JP3992953B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンクに係わり、さらに詳しくはファン等によって流動する空気等の冷却流体により発熱部位を強制冷却するためのドライタイプのヒートシンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インバータ、工作機械等の各種発熱部位には、ヒートシンクと称される熱交換器を設け、そのヒートシンクにファン等により空気等の冷却流体を強制的に流通させて冷却するようにしたものが知られている。ヒートシンクは熱伝導率の良い金属で構成され、なるべく表面積を大きくして冷却媒体との接触面積を多くして、各種発熱素子の温度上昇を抑えるように構成されている。
【０００３】
以下、従来のこの種のヒートシンクの例について説明する。
図１３〜図１５は従来のヒートシンクの構成を説明する正面図である。
図１３に示す従来のヒートシンク１１１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１１２と、基板１１２上に重層されている波板状の多数の板曲げ縦フィン体１１３ａを有するフィン本体１１３とから構成されている。このヒートシンクは、高さが高くなるに従い板曲げフィンにおける熱交換効率が大幅に低下するため、大きな熱量を放散させる目的には不向きである。
【０００４】
図１４に示す従来のヒートシンク１２１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１２２と、基板１２２上に取りつけた押出し材からなる格子状のフィン本体１２３から構成されている。
このヒートシンクは、押出し材の肉厚が通常０．６ｍｍ程度が下限であるので、フィン体での圧力損失が大きく、空気等の必要な冷却流体が得られないため冷却能力が低くなり、ヒートシンク全体としての冷却効率を高めることが困難であった。
【０００５】
図１５に示す従来のヒートシンク１３１は、サイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１３２と、基板１３２上に立設されている平板状の多数の縦フィン体１３３ａを有するフィン本体１３３とから構成されている。そして各縦フィン体１３３ａは、各側面を相互に対向するようにして空気等の所望の冷却流体の流通方向（図では紙面に垂直な方向）に対向して、適度な間隔Ｇを保ってほぼ並行に整列配置されている。
【０００６】
ところで、近年種々の製品の小型化・高性能化が進み、ヒートシンクも一層の小型化・高性能化が求められている。ヒートシンクの小型化・高性能化を図るためには、フィン本体の表面積を拡大したり、各フィン体の間隔を狭くして、フィン体の数を増加させてフィンを高密度配置する方法が考えられる。フィンを高密度配置するような構造にしても、フィンの数を増加させるには限界があり、フィンの間隔を狭くすると、各フィンの間を通過する空気等の冷却流体の通風抵抗（圧力損失）が大きくなり、結果としてフィン体を通過する風量が減少し、冷却効率を向上させることができないという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、フィンの配置を工夫しただけでは冷却性能の向上に限界があり、昨今の車両用制御機器のような大熱量を発生する制御素子用のヒートシンクでは、要求される冷却性能を満足させることができないことが判明した。
本発明の目的は、大熱容量素子用のヒートシンクとして有用な、フィン本体の通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え十分な流量が確保でき、結果としてヒートシンク全体の放熱機能を高め、冷却効率を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のヒートシンクは、裏面に発熱素子を装着する基板と、この基板に立設した複数の縦フィンを有し、相隣接する前記縦フィンの間に厚さが縦フィン厚さの５〜２０％の横フィンを設け、基板と接する部分の横フィンであって、冷却流体導入面にある前記横フィンの一部に切り欠き部を設けたヒートシンクとした。
基板と縦フィン及び横フィンは、いずれもアルミニウム等の熱伝導性の良い金属で形成し、互いにろう付け加工をして組み立て、良熱伝導性を確保する。縦フィンはやや肉厚の金属板で構成し、基板からの熱を縦フィン全面に伝えるようにする。横フィンは極薄板ないしは金属箔でなるべく薄く構成し、表面積を大きくして冷却流体との接触機会を増やして、熱交換効率の向上を図るようにする。
特に、ヒートシンク寸法が大きくなる場合には、横フィンの一部に切り欠き部を設けることにより、フィン体深部においても冷却流体の圧力損失が低く、十分な流量が確保できるのでヒートシンク深部の冷却効率を向上させることが可能となる。
ヒートシンクをこのように構成することにより、フィン体深部においても冷却流体の圧力損失を低く抑え、十分な流量が確保でき、結果としてヒートシンク全体の放熱機能を高め、冷却効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
上記の性能を最大限に発揮させるためには、前記各縦フィンのピッチ（Ｐ）と縦フィンの厚さ（ｔ）との比（Ｐ／ｔ）を３〜６とするのが好ましい。
【００１０】
本発明のヒートシンクでは、前記切り欠き部の高さを縦フィン高さの１０〜５０％、前記切り欠き部の長さは縦フィンの長さの１０〜７０％とするのが適当である。
切欠き部分は１段のみでなく、多段にしてフィン体深部に設けても良い。
本発明のヒートシンクでは、基板裏面に複数の発熱素子を搭載する場合、互いに隣接する素子間の間隔を風上−風下方向の素子間では２５〜１００ｍｍ、風上−風下と直角方向の素子間では５〜１５ｍｍとすることが好ましい。このような配置にすれば、大容量の発熱素子にも対応可能である。
以下図面を使用して本発明をさらに詳細に説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１から図４は本発明のヒートシンクの第１の実施形態を示すものであり、図１はその外観斜視図を、図２は図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面図、図３は図１の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図、図４は図２の一部拡大図を示す。
なお、以下の図においては構造を分かり易く説明するため、縮尺は必ずしも正確ではない。
図１から図３に示すように、本実施形態のヒートシンク１１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品等の素子１６が装着される、例えば縦寸法Ｌ及び横寸法Ｗがそれぞれ５５０ｍｍ程度の正方形状の基板１２と、基板１２の一方の面（図１では上方の面）に立設させた多数の縦フィン体１３ａを有するフィン本体１３と、この互いに隣接する縦フィン体１３ａの間にほぼ水平に配置した横フィン１４から形成されている。
基板１２の形状としては、正方形平板に限らず、平面矩形形状、平面楕円形状、平面円形形状等が利用できる。基板１２の材質としては、アルミニウムや銅等の熱伝導率の良い金属を使用する。特に、軽量化の点からはアルミニウムを使用するのが好ましい。
【００１２】
縦フィン体１３ａは、図１に示すように基板１２の一方の上面に、矢印で示す冷却流体の流路方向Ｆに対してほぼ平行になるように多数整列配置してある。縦フィン体１３ａの大きさは、例えば高さは１００〜２００ｍｍ程度、長さは１００〜５００ｍｍ程度、厚さは１．０ｍｍから３．０ｍｍ程度、縦フィンピッチ（Ｐ）は、５〜１２ｍｍに構成する。縦フィン体１３ａも熱伝導性の良い金属、例えばアルミニウムが好んで用いられる。
【００１３】
横フィン１４は、厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度のアルミニウムや銅などの極薄板もしくは箔にろう材を付着させたいわゆるブレージングシートをコルゲート加工したものを、縦フィン体１３ａの間に挟み、ろう付けして形成する。
図４に示す横フィン１４のピッチｐは５〜１２ｍｍ、横フィン１４の高さ（ｈ、縦フィンのピッチＰにほぼ等しい）は５〜１２ｍｍ、横フィン１４の長さは縦フィン体１３ａの長さにほぼ等しく、長さは１００〜５００ｍｍ程度に構成する。
【００１４】
縦フィン体１３ａ及び横フィン１４は、冷却流体が流れてきたときになるべく流路抵抗の上昇を抑え、フィン本体１３の深部にまで充分な冷却流体が流入し易いように構成する。冷却流体がフィン本体１３と衝突したときに流路抵抗に影響を及ぼすと考えられるのは、縦フィン体１３ａの厚さ（ｔ）とピッチ（Ｐ）である。適正なピッチ（Ｐ）と厚さ（ｔ）を決めるため、本発明者らは縦フィン体１３ａの適正なピッチ（Ｐ）と厚さ（ｔ）を種々変化させた場合の、フィン内での冷却流体の圧力損失（ΔＰ）とヒートシンクの冷却流体の風上側と素子接触面との温度差（ΔＴ）との関係を調べた。実験方法は、以下のようにした。
【００１５】
実験に使用したヒートシンクは、外観が図１に示すようなものであり、材質は純アルミニウムとした。基板の大きさは縦横各５５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの正方形の平板を使用した。縦フィンは高さ１４０ｍｍ、長さ５００ｍｍ、厚さ２ｍｍとし、横フィンは厚さ０．２ｍｍのブレージングシートを、ピッチ６ｍｍに設定し、高さを変化させてコルゲート加工したものを使用した。これらの基板、縦フィン、横フィンを図１のようにろう付け加工で組み立て、基板裏面に総発熱量７６００Ｗの熱源となる素子を取り付け、図１の矢印Ｆの方向から温度２０℃の空気を毎秒１１ｍで送風した。この時、フィン体の冷却流体の入り口側と出口側の基板の温度と、冷却流体の静圧を測定し、ヒートシンク温度と圧力損失を調べた。比較のため、従来の縦フィンのみで横フィンの無いヒートシンクについても同様の測定をした。これらの測定結果を図５に示す。
【００１６】
図５において直線（イ）及び（ロ）は冷却流体の風上側と素子接触面との温度差を示している。また、曲線（ハ）及び（ニ）は、冷却流体の風上側と風下側の冷却流体の圧力損失を示したものである。直線（イ）及び曲線（ハ）は、本発明の横フィン付きのものであり、直線（ロ）及び曲線（ニ）は、従来の横フィンの無いものである。但し、温度差とは最大値を示している。
図５に示すとおり、本発明のように横フィンを取り付けることにより、冷却流体の風上側と素子接触面との温度差は著しく減少し、冷却効率が高くなることが判る。また、横フィンを取り付けることにより、フィン体内での冷却流体の圧力損失は当然上昇するが、縦フィンのピッチと幅との比（Ｐ／ｔ）を３．６以上とすることにより、圧力損失を実用上支障のない７００Ｐａ（パスカル）以下に抑えることができることが判明した。
以上の結果から、横フィンを設ける場合には、縦フィンのピッチと幅との比（Ｐ／ｔ）を３以上６以下とするのが適当である。この比が３より小さい場合は、横フィンの有無による圧力損失差が大幅に増えるため、冷却風量が減少して十分な冷却能力が得られない。
【００１７】
（第２の実施形態）
図６は本発明のヒートシンクの第２の実施形態を示す一部を破断した外観斜視図である。第２の実施形態のヒートシンク２１が、図１に示した第１の実施形態と異なる点は、フィン本体２３の間にもうけた、冷却流体の流入方向に面して基板２２に接する部分の横フィン２４の一部を、高さＨ、長さＬにわたって削除し、冷却流体がヒートシンク深部にまで容易に流入できるようにした点である。
図７及び図８は、図６のヒートシンク２１の線Ｃ−Ｃ’及び線Ｄ−Ｄ’に沿った断面を示す。図７では横フィン２４が基板２２まで設けられているのに対して、図８では基板２２の近傍には横フィン２４は存在しない。冷却流体入口近傍に横フィン２４が存在しないので、冷却流体の圧力損失は小さく抑えられ、冷却流体はヒートシンクの奥深くまで十分に流れ込むことができ、ヒートシンク全域で高い冷却能力を発揮することができるようになる。
【００１８】
図９は、図６に示す本発明のヒートシンクの線分Ｅ−Ｅ’に沿った（冷却流体に流路方向に平行な）断面を示す。図９に示すように横フィン２４の切り欠き部２５は、基板２２に接する部分でかつ冷却流体の入口近傍に設けてある。これは冷却流体の圧力損失の原因となる障害物を無くし、発熱源である素子２６に近い部分の深部を効率よく冷却するようにするためである。
切り欠き部の大きさは、高さ（Ｈ）は縦フィンの高さの１０〜３０％程度、例えば１０〜４０ｍｍ、長さ（Ｌ）は同じく縦フィンの長さの１０〜５０％程度、例えば５０〜２５０ｍｍとするのがよい。
【００１９】
横フィンの切り欠き部分の効果を確認するため、従来の横フィンを有しないヒートシンク、横フィンは有するが切り欠き部分の無いヒートシンク及び横フィンを有しかつ切り欠き部を設けたヒートシンクについて冷却性能を調査した。
実験に使用したヒートシンクは、構造が図１０に示すようなものであり、材質は純アルミニウムとした。基板２２の大きさは幅５５０ｍｍ、長さ５５０ｍｍ、厚さ２８ｍｍの長方形の平板を使用した。フィン本体２３は高さ１４０ｍｍ、長さ５００ｍｍ、厚さ２ｍｍのプレート３５〜８４枚を、ピッチ５〜１２ｍｍで、冷却流体の流路方向に平行に配置した。横フィンは厚さ０．２ｍｍのブレージングシートを、高さ３〜１０ｍｍ、ピッチ６ｍｍにコルゲート加工したものを使用した。これらの基板２２、フィン本体２３、横フィン２４を図１０のようにろう付け加工で組み立てた。図１０（ａ）は平面図を、図１０（ｂ）は正面図を、そして図１０（ｃ）は側面図を表わしている。基板裏面の図１０（ａ）に示す位置（Ｘ、Ｙ）に、発熱量２０００Ｗの素子２６を２個を取り付け、図１０の矢印Ｆの方向から温度２０℃の空気を毎秒８．８ｍで送風した。位置（Ｘ）は冷却流体の風上側、位置（Ｙ）は冷却流体の風下側に位置している。
【００２０】
この時、各熱源中心位置の基板の温度と冷却流体の流路静圧を測定し、フィン体中での温度変化と圧損を測定し、ヒートシンク温度の均一性と圧力損失を調べた。比較のため、従来の縦フィンのみで横フィンの無いヒートシンクについても同様の測定をした。各部の寸法は同一とした。これらの測定結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表１の結果から、横フィンを設けることのより冷却能力が向上することが判る。さらに、横フィンに切り欠き部を設けることにより、フィン体内での冷却流体の圧力損失が低く、ヒートシンク全面にわたって比較的均一な冷却能を有するようになることが判る。
【００２３】
（第３の実施形態）
図１１は本発明のヒートシンクの第３の実施形態を示す断面図である。第３の実施実施形態のヒートシンク３１が第１や第２の実施形態と異なる点は、横フィン体に切り欠きを設け、この切り欠きが多段式に構成されていることである。すなわち図１１に断面構造を示すように、切り欠き部３５は横フィン３４を有し、該横フィン３４の冷却流体導入面側の一部に切り欠き部を有するものであり、図１１の例では基板に近ずくほどヒートシンク３１の奥深くまで切り欠き部３５が形成されている。
すなわち、縦フィン体３３ａの入口近傍から奥に向かうに従って、高さはＨ４からＨ１まで変化し、基板３２からの距離はＬ１〜Ｌ４に変化する切り欠き部３５を設けた。
切り欠き部は横フィンが無いが、素子３６からの発熱は縦フィン体３３ａを伝わって縦フィン上部に接合されている横フィン３４に伝わり、横フィン３４から冷却流体へ伝わって放熱される。したがって、基板３２と縦フィン体３３ａとは完全にろう付けし熱伝導を良くしておくべきである。
【００２４】
上記のように本発明のヒートシンク３１を構成し、その基板裏面に複数の発熱する素子３６を搭載する場合の平面配置を図１２に例示する。図１２の例では、互いに隣接する素子３６間の間隔を、風上−風下方向の素子間（Ａ）では２５〜１００ｍｍ（図１２では６９．５ｍｍ）、風上−風下方向と直角方向（Ｂ）では５〜２５ｍｍ（図１２では１６ｍｍ）とすることが好ましい。また、最も風下にある素子から縦フィンの風下先端までの間隔（Ｃ）は、８０〜１５０ｍｍ（図１２では６７．５ｍｍ）として、Ａ／Ｃの比を０．２〜３．４とすることが好ましい。一般に素子間隔を大きくとれば熱密度が疎となり素子の温度上昇は和らげられるが、制御装置をなるべく小型化するために、本発明によりヒートシンクの熱交換効率を高めた上で、適当な間隔で素子を配置すれば、車両制御用等の大発熱量の素子の温度制御にも有効に作用するものとなる。
【００２５】
【作用】
本発明は、基板とこの基板に保持された複数の縦フィンを有するヒートシンクにおいて、前記各縦フィンの間に良熱伝導性の金属箔板からなる水平な横フィンを配置することにより、ヒートシンク本体内での冷却流体の通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、十分な冷却流体をヒートシンク本体内に呼び込んで冷却効率を向上させるようにしたものである。
さらに、本発明では上記横フィンの一部を削除して、ヒートシンク本体深部にまで冷却流体を導入することを可能にして、ヒートシンク全体で均一に放熱できるようにした。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、基板とこの基板に保持された複数の縦フィンを有するヒートシンクにおいて、前記各縦フィンの間に良熱伝導性の金属箔板からなる水平な横フィンを配置することにより、ヒートシンク本体内での冷却流体の通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、十分な冷却流体をヒートシンク本体内に呼び込んで冷却効率を向上させるようにしたものであって、さらに上記横フィンの一部を削除して、切り欠き部を形成することにより、ヒートシンク本体深部にまで冷却流体を導入することを可能にして、ヒートシンク全体で均一に放熱できるようにした。
本発明によれば、冷却流体がフィン体に当ったときの通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、十分な冷却流体をヒートシンク本体内に呼び込んで冷却効率を向上させることができるので、従来よりも小型化・高性能化したヒートシンクを提供することが可能となる。本発明のヒートシンクは、特に車両の制御機器のような多量の熱を発生する制御素子の温度制御に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の係わるヒートシンクの構造を説明する外観斜視図である。
【図２】 図１のヒートシンクの線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図３】 図１のヒートシンクの線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図４】 図２の一部を拡大して示した図である。
【図５】 縦フィンのピッチと厚さの比が、温度と圧損に及ぼす影響を示す図である。
【図６】 本発明の第２実施形態の係わるヒートシンクの構造を説明する一部破断した外観斜視図である。
【図７】 図６のヒートシンクの線Ｃ−Ｃ’に沿った断面図である。
【図８】 図６のヒートシンクの線Ｄ−Ｄ’に沿った断面図である。
【図９】 図６のヒートシンクの線Ｅ−Ｅ’に沿った断面図である。
【図１０】 実験に使用した本発明のヒートシンクの構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図を示す。
【図１１】 本発明の第３実施形態に係わるヒートシンクの構造を説明する断面図である。
【図１２】 本発明の第３実施形態に係わるヒートシンクの素子の平面配置を例示する図である。
【図１３】 従来のヒートシンクの構造の一例を説明する断面図である。
【図１４】 従来のヒートシンクの他の構造を説明する断面図である。
【図１５】 従来のヒートシンクの別の構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１，１１１，１２１，１３１・・・・・・ヒートシンク
１２，２２，３２，１１２，１２２，１３２・・・・・・基板
１３，２３，１１３，１２３，１３３・・・・・・フィン本体
１４，２４，３４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・横フィン
２５，３５・・・・・・切り欠き部
１６，２６，３６・・・・・・素子

Claims (5)

1. 裏面に発熱素子を接合する基板と、この基板に立設した複数の縦フィンを有し、相隣接する前記縦フィンの間に厚さが縦フィン厚さの５〜２０％である横フィンを設けてなり、前記基板と接する部分の前記横フィンの一部であって、冷却流体導入面側の一部に切り欠き部を有することを特徴とするヒートシンク。
2. 前記各縦フィンのピッチ（Ｐ）と縦フィンの厚さ（ｔ）との比（Ｐ／ｔ）が３〜６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. 前記切り欠き部の高さが縦フィン高さの１０〜５０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記切り欠き部の長さが縦フィンの長さの１０〜７０％であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記切り欠き部が多段式に構成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。

Images