特開 2024-179399 発熱素子の放熱構造および熱媒体ヒータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179399

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】発熱素子の放熱構造および熱媒体ヒータ

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/34 20060101AFI20241219BHJP

【ＦＩ】

H01L23/34 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023098221

(22)【出願日】2023-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000001845

【氏名又は名称】サンデン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 亨

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136DA08

5F136DA27

5F136DA41

5F136EA36

(57)【要約】

【課題】発熱素子周辺の設計自由度を向上する発熱素子の放熱構造および熱媒体ヒータを提供すること。
【解決手段】基板３０に実装される発熱素子４０を配置する筐体２０を備え、筐体２０に対して発熱素子４０の発熱を放熱させる発熱素子４０の放熱構造であって、筐体２０は、基板３０側に面する基板対向面２０ａにおいて開口し、基板３０から遠ざかる側に向けて凹設されたポケット２１を有し、発熱素子４０は、そのリード突出面４１ａを基板３０側に向けた状態で、ポケット２１内に配置されている発熱素子４０の放熱構造。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に実装される発熱素子を配置する筐体を備え、前記筐体に対して前記発熱素子の発熱を放熱させる発熱素子の放熱構造であって、
前記筐体は、前記基板側に面する基板対向面において開口し、前記基板から遠ざかる側に向けて凹設されたポケットを有し、
前記発熱素子は、そのリード突出面を前記基板側に向けた状態で、前記ポケット内に配置されていることを特徴とする発熱素子の放熱構造。

【請求項2】

前記ポケット内には、放熱充填剤が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱素子の放熱構造。

【請求項3】

請求項１に記載の発熱素子の放熱構造を備えた熱媒体ヒータであって、
前記筐体内に設けられた熱媒体流路と、前記熱媒体流路を流れる熱媒体を加熱するためのヒータとを備え、
前記ポケットは、前記基板に対して垂直な基板垂直方向に対して直交する横方向において、前記熱媒体流路の側方に設けられていることを特徴とする熱媒体ヒータ。

【請求項4】

前記ポケットは、前記横方向における前記熱媒体流路を挟んだ両側にそれぞれ設けられ、
前記各ポケットに、前記発熱素子がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱媒体ヒータ。

【請求項5】

前記筐体に対して前記発熱素子を固定するための固定部材を更に備え、
前記固定部材は、前記横方向において前記ポケットを挟んで前記熱媒体流路の反対側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱媒体ヒータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発熱素子の放熱構造および熱媒体ヒータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、基板に実装されるＩＧＢＴ等の発熱素子を配置する筐体を備え、筐体に対して発熱素子の発熱を放熱させる発熱素子の放熱構造として、特許文献１に開示されるものが公知である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】中国実用新案公告第２１１７８８９８８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、特許文献１に開示される発熱素子の放熱構造では、発熱素子周辺の設計自由度について改善の余地がある。

【0005】

そこで、本発明は、これらの問題点を解決するものであり、簡素な構成で、発熱素子周辺の設計自由度を向上する発熱素子の放熱構造および熱媒体ヒータを提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の発熱素子の放熱構造は、基板に実装される発熱素子を配置する筐体を備え、前記筐体に対して前記発熱素子の発熱を放熱させる発熱素子の放熱構造であって、前記筐体は、前記基板側に面する基板対向面において開口し、前記基板から遠ざかる側に向けて凹設されたポケットを有し、前記発熱素子は、そのリード突出面を前記基板側に向けた状態で、前記ポケット内に配置されていることにより、前記課題を解決するものである。
本発明の熱媒体ヒータは、前記発熱素子の放熱構造を備えた熱媒体ヒータであって、前記筐体内に設けられた熱媒体流路と、前記熱媒体流路を流れる熱媒体を加熱するためのヒータとを備え、前記ポケットは、前記基板に対して垂直な基板垂直方向に対して直交する横方向において、前記熱媒体流路の側方に設けられていることにより、前記課題を解決するものである。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、簡素な構成で、発熱素子周辺の設計自由度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る熱媒体ヒータを断面視して示す説明図。

【図2】各部の配置関係を基板垂直方向に見て示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本発明の一実施形態に係る熱媒体ヒータ１０について、図面に基づいて説明する。

【0010】

まず、熱媒体ヒータ１０は、自動車等の車両に搭載される空調装置に組み込まれ、クーラント（水）等の熱媒体を加熱するものであり、以下に説明する、発熱素子４０の発熱を放熱させる発熱素子４０の放熱構造を備えるものである。

【0011】

以下に、熱媒体ヒータ１０の具体的構成について、図面に基づいて説明する。

【0012】

熱媒体ヒータ１０は、図１に示すように、各種部品を配置するための筐体２０と、筐体２０から離して配置される基板３０と、基板３０に実装される発熱素子４０と、筐体２０内に設けられた熱媒体流路５０と、熱媒体流路５０を流れる熱媒体を加熱するためのヒータ６０と、発熱素子４０を固定するための固定部材７０と、筐体２０と発熱素子４０との間を絶縁する絶縁シート８０と、筐体２０のポケット２１内に充填される放熱充填剤９０とを備えている。

【0013】

筐体２０は、金属等から形成され、図１に示すように、基板３０側に面する筐体２０の基板対向面２０ａにおいて開口し、基板３０から遠ざかる側に向けて延在するように凹設されたポケット２１を有している。
このポケット２１は、発熱素子４０等を配置するための部位であり、図１に示すように、基板対向面２０ａ側（基板３０側）のみにおいて開口するように形成され、その内壁として、図１や図２に示すように、底面２１ａと、横方向Ｘにおける両側の内側面２１ｂと、流路延在方向Ｚにおける両側の内側面２１ｃとを有している。
ポケット２１は、図１や図２に示すように、横方向Ｘにおいて熱媒体流路５０の側方に設けられており、本実施形態では、横方向Ｘにおいて熱媒体流路５０を挟んだ両側（具体的には、横方向Ｘに互いに対向する位置）にそれぞれ設けられている。

【0014】

なお、上述した横方向Ｘは、基板３０に対して垂直な基板垂直方向Ｙに対して直交する方向であり、流路延在方向Ｚは、熱媒体流路５０が延在する方向であり、横方向Ｘおよび基板垂直方向Ｙに直交する。

【0015】

基板３０は、リジットタイプのプリント基板（電子基板）として構成され、発熱素子４０のリード４２が電気的に接続されるプリント配線や各種電子部品等を有している。
基板３０は、図１に示すように、基板垂直方向Ｙにおいて筐体２０（の基板対向面２０ａ）から間隔を置いて離れた位置において、筐体２０等の周辺部材に対して固定して配置される。

【0016】

発熱素子４０は、基板３０に実装され通電によって発熱を生じる半導体素子として構成され、本実施形態では、ヒータ６０の電源オンオフを制御するためのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として構成されている。
発熱素子４０は、図１や図２に示すように、合成樹脂等から成るハウジング４１と、ハウジング４１のリード突出面４１ａから突出して設けられる金属から成るリード４２とを有している。
リード４２は、図１に示すように、基板３０側に向けて延び、基板３０に形成された貫通穴に挿入された状態で、基板３０の電子回路（プリント配線等）に電気的に接続される。

【0017】

発熱素子４０は、図１に示すように、リード突出面４１ａ（リード４２）を基板３０側に向けた状態で各ポケット２１内にその一部が配置され、発熱素子４０の熱媒体流路５０側の側面とポケット２１の内側面２１ｂとの間に絶縁シート８０を介在させた状態で、固定部材７０によって熱媒体流路５０側（絶縁シート８０側）に向けて横方向Ｘに押し付けられることで、筐体２０に対して固定されている。
なお、ポケット２１内に発熱素子４０が配置された状態では、図１や図２に示すように、ポケット２１の底面２１ａと発熱素子４０との間、ポケット２１の各内側面２１ｃと発熱素子４０との間、および、ポケット２１の内側面２１ｂのうち熱媒体流路５０側とは反対側の内側面２１ｂと発熱素子４０との間には、間隔が開いており、当該間隔には放熱充填剤９０が充填されている。

【0018】

ヒータ６０は、熱媒体流路５０を流れるクーラント（水）等の熱媒体を加熱するヒータとして構成され、本実施形態では、図１や図２に示すように、熱媒体流路５０の内周側に、流路延在方向Ｚに延在して配置されている。
なお、ヒータ６０の具体的態様や配置については、熱媒体流路５０を流れる熱媒体を加熱することが可能なものであれば、如何なるものでもよい。

【0019】

固定部材７０は、筐体２０に対して発熱素子４０を固定するためのものであり、本実施形態では、図１に示すように、横方向Ｘにおけるポケット２１（発熱素子４０）の側方、具体的には、横方向Ｘにおいてポケット２１（発熱素子４０）を挟んで熱媒体流路５０の反対側に設置された板バネから構成されている。
なお、固定部材７０の具体的態様や配置については、筐体２０に対して発熱素子４０を固定することが可能なものであれば、如何なるものでもよい。
また、筐体２０に対する固定部材７０の取り付け態様についても、図１の右側に示した固定部材７０のように、ボルト等を用いて筐体２０に対して固定部材７０を取り付けるものや、図１の左側に示した固定部材７０のように、固定部材７０によって筐体２０の一部を挟み込むことで、筐体２０に対して固定部材７０を取り付けるもの等、その具体的態様は如何なるものでもよい。

【0020】

絶縁シート８０は、絶縁性の高いシリコン等から成り、図１に示すように、（その少なくとも一部分が）ポケット２１内において筐体２０と発熱素子４０との間に配置され、筐体２０と発熱素子４０とを絶縁させるものである。
絶縁シート８０は、発熱素子４０の熱を筐体２０に伝えて逃がす（放熱させる）機能も担っている。

【0021】

放熱充填剤９０は、図１に示すように、ポケット２１内（具体的には、ポケット２１内に配置された発熱素子４０とポケット２１の内壁との間の隙間）に充填されるものであり、本実施形態では、ポケット２１に放熱充填剤９０を充填する段階では流動性を有し、充填から一定時間後に固化する、シリコングリス等の充填剤として構成されている。
放熱充填剤９０は、発熱素子４０の熱を筐体２０に伝えて逃がす（放熱させる）機能を担うとともに、発熱素子４０と筐体２０との間を絶縁させる機能も担う。
なお、本実施形態では、放熱充填剤９０が、充填から一定時間後に固化する充填剤として構成されているが、放熱充填剤９０の具体的態様については、発熱素子４０の熱を筐体２０に放熱させることが可能なものであれば、如何なるものでもよく、例えば、充填から時間が経過した後も流動性を有するもの等であってもよい。

【0022】

このようにして得られた本実施形態の発熱素子４０の放熱構造（熱媒体ヒータ１０）では、以下に記載する効果を奏することができる。

【0023】

（１）すなわち、本実施形態の発熱素子４０の放熱構造（熱媒体ヒータ１０）では、筐体２０が、基板３０側に面する基板対向面２０ａにおいて開口し、基板３０から遠ざかる側に向けて凹設されたポケット２１を有し、発熱素子４０は、そのリード突出面４１ａを基板３０側に向けた状態で、ポケット２１内に配置されている。
これにより、ポケット２１内に発熱素子４０を収容して筐体２０と基板３０との間を簡素化することができるとともに、例えばリード突出面４１ａが横方向Ｘに向いて配置されている場合には、基板３０に実装するにあたってリード４２を基板３０側に向けて約９０度折り曲げる必要があるのに対して、本実施形態では、基板３０に実装するにあたってリード４２が延びる向きを変えるためにリード４２を折り曲げる必要が無い（または折り曲げる程度が少なく済む）ため、筐体２０の基板対向面２０ａと基板３０との間隔を大きく確保することができる。
そして、筐体２０と基板３０との間隔を大きく確保することで、基板３０の絶縁性を確保し易くなるとともに、筐体２０の基板対向面２０ａと基板３０との間の空間を、各種電子部品等を設置するスペースとして利用し易くなる等、発熱素子４０の周辺環境の設計自由度を向上させることができ、装置構成をコンパクトに設計することができる。

【0024】

（２）また、基板対向面２０ａにおいて開口し基板３０から遠ざかる側に向けて凹設されたポケット２１内に、放熱充填剤９０が充填されている。
これにより、製造時において、発熱素子４０を配置したポケット２１内に放熱充填剤９０を充填する時に、基板対向面２０ａ側を上方に向けた状態でポケット２１内に放熱充填剤９０を充填することで、ポケット２１によって放熱充填剤９０を受け止め、放熱充填剤９０が周囲に流れてしまうことを防止できるため、放熱充填剤９０を所望の態様で確実に配置して、発熱素子４０の放熱性を向上させることができる。
また、放熱性の向上によって各発熱素子４０の温度上昇を抑制することが可能であるため、温度許容範囲との関係で決定される発熱素子４０の実装数を減らすことができ、これにより、製造コストを低減できるとともに、実装数を低減した分だけスペースを確保して周辺環境の設計自由度を向上することができる。
また、放熱充填剤９０によって発熱素子４０の放熱性を向上させる構造を採用することで、発熱素子４０を放熱させるための複雑な機構を設ける必要がないため、この点でも、発熱素子４０の周辺環境を簡素化できる。

【0025】

（３）また、横方向Ｘにおける熱媒体流路５０の側方に設けられたポケット２１内に、リード突出面４１ａを基板３０側に向けた状態で発熱素子４０が配置されている。
これにより、発熱素子４０（ポケット２１）の横方向位置の設計に特段の制約が無いため、横方向Ｘにおける熱媒体流路５０と発熱素子４０（ポケット２１）との間隔を容易に狭く設計することができ、その結果、熱媒体流路５０を流れる熱媒体による発熱素子４０の冷却効率を向上させることができる。

【0026】

（４）また、発熱素子４０が配置されるポケット２１が、横方向Ｘにおける熱媒体流路５０を挟んだ両側にそれぞれ設けられていることにより、熱媒体流路５０を流れる熱媒体による発熱素子４０の冷却効率を向上させることができる。
すなわち、熱媒体流路５０内の熱媒体は、流路延在方向Ｚに延在するヒータ６０による加熱によって徐々に加熱されるため、熱媒体流路５０の上流側（入口側）に位置する熱媒体の温度は、熱媒体流路５０の下流側（出口側）に位置する熱媒体の温度よりも低い。
そして、本実施形態では、横方向Ｘにおける熱媒体流路５０の側方にポケット２１（発熱素子４０）を配置する構造を採用することにより、熱媒体の温度が低い熱媒体流路５０の上流側（入口側）の横方向両側を発熱素子４０の設置場所として利用することが可能であるため、熱媒体流路５０を流れる熱媒体による発熱素子４０の冷却効率を向上させることができる。

【0027】

（５）また、発熱素子４０が、リード突出面４１ａを基板３０側に向けた状態でポケット２１内に配置されるとともに、固定部材７０が、横方向Ｘにおいてポケット２１（発熱素子４０）を挟んで熱媒体流路５０の反対側に配置されている。
これにより、発熱素子４０のリード４２と固定部材７０との間の干渉に配慮する必要が無い（または必要性が低い）ため、固定部材７０に関する設計自由度を確保でき、また、固定部材７０を発熱素子４０の横方向Ｘにおける側方に配置することで、固定部材７０が基板３０の絶縁性を阻害する要因になることを回避できる。

【0028】

以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記または下記の実施形態や変形例の各構成を任意に組み合わせて、熱媒体ヒータ１０や発熱素子４０の放熱構造を構成する等、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。

【0029】

例えば、上述した実施形態では、発熱素子４０の放熱構造が、熱媒体ヒータ１０に適用されるものとして説明したが、発熱素子４０の放熱構造を他の装置機器に適用してもよい。

【0030】

また、上述した実施形態では、横方向Ｘにおける熱媒体流路５０を挟んだ両側に、それぞれ発熱素子４０（ポケット２１）が配置されるものとして説明したが、発熱素子４０（ポケット２１）の具体的配置については、如何なるものでもよく、例えば、横方向Ｘにおける熱媒体流路５０を挟んだ両側のうち片側のみに、発熱素子４０（ポケット２１）を配置してもよく、また、流路延在方向Ｚにおいて、複数の発熱素子４０（ポケット２１）を並べて配置してもよい。

【0031】

また、上述した実施形態では、筐体２０が一体に形成された部材として形成されているが、筐体２０の具体的態様については、一体に形成されたものに限定されず、例えば、ポケット２１を構成するポケット２１の周辺壁のうちの一部を別体に形成し、当該別体に形成された筐体２０の一部を、残りの筐体２０に取り付けることで、筐体２０を構成してもよい。

【符号の説明】

【0032】

１０ ・・・ 熱媒体ヒータ
２０ ・・・ 筐体
２０ａ ・・・ 基板対向面
２１ ・・・ ポケット
２１ａ ・・・ 底面
２１ｂ ・・・ 内側面
２１ｃ ・・・ 内側面
３０ ・・・ 基板
４０ ・・・ 発熱素子
４１ ・・・ ハウジング
４１ａ ・・・ リード突出面
４２ ・・・ リード
５０ ・・・ 熱媒体流路
６０ ・・・ ヒータ
７０ ・・・ 固定部材
８０ ・・・ 絶縁シート
９０ ・・・ 放熱充填剤
Ｘ ・・・ 横方向
Ｙ ・・・ 基板垂直方向
Ｚ ・・・ 流路延在方向

【図1】

【図2】