WO2017047825A1 - 積層型ヒートシンク - Google Patents

Abstract

プレートを積層してなるヒートシンクにおいて、熱交換を促進すること。被冷却体８から積層方向に十分離れた位置のプレート６のフィン部５の冷媒の流通抵抗が、被冷却体８に接近した各プレート６の流通抵抗より大きくなるように、冷媒の流通阻止手段９を設ける。

Description

積層型ヒートシンク

　本発明は、被冷却体（一例として、インバータ等の半導体素子等）を冷却するコンパクトな積層型ヒートシンクに関する。

　下記特許文献１に積層型ヒートシンクが提案されている。
　これは、図１１に示す如く、金属平板をプレス成形して一対の図示しないマニホールドを形成し、それらの間に多数のスリット２を穿設したものである。各スリット２の間には、互いに平行な細長い縦リブ３と隣接するその縦リブ３間を連結する横リブ４とでフィン部を形成して、平坦なプレートを構成する。そして各プレートのフィン部は、その縦リブ３が互いに整合すると共に、横リブ４がプレートの幅方向に互いにずらせて積層されたものである。
　このようなプレートの積層体の上下両側に端蓋７を配置し、その端蓋７上にインバータ等の半導体素子を取付けると共に、マニホールドを介して各プレートのフィン部に冷媒を流通させるものである。

特開２０１４−３３０６３号公報

　端蓋に冷媒の出入口を配置し、マニホールドを介して各プレートのフィン部に冷媒を供給すると、半導体素子に近いほど熱交換が盛んとなり、その素子に対して積層方向に遠くなるほど熱交換量が減少することが、本発明者の実験により明らかとなった。
　図６において、被冷却体８ａ、８ｂ、８ｃを端蓋（同図では省略している）に配置したとき、熱交換が盛んに行われる範囲は、下方へ逆台形状に形成された砂粒で示す各範囲である。即ち、網印内の逆台形で記載された範囲で、熱交換が盛んになる。そして、その範囲を砂粒状に示している。
　逆に言うと、その砂粒状の存在しない下方から上方に立ち上がる台形の、表示部分は、熱交換があまり行われない部分である。
　そこで、本発明は熱交換が盛んに行われる部分に、重点的に冷媒を供給して、全体として熱交換を促進させることを課題とする。

　請求項１に記載の本発明は、それぞれ金属平板に一対の対向するマニホールド部（１）が設けられると共に、そのマニホールド部（１）間に多数の互いに平行なスリット（２）が打ち抜かれて、それらスリット（２）の間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（３）と、隣接する各縦リブ（３）間を連結する横リブ（４）とが形成されたフィン部（５）とを有する複数の平坦なプレート（６）を具備し、
　各プレート（６）の各フィン部（５）は、前記縦リブ（３）が互いに整合すると共に、横リブ（４）の位置を縦リブ（３）方向に互いにずらして、各プレート（６）が積層され、その積層方向の両端に端蓋（７）が配置され、
　その各スリット（２）に、縦リブ（３）方向へ冷媒を流通させ、前記端蓋（７）に被冷却体（８）が接合される積層型ヒートシンクであって、
　前記被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置のプレート（６）のフィン部（５）の冷媒の流通抵抗が、被冷却体（８）に接近した各プレート（６）の流通抵抗より大きくなるように、冷媒の流通阻止手段（９）を設けた積層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に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から離れた位置で、外周およびマニホールド部（１）が前記各プレート（６）に整合し、前記フィン部（５）がそれと異なる第２プレート（６ａ）が配置され、
　その第２プレート（６ａ）は、被冷却体（８）の投影位置に多数の前記スリット（２）が形成され、それ以外の部分はスリットのないブランク部（１１）に形成された積層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に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置に、外周およびマニホールド部（１）を前記各プレート（６）に整合して、前記フィン部（５）が異なる第３プレート（６ｂ）を配置し、
　その第３プレート（６ｂ）は、冷媒の流れ方向に直交する側の一部に、平面に対して直角に立上げた閉塞壁（１４）が設けられ、
　前記各プレート（６）の側部であって、被冷却体（８）を各プレート（６）へ投影したとき、その投影体から離れた位置を、前記閉塞壁（１４）により閉塞することを特徴とする積層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に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置に配置され、幅がマニホールド部（１）に整合すると共に、プレート（６）とは別部材であって、その横断面に少なくともＬ字状部（１５ａ）を有する障壁体（１５）からなり、
　前記各プレート（６）の側部であって、前記被冷却体（８）を各プレート（６）へ投影したとき、その投影体から離れた側壁の位置を、前記障壁体（１５）のＬ字状部（１５ａ）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンクである。
　請求項５に記載の本発明は、それぞれ金属平板に、多数の互いに平行なスリット（２）が打ち抜かれて、それらスリット（２）の間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（３）と、隣接する各縦リブ（３）間を連結する横リブ（４）とが形成されたフィン部（５）とを有する複数の平坦なプレート（２１）を具備し、
　各プレート（２１）の各フィン部（５）は、前記縦リブ（２１）が互いに整合すると共に、横リブ（４）の位置を縦リブ（３）方向に互いにずらして、各プレート（６）が積層されてコア（１８）が形成され、
　少なくとも一方が皿状に形成されたケーシング（１９）を有し、そのケーシング（１９）内に前記コア（１８）が、収納され、
　前記各スリット（２）に、縦リブ（３）方向へ冷媒を流通させ、前記ケーシング（１９）に被冷却体（８）が接合される積層型ヒートシンクであって、
　前記被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置のプレート（２１）のフィン部（５）の冷媒の流通抵抗が、被冷却体（８）に接近した各プレート（２１）の流通抵抗より大きくなるように、冷媒の流通阻止手段（９）を設けた積層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に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から離れた位置で、前記フィン部（５）が他のものと異なる第２プレート（２１ａ）を有し、
　その第２プレート（２１ａ）は、被冷却体（８）の投影位置に多数の前記スリット（２）が形成され、それ以外の部分はスリットのないブランク部（１１）に形成された積層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に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置に、前記フィン部（５）が異なる第３プレート（２１ｂ）を配置し、
　その第３プレート（２１ｂ）は、冷媒の流れ方向に直交する側の一部に、平面に対して直角に立上げた閉塞壁（１４）が設けられ、
　前記各プレート（２１）の側部であって、被冷却体（８）を各プレート（２１）へ投影したとき、その投影体から離れた位置を、前記閉塞壁（１４）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンクである。
　請求項８に記載の本発明は、請求項５に記載の積層型ヒートシンクにおいて、
　前記ケーシング（１９）内に、マニホールド部（２０）を介して前記コア（１８）が配置され、そのコア（１８）とケーシング（１９）の内壁との間に、前記プレート（２１）とは別部材の障壁体（１５）が介装され、
　その障壁体（１５）は、横断面に少なくともＬ字状部（１５ａ）を有し、前記各プレート（２１）の側部であって、前記被冷却体（８）を各プレート（２１）へ投影したとき、その投影体から離れた側壁の位置を、前記障壁体（１５）のＬ字状部（１５ａ）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンクである。

　本発明の積層型ヒートシンクは、被冷却体８から積層方向に十分離れた位置で、各プレート６のフィン部５の冷媒の流通路が、各プレート６の下方ほど少なくなるように、冷媒の流通阻止手段９を設けたものである。
　そのため、冷媒を被冷却体８に近いプレートに、より多量に流通させて熱交換を促進することができる。
　請求項２に記載の積層型ヒートシンクは、上記構成において、その第２プレート６ａは、被冷却体８の投影位置に多数の前記スリット２が形成され、それ以外の部分はスリットのないブランク部１１に形成されたものである。
　このようにすることにより、冷却にあまり寄与しない第２プレート６ａのブランク部１１に流体を流通することなく、他の部分に冷媒を流通させて熱交換を促進できる。
　請求項３に記載の積層型ヒートシンクは、請求項１において、その第３プレート６ｂは、冷媒の流れ方向に直交する側の一部に、平面に対して直角に立上げた閉塞壁１４が設けられ、前記各プレート６の側部であって、被冷却体８を各プレート６へ投影したとき、その投影体から離れた側部の位置を、前記閉塞壁１４により閉塞することを特徴とするものである。
　このように、構成することにより、一つの第３プレート６ｂにより、他のプレート６の側部を閉塞して、冷却にあまり寄与しないプレート６の部分に流体を流通することなく、他の部分に冷媒を流通させて熱交換を促進できる。
　請求項４に記載の積層型ヒートシンクは、請求項１において、プレート６とは別部材の障壁体１５を有し、その障壁体１５のＬ字状部１５ａが、各プレート６の側部を閉塞することを特徴とする。
　この発明によれば、全てのプレート６の形状を同一としつつ、障壁体１５により、各プレート６の冷却にあまり寄与しない部分の冷媒の流通を阻止することができ、それにより熱交換器全体として熱交換を促進できる。
　請求項５~請求項８に記載の積層型ヒートシンクは、ケーシング１９内にプレート２１の積層体からなるコア１８が内装されたものである。そのため、構造が簡単で、製造および組立ての容易な積層型ヒートシンクを提供できる。

　図１は本発明の積層型ヒートシンクの分解斜視図。
　図２は同組立て状態を示す斜視図。
　図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図。
　図４は本発明の第２実施例に用いる第３プレート６ｂ及びそれを用いたヒートシンクのコアを示す斜視図。
　図５は本発明の第３実施例の障壁体１５及びそれを用いたヒートシンクのコアの斜視図。
　図６はヒートシンクの縦断面における熱交換領域を示す説明図。
　図７は本発明によるヒートシンクと従来型ヒートシンクとの熱抵抗の差異を示す説明図。
　図８は本発明の第４実施例の積層型ヒートシンクの分解斜視図。
　図９は本発明の第５実施例の積層型ヒートシンクの分解斜視図。
　図１０は本発明の第６実施例の積層型ヒートシンクの分解斜視図。
　図１１は従来型の積層型ヒートシンクの要部斜視図。

　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。

　図１は本発明のヒートシンクの分解斜視図であり、図２はその組立て状態を示し、図３は同縦断面図である。
　この例では、多数のプレート６と第２プレート６ａとの積層体によりコアを形成し、そのコアの上下両端に端蓋７を配置したものである。そして各プレート間は、ろう付けにより一体的に接合される。
　端蓋７側に位置するプレート６は、図１１に示す従来型のものであり、金属平板の幅方向両側に互いに平行な一対のマニホールド部１が形成され、各マニホールド部１間にフィン部５が配置されている。フィン部５は従来の図１１のように形成され、多数のスリット２が並列され、各スリット２間に縦リブ３が配置されると共に、各縦リブ３間を横リブ４で連結したものである。そして各スリット２が互いに整合して積層されると共に、各横リブ４は隣接するプレート毎に互いに異なった位置に配置されている。
　次に、端蓋７から離れた位置に配置される第２プレート６ａは、図１に示す如く、積層方向の下方に位置する。即ち、被冷却体８を有する端蓋７に対して、より遠くに配置される第２プレート６ａであり、マニホールド部１間にフィン部５とブランク部１１とが交互に配置されている。この例では、８ａ~８ｃの３つの被冷却体８が端蓋７上に接合されるが、被冷却体の個数は、これに限られるものではない。
　この例では、上側の端蓋７に一対の出入口パイプ１６が配置され、それが各プレート６，第２プレート６ａの一対のマニホールド部１に連通する。そして図２に示す如く、この例では上側の端蓋７に被冷却体８ａ~８ｃ（一例として、半導体素子）が配置される。そして一対のマニホールト部１の一方側から、冷媒１７が各プレート６，第２プレート６ａの各マニホールド部１に供給され、そのフィン部５内のスリット２を上下方向に蛇行し、一方のマニホールド部１から他方のマニホールド部１に流通する。
　このとき冷媒１７は、上側の端蓋７に近いプレート６では、各フィン部５のスリット内を均等に流通する。しかしながら、上側の端蓋７からより離れた第２プレート６ａでは、ブランク部１１（本発明の流通阻止手段９を構成する）においては、冷媒１７は流通せず、第２プレート６ａのフィン部５の部分のみを流通する。そしてフィン部５に冷媒１７が集中的に供給される。これによって、図６における熱交換の少ない領域（下から台形状に立ち上がる部分）では冷媒がフィン部５のみに供給されブランク部１１には供給されない。それにより、冷媒をより有効にフィン部５に供給して全体としての熱交換を促進する。
　なお、上記実施例では上側の端蓋７のみに被冷却体８ａ~８ｃを配置したが、それと共に下側の端蓋７にも被冷却体を配置することができる。その場合には、中間高さに、第２プレート６ａを多数配置し、その両端側に通常のプレート６の積層体を配置することになる。

　次に、図４は本発明の第２実施例のヒートシンクのコア部分および、それに用いる第２プレート６ｂを示すものである。
　この例では、最下端に位置する第３プレート６ｂの中間に一対のブランク部１１が設けられると共に、そのブランク部１１の幅方向の両側に閉塞壁１４が立ち上げられ、それが本発明の流通阻止手段９を構成する。この例では、積層方向最下端に位置するプレートのみが第３プレート６ｂであり、それ以外は全て従来のプレート６の積層体からなる。最下端に位置する第３プレート６ｂの閉塞壁１４が、図４（Ｂ）の如く下方に位置するプレート６の両側を閉塞する。そして、各マニホールド部１に供給された冷媒は、閉塞壁１４によってフィン内部への流通が阻止される。この例でも、最上端に位置する図示しない端蓋に被冷却体が配置される。
　なお、上端蓋と下端蓋の両側に被冷却体が配置される場合には、中間に位置する図示しない２枚の第３プレート６ｂに上下逆向きの閉塞壁１４が取付けられることになる。

　次に、図５は本発明の第３実施例であり、この例では通常のプレート６の積層体によりコアを形成し、その各マニホールド部１に図５（Ａ）に示す障壁体１５が配置される。この障壁体１５は、その幅がマニホールド部１の幅に等しく、長さは図６において下方から上方に台形状に配置された底辺の長さに等しい。そして図６の上向きの台形状の位置に障壁体１５が配置される。この障壁体１５は、本発明の流通阻止手段９を形成する。なお、図５において、この例も図示しない上端蓋に被冷却体を配置する例であり、下端蓋にもそれを配置することができる。その場合には、中間に位置するプレート部分に上下逆向きの障壁体１５が配置される。そして夫々のＬ字状部１５ａによって、各プレート６のフィン部５の一部を部分的に閉塞する。
　それにより、マニホールド部１内の冷媒を効率的にＬ字状部１５ａ以外の部分に供給して熱交換を促進する。
　次に、図７は従来型ヒートシンクの熱抵抗と、本発明（図２の被冷却体８の配置）のヒートシンクの熱抵抗との比較を示したものである。同図では、被冷却体８ａ~８ｃの各素子の何れにおいても、本発明の熱抵抗が従来型のそれよりも小さくなっている。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。
　同図において、棒グラフの白は、従来の積層型ヒートシンクの熱抵抗で、これは各プレートが同一のものである。これに対し、本発明のヒートシンクの熱抵抗は、各棒グラフの斜線で示している。一例として、被冷却体８ａでは、従来品の場合その熱抵抗が０．１９４℃／Ｗである。これに対して、本発明の熱抵抗は、０．１９３℃／Ｗである。

　次に、図８は本発明の第４実施例の分解斜視図である。これが、図１の発明と異なる点は、図１の各プレート６の外周の枠部を取り除いたものである。そのプレート２１の積層体でコア１８を形成し、そのコア１８をケーシング１９に内装したものである。そのケーシングは、この例では一対の皿状のプレートを外周のフランジ部でシールし、端部に一対の出入口パイプ１６を突設したものである。この例では、枠なしの第２プレート２１ａにブランク部１１が二カ所に存在し、そのブランク部１１が流通阻止手段９を形成する。

　次に、図９は本発明の第５実施例の分解斜視図であり、これが、図４の発明と異なる点は、図１の各プレート６の外周の枠部を取り除いたものである。

　次に、図１０は本発明の第６実施例の分解斜視図であり、これが、図５の発明と異なる点は、図５の各プレート６の外周の枠部を取り除いたものである。

　本発明は、インバータ等の半導体の冷却に用いることができる。

　１　マニホールド部
　２　スリット
　３　縦リブ
　４　横リブ
　５　フィン部
　６　プレート
　６ａ　第２プレート
　６ｂ　第３プレート
　７　端蓋
　８　被冷却体
　８ａ、８ｂ、８ｃ　被冷却体
　９　流通阻止手段
　１１　ブランク部
　１４　閉塞壁
　１５　障壁体
　１５ａ　Ｌ字状部
　１６　出入口パイプ
　１７　冷媒
　１８　コア
　１９　ケーシング
　２０　マニホールド部
　２１　プレート
　２１ａ　第２プレート
　２１ｂ　第３プレート

Claims (8)

1. 　それぞれ金属平板に一対の対向するマニホールド部（１）が設けられると共に、そのマニホールド部（１）間に多数の互いに平行なスリット（２）が打ち抜かれて、それらスリット（２）の間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（３）と、隣接する各縦リブ（３）間を連結する横リブ（４）とが形成されたフィン部（５）とを有する複数の平坦なプレート（６）を具備し、
   　各プレート（６）の各フィン部（５）は、前記縦リブ（３）が互いに整合すると共に、横リブ（４）の位置を縦リブ（３）方向に互いにずらして、各プレート（６）が積層され、その積層方向の両端に端蓋（７）が配置され、
   　その各スリット（２）に、縦リブ（３）方向へ冷媒を流通させ、前記端蓋（７）に被冷却体（８）が接合される積層型ヒートシンクであって、
   　前記被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置のプレート（６）のフィン部（５）の冷媒の流通抵抗が、被冷却体（８）に接近した各プレート（６）の流通抵抗より大きくなるように、冷媒の流通阻止手段（９）を設けた積層型ヒートシンク。
2. 　請求項１に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
   　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から離れた位置で、外周およびマニホールド部（１）が前記各プレート（６）に整合し、前記フィン部（５）が他のものと異なる第２プレート（６ａ）を有し、
   　その第２プレート（６ａ）は、被冷却体（８）の投影位置に多数の前記スリット（２）が形成され、それ以外の部分はスリットのないブランク部（１１）に形成された積層型ヒートシンク。
3. 　請求項１に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
   　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置に、外周およびマニホールド部（１）を前記各プレート（６）に整合して、前記フィン部（５）が異なる第３プレート（６ｂ）を配置し、
   　その第３プレート（６ｂ）は、冷媒の流れ方向に直交する側の一部に、平面に対して直角に立上げた閉塞壁（１４）が設けられ、
   　前記各プレート（６）の側部であって、被冷却体（８）を各プレート（６）へ投影したとき、その投影体から離れた位置を、前記閉塞壁（１４）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンク。
4. 　請求項１に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
   　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置に配置され、幅がマニホールド部（１）に整合すると共に、プレート（６）とは別部材であって、その横断面に少なくともＬ字状部（１５ａ）を有する障壁体（１５）からなり、
   　前記各プレート（６）の側部であって、前記被冷却体（８）を各プレート（６）へ投影したとき、その投影体から離れた側壁の位置を、前記障壁体（１５）のＬ字状部（１５ａ）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンク。
5. 　それぞれ金属平板に、多数の互いに平行なスリット（２）が打ち抜かれて、それらスリット（２）の間に多数の互いに平行な細長い縦リブ（３）と、隣接する各縦リブ（３）間を連結する横リブ（４）とが形成されたフィン部（５）とを有する複数の平坦なプレート（２１）を具備し、
   　各プレート（２１）の各フィン部（５）は、前記縦リブ（３）が互いに整合すると共に、横リブ（４）の位置を縦リブ（３）方向に互いにずらして、各プレート（２１）が積層されてコア（１８）が形成され、
   　少なくとも一方が皿状に形成されたケーシング（１９）を有し、そのケーシング（１９）内に前記コア（１８）が、収納され、
   　前記各スリット（２）に、縦リブ（３）方向へ冷媒を流通させ、前記ケーシング（１９）に被冷却体（８）が接合される積層型ヒートシンクであって、
   　前記被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置のプレート（２１）のフィン部（５）の冷媒の流通抵抗が、被冷却体（８）に接近した各プレート（２１）の流通抵抗より大きくなるように、冷媒の流通阻止手段（９）を設けた積層型ヒートシンク。
6. 　請求項５に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
   　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から離れた位置で、前記フィン部（５）が他のものと異なる第２プレート（２１ａ）を有し、
   　その第２プレート（２１ａ）は、被冷却体（８）の投影位置に多数の前記スリット（２）が形成され、それ以外の部分はスリットのないブランク部（１１）に形成された積層型ヒートシンク。
7. 　請求項５に記載の積層型ヒートヒンクにおいて、
   　前記流通阻止手段（９）として、被冷却体（８）から積層方向に十分離れた位置に、前記フィン部（５）が異なる第３プレート（２１ｂ）を配置し、
   　その第３プレート（２１ｂ）は、冷媒の流れ方向に直交する側の一部に、平面に対して直角に立上げた閉塞壁（１４）が設けられ、
   　前記各プレート（２１）の側部であって、被冷却体（８）を各プレート（２１）へ投影したとき、その投影体から離れた位置を、前記閉塞壁（１４）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンク。
8. 　請求項５に記載の積層型ヒートシンクにおいて、
   　前記ケーシング（１９）内に、マニホールド部（２０）を介して前記コア（１８）が配置され、そのコア（１８）とケーシング（１９）の内壁との間に、前記プレート（２１）とは別部材の障壁体（１５）が介装され、
   　その障壁体（１５）は、横断面に少なくともＬ字状部（１５ａ）を有し、前記各プレート（２１）の側部であって、前記被冷却体（８）を各プレート（２１）へ投影したとき、その投影体から離れた側壁の位置を、前記障壁体（１５）のＬ字状部（１５ａ）により閉塞することを特徴とする積層型ヒートシンク。

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