特許 6874823 冷却構造及びヒートシンク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6874823

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】冷却構造及びヒートシンク

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20210510BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H05K7/20 P

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-235533(P2019-235533)

(22)【出願日】2019年12月26日

【審査請求日】2020年9月15日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】上高 佑介

【審査官】 井上 弘亘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２１９１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０６９１７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−２９１１５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の発熱体が並列して取り付けられる冷却本体部を有し、
この冷却本体部には、
冷媒の流入路と、
この流入路から供された前記冷媒の流通路と、
この流通路から供された前記冷媒の流出路と
が形成され、
前記流通路は、前記発熱体の取り付け部位に対応して形成され、
前記流通路の一面には、円柱を成す複数のフィン部が密に立設され、
前記冷却本体部は、長板状を成し、
前記流入路は、前記冷却本体部の一方の長手方向端部に沿って形成され、
前記流出路は、前記冷却本体部の他方の長手方向端部に沿って形成され、
前記流出路に連通する前記冷媒の流出口は、前記流入路に連通する前記冷媒の流入口に対して、前記冷却本体部の対角位置に形成され、
前記流入路の一方の内側面と最上流側の前記流通路の一方の内側面との連通面、及び、当該流入路の他方の内側面と最下流側の前記流通路の他方の内側面との連通面は、曲面を成し、
最上流側及び最下流側の前記流通路の内側面には、前記冷媒の流れ方向に沿って曲面凸部が配置されたこと
を特徴とする冷却構造。

【請求項2】

前記流通路には、並列した前記発熱体の間に対応した部位に仕切りが設けられ、
前記流出路に面する前記仕切りの端部の上流側角部は、曲面を成し、
前記仕切りの上流側及び下流側の側面には、前記冷媒の流れ方向に沿って曲面凸部が配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の冷却構造。

【請求項3】

前記複数のフィン部のうち、前記流入路及び前記流出路に面した複数のフィン部は、他の複数のフィン部よりも小径に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の冷却構造。

【請求項4】

複数の発熱体が並列して取り付けられる冷却本体部を有し、
この冷却本体部には、
冷媒の流入路と、
この流入路から供された前記冷媒の流通路と、
この流通路から供された前記冷媒の流出路と
が形成され、
前記流通路は、前記発熱体の取り付け部位に対応して形成され、
前記流通路の一面には、角柱を成す複数のフィン部が密に立設され、
前記冷却本体部は、長板状を成し、
前記流入路は、前記冷却本体部の一方の長手方向端部に沿って形成され、
前記流出路は、前記冷却本体部の他方の長手方向端部に沿って形成され、
前記流出路に連通する前記冷媒の流出口は、前記流入路に連通する前記冷媒の流入口に対して、前記冷却本体部の対角位置に形成され、
前記流入路の一方の内側面と最上流側の前記流通路の一方の内側面との連通面、及び、当該流入路の他方の内側面と最下流側の前記流通路の他方の内側面との連通面は、曲面を成し、
前記角柱の一つの角部は前記冷媒の流れと対向し、
最上流側及び最下流側の前記流通路の内側面には、前記冷媒の流れ方向に沿って角形凸部が配置されたこと
を特徴とする冷却構造。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却構造を有するヒートシンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートシンクの冷却構造に関する。

【背景技術】

【0002】

パワー半導体モジュール等に例示される発熱が高い素子を冷却するために例えば特許文献１〜３に示されたヒートシンクが適用される。

【0003】

特許文献１のヒートシンクは、冷媒の圧力損失の最小化、放熱効果の増加、さらには、前記素子の全体表面における温度偏差の最小化を図るため、冷媒の流入路にフィンが多数配列される。特に、前記フィンは冷媒の排出部の方向に密に配列される。また、冷媒との接触表面積が当該冷媒の流入側から排出側につれて増大させることで、当該冷媒の流れ圧力損失の減少が図れる。

【0004】

特許文献２のヒートシンクは、同一ヒートシンクでの圧力損失の増加を抑制するために、高冷却性能を必要とする領域に流体抵抗の小さなピン状のフィンが配置される。そして、比較的に低冷却性能でもよい領域には、蛇行した溝を複数並列させた形状を成すフィンが配置されることで、圧力損失の増大の抑制が図られる。

【0005】

特許文献３のヒートシンクは、発熱体と反対するベース面に複数のピン状のフィンが立設され、これらのフィンはウォータージャケットに収容される。特に、前記複数のフィンが前記ベース面において部分的に密に配置されることで流動抵抗が調整される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３−９８５３０号公報

【特許文献2】特開２０１８−１２０９０４号公報

【特許文献3】特開２０１５−２２６０３９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】有田正光，中井正則、「水理学演習」、東京電機大学出版局、１９９９年１０月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１のヒートシンクは、同一のヒートシンクに配置される複数の素子の発熱量が個々に異なれば有効だが、配置される素子の発熱量が同じであれば温度のアンバランスが生じ、有効とはいえない。また、このヒートシンク内に水路が並列に形成された場合、流れのバランスを確保するため、各水路間に水路壁を設ける必要があり、これが圧力損失の増大を招く。

【0009】

特許文献２のヒートシンクは、冷媒の流れを蛇行させる流路が形成されているが、流量が増えると、圧力損失がピン状のフィン構造に比べかなりの割合で増大する。また、小型化しても圧力損失の冷却効率が低下する。

【0010】

また、特許文献１〜３のヒートシンクは、装置構成の制約等により冷媒の流入口と流出口とが冷却本体部において対角の位置で設けられた場合、冷却本体部におけるフィンの配置が一定でないので、冷媒の流れに偏りが生じる。

【0011】

本発明は、以上の事情を鑑み、複数の発熱体が取り付けられるヒートシンクの冷却構造において、加工が単純なフィン構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失の低減と小型化を図ることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

そこで、本発明の一態様は、複数の発熱体が並列して取り付けられる冷却本体部を有し、この冷却本体部には、冷媒の流入路と、この流入路から供された前記冷媒の流通路と、この流通路から供された前記冷媒の流出路とが形成され、前記流通路は、前記発熱体の取り付け部位に対応して形成され、前記流通路の一面には、複数のフィン部が密に立設されたことを特徴とする冷却構造である。

【0013】

本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記流通路には、並列した前記発熱体の間に対応した部位に仕切りが設けられたことを特徴とする。

【0014】

本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記複数のフィン部のうち、前記流入路及び前記流出路に面した複数の前記フィン部は、他の複数の前記フィン部よりも小径に形成されたことを特徴とする。

【0015】

本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記複数のフィン部は円柱を成すことを特徴とする。

【0016】

本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記複数のフィン部は角柱を成し、この角柱の一つの角部は前記冷媒の流れと対向することを特徴とする。

【0017】

本発明の他の態様は、前記冷却構造において、前記冷却本体部は、長板状を成し、前記流入路は、前記冷却本体部の一方の長手方向端部に沿って形成され、前記流出路は、前記冷却本体部の他方の長手方向端部に沿って形成され、前記流出路に連通する前記冷媒の流出口は、前記流入路に連通する前記冷媒の流入口に対して、前記冷却本体部の対角位置に形成されたことを特徴とする。

【0018】

本発明の他の態様は、前記いずれかの冷却構造を有するヒートシンクである。

【発明の効果】

【0019】

以上の本発明によれば、ヒートシンクの冷却構造において、加工が単純なフィン部構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失の低減と小型化を図ることできる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第一実施形態におけるヒートシンクの内部構成を示した平面図。

【図2】本発明の第二実施形態におけるヒートシンクの内部構成を示した平面図。

【図3】本発明の第三実施形態におけるヒートシンクの内部構成を示した平面図。

【図4】（ａ）は本発明の第四実施形態におけるヒートシンクの内部構成を示した平面図、（ｂ）は当該実施形態のフィン部の平面図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

【0022】

［第一実施形態］
図１に示された本発明の一態様である冷却構造を有するヒートシンク１は、発熱体として複数の素子２が取り付けられる。素子２としては例えばパワー半導体モジュールが挙げられる。尚、本態様は４つの素子２が取り付けられているが、本発明に係る発熱体の個数は本態様の個数に限定されるものではない。

【0023】

ヒートシンク１は４つの素子２が並列して取り付けられる冷却本体部１０を有する。冷却本体部１０は、長板状の直方体を成し、アルミニウム合金に例示される比較的に熱伝導性の高い鋼材から成る。そして、この冷却本体部１０の内部には、流入路１１、流通路１２及び流出路１３が形成される。

【0024】

流入路１１は、冷却本体部１０の上流側端部の流入口１７から流入した冷媒（例えば冷却水）が流通する。流入路１１は、冷却本体部１０の長手方向、すなわち、一方の長手方向端部に沿って形成される。流入路１１の内側面と最上流側の流通路１２の内側面との連通面１１１は、曲面を成す。同様に、流入路１１の内側面と最下流側の流通路１２の内側面との連通面１１２も、曲面を成す。

【0025】

流通路１２は、流入路１１から供された前記冷媒が流通する。流通路１２は、個々の素子２の取り付け部位に対応して形成される。流通路１２の一面には、複数のフィン部１４が密に立設されている。フィン部１４は円柱を成す。このフィン部１４は、例えば、「冷媒の流れ方向に垂直な間隔×当該流れ方向の間隔＝３×２」のピッチで前記冷媒の流れ方向に密に配置される。

【0026】

流通路１２には、並列した素子２の間に対応した部位に仕切り１５が設けられる。仕切り１５の流入路１１に面する端部の下流側角部１５１は、曲面を成す。一方、仕切り１５の流出路１３に面する端部の上流側角部１５２も、曲面を成す。さらに、この仕切り１５の上流側及び下流側の側面には、曲面凸部１５３が冷媒の流れ方向に沿って設けられる。そして、最上流側及び最下流側の流通路１２の内側面においても、曲面凸部１５３と同形の曲面凸部１２１が同方向に沿って設けられる。

【0027】

流出路１３は、流通路１２から供された前記冷媒が流通する。前記冷媒は、冷却本体部１０の下流側端部の流出口１８から流出する。流出路１３は、流入路１１と対向して、冷却本体部１０の長手方向、すなわち、他方の長手方向端部に沿って形成される。流出路１３と連通する流出口１８は、流入路１１と連通する流入口１７に対して、冷却本体部１０の対角位置に形成される。

【0028】

また、流出路１３の内側面と最上流側の流通路１２の内側面との連通面１３１は、曲面を成す。同様に、流出路１３の内側面と最下流側の流通路１２の内側面との連通面１３２も、曲面を成す。

【0029】

以上のヒートシンク１によれば、冷却本体部１０において、素子２の取り付け部位に対応して冷媒が並列に供給されることで、個々の素子２の位置に対応した流通路１２に冷媒が均等に供給されるので、圧力損失の低減が図られる。

【0030】

一般的に配管に流れる圧力損失の計算式は以下に示される。
Ｐ＝ρ×ｇ×ｈ［Ｐａ］
ρ：流体密度［ｋｇ／ｍ³］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ²］
ｈ：損失水頭（＝ｈｆ×ｈｂ）［ｍ］
ｈｆ：摩擦損失水頭［ｍ］
ｈｂ：曲り損失水頭［ｍ］
但し、ｈｆ＝４ｆ×（Ｖ＾２／２ｇ）×（Ｌ／ｄ）である（ファニングの式）。
Ｖ：管路流速［ｍ／ｓ］
Ｌ：管長さ［ｍ］
ｄ：管内径［ｍ］
また、ｈｂ＝（０．１３１＋（０．１６３２×（ｄ／ｒ）＾（７／２）））×（（θ／９０）＾（１／２））×（Ｖ＾２／２ｇ）である（非特許文献１）。
ｒ：曲率半径［ｍｍ］
θ：経路角度［°］
以上の計算式により、流速の二乗に比例して圧力損失が増大するので、並列分岐した冷媒が合流する流入路１１及び流出路１３の径を最大限に設定し、フィン部１４を上述のように密に配置することで、ヒートシンク１の全体的な圧力損失の低減が図られる。

【0031】

したがって、本実施形態のヒートシンク１によれば、加工が単純なフィン構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失を低減することができる。特に、単一のヒートシンク１で複数の素子２を冷却できるため、小型化も図ることができる。

【0032】

また、流入路１１と流通路１２との連通面１１１，１１２が曲面を成すことで、流入路１１の最上流側及び最下流側での圧力損失が低減し、流入路１１から最上流側及び最下流側の流通路１２への冷媒の案内が円滑なものとなる。さらに、流通路１２と流出路１３との連通面１３１，１３２が曲面を成すことで、流出路１３の最上流及び最下流側での圧力損失が低減し、上流側及び最下流側の流通路１２から流出路１３への冷媒の案内が円滑なものとなる。

【0033】

そして、冷却本体部１０に仕切り１５が設けられることで、流入路１１に導入された冷媒が個々の流通路１２に案内される。特に、仕切り１５の下流側角部１５１が曲面を成すことで、流入路１１に面する仕切り１５の端部での圧力損失が低減し、前記冷媒はさらに円滑に流通路１２に案内される。また、仕切り１５の上流側角部１５２も曲面を成すことで、流出路１３に面する仕切り１５の端部での圧力損失が低減し、前記冷媒の流れがさらに円滑なものとなる。

【0034】

さらに、仕切り１５の側面に曲面凸部１５３が設けられることで、仕切り１５の側面に対する流束の集中が抑制され、素子２に対するヒートシンク１の熱伝導が高まるので、ヒートシンク１の冷却効果が向上する。

【0035】

そして、フィン部１４が円柱を成すことで、フィン部１４に起因する圧力損失を最低限に抑えることができる。

【0036】

［第二実施形態］
図２に示されたヒートシンク１は、仕切り１５を備えていないこと以外は、第一実施形態のヒートシンク１と同様の態様となっている。尚、仕切り１５を有しない空間には、フィン部１４が第一実施形態のフィン部１４と同様のピッチで増設される。

【0037】

以上の本態様のヒートシンク１によれば、第一実施形態のヒートシンク１の効果に加え、前記冷媒の流れの障害が無くなり、圧力損失が改善される。また、フィン部１４の増設により、冷却本体部１０の内面と冷媒との接触表面積が拡大し、ヒートシンク１の冷却性能の向上も図られる。

【0038】

［第三実施形態］
図３に示されたヒートシンク１は、前記複数のフィン部１４のうち、流入路１１及び流出路１３に面した破線ＢＬに囲まれた複数のフィン部１４が他の複数のフィン部１４よりも小径に形成されたこと以外は、第二実施形態のヒートシンク１と同様の態様を成す。例えば、前記他の複数のフィン部１４の径がφ２である場合、前記面した複数のフィン部１４の径はφ１．５に設定される。

【0039】

以上の本態様のヒートシンク１によれば、流通路１２の流入側、流出側の抵抗を減らすことができ、第一実施形態及び第二実施形態の効果に加え、圧力損失をさらに低減できる。

【0040】

［実施形態４］
図４（ａ）に示されたヒートシンク１は、フィン部１４の代わりに、フィン部１６を備えたこと以外は、第二実施形態のヒートシンク１と同様の態様となっている。

【0041】

フィン部１６は、角柱、例えば縦横比２×２の横断面正方形の四角柱を成す。フィン部１６は一つの角部１６１が前記冷媒の流れＦと対向して配置される（同図（ｂ））。

【0042】

以上の本態様のヒートシンク１によれば、フィン部１６の一つの角部１６１が前記冷媒の流れＦと対向するので、第一実施形態及び第二実施形態の効果に加え、前記冷媒とフィン部１４との接触に因る乱流が抑制され、圧力損失のさらなる低減が図られる。

【0043】

また、本発明に係るフィン部の他の態様としては、横断面菱形の四角柱が例示される。特に、前記菱形の長い方の対角線が前記流れに沿うように前記四角柱が配置されることで、圧力損失の低減を図ることができる。

【符号の説明】

【0044】

１…ヒートシンク
２…素子
１０…冷却本体部、１１…流入路、１２…流通路、１３…流出路、１１１，１１２，１３１，１３２…連通面、１７…流入口、１８…流出口
１４，１６…フィン部、１６１…角部
１５…仕切り、１５１…下流側角部，１５２…上流側角部、１５３…曲面凸部

【要約】

【課題】複数の発熱体が取り付けられるヒートシンクの冷却構造において、加工が単純なフィン構造で全体を効率よく均一に冷却しつつ圧力損失の低減と小型化を図る。
【解決手段】ヒートシンク１は、複数の素子２が並列して取り付けられる冷却本体部１０を有する。冷却本体部１０には、冷媒の流入路１１と、この流入路１１から供された前記冷媒の流通路１２と、この流通路１２から供された前記冷媒の流出路１３とが形成される。流通路１２は、素子２の取り付け部位に対応して形成される。流通路１２の一面には、複数のフィン部１４が密に立設される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】