JP2012064732A - 水冷ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】水冷ヒートシンクにおいて冷却水の流路の途中でその幅や深さ等に変化をもたせることができる水冷ヒートシンクを提供する。
【解決手段】水冷ヒートシンクは、上蓋２と下蓋３を備えたヒートシンク本体１の内部に冷却水の流路４を形成し、流路４に冷却水を供給してヒートシンク本体１の外部に配置されている発熱体を冷却する。上蓋２と下蓋３の間に流路形成プレート５を介在させる。流路形成プレート５は、その上面側から下面側に貫通する長孔を備えていて、長孔で流路４を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンバーターやインバーター等の電力変換装置や高熱を発するＩＧＢＴ素子を含むパワーモジュールを使用したモータ制御装置等を冷却するための水冷ヒートシンクに関するものである。

水冷ヒートシンクは、ヒートシンク本体（筐体）の内部に冷却水の流路を形成し、該流路に冷却水を供給してヒートシンク本体の外部に配置されているＩＧＢＴ素子等の発熱体（被冷却部品）が発生する熱を吸収して冷却する。

水冷ヒートシンクには、ヒートシンク本体の内部にインナーフィンを組み込んで冷却水の流路を形成する方式のもの（例えば特許文献１、特許文献２）と、ヒートシンク本体の内面に流路を刳り貫いて冷却水の流路を形成する方式のもの（例えば特許文献３）が知られている。

前記インナーフィンを使用した水冷ヒートシンクにおいて、インナーフィンは、特許文献１の図４および特許文献２の図１等に示されているように、アルミ等の金属薄板を波形に折り曲げ、直線状の凸部と凹部が交互に並列に連続する波板状に形成されている。

また、前記ヒートシンク本体の内面を刳り貫いて冷却水の流路を形成する方式の水冷ヒートシンクにおいては、流路は、特許文献３の段落０００４、０００５、００１０、図２等に開示されているように、ヒートシンクベース本体の内面を刳り貫くことにより流路を形成している。ここで、流路を刳り貫くとは、上，下面を貫通させるという意味ではなく、底面を残した溝（非貫通穴）を形成するものであり、ヒートシンクベース本体に機械加工で削り出していた。

なお、図４はヒートシンク本体の内面に冷却水の流路を形成する方式の水冷ヒートシンクの他の従来例を示す分解斜視図である。ヒートシンク本体１１は、上蓋１２と下蓋１３からなっている。下蓋１３には、溝状の流路１４が形成されている。上蓋１２は、下蓋１３上に重ね合わせた状態で取り付けられて流路１４の上端を閉塞している。上蓋１２の一側部の一端には、流路１４の一端部に連通する給水口１５が設けられるとともに、他端部には排水口１６が設けられている。そして、給水口１５からヒートシンク本体１１内に供給された冷却水は、流路１４を通って排水口１６からヒートシンク本体１１外に排出される。上蓋１２の上面等にはＩＧＢＴ素子等の発熱体が取り付けられていて、該発熱体が発生する熱を、前記流路１４を流れる冷却水によって吸収、冷却する。

特開２００８−２３５７２５号公報（段落００１０〜００１６、図２〜４） 特開２００２−１７０９１５号公報（段落０００２、０００３、０００８〜００１０、図２、図５） 特開２００７−１３５２７９号公報（段落０００８〜段落００１０、図２）

ところで、前記ヒートシンク内にインナーフィンを組み込んで冷却水の流路を形成した水冷ヒートシンクと、ヒートシンクベース本体の内面を刳り貫いて流路を形成した水冷ヒートシンクには、それぞれ次に述べるような問題点があった。
（１）インナーフィンを使用した水冷ヒートシンクにおいては、上述したように、インナーフィンは、アルミ等の金属薄板を波形に折り曲げ、直線状の凸部と凹部が交互に並列に連続する波板状に形成されているため、これをそのままヒートシンク本体内に組み込んだだけでは、冷却水は前記凸部と凹部に沿って一方向にＩ字状（直線状）に流通する単パス型になる。

前記波板状のインナーフィンを使用して冷却効率を上げるためには、冷却水をＵ字状やＳ字状、蛇行状に流通させる複パス型にする必要がある。このためには、例えば、特許文献２に開示されているように、鍋型ケーシングの一側部の一端側と他端側に冷却水入口と冷却水出口を設け、これら冷却水入口と冷却水出口の間にバー材を配置するとともに、該バー材の両側にインナーフィンを配置し、冷却水入口から鍋型ケーシング内に導入した冷却水を一方のインナーフィンを通して鍋型ケーシング内の他側部に供給した後に反転させて他方のインナーフィンを介して冷却水出口から排出する構成（特許文献２の段落０００２，０００３、図５）或いは前記バー材に代えて複パス用の仕切部を取り付ける構成にしなければならなかった（特許文献１の段落００１２，００１３、図１〜３）。
（２）ヒートシンク本体の内面を刳り貫いて流路を形成した水冷ヒートシンクは、インナーフィンが不必要であるという利点がある反面、流路形成作業の効率が悪いという欠点があった。即ち、従来例において、流路は、底面を残した溝（非貫通穴）であり、従来は、ベースプレートに機械加工にて流路となる溝の削りだし加工を行なっていた。しかし、フライス盤では一様な流路しか形成することができなかった。そのため、発熱密度が均一でない場合は、最高発熱密度の箇所に合わせて流路断面（流速）を決定する必要があった。

本発明の目的は、インナーフィンを使用せず、しかも複雑な形状の流路の形成が容易で、発熱密度が均一でない場合でも容易に対応することのできる水冷ヒートシンクを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、流路の深さ（流路断面積）も必要に応じて容易に調節することのできる水冷ヒートシンクを提供することにある。

請求項１の発明は、上蓋と下蓋を備えたヒートシンク本体の内部に冷却水の流路を形成し、該流路に冷却水を供給して前記ヒートシンク本体の外部に配置されている発熱体を冷却する水冷ヒートシンクにおいて、
上面側から下面側に貫通する長孔を設けた流路形成プレートを、前記上蓋と下蓋との間に介在させて、前記流路形成プレートの長孔によって、前記上,下蓋の間に冷却水の流路を形成した。

請求項２の発明は、請求項１に記載の水冷ヒートシンクにおいて、前記流路の側面に凹凸部を形成した。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の水冷ヒートシンクにおいて、流路形成プレートと下蓋の間および／または流路形成プレートと上蓋の間に、貫通孔を設けた水深調節プレートを介在させ、該水深調節プレートに設けた貫通孔を前記流路形成プレートの流路に連通させた。

請求項４の発明は、請求項３に記載の水冷ヒートシンクにおいて、前記水深調節プレートに設けた貫通孔を、前記流路形成プレートに水深調節プレートを重ね合わせたときに前記流路形成プレートの流路に部分的に重なり合うように前記水深調節プレートに部分的に形成した。

請求項５の発明は、請求項３に記載の水冷ヒートシンクにおいて、前記水深調節プレートに設けた貫通孔を、前記流路形成プレートに水深調節プレートを重ね合わせたときに前記流路形成プレートの流路の全域に重なり合うように、前記流路形成プレートの流路と同形に形成した。

（１）請求項１の水冷ヒートシンクは、流路形成プレートに、その上面側から下面側に貫通する長孔を形成し、該長孔の下端側を下蓋で閉塞して流路を形成したので、機械加工で流路の削り出し加工（開削加工）を行なわなくても、通常のＮＣやレーザー加工機等により複雑な形状の流路でも容易に形成することができる。

従って、ヒートシンク本体に発熱量の異なる複数の発熱体が取り付けられている場合にも、発熱密度に応じて流路の幅（流路断面積）を設定し、発熱密度の高い箇所では冷却水の流速を早くし、発熱密度の低い箇所では冷却水の流速を遅くすることでヒートシンク全体の温度を均一化することができるとともに、ヒートシンクの必要流量を低減させることができる
（２）請求項２の水冷ヒートシンクは、前記流路の側面に凹凸部を形成したので、該凹凸部により冷却水の流れに蛇行や渦流等の乱流を発生させて冷却効果を向上させることができる。
（３）請求項３の水冷ヒートシンクは、流路形成プレートの流路と、水深調節プレートの貫通孔を重ね合わせることにより、流路の深さを増大させることができる。
（４）請求項４の水冷ヒートシンクは、水深調節プレートに貫通孔を、流路形成プレートの流路に対応する位置に部分的に形成して流路形成プレートの流路に重ね合わせる構成にしたので、前記貫通孔が設けられている部分における流路の深さと、貫通孔が設けられていない部分における流路の深さを部分的に変えて、冷却水の流速を変化させることができる。
（５）請求項５の水冷ヒートシンクは、水深調節プレートによって、流路全域を均一の深さにすることができる。そして、水深調節プレートを積み重ねることによって流路の深さを段階的に増大させることができる。

第１実施例の水冷ヒートシンクの分解斜視図。 第２実施例の水冷ヒートシンクの分解斜視図。 第３実施例の水冷ヒートシンクの分解斜視図。 従来例の分解斜視図。

図１は第１実施例の水冷ヒートシンクのヒートシンク本体の分解斜視図を示し、ヒートシンク本体１を構成する上蓋２と下蓋３の間に長孔からなる流路４を形成した流路形成プレート５を介在させることにより構成される。

流路４は、所定の間隔をもって並行する複数のストレート部４ａと、これらストレート部４ａの端部を接続している複数のカーブ部４ｂとによって所謂九十九折り状に形成されている。

流路４は、通常のＮＣやレーザー加工機等によって、流路形成プレート５の上面側から下面側に貫通する長孔状に形成されている。

そして、流路形成プレート５の下面に下蓋３を重ね合わせて長孔状の流路４の下端側を閉塞するとともに、流路形成プレート５の上面に上蓋２を重ね合わせて流路４の上端側を閉塞して、これら上蓋２、下蓋３、流路形成プレート５の三者を一体的にロウ付けすることによりヒートシンク本体１が構成される。

上蓋２の一側部の一端側には、流路４の一端部に連通する給水口６が設けられているとともに、他端側には排水口７が設けられている。これら給水口６と排水口７には図示を省略した給水口ポートと排水口ポートが取り付けられている。

そして、給水口６から冷却水をヒートシンク本体１内に供給すると、冷却水は、九十九折リ状の流路４を蛇行して流れ、排水口７からヒートシンク本体１外に排出される。この間に上蓋２等に取り付けられている発熱体から熱を奪って冷却する。

ヒートシンク本体１に発熱体が複数取り付けられていて、これら複数の発熱体の発熱量がそれぞれ異なる場合には、流路の幅（流路断面積）を変え、発熱密度の発熱密度の高い箇所では冷却水の流速を早くし、発熱密度の低い箇所では冷却水の流速を遅くすることでヒートシンク全体の温度を均一化する。

図２は第２実施例の水冷ヒートシンクのヒートシンク本体１の分解斜視図を示す。この実施例においては、流路４の側面に蛇行や乱流を発生させるための凹凸部４ｃを形成した。

前記凹凸部４ｃによって、流路４を流れる冷却水は、前記ストレート部４ｃにおいても蛇行や乱流が発生して冷却効果を向上させる。その他の構成は第１実施例の場合と同様であるので、同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図３は第３実施例の水冷ヒートシンクの分解斜視図を示す。前記第１、２実施例の水冷ヒートシンクとの主たる相違点は、流路形成プレート５の下面と下蓋３の上面と間に、水深調節プレート８を配置したことにある。

水深調節プレート８は、上面側から下面側に貫通する貫通孔９を備えている。貫通孔９は、前記流路形成プレート５の流路４に対応する位置に断続的、連続的に形成されている。

そして、水深調節プレート８を流路形成プレート４に重ね合わせると、水深調節プレート８の貫通孔９と流路形成プレート５の流路４が重なって、水深調節プレート８の貫通孔９が設けられている部分の水深は、貫通孔９が設けられていない部分の水深よりも深くなり、流路に水深の深い部分と浅い部分が交互に発生する。

上述したように、流路形成プレート５に水深調節プレート８を重ね合わせるとう簡単な構造で、流路に水深の深い部分と浅い部分を形成し、流路断面積を変化させて流速を変えることができる。

前記実施例では、水深調節プレート８に断続的かつ連続的に貫通孔９を形成し、流路に水深の深い部分と浅い部分が交互に連続的に発生するようにした場合を示したが、貫通孔９は必ずしも断続的に形成する必要はなく、一箇所或いは数箇所に限定して形成してもよい。

また、流路全域を均一の水深にしてもよい。この場合には、水深調節プレート８に、流路形成プレート５と同じ構成のものを使用して、該水深調節プレート８を流路形成プレート５に重ね合わせる。これにより流路の深さを第１実施例のものに比べて２倍にすることができる。水深調節プレート８を２枚重ね合わせれば流路の深さを第１実施例のものに比べて３倍にすることができる。

なお、前記実施例では、前記流路形成プレート４と下蓋３の間に水深調節プレート８を配置した場合を示したが、流路形成プレート４と上蓋２の間に水深調節プレート８を配置してもよい。また、流路形成プレート４の上面および下面の両方に水深調節プレート８を配置してもよい。また、水深調節プレート８の枚数は問わない。数多くの水深調節プレート８を使用すれば水深をより深くすることができる。また、複数の水深調節プレート８を使用する場合に、これら水深調節プレート相互の貫通孔の位置をずらして形成することにより、流路の水深をより複雑に変化させることができる。その他の構成は第１,２実施例の場合と同様であるので重複する説明は省略する。

１…ヒートシンク本体
２…上蓋
３…下蓋
４…流路形成プレート
５…流路
６…給水口
７…排水口
８…水深調節プレート
９…貫通孔

Claims (5)

1. 上蓋と下蓋を備えたヒートシンク本体の内部に冷却水の流路を形成し、該流路に冷却水を供給して前記ヒートシンク本体の外部に配置されている発熱体を冷却する水冷ヒートシンクにおいて、
   上面側から下面側に貫通する長孔を設けた流路形成プレートを、前記上蓋と下蓋との間に介在させて、前記流路形成プレートの長孔によって、前記上,下蓋の間に冷却水の流路を形成したことを特徴とする水冷ヒートシンク。
2. 前記流路の側面に凹凸部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の水冷ヒートシンク
3. 前記流路形成プレートと前記下蓋の間および／または前記流路形成プレートと前記上蓋の間に、貫通孔を設けた水深調節プレートを介在させ、該水深調節プレートに設けた貫通孔を前記流路形成プレートの流路に連通させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水冷ヒートシンク。
4. 前記水深調節プレートの貫通孔は、前記流路形成プレートに水深調節プレートを重ね合わせたときに前記流路形成プレートの流路に部分的に重なり合うように、前記水深調節プレートに部分的に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の水冷ヒートシンク。
5. 前記水深調節プレートに設けた貫通孔は、前記流路形成プレートに水深調節プレートを重ね合わせたときに前記流路形成プレートの流路の全域に亘って重なり合うように、前記流路形成プレートの流路と同形に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の水冷ヒートシンク。

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