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(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】2024-07-03
(45)【発行日】2024-07-11
(54)【発明の名称】熱交換器
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/473 20060101AFI20240704BHJP
   H05K 7/20 20060101ALI20240704BHJP
【FI】
H01L23/46 Z
H05K7/20 N
【請求項の数】 2
(21)【出願番号】P 2020087312
(22)【出願日】2020-05-19
(65)【公開番号】P2021182581
(43)【公開日】2021-11-25
【審査請求日】2023-03-23
(73)【特許権者】
【識別番号】000222484
【氏名又は名称】株式会社ティラド
(74)【代理人】
【識別番号】100089875
【弁理士】
【氏名又は名称】野田 茂
(72)【発明者】
【氏名】大久保 厚
(72)【発明者】
【氏名】坂井 耐事
(72)【発明者】
【氏名】文後 卓也
【審査官】井上 和俊
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-153764(JP,A)
【文献】特開2008-294068(JP,A)
【文献】特開2013-235967(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 23/473
H05K 7/20
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
皿状の凹部(2)をもつケーシング(1)と、
前記ケーシング(1)の凹部(2)の開口を閉塞する天板(3)と、
前記天板(3)に接合されるコア(6)と、を具備し、
前記コア(6)が前記凹部(2)に収納される熱交換器において、
前記天板(3)は、天板本体(4)とシールプレート(5)の積層体からなり、
前記天板本体(4)の一方の面(4a)に熱交換対象物(20)が接合されており、
前記シールプレート(5)は、前記天板本体(4)の外縁と略同一の外縁を有する枠状に形成され、そのシールプレート(5)の板厚は、前記天板本体(4)の板厚以上に厚く形成されており、
前記天板本体(4)の他方の面(4b)に前記シールプレート(5)及び前記コア(6)が接合されるとともに、前記コア(6)が前記シールプレート(5)の枠内に配置され
前記コア(6)は多数のスリット(8)が穿設された複数のプレート(7)が積層されて構成され、
前記複数のプレート(7)の積層方向の下端に位置する前記プレート(7)に前記スリット(8)が形成されていないエンドプレート(9)が接合され、
前記エンドプレート(9)と前記凹部(2)の底部(2a)との間には低流通抵抗領域(14)が形成されている熱交換器。
【請求項2】
前記シールプレート(5)の枠内には、前記コア(2)の天板本体の接合側の外周部と嵌合する嵌着部(5a)が形成されており、
前記コア(6)が、前記シールプレート(5)の嵌着部(5a)に嵌合された請求項1に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
熱交換対象物と流体との間に伝熱を行う熱交換器、特に、半導体素子等の被冷却体を冷却するヒートシンクに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子等の被冷却体を冷却するヒートシンクとして、図8(B)のようなヒートシンクがある。
このヒートシンク(熱交換器)は、皿状の凹部2をもつケーシング1と、その凹部2の開口を閉塞する平板状の天板3を有する。そして、天板3の一方の面には、複数の半導体素子(熱交換対象物20)が接合される。天板3の他方の面には、コア6を形成する複数のピンフィン28が接合される。
このコア6がケーシング1の凹部2に収納され、その凹部2内に導かれる冷媒(流体12)と、半導体素子(熱交換対象物20)との間にコア6を介して熱交換が行われる。
このヒートシンク(熱交換器)は、ケーシング1と天板3に取付けられたコア6とが別体構造となっており、天板3とケーシング1が着脱自在に取付けられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、図8(A)のような熱交換器の天板3は、鍛造や切削による成形の為の剛性が必要となり、その剛性を得るため、天板3の板厚を厚くする必要があった。その板厚は、5mm~10mm程度で天板3の熱抵抗による伝熱性能への影響度が大きく、また、その板厚分、ヒートシンク(熱交換器)の重量が重くなる問題があった。
【0004】
そこで、本発明はケーシング1とコア6が接続された天板3とが、着脱自在に取付けられる別体構造になっている熱交換器において、熱抵抗が小さく、軽量な熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項1に記載の本発明は、皿状の凹部2をもつケーシング1と、
前記ケーシング1の凹部2の開口を閉塞する天板3と、
前記天板3に接合されるコア6と、を具備し、
前記コア6が前記凹部2に収納される熱交換器において、
前記天板3は、天板本体4とシールプレート5の積層体からなり、
前記天板本体4の一方の面4aに熱交換対象物20が接合されており、
前記シールプレート5は、前記天板本体4の外縁と略同一の外縁を有する枠状に形成され、そのシールプレート5の板厚は、前記天板本体4の板厚以上に厚く形成されており、
前記天板本体4の他方の面4bに前記シールプレート5及び前記コア6が接合されるとともに、前記コア6が前記シールプレート5の枠内に配置されている熱交換器である。
【0006】
請求項2に記載の本発明は、前記シールプレート5の枠内には、前記コア6の天板本体の接合側の外周部と嵌合する嵌着部5aが形成されており、
前記コア6が、前記シールプレート5の嵌着部5aに嵌合された請求項1に記載の熱交換器である。
【0007】
請求項3に記載の本発明は、前記コア6は、多数のスリット8が設けられた複数のプレート7の積層体からなり、
隣接するプレート7のスリット8が連通し、流体12がプレート7の積層方向に蛇行しながら流通する流体流路13が形成され、
前記コア6のプレート7の積層方向の一方側に位置するコア端部プレート7cが前記天板本体4と接合された請求項2に記載の熱交換器である。
【発明の効果】
【0008】
請求項1に記載の本発明のように構成すると、
シールプレート5の板厚が、天板本体4の板厚以上に厚く形成されているので、そのシールプレート5で剛性が確保される。そして、シールプレート5で剛性が確保されている分、天板本体4の板厚を薄くすることができる。また、シールプレート5は枠状に形成されているため、その重量を軽量化することができる。
本発明の天板3は、天板本体4とシールプレート5の積層体により形成されており、コア6は板厚が薄い天板本体4に接合されているので、本発明の天板3の熱抵抗は従来の天板3の熱抵抗より小さくなり、熱交換対象物20から熱交換器のコア6への伝熱性能が向上する。また、本発明の天板3を有する熱交換器は、従来の天板3を使用した熱交換器よりも軽量化をすることができる。
【0009】
請求項2に記載の本発明は、請求項1の本発明において、シールプレート5の枠内に、コア6の天板本体の接合側の外周部と嵌合する嵌着部5aが形成されており、コア6がシールプレート5の嵌着部5aに嵌合するように構成することができる。
この構成により、コア6の位置決めを容易に行うことができる。
【0010】
請求項3に記載の本発明は、請求項2の本発明において、コア6が多数のスリット8を設けた複数のプレート7の積層体からなり、隣接するプレート7のスリット8が連通し、流体12がプレート7の積層方向に蛇行しながら流通する流体流路13が形成されており、そのコア6のプレート7の積層方向の一方側に位置するコア端部プレート7cが、天板本体4と接合するように構成することができる。
この構造により、従来のコア一体型天板3を有する熱交換器よりも、製作性が高い熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の熱交換器の分解斜視図。
図2】同熱交換器のコア一体型天板3の分解斜視図。
図3】同コア一体型天板3の正面図(A)、底面図(B)、側面図(C)。
図4】同熱交換器の組立て斜視図。
図5】同熱交換器のV-V矢視断面説明図。
図6】コア一体型天板3の他の例を示す分解斜視図(A)及び、その組立て斜視図(B)。
図7】同コア一体型天板3の正面図(A)、底面図(B)、側面図(C)。
図8】従来型熱交換器の説明図であり、同図(A)は従来型熱交換器のコア一体型天板3の斜視図、同図(B)は従来型熱交換器の断面説明図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
次に、図面に基づいて、本発明の実施の形態につき説明する。
図1は本発明の熱交換器の分解斜視図であり、図2は、同熱交換器のコア一体型天板3の分解斜視図であり、図3(A)は同コア一体型天板3の正面図であり、同図(B)は底面図、同図(C)は側面図である。図4は同熱交換器の組立て斜視図であり、図5図4のV-V矢視断面説明図である。
【0013】
この熱交換器は、ケーシング1と天板3とコア6とからなる。
ケーシング1は、図1に示す如く、方形の筐体の上面の中央部に、周縁部1aに対し凹陥した皿状の凹部2が形成され、その周縁に環状のシール溝1bが形成されている。シール溝1bには、シールリング21が配置される。シール溝1bの外側には、締結孔1cが設けられている。この例では、凹部2は、底部2aと側部2bを有する長方形型に凹陥している。
【0014】
天板3にはコア6が接合され、そのコア6がケーシング1の凹部2に収納される。そして、天板3の外周部に設けられた締結孔3cとケーシング1の締結孔1cとが整合するように、天板3がケーシング1の凹部2の開口を閉塞し、図4のように、締結具23により、天板3がケーシング1に着脱自在に取付けられる。天板3のコアの接続側と反対側の面には、発熱体等の熱交換対象物20が接合されている。
【0015】
この例では、ケーシング1の外周部には一対のパイプ22が設けられており、一方のパイプ22は凹部2の流入側ヘッダ部10に連通し、他方のパイプ22は凹部2の流出側ヘッダ部11に連通している。そしてコア6は、流入側ヘッダ部10と流出側ヘッダ部11との間に配置される。
冷媒等の流体12は一方のパイプ22から流入し、凹部2の流入側ヘッダ部10内に導かれ、次いでコア6内を積層方向に蛇行しながら流通して流出側ヘッダ部11に導かれ、他方のパイプ22から流出する。
発熱体等の熱交換対象物20から生じる熱は、コア6に流入する流体12により、冷却され、熱交換対象物20と流体12との間で熱交換が行われる。
【0016】
この実施例の天板3は、図2及び図3に示す如く、伝熱機能を確保する天板本体4と、シール機能を確保するシールプレート5との積層体により形成されている。
天板本体4は平板状に形成されており、シールプレート5を介して、ケーシング1の凹部2の開口を閉塞する。この天板本体4は、伝熱性能を確保するため、比較的薄い板厚に形成されている。具体的には、天板本体4の板厚は0.5mm~2.0mmの範囲とするとよい。
シールプレート5は天板本体4の外縁と略同一の外縁を有する。このシールプレート5は、ケーシング1のシール溝1b及びその周辺域のシール面を被嵌する面を有する環状の枠部材として形成されている。シール溝1bに接する面の反対側の面に天板本体4が取り付けられる。そして、シールプレート5の板厚は、シール性を確保するため、天板本体4の板厚以上に厚く形成されている。具体的には、シールプレート5の板厚は1.6mm~5.0mmの範囲とするとよい。シールプレート5は、一例として、平板をプレス加工などにより、枠部分以外の部分を打ち抜いて形成される。
【0017】
そして、天板本体4の他方の面4bには、シールプレート5及びコア6が、ろう付により、一体的に接合される。そのコア6は、図2に示す如く、シールプレート5の枠内の空間の部分に配置されている。天板本体4の一方の面4aには、熱交換対象物20が接合される。
上記のような天板3の構造にすることにより、本発明の天板3の熱抵抗は従来の天板3の熱抵抗より10%~20%低下し、熱交換対象物20から熱交換器のコア6への伝熱性能が向上する。
また、本発明の天板3は、シール性を確保できる剛性を維持したまま、従来の天板3よりも、20%程度の軽量化をすることができる。そして、この天板3の構造を有する熱交換器の全体の重量は、従来の天板3の構造を有する熱交換器の全体の重量よりも10%程度の軽量化をすることができる。
【0018】
天板本体4には、天板3の締結孔3cに整合する位置に、締結孔4cが形成され、シールプレート5にも、同じ位置に、締結孔5cが形成されている。天板本体4とシールプレート5のそれぞれの締結孔4c、5cが整合するように重ね合わされて、天板3の締結孔3cが形成されている。
また、この例では、天板本体4の外縁にシールプレート5を係止するための係止爪24が形成されており、シールプレート5の外縁の天板本体4の係止爪24に整合する位置に切欠き25が形成されている。天板本体4の係止爪24がシールプレート5の切欠き25側に曲折されて天板本体4と、シールプレート5が仮組みされる。
【0019】
この熱交換器のコア6は、それぞれ多数のスリット8が穿設された平坦な方形のプレート7(第1プレート7a、第2プレート7b)が積層されて、構成される。
この例では、各プレート7a、7bには、互いに平行に並列して配置された縦リブ8aと、隣接する縦リブ8a間を複数の個所で連結する横リブ8bとを有し、それらのリブ8a,8b間に同一形状の長方形の小孔からなるスリット8が穿設されている。
積層方向に隣接する各プレート7a,7bの縦リブ8aは整合して接触し、各プレート7a,7bのスリット8は、図5に示す如く、流体12の流通方向に平面的に位置ずれしている。即ち、一方のプレートのスリット8内に、他方のプレートの横リブ8bが位置する。これにより、隣接するプレート7a,7bのスリット8が連通し、流体流路13が形成される。流体12は、各流体流路13をプレート7の積層方向に蛇行しながら直線的に流通する。そして、流体流路13を流通する流体12によって、天板本体4に接合された熱交換対象物20から生じる熱を冷却する。
【0020】
上述のコア6は、図5に示す如く、プレート7の積層方向の上端に位置するコア端部プレート7cが、天板本体4の他方の面4bと接合されている。
このコア6の各プレート7a,7bは、プレス加工により容易に形成できる。そして、天板本体4、シールプレート5及びコア6は、高温の炉内で一体的にろう付固定できるため、ピンフィン28からなるコア6はよりも、製造がし易く、加工コストを安価にすることができる。
天板本体4、シールプレート5、各プレート7a,7bには、ろう材を被覆しておくことが好ましい。
【0021】
この熱交換器は、天板本体4の下面から凹部2の底部2aまでの深さより、天板本体4からコア6の下端に位置するコア端部プレート7dまでの高さが小さい場合、そのコア端部プレート7dと、凹部2の底部2aとの間には、コア6の流体流路13の流通抵抗よりも流通抵抗が低い低流通抵抗領域14である空間が形成される。
各プレート7にはスリット8が設けられているため、コア6内の流体流路13に流入した流体12が、コア端部プレート7dのスリット8の部分からコア6外の低流通抵抗領域14へ流出し、伝熱性能が低下することが考えられる。
【0022】
この例では、図1図3図5に示す如く、プレート5の積層方向の下端に位置するコア端部プレート7dには、スリット8が形成されていないエンドプレート9が接合されている。この例のエンドプレート9は、図5に示す如く、各プレート7の外縁と略同一の大きさに形成されている。
このエンドプレート9にはスリット8が形成されていないので、コア6内の流体流路13に流入した流体12が、コア端部プレート7dのスリット8の部分からコア6外の低流通抵抗領域14へ流出せず、伝熱性能が向上する。
また、エンドプレート9は、図5に示す如く、各プレート7の外縁と略同一の大きさに形成されているので、コア6の組立時に積層したプレート7とエンドプレート9の外縁をそろえて各プレート7の位置決めができ、コア6の組立を容易に行うことができる。
【0023】
この実施例では、コア6の積層方向の上端に位置するコア端部プレート7c及びエンドプレート9に、コア6を仮組みする係止爪26が一体に突設されている。そして、その他のプレート7には、係止爪26と嵌合する切欠き27が形成されている。この係止爪26が各プレートの切欠き27に嵌着するように曲折されて、コア6を仮組みすることができる。
【0024】
前記シールプレート5の枠内には、コア端部プレート7c側のプレートの外周部と嵌合する嵌着部5aが形成されている。この実施例では、図2及び図3に示す如く、シールプレート5の枠内の長手方向の両端に嵌着部5aが形成されている。コア6を、各プレートが仮組みされた状態で、コア端部プレート7c側のプレートの外周部をシールプレート5の嵌着部5aに嵌合すると、コア6の位置決めを容易に行うことができる。
【0025】
また、前記シールプレート5の枠内には、図2図3に示す如く、コア6の配置位置から短手方向の外側に向けて空間が広がるように、ヘッダ部5bが形成されている。
このヘッダ部5bを形成しておくことにより、図5に示す如く、天板本体4に接合され、シールプレート5に囲まれたコア端部プレート7c及びその近傍に積層されたプレート7にも、流体12を十分に流通させることができる。
【0026】
コア6は、上記実施例のように、プレート7の積層体からなるものであることが望ましい。但し、このプレート積層型コアに限らず、図6図7に示す如く、コルゲートフィン6a等のインナフィンからなるコア6や、ピンフィン28からなるコアであってもよい。
図6図7に示すように、この例の天板3も天板本体4とシールプレート5からなり、コルゲートフィン6aの頂部が天板本体4の他方の面4b側に取付けられる。図6のシールプレート5のヘッダ部5b、嵌着部5aの形状は、図2に記載の形状にすることもできる。
【符号の説明】
【0027】
1 ケーシング
1a 周縁部
1b シール溝
1c 締結孔
2 凹部
2a 底部
2b 側部
3 天板
3c 締結孔
4 天板本体
4a 一方の面
4b 他方の面
4c 締結孔
【0028】
5 シールプレート
5a 嵌着部
5b ヘッダ部
5c 締結孔
6 コア
6a コルゲートフィン
7 プレート
7a 第1プレート
7b 第2プレート
7c コア端部プレート
7d コア端部プレート
【0029】
8 スリット
8a 縦リブ
8b 横リブ
9 エンドプレート
10 流入側ヘッダ部
11 流出側ヘッダ部
12 流体
13 流体流路
14 低流通抵抗領域
【0030】
20 熱交換対象物
21 シールリング
22 パイプ
23 締結具
24 係止爪
25 切欠き
26 係止爪
27 切欠き
28 ピンフィン
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8