JP4046703B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

この発明は、例えば汎用インバータ等の電力制御機器を構成するＩＧＢＴ等のパワー素子等をモジュール化したパワー半導体モジュールを冷却するためのヒートシンクに関するものである。

従来、例えば産業用モータの回転数を可変制御するための汎用インバータにおいては、インバータ回路を構成する主要デバイスとしてＩＧＢＴ等のパワー半導体モジュールが用いられている。このパワー半導体モジュールは、その動作時に大きな熱を発生するので、冷却する必要性があり、そのためにパワー半導体モジュールにヒートシンクが取り付けられている。
このヒートシンクの例として、パワー半導体モジュールを取り付けるベース材に蓋材を嵌合して冷却風が通過する中空通路を形成し、この中空通路に波形状に折り曲げた薄い板のコルゲートフィンを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２５７２９６号公報

このヒートシンクでは、コルゲートフィンは波形状であり、冷却風との放熱面積が増大し、熱伝達を促進させる効果を有しているものの、コルゲートフィンは、ベース材及び蓋材にそれぞれロー付けにより固定されており、組立作業性が悪く、その結果コストが嵩むという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、組立作業性が向上し、コストが低減されるヒートシンクを得ることを目的とする。

この発明に係るヒートシンクは、ベースと、このベースに重ねられているとともに前記ベースと協同して冷媒が通る通路を形成するヒートシンク本体と、パワー半導体モジュールと前記ベースとの間で、一方はパワー半導体モジュールに当接し、他方はベースに当接して設けられているとともに前記通路を複数の整流通路に画成する、蛇腹状で可撓性の整流板と、前記ベース側の前記整流通路に前記冷媒の流れる方向に沿って配列され、前記整流板の位置ずれを防止する複数のリブとを備え、前記整流板には、隣接した前記整流通路間を連通し、前記冷媒が通過することで冷媒の乱流を生じさせる穴が形成されている。

この発明によるヒートシンクによれば、組立作業性が向上するとともに、コストが低減される。

実施の形態１。
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一または相当の部材、部位については同一符号を付して説明する。
このヒートシンクは、アルミニウム製で平板状のベース１と、このベース１にシールパッキン１０を介して重ねられているとともにベース１と協同して冷媒である冷却水が通る通路を形成するヒートシンク本体２と、発熱体であるパワー半導体モジュール５とベース１との間に設けられた蛇腹状の整流板６とを備えている。
パワー半導体モジュール５は、ボルト等（図示せず）でベース１にシールパッキン１１を介して固定されている。

パワー半導体モジュール５は、その内部では、絶縁板に接触した銅ブロックにパワー素子（図示せず）がハンダ付け等によって接合されており、トランスファーモールド工法により一体成形により形成されたものである。

ヒートシンク本体２は、熱伝導性が良好なアルミニウム等によりダイキャストで形成されている。なお、軽量化に優れる樹脂材料により射出成型で形成したものでもよい。
四角の枠形状のヒートシンク本体２には、一辺部に冷却水が流入する入口部３が形成されており、他辺部には冷却水が流出する出口部４が形成されている。入口部３と出口部４との間の空間部は、ベース１と協同することで冷却水が通過する通路が形成される。

ステンレス鋼で構成された整流板６は、プレス成形加工により形成されている。この整流板６は、パワー半導体モジュール５とベース１との間で一方はパワー半導体モジュール５の伝熱面１３に当接し、他方はベース１の表面に当接して設けられている。整流板６は、折り畳み、伸縮可能で、山、谷が交互に繰り返された蛇腹状に形成されている。整流板６の山側（パワー半導体モジュール５側）では、パワー半導体モジュール５の伝熱面１３に面接触した平面部７が形成されている。整流板６の谷側（ベース１側）は、ベース１に面接触している。整流板６は、山側が伝熱面１３に当接し、谷側がベース１に当接することで、前記通路は、冷却水がベース１に直接接触するベース側整流通路１４Ａと、冷却水が伝熱面１３に直接接触する伝熱面側整流通路１４Ｂとに画成される。
各ベース側整流通路１４Ａには、冷却水の流れる方向に沿って等分間隔をおいて複数のリブ９が形成されている。このリブ９は、ベース１とパワー半導体モジュール５との間の整流板６の位置ズレを防止し、またベース側整流通路１４Ａを確保するものである。

上記構成のヒートシンクによれば、整流板６は、パワー半導体モジュール５とベース１との間で、一方はパワー半導体モジュール５に当接し、他方はベース１に当接して設けられており、整流板６をパワー半導体モジュール５及びベース１に対してロー付けにより固定するといった面倒な組立作業が不要となり、組立作業性が向上し、コストが低減される。
また、この整流板６は薄い鋼板をプレス成形加工の工法により成形されるので、厚みを０．３〜０．５ｍｍ、ピッチを１〜１．５ｍｍ程度まで細かくでき、ダイキャストや押し出し成型によるフィンと比較すると、冷却水との接触面積をより大きくとれるため熱伝達率を向上させることができる。

また、整流板６には、伝熱面１３と面接触する平面部７が形成されているので、パワー半導体モジュール５から整流板６への熱流束の通過面積が大であり、熱伝達率を向上させることができる。

また、冷却水の通路は、整流板６により複数の整流通路１４Ａ、１４Ｂに画成されているので、冷却水の流れが均流化し、これに伴い放熱性能も均質化させる。
図５は整流板６を備えたヒートシンクの場合についての内部での冷却水の速度分布を示している。図において局部での冷却水の速度を矢印の長さで示している。
なお、図６は、整流板６を有していない場合における、局部での冷却水の速度を矢印の長さで示している。
一般的に層流の流れにおいては、流れの中央が最も流速が高く、管壁に近づくにつれて管壁との粘性摩擦の影響で流速は低下し、管壁表面では流れは無いとされている。
また、ヒートシンクを流れる冷却水のように比較的低い流速（前面速度で１ｍ／ｓ程度）の領域においては、熱伝達率は流速にほぼ比例することが知られている。
従って、図６に示すように整流板６が無い場合は、伝熱面１３の中央部では冷却水の流速が高く、その周縁部では冷却水の流速が低い、即ち伝熱面１３の中央部では熱伝達率が高く、その周縁部では熱伝達率が低い。
これに対して、図５に示すように整流板６を実装した場合には、冷却水の通路が複数に区切られるために、区切られた一つの整流通路１４Ａ、１４Ｂ毎において流速分布は生じるものの、伝熱面１３の全域においてそれぞれの整流通路１４Ａ、１４Ｂの平均的な流速に均一化される。よって、伝熱面１３の全域にわたっての放熱性の均一化が図られる。

また、整流板６は、可撓性を有しているので、例えば図７に示すように、パワー半導体モジュール５の伝熱面１３がフラットでない場合でもパワー半導体モジュール５の伝熱面１３と面接触することができ、所定の熱伝導性を確保することができる。
このように、この整流板６は、部品の加工誤差や組立て誤差によって生じる小さな歪に対しては対応することができるので、実際にはヒートシンク本体２の高さより１００μｍ〜２００μｍ程度大きく整流板６を成型しておけばよい。
また、整流板６は、パワー半導体モジュール５とヒートシンク本体２との間の空間を支持する支柱の役割を果たしており、パワー半導体モジュール５の伝熱面１３が熱応力によって反ったとしても、空間は確保される。

また、整流板６には、隣接した整流通路１４Ａ、１４Ｂ間を連通する穴８が形成されているので、冷却水が穴８を通過することによって、冷却水の乱流が生じる。一般的に流れが乱れた状態では、壁面で高い熱伝達率を生じることが知られており、この実施の形態のように、乱流を強制的に生じさせることで整流板６の熱伝達率を向上させることができる。

また、ベース側整流通路１４Ａには、冷却水の流れる方向に沿って整流板６の位置ずれを防止するリブ９が等分間隔で複数配列されているが、図８に示すように、冷却水はＡの箇所から分かるように、局部で冷却水の渦が発生し、乱れが生じる。
従って、伝熱面１３と面接触する平面部７の直下にリブ９が設けられているので、冷却水の乱れが生じ、ベース１の熱伝達率を向上させることができる。

また、この整流板６はステンレス鋼で構成されているので、冷却水の中に含まれる金属イオンや酸化添加物質等との化学的反応を抑えることができ、磨耗や変質を起こさず初期の放熱性能が維持される。

なお、上記実施の形態では、発熱体としてパワー半導体モジュールの場合について説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、例えば管制用、防衛用等のアンテナモジュールを冷却するヒートシンクにも適用することができる。
また、整流板６の材料して、ステンレス鋼を用いたが、その材料については、可撓性があり、熱伝導性及び機械的強度が優れたものであればよい。
また、発熱体を冷却する冷媒として水を用いたが、他の液体、または気体であってもよい。

この発明の実施の形態１のヒートシンクを示す平面図である。 図１のヒートシンクのＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。 図１のヒートシンクのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。 図１の整流板を示す斜視図である。 図１のヒートシンクにおける、局部での冷却水の流れの速度を矢印の長さで示した図である。 整流板を有しないヒートシンクにおける、局部での冷却水の流れの速度を矢印の長さで示した図である。 変形したパワー半導体モジュールがヒートシンクに装着された状態を示す図である。 冷却水が図１のリブに衝突したときの挙動を示す図である。

符号の説明

１ ベース、２ ヒートシンク本体、５ パワー半導体モジュール（発熱体）、６ 整流板、７ 平面部、８ 穴、９ リブ、１３ 伝熱面、１４Ａ ベース側整流通路、１４Ｂ 伝熱面側整流通路。

Claims (3)

1. パワー半導体モジュールに冷媒を介して取り付けられるヒートシンクであって、
   ベースと、
   このベースに重ねられているとともに前記ベースと協同して前記冷媒が通る通路を形成するヒートシンク本体と、
   前記パワー半導体モジュールと前記ベースとの間で、一方はパワー半導体モジュールに当接し、他方はベースに当接して設けられているとともに前記通路を複数の整流通路に画成する、蛇腹状で可撓性の整流板と、
   前記ベース側の前記整流通路に前記冷媒の流れる方向に沿って配列され、前記整流板の位置ずれを防止する複数のリブとを備え、
   前記整流板には、隣接した前記整流通路間を連通し、前記冷媒が通過することで冷媒の乱流を生じさせる穴が形成されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記整流板は、前記発熱体に面接触する平面部を有している請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記整流板は、ステンレス鋼で構成されている請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。

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