JP3992953B2

JP3992953B2 - heatsink

Info

Publication number: JP3992953B2
Application number: JP2001276643A
Authority: JP
Inventors: 正和仲西; 実鈴木; 靖人末木; 公春湯山
Original assignee: 株式会社エムエーファブテック
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003086742A

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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat sink, and more particularly, to a dry type heat sink for forcibly cooling a heat generating portion with a cooling fluid such as air flowing by a fan or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, heat exchangers called heat sinks have been installed in various heat generating parts such as inverters and machine tools, and cooling fluid such as air is forced to flow through the heat sinks with a fan or the like to cool them. It has been known. The heat sink is made of a metal having good thermal conductivity, and is configured to suppress the temperature rise of various heating elements by increasing the surface area as much as possible to increase the contact area with the cooling medium.
[0003]
Hereinafter, an example of a conventional heat sink of this type will be described.
13 to 15 are front views for explaining the configuration of a conventional heat sink.
A conventional heat sink 111 shown in FIG. 13 has a substantially rectangular planar substrate 112 to which electronic components (not shown) such as thyristors and transistors are fixed, and a number of corrugated plate bends stacked on the substrate 112. It is comprised from the fin main body 113 which has the vertical fin body 113a. This heat sink is unsuitable for the purpose of dissipating a large amount of heat because the heat exchange efficiency of the plate bending fins is greatly lowered as the height increases.
[0004]
A conventional heat sink 121 shown in FIG. 14 includes a planar, substantially rectangular substrate 122 to which electronic components (not shown) such as thyristors and transistors are fixed, and a lattice-shaped fin body 123 made of an extruded material mounted on the substrate 122. It is composed of
In this heat sink, the thickness of the extruded material is usually about 0.6 mm, so the pressure loss at the fin body is large, and the necessary cooling fluid such as air cannot be obtained. It was difficult to increase the cooling efficiency as.
[0005]
A conventional heat sink 131 shown in FIG. 15 has a substantially rectangular planar substrate 132 to which electronic components (not shown) such as thyristors and transistors are fixed, and a large number of flat vertical plates standing on the substrate 132. It is comprised from the fin main body 133 which has the fin body 133a. The vertical fin bodies 133a are opposed to each other in a desired flow direction of the cooling fluid such as air (direction perpendicular to the paper surface in the drawing) with the side surfaces facing each other, and maintaining a proper gap G. Arranged in parallel.
[0006]
By the way, in recent years, various products have been reduced in size and performance, and heat sinks are required to be further reduced in size and performance. In order to reduce the size and increase the performance of the heat sink, it is possible to increase the fin surface area by increasing the surface area of the fin body or by narrowing the spacing between the fin bodies to increase the number of fin bodies. It is done. Even with a structure in which fins are arranged at high density, there is a limit to increasing the number of fins. If the gap between the fins is narrowed, the airflow resistance (pressure loss) of cooling fluid such as air passing between the fins is limited. ) Increases, resulting in a decrease in the amount of air passing through the fin body, and thus cooling efficiency cannot be improved.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, there is a limit to the improvement of the cooling performance only by devising the fin arrangement, and the heat sink for the control element that generates a large amount of heat like the recent vehicle control equipment satisfies the required cooling performance. It turned out that it can not be made .
The object of the present invention is useful as a heat sink for large heat capacity elements, and can suppress the increase in ventilation resistance (pressure loss) of the fin body and secure a sufficient flow rate. As a result, the heat dissipation function of the entire heat sink is improved and the cooling efficiency is improved. The purpose is to let you.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the heat sink of the present invention has a substrate on which a heating element is mounted on the back surface and a plurality of vertical fins erected on the substrate, and has a thickness between the adjacent vertical fins. A horizontal fin having a thickness of 5 to 20% of the thickness of the vertical fin was provided , and the heat sink was a part of the horizontal fin that was in contact with the substrate and provided with a notch in a part of the horizontal fin on the cooling fluid introduction surface .
The substrate, the vertical fins, and the horizontal fins are all formed of a metal having good thermal conductivity such as aluminum, and are assembled by brazing each other to ensure good thermal conductivity. The vertical fin is made of a slightly thick metal plate so that heat from the substrate is transmitted to the entire surface of the vertical fin. The horizontal fin is made as thin as possible with an ultrathin plate or metal foil, and the surface area is increased to increase the chance of contact with the cooling fluid, thereby improving the heat exchange efficiency.
In particular, when the heat sink size is large, by providing a notch in a part of the lateral fin, the cooling fluid pressure loss is low even in the fin body deep part and a sufficient flow rate can be secured, so the cooling efficiency of the heat sink deep part Can be improved.
By configuring the heat sink in this way, the pressure loss of the cooling fluid can be kept low even in the deep part of the fin body, and a sufficient flow rate can be secured.As a result, the heat dissipation function of the entire heat sink can be enhanced and the cooling efficiency can be improved. Become.
[0009]
In order to maximize the above performance, the ratio (P / t) between the pitch (P) of each vertical fin and the thickness (t) of the vertical fin is preferably 3-6.
[0010]
In the heat sink of the present invention, it is appropriate that the height of the notch is 10 to 50% of the height of the vertical fin, and the length of the notch is 10 to 70% of the length of the vertical fin.
The notch portion may be provided not only in one step but also in multiple steps and in the fin body deep portion.
In the heat sink of the present invention, when a plurality of heating elements are mounted on the back surface of the substrate, the distance between adjacent elements is 25 to 100 mm between elements in the windward-leeward direction, and between elements in the direction perpendicular to the windward-leeward direction. It is preferable to set it as 5-15 mm. With such an arrangement, it is possible to deal with a large-capacity heating element.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
1 to 4 show a first embodiment of the heat sink of the present invention. FIG. 1 is an external perspective view thereof, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. Is a sectional view taken along line BB 'in FIG. 1, and FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG.
In the following drawings, the scale is not necessarily accurate for easy understanding of the structure.
As shown in FIGS. 1 to 3, the heat sink 11 of the present embodiment is a square substrate on which an element 16 such as a thyristor or a transistor is mounted, for example, a vertical dimension L and a horizontal dimension W of about 550 mm, respectively. 12, a fin body 13 having a large number of vertical fin bodies 13a erected on one surface (upper surface in FIG. 1) of the substrate 12, and the vertical fin bodies 13a adjacent to each other, are arranged substantially horizontally. The lateral fins 14 are formed.
The shape of the substrate 12 is not limited to a square flat plate, and a planar rectangular shape, a planar elliptical shape, a planar circular shape, or the like can be used. As the material of the substrate 12, a metal having good thermal conductivity such as aluminum or copper is used. In particular, it is preferable to use aluminum from the viewpoint of weight reduction.
[0012]
As shown in FIG. 1, a large number of the vertical fin bodies 13 a are arranged on one upper surface of the substrate 12 so as to be substantially parallel to the flow direction F of the cooling fluid indicated by an arrow. The size of the vertical fin body 13a is, for example, about 100 to 200 mm in height, about 100 to 500 mm in length, about 1.0 to 3.0 mm in thickness, and about 5 to 12 mm in vertical fin pitch (P). Constitute. The vertical fin body 13a is also preferably a metal having good thermal conductivity, such as aluminum.
[0013]
The horizontal fin 14 is sandwiched between vertical fin bodies 13a by corrugating a so-called brazing sheet in which a brazing material is adhered to an ultra-thin plate or foil of aluminum or copper having a thickness of about 0.1 to 0.3 mm. , Brazed and formed.
The pitch p of the horizontal fin 14 shown in FIG. 4 is 5 to 12 mm, the height of the horizontal fin 14 (h, substantially equal to the pitch P of the vertical fin) is 5 to 12 mm, and the length of the horizontal fin 14 is the length of the vertical fin body 13a. It is almost equal to the length, and the length is about 100 to 500 mm.
[0014]
The vertical fin bodies 13 a and the horizontal fins 14 are configured so that a sufficient increase in the flow resistance can be easily caused to flow into the deep portion of the fin main body 13 as much as possible when the cooling fluid flows. The cooling fluid is considered to affect the flow path resistance when colliding with the fin body 13 is the thickness of the vertical fin body 13a (t) and pitch (P). In order to determine an appropriate pitch (P) and thickness (t), the present inventors have changed the proper pitch (P) and thickness (t) of the vertical fin body 13a in the fin. The relationship between the pressure loss (ΔP) of the cooling fluid and the temperature difference (ΔT) between the windward side of the cooling fluid of the heat sink and the element contact surface was examined. The experimental method was as follows.
[0015]
The heat sink used in the experiment had an appearance as shown in FIG. 1 and was made of pure aluminum. As the size of the substrate, a square flat plate having a length and width of 550 mm each and a thickness of 30 mm was used. The vertical fin was 140 mm in height, 500 mm in length, and 2 mm in thickness, and the lateral fin was a brazing sheet with a thickness of 0.2 mm set to a pitch of 6 mm and corrugated by changing the height. These boards, vertical fins, and horizontal fins are assembled by brazing as shown in FIG. 1, and an element serving as a heat source with a total calorific value of 7600 W is attached to the back of the board, and air at a temperature of 20 ° C. from the direction of arrow F in FIG. The air was blown at 11 m per second. At this time, the temperature of the substrate on the inlet side and the outlet side of the cooling fluid of the fin body and the static pressure of the cooling fluid were measured, and the heat sink temperature and pressure loss were examined. For comparison, the same measurement was performed for a conventional heat sink with only vertical fins and no horizontal fins. The measurement results are shown in FIG.
[0016]
In FIG. 5, straight lines (a) and (b) indicate the temperature difference between the windward side of the cooling fluid and the element contact surface. Curves (c) and (d) show the pressure loss of the cooling fluid on the leeward side and the leeward side of the cooling fluid. The straight line (A) and the curved line (C) are those with horizontal fins of the present invention, and the straight line (B) and the curved line (D) are those without conventional horizontal fins. However, the temperature difference indicates the maximum value.
As shown in FIG. 5, it can be seen that by attaching the horizontal fin as in the present invention, the temperature difference between the windward side of the cooling fluid and the element contact surface is remarkably reduced, and the cooling efficiency is increased. In addition, the pressure loss of the cooling fluid in the fin body naturally increases by attaching the horizontal fin, but the pressure loss is reduced by setting the ratio (P / t) of the pitch and width of the vertical fin to 3.6 or more. Has been found to be able to be suppressed to 700 Pa (Pascal) or less, which has no practical problem.
From the above results, when providing horizontal fins, it is appropriate that the ratio (P / t) between the pitch and width of the vertical fins is 3 or more and 6 or less. When this ratio is smaller than 3, the pressure loss difference due to the presence or absence of the lateral fins is greatly increased, so that the cooling air volume is reduced and sufficient cooling capacity cannot be obtained.
[0017]
(Second Embodiment)
FIG. 6 is an external perspective view, partly broken, showing a second embodiment of the heat sink of the present invention. The heat sink 21 of the second embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the heat sink 21 is located between the fin bodies 23 and faces the substrate 22 facing the cooling fluid inflow direction. A part of the fins 24 is removed over a height H and a length L so that the cooling fluid can easily flow into the deep part of the heat sink.
7 and 8 show cross sections along the line CC ′ and line DD ′ of the heat sink 21 of FIG. In FIG. 7, the lateral fins 24 are provided up to the substrate 22, whereas in FIG. 8, the lateral fins 24 do not exist in the vicinity of the substrate 22. Since the lateral fins 24 do not exist in the vicinity of the cooling fluid inlet, the pressure loss of the cooling fluid can be kept small, the cooling fluid can flow sufficiently deep into the heat sink, and a high cooling capacity can be exhibited throughout the heat sink. become.
[0018]
9 shows a cross section (parallel to the flow direction of the cooling fluid) along line EE ′ of the heat sink of the present invention shown in FIG. As shown in FIG. 9, the notch 25 of the horizontal fin 24 is provided in the vicinity of the inlet of the cooling fluid at a portion in contact with the substrate 22. This is to eliminate the obstacle that causes the pressure loss of the cooling fluid and to efficiently cool the deep portion near the element 26 that is the heat source.
The size of the notch is such that the height (H) is about 10 to 30% of the height of the vertical fin, for example 10 to 40 mm, and the length (L) is about 10 to 50% of the length of the vertical fin, For example, it is good to set it as 50-250 mm.
[0019]
Cooling performance of conventional heat sinks without horizontal fins, heat sinks with horizontal fins but no cuts, and heat sinks with horizontal fins and notches investigated.
The heat sink used in the experiment has a structure as shown in FIG. 10 and is made of pure aluminum. The substrate 22 was a rectangular flat plate having a width of 550 mm, a length of 550 mm, and a thickness of 28 mm. The fin body 23 has 35 to 84 plates having a height of 140 mm, a length of 500 mm, and a thickness of 2 mm arranged at a pitch of 5 to 12 mm and parallel to the flow direction of the cooling fluid. As the horizontal fin, a brazing sheet having a thickness of 0.2 mm and corrugated to a height of 3 to 10 mm and a pitch of 6 mm was used. The substrate 22, the fin body 23, and the lateral fin 24 were assembled by brazing as shown in FIG. 10A shows a plan view, FIG. 10B shows a front view, and FIG. 10C shows a side view. Two elements 26 with a calorific value of 2000 W are attached to the position (X, Y) shown in FIG. 10A on the back side of the substrate, and air at a temperature of 20 ° C. is blown at a rate of 8.8 m per second from the direction of arrow F in FIG. did. Position (X) is located on the leeward side of the cooling fluid, and position (Y) is located on the leeward side of the cooling fluid.
[0020]
At this time, the temperature of the substrate at the center position of each heat source and the static pressure of the flow path of the cooling fluid were measured, the temperature change in the fin body and the pressure loss were measured, and the uniformity of the heat sink temperature and the pressure loss were examined. For comparison, the same measurement was performed for a conventional heat sink with only vertical fins and no horizontal fins. The dimensions of each part were the same. These measurement results are shown in Table 1.
[0021]
[Table 1]

[0022]
From the results in Table 1 , it can be seen that the cooling capacity is improved by providing the lateral fins. Furthermore, it can be seen that by providing a notch in the lateral fin, the pressure loss of the cooling fluid in the fin body is low, and a relatively uniform cooling ability is provided over the entire surface of the heat sink.
[0023]
(Third embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the heat sink of the present invention. The heat sink 31 of the third embodiment is different from the first and second embodiments in that a notch is provided in the horizontal fin body, and this notch is configured in a multistage manner. That is, as shown in the cross-sectional structure of FIG. 11, the notch 35 has a horizontal fin 34, and has a notch in a part of the horizontal fin 34 on the cooling fluid introduction surface side. Then, as it gets closer to the substrate, the notch 35 is formed deeper in the heat sink 31.
That is, the notch 35 in which the height changes from H4 to H1 and the distance from the substrate 32 changes from L1 to L4 as it goes from the vicinity of the entrance of the vertical fin body 33a to the back is provided.
Although the cutout portion has no horizontal fin, the heat generated from the element 36 is transmitted through the vertical fin body 33a to the horizontal fin 34 joined to the upper portion of the vertical fin, and is transmitted from the horizontal fin 34 to the cooling fluid to be radiated. Therefore, the substrate 32 and the vertical fin body 33a should be completely brazed to improve heat conduction.
[0024]
Constitute a heat sink 31 of the present invention as described above, it illustrates a top placement when mounting the element 36 to a plurality of heating on the substrate back surface in FIG. 12. In the example of FIG. 12, the spacing between the adjacent elements 36 is 25 to 100 mm (69.5 mm in FIG. 12) between the elements in the windward-leeward direction (A), and the direction perpendicular to the windward-leeward direction (B ) Is preferably 5 to 25 mm (16 mm in FIG. 12). Also, the distance (C) from the most leeward element to the leeward tip of the vertical fin is 80 to 150 mm (67.5 mm in FIG. 12), and the A / C ratio is 0.2 to 3.4. Is preferred. In general, if the element spacing is increased, the heat density becomes sparse and the temperature rise of the element is moderated. If it is arranged, it will also act effectively on the temperature control of elements with a large calorific value for vehicle control and the like.
[0025]
[Action]
The present invention relates to a heat sink having a substrate and a plurality of vertical fins held on the substrate, and by disposing horizontal horizontal fins made of a metal foil plate having good thermal conductivity between the vertical fins, An increase in the ventilation resistance (pressure loss) of the cooling fluid is suppressed, and sufficient cooling fluid is drawn into the heat sink body to improve the cooling efficiency.
Further, in the present invention, a part of the horizontal fin is deleted, and the cooling fluid can be introduced to the deep part of the heat sink body so that the heat sink can uniformly dissipate heat.
[0026]
【The invention's effect】
The present invention relates to a heat sink having a substrate and a plurality of vertical fins held on the substrate, and by disposing horizontal horizontal fins made of a metal foil plate having good thermal conductivity between the vertical fins, The rise of the cooling resistance of the cooling fluid (pressure loss) is suppressed, and sufficient cooling fluid is drawn into the heat sink body to improve the cooling efficiency. Then, by forming the notch portion, it is possible to introduce the cooling fluid to the deep portion of the heat sink body, and to uniformly dissipate the heat sink.
According to the present invention, it is possible to suppress an increase in ventilation resistance (pressure loss) when the cooling fluid hits the fin body, and to draw sufficient cooling fluid into the heat sink body to improve cooling efficiency. In addition, it is possible to provide a heat sink having a smaller size and higher performance. The heat sink of the present invention is particularly effective for temperature control of a control element that generates a large amount of heat, such as a vehicle control device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view illustrating a structure of a heat sink according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 1 along line AA ′.
3 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 1 along line BB ′.
FIG. 4 is an enlarged view of a part of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing the influence of the ratio of pitch and thickness of vertical fins on temperature and pressure loss.
FIG. 6 is a partially broken perspective view illustrating the structure of a heat sink according to a second embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 6 along line CC ′.
8 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 6 along line DD ′.
9 is a cross-sectional view of the heat sink of FIG. 6 along line EE ′.
10A and 10B are diagrams showing the structure of the heat sink of the present invention used in the experiment, where FIG. 10A is a plan view, FIG. 10B is a front view, and FIG. 10C is a side view.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the structure of a heat sink according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating a planar arrangement of elements of a heat sink according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of a conventional heat sink.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating another structure of a conventional heat sink.
FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating another structure of a conventional heat sink.
[Explanation of symbols]
11, 21, 31, 111, 121, 131...

Heat sink

12, 22, 32, 112, 122, 132.・

Fin body

14, 24, 34... ..

Horizontal fin

25, 35...

Notch

16, 26, 36. ·····element

Claims

A substrate having a heating element on the back surface and a plurality of vertical fins erected on the substrate, and a horizontal fin having a thickness of 5 to 20% of the vertical fin thickness between the adjacent vertical fins. Ri Na provided, a part of the lateral fin of the portion in contact with the substrate, heat sink, characterized in Rukoto that having a cutout portion in a part of the cooling fluid introduction side.

The heat sink according to claim 1, wherein a ratio (P / t) of a pitch (P) of each vertical fin to a thickness (t) of the vertical fin is 3 to 6.

The heat sink according to claim 1 or 2 , wherein the height of the notch is 10 to 50% of the height of the vertical fin.

The length of the said notch part is 10 to 70% of the length of a vertical fin, The heat sink of any one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned.

The heat sink according to any one of claims 1 to 4 wherein the notch is characterized by comprising configured multi-stage.