(57)【要約】      （修正有）【課題】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なヒートシンクを提供する。【解決手段】サブフィン１４ａ，１４ｂは、互いに隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂの間で、このサブフィン１４ａ，１４ｂどうしが基板１２の高さ方向Ｈにおいて互いに異なる位置にずらして形成されている。即ち、この実施形態においては、互いに隣接するメインフィン１３ａと、メインフィン１３ｂで、サブフィン１４ａ，１４ｂどうしが高さ方向Ｈにおけるそれぞれの形成ピッチの半幅分だけ互いにずれた、いわゆる千鳥配列とされている。【選択図】図２
2007080989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に熱源体が配される基板と、この基板の表面から所定の間隔で複数並列して高さ方向に立ち上がる板状のメインフィンと、それぞれの前記メインフィンの両側面から隣接するメインフィンに向けて延長され、その延長端が隣接するメインフィンに対して一定の間隔を空け、かつ前記メインフィンの高さ方向で間欠的に形成された多数のサブフィンとを備え、互いに隣接する前記メインフィンの間の前記サブフィンどうしが、前記基板の高さ方向において少なくとも互いに異なる位置にずらして形成されたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
互いに隣接する前記メインフィンの間の前記サブフィンどうしが、前記基板の高さ方向において互いに千鳥配列になるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記メインフィンには、隣接するメインフィンとの間を連結するように延びる整流フィンが、前記基板の高さ方向において間欠的に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記メインフィンは、厚さ（Ｔ）が０．８ｍｍから２．５ｍｍの範囲に形成されることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項５】
前記メインフィンどうしの間隔（Ｐ）は、互いに３ｍｍから１０ｍｍの範囲にされることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記サブフィンは、厚さ（ｔ）が０．４ｍｍから１．２ｍｍの範囲に形成されることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記サブフィンは、前記メインフィンの側面から延長端までの幅（ｗ）が、前記メインフィンどうしの間隔（Ｐ）の２０％から５０％の範囲になるように形成されることを特徴とする請求項１に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、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。
【背景技術】
【０００２】
例えば、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５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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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６〜図８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６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。
【０００６】
図７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。
【０００７】
図８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。
【０００８】
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。
【特許文献１】特開平８−２２２６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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な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】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、裏面に熱源体が配される基板と、この基板の表面から所定の間隔で複数並列して高さ方向に立ち上がる板状のメインフィンと、それぞれの前記メインフィンの両側面から隣接するメインフィンに向けて延長され、その延長端が隣接するメインフィンに対して一定の間隔を空け、かつ前記メインフィンの高さ方向で間欠的に形成された多数のサブフィンとを備え、互いに隣接する前記メインフィンの間の前記サブフィンどうしが、前記基板の高さ方向において少なくとも互いに異なる位置にずらして形成されたことを特徴とするヒートシンクが提供される。
【００１４】
互いに隣接する前記メインフィンの間の前記サブフィンどうしが、前記基板の高さ方向において互いに千鳥配列になるように形成されていればよい。前記メインフィンには、隣接するメインフィンとの間を連結するように延びる整流フィンが、前記基板の高さ方向において間欠的に形成されていればよい。
【００１５】
前記メインフィンは、厚さ（Ｔ）が０．８ｍｍから２．５ｍｍの範囲に形成されればよい。前記メインフィンどうしの間隔（Ｐ）は、互いに３ｍｍから１０ｍｍの範囲にされればよい。前記サブフィンは、厚さ（ｔ）が０．４ｍｍから１．２ｍｍの範囲に形成されればよい。前記サブフィンは、前記メインフィンの側面から延長端までの幅（ｗ）が、前記メインフィンどうしの間隔（Ｐ）の２０％から５０％の範囲になるように形成されればよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のヒートシンクによれば、メインフィンの側面に、隣接するメインフィンに対して、高さ方向において少なくとも互いに異なる位置にずらしてサブフィンが設けられているので、冷却流体とヒートシンクとが接触する表面積を大きく取ることが可能になり、従来のヒートシンクと比較して熱交換の効率を高めることが可能になる。これにより、ヒートシンクを構成するフィンの肉厚を増したりしなくても、フィンどうしの形成ピッチを高め、小型で冷却効率の良いヒートシンクを実現できる。
【００１７】
しかも、互いに隣接するサブフィンどうしが互いにずらされた配列になっているので、ヒートシンク内を通り抜ける冷却流体が適度に乱流を起こす。冷却流体に乱流を起こさせることによって、ヒートシンク内で冷却流体が適度に攪拌され、冷却流体の温度ムラを少なくして効率よく熱交換を行うことを可能にする。
【００１８】
そして、互いに隣接するメインフィンとの間を連結するように延びる整流フィンによって、基板の高さ方向における整流フィンの上部と下部で空間が完全に分離され、整流フィンを超えて冷却流体が高さ方向Ｈに上下することを抑制する。これにより、サブフィンによって冷却流体を適度に攪拌しつつも、冷却流体が奥行き方向に沿ってスムーズに通り抜けることを阻害するような、基板の高さ方向に過度な乱流が発生するのを防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を使用して本発明を詳細に説明する。図１および図２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を正面から見た時の断面図を示す。なお、図１は図２の一部だけを示しており、構造を分かり易く説明するため、各部のサイズの比率は必ずしも実際の寸法を反映したものではない。
【００２０】
図１および図２に示すように、本発明のヒートシンク１１は、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を備えている。この基板１２の裏面１２ｂには、例えば、サイリスタ、トランジスタ等の電子部品（熱源体）１６（図１では省略）等が装着される。なお、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、各種形状が採用可能である。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。
【００２１】
基板１２の表面１２ａには、互いに所定の間隔を空けて複数のメインフィン１３ａ、１３ｂが形成される。このメインフィン１３ａ、１３ｂは、例えば熱伝導性に優れた金属板から形成され、基板１２の表面１２ａに対して垂直な高さ方向Ｈに、互いに並列して立ち上がる。
【００２２】
メインフィン１３ａ、１３ｂの高さ方向Ｈに沿って広がる両側面Ｓには、互いに隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂに向けて延長される（即ち、高さ方向Ｈに対して直角な水平方向に延びる）多数の板状のサブフィン１４ａ，１４ｂが形成されている。このサブフィン１４ａ，１４ｂは、ヒートシンク１１の奥行き方向Ｄに沿って延びるとともに、それぞれサブフィン１４ａ，１４ｂの延長端Ｅが、隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂに対して一定の間隔を空けるように形成され、かつメインフィン１３ａ、１３ｂの高さ方向Ｈで所定のピッチで間欠的に形成される。
【００２３】
こうしたサブフィン１４ａ，１４ｂは、互いに隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂの間で、このサブフィン１４ａ，１４ｂどうしが基板１２の高さ方向Ｈにおいて互いに異なる位置にずらして形成されている。即ち、この実施形態においては、互いに隣接するメインフィン１３ａと、メインフィン１３ｂは、高さ方向Ｈにおけるそれぞれの形成ピッチの半幅分だけ互いにずれた、いわゆる千鳥配列とされている。
【００２４】
さらに、メインフィン１３ａ、１３ｂの両側面Ｓには、互いに隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂとの間を連結するように延びる整流フィン１５が、基板１２の高さ方向ｈにおいて間欠的に形成されている。基板１２の高さ方向Ｈにおける、この整流フィン１５の上部と下部では空間は完全に分離される。
【００２５】
これら、メインフィン１３ａ、１３ｂと、サブフィン１４ａ，１４ｂと、整流フィン１５は、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、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一体に製造される。そして、ブレージングシートを利用して基板１２の表面１２ａにろう付け固定される。
【００２６】
このような構成のヒートシンク１１は、奥行き方向Ｄに沿って冷却流体の流路方向が設定され、例えば、冷却流体として冷風がヒートシンク１１の奥行き方向Ｄに沿って流されることで、基板１２の裏面１２ｂに配された電子部品１６などの熱源体から発生した熱を熱交換により冷却する。
【００２７】
図３は、図２に示すヒートシンク１１の部分拡大図である。メインフィン１３ａ、１３ｂは、例えば、厚さ（Ｔ）が０．８ｍｍから２．５ｍｍの範囲に形成される。また、こうしたメインフィン１３ａ、１３ｂどうしの間隔（Ｐ）は、３ｍｍから１０ｍｍの範囲にされればよい。
【００２８】
一方、サブフィン１４ａ，１４ｂは、厚さ（ｔ）が０．４ｍｍから１．２ｍｍの範囲に形成されればよい。また、サブフィン１４ａ，１４ｂは、メインフィン１３ａ、１３ｂの高さ方向Ｈに沿って広がる両側面Ｓから延長端Ｅまでの幅（ｗ）が、メインフィンどうしの間隔（Ｐ）の２０％から５０％の範囲、例えば０．６ｍｍから５ｍｍ程度になるように形成されればよい。
【００２９】
次に、前述したような構成の本発明のヒートシンクの作用を、図１〜３を参照しつつ説明する。基板１２の裏面１２ｂに配された電子部品１６などの熱源体から発生した熱は、基板１２を介してヒートシンク１１に伝播される。そして、冷却流体、例えば冷風をヒートシンク１１の奥行き方向Ｄに向けて、ファンなどによって流すことにより、ヒートシンク１１の熱が冷風に伝わり、冷風が暖められて排出されるとともに、ヒートシンク１１が冷却される、いわゆる熱交換が生じる。この熱交換によって、ヒートシンク１１に接して配された電子部品１６などの熱源体は、温度が上昇し続けることなく冷やされ、熱による誤動作などの発生が防止される。
【００３０】
このように、ヒートシンク１１に冷却流体を流す際に、本発明のヒートシンク１１は、多数のメインフィン１３ａ、１３ｂの側面に、互いに隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂに対して千鳥配列になるように、サブフィン１４ａ，１４ｂが互いに半幅分ずらして設けられているので、冷却流体とヒートシンク１１とが接触する表面積を大きく取ることが可能になり、従来のヒートシンクと比較して熱交換の効率を高めることが可能になる。これにより、ヒートシンクを構成するフィンの肉厚を増したりしなくても、フィンどうしの形成ピッチを高め、小型で冷却効率の良いヒートシンクを実現できる。
【００３１】
しかも、互いに隣接するサブフィン１４ａ，１４ｂどうしが互いに半幅分ずらされた千鳥配列になっているので、ヒートシンク１１内を通り抜ける冷却流体が適度に乱流を起こす。冷却流体に乱流を起こさせることによって、ヒートシンク１１内で冷却流体が適度に攪拌され、冷却流体の温度ムラを少なくして効率よく熱交換を行うことを可能にする。
【００３２】
そして、互いに隣接するメインフィン１３ａ、１３ｂとの間を連結するように延びる整流フィン１５によって、基板１２の高さ方向Ｈにおける整流フィン１５の上部と下部で空間が完全に分離され、整流フィン１５を超えて冷却流体が高さ方向Ｈに上下することを抑制する。これにより、千鳥配列にされたサブフィン１４ａ，１４ｂによって冷却流体を適度に攪拌しつつも、冷却流体が奥行き方向Ｄに沿ってスムーズに通り抜けることを阻害するような、基板１２の高さ方向Ｈに過度な乱流が発生するのを防止する。
【実施例】
【００３３】
本出願人は、本発明のヒートシンクの効果を検証した。検証に当たっては、図４（ａ）に示すような、ヒートシンクの流出側に軸流ファンを設置した吸出タイプと、図４（ｂ）に示すような、ヒートシンクの流入側に軸流ファンを設置した押込タイプの両方において、図１に示すような本発明のヒートシンクを設け、発熱量１１７０Ｗのダミーヒーター（熱源体）を用い、直径が１００ｍｍの軸流ファンで冷却媒体としての空気の押込、または吸出の両方で温度測定用熱電対により最高温度を測定した。
【００３４】
また、従来の比較例として、上述した図４（ａ）、（ｂ）に示す組み合わせで、ヒートシンクだけを図７に示すような格子状のものにして、同様に温度測定用熱電対で最高温度を測定した。
【００３５】
このような検証の結果を以下に示す。
（最高到達温度）
実施例（本発明例）：  吸出６４℃    押込６１．５℃
比較例（従来例）：    吸出６６℃    押込６４℃  
【００３６】
以上のような検証結果から、本発明のヒートシンクは、冷却媒体の押込、吸出の両方で、従来の断面が格子状のヒートシンクよりも冷却特性に優れていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のヒートシンクの一例を示す外観斜視図である。
【図２】本発明のヒートシンクの一例を示す平面図である。
【図３】図２のヒートシンクの部分拡大平面図である。
【図４】本発明の検証例の構成を示す説明図である。
【図５】従来のヒートシンクの一例を示す外観斜視図である。
【図６】従来のヒートシンクの一例を示す平面図である。
【図７】従来のヒートシンクの一例を示す平面図である。
【図８】従来のヒートシンクの一例を示す平面図である。
【図９】従来のヒートシンクの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１…ヒートシンク、１２…基板、１２…制御基板、１３ａ、１３ｂ…メインフィン、１４ａ，１４ｂ…サブフィン、１５…整流フィン。
【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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