特許 7467837 冷却構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】冷却構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/34 20060101AFI20240409BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20240409BHJP

   H02M 3/00 20060101ALI20240409BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240409BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

H01L23/34 A

H01L23/36 Z

H02M3/00 Y

H02M7/48 Z

H05K7/20 B

H05K7/20 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019129768

(22)【出願日】2019-07-12

(65)【公開番号】P2021015892

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-06-14

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼野 翔

【審査官】高橋 優斗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－００４７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５７０７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８１１２２２６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２３／３４－２３／４７３

Ｈ０２Ｍ３／００－３／４４

Ｈ０２Ｍ７／４２－７／９８

Ｈ０５Ｋ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

筐体内に配置されて熱源から発生する熱が伝達されるヒートシンクと、
前記筐体内にて前記ヒートシンクに対向して配置され、該ヒートシンクから放射される赤外線を吸収する吸収部材とを備え、
前記吸収部材は、前記ヒートシンクに対向する対向領域が凹凸形状に形成され、
前記対向領域には、前記ヒートシンク側に突出する山形突出部が複数並べて形成され、
前記山形突出部は、直線上を延びる頂部と、該頂部を挟む一対の傾斜面とを備えた形状に形成され、
前記山形突出部の高さが赤外線の波長の１／４以上に設定され、前記山形突出部の前記頂部における角度が４０°以下に設定されることを特徴とする冷却構造。

【請求項2】

前記山形突出部は、少なくとも一方向に等間隔に並んで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却構造に関し、特に、ヒートシンクを介して熱源で発生した熱を放射する冷却構造に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換等を行う半導体素子を備えたパワエレユニットにおいては、熱源となる半導体素子で発生した熱を逃がすためにヒートシンクを用いている（特許文献１参照）。かかるヒートシンクを用いたパワエレユニットにおいては、半導体素子だけでなくヒートシンクも筐体内に配設した構成を採用する場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－２４２６７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前記ヒートシンクにおいては熱放射が行われ、熱放射は物体が熱を赤外線として放出する現象である。ヒートシンクから放出された赤外線は、筐体の内面に反射されてヒートシンクに戻る（入射する）場合があり、その分は放熱が妨げられて十分な冷却効果が得られない、という問題がある。特に、近時においては、パワエレユニット自体の小型化が要求されており、筐体の内部空間が狭く、ヒートシンクと筐体の内面とが接近するので、筐体内面で反射されてヒートシンクに戻る熱量が多くなるために上記問題が顕出することとなる。

【0005】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、筐体内に熱源及びヒートシンクが配置される場合の放熱を良好に行うことができる冷却構造を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明における一態様の冷却構造は、筐体内に配置されて熱源から発生する熱が伝達されるヒートシンクと、前記筐体内にて前記ヒートシンクに対向して配置され、該ヒートシンクから放射される赤外線を吸収する吸収部材とを備え、前記吸収部材は、前記ヒートシンクに対向する対向領域が凹凸形状に形成され、前記対向領域には、前記ヒートシンク側に突出する山形突出部が複数並べて形成され、前記山形突出部は、直線上を延びる頂部と、該頂部を挟む一対の傾斜面とを備えた形状に形成され、前記山形突出部の高さが赤外線の波長の１／４以上に設定され、前記山形突出部の前記頂部における角度が４０°以下に設定されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ヒートシンクに対向して吸収部材を設けたので、ヒートシンクから放出される赤外線が筐体で反射されてヒートシンクに戻ることを抑制することができる。これにより、ヒートシンクでの放熱効率を高めて冷却効果を良好に発揮でき、ヒートシンクと筐体の内面とが接近する場合でも、ヒートシンクの放熱を良好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る冷却構造を模式的に示す部分正面断面図である。

【図2】実施の形態に係る吸収部材の概略斜視図である。

【図3】吸収部材における赤外線の吸収要領の説明図である。

【図4】山形突出部の角度と赤外線の入射との関係を示す説明図である。

【図5】変形例に係る吸収部材の概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の一実施の形態に係る冷却構造について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。また、以下においては、本発明に係る冷却構造を、電力変換装置や、電圧調整装置、インバータ装置、コンバータ装置をはじめとした半導体を用いた電力変換装置全般を含むパワエレユニットに適用する場合について説明する。

【0010】

図１は、実施の形態に係る冷却構造を模式的に示す部分正面断面図である。図１に示すように、実施の形態に係るパワエレユニット１では、熱源となる半導体素子１０と、ヒートシンク２０及び吸収部材３０を備えてなる冷却構造とを有している。パワエレユニット１において、半導体素子１０と、ヒートシンク２０及び吸収部材３０は、筐体３における内部空間に配置される。

【0011】

筐体３は、所定間隔を隔てて配置された頂壁３ａ及び底壁３ｂと、これらの外周を囲う側壁３ｃとを備えている。図１の筐体３は、一例として概略的に表したものであり、周辺機器等に応じて大きさや形状が適宜変更される。

【0012】

半導体素子１０は、例えば、電力変換を行う素子とされ、樹脂材によってパッケージされた状態で形成される。半導体素子１０は、ヒートシンク２０に対向する面が放熱面として形成され、該放熱面から電力変換時に発生した熱が主として放出される。

【0013】

半導体素子１０は、積層基板１２に搭載されている。積層基板１２は、セラミック基板等の絶縁基板１２ａと、絶縁基板１２ａの両面に形成された銅板等からなる導電性板１２ｂとを有している。積層基板１２は、はんだ接合等によってヒートシンク２０に固定されている。

【0014】

ヒートシンク２０は、板状のベース２１における厚さ方向の一方の面（吸収部材３０側の面）から立設された複数の放熱フィン２２を備えている。ヒートシンク２０には、アルマイト表面加工したアルミニウム等の金属や、セラミックスのような熱放射率の高いものを用いることができる。ヒートシンク２０では、半導体素子１０から発生する熱がベース２１を経て放熱フィン２２に伝達し、放熱フィン２２の表面とこれに触れる空気との間で熱交換が行われてヒートシンク２０が冷却される。また、ヒートシンク２０では、主として放熱フィン２２において半導体素子１０から伝達される熱を赤外線として放射し、放熱して冷却するようになる。

【0015】

ヒートシンク２０は、筐体３内にて支持されており、特に限定されるものでないが、本実施の形態では、筐体３の側壁３ｃに対しブラケット状の支持部材２４を介して支持されている。

【0016】

吸収部材３０は、概略板状に形成され、筐体３内にてヒートシンク２０に対向して配置されている。吸収部材３０は、厚さ方向がヒートシンク２０との離間方向と平行に配置され、且つ、筐体３の底壁３ｂの内面に取り付けられている。

【0017】

吸収部材３０は、図１中上面がヒートシンク２０に対向する対向領域３１とされ、かかる対向領域３１が凹凸形状に形成されている。具体的には、対向領域３１には、ヒートシンク２０側に突出する複数の山形突出部３２が形成されている。

【0018】

各山形突出部３２は同一形状に形成される。また、山形突出部３２は、図１中左右方向に等間隔に並んで形成され、左右方向に隣り合う山形突出部３２同士が相互に接した状態に設けられる。従って、吸収部材３０は、対向領域３１にてＶ字状の溝が左右方向に等間隔に並んだ形態とも言えることができ、左右方向に隣り合う溝同士は相互に接した状態となる。

【0019】

吸収部材３０は、赤外線を吸収しやすい材質とされ、アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂を用いることが例示できる。これら樹脂の一般的な適用温度は、以下のようになっており、想定される温度によって使い分けることができる。
アクリル樹脂：～９０℃、エポキシ樹脂：～１３０℃、ポリウレタン樹脂：～２００℃

【0020】

図２は、実施の形態に係る吸収部材の概略斜視図である。図２に示すように、山形突出部３２は、その突出方向と並び方向との両方に直交して延出するリブ状に形成されている。山形突出部３２は、その延出方向と平行な直線上を延びる頂部３２ａと、頂部３２ａを挟む両側に形成された一対の傾斜面３２ｂとを備えている。山形突出部３２は、頂部３２ａに向かって細くなる尖った形状に形成され、図１に示す正面視では二等辺三角形状に形成される。

【0021】

図３は、吸収部材における赤外線の吸収要領の説明図である。図３に示すように、ヒートシンク２０（図３では不図示）から赤外線ＩＲが放射されると、ヒートシンク２０に対向する吸収部材３０に赤外線ＩＲが入射される。かかる入射によって、山形突出部３２にて赤外線ＩＲの一部が傾斜面３２ｂを通過して吸収部材３０に吸収され、残りが傾斜面３２ｂにて反射される。反射された赤外線ＩＲは、山形突出部３２で吸収された分、傾斜面３２ｂに達する前の赤外線ＩＲに比べて強度が弱くなる。

【0022】

また、赤外線ＩＲが図中上下方向に対して傾いた傾斜面３２ｂに入射されることで、反射された赤外線ＩＲは、ヒートシンク２０側に向かわず、赤外線ＩＲが入射した傾斜面３２ｂの隣の山形突出部３２における傾斜面３２ｂに入射され易くなる。このように入射された赤外線ＩＲも、一部が傾斜面３２ｂを通過して山形突出部３２に吸収され、残りが傾斜面３２ｂにて２回目の反射がなされる。２回反射された赤外線ＩＲは、山形突出部３２で吸収された分、反射前より強度が弱くなり、また、ヒートシンク２０側に向かわず、山形突出部３２の更に基部側に進行される。そして、最初に赤外線ＩＲが入射した傾斜面３２ｂに再度入射され、以後は上記と同様に吸収及び反射が繰り返される。

【0023】

以上のように、上記実施の形態によれば、ヒートシンク２０から放射される赤外線ＩＲを吸収する吸収部材３０を設けたので、ヒートシンク２０から放出される赤外線ＩＲが筐体３内面での反射によってヒートシンク２０に戻ることを抑制することができる。これにより、ヒートシンク２０での放熱効率を高めることができ、筐体３内にヒートシンク２０が配置される場合でも冷却効果を良好に発揮することができる。特に、パワエレユニット１の小型化の要求によってヒートシンク２０と筐体３の内面とが接近する場合でも、ヒートシンク２０に赤外線ＩＲが戻って放熱効率が低下することを抑制でき、かかる小型化の要求に良好に対応することができる。

【0024】

また、吸収部材３０における対向領域３１に凹凸形状を形成したので、吸収部材３０で赤外線ＩＲが反射されても、反射した赤外線ＩＲを吸収部材３０に再度入射させ易くして赤外線ＩＲを吸収でき、ヒートシンク２０への戻りを防ぐことができる。特に、対向領域３１に複数の山形突出部３２を等間隔に並べて形成することで、広範囲に亘って安定して赤外線ＩＲの吸収作用を得ることができる。

【0025】

更に、山形突出部３２が頂部３２ａを挟む一対の傾斜面３２ｂを備えた形状とされるので、吸収部材３０で入射される赤外線ＩＲの反射を繰り返す回数を多くしつつ、ヒートシンク２０に戻るような反射が発生することを抑制することができる。これにより、吸収部材３０での赤外線ＩＲの吸収効率を高めつつ、ヒートシンク２０の放熱効率をより向上することができる。

【0026】

図４は、山形突出部の角度と赤外線の入射との関係を示す説明図である。ここで、図４に示すように、山形突出部３２の頂部３２ａにおける角度αを４０°以下にすることが好ましく、かかる角度範囲に設定することで、赤外線ＩＲにおける広い範囲の入射角θに対応することができる。例えば、頂部３２ａの角度αを４０°とすると、山形突出部３２の基部両側の角度βが７０°となり、赤外線ＩＲの入射角θが７０°未満となれば、隣り合う山形突出部３２の傾斜面３２ｂに向けて反射することができる。

【0027】

また、山形突出部３２の高さｈ（図２参照）は、赤外線ＩＲの波長（λ）の１／４以上とすることが望ましい。赤外線ＩＲの波長は、長波長赤外線の波長：～１５μｍ、遠赤外線の波長：～１０００μｍとされ、かかる波長の１／４以上に高さｈが設定されるとよい。高さｈを上記範囲に設定した理由を以下に述べる。赤外線ＩＲは波動であり、その入射波が吸収部材３０の表面となる傾斜面３２ｂに到達したときに、一部は表面反射波として反射され、残りは吸収部材内に入って裏面側で裏面反射波として反射される。表面反射波及び裏面反射波が逆の位相になり、互いに打ち消し合うようにするためには、高さｈを赤外線ＩＲの波長の１／４にする必要がある。また、高さｈを１／４の倍数にした場合でも同様の効果が得られるため、高さｈを赤外線ＩＲの波長の１／４以上に設定している。

【0028】

本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

【0029】

吸収部材３０の対向領域３１における形状は、上記実施の形態に限定されるものでなく、対向領域３１に赤外線の反射を抑制する凹凸形状が設けられていればよい。よって、山形突出部３２の先端を円弧状にしたり、複数の山形突出部３２にて異なる形状としたりする他、図５に示すように、山形突出部３５を錐状（図５では四角錐状）に形成して交差する複数方向（図５では直交二方向）に所定間隔毎に並べて形成してもよい。

【0030】

また、吸収部材３０の対向領域３１において、上述した形状に形成することに加え、ナノカーボンを塗布して理想黒体に近付ける等、赤外線吸収を効率化できるコーティングを施してもよい。

【符号の説明】

【0031】

１ パワエレユニット
３ 筐体
１０ 半導体素子（熱源）
２０ ヒートシンク（冷却構造）
３０ 吸収部材（冷却構造）
３１ 対向領域
３２ 山形突出部
３２ａ 頂部
３２ｂ 傾斜面
ＩＲ 赤外線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】