JP4630953B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、特に移動体に搭載されて当該移動体の移動に伴う走行風に曝されることによって発熱体の冷却を行うヒートシンクに関する。

例えば特許文献１，２には、鉄道車両の床下に配設されかつ、車両駆動用の電力変換装置の冷却に用いられるヒートシンクが開示されている。このヒートシンクは、発熱体であるパワー半導体素子が取り付けられるベースと、当該ベースに立設された複数のフィンを含んで構成される放熱部と、を備えており、ヒートシンクが車両の走行に伴い走行風に曝されることにより、各フィンを通じた熱伝達によりパワー半導体素子の熱を放熱する。

特開２０００−９２８１９号公報 特開２００１−３３２８８３号公報

このような走行風を利用したヒートシンクは、例えばブロア等を利用した強制空冷の場合と比較して、省エネルギの点で有利であるものの、ヒートシンクに導入される走行風の状態は車両の走行状態に依存し、ヒートシンクに十分な走行風が常時供給されるとは限らない。このため、発熱体の冷却を確実に行う上ではヒートシンクの冷却効率を向上させることが望ましい。

例えば特許文献１，２のヒートシンクでは、フィンの配置や各フィンの形状を工夫することによって冷却効率の向上を図らんとしているが、これらのヒートシンクでは、冷却効率が十分には向上し得ていないのが実情である。

ここに開示するヒートシンクは、移動体に搭載されて走行風に曝されることにより発熱体の冷却を行うヒートシンクにおいて、その冷却効率の向上を図らんとする。

本願発明者らは、ヒートシンクの冷却効率を向上させる上で、そのヒートシンクにおいて形成されるフィン間の流路内の流れに着目した。つまり、ヒートシンクにおいては、ベースに対して立設されるフィンは、走行風の流れ方向における上流端に対応する前端から、その下流端に対応する後端に向かって前後方向に延びていると共に、その前後方向に直交する並び方向に所定間隔を空けて配置される。このことによって、隣り合うフィンの間に、フィンの前記前端、後端及び起立端（つまり、ベースに対して離れた側の端）のそれぞれにおいて開口する複数のスリット状流路が、前後方向に延びるように区画形成される。本願発明者らは、このスリット状流路内を流れる流れは、その流速が流れ方向の上流（つまり前端側）から下流（つまり後端側）に向かうにつれて次第に低下してしまうことを見出した。後端側における流速の低下は、特にその後端側に配置された発熱体の放熱性を悪化させ、ヒートシンクの冷却効率を低下させる。そこで、本願発明者らは、スリット状流路内の流れにおいて、流れ方向に対する流速低下を抑制すべく鋭意研究を重ねたところ、フィンの上流端（つまり、前端）付近において、スリット状流路内の流れについての流入条件を変更し得る整風部を取り付けることによって、後端側に向かうにつれての流速低下が抑制し得る点を見出した。

ここに開示するヒートシンクは、取付面と放熱面とを有しかつ、当該取付面に少なくとも１の発熱体が取り付けられるベース、及び、前記ベースの放熱面に立設された複数のフィンを含んで構成される放熱部、を備え、移動体に搭載されることによって当該移動体の移動に伴う走行風に曝されるヒートシンクである。

前記各フィンは、前記放熱面から突出するように当該放熱面に当接する基端から起立端に向かって延びていると共に、前記走行風の流れ方向における上流端に対応する前端から、その下流端に対応する後端に向かって前後方向に延びており、前記放熱部には、前記複数のフィンが、前記前後方向に直交する並び方向に所定間隔を空けて配置されることによって、前記隣り合うフィンの間に、当該フィンの前記前端、後端及び起立端のそれぞれにおいて開口する複数のスリット状流路が、前記前後方向に延びるように区画形成され、前記放熱部は、前記フィンの起立端における前端に対して、前記前後方向の所定範囲に亘って延びるように設けられた整風部をさらに有している。

放熱部の前端付近に設けた整風部は、スリット状流路内での流速が後端側に向かって低下することを抑制する。こうしたスリット状流路内の速度低下の抑制効果は、ヒートシンクの冷却効率を向上する上で有利になる。

前記整風部は、前記フィンの起立端における前端から前記前後方向の後方に向かって延びて設けられることにより、前記放熱部の少なくとも前端部において前記各スリット状流路の起立端の開口を閉塞する閉塞部であるとしてもよい。尚、前記閉塞部は、放熱部においてその並び方向に連続して延びて、各スリット状流路の起立端の開口を閉塞する一枚の平板状としてもよい。また例えば各スリット状流路の起立端の開口を個別に閉塞するような、複数の小片状の部材の集合としてもよい。

放熱部の前端部において、各スリット状流路の起立端の開口を閉塞する閉塞部は、スリット状流路内での流速が後端側に向かうにつれて低下することを抑制する。

ここで、前記閉塞部によって速度低下を抑制する効果が生じる理由として、次のようなことが推測される。つまり、放熱部の前端（つまり、入口端）においては、各フィンの厚みの分だけ通過面積が急縮小することから、その放熱部の前端から各スリット状流路内に流入しようとする流れは、その放熱部から逃げるように、フィンの基端から起立端に向かう方向の速度成分を有するようになる（この流れを、以下においては逃げ流れと呼ぶ場合があり、フィンの基端から起立端に向かう方向を逃げ方向という場合がある）。前記の閉塞部は、放熱部の前端部において各スリット状流路の起立端の開口を閉塞するように取り付けられているため、前記逃げ方向の速度成分を有する流れと干渉して、その逃げ流れを、閉塞部に沿うような後方に向かう流れへと変更する。そうして放熱部の前端側において、逃げ流れを抑制してその流れを後方へと向かうようにすることが、各スリット状流路内の速度が後端側に向かうにつれて低下することを抑制すると推測される。

また、逃げ流れとの干渉を考えた場合には、前述したような放熱部の前端から前後方向の後方に向かって延びることで、各スリット状流路の起立端の開口を閉塞する以外にも、フィンの起立端における前端から前後方向の前方に向かって突出する平板状の突出部を設けることも考えられる。

つまり、前記整風部は、前記フィンの起立端における前端から前記前後方向の前方に向かって延びて設けられることにより、前記フィンの前端縁から前方に向かって前記前後方向に沿って真っ直ぐに突出する平板状の突出部である、としてもよい。フィンの起立端における前端に設けた突出部は、前記の閉塞部と同様に、逃げ流れを抑制してその流れを後方へと向かうように変更する。このため、スリット状流路内の速度低下が抑制され、ヒートシンクの冷却効率の向上の点で有利になる。

前記整風部は、前記放熱部の前端縁を挟んだ前後それぞれの方向に延びて設けられることにより、前記放熱部の少なくとも前端部において前記各スリット状流路の起立端の開口を閉塞すると共に、前記フィンの前端縁から前方に向かって前記前後方向に沿って真っ直ぐに突出する平板状の整風部である、としてもよい。

すなわち、前記閉塞部と突出部とを一体化して、放熱部の前端に取り付けてもよく、このことによって、各スリット状流路内の速度低下を抑制する効果が、閉塞部単独の場合及び突出部単独の場合よりも大幅に向上する。

前記放熱部は、その後端側に取り付けられた整風部をさらに有している、としてもよい。

放熱部の後端側に整風部を取り付けることは、スリット状流路内における後端部近傍における流速を増速させる。本願発明者らは、放熱部の後端側に取り付けた整風部は、その放熱部の中央部から後端部において、起立端の開口を通じてスリット状流路内へと流入する流れを促進することを見出した。この流入流れが、スリット状流路内の後端部における増速効果に起因していると考えられる。ここで、スリット状流路内の流れにおいて、温度は下流側ほど累積的に高くなることから、発熱体による発熱が流れ方向（つまり、前後方向）に対し均一であるときには、放熱部の後端部において、発熱体の温度は最高温度となってしまう。この場合において、前述した後端部における増速効果は、その最高温度を抑制する上で極めて有効に作用する。放熱部の前端側と後端側とのそれぞれに整風部を設けることは、前端側の整風部による流速低下の抑制効果と、後端側の整風部による流速の増速効果との双方を得ることになる。従って、ヒートシンクの冷却効率を向上させる上でさらに有利になる。

前記整風部は、前記放熱部が前記前後方向に対して対称な形状となるように当該放熱部の前端側及び後端側のそれぞれに取り付けられている、としてもよい。

前後方向に対して対称な形状は、移動方向が反転する移動体、例えば鉄道車両を始めとする軌道車両への適用に有利になる。つまり、移動体の移動方向が所定方向のときに放熱部の前端側に設けられた整風部は、前述した速度低下抑制効果を奏し、後端側の整風部は、前述した速度向上効果を奏する。これに対し、移動体の移動方向が所定方向に対し反転した反転方向のときには、前記の場合の放熱部の前端部が後端部となり、前記の場合の放熱部の後端部が前端部となるが、前後方向に対して対称な形状であることで反転方向時の前端側における整風部もまた、前述した速度低下抑制効果を奏し、反転時の後端側における整風部は、前述した速度向上効果を奏する。こうして、移動体の移動方向が所定方向の時と反転方向の時とのそれぞれにおいて、速度低下抑制効果と速度向上効果との双方が同じように得られる。

前記各フィンは、その前端縁及び後端縁がそれぞれ前記前後方向に対して傾斜した台形状に形成されている、としてもよい。

前端縁及び後端縁がそれぞれ前記前後方向に対して直交する矩形状のフィンと比較して、前端縁及び後端縁がそれぞれ、基端から起立端に向かって前後方向の中央側に向かうように傾斜する台形状フィンは、スリット状流路内の流速を高くし得る。従って、台形状のフィンに、前述した整風部を組み合わせることは、ヒートシンクの冷却効率を高める上でさらに有利になる。

前記各フィンは、その前端縁及び後端縁がそれぞれ、前記基端から起立端に向かって前記前後方向の中央側に向かうように傾斜すると共に、前記前後方向に対して対称となる台形状に形成されている、としてもよい。

前述したように各フィンを台形状にすることによって、スリット状流路内の流速が相対的に高まる。また、台形状フィンの場合、前端縁及び後端縁がそれぞれ、基端から起立端に向かって前後方向の外側に向かうように傾斜する逆台形状フィンに比べて、基端におけるフィンの前後方向長さが相対的に長くなる（但し、ヒートシンク全体の前後方向長さは同じと仮定する）ため、ベースに配置する発熱体の配置自由度がその分向上する。さらに、フィンの形状を、前後方向に対し対称とすることは、前述したように、移動体の移動方向が反転する場合に有利になる。

以上説明したように、ここに開示するヒートシンクは、スリット状流路内での流速が、後端に向かうにつれて低下することを抑制することができるから、冷却効率を向上する上で有利である。

図１は、鉄道車両の床下に配設されたパワー半導体素子の冷却用ヒートシンクを示す側面図である。 図２は、ヒートシンクを、その取り付け状態に対して天地を逆転して示す斜視図である。 図３は、ヒートシンクの変形例である。 図４は、矩形状のフィンを有するヒートシンクの各例である。 図５は、矩形状のフィンを有するヒートシンクの例（従来例１）について行った数値流体解析結果に係る速度分布図である。 図６は、図５の速度分布図における放熱部の前端部近傍を拡大して示す図である。 図７は、図５の速度分布図における放熱部の後端部近傍を拡大して示す図である。 図８は、矩形状のフィンを有するヒートシンクに閉塞部及び突出部を取り付けた例（実施例１）について行った数値流体解析結果に係る速度分布図である。 図９は、図８の速度分布図における放熱部の前端部近傍を拡大して示す図である。 図１０は、図８の速度分布図における放熱部の後端部近傍を拡大して示す図である。 図１１は、閉塞部及び突出部の有無に係る実施例、比較例及び従来例につき、前後方向各位置のＹＺ平面におけるスリット状流路内の平均速度を比較する図である。 図１２は、フィンの形状に係る実施例及び従来例につき、前後方向各位置のＹＺ平面におけるスリット状流路内の平均速度を比較する図である。 図１３は、台形状のフィンを有するヒートシンクに閉塞部及び突出部を取り付けた例（実施例４）について行った数値流体解析結果に係る速度分布図において、放熱部の前端部近傍を拡大して示す図である。 図１４は、実施例４について行った数値流体解析結果に係る速度分布図において、放熱部の後端部近傍を拡大して示す図である。 図１５は、各種ヒートシンクの冷却効果を、ヒートシンクに取り付けた模擬発熱体の温度を計測することによって確認した試験結果の図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、その適用物やその用途を制限することを意図するものではない。図１は、ヒートシンク１が、移動体としての鉄道車両９１に適用された場合の例を示しており、図２は、当該ヒートシンク１を、その天地を逆転して示している。このヒートシンク１は、鉄道車両９１の駆動に用いられるパワー半導体素子２を冷却するための冷却器であり、このヒートシンク１は、鉄道車両９１の床下に形成された凹部９２内に配設されている。軌道としてのレール９３に沿って鉄道車両９１が走行するに伴い、ヒートシンク１は床下を流れる走行風に曝される。図例では、鉄道車両９１が右から左に走行している例を示し、それによってヒートシンク１は、左から右に流れる走行風に曝されている（図１の矢印参照）。ヒートシンク１は、パワー半導体素子２の熱を放熱し、当該パワー半導体素子２の冷却を行う。このヒートシンク１は、例えばブロア等による強制空冷とはせずに、前述したように走行風によりパワー半導体素子２を冷却する。このことは、冷却システムの簡素化、重量低減及びエネルギ低減を通じて、鉄道車両９１全体の省エネルギ化に寄与することになる。

図１，２に示すように、ヒートシンク１は、パワー半導体素子２が取り付けられるベース１１と、ベース１１に対して立設された複数のフィン３１を含んで構成される放熱部３と、を備えている。

ベース１１は、鉄道車両９１の前後方向及びその前後方向に直交する方向（以下、この方向を並び方向と呼ぶ）に拡がると共に、所定厚みを有する平板状であり、パワー半導体素子２が取り付けられる取付面１１１（つまり、図１における上面）と、フィン３１が立設する放熱面１１２（つまり、図１における下面）とが、その厚み方向に相対して構成されている。ベース１１の取付面１１１には、パワー半導体素子２が、例えば熱伝導性の高いグリス等を介在させた状態で当該取付面１１１に接触して取り付けられている。尚、この図例では、前後方向に４個のパワー半導体素子２が並んで配設されているが、パワー半導体素子２の配置は特に限定されるものではなく、またその個数についても特に限定されるものではない。但し、パワー半導体素子２は、鉄道車両９１の走行方向についての方向性によらずに同じ冷却効果を得る上では、前後方向に対して対称に熱が分布するように配置することが好ましい。

各フィン３１は、所定の厚みを有する平板状であって、ベース１１の放熱面１１２に当接する基端（つまり、図１における上端）から起立端（つまり、図１における下端）に向かって、当該放熱面１１２に対して直交する方向に延びるように放熱面１１２に立設されていると共に、前後方向に延びて配設されている。各フィン３１は、その前端縁（つまり、図１における左端縁）及び後端縁（つまり、図１における右端縁）がそれぞれ、その基端から起立端に向かって前後方向の中央側に向かうように同じ角度で傾斜しており、これによって、各フィン３１は、前後方向に対して対称となる台形状（図１の車両に取り付けた状態では、その上辺が下辺よりも長い、いわゆる逆台形状となる）に形成されている。尚、各フィン３１の形状は図例に限定されるものではなく、その高さ（つまり、基端から起立端までの長さ）、前後方向長さ及び厚みの比率は、適宜設定することが可能である。また、前端縁及び後端縁の傾斜角度も適宜の角度を採用し得る。

複数のフィン３１は、ベース１１の放熱面１１２に対し、並び方向に所定の等間隔を空けて並設されている。図例では、６枚のフィン３１が並設されているが、放熱部３のフィン３１の枚数はこれに限定されるものではない。こうして、放熱部３には、隣り合うフィン３１の間それぞれに前後方向に沿って延びるスリット状流路３０が区画形成されている。この各スリット状流路３０は、フィン３１の前端（つまり、図２における左手前の端）、後端（つまり、図２における右奥の端）及び起立端（つまり、図２における上端）のそれぞれにおいて開口することになる。尚、スリット状流路３０の流路幅は、適宜の幅に設定することが可能であり、図例に限定されない。ここで、図示は省略するが、各フィン３１を補強すべく、フィン３１同士を互いに連結するように並び方向に延びる補強部材を、フィン３１の起立端における前後方向の中央部付近に、取り付けてもよい。複数個の補強部材を、前後方向に間隔を空けて取り付けてもよい。

こうしたヒートシンク１は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウムによって形成される。また、ヒートシンク１は、例えば押し出し成形や、ダイキャスト等によりベース１１と放熱部３とを一体に成形するようにしてもよいし、ベース１１に対して、各フィン３１を溶接、ろう付け及び接着剤等の各種の、適宜の手段によって接合することで成形してもよい。

このヒートシンク１の放熱部３には、その前端部及び後端部のそれぞれに、整風部としての閉塞部４１及び突出部４２が取り付けられている。

閉塞部４１は、各フィン３１の起立端における前端及び後端のそれぞれから、前方及び後方に延びて配設される部分であり、この閉塞部４１は、放熱部３の前端部及び後端部のそれぞれにおいて、各スリット状流路３０の起立端の開口を閉塞する。閉塞部４１は、放熱部３における前端部及び後端部において、前記並び方向に延びると共に、各フィン３１の起立端面に対し接合される平板状に形成されている。尚、閉塞部４１の前後方向長さは、適宜の長さを採用することが可能である。閉塞部４１の前後方向長さを変更することにより、各スリット状流路３０内の流れの状況が変更されてヒートシンク１の冷却効率が変化し得る。

突出部４２は、各フィン３１の起立端に対応する高さ位置において、放熱部３の前端縁及び後端縁のそれぞれから、前方及び後方の水平方向に突出して配設される部分である。この突出部４２は、平板状の閉塞部４１に連続するように、一体にされた平板状に形成されている。閉塞部４１と突出部４２との境界は、図２において仮想線で示される。突出部４２の前後方向長さもまた、適宜の長さを採用することが可能である。突出部４２の前後方向長さを変更することにより、各スリット状流路３０内の流れの状況が変更されてヒートシンク１の冷却効率が変化し得る。

一体にされた平板状の閉塞部４１及び突出部４２に対し、その並び方向の両側端部には、それぞれ補強部４３が一体に設けられている。各補強部４３は、平板状の閉塞部４１及び突出部４２に対し折曲して、ベース１１側へと延びる板状であり、閉塞部４１、突出部４２及び一対の補強部４３によって、全体としては略Ｕ字状を有するようになっている。尚、図１においては理解容易のために、補強部４３の図示を省略し、閉塞部４１及び突出部４２のみを図示している。各補強部４３は、平板状の閉塞部４１及び突出部４２に対し、その強度を高めるものであり、この補強部４３はまた、閉塞部４１及び突出部４２のヒートシンク１の放熱部３への取り付けにも利用される。つまり、閉塞部４１は、各フィン３１の起立端面に対し、例えばろう付け、溶接及び接着等の適宜の接合手段によって接合される一方で、補強部４３が、並び方向の両側に位置するフィン３１や及びベース１１に対して別途接合されることによって、閉塞部４１及び突出部４２を一体化した平板状の部材を、走行風に曝されるヒートシンク１に対し安定して取り付けることが可能になる。尚、補強部４３は省略することも可能である。また省略する場合には、閉塞部４１及び突出部４２に対して補強リブ等を設ける等の処理を行うことによって、閉塞部４１及び突出部４２の強度を高めることが望ましい。

このような構成のヒートシンク１は、前述したように、鉄道車両９１の床下に形成された凹部９２内に配設されており、図１に示すように、鉄道車両９１が右から左に走行するに伴い、左から右に流れる走行風に曝されることになる。より詳細には、左から右に流れる走行風は、主に、ヒートシンク１の放熱部３の前端（つまり、図１の左端）における各スリット状流路３０の開口を通じて各スリット状流路３０内に流入すると共に、放熱部３の後端（つまり、図１の右端）における各スリット状流路３０の開口を通じて各スリット状流路３０内から流出する。各スリット状流路３０内では、フィン３１の表面との間の熱伝達により、パワー半導体素子２の熱が放熱される。そうして、パワー半導体素子２が冷却される。

ここで、放熱部３の前端部に配設された閉塞部４１及び突出部４２は、詳しくは後述するが、各スリット状流路３０内の流れに関し、その速度が後端側に向かうにつれて低下することを抑制する機能を有する。一方、放熱部３の後端部に配設された閉塞部４１及び突出部４２は、詳しくは後述するが、各スリット状流路３０内の流れに関し、その流速を後端側において増速させる機能を有する。従って、前記の構成のヒートシンク１では、各スリット状流路３０内の流速低下が抑制されることと、後端部における流速が後端側において増速することとが組み合わさって、前後方向に並んだ各パワー半導体素子２を、効率的に冷却することが実現し得る。つまり、ヒートシンク１の冷却効率が向上する。

また、台形状フィン３１を有する放熱部３は、その前端縁及び後端縁がそれぞれ放熱面１１２に対して直交するような矩形状のフィン３１と比較して、各スリット状流路３０内を流れる流速が高くなる効果を有し、このことと、前記の流速低下の抑制効果と、流速の増速効果との３つが組み合わされることによって、各パワー半導体素子２の冷却がより一層効率的になり、ヒートシンク１の冷却効率がより一層向上する。ここで、前後方向に並んだ複数のパワー半導体素子２の均熱化を図り、各パワー半導体素子２を効率良く冷却するために、ベース１１に、前後方向に延びるヒートパイプを埋め込んでもよい。

さらに、前記のヒートシンク１は、そのフィン３１の形状及び閉塞部４１及び突出部４２の構成を含めて、前後方向に対して対称に構成されているため、移動方向に拘わらず、同様のヒートシンク１の冷却効率が得られる。従って、移動方向が反転する鉄道車両９１において有利である。

（変形例）
図３は、閉塞部４１及び突出部４２に関する変形例を示している。図３の例は、閉塞部４１を省略し、フィン３１の起立端に対応する、放熱部３の前端縁及び後端縁から、それぞれ前後方向の前方及び後方に向かって突出する平板状の突出部４２のみを設けている。放熱部３の前端部に突出部４２のみを設けた例でも、各スリット状流路３０内の流速低下を抑制する効果は得られるが、閉塞部４１及び突出部４２を設けた例（図１参照）と比較したときには、閉塞部４１及び突出部４２の双方を設けた場合の方が抑制効果は高い。

図４は、放熱部３における各フィンの形状を変更した例を示している。この例では、放熱部３は、前述した台形状フィン３１ではなく、その前端縁及び後端縁がそれぞれ放熱面１１２に対して直交するような矩形状フィン３２を有している。この矩形状フィン３２を有する放熱部３に対して、図４（ａ）の例では、その前端部及び後端部のそれぞれにおいて、閉塞部４１及び突出部４２を設けている。図４（ｂ）の例では、その前端部及び後端部のそれぞれにおいて、突出部４２のみを設けている。

放熱部３のフィン３２が矩形状であるときには、台形状のフィン３１と比較して、各スリット状流路３０内を流れる流速が低下することになる。尚、図４（ａ）、（ｂ）の例の比較において、流速低下の抑制効果と流速の増速効果との双方が得られる点で、図４（ａ）の例がヒートシンク１の冷却効率上、より有効であり、図４（ｂ）の例は、図４（ａ）の例に比べて、流速低下の抑制効果が低下する。

尚、例えば平板状の突出部４２は、水平方向に延びるように配置する代わりに、次にようにすることが考えられる。つまり、放熱部３の前端部に取り付ける突出部４２は、前後方向の前方に向かって下向きに傾斜するように配置する一方、後端部に取り付ける突出部４２は、前後方向の後方に向かって下向きに傾斜するように配置することが考えられる。こうすることによっても、各スリット状流路内の流速低下を抑制する効果や放熱部の後端部における増速効果が得られる。しかしながら、この場合は、傾斜配置された突出部４２において上向きとなる面で走行風を受けるようになり、抵抗が増大すると共に、突出部４２の取り付け強度や、自励振動発生等の点で不利になる場合がある。前述したように平板状の突出部４２を水平方向に延びるように配置した場合は、こうした不利益を被ることがなく、しかもスリット状流路内での流速の低下を抑制する効果や、放熱部の後端部における増速効果を十分に得ることができる。

また、前記閉塞部４１は、放熱部３の並び方向に延びる一枚の板状としなくても、放熱部３の並び方向に並んだ各スリット状流路の起立端の開口を個別に閉塞するような、小片状に形成してもよい。但し、図２等に示す板状の閉塞部４１は、フィン３１の起立端に対する「接合しろ」を有することになるから、閉塞部４１の取り付けの点で有利である。

また、前記の各例においては、放熱部３に含まれる全てのフィン３１の形状を互いに同じにしているが、異なる形状のフィン３１を組み合わせるようにしてもよい。

さらに、ここに開示するヒートシンク１は、例えばモノレール、路面電車等の軌道上を走行すると共に、その走行方向が反転する車両に対して適用することも可能である。また、例えば搭載しているバッテリからの電力を利用して走行する、乗用車、バス及びトラック等の電気自動車に適用してもよい。このような電気自動車は、走行方向が反転するものではなく、前進方向と後進方向とが異なることから、必ずしも前後方向に対し対称な形状としなくてもよい。例えば、前進の際のヒートシンク１の冷却効率を考慮して、前後方向に非対称な形状を適宜採用してもよい。

次に、本技術に関連して実際に実施した実施例について、図を参照しながら説明する。先ず数値流体解析によって、各種のヒートシンク１における流れ場を解析した結果について説明する。図５は、鉄道車両の床下に配置されて走行風に曝されるヒートシンクを模擬すべく、所定の流速の風洞内の上壁に模擬ヒートシンク１を配置した流れ場について３次元数値流体解析を行った結果を示している。ここで、以下に示す各例のヒートシンク１において、フィンの前後方向長さは６９０ｍｍに設定され、フィンの高さは１２０ｍｍに設定されている。また、風洞内の流速は１５ｍ／ｓに設定されている。

図５〜図７は、従来例１として、矩形状を有するフィン３１を備えたヒートシンク１の例における数値流体解析結果を示しており、この例では、前記閉塞部４１及び突出部４２は取り付けられていない。具体的に図５は、Ｚ方向（つまり、紙面に直交する方向）における所定の断面（具体的にはスリット状流路内に相当する断面）において、各格子点の流速に基づくコンター図であり、図６は、放熱部３の前端部（つまり、図５における矩形状フィン３２の左端部）付近を拡大した速度ベクトルの分布図、図７は、放熱部３の後端部（つまり、図５における矩形状フィン３２の右端部）付近を拡大した速度ベクトルの分布図である。尚、図６及び図７における数字（例えば「１１．４〜７．６」等）は、当該領域における流速範囲を示しており、この数字は図５における凡例の数字と対応している。

これに対し図８〜図１０は、実施例１として、矩形状を有するフィン３２を備えたヒートシンク１に対し、その放熱部３の前後両端部に、前記閉塞部４１及び突出部４２をそれぞれ取り付けた例における数値流体解析結果を示している。前記と同様に、図８は、スリット状流路内に相当するＸＹ断面における各格子点の流速に基づくコンター図であり、図９は、放熱部３の前端部（つまり、図８における矩形状フィン３２の左端部）付近を拡大した速度ベクトルの分布図、図１０は、放熱部３の後端部（つまり、図８における矩形状フィン３２の右端部）付近を拡大した速度ベクトルの分布図である。

先ず、図５と図８とを比較すると、従来例１においては、スリット状流路３０内における前後方向（つまり、Ｘ方向）の中央部から後端部にかけて、流速が低下している領域（例えば図５においてハッチング無しで示される、流速が１１．４〜７．６ｍ／ｓの領域）が存在していることがわかる。これに対し、実施例１においては、この流速の低下領域が存在しておらず、流速の低下が抑制されている。

また、実施例１と従来例１とにおいて放熱部３の前端部における流れ場を比較すべく、図６と図９とを比較すると、閉塞部４１及び突出部４２を有しない従来例１では、放熱部３の前端部近傍、特に起立端（つまり、図６における下端）の近傍においては、速度ベクトルの向きが若干下向き（換言すれば、フィン３２の基端から起立端に向かう方向）となっている。これは、放熱部３の前端（つまり、入口端）においては、各フィン３２の厚みの分だけ通過面積が急縮小することから、その放熱部３の前端から各スリット状流路３０内に流入しようとする流れがその放熱部３から逃げるように流れるためと考えられる。これに対し閉塞部４１及び突出部４２を有する実施例１では、放熱部３の前端部近傍において、前記の逃げ流れが閉塞部４１及び突出部４２と干渉して、その閉塞部４１及び突出部４２に沿うような水平方向の流れに変更されている。このことにより、スリット状流路３０内において、流速の高い領域（例えば流速が１９〜１５．２ｍ／ｓの領域）が後方に向かって延びるように形成されている。従って、前述したスリット状流路３０内における流速の低下領域の有無は、この前端部における閉塞部４１及び突出部４２の有無に起因すると考えられる。

また、実施例１と従来例１とにおいて放熱部３の後端部における流れ場を比較すべく、図７と図１０とを比較すると、閉塞部４１及び突出部４２を有する実施例１では、閉塞部４１及び突出部４２を有しない従来例１に比べて、放熱部３の後端部近傍、特に閉塞部４１の前端縁の近傍において、速度ベクトルの向きが若干上向きとなっていて、放熱部３の後端部近傍に従来例１には存在していない流速の高い領域（例えば流速が１９〜１５．２ｍ／ｓの領域）が存在している。これは、閉塞部４１及び突出部４２によって、スリット状流路３０における起立端の開口からスリット状流路３０内への流入流れが存在しており、この流入流れによって、実施例１では、放熱部３の後端部近傍に流速の高い領域が存在していると考えられる。

次に、図１１は、前記の数値解析結果に基づき、実施例１及び従来例１を含む各例につき、スリット状流路内のＹＺ平面における平均流速を算出して比較した図であり、その横軸は、ＹＺ平面の位置（位置０ｍｍは、矩形状フィン３２の前端に対応し、位置６９０ｍｍは、矩形状フィン３２の後端に対応する）、その縦軸は、平均速度（ｍ／ｓ）である。この図では、矩形状フィン３２において閉塞部４１及び突出部４２を設けない例である従来例１（図５参照）、矩形状フィン３２の放熱部において、その前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けた例である実施例１（図８参照）の他に、図示は省略するが、矩形状フィン３２の放熱部において前端部に突出部４２のみを設けた例（実施例２）、矩形状フィン３２の放熱部において前端部に閉塞部４１及び突出部４２を設けた例（実施例３）、矩形状フィン３２の放熱部において後端部に閉塞部４１のみを設けた例（比較例１）、矩形状フィン３２の放熱部において後端部に突出部４２のみを設けた例（比較例２）、矩形状フィン３２の放熱部において後端部に閉塞部４１及び突出部４２を設けた例（比較例３）、矩形状フィン３２の放熱部において前端部に閉塞部４１のみを設けた例（比較例４）を比較している。

同図によると、閉塞部４１及び突出部４２を有しない従来例１では、前端部における平均流速は比較的高い（例えば１３ｍ／ｓ強）ものの、後端部に向かうにつれて、流速が低下する度合いが高く、後端部では、平均流速が８．５ｍ／ｓ程度にまで低下してしまう。これは、図５の数値解析結果に示されるように中央部から後端部にかけて、流速が低い領域が存在していることにも対応する。

一方、前端部に閉塞部４１、突出部４２、又は閉塞部４１と突出部４２との双方を設けた例に相当する、比較例４、実施例２，３，１では、前端部における平均流速は比較的低い（例えば実施例３では１２ｍ／ｓ強）ものの、後端部に向かうにつれて流速が低下する度合いが低く、放熱部３の後端部においても比較的高い平均流速が維持されている（例えば実施例３では１０ｍ／ｓ強）。さらに詳細に検討すると、閉塞部４１のみを設けた比較例４と、突出部４２のみを設けた実施例２とでは、比較例４の方が流速の低下度合いが低く、よって流速低下の抑制効果は高い。また、比較例４、実施例２と、閉塞部４１及び突出部４２を設けた実施例３を比較した場合、実施例３が流速の低下度合いが最も低く、流速低下の抑制効果は最も高い。これは、比較例４における抑制効果と実施例２における抑制効果とを単純に足し合わせた場合よりもさらに高い、流速低下の抑制効果を示している。

次に、後端部に閉塞部４１、突出部４２、又は閉塞部４１と突出部４２との双方を設けた例に相当する、比較例１，２，３について検討するに、これらの比較例１，２，３では、流速が低下する度合いは従来例とほぼ同じで、流速低下の抑制効果はほとんど得られていない。但し、放熱部３の後端部に閉塞部４１と突出部４２との双方を設けた比較例３では、その後端部において平均流速が上がっている。このような増速効果は、前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１と突出部４２との双方を設けた実施例１においても見受けられる。つまり実施例１と実施例３とを比較した場合に、実施例１は、実施例３よりも、後端部における平均流速が高い。

以上の検討結果より、放熱部３における前端部に、少なくとも閉塞部４１又は突出部４２を設けることによって、スリット状流路３０内の流速低下を抑制する効果が得られ、その閉塞部４１と突出部４２とを比較した場合には、閉塞部４１を設けた場合の方が流速低下を抑制する効果が高く、閉塞部４１と突出部４２との双方を設けた場合には、相乗効果により流速低下を抑制する効果が最も高くなる。また、放熱部３における後端部に、閉塞部４１及び突出部４２を設けることによって、その後端部における増速効果が得られ、前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けることによって、前述した流速低下の抑制効果と、増速効果との双方が得られ、流速低下を抑制する上で、最も有効である。特にスリット状流路内の流れにおいて、温度は下流側ほど累積的に高くなることから、発熱体による発熱が流れ方向に対し均一であるときには、放熱部３における後端部において最高温度となってしまう。この場合において後端部における増速効果は、その最高温度を抑制する上で極めて有効に作用することになる。

図１２は、フィンの形状の相違に関する、ヒートシンク１における流れ場の比較として、スリット状流路内のＹＺ平面における平均速度を算出して比較した図である。前記と同様に、横軸は、ＹＺ平面の位置、縦軸は、平均速度（ｍ／ｓ）である。この図では、矩形状フィン３２において閉塞部４１及び突出部４２を設けない例である従来例１（図５参照）、各フィンの前端縁及び後端縁がそれぞれ、その基端から起立端に向かって前後方向の中央側に向かうように同様の角度で傾斜した台形状フィン３１において閉塞部４１及び突出部４２を設けない例である従来例２（図示省略）、矩形状フィン３２の放熱部において、その前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けた例である実施例１（図８参照）、台形状フィン３１の放熱部において、その前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けた例である実施例４（図１３，１４参照）、矩形状フィン３２の放熱部において、その前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けると共に、その各閉塞部４１を中央側に延ばして、各スリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞した例である比較例５（図示省略）、台形状フィン３１の放熱部において、その前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けると共に、その各閉塞部４１を中央側に延ばして、各スリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞した例である比較例６（図示省略）を比較している。

先ず、閉塞部４１及び突出部４２を設けていない従来例１と従来例２とを比較すると、台形状フィン３１の従来例２は、矩形状フィン３２の従来例１に比べて、スリット状流路３０内における流速の値は大きい。また、従来例２においても、後端部に向かうにつれて流速が低下し、その低下度合いは従来例１と同様に高く、従来例１と従来例２とでほとんど同じである。台形状フィン３１は、矩形状フィン３２に比べて流速が高くなる一方で、流速の低下度合いは、台形状フィン３１と矩形状フィン３２とでほとんど同じであるという傾向は、閉塞部４１及び突出部４２についての条件が互いに同じである、実施例１と実施例４との比較、比較例５と比較例６との比較においても同様に見られる。

また、実施例１及び実施例４について検討するに、矩形状フィン３２であっても、台形状フィン３１であっても、前述したように、前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けることによって流速低下の抑制効果と、増速効果との双方が得られている。図１３は、実施例４に対応する数値解析結果において、その前端部付近を拡大した図、図１４はその後端部付近を拡大した図である。図１３において明確であるが、台形状フィン３１の放熱部においても、前端部に閉塞部４１及び突出部４２を設けることによって、その放熱部３の前端近傍における逃げ流れが閉塞部４１及び突出部４２と干渉して、その閉塞部４１及び突出部４２に沿うような水平方向の流れに変更されている。これにより、流速低下の抑制効果が得られていると考えられる。また、図１４に示されるように、後端部の閉塞部４１及び突出部４２によって、特に閉塞部４１の前端縁付近において速度ベクトルの向きが上向きとなっていると共に、その後は、閉塞部４１及び突出部４２に沿うように略水平方向に流れている。このような傾向は、図８〜図１０に示すように、矩形状フィン３２の放熱部における前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けた実施例１と同様である。

台形状フィン３１は、前述したように、流速が相対的に高くなるため、台形状フィン３１の放熱部における前端部及び後端部のそれぞれに閉塞部４１及び突出部４２を設けた実施例４では、相対的に高い流速でスリット状流路３０内に流入した流れが、その流速の低下を抑制した状態で後端側へと流れると共に、その後端部において若干増速して流出することになる。

また、比較例５や比較例６のように、各スリット状流路３０の起立端の開口を、前後方向の全域に亘って閉塞することによって流速はほとんど低下しなくなる。これは、各スリット状流路３０が前端及び後端のみが開口する流路（つまり、閉じた流路）になることで、各スリット状流路３０の起立端の開口を通じた流入及び流出がなく、前端から流入した流れがその流速を保持したままで後端から流出することになるためと考えられる。

従って、矩形状フィン３２と台形状フィン３１とを比較した場合には、台形状フィン３１の方が流速が高くなり、ヒートシンク１の冷却効率を高める上では有効である。また、台形状フィン３１に、閉塞部４１及び突出部４２を設けることによって、流速の低下も抑制されるため、相対的に高流速であることと相俟って、ヒートシンク１の冷却効率を高める上で、より一層有効である。また、台形状フィン３１に突出部４２（及び閉塞部４１）を設けて、その分前後方向の長さが長くなったとしても、台形状フィン３１の起立端の長さは予め短くなっているため、放熱部３、ひいてはヒートシンク１の全長としては、例えば矩形状フィン３２を備えたヒートシンクと同程度に収まる。つまり、サイズを拡大することなく、冷却性能を向上させる点でも、台形状フィン３１は有利である。

最後に、実際に作成した各種のヒートシンク１に対して模擬発熱体を取り付けると共に、それを風洞内に配置して、ヒートシンク１の冷却効果を、発熱体の温度を計測することによって確認した実測結果について、図１５を参照しながら説明する。ここでは、矩形状フィン３２を備えたヒートシンク１に対して閉塞部４１及び突出部４２を設けない例（従来例１、図５参照）と、台形状フィン３１を備えたヒートシンク１に対して閉塞部４１及び突出部４２を設けない例（従来例２、図示省略）と、矩形状フィン３２を備えたヒートシンク１に対して閉塞部４１及び突出部４２を設けると共に、その閉塞部４１を延長してスリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞した例（比較例５、図示省略）と、台形状フィン３１を備えたヒートシンク１に対して閉塞部４１及び突出部４２を設けると共に、その閉塞部４１を延長してスリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞した例（比較例６、図示省略）と、台形状フィン３１を備えたヒートシンク１に対して閉塞部４１及び突出部４２を設けた例（実施例４、図１３，１４参照）とをそれぞれ比較した。図示は省略するが、各例のヒートシンク１には、その前後方向に４つの模擬発熱体を取り付けると共に、その中央側に配置された模擬発熱体の温度を計測している。

図１５は、横軸を風洞入口の平均流速（ｍ／ｓ）に、縦軸を発熱体の最高温度上昇値（℃）にして、前記の従来例１，２、比較例５，６及び実施例４を比較している。同図によると、各流速において、従来例１が最高温度上昇値が最も高く、冷却効果が最も低い結果となっている。

次いで比較例５が冷却効果が低いという結果になっている。前述したように、熱伝達を考慮しない場合には、スリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞することによって流速の低下を抑制する効果が最も高くなるものの、実測結果によると、冷却効率は必ずしも高くはなっていない。これは、熱伝達に伴いスリット状流路３０内の温度が上昇して空気の密度と粘度とが変化しても、各スリット状流路３０の起立端の開口を通じた流入及び流出が行われないため、前後方向に対する流れに悪影響が及ぶためと推測される。つまり、スリット状流路３０内の流れにおいては、その入口側（つまり、前端）から出口側（つまり、後端）にかけて温度が次第に上昇するため、その温度上昇に伴い空気の密度が低下する一方、空気の粘度は上昇する。密度低下（換言すれば体積増加）に伴い、体積流量が上昇すると共に、粘度上昇に伴い空気とフィンとの摩擦が増大するため、出口側に近づくにつれて抵抗が増大するようになる。比較例５のように、スリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞して、その前端及び後端のみを開口させた場合には、出口側にかけての抵抗増大の影響によってヒートシンクに取り込まれる空気の質量流量が低減することになり、その結果、ヒートシンクの冷却効率が低下すると推測される。比較例６と実施例４との比較においても、スリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞した比較例６の方が、前端部及び後端部のみを閉塞する実施例４よりも冷却効率が低く、前記と同様である。

但し比較例５は、流速が高くなるにつれて最高温度上昇値が低下するようになり、流速が２０ｍ／ｓにおいては、例えば従来例２と同程度の冷却効果が得られている。この点につき比較例６と実施例４との比較においても、流速が相対的に低いとき（例えば７．５ｍ／ｓ）では、比較例６と実施例４とは、最高温度上昇値の差が３℃程度であるのに対し、流速が相対的に高いとき（例えば２０ｍ／ｓ）では、比較例６と実施例４とは、最高温度上昇値の差が１℃程度に小さくなる。従って、比較例５や比較例６のように、スリット状流路３０の起立端の開口を前後方向の全域に亘って閉塞した場合は、例えば出口側にかけての空気の温度上昇（つまり、物性値変化）が小さくなるような熱負荷が低い場合や、流速が高い流れ場においては十分な冷却効果が得られる可能性がある。

そうして、台形状フィン３１を備えたヒートシンク１に対して閉塞部４１及び突出部４２を設けた実施例４が、最高温度上昇値が最も低く、冷却効率が最も高い結果となった。これは、前述したように、台形状フィン３１による高い流速が得られる効果と、前端部に設けた閉塞部４１及び突出部４２による流速低下を抑制する効果と、後端部に設けた閉塞部４１及び突出部４２による増速効果と、の組み合わせによると推定される。

以上説明したように、本発明は、冷却効果の高いヒートシンクが実現し得るから、移動体に搭載されると共に、走行風を利用して各種機器を冷却するヒートシンクとして有用である。

１ ヒートシンク
１１ ベース
１１１ 取付面
１１２ 放熱面
２ パワー半導体素子（発熱体）
３ 放熱部
３０ スリット状流路
３１，３２，３３ フィン
４１ 閉塞部（整風部）
４２ 突出部（整風部）
９１ 鉄道車両（移動体）

Claims (5)

1. 取付面と放熱面とを有しかつ、当該取付面に少なくとも１の発熱体が取り付けられるベース、及び、
   前記ベースの放熱面に立設された複数のフィンを含んで構成される放熱部、を備え、
   移動体に搭載されることによって当該移動体の移動に伴う走行風に曝されるヒートシンクであって、
   前記各フィンは、前記放熱面から突出するように当該放熱面に当接する基端から起立端に向かって延びていると共に、前記走行風の流れ方向における上流端に対応する前端から、その下流端に対応する後端に向かって前後方向に延びており、
   前記放熱部には、前記複数のフィンが、前記前後方向に直交する並び方向に所定間隔を空けて配置されることによって、前記隣り合うフィンの間に、当該フィンの前記前端、後端及び起立端のそれぞれにおいて開口する複数のスリット状流路が、前記前後方向に延びるように区画形成され、
   前記放熱部は、前記フィンの起立端における前端に対して、前記前後方向の所定範囲に亘って延びるように設けられた整風部をさらに有し、
   前記整風部は、前記フィンの起立端における前端から前記前後方向の前方に向かって延びて設けられることにより、前記フィンの前端縁から前方に向かって前記前後方向に沿って真っ直ぐに突出する平板状の突出部であるヒートシンク。
2. 請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
   前記整風部は、前記放熱部の前端縁を挟んだ前後それぞれの方向に延びて設けられることにより、前記放熱部の少なくとも前端部において前記各スリット状流路の起立端の開口を閉塞すると共に、前記フィンの前端縁から前方に向かって前記前後方向に沿って真っ直ぐに突出する平板状の整風部であるヒートシンク。
3. 請求項１又は２に記載のヒートシンクにおいて、
   前記放熱部は、その後端側に取り付けられた整風部をさらに有しているヒートシンク。
4. 請求項３に記載のヒートシンクにおいて、
   前記整風部は、前記放熱部が前記前後方向に対して対称な形状となるように当該放熱部の前端側及び後端側のそれぞれに取り付けられているヒートシンク。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートシンクにおいて、
   前記各フィンは、その前端縁及び後端縁がそれぞれ、前記基端から起立端に向かって前記前後方向の中央側に向かうように傾斜すると共に、前記前後方向に対して対称となる台形状に形成されているヒートシンク。

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