WO2017047824A1

WO2017047824A1 - 積層コア型ヒートシンク

Info

Publication number: WO2017047824A1
Application number: PCT/JP2016/078131
Authority: WO
Inventors: 卓也文後; 大久保　厚; 坂井　耐事
Original assignee: 株式会社ティラド
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2017-03-23
Also published as: JPWO2017047824A1; EP3352215B1; EP3352215A1; US10837718B2; CN107924897A; JP6746593B2; US20180283802A1; EP3352215A4; CN107924897B

Abstract

金属平板に多数のスリットを並列してプレートを形成し、そのプレートを多数積層した積層コア型ヒートシンクにおいて、熱交換性能をさらに向上させること。　半導体が取付けられる端蓋９から積層方向の２番目に位置する第２プレート４ｂの厚みＴ２を、それ以外の第１プレート４ａの厚みＴ１より厚くする。

Description

積層コア型ヒートシンク

　本発明は、金属平板に多数のスリットが打ち抜かれ、それ以外の部分にリブが形成された多数のプレートを積層したコアを有し、その上下両端に端蓋を配置して、接合された積層コア型ヒートシンクであって、その端蓋にインバータ等の各種回路基板の素子を配置して、各プレートのスリットにより形成された流路に冷媒を蛇行状に流通させることにより、被冷却体を冷却するものに関する。

　本出願人は、既に下記特許文献１の積層型ヒートシンクを提案している。
　これは図１１に示す如く、夫々金属平板に互いに平行なスリット１を打ち抜き、それらの間に多数の互いに平行な細長い縦リブ２と、それに直交する横リブ３とを形成したものである。そして互いに隣接するプレート４は、縦リブ２が互いに重なると共に、横リブ３が冷媒７の流通方向に互いに異なるように積層され、コアが形成される。そして、冷媒７が隣接するプレートの各横リブ３を蛇行するように流通するものである。この積層型ヒートシンクは、各プレートの厚みが同一である。

特開２０１４−３３０６３号公報

　本発明者は、さらなる放熱性能の向上を目指し、冷媒の流れの状態を可視化すると共に、プレート各部の表面から離れるに従って、変化する各部の温度分布を調べた。
　図６は従来の積層型ヒートシンクの流れの状態を示す。この図において、熱交換に最も寄与する端蓋９に接するプレート４では、その横リブ３の下流側に渦流が生じることが分かった。そして、このとき図８に示す如く、プレート４の下流側で、その横リブ３の近傍の温度分布を測定すると、その横リブ３の渦流のできる淀み域において、温度分布の高いことが分かった。
　この実験では、冷媒として水を利用し、その流入口の水温６５℃、流量１０Ｌ／ｍｉｎ、被冷却体として半導体素子を端蓋９上に付着させ、３００Ｗの発熱をさせ、端蓋９に接するプレート４の表面近傍の温度分布を調べたところ、図８の分布が生じることが分かった。
　即ち、同図は温度差が７２．２５℃以上の範囲を、砂粒状（７４℃以上）、および網状（７２．２５℃~７４℃）の部分で示す。図６で流れが淀んでいた渦流の存在する場所は、水温が高く、７２．２５℃以上の範囲の厚さが厚い分布を示していた。
　即ち、同図においてプレート４の表面近傍の砂粒状のドットで示されて部分は、７４℃以上であり、網で付した範囲は７２．２５℃~７４℃である。
　この図から明らかなように、プレート４の下流側において比較的高温の分布範囲が広いことが分かった。
　そこで本発明は、ヒートシンクのコア構造において、端蓋９から第１番目の横リブ３の下流側の滞留域１０をなくし、そこに生じる高温の温度分布領域を可及的に薄くして、全体として熱交換を促進することを課題とする。

　請求項１に記載の本発明は、金属平板に互いに平行なスリット（１）が多数打ち抜かれて、前記スリット（１）間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（２）と、隣接する各縦リブ（２）間を連結する横リブ（３）とが形成された複数の平坦なプレート（４）を有し、
　前記縦リブ（２）を互いに整合させると共に、横リブ（３）の位置を互いにずらして、各プレート（４）が積層され、その積層方向の両端に端蓋（９）が配置されて、各プレート（４）間が接合されたコアを有し、
　そのコアの前記各スリット（１）に、縦リブ（２）方向へ冷媒を流通させ、前記端蓋（９）の外面に被冷却体（６）が接合される積層コア型ヒートシンクにおいて、
　前記コアとして、積層方向に隣接する同一厚みの多数の第１プレート（４ａ）と、端蓋（９）から積層方向の第２番目に位置し、前記第１プレート（４ａ）より厚みの厚い第２プレート（４ｂ）とを有する積層コア型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に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　（第２プレート（４ｂ）の厚さＴ２）／（第１プレート（４ａ）の厚さＴ１）≧１．２とした積層コア型ヒートシンクである。
　請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　平面形状が同一の前記第１プレート（４ａ）を複数枚重ねて第２プレート（４ｂ）とした積層コア型ヒートシンクである。
　請求項４に記載の本発明は、請求項１~請求項３のいずれかに記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　前記各プレートが、前記コアにおける縦リブ（２）の長手方向両端に位置する一対のマニホールド部（５）と、前記コア及び前記マニホールド部（５）を囲む枠部（１３）とを備え、
　これらが前記コアと一体に成形されたものであることを特徴とする積層コア型ヒートシンクである。
　請求項５に記載の本発明は、金属平板に互いに平行なスリット（１）が多数打ち抜かれて、前記スリット（１）間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（２）と、隣接する各縦リブ（２）間を連結する横リブ（３）とが形成された複数の平坦なプレート（４）が、前記縦リブ（２）を互いに整合させると共に、横リブ（３）の位置を互いにずらして積層され、
　各プレート（４）間が接合されたコアと、前記縦リブ（２）の長手方向両端に一対のマニホールド部（５）が形成されるよう前記コアが内部に収容される、少なくとも１方が皿状に形成されたケーシング（１１）とを有し、前記マニホールド部（５）を介して前記コアの前記各スリット（１）に、縦リブ（２）方向へ冷媒を流通させ、前記ケーシング（１１）の外面に被冷却体（６）が接合される積層コア型ヒートシンクにおいて、
　前記コアとして、積層方向に隣接する同一厚みの多数の第１プレート（４ａ）と、ケーシング（１１）から積層方向の第２番目に位置し、前記第１プレート（４ａ）より厚みの厚い第２プレート（４ｂ）とを有する積層コア型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に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　（第２プレート（４ｂ）の厚さＴ２）／（第１プレート（４ａ）の厚さＴ１）≧１．２とした積層コア型ヒートシンクである。
　請求項７に記載の本発明は、請求項５に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　平面形状が同一の前記第１プレート（４ａ）を複数枚重ねて第２プレート（４ｂ）とした積層コア型ヒートシンクである。

　本発明の積層コア型ヒートシンクは、そのコアが積層方向に隣接する同一厚みの多数の第１プレート４ａを有し、端蓋９から積層方向の第２番目に位置する第２プレート４ｂの厚みが、第１プレート４ａより厚いことを特徴とする。
　そのため、被冷却体６を有する端蓋９と接する第１プレート４ａの回りの冷媒の流れが、改善される（図６の従来状態から図５の本発明の状態になる）と共に、その表面から離れるに従い、冷媒の温度分布が急激に低下して（図８の従来状態から図７の本発明の状態になる）、熱交換性能が向上する。
　請求項２に記載の積層コア型ヒートシンクにおいては、（第２プレート４ｂの厚さＴ２）／（第１プレート４ａの厚さＴ１）≧１．２とした場合には、熱交換性能をより確実に向上できる。
　請求項３に記載の積層コア型ヒートシンクにおいては、平面形状が同一の第１プレート４ａを複数枚重ねて第２プレート４ｂとしたものであるから、第２プレート４ｂとして別プレートを必要としないので、製造コストが抑えられる。
　請求項４に記載の発明のように、各プレートの縦リブと横リブの外周に枠部１３を一体に形成し、それらの枠部１３を介して積層することにより、ヒートシンクのケーシング部を形成することができる。
　なお、請求項５~請求項７のようなケーシングでコアを被嵌する構成の積層コア型ヒートシンクでも、請求項１~請求項３の効果を発揮する。

　図１は本発明の積層コア型ヒートシンクの分解斜視図。
　図２は冷媒の流通方向の同縦断面説明図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面説明図。
　図３は同ヒートシンクの積層状態を示す説明図であって、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面説明図。
　図４は本発明の他の実施の形態を示すヒートシンクの積層状態を示す縦断面図であって図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面説明図。
　図５は本発明の第１実施例の積層コア型ヒートシンクの流れの状態を示す説明図。
　図６は同従来型ヒートシンクの流れの状態を示す説明図。
　図７は本発明の積層コア型ヒートシンクの温度分布を示す説明図。
　図８は同従来型積層コア型ヒートシンクの温度分布を示す説明図。
　図９は従来型ヒートシンクと本発明のヒートシンクの熱抵抗の比較を示すものであって、図１の被冷却体６ａ~６ｆまでを示す。
　図１０は本発明のさらに他の実施の形態を示す分解斜視図。
　図１１は従来型ヒートシンクの説明図。

　次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
　本発明のヒートシンクのコア部分の各プレートの構造は、その厚みを除いて、従来型ヒートシンクを示す図１１のそれと同一である。即ち、金属平板に多数の互いに平行なスリット１を打ち抜き、それらの間に多数の互いに平行な縦リブ２と、隣接する縦リブ２間を連結する横リブ３とを配置する。
　なお、隣り合うプレートの横リブ３は冷媒の流通方向に位置ずれされている。そして各プレートの縦リブ２を互いに整合させると共に、横リブ３の位置を互いにずらして各プレートが積層されたコア部を有し、各プレート間がろう付け接合される。また、これらの各プレート４の縦リブ２と横リブ３には、コア部を形成する部分の外側に、マニホールド部５を介して枠部１３が一体的に形成され、それらの枠部１３を厚み方向に積層することにより、ヒートシンクのケーシング部が形成される。
　そして、各プレートの積層方向の両端には一対の端蓋９が配置される。それと共に、この例では、一方の端蓋９に出入口パイプ８が取付けられ、それが各プレートのマニホールド５に連通する。そして、この例では、上端側の端蓋９の表面に図示しない絶縁被膜を介して被冷却体６ａ~６ｆが貼着される。一例として、被冷却体はインバータ等の半導体素子である。その出力は互いに異なることが多い。そして、一方の出入口パイプ８及びマニホールド５を介して、冷媒７をコアの幅方向に蛇行状に流通させる。そして、各被冷却体６ａ~６ｆの発熱を、冷媒を介して吸収する。

　ここにおいて、本発明の特徴は、プレートが積層されたコア部分にある。
　そのコアは、多数の同一厚みの第１プレート４ａと、図２において、２番目の厚みの異なる第２プレート４ｂと、端蓋９との積層体からなる。第１プレート４ａの厚みＴ１は全て同一であり、端蓋９から２番目に配置された第２プレート４ｂの厚みＴ２はＴ１よりも大である。即ち、Ｔ２＞Ｔ１である。
　このときの冷媒の流れを図５で示す。
　従来型の図６に比べて図５の流れは、端蓋９に接する最も放熱効果の高い第１プレート４ａでは、その冷媒の流れ方向の下流側に淀みが無くなっている。これは、第１プレート４ａと第２プレート４ｂとの厚みの相関関係に基づくものと推測される。
　図７はそれに基づいて、第１プレート４ａの下流側に生じる冷媒の高温領域が、図８の従来型ヒートシンクの高温領域の幅よりも減少していることが分かる。即ち、図７において第１プレート４ａの下流側の冷媒の温度が７２．２５℃以上の厚みが、従来型の図８のその幅に比べて著しく狭くなっていることが分かる。
　なお、この例においても冷媒として水を用い、その流入口の水温は６５℃である。流量１０Ｌ／ｍｉｎ、被冷却体を端蓋９上に付着させ、３００Ｗの発熱をさせ、端蓋９に接する第１プレート４ａの表面近傍の温度分布を調べた。そして、図において、第１プレート４ａの表面の砂粒状に示された部分の範囲は７４℃以上であり、網目状に示された部分の範囲は７２．２５℃~７４℃である。
　このときのＴ２／Ｔ１の比は、２．０である。
　次に、図９は第２プレート４ｂ／第１プレート４ａの各厚みの比率を夫々変えたとき、従来品のヒートシンクの熱抵抗と、本発明のヒートシンクの熱抵抗との比較を、図１の各被冷却体６ａ~６ｆについて調べた比較例である。なお、ここにおける熱抵抗とは、温度の伝え難さを表す値で、単位時間あたりで且つ、発熱量あたりの温度上昇を意味し、単位は℃／Ｗである。
　図から判るように、どの被冷却体６ａ~６ｆにおいても、本発明のヒートシンクの方が従来品よりも熱抵抗が小さくなっている。
　この実施例では、直線状の縦リブと横リブが連結されているプレートについて説明した。しかしながら、平面において、スリットとリブが波形のプレート（例えば、特開２０１０−１１４１７４号を参照）であっても、同様のことがいえる。

　図４は、本発明の他の実施例であり、平面形状が同一の第１プレート４ａを２枚重ねて第２プレート４ｂとしたものである。このようにしても、図３の実施例に示す積層コア型ヒートシンクを製造することができる。この実施例では、第２プレート４ｂとして別のプレートを必要としないので、製造コストを抑えることができる。
　なお、この例では冷媒７としてエンジン冷却用の冷却水をラジエータで冷却した後の水を用いた。また、それに変えて他の液体を用いることもできる。
　次に、この例では図１において上面側の端蓋９に被冷却体を配置したが、下面側の端蓋９にそれを配置しても良い。或いは、両端蓋に被冷却体を配置することもできる。上下両端蓋に被冷却体を配置する場合には、各端蓋からそれぞれ２番目のプレートの厚みを他のプレートより厚くすればよい。
　次に、図１０は、本発明のさらに他の実施例であり、この例が図１のそれと異なる点は、第１プレート４ａ、第２プレート４ｂの形状および、端蓋９の形状である。図１０の実施例の第１プレート４ａ、第２プレート４ｂには、マニホールドが存在せず、その代わりに端蓋が一対の皿状のケーシング１１で形成され、その内側に積層コアが介装されるとともに、マニホールド５の空間が形成されたものである。そのため、各第１プレート４ａ、第２プレート４ｂの幅が、マニホールド５の空間の分だけ狭く形成されている。

　本発明は、インバータ等の半導体を冷媒で冷却する積層型ヒートシンクに利用することができる。

　１　スリット
　２　縦リブ
　３　横リブ
　４　プレート
　４ａ　第１プレート
　４ｂ　第２プレート
　５　マニホールド
　６　被冷却体
　６ａ~６ｆ　被冷却体
　７　冷媒
　８　出入口パイプ
　９　端蓋
　１０　滞留域
　１１　ケーシング
　１２　出入口パイプ
　１３　枠部

Claims

　金属平板に互いに平行なスリット（１）が多数打ち抜かれて、前記スリット（１）間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（２）と、隣接する各縦リブ（２）間を連結する横リブ（３）とが形成された複数の平坦なプレート（４）を有し、
　前記縦リブ（２）を互いに整合させると共に、横リブ（３）の位置を互いにずらして、各プレート（４）が積層され、その積層方向の両端に端蓋（９）が配置されて、各プレート（４）間が接合されたコアを有し、
　そのコアの前記各スリット（１）に、縦リブ（２）方向へ冷媒を流通させ、前記端蓋（９）の外面に被冷却体（６）が接合される積層コア型ヒートシンクにおいて、
　前記コアとして、積層方向に隣接する同一厚みの多数の第１プレート（４ａ）と、端蓋（９）から積層方向の第２番目に位置し、前記第１プレート（４ａ）より厚みの厚い第２プレート（４ｂ）とを有する積層コア型ヒートシンク。
　請求項１に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　（第２プレート（４ｂ）の厚さＴ２）／（第１プレート（４ａ）の厚さＴ１）≧１．２とした積層コア型ヒートシンク。
　請求項１に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　平面形状が同一の前記第１プレート（４ａ）を複数枚重ねて第２プレート（４ｂ）とした積層コア型ヒートシンク。
　請求項１~請求項３のいずれかに記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　前記各プレートが、前記コアにおける縦リブ（２）の長手方向両端に位置する一対のマニホールド部（５）と、前記コア及び前記マニホールド部（５）を囲む枠部（１３）とを備え、
　これらが前記コアと一体に成形されたものであることを特徴とする積層コア型ヒートシンク。
　金属平板に互いに平行なスリット（１）が多数打ち抜かれて、前記スリット（１）間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（２）と、隣接する各縦リブ（２）間を連結する横リブ（３）とが形成された複数の平坦なプレート（４）が、前記縦リブ（２）を互いに整合させると共に、横リブ（３）の位置を互いにずらして積層され、
　各プレート（４）間が接合されたコアと、前記縦リブ（２）の長手方向両端に一対のマニホールド部（５）が形成されるよう前記コアが内部に収容される、少なくとも１方が皿状に形成されたケーシング（１１）とを有し、前記マニホールド部（５）を介して前記コアの前記各スリット（１）に、縦リブ（２）方向へ冷媒を流通させ、前記ケーシング（１１）の外面に被冷却体（６）が接合される積層コア型ヒートシンクにおいて、
　前記コアとして、積層方向に隣接する同一厚みの多数の第１プレート（４ａ）と、ケーシング（１１）から積層方向の第２番目に位置し、前記第１プレート（４ａ）より厚みの厚い第２プレート（４ｂ）とを有する積層コア型ヒートシンク。
　請求項５に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　（第２プレート（４ｂ）の厚さＴ２）／（第１プレート（４ａ）の厚さＴ１）≧１．２とした積層コア型ヒートシンク。
　請求項５に記載の積層コア型ヒートシンクにおいて、
　平面形状が同一の前記第１プレート（４ａ）を複数枚重ねて第２プレート（４ｂ）とした積層コア型ヒートシンク。