JP2012028361A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却性能を向上させると共に、冷却用流体が流れる際に生じる圧力損失をできるだけ小さく抑えたヒートシンクを提供することを目的とする。
【解決手段】ヒートシンク（１００）は発熱部品（１２）が熱的に接続されるベースプレート（１１）上に、冷却用流体への伝熱を行なうためのフィンユニット（１０）が設けられる。フィンユニットはベースプレート面に平行な断面の長さがＬである多数の板状フィン（１３）が間隔Ｐずつ離れて互いに平行にベースプレート上に立設されてなる第１フィン群（１０Ａ）と、第１フィン群から０．８Ｐ以上かつ０．３Ｌ以下の距離ａだけ離して冷却用流体の概ね上流側から下流側に向かう所定のＤ方向に配置される第１フィン群と同様な第２フィン群（１０Ｂ）とから構成される。各板状フィンのベースプレート面に平行な各断面がＤ方向に対して偏倚角度γ（但し、１°≦γ≦５°。）をなしている。
【選択図】 図３

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。特に冷却性能に優れ、また、冷却用流体が流れる際に生じる圧力損失を小さく抑えたヒートシンクに関するものである。

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。近年、これらの素子又は機器の発熱量、発熱密度が増大する傾向にあることから、より冷却性能に優れた高性能のヒートシンクが求められるようになってきた。

例えば、省エネルギーの観点などからハイブリッド車が多く生産されるようになってきたが、このハイブリッド車の駆動モーターの制御を行っているインバーターにはＩＧＢＴ素子などの発熱体が実装されており、発熱体動作時に冷却を行うことが必要となりインバーターにはヒートシンクが設けられている。

また、ハイブリッド車等に搭載されるリチウムイオン電池などでは、動作時の温度上昇による性能低下をふせぐために、ヒートシンクが設けられることがある。

近年では、インバーターや電池などの発熱体は、より一層の高効率化、小型化が求められてきており、その結果、エネルギー密度がより高くなって発熱素子の発熱が一段と高くなる傾向にあることから、冷却性能のより一層の向上がヒートシンクに求められてきている。

ヒートシンクに流す冷却用流体をファン、ポンプ等を用いて循環させる場合、冷却用流体の圧力損失が大きくなると必要なポンプ能力が高くなってしまい、またポンプ動作時の騒音も大きくなってしまうことから、圧力損失をできるだけ小さく抑えることが求められている。

特開昭５８−６６７９３号公報 特開平１１−１６６７９６号公報 特開昭５８−１４０５９７号公報 特開２００６−２７８７３５号公報

本発明は、冷却性能のより一層の向上と共に、冷却用流体が流れる際に生じる圧力損失をできるだけ小さく抑えるヒートシンクを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、冷却性能に優れ、また、冷却用流体が流れる際に生じる圧力損失を小さく抑えたヒートシンクに関するものである。本発明のヒートシンクは、以下の特徴を有する。

第１観点のヒートシンクは、図１にその一実施態様の斜視図を、また、図３にその一実施態様の模式的な平面図を示すように、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フィンユニットが設けられてなるヒートシンクにおいて、フィンユニットは、ベースプレート面に平行な断面の長さがＬである多数の板状フィンが間隔Ｐずつ離れて互いに平行にベースプレート上に立設されてなる第１フィン群と、第１フィン群から０．８Ｐ以上かつ０．３Ｌ以下の距離ａだけ離して冷却用流体の概ね上流側から下流側に向かう所定のＤ方向に配置される第１フィン群と同様な第２フィン群とから構成されるものであって、各板状フィンのベースプレート面に平行な各断面がＤ方向に対して偏倚角度γ（但し、１°≦γ≦５°。）をなしている。

第２観点のヒートシンクは、図１にその一実施態様の斜視図を、また、図３にその一実施態様の模式的な平面図を示すように、第２フィン群から０．８Ｐ以上かつ０．３Ｌ以下の距離ａだけ離してＤ方向に第２フィン群と同様のフィン群が更に配置されることがＤ方向に繰り返されている。

第３観点のヒートシンクは、図２にその一実施態様の模式的断面図を示すように、板状フィンの板面がベースプレート面に対して傾斜角度β（但し、２０°≦β≦８０°。）をなしている。

第４観点のヒートシンクは、図５にその一実施態様の模式的な平面図を示すように、隣り合う２つのフィン群の各板状フィンの板面同士が各々の共通同一平面上に存在するように板状フィンが配置されている。

第５観点のヒートシンクにおいて、フィンユニットは、１枚の金属板をプレスして形成されるものである。

第６観点のヒートシンクにおいて、フィンユニットはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるものである。

ここで、本発明のヒートシンクにおいて、冷却性能が優れ、また、冷却用流体の圧力損失が小さく保たれ得る理由を説明する。

一般に、ヒートシンクにおいて冷却用流体が放熱用フィンに沿って流れるときには、温度境界層が形成されてしまう。即ち、冷却用流体は、発熱部品からベースプレートを介して熱的に接続されて高温となっている放熱用フィンの表面に接することによりフィンから熱を奪うのであるが、それによりフィンの表面付近の冷却用流体は次第に暖められて、下流に行くに従ってより高温になってくる。一方、フィンに沿っての流れは一般に層流であることから、フィンから離れた所を流れる冷却用流体は高温フィンに接することがないので、下流に行っても特に高温になるということはない。このように、下流に行くに従ってフィン表面付近の部分とフィンから離れた部分とでは冷却用流体の中で温度差が生じて来ており、それらの間に温度境界層が形成されてしまうのである。

フィン表面付近の既に高温になってしまった冷却用流体はフィンからの熱を奪う能力がもはや低くなってしまっている。従って、フィンから離れた部分のまだ低温のままでいる冷却用流体がフィン表面にやって来てそれに接するようになるならば、フィンからの熱を奪う能力がもっと高まることになる。即ち、もしフィン表面付近を流れていた冷却用流体とフィンから離れた部分を流れていた冷却用流体とを流れの途中で入れ替えることが出来るならば最も理想的であるといえるのであるが、しかし、そのような“入れ替え”を実現することは容易でない。そこで、次善の策として、上記両冷却用流体を完全に入れ替えることはできなくても、上記両冷却用流体を“混ぜ合わせる”だけでも効果は大きい。即ち、流れの途中で流れを乱して温度境界層を崩すことにより、フィン表面にもっと低温の冷却用流体が接するようになりフィンからの熱を奪う能力がもっと高まることになる。

上記の事情を鑑みながら、まず、第１観点のヒートシンクにおいて、冷却性能が優れ、また、冷却用流体の圧力損失が小さく保たれ得る理由を説明する。
第２フィン群は第１フィン群から見てＤ方向に配置されているので、冷却用流体が第１フィン群を出て第２フィン群に入る時、冷却用流体はＤ方向に向かう。
ところが、各板状フィンのベースプレート面に平行な各断面はＤ方向に対しては偏倚角度γ（但し、１°≦γ≦５°。）をなしていることから、第１フィン群の板状フィンに沿って流れて来た冷却用流体は、第１フィン群を出て第２フィン群に入る時に、それまで流れて来た板状フィンの方向とは角度γだけ異なるＤ方向に向かうことになるので横向き方向の力を受ける。

ここで、Ｄ方向とは、冷却用流体の概ね上流側から下流側に向かう方向であって、第１フィン群に対して、それと同様な第２フィン群が直列的に配置される方向のことをいう。但し、本発明のヒートシンクにおいて、始めの２つのフィン群が直列的に配置されることにより一たび『Ｄ方向』が確定したならば、そのヒートシンクにおいては全体を通してそのＤ方向のみが用いられるのであり、それとは別の『Ｄ方向』が新たに加えられるということはない。

それにより、第１フィン群の板状フィンに沿って温度境界層を形成しながら層流として流れて来た冷却用流体はここで流れが乱されて温度境界層が崩されることとなり、第１フィン群の板状フィン表面から離れた部分を流れて来てまだ低温のままでいる冷却用流体が、次には、第１フィン群の板状フィン表面付近を流れて来た冷却用流体と混ざり合った状態で第２フィン群に入って行き、第２フィン群の板状フィン表面に接するようになる。このようにして冷却性能がより高まるのである。

ところで、流れが乱されれば、層流的な流れのときよりも圧力損失が大きくなってしまうのが一般的である。しかし、本発明では、偏倚角度γは５°以下に抑えられていることから冷却用流体の流れ方向が偏倚する度合いはそれほど大きくないので、圧力損失もさほど大きく上昇してはこないのである。

さて、第２観点のヒートシンクのように、距離ａだけ離してＤ方向にフィン群を配置することをＤ方向に繰り返すことにより、冷却用流体が一のフィン群を出て他のフィン群に入る時に混ざり合う機会が多くなるので、冷却性能がいっそう高まる。

また、第３観点のヒートシンクのように、板状フィンの板面がベースプレート面に対して傾斜角度β（但し、２０°≦β≦８０°。）をなしていることにより、ベースプレート面に垂直な方向にも冷却用流体をかき混ぜることができるようになり、冷却性能の一層の向上を図り得る。

また、第４観点のヒートシンクのように、隣り合う２つのフィン群の各板状フィンの板面同士が各々の共通同一平面上に存在するような配置にするならば、この配置は各板状フィンの位置を把握しやすいので、製造が容易になる。また、予め各フィン群に共通するような長い板状フィンをベースプレート上に立設しておいた後に、長さＬごとに間隔ＰのスリットをＤ方向に垂直な方向に切るという作製方法も可能である。

また、第５観点のヒートシンクのように、１枚の金属板をプレスして形成することにより、比較的容易にフィンユニットを形成することが可能となる。

また、第６観点のヒートシンクのように、熱伝導度の高いアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてフィンユニットを構成することにより、ベースプレートからフィンユニットの末端まで効率よく熱を伝えることができる。

以上に説明した本発明のヒートシンクに対して、これまでに特許文献１〜特許文献４などの特許公報に開示されている技術が本発明に類似する技術として知られているが、それらには冷却性能、小型化、形成の容易さ等のいずれかの面において必ずしも十分に満足し得えない点が残っている。

特許文献１は、冷却しようとする対象物である温度の高い流体が流れる偏平管にコルゲートフィンが設けられ、コルゲートフィンにさらに傾斜ルーバーが設けられており、そのコルゲートフィン及び傾斜ルーバーに空気流を当てて冷却することにより偏平管内の流体を冷却するものである。コルゲートフィン上のルーバー配置を表わした断面図の模様が、一見したところでは恰も本発明と類似するかのような感じを与えるのであるが、実際は大きく異なる。

本発明は、発熱部品が熱的に接続されるベースプレート上に板状フィンが直接立設されるものであり、特許文献１とは構造が大きく異なる。
特に、多数の板状フィンからなるところのフィン群とフィン群との間は距離ａだけ離れており、板状フィンに沿って流れて来た冷却用流体はその所で横向き方向の力を受けることにより、板状フィン表面付近を流れて来た冷却用流体と板状フィン表面から離れた部分を流れて来た冷却用流体とが混ざり合い温度境界層が崩されて冷却性能が高まっているのに対し、特許文献１の配置ではそのような横向き方向の力は生じない。

また、特許文献１では、傾斜ルーバーを設けるのはコルゲートフィン上であるので発熱体との距離が長くなり、また傾斜ルーバーとコルゲートフィンのつなぎ目の部分の面積が狭くなり熱の伝わり方が悪くなってしまうが、本発明では、発熱部品が熱的に接続されるベースプレート上に板状フィンが直接立設されるため発熱体との距離が短く、熱の伝わり方が良い。

また、特許文献１では、フィンがベースプレート面に対して傾斜していない。そのため、ベースプレート面に垂直な方向に冷却用流体をかきまぜることができないが、本発明ではベースプレート面に垂直な方向に冷却用流体をかきまぜることも可能なため、冷却性能がより高い。

次に、特許文献２は、ほぼ平行に複数並べた平板状のフィンの一部分を片持ちに折り曲げて切り起こしたウイングレットに、気流に対して迎え角度、フィン母材面に対して傾斜角度をもたせるものである。

これに対して、本発明は、ベースプレート上に互いに平行に多数立設された板状フィンに偏倚角度、傾斜角度をもたせるものであり、特許文献２とは構造が大きく異なる。
また、特許文献２の主目的は局所的な着霜の防止という点にあることから、コーナー渦を強めウイングレット前方の伝熱促進を図るために、迎え角度γは３０°〜７０°の範囲、フィン傾斜角度βは９０°〜１６０°の範囲としており、本発明の偏倚角度γが１°〜５°、傾斜角度βが２０°〜８０°とは大きく異なっている。
特許文献２のような迎え角度γ、傾斜角度βで本発明の板状フィンを立設した場合には、冷却用流体の圧力損失が著しく大きくなってしまう。

特許文献３は、板状インナーフィンを管内流体の流れ方向に対して傾斜して設けることにより、冷媒通路の抵抗を低減させると共に、伝熱面積を有効に働かせて伝熱性能を向上させるとするものである。

しかし、本発明のようにフィン群とフィン群との間は距離ａだけ離すということはしていないので、板状フィンに沿って流れて来た冷却用流体がその所で横向き方向の力を受けることにより、板状フィン表面付近を流れて来た冷却用流体と板状フィン表面から離れた部分を流れて来た冷却用流体とが混ざり合い温度境界層が崩されて冷却性能が高まるという効果は無い。特許文献３の配置ではそのような横向き方向の力は生じない。

また、特許文献３では、フィンがベースプレート面に対して傾斜していない。そのため、ベースプレート面に垂直な方向に冷却用流体をかきまぜることができないが、本発明ではベースプレート面に垂直な方向に冷却用流体をかきまぜることも可能なため、冷却性能がより高い。

特許文献４は、冷却用流体の流れの上流側に向って凸形状を形成する複数の冷却フィンを冷却用流体の流れ方向に沿って略同一直線状に配置したものである。
特許文献４の発明の目的は、上流側の冷却フィンの後端部にて発生したカルマン渦を下流側の冷却フィンの高抵抗領域に接触させることにある。

これに対して、本発明は特にカルマン渦を意図するものではないことから、フィン形状は単に板状である。
更に、本発明は、前述の通りフィン群とフィン群との間の空間で冷却用流体に横向き方向の力が作用するようになっているのであるが、特許文献４にはそのような記載も示唆も無い。

また、特許文献４では、フィンがベースプレート面に対して傾斜していない。そのため、ベースプレート面に垂直な方向に冷却用流体をかきまぜることができないが、本発明ではベースプレート面に垂直な方向に冷却用流体をかきまぜることも可能なため、冷却性能がより高い。

本発明によれば、冷却性能が高く、また、冷却用流体が流れる際に生じる圧力損失を小さく抑えたヒートシンクを得ることが可能となる。
また、本発明のヒートシンクを１枚の金属板からプレスして形成する場合には、製造をより容易に行なうことが可能となる。
また、本発明のヒートシンクを熱伝導度の高いアルミニウム又はアルミニウム合金を用いて構成する場合には、ベースプレートからフィンユニットの末端まで効率よく熱を伝えることができる。

第１実施形態のヒートシンク１００の斜視図である。 （ａ）は、フィンユニット１０の板状フィン１３がロウ材１５でベースプレート１１に接合された状態を示した部分断面図である。 （ｂ）は、フィンユニット１０の板状フィン１３がカシメ部１６でベースプレート１１にカシメられた状態を示した部分断面図である。 ベースプレート１１の平面で第１実施形態のフィンユニット１０を示した断面図である。 偏倚角度γの変化に伴う最高温度上昇値△Ｔと圧力損失△Ｐとの変化を示したグラフである。 ベースプレート１１の平面で第２実施形態のフィンユニット２０を示した断面図である。 第２実施形態のフィンユニット２０の製造を示した断面図である。 第３実施形態のフィンユニット３０の斜視図である。 第４実施形態のヒートシンク４００の斜視図である。 冷却用流体の入口部Ｔｉ及び出口部Ｔｏを示した斜視図である。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のヒートシンク１００の斜視図である。ここで、ベースプレート１１をＸＹ平面とし、矢印ＡＲで示した冷却用流体の概ね上流側から下流側に向かう『Ｄ方向』をＸ軸方向とし、ベースプレート１１に垂直な方向をＺ軸方向とする。また、『Ｄ方向』の定義から分かるようにヒートシンク１００の−Ｘ側が冷却用流体の流入側で、＋Ｘ側が冷却用流体の流出側である。冷却用流体としては空気、水、不凍液、油（オイル）などが用いられる。但し、冷却用流体が水、不凍液、油（オイル）などの液体の場合には、冷却用流体が漏れないようにカバープレート（第４実施形態を参照）を備える構造とすることが好ましい。

図１に示されたように、ヒートシンク１００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が描かれているが、ヒートシンク１００に付属するものではない。また、理解を助けるため発熱部品１２がベースプレート１１より大きく描かれているが、実際には、ベースプレート１１より小さい場合もある。ヒートシンク１００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１１とそのベースプレート１１に熱的に接続されたフィンユニット１０とを備える。フィンユニット１０は、Ｄ方向に沿って並列された第１フィン群１０Ａ、第２フィン群１０Ｂ及び第３フィン群１０Ｃを有する。これらフィン群は、それぞれに互いに平行である例えば６個の板状フィン１３で構成される。また、第１フィン群１０Ａ、第２フィン群１０Ｂ及び第３フィン群１０Ｃは対応する板状フィン１３が共通する同一の平面に配置されないように、Ｙ軸方向でずれて配置される。さらに、図１に示されたヒートシンク１００はＹ軸方向で６個、Ｘ軸方向で３列に並んだ１８個の板状フィン１３で構成された１つのフィンユニット１０のみ描かれているが、数十個から数百個のフィンユニット１０が設けられていてもよい。

また、フィンユニット１０において板状フィン１３はアルミニウムもしくはその合金などの熱伝導性が良好な金属により形成される。さらに、フィンユニット１０は板状フィン１３の長辺の一方がベースプレート１１にロウ付け、カシメなどで熱的に接続される。なお、板状フィン１３がベースプレート１１に対して傾斜角度βとなっている。ここで、傾斜角度βは２０°≦β≦８０°である。このように、板状フィン１３をベースプレート１１に傾斜に配置すれば、ベースプレート１１に垂直な方向（Ｚ軸方向）に冷却用流体がかきまぜられる。このため、ヒートシンク１００の冷却性能がより高くなる。

図２（ａ）は、フィンユニット１０の板状フィン１３がロウ材１５でベースプレート１１に接合された状態を示した部分断面図である。図２（ａ）に示されたように、板状フィン１３がロウ材１５により傾斜角度βでベースプレート１１に斜めに接触される。また、熱的接合には、ロウ材１５を置いて加熱すればよいが、ブレージングシートをいずれかの部材の材料として使えば、ロウ材１５はすでにブレージングシートにクラッドされた状態なので、ロウ付け前の組み立て作業が容易になる。

図２（ｂ）は、フィンユニット１０の板状フィン１３がカシメ部１６でベースプレート１１にカシメられた状態を示した部分断面図である。図２（ｂ）ではベースプレート１１にカシメ部１６が設けられ、そのカシメ部１６で板状フィン１３が接合される。そのため、ベースプレート１１に溝部１７が設けられ、その溝部１７の中に板状フィン１３が挿入される。ここで、板状フィン１３とベースプレート１１との角度もβとなるように板状フィン１３がベースプレート１１に挿入される。その後、ベースプレート１１に設けられたカシメ部１６で−Ｙ軸方向に板状フィン１３がカシメられる。このような構成にすれば、板状フィン１３とベースプレート１１のカシメ部１６とがより大きい面積で接続され、熱交換が促進される。したがって、フィンユニット１０は発熱部品との熱伝達を向上させ放熱特性を向上させる。

図３は、ベースプレート１１の平面でフィンユニット１０（例えばカシメ部により配置された場合）を示した断面図である。図３に示した例では、板状フィン１３のＸ軸方向の長さＬは１５〜２０ｍｍ程度で、互いに平行である板状フィン１３同士の間隔Ｐは０．８〜３ｍｍ程度である。また、隣り合ったフィン群同士のＸ軸方向の距離ａは、０．８Ｐ以上で０．３Ｌ以下である。但し、上に記した寸法は、理解を助けるために飽くまでも本発明の一実施例を示したに過ぎず、もちろん本発明はこれらの寸法に限定されるものではない。

距離ａが０．８Ｐより小さくなってしまうと、冷却用流体が例えば第１フィン群１０Ａを出て第２フィン群１０Ｂに入るまでの距離が短か過ぎる。このため、第１フィン群１０Ａの板状フィン１３の表面付近を流れて来た冷却用流体と板状フィン１３の表面から離れた部分を流れて来た冷却用流体とが十分に混ざり合わない。また、その部分の圧力損失が大きくなってしまう。したがって、距離ａは０．８Ｐ以上にすることが好ましい。

ここで、距離ａの値が板状フィン１３同士の間隔Ｐに比例するのは、次のような理由からである。もし板状フィン１３同士の間隔Ｐが大きい場合には、板状フィン１３の表面付近を流れて来た冷却用流体と表面から離れた部分を流れて来た冷却用流体との離れ度合いも大きい。このため、それらが混ざり合うようにするためには、横向き方向の力を受けながら流れる区間（即ち、第１フィン群１０Ａと第２フィン群１０Ｂとの間の空間）を長くする必要がある。逆に、板状フィン１３同士の間隔Ｐが小さい場合には、反対により短い距離で良い。

一方、距離ａは０．３Ｌ以下であることが好ましい。距離ａは隣り合うフィン群同士の間の空間であるが、この空間というのはフィン群とフィン群との間であるから板状フィン１３が存在しない。このためａ／Ｌが大きい、即ち板状フィン１３の長さＬに比較して距離ａが大きい場合は、それだけ板状フィン１３の存在しない空間の割合が大きい場合である。例えばフィンユニット１０全体としての寸法が所定値に決められている場合、隣り合うフィン群同士の間の空間が空き過ぎると、その寸法内に含め得るフィン群の数（板状フィン１３の数）が少なくなってしまう。

距離ａが０．３Ｌより大きくなってしまっては、冷却用流体の混ざり合いに基づく冷却性能の向上効果よりも、板状フィンの表面積の総合計が小さくなってしまうことによる冷却性能の低下の影響の方が勝ってしまう。このため冷却性能が低下してしまう。したがって、距離ａは０．３Ｌ以下であることが好ましい。

なお、上述のように、距離ａが０．８Ｐ以上で０．３Ｌ以下であるためには、ＰとＬに関して少なくとも以下のような関係が有ることが必要である。
０．８Ｐ≦ａ≦０．３Ｌ
この式の両辺を０．８で割ると、
Ｐ≦ａ／０．８≦（０．３／０．８）＊Ｌ
すなわち、Ｐ≦（３／８）Ｌ
つまり、板状フィン１３同士の間隔Ｐは、板状フィン１３の長さＬの約０．４以下であることが、少なくとも必要である。

次に、フィンユニットのフィン群とフィン群との距離ａの大きさを変えたとき、それによってベースプレートの最高温度上昇値△Ｔ及び冷却用流体の圧力損失△Ｐがどのように変化するかをシミュレーション計算により具体的に調べた結果について説明する。表１に３つのフィンユニットI〜IIIの諸パラメータ及び計算結果を示す。
なお、フィンユニット全体としての寸法が所定値に決められている場合を想定しているため、ａを変えることで板状フィンのベースプレート面に平行な断面の長さＬも変化している。
また、シミュレーション条件としては、フィン、ベースプレートの材質はアルミニウムとし、ベースプレートは発熱部品に熱的に接続されるものとしている。また、冷却用流体としては水を用い、入口での前面流速は０．１ｍ／ｓとしている。

表１に示されたフィンユニットI〜IIIにおいて、距離ａは、いずれも０．８Ｐ以上かつ０．３Ｌ以下なる条件を満たす。この場合、最高温度上昇値△Ｔは１１０℃以下であり冷却性能が優れ、また、圧力損失△Ｐは６００Ｐａ以下であり圧力損失が小さい結果が得られる。

また、ベースプレート１１の上に数十個から数百個のフィンユニット１０が設けられる場合には、上述の間隔Ｐ及び距離ａを満たしながら配置することが望ましい。

さて、フィンユニット１０の板状フィン１３の長辺方向は、Ｄ方向に対して偏倚角度γをなしている。ここで、偏倚角度γは１°〜５°であることが好ましい。図４は、偏倚角度γを変化させたときの、ベースプレートの最高温度上昇値△Ｔ及び冷却用流体の圧力損失△Ｐに係るシミュレーション結果を示したグラフである。

図４に示されたグラフは、以下の計算条件で行ったシミュレーションである。
シミュレーションでは、フィンユニット１０及びベースプレート１１の材料としてアルミニウムが用いられた。フィンユニット１０としては、板状フィン１３のＸ軸方向の長さＬは１７．５ｍｍに、板状フィン１３同士の間隔Ｐは０．９ｍｍに、フィン群同士の距離ａは２ｍｍにした表１の「フィンユニットI」が用いられた。さらに、冷却用流体としては水を用い、流入側（−Ｘ軸方向）での流速は０．１ｍ／ｓとした。

図４に示されたように、偏倚角度γが１°未満の場合にはベースプレートの最高温度上昇値△Ｔが１１０℃以上となり、冷却性能が低い。また、偏倚角度γが５°より大きい場合には、圧力損失△Ｐが６００Ｐａ以上となり、圧力損失が大きすぎる。したがって、偏倚角度γを１°〜５°にすることが望ましい。特に偏倚角度γが３°〜５°には最高温度上昇値△Ｔが１００℃以下となり、圧力損失△Ｐが６００Ｐａ以下となる。

図１に戻って冷却用流体の流れについて説明する。冷却用流体が第１フィン群１０Ａから出て第２フィン群１０ＢにＤ方向に向い、第２フィン群１０Ｂから出て第３フィン群１０ＣにＤ方向に向う。フィンユニット１０の板状フィン１３がその長辺方向でＤ方向に対して偏倚角度γとなっている。このため、板状フィン１３に沿って流動する冷却用流体は、第１フィン群１０Ａ又は第２フィン群１０Ｂから流出する際、その流動方向と角度γだけ異なるＤ方向の力を受ける。

このため、例えば第１フィン群１０Ａの板状フィン１３に沿って温度境界層を形成しながら層流として流れて来た冷却用流体は、ここで流れが乱されて温度境界層が崩されることとなる。また、第１フィン群１０Ａの板状フィン１３の表面から離れた部分を流れて来てまだ低温のままでいる冷却用流体が、次に第１フィン群１０Ａの板状フィン１３の表面付近を流れて来た冷却用流体と混ざり合った状態で第２フィン群１０Ｂに入っていく。これにより、ヒートシンク１００の冷却性能が高められる。

（第２実施形態）
図５は、ベースプレート１１の平面で第２実施形態のフィンユニット２０を示した断面図である。図５に示されたように、第２実施形態のヒートシンク２００は第１実施形態で説明されたフィン群と同じ形状の第１フィン群２０Ａ、第２フィン群２０Ｂ及び第３フィン群２０Ｃを備えている。

基準線ＢＬ１〜ＢＬ６から分かるように、各フィン群２０Ａ〜２０Ｃの対応する板状フィン２３は共通する同一のＸ−Ｙ平面に配置されている。基準線ＢＬ１から見ると各フィン群２０Ａ〜２０Ｃの最も−Ｙ側の第１行の３枚の板状フィン２３が同一の平面に配置されている。基準線ＢＬ２から見ると、各フィン群２０Ａ〜２０Ｃの第２行の３枚の板状フィン２３が同一の平面に配置されている。以下基準線ＢＬ６まで同様である。つまり、図５に示された１８枚の板状フィン２３は３枚ずつ６つの平面（基準線ＢＬ１〜ＢＬ６をそれぞれ含む平面）に配置され、これら６つの平面は互いに平行である。

このような構成によれば、各板状フィン２３の位置を把握しやすいので製造がより容易になる。また、予め各フィン群２０Ａ〜２０Ｃに共通するような長い板状フィンをベースプレート１１上に設けた後に、長さＬごとに距離ａのスリットをＤ方向に垂直な方向に切るという作製方法も可能である。
この製造方法について、図６を参照しながら詳しく説明する。図６は、第２実施形態のフィンユニット２０の製造を示した断面図である。

まず、図６（ａ）に示されたようにベースプレート１１上にＸ軸方向の長さが（３Ｌ＋２ａ）である６枚の板状フィン半製品２３Ｒが平行に立設される。ここで、板状フィン半製品２３Ｒ同士は間隔Ｐで、各板状フィン半製品２３Ｒがその長辺方向でＤ方向に対して偏倚角度γ（１°〜５°）となっている。また、各板状フィン半製品２３Ｒとベースプレート１１との傾斜角度βは２０°≦β≦８０°となっている。

その後、図６（ｂ）に示されたＹ軸方向に伸びた二対のカットラインＣＬに沿って各板状フィン半製品２３Ｒを切断する。ここで、一対のカットラインＣＬ同士の距離はａで、距離ａは０．８Ｐ以上で０．３Ｌ以下である。
第２実施形態の寸法範囲の理由は、第１実施形態で説明されたとおりである。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態のフィンユニット３０の斜視図である。図７に示されたように、フィンユニット３０は一枚のアルミニウムなどの金属板をプレスして形成されている。フィンユニット３０は−Ｚ軸方向に向かって切り起こして形成された複数の板状フィン３３と、その複数の板状フィン３３に連結し切り起こされずに残った枠部３４とを有する。また、フィンユニット３０は板状フィン３３の−Ｚ側の端の長辺がベースプレート１１にロウ付けなどで接続される。枠部３４は、板状フィン３３の＋Ｚ側の端に接続されている。また、フィンユニット３０はそれぞれにＸ軸方向に平行な板状フィン３３がＹ軸方向に例えば４枚並べられて構成された第１フィン群３０Ａ、第２フィン群３０Ｂ及び第３フィン群３０Ｃを有している。図７では１つのフィンユニット３０が描かれているが、数十個から数百個のフィンユニット３０が設けられていてもよい。

フィン群３０Ａ〜３０Ｃにおいて、Ｘ軸方向の長さＬの各板状フィン３３がＹ軸方向に間隔Ｐを隔てるように平行に形成されている。ここで、各板状フィン３３は一枚の金属板をプレスして形成されるので、その短辺の幅は間隔Ｐとほぼ同じである。また、各板状フィン３３がその長辺方向でＤ方向に対して偏倚角度γ（１°〜５°）となっている。さらに、各板状フィン３３とベースプレート１１（ＸＹ平面、図７では図示しない）との傾斜角度βは２０°≦β≦８０°となっている。板状フィン３３をこのようにベースプレート１１に対して傾斜して配置すれば、ベースプレート１１に垂直な方向に冷却用流体がかきまぜられる。また、傾斜角度βを３０°≦β≦６０°にするとプレス成形しやすいといった効果がある。

また、各フィン群３０Ａ〜３０Ｃ同士の距離はａで、距離ａは０．８Ｐ以上で０．３Ｌ以下である。上述の寸法範囲にする理由は、第１実施形態で説明したとおりである。
また、第３実施形態において、第２実施形態で説明された板状フィン２３の配置方法も適用され得る。つまり、Ｘ軸方向で対応する板状フィン３３同士が共通する同一の平面に配置されてもよい。

（第４実施形態）
図８は、第４実施形態のヒートシンク４００の斜視図である。第４実施形態において、冷却用流体として水又は不凍液又は油（オイル）などの液体が用いられている。冷却用流体が液体である場合には、冷却用流体が密閉空間内を流れるようにカバープレート１８を設ける。

第４実施形態のヒートシンク４００は第１実施形態のヒートシンク１００に比べると、フィンユニット１０の＋Ｚ側に液体の冷却用流体が漏れないように流入側及び流出側（図示しない）を除いて外周を塞ぐカバープレート１８が設けられている。ここで、フィンユニット１０が透視できるように、カバープレート１８は点線で描かれている。また、ここでは図示していないが、冷却用流体が漏れないようにするためには、フィンユニット１０の左右両側、すなわち＋Ｙ側及び−Ｙ側の側面も塞がなければならないので、そこにもカバープレート１８が設けられているのは勿論である。その他の構成は第１実施形態のヒートシンク１００と同じであるため、説明を省略する。

また、第４実施形態では第１実施形態で説明されたフィンユニット１０を用いて説明したが、第２及び第３実施形態で説明されたフィンユニット２０、３０にも適用される。

（応用例）
第１〜第４実施形態で説明されたヒートシンク１００〜４００の応用例として、図９を参照しながら説明する。図９は、冷却用流体の入口部Ｔｉ及び出口部Ｔｏを示した斜視図である。

図９に示されたように、フィンユニット５０のＤ方向（Ｘ軸方向）の流入側（−Ｘ側）には入口部Ｔｉが設けられ、その流出側（＋Ｘ側）には出口部Ｔｏが設けられている。ここで、フィンユニット５０には第１〜第４実施形態で説明されたフィンユニット１０〜４０が適用される。

入口部Ｔｉ及び出口部ＴｏのＹ軸方向の幅Ｗが広くなる場合には、その幅Ｗに合わせて、入口部Ｔｉ及び出口部ＴｏにおけるＤ方向での長さＳを長くすることが好ましい。これは、フィンユニット５０に均一に冷却用流体の圧力をかけるためである。

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。
また、本発明においてフィンユニットの材料は、熱伝導性、コストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金としたが、銅、銅合金などその他の熱伝導性が良好な材料を用いても本発明の効果は同様に有効である。

１０、２０、３０、５０ … フィンユニット
１０Ａ〜１０Ｃ、２０Ａ〜２０Ｃ、３０Ａ〜３０Ｃ … フィン群
１１ … ベースプレート
１２ … 発熱部品
１３、２３、３３ … 板状フィン
２３Ｒ … 板状フィン半製品
１５ … ロウ材
１６ … カシメ部
１７ … 溝部
１８ … カバープレート
３４ … 枠部
１００、２００、４００ … ヒートシンク
ａ … フィン群同士の距離
Ｌ … 板状フィンの長さ
Ｐ … 板状フィン同士の間隔
Ｓ … 入口部及び出口部のＸ軸方向の長さ
Ｔｉ … 入口部
Ｔｏ … 出口部
Ｗ … 入口部及び出口部のＹ軸方向の幅
β … 傾斜角度
γ … 偏倚角度

Claims (6)

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フィンユニットが設けられてなるヒートシンクにおいて、前記フィンユニットは、ベースプレート面に平行な断面の長さがＬである多数の板状フィンが間隔Ｐずつ離れて互いに平行にベースプレート上に立設されてなる第１フィン群と、前記第１フィン群から０．８Ｐ以上かつ０．３Ｌ以下の距離ａだけ離して冷却用流体の概ね上流側から下流側に向かう所定のＤ方向に配置される前記第１フィン群と同様な第２フィン群とから構成されるものであって、前記各板状フィンのベースプレート面に平行な各断面が前記Ｄ方向に対して偏倚角度γ（但し、１°≦γ≦５°。）をなしていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記第２フィン群から０．８Ｐ以上かつ０．３Ｌ以下の距離ａだけ離して前記Ｄ方向に前記第２フィン群と同様のフィン群が更に配置されることがＤ方向に繰り返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。
3. 前記板状フィンの板面がベースプレート面に対して傾斜角度β（但し、２０°≦β≦８０°。）をなしていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
4. 隣り合う２つのフィン群の各板状フィンの板面同士が各々の共通同一平面上に存在するように前記板状フィンが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記フィンユニットは、１枚の金属板をプレスして形成されるもの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１項に記載のヒートシンク。
6. 前記フィンユニットはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヒートシンク。