JP5249434B2 - 直交する２組の放熱フィンを有する放熱用ヒートシンクを備えたサーボアンプ - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体デバイス等の構成要素から発生する熱を放熱するための放熱用ヒートシンクを備えたサーボアンプに関する。

一般にサーボアンプでは、その高出力化に伴い、サーボアンプに使用されているパワー半導体デバイス等からの発熱量が増加する。そのため、高出力サーボアンプでは、発生した熱を外部に放熱するためのヒートシンクを取り付け、該ヒートシンクの放熱面の表面積を大きくして放熱効率を高める等の試みがなされている。

例えば、図７に概略図示するようなサーボアンプ１では、サーボアンプ本体２に比較的大きな容積を持つ放熱用ヒートシンク３が取り付けられ、さらにヒートシンク３からの放熱力を増加させるためにファン４が使用される。また限られた容積の中で広い放熱表面積を確保するために、複数の薄いフィン５を狭ピッチで配置してその枚数を増やすとともに、フィン５の各々の高さ（図７では左右方向長さ）を高くすることが一般的に行われている。しかし、図７のような従来のヒートシンクの構造では、フィン５の各々が薄くかつ高くなると、フィン５の先まで熱が伝わり難くなって、いわゆるフィン効率が低下するため、フィンの表面積を増やしたことの効果が充分に得られなくなる。

このフィン効率の低下を防ぐために、例えば特許文献１には、ベース板の裏面に取り付けた蒸発部とベース板から曲げ起こした凝縮部とを有するヒートパイプと、ヒートパイプの凝縮部に交叉するように設けた複数枚のフィンとを含むヒートパイプ式冷却器が記載されている。

また特許文献２には、伝熱部を柱状構造の支柱として発熱体からの熱拡散効果を高め、さらに支柱の側面にピン状フィンを配することで放熱面積を確保することを企図したヒートシンクが記載されている。

特開平３−９６２５８号公報 特開２００１−１９６５１１号公報

特許文献１に記載のヒートシンクは、放熱特性（冷却性能）は高いが、組立コストが高いと思われ、また高温下での長期使用により、ヒートパイプ内に放出される非凝縮ガスによって該ヒートパイプの性能が低下する虞もあると考えられる。またヒートパイプを使用したヒートシンクでは、該ヒートパイプがベース板の中央付近にしか熱的に接続されていない場合は、ベース板の周辺部からの放熱を効果的に行えない。

また特許文献２に記載のヒートシンクは、いわゆるタワー型のヒートシンクであり、支柱２に当接している発熱体の部位の温度は効率的に下がると解されるが、ヒートシンクの大きさに比べて発熱体に当接する部分の面積が小さい。従って発熱体のサイズが大きい場合は、該発熱体の一部にしかヒートシンクが当接せず、該発熱体の周辺部の温度が充分に低下しない等の問題が生じる虞がある。或いは、該発熱体よりさらに大きいヒートシンクを使用する必要が生じる。

従って、組立コストが高くかつ高温化での使用に不安が残るヒートパイプ等を使用せずに、通常のタワー型ヒートシンクでは実現できない大きな発熱体にも対応可能な、ヒートパイプ等を使用したヒートシンクと同等もしくはそれ以上の放熱特性が達成できるヒートシンクを用いたサーボアンプの開発が望まれている。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、高温環境においても安心して使用でき、パワー半導体デバイス等のような大型の高発熱半導体デバイスを均一に低温に保つことができる、高い放熱性能と高い信頼性を備えつつ、組立コスト等を含め低コストのヒートシンクを用いたサーボアンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明は、放熱用ヒートシンクを備えたサーボアンプであって、前記放熱用ヒートシンクは、発熱体に熱接触する受熱面として作用する第１の主面、及び該第１の主面の裏面である第２の主面を備えるベース板と、前記ベース板の前記第２の主面の略中央を通る線上に、前記第２の主面の一端から他端に亘って、前記第２の主面に垂直な方向に延びるように立設した熱伝導板と、前記熱伝導板の立設領域を除く前記第２の主面の領域に前記熱伝導板と平行かつ前記第２の主面に垂直な方向に延伸するように第１のフィン間隔で立設した、前記熱伝導板より高さの低い複数の第１の放熱フィンと、前記熱伝導板の前記第１の放熱フィンの頂点より高い位置の各面から、前記第２の平面に平行かつ前記熱伝導板の各面に対して垂直な各方向に第２のフィン間隔で前記第２の主面の周縁付近まで延伸するように立設した複数の第２の放熱フィンと、を備えていることを特徴とする、サーボアンプを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンの材質、フィン厚、フィン高さが同じであり、かつ、第１のフィン間隔と第２のフィン間隔が同じであることを特徴とする、サーボアンプを提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記熱伝導板が銅板又は銅合金板であり、少なくとも前記熱伝導板の一部が、前記ベース板を貫通して、前記受熱面に露出していることを特徴とする、サーボアンプを提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンの少なくとも一部が、前記ベース板及び前記熱伝導板の少なくとも一方に形成された溝に嵌合して、かしめ、半田付け、ろう付け又は熔接により固定されていることを特徴とする、サーボアンプを提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記熱伝導板は、前記第１の放熱フィンの頂点と略同じ高さの位置で分割可能な上側部分と下側部分１４とから構成され、前記上側部分に前記第２の放熱フィンが設けられ、前記下側部分に接続された前記ベース板に前記第１の放熱フィンが設けられる、サーボアンプを提供する。

本発明によれば、第１の放熱フィンの高さが熱伝導板より低いので、フィン先端まで熱が充分伝わり難くなることによってフィン効率（＝実効的なフィンの表面積／幾何学的なフィンの表面積）の低下が防止できる一方で、ベース板から離れた第１のフィンが存在しない空間に、熱伝導板から立設した第２の放熱フィンを設けることができる。その結果、放熱フィンの高さを抑えつつ、全放熱フィンの表面積の合計は減少させず、また第１の放熱フィンと第２の放熱フィンの各々のフィン効率を高く維持でき、結果としてヒートシンクの放熱特性が向上する。特に、第１のフィンによりベース板の周縁部近傍の温度が低下し、熱伝導板に立設した第２のフィンによりベース板の中央付近の温度が低下するため、ヒートパイプと同様の動作原理で動作するヒートスプレッダー等を使用しなくても、サーボアンプに使用されているパワー半導体デバイスのような大型の発熱体を均一に冷却できる。

第１の放熱フィンと第２の放熱フィンとで材質、フィン厚及びフィン高さを同じにすることにより、各放熱フィン内の熱伝導条件は略一律となり、またフィン間隔を等しくすることにより、フィン間を流れる冷却ファンによる冷却空気の流速に偏りが生じ難いので、各放熱フィンのフィン効率をヒートシンク内でほぼ均一にすることができ、より効率的な放熱が可能になる。

また、熱伝導板を銅又は銅合金板とし、さらに熱伝導板の一部をベース板を貫通して受熱面に露出させることにより、ヒートシンクの重量やコストの上昇を最小限に抑えつつ、第２の放熱フィンと受熱面間の熱抵抗を低下させ、第２の放熱フィンからの放熱をより効率的に行うことができる。特に、熱伝導板がベース板を貫通して、受熱面に露出していると、発熱体からの熱が直接に熱伝導板に流れ込むので一層効率的に放熱が行われる。

第１の放熱フィン及び第２の放熱フィンの少なくとも一部が、ベース板及び熱伝導板の一方又は双方に形成された溝に嵌合して、かしめ、半田付け、ロウ付け又は熔接により固定されていることにより、押出成形や削り出しによって放熱フィンをベース板や熱伝導板と一体的に製造する場合と比較すると、各フィンのトング率（＝フィン高さ／フィン間隔）を高くして放熱特性を向上させるとともに、製造コストを低く抑えることができる。さらに、放熱フィン、ベース板及び熱伝導板にそれぞれ最適の材質を選択して、放熱特性の向上、軽量化、低コスト化が図れる。

熱伝導板を、第１の放熱フィンの頂点付近で上下に分割可能な構成とすることにより、ヒートシンクの製造がより容易になる。

本発明の第１の実施形態に係る放熱用ヒートシンクの構造を示す外観斜視図である。 図１の放熱用ヒートシンクの概略断面図である。 図１の放熱用ヒートシンクを、ファンが接続されたダクト内に設けた状態を示す外観斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る放熱用ヒートシンクの概略断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る放熱用ヒートシンクの概略断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る放熱用ヒートシンクの、外観模式図による組立図である。 従来技術に係る放熱用ヒートシンクをサーボアンプに取り付けた例を示す概略斜視図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るサーボアンプ用の放熱用ヒートシンク１０の基本構造を示す外観斜視図であり、図２は、図１に示したＸ−Ｚ面に平行な面に沿った放熱ヒートシンク１０の概略断面図である。ヒートシンク１０は、ベース板１２と、ベース板１２に熱的に接続された熱伝導板１４と、ベース板１２から延びる複数の第１の放熱フィン１６と、熱伝導板１４から延びる複数の第２の放熱フィン１８とを有し、図１の実施形態ではいずれも、熱伝導性材料からなる略矩形の板状部材である。詳細には、ベース板１２は、サーボアンプ本体等の発熱体に熱的に接触する受熱面として作用する第１の主面２０と、第１の主面２０の裏面である第２の主面２２とを有し、図示例ではいずれの主面もＸ−Ｙ面に平行に延在する。熱伝導板１４は、第２の主面の略中央（例えば重心）を通りかつ第２の主面２２の一端から他端まで（図示例ではＹ方向に）延びる直線に沿って、第２の主面２２に略垂直な方向（図１ではＺ方向）に延びるようにベース板１２に立設する。

図２に示すように、第１の放熱フィン１６の各々は、熱伝導板１４が接続された領域を除き第２の主面２２の略全領域に、熱伝導板１４の立設方向（Ｚ方向）と略平行かつ第２の主面２２に略垂直な方向に延びるように、予め定めた第１のフィン間隔ｓ₁で、熱伝動板１４の面に略垂直な方向（図１ではＸ方向）に並べて立設される。本実施形態では、第１の放熱フィン１６の各々の厚さをｔ₁とし、高さ（Ｚ方向長さ）をｈ₁とする。また第１の放熱フィン１６の高さｈ₁は、熱伝導板１４の高さより小さい。

一方、第２の放熱フィン１８の各々は、熱伝導板１４の両面上の領域であって、ベース板１２の第２の主面２２からＺ方向に第１の放熱フィン１６の高さｈ₁より大きい距離離れた領域から、第２の主面２２に略平行に（図１ではＸ方向に）延びるように、予め定めた第２のフィン間隔ｓ₂で、熱伝動板１４の立設方向に（図１ではＺ方向）に並べて立設される。本実施形態では、第２の放熱フィン１８の各々の厚さをｔ_２とし、高さ（Ｘ方向長さ）をｈ２とする。また第２の放熱フィン１６の高さｈ₂は、図示するように、第２の放熱フィン１８が第２の主面２２の略周縁付近まで延伸するように、換言すればＹ方向に延びるベース板１２の端部と概ね同じＸ方向位置まで第２の放熱フィン１８が延びるように、設定される。

図３は、図１に示した放熱ヒートシンク１０を、概略図示したサーボアンプ２４に適用した場合を示す外観斜視図である。サーブアンプ２４は、パワー半導体デバイス（図示せず）を備え、ヒートシンク１０は該パワー半導体デバイスで発生する熱を放熱するために使用される。放熱ヒートシンク１０は、第１放熱フィン１６の各々の間、及び第２放熱フィン１８の各々の間の双方を空気が流れることができるように（図示例ではＹ方向に）両端が開口した筒状のケーシング２６により覆われてダクト構造を形成し、ケーシング２６の一開口端又はその近傍には、冷却ファン２８が設けられる。冷却ファン２８を作動させることにより、図３に矢印で示すような方向に流れる気流が生じ、該気流は放熱フィンの表面を流れて放熱フィン表面から熱を奪い、放熱フィンの温度が低下する。これにより、発熱体であるサーボアンプ２４の熱がベース板１２や熱伝導板１４を経由して放熱フィンに流れ込んでくる。

一般に、放熱フィンの高さが高くなると、放熱フィンの根元から放熱フィンの先端近傍までの熱抵抗が大きくなるので、放熱フィンの先端近傍まで熱が伝わり難くなる。従って、放熱フィンの高さを高くして放熱フィンの表面積を増やしても、放熱フィンからの放熱量はあまり増加しない（すなわちフィン効率が低下する）。しかし、第１の実施形態では、第１の放熱フィン１６の高さを比較的低く、具体的には熱伝導板１４より低く設定しているので、フィン効率を高く維持できる。但し、フィンからの放熱量はフィン表面積とフィン効率の積に比例するので、第１の放熱フィンだけでは、放熱量は減少する。

そこで本発明では、ベース板１２から垂直かつ第１の放熱フィン１６と平行に、ベース板１２の略中央を通りかつベース板１２の一端から他端に亘って第１の放熱フィン１６の高さより高い熱伝導板１４を立設し、第１の放熱フィン１６の頂部より高い位置にある熱伝動板１４の両面に、ベース板１２に平行に、ベース板１２の略周縁まで延びる第２の放熱フィン１８を設けている。第２の放熱フィン１８は熱伝導率の高い熱伝導板１４に接続されており、第２の放熱フィン１８の高さも第１の放熱フィン１６と同等又はそれ以下とできるので、高いフィン効率を得ることができる。このようにして、ヒートシンク全体の表面積（第１の放熱フィン１６と第２の放熱フィン１８の表面積の合計）は従来のものと大きく変わらず、フィンからの放熱効率が向上したヒートシンクが得られる。

第１の放熱フィン１６は熱伝導板１４の立設領域を除いて、ベース板１２の第２の主面２２の全域に亘って立設しているので、ベース板１２の周縁部付近からの放熱も充分行われる。従って、大型の発熱体を受熱面に取り付けても該発熱体の周縁部の温度が他の部分より上昇するという問題は生じ難い。また、通常は温度が上昇しやすい大型の発熱体の中央付近は熱伝導板１４を経由して第２の放熱フィン１８で放熱されるため、温度の上昇が抑制される。その結果、大型発熱体の一部の温度が過度に上昇するといった問題の発生を防ぐことができる。なお熱伝導板１４を無垢の金属板から作製すれば、低コストで性能劣化もない熱伝動板が得られるので、高性能かつ高信頼性の放熱用ヒートシンクが低コストで実現できる。

なお図２において、第１の放熱フィン１６と第２の放熱フィン１８の材質が同じであるとともに、第１の放熱フィンのフィン厚ｔ₁と第２の放熱フィンのフィン厚ｔ₂が等しく、第１の放熱フィンのフィン高さｈ₁と第２の放熱フィンのフィン高さｈ₂が等しく、かつ、第１のフィン間隔ｓ₁と第２のフィン間隔ｓ₂が等しいことが好ましい。このように放熱フィンの材質、フィン厚及びフィン高さが同じであれば、各放熱フィン内の熱伝導条件はほぼ一律となり、より効率的な放熱が可能になる。冷却空気の流速に偏りが生じると、ある放熱フィンでは有効に放熱されず、全体の放熱特性が低下するという問題が生じ得るが、フィン間隔を等しくとすることにより、フィン間を流れる冷却ファンによる冷却空気の流速に偏りが生じ難くなり、各放熱フィンのフィン効率をほぼ一定にすることができる。

図４は、本発明におけるサーボアンプ用の放熱用ヒートシンクの第２の実施形態を示したものである。第２の実施形態では熱伝導板１４が銅板あるいは銅合金板であり、少なくとも熱伝導板の一部（図示例では下端部３０）が、ベース板１２を貫通して、受熱面（第１の主面２０）に露出している。熱伝導板１４を熱伝導率の高い銅あるいは銅合金により作製することにより、重量やコストの上昇を最小限に抑えながら、第２の放熱フィン１８と受熱面間の熱抵抗が低下し、第２の放熱フィン１８からの放熱がより効率的に行われ、ヒートシンクの放熱特性が向上する。また熱伝導板１４がベース板１２を貫通して、受熱面に露出しているため、サーボアンプ等の発熱体からの熱が直接に熱伝導板１４に流れ込み、一層効率的に放熱が行われる。一方、ベース板１２の材質としては、ヒートシンクの軽量化を図るためにアルミニウム又はアルミニウム合金が使用可能であるが、熱伝導板１４と同様に銅又は銅合金を使用してもよい。

図５は、本発明におけるサーボアンプ用の放熱用ヒートシンクの第３の実施形態を示したものである。第１の放熱フィン１６と第２の放熱フィン１８の少なくとも一部が、ベース板１２及び熱伝導板１４の少なくとも一方に形成された溝に形成された溝に嵌合して、かしめ、半田付け、ろう付け又は熔接により固定されている。なお図示例では、ベース板１２に形成された溝３２に第１の放熱フィン１６が嵌合し、熱伝導板１４に形成された溝３４に第２の放熱フィン１８が嵌合している。第３の実施形態では、金型からの押出成形によって放熱フィンをベース板や熱伝導板と一体的に製造する場合と比較すると、金型からの押出では製造が困難な高いトング率（＝フィン高さ／フィン間隔）のフィンを容易に製造でき、高い放熱特性が得られる。また第３の実施形態は、削り出しで放熱フィンをベース板や熱伝動板と一体的に製造する場合と比較すると、製造コストを低く抑えられるという利点がある。さらに、放熱フィン、ベース板及び熱伝導板にそれぞれ別の材料から作製できるので、それぞれに最適の材質を選択して、放熱特性の向上、軽量化、低コスト化が図れるという利点もある。

なお第１〜第３の実施形態では、熱伝導板は単なる金属板として記載しているが、より高い熱伝導性を得るために、熱伝導板に熱伝導率の高いヒートパイプやカーボンファイバー等（図示せず）を埋め込んでもよい。

また第１〜第３の実施形態では、熱伝導板１４は実質１枚の板として記載しているが、いずれの実施形態でも、直交する２組の放熱フィンを形成あるいは固定するという製造上の難しさを緩和するために、図６に示すように、ヒートシンク１０を２分割することができる。具体的には、熱伝導板１４を第１の放熱フィン１６の頂点と略同じ高さの位置（該頂点と同じ高さから、最下の第２の放熱フィン１８より低い位置までの間の位置）で上側部分１４ａと下側部分１４ｂとに分割し、上側部分１４ａには他の実施形態と同様に第２の放熱フィン１８を設け、下側部分１４ｂに接続されたベース板１２には他の実施形態と同様に第１の放熱フィン１６を設けることができる。このように、放熱用ヒートシンクを上下に２分割した状態で別々に放熱フィンの形成あるいは固定を行い、その後、ネジ３６等の締結部品で熱伝導板の上側部分１４ａと下側部分１４ｂとを結合することができる。

１０ ヒートシンク
１２ ベース板
１４ 熱伝動板
１６ 第１の放熱フィン
１８ 第２の放熱フィン
２４ サーボアンプ
２６ ケーシング
２８ 冷却ファン
３２、３４ 溝
３６ ネジ

Claims (5)

1. 放熱用ヒートシンクを備えたサーボアンプであって、
   前記放熱用ヒートシンクは、
   発熱体に熱接触する受熱面として作用する第１の主面、及び該第１の主面の裏面である第２の主面を備えるベース板と、
   前記ベース板の前記第２の主面の略中央を通る線上に、前記第２の主面の一端から他端に亘って、前記第２の主面に垂直な方向に延びるように立設した熱伝導板と、
   前記熱伝導板の立設領域を除く前記第２の主面の領域に前記熱伝導板と平行かつ前記第２の主面に垂直な方向に延伸するように第１のフィン間隔で立設した、前記熱伝導板より高さの低い複数の第１の放熱フィンと、
   前記熱伝導板の前記第１の放熱フィンの頂点より高い位置の各面から、前記第２の平面に平行かつ前記熱伝導板の各面に対して垂直な各方向に第２のフィン間隔で前記第２の主面の周縁付近まで延伸するように立設した複数の第２の放熱フィンと、
   を備えていることを特徴とする、サーボアンプ。
2. 前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンの材質、フィン厚、フィン高さが同じであり、かつ、第１のフィン間隔と第２のフィン間隔が同じであることを特徴とする、請求項１記載のサーボアンプ。
3. 前記熱伝導板が銅板又は銅合金板であり、少なくとも前記熱伝導板の一部が、前記ベース板を貫通して、前記受熱面に露出していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のサーボアンプ。
4. 前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンの少なくとも一部が、前記ベース板及び前記熱伝導板の少なくとも一方に形成された溝に嵌合して、かしめ、半田付け、ろう付け又は熔接により固定されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーボアンプ。
5. 前記熱伝導板は、前記第１の放熱フィンの頂点と略同じ高さの位置で分割可能な上側部分と下側部分とから構成され、前記上側部分に前記第２の放熱フィンが設けられ、前記下側部分に接続された前記ベース板に前記第１の放熱フィンが設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーボアンプ。

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