JP3884640B2 - ヒートシンク及び発熱体の冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはヒートシンク及び発熱体の冷却構造に関し、さらに具体的には、パワートランジスタその他の高発熱量の電子素子（発熱体）の冷却に適するヒートシンク及びそれらの発熱体の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プレートフィンを使用した一般的な櫛形ヒートシンクは、例えば図４及び図５で示されているように、アルミ又はアルミ合金等の熱伝導性の高い基板２の片面に一定方向に沿って互いに平行に多数のプレートフィン３をほぼ均一なピッチ（隣接するフィンの厚みの中心相互の間隔）で立てたものである。各プレートフィン３は、ロウ付け又はカシメにより基板２に固定されている。
基板２の他の片面に、パワートランジスタその他の発熱素子からなる発熱体４を接触させるか又は定着させ、図示しないファンにより矢印５のように各プレートフィン３の長さ方向に沿って冷却風を流し、発熱体４が発した熱を基板２で拡散するとともにプレートフィン３を通じて大気中に放散することにより、発熱体４を冷却する構造になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のヒートシンクは、基板２に対してプレートフィン３がほぼ均一なピッチで形成されているので、基板２は各部においてほぼ均一に冷却される。しかし、近年の発熱体４の小型化，高性能化によりその発熱密度が増大しているため、基板２による熱伝導のみでは熱拡散が間に合わず、基板２の発熱体４との接触部で局所的に高温部分が生じ、十分に放熱することができなくなっている。
基板２に局所的な高熱部が生じないように熱拡散を促進させるには、基板２の肉厚内にヒートパイプを埋め込み状に貫通させ、これらのヒートパイプにより基板全体の均熱化を図る手段があるが、コストの増大を伴う。
【０００４】
ヒートパイプを使用しないで、基板上に局所的に生じた高熱を拡散放熱する手段として、以下のような手段が提案されている。
その第１は、例えば特開平８−３２１５６９号公報で開示されているもので、基板の片面にピン型フィンを多数直立させたピンフィン型ヒートシンクであり、基板の中央部のピン密度を密にし、基板の外周方向に沿って次第にピン密度を粗にしたものである。
しかしこのヒートシンクは、取付基板に設置された軸流ファンにより、ピン頂部方向からピンフィン及び基板に対して冷却風を流すものであるので、フィン間を通過した冷却風をヒートシンクの四周から排出する必要があり、機器の設計変更を伴うので実用性に乏しかった。
【０００５】
その第２は、特開平１１−３０７７０５号公報で開示されているように、基板に多数のピンフィンを直立させ、基板面と平行な特定方向又は反特定方法に冷却風を流すピンフィン型ヒートシンクである。このヒートシンクは、発熱体が装着された基板部分の風上側又は／及び風下側において、ピンフィンの高さを他の部分よりも小さくするか、当該部分のピンフィンの密度を他の部分より粗にするか、あるいは当該部分のピンフィンをなくするように構成している。
このヒートシンクは、ピンフィン群に対して側方より冷却風を流しながら使用するのであるが、流入方向に沿って真っ直ぐに通過する冷却風の量は少なく、高発熱領域（発熱体を装着した部分の基板の反対側領域）に流入した冷却風の大半は流入方向の側方に逸れ（逃げ）、高発熱部の下流側ではピンフィンに接触する冷却風の量が相対的に小さくなるため、冷却性能が低下する。
また、ピンフィンの高さを小さくした場合には、冷却風の多くの部分は途中でフィン頂部の方向へ逸れ（逃げ）、下流側で風量が少なくなるため、冷却性能が低下する。
前述のような冷却風の逸れ（逃げ）を防止するには、冷却風が逸れる方向に対抗するように風向制御板を設けることが必要と考えられるが、風向制御板の材料費や組立費等のコスト増大を招くことになる。
【０００６】
本発明は前述の各課題を解決するために提案されるもので、その目的とするところは、発熱体が接触する基板部分が他の部分より高熱になった場合でも、当該部分の熱を効率的に放熱して基板全体の均熱化を図ることができ、しかも、冷却風のフィン間摩擦圧力損失（冷却風がフィンに接触することによる圧力損失）の均一化を図ることができる櫛形のヒートシンクを提供することにある。
本発明の他の目的は、ヒートシンクの基板に接触又は定着された発熱体を効率的に放熱することができる発熱体の放熱構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヒートシンクは、前述の課題を解決するため以下のように構成したものである。
すなわち、請求項１に記載のヒートシンクは、基板の片面には一定方向に沿って互いに平行な多数のプレートフィンが立てられており、前記基板は、プレートフィンの長さ方向と直交する方向に沿ってフィンピッチを異にする複数の領域を有し、フィンピッチの最も粗な領域でのフィンピッチに対する各プレートフィン両面の平均面積を１としたときに、他の領域でのフィンピッチに対する各プレートフィン両面の平均面積が０．８〜１．２となるようにプレートフィンを配置したことを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載のヒートシンクは、請求項１のヒートシンクにおいて、前記他の領域の個々においては、各プレートフィンの長さがほぼ同じであることを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載のヒートシンクは、請求項１のヒートシンクにおいて、前記他の領域の個々においては、プレートフィンは長さの小さいものと長さの大きいものとが混在していることを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の発熱体の冷却構造は、前記請求項１〜３のいずれかのヒートシンクの基板の他の片面において、前記他の領域のプレートフィンが立てられている部分と対応する部分に発熱体を接触ないし定着させ、前記各プレートフィンの長さ方向に沿ってフィン相互間に冷却風を流すことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら、本発明に係るヒートシンク及び発熱体冷却構造の好適な実施形態を説明する。
第１実施形態
図１は本発明に係る第１実施形態のヒートシンクの平面図である。
【００１２】
基板２はアルミニウム又はアルミニウム合金その他の熱伝導性の良い方形の金属板であり、基板２の片面には図の上下方向に沿って互いに平行な多数のプレートフィン３がロウ付け又はカシメにより立てられている。
基板２は、前記プレートフィン３の長さ方向と直交する方向に沿ってフィンピッチｐ（隣合うプレートフィンの厚みの中心間の距離）を異にする領域ａ１，ａ２，ａ３とｂ及びｃの五つの領域を有している。この実施形態では、領域ａ１，ａ２，ａ３のフィンピッチｐは等しくかつ最も粗であり、以下領域ｂ，ｃの順でフィンピッチｐが密になっているので、フィンピッチｐの大きさで分けると三種の領域に分かれている。
そして、フィンピッチｐの最も粗な領域ａ１，ａ２，ａ３でのフィンピッチｐに対する各プレートフィン３両面の平均面積を１としたときに、他の領域ｂ，ｃでのフィンピッチｐに対する各プレートフィン３両面の平均面積がそれぞれ０．８〜１．２となるように、プレートフィン３を配置している。
【００１３】
各領域のフィンピッチｐに対する各プレートフィン３両面の平均面積の算出方法について、図１を参照しながら以下説明する。
図１のヒートシンクにおいて、各領域ａ１，ａ２，ａ３及びｂ，ｃの総ピッチ幅は、同図の上方にそれらの各領域として各符号で指示した幅（当該領域におけるフィンピッチｐ×フィン数）とすることもできるが、ここでは便宜上、当該領域における両端部のプレートフィン３の厚みの中心相互の距離を当該領域の総ピッチ幅とした。
したがって、領域ａ１，ａ２，ａ３及びｂ，ｃの総ピッチ幅をそれぞれＢａ１，Ｂａ２，Ｂａ３及びＢｂ，Ｂｃとする。元来、フィンピッチｐが等しい三つの領域ａ１，ａ２，ａ３におけるプレートフィン３の総枚数はＮａ、他の領域ｂ，ｃにおけるプレートフィン３の総枚数はそれぞれＮｂ，Ｎｃであるが、前述の便宜に合わせて、領域ａ１，ａ２，ａ３のプレートフィン３の総枚数をＮａ−３、他の領域ｂ，ｃのプレートフィン３の総枚数をそれぞれＮｂ−１，Ｎｃ−１とする。フィンピッチｐの最も粗な各領域ａ１，ａ２，ａ３のプレートフィン３の長さはそれぞれＬａであり、他の領域ｂ，ｃにおけるプレートフィン３の長さはそれぞれＬｂ，Ｌｃである。各領域におけるプレートフィン３の高さは等しくそれぞれＨとする。
【００１４】
以上を基礎として、領域ａ１，ａ２，ａ３におけるプレートフィン３の両面の総面積Ａａと、他の領域ｂ，ｃにおけるプレートフィン３の両面の総面積Ａｂ，Ａｃをそれぞれ以下の演算式で求める。
Ａａ＝Ｌａ×Ｈ×２（Ｎａ−３）
Ａｂ＝Ｌｂ×Ｈ×２（Ｎｂ−１）
Ａｃ＝Ｌｃ×Ｈ×２（Ｎｃ−１）
そして、フィンピッチｐの最も粗な領域ａ１，ａ２，ａ３の単位ピッチ幅当たりの各プレートフィン３両面の平均面積を、Ａａ／（Ｂａ１＋Ｂａ２＋Ｂａ３）の演算式で求める。この演算式で求められた値を１としたときに、Ａｂ／Ｂｂ，Ａｃ／Ｂｃの各演算式で求められる他の領域ｂ，ｃにおける単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積が、それぞれ０．８〜１．２の範囲内となるように、例えば各領域ｂ，ｃのプレートフィン３の長さを調整する。
【００１５】
第１実施形態のヒートシンクを使用して発熱体を冷却するするには、基板２のフィンピッチｐが密な領域ｂ，ｃのプレートフィン３が立てられている部分の反対側に発熱体４を接触ないし定着させ、図１の矢印５又はその逆方向に各プレートフィン３の長さ方向に沿ってフィン相互間に冷却風を流す。
各プレートフィン３相互間に冷却風の流すには、冷却風の風上側に吹き込みファンを設置するか、あるいは、冷却風の風下側に吸い込みファンを設置する。
【００１６】
第１実施形態のヒートシンク及び発熱体の放熱構造によれば、基板２の発熱体４直下のプレートフィン３のフィンピッチｐが小さくなっており、温度上昇が顕著な領域ｂ，ｃでは局所的な放熱面積が増大し、これらの領域ｂ，ｃからより多くの放熱が集中的に行われるので、高温発熱部分でより高効率の放熱が可能となる。
【００１７】
通常単純に他の部分よりもフィンピッチｐを狭くした領域ｂ，ｃを形成した場合には、フィンピッチｐの密な領域ｂ，ｃではプレートフィン３と空気との接触面積が大きくなるのでその分圧力損失（フィン間摩擦圧力損失）が増大し、冷却風はフィンピッチｐの広い方の領域ａ１，ａ２，ａ３等に流れ易くなり、フィンピッチｐの狭い領域ｂ，ｃでは十分な風量を確保し難くなる。
しかし、前記実施形態では、フィンピッチｐが最も広い領域ａ１，ａ２，ａ３の単位ピッチ幅あたりのフィン両面の平均面積を１としたときに、他の領域ｂ，ｃの単位ピッチ幅あたりのフィン両面の平均面積が０．８〜１．２となるようにプレートフィン３のフィン配置を設計しているため、フィンピッチｐが領域間で異なっていても冷却風とフィン両面の摩擦によって生じるフィン間摩擦圧力損失は大差がなくなり、フィン間の通風量を平均的に確保することができる。このように、フィンピッチｐが狭い領域ｂ，ｃでの冷却風の風量をフィンピッチｐが広い領域ａ１，ａ２，ａ３とほぼ同様に確保し、かつ、発熱体４の取付部位直下の放熱面積を局所的に従来の櫛形ヒートシンクよりも大きくできることから、高温部位からの放熱が効率的に行われ、ヒートシンク全体の放熱性能を向上させることができる。
【００１８】
図１の矢印５の方向又はその逆方向へ冷却風を送風する場合、フィンピッチｐの密な領域ｂ，ｃでは、プレートフィン３の長さが短く、送風される冷却風は領域ｂ，ｃの各プレートフィン３と接触するまでは（風上側では）熱を吸収せず温度はあまり上がらないので、その低温の冷却風はフィンピッチの密な領域ｂ，ｃにおいて発熱体４の直下に流入し易い。すなわち、フィンピッチの密な領域ｂ，ｃでは、発熱体４により上昇した当該部分の温度とは温度差の大きい冷却風が通過するので、ヒートシンクの当該部分に対してより大きな温度差の冷却風により、ヒートシンクの当該部分から冷却風への放熱は大きくなる。
【００１９】
前記実施形態のヒートシンクでは、前記作用効果の説明から明らかなように、フィンピッチｐが最も粗な領域ａ１，ａ２，ａ３の単位ピッチ幅あたりの各プレートフィン３両面の平均面積が１であるときに、他の領域ｂ，ｃの単位ピッチ幅あたりのフィン両面の平均面積が０．８〜１．２となるようにプレートフィン３のフィン配置を設計することが必要である。
前者を１としたときに後者が０．８未満では、領域ｂ，ｃでのプレートフィン３のフィンピッチｐが粗に過ぎるか、あるいは当該領域ｂ，ｃでのプレートフィン３の長さが小さ過ぎて、当該領域での高効率の放熱が期待できないおそれがある。
他方、前者を１としたときに後者が１．２を超えると、当該領域ｂ，ｃでのプレートフィン３のフィンピッチｐが密に過ぎ、あるいは当該領域でのプレートフィン３の長さが大きすぎて、冷却風のフィン間摩擦圧力損失が増大し、前述のような効果が発揮できないおそれがある。
【００２０】
第２実施形態
図２は本発明に係るヒートシンク、及び発熱体の放熱構造の第２実施形態を示す平面図である。
この実施形態では、熱伝導性の良い方形の金属板からなる基板２の片面には、図の上下方向に沿って互いに平行な多数のプレートフィン３が立てられている。
基板２の片面には、プレートフィン３の長さ方向と直交する方向に沿って、フィンピッチｐの最も粗な二つの領域ａ１，ａ２と、それらの中間に位置するようにフィンピッチｐの密な一つの領域ｂとが形成されている。
フィンピッチｐの密な領域ｂにおける各プレートフィン３の長さＬｂを、フィンピッチｐの粗な領域ａ１，ａ２のプレートフィン３の長さＬａよりも一様に短くすることにより、フィンピッチｐの最も粗な領域ａ１，ａ２の単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積を１としたときに、他の領域ｂの単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積が０．８〜１．２となるように構成している。
【００２１】
第２実施形態のヒートシンク及び発熱体の放熱構造において、基板２に対する発熱体４の取付位置や冷却風の通風方向、及びその他の構成や作用効果は、第１実施形態のヒートシンク及び発熱体の放熱構造とほぼ同様であるので、それらの説明は省略する。
【００２２】
第３実施形態
図３は本発明に係るヒートシンク、及び発熱体の放熱構造の第３実施形態を示す平面図である。
熱伝導性の良い方形の金属板からなる基板２の片面には、図の上下方向に沿って互いに平行な多数のプレートフィン３が立てられている。
基板２のフィン形成面には、プレートフィン３の長さ方向にと直交する方向に沿って、フィンピッチｐの最も粗な二つの領域ａ１，ａ２と、それらの中間に位置するようにフィンピッチｐの密な一つの領域ｂとが形成されている。
フィンピッチｐの密な領域ｂでは、フィンピッチｐの粗な領域ａ１，ａ２におけるプレートフィン３の長さＬａよりも、長さＬｂ１がはるかに短いプレートフィン３と、前記長さＬａよりも長さＬｂ２がやや短いプレートフィン３とを混在させることにより、フィンピッチｐの最も粗な領域ａ１，ａ２の単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積を１としたときに、他の領域ｂの単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積が０．８〜１．２となるように構成している。
【００２３】
第３実施形態において、基板２に対する発熱体４の取付位置は、プレートフィン３のフィンピッチｐが密である領域ｂにおいてプレートフィン３が最も集中設置されている部位（フィンピッチｐの最も密な部位）の反対側である。
基板２へ図３のように発熱体４を取り付け、図３の矢印５の方向又はその逆方向へ冷却風を送風する場合、フィンピッチｐの密な領域ｂでは、風上側においてフィンピッチが極めて粗になっていて、当該部分における基板２とプレートフィン３とからなるヒートシンクの温度はあまり上昇していないので、その低温の冷却風はフィンピッチの密な領域ｂにおいて発熱体４の直下に流入し易い。すなわち、フィンピッチの密な領域ｂでは、発熱体４により上昇した当該部分の温度とは比較的温度差の大きい冷却風が通過するので、当該部分のヒートシンクに対してより大きな温度差の冷却風により、ヒートシンクから冷却風への放熱は相対的に大きくなる。
第３実施形態のヒートシンク及び発熱体の放熱構造のその他の構成や作用効果は、第１実施形態の場合と同様であるのでそれらの説明は省略する。
【００２４】
その他の実施形態
第３実施形態（図３）のように、フィンピッチｐが密である領域に、長さの長いプレートフィン３と長さの短いプレートフィン３とを混在させて設置する場合においては、異なる長さパターンは二種でなく三種以上であっても実施することができるほか、長さパターンの異なるプレートフィン３は同数でなく異なる数であっても実施することができる。これらの場合において、長さの最も大きいプレートフィン３は、フィンピッチｐの最も粗な領域のプレートフィン３と同じであっても実施することができる。
前記各実施形態では、フィンピッチｐの最も粗な領域の単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積が１であるときに、他の領域ｂの単位ピッチ幅当たりのプレートフィン３両面の平均面積が０．８〜１．２となるようにするため、フィンピッチｐの密な領域のプレートフィン３の全部又は一部のフィンの長さを調整し、各領域のフィン高さをほぼ等しくしている。しかし、ヒートシンク自体や機器類の冷却スペースの都合等により、冷却性能に影響がない範囲で高さの異なるプレートフィンを設置しても差し支えない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係るヒートシンク及びこれを使用した発熱体の放熱方法によれば、基板のフィンピッチが小さい領域のプレートフィンが設置されている部位の反対側に発熱体を取り付け、プレートフィンの長さ方向に沿って冷却風を流すことにより、温度上昇が顕著な領域で局所的に放熱面積が増大し、これらの領域からより多くの放熱が集中的に行われるので、高温発熱部分でより高効率の放熱が可能となる。
【００２６】
また、フィンピッチが最も粗な領域の単位ピッチ幅あたりの各プレートフィン両面の平均面積を１としたときに、他の領域の単位ピッチ幅あたりのプレートフィン両面の平均面積が０．８〜１．２となるようにプレートフィンのフィン配置を設計しているため、フィンピッチが領域間で異なっていても冷却風とフィン両面の摩擦によって生じるフィン間摩擦圧力損失はそれらの領域間で大差がなくなり、フィン間の通風量を平均的に確保することができる。このように、フィンピッチが密な領域での冷却風の風量をフィンピッチが最も粗な領域とほぼ同様に確保し、かつ、発熱体の取付部位直下の放熱面積を局所的に従来の櫛形ヒートシンクよりも大きくできることから、高温部位からの放熱が効率的に行われ、ヒートシンク全体の放熱性能を向上させることができる。
【００２７】
さらに、フィンピッチの密な領域では、送風される冷却風はヒートシンクの当該部分と接触するまでは熱を少ししか吸収せず温度があまり上がらないので、その低温の冷却風はフィンピッチの密な領域において発熱体の直下に流入し易い。すなわち、フィンピッチの密な領域では、発熱体により上昇した当該部分の温度とは温度差の大きい冷却風が通過するので、ヒートシンクの当該部分に対してより大きな温度差の冷却風により、ヒートシンクの当該部分から冷却風への放熱はより大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートシンクと発熱体の冷却構造の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】本発明に係るヒートシンクと発熱体の冷却構造の第２実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係るヒートシンクと発熱体の冷却構造の第３実施形態を示す平面図である。
【図４】従来の櫛形ヒートシンクと発熱体の冷却構造の一形態を示す斜視図である。
【図５】図４のヒートシンクと発熱体の冷却構造の平面図である。
【符号の説明】
２ 基板
３ プレートフィン
４ 発熱体
５ 冷却風の方向を示す矢印
ａ１，ａ２，ａ３，ｂ，ｃ 領域
ｐ フィンピッチ
Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｂ１，Ｌｂ２，Ｌｃ プレートフィンの長さ
Ｂａ１，Ｂａ２，Ｂａ３，Ｂｂ，Ｂｃ 領域の幅

Claims (4)

1. 基板の片面には一定方向に沿って互いに平行な多数のプレートフィンが立てられており、
   前記基板は、プレートフィンの長さ方向と直交する方向に沿ってフィンピッチを異にする複数の領域を有し、
   フィンピッチの最も粗な領域でのフィンピッチに対する各プレートフィン両面の平均面積を１としたときに、他の領域でのフィンピッチに対する各プレートフィン両面の平均面積が０．８〜１．２となるようにプレートフィンを配置した、
   ことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記他の領域の個々においては、各プレートフィンの長さがほぼ同じであることを特徴とする、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記他の領域の個々においては、プレートフィンは長さの小さいものと長さの大きいものとが混在し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。
4. 前記請求項１〜３のいずれかのヒートシンクの基板の他の片面において、前記他の領域のプレートフィンが立てられている部分と対応する部分に発熱体を接触ないし定着させ、前記各プレートフィンの長さ方向に沿ってフィン相互間に冷却風を流すことを特徴とする、発熱体の冷却構造。

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