JP2011222996A - 複層型放熱ユニットを用いたヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】ベースプレート上に放熱ユニットが熱的に接続されたヒートシンクにおいて、冷却性能を向上させた複層型放熱ユニットを用いたヒートシンクを提供する。
【解決手段】放熱ユニットを、ベースプレート１に垂直な面内において板状金属部分と開口穴部分とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に形成されてなる第１および第２のフィン層が平行に配置されてなる複層型とし、かつその複層型放熱ユニット６０Ａ、６０Ｂを、Ｖ字型もしくはそれに準じた配列とし、全体のヒートシンク構成として、入口部から流入した冷却用流体が第１フィン層の開口穴部分に導かれて、少なくともその一部が第１、第２フィン層の間をそれらに沿って移動した後、第２フィン層の開口穴部分から出口部８に導かれる構成とした。
【選択図】図６

Description

この発明は、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り、特に放熱効率に優れ、少ない部品点数で製作が簡単なヒートシンクに関するものである。

よく知られているように、ＣＰＵや集積回路、半導体素子などの電子部品、電子機器や各種電気機器においては、放熱のためにヒートシンクを設けることが多い。この種のヒートシンクの従来の代表的な例を図２２に示す。

図２２において、ＣＰＵや集積回路、半導体素子等の発熱源が熱的に接続されるベースプレート１は、アルミニウムや銅、あるいはそれらの合金等の熱伝導率が高い金属からなるものであり、そのベースプレート１上には、同様に熱伝導率が高い金属からなる長板状の複数の放熱フィン２が平行に立設されて、全体としてヒートシンク３が構成されている。

上述のような図２２に示す従来の一般的なヒートシンクを実際に使用するにあたっては、冷却用流体として例えば空気を、図２２中の矢印Ｐで示すように一方の端部からベースプレート１の上面に沿いかつその長手方向（板状放熱フィン２の板面に沿う方向）に吹付け、隣り合う放熱フィン２同士の間に空気を流して他方の端部からヒートシンク３外に流出させ、これにより発熱部品からベースプレート１を介して板状放熱フィン２に伝達された熱を大気中に放熱させる。

ところでこのような従来の一般的なヒートシンクにおいては、板状放熱フィンの長さ（冷却用空気の風上側から風下側へ向かう方向の長さ）が長かったり、また隣り合う板状放熱フィンの相互間の間隔が小さければ、放熱フィンにおける風上側の部分の表面には冷たい空気が接するものの、放熱フィンの風下側の部分に接する空気は、既に温度上昇してしまっている状態となり、そのため全体として充分な放熱効果が得られないばかりでなく、特にベースプレートにおける放熱フィンの風下側の部分付近に近接して熱的に接続された発熱部品の放熱が充分に行われない、という問題がある。

ここで、放熱フィンの相互間の間隔を大きくし、また冷却効率の向上を期待して多量の冷却用空気を高速で流すことも考えられるが、この場合には、所定サイズのヒートシンクに設け得るフィンの枚数が減って放熱部の総面積が少なくなるとともに、隣り合う放熱フィンの間の中央部分を高速で空気が通り抜けるようになるだけであって、熱交換は充分に行なわれない。

このように従来の一般的な図２２に示すヒートシンクでは、充分な放熱効果が得られず、特に縦深に配置した複数の発熱部品を冷却する場合、とりわけ風下側の発熱部品を効果的に冷却することができなかったのである。

このような問題を解決するために、既に特許文献１に示すようなヒートシンクが提案されている。この特許文献１に示されるヒートシンクは、基本的には、多数配設された板状放熱フィンの間を流れる冷却用空気の流速を下げて、温度境界層（すなわち冷却空気流がフィンの間を通過する際に、放熱フィンの表面に接しながら流れることにより熱が伝わって来て温度上昇する空気流の部分と、放熱フィンの表面から離れて熱の影響を受けない空気流の部分との間に形成される境界部分の層）が、隣の板状放熱フィンの境界層と重なり合うようにすることによって、ヒートシンクの板状放熱フィンの表面の温度を、平均的に風下側（ヒートシンク出口側）の温度に近くなるようにすることができる、という考え方に基いてなされたものである。

このような特許文献１の発明のヒートシンクの構造のいくつかの例を図１６〜図２１に示す。なお、特許文献１の発明では複数の板状フィン２が縦方向に所定の間隔で配置されているものを称して「フィン部」と呼んでいるが、ここでは、それを１つの「放熱ユニット」と考える。

これらのうち、図２１の例について説明する。この例では、少なくとも一つの発熱部品が熱的に接続されるベースプレート１の上に、複数の板状フィン２が縦方向（入口部５の側から出口部８の側に向かう方向）に所定の間隔で配置されて１つの放熱ユニット４（注：特許文献１では、これは「フィン部」と称されている。）が形成され、そして、２個のこれらの放熱ユニットずつでＶ字型（注：特許文献１ではこの配置は「ハの字型」と称されているが、先端部が互いに接するように配置されるところから、「Ｖ字型」と称する方が適切であるので、ここでは、「Ｖ字型」と表現する）が形成されている。すなわち、冷却用空気の流れＰの方向に入口部５の側から出口部８の側に向かって前記２個の放熱ユニット４の相互の間隔が漸次狭くなるように配置され、かつこれらの２個の放熱ユニット４が前記出口部８側における放熱ユニット端部で互いに接するように配置されている。

このような配置では、冷却用空気の流れが横方向（前記入口部から前記出口部に向かう方向に垂直な方向）に誘導されて、各放熱ユニット４内で縦方向に所定の間隔で配置されている板状フィン２の間を通過して流れるようになる。

図２１に示すように、１対の放熱ユニット４からなるＶ字型配置を前記ベースプレート１の板面と平行な面内において横方向に間断なく連続的に配置することにより、多数のＶ字型配置の内側に冷却用空気の流れを誘導することができる。

上述のような特許文献１の提案の発明によれば、同一包絡体積で冷却能力が高く、風上風下方向で概ね温度差を生じることなく（すなわち風下でもフィンに冷たい空気が接する）放熱効率に優れたヒートシンクを得ることができる。特に放熱フィンが配置されるベースプレートが長いヒートシンクの場合、放熱効率が顕著に優れているヒートシンクが得られる。

また、特許文献１とは別の方法で冷却能力を向上させるものとして、特許文献２に示すようなヒートシンクが提案されている。特許文献２の提案では、複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配したヒートシンク冷却装置において、直線フィンの流入側の上流に、直線フィンの長手方向に対し斜めに別のフィンを配したものである。これにより、別のフィンから流出する流体は直線フィンに斜めに流入し、直線フィンの各々のフィン負圧面側で空気層の剥離が生じて、フィン表面の熱伝達率が増加し、冷却能力を向上させることができるとしている。

特開２００８−２０５４２１号公報 特開２００４−２８１４８４号公報

前述した通り、特許文献１で提案されているヒートシンクは冷却性能に優れるものであるが、しかしながら特許文献１のヒートシンクでは、例えば図１６〜図２１から分かるように放熱ユニット自体がかなりの厚さを有している。その結果、このヒートシンクでは、その入口部から放熱ユニットに到るまでの冷却用流体の通路（図２１の例で言えば、Ｖ字型配置の手前側でＶ字型に挟まれた空間のことを指す）、および放熱ユニットを出てからヒートシンクの出口部に到るまでの冷却用流体通路（図２１の例で言えば、Ｖ字型配置の向こう側でＶ字型に挟まれた空間のことを指す）が、その放熱ユニット自体の厚さ分だけ狭くなってしまい、そのため冷却用流体が流れにくくなり、圧損も大きくなって、必ずしも充分な冷却効率が得られなくなるおそれがある。後述するように、この問題は、図２１に示されるＶ字型配置においてＶ字型を構成する２つの放熱ユニットがなす角度θが小さくなるほど、顕著となる。

このような問題を解決するためには、放熱ユニット自体の厚さをできるだけ薄くすることが望まれるが、従来はこの点については特に検討がなされていなかったのが実情である。

この発明は以上の事情を背景としてなされたものであって、冷却性能を大きく低下させることなく放熱ユニット自体の厚さを薄くすることを可能にし、これにより圧損を小さくして冷却効率をより一層向上させ得るようにしたヒートシンクを提供するものである。

本発明者らは、前記課題を解決するための手段について種々検討を進めた。

まず、特許文献１で提案されている図２１に示したような１対の放熱ユニットがＶ字型（特許文献１では「ハの字型」と称されているが、前述のようにここでは「Ｖ字型」と称する）に配置されたヒートシンクにおいて、Ｖ字型のフィン配列の開き角度、すなわちＶ字型を構成する２つの放熱ユニットがなす角度θがヒートシンクの冷却効率に対して及ぼす影響について考察すれば、次の通りである。

Ｖ字型のフィン配列においては、図２１から容易に理解できるように、開き角度θを小さくするほど、ベースプレートの一定の幅（入口部５の側から出口部８の側に向かう方向に垂直な方向を幅方向というものとする）の上に設けることのできる放熱ユニットの数を、より多くすることができる。ヒートシンクの冷却効率を高めるためには、もちろん所定範囲の空間の中にできるだけ多数のフィンを存在させることが好ましい。

しかしながら、開き角度θを小さくした場合には、両側の放熱ユニット４に挟まれた領域（すなわち入口部５から放熱ユニット４に到るまでの冷却用流体の通路、および放熱ユニット４を通過した後に放熱ユニット４から出口部８に向かう冷却用流体の通路に相当する領域）は狭くなってしまう。

ヒートシンクの冷却効率を上げるためには、ベースプレートの一定の幅の中にできるだけ多数の放熱ユニットを存在させ得るように開き角度θを小さくすることが好ましいが、その一方で、開き角度θを過度に小さくすることによって冷却用流体の通路が狭くなり過ぎてしまっては、逆に冷却効率は低下してしまう。

そこで、開き角度θを小さくしても冷却用空気の通路をより広く確保することが可能となるような方策が求められる。そのためには、放熱ユニット自体の“厚さ”を薄くすれば良いと考えられる。すなわち、例えば図２１に示したＶ字型のフィン配列において冷却効率の良いヒートシンクを実現するためには、Ｖ字型のなす角度θを小さくすると同時に、放熱ユニット自体の“厚さ”を薄くすることが望まれる。

ここで、放熱ユニットがＶ字型に配置される図２１に示すようなヒートシンクの場合、放熱ユニット４のフィン列面（各板状フィン２が並んでいる面）に対して、各板状フィン２の板面がなす角度α（図２３参照）を小さくするほど、放熱ユニットの“厚さ”（図２３に“ｔ”として示す）は薄くなる。

そこで放熱ユニット４の厚さを薄くする極限として、角度αを０°にする実験を行なった（図１参照）。但し板状フィン２同士が連接して、全体が１枚の板状になってしまっては、冷却用流体は放熱ユニット４を通り抜けることができず、閉塞状態となってしまうことから、板状フィン２同士の間隔を空けるようにした。すなわち、ベースプレート１に垂直な面内において板状金属（フィン）部分２１と開口穴部分２２とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に配置されるような、いわば“フィン層”を形成した。

このような配置で冷却性能を調べたが、期待する程の良い結果は得られなかった。その原因は、これでは放熱ユニットの所定範囲の空間の中に存在することができる板状フィンの数が少なくなり過ぎ、それに伴ない冷却に寄与するフィンの合計表面積があまりに少なくなってしまうことにあると考えられる。

そこで、上述の図１に示される各フィン層（これらを第１のフィン層Ｆ１とする）の後方に、上記各フィン層Ｆ１に対して所定の間隔を保ってそれと平行にもう一つの同様な各フィン層（これらを第２のフィン層Ｆ２とする）を配置することにより、放熱ユニットの所定範囲の空間の中に存在する板状フィンの数を増すことを試みた（図２参照）。このように配置すれば、フィン層Ｆ１のみの場合に比べて、第２のフィン層Ｆ２の厚さ自体および第１のフィン層Ｆ１と第２のフィン層Ｆ２との間の空隙分だけ放熱ユニット全体の厚さが増加することにはなるが、例えば図２１や図１９に示されるような配置において板状フィン列が占める厚さほどには至らない。所定の間隔を保ってそれと平行に配置された２つのフィン層からなるこのような配置の放熱ユニットを、ここで“複層型放熱ユニット”と称することにする。

すなわち、この明細書で言う複層型放熱ユニットとは、図２に示すようにベースプレートに垂直な面内において板状金属部分６１と開口穴部分６２とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に配置されてなる第１のフィン層Ｆ１と、その第１のフィン層Ｆ１に対して所定の間隔を保ってそれに平行に配置される第２の同様なフィン層Ｆ２（この第２のフィン層Ｆ２の板状金属部分を符号６３、開口穴部分を符号６４でそれぞれ示す）とから構成されるものである。

このような配置構成では、ヒートシンクの入口部（図２でいえば下側）から流入して来た冷却用流体は、まず第１フィン層Ｆ１のフィン板（板状金属部分６１）の板面と接触してその熱を奪いながら開口穴部分６２に至り、続いてその開口穴部分６２を通り抜けて第１フィン層Ｆ１と第２フィン層Ｆ２との間に至り、そしてそれらのフィン層に沿って移動する間に、第１フィン層Ｆ１のフィン板（板状金属部分６１）の板面および第２フィン層Ｆ２のフィン板（板状金属部分６３）の板面に接触して、その熱を奪いながら第２フィン層の開口穴部分６４に至り、そしてその開口穴部分６４を通り抜けてヒートシンクの出口部（図２でいえば上側）に向かうことになる。このとき、第１フィン層Ｆ１と第２フィン層Ｆ２の間に流れ込んだ冷却用流体は、第１フィン層Ｆ１の板状金属部分６１の板面と第２フィン層Ｆ２の板状金属部分６３の板面との間に挟まれて蛇行しながらそれらの間をうねりつつ、それらの板面に沿って移動する動きが生じ、そのため冷却用流体とフィン板面との接触機会が多くなって放熱プロセスが効果的に進行するのである。

ここで、第１フィン層Ｆ１は、その板面が、冷却用流体の入口部からの流入方向に対して斜めに（圧力の“ポテンシャル”面を考えたときには、あたかもそれに立ちはだかるかの如くであるので、むしろ「垂直に」）位置していることから、冷却用流体は第１フィン層Ｆ１の板面に対して強く押し付けられるところとなり、冷却用流体から第１フィン層Ｆ１への熱伝達率が増加して冷却性能が向上することが期待される。また、前記特許文献２（特に［００２１］欄）で説明されているところと同様に、各々のフィン負圧面側で空気層の剥離が生じて、フィン表面の熱伝達率が増加し、冷却能力を向上させることになる。

ところで、複層型放熱ユニット各フィン層に交互に周期的に配置される板状金属部分６１または６３と開口穴部分６２または６４とが、お互いに相補し合うように配置される場合には、これらの第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２を、共通する一枚の金属板から作成することができる。その具体的構成については後に改めて詳細に説明するが、その代表的な例を図３〜図５に示し、その概略を次に説明する。

すなわち、図３〜図５に示すように、一枚の金属板５１から、上下の縁部５３、５５を残したほかは連続して並列する多数の帯状ゾーン５７（図５参照）を形成するべく切り込まれた多数の上下方向切れ目５９（図５参照）を境にして、それらの帯状ゾーン５７が板面の両側に向けて交互に押し出すまたは引き込むように折り曲げ成形されることにより、押し出し帯状ゾーンの全体および引込み帯状ゾーンの全体が各々前記第１のフィン層Ｆ１および第２のフィン層Ｆ２をなすように構成されるようにすることができる。このようにすれば、一枚の金属板からの切り込みおよび折り曲げ成形のみで複層型放熱ユニットの第１のフィン層Ｆ１と第２のフィン層Ｆ２とを同時に形成することができるため、製造が極めて容易となる。

ここで、複層型放熱ユニットをＶ字型に配置して構成したヒートシンクについて、そのＶ字型を構成する２つの複層型放熱ユニットがなす角度、すなわち開き角度θ（図２１、図２３参照）の影響について改めて考察する。開き角度θを小さくするほど、ベースプレート上の一定の幅に設けることのできる複層型放熱ユニットの数は、より多くすることができる。ヒートシンクの冷却効率を高めるためには、既に述べたように一定の範囲の空間の中にできるだけ多数の複層型放熱ユニットを存在させることが望ましいことはもちろんである。

しかしながら、開き角度θを小さくした場合には、前述した通り、両側の複層型放熱ユニットに挟まれた領域（入口部から複層型放熱ユニットに至るまで、または複層型放熱ユニットを通過した後に複層型放熱ユニットから出口部に向かう冷却用流体の通路に相当する領域）は、狭くなってしまう。

このように開き角度θに関しては相反する二つの側面が有り、ヒートシンクの冷却効率を上げるためには、ベースプレート上の一定の幅のうちにできるだけ多数の複層型放熱ユニットを存在させ得るように開き角度θを小さくすることが好ましいのであるが、その一方で、開き角度θを小さくすることにより冷却用流体の通路が狭くなり過ぎてしまっては逆に冷却効率は低下してしまうという問題が生じる。

例えば、Ｖ字型を構成する二個の複層型放熱ユニットのなす開き角度θを２０°以内にすることにより、ベースプレート上の一定の幅のうちにかなりの多数の複層型放熱ユニットを設けることができるのであるが、開き角度θを１０°以内にすれば、その数は増してベースプレート上の一定の幅のうちに設けることができる複層型放熱ユニットの数は、開き角度θが２０°である場合のほぼ２倍以上に増すことができる。さらに開き角度θを５°以内にすることにより、ベースプレート上の一定の幅のうちに設けることができる複層型放熱ユニットの数は、開き角度θが１０°である場合の更に２倍以上に増すことができる。

一方、冷却用流体の通路に関しては、放熱ユニットを図２に示したような第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２からなる複層型放熱ユニットとすることにより、放熱ユニット自体の厚さを薄くすることができるから、このようなＶ字型配列構造としても、より高い冷却効率を確保することが可能となるのである。そこでこの発明では、放熱ユニットを第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２からなる複層型放熱ユニットとすると同時に、Ｖ字型配列構造もしくはそれに準じた構造を適用することとした。

なお本願は、本願出願人による特願２０１０−８８２４４を原出願とする分割出願であり、基本的には、原出願の出願当初の特許請求の範囲の請求項４、５、９、１０に係る発明を分割したものである。具体的には、この発明は次の通りである。

すなわち請求項１の発明は、
発熱部品が熱的に接続されるベースプレート上に、冷却用流体への伝熱を行なうための放熱ユニットが前記ベースプレートと熱的に接続される状態で設けられてなるヒートシンクにおいて、
冷却用流体が流入する入口部と、冷却用流体が流出する出口部とを有し、
かつ前記放熱ユニットは、それぞれベースプレートに垂直な面内において板状金属部分と開口穴部分とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に形成されてなる第１のフィン層および第２のフィン層が、それらの層間に相互に所定の間隔を保って平行に配置された複層型放熱ユニットによって構成され、しかもその複層型放熱ユニットが２個のものが設けられており、
ヒートシンクにおける冷却用流体の流れを誘導するための構成として、前記２個の複層型放熱ユニットの相互の間隔が前記入口部側から前記出口部側に向かって漸次狭くなるように配置されかつこれらの２個の複層型放熱ユニットが前記出口部側における複層型放熱ユニット端部で互いに接するように（したがっていわゆるＶ字型配列となるように）配置されており、
しかも前記複層型放熱ユニットのそれぞれにおいては、前記入口部の方向からヒートシンク内に流入した冷却用流体が、前記入口部の方向から複層型放熱ユニットの第１のフィン層の開口穴部分に導かれて、その開口穴部分を通り抜けた冷却用流体の少なくとも一部が、第１のフィン層と第２のフィン層との間を、前記入口部の方向から前記出口部の方向に向かい、前記板状金属部分の板面に沿って移動した後、第２のフィン層の開口穴部分から前記出口部の方向に導かれるように、冷却用流体の流れを誘導する構成とされていることを特徴とするものである。

また請求項２の発明は、
請求項１に記載の複層型放熱ユニットを用いたヒートシンクにおいて、
前記２個の複層型放熱ユニットの配置が、前記ベースプレートの板面と平行な面内において前記入口部から前記出口部に向かう方向に垂直な方向に複数回繰り返されて間断なく接続されていることを特徴とするものである。

さらに請求項３の発明は、請求項１で規定しているいわゆるＶ字型の配列に準じた配列構造を規定している。
すなわち請求項３の発明は、
発熱部品が熱的に接続されるベースプレート上に、冷却用流体への伝熱を行なうための放熱ユニットが前記ベースプレートと熱的に接続される状態で設けられてなるヒートシンクにおいて、
冷却用流体が流入する入口部と、冷却用流体が流出する出口部とを有し、
かつ前記放熱ユニットは、それぞれベースプレートに垂直な面内において板状金属部分と開口穴部分とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に形成されてなる第１のフィン層および第２のフィン層が、それらの層間に相互に所定の間隔を保って平行に配置された複層型放熱ユニットによって構成され、
ヒートシンクにおける冷却用流体の流れを誘導するための構成として、その複層型放熱ユニットと組み合わせて第１の側壁板および第２の側壁板が用いられており、そのうち第１の側壁板は、前記複層型放熱ユニットの第１のフィン層の側の空間において前記入口部および前記第１のフィン層の開口穴を除くほかは冷却用流体の流出および冷却用流体以外の流体の流入を防止するように、しかも第１のフィン層と第１の側壁板との間隔が前記入口部側から前記出口部側に向かって漸次狭くなって出口部側における放熱ユニット端部で両者が実質的に接するように配設され、また第２の側壁板は、前記複層型放熱ユニットの第２のフィン層の側の空間において前記第２のフィン層の開口穴および前記出口部を除くほかは冷却用流体の流出および冷却用流体以外の流体の流入を防止するように、しかも第２のフィン層と第２の側壁板との間隔が前記出口部側から前記入口部側に向かって漸次狭くなって入口部側における放熱ユニット端部で両者が実質的に接するように配設され、
しかも前記複層型放熱ユニットのそれぞれにおいては、前記入口部の方向からヒートシンク内に流入した冷却用流体が、前記入口部の方向から複層型放熱ユニットの第１のフィン層の開口穴部分に導かれて、その開口穴部分を通り抜けた冷却用流体の少なくとも一部が、第１のフィン層と第２のフィン層との間を、前記入口部の方向から前記出口部の方向に向かい、前記板状金属部分の板面に沿って移動した後、第２のフィン層の開口穴部分から前記出口部の方向に導かれるように、冷却用流体の流れを誘導する構成とされていることを特徴とするものである。

また請求項４の発明は、
前記複層型放熱ユニットと第１および第２の側壁板との組み合わせの二つ以上が、前記ベースプレートの板面と平行な面内において前記入口部から前記出口部に向かう方向に垂直な方向に複数回繰り返されており、しかも隣り合う二つの組み合わせの相互間では、一方の組み合わせの第２の側壁板と他方の組み合わせの第１の側壁板とが一体の側壁板として共用されていることを特徴とするものである。

この発明のヒートシンクにおいては、複層型放熱ユニットを用いることにより、冷却効率を大きく損なうことなく複層型放熱ユニット自体の厚みを薄くすることができ、そのため、所定の幅を有するベースプレート上に、Ｖ字型もしくはそれに準じた配列で、より多数の複層型放熱ユニットを存在させ得るので放熱金属板（フィン）の総面積を増すことができることとなり、冷却効率を向上させることができる。

また、複層型放熱ユニット自体の厚みが薄いことから、所定の幅を有するベースプレート上の空間に占める冷却用流体の通路、すなわちヒートシンク入口部から放熱ユニットに至るまでの冷却用流体の通路、および放熱ユニットを通過した後にその放熱ユニットからヒートシンク出口部に向かう冷却用流体の通路を、より広く確保することが可能となり、ヒートシンクの全体的な冷却効率を向上させることができ、また同時に冷却用流体に対する圧力損失を、より小さくすることができ、このことも冷却効率の向上に寄与している。

図１は、この発明の前提となる考え方を説明するための、放熱ユニットの模式的な平面図である。 図２は、この発明の原理的な考え方を説明するための、放熱ユニットの模式的な平面図である。 図３は、この発明のヒートシンクに使用される複層型放熱ユニットの一例を示す斜視図である。 図４は、図３に示す複層型放熱ユニットの平面断面図で、図３のａ−ａ面で切断して示すものである。 図５は、図３に示す複層型放熱ユニットを切り起こし加工する前の一枚の金属板の帯状ゾーンを示す図である。 図６は、この発明の第１の実施例のヒートシンクを示す略解的な斜視図である。 図７は、図６に示すヒートシンクの略解的な平面図である。 図８は、この発明のヒートシンクの作用、特に冷却用流体の流れについて行なった実験を説明するための図で、その（Ａ）は実験に用いたヒートシンクの全体構成を示す略解的な平面断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上流側の一部Ｂを拡大して示す略解的な平面断面図、（Ｃ）は（Ａ）の下流側の一部Ｃを拡大して示す略解的な平面断面図である。 図９は、この発明のヒートシンクに使用される複層型放熱ユニットの他の例を示す斜視図である。 図１０は、図９に示す複層型放熱ユニットの平面断面図で、図９のｂ−ｂ面で切断して示すものである。 図１１は、この発明のヒートシンクに使用する複層型放熱ユニットのさらに他の例を、分解状態で示す斜視図である。 図１２は、この発明の第２の実施例のヒートシンクを示す略解的な斜視図である。 図１３は、この発明の第３の実施例のヒートシンクを示す略解的な斜視図である。 図１４は、図１３に示すヒートシンクの略解的な平面断面図である。 図１５は、この発明の第４の実施例のヒートシンクを示す略解的な斜視図である。 図１６は、従来提案されている熱交換器の第１の構造例を示す模式的な一部切欠斜視図である。 図１７は、図１６に示される熱交換器の模式的な平面図である。 図１８は、従来提案されている熱交換器の第２の構造例を示す模式的な平面図である。 図１９は、従来提案されている熱交換器の第３の構造例を示す模式的な平面図である。 図２０は、従来提案されている熱交換器の第４の構造例を示す模式的な斜視図である。 図２１は、従来提案されている熱交換器の第５の構造例を示す模式的な斜視図である。 図２２は、従来の一般的な熱交換器の代表的な例を示す模式的な斜視図である。 図２３は、従来提案されているヒートシンクにおける板状フィンの角度に関して説明するための模式的な平面断面図である。

以下にこの発明の各実施例について、図面を参照して説明する。

図６および図７は、請求項１の発明に対応する第１の実施例のヒートシンクを示すものである。

図６、図７において、ベースプレート１は、図示しない半導体素子、集積回路、ＣＰＵ等の発熱部品が裏面側に熱的に接続されるものであり、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によって、例えば方形厚板状に作られており、これらのベースプレート１の表側には、一対の複層型放熱ユニット６０Ａ、６０Ｂが、Ｖ字型をなすように立設されている。これらの複層型放熱ユニット６０Ａ、６０Ｂは、既に述べたようにいずれも二つのフィン層、すなわち第１のフィン層Ｆ１および第２のフィン層Ｆ２からなるものであり、各フィン層Ｆ１、Ｆ２は、いずれも複数の板状金属部分（すなわちフィン板部分）６１と複数の開口穴部分（すなわちスリット部分）６３とが、板状金属部分の板面と平行な方向を周期方向として交互に周期的に配列されるように構成されている。そして、これらの第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２が所定間隔を置いて平行に配列されて、一つの複層型放熱ユニット６０Ａ（もしくは６０Ｂ）を構成している。そして、このようにそれぞれ二つのフィン層Ｆ１、Ｆ２からなる二つの複層型放熱ユニット６０Ａ、６０Ｂは、前記板状金属部分（フィン板部分）６１の板面がベースプレート１に垂直な面となり、かつその複数の板状部分６１のなす面がＶ字型をなすようにベースプレート１上に立設されているのである。なおこのように二つの複層型放熱ユニット６０Ａ、６０Ｂをベースプレート１上に配置する場合、そのＶ字型の開いた側がヒートシンクの入口部５、Ｖ字型の閉じた側がヒートシンクの出口部８とされるのが通常である。

前述のように構成された複層型放熱ユニット６０Ａ（もしくは６０Ｂ）においては、ベースプレート１上の一方の側の入口部５から流入してきた冷却用流体は、先ず第１フィン層Ｆ１のフィン板（板状金属部分）６１の板面に接触してその熱を奪いながら開口穴部分６２に至り（図２参照）、そしてそれらの第１のフィン層Ｆ１と第２のフィン層Ｆ２との間の空間を、これらのフィン層Ｆ１、Ｆ２に沿って、すなわち板状金属板部分６１および６３の板面に沿って移動する間に、第１フィン層Ｆ１の板状金属部分６１および第２フィン層Ｆ２の板状金属板部分６３に接触して、その熱を奪いながら第２フィン層Ｆ２の開口穴部分６４に至り、そしてその開口穴部分６４を通り抜けて、出口部８に向かうことになる。

このとき、第１フィン層Ｆ１と第２フィン層Ｆ２との間に至った冷却用流体は、第１フィン層Ｆ１と第２フィン層Ｆ２の間を蛇行しつつ幾度もそれらの間をうねりながらそれらに沿って移動する動きも加わり、これにより冷却用流体とフィン板との接触機会が多くなり、放熱プロセスが効果的に進行する。この様子を、冷却用流体が空気である場合についてコンピュータシミュレーションにより確認した結果を、図８の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。

図８において、（Ａ）はＶ字型に配列された一対の複層型放熱ユニット（それぞれ第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２からなるもの）６０Ａ、６０Ｂの複数組を、それぞれのＶ字型の開き側の端部が接するようにベースプレート１上に配置したヒートシンクの構成（この構成については、詳細には後に改めて図１２を参照して説明する）を示すものであり、このヒートシンクの右側を入口部５、左側を出口部８として、入口部５の側から冷却用流体として空気を流し込むコンピュータシミュレーションを行なった。このときの図８（Ａ）における鎖線Ｂで囲んだ一つの複層型放熱ユニット６０Ｂについて、空気の流れを調べて概略的に表現した結果を図８の（Ｂ）、（Ｃ）に示す。ここで、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の鎖線Ｂで囲った部分、すなわち複層型放熱ユニット６０Ｂにおける風上側の部分を拡大して示し、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）の鎖線Ｃで囲った部分、すなわち複層型放熱ユニット６０Ｂにおける風下側の部分を拡大して示し、また空気の流れを太線矢印で示す。

図８（Ｂ）、図８（Ｃ）に示すように、風上側の部分Ｂ、風下側の部分Ｃのいずれにおいても、空気は第１フィン層Ｆ１と第２フィン層Ｆ２との間を、それらの板面に沿いながらうねるように流れていることが確認された。

なお、複層型放熱ユニットを構成する第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２は、後に改めて説明するようにそれぞれ別の金属板から作成（すなわち二枚の金属板のうちの一方から第１フィン層Ｆ１を、他方から第２フィン層Ｆ２を形成）しても良いが、図３〜図５に示すように、一枚の金属板５１から同時に第１フィン層Ｆ１、第２フィン層Ｆ２を形成することが望ましい。

すなわち、複層型放熱ユニット６０Ａ（６０Ｂ）の第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２として交互に周期的に形成される板状金属部分６１または６３と開口穴部分６２または６４とが互いに相補しあうように配置される場合においては、複層型放熱ユニット６０Ａ（６０Ｂ）の第１フィン層Ｆ１および第２フィン層Ｆ２を、それらが全体として連続する一枚の金属板５１の板面から切起したものとすることができる。具体的には、図３〜図５に示すように、一枚の金属板５１に、上下の縁部５３、５５を残して上下方向に沿う多数の切れ目５９（図５参照）を所定間隔を置いて平行に形成することにより、各切れ目５９の間に平行に帯状ゾーン５７（図５参照）を形成し、かつその多数の帯状ゾーン５７を、交互に板面の反対側に押し出し状に切起して、板面の一方の側に切起された複数の帯状ゾーン５７がそれぞれ第１フィン層Ｆ１の板状金属部分６１を構成するとともに、板面の他方の側に切起された複数の帯状ゾーン５７が、それぞれ第２フィン層Ｆ２の板状金属部分６３を構成するようにすることができる。言い換えれば、この複層型放熱ユニット６０Ａ（６０Ｂ）においては、第１フィン層Ｆ１の板状金属部分６１と第２フィン層Ｆ２の板状金属部分６１、６３が、一枚の金属板５１の縁部５３、５５を共通部分として、その一枚の金属板５１の板面を切起す（押し出す）ことによって作成されていることになる。

このように複層型放熱ユニット６０Ａ（６０Ｂ）を作る場合には、一枚の金属板の板面からの切起し（押し出し）によって第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２を同時に作成することができるため、製造が容易となり、またヒートシンクの組立てのための作業においても、第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２を個別にベースプレート上に取付ける必要がなく、組立作業も容易となる。

ここで、図３〜図５に示す例では、一枚の金属板５１の板面の両側に押し出し状に切起すことによって第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２の各板状金属部分６１、６３が元板の両面側（金属板５１の縁部５３、５５を含む面に対しての両面側）に出張るようにしているが、場合によっては、一枚の金属板５１の片面側のみにその板面を押し出し状に切起すことによっても、前記同様に一枚の金属板５１から第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２を有する複層型放熱ユニットを作成することができる。その場合の例を図９、図１０に示す。

すなわち図９、図１０に示す複層型放熱ユニットにおいては、一枚の金属板５１に、上下の縁部５３、５５を残して上下方向に沿う多数の切れ目５９を所定間隔を置いて平行に形成することにより、各切れ目５９の間に平行に帯状ゾーンを形成し、その多数の帯状ゾーンを、一つ置きに板面の一方の側に押し出し状に切起して、その板面の一方の側に切起された複数の帯状ゾーンによって第１フィン層Ｆ１の板状金属部分６１を構成し、かつ板面から押し出し状に切起されずに残った複数の帯状ゾーン（すなわち上下の縁部５３、５５と同一面状に位置する帯状ゾーン）によって、第２フィン層Ｆ２の板状金属部分６３を構成している。

このような図９、図１０に示される複層型放熱ユニットも、図３〜図５に示す複層型放熱ユニットと同様に、一枚の金属板５１から第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２を有するものを同時に作成することができるため、製造が容易となり、またヒートシンクの組立作業も容易となる。

なお図３〜図５に示す複層型放熱ユニット、および図９、図１０に示す複層型放熱ユニットは、いずれも一枚の金属板から第１、第２のフィン層Ｆ１、Ｆ２を有するものを作成する場合について説明したが、製造の容易さ等を犠牲にすれば、第１フィン層Ｆ１、第２フィン層Ｆ２を、それぞれ別の金属板から作成しても良いことはもちろんである。すなわち、例えば図１１に示すように、第１の金属板５１Ａに、複数の板状金属部分６１と複数の開口穴部分６２とを交互に形成し、同時に第２の金属板５１Ｂに複数の板状金属部分６３と複数の開口穴部分６４とを交互に形成し、これらの第１、第２の金属板５１Ａ、５１Ｂの縁部を、ろう付け等の適宜の手段によって接合して、第１の金属板５１Ａを第１フィン層Ｆ１としかつ第２の金属板５１Ｂを第２フィン層Ｆ２とする複層型放熱ユニットを作成しても良い。

以下に、さらにこの発明のヒートシンクを具体化した実施例について、図１２〜図１５を参照して説明する。

先ず、図１２は、請求項１、請求項２の発明に対応するヒートシンクを示すものであり、請求項１に記載された複層型放熱ユニット（図６、図７参照）の配置、すなわち一対の複層型放熱ユニット６０Ａ，６０ＢのＶ字型配置を、ベースプレート１の板面と平行な面内において前記入口部５から前記出口部８に向かう方向に垂直な方向に複数回繰り返して間断なく接続した構成を示す。このような構成によれば、制約された一定の空間の中に、多数の複層型放熱ユニットを効率的に設けることができる。

さらに図１３、図１４には、この発明のヒートシンクの別の例、すなわち請求項３の発明に対応する例を示す。

この図１３、図１４の例では、ベースプレート１上に、1枚の前記と同様な複層型放熱ユニット６０Ａが、入口部５から出口部８に向かう方向と平行に立設されており、その複層型放熱ユニット６０Ａの両面側に、２枚の側壁板、すなわち第１の側壁板７１Ｄおよび第２の側壁板７１Ｅが、それぞれ複層型放熱ユニット６０Ａに対しＶ字型をなすように配置されている。すなわち、複層型放熱ユニット６０Ａの第１フィン層Ｆ１の側の空間では、第１フィン層Ｆ１と第１の側壁板７１Ｄとの間隔が、入口部５の側から出口部８の側に向かって漸次狭くなって出口部８の側における放熱ユニット端部で両者が実質的に接するように構成されるとともに、複層型放熱ユニット６０Ａの第２のフィン層Ｆ２の側の空間では、第２フィン層Ｆ２と第２の側壁板７１Ｅとの間隔が、出口部８の側から入口部５の側に向かって漸次狭くなって入口部５の側における放熱ユニット端部で両者が実質的に接するように構成されている

さらに図１５には、図１３、図１４に示した複層型放熱ユニットの配置構成、すなわち複層型放熱ユニット６０Ａと第１の側壁板７１Ｄおよび第２の側壁板７１Ｅとの組み合わせを、ベースプレート１上において入口部５から出口部８に向かう方向に対して垂直な方向に複数回繰返したヒートシンク、すなわち請求項４の発明に対応するヒートシンクの一つの例を示す。

すなわち図１５に示すヒートシンクは、入口部５から出口部８に向かう方向に垂直な方向に多数の複層型放熱ユニット６０Ａを所定間隔を置いて並列状に配置して、隣接する複層型放熱ユニット同士に挟まれた空間をＶ字型の冷却用流体の通路としたものであって、複層型放熱ユニットの両側および隣り合う複層型放熱ユニットの間の側壁板７１Ｄ〜７１Ｇによって、冷却用流体の通路が、両端側の複層型放熱ユニットの入口部側、出口部側、および中間の複層型放熱ユニットの間に形成されている。この場合も、各側壁板７１Ｄ、７１Ｅにより、冷却用流体通路の開口方向が入口部５の側と出口部８の側とで交互に切り替わるように構成されている。なお、この場合、図１５から明らかなように、隣り合う隣り合う二つの組み合わせの相互間では、一方の組み合わせの第２の側壁板と他方の組み合わせの第１の側壁板７１Ｄとが、一体の側壁板として共用されていることになる。

以上、各実施例について説明したが、この発明のヒートシンクやそれに使用される複層型放熱ユニットの詳細な形状、寸法あるいは製造方法等は特に限られるものではなく、要は、放熱ユニットとしては、それぞれベースプレートに垂直な面内において板状金属部分と開口穴部分とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に形成されてなる第１のフィン層および第２のフィン層が、それらの層間に相互に所定の間隔を保って平行に配置されてなるものを用い、しかも２個の複層型放熱ユニットが、請求項１で規定するようなＶ字型配列とされるか、もしくは請求項３で規定するような、１個の複層型放熱ユニットと２枚の側壁板とを組み合わせた、Ｖ字型に準じた配列とし、さらに、ヒートシンク全体として、前記入口部の方向からヒートシンク内に流入した冷却用流体が、前記入口部の方向から複層型放熱ユニットの第１のフィン層の開口穴部分に導かれて、その開口穴部分を通り抜けた冷却用流体の少なくとも一部が、第１のフィン層と第２のフィン層との間を、入口部の方向から出口部の方向に向かい、前記板状金属部分の板面に沿って移動した後、第２のフィン層の開口穴部分から前記出口部の方向に導かれるように、冷却用流体の流れを誘導し得る構成とされていれば良い。

なおこのようなヒートシンクを半導体素子等の電子部品や電気部品などの放熱に使用するにあたっては、例えばくし形ヒートシンクなどの従来からあるヒートシンクの放熱フィンの場合と同様に、複層型放熱ユニットの部分に空気やＬＬＣ（ロングライフクーラント）等の冷却用流体を確実に流してやる必要があることは言うまでもない。そのためには、重力で空気を流す自然空冷の場合を除き、空気等の冷却用流体を強制的に複層型放熱ユニットに流すためのファンやポンプなどの冷却用流体の駆動源が冷却用流体の流れの上流もしくは下流に配置されるのが通常である。

そして、複層型放熱ユニットを有するヒートシンクの部分に確実に冷却用流体が流れるようにするために、ヒートシンクの外部における冷却用流体の流れる経路がダクト等によって仕切られていることが好ましい。ファンやポンプが冷却用流体の流れの上流に配置される場合には、冷却用流体が経路外に漏れ出すことのないように、またファンやポンプが冷却用流体の流れの下流に配置される場合には、冷却用流体以外の流体が経路外から混入したりすることのないように形成されていることが好ましい。それらのダクト等が配置される場所としては、ヒートシンクの上流側のみ、下流側のみ、上流と下流の両方、のいずれでもかまわない。

また複層型放熱ユニットを有するヒートシンクの部分についても同様に、その複層型放熱ユニットを有するヒートシンクを囲うようにダクト等が配置されているのが好ましい。その場合、少なくとも複層型放熱ユニットの上方の開放部分が覆われている必要があり、またその具体的構造として、その覆いが複層型放熱ユニットの上端と接合されて一体になっている構造でもかまわない。またその覆いは、ヒートシンクの上流側のみ、下流側のみ、上流と下流の両方、のいずれかに配置するダクト等と別部品であっても、一体であってもかまわない。

なお一般に放熱フィンの部分（この発明の場合は複層型放熱ユニットの部分）に確実に冷却用流体が流れるようにすること自体は、特にこの発明のヒートシンクに限って必要な事柄ではなく、従来からあるヒートシンクにも当てはまるものである。

１ ベースプレート
５ 入口部
８ 出口部
６０Ａ、６０Ｂ 複層型放熱ユニット
６１、６３ 板状金属部分
６２、６４ 開口穴部分
７１Ｄ 第１の側壁板
７１Ｅ 第２の側壁板
Ｆ１ 第１のフィン層
Ｆ２ 第２のフィン層

Claims (4)

1. 発熱部品が熱的に接続されるベースプレート上に、冷却用流体への伝熱を行なうための放熱ユニットが前記ベースプレートと熱的に接続される状態で設けられてなるヒートシンクにおいて、
   冷却用流体が流入する入口部と、冷却用流体が流出する出口部とを有し、
   かつ前記放熱ユニットは、それぞれベースプレートに垂直な面内において板状金属部分と開口穴部分とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に形成されてなる第１のフィン層および第２のフィン層が、それらの層間に相互に所定の間隔を保って平行に配置された複層型放熱ユニットによって構成され、しかもその複層型放熱ユニットが２個のものが設けられており、
   ヒートシンクにおける冷却用流体の流れを誘導するための構成として、前記２個の複層型放熱ユニットの相互の間隔が前記入口部側から前記出口部側に向かって漸次狭くなるように配置されかつこれらの２個の複層型放熱ユニットが前記出口部側における複層型放熱ユニット端部で互いに接するように（したがっていわゆるＶ字型配列となるように）配置されており、
   しかも前記複層型放熱ユニットのそれぞれにおいては、前記入口部の方向からヒートシンク内に流入した冷却用流体が、前記入口部の方向から複層型放熱ユニットの第１のフィン層の開口穴部分に導かれて、その開口穴部分を通り抜けた冷却用流体の少なくとも一部が、第１のフィン層と第２のフィン層との間を、前記入口部の方向から前記出口部の方向に向かい、前記板状金属部分の板面に沿って移動した後、第２のフィン層の開口穴部分から前記出口部の方向に導かれるように、冷却用流体の流れを誘導する構成とされていることを特徴とする、複層型放熱ユニットを用いたヒートシンク。
2. 請求項１に記載の複層型放熱ユニットを用いたヒートシンクにおいて、
   前記２個の複層型放熱ユニットの配置が、前記ベースプレートの板面と平行な面内において前記入口部から前記出口部に向かう方向に垂直な方向に複数回繰り返されて間断なく接続されていることを特徴とする、複層型放熱ユニットを備えたヒートシンク。
3. 発熱部品が熱的に接続されるベースプレート上に、冷却用流体への伝熱を行なうための放熱ユニットが前記ベースプレートと熱的に接続される状態で設けられてなるヒートシンクにおいて、
   冷却用流体が流入する入口部と、冷却用流体が流出する出口部とを有し、
   かつ前記放熱ユニットは、それぞれベースプレートに垂直な面内において板状金属部分と開口穴部分とがベースプレートに平行な方向を周期方向として交互に周期的に形成されてなる第１のフィン層および第２のフィン層が、それらの層間に相互に所定の間隔を保って平行に配置された複層型放熱ユニットによって構成され、
   ヒートシンクにおける冷却用流体の流れを誘導するための構成として、その複層型放熱ユニットと組み合わせて第１の側壁板および第２の側壁板が用いられており、そのうち第１の側壁板は、前記複層型放熱ユニットの第１のフィン層の側の空間において前記入口部および前記第１のフィン層の開口穴を除くほかは冷却用流体の流出および冷却用流体以外の流体の流入を防止するように、しかも第１のフィン層と第１の側壁板との間隔が前記入口部側から前記出口部側に向かって漸次狭くなって出口部側における放熱ユニット端部で両者が実質的に接するように配設され、また第２の側壁板は、前記複層型放熱ユニットの第２のフィン層の側の空間において前記第２のフィン層の開口穴および前記出口部を除くほかは冷却用流体の流出および冷却用流体以外の流体の流入を防止するように、しかも第２のフィン層と第２の側壁板との間隔が前記出口部側から前記入口部側に向かって漸次狭くなって入口部側における放熱ユニット端部で両者が実質的に接するように配設され、
   しかも前記複層型放熱ユニットのそれぞれにおいては、前記入口部の方向からヒートシンク内に流入した冷却用流体が、前記入口部の方向から複層型放熱ユニットの第１のフィン層の開口穴部分に導かれて、その開口穴部分を通り抜けた冷却用流体の少なくとも一部が、第１のフィン層と第２のフィン層との間を、前記入口部の方向から前記出口部の方向に向かい、前記板状金属部分の板面に沿って移動した後、第２のフィン層の開口穴部分から前記出口部の方向に導かれるように、冷却用流体の流れを誘導する構成とされていることを特徴とする、複層型放熱ユニットを用いたヒートシンク。
4. 請求項３に記載の複層型放熱ユニットを用いたヒートシンクにおいて、
   前記複層型放熱ユニットと第１および第２の側壁板との組み合わせの二つ以上が、前記ベースプレートの板面と平行な面内において前記入口部から前記出口部に向かう方向に垂直な方向に複数回繰り返されており、しかも隣り合う二つの組み合わせの相互間では、一方の組み合わせの第２の側壁板と他方の組み合わせの第１の側壁板とが一体の側壁板として共用されていることを特徴とする、複層型放熱ユニットを用いたヒートシンク。

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