JP2001085578A - 素子冷却用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉄道車両の電源制御に対応できる高性能で、
且つ小型軽量の素子冷却用ヒートシンクを提供する。 【解決手段】 平板状の底板１０の上に、天板部と底板
部が側壁部を挟んで交互に繰り返された薄板性のコルゲ
ートフィン２１を、複数段に重ね合わせて放熱フィン部
２０を形成する。放熱フィン部２０を、底板１０の表面
に平行な所定の方向で複数のブロックに分け、各ブロッ
クにフィンピッチの異なるコルゲートフィン２１を配置
することにより、底板１０の裏面に取付けられる複数の
素子３０の発熱量分布に応じて、放熱フィン部２０の能
力分布を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の冷却
に使用されるヒートシンク、特に、鉄道車両用インバー
タモーター等の制御に使用されるパワーエレクトロニク
ス用半導体素子の冷却に好適に使用されるヒートシンク
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両では、動力原としてインバータ
モーターが採用され、インバータによる電源制御が行わ
れる。このインバータによる電源制御では、ＧＴＯサイ
リスタやＩＧＢＴ等の大容量の半導体素子が使用され、
その冷却には冷媒タイプの冷却器が使用されてきた。

【０００３】冷媒タイプの冷却器は、一体化された蒸発
部と凝縮部からなる。蒸発部と凝縮部は、内部に冷媒を
封入した密封構造であり、蒸発部に取付けられた半導体
素子の発熱により蒸発部内の冷媒を蒸発させて半導体素
子を冷却し、これによって発生した冷媒ガスを凝縮部で
凝縮させて蒸発部に戻す構造になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】冷媒としてはフロンが
使用されていたが、環境保全の観点から純水等への転換
が進んでいる。しかしながら、フロンを使用する場合に
比べて冷却能が低下するのを避けられず、冷却器の大型
化が問題になる。また、冷却器の腐食による液漏れなど
の問題も発生する。これらの事情を背景として、冷媒液
を使用しない空冷タイプの所謂ヒートシンクの使用も検
討され始めた。

【０００５】しかしながら、同一冷却能で見た場合、ヒ
ートシンクは冷媒タイプの冷却器と比べて本質的に大型
であり、重量の増加も避けられない。このため、鉄道車
両の電源制御に対応できる高性能で小型軽量な大容量ヒ
ートシンクの開発が望まれている。

【０００６】本発明の目的は、パワーエレクトロニクス
用半導体素子の冷却に適用でき、しかも、放熱性に優れ
る小型で軽量な素子冷却用ヒートシンクを提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ところで、コンピュータ
に使用されるＣＰＵ等の小容量素子の分野では、平板状
の底板の上に、天板部と底板部が側壁部を挟んで交互に
繰り返された薄板製のコルゲートフィンを接合固定して
放熱フィン部を形成したヒートシンクが、本出願人らに
よって開発されている（特開平８−３２０１９４号公
報）。

【０００８】このヒートシンクは、放熱フィン部を形成
するコルゲートフィンの製作も容易であることから、製
作コストが安価であり、また、コルゲートフィンのフィ
ンピッチを小さくすることにより高い冷却性を確保で
き、小型化及び軽量化も容易である。

【０００９】しかしながら、コルゲートフィンからなる
放熱フィン部の性能は、フィンピッチ、フィン高及びフ
ィン厚により決定される。フィン厚は所定の伝熱性能が
確保される範囲内でできるだけ薄く設定され、設計上の
許容度は小さい。これに対し、コルゲートフィンのフィ
ン高及びフィンピッチは、放熱フィン部の性能に及ぼす
影響が大きく、設計上も大きな自由度を要求されるが、
製造上・強度上の制約からフィン高は１インチ程度が限
界とされおり、波形ピッチについても自ずと制限があ
る。これらの制約のために、コルゲートフィン型のヒー
トシンクは、ＣＰＵ等の小容量素子の冷却には適用でき
ても、発熱量が桁違いに大きいパワーエレクトロニクス
用半導体素子の冷却には適用不可能である。

【００１０】そこで、本発明の素子冷却用ヒートシンク
では、平板状の底板の上に、天板部と底板部が側壁部を
挟んで交互に繰り返された薄板製のコルゲートフィンを
複数段に重ね合わせて接合固定する構成を採用した。

【００１１】この構成によると、各段のコルゲートフィ
ンのフィン高が制限されても、放熱フィン部全体として
のフィン高を任意に増大させることができる。このた
め、パワーエレクトロニクス用半導体素子の冷却に対応
できる冷却能力の確保が可能になる。

【００１２】鉄道車両のイバータ制御を始めとするパワ
ーエレクトロニクスでは、通常、複数の素子が冷却器に
取付けられる。本発明の素子冷却用ヒートシンクでは、
底板の裏面に取付けられる複数の素子は、基本的に、放
熱フィン部の素子対応部分で冷却される。また、放熱フ
ィン部を構成するコルゲートフィンは、フィンピッチの
変更等により冷却能を簡単に変更できる。これらのた
め、底板の裏面に取付けられる複数の素子の発熱量分布
に応じ、コルゲートフィンの波形が繰り返される横方向
及び／又はこれに直角な板面に平行な縦方向で、放熱フ
ィン部の能力分布を変化させる構成が可能となり、この
構成によるフィン仕様の合理的な組み合わせにより、小
型軽量化が一層推進される。

【００１３】隣接するコルゲートフィンの間には、平板
状のスペーサを介在させるのが、強度確保・組立性向上
の点から好ましい。平板状のスペーサとしては、両面に
ろう材がコーティングされたろう付け用クラッド板が好
ましい。これによると、スペーサが接合用のろう材を兼
ね、組立性が一層向上し、部品点数も低減する。

【００１４】コルゲートフィンの段数は、素子の発熱量
によって２段以上の範囲内で適宜決定されるので特に限
定しない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す素
子冷却用ヒートシンクの正面図、図２は同ヒートシンク
の平面図、図３は同ヒートシンクの側面図、図４は図３
中のＳ−Ｓ断面図、Ｔ−Ｔ断面図である。また、図５は
同ヒートシンクにおける底板の温度分布を空気流れ方向
で示したグラフである。

【００１６】本実施形態の素子冷却用ヒートシンクは、
図１〜図３に示すように、長方形をした平板状の底板１
０と、底板１０の上にコルゲートフィン２１を複数段
（図では３段）に重ね合わさせて構成された放熱フィン
部２０とを備えている。

【００１７】底板１０は伝熱性に優れたアルミ合金から
なり、その厚みは例えば５〜２０ｍｍである。放熱フィ
ン部２０を構成するコルゲートフィン２１は、周知の通
り薄板を、天板部と底板部が側壁部を挟んで交互に繰り
返された波形に形成したものである。コルゲートフィン
２１の波形が繰り返されるＸ方向を横方向と称し、これ
に直角な板面に平行なＹ方向を縦方向と称する。放熱フ
ィン部２０を冷却するための空気は縦方向Ｙに流通す
る。

【００１８】コルゲートフィン２１も底板１０と同様、
伝熱性に優れたアルミ合金からなり、その厚みは例えば
０．２５〜０．６ｍｍである。また、フィンピッチは例
えば１．５〜３．０ｍｍの範囲内で選択され、フィン高
は１／２〜１インチの範囲内で選択される。

【００１９】隣接するコルゲートフィン２１，２１の間
には、両面にろう材がコーティングされたろう付け用ク
ラッド板２２がスペーサを兼ねて介装されている。最下
段のコルゲートフィン２１と底板１０の間にも、両者の
接合のためにろう付け用クラッド板２３が介装されてい
る。

【００２０】放熱フィン部２０は、空気が流通するコル
ゲートフィン２１の縦方向Ｙで複数（図では３）のブロ
ックＡ，Ｂ，Ｃに分割されている。そして、図１及び図
４（ａ）（ｂ）に示すように、各ブロックでコルゲート
フィン２１の仕様が変更されている。具体的には、上流
側に位置するブロックＡでは、複数段のコルゲートフィ
ン２１Ａ，２１Ａ・・のフィンピッチＰａは「小」であ
る。中間側に位置するブロックＢでは、複数段のコルゲ
ートフィン２１Ｂ，２１Ｂ・・のフィンピッチＰｂは
「大」である。下流側に位置するブロックＣでは、複数
段のコルゲートフィン２１Ｃ，２１Ｃ・・のフィンピッ
チＰｃは「中」である。

【００２１】これにより、放熱フィン部２０の冷却能分
布は、ブロックＡ，ブロックＣ，ブロックＢの順で低下
するものとなる。

【００２２】この冷却フィン部２０の能力分布の変化
は、底板１０の裏面に取付けられる複数の素子３０，３
０・・の容量分布に対応している。即ち、冷却能力が
「大」のブロックＡに対応する部分には、容量（発熱
量）が「大」の同一種類の素子３０Ａ，３０Ａ・・が配
置されている。冷却能力が「小」のブロックＢに対応す
る部分には、容量（発熱量）が「小」の同一種類の素子
３０Ｂ，３０Ｂ・・が配置されている。冷却能力が
「中」のブロックＣに対応する部分には、容量（発熱
量）が「中」の同一種類の素子３０Ｃ，３０Ｃ・・が配
置されている。各ブロックにおける素子個数は同じであ
るから、各ブロックにおける素子容量（発熱量）の合計
は、ブロックＡ，ブロックＣ，ブロックＢの順で小さく
なる。

【００２３】つまり、各ブロックの冷却能力は、各ブロ
ックに配置される複数の素子の合計容量、即ち発熱量に
対応して変更されている。

【００２４】このように構成された本実施形態の素子冷
却用ヒートシンクの機能上の特徴は以下の通りである。

【００２５】放熱フィン部２０では、コルゲートフィン
２１が複数段に重ね合わされている。各段のコルゲート
フィン２１のフィン高さｈは例えば１インチに制限され
るが、複数段に重ね合わることにより、放熱フィン部２
０のフィン高さＨは段数に応じて高くなり、放熱フィン
部２０の冷却能はこのフィン高さＨにほぼ比例する大き
なものになる。

【００２６】従って、本実施形態の素子冷却用ヒートシ
ンクは、鉄道車両のインバータ制御を始めとするパワー
エレクトロニクス用の素子冷却に適用可能となる。

【００２７】しかも、素子冷却用ヒートシンクの製作
は、底板１０の上に、ろう付け用クラッド板を挟んでコ
ルゲートフィン２１を重ね、加熱することで行われるの
で、放熱部２０のフィン高さＨが高く冷却能が大きい場
合も、その製作が簡単で、製作コストが安価となる。

【００２８】更に、製作されたヒートシンクは高強度で
あり、隣接するコルゲートフィン２１，２１間に介在す
るろう付け用クラッド板２２はスペーサを兼ね、その強
度確保に有効に機能する。

【００２９】放熱フィン部２０は又、空気が流通するコ
ルゲートフィン２１の縦方向Ｙで複数（図では３）のブ
ロックＡ，Ｂ，Ｃに分割されている。各ブロックの冷却
能は、ブロックＡ，ブロックＣ，ブロックＢの順で小さ
くされている。また、各ブロックに対応する素子容量の
合計（発熱量）は、ブロックＡ，ブロックＣ，ブロック
Ｂの順で小さくなり、各ブロックの冷却能に対応してい
る。

【００３０】各ブロックの冷却能を変更せず、同一とす
る場合、即ち、コルゲートフィン２１をブロック分けせ
ず、縦方向Ｙの全長で一体のコルゲートフィンを使用す
る場合、発熱量が「大」であるブロックＡの冷却能を各
ブロックで確保することが必要になる。発熱量が「中」
或いは「小」のブロックＢ，Ｃの冷却能を基準にする
と、ブロックＡで底板１０の温度が許容限界を超えるか
らである。

【００３１】そして、ブロックＡの冷却能を各ブロック
で確保した場合は、図５に破線で示すように、発熱量が
「大」であるブロックＡでも底板１０の温度が許容限界
を超えることはない。しかし、ブロックＢ，Ｃでは、コ
ルゲートフィン２１のフィンピッチが必要以上に増大さ
れることにより、薄板の使用量が増え、重量が増大す
る。

【００３２】これに対し、各ブロックの冷却能を各ブロ
ックの発熱能に対応して変更した場合は、図５に実線で
示すように、発熱量が「大」であるブロックＡで底板１
０の温度が許容限界を超えないことに加え、発熱量が
「小」であるブロックＢ及び発熱量が「中」であるブロ
ックＣでも、その温度の上昇はあるものの、許容限界を
超えるまでには至らない。そして、各ブロックの冷却能
を変更しない場合と比べて、放熱部２０の重量は相当に
低減される。

【００３３】ブロックＢ，Ｃで冷却能を下げすぎた場合
は、ブロックＢ，Ｃで底板１０の温度が許容限界を超え
たり、ブロックＢ，Ｃでの冷却能の低下の影響を受けて
ブロックＡで底板１０の温度が許容限界を超えることも
あるので、各ブロックで底板１０の温度が許容限界を超
えないように、ブロックＢ，Ｃでの冷却能の低下に制限
を加えることは必要であるが、この制限下でも十分な重
量低減が可能なことは言うまでもない。

【００３４】発熱量分布に応じて冷却能分布を変化させ
る代わりに、発熱量が異なる異種の素子を混在させ、発
熱量分布を均一化して、底板の最高到達温度を下げるこ
とが考えられるが、制御回路設計上の制限から発熱量が
異なる異種の素子を混在させることは一般的でなく、通
常は同種同士がまとめて配置される。このため、発熱量
分布に応じて冷却能分布を変化させる対策が有効とな
る。

【００３５】なお、上記実施形態では、コルゲートフィ
ン２１の縦方向Ｙで冷却能の分布を変化させたが、横方
向Ｘ或いは縦横両方向で冷却能の分布を変化させること
もできる。

【００３６】冷却能の分布を変化させるための具体的手
段として、上記実施形態では全ての段のコルゲートフィ
ン２１でフィンピッチを変更したが、一部の段のコルゲ
ートフィン２１でフィンピッチを変更することもでき
る。また、フィンピッチの変更に代えて或いはこの変更
と共に、フィン厚及び／又は段数を変更することも可能
である。コルゲートフィン２１を複数段に重ねて構成さ
れた放熱フィン部２０は、このような冷却能分布の変更
が非常に容易で、自由自在である。

【００３７】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の素子冷却
用ヒートシンクは、平板状の底板の上に、天板部と底板
部が側壁部を挟んで交互に繰り返された薄板製のコルゲ
ートフィンを複数段に重ね合わせて接合固定する構成を
採用することにより、高いフィン高さを確保でき、パワ
ーエレクトロニクス用半導体素子の冷却に対応できる冷
却能力の確保が可能である。しかも、小型軽量であり、
更には製作コストが安く、経済性にも優れる。

【００３８】また、底板の裏面に取付けられる複数の素
子の発熱量分布に応じ、コルゲートフィンの波形が繰り
返される横方向及び／又はこれに直角な板面に平行な縦
方向で、放熱フィン部の能力分布を変化させることによ
り、小型軽量化を一層推進できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す素子冷却用ヒートシ
ンクの正面図である。

【図２】同ヒートシンクの平面図である。

【図３】同ヒートシンクの側面図である。

【図４】図３中のＳ−Ｓ断面図、Ｔ−Ｔ断面図である。

【図５】同ヒートシンクにおける底板の温度分布を空気
流れ方向で示したグラフである。

【符号の説明】

１０ 底板 ２０ 放熱フィン部 ２１ コルゲートフィン ３０ 素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 健 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の底板の上に、天板部と底板部が
   側壁部を挟んで交互に繰り返された薄板製のコルゲート
   フィンを、複数段に重ね合わせて接合固定することによ
   り放熱フィン部を形成したことを特徴とする素子冷却用
   ヒートシンク。
2. 【請求項２】 底板の裏面に取付けられる複数の素子の
   発熱量分布に応じ、コルゲートフィンの波形が繰り返さ
   れる横方向及び／又はこれに直角な板面に平行な縦方向
   で、放熱フィン部の能力分布が変化する構成としたこと
   を特徴とする請求項１に記載の素子冷却用ヒートシン
   ク。
3. 【請求項３】 放熱フィン部の能力分布を変化させるた
   めに、フィンピッチの異なるコルゲートフィンを配置し
   たことを特徴とする請求項２に記載の素子冷却用ヒート
   シンク。