JP2003047258A - 水冷式ヒートシンク - Google Patents
水冷式ヒートシンクInfo
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Abstract
る。 【解決手段】 水冷式ヒートシンク2において、冷媒通
路7の発熱体1側の壁部(基板3底壁部内面)に多数本
のピンフィン5を冷媒通路7の幅方向及び長手方向に間
隔をあけて立設する。
Description
た水冷式ヒートシンクに関するものである。
に使用されているインバータ、その他の各種装置類に使
用されている電子部品等は発熱することから、これら発
熱体には放熱を促進するためにヒートシンクが取り付け
られている。
開2001−8468号公報、特開平8−213783
号公報及び特開平7−194139号公報には、水冷式
ヒートシンクが開示されている。これら公報に開示され
ているヒートシンクの構造を図4(a)〜(c)に示
す。本例では、発熱体11が接するヒートシンク12の
基板13は断面U字形の溝14を有し、この溝14の底
部である基板13底壁部内面には、複数枚(本例では5
枚)のプレートフィン15が溝14の幅方向に間隔をあ
けて平行に立設され、蓋16で上記溝14の開放口を覆
うことで溝14内の空間を液体冷媒が循環する冷媒通路
17としている。そして、液体冷媒が上記冷媒通路17
を循環する過程で、発熱体11から基板13に伝えられ
た熱を冷媒通路17に突出する上記プレートフィン15
を介して対流伝熱によって液体冷媒に伝えて上記発熱体
11を冷却するようにしている。図中、矢印R1は液体
冷媒の流入方向を、矢印R2は液体冷媒の流出方向をそ
れぞれ示している。
等の発熱体の高出力化の要求に対応するためには、ヒー
トシンクの冷却性能を向上させる必要があるが、上記の
公報例のプレートフィンタイプのヒートシンクではその
構造上限界があった。
であり、その目的とするところは、ヒートシンクの冷却
性能を大幅に向上させることである。
め、この発明は、フィンの構造を改良したことを特徴と
する。
する冷媒通路が設けられ、上記液体冷媒が上記冷媒通路
を循環する過程で、発熱体からの熱を冷媒通路を介して
液体冷媒に伝えて上記発熱体を冷却する水冷式ヒートシ
ンクを対象とし、次のような解決手段を講じた。
冷媒通路の発熱体側の壁部には、多数本のピンフィンが
冷媒通路の幅方向及び長手方向に間隔をあけて立設され
ていることを特徴とする。
では、発熱体の発熱は、冷媒通路の発熱体側の壁部から
多数本のピンフィンを経て液体冷媒に放熱される。
ンフィンに衝突して流れが乱流状態となり、ピンフィン
から液体冷媒への熱伝達が促進され、冷却性能が大幅に
向上する。
の発明において、少なくともピンフィンは、Alが96
重量部以上で、Niを0.5〜3.0重量部含む高熱伝
導アルミニウム合金からなることを特徴とする。
では、高純度のアルミニウム合金により高熱伝導性が確
保され、Niにより高純度のアルミニウム合金の鋳造性
が改善される。
に記載の発明において、ピンフィンは、断面形状が円
形、楕円形、半円形及び多角形のいずれか若しくはこれ
らの組み合わせであることを特徴とする。
では、ピンフィンの形状が具体化され、この形状により
冷却性能が変わる。例えば断面形状が半円形であれば、
円形の場合に比べてピンフィンの本数を倍増できて冷却
性能が向上する。断面形状が楕円形や長方形であれば、
冷媒通路の幅を狭くできてコンパクトになる。
て図面に基づいて説明する。
電気自動車等に使用されているインバータを発熱体1と
して、この発熱体1に取り付けられたヒートシンク2の
内部構造を示すが、インバータ以外に各種装置類に使用
されている電子部品等を発熱体1としてもよい。
れたインバータケースを基板3として備え、この基板3
の背面には、断面U字形の溝4がU字形に互い違いに蛇
行して形成され、この溝4の図2で上下両端を除く直線
部分の底部である基板3底壁部内面には、断面形状が円
形の多数本のピンフィン5が溝4の幅方向及び長手方向
に間隔をあけて千鳥配列に立設され、蓋6で上記溝4の
開放口を覆うことで溝4内の空間を液体冷媒が循環する
冷媒通路7としている。そして、液体冷媒が上記冷媒通
路7を循環する過程で、発熱体1から基板3に伝えられ
た熱を冷媒通路7に突出する上記ピンフィン5を介して
対流伝熱によって液体冷媒に伝えて上記発熱体1を冷却
するようにしている。図1(a),(b)中、矢印R1
は液体冷媒の流入方向を、矢印R2は液体冷媒の流出方
向をそれぞれ示している。図2中、3aは液体冷媒の流
入口であり、3bは液体冷媒の流出口である。
する液体冷媒がピンフィン5に衝突してその流れを乱流
状態にすることができ、ピンフィン5から液体冷媒への
熱伝達を促進して、熱交換性能すなわち冷却性能を大幅
に向上することができる。
鋳造に用いられるアルミニウム合金で鋳造された鋳造品
であるが、冷却性能を向上させるには、Alが96重量
部以上で、Niを0.5〜3.0重量部含む高熱伝導ア
ルミニウム合金を素材とするのが望ましい。この際、ヒ
ートシンク2全体を高熱伝導アルミニウム合金で鋳造し
てもよいが、ピンフィン5に純アルミニウムや銅等のよ
り熱伝導の高い材質を用い、これを高熱伝導アルミニウ
ム合金で鋳ぐるみ成形してもよい。Niの含有量を0.
5〜3.0重量部にしたのは、3.0重量部を超えると
機械的性質が変わる一方、0.5重量部未満では鋳造性
が悪くなるからである。これによれば、高純度のアルミ
ニウム合金により高熱伝導性を確保することができると
ともに、Niにより高純度のアルミニウム合金の鋳造性
を改善することができる。
を基板3底壁部内面にだけ千鳥配列に立設したが、図3
(a)に示すように、断面形状が円形のピンフィン5を
基板3底壁部内面に千鳥配列に立設するとともに、断面
形状が半円形の凸部5aを基板3側壁部内面に突設して
もよい。これによれば、ピンフィン5のピッチが全て同
じになり、基板3側壁部内面側で液体冷媒の流速が落ち
ず、冷却性能を向上させることができる。
例の円形、これ以外の楕円形、半円形及び多角形のいず
れか若しくはこれらの組み合わせであってもよい。その
うち、図3(b)は断面形状が半円形のピンフィン5を
基板3底面に立設した例であり、これによれば、円形の
場合に比べてピンフィン5の本数を倍増できて冷却性能
を向上させることができる。図3(c)は断面形状が楕
円形のピンフィン5を基板3底壁部内面に立設した例で
あり、図3(d)は断面形状が長方形のピンフィン5を
基板3底壁部内面に立設した例である。これらによれ
ば、冷媒通路7の幅を狭くしてヒートシンク2をコンパ
クトにすることができる。なお、多角形の例として長方
形を挙げたが、三角形や五角形以上であってもよい。
特に限定しないが、ピン径は1〜10mmが好ましい。
ピン径は細くなるにつれて製作が難しくなるとともにコ
ストアップになり、特に鋳造の場合は1mm以下は製造
が困難になる一方、ピン径が大きくなると、冷媒通路7
に形成される本数が少なくなって冷却性能を上げること
ができなくなるからである。
0mmが好ましい。ピン長は流路断面積をある程度確保
するためにあまり短くできない。逆にピン長を長くする
と流路断面積が大きくなり、流速が落ちてきて冷却性能
が低下する傾向がある。
倍、幅方向でピン径の1.2〜4倍が好ましい。ピッチ
は小さいほど冷却性能は上がるが、流路抵抗が大きくな
り、製造も難しくなってくる傾向がある。
目配列であってもよい。碁盤目配列は冷却性能は低い
が、流路の抵抗が小さいという特性を有する。用途に応
じて適宜選択すればよい。上記ピッチは、碁盤目配列の
場合1.2〜4倍が好ましい。
プレートフィンタイプのヒートシンクの冷却性能の実験
をした。実験条件及び実験結果をそれぞれ下記する。
ンクとして製作したテストピースを実施例1,2とし、
プレートフィンタイプのヒートシンクとして製作したテ
ストピースを比較例1,2とした。
ム合金ダイカスト(JIS H 5302 ADC1
2)製であり、実施例2及び比較例2は共に、高熱伝導
アルミニウム合金(日本軽金属(株)製 品番 DX2
6(Ni約2%含有) 熱伝導率180W/(m・
K))製である。
Life Coolant:LLC)であり、具体的に
はJIS K 2234(エチレングリコール90%
液)のLLCを水で2倍に希釈した冷却液である。
ク2)として、図5(a)〜(c)に示す構造のものを
製作した。図中、1aは銅ブロックに埋設したカートリ
ッジヒータであり、これを発熱体1とした。3aは冷却
液の流入口、3bは冷却液の流出口である。その他、こ
のテストピースの各部に付した符号は、図1のヒートシ
ンク2の符号に対応している。比較例1,2のテストピ
ース(ヒートシンク2)は図示していないが、実施例
1,2のテストピース(ヒートシンク2)においてピン
フィン5をプレートフィンに置き換えた構造である。
通路7の長さ290mm、冷媒通路7の幅26mm、ピ
ンフィン5の配列長さ210mm、溝4の深さ13mm ピンフィン5:直径4mm、高さ13mm、本数73
本、幅方向のピッチ8.5mm、流れ方向のピッチ7.
5mm、熱交換面積12836mm2 プレートフィン:幅2mm、長さ215mm、高さ13
mm、枚数5枚、ピッチ2.6mm、熱交換面積303
80mm2 −実験の要領− ヒートシンク2の基板3底壁部外面側に図示しないが、
サーマルコンパウンド(シリコン系のグリース)を薄く
均一に塗布し、その上に発熱体1を載せてクランプ治具
で締結した。
8,10のデータを得るに当たっては1kW、図9のデ
ータを得るに当たっては0.5〜1.5kW 冷却液の流量:図6〜9のデータを得るに当たっては6
L/min、図10のデータを得るに当たっては2〜8
L/min 冷却液の温度:図6〜10の全てのデータを得るに当た
って40℃ 測定ポイント:図5に示すA〜J点 <実験結果>図6(a)は発熱体1各部の温度変化を示
すデータ、図6(b)はヒートシンク2の基板3各部の
温度変化を示すデータである。このデータによれば、発
熱体1及び基板3の温度は、いずれのヒートシンク2に
おいても、流出口3b近傍のE点及びJ点を除いて冷却
液の温度が低い流入口3aから高い流出口3bに向かっ
て上昇している。このときの冷却液の温度は流出口3b
側で約2℃上昇しており、ヒートシンク2による温度差
はあまりなかった。なお、流出口3b近傍で温度が低下
するのは、発熱体1の端の位置にあって発熱量が減少す
るためである。
媒通路7から遠いことと基板3との接触面の熱抵抗の影
響により、基板3の温度に比べて全体に温度が高くなっ
ていた。
と、比較例1の低熱伝導材のプレートフィンタイプが最
も温度が高く、次いで、比較例2の高熱伝導材のプレー
トフィンタイプ、以下、実施例1の低熱伝導材のピンフ
ィンタイプ、実施例2の高熱伝導材のピンフィンタイプ
の順に温度が低下している。
ートフィンタイプに比べて冷却性能が優れており、さら
に、材料の熱伝導率も冷却性能に大きく影響し、熱伝導
率の高いほど冷却性能が向上することが判る。
合いについてみると、材質よりも構造の方がより大きな
影響を与えていることが判り、プレートフィンタイプか
らピンフィンタイプへ構造を変えるだけでも、かなり冷
却性能の向上が期待できる。
イプの方がプレートフィンタイプに比べて温度差が少な
く、温度分布が均一になる傾向が認められる。
すデータ、図7(b)はヒートシンク2の基板3各部の
平均温度を示すデータであり、それぞれ図6における5
点の平均温度を示している。これによれば、平均温度で
みた場合も、ピンフィンタイプの方がプレートフィンタ
イプに比べて明らかに高い性能を示しており、従来のプ
レートフィンタイプの比較例1に対し、高熱伝導材のピ
ンフィンタイプである実施例2は、発熱体1の温度で1
0℃以上の差が認められる。
抵抗を示すデータ、図8(b)は基板3と冷却液との間
の熱抵抗を示すデータ、図8(c)は発熱体1と冷却液
との間の熱抵抗を示すデータである。ここで、熱抵抗
は、物体間の温度差/発熱量(℃/W)として計算し、
熱抵抗が小さいほど冷却性能が大きいことを表してい
る。
抵抗については、ヒートシンク2による差異はあまりな
い。これは、熱抵抗は発熱体1と基板3との機械的な接
触状態が関係し、構造や材質による影響は少ないためと
考えられる。
抗についてみると、ヒートシンク2間でかなりの差が認
められ、プレートフィンタイプよりもピンフィンタイプ
の方が、またそれぞれ熱伝導率の高い材質の方が熱抵抗
が小さくなっている。このように、冷却液との間に関し
ては、構造、材質の影響を大きく受けることが判る。
抵抗については、図8(a),(b)の場合の熱抵抗が
合成されたものとなるので、熱抵抗はそれらに比べて大
きな値を示し、また全体の傾向は図8(b)とほぼ同一
である。
との関係を示すデータ、図9(b)は基板3の平均温度
と発熱量との関係を示すデータ、図9(c)は熱抵抗と
発熱量との関係を示すデータである。これによれば、プ
レートフィンタイプ及びピンフィンタイプ共に、発熱量
の増加とともに、発熱体1及び基板3の温度はほぼ比例
的に上昇している。
ンタイプの熱負荷容量を比較してみると、比較例1のプ
レートフィンタイプの1kWにおける発熱体1の温度を
基準にすると、それと同じ温度になるには、実施例2の
ピンフィンタイプの場合は1.5kW以上となり、実施
例2のピンフィンタイプにすると許容熱負荷容量が50
%以上増加することが判る。
いては、いずれのタイプも発熱量の増加とともに熱抵抗
は僅かに低下の傾向を示すが、その影響は少ない。
液の流量との関係を示すデータ、図10(b)は基板3
の平均温度と冷却液の流量との関係を示すデータ、図1
0(c)は熱抵抗と冷却液の流量との関係を示すデータ
である。これによれば、プレートフィンタイプ及びピン
フィンタイプ共に、流量の増加とともに発熱体1及び基
板3の温度は低下の傾向を示している。
ィンタイプについて、同一の温度に冷却するに必要な冷
却液の流量を比較してみると、比較例1のプレートフィ
ンタイプの6L/minにおける発熱体1の温度を基準
として、それと同じ温度にするに必要な流量は、実施例
2のピンフィンタイプの約2.5L/minとなり、実
施例2のピンフィンタイプにすると流量を約60%低減
できることが判る。
関係については、温度の場合と似通った傾向を示してい
る。
トフィンタイプに比べて冷却時の発熱体1及び基板3の
温度が低い値を示し、また、熱抵抗についてもピンフィ
ンタイプの方がプレートフィンタイプに比べて小さい値
を示しており、ピンフィンタイプのヒートシンク2は従
来のプレートフィンタイプのヒートシンク2よりも冷却
性能を優れたものにすることができる。
冷却性能も大きくなるが、ピンフィンとプレートフィン
を比べた場合、ピンフィンはプレートフィンの半分以下
の面積しかないのに優れた冷却性能を確保することがで
きる。
2に高熱伝導アルミ材を適用することにより、冷却性能
をさらに向上させることができる。
ば、冷媒通路の発熱体側の壁部に多数本のピンフィンを
冷媒通路の幅方向及び長手方向に間隔をあけて立設した
ので、冷媒通路を循環する液体冷媒の流れをピンフィン
との衝突により乱流状態として熱伝達を促進し、冷却性
能を大幅に向上させることができる。
し、(a)はその縦断面図、(b)は(a)のI−I線
における断面図、(c)は(a)のII−II線における断
面図である。
内部構造を示す図である。
状が円形のピンフィンが基板底壁部内面に立設されると
ともに、断面形状が半円形の凸部が基板の側壁部内面に
突設された例、(b)は断面形状が半円形のピンフィン
が基板底壁部内面に立設された例、(c)は断面形状が
楕円形のピンフィンが基板底壁部内面に立設された例、
(d)は断面形状が長方形のピンフィンが基板底壁部内
面に立設された例である。
断面図、(b)は(a)のIII−III 線における断面
図、(c)は(a)のIV−IV線における断面図である。
ストピースを示し、(a)はその縦断面図、(b)は
(a)のV−V線における断面図、(c)は(a)のVI
−VI線における断面図である。
テストピースを用いて測定したデータであり、(a)は
発熱体各部の温度変化を示すデータ、(b)はテストピ
ースの基板各部の温度変化を示すデータである。
テストピースを用いて測定したデータであり、(a)は
発熱体各部の平均温度を示すデータ、(b)はテストピ
ースの基板各部の平均温度を示すデータである。
テストピースを用いて測定したデータであり、(a)は
発熱体と基板との間の熱抵抗を示すデータ、(b)は基
板と冷却液との間の熱抵抗を示すデータ、(c)は発熱
体と冷却液との間の熱抵抗を示すデータである。
テストピースを用いて測定したデータであり、(a)は
発熱体の平均温度と発熱量との関係を示すデータ、
(b)は基板の平均温度と発熱量との関係を示すデー
タ、(c)は熱抵抗と発熱量との関係を示すデータであ
る。
のテストピースを用いて測定したデータであり、(a)
は発熱体の平均温度と冷却液の流量との関係を示すデー
タ、(b)は基板の平均温度と冷却液の流量との関係を
示すデータ、(c)は熱抵抗と冷却液の流量との関係を
示すデータである。
Claims (3)
- 【請求項1】 液体冷媒が循環する冷媒通路が設けら
れ、上記液体冷媒が上記冷媒通路を循環する過程で、発
熱体からの熱を冷媒通路を介して液体冷媒に伝えて上記
発熱体を冷却する水冷式ヒートシンクであって、 上記冷媒通路の発熱体側の壁部には、多数本のピンフィ
ンが冷媒通路の幅方向及び長手方向に間隔をあけて立設
されていることを特徴とする水冷式ヒートシンク。 - 【請求項2】 請求項1記載の水冷式ヒートシンクにお
いて、 少なくともピンフィンは、Alが96重量部以上で、N
iを0.5〜3.0重量部含む高熱伝導アルミニウム合
金からなることを特徴とする水冷式ヒートシンク。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の水冷式ヒートシン
クにおいて、 ピンフィンは、断面形状が円形、楕円形、半円形及び多
角形のいずれか若しくはこれらの組み合わせであること
を特徴とする水冷式ヒートシンク。
Priority Applications (1)
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JP2001229470A JP2003047258A (ja) | 2001-07-30 | 2001-07-30 | 水冷式ヒートシンク |
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Publication Number | Publication Date |
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