JP2010093034A - 電子部品の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突起による圧力損失を軽減することができ、且つ冷却したい部位の放熱性を向上することが可能な電子部品の冷却装置の提供にある。
【解決手段】ベース部１１と、該ベース部１１に立設されたフィン１２と、該フィン１２に対しベース部１１と反対側に設けられた上壁部１３とにより形成される冷媒の放熱流路１６を備え、上壁部１３に搭載される発熱素子２０の冷却を行う電子部品の冷却装置１０であって、フィン１２はベース部１１の冷媒が流れる経路１７上に間隔１５をあけて複数配置されると共に、間隔１５内におけるベース部１１には冷媒の流れる方向を変える突起１８を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電子部品の冷却装置に関するものである。

特許文献１で開示された従来技術においては、ベース部の上面に多数枚の平板状フィンが立設して一体化されたヒートシンクが開示されている。
平板状フィンの少なくとも一方の面に、隣接する平板状フィンに当接して平板状フィン同士の間隔を規定する突起が設けられている。突起は一方の面の上下左右の４箇所に形成されている。平板状フィンは平行に配列された状態でその下端部を、ベース部の上部に形成された凹部内に配設されて、半田により立設状態で固着されている。
ヒートシンクは、ヒートシンクのベース部に発熱素子を熱授受可能に接触させて、フィンを外気に曝した状態で使用される。従って、発熱素子で発生した熱がベース部に伝達され、さらにベース部から各フィンに伝達される。この時、例えば、フィン間の冷媒の流路に導入された冷却風によって、各フィンに伝達された熱が効率よく放散されて、その結果、発熱素子が間接的に冷却され、発熱素子の温度上昇を防止できるとしている。
特開平２００２−２５２４８６号公報（第３〜４頁、図１）

しかし、特許文献１で開示されたヒートシンクにおいて、フィン間の冷媒の流路に突起が設けられているので、流路に導入された冷却風は突起による通風抵抗のため圧力損失が大となる。冷却風の圧力損失が大となると、各フィンに伝達された熱が効率よく放散されなくなり、発熱素子の冷却効率が低下してしまう問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、突起による圧力損失を軽減することができ、且つ冷却したい部位の放熱性を向上することが可能な電子部品の冷却装置の提供にある。

上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、ベース部と、該ベース部に立設されたフィンと、該フィンに対し前記ベース部と反対側に設けられた上壁部とにより形成される冷媒の放熱流路を備え、前記ベース部または前記上壁部に搭載される発熱素子の冷却を行う電子部品の冷却装置であって、前記フィンは前記ベース部の冷媒が流れる経路上に間隔をあけて複数配置されると共に、前記間隔内における前記ベース部または前記上壁部には冷媒の流れる方向を変える突起を設けたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、冷媒の流れる経路上に配置されるフィン間に形成される間隔内に冷媒の流れる方向を変える突起が設けられているので、断面積が小さい冷媒の放熱流路内に突起を設ける場合と比較して、経路上を流れる冷媒の流れ方向の圧力損失を軽減することができる。また、突起によって経路を流れる冷媒の流れ方向を、例えば、突起より下流側にありベース部または上壁部に搭載される発熱素子に向かう方向に変更可能であり、発熱素子の放熱性の向上を図れる。なお、経路とは冷媒の流れる通路の全体を指し、放熱流路とは、そのうちベース部とフィンと上壁部とで囲まれた領域を指している。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電子部品の冷却装置において、前記冷媒の放熱流路は並行して複数設けられており、前記突起は前記冷媒の放熱流路に対して交差する方向に延在していることを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、冷媒の放熱流路は並行して複数設けられているので、ベース部上には冷媒の流れる経路が複数形成されており、突起は冷媒の放熱流路に対して交差する方向に延在しているので、複数形成された経路上のそれぞれにおいて、間隔内に突起が設けられていることになる。従って、請求項１と同等の効果を得ることが可能な複数の経路が形成されていることにより、発熱素子に対する冷却効果を高めることが可能である。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の電子部品の冷却装置において、前記突起は、前記間隔における前記ベース部または前記上壁部の全面に渡り形成されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、突起は間隔におけるベース部または上壁部の全面に渡り形成されているので、一部に形成されている場合と比較して、間隔内における経路上を流れる冷媒の流れをスムースに制御可能である。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子部品の冷却装置において、前記突起は、流線型に形成されていることを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、突起は流線型に形成されているので、冷媒の流れが突起に衝突することによる渦の発生と抵抗の増大とを抑制することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子部品の冷却装置において、前記突起は、前記フィンの端部に当接して設けられていることを特徴とする。
請求項５記載の発明によれば、突起はフィンの端部に当接して設けられているので、突起にフィンを当接させることにより、ベース部または上壁部にフィンを固定する際にフィンの位置決めを確実に行うことができる。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子部品の冷却装置において、前記突起は、前記ベース部または前記上壁部にプレス成形により形成されていることを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、突起はプレス成形によりベース部または上壁部に一体形成されているので、突起を別部品として設定する必要がなく、部品点数及びコストの低減が可能である。

請求項７記載の発明は、請求項１に記載の電子部品の冷却装置において、前記突起は、前記各フィンの冷媒が流れる上流側に設けられていることを特徴とする。
請求項７記載の発明によれば、各フィンの冷媒が流れる上流側に設けられた突起によって、突起より下流側にありベース部または上壁部に搭載される発熱素子の放熱性を一層向上可能である。

本発明によれば、冷媒の経路上に間隔をあけてフィンを配設し、間隔内に突起を設けることにより、突起による冷媒の圧力損失を軽減することができ、また、突起によって冷媒の流れ方向を変更し放熱性の向上を図ることが可能である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る電子部品の冷却装置について、図１〜図５に基づいて説明する。
図１及び図３に示すように、電子部品の冷却装置１０は基台としてのベース部１１と、ベース部１１上に立設された平板状のフィン１２と、フィン１２に対しベース部１１と反対側に設けられた上壁部１３とを備えている。
図１に示すように、冷媒Ｃの流れ方向と並行に複数枚のフィン１２が設けられ、また、フィン１２は冷媒Ｃの流れ方向と同一方向に複数に分割して設けられている。並列方向に複数枚のフィン１２により形成される群をフィン群１４とすれば、２つのフィン群１４ａ、１４ｂ間に間隔１５が設けられている。なお、図１では、６枚のフィン１２で構成されたフィン群１４ａ、１４ｂを間隔１５をあけて２段設けた例を示している。

フィン１２に対しベース部１１と反対側には上壁部１３が設けられている。
ベース部１１と各フィン１２と上壁部１３とによって囲まれた領域には、冷媒の放熱流路１６が形成されている。冷媒の放熱流路１６は並行して複数形成されている。
図１に示すように、上流側の１段目のフィン群１４ａ間に形成される冷媒の放熱流路１６ａに流入された冷媒Ｃは、１段目のフィン群１４ａを通過した後、間隔１５内を通過し、その後、下流側の２段目のフィン群１４ｂ間に形成される冷媒の放熱流路１６ｂに流入される。このように、１段目のフィン群１４ａから２段目のフィン群１４ｂに至る冷媒の流れる通路全体を経路１７とすれば、放熱流路１６ａ、１６ｂは経路１７上におけるベース部１１とフィン１２と上壁部１３とによって囲まれた領域を指している。また、経路１７はベース部１１上に並行して複数（この実施形態では、５個）設けられていることになる。

間隔１５内におけるベース部１１上には冷媒の流れる方向を変える流線型の突起１８が設けられている。突起１８は、間隔１５内におけるベース部１１の全面に渡り形成されている。また、突起１８は、冷媒の放熱流路１６及び経路１７に対して直角に交差する方向に延在して設けられている。図２に示すように、突起１８は断面半月状の蒲鉾形をしており、その表面が流線型となっている。突起１８はベース部１１に固着されている。
また、突起１８の上流側と下流側の端部には、垂直な当接面１８ａが形成されている。各フィン１２をベース部１１に接合する際には、この当接面１８ａに上流側のフィン１２及び下流側のフィン１２を当接させることにより、フィン１２の位置決めが行われる。

上壁部１３の上面には、パワー素子などの発熱素子２０が基板１９を介して搭載されている。発熱素子２０はフィン１２が立設されたその上部に取り付けられている。
ベース部１１、フィン１２、上壁部１３及び突起１８はアルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属部材が用いられている。また、ベース部１１とフィン１２との接合部及び、フィン１２と上壁部１３との接合部は、ロウ付けにより接合されている。
図３に矢印で示すように、１段目のフィン１２間の冷媒の放熱流路１６ａに流入した冷媒Ｃは、冷媒の経路１７上を下流側に向けて流れ、間隔１５内に設けられた突起１８によって流れ方向が変更されて、２段目のフィン１２間の冷媒の放熱流路１６ｂに流入し発熱素子２０の搭載部位直下を集中的に冷却する。

次に、上記構成を有する電子部品の冷却装置１０について作用説明を行う。
発熱素子２０で発生した熱は、基板１９を介して上壁部１３に伝達され、上壁部１３と接続された各フィン１２に伝達される。そして、各フィン１２に伝達された熱はその一部がベース部１１にも伝達される。
ベース部１１と各フィン１２と上壁部１３とによって囲まれた領域に冷媒の放熱流路１６が形成されているので、冷媒の放熱流路１６に流入する冷媒Ｃによって、各フィン１２、上壁部１３及びベース部１１に伝達された熱が効率良く放熱される。

１段目のフィン群１４ａ内の冷媒の放熱流路１６ａに流入した冷媒Ｃは、上記の如く各フィン１２、上壁部１３及びベース部１１に伝達された熱を放熱させる。
１段目のフィン群１４ａを通過した冷媒Ｃは、１段目と２段目の間に設けられた間隔１５を通過するとき、間隔１５内に設けられた突起１８により、経路１７を流れる冷媒の流れ方向が変更される。また、その一部は間隔１５内の隣接する経路１７側に流出する。
冷媒Ｃは突起１８に衝突することによって若干の圧力損失が発生するが、経路１７上に間隔１５が設けられ突起１８の表面形状が流線型とされていることにより、経路１７上を流れる冷媒の流れ方向の圧力損失を軽減することができる。

この時、図３に示すように、上流側の冷媒の放熱流路１６ａ内を通過した冷媒Ｃは、流線型の突起１８に衝突することにより流れ方向が上向きに変更される。流れ方向が上向きに変更された冷媒Ｃは、次に２段目のフィン群１４ｂ内の冷媒の放熱流路１６ｂに流入し、発熱素子２０の搭載部位直下の上壁部１３に当たり、発熱素子２０の搭載部位直下を集中的に冷却させる。同時に、各フィン１２、上壁部１３及びベース部１１に伝達された熱を幅広く放熱させる。２段目のフィン群１４ｂを通過した冷媒Ｃは、これに続く図示しない後段の間隔を通過した後、さらに次の段のフィン群に流入し、上記動作が繰り返し行われる。そして、最終段のフィン群を通過した後、冷媒Ｃは外部に放出される。

このようにフィン群１４ａ、１４ｂ間に間隔１５が形成されているので、経路１７上にフィン群１４が多段形成されている場合であっても、冷媒Ｃを下流側まで圧力損失を少なくして流通させることができる。
また、間隔１５に設けられた突起１８により、冷媒Ｃの流れ方向が変更されて、突起１８より下流側にあり温度の最も高い発熱素子２０の搭載部位直下を集中的に直接冷却可能であり、発熱素子２０の放熱性の向上を図れる。
そして、ベース部１１に並設された複数のフィン１２により、冷媒Ｃの流れる経路１７が複数形成されているので、冷媒Ｃとの接触面積を増大することができ、各フィン１２に伝達された熱を効率良く放熱することができる。

次に、フィン１２間に形成される間隔１５内に突起１８を設けた場合の効果をシミュレーションモデルに基づき説明する。
図４（ａ）は、第１の実施形態に近似して設定したシミュレーションモデル（実施モデル）を示している。ベース部１１上にはフィン１２が４段に分割して設けられ、隣接するフィン１２間には間隔１５が形成されている。フィン１２の上部は上壁部１３により覆われており、間隔１５には突起２１が上下２箇所に設けられている。そして、上壁部１３の全面に渡り所定の温度の発熱面（斜線で表示）があるとして、左方向より所定の条件の冷媒Ｃが導入された場合のシミュレーション結果を図５（ａ）、（ｂ）に示している。
なお、図４（ｂ）は、間隔１５内に突起２１を設けない場合の比較モデルを示している。

図５（ａ）に示すグラフは、発熱面の温度分布を表しており、実線で示す特性は図４（ａ）の突起あり（実施モデル）の場合を示し、破線で示す特性は図４（ｂ）の突起なし（比較モデル）の場合を示している。なお、両モデルとも同一条件で冷媒Ｃを流すものとする。
突起ありの場合が、突起なしの場合より全体的に発熱面の温度が低くなっており、発熱面の冷却効果が大きくなっている。特に、突起ありの場合には間隔直後の領域の温度が他の領域と比べて低くなっている。
なお、上流側より下流側に至るにしたがい、発熱面の温度が上昇しているが、これは冷媒Ｃの圧力損失が増えているためである。

図５（ｂ）に示す表は、経路上を流れる冷媒の圧力損失を示している。まず、突起の有無を除き同一条件で冷媒Ｃを同一流速で流した場合には、突起ありの場合の圧力損失は１７１０パスカル（略して、ｐａ．）となり、突起なしの場合の圧力損失は１６５２ｐａ．となり、差圧（突起ありの圧力損失−突起なしの圧力損失）は＋４８ｐａ．となる。
ところで、図５（ａ）で説明したように、突起ありの場合の温度が突起なしの場合の温度より低くなっており、突起なしの場合に突起ありの場合と同等の冷却効果を出そうとすると、冷媒Ｃの流速を約１０％速くする必要があり、この場合の圧力損失は１８７２ｐａに増加する。従って、この時、差圧は−１６２ｐａ．となり、突起ありの場合と比較して突起なしの場合には、圧力損失が増大してしまう。このように、突起ありの場合の方が突起なしの場合と比較して、冷媒Ｃの流速を上げることなく冷却効果を高めることができ、圧力損失も低く抑えることができる。

この第１の実施形態に係る電子部品の冷却装置１０によれば以下の効果を奏する。
（１）冷媒の流れる経路１７上に複数配置されたフィン群１４間に形成される流路断面積の大きい間隔１５内に冷媒の流れる方向を変える突起１８が設けられているので、流路断面積の小さい冷媒の放熱流路１６内に突起１８を設ける場合と比較して、経路１７上を流れる冷媒の流れ方向の圧力損失を軽減することができる。また、間隔１５に設けられた突起１８により、冷媒Ｃの流れ方向が変更されて、突起１８より下流側にあり温度の最も高い発熱素子２０の搭載部位直下を集中的に直接冷却可能であり、発熱素子２０の放熱性の向上を図れる。
（２）複数のフィン１２により構成されるフィン群１４間に流路断面積の大きい間隔１５が形成されているので、経路１７上にフィン群１４が多段形成されている場合であっても、冷媒Ｃを下流側まで圧力損失を少なくして流通させることができる。また、ベース部１１に並設された複数のフィン１２により、冷媒Ｃの流れる経路１７が複数形成されているので、冷媒Ｃとの接触面積を増大することができ、各フィン１２に伝達された熱を効率良く放熱することができる。
（３）突起１８は間隔１５におけるベース部１１の全面に渡り形成され、流線型に形成されているので、冷媒の流れが突起１８に衝突することによる渦の発生と抵抗の増大とを抑制することができると共に、間隔１５内における経路１７上を流れる冷媒の流れをスムースに制御可能である。
（４）突起１８の上流側と下流側の端部には、垂直な当接面１８ａが形成されている。各フィン１２をベース部１１に接合する際には、この当接面１８ａに上流側のフィン１２及び下流側のフィン１２を当接させることにより、フィン１２の位置決めを確実に行うことができる。
（５）突起１８は、冷媒の放熱流路１６及び経路１７に対して直角に交差する方向に延在して設けられているので、それぞれの放熱流路１６及び経路１７に対して個別に突起１８を設ける必要がなく、取り付け構造を簡略化できる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る電子部品の冷却装置３０を図６に基づいて説明する。
この実施形態は、第１の実施形態における突起１８の形状と発熱素子２０の搭載形態を変更したものであり、その他の構成は共通である。
従って、ここでは説明の便宜上、先の説明で用いた符号を一部共通して用い、共通する構成についてはその説明を省略し、変更した個所のみ説明を行う。

図６に示すように、ベース部３１上にはフィン３２が３段に分割して設けられ、隣接するフィン３２間には間隔３３が形成されている。フィン３２の上部は上壁部３４により覆われており、間隔３３内には突起３５が設けられている。なお、突起３５はベース部３１にプレス成形により一体形成され、上に凸の台形形状をしている。この突起３５に上流側のフィン３２及び下流側のフィン３２を当接させることにより、フィン３２の位置決めが行われる。

上壁部３４の上面には、発熱素子３６を取り付けたＤＢＡ基板３７が搭載されている。ＤＢＡ基板３７は、セラミック基板の両面にエッチング処理により金属層を形成させたものである。ＤＢＡ基板３７上の表面側の金属層には、２個の発熱素子３６が半田を介して接合されている。また、ＤＢＡ基板３７の裏面側の金属層は、フィン３２が立設されたその上部の上壁部３４上に半田を介して接合されている。ＤＢＡ基板３７は経路３９上に分割配置された３個のフィン３２の上部にそれぞれ設けられている。

発熱素子３６で発生した熱は、ＤＢＡ基板３７を介して上壁部３４に伝達され、上壁部３４と接続された各フィン３２に伝達される。１段目のフィン３２内の冷媒の放熱流路３８ａに流入する冷媒Ｃによって、フィン３２に伝達された熱が放熱される。１段目のフィン３２を通過した冷媒Ｃは、１段目と２段目の間に設けられた間隔３３を通過するとき、間隔３３内に設けられた台形形状の突起３５に衝突することにより流れ方向が上向きに変更される。流れ方向が上向きに変更された冷媒Ｃは、次に２段目のフィン３２内の冷媒の放熱流路３８ｂに流入し、発熱素子３６の搭載部位直下の上壁部３４に当たり、発熱素子３６の搭載部位直下を集中的に冷却する。２段目のフィン３２を通過した冷媒Ｃは、２段目と３段目の間に設けられた間隔３３を通過するとき、間隔３３内に設けられ突起３５に衝突し流れ方向を上向きに変更される。そして、３段目のフィン３２内の冷媒の放熱流路３８ｃに流入し、発熱素子３６の搭載部位直下の上壁部３４に当たり、発熱素子３６の搭載部位直下を集中的に冷却する。

このように、間隔３３内に設けられ突起３５により、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。特に、発熱素子３６が搭載されたＤＢＡ基板３７に対応するその下部にフィン３２をそれぞれ設けることにより、発熱素子３６の冷却を効率よく行うことができる。また、突起３５はプレス成形によりベース部３１に一体形成されているので、突起３５を別部品として設定する必要がなく、部品点数及びコストの低減が可能である。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○ 第１、第２の実施形態では、間隔１５、３３内に設けられる突起１８、３５を一体物として説明したが、図７に示すように、突起４０を２つ用いた形状とし、一方の突起４０ａを上流側のフィン１２に当接するように上壁部１３に配置し、他方の突起４０ｂを下流側のフィン１２に当接するようにベース部１１に配置しても良い。このように、突起４０ａ、４０ｂを間隔１５内にて対角線上に配置しても良いし、突起４０ａ、４０ｂをベース部１１又は上壁部１３のどちらか一方のみに配置しても良い。突起４０ａ、４０ｂの配置により経路上を流れる冷媒Ｃの流れ方向を任意に変更可能である。
○ 第１の実施形態では、フィン群１４を複数のフィン１２で構成されるとして説明したが、フィン群を一枚の波板で形成しても良い。
○ 第１、第２の実施形態では、上壁部１３、３４上に発熱素子２０、３６を搭載するとして説明したが、ベース部１１、３１上に発熱素子を搭載しても良い。この場合には、突起は上壁部側に設けられる。
○ 冷却装置に用いられる冷媒Ｃとして空気を用いても良いし、水を用いても良い。
○ 第１、第２の実施形態では、間隔１５、３３内に突起１８、３５を設けるとして説明したが、間隔１５、３３内のみならず、１段目のフィン１２、３２の上流側の先端部に突起１８、３５を設けても良い。この場合には、１段目のフィン１２、３２の上部にある発熱素子２０、３６の放熱性を一層向上可能である。

第１の実施形態に係る冷却装置の全体構成を示す斜視図である。 図１の冷却装置の部分斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態に係る冷却装置のシミュレーションモデルを示す模式図である。（ａ）突起あり（実施モデル）の場合のモデル、（ｂ）突起なし（比較モデル）の場合のモデル。 第１の実施形態に係る冷却装置のシミュレーションモデルによるシミュレーション結果を示す。（ａ）温度分布を示す、（ｂ）圧力損失を示す。 第２の実施形態に係る冷却装置の全体構成を示す断面図である。 その他の実施形態に係る冷却装置の全体構成を示す断面図である。

符号の説明

１０、３０ 冷却装置
１１、３１ ベース部
１２、３２ フィン
１３、３４ 上壁部
１５、３３ 間隔
１６（１６ａ，１６ｂ）、３８（３８ａ，３８ｂ，３８ｃ） 冷媒の放熱流路
１７、３９ 冷媒の経路
１８、３５ 突起
１９、３７ 基板
２０、３６ 発熱素子
Ｃ 冷媒

Claims (7)

1. ベース部と、該ベース部に立設されたフィンと、該フィンに対し前記ベース部と反対側に設けられた上壁部とにより形成される冷媒の放熱流路を備え、前記ベース部または前記上壁部に搭載される発熱素子の冷却を行う電子部品の冷却装置であって、
   前記フィンは前記ベース部の冷媒が流れる経路上に間隔をあけて複数配置されると共に、前記間隔内における前記ベース部または前記上壁部には冷媒の流れる方向を変える突起を設けたことを特徴とする電子部品の冷却装置。
2. 前記冷媒の放熱流路は並行して複数設けられており、前記突起は前記冷媒の放熱流路に対して交差する方向に延在していることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却装置。
3. 前記突起は、前記間隔における前記ベース部または前記上壁部の全面に渡り形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子部品の冷却装置。
4. 前記突起は、流線型に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子部品の冷却装置。
5. 前記突起は、前記フィンの端部に当接して設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子部品の冷却装置。
6. 前記突起は、前記ベース部または前記上壁部にプレス成形により形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子部品の冷却装置。
7. 前記突起は、前記各フィンの冷媒が流れる上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却装置。