JP2020061509A - ヒートシンク、その製造方法及び熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】生産効率を向上させることができ、発熱体搭載面の平坦度が高く、圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能を向上させることができるヒートシンク及びこのヒートシンクを備えた熱交換器を提供する。【解決手段】ヒートシンク１は、長方形状を呈し発熱体搭載面２１を備えたベース板２と発熱体搭載面２１の背面に配置された複数のフィン３とを有している。フィン３は、ベース板２から突出したフィン基部３１とフィン基部３１から突出した複数のピン３２とを有している。フィン基部３１は、第１方向Ｘに互いに間隔をあけて配置され、第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙに延在している。ピン３２は第２方向Ｙに間隔をあけて配置されている。ピン３２同士の間隔Ｗｐはフィン基部３１同士の間隔Ｗｂよりも狭く、ピン３２の高さＨｐに対するフィン基部３１の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐは０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０である。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンク、その製造方法及び熱交換器に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置は、電力変換を行うための半導体素子と、半導体素子を冷却するための熱交換器とを有している。例えば自動車等の車両に搭載される電力変換装置においては、冷却効率をより高めるために、液冷式の熱交換器が使用されている。液冷式の熱交換器は、ヒートシンクと、ヒートシンクとともに冷媒流路を構成するジャケットとを有している。また、熱交換器は、軽量化を目的として、アルミニウム材（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同様。）から構成されていることがある。

この種のヒートシンクは、冷媒流路内に配置した際の圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能を高めるため、ピンフィンを備えていることが多い。例えば特許文献１には、頂壁および底壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられたケーシングと、ケーシング内の冷却液流路に配置された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方に発熱体取付部が設けられ、放熱器が、基板、および基板に対して突出するように千鳥配置状に設けられた複数のピンフィンを有する液冷式冷却装置が記載されている。

特許文献１の放熱器は、高さの異なる２種類のピンフィンを有している。高低２種類のピンフィンのうち高ピンフィンの横断面形状は平行四辺形であり、かつ当該平行四辺形における１つの角部が冷却液流路における冷却液流れ方向上流側を向くとともに、当該角部と対角線上に位置する角部が同じく冷却液流れ方向下流側を向いている。かかる放熱器は、放熱器の元板に、冷却液流路における冷却液流れ方向下流側に向かって一方に傾斜した第１直線に沿って切削する第１の切削加工と、冷却液流れ方向下流側に向かって他方に傾斜した第２直線に沿って切削する第２の切削加工とを行うことにより形成される。

近年では、発熱体をより効率よく冷却するため、ヒートシンクに直接発熱体を搭載するように構成された熱交換器も提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１６−４８０６号公報 特開２０１５−１５３９２５号公報

特許文献１の放熱器においては、ケーシングと放熱器との間の熱抵抗を低減するため、ピンフィンの背面、つまり、ケーシングに接合される面の平坦度を高くすることが求められる。しかし、特許文献１の放熱器に高ピンフィンを形成するためには、第１の切削加工または第２の切削加工のうちいずれかの切削加工において、高ピンフィンの高さと等しい深さの溝を形成する必要がある。そのため、切削深さによっては元板に歪みが生じ、ピンフィンの背面の平坦度が低下するおそれがある。ピンフィンの背面の平坦度が低い場合、ケーシングと放熱器との間に隙間が形成されやすくなる。その結果、ケーシングと放熱器との間の熱抵抗の増大を招くおそれがある。

同様に、特許文献２のようにヒートシンクに発熱体が搭載される場合にも、ヒートシンクと発熱体との間の熱抵抗を低減する観点から、ピンフィンの背面の平坦度を高くすることが求められる。また、ヒートシンクに発熱体が搭載される場合には、ピンフィンの背面の平坦度が低下すると発熱体に加わる熱応力の増大を招くおそれもある。

更に、切削加工は比較的加工コストが高く、加工効率も低い加工方法であるため、特許文献１の製造方法よりも更にヒートシンクの生産効率を向上し、かつ、加工コストを低減することが望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、押出形材を用いて効率よく生産することができ、発熱体搭載面の平坦度が高く、圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能を向上させることができるヒートシンク、その製造方法及びこのヒートシンクを備えた熱交換器を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、厚み方向から視た平面視において長方形状を呈し、発熱体が搭載される発熱体搭載面を備えたベース板と、
前記ベース板における前記発熱体搭載面の背面に配置された複数のフィンと、を有し、
前記フィンは、
前記ベース板から突出し、前記ベース板の外周端縁におけるいずれか一辺に平行な方向である第１方向に互いに間隔をあけて配置されるとともに、前記第１方向と直交する第２方向に延在したフィン基部と、
前記フィン基部から突出し、前記第２方向に間隔をあけて配置された複数のピンと、を有しており、
前記第２方向における前記ピン同士の間隔Ｗｐが前記第１方向における前記フィン基部同士の間隔Ｗｂよりも狭く、
前記ピンの高さＨｐに対する前記フィン基部の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐが０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０を満たす、ヒートシンクにある。

本発明の他の態様は、前記ヒートシンクを保持するジャケットと、を備えた熱交換器であって、
前記ジャケットは、
前記ヒートシンクの前記フィンに対面して配置される底壁部と、
前記底壁部の外周縁部から立設され、前記ヒートシンクのベース板を保持する周壁部と、
前記ベース板、前記底壁部及び前記周壁部によって囲まれる空間からなる冷媒流路と、
前記周壁部における、複数の前記フィンのうち前記第１方向の一端に配置されたフィンに対面する位置に配置された冷媒導入口と、
前記周壁部における、複数の前記フィンのうち前記第１方向の他端に配置されたフィンに対面し、かつ、前記第２方向において前記冷媒導入口とは異なる位置に配置された冷媒導出口と、を有する、熱交換器にある。

本発明のさらに他の態様は、前記の態様のヒートシンクの製造方法であって、押出成形により、前記ベース板と、前記ベース板から突出し、板状を呈するとともに押出方向に直角な方向に互いに間隔をあけて配置された複数のフィン予定部とを備えた押出形材を作製し、
複数の前記フィン予定部に前記押出方向とは異なる方向に延びる直線に沿って切削加工を施して前記フィンを形成する、ヒートシンクの製造方法にある。

前記ヒートシンクは、発熱体搭載面を備えたベース板と、ベース板における発熱体搭載面の背面に設けられた複数のフィンと、を有している。また、各フィンは、ベース板から突出したフィン基部と、フィン基部から突出した複数のピンと、を有している。更に、ピン同士の間隔Ｗｐ、フィン基部同士の間隔Ｗｂ、ピンの高さＨｐに対するフィン基部の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐが前記特定の関係を満たしている。これにより、圧力損失の増大を抑制しつつ前記ヒートシンクの冷却性能を高めることができる。

前記ヒートシンクは、前記の態様の製造方法、つまり、押出加工によってベース板とフィン予定部とを備えた押出形材を作製した後、フィン予定部に切削加工を施す方法により作製することができる。かかる製造方法においては、ツールがベース板から離隔した状態でフィン予定部に切削加工を施すことにより、フィン基部とピンとを備えたフィンを形成することができる。それ故、前記の態様の製造方法によれば、切削加工時のベース板の歪みを低減し、ひいては発熱体搭載面の平坦度を向上させることができる。

また、前記の態様の製造方法によれば、フィン基部同士の隙間を押出加工によって形成することができるため、従来のヒートシンクに比べて切削加工の回数を削減することができる。それ故、前記ヒートシンクを高い効率で生産することができる。

実施例１における、ヒートシンクの斜視図である。 実施例１における、ヒートシンクの平面図である。 図２のIII−III線一部矢視断面図である。 図２のIV−IV線一部矢視断面図である。 実施例１における、押出形材の斜視図である。 実施例２における、ヒートシンクの要部を示す一部断面図である。 実施例３における、熱交換器の斜視図である。 実施例３における、熱交換器の分解斜視図である。 実施例３における、熱交換器の平面図である。

前記ヒートシンクは、アルミニウム材から構成されていてもよい。ヒートシンクを構成するアルミニウム材としては、例えば、Ａ１０００系アルミニウム、Ａ３０００系合金、Ａ５０００系合金、Ａ６０００系合金等を採用することができるが、これらのアルミニウム材に限定されるものではない。

前記ヒートシンクにおけるベース板は、その厚み方向から視た平面視において長方形状を呈している。ここで、「長方形状」の概念には、長方形、正方形及びこれらの形状における角部を丸めた形状が含まれる。

ベース板における厚み方向の一方の面には、発熱体が搭載される発熱体搭載面が設けられている。発熱体搭載面に搭載される発熱体は、例えば、電力変換回路を構成する半導体素子等であってもよい。また、半導体素子は、発熱体搭載面に直接搭載されていてもよいし、発熱体搭載面と発熱体との間に、回路基板が介在していてもよい。回路基板としては、例えば、セラミックス板の両面に金属板が接合されてなる積層基板等を使用することができる。

ベース板における厚み方向の他方の面、つまり、発熱体搭載面の背面には、複数のフィンが配置されている。複数のフィンは、ベース板を厚み方向から視た平面視における外周端縁のうちいずれか一辺に平行な方向である第１方向に互いに間隔をあけて配置されている。フィンの厚み、つまり、第１方向におけるフィンの外寸法は、例えば１．０〜３．０ｍｍとすることができる。

フィン基部同士の間隔Ｗｂは、例えば、０．９〜３．０ｍｍ、好ましくは１．０〜２．４ｍｍとすることができる。フィン基部同士の間隔Ｗｂは、前記の態様の製造方法における、押出加工に用いるダイスの形状等によって定まる値である。フィン基部同士の間隔Ｗｂを０．９ｍｍより狭くしようとすると、ダイスにおけるフィン基部同士の間に対応する部位の肉厚が過度に薄くなり、ダイスの耐久性の低下を招くおそれがある。

各フィンは、ベース板から突出し、第１方向と直交する第２方向に延在したフィン基部と、フィン基部から突出した複数のピンと、を有している。即ち、各フィンは、複数のピンがフィン基部を介して接続された櫛歯状を呈している。ピンの幅、つまり、第２方向におけるピンの端面間の距離は、例えば１．０〜４．０ｍｍ、好ましくは１．１〜３．９ｍｍとすることができる。また、ピンの高さＨｐ、つまり、ベース板からピンの先端までの距離は、例えば、４．０〜１０．０ｍｍ、好ましくは５．０〜７．０ｍｍとすることができる。

ピン同士の間隔Ｗｐは、例えば、０．７〜２．５ｍｍ、好ましくは０．８〜１．８ｍｍとすることができる。ピン同士の間隔Ｗｐは、前記の態様の製造方法における、切削加工に用いるツールの加工径等によって定まる値である。ピン同士の間隔Ｗｂを０．７ｍｍより狭くしようとすると、ツールの加工径が過度に小さくなり、ツールの耐久性の低下を招くおそれがある。

突出方向におけるピンの断面形状は、正方形、長方形または平行四辺形であることが好ましい。これらの断面形状は、板状のフィン予定部に切削加工を施すことによって容易に形成することができる。そのため、前記ヒートシンクの生産効率をより向上させることができる。

ピンは、第２方向、つまりフィン基部の延設方向から視た場合に、高さ方向の全範囲に亘って一定の太さを有していてもよいし、高さ方向の位置によって太さが変化していてもよい。第２方向から視たピンの形状は、押出加工に用いるダイスの孔の形状によって定まる。そのため、第２方向から視たピンの形状を比較的自由に設定することができる。

第２方向から視たピンの形状は、例えば、フィン基部との付け根から先端に向かうにつれて細くなる先細り形状であってもよい。このように、付け根の太さを太くすることにより、ベース板とピンとの熱抵抗をより低減することができる。また、ピンの付け根よりも温度が低く、冷却効率の低いピンの先端の太さを細くすることにより、冷却性能の低下を回避しつ冷媒の流路断面積を広くすることができる。これらの結果、圧力損失の増大をより効果的に抑制しつつ、冷却性能をより向上させることができる。

第２方向におけるピン同士の間隔Ｗｐは、第１方向におけるフィン基部同士の間隔Ｗｂよりも狭い。これにより、前記ヒートシンクを冷媒流路内に配置した際の圧力損失の増大を抑制することができる。ピン同士の間隔Ｗｐがフィン基部同士の間隔Ｗｂ以上の場合には、圧力損失の増大を招くおそれがある。

また、ピンの高さＨｐに対する前記フィン基部の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐは０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０を満たしている。このように、フィン基部をベース板からわずかに突出させることにより、冷媒がピン同士の間を通過する際に、フィン基部によってベース板近傍における冷媒の流れを乱し、冷媒を攪拌することができる。その結果、ベース板上における冷媒の温度境界層の発達を抑制し、冷却性能をより向上させることができる。

Ｈｂ／Ｈｐの値が０の場合、つまり、ピン同士の間がベース板と面一に形成されている場合には、冷媒がピン同士の間を通過する際に、ベース板近傍における冷媒の流れを乱す効果が得られない。そのため、ベース板上に、温度境界層、つまり、比較的ベース板の温度に近い温度を有する冷媒の層が発達しやすい。この場合、ベース板から離れた位置を流れる比較的低温の冷媒が温度境界層によって遮られ、ベース板に接触することが難しくなる。その結果、冷却性能の悪化を招くおそれがある。

Ｈｂ／Ｈｐの値が０．２０以上の場合には、冷媒がピン同士の間を通過する際の流通抵抗が高くなりやすい。そのため、この場合には、圧力損失の増大を招くおそれがある。

圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能をより向上させる観点からは、フィンの厚みが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、ピンの幅が１．１〜１．６ｍｍであり、ピン同士の間隔Ｗｐが０．８〜１．８ｍｍであり、フィン基部同士の間隔Ｗｂが１．０〜２．４ｍｍであり、フィン基部同士の間隔Ｗｂに対するピン同士の間隔Ｗｐの比Ｗｐ／Ｗｂが０＜Ｗｐ／Ｗｂ＜０．８０を満たすことが好ましい。

前記ヒートシンクは、ジャケットと組み合わせることにより熱交換器を構成することができる。ジャケットは、ヒートシンクのフィンに対面して配置される底壁部と、
底壁部の外周縁部から立設され、ヒートシンクのベース板を保持する周壁部と、
ベース板、底壁部及び周壁部によって囲まれる空間からなる冷媒流路と、
周壁部における、複数の前記フィンのうち第１方向の一端に配置されたフィンに対面する位置に配置された冷媒導入口と、
周壁部における、複数の前記フィンのうち第１方向の他端に配置されたフィンに対面し、かつ、第２方向において冷媒導入口とは異なる位置に配置された冷媒導出口と、を有している。

冷媒導入口及び冷媒導出口をそれぞれフィンに対面するように配置することにより、ピン同士の間に冷媒導入口から流入する冷媒を導くことができる。ピン同士の間には、前述したように、ベース板からわずかに突出したフィン基部が存在している。そのため、フィン基部によってピン同士の間を通過しようとする冷媒を攪拌し、温度境界層の発達を抑制することができる。

また、冷媒導出口を第２方向において冷媒導入口からずれた位置に配置することにより、冷媒導入口から流入する冷媒を、第１方向だけではなく第２方向へも流動させることができる。これにより、ヒートシンクと冷媒との熱交換効率をより高めることができる。

これらの結果、前記熱交換器は、圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能を向上させることができる。

また、ピンの断面形状が正方形、長方形または平行四辺形のいずれかである場合には、冷媒導出口を第２方向において冷媒導入口からずれた位置に配置することにより、冷媒流路内に、ピンの側面に存在する角部に向かう方向の冷媒の流れを形成することができる。これにより、冷却性能を向上させるとともに、熱交換器の圧力損失をより低減することができる。

前述の作用効果をより高める観点からは、冷媒導入口はフィンにおける第２方向の一端に対面する位置に配置されており、冷媒導出口はフィンにおける第２方向の他端に対面する位置に配置されていることが好ましい。つまり、冷媒導入口は冷媒流路のいずれかの角部に配置されており、冷媒導出口は冷媒導入口が配置された角部の対角となる角部に配置されている。この場合には、冷媒流路全体に冷媒の流れを形成し、ヒートシンクと冷媒との熱交換効率をより高めることができる。その結果、前記熱交換器の冷却性能をより向上させることができる。

（実施例１）
前記ヒートシンクの実施例について、図を用いて説明する。図１及び図２に示すように、ヒートシンク１は、厚み方向から視た平面視において長方形状を呈し、発熱体が搭載される発熱体搭載面２１を備えたベース板２と、ベース板２における発熱体搭載面２１の背面に配置された複数のフィン３と、を有している。フィン３は、ベース板２から突出したフィン基部３１と、フィン基部３１から突出した複数のピン３２と、を有している。

図２及び図３に示すように、フィン基部３１は、ベース板２の外周端縁のうちいずれか一辺に平行な方向である第１方向Ｘに互いに間隔をあけて配置されている。また、フィン基部３１は、図２及び図４に示すように、第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙに延在している。各フィン３に設けられたピン３２は、第２方向Ｙに間隔をあけて配置されている。

また、第２方向Ｙにおけるピン３２同士の間隔Ｗｐ（図４参照）は第１方向Ｘにおけるフィン基部３１同士の間隔Ｗｂ（図３参照）よりも狭く、ピン３２の高さＨｐ（図４参照）に対するフィン基部３１の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐは０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０を満たしている。以下、本例のヒートシンク１の構成をより詳細に説明する。

本例のヒートシンク１は、アルミニウム材から構成されている。ヒートシンク１のベース板２の寸法は、特に制限されるものではない。例えば、本例のベース板２は、長辺１５０ｍｍ、短辺１１０ｍｍの長方形状を呈している。図には示さないが、ベース板２の一方の板面の中央には発熱体搭載面２１が設けられている。また、図１及び図２に示すように、発熱体搭載面２１の背面には、複数のフィン３が配置されている。発熱体搭載面２１の背面における複数のフィン３の周囲は、ジャケットに取り付けるためのフランジ面２２を構成している。

図２に示すように、本例のフィン基部３１は、ベース板２を厚み方向から視た平面視における長辺と平行な方向である第１方向Ｘに互いに間隔をあけて配置されており、短辺と平行な方向である第２方向Ｙに延在している。つまり、本例のヒートシンク１は、ベース板２の長手方向に並んで配置され、短手方向に延設された複数のフィン基部３１を有している。

フィン基部３１の長さ及び厚みは特に制限されるものではない。例えば、本例のフィン基部３１の長さは９０ｍｍであり、フィン基部３１の厚みＡ、つまり、第１方向Ｘにおけるフィン基部３１の外寸法は２．０ｍｍである。また、図３に示すフィン基部３１同士の間隔Ｗｂ、つまり、第２方向Ｙにおいて隣り合うフィン基部３１同士の距離は２．４ｍｍであり、図４に示すフィン基部３１のベース板２からの高さＨｂは０．５０ｍｍである。

図２及び図４に示すように、各フィン基部３１は、第２方向Ｙ、つまり、フィン基部３１の延設方向に互いに間隔をあけて並んだ複数のピン３２を有している。本例のピン３２は、四角柱状を呈している。図４に示すピン３２の高さＨｐは６．０ｍｍであり、ピン３２同士の間隔Ｗｐ、つまり、第１方向Ｘにおいて隣り合うピン３２同士の距離は０．９ｍｍであり、第２方向Ｙにおけるピン３２の幅Ｂは１．５ｍｍである。なお、図３に示すように、第１方向Ｘにおけるピン３２の厚みは２．０ｍｍであり、フィン基部３１の厚みＡと等しい。

本例のヒートシンク１は、以下の方法により作製することができる。まず、押出成形により、ベース板２と、ベース板２から突出し、板状を呈するとともに押出方向Ｅに直角な方向に互いに間隔をあけて配置された複数のフィン予定部３０とを備えた押出形材１０を作製する（図５参照）。フィン予定部３０の及びフィン予定部３０同士の間隔は、それぞれ、フィン基部３１の厚みＡ及びフィン基部３１同士の間隔Ｗｂと同一である。また、フィン予定部３０の高さは、ピン３２の高さＨｐと同一である。

押出成形を行った後、必要に応じて、押出形材１０を所望の長さに切断してもよい。

次に、複数のフィン予定部３０に押出方向Ｅとは異なる方向に延びる直線に沿って切削加工を施してフィン３を形成する。本例においては、押出方向Ｅに対して直角な方向に延びる直線に沿って切削加工を施す。これにより、フィン予定部３０にスリットを形成するとともに、スリットによってフィン予定部３０を複数のピン３２に区画することができる。切削加工によって形成しようとするスリットの幅は、ピン３２同士の間隔Ｗｐと同一である。また、スリットの深さは、ピン３２の高さＨｐからフィン基部３１の高さＨｂを差し引いた値と同一である。

本例では、切削加工の際に、フィン予定部３０にスリットを形成するとともに、押出方向Ｅにおける前端部３０１及び後端部３０２に存在する不要なフィン予定部３０を切除する。これにより、複数のフィン３の周囲にジャケット５に接合するためのフランジ面２２を形成する。以上により、図１に示すヒートシンク１を得ることができる。

本例のヒートシンク１は、発熱体搭載面２１を備えたベース板２と、ベース板２における発熱体搭載面２１の背面に設けられた複数のフィン３と、を有している。また、各フィン３は、ベース板２から突出したフィン基部３１と、フィン基部３１から突出した複数のピン３２と、を有している。更に、ヒートシンク１におけるピン３２同士の間隔Ｗｐ、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂ、ピン３２の高さＨｐに対するフィン基部３１の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐが前記特定の関係を満たしている。これにより、圧力損失の増大を抑制しつつ前記ヒートシンク１の冷却性能を高めることができる。

また、フィン３を備えたヒートシンク１は、前述したように、押出加工によってベース板２とフィン予定部３０とを備えた押出形材１０を作製した後、フィン予定部３０に切削加工を施す方法により作製することができる。かかる製造方法においては、切削加工の際に、ツールがベース板２から離隔した状態でフィン予定部３０に切削加工を施すことにより、フィン基部３１とピン３２とを備えたフィン３を形成することができる。それ故、切削加工時のベース板２の歪みを低減し、ひいては発熱体搭載面２１の平坦度を向上させることができる。そして、かかるヒートシンク１の発熱体搭載面２１に発熱体を搭載することにより、発熱体とヒートシンク１との接触熱抵抗を低減することができる。

また、前記の態様の製造方法によれば、フィン基部３１同士の隙間を押出加工によって形成することができるため、従来のヒートシンク１に比べて切削加工の回数を削減することができる。それ故、ヒートシンク１を高い効率で生産することができる。

なお、本例においては、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂ、ピン３２同士の間隔Ｗｐ、フィン基部３１の厚みＡ及び第２方向Ｙにおけるピン３２の幅Ｂが全て同一であるヒートシンク１の例を説明したが、これらの値は、ベース板２上の位置によって異なっていてもよい。例えば、一部のフィン３におけるフィン基部３１同士の間隔Ｗｂを、残りのフィン３におけるフィン基部３１同士の間隔Ｗｂとは異なる値としてもよい。同様に、複数のピン３２のうち一部のピン３２におけるピン３２同士の間隔Ｗｐを、残りのピン３２におけるピン３２同士の間隔とは異なる値としてもよい。

（実施例２）
本例においては、第１方向から見て先細り形状を備えたピン３４を有するヒートシンク１０２を説明する。なお、本例以降において用いる符号のうち、既出の実施例等と同一の符号については、特に説明のない限り既出の実施例等と同様の構成要素等を示す。

図６に示すように、本例のヒートシンク１０２は、ベース板２と、ベース板２の一方の板面に設けられた発熱体搭載面２１と、発熱体搭載面２１の背面に設けられた複数のフィン３０３と、を有している。各フィン３０３は、フィン基部３３と、フィン基部３３上に配置された複数のピン３４と、を有している。本例のピン３４は、第２方向Ｙから視た平面視において、フィン基部３３への付け根３４１から先端３４２に向かうにつれて細くなる先細り形状を有している。その他は実施例１と同様である。

本例のように、ピン３４の付け根３４１の太さをピン先端３４２より太くすることにより、フィン基部３３からピン３４に熱が伝わりやすくすることができる。これにより、ベース板２とピン３４との熱抵抗をより低減することができる。また、ピン３４の付け根３４１よりも温度が低く、冷却効率の低い先端３４２の太さを細くすることにより、冷却性能の低下を回避しつつ冷媒の流路断面積を広くすることができる。これらの結果、本例のヒートシンク１０２によれば、圧力損失の増大をより効果的に抑制し、かつ、冷却性能をより高めることができる。その他、本例のヒートシンク１０２は実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例３）
本例は、ヒートシンク１を備えた熱交換器４の例である。図７及び図８に示すように、本例の熱交換器４は、ヒートシンク１と、ヒートシンク１を保持するジャケット５と、を有している。図８に示すように、ジャケット５は、ヒートシンク１のフィン３に対面して配置される底壁部５１と、底壁部５１の外周縁部から立設され、ヒートシンク１のベース板２を保持する周壁部５２と、を有している。

図８及び図９に示すように、熱交換器４の冷媒流路４１は、ベース板２、底壁部５１及び周壁部５２によって囲まれる空間から構成されている。また、周壁部５２には、熱交換器４の外部から冷媒流路４１内に冷媒を導入する冷媒導入口５２１と、冷媒流路４１から熱交換器４の外部へ冷媒を導出する冷媒導出口５２２とが設けられている。

図９に示すように、冷媒導入口５２１は、複数のフィン３のうち第１方向Ｘの一端に配置されたフィン３ａに対面する位置に配置されている。冷媒導出口５２２は、複数のフィン３のうち第１方向Ｘの他端に配置されたフィン３ｂに対面し、かつ、第２方向Ｙにおいて冷媒導入口５２１とは異なる位置に配置されている。

本例のジャケット５は、アルミニウム材から構成されており、底壁部５１と周壁部５２とからなる有底箱状を呈している。図８に示すように、周壁部５２の頂面には、ヒートシンク１のベース板２を保持するための段差部５２３が形成されている。段差部５２３上には、ベース板２のフランジ面２２が配置される。周壁部５２とベース板２との間は、液密に封止されている。周壁部５２とベース板２とは、例えばろう材や接着剤等によって接合されていてもよい。また、周壁部５２とベース板２との間にＯリング等のシール材を配置し、ボルトなどの締結部材によってヒートシンク１をジャケット５に締結することにより、周壁部５２とベース板２との隙間を液密に封止してもよい。

図９に示すように、本例の冷媒導入口５２１は、具体的には、フィン３ａにおける第２方向Ｙの一端に対面する位置に配置されている。また、冷媒導出口５２２は、フィン３ｂにおける第２方向Ｙの他端に対面する位置に配置されている。つまり、冷媒導入口５２１は冷媒流路４１のいずれかの角部に配置されており、冷媒導出口５２２は冷媒導入口５２１が配置された角部の対角となる角部に配置されている。

本例の熱交換器４は、冷媒導入口５２１及び冷媒導出口５２２がそれぞれフィン３に対面するように配置されているため、ピン３２同士の間に冷媒導入口５２１から流入する冷媒を導くことができる。ピン３２同士の間には、前述したように、ベース板２からわずかに突出したフィン基部３１が存在している。そのため、フィン基部３１によってピン３２同士の間を通過しようとする冷媒を攪拌し、温度境界層の発達を抑制することができる。

また、冷媒導出口５２２を第２方向Ｙにおいて冷媒導入口５２１からずれた位置に配置することにより、冷媒導入口５２１から流入する冷媒を、第１方向Ｘだけではなく第２方向Ｙへも流動させることができる。特に、本例の冷媒導入口５２１はフィン３ａにおける第２方向Ｙの一端に対面する位置に配置されており、冷媒導出口５２２はフィン３ｂにおける第２方向Ｙの他端に対面する位置に配置されている。そのため、冷媒流路４１全体に冷媒の流れを形成し、ヒートシンク１と冷媒との熱交換効率を高めることができる。

更に、ピン３２の断面形状を正方形、長方形または平行四辺形のいずれかとすることにより、冷媒流路４１内に、ピン３２の側面に存在する角部３２１（図２参照）に向かう方向の冷媒の流れを形成することができる。これにより、冷却性能を向上させるとともに、熱交換器４の圧力損失をより低減することができる。

これらの結果、熱交換器４は、圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能を向上させることができる。

（実験例１）
本例では、ヒートシンク１におけるフィン基部３１及びピン３２の寸法を種々変更した場合の圧力損失及び冷却性能を、熱流体解析シミュレーションによって評価する。解析に用いた構造モデルは、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂ、ピン３２同士の間隔Ｗｐ、フィン基部３１の高さＨｂ、ピン３２の高さＨｐ、フィン基部３１の厚みＡ及び第２方向Ｙにおけるピン３２の幅Ｈｐを表１に示す値とした以外は、実施例３と同様である。

なお、表１に示す構造モデルのうち、モデル１、５、９、１３、１７のフィン３は、スリットによって複数のピン３２に区画されておらず、板状を呈している。また、モデル３１のフィンは、フィン基部３１を有さず、ピン３２がベース板２から突出している。

解析に用いた物性値は、具体的には以下の通りである。
・冷媒：５０％エチレングリコール水溶液（温度２０℃、密度１０５７．４ｋｇ／ｍ³、粘度８．８×１０^-4Ｐａ・ｓ、比熱３３４９．２Ｋ／（ｋｇ・Ｋ）、熱伝導度０．４１１Ｗ／（ｍ・Ｋ））
・冷媒温度：２０℃
・冷媒流量：１０Ｌ／ｍｉｎ
・発熱体の発熱量：１００Ｗ

熱流体解析においては、各構造モデルの発熱体搭載面２１に６個の発熱体を配置し、冷媒流路４１内に冷媒を流す。そして、定常状態における圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］の値と、熱抵抗Ｒｔｈ［Ｋ／Ｗ］の値とを算出する。圧力損失ΔＰａの値は、冷媒導入口５２１における冷媒の圧力から冷媒導出口５２２における冷媒の圧力を差し引いた値である。また、熱抵抗Ｒｔｈ［Ｋ／Ｗ］の値は、発熱体搭載面２１の最高温度Ｔｍａｘ［℃］を用い、以下の式により算出される値である。
Ｒｔｈ＝（Ｔｍａｘ−２０）／１００

各構造モデルにおけるΔＰの値及びＲｔｈの値を表１に示す。圧力損失の評価においては、ΔＰの値が６０．０ｋＰａ以下の場合に「評価」欄に記号「Ａ」、６０．０ｋＰａ超え６６．０ｋＰａ以下の場合に記号「Ｂ」、６６．０ｋＰａよりも高い場合に記号「Ｃ」を記載した。そして、ΔＰの値が６６．０ｋＰａ以下である記号「Ａ」及び「Ｂ」の場合を、圧力損失の増大を抑制できているため合格と判定した。

冷却性能の評価においては、Ｒｔｈの値が０．１５５Ｋ／Ｗの場合に「評価」欄に記号「Ａ」、０．１５５Ｋ／Ｗ超え０．１７５Ｋ／Ｗ以下の場合に記号「Ｂ」、０．１７５Ｋ／Ｗよりも高い場合に記号「Ｃ」を記載した。Ｒｔｈの値が０．１７５Ｋ／Ｗ以下である記号「Ａ」及び「Ｂ」の場合を、優れた冷却性能を有するため合格と判定した。

また、「総合評価」欄には、圧力損失及び冷却性能がいずれも「Ａ」の場合に記号「Ａ」、圧力損失及び冷却性能のうち一方が「Ｂ」であり、他方が「Ａ」または「Ｂ」の場合に記号「Ｂ」、圧力損失及び冷却性能のうち少なくとも一方が「Ｃ」の場合に記号「Ｃ」を記載した。

表１に示した構造モデルのうちフィン基部３１同士の間隔Ｗｂが同一である構造モデルについて比較すると、フィン３にスリットを設け、複数のピン３２に分割した構造モデルは、スリットを有しないフィン３に比べて熱抵抗が小さくなる傾向を有していることが理解できる。また、フィン３にスリットを設けた構造モデルの中でも、ピン３２同士の間隔Ｗｐがフィン基部３１同士の間隔Ｗｂよりも狭く、ピン３２の高さＨｐに対するフィン基部３１の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐが０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０を満たす構造モデルは、これらの条件を満たさない構造モデルに比べて圧力損失ΔＰの増大を抑制することができる。

従って、ピン３２同士の間隔Ｗｐがフィン基部３１同士の間隔Ｗｂよりも狭く、ピン３２の高さＨｐに対するフィン基部３１の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐが０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０を満たすヒートシンク１によれば、圧力損失の増大を抑制しつつ冷却性能を向上させることができる。

これらの構造モデルの中でも特に、フィン基部３１の厚みＡが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、ピン３２の幅Ｂが１．１〜１．６ｍｍであり、ピン３２同士の間隔Ｗｐが０．８〜１．８ｍｍであり、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂが１．０〜２．４ｍｍであり、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂに対するピン３２同士の間隔Ｗｐの比Ｗｐ／Ｗｂが０＜Ｗｐ／Ｗｂ＜０．８０を満たす構造モデル６、１０、１１は、これらの条件のいずれかを満たさない構造モデルよりも更に熱抵抗及び圧力損失を低減することができる。

従って、フィン基部３１の厚みＡが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、ピン３２の幅Ｂが１．１〜１．６ｍｍであり、ピン３２同士の間隔Ｗｐが０．８〜１．８ｍｍであり、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂが１．０〜２．４ｍｍであり、フィン基部３１同士の間隔Ｗｂに対するピン３２同士の間隔Ｗｐの比Ｗｐ／Ｗｂが０＜Ｗｐ／Ｗｂ＜０．８０を満たすヒートシンク１によれば、冷却性能を更に向上させることができる。

本発明に係るヒートシンク１、その製造方法及び熱交換器４は、前述した実施例及び実験例の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

１、１０２ ヒートシンク
２ ベース板
２１ 発熱体搭載面
３、３０３ フィン
３１、３３ フィン基部
３２、３４ ピン

Claims (5)

1. 厚み方向から視た平面視において長方形状を呈し、発熱体が搭載される発熱体搭載面を備えたベース板と、
   前記ベース板における前記発熱体搭載面の背面に配置された複数のフィンと、を有し、
   前記フィンは、
   前記ベース板から突出し、前記ベース板の外周端縁におけるいずれか一辺に平行な方向である第１方向に互いに間隔をあけて配置されるとともに、前記第１方向と直交する第２方向に延在したフィン基部と、
   前記フィン基部から突出し、前記第２方向に間隔をあけて配置された複数のピンと、を有しており、
   前記第２方向における前記ピン同士の間隔Ｗｐが前記第１方向における前記フィン基部同士の間隔Ｗｂよりも狭く、
   前記ピンの高さＨｐに対する前記フィン基部の高さＨｂの比Ｈｂ／Ｈｐが０＜Ｈｂ／Ｈｐ＜０．２０を満たす、ヒートシンク。
2. 前記フィンの厚みが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、前記第２方向における前記ピンの幅が１．１〜１．６ｍｍであり、前記ピン同士の間隔Ｗｐが０．８〜１．８ｍｍであり、前記フィン基部同士の間隔Ｗｂが１．０〜２．４ｍｍであり、前記フィン基部同士の間隔Ｗｂに対する前記ピン同士の間隔Ｗｐの比Ｗｐ／Ｗｂが０＜Ｗｐ／Ｗｂ＜０．８０を満たす、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 請求項１または２記載のヒートシンクと、前記ヒートシンクを保持するジャケットと、を備えた熱交換器であって、
   前記ジャケットは、
   前記ヒートシンクの前記フィンに対面して配置される底壁部と、
   前記底壁部の外周縁部から立設され、前記ヒートシンクのベース板を保持する周壁部と、
   前記ベース板、前記底壁部及び前記周壁部によって囲まれる空間からなる冷媒流路と、
   前記周壁部における、複数の前記フィンのうち前記第１方向の一端に配置されたフィンに対面する位置に配置された冷媒導入口と、
   前記周壁部における、複数の前記フィンのうち前記第１方向の他端に配置されたフィンに対面し、かつ、前記第２方向において前記冷媒導入口とは異なる位置に配置された冷媒導出口と、を有する、熱交換器。
4. 前記冷媒導入口は前記フィンにおける前記第２方向の一端に対面する位置に配置されており、前記冷媒導出口は前記フィンにおける前記第２方向の他端に対面する位置に配置されている、請求項３に記載の熱交換器。
5. 請求項１または２に記載のヒートシンクの製造方法であって、
   押出成形により、前記ベース板と、前記ベース板から突出し、板状を呈するとともに押出方向に直角な方向に互いに間隔をあけて配置された複数のフィン予定部とを備えた押出形材を作製し、
   複数の前記フィン予定部に前記押出方向とは異なる方向に延びる直線に沿って切削加工を施して前記フィンを形成する、ヒートシンクの製造方法。

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