JP2005302948A - 放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では作動冷媒を用いずに圧力損失増加を抑え、且つその冷却性能を向上させた放熱器の提供を目的とする。
【解決手段】基板と該基板面上に備わる放熱装置から構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように配置した放熱部を直列配置で、且つ２基以上を備えた構成であって、放熱部と放熱部との隙間の少なくとも１箇所以上に冷却流体攪拌部を備えることを特徴とする放熱器。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速走行車両用パワー素子などの大容量発熱素子で用いられる放熱器に関するもので、空気などの気体を冷却流体として用い、空冷する放熱器に関するものである。

従来、大容量発熱素子を冷却する為には、様々な方式がとられている。例えば、パワーエレクトロニクスで用いられているＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような大容量の発熱を処理するために、図５に示すような沸騰冷却方式が主として用いられている。
この沸騰冷却方式は、下方に発熱素子１６を取り付けた基板部１７があり、基板部１７にはその作動冷媒１５として、パーフルオロカーボンが封入されている。このパーフルオロカーボンは、オゾン破壊係数はゼロである為、法律による規制物質には指定されていないが、地球温暖化係数が著しく高く、いずれその利用は縮小されていく傾向にあり、代替の放熱方式が求められている。

この代替の放熱方式として、バーフルオロカーボンなどの作動冷媒を使用しない図６に示すようなクシ型形状の放熱部１９を有する放熱器１８や、図７に示すような格子型断面の放熱部２１を有する放熱器２０の適用検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−４０７１８号公報

しかしながら、沸騰冷却方式と同等の冷却性能を作動冷媒を用いないタイプの放熱器で達成しようとすると、サイズを大型にしなければならない、もしくは、圧力損失が大きくなることを犠牲にして、冷却用の風速を大きくして冷却性能を上げざるを得なかった。
そこで、本発明では作動冷媒を用いずに格子型断面放熱部を有する放熱器において、圧力損失増加を抑え、且つその冷却性能を向上させた放熱器を提供するものである。

請求項１記載の発明は、基板と該基板面上に備わる放熱装置から構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように配置した放熱部を直列配置で、且つ２基以上を備えた構成であることを特徴とする放熱器である。

請求項２記載の発明は、前記放熱装置の放熱部と放熱部との隙間の少なくとも１箇所以上に冷却流体攪拌部を備えることを特徴とする請求項１記載の放熱器である。

請求項３記載の発明は、前記冷却流体攪拌部がプロペラ型流体攪拌機であることを特徴とする請求項２記載の放熱器である。

請求項４記載の発明は、前記冷却流体攪拌部が井形組立型流体攪拌機であることを特徴とする請求項２記載の放熱器である。

請求項５記載の発明は、基板と該基板面上に備わる放熱装置とから構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように設けた放熱部で構成され、該冷却流体通路部を分断する所定角度で設けられた断絶帯を備えることを特徴とする放熱器である。

請求項６記載の発明は、前記断絶帯が複数本設けられ、且つその設置パターンが八の字形もしくは逆八の字形であることを特徴とする請求項５記載の放熱器である。

請求項７記載の発明は、放熱部に所定角度で設けられた冷却流体通路を分断する断絶帯を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載のいずれかの放熱器である。

請求項８記載の発明は、基板と該基板面上に備わる放熱装置とから構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように設けた放熱部で構成され、該冷却流体通路部の断面形状が不均一形であることを特徴とする放熱器である。

請求項９記載の発明は、冷却流体通路部の断面形状が不均一形であることを特徴とする請求項１乃至請求項７記載のいずれかの放熱器である。

本発明は、作動冷媒を用いた沸騰冷却方式の放熱器の替わりに、作動冷媒を必要としない放熱器を提供するもので、第一に地球温暖化係数やオゾン破壊係数が大きい作動冷媒が不要になるため環境にやさしく、更に全てアルミニウム合金で構成されているので、そのリサイクル性に優れる。第二に作動冷媒を用いないこと及び従来の取付け空間を大きくすることなく置き換えることができることから使用機器の設計変更を不要とし、その製造コストを大きく改善することができる。第三に従来の格子型放熱器に比べて放熱の要求値までに必要とされる冷却流体の流量が少なくてすむことから、従来用いられている沸騰冷却方式の放熱器に付属している空冷ファンの能力範囲内で求める冷却性能が得られることから、代替が可能である。
このように、本発明は放熱性能を損なわずに、環境に配慮し、且つ大幅な製造コストの低減をはかることができる放熱器を提供するものであり、工業上顕著な効果を奏するものである。

以下に、図１、図２、図３、図４を用いて本発明の実施態様を説明する。
（実施例１）
図１は２基の放熱部を直列に基板にろう付け接合した構造の本発明に係る放熱器で、放熱器１ａの放熱部２ａ、２ｂ間に隙間である分離部３が設けられている。放熱部２ａの流体入口側４から吹き込まれた冷却流体は、放熱部２ａの冷却流体通路部５を通過する際に圧力損失を大きく受けるが、分離部３が設けられたことにより分離部３でその圧力損失が開放されて放熱部２ａで生じる圧力損失を定期的に緩和することができ、且つ分離部３の開口部から周囲のより低温な大気を吸引することができる。例えば、近傍に電動ファンを備えて強制空冷により冷却することを想定した場合、本発明は電動ファンの能力は変えずに冷却性能を向上させることができる。９は基板を表す。

（実施例２）
図２（ａ）、（ｂ）は本発明に係る第２の実施態様を示す放熱器である。
図２（ａ）では図１に示した本発明に係る放熱器１ａの分離部３に冷却流体攪拌部６としてプロペラ６ａを挿入した放熱器１ｂである。この放熱器１ｂではプロペラ６ａにより放熱部３を通過する流体を乱流とし、放熱部２ａの基板側近傍を通過した最も温度が高い流体を分離部３から吐き出し、そして分離部３で取り込まれる外部流体と混合させることで冷却を行うものである。
図２（ｂ）では、分離部３に冷却流体攪拌部６として井形組立型流体攪拌機６ｂを挿入した放熱器１ｃである。先の放熱器１ｂと同様に作用して冷却を行うものである。

これらの冷却流体攪拌部の取付けは、接合強度と取付けの簡便性を考慮してネジ接合が望ましいが、ろう付けや嵌合など、他の方法を用いても良い。
更に、プロペラ型攪拌機では、プロペラの角度や羽数を個別製品ごとに最適設計化されて設けられ、同様に井形組立型流体攪拌機では、井形材の寸法、井形の大きさ、段数などを製品ごとに最適設計化されて用いる。

（実施例３）
図３（ａ）、（ｂ）は本発明に係る第３の実施態様を示す放熱器で、この放熱器１ｄ、１ｅでは放熱部２に所定角度で、八の字もしくは逆八の字状に複数の断絶帯７を設けたものである。この断絶帯７により先の図２と同様に、放熱部を通過して温度が高くなっている冷却流体が、温度の低い放熱部へと断絶帯７を通じて導かれて冷却される。これにより、冷却性能が大きく向上し、且つ圧力損失を少なくすることができる。
この断絶帯７を設ける所定角度は基板面から反時計回りに２０度から４５度および１３５度から１6０度が最も冷却性能を向上させる。又、断絶帯７の形成は、放熱部を基板にろう付けする前に施す場合や基板へのろう付け後に施す場合のいずれでも構わない。

（実施例４）
図４は本発明に係る第４の実施態様を示す放熱器で、この放熱器１ｆでは放熱部２を形成する冷却流体通路部８の形状を先の図１〜図３とは異なり不均一な形状としたものである。不均一な形状を採用することにより、放熱器の中で最も温度上昇が大きく、且つ圧力損失が大きい部分となっている部分に対して局所的に風速を向上させるような冷却流体通路部の形状を割り当てることができ、放熱特性の大幅な改善に寄与するものである。図４では、基板側の形状を逆側に比べて縦長にした例を示している。

以上のように本発明に係る放熱器では、冷却媒体を使用することなく冷却性能が高められ、そのためにパーフルオロカーボンのような高価な冷却媒体を必要とせず、従って放熱器の製品コストを大きく下げるものである。
更に、アルミニウム合金製基板とアルミニウム合金を押出成形して作製した複数の冷却流体通路部をろう付け法により接合して放熱部に組立てたもの、或いは直接冷却流体通路を有する放熱部を押出成形で作製したものと、基板をろう付け法により接合して作製されることから、その接合部は金属接合となり接合部の熱抵抗は殆ど無視できるレベルになり、基板から放熱部への熱伝導を効率良く円滑に行うことができる。
又、基板、放熱部および冷却流体攪拌部の全てをアルミニウム合金で構成することで同一材質による製品となり、そのリサイクル性が大きく向上している。

放熱部を直列に２基配置した放熱装置を有する放熱器の斜視図である。 冷却流体攪拌部を備えた放熱器の斜視図で、（ａ）プロペラ型流体攪拌機、（ｂ）井形流体攪拌機である。 放熱部に断絶体を有する放熱器の斜視図で、（ａ）八の字断絶帯、（ｂ）逆八の字断絶帯である。 不均一形状の冷却流体通路部を有する放熱器の斜視図である。 沸騰冷却方式の放熱器を示す模式図である。 櫛型形状の放熱部を有する放熱器の斜視図である。 格子型断面の放熱部を有する放熱器の斜視図である。

符号の説明

１ａ 放熱器
１ｂ 放熱器
１ｃ 放熱器
１ｄ 放熱器
１ｅ 放熱器
２ 放熱部
２ａ 放熱部（前部）
３ 分離部
４ 冷却流体流入口
５ 冷却流体通路部（均一形状）
６ 冷却流体攪拌部
６ａ プロペラ型流体攪拌機
６ｂ 井形組立型流体攪拌機
７ 断絶帯
８ 冷却流体通路部（不均一形状）
９ 基板
１０ 沸騰冷却方式放熱器
１１ 凝縮部
１２ 外部冷却フィン
１３ 内部冷媒流路部
１４ 蒸発部
１５ 冷却媒体
１６ 発熱素子
１７ 沸騰冷却方式放熱器基板部
１８ 櫛形放熱器
１９ 櫛型フィン
２０ 格子型放熱器
２１ 格子型フィン

Claims (9)

1. 基板と該基板面上に備わる放熱装置から構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように配置した放熱部を直列配置で、且つ２基以上を備えた構成であることを特徴とする放熱器。
2. 前記放熱装置の放熱部と放熱部との隙間の少なくとも１箇所以上に冷却流体攪拌部を備えることを特徴とする請求項１記載の放熱器。
3. 前記冷却流体攪拌部がプロペラ型流体攪拌機であることを特徴とする請求項２記載の放熱器。
4. 前記冷却流体攪拌部がパイプ井形組立型流体攪拌機であることを特徴とする請求項２記載の放熱器。
5. 基板と該基板面上に備わる放熱装置とから構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように設けた放熱部で構成され、該冷却流体通路部を分断する所定角度で設けられた断絶帯を備えることを特徴とする放熱器。
6. 前記断絶帯が複数本設けられ、且つその設置パターンが八の字形もしくは逆八の字形であることを特徴とする請求項５記載の放熱器。
7. 放熱部に所定角度で設けられた冷却流体通路を分断する断絶帯を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載のいずれかの放熱器。
8. 基板と該基板面上に備わる放熱装置とから構成される空冷型の放熱器において、該放熱装置が三方もしくは四方を壁で囲まれた冷却流体通路部を格子状断面になるように設けた放熱部で構成され、該冷却流体通路部の断面形状が不均一形であることを特徴とする放熱器。
9. 冷却流体通路部の断面形状が不均一形であることを特徴とする請求項１乃至請求項７記載のいずれかの放熱器。
   

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