JPWO2017195270A1

JPWO2017195270A1 - ヒートシンク

Info

Publication number: JPWO2017195270A1
Application number: JP2018516245A
Authority: JP
Inventors: 一貴新; 正佳田村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: CN109076716A; US10809017B2; EP3457828B1; WO2017195270A1; EP3457828A1; EP3457828A4; JP6692417B2; US20190137195A1; CN109076716B

Abstract

隣接した放熱フィンの間の隙間の距離の下限値を維持しつつ放熱性能を向上させることができるヒートシンクを得る。ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、放熱フィンは、ベースに沿った断面形状が正六角形に内接した凹凸形状であり、凹凸形状の凸部が正六角形に接しており、隣接する放熱フィンは、凸部が接する正六角形の辺が互いに全域に渡って対向し、かつ、互いに離れて対向する辺の間の距離である辺間距離が等しく配置されている。

Description

この発明は、例えば発熱素子を冷却するヒートシンクに関する。

ＳｉＣは高コストであるため、ＳｉＣを用いた素子はチップシュリンクが必要不可欠である。その結果、その素子の発熱密度が増大し、その素子が高温になることから、高い放熱性能を有するヒートシンクが求められている。

ヒートシンクの放熱性能は、ヒートシンクにおける放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積が大きいほど高くなる。放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積は、隣接した放熱フィンの間の隙間の距離が小さいほど大きくなる。しかしながら、隣接した放熱フィンの間の隙間にゴミなどの異物が詰まることを防止するために、ヒートシンクの使用環境に応じて、隣接した放熱フィンの間の隙間の距離に下限値が設けられる場合がある。したがって、隣接した放熱フィンの間の隙間の制約内で、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積をより大きくすることが、ヒートシンクの放熱性能を向上させる鍵となる。また、ヒートシンクの放熱性能を向上させる方法として、放熱フィンの表面に生成される温度境界層を薄くすることが挙げられる。

従来、断面形状が正六角形に形成された複数の放熱フィンが規則的に配列されたヒートシンクが知られている。このヒートシンクでは、それぞれの放熱フィンは、風の方向である第１の方向に沿って、正六角形の第１の辺を構成する側壁面と第１の辺に対向する第４の辺を構成する側壁面とが平行に配列され、かつ、第１の方向に対して、正六角形の第１の辺に隣接する第２の辺が第１の辺に対してなす角度となる第２の方向に沿って、第２の辺を構成する側壁面と第２の辺に対向する第５の辺を構成する側壁面とが平行に配列され、かつ、第１の方向に対して、正六角形の第１の辺に隣接する第６の辺が第１の辺に対してなす角度となる第３の方向に沿って、第６の辺を構成する側壁面と第６の辺に対向する第３の辺を構成する側壁面とが平行に配列されている。また、このヒートシンクでは、それぞれの放熱フィンは、正六角形の第１の辺から第６の辺までのそれぞれについて、各側壁面の延長面上に、隣接する放熱フィンの側壁面が配置されている。（例えば、特許文献１参照）。

特許第３８４０９７０号公報

しかしながら、それぞれの放熱フィンは、正六角形の第１の辺から第６の辺までのそれぞれについて、各側壁面の延長面上に、隣接する放熱フィンの側壁面が配置されているので、隣接する放熱フィンの間の空間が大きくなる。その結果、放熱フィンの単位体積当たりの放熱面積が小さくなり、ヒートシンクの放熱性能が低下してしまうという問題点があった。また、それぞれの放熱フィンは、側壁面が平面に形成されているので、放熱フィンの表面に生成される温度境界層が放熱フィンの側壁面において発達して厚くなり、ヒートシンクの放熱性能が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、隣接した放熱フィンの間の隙間の距離の下限値を維持しつつ放熱性能を向上させることができるヒートシンクを提供するものである。

この発明に係るヒートシンクは、ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、放熱フィンは、ベースに沿った断面形状が正六角形に内接した凹凸形状であり、凹凸形状の凸部が正六角形に接しており、隣接する放熱フィンは、凸部が接する正六角形の辺が互いに全域に渡って対向し、かつ、互いに離れて対向する辺の間の距離である辺間距離が等しく配置されている。

この発明に係るヒートシンクによれば、放熱フィンは、ベースに沿った断面形状が正六角形に内接した凹凸形状であり、凹凸形状の凸部が正六角形に接しており、隣接する放熱フィンは、凸部が接する正六角形の辺が互いに全域に渡って対向し、かつ、互いに離れて対向する辺の間の距離である辺間距離が等しく配置されているので、隣接した放熱フィンの間の隙間の距離の下限値を維持しつつ放熱性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るヒートシンクを示す分解斜視図である。図１の放熱フィンおよびベースを示す斜視図である。図２の７つの放熱フィンをベースに垂直な方向から視た図である。図３の１つの放熱フィンを示す拡大図である。放熱フィンの対辺距離と熱伝達率との関係を示すグラフである。凹部深さと熱伝達率との関係を示すグラフである。この発明の実施の形態４に係るヒートシンクの放熱フィンおよびベースを示す斜視図である。図７のヒートシンクから放熱フィンが取り除かれたベースを示す斜視図である。この発明の実施の形態５に係るヒートシンクにおける複数の放熱フィンを示す平面図である。冷媒を放熱フィンに外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して垂直に流通させる状態を示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るヒートシンクを示す分解斜視図である。図において、ヒートシンクは、発熱素子１が表面に設置されるベース２と、ベース２の裏面に設けられた複数の放熱フィン３と、ベース２を収納するジャケット４と、ジャケット４の側壁に設けられた冷媒入口部５と、ジャケット４における冷媒入口部５が設けられた側壁に対向する側壁に設けられた冷媒出口部６とを備えている。

ヒートシンクでは、冷媒は、図１の矢印Ａの方向に、冷媒入口部５に入る。冷媒入口部５に入った冷媒は、冷媒入口部５を通って、ジャケット４とベース２との間の空間に入る。この空間内では、冷媒は、発熱素子１から受熱した放熱フィン３と熱交換する。これにより、発熱素子１は、放熱フィン３を通じて冷却される。放熱フィン３との熱交換により受熱した冷媒は、そのまま冷媒出口部６に入る。冷媒出口部６に入った冷媒は、冷媒出口部６を通って、ヒートシンクの外部に排出される。

なお、ヒートシンクに用いられる冷媒は、液体、気体、気液混合体のいずれであってもよい。また、ヒートシンクは、ヒートシンクが設置される環境によっては、ジャケット４を備えていなくてもよい。

図２は図１の放熱フィン３およびベース２を示す斜視図、図３は図２の７つの放熱フィン３をベース２に垂直な方向から視た図、図４は図３の１つの放熱フィン３を示す拡大図である。放熱フィン３は、ベース２に沿った断面形状が正六角形に内接するように形成されている。図３では、破線は放熱フィン３に外接する正六角形を示している。１つの放熱フィン３に外接する正六角形における向かい合う辺の間の距離を対辺距離ｗとする。

また、放熱フィン３は、断面形状が正六角形に内接する凹凸形状となっている。放熱フィン３は、正六角形に接する凸部３１と、正六角形から離れる凹部３２とを有している。複数の凹部３２は、正六角形の辺に対向するように配置されている。放熱フィン３に外接する正六角形の辺と、この辺に対向しかつ互いに隣接する複数の凹部３２の共通接線との間の距離を凹部深さａとする。言い換えれば、凹部深さａは、凹凸形状の凹部３２における底部と凸部３１が接している正六角形の辺との間の距離である。図４では、破線は正六角形の一辺を延長したものを示し、一点鎖線は隣接する凹部３２の共通接線を示している。

１つの放熱フィン３の周囲には、６つの放熱フィン３が配置されている。１つの放熱フィン３を中心として、６つの放熱フィン３が周方向に並べて配置されている。１つの放熱フィン３に外接する正六角形の各辺は、周囲の各放熱フィン３に外接する正六角形のそれぞれの辺と対向している。

１つの放熱フィン３に外接する正六角形の辺と、１つの放熱フィン３の周囲に配置された６つの放熱フィン３のそれぞれの外接する正六角形の辺とは、互いに離間して全域に渡って対向している。１つの放熱フィン３に外接する正六角形の辺と、１つの放熱フィン３の周囲に配置された６つの放熱フィン３のそれぞれの外接する正六角形の辺との間の距離を辺間距離ｔとする。

なお、放熱フィン３の根元部は、角Ｒ、言い換えれば、丸みを有するように形成されてもよい。また、放熱フィン３は、ベース２から垂直方向に離れるにつれて細くなるテーパー形状に形成されてもよい。この場合、辺間距離ｔは、テーパー形状の放熱フィン３における平均高さでの辺間距離ｔとすればよい。平均高さは、例えば、放熱フィン３が直線状に傾斜している場合には、その中間部での高さとなる。冷媒の流路についての寸法制約、形状制約などにより、配列されている複数の放熱フィン３の外周部が流路と干渉する場合には、その外周部に配置されている放熱フィン３の形状の一部を流路形状に沿うように変形させてもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係るヒートシンクによれば、放熱フィン３に外接する正六角形の辺は、辺間距離ｔで全域に渡って対向しているので、放熱フィン３は、辺間距離ｔにおける最密配置となり、放熱フィン３の表面積が大きくなる。したがって、ゴミなどの異物が詰まることを防止するために設けられた辺間距離ｔの下限値の制約が設定されている場合であっても、その制約内でヒートシンクの放熱性能を向上させることができる。また、放熱フィン３の側面に設けられた凹凸形状の中の凸部３１に冷媒が衝突することによって冷媒の流れが撹拌され、温度境界層が薄くなるため、ヒートシンクの放熱性能をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
放熱フィン３は、辺間距離ｔが固定されている場合に、対辺距離ｗが大きい程に放熱フィン３の根元から先端までの熱抵抗が小さくなるため、放熱フィン３の側面の全体を効率的に放熱に利用することができる、つまり、フィン効率が高くなる。しかしながら、対辺距離ｗが大きい程に、単位ベース面積当たりに配置することができる放熱フィン３の本数が少なくなるため、ヒートシンクの放熱面積が減少する。

一方、放熱フィン３は、辺間距離ｔが固定されている場合に、対辺距離ｗが小さい程に放熱フィン３の根元から先端までの熱抵抗が大きくなるため、放熱フィン３の先端に進むにしたがい温度が低下し、放熱フィン３の側面の一部のみしか放熱に寄与しない、つまりフィン効率が悪くなる。しかしながら、対辺距離ｗが小さい程に単位ベース当たりに配置することができる放熱フィン３の本数が多くなるため、ヒートシンクの放熱面積が増大する。

上述したように、放熱フィン３は、辺間距離ｔが一定の条件では、対辺距離ｗによって放熱の効率と放熱面積とがトレードオフの関係にあり、対辺距離ｗには最適値が存在する。

図５は放熱フィン３の対辺距離ｗと熱伝達率との関係を示すグラフである。図５では、横軸が放熱フィン３の対辺距離ｗであり、縦軸が熱伝達率（任意単位）ある。図５では、辺間距離ｔ、凹部深さａ、放熱フィン３の高さ、冷媒流量を固定した条件で３次元熱流体シミュレーションを実施した結果を示している。

図に示すように、対辺距離ｗが２．５ｍｍ付近で熱伝達率が最大となっている。対辺距離ｗを２．０ｍｍ〜３．１ｍｍとすることで、熱伝達率の最大値の７０％を得ることができ、ヒートシンクの放熱性能を特に向上させることができる。対辺距離ｗを２．０ｍｍ〜３．１ｍｍとする以外の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係るヒートシンクによれば、対辺距離ｗが２．０ｍｍ〜３．１ｍｍであるので、放熱性能を特に向上させることができる。

実施の形態３．
放熱フィン３の凹部深さａが深い程に放熱フィン３の側面に設けられた凸部３１では冷媒の流れがより撹拌され、温度境界層を薄くする効果が大きくなり、ヒートシンクの放熱量が増大する。しかしながら、放熱フィン３の凹部深さａが深い程に放熱フィン３の側面の凹部３２では、冷媒流速が低下するため、ヒートシンクの放熱量が減少する。

一方、放熱フィン３の凹部深さａが浅い程に側面の凸部３１では冷媒の流れの撹拌が少なくなって、温度境界層を薄くする効果が小さくなり、ヒートシンクの放熱量が減少する。しかしながら、放熱フィン３の凹部深さａが浅い程に放熱フィン３の側面の凹部３２では、冷媒流速の低下が抑制されるため、ヒートシンクの放熱量が増大する。

上述したように、放熱フィン３は、凹部深さａによって凸部３１の温度境界層を薄くする効果と凹部３２の冷媒流速とがトレードオフの関係にあり、凹部深さａには最適値が存在する。

図６は凹部深さａと熱伝達率との関係を示すグラフである。図６では、横軸が放熱フィン３の凹部深さａであり、縦軸が熱伝達率（任意単位）である。図６では、辺間距離ｔ、対辺距離ｗ、放熱フィン３の高さ、冷媒流量を固定した条件で３次元熱流体シミュレーションを実施した結果を示している。

図に示すように、凹部深さａが０．１ｍｍ付近で熱伝達率が最大となっている。凹部深さａを０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとすることで、熱伝達率の最大値の７０％を得ることができ、ヒートシンクの放熱性能を特に向上させることができる。凹部深さａを０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとする以外の構成は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係るヒートシンクによれば、凹部深さａが０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであるので、放熱性能を特に向上させることができる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係るヒートシンクの放熱フィンおよびベースを示す斜視図、図８は図７のヒートシンクから放熱フィンが取り除かれたベースを示す斜視図である。ベース２には、ジグザグ形状の凹凸部２１が形成されている。ジグザグ形状の凹凸部２１は、放熱フィン３の間を冷媒が通過する際に、冷媒の流れを複雑に撹拌し、ベース２に生じた温度境界層を薄くして、ヒートシンクの放熱を促進する。その他の構成は、実施の形態１ないし実施の形態３と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態４に係るヒートシンクによれば、ベース２には、凹凸部２１が形成されており、凹凸部２１はジグザグ形状に形成されているので、ベース２に生じた温度境界層を薄くすることができ、放熱をより促進することができる。

実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５に係るヒートシンクにおける複数の放熱フィンを示す平面図である。図９では、放熱フィン３の軸方向に視た放熱フィン３を示している。また、図９では、１つの放熱フィン３と、この放熱フィン３の周囲に設けられた６つの放熱フィン３とを示している。また、図９では、隣り合う放熱フィン３の間を通る冷媒の流路方向１１も示している。図において、ヒートシンクを通る冷媒は、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線１２に対して平行に流通する。言い換えれば、放熱フィン３は、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線１２に対して冷媒が流通するように配置されている。ここで、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線１２とは、放熱フィン３に外接する正六角形の各頂点であって互いに対向する一対の頂点を結ぶ直線１２である。冷媒を、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して平行に流通させることによって、冷媒を、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して垂直に流通させる場合と比較して、放熱フィン３の側面を効率的に放熱に利用することができる。

図１０は冷媒を放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して垂直に流通させる状態を示す図である。図に示すように、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して垂直に冷媒を流通させる場合には、冷媒の流れに対して直交する方向に冷媒の淀み領域１３が生じる。冷媒の淀み領域１３に隣接する放熱フィン３の側面では、十分な放熱が生じない。一方、図９に示すように、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して平行に冷媒を流通させる場合には、冷媒の淀み領域１３が生じないため、放熱フィン３の全ての面で十分な放熱を生じさせることができ、ヒートシンクの放熱性能を向上させることができる。

以上説明したように、この発明の実施の形態５に係るヒートシンクによれば、放熱フィン３に外接する正六角形の頂点を結ぶ直線に対して平行に冷媒が流通するように放熱フィン３が配置されているので、冷媒の淀み領域１３が生じることがなくなり、ヒートシンクの放熱性能をより向上させることができる。

Claims

ベースに複数の放熱フィンが設けられたヒートシンクであって、
前記放熱フィンは、前記ベースに沿った断面形状が正六角形に内接した凹凸形状であり、
前記凹凸形状の凸部が前記正六角形に接しており、
隣接する前記放熱フィンは、前記凸部が接する前記正六角形の辺が互いに全域に渡って対向し、かつ、互いに離れて対向する前記辺の間の距離である辺間距離が等しく配置されているヒートシンク。
前記正六角形における向かい合う辺の間の距離である対辺距離は、２．０ｍｍ〜３．１ｍｍである請求項１に記載のヒートシンク。
前記凹凸形状の凹部における底部と前記凸部が接している前記正六角形の辺との間の距離である凹部深さは、０．０５ｍ〜０．１５ｍｍである請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
前記ベースにおける前記放熱フィンが設けられる面には、凹凸部が形成されており、
前記凹凸部は、ジグザグ形状となっている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のヒートシンク。
前記正六角形の頂点を結ぶ直線に対して平行に冷媒が流通するように前記放熱フィンが配置されている請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のヒートシンク。