JP4477963B2 - Heat dissipating element for heat-generating element - Google Patents
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Description
本発明は、発熱体として主にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの発熱性素子を冷却する格子型ヒートシンク用の放熱フィンを接合した発熱性素子の冷却用放熱体に関する。
The present invention relates to a heat sink of the main IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) heating element which is joined to the heat radiation fins of lattice heat sink the heat generating element cooling, such as calling hot body.
従来から、IGBTなどの発熱性素子を冷却するヒートシンクとしては、一方の面に発熱体を保持させたベース板を用い、該ベース板の他方の面に複数の放熱フィンを櫛形や格子形に配設して構成した比較的安価なヒートシンクが多用されている。例えば、特許文献1に記載されているような、格子型の放熱フィンをベース板に積層させてロウ付けなどで接合した格子型ヒートシンクが多く用いられている。
このような格子型ヒートシンクは、フィンは押出形材製で、アルミのベース板にロウ付け接合することで得られる比較的単純な構造のため、比較的安価に製造できる。
Such a lattice-type heat sink can be manufactured at a relatively low cost because the fins are made of extruded shapes and have a relatively simple structure obtained by brazing to an aluminum base plate.
従来の格子型ヒートシンクでは、その放熱性能が必ずしも十分ではなかった。したがって、高発熱密度の半導体素子を効率的に冷却させる場合などには、その冷却性能を向上させるために、格子型ヒートシンクではなく、ヒートパイプ作動液としてフッ素化合物(例えば、住友スリーエム(株)製、フロリナートFX−3250(商品名)等)を用いた沸騰冷却式ヒートシンクを使用する、あるいは熱伝導性の高い銅製ヒートパイプによるヒートシンクを使用することが一般的である。 Conventional heat sinks have not always had sufficient heat dissipation performance. Therefore, when efficiently cooling a semiconductor element having a high heat generation density, a fluorine compound (for example, manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.) is used as a heat pipe working liquid instead of a lattice heat sink in order to improve the cooling performance. In general, a boiling cooling heat sink using Fluorinert FX-3250 (trade name) or the like, or a heat sink made of copper heat pipe having high thermal conductivity is used.
しかしながら、上記のような高発熱密度の素子冷却を行う場合でのフッ素化合物の作動液を用いる沸騰冷却式ヒートシンクにおいては、その全体的構成が複雑化されて高価である。また、冷媒として地球温暖化係数の大きいフッ素化合物を使う場合が多く、比較的良好な冷却性能が得られるのではあるが、環境悪化防止の観点から、その使用が年々敬遠されつつある。 However, the boiling cooling type heat sink using the fluorine compound working fluid in the case of cooling the element having a high heat generation density as described above is complicated and expensive. In addition, a fluorine compound having a large global warming potential is often used as a refrigerant, and although relatively good cooling performance can be obtained, its use is being avoided year by year from the viewpoint of preventing environmental deterioration.
一方、ヒートパイプを用いるヒートシンクでは、発生熱をベース板からヒートパイプに配した放熱フィンに伝熱させて熱放散を図るのであるが、新幹線等の車両や自動車用など該ヒートシンク自体の高さが比較的低くされた構成の場合、すなわち、フィンを配したヒートパイプにおける放熱部の長さ寸法が比較的短い構成では、該ヒートパイプから放熱フィンへの効率的な熱伝導性に欠けることになり、このため、熱放散が十分にはなされないという不利がある。 On the other hand, in a heat sink using a heat pipe, the generated heat is transferred from the base plate to the heat radiating fins arranged on the heat pipe to dissipate the heat. In the case of a relatively low configuration, that is, in a configuration in which the length of the heat radiating portion in the heat pipe provided with the fin is relatively short, the efficient thermal conductivity from the heat pipe to the heat radiating fin is lacking. For this reason, there is a disadvantage that heat is not sufficiently dissipated.
従って、本発明の目的は、高性能で軽量な格子型ヒートシンクを製造することのできる、放熱効率を向上させた、放熱フィンを接合した発熱性素子の冷却用放熱体を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a cooling heat dissipating element for a heat-generating element joined with heat dissipating fins, capable of producing a high-performance and light-weight grid heat sink and having improved heat dissipating efficiency.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は下記の手段により達成される。
すなわち本発明は、
(1)複数の相隣接する縦フィンと、この相隣接する縦フィンを交差させて設けた横フィンとを有する放熱フィンを接合した放熱体であって、放熱体に対する放熱フィンの接合基部から一定の高さにおいて、一つの縦フィン1aと隣接する縦フィン1bとの距離をA、当該縦フィン1bから次の縦フィンまでの距離もしくは前記横フィンの延設端部2aまでの距離をBとし、前記縦フィン1bの肉厚t1が0.4〜8mmの範囲にあり、前記縦フィン1aの肉厚t2が0.4〜5mmの範囲にあって、前記距離A及び距離Bが
1.06≦A/B≦1.25
の関係式を満たすことを特徴とする放熱フィンを接合した発熱性素子の冷却用放熱体、および
(2)複数の相隣接する縦フィンと、この相隣接する縦フィンを交差させて設けた横フィンとを有する放熱フィンを接合した放熱体であって、放熱体に対する放熱フィンの接合基部から一定の高さにおいて、相隣接する縦フィンの一方の縦フィン1bの肉厚をt1、他方の縦フィン1aの肉厚をt2とし、前記縦フィン1aと縦フィン1bとの距離Aが2〜30mmの範囲にあり、前記縦フィン1bから次の縦フィンまでの距離もしくは前記横フィンの延設端部2aまでの距離Bが2〜30mmの範囲にあって、前記t1およびt2が
1.2≦t1/t2≦2.9
の関係式を満たすことを特徴とする放熱フィンを接合した発熱性素子の冷却用放熱体
を提供するものである。
This invention is made | formed in view of the said situation, and the subject of this invention is achieved by the following means.
That is, the present invention
(1) A heat radiating body in which a plurality of adjacent vertical fins and a horizontal fin provided by intersecting the adjacent vertical fins are joined to each other, and is fixed from the joint base of the heat radiating fin to the heat radiating body. in height, the distance between the vertical fin 1b adjacent to one of the vertical fin 1a a, the distance from the vertical fin 1b to extension end portion 2a of the distance or the horizontal fin until the next vertical fin and B The thickness t1 of the vertical fin 1b is in the range of 0.4 to 8 mm, the thickness t2 of the vertical fin 1a is in the range of 0.4 to 5 mm, and the distance A and the distance B are 1.0. 6 ≦ A / B ≦ 1. 25
Cooling heat radiator of the heat generating element formed by joining the heat dissipating fins to satisfy the relational expression, and (2) a vertical fin adjacent a plurality of phases, transverse provided by intersecting the vertical fin to the adjacent to each A heat dissipating body having heat dissipating fins having fins, wherein the thickness of one vertical fin 1b of adjacent vertical fins is t1 and the other vertical fin at a certain height from the base of the heat dissipating fin to the heat dissipating body. The thickness of the fin 1a is t2, and the distance A between the vertical fin 1a and the vertical fin 1b is in the range of 2 to 30 mm. The distance from the vertical fin 1b to the next vertical fin or the extension of the horizontal fin the distance B to the end 2a in the range of 2 to 30 mm, the t1 and t2 is 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9
The heat-radiating element for cooling the heat-generating element joined with the heat- dissipating fins is provided.
本発明に係る放熱フィンによれば、高発熱量の素子を接合したヒートシンクにおいて、フィン間距離と縦フィンの肉厚を特定の関係に制御することにより、フィンの放熱性能を向上させることができる。よって、高性能で軽量な格子型ヒートシンクを提供することができ、特に車両の制御機器のように多量の熱を処理する必要があり、且つ軽量化が求められる用途に好適である。 According to the heat dissipating fin according to the present invention, the heat dissipating performance of the fin can be improved by controlling the distance between the fins and the thickness of the vertical fin in a specific relationship in the heat sink in which the elements of high heat generation are joined. . Therefore, it is possible to provide a grid heat sink having high performance and light weight, and it is particularly suitable for an application where a large amount of heat needs to be processed and a reduction in weight is required like a vehicle control device.
以下、本発明に用いられる放熱フィンの好ましい実施態様について図1〜図3を参照して詳細に説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
Hereinafter, a preferred embodiment of the radiation fin used in the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明に用いられる放熱フィンの一例を示すものである。図1−aは、放熱フィンの全体を示す正面図である。放熱フィンは、縦フィン1aと縦フィン1b、および、この互いに隣接する縦フィンの間にほぼ水平に配置した横フィン2とから形成されている。図中、3は放熱フィンの放熱体に対する接合基部である。また、2aは横フィンの延設端部である。この放熱フィンの放熱体に対する接合基部3周辺の拡大図を図1−bに示す。図中、Aは、接合基部3から一定の高さにおける、一つの縦フィン1aから隣接する縦フィン1bまでの距離であり、Bは、同じ高さにおける当該縦フィン1bから次の縦フィンまたは横フィン末端までの距離である。また、t1およびt2は、それぞれ縦フィン1bおよび1aの接合基部3から一定の高さにおける肉厚である。
本発明者らは、図1に示されるAとB、またはt1とt2を適正な関係に制御することにより、放熱フィンの放熱性能を上げ、軽量化できることを見出したものである。
FIG. 1 shows an example of a radiation fin used in the present invention. FIG. 1A is a front view showing the entire heat dissipating fin. The heat radiating fins are formed of vertical fins 1a and vertical fins 1b, and horizontal fins 2 arranged substantially horizontally between the adjacent vertical fins. In the figure,
The present inventors have found that by controlling A and B or t1 and t2 shown in FIG. 1 to an appropriate relationship, the heat radiation performance of the heat radiation fin can be increased and the weight can be reduced.
一つの好ましい実施態様においては、格子フィン用形材の二つのフィン間距離A、Bが1.06≦A/B≦1.25を満たすものである。それにより、フィン間Aの冷却流体の圧力損失をBより小さくしてフィン間Aの冷却流体の流速を上げ、フィン間Aの面の放熱効率を向上させるものである。A/Bは、1.08≦A/B≦1.2がさらに好ましい。Aの距離は2〜30mmであり、Bの距離も2〜30mmである。
In one preferred embodiment, the distance A between two fins of the lattice fin profile is 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. 25 is satisfied. Thereby, the pressure loss of the cooling fluid between the fins A is made smaller than B, the flow velocity of the cooling fluid between the fins A is increased, and the heat radiation efficiency of the surface between the fins A is improved. A / B is 1 . More preferably, 08 ≦ A / B ≦ 1.2. Distance A is 2 ~30mm, distance B is also 2 ~30mm.
また、別の好ましい実施態様においては、格子用形材の縦フィンの肉厚が1.2≦t1/t2≦2.9を満たすものである。肉厚t1をt2より厚くすることで、より効率よく素子の熱をフィンに伝達するものである。これにより、さらに、図2に示す従来の等肉厚フィンに比べ、フィンの軽量化が可能となるものである。t1/t2は、1.3≦t1/t2≦2.5がさらに好ましく、1.5≦t1/t2≦2がより好ましい。
t1自体の厚さは、0.4〜8mmである。
t2自体の厚さは、0.4〜5mmである。
In another preferred embodiment, the thickness of the vertical fin of the lattice shape material satisfies 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9 . By making the wall thickness t1 thicker than t2, the heat of the element is more efficiently transmitted to the fins. Thereby, the weight of the fin can be further reduced as compared with the conventional equal thickness fin shown in FIG. t1 / t2 is more preferably 1.3 ≦ t1 / t2 ≦ 2.5, and more preferably 1.5 ≦ t1 / t2 ≦ 2.
The thickness of t1 itself is 0.4 to 8 mm.
The thickness of t2 itself is 0.4 to 5 mm.
図2は従来の格子型放熱フィンである等肉厚フィンの放熱体に対する接合基部附近の拡大図である。図中、A’は、放熱体に対する接合基部23から一定の高さにおける、一つの縦フィン21aから隣接する縦フィン21bまでの距離であり、B’は、同じ高さにおける当該縦フィン21bから次の縦フィンまたは横フィン延設端部22aまでの距離である。また、t21およびt22は、それぞれ縦フィン21aおよび21bの接合基部23から一定の高さにおける肉厚である。ここでは、A’=B’であり、t21=t22となっている。
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the joint base portion of the heat sink with an equal thickness fin that is a conventional grid-type heat radiation fin. In the figure, A ′ is the distance from one vertical fin 21a to the adjacent
本発明においては、1.06≦A/B≦1.25、および1.2≦t1/t2≦2.9の両方の式を満たすことがさらに好ましい。
また、本発明に用いられる放熱フィンの素材には、特に限定はないが、アルミニウム合金、アルミニウム、銅、銅合金が好ましい。また、放熱フィンの製造方法にも特に限定はないが、例えば、通常の押出し成形、鋳造、ろう付け、溶接、はんだ付けによって製造することができる。
また、縦フィン間の横フィンの数は、特に限定はないが、2〜50個存在し、横フィン間の距離は2〜30mmであることが好ましい。
In the present invention, 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. More preferably, both the formulas 25 and 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9 are satisfied.
Moreover, the raw material of the radiation fin used in the present invention is not particularly limited, but aluminum alloy, aluminum, copper, and copper alloy are preferable. Moreover, although there is no limitation in particular also in the manufacturing method of a radiation fin, it can manufacture by normal extrusion molding, casting, brazing, welding, and soldering, for example.
Further, the number of horizontal fins between the vertical fins is not particularly limited, but there are preferably 2 to 50, and the distance between the horizontal fins is preferably 2 to 30 mm.
また、本発明に用いられる放熱フィンは、縦フィンの厚さがヒートシンクのベース板などの放熱体に直接または間接に接合する接合基部3から遠ざかるにしたがって薄くなるように構成することが好ましい。縦フィンは接合基部3から遠ざかるにしたがって温度が降下し、熱移動量も少なくなるので、フィンを薄くして軽量化し、開口面積を大きくでき、冷却流体の圧力損失を小さくすることができる。1つの縦フィンの肉厚の最も厚い部分と薄い部分の差は、フィン形状、流体の物性、流速等により適宜決めることができるが、0.3〜5mmであることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the radiation fin used for this invention is comprised so that the thickness of a vertical fin may become thin as it distances from the joining
図3は、本発明に係る、放熱フィンが用いられるヒートシンクの一例の各部構造を模式的に示す図で、(a)は平面図、(b)は裏面図、(c)は正面図、(d)は(c)における矢印方向から見た側面図である。
本発明に用いられる放熱フィンは、図3のように、発熱体としてのIGBTなどの発熱性素子14を一方の面に固定的に保持させたベース板11の他方の面に、複数個並設させて接合し、格子型放熱フィン13を形成し、使用することが好ましい。
前記ベース板11と格子型放熱フィン13は、アルミ押出し成形によって一体形成しても良いし、あるいはベース板11に対して各放熱フィンをロウ付けや半田付け、もしくは溶接、カシメ付けなどによっても製造し得る。図3においては、ベース板11とフィン13の間に、ブレージングシート12を挟んで、ロウ付け接合したものを示している。
ヒートシンクには矢印Fから送風されて冷却される。また、図中、Hは格子型発熱フィン13の高さを示すものである。
FIGS. 3A and 3B are diagrams schematically showing the structure of each part of an example of a heat sink in which heat radiating fins according to the present invention are used, wherein FIG. 3A is a plan view, FIG. 3B is a back view, and FIG. d) It is the side view seen from the arrow direction in (c).
As shown in FIG. 3, a plurality of heat dissipating fins used in the present invention are juxtaposed on the other surface of the
The
The heat sink is cooled by being blown from the arrow F. In the figure, H indicates the height of the grid-type
また、図1に示す縦フィンは、ベース板との接合基部から遠ざかる方向に薄肉にしているが、勿論、本発明においては縦フィンの全長に渡って同じ肉厚としても良い。
また、図1では、縦フィンが1aと1bがそれぞれ1本の場合を示しているが、本発明の放熱フィンは、例えば、アルミ押出し成形などによって、最初から図1に示す構造が複数個並んだ構造を一体形成した、1aと1bをそれぞれ複数有するものでも良い。
Moreover, although the vertical fin shown in FIG. 1 is made thin in the direction away from the joint base with the base plate, of course, in the present invention, it may have the same thickness over the entire length of the vertical fin.
1 shows a case where there are one vertical fin 1a and 1b, but the heat dissipating fin of the present invention has a plurality of structures shown in FIG. 1 from the beginning by, for example, aluminum extrusion molding. It may have a plurality of 1a and 1b, which are integrally formed.
図3に模式的に示す各部構造で、表1および2に示す寸法の格子フィンでヒートシンクを作製し、放熱実験を行い性能を評価した。表1および2におけるA、B、t1およびt2の値は接合部から5mmの高さで測定したものである。図3のフィン13としては、図1の正面図に示す形状(横フィンの数等)のものを、ベース板11全面に渡り同じ向きに並立させて配置したものである。ベース板11は300×300×20mmの寸法A3003アルミニウム合金を使用し、ベース板11とフィン13の間には、ブレージングシート12を挟んで、ロウ付け接合したものである。フィン13はA1070アルミニウム合金を使用し、高さHは、120mmである。横フィンの厚さは0.6mmである。素子14は、風上側に発熱量0.6kW、風下側に発熱量1kWの計1.6kWの発熱量のものを図3のように配置して取り付けた。冷却はターボファンを使用して行い、ダクトを通して風速6m/sの風をフィンに吹かせた。素子の温度上昇は、ベース面11の素子14との接合面近傍に熱電対を埋設して測定した。
フィン間距離A、Bを変化させた場合の測定結果を表1に示す。
In each part structure schematically shown in FIG. 3, a heat sink was manufactured with lattice fins having the dimensions shown in Tables 1 and 2, and a heat dissipation experiment was performed to evaluate the performance. The values of A, B, t1, and t2 in Tables 1 and 2 are measured at a height of 5 mm from the joint. As the
Table 1 shows the measurement results when the inter-fin distances A and B are changed.
表1に示すように、1.06≦A/B≦1.25を満たすNo.1〜3では、Aの長さはNo.1〜3と同じであるが1.06≦A/B≦1.25を満たさないNo.7、8に比較し、優れた放熱性能を示した。また、同様に、1.06≦A/B≦1.25を満たすNo.4〜6では、Aの長さはNo.4〜6と同じであるが1.06≦A/B≦1.25を満たさないNo.9、10に比較し優れた放熱性能を示した。
As shown in Table 1, 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. No. 25 satisfying 1 to 3, the length of A is No. 1. 1 to 3 but 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. No. 25 not satisfying. Compared to 7 and 8, excellent heat dissipation performance was shown. Similarly, 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. No. 25 satisfying 4 to 6, the length of A is No. 4-6, but 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. No. 25 not satisfying. Excellent heat dissipation performance compared to 9 and 10.
次に、肉厚t1、t2を変化させた場合の測定結果を表2に示す。 Next, Table 2 shows the measurement results when the thicknesses t1 and t2 are changed.
表2において、1.2≦t1/t2≦2.9を満たすNo.11〜13は、AおよびBの値がNo.11〜13と同一であるNo.7に比べて、肉厚が薄くて軽量にも関わらず、優れた放熱性能を示した。また同様に、1.2≦t1/t2≦2.9を満たすNo.14〜16は、AおよびBの値がNo.14〜16と同一であるNo.9、19に比べて肉厚が薄くて軽量にも関わらず、優れた放熱性能を示した。また、1.06≦A/B≦1.25かつ1.2≦t1/t2≦2.9を満たすNo.17、18は、同様な肉厚のAの値を有する他の実施例および比較例に対して、特に優れた放熱性能を示した。
以上のように、A、B、t1およびt2を本発明で規定する範囲に制御することで、優れた放熱性能が得られ、かつ、軽量化が可能である。
In Table 2, No. 1 satisfying 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9 . Nos. 11 to 13 have A and B values of No. 11 to No. 13. No. 11 to 13 are the same. Compared to 7, it showed excellent heat dissipation performance despite its thin wall and light weight. Similarly, No. 1 satisfying 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9 . 14 to 16, the values of A and B are No. No. 14 to 16 are the same. Despite being thinner and lighter than 9 and 19, it showed excellent heat dissipation performance. Further, 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. No. 25 and 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9 . Nos. 17 and 18 showed particularly excellent heat dissipation performance with respect to other examples and comparative examples having similar values of A.
As described above, by controlling A, B, t1, and t2 within the range defined in the present invention, excellent heat dissipation performance can be obtained and the weight can be reduced.
1a,1b 縦フィン
2 横フィン
2a 横フィンの延設端部
3 接合基部
11 ベース板
12 ブレージングシート
13 格子型放熱フィン
14 素子
21a,21b 縦フィン
22 横フィン
22a 横フィンの延設端部
23 接合基部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a,
Claims (2)
1.06≦A/B≦1.25
の関係式を満たすことを特徴とする放熱フィンを接合した発熱性素子の冷却用放熱体。 A heat radiating body having a plurality of adjacent vertical fins and a horizontal fin provided by intersecting the adjacent vertical fins, and having a certain height from the joint base of the heat radiating fins to the heat radiating body in, the distance between the vertical fin 1b adjacent to one of the vertical fin 1a a, the distance from the vertical fin 1b to extension end portion 2a of the distance or the horizontal fin until the next vertical fin is B, the longitudinal The thickness t1 of the fin 1b is in the range of 0.4 to 8 mm, the thickness t2 of the vertical fin 1a is in the range of 0.4 to 5 mm, and the distance A and the distance B are 1.0 6 ≦ A / B ≦ 1. 25
A heat dissipating element for cooling a heat-generating element joined with a heat dissipating fin, characterized by satisfying the relational expression:
1.2≦t1/t2≦2.9
の関係式を満たすことを特徴とする放熱フィンを接合した発熱性素子の冷却用放熱体。
A heat radiating body having a plurality of adjacent vertical fins and a horizontal fin provided by intersecting the adjacent vertical fins, and having a certain height from the joint base of the heat radiating fins to the heat radiating body , The thickness of one vertical fin 1b of adjacent vertical fins is t1, the thickness of the other vertical fin 1a is t2, and the distance A between the vertical fin 1a and the vertical fin 1b is in the range of 2 to 30 mm. located, from said vertical fin 1b the distance B to the extension end portion 2a of the distance or the horizontal fin to the next vertical fin in the range of 2 to 30 mm, the t1 and t2 is 1.2 ≦ t1 / t2 ≦ 2.9
A heat dissipating element for cooling a heat-generating element joined with a heat dissipating fin, characterized by satisfying the relational expression:
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