JP2021105454A - ヒートシンク及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクの被冷却部品からフィンの先端までの熱抵抗が大きくなり、熱伝導が阻害され強制空冷の冷却能力が低下することを防ぎ、フィンが設置されていない箇所の冷却面が不均一に冷却されることによる冷却能力の低下、また冷却ムラが発生しにくいヒートシンクを提供する。
【解決手段】ヒートシンク１は、断面視が凹形状の第１の配管用溝が設けられた第１の側面を有する第１の本体と、第１の本体上に設けられ、第１の配管用溝の延伸方向に延伸するように設けられた第１のフィンと、第１の側面と接している第２の側面を有し、断面視が凹形状の第２の配管用溝が設けられた第２の側面を有する第２の本体と、第２の本体上に設けられ、第２の配管用溝の延伸方向に延伸するように設けられた第２のフィンと、第１の配管用溝と第２の配管用溝の間に設けられた冷媒配管８と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートシンク及び空気調和装置に関する。

空気調和装置の室外機には、圧縮機を駆動するインバータ等の電気回路が主にプリント基板として搭載される。インバータは半導体部品で構成され、故障なく使うためには、放熱または冷却が必要になることが多い。放熱・冷却手段として半導体部品をヒートシンクに装着し、ファンで発生した風をヒートシンクに当てることによって、発熱部品を空冷させる方法がある。また、空気調和装置の熱交換に使用する冷媒の一部をヒートシンク内の配管に流通させることによって、発熱部品を冷却する方法もある（例えば特許文献１）。

空冷による冷却方法は、従来の室外機のファンでは冷却能力が足りないので、専用のファンをわざわざ設ける必要があるという問題がある。一方、冷媒による冷却方法は、空気調和装置の冷媒を共用しているため、空気調和装置の冷却能力に影響を及ぼすという問題がある。それらの問題を解決するために、半導体部品を冷却するヒートシンクとして、空冷と冷媒冷却を組み合わせたヒートシンクが提案されている（例えば特許文献２）。このようなヒートシンクを用いることによって、ヒートシンクの冷却能力が向上した。すなわち、空気調和装置の冷却能力に対する影響が小さく、従来の室外機のファンを共用できるヒートシンクが得られる。また、ヒートシンク自体のサイズも小型化することが出来る。

日本特開平８−１２０７５９号公報 日本特開２０００−３０４４７６号公報

空冷と冷媒冷却を組み合わせたヒートシンクを得るために、特許文献１におけるヒートシンクにフィンを設けることが考えられる。しかしながら、特許文献１におけるヒートシンクは、被冷却部品を装着する面と、二枚の金属プレートを連結する面が平行であるため、被冷却部品からフィンの先端までの間に連結面が存在する。この連結面の接触熱抵抗により、被冷却部品からフィンの先端までの熱抵抗が大きくなり、熱伝導が阻害されるため強制空冷の冷却能力が低下するという問題がある。

また、特許文献２におけるヒートシンクは、フィンを設置する面上に、冷媒配管を設置するスペースを有する。上記スペースには、フィンが設置されていない。したがって、ヒートシンクにて被冷却部品をヒートシンクの冷却面に設置して冷却する際、フィンが設置されていない箇所が原因となり、ヒートシンクのフィン間を通り抜ける風量が不均一になりやすい。これにより、冷却面が不均一に冷却される（いわゆる冷却ムラが発生する）という問題がある。

本発明の目的は上記課題を解決し、冷却能力の低下を防ぎ、また冷却ムラが発生しにくいヒートシンクを得ることである。

本発明に係るヒートシンクは、断面視が凹形状の第１の配管用溝が設けられた第１の側面を有する第１の本体と、第１の本体上に設けられ、第１の配管用溝の延伸方向に延伸するように設けられた第１のフィンと、第１の側面と接している第２の側面を有し、断面視が凹形状の第２の配管用溝が設けられた第２の側面を有する第２の本体と、第２の本体上に設けられ、第２の配管用溝の延伸方向に延伸するように設けられた第２のフィンと、第１の配管用溝と第２の配管用溝の間に設けられた冷媒配管と、を備えている。

本発明に係るヒートシンクは、上記のように構成したので、第１の本体及び第２の本体に被冷却部品を装着する面と平行な連結面が存在しない。すなわち、この平行な連結面が存在することによる連結面の接触熱抵抗の影響が無い。したがって、冷却面から冷媒配管までと、冷却面から第１のフィン及び第２のフィンの先端までの熱抵抗がより小さく熱伝導が阻害されにくい。したがって、より冷却能力の高いヒートシンクが得られる。また、本発明に係るヒートシンクは、上記のように構成したので、第１の本体及び第２の本体上に冷媒配管を設置するスペースを有しない。その結果、本発明に係るヒートシンクは、第１の本体及び第２の本体上にフィンが設置されていないスペースを有しないので、ヒートシンクのフィン間を通り抜ける風量が不均一になりにくい。したがって、ヒートシンクにて被冷却部品を冷却面に設置して冷却する際、冷却ムラが発生しにくいヒートシンクが得られる。

実施の形態１における、連結前の２個の部分体の断面図である。 実施の形態１における、２個の部分体を連結して構成されたヒートシンクの断面図である。 実施の形態１における、連結前の３個の部分体の断面図である。 実施の形態１における、３個の部分体を連結して構成されたヒートシンクの断面図である。 実施の形態２における、３個の同一形状の部分体を連結して構成されたヒートシンクの断面図である。 実施の形態３における、空気調和装置の室外機の構成図である。 実施の形態３における、空気調和装置の室外機の電気品箱周辺の構成図である。 実施の形態３における、空気調和装置の室外機の電気品箱周辺の断面図である

実施の形態１
以下、本実施の形態におけるヒートシンク１の構成を図１〜図４を用いて説明する。図１は本実施の形態における、連結前の部分体２ａ（第１の部分体）及び部分体２ｂ（第２の部分体）の断面図である。図２は本実施の形態における、部分体２ａ及び部分体２ｂを連結して構成されたヒートシンク１の断面図である。ヒートシンク１は、部分体２ａと部分体２ｂとを連結して構成されている。部分体２ａと部分体２ｂは押し出し成型で製造されている。

図１に示すように、部分体２ａは、本体３ａ（第１の本体）と、フィン４ａ（第１のフィン）とで一体形成されている。本体３ａの側面９ａ（第１の側面）には配管用溝５ａ（第１の配管用溝）が延伸している。また側面９ａには、連結用凹部６ａと連結用凸部７ａとが延伸している。フィン４ａは、本体３ａ上に設けられ、本体３ａと一体形成されている。フィン４ａは配管用溝５ａの延伸方向に延伸するように設けられた複数の平板状の部材である。

同様に、図１に示すように、部分体２ｂは、本体３ｂ（第２の本体）と、フィン４ｂ（第２のフィン）とで一体形成されている。本体３ｂの側面９ｂ（第２の側面）には配管用溝５ｂ（第２の配管用溝）が延伸している。また側面９ｂには、連結用凸部６ｂと連結用凹部７ｂとが延伸している。フィン４ｂは、本体３ｂ上に設けられ、本体３ｂと一体形成されている。フィン４ｂは配管用溝５ｂの延伸方向に延伸するように設けられた複数の平板状の部材である。

ヒートシンク１は図２に示す通り、部分体２ａと部分体２ｂとを連結することで形成される。側面９ｂには、配管用溝５ａに対応する位置に配管用溝５ｂが設けられる。配管用溝５ａと配管用溝５ｂの間には冷媒配管８が設けられる。配管用溝５ａと配管用溝５ｂで形成される冷媒配管用空間８０は、冷媒配管８の外形に合わせた形状である。

側面９ａには、部分体２ａの連結用凹部６ａが設けられている。側面９ｂには、連結用凹部６ａに対応する位置に部分体２ｂの連結用凸部６ｂが設けられている。側面９ａには、部分体２ａの連結用凸部７ａが設けられている。側面９ｂには、連結用凸部７ａに対応する位置に部分体２ｂの連結用凹部７ｂが設けられている。連結用凹部６ａと連結用凹部７ｂは、それぞれの連結用凹部の奥の部分になるほど湾曲している。部分体２ａの連結用凸部６ｂを、部分体２ａの連結用凹部６ａに圧入すると、連結用凸部６ｂが連結用凹部６ａに沿って湾曲していく。部分体２ｂの連結用凸部７ａを、部分体２ｂの連結用凹部７ｂに圧入すると、連結用凸部７ａが連結用凹部７ｂに沿って湾曲していく。

連結用凸部６ｂを連結用凹部６ａに圧入することによって、連結用凸部６ｂと連結用凹部６ａは嵌合する。連結用凸部７ａを連結用凹部７ｂに圧入することによって、連結用凸部７ａと連結用凹部７ｂは嵌合する。部分体２ａと部分体２ｂとがお互いに分離する方向に力が作用しても、連結用凹部６ａと連結用凹部７ｂの湾曲部分が連結用凸部６ｂ及び連結用凸部７ａの先端に引っかかるため、部分体２ａと部分体２ｂの連結が維持される。

部分体２ａと部分体２ｂとが連結しているとき、冷却面３０は本体３ａと本体３ｂの底面で形成される。冷却面３０には、図示しない被冷却部品が取り付けられる。冷却面３０は平面又は略平面形状である。

上述のとおり、本実施の形態におけるヒートシンク１は、断面視が凹形状の配管用溝５ａが設けられた側面９ａを有する本体３ａと、側面９ａと接している側面９ｂを有し、断面視が凹形状の配管用溝５ｂが設けられた側面９ｂを有する本体３ａと、配管用溝５ａと配管用溝５ｂの間に設けられた冷媒配管８とを備えている。すなわち、本体３ａ及び本体３ｂに冷却面３０と平行な連結面が存在しない。すなわち、この平行な連結面が存在することによるによる連結面の接触熱抵抗の影響が無い。したがって、図示しない被冷却部品が取り付けられた冷却面３０から冷媒配管８までと、冷却面３０からフィン４ａ及びフィン４ｂの先端までの接触熱抵抗が特許文献１よりも小さく熱伝導が阻害されにくい。したがって、より冷却能力の高いヒートシンクが得られるという効果を奏する。

また、本実施の形態におけるヒートシンク１は、本体３ａ上に設けられ、配管用溝５ａの延伸方向に延伸するように設けられたフィン４ａと、本体３ｂ上に設けられ、配管用溝５ｂの延伸方向に延伸するように設けられたフィン４ｂと、配管用溝５ａと配管用溝５ｂの間に設けられた冷媒配管８と、を備えている。このため、本体３ａ及び本体３ｂ上に冷媒配管８を設置するスペースを有しない。その結果、ヒートシンク１は、本体３ａ及び本体３ｂ上にフィンが設置されていないスペースを有しないので、ヒートシンク１のフィン４ａ間及びフィン４ｂ間を通り抜ける風量が不均一になりにくい。したがって、ヒートシンク１にて図示しない被冷却部品をヒートシンク１の冷却面３０に設置して冷却する際、冷却ムラが発生しにくいヒートシンク１が得られるという効果を奏する。

なお、図２中では、冷媒配管用空間８０の断面形状は円形で記載されている。また、冷媒配管８は円筒形である。しかしながら、冷媒配管８は円筒形とは限らず、冷媒配管用空間８０の形状は円形とは限らない。すなわち、配管用溝５ａと配管用溝５ｂとで形成される冷媒配管用空間８０の形状は冷媒配管８に合わせた形状でよい。例えば冷媒配管８が扁平管であれば配管用溝５ａ及び配管用溝５ｂは扁平管を半分に割った形状であればよい。

配管用溝５ａ及び配管用溝５ｂを冷媒配管８に合わせた形状にすると、冷媒配管用空間８０は冷媒配管８の全周と接触し、図示しない被冷却部品の熱が冷媒配管８に伝導しやすくなるため、図示しない被冷却部品の温度上昇をより抑制できる。

また、連結用凸部と連結用凹部の組合せは、必ずしも両方の部分体に連結用凸部と連結用凹部の両方を形成する必要はなく、一方の部分体に連結用凹部のみ、もう一方の部分体に連結用凸部のみを形成してもよい。また、二つの部分体に形成する連結用凸部と連結用凹部の組数に制限はない。

また、部分体２ａの側面９ａと部分体２ｂの側面９ｂとは接着材等を用いて接合してもよい。その場合、連結用凸部６ｂ、連結用凸部７ａ、連結用凹部６ａ及び連結用凹部７ｂは無くてもよい。

また、部分体２ａと部分体２ｂと冷媒配管８は熱的に結合していることが望ましい。しかし、部分体２ａと部分体２ｂの接触面である側面９ａ及び側面９ｂは、製造上の公差による平面度のばらつきや傷、表面粗さにより微細な凹凸が存在する。冷媒配管８と二つの部分体との接触面である配管用溝５ａ及び配管用溝５ｂにも、上述と同様に微細な凹凸が存在する。そのため、それらの接触面は点接触の集合になる。そのため、それらの接触面に熱伝導グリース等の熱伝導部材を使用して接触面の熱抵抗を下げるのが望ましい。

また、部分体２ａと部分体２ｂを連結したときに、ヒートシンク１のフィンピッチが一定になるようにフィン４ａとフィン４ｂを設けてもよい。その場合、ヒートシンク１を強制空冷する場合にも、各フィン間に風の偏りがない均一な冷却を実現できるという更なる効果を奏する。

また、３個以上の部分体を接続してヒートシンク１ａを形成しても構わない。図３は本実施の形態における、連結前の部分体２ａ、部分体２ｂ及び部分体２ｃの断面図である。図４は本実施の形態における、部分体２ａ、部分体２ｂ及び部分体２ｃを連結して構成されたヒートシンク１ａの断面図である。たとえば３個の部分体を接続する場合、ヒートシンク１ａは、図３に示すように部分体２ａ、部分体２ｂ及び部分体２ｃの３つの部分体を接合することで形成される。部分体２ｃは部分体２ａと部分体２ｂの間に連結され、部分体２ｃの部分体２ａ側の側面９ｃには、配管用溝５ａに対応する位置に配管用溝５ｃが形成される。部分体２ｂ側の側面９ｄには、配管用溝５ｂに対応する位置に配管用溝５ｄが形成される。

側面９ｃには、連結用凹部６ａに対応する位置に連結用凸部６ｃが設けられている。側面９ｃには、連結用凸部７ａに対応する位置に連結用凹部７ｃが設けられている。側面９ｄには、連結用凸部６ｂに対応する位置に連結用凹部６ｄが設けられている。側面９ｄには、連結用凹部７ｂに対応する位置に連結用凸部７ｄが設けられている。

連結用凸部６ｃを連結用凹部６ａに圧入することによって、連結用凸部６ｃと連結用凹部６ａは嵌合する。連結用凸部７ａを連結用凹部７ｃに圧入することによって、連結用凸部７ａと連結用凹部７ｃは嵌合する。連結用凸部６ｂを連結用凹部６ｄに圧入することによって、連結用凸部６ｂと連結用凹部６ｄは嵌合する。連結用凸部７ｄを連結用凹部７ｂに圧入することによって、連結用凸部７ｄと連結用凹部７ｂは嵌合する。その結果、部分体２ａ、部分体２ｃ及び部分体２ｂは連結し、図４に示すような３個の部分体が接続されたヒートシンク１ａが形成される。

配管用溝５ａと配管用溝５ｃの間及び配管用溝５ｄと配管用溝５ｂの間にはＵ字型に曲げられた一本の冷媒配管８を設けることができる。また、側面９ａ、側面９ｂ、側面９ｃ及び側面９ｄには熱抵抗を下げるために熱伝導グリース等を使用するのが望ましい。

実施の形態２
以下、本実施の形態におけるヒートシンク１ｂの構成を、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態における、３個の同一形状の部分体を連結したヒートシンク１ｂの断面図である。本実施の形態におけるヒートシンク１ｂは、押出形成で製造された同一形状の部分体２ｄを複数個連結することで構成される。側面９ｅには、配管用溝５ｅが備えられる。側面９ｆには、部分体２ｄを並列に並べたときに配管用溝５ｅに対応する位置に配管用溝５ｆが備えられる。

側面９ｅには、連結用凸部６ｅが設けられている。側面９ｆには、部分体２ｄを並列に並べたときに連結用凸部６ｅに対応する位置に連結用凹部６ｆが設けられている。側面９ｅには、連結用凹部７ｅが設けられている。側面９ｆには、部分体２ｄを並列に並べたときに連結用凹部７ｅに対応する位置に連結用凸部７ｆが設けられている。

一の部分体２ｄの連結用凸部６ｅを他の部分体２ｄの連結用凹部６ｆに圧入することによって、一の部分体２ｄの連結用凸部６ｅと他の部分体２ｄの連結用凹部６ｆは嵌合する。他の部分体２ｄの連結用凸部７ｆを一の部分体２ｄの連結用凹部７ｅに圧入することによって、他の部分体２ｄの連結用凸部７ｆと一の部分体２ｄの連結用凹部７ｅは嵌合する。その結果、複数の部分体２ｄは連結し、図５に示すような複数個の部分体２ｄが接続されたヒートシンク１ｂが形成される。

上述のとおり、本実施の形態におけるヒートシンク１ｂは、実施の形態１のヒートシンクと同様の効果を奏するとともに、同一形状の部分体２ｄを複数個連結することで構成しているので、製造する部分体２ｄは１種類で済む。そのため、押出形成の金型を削減できるため、金型製造費用及び管理費用の観点でより経済的である。例えば、ある製品で使用する被冷却部品と、別の製品で使用する被冷却部品の大きさが異なる場合でも、冷却する被冷却部品の大きさに合わせて連結する部分体２ｄの数を増減することで、ヒートシンク１ｂの大きさを変更できる。そのため、製造する部分体２ｄは１種類で済む。

なお、本実施の形態において一の部分体２ｄの配管用溝５ｅ及び他の部分体２ｄの配管用溝５ｆで形成される冷媒配管用空間８０には、必ずしも全てに冷媒配管８が設けられている必要はない。

実施の形態３
以下、本実施の形態における空気調和装置の室外機２１の構成を図６〜図８を用いて説明する。図６は空気調和装置の室外機２１の構成図である。空気調和装置は室外機２１と、図示しない室内機とを備える。室外機２１と図示しない室内機とは図示しない接続用配管で接続されている。室外機２１と図示しない室内機の間には図示しない接続用配管を通じて冷媒が流通する。また、室外機２１には、図示しない室内機から図示しない接続用配管内の電源配線を通じて電力が供給されている。

室外機２１は最上部に送風部１８、送風部１８の下に熱交換部１９、熱交換部１９の下に機械部２０と主に３つの部位で構成される。室外機２１の下部には吸気口１３が設けられている。送風部１８の内部にはファン１０がある。ファン１０が回転すると、室外機２１外の空気が吸気口１３から室外機２１内に取り込まれる。取り込まれた空気は、熱交換部１９の周囲を流れるとともにヒートシンク１の周囲にも流れる。その後、その空気は送風部１８から上方へ排気される。熱交換部１９の側壁には熱交換器１１が構成されている。

熱交換部１９は、図示しない冷媒配管と図示しない複数の薄い板状の金属板で構成される。図示しない冷媒配管には冷媒が封入されている。冷媒は、図示しない室内機と室外機２１間の熱を輸送する空気調和装置の冷凍サイクルに用いられている。熱交換器１１中の図示しない冷媒配管の内部の冷媒の温度と室外機ユニットの周囲環境温度の関係は、空気調和装置の運転モードの状態で異なる。室内を暖める冬場の暖房モードの場合は、冷媒の温度が周囲の空気より冷たく、室内を冷やす夏場の冷房モードでは、冷媒の温度が周囲の空気より暖かい。そのため、ファン１０が回転することで生じる風が熱交換器１１にあたると、熱交換器１１は暖房モードでは吸熱、冷房モードでは放熱し、図示しない室内機と冷媒を通じて熱の授受を行う。

図７は本実施の形態における、空気調和装置の室外機２１の電気品箱１２周辺の構成図である。図８は本実施の形態における、空気調和装置の室外機２１の電気品箱１２周辺の断面図である。機械部２０には、図示しない圧縮機やアキュムレータ等が搭載されている。圧縮機を駆動するインバータ回路１７等は、電気品箱１２に収納されており、機械部２０に設置されている。インバータ回路１７を構成する半導体部品等の電子部品１４は、多くの場合発熱が大きく、故障なく安全に使用するために何らかの放熱または冷却措置が必要になる。本実施の形態は、強制空冷と冷媒冷却を組み合わせたヒートシンクとして、実施の形態１で述べたヒートシンク１を使用した構成である。ヒートシンク１は、電気品箱１２の外側にネジなどで固定される。

ヒートシンク１と接触する電気品箱１２の面の一部は開口しており、この開口部を通じて電気品箱１２の内部に収納された被冷却部品であるインバータを構成する電子部品１４とヒートシンク１は接続されている。電気品箱１２を機械部２０に設置する場合、電気品箱１２は熱交換器１１より下方にあるため、そのままではヒートシンク１に充分に風が流れない。そのため、ダクト１５をヒートシンク１近傍に設置して必要な風量がヒートシンク１に供給されるようにする。

ヒートシンク１には冷媒配管８が設置されている。冷媒配管８の中には、熱交換器１１に流れ、室外機と図示しない室内機を循環している冷媒の一部が分流するように接続されている。通常、冷媒の温度は、被冷却部品である半導体などの電子部品１４の温度より低い。そのためヒートシンク１に設置された冷媒配管８の内部を冷媒が循環すると、電子部品１４の熱が冷媒配管を介して冷媒に伝導し、電子部品１４が冷却される。

なお、本実施の形態における空気調和装置には、実施の形態１におけるヒートシンク１を適用したが、無論、実施の形態１におけるヒートシンク１ａ及び実施の形態２におけるヒートシンク１ｂも同様に適用可能であることは言うまでもない。

本発明は、実施の形態１〜３に限られない。本発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせること、及びその一部を適宜変更、省略等することが可能である。

１、１ａ、１ｂ ヒートシンク
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 部分体
３ａ、３ｂ、３ｃ 本体
４ａ、４ｂ、４ｃ フィン
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ 配管用溝
６ａ 連結用凹部
７ａ 連結用凸部
６ｂ 連結用凸部
７ｂ 連結用凹部
６ｃ 連結用凸部
７ｃ 連結用凹部
６ｄ 連結用凹部
７ｄ 連結用凸部
６ｅ 連結用凸部
７ｅ 連結用凹部
６ｆ 連結用凹部
７ｆ 連結用凸部
８ 冷媒配管
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ 側面
８０ 冷媒配管用空間
１０ ファン
１１ 熱交換器
１２ 電気品箱
１３ 吸気口
１４ 電子部品
１５ ダクト
１７ インバータ回路
１８ 送風部
１９ 熱交換部
２０ 機械部
２１ 室外機
３０ 冷却面

Claims (4)

1. 断面視が凹形状の第１の配管用溝が設けられた第１の側面を有する第１の本体と、
   前記第１の本体上に設けられ、前記第１の配管用溝の延伸方向に延伸するように設けられた第１のフィンと、
   前記第１の側面と接している第２の側面を有し、断面視が凹形状の第２の配管用溝が設けられた第２の側面を有する第２の本体と、
   前記第２の本体上に設けられ、前記第２の配管用溝の延伸方向に延伸するように設けられた第２のフィンと、
   前記第１の配管用溝と前記第２の配管用溝の間に設けられた冷媒配管と、を備えたヒートシンク。
2. 前記第１の側面には連結用凹部を有し、
   前記第２の側面には、前記連結用凹部に対応する位置に連結用凸部を有し、
   前記連結用凹部と前記連結用凸部は嵌合している請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記第１の本体と前記第１のフィンが一体的に形成されている第１の部分体と、
   前記第２の本体と前記第２のフィンが一体的に形成されている第２の部分体とは同一形状である請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク、
   回転することによって前記ヒートシンクの周囲の空気を排気するファン、
   及び前記ヒートシンクによって冷却される電子部品、を有する室外機と、
   室内機と、
   前記室外機と前記室内機とを接続する接続用配管と、を備えた空気調和装置。

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