(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を搭載するベースの片面に被冷却体であるフィンを櫛形に配置した強制空冷式櫛形ヒートシンクにおいて、前記フィンにルーバーを冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜し、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄りに１列または複数列を一様に分布させて設け、ヒートシンクの冷却流体流入部分から送り込まれた冷却流体をルーバーの案内により、フィンと接する発熱体を搭載するベース部分もしくはその近傍に向けて、冷却流体の流れを偏向させることを特徴とする強制空冷式櫛形ヒートシンク。
【請求項２】
ルーバーは、フィンの一部に四角形のうちの３辺分に切り込みを入れ、残る１辺を軸として折り曲げ、フィン間距離に相当する高さの四角形部分を切り起こすしたものであることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式櫛形ヒートシンク。
【請求項３】
発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置されたフィンは、その先端側が開放されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の強制空冷式櫛形ヒートシンク。
【請求項４】
発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置されたフィンは、風洞で覆われており、フィン先端側にフィン間流路断面積の１０％〜３０％の断面積を持つ空間を設けたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の強制空冷式櫛形ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強制空冷式櫛形ヒートシンクに係り、特にパワートランジスタなどの高発熟量の電子部品を冷却するための高性能な強制空冷式櫛形ヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の櫛形ヒートシンクは、図１０（ａ）に示すように、発熱体（３）を搭載したベース（２）の片面に被冷却体として板状フィン（１）が立てられ、ロウ付けまたはカシメにより接合されている。冷却の際には、フィン（１）の間に向けて冷却流体を吹き付けるか、またはフィン（１）の間から冷却流体を吸い出すような位置にファンを設け、板状フィン（１）の間を流れる冷却流体により、フィン（１）およびベース（２）からの放熱を行い冷却するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の図１０（ａ）に示した従来の櫛形ヒートシンクでは、板状フィン（１）の間を流れる冷却流体（４）は、図１０（ｂ）に示すような分布でフィン（１）間を流れており、最も温度の高いベース（２）との間には厚い境界層があるために、効率の良い放熱が行えないという問題があった。
また、フィン（１）の先端が開放されていると、フイン（１）間に冷却流体を吹き付けても、流入した冷却流体は、流れにくいフィン（１）間から、フイン（１）の先端側へと流出してしまい、ヒートシンクの風下側では、強制空冷の効果がほとんどなくなってしまい、また冷却流体をフィン（１）の間から吸い出す方法をとっても、冷却流体はフィン（１）の先端側から吸い込まれ、フィン（１）間のごく一部を通ってファンへと到達してしまうので、ヒートシンク体積の大部分が冷却に寄与しないという問題があった。
【０００４】
これらの問題を防ぐために、フィン（１）の先端側を封鎖して、フイン（１）間に冷却流体を流すことについて検討してみたが、これはフィン先端付近で冷却流体の摩擦抵抗が増加することにより流速が低下し、放熱性能が低下してしまうという問題点があった。
また、フィンに千鳥状または縦横平行に、切り起こし形成した突片を多数分散して設け、フィンの間に冷却流体を流がして冷却を行うものが提案されているが（例えば特開平１０−４１５９号公報）、これは冷却流体の流れをベース側に偏らせるようにすることができないもので、効率の良い放熱が行えないという問題点がある。
【０００５】
【課題を解決するための手投】
本発明は、上記課題を解決するためのもので、発熱体を搭載するベースの片面に被冷却体であるフィンを櫛形に配置した強制空冷式櫛形ヒートシンクにおいて、前記フィンにルーバーを冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜し、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄りに１列または複数列を一様に分布させて設け、ヒートシンクの冷却流体流入部分から送り込まれた冷却流体をルーバーの案内により、フィンと接する発熱体を搭載するベース部分もしくはその近傍に向けて、冷却流体の流れを偏向させることを特徴とする強制空冷式櫛形ヒートシンクである。
また本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンクは、ルーバーがフィンの一部に四角形のうちの３辺分に切り込みを入れ、残る１辺を軸として折り曲げ、フィン間距離に相当する高さの四角形部分を切り起こしたことを特徴とするものである。
【０００６】
また本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンクは、発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置されたフィンは、その先端側が開放されたことを特徴とするものである。
さらに本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンクは、発熱体を搭載するベースの片面に櫛形配置されたフィンが風洞で覆われており、フィン先端側にフィン間流路断面積の１０％〜３０％の断面積を持つ空間を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】
本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンクは、ベースの片面に櫛形に配置されたフィンに、ルーバーを冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜し、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄りに１列または複数列を設けることにより、このルーバーがガイド役となって、フィン間に流入した冷却流体をベース近傍へと押しやるように、冷却流体の挙動を制御が可能となり、これによって、ベース付近の局所流量が増加するので、比較的温度の高いベース側から集中的に熱を奪うことになり、効率の良い放熱ができ、ヒートシンクの放熱効率を向上させるものである。具体的には、フィンに冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜してルーバーを設置することにより、フィン間を通る冷却流体は波打つような挙動を見せ、これによって、ベース付近の境界層厚さが薄くなり、べ−ス付近からの効率的な放熱が可能となるものである。
【０００８】
本発明において、フィンに傾斜して設けるルーバーの角度を冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度としたのは、１０度未満ではルーバーを設置した効果がほとんどなく、４５度を越えるとフィン間での圧力損失が高くなり、かえって放熱性能が低下するためである。また、より明らかなルーバーの効果を得るには、ルーバー角度を２０度〜３０度とするのが好ましい。
【０００９】
また、ルーバーを冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜して設けた櫛形フィンを風洞等で覆うときには、フィン間流路断面積の１０〜３０％に相当する断面積を持つ空間をフィン先端側に設ける。上述のようにフィンに冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜してルーバー設けることにより、ルーバーがガイド役となって、フィン間に流入した冷却流体をベース近傍へと押しやられるので、当然ながらフィン先端の冷却流体は疎になりがちである。そこでフィン先端側にフィン間流路断面積の１０〜３０％に相当する断面積を持つ空間を設けて冷却流体を流してやると、冷却流体が疎になった部分にフィン先端側空間より冷却流体が流れ込むので、ヒートシンクがフィン先端空間から冷却流体を吸い込むような状態になる。これによって、フィン間の冷却流体速度が増加し、さらに放熱効率が向上するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図１〜３を参照して説明する。
図１は櫛形ヒートシンクの斜視図で、発熱体（３）を搭載するベース（２）の片面に被冷却体であるフィン（１）を櫛形に配置しているもので、フィン（１）にルーバー（５）が、冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜して設けられている。このルーバー（５）の傾斜は、冷却流体（１０）の流入側（５ａ）より、その後方（５ｂ）がベース（２）側になっいるもので、ベース（２）との角度が１０度〜４５度である。また、ルーバー（５）はフィン（１）高さ中央よりもフィン先端（１´）寄りに１列に一様に分布させているものである。本発明の櫛形ヒートシンクは、冷却流体（１０）流入部分から送り込まれた冷却流体をルーバー（５）の案内により、フィンと接する発熱体を搭載するベース（２）部分もしくはその近傍に向けて、冷却流体の流れを偏向させるものである。
【００１１】
図２（ａ）（ｂ）は、ルーバー部分を拡大して示す図で、ルーバー（５）は四角形のものであり、図２（ａ）に示すようにフィン（１）の一部に四角形のうちの３辺分（６ａ）に切り込みを入れ、これを図２（ｂ）に示すように残る１辺（６ｂ）を軸として折り曲げ、フィン間距離に相当する高さの四角形部分を切り起こしてルーバー（５）を形成するものであり、フィン間に通路が造られたような状態となるものである。
【００１２】
図３は櫛形ヒートシンクの側面図で、発熱体（３）を搭載するベース（２）の片面にフィン（１）を櫛形に配置し、フィン（１）にルーバー（５）を角度θで冷却流体（１０）の流入側（５ａ）より、その後方（５ｂ）がベース（２）側になるように傾斜して設けられているもので、角度θが１０度〜４５度のものである。この角度１０度〜４５度に傾斜して設けられるルーバー（５）は、フィン（１）の高さ中央（一点鎖線）よりもフィン先端（１´）寄りに２列に一様に分布させたものである。
【００１３】
本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンクは、発熱体を搭載するベース、被冷却体であるフィンの材質としては、例えば熱伝達性能の高いアルミニウム、あるいはアルミニウム合金が用いられている。
またベースの片面に設けるフィンの接合方法は、ロウ付け接合、かしめ等の機械的接合など、ベースからフィンへの熱移動が可能なものであればよい。
また、本発明の櫛形ヒートシンクは、フィンの間に向けて冷却流体を吹き付けるか、または冷却流体を吸い出すような位置にファンを設け、フィンの間を流れる冷却流体により、フィンおよびベースからの放熱を行い冷却するものである。
【００１４】
【実施例１】
本発明の実施例１を表１及び図４〜図８を参照して説明する。
櫛形ヒートシンクは、上述した図１に示すように、発熱体（３）を搭載するベース（２）の片面にフィン（１）を等間隔で櫛形に配置し、フィン（１）にルーバー（５）を傾斜して設けているものである。
ここでは、ベース（２）、フィン（１）の材質としては、アルミニウム合金を用いており、ベースの片面に設けるフィンの接合は、ロウ付け接合によるものである。
【００１５】
表１は、発熱体（３）を搭載したベース（２）の片面にフィン（１）を櫛形に配置し、フィン（１）にルーバー（５）を傾斜して設けている櫛形ヒートシンクにおける、ルーバー（５）の角度、列数、設置位置による熱抵抗値を示したものである。
熱抵抗値は、発熱体とベースの間に取りつけた熱電対により測定した温度より算出したものである。
図４（ａ）〜図８（ａ）は櫛形ヒートシンクの側面図で発熱体（３）を搭載したベース（２）に櫛形に配置したフィン（１）にルーバー（５）を設置したものであり、図４（ｂ）〜図８（ｂ）は、それぞれのフィン（１）間流路内での冷却流体の挙動を示したものである。
【００１６】
【表１】
0003604310.tif 000002
【００１７】
表１を説明すると、Ｎｏ．１の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを設けていない従来の櫛形ヒートシンクで、熱抵抗値０．０４２で効率の良いものではなかった。
Ｎｏ．２の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度５度で２列、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに設置したものであり、熱抵抗値０．０４１で、ルーバーを設けているが、Ｎｏ．１の従来の櫛形ヒートシンクより熱効率が明確に向上するものではなかった。
Ｎｏ．３の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度１０度で等間隔に２列に、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに一様に分布させたものであり、熱抵抗値０．０３６で、ルーバーを設けたことによりＮｏ．１の従来ヒートシンク、Ｎｏ．２ルーバー角度５度のものに比較して熱抵抗値が減少しており、放熱性能が向上しているものである。
Ｎｏ．４の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度２０度で等間隔に２列、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに一様に分布させたものであり、熱抵抗値０．０３１で、放熱性能が向上しているものである。
【００１８】
Ｎｏ．５の櫛形ヒートシンクは、図４（ａ）に示すように発熱体（３）を搭載したベース（２）にフィン（１）を櫛形に配置し、フィン（１）にルーバー（５）を角度θ＝３０度で等間隔に２列、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに一様に分布したものであり、図４（ｂ）に示すようにフィン（１）間流路内での冷却流体は、流線（４）の挙動を示すものであり、熱抵抗値０．０２９で、放熱性能が向上しているものである。
Ｎｏ．６の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度４５度で等間隔に２列に、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに一様に分布させたものであり、熱抵抗値０．０３４で、ルーバーを設けたことにより放熱性能が向上しているものである。
Ｎｏ．７の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度６０度で２列、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに設置したものであり、熱抵抗値０．０４３で、効率の良いものではなかった。
【００１９】
このように、ルーバー角度５度と浅いＮｏ．２の櫛形ヒートシンクは、Ｎｏ．１の従来ヒートシンクと熱抵抗の値がほとんど変わらないものであり、またルーバー角度６０度のＮｏ．７の櫛形ヒートシンクは、フィン間での流動抵抗が大きくなってしまい、熱抵抗は従来のヒートシンクと同じかそれよりも悪い傾向を示した。
これは、フィンに設けるルーバーの角度は、冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度のものが、ルーバーがガイド役となって、フィン間に流入した冷却流体をベース近傍へと押しやるようになり、これによって、ベース付近の局所流量が増加するので、比較的温度の高いベース側から集中的に熱を奪うことになり、効率の良い放熱ができ、ヒートシンクの放熱効率を向上させるものであることを示すものである。また図４（ｂ）のフィン（１）間流路内での冷却流体の流線（４）が示すように、フィン間を通る冷却流体は波打つような挙動を見せ、ベース付近の境界層厚さが薄くなり、べ−ス付近からの効率的な放熱がなされているものである。
【００２０】
Ｎｏ．８の櫛形ヒートシンクは、図５（ａ）に示すように発熱体（３）を搭載したベース（２）にフィン（１）を櫛形に配置し、フィン（１）にルーバー（５）を角度θ＝３０度で等間隔に２列設け、１列はフィン高さ半分よりもベース寄りに設けたものであり、図５（ｂ）に示すようにフィン（１）間流路内での冷却流体は、流線（４）の挙動を示すものであり、熱抵抗値０．０４１である。
これは、図４（ａ）に示したＮｏ．５の櫛形ヒートシンクと、ルーバー（５）の角度は同じであるが、ルーバー（５）の設置位置だけが異なる。２列のうち１列がフィン高さ半分よりもベース（２）寄りに設置されている。このためフィン（１）間に流入した冷却流体は、ベース（２）側だけに偏るのではなく、もともと熱の伝わりが最も小さいフィン先端（１´）側にも分かれて偏った流れとなる。よって、ベース（２）近傍に偏った冷却流体だけで冷却するようなものなので、かえって冷却効率は悪くなる。
【００２１】
Ｎｏ．９の櫛形ヒートシンクは、図６（ａ）に示すように発熱体（３）を搭載したベース（２）に配置したフィン（１）にルーバー（５１）を角度θ１＝１０度、ルーバー（５２）を角度θ１＝３０度で、ルーバー（５３）を角度θ１＝４５度で３列を冷却流体が流れ方向に向かうにつれ、ルーバー角度が大きくなっていくように設置されている。また１列はフィン高さ半分よりもベース寄りに設けたものであり、ルーバー（５１）、ルーバー（５２）、ルーバー（５３）は冷却流体の流入側（１０）に偏って配置されたものである。図６（ｂ）に示すようにフィン（１）間流路内での流線（４）が示すように、冷却流体は一度ベース側に偏った後、大きく渦を作りながら再び分散する。ベース（２）が偏った部分では局地的に冷却効率が上がっている可能性がある。しかし、ベース（２）上に搭載された発熱体（３）の熱は、ベース（２）上でスプレッドされているので、局地的に冷却できても、スプレッドされた全面を冷却できなければ意味がない。
【００２２】
Ｎｏ．１０の櫛形ヒートシンクは、図７（ａ）に示すように発熱体（３）を搭載したベース（２）に配置したフィン（１）の冷却流体の流出側に偏って、ルーバー（５１）を角度θ１＝１０度、ルーバー（５２）を角度θ１＝３０度で、ルーバー（５３）を角度θ１＝４５度で３列を冷却流体が流れ方向に向かうにつれ、ルーバー角度が大きくなっていくように設置されている。また１列はフィン高さ半分よりもベース寄りに設けたものである。図７（ｂ）に示すようにフィン（１）間流路内での流線（４）が示すようになる。
このＮｏ．１０は、Ｎｏ．９とは逆に流出側にルーバーを偏らせて配置したものであるが、冷却のシステムはＮｏ．９と同じであるから、同様の結果となっており、ルーバーを設定した効果はなかった。
【００２３】
Ｎｏ．１１の櫛形ヒートシンクは、図８（ａ）に示すように発熱体（３）を搭載したベース（２）にフィン（１）を櫛形に配置し、フィン（１）にルーバー（５）を角度θ＝２０度で等間隔に１列、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに一様に分布たものであり、図８（ｂ）に示すようにフィン（１）間流路内での冷却流体は、流線（４）の挙動を示すものであり、熱抵抗値０．０３４で、放熱性能が向上しているものである。
また、Ｎｏ．１２の櫛形ヒートシンクは、フィンにルーバーを角度３０度で等間隔に１列に、フィン高さ半分（中央）よりもフィン先端寄りに一様に分布させたものであり、熱抵抗値０．０３２で、ルーバーを設けたことにより放熱性能が向上しているものである。
表１の結果を総合すると、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２の角度１０度〜４５度で、フィン高さ半分よりもフィン先端寄りにルーバーを設けたものは、熱抵抗値が低くなっており放熱性能が向上している。特にルーバーの角度２０度〜３０度のＮｏ．４、Ｎｏ．５、１１、Ｎｏ．１２ものは熱抵抗値が低く、優れた放熱性能を示している。
【００２４】
【実施例２】
本発明の実施例２は、櫛形配置されたフィンが風洞で覆われており、フィン先端側に空間を設けた櫛形ヒートシンクであり、図９（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
図９（ａ）は、実施例２の櫛形ヒートシンクの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂの断面図でフィン（１）間流路内での冷却流体の挙動を示したものである。
図９（ａ）（ｂ）に示すように、発熱体（３）を搭載するベース（２）の片面に配置している櫛形フィン（１）にルーバー（５）を角度３０度で傾斜して設けられている。ルーバー（５）はフィン（１）高さ中央よりもフィン先端（１´）寄りに２列、一様に分布させたものである。また発熱体（３）を搭載したベース（２）は装置筐体（７）に取付金具（９）で取り付けられており、櫛形に配置されたフィン（１）は装置筐体（７）、裏面カバー（８）の風洞で覆われている。
【００２５】
櫛形に配置されたフィン（１）の間幅をａ，フィン（１）の高さをｈ１，フィン（１）間の流路数をｎ，風洞の筐体（７）のフィン先端（１´）空間幅をｂ，その高さをｈ２とすると、
（０．１〜０．３）×ａ×ｈ１×ｎ＝ｂ×ｈ２
の関係にするものである。
すなわち、フィン（１）間の流路の断面積ａ×ｈ１の１０％〜３０％に相当する空間ｂ×ｈ２をフィン先端（１´）側に設けたものである。ヒートシンクのフィン先端にこのような空間を設けることによりフィン先端面も放熱面とすることができ、放熱性能が向上するものである。
このとき、フィン先端空間断面積をフィン間流路断面積の１０％未満とすると、フィン先端空間に冷却流体が流れ込みにくく、圧力損失が高くなって流体速度が遅くなるので、かえって放熱効率が低下してしまう。また、３０％を越えると、冷却流体の大部分が、より流体抵抗の低いフィン先端空間に流れ込もうとするため、ヒートシンク内に冷却流体が流入せず、放熱効率が低下してしまう。
【００２６】
図９（ｂ）は、フィン先端側にフィン間流路断面積の２０％断面積を持つ空間を設け、冷却流体（１０）を流入した場合のフィン（１）間流路内での冷却流体の挙動を示したものである。図９（ｂ）に示すごとく、冷却流体は、その流線（４）のようにな挙動を見せベース（２）付近からの効率的な放熱がなされるとともに、フィン先端（１´）の空間から冷却流体を流線（４´）のようにを吸い込むような状態となり、これによって、フィン間の冷却流体の速度が増加し、温度の低い流体が入るので、さらに放熱効率が向上する。
すなわちフィン先端に空間を設けずに、フィン先端を閉塞している場合には、フィン間の冷却流体はベース側に押し寄せられ、フィン先端の冷却流体は疎になりがちであるが、フィン先端側に空間を設けて冷却流体を流してやると、図９（ｂ）に示すように、冷却流体が疎になる部分にフィン先端側空間より冷却流体が流れ込むので、ヒートシンクがフィン先端空間から冷却流体を吸い込むような状態となり、フィン間の冷却流体の速度が増加し、かつ温度の低い流体が入るので放熱効率が向上しているものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の強制空冷式櫛形ヒートシンクによれば、各フィンに冷却流体の流れ方向からベースに向かって１０度〜４５度の角度で傾斜して、かつフィン高さ中央よりもフィン先端寄りに１列または複数列を一様に分布させてルーバーを設けているので、冷却流体の流れをベース側に偏らせるように制御することができ、そのため、温度の高いベースから効率的に放熱を行うことが可能となり、放熱性能の高いヒートシンクとすることができるという効果を奏する。
さらに、風洞で覆わたフィン先端側にフィン間流路断面積の１０％〜３０％の断面積を持つ空間を設けたことにより、この空間側からヒートシンクフィン間に冷却流体が引き込まれ、フィン間を通る冷却流体の流量が増加すると同時に低温の流体が入り込むので、さらに放熱性能が向上するという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態を示すルーバー部分の拡大図
【図３】本発明の実施の形態を示す側面図
【図４】本発明の実施例１を説明する図
【図５】本発明の実施例１を説明する図
【図６】本発明の実施例１を説明する図
【図７】本発明の実施例１を説明する図
【図８】本発明の実施例１を説明する図
【図９】本発明の実施例２を説明する図
【図１０】従来例のヒートシンクを示す図
【符号の説明】
１  フィン
２  ベース
３  発熱体
４  流線
５  ルーバー
【図１】
0003604310.tif 000003
【図２】
0003604310.tif 000004
【図３】
0003604310.tif 000005
【図４】
0003604310.tif 000006
【図５】
0003604310.tif 000007
【図６】
0003604310.tif 000008
【図７】
0003604310.tif 000009
【図８】
0003604310.tif 000010
【図９】
0003604310.tif 000011
【図１０】
0003604310.tif 000012