(57)【要約】【課題】圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能が高い放熱板、冷却構造体およびヒートシンクを提供する。【解決手段】この発明に係る放熱板２は、発熱体を冷却流体１によって冷却するものであって、冷却流体１側の表面である基準面６より窪んで下流側が上流側よりも基準面６からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面４と、傾斜面４の上流側に連結し基準面６から底部１１までの距離ｈ２が基準面６から傾斜面４までの距離ｈ１よりも長い溝３とを有する伝熱促進部７が基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し流れ方向８に連続して形成されているものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を冷却流体によって冷却する放熱板において、
冷却流体側の表面である基準面より窪んで下流側が上流側よりも前記基準面からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面と、
前記傾斜面の上流側に連結し前記基準面から底部までの距離が前記基準面から傾斜面までの距離よりも長い溝と
を有する伝熱促進部が前記基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されていることを特徴とする放熱板。
【請求項２】
発熱体を冷却流体によって冷却する放熱板において、
はく離による渦を形成する溝と、
前記溝の下流側に連結しはく離した流れが再付着する傾斜面と
を有する伝熱促進部が前記冷却流体側の表面である基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されていることを特徴とする放熱板。
【請求項３】
冷却流体の流れ方向における傾斜面の幅は、溝の幅の２倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱板。
【請求項４】
基準面に垂直で冷却流体の流れ方向に平行な面における溝の断面形状は、矩形または三角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱板。
【請求項５】
基準面に垂直で冷却流体の流れ方向に平行な面における溝の断面形状は、中心を冷却流体側に有する円弧で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱板。
【請求項６】
傾斜面は、曲率中心を冷却流体側に有する曲面で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱板。
【請求項７】
発熱体、
前記発熱体を冷却流体によって冷却する放熱板、
および前記冷却流体を流す冷却流体容器を備え、
前記放熱板は、前記冷却流体容器の開口部を覆うように配置され、前記冷却流体側の表面である基準面より窪んで下流側が上流側よりも前記基準面からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面と、前記傾斜面の上流側に連結し前記基準面から底部までの距離が前記基準面から傾斜面までの距離よりも長い溝とを有する伝熱促進部が前記基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されていることを特徴とする冷却構造体。
【請求項８】
板状のフィンベース、および前記フィンベースに連結された複数のフィンを備え、冷却流体と熱を交換するヒートシンクにおいて、
前記フィンは、前記冷却流体側の表面である基準面より窪んで下流側が上流側よりも前記基準面からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面と、
前記傾斜面の上流側に連結し前記基準面から底部までの距離が前記基準面から傾斜面までの距離よりも長い溝とを有する伝熱促進部が前記基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項９】
伝熱促進部がフィンの両面に形成され、
一方の面の溝は、他方の面の溝と流れ方向に異なる位置に形成されていることを特徴とする請求項８記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスや電子部品などで構成される発熱体を冷却するための放熱板、冷却構造体およびヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体デバイス、マイクロプロセッサユニット、半導体レーザダイオードなどの半導体デバイスは、高性能化および高出力化が進み、発熱量も著しく増大している。そのため、半導体デバイスなどの発熱体を効率よく冷却できる冷却性能の高い冷却構造体が求められている。
【０００３】
従来の冷却構造体としては、金属箔の一方の表面に発熱体を接合し、他方の表面に冷媒を接触させて冷却するものがある（例えば、特許文献１）。この金属箔の発熱体が接合されている表面と反対側の表面に、冷媒中により効率的に熱を放散させるために、フィン形状を加工したものもある（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、温度境界層を発達させないため、冷却通路が局所的な拡大部を有するように、冷却通路壁に凹面状のへこみを有する冷却構造体もある（例えば、特許文献２）。さらに、冷却する表面に楔状に上昇するひし形の隆起部を規則的に多数配置させた冷却構造体もある（例えば、特許文献３）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１６５７８号公報（第４頁〜第６頁、図２および図５）
【特許文献２】特表平１１−５０４７６７号公報（第９頁、図１）
【特許文献３】特許２５３２３５２号公報（第８頁、図１３および図１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示す冷却構造体は、金属箔の表面が冷却流体の流れ方向に平行な平面で構成されているので、温度境界層が発達し、冷却性能が低いという問題がある。また、金属箔の表面にフィン形状を加工している場合には、フィンが流路に突き出ており、冷却流体の圧力損失が増加してしまうという問題もある。
特許文献２に示す冷却構造体では、流れ方向に広がった渦が形成され、その渦と接する部分の伝熱面と冷却流体との熱交換量が著しく少なくなる。そのため、伝熱面全体を有効的に利用できず、冷却性能が向上しないという問題がある。
【０００７】
特許文献３に示す冷却構造体では、ひし形である隆起部の頂点が流れ方向に対向しているので、主流の流れ方向に対して角度を持った流れが生じ、流路が長くなったり、微小な乱れを生じさせたりして、圧力損失が大きくなるという問題がある。また、屋根部が楔状のひし形である隆起部を越えた流れは、冷却する表面からはく離した後、主流の影響で再付着するが、流れ方向に頂点を対向させたひし形の隆起部を規則的に配置しているので、隆起部の頂点付近を通過する流れと裾野付近を通過する流れとでは、越える隆起部の高さと再付着するまでの距離とが異なる。さらに、場所によっては、はく離した流れが冷却する表面に再付着できず、隆起部と隆起部との間がはく離域で覆われてしまう。はく離域で覆われた表面は、冷却流体との熱交換ができず、冷却性能が低下するという問題がある。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能が高い放熱板、冷却構造体およびヒートシンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の放熱板は、発熱体を冷却流体によって冷却する放熱板において、冷却流体側の表面である基準面より窪んで下流側が上流側よりも基準面からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面と、傾斜面の上流側に連結し基準面から底部までの距離が基準面から傾斜面までの距離よりも長い溝とを有する伝熱促進部が基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されているものである。
【００１０】
また、この発明の放熱板は、発熱体を冷却流体によって冷却する放熱板において、はく離による渦を形成する溝と、溝の下流側に連結しはく離した流れが再付着する傾斜面とを有する伝熱促進部が冷却流体側の表面である基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されているものである。
【００１１】
さらに、この発明の冷却構造体は、発熱体、発熱体を冷却流体によって冷却する放熱板、および冷却流体を流す冷却流体容器を備え、放熱板は、冷却流体容器の開口部を覆うように配置され、冷却流体側の表面である基準面より窪んで下流側が上流側よりも基準面からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面と、傾斜面の上流側に連結し基準面から底部までの距離が基準面から傾斜面までの距離よりも長い溝とを有する伝熱促進部が基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されているものである。
【００１２】
また、この発明のヒートシンクは、板状のフィンベース、およびフィンベースに連結された複数のフィンを備え、冷却流体と熱を交換するヒートシンクにおいて、フィンは、冷却流体側の表面である基準面より窪んで下流側が上流側よりも基準面からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面と、傾斜面の上流側に連結し基準面から底部までの距離が基準面から傾斜面までの距離よりも長い溝とを有する伝熱促進部が基準面に平行で流れ方向と垂直な方向に延在し流れ方向に連続して形成されているものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能が高い放熱板、冷却構造体およびヒートシンクを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による冷却構造体の構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、この発明の実施の形態１による冷却構造体の放熱板の断面を拡大した図であり、図３は、この発明の実施の形態１による放熱板の斜視図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。
【００１５】
図１に示す冷却構造体は、発熱体である半導体素子１５と、樹脂やセラミックスの絶縁基板１８とを備えたインバータやコンバータのようなパワーモジュールの冷却構造体である。絶縁基板１８の上面（半導体素子１５側の面）には銅製の上部パターン１７が形成され、絶縁基板１８の下面（半導体素子１５と反対側の面）には銅製の下部パターン１９が形成されている。上部パターン１７は、上部はんだ１６を介して半導体素子１５と接続され、下部パターン１９は、下部はんだ２０を介してベース板である放熱板２と接続されている。放熱板２は、下部パターン１９に接する面と反対側の面で冷却流体容器５の開口部を覆うように配置され、冷却流体容器５の内部を流れる冷却流体１に接し、発熱体である半導体素子１５からの熱を冷却流体１に伝える。図中の矢印８は、冷却流体１の流れ方向を示している。放熱板２と冷却流体容器５との間には、冷却流体１の漏れを防ぐためにＯリング２１が配置されている。放熱板２の冷却流体１に接する面には、上流側に溝３を有し、下流側に傾斜面４を有する伝熱促進部７が冷却流体１の流れ方向８に連続して複数形成されている。ここで、放熱板２とは、発熱体からの熱を冷却流体１に放熱し、発熱体を冷却流体１によって冷却する板であり、冷却構造体とは、発熱体を冷却流体１によって冷却するものであって、発熱体、放熱板２および冷却流体容器５を含むものである。
【００１６】
図２および図３に示すように、放熱板２に形成された伝熱促進部７の溝３と傾斜面４とは、ともに放熱板２の冷却流体１側の表面である基準面６よりも窪んでいる。伝熱促進部７の傾斜面４は、冷却流体１の上流側から下流側に向かうに従って基準面６からの距離が短くなるように傾斜している。また、溝３は、基準面６に垂直で冷却流体１の流れ方向８に平行な面における断面形状が矩形であり、傾斜面４の上流側に連結し、基準面６から底部１１までの距離ｈ２が基準面から傾斜面４の上流側の端部である底部１０までの距離ｈ１よりも長くなるように形成されている。
したがって、図１に示す冷却構造体では、傾斜面４が設けられた部分において、流路断面の基準面６に垂直な方向の高さが、上流側から下流側に向かうに従って低くなるように放熱板２に傾斜面４が形成されている。また、流路断面の基準面６に垂直な方向の高さは、傾斜面４が設けられた部分よりも溝３が設けられた部分の方が高くなるように放熱板２に傾斜面４および溝３が形成されている。
伝熱促進部７は、基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し、冷却流体１の流れ方向８に平行で基準面６に垂直な面における放熱板２の断面形状は、基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に同一である。
【００１７】
次に、放熱板２の表面に形成される溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７の流れ場への影響と冷却性能に対する効果について説明する。傾斜面４の下流側の端部である頂部９で冷却流体１は、放熱板２の表面からはく離する。このはく離した流れによって、傾斜面４の頂部９に隣接した溝３の中に渦が発生する。また、はく離した流れは、傾斜面４で再付着する。再付着した流れは、傾斜面４に沿って流れ、主流の流れと合流し、再び傾斜面４の頂部９ではく離する。基準面６から傾斜面４の底部１０までの距離ｈ１よりも基準面６から底部１１までの距離ｈ２が長い溝３を設けることで、はく離による渦を溝３の底部１１方向（基準面６に垂直な方向）に拡大できる。このような縦長の渦が形成されると再付着点が上流側（溝３側）に寄る。傾斜面４は、冷却流体１の流れ方向８と平行な基準面６に対して、下流側が上流側よりも距離が短くなるように傾斜しているので、再付着点が上流側に寄ったことで、速度の大きい主流の流れを傾斜面４に近づけ、傾斜面４付近の冷却流体１の速度を速くできる。
【００１８】
この溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７を流れ方向８に連続して形成しているので、主流の流速に近い速い流れと放熱板２近傍の遅い流れとが混合を繰り返し、放熱板２と冷却流体１との境界に形成される温度境界層が薄くなり、放熱板２と冷却流体１との熱交換が促進され、放熱板２の冷却性能は、大きく向上する。また、温度境界層の発達が抑制されるので、放熱板２の下流側でも、大きな冷却性能を得られる。さらに、冷却流体１の流れ方向８と平行で基準面６に垂直な面における断面形状が同一であるため、場所による冷却性能のばらつきを生じにくく、広い面積で高い冷却性能を得られる。また、このような溝３および傾斜面４を基準面６よりも窪ませることで冷却流体１の圧力損失を小さくできる。加えて、再付着する点の冷却流体１と傾斜面４との熱交換量も多いが、再付着する距離を短くできるため、溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７を冷却流体１の流れ方向８により多く配置でき、再付着する点を増加させることによって冷却性能を向上することができる。
【００１９】
この発明の放熱板２の具体例を以下に述べる。基準面６から傾斜面４の底部１０までの距離ｈ１を０．５ｍｍ、冷却流体１の流れ方向８における傾斜面４の幅ｗ２を２．５ｍｍ、溝３の幅ｗ１を１ｍｍ、基準面６から溝３の底部１１までの距離ｈ２を１ｍｍとした本発明の放熱板２がある。冷却流体１の流れ方向８における放熱板２の全体の幅は１７．５ｍｍで、溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７が冷却流体１の流れ方向８に５個連続して設置されている。水を冷却流体１に用い、入口温度を７０℃、冷却流体１の流路高さを４ｍｍ、冷却流体１の入口速度を０．５ｍ／ｓとした。この放熱板２の熱伝達率は、１３１００Ｗ／ｍ２Ｋであり、放熱板２に伝熱促進部７を設けず平板としたときの約２．２倍の冷却性能となった。
【００２０】
したがって、図１に示すこの発明の放熱板２を用いた冷却構造体においては、放熱板を平板とした場合と比較して、半導体素子１５に２倍以上の入力を投入することができる。これによって、半導体素子１５の数を半分以下に減らすことができ、パワーモジュールのコストを大幅に削減できる。
【００２１】
図４は、この発明の実施の形態１に示す放熱板によって形成される冷却流体の流れ場を汎用流解析ソフトを用いて解析した結果である。解析に用いた条件は、上記具体例に示した条件と同様である。
【００２２】
図４において、溝３内に底部１１方向に延びた渦が形成され、溝３の下流側であって傾斜面４の底部１０近傍にはく離した流れ１３の再付着点が存在している。これによって０．５ｍ／ｓの主流１４が傾斜面４に近づけられている。図４から、溝３を設けることで、主流１４が傾斜面４に近づき、その周辺の流速を速くすることができ、冷却流体１と傾斜面４との熱交換を促進できることがわかる。
【００２３】
放熱板２の表面に溝３と傾斜面４とを製造する方法について説明する。放熱板２の外周部まで溝３と傾斜面４とを形成する場合には、放熱板２は、基準面６に平行で冷却流体１の流れ方向８に垂直な方向に同一断面であるため、２次元形状となり、押し出し成形によって低コストで製造できる。また、放熱板２の外周部の表面が、冷却流体１の漏れを防ぐためのシール面となり、平面が必要となる場合などには、アルミダイキャスト等の射出成形で製造する。この方法でも比較的低コストで製造することができる。さらに、生産量が少ない場合には、フライス盤やエンドミルの機械加工で製造することもできる。
【００２４】
以上の方法で製造した場合には、傾斜面４の頂部９と底部１０とは、面取りをされることがある。傾斜面４の底部１０の形状は、流れ場にほとんど影響を与えないので、放熱板２の冷却性能には影響しない。傾斜面４の頂部９が面取りされていない場合には、頂部９が主流に近く頂部９の周辺を速度の速い流れが通過するため、頂部９付近の傾斜面４の冷却流体１との熱交換量は多い。しかしながら、傾斜面４の頂部９が面取りされる場合には、頂部９が主流から遠ざかってしまい、頂部９の周辺における冷却流体１の速度がわずかに低下し、放熱板２の冷却性能もわずかに小さくなる。したがって、傾斜面４の頂部９の面取り量は、できるだけ少ない方がよく、Ｃ０．２以下が良い。
なお、図１に示す冷却構造体においては、Ｏリング２１を介して冷却流体容器５に放熱板２を設置しているが、ロウ付けやはんだ付け等によって設置してもよい。
【００２５】
溝３および傾斜面４の形状と寸法とについて説明する。
放熱板２において、冷却流体１の流れ方向８における溝３の幅ｗ１が長くなると、冷却流体１の流れ方向８に大きな渦が形成されるが、はく離による渦が形成されている部分の冷却性能は非常に低いため、放熱板２の冷却性能が低くなる。
【００２６】
図５は、溝の幅ｗ１が短い場合の流れの模式図である。
図５に示すように、溝３の幅ｗ１が短くなると、溝３内における傾斜面４の底部１０から溝３の底部１１までの空間に一つの渦が形成され、さらに、溝３内における傾斜面４の底部１０から基準面６までの空間と傾斜面４から基準面６までの空間とにまたがってもう一つ渦が形成される。このようになると、再付着点が傾斜面４の頂部９に近づき、流速の速い主流を傾斜面４に近づけることができない。したがって、冷却流体１の再付着点が傾斜面４の底部１０付近になる程度の溝３の幅ｗ１がよく、基準面６と傾斜面４の底部１０との距離ｈ１と同程度でよい。
【００２７】
また、基準面６と傾斜面４の底部１０との距離ｈ１は、基準面６と基準面６に対向する冷却流体容器５の壁面との距離である流路高さに対して５％以上２５％以下がよい。基準面６と傾斜面４の底部１０との距離ｈ１を流路高さの５％未満にすると、主流までの速度勾配が小さくなるので、伝熱促進部７を形成することによる冷却性能向上効果が小さくなる。また、基準面６と傾斜面４の底部１０との距離ｈ１を流路高さの２５％より大きくすると、冷却性能は向上するが、伝熱促進部７近傍の流れが速くなり、圧力損失が大きくなってしまう。
【００２８】
冷却流体１の流れ方向８における傾斜面４の幅ｗ２を溝３の幅ｗ１の１０倍より長くすると、傾斜面４において温度境界層を発達させてしまい、傾斜面４の冷却性能が低くなる。傾斜面４の幅ｗ２を溝３の幅ｗ１の２倍未満にすると、放熱板２の伝熱面において、冷却性能の低い溝３の面積の占める割合が増加し、冷却性能の優れた傾斜面４の面積の占める割合が減少するため、放熱板２の冷却性能が低くなる。放熱板２が高い冷却性能を得るためには、冷却流体１の流れ方向８における傾斜面４の幅ｗ２は、溝３の幅ｗ１の２倍以上１０倍以下がよい。
【００２９】
また、傾斜面４と冷却流体１の流れ方向８とのなす角度θは、３度以上２０度以下がよい。角度θを３度未満にすると、傾斜面４を流速の速い主流に近づけることによる冷却性能向上効果を得られず、角度θを２０度より大きくすると、冷却流体１の流れをせき止め、大きな圧力損失を生じてしまう。
【００３０】
放熱板２の材質は、熱伝導率の高いものがよく、Ｃｕ（銅）、Ｃｕ合金、または、Ａｌ（アルミ）、Ａｌ−ＳｉＣ（アルミ−炭化珪素）、窒化アルミなどのＡｌ合金がよい。また、冷却流体１としては、水、空気の他に、アルミやアルミ合金を放熱板２として使用する際に腐食防止のために使用する不凍液（エチレングリコールと水の混合液）を用いてもよい。
【００３１】
以上のように、この発明の実施の形態１に示す放熱板２においては、冷却流体１側の表面である基準面６より窪んで下流側が上流側よりも基準面６からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面４と、傾斜面４の上流側に連結し、基準面６から底部１１までの距離ｈ２が基準面６から傾斜面４の底部１０までの距離ｈ１よりも長い溝３とを有する伝熱促進部７が基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し流れ方向８に連続して形成されている。すなわち、はく離による渦を形成する溝３と、溝３の下流側に連結しはく離した流れが再付着する傾斜面４とを有する伝熱促進部７が冷却流体１側の表面である基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し流れ方向８に連続して形成されている。そのため、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能を向上することができる。したがって、この発明の実施の形態１に示す放熱板２を有する冷却構造体においても、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能を向上することができる。
【００３２】
実施の形態２．
一つにパッケージされたパワーモジュールを複数使用する場合には、パワーモジュールを設置した平板状のベース板にグリスを介してアルミ製や銅製のヒートシンクを取り付けて、パワーモジュールの半導体素子を冷却する。このようなヒートシンクには、一般に、オフセットフィンやストレートフィンが使用されている。オフセットフィンは、ロウ付けが必要であるので、コストが高くなってしまう。ストレートフィンは、冷却性能がオフセットフィンより低く、１つの半導体素子に投入できる入力が小さくなり、より多くの半導体素子を使用することによって入力を分配する必要があるので、やはりコストが高くなる。
【００３３】
図６は、この発明の実施の形態２に示す冷却構造体の構造を模式的に示す断面図である。
図６において、平板状のベース板２６に発熱体である半導体素子を含むパワーモジュール２５が複数取り付けられており、ベース板２６のパワーモジュール２５が取り付けられた面と反対側の面にグリス２４が塗布されている。ベース板２６のグリス２４を塗布した面にヒートシンクに替わって、実施の形態１に示した溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７が形成された放熱板２が取り付けられている。また、放熱板２は、グリス２４を介してベース板２６に取り付けられた面と反対側の面で冷却流体容器５の開口部を覆うように配置され、冷却流体容器５の内部を流れる冷却流体１に接し、パワーモジュール２５からの熱を冷却流体１に伝える。
【００３４】
この発明の実施の形態２に示す冷却構造体においても、実施の形態１に示す冷却構造体と同様に、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能を向上することができる。
また、この発明の実施の形態２に示す放熱板２を用いた冷却構造体においては、フィンを設けたヒートシンクを用いる場合と冷却流体１の流量が同じであれば、フィンを設けたヒートシンクと同等の冷却性能を実現できるとともに、フィンが存在しないため、流路高さをより小さくでき、製品を小型化できる。また、圧力損失は、フィンを設けたヒートシンクを用いた場合よりも低いので、冷却流体１の流れを発生させるファンやポンプの入力が同じであれば、動作点が開放側に移り、流量が増える。その結果、オフセットフィンと同等以上の冷却性能を実現できる。したがって、フィンを設けたヒートシンクを用いる場合よりも、半導体素子一個あたりに投入できる入力を増加させることができ、半導体素子を減らし、大幅にコストを削減することができる。さらに、放熱板２は、押し出し成形で製造できるので、オフセットフィンを設けたヒートシンクを用いる場合に比べて冷却構造体に関するコストを大幅に削減することができる。
【００３５】
実施の形態３．
実施の形態１においては、矩形の溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７が形成された放熱板２を示した。基準面６より窪み、冷却流体１の下流側が上流側よりも基準面６からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面４と、傾斜面４の上流に基準面６から底部１１までの距離ｈ２が、基準面６から傾斜面４の底部１０までの距離ｈ１よりも長い溝３とを有する伝熱促進部７が形成された放熱板２であれば、実施の形態１に示した放熱板２と同様の冷却性能を得ることができる。この実施の形態３においては、実施の形態１と異なる断面形状の伝熱促進部７が形成された放熱板２を示す。
【００３６】
図７〜図１０は、この発明の実施の形態３による放熱板の断面図である。
図７において、基準面６に垂直で冷却流体１の流れ方向８に平行な面における溝３の断面形状は、三角形である。図２に示す溝３の断面形状が矩形の場合には、溝３の底部１１の両隅に小さな二次渦が生じ、局所的にさらに冷却性能が低い箇所が現れる可能性がある。しかしながら、溝３の断面形状を三角形とすれば、そのような二次渦が発生しにくく、放熱板２の冷却性能は向上する。図８に示すように、基準面６に垂直で冷却流体１の流れ方向８に平行な面における溝３の断面形状を、中心を冷却流体１側に有する円弧にしても同様である。
【００３７】
また、図９に示すように、傾斜面４は、曲率中心を冷却流体１側に有する曲面であってもよい。図９に示す傾斜面４では、はく離した流れの再付着点と傾斜面４の頂部９との距離が長くなり、速度の速い主流が傾斜面４により近づき、冷却性能をより高くすることができる。ただし、傾斜面４が冷却流体１の流れを妨げるので、圧力損失が若干増加する。圧力損失の増加を抑制したい場合には、図１０に示すように、傾斜面４を図９に示す傾斜面４と反対側に曲率中心を有する曲面、すなわち曲率中心を放熱板２側に有する曲面とすればよい。ただし、図１０に示す放熱板２の冷却性能は、図９に示す放熱板２の冷却性能より低くなる。
【００３８】
したがって、この発明の実施の形態３に示す放熱板２を有する冷却構造体においても、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能を向上することができる。
【００３９】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４においては、実施の形態１および実施の形態３に示す放熱板２をヒートシンクのフィンに適用した場合について示す。
従来のヒートシンクは、ベース板に多数の平板状のフィンが取り付けられている。このような平板状のフィンでは、冷却流体の上流側では、フィンの前縁効果によって、冷却流体とフィンとが多くの熱量を交換することができるが、下流側に向かうにつれて、温度境界層が厚くなり、冷却流体とフィンとの熱交換量が低下する。そこで、実施の形態１および実施の形態３に示す放熱板２をヒートシンクのフィンとすると、温度境界層の発達を抑制し、冷却性能の高いヒートシンクを得ることができる。
【００４０】
図１１は、この発明の実施の形態４によるヒートシンクの斜視図である。また、図１２は、この発明の実施の形態４によるヒートシンクの上面を拡大した図である。
【００４１】
図１１および図１２において、平板状のフィンベース２７に垂直に複数のフィン２８が連結されている。フィン２８の両面には、上流側に溝３を有し、下流側に傾斜面４を有する伝熱促進部７が冷却流体１の流れ方向８に連続して複数形成されている。伝熱促進部７の溝３と傾斜面４とは、ともにフィン２８の冷却流体１側の表面である基準面６よりも窪んでいる。伝熱促進部７の傾斜面４は、冷却流体１の上流側から下流側に向かうに従って基準面６からの距離が短くなるように傾斜している。また、溝３は、基準面６に垂直で冷却流体１の流れ方向８に平行な面における断面形状が矩形であり、傾斜面４の上流側に連結し、基準面６から底部１１までの距離が基準面から傾斜面４の底部１０までの距離よりも長くなるように形成されている。伝熱促進部７は、基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し、冷却流体１の流れ方向８に平行で基準面６に垂直な面におけるフィン２８の断面形状は、基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に同一である。
【００４２】
平板状のフィンの代わりに図１２に示す溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７を冷却流体１の流れ方向８に連続して配置したフィン２８を用いたヒートシンクでは、温度境界層が発達せず、フィン２８表面の広い面積で、冷却流体１とフィン２８とが多くの熱量を交換できるようになる。
【００４３】
図１２に示すように、溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７をフィン２８の両面に上流側から冷却流体１の流れ方向８に同じ周期で配置した場合には、溝３の流れ方向８の位置が同じになり、フィン２８の強度不足が懸念される。
【００４４】
図１３は、この発明の実施の形態４による他のヒートシンクの上面を拡大した図である。
図１３において、一方の面の溝３は、他方の面の溝３と流れ方向８に異なる位置に形成されている。すなわち、一方の面の溝３と他方の面の溝３との流れ方向８の位置が重ならないように形成されている。図１２に示す溝３の流れ方向８の位置が同じ場合よりもフィン２８の強度を向上することができる。
【００４５】
溝３と傾斜面４とを有する伝熱促進部７が形成されたフィン２８を備えたヒートシンクを製造する場合には、アルミダイキャストなどの射出成形で製造する。また、伝熱促進部７が形成されたフィン２８のみを押し出し成形で製造し、さらにフィン２８の形状と同一の切り欠きのついたフィンベース２７に押し出し成形によって製造されたフィン２８をはめ込んでもよい。また、伝熱促進部７が形成されたフィン２８をフィンベース２７にロウ付けやはんだ付け等して設置してもよい。
【００４６】
以上のように、この発明の実施の形態４に示すヒートシンクにおいては、表面である基準面６より窪んで下流側が上流側よりも基準面６からの距離が短くなるように傾斜した傾斜面４と、傾斜面４の上流側に連結し基準面６から底部１１までの距離が基準面６から傾斜面４までの距離よりも長い溝３とを有する伝熱促進部７が基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し流れ方向８に連続して形成されているフィン２８を有する。すなわち、はく離による渦を形成する溝３と、溝３の下流側に連結しはく離した流れが再付着する傾斜面４とを有する伝熱促進部７が基準面６に平行で流れ方向８と垂直な方向に延在し流れ方向８に連続して形成されているフィン２８を有する。そのため、圧力損失をほとんど増加することなく、冷却性能を向上することができる。
【００４７】
なお、この実施の形態４に示すヒートシンクでは、フィン２８の両面に、図２に示す放熱板２の伝熱促進部７と同様の断面形状を有する伝熱促進部７を形成したが、図７〜図１０に示す放熱板２の伝熱促進部７と同様の断面形状を有する伝熱促進部７を形成してもよい。また、この実施の形態４に示すヒートシンクでは、フィン２８の両面に伝熱促進部７を形成したが、フィン２８の片面のみに伝熱促進部７を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施の形態１による冷却構造体の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による冷却構造体の放熱板の断面を拡大した図である。
【図３】この発明の実施の形態１による放熱板の斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に示す放熱板によって形成される冷却流体の流れ場を汎用流解析ソフトを用いて解析した結果である。
【図５】溝３の幅ｗ１が短い場合の流れの模式図である。
【図６】この発明の実施の形態２に示す冷却構造体の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３による放熱板の断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３による放熱板の断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３による放熱板の断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による放熱板の断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態４によるヒートシンクの斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態４によるヒートシンクの上面を拡大した図である。
【図１３】この発明の実施の形態４による他のヒートシンクの上面を拡大した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  冷却流体、２  放熱板、３  溝、４  傾斜面、５  冷却流体容器、６  基準面、７  伝熱促進部、８  冷却流体の流れ方向、９  傾斜面の頂部、１０  傾斜面の底部、１１  溝の底部、１３  はく離した流れ、１４  主流、１５  半導体素子、１６  上部はんだ、１７  上部パターン、１８  絶縁基板、１９  下部パターン、２０  下部はんだ、２１  Ｏリング、２４  グリス、２５  パワーモジュール、２７  フィンベース、２８  フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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