(57)【要約】【課題】放熱面積を大きくすることなく冷却性能を従来と同等にし、質量およびコストの低減化を図る。【解決手段】ベース２の一方の面には発熱体１ａ，１ｂ，１ｃを搭載し、ベース２の他方の面にはフィン３を図２（ｂ）のように櫛歯状に形成した発熱体冷却装置において、ベース２と面平行な底板５とフィン先端との間に少なくとも１つの頂点を持つデフレクター４を設け、これにより冷却流体流入部または吸込部（図２（ａ）の左側）からの冷却流体を、フィン３と接する部分またはその近傍に向けて偏向し、冷却流体の速度を高めて冷却性能を向上させる。【選択図】　　　　図２
2004128439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースの一方の面に発熱体を搭載しベースの他方の面に被冷却体であるフィンを配置した強制空冷式ヒートシンクを含む発熱体冷却装置において、
冷却流体の流路の前記ベースに面平行な底板と前記フィン先端との間に、少なくとも１つの頂点を持つデフレクターを設け、冷却流体流入部または吸込部からの冷却流体をフィンと接する部分またはその近傍に向けて偏向し、冷却流体の速度を高めることを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項２】
前記発熱体が複数あるときは、デフレクター頂点の冷却流体流入部または吸込部からの設置位置を、各発熱体の発熱量の大小に応じて決定することを特徴とする請求項１に記載の発熱体冷却装置。
【請求項３】
ベースの一方の面に、ベース奥行き方向と平行な直線によって分割されたそれぞれの領域に少なくとも１つの発熱体を搭載し、ベースの他方の面に被冷却体であるフィンをベース奥行き方向と平行に配置した強制空冷式ヒートシンクを含む発熱体冷却装置において、
冷却流体の流路に、前記フィンに対して面平行な仕切り板と、この仕切り板によって分割された冷却流体の各流路の前記ベースに面平行な底板と前記フィン先端との間に少なくとも１つの頂点を持つデフレクターとを設け、冷却流体流入部または吸込部からの冷却流体をフィンと接する部分またはその近傍に向けて偏向し、冷却流体の速度を高めることを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項４】
前記発熱体が、前記ベースのそれぞれの領域に複数ずつあるときは、デフレクター頂点の冷却流体流入部または吸込部からの設置位置を、冷却流体のそれぞれの流路で、各発熱体の発熱量の大小に応じて決定することを特徴とする請求項３に記載の発熱体冷却装置。
【請求項５】
前記ベースのそれぞれの領域を、ベース面積の比率と発熱体の発熱量の比率が等しくなるように分割し、前記仕切り板を前記発熱体の発熱量の比率と冷却流体の流路断面積の比率を等しくするように設けることを特徴とする請求項３または４に記載の発熱体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は放熱構造、特にパワートランジスタなどの高発熱量の電子部品を冷却するための発熱体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的な櫛形ヒートシンクを含む発熱体冷却装置は、例えば図９，１０に示すようにベース２の一方の面に発熱体１ａ，１ｂ，１ｃを接触させるかまたは定着させ、他方の面には被冷却体として発熱体１ａ，１ｂ，１ｃの発熱量に応じた放熱面積を有するプレートフィン３が立てられ、ロウ付けまたはカシメにより結合されている。ヒートシンク（ベースおよびフィン）の材質として、通常は冷却能力の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。ベース２の側面には側面板７が、また、ベース２と面平行に底板６がそれぞれネジ止め等により取り付けられている。
【０００３】
また、図１１，１２のようにベース２をベース奥行き方向と平行な直線によって領域１，領域２に分割し、発熱体１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆを、冷却流体の流れ方向８に沿って領域１および領域２にそれぞれ１列ずつに配置し、領域１にある発熱体１ａ，１ｂ，１ｃの各発熱量の合計をＰ１、領域２にある発熱体１ｄ，１ｅ，１ｆの各発熱量の合計をＰ２とするとき、領域１と領域２の面積の比率（ｓ１：ｓ２）、およびベース横方向の比率（Ｗ１：Ｗ２）を発熱量の比率（Ｐ１：Ｐ２）に等しくなるようにする場合がある。なお、各領域の発熱体は、冷却流体の流れ方向８と平行な中心線に沿うように配置する。
【０００４】
いずれの場合も、冷却は、フィン間に向けて冷却流体を吹き付けるか、またはフィン間から冷却流体を吸い出す位置にファン（ファンは図示を省略されている）が設けられているので、冷却流体は流れの方向を示す矢印８の方向に流れ、このフィン間を流れる冷却流体により、ベース２およびプレートフィン３から放熱が行なわれることになる。
なお、以上のような発熱体冷却装置ではその性能向上、特に熱抵抗値を減少させるべく、冷却流体流入部から送り込まれる冷却流体を、フィンと接し発熱体を搭載するベース部分、またはその近傍に向けて冷却流体の流れを偏向させるためのルーバーを、フィンに形成するものがある（例えば、特許文献１参照）。
しかし、これは構造が複雑になるという難点がある。また、特許文献１のものでは、ルーバーを通りすぎた冷却流体がうずを巻いて分散するという現象が発生する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１１８９７２号公報（第２頁、図１，図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
また、上記いずれの発熱体冷却装置においても発熱体の発熱量が増加すると、対策の１つとしてフィンの放熱面積を大きくすることが行なわれるが、このようにすると質量，コストが増大すると言う問題がある。この点について、図９〜図１２を参照して説明する。
例えば、入力電圧４００Ｖ，容量７５ｋＷのインバータに用いる発熱体冷却装置の場合、図９のＡ２−Ａ２断面図を示す図１０（ａ）と図１１のＡ３−Ａ３，Ａ４−Ａ４断面図を示す図１２（ａ），（ｂ）のフィンの長さＬを４００ｍｍとし、また、図９のＢ２−Ｂ２断面図を示す図１０（ｂ）と図１１のＢ２−Ｂ２断面図を示す図１２（ｃ）のベース横幅Ｗおよびフィン高さｈ１をそれぞれ３３６ｍｍ，１００ｍｍとする。
【０００７】
さらに、フィン先端から底板間の距離ｈ４を５ｍｍ、フィンの厚さＴを０．８ｍｍ、フィンピッチＰを４ｍｍ、プレートフィン３の枚数を７６枚として、冷却流体の流路断面積Ｓを算出すると約２．９×１０−２ｍ２となる。
また、発熱体冷却装置の質量は、ベースの厚さＴｂを１１ｍｍ、底板６および側面板７の厚さを各１ｍｍとして、ベース２，プレートフィン３，底板６および側面板７の合計質量は、アルミニウムの比重が２．７ｇ／ｃｍ３なので約１１ｋｇとなる。
したがって、この発明の課題は、質量，コストを増大させることなく冷却性能を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ベースの一方の面に発熱体を搭載しベースの他方の面に被冷却体であるフィンを配置した強制空冷式ヒートシンクを含む発熱体冷却装置において、
冷却流体の流路の前記ベースに面平行な底板と前記フィン先端との間に、少なくとも１つの頂点を持つデフレクターを設け、冷却流体流入部または吸込部からの冷却流体をフィンと接する部分またはその近傍に向けて偏向し、冷却流体の速度を高めることを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記発熱体が複数あるときは、デフレクター頂点の冷却流体流入部または吸込部からの設置位置を、各発熱体の発熱量の大小に応じて決定することができる（請求項２の発明）。
【０００９】
また、請求項３の発明では、ベースの一方の面にベース奥行き方向と平行な直線によって分割されたそれぞれの領域に少なくとも１つの発熱体を搭載し、ベースの他方の面に被冷却体であるフィンをベース奥行き方向と平行に配置した強制空冷式ヒートシンクを含む発熱体冷却装置において、
冷却流体の流路に、前記フィンに対して面平行な仕切り板と、この仕切り板によって分割された冷却流体の各流路の前記ベースに面平行な底板と前記フィン先端との間に少なくとも１つの頂点を持つデフレクターとを設け、冷却流体流入部または吸込部からの冷却流体をフィンと接する部分またはその近傍に向けて偏向し、冷却流体の速度を高めることを特徴とする。
この請求項３の発明においては、前記発熱体が、前記ベースのそれぞれの領域に複数ずつあるときは、デフレクター頂点の冷却流体流入部または吸込部からの設置位置を、冷却流体のそれぞれの流路で、各発熱体の発熱量の大小に応じて決定することができる（請求項４の発明）。
請求項３または４の発明においては、前記ベースのそれぞれの領域を、ベース面積の比率と発熱体の発熱量の比率が等しくなるように分割し、前記仕切り板を前記発熱体の発熱量の比率と冷却流体の流路断面積の比率を等しくするように設けることができる（請求項５の発明）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す斜視図であり、図２は同じくその断面図である。
図９，図１０に示す従来装置との相違点は、フィンの高さｈ１を低くした点、およびフィンの高さｈ１を低くしたことによってできた、フィン先端とベース２に面平行な底板６との間の空間にデフレクター４を設置した点にある。
【００１１】
デフレクター４は板状部材からなり、図２（ａ）に示すように少なくとも１つの頂点Ａを有する。フィン先端とデフレクター頂点Ａとの間に距離ｈ２（図２（ｂ）参照）のような隙間を設けるか、またはデフレクター頂点Ａをフィン先端に接触させ、フィン先端とデフレクター頂点Ａとの距離ｈ２を０としても良い。また、デフレクター頂点Ａの位置、つまり冷却流体流入部分または吸込部分からデフレクター頂点より底板へ降ろした垂線が交差する点までの距離Ｌ１（図２（ａ）参照）は、発熱体１ａ，１ｂ，１ｃの発熱が最も高い（大きい）ところに合わせて調整するようにする。
【００１２】
図３，図４は第１の発明と従来例とを比較して説明するための説明図である。
いま、発熱体１ａ，１ｂ，１ｃの各発熱量を同じとした場合、冷却流体流入部または吸込部からの距離（Ｘｍｍ）に対するベース温度は図３に示すように、風下に配置された発熱体１ａのところで最も高くなる。その温度上昇量は太実線で示すこの発明によるものの方が、細実線で示す従来例の場合よりも小さくなっており、これはデフレクターを設けたことによる効果を示すものと言える。これは、図２（ａ）に示すように、デフレクター４の頂点Ａを発熱体１ａの直下に配置することにより、冷却流体の流速を図４に示すように、発熱体１ａの直下で最も速くすることができるためと考えられる。このように、デフレクター４の配置を最適化することで、最も発熱が高い部分での冷却流体速度を速くすることができ、ベース温度を効率良く低減することができる。なお、図３，４の冷却流体流入部分または吸込部分からの距離Ｘは、図２（ａ），図１０（ａ）に示すＸと対応している。
【００１３】
従来例における冷却流体の流路断面積Ｓは上述のように約２．９×１０−２ｍ２であったが、この発明の実施例の断面を示す図２（ｂ）のように、フィンの高さｈ１を６０ｍｍ、フィン先端とデフレクター頂点Ａとの距離ｈ２を５ｍｍ、デフレクターの高さｈ３を４０ｍｍとした場合、デフレクターの頂点Ａを含む平面での流路断面積Ｓは約１．８２×１０−２ｍ２となる。
【００１４】
ここで、冷却流体の速度Ｖについて考える。
冷却流体の速度Ｖは、冷却流体の流量をＱ［ｍ３／ｓ］、流路断面積をＳ［ｍ２］として、
Ｖ［ｍ／ｓ］＝Ｑ［ｍ３／ｓ］／Ｓ［ｍ２］　　　　　　　　　　　…（１）
のように表わされる。したがって、フィンの高さｈ１を１００ｍｍから６０ｍｍに４０％低くすると、流路断面積も約４０％低減するので、上記（１）式の関係から冷却流体の速度Ｖを約１．６倍にすることができる。
【００１５】
また、既存のヒートシンクの特性から、フィンの高さｈ１を４０％低くした場合は熱抵抗が約１６％大きくなること、冷却流体の速度を約１．６倍とした場合は熱抵抗を約１５％に小さくできることが確認されている。このことから、熱抵抗を従来とほぼ同じにできることが分かる。さらに、従来の発熱体冷却装置の質量が約１１ｋｇであるのに対し、フィンの高さｈ１を４０％低くしたことで質量を約８ｋｇに低減することができ、その分コストも削減できる。
【００１６】
図５はこの発明の第２の実施の形態を示す斜視図であり、図６は同じくその断面図である。
図１１，図１２に示す従来装置との相違点は、仕切り板９を設置した点、フィンの高さｈ１を低くした点、およびフィンの高さｈ１を低くしたことによってできた、フィン先端とベース２に面平行な底板６との間の空間にデフレクター４，５を設置した点にある。
【００１７】
デフレクター４，５は板状部材からなり、図６（ａ），（ｂ）に示すように、少なくとも１つの頂点Ａ１，Ａ２を有する。フィン先端とデフレクター頂点Ａ１，Ａ２との間に距離ｈ２（図６（ｃ）参照）のような隙間を設けるか、またはデフレクター頂点Ａ１，Ａ２をフィン先端に接触させ、フィン先端とデフレクター頂点Ａ１，Ａ２との距離ｈ２を０としても良い。また、デフレクター頂点Ａ１，Ａ２の位置、つまり冷却流体流入部分からデフレクター頂点より底部へ下ろした垂線が交差する点までの距離Ｌ１，Ｌ２（図６（ａ），（ｂ）参照）は、図５に示す領域１，領域２のそれぞれの領域にある発熱体の発熱量が最も高い（大きい）ところに合わせて調整するようにする。仕切り板９は、ねじ止め等により底板６に取りつけられる。仕切り板９の代用として、プレートフィン３のうちの一枚を底板６に接するほどの長さにしても良い。
【００１８】
図７，図８は第２の発明と従来例とを比較して説明するための説明図である。いま、図５に示す領域１の発熱体１ａ，１ｂ，１ｃの各発熱量を同じとし、領域２に示す発熱体１ｄ，１ｅ，１ｆのうち１ｅの発熱量が１ｄ，１ｆに対して大きいものとした場合、冷却流体流入部または吸込部からの距離（Ｘｍｍ）に対するベース温度Ｔは、図７（ａ）に示す発熱体１ａ，１ｂ，１ｃでは風下に配置された発熱体１ａ、図７（ｂ）に示す発熱体１ｄ，１ｅ，１ｆでは１ｅのところでそれぞれ最も高くなる。その温度上昇量はいずれも、太実線で示すこの発明によるものの方が、細実線で示す従来例の場合よりも小さくなっており、これはデフレクターを設けたことによる効果を示すものと言える。これは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、デフレクター４，５の頂点Ａ１，Ａ２をそれぞれ発熱体１ａ，１ｅの直下に配置することにより、冷却流体の流速を図８に示すように、発熱体１ａ，１ｅの直下で最も速くすることができるためと考えられる。このように、デフレクター４，５の頂点Ａ１，Ａ２の配置を最適化することで、最も発熱が高い部分での冷却流体速度を速くすることができ、ベース温度を効率良く低減することができる。なお、図７，８の冷却流体流入部分または吸込部分からの距離Ｘは、図６（ａ），（ｂ）、図１２（ａ），（ｂ）に示すＸと対応している。
【００１９】
図５，６のように仕切り板を設けた場合も、その仕切り板によって分割される各流路の断面積は変わるが、流路全断面積は同じであり、また、各流路での流速も上記（１）式のように、図１，２のように仕切り板を設けない場合と同じになる。したがって、フィンの高さｈ１を１００ｍｍから６０ｍｍに４０％低くすると、流路断面積も約４０％低減し、上記（１）式の関係から冷却流体の速度Ｖを約１．６倍にできるのも図１，２の場合と同様である。また、流速を約１．６倍とした場合に、熱抵抗を約１５％小さくできることから、熱抵抗を従来と同様にできること、さらには重量を低減できるのも図１，２の場合と同様なのは言うまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、放熱面積を大きくするためにフィンの高さを伸ばす空間であったフィン先端とベースに面平行な底板との間にできた空間に、冷却流体を偏向しフィンベース部分またはベース近傍での冷却流体の速度を速くするためのデフレクターを設けるようにしたので、フィンの放熱面積を変えることなく、発熱体冷却装置の熱抵抗を従来とほぼ同じに維持でき、装置質量およびコストを低減することができる。例えば、容量７５ｋＷ，入力電圧４００Ｖの電力変換装置においては、質量を従来のものより約３ｋｇ低減でき、コストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す斜視図
【図２】この発明の第１の実施の形態を示す断面図
【図３】冷却流体流入部分からの距離に対するベース温度の関係について、第１の発明と従来例とを比較して説明するための説明図
【図４】冷却流体流入部分からの距離に対する冷却流体の速度の関係について、第１の発明と従来例とを比較して説明するための説明図
【図５】この発明の第２の実施の形態を示す斜視図
【図６】この発明の第２の実施の形態を示す断面図
【図７】冷却流体流入部分からの距離に対するベース温度の関係について、第２の発明と従来例とを比較して説明するための説明図
【図８】冷却流体流入部分からの距離に対する冷却流体の速度の関係について、第２の発明と従来例とを比較して説明するための説明図
【図９】第１の従来例を示す斜視図
【図１０】第１の従来例を示す断面図
【図１１】第２の従来例を示す斜視図
【図１２】第２の従来例を示す断面図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…発熱体、２…ベース、３…プレートフィン、４，５…デフレクター、６…底板、７…側面板、８…冷却流体の流れ方向、９…仕切り板。
【図１】
2004128439.tif 000003
【図２】
2004128439.tif 000004
【図３】
2004128439.tif 000005
【図４】
2004128439.tif 000006
【図５】
2004128439.tif 000007
【図６】
2004128439.tif 000008
【図７】
2004128439.tif 000009
【図８】
2004128439.tif 000010
【図９】
2004128439.tif 000011
【図１０】
2004128439.tif 000012
【図１１】
2004128439.tif 000013
【図１２】
2004128439.tif 000014