JP2008205034A - 放熱機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能の優れた放熱機器を提供する。
【解決手段】放熱機器は、放熱を行なうためのヒートシンク１，２と、ヒートシンク１，２を伝熱板２１に固定するための固定部材１１とを備える。ヒートシンク１，２は、ベース部１ａ，２ａと、ベース部１ａ，２ａから一の方向に突出するように形成されているフィン部１ｂ，２ｂを含む。フィン部１ｂ，２ｂは、板状に形成されている。固定部材１１は、棒状に形成され、ベース部１ａ，２ａを貫通するように配置され、さらに、ベース部１ａ，２ａの表面から上記一の方向に突出するように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、放熱機器に関する。

加工用レーザダイオード、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）、また
はインバータなどに配置される半導体素子などの機器は駆動することにより発熱する。このような機器は、機器自体が発する熱により、破損したり性能が悪化したりする。または、発熱する機器の周りに配置された部品に対して悪影響を及ぼす場合がある。このような発熱を伴う機器には、除熱を行なうために放熱機器が取付けられる場合がある。

放熱機器には、放熱するためのヒートシンクを備えるものがある。ヒートシンクは、蓄熱部と蓄熱部から突出する複数の放熱部を含む。複数の放熱部が形成されることにより、熱伝達面積が大きくなって熱交換の効率向上を図ることができる。

放熱機器には、ヒートシンクの放熱部が棒状に形成されているものがある（たとえば、特開平８−１８１２５９号公報、特開平１１−１６３５６３号公報参照）。また、放熱機器には、ヒートシンクの放熱部が板状に形成されているものがある。（たとえば、特開平３−１１７５９号公報、特開２００３−１９９２９４号公報、特開平４−２３４１５３号公報、特開２０００−１５４９８４号、特開昭６１−２６３１４０号公報）。

また、特開２００５−３０２８９８号公報においては、冷却流体送入口と、内部に流路が形成された伝熱容器と、冷却流体送出口とを備えたヒートシンクにおいて、上記流路が、発熱体が取付けられる側から伝熱容器高さ方向に向かって流路幅の小さくなる略台形流路と略流路幅一定の流路とが順次連結された流路で構成されたヒートシンクが開示されている。
特開平８−１８１２５９号公報 特開平１１−１６３５６３号公報 特開平３−１１７５９号公報 特開２００３−１９９２９４号公報 特開平４−２３４１５３号公報 特開２０００−１５４９８４号 特開昭６１−２６３１４０号公報 特開２００５−３０２８９８号公報

近年においては、発熱体の発熱量が大きくなって、放熱量の大きな放熱機器が必要になってきている。たとえば、モータと内燃機関とを駆動源にするハイブリッド自動車においては、モータの高出力化に伴ってインバータ装置の半導体素子の発熱量が大きくなっている。

上記の特開２００３−１９９２９４号公報には、広い冷却面積を連続した冷媒路で冷却するヒートシンクの構造が開示されている。しかし、広い冷却面積を有する流路構造を採用した場合においては、フィン近傍に冷媒の境界層が発生して、フィン近傍の冷媒の温度が上昇する。この結果、冷却能力が低下する。また、面積の広いヒートシンクを押出し成型する場合においては、型抜きのときの応力分布が不均一になるため、素子との接合面の平面度を確保することが難しいという問題があった。

また、上記の特開２００５−３０２８９８号公報においては、伝熱容器内に略錐体形状の突起を所定の配列で設けて、冷媒に３次元的な流れを引起すことで熱伝達率の向上を図ることが開示されている。しかしながら、この構造においては、形状が複雑であるために押出成型で形成することが難しいという問題がある。また、ダイカストで成型した場合には、抜き勾配やトング比などが制限されて伝熱面積を大きくすることが難しいという問題がある。この結果、熱伝達の向上を図ることが難しいという問題がある。

また、上記の特開平８−１８１２５９号公報に開示されているように、ヒートシンクのうち、熱を溜める蓄熱部と熱を放出する放熱部とを別体で形成する方法においては、蓄熱部と放熱部との間を何らかの方法で結合するために、両者の間に熱抵抗が発生して冷却能力が低下するという問題が生じる。

本発明は、冷却性能の優れた放熱機器を提供することを目的とする。

本発明における一の局面における放熱機器は、放熱を行なうためのヒートシンクと、上記ヒートシンクを他の部材に固定するための固定部材とを備える。上記ヒートシンクは、蓄熱部を含む。上記蓄熱部に固定され、上記蓄熱部から一の方向に突出するように形成されている放熱部を含む。上記放熱部は、板状に形成されている。上記固定部材は、棒状に形成されている。上記固定部材は、上記蓄熱部を貫通するように配置されている。上記固定部材は、上記蓄熱部の表面から上記一の方向に突出するように形成されている。

上記発明において好ましくは、複数の上記放熱部を備える。上記固定部材は、上記放熱部同士に挟まれることにより形成される流路の中心軸の延長上に配置されている。

上記発明において好ましくは、上記蓄熱部および上記放熱部は一の部材により形成されている。

本発明における他の局面における放熱機器は、第１ヒートシンクと、上記第１ヒートシンクに溶接により固定されている第２ヒートシンクとを備える。上記第１ヒートシンクは、第１蓄熱部を含む。上記第１蓄熱部に固定され、上記第１蓄熱部から一の方向に突出するように形成されている第１放熱部を含む。上記第２ヒートシンクは、第２蓄熱部を含む。上記第２蓄熱部に固定され、上記第２蓄熱部から一の方向に突出するように形成されている第２放熱部を含む。上記第１放熱部および上記第２放熱部は、それぞれが板状に形成されている。上記第１蓄熱部と上記第２蓄熱部とが溶接により接合されている。上記第１蓄熱部と上記第２蓄熱部との間には溶接ビードが形成されている。上記溶接ビードは、上記第１蓄熱部および上記第２蓄熱部の表面から上記一の方向に突出するように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記溶接ビードは、線状に形成されている。上記第１ヒートシンクおよび上記第２ヒートシンクは、上記第１放熱部の延びる方向と上記第２放熱部の延びる方向とが略平行になるように配置されている。上記溶接ビードは、上記第１放熱部の延びる方向とほぼ垂直な方向に延びるように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記第１蓄熱部と上記第１放熱部とは一の部材により形成されている。上記第２蓄熱部と上記第２放熱部とは一の部材により形成されている。

本発明によれば、冷却性能の優れた放熱機器を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図３を参照して、実施の形態１における放熱機器について説明する。図１は、本実施の形態における放熱機器の概略斜視図である。

放熱機器は、発熱体からの熱を放熱するためのヒートシンク１を備える。放熱機器は、ヒートシンク２を備える。ヒートシンク１，２のそれぞれは、熱を外側に向かって放出するように形成されている。ヒートシンク１，２は、熱を冷媒に伝達するように形成されている。ヒートシンク１とヒートシンク２とは並んで配置されている。

本実施の形態における放熱機器は、他の部材としての伝熱体に固定されている。本実施の形態における伝熱体は板状に形成されている伝熱板２１に固定されている。放熱機器は、ヒートシンク１，２を伝熱板２１に固定するための固定部材１１を備える。本実施の形態における固定部材１１は、ノックピンである。伝熱板２１の表面には、発熱体が配置されている。伝熱板２１は、発熱体の熱をヒートシンク１，２に伝達することができるように形成されている。本実施の形態における伝熱板２１は、板状に形成されている。本実施の形態における発熱体は、伝熱板２１の表裏の面のうちヒートシンク１，２が、配置されている側と反対側の面に固定されている。

ヒートシンク１は、蓄熱部としてのベース部１ａを有する。ベース部１ａは、板状に形成されている。ヒートシンク１は、ベース部１ａに固定され、ベース部１ａから一の方向に突出するように形成されている放熱部としてフィン部１ｂを有する。本実施の形態においては、複数のフィン部１ｂが配置されている。フィン部１ｂは、板状に形成されている。本実施の形態におけるフィン部１ｂは、平板状に形成されている。フィン部１ｂは、表面のうち面積が最大となる面積最大面が、ベース部１ａの面積最大面とほぼ垂直になるように形成されている。

フィン部１ｂは、伝熱板２１が配置されている側と反対側に向かって突出するように形成されている。本実施の形態においては、ヒートシンク１は、アルミニウムの押出成型により形成されている。ベース部１ａとフィン部１ｂとは、押出し成型により一体的に形成されている。すなわち、ベース部１ａとフィン部１ｂとは、別の部材同士が接合されたものではなく、一の部材により形成されている。本実施の形態においては、アルミニウムの押出し成型により形成されている。

ヒートシンク２は、フィン部２ｂの構成を除いてヒートシンク１と同様の構成を有する。ヒートシンク２は、蓄熱部としてのベース部２ａを有する。ヒートシンク２は、放熱部としてのフィン部２ｂを有する。フィン部２ｂは、ベース部２ａに固定され、一の方向に突出するように形成されている。本実施の形態においては、ヒートシンク２は、アルミニウムの押出成型により一体的に形成されている。

図２に、本実施の形態における放熱機器の概略平面図を示す。フィン部１ｂ，２ｂに接触して熱を奪う冷却媒体は、矢印４１に示すように、フィン部１ｂ，２ｂの面積最大面とほぼ平行な方向に流入する。また、冷却媒体は、矢印４２に示すように、フィン部１ｂ，２ｂの面積最大面とほぼ平行な方向に流出する。すなわち、本実施の形態における冷却媒体は、それぞれのフィン部の面積最大面に沿った方向に流れる。冷却媒体としては、液体や気体などの流体を用いることができる。

本実施の形態においては、ヒートシンク１のフィン部１ｂ同士の間の領域を冷媒の流れに沿って延長したときの中心軸上に、ヒートシンク２のフィン部２ｂが配置されている。すなわち、フィン部２ｂは、フィン部１ｂ同士に挟まれる流路の中心軸上に配置されている。このように、フィン部１ｂとフィン部２ｂとは半ピッチずらして配置されている。フィン部１ｂとフィン部２ｂとは平面視したときに互い違いになるように配置されている。

ヒートシンク１を固定するための固定部材１１は、フィン部１ｂ同士に挟まれることにより形成される流路の中心軸３１上に配置されている。本実施の形態においては、４枚のフィン部１ｂのうち中央部分の２枚のフィン部１ｂにより形成される流路の中心軸３１上に配置されている。また、ヒートシンク２を固定するための固定部材１１は、フィン部２ｂ同士に挟まれる流路の中心軸３２上に配置されている。

図３に、本実施の形態における放熱機器と発熱体との概略分解斜視図を示す。伝熱板２１は、固定部材１１を挿入するための挿入穴２１ａを有する。ヒートシンク１，２のそれぞれは、固定部材１１を挿入するための挿入穴１ｃ，２ｃを有する。伝熱板２１の表面のうち、ヒートシンク１，２が固定される側の表面と反対側の表面には発熱体２２が配置されている。

本実施の形態の放熱機器の組立てにおいては、ベース部１ａ，２ａと伝熱板２１の表面とを接触させる。矢印４３に示すように固定部材１１を挿入することによりヒートシンク１，２を伝熱板２１に固定する。

本実施の形態においては、それぞれのヒートシンク１，２に対応するように、発熱体２２が配置されている。発熱体２２としては、たとえば、加工用レーザダイオード、コンピュータのＣＰＵ、または、インバータ装置などに取付けられているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などが挙げられる。

本実施の形態においては、それぞれのヒートシンク１，２は、アルミニウムの押出成型によって一体的に形成されている。一体的にヒートシンクを形成する方法としては、押出し成型に限られずに、たとえばダイカスト成型を行なっても構わない。

発熱体２２は、駆動することにより発熱する。熱は、伝熱板２１を通って、ヒートシンク１，２に伝達される。ヒートシンク１，２においては、ベース部１ａ，２ａを通ってフィン部１ｂ，２ｂに伝熱される。ベース部１ａ，２ａの表面およびフィン部１ｂ，２ｂの表面から放熱される。

本実施の形態においては、それぞれのベース部１ａ，２ａとフィン部１ｂ，２ｂとが、一体的に形成されているために、接触熱抵抗が生じることを回避することができ、放熱特性を向上させることができる。ヒートシンクのベース部とフィン部とがそれぞれ別部材で形成され、蓄熱部に対してフィン部が接合される方法により形成されている場合には、蓄熱部とフィン部との間で接触熱抵抗が生じる。しかしながら、本実施の形態においては、蓄熱部とフィン部とが一体的に形成されているため、このような接触熱抵抗を回避することができ、冷却能力を向上することができる。

図１および図２を参照して、本実施の形態における放熱機器は、固定部材がベース部１ａの表面からフィン部１ｂが突出する方向に突出するように形成されている。本実施の形態における固定部材１１は、実質的に層流で流れる冷媒を乱流にすることができる高さでベース部１ａ，２ａから突出している。本実施の形態における放熱機器は、固定部材１１に冷媒が衝突することにより流れが乱される。このため、冷媒中に境界層流が生じにくくなって冷却効果が向上する。

たとえば、本実施の形態においては、フィン部が板状に形成されているため、フィン部同士の間の空間が冷媒の流路となる。冷却媒体がフィン部の表面に沿って流れると、フィン部の表面で境界層が発達する。境界層は下流に向かって厚くなる。また、冷媒は、粘性を有するために、フィン部の表面での冷媒の流速が流路の中央部の流速よりも相対的に遅くなる。この傾向は、フィン部により形成される流路が微細化するほど顕著になる。この結果、フィン部の表面での熱伝達が低下する。

本実施の形態においては、固定部材が、蓄熱部の表面から突出するように形成されているために、固定部材により冷媒の流れを乱すことができる。たとえば、冷媒は固定部材に衝突することにより乱流となって熱伝達が向上する。または、フィン部の表面で境界層が発達して熱伝達が低下することを抑制できる。この結果、優れた冷却能力を有する放熱機器を提供することができる。このように、本実施の形態においては、固定部材を乱流促進体として用いている。

本実施の形態においては、固定部材は、フィン部同士に挟まれることにより形成される流路の中心軸の延長上に配置されている。この構成により、それぞれの流路に流入する冷媒の流れを阻害することができ、フィン部の表面において境界層が発達することを効果的に抑制できる。

本実施の形態においては、平面視したときにヒートシンクのフィン部が、ヒートシンクのフィン部同士の間に配置されるが、この形態に限られず、平面視したときに、ヒートシンクの放熱部とヒートシンクの放熱部とが一直線上に配置されていても構わない。

本実施の形態における固定部材としては、ノックピンが用いられているが、この形態に限られず、任意の棒状の固定部材を採用することができる。たとえば、固定部材としてはボルトが採用されていても構わない。また、本実施の形態においては、固定部材の飛び出す高さは、それぞれのフィン部よりも低くなるように形成されているが、この形態に限られず、固定部材の突出する高さは、フィン部の高さとほぼ同じになるように形成されていても構わない。または、突出する高さは、フィン部の高さよりも高くなるように形成されていても構わない。

本実施の形態においては、小さなヒートシンクを複数形成して、これらのヒートシンクを、固定部材により伝熱板に固定している。この構成により、容易に平面視したときの面積が大きな放熱機器を製造することができる。

本実施の形態においては、放熱部としてのフィン部の取り付け構造が異なる複数のヒートシンクが配置されている。本実施の形態においては、複数のヒートシンクを複数並べて配置することにより、大きな面積にヒートシンクを形成することができる。このため、ヒートシンクのそれぞれが小さくなって押出成型などにより形成することができる。すなわち、それぞれのヒートシンクを一体的に形成することができる。

また、それぞれのヒートシンクを小型化することができるため、成型時の対象となる体積を小さくすることができる。成型時の応力分布の偏りを軽減することができる。この結果、ヒートシンクの蓄熱部の表面を平坦化することができる。特に、熱が入射する側の平面を平坦化することができる。たとえば、伝熱板とヒートシンクとの接触面積を大きくすることができて放熱性能が向上する。

また、板状に形成されたフィン部を半ピッチずらすことにより、一の流路を流れてきた冷媒が、フィン部の端面に衝突するため、フィン部の表面において境界層が発達することを抑制できる。

本実施の形態においては、伝熱板を介して発熱体の熱がヒートシンクから放熱されるように形成されているが、この形態に限られず、たとえば、他の部材としての発熱体が直接的にヒートシンクに固定されていても構わない。

本実施の形態におけるヒートシンクは、一の部材で一体的に形成されているが、この形態に限られず、蓄熱部と放熱部とが別部材で形成され、接合されていても構わない。

（実施の形態２）
図４から図６を参照して、実施の形態２における放熱機器について説明する。

図４は、本実施の形態における放熱機器の概略斜視図である。図６は、本実施の形態における、放熱機器の概略分解斜視図である。本実施の形態における放熱機器は、第１ヒートシンクとしてヒートシンク３を備える。ヒートシンク３は、第１蓄熱部としてのベース部３ａおよび第１放熱部としてのフィン部３ｂを有する。放熱機器は、第２ヒートシンクとしてのヒートシンク４を備える。ヒートシンク４は、第２蓄熱部としてのベース部４ａと第２放熱部としてのフィン部４ｂを有する。

それぞれのベース部３ａ，４ａは板状に形成され、それぞれのフィン部３ｂ，４ｂは板状に形成されている。ベース部３ａ，４ａとフィン部３ｂ，４ｂとが板状に形成され、それぞれの面積最大面同士が垂直になるように形成されていることは、実施の形態１と同様である。ベース部とフィン部とが一の部材から一体的に形成されていることも実施の形態１と同様である。

本実施の形態における放熱機器は、伝熱板２３を備える。それぞれのヒートシンク３，４は、伝熱板２３に固定されている。ヒートシンク３，４を伝熱板２３に固定する方法としては、ボルトやピンなどによる機械的な方法の他に、たとえば伝熱性を有する接着剤などによって固定されていても構わない。

本実施の形態においては、ヒートシンク３とヒートシンク４とは溶接により互いに固定されている。ベース部３ａとベース部４ａとが溶接により接合されている。ベース部３ａとベース部４ａとの間には、溶接ビード２５が形成されている。本実施の形態における溶接ビードとは溶接を行なったときに溶融した部分を示す。

溶接ビード２５は、ベース部３ａ，４ａの表面からフィン部３ｂ，４ｂが突出する方向に突出するように形成されている。溶接ビード２５は、側方から見たときにベース部３ａ，４ａの表面から盛り上がるように形成されている。本実施の形態における溶接ビード２５は、実質的に冷却媒体の流れを乱すことができる高さまでベース部３ａ，４ａの表面から突出するように形成されている。

本実施の形態におけるそれぞれのヒートシンク３，４は、たとえば、アルミニウムの押出成型により製造することができる。ヒートシンク３，４同士の溶接方法としては、たとえば、アーク溶接を採用することができる。

図５に、本実施の形態における放熱機器の概略平面図を示す。溶接ビード２５は、平面的に見たときに線状に形成されている。溶接ビード２５は、ベース部３ａの端部とベース部４ａとの端部同士を固定するように形成されている。冷媒は、矢印４１に示すように、フィン部４ｂ，３ｂの面積最大面が延びる方向に沿って流れる。溶接ビード２５は、フィン部３ｂまたはフィン部４ｂの面積最大面とほぼ垂直な方向に延びるように形成されている。

本実施の形態においては、溶接ビードのベース部から突出する部分を乱流促進体として用いている。本実施の形態においては、冷媒が溶接ビード部の形成されている領域を流れることにより冷媒の流れが乱される。この結果、それぞれのフィン部の表面に生じる境界層流の発生を抑制して冷却効果が向上する。

本実施の形態においては、冷媒の流れる方向と溶接ビードの延びる方向とが直交するように形成されている。この構成を採用することにより、流れる冷媒を効果的に溶接ビードに衝突させて、より大きな冷媒の乱れを発生させることができる。この結果、冷却能力を向上させることができる。

その他の構成、作用および効果については実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

実施の形態１における放熱機器の概略斜視図である。 実施の形態１における放熱機器の概略平面図である。 実施の形態１における放熱機器の概略分解斜視図である。 実施の形態２における放熱機器の概略斜視図である。 実施の形態２における放熱機器の概略平面図である。 実施の形態２における放熱機器の概略分解斜視図である。

符号の説明

１ ヒートシンク、１ａ ベース部、１ｂ フィン部、１ｃ 挿入穴、２ ヒートシンク、２ａ ベース部、２ｂ フィン部、２ｃ 挿入穴、３ ヒートシンク、３ａ ベース部、３ｂ フィン部、４ ヒートシンク、４ａ ベース部、４ｂ フィン部、１１ 固定部材、２１，２３ 伝熱板、２１ａ 挿入穴、２２ 発熱体、２５ 溶接ビード、３１，３２ 中心軸、４１〜４３ 矢印。

Claims (6)

1. 放熱を行なうためのヒートシンクと、
   前記ヒートシンクを他の部材に固定するための固定部材と
   を備え、
   前記ヒートシンクは、蓄熱部と、
   前記蓄熱部に固定され、前記蓄熱部から一の方向に突出するように形成されている放熱部と
   を含み、
   前記放熱部は、板状に形成され、
   前記固定部材は、棒状に形成され、前記蓄熱部を貫通するように配置され、前記蓄熱部の表面から前記一の方向に突出するように形成されている、放熱機器。
2. 複数の前記放熱部を備え、
   前記固定部材は、前記放熱部同士に挟まれることにより形成される流路の中心軸の延長上に配置されている、請求項１に記載の放熱機器。
3. 前記蓄熱部および前記放熱部は一の部材により形成されている、請求項１または２に記載の放熱機器。
4. 第１ヒートシンクと、
   前記第１ヒートシンクに溶接により固定されている第２ヒートシンクと
   を備え、
   前記第１ヒートシンクは、第１蓄熱部と、
   前記第１蓄熱部に固定され、前記第１蓄熱部から一の方向に突出するように形成されている第１放熱部と
   を含み、
   前記第２ヒートシンクは、第２蓄熱部と、
   前記第２蓄熱部に固定され、前記第２蓄熱部から一の方向に突出するように形成されている第２放熱部と
   を含み、
   前記第１放熱部および前記第２放熱部は、それぞれが板状に形成され、
   前記第１蓄熱部と前記第２蓄熱部とが溶接により接合され、
   前記第１蓄熱部と前記第２蓄熱部との間には溶接ビードが形成され、
   前記溶接ビードは、前記第１蓄熱部および前記第２蓄熱部の表面から前記一の方向に突出するように形成されている、放熱機器。
5. 前記溶接ビードは、線状に形成され、
   前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは、前記第１放熱部の延びる方向と前記第２放熱部の延びる方向とが略平行になるように配置され、
   前記溶接ビードは、前記第１放熱部の延びる方向とほぼ垂直な方向に延びるように形成されている、請求項４に記載の放熱機器。
6. 前記第１蓄熱部と前記第１放熱部とは一の部材により形成され、
   前記第２蓄熱部と前記第２放熱部とは一の部材により形成されている、請求項４または５に記載の放熱機器。

Images