JP2013032898A - 積層型ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、製造が容易で冷却効率の高い小型ヒートシンク及びその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明によるヒートシンクは、冷媒流路となる貫通孔を有する複数の流路板が積層され、両側に前記流路の封止面となる封止板が配置され、流路板は１以上の流路貫通孔が形成された冷却板と、該冷却板と前記封止板の各々との間に配置され前記流路貫通孔のすべてに連結するヘッダ部貫通孔が形成されたヘッダ板とからなり、前記封止板又はヘッダ部に冷媒流入出口が設けられ、積層断面の外面に発熱体を設置したヒートシンクにおいて、冷媒が前記流路板の積層方向に流れるよう構成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却効率の高い積層型ヒートシンクに関する。

ハイブリッド車や電気自動車など電気駆動装置を有する自動車においては、蓄電池を搭載し駆動モータへの給電と外部電力または自己発電電力の蓄積を行うため、インバータ／コンバータ回路を使用して直流と交流との変換及び周波数変換を行っている。このような回路には半導体素子を含むＰＣＵ（パワーコントロールユニット）が使用されるため、発生する熱を効果的に除去する必要がある。従って、放熱のためのヒートシンク（冷却器）が必須となっている。

例えば特許文献１には、一組のヘッダ開口部と複数のスリットを有し、この複数のスリットが異なるパターンで形成された第１の中間プレートと第２の中間プレートを積層し、その両外層に外側プレートを重ね合わせて構成され、前記第１の中間プレートと第２の中間プレートのヘッダ開口部同士が連通し、且つスリット同士が連通して冷却流路が形成される積層冷却器であって、前記第１及び第２の中間プレートは、それぞれ隣接するスリット間に有するリブ同士を連結する連結部を有し、この連結部が前記スリットの両端側に設けられ、且つ互いに連通する前記ヘッダ開口部同士の大きさが両プレートで異なり、何方か一方のプレートに設けられた前記スリットの端部が他方のプレートに設けられた前記ヘッダ開口部に連通していることを特徴とする積層冷却器が開示されている。

上記文献の技術では、中間プレートを積層しそのプレートに設けたスリット内を移動するので、流路が狭く流動抵抗が大きくなり十分な冷媒流量を確保することが困難である。また、中間プレートとして２種類が必要であるが、接合前の位置合わせの方法については記載されていない。さらに、冷媒が中間プレートの積層方向に対して垂直方向に流動するため、熱の伝達が中間プレートの接合部を通してのみ接合部材を介して行われることになる。従って、中間プレートの熱伝導率が高くても、ユニット全体の熱伝導は接合部材の熱伝導率に左右されることになる。

また、特許文献２においては、半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を有するモジュールユニットを複数積層してなる積層モジュール構造であって、前記半導体モジュールは、両面放熱性のモジュールからなり、前記各モジュールユニットにおける前記半導体モジュールの一面側と前記冷却器とは、ろう付けにより接合されるとともに、前記モジュールユニットを積層するに際し、隣接する一方のモジュールユニットにおける前記半導体モジュールの他面側と他方のモジュールユニットにおける前記冷却器との間にはグリス層が介在されることを特徴とする積層モジュール構造が開示されている。

この文献の技術においては、冷却器内に波形形状の冷却フィンとばね部材が配置されており、冷却フィンは冷却器ケースにろう付けされている。従って、この技術においても特許文献１と同様に流動抵抗が大きいという問題点があり、またユニットの熱伝導効率がろう付け部材により左右されることにもなる。さらに、波形形状の冷却フィンを使用するため、構造が複雑で製造コストが高くなるという問題点もある。

特開２００２−１６４４８９号公報 特開２０１０−１３５６９７号公報

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、製造が容易で流動抵抗が低く熱伝導率の高い積層型ヒートシンクを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明による積層型ヒートシンクは、冷媒流路となる貫通孔を有する複数の流路板が積層され、両側に前記流路の封止面となる封止板が配置され、流路板は１以上の流路貫通孔が形成された冷却板と、該冷却板と前記封止板の各々との間に配置され前記流路貫通孔のすべてに連結するヘッダ部貫通孔が形成されたヘッダ板とからなり、前記封止板又はヘッダ部の外面の積層断面に冷媒流入出口が設けられているヒートシンクにおいて、冷媒が前記流路板の積層方向に流れるよう構成されたことを特徴とする。

前記流路板及び前記封止板の各々に片面側が凹部かつ反対面側が凸部となるエンボス部が複数箇所に形成されており、前記封止板の各々と複数の前記流路板同士がこれらエンボス部において嵌合結合されていることが望ましい。

また、前記各封止板と前記各流路板の接触面上に低融点金属層が設けてあり、該低融点金属層の溶融により前記各封止板と前記各流路板が接合されていることが好適である。

前記低融点金属層は、前記流路板及び前記封止板のいずれよりも融点が低いことが好ましく、前記流路板及び前記封止板の基材質としてはアルミ・銅・鉄材が考えられ前記低融点金属層としては前記基材料が鉄・銅の場合は銀またはその合金が又アルミ基材の場合はアルミ合金が特に好適である。ヒートシンクの目的は発熱体から効率よく熱を吸収しヒートシンクの冷媒流路の冷媒に熱導する事が求められ、その為流路板と封止板の材質は熱伝導率の良い銅・アルミ材（アルミブレージング材）を用いる事が多い、銅基材の場合積層板同士を接合する材料としてこれも熱伝導率が良い材料が必要となり、接合材料より融点が低く熱伝導率が良い材料は半田合金又は銀材が一般的な材料である。但し、冷媒流路は冷媒液を循環させる為の内圧が発生するので強度的に半田合金より強度のある銀材を使用し又熱伝導率から言ってもこれが良い。通常、純銅の融点は１０８０度・銀の融点は９６０度であり、接合する為の溶解温度を１０００度前後にすると、流路板の溶解温度に近く形状変形等を起こしやすく安定した形状形成接合が出来ない。そこでこれ等を解決する為に、基材が銅材料の場合、低融点金属層は銀メッキ又は銀箔を介在する事により防止が出来る。
その理由は銅材料で出来ている流路板及び封止板の積層面は低融点金属層を介在しエンボス部の嵌合により相互に密着しており、この状態で接合炉に放置し徐々に温度を上げていくと接触面の金属間拡散現象が始まり銀合金の共晶体化を起こし合金化状態が比較的低い温度で実現する。銀合金の溶解温度は銅と銀の含有量で決まり、既存の合金状態図から、含有量が半々でも８００度前後では溶解する。（既存銅−銀の合金状態図では銀４０％・銅６０％では溶解温度が７８０度）銅材の溶解温度に対し接合温度を下げての積層間接合が出来るので積層部材を変形等が発生せず良好な接合条件が設定できる。

前記流路板は用途・コストなどを考慮して鉄材も使用可能であるが、その場合の前記低融点金属層としては銅が好ましい。鉄と銅の組み合わせは鉄と錫等の組み合わせに比較して積層間接合の強度が飛躍的にアップし、信頼性を上げる事ができる。

前記冷却板に形成された流路貫通孔は、複数の独立した貫通孔とすることができ、また一部が相互に連続した貫通孔とすることもできる。

前記冷却板の流路貫通孔間に位置する残存部すなわちフィン部は、前記冷却板の放熱体搭載部側の周囲残存部すなわち枠部の長辺側が流路中心部に比べ幅広に形成されていることも放熱上好適である。

前記冷却板の流路貫通孔間に位置する残存部すなわちフィン部は、積層方向に冷却板の板厚より片面又は両面を薄くし、冷却板の外周部は板厚を残してフィン部間は空隙を作り、冷却液をフィン部分全部に冷媒を接触させる事も放熱上好適である。

前記冷却板の流路貫通孔間に位置する残存部すなわちフィン部は、積層方向に冷却板の板厚より片面又は両面を薄くし、前記フィン部の一部又は全部を冷却流路方向に対し、すくい角を持った冷却板となして、冷媒を積極的にフィン部間に流入させることも放熱上さらに効果を上げる事が出来る。

複数の独立した冷媒流路及び冷媒流入出口を並列に一体形成して、複数のヒートシンクユニットの複合体とすることも可能である。

本発明によれば、封止板と金属薄板の各々にエンボス部を設け、積層時にこのエンボス部同士を嵌合結合させることにより容易かつ確実に相互の位置決めを行って、さらに一体に保持することとが可能となる。これにより、封止板と各金属薄板とを接合する際は、加圧の必要なく、単に温度を上げて低融点金属層を溶融するだけでよい。
又冷却板の枚数を調整する事によって発熱体の大きさにヒートシンクを変更することも可能である。従って、製造が容易で冷却効率の高い小型ヒートシンクを提供することができる。また、エンボス部は片側が凹部かつ反対側が凸部となるよう形成されるため、単純なプレス加工により形成可能である。

また、本発明によれば、流路板を積層し冷媒が流路板の積層方向に流動するよう構成しているため、流路板の形状や数を変更することにより冷却対象の大きさや流動抵抗を自在に変えることが可能であり、また他の介在物なしに流路板のみの断面を通して直接冷媒と外部発熱体との熱伝導が可能なため、高い熱伝導効率を得ることができる。

さらに、冷却板の流路貫通孔間に位置する残存部すなわちフィン部について、冷却板の発熱体搭載側の周囲残存部すなわち枠部の長辺側が幅広になるよう形成することにより、冷却対象からの熱の伝達を容易にすることができ、より冷却効率を高めることが可能である。
又、冷却板のフィン部については一部・全体を積層方向に対し片側又は両面を薄くして積層間に空隙を設けるとともに、流路方向に対しすくい角を持たせる事によりフィン間に冷媒が通過でき、さらに冷却効果が期待できる。

複数の独立した冷媒流路及び冷媒流入出口を並列に一体形成して、複数のヒートシンクユニットの並列複合体とすることにより、複数の冷却対象を同時に冷却することも可能である。

以下、図面に基づいて本発明によるヒートシンクの好適な実施例について説明する。図１は、本発明によるヒートシンクの一実施例の主要部組み立て図を示す。細長い冷却板３には、短辺方向に平行に複数の流路貫通孔３２が形成されており、この冷却板３を所望する奥行きになる枚数積層する。これらの冷却板３の両側にはヘッダ部貫通孔３１が形成されたヘッダ板２Ａ及び２Ｂをそれぞれ複数枚積層して、冷却板３に結合する。ヘッダ板２Ａ及び２Ｂのさらに両側には、冷媒流路を閉鎖するための封止板１Ａ、１Ｂを配置する。これらの封止板１Ａ、１Ｂには、冷媒を出し入れするための冷媒流入・流出口１１Ａ、１１Ｂを設ける。
又、冷媒の流入出口がヒートシンクの配置上封止板上に設置出来ない場合は、冷却板の積層両端にあるヘッダ部（外部の４面）に設ける事も可能である。

上記の冷却板３、ヘッダ板２Ａ、２Ｂ並びに封止板１Ａ、１Ｂにはそれぞれ周囲の複数箇所に片側が凸かつ反対側が凹となるように形成されたエンボス部２１が対応する箇所に配置されており、互いに加締めることにより正確な位置関係で仮固定することができる。さらに図示してないが、冷却板３、ヘッダ板２Ａ、２Ｂ並びに封止板１Ａ、１Ｂのそれぞれには片側表面には前記それぞれの基材よりも融点が低い低融点金属層が形成されており、この低融点金属層を融解することにより全体を接合密閉してヒートシンクを完成することができる。低融点金属層としては、厚さ５ミクロンの銀層を使用することができる。

図２は、上記の実施例の完成体の斜視図であり、ヒートシンク本体の上部表面に複数の発熱体を載置し、冷却に供することができる。
ここでの例では、発熱体の放熱面が平面であるのでヒートシンクの受熱部も平面の図示であるが、モータの様に外形が丸型・角型の場合はモーターの発熱を除去する為、発熱体の放熱面の形状に合わせた積層構造（丸型・半円型・角型・半角型等）もプレス加工にて容易に成形可能であり、冷却効果についても説明内容となんら変わらない。

図３は図２に示した実施例の側面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。流入口１１Ａから導入された冷媒はヘッダ部３１から複数の流路３２に導かれ、冷却板３と垂直方向に流れて流出口１１Ｂより排出される。従って、流路貫通孔３２の形状を工夫することにより流動抵抗を調整して、冷却効果を高めることができる。

図４は、図１に示した実施例における冷却板３の別の形状を示す。（ａ）は楕円形状、（ｃ）は円形穴の配列、（ｄ）は波形である。流路貫通孔については、図１における長方形、（ａ）における楕円形及び（ｃ）における円形は独立した貫通孔の集合体であるが、（ｄ）においては連通した一体の貫通孔となっている。（ａ）及び（ｄ）の冷却板３については、流路貫通孔３２間のフィン部３３は冷却板３の上下面近くで幅広となるように形成されている。この構成により、冷却板３の上下方向からの熱の伝達と冷媒との熱交換をより効率的にすることができる。このように、貫通孔の形状についての制限はなく、発熱体の搭載面・搭載数・発熱量の大きさ等その目的に応じて変更することができる。また、図４（ｂ）にはこれらの冷却板３を積層した際の状態を部分断面図として示した。それぞれの冷却板３はエンボス部２１により互いに嵌合結合されている。図には示してないが、各冷却板の間には低融点金属層が設けられ、融解により最終的に接合される。

図５は、図４に示した冷却板のフィン部に関してフィン部の別形状を示す。（ａ）は冷却板の正面図、（ｂ）は冷却板の断面図でありフィン部は両面から薄くしてあり、又（ｃ）は冷却板が積層された断面図を示している。これにより冷却液流路に対し直角方向に対し液が浸透できる空隙を形成している。
さらにヒ−トシンクの冷却効果を上げる為、（ｄ）はフン全体を一方向に傾ける方法又（ｅ）は流路貫通穴方向に向かって千鳥方向にフィン部を傾ける構造を示し、冷媒を積極的にフィン部隙間にも流す様にしており、以下に説明するヘッダ−板の穴の配置とこの千鳥傾斜列の組み合わせにより、冷媒の圧力を調整し傾斜フィン間に冷媒が流れ込むようにすればさらに冷却効果が高まる。
又（ｆ）はフィンの板厚方向を薄くする方法として、フィン部をプレス等にて絞り工法を使用して薄くする方法を示してある。

図６には、本発明による別の実施例を示した。この実施例のヒートシンクは、図２に示した単独のヒートシンクユニットを横に並列に並べた形となっているが、封止板１Ａ、１Ｂ、ヘッダ板２Ａ、２Ｂ、流路板３は全ユニット一体として形成されている。この構成を取ることにより、各発熱体１２ごとに冷媒を供給できるため冷却効率を高めることができる。

図７には、複数の流路に満遍なく冷媒が供給出来る様にヘッダ板の形状を工夫したものである。さらに冷却効率を高めるためのヘッダ板構成を示した。（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）がヘッダ板の実施例であり、冷媒の流入出口の配置・大きさにより冷却板３の貫通孔の通過面に対して冷媒液の圧力が変り、冷却貫通穴に均一な冷媒の流れが作れないのでその為、ヘッダ板の流路貫通孔の配置を不均一、詳しくはヘッダ板３の左右側が貫通孔の合計断面積が広くなるようにし、冷却板の貫通穴に冷媒が入る前に圧力調整用の冷媒溜まりとして配置してある。これにより冷媒を冷却板３の外周近くに多く流すようにし、冷却板３の冷却を促進するものである。（ｂ）は一様に貫通穴を開けたヘッダ板２Ａであり、実施に関しては（ｂ）のヘッダ板と冷却板の間に（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の調整用ヘッダ板を入れる事も可能である。
これらを（ａ）に示したように積層することにより、冷媒は流路３２に沿って左右側に多く誘導される。

以上説明した本発明によるヒートシンクの製造においては、封止板１Ａ、１Ｂ、ヘッダ板２Ａ、２Ｂ、流路板３のそれぞれが薄板状のため、プレス打ち抜き及び成形により外形、貫通孔３２、エンボス部２１を含めて一体的に形成することができる。各々の要素板の少なくとも片面には、前もって低融点金属層を設けておくことができる。順送金型等を用いれば、上記の各基材を順次形成し、積層加圧により嵌合結合させて一体化することが連続的に実施できる。

一体化したヒートシンク組立体は、例えば基材料が銅であれば８３０℃程度の高温槽に入れ、低融点金属層を融解した後冷却すれば、相互に接合されて堅固なヒートシンクとして完成される。この例では低融点金属層として銀を使用したが、封止板や金属薄板の種類に従って他の銀合金或いははんだ等の他の材料を選択することも可能である。

今回のヒートシンクの試作実施に関しては金属薄板の材料を銅、低融点金属層を銀のメッキで実施したが、他の放熱用途を配慮して金属薄板の材料を鉄とし、鉄と相性の良い低融点金属層材料種類とこれ等を接合させる溶解炉種類についても並行して検討した。
鉄材より融点が低くしかも容易に実施可能な低融点金属層材料として錫と銅２種を検討し、接合させる溶解炉として電気炉・無酸化炉・ロー付け炉の３種類で接合試験を実施した。
以下は実施した接合引っ張り強度試験データである。
＊低融点材料が錫材・厚み３μｍ・電気炉では０．８Ｋｇ〜１Ｋｇ／ｍｍ^２
＊低融点材料が錫材・厚み５μｍ・電気炉では１Ｋｇ／ｍｍ^２
＊低融点材料が錫材・厚み３μｍ・無酸化炉では７Ｋｇ〜８Ｋｇ／ｍｍ^２
＊低融点材料が錫材・厚み５μｍ・無酸化炉では５ｋｇ〜４Ｋｇ／ｍｍ^２
＊低融点材料が錫材・厚み３μｍ・ロー付け炉では６５ｋｇ〜７０Ｋｇ／ｍｍ^２
＊低融点材料が錫材・厚み５μｍ・ロー付け炉では６０Ｋｇ〜６５Ｋｇ／ｍｍ^２
以上の結果より錫に関しては無酸化炉を使用しても溶解時表面酸化現象により流れ性が悪く安定した接合状態が得られない。
又厚みに関しては５μより３μに方が少し強度が安定している。
以上の結果、金属薄板材料が鉄の場合には、低融点金属層として銅材が安定して強度が確保出来る結果となった。

以上述べたように、本発明によれば、製造が容易で冷却効率の高い小型ヒートシンクを提供することができるため、自動車業界を始めとして電気及び電子機器の冷却分野において大いに貢献できるものである。

本発明によるヒートシンクの構成を示す組み立て図である。 本発明によるヒートシンクの斜視図である。 （ａ）は図２に示したヒートシンクの側面図、（ｂ）は正面図である。 （ａ）、（ｃ）、（ｄ）は図１に示した本発明によるヒートシンクに使用する冷却板の別の実施態様及び接続状態を示す図で、（ｂ）はこれらの冷却板の接続状態を示す部分断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は冷媒液をフィン部板方向にも浸透させ、さらに（ｄ）、（ｅ）は積極的に冷媒液をフィン間に冷媒液を流せるように各フィンを冷媒液の流路方向にすくい角を持たせた冷却板の図面である。又（ｆ）はフィン間の隙間を持たせる絞り構造の断面図である。 本発明によるヒートシンクの別の実施例を示す斜視図である。 （ｂ）は、ヘッダ板の一例を示す正面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はヘッダ板の別の実施例を示す正面図、（ａ）は、これらを組立てた際の部分断面図である。

１Ａ、１Ｂ 封止板
２Ａ、２Ｂ ヘッダ板
３ 冷却板
１０ ヒートシンク本体
１１Ａ、１１Ｂ 流入・流出口
１２ 発熱体
２１ エンボス部
３１ ヘッダ部貫通孔
３２ 流路貫通孔
３３ フィン部

Claims (7)

1. 冷媒流路となる貫通孔を有する複数の流路板が積層され、両側に前記流路の封止面となる封止板が配置され、流路板は１以上の流路貫通孔が形成された冷却板と、該冷却板と前記封止板の各々との間に配置され前記流路貫通孔のすべてに連結するヘッダ部貫通孔が形成されたヘッダ板とからなり、前記封止板又はヘッダ部に冷媒流入出口が設けられ、積層断面の外面に発熱体を設置したヒートシンクにおいて、冷媒が前記流路板の積層方向に流れるよう構成されたことを特徴とする積層型ヒートシンク
2. 前記冷却板に形成された流路貫通孔は、一部が相互に連続した貫通孔であることを特徴とする請求項１記載の積層型ヒートシンク。
3. 前記冷却板の流路貫通孔間に位置する残存部すなわちフィン部は、前記冷却板の周囲残存部すなわち枠部の長辺側が幅広に形成されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の積層型ヒートシンク。
4. 前記ヘッダ部貫通孔が冷却板の流路貫通孔に冷媒が均一又は意図した方向に流れるように規制した貫通孔を特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型ヒートシンク。
5. 複数の独立した冷媒流路及び冷媒流入出口が並列に一体形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型ヒートシンク。
6. 前記冷却板の流路貫通孔間に位置する残存部すなわちフィン部は積層方向に冷却板の板厚より薄くし、外周部は冷却板の板厚を残した冷却板を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の積層型ヒ−トシンク。
7. 前記フィン部の一部又は全部を冷媒流路方向に対しすくい角を持った冷却板を特徴とする請求溝１乃至６のいずれかに記載の積層型ヒートシンク。

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