JP4135960B2

JP4135960B2 - ヒートシンク冷却装置

Info

Publication number: JP4135960B2
Application number: JP2007080683A
Authority: JP
Inventors: 敬文中濱
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2007221153A

Description

本発明は、複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配したヒートシンク冷却装置に関するものである。

図４、及び図５は、それぞれ従来のヒートシンク冷却装置の構成例を示す断面図で、それぞれの図の（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、また（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。

図４、及び図５において、１は直線フィン、２は複数の直線フィン１を配したヒートシンク、３は素子などの発熱体、４は軸流タイプのファン、５はこれらからなるヒートシンク冷却装置である。

図４に示すヒートシンク冷却装置５では、複数の直線フィン１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配し、直線フィン１の長手方向の冷却媒体上流側に、軸流タイプのファン４を配しており、ファン４からの旋回成分を伴った流れが直線フィン１に流入する。発熱体３から熱は伝導により直線フィン１に伝わり、フィン１間を流れる空気に熱伝達する。

また、図５に示すヒートシンク冷却装置５では、複数の直線フィン１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配し、直線フィン１の長手方向の冷却媒体下流側に、軸流タイプのファン４を配しており、ファン４の作用により冷却空気が直線フィン１に流入する。発熱体３から熱は伝導により直線フィン１に伝わり、フィン１間を流れる空気に熱伝達する。

なお、このような、複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配し、直線フィンの長手方向の冷却媒体上流側に、ファンを配したヒートシンク冷却装置は、例えば特許文献１にも記載されている。
特開平９−２３７９９２号公報（第３頁、図１）

上述のようなヒートシンク冷却装置において、ＩＢＧＴなどの素子発熱体の発熱密度は年々上昇しており、従来の構造では素子の温度が許容温度を上回ってしまう可能性が生じてきた。よって複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配した冷却装置において、その冷却能力を向上させ、素子の温度を許容温度以下に抑える必要がある。

そこで、本発明は、冷却能力を向上させたヒートシンク冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のピンフィンを備えたヒートシンクに発熱体を配したヒートシンク冷却装置において、ピンフィンの流入側の上流に、平行に配列された複数の別のフィンを配し、別のフィンの各々は長方形状のフィンから成るものとし、別のフィンの長手方向を、前記ピンフィンの高さ方向に対し直角の方向とするともにピンフィンの間を流れる冷却媒体の流れ方向に対し直角の方向とし、別のフィンの幅方向における下流側端部が発熱体の側に傾くように、別のフィンを発熱体に向けて配したことを特徴とする。

このように、ピンフィンの流入側の上流に、別のフィンの幅方向における下流側端部が発熱体の側に傾くように、別のフィンを発熱体に向けて配することにより、別のフィンから流出する流体は、発熱体を配したヒートシンクのピンフィン間を斜めに流入し、ピンフィン下流側で渦を生じながら、ピンフィン根元部に斜めに衝突する。このためピンフィン根元部の境界層厚さが薄くなり熱伝達率が増加する。従って、冷却能力を向上させることができる。

本発明によれば、発熱体及びヒートシンクを有するヒートシンク冷却装置においてフィン表面の熱伝達が増加し、冷却能力を強化することができ、またヒートシンク冷却装置をコンパクトにすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。

図１に示すように、この実施形態は、パワー半導体素子を搭載したパワーエレクトロニクス機器などのヒートシンク冷却装置５に、複数のピンフィン１１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配する。複数のピンフィン１１の一端１１ａの側に、１つもしくは複数の軸流タイプもしくは斜流タイプのファン４が配されている。複数のピンフィン１１の反対側の一端１１ｂの側に、ピンフィン１１の高さ方向に対し略垂直に、平行に配列された複数の別の直線フィン（以下、ルーバと称する）６を発熱体３の方に向けて配する。

この構造において、ヒートシンク冷却装置５の空気流入口５ａからの空気はルーバ６の間に沿って流れ、発熱体３の方に向いてピンフィン１１に斜めに流入する。流れはピンフィン１１の下流側で渦を生じながら、発熱体３の近傍のフィン根元部１１ｃに衝突する。これにより境界層が薄くなり、熱伝達率がアップする。これらより、ヒートシンク２の冷却性能が向上し、発熱体３をより低い温度に冷却できるようになる。

（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。

図２に示すように、この第２の実施形態は、上述の第１の実施形態において、ピンフィン１１とルーバ６の間にルーバのピッチと略同等の隙間７を設けたものである。これにより、冷却空気はルーバ６から流入する他に、該隙間７から流入するため、第１の実施形態より流量が増え、ピンフィン１１を通過する流速が大きくなり、ピンフィンの表面、ピンフィン根元部の熱伝達率が増加する。

（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。

図３に示すように、この第３の実施形態は、上述の第１の実施形態において、ルーバ６を発熱体に取り付けた面に対し略４５°以下の角度γで発熱体に向けて配する（このように発熱体取り付け面に対し略４５°以下の角度γで発熱体３に向けて配したルーバを図３において、６ｃで示す）。これにより、通風抵抗が小さくなり流体流量が増え、ピンフィン１１の表面、ピンフィン根元部の熱伝達率が増加する。

（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態は、上述の第１の実施形態から第３の実施形態までのいずれかのヒートシンク冷却装置を備えたパワーエレクトロニクス装置である。

パワーエレクトロニクス装置において、上述のような構成のヒートシンク冷却装置を備えることにより、冷却能力を向上させることができるので、パワーエレクトロニクス装置を小形化することができる。

（第５の実施形態）
この第５の実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態までのいずれかのヒートシンク冷却装置において、ルーバ６、６ｃのいずれかをパワーエレクトロニクス装置の筐体の流入口のルーバとし、ルーバが斜め上を向くように、ヒートシンク２のピンフィン１１の根元部が上側、ヒートシンク２のピンフィン１１の先端部が下側になるように配することにより、防滴構造となり、筐体内に水滴が流入しにくくなる。

本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。従来のヒートシンク冷却装置の構成例を示す断面図。従来のヒートシンク冷却装置の他の構成例を示す断面図。

符号の説明

１…直線フィン
２…ヒートシンク
３…発熱体
４…ファン
５…ヒートシンク冷却装置
６、６ｃ…別の直線フィン（ルーバ）
１１…ピンフィン

Claims

複数のピンフィンを備えたヒートシンクに発熱体を配したヒートシンク冷却装置において、前記ピンフィンの流入側の上流に、平行に配列された複数の別のフィンを配し、前記別のフィンの各々は長方形状のフィンから成るものとし、前記別のフィンの長手方向を、前記ピンフィンの高さ方向に対し直角の方向とするともに前記ピンフィンの間を流れる冷却媒体の流れ方向に対し直角の方向とし、前記別のフィンの幅方向における下流側端部が前記発熱体の側に傾くように、別のフィンを発熱体に向けて配したことを特徴とするヒートシンク冷却装置。
請求項１に記載のヒートシンク冷却装置において、前記ピンフィンと前記別のフィンとの間に、前記別のフィンのピッチと同等の隙間を設けることを特徴とするヒートシンク冷却装置。
請求項１に記載のヒートシンク冷却装置において、前記別のフィンを発熱体取り付け面に対し４５°以下の角度で発熱体に向けて配することを特徴とするヒートシンク冷却装置。