JP5794101B2 - Forced air cooling heat sink - Google Patents
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Description
本発明は、モータ等の負荷を駆動するインバータ装置、無停電電源装置、アクティブフィルター等の電力変換装置において、内蔵する複数の半導体モジュールを冷却するのに適した強制空冷式ヒートシンクの構造に関する。 The present invention relates to a forced air-cooling heat sink structure suitable for cooling a plurality of built-in semiconductor modules in a power conversion device such as an inverter device that drives a load such as a motor, an uninterruptible power supply, and an active filter.
上述した電力変換装置は、家電製品から運輸、産業製品に至る様々な用途で使用されており、容量範囲も数Ｗ(ワット)から数ＭＷ(メガワット)にまで及んでいる。この電力変換装置のスイッチング時および定常時に発生する損失は、熱に変換されるため、熱に変換された発生熱を速やかに放熱し、半導体素子のジャンクション温度を上限値（最大150℃）以下に抑える必要がある。発生損失が、数Ｗ(ワット)レベルまでは、半導体素子表面からの自然空冷でも良いが、数十Ｗ(ワット)を越えるレベルでは、ファン等を用いてヒートシンクのフィン部分に強制的に送風してヒートシンクの冷却を促進する強制空冷式ヒートシンクが採用されることが多い。 The above-described power conversion device is used in various applications ranging from home appliances to transportation and industrial products, and the capacity range also ranges from several W (watts) to several MW (megawatts). The loss generated during switching and steady state of this power converter is converted to heat, so the generated heat converted to heat is quickly dissipated, and the junction temperature of the semiconductor element is kept below the upper limit (150 ° C maximum). It is necessary to suppress. Natural air cooling from the surface of the semiconductor element may be used until the generated loss reaches a level of several watts (W), but if the level exceeds tens of watts (W), the fan is forcibly blown into the fins of the heat sink. In many cases, a forced air cooling heat sink that promotes cooling of the heat sink is employed.
図１０ないし図１２を用いて従来の強制空冷式ヒートシンクの構成を説明する。図１０は、従来の強制空冷式ヒートシンクの構造を示した斜視図である。風上側及び風下側にそれぞれ複数の半導体モジュール24ａ，24ｂが配置されたヒートシンク21は、筐体26の内部に設置されている。この筐体26の一方の端面には、冷却ファン25が設置され、他方の端面には、吸気口32が設けられている。 The configuration of a conventional forced air cooling heat sink will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a perspective view showing the structure of a conventional forced air cooling heat sink. A heat sink 21 in which a plurality of semiconductor modules 24 a and 24 b are respectively arranged on the windward side and the leeward side is installed inside the housing 26. A cooling fan 25 is provided on one end face of the casing 26, and an air inlet 32 is provided on the other end face.
図１１は、図１０に示した強制空冷式ヒートシンクの筐体26からヒートシンク21を取出して示した斜視図である。このヒートシンク21は、熱良導体であるベース22と熱良導体である複数のフィン23により形成されており、ベース22の一方の面に垂直に且つ互いに平行に並べて熱良導体からなるフィン23が設けられ、ベース22の他方の面に、風上側半導体モジュール24ａおよび風下側半導体モジュール24ｂを対にして複数設置して使用する。 FIG. 11 is a perspective view showing the heat sink 21 taken out from the casing 26 of the forced air-cooled heat sink shown in FIG. This heat sink 21 is formed by a base 22 that is a good heat conductor and a plurality of fins 23 that are good heat conductors, and is provided with fins 23 made of a good heat conductor arranged in parallel to each other perpendicular to one surface of the base 22, A plurality of leeward side semiconductor modules 24a and leeward side semiconductor modules 24b are installed on the other surface of the base 22 in pairs.
図１２は、図１０に示した従来の強制空冷式ヒートシンクの空気の流れ（気流）を示した断面図であり、吸気口32、風上側風洞28ａ、フィン23、風下側風洞28ｂで風路を形成し、冷却ファン25により外部に排気する。 12 is a cross-sectional view showing the air flow (airflow) of the conventional forced air cooling heat sink shown in FIG. 10, and the air path is formed by the air inlet 32, the windward wind tunnel 28a, the fins 23, and the leeward wind tunnel 28b. Formed and exhausted to the outside by the cooling fan 25.
吸気口32より取込まれた空気は、風上側風洞28ａを経由してヒートシンク21のフィン23の間を抜けて風下側風洞28ｂに至り、冷却ファン25により外部に排気される。一方、半導体モジュール24ａ，24ｂで発生した熱は、ベース22を経由してフィン23に伝わり、フィン23の間を通過する空気に吸熱されて外部に排気される。これにより、半導体モジュール24ａ，24ｂで発生した熱が除去されて、半導体モジュール24ａ，24ｂを冷却する。強制空冷式ヒートシンクは、半導体モジュール24ａ，24ｂから発生した熱をベース22を介してフィン23から空気中に放熱するため、フィン23間の空気温度は、風上側よりも風下側が高くなる。 The air taken in from the air inlet 32 passes through the fins 23 of the heat sink 21 via the windward wind tunnel 28a, reaches the leeward wind tunnel 28b, and is exhausted to the outside by the cooling fan 25. On the other hand, the heat generated in the semiconductor modules 24a and 24b is transmitted to the fins 23 via the base 22, absorbed by the air passing between the fins 23 and exhausted to the outside. Thereby, the heat generated in the semiconductor modules 24a and 24b is removed, and the semiconductor modules 24a and 24b are cooled. The forced air-cooled heat sink dissipates heat generated from the semiconductor modules 24a and 24b from the fins 23 into the air via the base 22, so that the air temperature between the fins 23 is higher on the leeward side than on the leeward side.
このため、風上側半導体モジュール24ａと風下側半導体モジュール24ｂの発熱量が同じであった場合、風上側半導体モジュール24ａに比べて風下側半導体モジュール24ｂの温度が高くなる。一方、半導体モジュール24ａ，24ｂには、使用温度に限界があり、局部的な温度上昇が装置稼動のボトルネックになる。このため、通常、風上側に、発熱温度の高い半導体モジュール24ａを配置し、風下側に発熱温度の低い半導体モジュール24ｂを配置する等の工夫をして半導体モジュール24ａ，24ｂの温度が使用限界を超えないようにしている。ところが半導体モジュールのレイアウトによっては、このような方法が採れないこともあり、風下側半導体モジュール24ｂの温度が高くなって強制空冷式ヒートシンクの冷却能力を充分に活用することができないという不具合が発生する。 For this reason, when the calorific value of the leeward side semiconductor module 24a and the leeward side semiconductor module 24b is the same, the temperature of the leeward side semiconductor module 24b becomes higher than that of the leeward side semiconductor module 24a. On the other hand, the operating temperature of the semiconductor modules 24a and 24b is limited, and a local temperature rise becomes a bottleneck for operating the apparatus. For this reason, the temperature of the semiconductor modules 24a and 24b usually has a use limit by arranging a semiconductor module 24a having a high heat generation temperature on the leeward side and a semiconductor module 24b having a low heat generation temperature on the leeward side. I do not exceed it. However, depending on the layout of the semiconductor module, such a method may not be adopted, and the temperature of the leeward side semiconductor module 24b becomes high, so that there is a problem that the cooling capacity of the forced air cooling heat sink cannot be fully utilized. .
この強制空冷式ヒートシンクの不具合を解決する従来の方法として、風下側に配置した半導体モジュールTR2と、その風上側に配置した半導体モジュールTR1との間のベース部分に開口(空気取り入れ口)を設けてバイパス風路を形成し風下側に配置された半導体モジュールTR2を開口から取り入れた空気で冷却する構造が、下記特許文献１に示されている。 As a conventional method for solving the problem of this forced air cooling heat sink, an opening (air intake) is provided in the base portion between the semiconductor module TR2 disposed on the leeward side and the semiconductor module TR1 disposed on the leeward side. A structure in which a semiconductor module TR2 disposed on the leeward side with a bypass air passage is cooled with air taken from an opening is disclosed in Patent Document 1 below.
図１３は、上述した特許文献１に示された強制空冷式ヒートシンクの構造を示す図である。この図では、発熱体として、パワートランジスタを想定したもので、風上側パワートランジスタTR1と風下側パワートランジスタTR2との間の風洞に開口(空気取り入れ口)を設けている。このように、開口から風上側の風洞を通過しない空気を風下側風洞に供給して風下側に配置した半導体モジュールを冷却して、風上側よりも風下側が高温となる不具合の解消を図っている。 FIG. 13 is a diagram showing the structure of the forced air-cooling heat sink disclosed in Patent Document 1 described above. In this figure, a power transistor is assumed as a heating element, and an opening (air intake) is provided in the wind tunnel between the windward power transistor TR1 and the leeward power transistor TR2. In this way, air that does not pass through the windward side wind tunnel from the opening is supplied to the leeward side wind tunnel to cool the semiconductor module disposed on the leeward side, thereby eliminating the problem that the leeward side is hotter than the leeward side. .
強制空冷式ヒートシンクは、半導体モジュールから発生した熱をベースを介してフィンから空気中に放熱するため、フィン間の空気温度は、風上側から風下側に向けて高くなり、風下側半導体モジュールの冷却性能が低下する。この課題を解決する方法の一例が上記特許文献１に記載されているが、半導体モジュールの周囲に空気を流すため、半導体モジュールの端子に塵や埃が付着して絶縁性能が低下するという問題が生じる。このため、通常、エアーフィルターを使用して塵や埃を除去している。 The forced air-cooled heat sink dissipates heat generated from the semiconductor module from the fins into the air through the base, so the air temperature between the fins increases from the windward side to the leeward side, and the cooling of the leeward semiconductor module Performance decreases. An example of a method for solving this problem is described in Patent Document 1 described above. However, since air is allowed to flow around the semiconductor module, there is a problem in that dust or dirt adheres to the terminals of the semiconductor module and insulation performance deteriorates. Arise. For this reason, dust and dust are usually removed using an air filter.
しかし、エアーフィルターの目を細かくして捕集能力を上げると、圧力損失が大きくなり、強力なファンが必要になったり、エアーフィルターのメンテナンス周期が短くなったりする新たな不具合を生じる。また、冷却ファンにより空気を送り込む構造を採用してヒートシンクのベースに開口部を設けた場合、フィン間の圧力が高まった状態で開口部から外部へ空気を放出することになり、冷却用の空気を開口部から吸入することができないという問題が生じる。 However, if the air filter is made finer and the collection capacity is increased, the pressure loss increases, which causes a new problem that a powerful fan is required or the maintenance cycle of the air filter is shortened. In addition, when an opening is provided in the base of the heat sink by adopting a structure in which air is sent by a cooling fan, air is discharged from the opening to the outside in a state where the pressure between the fins is increased. The problem arises that it is not possible to inhale through the opening.
そこで本発明は、圧力損失が減少し且つ気流のよどみを無くして、効率良く風下側半導体モジュールを冷却することができる強制空冷式ヒートシンクを提供することを目的とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a forced air cooling heat sink that can cool a leeward semiconductor module efficiently by reducing pressure loss and eliminating air stagnation.
上記課題を解決するために本発明の一態様は、複数の半導体モジュールを風上側半導体モジュールと風下側半導体モジュールを対にして高熱伝導材料からなるベースの一方の面に設けると共に該ベースの他方の面に互いに平行に形成した高熱伝導性材料からなる複数のフィンを設けたヒートシンクと、該ヒートシンクの風上側と風下側においてそれぞれ繋げて設置される風洞と、前記風下側に設置された風洞に繋げて設置される冷却ファンとを有し、前記ヒートシンク、前記風上側風洞、前記風下側風洞及び前記冷却ファンを筐体内に収納した強制空冷式ヒートシンクにおいて、
前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュールの間にあって前記ベースに開口部を形成すると共に、前記風上側半導体モジュールのそれぞれをコの字形に囲むと共に前記開口部を覆うように筐体の吸気口に連通するダクトを前記ベースの前記半導体モジュール設置面に備えていることを特徴とする。
One aspect of the present invention to solve the above SL problem, the base of the other provided with a plurality of semiconductor modules on the windward side one surface of a base made of a high thermal conductive material in the semiconductor module and the downwind-side semiconductor module pairs A heat sink provided with a plurality of fins made of a high thermal conductivity material formed parallel to each other on the surface, a wind tunnel connected to the leeward side and leeward side of the heat sink, and a wind tunnel installed on the leeward side A cooling fan installed in a connected manner, and a forced air cooling heat sink in which the heat sink, the windward wind tunnel, the leeward wind tunnel, and the cooling fan are housed in a housing,
An air inlet of the housing is formed between the windward semiconductor module and the leeward semiconductor module so as to form an opening in the base, and surround each of the windward semiconductor modules in a U-shape and cover the opening. The semiconductor module installation surface of the base is provided with a duct communicating with the base.
上記における開口部の形状として、前記開口部の端面が前記ベースの水平面に対して垂直に形成されていることを特徴とする。
また上記において、前記開口部の形状を、前記半導体モジュールの取付け側は、前記ベースの垂直面から風上側に偏倚させるとともに前記フィンの取り付け側は、前記ベースの垂直面から風下側に偏倚させて前記ベースを斜めに貫通する形状としたことを特徴とする。
As the shape of the opening in the above, the end surface of the opening is formed perpendicular to the horizontal plane of the base.
In the above, the shape of the opening is biased from the vertical surface of the base toward the leeward side on the mounting side of the semiconductor module, and the mounting side of the fin is biased from the vertical surface of the base toward the leeward side. The base has a shape that penetrates diagonally.
さらに上記において前記開口部は、前記対となった前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュール対応に複数設けたことを特徴とする。
また上記において前記複数設けた開口部を繋げて１つにしたことを特徴とする。
Further, in the above, a plurality of the openings are provided corresponding to the pair of the windward side semiconductor module and the leeward side semiconductor module.
In the above, the plurality of openings are connected to form one.
上記において前記風上側風洞を設けずに外部から吸入した空気を前記ダクトに直に通過させる構成としたことを特徴とする。 In the above, it is characterized in that the air sucked from the outside is directly passed through the duct without providing the windward wind tunnel.
本発明は、風上側フィンからの熱を受けない空気を、ダクトを通して風下側のフィンの根元に直接送ることができるため、風上側半導体モジュールが発生する熱の煽りを受け易い風下側半導体モジュールの温度を下げることができる。また、風上側のフィンを通過しない空気を風下側フィンのベースにより多く供給できるため、ヒートシンク全体の圧力損失を低減することが可能になると共に半導体モジュールを効率良く冷却することができる。
According to the present invention, air that does not receive heat from the leeward fin can be sent directly to the base of the leeward fin through the duct. Therefore, the leeward semiconductor module that is susceptible to heat generated by the leeward semiconductor module is provided. The temperature can be lowered. In addition, since more air that does not pass through the leeward fin can be supplied to the base of the leeward fin, the pressure loss of the entire heat sink can be reduced, and the semiconductor module can be efficiently cooled.
またダクト形状をコの字形にして風上側半導体モジュールを囲むように構成することで、風上側半導体モジュールの周囲に空気を流さず、ベースに設けた開口部に空気を供給することができるため、冷却ファンの出力を上げても半導体モジュールの端子に塵や埃を付着させることがない。また冷却ファンによりフィンの空気を吸い込む構造にしているため、風上側フィンの放熱を受けない空気をベースに設けた開口部から風下側フィンの根元に供給することができるため、風下側のフィンの温度が下がり、風下側に配置した半導体モジュールの温度を効率良く下げることができる。 Also, by configuring the duct shape to be U-shaped and surrounding the windward semiconductor module, air can be supplied to the opening provided in the base without flowing air around the windward semiconductor module, Even if the output of the cooling fan is increased, dust and dirt do not adhere to the terminals of the semiconductor module. In addition, since the fin air is sucked in by the cooling fan, air that does not receive heat from the leeward fin can be supplied to the base of the leeward fin from the opening provided in the base. The temperature is lowered, and the temperature of the semiconductor module disposed on the leeward side can be lowered efficiently.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１ないし図３を用いて本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの主要部であるヒートシンクの構造を説明するための斜視図である。図１においてヒートシンク１のベース２の一方の面には、風上側から風下側に風上側半導体モジュール４ａと風下側の半導体モジュール４ｂが対になって設置されている。なお、ベース２は銅などの高熱伝導材料で構成されている。そして対になって設置された風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に複数の開口部９がベース２に形成されている。図示例では３つの開口部が風上側半導体モジュール４ａと風下側の半導体モジュール４ｂの間に形成されている。そしてベース２の他方の面に垂直に且つ互いに平行に並べて銅などの高熱伝導材料からなる複数のフィン３が形成されている。その結果、上流から下流に向かう空気の流れ（気流）は、平行した簾状のフィン３の間を通過することになる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[First Embodiment]
The configuration of the forced air cooling heat sink according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a perspective view for explaining the structure of a heat sink, which is a main part of the forced air-cooling heat sink according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a windward side semiconductor module 4a and a leeward side semiconductor module 4b are installed in pairs on one surface of the base 2 of the heat sink 1 from the windward side to the leeward side. The base 2 is made of a highly heat conductive material such as copper. A plurality of openings 9 are formed in the base 2 between the leeward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b installed in pairs. In the illustrated example, three openings are formed between the leeward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b. A plurality of fins 3 made of a highly heat-conductive material such as copper are formed so as to be perpendicular to the other surface of the base 2 and parallel to each other. As a result, the air flow (airflow) from the upstream to the downstream passes between the parallel fin-shaped fins 3.
図２は、図１に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンクの変形例を示す図である。図２に示す変形例においては、図１に示した複数の開口部を繋いで１つの開口部９を形成されている点が異なるのみで、他の構成は図１に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンクと同様である。 FIG. 2 is a view showing a modification of the heat sink in the first embodiment of the present invention shown in FIG. The modification shown in FIG. 2 differs only in that one opening 9 is formed by connecting a plurality of openings shown in FIG. 1, and the other configuration is the first embodiment of the present invention shown in FIG. This is the same as the heat sink in the first embodiment.
図３は、本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図であり、図１０に示すのと同様の筐体内に収納され、さらに図１及び図２に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンク１の対になって設置された風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂを通る面で破断したもので、ベースの肉厚部分の斜線表示およびその余の破断部の肉厚並びにその破断箇所について図示省略している。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state of air flow of the forced air-cooling heat sink according to the first embodiment of the present invention, which is housed in a casing similar to that shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view through a surface passing through the leeward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b installed as a pair of the heat sink 1 in the first embodiment of the present invention shown in FIG. The hatched display, the thickness of the remaining broken part, and the broken part are not shown.
図３において本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクは、図１及び図２に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンク１が筐体６内に納められ、吸気口12側及び冷却ファン５側にそれぞれに風洞８ａ，８ｂおよび風洞８ｂに繋げて冷却ファン５が設けられているのが看て取れる。また風上側風洞８ａには、風上側風洞開口部８ｃが形成されている。そしてベース２に形成された開口部９の形状は、図１及び図２では必ずしも明瞭に看て取れなかったが、図３に示される断面図から明らかなように、ベース２上の半導体モジュール４ａ，４ｂの取付け側は、ベース垂直面から風上側に偏倚させるとともにベース２のフィン３の取り付け側は、ベース垂直面から風下側に偏倚させてベース２を斜めに貫通するように構成する。 3, the forced air-cooling type heat sink according to the first embodiment of the present invention includes the heat sink 1 in the first embodiment of the present invention shown in FIGS. It can be seen that the cooling fan 5 is connected to the wind tunnels 8a and 8b and the wind tunnel 8b on the side and the cooling fan 5 side, respectively. Further, an upwind wind tunnel opening 8c is formed in the windward wind tunnel 8a. The shape of the opening 9 formed in the base 2 is not always clearly seen in FIGS. 1 and 2, but as is clear from the cross-sectional view shown in FIG. 3, the semiconductor module 4a on the base 2 is formed. , 4b is biased from the base vertical surface toward the windward side, and the fin 3 mounting side of the base 2 is biased from the base vertical surface toward the leeward side so as to penetrate through the base 2 obliquely.
本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクでは、開口部９をこのような形状とすることにより、ベース２の開口部９を通過する空気とフィン３の風上側から風下側に流れる空気をスムーズに合流させることができる。これにより、圧力損失を低減させると共に空気のよどみを無くすことができるため、冷却性能を向上させることができる。 In the forced air-cooling heat sink according to the first embodiment of the present invention, the opening 9 has such a shape, so that the air passing through the opening 9 of the base 2 and the fin 3 flow from the windward side to the leeward side. Air can be smoothly merged. Thereby, pressure loss can be reduced and air stagnation can be eliminated, so that cooling performance can be improved.
また本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクにおける全体の空気の流れは、外部から吸気口12を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）は、風上側風洞８ａを経由して、フィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り、冷却ファン５を通過して外部に放出（風下側気流７ｂ）される。その一方、風上側風洞８ａを経由し、風上側風洞開口部８ｃからベース２上を通過する空気は、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に形成された上記形状の開口部９を経由して、フィン３に供給される。その結果、外部から風上側風洞８ａおよび風上側風洞開口部８ｃを経由してベース２上を通過する空気（風上側気流７ａ）を風上側のフィン３による放熱を受けずに風下側のフィン３に供給することができるので、風下側の冷却性能を向上させることができる。 The entire air flow in the forced air-cooling heat sink according to the first embodiment of the present invention is such that the air (windward airflow 7a) taken from the outside through the air inlet 12 passes through the windward wind tunnel 8a. Thus, the air passes through the fins 3 to reach the leeward wind tunnel 8b, passes through the cooling fan 5, and is discharged to the outside (leeward airflow 7b). On the other hand, the air passing over the base 2 from the windward wind tunnel opening 8c via the windward wind tunnel 8a is the opening of the above shape formed between the windward semiconductor module 4a and the leeward semiconductor module 4b. 9 and supplied to the fins 3. As a result, the air passing through the base 2 via the windward wind tunnel 8 a and the windward wind tunnel opening 8 c (windward airflow 7 a) from the outside is not radiated by the windward fins 3, and the fin 3 on the leeward side. Therefore, the cooling performance on the leeward side can be improved.
［第２の実施形態］
図４ないし図７を用いて本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの主要部であるヒートシンクの構造を説明するための斜視図である。図４においてヒートシンク１のベース２の一方の面には、風上側から風下側に風上側半導体モジュール４ａと風下側の半導体モジュール４ｂが対になって設置されている。なお、ベース２は銅などの高熱伝導材料で構成されている。そして対になって設置された風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に複数（図示例では２つ）の開口部９（図５参照）がベース２に形成され、当該開口部９が覆われるように且つ風上側半導体モジュール４ａのそれぞれをコの字形で仕切るようにダクト10を設けている。そしてベース２の他方の面に垂直に且つ互いに平行に並べて銅などの高熱伝導材料からなる複数のフィン３が形成されている。その結果、上流から下流に向かう空気の流れ（気流）は、平行した簾状のフィン３の間を通過することになる。また風上側半導体モジュール４ａおよび風下側半導体モジュール４ｂには主端子11ａおよび制御端子11ｂがそれぞれ設けられている。
[Second Embodiment]
The configuration of the forced air-cooling heat sink according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a perspective view for explaining the structure of the heat sink, which is the main part of the forced air cooling heat sink according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, a windward side semiconductor module 4a and a leeward side semiconductor module 4b are installed in pairs on one surface of the base 2 of the heat sink 1 from the windward side to the leeward side. The base 2 is made of a highly heat conductive material such as copper. A plurality (two in the illustrated example) of openings 9 (see FIG. 5) are formed in the base 2 between the windward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b that are installed in pairs. A duct 10 is provided so as to cover 9 and to partition each of the windward side semiconductor modules 4a in a U-shape. A plurality of fins 3 made of a highly heat-conductive material such as copper are formed so as to be perpendicular to the other surface of the base 2 and parallel to each other. As a result, the air flow (airflow) from the upstream to the downstream passes between the parallel fin-shaped fins 3. The leeward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b are provided with a main terminal 11a and a control terminal 11b, respectively.
図５は、図４に示したヒートシンクにおけるダクトを取外した状態を示す斜視図である。図４に示したヒートシンク１におけるダクト10を取外すと図５から分かるように、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に、複数（図示例では２つ）の開口部９が設けられているのが看て取れる。また開口部９は、角形の孔に限らず、丸形の孔や楕円形状等その他の形状の孔でも良い。なお図５に示されている複数の開口部を繋いで１つの開口部９にしても良い。 FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the duct in the heat sink shown in FIG. 4 is removed. As can be seen from FIG. 5 when the duct 10 in the heat sink 1 shown in FIG. 4 is removed, a plurality (two in the illustrated example) of openings 9 are provided between the leeward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b. You can see what is being done. The opening 9 is not limited to a square hole, but may be a round hole or an oval hole. Note that a plurality of openings shown in FIG. 5 may be connected to form one opening 9.
図６は、本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図であり、図１０に示すのと同様の筐体内に収納され、さらに図４に示した本発明の第２の実施形態におけるヒートシンク１の風上側に延び外気を吸入するダクト10を通る面で破断したもので、ベースの肉厚部分の斜線表示およびその余の破断部の肉厚並びにその破断箇所について図示省略している。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state of air flow of the forced air cooling heat sink according to the second embodiment of the present invention, which is housed in a housing similar to that shown in FIG. In the second embodiment of the present invention shown, the heat sink 1 is broken on the surface extending through the windward side and passing through the duct 10 for sucking outside air, and the thick portion of the base is indicated by hatching and the thickness of the remaining broken portion is shown. In addition, the broken portion is not shown.
図６において本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクは、図４に示した本発明の第２の実施形態におけるヒートシンク１が筐体６内に納められ、吸気口12側及び冷却ファン５側にそれぞれに風洞８ａ，８ｂおよび風洞８ｂに繋げて冷却ファン５が設けられているのが看て取れる。 In FIG. 6, the forced air cooling heat sink according to the second embodiment of the present invention includes the heat sink 1 in the second embodiment of the present invention shown in FIG. It can be seen that the cooling fan 5 is provided on the side of the fan 5 so as to be connected to the wind tunnels 8a and 8b and the wind tunnel 8b.
図６において吸気口12から取込んだ空気（風上側気流７ａ）は、風上側風洞８ａを経由して、フィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り、冷却ファン５により外部へ放出（風下側気流７ｂ）される。その一方、風上側風洞８ａからダクト10を通過する空気は、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間のベース２に形成された開口部９ａを経由して、風下側のフィン３に供給される。ここで開口部９ａの端面は、ベース２の水平面に対して垂直に形成されている。このように本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成であれば、ダクト10を経由して開口部９ａに外気を導くことで風上側のフィン３による放熱を受けない空気を風下側のフィン３に供給することができるので、風下側の冷却性能を一層向上させることができる。 In FIG. 6, the air (windward airflow 7 a) taken in from the air inlet 12 passes between the fins 3 through the windward wind tunnel 8 a, reaches the leeward wind tunnel 8 b, and is discharged to the outside by the cooling fan 5 ( The leeward side airflow 7b). On the other hand, the air passing through the duct 10 from the windward side wind tunnel 8a passes through the opening 9a formed in the base 2 between the windward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b, and the fin 3 on the leeward side. To be supplied. Here, the end face of the opening 9 a is formed perpendicular to the horizontal plane of the base 2. Thus, if it is the structure of the forced air cooling type heat sink which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, the air which does not receive the heat radiation by the fin 3 of the windward side by guiding outside air through the duct 10 to the opening part 9a will be described. Since it can supply to the fin 3 on the leeward side, the cooling performance on the leeward side can be further improved.
図７は、図６に示した本発明の第２の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの変形例を示す断面図であり、図６と同じく強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示したものである。図７においては、図６における風上側風洞８ａを削除したうえでダクト10を経由して開口部９ａに外気を導く構成としたことにより、部品点数が減り、製作コストを軽減することができる。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modified example of the forced air-cooling heat sink in the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6, and shows the air flow of the forced air-cooling heat sink as in FIG. It is. In FIG. 7, by removing the windward side wind tunnel 8a in FIG. 6 and guiding the outside air to the opening 9a via the duct 10, the number of parts can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
［第３の実施形態］
図８及び図９を用いて本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成について説明する。図８は、本発明の第３の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図で、図１０に示すのと同様の筐体内に収納され、さらに図４に示した本発明の第２の実施形態と同様に、ヒートシンク１の風上側に延び外気を吸入するダクト10を通る面で破断したもので、その破断箇所及び破断面について図示省略している。図８に示した本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの基本構造は、図６に示した本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成と同じだが、開口部９ｂの構造を図６に示した本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの開口部９ａの構造に代えて、図３に示した本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの開口部９と同じ構造にしたものである。
[Third Embodiment]
The configuration of the forced air-cooling heat sink according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the state of air flow of the forced air-cooling heat sink in the third embodiment of the present invention, which is housed in the same housing as shown in FIG. 10, and further shown in FIG. Similar to the second embodiment of the present invention, it is broken at the surface passing through the duct 10 extending to the windward side of the heat sink 1 and sucking outside air, and the broken portion and the fracture surface are not shown. The basic structure of the forced air cooling heat sink according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 8 is the same as that of the forced air cooling heat sink according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. Instead of the structure of the opening 9a of the forced air-cooling heat sink according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the structure of the portion 9b is changed to the compulsory according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. It has the same structure as the opening 9 of the air-cooled heat sink.
図８に示す断面図から明らかなように、本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクにおける開口部９ｂの形状は、ベース２上の半導体モジュール４ａ，４ｂの取付け側は、ベース垂直面から風上側に偏倚させるとともにベース２のフィン３の取り付け側は、ベース垂直面から風下側に偏倚させてベース２を斜めに貫通するように構成する。 As is apparent from the cross-sectional view shown in FIG. 8, the shape of the opening 9b in the forced air cooling heat sink according to the third embodiment of the present invention is such that the mounting side of the semiconductor modules 4a and 4b on the base 2 is perpendicular to the base. The fin 3 of the base 2 is biased toward the leeward side from the surface, and is biased from the base vertical surface toward the leeward side so as to penetrate the base 2 obliquely.
また図８では、上記図６と同様に、吸気口12側及び冷却ファン５側にそれぞれに風洞８ａ，８ｂおよび風洞８ｂに繋げて冷却ファン５が設けられているのが看て取れる。また図８では、上記図４及び図６と同様に、開口部９ｂが覆われるように且つ風上側半導体モジュール４ａのそれぞれをコの字形で仕切るようにダクト10が設けられる。 In FIG. 8, it can be seen that the cooling fans 5 are connected to the air tunnels 8a and 8b and the wind tunnel 8b on the inlet 12 side and the cooling fan 5 side, respectively, as in FIG. In FIG. 8, similarly to FIGS. 4 and 6, the duct 10 is provided so as to cover the opening 9 b and to partition each of the windward semiconductor modules 4 a with a U-shape.
本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクでは、ダクト10を設けたことと開口部９ｂを上記のような形状とすることにより、ベース２の開口部９ｂを通過する空気とフィン３の風上側から風下側に流れる空気をより一層スムーズに合流させることができる。これにより、圧力損失を低減させると共に空気のよどみを無くすことができるため、冷却性能を一層向上させることができる。 In the forced air cooling heat sink according to the third embodiment of the present invention, the air passing through the opening 9b of the base 2 and the fin 3 are provided by providing the duct 10 and forming the opening 9b as described above. The air flowing from the windward side to the leeward side can be merged more smoothly. Thereby, since pressure loss can be reduced and air stagnation can be eliminated, the cooling performance can be further improved.
また本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクにおける全体の空気の流れは、外部から吸気口12を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）は、風上側風洞８ａを経由して、フィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り、冷却ファン５を通過して外部に放出（風下側気流７ｂ）される。その一方、外部から吸気口12を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）は、外部から風上側風洞８ａおよびダクト10を経由して風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に形成された上記形状の開口部９ｂを経由して、フィン３に供給される。その結果、外部から風上側風洞８ａおよびダクト10を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）を風上側のフィン３による放熱を受けずに風下側のフィン３に供給することができるので、風下側の冷却性能を一層向上させることができる。 Further, the entire air flow in the forced air cooling heat sink according to the third embodiment of the present invention is such that the air (windward airflow 7a) taken from outside through the air inlet 12 passes through the windward wind tunnel 8a. Thus, the air passes through the fins 3 to reach the leeward wind tunnel 8b, passes through the cooling fan 5, and is discharged to the outside (leeward airflow 7b). On the other hand, the air (windward airflow 7a) taken from the outside via the air inlet 12 passes between the windward side semiconductor module 4a and the leeward side semiconductor module 4b via the windward wind tunnel 8a and the duct 10 from the outside. The fins 3 are supplied through the openings 9b having the above-described shape. As a result, the air (windward airflow 7a) taken from the outside via the windward wind tunnel 8a and the duct 10 can be supplied to the leeward fins 3 without receiving heat radiation from the windward fins 3. The cooling performance on the leeward side can be further improved.
図９は、図８に示した本発明の第３の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの変形例を示す断面図であり、図８と同じく強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示したものである。図９においては、図８における風上側風洞８ａを削除したうえでダクト10を経由して開口部９ｂに外気を導く構成としたことにより、部品点数が減り、製作コストを軽減することができる。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modified example of the forced air-cooling heat sink in the third embodiment of the present invention shown in FIG. 8, and shows the state of air flow in the forced air-cooling heat sink as in FIG. It is. In FIG. 9, by removing the windward side wind tunnel 8a in FIG. 8 and introducing the outside air to the opening 9b through the duct 10, the number of parts can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
１ ヒートシンク
２ ベース
３ フィン
４ａ 風上側半導体モジュール
４ｂ 風下側半導体モジュール
５ 冷却ファン
６ 筐体
７ａ 風上側気流
７ｂ 風下側気流
８ａ 風上側風洞
８ｂ 風下側風洞
９，９ａ，９ｂ 開口部
10 ダクト
11ａ 主端子
11ｂ 制御端子
12 吸気口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat sink 2 Base 3 Fin 4a Upwind semiconductor module 4b Downwind semiconductor module 5 Cooling fan 6 Case 7a Upwind airflow 7b Downwind airflow 8a Upwind wind tunnel 8b Downwind wind tunnel 9, 9a, 9b Opening part
10 Duct
11a Main terminal
11b Control terminal
12 Inlet
Claims (6)
前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュールの間にあって前記ベースに開口部を形成すると共に、前記風上側半導体モジュールのそれぞれをコの字形に囲むと共に前記開口部を覆うように筐体の吸気口に連通するダクトを前記ベースの前記半導体モジュール設置面に備えていることを特徴とする強制空冷式ヒートシンク。 A plurality of semiconductor modules are provided on one surface of a base made of a highly heat-conductive material with a pair of a windward side semiconductor module and a leeward side semiconductor module being paired, and a plurality of semiconductor modules made of a highly heat-conductive material are formed parallel to each other on the other surface of the base A heat sink provided with a fin, a wind tunnel connected to the windward side and the leeward side of the heat sink, and a cooling fan installed connected to the wind tunnel installed on the leeward side, the heat sink, In the forced air cooling heat sink in which the windward wind tunnel, the leeward wind tunnel and the cooling fan are housed in a housing,
An air inlet of the housing is formed between the windward semiconductor module and the leeward semiconductor module so as to form an opening in the base, and surround each of the windward semiconductor modules in a U-shape and cover the opening. A forced air-cooling heat sink , wherein a duct communicating with the semiconductor module is provided on the surface of the base on which the semiconductor module is installed .
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