JP5005314B2

JP5005314B2 - 水冷ヒートシンクおよびその製造方法

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Publication number: JP5005314B2
Application number: JP2006282622A
Authority: JP
Inventors: 努和田
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: JP2008103400A

Description

本発明は、発熱量の多い電子部品であるパワーモジュール，マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）等を効率よく冷却するための水冷式ヒートシンクに関する。

従来、コンピュータのＭＰＵ，パワーモジュールを冷却するためには、一般に空冷式ヒートシンクを用い、さらに大きな放熱量のパワーモジュールに対しては水冷式ヒートシンクを用いていた。
本出願人は、既に下記特許文献の水冷ヒートシンクを提案している。

特開２００５−１２３２６０号公報

上記特許文献１に記載された水冷ヒートシンクは、偏平状に形成したケーシングの内部にインナーフィンを配置し、そのケーシング内部に冷却水を流通させ、ケーシング外面に受熱板を介し、電子部品を接合していた。
このような水冷ヒートシンクは、電子部品の容量その他の各仕様に合わせ、ケーシングやインナーフィンの設計をする必要があり、多品種少量生産のヒートシンクを提供する場合には生産設備にコストがかかり過ぎる欠点があった。
そこで本発明は、ヒートシンクの部品を単純化し、部品成形用金型コストを低下させると共に、その部品を共通部品として各種容量のものを容易に製造できる水冷ヒートシンクおよびその製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、夫々の外周が整合する細長い平板状のプレス成形体よりなる第１プレート(1) と第２プレート(2) とが交互に多数積層され、その積層方向の両端に一対の端プレート(3) が配置され、各プレート間が一体にろう付け固定されてコア(4) を構成し、
前記第１プレート(1) は、その長手方向両端部に一対の連通孔(5) を有し且つ、一対の連通孔(5) 間が、その幅方向の周縁を除き、波形に曲折された波形部(15)を有し、その波形部(15)の厚み方向の突出量ｔが第２プレート(2) の厚みＳの半分以下であり、
前記第２プレート(2) は、前記一対の連通孔(5) と連通する枠状に形成され、
前記端プレート(3) に設けた一対の冷却水の出入口(6) が前記連通孔(5) に連通し、
各プレートの四周縁の集合体として形成した前記コア(4) の表面が受熱板(7) の取付面(7a)となる水冷ヒートシンクである。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、前記第１プレート(1) の波形部(15)の稜線が幅方向に対して傾斜してなり、前記第２プレート(2) を介して対向する両第１プレート(1) の各波形部(15)の稜線は互いに交差するように配置された水冷ヒートシンクである。
請求項３に記載の本発明は、夫々の外周が整合する細長い平板状のプレス成形体よりなる第１プレート(1) と第２プレート(2) とが交互に多数積層され、その積層方向の両端に一対の端プレート(3) が配置され、各プレート間が一体にろう付け固定されてコア(4) を構成し、
前記第１プレート(1) は、その長手方向両端部に一対の連通孔(5) を有し、
前記第２プレート(2) は、前記一対の連通孔(5) と連通する枠状に形成され、
前記端プレート(3) に設けた一対の冷却水の出入口(6) が前記連通孔(5) に連通し、
積層方向の中間に位置する一以上の前記第１プレート(1) に代えて、その第１プレート(1) の一方の連通孔(5) を閉塞した構造の仕切プレート(11)が配置され、それによりコア(4) 内の冷却水が複パスに流通するように構成し、
各プレートの四周縁の集合体として形成した前記コア(4) の表面が受熱板(7) の取付面(7a)となる水冷ヒートシンクである。

請求項４に記載の本発明は、夫々の外周が整合すると共に、細長い平板状のプレス成形体よりなる第１プレート(1) と第２プレート(2) とが交互に多数積層され、その積層方向の両端に一対の端プレート(3) が配置され、各プレート間が一体にろう付け固定されてコア(4) を構成し、
前記第１プレート(1) は、その長手方向両端部に一対の連通孔(5) を有すると共に、両連通孔(5) 間に複数の第１中間孔(8) が互いに離間して配置され、
前記第２プレート(2) は、その両端部が前記第１プレート(1) の両連通孔(5) に連通する一対の端部孔(9) を有すると共に、両端部孔(9) 間に複数の第２中間孔(10)が互いに離間して配置され、
各前記第１中間孔(8) と第２中間孔(10)はその開口の一部において互いに連通し、
前記端プレート(3) に設けた一対の冷却水の出入口(6) が、前記連通孔(5) に連通され、
積層方向の中間に位置する一以上の前記第１プレート(1) に代えて、その第１プレート(1) の一方の連通孔(5) を閉塞した構造の仕切プレート(11)が配置され、それによりコア(4) 内の冷却水が複パスに流通するように構成され、
前記コア(4) の表面に受熱板(7) の取付面(7a)が配置される水冷ヒートシンクである。

請求項５に記載の本発明は、請求項４において、
前記連通孔(5) と端部孔(9) と第１中間孔(8) と第２中間孔(10)が四辺形に形成された水冷ヒートシンクである。
請求項６に記載の本発明は、請求項５において、
前記第１中間孔(8) と第２中間孔(10)とが平行四辺形に形成され、その幅方向に位置する各辺の傾きが、前記第１中間孔(8) と第２中間孔(10)とで逆向きである水冷ヒートシンクである。

請求項７に記載の本発明は、請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、
互いに離間した少なくとも一対の前記各プレートの幅方向の端面に位置決め用の凸部(16)を設け、その凸部に受熱板(7) が隣接するように構成した水冷ヒートシンクである。

請求項８に記載の本発明は、請求項１〜請求項７に記載のいずれかのヒートシンクを製造する方法において、
前記第１プレート(1) と第２プレート(2) と端プレート(3) とをプレス機械により打ち抜き成形する工程と、それらを積層してコア(4) を組み立てる工程と、組み立てられたコア(4) の各部品の接触部間を一体にろう付けする工程と、を具備することを特徴とする水冷ヒートシンクの製造方法である。

本発明の第１の水冷ヒートシンクは、第２プレート２が枠状に形成され、その内部が第１プレート１の一対の連通孔５に連通されたものであるから、第２プレート２の厚みで冷却水流路を形成し、第１プレート１が伝熱用フィンを構成するので、多数の第１プレートにより水路側の放熱面積が大きくなり、熱交換を促進し得る。そしてコア４の表面の受熱板７の取付面7aは、各プレートの周縁の積層体よりなるコアの外面を利用しているので、その取付面7aの各部に多数の冷却水流路が隣接して形成され、その取付面7a各部を均一に且つ、効率よく冷却することができる。そして、フィン間の隙間を極力狭めた高性能の水冷ヒートシンクを容易且つ、安価に製作できる。

さらに、第１プレート１の一対の連通孔５間を波形に曲折したから、第２プレート２内に形成される冷却水流路を波形にして冷却水の攪拌を行い、熱交換性能をさらに向上し得る。
上記構成において、第１プレート１の波の稜線を幅方向に対して傾斜し、対向する稜線が互いに交差するように配置したものにおいては、さらに冷却水の攪拌を効率良く行い、熱交換性能をさらに向上し得る。
上記請求項１の構成に加えて、請求項３に記載のように、積層方向の中間に位置する一以上の前記第１プレート(1) に代えて、その第１プレート(1) の一方の連通孔(5) を閉塞した構造の仕切プレート(11)が配置され、それによりコア(4) 内の冷却水が複パスに流通するように構成し、
各プレートの四周縁の集合体として形成した前記コア(4) の表面が受熱板(7) の取付面(7a)となるようにした場合には、冷却水流路をより長くし小流量で効率がよく、伝熱面積の大きな水冷ヒートシンクを提供できる。

本発明の第２の水冷ヒートシンクは、第１プレート１と第２プレート２とに夫々第１中間孔８及び第２中間孔10が複数設けられ、それらはその開口の一部において互いに連通するようにしたから、冷却水は第１プレート１の第１中間孔８と第２プレート２の第２中間孔10とを蛇行状に移動することができる。それにより、冷却水がより攪拌され熱交換を促進することができる。
さらに、積層方向の中間に位置する一以上の前記第１プレート(1) に代えて、その第１プレート(1) の一方の連通孔(5) を閉塞した構造の仕切プレート(11)が配置され、それによりコア(4) 内の冷却水が複パスに流通するように構成されたから、冷却水流路をより長くし小流量で効率がよく、伝熱面積の大きな水冷ヒートシンクを提供できる。
上記構成において、連通孔５と端部孔９と第１中間孔８と第２中間孔10を四辺形に形成したものにおいては、それらの開口の周長をより長くし、その縁部での冷却水の攪拌効果を向上し、熱交換を促進し得る。

上記構成において、第１中間孔８及び第２中間孔10を平行四辺形とし、その幅方向に位置する辺の傾きを第１中間孔８と第２中間孔10とで逆向きにしたものにおいては、冷却水の攪拌効果をより大きくし、熱交換をさらに促進し得る。
上記構成のいずれかにおいて、第１プレート１に代えて仕切プレート11を積層方向の中間に位置し、冷却水を複パスでコア内を流通するようにしたものにおいては、冷却水流路をより長くし小流量で効率がよく、伝熱面積の大きな水冷ヒートシンクを提供できる。
上記構成のいずれかにおいて、一対のプレートの位置決め用の凸部16を設けたものの場合には、受熱板７を正確且つ迅速に位置決めすることができる。

本発明の水冷ヒートシンクの製造方法は、第１プレート１と第２プレート２と端プレート３とをプレス機械により打ち抜き成形する工程と、それを積層してコア４を組み立てる工程と、組み立てたコア４の各部品の接触部間を一体にろう付けする工程とからなり、製造容易で安価に水冷ヒートシンクを提供できる。即ち、本発明のヒートシンクの構成部品は、打ち抜き材で形成されているから、プレス金型を容易に製作することができ、設備コストを低下させ、水冷ヒートシンクを安価に提供し得る。

また、第１プレート１及び第２プレート２の積層数を変えることにより、各種容量のヒートシンクを提供できる。
さらには、第１プレート１及び第２プレート２の板厚を変えることにより、各種仕様のヒートシンクを提供できる。それと共に、流路及びフィンのピッチを容易に変更し得る。それにより、同一のプレス金型で多品種のヒートシンクを提供できる。

次に、図面に基づき本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の水冷ヒートシンクの分解斜視図であり、図２はその組み立て状態を示す斜視図、図３は図２における III− III矢視断面図、図４はその正面図であって取付面7aに受熱板７及び電子部品13を配置した状態を示す。
この水冷ヒートシンクは、図１に示す如く、第１プレート１と第２プレート２と端プレート３と出入口パイプ12とを有する。第１プレート１と第２プレート２と端プレート３は、夫々外周が同一形状にプレス機械で打ち抜き成形された細長い平板状の金属製矩形板よりなる。

第１プレート１は、その長手方向両端部に一対の方形の連通孔５が形成されている。第２プレート２は、四周部分を除いて打ち抜かれた枠状に形成され、その枠の短辺における枠幅は連通孔５の短辺側の孔縁の幅に等しい。それと共に、第２プレート２の長辺側の枠幅も第１プレート１における長辺と連通孔５の孔縁部との幅に等しい。このような第１プレート１と第２プレート２が交互に多数積層されると共に、その積層方向の両端位置に端プレート３が配置される。

一方の端プレート３は孔を有しない平板状に形成され、他方の端プレート３には一対の出入口６が穿設されている。そして第１プレート１，第２プレート２，端プレート３は、夫々一例としてアルミニュームのブレージングシート材からなり、積層状態で治具により締結され、端プレート３の各出入口６に夫々出入口パイプ12の一端が配置された状態で、炉内で一体的にろう付け固定して、図２に示すヒートシンクを完成する。そして第１プレート１と第２プレート２と端プレート３との積層体からなるコア４の外周面に取付面7aが形成される。そしてその取付面7aに受熱板７がろう付け等の手段により接合される。

さらに受熱板７には、図４に示す電子部品13が接合される。そして図３に示す如く、一方の出入口パイプ12から冷却水14が流入し、第１プレート１の各連通孔５を介して夫々の第２プレート２の長手方向の一方から他方に流通し、他方の出入口パイプ12からそれを流出させる。このとき第２プレート２は冷却水14の流路を形成すると共に、第１プレート１は伝熱フィンを形成する。そしてコア４の外周面の各部を均一に冷却し、それに取付けられた電子部品13を受熱板７を介して効率よく冷却する。

次に、図５は上記実施例の変形例を示す要部斜視図であり、この例が図４のそれと異なる点は、第１プレート１または第２プレート２の長辺側の縁部の一部に凸部16が突設されたものである。凸部16は異なった位置の第１プレート１または第２プレート２において、少なくとも一対設けられ、それによって受熱板７を配置する位置決めとなる。即ち、受熱板７の縁部を凸部16の壁面に接触して、正確な位置に接合することができる。

次に、図６は本発明の第２の実施の形態を示し、この例が図３のそれと異なる点は、冷却水14の出入口の位置のみである。図３においては、冷却水14が全体としてコ字状に流通するのに対し、図６の場合は鉤型に流通するものである。そのために、一方の端プレート３にはその長手方向の一端に出入口６が、他方の端プレート３には長手方向の他方側に出入口６が穿設され、それらに出入口パイプ12が接合されたものである。

次に、図７は本発明の第３の実施の形態を示し、この例はコア４の積層方向の中間位置に仕切プレート11が配置されている。この仕切プレート11は、第１プレート１の一方側の連通孔５を閉塞した形状を有する。なお、仕切プレート11を分かり易く図示するため、その断面のハッチ線を太く表示する。そして、一対の端プレート３の長手方向の各一方側に出入口６が設けられ、その出入口６に出入口パイプ12が接合されたものである。そして一方の出入口パイプ12から冷却水14が流通し、仕切プレート11を境に冷却水14は全体としてＵ字状に流通する。このようにすることにより、冷却水14の流路長を長くし、小流路で熱交換性能を向上させることができる。

さらに図８は、本発明の第４の実施の形態を示し、この例では積層方向の中間部の２ヶ所に互いに離間し一対の仕切プレート11が配置されている。一方の仕切プレート11はその連通孔が長手方向の一端に、他方の仕切プレート11の連通孔はそれが他方に配置されている。その結果、冷却水14は各仕切プレート11を境として全体に蛇行状に流通する。
なお、各仕切プレート11の形状は図７のそれと同一である。また、この例では仕切プレート11が二つ存在するが、これを三つ以上とすることもできる。

次に図９〜図１１は本発明のヒートシンクを構成する第１プレート１，第２プレート２の他の実施の形態を示し、図９はその分解斜視図、図１０は第１プレート１，第２プレート２を重ね合わせた状態を示す側面図、図１１は図１０におけるXI−XI矢視断面図である。この例が図１のそれと異なる点は、第１プレート１における一対の連通孔５間に多数の第１中間孔８が定間隔に配置されていること、第２プレート２の長手方向両端に端部孔９が配置され、両端部孔９間に複数の第２中間孔10が定間隔に配置されていることである。第１プレート１における一対の連通孔５と端部孔９とは、互いに連通する。

このような第１プレート１と第２プレート２は、図１のそれと同様に交互に多数積層され、その両端に端プレート３が配置されるものである。第１プレート１と第２プレート２との重ね合わせ状態において、連通孔５と端部孔９とは連通する。さらに、第１プレート１の第１中間孔８と第２プレート２の第２中間孔10の一部とが連通する。そして冷却水14は、第１プレート１の連通孔５から第２プレート２の端部孔９に流入し、第１プレート１と第２プレート２との間を蛇行状に図１の如く流通する。そしてこの図においては、右端に達した冷却水14がその連通孔５から外部に導かれる。なお、この例では連通孔５と第１中間孔８と端部孔９及び第２中間孔10が、夫々方形に開口している。

次に図１２〜図１４は本発明のさらに他の例を示す第１プレート１及び第２プレート２であり、図１２はその分解斜視図、図１３は第１プレート１，第２プレート２を積層した状態の側面図、図１４は図１３の XIV− XIV矢視断面図である。この例が、図１０のそれと異なる点は、連通孔５，第１中間孔８，端部孔９，第２中間孔10の開口が台形若しくは平行四辺形に形成されている点、第１プレート１の第１中間孔８の斜辺の傾きと、第２プレート２の斜辺の傾きとが逆にされている点のみである。この例においても冷却水14は、図１４に示す如く、第１プレート１と第２プレート２との各開口を蛇行状に流通する。

次に、図１５は本発明のさらに他の実施例の斜視図であり、図１６はその第１プレート１の平面図である。この例が図１のそれと異なる点は、第１プレート１の波形部15のみである。この第１プレート１は、一対の連通孔５間にその周縁部を除いて波形部15が曲折形成されている。波形部15の稜線は、夫々斜めに形成されている。この第１プレート１を上下ひっくり返すことにより、同図に示す如く対向する波形部15の稜線は幅方向に対し互いに逆向きとなる。そこで、第２プレート２を介して対向する第１プレート１の波形部15の稜線が互いに逆向きになるように、多数の第１プレート１と第２プレート２とを積層する。

そして図１同様に積層方向両端に一対の端プレート３を配置すると共に、端プレート３の出入口６に出入口パイプ12を配置し、各部品間を一体的にろう付け固定して水冷ヒートシンクを形成する。この例では、図１５，図１６に示す如く、第１プレート１の波形部15の突出量ｔは、第２プレート２の厚みＳの１／２に形成される。それによって、隣り合う第１プレート１の波形部15の稜線どうしが接触する。そして図１７に示す如く、各波形部15の稜線が交差することになり、一方の連通孔５から第２プレート２内に流入した冷却水は、その各水路の波形部15によって蛇行状に流通し、伝熱面積の増加と攪拌効果によって熱交換が促進される。なお、波形部15の突出量ｔは第２プレート２の厚みＳの１／２以下であってもよい。

次に図１８は第１プレート１に設けた波形部15の他の例を示し、この例は第２プレート２を介して一方の第１プレート１の波形部15と他方のそれとが同一のため、両者が同期したものである。この例では、第２プレート２内に流通する冷却水は波形部15によって波形に蛇行する。

本発明の水冷ヒートシンクの第１の実施の形態を示す分解斜視図。同ヒートシンクの組み立て状態を示す斜視図。図２における III− III矢視断面図。同ヒートシンクの正面図であって、受熱板７，電子部品13を配置した状態を示す。同ヒートシンクの他の例を示す要部斜視図。本発明のヒートシンクのさらに他の例を示す断面図であって、図３に対応したもの。

本発明のヒートシンクのさらに他の例を示す断面図であって、図３に対応したもの。本発明のヒートシンクのさらに他の実施例の断面図であって、図３に対応するもの。本発明のヒートシンクの第１プレート１，第２プレート２の他の例を示す分解斜視図。同ヒートシンクの重ね合わせ状態を示す側面図。図１０のXI−XI矢視断面図。本発明のヒートシンクの第１プレート１，第２プレート２のさらに他の例を示す分解斜視図。

同ヒートシンクの重ね合わせ状態を示す側面図。図１３の XIV− XIV矢視断面図。本発明のヒートシンクのさらに他の例を示す要部分解斜視図。同ヒートシンクの第１プレート１の平面図。同ヒートシンクの一対の第１プレート１を第２プレート２を介して積層した状態を示す説明図。本発明のヒートシンクの第１プレート１のさらに他の例を示す要部断面図。同ヒートシンクの重ね合わせ状態を示す側面図。

１第１プレート
２第２プレート
３端プレート
４コア
５連通孔
６出入口
７受熱板
7a 取付面
８第１中間孔

９端部孔
10 第２中間孔
11 仕切プレート
12 出入口パイプ
13 電子部品
14 冷却水
15 波形部
16 凸部

Claims

夫々の外周が整合する細長い平板状のプレス成形体よりなる第１プレート(1) と第２プレート(2) とが交互に多数積層され、その積層方向の両端に一対の端プレート(3) が配置され、各プレート間が一体にろう付け固定されてコア(4) を構成し、
前記第１プレート(1) は、その長手方向両端部に一対の連通孔(5) を有し且つ、一対の連通孔(5) 間が、その幅方向の周縁を除き、波形に曲折された波形部(15)を有し、その波形部(15)の厚み方向の突出量ｔが第２プレート(2) の厚みＳの半分以下であり、
前記第２プレート(2) は、前記一対の連通孔(5) と連通する枠状に形成され、
前記端プレート(3) に設けた一対の冷却水の出入口(6) が前記連通孔(5) に連通し、
各プレートの四周縁の集合体として形成した前記コア(4) の表面が受熱板(7) の取付面(7a)となる水冷ヒートシンク。
請求項１において、
前記第１プレート(1) の波形部(15)の稜線が幅方向に対して傾斜してなり、前記第２プレート(2) を介して対向する両第１プレート(1) の各波形部(15)の稜線は互いに交差するように配置された水冷ヒートシンク。
夫々の外周が整合する細長い平板状のプレス成形体よりなる第１プレート(1) と第２プレート(2) とが交互に多数積層され、その積層方向の両端に一対の端プレート(3) が配置され、各プレート間が一体にろう付け固定されてコア(4) を構成し、
前記第１プレート(1) は、その長手方向両端部に一対の連通孔(5) を有し、
前記第２プレート(2) は、前記一対の連通孔(5) と連通する枠状に形成され、
前記端プレート(3) に設けた一対の冷却水の出入口(6) が前記連通孔(5) に連通し、
積層方向の中間に位置する一以上の前記第１プレート(1) に代えて、その第１プレート(1) の一方の連通孔(5) を閉塞した構造の仕切プレート(11)が配置され、それによりコア(4) 内の冷却水が複パスに流通するように構成し、
各プレートの四周縁の集合体として形成した前記コア(4) の表面が受熱板(7) の取付面(7a)となる水冷ヒートシンク。
夫々の外周が整合すると共に、細長い平板状のプレス成形体よりなる第１プレート(1) と第２プレート(2) とが交互に多数積層され、その積層方向の両端に一対の端プレート(3) が配置され、各プレート間が一体にろう付け固定されてコア(4) を構成し、
前記第１プレート(1) は、その長手方向両端部に一対の連通孔(5) を有すると共に、両連通孔(5) 間に複数の第１中間孔(8) が互いに離間して配置され、
前記第２プレート(2) は、その両端部が前記第１プレート(1) の両連通孔(5) に連通する一対の端部孔(9) を有すると共に、両端部孔(9) 間に複数の第２中間孔(10)が互いに離間して配置され、
各前記第１中間孔(8) と第２中間孔(10)はその開口の一部において互いに連通し、
前記端プレート(3) に設けた一対の冷却水の出入口(6) が、前記連通孔(5) に連通され、
積層方向の中間に位置する一以上の前記第１プレート(1) に代えて、その第１プレート(1) の一方の連通孔(5) を閉塞した構造の仕切プレート(11)が配置され、それによりコア(4) 内の冷却水が複パスに流通するように構成され、
前記コア(4) の表面に受熱板(7) の取付面(7a)が配置される水冷ヒートシンク。
請求項４において、
前記連通孔(5) と端部孔(9) と第１中間孔(8) と第２中間孔(10)が四辺形に形成された水冷ヒートシンク。
請求項５において、
前記第１中間孔(8) と第２中間孔(10)とが平行四辺形に形成され、そのプレートの幅方向に位置する各辺の傾きが、前記第１中間孔(8) と第２中間孔(10)とで逆向きである水冷ヒートシンク。
請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、
互いに離間した少なくとも一対の前記各プレートの幅方向の端面に位置決め用の凸部(16)を設け、その凸部に受熱板(7) が隣接するように構成した水冷ヒートシンク。
請求項１〜請求項７に記載のいずれかの水冷ヒートシンクの製造方法おいて、
前記第１プレート(1) と第２プレート(2) と端プレート(3) とをプレス機械により打ち抜き成形する工程と、それらを積層してコア(4) を組み立てる工程と、組み立てられたコア(4) の各部品の接触部間を一体にろう付けする工程と、を具備することを特徴とする水冷ヒートシンクの製造方法。