JP2014053442A - Plate laminated type cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体に好適に用いられる冷却装置に関し、特にフィン積層体を内部に有するプレート積層型冷却装置に関するものである。 The present invention relates to a cooling device suitably used for a semiconductor, and more particularly to a plate laminated cooling device having a fin laminated body therein.
近年、CPU(Central Processing Unit)やインバータなどの大容量化と小型化に伴い、それらに使用される冷却装置(ヒートシンク)の伝熱特性が向上している。伝熱特性の高い冷却装置の一つとして、容積に対して伝熱面積を大きくとることができる、プレート積層型冷却装置が知られている。 In recent years, with an increase in capacity and size of CPUs (Central Processing Units), inverters, and the like, heat transfer characteristics of cooling devices (heat sinks) used for them have been improved. As one of the cooling devices having high heat transfer characteristics, a plate stack type cooling device capable of taking a large heat transfer area with respect to the volume is known.
特許文献1に関わるプレート積層型冷却装置は、スリット状の長孔が加工された放熱プレートから構成されている。放熱プレートには複数の長孔が打ち抜き加工により穿孔され、この複数の長孔により、放熱プレートに複数のフィン部が形成される。フィン部の根元には、複数のフィン部がバラバラにならないように、フィン部をつなげるためのブリッジ部が設けられている。
The plate lamination type cooling apparatus according to
放熱プレートは、ろう付により互い違いに幾層にも積層されている。このようなプレート積層型冷却装置は、流路を小さくして、フィンの表面積を大きく取ることができるため、冷却能力が高い。反面、ブリッジ部では冷媒の流れが急拡大、および急縮小するため、圧損が大きくなるうえに、ブリッジ部に腐食生成物とコンタミが堆積することで、放熱プレートの腐食が促進される。 The heat dissipating plates are alternately stacked in several layers by brazing. Such a plate stack type cooling device has a high cooling capacity because the flow path can be reduced and the fin surface area can be increased. On the other hand, since the refrigerant flow rapidly expands and contracts in the bridge portion, pressure loss increases, and corrosion products and contamination accumulate on the bridge portion, thereby promoting corrosion of the heat dissipation plate.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、プレート積層型冷却装置における圧損の低減と、腐食の抑制を目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and aims to reduce pressure loss and suppress corrosion in a plate stack type cooling apparatus.
本願にかかわるプレート積層型冷却装置は、金属製の底板と、底板に互いに間隔を隔てて固定されていて、それぞれが複数枚のフィンが積層されてなる複数個のフィン積層体と、底板と複数個のフィン積層体を収納し冷媒の流入口と流出口が形成されている筺体とを備えている。複数枚のフィンは、それぞれ、短手側の一側面に切断痕を有するものである。 A plate lamination type cooling apparatus according to the present application includes a metal bottom plate, a plurality of fin laminates, each of which is fixed to the bottom plate with a space therebetween, and a plurality of fins laminated on each other, The housing is provided with a housing that accommodates the individual fin laminates and has an inlet and an outlet for the refrigerant. Each of the plurality of fins has a cut mark on one side surface of the short side.
冷媒が流路をスムーズに流れるため、ブリッジ部による圧損上昇と腐食の促進を抑制できる。 Since the refrigerant flows smoothly through the flow path, an increase in pressure loss and corrosion due to the bridge portion can be suppressed.
以下に本発明にかかるプレート積層型冷却装置(ヒートシンク)の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of a plate stack type cooling device (heat sink) according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
実施の形態1.
図1は、本発明によるプレート積層型冷却装置の全体を示す分解斜視図である。プレート積層型冷却装置100は、アセンブリ12と筺体(ケース)30から構成されている。筺体30はハウジング3と天板4とパイプ5aとパイプ5bを備えている。パイプ5aとパイプ5bはハウジング3に設けられている。天板4は冷媒20を筺体30の内部に閉じ込めるためにハウジング3と接合される。冷媒20はパイプ5a(流入口)から筺体30の内部に流入し、パイプ5b(流出口)から流出する。アセンブリ12は底板2と複数のフィン積層体6から構成されている。底板2とフィン積層体6は相互に固定され、筺体30に収納されている。アセンブリ12の底板2はハウジング3に接合されている。アセンブリ12のフィン積層体6は天板4と接合される。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an entire plate stack type cooling apparatus according to the present invention. The plate stack
図2はプレート積層型冷却装置のアセンブリの全体構造を示す斜視図である。底板2には複数個のフィン積層体6が接合されている。それぞれのフィン積層体6は長尺状の複数枚のフィン8が積層されてなる。図ではフィン積層体6は6枚のフィン8からなるが、要求される熱性能により積層枚数を増減する。フィン積層体6は間隔を隔てて配列され、複数の流路7を構成している。フィン積層体6は冷媒の流路を形成する役目のほかに、発熱体(パワー半導体など)の熱を積層方向に伝導する。フィン8の側面に設けられている波板状の凹凸は、伝熱面積を拡大し、冷却性能を向上させる。冷媒は凸部に衝突しながら流れるため、衝突噴流による冷却性能の向上効果が得られる。冷却性能に余裕がある場合、フィン8の側面は滑らかでも良い。
FIG. 2 is a perspective view showing the overall structure of the assembly of the plate stack type cooling apparatus. A plurality of
図3はフィンの平面図を示す。長尺形状のフィン8は、長手側の側面8aと短手側の側面8bを有する。それぞれのフィン8には穴部11と切断痕31が形成されている。放熱プレートを積層する際に、穴部11を互いに係合させて固定する(図6参照)。フィン8は銅、アルミ及び鉄などのろう付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製されるが、熱伝導性とろう付の容易さを考慮すると、アルミがふさわしい。穴部11の加工方法としては、エンボス加工がある。波板状の凹凸は両方の長手側の側面8aに形成する。切断痕31は、2箇所の短手側の側面8bのうち、穴部11から遠く離れている方に形成されている。
FIG. 3 shows a plan view of the fin. The
図4は実施の形態1のプレート積層型冷却装置における冷媒の流れを表している。冷媒20はパイプ5aから流入し、アセンブリ12に設けられた複数箇所の流路7を通過したのち、パイプ5bから流出する。アセンブリ12にフィンを接続するブリッジ部が残っていると、ブリッジ部で冷媒の拡大と縮小が生じ、そこに圧損が生じる。また、ブリッジ部には腐食生成物が滞留する。腐食生成物が滞留すると、滞留部で腐食が加速し、冷却性能と信頼性が低下する。これに対し、本実施の形態では、ブリッジ部がないため、冷媒20がスムーズに流れる。また、腐食生成物が滞留することもない。
FIG. 4 shows the flow of the refrigerant in the plate stack type cooling apparatus of the first embodiment. The
このように構成されたプレート積層型冷却装置には、CPU、LSI、電子機器(インバータ等)、パワー半導体などが被冷却体として装着される。発熱体は、天板4もしくはハウジング3に配置する。図5は発熱体が装着されたプレート積層型冷却装置の断面図を示す。この図では発熱体54は天板4に当接している。矢印は冷媒20の流れる向きを表している。パワー半導体にはSi、もしくはSiより発熱量の少ないSiCなどが使われる。なお、適用できる冷媒は、水、不凍液、LLC(Long Life Coolant)、潤滑油などの各種冷却液、および空気、水素等の気体である。高温で動作するパワーモジュールを搭載したパワーモジュールは、パワーサイクル試験で発生する金属接合材(はんだ)のクラックを制御するためにエポキシ樹脂で封止している。ヒートサイクル試験ではエポキシ樹脂にクラックや剥離が生じることがあったが、本願に関わるプレート積層型冷却装置によれば、クラックや剥離の発生が減少する。
A CPU, LSI, electronic device (inverter, etc.), power semiconductor, and the like are mounted as an object to be cooled on the plate stack type cooling apparatus configured as described above. The heating element is disposed on the
実施の形態1に示すプレート積層型冷却装置は以下の方法で製造される。図6に、本発明の実施の形態1による放熱プレートの斜視図を示す。放熱プレート1は、複数のフィン8とブリッジ部9で構成されている。それぞれのフィン8には突起部10と穴部11が加工されている。ブリッジ部9はそれぞれのフィン8がバラバラにならないように、フィン8を接続する役目をになう。放熱プレート1は銅、アルミ及び鉄などのろう付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製されるが、熱伝導性、ろう付の容易さを考慮して、アルミがふさわしい。放熱プレート1の加工方法としては、プレス加工、レーザーカット加工、エッチング加工等がある。フィン8の長手側の側面に設けられている凹凸形状は、伝熱面積を拡大し、冷却性能を向上する。
The plate lamination type cooling apparatus shown in the first embodiment is manufactured by the following method. FIG. 6 shows a perspective view of the heat dissipation plate according to the first embodiment of the present invention. The
図7に底板の斜視図を示す。底板2は、放熱プレート1と同様に銅、アルミ、鉄などのろう付或いはハンダ付が可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製され、放熱プレート1とおよそ同じ大きさの平板形状を呈している。底板2には、放熱プレート1の突起部10が挿入されるため、突起部10よりわずかに小さい貫通穴13が、突起部10と同じ数だけ穿孔されている。貫通穴13の配列ピッチは放熱プレート1の突起部10と同じである。
FIG. 7 shows a perspective view of the bottom plate. The
図8に放熱プレートの積層体を底板に搭載した状態を表す斜視図を示す。底板2の上に第一層目の放熱プレート1を積層させ、放熱プレート1の突起部10を底板2の貫通穴13に圧入することで放熱プレート1と底板2を固定する。次に第一層目の放熱プレート1の上に第二層目の放熱プレート1を積層させ、第二層目の放熱プレート1の突起部10を第一層目の放熱プレート1の穴部11に圧入することで、第一層目の放熱プレート1と第二層目の放熱プレート1を固定する。同様に、第二層目の放熱プレートの上に第三層目の放熱プレートを、第三層目の放熱プレートの上に第四層目の放熱プレートを、というふうにして順次固定していく。その後、ブリッジ部9をせん断加工、もしくはレーザー加工などによって除去する。除去後に複数のフィン積層体6と底板2からなるアセンブリ12が形成される(図2参照)。本願発明では、アセンブリにブリッジ部が存在しないため、ブリッジ部で冷媒の拡大、縮小が生じることがない。ブリッジ部で生じる圧損や、ブリッジ部における腐食生成物の滞留を防止できる。
FIG. 8 is a perspective view illustrating a state in which the laminated body of the heat radiating plates is mounted on the bottom plate. The
図9にフィン積層体と底板の関係を表す断面図を示す。ブリッジ部が除去されているため、それぞれのフィン8には切断痕31が短手側の側面の片側に形成されている(図3参照)。フィン8と底板2は、ブリッジ部9を除去しても、圧入固定されているため、バラバラになることはない。アセンブリ12はハウジング3に収納される。ハウジング3とアセンブリ12、アセンブリ12と天板4、天板4とハウジング3をろう付で接合しても構わないし、ハウジング3とアセンブリ12をろう付で接合後、天板4とシール材を介して、ねじ等で組み立てても良い。ハウジング3は板金、ダイカスト、もしくは鍛造で製造される。ハウジング3をダイカストで製造する場合には、材料が限られ、アルミのみとなる。ハウジング3を板金、鍛造で製造する場合には、放熱プレートと同様に、銅、アルミ、鉄などのロウ付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製される。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the relationship between the fin laminate and the bottom plate. Since the bridge portion is removed, a
ハウジング3をダイカスト、もしくは鍛造で製造する場合には、パイプ5とハウジング3を一体で製造可能であるが、別個で製造しても構わない。ハウジング3を板金で製造する場合には、パイプ5とハウジング3を一体で製造するのは不可能であるため、パイプ5とハウジング3を別個で製造する必要がある。パイプ5を別個で製造する場合、パイプ5は放熱プレートと同様に、銅、アルミ、鉄などのロウ付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料を使用して押出し成形で作製する。パイプ5をハウジング3にろう付等で接合することにより一体にする。
When the
実施の形態2.
図10は、本発明の実施の形態2によるプレート積層型冷却装置のアセンブリの斜視図である。フィン積層体6と底板2は溶接部(ビード)14を有している。溶接部14は、フィン積層体6の短手側の側面に連続して形成されている。図11は本発明の実施の形態2による放熱プレートの積層体を底板に搭載後、溶接によりそれらを固定した状態を表す斜視図である。実施の形態1では、エンボス加工でフィン8と底板2を固定したのに対し、実施の形態2ではフィン8と底板2を溶接で接合する。それ以外については、実施の形態1と同じである。溶接方法はレーザー溶接、シーム溶接、アーク溶接、スポット溶接などがあり、そのどれでも構わない。
FIG. 10 is a perspective view of the assembly of the plate stack type cooling apparatus according to the second embodiment of the present invention. The
実施の形態3.
図12は、本発明の実施の形態3によるプレート積層型冷却装置のアセンブリを示す斜視図である。フィン8にはピン穴18が各2つ以上設けられているだけで、それ以外の形状は実施の形態1のフィンと同じである。図13は、本発明の実施の形態3による放熱プレートを表す正面図である。ピン穴18が2つ設けられているフィン8はブリッジ部9で連結されている。
FIG. 12 is a perspective view showing an assembly of the plate stack type cooling apparatus according to the third embodiment of the present invention. The
図14は、本発明の実施の形態3による底板を表す斜視図である。底板2には、放熱プレート1のピン穴18の大きさよりわずかに小さい径の突起(ピン)17が、放熱プレートのピン穴18と同じピッチで、同じ本数立てられている。それ以外の部品については、実施の形態1と同じである。
FIG. 14 is a perspective view showing a bottom plate according to
実施の形態3に示すプレート積層型冷却装置は以下の方法で製造される。図15は本発明の実施の形態3による放熱プレートの積層体を底板に搭載後の状態を表す斜視図である。底板2の突起17と放熱プレート1のピン穴18が合うように複数枚の放熱プレート1を底板2に挿入する。その後、ブリッジ部9を実施の形態1と同様に、除去する。これ以降の製造方法は実施の形態1と全く同じである。本実施の形態の底板2の突起17はダイカスト、鍛造などにより製造される。
The plate lamination type cooling apparatus shown in the third embodiment is manufactured by the following method. FIG. 15 is a perspective view showing a state after the laminated body of the heat radiating plates according to the third embodiment of the present invention is mounted on the bottom plate. The plurality of
パワー半導体にSiCを用いた場合、半導体装置はその特徴を生かすべくSiの時と比較してより高温で動作させることになる。SiCデバイスを搭載するプレート積層型冷却装置においては、より高い信頼性が求められるため、高信頼のプレート積層型冷却装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。 When SiC is used for the power semiconductor, the semiconductor device is operated at a higher temperature than that of Si in order to take advantage of its characteristics. In the plate lamination type cooling device on which the SiC device is mounted, higher reliability is required. Therefore, the merit of the present invention to realize a highly reliable plate lamination type cooling device becomes more effective.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 放熱プレート、2 底板、3 ハウジング、4 天板、5 パイプ、6 フィン積層体、7 流路、8 フィン、9 ブリッジ部、10 突起部、11 穴部、12 アセンブリ、13 貫通穴、14 溶接部、17 突起、18 ピン穴、20 冷媒、30 筺体、54 発熱体、100 プレート積層型冷却装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記底板に互いに間隔を隔てて固定されていて、それぞれが複数枚のフィンが積層されてなる複数個のフィン積層体と、
前記底板と前記複数個のフィン積層体を収納し冷媒の流入口と流出口が形成されている筺体とを備え、
前記複数枚のフィンは、それぞれが、短手側の一側面に切断痕を有することを特徴とするプレート積層型冷却装置。 A metal bottom plate,
A plurality of fin laminates, each of which is fixed to the bottom plate at an interval, and each of which is a laminate of a plurality of fins;
A housing in which the bottom plate and the plurality of fin laminates are accommodated and a refrigerant inlet and outlet are formed;
Each of the plurality of fins has a cut mark on one side surface of the short side.
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