JP5287919B2 - ヒートシンク、およびヒートシンク付き電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク、およびヒートシンク付き電子部品に関する。

自動車などの車両には、半導体素子などで構成される電子部品（例えば、パワーモジュール）が搭載されている。電子部品は、作動時に発熱するので、ヒートシンクに熱的に接続される。

ヒートシンクは、発熱体である電子部品を冷却する冷媒が流れる流路を内部に有する。流路は互いに対向する２つの流路壁面を有し、２つの流路壁面のうち、電子部品が取り付けられる側の一方の流路壁面（冷却面）には複数のフィンが立設されている。

複数のフィンの先端と、冷却面に対向する流路壁面（対向面）との間には、ヒートシンク組立時の干渉防止用の間隙が形成されている。この間隙には冷媒の流れを妨げる障害物がないので、冷媒が間隙を流れやすい。そのため、冷媒が、対向面付近を流れやすく、冷却面付近を流れ難いので、冷却性能が悪かった。

そこで、対向面付近における冷媒の流れを妨げるため、対向面に、複数の波状突起を設けたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１参照）。複数の波状突起は、それぞれの頂点が複数のフィンの先端の間に位置するように設けられている。

また、別の目的で、対向面に、縦断面形状が三角形の突起が蛇行するように（またはジグザグに）配列されたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献２参照）。突起は、冷媒の流れを３次元的に撹拌し、冷却面に冷媒を衝突させるためのものである。この突起は、対向面と冷却面の両面に設けられてもよいとされており、この場合、ヒートシンクの冷媒への熱伝達面積が大きくなると共に、流路が狭くなり冷媒の流れが速くなるとしている。

特開２００７−１１００２５号公報 特許第４０２７３５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のヒートシンクでは、対向面に設けられる複数の波状突起の谷部である凹部内に、冷媒の流れを妨げる障害物がないので、冷媒が凹部内を流れやすい。そのため、対向面付近において、冷媒の流れを妨げる効果が十分ではなく、冷却性能が十分でなかった。

また、特許文献２に記載のヒートシンクでは、下記の（１）〜（２）の問題がある。（１）冷却面には、突起がないか、突起があっても縦断面形状が三角形状であるので、ヒートシンクの冷媒への熱伝達面積が小さい。（２）対向面と冷却面の両方に突起を設けて流路を狭くする場合、流路の寸法誤差に対する流速の変化量が大きく、冷却性能のバラツキや圧力損失のバラツキが大きくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、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、本発明は、
発熱体を冷却する冷媒が流れる流路を内部に有し、該流路は互いに対向する２つの流路壁面を有するヒートシンクにおいて、
前記発熱体が取り付けられる側の一方の前記流路壁面には、複数の柱状フィンが立設されており、該複数の柱状フィンは、長柱状フィンと短柱状フィンを含み、
他方の前記流路壁面には、前記長柱状フィンの先端部が挿入される凹部が設けられていることを特徴とするヒートシンクを提供する。

本発明によれば、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。

第１の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図２のI−I断面図 図１のII−II断面図 図２の変形例の断面図 第２の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図５のIV−IV断面図 図４のV−V断面図 冷媒の主流方向視において、２つの長柱状フィン列の長柱状フィンの位置関係を示す図 第３の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図８のVII−VII断面図 図７のVIII−VIII断面図 第４の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図１０のIX−IX断面図 図９のX−X断面図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において、同一のまたは対応する構成には、同一のまたは対応する符号を付して説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図２のI−I断面図である。図２は、図１のII−II断面図である。図２において、図面を見やすくするため、長柱状フィンを黒色で示し、短柱状フィンを白色で示す。

ヒートシンク１０は、発熱体である電子部品２を冷却する冷媒４が流れる流路１１を内部に有している。電子部品２は、半導体素子などを含み、作動時に発熱する。電子部品２の具体例としては、例えばＩＧＢＴなどの電力変換用半導体素子を含むパワーモジュールが挙げられる。なお、本実施形態のヒートシンク１０は、電子部品２以外の発熱体の冷却にも使用可能である。

冷媒４は、流路１１を通って外部に移動することで、ヒートシンク１０の熱、ひいては、電子部品２の熱を外部に放出する。冷媒４は、外部に移動した後、冷却器によって冷却され、再び、流路１１に還流されてもよい。冷媒４としては、例えば水、不凍液などの液体、空気などの気体が用いられる。

ヒートシンク１０は、樹脂、金属、セラミックスなどの材料で構成される。樹脂は成形性や軽量性に優れ、金属は伝熱性に優れ、セラミックスは耐熱性に優れている。

ヒートシンク１０は、電子部品２などが取り付けられる放熱板１２と、放熱板１２に対向する対向板１３と、放熱板１２と対向板１３との間に設けられる側壁１４（図２参照）とを一体的に有する。放熱板１２に取り付けられる電子部品２の数は、図１では１つであるが、複数でもよい。また、放熱板１２と電子部品２とが一体成形されていてもよい。

放熱板１２、対向板１３、および側壁１４は、別々に作製された後、結合されてもよいし、放熱板１２と側壁１４が一体成形されたものに、対向板１３が結合されてもよい。また、対向板１３と側壁１４が一体成形されたものに、放熱板１２が結合されてもよい。結合方法としては、ボルト結合、カシメ結合などがある。結合部位には、冷媒４の漏出を防止するため、シール材が配されてよい。シール材としては、例えば、ゴムや金属、固体ガスケットや粘性ガスケット、Ｏリングなどが用いられる。

放熱板１２、対向板１３、および側壁１４は、流路１１を囲んでいる。流路１１は、互いに対向する２つの流路壁面１１ａ、１１ｂを有している。２つの流路壁面１１ａ、１１ｂのうち、電子部品２が取り付けられる側の一方の流路壁面（冷却面）１１ａは、放熱板１２の内側面で構成される。また、冷却面１１ａと対向する流路壁面（対向面）１１ｂは、対向板１３の内側面で構成される。

冷却面１１ａには、ヒートシンク１０の冷媒４への熱伝達面積を増やし、冷却性能を高めるため、複数の柱状フィン２１、２２が立設されている。

複数の柱状フィン２１、２２は、放熱板１２と一体成形されてもよいし、放熱板１２と別に作製されたうえで、結合されてもよい。各柱状フィン２１、２２は、放熱板１２と一体成形される場合、成形型から抜けやすくなるように、先細りのテーパ形状を有してよい。

各柱状フィン２１、２２の横断面形状は、例えば、図２に示すように、円形である。

柱状フィン２１、２２は、形状が単純なので、従来のように縦断面形状が三角形の突起を蛇行するように（またはジグザグに）配列する場合に比べて、成形性が良い。加えて、柱状フィン２１、２２は、形状が単純なので、従来に比べて、寸法形状やピッチなどの設計変更が容易である。

複数の柱状フィン２１、２２は、長柱状フィン２１と、長柱状フィン２１よりも長さの短い短柱状フィン２２を含んでいる。長柱状フィン２１と短柱状フィン２２は、同じ材料で構成されてもよいし、異なる材料で構成されてもよい。

長柱状フィン２１の先端部２１ａは、対向面１１ｂに形成された凹部３１内に挿入されている。長柱状フィン２１の先端部２１ａは、凹部３１の内底面３１ｂとの間に、ヒートシンク組立時の干渉防止用の間隙を形成している。

一方、短柱状フィン２２の先端部２２ａは、対向面１１ｂに対向して配置されている。短柱状フィン２２の先端部２２ａは、対向面１１ｂとの間に、ヒートシンク組立時の干渉防止用の間隙を形成している。

本実施形態では、長柱状フィン２１の先端部２１ａが、対向面１１ｂに形成された凹部３１内に挿入されているので、流動抵抗が大きくなり、凹部３１内を冷媒４が流れ難い。そのため、冷媒４は対向面１１ｂ付近を流れ難くなり、冷却面１１ａ付近を流れやすくなるので、放熱板１２の冷却性能が向上する。

また、本実施形態では、冷媒４が対向面１１ｂ付近を流れ難くなるので、対向面１１ｂと冷却面１１ａとの間において、冷媒４の流れを分散することができ、上記干渉防止用の間隙のバラツキに対する、冷却性能のバラツキや圧力損失のバラツキが低減される。また、冷媒４の流れを分散することができるので、最大圧力損失が低減される。

さらに、本実施形態では、対向面１１ｂに対向する短柱状フィン２２が設けられているので、短柱状フィン２２がない場合に比べて、ヒートシンク１０の冷媒４への熱伝達面積が増え、冷却性能が向上する。

図２に示すように、長柱状フィン２１は、冷却面１１ａ上において、冷媒４の主流方向（図中、矢印Ａ方向）と直交する方向（図中、矢印Ｂ方向）に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列４１を形成している。長柱状フィン列４１は、矢印Ａ方向に間隔をおいて複数並んでいる。

同様に、短柱状フィン２２は、冷却面１１ａ上において、矢印Ｂ方向に間隔をおいて複数並んで、短柱状フィン列４２を形成している。短柱状フィン列４２は、矢印Ａ方向に間隔をおいて複数並んでいる。

長柱状フィン列４１と、短柱状フィン列４２は、矢印Ａ方向に交互に並んでいる。また、矢印Ａ方向視において、長柱状フィン２１は、短柱状フィン２２と重ならない位置に配置されている。

このようにして、複数の柱状フィン２１、２２は、冷却面１１ａ上において、千鳥配置されている。よって、図２に示すように、各柱状フィン２１、２２の周囲を、冷媒４が迂回して流れるので、各柱状フィン２１、２２の周りの熱伝達性が良い。

また、長柱状フィン２１は、冷媒４の主流方向（図中、矢印Ａ方向）と交わる方向（図中、矢印Ｂ方向）に間隔をおいて複数並んでいるので、対向面１１ｂ付近における冷媒４の流れを、流れの幅方向複数箇所で妨げることができる。

図２に示すように、対向面１１ｂに形成される凹部３１は、矢印Ｂ方向に延びており、１つの凹部３１内に、１つの長柱状フィン列４１の各長柱状フィン２１の先端部２１ａがまとめて挿入されている。よって、長柱状フィン列４１における長柱状フィン２１同士のピッチのバラツキの許容範囲が広がり、ヒートシンク１０の組立性が向上する。

なお、本実施形態では、長柱状フィン２１、短柱状フィン２２の横断面形状が円形であるとしたが、三角形や四角形などの多角形、楕円形であってもよく、特に限定されない。例えば、図３に示す長柱状フィン１２１、短柱状フィン１２２のように、横断面形状が冷媒４の主流方向（矢印Ａ方向）に長い矩形であってもよい。長柱状フィン１２１の形状に合わせて、凹部１３１の幅が設定される。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、複数の柱状フィン２１、２２が千鳥配置されるように、長柱状フィン列４１と短柱状フィン列４２が、冷媒４の主流方向（矢印Ａ方法）に交互に並んでいる。

これに対し、本実施形態では、複数の柱状フィンが千鳥配置されるように、２つの短柱状フィン列からなる列群と、１つの長柱状フィン列とが、矢印Ａ方向に交互に並んでいる。

以下、図４〜図６に基づいて、本実施形態のヒートシンクの構成について説明するが、柱状フィンの配列以外の構成については、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

図４は、第２の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図５のIV−IV断面図である。図５は、図４のV−V断面図である。図５において、図面を見やすくするため、長柱状フィンを黒色で示し、短柱状フィンを白色で示す。図６は、冷媒の主流方向視における、２つの長柱状フィン列の長柱状フィンの位置関係を示す図である。

本実施形態のヒートシンク１１０は、第１の実施形態と同様に、長柱状フィン２１−１、２１−２と短柱状フィン２２を有している。

長柱状フィン２１−１、２１−２は、冷却面１１ａ上において、冷媒４の主流方向（図中、矢印Ａ方向）と直交する方向（図中、矢印Ｂ方向）に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列１４１−１、１４１−２（図５参照）を形成している。

同様に、短柱状フィン２２は、冷却面１１ａ上において、矢印Ａ方向と直交する矢印Ｂ方向に間隔をおいて複数並んで、短柱状フィン列１４２（図５参照）を形成している。

本実施形態では、複数の柱状フィン２１−１、２１−２、２２が冷却面１１ａ上において千鳥配置されるように、２つの短柱状フィン列１４２からなる列群１４３と、１つの長柱状フィン列１４１−１（１４１−２）とが、矢印Ａ方向に交互に並んでいる。

そのため、図６に示すように、矢印Ａ方向視において、一の長柱状フィン列１４１−２の各長柱状フィン２１−２は、少なくとも一部が、隣り合う他の一の長柱状フィン列１４１−１の複数の長柱状フィン２１−１に重ならない位置に配置されている。

その結果、対向面１１ｂ付近を流れる冷媒４は、一の長柱状フィン列１４１−１において、複数の長柱状フィン２１−１の間を通り抜けた後、他の一の長柱状フィン列１４１−２において、各長柱状フィン２１−２に衝突する。よって、対向面１１ｂ付近における冷媒４の流れを、流れの幅方向全体に亘って均等に妨げることができる。

（第３の実施形態）
上記第１の実施形態では、複数の柱状フィン２１、２２が千鳥配置されるように、長柱状フィン列４１と短柱状フィン列４２が、冷媒４の主流方向（矢印Ａ方法）に交互に並んでいる。

これに対し、本実施形態では、複数の柱状フィンが千鳥配置されるように、２つの長柱状フィン列からなる列群と、１つの短柱状フィン列とが、矢印Ａ方向に交互に並んでいる。

以下、図７および図８に基づいて、本実施形態のヒートシンクの構成について説明するが、柱状フィン２１、２２の配列および凹部以外の構成については、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

図７は、第３の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図８のVII−VII断面図である。図８は、図７のVIII−VIII断面図である。図８において、図面を見やすくするため、長柱状フィンを黒色で示し、短柱状フィンを白色で示す。なお、冷媒の主流方向視における、２つの長柱状フィン列の長柱状フィンの位置関係を示す図は、図６と同様であるので、図示を省略する。

本実施形態のヒートシンク２１０は、第１の実施形態と同様に、長柱状フィン２１−１、２１−２と短柱状フィン２２を有している。

長柱状フィン２１−１、２１−２は、冷却面１１ａ上において、冷媒４の主流方向（図中、矢印Ａ方向）と直交する方向（図中、矢印Ｂ方向）に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列２４１−１、２４１−２（図８参照）を形成している。

同様に、短柱状フィン２２は、冷却面１１ａ上において、矢印Ｂ方向に間隔をおいて複数並んで、短柱状フィン列２４２（図８参照）を形成している。

本実施形態では、複数の柱状フィン２１−１、２１−２、２２が冷却面１１ａ上において千鳥配置されるように、２つの長柱状フィン列２４１−１、２４１−２からなる列群２４３と、１つの短柱状フィン列２４２とが、矢印Ａ方向に交互に並んでいる。

そのため、矢印Ａ方向視において、一の長柱状フィン列２４１−２の各長柱状フィン２１−２は、少なくとも一部が他の一の長柱状フィン列２４１−１の複数の長柱状フィン２１−１に重ならない位置に配置されている。その結果、対向面１１ｂ付近を流れる冷媒４は、一の長柱状フィン列２４１−１において、複数の長柱状フィン２１−１の間を通り抜けた後、他の一の長柱状フィン列２４１−２において、各長柱状フィン２１−２に衝突する。よって、対向面１１ｂ付近における冷媒４の流れを、流れの幅方向全体に亘って均等に妨げることができる。

また、本実施形態では、図８に示すように、対向面１１ｂに形成される１つの凹部２３１内に、１つの列群２４３の各長柱状フィン２１−１、２１−２の先端部２１−１ａ、２１−２ａがまとめて挿入されている。よって、凹部２３１が幅広になるので、長柱状フィン列２４１同士のピッチのバラツキの許容範囲が広がり、ヒートシンク２１０の組立性が向上する。

（第４の実施形態）
上記第１〜第３の実施形態では、長柱状フィン２１および短柱状フィン２２は、それぞれ、冷媒４の主流方向（矢印Ａ方向）と直交する方向（矢印Ｂ方向）に間隔をおいて複数並んで列を形成している。

これに対し、本実施形態では、長柱状フィン２１および短柱状フィン２２が、それぞれ、冷媒４の主流方向（矢印Ａ方向）と斜めに交わる方向（矢印Ｃ方向）に間隔をおいて複数並んで列を形成している。

以下、図９および図１０に基づいて、本実施形態のヒートシンクの構成について説明するが、柱状フィンの配列および溝部以外の構成については、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

図９は、第４の実施形態によるヒートシンク付き電子部品を示す図１０のIX−IX断面図である。図１０は、図９のX−X断面図である。

本実施形態のヒートシンク３１０は、第１の実施形態と同様に、長柱状フィン２１と短柱状フィン２２を有している。

長柱状フィン２１は、冷却面１１ａ上において、冷媒４の主流方向（図中、矢印Ａ方向）と斜めに交わる方向（図中、矢印Ｃ方向）に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列３４１（図１０参照）を形成している。長柱状フィン列３４１は、矢印Ｃ方向と交わる方向（矢印Ｄ方向）に間隔をおいて複数並んでいる。

同様に、短柱状フィン２２は、冷却面１１ａ上において、矢印Ｃ方向に間隔をおいて複数並んで、短柱状フィン列３４２（図１０参照）を形成している。短柱状フィン列３４２は、矢印Ｄ方向に間隔をおいて複数並んでいる。

本実施形態では、長柱状フィン列３４１が、冷媒４の主流方向（矢印Ａ方向）と直交する方向ではなく、斜めに交わる方向に延びているので、矢印Ａ方向視において、各長柱状フィン列３４１における長柱状フィン２１同士の間隙が狭くなる。例えば、矢印Ａ方向視において、各長柱状フィン列３４１における長柱状フィン２１同士が連続的に重なる。よって、対向面１１ｂ付近における冷媒４の流れを、流れの幅方向全体に亘って均等に妨げることができる。

矢印Ｃ方向と矢印Ａ方向とのなす角は、長柱状フィン２１同士のピッチ、長柱状フィン２１の断面形状に応じて設定されるが、例えば３０〜６０°であってよい。

本実施形態では、長柱状フィン列３４１が矢印Ｃ方向に延びているので、対向面１１ｂに形成される凹部３３１が矢印Ｃ方向に延びている。１つの凹部３３１内には、１つの長柱状フィン列３４１の各長柱状フィン２１の先端部２１ａがまとめて挿入される。

以上、本発明の第１〜第４の実施形態について詳説したが、本発明は、上記の実施形態に制限されない。本発明の範囲を逸脱することなく、上記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上記の第２および第３の実施形態では、２つの長柱状フィン列１４１−１、１４１−２の位置関係を規定したが、この位置関係は、複数の柱状フィン２１−１、２１−２、２２が千鳥配置されない場合に適用されても良い。また、この位置関係は、長柱状フィン２１および短柱状フィン２２が、それぞれ、冷媒４の主流方向（矢印Ａ方向）と斜めに交わる方向（矢印Ｃ方向）に間隔をおいて複数並んで列を形成する場合に適用されても良い。

２ 電子部品（発熱体）
４ 冷媒
１０ ヒートシンク
１１ 流路
１１ａ 電子部品（発熱体）が取り付けられる側の一方の流路壁面（冷却面）
１１ｂ 他方の流路壁面（対向面）
２１ 長柱状フィン
２１ａ 先端部
２２ 短柱状フィン
２２ａ 先端部
３１ 凹部
４１ 長柱状フィン列
４２ 短柱状フィン列

Claims (6)

1. 発熱体を冷却する冷媒が流れる流路を内部に有し、該流路は互いに対向する２つの流路壁面を有するヒートシンクにおいて、
   前記発熱体が取り付けられる側の一方の前記流路壁面には、複数の柱状フィンが立設されており、該複数の柱状フィンは、長柱状フィンと短柱状フィンを含み、
   他方の前記流路壁面には、前記長柱状フィンの先端部が挿入される凹部が設けられていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記長柱状フィンは、前記一方の前記流路壁面上で、前記冷媒の主流方向と交わる所定方向に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列を形成しており、
   前記凹部は、前記他方の前記流路壁面上で、前記所定方向に延びており、前記凹部内には、前記長柱状フィン列の各長柱状フィンの先端部が挿入される請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記複数の柱状フィンは、前記一方の前記流路壁面上で、千鳥配置されている請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記長柱状フィンは、前記一方の前記流路壁面上で、前記冷媒の主流方向と交わる所定方向に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列を形成しており、
   前記長柱状フィン列は、複数設けられており、
   前記冷媒の主流方向視において、一の前記長柱状フィン列の各長柱状フィンは、少なくとも一部が他の一の前記長柱状フィン列の複数の長柱状フィンに重ならない位置に配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 前記長柱状フィンは、前記一方の前記流路壁面上で、前記冷媒の主流方向と斜めに交わる所定方向に間隔をおいて複数並んで、長柱状フィン列を形成している請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートシンクと、該ヒートシンクに取り付けられる電子部品とを有するヒートシンク付き電子部品。

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