JP2005302898A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のヒートシンクでは、二次元的な流れの中にピン状フィンを設けることで、乱流効果を利用して伝熱効果を向上させる構成をしているが、近年、急増している電子機器の発熱量を十分に放熱するだけの性能が得られなくなっているという問題点があった。
【解決手段】 冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、上記流路が、発熱体が取り付けられる側から伝熱容器高さ方向に流路幅が小さくなる略台形流路と略流路幅一定の流路とが順次連結された流路で構成されたことで、三次元的な流れを引き起こすことで、より簡易な構造で熱伝達特性を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品などで構成される発熱体を冷却するための放熱構造をしたヒートシンク（冷却装置）に係るもので、特に、強制対流を利用して冷却を行う放熱構造をしたヒートシンクに関するものである。

従来のヒートシンクにおいては、冷部流体の流れがピン状フィンにより撹拌されることで、連続フィンを設けた放熱材に比べ、伝熱性能（放熱）が増大する構成をしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−６３８９８号公報（第６頁、図８）

従来のヒートシンクでは、二次元的な流れの中にピン状フィンを設けることで、乱流効果を利用して伝熱効果を向上させる構成をしているが、近年、急増している電子機器の発熱量を十分に放熱するだけの性能が得られなくなっているという問題点があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、三次元的な流れを引き起こすことで、より簡易な構造で熱伝達特性を向上させたヒートシンクを提供することを目的とするものである。

この発明によるヒートシンクは、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記流路の流れ方向に直交する断面は、発熱体が取り付けられる側から離れるにしたがって狭くなる箇所と、前記流路の幅が一定となる箇所とが交互に構成されたものである。

また、この発明によるヒートシンクは、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記流路は、前記伝熱容器高さ方向に発熱体が取り付けられる側から前記流路の幅が小さくなる略台形流路と略流路幅一定の前記流路とが順次連結されたものである。

また、この発明によるヒートシンクは、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、発熱体を取り付ける側の前記伝熱容器の壁と対向する前記伝熱容器の壁内面に略錐体形状の突起を所定の配列で設けたものである。

この発明は、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記流路の流れ方向に直交する断面は、発熱体が取り付けられる側から離れるにしたがって狭くなる箇所と、前記流路の幅が一定となる箇所とが交互に構成されたので、三次元的な流れを引き起こすことで、より簡易な構造で熱伝達特性を向上させたヒートシンクを提供することができる。

また、この発明は、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記流路は、前記伝熱容器高さ方向に発熱体が取り付けられる側から前記流路の幅が小さくなる略台形流路と略流路幅一定の前記流路とが順次連結された構成であるので、三次元的な流れを引き起こすことで、より簡易な構造で熱伝達特性を向上させたヒートシンクを提供することができる。

また、この発明は、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、発熱体を取り付ける側の前記伝熱容器の壁と対向する前記伝熱容器の壁内面に略錐体形状の突起を所定の配列で設けたので、三次元的な流れを引き起こすことで、より簡易な構造で熱伝達特性を向上させたヒートシンクを提供することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるヒートシンクを説明する斜視図である。また、図２は図１の流路断面図であり、図３は実施の形態１の変形例を説明する斜視図であり、図４は実施の形態１の他の変形例を説明する斜視図である。なお、他の実施の形態を含め、各図を通じて同一符合は同一もしくは相当する部分を示すものである。

図１において、上段の図はヒートシンクの冷却対象である発熱体６であり、中段と下段の図でヒートシンクが構成されている。ヒートシンクは冷却流体送入口１と、内部に流路２が形成された伝熱容器３と、冷却流体送出口４とで一連の通流路５を形成している。冷却対象である発熱体６は伝熱容器３に接して使用される。発熱体６を取り付ける伝熱容器３の壁と対向する伝熱容器３の壁の内面に円錐体（略錐体形状）の突起７を所定の配列で設けたものである。突起７は乱流を促進する役目を果たすものである。

流路２の流れ方向に直交する断面は、発熱体６が取り付けられる側から離れるにしたがって狭くなる箇所と、流路２の幅が一定となる箇所とが交互に構成されることになる。また、流路２は、伝熱容器３の高さ方向（厚み方向）に発熱体６が取り付けられる側から流路２の幅が小さくなる略台形流路と略流路幅一定の流路２とが順次連結された構成になっている。

ヒートシンクは、低温の冷却流体１１を送入する冷却流体送入口１と、発熱体６が熱的に結合され内部に流路を形成する伝熱容器３と、発熱体６から熱を吸収し高温になった冷却流体１１を送出する冷却流体送出口４とが、一連の通流路を形成した放熱構造である。このヒートシンクは、ポンプまたはファンと通流パイプにより連結され、ヒートシンク内に冷却流体１１を通流させ、発熱体６から発生する熱を周囲へ放出する。さらに、通流パイプにより放熱器と連結し、循環する通流ループを形成しても良く、また通流ループ途中路にリザーバおよびフィルターを設けても良い。この場合、通流ループ内を冷却流体１１が循環し、発熱体６から発生する熱を冷却流体１１が放熱器へ輸送し、放熱器から周囲へ熱を放出する。なお、伝熱容器３内には、冷却流体１１が流路内をより均一に流れるように、分配用ヘッダおよび合流用ヘッダを設けても良い。

この実施の形態では、発熱体６と熱的に結合するベース８と側壁９が一体成形され、これに蓋１０を結合することにより伝熱容器３を構成している。なお、この構成に限定される必要はなく、ベース８、側壁９および蓋１０を別々に製作して結合しても良く、また側壁９と蓋１０を一体成形しベース８と結合しても良い。さらに、ベース８、側壁９の一部および蓋１０を一体成形し、残りの側壁９を結合しても良い。伝熱容器３がヒートシンク本体をなしている。

次に、ヒートシンクの動作を説明する。冷却流体送入口１から伝熱容器３へ送入された冷却流体（冷媒）１１は、ベース８、側壁９および蓋１０から形成される流路２を通過する際に、蓋１０に設けられた突起７を避けながら、冷却流体送出口４へ移動する。この突起７が先細りした形状であることから、突起７が横断する部分の通過断面（図２中のＡ−Ａ断面）では、ベース８側ほど通過断面積が大きく通流特性が良いため、蓋１０側の冷却流体１１はベース８側へ移動し、ベース８側の流量が大きくなる。一方、横断する２列の突起７群間の、突起７の無い通過断面（図２中のＢ−Ｂ断面）では、障害物が無いため通流特性が通過断面内で均一であり、通過断面内の速度分布が均一化しようとする。

従って、冷却流体１１の通過断面がＡ−Ａ断面に相当する部分からＢ−Ｂ断面に相当する部分に移るときに、流量の大きなベース８側から蓋１０側へ冷却流体１１が移動する。この冷却流体１１の縦方向（ヒートシンクの厚み方向）の移動と、冷却流体１１が突起７を避けながら移動するために生じる横方向（ヒートシンクの幅方向）への移動が同時に引き起こされるため、三次元的な冷却流体１１の移動が生じ、冷却流体１１を攪拌することになる。
すなわち、冷却流体１１は、図２下段の横断面図中の矢印で示すように、紙面奥行き方向に移動する冷却流体１１が、突起７根元に衝突し、突起７斜面沿いにベース８方向へ移動する。その後、冷却流体１１はベース８内面に衝突し、突起７間中央へ移動し、さらに蓋１０方向へ移動する旋回流を引き起こす。この旋回流は、図示している突起７が所定の配列である千鳥足状配列の場合には、主流流れ方向に交互に旋回方向が換わる流れを引き起こすことになる。また、図示を省略しているが、突起７が所定の配列である碁盤目状配列の場合には、同方向への連続した旋回流を引き起こすことになる。冷却流体１１の三次元的な流れを引き起こし、この旋回流およびベース８内面への冷却流体１１の衝突による攪拌効果によって、ベース８内面上の熱伝達特性を向上することができる。

発熱体６と直接接触するベース８は、受熱により温度上昇し、流路２内の冷却流体１１とベース８との間に温度差が生じるため、ベース８から冷却流体１１へ熱が伝えられ、冷却流体１１は高温へと昇温し、冷却流体送出口４から送出される。従って、冷却流体１１が、冷却流体送入口１、伝熱容器３内の流路２および冷却流体送出口４を順次通流し、流路２を通過する間に、高温に昇温し、高温の冷却流体１１が連続的に送出されることになる。

以上のように、錐体形状の突起７が三次元的な流れを引き起こすことにより、ヒートシンク内の冷却流体１１の通流による強制対流熱伝達および冷却流体１１の顕熱変化に加えて、三次元的な流れを引き起こす流路２内の旋回流および衝突による攪拌効果により、発熱体６からヒートシンク外へ効率良く放熱することができる。

従来の伝熱容器内流路にフィンが設けられていないフィン無しヒートシンクでは、冷却流体送入口から冷却流体送出口へ直線的（一次元的）に冷却流体が移動するために、ベース内面近傍に比較的厚い温度境界層が形成され、熱特性が悪くなる。また、従来の伝熱容器内流路に複数の板が設けられたストレートフィン付ヒートシンクでは、ベースと冷却流体が接する伝熱面積が増大し、熱伝達特性が向上するが、この場合でも、伝熱面近傍に比較的厚い温度境界層が形成され、その向上効果は比較的小さくなる。なお、ここで、フィンとは発熱体６からの熱を冷却流体１１へと放熱する機能を有するものを指している。

さらに、従来の伝熱容器内流路に複数のピンが設けられたピンフィン付ヒートシンクでは、ベースと冷却流体が接する伝熱面積が増大し、またピンを避けるために生じる二次元的流れにより、熱伝達特性はある程度向上するが、製作が難しく、高コストになる。なお、ピンフィンの場合、ダイカスト製により製作されることが一般的であるが、ダイカスト製になるとヒートシンク材料の熱伝導率が低下し、それゆえベース部の熱拡散特性およびピンフィン部のフィン効率が低下し、ヒートシンクの熱特性が悪化する。また、ピンフィンを製作する上で、抜き勾配をある程度（１.５〜２°程度）設けねばならなく、この抜き勾配のために、ベース側の通過断面積が小さくなり、流路内の冷却流体が蓋側を通過し易くなり、伝熱特性が悪くなる。なお、この抜き勾配は、大きければ大きいほどヒートシンクの伝熱特性を悪化させるものと通常は考えられている。

これに対し、本発明では、蓋１０内面に設けた突起７は３次元方向（特にヒートシンクの厚み方向が含まれている）への乱流促進体であることから、高熱伝導材料で製作する必要が無く、また本発明では抜き勾配が大きくなるほど冷却流体１１がベース側を通過し易くなり、さらに縦方向の移動（衝突および旋回流）を促進することから、熱伝達特性が良くなる。すなわち、本発明では、ベース８と冷却流体１１が接する伝熱面積増大による熱伝達の向上効果を得るのではなく、低コストで加工性の良い材料を用いて攪拌効果の向上を図り、また、突起７の抜き勾配を通常使用しない領域まで大きくすることで突起７の加工性を向上させながら、ベース８側の通過断面積を大きくし、冷却流体１１をベース８側に近づけることで、熱伝達効果を向上させることができる。また、より微細な突起７を蓋１０内面に設けることができることから、従来構造のヒートシンクより熱伝達特性が向上することになる。

流体攪拌力の増大により、ヒートシンクの熱伝達特性を向上させるため、突起７の材質は高熱伝導材料である必要はなく、突起７の材料選択の自由度が向上し、例えば、ダイカストで製作する場合には、作業性が良いように抜き勾配を大きくすることができるため、製作が容易であり、低コスト化できる。

なお、発熱体６は、図では模式的に示しているが、発熱体６としては、例えば加熱ヒータ、電子機器、電子部品等の発熱源、またそれらの発熱源から熱輸送する機器の放熱部、熱交換器（本発明と同様のヒートシンクも含む）等であり、発熱体６は熱をヒートシンクへ印加するものであれば特にその構造および寸法には限定されない。また、発熱体６は、ベース８にハンダ付けまたはロー付け、さらには圧接等により直接取付けられたり、サーマルグリースなどの接触熱抵抗低減構造体を介して熱的に接続されたりするものである。

伝熱容器３は、冷却流体１１の収容および冷却流体１１が移動する通路の役割をするものであるが、発熱体６と冷却流体１１とを熱的に接続したり、発熱体６から伝わる熱を熱拡散・均熱化したりする役割を果たすことができる。また、伝熱容器３は、発熱体６および付随する部品を固定するのに用いることもできる。また、伝熱容器３は、冷却流体送入口１の下流においては流路２に冷却流体１１を分配し均流化する役割、および冷却流体送出口４の上流においては冷却流体１１を合流させる役割を果たしている。

また、分配および合流を促進するために、図３に示すような伝熱容器３内部の冷却流体送入口１下流に冷却流体１１を分配する分配用ヘッダ１２を設けたり、伝熱容器３内部の冷却流体送出口４上流に冷却流体１１を合流させる合流用ヘッダ１３を設けたりしても良い。なお、図３では冷却流体送入口１と冷却流体送出口４とが同じ側（紙面左下）になっているが、両者が紙面左下と右上といった逆方になっていることもある。また、均流化を促進するために、分配用ヘッダ１２または合流用ヘッダ１３と流路２との連結部に、金網およびスリットまたは細孔を伴う整流板などを設けて流量を調整しても良い。なお、上記整流板は蓋１０と一体成形されても良い。また、伝熱容器３外表面には、複数の発熱体６を設けても良く、これに伴い伝熱容器３内に複数並列の流路２を設けても良い。分配器である分配用ヘッダ１２、合流器である合流用ヘッダ１３を設けることで、伝熱容器３の特定の箇所をより集中して冷却するとか、均一化して冷却するとかが、より効率的にできるようになる。

突起７は、冷却流体１１を攪拌する役割を有し、場合によってはベース８と蓋１０との隙間を保持するための柱または補強材としての役割を有することもある。この実施の形態１では突起７が蓋１０内面に設けられた例で説明したが、図４に示すように突起７が基板１８上に設けられ、基板４を伝熱容器３内に挿入する構成、または基板４を伝熱容器３内に設ける構成でも良い。このようにすることにより、例えばヒートシンクが非常に大きな場合、加工機の加圧能力によっては型加工（ダイカスト、鍛造など）できない場合があるが、突起７を設けた基板１８を複数分割して小さくすることにより、容易に製作ができる。また、基板１８の交換により、容易にヒートシンクの熱特性を変更することができる。さらに、異なる突起７を有する複数の基板１８を組合せ、流路２内の位置によって熱伝達特性が異なるヒートシンクさえ容易に製作することができる。なお、基板４の固定方法としては、伝熱容器３内流路にガイドとなる突起を設けて固定しても良く、また基板４を伝熱容器３内面に接着剤によって接着または溶剤により溶着させても良い。

また、この実施の形態１では円錐体の突起７で構成した例で説明したが、突起７は円錐体形状（図５のａ、ｅ、ｉ）に限定されず、例えば略多角錐（図５のｂ、ｃ、ｄ）などの略錐体形状であれば、同様の効果が得られる。また、一般には錐体には含まれないが、ここでは、略半球（図５のｆ）の形状も半錐体に含めて考えることができる。さらに、ここでは略半錐体（図５のｇ、ｈ、ｊ）などであっても、図５の左方向から右方向に冷却流体１１が突起７に衝突すれば、略錐体形状で得られる効果が得られるため、略半錐体であっても略錐体形状に含まれるものである。また、突起７の先端は鋭利な頂角を有していても、平坦面を形成（例えば、図５のｄ）していても良い。

また、突起７の先端及び根元部分が曲面（例えば、図５のｅ、ｆでは先端が曲面）から形成されていても良い。さらに、突起７は外形が錐体形状であることに意味があるため、突起７の中が中空（図５のｉ、ｈ）になっていても良い。また、図示していないが円錐がタケノコ型のように母線にあたる箇所が外側に膨れていたり、逆に凹んでいたりしても良い。また、軸対象である必要もない（図５のｊ参照）。

なお、突起７の先端部が平坦であり、かつ、ベース８内面（内面とは流路２と接する側の面）と面接触する場合には、ベース８内面と冷却流体が接する伝熱面積が減少し、伝熱特性が悪化する。それゆえ、突起７の先端は鋭利な頂角を有するか、曲面から形成されることで、ベース８の内面と点接触する構造の方が望ましい。また、突起７とベース８内面との隙間は小さいほど良く、より好ましくは接触した方が望ましい。

一方、突起７先端とベース８内面を熱的に結合させても良く（例えば、ロウ付やハンダ付によって結合させる）、その場合は、突起７先端が鋭利な頂角を有しなくても良い。なお、この場合は、突起７がフィンとしての効果を有し、伝熱容器内面から熱伝導により突起７、さらに蓋１０へ熱が伝達され、突起７周りおよび蓋１０内面から冷却流体１１へ熱が放出され、より効率良く放熱することができる。

また、三次元的流れを活発に発生させるために、突起７の根元部分（蓋１０、基板１８等と接する部分）は曲面から形成された方が望ましい。このようにすることにより、冷却流体１１が突起７の根元からせりあがるように上昇し、冷却流体１１のベース８内面へ衝突し、ベース８内面における冷却流体１１の攪拌が促進される。

なお、上記突起７の抜き勾配は、１．５°程度でも良いが、５°以上ある方が望ましい。好ましくは２０°以上ある方が望ましい。勾配が５度以上であれば、ダイカスト等で製法する際に型から外す際に極めて容易に外すことができるからである。また、勾配が２０度以上であれば、ベース８側の通過断面積を大きくし、冷却流体１１をベース８側に近づけることで、熱伝達効果を向上させることができる。

冷却流体送入口１は、低温の冷却流体１１を送入する役割を有し、一方、冷却流体送出口４は、高温の冷却流体１１を送出する役割を有している。これらは、通流パイプ１５（円管、矩形管、フレキシブルチューブ、ゴム製のホースなど）と連結され、また、伝熱容器３内流路２断面が扁平している場合は、冷却流体送入口１および冷却流体送出口４は扁平した形状である方が望ましく、それに伴い通流パイプ１３もこれらとの連結部近傍で滑らかに扁平し連結されるパイプである方が望ましい。また、図１に示す実施の形態１では、冷却流体送入口１および冷却流体送出口４は、対称的にヒートシンクの側壁９に設けられているが、ベース８および蓋１０に設けても良く、また非対称な位置に設けても良い。

ヒートシンクを構成する材料としては、ベース８については熱伝導率の高い材料からなることが望ましく、従って、例えばアルミニウム、銅、あるいはそれらの複合材料など伝熱性の良好な金属材料でなる。一方、ベース８以外の部分（側壁９、蓋１０、突起７、基板１８および通流パイプ１５）もまた同様の金属材料からなっても良いが、成形の容易さおよび低コスト化の観点から、突起７は樹脂材料で成形しても良い。また、蓋１０および基板１８に関しては、低コスト化のために板金加工しても良く、この場合、突起７の裏面に窪みが形成されて、突起７が中空になるが、突起７は乱流促進体であるため、熱特性の劣化等の問題はない。なお、このようにすることにより、軽量化もできる。

冷却流体１１は、蒸留水、不凍液、アルコールおよびアンモニアなどの液体、または空気および窒素ガスなどの気体である。なお、本発明は、冷却流体１１が液体である場合の方が、その効果が大きい。

なお、図６に示すようにヒートシンクの上下両面に発熱体６が設けられる場合には、伝熱容器３内に基板１４を設けて、基板１４の両面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設ける構成をとることができる。発熱体６が一方向にしかない場合に対して、ヒートシンクを蓋１０を介して面対称に２個重ねて、二枚の蓋１０を基板１４に置き換えたような構成になっている。二個のヒートシンクを反転して重ねた構成と異なり、冷却流体送入口１および冷却流体送出口４は共用できることになり、より簡易な構成となる。この構成によれば、三次元的な流れを引き起こすことで、より簡易な構造で熱伝達特性を向上させることができ、一つのヒートシンクで同時に上下２個（２セット）の発熱体６を冷却することができる。なお、基板１４の両面でなくとも、少なくとも基板１４の片面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設ければ、突起７を設けた側の冷却効果を高めることができる。また、基板１４の片面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設けた複数の基板７を、突起７を有さない面どうしを合わせて、伝熱容器内に装着しても良い。

上記実施の形態１の説明では、発熱体を取り付ける伝熱容器３の壁と対向する伝熱容器３の壁内面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設けた例、および伝熱容器３内に基板１８を設けて、この基板１８の少なくとも片面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設けた例で説明したが、本発明は、冷却流体送入口１と、内部に流路２が形成された伝熱容器３と、冷却流体送出口４とを備えたヒートシンクにおいて、上記流路２が、発熱体６が取り付けられる側から伝熱容器３高さ方向に流路幅が小さくなる略台形の流路２ａ（略三角形流路も含む）と略流路幅一定の流路２ｂとが順次連結された流路２で構成されたものであれば良く、例えば図７に示すように、冷却流体１１の主流流れ方向（冷却流体送入口１から冷却流体送出口４方向）のみ流路２ａと流路２ｂとが順次連結された構成でも良い。なお、流路２ａおよび２ｂは、流路２の位置を特定して説明するために便宜上設けた添え番である。

また、図８に示すように、伝熱容器３の流路２内に、略球体の乱流促進体１９を複数装着しても良い。なお、この場合は、該乱流促進体１９の位置決めを容易にするために、流路２の少なくとも片方の内面に凹部を設けても良い。また、該乱流促進体１９を少なくとも流路２の片面に熱的に結合させても良い（例えば、ロウ付やハンダ付によって結合させる）。発熱体６が設けられた側の伝熱容器３の壁面と熱的に結合された場合は、該乱流促進体１９はフィンとしての効果を有し、伝熱容器３内面から熱伝導により乱流促進体１９に熱が伝達され、乱流促進体１９周りから冷却流体１１へ熱が放出され、より効率良く放熱することができる。また、乱流促進体１９が伝熱容器３の流路の両内面に熱的に接合された場合は、伝熱容器３内面から熱伝導により乱流促進体１９、さらに蓋１０へ熱が伝達され、乱流促進体１９周りおよび蓋１０から冷却流体１１へ熱が放出され、さらに効率良く放熱することができる。また、該乱流促進体１９間は、隙間を設けても良く、また接触しても良い。さらに、乱流促進体１９は中空の球体でも良く、乱流促進体１９の材質は、突起７同様の高熱伝導体でも良く、また樹脂等の低熱伝導体でも良い。

これらの場合でも、流路２の流れ方向に直交する断面は、発熱体６が取り付けられる側から離れるにしたがって狭くなる箇所と、流路２の幅が一定となる箇所とが交互に構成されることになる。また、流路２は、伝熱容器３の高さ方向（厚み方向）に発熱体６が取り付けられる側から流路２の幅が小さくなる略台形流路と略流路幅一定の流路２とが順次連結された構成になっている。

実施の形態２．
図９は実施の形態２によるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。図に示すように、上記伝熱容器３として、発熱体６取付け面に開口１６を有する伝熱容器３を用いたものである。符号は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

図に示すように、実施の形態１とは異なり、伝熱容器３は、発熱体６を取り付ける面が開口しており、発熱体６を取り付けることで開口が覆われて流路を形成している。すなわち、発熱体６が開口１６を覆うように設けることにより、流路２を形成し、また、発熱体６の取付面が直接冷却流体１１と接し、冷却流体１１へ熱を直接伝達する構成になっている。よって、この場合、冷却流体送入口１と伝熱容器３と冷却流体送出口４に加えて発熱体６とによって、通流路５および流路２が形成されることになる。このようにすることにより、発熱体６とベース８間の接触熱抵抗およびベース８部分の熱抵抗を無くすことができ、ヒートシンクの熱特性を向上させることができる。

また、この実施の形態では、発熱体６にフィンを設けることなく、蓋１０に設けた突起７の乱流促進効果により、発熱体６と冷却流体１１間の熱伝達が向上し、放熱特性が向上する。このように、発熱体６に直接フィンを設けないことから、発熱体６（例えば電子機器、パワーモジュールなど）の製作が容易になり、低コスト化できる。また、使用条件により発熱体６から生じる発熱量が変化する場合などにおいても、蓋１０に設けた突起７の形状・大きさ・配設ピッチを変更することにより放熱特性を変更することができ、発熱体６自体の構造変更を行う必要性が無いことから、発熱体６を汎用性のあるもとして製作することができ、利便性およびシステムとしての低コスト化ができる。

なお、発熱体６と伝熱容器３との結合手法としては、Ｏリング、ガスケットによる圧着、または接着剤を用いた接着により行うことができる。

さらに、図１０に示すように伝熱容器３の両面に開口１６を設け、両面に突起７を設けた基板１４を、伝熱容器３内流路２内へ挿入しても良い。伝熱容器３内に基板１４を設けて、基板１４の両面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設けることで、一つのヒートシンクによって二つの発熱体を冷却することができる。なお、基板１４の両面でなくとも、少なくとも基板１４の片面に略錐体形状の突起７を所定の配列で設ければ、突起７を設けた側の冷却効果を高めることができる。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３によるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。また、図１２は、実施の形態３の変形例であるヒートシンクを模式的に示す流路断面図であり、下図が流路横断面図で、上図がＣ−Ｃ断面における上方から見た断面図である。図に示すように、上記ベース８または発熱体６の冷却流体１１と接する伝熱面にフィン１７を設けたものである。その他の符号は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

この実施の形態３によるヒートシンクは、上記実施の形態１および２に対して、フィン１７を設けることで伝熱面積を増大したもので、熱伝達特性を向上させることができる。また、図１１に示すように所定の配列である碁盤目状の配列でピンフィンを設けたベース８と、そのピンフィンを避けるように所定の配列である碁盤目状の配列で突起７が設けられた蓋１０を組合せることにより、フィン１７と突起７とで所定の配列である千鳥足状の配列をした構造を形成することができる。これによって、通常、加工が困難な千鳥足状の配列となるピンを容易に製作することができる。なお、伝熱面に千鳥足状の配列でピンフィンを設けたヒートシンクと比較し、伝熱面積が減少するが、この場合においても、３次元的流れが生じ、伝熱面上の熱伝達が向上するので、比較的熱特性は高くなる。逆に、ピンを取り付ける本数が二分されることにより、よりフィン１７および突起７を疎な配列にすることができ、フィン１７および突起７の両者をあわせることでより細密化が可能となり、熱伝達特性を向上させることができる。

なお、図１１では、フィン１７として上記突起７と同形状の略錐体形状のフィンで説明したが、この形状に限定されるものではなく、例えば上記ベース８または発熱体６の冷却流体１１と接する伝熱面に設けるフィン１７としては、図１２に示すようなストレートフィン（図１２のａ）、ピンフィン（図１２のｂ）、ウェービィフィン、ヘリーボーンフィンまたはセレートフィン（図１２のｃ）、オフセットフィンまたは多孔板フィン（図１２のｄ）などのフィンでも良い。

実施の形態１によるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態１によるヒートシンクを模式的に示す断面図である。 実施の形態１の変形例であるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の他の変形例であるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の他の変形例であるヒートシンクの突起を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の他の変形例であるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の他の変形例であるヒートシンクを模式的に示す断面図である。 実施の形態１の他の変形例であるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態２によるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態２の変形例であるヒートシンクを模式的に示す断面図である。 実施の形態３によるヒートシンクを模式的に示す斜視図である。 実施の形態３の変形例であるヒートシンクを模式的に示す流路断面図である。

符号の説明

１ 冷却流体送入口、 ２ 流路、 ２ａ 流路、 ２ｂ 流路、３ 伝熱容器、 ４ 冷却流体送出口、 ５ 通流路、 ６ 発熱体、 ７ 突起、 ８ ベース、 ９ 側壁、 １０ 蓋、 １１ 冷却流体、 １２ 分配用ヘッダ、 １３ 合流用ヘッダ、 １４ 基板、 １５ 通流パイプ、 １６ 開口、 １７ フィン、 １８ 基板、 １９ 乱流促進体。

Claims (15)

1. 冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記流路の流れ方向に直交する断面は、発熱体が取り付けられる側から離れるにしたがって狭くなる箇所と、前記流路の幅が一定となる箇所とが交互に構成されたことを特徴とするヒートシンク。
2. 冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記流路は、前記伝熱容器高さ方向に発熱体が取り付けられる側から前記流路の幅が小さくなる略台形流路と略流路幅一定の前記流路とが順次連結された構成であることを特徴とするヒートシンク。
3. 冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記伝熱容器の前記流路内に略球体の乱流促進体を複数設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 発熱体を取り付ける側の伝熱容器の壁と対向する前記伝熱容器の壁内面に略錐体形状の突起を所定の配列で設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
5. 伝熱容器内に基板を設けて、この基板の少なくとも片面に略錐体形状の突起を所定の配列で設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
6. 冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、発熱体を取り付ける側の前記伝熱容器の壁と対向する前記伝熱容器の壁内面に略錐体形状の突起を所定の配列で設けたことを特徴とするヒートシンク。
7. 伝熱容器は、発熱体を取り付ける面が開口しており、前記発熱体を取り付けることで前記開口が覆われて流路を形成していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のヒートシンク。
8. 突起または乱流促進体の配列は千鳥足状配列または碁盤目状配列であることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれかに記載のヒートシンク。
9. 突起の先端部は曲面であることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれかに記載のヒートシンク。
10. 突起の根本部は曲面であることを特徴とする請求項４から請求項９のいずれかに記載のヒートシンク。
11. 突起の勾配は５度以上であることを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれかに記載のヒートシンク。
12. 突起または乱流促進体は中空であることを特徴とする請求項３から請求項１１のいずれかに記載のヒートシンク。
13. 突起または乱流促進体は樹脂材料からなることを特徴とする請求項３から請求項１２のいずれかに記載のヒートシンク。
14. 発熱体が取り付けられる側の伝熱容器の内面にフィンを設けたことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載のヒートシンク。
15. 発熱体の流路側の面にフィンを所定の配列で設けたことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれかに記載のヒートシンク。
    

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