JP5955651B2 - ヒートシンク及びヒートシンク製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発熱体の熱を放熱するためのヒートシンクに関する。

従来、電子機器や空調機器などに用いられる半導体素子などの発熱体からの熱を効率よく放熱するために、発熱体にヒートシンクを取り付けて空冷或いは水冷することが知られている。

発熱体の発熱量が増大する傾向にある近年では、更なる放熱性能の向上が望まれており、ピンフィンタイプのヒートシンクを発熱体に取り付け、水冷によって発熱体の放熱を行うことによってその対応がなされている。

このようなピンフィンタイプのヒートシンクには、断面形状が正六角形の複数のフィンを均等な間隔で立設して配列したもの、垂直方向の放熱面が風向き方向に対して斜めに均等な間隔で設けられた断面形状が四角形の複数のピンフィンからなるものが開示されている（例えば、特許文献１、２）。

特許第３８４０９７０号公報 特開平７−２２１２２８号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されているようなピンフィンタイプのヒートシンクでは、ベース板を所定の寸法に切断などした場合に、同一形状で断面形状が多角形に形成された複数のピン群が設けられるべきところ、ベース板に立設したピンフィンの間隔が狭いために、ピンフィンが意図しない形状、例えば、所期する断面形状の一部が切断され、流体の流れ方向に対して直交する切断面を有するピンフィンが形成された不完全な形状のピンフィンが成形され、このようなピンフィンが立設されたベース板に流体が注入されると、流体の圧力損失が増大するという問題があった。

また、圧力損失が増大する問題を解消するため、この流れ方向に対して直交する面を有する不完全な形状のピンフィンを除去することが望ましいが、不完全な形状のピンフィンのみを除去することは容易ではない上に、加工コストが増加してしまうという問題があった。

本発明は、上述した技術背景に鑑み、不完全な形状のピンフィンを有していても、圧力損失の増大を十分に抑制することができるヒートシンク及びヒートシンク製造方法の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［６］に記載の構成を有する。

［１］ ベース板に立設して千鳥状に配列されたピン群を有し、発熱体を冷却用流体によって冷却するヒートシンクであって、
前記ピン群は、
横断面が四角形で形成され、一対の角部の対角線が前記冷却用流体の上下流れ方向と平行になるように配置された複数の第１ピンフィンと、
前記第１ピンフィンの一部が切除された横断面が三角形或いは五角形に形成され、前記冷却用流体の流れ方向に対して直交する直交面を有する複数の第２ピンフィンと、を備えており、
前記第２ピンフィンが、第１ピンフィン群の上流側或いは下流側に一列に立設され、
前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有することを特徴とするヒートシンク。

［２］ 前記第２ピンフィンが、少なくとも前記第１ピンフィン群の上流側に一列に立設され、
前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有することを特徴とする前項１に記載のヒートシンク。

［３］ 前記第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群の上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられ、
前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形の横断面を有することを特徴とする前項１または２に記載のヒートシンク。

［４］ 前記第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群の上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられ、
前記第１ピンフィン群よりも上流側に設けられた前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形の横断面を有し、
前記第１ピンフィン群よりも下流側に設けられた前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、８３％以下となる五角形の横断面を有することを特徴とする前項１または２に記載のヒートシンク。

［５］ 前記第１ピンフィン及び前記第２ピンフィンは、各辺が隣接する前記第１ピンフィン或いは第２ピンフィンの辺の延長線上に位置するように配置され、
隣接する前記第１ピンフィン或いは前記第２ピンフィンの対向する辺同士の垂直距離が等しくなるように配置されることを特徴とする前項１〜４のいずれかに記載のヒートシンク。

［６］ 前項１〜５の何れかに記載のヒートシンクを製造するヒートシンク製造方法であって、
板状の放熱性材料に、直線状の複数の第１溝が一定の間隔で平行してなる第１溝群を形成し、
前記第１溝群に対して鋭角に交差するように、直線状の複数の第２溝が前記一定の間隔で平行してなる第２溝群を形成し、
前記第１溝群及び前記第２溝群によって前記放熱性材料上に形成された前記ピン群の端部列に、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有するピン列を形成することを特徴とするヒートシンク製造方法。

上記［１］に記載の発明によれば、前記第１ピンフィンの一部が切除された横断面が三角形或いは五角形で形成され、流体の流れ方向に対して直交する直交面を有する第２ピンフィンが、第１ピンフィン群の上流側或いは下流側に一列に立設され、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有するように構成されているので、不完全な形状のピンフィンを有していても、第１ピンフィン群の上流側或いは下流側の第２ピンフィンが所定の形状に設定されているので、圧力損失の増大を抑制することができる。

また、第１ピンフィン及び第２ピンフィンがベース板に千鳥状に立設されているので、上流側に配置された第１ピンフィン及び第２ピンフィンによって下流側の第１ピンフィンへの流体の流れが阻害されることがなく、流体の流れの効率がよく放熱性を向上させることができる。

更に、横断面が四角形で形成されてなる複数の第１ピンフィンの一対の角部の対角線が上下流れ方向と平行になるように配置されることにより、第１ピンフィン群において流体の流れを堰き止めることがなく圧力損失を低減させることができる。

上記［２］に記載の発明によれば、第２ピンフィンが、少なくとも第１ピンフィン群の上流側に一列に立設され、第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有するので、不完全な形状のピンフィンを有していても、圧力損失への影響が大きい上流側の第２ピンフィンが所定の形状に設定されているので、圧力損失の増大を十分に抑制することができる。

上記［３］に記載の発明によれば、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形の横断面を有する第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群の上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられるので、不完全な形状のピンフィンとして横断面が三角形のピンフィンをピン群の端部に有する場合であっても、このように第１ピンフィン群の上流側及び下流側の両側に７３％以下となる三角形の横断面の第２ピンフィンを設けることで、圧力損失への影響の小さい横断面形状の範囲に設定された第２ピンフィンが、第１ピンフィン群の上流側及び下流側の両側に設けられるので、圧力損失の増大を低減させることができる。

上記［４］に記載の発明によれば、横断面が７３％以下となる三角形に形成された前記第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群よりも上流側に一列に設けられるとともに、横断面が８３％以下となる五角形に形成された前記第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群よりも下流側に一列に設けられるので、不完全な形状のピンフィンとして横断面が三角形及び五角形のピンフィンをピン群の端部に有する場合であっても、このように第１ピンフィン群の上流側に７３％以下となる三角形の横断面の第２ピンフィンを設け、且つ第１ピンフィン群の下流側に８３％以下となる五角形の横断面の第２ピンフィンを設けることで、圧力損失への影響が大きい上流側の第２ピンフィンが、下流側の第２ピンフィンよりも圧力損失への影響の小さい横断面形状の範囲に設定されるので、圧力損失の増大を低減させることができる。

上記［５］に記載の発明によれば、前記第１ピンフィン及び前記第２ピンフィンは、各辺が隣接する前記第１ピンフィン或いは第２ピンフィンの辺の延長線上に位置するように配置され、隣接する前記第１ピンフィン或いは前記第２ピンフィンの対向する辺同士の垂直距離が等しくなるように配置されるので、第１ピンフィン間の流体の流速及び第２ピンフィンと第１ピンフィン間の流体の流速を等しくすることができ、ヒートシンクの中央付近と上下流れ方向端部付近との放熱性能の差異を解消することができ、放熱性能を向上させることができる。

上記［６］に記載の発明によれば、板状の放熱性材料に、第１溝群が直線状の複数の第１溝が一定の間隔で平行してなる第１溝群、及び前記第１溝群に対して鋭角に交差するように、直線状の複数の第２溝が前記一定の間隔で平行してなる第２溝群が形成されるので、所望の角度を有する横断面がひし形形状のピンフィン群を成形することができる。

また、不完全な形状のピンフィンを有していても、第２ピンフィンが所定の形状に設定されているので、圧力損失の増大を十分に抑制することができるヒートシンクを製造することができる。

本発明に係るヒートシンクを説明するための平面図である。 図１に係るヒートシンクのＹ−Ｙにおける断面図である。 図１に係るヒートシンクの第２ピンフィンの形状を説明するための説明図である。 図１に係るヒートシンクの製造方法について説明するための説明図である。 図１に係るヒートシンクのピンフィン角度６０°時の切断位置Ｘと圧力損失の相関図である。 図１に係るヒートシンクのピンフィン角度４５°時の切断位置Ｘと圧力損失の相関図である。 図１に係るヒートシンクの上流側及び下流側に配置されるピンフィン角度６０°時の切断位置Ｘと圧力損失の相関図である。 本発明の別実施形態に係るヒートシンクの平面図である。

以下、本発明の各実施形態におけるヒートシンク１について説明する。

図１は、本発明に係るヒートシンク１を説明するための平面図、図２は、ヒートシンク１のＹ−Ｙにおける断面図、図３は、ヒートシンク１の第２ピンフィン３の形状を説明するための説明図、図４は、ヒートシンク１の製造方法について説明するための説明図、図５は、ヒートシンク１のピンフィン角度６０°時の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関図、図６は、ヒートシンク１のピンフィン角度４５°時の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関図、図７は、ヒートシンク１の上流側及び下流側に配置されるピンフィン角度６０°時の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関図、図８は、本発明の別実施形態にかかるヒートシンク１の平面図である。

ヒートシンク１は、発熱体６を冷却用流体Ｆによって冷却するための部品であり、ベース板５と、ベース板５から立ち上がった側壁４と、を有し、アルミニウム、銅などの放熱特性が比較的高い金属からなり、例えば、切削加工などが施されて製造される。

ベース板５には、例えば水などの液体である冷却用流体Ｆの流れ方向に平行する２つの側壁４が設けられ、２つの側壁４間に千鳥状に配列されたピン群Ａ，Ｂが立設されている。

冷却用流体Ｆが、ベース板５上に整列して配置された突起状のピン群Ａ，Ｂを形成するピンフィン間を流れることによって発熱体６が冷却される。

ヒートシンク１は、具体的には、ベース板５の対向面となる天板（図示しない）を有して密閉容器状に形成され、密閉容器の内側のベース板５にピン群Ａ，Ｂが立設されている。

ヒートシンク１の密閉容器内部は冷却用流体Ｆの流路Ｒとなり、ヒートシンク１の内部に流入された冷却用流体Ｆは、矢印で示す図面に向かって左側から右側方向に流れる。以降においても同様に、冷却用流体Ｆの流れ方向は、図面に向かって左側から右側方向として説明する。

発熱体６が、ベース板５におけるピン群Ａ，Ｂが立設された面の裏面に取り付けられることで、冷却用流体Ｆによって発熱体６から発生した熱が放熱されるように構成されている。

ピン群Ａ，Ｂは、複数の第１ピンフィン２からなる第１ピンフィン群Ａ及び第２ピンフィン３からなる第２ピンフィン群Ｂを備えてなる。

（第１ピンフィン）
ピン群Ａ，Ｂの大多数を占める第１ピンフィン２は、横断面形状が四角形で形成されてなり、四角形の中でも、鋭角の角を有する四角形で形成され、特に、ひし形であることが好ましい。

以降では、第１ピンフィン２の横断面がひし形である場合について説明する。

第１ピンフィン２は、例えば、鋭角である角度２αの角部ａが冷却用流体Ｆの流れの上流側に位置し、角部ａの対角位置に設けられた角部ｂが冷却用流体Ｆの流れの下流側に位置するように、ベース板５に千鳥状に立設される。

複数の第１ピンフィン２の一対の角部ａ，ｂの対角線が上下流れ方向と平行になるように配置されることにより、流体Ｆの流れを堰き止めることがなく圧力損失Ｐを低減させることができる。

第１ピンフィン２の辺２１の延長線上には、隣接する第１ピンフィン２の辺２１が位置
するように配置され、隣接する前記第１ピンフィン２の対向する辺２１同士の垂直距離ｓが等しくなるように第１ピンフィン２が配置される。

このような構成により、第１ピンフィン２間の流体Ｆの流速をより一定とすることができ、放熱性能をより向上させることができる。

（第２ピンフィン）
ピン群の立設したベース板５が発熱体６の寸法に応じて切断されるなどして、ヒートシンク１が成形されているため、ベース板５上に立設されたピンフィン間隔の狭いピン群の上流側及び下流側の端部には、ピン群の中央側付近の第１ピンフィン２とは横断面形状の異なる不完全な形状の第２ピンフィン３が形成されてしまう。

第１ピンフィン２の横断面形状が完全な形状であると定義し、それに対する第１ピンフィン２の一部を切り欠いたような横断面形状を有する第２ピンフィン３は、不完全な形状のピンフィンと定義する。

第２ピンフィン３は、横断面形状がひし形である第１ピンフィン２の角部ａ或いは角部ｂの一部を欠いた、三角形或いは五角形の横断面に形成されてなる。

例えば、第１ピンフィン群Ａの上流側に配置された第２ピンフィン３は、図３の仮想線（二点鎖線）で示すように、第１ピンフィン２の角部ａ側が、流体Ｆの流れ方向に直交する方向に切断されて、斜線で示す三角形の不完全な形状の横断面が形成されたものであり、冷却用流体Ｆの流れ方向に対して直交する直交面３１を有している。

ピン群Ａ，Ｂの一端側の端部列の第２ピンフィン３は、角部ａ側が切除されて不完全な形状の横断面となるが、ピン群Ａ，Ｂの他端側の端部列の第２ピンフィン３は、角部ｂ側が切除されて不完全な形状の横断面に形成される。

第２ピンフィン３は、ピン群Ａ，Ｂ全体が千鳥状の配列となるように、第１ピンフィン２の並びに倣って配置されており、複数の第２ピンフィン３が、２つの側壁４に直交する列をなしてベース板５上に立設されている。

第２ピンフィン３が一列に配置されてなる第２ピンフィン群Ｂは、第１ピンフィン群Ａよりも上流側及び下流側、ピン群Ａ，Ｂの上流側端部及び下流側端部に配置される。

第２ピンフィン３は、第１ピンフィン群Ａ側に位置する辺３２の延長線上に、隣接する第１ピンフィン２の辺２１が位置するように配置され、第１ピンフィン群Ａ側に位置する第２ピンフィン３の辺３２と、隣接する第１ピンフィン２と対向する辺２２との垂直距離ｓが等しくなるように第２ピンフィン３が配置されて、第２ピンフィン群Ｂが形成されている。

上述したように、前記第１ピンフィン２及び前記第２ピンフィン３は、各辺２１，２２，３２が隣接する前記第１ピンフィン２或いは前記第２ピンフィン３の辺２１，２２，３２の延長線上に位置するように配置され、隣接する前記第１ピンフィン２或いは前記第２ピンフィン３の対向する辺２１，２２，３２同士の垂直距離ｓが等しくなるように配置されるので、第１ピンフィン２間の流体Ｆの流速及び第２ピンフィン３と第１ピンフィン２間の流体Ｆの流速を等しくすることができ、ヒートシンク１の中央付近と上下流れ方向端部付近との放熱性能の差異を解消することができ、放熱性能を向上させることができる。

ヒートシンク１全体の流速が一定となることでヒートシンク１全体の放熱性能が向上し、発熱量の高い発熱体６をヒートシンク１の端部にまで配置することができるようになる。

また上述したように、第１ピンフィン２及び第２ピンフィン３がベース板５に千鳥状に立設されていることにより、上流側に配置された第１ピンフィン２及び第２ピンフィン３によって下流側の第１ピンフィン２への流体Ｆの流れが阻害されることがなく、流体Ｆの流れの効率がよく放熱性を向上させることができる。

（製造方法）
以下では、図４（ａ）〜（ｃ）に基づいて本発明のヒートシンク１の製造方法について説明する。

第２ピンフィン３の横断面形状が、三角形或いは五角形の何れの場合であっても本製造方法によって製造可能である。

ヒートシンク１のベース板５のピン群Ａ，Ｂは、アルミニウム、銅などの放熱特性が比較的高い金属からなる板状の放熱性材料に対し、切削刃によって複数の溝が形成されることによって成形される。

切削刃は、所望の幅寸法に成形された複数の刃が所定の間隔で設けられており、同時に複数の溝を切削することができるように構成されたものである。

尚、切削刃の構成は特に限定されるものでなく、一つの溝のみを切削するように構成されるのであってもよい。

放熱性材料は、切削刃によってその表面に第１溝７が切削され、直線状の複数の第１溝７が一定の間隔で平行してなる第１溝群Ｃが形成される。

放熱性材料に第１溝群Ｃの加工がなされた状態で、同様にして、第１溝群Ｃに対して鋭角に交差するように切削刃の向きを変えて放熱性材料の表面に第２溝８の切削がなされ、直線状の複数の第２溝８が一定の間隔で平行してなる第２溝群Ｄが形成される。

放熱性材料Ｍに形成された第１溝群Ｃ及び第２溝群Ｄによって、各溝間に突出するように成形された、少なくとも第１ピンフィン２が千鳥状に配列されてなるピン群Ａが形成される。

尚、放熱性材料Ｍには、ピン群Ａ，Ｂの高さ寸法にベース板５の厚み寸法を加味した厚み寸法を有するものが用いられ、所望の厚み寸法のベース板５が残る程度の深さで放熱性材料Ｍに切削が行われ、第１溝７及び第２溝８が成形されるとよい。

具体的には、例えば、１．０ｍｍの溝の切削が可能な切削刃を使用して、図４（ａ）に示すように、放熱性材料Ｍである板材のある壁面端部と角度α（例えば、α＝３０°）をなすように切削刃の切削角度を設定して、当該壁面端部側から対向位置の壁面側に向かって直線状に切削して複数の第１溝７（第１溝群Ｃ）を形成する。

第１溝群Ｃは、隣接する第１溝７同士の間隔ｄが約１．５ｍｍに設定されて形成される。

続いて、図４（ｂ）に示すように、放熱性材料Ｍである板材の前記壁面端部と傾斜角度−α（例えば、α＝３０°）をなすように切削刃を回転させて切削角度を設定し、先に形成された第１溝７と交差するように、前記壁面端部側から対向位置の壁面側に向かって直線状に切削して複数の第２溝８（第２溝群Ｄ）を形成する。

第２溝群Ｄも第１溝群Ｃと同様に、隣接する第２溝８同士の間隔ｄが約１．５ｍｍに設定されて形成される。

上述のようにして第１溝群Ｃ及び第２溝群Ｄが形成されることによって、少なくとも対向する辺同士の垂直距離ｄが約１．５ｍｍ、且つ隣接する辺同士の垂直距離ｓが１．０ｍｍの第１ピンフィン２からなるピン群Ａが、ベース板５上に形成された状態となる。第１ピンフィン２は、横断面が四角形に形成された、角度２α（例えば、２α＝６０°）の鋭角となる対角位置の一対の角部ａ，ｂを有する。

このようにしてピン群Ａが形成された放熱性材料Ｍが、図４（ｃ）の図面縦方向太線Ｚで示すように所定の寸法で幅方向に切断され、第１ピンフィン２の一部が切断されてしまうことにより、図面上左右両端の列に第２ピンフィン３が形成され、ピン群Ａ，Ｂが設けられた所望の寸法のヒートシンク１が得られる。

尚、放熱性材料Ｍは、幅方向だけでなく、所定の寸法の長さ方向に切断される、或いは所定の寸法の長さ方向及び幅方向の両方向に切断されるのであってもよい。

こうして得られるヒートシンク１には、別体で形成された側壁４及び天板（図示しない）などがベース板５に取り付けられて、冷却用流体Ｆを流入できるように密閉容器状に組み立てられる。

こうして所定寸法に切断されて得たヒートシンク１は、ピン群Ａ，Ｂの端部の列に、横断面が三角形或いは五角形となるピン列である第２ピンフィン群Ｂを有している。

当該ヒートシンク１には、不完全な形状の第２のピンフィン３と、ベース板５の中央部側に第１のピンフィン２とが設けられ、複数のピンフィン２，３が千鳥状に配列されてなる。

横断面が三角形或いは五角形の第２ピンフィン３は、本来、第１ピンフィン２と同一の横断面形状を有するものであったところ、角部ａ，ｂの対角線に直交した方向に角部ａ側の一部が切除され、或いは、角部ａ、ｂの対角線に直交した方向に角部ｂ側の一部が切除され、それぞれ対角線に直交する面である直交面３１を有する形状に形成されたものである。

切除されずにベース板５上に残った第２ピンフィン３の角部ａ或いは角部ｂは、互いにベース板５の中央部側方向に向くように配置されている。

直交面３１は、ヒートシンク１として使用される際に、冷却用流体Ｆの流れ方向に直交するようにして配置される。

第２ピンフィン３の長さ寸法は、切断されることによって、当然ながら第１ピンフィン２の長さ寸法Ｌよりも少し短い寸法となっている。

尚、長さ寸法とは、冷却用流体Ｆの上下流れ方向における長さを意味している。

以降、第１ピンフィン２の角部ａ或いは角部ｂの一部が切断された位置を切断位置Ｘと定義し、切断位置Ｘは、ベース板５の中央部側に設けた第１ピンフィン２側の角部ａ或いは角部ｂの頂点から切断された位置までの長さ寸法で表されるものとする。

上述したように、板状の放熱性材料Ｍに、直線状の複数の第１溝７が一定の間隔で平行してなる第１溝群Ｃを形成し、前記第１溝群Ｃに対して鋭角に交差するように、直線状の複数の第２溝８が前記一定の間隔で平行してなる第２溝群Ｄを形成し、前記第１溝群Ｃ及び前記第２溝群Ｄによって前記放熱性材料Ｍ上に形成された前記ピン群Ａ，Ｂの端部列に、前記第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗに対する前記直交面３１の幅Ｗ´が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有するピン列を形成するヒートシンク製造方法によって、所望の角度を有する横断面がひし形形状のピンフィンを成形することができる。

また、不完全な形状のピンフィンを有していても、第２ピンフィン３が所定の形状に設定されているので、圧力損失Ｐの増大を十分に抑制することができるヒートシンク１を製造することができる。

以降では、上述の製造方法によって得られたヒートシンク１の第２ピンフィン３が直交面３１を有することにより、ピン群Ａ，Ｂ間を流れる冷却用流体Ｆに与える影響について調査するため行った３つの測定について説明する。

図５〜７に示すグラフは、第２ピンフィン３の切断位置Ｘを可変に設定して得た各測定結果であり、ピンフィン３の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関を表したものである。

グラフのＸ軸方向は、第２ピンフィン３の切断位置Ｘの値［ｍｍ］を示し、Ｙ軸方向は圧力損失Ｐの値［Ｐａ］を示す。

以降の測定において、冷却用流体Ｆの上流側の流速は、０．５ｍ／ｓに設定される。

（測定結果１）
本測定では、第１ピンフィン群Ａよりも上流側にのみ第２ピンフィン３を設け、第１ピンフィン２側に配置された第２ピンフィン３の角部ｂの頂点からの切断位置Ｘを変化させて圧力損失Ｐを測定したところ、第１ピンフィン２の切断位置Ｘの設定によって、圧力損失Ｐに変化が見られた。

第１ピンフィン群Ａは、長さ寸法約１８ｍｍ×幅寸法１４ｍｍの範囲で、２つの側壁４に直交する第１ピンフィン２の列が、ベース板５上に上流側から７列で立設されている。

第１ピンフィン２は、流体Ｆの上下流れ方向に平行な角部ａ，ｂが角度２α＝６０°の鋭角となるように設定され、横断面がひし形に形成されてなり、流れ方向の長さ寸法Ｌが３ｍｍに設定されている。

第１ピンフィン２は、対向する辺２１，２２同士の垂直距離ｄが何れも約１．５ｍｍに設定されている。

隣接する第１ピンフィン２の対向する辺２１同士の垂直距離ｓは、約１．０ｍｍに設定され、全ての隣接する第１ピンフィン２の対向する辺２１同士の垂直距離ｓが等しくなるように、第１ピンフィン２はベース板５に千鳥状に立設される。

第２ピンフィン３は、第１ピンフィン群Ａの上流側にのみ設けられ、ベース板５の中央部側で隣接する第１ピンフィン２の辺２２と平行な２つの辺３２を有し、この２辺３２と隣接する第１ピンフィン２の辺２２との垂直距離ｓは、隣接する第１ピンフィン２の対向する辺２１同士の垂直距離ｓと等しい値、約１．０ｍｍとなっている。

第２ピンフィン３は、第１ピンフィン２側、即ち、ベース板５の中央部側に向いて配置された角部ｂの頂点からの切断位置Ｘが０ｍｍ〜３ｍｍの間で可変に設定されて直交面３１が形成される。

第２ピンフィン３の直交面３１は、第１ピンフィン群Ａの上流側で、冷却用流体Ｆの流れ方向に直交するように設けられる。

第２ピンフィン３は、その長さ寸法の１／２である切断位置Ｘ＝１．５ｍｍ以下に設定されると横断面形状が三角形となり、切断位置Ｘ＝１．５ｍｍよりも大きい値に設定されると横断面形状が五角形となる。

切断位置Ｘ＝０ｍｍの場合は、第１ピンフィン群Ａの上流側に第２ピンフィン３が設けられていない状態を意味し、切断位置Ｘ＝３ｍｍの場合は、第１ピンフィン群Ａの端部に第１ピンフィン２を一列追加したことと同義である。

尚、上述した製造方法によって得られたヒートシンク１のうち、側壁４に沿って設けられる不完全な形状のピンフィン及び、測定において配置される必要のある箇所以外に設けられた不完全な形状のピンフィンについては全て取り除いた状態で測定が行われる。

図５の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関図は、本測定の測定結果（測定結果１）を示したものである。

測定結果１から明らかなように、第２ピンフィン３の切断位置Ｘの値が大きくなるほど、圧力損失Ｐが増大し、切断位置Ｘが１．５ｍｍに設定された場合に圧力損失Ｐが最大値を示している。

切断位置Ｘ＝１．１ｍｍよりも大きく、Ｘ＝１．７５ｍｍよりも小さい値に設定された場合には、圧力損失Ｐが著しく増大しており、切断位置Ｘ＝１．７５ｍｍより大きい値に設定されると、切断位置Ｘ＝０ｍｍの場合よりも圧力損失Ｐは大きくなるが、飽和状態となる。

第２ピンフィン３を設けない場合を基準として、第１ピンフィン群Ａの上流側に最大長さ寸法（Ｘ＝３ｍｍ）の第２ピンフィン３を一列追加で設けた場合の圧力損失Ｐの増大率が約８．４％であるのに対し、圧力損失Ｐが最大値となる場合（Ｘ＝１．５ｍｍ）には、約１７．５％も圧力損失Ｐが増大している。

上述したように、切断位置Ｘ＝１．１ｍｍからＸ＝１．７５ｍｍの範囲では圧力損失Ｐが著しく増大するため、第２ピンフィン３の切断位置Ｘは、Ｘ＝１．１ｍｍ以下或いはＸ＝１．７５ｍｍ以上に設定されることが好適である。

切断位置Ｘ＝１．１ｍｍの場合、第２ピンフィン３の流れ方向に直交する直交面３１の幅寸法Ｗ´は、第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗの７３％となり、切断位置Ｘ＝１．７５ｍｍの場合は、第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗの８３％となる。

尚、前記最大断面幅Ｗとは、第１ピンフィン２の有する鈍角をなしている一対の角部の対角線に対して平行方向の第１ピンフィン２の最大幅を意味している（図３参照）。「直交面３１の幅Ｗ´／最大断面幅Ｗ」の式で求められる、上述の最大断面幅Ｗに対する直交面３１の幅寸法Ｗ´の割合を、以降では「断面幅比率Ｗ_ｒ」と呼ぶ。

本測定結果１より、角部ｂの角度２αが６０°に設定された第２ピンフィン群Ｂを上流側に有するヒートシンク１では、第２ピンフィン３が、断面幅比率Ｗ_ｒ＝７３％以下の三角形、或いは断面幅比率Ｗｒ＝８３％以上の五角形の横断面を有するように、第２ピンフィン３の切断位置Ｘを設定することが好適であることがわかる。

（測定結果２）
次に、ピン群Ａ，Ｂの有する角部ａ，ｂの角度２αが上述の測定における角度と異なる場合であっても、上述と同様の結果を得られるか測定を行った。

本測定では、第１ピンフィン２及び第２ピンフィン３の角度２αを６０°から４５°に変更し、上述の測定と同様に、第２ピンフィン３の切断位置ＸをＸ＝０ｍｍ〜３ｍｍの範囲で変化させて圧力損失Ｐを測定したところ、切断位置Ｘに応じて圧力損失Ｐに変化が見られた。

尚、本測定では、第１ピンフィン２及び第２ピンフィン３の有する角部ａ，ｂの角度２α、及び第１ピンフィン２の対向する辺２１，２２同士の垂直距離において上述の測定とは相違するが、その他の構成・条件などは共通しているため、共通する部分については説明を省略するものとする。また、以降の測定においても同様に、共通部分についての説明を省略するものとする。

第１ピンフィン群Ａは、長さ寸法約１９．８４ｍｍ×幅寸法１３．６ｍｍの範囲で、２つの側壁４に直交する第１ピンフィン２の列が、ベース板５上に上流側から７列で立設される。

第１ピンフィン２は、角部ａ，ｂの角度２α＝４５°となるように設定され、対向する辺２１，２２同士の垂直距離ｄが何れも約１．１５ｍｍに設定されている。

図６の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関図は、本測定の測定結果（測定結果２）を示したものである。

図６の測定結果においても、第２ピンフィン３の切断位置Ｘが大きくなるほど、圧力損失Ｐが増大し、切断位置Ｘ＝１．５ｍｍに設定された場合に圧力損失Ｐが最大値を示している。

切断位置Ｘ＝１．１ｍｍよりも大きく、Ｘ＝１．７５ｍｍよりも小さい値に設定された場合には、圧力損失Ｐが著しく増大しており、切断位置Ｘ＝１．７５ｍｍ以上の値に設定されると、切断位置Ｘ＝０ｍｍの場合よりも圧力損失Ｐは大きくなるが、飽和状態となっている。

第２ピンフィン３を設けない場合を基準として、第１ピンフィン群Ａの上流側に最大長さ寸法の第２ピンフィン３を一列追加で設けた場合（Ｘ＝３ｍｍ）の圧力損失Ｐの増大率が約８．８％であるのに対し、圧力損失Ｐが最大値となる場合（Ｘ＝１．５ｍｍ）には、約２１．８％も圧力損失Ｐが増大している。

上述したように、切断位置ＸがＸ＝１．１ｍｍからＸ＝１．７５ｍｍの範囲では圧力損失Ｐが著しく増大するため、第２ピンフィン３の切断位置Ｘは、Ｘ＝１．１ｍｍ以下或いはＸ＝１．７５ｍｍ以上に設定されることが好適である。

本測定結果２より、角部ａ，ｂの角度２αが４５°に設定された第２ピンフィン群Ｂを上流側に有するヒートシンク１においても、第２ピンフィン３が、断面幅比率Ｗｒ＝７３％以下の三角形、或いは断面幅比率Ｗｒ＝８３％以上の五角形の横断面を有するように、第２ピンフィン３の切断位置Ｘを設定することが好適であることがわかる。

（測定結果３）
最後に、第２ピンフィン群Ｂの配置位置を上述の測定とは異なる配置位置に変えて、上述と同様の測定を行った。

本測定では、第２ピンフィン群Ｂを第１ピンフィン群Ａの上流側のみの配置から下流側のみの配置に変更し、上述の測定と同様に、第２ピンフィン３の切断位置ＸをＸ＝０ｍｍ〜３ｍｍの範囲で変化させて圧力損失Ｐを測定したところ、切断位置Ｘに応じて圧力損失Ｐに変化が見られた。

第１ピンフィン２は、角部ａ，ｂの角度２α＝６０°となるように設定され、対向する辺２１，２２同士の垂直距離ｄが何れも約１．５ｍｍに設定されている。

第１ピンフィン群Ａは、長さ寸法約１８ｍｍ×幅寸法１４ｍｍの範囲で、２つの側壁４に直交する第１ピンフィン２の列が、ベース板５上に上流側から７列で立設されており、この第１ピンフィン群Ａの下流側に、切断位置Ｘに応じて異なる長さ寸法の第２ピンフィン群Ｂが設けられる。

第２ピンフィン３の直交面３１は、上下流れ方向に直交するように下流側に向けて配置され、直交面３１の対向位置に設けられた角部ａは、第１ピンフィン群Ａの配置されたベース板５の中央部側に向けて配置される。

図７の切断位置Ｘと圧力損失Ｐの相関図は、本測定の測定結果（測定結果３）と、上述した測定結果１とを比較して示したものである。

図７の測定結果においても、第２ピンフィン３の切断位置Ｘが大きくなるほど、圧力損失Ｐが増大し、切断位置Ｘが１．５ｍｍに設定された場合に圧力損失Ｐが最大値を示している。

上述した測定結果１，２と同じように、圧力損失Ｐが著しく増大するのは切断位置Ｘ＝１．１ｍｍよりも大きく、Ｘ＝１．７５ｍｍよりも小さい値に設定された場合であって、切断位置Ｘ＝１．７５ｍｍ以上の値に設定されると、切断位置Ｘ＝０ｍｍの場合よりも圧力損失Ｐは大きくなるが、飽和状態となる。

第２ピンフィン３を設けない場合を基準として、第１ピンフィン群Ａの下流側に最大長さ寸法の第２ピンフィン３一列追加で設けた場合（Ｘ＝３ｍｍ）の圧力損失Ｐの増大率が約６．５％であるのに対し、圧力損失Ｐが最大値となる場合には、約７．３％圧力損失Ｐが増大している。

上述したように、切断位置Ｘ＝１．１ｍｍからＸ＝１．７５ｍｍの範囲では圧力損失Ｐが著しく増大するため、第２ピンフィン３の切断位置Ｘは、Ｘ＝１．１ｍｍ以下或いはＸ＝１．７５ｍｍ以上に設定されることが好適である。

本測定結果３より、第２ピンフィン群Ｂを第１ピンフィン群Ａの下流側のみに配置したヒートシンク１においても、第２ピンフィン３が、断面幅比率Ｗｒ＝７３％以下の三角形、或いは断面幅比率Ｗｒ＝８３％以上の五角形の横断面を有するように、第２ピンフィン３の切断位置Ｘを設定することが好適であることがわかる。

また、本測定結果３より、第２ピンフィン群Ｂを第１ピンフィン群Ａの下流側のみに設けたヒートシンク１では、圧力損失Ｐが最も増大した場合であっても約７．３％程度の増大にしかならず、第１ピンフィン群Ａの上流側に第２ピンフィン群Ｂを設けた場合（例えば、測定結果１：約１７．５％もの圧力損失Ｐの増大）と比較すると、第１ピンフィン群Ａの下流側に設けられる不完全な形状のピンフィンが圧力損失Ｐに及ぼす影響は小さいことがわかる。

従って、第１ピンフィン群Ａの上流側に不完全な形状のピンフィンを有している場合に圧力損失Ｐに対する影響が顕著であるため、特に、上流側の不完全な形状の第２ピンフィン群Ｂが、断面幅比率Ｗｒ＝７３％以下の三角形、或いは断面幅比率Ｗｒ＝８３％以上の五角形の横断面を有するような好適な切断位置Ｘに設定されることにより、圧力損失Ｐの著しい増大を抑制することができる。

この時、上流側に配置される第２ピンフィン３と同様に、下流側に配置される第２ピンフィン３も、断面幅比率Ｗｒ＝７３％以下の三角形、或いは断面幅比率Ｗｒ＝８３％以下の五角形の横断面に形成されていることが好ましいが、少なくとも上流側の第２ピンフィン３の切断位置Ｘが好適な位置に設定されていれば、下流側の第２ピンフィン３の切断位置Ｘについては必ずしも好適な位置に設定されるのでなくてもよい。

即ち、前記第２ピンフィン３が、少なくとも前記第１ピンフィン群Ａの上流側に一列に立設され、前記第２ピンフィン３は、前記第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗに対する前記直交面３１の幅Ｗ´が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有するように構成されることにより、不完全な形状のピンフィンを有していても、圧力損失Ｐへの影響が大きい上流側の第２ピンフィン３が所定の形状に設定されているので、圧力損失Ｐの増大を十分に抑制することができる。

上述した測定結果１〜３によれば、第２ピンフィン３の横断面形状は、上流側及び下流側の何れに配置される場合であっても、特に、断面幅比率Ｗｒ＝７３％以下の三角形に設定されている方が比較的圧力損失への影響が小さいことがわかる。

従って、第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側に不完全なピンフィンが形成される場合には、第２ピンフィン３が、前記第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられ、前記第２ピンフィン３は、前記第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗに対する前記直交面３１の幅Ｗ´が、７３％以下となる三角形の横断面を有するように構成することが最も好適である。

このように構成することにより、不完全な形状のピンフィンとして横断面が三角形のピンフィンをピン群の端部に有する場合であっても、このように第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側の両側に、断面幅比率Ｗｒが７３％以下となる三角形の横断面の第２ピンフィン３を設けることで、圧力損失Ｐへの影響が小さい横断面形状の範囲に設定された第２ピンフィン３が、第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側の両側に設けられるので、圧力損失Ｐの増大を低減させることができる。

上述では、第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側に設けられた第２ピンフィン３が、全て断面幅比率７３％以下の三角形であることが最も好適であると説明したが、もちろん第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側のそれぞれで異なる横断面形状の第２ピンフィン２が設けられるのであってもよい。

例えば、図８に示すように、第２ピンフィン３が、前記第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられ、前記第１ピンフィン群Ａよりも上流側に設けられた前記第２ピンフィン３は、前記第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗに対する前記直交面３１の幅Ｗ´が、７３％以下となる三角形の横断面を有し、前記第１ピンフィン群Ａよりも下流側に設けられた前記第２ピンフィン３は、前記第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗに対する前記直交面３１の幅Ｗ´が、８３％以下となる五角形の横断面を有するように構成する。

このように、上流側及び下流側で形状の異なる第２ピンフィン３が設けられているのであってもよく、不完全な形状のピンフィンとして横断面が三角形及び五角形のピンフィンをピン群の端部に有する場合であっても、このように第１ピンフィン群Ａの上流側に断面幅比率Ｗｒが７３％以下となる三角形の横断面を有する第２ピンフィン３を設け、且つ第１ピンフィン群Ａの下流側に断面幅比率Ｗｒが８３％以下となる五角形の横断面を有する第２ピンフィン３を設けることで、圧力損失Ｐへの影響が大きい上流側の第２ピンフィン３が、下流側の第２ピンフィン３よりも圧力損失Ｐへの影響の小さい横断面形状の範囲に設定されるので、圧力損失Ｐの増大を低減させることができる。

また、上述したように、第１ピンフィン群Ａの上流側に断面幅比率Ｗｒが７３％以下となる三角形の横断面を有する第２ピンフィン３を設ける方が好ましいが、もちろん、第１ピンフィン群Ａの上流側に、断面幅比率Ｗｒが８３％以下となる五角形の横断面を有する第２ピンフィン３が設けられるのであってもよい。

更に、上述したように第１ピンフィン群Ａの上流側及び下流側、または第１ピンフィン群Ａの上流側に所定の形状の第２ピンフィン３が設けられていることが好ましいが、第１ピンフィン群Ａの下流側のみに所定の形状の第２ピンフィン３が設けられるのであってもよい。

上述では、ピン群Ａが形成された放熱性材料Ｍが、所定の長さ方向及び／または幅方向に切断されることによって第２ピンフィン３が成形されると説明したが、切断がなされる前に放熱性材料Ｍに切削などを施した段階で、放熱性材料Ｍの端部列に不完全な形状の第２ピンフィン３が形成されるのであってもよい。

成形される各ピンフィンの高さ方向の形状は、直線状、或いはやや曲線がかった形状であってもよいし、ピンフィンの基端側から先端側に向けて徐々に細くなる形状であってもよく、横断面形状が三角形、四角形或いは五角形に形成され、冷却用流体Ｆの流れ方向に対して平行になるように配置される一対の角部の対角線を有する第１ピンフィン２、及び流れ方向に対して直交する直交面を有する第２ピンフィン３であればよい。

上述したヒートシンク１の製造方法では、板状の放熱性材料Ｍに切削によってピンフィン２，３を形成して得られると説明したが、切削だけでなく、鍛造、鋳造、焼結などを施すことでヒートシンク１を製造するのであってもよく、ベース板５から突出するピンフィンの成形が可能な手段であればよい。

また、ベース板５の中央部に千鳥状に立設された複数の第１ピンフィン２と、ベース板５の両側部にそれぞれ一列ずつ立設された複数の第２ピンフィン３が、ベース板５の上下両面に設けられて構成されるのであってもよい。

例えば、ベース板５の上下両面に本願発明が適用され、第１ピンフィン２及び第２ピンフィン３が設けられたベース板５が密閉容器内に設けられることによって、密閉容器内部のベース板５を挟んだ上下に冷却用流体Ｆの流路Ｒが形成されるように構成するとよい。

上述したように、前記ピン群Ａ，Ｂが、横断面が四角形で形成され、一対の角部ａ，ｂの対角線が前記冷却用流体Ｆの上下流れ方向と平行になるように配置された複数の第１ピンフィン２と、前記第１ピンフィン２の一部が切除された横断面が三角形或いは五角形に形成され、前記冷却用流体Ｆの流れ方向に対して直交する直交面３１を有する複数の第２ピンフィン３と、を備えており、前記第２ピンフィン３が、第１ピンフィン群Ａより上流側或いは下流側に一列に立設され、前記第２ピンフィン３は、前記第１ピンフィン２の流れ方向に直交する方向の最大断面幅Ｗに対する前記直交面の幅Ｗ´が、断面幅比率Ｗｒ＝７３％以下となる三角形、或いは断面幅比率Ｗｒ＝８３％以下となる五角形の横断面を有するように構成されるので、不完全な形状のピンフィンを有していても、第１ピンフィン群Ａの上流側或いは下流側の第２ピンフィン３が所定の形状に設定されているので、圧力損失の増大を抑制することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の一例に過ぎず、本発明の作用効果を奏する範囲において具体的構成などを適宜変更設計できることは言うまでもない。

本発明は、例えば、パワーデバイスの冷却装置として用いられる。

１…ヒートシンク
２…第１ピンフィン
３…第２ピンフィン
４…側壁
５…ベース板
６…発熱体
７…第１溝
８…第２溝
２１，２２…（第１ピンフィンの）辺
３１…直交面
３２…（第２ピンフィンの）辺
Ａ…第１ピンフィン群
Ｂ…第２ピンフィン群
Ｃ…第１溝群
Ｄ…第２溝群
Ｆ…冷却用流体
Ｗ…最大断面幅
Ｗ´…第２ピンフィンの直交面幅
ｓ…（ピンフィン間の）垂直距離
ａ，ｂ…（鋭角となる）角部

Claims (6)

1. ベース板に立設して千鳥状に配列されたピン群を有し、発熱体を冷却用流体によって冷却するヒートシンクであって、
   前記ピン群は、
   横断面が四角形で形成され、一対の角部の対角線が前記冷却用流体の上下流れ方向と平行になるように配置された複数の第１ピンフィンと、
   前記第１ピンフィンの一部が切除された横断面が三角形或いは五角形に形成され、前記冷却用流体の流れ方向に対して直交する直交面を有する複数の第２ピンフィンと、を備えており、
   前記第２ピンフィンが、第１ピンフィン群の上流側或いは下流側に一列に立設され、
   前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有することを特徴とするヒートシンク。
2. 前記第２ピンフィンが、少なくとも前記第１ピンフィン群の上流側に一列に立設され、
   前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群の上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられ、
   前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形の横断面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記第２ピンフィンが、前記第１ピンフィン群の上流側及び下流側にそれぞれ一列ずつ設けられ、
   前記第１ピンフィン群よりも上流側に設けられた前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形の横断面を有し、
   前記第１ピンフィン群よりも下流側に設けられた前記第２ピンフィンは、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、８３％以下となる五角形の横断面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
5. 前記第１ピンフィン及び前記第２ピンフィンは、各辺が隣接する前記第１ピンフィン或いは第２ピンフィンの辺の延長線上に位置するように配置され、
   隣接する前記第１ピンフィン或いは前記第２ピンフィンの対向する辺同士の垂直距離が等しくなるように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートシンク。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のヒートシンクを製造するヒートシンク製造方法であって、
   板状の放熱性材料に、直線状の複数の第１溝が一定の間隔で平行してなる第１溝群を形成し、
   前記第１溝群に対して鋭角に交差するように、直線状の複数の第２溝が前記一定の間隔で平行してなる第２溝群を形成し、
   前記第１溝群及び前記第２溝群によって前記放熱性材料上に形成された前記ピン群の端部列に、前記第１ピンフィンの流れ方向に直交する方向の最大断面幅に対する前記直交面の幅が、７３％以下となる三角形、或いは８３％以下となる五角形の横断面を有するピン列を形成することを特徴とするヒートシンク製造方法。

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