JP2016092328A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を抑制させつつも十分な冷却効率を確保させ得るヒートシンクを提供する。
【解決手段】基礎体１１０の放熱面には、基礎体に結合された放熱フィン１３０が配備される。放熱フィン１３０は、流入側放熱フィン１３１，主要部放熱フィン１３２，下流側放熱フィン１３３，が冷媒流体の流れ方向の順に配列されている。複数の放熱フィン１３２は、冷媒流体２００の流線に沿った状態で略平行に配置され、互いの配向方向が略一致した状態とされる。放熱フィンの各々は、前端部ｒと主体部ｑと後端部ｐと上端エッジｓとが一体物によって与えられる。主体部ｑは、板厚Ｗ及び板巾Ｈから成るフィン断面形状が配向方向に平行となる略一定となる部位である。前端部ｒは、主体部ｑの端部に設けられ先のフィン断面形状が配向方向に沿って増加する部位である。後端部ｐは、主体部ｑの端部に設けられ先のフィン断面形状が配向方向に沿って減少する部位である。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載電気機器に用いるヒートシンクに関し、特に、放熱フィンの形状及び配列に関するものである。

例えば、特開２００３−１８８３２２号公報（特許文献１）では、放熱フィンに関する技術が紹介されている。かかる放熱フィンは、その形状が柱状体とされ、これによる複雑な流路へ冷媒流体を通過させることで、熱源から伝達された熱量を放熱させている。

特開２００３−１８８３２２号公報

特許文献１に係る技術では、板状体からなる放熱フィンの隙間によって複雑な流路を形成するので、直線的な流れを形成するフィン形状に比べ、圧力損失が大きくなり設計上の冷媒流量を得ることができなくなるとの問題が生じる。一方、直線的な流れを形成するヒートシンクでは、冷媒流体の運動がフィンの配向方向へ規制されるので、隣接する溝への流体の移動が促進されず、吸熱した冷媒流体による運動的拡散が阻害される。即ち、吸熱した冷媒流体は、そのまま放熱フィンの配向方向へ流れ、発熱性素子の下流側に配された領域について十分な冷却作用を与えることが出来なくなる。

本発明は上記課題に鑑み、圧力損失を抑制させつつも十分な冷却効率を確保させ得るヒートシンクの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のようなヒートシンクの構成とする。即ち、基礎体と、前記基礎体の一方の面に配備され且つ発熱性素子が搭載されたモジュールと、前記基礎体の他方の面に形成され各々の配向方向が略一致する複数の放熱フィンと、を備えるヒートシンクにおいて、
前記複数の放熱フィンの各々は、板厚及び板巾から成るフィン断面形状が前記配向方向に沿って一定となる主体部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って増加する前端部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って減少する後端部と、が一体的に形成されており、
前記複数の放熱フィンは、第１放熱フィンの前記主体部が配置される第１の主流領域と、前記第２放熱フィンの前記主体部が配置される第２の主流領域と、前記第１の主流領域及び前記第２の主流領域の間に介在する分枝領域と、を形成するものであって、
前記分枝領域は、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち一方の放熱フィンに設けられた前記前端部と、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち前記一方の放熱フィンと異なる他方の放熱フィンに設けられた前記後端部と、が前記配向方向に対し垂直となる方向へ交互に配置されており、
前記一方の放熱フィンに設けられた前記前端部又は前記他方の放熱フィンに設けられた前記後端部のうち少なくとも一方の端部は、前記分枝領域の前記配向方向に関する区間距離よりも短く設定されることとする。

本発明は、上述した発明の他、次のようなヒートシンクの構成としても良い。即ち、基礎体と、前記基礎体の一方の面に配備され且つ発熱性素子が搭載されたモジュールと、前記基礎体の他方の面に形成され各々の配向方向が略一致する複数の放熱フィンと、を備えるヒートシンクにおいて、
前記複数の放熱フィンの各々は、板厚及び板巾から成るフィン断面形状が前記配向方向に沿って一定となる主体部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って増加する前端部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って減少する後端部と、が一体的に形成されており、
前記複数の放熱フィンは、第１放熱フィンの前記主体部が配置される第１の主流領域と、前記第２放熱フィンの前記主体部が配置される第２の主流領域と、前記第１の主流領域及び前記第２の主流領域の間に介在する分枝領域と、を形成するものであって、
前記分枝領域は、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち一方の放熱フィンに設けられた前記前端部と、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち前記一方の放熱フィンと異なる他方の放熱フィンに設けられた前記後端部と、が前記配向方向に対し垂直となる方向へ交互に配置されており、
前記一方の放熱フィンに設けられた前記前端部又は前記他方の放熱フィンに設けられた前記後端部の双方の端部は、前記分枝領域の前記配向方向に関する区間距離よりも短く設定されることとする。

上述した夫々の発明について好ましくは、前記主体部が相互に対面する一の流路を主流とし、前記前端部及びこれに対面する前記後端部が形成する一の流路を支流とすると、
前記主流の一の経路に関する流路断面積と、前記主流に直接接続される前記支流の流路断面積の総和と、が略一致していることとする。

更に好ましくは、前記支流の経路巾は、選択された加工法に関する加工可能な最小寸法よりも大きい寸法が設定されていることとする。

更に好ましくは、前記主流及び当該主流に直接接続される複数の前記支流は、所定の配向方向に対して対称形を成していることとする。

本発明に係るヒートシンクでは、放熱フィンに所定長の長さを具備した主体部が形成されるので、此処での圧力損失は境界摩擦によるものに抑えられる。また、複数の放熱フィンは、各々の配向が一致させるも、配向方向に交互配列されることになる。従って、主流の流れを保有した状態で、隣接する流れへの運動が喚起されることとなる。そして、本発明は、かかる事項を前提とした上で主流と支流との開口断面の調整が図られるので、隣接方向への流体運動が促され、且つ、交互配列に伴う圧力損失上のデメリットも緩和される。

実施の形態に係るヒートシンクの斜視図。 実施の形態に係るヒートシンクの側面図。 実施の形態に係る放熱フィンの形状・配列を示す図（其の１）。 実施の形態に係る放熱フィンの形状・配列を示す図（其の２）。 実施の形態に係る放熱フィンの形状・配列を示す図（其の３）。 他の実施の形態に係るヒートシンクの斜視図。 他の実施の形態に係る放熱フィンの形状・配列を示す図（其の４）。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係るヒートシンクの斜視図である。また、図２は、放熱フィンの側面図である。図示の如く、ヒートシンク１００は、基礎体１１０と，放熱フィン１３０とがアルミ材等の伝熱性材料によって一体的に形成されている。このうち、基礎体１１０の主面は、電気的素子等を内部へ収容させつつ、カバー（図示なし）に覆われる。

基礎体１１０の主面（一方の面）には、伝熱性基板３０２が搭載され、其の表面には、パワートランジスタといった発熱性素子３０１が実装されている。従って、この発熱性素子３０１は、これが駆動されると、熱源となって熱量を生じさせ、伝熱性基板３０２を介して基礎体１１０へと熱量を与える。

伝熱性基板３０２は、基板用フレーム３０２ａによって適宜に固定され、これらによって一つのモジュールを形成している。当該モジュールが主面に配備されることにより、基礎体１１０への伝達経路が定まり、先の熱量を受熱する受熱領域が定まる。このように、受熱領域とは、伝熱性基板３０２が積層される領域であって、特に、高い熱量が伝達される領域については、当該受熱領域に属すものである。

図示の如く、基板用フレーム３０２ａは、複数の端子３０２ｂが適宜配備され、その端子に制御回路３０３の配線が電気的に接続される。また、本実施の形態では、当該制御基板３０３の実装面にフィルターコンデンサ３０４，３０５等が実装されている。このように、ヒートシンク１００に搭載された電気的素子の集合は、それらが一体となってＤＣ／ＤＣコンバータ等といったコンバータ１０（電力変換装置）を構成する。

基礎体１１０の放熱面（他方の面）には、当該基礎体に結合された放熱フィン１３０（１３１，１３２，１３３）が配備される。図示の如く、放熱フィン１３０は、流入側放熱フィン１３１，主要部放熱フィン１３２（以下、複数の放熱フィン１３２と呼ぶ。），下流側放熱フィン１３３，が冷媒流体の流れ方向の順に配列されている。図示の如く、複数の放熱フィン１３２は、冷媒流体２００の流線に沿った状態で略平行に配置され、互いの配向方向が略一致した状態とされる。ここで、配向方向とは、放熱フィン１３２の放熱面の角度方向であって、後述する主体部の法線方向に垂直且つ冷媒流体の下流側を其の方向とする。また、垂直方向とは、放熱面内について、配向方向に対し垂直となる方向を指す。

かかる放熱フィン１３０は、各々が、一定の板厚Ｗ，配向方向に沿った板長Ｌ，これらに垂直な板巾Ｈを有したものである。即ち、板巾Ｈは、フィン相互によって形成される溝深さを与えるものである。特に、複数の放熱フィン１３２は、同等形状のフィンを垂直方向へ配列させた群を一のユニットとし、このユニットを配向方向へ複数並べて構成されたものである。

放熱フィン１３０の各々は、前端部ｒと主体部ｑと後端部ｐと上端エッジｓとが一体物によって与えられる。このうち、主体部ｑは、板厚Ｗ及び板巾Ｈから成るフィン断面形状が配向方向に平行となる略一定となる部位である。前端部ｒは、主体部ｑの端部に設けられ先のフィン断面形状が配向方向に沿って増加する部位である。後端部ｐは、主体部ｑの端部に設けられ先のフィン断面形状が配向方向に沿って減少する部位である。

図３（ａ）は、放熱フィンをヒートシンク底面に垂直となる視点から観察したものであり、放熱フィン１３２ａ及び放熱フィン１３２ｂの対向箇所を示している。以後、このような対向箇所の拡大図を示す場合、冷媒流体２００は、紙面左方より紙面右方へ流れているものとする。このような実施形態の場合、放熱フィン１３２ａは、上流側に上端部ｒ（図示されていない）が配置され、その下流側に主体部ｑが配置され、更に下流側に後端部ｐが配置される。これは、下流側に配される放熱フィンについても同様である。

先に説明したように、上流側の放熱フィン１３２ａの配向方向には、別の放熱フィン１３２ｂが配向に対し略斜め方向に配置される。そして、放熱フィン１３２ａによる上流側ユニットと放熱フィン１３２ｂによる下流側ユニットとの関係は、各々の主体部ｑが垂直方向へ交互に配列される。即ち、かかる配列は、煉瓦の交互配列の如く、互いの流路（主流）の間に配置されるよう、配置場所が垂直方向へ互いに「ズレ」を生じさせている。

そして、本実施の形態に係る配列は、上流側の主体部ｑと下流側の主体部ｑとの間に所定間隔が設けられている。従って、この所定間隔は、上流側の主体部ｑに相当する領域Ａ１（上流側主流領域Ａ１）と下流側の主体部ｑに相当する領域Ａ３（下流側主流領域Ａ３）との間に介在することとなる。以下、この領域Ａ１と領域Ａ３との間の領域を、分枝領域Ａ２と呼ぶこととする。この分枝領域Ａ２は、垂直方向に沿って区間距離ｄを保っているものとする。この意味において、区間距離ｄは、放熱フィンの配向方向に関する距離を示すものである。

本実施の形態に係るヒートシンクでは、分枝領域Ａ２に、放熱フィン１３２ａ（第１放熱フィン）の後端部ｐと放熱フィン１３２ｂ（第２放熱フィン）の前端部ｒとが供に配置される。そして、これらの後端部ｐ及び前端部ｒは、放熱フィンが交互配列されるので、各々が垂直方向へ交互に配列されることとなる。即ち、上流側放熱フィン１３２ａの後端部ｐの両隣には、これと反対向きとなるように、下流側放熱フィン１３２ｂの前端部ｒが配置されることとなる。

これによると、本実施の形態では、主体部ｑが相互に対面する一の流路によって主流Ｆｍが形成され、第１放熱フィン１３２ａの後端部ｐ及びこれに対面する第２放熱フィン１３２ｂの前端部ｒが一以上の支流Ｆｂを形成する。即ち、上流側に配された主流Ｆｍ１は上流側主流領域Ａ１に配され、支流Ｆｂは分枝領域Ａ２に配され、下流側に配された主流Ｆｍ３はこれに対応する領域Ａ３に配される。そして、領域Ａ１と領域Ａ２の境界では、一の主流Ｆｍ１と其処から分枝する二の支流Ｆｂとが直接的に接続され、これによる枝状流路が形成される。領域Ａ２と領域Ａ３の境界では、二の支流Ｆｍｂと其処から合流する一の主流Ｆｍとが直接的に接続され、これにより枝状流路が形成される。

上述の如く、本実施の形態では、主体部ｑが相互に対面する一の流路によって主流Ｆｍが形成されるので、此処での圧力損失は側壁から受ける境界摩擦によるものに抑えられる。また、これから分枝する支流は、配向方向に対し角度を持って配置されるので、隣接する方向への運動を喚起させる役割を果たす。総括すると、ここに流れる冷媒流体は、全体として主流の流れに基づき僅かな圧力損失を受けつつ、支流を通過することによって垂直方向への運動が喚起され、受熱した冷媒流体の垂直方向への拡散が促される。

特に、図３によると、第２放熱フィン１３２ｂに設けられた前端部ｒは、区間距離ｄよりも配向方向へ短くなるように設定される。これによると、各支流Ｆｂの流路断面は、前端部ｒが区間距離ｄに一致している時と比べて、その部位における流路断面積が大きくなる。一般に、支流Ｆｂとされる部位の近傍では、流れの方向が急変するので、その辺りに負圧が生じ局所的に逆流を生じることがある（図３（ｂ）参照）。かかる場合、冷媒流体２００の事実上の流路断面は、フィン形状によって想定される幾何学的なものよりも狭くなるので、当該支流での流路断面Ｇｘを拡大させることは圧力損失を抑える上で有意である。また、かかる態様に限らず、第１放熱フィン１３２ａの後端部ｐのみ（又は、第２放熱フィン１３２ｂの前端部ｒのみ）を配向方向について短くすることで、上記と同様の効果を得ることができる（図４（ａ）参照）。また、より効果を得たくば、双方の端部ｐ，ｒを短くして、支流Ｆｂの流路断面全域（Ｇｘ，Ｇｙ）を拡大させても良い（図４（ｂ）参照）。

本実施の形態に係るヒートシンク１００では、放熱フィン１３２に所定長の長さを具備した主体部ｑが形成されるので、此処での圧力損失は境界摩擦によるものに抑えられる。また、複数の放熱フィンは、各々の配向が一致させるも、配向方向に交互配列されることになる。従って、主流の流れを保有した状態で、隣接する流れへの運動が喚起されることとなる。そして、本実施の形態は、かかる事項を前提とした上で主流と支流との開口断面の調整が図られるので、隣接方向への流体運動が促され、且つ、交互配列に伴う圧力損失上のデメリットも緩和される。

また、本実施の形態では、放熱フィン１３２の端部が略三角形状を呈していることも、技術的に有利なものとさせている。即ち、上流側の端部ｒにあっては、三角状の突端が其の上流側に向けられるので、流路の急激な変化が極力抑えられることとなる。また、下流側の端部ｐにあっても、流路の変化が急激なものとなることはない。これらは、全て、圧力損失の抑制に資する形状であることが解る。

また、本実施の形態では、分枝領域Ａ２へ実質的なフィン構造が設けられるので（図５（ｂ）参照）、分枝領域Ａ２をクリアランス・スペースとさせた従来技術（図５（ａ）参照）と比較して、表面積の効果的な増加を見込める。その上、分枝領域Ａ２に形成される支流Ｆｂの流路断面は、事実上の流路が流れ方向に拘束されることを踏まえると、図５（ａ）の流路断面に劣ることも無い。即ち、本実施の形態では、分枝流路Ａ２において、十分な放熱面形成と支流Ｆｂの流路断面積確保との両立を成功させている。

また、ヒートシンクの冷媒流路は、一の主流Ｆｍの経路断面積と、これに直接接続される支流Ｆｂの経路断面積の総和と、が略一致するよう設計しても良い。これによれば、著しい流路断面積の変化が避けられるので、これに伴う圧力損失の発生を回避できる。

尚、本実施の形態では、上で紹介した形状のヒートシンクを製作するにあたり、鋳造法又はフライス加工等、様々な加工法を採用することが可能である。かかる加工法は、鋳造法では薄肉限界厚保が適宜定まっており、フライス加工ではエンドミルの機械的寸法に限界がある。従って、本実施の形態では、流路断面の寸法（経路巾）が設計されると、この条件に合う加工法が適宜選択される。このように、其の加工法の最小加工寸法よりも大きな寸法とすることで、上述した複雑な形状の放熱フィンが成形されることとなる。特に、本実施の形態では、冷媒流路（主流Ｆｍ，支流Ｆｂ）は、配向方向に対し対称形を成すよう形作られている。これによると、局所的に狭い流路幅を形成する必要が無くなるので、経路全体の幅寸法が略均一化され、加工上・設計上の負担を軽減させることが可能となる。

以上、実施の形態に基づき本発明を具体的に説明してきたが、特許請求の範囲に記載の発明は、かかる事項によって限定されるものでなく、当該発明の技術的思想に基づいて適宜変更が可能である。例えば、上記実施の形態にあってはフィン断面形状を扁平状の多角形として流路の工夫を施しているが、その他の部位に流路上の工夫を与えても良い。

図６は、其の変形例の一例が示されている。当該ヒートシンクは、図示の如く、略扇状の放熱フィン１３２が、上述同様、交互配列によって並べられている。図７は、其の一部を側方から観察した図（図７（ａ））、これをフィンの自由端側から観察した図（図７（ｂ））が示されている。

この例(他の実施の形態)にあっても、上流側の放熱フィン１３２ａと下流側の放熱フィン１３２ｂとが交互に配列される。このため、支流領域Ａ２についても、各々の端部が交互に配列されることとなる。この端部は、上流側端部については、板巾Ｈが主体部に向かって増加するので、其の構造断面もこれに応じて増加する。また、下流側端部については、板巾Ｈが主体部から遠ざかる程減少するので、其の構造断面も減少していくことになる。また、主体部にあっては、板巾Ｈが略一定なので、構造断面に変化は見られない。このように、本実施の形態に係る放熱フィン１３２は、ヒートシンクの側方から観察すると、略扇状の形状を呈することとなる。

分枝領域Ａ２では、一方の放熱フィン１３２ａの後端部ｐと他方の放熱フィン１３２ｂの前端部ｒとが、所定の間隔を隔てつつ交錯するよう配列される。このため、分枝領域Ａ２では、図７（ａ）に示す如く、紙面垂直方向、即ち、流路が隣接する方向へ立体的な開口が形成される。従って、前段の主流から後段の主流へ合流する際、又は、前段の主流から後段の主流へ分枝する際、分枝領域Ａ２では、隣接する流路へ冷媒流体の交換が必要に応じて行われる。

本実施の形態にあっても、上述の如く、圧力損失の軽減要請及び冷却効率の向上要請の双方を両立させたヒートシンクを実現させる。特に、本実施の形態にあっては、板厚Ｗを変化させる必要がないので、放熱フィン１３２を増加させても流路断面を十分に確保することが可能である。従って、かかるヒートシンクによれば、放熱面積を増加させることが可能となり、更に高い冷却効率を期待できる。

１０ コンバータ， １００ ヒートシンク， １１０ 基礎体， １３０ 放熱フィン， ２００ 冷媒流体， ３０１ 発熱性素子， ３０２ 伝熱性基板， ３０３ 制御基板。

Claims (5)

1. 基礎体と、前記基礎体の一方の面に配備され且つ発熱性素子が搭載されたモジュールと、前記基礎体の他方の面に形成され各々の配向方向が略一致する複数の放熱フィンと、を備えるヒートシンクにおいて、
   前記複数の放熱フィンの各々は、板厚及び板巾から成るフィン断面形状が前記配向方向に沿って一定となる主体部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って増加する前端部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って減少する後端部と、が一体的に形成されており、
   前記複数の放熱フィンは、第１放熱フィンの前記主体部が配置される第１の主流領域と、前記第２放熱フィンの前記主体部が配置される第２の主流領域と、前記第１の主流領域及び前記第２の主流領域の間に介在する分枝領域と、を形成するものであって、
   前記分枝領域は、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち一方の放熱フィンに設けられた前記前端部と、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち前記一方の放熱フィンと異なる他方の放熱フィンに設けられた前記後端部と、が前記配向方向に対し垂直となる方向へ交互に配置されており、
   前記一方の放熱フィンに設けられた前記前端部又は前記他方の放熱フィンに設けられた前記後端部のうち少なくとも一方の端部は、前記分枝領域の前記配向方向に関する区間距離よりも短く設定される、ことを特徴とするヒートシンク。
2. 基礎体と、前記基礎体の一方の面に配備され且つ発熱性素子が搭載されたモジュールと、前記基礎体の他方の面に形成され各々の配向方向が略一致する複数の放熱フィンと、を備えるヒートシンクにおいて、
   前記複数の放熱フィンの各々は、板厚及び板巾から成るフィン断面形状が前記配向方向に沿って一定となる主体部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って増加する前端部と、前記主体部の端部に設けられ前記フィン断面形状が前記配向方向に沿って減少する後端部と、が一体的に形成されており、
   前記複数の放熱フィンは、第１放熱フィンの前記主体部が配置される第１の主流領域と、前記第２放熱フィンの前記主体部が配置される第２の主流領域と、前記第１の主流領域及び前記第２の主流領域の間に介在する分枝領域と、を形成するものであって、
   前記分枝領域は、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち一方の放熱フィンに設けられた前記前端部と、前記第１放熱フィン又は前記第２放熱フィンのうち前記一方の放熱フィンと異なる他方の放熱フィンに設けられた前記後端部と、が前記配向方向に対し垂直となる方向へ交互に配置されており、
   前記一方の放熱フィンに設けられた前記前端部又は前記他方の放熱フィンに設けられた前記後端部の双方の端部は、前記分枝領域の前記配向方向に関する区間距離よりも短く設定される、ことを特徴とするヒートシンク。
3. 前記主体部が相互に対面する一の流路を主流とし、前記前端部及びこれに対面する前記後端部が形成する一の流路を支流とすると、
   前記主流の一の経路に関する流路断面積と、前記主流に直接接続される前記支流の流路断面積の総和と、が略一致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. 前記支流の経路巾は、選択された加工法に関する加工可能な最小寸法よりも大きい寸法が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク。
5. 前記主流及び当該主流に直接接続される複数の前記支流は、所定の配向方向に対して対称形を成していることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のヒートシンク。

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