JP4135904B2

JP4135904B2 - Heat sink cooling device and power electronics device having the same

Info

Publication number: JP4135904B2
Application number: JP2003067484A
Authority: JP
Inventors: 敬文中濱
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004281484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配したヒートシンク冷却装置、及びこれを備えたパワーエレクトロニクス装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２０、及び図２１は、それぞれ従来のヒートシンク冷却装置の構成例を示す断面図で、それぞれの図の（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、また（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【０００３】
図２０、及び図２１において、１は直線フィン、２は複数の直線フィン１を配したヒートシンク、３は素子などの発熱体、４は軸流タイプのファン、５はこれらからなるヒートシンク冷却装置である。
【０００４】
図２０に示すヒートシンク冷却装置５では、複数の直線フィン１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配し、直線フィン１の長手方向の冷却媒体上流側に、軸流タイプのファン４を配しており、ファン４からの旋回成分を伴った流れが直線フィン１に流入する。発熱体３から熱は伝導により直線フィン１に伝わり、フィン１間を流れる空気に熱伝達する。
【０００５】
また、図２１に示すヒートシンク冷却装置５では、複数の直線フィン１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配し、直線フィン１の長手方向の冷却媒体下流側に、軸流タイプのファン４を配しており、ファン４の作用により冷却空気が直線フィン１に流入する。発熱体３から熱は伝導により直線フィン１に伝わり、フィン１間を流れる空気に熱伝達する。
【０００６】
なお、このような、複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配し、直線フィンの長手方向の冷却媒体上流側に、ファンを配したヒートシンク冷却装置は、例えば特許文献１にも記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２３７９９２号公報（第３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなヒートシンク冷却装置において、ＩＢＧＴなどの素子発熱体の発熱密度は年々上昇しており、従来の構造では素子の温度が許容温度を上回ってしまう可能性が生じてきた。よって複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配した冷却装置において、その冷却能力を向上させ、素子の温度を許容温度以下に抑える必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、冷却能力を向上させたヒートシンク冷却装置、及びこれを備えたパワーエレクトロニクス装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の直線フィンを備えたヒートシンクに発熱体を配したヒートシンク冷却装置において、直線フィンの流入側の上流に、平行に配列された複数の別のフィンを配し、別のフィンの各々は長方形状のフィンから成るものとし、別のフィンの長手方向を、直線フィンの高さ方向に対し直角の方向とするともに直線フィンの間を流れる冷却媒体の流れ方向に対し直角の方向とし、別のフィンの幅方向における下流側端部が発熱体の側に傾くように、別のフィンを発熱体に向けて配したことを特徴とする。
【００１３】
このように、直線フィンの流入側の上流に、別のフィンの幅方向における下流側端部が発熱体の側に傾くように、別のフィンを発熱体に向けて配することにより、別のフィンから流出する流体は、発熱体を配したヒートシンクの直線フィン間を斜めに流入し、直線フィン根元部に斜めに衝突する。このため直線フィン根元部の境界層厚さが薄くなり熱伝達率が増加する。従って、冷却能力を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明に係るパワーエレクトロニクス装置は、上述のようなヒートシンク冷却装置を備え、別のフィンを筐体の冷却媒体流入口のフィンとし、このフィンが斜め上を向くようにヒートシンクのフィン根元部を上部に配したことを特徴とする。
【００１７】
上述のようなヒートシンク冷却装置を備えることにより、冷却能力を向上させることができるので、パワーエレクトロニクス装置を小形化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００２０】
図１に示すように、この実施形態は、パワー半導体素子を搭載した電力変換装置などのヒートシンク冷却装置５において、平行に配列された複数の直線フィン１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配する。直線フィン１の長手方向の冷却媒体流入側の一端１ａの上流に、複数の軸流タイプもしくは斜流タイプのファン４が配されている。このような構造の冷却装置ではヒートシンク２に伝導した発熱体３の熱量は直線フィン１よりフィン間を流れる空気などの流体に放熱する。そして、直線フィン１の冷却媒体流入側の一端１ａの上流に、直線フィン１の長手方向に対し斜めに、平行に配列された複数の別の直線フィン（以下、ルーバと称する）６を配する。
【００２１】
この構造において、ルーバ６から流出する流体は直線フィン１に斜めに流入し、図２に示すように、直線フィン１の各々のフィン負圧面１ｂ側で剥離を生じる。このように剥離を生じると、図３に示すように一般の管への流入口近傍で熱伝達率がアップするのと同様に、フィン端１ａ近傍で高い熱伝達率を示す。（なお、図３は、鋭い流入口を有する管入口における無次元熱伝達率（Ｎｕ）の変化を表わす図としてよく知られているものである。）また、フィン正圧面１ｃには流れが衝突する。流れがフィン表面に対して斜めに衝突することにより、衝突噴流と同様に、熱伝達率が増加する。これらより、フィン表面の冷却性能が向上し、発熱素子をより低い温度に冷却できるようになる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００２３】
この第２の実施形態においては、直線フィン１の長手方向に対し斜めに配したルーバ６の流出側端部６ｅと直線フィン１の流入側端部１ａとの距離を、直線フィン群の幅方向にわたりほぼ等しくする。
【００２４】
この構造では、各々のフィン負圧面１ｂ側で直線フィン群の幅方向にほぼ同様に剥離を生じる。これによりフィン表面の熱伝達率が直線フィン群の幅方向にほぼ同様に増加し、直線フィン群の幅方向にほぼ等しい冷却能力が得られる。
【００２５】
（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００２６】
この第３の実施形態においては、直線フィン１の長手方向に対し斜めに配したルーバ６のフィンピッチを直線フィン１のピッチより大きくする。
【００２７】
この構造ではルーバ６の通風抵抗が小さくなり、流体流量が増える。これによりフィン１の間の流速が増え、表面の熱伝達率が増加し、高い冷却能力が得られる。
【００２８】
（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００２９】
この第４の実施形態においては、直線フィン１の長手方向に対し斜めに配したルーバ６の厚さを直線フィン１の厚さより小さくする。
【００３０】
この構造では、第３の実施形態と同様に、ルーバ６の通風抵抗が小さくなり、流体流量が増える。これによりフィン１の間の流速が増え、表面の熱伝達率が増加し、高い冷却能力が得られる。
【００３１】
（第５の実施形態）
図７は本発明の第５の実施形態におけるフィン角度の模式を示す。
【００３２】
図７に示すように、流体がルーバ６の間からヒートシンク２にすり抜けることなく、ルーバ６に沿うように流すには、隣り合うルーバ６のヒートシンク流入端包絡面への投影（図ではＡ、Ｂ）が重なればよい。ルーバ６間の隙間をｘとし、直線フィン１の長手方向に対し、θ［ｒａｄ］の角度で斜めに配したルーバ６の長さ（流体の流れに沿った方向の長さ）をＬとした場合、式（１）を満たせばよい。
【００３３】
Ｌｓｉｎθ＞ｘ／ｃｏｓθ ・・・（１）
これは下式となる。
【００３４】
Ｌ＞ｘ／ｓｉｎθ／ｃｏｓθ ・・・（１）
この構造では、ルーバ６の間を直接ヒートシンク２にすり抜けないため、ヒートシンク２の全ての直線フィン１において、流体が斜めに流入し直線フィン１の各々のフィン負圧面側１ｂで剥離を生じ、フィン表面の熱伝達率が増加する。
【００３５】
（第６の実施形態）
図８は本発明の第６の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００３６】
この第６の実施形態においては、ルーバ６の、直線フィン１の長手方向に対する角度βを略４５°以下で配する。
【００３７】
この構造では、流体がルーバ６に流入しやすくなり、通風抵抗が小さくなり流体流量が増える。これにより、フィン表面の熱伝達率が増加する。
【００３８】
（第７の実施形態）
図９は本発明の第７の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００３９】
この第７の実施形態においては、直線フィン１の長手方向に対し斜めにルーバを２つ以上の群に分割して６Ａ、６Ｂのように配する。
【００４０】
この構造ではフィン１とファン４の距離を小さくすることができる。これにより冷却装置がコンパクトになる。
【００４１】
（第８の実施形態）
図１０は本発明の第８の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の主要部の構成を示す断面図である。
【００４２】
この第８の実施形態では、直線フィン１の長手方向に対し斜めに配したルーバ６を、その仮想延長線上に、直線フィン１の冷却媒体流入側端部１ａのフィンピッチの略中心部が来るように配する。
【００４３】
この構造では直線フィン１の流入端１ａに流体の速度の大きい部分がぶつかる。これにより、負圧面１ｂで剥離域、正圧面１ｃで衝突の両方が発生し、フィン表面の熱伝達率が増加する。
【００４４】
（変形例）
ここで、上述の第１〜第８の実施形態の変形例について説明する。
【００４５】
上述の第１〜第８の実施形態においては、ヒートシンク２及び発熱体３を直線フィン１の高さ方向の上部に配したヒートシンク冷却装置において、直線フィン１の冷却媒体流入側の上流に、直線フィン１の長手方向に対し斜めにルーバ６を配したものについて説明したが、これに限らず、ファン４を直線フィン１の長手方向の一端の側に配し、ヒートシンク２及び発熱体３を、直線フィン１の長手方向の、ファン４とは反対側に配したヒートシンク冷却装置においても、直線フィン１の冷却媒体流入側の上流に、直線フィン長手方向に対し斜めにルーバ６を配して、同様に実施することができる。
【００４６】
（第９の実施形態）
図１１は本発明の第９の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００４７】
図１１に示すように、この実施形態は、パワー半導体素子を搭載したパワーエレクトロニクス機器などのヒートシンク冷却装置５に、平行に配列された複数の直線フィン１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配する。直線フィン１の長手方向の一端１ａの側に、１つもしくは複数の軸流タイプもしくは斜流タイプのファン４が配されている。直線フィン１の反対側の、空気流入側の一端１ｂの側に、直線フィン１の高さ方向に対し略垂直に、ルーバ６を発熱体３の方に向けて配する。
【００４８】
この構造において、ヒートシンク冷却装置５の空気流入口５ａからの空気はルーバ６の間に沿って流れ、発熱体３の方に向いて直線フィン１に斜めに流入する。流れは発熱体３の近傍のフィン根元部１ｃに衝突する。これにより境界層が薄くなり、熱伝達率がアップする。これらより、ヒートシンク２の冷却性能が向上し、発熱体３をより低い温度に冷却できるようになる。
【００４９】
（第１０の実施形態）
図１２は本発明の第１０の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００５０】
図１２に示すように、この第１０の実施形態は、上述の第９の実施形態において、直線フィン１とルーバ６の間にルーバのピッチと略同等の隙間７を設ける。これにより、冷却空気はルーバ６から流入する他に、該隙間７から流入するため、第９の実施形態より流体流量が増え、直線フィン１を通過する流速が大きくなり、フィン表面、フィン根元部の熱伝達率が増加する。
【００５１】
（第１１の実施形態）
図１３は本発明の第１１の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体である空気の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００５２】
図１３に示すように、この第１１の実施形態は、上述の第９の実施形態において、ルーバ６のピッチを直線フィン１のピッチより大きくする（このように直線フィン１のピッチよりピッチを大きくしたルーバを図１３において、６ａで示す）。これにより、第９の実施形態より通風抵抗が小さくなり流体流量が増え、フィン表面、フィン根元部の熱伝達率が増加する。
【００５３】
（第１２の実施形態）
図１４は本発明の第１２の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体である空気の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００５４】
図１４に示すように、この第１２の実施形態は、上述の第９の実施形態において、ルーバ６のフィン厚さを直線フィン１の厚さより小さくする（このように直線フィン１の厚さよりピッチを小さくしたルーバを図１４において、６ｂで示す）。これにより通風抵抗が小さくなり流体流量が増え、フィン表面、フィン根元部の熱伝達率が増加する。
【００５５】
（第１３の実施形態）
図１５は本発明の第１３の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体である空気の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００５６】
図１５に示すように、この第１３の実施形態は、上述の第９の実施形態において、ルーバ６を発熱体取り付け面に対し略４５°以下の角度γで発熱体３に向けて配する（このように発熱体取り付け面に対し略４５°以下の角度γで発熱体３に向けて配したルーバを図１５において、６ｃで示す）。これにより、通風抵抗が小さくなり流体流量が増え、フィン表面、フィン根元部の熱伝達率が増加する。
【００５７】
（第１４の実施形態）
図１６は本発明の第１４の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００５８】
図１６に示すように、この実施形態は、パワー半導体素子を搭載したパワーエレクトロニクス機器などのヒートシンク冷却装置５に、複数のピンフィン１１を備えたヒートシンク２に発熱体３を配する。複数のピンフィン１１の一端１１ａの側に、１つもしくは複数の軸流タイプもしくは斜流タイプのファン４が配されている。複数のピンフィン１１の反対側の一端１１ｂの側に、ピンフィン１１の高さ方向に対し略垂直に、ルーバ６を発熱体３の方に向けて配する。
【００５９】
この構造において、ヒートシンク冷却装置５の空気流入口５ａからの空気はルーバ６の間に沿って流れ、発熱体３の方に向いてピンフィン１１に斜めに流入する。流れはピンフィン１１の下流側で渦を生じながら、発熱体３の近傍のフィン根元部１１ｃに衝突する。これにより境界層が薄くなり、熱伝達率がアップする。これらより、ヒートシンク２の冷却性能が向上し、発熱体３をより低い温度に冷却できるようになる。
【００６０】
（第１５の実施形態）
図１７は本発明の第１５の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００６１】
図１７に示すように、この第１５の実施形態は、上述の第１４の実施形態において、ピンフィン１１とルーバ６の間にルーバのピッチと略同等の隙間７を設けたものである。これにより、冷却空気はルーバ６から流入する他に、該隙間７から流入するため、第１４の実施形態より流量が増え、ピンフィン１１を通過する流速が大きくなり、ピンフィンの表面、ピンフィン根元部の熱伝達率が増加する。
【００６２】
（第１６の実施形態）
図１８は本発明の第１６の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００６３】
図１８に示すように、この第１６の実施形態は、上述の第１４の実施形態において、ルーバ６を発熱体に取り付けた面に対し略４５°以下の角度γで発熱体に向けて配する（このように発熱体取り付け面に対し略４５°以下の角度γで発熱体３に向けて配したルーバを図１８において、６ｃで示す）。これにより、通風抵抗が小さくなり流体流量が増え、ピンフィン１１の表面、ピンフィン根元部の熱伝達率が増加する。
【００６４】
（第１７の実施形態）
次に本発明の第１７の実施形態について説明する。この第１７の実施形態は、上述の第１の実施形態から第１６の実施形態までのいずれかのヒートシンク冷却装置を備えたパワーエレクトロニクス装置である。
【００６５】
パワーエレクトロニクス装置において、上述のような構成のヒートシンク冷却装置を備えることにより、冷却能力を向上させることができるので、パワーエレクトロニクス装置を小形化することができる。
【００６６】
（第１８の実施形態）
図１９は本発明の第１８の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図で、同図（ａ）は冷却媒体の流れ方向に沿って切断した縦断面を、同図（ｂ）は同図（ａ）における矢視Ａの断面を示す。
【００６７】
図１９に示すように、この第１８の実施形態は、第９の実施形態から第１６の実施形態までのいずれかのヒートシンク冷却装置において、ルーバ６、６ａ、６ｂ、６ｃのいずれかをパワーエレクトロニクス装置の筐体８の流入口のルーバ９とし、ルーバ９が斜め上を向くように、ヒートシンク２の直線フィン１またはピンフィン１１の根元部が上側、ヒートシンク２の直線フィン１またはピンフィン１１の先端部が下側になるように配することにより、防滴構造となり、筐体内に水滴が流入しにくくなる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱体及びヒートシンクを有するヒートシンク冷却装置においてフィン表面の熱伝達が増加し、冷却能力を強化することができ、またヒートシンク冷却装置をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態におけるフィン上流端周りの流れを示す図。
【図３】一般の管入口近傍の熱伝達率の上昇状態を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の主要部の構成を示す断面図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図９】本発明の第７の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の第８の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の主要部の構成を示す断面図。
【図１１】本発明の第９の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１２】本発明の第１０の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１３】本発明の第１１の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１４】本発明の第１２の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１５】本発明の第１３の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１６】本発明の第１４の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１７】本発明の第１５の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１８】本発明の第１６の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図１９】本発明の第１８の実施形態に係るヒートシンク冷却装置の構成を示す断面図。
【図２０】従来のヒートシンク冷却装置の構成例を示す断面図。
【図２１】従来のヒートシンク冷却装置の他の構成例を示す断面図。
【符号の説明】
１…直線フィン
２…ヒートシンク
３…発熱体
４…ファン
５…ヒートシンク冷却装置
６、６Ａ、６Ｂ、６ａ、６ｂ、６ｃ…別の直線フィン（ルーバ）
８…筐体
９…ルーバ
１１…ピンフィン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat sink cooling device in which a heating element is arranged on a heat sink having a plurality of straight fins, and a power electronics device having the same.
[0002]
[Prior art]
20 and 21 are cross-sectional views showing examples of the configuration of a conventional heat sink cooling device, where (a) in each figure shows a longitudinal section cut along the flow direction of the cooling medium, and (b) shows The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0003]
20 and FIG. 21, 1 is a linear fin, 2 is a heat sink provided with a plurality of linear fins 1, 3 is a heating element such as an element, 4 is an axial flow type fan, and 5 is a heat sink cooling device comprising these. is there.
[0004]
In the heat sink cooling device 5 shown in FIG. 20, the heating element 3 is arranged on the heat sink 2 having a plurality of linear fins 1, and the axial flow type fan 4 is arranged on the upstream side of the cooling medium in the longitudinal direction of the linear fins 1. The flow accompanied by the swirling component from the fan 4 flows into the straight fin 1. Heat is transmitted from the heating element 3 to the straight fins 1 by conduction and is transferred to the air flowing between the fins 1.
[0005]
Further, in the heat sink cooling device 5 shown in FIG. 21, the heating element 3 is arranged on the heat sink 2 provided with a plurality of linear fins 1, and the axial flow type fan 4 is installed on the downstream side of the cooling medium in the longitudinal direction of the linear fins 1. The cooling air flows into the straight fin 1 by the action of the fan 4. Heat is transmitted from the heating element 3 to the straight fins 1 by conduction and is transferred to the air flowing between the fins 1.
[0006]
Note that a heat sink cooling device in which a heating element is arranged on a heat sink having a plurality of straight fins and a fan is arranged on the upstream side of the cooling medium in the longitudinal direction of the straight fins is also described in Patent Document 1, for example. ing.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-237992 (page 3, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the heat sink cooling device as described above, the heat generation density of element heating elements such as IBGT is increasing year by year, and there is a possibility that the element temperature may exceed the allowable temperature in the conventional structure. Therefore, in a cooling device in which a heating element is arranged on a heat sink having a plurality of straight fins, it is necessary to improve the cooling capacity and to keep the temperature of the element below an allowable temperature.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat sink cooling device with improved cooling capacity and a power electronics device including the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a heat sink cooling device in which a heating element is arranged on a heat sink having a plurality of linear fins, and a plurality of parallel fins arranged in parallel are arranged upstream of the inflow side of the linear fins. Each is composed of rectangular fins, and the longitudinal direction of the other fins is perpendicular to the height direction of the straight fins and perpendicular to the flow direction of the cooling medium flowing between the straight fins. The other fin is arranged toward the heating element so that the downstream end in the width direction of the other fin is inclined toward the heating element.
[0013]
Thus, by arranging another fin toward the heating element so that the downstream end in the width direction of another fin is inclined toward the heating element upstream of the inflow side of the straight fin, The fluid flowing out from the fins flows obliquely between the straight fins of the heat sink in which the heating element is arranged, and collides diagonally with the straight fin roots. For this reason, the boundary layer thickness of the straight fin base portion becomes thin, and the heat transfer coefficient increases. Therefore, the cooling capacity can be improved.
[0016]
Further, the power electronics device according to the present invention includes the heat sink cooling device as described above , and another fin is used as a cooling medium inlet fin of the casing, and the fin base portion of the heat sink so that the fin faces obliquely upward. Is arranged at the top .
[0017]
By providing the heat sink cooling device as described above, the cooling capacity can be improved, so that the power electronics device can be miniaturized.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following drawings, the same symbols indicate the same or corresponding parts.
[0019]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0020]
As shown in FIG. 1, in this embodiment, in a heat sink cooling device 5 such as a power converter equipped with a power semiconductor element, a heating element 3 is arranged on a heat sink 2 having a plurality of straight fins 1 arranged in parallel. To do. A plurality of axial flow type or diagonal flow type fans 4 are arranged upstream of one end 1 a on the cooling medium inflow side in the longitudinal direction of the linear fin 1. In the cooling device having such a structure, the amount of heat of the heating element 3 conducted to the heat sink 2 is radiated from the straight fins 1 to a fluid such as air flowing between the fins. A plurality of other linear fins (hereinafter referred to as louvers) 6 arranged in parallel and obliquely with respect to the longitudinal direction of the linear fin 1 are arranged upstream of the one end 1a of the linear fin 1 on the cooling medium inflow side. .
[0021]
In this structure, the fluid flowing out from the louver 6 flows obliquely into the straight fin 1, and as shown in FIG. 2, separation occurs on each fin negative pressure surface 1b side of the straight fin 1. When peeling occurs in this manner, a high heat transfer coefficient is shown in the vicinity of the fin end 1a, similarly to an increase in heat transfer coefficient in the vicinity of the inlet to a general pipe as shown in FIG. (FIG. 3 is well known as a diagram showing a change in dimensionless heat transfer coefficient (Nu) at a pipe inlet having a sharp inlet.) Also, a flow collides with the fin pressure surface 1c. To do. When the flow collides obliquely with the fin surface, the heat transfer coefficient increases as in the case of the collision jet. As a result, the cooling performance of the fin surface is improved, and the heating element can be cooled to a lower temperature.
[0022]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0023]
In the second embodiment, the distance between the outflow side end 6e of the louver 6 and the inflow side end 1a of the straight fin 1 that is arranged obliquely with respect to the longitudinal direction of the straight fin 1 is the width direction of the straight fin group. Almost equal over.
[0024]
In this structure, peeling occurs in the same manner in the width direction of the straight fin group on each fin suction surface 1b side. As a result, the heat transfer coefficient of the fin surface increases in the width direction of the straight fin group in substantially the same manner, and a cooling capacity substantially equal to the width direction of the straight fin group is obtained.
[0025]
(Third embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is a vertical cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0026]
In the third embodiment, the fin pitch of the louvers 6 arranged obliquely with respect to the longitudinal direction of the straight fin 1 is made larger than the pitch of the straight fin 1.
[0027]
With this structure, the ventilation resistance of the louver 6 is reduced, and the fluid flow rate is increased. Thereby, the flow velocity between the fins 1 increases, the heat transfer coefficient of the surface increases, and a high cooling capacity is obtained.
[0028]
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 6 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0029]
In the fourth embodiment, the thickness of the louver 6 disposed obliquely with respect to the longitudinal direction of the straight fin 1 is made smaller than the thickness of the straight fin 1.
[0030]
In this structure, like the third embodiment, the ventilation resistance of the louver 6 is reduced and the fluid flow rate is increased. Thereby, the flow velocity between the fins 1 increases, the heat transfer coefficient of the surface increases, and a high cooling capacity is obtained.
[0031]
(Fifth embodiment)
FIG. 7 shows a pattern of fin angles in the fifth embodiment of the present invention.
[0032]
As shown in FIG. 7, in order for fluid to flow along the louver 6 without passing through between the louvers 6 to the heat sink 2, projection onto the heat sink inflow end envelope surface of the adjacent louvers 6 (A and B in the figure). ) Should overlap. The gap between the louvers 6 is defined as x, and the length of the louvers 6 arranged at an angle of θ [rad] with respect to the longitudinal direction of the straight fin 1 (the length in the direction along the fluid flow) is defined as L. In such a case, the expression (1) may be satisfied.
[0033]
Lsin θ> x / cos θ (1)
This becomes the following formula.
[0034]
L> x / sin θ / cos θ (1)
In this structure, since the gap between the louvers 6 does not pass through the heat sink 2 directly, in all the straight fins 1 of the heat sink 2, the fluid flows obliquely and separation occurs on the fin suction surface side 1 b of each of the straight fins 1. The heat transfer coefficient of the surface increases.
[0035]
(Sixth embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 8 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0036]
In the sixth embodiment, the angle β of the louver 6 with respect to the longitudinal direction of the linear fin 1 is set to about 45 ° or less.
[0037]
In this structure, the fluid easily flows into the louver 6, the ventilation resistance is reduced, and the fluid flow rate is increased. Thereby, the heat transfer coefficient of the fin surface increases.
[0038]
(Seventh embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the seventh embodiment of the present invention. FIG. 9 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0039]
In this seventh embodiment, the louvers are divided into two or more groups obliquely with respect to the longitudinal direction of the straight fins 1 and arranged as 6A, 6B.
[0040]
With this structure, the distance between the fin 1 and the fan 4 can be reduced. This makes the cooling device compact.
[0041]
(Eighth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the heat sink cooling device according to the eighth embodiment of the present invention.
[0042]
In the eighth embodiment, the louver 6 disposed obliquely with respect to the longitudinal direction of the straight fin 1 has a substantially center portion of the fin pitch of the cooling medium inflow side end portion 1a of the straight fin 1 on the virtual extension line. Arrange as follows.
[0043]
In this structure, a portion having a high fluid velocity hits the inflow end 1a of the straight fin 1. As a result, both the peeling area on the negative pressure surface 1b and the collision on the positive pressure surface 1c occur, and the heat transfer coefficient of the fin surface increases.
[0044]
(Modification)
Here, modified examples of the first to eighth embodiments will be described.
[0045]
In the above-described first to eighth embodiments, in the heat sink cooling device in which the heat sink 2 and the heating element 3 are arranged in the upper part of the straight fin 1 in the height direction, the straight fin 1 has a straight line upstream of the cooling medium inflow side. Although the louver 6 is disposed obliquely with respect to the longitudinal direction of the fin 1, the present invention is not limited thereto, and the fan 4 is disposed on one end side in the longitudinal direction of the linear fin 1, and the heat sink 2 and the heating element 3 are Even in the heat sink cooling device disposed on the opposite side of the fan 4 in the longitudinal direction of the linear fin 1, the louver 6 is disposed obliquely with respect to the longitudinal direction of the linear fin upstream of the cooling medium inflow side of the linear fin 1, It can be implemented similarly.
[0046]
(Ninth embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a ninth embodiment of the present invention. FIG. 11 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0047]
As shown in FIG. 11, in this embodiment, a heating element 3 is arranged on a heat sink 2 having a plurality of straight fins 1 arranged in parallel to a heat sink cooling device 5 such as a power electronics device equipped with a power semiconductor element. To do. One or a plurality of axial flow type or diagonal flow type fans 4 are arranged on one longitudinal end 1a side of the linear fin 1. The louver 6 is arranged toward the heat generating element 3 on the opposite side of the straight fin 1 to the one end 1 b on the air inflow side substantially perpendicular to the height direction of the straight fin 1.
[0048]
In this structure, the air from the air inlet 5 a of the heat sink cooling device 5 flows along the louver 6, and flows obliquely into the straight fin 1 toward the heating element 3. The flow collides with the fin base portion 1 c in the vicinity of the heating element 3. This makes the boundary layer thinner and increases the heat transfer coefficient. As a result, the cooling performance of the heat sink 2 is improved, and the heating element 3 can be cooled to a lower temperature.
[0049]
(Tenth embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the tenth embodiment of the present invention. FIG. 12 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0050]
As shown in FIG. 12, in the tenth embodiment, a gap 7 is provided between the straight fin 1 and the louver 6, which is substantially the same as the pitch of the louver, in the ninth embodiment described above. Accordingly, since the cooling air flows from the louver 6 and from the gap 7, the fluid flow rate increases from the ninth embodiment, the flow velocity passing through the straight fin 1 increases, and the fin surface, fin base portion Increases the heat transfer coefficient.
[0051]
(Eleventh embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to an eleventh embodiment of the present invention. FIG. 13 (a) is a vertical cross section cut along the flow direction of air as a cooling medium. b) shows a section taken along the arrow A in FIG.
[0052]
As shown in FIG. 13, in the eleventh embodiment, the pitch of the louvers 6 is made larger than the pitch of the linear fins 1 (in this way, the pitch is made larger than the pitch of the linear fins 1). The louver is shown as 6a in FIG. 13). Thereby, ventilation resistance becomes smaller than 9th Embodiment, a fluid flow rate increases, and the heat transfer rate of a fin surface and a fin base part increases.
[0053]
(Twelfth embodiment)
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a twelfth embodiment of the present invention. FIG. 14 (a) is a longitudinal cross section cut along a flow direction of air as a cooling medium. b) shows a section taken along the arrow A in FIG.
[0054]
As shown in FIG. 14, in the twelfth embodiment, the fin thickness of the louver 6 is made smaller than the thickness of the straight fin 1 in this ninth embodiment (in this way, the pitch is larger than the thickness of the straight fin 1). A louver having a smaller size is indicated by 6b in FIG. 14). As a result, the ventilation resistance is reduced, the fluid flow rate is increased, and the heat transfer coefficient of the fin surface and fin base portion is increased.
[0055]
(13th Embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a thirteenth embodiment of the present invention. FIG. 15 (a) is a vertical cross section cut along the flow direction of air as a cooling medium. b) shows a section taken along the arrow A in FIG.
[0056]
As shown in FIG. 15, in the thirteenth embodiment, in the ninth embodiment described above, the louver 6 is arranged toward the heating element 3 at an angle γ of about 45 ° or less with respect to the heating element mounting surface ( The louver thus arranged toward the heating element 3 at an angle γ of about 45 ° or less with respect to the heating element mounting surface is indicated by 6c in FIG. 15). Thereby, ventilation resistance becomes small, fluid flow rate increases, and the heat transfer rate of a fin surface and a fin base part increases.
[0057]
(Fourteenth embodiment)
FIG. 16: is sectional drawing which shows the structure of the heat sink cooling device based on the 14th Embodiment of this invention, The figure (a) is the longitudinal cross-section cut | disconnected along the flow direction of a cooling medium, The figure (b) is FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0058]
As shown in FIG. 16, in this embodiment, a heating element 3 is arranged on a heat sink 2 including a plurality of pin fins 11 in a heat sink cooling device 5 such as a power electronics device on which a power semiconductor element is mounted. One or a plurality of axial flow type or diagonal flow type fans 4 are arranged on one end 11 a side of the plurality of pin fins 11. The louver 6 is arranged on the opposite end 11 b side of the plurality of pin fins 11 so as to be substantially perpendicular to the height direction of the pin fins 11 toward the heating element 3.
[0059]
In this structure, the air from the air inlet 5 a of the heat sink cooling device 5 flows along the louver 6, and flows obliquely into the pin fin 11 toward the heating element 3. The flow collides with the fin base portion 11 c in the vicinity of the heating element 3 while generating a vortex on the downstream side of the pin fin 11. This makes the boundary layer thinner and increases the heat transfer coefficient. As a result, the cooling performance of the heat sink 2 is improved, and the heating element 3 can be cooled to a lower temperature.
[0060]
(Fifteenth embodiment)
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a fifteenth embodiment of the present invention. FIG. 17 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0061]
As shown in FIG. 17, in the fifteenth embodiment, a gap 7 substantially equal to the pitch of the louver is provided between the pin fin 11 and the louver 6 in the fourteenth embodiment. As a result, the cooling air flows from the louver 6 and from the gap 7, so that the flow rate is increased compared to the fourteenth embodiment, the flow velocity passing through the pin fin 11 is increased, the surface of the pin fin, the pin fin root portion Heat transfer rate increases.
[0062]
(Sixteenth embodiment)
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the heat sink cooling device according to the sixteenth embodiment of the present invention. FIG. 18 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0063]
As shown in FIG. 18, in the sixteenth embodiment, in the fourteenth embodiment described above, the louver 6 is arranged toward the heating element at an angle γ of about 45 ° or less with respect to the surface attached to the heating element. (The louver thus arranged toward the heating element 3 at an angle γ of approximately 45 ° or less with respect to the heating element mounting surface is indicated by 6c in FIG. 18). Thereby, ventilation resistance becomes small and a fluid flow rate increases, and the heat transfer rate of the surface of the pin fin 11 and a pin fin base part increases.
[0064]
(Seventeenth embodiment)
Next, a seventeenth embodiment of the present invention will be described. The seventeenth embodiment is a power electronics device including any one of the heat sink cooling devices from the first embodiment to the sixteenth embodiment.
[0065]
In the power electronics device, since the cooling capacity can be improved by providing the heat sink cooling device having the above-described configuration, the power electronics device can be miniaturized.
[0066]
(Eighteenth embodiment)
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to an eighteenth embodiment of the present invention. FIG. 19 (a) is a longitudinal cross section cut along the flow direction of the cooling medium, and FIG. The cross section of the arrow A in the figure (a) is shown.
[0067]
As shown in FIG. 19, in the eighteenth embodiment, any one of the louvers 6, 6a, 6b, 6c is used as power electronics in any of the heat sink cooling devices from the ninth embodiment to the sixteenth embodiment. The louver 9 at the inlet of the housing 8 of the apparatus is used, and the root of the straight fin 1 or the pin fin 11 of the heat sink 2 is on the upper side so that the louver 9 faces obliquely upward, and the straight fin 1 or the tip of the pin fin 11 of the heat sink 2 By arranging it so as to be on the lower side, a drip-proof structure is obtained, and water drops are less likely to flow into the housing.
[0068]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the heat sink cooling device which has a heat generating body and a heat sink, the heat transfer of a fin surface increases, a cooling capability can be strengthened, and a heat sink cooling device can be made compact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a flow around a fin upstream end in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an increased state of heat transfer coefficient in the vicinity of a general pipe inlet.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration of a main part of a heat sink cooling device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a heat sink cooling device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view showing the configuration of a heat sink cooling device according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat sink cooling device according to an eighteenth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a configuration example of a conventional heat sink cooling device.
FIG. 21 is a sectional view showing another configuration example of a conventional heat sink cooling device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Linear fin 2 ... Heat sink 3 ... Heat generating body 4 ... Fan 5 ... Heat sink cooling device 6, 6A, 6B, 6a, 6b, 6c ... Another linear fin (louver)
8 ... Case 9 ... Louvre 11 ... Pin fin

Claims

In a heat sink cooling device in which a heating element is arranged on a heat sink having a plurality of linear fins, a plurality of other fins arranged in parallel are arranged upstream of the inflow side of the linear fins, and each of the other fins is It is composed of a rectangular fin, and the longitudinal direction of the another fin is a direction perpendicular to the height direction of the straight fin and a direction perpendicular to the flow direction of the cooling medium flowing between the straight fins The heat sink cooling device is characterized in that another fin is arranged toward the heating element so that a downstream end in the width direction of the other fin is inclined toward the heating element.

In the heat sink cooling device according to claim 1, between said other fins and the straight fin heat sink cooling device and providing a gap between the same and the like and the pitch of the further fins.

2. The heat sink cooling device according to claim 1, wherein a pitch of the another fin is larger than a pitch of the linear fin. 3.

2. The heat sink cooling device according to claim 1, wherein a thickness of the another fin is smaller than a thickness of the linear fin. 3.

In the heat sink cooling system of claim 1, a heat sink cooling system, characterized in that disposed towards the heating element in the further against the heating element mounting surface of the fins 4 5 ° or less angle.

A heat sink cooling device according to any one of claims 1 to 5, wherein the another fin is a fin for a cooling medium inlet of the casing, and the fin base portion of the heat sink so that the fin faces obliquely upward. A power electronics device characterized by having an upper portion disposed at the top.