素子冷却用ヒートシンク
【課題】基板に取り付けられた素子の発熱形態に対応し、圧力損失を増加させることなく、冷却性能の向上と軽量化を図ることができる素子冷却用ヒートシンクを提供。
【解決手段】薄板部材からなる複数の放熱フィンを所定間隔で整列させて基板（ベースプレート）に接合し、当該基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却するヒートシンクであって、空気流れ方向における前記複数素子の発熱量分布に応じ、前記放熱フィンに放熱効率を変化させる加工が施されていることを特徴とする素子冷却用ヒートシンクである。前記に放熱効率を変化させる加工として、ディンプル加工、張出し加工、オフセット加工および穴明け加工のうち１または２以上の加工を施す。これらの加工にともない、流通空気の圧力損失を増加させることがない。
【解決手段】薄板部材からなる複数の放熱フィンを所定間隔で整列させて基板（ベースプレート）に接合し、当該基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却するヒートシンクであって、空気流れ方向における前記複数素子の発熱量分布に応じ、前記放熱フィンに放熱効率を変化させる加工が施されていることを特徴とする素子冷却用ヒートシンクである。前記に放熱効率を変化させる加工として、ディンプル加工、張出し加工、オフセット加工および穴明け加工のうち１または２以上の加工を施す。これらの加工にともない、流通空気の圧力損失を増加させることがない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板（ベースプレート）の裏面に取付けられる複数の素子を冷却する素子冷却用ヒートシンクに関し、さらに詳しくは、インバータモーター等の電源ユニットに組み込まれた素子の発熱形態に対応し、流通空気の圧力損失を増加させることなく、軽量化を図るとともに放熱効率を向上させることができる素子冷却用ヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両等では動力源としてインバータモーターが採用され、インバータによる電源制御が行われる。このインバータによる電源制御では、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ等の大容量の半導体素子が使用されていることから、これらが組み込まれた電源ユニットでは素子発熱を冷却することが必要になる。
【０００３】
近年においては、半導体素子の集積度が向上するのにともない発熱量が増大し、この発熱によって集積回路が誤動作し、または電源ユニットの気密性が失われるなどの重大なトラブルが発生する。これらに対応するため、集積回路からの発熱を低減させるための回路設計が検討されるとともに、電源ユニットからの放熱を促し、発熱による集積回路の誤作動を抑制することが行われる。この電源ユニットからの放熱用として、従来からヒートシンクが採用されている。
【０００４】
例えば、本発明者らは、特許文献１により、ＬＳＩパッケージの冷却用として、平板状の基板の上に、側壁部と頂部と底部との繰り返しからなる凹凸形状の薄板製のコルゲートフィンを接合固定して放熱フィン部を形成したヒートシンクを提案した。提案のヒートシンクによれば、放熱フィン部を形成するコルゲートフィンの製作が比較的容易であることから、製作コストが安価であり、また、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくすることが可能であり、より高い放熱効率を確保することができ、装置の小型化や軽量化も実現することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−３２０１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の通り、本発明者らは、ＬＳＩパッケージの冷却用として、小型化や軽量化が可能になるのに加え、高い放熱効率を達成することができるコルゲートフィン型のヒートシンクを開発した。
【０００７】
図１は、コルゲートフィン型ヒートシンクの全体構成例を示す斜視図である。コルゲートフィン型のヒートシンク１は、１枚の薄板からプレス加工によって成形された放熱フィン３を、基板２と側壁４とで構成される凹型のフィンケースに収納して、放熱フィン３を基板２にろう付けする構造である。
【０００８】
コルゲートフィンを構成する放熱フィン３の性能は、フィンピッチ、フィン高さおよびフィン厚さにより決定される。このため、フィン厚さは所定の伝熱性能が確保される範囲内で可能な限り薄くすることが必要となるのに加え、フィンピッチおよびフィン高さは製造上、強度上の制約から寸法的に制限されることになる。このような寸法的な制限から、コルゲートフィン型ヒートシンクにおける設計上の許容度は、著しく小さなものとなる。
【０００９】
このような制約を解消しつつさらに放熱効率を向上させるため、図１に示すように、ヒートシンクの性能設計において、２段積みやそれ以上の多段積みの構造でコルゲートフィンを構成することが行われるようになる。
【００１０】
図１に示すヒートシンク１の製造に際し、フィンケースを成形する必要があり、一枚板を冷間曲げ加工によって凹型に成型、また、フィンケースを基板と２つの側面板に三分割し、それらを接合して凹型に組み立てたのち、得られたフィンケースに放熱フィン３を配して、放熱フィン３と基板２をろう付けする。
【００１１】
前述の通り、コルゲートフィンのフィンピッチ、フィン高さおよびフィン厚さには設計上の自由度が狭いことから、さらに放熱効率を高めようとすると、２段積みを超える多段積みのヒートシンクを製作する必要がある。しかし、コルゲートフィン型ヒートシンクにおいて多段積みの構造になると、ヒートシンクの性能面や製造プロセス面で多大な制約を生じることになる。
【００１２】
例えば、多段積みのヒートシンクで放熱効率を確保しようとすると、フィンの肉厚を厚くする必要があるが、フィン材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用した場合に、２段積み以下では肉厚が０．５ｍｍ程度で適用できるが、３段積み以上では肉厚が１．０ｍｍ〜２．０ｍｍを適用しなければならない。しかし、プレス加工上の制約から、放熱フィンの肉厚をそれ程厚くできず、または放熱フィンの肉厚を厚くできたとしても、放熱効率を向上させることができるが、流通空気の圧力損失が著しく増加し事実上の使用が困難になる。
【００１３】
ところが、高速走行が要求される鉄道車両等の電源ユニットでは、素子による発熱が促進され、その発熱量が膨大になる。このため、インバータモーター等の電源ユニットに組み込まれた複数の素子を冷却する場合には、膨大な発熱量に併せ、複数の素子間での発熱が均一でなく、発熱量に変動が生じることになる。
【００１４】
このような場合には、膨大な発熱量の放熱と同時に、発熱量の変動に対応して電源ユニットを冷却する必要があるが、コルゲートフィン型ヒートシンクを適用するのは困難である。すなわち、前述の通り、コルゲートフィン型ヒートシンクでは設計上の自由度が狭いことに加え、製造プロセス上、強度上からも制限されることから、種々の発熱形態に対応する冷却特性が要求される電源ユニットの素子冷却用として採用するのは困難である。
【００１５】
本発明は、上述した素子冷却用として要求される課題に鑑みてなされたものであり、例えば、鉄道車両等のインバータモーターの電源ユニットに組み込まれた複数の素子冷却用として最適な、電源ユニットの発熱形態に対応し、流通空気の圧力損失を増加させることなく、軽量化を図るとともに放熱効率を向上させることができる素子冷却用ヒートシンクを提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
図２は、鉄道車両用インバータモーターの電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。通常、鉄道車両のインバータ制御に用いられる電源ユニットでは、複数の素子が配置されており、素子冷却用としてヒートシンクを適用する場合には、基板（ベースプレート）２の面に複数の素子５取り付けられる。取り付けられた素子５、当該素子が対応する部分に設けられた放熱フィンにより、発熱量に応じて冷却されることになる。
【００１７】
図２に示す素子配置によれば、基板２に固着された電源ユニットは、空気流れ方向に沿って３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されている。すなわち、領域Ａに対応する部分には、発熱量が「大」である素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には、発熱量が「小」である素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には、発熱量が「中」である素子５Ｃが配置される。
【００１８】
したがって、図２に示す素子配置によれば、電源ユニットの各領域における発熱量は、領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示しており、空気流れ方向に沿って変動を生じる分布となっている。
【００１９】
ところが、図２に示すように、電源ユニットが領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割され、発熱量が領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示す形態は例示であり、空気流れ方向に沿って電源ユニットが複数の領域に分割できることを示しているのに過ぎない。言い換えると、素子の配置例としては、各領域の発熱量が領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示すような変動を生じる分布に限定されるものではなく、各領域で変化することなく、発熱量が領域Ａ＝領域Ｂ＝領域Ｃの関係を示す均一な分布形態になることもある。
【００２０】
そこで、本発明者らは、空気流れ方向に沿って電源ユニットが複数の領域に分割され、各領域の発熱量が変動を生じる分布状態、または均一な分布状態である場合に、発熱量の変動に応じた放熱手段として、コルゲートフィン型ヒートシンクに替えて、フィンを薄板部材で製作し、多数枚の放熱フィンを所定間隔で整列させた、いわゆる「フィン整列型ヒートシンク」を適用するのが有効であることに着目した。
【００２１】
さらに、フィン整列型のヒートシンクにおける放熱効率の向上について種々の検討を加えた結果、放熱フィンの放熱面に放熱効率を変化させる加工、すなわち熱伝達を促進する加工を施せば、電源ユニットの発熱量が空気流れ方向に沿って変動を生じる分布状態であっても、または均一な分布状態であっても、分布状態に対応して冷却性能を確保できることを明らかにした。
【００２２】
したがって、本発明の素子冷却用ヒートシンクは、薄板部材からなる複数の放熱フィンを所定間隔で整列させて基板に接合し、当該基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却するヒートシンクであって、空気流れ方向における前記複数素子の発熱量分布に応じ、前記放熱フィンに放熱効率を変化させる加工が施されていることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、特定領域での放熱効率を変化させる加工として、放熱フィンの空気流れ方向に沿う部分的な放熱面には、ディンプル加工、張出し加工、オフセット加工および穴明け加工のうち１または２以上を施すことができる。
【００２４】
いずれの加工例であっても、冷却空気の流通にともなって、放熱フィンの放熱面に積極的に乱流を発生させることができ、特定領域に該当する放熱フィンの放熱効率を向上させることができる。さらにこれらの加工にともなって、放熱フィンの剛性も同時に確保することができるので、放熱フィン寸法の多様化を図ることができる。
【００２５】
さらに、本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、前記放熱フィンへの放熱効率を変化させる加工にともない、流通空気の圧力損失を増加させることがないことを特徴としている。
【００２６】
具体的には、フィンピッチを大きくして圧力損失を抑制するとともに、ディンプル加工等により電源ユニットの発熱量の分布状態に対応した放熱効率の調整が可能となり、総合的な冷却性能の向上を図ることができる。しかも、フィンピッチを大きくすることにより、軽量化を図ることができる。
【００２７】
本発明の素子冷却用ヒートシンクは、前記複数素子の発熱量分布が全長に亘り均一に形成された場合であっても、または複数に区分された領域毎に変動して形成された場合であっても適用できる。
【００２８】
前記図２に示すように、電源ユニットが領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割され、発熱量が領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示す形態は例示であり、本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、各領域の発熱量が変動を生じる分布に限定されるものではなく、各領域で変動を生じることなく発熱量が領域Ａ＝領域Ｂ＝領域Ｃの関係を示す均一な分布形態に対しても適用できるものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の素子冷却用ヒートシンクによれば、フィン整列型ヒートシンクを用いて基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却する場合に、空気流れ方向における複数素子の発熱量分布に応じ、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工、すなわち熱伝達を促進する加工を施すことにより、総合的に放熱効率を向上させることができる。
【００３０】
さらに、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工にともない、フィンピッチを大きくして流通空気の圧力損失を増加させることなく、軽量化を図ることができるので、効率的に冷却性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明は、素子冷却用としてフィン整列型のヒートシンクを採用し、電源ユニットの発熱量の分布状態に対応して、フィンの放熱面に放熱効率を向上させる加工を施すことを特徴としている。
【００３２】
図３は、放熱フィンの放熱面に施すことができる放熱効率を向上させる加工例を示す図である。同図（ａ）は放熱フィン６の放熱面にディンプル加工を施した例であり、フィン寸法に応じて所定の密度でディンプルを設けることができる。さらに、同図（ｂ）は張出し加工を施した例であり、同図（ｃ）はオフセット加工を施した例であり、これらの加工を施すことによってフィンの剛性も同時に確保することができる。また、同図（ｄ）は放熱面に穴明け加工を施した例であり、放熱面に貫通穴を設けている。
【００３３】
本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、冷却空気の流通にともなって、放熱フィン６の放熱面に積極的に乱流を発生させることができ、放熱フィン６の該当領域において放熱効率を向上できる。本発明の施工において、放熱フィン６の放熱面に施す加工は、放熱面に乱流を発生させるためのものであればよく、上記図３（ａ）〜（ｄ）のいずれかの加工例に限定されず、必要に応じてこれらの加工例を組み合わせてもよい。
【００３４】
さらに、放熱フィン６の放熱面にディンプル加工、張出し加工、またはオフセット加工を施すことによって、放熱フィンの剛性が得られ、フィンサイズを大きくした場合であっても、ビビリの発生を回避できるという効果も期待できる。
【００３５】
本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、さらに前記図３（ａ）〜（ｄ）に示す加工により、総合的に放熱効率を向上させることができ、加工にともなって発生する圧力損失をフィンピッチを大きくして抑制すると同時に、軽量化を図ることが可能となり、総合的な冷却性能の向上を図ることを特徴としている。
【００３６】
本発明の素子冷却用ヒートシンクが発揮するこのような特徴について、空気の流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量分布が均一である場合と、発熱量分布が変動する場合とに区分して説明する。
（発熱量の分布が均一である場合）
図４は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図４（ａ）に示すヒートシンク（従来例）では、平坦な上下面を備える矩形状の基板２と、この基板２上に整列された放熱フィン６とからなっている。放熱フィン６は平坦な矩形状をした薄板部材からなる。
【００３７】
放熱フィン６をその下端面が基板２の上面と接触するように基板２上に配置し、各接触部をろう付して基板２と放熱フィン６とを接合する。このとき、放熱フィン６のフィンピッチＰ１は、基板２上に可能な限り多くの放熱フィンを配列し、放熱効率を高めるようにしている。
【００３８】
図４に示す素子配置は、空気流れ方向に沿って電源ユニットは３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されるが、いずれの領域においても発熱量は均一である。すなわち、領域Ａに対応する部分には素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には素子５Ｃが配置されているが、発熱量の分布に変動がない。
【００３９】
各領域の放熱効率を変更せず、同一とする場合、すなわち、放熱フィン６を領域毎に区分せず、空気流れ方向の全長に亘って同一の放熱フィン６を使用する場合には、図４（ｂ）に示すように、ヒートシンク出側における基板の温度分布が最高温度上昇値（ピーク値）に達し、許容限界を超える温度になる。
【００４０】
図５は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図５に示す素子配置では、前記図４と同様に、領域Ａ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても、素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの発熱量は均一である。
【００４１】
図５（ａ）に示すヒートシンク（本発明例）では、領域Ｃにおいて放熱効率を向上させるため、放熱フィン６の放熱面にディンプル加工を施している。さらに、領域Ｃでのディンプル加工にともない圧力損失が増大することから、放熱フィン６のフィンピッチＰ２（Ｐ２＞Ｐ１）として、圧力損失の増大を抑制している。
【００４２】
領域Ｃにおいて放熱面にディンプル加工を施すことによって、図５（ｂ）の実線に示すように、ヒートシンク入側における基板の温度分布が上昇するが、同図の破線で示す図４（ｂ）の場合に比べ、最高温度上昇値（ピーク値）を著しく低減することができ、許容限界を超える温度になることはない。したがって、領域Ｃにおいて放熱面にディンプル加工を施すことにより、総合的な冷却性能の向上を図ることができるとともに、薄板の使用量を低減できるので、軽量化を図ることができる。
（発熱量の分布が変動する場合）
図６は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図６（ａ）に示すヒートシンク（従来例）では、平坦な上下面を備える矩形状の基板２と、この基板２上に整列された放熱フィン６とからなり、放熱フィン６は平坦な矩形状をした薄板部材からなる。このとき、放熱フィン６のフィンピッチＰ３は、基板２上に可能な限り多くのフィンを配列して、放熱効率を高めるようにしている。
【００４３】
図６に示す素子配置は、空気の流れ方向に沿って電源ユニットは３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されており、領域Ａに対応する部分には発熱量が「大」である素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には発熱量が「小」である素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には発熱量が「中」である素子５Ｃが配置される。このため、電源ユニットの各領域における発熱量の分布に変動が生じている。
【００４４】
各領域での放熱効率を変更せず、放熱フィン６を領域毎に区分せず、空気流れ方向の全長に亘って同一の放熱フィン６を使用する場合には、発熱量が「大」である領域Ａの放熱効率を各領域で確保することが必要になる。発熱量が「中」または「小」の領域Ｂ、Ｃの放熱効率を基準にすると、図６（ｂ）に示すように、領域Ａおよび領域Ｃは許容限界を超えるほど加熱される状態になる。
【００４５】
さらに、領域Ａの放熱効率を各領域で確保した場合は、領域Ｂでは必要以上に放熱が促進され、無駄な冷却状態になる。
【００４６】
図７は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図７に示す素子配置では、前記図６と同様に、領域Ａに対応する部分には発熱量が「大」である素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には発熱量が「小」である素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には発熱量が「中」である素子５Ｃが配置され、領域Ａ、領域Ｃ、領域Ｂの順で小さくなり、空気の流れ方向に沿って変動を生じている。
【００４７】
図７（ａ）に示すヒートシンク（本発明例）では、放熱効率を向上させるため、領域Ａにおいて放熱フィン６の放熱面に高密度のディンプル加工を施し、さらに、領域Ｃにおいて放熱フィン６の放熱面に低密度のディンプル加工を施している。また、これらのディンプル加工にともない、圧力損失が増大することから、放熱フィン４のフィンピッチＰ４（Ｐ４＞Ｐ３）として、圧力損失の増大を抑制している。
【００４８】
領域Ａ、Ｃの放熱効率を各領域の発熱量分布に対応して変更した場合は、図７（ｂ）の実線で示すように、同図の破線で示す図６（ｂ）の場合に比べ、発熱量が「大」である領域Ａで基板の温度分布の最高温度上昇値（ピーク値）が抑えられるのに加え、発熱量が「小」である領域Ｂおよび発熱量が「中」である領域Ｃでも、その温度分布の平準化を図ることができる。これにより、いずれの領域も許容限界を超えることがなく、総合的な冷却性能の向上を図ることができ、薄板の使用量を低減できるので軽量化を図ることができる。
【００４９】
以上の説明では、本発明のヒートシンクの構成について、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量分布が均一である場合と、発熱量分布が変動する場合とについて説明したが、このような構成は、空気の流れ方向の発熱量分布への対応に限定されるものではなく、空気の流れ方向に直交する方向に発熱量の分布が生じている場合であっても、同様に適用できるものである。
【実施例】
【００５０】
本発明の素子冷却用ヒートシンクの効果を確認するため、フィン整列型のヒートシンクを材質としてアルミニウム（ＪＩＳ Ｈ４０００ Ａ１０５０）を用いて作製した。
【００５１】
図８は、実施例で用いた電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。供試された素子配置によれば、空気流れ方向に沿って３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されており、領域Ａに対応する部分には発熱負荷が６００Ｗの素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には発熱負荷が３００Ｗである素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には発熱負荷が１６００Ｗである素子５Ｃが配置される。
【００５２】
図９は、本発明例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。図９に示すように、基板厚さを１２ｍｍ、フィン高さを１２０ｍｍ、フィン厚さを２．０ｍｍ、フィンピッチを７．２ｍｍ（フィン枚数２９枚）とし、素子の発熱負荷分布を考慮して、空気流れ方向の後半部にディンプル加工による放熱効率を変化させる加工を施した。
【００５３】
図１０は、比較例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。図９に示すように、基板厚さを１２ｍｍ、フィン高さを１２０ｍｍ、フィン厚さを２．０ｍｍ、フィンピッチを６．７ｍｍ（フィン枚数３１枚）とし、全面に亘り平板フィンで放熱効率を変化させる加工を行わなかった。
【００５４】
本発明例と比較例では、それぞれのフィンピッチを圧力損失が同等になるように設定しており、これにともなって本発明例のフィンピッチが大きくなり、フィン枚数が少なくなったため、約５％の軽量が可能になった。
【００５５】
図１１は、ダクト前面の平均流速を７ｍ／ｓとした場合における基板の素子取り付け面近傍における温度分布を示す図である。本発明例による温度分布では、空気流れ方向の前半部では、フィンピッチが広くなっているので若干の温度上昇が観察されたが、後半部に至ると、ディンプル加工の作用により温度上昇が抑えられ、出側での最高温度上昇値（ピーク値）を６％程度低減できた。
【００５６】
図１２は、ダクト前面の平均流速を０〜２０ｍ／ｓと変動させた場合における、基板の素子取り付け面近傍における最高温度上昇値（ピーク値）および圧力損失の関係を示す図である。図１２に示す結果から、本発明例によれば、ダクト前面の平均流速がいずれの範囲であっても、特に３〜１３ｍ／ｓの範囲であれば、最高温度上昇値（ピーク値）を低減することが可能であり、圧力損失を同一とし、軽量化および冷却性能の向上を実現できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の素子冷却用ヒートシンクによれば、フィン整列型ヒートシンクを用いて基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却する場合に、空気流れ方向における複数素子の発熱量分布に応じ、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工、すなわち熱伝達を促進する加工を施すことにより、総合的に放熱効率を向上させることができる。
【００５８】
さらに、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工にともない、フィンピッチを大きくして流通空気に圧力損失を増加させることなく、軽量化を図ることができるので、効率的に冷却特性を向上させることができる。これらにより、本発明の素子冷却用ヒートシンクは、効率的な電源ユニットとして広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】コルゲートフィン型ヒートシンクの全体構成例を示す斜視図である。
【図２】鉄道車両用インバータモーターの電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。
【図３】放熱フィンの放熱面に施すことができる放熱効率を向上させる加工例を示す図である。
【図４】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図５】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図６】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図７】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図８】実施例で用いた電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。
【図９】本発明例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。
【図１０】比較例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。
【図１１】ダクト前面の平均流速を７ｍ／ｓとした場合における基板の素子取り付け面近傍における温度分布を示す図である。
【図１２】ダクト前面の平均流速を０〜２０ｍ／ｓと変動させた場合における、基板の素子取り付け面近傍における最高温度上昇値（ピーク値）および圧力損失の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：ヒートシンク、 ２：基板、ベースプレート
３：コルゲートフィン、 ４：側壁
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ：素子
６：放熱フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板（ベースプレート）の裏面に取付けられる複数の素子を冷却する素子冷却用ヒートシンクに関し、さらに詳しくは、インバータモーター等の電源ユニットに組み込まれた素子の発熱形態に対応し、流通空気の圧力損失を増加させることなく、軽量化を図るとともに放熱効率を向上させることができる素子冷却用ヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両等では動力源としてインバータモーターが採用され、インバータによる電源制御が行われる。このインバータによる電源制御では、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ等の大容量の半導体素子が使用されていることから、これらが組み込まれた電源ユニットでは素子発熱を冷却することが必要になる。
【０００３】
近年においては、半導体素子の集積度が向上するのにともない発熱量が増大し、この発熱によって集積回路が誤動作し、または電源ユニットの気密性が失われるなどの重大なトラブルが発生する。これらに対応するため、集積回路からの発熱を低減させるための回路設計が検討されるとともに、電源ユニットからの放熱を促し、発熱による集積回路の誤作動を抑制することが行われる。この電源ユニットからの放熱用として、従来からヒートシンクが採用されている。
【０００４】
例えば、本発明者らは、特許文献１により、ＬＳＩパッケージの冷却用として、平板状の基板の上に、側壁部と頂部と底部との繰り返しからなる凹凸形状の薄板製のコルゲートフィンを接合固定して放熱フィン部を形成したヒートシンクを提案した。提案のヒートシンクによれば、放熱フィン部を形成するコルゲートフィンの製作が比較的容易であることから、製作コストが安価であり、また、コルゲートフィンのフィンピッチを小さくすることが可能であり、より高い放熱効率を確保することができ、装置の小型化や軽量化も実現することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−３２０１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の通り、本発明者らは、ＬＳＩパッケージの冷却用として、小型化や軽量化が可能になるのに加え、高い放熱効率を達成することができるコルゲートフィン型のヒートシンクを開発した。
【０００７】
図１は、コルゲートフィン型ヒートシンクの全体構成例を示す斜視図である。コルゲートフィン型のヒートシンク１は、１枚の薄板からプレス加工によって成形された放熱フィン３を、基板２と側壁４とで構成される凹型のフィンケースに収納して、放熱フィン３を基板２にろう付けする構造である。
【０００８】
コルゲートフィンを構成する放熱フィン３の性能は、フィンピッチ、フィン高さおよびフィン厚さにより決定される。このため、フィン厚さは所定の伝熱性能が確保される範囲内で可能な限り薄くすることが必要となるのに加え、フィンピッチおよびフィン高さは製造上、強度上の制約から寸法的に制限されることになる。このような寸法的な制限から、コルゲートフィン型ヒートシンクにおける設計上の許容度は、著しく小さなものとなる。
【０００９】
このような制約を解消しつつさらに放熱効率を向上させるため、図１に示すように、ヒートシンクの性能設計において、２段積みやそれ以上の多段積みの構造でコルゲートフィンを構成することが行われるようになる。
【００１０】
図１に示すヒートシンク１の製造に際し、フィンケースを成形する必要があり、一枚板を冷間曲げ加工によって凹型に成型、また、フィンケースを基板と２つの側面板に三分割し、それらを接合して凹型に組み立てたのち、得られたフィンケースに放熱フィン３を配して、放熱フィン３と基板２をろう付けする。
【００１１】
前述の通り、コルゲートフィンのフィンピッチ、フィン高さおよびフィン厚さには設計上の自由度が狭いことから、さらに放熱効率を高めようとすると、２段積みを超える多段積みのヒートシンクを製作する必要がある。しかし、コルゲートフィン型ヒートシンクにおいて多段積みの構造になると、ヒートシンクの性能面や製造プロセス面で多大な制約を生じることになる。
【００１２】
例えば、多段積みのヒートシンクで放熱効率を確保しようとすると、フィンの肉厚を厚くする必要があるが、フィン材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用した場合に、２段積み以下では肉厚が０．５ｍｍ程度で適用できるが、３段積み以上では肉厚が１．０ｍｍ〜２．０ｍｍを適用しなければならない。しかし、プレス加工上の制約から、放熱フィンの肉厚をそれ程厚くできず、または放熱フィンの肉厚を厚くできたとしても、放熱効率を向上させることができるが、流通空気の圧力損失が著しく増加し事実上の使用が困難になる。
【００１３】
ところが、高速走行が要求される鉄道車両等の電源ユニットでは、素子による発熱が促進され、その発熱量が膨大になる。このため、インバータモーター等の電源ユニットに組み込まれた複数の素子を冷却する場合には、膨大な発熱量に併せ、複数の素子間での発熱が均一でなく、発熱量に変動が生じることになる。
【００１４】
このような場合には、膨大な発熱量の放熱と同時に、発熱量の変動に対応して電源ユニットを冷却する必要があるが、コルゲートフィン型ヒートシンクを適用するのは困難である。すなわち、前述の通り、コルゲートフィン型ヒートシンクでは設計上の自由度が狭いことに加え、製造プロセス上、強度上からも制限されることから、種々の発熱形態に対応する冷却特性が要求される電源ユニットの素子冷却用として採用するのは困難である。
【００１５】
本発明は、上述した素子冷却用として要求される課題に鑑みてなされたものであり、例えば、鉄道車両等のインバータモーターの電源ユニットに組み込まれた複数の素子冷却用として最適な、電源ユニットの発熱形態に対応し、流通空気の圧力損失を増加させることなく、軽量化を図るとともに放熱効率を向上させることができる素子冷却用ヒートシンクを提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
図２は、鉄道車両用インバータモーターの電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。通常、鉄道車両のインバータ制御に用いられる電源ユニットでは、複数の素子が配置されており、素子冷却用としてヒートシンクを適用する場合には、基板（ベースプレート）２の面に複数の素子５取り付けられる。取り付けられた素子５、当該素子が対応する部分に設けられた放熱フィンにより、発熱量に応じて冷却されることになる。
【００１７】
図２に示す素子配置によれば、基板２に固着された電源ユニットは、空気流れ方向に沿って３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されている。すなわち、領域Ａに対応する部分には、発熱量が「大」である素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には、発熱量が「小」である素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には、発熱量が「中」である素子５Ｃが配置される。
【００１８】
したがって、図２に示す素子配置によれば、電源ユニットの各領域における発熱量は、領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示しており、空気流れ方向に沿って変動を生じる分布となっている。
【００１９】
ところが、図２に示すように、電源ユニットが領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割され、発熱量が領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示す形態は例示であり、空気流れ方向に沿って電源ユニットが複数の領域に分割できることを示しているのに過ぎない。言い換えると、素子の配置例としては、各領域の発熱量が領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示すような変動を生じる分布に限定されるものではなく、各領域で変化することなく、発熱量が領域Ａ＝領域Ｂ＝領域Ｃの関係を示す均一な分布形態になることもある。
【００２０】
そこで、本発明者らは、空気流れ方向に沿って電源ユニットが複数の領域に分割され、各領域の発熱量が変動を生じる分布状態、または均一な分布状態である場合に、発熱量の変動に応じた放熱手段として、コルゲートフィン型ヒートシンクに替えて、フィンを薄板部材で製作し、多数枚の放熱フィンを所定間隔で整列させた、いわゆる「フィン整列型ヒートシンク」を適用するのが有効であることに着目した。
【００２１】
さらに、フィン整列型のヒートシンクにおける放熱効率の向上について種々の検討を加えた結果、放熱フィンの放熱面に放熱効率を変化させる加工、すなわち熱伝達を促進する加工を施せば、電源ユニットの発熱量が空気流れ方向に沿って変動を生じる分布状態であっても、または均一な分布状態であっても、分布状態に対応して冷却性能を確保できることを明らかにした。
【００２２】
したがって、本発明の素子冷却用ヒートシンクは、薄板部材からなる複数の放熱フィンを所定間隔で整列させて基板に接合し、当該基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却するヒートシンクであって、空気流れ方向における前記複数素子の発熱量分布に応じ、前記放熱フィンに放熱効率を変化させる加工が施されていることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、特定領域での放熱効率を変化させる加工として、放熱フィンの空気流れ方向に沿う部分的な放熱面には、ディンプル加工、張出し加工、オフセット加工および穴明け加工のうち１または２以上を施すことができる。
【００２４】
いずれの加工例であっても、冷却空気の流通にともなって、放熱フィンの放熱面に積極的に乱流を発生させることができ、特定領域に該当する放熱フィンの放熱効率を向上させることができる。さらにこれらの加工にともなって、放熱フィンの剛性も同時に確保することができるので、放熱フィン寸法の多様化を図ることができる。
【００２５】
さらに、本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、前記放熱フィンへの放熱効率を変化させる加工にともない、流通空気の圧力損失を増加させることがないことを特徴としている。
【００２６】
具体的には、フィンピッチを大きくして圧力損失を抑制するとともに、ディンプル加工等により電源ユニットの発熱量の分布状態に対応した放熱効率の調整が可能となり、総合的な冷却性能の向上を図ることができる。しかも、フィンピッチを大きくすることにより、軽量化を図ることができる。
【００２７】
本発明の素子冷却用ヒートシンクは、前記複数素子の発熱量分布が全長に亘り均一に形成された場合であっても、または複数に区分された領域毎に変動して形成された場合であっても適用できる。
【００２８】
前記図２に示すように、電源ユニットが領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割され、発熱量が領域Ａ＞領域Ｃ＞領域Ｂの関係を示す形態は例示であり、本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、各領域の発熱量が変動を生じる分布に限定されるものではなく、各領域で変動を生じることなく発熱量が領域Ａ＝領域Ｂ＝領域Ｃの関係を示す均一な分布形態に対しても適用できるものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の素子冷却用ヒートシンクによれば、フィン整列型ヒートシンクを用いて基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却する場合に、空気流れ方向における複数素子の発熱量分布に応じ、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工、すなわち熱伝達を促進する加工を施すことにより、総合的に放熱効率を向上させることができる。
【００３０】
さらに、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工にともない、フィンピッチを大きくして流通空気の圧力損失を増加させることなく、軽量化を図ることができるので、効率的に冷却性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明は、素子冷却用としてフィン整列型のヒートシンクを採用し、電源ユニットの発熱量の分布状態に対応して、フィンの放熱面に放熱効率を向上させる加工を施すことを特徴としている。
【００３２】
図３は、放熱フィンの放熱面に施すことができる放熱効率を向上させる加工例を示す図である。同図（ａ）は放熱フィン６の放熱面にディンプル加工を施した例であり、フィン寸法に応じて所定の密度でディンプルを設けることができる。さらに、同図（ｂ）は張出し加工を施した例であり、同図（ｃ）はオフセット加工を施した例であり、これらの加工を施すことによってフィンの剛性も同時に確保することができる。また、同図（ｄ）は放熱面に穴明け加工を施した例であり、放熱面に貫通穴を設けている。
【００３３】
本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、冷却空気の流通にともなって、放熱フィン６の放熱面に積極的に乱流を発生させることができ、放熱フィン６の該当領域において放熱効率を向上できる。本発明の施工において、放熱フィン６の放熱面に施す加工は、放熱面に乱流を発生させるためのものであればよく、上記図３（ａ）〜（ｄ）のいずれかの加工例に限定されず、必要に応じてこれらの加工例を組み合わせてもよい。
【００３４】
さらに、放熱フィン６の放熱面にディンプル加工、張出し加工、またはオフセット加工を施すことによって、放熱フィンの剛性が得られ、フィンサイズを大きくした場合であっても、ビビリの発生を回避できるという効果も期待できる。
【００３５】
本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、さらに前記図３（ａ）〜（ｄ）に示す加工により、総合的に放熱効率を向上させることができ、加工にともなって発生する圧力損失をフィンピッチを大きくして抑制すると同時に、軽量化を図ることが可能となり、総合的な冷却性能の向上を図ることを特徴としている。
【００３６】
本発明の素子冷却用ヒートシンクが発揮するこのような特徴について、空気の流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量分布が均一である場合と、発熱量分布が変動する場合とに区分して説明する。
（発熱量の分布が均一である場合）
図４は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図４（ａ）に示すヒートシンク（従来例）では、平坦な上下面を備える矩形状の基板２と、この基板２上に整列された放熱フィン６とからなっている。放熱フィン６は平坦な矩形状をした薄板部材からなる。
【００３７】
放熱フィン６をその下端面が基板２の上面と接触するように基板２上に配置し、各接触部をろう付して基板２と放熱フィン６とを接合する。このとき、放熱フィン６のフィンピッチＰ１は、基板２上に可能な限り多くの放熱フィンを配列し、放熱効率を高めるようにしている。
【００３８】
図４に示す素子配置は、空気流れ方向に沿って電源ユニットは３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されるが、いずれの領域においても発熱量は均一である。すなわち、領域Ａに対応する部分には素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には素子５Ｃが配置されているが、発熱量の分布に変動がない。
【００３９】
各領域の放熱効率を変更せず、同一とする場合、すなわち、放熱フィン６を領域毎に区分せず、空気流れ方向の全長に亘って同一の放熱フィン６を使用する場合には、図４（ｂ）に示すように、ヒートシンク出側における基板の温度分布が最高温度上昇値（ピーク値）に達し、許容限界を超える温度になる。
【００４０】
図５は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図５に示す素子配置では、前記図４と同様に、領域Ａ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても、素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの発熱量は均一である。
【００４１】
図５（ａ）に示すヒートシンク（本発明例）では、領域Ｃにおいて放熱効率を向上させるため、放熱フィン６の放熱面にディンプル加工を施している。さらに、領域Ｃでのディンプル加工にともない圧力損失が増大することから、放熱フィン６のフィンピッチＰ２（Ｐ２＞Ｐ１）として、圧力損失の増大を抑制している。
【００４２】
領域Ｃにおいて放熱面にディンプル加工を施すことによって、図５（ｂ）の実線に示すように、ヒートシンク入側における基板の温度分布が上昇するが、同図の破線で示す図４（ｂ）の場合に比べ、最高温度上昇値（ピーク値）を著しく低減することができ、許容限界を超える温度になることはない。したがって、領域Ｃにおいて放熱面にディンプル加工を施すことにより、総合的な冷却性能の向上を図ることができるとともに、薄板の使用量を低減できるので、軽量化を図ることができる。
（発熱量の分布が変動する場合）
図６は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図６（ａ）に示すヒートシンク（従来例）では、平坦な上下面を備える矩形状の基板２と、この基板２上に整列された放熱フィン６とからなり、放熱フィン６は平坦な矩形状をした薄板部材からなる。このとき、放熱フィン６のフィンピッチＰ３は、基板２上に可能な限り多くのフィンを配列して、放熱効率を高めるようにしている。
【００４３】
図６に示す素子配置は、空気の流れ方向に沿って電源ユニットは３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されており、領域Ａに対応する部分には発熱量が「大」である素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には発熱量が「小」である素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には発熱量が「中」である素子５Ｃが配置される。このため、電源ユニットの各領域における発熱量の分布に変動が生じている。
【００４４】
各領域での放熱効率を変更せず、放熱フィン６を領域毎に区分せず、空気流れ方向の全長に亘って同一の放熱フィン６を使用する場合には、発熱量が「大」である領域Ａの放熱効率を各領域で確保することが必要になる。発熱量が「中」または「小」の領域Ｂ、Ｃの放熱効率を基準にすると、図６（ｂ）に示すように、領域Ａおよび領域Ｃは許容限界を超えるほど加熱される状態になる。
【００４５】
さらに、領域Ａの放熱効率を各領域で確保した場合は、領域Ｂでは必要以上に放熱が促進され、無駄な冷却状態になる。
【００４６】
図７は、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。図７に示す素子配置では、前記図６と同様に、領域Ａに対応する部分には発熱量が「大」である素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には発熱量が「小」である素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には発熱量が「中」である素子５Ｃが配置され、領域Ａ、領域Ｃ、領域Ｂの順で小さくなり、空気の流れ方向に沿って変動を生じている。
【００４７】
図７（ａ）に示すヒートシンク（本発明例）では、放熱効率を向上させるため、領域Ａにおいて放熱フィン６の放熱面に高密度のディンプル加工を施し、さらに、領域Ｃにおいて放熱フィン６の放熱面に低密度のディンプル加工を施している。また、これらのディンプル加工にともない、圧力損失が増大することから、放熱フィン４のフィンピッチＰ４（Ｐ４＞Ｐ３）として、圧力損失の増大を抑制している。
【００４８】
領域Ａ、Ｃの放熱効率を各領域の発熱量分布に対応して変更した場合は、図７（ｂ）の実線で示すように、同図の破線で示す図６（ｂ）の場合に比べ、発熱量が「大」である領域Ａで基板の温度分布の最高温度上昇値（ピーク値）が抑えられるのに加え、発熱量が「小」である領域Ｂおよび発熱量が「中」である領域Ｃでも、その温度分布の平準化を図ることができる。これにより、いずれの領域も許容限界を超えることがなく、総合的な冷却性能の向上を図ることができ、薄板の使用量を低減できるので軽量化を図ることができる。
【００４９】
以上の説明では、本発明のヒートシンクの構成について、空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量分布が均一である場合と、発熱量分布が変動する場合とについて説明したが、このような構成は、空気の流れ方向の発熱量分布への対応に限定されるものではなく、空気の流れ方向に直交する方向に発熱量の分布が生じている場合であっても、同様に適用できるものである。
【実施例】
【００５０】
本発明の素子冷却用ヒートシンクの効果を確認するため、フィン整列型のヒートシンクを材質としてアルミニウム（ＪＩＳ Ｈ４０００ Ａ１０５０）を用いて作製した。
【００５１】
図８は、実施例で用いた電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。供試された素子配置によれば、空気流れ方向に沿って３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分割されており、領域Ａに対応する部分には発熱負荷が６００Ｗの素子５Ａが配置され、領域Ｂに対応する部分には発熱負荷が３００Ｗである素子５Ｂが配置され、領域Ｃに対応する部分には発熱負荷が１６００Ｗである素子５Ｃが配置される。
【００５２】
図９は、本発明例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。図９に示すように、基板厚さを１２ｍｍ、フィン高さを１２０ｍｍ、フィン厚さを２．０ｍｍ、フィンピッチを７．２ｍｍ（フィン枚数２９枚）とし、素子の発熱負荷分布を考慮して、空気流れ方向の後半部にディンプル加工による放熱効率を変化させる加工を施した。
【００５３】
図１０は、比較例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。図９に示すように、基板厚さを１２ｍｍ、フィン高さを１２０ｍｍ、フィン厚さを２．０ｍｍ、フィンピッチを６．７ｍｍ（フィン枚数３１枚）とし、全面に亘り平板フィンで放熱効率を変化させる加工を行わなかった。
【００５４】
本発明例と比較例では、それぞれのフィンピッチを圧力損失が同等になるように設定しており、これにともなって本発明例のフィンピッチが大きくなり、フィン枚数が少なくなったため、約５％の軽量が可能になった。
【００５５】
図１１は、ダクト前面の平均流速を７ｍ／ｓとした場合における基板の素子取り付け面近傍における温度分布を示す図である。本発明例による温度分布では、空気流れ方向の前半部では、フィンピッチが広くなっているので若干の温度上昇が観察されたが、後半部に至ると、ディンプル加工の作用により温度上昇が抑えられ、出側での最高温度上昇値（ピーク値）を６％程度低減できた。
【００５６】
図１２は、ダクト前面の平均流速を０〜２０ｍ／ｓと変動させた場合における、基板の素子取り付け面近傍における最高温度上昇値（ピーク値）および圧力損失の関係を示す図である。図１２に示す結果から、本発明例によれば、ダクト前面の平均流速がいずれの範囲であっても、特に３〜１３ｍ／ｓの範囲であれば、最高温度上昇値（ピーク値）を低減することが可能であり、圧力損失を同一とし、軽量化および冷却性能の向上を実現できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の素子冷却用ヒートシンクによれば、フィン整列型ヒートシンクを用いて基板の裏面に取付けられた複数の素子を冷却する場合に、空気流れ方向における複数素子の発熱量分布に応じ、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工、すなわち熱伝達を促進する加工を施すことにより、総合的に放熱効率を向上させることができる。
【００５８】
さらに、放熱フィンに放熱効率を変化させる加工にともない、フィンピッチを大きくして流通空気に圧力損失を増加させることなく、軽量化を図ることができるので、効率的に冷却特性を向上させることができる。これらにより、本発明の素子冷却用ヒートシンクは、効率的な電源ユニットとして広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】コルゲートフィン型ヒートシンクの全体構成例を示す斜視図である。
【図２】鉄道車両用インバータモーターの電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。
【図３】放熱フィンの放熱面に施すことができる放熱効率を向上させる加工例を示す図である。
【図４】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図５】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が均一である場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図６】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（従来例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図７】空気流れ方向に沿って電源ユニットの発熱量の分布が変動する場合に適用できるヒートシンク構成例（本発明例）と、同ヒートシンクにおける基板の温度分布を空気流れ方向で示した図である。
【図８】実施例で用いた電源ユニットに組み込まれた素子の配置例を示す図である。
【図９】本発明例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。
【図１０】比較例として実施例に供試したフィン整列型のヒートシンク各部の寸法を示す図であり、（ａ）は同ヒートシンクの入側正面図であり、（ｂ）は同ヒートシンクの側面図である。
【図１１】ダクト前面の平均流速を７ｍ／ｓとした場合における基板の素子取り付け面近傍における温度分布を示す図である。
【図１２】ダクト前面の平均流速を０〜２０ｍ／ｓと変動させた場合における、基板の素子取り付け面近傍における最高温度上昇値（ピーク値）および圧力損失の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：ヒートシンク、 ２：基板、ベースプレート
３：コルゲートフィン、 ４：側壁
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ：素子
６：放熱フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板部材からなる複数の放熱フィンを所定間隔で整列させて基板（ベースプレート）に接合し、当該基板（ベースプレート）の裏面に取付けられた複数の素子を冷却するヒートシンクであって、
空気流れ方向における前記複数素子の発熱量分布に応じ、前記放熱フィンに放熱効率を変化させる加工が施されていることを特徴とする素子冷却用ヒートシンク。
【請求項２】
前記放熱フィンの空気流れ方向に沿う部分的な放熱面には、放熱効率を変化させる加工として、ディンプル加工、張出し加工、オフセット加工および穴明け加工のうち１または２以上の加工が施されることを特徴とする請求項１に記載の素子冷却用ヒートシンク。
【請求項３】
前記放熱フィンへの放熱効率を変化させる加工にともない、流通空気の圧力損失を増加させないことを特徴とする請求項１または２に記載の素子冷却用ヒートシンク。
【請求項４】
前記複数素子の発熱量分布が全長に亘り均一に形成され、または複数に区分された領域毎に変動して形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の素子冷却用ヒートシンク。
【請求項１】
薄板部材からなる複数の放熱フィンを所定間隔で整列させて基板（ベースプレート）に接合し、当該基板（ベースプレート）の裏面に取付けられた複数の素子を冷却するヒートシンクであって、
空気流れ方向における前記複数素子の発熱量分布に応じ、前記放熱フィンに放熱効率を変化させる加工が施されていることを特徴とする素子冷却用ヒートシンク。
【請求項２】
前記放熱フィンの空気流れ方向に沿う部分的な放熱面には、放熱効率を変化させる加工として、ディンプル加工、張出し加工、オフセット加工および穴明け加工のうち１または２以上の加工が施されることを特徴とする請求項１に記載の素子冷却用ヒートシンク。
【請求項３】
前記放熱フィンへの放熱効率を変化させる加工にともない、流通空気の圧力損失を増加させないことを特徴とする請求項１または２に記載の素子冷却用ヒートシンク。
【請求項４】
前記複数素子の発熱量分布が全長に亘り均一に形成され、または複数に区分された領域毎に変動して形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の素子冷却用ヒートシンク。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２２８８８８（Ｐ２００６−２２８８８８Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３９３４８（Ｐ２００５−３９３４８）
【出願日】平成１７年２月１６日（２００５．２．１６）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１６日（２００５．２．１６）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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