JP4710621B2 - 放熱構造体 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品などで構成される発熱体の熱を放熱する放熱構造体に係るものであり、特に、発熱体と熱的に接続されたベース板が流体と直接接して冷却を行う直接放熱構造体に係るものである。

従来の放熱構造体としては、複数の半導体素子及び発熱性の電気部品を絶縁基板に設け、前記絶縁基板がケースの下蓋を構成する冷却プレート（ベース板）に接合され、前記冷却プレートにケース上蓋をねじ止め等で固定してモジュールを構成し、前記冷却プレートの下面に接するように、開口を有するヒートシンクが設けられたものもある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３０８２４６号公報（第２頁−第４頁、図１および図３）

上記のような従来の放熱構造体においては、開口部の下方の外周に流体を分流する分流用ヘッダと流体を合流する合流用ヘッダとが配設されているので、放熱部の容積が大きくなるという問題があった。また、開口部の下側に設けられた放熱流路以外の流路は放熱に寄与しておらず、放熱特性が悪くなるという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、小型で放熱特性が良い放熱構造体を提供することを目的とする。

この発明の放熱構造体は、発熱部と放熱部とを備えた放熱構造体であって、発熱部は、熱を発生する発熱体と発熱体の下面に設置された板状のベース板とを有し、放熱部は、ベース板に対向する部分に設置された開口部と開口部の下側の全面に設けられた流体が流れる放熱流路と放熱流路の下側の一部に設置され流体が送入される流体送入口を備えた分流用ヘッダと放熱流路の下側の一部に設置され流体が送出される流体送出口を備えた合流用ヘッダとを有し、流体送入口および流体送出口と放熱流路とは、オフセット配設されており、ベース板は、放熱流路の全体に渡ってベース板に複数のフィンを備えているものである。

また、発熱部と放熱部とを備えた放熱構造体であって、発熱部は、熱を発生する発熱体と発熱体の下面に設置された板状のベース板とを有し、放熱部は、前記ベース板に対向する部分に設置された開口部と開口部の下側の全面に設けられた流体が流れる放熱流路と放熱流路の下側の一部に設置され流体が送入される流体送入口を備えた分流用ヘッダと放熱流路の下側の一部に設置され流体が送出される流体送出口を備えた合流用ヘッダとを有し、流体送入口および前記流体送出口と放熱流路とは、オフセット配設されており、
放熱流路における分流用ヘッダの上部および合流ヘッダ用の上部を除いた部分には、複数の突起を有する乱流促進体が設けられ、突起の上端は、ベース板に接しているものである。

この発明によれば、小型で放熱特性の良い放熱構造体を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による放熱構造体の構造を模式的に示す斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１による放熱構造体の構造を示す図である。図２（ａ）はこの発明の実施の形態１による放熱構造体の放熱部の上面図であり、図２（ｂ）は放熱構造体の図２（ａ）に示すＡ−Ａ断面図であり、図２（ｃ）は放熱構造体の図２（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

図１および図２において、放熱構造体１００は、発熱部１と放熱部３とを備えている。発熱部１は、熱を発生する発熱体２と、発熱体２の下面に設置され発熱体２からの熱を流体に伝達する板状のベース板４とを有し、発熱体２とベース板４とが熱的に接合されて形成されている。放熱部３は、発熱部１のベース板４と流体とを接触させるために上部のベース板４に対向する部分に設けられた開口部１１と、開口部１１の下側の全面に設けられた放熱流路８と、放熱流路８の下側の一部に設置された分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９とを有する。分流用ヘッダ７は、流体が送入される流体送入口６を備え、合流用ヘッダ９は、流体が送出される流体送出口１０を備える。発熱部１のベース板４は、開口部１１の外周に設けられた外周部１２に設けられたシール部１３を介して開口部１１を覆うように構成されている。流体が送入される流体送入口６と、送入された流体を分流する分流用ヘッダ７と、流体が主に発熱部１から受熱する放熱流路８と、流体が合流する合流用ヘッダ９と、合流した流体を送出する流体送出口１０とで一連の通流路を構成する。圧力損失が大きくならないために、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の幅ｗ_１，ｗ_２は、放熱流路８の高さｈよりも大きくなるよう形成されている。

発熱部１のベース板４は、伝熱面積を増加させるために複数の板状のフィン３０１を放熱流路８の全体に渡ってベース板４に垂直に備えている。一方、放熱部３の分流用ヘッダ７と放熱流路８と合流用ヘッダ９とは、放熱部３に設けられた開口部１１の下方の内部に収容されており、分流用ヘッダ７と合流用ヘッダ９とが放熱流路８から下側（発熱部１と反対側）に突き出た形状となっている。また、流体送入口６および流体送出口１０と放熱流路８とは、放熱流路８の高さ方向にオフセット配設されている。オフセット配設とは、流体送入口６および流体送出口１０の高さ方向の位置と放熱流路の高さ方向の位置とは、重ならないよう構成されていることを言う。

放熱部３の流体送入口６および流体送出口１０には、それぞれジョイント２００が接続され、このジョイント２００とポンプまたはファンとを配管を介して連結することによって、発熱体２から発生する熱を周囲へ放出する放熱システム（開放型放熱システム）を構築することができる。さらに、ジョイント２００と放熱器とを配管を介して連結し、流体が放熱構造体１００と放熱器との間を循環する通流ループを形成し、循環型冷却システムを構築することもできる。この場合、通流ループ内を流体が循環し、発熱体２から発生する熱を放熱器へ輸送し、放熱器から周囲へ熱を放出する。なお、配管または通流ループの途中にリザーバおよびフィルタを設けても良い。また、配管を介して複数の放熱構造体１００を直列または並列に連結して、直列型冷却ユニットまたは並列型冷却ユニットを構成しても良い。なお、放熱部３は一体成形体として示しているが、ジョイント２００は、圧入、ロウ付、半田付、接着剤または溶剤による接着、ガスケットまたはＯリングなどを介したシール構造等によって放熱部３に取付けても良く、流体の漏れがない構造であれば、製造方法および組立方法は特に限定されない。

次に、この実施の形態１の放熱構造体１００の動作を説明する。図１および図２において、流体送入口６から分流用ヘッダ７へ送入された低温の流体は、分流用ヘッダ７内で流体送入口６の面と平行な方向へ分流し、分流用ヘッダ７内で均流化され、放熱流路８内のベース板４に設けられたフィン３０１間へ送入される。その際、発熱体２と熱的に接合したベース板４およびフィン３０１は、発熱体２からの受熱により温度上昇し、放熱流路８内の流体とベース板４およびフィン３０１との間に温度差が生じるので、ベース板４およびフィン３０１から流体へ熱が伝えられる。その結果、高温に昇温された流体は合流用ヘッダ９内へ送出され、合流用ヘッダ９内で合流して流体送出口１０から送出される。したがって、流体は、流体送入口６、分流用ヘッダ７、放熱流路８、合流用ヘッダ９および流体送出口１０を順次通流し、放熱流路８を通過する間に流体が直接ベース板４およびフィン３０１に接し高温へと昇温され、高温の流体が連続的に放熱構造体１００から送出されることになる。

この発明による放熱構造体１００は、開口部１１の下側の全面に放熱流路８が設置され、この放熱流路８の下側の一部に分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９が設置され、放熱流路８、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９が開口部１１下方の内部に収容されているので、放熱構造体１００を小型化および軽量化することができる。分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９が開口部１１の下方の外周（放熱流路８の外周）に配置されている場合には、通流路（特に分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９）の加工が困難である。しかしながら、この発明に示す放熱構造体１００においては、加工用工具や成型用冶具を開口部１１から挿入することができ、容易に通流路を成形することができる。なお、分流用ヘッダ７、放熱流路８および合流用ヘッダ９それぞれの側壁の少なくとも一部が放熱流路８の底面に垂直な面に対して０．５度以上外側に傾斜し、ベース板４と平行な方向の放熱部３の断面積が下方より上方の方が大きい形状となっている方が、放熱部３を鍛造や射出成形などにより製作する際、より容易に製作することができる。

また、流体送入口６および流体送出口１０と放熱流路８とが放熱流路８の高さ方向にオフセット配設されており、放熱流路８の下側の一部に分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９が設置されているので、分流用ヘッダ７と合流用ヘッダ９との間の空間にジョイント２００を収容することができ、放熱構造体１００を小型化することができる。また、流体送入口６および流体送出口１０と放熱流路８とがオフセット配設されず、直線上に配設されている従来の放熱構造体の場合には、放熱流路８内の一部のみ流量が増加するような偏流を生じる。しかしながら、この発明による放熱構造体１００は、流体送入口６および流体送出口１０と放熱流路８とが放熱流路８の高さ方向にオフセット配設されているので、流体送入口６から送入される流体が放熱流路８に直進して直接流入することができず、放熱流路８内の一部のみ流量が増加するような偏流を抑制することができる。

さらに、ジョイント２００の取付けの際、従来の放熱構造体では、放熱部３の外周部１２などとジョイント２００とが干渉し、取付けが困難であった。しかしながら、この発明の放熱構造体１００においては、ジョイント２００の取付け性および取付けの自由度が向上する。なお、分流用ヘッダ７と合流用ヘッダ９との間の空間にジョイント２００を収容し、放熱構造体１００を小型化できることによって、放熱構造体１００を設置する空間を有効に利用ができると共に、搬送性が向上するという利点も有する。

また、流体送入口６および流体送出口１０が設けられたそれぞれの面を放熱部３の底面に対して垂直ではなく傾斜させることによって、流体が方向転換する角度が小さくなるので、圧力損失が小さくなる。

また、この発明の放熱構造体１００においては、特許文献１に示す放熱構造体のような放熱部の内壁と発熱部の下面とに段差が形成されないので、流体の剥離が生じず、かつ流体をベース板４から遠ざけるような流れが生じず、放熱特性が向上する。また、放熱流路８の高さｈより大きな幅ｗ_１を有する分流用ヘッダ７から放熱流路８に流体が流入し、放熱流路８から放熱流路８の高さｈより大きな幅ｗ_２を有する合流用ヘッダ９へ流体が流出するので、放熱流路８出入口での通流断面積が大きくなり流体の速度が小さくなるので、放熱流路８の出入口での圧力損失が小さくなる。さらに、下層の分流用ヘッダ７から上層の放熱流路８へ流体が流入するので、ベース板４へ向かう流れが生じ、放熱特性が向上する。なお、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９と放熱流路８との間に通流路を狭める仕切り板を設けると、通流に伴う圧力損失が大幅に増大してしまうので、通流路を狭める仕切り板は設けない方が好ましい。

図１では発熱部１を模式的に示しているが、発熱部１は、発熱体２をベース板４に半田付、ロウ付、圧接等による固着、高熱伝導性の樹脂による接着等を用いて熱的に接続したものであり、発熱体２と流体とを熱的に接合することができればその構造は特に限定されない。また、発熱体２とベース板４との間に、介在物（電気的絶縁を目的とした絶縁物、逆に通電用の導体、熱疲労による発熱部１の破壊を抑制するために異種材料間の線膨張係数の差を小さくする緩衝物）が装着されていても良い。また、ベース板４に熱的に接合された発熱体２を覆うケースを設けても良く、ベース板４の少なくとも一部の面が剥き出しになるように発熱部１を樹脂を用いてモールド化しても良い。さらに言えば、ケースおよびモールド樹脂がベース板４より大きくても良い。

発熱体２は、ヒータ、電子機器、電子部品等の発熱源、およびそれらを集積した発熱源、またそれらの発熱源から熱輸送する機器の放熱部、熱交換器等であり、熱をベース板４へ印加するものであれば、その構造および寸法は特に限定されない。また、ベース板４は、厚さが５０μｍから１０ｍｍ程度のものであり、少なくとも開口部１１の周縁に設けたシール部１３より大きな面を有するものであれば良く、その他の形状および寸法等は特に限定されない。ベース板４の材料としては、流体が通過せず、熱伝導率の高い材料からなることが望まれ、銅、アルミニウム、セラミックなどが良い。なお、ベース板４の表面に酸化防止、耐腐食性強化、美観向上などのために表面処理（例えば、メッキ処理など）を施しても良い。

ベース板４に設けられたフィン３０１は、伝熱表面積の拡大効果と乱流促進による熱伝達の向上効果を合わせ持つものであれば良く、図１および図２に示すように略板状でも、略円柱状などの複数の突起や窪みなどでも良い。また、放熱流路８の端の部分は流体の淀み部を形成しあまり放熱に寄与しないので、放熱部３の側壁と若干隙間を保ってフィン３０１を設けても良い。

図１および図２では、発熱部１の周縁に設けた穴および放熱部３の外周部１２に設けた穴にボルトを通し、当該ボルトとナットとを締結し固定する形態を模式的に示している。しかしながら、板ばねなどを用いたばね構造によって押付け締結しても良く、ベース板４を発熱体２よりも大きくし、ベース板４の周縁と放熱部３の外周部１２とを締結しても良く、発熱部１と放熱部３との固定方法は特に限定されない。また、図１および図２では、放熱部３の外周部１２に設けられたシール部１３にガスケットまたはＯリングを用いて発熱部１と放熱部３の外周部１２との間を密閉している。しかしながら、発熱部１と放熱部３とを固着（溶着、接着など）しても良く、流体の漏れを防止することができればその密閉方法は特に限定されない。なお、シール部１３は開口部１１を包含するものであれば良く、開口部１１の形状に沿わない形状でも良い。なお、図１および図２では、開口部１１の形状を矩形として示しているが、多角形等でも良く、その形状は特に限定されない。

分流用ヘッダ７は、流体送入口１から送入される流体を分流し放熱流路８へ導く役割を有しており、合流用ヘッダ９は、放熱流路８から流出する流体を流体送出口１０へ導く役割を有している。そのため、圧力損失が生じないように、分流用ヘッダ７と放熱流路８との結合部は互いにほぼ同等の大きさによって結合し、同様に放熱流路８と合流用ヘッダ９との結合部も互いにほぼ同等の大きさによって結合する。また、上述したように、分流用ヘッダ７と合流用ヘッダ９は、放熱流路８の下側に突き出た外形状になっており、放熱流路８の底壁と分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の側壁で囲われた空間ができる構成になっている。

図１および図２に示す分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の断面形状は矩形であるが、円形、半円形、多角形などでも良く、断面形状および寸法は特に制限されない。また、分流用ヘッダ７の流体送入口６に対向する面と下面とが交わる角部または合流用ヘッダ９の流体送出口１０に対向する面と下面とが交わる角部を曲面とすると、スムーズに流体が流れ圧力損失が低減される。特に、流体送入口６に対向する面と分流用ヘッダ７下面がなす角部を曲面とすると、ベース板４への衝突噴流効果が促進され放熱特性が向上する。

この実施の形態１においては、流体送入口６にジョイント２００を接続しているが、流体送入口６に直接通流管（円管、矩形管、フレキシブルチューブ、ホースなど）を連結してもよい。ジョイント２００とは、通流管との連結部であり、通流管と結合できる端部形状を有するパイプ、任意の角度に曲げられたエルボ，ベンド管、脱着が容易なワンタッチコネクタなどである。なお、図中ではジョイント２００として、ベンド管が水平配設されているが、特にこの形態に制限されるものでは無く、任意の角度を有して配設されても良い。

流体送入口６と流体送出口１０とは、放熱流路８と放熱流路８高さ方向にオフセット配設され、それぞれ分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９に設けられていれば良く、その他形状および寸法などは特に限定されない。図２では、流体送入口６と流体送出口１０とは、分流用ヘッダ７と合流用ヘッダ９の向かい合う面に設けられている。しかしながら、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の外側の面、端面、下面、これらの中の任意の２面が交わる縁または３面が交わる角の部分に設けても良い。また、ジョイント２００の配設角度は、放熱流路８の通流方向と水平または垂直でも良く、さらに任意の角度を有して傾斜して取付けても良い。

また、放熱部３の下面に、強度向上のためにリブなどの突起を設けても良く、放熱部３は、放熱構造体１００を収容する筺体の一部を担っても良い。さらに、放熱部３は、その他周辺機器の取付け台、他の構造体との締結部品、他の周辺機器と熱的に接続されることによって他の周辺機器における冷却装置としての役割を担っても良い。

放熱部３は、流体が漏れない材料からなることが必要で有り、アルミニウム、銅などの金属あるいはそれらを主材料とする複合材料またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＳ（ポリブチレンサクシネート）などの樹脂から構成される。放熱部３は、切削や鍛造や射出成形などで製作され、製造方法は特に限定されるものではない。

流体としては、蒸留水、不凍液、油、液化二酸化炭素、アルコール、アンモニアなどの液体または空気、窒素ガスなどの気体が用いられる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による放熱構造体の構成を示す図であり、図３（ａ）はこの発明の実施の形態２による放熱構造体の放熱部の上面図であり、図３（ｂ）は放熱構造体の図３（ａ）に示すＡ−Ａ断面図、図３（ｃ）は放熱構造体の図３（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

この発明の実施の形態２に示す放熱構造体１００においては、発熱部１のベース板４はフィン３０１を有さず、放熱流路８に乱流を促進するための乱流促進体３０２が設けられている点が実施の形態１に示す放熱構造体１００と異なっている。その他の構成および機能は、実施の形態１に示す放熱構造体１００と同様である。

図３に示すように、乱流促進体３０２は、放熱部３の放熱流路８の下面に接して配設されており、板状の基板３０４上に円柱状の複数の突起３０３がベース板４に向かって設けられている。突起３０３の先端は、ベース板４の下面に接するよう構成されている。

次に、この発明の実施の形態２に示す放熱構造体１００の動作を説明する。図３において、流体送入口６から分流用ヘッダ７へ送入された流体は、分流用ヘッダ７内で流体送入口６の面と平行な方向へ分流し、分流用ヘッダ７内で均流化され、乱流促進体３０２が設けられた放熱流路８内へ送入される。その際、発熱体２と熱的に接合したベース板４は、発熱体２からの受熱により温度上昇し、放熱流路８内の流体とベース板４との間に温度差が生じるため、ベース板４から流体へ熱が伝えられる。その結果、流体は高温へと昇温され、その高温の流体は、合流用ヘッダ９内へ送出され、合流用ヘッダ９内で合流して流体送出口１０から送出される。したがって、流体は、流体送入口６、分流用ヘッダ７、放熱流路８、合流用ヘッダ９および流体送出口１０を順次通流し、放熱流路８を通過する間に流体が直接ベース板４に接し高温へと昇温され、高温の流体が連続的に送出されることになる。

この発明の実施の形態２による放熱構造体１００においては、開口部１１の下側の全面に放熱流路８が設置され、この放熱流路８の下側の一部に分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９が設置され、放熱流路８、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９が開口部１１下方の内部に収容されているので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、放熱流路８内に乱流促進体３０２が収容されているので、乱流促進体３０２の流体撹拌効果によって放熱特性が向上できる。また、放熱流路８を介して分流用ヘッダ７から合流用ヘッダ９へ流体が通流する際、放熱面であるベース板４上に放熱部３の内壁との段差がないので、放熱特性および通流特性が良く、分流用ヘッダ７から放熱流路８へ流体が流入する際、放熱面であるベース板４への近寄り流れ（ベース板４へ流体が押付けられるまたは衝突噴流）が発生し、放熱特性が向上する。特に、フィン３０１を設けない本構成の場合には伝熱面積が小さいので、ベース板４への近寄り流れによる放熱特性の改善効果は大きい。

放熱構造体１００では、放熱部３の薄型化が望まれており、それゆえ放熱流路８の高さを従来の放熱構造体より小さくすることが望まれる。例えば、放熱流路８の高さ（ベース板４の下面と放熱流路８の下面との距離）が２ｍｍ程度で、この放熱流路８の高さの寸法公差が±３００μｍであるとすると、放熱流路８を通流する流体の速度は、上記寸法公差によって±１５％変化する。放熱特性は概略この流体の速度に比例し、圧力損失は概略この流体の速度の２乗に比例する。したがって、放熱流路８の寸法公差によって、放熱特性が±１５％、圧力損失が±３２％変化することになり、放熱構造体１００の個体ごとの熱流動特性に大きなバラツキを生じるという問題がある。また、乱流促進体３０２を設けて流体の撹拌効果によって放熱特性を向上させる場合には、ベース板４（放熱面）から突起３０３の先端が離れるほど放熱特性の向上効果が小さくなるという問題もある。

実施の形態２に示す放熱構造体１００では、乱流促進体３０２をベース板４と放熱流路８の下面とによって挟み込むように構成している。そのため、放熱流路８の高さを、突起３０３の高さまたはベース板４と基板３０４との隙間として規定することができ、放熱流路８の寸法公差を非常に小さくすることができる。また、突起３０３周りの流体の撹拌効果を安定してベース板４上に作用させることができ、放熱構造体１００の個体ごとの熱流動特性に係るバラツキを大幅に小さくすることができる。なお、この発明の実施の形態２においても、放熱流路８と分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ８との間に、通流路を狭める仕切り板を設けると、通流に伴う圧力損失が大幅に増大してしまうので、通流路を狭める仕切り板は設けない方が好ましい。

図３において、乱流促進による熱伝達向上効果を有する乱流促進体３０２は、基板３０４に突起３０３を設置しているが、発熱部１の取付け面に対向する放熱流路８内壁に直接、円柱、円錐などの形状の突起を設けても良いし、旋回流を誘引する薄い板を流体の流れ方向にねじったテープ、細線をらせん状に成形したコイルなどの内挿物を設けても良い。乱流促進体３０２の材料は、流体によって腐食または膨潤しない材料であれば良く、特に熱伝導率の高い金属に限定されることはない。突起３０３の形状は、円柱、円錐などその形状は特に制限されず、上記寸法制約に基づく突起であれば良い。なお、乱流促進体３０２を放熱流路８に設置する場合には、複数に分割した乱流促進体３０２を近接して配設しても良く、また、任意の隙間を保って複数の乱流促進体３０２を配設しても良い。

乱流促進体３０２は、突起３０３の先端がベース板４の下面と接するように、ベース板４の下面と放熱流路８下面との間の最大隙間以上の高さを有するものであっても良いし、突起３０３の先端が若干潰れるように構成したものでも良い。また、基板３０４を有する乱流促進体３０２では、上記最大隙間より小さな高さの場合には、基板３０４と放熱流路８の下面との間に、バネやゴムシートなどの弾性体を装着し、突起３０３の先端がベース板４の下面に押付けられる構成のものでも良い。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による放熱構造体を模式的に示す構成図であり、図４（ａ）は、この発明の実施の形態３による放熱構造体の放熱部の上面図であり、図４（ｂ）は放熱構造体の図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面図であり、図４（ｃ）は放熱構造体の図４（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

この発明の実施の形態３に示す放熱構造体１００では、分流用ヘッダ７の一部において、ベース板４と平行な面の断面積が流体送入口６の底部から高さ方向に離れるに従って（放熱流路８に近づくに従って）大きくなっているとともに、合流用ヘッダ９の一部において、ベース板４と平行な面の断面積が流体送出口９の底部から高さ方向に離れるに従って（放熱流路８に近づくに従って）大きくなっている。また、流体送入口６から分流用ヘッダ７の長手方向（図４においてはフィンの列方向）に離れるに従って、分流用ヘッダ７の長手方向に垂直な面の断面積を小さくするとともに、流体送出口１０から合流用ヘッダ９の長手方向（図４においてはフィンの列方向）に離れるに従って、合流用ヘッダ９の長手方向に垂直な面の断面積を小さくなっている。さらに、分流用ヘッダ７の流体送入口６に対向する面と下面とが交わる角部および合流用ヘッダ９の流体送出口１０に対向する面と下面とが交わる角部を曲面としている。この発明の実施の形態３に示す放熱構造体１００では、上記２点が実施の形態１と異なっているが、その他の構成および機能は実施の形態１に示す放熱構造体１００と同様である。

図４に示す放熱構造体１００では、分流用ヘッダ７の一部において、ベース板４と平行な面の断面積が流体送入口６の底部から高さ方向に離れるに従って大きくなっているので、分流用ヘッダ７内で流体の速度が低下し、分流用ヘッダ７の通流方向へ流体の流れが整流される。すなわち、流体送入口６から送入された流体の通流方向を、分流用ヘッダ７における流体の通流方向へ近づけることができる。そのため、分流用ヘッダ７で生じる圧力損失を低減することができるとともに、放熱流路８内の偏流を抑制することができ、放熱特性を向上することができる。

実施の形態３における放熱構造体１００の分流用ヘッダ７内では、流体送入口６からの送入部において流体の速度が最も高く、流体送入口６から分流用ヘッダ７の長手方向に離れるに従って分流用ヘッダ７内の流速は低下する。同様に、合流用ヘッダ９内では、流体送出口１０への送出部において流体の速度が最も高く、流体送出口１０から合流用ヘッダ９の長手方向に離れるに従って合流用ヘッダ９内の流速は低下する。流体の速度が大きな部分は大きな圧力損失を発生させるため、通流断面積を小さくすることは難しいが、流体の速度が小さな部分は発生する圧力損失が小さいので、通流断面積を小さくしても、放熱構造体１００の特性に及ぼす影響は小さい。そこで、この実施の形態３に示す放熱構造体１００では、流体送入口６から分流用ヘッダ７の長手方向に離れるに従って、分流用ヘッダ７の長手方向に垂直な面の断面積を小さくするとともに、流体送出口１０から合流用ヘッダ９の長手方向に離れるに従って、合流用ヘッダ９の長手方向に垂直な面の断面積を小さくなっている。そのため、放熱構造体１００の小型化および軽量化することができる。

また、この発明の実施の形態３に示す放熱構造体１００では、図４（ｃ）に示すように、流体送入口６からフィン３０１の列方向に離れるに従って、分流用ヘッダ７の高さが小さくなる構成であり、分流用ヘッダ７を通流する流体がベース板４へ近づく流れになるので、分流用ヘッダ７での放熱特性が向上するとともに、放熱流路８の入口での流体の通流方向の変化角度が小さくなり圧力損失が小さくなる。同様に、流体送出口１０からフィン３０１の列方向に離れるに従って、合流用ヘッダ９の高さが小さくなる構成であり、放熱流路８の出口での流体の通流方向の変化角度が小さくなり圧力損失が小さくなる。

なお、放熱流路８においても、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９と同様に、ベース板４と平行な面の断面積を流体の送入口６および流体送出口９の底部から高さ方向に離れるに従って大きくしても良い。また、放熱流路８においても、流体送入口６から分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の長手方向に離れるに従って、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の長手方向に垂直な面の断面積を小さくしても良い。

放熱部３の角部は、曲面とした方が流体の流れがスムーズとなり、圧力損失を低減する。この発明の実施の形態３に示す放熱構造体１００においては、分流用ヘッダ７の流体送入口６に対向する面と下面とが交わる角部および合流用ヘッダ９の流体送出口１０に対向する面と下面とが交わる角部を曲面としているので、スムーズに流体が流れ、圧力損失が低減される。特に、図４に示す放熱構造体１００では、分流用ヘッダ７および合流用ヘッダ９の流体送入口６および流体送出口１０が設けられたそれぞれの部分の高さが局所的に大きくなっているので、上記角部により大きな曲率半径の曲面を設けることができ、圧力損失の低減効果および分流特性の向上効果が向上されるとともに、ベース板４への衝突噴流効果が促進され、放熱特性が向上する。

図５は、この発明の実施の形態３による他の放熱構造体の構成を模式的に示す図であり、図５（ａ）は、この発明の実施の形態３による他の放熱構造体における放熱部の上面図であり、図５（ｂ）は放熱構造体の図５（ａ）に示すＡ−Ａ断面図であり、図５（ｃ）は放熱構造体の図５（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

図４に示す放熱構造体１００では、分流用ヘッダ７の一部においてベース板４と平行な面の断面積が流体送入口６の底部から高さ方向に離れるに従って大きくなるとともに、合流用ヘッダ９の一部においてベース板４と平行な面の断面積が流体送出口１０の底部から高さ方向に離れるに従って大きくなっている。図５に示す放熱構造体１００においては、分流用ヘッダ７の全体においてベース板４と平行な面の断面積が流体送入口６の底部から高さ方向に離れるに従って大きくなっているとともに、合流用ヘッダ９の全体においてベース板４と平行な面の断面積が流体送出口１０の底部から高さ方向に離れるに従って大きくなっている。図５に示す放熱構造体１００においても、図４に示す放熱構造体１００と同様の効果を得ることができる。なお、図５に示す発熱部１は、ＴＰＭ（Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｌｄ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）型のパワーモジュールを発熱体２として使用した例であり、１００μｍ程度の銅製の板がベース板４として使用されている。

図６も、この発明の実施の形態３による放熱構造体の他の構成を示す図であり、図６（ａ）はこの発明の実施の形態３による放熱構造体の放熱部の上面図であり、図６（ｂ）は放熱構造体の図６（ａ）に示すＡ−Ａ断面図であり、図６（ｃ）は放熱構造体の図６（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

図６に示す放熱構造体１００でも、図５に示す放熱構造体と同様、分流用ヘッダ７の全体および合流用ヘッダ９の全体において、流体送入口６の底部および流体送出口１０の底部から高さ方向に離れるに従ってそれぞれのベース板４と平行な面の断面積が大きくなっている。そのため、図４および図５に示す放熱構造体と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４による放熱構造体の構成を模式的に示す図であり、図７（ａ）はこの発明の実施の形態４による放熱構造体の放熱部の上面図であり、図７（ｂ）は放熱構造体の図７（ａ）中のＡ−Ａ断面図であり、図７（ｃ）は放熱構造体の図７（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

実施の形態４による放熱構造体１１０は、実施の形態１に示す放熱構造体１００を接続流路１５で複数個連結して構成したものである。なお、接続流路１５は、隣り合う合流用ヘッダ９と分流用ヘッダ７との間に複数設けても良い。図７では、複数の放熱部３の通流路が、接続流路１５を介して直列に接続され、一連の通流路を形成しており、各放熱部３に設けられた発熱部１を冷却する。

図８は、この発明の実施の形態４による放熱構造体の他の構成を示す図であり、図８（ａ）はこの発明の実施の形態４による放熱構造体の放熱部の上面図であり、図８（ｂ）は放熱構造体の図８（ａ）に示すＡ−Ａ断面図であり、図８（ｃ）は放熱構造体の図８（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。さらに、図９も、この発明の実施の形態４による放熱構造体の他の構成を示す図であり、図９（ａ）はこの発明の実施の形態４による放熱構造体の放熱部の上面図、図９（ｂ）は放熱構造体の図９（ａ）に示すＡ−Ａ断面図であり、図９（ｃ）は放熱構造体の図９（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である。

図８に示す放熱構造体１１０は、図７に示す放熱構造体１１０と異なり、複数の通流路が接続流路１５を介して直列に接続された通流路を有する一体型の放熱部３で、複数の発熱部１を冷却する。図８に示す放熱構造体１１０は、放熱部３を一体成形することは困難であるので、隣り合う合流用ヘッダ９および分流用ヘッダ７の底壁に開口を設け、放熱部３の下面から隣り合う合流用ヘッダ９と分流用ヘッダ７との間を連結する窪みを形成し、それらを覆うように裏蓋１６を装着し構成することによって、容易に製作できる。また、このように製作することによって、発熱部１装着側のシール部が増加しないことから、水漏れ等に係る信頼性の低下を抑制することができる。

図９に示す放熱構造体１１０は、図８に示す放熱構造体１１０と同様の一体型の放熱部３で、隣り合う分流用ヘッダ７同士が接続流路１５を介して接続されるとともに、隣り合う合流用ヘッダ９同士が接続流路１５を介して接続され、並列の通流路を形成する。

以上のように、この発明の実施の形態４による放熱構造体１１０においては、複数の放熱構造体１００を直列または並列に接続するので、一つの冷却系によって複数の発熱部１を冷却することができ、冷却システムを簡略化することができ、小型化することができる。

この発明の実施の形態１による放熱構造体の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４による放熱構造体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４による放熱構造体の構成を示す図である。

符号の説明

１ 発熱部、２ 発熱体、３ 放熱部、４ ベース板、６ 流体送入口、７ 分流用ヘッダ、８ 放熱流路、９ 合流用ヘッダ、１０ 流体送出口、１１ 開口部、１２ 放熱部、１３ シール部、１５ 接続流路、１６ 裏蓋、１００ 放熱構造体、１１０ 放熱構造体、２００ ジョイント、３０１ フィン、３０２ 乱流促進体、３０３ 突起、３０４ 基板。

Claims (7)

1. 発熱部と放熱部とを備えた放熱構造体であって、
   前記発熱部は、熱を発生する発熱体と前記発熱体の下面に設置された板状のベース板とを有し、
   前記放熱部は、前記ベース板に対向する部分に設置された開口部と前記開口部の下側の全面に設けられた流体が流れる放熱流路と前記流体が送入される流体送入口を備えた分流用ヘッダと前記流体が送出される流体送出口を備えた合流用ヘッダとを有し、
   前記流体送入口および前記流体送出口と前記放熱流路とは、前記流体送入口および前記流体送出口の高さ方向の位置と前記放熱流路の高さ方向の位置とが重ならないようにオフセット配設されており、
   前記ベース板は、前記放熱流路のほぼ全体に渡って前記ベース板に複数のフィンを備えており、
   前記開口部と対向する位置に、前記分流用ヘッダ、前記放熱流路の底壁および前記合流用ヘッダを有し、
   前記放熱流路は、前記開口部と前記分流用ヘッダの間、前記開口部と前記底壁の間、および、前記開口部と前記合流用ヘッダの間に跨る流路であり、
   前記分流用ヘッダと前記合流用ヘッダは前記放熱流路から下側に突き出た形状を有し、
   前記放熱流路の底壁、前記分流用ヘッダの側壁および前記合流用ヘッダの側壁で囲われた空間を有し、
   前記分流用ヘッダは前記放熱流路の幅方向において前記放熱流路の下側の全体に渡って設けられ、
   前記合流用ヘッダは前記放熱流路の幅方向において前記放熱流路の下側の全体に渡って設けられ、
   前記流体送入口は前記分流用ヘッダの前記側壁または前記分流用ヘッダの前記側壁に対向する側壁に設けられ、
   前記流体送出口は前記合流用ヘッダの前記側壁または前記合流用ヘッダの前記側壁に対向する側壁に設けられることを特徴とする放熱構造体。
2. 発熱部と放熱部とを備えた放熱構造体であって、
   前記発熱部は、熱を発生する発熱体と前記発熱体の下面に設置された板状のベース板とを有し、
   前記放熱部は、前記ベース板に対向する部分に設置された開口部と前記開口部の下側の全面に設けられた流体が流れる放熱流路と前記流体が送入される流体送入口を備えた分流用ヘッダと前記流体が送出される流体送出口を備えた合流用ヘッダとを有し、
   前記流体送入口および前記流体送出口と前記放熱流路とは、前記流体送入口および前記流体送出口の高さ方向の位置と前記放熱流路の高さ方向の位置とが重ならないようにオフセット配設されており、
   前記開口部と対向する位置に、前記分流用ヘッダ、前記放熱流路の底壁および前記合流用ヘッダを有し、
   前記放熱流路は、前記開口部と前記分流用ヘッダの間、前記開口部と前記底壁の間、および、前記開口部と前記合流用ヘッダの間に跨る流路であり、
   前記分流用ヘッダと前記合流用ヘッダは前記放熱流路から下側に突き出た形状を有し、
   前記放熱流路の底壁、前記分流用ヘッダの側壁および前記合流用ヘッダの側壁で囲われた空間を有し、
   前記分流用ヘッダは前記放熱流路の幅方向において前記放熱流路の下側の全体に渡って設けられ、
   前記合流用ヘッダは前記放熱流路の幅方向において前記放熱流路の下側の全体に渡って設けられ、
   前記流体送入口は前記分流用ヘッダの前記側壁または前記分流用ヘッダの前記側壁に対向する側壁に設けられ、
   前記流体送出口は前記合流用ヘッダの前記側壁または前記合流用ヘッダの前記側壁に対向する側壁に設けられ、
   前記放熱流路の分流用ヘッダの上部および前記合流用ヘッダの上部を除いた部分には、複
   数の突起を有する乱流促進体が設けられ、
   前記突起の上端は、前記ベース板と接していることを特徴とする放熱構造体。
3. 分流用ヘッダまたは合流用ヘッダの一部に曲面を設けたことを特徴とする請求項１または
   請求項２記載の放熱構造体。
4. 分流用ヘッダの少なくとも一部は、流体送入口の底部から高さ方向に離れるにしたがって
   ベース板と平行な方向の断面積が大きくなることを特徴とする請求項１または請求項２記
   載の放熱構造体。
5. 合流用ヘッダの少なくとも一部は、流体送出口の底部から高さ方向に離れるにしたがって
   ベース板と平行な方向の断面積が大きくなることを特徴とする請求項１または請求項２記
   載の放熱構造体。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の放熱構造体を複数備えて、それらの放熱構造体を接続通路を介して直列または並列に接続したことを特徴とする放熱構造体。
7. 前記流体送入口および前記流体送出口の各々に接続されるジョイントは、前記放熱流路の底壁、前記分流用ヘッダの側壁および前記合流用ヘッダの側壁で囲われた前記空間内に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放熱構造体。

Images