JP5213519B2

JP5213519B2 - 液冷式冷却装置

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Publication number: JP5213519B2
Application number: JP2008125798A
Authority: JP
Inventors: 信弘若林; 隆司須藤
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-05-13
Also published as: JP2009277768A

Description

この発明は、たとえば半導体素子などの電子部品からなる発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。

この明細書において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

従来、発熱量の多い電子部品の冷却装置として、内部が冷却水通路となされたチューブ状のアルミニウム製ケーシングと、ケーシング内に配置されたアルミニウム製オフセットフィンと、ケーシングに接続された冷却水出入り口とを備えたものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１記載の冷却装置においては、ケーシング内に冷却水が流されるので、アルミニウム製オフセットフィンのオフセット部が、端面から腐食するおそれがある。
特開２００５−１２３２６０号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、水を含んだ冷却液による腐食を防止しうるヒートシンクを備えた液冷式冷却装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)第１面が冷却液通路に臨まされるとともに、第２面が発熱体取付面となされる放熱基板と、放熱基板の第１面に、鍛造により相互に間隔をおくように一体に形成された複数のピン状放熱フィンとよりなるヒートシンクが、冷却液通路を形成するケーシングの上壁に形成された開口内に、ヒートシンクの放熱基板の第１面および放熱フィンが冷却液通路内に臨むように配置されており、
ヒートシンクが、JIS Ａ１０００系アルミニウムからなる芯材と、Ａｌ−Ｚｎ系合金からなりかつ芯材の片面を覆う犠牲腐食層とよりなり、ヒートシンクの放熱フィンの先端がケーシングの下壁から離隔し、放熱基板の第１面および全放熱フィンの表面が、連続した犠牲腐食層で覆われ、放熱フィンが先端に向かって細くなった円すい状であり、放熱フィンの外周面の勾配が３％以上であり、放熱フィンの高さが放熱フィンの基端部の直径の２〜１０倍であり、放熱基板の第１面と各放熱フィンの外周面との連接部に丸みが形成されるとともに、当該丸みの曲率半径が放熱基板の板厚の１／２以上であり、ヒートシンクの放熱フィンの先端がケーシングの下壁から離れている液冷式冷却装置。

2)ヒートシンクの放熱基板の板厚と放熱フィンの基端部の直径とが等しくなっている上記1)記載の液冷式冷却装置。

上記1)の液冷式冷却装置においては、ヒートシンクが、水を含む冷却液が流れる冷却液通路を有するケーシングに、放熱基板の第１面および放熱フィンが冷却液通路に臨むように配置した場合であっても、放熱基板の第１面および全放熱フィンの表面が犠牲腐食層で覆われているので、冷却液による放熱基板および放熱フィンの腐食を防止することができる。たとえば、放熱基板の第１面および全放熱フィンの表面が犠牲腐食層で覆われていないヒートシンクに比べて、発生する孔食深さは１／５〜１／１０程度となる。また、放熱フィンの外周面の勾配が３％以上であり、放熱フィンの高さが放熱フィンの基端部の直径の２〜１０倍であり、放熱基板の第１面と各放熱フィンの外周面との連接部に丸みが形成されるとともに、当該丸みの曲率半径が放熱基板の板厚の１／２以上であるから、芯材の片面が、芯材の厚みの５〜２０％の厚みを有する犠牲腐食層で覆われたクラッド材を用意し、当該クラッド材を１２０〜１５０℃または３５０〜４００℃に加熱した後鍛造加工を施すことによって、放熱基板の第１面および全放熱フィンの表面が確実に犠牲腐食層で覆われたヒートシンクを比較的簡単に製造することができる。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

なお、以下の説明において、各図面の上下を上下というものとする。

実施形態１
この実施形態は図１〜図４に示すものである。

図１はこの発明によるヒートシンクの全体構成を示し、図２はその要部を示す。また、図３はヒートシンクの製造方法を示し、図４はヒートシンクの使用方法を示す。

図１および図２において、ヒートシンク(1)は、第１面(2a)が冷却液通路に臨まされるとともに、第２面(2b)が発熱体取付面となされる放熱基板(2)と、放熱基板(2)の第１面(2a)に、鍛造により相互に間隔をおくように千鳥配置状に一体に形成された複数のピン状放熱フィン(3)とよりなる。放熱基板(2)の第１面(2a)および全放熱フィン(3)の表面は、連続した犠牲腐食層(4)で覆われている。放熱基板(2)および放熱フィン(3)の犠牲腐食層(4)を除いた芯材(5)の部分は、たとえばJIS Ａ１１００などのJIS Ａ１０００系アルミニウムからなり、犠牲腐食層(4)はたとえばJIS Ａ７０７２などのＡｌ−Ｚｎ系合金からなる。

放熱フィン(3)は先端（上端）に向かって細くなった円すい状であり、放熱フィン(3)の外周面の勾配(S)は３％以上である。放熱フィン(3)の勾配(S)の上限は、５％程度であることがよい。なお、放熱フィン(3)の先端は丸みを帯びて部分球面状となっている。また、放熱フィン(3)の高さ(H)は放熱フィン(3)の基端部（下端部）の直径(D)の２〜１０倍である。放熱基板(2)の第１面(2a)と各放熱フィン(3)の外周面との連接部には丸み(6)が形成されており、丸み(6)の曲率半径(R)は放熱基板(2)の板厚(T)の１／２以上となっている。丸み(6)の曲率半径(R)の上限は、放熱基板(2)の板厚(T)と同程度であることがよい。また、丸み(6)の曲率半径(R)は放熱フィン(3)の基端部の直径(D)の１／２以上となっていてもよい。すなわち、放熱基板(2)の板厚(T)と放熱フィン(3)の基端部の直径(D)とが等しくてもよい。

放熱フィン(3)の勾配(S)、放熱フィン(3)の高さ(H)、放熱基板(2)の第１面(2a)と各放熱フィン(3)の外周面との連接部の丸み(6)の曲率半径(R)が上述した範囲内である場合、芯材(5)の片面が、芯材(5)の厚みの５〜２０％の厚みを有する犠牲腐食層(4)で覆われたクラッド材を用意し、当該クラッド材を１２０〜１５０℃または３５０〜４００℃に加熱した後鍛造加工を施すことによって、放熱基板(2)の第１面(2a)および全放熱フィン(3)の表面が確実に犠牲腐食層(4)で覆われたヒートシンク(1)を比較的簡単に製造することができる。

次に、ヒートシンク(1)の製造方法について、図３を参照して説明する。

まず、芯材(5)の片面が、芯材(5)の厚み(t1)の５〜２０％の厚み(t2)を有する犠牲腐食層(4)で覆われた平板状のクラッド材(7)を用意する。また、放熱基板(2)と同一の大きさの１つの凹所(11)と、凹所(11)の底面に形成された複数の放熱フィン形成用凹部(12)とを有する鍛造用下型(10)と、下型(10)の凹所(11)内に嵌め入れられる鍛造用上型(13)とを用意する。

下型(10)の放熱フィン形成用凹部(12)は、底部に向かって細くなったテーパ穴状であり、放熱フィン形成用凹部(12)の内周面の勾配(S1)は３％以上となっている。また、放熱フィン形成用凹部(12)の深さ(F)は、放熱フィン形成用凹部(12)の開口端部の内径(D1)の２〜１０倍となっている。さらに、下型(10)の凹所(11)の底面と各放熱フィン形成用凹部(12)の内周面との連接部には丸み(14)が形成されており、丸み(14)の曲率半径(R1)は、製造すべき放熱基板(2)の板厚(T)の１／２以上となっている。

ついで、クラッド材(7)を、１２０〜１５０℃の温間または３５０〜４００℃の熱間に加熱した後下型(10)の凹所(11)の底面上に、犠牲腐食層(4)が下方（放熱フィン形成用凹部(12)側）を向くように配置する（図３(a)参照）。その後、上下両型(13)(10)を相互に接近させることにより上型(13)を下型(10)の凹所(11)内に嵌め入れてクラッド材(7)を上下から押圧し、クラッド材(7)を形成する材料の一部を放熱フィン形成用凹部(12)内に流入させる。こうして、放熱基板(2)とピン状放熱フィン(3)とからなり、放熱基板(2)の芯材(5)の第１面(2a)および全放熱フィン(3)の表面が犠牲腐食層(4)で覆われているヒートシンク(1)が製造される（図３(b)参照）。

図４はヒートシンク(1)の使用方法を示す。

ヒートシンク(1)は、水を含む冷却液、たとえばロングライフクーラントなどが図４の紙面表裏方向に流れる冷却液通路(16)を形成するケーシング(15)の上壁に形成された開口(17)内に、放熱基板(2)の第１面(2a)および放熱フィン(3)が冷却液通路(16)内に臨むように配置される。発熱体である半導体素子(P)は、板状絶縁部材(I)を介してヒートシンク(2)の第２面(2b)に接合される。

半導体素子(P)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ヒートシンク(1)の放熱基板(2)および放熱フィン(3)を経て冷却液通路(16)内を流れる冷却液に伝わり、半導体素子(P)が冷却される。

実施形態２
この実施形態は図５〜図８に示すものである。

図５はこの発明によるヒートシンクの全体構成を示し、図６および図７はその要部を示す。また、図８はヒートシンクの製造方法を示す。

図５〜図７において、ヒートシンク(20)は、第１面(21a)が冷却液通路に臨まされるとともに、第２面(21b)が発熱体取付面となされる放熱基板(21)と、放熱基板(21)の第１面(21a)に、鍛造により相互に間隔をおくとともに並列状となるように一体に形成され、かつ放熱基板(21)よりも短い複数の板状放熱フィン(22)とよりなる。放熱基板(21)の第１面(21a)および全放熱フィン(22)の表面は、連続した犠牲腐食層(4)で覆われている。放熱基板(21)および放熱フィン(22)の犠牲腐食層(4)を除いた芯材(5)の部分は、たとえばJIS Ａ１１００などのJIS Ａ１０００系アルミニウムからなり、犠牲腐食層(4)はたとえばJIS Ａ７０７２などのＡｌ−Ｚｎ系合金からなる。

放熱フィン(22)の横断面形状は先端（上端）に向かって細くなったテーパ状であり、その両側面は先端に向かって厚み方向の内方に傾斜している。また、放熱フィン(22)の長さ方向の両端面は先端に向かって長さ方向内方に傾斜している。そして、放熱フィン(22)の両側面および両端面の勾配(S2)は３％以上である。放熱フィン(22)の両側面は放熱フィン(22)の勾配(S2)の上限は、５％程度であることがよい。なお、放熱フィン(22)の先端は丸みを帯びている。また、放熱フィン(22)の高さ(H1)は放熱フィン(22)の基端部（下端部）の厚み(W)の２〜５倍である。放熱基板(21)の第１面(21a)と各放熱フィン(22)の両側面および両端面との連接部には丸み(23)が形成されており、丸み(23)の曲率半径(R2)は放熱基板(21)の板厚(T1)の１／２以上となっている。丸み(23)の曲率半径(R)の上限は、放熱基板(21)の板厚(T1)と同程度であることがよい。また、丸み(23)の曲率半径(R)は放熱フィン(22)の基端部の厚み(W)の１／２以上となっていてもよい。すなわち、放熱基板(21)の板厚(T1)と放熱フィン(22)の基端部の厚み(W)とが等しくてもよい。

放熱フィン(22)の勾配(S2)、放熱フィン(22)の高さ(H1)、放熱基板(21)の第１面(21a)と各放熱フィン(22)の両側面および両端面との連接部の丸み(23)の曲率半径(R2)が上述した範囲内である場合、芯材(5)の片面が、芯材(5)の厚みの５〜２０％の厚みを有する犠牲腐食層(4)で覆われたクラッド材を用意し、当該クラッド材を１２０〜１５０℃または３５０〜４００℃に加熱した後鍛造加工を施すことによって、放熱基板(21)の第１面(21a)および全放熱フィン(22)の表面が確実に犠牲腐食層(4)で覆われたヒートシンク(20)を比較的簡単に製造することができる。

次に、ヒートシンク(20)の製造方法について、図８を参照して説明する。

まず、芯材(5)の片面が、芯材(5)の厚み(t1)の５〜２０％の厚み(t2)を有する犠牲腐食層(4)で覆われた平板状のクラッド材(7)を用意する。また、放熱基板(21)と同一の大きさの１つの凹所(26)と、凹所(26)の底面に並列状に形成された複数の放熱フィン形成用凹溝(27)とを有する鍛造用下型(25)と、下型(25)の凹所(26)内に嵌め入れられる鍛造用上型(28)とを用意する。

下型(25)の放熱フィン形成用凹溝(27)の横断面形状は先端に向かって細くなったテーパ状であり、その両側面は底部に向かって幅方向内方に傾斜している。また、放熱フィン形成用凹溝(27)の両端面は底部に向かって長さ方向内方に傾斜している。そして、放熱フィン形成用凹溝(27)の両側面および両端面の勾配(S3)は３％以上となっている。また、放熱フィン形成用凹溝(27)の深さ(F1)は、放熱フィン形成用凹溝(27)の開口端部の幅の２〜５倍となっている。さらに、下型(25)の凹所(26)の底面と各放熱フィン形成用凹溝(27)の両側面および両端面との連接部には丸み(29)が形成されており、丸み(29)の曲率半径(R3)は、製造すべき放熱基板(21)の板厚(T1)の１／２以上となっている。

ついで、クラッド材(7)を、１２０〜１５０℃の温間または３５０〜４００℃の熱間に加熱した後下型(25)の凹所(26)の底面上に、犠牲腐食層(4)が下方（放熱フィン形成用凹溝(27)側）を向くように配置する（図８参照）。その後、上下両型(28)(25)を相互に接近させることにより上型(28)を下型(25)の凹所(26)内に嵌め入れてクラッド材(7)を上下から押圧し、クラッド材(7)を形成する材料の一部を放熱フィン形成用凹溝(27)内に流入させる。こうして、放熱基板(21)と板状放熱フィン(22)とからなり、放熱基板(21)の芯材(5)の第１面(21a)および全放熱フィン(22)の表面が犠牲腐食層(4)で覆われているヒートシンク(20)が製造される。

実施形態２のヒートシンク(20)は、実施形態１のヒートシンク(1)と同様にして使用される。

すなわち、水を含む冷却液、たとえばロングライフクーラントなどが流れる冷却液通路を形成するケーシングの上壁に形成された開口内に、放熱基板(21)の第１面(21a)および放熱フィン(22)が冷却液通路内に臨むように配置される。このとき、放熱フィン(22)の長さ方向は、冷却液の流れ方向に向けられる。発熱体である半導体素子は、板状絶縁部材を介してヒートシンク(20)の放熱基板(21)の第２面(21b)に接合される。半導体素子から発せられる熱は、絶縁部材、ヒートシンク(20)の放熱基板(21)および放熱フィン(22)を経て冷却液通路内を流れる冷却液に伝わり、半導体素子が冷却される。

この発明の実施形態１のヒートシンクの全体構成を示す斜視図である。図１のヒートシンクの要部を示す部分拡大垂直断面図である。図１のヒートシンクの製造方法を示す一部を省略した垂直断面図である。図１のヒートシンクの使用方法を示す垂直断面図である。この発明の実施形態２のヒートシンクの全体構成を示す斜視図である。図５のヒートシンクの要部を示す放熱フィンの長さ方向と直交する方向で切断した部分拡大垂直断面図である。図５のヒートシンクの要部を示す放熱フィンの長さ方向に沿う方向で切断した部分拡大垂直断面図である。図５のヒートシンクの製造方法を示す放熱フィン形成用凹部の長さ方向に沿う方向で切断した一部省略垂直断面図である。

(1)：ヒートシンク
(2)：放熱基板
(2a)：第１面
(2b)：第２面
(3)：ピン状放熱フィン
(4)：犠牲腐食層
(5)：芯材
(6)：丸み
(7)：クラッド材
(10)：鍛造用下型（鍛造用型）
(12)：放熱フィン形成用凹部
(14)：丸み
(20)：ヒートシンク
(21)：放熱基板
(21a)：第１面
(21b)：第２面
(22)：板状放熱フィン
(23)：丸み
(25)：鍛造用下型（鍛造用型）
(27)：放熱フィン形成用凹部
(29)：丸み

Claims

第１面が冷却液通路に臨まされるとともに、第２面が発熱体取付面となされる放熱基板と、放熱基板の第１面に、鍛造により相互に間隔をおくように一体に形成された複数のピン状放熱フィンとよりなるヒートシンクが、冷却液通路を形成するケーシングの上壁に形成された開口内に、ヒートシンクの放熱基板の第１面および放熱フィンが冷却液通路内に臨むように配置されており、
ヒートシンクが、JIS Ａ１０００系アルミニウムからなる芯材と、Ａｌ−Ｚｎ系合金からなりかつ芯材の片面を覆う犠牲腐食層とよりなり、ヒートシンクの放熱フィンの先端がケーシングの下壁から離隔し、放熱基板の第１面および全放熱フィンの表面が、連続した犠牲腐食層で覆われ、放熱フィンが先端に向かって細くなった円すい状であり、放熱フィンの外周面の勾配が３％以上であり、放熱フィンの高さが放熱フィンの基端部の直径の２〜１０倍であり、放熱基板の第１面と各放熱フィンの外周面との連接部に丸みが形成されるとともに、当該丸みの曲率半径が放熱基板の板厚の１／２以上である液冷式冷却装置。
ヒートシンクの放熱基板の板厚と放熱フィンの基端部の直径とが等しくなっている請求項１記載の液冷式冷却装置。