WO2018138936A1 - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

高冷却性能を必要とする領域には流体抵抗の小さなピン形状の第１放熱フィン（１２）を配置し、低冷却性能で良い領域においては、流体抵抗の大きな狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状の第２放熱フィン（１３）を配置する。更に、第１放熱フィン（１２）と第２放熱フィン（１３）を冷媒の流れ方向に対して並列に設置する。

Description

ヒートシンク

　この発明は、例えば発熱素子を冷却するヒートシンクに関するものである。

　パワー半導体のＳｉＣ（Silicon　carbide）チップは高コストのため、チップのサイズを縮小する、所謂、チップシュリンクが必要不可欠となっており、その結果、発熱密度が増大し高温になることから、高熱伝達率を有するヒートシンクが求められている。
　一方で、発熱密度が高いＳｉＣと一緒に、発熱密度の低い部品が同一ヒートシンク上に配置される場合がある。

　発熱密度の低い部品は低冷却性能であっても十分に冷却されるにもかかわらず、ヒートシンク全体に一様な流量で冷媒を流すと、低冷却性能で良い領域に対してはオーバースペックな放熱性能となり、冷却水を循環させるためのエネルギーが余分に消費されてしまう問題がある。そこで、低冷却性能で良い領域には小流量の冷媒を流し、高冷却性能を必要とする領域には大流量の冷媒を流すように流量を調整することが冷媒を循環させるための消費エネルギーの節約になり望ましい。

　ヒートシンク内で冷媒の流量を調整する方法としては、例えば特許第５６０５４３８号公報（特許文献１）に、直径の異なるピンフィンを配置して、大流量の冷媒を流す領域の流体抵抗を小さくし、小流量の冷媒を流す領域の流体抵抗を大きくする方法が提案されている。

特許第５６０５４３８号公報

　前記特許文献１に開示された方法では、冷却器の流路内に存在するピンフィンの直径を変えて配置することにより流路断面積を調整し、局所領域の流体抵抗を変化させて流量を調整している。しかしながら、上述のような従来の方法では、同一ヒートシンク上で、例えば単位断面積当たりの流量に２倍以上の差をつけるなど、極端な流量差をつけることができない問題があった。小流量の冷媒を流す領域に壁や絞りなどの障害物を設けて流体抵抗を増やせば大きな流量差をつけることも可能であるが、ヒートシンクの圧力損失を増加させることになり、消費エネルギーが増加してしまう問題があった。

　この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、同一ヒートシンク上で流量が小さい領域と大きい領域を設けることにより、発熱密度の大きな部品に対する冷却性能を大きくし、発熱密度の小さな部品に対する冷却性能を小さくしつつ、圧力損失の増加を抑制することができるヒートシンクを得ることを目的とする。

　この発明に係るヒートシンクは、ベースに複数の放熱フィンを設けたヒートシンクであって、前記放熱フィンは、ピン形状の第１放熱フィンと狭ピッチの蛇行した溝を複数列並べた形状の第２放熱フィンとを備えて構成され、前記第１放熱フィンと前記第の放熱フィンは、前記ベースの同一平面上に、冷媒の流れ方向に対して並列に配置されていることを特徴とする。

　この発明に係るヒートシンクによれば、狭ピッチの蛇行した溝を複数列並べた形状の第２放熱フィンに流入した冷媒は溝の壁に衝突して流れ方向を転換することを繰り返すため、流体抵抗が非常に大きく単位断面積当たりの冷媒の流入量は小さくなる。一方で、ピン形状の第１放熱フィンの流体抵抗は小さいので、第１放熱フィンの単位断面積当たりの冷媒の流入量は大きくなる。更に、第１放熱フィンと第２放熱フィンを冷媒の流れに対して並列に配置することで、合計圧力損失を抑制することが可能になる。
　この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１に係るヒートシンクを示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクのフィンが配置された面から見たベースの平面図である。 図２に示す狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状のフィンの拡大図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクのフィンが配置された面から見たベースの模式図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートシンクのジャケットの斜視図である。 図５のＡ－Ａ線に沿う矢視断面図である。 図６のＢ部の拡大図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートシンクのフィンが配置された面から見たベースの平面図である。 図８のＣ部の拡大図である。

　以下、この発明に係るヒートシンクの実施の形態について図に基づいて説明する。なお、各図において同一または相当部分については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係るヒートシンクを示す分解斜視図であり、図２はフィンが配置された面から見たベースの平面図である。
　図１及び図２において、実施の形態１に係るヒートシンク１００は、発熱密度が低い発熱素子が設置された面１０と、発熱密度が高い発熱素子が設置された面１１と、発熱密度が低い発熱素子が設置された面１０の裏面に設けられた狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状の第１放熱フィン１２と、発熱密度が高い発熱素子が設置された面１１の裏面に設けられたピン形状の第２放熱フィン１３を有するベース１４と、ベース１４を収納したジャケット１５と、このジャケット１５の対向した側面にそれぞれ設けられた冷媒入口部１６及び冷媒出口部１７と、を備えて構成されている。

　このヒートシンク１００では、冷媒は図１の矢印イに示すように、冷媒入口部１６を通ってジャケット１５とベース１４との間の空間に入る。この空間内では、冷媒は発熱素子から受熱した第１放熱フィン１２及び第２放熱フィン１３と熱交換し、第１放熱フィン１２及び第２放熱フィン１３を通じて発熱素子は冷却される。第１放熱フィン１２及び第２放熱フィン１３との熱交換により受熱した冷媒は、そのまま冷媒出口部１７を通じてヒートシンク１００の外部に排出される。なお、冷媒は液体、気体、気液混合体を問わない。

　図３は、狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状の第１放熱フィン１２の拡大図である。図３において、第１放熱フィン１２に流入した冷媒は矢印ロに示す様に、冷媒の流通方向と平行な短い流路１８に流入する。その後、冷媒は流路の壁に衝突し、流れ方向を９０°変え、冷媒の流通方向と垂直な長い流路１９に流入する。冷媒は、その後、壁に衝突し、流れ方向を９０°変えながら、短い流路１８と長い流路１９を交互に通過して第１放熱フィン１２から排出される。

　このように、冷媒は流路の壁に衝突し、流れの方向を９０°変えるという事を繰り返しながら流れるため、流体抵抗は非常に大きくなる。

　一方、狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状の第１放熱フィン１２に隣接し、冷媒の流れに対して並列に配置されているピン形状の第２放熱フィン１３を通過する冷媒は、第１放熱フィン１２を通過するときの様に急激な流れ方向変化が無く、冷媒流通方向の単位断面積当たりの流路断面積が大きいため、流体抵抗は小さい。

　なお、前記においては、第１放熱フィン１２が、冷媒の流れる方向を９０°変えるクランク形の蛇行した溝を複数列並べた形状について説明したが、例えばＶ形に蛇行した溝を複数列並べた形状としてもよい。

　以上の様に、流体抵抗の大きな第１放熱フィン１２と流体抵抗の小さな第２放熱フィン１３が並列に配置されている場合、冷媒流通方向の単位断面積当たりの冷媒流量は第２放熱フィン１３の方が多くなる。よって、発熱密度が高い発熱素子が設置された面１１の直下の冷媒流量が多くなり、ヒートシンク１００は発熱密度が高い発熱素子に対しては高い冷却性能を提供し、発熱密度が低い発熱素子に対しては低い冷却性能を提供し、ヒートシンク全体に均一に大流量の冷媒を流すよりも冷媒を循環させるためのエネルギーを節約できる。

実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２に係るヒートシンクについて説明する。図４は、実施の形態２に係るヒートシンク２００の放熱フィンが配置された面から見たベースの模式図である。
　ベース１４には、流体抵抗の大きな狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状の第１放熱フィン１２と、流体抵抗の小さなピン形状の第２放熱フィン１３とが並列に配置されており、一般的には、流体抵抗の大きな第１放熱フィン１２には小流量の冷媒が流れ、流体抵抗の小さな第２放熱フィン１３には大流量の冷媒が流れるため、冷却性能は第１放熱フィン１２よりも第２放熱フィン１３の方が大きくなる。

　しかしながら図４に示すように、流体抵抗の小さな第２放熱フィン１３の冷媒の流通方向と垂直な方向のフィン領域の幅Ｗ１が、流体抵抗の大きな第１放熱フィン１２の冷媒の流通方向と垂直な方向のフィン領域の幅Ｗ２よりも著しく小さくなると、流体抵抗の小さな第２放熱フィン１３は、断面積が小さくなることにより流体抵抗が増加するため、冷媒流量が逆転し、流体抵抗の小さな第２放熱フィン１３の冷媒流量よりも流体抵抗の大きな第１放熱フィン１２の冷媒流量の方が大きくなり、発熱密度が高い発熱素子の冷却性能が不足してしまう問題が発生する場合がある。例えば、レイアウトの都合上、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも極端に狭くなる場合などでは、上記問題が発生しやすい。

　上記問題を回避するため、実施の形態２のヒートシンクでは、次に示す方法で放熱フィンの冷却性能と圧力損失の特性を適切に調整する。
　流体抵抗の小さな第２放熱フィン１３の添え字を１、流体抵抗の大きな第１放熱フィン１２の添え字を２とし、ｈを冷却性能の指標である熱伝達率、Ｐを圧力損失、Ｕを前面流速、γ、δ、ｍ、ｎをフィン形状で決まる定数と置くと、それぞれの領域の熱伝達率ｈと、圧力損失Ｐは、それぞれ次式（１）～（４）で表わすことができる。
　　ｈ１＝γ１Ｕ１ｍ１・・・（１）
　　Ｐ１＝δ１Ｕ１ｎ１・・・（２）
　　ｈ２＝γ２Ｕ２ｍ２・・・（３）
　　Ｐ２＝δ２Ｕ２ｎ２・・・（４）
　ここで、冷媒は放熱フィンに対して並列に流されているため、Ｐ１＝Ｐ２が成り立つ。
　（２）式と（４）式より、
　　δ１Ｕ１ｎ１＝δ２Ｕ２ｎ２
　故に、Ｕ２＝｛（δ１／δ２）Ｕ１ｎ１｝１／ｎ２・・・（５）
となり、（５）式が得られる。この（５）式を（３）式に代入、整理すると
　　ｈ２＝γ２｛（δ１／δ２）Ｕ１ｎ１｝ｍ２／ｎ２・・・（６）
となる。

　ここで、第１放熱フィン１２の冷却性能よりも第２放熱フィン１３の冷却性能が大きくするには、ｈ２＜ｈ１とすればよく、ｈ２＜ｈ１を（６）式に代入、整理すると
　｛（γ２δ１）／（γ１δ２）｝ｍ２／ｎ２＜Ｕ１（ｍ１ｎ２－ｍ２ｎ１）／ｎ２・・・（７）
となる。
　ここで、一般的に熱伝達率はおおよそ流速の０．５乗に比例し、圧損はおおよそ流速の２乗に比例することが知られており、簡単のためここではｍ１＝ｍ２＝０．５、ｎ１＝ｎ２＝２と置き（７）式に代入、整理して
　（δ１／δ２）０．２５＜γ１／γ２・・・（８）
が得られる。第１放熱フィン１２と第２放熱フィン１３の特性を（８）式を満たす様に設定することにより、確実に第２放熱フィン１３の冷却性能を第１放熱フィン１２の冷却性能より大きくすることができる。

実施の形態３．
　次に、この発明の実施の形態３に係るヒートシンクについて説明する。図５は、実施の形態３に係るヒートシンク３００のジャケットの斜視図、図６は図５のＡ－Ａ線に沿う矢視断面図、図７は図６のＢ部の拡大図を示している。
　狭ピッチのジグザグに蛇行した溝を複数列並べた形状の第１放熱フィン１２とピン形状の第２放熱フィン１３を例えばダイカストや鍛造等で製造する場合、離型性や型寿命向上の観点から第１放熱フィン１２と第２放熱フィン１３の間に隙間を設けた方が良い。

　しかしながら、第１放熱フィン１２と第２放熱フィン１３の間に隙間を設けると、隙間の流体抵抗は極端に小さいため、隙間に多くの冷媒が流れてしまう。隙間に流れた冷媒は、放熱には寄与しないため、冷却性能は低下してしまう。

　そこで、実施の形態３に係るヒートシンク３００は、ジャケット１５に対し突起状の壁５０を、ジャケット１５とベース１４を組み立てた際に、第１放熱フィン１２と第２放熱フィン１３の隙間を埋めるような位置に設け、更に、壁５０と第１放熱フィン１２との隙間、及び壁５０と第２放熱フィン１３との隙間は、第１放熱フィン１２のフィン同士の隙間、もしくは第２放熱フィン１３のフィン同士の隙間のうちの何れか小さい方の隙間より、小さくすることにより、壁５０と第１放熱フィン１２、あるいは壁５０と第２放熱フィン１３との隙間の流体抵抗を上げ、冷媒が隙間を流れることを防ぎ、冷却性能の低下を抑制することができる。

実施の形態４．
　次に、この発明の実施の形態４に係るヒートシンクについて説明する。図８は、実施の形態４に係るヒートシンクの放熱フィンが配置された面から見たベースの平面図、図９は図８のＣ部の拡大図である。
　実施の形態４に係るヒートシンク４００では、第１放熱フィン１２と第２放熱フィン１３の間の隙間に多くの冷媒が流れてしまうことを防ぐため、第１放熱フィン１２側の端部に第２放熱フィン１３の一部を埋め込んだ突起９０を設けた。

　実施の形態４に係るヒートシンク４００は、突起９０を設けることにより、突起９０と隣接する第２放熱フィン１３との隙間の流体抵抗が第２放熱フィン１３そのものの流体抵抗とほぼ等しくなるため、第１放熱フィン１２と第２放熱フィン１３の隙間に多くの冷媒が流れることを防ぎ、冷却性能の低下を抑制することができる。

実施の形態５．
　次に、この発明の実施の形態５に係るヒートシンクについて説明する。実施の形態５のヒートシンクは、ピン形状の第２放熱フィンの断面形状が正六角形、もしくは正方形、もしくは正三角形（図示せず）であり、前記正六角形、もしくは正方形、もしくは正三角形の辺が互いに全面対向し、かつ、それぞれ互いに離間して対向した前記辺間距離が等しく配置されている。

　ピン形状の第２放熱フィンは、単位ベース面積当たりの表面積が大きい程、冷却性能が高い。単位ベース面積当たりの表面積を大きくするには、第２放熱フィンの側面を互いに全面対向させ、かつ、それぞれ互いに離間して対向した辺間距離が等しく配置するようにすればよい。

一般的に同一半径の円に内接するｎ角形では、正ｎ角形が最も辺の長さが長い事が知られており、各互いに離間して対向した辺と辺の距離が等しく配置されるのは、正多角形の中でも正三角形、正方形、正六角形の３種類のみであることが数学的に証明されている。

　上記により、ピン形状の第２放熱フィンの断面形状が正六角形、もしくは正方形、もしくは正三角形であり、断面形状の辺が互いに全面対向し、かつ、それぞれ互いに離間して対向した辺間距離が等しく配置された放熱フィンを第２放熱フィンとすることで、第２放熱フィンの冷却性能を特に高くすることができる。更に、第２放熱フィンの側面に凹凸を設けることにより、フィン側面の冷媒を撹拌し、冷却性能を高めることができる。

　以上、この発明の実施の形態１から実施の形態５に係るヒートシンクについて説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０　発熱密度が低い発熱素子が設置された面、１１　発熱密度が高い発熱素子が設置された面、１２　第１放熱フィン、１３　第２放熱フィン、１４　ベース、１５　ジャケット、１６　冷媒入口部、１７　冷媒出口部、１８　短い流路、１９　長い流路、５０　壁、９０　突起、１００、２００、３００、４００　ヒートシンク。

Claims (8)

1. 　ベースに複数の放熱フィンを設けたヒートシンクにおいて、
   　前記放熱フィンは、ピン形状の第１放熱フィンと狭ピッチの蛇行した溝を複数列並べた形状の第２放熱フィンとを備えて構成され、
   　前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンは、前記ベースの同一平面上に、冷媒の流れ方向に対して並列に配置されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 　前記第１放熱フィンを表す添え字を１、前記第２放熱フィンを表す添え字を２と置き、ｈを熱伝達率、Ｐをフィンの圧力損失、Ｕをフィン領域に冷媒が流入する直前の流速、γ、δ、ｍ、ｎをフィン形状で一意に決まる定数と置いたとき、ｈ１＝γ１Ｕ１ｍ１、Ｐ１＝δ１Ｕ１ｎ１、ｈ２＝γ２Ｕ２ｍ２、Ｐ２＝δ２Ｕ２ｎ２で表されるδ１、δ２、γ１、γ２が（δ１／δ２）０．２５＜γ１／γ２を満たすことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 　前記ヒートシンクのジャケットには、前記第１放熱フィンと、前記第２放熱フィンとの隙間に壁が設けられており、前記壁と前記第１放熱フィンとの隙間、及び前記壁と前記第２放熱フィンとの隙間は、前記第１放熱フィンのフィン同士の隙間、もしくは第２放熱フィンのフィン同士の隙間のうちの何れか小さい方の隙間より、小さくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. 　前記第２放熱フィンの前記第１放熱フィンが隣接する側の壁に、前記第１放熱フィンの一部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
5. 　前記第１放熱フィンは、断面形状が正六角形であり、前記正六角形の辺が互いに全面対向し、かつ、それぞれ互いに離間して対向した辺間距離が等しく配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
6. 　前記第１放熱フィンは、断面形状が正方形であり、前記正方形の辺が互いに全面対向し、かつ、それぞれ互いに離間して対向した辺間距離が等しく配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
7. 　前記第１放熱フィンは、断面形状が正三角形であり、前記正三角形の辺が互いに全面対向し、かつ、それぞれ互いに離間して対向した辺間距離が等しく配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
8. 　前記第１放熱フィンの側面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項６又は７に記載のヒートシンク。

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