JP2008140802A

JP2008140802A - ヒートシンク

Info

Publication number: JP2008140802A
Application number: JP2006322724A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yamamoto; 勉山本; Yoshihisa Hatosaki; 芳久鳩崎
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-19
Also published as: CN101193547A; DE102007057472A1; US20080144279A1

Abstract

【課題】各フィン間の風速の均等化による放熱能力の改善と、それに伴う重量の低減を図り、コストパフォーマンスの高いヒートシンクを提供する。
【解決手段】フィン３１の冷却風流通方向の先端位置は、冷却ファン２３のほぼ正面に位置するフィン３１ｄ〜３１ｇの先端位置を最も上流側に位置させ、幅方向両側のフィン３１ａ，３１ｊの先端位置を最も下流側に位置させるとともに、それぞれのフィン３１ａ〜３１ｊに先端位置から冷却風の流通方向の上流側から下流側に向かってフィンのベース面からの高さが次第に増加するように傾斜部３１ｍを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷却ファンにより強制空冷されるヒートシンクに関し、特に、商用電源などからの交流電力を任意の周波数・電圧の交流電力に変換して電動機などに給電するインバータ装置のヒートシンクに関する。

図７は、この種のインバータ装置の代表的な回路構成図であり、このインバータ装置１０には商用電源などから端子台１９（図８参照）の端子１９ａを介して印加される交流電圧を整流する順変換器１１、この整流された電圧を平滑する電解コンデンサ１２、この平滑された電解コンデンサ１２の両端電圧を所望の周波数の交流電圧に変換して端子台１９の端子１９ｂを介して出力する逆変換器１４、この逆変換器１５を構成するＩＧＢＴなどを所望の動作状態に制御する制御回路１５、逆変換器１４へのゲート電源および制御回路１５への制御電源などを生成する電源回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１６を備えている。また、１３はインバータ装置１０の負荷からの回生電力などにより電解コンデンサ１２の両端電圧が規定値以上に上昇するのを抑制するための抵抗１３ａ，トランジスタ１３ｂなどからなる抵抗放電回路であり、２３は順変換器１１，逆変換器１４などの発熱部品からの熱を放熱する後述のヒートシンク２０を冷却する冷却ファンである。

図８は、図７に示したインバータ装置１０が組み込まれた従来のインバータ装置の断面図であり、この図において、２０はヒートシンクであり、ベース２２の一方の面には順変換器１１および逆変換器１４の発熱部品などが配置されるとともに、ベース２２の他方の面には平板状の複数のフィン２１が配置されている。このヒートシンク２０は、冷却ファン２３によりフィン２１に空気等の冷却流体を強制的に流通して発熱部品から発生した熱を放熱するようにしている。
一方、筐体ケース１内の主変換回路・電源回路基板１７の部品実装面（表面）には端子台１９，電解コンデンサ１２，ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を形成する絶縁トランス１６ａおよび電解コンデンサ１６ｂなどが図示のように配置され、また、主変換回路・電源回路基板１７の裏面には主変換回路としてパワーモジュールで形成された順変換器１１および逆変換器１４が配置され、これら順変換器１１および逆変換器１４の一方の面がヒートシンク２０のベース２２の取付け面に密着して固定されている。さらに、制御回路基板１８には図７に示した制御回路１５が配置され、この制御回路基板１８は筐体ケース１に固着された筐体隔壁２により保持され、主変換回路・電源回路基板１７の発熱の影響が制御回路基板１８に及ぶのを防止している。

インバータ装置１０に用いられるヒートシンク２０は、特に適用するモータの容量が小さく、その体格も小さいインバータ装置の場合、アルミダイカストと呼ばれる製造方法によりヒートシンク２０が製作されることが多い。アルミダイカストにより製作したヒートシンク２０は、アルミ薄板をベース面にカシメたりロウ付けしたりして製作される櫛型フィンに比較して、放熱部品としての機能のみならず、各種部品の取付部、すなわち筐体としての機能も保有するという利点を伴うこととなる。
図９〜１１は、アルミダイカストにより製作された従来のヒートシンク２０を示し、図９はヒートシンクを上部からみた斜視図、図１０はヒートシンクを下部からみた斜視図、図１１はヒートシンクの下面図である。図９〜１１に示すように、ベース２２の一方の面には順変換器１１および逆変換器１４の発熱部品などが配置されるとともに、ベース２２の他方の面には平板状の複数のフィン２１ａ〜ｊが互いに適当な間隔を保ってほぼ並行に整列配置され、冷却風の流入側には冷却ファン２３が設けられている。また、ヒートシンクの一部には、制動抵抗１３ａ等の部品を設置するための空間２４が設けられている。なお、装置内における冷却ファン２３の配置に関しては、近年のインバータ装置に対する小型化要求の高まりにより、図８〜１０に示すように、フィン２１の高さ寸法よりも冷却ファン２３の高さ寸法のほうが大きくなるケースが増加している。

従来のインバータ装置のヒートシンク２０においては、一般に放熱表面積を可能な限り拡大するために、ベース面の部品取付空間２４を除いた領域の幅方向及び冷却風流通方向のほぼ全面にフィン２１が設置されている。すなわち、図１０および図１１に示すように、フィン２１はほぼ同一長さのフィン２１ａ〜ｊが設置され、全てのフィン２１ａ〜ｊの冷却風の流入側の先端位置（冷却風流通方向の先端位置）は、ベース２２の端面からの距離が同一となっている。
また、特許文献１の例では、ヒートシンクの各フィン間を通過する冷却風の通風抵抗を少なくするために、各フィンの先端位置を交互に前後にずらして配置することも行なわれている。
特開２００３−６０１３５号公報

図１２は、図９〜１１で示すヒートシンク２０の各フィン間の風速分布測定例を示すものであり、図１１の各フィン２１ａ〜２１ｊ間に矢印で示した流路Ａ〜Ｋでの冷却風の風速の分布を測定したものである。
図１２に示すように、軸流ファン２３にて各フィン２１ａ〜２１ｊの間に冷却風を送る際、流れの直進性により幅方向両端のフィンには冷却風が流れにくくなり、その結果、幅方向両側のフィンの間では風速も低下することになる。そのうえ、冷却ファン２３の高さ寸法がフィン２１の高さ寸法よりも大きい場合には、冷却ファン２３の回転方向がフィン２１での風速分布に影響を及ぼすようになる。例えば、ファンの回転方向が図１０の矢印αに示す向きの場合、ファンの回転に伴う旋回流れの影響により、回転の遅れ側に位置する流路（図１１，１２の流路Ｊ，Ｋ）でのフィン間の風速が特に低下することとなる。

ヒートシンクにおいて、風速の低い領域では当然ながらフィン表面からの熱伝達率が低下する。そのため、従来のヒートシンクは、その表面積は大きいものの、風速のばらつきにより全体の放熱能力は必ずしも高くはない。しかもヒートシンクがアルミダイカストにより製作された場合は、金型を用いた大量生産にて製造されるため、ヒートシンクの製造コストは主にアルミ材料の重量により決定される。したがって、従来のヒートシンクのようにベース面に同一長さのフィンを設置した場合、コストに比較して冷却性能が高くない、といった問題を抱えていた。
この発明は、上記問題点を解決し、各フィン間の風速の均等化による放熱能力の改善と、それに伴う重量の低減を図り、コストパフォーマンスの高いヒートシンクを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、この発明は、ベースの一方の面に発熱部品が配置されるとともにベースの他方の面に複数のフィンを備え、冷却ファンにより強制空冷されるヒートシンクにおいて、前記フィンの冷却風流通方向の先端位置は、前記冷却ファン近傍以外の領域のフィン先端位置を前記冷却ファン近傍のフィン先端位置よりも下流側に位置させるものである。
また、上記構成において、前記冷却ファンから離れるほど前記フィン先端位置を下流側に位置させるものとする。
また、上記構成において、冷却風の流通方向の上流側から下流側に向かって前記フィンのベース面からの高さが増加する傾斜部を設けるものとする。
また、上記構成において、前記冷却ファン回転方向に対して遅れ側の領域のフィン先端位置を進み側の領域のフィン先端位置よりも下流側に位置させるものとする。

この発明によれば、フィンの冷却風流通方向の先端位置は、冷却ファン近傍以外の領域のフィン先端位置を、冷却ファン近傍のフィン先端位置よりも下流側に位置させることにより、各フィンの間の風速分布を平均化し、その結果、フィン全体の冷却効率を高めることが可能となり、重量当りの冷却性能の高いヒートシンクを構成することができる。
さらに、冷却ファン回転方向に対して遅れ側の領域のフィン先端位置を回転進み側の領域のフィン先端位置よりも下流側に位置させることにより、従来、風速の落ち込みが特に大きかった回転遅れ側の風速を増加させることができ、各フィン間の風速分布をさらに平均化することができるので、重量当りのヒートシンクの冷却性能をより一層高めることができる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示すヒートシンクの斜視図であり、図２はヒートシンクの下面図であり、この図において、図７〜１１と同一部材については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１および図２に示すように、この実施の形態では、フィン３１の冷却風通流方向の長さは、冷却ファン２３の近傍で長く、冷却ファン２３近傍以外の領域で短くなるよう形成するとともに、フィン３１の冷却風流通方向の先端位置は、冷却ファン２３近傍以外の領域のフィン先端位置を冷却ファン１３近傍のフィン先端位置よりも下流側に位置させている。すなわち、各フィンの冷却風流通方向の長さは、冷却ファン２３から離れるほど短くなっており、冷却ファン２３のほぼ正面に位置するフィン３１ｄ〜３１ｇの長さが最も長く、幅方向両側のフィン３１ａ，３１ｊの長さが最も短くなっている。また、各フィンの冷却風流通方向の先端位置は、冷却ファン２３から離れるほど下流側に位置するようにしており、冷却ファン２３のほぼ正面に位置するフィン３１ｄ〜３１ｇの先端位置が最も上流側に位置（ヒートシンクの冷却風流入側ベース端面からの距離を短く）し、幅方向両側のフィン３１ａ，３１ｊの先端位置が最も下流側に位置（ヒートシンクの冷却風流入側ベース端面からの距離を長く）している。なお、フィン３１ａ〜３１ｊの冷却風流通方向の後端位置（ヒートシンクの冷却風流出側ベース端面からの距離）はほぼ同一にしている。さらに、それぞれのフィン３１ａ〜３１ｊには、先端位置から冷却風の流通方向の上流側から下流側に向かってフィンのベース面からの高さが次第に増加するように傾斜部３１ｍが設けられている。なお、傾斜部３１ｍのベース面との角度は、直角に近いと風速の平均化の効果が低減し、角度が小さすぎるとフィン表面積が減少することから、発熱部品の温度上昇値を許容値以下に抑えるために必要な表面積に応じて３０°〜６０°程度とするのがよい。

図３は、第１の実施の形態のヒートシンクにおける各フィン間の風速分布測定例を示すものであり、図２の各フィン３１ａ〜３１ｊ間に矢印で示した流路Ａ〜Ｋでの冷却風の風速の分布を測定したものである。図３に示すとおり図１２に示す従来例の風速分布に比較して、風速が平均化されているとともに、平均風速も増加している。
この風速分布の平均化は、冷却ファン２３近傍以外の領域のフィン３１ａ〜３１ｃ，３１ｈ〜３１ｊにおいて、その長さを低減するとともに先端位置を下流側に位置させることにより、圧力損失が低下したことが理由の一つである。さらに、フィン３１のベース面からの高さが流れの上流側から下流側に行くにしたがって次第に増加するように傾斜部３１ｍを設けることにより、冷却ファン２３とフィン３１との間の空間で、軸流ファン２３から流出した冷却風がヒートシンクの幅方向に移動しやすくなることもその理由の一つである。

ここで、冷却風をヒートシンクの幅方向に移動しやすくするためには、この発明のようにフィン３１に傾斜部３１ｍを形成するのではなく、冷却風通流方向のフィンの長さ自体を短縮し、フィンと冷却ファンとの間隔を拡げることでも達成できる。しかし一般に、フィンはベース面からの高さが増加するにしたがって放熱効率が低下するので、同じ表面積であれば、この発明のようにフィンを斜めに形成したほうがヒートシンクとしての放熱性能を高めることができる。
なお、通常、強制対流による熱伝達率は、風速の０．５〜０．８乗に比例し、ベース面全体からほぼ均等に放熱が行われる場合、極端な風速分布がある場合よりも、風速分布が平均化されている場合の方がヒートシンクの放熱能力は高い。そのため、この実施の形態のように各フィンの間を流れる冷却風の風速が平均化されたヒートシンクでは、フィン表面の平均熱伝達率、すなわち単位面積当りの放熱量が増加し、パワーモジュールで形成された順変換器１１，逆変換器１４等の発熱部品の温度上昇値を許容値以下に抑えるために必要な表面積、つまり重量を低減することが可能となる。

次に、図４はこの発明の第２の実施の形態を示すヒートシンクの斜視図であり、図５はヒートシンクの下面図であり、この図において、第１の実施の形態と同一部材については同一の符号を付してその説明を省略する。
図４および図５に示す第２の実施の形態において、フィン４１は、冷却ファン２３の回転方向（矢印α）に対して回転遅れ側（図５の右側）に位置するフィン長さを回転進み側（図５の左側）よりも短くするとともに、回転遅れ側の領域のフィン４１ｆ〜４１ｊの先端位置を回転進み側の領域のフィン４１ａ〜４１ｅの先端位置よりも下流側に位置させている。
図６は、第２の実施の形態のヒートシンクにおける各フィン間の風速分布測定例を示したものであり、図５の各フィン４１ａ〜４１ｊ間に矢印で示した流路Ａ〜Ｋでの冷却風の風速の分布を測定したものである。図６に示すとおり図３の風速分布に比べて、流路Ｊ，Ｋの風速が増加しており、より一層の風速の平均化が行われている。このため、第２の実施形態のヒートシンクでは、単位面積当りの放熱量が第１の実施形態のヒートシンクよりもさらに増加され、パワーモジュールの温度上昇値を許容値以下に抑えるために必要な表面積、つまり重量をより一層低減することが可能となる。

なお、図４および図５のフィン４１において、冷却ファン２３の回転の進み側に位置するフィン４１ａ〜４１ｅには、先端位置から冷却風の流通方向の上流側から下流側に向かってフィンのベース面からの高さが次第に増加するように傾斜部４１ｍが設けられているが、回転遅れ側に位置するフィン４１ｆ〜４１ｊには傾斜部を設けていない。この理由は傾斜部を設けなくても図６に示すように風速をほぼ平均化することができるため、フィンの表面積を大きくするためにフィン４１ｆ〜４１ｊの先端部分をベース面に対して垂直にしている。もちろん、発熱部品の温度上昇値を許容値以下に抑えるために必要な表面積に応じて、冷却ファン２３の回転の遅れ側に位置するフィン４１ｆ〜４１ｊにも傾斜部４１ｍを設けてもよい。フィン４１ｆ〜４１ｊに傾斜部４１ｍを設けることにより、回転遅れ側に位置するフィン間の風速をさらに増加させることができるとともに、ヒートシンクのさらなる重量の低減が可能となる。

この発明の第１の実施の形態を示すヒートシンクの斜視図第１の実施の形態を示すヒートシンクの下面図第１の実施の形態のヒートシンクにおける各フィン間の風速分布測定例を示す図この発明の第２の実施の形態を示すヒートシンクの斜視図第２の実施の形態を示すヒートシンクの下面図第２の実施の形態のヒートシンクにおける各フィン間の風速分布測定例を示す図インバータ装置の回路構成図従来のインバータ装置の断面図従来のヒートシンクを上部からみた斜視図従来のヒートシンクを下部からみた斜視図従来のヒートシンクの下面図従来のヒートシンクにおける各フィン間の風速分布測定例を示す図

符号の説明

１１・・・順変換器
１４・・・逆変換器
２３・・・冷却ファン
３１・・・フィン
３１ｍ・・傾斜部
４１・・・フィン
４１ｍ・・傾斜部

Claims

ベースの一方の面に発熱部品が配置されるとともにベースの他方の面に複数のフィンを備え、冷却ファンにより強制空冷されるヒートシンクにおいて、
前記フィンの冷却風流通方向の先端位置は、前記冷却ファン近傍以外の領域のフィン先端位置を前記冷却ファン近傍のフィン先端位置よりも下流側に位置させることを特徴とするヒートシンク。
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、前記冷却ファンから離れるほど前記フィン先端位置を下流側に位置させることを特徴とするヒートシンク。
請求項１または２に記載のヒートシンクにおいて、冷却風の流通方向の上流側から下流側に向かって前記フィンのベース面からの高さが増加する傾斜部を設けることを特徴とするヒートシンク。
請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置において、前記冷却ファン回転方向に対して遅れ側の領域のフィン先端位置を進み側の領域のフィン先端位置よりも下流側に位置させることを特徴とするヒートシンク。