(57)【要約】【課題】圧力損失の発生を可能な限り抑え、これによって冷却効率を維持させることが可能なヒートシンクを提供する。【解決手段】本実施の形態に係るヒートシンク１００は、基礎体１１０と、基礎体１１０の一方の面に形成される領域であって発熱性素子を熱源とする熱量を受熱する受熱領域と、基礎体１１０の他方の面に形成され其の熱量を冷媒流体２００へ放熱させる複数の放熱フィン１３１とを備え、複数の放熱フィン１３１は、冷媒流体２００の流線方向に関する幾何学的距離について同一の距離的属性を有する位置に先端部位が揃えられた第１の放熱フィン群１３１ａと、当該第１の放熱フィン群１３１ａの属する距離的属性よりも下流側の距離的属性を有する位置に先端部位が揃えられた第２の放熱フィン群１３１ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎体と、前記基礎体の一方の面に形成される領域であって発熱性素子を熱源とする熱量を受熱する受熱領域と、前記基礎体の他方の面に形成され前記熱量を冷媒流体へ放熱させる複数の放熱フィンと、を備えるヒートシンクにおいて、
前記複数の放熱フィンは、一の放熱フィン又は二以上の放熱フィンによって成り前記冷媒流体の最上流側に先端部位が配置された上流側放熱フィンと、二以上の放熱フィンによって成り前記第１の放熱フィンよりも下流側に先端部位が配置された下流側放熱フィンと、を備え、
前記下流側放熱フィンは、前記上流側放熱フィンによって区画される各流路での圧力損失を略一致させる各部位に、放熱フィンの先端部位が各々配列されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記流路が形成される空間を流路形成空間とし、当該流路形成空間について前記冷媒流体の流線に対し垂直となる断面を流路断面とし、当該流路断面について前記他方の面及びこの面の所定部位からオフセットされた基準面によって囲まれる面積を流路断面積とすると、
前記他方の面は、前記冷媒流体の上流側に設けられた第１領域面と、前記冷媒流体の下流側に設けられ且つ前記第１領域面が形成する流路断面積よりも小さな流路断面積を形成する第２領域面と、を具備す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３】
前記複数の放熱フィンの各先端部位は、前記他方の面との固定端から自由端に至る形状が、前記冷媒流体の下流方向に傾斜する斜行形状とされてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に用いるヒートシンクに関し、特に、放熱フィンの形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開２０１３−０９８５３０号公報（特許文献１）では、放熱フィンによって形成される流路断面積の総和について、冷却冷媒が下流へ進むに応じて増加させるよう当該フィンの形状・配列が工夫されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０９８５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術によれば、ヒートシンクへ冷却冷媒が流入する際、其処での流路断面積を十分に確保していないと、当該ヒートシンクの上流側での圧力損失が上昇し、結果として冷却効率を低下させるとの問題を招く。また、上流側の放熱フィンの間隔を広げて流路断面を確保しようとすると、その領域での冷却効率を低下させてしまう。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑み、有意なフィン配列によって冷却効率を維持させつつ、圧力損失の発生を可能な限り抑え得るヒートシンクの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明では次のようなヒートシンクの構成とする。即ち、基礎体と、前記基礎体の一方の面に形成される領域であって発熱性素子を熱源とする熱量を受熱する受熱領域と、前記基礎体の他方の面に形成され前記熱量を冷媒流体へ放熱させる複数の放熱フィンとを備えるヒートシンクにおいて、
前記複数の放熱フィンは、一の放熱フィン又は二以上の放熱フィンによって成り前記冷媒流体の最上流側に先端部位が配置された上流側放熱フィンと、二以上の放熱フィンによって成り前記第１の放熱フィンよりも下流側に先端部位が配置された下流側放熱フィンとを備え、
前記下流側放熱フィンは、前記上流側放熱フィンによって区画される各流路での圧力損失を略一致させる各部位に、放熱フィンの先端部位が各々配列されていることとする。
【０００７】
好ましくは、前記流路が形成される空間を流路形成空間とし、当該流路形成空間について前記冷媒流体の流線に対し垂直となる断面を流路断面とし、当該流路断面について前記他方の面及びこの面の所定部位からオフセットされた基準面によって囲まれる面積を流路断面積とすると、
前記他方の面は、前記冷媒流体の上流側に設けられた第１領域面と、前記冷媒流体の下流側に設けられ且つ前記第１領域面が形成する流路断面積よりも小さな流路断面積を形成する第２領域面とを具備することとする。
【０００８】
好ましくは、前記複数の放熱フィンの各先端部位は、前記他方の面との固定端から自由端に至る形状が、前記冷媒流体の下流方向に傾斜する斜行形状とされていることとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るヒートシンクは、流体力学上有意となるよう放熱フィンの配列がなされ、圧力損失の抑制と放熱効率の維持とをバランスさせた好ましい冷媒流路を形成させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るヒートシンクの斜視図。
【図２】実施の形態に係るヒートシンクの側面図。
【図３】実施の形態に係るヒートシンクの流路断面。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係るヒートシンクの斜視図である。また、図２は、前図におけるＡ部断面矢視である。図示の如く、ヒートシンク１００は、基礎体１１０と，複数の放熱フィン１３１とがアルミ材等の伝熱性材料によって一体的に形成されている。
【００１２】
基礎体１１０には、電機的素子等を収容させる空間Ａと、複数の冷却フィンが配備される空間Ｂとが設けられることになる。以後、基礎体１１０を基準として空間Ａを観察する方向・其の面を、一方の面側または一方の面と呼ぶこととする。また、基礎体１１０を基準として空間Ｂを観察する方向・其の面を、他方の面側または他方の面と呼ぶこととする。
【００１３】
基礎体１１０の一方の面には、伝熱性基板３０２が積層され、其の表面には、パワートランジスタといった発熱性素子３０１が実装されている。従って、この発熱性素子３０１は、これが駆動されると、熱源となって熱量を生じさせ、伝熱性基板３０２を介して基礎体１１０へと熱量を与える。
【００１４】
伝熱性基板３０２は、基板用フレーム３０２ａによって適宜に固定される。これにより、基礎体１１０への伝達経路が定まり、先の熱量を受熱する受熱領域１２０が定まる。このように、受熱領域１２０とは、伝熱性基板３０２が積層される領域であって、ここを介して発熱性素子３０１の熱量が基礎体１１０へと伝えられる。かかる効果を向上させるため、放熱性グリス等の熱電構造を介在させても良い。
【００１５】
図示の如く、基板用フレーム３０２ａは、複数の端子３０２ｂが適宜配備され、その端子に制御回路３０３の配線が電気的に接続される。また、本実施の形態では、当該制御基板３０３の実装面にフィルターコンデンサ３０４，３０５等が実装されている。このように、ヒートシンク１００に搭載された電気的素子の集合は、それらが一体となってＤＣ／ＤＣコンバータ等といったコンバータ１０（電力変換装置）を形成する。
【００１６】
基礎体１１０の他方の面には、当該基礎体に結合された複数の放熱フィン１３１が配備される。当該複数の放熱フィン１３１の各々は、冷媒流体２００の流線に沿った状態で略平行に配置されている。かかる放熱フィン１３１は、各々が、一定の板厚を有したものであって、この板巾によって冷媒流路の深さが定まる。かかる放熱フィン１３１では、基礎体１１０から熱量が順次伝達され、この熱量が冷却冷媒２００へ放熱されることとなる。以下、説明の便宜上、放熱フィン１３１について、冷媒流体の上流側に配置される端部を先端部位、冷媒流体の下流側に配置される端部を尾端部位、基礎体に結合される部位を固定端、その反対側を自由端と呼ぶこととする。尚、上述した冷媒流路とは、隣接する放熱フィンによって区画される各流路をいう。
【００１７】
複数の放熱フィン１３１は、図示の如く、属性の異なる部位に揃えられた上流側放熱フィン群１３１ａと下流側放熱フィン群１３１ｂとが設けられる。本実施の形態における属性とは、流体力学的に有意な距離的関係、その他、圧力損失、境界摩擦等によって生じる損失係数の共通性を言う。本実施の形態では、各冷媒流路について、ヒートシンクの先端面から圧力損失を等しくする点の集合を、属性を等しくする距離的関係と呼んでいる。
【００１８】
本実施の形態に係る上流側放熱フィン１３１ａは、冷媒流体の流線に対し、其の上流側に先端部位が揃えられている。また、下流側放熱フィン１３１ｂは、第１の放熱フィン群１３１ａの下流側に先端部位が配されている。即ち、上流側放熱フィン群１３１ａは、冷媒流体の最上流側となるヒートシンクの領域に当該フィンの先端部位が配置される。また、下流側放熱フィン群１３１ｂは、上流側放熱フィン群１３１ａよりも下流に配置されるところ、ここを流下した距離に比例して圧力損失が生じることになる。尚、上流側放熱フィン群１３１ａについては、複数のフィンから構成されても良く、一のフィンから成るものであっても良い。
【００１９】
一般に、流体の圧力状態は、流通断面の形状，境界面の粗度によって損失係数が変化する。また、急拡大断面又は急縮小断面については、これが緩慢に変化する断面と比べて大きな圧力損失を生じさせる。
【００２０】
本実施の形態に係るヒートシンクによると、異なる属性の放熱フィン群が２段階に配備されるので、冷媒流体の通過断面が徐々に変化することになり、圧力損失の発生を抑えることが可能となる。また、本実施の形態では、放熱フィンの尾端部位についても、距離的属性の異なる複数の放熱フィン群が設けられ、流出側で生じる圧力損失の低減が図られている。
【００２１】
また、第２の放熱フィン群１３１ｂについて、距離的属性の異なる放熱フィン群を２以上の構成としても良い。かかる構成によると、冷媒流体の通過断面の変化が更に緩和されるので、これに応じて、圧力損失の発生をより効果的に抑えることが可能となる。
【００２２】
また、本実施の形態に係る下流側放熱フィン１３１ｂは、上流側放熱フィン１３１ａの各先端部位に対し圧力損失を略一致させるよう、当該下流側放熱フィン１３１ｂの先端部位の配置が定められている。即ち、本実施の形態では、圧力損失の分布が略一致する部位を繋ぎ渡す状態で、下流側放熱フィン１３１ｂが連続的に配列されることとなる。
【００２３】
これによると、放熱フィンの配列が流体力学上有意なものとされるので、圧力損失を所期の状態へ抑制させ得る冷媒流路の形成が可能となる。また、これを実現させる範囲であれば、当該放熱フィンを増やす設計が可能となり、結果として、放熱効率を維持させる設計にも資することになる。即ち、本実施の形態によると、流体力学上有意となるよう放熱フィンの配列が成され、圧力損失の抑制と放熱効率の維持とをバランスさせた放熱構造上好ましい冷媒流路を形成させることが可能となる。
【００２４】
尚、上述した距離的属性は、圧力損失に基づいて定められるところ、その一般的な態様を説明するにあたり、下流側放熱フィン１３１ｂの配列を各々下流側へ変位させている状態が紹介されている。しかし、各流路の状態如何によっては、ヒートシンクの上流側端面を起点とする各流路の等距離下流地点の圧力損失が互いに一致する場合も考えられる。このような場合、下流側放熱フィン１３１ｂの先端部位が圧力損失に基づいて配列されると雖も、各々の下流側放熱フィン１３１ｂの先端部位は、ヒートシンクの上流側端面を起点とする流下距離が全て等しい位置に配列される。即ち、かかる場合における下流側放熱フィン１３１ｂの先端部位は、ヒートシンクの上流側端面に略平行な配列を示す。
【００２５】
図２で説明した本実施の形態は、冷媒流体２００を通過させる流路について、更なる工夫を加えることが検討されている。これを説明する前に、冷媒流路に纏わる前提事項を具体的に説明する。先ず、放熱フィンが互いに隣接する部位には、一方のフィンとこれに隣接するフィンとの間に隣接空間が形成される。この隣接空間については、流線の適宜のポイントを観察点とすると、この観察点について流線に垂直となる流路断面４０２，４０５が与えられる。流路断面４０２は、後述する第１領域面５０１に対応して設けられたものであり、流路断面４０５は、後述する第２領域面５０２に対応して設けられたものである。
【００２６】
同図によると、第１領域面５０１は、「他方の面」の一部領域を形成するものであって、冷媒流体の上流側に設けられている。第２領域面５０２は、これも「他方の面」の一部領域を形成するものであって、第１領域面５０１よりも下流側に設けられている。かかる領域面５０１，５０４は、冷媒流体の流れ道であるところ、互いがＲ面によって連続な平面を形成している。
【００２７】
図３（ａ）は、流路断面４０２を流線方向上流側から観察した断面図である。また、図３（ｂ）は、流路断面４０５を流線方向上流側から観察した断面図である。これらを比較すると、第２領域面５０２は、放熱フィンの自由端からの溝深さが、第１領域面５０１の其れと比べて浅いことが解る。
【００２８】
図３（ａ）及び図３（ｂ）には、第１領域面５０１（他方の面の所定部位）からオフセットされた基準面４０３が示されている。同図の何れにあっても、互いの放熱フィンの間に隣接空間が形成される。図３（ａ）では、一辺が第１領域面５０１によって境界が与えられ、他辺が基準面４０３によって境界が与えられ、これによって基準面４０３に基づく流路断面積４０４ａが規定される。また、図３（ｂ）では、一辺が第２領域面５０２によって境界が与えられ、他辺が基準面４０５によって境界が与えられ、これによって同基準面４０３に基づく流路断面積４０４ｂが規定される。
【００２９】
上述した基準面４０３は、「他方の面」の所定部位からオフセットされた絶対的位置を示すところ、第１領域面であろうと第２領域面であろうと其の位置が変化することはない。従って、流路断面積４０４ａは、溝深さの関係から、第２領域面５０２による流路断面積４０４ｂと比較して大きくなるものである。
【００３０】
かかる実施の形態によると、第１領域面５０１から第２領域面５０２に至る経路について、流路断面積が段階的に変化するように設計できる。従って、ヒートシンクへの流入部については、このメリットを利用し、其処を通過する冷媒流体の損失係数を抑えることが可能となる。このような「他方の面」の形状は、上流側放熱フィン又は下流側放熱フィンから幾分流線方向に変位させて設けられると、圧力損失の低減効果をより顕著なものとすることができる。
【００３１】
また、上述した放熱フィンは、上流側に設けられた先端部位において、固定端から自由端へ至る形状が下流方向へ傾斜する斜行形状とされるのが好ましい。かかる斜行形状とされた先端部位は、下流方向に向かって徐々に高さ成分を増加させるので、其処での損失係数を低下させることに寄与する。そして、かかる形状とされた先端部位は、上述した圧力損失の緩減作用が与えられる領域近傍に配置されるので、これらの効果と相俟って更なる損失低下作用を期待できる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  コンバータ，    １００  ヒートシンク，    １１０  基礎体，    １２０  一方の面，  １２１  受熱領域，    １３１  放熱フィン，    １３１ａ  第１の放熱フィン群，    １３１ｂ  第２の放熱フィン群，    ２００  冷媒流体，  ３０１  発熱性素子，    ３０２  伝熱性基板，    ３０３  制御基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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