JP2005086019A

JP2005086019A - 電源装置の放熱構造

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Publication number: JP2005086019A
Application number: JP2003317179A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Aoki; 義雄青木
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP4255340B2

Abstract

【課題】
電源装置の放熱構造において、基板上の部品の配置の変更及び放熱構造の大型化を必要とせず、かつ、電源装置の小型化の妨げにならないものを提供することを目的とする。
【解決手段】
実装用平坦面１３及び１３ｂは、放熱基体１０の下部１１に形成されており、半導体素子２５ａ，２５ｂからの熱を吸収する。また、放熱基体１０の上部１２は、末広がりの形状になされており、さらにその表面には放熱フィン１４が形成されている。また、放熱基体１０の上端部には、放熱用平坦面１８が形成されており、この面に放熱板２１が貼り付けられている。放熱基体１０の上部１２の末広がりの形状は、放熱基体１０の下部１１からの熱伝導に有利な形状であり、半導体素子２５ａ，２５ｂ周辺の熱が迅速に分散される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の放熱構造に係り、特に基板上に立設される放熱基体を備えた放熱構造に関するものである。

電源装置は、大電流または高電圧に対応する回路を備えているものが多いので、放熱対策が大きな課題となる。例えば、特許文献１に記載の発明は、高周波加熱装置のインバータ電源の放熱構造に係るものである。この発明は、基板上の高圧トランスの１次巻き線をフェライトコアの周りに円柱状に巻き付け、円柱形状をした１次巻き線の円周面がプリント基板に対して垂直となるように高圧トランスを設置し、１次巻き線が形成する円柱形状の円周面と対向する位置に、半導体素子を貼り付けた放熱フィンを配置したものである。このように配置することによって、放熱フィンと高圧トランスとの間に空隙ができるので、冷却ファンからの冷却風の流れがスムーズになり、巻き線及び半導体素子の冷却効果を向上する。

しかしながら、電源装置に対する小型化の要請は益々高まっているので、基板上の部品の配置を変更する余地は小さくなってきており、この手段によって解決することは次第に困難になっている。もちろん放熱フィンを大型化すれば放熱効果を高めることは非常に容易であるが、電源装置の小型化が求められている状況下で、放熱フィンを大型化することは極めて困難である。
特開２００１−１８５３３９号公報（第２−４頁、図１）

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、電源装置の放熱構造において、基板上の部品の配置の変更及び放熱構造の大型化を必要とせず、かつ、電源装置の小型化の妨げにならないものを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、基板から立ち上がるように設けられた放熱基体を備えた電源装置の放熱構造において、前記放熱基体は、その側面の基端寄りに電子部品が貼り付けられる実装用平坦面が形成され、この実装用平坦面よりも上方をその長手方向に直交する断面において末広がりの形状を呈するようになされていることを特徴とすることを特徴とするものとした。なお、末広がりの形状とは、放熱基体の先端に向かって拡がっている形状を言う。

したがって、電子部品から実装用平坦面を介して放熱基体内部に伝わった熱は、末広がりの形状になされた部分を拡がりながら伝導するので、放熱基体の先端方向への熱伝導性が良くなり、放熱効果が高まる。

なお、上記の発明において、前記放熱基体は、前記実装用平坦面よりも上部の側面に放熱フィンが形成されたものにもできる。

また、上記の発明において、前記放熱基体は、その上端部に放熱用平坦面が形成され、この放熱用平坦面に貼り付けられる別の放熱基体をさらに備えているものにできる。くわえて、この発明において、前記放熱基体は、前記放熱用平坦面に溝が形成され、この溝の内部に配設されるヒートパイプをさらに備えたものにもできる。

また、上記の発明において、前記放熱基体は、その長手方向に沿って貫通孔または有底孔が形成され、この貫通孔または有底孔に配設されるヒートパイプをさらに備えたものにもできる。

さらに、上記の発明において、前記放熱基体は、その上下方向に沿って貫通孔または有底孔が形成され、この貫通孔または有底孔に配設されるヒートパイプをさらに備えたものにもできる。

くわえて、前記放熱基体は、中空部が形成され、この中空部の内部に配設されるヒートパイプをさらに備えたものにもできる。

本発明は、放熱基体の先端方向への熱伝導性が良く放熱効果が高いので、基板上の部品の配置の変更及び放熱構造の大型化を行わなくとも、電源装置の放熱性を向上させることができる。また、末広がりの形状にする、または放熱フィンを形成するのは、実装用平坦面よりも上方であり、基板表面に近い部分にはこのような変形を加えないので、部品の配置等に影響を与えない。したがって、電源装置の小型化を妨げることがない。さらに、別の放熱基体、またはヒートパイプを備えたものにすれば、放熱基体自体の容積を変更することなしに放熱構造の放熱性を格段に向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態においては、放熱基体の左右両面に形成した実装用平坦面よりも上方をその長手方向に直交する断面において末広がりの形状を呈するようにしたことに最大の特徴がある。そこで、各実施例の説明に先立って本発明のこの特徴点について説明する。図８は、末広がりの形状とした放熱構造の説明図である。図８において、１０は放熱基体、１４は放熱フィン、２０は基板、２５ａ，２５ｂ，５１は半導体素子、３０は仮想的半導体素子、５０はヒートシンクである。なお、図８（ｂ）及び（ｃ）においては、放熱基体１０をその端面の方向から見た状態を表している。

図８（ｂ）は、本発明を着想する基礎となった構造の説明図である。板状に形成された放熱基体１０は、基板２０から立ち上がるように設けられている。また、放熱基体１０の基板２０近くの表面には、半導体素子２５ａ及び２５ｂが貼り付けられている。本件の発明者は、研究の結果、基板上の各部品の配置を変更せず、かつ、放熱構造の大型化を避けるためには、放熱基体１０の上端寄りに放熱フィン１４を設けるという手段だけでは、放熱効率を十分に向上できないとの認識に至った。すなわち、放熱基体１０に放熱フィン１４を形成しただけでは、半導体素子２５ａ及び２５ｂから放熱基体１０に伝わった熱が放熱フィン１４まで十分に伝わらず、放熱フィン１４の放熱能力を十分に生かせないことに気づいた。放熱フィン１４を半導体素子２５ａ及び２５ｂの近くに形成すれば、一定程度の改善が可能であるが、基板２０の表面近くに放熱フィン１４を形成すると、周辺部品の配置を変更しなければならない場合があるので、好ましい解決手段とは言えない。

図８（ａ）は、本発明の前提となる事項の説明図である。１９９２年１０月２０日、日刊工業新聞社発行の「トラブルをさけるための電子機器の熱対策設計」第２６ないし２７頁には、図８（ａ）に示すように、半導体素子５１からヒートシンク５０に伝わった熱は、半導体素子の貼付面に対して左右それぞれ４５゜の拡がりを持ちながら伝わって行くと記載されている。

図８（ｃ）は、本発明の基本構造の説明図である。発明者は、図８（ｃ）に示すように、放熱基体１０の表裏に半導体素子２５ａ及び２５ｂを貼り付けた構造において、これらの半導体素子から放熱基体１０の上端部に向けて伝わる熱は、放熱基体１０において２つの半導体素子２５ａ及び２５ｂの貼付部位のやや上方に仮想的半導体素子３０が存在し、この仮想的半導体素子３０から放熱基体１０の上端部に向けて伝わる熱に比定できることに気づいた。したがって、放熱基体１０に仮想的半導体素子３０を設けることを想定すれば、放熱基体１０の仮想的半導体素子３０よりも上方の部分において、その長手方向に直交する方向の断面を末広がりの形状すれば放熱基体１０の上端部に向けての熱導伝性を高めることが可能であるとの仮説が立てられる。

そこで、発明者において、末広がりの形状を持つ放熱基体について研究したところ、実際にこの熱導伝性を高めることができることが分かった。さらに、当該部分が少なくとも末広がりに拡がるように傾斜していれば、図８（ｂ）のように当該部分が垂直である場合よりも改善可能であることも分かった。また、上記文献の記載から、末広がりの拡がり角度が９０゜以上にすれば熱伝導に係る能力をさらに高められると推測して研究を行った。その結果、この角度が９０゜以上あっても、熱伝導に係る能力は９０゜の場合とほとんど違いがないことが分かった。逆に、９０゜以下の場合、やはり熱伝導に係る能力が劣ることが確認できた。また、後述するように、放熱基体１０の周辺に設けられる部品の実装作業が必要となることがある。末広がりの形状を持つ部分が例えば１８０゜くらいの角度で拡がっていると、この末広がりの部分が作業の妨げとなる。したがって、さらに、以上のことを総合すれば、末広がりに拡がる角度は、１２０゜以下であって、９０゜に近いことが望ましく、最も望ましいのは９０゜であると言える。

なお、本発明は、上記の特徴点にくわえて、放熱基体の末広がりの形状を持つ部分に放熱フィンを形成した点、放熱基体の上端部に放熱用平坦面を形成し、この放熱用平坦面に別の放熱基体を貼り付ける点、及び放熱基体にヒートパイプを備えた点にも特徴がある。以下に、これらの特徴を有する実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図１において、１０は放熱基体、１１は下部、１２は上部、１３ａ，１３ｂは実装用平坦面、１４は放熱フィン、１５はヒートパイプ収納凹部、１６はヒートパイプ、１８は放熱用平坦面、１９は熱伝導、２０は基板、２１は放熱板、２５ａ，２５ｂは半導体素子、２６はリード部、２７はビーズコアを示す。なお、図１において示した放熱構造は、電源装置の筐体内に収納されるものであり、また基板２０上には配線パターンが形成されると共に多数の電子部品が実装されるが、説明の便宜上、筐体、配線パターン及び本発明に関係のない電子部品はその記載を省略している。

図１（ａ）は、第１の実施例に係る電源装置の放熱構造の斜視図である。図１（ａ）に示すように、放熱基体１０は、基板２０上に立ち上がった状態に設けられており、さらに表裏両面に実装用平坦面１３ａ及び１３ｂが形成されている。図１（ｂ）は、放熱基体の側面図である。また、図１（ｂ）に示すように、実装用平坦面１３及び１３ｂは、放熱基体１０の下部１１に形成されており、半導体素子２５ａ，２５ｂからの熱を吸収する。また、放熱基体１０の上部１２は、上述した末広がりの形状になされており、さらにその表面には放熱フィン１４が形成されている。さらに、放熱基体１０の上端部には、放熱用平坦面１８が形成されており、この面に放熱板２１が貼り付けられている。放熱フィン１４及び放熱板２１は、放熱基体１０の上部１２に伝わった熱を放散させる役割を果たす。なお、放熱板２１に電源装置の筐体を接触させれば、筐体も放熱構造の一部となるので、さらに放熱効率を向上させることが可能になる。なお、半導体素子２５ａ，２５ｂのリード部２６には、ノイズ対策としてビーズコア２７を設けることが一般的に行われている。ビーズコア２７は、円筒状に形成されており、その内部にリード部２６を通すことによって設けられる。

ところで、基板２０上に設けられる電子部品の実装密度を高めるためには、多数の部品を半導体素子２５ａ，２５ｂにかなり近接した状態で設ける必要がある。それらの部品の中には、基板２０に実装した後に接着剤付けなどの作業を行うものがある。この作業は部品を目視しながら行うので、放熱基体１０の上部１２が作業対象となる部品に覆い被さるように拡がっていると、作業に支障をきたすことになる。また、拡がりの角度が大きいと、上部１と２周辺部品とが許容範囲を超えて接近することになる。したがって、放熱基体１０の上部１２の拡がりは、放熱フィン１４を設けない、あるいは放熱フィン１４を非常に短くする場合においても、１２０゜以下とすることが望ましい。さらに、放熱フィン１４と半導体素子２５ａ，２５ｂとの距離は、放熱構造周辺のエアの流れを妨げないようにする観点からも、一定程度確保することが好ましい。

さらに、放熱用平坦面１８には、ヒートパイプ収納凹部１５が形成されている。くわえて、ヒートパイプ収納凹部１５には、ヒートパイプ１６が配設されている。ヒートパイプ１６は、放熱（伝熱）グリースを介してヒートパイプ収納凹部１５に密着しており、放熱基体１０からいずれかの部位に加わった熱をすばやく他の部位に導伝する機能を有する。したがって、放熱基体１０の上部１２において、水平方向（横方向）の温度の不均衡がある場合には、ヒートパイプ１６によってこの不均衡を解消することができる。

したがって、放熱基体１０が半導体素子２５ａ，２５ｂから吸収した熱は、熱伝導１９に示すように、上部１２を拡がりながら上方へ導伝して行く。上部１２へ導電した熱は、放熱フィン１４及び放熱板２１によって周辺雰囲気中へ放散される。また、放熱基体１０の水平方向の温度の不均衡は、ヒートパイプ１６によって解消される。なお、また、ヒートパイプ１６を放熱基体１０よりも十分に長いものにした場合には、ヒートパイプ１６の放熱基体１０からはみ出した部分で放熱することも可能である。また、ヒートパイプ１６は、放熱基体１０に温度の不均衡があまり生じない場合には、省略することも可能である。また、放熱フィン１４及び放熱板２１も、放熱能力があまり高くなくても良い場合には、いずれか一方または双方を省略することが可能である。

図２は、本発明の第２の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図２において、２２は外付け放熱フィン、２３はフィン先端部であり、その他の符号は図１の符号と同じものを示す。

図２に示すように、本発明の第２の実施例に係る電源装置の放熱構造は、図１に示した放熱板２１に代えて外付け放熱フィン２２を設けたものである。つまり、本発明の第１の実施例に係るものよりもさらに放熱能力を要求される場合に適したものと言える。なお、外付け放熱フィン２２は、図２において、そのフィン先端部２３を直上に向けたものとしているが、電源装置の筐体の形状やエアの流れる方向、または各部品の配置を考慮して水平方向や斜め上方に向けても良い。なお、この実施例においても、ヒートパイプ１６を省略することが可能である。

図３は、本発明の第３の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図３において、１０ａ，１０ｂは放熱基体片、１７ａ，１７ｂはヒートパイプ収納凹部であり、その他の符号は図１の符号と同じものを示す。

図３（ａ）は、ヒートパイプの配設位置を示す側面図である。図３（ａ）に示すように、本発明の第３の実施例に係る電源装置の放熱構造は、ヒートパイプを半導体素子にさらに近づけるために、ヒートパイプを放熱基体の内部に配設したものである。すなわち、放熱基体を放熱基体片１０ａ及び１０ｂの２つに分割したものとする。また、放熱基体片１０ａ及び１０ｂの互いに対応する位置にそれぞれヒートパイプ収納凹部１７ａ，１７ｂを形成する。ヒートパイプ収納凹部１７ａ，１７ｂは、放熱基体片１０ａ及び１０ｂを一体としたときに、ヒートパイプ１６を配設する貫通孔となる。図３（ｂ）は、ヒートパイプの傾斜状態を示す断面図である。さらに、図３（ｂ）に示すように、ヒートパイプ１６を配設したときに、ヒートパイプ１６が傾斜した状態になるように、ヒートパイプ収納凹部１７ａ，１７ｂを放熱基体片１０ａ及び１０ｂに対して斜めに形成している。また、図示しないが、ヒートパイプ１６の端部は、ヒートパイプ収納凹部１７ａ，１７ｂから外へはみ出している。

なお、傾斜した状態に配設しないと熱運搬ができない種類のヒートパイプは、相対的に高い位置にある端部に向かって熱が移動するので、ヒートパイプ収納凹部１７ａ，１７ｂは、電源装置を使用している状態において、電源装置の冷却ファン側、つまり風上側がより高くなるように形成することが望ましい。これは、風上側の方が冷却ファンからのエアがより強く当たるので、逆に形成する場合よりも高い冷却効果が得られるからである。また、電源装置を使用している状態において、放熱基体片１０ａ及び１０ｂに温度差が発生する場合には、同様の理由により、相対的に温度が低くなる方をより高く形成することが望ましい。なお、相対的に温度が低くなる方をより高く形成することは、電源装置に冷却ファンを設けずに、自然空冷する場合にも有効である。

図４は、本発明の第４の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図４において用いた符号は図３の符号と同じものを示す。

図４に示すように、ヒートパイプ収納凹部１７ｂは、ヒートパイプ収納凹部１７ａと合わせた状態において貫通孔をなさないように形成されている。したがって、ヒートパイプ１６は、放熱基体片１０ａ及び１０ｂを一体としたときに、放熱基体に内蔵された状態となる。したがって、この実施例においては、ヒートパイプ１６を放熱基体からはみ出した状態に配設する余地がない場合に好適なものと言える。

図５は、本発明の第５の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図５において、１７ｂ１，１７ｂ２，１７ｂ３はヒートパイプ収納凹部であり、その他の符号は図３の符号と同じものを示す。

図５（ａ）は、ヒートパイプを垂直に配設する場合を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、垂直に配設することが可能なヒートパイプについては、ヒートパイプ収納凹部１７ｂ１，１７ｂ２，１７ｂ３のように垂直方向に凹部を形成し、ここにヒートパイプを配設することも可能である。ヒートパイプを垂直に配設すれば、半導体素子から放熱基体に伝わった熱を上方に素早く伝導することができる。

図５（ｂ）は、ヒートパイプを大きく傾斜させて配設する場合を示す断面図であり、図５（ａ）に示したものの変形例である。図５（ｂ）に示すように、垂直に配設することができないヒートパイプについては、ヒートパイプ収納凹部１７ｂ１，１７ｂ２のように大きく傾斜した凹部を形成し、ここにヒートパイプを配設すれば良い。このようにすれば、図５（ｂ）のものと同様に上方に半導体素子からの熱を上方に伝導することができる。

図６は、本発明の第６の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図６において用いた符号は図３の符号と同じものを示す。

図６（ａ）は、フレキシブルなヒートパイプをＳ字状に配設する場合を示す断面図である。フレキシブルなヒートパイプを用いる場合には、図６（ａ）に示すように、Ｓ字状にヒートパイプ収納凹部１７ｂを形成し、かつ、ヒートパイプの上端部が放熱基体の外部に出た状態にすることも可能である。このようにすれば、放熱基体の熱をまんべんなくヒートパイプに導伝させ、放熱基体の外部へ放散させることが可能になる。

図６（ｂ）は、フレキシブルなヒートパイプをＶ字状に配設する場合を示す断面図である。電源装置を使用している状態において、放熱基体の中央付近の温度が相対的に高くなる場合には、図６（ｂ）に示すように、Ｖ字状にヒートパイプ収納凹部１７ｂを形成し、かつ、ヒートパイプの両端部が放熱基体の外部に出た状態にすることも可能である。このようにすれば、放熱基体の中央付近の熱をヒートパイプに導伝させ、放熱基体の外部へ放散させることが可能になる。なお、図６（ｂ）においては、ヒートパイプを１カ所でのみ屈曲させているが、２カ所で屈曲させれば、２つの屈曲点の近傍、及びこれらの間で発生した熱を効率よく外部へ放散させることも可能である。すなわち、放熱基体の相対的に温度が高くなる部位においてヒートパイプを屈曲させた構造にすることが望ましいと言える。

図７は、本発明の第７の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図５において、２４は第２放熱基体であり、その他の符号は図３の符号と同じものを示す。

この実施例においては、ヒートパイプ１６の先端に第２放熱基体２４を設けている。半導体素子から放熱基体に伝わった熱は、ヒートパイプ１６によって第２放熱基体２４まで運搬され、第２放熱基体２４から放散される。したがって、電源装置に第２放熱基体を設ける空間的な余地がある場合には、この構造によって他の実施例の場合よりも放熱効率を高めることが可能である。

以上のように、第１ないし７の実施例においては、放熱基体の上部を末広がりの形状にすることで熱伝導性を改善している。また、ヒートパイプを設けることで、電源装置の使用時における放熱基体の熱分布の不均衡を改善できる。くわえて、ヒートパイプの一部を放熱基体の外部に露出させる、さらに露出したヒートパイプに別の放熱基体を取り付けることによって、半導体素子からの熱を周辺雰囲気に放散させるという作用を発揮する。

また、以上の各実施例においては、整流用ダイオード、またはＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子に対する放熱構造として説明したが、放熱の対象が、抵抗、トランスなど他のデバイスである場合においても適用可能である。また、放熱基体については、下部が板状、上部が末広がり形状の形態を持つものとして説明したが、下部の形態をＬ字状、ヨ字状など他の形態とした場合にも、上部の末広がり形状が適用可能である。また、半導体素子が片面のみに貼り付けられている場合にも、この構造が作用効果を奏することは言うまでもない。

本発明の第１の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。本発明の第２の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。本発明の第３の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。本発明の第４の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。本発明の第５の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。本発明の第６の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。本発明の第７の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。末広がりの形状とした放熱構造の説明図である。

符号の説明

１０：放熱基体
１０ａ：放熱基体片
１０ｂ：放熱基体片
１１：下部
１２：上部
１３ａ：実装用平坦面
１３ｂ：実装用平坦面
１４：放熱フィン
１５：ヒートパイプ収納凹部
１６：ヒートパイプ
１７ａ：ヒートパイプ収納凹部
１７ｂ：ヒートパイプ収納凹部
１７ｂ１：ヒートパイプ収納凹部
１７ｂ２：ヒートパイプ収納凹部
１７ｂ３：ヒートパイプ収納凹部
１８：放熱用平坦面
１９：熱伝導
２０：基板
２１：放熱板
２２：外付け放熱フィン
２３：フィン先端部
２４：第２放熱基体
２５ａ：半導体素子
２５ｂ：半導体素子
２６：リード部
２７：ビーズコア
３０：仮想的半導体素子
５０：ヒートシンク
５１：半導体素子

Claims

基板から立ち上がるように設けられた放熱基体を備えた電源装置の放熱構造において、
前記放熱基体は、その側面の基端寄りに電子部品が貼り付けられる実装用平坦面が形成され、この実装用平坦面よりも上部をその長手方向に直交する断面において末広がりの形状を呈するようになされていることを特徴とする電源装置の放熱構造。
前記放熱基体は、前記実装用平坦面よりも上方の側面に放熱フィンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。
前記放熱基体は、その上端部に放熱用平坦面が形成され、
この放熱用平坦面に貼り付けられる別の放熱基体をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。
前記放熱基体は、前記放熱用平坦面に溝が形成され、
この溝の内部に配設されるヒートパイプをさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の電源装置の放熱構造。
前記放熱基体は、その長手方向に沿って貫通孔または有底孔が形成され、
この貫通孔または有底孔に配設されるヒートパイプをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。
前記放熱基体は、その上下方向に沿って貫通孔または有底孔が形成され、
この貫通孔または有底孔に配設されるヒートパイプをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。
前記放熱基体は、中空部が形成され、
この中空部の内部に配設されるヒートパイプをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。