JP2010114174A

JP2010114174A - ヒートシンク用コア構造

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Publication number: JP2010114174A
Application number: JP2008283929A
Authority: JP
Inventors: Joji Yamazaki; 丈嗣山崎
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】ヒートシンクの厚み方向における伝熱性の向上と、冷却液の攪拌促進と、による熱交換性能の向上をはかったヒートシンク用コア構造の提供。
【解決手段】第１プレート１，第２プレート２の幅方向に並列して多数の縦部材1a，縦部材2aを設けると共に、隣り合う各縦部材1a間，縦部材2a間を斜め部材1b，斜め部材2bで一体的に形成する。そして第１プレート１，第２プレート２を積層し、夫々の縦部材1a，縦部材2aを整合して重ね合わせると共に、第１プレート１の斜め部材1bと第２プレート２の斜め部材2bとは、流れ方向に互いに離間して且つその向きを逆向きにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体チップ等のパワーデバイスを冷却するヒートシンクに関し、より詳しくはその内部に挿入されるコアに関する。

従来のパワーモジュール用ヒートシンクは、内部に冷却液を流通させる偏平な矩形断面をなすケーシングの外面にパワーモジュールを搭載し、内部の冷媒流路にフィンを固定したものである。
一例として、下記特許文献１に示すものは、ケーシング内の冷媒流路内に薄肉のコルゲートフィンを配置し、そのコルゲートフィンに無数のルーバを配置したものである。
また、下記特許文献２に記載のものは、ケーシング内に平面網状プレートを多数積層したものであり、隣接するプレートの網目が互いに位置ずれしたものである。

特開２００７−５６７３号公報特許第２８６２２１３号公報

前者のヒートシンクは、比較的薄肉のコルゲートフィンをインナーフィンとして内装するため、ケーシングの厚み方向における熱伝導が悪い欠点がある。ケーシング外面のパワーモジュールの熱は、ケーシングから波形フィンの立ち上がり面及び立ち下がり面を介して冷却液に伝達されるが、そのフィン自体の厚みが薄いため伝熱が良好に行われ難い欠点がある。

これに対し、後者のヒートシンクは多孔の金属板を重ね合わせたものの、その重ね合わせ部が比較的小さく、伝熱性が充分でない。また、積層されたプレートの交差部が多く、内部を流通する冷却液の流通抵抗が過大になる欠点がある。
そこで本発明は、係る欠点を取り除くことを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、内部に冷却液が流通すると共に、外面に被冷却用の素子が取り付けられるケーシング(7) を有し、そのケーシング(7)内に、その内面に接触して挿入されるヒートシンク用コアにおいて、
それぞれ金属板の打ち抜き成形による平板状の第１プレート(1)と、第２プレート(2)との積層体からなり、
両プレート(1)(2)には、冷却液の流れ方向に直交する方向に互いに平行に離間して並列されると共に、それぞれ冷却液の流れ方向に位置された細長い多数の縦部材(1a)(2a)と、隣り合う縦部材(1a)(2a)間を斜めに接続する斜め部材(1b)(2b)とが一体に形成され、
両プレート(1)(2)は、それぞれの各縦部材(1a)(2a)が整合して重なり、夫々の斜め部材(1b)(2b)は前記流れ方向に互いに離間して配置されると共に、その向きが互いに逆向きに配置されたことを特徴とするヒートシンク用コア構造である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
積層方向に隣り合う第１プレート(1)の縦部材(1a)と、第２プレート(2)の縦部材(2a)との間のみにスペーサ(3)が介装されたヒートシンク用コア構造である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
前記第１プレート(1)および第２プレート(2)の各縦部材(1a)(2a)が平面的に波形に曲折されてなるヒートシンク用コア構造である。

請求項４に記載の本発明は、請求項１において、
所定長さのコア(4)が、流体の流通方向に断続的に配置されたヒートシンク用コア構造である。
請求項５に記載の本発明は、請求項１または請求項３において、
各プレート(1)(2)の各縦部材(1a)(2a)の側面に突起(5)を一体に設けたヒートシンク用コア構造である。
請求項６に記載の本発明は、請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、
各プレート(1)(2)どうしが、積層方向にろう付け等の手段により接合されたヒートシンク用コア構造である。

本発明のヒートシンク用コアは、平板状の第１プレート１と第２プレート２との積層体からなり、多数の夫々の縦部材1a，縦部材2aは互いに整合して重なり合うため、積層方向の熱伝達がよく、結果、ケーシング７との熱伝達が良好に行われる。そして、第１プレート１の斜め部材1b，第２プレート２の斜め部材2bは、互いに流れ方向に離間して配置されると共に、その向きが互いに逆向きに対称に配置されているから、各縦部材間の流路６を流通する冷却液11は積層方向に規則的に蛇行すると共に、流路６の幅方向に規則的に蛇行し、結果として冷却液11は各流路６に沿って螺旋状に回転しながら流通し、熱交換を促進することができる。

さらに、各斜め部材1b，斜め部材2bは夫々冷却液11の流通方向に対して斜めに配置されているため、それらの存在する各横断面は流路の入口側から出口側に向けて、図１１の如く山形に、徐々に減少し次いで徐々に増加し、流路抵抗の急激な増加を防止して、冷却液の流通に伴う圧力損失を比較的低い値に維持できる。
また、斜め部材1b，斜め部材2bは流れ方向に互いに離間しているため、各斜め部材の全外周において冷却液11との熱交換が行われる。

上記構成において、請求項２に記載のように第１プレート１の縦部材1aと第２プレート２の縦部材2aとの間のみにスペーサ３を介装した場合には、コア内部の冷却液11の圧力損失をさらに減少し得る。
上記構成において、請求項３に記載のように第１プレート１及び第２プレート２の各縦部材1a，縦部材2aを平面的に波形に曲折した場合には、伝熱面積が増加すると共に、各流路６を流通する冷却液11を幅方向にさらに蛇行させることにより、冷却液と伝熱部分の接触時間および接触距離が長くなり、熱交換性能を向上し得る。

上記構成において、請求項４に記載のように所定長さのコア４を流体の流通方向に断続的に配置した場合には、必要に応じて適宜容量のヒートシンクを、コアの数の調整により容易に製造することができる。
上記構成において、請求項５に記載のように第１プレート１，第２プレート２の縦部材1a，2aの側面に突起５を一体に設けた場合には、伝熱面積の増加と、各流路６内の冷却液11の攪拌とにより熱交換を促進することができる。
上記構成において、請求項６に記載のように第１プレート１，第２プレート２どうしを積層方向にろう付け等の手段により接合した場合には、その積層方向の熱伝達をさらに向上し得る。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明のコア４を構成する第１プレート１の平面図、図２は同第２プレート２の平面図、図３は同コア４の平面図、図４はその斜視図、図５は一対の同コア４を内装したヒートシンクの分解斜視図、図６は同横断面図である。
このコア４は、第１プレート１と第２プレート２とを交互に積層したものである。第１プレート１，第２プレート２は夫々アルミニューム等の金属板の打ち抜き加工により形成されたものであり、両プレートには幅方向に多数の直線状の縦部材1a，2aが定間隔に並列されている。そして隣り合う縦部材1a間及び2a間を、斜め部材1b，2bによって一体に接続する。

第１プレート１，第２プレート２が積層されたとき、図３に示す如く、第１プレート１の縦部材1aと第２プレート２の縦部材2aとは整合して重なり合い、第１プレート１の斜め部材1bと第２プレート２の斜め部材2bとは、その長手方向に互いに離間して配置されると共に、第１プレート１の斜め部材1bの向きと、第２プレート２の斜め部材2bの向きは逆向きの対称（傾斜角度が、縦部材に対して、一方をθとすれば他方は−θ）に形成されている。
なお、第２プレート２の斜め部材2bの位置は、第１プレート１の長手方向に隣り合う斜め部材1bの中間に存在する。また、この例では、両プレート１，２の厚みを同一としたが、それが異なったものでもよい。
このように第１プレート１，第２プレート２が積層されたコア４は、一例として図５及び図６に示す如く、ケーシング７の内部に収納される。この例では、ケーシング７は皿状のケーシング本体7aと平板状のケーシング蓋7bとからなる。ケーシング本体7aは外周及び中間部が立ち上げられ、それらの間に一対の溝部10が形成され、一対の溝部10の端部間は連通し、そこに両コア４共通のタンク部10aを設けている。そしてケーシング蓋7bには、その長手方向両端に冷却液の出入口９が形成され、それが前記タンク部10aに連通している。

コア４は、その積層方向である上下両面がケーシング本体7a，ケーシング蓋7bに接触し、全体が一体的にろう付け固定されている。即ち、第１プレート１と第２プレート２との間及びそれらとケーシング７内面との間が一体にろう付け固定される。そして、ケーシング７の一方の出入口９から冷却液が内部に導かれ、それが一対のコア４を流通して他方の出入口９から流出する。
なお、ケーシング７の外面にはパワーモジュール等の被冷却用の素子が取り付けられ、その発熱がコア４を介して冷却液に吸収させるものである。このとき冷却液は、図３，図４においてその長手方向に流通する。その冷却液11は、各第１プレート１，第２プレート２の隣り合う縦部材1aどうし及び、2aどうしの間の流路６を流通する。

その冷却液11の流通の状態を図７及び図８に示す。図７はその要部縦断面図であり、図８はその要部平面図である。
図８において、隣り合う縦部材1aどうし及び縦部材2aどうしの間を流通する冷却液11は、斜め部材1b，2bの位置において、それらの存在により、図７の如く上下方向に蛇行すると共に、図８の如く平面方向にも蛇行する。これは斜め部材1b，2bが流路６に対して斜めに逆対称に配置されているためである。その結果、冷却液11は平面的に蛇行すると共に上下方向に蛇行し、結果として流路６内を螺旋状に流通するものである。

このとき流路６の横断面積は、斜め部材1b，斜め部材2bの位置において、その上流側から中間部に次第に減少し、中間部から下流側に次第に増加する。このことを図９，図１０で示す。図９はコア４の要部平面図であり、その流路６の図９におけるＡ位置の横断面は図１０のＡであり、斜め部材1bの存在しない位置と同一であり、Ｂ断面，Ｃ断面，Ｄ断面と次第にその流路断面積が斜め部材1bの存在により減少する。そして断面Ｅ〜Ｇでは最小となり、ＨにおいてＤと同一断面となり、ＩにおいてＣと同一断面であり、ＪにおいてＢと同一であり、ＫにおいてＡと同一となる。

これを流路に沿って表現すると、図１１の通りとなる。同図において、ｍはコア４の要部平面図であり、ｎはその流路断面積の変化を％で表したものである。これは、斜め部材1b、2bの存在しない位置における流路６の横断面を１００％とし、それらが存在する場所での各流路断面の変化を表したものである。同図から明らかなように斜め部材1b，2bにおいて、その流路断面は下流側に次第に減少し、中間で一定となった後に次第に増加する。このことは流路６の急激な増減を避け、徐々の減少及び徐々の増加によって冷却液11の流通に伴う圧力損失を可及的に小さくしつつ、その攪拌効果を増大させるものである。

次に、図１２〜図１４は本発明の第２の実施の形態のコアを示し、この例が前記第１の実施の形態と異なる点は、図１２に示す如く第１プレート１と第２プレート２との間にスペーサ３を介装したものである。
このスペーサ３は、第１プレート１の縦部材1aと第２プレート２の縦部材2aの位置のみに介装され、それらが一体的にろう付け固定されたものである。このスペーサ３の存在により、冷却液11の流通に伴う流路抵抗をさらに減少させるものである。このときの流路断面の変化割合は、図１４に示す如く、前記第１実施例のそれより少ない。即ち、流路変化の割合が小となっている。

次に、図１５〜図１７は本発明の第３の実施の形態を示し、この例が前記第１の実施の形態と異なる点は、第１プレート１，第２プレート２の各縦部材1a，縦部材2aの側面に夫々突起５を一体に突出したものである。
そして、図１７に示す如く、第１プレート１，第２プレート２を積層したとき、各プレート１，２の各突起５が整合するものである。その結果、各突起５が厚み方向に連続し凸条を形成する。その結果、流路内においてその凸状に基づいて冷却液11はその位置で蛇行し攪拌される。それによって、熱交換性能が向上する。

次に、図１８は本発明の第４の実施の形態を示す平面図であり、この例は所定長さのコア４を断続的に直列方向に配置したものである。このようにコア４を所定長さのブロックとすることにより、その接続数の増減によって適宜容量のヒートシンクを容易に製造することができる。

次に、図１９〜図２２は本発明の第５の実施の形態を示し、図１９はその第１プレート１の平面図、図２０は第２プレート２の平面図、図２１はその組み合わせ状態を示すコア４の平面図、図２２は同コア４の斜視略図である。
このコア４を構成する第１プレート１，第２プレート２は、夫々の縦部材1a，2aが平面視、定ピッチで波形に曲折されている。そして隣り合う縦部材1aどうし及び縦部材2aどうしを、斜め部材1b，斜め部材2bによって一体に接続したものである。この例でも、第１プレート１，第２プレート２の縦部材1a，縦部材2aどうしは図２１の如く互いに整合する。そして第１プレート１の斜め部材1bと、第２プレート２の斜め部材2bは流路６の流れ方向に互いに離間して配置されている。この例では、縦部材1a，縦部材2aが蛇行状に形成されているため、その蛇行された流路６に対し斜め部材1b，2bは、その蛇行流れに対しそれぞれ傾斜し且つ、両斜め部材1b，2bはその蛇行流れに対して互いに向きが逆向きに形成されている。

次に、図２３は図６のヒートシンクの変形例であり、この例はコアの長手方向の中間におけるヒートシンクの横断面である。この例では、ケーシング本体7a，ケーシング蓋7bが平板状に形成されたものを用いている。そして冷却水の流通方向の一端及び他端に、図示しない冷却液の導出入用ヘッダをもうけるものである。

本発明のコア４を構成する第１プレート１の平面図。同第２プレート２の平面図。同コア４の平面図。同コア４の斜視略図。

同コア４を有するヒートシンクの分解斜視図。同ヒートシンクの横断面略図。同ヒートシンク内における冷却液11の流れ状態を示す縦断面説明図。同流れ状態の平面的説明図。

同コア４の流路６の要部拡大平面図。図９のＡ〜Ｋにおける各横断面の減少割合を示す説明図。同コア４の斜め部材1b，斜め部材2bの位置と減少割合との関係を％で示した説明図。本発明の第２の実施の形態を示す横断面説明図。

同平面図。同実施例の各流路６の斜め部材1b，斜め部材2bにおける流路断面の減少割合を示す説明図。本発明の第３の実施の形態を示す第１プレート１の平面図。同第２プレート２の平面図。

同コア４の平面図。本発明の第４の実施の形態を示す平面的説明図。本発明の第５の実施の形態を示す第１プレート１の平面図。同第２プレート２の平面図。

同コア４の平面図。同コア４の斜視略図。本発明の第６のヒートシンクの横断面略図。

符号の説明

１第１プレート
1a 縦部材
1b 斜め部材
２第２プレート
2a 縦部材
2b 斜め部材

３スペーサ
４コア
５突起
６流路
７ケーシング
7a ケーシング本体
7b ケーシング蓋

９出入口
10 溝部
10a タンク部
11 冷却液

Claims

内部に冷却液が流通すると共に、外面に被冷却用の素子が取り付けられるケーシング(7) を有し、そのケーシング(7)内に、その内面に接触して挿入されるヒートシンク用コアにおいて、
それぞれ金属板の打ち抜き成形による平板状の第１プレート(1)と、第２プレート(2)との積層体からなり、
両プレート(1)(2)には、冷却液の流れ方向に直交する方向に互いに平行に離間して並列されると共に、それぞれ冷却液の流れ方向に位置された細長い多数の縦部材(1a)(2a)と、隣り合う縦部材(1a)(2a)間を斜めに接続する斜め部材(1b)(2b)とが一体に形成され、
両プレート(1)(2)は、それぞれの各縦部材(1a)(2a)が整合して重なり、夫々の斜め部材(1b)(2b)は前記流れ方向に互いに離間して配置されると共に、その向きが互いに逆向きに配置されたことを特徴とするヒートシンク用コア構造。
請求項１において、
積層方向に隣り合う第１プレート(1)の縦部材(1a)と、第２プレート(2)の縦部材(2a)との間のみにスペーサ(3)が介装されたヒートシンク用コア構造。
請求項１または請求項２において、
前記第１プレート(1)および第２プレート(2)の各縦部材(1a)(2a)が平面的に波形に曲折されてなるヒートシンク用コア構造。
請求項１において、
所定長さのコア(4)が、流体の流通方向に断続的に配置されたヒートシンク用コア構造。
請求項１または請求項３において、
各プレート(1)(2)の各縦部材(1a)(2a)の側面に突起(5)を一体に設けたヒートシンク用コア構造。
請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、
各プレート(1)(2)どうしが、積層方向にろう付け等の手段により接合されたヒートシンク用コア構造。