(57)【要約】  ヒートシンクはベースプレートと、ベースプレートに重なるカバーと、ベースプレートからベースプレートに対する垂直方向に突出し且つベースプレート及びカバーの間に位置する板状のフィンと、ベースプレートに平行な第１方向に隙間を空けて並ぶ複数のフィンで構成される第１フィングループと、第１方向に隙間を空けて並ぶ複数のフィンで構成され且つ第１フィングループに対して、冷媒の流入方向と平行で、第１方向に垂直な第２方向に隙間を空けて隣接する第２フィングループとを備える。フィンの長手方向は第２方向に沿う。第２フィングループに属するフィンの第１方向の位置は第１フィングループに属するフィンの第１方向の位置に対してずれている。
2020009157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレートと、
前記ベースプレートに重なるカバーと、
前記ベースプレートから前記ベースプレートに対する垂直方向に突出し且つ前記ベースプレート及び前記カバーの間に位置する板状のフィンと、
前記ベースプレートに平行な第１方向に隙間を空けて並ぶ複数の前記フィンで構成される第１フィングループと、
前記第１方向に隙間を空けて並ぶ複数の前記フィンで構成され且つ前記第１フィングループに対して、冷媒の流入方向と平行で、前記第１方向に垂直な第２方向に隙間を空けて隣接する第２フィングループと、
を備え、
前記フィンの長手方向は、前記第２方向に沿い、
前記第２フィングループに属する前記フィンの前記第１方向の位置は、前記第１フィングループに属する前記フィンの前記第１方向の位置に対してずれている
ヒートシンク。
【請求項２】
前記フィンは、前記第１方向に向かって凸である第１湾曲部と、前記第１湾曲部とは逆向きに凸である第２湾曲部と、を備える
請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記ベースプレート及び前記フィンは、アルミニウムを含む金属である
請求項１又は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、ヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を備える電子機器には熱が生じる。電子機器に生じる熱は、処理速度の低下又は誤作動の原因となることがある。このため、電子機器に生じる熱を除去するために、電子機器にはヒートシンクが取り付けられる。例えば特許文献１には、冷媒体が流通する流路にフィンを有する熱交換器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１３８８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電子機器の高性能化に伴って発熱量が増加している。その一方で、電子機器には小型化が求められる。このため、冷却効率が高いヒートシンクが望まれていた。【０００５】
本発明は、冷却効率を向上させることができる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】
【０００６】
本発明の一態様に係るヒートシンクは、ベースプレートと、前記ベースプレートに重なるカバーと、前記ベースプレートから前記ベースプレートに対する垂直方向に突出し且つ前記ベースプレート及び前記カバーの間に位置する板状のフィンと、前記ベースプレートに平行な第１方向に隙間を空けて並ぶ複数の前記フィンで構成される第１フィングループと、前記第１方向に隙間を空けて並ぶ複数の前記フィンで構成され且つ前記第１フィングループに対して、冷媒の流入方向と平行で、前記第１方向に垂直な第２方向に隙間を空けて隣接する第２フィングループと、を備え、前記フィンの長手方向は、前記第２方向に沿い、前記第２フィングループに属する前記フィンの前記第１方向の位置は、前記第１フィングループに属する前記フィンの前記第１方向の位置に対してずれている。【０００７】
これにより、ある２つのフィン間を通過した冷媒と、別の２つのフィン間を通過した冷媒とが、第１フィングループと第２フィングループとの間の隙間で合流する。さらに、第１フィングループと第２フィングループとの間の隙間で合流した冷媒は、隙間の下流にあるフィンに当たるので、再び分断される。冷媒の合流及び分断が繰返されることで冷媒の流れが乱流になりやすくなる。したがって、ヒートシンクは、冷却効率を向上させることができる。【０００８】
本発明の望ましい態様に係るヒートシンクにおいて、前記フィンは、前記第１方向に向かって凸である第１湾曲部と、前記第１湾曲部とは逆向きに凸である第２湾曲部と、を備える。これにより、フィン間における冷媒の流れが乱流になりやすくなる。したがって、ヒートシンクの冷却効率がより向上する。【０００９】
本発明の望ましい態様に係るヒートシンクにおいて、前記ベースプレート及び前記フィンは、アルミニウムを含む金属である。これにより、被冷却物で生じた熱がフィンに伝達されやすくなるので、ヒートシンクの冷却効率がより向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のヒートシンクによれば、冷却効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態のヒートシンクの斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態のベースプレート及びフィンの斜視図である。
【図３】図３は、本実施形態のベースプレート及びフィンの平面図である。
【図４】図４は、本実施形態のベースプレート及びフィンの右側面図である。
【図５】図５は、図２の一部の拡大図である。
【図６】図６は、図３の一部の拡大図である。
【図７】図７は、ヒートシンクの内部における冷媒の流れを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００１３】
（実施形態）
図１は、本実施形態のヒートシンクの斜視図である。図２は、本実施形態のベースプレート及びフィンの斜視図である。図３は、本実施形態のベースプレート及びフィンの平面図である。図４は、本実施形態のベースプレート及びフィンの右側面図である。図５は、図２の一部の拡大図である。図６は、図３の一部の拡大図である。
【００１４】
本実施形態のヒートシンク１は、例えば半導体素子を有する電子機器の冷却装置として用いられる器具である。ヒートシンク１は、電子機器に取り付けられて、電子機器で発生する熱を放散させる。電子機器に搭載される半導体素子は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等が挙げられる。
【００１５】
図１及び図２に示すように、ヒートシンク１は、ベースプレート５と、カバー３と、複数のフィン７と、を備える。例えば、被冷却物である電子機器が、ベースプレート５に取り付けられる。
【００１６】
図２に示すように、ベースプレート５は、板状に形成されている。ベースプレート５は、例えばアルミニウムを含む金属である。より具体的には、ベースプレート５は、マグネシウム及びシリコンを含むアルミニウム合金（ＪＩＳ  Ａ６０６３）である。アルミニウム合金におけるマグネシウムの含有率は、例えば０．６％以下である。また、他のアルミニウム合金としては、ＪＩＳ  Ａ１０５０、ＪＩＳ  Ａ３００３等が挙げられる。ベースプレート５の厚さは、例えば約１ｍｍである。ベースプレート５は、複数の取付孔５０を備える。
【００１７】
図１に示すように、カバー３は、ベースプレート５に重なる。カバー３は、例えばベースプレート５と同じ材料で形成される。カバー３は、ケース部３１と、フランジ部３２と、を備える。ケース部３１は、例えば略直方体状に形成されている。ケース部３１とベースプレート５との間に空間が形成されている。ケース部３１は、冷媒導入孔１１と、冷媒排出孔１２と、を備える。冷媒排出孔１２は、ケース部３１のうち冷媒導入孔１１が設けられた面とは反対側の面に設けられている。フランジ部３２は、ベースプレート５に接する。フランジ部３２は、複数の取付孔３０を備える。取付孔３０は、ベースプレート５の取付孔５０と重なる。カバー３は、例えば取付孔５０及び取付孔３０を貫通するボルト及びナットによりベースプレート５に固定される。
【００１８】
ケース部３１の内部には冷媒が供給される。冷媒は、冷媒導入孔１１を介してケース部３１の内部に導入される。冷媒は、冷媒排出孔１２を介してケース部３１から排出される。冷媒は、例えば水である。冷媒は、電子機器で生じた熱をケース部３１の内部で受け取ったあと、ケース部３１の外部に排出される。これにより、電子機器の放熱が促進される。
【００１９】
以下の説明において、ＸＹＺ直交座標系が用いられる。Ｘ軸は、ベースプレート５に平行であって、冷媒導入孔１１及び冷媒排出孔１２を通る直線に対して垂直である。Ｙ軸は、ベースプレート５に平行であって、Ｘ軸に対して垂直である。なお、Ｘ方向を第１方向、Ｙ方向を第２方向と示す場合もある。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対して垂直である。Ｘ軸に沿う方向はＸ方向と記載され、Ｙ軸に沿う方向はＹ方向と記載され、Ｚ軸に沿う方向はＺ方向と記載される。冷媒導入孔１１から冷媒排出孔１２に向かう方向を＋（プラス）Ｙ方向とする。ベースプレート５からカバー３に向かう方向を＋（プラス）Ｚ方向とする。＋（プラス）Ｚ方向を上とし＋（プラス）Ｙ方向を向いた場合の左方向を＋（プラス）Ｘ方向とする。なお、冷媒導入孔１１及び冷媒排出孔１２を通る直線に平行な方向、つまりＹ方向を冷媒の流入方向とする。より具体的には、冷媒の流入方向は＋（プラス）Ｙ方向である。冷媒の流入方向は、図３のベースプレート５上に示す矢印の方向である。
【００２０】
フィン７は、ベースプレート５から＋（プラス）Ｚ方向に突出している。フィン７は、ベースプレート５とカバー３との間の空間に位置する。すなわちフィン７は、カバー３の内部に位置する。フィン７は、ベースプレート５と同じ材料で形成されており、ベースプレート５と一体である。例えば、ベースプレート５及びフィン７は、アルミニウム合金の原板を削り立てすることで成形される。すなわち、ベースプレート５及びフィン７は、スカイブ加工で成形される。フィン７は、板状に形成されている。Ｚ方向から見た場合のフィン７の長手方向はＹ軸に沿っている。なお、フィン７の長手方向はＹ軸に沿ってはいるが、必ずしもＹ軸と平行である必要は無く、Ｙ軸に対して角度を有していてもよい。具体的には、フィン７の長手方向がＹ軸に対して有する角度は、０度以上３０度以下であることが好ましく、０度以上１０度以下であることがより好ましい。Ｚ方向から見た場合のフィン７の短手方向はＸ軸に沿っている。
【００２１】
図３に示すように、ヒートシンク１は、第１フィングループ７０１と、第２フィングループ７０２と、を備える。第１フィングループ７０１は、Ｘ方向に並ぶ複数のフィン７で構成される。第１フィングループ７０１において、複数のフィン７は、Ｘ方向に等間隔に並べられている。第２フィングループ７０２は、Ｘ方向に並ぶ複数のフィン７で構成される。第２フィングループ７０２において、複数のフィン７は、Ｘ方向に等間隔に並べられている。なお、第２フィングループ７０２に属するフィン７の長手方向は、第１フィングループ７０１に属するフィン７の長手方向と平行であるが、必ずしも平行でなくてもよい。例えば、第２フィングループ７０２に属するフィン７の長手方向と、第１フィングループ７０１に属するフィン７の長手方向とが、Ｙ軸に対して対称であってもよい。
【００２２】
図３に示すように、第２フィングループ７０２は、第１フィングループ７０１に対してＹ方向に隙間を設けて隣接している。例えば、第１フィングループ７０１及び第２フィングループ７０２は、Ｙ方向に交互に並んでいる。すなわち、第２フィングループ７０２は、２つの第１フィングループ７０１の間に位置している。また、第１フィングループ７０１及び第２フィングループ７０２は、それぞれＹ方向に等間隔に並んでいる。第１フィングループ７０１に属するフィン７と、第２フィングループ７０２に属するフィン７との間には隙間が設けられている。第１フィングループ７０１と第２フィングループ７０２との間の隙間長さＧは、３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましい。隙間長さＧが３ｍｍを超えると、フィン７を立てるスペースが小さくなり、ベースプレート５上に立てられるフィン７の枚数が減り、冷却能力が低下する。
【００２３】
図６に示すように、第２フィングループ７０２における複数のフィン７のピッチＰ２は第１フィングループ７０１における複数のフィン７のピッチＰ１に等しい。ピッチＰ１及びピッチＰ２は、Ｘ方向に隣接するフィン７の重心間の距離である。以下において、ピッチＰ１及びピッチＰ２は、互いを区別する必要がない場合、ピッチＰと記載する。ピッチＰは、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましく、例えば１．５ｍｍである。ピッチＰが２ｍｍより大きいと、冷媒とフィン７との接触面積が小さくなり、冷却能力が小さくなる。逆にピッチＰが０．５ｍｍ未満である場合、冷媒が流れにくくなり、冷媒の流量が小さくなり、冷却能力が低下する。また、フィン７を削り立てることも難しくなる。さらにピッチＰに対する隙間長さＧの比をさＧ／Ｐとすると、Ｇ／Ｐは、６以下であることが好ましく、４以下であることがより好ましく、例えば１．３３である。
【００２４】
第２フィングループ７０２に属するフィン７のＸ方向の位置は、第１フィングループ７０１に属するフィン７のＸ方向の位置に対してずれている。具体的には、第２フィングループ７０２に属するフィン７のＸ方向の位置は、第１フィングループ７０１に属するフィン７のうち隣接するフィン７の間にずれている。第１フィングループ７０１に属するフィン７と、第２フィングループ７０２に属するフィン７との間のＸ方向のずれ量Ｓは、ピッチＰよりも小さい。図６に示すように、ずれ量Ｓは、ピッチＰ２と距離Ｒとの差である。距離Ｒは、第１フィングループ７０１のフィン７（例えば図６に示すフィン７ａ）の重心と、フィン７ａに最も近い第２フィングループ７０２のフィン７（フィン７ｃ）の重心との間のＸ方向の距離である。すなわち、ずれ量Ｓは、フィン７ａとフィン７ａから２番目に近い第２フィングループ７０２のフィン７（フィン７ｂ）との間のＸ方向の距離である。例えば、ピッチＰが１．５ｍｍの場合、ずれ量Ｓは、１．１ｍｍであり、距離Ｒは、０．４ｍｍである。距離Ｒは、ピッチＰの１／１０倍以上、ピッチＰの１／２倍以下であることが好ましい。距離Ｒは、ピッチＰの１／５倍以上、ピッチＰの２／５倍以下であることがより好ましい。すなわち、ピッチＰに対する距離Ｒの比をＲ／Ｐとすると、Ｒ／Ｐは、１／１０以上５／１０以下であること好ましい。Ｒ／Ｐは、２／１０以上４／１０以下であることがより好ましい。Ｒ／Ｐが上述した範囲にあることで冷媒の流れが乱流になり易く、冷却効率が向上する。
【００２５】
図６に示すように、第１フィングループ７０１と第２フィングループ７０２との間の隙間長さＧは、ピッチＰよりも大きい。言い換えると、隙間長さＧは、第１フィングループ７０１に属するフィン７と、第２フィングループ７０２に属するフィン７との間のＹ方向の距離である。
【００２６】
図６に示すように、フィン７は、Ｚ方向から見て湾曲している。すなわちフィン７は、波形の形状を有する。フィン７は、第１湾曲部７１と、第２湾曲部７２と、を備える。第１湾曲部７１は、−（マイナス）Ｘ方向に向かって凸になるように湾曲している。第２湾曲部７２は、＋（プラス）Ｘ方向に向かって凸になるように湾曲している。第２湾曲部７２は、第１湾曲部７１とは逆に湾曲している。すなわち、Ｚ方向から見て、フィン７は略Ｓ字状である。Ｚ方向から見た場合の第２湾曲部７２の中心線Ｃ２の曲率半径は、Ｚ方向から見た場合の第１湾曲部７１の中心線Ｃ１の曲率半径に等しい。中心線Ｃ１の曲率半径及び中心線Ｃ２の曲率半径は、例えば３ｍｍであり、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。第１湾曲部７１のＹ方向の長さＬ１は、例えば２．５ｍｍである。第２湾曲部７２のＹ方向の長さＬ２は、例えば２．５ｍｍである。
【００２７】
フィン７の肉厚Ｔは一定である。肉厚Ｔは、Ｚ方向から見た場合のフィン７が描く円弧の接線に対して垂直な方向におけるフィン７の長さである。肉厚Ｔは、例えばピッチＰの１／３倍以上１／２倍以下である。また、肉厚Ｔはずれ量Ｓよりも小さい。肉厚Ｔは、例えば０．６ｍｍである。第１湾曲部７１の長さＬ１及び第２湾曲部７２の長さＬ２は、肉厚Ｔの０．２倍以上１倍以下であることが好ましい。また、フィン７の幅Ｗ（Ｙ方向の長さ）は、例えば５ｍｍである。幅Ｗに対する長さＬ１の比をＬ１／Ｗ、幅Ｗに対する長さＬ２の比をＬ２／Ｗとすると、Ｌ１／Ｗ及びＬ２／Ｗは、１／２である。図４に示すように、フィン７の高さＨ（Ｚ方向の長さ）は、例えば４ｍｍである。また、幅Ｗに対する隙間長さＧの比をＧ／Ｗとすると、Ｇ／Ｗは、１以下であることが好ましく、０．６以下であることがより好ましく、０．４以下であることがさらに好ましい。Ｇ／Ｗが大きいとフィン７の表面積が小さくなり、冷却性能が低下する。
【００２８】
図７は、ヒートシンクの内部における冷媒の流れを示す模式図である。図１に示すケース部３１の内部に供給された冷媒は、複数のフィン７の間を通過する。冷媒がフィン７に接することで、電子機器からフィン７に伝わった熱が冷媒に吸収される。上述したように、第１フィングループ７０１と、第２フィングループ７０２との間には隙間がある。これにより、図７に示すように、ある２つのフィン７間を通過した冷媒と、別の２つのフィン７間を通過した冷媒とが、矢印で示すように第１フィングループ７０１と第２フィングループ７０２との間の隙間で合流する。さらに、第２フィングループ７０２に属するフィン７が第１フィングループ７０１のフィン７に対してＸ方向にずれている。これにより、第１フィングループ７０１を通過した後に合流した冷媒が、第２フィングループ７０２のフィン７に当たることで再び分断される。このため、ケース部３１の内部での冷媒の流れが乱流になりやすくなる。その結果、フィン７から冷媒への熱伝達が促進される。
【００２９】
なお、冷媒導入孔１１及び冷媒排出孔１２は、必ずしも上述した位置になくてもよい。例えば、冷媒導入孔１１又は冷媒排出孔１２が、ケース部３１のうちＺ軸に垂直な面に配置されていてもよい。また、ケース部３１が、複数の冷媒導入孔１１及び複数の冷媒排出孔１２を備えていてもよい。
【００３０】
なお、第１フィングループ７０１及び第２フィングループ７０２は、必ずしもフィン７が配置される全ての範囲に亘って交互に配置されていなくてもよい。少なくとも、フィン７が配置される範囲の一部で、第２フィングループ７０２が第１フィングループ７０１に対してＹ方向に隣接していればよい。例えば、２つの第１フィングループ７０１の間に複数の第２フィングループ７０２があってもよいし、２つの第２フィングループ７０２の間に複数の第１フィングループ７０１があってもよい。
【００３１】
なお、フィン７は、必ずしも上述した形状を有していなくてもよい。例えば、第２湾曲部７２は、第１湾曲部７１と同じ向きに湾曲していてもよい。例えば、フィン７は、第１湾曲部７１及び第２湾曲部７２を備えていなくてもよい。例えば、フィン７は、第１湾曲部７１及び第２湾曲部７２のいずれか１つのみを有していてもよい。例えば、フィン７は、第１湾曲部７１及び第２湾曲部７２に加え、第３湾曲部等を有していてもよい。フィン７は、製造可能な範囲で、３つ以上の湾曲部を有していてもよい。複数の湾曲部のＹ方向の長さは、互いに異なっていてもよい。また、フィン７は、湾曲部を備えていなくてもよく、直線状であってもよい。
【００３２】
なお、図４及び図６に示す隙間長さＧ、高さＨ、ピッチＰ１、ピッチＰ２、肉厚Ｔ及び幅Ｗについて上述した値は一例である。それぞれの値は、必ずしも上述した値でなくてもよい。
【００３３】
以上で説明したように、ヒートシンク１は、ベースプレート５と、カバー３と、フィン７と、第１フィングループ７０１と、第２フィングループ７０２と、を備える。カバー３は、ベースプレート５に重なる。フィン７は、ベースプレート５からベースプレート５に対する垂直方向に突出し且つベースプレート５及びカバー３の間に位置する板状の部材である。第１フィングループ７０１は、ベースプレート５に平行な第１方向（Ｘ方向）に隙間を空けて並ぶ複数のフィン７で構成される。第２フィングループ７０２は、第１方向（Ｘ方向）に隙間を空けて並ぶ複数のフィン７で構成され且つ第１フィングループ７０１に対して冷媒の流入方向と平行な第２方向（Ｙ方向）に隙間を設けて隣接する。フィン７の長手方向は、第２方向に沿う。第２フィングループ７０２に属するフィン７は、第１フィングループ７０１に属するフィン７に対して第２方向（Ｙ方向）に隙間を空けて配置されている。第２フィングループ７０２に属するフィン７の第１方向（Ｘ方向）の位置は、第１フィングループ７０１に属するフィン７の第１方向（Ｘ方向）の位置に対してずれている。
【００３４】
これにより、ある２つのフィン７間を通過した冷媒と、別の２つのフィン７間を通過した冷媒とが、第１フィングループ７０１と第２フィングループ７０２との間の隙間で合流する。さらに、第１フィングループ７０１と第２フィングループ７０２との間の隙間で合流した冷媒は、隙間の下流にあるフィン７に当たるので、再び分断される。冷媒の合流及び分断が繰返されることで冷媒の流れが乱流になりやすくなる。したがって、ヒートシンク１は、冷却効率を向上させることができる。
【００３５】
またヒートシンク１において、フィン７は、第１方向（Ｘ方向）に向かって凸である第１湾曲部７１と、第１湾曲部７１とは逆向きに凸である第２湾曲部７２と、を備える。これにより、フィン７間における冷媒の流れが乱流になりやすくなる。したがって、ヒートシンク１の冷却効率がより向上する。
【００３６】
またヒートシンク１において、ベースプレート５及びフィン７は、アルミニウムを含む金属である。これにより、被冷却物で生じた熱がフィン７に伝達されやすくなるので、ヒートシンク１の冷却効率がより向上する。
【符号の説明】
【００３７】
１  ヒートシンク
１１  冷媒導入孔
１２  冷媒排出孔
３  カバー
３０  取付孔
３１  ケース部
３２  フランジ部
５  ベースプレート
５０  取付孔
７  フィン
７０１  第１フィングループ
７０２  第２フィングループ
７１  第１湾曲部
７２  第２湾曲部
Ｃ１、Ｃ２  中心線
Ｇ  隙間長さ
Ｈ  高さ
Ｐ１、Ｐ２  ピッチ
Ｔ  肉厚
Ｗ  幅
【図１】
2020009157.tif 000003
【図２】
2020009157.tif 000004
【図３】
2020009157.tif 000005
【図４】
2020009157.tif 000006
【図５】
2020009157.tif 000007
【図６】
2020009157.tif 000008
【図７】
2020009157.tif 000009
【国際調査報告】
2020009157.tif 000010
2020009157.tif 000011