JPWO2012114955A1 - Heat sink and method of using heat sink - Google Patents

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Abstract

ヒートシンク(10)は、冷却対象を冷却するのに用いられる。ヒートシンク(10)は、発熱部品が熱的に接続されて実質的に鉛直に置かれたベースプレート(1)と、このベースプレート(1)の板面に配設され、冷却用空気への伝熱を行うための複数のピンフィン(2)とを備える。複数のピンフィン(2)は、所定の間隔を空けてピンフィン(2)が線状に配置されてなるピンフィン列の対が、上方に向けて開く略Vの字形を構成するようにベースプレート(1)上に立設されている。The heat sink (10) is used to cool the object to be cooled. The heat sink (10) is disposed on a base plate (1) in which heat-generating components are thermally connected and placed substantially vertically, and a plate surface of the base plate (1), and transfers heat to the cooling air. A plurality of pin fins (2) for performing. The plurality of pin fins (2) has a base plate (1) such that a pair of pin fin rows in which the pin fins (2) are linearly arranged at predetermined intervals form an approximately V shape that opens upward. It stands on the top.

Description

本発明は、CPU、集積回路、半導体素子等の電子機器を始めとする各種機種などの冷却対象を冷却するのに用いられるヒートシンク及びヒートシンクの使用方法に関する。   The present invention relates to a heat sink used for cooling an object to be cooled such as various models including electronic devices such as a CPU, an integrated circuit, and a semiconductor element, and a method of using the heat sink.

CPU、集積回路、半導体素子などの電子機器を始めとする各種機器において放熱のためにヒートシンクが用いられる。近年、例えば電子機器の高密度化などに伴いこれらの機器の発熱量、発熱密度が増大する傾向にあることから、より冷却性能に優れた高性能のヒートシンクが求められるようになってきた。   Heat sinks are used for heat dissipation in various devices including electronic devices such as CPUs, integrated circuits, and semiconductor elements. In recent years, for example, with the increase in the density of electronic devices, the amount of heat generated by these devices and the heat generation density tend to increase. Therefore, high-performance heat sinks with better cooling performance have been demanded.

更に、特にこれらの機器が自動車に搭載されて用いられる場合等には軽量化に対する要望も極めて強い。そのためには、冷却ファンを用いることなく、自然空冷のみによっても所望の性能を実現し得るようなヒートシンクが好ましい。   Furthermore, there is a strong demand for weight reduction especially when these devices are used in an automobile. For this purpose, a heat sink that can realize a desired performance only by natural air cooling without using a cooling fan is preferable.

また、近年の各種機器は小型化が進み、そのために、例えば発熱体であるCPU、集積回路、半導体素子などの電子機器にヒートシンクを装着することができても、冷却ファンを装着する空間的な余裕を確保することは困難な場合も少なくない。この観点からも、自然空冷のみによって所望の性能を実現し得るようなヒートシンクが望まれる。   In addition, various devices in recent years have progressed in miniaturization. For this reason, for example, even if a heat sink can be mounted on an electronic device such as a CPU, an integrated circuit, or a semiconductor element, which is a heating element, a spatial fan mounting It is often difficult to secure a margin. Also from this viewpoint, a heat sink that can realize a desired performance only by natural air cooling is desired.

そして、冷却ファンを用いなくても所望の性能を示すようなヒートシンクが実現出来るならば、製造コストが低減される点からも好ましいことはいうまでもない。上記したような理由から、冷却ファンを用いることなく自然空冷のみによっても所望の性能を実現し得るようなより高性能なヒートシンクが強く求められている。   Needless to say, if a heat sink that exhibits the desired performance can be realized without using a cooling fan, the manufacturing cost can be reduced. For the reasons described above, there is a strong demand for a higher performance heat sink that can achieve desired performance only by natural air cooling without using a cooling fan.

自然空冷のみによるヒートシンクとしては、これまでに特許文献1〜特許文献4のようなヒートシンクが提案されている。
また、必ずしも自然空冷に適したものとはいえないが、特許文献5のようなヒートシンクが提案されている。
As heat sinks using only natural air cooling, heat sinks as described in Patent Documents 1 to 4 have been proposed so far.
Further, although not necessarily suitable for natural air cooling, a heat sink as disclosed in Patent Document 5 has been proposed.

特開平08―88301号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 08-88301 特開平06―104583号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-104583 特開2010―251730号公報JP 2010-251730 A 特開平05−102357号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-102357 特開2008−205421号公報JP 2008-205421 A

これまでの自然空冷用のヒートシンクは、特許文献1〜特許文献4に示されるように板状フィンを用いるものが多かった。なお、「ピン型ヒートシンク」と銘打たれている特許文献4は、冷却対象からの熱が伝わる受熱板上に多数の放熱フィンが配設されているが、各々のピンはその横断面形状が厚さの薄い広幅の平角形状か又はリボン形状の平形ピンであり(特許文献4の段落0008参照)、板状フィンが用いられているといえる。
板状フィンは、放熱面積が大きいので、冷却性能が良いのであるが、しかしながら、板状であることから相応の重量となってしまう。
Many conventional air-cooling heat sinks use plate-like fins as shown in Patent Documents 1 to 4. In Patent Document 4 labeled “Pin-type heat sink”, a large number of radiating fins are disposed on a heat receiving plate that transmits heat from the object to be cooled, but each pin has a thick cross-sectional shape. It is a thin, wide flat or ribbon-shaped flat pin (see paragraph 0008 of Patent Document 4), and it can be said that a plate-like fin is used.
Since the plate-like fin has a large heat radiation area, the cooling performance is good. However, since the plate-like fin is plate-like, it has a corresponding weight.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、軽量で且つ冷却性能の優れたヒートシンクを得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to obtain a heat sink that is lightweight and has excellent cooling performance.

本発明は、軽量なヒートシンクを得るために板状フィンでなくピンフィンを用いる。一般的に、ピンフィンを用いると板状フィンに比べて放熱面積が減少するので、冷却性能は低下する。かと言って、板状フィンと同じ放熱面積になる程に高密度にピンフィンを配置することは、そもそもの目的である軽量化を果たせないばかりでなく、冷却用空気の流れに対する抵抗が大きくなり過ぎて反って冷却性能が低下してしまうので、全く現実的でない。   The present invention uses pin fins instead of plate fins to obtain a lightweight heat sink. In general, when pin fins are used, the heat radiation area is reduced as compared with plate fins, so that the cooling performance is lowered. However, placing pin fins at a high density to the same heat radiation area as the plate fins not only does not reduce the weight, but also increases the resistance to the flow of cooling air. In other words, the cooling performance is lowered, which is not realistic at all.

本発明の目的に適うよう、ピンフィンを用いても板状フィンに比べて遜色ない程度の放熱性能を持たせるようにするためには、冷却用空気の流れがより加速・増進されるように工夫することと、空気とフィンとの熱交換効率がより高まるようにフィンの機能をより向上させることが重要である。
この観点から鋭意検討した結果としてなされた本発明は、具体的には次の通りである。
To meet the purpose of the present invention, in order to have a heat dissipation performance comparable to that of plate fins even if pin fins are used, it is devised so that the flow of cooling air is accelerated and enhanced. It is important to improve the function of the fins so that the heat exchange efficiency between the air and the fins increases.
The present invention made as a result of intensive studies from this viewpoint is specifically as follows.

即ち、本発明の第1の観点に係るヒートシンクは、
冷却対象を冷却するのに用いられるヒートシンクであって、
前記冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が板面に沿って流れるように立設されるベースプレートと、
前記ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群と、
を備え、
前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように水平方向に対向して配設される、
ことを特徴とする。
That is, the heat sink according to the first aspect of the present invention is:
A heat sink used to cool a cooling object,
A base plate erected so that an updraft generated by heat generated from the object to be cooled flows along the plate surface;
A pin fin group comprising a plurality of pin fins disposed on the plate surface of the base plate;
With
The pin fin group has a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other, and the pair of pin fin rows gradually spreads vertically between the rows. Arranged opposite to the horizontal direction,
It is characterized by that.

前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であってもよい。   The cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be circular or elliptical.

また、前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比1.0以上5.0以下の円形又は楕円形であってもよい。   The cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be a circle or an ellipse with an aspect ratio of 1.0 to 5.0.

また、前記複数のピンフィンの断面形状は、前記一対のピンフィン列の外側鉛直下方から内側鉛直上方に向けて長い楕円形であってもよい。   In addition, the cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be an oval shape that is long from the outer vertical lower side to the inner vertical upper side of the pair of pin fin rows.

前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が水平方向に二対以上繰り返して設けられていてもよい。   In the pin fin group, the pair of pin fin rows may be repeatedly provided in two or more pairs in the horizontal direction.

前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が40°以下であってもよい。   In the pair of pin fin rows, an angle formed by arrangement directions of the pin fins in each pin fin row may be 40 ° or less.

本発明の第2の観点に係るヒートシンクの使用方法は、
ベースプレートと、ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群とを備え、前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が徐々に広がるように対向して配設されるヒートシンクの使用方法であって、
冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が前記ベースプレートの板面に沿って流れるとともに、前記一対のピンフィン列が、水平方向に対向して、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように、前記ヒートシンクを配設して自然空冷に用いる、
ことを特徴とする。
The method of using the heat sink according to the second aspect of the present invention is as follows:
A base plate and a pin fin group comprising a plurality of pin fins disposed on the plate surface of the base plate, the pin fin group having a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other The pair of pin fin rows is a method of using a heat sink disposed so as to face each other so as to gradually spread between the rows,
Ascending airflow generated by the heat generated from the cooling target flows along the plate surface of the base plate, and the pair of pin fin rows face each other in the horizontal direction so that the space between the rows gradually spreads vertically upward. In addition, the heat sink is arranged and used for natural air cooling,
It is characterized by that.

前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であってもよい。   The cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be circular or elliptical.

前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比1.0以上5.0以下の円形又は楕円形であってもよい。   The cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be circular or elliptical with an aspect ratio of 1.0 to 5.0.

前記複数のピンフィンの断面形状は、前記ピンフィン列におけるピンフィンの配列方向を横切る方向に長い楕円形であってもよい。   The cross-sectional shape of the plurality of pin fins may be an ellipse that is long in a direction crossing the arrangement direction of the pin fins in the pin fin row.

前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が二対以上設けられており、
前記一対のピンフィン列が、水平方向に二対以上繰り返して配設されるように前記ヒートシンクを配設してもよい。
In the pin fin group, two or more pairs of the pin fin rows are provided,
The heat sink may be disposed so that the pair of pin fin rows are repeatedly disposed in two or more pairs in the horizontal direction.

前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が40°以下であってもよい。   In the pair of pin fin rows, an angle formed by arrangement directions of the pin fins in each pin fin row may be 40 ° or less.

ここで、「冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が板面に沿って流れるようにベースプレートが立設される」や「冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流がベースプレートの板面に沿って流れる」とは、「ベースプレートが実質的に鉛直に立設される」ということであり、具体的にはベースプレート面の傾きが鉛直方向から+45°から−45°の範囲内であればよく、+30°から−30°の範囲内であれば良好な冷却性能が得られる。さらに+10°から−10°の範囲内であれば特に良好な冷却性能が得られる。   Here, “the base plate is erected so that the updraft generated by the heat generated from the cooling target flows along the plate surface” or “the upflow generated by the heat generated from the cooling target along the plate surface of the base plate “Flow” means “the base plate is erected substantially vertically”. Specifically, the inclination of the base plate surface may be within a range of + 45 ° to −45 ° from the vertical direction, and +30 Good cooling performance can be obtained if it is within the range of from -30 °. Furthermore, if it is in the range of + 10 ° to −10 °, particularly good cooling performance can be obtained.

また、「前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように水平方向に対向して配設される」とは、端的に言えば、前記ピンフィン列の対が上方に向けて開く略Vの字形を構成するように、前記ベースプレート上に立設されている構造である。   Further, “the pin fin group has a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other, and the pair of pin fin rows is gradually moved vertically upward between the rows. In other words, it is arranged on the base plate so as to form a substantially V shape in which the pair of pin fin rows opens upward. It is a structure.

ここで、「略Vの字形」と記したのは、必ずしも「V」の字形そのままの如くにVの字形の先端部が完全に閉じたものである必要はなくて、例えば製造の便宜上その他の理由からVの字形の先端部が適宜空いたものであっても良いとの意である。そのために「略」なる語を頭に冠した。   Here, the term “substantially V-shaped” does not necessarily mean that the tip of the V-shape is completely closed as it is as the shape of “V”. For the reason, it is meant that the tip of the V shape may be appropriately vacated. To that end, the word “abbreviated” was prefixed.

本発明のヒートシンク及びヒートシンクの使用方法によれば、軽量でかつ冷却性能が高いヒートシンク、特に自然空冷によっても冷却性能の優れたヒートシンクを得ることができる。   According to the heat sink and the method of using the heat sink of the present invention, it is possible to obtain a heat sink that is lightweight and has a high cooling performance, particularly a natural heat-cooling heat sink.

本発明の第3実施形態のヒートシンクを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the heat sink of 3rd Embodiment of this invention. 第3実施形態のヒートシンクを示す正面図である。It is a front view which shows the heat sink of 3rd Embodiment. 比較例のヒートシンクを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the heat sink of a comparative example. 比較例のヒートシンクを示す正面図である。It is a front view which shows the heat sink of a comparative example. シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the calculation model used for simulation calculation. 比較例のヒートシンクについてシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation about the heat sink of the comparative example. 第3実施形態のヒートシンクについてシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation about the heat sink of 3rd Embodiment. シミュレーション計算で得られた、略Vの字形の開き角αとベースプレートの最高温度上昇値ΔTとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the substantially V-shaped opening angle | corner (alpha) obtained by simulation calculation, and the maximum temperature rise value (DELTA) T of a baseplate. 開き角αが10°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 10 degrees. 開き角αが15°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 15 degrees. 開き角αが20°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 20 degrees. 開き角αが25°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 25 degrees. 開き角αが30°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 30 degrees. 開き角αが40°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 40 degrees. 開き角αが50°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 50 degrees. シミュレーション計算で得られた、ピンフィン間隙とベースプレートの最高温度上昇値ΔTとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pin fin gap | interval and the maximum temperature rise value (DELTA) T of a baseplate which were obtained by simulation calculation. 間隙が1.25mmのときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by the simulation calculation when a gap | interval is 1.25 mm. 間隙が2.5mmのときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows air velocity distribution obtained by simulation calculation when a clearance gap is 2.5 mm. 間隙が3.5mmのときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by the simulation calculation when a clearance gap is 3.5 mm. シミュレーション計算で得られた、アスペクト比とベースプレートの最高温度上昇値ΔTとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the aspect ratio and the maximum temperature rise value (DELTA) T of a baseplate which were obtained by simulation calculation. アスペクト比3.26のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by the simulation calculation in the case of aspect ratio 3.26. アスペクト比4.82のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by the simulation calculation when the aspect ratio is 4.82. 本発明の第4実施形態のヒートシンクを示す正面図である。It is a front view which shows the heat sink of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態のヒートシンクを示す正面図である。It is a front view which shows the heat sink of 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態のヒートシンクを示す正面図である。It is a front view which shows the heat sink of 6th Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが2°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 1st Embodiment of this invention, and shows the example whose opening angle (alpha) is 2 degrees. 第1実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが3°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 1st Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 3 degrees. 第1実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが5°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 1st Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 5 degrees. 第1実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが10°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 1st Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 10 degrees. 開き角αが0°である比較例のヒートシンクを示す概略正面図である。It is a schematic front view which shows the heat sink of the comparative example whose opening angle (alpha) is 0 degree. 開き角αが10°のときの第1実施形態のヒートシンクを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the heat sink of 1st Embodiment when opening angle (alpha) is 10 degrees. シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the calculation model used for simulation calculation. 開き角αが2°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 2 degrees. 開き角αが3°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 3 degrees. 開き角αが5°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 5 degrees. 開き角αが10°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 10 degrees. 開き角αが0°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 0 degree. 第2実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが2°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 2nd Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 2 degrees. 第2実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが3°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 2nd Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 3 degrees. 第2実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが5°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 2nd Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 5 degrees. 第2実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが10°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 2nd Embodiment, and shows the example whose opening angle (alpha) is 10 degrees. 比較例のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが0°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of a comparative example, and shows the example whose opening angle (alpha) is 0 degree. 開き角αが2°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 2 degrees. 開き角αが3°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 3 degrees. 開き角αが5°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 5 degrees. 開き角αが10°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 10 degrees. 開き角αが0°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 0 degree. 本発明の第3実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが10°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 3rd Embodiment of this invention, and shows the example whose opening angle (alpha) is 10 degrees. 比較例のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが0°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of a comparative example, and shows the example whose opening angle (alpha) is 0 degree. 比較のヒートシンクを示す概略正面図であり、ピンフィン列が一様に迎え角βが5°で設けられている例を示す。It is a schematic front view which shows a comparative heat sink, and shows the example in which the pin fin row | line | column is provided uniformly with the angle of attack (beta) of 5 degrees. 開き角αが10°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 10 degrees. 開き角αが0°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 0 degree. 迎え角βが5°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by the simulation calculation when the angle of attack β is 5 °. 本発明の第4実施形態のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが10°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of 4th Embodiment of this invention, and shows the example whose opening angle (alpha) is 10 degrees. 比較例のヒートシンクを示す概略正面図であり、開き角αが0°である例を示す。It is a schematic front view which shows the heat sink of a comparative example, and shows the example whose opening angle (alpha) is 0 degree. 比較のヒートシンクを示す概略正面図であり、ピンフィン列が一様に迎え角βが5°で設けられている例を示す。It is a schematic front view which shows a comparative heat sink, and shows the example in which the pin fin row | line | column is provided uniformly with the angle of attack (beta) of 5 degrees. 開き角αが10°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 10 degrees. 開き角αが0°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by simulation calculation when opening angle (alpha) is 0 degree. 迎え角βが5°のときのシミュレーション計算で得られた空気速度分布を示す図である。It is a figure which shows the air velocity distribution obtained by the simulation calculation when the angle of attack β is 5 °.

この発明を実施するための形態の例を、以下に図面を参照しながら説明する。
なお、以下の各例に示す本発明のヒートシンクは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金など熱伝導性が良好な材料を用いて作製することが望ましい。
The example of the form for implementing this invention is demonstrated referring drawings below.
Note that the heat sink of the present invention shown in each of the following examples is desirably manufactured using a material having good thermal conductivity such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.

また、冷却性能向上のために本発明のヒートシンクの表面に、熱放射を高める表面処理を施しても良い。特に、ヒートシンクを自然空冷に用いる場合、必然的に対流熱伝達率が比較的小さく止まりがちであることから放射熱伝達率の寄与が相対的に大きいといえるので、熱放射を高める表面処理を施して放射熱伝達率を高めることは特に有効と考えられる。例えば、ヒートシンクの材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合には、放射熱伝達率を高めることができる方法として、黒色アルマイト処理をはじめとするアルマイト処理が簡便であると共に複雑形状に対しても可能な方法であり好適である。   Further, in order to improve the cooling performance, the surface of the heat sink of the present invention may be subjected to a surface treatment that enhances heat radiation. In particular, when using a heat sink for natural air cooling, the convective heat transfer coefficient is inevitably relatively small and tends to stop, so it can be said that the contribution of the radiant heat transfer coefficient is relatively large. Therefore, increasing the radiant heat transfer coefficient is considered to be particularly effective. For example, when the material of the heat sink is aluminum or an aluminum alloy, as a method for increasing the radiant heat transfer rate, a method in which alumite treatment such as black alumite treatment is simple and possible even for complicated shapes is possible. It is preferable.

(第1実施形態)
図20A〜図20Dに、本発明の第1実施形態のヒートシンクの概略正面図を示し、図20Eに比較例のヒートシンクの概略正面図を示す。
また、図21に、図20Dに対応する本発明の第1実施形態のヒートシンクの斜視図を示す。
第1実施形態のヒートシンク10は、実質的に鉛直に置かれたベースプレート1(幅61mm、長さ(高さ)70mm、板厚3mm)の板面に冷却用空気への伝熱を行なうための複数のピンフィン2(直径2.5mm、高さ25mmの円柱状)が立設されており、前記複数のピンフィン2は、所定の間隔(1.8mm)を空けて直線状に配置されてなる列(ピンフィン列)の対(一対のピンフィン列)が上方に向けて開く略Vの字形を構成するように、即ち、それぞれに対となっているピンフィン列の鉛直下方の列端部のピンフィン同士の距離に比して鉛直上方の列端部のピンフィン同士の距離が大きくなるように、前記ベースプレート1の板面に複数のピンフィン2が立設されている。更に換言すれば、ヒートシンク10では、一対のピンフィン列が、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように対向してベースプレート1に配設されている。この実施形態では、略Vの字形を構成する対となるピンフィン列が水平方向に並んで三対(つまり、ピンフィン列が6列)設けられている。
(First embodiment)
20A to 20D are schematic front views of the heat sink according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 20E is a schematic front view of the heat sink of the comparative example.
FIG. 21 is a perspective view of the heat sink according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 20D.
The heat sink 10 of the first embodiment is for transferring heat to the cooling air on the plate surface of the base plate 1 (width 61 mm, length (height) 70 mm, plate thickness 3 mm) placed substantially vertically. A plurality of pin fins 2 (columnar shape having a diameter of 2.5 mm and a height of 25 mm) are provided upright, and the plurality of pin fins 2 are arranged in a straight line at a predetermined interval (1.8 mm). A pair of (pin fin rows) (a pair of pin fin rows) is formed so as to form an approximately V shape that opens upward, that is, between the pin fins at the row end portions of the pin fin rows vertically below each other. A plurality of pin fins 2 are erected on the plate surface of the base plate 1 so that the distance between the pin fins at the row end portions vertically above the distance is larger than the distance. In other words, in the heat sink 10, a pair of pin fin rows are arranged on the base plate 1 so as to face each other so that the space between the rows gradually expands vertically upward. In this embodiment, three pairs (that is, six pin fin rows) of a pair of pin fin rows forming a substantially V shape are arranged in the horizontal direction.

略Vの字形の開き角(略Vの字形の先端における頂角を指すものとする。)αを少しずつ増して0〜10°に変化させた。但し、図1Eの開き角αが0°の例は、比較のために示しおり、本発明の実施形態には属さない。なお、開き角αは、ピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士が成す角度に相当する。   The opening angle of the substantially V-shape (referred to as the apex angle at the tip of the substantially V-shape) α was gradually increased to 0 to 10 °. However, the example in which the opening angle α in FIG. 1E is 0 ° is shown for comparison and does not belong to the embodiment of the present invention. The opening angle α corresponds to the angle formed by the pin fin arrangement directions in the pin fin row.

図20A〜図20Eにおいて開き角αを増すやり方は、3組(三対)のピンフィン列の各々2つのピンフィン列が互いに平行に鉛直方向に沿って配置された状態から(図20E参照)、各々のピンフィン列を互いに反対向きに僅かずつ回転させることにより行なっている。ここで、開き角αを変化させてもベースプレート1に配置されるピンフィン2の総数が変わらないようにするために、ピンフィン列の鉛直方向の中央の位置を中心として各々のピンフィン列を回転させるようにした。この実施形態では、一対のピンフィン列は、鉛直方向の中央同士の距離が8.3mm離れているものとした。   20A to 20E, the opening angle α is increased from a state in which two pin fin rows in each of three pairs (three pairs) of pin fin rows are arranged parallel to each other along the vertical direction (see FIG. 20E). This is done by rotating the pin fin rows slightly in opposite directions. Here, in order to prevent the total number of pin fins 2 arranged on the base plate 1 from changing even if the opening angle α is changed, each pin fin row is rotated around the center position in the vertical direction of the pin fin row. I made it. In this embodiment, the distance between the centers of the pair of pin fin rows in the vertical direction is 8.3 mm.

なお、発熱部品3は、図20A〜図20Eには図示されていないが、ベースプレート1の裏側(ピンフィン2が立設されている側の反対側)の全面に渡り接続されている。   Although not shown in FIGS. 20A to 20E, the heat generating component 3 is connected across the entire back surface of the base plate 1 (the side opposite to the side where the pin fins 2 are erected).

図20Eに示す比較例のピンフィン型ヒートシンク(α=0°)では、ピンフィン列が互いに平行に鉛直方向に並んでいるので、暖められた空気の上昇気流はそのまま上方に流れる。   In the pin fin type heat sink (α = 0 °) of the comparative example shown in FIG. 20E, the pin fin rows are arranged in parallel to each other in the vertical direction, so that the rising airflow of the warmed air flows upward as it is.

それに対して、開き角αが0°より大となって或る開き角を有している図20A〜図20Dに示す例では、ピンフィン列が鉛直方向に対して斜め(α/2)の方向に延在している。この斜めに配設されたピンフィン列は、鉛直方向に上昇する上昇気流にとっては開き角の半分(α/2)の迎え角となるので、暖められた空気の上昇気流は前記ピンフィン列に衝突し、そして、一部はそのピンフィン列を通り抜けて反対側(一対のピンフィン列の内側)に到ることが考えられる。ここでは、これを仮に“迎え角衝突効果”と呼んでおく。しかしながら、図20A〜図20Dに示すように開き角αが小さい場合、この効果は微々たるものであると予想される。   On the other hand, in the example shown in FIGS. 20A to 20D in which the opening angle α is larger than 0 ° and has a certain opening angle, the pin fin row is inclined (α / 2) with respect to the vertical direction. It extends to. This obliquely arranged pin fin row has an angle of attack that is half the opening angle (α / 2) for a rising air flow rising in the vertical direction, so that the rising air flow of warmed air collides with the pin fin row. And it is conceivable that a part passes through the pin fin row and reaches the opposite side (inside the pair of pin fin rows). Here, this is tentatively called “attack angle impact effect”. However, when the opening angle α is small as shown in FIGS. 20A to 20D, this effect is expected to be insignificant.

ところが、以下に詳しく説明する通り、上記“迎え角衝突効果”とは別の理由が存在して、開き角αが小さくとも、一対のピンフィン列が鉛直上方に0°より大きい開き角αを有するようにすると(図20A〜図20D参照)、ピンフィン列が鉛直方向に並べられているときに比して(図20E参照)、予想より多量の空気がピンフィン列を通り抜けて反対側に到ることが分った。   However, as will be described in detail below, there is a reason different from the “attack angle collision effect”, and even if the opening angle α is small, the pair of pin fin rows has an opening angle α of more than 0 ° vertically upward. As a result (see FIGS. 20A to 20D), more air than expected passes through the pin fin rows and reaches the opposite side as compared to when the pin fin rows are arranged in the vertical direction (see FIG. 20E). I found out.

第1実施形態のヒートシンクの冷却性能が優れていることを確認するために、シミュレーション計算を行なった。
シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図を、図22に示す。シミュレーション計算は、ヒートシンク10に風洞3を取り付けた状態について行った。風洞3は、鉛直方向が貫通する直方体状であって、前後左右の4面が壁からなり、上下の2面は開口面になっている。この風洞3をヒートシンク10の上下端から各々15mm(図22中、a,b=15mm)、ピンフィン2の先端部から5mm((図22中、c=5mm)となる位置に取り付けた状態とした。
In order to confirm that the cooling performance of the heat sink of the first embodiment is excellent, a simulation calculation was performed.
FIG. 22 shows a perspective view for explaining a calculation model used for the simulation calculation. The simulation calculation was performed for the state where the wind tunnel 3 was attached to the heat sink 10. The wind tunnel 3 has a rectangular parallelepiped shape penetrating in the vertical direction. The front, rear, left and right four surfaces are walls, and the upper and lower surfaces are open surfaces. The wind tunnel 3 is attached to positions 15 mm (a, b = 15 mm in FIG. 22) from the upper and lower ends of the heat sink 10 and 5 mm (c = 5 mm in FIG. 22) from the tip of the pin fin 2. .

また、ヒートシンク10は鏡映対称(図20A〜図20E中、左右対称)をなしているので、計算時間を短縮するためにシミュレーション計算は鏡映対称面から片側半分について行なった。このため、図22についても、ヒートシンク10の片側半分を示している。   Further, since the heat sink 10 is mirror-symmetric (symmetric in FIGS. 20A to 20E), the simulation calculation was performed on one half of the mirror symmetry plane in order to shorten the calculation time. For this reason, FIG. 22 also shows one half of the heat sink 10.

図20A〜図20Eの各構造についてシミュレーション計算によって求めた空気速度分布の結果を、図23A〜図23Eに示す。空気速度分布の結果としては、ピンフィン2の高さの1/2の位置の鉛直平面(この実施形態では、ベースプレート1から12.5mm離れた位置)における空気速度分布を示した。図23において、空気速度が大であるほど濃い黒色で示されている。また、同図に、各場合のベースプレート最高温度上昇値ΔTをも示す。   The results of the air velocity distribution obtained by the simulation calculation for each structure of FIGS. 20A to 20E are shown in FIGS. 23A to 23E. As a result of the air velocity distribution, an air velocity distribution in a vertical plane (in this embodiment, a position 12.5 mm away from the base plate 1) at a position that is 1/2 the height of the pin fin 2 is shown. In FIG. 23, the larger the air velocity, the darker the black color. The figure also shows the base plate maximum temperature rise value ΔT in each case.

なお、シミュレーション計算条件は、発熱部の発熱量10W、風洞材料は樹脂、ヒートシンク材料はアルミニウム合金とし、風洞下部の境界条件は大気圧25℃とした。   The simulation calculation conditions were a calorific value of 10 W at the heat generating portion, the wind tunnel material was resin, the heat sink material was an aluminum alloy, and the boundary condition of the lower part of the wind tunnel was an atmospheric pressure of 25 ° C.

図23A〜図23Eから分かるように、各ピンフィン列に挟まれた領域のいずれにおいても、上方に行くほど速度が大きくなっているが、これは、上昇気流として移動する間にも空気は暖められ続けて一層大きな浮力を受けることにより次第に加速されるためであると考えられる。なお、各ピンフィン列に挟まれた領域はいずれも、左右両側をピンフィン列によりガードされていることから、其処にはいわば一種の“煙突効果”が生じていると考えられる。   As can be seen from FIG. 23A to FIG. 23E, in any of the regions sandwiched between the pin fin rows, the speed increases toward the upper side. This is because the air is warmed while moving as an updraft. It is thought that this is because it is gradually accelerated by continuing to receive even greater buoyancy. In addition, since all the regions sandwiched between the pin fin rows are guarded by the pin fin rows on both the left and right sides, it can be considered that a kind of “chimney effect” occurs there.

そして、注意深く観察すると、図23Eから図23A〜図23Dへと開き角αが0°から次第に増すに従って、上方に向けて開く略Vの字形(即ち、上に行くほど広くなる。)の内側の空間の空気速度は次第に大となり、逆に、上方に向けて開く略Vの字形の外側の空間である、下方に向けて開く略Vの字形(即ち、上に行くほど狭くなる。)の内側の空間の空気速度は次第に小となっていることが分かる。   When carefully observed, the opening angle α gradually increases from 0 ° from FIG. 23E to FIG. 23A to FIG. 23D, and the inside of the substantially V-shaped shape that opens upward (that is, the width increases toward the top). The air velocity in the space gradually increases, and conversely, the space outside the substantially V-shape that opens upward, that is, the inside of the substantially V-shape that opens downward (that is, the space becomes narrower as it goes upward). It can be seen that the air velocity in the space gradually decreases.

即ち、開き角αが0°でない場合、上方に向けて開く略Vの字形の内側と外側とで空気速度が異なる。一般に空気が高速で流れると圧力低下が生じる(ベルヌーイの定理)。従って、空気が高速で流れることに基づく圧力低下の度合いも異なって、上方に向けて開く略Vの字形の内側の方がその外側よりも圧力低下が著しくなる。この結果、略Vの字形の内外で圧力差が生じて、外側から内側に向かって空気が引き込まれるような力が作用する。   That is, when the opening angle α is not 0 °, the air velocity is different between the inside and the outside of the substantially V shape that opens upward. In general, pressure drops when air flows at high speed (Bernoulli's theorem). Accordingly, the degree of pressure drop based on the flow of air at a high speed is also different, and the pressure drop is more remarkable on the inner side of the substantially V-shape opening upward than on the outer side. As a result, a pressure difference is generated between the inside and outside of the substantially V shape, and a force is applied so that air is drawn in from the outside toward the inside.

この効果は、上記の説明から明らかなように、開き角αが0°のときは生じることがなく、開き角αが0°より大となってはじめて生じるものなので、これを、“開き角圧力差効果”と呼ぶことにする。   As apparent from the above description, this effect does not occur when the opening angle α is 0 °, but only occurs when the opening angle α is greater than 0 °. This will be called the “difference effect”.

なお、上に記した通り、上方に向けて開く略Vの字形の内側の空間部分において上方に行くほど空気がより高速で流れるようになるのは、煙突効果に加えて、上方に行くほど末広がり状に流路が広くなることから空気が上昇するに従って流体摩擦抵抗が小となるためであると考えられる。しかも、その末広がりの程度は開き角αの大きさに比例する。その結果、図23A〜図23Dに示すように、開き角αが増すに従って空気速度が大になっているものと考えられる。   In addition to the chimney effect, in addition to the chimney effect, the air flows more rapidly as it goes upward in the space portion inside the substantially V-shape that opens upward as described above. This is probably because the fluid friction resistance becomes smaller as the air rises because the flow path becomes wider. Moreover, the extent of the spread is proportional to the size of the opening angle α. As a result, as shown in FIGS. 23A to 23D, it is considered that the air velocity increases as the opening angle α increases.

一方、上方に向けて開く略Vの字形の外側部分(即ち、下方に向けて開く略Vの字形の内側部分)において、上記とは全く逆に上方に行くほど空気がより低速で流れるようになるのは、上方に行くほど先すぼまり状に流路が狭くなることから空気が上昇するに従って流体摩擦抵抗が大となるためであると考えられる。しかも、その先すぼまりの程度は開き角αの大きさに比例する。その結果、図23A〜図23Dに示すように、開き角αが増すに従って空気速度が次第に小になっているものと考えられる。   On the other hand, in the outer portion of the substantially V-shape that opens upward (that is, the inner portion of the substantially V-shape that opens downward), the air flows more slowly as it goes upward in the opposite direction. It is considered that the fluid friction resistance increases as the air rises because the flow path narrows in a tapered shape as it goes upward. Moreover, the degree of the narrowing is proportional to the size of the opening angle α. As a result, as shown in FIGS. 23A to 23D, it is considered that the air velocity gradually decreases as the opening angle α increases.

第1実施形態においては、上方に向けて開く略Vの字形を構成するピンフィン列の対が水平方向に三対設けられている場合を示したが、上記の説明から理解出来るように、“開き角圧力差効果”は、上方に向けて開く略Vの字形を構成するピンフィン列の対が1組のみの場合であっても生じる。即ち、上方に向けて開く略Vの字形の内側の空間部分では、上記の通り上方に行くほど末広がり状に流路が広くなり空気がより高速で流れるようになるのに対して、前記略Vの字形の外側の空間部分ではそのような効果が特には無いので、略Vの字形の外側に比較して内側の方が空気速度がより大きくなる。   In the first embodiment, a case is shown in which three pairs of pin fin rows constituting a substantially V-shape opening upward are provided in the horizontal direction. However, as can be understood from the above description, “open” The “angular pressure differential effect” occurs even when there is only one pair of pin fin rows constituting a substantially V-shape that opens upward. That is, in the inner space portion of the approximately V-shape that opens upward, the flow path becomes wider toward the upper side and the air flows at a higher speed as it goes upward as described above. Since there is no such effect in the space portion outside the V shape, the air velocity is larger on the inside than on the outside of the substantially V shape.

なお、開き角αが0°であっても、いわゆる“煙突効果”は生じると考えられる。簡単に説明すると、“煙突効果”は主として鉛直方向(ピンフィン列に沿った方向)への空気移動に関するが、“開き角圧力差効果”は主として水平方向(ピンフィン列を横切る方向)への空気移動に関するといえる。   Even if the opening angle α is 0 °, the so-called “chimney effect” is considered to occur. Briefly, the “chimney effect” is mainly related to the air movement in the vertical direction (the direction along the pin fin array), while the “open angle pressure difference effect” is mainly the air movement in the horizontal direction (the direction across the pin fin array). It can be said that.

この“開き角圧力差効果”が存在することにより、前記ピンフィン列を構成しているピンフィン同士間の狭い間隔であっても、空気が予想以上により良く通過する。そのためピンフィンと空気との間で効率良く熱交換されて冷却性能が優れることとなる。   Due to the presence of this “opening angle pressure differential effect”, air passes better than expected even at a narrow interval between the pin fins constituting the pin fin row. Therefore, heat is efficiently exchanged between the pin fins and air, and the cooling performance is excellent.

図23A〜図23Eに示した空気速度分布から、この“開き角圧力差効果”は、開き角αが0°から僅かに増しただけでもその兆候が現われ始め、開き角αが増すに従って次第に顕著な効果となることが分かる。
また、図23A〜図23Eに示したベースプレート1の最高温度上昇値ΔTの結果から、図20に示すピンフィン2の配置では、α=2°になると明らかにΔTに変化が見られ、そして、α=5°になるとΔTの変化が歴然とすることが分かる。
From the air velocity distribution shown in FIGS. 23A to 23E, this “opening angle pressure difference effect” begins to appear even when the opening angle α is slightly increased from 0 °, and becomes gradually more pronounced as the opening angle α increases. It turns out that it becomes an effect.
Further, from the result of the maximum temperature rise value ΔT of the base plate 1 shown in FIGS. 23A to 23E, in the arrangement of the pin fins 2 shown in FIG. 20, a change in ΔT is clearly seen when α = 2 °, and α It can be seen that when T = 5 °, the change in ΔT is obvious.

(第2実施形態)
図24A〜図24Dに、本発明の第2実施形態のヒートシンクの概略正面図を示し、図24Eに、比較例のヒートシンクの概略正面図を示す。
第2実施形態のヒートシンクは、第1実施形態よりもピンフィン列におけるピンフィン同士の間隔が大きい。ただし、その他の点に関しては第1実施形態のヒートシンクにほぼ準じる。
(Second Embodiment)
24A to 24D are schematic front views of the heat sink according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 24E is a schematic front view of the heat sink of the comparative example.
In the heat sink of the second embodiment, the distance between the pin fins in the pin fin row is larger than that of the first embodiment. However, other points are almost the same as those of the heat sink of the first embodiment.

第2実施形態のヒートシンクは、実質的に鉛直に置かれたベースプレート1(幅85mm、長さ(高さ)70mm、板厚3mm)の板面に冷却用空気への伝熱を行なうための複数のピンフィン2(直径4.2mm、高さ25mmの円柱状)が立設されており、前記複数のピンフィンは、所定の間隔(9mm)ずつを空けてピンフィンが直線状に配置されてなる列(ピンフィン列)の対(一対のピンフィン列)が上方に向けて開く略Vの字形を構成するように、即ち、それぞれの対となっているピンフィン列の鉛直下方の列端部のピンフィン同士の距離に比して鉛直上方の列端部のピンフィン同士の距離が大きくなるように、前記ベースプレート1上に複数のピンフィン2が立設されている。第2実施形態では、第1実施形態と同様に、略Vの字形を構成する対となるピンフィン列が水平方向に並んで三対(つまり、ピンフィン列が6列)設けられている。   The heat sink according to the second embodiment includes a plurality of heat exchangers for transferring heat to the cooling air on the plate surface of the base plate 1 (width 85 mm, length (height) 70 mm, plate thickness 3 mm) placed substantially vertically. The pin fins 2 (columnar shape with a diameter of 4.2 mm and a height of 25 mm) are erected, and the plurality of pin fins are arranged in rows (9 mm) at a predetermined interval (9 mm). A pair of pin fin rows) (a pair of pin fin rows) is formed so as to form a substantially V-shape that opens upward, that is, the distance between the pin fins at the row end portions of the pair of pin fin rows vertically below each other. A plurality of pin fins 2 are erected on the base plate 1 so that the distance between the pin fins at the end of the row in the vertical upper direction is larger than that of the base plate 1. In the second embodiment, as in the first embodiment, three pairs of pin fin rows that form a substantially V-shape are arranged in the horizontal direction (that is, six pin fin rows).

図24A〜図24Eにおいて開き角αを増すやり方も、第1実施形態と同様に、ピンフィン列の中央の位置を中心として各々のピンフィン列を回転させるようにした。この実施形態では、一対のピンフィン列は、鉛直方向の中央同士の距離が10mm離れているものとした。   In the method of increasing the opening angle α in FIGS. 24A to 24E, each pin fin row is rotated around the center position of the pin fin row as in the first embodiment. In this embodiment, the pair of pin fin rows is assumed to have a distance of 10 mm between the centers in the vertical direction.

図24A〜図24Eの各構造についてシミュレーション計算によって求めた空気速度分布の結果を、図25A〜図25Eに示す。また、同図に、各場合のベースプレート最高温度上昇値ΔTをも示す。なお、シミュレーション計算条件は、第1実施形態のときに準じる。   The results of the air velocity distribution obtained by the simulation calculation for each structure of FIGS. 24A to 24E are shown in FIGS. 25A to 25E. The figure also shows the base plate maximum temperature rise value ΔT in each case. The simulation calculation conditions are the same as in the first embodiment.

図25A〜図25Eから分かるように、第2実施形態のヒートシンクでは、図23A〜図23Eを用いて説明した第1実施形態のヒートシンクと同様に、各ピンフィン列に挟まれた領域のいずれにおいても上方に行くほど速度が大きくなり、そして、開き角αが0°から次第に増すに従って、上方に向けて開く略Vの字形(即ち、上に行くほど広くなる。)の内側の空間の空気速度は次第に大となり、逆に、下方に向けて開く略Vの字形(即ち、上に行くほど狭くなる。)の内側の空間(上方に向けて開く略Vの字形の外側の空間)の空気速度は次第に小となっている。   As can be seen from FIGS. 25A to 25E, in the heat sink of the second embodiment, as in the heat sink of the first embodiment described with reference to FIGS. 23A to 23E, in any of the regions sandwiched between the pin fin rows. The speed of air increases in the upward direction, and as the opening angle α gradually increases from 0 °, the air velocity in the space inside the generally V-shaped shape that opens upward (that is, increases in the upward direction) is The air velocity of the inner space (the outer space of the approximately V-shape that opens upward) inside the approximately V-shape that gradually increases and conversely opens downward (that is, narrows as it goes upward) is It is getting smaller.

図25A〜図25Eに示した空気速度分布の遷移状況から、“開き角圧力差効果”は、開き角αが0°から僅かに増しただけでもその兆候が現われ始め、開き角αが増すに従って次第に顕著な効果となることが分かる。
また、図25A〜図25Eに示したベースプレート1の最高温度上昇値ΔTの結果から、図24に示すピンフィン2の配置の場合で言えば、α=5°になると明らかにΔTに変化が見られ、そして、α=10°になるとΔTの変化が歴然とすることが分かる。
From the transition state of the air velocity distribution shown in FIGS. 25A to 25E, the “opening angle pressure difference effect” begins to appear even when the opening angle α is slightly increased from 0 °, and as the opening angle α increases. It turns out that it becomes a remarkable effect gradually.
Further, from the result of the maximum temperature rise value ΔT of the base plate 1 shown in FIGS. 25A to 25E, in the case of the arrangement of the pin fins 2 shown in FIG. 24, a change in ΔT is clearly seen when α = 5 °. And when α = 10 °, it can be seen that the change in ΔT is obvious.

以上述べたように、第1実施形態でも第2実施形態でも、開き角αが0°から僅かに増しただけでも“開き角圧力差効果”が生じている。
そして、第1実施形態では既にα=2°でも明らかにベースプレート1の最高温度上昇値ΔTに変化が見られ、α=5°になるとΔTの変化が歴然とし、第2実施形態ではα=5°で明らかにΔTに変化が見られ、α=10°になるとΔTの変化が歴然とする。
As described above, in both the first embodiment and the second embodiment, the “opening angle pressure difference effect” occurs even when the opening angle α is slightly increased from 0 °.
In the first embodiment, the maximum temperature rise value ΔT of the base plate 1 is clearly changed even when α = 2 °. The change in ΔT is obvious when α = 5 °, and α = 5 in the second embodiment. There is a clear change in ΔT at °, and the change in ΔT is obvious when α = 10 °.

上記した図20A〜図20Eに示すヒートシンク10と、図24A〜図24Eに示すヒートシンク10からも分かる通り、ΔTの変化が歴然とする開き角αの値は、各々の具体的なヒートシンク(即ち、ピンフィン列)の構造に依存して変わり得る。但し、上記した結果から、少なくとも、α=2°でヒートシンクの性能向上が見られ、α=5°では一層向上し、α=10°では更に向上しているといえる。   As can be seen from the heat sink 10 shown in FIGS. 20A to 20E and the heat sink 10 shown in FIGS. 24A to 24E, the value of the opening angle α where the change in ΔT is obvious is the value of each specific heat sink (ie, pin fin). Depending on the structure of the column). However, from the above results, it can be said that the performance of the heat sink is improved at least at α = 2 °, further improved at α = 5 °, and further improved at α = 10 °.

なお、上に説明して来た通り、“開き角圧力差効果”はピンフィン列が「開き角」を有するからこそ生じる点に留意する必要が有る。従って、例えば、各々のピンフィン列が鉛直方向に対して角度(以下、「迎え角」という)βを以って斜め方向に配置されていようとも、隣のピンフィン列も同様に迎え角βを以って斜め方向に配置されて、両ピンフィン列が互いに平行(即ち、開き角α=0°)であれば、“開き角圧力差効果”は生じないものと予想される。   It should be noted that, as explained above, the “opening angle pressure difference effect” occurs because the pin fin array has “opening angle”. Therefore, for example, even if each pin fin row is arranged in an oblique direction with an angle β (hereinafter referred to as “attack angle”) β with respect to the vertical direction, the adjacent pin fin row similarly has an angle of attack β. If the pin fin rows are arranged in an oblique direction and are parallel to each other (that is, the opening angle α = 0 °), it is expected that the “opening angle pressure difference effect” does not occur.

このことを確認した結果を、以下に示す。
図26A及び図26Bは、上記した図20D及び図20Eと同一であり、開き角αが各々10°及び0°である。図26Aは、見方を変えれば、迎え角β=5°とβ=−5°のピンフィン列が交互に配置されていると見ることも出来る。
これに対して、図26Cは、図26Aにおけるβ=−5°のピンフィン列を+β側に10°回転させてβ=5°側に配置したものである。つまり、全てのピンフィン列が迎え角β=5°を以って互いに平行に配置されたものに該当する。
The result of confirming this is shown below.
26A and 26B are the same as FIGS. 20D and 20E described above, and the opening angle α is 10 ° and 0 °, respectively. From another perspective, FIG. 26A can also be seen as pin fin rows having angles of attack β = 5 ° and β = −5 ° arranged alternately.
On the other hand, FIG. 26C is a diagram in which the pin fin row of β = −5 ° in FIG. 26A is rotated 10 ° to the + β side and arranged on the β = 5 ° side. That is, all pin fin rows correspond to those arranged parallel to each other with an angle of attack β = 5 °.

図26A〜図26Cの各構造についてシミュレーション計算によって求めた空気速度分布の結果を、図27A〜図27Cに示す。また、同図に、各場合のベースプレート最高温度上昇値ΔTをも示す。なお、シミュレーション計算条件は、第1実施形態に準ずる。   FIGS. 27A to 27C show the results of air velocity distribution obtained by simulation calculation for each structure of FIGS. 26A to 26C. The figure also shows the base plate maximum temperature rise value ΔT in each case. The simulation calculation conditions are the same as in the first embodiment.

図27A〜図27Cから分かるように、図27Cに示す全てのピンフィン列の迎え角βが5°のものでは、空気速度もΔTも、図27Bに示すピンフィン列が鉛直方向に沿っているもの(α=0°)と殆んど等しい。即ち、上述したように、このような場合には“開き角圧力差効果”は生じないことが分かる。
また、図27Cに示す全てのピンフィン列の迎え角βが5°のものと、図27Bに示すピンフィン列が鉛直方向に沿っているものとが殆んど等しいということは、前記した“迎え角衝突効果”は、大して影響していない、又は、影響していたとしても極めて微々たるものであることを意味している。
As can be seen from FIGS. 27A to 27C, when the angle of attack β of all the pin fin rows shown in FIG. 27C is 5 °, the pin fin rows shown in FIG. is almost equal to α = 0 °. That is, as described above, it is understood that the “opening angle pressure difference effect” does not occur in such a case.
In addition, the fact that the angle of attack β of all the pin fin rows shown in FIG. 27C is 5 ° and the one where the pin fin rows shown in FIG. 27B are along the vertical direction are almost equal to each other. "Collision effect" means that it is not so much affected, or very little if any.

また第2実施形態のヒートシンクに対して同様に検討したものを、図28A〜図28C及び図29A〜図29Cに示す。図29A〜図29Cに示すように、第2実施形態のヒートシンクについても、図27A〜図27Cで示す上記した第1実施形態のヒートシンクに対して検討したものと全く同様の結果が得られ、全てのピンフィン列が迎え角β=5°を以って互いに平行に配置された図29Cでは“開き角圧力差効果”は認められないことが確認された。   Moreover, what was similarly examined with respect to the heat sink of 2nd Embodiment is shown to FIG. 28A-FIG. 28C and FIG. 29A-FIG. 29C. As shown in FIG. 29A to FIG. 29C, the heat sink of the second embodiment has the same results as those studied for the heat sink of the first embodiment shown in FIG. 27A to FIG. 27C. It was confirmed that no “opening angle pressure difference effect” was observed in FIG. 29C in which the pin fin rows of FIG. 29 were arranged parallel to each other with an angle of attack β = 5 °.

(第3実施形態)
図1A、図1Bは、本発明の第3実施形態のヒートシンクを表わす斜視図、正面図である。
本発明の第3実施形態のヒートシンクは、実質的に鉛直に置かれたベースプレート1(幅35mm、長さ(=高さ)70mm、板厚3mm)の板面に冷却用空気への伝熱を行なうための複数のピンフィン2(直径2.5mm、高さ25mmの円柱状)が立設されており、前記複数のピンフィンは、所定の間隔1.8mmずつを空けてピンフィンが直線状に配置されてなる列の対が上方に向けて開く略Vの字形を構成するように前記ベースプレート1の板面に立設されている。
(Third embodiment)
1A and 1B are a perspective view and a front view showing a heat sink according to a third embodiment of the present invention.
The heat sink of the third embodiment of the present invention transfers heat to the cooling air on the plate surface of the base plate 1 (width 35 mm, length (= height) 70 mm, plate thickness 3 mm) placed substantially vertically. A plurality of pin fins 2 (columnar shape with a diameter of 2.5 mm and a height of 25 mm) are erected, and the plurality of pin fins are arranged linearly at predetermined intervals of 1.8 mm. The pair of rows is erected on the plate surface of the base plate 1 so as to form a substantially V-shape that opens upward.

ここで、複数のピンフィン2は、Vの字形の先端が閉じた完全なVの字形に設けられてもよい。しかし、例えばピンフィン2をベースプレート1上に立設する方法としてダイカスト法を用いるには、ピンフィン2同士の間隔が2mm程度空いている必要があり、図1に示すように2つのピンフィン列の下端同士が少し(例えば2mmなど)空いている方が製造しやすくなる場合がある。また、このように2つのピンフィン列の下端同士が離れていると、対称線を境に片側の領域についてシミュレーションを行うことができ、ヒートシンクの設計が容易になる。このため、この実施形態では、2つのピンフィン列の下端同士が少し離れているものとした。また、ピンフィン列の対が構成する略Vの字形の開き角度αは、20°とした。   Here, the plurality of pin fins 2 may be provided in a complete V shape with the V-shaped tips closed. However, for example, in order to use the die casting method as a method of standing the pin fins 2 on the base plate 1, it is necessary that the space between the pin fins 2 is about 2 mm, and as shown in FIG. May be easier to manufacture if there is a little (for example, 2 mm). Further, when the lower ends of the two pin fin rows are separated from each other in this way, it is possible to perform a simulation on a region on one side with respect to the symmetry line, and the design of the heat sink becomes easy. For this reason, in this embodiment, the lower ends of the two pin fin rows are assumed to be slightly separated from each other. Further, the opening angle α of the substantially V-shape formed by the pair of pin fin rows was 20 °.

なお、発熱部品3(幅20mm、長さ(=高さ)20mm)は、図1A及び図1Bには図示されていないが、ベースプレート1の裏側(ピンフィン2が立設されている側の反対側)のほぼ中央部に接続されている。   Although the heat generating component 3 (width 20 mm, length (= height) 20 mm) is not shown in FIGS. 1A and 1B, the back side of the base plate 1 (the side opposite to the side where the pin fins 2 are erected). ) Is connected to almost the center.

第3実施形態のヒートシンクの冷却性能が優れていることをシミュレーション計算により確認した。その結果について具体的に説明する。
比較のために、図2A、図2Bに斜視図、正面図を示すようにピンフィンを均一に分散させて立設したヒートシンクについてもシミュレーション計算を行った。比較のために、これらのヒートシンクには同一の断面形状で同一のフィン高さのピンフィンを同じ総本数だけ立設するようにして、重量が等しくなるようにした。
It was confirmed by simulation calculation that the heat sink of the third embodiment has excellent cooling performance. The result will be specifically described.
For comparison, a simulation calculation was also performed for a heat sink in which pin fins were uniformly distributed as shown in the perspective and front views of FIGS. 2A and 2B. For comparison, these heat sinks are provided with the same total number of pin fins having the same cross-sectional shape and the same fin height so as to have the same weight.

シミュレーション計算に用いた計算モデルを説明する斜視図を、図3に示す。シミュレーション計算は、ヒートシンク10に風洞3を取り付けた状態について行なった。風洞3は、直方体状ではあるが、前後左右の4面のみが壁からなり、上下の2面は筒抜け状になっている。この風洞3をヒートシンク10の上下端から各々15mm(図3のa,b)、ピンフィン先端部から5mm(図3のc)となる位置に取り付けた状態とした。   FIG. 3 is a perspective view illustrating a calculation model used for the simulation calculation. The simulation calculation was performed for the state where the wind tunnel 3 was attached to the heat sink 10. Although the wind tunnel 3 has a rectangular parallelepiped shape, only the four surfaces on the front, rear, left, and right sides are walls, and the two upper and lower surfaces are hollow. The wind tunnel 3 was attached to positions 15 mm (a and b in FIG. 3) from the upper and lower ends of the heat sink 10 and 5 mm (c in FIG. 3) from the tip of the pin fin.

また、ヒートシンク10は鏡映対称をなしているので、計算時間を短縮するためにシミュレーション計算は鏡映対称面から片側半分について行なったので、図3もヒートシンクの片側半分を示している。   Further, since the heat sink 10 has mirror symmetry, since the simulation calculation is performed for one half of the mirror symmetry plane in order to shorten the calculation time, FIG. 3 also shows one half of the heat sink.

シミュレーション計算の条件は、発熱部の発熱量10W、風洞材料は樹脂、ヒートシンク材料はアルミニウム合金とし、風洞下部の境界条件は大気圧25℃とした。   The conditions for the simulation calculation were a heating value of 10 W at the heat generating part, the wind tunnel material was resin, the heat sink material was an aluminum alloy, and the boundary condition of the lower part of the wind tunnel was an atmospheric pressure of 25 ° C.

シミュレーション計算結果は、次の通りである。ベースプレートの最高温度上昇値ΔTが、比較例のヒートシンクでは75.3℃であるのに対して、本発明の第3実施形態のヒートシンクでは72.4℃となり、本発明の第3実施形態の方が冷却性能が優れていることが分る。   The simulation calculation results are as follows. The maximum temperature rise ΔT of the base plate is 75.3 ° C. in the heat sink of the comparative example, whereas it is 72.4 ° C. in the heat sink of the third embodiment of the present invention, which is the third embodiment of the present invention. It can be seen that the cooling performance is excellent.

この理由を考察する。図4A及び図4Bに、ピンフィン高さの1/2の位置の鉛直平面における空気速度分布を示す。図4A及び図4Bにおいて、空気速度が大であるほど濃い黒色で示されている。図4Aから、比較例のピンフィン配置では、空気の流れは縦横に林立散在するピンフィンに遮られてしまって抵抗が大きく、速度が上がらないことが分かる。   Consider the reason. 4A and 4B show the air velocity distribution in the vertical plane at a position 1/2 of the pin fin height. In FIGS. 4A and 4B, the larger the air velocity, the darker the black color. From FIG. 4A, it can be seen that in the pin fin arrangement of the comparative example, the air flow is blocked by the pin fins scattered vertically and horizontally, the resistance is large, and the speed does not increase.

それに対して、図4Bから、本発明第3実施形態のヒートシンクにおいては、前記略Vの字形の内側を速い速度で空気が流れていることが分る。これは、次のようなことに起因していると考えられる。即ち、裏側に発熱部品が接続されている辺りのベースプレート1から熱が放出されることにより、ベースプレート1の周りの空気が暖められて上昇気流が発生する。この上昇気流はまず前記ピンフィン2に衝突し、次いでピンフィン2同士の間隙を通過した後、略Vの字形の内側へと到り、其処の空間を上昇する。上昇気流は浮力を受けて次第に速度が上がる。更に、前記略Vの字形の内側は自由なスペースとなっているので、比較例のようにピンフィンが縦横に林立散在することによる流れ抵抗が無い。更にそれのみに止まらず、前記略Vの字形の内側は、その上方は自由なスペースとして開放されていると共に、左右両側は前記略Vの字形を構成する線状配置ピンフィンによりガードされていることから、いわば一種の“煙突効果”が生じて、浮力を受けて上昇する空気の流れは一段と加速されて高速で上方に流れるところとなるものと考えられる。   On the other hand, it can be seen from FIG. 4B that in the heat sink of the third embodiment of the present invention, air flows at a high speed inside the substantially V-shape. This is considered to be caused by the following. That is, heat is released from the base plate 1 around which the heat generating component is connected to the back side, so that the air around the base plate 1 is warmed and an upward air flow is generated. The ascending air current first collides with the pin fins 2 and then passes through the gap between the pin fins 2 and then reaches the inner side of the substantially V-shape to ascend the space. The ascending air flow gradually increases in response to buoyancy. Furthermore, since the inside of the substantially V shape is a free space, there is no flow resistance due to the pin fins scattered vertically and horizontally as in the comparative example. Furthermore, the inner side of the substantially V-shape is opened as a free space above and the left and right sides are guarded by linearly arranged pin fins constituting the substantially V-shape. Therefore, it is considered that a kind of “chimney effect” occurs, and the flow of air that rises due to buoyancy is accelerated further and flows upward at high speed.

そして、其処の空間(前記略Vの字形の内側)の空気が高速で上方に流れると圧力が低下するので、略Vの字形の外側の空気は、略Vの字形の内側に向かって引き込まれることとなる。ここで、このヒートシンクはVの字形の先端がほぼ閉じていることから、空気は主として前記ピンフィン同士の間隙を通過して流れ込む。略Vの字形の内側の方が外側よりも空気速度がより大きいことから、前記した“開き角圧力差効果”も作用することはもちろんである。即ち、略Vの字形を構成するように線状に配置されたピンフィン同士の間隙を通過する空気の勢いが一段と強くなる。これらの効果が存在することにより、狭いピンフィン同士間隔であっても空気がより良く通過し得るところとなり、そのため、本発明第3実施形態ではピンフィンと空気との間で効率良く熱交換されて冷却性能が優れることとなるものと考えられる。   Since the pressure decreases when the air in the space (inside the substantially V shape) flows upward at high speed, the air outside the substantially V shape is drawn toward the inside of the substantially V shape. It will be. Here, since the V-shaped tip of the heat sink is substantially closed, air mainly flows through the gap between the pin fins. Of course, since the air velocity is larger on the inner side of the substantially V shape than on the outer side, the aforementioned “opening angle pressure difference effect” also acts. That is, the momentum of the air passing through the gap between the pin fins arranged linearly so as to form a substantially V shape is further increased. Due to the presence of these effects, air can pass better even if the distance between the pin fins is narrow. Therefore, in the third embodiment of the present invention, the heat is efficiently exchanged between the pin fins and the air for cooling. It is thought that the performance will be excellent.

さて、前記略Vの字形の内側には上記したような線状配置ピンフィンのガード効果に基づいて“煙突効果”が生じているとすれば、そのガード効果の有効性を決定付けると考えられる前記略Vの字形の開き角αの大きさは、本発明のヒートシンクの冷却性能に対して大きな影響を及ぼすと考えられる。   Now, assuming that the "chimney effect" is generated inside the substantially V-shape based on the guard effect of the linearly arranged pin fin as described above, it is considered that the effectiveness of the guard effect is determined. The size of the substantially V-shaped opening angle α is considered to have a great influence on the cooling performance of the heat sink of the present invention.

そこで、略Vの字形の開き角αの影響を調べるために、αを10°→15°→20°→25°→30°→40°→50°と変化させた場合を、シミュレーション計算により検討した。シミュレーション計算の所与条件は、前記図1〜図4の場合に準じた。但し、略Vの字形の開き角αを大きくしたときでもピンフィン配置がベースプレートからはみ出してしまわないように、ベースプレート寸法は、幅70mm、長さ(=高さ)70mm、板厚3mmとした。   Therefore, in order to investigate the effect of the opening angle α of the substantially V shape, the case where α is changed from 10 ° → 15 ° → 20 ° → 25 ° → 30 ° → 40 ° → 50 ° is examined by simulation calculation. did. The given conditions for the simulation calculation were the same as those in FIGS. However, the base plate dimensions were set to a width of 70 mm, a length (= height) of 70 mm, and a thickness of 3 mm so that the pin fin arrangement does not protrude from the base plate even when the opening angle α of the substantially V shape is increased.

得られた結果を、開き角αとベースプレートの最高温度上昇値ΔTとの関係として、図5に示す。また、各々の開き角αのときの空気速度分布の様子を、図6〜図12に示す。   The obtained results are shown in FIG. 5 as the relationship between the opening angle α and the maximum temperature rise value ΔT of the base plate. Moreover, the state of the air velocity distribution at each opening angle α is shown in FIGS.

図6〜図8を見ると明らかなように、αが10°→15°→20°と増すに従って、略Vの字形を構成するように線状に配置されたピンフィン同士の間隙を通過する空気の勢いが逐次強くなっていることが極めて顕著である。これは、“煙突効果”の生じる略Vの字形の内側領域の幅が次第に広くなり空気が流れ易くなって“煙突効果”自体がより強くなり、上昇気流がより高速で上方に流れてその領域の圧力が低下するので、略Vの字形の外側の空気がV字形の内側に向かって引き込まれる勢いがより強くなることを意味しているものと考えられる。それに対応して、図5から分かる通り、αが10°→15°→20°と増すに従って、ΔTが顕著に低下して冷却性能が向上している。   As apparent from FIGS. 6 to 8, as α increases from 10 ° → 15 ° → 20 °, the air passes through the gap between the pin fins arranged linearly so as to form a substantially V shape. It is extremely noticeable that the momentum of this has gradually increased. This is because the width of the inner region of the substantially V-shaped where the “chimney effect” occurs gradually becomes wider and the air easily flows, the “chimney effect” itself becomes stronger, and the updraft flows upward at a higher speed. This is considered to mean that the momentum of the air outside the substantially V-shape is drawn toward the inside of the V-shape is increased. Correspondingly, as can be seen from FIG. 5, as α increases from 10 ° → 15 ° → 20 °, ΔT significantly decreases and the cooling performance is improved.

一方、図5から、開き角αが20°を超えると、逆にΔTが次第に上昇して冷却性能が低下してくることが分かる。これに対応する図9〜図12を見ると、αが25°以上では、略Vの字形の内側の上方に空気速度の遅い領域(これらの図で白っぽい部分。)が出現して来ていることが分かる。そして、25°→30°→40°→50°と増すに従って、この領域は着実に拡大し、α=50°では、略Vの字形の内側のほぼ全体を空気速度の遅い領域が占めてしまう。これは、開き角αが開き過ぎるともはや“煙突”的ではなくなり、“煙突効果”が弱まってしまうためであると考えられる。従って、αは40°以下であることが必要である。以上から、Vの字形の先端が閉じたこの実施形態では、略Vの字形の開き角αは、10°<α≦40°が好適であるといえる。   On the other hand, it can be seen from FIG. 5 that when the opening angle α exceeds 20 °, ΔT gradually increases and the cooling performance decreases. 9 to 12 corresponding to this, when α is 25 ° or more, a region having a low air velocity (a whitish portion in these drawings) appears above the inside of the substantially V shape. I understand that. Then, as the angle increases from 25 ° → 30 ° → 40 ° → 50 °, this region steadily expands, and when α = 50 °, the region where the air velocity is low occupies almost the entire inside of the V shape. . This is considered to be because if the opening angle α is too wide, it is no longer “chimney” -like and the “chimney effect” is weakened. Therefore, α needs to be 40 ° or less. From the above, in this embodiment in which the tip of the V-shape is closed, it can be said that the opening angle α of the substantially V-shape is preferably 10 ° <α ≦ 40 °.

そして、開き角αを15°≦α≦30°に選べば、空気速度も全般に速くてΔTを低く抑え得ていて、好ましいことが分かる。
なお、αが小さい場合に、前記略Vの字形をベースプレートの例えば中央部に配置したときにはベースプレートの両側にはピンフィンが全く存在しない領域が生じてしまう。そのようなときには、冷却性能を一層高めるために略Vの字形をその両側領域にも並べて配置して、前記略Vの字形のピンフィン配置が水平方向に2回以上繰り返して設けられるようにするのが好ましい。
It can be seen that if the opening angle α is selected as 15 ° ≦ α ≦ 30 °, the air velocity is generally high and ΔT can be kept low, which is preferable.
When α is small, when the substantially V-shape is arranged, for example, at the center of the base plate, there will be regions where no pin fins are present on both sides of the base plate. In such a case, in order to further improve the cooling performance, the substantially V-shaped shape is also arranged side by side on both side regions so that the substantially V-shaped pin fin arrangement is repeatedly provided twice or more in the horizontal direction. Is preferred.

ところで、前にも説明した通り、本発明のヒートシンクにおいては前記略Vの字形を構成するように線状に配置されたピンフィン同士の間隙を通過する空気の流れが重要である。そこで、次に、本発明の第3実施形態においてピンフィン同士の間隙の大きさを変えたときに冷却性能がどう変化するかをシミュレーション計算により具体的に調べた。
ベースプレート寸法は、上の検討と同じく幅70mm、長さ(=高さ)70mm、板厚3mmとした。開き角αは、上の検討で最も冷却性能が優れていた20°とした。そして、開き角αを20°とすると、前記寸法のベースプレートにおいてピンフィンが全く存在しない領域が生じてしまうので、略Vの字形のピンフィン配置を水平方向に2つ並べた形状で検討を行なった。なお、所定寸法のベースプレート上においてピンフィン同士の間隙を変えるので、ピンフィンの本数は間隙の大きさに対応して変化させた。
By the way, as described above, in the heat sink of the present invention, the flow of air passing through the gap between the pin fins arranged linearly so as to form the substantially V shape is important. Then, next, how the cooling performance changes when the size of the gap between the pin fins is changed in the third embodiment of the present invention was specifically examined by simulation calculation.
The base plate dimensions were set to a width of 70 mm, a length (= height) of 70 mm, and a plate thickness of 3 mm as in the above examination. The opening angle α was set to 20 °, which was the best cooling performance in the above examination. When the opening angle α is set to 20 °, a region where no pin fins exist in the base plate having the above dimensions is generated. Therefore, a study was made on a shape in which two substantially V-shaped pin fins are arranged in the horizontal direction. Since the gap between the pin fins is changed on the base plate having a predetermined dimension, the number of pin fins was changed in accordance with the size of the gap.

図13及び図14A〜図14Cに、その検討結果を示す。図13は、ピンフィン間隙とベースプレートの最高温度上昇値ΔTとの関係であるが、これから、ピンフィン同士の間隙には適切な大きさが存在し、それが大き過ぎても小さ過ぎても冷却性能が劣ることが分かる。ここでは、間隙2.5mmのときに、ΔTが46.8℃であり最高特性となっている。   The examination results are shown in FIGS. 13 and 14A to 14C. FIG. 13 shows the relationship between the pin fin gap and the maximum temperature rise value ΔT of the base plate. From now on, there is an appropriate size in the gap between the pin fins, and the cooling performance is good even if it is too large or too small. You can see that it is inferior. Here, when the gap is 2.5 mm, ΔT is 46.8 ° C., which is the highest characteristic.

図14A〜図14Cに示した空気速度分布のシミュレーション結果を見ると、図14Aに示す間隙1.25mmのものは、ピンフィン間隙においてもV字形の内側においても空気速度が明らかに遅くなっていることが分かる。このようにピンフィン同士の間隙が小さくなってくると、その間隙を空気が通り抜けにくくなり、そのために冷却性能が劣るようになるものと思われる。
一方、図14B及び図14Cに示すように、ピンフィン間隔が大きくなった方で冷却性能が劣るようになる理由は、所定寸法のベースプレート上に立設できるピンフィンの総本数が減ってしまい放熱総面積が減少することによるものと考えられる。
Looking at the simulation results of the air velocity distribution shown in FIGS. 14A to 14C, the air velocity is clearly slower in the gap of 1.25 mm shown in FIG. 14A both inside the pin fin gap and inside the V shape. I understand. When the gap between the pin fins becomes smaller in this way, it is difficult for air to pass through the gap, so that the cooling performance may be deteriorated.
On the other hand, as shown in FIG. 14B and FIG. 14C, the reason why the cooling performance becomes inferior when the pin fin interval is increased is that the total number of pin fins that can be erected on the base plate of a predetermined size is reduced and the total heat radiation area This is thought to be due to the decrease in

上に述べたピンフィン間隙が冷却性能に及ぼす影響についての考察から、次のようなことが言える。即ち、所定寸法のベースプレート上に立設できるピンフィンの総本数という点から言えば、ピンフィン間隙は小さいほど良い。ところが、ピンフィン間隙が小さくなるほど、空気が通り抜けにくくなることから冷却性能が劣るようになるという問題が有る。そこで、所定寸法のベースプレート上に立設するピンフィンの総本数、例えばピンフィン立設位置、は保ったままにした上で、空気の通り抜けにくさを改善することがもし出来るならば、冷却性能をより高めることが可能となる。   From the consideration of the effect of the pin fin gap described above on the cooling performance, the following can be said. That is, in terms of the total number of pin fins that can be erected on a base plate having a predetermined dimension, the pin fin gap is preferably as small as possible. However, as the pin fin gap becomes smaller, there is a problem that the cooling performance becomes inferior because air becomes difficult to pass through. Therefore, if the total number of pin fins to be erected on the base plate of a predetermined dimension, for example, the pin fin erection position, is maintained and the difficulty of air passage can be improved, the cooling performance can be improved. It becomes possible to raise.

このことを実現する一つの手段としては、例えば、前記各ピンフィンの断面形状(長手方向に対して垂直となる断面の形状)を円形とすれば、それが四角形である場合に比較して、前記ピンフィン同士の間隙を空気がより滑らかに通過しやすくなる。こうすれば、各ピンフィンの配置位置及び各ピンフィンの断面積の大きさを同一、即ちピンフィン全体としての総数と総重量を同一としても、冷却性能が一層優れる。   As one means for realizing this, for example, if the cross-sectional shape of each pin fin (the cross-sectional shape perpendicular to the longitudinal direction) is a circle, compared to the case where it is a quadrangle, Air becomes easier to pass through the gap between the pin fins more smoothly. In this way, even if the arrangement position of each pin fin and the size of the cross-sectional area of each pin fin are the same, that is, the total number and the total weight of the entire pin fin are the same, the cooling performance is further improved.

更に、ピンフィンの立設位置は保ったまま、各ピンフィンの断面形状を、円形から、空気の流れ方向に沿って伸長したような楕円形へと変える方法が考えられる。即ち、前記略Vの字形の外側と内側を結ぶ方向を長軸とし、前記略Vの字形ピンフィン列に沿う方向を短軸とするような楕円形に変えるものである。そうすれば、それが円形である場合に比較して、ピンフィン同士の間隙がより拡がって空気がより通過しやすくなると共に、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際の空気とピンフィンとの接触距離、即ち接触面積が大きくなるため、冷却性能が更に優れるものとなる。   Furthermore, it is conceivable to change the cross-sectional shape of each pin fin from a circular shape to an elliptical shape extending along the air flow direction while maintaining the standing position of the pin fin. That is, the shape is changed to an ellipse in which the direction connecting the outer side and the inner side of the substantially V-shaped is the major axis and the direction along the substantially V-shaped pin fin row is the minor axis. Then, compared with the case where it is circular, the gap between the pin fins is further widened so that air can pass more easily, and the contact distance between the air and the pin fin when the air passes through the gap between the pin fins That is, since the contact area is increased, the cooling performance is further improved.

ただし、上記した長軸及び短軸の方向は、必ずしも厳密に「略Vの字形の外側と内側を結ぶ方向」及び「略Vの字形ピンフィン列に沿う方向」に一致させる必要はなくて、むしろ空気(上昇気流)が略Vの字形ピンフィン列をスムーズに通過し易いように、むしろ長軸が「略Vの字形ピンフィン列に沿う方向」を斜めに横切る状態で、即ち、略Vの字形の外側の鉛直下方から内側の鉛直上方に向かって傾けられて配置される方がより好ましいといえる。   However, the directions of the major axis and the minor axis described above do not necessarily exactly coincide with the “direction connecting the outer side and the inner side of the substantially V-shaped” and the “direction along the substantially V-shaped pin fin row”. In order to facilitate the smooth passage of air (upward airflow) through the substantially V-shaped pin fin row, rather, the long axis is obliquely crossing the “direction along the substantially V-shaped pin fin row”, that is, substantially V-shaped. It can be said that it is more preferable to be arranged so as to be inclined from the outer vertical lower side toward the inner vertical upper side.

そこで、次に、ピンフィンの断面形状を円形から次第に細長い楕円形へと変えて、アスペクト比を変化させた場合をシミュレーション計算により調べた。このとき、楕円化に伴う変化だけを出来るだけ純粋に把握し得るように、各ピンフィンの立設位置(断面中心位置)は保ち、且つ各ピンフィンの断面形状を円形から次第に細長い楕円形へと変える際に断面積の大きさ自体は同一に保つようにして、ピンフィン全体としての総本数と総重量を同一に保つようにした。
また、出発点とする円形ピンフィンとしては、図13の検討において最高特性の得られた間隙2.5mm(ΔT=46.8℃)よりも狭い側である隙間1.8mm(ΔT=47.4℃)を選んだ。
Then, the case where the aspect ratio was changed by changing the cross-sectional shape of the pin fin from a circular shape to a gradually elongated elliptical shape was examined by simulation calculation. At this time, the standing position (cross-sectional center position) of each pin fin is maintained and the cross-sectional shape of each pin fin is gradually changed from a circular shape to an elongated elliptical shape so that only the change accompanying the ovalization can be grasped as purely as possible. At this time, the size of the cross-sectional area itself was kept the same so that the total number and weight of the entire pin fins were kept the same.
Further, as a circular pin fin as a starting point, a gap 1.8 mm (ΔT = 47.4) which is narrower than a gap 2.5 mm (ΔT = 46.8 ° C.) obtained with the highest characteristics in the examination of FIG. C) was selected.

上記のシミュレーション計算で得られた結果を、アスペクト比とベースプレートの最高温度上昇値ΔTとの関係として、図15に示す。また、アスペクト比3.26と同4.82のときの空気速度分布の様子を、図16に示す。   The result obtained by the above simulation calculation is shown in FIG. 15 as the relationship between the aspect ratio and the maximum temperature rise value ΔT of the base plate. FIG. 16 shows the air velocity distribution when the aspect ratio is 3.26 and 4.82.

図15から、円形(アスペクト比1.00)から出発して、アスペクト比を高めて次第に楕円化するのに伴い、ΔTが顕著に低下して行き、冷却性能が着実に向上していることが分る。これは、アスペクト比を大きくするのに伴いピンフィン同士の間隙が拡がり空気がより通りやすくなると共に、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際の空気とピンフィンとの接触面積が大きくなったためと考えられる。
アスペクト比を1.44(長軸3.0mm、短軸2.1mm)にしただけでも、ΔT=45.6℃となり、図13で得られた最高特性(ΔT=46.8℃)を既に大きく超えていることは驚異的である。
From FIG. 15, starting from a circle (aspect ratio of 1.00), the aspect ratio is increased and gradually becomes elliptical, so that ΔT decreases significantly and the cooling performance is steadily improving. I understand. This is thought to be due to the fact that as the aspect ratio is increased, the gap between the pin fins is expanded and the air is more easily passed, and the contact area between the air and the pin fin is increased when the air passes through the gap between the pin fins. .
Even when the aspect ratio is 1.44 (major axis 3.0 mm, minor axis 2.1 mm), ΔT = 45.6 ° C., and the highest characteristic (ΔT = 46.8 ° C.) obtained in FIG. It is amazing that it is far greater.

しかし、特性向上度合いは徐々に緩やかとなり、そして、アスペクト比3.26(長軸4.5mm、短軸1.4mm)で得られるΔT=43.5℃を最高特性として、以降は徐々に特性が低下する。   However, the degree of improvement in characteristics gradually becomes gradual, and ΔT = 43.5 ° C. obtained with an aspect ratio of 3.26 (major axis 4.5 mm, minor axis 1.4 mm) is the highest characteristic, and thereafter the characteristic gradually increases. Decreases.

図16Aと図16Bにアスペクト比3.26と同4.82のときの空気速度分布の様子を示したが、後者(アスペクト比4.82)では、前者(アスペクト比3.26)に比べてフィン近傍に色の淡い部分が多くなっている、即ち空気速度がより遅くなっていることが分かる。このように、アスペクト比が大きくなって来ると、ピンフィンから次第に板状フィン的になって来て、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際の空気とピンフィンとの接触距離が長くなり過ぎて冷却用空気の流速が落ちてしまい、そのために冷却性能が低下してくるものと考えられる。   16A and 16B show the state of air velocity distribution when the aspect ratio is 3.26 and 4.82, but the latter (aspect ratio 4.82) is compared to the former (aspect ratio 3.26). It can be seen that there are many lighter portions near the fins, that is, the air velocity is slower. Thus, as the aspect ratio increases, the pin fins gradually become plate-like fins, and the contact distance between the air and the pin fins when the air passes through the gaps between the pin fins becomes too long, resulting in cooling. It is considered that the flow rate of the working air is lowered and the cooling performance is lowered.

なお、上記の検討ではピンフィンの断面形状を楕円形としたが、楕円形以外にも、ピンフィン同士の間隙が拡がり空気がより通過しやすくなると共に、空気がピンフィン同士の間隙を通過する際のピンフィンと空気との接触面積が大きくなると期待される形状、例えば流線形、木の葉状、卵型などにしてもよいことはいうまでもない。   In the above examination, the pin fin has an elliptical cross-sectional shape. However, in addition to the elliptical shape, the gap between the pin fins is widened to facilitate the passage of air and the pin fins when the air passes through the gap between the pin fins. Needless to say, it may have a shape that is expected to increase the contact area between the air and the air, for example, streamline, leaf shape, or egg shape.

さて、本発明の第3実施形態のヒートシンクにおいて冷却性能が優れる理由を上に説明したが、ここで、その要諦となっているキーポイントを吟味・考察すると共に、先に掲げた各先行技術文献との相違点を整理しておく。   The reason why the cooling performance is excellent in the heat sink of the third embodiment of the present invention has been described above. Here, the key points that are the main points are examined and discussed, and each prior art document listed above is used. Organize the differences.

自然空冷のヒートシンクにおいては冷却用空気の流れがより加速・増進されるように工夫することが最も重要であるが、この実施形態では、そのことを、
・ベースプレート上に(1)『略Vの字形』を構成するような配置に(2)『ピンフィン』を立設する、
・及び、該ベースプレートを(3)『実質的に鉛直』に置く、
という2つの命題によって言わば一種の“煙突効果”を生ぜしめることにより、空気に上昇気流の勢いを生み出して実現している。そして、その中で要諦となっているキーポイントは、上に(1)(2)(3)と記した3つである。
In a natural air cooling heat sink, it is most important to devise so that the flow of cooling air is accelerated and enhanced, but in this embodiment,
-(2) “Pin fins” are erected on the base plate so as to constitute (1) “substantially V-shaped”.
-And the base plate is (3) "substantially vertical",
It is realized by creating a momentum of updraft in the air by creating a kind of “chimney effect” by the two propositions. And there are three key points which are the main points in the above (1) (2) (3).

上記(1)(2)(3)がキーポイントである理由は、次の通りである。
まず、上記(1)『略Vの字形配置』については、この配置こそが前記した“煙突効果”を引き起こす根源である。
The reason why (1), (2) and (3) are key points is as follows.
First, regarding (1) “substantially V-shaped arrangement”, this arrangement is the root cause of the “chimney effect” described above.

次に、上記(2)『ピンフィン』については、『自然空冷』において『板状フィン』では次のような問題点が有るからである。前記した通り“煙突効果”によりピンフィン同士の間隙を通過する空気の勢いが強くなるとは言っても、『自然空冷』においては所詮それは暖められた空気の上昇気流のみに由来するものであるから、自ずから限界が有る。従って、例えばフィンが板状のものであったりすれば、ファンを用いる『強制空冷』とは異なり、フィン同士の間隙を通過する時の流路抵抗が大き過ぎて空気の勢いは負けてしまう。『自然空冷』であっても前記“煙突効果”を享受し得るのは、フィンが『ピンフィン』であればこそなのである。   Next, regarding (2) “pin fin”, “natural air cooling” has the following problems with “plate fins”. As mentioned above, although the momentum of the air passing through the gap between the pin fins becomes stronger due to the “chimney effect”, in “natural air cooling”, it is derived from only the rising airflow of the heated air after all, There is a limit naturally. Therefore, for example, if the fins are plate-like, unlike the “forced air cooling” using a fan, the flow resistance when passing through the gap between the fins is too large and the momentum of the air is lost. Even if it is “natural air cooling”, the “chimney effect” can be enjoyed only if the fins are “pin fins”.

また、上記(3)『鉛直』については、対流による『自然空冷』を期待しようとすればベースプレートを『鉛直』に置かなければならないことの必要性については説明するまでもない。
逆に、ベースプレートを『水平』に置くようなヒートシンクにおいては、ファン等の『強制空冷』装置を必要とするものが多く、そして、その場合にはフィンとして『ピンフィン』を用いたのでは空気流の強さに比してフィン密度が疎ら過ぎて効率が悪いので、むしろ『板状フィン』を用いる方が好適であるといえる。
以上の通り、本発明の第3実施形態において効果的な自然空冷を生み出すことが出来たのは、上記(1)(2)(3)の3つの要因を満たしたからこそ初めて可能になったものであることを銘記しておく必要が有る。
In addition, regarding (3) “vertical”, it is not necessary to explain the necessity of placing the base plate in “vertical” in order to expect “natural air cooling” by convection.
On the other hand, many heat sinks that place the base plate “horizontally” require a “forced air cooling” device such as a fan. In that case, if “pin fins” are used as fins, the air flow Since the fin density is too sparse and the efficiency is poor compared to the strength of the plate, it is rather preferable to use “plate fins”.
As described above, effective natural air cooling can be produced in the third embodiment of the present invention only when the above three factors (1), (2), and (3) are satisfied. It is necessary to remember that.

ここで、本発明の実施形態のヒートシンクと前記した特許文献1〜特許文献5に示されているヒートシンクとの相違を説明しておく。   Here, the difference between the heat sink of the embodiment of the present invention and the heat sink shown in Patent Documents 1 to 5 will be described.

特許文献1は、まず、板状フィンを用いている点で、ピンフィンを用いる本発明とは異なる。   Patent Document 1 is different from the present invention using pin fins in that plate fins are used first.

また、特許文献1の図4には上方に向けて開く略Vの字形のような形状が示されており、一見したところでは恰も本発明の実施形態に類似するものであるかの如くに見紛う。しかし、特許文献1に示された略Vの字形は、実は一つ一つの個々の板状フィンの向き方に係るものであって、本発明の実施形態のようにフィンの集合体としての配置に係るものではなく、そもそも両者は全く異なるのである。また、特許文献1がそのようなフィンの向き方を採択する目的は、上昇する空気がフィンに衝突し、そこで乱流が発生するようにと企図する点にあり、この点も、フィンの集合体を略Vの字形とすることにより “開き角圧力差効果”や“煙突効果”を生み出すようにと企図する本発明の実施形態とは根本的に異なるのである。   Further, FIG. 4 of Patent Document 1 shows a shape like a substantially V-shape that opens upward, and at first glance, the bag may be mistaken as if it is similar to the embodiment of the present invention. . However, the substantially V-shape shown in Patent Document 1 actually relates to the direction of each individual plate-like fin, and is arranged as an assembly of fins as in the embodiment of the present invention. In the first place, they are completely different. In addition, Patent Document 1 adopts such a direction of the fin in that the rising air collides with the fin and a turbulent flow is generated there. This is fundamentally different from the embodiment of the present invention which is intended to produce an “open angle pressure differential effect” or “chimney effect” by making the body substantially V-shaped.

また、特許文献2〜特許文献4は、まず、板状フィンを用いている点で、ピンフィンを用いる本発明の実施形態とは異なる。更に、特許文献2〜特許文献4には、フィンの集合体としての配置を本発明の実施形態のように上方に向けて開く略Vの字形とするような記載も示唆も全く無くて、本発明の実施形態とは根本的に異なる。   Moreover, patent document 2-patent document 4 differ from embodiment of this invention using a pin fin by the point which uses a plate-shaped fin first. Furthermore, Patent Document 2 to Patent Document 4 have no description or suggestion that the arrangement of the fins as an aggregate is a substantially V-shape that opens upward as in the embodiment of the present invention. It is fundamentally different from the embodiment of the invention.

なお、特許文献4のヒートシンクは、フィン群の配設が上方に向けて閉じるように傾斜角を有するのに対して、本発明の実施形態に係るヒートシンクは、フィン群の配設が上方に向けて開くように開き角を有するものであって、両者は互いに全く逆の思想及び構造である。   The heat sink of Patent Document 4 has an inclination angle so that the fin group is closed upward, whereas the heat sink according to the embodiment of the present invention has the fin group directed upward. The two have an opening angle so that the two are completely opposite in concept and structure.

次に、特許文献5には、その図8にベースプレート部の上に複数の板状フィンが縦方向に所定の間隔でハの字形に配置されている熱交換器(ヒートシンク)が示されている。   Next, in Patent Document 5, FIG. 8 shows a heat exchanger (heat sink) in which a plurality of plate-like fins are arranged in a square shape at predetermined intervals in the vertical direction on the base plate portion. .

しかし、特許文献5も板状フィンを用いている点で、ピンフィンを用いる本発明の実施形態とは異なる。即ち、特許文献5は、その各請求項に記載されたところから分かる通り『フィン部』を必須の構成要件とするものであるが、この『フィン部』とは、その段落0027に「『フィン部』とは図1に示すように『板状フィン』3が縦方向に複数個並んで一列に配置されたものの全体を言う。」と明記されている通り『板状フィン』に係るものであり、特許文献5は『板状フィン』に係る。   However, Patent Document 5 is also different from the embodiment of the present invention using pin fins in that plate fins are used. That is, Patent Document 5 has a “fin portion” as an indispensable constituent element as can be seen from the description in each claim. "Part" means the whole of a plurality of "plate fins" 3 arranged in a row in the vertical direction as shown in FIG. 1. " Yes, Patent Document 5 relates to “plate fins”.

また、特許文献5は、各請求項及び「課題を解決するための手段」に記載されたところから明白なように、煎じ詰めれば、「放熱効率を高めるためには、板状フィンの間隔、板状フィンの長さ、板状フィン間を流れる冷却空気の流速の関係を適切に律することが必要である」(段落0008)として、「板状フィンの間を流れる冷却空気の流速を下げて、温度境界層・・・・が重なり合うようにする」(段落0007)ことを達成すべく、板状フィンにつき「各フィン間を冷却用空気が『減速』して概ね『均一』に流れるように」(各請求項)した発明である。   Further, as is apparent from the description in each claim and “Means for Solving the Problems”, Patent Document 5 describes that “to increase heat dissipation efficiency, the distance between the plate fins, the plate, It is necessary to appropriately regulate the relationship between the length of the fins and the flow velocity of the cooling air flowing between the plate fins "(paragraph 0008), and" lowering the flow velocity of the cooling air flowing between the plate fins, In order to achieve the "temperature boundary layer ... overlap" (paragraph 0007), the plate-like fins "so that the cooling air" decelerates "between the fins and flows almost uniformly" (Each claim).

即ち、特許文献5は、『板状フィン』の間を流れる『冷却空気の流速を下げる』ものであり、各フィン間を冷却用空気が『減速』して概ね『均一』に流れるようにしたヒートシンクである。実際、記載されている各実施態様や「発明を実施するための最良の形態」として掲げられたところも、全て『板状フィン』について述べられたものばかりであり、且つ、各フィン間を冷却用空気が『減速』して概ね『均一』に流れるようにしたものばかりである。   That is, Patent Document 5 is “to reduce the flow velocity of cooling air” flowing between “plate fins”, and the cooling air is “decelerated” between the fins so that it flows almost uniformly. It is a heat sink. In fact, all the embodiments described and “Best Mode for Carrying Out the Invention” are all described for “plate-like fins”, and cooling between the fins is performed. It is just what the working air "decelerates" and flows almost uniformly.

然るに、『自然空冷』のヒートシンクにおいては、往々にして、むしろ冷却用空気の流速が低いことこそが問題点である場合が多いのである。そこで、『自然空冷』のヒートシンクにおいては、特許文献5に示されたヒートシンクとは逆に、いかにしてその流速を上げるかということにこそ腐心しているのが実情であり、本発明の実施形態もまさにそのような目標に向かって検討を進める中から生まれたものである。即ち、本発明の実施形態と特許文献5とではそもそも目指す方向が全く逆であって、両者は本質的に異なるのである。   However, in “natural air cooling” heat sinks, the problem is often that the flow rate of cooling air is rather low. Therefore, in the “natural air cooling” heat sink, contrary to the heat sink disclosed in Patent Document 5, it is the actual situation that how to increase the flow velocity is the actual situation. Was born out of the progress of study toward such a goal. That is, the direction of the embodiment of the present invention and Patent Document 5 are completely opposite in the first place, and both are essentially different.

付言すれば、特許文献5のヒートシンクにおいては、上記のようにフィン間を流れる冷却用空気の流速を敢えて下げるとする以上、フィンに入って来た冷却用空気の流速は元々かなり速いことを意味する。このことは、各請求項に書かれた「『冷却用空気を送り込む』入口部」という記載とも相俟って、特許文献5の発明ではファン等を用いた強制冷却ヒートシンクが想定されていることが強く示唆されるのである。   In other words, in the heat sink disclosed in Patent Document 5, the flow rate of the cooling air flowing into the fins is originally considerably high as long as the flow rate of the cooling air flowing between the fins is intentionally lowered as described above. To do. This is combined with the description of “inlet part for feeding cooling air” written in each claim, and the invention of Patent Document 5 assumes a forced cooling heat sink using a fan or the like. Is strongly suggested.

なお、特許文献5の段落0057には「この発明の熱交換器は『自然空冷』、水冷のいずれの熱交換器にも応用することができる。」と一応記載されてはいるものの、上記した通りであって、また、特許文献5に示された熱交換器(ヒートシンク)は『自然空冷』用のヒートシンクが目指すべき方向とは全く逆を向いていることもあって、実際には、この技術の分野における通常の知識を有する者としては、特許文献5に示された熱交換器(ヒートシンク)を『自然空冷』用のそれとして用いることには大いに懐疑的になるところである。   In addition, although described in paragraph 0057 of Patent Document 5, “the heat exchanger of the present invention can be applied to both“ natural air cooling ”and water-cooled heat exchangers”, it is described above. In addition, the heat exchanger (heat sink) shown in Patent Document 5 is completely opposite to the direction that the “natural air cooling” heat sink should aim. Those who have ordinary knowledge in the technical field are very skeptical about using the heat exchanger (heat sink) shown in Patent Document 5 as that for “natural air cooling”.

また、特許文献5の中で示されるハの字形ヒートシンクの場合には、その請求項4や図9から分かるように、入口部から排出口に向かって漸次狭くなるように配置されたハの字形である。これは、その図9から明らかなように、冷却用空気を送り込むことに対応した構造となっている。
これに対して、本発明の実施形態のヒートシンクにおいては、それとは全く逆に、上方(即ち、上記の「排出口」に相当。)に向けて開く略Vの字形である。これは、先に本発明の実施形態の冷却メカニズムのところで説明したように略Vの字形の内側における上昇気流と“煙突効果”を利用することに対応した構造となっている。
このように、特許文献5と本発明の実施形態とでは、一見同じように見えるフィン配置(ハの字形、略Vの字形)であっても、その機能・作用は大いに異なるのである。
Further, in the case of the C-shaped heat sink shown in Patent Document 5, as can be seen from Claim 4 and FIG. 9, the C-shaped heat sink arranged so as to become gradually narrower from the inlet portion toward the discharge port. It is. As is apparent from FIG. 9, this has a structure corresponding to feeding cooling air.
On the other hand, in the heat sink of the embodiment of the present invention, on the contrary, it has a substantially V shape that opens upward (that is, corresponding to the above-mentioned “discharge port”). This is a structure corresponding to utilizing the ascending air current and the “chimney effect” inside the substantially V-shape as described above in the cooling mechanism of the embodiment of the present invention.
Thus, even if it is the fin arrangement (C-shape, substantially V-shape) that looks similar at first glance, Patent Document 5 and the embodiment of the present invention have very different functions and operations.

即ち、上に詳しく検討してきた通り、特許文献5と本発明の実施形態とでは、一見したところではともすると同等であるかの如くに見紛う面が有るものの、多くの点においてそれらの本質は全く異なっており、両者の向かう方向がむしろ全く逆となっている側面さえも有るのである。   That is, as discussed in detail above, although Patent Document 5 and the embodiment of the present invention have a face that seems to be equivalent at first glance, their essence is quite different in many respects. There are even aspects in which they are different and the direction in which they are directed is rather reversed.

(第4実施形態)
図17は、本発明の第4実施形態のヒートシンクを表わす正面図である。上方に向けて開く略Vの字形が、左右の外側に向かって凸の曲線状にピンフィンが配置されてなる列の対から構成されるものである点が本発明の第3実施形態と比べて異なる。このように前記略Vの字形を成すピンフィンの線状配列は、必ずしも直線状でなければならない訳ではなくて、湾曲していてもよい。特に、図17のように左右の外側に向かって凸の曲線状をなしている場合は、略Vの字形の内側が“煙突効果”にマッチしたものとなり、好適である。
なお、ここでは、ピンフィンの断面形状は円形としている。
(Fourth embodiment)
FIG. 17 is a front view showing a heat sink according to a fourth embodiment of the present invention. Compared with the third embodiment of the present invention, the substantially V-shaped shape that opens upward is composed of a pair of rows in which pin fins are arranged in a convex curve shape toward the left and right outer sides. Different. Thus, the linear arrangement of the pin fins forming the substantially V shape does not necessarily have to be linear, and may be curved. In particular, as shown in FIG. 17, a curved shape convex toward the left and right outer sides is preferable because the inner side of the substantially V shape matches the “chimney effect”.
Here, the cross-sectional shape of the pin fin is circular.

(第5実施形態)
図18は、本発明の第5実施形態のヒートシンクを表わす正面図である。上方に向けて開く略Vの字形が、Vの字の内側に向かって凸の曲線状にピンフィンが配置されてなる列の対から構成されるものである点が本発明の第3実施形態と比べて異なる。なお、ピンフィンの断面形状は、ここでも円形としている。
(Fifth embodiment)
FIG. 18 is a front view showing a heat sink according to a fifth embodiment of the present invention. The point that the substantially V-shape opening upward is composed of a pair of rows in which pin fins are arranged in a convex curve shape toward the inside of the V-shape and the third embodiment of the present invention. Compared to different. The cross-sectional shape of the pin fin is also circular here.

(第6実施形態)
図19は、本発明の第6実施形態のヒートシンクを表わす正面図であり、第3実施形態の略Vの字形のピンフィン配置を水平方向に2回繰り返して配置したものである。なお、ピンフィンの断面形状は、ここでは楕円形としている。
前記した図5の結果から、略Vの字形の開き角αは10°<α≦40°、好ましくは15°≦α≦30°であることが良いと判明しているが、例えばベースプレートの横幅が大きい場合などには、このように鋭角な略Vの字形配置ではベースプレートの全体をカバーすることが出来ない。そのときには、第6実施形態のように略Vの字形のピンフィン配置を水平方向に繰り返して複数配置するようにすれば、開き角αが上記の範囲に入るような鋭角の略Vの字形配置を用いてベースプレートの全体をカバーすることが出来る。
(Sixth embodiment)
FIG. 19 is a front view showing a heat sink according to a sixth embodiment of the present invention, in which the substantially V-shaped pin fin arrangement of the third embodiment is arranged twice in the horizontal direction. Here, the cross-sectional shape of the pin fin is an ellipse.
From the results of FIG. 5 described above, it has been found that the opening angle α of the substantially V shape is preferably 10 ° <α ≦ 40 °, and preferably 15 ° ≦ α ≦ 30 °. For example, when the angle is large, the base plate cannot be entirely covered with such an acute V-shaped arrangement. At that time, if a plurality of substantially V-shaped pin fin arrangements are repeatedly arranged in the horizontal direction as in the sixth embodiment, an acute-angled substantially V-shaped arrangement such that the opening angle α falls within the above range is achieved. Can be used to cover the entire base plate.

なお、例えば第1実施形態並びに第2実施形態及び第6実施形態のように、上方に向けて開く略Vの字形のピンフィン配置を水平方向に繰り返して配置するやり方としては、必ずしも同じ略Vの字形のピンフィン配置を直ぐ隣り同士に隣接するものではなくて、お互いに異なる略Vの字形のピンフィン配置を隣接させても良いし、また、一つの略Vの字形のピンフィン配置と他の略Vの字形のピンフィン配置との間に平行なピンフィン列(即ち、略Vの字形の開き角α=0°に相当。)が挟まれる配置でも良い。   For example, as in the first embodiment, the second embodiment, and the sixth embodiment, the substantially V-shaped pin fin arrangement that opens upward is repeatedly arranged in the horizontal direction. The V-shaped pin fin arrangements are not immediately adjacent to each other, but different V-shaped pin fin arrangements different from each other may be adjacent to each other, or one V-shaped pin fin arrangement and another V-shaped pin fin arrangement. An arrangement in which a parallel row of pin fins (i.e., corresponding to a substantially V-shaped opening angle α = 0 °) is sandwiched between the U-shaped pin fin arrangements.

また、上方に向けて開く略Vの字形のピンフィン配置を、鉛直方向に2回以上繰り返して設けるようにしてもよい。   Moreover, you may make it provide the substantially V-shaped pin fin arrangement | positioning opened upwards repeatedly in the perpendicular direction twice or more.

本発明に係るヒートシンクは、電子機器を始めとする各種機器の発熱体を自然空冷によって冷却するために利用することができる。冷却ファンを用いることなく自然空冷のみによって高い冷却性能を実現し得るので、自動車搭載用など軽量化に対する要望が極めて強い用途への利用には特に最適である。   The heat sink according to the present invention can be used to cool the heating elements of various devices including electronic devices by natural air cooling. Since high cooling performance can be realized only by natural air cooling without using a cooling fan, it is particularly suitable for use in applications where there is a strong demand for weight reduction such as for automobiles.

1 ベースプレート
2 ピンフィン
3 風洞
10 ヒートシンク
1 Base plate 2 Pin fin 3 Wind tunnel 10 Heat sink

Claims (12)

冷却対象を冷却するのに用いられるヒートシンクであって、
前記冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が板面に沿って流れるように立設されるベースプレートと、
前記ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群と、
を備え、
前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように水平方向に対向して配設される、
ことを特徴とするヒートシンク。
A heat sink used to cool a cooling object,
A base plate erected so that an updraft generated by heat generated from the object to be cooled flows along the plate surface;
A pin fin group comprising a plurality of pin fins disposed on the plate surface of the base plate;
With
The pin fin group has a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other, and the pair of pin fin rows gradually spreads vertically between the rows. Arranged opposite to the horizontal direction,
A heat sink characterized by that.
前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク。   The heat sink according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the plurality of pin fins is circular or elliptical. 前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比1.0以上5.0以下の円形又は楕円形であることを特徴とする請求項2に記載のヒートシンク。   The heat sink according to claim 2, wherein a cross-sectional shape of the plurality of pin fins is a circle or an ellipse having an aspect ratio of 1.0 to 5.0. 前記複数のピンフィンの断面形状は、前記一対のピンフィン列の外側鉛直下方から内側鉛直上方に向けて長い楕円形であることを特徴とする請求項2又は3に記載のヒートシンク。   4. The heat sink according to claim 2, wherein a cross-sectional shape of the plurality of pin fins is an ellipse that is long from an outer vertical lower side to an inner vertical upper side of the pair of pin fin rows. 前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が水平方向に二対以上繰り返して設けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のヒートシンク。   5. The heat sink according to claim 1, wherein in the pin fin group, the pair of pin fin rows is repeatedly provided in two or more pairs in the horizontal direction. 前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が40°以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のヒートシンク。   6. The heat sink according to claim 1, wherein the pair of pin fin rows has an angle formed by arrangement directions of pin fins in each pin fin row of 40 ° or less. ベースプレートと、ベースプレートの板面に配設される複数のピンフィンからなるピンフィン群とを備え、前記ピンフィン群は、複数のピンフィンが互いに間隔を空けて各々に一列に並んだ一対のピンフィン列を有し、該一対のピンフィン列は、列同士の間が徐々に広がるように対向して配設されるヒートシンクの使用方法であって、
冷却対象から発せられる熱によって生じる上昇気流が前記ベースプレートの板面に沿って流れるとともに、前記一対のピンフィン列が、水平方向に対向して、列同士の間が鉛直上方に向けて徐々に広がるように、前記ヒートシンクを配設して自然空冷に用いる、
ことを特徴とするヒートシンクの使用方法。
A base plate and a pin fin group comprising a plurality of pin fins disposed on the plate surface of the base plate, the pin fin group having a pair of pin fin rows in which a plurality of pin fins are arranged in a row at intervals from each other The pair of pin fin rows is a method of using a heat sink disposed so as to face each other so as to gradually spread between the rows,
Ascending airflow generated by the heat generated from the cooling target flows along the plate surface of the base plate, and the pair of pin fin rows face each other in the horizontal direction so that the space between the rows gradually spreads vertically upward. In addition, the heat sink is arranged and used for natural air cooling,
A method of using a heat sink.
前記複数のピンフィンの断面形状が円形又は楕円形であることを特徴とする請求項7に記載のヒートシンクの使用方法。   The method of using a heat sink according to claim 7, wherein a cross-sectional shape of the plurality of pin fins is circular or elliptical. 前記複数のピンフィンの断面形状がアスペクト比1.0以上5.0以下の円形又は楕円形であることを特徴とする請求項8に記載のヒートシンクの使用方法。   The method of using a heat sink according to claim 8, wherein a cross-sectional shape of the plurality of pin fins is a circle or an ellipse having an aspect ratio of 1.0 to 5.0. 前記複数のピンフィンの断面形状は、前記ピンフィン列におけるピンフィンの配列方向を横切る方向に長い楕円形であることを特徴とする請求項8又は9に記載のヒートシンクの使用方法。   10. The method of using a heat sink according to claim 8, wherein a cross-sectional shape of the plurality of pin fins is an ellipse that is long in a direction crossing an arrangement direction of the pin fins in the pin fin row. 前記ピンフィン群では、前記一対のピンフィン列が二対以上設けられており、
前記一対のピンフィン列が、水平方向に二対以上繰り返して配設されるように前記ヒートシンクを配設することを特徴とする請求項7から10のいずれか1項に記載のヒートシンクの使用方法。
In the pin fin group, two or more pairs of the pin fin rows are provided,
The method of using a heat sink according to any one of claims 7 to 10, wherein the heat sink is arranged so that the pair of pin fin rows is repeatedly arranged in two or more pairs in the horizontal direction.
前記一対のピンフィン列は、各々のピンフィン列におけるピンフィンの配列方向同士の成す角度が40°以下であることを特徴とする請求項7から11のいずれか1項に記載のヒートシンクの使用方法。   The method of using a heat sink according to any one of claims 7 to 11, wherein the pair of pin fin rows has an angle formed by pin fin arrangement directions in each pin fin row of 40 ° or less.
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