JPH0315118B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は回路の部品の様な熱源から空気の流れ
の様な熱シンクに熱を伝達する装置に関する。さ
らに具体的には1975年５月刊のアイ・ビー・エ
ム・テクニカル・デイスクロージヤ・ブレテイン
第17巻第12号第3656頁乃至第3657頁のアール・シ
ー・チユー及びユー・ピー・ホアンの論文「熱シ
ンク」（“Heat Sink”by R.C.Chu and U.P.
Hwang in IBM Technical Disclosure
Bulletin Vol.17、No.12 May、1975、
pages3656−3657）に開示されている熱伝達装置
の改良に関する。

Ｂ 従来技術 上述のチユー及びホアンと熱伝達装置はベース
及び該ベース上に行及び列をなして取付けられた
熱伝導ピンを有する。冷却空気の様な冷却剤がピ
ンの間を通して指向され、熱がピンから冷却剤に
伝達されている。本発明の装置もしくは上記チユ
ー及びホアンの装置を使用する装置では冷却剤は
任意に列の方向と呼ぶ方向に、ベースの表面を横
切つて流される。チユー及びホアンの装置で、ピ
ンはウイング（羽）と呼ばれる拡つた表面素子が
与えられていて、複合ピン・フインをより流線型
にしている。本明細書の用語「ピン」は単純なピ
ンもしくは柱部品を意味し、用語「複合ピン・フ
イン」はピンとウイングの組合せを意味する。

理解を容易にするために、ベースが発熱部品と
熱的に接触する比較的薄い金属板である例で説明
する。これ等の例ではベースは平坦な表面を有
し、周囲は長方形をなしている。しかしながら、
これ等の特徴は本発明にとつては重要でなく、ベ
ースは発熱素子自体であつてもよく、表面は円筒
もしくは球面或いはピンを支持するに適した他の
形状でよく、周囲も任意と形状でよい。そのベー
スが水平面中にあり、ピンを支持する表面が上を
向いている様な装置を思いうかべるのが便利であ
るが、装置はどの方向を向いていてもよい。これ
らの代替例に特に言及しなくとも、一般的な場合
がどのようであるかは容易に理解されよう。

チユー及びホアンの装置では、ピンは円錐状を
なし（円錐の円形の断面積が上下の熱束の密度に
比例する）、ウイングは２つの辺が円錐の側面に
平行で他の２つの辺がベースに平行な平行四辺形
状をなしている。これ等の平行四辺形と円錐ピン
の三角形の断面が組合さつて、配列体の行に沿つ
た見た時にピンとそのウイングは台形の形状をな
している。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的はベースを横切る冷却剤の流れに
上下流即ち波形流を与えるための複合ピン・フイ
ンを有する改良熱伝達装置を与える事にある。こ
の波形流はベースの近くの熱せられた冷却剤をベ
ースの上を高く流れるより冷えた流れとを混合し
て複合ピン・フインからの熱伝達を改良する。

すなわち、本発明の目的は、実際の製造に適
し、半導体回路部品の冷却に使用される複合ピ
ン・フインを与えることにある。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明によれば、ウイングは複合ピン・フイン
に対して全体的に台形の形状を与える様な形状を
なし、複合ピン・フインは一つの複合ピン・フイ
ンが（チユー及びホアンの装置の様に）上を向
き、次の複合ピン・フインが下を向く様に、冷却
剤の流れの列方向に沿つて交代している。ピンは
円柱であるか、他の一定断面の形をなし、ピンの
上下方向が装置の熱もしくは機構的性質に著しい
差を与えない様になつている。換言すると、ウイ
ングには熱力学的もしくは流体力学的な極性があ
るが、ピンにはこの様な極性は全くない。

この様なウイングの表面によつて冷却剤の流れ
は固有の抗力を受ける。この様な抗力がない場合
は、冷却剤は単純な解析によれば、一般にウイン
グを通つて一様に流れる（しかし複合ピン・フイ
ンと流体の流れ中の温度差によつて若干の乱流が
発生する）。このとき、抗力によつて流れが遅く
なる傾向があり、この効果は流れの水平方向に沿
つて累積する。従つて（チユー及びホアンの装置
の様に）複合ピン・フインが上を向いていると、
抗力はベース近くで最大になり、最上部を近くで
最小になる。本発明においては複合ピン・フイン
が交互に上下を向いているので、冷却剤の流れは
交互に強い抗力と弱い抗力を受ける。

プリズムを通る光の経路と似た方法で、冷却剤
の流線はウイングの上流の辺を通過した後に台形
のウイングの水平方向の狭い方の端に向かつてま
がり、複合ピン・フインに沿つて流れ、そしてウ
イングの下流辺を通過した後に相継ぐ複合ピン・
フイン間のギヤツプを流れる時に他の方向にまが
る傾向がある。

換言すれば、複合ピン・フインの抗力は流体を
積重ねて、流体を台形の短い平行辺に向つて偏流
させる傾向がある。

ウイングは流路に沿つて交代しているので、流
れには総対的に正弦波パターンが与えられ、流れ
はウイングが上を向いているところでは上昇し、
下を向いているところでは降下する。この上下の
流れによつて冷却が改良される。

Ｅ 実施例 E1 熱伝達装置（第１図） 第１図はベース１０、及びベースから抜き出
したところの複合ピン・フイン１１を示す。複
合ピン・フイン１１はピン１２を有し、ウイン
グ１４がピン１２に取付けられている。ベース
１０はピンの端部を受入れる開孔１３を有す
る。ピン１２はベース１０上に行及び列の配列
をなして取付けられている。矢印は複合ピン・
フイン間を通つて流れる冷却剤の流れの方向を
示している。第１図には示されていないが、第
２図に示した覆い１５が複合ピン・フインに沿
つて流れる流体を閉込める様に配置されてい
る。覆い１５は複合ピン・フイン１１の一番上
から上方の適切な間隔のところにあり、複合ピ
ン・フインの上方に面した表面から熱伝達が行
われる様になつている。

第１図の構造体は多くの熱伝達の応用例に有
用であるが、これ等の複合ピン・フインを使用
する装置の例として、冷却板として用いた場合
を説明する。熱伝導モジユール（TCM）と呼
ばれる半導体回路パツケージは回路板上に取付
けられたセラミツク・チツプ・キヤリア、該チ
ツプ・キヤリヤ上に取付けられたチツプ、該チ
ツプ・キヤリアを覆う様に取付けられた金属ハ
ツト（hat）構造体及び該ハツトに取付けられ
た冷却板を有する。このハツトはばねによつて
チツプを押付け、チツプからハツトへ熱を伝導
する金属のピストンを有する。一般に平坦な金
属構造体をなす冷却板は冷却水を流す内部通路
を有する。通路は入口と出口の間で一連のＵタ
ーンがある。熱は壁もしくは通路を通り、そし
て通路中に位置するフインを通して伝達され
る。この応用の場合、複合ピン・フインの高さ
は数mmである。複合ピン・フインの物理的構造
についてはE4章で、ベース上の複合ピン・ピ
ンの配列についてはE5章で説明する。

E2 複合ピン・フインの流体に与える効果（第
２図） 第２図はベース１０の１列に沿つて取付けた
３本の複合ピン・フイン１１ａ，１１ｂ，１１
ｃを示している。第２図は又覆い１５を示して
いる。複合ピン・フインの冷却剤に対する効果
はピンとウイングの物理的構造にふれる事なく
複合ピン・フインの一般的形状によつて説明す
る。複合ピン・フインは台形１６ａ，１６ｂ，
１６ｃとして輪郭が示されている。図が示す様
に、台形は同じであるが、台形１６ａ及び１６
ｃは上を向き、台形１６ｂは下を向いている。
各台形はピンの軸を示す破線１７によつて対象
に分割される。一部の参照番号は添字ｕ及びｄ
が付されているが、これは上流及び下流の素子
を示し、他の点では同じである。添字のない同
一参照番号は交換可能なもしくは組合せをなく
素子を示している。台形のウイングもしくはピ
ン及びそのウイングの台形状の組合せ体に使用
する用語は幾何学的に台形に使用する用語と同
じである。

ウイングは長い平行な辺１８、短かい平行な
辺１９及び２つの非平行な辺２１及び２３を有
する。各ウイングはピンによつて対称に分割さ
れるので、各ウイングも又台形をなす。一般的
に述べると、ウイングの長い平行辺１８及び短
い平行辺１９は、冷却剤の流れの方向に沿つて
延びており、非平行辺２１及び２３が流体の流
れを横切つている。

ウイングの形状には例えば三角形もしくは半
円形が含まれるが、簡単な幾何学的台形が第５
図及び第６図に関連して説明される様に、製造
上の利点があり、上下流を与える見地からも好
ましい。第２図及び第３図の説明から明らかな
様に、台形状のウイングは熱伝達のための広い
表面積を与える。

ウイングの表面は流体の流れに対して本来的
に、抗力を与える。第２図で、矢印２６及び２
７はウイングを通過する滑らかな流れを示し、
抗力を考慮に入れない場合の簡単化した条件を
示す。ウイングの間の領域はこの解析では、抗
力を考慮しない領域である。流線２６及び２７
は線分に分割されていて、抗力を受ける流線部
の長さがある場合は等しく、ある場合は等しく
ないことを示す。好ましい複合ピン・フインは
その方向を除き同じであるので、流線２６及び
２７は多数の複合ピン・フインの一わたりで、
ウイングの表面に沿う接触の長さが等しくな
る。その結果、流線の抗力を受ける部分の長さ
は略等しく複合ピン・フインの列の上方に向う
抗力はない。フインの面上で流線２６及び２７
は、フインに接触する長さが異なることから、
受ける抗力が異なる。そして、流線は高い抗力
の領域から低い抗力の領域に向つて曲る。この
結果の上下流が正弦波２８によつて示されてい
る。

E3 複合ピン・フインの相対的寸法（第３図） 第３図は複合ピン・フイン１１ａ及び１１ｂ
並びにその寸法を示す。多くの応用の場合に、
この寸法はチユー及びホアンの通常の複合ピ
ン・フイン装置のために選択された寸法の範囲
内にある。寸法はピンの直径Ｄを単位として示
されている。すなわち、長い平行辺１８ｕ，１
８ｄの長さはＤ乃至2Dである。短かい平行辺
１９（１９ｕ，１９ｄ＋ピンの直径）の長さは
２乃至（３＋2/3）Ｄである。換言すると、ピ
ンの幅を含まない短い辺１９ｕ及び１９ｄの長
さは、長い辺１８ｕもしくは１８ｄの水平幅の
１／２乃至2/3である。ピンの長さは水の様な良好
な熱伝達流体の場合には短かく（約2D）、フツ
化炭素の様な貧弱な熱伝達流体の場合には長い
（約5D）。これ等の寸法の一つが特定されると、
他の寸法の値の範囲が限定される床に注意され
たい。列間の好ましい間隔は約３乃至4Dであ
る。行間の好ましい間隔は約３乃至4Dである
が、行及び列の間隔は同じである必要はない。

E4 ピン・フインの製造方法（第４図及び第５
図） 第１図の複合ピン・フインは好ましくは鋳型
工程によつて一体構造体として形成される。第
４図ａ，ｂは薄い金属の鋳体３１を示す。この
鋳体３１にピン１２をはめ込んでひだをつけて
ウイング１４ｕ及び１４ｄを形成する。第５図
はウイングをピン中の垂直溝４０中にはんだ付
けして組立てられるピン１２及びウイング１４
ｄ，１４ｕを示す。ピンは長い平行辺１８及び
短い平行辺１９を越えて等しく延出している部
分４３，４４を有する事に注意されたい。ピン
をベースに取付けるための好ましい技法では、
ベースはこれ等の部分を受入る開孔を有する。

フインは上述のチユー及びホアンの装置の様
にピンから非平行辺２１及び２３の方に向つて
先細りにするか、第１図に示した略均一な厚さ
にする事も出来る。辺２１及び２３は丸み付け
るか、鈍くする事も出来る。

E5 ベース上へのピンの位置決め ピンの適切なパターンをなしてベース上に取
付ける事が出来る。第１図のパターンは、上記
チユー及びホワンの論文の第２図と似ているが
実質的には異なる配列をなしている。チユー及
びホワンの論文の第２図は本発明でも使用出来
る交代インライン配列体をなしている。この交
代インライン構造体では複合ピン・フインは各
行及び列の交点に存在する。複合ピン・フイン
の他の対称パターンも明らかであろう。あるい
は、行及び列に非均一な間隔を設けてもよい。
これ迄の例ではウイングの平行辺１８，１９は
ピンの位置の列に平行であつたが、或る応用例
では、ウイングを列の方向に対して約35度迄の
小さな角度だけ回転してもよい。例えば、複合
ピン・フインのインライン配合体において、繰
返し１つの行中のすべてのフインを右に回転
し、次の行中のフインを左に回転させて、水平
方向に波状の流れのパターンを与えるようにす
る。こうして、より一般的な見地では、“列”
という用語はウイングの面の平行であるか、ウ
イングの面が約35゜の範囲内にある、ピンを接
続する直線もしくは曲線を意味する。

ピンの間隔及びウイングの角度のパターンは
特定の応用にとつて良好な熱伝達を与える様に
選択される。複合ピン・フインの位置は冷却剤
がフインを通つて流れる時に冷却剤が加熱され
る効果を補償する様に選択出来る。これ等の要
因はベースの異なる部分で冷却率を変える様
に、例えば高い電力を消費する半導体チツプの
近くではより多く冷却し、低い電力を消費する
半導体チツプの近くではより少く冷却する様に
選択出来る。

本発明のこの特徴は前に説明した冷却板と共
に使用されるに適している。水の流れの中には
よどみが生ずる領域があり、これ等の領域の温
度は上昇する傾向がある。そこで、一つの例と
して複合ピン・フインのウイングはチヤンネル
のセグメント端のＵ字部分に従う様に回転さ
れ、チヤンネル全体の水の流れを保持するよう
にされている。他の例ではウイングはＵターン
のパターン上で水平面上の波状の流れに重なる
様に傾斜される。

Ｆ 発明の効果 以上のように、本発明によれば、ベース上を横
切る冷却剤の流れに上下流即ち波形流を与え、以
て流れの上方の冷えた流れと下方の熱せられた流
れを混合する、複合ピン・フイン配列体を有する
改良された熱伝達装置が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱伝達装置のベース及び複合
ピン・フインの斜視図である。第２図は熱伝達装
置及び複合ピン・フインの列に沿う冷却剤の流れ
を矢印で示した断面図である。第３図は複合ピ
ン・フインの部品の相対寸法を示した断面図であ
る。第４図ａ，ｂは複合ピン・フインを締付けて
組立てるための部品及び組立て結果を示した斜視
図である。第５図は、はんだ付けによつて組立て
られる複合ピン・フインを示した斜視図である。 １０……ベース、１１……ピン・フイン、１２
……ピン、１３……開孔、１４……ウイング、１
５……覆い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) ベースの表面を横切つて指向される流体
   によつて冷却もしくは熱されるベースと、 (b) 流体の流れの方向に列をなして上記ベースの
   表面上に取付けられた熱伝導材料のピンと、 (c) 上記ピンに取付けられ、流体の流れの上流及
   び下流方向に延び、対応するピンと結合して、
   流体の流れの方向に直角の方向から上記ベース
   の表面に沿つて眺めた時にほぼ台形の複合ピ
   ン・フインをなし、該台形はベースに略平行な
   短い平行辺及び長い平行辺並びに２つの非平行
   辺を有するウイングを形成する複数のフインと
   を具備し、 上記複合ピン・フイン構造体は、短かい平行辺
   が交互に上記ベースに近くそしてベースから離れ
   る様に配向され、相継ぐウイングの近接非平行辺
   が離れている事を特徴とする熱伝達装置。