JP2017517889A - 液体冷却用の内部空洞を備えるヒートシンク - Google Patents

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Abstract

液体冷却のための内部空洞を備えるヒートシンクであって、内部空洞内に延びるフィンの第１のグループを有する第１の部分と、内部空洞内に延び、かつフィンの第１のグループの間に適合するように構成される、フィンの第２のグループを有する第２の部分であって、内部空洞が形成されるような第１の部分に取り付けられる第２の部分と、第１および第２の部分の少なくとも一方の内部空洞内への注入口と、第１および第２の部分の少なくとも一方の内部空洞からの排出口とを備えるヒートシンク。

Description

関連出願
この出願は、２０１４年５月２３日に提出された液体冷却用の内部空洞を備えるヒートシンクと題される米国シリアル番号１４／２８６，６７０の出願日の利益を主張し、これらの内容は参照により本明細書に組み込まれる。
電気及び電子部品によっては、使用時に何らかの冷却が必要なものがある。いくつかのシナリオでは、能動冷却は空気流または液体流（すなわち、冷却剤）を発熱装置と熱的に接触させることによって提供される。熱は、加熱された領域を通過する際に空気／冷却剤によって吸収され、その後ラジエータを使用するなどの何らかの方法で冷却媒体から熱エネルギーが散逸される。
液体冷却システムでは、通常冷却剤は生成された熱を吸収し、内部を流れる媒体にそれを移すように設計された１つ以上の導管を通って循環される。そのような導管の中には、冷却剤への熱伝達を改善するように設計された内部構造を有するものがある。しかしながら、そのような内部構造を有する導管を製造することは困難である。
第一の側面において、液体冷却用の内部空洞を備えるヒートシンクは、内部空洞内に延びるフィンの第１のグループを有する第１の部分と、内部空洞内に延び、かつフィンの第１のグループの間に適合するように構成される、フィンの第２のグループを有する第２の部分であって、内部空洞が形成されるような第１の部分に取り付けられる第２の部分と、第１および第２の部分の少なくとも一方の内部空洞内への注入口と、第１および第２の部分の少なくとも一方の内部空洞からの排出口とを備える。
複数の実施形態は以下の特徴のいずれかまたはすべてを含んでもよい。フィンの第１のグループは第１のアレイに配置された第１のピンを備え、フィンの第２のグループは第２のアレイに配置された第２のピンを備える。第１のアレイは、第２のアレイ内の列からずらして配置された列を有し、かつ第１のアレイは第２のアレイのカラムからずれているカラムを有する。第１のアレイ内のカラムのうちの１つがＮ個の完全なピンを有し、第２のアレイ内の対応するカラムはＮ−１個の完全なピンおよび２つのハーフピンを有し、２つのハーフピンはＮ−１個の完全なピンの上方および下方にそれぞれ位置する。第１の部分は内部空洞を有し、かつ、第２の部分が第１の部分に取り付けられるとき内部空洞を閉じるように第２の部分は実質的に平らな蓋である。注入口と排出口が第１の部分上に配置されている。注入口は、内部空洞に到達する前に旋回し、かつヒートシンクが旋回においてフィンを有する。排出口は、内部空洞の後に旋回し、かつヒートシンクが旋回においてフィンを有する。ヒートシンクは、実質的に平坦であって第１および第２の部分によって形成されるハウジングを備え、ヒートシンクは、ハウジングの端のタブをさらに備え、タブは、電気部品を保持するためのハウジング上にばねを位置決めするために備えられる。各ばねが、ハウジングの各側に１つずつ一対の電気部品を保持するためのクリップを備える。フィンの第１のグループはピンの第２のグループに対して反対の位置に向けられる。フィンの第１のグループおよびフィンの第２のグループは、互いに完全に重なる。フィンの第１および第２のグループは同一の形状を有する。フィンがピンであって、かつ同一の形状が楕円形の外形を備える。フィンの第１および第２のグループの各々はピンであって、かつピンの各々がドラフトを有する。注入口は、少なくとも取り付けられたもう一方のヒートシンクを有する第１のマニホールドに接続するように構成されており、排出口もまた、少なくとも取り付けられた他のヒートシンクを有する第２のマニホールドに接続するように構成され、第１および第２のマニホールドは、ヒートシンクおよび他のヒートシンクを通して冷却剤のパラレルフローを提供する。第１及び第２の部分は、各々第１および第２の鋳造部品からなる。第１および第２の部分は、アルミニウムで作られる。
第２の側面において、液体冷却用の内部空洞を備えるヒートシンクを製造する方法は、内部空洞内に延びるフィンの第１のグループを有する第１の部分を鋳造し、内部空洞が形成されるように、第１の部分に取り付けられるように構成された第２の部分を鋳造し、第２の部分は、内部空洞内に延びるフィンの第２のグループを有し、かつフィンの第１のグループの間に適合するように構成されており、内部空洞への注入口は、少なくとも第１および第２の部分の一方上に位置され、内部空洞からの排出口は、少なくとも第１および第２の部分の一方上に位置され、そして、第１の部分に第２の部分を取り付ける。
複数の実施形態は以下の特徴のいずれかまたはすべてを含んでもよい。フィンの第１のグループは、第１のアレイ内に配置された第１のピンを備え、フィンの第２のグループは、第２のアレイ内に配置された第２のピンを備え、第１のアレイは、第２のアレイ内の列からずれた列を有し、第１のアレイは、第２のアレイ内のカラムからずれたカラムを有する。第１のアレイ内のカラムのうちのひとつがＮ個の完全なピンを有し、かつ第２のアレイ内の対応するカラムがＮ−１個の完全なピンとＮ−１個の完全なピンの上下にそれぞれ２つのハーフピンを有する。第１および第２の部分がアルミニウムから鋳造される。
本体と蓋とを含むヒートシンクの一例を示す図である。 図１の本体の一例を示している。 ヒートシンクを形成するように組み立てられる、図１の本体と蓋の一例を示す図である。 ばねによって取り付けられた構成要素を有するヒートシンクの一例を示す図である。 マニホールドに接続される３つのヒートシンクのアセンブリを示している。 図１の組み立て後のヒートシンクの一例の断面図を示す。 ヒートシンクの製造工程の一例を示す図である。 本体と蓋とを含むヒートシンクの他の例を示す図である。
この文書では、ヒートシンクを用いた電気または電子部品を効果的に冷却するためのシステムおよび技術の例を説明する。フィンの内部パターンが長所となるようなヒートシンクを製造するプロセスもまた記載されている。例えば、一つ以上のヒートシンクが、電気パワートレインの構成要素から熱を除去するために電動車両に搭載することができる。
図１は、フィン本体１０２と蓋１０４を含むヒートシンク１００の一例を示す。本体は、複数のフィン、ここではフィン１０８が冷却剤の流れを促進するように構成された中空部１０６を有する。フィンは規則的なパターンで配列され（例えば、アレイ）、ここではフィンの列で、各フィンはまた対応するフィンのカラムの一部である。例えば、特定のカラムは、中間フィン１０８Ｂ、Ｃ、およびＤ、ならびに、そのカラムの上下にそれぞれ対応するハーフフィン１０８Ａおよび１０８Ｅを有する。
本体１０２はまた、注入口１１０と排気口１１２とを有する。この注入口および排気口は、蓋１０４が本体に装着されたときに、中空部１０６によって形成される内部空洞への流体のアクセスを提供している。この例における、注入口および排気口の位置は、単なる例示であり、他の実施態様では、注入口および／または排出口は、別の場所にあってもよい。別の例として、ヒートシンクは、複数の注入口および／または排出口を有することができる。注入口および排出口の各々は、対応するフィン１１４または１１６を有する。
蓋１０４はフィン１１８を有し、本体１０２のフィン１０８の間に適合するように構成される。本体のフィンと同様に、蓋のフィンは、規則的なパターン（例えば、アレイ）、ここではフィンの列で配置されており、各フィンはまた対応するフィンのカラムの一部である。しかし、この例では本体フィンとは異なり、蓋フィンはハーフフィンを有していない。むしろ、フィン１１８の第１のカラム１１８Ａはヒートシンクが組み立てられるときフィン１０８Ａ−Ｅの一方の側に適合するように構成されており、もう一方のカラム１１８Ｂはフィン１０８Ａ−Ｅの他の側に適合するように構成されている。つまり、本体のフィンの列がここで蓋上のフィン列からずれていると、本体のフィンカラムはここで蓋上のフィンカラムからずれる。
他の実施態様では、中空部１０６は、複数の部材間で分散させることができる。例えば、組み立て時に内部空洞を形成するように、２つの本体部分の各々が中空部の半分を個別に有することができる。また、この例では、フィンの数は単なる例示であり、他の実施形態では、ヒートシンクは異なる数のフィンおよび／またはハーフフィンを有することができる。別の例として、ハーフフィンを持つカラムは代わりに蓋上にあってもよく、または本体と蓋との間に分配することができる。
図２は、図１の本体１０２の一例を示している。この図は、注入口１１０と排気口１１２の例を示し、各々がヒートシンクの基部表面から内部空洞へのアクセスを提供する。図１を再び参照すると、注入口１１０は、内部の空洞に到達する前に旋回する。同様に、排出口端部において、排出口１１２は基部表面に出る前に旋回する。フィン１１４、１１６は、個々の曲がり角に配置されている。
本体１０２は、組み立てられたとき（例えば、蓋が取り付けられた後）ヒートシンクは、実質的に平坦になるような形状を有している。特に、平坦な本体は、この例では、注入口および排出口と同じ方向を向いているエッジ２００を有する。ヒートシンクは、エッジ上に１つ以上のタブ２０２（ここでは７つのタブ）を有する。タブはヒートシンク自体または（例えば、クリップまたはバネを介して）それに取り付けられた部材を配置するように、位置決めのために使用することができる。
図３は、ヒートシンクを形成するように組み立てられた、図１の本体１０２および蓋１０４の一例を示している。蓋は本体に対して現在ある角度であり、組立工程において本体に対して平らに置かれる。特に、蓋は内部空洞を形成することができるように、かつ冷却水用の耐漏洩性を成すように、本体のエッジ３０２に対応するエッジ３００を有している。
図４は、ばね４０６によって取り付けられる、部材４０２、４０４を有するヒートシンク４００の一例を示す図である。ここでは、ばねの各々は、ヒートシンクの両側に１つずつある、２つの部材を保持するクリップの形状である。タブは、ばねの位置決めのために使用することができる。例えば、ばね４０６によって保持される対応する部材（複数可）の変位に対抗するように、ここではタブ２０２Ａおよび２０２Ｂは配置を補助する。簡単のために、ここでは部材は概略的に示されている。すなわち、ピン、配線、または他の接続は、明確にするために省略されている。
図５はマニホールド５０４Ａ−Ｂに接続された、３つのヒートシンク５０２のアセンブリ５００を示す。その注入口とマニホールドのひとつとの間、およびその排出口ともうひとつのマニホールドとの間の流体接続を提供するように、各ヒートシンクが取り付けられる。マニホールドは、それぞれの中空内部へ個別の開口部５０６Ａ−Ｂを有している。例えば、それぞれの並列冷却剤の流れがヒートシンク５０２を通って提供するように、開口部５０６Ｂを通してマニホールド５０４Ｂを出る前に冷却剤がマニホールド５０４Ａに導入され得る。アセンブリ５００は、冷却剤の特定の循環によって冷却されている唯一のユニットであるか、またはアセンブリがその循環における冷却剤の流れによって提供される複数のアセンブリまたは部材のうちのひとつであってもよい。
図６は、組み立て後の図１のヒートシンクの断面図６００の一例を示す。ここでは内部空洞が形成されるように、本体１０２と蓋１０４は互いに接続されている。ピンおよびハーフピンは内部空洞の内側にある。特に、ここでは完全なピン１０８Ｂ−Ｄ、同様にハーフピン１０８Ａおよび１０８Ｅが表示されている。同様に、ここでは（この例では蓋上の）フィン６０２Ａ−Ｄは断面で表示されている。例えば、フィン６０２Ａ−Ｄは、カラム１１８ＡまたはＢ（図１）を形成することができる。フィン１１８Ａ−Ｅは、ここではフィン６０２Ａ−Ｄに比べて反対に位置づけられている。特に、それらは、ここでは逆方向に位置づけられている。また、一方のフィン１８Ａ−Ｅと、他方のフィン６０２Ａ−Ｄとの間の重なり量は、ヒートシンクの部分を設計するプロセスで選択することができる。例えば、ここではフィン１１８Ａ−Ｅおよび６０２Ａ−Ｄとの間の完全な重なりがある。
フィン１１８Ａ−Ｅおよび６０２Ａ−Ｄは、任意の適切な形状を有することができる。ある実施形態では、フィンは本体と蓋からそれぞれ延びるピンの形状をとる。例えば、ピンが楕円形の完全なピン、および対応している半楕円形のハーフピンを含んでもよい。ピンの形状は、流動条件に依存し得る。例えば、ダイヤモンド形状または円形状は、非常に低流量の状況に対して機能し得る。
フィン６０２Ａ−Ｄは、フィン１１８Ａ−Ｅに関してオフセットされている。例えば、ここで、フィン６０２Ａ−Ｄは、フィン１０８Ａ−Ｅよりも（表示方向）に深く配置することができる。これは、内部空洞内の冷却剤にとって有利なフローパターンを提供することができる。例えば、かなりの量の乱流が達成され得るが、これはフィンから（すなわち、ヒートシンクに取り付けられた部材から）冷却剤に良好な熱伝達を提供する助けとなる。逆に、フィン１１４、１１６（図１）は、注入口および排出口付近の乱流を回避することができる。例えば、これらの領域における流れが乱流よりむしろ層状であることにより、冷却剤中の望ましくない圧力低下を避けることの助けとなる。
図７は、ヒートシンクを製造するためのプロセス７００の一例を示す。７０２では、装置の各部品が設計される。例えば、図１に示す本体と蓋の形状を、それらが意図された設置スペース内に収まるように、物理的な冷却を必要とする意図された部品を収容するように、およびヒートシンクの熱除去能力が使用目的に適するように、定義することができる。
７０４では、複数のフィン（例えば、ピン）が設計された部品の間に割り当てられている。ピンは、個々の部品上のそれぞれのアレイ上に配置され得る。ある実施形態において、部品のうちの１つのカラムに並んだピンがＮ個のピンを有するように、また対応するもうひとつの部品上のカラムがＮ個のピンと機能的に等価であるように、ピンが配置されてもよい。例えば、他の部品はＮ−１の完全なピンを有し、またカラムの両端には２つのハーフピンが配置されてもよい。例えば、部材がその各側に取り付けられているとき、これはヒートシンクの各部品からより均等な熱の流れを可能にすることができる。形状の構造は、製造工程のいかなる要求も考慮するだろう。例えば、ヒートシンクの部品を鋳造する場合、鋳造部品を鋳型から取り出すことができるように、ピン１０８、１１８（図１）の各々は、ドラフトを設けることができる。
７０６では、それぞれの部品の鋳型を作成することができる。例えば、鋳型は、図１に示す本体と蓋に対応する逆の形状を備えることができる。鋳型は、任意の適切な材料から作られてもよいが、砂を含み、これに限定されなくてもよい。
鋳型はその後工場のような適切な製造環境に導入することができる。一定量鋳型を使用した後に改装または交換を必要とする可能性があるならば、作成された鋳型を使用する部品の鋳造工程は、その後必要に応じて何度でも行うことができる。７０８では、適切な金属が液化されてもよい。鋳造に対して適切な任意の金属または合金が使用され得るが、これに関してアルミニウムを含むがこれに限定されなくてもよい。７１０では、液化した金属は、例えば、重力送り法によって鋳型内に配置される。７１２では、金型は冷却することができるが、受動的な冷却、または温度が低下すると積極的に温度を制御することを含んでもよい。７１４では、それぞれ鋳型から鋳造片が取り出され、そして７１６では必要に応じて良好なかみ合いを確保して終了する。
７１８では、設計されたピンのグループを有する内部空洞を形成するように、部品をヒートシンク内に組み立てることができる。任意の好適な取り付け技術が使用され得るが、部品を溶接もしくはろう付けすること、または接着剤を塗布することを含みこれらに限定されない。溶接またはろう付けの利点のひとつは、２つのピースが熱的に１つになることである。その結果、最終的なヒートシンクは、その二等分は大いに異なるサイズであっても、それぞれの側の熱質量の点で十分にバランスを取り得る。
上記の例では、プロセス７００は、鋳造によるヒートシンクの製造に向けられている。これは、いくつかの利点を提供することができるが、例えば、本質的に内部空洞内の各フィン間に任意の所望の分離を得ることができる。対照的に、内部空洞内におけるフィンのみ、個々の部品のいずれかの上にのみフィンを有し、反対側の部品上にフィンが無い場合、その結果フィンの分離は製造プロセスによって制限される。
他の実施態様では、鋳造以外の製造技術を使用することができる。例えば、個々の部品（例えば、図１の本体および蓋）は、アルミニウムを含むがこれに限定されない任意の適切な材料から機械加工することができる。
図８は、本体８０２および蓋８０４を含むヒートシンク８００の別の例を示している。本体は、複数のフィン８０８を有する中空部８０６を有する。フィンは、規則的なパターン、ここでは列で配置されている。図１の例と同様に、本体８０２もまた、ここでは対応するフィン８１４または８１６をそれぞれ有する、注入口８１０および排出口８１２を有する。
蓋８０４は、本体８０２のフィン８０８に従って構成されたフィン８１８を有する。本体のフィンと同様に、蓋のフィンは規則的なパターン、ここでは列で配置されている。フィン８１８は、フィン８０８の間に適合するようにずれている。例えば、フィン８１８の特定の一つは、ヒートシンクが組み立てられるときフィン８０８Ａと８０８Ｂとの間に適合するように構成される。次に、フィン８１８のうちの別の１つは、ヒートシンクが組み立てられるとき、フィン８０８Ｂと８０８Ｃとの間に適合するように構成される。組み立てたられたときいくつかのスペースがそれらの間に存在するようにフィン８０８と８１８が設計され、これにより冷却剤の通路が提供される。
複数の実施形態は例として記載されている。それにもかかわらず、他の実施形態は以下の特許請求の範囲によってカバーされる。

Claims (22)

  1. 液体冷却用の内部空洞を備えるヒートシンクであって、
    内部空洞内に延びるフィンの第１のグループを有する第１の部分と、
    内部空洞内に延び、かつ前記フィンの第１のグループの間に適合するように構成される、フィンの第２のグループを有する第２の部分であって、内部空洞が形成されるような前記第１の部分に取り付けられる第２の部分と、
    第１および第２の部分の少なくとも一方の内部空洞内への注入口と、
    第１および第２の部分の少なくとも一方の内部空洞からの排出口と
    を備えるヒートシンク。
  2. 前記フィンの第１のグループは第１のアレイに配置された第１のピンを備え、
    前記フィンの第２のグループは第２のアレイに配置された第２のピンを備える請求項１に記載のヒートシンク。
  3. 第１のアレイは、第２のアレイ内の列からずらして配置された列を有し、かつ前記第１のアレイは前記第２のアレイのカラムからずれているカラムを有する請求項２に記載のヒートシンク。
  4. 前記第１のアレイ内のカラムのうちの１つがＮ個の完全なピンを有し、前記第２のアレイ内の対応するカラムはＮ−１個の完全なピンおよび２つのハーフピンを有し、前記２つのハーフピンは前記Ｎ−１個の完全なピンの上方および下方にそれぞれ位置する請求項３に記載のヒートシンク。
  5. 前記第１の部分は内部空洞を有し、かつ、前記第２の部分が前記第１の部分に取り付けられるとき内部空洞を閉じるように前記第２の部分は実質的に平らな蓋である請求項１に記載のヒートシンク。
  6. 前記注入口と前記排出口が前記第１の部分上に配置されている請求項５に記載のヒートシンク。
  7. 前記注入口は、内部空洞に到達する前に旋回し、かつ前記ヒートシンクが前記旋回においてフィンを有する請求項１に記載のヒートシンク。
  8. 前記排出口は、前記内部空洞の後に旋回し、かつ前記ヒートシンクが前記旋回においてフィンを有する請求項１に記載のヒートシンク。
  9. 実質的に平坦であって第１および第２の部分によって形成されるハウジングを備え、前記ヒートシンクは、前記ハウジングの端のタブをさらに備え、前記タブは、電気部品を保持するためのハウジング上にばねを位置決めするために備えられる請求項１に記載のヒートシンク。
  10. 各ばねが、ハウジングの各側に１つずつ一対の電気部品を保持するためのクリップを備える請求項９に記載のヒートシンク。
  11. 前記フィンの第１のグループは前記ピンの第２のグループに対して反対の位置に向けられる請求項１に記載のヒートシンク。
  12. 前記フィンの第１のグループおよび前記フィンの第２のグループは、互いに完全に重なる請求項１１に記載のヒートシンク。
  13. 前記フィンの第１および第２のグループは同一の形状を有する請求項１に記載のヒートシンク。
  14. 前記フィンがピンであって、かつ同一の形状が楕円形の外形を備える請求項１３のヒートシンク。
  15. 前記フィンの第１および第２のグループの各々はピンであって、かつ前記ピンの各々がドラフトを有する請求項１に記載のヒートシンク。
  16. 注入口は、少なくとも取り付けられたもう一方のヒートシンクを有する第１のマニホールドに接続するように構成されており、排出口もまた、少なくとも取り付けられた他のヒートシンクを有する第２のマニホールドに接続するように構成され、前記第１および第２のマニホールドは、前記ヒートシンクおよび前記他のヒートシンクを通して冷却剤のパラレルフローを提供する請求項１に記載のヒートシンク。
  17. 第１及び第２の部分は、各々第１および第２の鋳造部品からなる請求項１に記載のヒートシンク。
  18. 第１および第２の部分は、アルミニウムで作られる請求項１に記載のヒートシンク。
  19. 内部空洞内に延びるフィンの第１のグループを有する第１の部分を鋳造し、
    前記内部空洞が形成されるように、前記第１の部分に取り付けられるように構成された第２の部分を鋳造し、前記第２の部分は、内部空洞内に延びるフィンの第２のグループを有し、かつ前記フィンの第１のグループの間に適合するように構成されており、内部空洞への注入口は、少なくとも第１および第２の部分の一方上に位置され、内部空洞からの排出口は、少なくとも第１および第２の部分の一方上に位置され、
    そして、前記第１の部分に前記第２の部分を取り付ける、液体冷却用の内部空洞を備えるヒートシンクを製造する方法。
  20. 前記フィンの第１のグループは、第１のアレイ内に配置された第１のピンを備え、
    前記フィンの第２のグループは、第２のアレイ内に配置された第２のピンを備え、
    前記第１のアレイは、前記第２のアレイ内の列からずれた列を有し、
    前記第１のアレイは、前記第２のアレイ内のカラムからずれたカラムを有する、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記第１のアレイ内のカラムのうちのひとつがＮ個の完全なピンを有し、かつ前記第２のアレイ内の対応するカラムがＮ−１個の完全なピンと前記Ｎ−１個の完全なピンの上下にそれぞれ２つのハーフピンを有する、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記第１および第２の部分がアルミニウムから鋳造される、請求項１９に記載の方法。
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