JP3936940B2

JP3936940B2 - ヒートシンクおよび冷却装置

Info

Publication number: JP3936940B2
Application number: JP2004053246A
Authority: JP
Inventors: 博千葉; 一成中尾; 博章石川; 英士山内; 幸司中島; 庸介杉浦; 哲史石川; 博敏前川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2005244014A

Description

本発明はシートシンク、および該ヒートシンクを備えた冷却装置に関する。

動作時の発熱量の大きな半導体デバイス（例えば半導体パワーモジュール）等では、発熱体（例えばＩＢＧＴ）で発生する熱を逃がすためにヒートシンクが用いられている。ヒートシンクは、通常、発熱体が載置されるベースと、ベースにより支持された複数のフィンを備える。フィンは、伝熱面積を増やしてヒートシンクの冷却能力を上げるためのもので、冷媒流路内に配置され、これにより発熱体で発生した熱をベースおよびフィンを介して冷媒に伝達させる。

かかるヒートシンクとして、例えば特許文献１には、発熱体であるスイッチング素子の接合面の裏面と該裏面に対向する壁面とにフィンを設け、裏面と対向壁面との間にジグザグ状の冷媒流路を形成したものが開示されている。
特開２００２−１４１１６４号公報

しかしながら、上記構成では、フィンの背面領域に剥離渦が発生し、フィン背面での熱伝達率が極端に低くなる。

そこで、本発明は、伝熱面積を増やす目的で設けたフィンなどの突起の背面での熱伝達率が高く、したがって冷却能力の高いヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明はまた、冷却能力の高いヒートシンクを備えた冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクは、
発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
ベースの第１の面と反対側の冷媒流路の一部を構成する第２の面に形成された一つまたはそれ以上の突起とを備え、
突起には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面が形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第２の面部分の法線方向と鋭角をなすように形成されたことを特徴とする。

本発明に係る冷却装置は、
冷媒流路を挟んで両側に配置された一対のヒートシンクを備え、
各ヒートシンクは、
発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
ベースの第１の面と反対側の冷媒流路の一部を構成する第２の面に形成された一つまたはそれ以上の突起とを有し、
突起には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面が形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第２の面部分の法線方向と鋭角をなすように形成されたことを特徴とする。

一般に、冷媒が突起を通過すると冷媒主流方向に沿って回転軸を有する一対の縦渦が発生する。本発明によれば、傾斜面は、冷媒主流方向から見て観察される位置であって且つ突起近傍の第２の面部分（第２の面が平坦であれば第２の面全体）に対し傾いて形成されているため、回転半径の異なる非対称の一対の縦渦が発生する。その結果、回転半径の大きな縦渦により、突起の背面側のよどみ領域が減少し、突起の背面での熱伝達率が向上する。

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。以下の説明では、同一または類似の構成要素は、複数の図面にわたって同一の符号または同一の符号に適当な添字を付して表す。

実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るヒートシンクの実施の形態１を示す。このヒートシンク２は、発熱体３が載置される（発熱体と熱的に接続される）平坦面（第１の面）４ａを有する板状のベース４と、ベース４の平坦面４ａと反対側の平坦面（第２の面）４ｂ上に設けられマトリックス状に配置された同一形状の複数（図の例では、５×４＝２０個）の突起６とを備える。平坦面４ｂは冷媒流路の一部を形成し、突起６は冷媒流路内に配置される。以下の説明では、ベース４はＸＹ平面と平行に位置し、突起の配列方向をＸ方向およびＹ方向とし、ベース４の平坦面４ｂの法線をＸ，Ｙ方向と垂直なＺ方向とする。

ヒートシンク２の動作時には、冷媒を＋Ｙ方向に流すようにしてある。冷媒は、例えば、冷却水などの液体、冷風やフロンなどの気体が用いられる。冷媒の漏れを防ぐために、通常は、冷媒の流れ方向に関してヒートシンク２の上流および下流に配管を設けるとともに、ベース４とともにＹ方向両端を除いて閉鎖した空間を形成する板を設けて、冷媒を流すようにする。しかしながら、空冷式の場合、冷風を配管内に流す代わりに、突起６を大気に露出させることも可能である。

各突起６は、冷媒の主流方向（＋Ｙ方向）から見て右側となる位置に傾斜面６ａが形成されるよう、図１（ｃ）に示すように直方体の一部を切断してなる。詳しくは、傾斜面６ａは、直方体の同時に見える３つの平面、すなわち−Ｙ側のＸＺ平面、（＋Ｚ側の）ＸＹ平面、＋Ｘ側のＹＺ平面の各対角線を含む仮想平面で直方体を切断して形成されるもので、冷媒主流に対し迎え角を有する（言い換えれば、冷媒主流方向から見て傾斜面６ａが見える。）とともに、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の３軸全てに対し傾斜する（傾斜面６ａとＸ，Ｙ，Ｚ軸が鋭角をなす。）ようになっている。

ヒートシンク２のベース４と突起６は、例えば銅やアルミニウムなどの金属からなる平板を切削加工することにより一体的に形成することができる。

かかる構成を備えたヒートシンク２の利点を説明するために、比較例として図２に示すヒートシンク２’について言及する。このヒートシンク２’は、ベース４’上の各突起６’に傾斜面を形成しない以外はヒートシンク２と同様の構成を備える。ヒートシンク２’において、冷媒を＋Ｙ方向に流すと、突起６’の背面６ｂ’（＋Ｙ側のＺＸ平面）には、剥離渦１０が発生する。この剥離渦１０は、背面６ｂ’と上面６ｃ’（ＸＹ平面）との境界をなす辺６ｄ’近傍を起点としたＸ方向に沿った回転軸を有する横渦である。したがって、突起６’の背面６ｂ’側にはよどみ領域１２が形成されるため、突起６’の背面６ｂ’での熱伝達率が低下するとともに剥離渦１０による圧力損失が増加する。

これに対し、本実施形態に係るヒートシンク２では、図３に示すように、冷媒を＋Ｙ方向に流すと、各突起６の下流側の２つの頂点（＋Ｙ側の頂点）６ｅ，６ｆ近傍を起点としてそれぞれ、冷媒主流方向（＋Ｙ方向）に沿った回転軸を有する非対称の縦渦１４，１６が発生する。冷媒主流方向から見て、縦渦１４の回転方向は時計回り方向、縦渦１６の回転方向は反時計回り方向である。突起６には冷媒主流方向から見て右側に傾斜面６ａが形成されているため、傾斜面６ａに沿って流れ頂点６ｅを通過する冷媒の流量が、上面６ｃ（ＸＹ平面）に沿って流れ頂点６ｆを通過する冷媒の流量に比べて多くなる。また、傾斜面６ａに沿って流れる冷媒に、Ｙ方向を軸とし冷媒主流方向から見て時計回り方向へ旋回する速度成分が発生する。その結果、右側の縦渦１４は左側の縦渦１６に比べて回転半径が大きくなる。したがって、この回転半径の大きな右側の縦渦１４により、突起６の背面６ｂ側に生じるよどみ領域を減少させることができるため、突起６の背面６ｂも伝熱面として利用することができる。また、縦渦１４は、横渦と異なり螺旋渦として下流方向に進行するので、ベース４の平坦面４ｂへの冷媒の吹き付けが繰り返し行われ、その結果、平坦面４ｂでの熱伝達率が増加する。なお、図２に示すヒートシンク２’においても、頂点６ｅ’，６ｆ’から左右対称に縦渦１４’，１６’が発生するが、これら縦渦１４’，１６’は回転半径がほぼ同じで小さく、したがって、よどみ領域１２を減少する効果は有さない。本実施形態では、左側の縦渦１６が縦渦１４’，１６’よりも回転半径が小さい代わりに、右側の縦渦１４が縦渦１４’，１６’よりも回転半径が大きくなる。

実施の形態２．
図４は、本実施形態に係るヒートシンクを用いた冷却装置を示す。本実施形態は、冷媒流路を挟んで両側に、一組のヒートシンク２Ａ，２Ｂを設けたものである。ヒートシンク２Ａ，２Ｂは、実施の形態１のヒートシンク２と同様の構成を有する。すなわち、ヒートシンク２Ａ，２Ｂはそれぞれ、発熱体３Ａ，３Ｂを載置するベース４Ａ，４Ｂと、ベース４Ａ，４Ｂ上にマトリックス状に配置された複数の突起６Ａ，６Ｂとを有し、各突起６Ａ，６Ｂはそれぞれ、冷媒主流に対し迎え角を有するとともにＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸全てに対し傾斜した面６Ａａ，６Ｂａを有する。突起６Ａと６Ｂは、Ｚ方向に関して対向して配置されている。

本実施形態では、実施の形態１と同様に、突起６Ａ，６Ｂで発生した回転半径の大きな縦渦１４Ａ，１４Ｂ（図の見易さのため、図４（ａ）では縦渦１４Ｂの一部のみ図示されている。）により突起６Ａ，６Ｂの背面６Ａｂ，６Ｂｂ側のよどみ領域を減少させることができるので、該背面６Ａｂ，６Ｂｂを伝熱面として利用することができる。また、縦渦１４Ａ，１４Ｂは、螺旋渦として下流方向に進行するので、ベース４Ａ，４Ｂの平坦面４Ａｂ，４Ｂｂへの冷媒の吹き付けが繰り返し行われ、その結果、平坦面４Ａｂ，４Ｂｂで熱伝達率が増加する。このように、ヒートシンク２Ａ，２Ｂのベース４Ａ，４Ｂが冷媒流路の一部をなす冷却装置の熱伝達特性を高めることができる。

実施の形態３．
図５は、本実施形態に係るヒートシンクを用いた冷却装置を示す。本実施形態は、実施の形態２に類似しているが、ヒートシンク２ＡのＸ方向（紙面垂直方向）に沿った複数の突起６Ａからなる各突起列を、冷媒の主流方向（Ｙ方向）に関してヒートシンク２ＢのＸ方向に沿った複数の突起６Ｂからなる各突起列の間に配置するとともに、冷媒流路の高さ（Ｚ方向長さ）をＨ、突起６Ａの高さをＨ_Ａ、突起６Ｂの高さをＨ_Ｂとしたときに、Ｈ＜Ｈ_Ａ＋Ｈ_Ｂとなっている点が異なる。

本実施形態では、実施の形態２で説明した効果に加えて、流路高さが低くなるため、冷媒の流速が増加し、したがって、回転半径の大きな縦渦１４Ａ，１４Ｂによるベース平坦面４Ａｂ，４Ｂｂへの冷媒の吹き付けによる伝熱を促進できる。また、ヒートシンク２Ｂの突起６Ｂで発生する縦渦１４Ｂは、冷媒をベース平坦面４Ｂｂに吹き付けるだけでなく、ヒートシンク２Ａのベース平坦面４Ａｂにも吹き付けるため、該平坦面４Ａｂの熱伝達率も増加する。また、逆にヒートシンク２Ａの突起６Ａで発生する縦渦１４Ａは、冷媒をベース平坦面４Ａｂに吹き付けるだけでなく、ヒートシンク２Ｂのベース平坦面４Ｂｂにも吹き付けるため、該平坦面４Ｂｂの熱伝達率も増加する。このように、ヒートシンク２Ａ，２Ｂのベース４Ａ，４Ｂが冷媒流路の一部をなす冷却装置の熱伝達特性を高めることができる。

実施の形態４．
図６は、本発明に係るヒートシンクの実施の形態４を示す。本実施形態に係るヒートシンク２Ｃは、実施の形態１のヒートシンク２と類似しているが、Ｘ方向に複数の突起６が並んでなる突起列２０が冷媒主流方向（Ｙ方向）に対して千鳥状に配置されている点が異なる。

本実施形態では、冷媒主流方向に関して上流側に位置する同じ列の隣り合う２つの突起、例えば６_１，６_２の間を通過することで加速された冷媒流れ１８が、下流側に位置する突起６_３に向かうため、突起６_３で発生する回転半径の大きな縦渦１４Ｃにより冷媒がベース４の平坦面４ｂに吹き付けられる速度が増加し、その結果、平坦面４ｂでの熱伝達率を増加させることができる。

突起列を千鳥状に配置する構成は、実施の形態３のように対向するベース６Ａ，６Ｂに突起列を設けた場合（図５）にも適用できる。すなわち、ベース６Ａの冷媒主流方向に関して上流側に位置する同じ列の隣り合う２つの突起６Ａの間を通過することで加速された冷媒流れが、下流側に位置するベース６Ｂの突起６Ｂに向かうため、あるいは、ベース６Ｂの冷媒主流方向に関して上流側に位置する同じ列の隣り合う２つの突起６Ｂの間を通過することで加速された冷媒流れが、下流側に位置するベース６Ａの突起６Ａに向かうため、突起で発生する回転半径の大きな縦渦１４Ａ，１４Ｂにより冷媒がベース６Ａ，６Ｂに吹き付けられる速度が増加し、その結果、平坦面４Ａｂ，４Ｂｂでの熱伝達率を増加させることができる。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明はこれらに限らず、種々改変可能である。例えば、上記実施形態では、各突起に冷媒の主流方向から見て右側に傾斜面を設けたが、左側に設けてもよい。また、全ての突起に関して同じ側に傾斜面を設ける必要はなく、突起は同一形状でなくてもよい。突起の傾斜面は、直方体の同時に見える３つの対角線を含む仮想平面で切断して形成される面である必要はなく、冷媒主流に対し迎え角を有するとともにＸ，Ｙ，Ｚ方向に対し傾斜する面であれば、例えば図７（ａ）のように、突起６Ｄの傾斜面６Ｄａの頂点６ｇ，６ｈ，６ｉは、直方体の頂点６ｊ，６ｋ，６ｍと一致しなくてもよい。但し、この場合、傾斜面６Ｄａの頂点６ｇおよび直方体の頂点６ｊからそれぞれ冷媒主流方向から見て時計回り方向に回転する縦渦が発生するが、上記実施形態のヒートシンクで発生する縦渦に比べてその回転半径は小さいため、上記実施形態のように、傾斜面６Ｄａの頂点６ｇおよび直方体の頂点６ｊを一致させるのが好ましい。

また、突起が形成されるベースの第２の面は、平坦である必要はなく、例えば湾曲していてもよい。このように、突起の傾斜面が冷媒主流に対し迎え角を有し（言い換えれば、冷媒主流方向から見て傾斜面が見える位置にある。）、且つ、該傾斜面と冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第２の面部分の法線方向と鋭角をなす構成（上記実施形態の場合、該交差線は直線で、第２の面である平坦面と９０°以外の角である鋭角をなしている。）は、本発明の範囲に含まれる。

さらに、突起は、直方体から形成する必要はなく、例えば図７（ｂ）に示すような円柱、図７（ｃ）に示すような円錐、図７（ｄ）に示すような多角錐をＸ，Ｙ，Ｚ方向に対し傾斜する平面で切断してそれぞれ傾斜面６Ｅａ，６Ｆａ，６Ｇａを有する突起６Ｅ，６Ｆ，６Ｇを形成してもよい。

加えて、突起の傾斜面は平滑面である必要はない。この場合、例えば、銅やアルミなどの平板に直方体を切削加工してから放電加工により傾斜面を形成してもよいし、平板を化学エッチングにより傾斜面を有する突起を形成してもよい。これらの場合、傾斜面を切削加工する場合に比べて安価にヒートシンクを作製できる利点を有する。

なお、ベースと突起が別体の構成も本発明の範囲に含まれる。

（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態１を示す斜視図。（ｂ）図１（ａ）のＩｂ方向から見たヒートシンクの側面図。（ｃ）図１（ａ）の各突起を示す拡大斜視図。（ａ）比較例としてのヒートシンクおよび冷媒流れを示す、図１（ｂ）に類似した図。（ｂ）図２（ａ）の各突起およびその周囲の冷媒流れを示す図。（ａ）図１のヒートシンクおよび冷媒流れを示す、図１（ｂ）に対応する図。（ｂ）図３（ａ）の各突起およびその周囲の冷媒流れを示す図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態２を備えた冷却装置を示す斜視図。（ｂ）図４（ａ）のＩＶｂ方向から見た冷却装置の側面図。本発明に係るヒートシンクの実施の形態３を備えた冷却装置を示す側面図。本発明に係るヒートシンクの実施の形態４を示す斜視図。本発明に係るヒートシンクのベースに設けられる突起の他の形状の例を示す拡大斜視図。

符号の説明

２ヒートシンク
３発熱体
４ベース
４ａ第１の面
４ｂ第２の面
６突起
６ａ傾斜面
１４回転半径の大きな縦渦
１６回転半径の小さな縦渦

Claims

発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
ベースの上記第１の面と反対側の冷媒流路の一部を構成する第２の面に形成された一つまたはそれ以上の突起とを備え、
突起には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面が形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第２の面部分の法線方向と鋭角をなすように形成されたことを特徴とするヒートシンク。
複数の上記突起が冷媒主流方向に直交する方向に沿って並んだ突起列を冷媒主流方向に沿って複数有し、
複数の突起列は、冷媒主流方向に沿って千鳥状に配置されることを特徴とする請求項１のヒートシンク。
冷媒流路を挟んで両側に配置された一対のヒートシンクを備え、
各ヒートシンクは、
発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
ベースの上記第１の面と反対側の冷媒流路の一部を構成する第２の面に形成された一つまたはそれ以上の突起とを有し、
突起には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面が形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第２の面部分の法線方向と鋭角をなすように形成されたことを特徴とする冷却装置。
各ヒートシンクは、複数の上記突起が冷媒主流方向に直交する方向に沿って並んだ突起列を冷媒主流方向に沿って一つまたはそれ以上有し、
一方のヒートシンクの突起列は、冷媒主流方向に関して他方のヒートシンクの突起列の間に配置され、
他方のヒートシンクの突起列は、一方のヒートシンクの突起列に対し千鳥状に配置されることを特徴とする請求項３の冷却装置。