JP5839386B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクに関し、詳しくは冷却用流体を用いて発熱体を冷却するヒートシンクに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動モーターを制御しているインバーターなどのパワーモジュールにはＩＧＢＴ素子等の発熱素子が実装されており、この発熱素子の動作時における発熱を放熱するため、パワーモジュールにはヒートシンクが設けられていることが多い。こうしたヒートシンクとしては、例えば、パワーモジュールに冷却体を密着させて設け、この冷却体内に冷却液等の冷却用流体を流すことで、パワーモジュールの放熱を行うように構成したものがある。このようなヒートシンクにおいては、冷却用流体と冷却体とで効率的に熱のやり取りが行われるように、冷却用流体の流れる流路内にフィンを設けたものがある。例えば、図９に示す従来のコルゲートフィン３０は、板状の部材を冷却用流体が流れる方向に沿って折り曲げてフィンが形成され、冷却用流体との接触面積を大きくしている。

こうしたヒートシンクでは、フィンが発熱体と熱的に接続され、フィンの表面に冷却用流体が接触してフィンと冷却媒体とで熱のやり取りが行われることで発熱体が冷却される。ここで、上述のコルゲートフィンの様に、フィンが冷却用流体が流れる方向に沿って設けられている場合、冷却用流体の流れは略層流となって、フィンから離れた所を流れる冷却用流体はフィンに直接に接触せず、フィンから近い所を流れる冷却用流体とフィンから遠い所を流れる冷却用流体との間に温度境界層が形成されてしまう。

フィンの表面付近で高温になった冷却用流体はフィンから熱を奪う能力が低下するから、冷却用流体に温度境界層が形成されると、ヒートシンクの冷却効率が低下してしまう。このため、冷却用流体に温度境界層が形成されるのを抑制すべく、冷却用流体の流れを乱すことが提案されている。例えば、平行に植立された複数のフィンの隣り合うフィンの間に、冷却用流体が流れる方向に対して斜めに矩形平板を設けたものが提案されていたり（例えば特許文献１参照）、複数のピンフィンを備えたヒートシンクの上流側に斜めにルーバを設け、複数のピンフィンに斜めに空気を流入させるものが提案されていたり（例えば特許文献２参照）、板状のベースに複数の突起が設けられ、冷却用流体の流れに対して傾斜する傾斜面が複数の突起のそれぞれに形成されているものが提案されている（例えば特許文献３参照）。

特開平０１−２０４４９８号公報 特開２００４−２８１４８４号公報 特開２００５−２４４０１４号公報

一般に、冷却用流体が流路の壁面と接触しやすくなるように冷却用流体の流れる流路を複雑に構成することにより、ヒートシンクの冷却性能を向上させることができるが、流路に冷却用流体を流すときの圧力損失が大きくなると、冷却用流体を循環させるために大きな出力のポンプが必要となってしまい、ポンプの駆動に伴って騒音が生じるおそれもある。

本発明は、冷却流路での冷却用流体の圧力損失が小さく且つ冷却性能に優れたヒートシンクを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のヒートシンクは、発熱体に熱的に接続されて冷却用流体の流れる流路内に配置されるフィンユニットを有し、前記冷却用流体を用いて前記発熱体を冷却するヒートシンクであって、
前記フィンユニットは、前記冷却用流体が流れる方向に沿った接続端を有する略長方形状の切り起こしが板状の部材に複数設けられることにより形成され、前記冷却用流体が流れる方向に対して垂直な方向に沿って並ぶように前記切り起こしが複数設けられて切り起こし列が形成されると共に、前記切り起こし列が前記冷却用流体が流れる方向に沿って互いに所定距離だけ離れて複数形成されており、
前記所定距離をａ（ｍｍ）とし、前記切り起こしにおける前記冷却用流体が流れる方向の長さをＬ（ｍｍ）とし、前記板状の部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、前記板状の部材の厚さ方向における前記冷却用流体の流路高さをＨＭ（ｍｍ）としたときに、下記の条件式（１）乃至（５）を満たし、
前記フィンユニットは、前記発熱体が熱的に接続される領域では、前記発熱体が熱的に接続されない領域に比して前記切り起こしにおける前記冷却用流体が流れる方向の長さが短く形成されている、
ことを特徴とする。
０．２≦ｔ／ＨＭ≦０．４・・・・・（１）
ｔ／ＨＭ≦０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．２２・・・・・（２）
ｔ／ＨＭ≧−０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．３８・・・・・（３）
ｔ／ＨＭ≦−０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．７３・・・・・（４）
ｔ／ＨＭ≧０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）−０．１３・・・・・（５）

前記フィンユニットは、前記冷却用流体の流れる流路の前記発熱体が位置する側と反対側の流路壁に前記板状の部材の板面が接するように設けられてもよい。

前記フィンユニットは、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成されていてもよい。

本発明によれば、冷却流路での冷却用流体の圧力損失が小さく且つ冷却性能に優れたヒートシンクを提供することができる。

本発明の実施形態に係るヒートシンクの様子の一例を示す斜視図である。 実施形態に係るヒートシンクのフィンユニットを拡大した様子の一例を示す斜視図である。 ヒートシンクを冷却用流体の流れの方向に沿って見たときの様子の一例を示す説明図である。 冷却用流体の流れる流路における冷却用流体の流れの方向に沿った断面の様子の一例を示す説明図である。 シミュレーション計算によるヒートシンクの性能の評価をまとめて示す説明図である。 第１の変形例のヒートシンクの様子の一例を示す図１に対応する図である。 第１の変形例のヒートシンクの様子の一例を示す図３に対応する図である。 第２の変形例のヒートシンクの様子の一例を示す斜視図である。 従来のヒートシンクの様子の一例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係るヒートシンク１０の様子の一例を示す斜視図である。ヒートシンク１０は、例えばＩＧＢＴ素子やリアクトルなどの図示しない発熱体（被冷却体）を冷却用流体を用いて冷却できるように構成されている。ヒートシンク１０は、図１に示すように、発熱体から熱Ｑが伝達されるベースプレート１２と、ベースプレート１２と共に冷却用流体の流路１８を構成するカバープレート１４と、冷却用流体の流路１８内に配置されるフィンユニット２０とを備える。実施形態では、冷却用流体は、水や不凍液などの液体を用いるものとした。冷却用流体は、例えばモータなどで駆動される図示しないポンプによって流路１８内を図１中白抜き矢印方向に流れる。

ベースプレート１２は、例えば数百μｍ〜数ｍｍの厚さの熱伝導性に優れた金属板（例えば、銅やアルミニウム、アルミニウム合金など）で形成されている。ベースプレート１２は、一方の面（図１中、紙面裏側の面）に図示しない発熱体が熱的に接続され、他方の面（図１中、紙面表側の面）にフィンユニット２０が熱的に接続されている。ベースプレート１２の板面の大きさは、被冷却体である発熱体の形状や大きさなどに応じて適宜定めることができる。

カバープレート１４は、例えば金属や樹脂などの材料によって形成され、ベースプレート１２と共に冷却用流体の流路１８を構成している。カバープレート１４は、ベースプレート１２との距離（つまり、ベースプレート１２に対する冷却流路の流路高さ）ＨＭが略一定（例えば、数ｍｍなど）となるようにベースプレート１２に取付けられている。

フィンユニット２０は、厚さｔが例えば数百μｍ〜数ｍｍの熱伝導性に優れた金属（例えば、銅やアルミニウム、アルミニウム合金など）の一枚板に、図２に示すように、複数の切り起こし（フィン）２４が設けられて形成されている。なお、図２では、フィンユニット２０をベースプレート１２側から見た様子を示している。フィンユニット２０は、冷却用流体の流路１８内に配置され、ベースプレート１２やカバープレート１４を介して図示しない発熱体に熱的に接続されている。具体的には、フィンユニット２０は、図３に示すように、その板面（裏面）が、ベースプレート１２に対抗するカバープレート１４の面に接するように設けられている。、つまり、フィンユニット２０は、発熱体（図示せず）が位置する側と反対側の流路１８の流路壁に、フィンユニット２０の板面が接するように設けられていることになる。

フィンユニット２０に設けられた複数の切り起こし２４は、図１から図３に示すように、フィンユニット２０の素材となる金属板に、略コ字状に切り込みを複数入れ、冷却用流体の流れる方向に沿って折り曲げて例えば４５度切り起こすことで形成されている。こうして形成される複数の切り起こし２４は、それぞれ、冷却用流体の流れる方向に沿った接続端２４ａおよび切り起こし端２４ｂを有する長方形状の切り起こしとなる（図２参照）。なお、接続端２４ａや切り起こし端２４ｂは、冷却用流体が流れる方向とのなす角度が０度（つまり、冷却用流体の流れに沿っていること）が望ましいが、±５度程度のずれがあっても本発明の効果は期待できる。

フィンユニット２０には、複数の切り起こし２４が冷却用流体の流れる方向に対して垂直な方向に並んで設けられている。以下、冷却用流体の流れる方向に対して垂直な方向に並んだ複数の切り起こし２４の群を「切り起こし列（フィン群）」２２という。切り起こし列２２における切り起こし２４同士の距離や数は、切り起こし２４の大きさやフィンユニット２０の素材の強度に応じて適宜定めることができる。そして、フィンユニット２０には、複数の切り起こし２４からなる切り起こし列２２が、冷却用流体の流れる方向に沿って互いに所定距離ａ（例えば、数ｍｍなど）の間隔を空けて複数設けられている。なお、切り起こし列２２は、切り起こし列２２を構成する複数の切り起こし２４のそれぞれについて、その接続端２４ａ及び切り起こし端２４ｂが冷却用流体の流れる方向に対して一様に０度の角度となるように（つまり、冷却用流体の流れに沿うように）形成されてもよいし、冷却用流体の流れる方向に対して一様に所定角度（例えば、±５度程度）ずらして形成されてもよい。また、切り起こし列２２を構成する複数の切り起こし２４は、その接続端２４ａ及び切り起こし端２４ｂが、各切り起こし２４毎で冷却用流体の流れる方向に対する角度が異なるように（例えば、交互に±５度程度異なるように）形成されてもよい。

このようにフィンユニット２０には、複数の切り起こし２４が設けられているため、フィンユニット２０の板面には、切り起こし２４が切り起こされることによる空洞が複数存在する。こうしたフィンユニット２０がベースプレート１２とカバープレート１４とで形成される流路１８内に配置されることにより、冷却用流体が流れる流路１８には、図４に示すように、切り起こし２４が設けられてフィンユニット２０の板材厚さ方向における流路高さ（ベースプレート１２に対する流路高さ）が高くなる領域と（図４中、流路高さＨＭ）、切り起こし２４が設けられてなく流路高さがフィンユニット２０の厚さｔだけ低くなる領域とが存在することになる（図４中、流路高さＨｍ（Ｈｍ＝ＨＭ−ｔ））。このように、実施形態のヒートシンク１０では、フィンユニット２０の切り起こし２４によって冷却用流体の流れる流路壁に凹凸が形成され、この凹凸によって流路１８に流れる冷却用流体の流れが乱される。これにより、フィンユニット２０などの形状を調整することでヒートシンク１０の冷却性能を向上させることができる。

また、実施形態のヒートシンク１０では、フィンユニット２０は、フィンユニット２０の板面（裏面）がベースプレート１２とは反対側となるカバープレート１４の板面に接するように設けられているから、流路１８に冷却用流体が流れるときには、ベースプレート１２から離れた位置の比較的温度の低い冷却用流体がベースプレート１２側に蛇行させられて移動し、ベースプレート１２に温度の低い冷却用流体を接触させることができ、ヒートシンク１０の冷却性能を効果的に向上させることができる。

次に、こうしたフィンユニット２０の金属板の厚さｔ、ベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭ、切り起こし（フィン）２４の冷却用流体の流れる方向に沿った長さＬ、切り起こし列２２同士の距離ａと、ヒートシンク１０の性能との関係について説明する。

まず、フィンユニット２０の金属板の厚さｔとベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭの比（ｔ／ＨＭ）を変化させたときの、ベースプレート１２の最高温度上昇値ΔＴｍａｘと冷却用流体の出口部での温度バラツキ（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）と冷却用流体の圧力損失ΔＰの変化について、シミュレーション計算による結果を説明する。ここで、シミュレーション計算は、ベースプレート１２及びフィンユニット２０の材質をアルミニウムとし、ベースプレート１２のサイズを幅：３０ｍｍ×長さ：８０ｍｍ×厚さ：３ｍｍとする条件で行った。また、冷却用流体として初期温度が２０℃の水を用い、冷却用流体の流路１８入口から流速０．１２ｍ／ｓで均等に流され、ベースプレート１２に均一に熱量８００Ｗが負荷される条件で行った。

比較基準として、主にインバーター用の水冷冷却器に用いられている図９に示すコルゲートフィン３０での冷却性能を参照する。比較基準のコルゲートフィンの板厚は０．３ｍｍ、流路隙間は０．９ｍｍである。このコルゲートフィンを用いた場合、ベースプレートの最高温度上昇値ΔＴｍａｘと冷却用流体の出口部での温度バラツキ（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）と圧力損失ΔＰは、ΔＴｍａｘ＝ΔＴ１＝８０．２℃、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ＝４１℃、ΔＰ＝ΔＰ１＝５５７Ｐａである。

一般に、流路１８の圧力損失ΔＰが大きくなるにともない、ヒートシンク１０の冷却性能は大きくなる傾向にある。そこで、比較基準に対して、次式（ａ）により求められるベースプレートの最高温度上昇値ΔＴｍａｘの改善率Ｘ［％］と次式（ｂ）により求められる圧力損失ΔＰの悪化率Ｙ［％］との比率Ｚ（＝Ｘ／Ｙ）を求めてヒートシンク１０の性能を評価した。
Ｘ＝（コルゲートフィンのΔＴ1−ΔＴ）/（コルゲートフィンのΔＴ1）×１００・・・・・（ａ）
Ｙ＝（ΔＰ−コルゲートフィンのΔＰ1）/（コルゲートフィンのΔＰ1）×１００・・・・・（ｂ）

Ｙ＜０の場合（圧力損失ΔＰが比較基準に対して小さくなる場合）、Ｚ＜０であれば圧力損失ΔＰが低下すると共に冷却性能が向上しているため評価を○とし、Ｚ≧０であれば冷却性能が低下したため評価を×とした。また、Ｙ≧０の場合（圧力損失ΔＰが比較基準に対して大きくなる場合）、Ｚ＞０．１５なら圧力損失ΔＰは増加しているものの冷却性能が効果的に向上していると判断して評価を○とし、Ｚ≦０．１５なら圧力損失ΔＰが増加していると共に冷却性能があまり向上していないと判断して評価を×とした。図５に、以下に説明するシミュレーション計算によるヒートシンクの性能の評価をまとめて示す。

ベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭを２ｍｍとし、フィンユニット２０の切り起こし列２２同士の距離ａ、各切り起こし２４の冷却用流路が流れる方向の長さＬが、ａ＝１ｍｍ、Ｌ＝１．６ｍｍ（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．３８）としたときのシミュレーション計算の結果を表１に示す。

表１において、Ｔｍａｘは冷却用流体の出口部での最高温度、Ｔｍｉｎは冷却用流体の出口部での最低温度をそれぞれ示している。このため、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎの値が小さいほど冷却用流体の出口部（下流端）での温度バラツキが小さく、冷却用流体全体で熱を受け取っていることが示唆される。

フィンユニット２０の板材厚さｔが０．２ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．１），０．３ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．１５）の場合、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎが大きな値（８０．５℃，６１．７℃）となり、冷却用流体の出口部での温度バラツキが大きくなる。これは、値ｔ／ＨＭが小さいときには、冷却用流体に乱流が生じにくいためと考えられる。

フィンユニット２０の板材厚さｔが０．９ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．４５）の場合、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎは小さな値（３２．８℃）となると共に最高温度上昇値ΔＴｍａｘは４８．２℃となり、従来のコルゲートフィンの最高温度上昇値ΔＴｍａｘ＝８０．２℃よりも冷却性能は優れている。しかし、この場合、評価値Ｚは０．０３（＜０．１５）となり、つまり、圧力損失ΔＰの悪化率Ｙが大きく、圧力損失と冷却性能のバランスが好ましくない。

流路１８のベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭが２ｍｍであり、フィンユニット２０の切り起こし列２２同士の距離ａ、各切り起こし２４の冷却用流路が流れる方向の長さＬが、ａ＝２ｍｍ、Ｌ＝２．３ｍｍ（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．４７）のときのシミュレーション計算の結果を表２に示す。

フィンユニット２０の板材厚さtが０．２ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．１），０．３ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．１５）の場合、表１に示される結果と同様に、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎは大きな値（８１．１℃，６３．１℃）となり、冷却用流体の出口部での温度バラツキが大きくなる。

フィンユニット２０の板材厚さｔが０．９ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．４５）の場合、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎが比較的小さな値（５１．６℃）となると共に最高温度上昇値ΔＴｍａｘは５２．１℃となり、従来のコルゲートフィンの最高温度上昇値ΔＴｍａｘ＝８０．２℃よりも冷却性能が優れるている。しかし、この場合、評価値Ｚは０．０３（＜０．１５）となり、表１に示される結果と同様に、圧力損失と冷却性能のバランスが好ましくない。

表１及び表２に示される結果から、フィンユニット２０の金属板の厚さｔとベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭの比（ｔ／ＨＭ）は、０．２≦ｔ／ＨＭ≦０．４の関係を満たすことが好ましいと言える（図５参照）。

次に、切り起こし列（フィン群）２２同士の距離ａと、切り起こし（フィン）２４の冷却用流体の流れる方向の長さLについて、ａ／（ａ＋Ｌ）を変化させたときの、最高温度上昇値ΔＴｍａｘと冷却用流体の出口部での温度バラツキ（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）と冷却用流体の圧力損失ΔＰの変化について、シミュレーション計算による結果を説明する。ここで、シミュレーション計算は、ベースプレート１２及びフィンユニット２０の材質をアルミニウムとし、ベースプレート１２のサイズを幅：３０ｍｍ×長さ：８０ｍｍ×厚さ：３ｍｍとする条件で行った。また、冷却用流体として初期温度が２０℃の水を用い、冷却用流体の流路１８入口から流速０．１２ｍ／ｓで均等に流され、ベースプレート１２に均一に熱量８００Ｗが負荷される条件で行った。

切り起こし列２２同士の距離ａが１ｍｍであり、流路１８のベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭとフィンユニット２０の厚さｔが、ＨＭ＝２ｍｍ，ｔ＝０．６ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．３）のときのシミュレーション計算の結果を表３に示す。

切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが１８．８ｍｍの場合（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．０５）、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎは表３中で比較的大きな値（３２．３℃）となり、冷却用流体の出口部での温度バラツキが大きくなる。これは、値ａ／（ａ＋Ｌ）が小さ過ぎると、冷却用流体に温度境界層が発達し、熱交換の効率が落ちるためと考えられる。

切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが０．１ｍｍの場合（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．９）、最高温度上昇値ΔＴｍａｘの改善率Ｘ［％］は負の値となり、つまり、従来のコルゲートフィンと比べて冷却性能が低下してしまう。これは、値ａ／（ａ＋Ｌ）が大き過ぎると、フィンユニット２０の切り起こし（フィン）２４が占める割合が小さくなり、効率的な熱交換が行われないためと考えられる。

切り起こし列２２同士の距離ａが１ｍｍであり、流路１８のベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭとフィンユニット２０の厚さｔが、ＨＭ＝２ｍｍ，ｔ＝０．４ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．２）のときのシミュレーション計算の結果を表４に示す。

切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが１８．８ｍｍの場合（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．０５）、表３に示される結果と同様に、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉは大きな値（６８．５℃）となり、冷却用流体の出口部での温度バラツキが大きくなる。

切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが０．５ｍｍ，０．３ｍｍの場合（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．６７，０．７７）、最高温度上昇値ΔＴｍａｘの改善率Ｘ［％］は負の値となり、つまり、従来のコルゲートフィンと比べて冷却性能が低下してしまう。

以上の他に、ベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭを２ｍｍとし、切り起こし列（フィン群）２２同士の距離ａを１ｍｍとしたときに、切り起こし列（フィン群）２２同士の距離ａと切り起こし（フィン）２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬとについてのａ／（ａ＋Ｌ）を変更させたときや、フィンユニット２０の金属板の厚さｔとベースプレート１２に対する冷却用流体の高さＨＭの比（ｔ／ＨＭ）を変化させた場合の、ベースプレート１２の最高温度上昇値ΔＴｍａｘと冷却用流体の出口部での温度バラツキ（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）と冷却用流体の圧力損失ΔＰの変化について、シミュレーション計算による結果を説明する。ここで、シミュレーション計算は、ベースプレート１２及びフィンユニット２０の材質をアルミニウムとし、ベースプレート１２のサイズを幅：３０ｍｍ×長さ：８０ｍｍ×厚さ：３ｍｍとする条件で行った。また、冷却用流体として初期温度が２０℃の水を用い、冷却用流体の流路１８入口から流速０．１２ｍ／ｓで均等に流され、ベースプレート１２に均一に熱量８００Ｗが負荷される条件で行った。シミュレーション計算の結果を表５に示す。

表５において、フィンユニット２０の板材厚さｔが０．２ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．１）、切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが３．９ｍｍ，０．５ｍｍ（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．２０，０．６７）の場合、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎが大きな値（８３．９℃）となり、冷却用流体の出口部での温度バラツキが大きくなる。

フィンユニット２０の板材厚さｔが０．４ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．２）、切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが３．９ｍｍ（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．２０）の場合、ベースプレート１２の最高温度上昇値ΔＴｍａｘの改善率Ｘ［％］は負の値となり、つまり、従来のコルゲートフィンと比べて冷却性能が低下してしまう。

フィンユニット２０の板材圧さｔが０．９ｍｍ（ｔ／ＨＭ＝０．４５）、切り起こし２４の冷却用流体の流れる方向の長さＬが３．９ｍｍ，０．５ｍｍ（ａ／（ａ＋Ｌ）＝０．２０，０．６７）の場合、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎは小さな値（３．４℃，３．２℃）となると共に最高温度上昇値ΔＴｍａｘは５０．２℃，４８．８℃となり、従来のコルゲートフィンの最高温度上昇値ΔＴｍａｘ＝８０．２℃よりも冷却性能は優れている。しかし、この場合、評価値Ｚは０．０３（＜０．１５），０．０４（＜０．１５）となり、つまり、圧力損失ΔＰの悪化率Ｙが大きく、圧力損失と冷却性能のバランスが好ましくない。

値ｔ／ＨＭが大きくなると、流路１８での圧力損失が増加するが、表５に示される関係から、この圧力損失の増加に対して一律に同じ割合で冷却性能が向上するわけではないことがわかる（図５参照）。例えば、ａ／（Ｌ＋ａ）を一定の値とした場合、０．２≦ｔ／ＨＭ≦０．３のときには、ｔ／ＨＭを増加させることで圧力損失をあまり増加させることなく冷却性能を向上させることができる（評価値Ｚ＞０．１５）。一方で、例えば、ａ／（Ｌ＋ａ）を一定の値とした場合、０．３≦ｔ／ＨＭ≦０．４のときには、圧力損失が大幅に相加するものの、それに見合った冷却性能の向上がない（評価値Ｚ≦０．１５）。つまり、表１乃至表５に示される結果から、次式（１）〜（５）を満たしていれば、従来のコルゲートフィンを用いた水冷ヒートシンクに比べて冷却用流体の圧力損失を抑制しつつ冷却性能を向上できることが分かる。また、値ｔ／ＨＭが０．２以上０．４以下の範囲内であれば、値ｔ／ＨＭに拘わらず、値ａ／（Ｌ＋ａ）が０．３以上０．６以下の範囲内のときに、従来のコルゲートフィンを用いた水冷ヒートシンクに比べて冷却用流体の圧力損失を抑制しつつ冷却性能を向上できることが分かる。

０．２≦ｔ／ＨＭ≦０．４・・・・・（１）
ｔ／ＨＭ≦０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．２２・・・・・（２）
ｔ／ＨＭ≧−０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．３８・・・・・（３）
ｔ／ＨＭ≦−０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．７３・・・・・（４）
ｔ／ＨＭ≧０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）−０．１３・・・・・（５）

さらに、流路１８のベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭが１．２ｍｍのときのシミュレーション計算の結果を表６に示す。ここで、シミュレーション計算は、ベースプレート１２及びフィンユニット２０の材質をアルミニウムとし、ベースプレート１２のサイズを幅：３０ｍｍ×長さ：８０ｍｍ×厚さ：３ｍｍとする条件で行った。また、冷却用流体として初期温度が２０℃の水を用い、冷却用流体の流路１８入口から流速０．１２ｍ／ｓで均等に流され、ベースプレート１２に均一に熱量８００Ｗが負荷される条件で行った。

流路１８のベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭが１．２ｍｍの場合でも、切り起こし列２２同士の距離ａ（ｍｍ）と、切り起こし２４の冷却用流体が流れる方向の長さＬ（ｍｍ）と、フィンユニット２０の厚さｔ（ｍｍ）と、ベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭ（ｍｍ）とが、上述した式（１）〜（５）を満たしていれば、従来のコルゲートフィンを用いた水冷ヒートシンクに比べて冷却用流体の圧力損失を抑制しつつ冷却性能を向上できることが分かる。

以上説明した実施形態のヒートシンク１０では、冷却用流体に流れる方向に対して垂直な方向に沿って並ぶように複数の切り起こし２４を設けて切り起こし列２２を形成し、この切り起こし列２２を冷却用流体が流れる方向に沿って複数設けてフィンユニット２０を形成し、切り起こし列２２同士の距離ａ（ｍｍ）と、切り起こし２４の冷却用流体が流れる方向の長さＬ（ｍｍ）と、フィンユニット２０の板材厚さｔ（ｍｍ）と、ベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭ（ｍｍ）とが、上述した式（１）〜（５）を満たすことにより、冷却用流体の流れる流路１８内で乱流を効果的に生じさせることができ、流路１８での冷却用流体の圧力損失が小さく且つ冷却性能に優れたヒートシンクを提供することができる。また、実施形態のヒートシンク１０では、フィンユニット２０をアルミニウムやアルミニウム合金の一枚板にプレス加工などを施して形成することができ、簡便な方法によって圧力損失が小さく且つ冷却性能が高いヒートシンクを製造することができる。さらに、実施形態のヒートシンク１０では、フィンユニット２０に複数の切り起こし列２２が冷却用流体が流れる方向に繰り返し形成されるから、冷却用流体に複数箇所で乱流を生じさせることができ、圧力損失の低下と冷却性能の向上との両立を図ることができる。

実施形態のヒートシンク１０では、フィンユニット２０の板面（裏面）がベースプレート１２と反対側のカバープレート１４の面に接するように設けられるものとしたが（図１及び図３参照）、図６及び図７の変形例のヒートシンク１１０に示すように、フィンユニット２０の板面（裏面）がベースプレート１２の板面に接するように設けられてもよい。この場合でも、フィンユニット２０によって、流路１８に流れる冷却用流体の流れを乱すことができ、冷却用流体の圧力損失を抑制しつつヒートシンク１０の冷却性能を向上させることができる。

実施形態のヒートシンク１０では、同一の形状の複数の切り起こし２４がフィンユニット２０に形成されるものとしたが、図８の変形例のヒートシンク２１０に示すように、発熱体が熱的に接続されるフィンユニット２０の領域２０Ａでは、発熱体が熱的に接続されない領域２０Ｂに比して、切り起こし２４の冷却用流体が流れる方向の長さＬが短く形成されてもよい（図８中、ＬＡ＜ＬＢ）。こうすれば、発熱体からの熱が伝わって比較的高温となりやすいフィンユニット２０の領域２０Ａで効果的に放熱を行うことができる。また、領域２０Ｂについては切り起こしの長さＬを小さくしないため、ヒートシンク１０の生産性の低下を抑制することができる。また、ヒートシンク１０は、フィンユニット２０の切り起こし列２２同士の距離ａ（ｍｍ）と、切り起こし２４の冷却用流体が流れる方向の長さＬ（ｍｍ）と、フィンユニット２０の板材厚さｔ（ｍｍ）と、ベースプレート１２に対する冷却用流体の流路高さＨＭ（ｍｍ）とが、上述した式（１）乃至（５）を満たせばよく、複数の切り起こし（フィン）２４は、直方体状以外の形状でもよく、それぞれ同一の形状でなくても構わない。

実施形態のヒートシンク１０では、フィンユニット２０は、ベースプレート１２に対して４５度の角度で切り起こして切り起こし（フィン）２４が形成されるものとしたが、垂直（９０度）に切り起こすなど４５度以外の角度で切り起こしてフィンが形成されてもよい。なお、フィンの先端がフィンユニット２０が取付けられた流路壁に対抗する流路壁と熱的に接触するように切り起こすことが好ましい。また、切り起こし角度が小さすぎると、フィンの接続端２４ａと切り起こし端２４ｂとの距離が長くなってしまい、フィンの接続端２４ａと切り起こし端２４ｂとで温度差が生じて冷却の効率が低下することが想定されるため、切り起こし角度は２０度から９０度の範囲とすることが望ましい。さらに、切り起こし角度を３０度から６０度にすることで、プレス成形によってフィンユニット２０を容易に成形しやすくすることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更（構成要素の削除等を含む）をなし得ることはいうまでもない。

１０，１１０，２１０ ヒートシンク
１２ ベースプレート
１４ カバープレート
１８ 流路
２０ フィンユニット
２２ 切り起こし列
２４ 切り起こし
２４ａ 接続端
２４ｂ 切り起こし端
３０ コルゲートフィン

Claims (3)

1. 発熱体に熱的に接続されて冷却用流体の流れる流路内に配置されるフィンユニットを有し、前記冷却用流体を用いて前記発熱体を冷却するヒートシンクであって、
   前記フィンユニットは、前記冷却用流体が流れる方向に沿った接続端を有する略長方形状の切り起こしが板状の部材に複数設けられることにより形成され、前記冷却用流体が流れる方向に対して垂直な方向に沿って並ぶように前記切り起こしが複数設けられて切り起こし列が形成されると共に、前記切り起こし列が前記冷却用流体が流れる方向に沿って互いに所定距離だけ離れて複数形成されており、
   前記所定距離をａ（ｍｍ）とし、前記切り起こしにおける前記冷却用流体が流れる方向の長さをＬ（ｍｍ）とし、前記板状の部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、前記板状の部材の厚さ方向における前記冷却用流体の流路高さをＨＭ（ｍｍ）としたときに、下記の条件式（１）乃至（５）を満たし、
   前記フィンユニットは、前記発熱体が熱的に接続される領域では、前記発熱体が熱的に接続されない領域に比して前記切り起こしにおける前記冷却用流体が流れる方向の長さが短く形成されている、
   ことを特徴とするヒートシンク。
   ０．２≦ｔ／ＨＭ≦０．４・・・・・（１）
   ｔ／ＨＭ≦０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．２２・・・・・（２）
   ｔ／ＨＭ≧−０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．３８・・・・・（３）
   ｔ／ＨＭ≦−０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）＋０．７３・・・・・（４）
   ｔ／ＨＭ≧０．５・ａ／（Ｌ＋ａ）−０．１３・・・・・（５）
2. 前記フィンユニットは、前記冷却用流体の流れる流路の前記発熱体が位置する側と反対側の流路壁に前記板状の部材の板面が接するように設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記フィンユニットは、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成されている、
   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。

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