JP7363126B2

JP7363126B2 - 冷却構造

Info

Publication number: JP7363126B2
Application number: JP2019118359A
Authority: JP
Inventors: 淳中村; 七絵松本; 祐輔大西; 修平柴田; 修中村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: JP2021005614A

Description

本発明は、冷却構造に関し、特に、ファンユニットからヒートシンクに送風して熱交換を行う冷却構造に関する。

電力変換等を行う半導体素子を備えたパワエレユニットにおいては、組み込まれる装置内での容積に制約を受けることがあり、この場合には、パワエレユニット内における冷却構造の小型化が要求される。このような冷却構造としては、特許文献１に開示される構成が知られている。特許文献１の冷却構造は、電気素子等の熱源が取り付けられるヒートシンクと、ヒートシンクのフィンに送風するファンとを備えている。かかる冷却構造では、ヒートシンクにおける複数のフィンの先端側にファンが対向配置されている。冷却構造においては、フィンの先端とファンとをできるだけ近接させると、小型化を図る上で有利となる。

特開２０１７－６９４９９号公報

特許文献１においては、ファンの羽根部材に対向する領域のフィンに送風されるものの、ファンのボス（軸）に対向する領域のフィンに送風がされ難くなる。そこで、特許文献１では、ボスに対向する領域のフィンを疎とし、羽根部材に対向する領域のフィンを密としている。ところが、特許文献１のようにフィンに疎密を設けても、フィンでの風の流れは羽根部材に対向する領域からフィンの延出方向両端側（外側）に向かうので、ボスに対向する領域に送風されずに十分な冷却効果が得られない、という問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ファンユニットのボスに対向する領域での冷却効果を向上させることができる冷却構造を提供することを目的の一つとする。

本発明における一態様の冷却構造は、ベース及び該ベースから立設する放熱部材を有するヒートシンクと、前記放熱部材の先端に接触又は隙間を介して配設され、ボスと該ボスに接続された羽根部材とを有するファンユニットとを備えた冷却構造であって、前記ファンユニットは、前記ボスの回転によって前記放熱部材の先端側から前記ベースに向かって送風可能に配置され、前記ヒートシンクは、前記ボスの軸方向から見た状態で、該ボスと重なる領域の内部と外部とに跨った連続する空気誘導領域を備え、前記空気誘導領域内における前記放熱部材の先端と前記ファンユニットとの距離は、前記空気誘導領域外における前記放熱部材の先端と前記ファンユニットとの距離よりも大きく設けられ、前記空気誘導領域内における前記ベースと前記ファンユニットとの距離が、前記空気誘導領域外における前記ベースと前記ファンユニットとの距離よりも大きく設けられ、前記放熱部材の立設方向長さが、前記空気誘導領域内と前記空気誘導領域外とで同一であることを特徴とする。

本発明によれば、空気誘導領域にて放熱部材の先端とファンユニットとの間に空間を形成でき、この空間によってボスに対向して位置する放熱部材に風を誘導して流通させることができる。これにより、複数の放熱部材におけるボスに対向する部分への送風の流量を確保でき、該部分での放熱及び冷却効果を向上させることができる。

第１の実施の形態に係る冷却構造の部分正面断面図である。第１の実施の形態のヒートシンクの概略斜視図である。第１の実施の形態のヒートシンクの底面図である。比較例の冷却構造の図１と同様の断面図である。第２の実施の形態に係る冷却構造の図１と同様の断面図である。第２の実施の形態に係るヒートシンクの図２と同様の斜視図である。第３の実施の形態に係る冷却構造の図１と同様の断面図である。第３の実施の形態に係るヒートシンクの図２と同様の斜視図である。変形例に係るヒートシンクを底面視した説明図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る冷却構造について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。また、以下においては、本発明に係る冷却構造を、電力変換装置や、電圧調整装置、インバータ装置、コンバータ装置をはじめとした半導体を用いた電力変換装置全般を含むパワエレユニットに適用する場合について説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る冷却構造の部分正面断面図である。図１に示すように、第１の実施の形態に係るパワエレユニット１では、熱源となる半導体素子１０と、ヒートシンク２０及びファンユニット３０を備えてなる冷却構造とを有している。パワエレユニット１において、半導体素子１０と、ヒートシンク２０及びファンユニット３０は、不図示の筐体における内部空間に配置される。

ここで、以下の説明においては、各図において矢印で示したＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を基準に説明する。但し、これらの方向は、説明の便宜上設定した一例に過ぎないものであり、実施に際しては図中のＸ方向を鉛直方向に変更する等、任意の変更がある。

半導体素子１０は、例えば、電力変換を行う素子とされ、樹脂材によってパッケージされた状態で形成される。半導体素子１０は、ヒートシンク２０に対向する面が放熱面として形成され、該放熱面から電力変換時に発生した熱が主として放出される。

図２は、第１の実施の形態のヒートシンクの概略斜視図である。図２に示すように、ヒートシンク２０は、Ｚ方向に厚みを有する方形の板状に形成されたベース２１と、ベース２１の－Ｚ側の面から立設されたフィン状をなす複数の放熱プレート（放熱部材）２２を備えている。ベース２１の外縁となる四辺は、Ｘ方向及びＹ方向に延出している。ヒートシンク２０は、熱伝導率が高い素材によって形成され、具体的には、アルミニウム等の金属が例示できる。ヒートシンク２０には、半導体素子１０からの熱がベース２１を経て放熱プレート２２に伝達し、放熱プレート２２の表面とこれに触れる空気との間で熱交換が行われてヒートシンク２０が冷却される。

放熱プレート２２は、厚さ方向がＸ方向とされ、立設方向がＺ方向とされる。そして、放熱プレート２２は、Ｘ方向及びＺ方向に直交するＹ方向を延出方向として延出して設けられている。放熱プレート２２は、Ｘ方向を並び方向として等間隔に（所定間隔毎に）複数並設されている。よって、Ｘ方向に隣り合う放熱プレート２２の間には、ファンユニット３０から送風された空気が流通する流路２３が複数形成される。

図１に戻り、ファンユニット３０は、ヒートシンク２０における放熱プレート２２の先端側に対向配置されている。ファンユニット３０は、不図示の駆動手段から駆動力が伝達されて回転中心位置Ｃ周りに回転する概略円筒状のボス３１と、ボス３１の外周に設けられる（接続される）複数の羽根部材３２とを備えている。また、ファンユニット３０は、ボス３１及び羽根部材３２を収容するケーシング３３を備えている。

ケーシング３３は、Ｘ方向及びＹ方向に四辺を備えた枠状に形成されて＋Ｚ側及び－Ｚ側を開放するように設けられている。ケーシング３３は、複数の放熱プレート２２の形成領域に対し、Ｘ方向及びＹ方向にて若干内側または概略揃うように設けられる。また、ケーシング３３の＋Ｚ側の端部が放熱プレート２２の先端（－Ｚ側端部）に対し、若干の隙間を介して配設されるよう、不図示の支持部材を介して支持される。なお、図１では、ケーシング３３の＋Ｚ側の端部と放熱プレート２２の先端との間に隙間を設けたが、それらが接触するように配設してもよい。

ボス３１の軸方向に平行となる回転中心位置Ｃは、放熱プレート２２の立設方向つまりＺ方向に延出して設けられている。羽根部材３２は、ボス３１の回転によってケーシング３３の－Ｚ側から＋Ｚ側に送風するよう形成され、これにより、放熱プレート２２の先端側からベース２１に向かって送風可能になる。

図３は、第１の実施の形態のヒートシンクの底面図である。図１及び図２に加えて図３にも示すように、ヒートシンク２０において、複数の放熱プレート２２における先端は、中央部分が部分的に凹むように形成されている。言い換えると、ヒートシンク２０における放熱プレート２２の先端は、ＸＹ面と平行に位置する外側領域２５と、外側領域２５の内側に位置して円形に凹んだ領域となる空気誘導領域２６とを形成している。よって、空気誘導領域２６内の放熱プレート２２の先端位置は、外側領域２５における放熱プレート２２の先端位置よりファンユニット３０から離れて形成される（図１参照）。なお、外側領域２５は空気誘導領域２６外の領域とされる。

図３に示すように、複数の放熱プレート２２と二点鎖線で示すボス３１とをＺ方向にて重ねて見た状態で、ボス３１が円形に形成され、空気誘導領域２６がボス３１より大きい径寸法となる同心円の内側に形成されている。よって、空気誘導領域２６は、ボス３１を含みつつＸ方向及びＹ方向にてボス３１の外周からはみ出るように形成され、ボス３１と重なる領域の内部と外部とに跨った連続する領域となる。なお、図３において、空気誘導領域２６より外側にてボス３１と同心円の二点鎖線で示した位置は、ボス３１の回転による羽根部材３２先端の通過位置である。よって、該通過位置とボス３１との間の領域が、羽根部材３２が回転して通過する送風領域とされる。

図２に示すように、空気誘導領域２６では、球面や椀状に凹む湾曲面に沿って放熱プレート２２の先端が位置するよう、空気誘導領域２６の外周から中央に向かって放熱プレート２２の先端におけるＺ方向の位置が徐々に変化して形成される。よって、図１に示すように、空気誘導領域２６内の放熱プレート２２の先端とファンユニット３０とのＺ方向の距離は、Ｚ方向から見た状態で、ボス３１の回転中心位置Ｃ（中心軸）に近づくにつれて徐々に大きく設けられる部分を有する。本実施の形態において、かかるＺ方向の距離は、Ｘ方向にて空気誘導領域２６の外周から中央に向かい徐々に長く（大きく）なるよう変化している。

ここで、上記第１の実施の形態におけるヒートシンク２０及びファンユニット３０の冷却機能について、図４に示す比較例の冷却機能を説明してから説明する。図４は、比較例の冷却構造の図１と同様の断面図である。

比較例の冷却構造は、ヒートシンク１２０において、上記第１の実施の形態における空気誘導領域２６の形成を省略し、全ての放熱プレート１２２の先端が同一のＸＹ平面に沿って位置するものとする。また、比較例におけるファンユニット１３０は、第１の実施の形態におけるファンユニット３０と同様の構成となってボス１３１、羽根部材１３２及びケーシング１３３を備えている。

ファンユニット１３０を作動してヒートシンク１２０に送風すると、ファンユニット１３０から放熱プレート１２２側となる＋Ｚ方向に空気が流れる。かかる空気の流れは、隣り合う放熱プレート１２２の間を流れてベース１２１に当たった後（図４の矢印参照）、放熱プレート１２２のＹ方向両端から吹き出すように空気が流れて冷却作用が得られる。

ここで、ファンユニット１３０のボス１３１からは送風が発生しないので、複数の放熱プレート１２２にて、ボス１３１に対向する領域Ａでは空気が流れない或いは流れ難くなって滞留することとなる。このため、かかる領域Ａとその周辺部が高温化し、冷却能力が低下する、という問題がある。

ところで、仮に、放熱プレート１２２とファンユニット１３０との間隔を拡げれば、整流作用によって領域Ａへ流れる風量を増やすことができるが、パワエレユニット１の小型化の要請から、Ｚ方向の全体サイズが大きくなり好ましくない。

これに対し、第１の実施の形態では、空気誘導領域２６内における放熱プレート２２の先端とファンユニット３０との距離が、外側領域２５における放熱プレート２２の先端とファンユニット３０との距離よりも大きく設けられる。このように空気誘導領域２６が形成されるので、空気誘導領域２６内の放熱プレート２２の先端とファンユニット３０との間に羽根部材３２からの送風が流れ込む空間が形成される（図１参照）。言い換えると、空気誘導領域２６にて放熱プレート２２の先端側に形成される空間によって、ボス３１に対向する領域Ａに風の流れを誘導することができる。これにより、領域Ａでの空気の滞留を抑制して空気を流通させることができ、領域Ａが高温になることを防止して冷却能力を良好に発揮することができる。

このように冷却能力を発揮することで、ヒートシンク２０とファンユニット３０とを離さなくても領域Ａへの風量を確保できるので、Ｚ方向へのサイズ拡大を回避でき、パワエレユニット１の小型化に寄与することができる。

なお、第１の実施の形態において、領域Ａの外側の領域にあっては、ファンユニット３０からの送風が比較例と同様に流れて冷却作用を得ることができる。

また、空気誘導領域２６の外周から中央に向かって放熱プレート２２の先端位置が徐々に変化して形成されるので、空気誘導領域２６における放熱プレート２２の先端側の空間に対し空気抵抗を抑制しつつ送風を誘導することができる。これにより、ボス３１に対向する領域Ａに効率良く導風して換気を促すことができ、冷却能力をより良好に発揮することができる。

更に、Ｚ方向から見て空気誘導領域２６がボス３１より大きい径寸法の同心円内に形成されるので、領域Ａに送風を誘導できる領域をボス３１周りに均一に形成でき、該ボス３１周りから領域Ａに効率良く導風することができる。

次に、本発明の前記以外の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、説明する実施の形態より前に記載された実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態について図５及び図６を参照して説明する。図５は、第２の実施の形態に係る冷却構造の図１と同様の断面図である。図６は、第２の実施の形態に係るヒートシンクの図２と同様の斜視図である。図５及び図６に示すように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、空気誘導領域２６の形状及び形成位置を変更している。

第２の実施の形態において、複数の放熱プレート２２の先端が＋Ｚ側に凹んだ領域となる空気誘導領域２６は、放熱プレート２２のＹ方向（延出方向）全体、言い換えると、Ｙ方向の一端から他端に亘って帯状に形成される。空気誘導領域２６のＸ方向の幅は、ボス３１のＸ方向の幅（直径）より大きく形成されている。よって、第２の実施の形態においても、Ｚ方向にて重ねて見たときに、空気誘導領域２６がボス３１を含みつつＸ方向及びＹ方向にてボス３１の外周からはみ出るように形成され、ボス３１と重なる領域の内部と外部とに跨った連続する領域に空気誘導領域２６が形成される。

また、第２の実施の形態において、空気誘導領域２６では、放熱プレート２２の先端がＶ溝の底面のように傾斜する２つの平面（傾斜面）に沿って位置している。よって、第２の実施の形態においても、Ｚ方向から見た状態で、空気誘導領域２６内の放熱プレート２２の先端とファンユニット３０とのＺ方向の距離がボス３１の回転中心位置Ｃ（中心軸）に近づくにつれて徐々に大きく設けられる部分を有し、かかるＺ方向の距離がＸ方向にて空気誘導領域２６の外周から中央に向かい徐々に長く（大きく）なるよう変化している。

このような第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様に、ボス３１に対向する領域Ａに風の流れを誘導可能として、領域Ａの高温化を抑制して冷却能力を良好に発揮することができる。しかも、各放熱プレート２２において、Ｚ方向の寸法が変化せずに一様に形成されるので、ヒートシンク２０を押出成形によって簡単に製作でき、製造負担及びコストの削減を図ることができる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態について図７及び図８を参照して説明する。図７は、第３の実施の形態に係る冷却構造の図１と同様の断面図である。図８は、第３の実施の形態に係るヒートシンクの図２と同様の斜視図である。図７及び図８に示すように、第３の実施の形態では、第２の実施の形態に対し、空気誘導領域２６の形成位置を同一としつつ、ベース２１及び放熱プレート２２の形状を変更している。

第３の実施の形態において、空気誘導領域２６内におけるベース２１の－Ｚ側の面とファンユニット３０とのＺ方向の距離が、外側領域２５におけるベース２１の－Ｚ側の面とファンユニット３０とのＺ方向の距離よりも大きく設けられる。本実施の形態において、空気誘導領域２６では、ベース２１の－Ｚ側の面がＶ溝状に凹んで形成される。この一方、空気誘導領域２６と外側領域２５とで放熱プレート２２の立設方向長さ（Ｚ方向の寸法）が同一に設定されている。従って、ベース２１の凹んだ領域から立設する放熱プレート２２の先端において、第２の実施の形態と同様に＋Ｚ側に凹んだ空間を形成することができる。

このような第３の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様に、ボス３１に対向する領域Ａに風の流れを誘導可能として、領域Ａの高温化を抑制して冷却能力を良好に発揮することができる。また、第２の実施の形態と同様に、ヒートシンク２０を押出成形によって簡単に製作できる。しかも、空気誘導領域２６にてベース２１を凹ませた分、放熱プレート２２の立設方向長さを大きく設定することができ、放熱プレート２２の放熱面積を確保して冷却能力向上に寄与することができる。

本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

上記各実施の形態では、空気誘導領域２６において、複数の放熱プレート２２の先端位置が徐々に変化する構成としたが、該先端のＺ方向の位置が同一となるように形成してもよい。この場合、空気誘導領域２６内の放熱プレート２２の先端がＸＹ面と平行となる平面上に位置するようになる。

また、空気誘導領域２６は、Ｘ方向（放熱プレート２２の並び方向）にてボス３１を内側に配置しつつボス３１の外周からはみ出る領域となる限りにおいて変更してもよい。例えば、図９に示すように、空気誘導領域２６をＺ方向から見て方形状に形成し、Ｙ方向の形成位置を空気誘導領域２６とボス３１とで同一としつつ、Ｘ方向にてボス３１の外周から空気誘導領域２６がはみ出るように形成してもよい。

また、空気誘導領域２６の形成数は単一に限定されるものでなく、ファンユニット３０を増設することで、Ｘ方向（放熱プレート２２の並び方向）やＹ方向（放熱プレート２２の延出方向）に並べて複数形成したり、不規則に並べて複数形成したりしてもよい。

また、ボス３１の形状は、円錐台或いは円錐台と円柱とを組み合わせた形状にする等、変更してもよい。

また、第１の実施の形態のように空気誘導領域２６の全周を外側領域２５で形成しても、第３の実施の形態のように空気誘導領域２６のベース２１を凹ませて放熱プレート２２の先端側に凹んだ空間を形成してもよい。

１パワエレユニット
２０ヒートシンク（冷却構造）
２１ベース
２２放熱プレート（放熱部材）
２５外側領域（空気誘導領域外）
２６空気誘導領域
３０ファンユニット（冷却構造）
３１ボス
３２羽根部材
３３ケーシング

Claims

ベース及び該ベースから立設する放熱部材を有するヒートシンクと、
前記放熱部材の先端に接触又は隙間を介して配設され、ボスと該ボスに接続された羽根部材とを有するファンユニットとを備えた冷却構造であって、
前記ファンユニットは、前記ボスの回転によって前記放熱部材の先端側から前記ベースに向かって送風可能に配置され、
前記ヒートシンクは、前記ボスの軸方向から見た状態で、該ボスと重なる領域の内部と外部とに跨った連続する空気誘導領域を備え、
前記空気誘導領域内における前記放熱部材の先端と前記ファンユニットとの距離は、前記空気誘導領域外における前記放熱部材の先端と前記ファンユニットとの距離よりも大きく設けられ、
前記空気誘導領域内における前記ベースと前記ファンユニットとの距離が、前記空気誘導領域外における前記ベースと前記ファンユニットとの距離よりも大きく設けられ、
前記放熱部材の立設方向長さが、前記空気誘導領域内と前記空気誘導領域外とで同一であることを特徴とする冷却構造。
前記空気誘導領域に形成される前記放熱部材の先端と前記ファンユニットとの距離は、前記ボスの軸方向から見た状態で、前記ボスの中心軸に近づくにつれて徐々に大きく設けられる部分を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却構造。
前記ボスの軸方向から見た状態で、前記ボスは円形に形成され、前記空気誘導領域は前記ボスより大きい径寸法の同心円内に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却構造。
前記空気誘導領域は、前記ボスの軸方向から見た状態で、前記ベースの一端から他端に亘って帯状に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却構造。
前記放熱部材は、その厚さ方向を並び方向として複数並設され、前記放熱部材の立設方向及び前記並び方向と直交する複数の放熱プレートであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の冷却構造。