(57)【要約】【課題】基板と、この基板に保持された複数の縦フィンを有するヒートシンクにおいて、大容量で高速の冷却空気を使用しても冷却流体の圧力損失が少なく、冷却能力に優れた、熱量の大きい電子素子を高効率に冷却できるヒートシンクを提供する。【解決手段】裏面に発熱素子を接合する基板と、この基板に立設した複数の縦フィンを設けたフィンであって、縦フィンの厚さを厚くし、縦フィンの高さを高くして熱交換面積を確保すると共に、各部の寸法を特定の関係にすることにより、冷却空気の圧力損失を低く抑える構造とする。【選択図】　　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に発熱素子を接合した基板と、この基板に立設した複数の縦フィンと、相隣接する前記縦フィンの間に横フィンを設けてなるヒートシンクであって、基板との接合部における前記縦フィンの厚さ（Ｔ）が１．２ｍｍから３．２ｍｍで、かつ縦フィンの高さ（Ｈ）が１４０ｍｍ以上であることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記横フィンの厚さ（ｔ）が、前記縦フィンの厚さ（Ｔ）の０．３８倍以下であることを特徴とするの請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記縦フィンの厚さ（Ｔ）と前記横フィンのピッチ（ｐ）との比が０．２３以下又は０．３２以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記横フィンのピッチ（ｐ）と前記縦フィンピッチ（Ｐ）との比が０．１５〜０．７２であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記縦フィンの厚さが基板との接合部から遠ざかるにしたがって薄くなるように構成されてなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンクに係わり、さらに詳しくはファン等によって流動する空気等の冷却流体により発熱部位を強制冷却するためのヒートシンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、大容量発熱素子を冷却するためには、一般に沸騰冷却器やヒートパイプを用いて素子を冷却する方式が用いられていた。図１１に沸騰冷却器の一例の外観図を示す。この沸騰冷却器１００は下方に発熱する素子１０４を取り付けた台座１０１があり、台座１０１には冷却塔１０２が接続されており、冷却塔１０２の外周表面には多数のフィン１０３が設置されている。また、台座１０１と冷却塔１０２は内部が一体の容器に形成されており、その中には気化し易く又気化熱の大きなフッ化炭素等の冷却媒体１０６が封入されている。この沸騰冷却器においては素子１０４の発熱によって冷却塔１０２下部の台座１０１にある冷却媒体１０６が気化し、冷却塔１０２上部に上昇していく。冷却塔１０２上部に上昇した冷却媒体はフィン１０３の放熱によって凝縮し、再び台座１０１に降下してくる。このような冷却媒体の循環を繰り返すことにより、素子の発熱量を放熱し、素子の加熱を防止して一定温度を維持するようになっている。
【０００３】
ところが近年冷媒を使用する沸騰冷却器やヒートパイプは地球温暖化に関連する環境問題から廃止の方向にあり、冷媒を使用しない乾式の高性能ヒートシンクに転換する傾向が著しい。たとえばインバータ、工作機械等の各種発熱部位には、ヒートシンクと称される熱交換器を設け、そのヒートシンクにファン等により空気等の冷却流体を強制的に流通させて冷却するようにしたものが使用されている。ヒートシンクは熱伝導率の良い金属で構成され、なるべく表面積を大きくして冷却媒体との接触面積を多くして、各種発熱素子の温度上昇を抑えるように構成されている。
【０００４】
以下、従来のこの種のヒートシンクの例について説明する。
図１２〜図１４は従来のヒートシンクの構成を説明する正面図である。
図１２に示す従来のヒートシンク１１１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１１２と、基板１１２上に重層されている波板状の多数の板曲げフィン体１１３ａを有するフィン１１３とから構成されている。このヒートシンクは、高さが高くなるに従い板曲げフィンにおける熱交換効率が大幅に低下するため、大きな熱量を放散させる目的には不向きである。
【０００５】
図１３に示す従来のヒートシンク１２１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１２２と、基板１２２上に取りつけた押出し材からなる格子状のフィン１２３から構成されている。このヒートシンクは、押出し材の肉厚が通常０．６ｍｍ程度が下限であるので、フィンでの圧力損失が大きく、空気等の必要な冷却流体が得られないため冷却能力が低くなり、ヒートシンク全体としての冷却効率を高めることが困難であった。
【０００６】
図１４に示す従来のヒートシンク１３１は、サイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図示省略）等が固着された平面ほぼ矩形形状の基板１３２と、基板１３２上に立設されている平板状の多数の縦フィン体１３３ａを有するフィン１３３とから構成されている。そして各縦フィン体１３３ａは、各側面を相互に対向するようにして空気等の所望の冷却流体の流通方向（図では紙面に垂直な方向）に対向して、適度な間隔Ｇを保ってほぼ並行に整列配置されている。
【０００７】
これらのヒートシンクは、素子の発熱量が０．６〜２ｋＷの小型・低容量の素子に用いられており、フィンに当てる風速は２〜３ｍ／ｓでシロッコファン等を使用して風冷する方式が採用されてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年電子素子の大容量化が進み、１個の素子の発熱量が３ｋＷタイプのものが実用化され、このような大容量素子を複数個使用した電子機器も採用されるようになってきた。高発熱量の素子に対応させて、ヒートシンクの高性能化を図るためには、フィンの表面積を拡大したり、各フィンの間隔を狭くして、設置するフィンの数を増加させてフィンを高密度配置する方法が考えられる。フィンを高密度配置するような構造にしても、フィンの数を増加させるには限界があり、フィンの間隔を狭くすると、各フィンの間を通過する空気等の冷却流体の通風抵抗（圧力損失）が大きくなり、結果としてフィン体を通過する風量が減少し、冷却効率を向上させることができないという問題がある。
【０００９】
たとえば、昨今の車両用制御機器のような大熱量を発生する制御素子用のヒートシンクでは、取り付け場所の制約もありフィンの数を無限に増やすこともできず、フィンの配置を工夫しただけでは冷却性能の向上に限界があり、要求される冷却性能を満足させることができないことが判明した。
そこでフィンに吹き込む冷却用空気の風速を５〜１３ｍ／秒に上げて多量の冷却用空気で冷却する方法が試みられている。ところが風速を上げると格子状のフィン中で圧力損失が急激に増加し、期待するほど風量が増加しないという問題が発生する。
本発明の目的は、大熱容量素子用のヒートシンクとしてフィン本体の通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、冷却用空気の十分な流量を確保して、結果としてヒートシンク全体の放熱機能を高め、冷却効率を向上させることができる高性能ヒートシンクを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために詳細な実験を重ねた結果、本発明のヒートシンクは、格子状のフィンを有するヒートシンクにおいて、縦フィンの板厚を厚くして発熱する素子からの熱移動を容易にし、縦フィンの高さを高くして放熱面積を確保すると共に、冷却空気の通過する開口面積を広くして、圧力損失の上昇を抑えることにより、大風量を利用して高発熱量の素子を効率よく冷却することを可能にした。
すなわち、本発明のヒートシンクは裏面に発熱素子を接合した基板と、この基板に立設した複数の縦フィンと、相隣接する前記縦フィンの間に横フィンを設けてなるヒートシンクであって、基板との接合部における前記縦フィンの厚さ（Ｔ）が１．２ｍｍから３．２ｍｍで、かつ縦フィンの高さ（Ｈ）が１４０ｍｍ以上であるヒートシンクとした。
【００１１】
本発明のヒートシンクでは、前記横フィンの厚さ（ｔ）を、前記縦フィンの厚さ（Ｔ）の０．３８倍以下となるようにするのが好ましい。
また、前記縦フィンの厚さ（Ｔ）と前記横フィンのピッチ（ｐ）との比を０．２３以下又は０．３２以上とするのが好ましい。
さらに、前記横フィンのピッチ（ｐ）と前記縦フィンピッチ（Ｐ）との比を０．１５〜０．７２となるようにするのが好ましい。
このような寸法関係でヒートシンクを構成すれば、大容量の風量を利用しつつ圧力損失を低く抑えて、大容量素子からの発熱を効率よく放熱することが可能となる。
【００１２】
また、本発明のヒートシンクでは、縦フィンの厚さが基板との接合部から遠ざかるにしたがって薄くなるように構成するのが好ましい。縦フィンが接合部から遠ざかるにしたがって温度が降下し、熱移動量も少なくなるのでフィンの熱容量も小さくて良く、それよりも厚さを薄くして格子状部の開口面積を大きくした方が圧力損失を小さくすることができるので得策である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を使用して本発明をさらに詳細に説明する。
図１から図３は本発明のヒートシンクを示すものであり、図１はその外観斜視図を、図２は図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面図、図３は図１の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図を示す。
なお、以下の図においては構造を分かり易く説明するため、縮尺は必ずしも正確ではない。
図１から図３に示すように、本発明のヒートシンク１１はサイリスタ、トランジスタ等の電子部品（図１では省略）等が装着される、例えば縦寸法Ｌ及び横寸法Ｗがそれぞれ６００ｍｍ程度の正方形状の基板１２と、基板１２の一方の面（図１では上方の面）に立設させた多数の縦フィン１３ａ、１３ｂを有するフィン１３と、この互いに隣接する縦フィン１３ａ、１３ｂの間にほぼ水平に配置した横フィン１４から形成されている。
基板１２の形状としては、正方形平板に限らず、平面矩形形状、平面楕円形状、平面円形形状等が利用できる。基板１２の材質としては、アルミニウムや銅等の熱伝導率の良い金属を使用する。特に、軽量化の点からはアルミニウム又はアルミニウム合金を使用するのが好ましい。
縦フィン１３ａ、１３ｂは、図１に示すように基板１２の一方の上面に、矢印で示す冷却流体の流路方向Ｆに対してほぼ平行になるように多数整列配置してある。縦フィン１３ａ、１３ｂも熱伝導性の良い金属、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金が好んで用いられる。
【００１４】
図２は図１に示すヒートシンクの線Ａ−Ａ’に沿った断面図であって、基板１２の裏面に素子１６が取り付けられ、基板１２の表面には複数の縦フィン１３ａ、１３ｂがほぼ垂直に立設されている。各縦フィン１３ａ、１３ｂの間には、横フィン１４が配置され、開口部は全体として格子状断面となるように構成されている。
図３は図１に示すヒートシンクの線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図であって、高さＨの縦フィン１３ａ、１３ｂの長さ方向のほぼ一杯に、横フィン１４が並行に配置されている。
【００１５】
図４はフィン１３の詳細断面図であって、フィン１３は２本の並行する縦フィン１３ａ、１３ｂの間を繋ぐようにして多数の横フィン１４が配置されている。このような断面形状のフィンを複数並べることによって、全体として格子状のフィンが構成されている。このフィン１３はアルミニウム又はアルミニウム合金の押し出し成形によって製造され、ブレージングシートを利用して基板１２の表面にろう付け固定される。
【００１６】
図５は、図４に示したフィン１３の一部を拡大して示した図であって、縦フィン１３ｂの一部と３枚の横フィン１４を示している。横フィン１４は厚さが薄く、強度的に弱いので図５に示すように横フィン１４の一部には、フィン１３を並列に立設させる場合の支持部となる突起１４ａが設けてある。突起１４ａの長さは他のフィン１４の長さよりも若干長いので、フィン１３を並列に立設させる場合、各横フィン１４と隣設する縦フィン１３ａ、１３ｂとの間に若干の間隙が生じるが、冷却用空気の圧力損失にはほとんど影響しない。図４ではこのような突起１４ａが、縦フィン１３ｂの上方と下部の２箇所に設けてある例を示している。
【００１７】
図４及び図５に示すように、本発明のヒートシンクにおいては縦フィン１３ａ，１３ｂの高さを（Ｈ）、縦フィン１３ａ，１３ｂの間隔（ピッチ）を（Ｐ）、横フィン１４の厚さを（ｔ）、さらに横フィン１４の間隔（ピッチ）を（ｐ）で表す。そしてこれらＴ，ｔ，Ｐ，ｐの値を種々変化させてヒートシンクを設計して放熱実験を繰り返し、格子状のフィンの間を流れる空気の圧力損出が少なく、素子の発熱を効果的に発散させて素子温度の上昇を防ぐためのＴ，ｔ，Ｐ，ｐの最適値を求めた。実験は６００×６００×２８ｍｍのＡ１０５０合金からなる基板の裏面に、総発熱量８ｋＷの発熱素子を取り付けて行った。冷却はターボファンを使用した風冷でおこない、ダクトを通して風速９ｍ／秒の冷却用空気を断面格子状のヒートシンクに吹き付けた。ヒートシンク特性の目標値は圧力損出が１２００Ｐａ以下、素子の温度上昇が５０℃以下、好ましくは圧力損出が８００Ｐａ以下、素子の温度上昇が４０℃以下である。
【００１８】
図６は、このようにして求めた縦フィン１３ａ，１３ｂの厚さ（Ｔ）と、素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。ここで、縦フィン１３ａ，１３ｂの厚さ（Ｔ）とは、縦フィンと基板との接合部近傍の縦フィン厚さを指す。図４では基板との接合部分でやや厚く、基板から遠ざかるにしたがって次第に薄くなるように傾斜を付しているが、これは基板から遠ざかるにしたがって温度が降下して熱移動量が少なくなるので、フィンの熱容量も少なくて済むので、縦フィンを薄くして開口部の断面積をなるべく広く確保する方が得策だからである。勿論、縦フィンの全長に渡って同じ厚さに形成しても良い。
【００１９】
図６の曲線ｂから縦フィンの厚さ（Ｔ）が増すにつれて開口部の断面積が狭くなるので圧力損失が増大し、一方、図６の曲線ａから縦フィンの熱容量が増して熱移動量が増えるので、素子温度の上昇は低く抑えられるようになることが判る。圧力損出が１２００Ｐａ以下となるのは縦フィンの厚さ（Ｔ）が３．２ｍｍ以下であり、素子の温度上昇が５０℃以下となるのは縦フィンの厚さ（Ｔ）が１．２ｍｍ以上である。したがって、適切な縦フィンの厚さ（Ｔ）は、１．２ｍｍ以上３．２ｍｍ以下とした。好ましくは縦フィンの厚さ（Ｔ）は、１．８ｍｍ以上３ｍｍ以下とするのがよい。この範囲にすれば圧力損出が８００Ｐａ以下、素子の温度上昇は４０℃以下とすることができる。
【００２０】
次に、図７にフィン高さ（Ｈ）と素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示した。基板との接合部における縦フィンの厚さ（Ｔ）は２ｍｍとした。図７の曲線ｃからフィン高さ（Ｈ）は７５ｍｍ以上有れば圧力損出が１０００Ｐａ以下となり、図７の曲線ｄから素子の温度上昇は４０℃以下となることが判る。また、フィン高さ（Ｈ）が２５０ｍｍ以上になると素子の温度上昇は３０℃に収束してほとんど変わらなくなる。これはフィン温度が冷却気流の温度に近づくため、熱交換効率が低下するためである。したがって、フィン高さ（Ｈ）をいたずらに長くするのは効果が少なくて得策ではない。また、フィン高さ（Ｈ）を１４０ｍｍ以上にすれば、縦フィン厚さ（Ｔ）を厚くしても圧力損出を８００Ｐａ以下に抑えることが可能となる。
したがって、適正なフィン高さ（Ｈ）は、１４０ｍｍ以上に設定することとした。本発明のヒートシンクでは、縦フィンの厚さ（Ｔ）を厚くして開口部の断面積が減少した分を、縦フィンの高さ（Ｈ）を高くすることによって補い、開口部の断面積を確保して、熱交換面積を拡大すると同時に冷却媒体の流量を増加させて、大容量の放熱を可能にした。
【００２１】
続いて横フィン１４の厚さ（ｔ）を検討した。横フィン１４の厚さ（ｔ）を厚くすれば熱容量が大きくなり熱移動は容易となるが、開口部の断面積を減少させることになるので、圧力損失が増大する。そこで縦フィンの厚さ（Ｔ）を２ｍｍ、縦フィンの高さ（Ｈ）を２３４．６ｍｍとした場合の、縦フィン厚さ（Ｔ）に対する横フィン厚さ（ｔ）の割合（１００×ｔ／Ｔ、％）を測定し、結果を図８に示した。図８の曲線ｆによればｔ／Ｔが６５％以下ならば圧力損失は１２００Ｐａ以下となり、３８％以下ならば圧力損失は８００Ｐａ以下となる。また素子の温度上昇はいずれの場合も３０℃以下となる。したがって、縦フィン厚さ（Ｔ）に対する横フィン厚さ（ｔ）の割合（１００×ｔ／Ｔ）は、６５％以下より好ましくは３８％以下とするのが良い。
【００２２】
最後に横フィンピッチ（ｐ）に対する縦フィン厚さ（Ｔ）の割合（１００×Ｔ／ｐ、％）について検討した。縦フィン厚さ（Ｔ）が厚くなった時に横フィンピッチ（ｐ）が狭くなると開口部面積も小さくなり、圧力損失が大きくなることが懸念されるからである。そこで縦フィン厚さ（Ｔ）を２ｍｍ、縦フィンの高さ（Ｔ）を２３４．６ｍｍ、横フィンの厚さ（ｔ）を０．６ｍｍ（ｔ／Ｔ＝０．３）とした場合について測定し、結果を図９に示した。図９の曲線ｇから素子の温度上昇はいずれの場合にも５０℃以下となり、圧力損失も１０００Ｐａ以下となるものの、横フィンピッチ（ｐ）に対する縦フィン厚さ（Ｔ）の割合（１００×Ｔ／ｐ）が０．２３から０．３２の間では圧力損失が８００Ｐａを越えることが判明した。したがって、横フィンピッチ（ｐ）に対する縦フィン厚さ（Ｔ）の割合（１００×Ｔ／ｐ）は、２３％以下又は３２％以上とするのが好ましい。
【００２３】
【実施例】
図１０に示す各部構造を有し、表１及び表２に示す各フィン寸法を有するヒートシンクを作成し、放熱実験をして性能を評価した。図１０のフィン３は、図４に示す断面形状のものを、同じ向きに並立させて配置したものである。基板１は５５０×５５０×２８ｍｍの寸法のＡ１０５０アルミニウム合金を使用し、基板１とフィン３との間に両面ブレージングシート２を挿入して、基板１とフィン３とを図のようにろう付け接合した。フィン３は縦フィン、横フィン共にＡ１０７０アルミニウム合金を使用した。発熱する素子４は発熱量２ｋＷの高熱容量のものを４個図１０（ｂ）のように全体的に風上側に寄せて配置し、取り付けた。冷却はターボファンを使用した風冷でおこない、ダクトを通して風速９ｍ／ｓの冷却用空気を断面格子状のヒートシンクに吹き込んだ。素子の温度上昇は基板１の素子４との接合面近傍に熱電対を埋設して測定した。又圧力損失はフィンの入り口側と出口側に微小圧力計を配置して測定した。
測定結果を表１と表２に併記する。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
【表２】
2004047789.tif 000004
【００２６】
（比較例）
比較のため、図１０に示す各部構造を有し、表３に示す各フィン寸法を有するヒートシンクを作成し、実施例と同様にして放熱実験をして性能を評価した。測定結果を表３に併記した。
【００２７】
【表３】
2004047789.tif 000005
【００２８】
表１から表３の結果から、本発明によれば高発熱量の素子を接合したヒートシンクにおいて、風速を高めても格子状のフィン内での圧力損失を低く抑え、効率的な素子の放熱が行われるので、素子の性能を最大限に発揮できることが判る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却流体がフィン体に当ったときの通風抵抗（圧力損失）の上昇を抑え、十分な冷却流体をヒートシンク本体内に呼び込んで冷却効率を向上させることができるので、特に車両の制御機器のように設置する空間が限られ、しかも多量の熱を発生する制御素子の温度制御に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒートシンクの構造を説明する外観斜視図である。
【図２】図１のヒートシンクの線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図３】図１のヒートシンクの線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図４】縦フィンの構造を示す断面図である。
【図５】図４の一部を拡大して示した図である。
【図６】縦フィンの板厚と素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図７】フィンの高さと素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図８】縦フィン厚さに対する横フィン厚さの割合と、素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図９】横フィンピッチに対する縦フィン厚さの割合と、素子の温度上昇及び圧力損失との関係を示す図である。
【図１０】本発明のヒートシンクの各部構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は側面図を示す。
【図１１】従来の沸騰冷却器の構造を説明する図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は冷却塔の内微を示部を示す図である。
【図１２】従来のヒートシンクの構造の一例を説明する断面図である。
【図１３】従来のヒートシンクの他の構造を説明する断面図である。
【図１４】従来のヒートシンクの別の構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
１１，１１１，１２１，１３１・・・・・・ヒートシンク、１，１２・・・・・・基板、３，１３，１０３，１２３，１３３・・・・・・フィン、１４・・・・・・横フィン、４，１６，１０４・・・・・・素子、１００・・・・・・沸騰冷却型ヒートシンク、１０６・・・・・・冷却媒体
【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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【図１４】
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