JP2005294425A

JP2005294425A - 櫛形ヒートシンク

Info

Publication number: JP2005294425A
Application number: JP2004105402A
Authority: JP
Inventors: Akio Adachi; 昭夫安達
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】ヒートシンクに設けられた複数の放熱フィン間に形成された通風路の通風抵抗を増加させることなく放熱効果の高めることの可能な櫛形ヒートシンクを提供する。
【解決手段】櫛形ヒートシンクにおける複数の放熱フィンにそれぞれその中間付近に厚さ方向に貫通し、フィンの高さの一部または全高に亘って切欠いて形成したスリットを設け
このスリットにより各放熱フィン間に形成された通風路を通流する冷却風を攪拌混合して、冷却風を各放熱フィンの根元側へ送るようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、主として電力用半導体モジュールや半導体素子を冷却するために使用する櫛形ヒートシンクに関する。

電力用半導体モジュールは種々の電力変換装置に使用されており、運転中に発生する損失が熱となるため、これを放熱して、半導体モジュールを構成する半導体素子のジャンクション温度を許容値（約１５０°Ｃ）以下に保つ必要がある。

このため、図７に示すように発生損失が数１０Ｗ以上では、放熱基板３１に多数の放熱フィン３２を所定の間隔で結合して構成した櫛形ヒートシンク３に半導体モジュール１を取り付け、冷却用ファン２によってこのヒートシンク３に送風して放熱する、いわゆる強制空冷方式が用いられる。

放熱フィンの構成は図７に示すものが一般的であり、銅やアルミニウムのような高熱伝導性の金属製の基板３１に平板状の複数の放熱フィン３２を所定間隔で結合し、半導体モジュール１が放熱基板３１と接する面積に対して放熱フィン３２の空気と接する表面積が１０倍から１００倍程度になるように構成して熱抵抗Ｒをできるだけ小さくし、（１）式で示される放熱フィン３２の根元の温度上昇ΔＴを小さくするようにしている。

ΔＴ＝Ｒ・Ｑ（１）
この式において、ΔＴはヒートシンク３のフィン根元温度上昇（＝フィン根元温−周囲空気温度）［Ｋ］、Ｒは熱抵抗［Ｋ／Ｗ］、Ｑは放熱量［Ｗ］である。

そして前記の熱抵抗Ｒは次の（２）式で求められる。

Ｒ＝１／（Ａ・ｈ・η）（２）
この（２）式において、Ａはフィン表面積［ｍ²］、ｈは放熱フィンから周囲空気への熱伝達率［Ｗ／ｍ²Ｋ］、ηはフィン効率である。

熱抵抗Ｒを小さくするには、（２）式から明らかなように熱伝達率ｈおよびフィン効率ηを大きくすることが有効であり、熱伝達率ｈを大きくするためには、冷却風の送風量を増やすこと、そしてフィン効率ηを大きくするためにはフィンの厚さを厚くすることなどの手段がとられる。

前記（１）式で示される放熱フィンの根元温度上昇ΔＴを小さくすることは、周囲空気とフィン根元の温度差を小さくすることであり、これにより、放熱基板３１に取り付けられた半導体モジュール１の温度が低く保持されることになる。

半導体モジュールの高集積化と実装密度増加に対応して、半導体素子のジャンクション温度を許容値以下に保持するために放熱フィンの熱抵抗を如何に小さくするかが重要な課題であり、前記（２）式に基づく、フィン表面積、熱伝達率およびフィン効率を増大する手段が検討されているが、次のような特性を考慮してバランスした設計をすることが要求される。
（ａ）放熱フィンの表面積を大きくするため、基板の大きさを一定のままで放熱フィンの装着枚数を増やすとよいが、これを増やしすぎると、各放熱フィン間の通風路の断面積が減少することにより、通風抵抗が増加して通風量が低下するのでフィンの温度上昇が大きくなる。
（ｂ）熱伝達率を大きくするために、風量を増やす場合、送風ファンの容量を大きくする必要があるので、ファンが大形となるとともに価格が高くなる。
（ｃ）フィン効率は次の（３）式で定義されるので、フィンの厚さを厚くすることによりフィン効率を高くすることができるが、（ａ）の場合と同様にこれを大きくとりすぎると各フィン間の通風路の断面積が減少してフィンの温度上昇が大きくなる。

フィン効率η＝（フィン平均温度−空気温度）／（フィン根元温度−空気温度）
＝ tanｈ（ｍ・ｄ）／ｍ・ｄ（３）
ここで、ｍ＝〔ｈ／λ・（ｔ_f／２）〕^1/2であり、ｄ：フィンの長さ（ｍ）、ｈ：熱伝達率（Ｗ／ｍ²Ｋ）、λ：熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、ｔ_f：フィンの厚さ（ｍ）である。

櫛形ヒートシンクにおける放熱フィンの放熱効果を高めて温度上昇を小さくするという課題を解決するため、従来から、図８および図９に示すように櫛形ヒートシンク３の放熱フィン３２の側面に冷却風の流れ方向に対して、基板３１側へ向かって１０〜４５度の角度で傾斜したルーバー３３を設けた櫛形ヒートシンクが提案されている（特許文献１参照）。

この従来の櫛形ヒートシンクにおいては、ルーバー３３によってファンから供給される冷却風の流れ方向が各フィン間の通風路内で基板３１側（フィン根元側）に偏向され基板付近により多くの冷却風が流れ、温度の高い基板３１とフィン３２の結合部付近、すなわち放熱フィン３２の根元付近から効率的に放熱が行なわれるようになり、フィン根元の温度上昇を抑制することができるようになる。
特開２００１−１１８９７２号公報

しかしながら、前記の従来装置においては、冷却風の流れる放熱フィン間の通風路内にルーバー３３が突出して設けられるため、このルーバー３３が通風路内を通流する冷却風の通風抵抗となって圧力損失が高くなり、所定の流速を得るためには、ファンの送風動力を増やす必要があり、ファンの大形化を招く欠点がある。また、ルーバー３３よりもフィンの開放端側（基板と反対側）で冷却風の流速が低下することになり放熱フィン３２のこの部分の表面の熱伝達率およびフィン効率が低下し放熱効果を低下させる欠点もある。

この発明は、このような従来装置における欠点を解消してより放熱効果の高い櫛形ヒートシンクを提供することを課題とするものである。

この発明は前記の課題を解決するため、熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱基板の一方の面に半導体モジュール等の冷却すべき発熱体を装着し、他方の面に熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱フィンを所定の間隔で複数並設し、放熱フィンと平行な方向に冷却ファンにより冷却風を供給するようにしてなる櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンの中間付近にその厚さ方向に貫通し、フィンの高さの一部または全高に亘って切欠いて形成したスリットを設けたことを特徴とするものである（請求項１の発明）。

前記請求項１の発明において、前記放熱フィンに設けたスリットの前記冷却風の流れに対向する側縁をフィンの先端側から基端側へ傾斜させるようにするのが良い（請求項２の発明）。

また、請求項１の発明は、前記放熱フィンに設けられたスリットを複数に分けて、放熱フィンの高さ方向に間隔をおいて多段に配置することも可能である（請求項３の発明）。

さらに、請求項１ないし３の何れかの発明における放熱フィンのスリットは、その幅をフィンの根元側ほど広くするようにするのがよい（請求項４の発明）。

この発明は、熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱基板の一方の面に半導体モジュール等の冷却すべき発熱体を装着し、他方の面に熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱フィンを所定の間隔で複数並設し、放熱フィンと平行な方向に冷却ファンにより冷却風を供給するようにしてなる櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィン中間付近にその厚さ方向に貫通し、フィンの高さの一部または全高に亘って切欠いて形成したスリットを設けたことにより、各放熱フィン間に形成される通風路内に冷却風の通流の妨げとなる突出物がないので、冷却風の通風抵抗を増大させることなく、スリット部分で通風路全体の冷却風を混合して放熱フィンの根元付近まで供給できるので、この付近からの放熱が良好となり、放熱フィンの根元の温度上昇を抑えることができる。このため、放熱基板に取り付けられた半導体素子等の発熱体を良好に冷却できるようになる。

以下にこの発明の実施態様を図に示す実施例を用いて説明する。

図１および図２にこの発明の実施例を示す。

図１および図２において、１は、放熱基板３１の一方の面に取付けられた発熱体となるＩＧＢＴや、パワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体モジュール、３２は、放熱基板３１の他方の面に垂直に所定の間隔をおいて複数並設した放熱フィン、２は放熱フィン３２間に形成された通風路３６に冷却風を送るファン、３は放熱基板３１と放熱フィン３２で構成された櫛形ヒートシンクである。

前記の放熱フィン３２のそれぞれに、図１（ａ）における上下の両外側の放熱フィンを除いて、図２に示すようにその中間付近にスリット３４が設けられている。このスリット３４は放熱フィンを厚さＤ方向に貫通し、放熱フィン３２の高さＨ方向の上下端付近まで切欠かれるとともに、図２に示すようにスリット３４の放熱フィンの基端側辺３２ａ（放熱基板３１と結合される根元側）の側の端辺３４ａが先端側辺３２ｃ（開放端側）の側の端辺３４ｃより放熱フィンの冷却風出口側端辺３２ｂへ近づくように傾斜されている。スリット３４は、ここでは一定の幅を有する。

このように櫛形ヒートシンク３の放熱フィンを中間部にスリット３４を有する放熱フィン３２により構成すると、通風路３６の壁面の一部に凹所が形成されることになる。ファン２から送風された冷却風が各放熱フィン間の通風路３６を通流する過程で、凹所を形成するスリット３４により攪拌混合され、その一部がスリット３４を通して隣り合う通路へ流入し、各通風路の冷却風が相互に混じり合い、冷却風全体の温度が平均化する。また、冷却風の一部がスリットの冷却風の流れ方向と対向する側辺３４ｂに衝突してこの側辺３４ｂの傾斜面に沿って流れ方向が偏向されることにより、放熱フィン３２の根元側へ送られるようになる。

また、平板の熱伝達率ｈは、一般に次の（４）式で示される。

ｈ＝Ｎｕ・ λ／Ｌ（４）
ここで、Ｎｕはヌッセルト数であり、Ｎｕ＝0.664・Ｒｅ^0.5・Ｐｒ^1/3で示される。そして、Ｒｅは、レイノルズ数、Ｐｒはプラントル数であり、レイノルズ数Ｒｅは、Ｒｅ＝ｕ・Ｌ／νで示される。この式において、ｕ：風速（ｍ/ｓ）、Ｌ：平板の長さ（ｍ）、ν：動粘性計数（ｍ²／ｓ）である。

この実施例においては、実質的に１つの放熱フィン３２が中間部のスリット３４により２分割された形となるため、放熱基板３１の幅Ｗの１／２の長さの放熱フィンを集合したことと同じになる。このため、前記（４）式から明らかなとおり、この実施例によれば、各放熱フィンの長さが短くなった分、放熱フィンの熱伝達率が増加する。

この結果、この実施例によれば、ヒートシンク３の放熱フィン３２の放熱効率が増大し、そして放熱基板３１に結合された放熱フィン３２の根元側が攪拌混合されて温度が低くなった冷却風により冷却されるため根元側の冷却効果が向上するので、放熱フィン３２の放熱基板付近の根元の温度上昇を小さくでき、これに取付けられて半導体モジュール１の温度を低く保持することが可能となる。また、ヒートシンク３の通風路３６内には凹所は形成されても、通風の妨げとなる突起物は形成されないため、冷却風の通風抵抗が増加することはない。

なお、前記実施例においては、放熱基板に設けられた放熱フィンの両外側の放熱フィンにはスリットを形成しないようにしているが、ヒートシンク全体を冷却風を通す風洞内に収めるような場合は、両外側の放熱フィンにもスリットを形成するようにするのがよい。

この発明においては、前記の実施例における放熱フィンに設けるスリットの形状を種々変形することができる。

まず、前記実施例においては、スリット３４が、放熱フィン３２の高さＨ方向に部分的に切欠いて設けられているが、これを図３に示すように放熱フィンの高さＨの全体に亘って切欠いて設けるようにすることができる。図３に示すようなスリット３４を設けると、特にスリット３４が放熱フィン３２の先端側辺３２ｃで切り開かれているので、放熱フィン３２の先端側辺３２ｃの外側へ流出した冷却風がスリット３４に吸い込まれて放熱フィン３２の根元側へ送られるようになるため、放熱フィン３２の放熱効果がより向上するようになる。

次に、図４に示すスリットは、三角形に形成されている。この３角形のスリット３４はその幅が放熱フィンの先端側より根元側が広くなっている。スリット３４の高さは放熱フィン３２の高さＨの中に納まっている。このようにスリット３４の放熱フィン３２の根元側の幅を広げることにより、冷却風が放熱フィンの３２の根元側へ集まりやすくなり、これによって冷却効果を高めることができる。

また、図５に示すスリットは、図４の三角形のスリット３４の高さを放熱フィン３２の高さＨより高くしてスリット３４の放熱フィンの先端側辺３２ｃおよび根元側辺３２ａ側をそれぞれ切り開いたものである。スリット３４をこのような形状にすれば、スリットの先端側が切り開かれているため、放熱フィン３２の先端側辺３２ｃの外側を流れる冷却風をスリット３４内へ導き、放熱フィン３４の根元側へ送ることができ、そしてスリット３４の放熱フィンの根元側の幅が広くなっていることにより放熱フィンの根元付近の冷却風量を増やすことができるので、図３および図４のスリットを合わせた効果を得ることができる。

さらにこの発明おいては、図６に示すように、複数の小さな傾斜した長方形のスリット３４を放熱フィン３２の高は方向に多段に重ねて形成することもできる。放熱フィンに設けるスリットをこのように形成しても、冷却風を攪拌混合し、隣り合う通風路との間で通流させる作用は変わらないので図２に示すスリットと同様の効果が期待できる。

以上説明したようにこの発明は、熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱基板の一方の面に半導体モジュール等の冷却すべき発熱体を装着し、他方の面に垂直に熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱フィンを所定の間隔で複数並設し、放熱フィンと平行な方向に冷却ファンにより冷却風を供給するようにしてなる櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンの中間付近にその厚さ方向に貫通し、フィンの高さの一部または全高に亘って切欠かいて形成したスリットを設けるだけの簡単な構成により、放熱フィン間に形成された通風路を通る冷却風を、通風路の通風抵抗を増加させることなく相互に攪拌混合しかつ放熱フィンの先端側を流れる冷却風を放熱フィンの根元側へ偏向して流すことが可能となって放熱フィンのフィン効率を高めることができるので、半導体装置などの発熱密度の高い発熱体の冷却装置として利用可能な小形で冷却効果の高い櫛形ヒートシンクを提供することができる。

なお、この発明においては、放熱基板と放熱フィンを引き抜き加工等により一体的に形成したもの使用することができる。この場合一体形成後に、フィン部分に機械加工を施して最適な形状のスリットを形成すればよい。

この発明の実施例を示すもので、（ａ）はその平面断面図、（ｂ）はその立面図、（ｃ）はその側面図である。この発明に使用する放熱フィン第１例を示す立面図である。この発明に使用する放熱フィン第２例を示す立面図である。この発明に使用する放熱フィン第３例を示す立面図である。この発明に使用する放熱フィン第４例を示す立面図である。この発明に使用する放熱フィン第５例を示す立面図である。従来の櫛形ヒートシンク示すもので、（ａ）はそのの平面断面図、（ｂ）はその立面図、（ｃ）はその側面図である。従来の他の櫛形ヒートシンクを示す斜視図である。図７に示す従来のヒートシックの縦断面図である。

符号の説明

１半導体モジュール（発熱体）
２冷却ファン
３櫛形ヒートシンク
３１放熱基板
３２放熱フィン
３４スリット
３６通風路

Claims

熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱基板の一方の面に半導体モジュール等の冷却すべき発熱体を装着し、他方の面に熱伝導性の高い金属で形成した平板状の放熱フィンを所定の間隔で複数並設し、放熱フィンと平行な方向に冷却ファンにより冷却風を供給するようにしてなる櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンの中間付近にその厚さ方向に貫通し、フィンの高さの一部または全高に亘って切欠いて形成したスリットを設けたことを特徴とする櫛形ヒートシンク。
請求項１記載の櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンに設けたスリットを、その放熱フィンの根元側の側辺が先端側の側辺より放熱フィン間に形成される通風路の冷却風出口側に近づくように傾斜させたことを特徴とする櫛形ヒートシンク。
請求項１または２記載の櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンに設けたスリットを複数に分けて、放熱フィンの高さ方向に間隔をおいて多段に配置したことを特徴とする櫛形ヒートシンク。
請求項１ないし３の何れかに記載の櫛形ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンに設けたスリットの幅を放熱フィンの根元側ほど広くしたことを特徴とする櫛形ヒートシンク。