JP2000101008A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能にして低価なヒートシンクとその製造
方法の提供。 【解決手段】 流体入口と流体出口と流体が通過する空
間とを有する容器を備えたヒートシンクにおいて、前記
空間にプレートが積層されたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧＣＴサイリスタ等
の半導体素子を冷却するヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のヒートシンクを、例えば、特開平
８−２０４０７９号公報に記載のものを例にして、図３
７において説明する。図中の１はヒートシンク、２は流
体入口、３は流体出口、４は第１の流体流路、５は第２
の流体流路である。このヒートシンク１は、流体流路が
流体入口２付近で複数即ち第１と第２の流体流路とに分
割され、その分割された複数の流体流路４、５が平行に
隣接した状態でヒートシンク１の周辺部からうず巻き状
にヒートシンク１の中央部へと向かい、中央部でＵター
ンして逆向きのうず巻き状にヒートシンク１の周辺部へ
と向かい、ヒートシンク１の流体出口３付近で複数の流
体流路４、５が１つの流路に集合される。このように、
流体流路を複数とすることで、循環ポンプ（図示せず）
の容量を増大することなく平形半導体素子を効率よく冷
却するというものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のヒートシンク１
は、流体の流れが２次元的であるため、均一な温度を得
ることが難しい。又、伝熱面積も少ないため熱交換効率
も良くない。又、高精度な機械加工を要求されるため高
価である。本発明は、かかる問題を解決し、高性能にし
て低価なヒートシンクとその製造方法の提供を目的とす
る。

【０００４】

【問題を解決するための手段】請求項１の発明は、流体
入口と流体出口と流体が通過する空間とを有する容器を
備えたヒートシンクにおいて、前記空間にプレートが積
層されたことを特徴とする。

【０００５】請求項２の発明は、請求項１記載のヒート
シンクにおいて、積層されたプレートと容器とが一体的
に構成されたことを特徴とする。

【０００６】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載のヒートシンクにおいて、プレートが円盤型であ
ることを特徴とする。

【０００７】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３
の何れかに記載のヒートシンクにおいて、プレートに穴
が設けられたことを特徴とする。

【０００８】請求項５の発明は、大きさの異なるプレー
トを交互に積層して多層プレートを形成し、この多層プ
レートの上下面が容器内の上下面にそれぞれ接するよう
に容器に収納することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．実施の形態１は、
流体入口と流体出口と流体が通過する空間とを有する容
器を備えたヒートシンクにおいて、前記空間にプレート
を積層した構成を示すものである。以下、これを図１乃
至図１３に基づいて説明する。図１は内部構造を示す斜
視図、図２は図１の平面図、図３は図１の断面図、図４
は大きなプレートの斜視図、図５は小さなプレートの斜
視図、図６は大小のプレートを交互に積層して成る多層
プレートの斜視図、図７はこの多層プレートを容器本体
に配置した状態を示す斜視図、図８は流体の流れを示す
断面図、図９は図８の平面図、図１０はヒートシンクを
用いたシステム図、図１１は大小及び形状を異にした３
枚のプレートを用いた構成の斜視図、図１２は図１１の
平面図、図１３は図１１の断面図である。

【００１０】図１乃至図３において、１はヒートシン
ク、２は流体入口、３は流体出口、６は容器を構成する
容器本体、７は容器を構成する蓋、８は流体の通る空間
である。流体の通る空間８には多層プレート９が配設さ
れている。この多層プレート９は大きさや形状などの形
態が異なる２種類のプレートからなり、ここでは大きさ
及び形の異なる大きなプレート１０と小さなプレート１
１とで構成されている。

【００１１】図４乃至図７において、この多層プレート
９の構成及び製造方法を説明する。先ず、図４乃至図６
に示すように、大きさの異なる２種類のプレート即ち大
きなプレート１０と小さなプレート１１とを用意する。
そして、この大小のプレート１０、１１を、図６に示す
よう交互に積層する。この際、小さなプレート１１の重
心はプレートの軸方向に重ねて同じ位置となるように配
置する。次に、図７、図８に示す通り、積層された多層
プレート９を容器本体６と蓋７とを備えた容器に収める
に当たって、多層プレート９の上下面が容器内の上下面
１４、１４即ち蓋７の内面（上面１４）と容器本体６の
底面（下面１５）とにそれぞれ接するように収める。

【００１２】この場合、例えば、多層プレート９の高さ
を容器本体６の深さに比べて若干高くなるように大きく
作り、蓋７を閉めるに当たって、プレートの軸方向に蓋
７で荷重をかけながら閉めるようにすると、多層プレー
ト９はその高さ方向が蓋面１４と底面１５とで圧縮され
た状態で収められるので、多層プレート９の上下面は容
器の蓋面１４と底面１５とに圧接された状態にて密着
し、容器の上下面即ち容器の蓋面１４（上面）と底面１
５（下面）とから多層プレート９の軸方向への熱伝導を
著しく向上させる。そして、最後に、容器の適所に流体
入口２と流体出口３とを設けることでヒートシンク１が
完成する。

【００１３】図８乃び図９において、流体の流れを説明
する。流体入口２から入った流体は、複数段に重なった
大きなプレート１０、１０、１０、１０で複数の流路に
分かれる。複数の流路に分かれた流体は、小さなプレー
ト１１、１１、１１に流れをじゃまされながら、流体出
口３へと向かって流れる。図８は軸方向の流体の流れを
示したものである。又、図９は上部から見た流体の流れ
を示したものである。このように、流体は多層プレート
９の表面に沿って空間８内を均一に流れる。

【００１４】次に、熱の伝導について説明する。このヒ
ートシンク１はヒートシンク１の容器の上面１４及び下
面１５からの熱を流体により冷却するためのものであ
る。ヒートシンク上面１４及びヒートシンク下面１５か
らの熱は、同軸上に並べられた小さなプレート１１を通
って軸方向へ伝えられ、大きなプレート１０を通って半
径方向へと伝えられる。つまり、多層プレート９の表面
すべてが伝熱面積となる。このように、この実施の形態
１による多層プレート９によれば、従来に比べて、伝熱
面積が大きくなるので熱交換効率が著しく良くなる。

【００１５】図１０において、ヒートシンク１の利用形
態を説明する。このヒートシンク１は、容器の上下面１
４、１５からの熱を流体により冷却するもので、発熱体
とヒートシンクをスタックして利用する。この例とし
て、発熱体を半導体素子とした場合のシステムが図１０
である。同図において、循環ポンプ１６から流れた流体
は、配管１７を通って、ヒートシンク１へと流れ、配管
１７、熱交換器１８を通って循環ポンプ１６に戻る。半
導体素子１９はヒートシンク１と交互に並べてスタック
されており、ヒートシンク１によって冷却されることに
なる。

【００１６】この実施の形態１において、プレートの大
きさは大小の２種類で説明したが、これに限定するもの
ではなく、サイズにおいて大中小等３種類以上、又、形
状においてさまざまな形のプレートを用いてもよい。図
１１乃至図１３において、サイズ及び形において異なる
３種類のプレートを用いた例を示す。

【００１７】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、ヒートシンク１内の流体の通る空間８に多層プレー
ト９を配設しているので、当該多層プレート９の軸方向
及び半径方向への熱伝導が向上し、伝熱面積を増加する
ことができるので、熱交換効率の良い、高性能なヒート
シンクを提供できる。又、このヒートシンク１は機械加
工を必要としないため低価なヒートシンクを提供でき
る。

【００１８】尚、上記実施の形態１では、大きなプレー
ト１０と小さなプレート１１とを１枚ずつ多層に構成し
たが、図７に示す通り、大きなプレート１０の間に小さ
いプレート１１、１１を２枚以上軸方向に重ねて用いて
もよい。又、大小のプレート１０、１１は、熱伝導のよ
い金属のプレートがよく、特に銅のプレートが良いが、
銅のプレートに限定するものでなく、金属あるいは非金
属のプレートでもよい。又、流体は一般に水を用いる
が、水でなくても本発明を適用することができる。これ
らは、実施の形態２乃至４においても同様である。

【００１９】実施の形態２ 実施の形態２は、流体が通過する空間に積層されたプレ
ートを容器と一体型とした構成を示すものである。この
実施の形態２が上記実施の形態１と異なるのは、多層プ
レートを容器と一体型とした点にあり、その他は実施の
形態１と同様であるので、実施の形態１で用いた図面に
基づいて説明する。尚、共通若しくは同一部分には同一
の符号を付し、説明を省略する。

【００２０】先ず、容器と一体化される多層プレート９
の構造及び製造方法を説明する。図４、図５に示すよう
に、大きさの異なる２種類のプレート１０、１１を用意
する。そして、この大小のプレート１０、１１を図６に
示すように積層する。この際、重なり合うプレート１
０、１１及び容器内の上面及び下面と接することとなる
プレート１０、１１（図ではプレート１０）の接触面
に、予め、はんだメッキを施しておく。この場合、はん
だメッキは接触面の全面に施す方が熱伝導の点から有利
であるが、接触面の一部に施してもよい。又、小さなプ
レート１１の重心はプレートの軸方向に重なる同じ位置
に並べてある。

【００２１】次に、この多層プレート９を、図７に示す
ように、容器本体６に入れる。ここで、プレートの軸方
向の熱伝導を向上させるため、多層プレート９の高さを
容器本体６の深さより若干高くなるよう作っておくこと
は、実施の形態１での説明と同様である。そして、プレ
ートの軸方向に荷重を掛けながら蓋７を閉める。この実
施の形態２では、このように構成したヒートシンク１を
更に加熱する。この加熱により、プレート１０や１１に
メッキされているはんだが溶けて、多層プレート９を構
成する積層された各プレート１０、１１が互いに一体化
されると共に、多層プレート９の上下面と容器内の上下
面１４、１５とが一体化されて、多層プレート９と容器
８とが一体化された一体型のヒートシンク１が構成され
る。勿論、ヒートシンク１は容器の適所に流体入口２と
流体出口３とが設けられて完成する。

【００２２】このヒートシンク１での熱の伝導について
は、実施の形態１と同様であるが、この実施の形態２で
は、多層プレート９を構成するプレートを一体化して一
体型プレートとし、更に、この多層プレート９と容器と
を一体型とすることで、軸方向の熱伝導が向上し、熱交
換効率が向上した高性能なヒートシンクを提供すること
ができる。尚、流体の流れは、図８、図９に示す通り実
施の形態１と同様であり、利用形態も図１０に示す通り
実施の形態１と同様である。

【００２３】この実施の形態２では、一体型プレートを
作るため、及び、一体型プレートと容器とを一体化する
手段として、はんだメッキを用いたが、これに限らず、
一体化できる手段であればよい。

【００２４】実施の形態３．実施の形態３は、流体が通
る空間に円盤型のプレートを積層した多層プレートを配
設した構成を示すものである。この多層プレートを構成
するプレートは、径の異なる２種類のプレートからな
り、大きな円盤型のプレートと小さな円盤型のプレート
とが交互に重ねられた構成とされている。この実施の形
態３が上記実施の形態１及び２と異なるのは、多層プレ
ートを構成するプレートを円盤型とした点にあり、その
他は実施の形態１及び２と実質的には同様であるので、
共通若しくは同一部分には同一の符号を付して、その説
明を省略する。

【００２５】以下、図１４乃至図２２に基づいて説明す
る。図１４は内部構造を示す斜視図、図１５は図１４の
平面図、図１６は図１５の断面図、図１７は大きな円盤
型のプレートの斜視図、図１８は小さな円盤型のプレー
トの斜視図、図１９は大小の円盤型のプレート１０、１
１を交互に積層して成る多層プレート９の斜視図、図２
０は多層プレート９が容器本体に設置された状態を示す
斜視図、図２１は流体の流れを示す断面図、図２２は図
２１の平面図である。

【００２６】この多層プレート９の構造及び製造方法を
次に説明する。図１７、図１８において、径の異なる大
小２種類の円盤型のプレート１２、１３を用意する。こ
の大小の円盤型のプレート１２、１３を図１９のよう
に、同軸上に交互に積層する。この際、大小のプレート
１２、１３の重なり合う接触面、或いは又、容器内部の
上面１４及び下面１５と接触するプレート１２或いはプ
レート１３の接触面には、その接触面の全部若しくは一
部にはんだメッキを施しておく。又、小さな円盤型のプ
レート１３の重心は軸方向に同じ位置となるように並べ
てある。

【００２７】次に、この多層プレート９を図２０に示す
通り容器本体６に入れる。ここで、軸方向の熱伝導を向
上させるため、多層プレート９の高さは容器内部の深さ
に比べ若干高く作っておくことは、実施の形態１や２で
の説明と同様である。そして、プレートの軸方向に荷重
をかけながら蓋７を閉めると、多層プレート９は高さ方
向に若干圧縮された状態で容器に収まる。そして、更
に、実施の形態２と同様に、このように構成したヒート
シンク１を加熱する。この加熱により、プレート１２や
１３にメッキされているはんだが溶けて、多層プレート
９を構成する積層された各プレート１２、１３及び容器
とが一体化して一体型のヒートシンク１が形成される。
勿論、ヒートシンク１は容器の適所流体入口２と流体出
口３とが設けられて完成する。

【００２８】次に、図２１乃び図２２において、流体の
流れを説明する。流体入口２から入った流体は、複数段
の大きな円盤型のプレート１２、１２、１２、１２で複
数の流路に分かれる。複数の流路に分かれた流体は、小
さな円盤型のプレート１３、１３、１３に流れをじゃま
されながら、流体出口３に向かって流れる。図２１は軸
方向の流体の流れを示したものである。又、図２２は上
部から見た流体の流れを示したものである。このよう
に、流体は流体の通る空間８内を均一に流れる。特に、
この実施の形態３ではプレートが円盤型である上に大小
全てのプレートを同軸的に重ねているので熱交換面積が
拡大されると共に、流体の通過が円滑となる。

【００２９】次に、熱の伝導について説明する。このヒ
ートシンクの上面１４及び下面１５からの熱は、同軸上
に並べられた大小の円盤型のプレート１２、１３を通っ
て軸方向に伝えられる。又、この熱は大きな円盤型のプ
レート１２を通って半径方向に伝えられる。つまり、一
体型の多層プレート９の表面すべてが伝熱面積となり、
より均一な温度分布が得られる。しかも、プレートが円
盤型である上にプレートが同軸的に重ねられているの
で、流体の通過が円滑となって熱交換効率が向上する。

【００３０】尚、この実施の形態３では、多層プレート
９及び多層プレート９と容器とをはんだを用いて一体化
しているが、必ずしも、一体化する必要はない。多層プ
レート９の高さを容器内部の深さに比べて若干大きく作
り、多層プレート９の高さ方向に若干圧縮された状態で
容器に収めてしまえば、多層プレート９は容器内に十分
固定された状態で収まる。これは実施の形態２の場合も
同様である。又、図２３乃び図２４に示す通り、大きな
円盤型のプレート１２の間に挟まれる小さな円盤型のプ
レート１３、１３は複数枚用いてもよい。

【００３１】実施の形態４．実施の形態４は、流体が通
る空間に、穴を設けたプレートを配設した構成を示すも
のである。この実施の形態４は、多層プレートを構成す
る円盤型のプレートに穴を設けた点が上記実施の形態３
と異なり、その他は実施の形態３と実質的には同様であ
るので、共通若しくは同一部分には同一の符号を付し
て、その説明を省略する。

【００３２】以下、図２５乃至図３７に基づいて説明す
る。図２５は内部構造を示す斜視図、図２６は図２５の
平面図、図２７は図２５の断面図、図２８は穴２１が空
けられた大きな円盤型のプレート２０の斜視図、図２９
は小さな円盤型のプレート１３の斜視図、図３０は大小
のプレートが交互に積層された多層プレート９の斜視
図、図３１は多層プレート９が容器本体に収められた状
態を示す斜視図、図３２は流体の流れ図を示す平面図、
図３３は図３２の断面図であり、更に、図３４乃至図３
６は小さなプレート１３を複数枚用いた例にして、図３
５はその斜視図、図３６はその平面図、図３７はその断
面図である。

【００３３】多層プレート９は、サイズの異なる大小２
種類のプレート２０、１３からなり、双方或いは一方の
プレートに穴２１を設ける。プレートに設けられた穴２
１はプレートを貫通する貫通穴であることが熱交換率の
点から最適であり、穴２１の径の大小は問わない。要す
るに、流体との接触面積が大きいほど熱交換率は向上す
るわけであるから、径の小さな穴であるほど、プレート
には無数の微細な穴が設けられることに成る。この実施
の形態４では、径の大きな円盤型のプレート２０と小さ
な円盤型のプレート１３から構成されており、大きな円
盤型のプレート２０に円形の比較的大きな穴２１を複数
設けてある。

【００３４】図３２、図３３において、流体の流れを説
明する。流体入口２から入った流体は、複数段の大きな
円盤型のプレート２０、２０、２０、２０で複数の流路
に分かれる。複数の流路に分かれた流体は、小さな円盤
型のプレート１３、１３、１３に流れをじゃまされなが
ら、流体出口３に向かって流れる。図３２は上部から観
た流体の流れを示したものである。又、図３３は軸方向
の流体の流れを示したものである。このように、流体は
その一部がプレートの穴２１を貫通しながら流体の通る
空間８内を均一に流れる。

【００３５】尚、図３４乃至図３６に示す通り、穴２１
を設けた大きなプレート２０の間に小さいプレート１３
を複数枚用いてもよいこともいうまでもない。又、図示
されてないが、貫通穴２１が設けられるプレートはその
形状を問わず、この実施の形態４に示される円盤型に限
られるわけではない。例えば、実施の形態１や２のプレ
ートに穴２１を設けることで、熱交換率が更に飛躍的に
向上する。

【００３６】このように、この実施形態４によれば、ヒ
ートシンク１内の流体の通る空間に、多数の穴２１を空
けたプレートを配設することで、伝熱面積を大幅に増加
させることができ、流体がプレートの穴２１を貫通して
軸方向にも自在に流れるので、熱交換効率の良い、高性
能なヒートシンクを提供することができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１乃至５の発明によれば、ヒート
シンクの流体が通る空間にプレートを配設することで、
プレートの軸方向の熱伝導が向上し、伝熱面積が増加す
るので、高性能にして低価なヒートシンクを提供するこ
とができる。又、機械加工を必要としないため製造が容
易であり、低価なヒートシンクを提供できる。

【００３８】請求項２の発明によれば、この多層プレー
トと容器とを一体型としてあるので、軸方向の熱伝導が
向上し、熱交換効率が向上した高性能なヒートシンクを
提供することができる。

【００３９】請求項３の発明によれば、一体型の多層プ
レートの表面すべてが伝熱面積となり、より均一な温度
分布が得られる上に、円盤型のプレートが同軸的に重ね
られているので、流体の通過が円滑となって熱交換効率
を著しく向上させることができる。

【００４０】請求項４の発明によれば、伝熱面積を大幅
に増加させることができ、流体がプレートの穴を貫通し
て軸方向にも自在に流れるので、熱交換効率の良い、高
性能なヒートシンクを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１の内部構造を示す斜視図であ
る。

【図２】 図１の平面図である。

【図３】 図１の断面図である。

【図４】 大きなプレートの斜視図である。

【図５】 小さなプレートの斜視図である。

【図６】 多層プレートの斜視図である。

【図７】 多層プレートを容器本体に配置した状態を示
す斜視図である。

【図８】 流体の流れを示す断面図である。

【図９】 図８の平面図である。

【図１０】 ヒートシンクを用いたシステム図である。

【図１１】 大小及び形状を異にした３枚のプレートを
用いた構成の斜視図である。

【図１２】 図１１の平面図である。

【図１３】 図１１の断面図である。

【図１４】 実施の形態３の内部構造を示す斜視図であ
る。

【図１５】 図１４の平面図である。

【図１６】 図１５の断面図である。

【図１７】 大きな円盤型のプレートの斜視図である。

【図１８】 小さな円盤型のプレートの斜視図である。

【図１９】 大小の円盤型のプレートを積層して成る多
層プレートの斜視図である。

【図２０】 多層プレートが容器本体に設置された状態
を示す斜視図である。

【図２１】 流体の流れを示す断面図である。

【図２２】 図２１の平面図である。

【図２３】 小さなプレートを大きなプレート間で多数
用いた例の平面図である。

【図２４】 図２３の断面図である。

【図２５】 実施の形態４の内部構造を示す斜視図であ
る。

【図２６】 図２５の平面図である。

【図２７】 図２５の断面図である。

【図２８】 穴が空けられた大きな円盤型のプレートの
斜視図である。

【図２９】 小さな円盤型のプレートの斜視図である。

【図３０】 大小のプレートが交互に積層された多層プ
レートの斜視図である。

【図３１】 多層プレートが容器本体に収められた状態
を示す斜視図である。

【図３２】 流体の流れ図を示す平面図である。

【図３３】 図３２の断面図である。

【図３４】 小さなプレートを複数枚用いた例の斜視図
である。

【図３５】 図３４の平面図である。

【図３６】 図３４の断面図である。

【図３７】 従来のヒートシンクを示す平面図である。

【符号の説明】

１ ヒートシンク、２ 流体入口、３ 流体出口、４
第１の流体流路、５第２の流体流路、６ 容器本体、７
蓋器、８ 空間、９ 多層プレート、１０大きなプレ
ート、１１ 小さなプレート、１２ 大きな円盤型のプ
レート、１３ 小さな円盤型のプレート、２０ 穴の空
いた大きな円盤型のプレート、２１穴。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体入口と流体出口と流体が通過する空
   間とを有する容器を備えたヒートシンクにおいて、前記
   空間にプレートが積層されたことを特徴とするヒートシ
   ンク。
2. 【請求項２】 積層されたプレートと容器とが一体的に
   構成されたことを特徴とする請求項１記載のヒートシン
   ク。
3. 【請求項３】 プレートが円盤型であることを特徴とす
   る請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】 プレートに穴が設けられたことを特徴と
   する請求項１乃至請求項３の何れかに記載のヒートシン
   ク。
5. 【請求項５】 大きさの異なるプレートを交互に積層し
   て多層プレートを形成し、この多層プレートの上下面が
   容器内の上下面にそれぞれ接するように容器に収納する
   ことを特徴とするヒートシンクの製造方法。