JP2011134978A - 流体冷却式ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】流体冷却式ヒートシンクより更なる熱伝達率の向上を図り、発熱体の温度上昇をより一層抑えることのできる流体冷却式ヒートシンクを提供する。
【解決手段】熱伝導性材で構成され、発熱体と結合される平板状のヒートシンク本体を備え、このヒートシンク本体の内部に、冷却流体の流入する流入ヘッダー部と、冷却流体の流出する流出ヘッダー部と、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却流体通流路を形成し、前記両ヘッダー部の間を前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路により連通してなる流体冷却式ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路の途中にこの通流路内の冷却流体の流れを攪乱する攪乱手段を設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、電力用半導体素子等の発熱体を冷却するためにこれに結合して使用する流体冷却式ヒートシンクに関する。

電力変換装置等に使用される半導体素子および半導体素子を複合して構成したモジュール形半導体素子は、大容量化および高速化されることにより大きな損失熱を発生するが、素子の信頼性を高めるためおよび寿命を長くするために素子の温度上昇を抑えて所定温度以内に保つ必要がある。

このため、一般に、半導体素子またはモジュール形半導体素子等の発熱体に、冷却流体で冷却するようにした流体冷却式ヒートシンクを結合して素子を冷却するようにしている。

図５は、特許文献１等でから知られている流体冷却式ヒートシンクの従来例を示すものである。この図において、（ａ）は、発熱体となるモジュール形半導体素子５０に取り付けた状態のヒートシンク６０の斜視図であり、（ｂ）は、ヒートシンク６０の平面断面図である。

ヒートシンク６０は、銅やアルミニウム等の高熱伝導性材で構成された本体６１とこの本体を閉塞するカバー６９から構成される。ヒートシンク本体６１は、その表面にモジュール形半導体素子５０等の発熱体が結合され、裏面にカバー６９を結合することによって内部に閉鎖された空所を形成する筐体を構成する。ヒートシンク本体６１の裏面には、図５（ｂ）に示すように複数の放熱フィン６２が突出して形成されている。各フィン６２は、互いに適宜の間隔離して平行に配置されており、これらのフィンの間に、冷却流体通流路６３が形成される。そして、冷却流体通流路６３の両端にこれらの冷却流体通流路６３と連通する冷却流体の流入ヘッダー６４および流出ヘッダー６５が設けられている。ヘッダー６４，６５には、それぞれの一端に外部から冷却流体を供給するための冷却流体入口６４ａおよび冷却流体を外部へ排出する冷却流体出口６５ａが設けられている。

外部の図示しない冷却装置で冷却された流体が冷却流体入口６４ａを通してヒートシンク６０に供給される。ヒートシンク６０に供給された冷却流体は、図５（ｂ）に実線矢印で示すように流入ヘッダー６４から放熱フィン間に形成された各通流路６３に分散して通流し、再び流出ヘッダー６５に集められて冷却流体出口６５ａから排出され、冷却装置へ戻される。

発熱体（モジュール形半導体素子）５０の発生する熱は、ヒートシンク本体６１から複数の放熱フィン６２に拡散されて冷却流体通流路６３を通流する冷却流体へ伝達されることにより良好に放熱される。

このような放熱フィン付のヒートシンクによれば、放熱フィンによりヒートシンク本体６１の冷却流体との熱交換面積（Ａ）が１０〜５０倍程度に拡大されるため、次の（１）式で示されるようにヒートシンク本体６１の熱抵抗Ｒを大幅に低減することができる。これにより、（２）式で示されるように発熱体５０の温度上昇ΔＴを低く抑えることができる。

Ｒ＝１／（ｈ×Ａ×η） ・・・（１）
ΔＴ＝Ｒ×Ｑ ・・・（２）
（１）、（２）式において、Ｒ：熱抵抗（Ｋ／Ｗ）、ｈ：熱伝達率(Ｗ／ｍ²Ｋ)、Ａ：熱交換面積（ｍ²）、η：フィン効率、ΔＴ：発熱体温度上昇（Ｋ）、Ｑ：発熱体の発生熱（Ｗ）である。

このような流体冷却式ヒートシンクにおいては、一般に放熱面積を拡大するために放熱フィンの間隔を狭くして放熱フィンの個数を多くするが、フィン間隔が狭くなると、フィン間に形成される冷却流体の通流路の幅が狭くなる。冷却流体通流路の幅が狭くなると、レイノルズ数が小さくなり、冷却流体通流路を通流する冷却流体が層流となって流れるようになるため、ヒートシンクから冷却流体への熱伝達率ｈが低下し、熱抵抗Ｒが増大するので、発熱体の温度上昇を抑えることができなくなる不都合がある。

このような不都合を改善するために、特許文献２では、図６に示すように、間隔の狭い複数の冷却流体通流路６３を形成する放熱フィン６２の流体通流方向の途中で一部を切欠いて、冷却流体通流路相互を連通する連通路６６を形成することが提案されている。このようなヒートシンクによれば、各冷却流体通流路６３を通流する冷却流体が連通路６６により相互に混合されることにより冷却流体通流路６３を通流する冷却流体の流れに乱流が生じ、ヒートシンクから冷却流体への熱伝達率を向上させることができる。

特開２００１−３６２０２５号公報 特開２００７−３３５５８８号公報

このように、図６に示す従来の流体冷却式ヒートシンクも熱伝達率を向上できるが、この発明は、この従来の流体冷却式ヒートシンクより更なる熱伝達率の向上を図り、発熱体の温度上昇をより一層抑えることのできる流体冷却式ヒートシンクを提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、高熱伝導性材で構成され、発熱体と結合される平板状のヒートシンク本体を備え、このヒートシンク本体の内部に、冷却流体の流入する流入ヘッダー部と、冷却流体の流出する流出ヘッダー部と、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却流体通流路を形成し、前記両ヘッダー部の間を前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路により連通してなる流体冷却式ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路の途中にこの通流路内の冷却流体の流れを攪乱する攪乱手段を設けたことを特徴とするものである。

この発明においては、前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路の前記攪乱手段の設けられた箇所で前記放熱フィンの一部を切欠いて前記冷却流体通流路を相互に連通する連通路を形成するのがよい。

また、前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路に前記攪乱手段を冷却流体の通流方向に適宜の間隔離して複数設けるとともに。各攪乱手段の高さを冷却流体通流路の出口側に向うにしたがって高くすることができる。

さらに、前記連通路は、前記ヒートシンク本体に結合された複数の発熱体の相互間の間隙部に対応する位置に設けるのがよい。

この発明は、高熱伝導性材で構成され、発熱体と結合される平板状のヒートシンク本体を備え、このヒートシンク本体の内部に、冷却流体の流入する流入ヘッダー部と、冷却流体の流出する流出ヘッダー部と、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却流体通流路を形成し、前記両ヘッダー部の間を前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路により連通してなる流体冷却式ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路の途中にこの通流路内の冷却流体の流れを攪乱する攪乱手段を設けるようにしたので、放熱フィン間に形成された冷却流体通流路を通流する冷却流体は、層流となって通流していても、通流路の途中で攪乱手段により流れが攪乱されて乱流となって流れるため、各放熱フィンから冷却流体への熱伝達率を向上させることができる。これにより、ヒートシンクの熱抵抗が低下し、ヒートシンクに結合された発熱体の温度上昇を低く抑えることができる。

この発明の第１の実施例による流体冷却式ヒートシンクの構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は立面図、（ｃ）は側面図である。 図１に示すこの発明の流体冷却式ヒートシンクの断面構成を示すもので、（ａ）は図１におけるIIａ‐IIａ線に沿う平面断面図、（ｂ）は図１におけるIIｂ‐IIｂ線に沿う立面断面図、（ｃ）は図１におけるIIｃ‐IIｃ線に沿う側面断面図である。 この発明の流体冷却式ヒートシンクの作用説明図である。 この発明の第２の実施例による流体冷却式ヒートシンクの断面構成図である。 従来の流体冷却式ヒートシンクを示す構成図であり、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は平面断面図である。 他の従来の流体冷却式ヒートシンクを示す平面断面図である。

次に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１および図２は、この発明の第１の実施例を示すものである。図１はこの発明の実施例１の流体冷却式ヒートシンクの外観の構成を示すもので、図２は、断面構成を示すものである。

これらの図において、１１〜１４は、銅やアルミニウムのような高熱伝導性材で構成された平板状に構成されたヒートシンク２０の表面に、適宜の間隔をおいて並列に並べて結合されたモジュール形半導体素子等の発熱体である。ヒートシンク２０は、裏面をカバー２９で閉塞されたヒートシンク本体２１の両端にそれぞれ冷却流体の流入する流入ヘッダー２４と流出する流出ヘッダー２５が結合されている。流入ヘッダー２４および流出ヘッダー２５にはそれぞれ冷却流体流入口２４ａおよび流出口２５ａが設けられている。

さらに、ヒートシンク本体２１の裏面側には、図２に示すように複数の放熱フィン２２が互いに所定の間隔をおいて平行に突設され、フィン間に前記流入ヘッダー２４および流出ヘッダー２５に連通する複数の冷却流体通流路２３が形成されている。そして、ヒートシンク本体２１の裏面をカバー２９で閉塞することにより、通流路２３の下端開口が閉じられる。

放熱フィン２２には、ヒートシンク本体２１の表面に並置結合した発熱体１１〜１４間の間隙１９の直下の位置にそれぞれ部分的に切欠きを設けている。これらの切欠きが複数の放熱フィン２２間に形成された複数の冷却流体通流路２３を相互に連通する連通路２６を形成する。そして冷却流体通流路２３のそれぞれの底部には、図２（ｂ）に示すように、連通路２６の延長上の位置に、通流路２３の高さＨの１／３Ｈ程度の高さの突起を設け、通流路２３を通流する流体の流れを攪乱するための攪乱手段２７としている。

このように、この発明は、このようにシートシンク本体２１の内部に形成された冷却流体通流路２３の一部に流体の流れに対する攪乱手段２７を設けたところに特徴を有する。

このように構成されたヒートシンク２０において、外部の図示しない流体冷却装置から冷却流体流入口２４ａへ冷却流体を供給すると、冷却流体は、図２（ａ）に実線矢印で示すように、流入ヘッダー２４から複数の冷却流体通流路２３に分配され、各冷却流体通流路２３の中をそれぞれ放熱フィン２２と接しながら流出ヘッダー２５側へ流れる。そして冷却流体は各冷却流体通流路２３から流出ヘッダー２４に集められ、流出口２４ａから外部へ排出され、図示しない流体冷却装置へ戻される。また、各冷却流体通流路２３を通流する冷却流体は、通流路の途中に設けられた連通路２６を通して相互に混じり合いながら流れる。

冷却流体がこのようにヒートシンク本体２１内の冷却流体通流路２３を通流する過程で、ヒートシンク本体２１の表面に結合された発熱体１１から４の発生する熱をヒートシンク本体２１および放熱フィン２２を介して冷却する。複数の放熱フィン２２がヒートシンク本体２１から冷却流体への放熱面積を拡大することによりヒートシンクから冷却流体への熱伝達率を増大することができる。同時に、ヒートシンク本体２１の内部の複数の冷却流体通流路を通流する冷却流体が連通路２６によって相互に混合され、冷却流体の温度が全体で平均化されることにより、ヒートシンクの全面において冷却効果を均等にすることができる。

さらに、この発明おいては、各冷却流体通流路２３には連通路２６の設けられた部分に流体の流れを撹乱する撹乱手段２７を設けているので、通流路２３内を通流する冷却流体の流れが、この撹乱手段２７の設けられた個所で撹乱され乱流となる。このような通流路２３内を通流する冷却流体の乱流は、平面的には図３（ａ）に矢印で示すようになり、立面的には図３（ｂ）に矢印で示すようなる。このように冷却流体が乱流となって冷却流体通流路２３の中を通流することにより、放熱フィン２２と冷却流体との間の熱伝達率を高めることができるので、ヒートシンク２０の熱抵抗をさらに低減することが可能となる。また、乱流となった冷却流体が連通路２６を介して混じり合うことにより、全部の冷却流体通流路２３を流れる冷却流体の混合がより効率的に行われ、冷却流体の全体の温度をより均等化することができるので、ヒートシンク全体の冷却効果の均一性をより高めることができる。

また、放熱フィン２２を切り欠いて形成した連通路２６は、ヒートシンク本体２１の表面に並列に並べて配置した各発熱体１１〜１４の間の間隙１９の直下に設けているので、各発熱体のヒートシンクとの接合面の全面が放熱フィン２２の設けられた範囲内に置かれるため、発熱体の発生熱は放熱フィン２２を介して冷却流体通流路２３内を流れる冷却流体へ良好に伝達され、高い冷却効果を得ることができる。

図４は、この発明の第２の実施例を示すものである。この図は、図２（ｂ）と同じ位置で切断した実施例２のヒートシンクの平面断面図を示すものである。

この実施例２では、複数の放熱フィン２２の間に形成された冷却流体通流路２３に設けられる流体の流れに対する撹乱手段２７となる突起の高さを冷却流体の流れ方向の各位置で変え、図４に２７ａ、２７ｂ、２７ｃで示すように冷却流体通流路２３の入口側から出口側に向かって次第に高くなるようにしている。

これは、冷却流体通流路２３を通流する冷却流体が、出口側に行くにしたがって温度が高くなることにより冷却効果が低下するのを補うための手段である。すなわち、攪乱手段２７は高さが高いほど、冷却流体の流れを攪乱する効果が大きくなるので、通流路２３の出口側の攪乱手段ほどその高さを高くすることにより、通流路の出口側での攪乱効果を高めることができる。これにより、冷却流体通流路２３を通流する冷却流体が出口側でより大きな乱流となり、冷却流体の熱伝達率が高まり、冷却流体通流路２３の冷却効果を高めることができる。

１１〜１４、５０：発熱体（モジュール形半導体素子）
２０、６０：流体冷却式ヒートシンク
２１、６１：ヒートシンク本体
２２、６２：放熱フィン
２３、６３：冷却流体通流路
２４、６４：冷却流体流入ヘッダー
２５、６５：冷却流体流出ヘッダー
２６、６６：連通路
２７：流体の流れに対する攪乱手段
６９：カバー

Claims (4)

1. 熱伝導性材で構成され、発熱体と結合される平板状のヒートシンク本体を備え、このヒートシンク本体の内部に、冷却流体の流入する流入ヘッダー部と、冷却流体の流出する流出ヘッダー部と、所定の間隔で平行に配設した複数の放熱フィンにより形成された複数の冷却流体通流路を形成し、前記両ヘッダー部の間を前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路により連通してなる流体冷却式ヒートシンクにおいて、前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路の途中にこの通流路内の冷却流体の流れを攪乱する攪乱手段を設けたことを特徴とする流体冷却式ヒートシンク。
2. 前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路の前記攪乱手段の設けられた箇所で前記放熱フィンの一部を切欠いて前記冷却流体通流路を相互に連通する連通路を形成することを特徴とする請求項１記載の流体冷却式ヒートシンク。
3. 前記放熱フィンにより形成された冷却流体通流路に前記攪乱手段を冷却流体の通流方向に適宜の間隔離して複数設けるとともに。各攪乱手段の高さを冷却流体通流路の出口側に向うにしたがって高くすることを特徴とする請求項１または２に記載の流体冷却式ヒートシンク。
4. 前記連通路は、前記ヒートシンク本体に結合された複数の発熱体の相互間の間隙部に対応する位置に設けることを特徴とする請求項２または３に記載の流体冷却式ヒートシンク。

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