JP2013197453A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造することができ且つ冷却性能に優れたヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ヒートシンクは、互いに対向する壁面を有して冷却用流体が流通するケース内に、フィンユニット１６が配設されて構成される。フィンユニット１６には、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って、桟部１７ａ、１７ｂとルーバー１８とが交互に形成されている。桟部１７ａ、１７ｂは、ヒートシンクの天井側の壁面に接触する桟部１７ａと、ヒートシンクの底側の壁面に接触する桟部１７ｂとが、Ｘ方向に交互に形成されている。また、ルーバー１８は、隣り合う桟部１７ａ、１７ｂの間毎に複数ずつ形成されている。フィンユニット１６は、一枚の金属板に対してプレス処理を施すことによって製造することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートシンク及びその製造方法に関する。

ＣＰＵ、集積回路、半導体素子などの電子部品、電子機器及び各種電子機器といった発熱体においては、放熱のために冷却器が設けられる場合がある（例えば、特許文献１、２参照）。従来では、これらの発熱体の放熱には空冷冷却器が使われていたが、近年、発熱体の発熱量、発熱密度が増大する傾向にあることから水冷冷却器も使われるようになってきた。

例えば、省エネルギの観点などからハイブリッド車が多く生産されるようになってきたが、このハイブリッド車の駆動モータの制御を行っているインバータにはＩＧＢＴ素子などの発熱体が実装されており、この発熱体の冷却のために水冷冷却器が設けられている。

また、ハイブリッド車等に搭載されるリチウムイオン電池などに対しても、動作時の温度上昇による性能の低下をふせぐために、冷却器が設けられることがある。

特開２０１１−１０８６８３号公報 国際公開第２０１１／０１６２２１号

近年では、インバータや電池などの発熱体は、より一層の高効率化、小型化が求められており、その結果、発熱体を冷却する冷却器の冷却性能をより一層向上させることが求められている。しかし、冷却性能を向上させるために冷却器の構成を複雑なものとすると、冷却器の製造が困難となるとともに製造コストが向上してしまう。

本発明は、容易に製造することができ且つ冷却性能に優れたヒートシンク及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係るヒートシンクは、
互いに対向する第１の壁面と第２の壁面を有し、冷却用流体が流通する流通経路を構成する経路部材と、
前記経路部材の内部に配設される熱交換部材と、を備え、
前記熱交換部材は、
前記第１の壁面及び前記第２の壁面に沿った板面を有し前記冷却用流体の流通経路方向に垂直な方向に長い板状に各々に形成され、該第１の壁面と該第２の壁面とに交互に接触するように前記冷却用流体の流通経路方向に互いに間隔を空けて配置される桟部と、
前記経路部材の第１の壁面及び第２の壁面に対して傾斜するとともに前記冷却用流体の流通経路方向に沿った板面を有し、前記複数の桟部のうち隣り合う桟部を架橋する複数のルーバーと、
を有することを特徴とする。

また、前記複数のルーバーは、前記隣り合う桟部の間毎に複数ずつ形成されていてもよい。

また、前記熱交換部材は、アルミニウムで形成されていてもよい。
ここで、本明細書において「アルミニウム」は、純アルミニウムだけではなく、アルミニウムを含有する合金も含むものとする。

本発明の第２の観点に係るヒートシンクの製造方法は、
上記のヒートシンクを製造する方法であって、
前記経路部材を用意する工程と、
一枚の金属板の一部を切り起こすことによって前記複数のルーバーを形成し、該一枚の金属板から前記熱交換部材を形成する工程と、
前記経路部材の内部に前記熱交換部材を配設する工程と、
を含むことを特徴とする。

また、前記熱交換部材を形成する工程は、前記経路部材の壁面の形状に合わせて前記複数の桟部の長さを調整する工程を含んでもよい。

本発明によれば、容易に製造することができ且つ冷却性能に優れたヒートシンク及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るヒートシンクの構成の概要を示す分解斜視図である。 この実施の形態に係るフィンユニットを拡大して示す斜視図である。 この実施の形態に係るフィンユニットを冷却用流体の流通経路方向に沿って見た図である。 この実施の形態に係るフィンユニットの製造を説明する図である。 この実施の形態に係るフィンユニットの製造を説明する図である。 この実施の形態に係るヒートシンクにおける冷却用流体の流れを模式的に示す図である。 変形例に係るフィンユニットを示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るヒートシンク１０の構成の概略を示す分解斜視図である。ヒートシンク１０は、例えばＩＧＢＴ素子やリアクトルなどの図示しない発熱体を、冷却用流体を用いて冷却できるように構成されている。ヒートシンク１０は、図１に示すように、冷却用流体の出入口部１１ａ、１１ｂと、ケース（経路部材）１２と、フィンユニット（熱交換体）１６と、を備える。この実施の形態では、冷却用流体は、水や不凍液などの液体を用いるものとした。冷却用流体は、例えばモータなどで駆動される図示しないポンプによって圧送されて、出入口部１１ａ、１１ｂやケース１２の内部を流通する。

出入口部１１ａ、１１ｂとケース１２のそれぞれは、例えば、銅やアルミニウム、鉄などの熱伝導性の高い材料で形成され、冷却用流体の流通経路の一部を構成する。この実施の形態では、出入口部１１ａ、１１ｂは、パイプ状に形成されており、ケース１２は、上ケース１３ａと下ケース１３ｂとの２部材で構成されている。上ケース１３ａと下ケース１３ｂとのそれぞれには、出入口部１１と接続するための半円柱状の凹部１４ａ、１４ｂと、フィンユニット１５を収納するための直方体状の凹部１５ａ、１５ｂとが形成されている。フィンユニット１５を収納するための凹部１５ａ、１５ｂは、それぞれの底面（第１の壁面、第２の壁面）が対向するように形成されている。こうした上ケース１３ａや下ケース１３ｂは、例えば金属板にプレス処理を施すことによって形成（用意）することができる。以下、出入口部１１ａ、１１ｂを結ぶ方向である流通経路方向を「Ｘ方向」とし、ケース１２の幅方向（フィンユニット１６の板面に沿った方向であってＸ方向に垂直な方向）を「Ｙ方向」とし、ケース１２の高さ方向（フィンユニット１６の板面に垂直な方向）を「Ｚ方向」とする。

フィンユニット１６は、例えば銅やアルミニウム、鉄などの熱伝導性の高い材料で形成される。フィンユニット１６は、図１及び図２に示すように、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って、桟部１７ａ、１７ｂと、ルーバー１８とが交互に形成されて構成されている。

桟部１７ａ、１７ｂのそれぞれは、ケース１２の凹部１５ａ、１５ｂの底面（Ｘ方向及びＹ方向）に沿った板面を有し、冷却用流体の流通経路方向に垂直な方向（Ｙ方向）に長い直方体状の板状に形成されている。桟部１７ａ、１７ｂは、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って互いに間隔を空けて複数配置され、上ケース１３ａの凹部１５ａの底面に上面が接触する桟部１７ａと、下ケース１３ｂの凹部１５ｂの底面に下面が接触する桟部１７ｂとが、Ｘ方向に交互に並ぶように配置されている。つまり、桟部１７ａ、１７ｂは、上ケース１３ａの底面と下ケース１３ｂの底面とに、交互に接触するように冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って互いに間隔を空けて配置されている。

ルーバー１８は、隣り合う桟部１７ａ、１７ｂを接続（架橋）するように、隣り合う桟部１７ａ、１７ｂの間毎に複数ずつ形成されている。一例として、この実施の形態のヒートシンク１５では、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って桟部１７ａと桟部１７ｂが交互に計１３個形成されており、桟部１７ａ、１７ｂの間毎にルーバー１８が１５個ずつ形成されている。複数のルーバー１８のそれぞれは、ケース１２の凹部１５ａ、１５ｂの底面に対して傾斜するとともに冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿った板面を有する直方体状の板状に形成されており、隣り合う桟部１７ａ、１７ｂのルーバー１８同士の間には、それぞれに隙間が形成されている。複数のルーバー１８のそれぞれは、この実施の形態では、ケース１２の凹部１５ａ、１５ｂの底面に対して同じ角度で傾斜している。ルーバー１８とケース１２の底面との傾斜角度は、例えば２０°から７０°の範囲内で適宜定めることができ、好ましくは３０°から４５°の範囲内で適宜定めることができる。

フィンユニット１６を製造するには、例えば、まず、図４に示すように、一枚の金属板２０に対してプレス処理を施すことにより、金属板２０から複数のルーバー１８を切り起こして形成する。なお、図４では、複数のルーバー１８を形成するための金属板２０の切れ目を図示しているが、こうした切れ目は、プレス処理とは別に形成してもよいし、プレス処理とともに形成してもよい。そして、図５に示すように、ケース１２の凹部１５ａ、１５ｂの底面の形状に合わせて、桟部１７ａ、１７ｂの端部をトリミングして長さを調整することによって、フィンユニット１６が製造される。このときには、例えば、Ｚ方向から見て、桟部１７ａ、１７ｂの端部の位置が等しくなるように、桟部１７ａ、１７ｂの端部をトリミングしてもよい。なお、プレス処理の前に、予め金属板２０から不要となる部分を除去しておいてもよい。また、金属板２０として、アルミニウムを使うことで、ケース１２の壁面からルーバー１８に十分に熱が伝わり、熱交換の効率が上がる。また、他の熱伝導度の高い銅などと比較して、低コスト、軽量にすることができる。

ヒートシンク１０を組み立てる際には、出入口部１１ａ、１１ｂと上ケース１３ａ、下ケース１３ｂは、ろう材や接着材を用いたりビス止めなどによって互いに接続される。特にビス止めによって接続するときには、弾性樹脂などを用いて水漏れを防止するようにしてもよい。また、フィンユニット１６は、桟部１７ａが上ケース１３ａに接触するとともに桟部１７ｂが下ケース１３ｂに接触するように、ケース１２の内部に収納される。フィンユニット１６とケース１２についても、ろう材や熱伝導性の高い接着材を用いたりビス止めなどによって互いに接合面を固着させてもよい。このときには、桟部１７ａ、１７ｂだけではなく、ルーバー１８の端部についてもケース１２と固着させることが好ましい。このようにして構成されるヒートシンク１０では、出入口部１１ａ、１１ｂからケース１２内部に冷却用流体が流通され、フィンユニット１６の隙間を冷却用流体が流通する。そして、上ケース１３ａと下ケース１３ｂの一方または双方に、例えばＩＧＢＴ素子やリアクトルなどの図示しない発熱体が熱的に接続され、発熱体からケース１２やフィンユニット１７に熱が伝えられるとともに、ケース１２やフィンユニット１６から冷却用流体に熱が拡散されて発熱体が冷却される。

この実施の形態のヒートシンク１０では、フィンユニット１６の桟部１７ａ、１７ｂが上ケース１３ａと下ケース１３ｂとに交互に接触するように形成されており、図６に示すように、ケース１２内部の冷却用流体の流通経路が桟部１７ａ、１７ｂによって蛇行する。なお、図６では、太線矢印は冷却用流体の流れを示しており、ルーバー１８の図示は省略している。このように冷却用流体の流通経路が蛇行することによって、ケース１２内部で冷却用流体を撹拌させることができ、冷却用流体に温度境界層が形成されるのを抑制して冷却用流体とフィンユニット１６やケース１２との熱交換効率を向上させることができる。また、このようにフィンユニット１６の桟部１７ａ、１７ｂが上ケース１３ａと下ケース１３ｂとに交互に接触することによって、上ケース１３ａ及び下ケース１３ｂのそれぞれに対して直接にフィンユニット１６が熱を授受することができ、ヒートシンク１０の冷却性能を向上させることができる。

さらに、この実施の形態のヒートシンク１０では、フィンユニット１６の桟部１７ａ、１７ｂが上ケース１３ａと下ケース１３ｂとに交互に接触することによって、ケース１２とフィンユニット１６との接合面が確保されて、ケース１２とフィンユニット１６とを確実に接触させることができる。また、ルーバー１８の寸法が僅かに外れて、ルーバー１８の一部がケース１２と接触していない場合であっても、桟部１７ａ、１７ｂからロウ材や接着材が表面張力でルーバー１８にも伝わるので、ケース１２とフィンユニット１６との接合の歩留まりを向上させることができる。さらに、桟部１７ａと桟部１７ｂとのＺ方向の距離を上ケース１３ａと下ケース１３ｂとの底面同士の距離よりも大きくなるようにフィンユニット１７を設計することによって、ケース１２とフィンユニット１６とをより確実に接触させることができ、ケース１２とフィンユニット１６との接合の歩留まりを向上させたり、ケース１２とフィンユニット１６との熱伝導性を向上させてヒートシンク１０の冷却性能を向上させることができる。また、上ケース１３ａ、下ケース１３ｂ、フィンユニット１６の材料を全てアルミニウムとし、各部品をろう付けすると、上ケース１３ａとフィンユニット１６との間、および、下ケース１３ｂとフィンユニット１６の間が金属的に接合されるため、熱が伝わりやすくなり、熱交換の効率が上がる。

この発明は、上述した実施の形態に限定されず、様々な変形及び応用が可能である。例えば、上述した実施の形態では、フィンユニット１６は、冷却用流体の流通経路方向（Ｘ方向）に沿って、上ケース１３ａに接触する桟部１７ａと下ケース１３ｂに接触する桟部１７ｂとが１つ置きに交互に形成されるものとしたが、こうした例に限定されず、例えば図７の変形例のフィンユニット１１６に示すように、桟部１７ａと桟部１７ｂとが２つ置きに交互に形成されてもよいし、桟部１７ａと桟部１７ｂとが３つ以上置きに交互に形成されてもよい。

上述した実施の形態では、凹部１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂが形成された上ケース１３ａと下ケース１３ｂの２部材からケース１２が構成されるものとしたが、ケース１２は、フィンユニット１６の桟部１７ａ、１７ｂとの接合面を有するように互いに対向する壁面を有して冷却用流体が流通する流通経路を構成するものであればよく、例えば、断面コの字状の部材に蓋がされてケース１２が構成されてもよいし、四角筒状の一部材からケース１２が構成されるなどとしてもよい。

上述した実施の形態では、冷却用流体として、水や不凍液などの液体を用いるものとしたが、空気や二酸化炭素などの気体を用いてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更（構成要素の削除等を含む）をなし得ることはいうまでもない。

１０、１１０ ヒートシンク
１１ａ、１１ｂ 出入口部
１２ ケース
１３ａ 上ケース
１３ｂ 下ケース
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ 凹部
１６、１１６ フィンユニット
１７ａ、１７ｂ 桟部
１８ ルーバー

Claims (5)

1. 互いに対向する第１の壁面と第２の壁面を有し、冷却用流体が流通する流通経路を構成する経路部材と、
   前記経路部材の内部に配設される熱交換部材と、を備え、
   前記熱交換部材は、
   前記第１の壁面及び前記第２の壁面に沿った板面を有し前記冷却用流体の流通経路方向に垂直な方向に長い板状に各々に形成され、該第１の壁面と該第２の壁面とに交互に接触するように前記冷却用流体の流通経路方向に互いに間隔を空けて配置される桟部と、
   前記経路部材の第１の壁面及び第２の壁面に対して傾斜するとともに前記冷却用流体の流通経路方向に沿った板面を有し、前記複数の桟部のうち隣り合う桟部を架橋する複数のルーバーと、
   を有することを特徴とするヒートシンク。
2. 前記複数のルーバーは、前記隣り合う桟部の間毎に複数ずつ形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記熱交換部材は、アルミニウムで形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のヒートシンクを製造する方法であって、
   前記経路部材を用意する工程と、
   一枚の金属板の一部を切り起こすことによって前記複数のルーバーを形成し、該一枚の金属板から前記熱交換部材を形成する工程と、
   前記経路部材の内部に前記熱交換部材を配設する工程と、
   を含むことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
5. 前記熱交換部材を形成する工程は、前記経路部材の壁面の形状に合わせて前記
   複数の桟部の長さを調整する工程を含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートシンクの製造方法。

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