧損が小さくなる。また、入口部１３ａから流入した冷却用流体は出口部１３ｂ側に設けられたフィン１０Ｃａの狭圧部１７Ａに当たり流れが制限される。その結果、出口部１３ｂ側に多量の冷却用流体が集中する傾向が抑制され、より入口部１３ａ側のフィン１０Ｃ間の隙間からも冷却用流体が流出するようになり、熱交換が均一になって冷却性能を上げることができる。

第３ヒートシンク１００Ｃの製造については、まず第１実施形態と同様のダイカスト法により＋Ｚ軸方向に沿って伸びたフィンから構成されたフィン列を製造する。その後、出口部１３ｂ側のＹ軸方向で対応するフィンを「Ｖ」字型の内側に向かって狭圧加工させてフィン１０Ｃａを形成させ、入口部１３ａ側のＹ軸方向で対応するフィンを「Ｖ」字型の外側に向かって拡圧加工させてフィン１０Ｃｃを形成させる。

（第４実施形態）
＜第４ヒートシンク１００Ｄの構成＞
第４ヒートシンク１００Ｄの構成について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、第４実施形態の第４ヒートシンク１００Ｄの平面図である。図１２に示されたように、第４ヒートシンク１００Ｄはベースプレート部４１の表面に３つの第１実施形態で説明された「Ｖ」字型のフィン列をＹ軸方向に沿って並列した。したがって、第１実施例で説明された部品については、同じ符号を付けて説明する。

第４実施形態において、隣り合う２つの「Ｖ」字型のフィン列の最も入口部１３ａ側のフィン１０Ａは、１つのフィンで形成された。これは、ダイカスト法で第４ヒートシンク１００Ｄを製造する際にダイカスト法により溶湯を金型に圧力をかけて入れるため、金型に２．０ｍｍ程度の厚みがないと変形したり破損したりしまうからである。したがって、隣り合う２つの「Ｖ」字型のフィン列の最も入口部１３ａ側のフィン１０Ａを別々に製造すると必ず２．０ｍｍの隙間が生じ、この隙間から冷却用流体が流入してしまう。このため、隣り合う２つの「Ｖ」字型のフィン列の最も入口部１３ａ側のフィン１０Ａを１つのフィン１９として製造することが好ましい。その他の構成は第１実施形態で説明された構成と同じであるため、説明を省略する。

また、１つとなったフィンのＹ軸方向の幅Ｗ３は２倍のフィン１０ＡのＹ軸方向の幅Ｗ２より大きくてもよい。また、Ｗ３の風上側は、通風抵抗を減らすよう、風上側に向かって縮まるような凸形状や、流線形、くさび型でもよい。
また、第４実施形態では第１実施形態の第１ヒートシンク１００Ａを一例として説明したが、第２実施形態の第２ヒートシンク１００ＢをＹ軸方向に沿って並列させてもよい。

さらに、第４実施形態では３つの「Ｖ」字型のフィン列を並列した場合について説明したが、もちろんそれ以上、場合によって数十個、数百個の「Ｖ」字型のフィン列をＹ軸方向に沿って配列してもよい。

（第５実施形態）
＜第５ヒートシンク１００Ｅの構成＞
第５ヒートシンク１００Ｅの構成について、図１３を参照しながら説明する。図１３、第５実施形態の第５ヒートシンク１００Ｅの斜視図である。図１３に示されたように、第５ヒートシンク１００Ｅはベースプレート部５１の表面に３つの第３実施形態で説明された「Ｖ」字型のフィン列をＹ軸方向に沿って並列した。したがって、第３実施例で説明された部品については、同じ符号を付けて説明する。

第５実施形態において、隣り合う２つの「Ｖ」字型のフィン列の最も入口部１３ａ側のフィン１０Ｃｃの−Ｘ側には、冷却用流体が隣り合う２つの「Ｖ」字型のフィン列間から流入することを防止するフィン２９が形成された。第５実施形態において、フィン２９もフィン１０Ｃｃに属されている。また、フィン２９は通風抵抗を減らすよう、風上側に向かって縮まるような流線形になっている。

また、図１３では隣り合う２つの「Ｖ」字型のフィン列の入口部１３ａ側の５対のＹ軸方向で対応するフィン１０Ｃｃをそのフィン１０Ｃｃが属されている「Ｖ」字型のフィン列の基線Ａｘの反対側に向かって押し曲げ加工されている。このため、冷却用流体がよりやすく入口部１３ａから第５ヒートシンク１００Ｅに流入することができる。

また、第５実施形態では３つの「Ｖ」字型のフィン列を並列した場合について説明したが、もちろん場合によって数十個の「Ｖ」字型のフィン列をＹ軸方向に沿って並列してもよい。

以上、本発明の最適な実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

１０Ａ〜１０Ｃ、１０Ｃａ〜１０Ｃｃ、１０１〜１４４ … フィン
１１、４１、５１ … ベースプレート部
１２ … 発熱部品
１３ａ … 入口部、 １３ｂ … 出口部
１４ … 横断隔壁
１５ … フィン
１６ … 縦断隔壁
１７Ａ … 狭圧部
１８Ａ … 拡圧部
１７Ｂ、１８Ｂ … 押し曲げ加工部
１９、２９ … フィン
２０ａ、３０ａ、４０ａ … 第１フィン列
２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ … 第２フィン列
２１、２２、２４ … 速度の速い箇所
２３ … 速度の遅い箇所
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、２００ … ヒートシンク
ＡＲ１〜ＡＲ３ … 冷却用流体の流れ方向
ＢＰ … プレート

Claims (9)

1. ベースプレートの一端側から冷却用流体が流入する入口部と、前記一端側の反対側の他端側から前記冷却用流体が流出する出口部とを備えたヒートシンクにおいて、
   前記入口部から前記出口部までを結ぶ基線を含む鉛直面に対して第１鋭角に配置された面内において前記ベースプレートの表面から伸びた柱状の複数のフィンが一定の間隔で並ぶことにより構成された第１フィン列と、
   前記第１鋭角とは反対側で前記基線を含む鉛直面に対して第２鋭角に配置された面内において前記ベースプレートの表面から伸びた柱状の複数のフィンが一定の間隔で並ぶことにより構成された第２フィン列と、を備え、
   出口部側において前記第１フィン列のフィンと前記第２フィン列のフィンとは近接して配置され、前記出口部側に前記冷却用流体の流れを制限する制限手段を形成したことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記制限手段は、前記出口部から同じ距離にある前記第１フィン列のフィンと前記第２フィン列のフィンとの間に前記ベースプレートの表面から伸びた横断隔壁を設けることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記制限手段は、前記第１フィン列のフィン間および前記第２フィン列のフィン間に前記ベースプレートの表面から伸びた縦断隔壁を設けることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
4. 前記制限手段は、前記出口部から同じ距離にある前記第１フィン列のフィンと前記第２フィン列のフィンとを、それらの先端が互いに近づくように押し曲げて形成され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。
5. 前記制限手段は、前記出口部側に近いフィンほど前記冷却用流体の流れをより大きく制限させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 前記入口部に近い前記第１フィン列のフィンと前記第２フィン列のフィンとを、それらの先端が互いに遠ざかるように押し曲げて形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
7. 前記第１フィン列および前記第２フィン列が複数並列され、
   前記入口部に一番近い隣り合う前記第１フィン列のフィンと前記第２フィン列のフィンとが一つのフィンに形成され、
   前記一つのフィンは、前記冷却用流体の流れを制限することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
8. 前記第１フィン列および前記第２フィン列が複数並列され、
   前記入口部に近い隣り合う前記第１フィン列のフィンと前記第２フィン列のフィンとを、それらの先端が互いに近づくように押し曲げて形成されていることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク。
9. 前記第１鋭角と前記第２鋭角とを合わせた角度は、１０度以内であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかの一項に記載のヒートシンク。