JP7081203B2

JP7081203B2 - 放熱フィン構造及びこれを用いた電子基板の冷却構造

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Publication number: JP7081203B2
Application number: JP2018031997A
Authority: JP
Inventors: 直央谷口; 明弘尾関
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-02-26
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Description

本発明は、電子基板上の発熱素子から発せられた熱を放熱するための放熱フィン構造及びこれを用いた電子基板の冷却構造に関する。

特許文献１には、発熱体の熱をヒートシンク及びファンを用いて冷却する電子機器の冷却装置が記載されている。

特開平１０－１９０２６８号公報

ＤＣ／ＤＣコンバータ等の大型の電子部品を収容する筐体に板状のフィンを設ける場合、ファンからの冷却風で発熱面積の大きい筐体を効率的に冷却できるよう、フィンの形状を改善する余地がある。

それ故に、本発明は、板状のフィンによりファンからの冷却風を広い面積に導き、効率的な放熱が可能な放熱フィン構造及びこれを用いた電子基板の冷却構造を提供することを目的とする。

本発明に係る放熱フィン構造は、一方面が発熱体に熱的に接続されるフィン基板と、フィン基板の他方面に設けられる板状の複数のフィンとを備え、複数のフィンにより、流入口から流入した冷却風を流出口へと導く複数の流路が構成されている。少なくとも１つのフィンの流入口側の端部が、少なくとも１つのフィンに隣接する一対のフィンの間に形成される第１流路の途中に配置され、第１流路が少なくとも１つのフィンにより幅方向に第２流路及び第３流路に分割されている。少なくとも１つのフィンに隣接する一対のフィンの間隔が、流入口側から流出口側にかけて広がっており、第１流路の断面積と、第２流路及び第３流路の断面積の合計とが略等しい。

この構成によれば、流路の分岐箇所における圧力損失の増加が抑制されるため、広い面積に冷却風を導いて、効率的な放熱を行うことができる。

フィン基板の他方面には、第１流路内に位置する凸部が形成されており、フィン基板からの凸部の突出量が大きくなるにつれて、第１流路を形成する一対のフィンの間隔が増加するように放熱フィン構造を構成しても良い。

流路内に凸部が存在する場合に、凸部の突出量に起因する断面積変化を低減できるので、圧力損失の増加をより抑制することができる。

少なくとも１つのフィンの流入口側の端部は、凸部に連続するように配置されても良い。

流路を分岐させるフィンの流入口側の端部を流路内の凸部に隙間なく連続するように配置することにより、凸部近傍における断面積変化を抑制できるので、圧力損失の増加をより抑制することができる。

少なくとも１つのフィンの流入口側の端部から所定範囲の部分の厚みが、流入口に向かうにつれて減少しても良い。

流路を分岐させるフィンの流入口側の端部における乱流の発生が抑制されるので、圧力損失の増加をより低減できる。

本発明に係る電子基板の冷却構造は、発熱素子が実装された電子基板と、一方面を発熱素子に向けて、電子基板に重ねて配置される、上記のいずれかの放熱フィン構造と、放熱フィン構造の流入口に送風するファンとを備える。

流路の分岐箇所における圧力損失の増加が抑制されるため、広い面積に冷却風を導いて、効率的な放熱を行うことが可能な電子基板の冷却構造を実現できる。

本発明によれば、板状のフィンによりファンからの冷却風を広い面積に導き、効率的な放熱が可能な放熱フィン構造及びこれを用いた電子基板の冷却構造を提供できる。

第１の実施形態に係る放熱フィン構造の概略構成を示す斜視図図１に示した放熱フィン構造の平面図第１の実施形態に係る放熱フィン構造に適用可能なフィンの配置例を示す模式図第２の実施形態に係る放熱フィン構造を示す模式図

（概略）
本発明に係る放熱フィン構造においては、一対の板状のフィンの間に形成される流路の幅を空気の流入口側から流出口側にかけて増加させると共に、当該一対の板状のフィンの間に別の板状のフィンを設けて流路を分岐させることにより、板状のフィンが配置される領域の面積を広くする。分岐前の流路の断面積と、分岐後の２つの流路の断面積の合計とをほぼ同じとすることにより、分岐箇所における圧力損失の増加を抑制する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る放熱フィン構造の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示した放熱フィン構造の平面図である。

放熱フィン構造１００は、電子基板に実装された発熱素子（図示せず）からの熱を、図示しないファンから送り込まれた冷却風を介して放熱するために用いられる部材である。本実施形態では、放熱フィン構造１００が電子基板の筐体の一部を構成している例を説明するが、放熱フィン構造１００は、筐体とは別体として構成されていても良い。

放熱フィン構造１００は、フィン基板２と、複数の板状のフィン３ａ～３ｅとを備える。フィン基板２は、電子基板の筐体を構成するほぼ平板状の部材である。フィン基板２の表面（図１における上面）には複数のフィン３ａ～３ｅが設けられている。また、フィン基板２の裏面（図１における下面）には発熱素子等の発熱体が熱的に接続される。フィン基板２及びフィン３ａ～３ｅは、例えば、放熱性の高い樹脂により一体成形することができる。ただし、フィン基板２及びフィン３ａ～３ｅの一方または両方を、金属等の樹脂以外の材料で形成しても良い。

複数のフィン３ａ～３ｅは、対向する面間に所定の間隔を空けて配置されている。複数のフィン３ａ～３ｅを所定の間隔を空けて配置することにより、図示しないファンによって流入口４ａ及び４ｂから送り込まれた空気を流出口５ａ～５ｄへと導くための複数の流路が構成されている。

フィン３ｂは、フィン３ａ及び３ｃの間に配置されており、フィン３ｂの流入口側の端部８ａは、フィン３ｂに隣接する一対のフィン３ａ及び３ｃの間に形成される流路６ａの途中に位置している。このフィン３ｂの配置により、フィン３ａ及び３ｃの間に形成される流路６ａが、２本の流路７ａ及び７ｂに分岐している。同様に、フィン３ｄは、フィン３ｃ及び３ｅの間に配置されており、フィン３ｄの流入口側の端部８ｂは、フィン３ｄに隣接する一対のフィン３ｃ及び３ｅの間に形成される流路６ｂの途中に位置している。このフィン３ｄの配置により、フィン３ｃ及び３ｅの間に形成される流路６ｂが、２本の流路７ｃ及び７ｄに分岐している。

本実施形態に係る放熱フィン構造１００では、フィン３ａ～３ｅの配置面積を広くするため、フィン３ａ、３ｃ及び３ｅで形成される流路６ａ及び６ｂをそれぞれ分岐させることに加えて、フィン３ａ及び３ｃの間の流路６ａの幅と、フィン３ｃ及び３ｅの間の流路６ｂの幅とを、それぞれ、流入口側よりも流出口側で広くしている。フィン３ａ及び３ｅにより構成される流路の分岐と流路幅の増加により、フィン基板２上のより広い面積に冷却風を導くことができる。

流路６ａ及び６ｂの分岐箇所においては圧力損失が発生するが、本実施形態に係る放熱フィン構造１００では、フィンにより分割される前の流路の断面積と、フィンにより分割された後の２つの流路の断面積の合計とを略等しくすることにより、圧力損失の増加を抑制している。分岐前の流路の断面積と、分岐後の２つの流路の断面積の合計とは、可能な限り差が小さいことが好ましく、同じであることが最も好ましい。

具体的には、図２に示すように、フィン３ｂにより分割される前の流路６ａの断面積Ｓ１と、フィン３ｂにより分割された後の流路７ａの断面積Ｓ２及び流路７ｂの断面積Ｓ３の合計とが略等しい。断面積Ｓ１と、断面積Ｓ２及びＳ３の合計とは、フィン３ｂの流入口側の端部８ａの位置においてフィン３ａ及び３ｃの間隔を広げることによって、略等しくすることができる。

また、図１及び２に示すように、フィン３ｃ及び３ｅの間の流路６ｂ内には、フィン基板２の平面部から突出する凸部１０が存在している。この凸部１０は、フィン基板２の裏面側に配置される電子基板上の実装部品の突出形状に対応して形成されるものである。本実施形態に係る放熱フィン構造１００では、流路６ｂ内に凸部１０が存在する場合、凸部１０の位置においてフィン３ｃ及び３ｅの間隔を広げることによって、凸部１０より流入口側の断面積Ｓ４と、凸部１０上の断面積Ｓ５とを略等しくしている。これにより、凸部１０の位置における圧力損失の増加が抑制される。また、フィン３ｄの流入口側の端部８ｂは凸部１０に連続するように配置されている。ここで、フィン３ｂの端部８ｂが凸部１０に連続するとは、凸部１０とフィン３ｂの端部８ｂとの間に、流路６ｂに沿った方向に隙間が生じないよう、両者が接している状態をいう。流路６ｂに沿った方向において、フィン３ｂの端部８ｂとの間に隙間が存在すると、流路６ｂの断面積が増減することにより圧力損失の増大を招く可能性がある。本実施形態では、フィン３ｄの流入口側の端部８ｂが凸部１０に連続していることにより、流路６ｂの断面積の増減を抑制し、圧力損失の増加を抑制している。また、フィン３ｄにより分割される前の流路６ｂの断面積Ｓ５と、フィン３ｄにより分割された後の流路７ｃの断面積Ｓ６及び流路７ｄの断面積Ｓ７の合計とが略等しい。断面積Ｓ５と、断面積Ｓ６及びＳ７の合計とは、フィン３ｄの流入口側の端部８ｄの位置またはその流出口側においてフィン３ｃ及び３ｅの間隔を広げることによって、略等しくすることができる。

尚、本明細書において、一対のフィンで構成される流路（一次流路）を第１流路としたとき、当該第１流路内に設けられるフィンによって幅方向に分割された後の流路（二次流路）が第２流路及び第３流路に相当する。本実施形態では、流路６ａを第１流路とした場合、流路７ａ及び７ｂが第２流路及び第３流路に相当する。また、流路６ｂを第１流路とした場合、流路７ｃ及び７ｄが第２流路及び第３流路に相当する。分岐後の流路をフィンにより更に分岐させる場合、更なる分岐対象の流路を第１流路（一次流路）とみなして、分岐前後で第１流路の断面積と、更なる分岐後の第２流路及び第３流路（二次流路）の断面積の合計とが略等しくなるようにすることが好ましい。

図３は、第１の実施形態に係る放熱フィン構造に適用可能なフィンの配置例を示す模式図である。

図３（ａ）は、ファン２０を中心として、複数の板状のフィン１１ａ～１１ｅを配置した配置例を示す。図３（ａ）の例では、フィン１１ａ及びフィン１１ｅの間の流路がフィン１１ｃにより分割されている。また、フィン１１ａ及び１１ｃの間の流路がフィン１１ｂにより分割されると共に、フィン１１ｃ及びフィン１１ｅの間の流路がフィン１１ｄにより分割されている。図３の（ａ）に示すフィン１１ａ～１１ｅの配置例においても、フィンによって分割される前の流路の断面積と、フィンによって分割された後の２つ流路の断面積の合計とを略等しくすることにより、分岐箇所における圧力損失の増加が抑制されている。

図３（ｂ）は、フィン１２ａ及びフィン１２ｅの間の流路を分岐させるフィン１２ｂ～１２ｄの流入口側（ファン２０側）の端部の形状をくさび状とした例を示す。フィン１２ｂ～１２ｄは、それぞれの流入口側の端部から所定範囲の部分の厚みが流入口側に向かって減少するように形成されている。流路を分岐させるフィン１２ｂ～１２ｄの流入口側の端部をくさび状に形成することにより、乱流の発生を抑制し、分岐箇所における圧力損失の増加を抑制することができる。

図３（ｃ）は、流路の分岐箇所で流路幅が増加するようにフィン１３ａ～１３ｅを配置した配置例を示す。図３（ｃ）の例では、フィン１３ｃによる分岐箇所において、フィン１３ａ及び１３ｅの間隔を増加させている。また、フィン１３ｂによる分岐箇所において、フィン１３ａ及び１３ｃの幅を増加させると共に、フィン１３ｄによる分岐箇所において、フィン１３ｃ及びフィン１３ｅの幅を増加させている。このように、流路の分岐箇所で流路幅を増加させると、図３（ａ）の配置例と比べて、流入口から流出口へ掛けての流路の断面積増加を抑制できるため、圧力損失の増加をより抑制することができる。

尚、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の配置例においても、フィンによって分割される前の流路の断面積と、フィンによって分割された後の２つ流路の断面積の合計とを略等しくすることにより、分岐箇所における圧力損失の増加が抑制されている。

図３に示したフィンの配置例によれば、圧力損失の増加を抑制しつつ、ファン２０からの冷却風を広い範囲に導くことができるので、効率的な冷却が可能となる。

（効果等）
従来、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の大型の電子部品を格納した筐体を冷却する場合、筐体表面に複数のピン型フィンを設け、ファンの回転軸方向に冷却風を吐き出す軸流ファンを用いてピン型フィンからの放熱を促進する構成が採用される場合があった。ただし、ピン型フィンと軸流ファンを組み合わせた冷却装置では、大型で風量の多いファンを使用する必要がある。

一方、筐体表面に板状フィンを複数配列し、遠心方向に冷却風を吐き出すブロワファンを用いて、板状フィンの間に形成される流路内に空気を送り込んで板状フィンからの放熱を促進する構成も知られている。しかしながら、一般的な板状フィンとブロワファンを組み合わせた構成では、広い面積を冷却することが困難であるため、広い面積を効率的に冷却できるよう板状フィンの形状を工夫する余地があった。

本実施形態に係る放熱フィン構造１００においては、フィンによって分割される前の流路の断面積と、フィンによって分割された後の２つの流路の断面積の合計とをほぼ同じとすることによって、分岐箇所における圧力損失の増加が低減されている。したがって、本実施形態に係る放熱フィン構造１００によれば、圧力損失による冷却効率の低下を抑制しつつ、複数の板状フィンで構成される流路を分岐させてファンからの冷却風を広い面積に導くことが可能となる。

また、本実施形態に係る放熱フィン構造１００では、図１及び図２に示したように、フィン基板２における流路６ｂ内に凸部１０が存在する場合、流路６ｂを分岐させるフィン３ｄの流入口側の端部８ｂを凸部１０と連続するように配置している。この配置によればフィン３ｄの端部８ｂ近傍における流路６ｂの断面積変化を抑制できるため、凸部１０の近傍にフィン３ｄを配置した場合でも圧力損失の増加を抑制できる。

また、図３（ｂ）に示したように、流路を分岐させるフィン１２ｂ～１２ｄの流入口側の端部から所定範囲の厚みを流入口側に向かうにつれて薄くすることにより、フィン１２ｂ～１２ｄの端部近傍における乱流の発生を抑制し、これによっても、圧力損失の増加を低減することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る放熱フィン構造の一部を示す模式図である。より詳細には、図４（ａ）は放熱フィン構造の一部の平面図であり、図４（ｂ）はＡ－Ａ’線に沿う位置の断面図であり、図４（ｃ）はＥ－Ｅ’線に沿う位置の端面図であり、図４（ｄ）はＤ－Ｄ’線に沿う位置の端面図であり、図４（ｅ）はＣ－Ｃ’線に沿う位置の端面図であり、図４（ｆ）はＢ－Ｂ’線に沿う位置の端面図である。尚、図４（ａ）における下側が流入口側に相当し、上側が流出口側に相当する

第２の実施形態に係る放熱フィン構造２００は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、フィン基板１８と、フィン基板１８上に設けられたフィン１４ａ～１４ｃとを備える。本実施形態に係る放熱フィン構造２００においては、フィン基板１８上におけるフィン１４ａ及び１４ｃに挟まれた位置に凸部１７が存在する。凸部１７は、図４（ｂ）に示すように、基板２１に実装された発熱素子２２に対応して形成されるものである。

凸部１７のフィン基板１８からの突出量は、流路１５上の位置によって異なり、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、流入口から流出口に向かうにつれて単調に増加した（区間Ｘ）後、ほぼ一定となり（区間Ｙ）、その後単調に減少する（区間Ｚ）。第２の実施形態においては、流路１５上の凸部１７の突出量の変化に応じて、流路１５の幅を変化させることにより、凸部１７近傍の断面積変化を小さくし、圧力損失の増加を抑制している。具体的には、区間Ｘにおいては、凸部１７の突出量が単調に増加するため、フィン１４ａ及び１４ｃ間の流路１５の幅も単調に増加させることにより、断面積の変化を抑制している。

また、フィン１４ｂの流入口側の端部１９は、凸部１７と連続するように配置されており、上述した実施形態と同様に、フィン１４ｂによって分割される前の流路１５の断面積Ｓ８と、フィン１４ｂによって分割された後の流路１６ａの断面積Ｓ９及び流路１６ｂの断面積Ｓ１０の合計とが略等しい。したがって、本実施形態に係る放熱フィン構造２００においても、流路１５の分岐箇所における圧力損失の増加が抑制されている。

本実施形態に係る放熱フィン構造２００によれば、フィン１４ａ及び１４ｃの間の流路１５内に凸部１７が存在する場合、凸部１７の形状（突出量）に合わせて流路１５の断面積変化が小さくなるように流路１５の幅を変化させている。これにより、凸部１７近傍における圧力損失の増加を抑制することができるので、更に冷却効率を向上させることが可能となる。

（その他の変形例）
尚、上記の各実施形態で説明したフィンの配置やフィン形状、隣接する一対のフィン間の流路幅の変化等は、任意に組み合わせることが可能である。上述したフィンの配置やフィン形状、隣接する一対のフィン間の流路幅の変化等を組み合わせることにより、広い面積をより効率的に冷却可能な放熱フィン構造体を構成することができる。

また、上記の各実施形態では、一対のフィンの間の流路を１回または２回分岐させた放熱フィン構造の一部を例示したが、分岐後の流路内に更にフィンを配置して流路を３回以上分岐させてより広い面積を冷却できる放熱フィン構造を構成しても良い。

また、上記の各実施形態では、複数のフィンで構成される流路の平面形状を特定しているが、流路の平面形状は、冷却対象となる発熱素子の配置や筐体の大きさ、使用するファンの形状等に合わせて適宜設計することができる。

上記の各実施形態で説明した放熱フィン構造を、発熱素子が実装された電子基板及びファンと組み合わせることにより、電子基板の冷却構造を構成することができる。この際、フィン基板の裏面（フィンが設けられていない側の面）を電子基板上の発熱素子側に向けて、放熱フィン構造と電子基板とを重ね合わせ、複数のフィンで構成される流入口にファンからの冷却風が送風されるようにファンを配置する。フィン基板の裏面と発熱素子とは熱的に接続されていれば良く、熱伝導性を向上させるために、放熱グリス等を介して接触させても良い。

本発明は、電子基板に実装された発熱素子からの熱を、ファンの冷却風を用いて放熱する放熱構造として利用できる。

２フィン基板
３ａ～３ｅフィン
４ａ、４ｂ流入口
５ａ～５ｄ流出口
６ａ、６ｂ流路
７ａ～７ｄ流路
８ａ、８ｂ端部
１０凸部
１１ａ～１１ｅフィン
１２ａ～１２ｅフィン
１３ａ～１３ｅフィン
１４ａ～１４ｃフィン
１５流路
１６ａ、１６ｂ流路
１７凸部
１８フィン基板
２０ファン
２１基板
２２発熱素子
１００放熱フィン構造
２００放熱フィン構造

Claims

一方面が発熱体に熱的に接続されるフィン基板と、
前記フィン基板の他方面に設けられる板状の複数のフィンとを備え、
前記複数のフィンにより、流入口から流入した冷却風を流出口へと導く複数の流路が構成されており、
少なくとも１つのフィンの前記流入口側の端部が、前記少なくとも１つのフィンに隣接する一対のフィンの間に形成される第１流路の途中に配置され、前記第１流路が前記少なくとも１つのフィンにより幅方向に第２流路及び第３流路に分割されており、
前記少なくとも１つのフィンに隣接する前記一対のフィンの間隔が、前記流入口側から前記流出口側にかけて広がっており、
前記第１流路の断面積と、前記第２流路及び前記第３流路の断面積の合計とが略等しい、放熱フィン構造であって、
前記フィン基板の前記他方面には、前記第１流路内に位置する凸部が形成されており、
前記フィン基板からの凸部の突出量が第１の突出量である箇所のフィンの間隔よりも、前記第１の突出量よりも大きい第２の突出量の凸部がある箇所のフィンの間隔が大きい、放熱フィン構造。
前記フィン基板からの前記凸部の突出量が大きくなるにつれて、前記第１流路を形成する前記一対のフィンの間隔が増加する、請求項１に記載の放熱フィン構造。
前記少なくとも１つのフィンの前記流入口側の端部は、前記凸部に連続するように配置される、請求項２に記載の放熱フィン構造。
前記少なくとも１つのフィンの前記流入口側の端部から所定範囲の部分の厚みが、前記流入口に向かうにつれて減少する、請求項１～３のいずれかに記載の放熱フィン構造。
発熱素子が実装された電子基板と、
前記一方面を前記発熱素子に向けて、前記電子基板に重ねて配置される請求項１～４のいずれかに記載の放熱フィン構造と、
前記放熱フィン構造の前記流入口に送風するファンとを備える、電子基板の冷却構造。
一方面が発熱体に熱的に接続されるフィン基板と、
前記フィン基板の他方面に設けられる板状の複数のフィンとを備え、
前記複数のフィンにより、流入口から流入した冷却風を流出口へと導く複数の流路が構成されており、
少なくとも１つのフィンの前記流入口側の端部が、前記少なくとも１つのフィンに隣接する一対のフィンの間に形成される第１流路の途中に配置され、前記第１流路が前記少なくとも１つのフィンにより幅方向に第２流路及び第３流路に分割されており、
前記少なくとも１つのフィンに隣接する前記一対のフィンの間隔が、前記流入口側から前記流出口側にかけて広がっており、
前記第１流路の断面積と、前記第２流路及び前記第３流路の断面積の合計とが略等しい、放熱フィン構造であって、
前記フィン基板の前記他方面には、前記第１流路内に位置する凸部が形成されており、
前記凸部の形状に合わせて第１流路の断面積変化が小さくなるようにフィンの間隔が変化する、放熱フィン構造。