(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体モジュールを風上側半導体モジュールと風下側半導体モジュールを対にして高熱伝導材料からなるベースの一方の面に設けると共に該ベースの他方の面に互いに平行に形成した高熱伝導性材料からなる複数のフィンを設けたヒートシンクと、該ヒートシンクの風上側と風下側においてそれぞれ繋げて設置される風洞と、前記風下側に設置された風洞に繋げて設置される冷却ファンとを有し、前記ヒートシンク、前記風上側風洞、前記風下側風洞及び前記冷却ファンを筐体内に収納した強制空冷式ヒートシンクにおいて、
前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュールの間にあって前記ベースに開口部を形成すると共に、前記風上側半導体モジュールのそれぞれをコの字形に囲むと共に前記開口部を覆うように筐体の吸気口に連通するダクトを前記ベースの前記半導体モジュール設置面に備えていることを特徴とする強制空冷式ヒートシンク。
【請求項２】
前記開口部の形状として、前記開口部の端面が前記ベースの水平面に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式ヒートシンク。
【請求項３】
前記開口部の形状を、前記半導体モジュールの取付け側は、前記ベースの垂直面から風上側に偏倚させるとともに前記フィンの取り付け側は、前記ベースの垂直面から風下側に偏倚させて前記ベースを斜めに貫通する形状としたことを特徴とする請求項１に記載の強制空冷式ヒートシンク。
【請求項４】
前記開口部は、前記対となった前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュール対応に複数設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の強制空冷式ヒートシンク。
【請求項５】
前記複数設けた開口部を繋げて１つにしたことを特徴とする請求項４に記載の強制空冷式ヒートシンク。
【請求項６】
前記風上側風洞を設けずに外部から吸入した空気を前記ダクトに直に通過させる構成としたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の強制空冷式ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等の負荷を駆動するインバータ装置、無停電電源装置、アクティブフィルター等の電力変換装置において、内蔵する複数の半導体モジュールを冷却するのに適した強制空冷式ヒートシンクの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述した電力変換装置は、家電製品から運輸、産業製品に至る様々な用途で使用されており、容量範囲も数Ｗ(ワット)から数ＭＷ(メガワット)にまで及んでいる。この電力変換装置のスイッチング時および定常時に発生する損失は、熱に変換されるため、熱に変換された発生熱を速やかに放熱し、半導体素子のジャンクション温度を上限値（最大150℃）以下に抑える必要がある。発生損失が、数Ｗ(ワット)レベルまでは、半導体素子表面からの自然空冷でも良いが、数十Ｗ(ワット)を越えるレベルでは、ファン等を用いてヒートシンクのフィン部分に強制的に送風してヒートシンクの冷却を促進する強制空冷式ヒートシンクが採用されることが多い。
【０００３】
図１０ないし図１２を用いて従来の強制空冷式ヒートシンクの構成を説明する。図１０は、従来の強制空冷式ヒートシンクの構造を示した斜視図である。風上側及び風下側にそれぞれ複数の半導体モジュール24ａ，24ｂが配置されたヒートシンク21は、筐体26の内部に設置されている。この筐体26の一方の端面には、冷却ファン25が設置され、他方の端面には、吸気口32が設けられている。
【０００４】
図１１は、図１０に示した強制空冷式ヒートシンクの筐体26からヒートシンク21を取出して示した斜視図である。このヒートシンク21は、熱良導体であるベース22と熱良導体である複数のフィン23により形成されており、ベース22の一方の面に垂直に且つ互いに平行に並べて熱良導体からなるフィン23が設けられ、ベース22の他方の面に、風上側半導体モジュール24ａおよび風下側半導体モジュール24ｂを対にして複数設置して使用する。
【０００５】
図１２は、図１０に示した従来の強制空冷式ヒートシンクの空気の流れ（気流）を示した断面図であり、吸気口32、風上側風洞28ａ、フィン23、風下側風洞28ｂで風路を形成し、冷却ファン25により外部に排気する。
【０００６】
吸気口32より取込まれた空気は、風上側風洞28ａを経由してヒートシンク21のフィン23の間を抜けて風下側風洞28ｂに至り、冷却ファン25により外部に排気される。一方、半導体モジュール24ａ，24ｂで発生した熱は、ベース22を経由してフィン23に伝わり、フィン23の間を通過する空気に吸熱されて外部に排気される。これにより、半導体モジュール24ａ，24ｂで発生した熱が除去されて、半導体モジュール24ａ，24ｂを冷却する。強制空冷式ヒートシンクは、半導体モジュール24ａ，24ｂから発生した熱をベース22を介してフィン23から空気中に放熱するため、フィン23間の空気温度は、風上側よりも風下側が高くなる。
【０００７】
このため、風上側半導体モジュール24ａと風下側半導体モジュール24ｂの発熱量が同じであった場合、風上側半導体モジュール24ａに比べて風下側半導体モジュール24ｂの温度が高くなる。一方、半導体モジュール24ａ，24ｂには、使用温度に限界があり、局部的な温度上昇が装置稼動のボトルネックになる。このため、通常、風上側に、発熱温度の高い半導体モジュール24ａを配置し、風下側に発熱温度の低い半導体モジュール24ｂを配置する等の工夫をして半導体モジュール24ａ，24ｂの温度が使用限界を超えないようにしている。ところが半導体モジュールのレイアウトによっては、このような方法が採れないこともあり、風下側半導体モジュール24ｂの温度が高くなって強制空冷式ヒートシンクの冷却能力を充分に活用することができないという不具合が発生する。
【０００８】
この強制空冷式ヒートシンクの不具合を解決する従来の方法として、風下側に配置した半導体モジュールTR2と、その風上側に配置した半導体モジュールTR1との間のベース部分に開口(空気取り入れ口)を設けてバイパス風路を形成し風下側に配置された半導体モジュールTR2を開口から取り入れた空気で冷却する構造が、下記特許文献１に示されている。
【０００９】
図１３は、上述した特許文献１に示された強制空冷式ヒートシンクの構造を示す図である。この図では、発熱体として、パワートランジスタを想定したもので、風上側パワートランジスタTR1と風下側パワートランジスタTR2との間の風洞に開口(空気取り入れ口)を設けている。このように、開口から風上側の風洞を通過しない空気を風下側風洞に供給して風下側に配置した半導体モジュールを冷却して、風上側よりも風下側が高温となる不具合の解消を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平10-200282号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
強制空冷式ヒートシンクは、半導体モジュールから発生した熱をベースを介してフィンから空気中に放熱するため、フィン間の空気温度は、風上側から風下側に向けて高くなり、風下側半導体モジュールの冷却性能が低下する。この課題を解決する方法の一例が上記特許文献１に記載されているが、半導体モジュールの周囲に空気を流すため、半導体モジュールの端子に塵や埃が付着して絶縁性能が低下するという問題が生じる。このため、通常、エアーフィルターを使用して塵や埃を除去している。
【００１２】
しかし、エアーフィルターの目を細かくして捕集能力を上げると、圧力損失が大きくなり、強力なファンが必要になったり、エアーフィルターのメンテナンス周期が短くなったりする新たな不具合を生じる。また、冷却ファンにより空気を送り込む構造を採用してヒートシンクのベースに開口部を設けた場合、フィン間の圧力が高まった状態で開口部から外部へ空気を放出することになり、冷却用の空気を開口部から吸入することができないという問題が生じる。
【００１３】
そこで本発明は、圧力損失が減少し且つ気流のよどみを無くして、効率良く風下側半導体モジュールを冷却することができる強制空冷式ヒートシンクを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明の一態様は、複数の半導体モジュールを風上側半導体モジュールと風下側半導体モジュールを対にして高熱伝導材料からなるベースの一方の面に設けると共に該ベースの他方の面に互いに平行に形成した高熱伝導性材料からなる複数のフィンを設けたヒートシンクと、該ヒートシンクの風上側と風下側においてそれぞれ繋げて設置される風洞と、前記風下側に設置された風洞に繋げて設置される冷却ファンとを有し、前記ヒートシンク、前記風上側風洞、前記風下側風洞及び前記冷却ファンを筐体内に収納した強制空冷式ヒートシンクにおいて、
前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュールの間にあって前記ベースに開口部を形成すると共に、前記風上側半導体モジュールのそれぞれをコの字形に囲むと共に前記開口部を覆うように筐体の吸気口に連通するダクトを前記ベースの前記半導体モジュール設置面に備えていることを特徴とする。
【００１７】
上記における開口部の形状として、前記開口部の端面が前記ベースの水平面に対して垂直に形成されていることを特徴とする。
また上記において、前記開口部の形状を、前記半導体モジュールの取付け側は、前記ベースの垂直面から風上側に偏倚させるとともに前記フィンの取り付け側は、前記ベースの垂直面から風下側に偏倚させて前記ベースを斜めに貫通する形状としたことを特徴とする。
【００１８】
さらに上記において前記開口部は、前記対となった前記風上側半導体モジュールと前記風下側半導体モジュール対応に複数設けたことを特徴とする。
また上記において前記複数設けた開口部を繋げて１つにしたことを特徴とする。
【００１９】
上記において前記風上側風洞を設けずに外部から吸入した空気を前記ダクトに直に通過させる構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、風上側フィンからの熱を受けない空気を、ダクトを通して風下側のフィンの根元に直接送ることができるため、風上側半導体モジュールが発生する熱の煽りを受け易い風下側半導体モジュールの温度を下げることができる。また、風上側のフィンを通過しない空気を風下側フィンのベースにより多く供給できるため、ヒートシンク全体の圧力損失を低減することが可能になると共に半導体モジュールを効率良く冷却することができる。
【００２２】
またダクト形状をコの字形にして風上側半導体モジュールを囲むように構成することで、風上側半導体モジュールの周囲に空気を流さず、ベースに設けた開口部に空気を供給することができるため、冷却ファンの出力を上げても半導体モジュールの端子に塵や埃を付着させることがない。また冷却ファンによりフィンの空気を吸い込む構造にしているため、風上側フィンの放熱を受けない空気をベースに設けた開口部から風下側フィンの根元に供給することができるため、風下側のフィンの温度が下がり、風下側に配置した半導体モジュールの温度を効率良く下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの主要部であるヒートシンクの構造を説明するための斜視図である。
【図２】図１に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンクの変形例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの主要部であるヒートシンクの構造を説明するための斜視図である。
【図５】図４の強制空冷式ヒートシンクにおけるダクトを取外した状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図である。
【図７】図６に示した本発明の第２の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図である。
【図９】図８に示した本発明の第３の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの変形例を示す断面図である。
【図１０】従来の強制空冷式ヒートシンクの構造を示した斜視図である。
【図１１】図１０に示した従来の強制空冷式ヒートシンクの筐体からヒートシンクを取出して示した斜視図である。
【図１２】図１０に示した従来の強制空冷式ヒートシンクの空気の流れ（気流）を示した断面図である。
【図１３】特許文献１に示された強制空冷式ヒートシンクの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１ないし図３を用いて本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの主要部であるヒートシンクの構造を説明するための斜視図である。図１においてヒートシンク１のベース２の一方の面には、風上側から風下側に風上側半導体モジュール４ａと風下側の半導体モジュール４ｂが対になって設置されている。なお、ベース２は銅などの高熱伝導材料で構成されている。そして対になって設置された風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に複数の開口部９がベース２に形成されている。図示例では３つの開口部が風上側半導体モジュール４ａと風下側の半導体モジュール４ｂの間に形成されている。そしてベース２の他方の面に垂直に且つ互いに平行に並べて銅などの高熱伝導材料からなる複数のフィン３が形成されている。その結果、上流から下流に向かう空気の流れ（気流）は、平行した簾状のフィン３の間を通過することになる。
【００２５】
図２は、図１に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンクの変形例を示す図である。図２に示す変形例においては、図１に示した複数の開口部を繋いで１つの開口部９を形成されている点が異なるのみで、他の構成は図１に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンクと同様である。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図であり、図１０に示すのと同様の筐体内に収納され、さらに図１及び図２に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンク１の対になって設置された風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂを通る面で破断したもので、ベースの肉厚部分の斜線表示およびその余の破断部の肉厚並びにその破断箇所について図示省略している。
【００２７】
図３において本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクは、図１及び図２に示した本発明の第１の実施形態におけるヒートシンク１が筐体６内に納められ、吸気口12側及び冷却ファン５側にそれぞれに風洞８ａ，８ｂおよび風洞８ｂに繋げて冷却ファン５が設けられているのが看て取れる。また風上側風洞８ａには、風上側風洞開口部８ｃが形成されている。そしてベース２に形成された開口部９の形状は、図１及び図２では必ずしも明瞭に看て取れなかったが、図３に示される断面図から明らかなように、ベース２上の半導体モジュール４ａ，４ｂの取付け側は、ベース垂直面から風上側に偏倚させるとともにベース２のフィン３の取り付け側は、ベース垂直面から風下側に偏倚させてベース２を斜めに貫通するように構成する。
【００２８】
本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクでは、開口部９をこのような形状とすることにより、ベース２の開口部９を通過する空気とフィン３の風上側から風下側に流れる空気をスムーズに合流させることができる。これにより、圧力損失を低減させると共に空気のよどみを無くすことができるため、冷却性能を向上させることができる。
【００２９】
また本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクにおける全体の空気の流れは、外部から吸気口12を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）は、風上側風洞８ａを経由して、フィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り、冷却ファン５を通過して外部に放出（風下側気流７ｂ）される。その一方、風上側風洞８ａを経由し、風上側風洞開口部８ｃからベース２上を通過する空気は、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に形成された上記形状の開口部９を経由して、フィン３に供給される。その結果、外部から風上側風洞８ａおよび風上側風洞開口部８ｃを経由してベース２上を通過する空気（風上側気流７ａ）を風上側のフィン３による放熱を受けずに風下側のフィン３に供給することができるので、風下側の冷却性能を向上させることができる。
【００３０】
［第２の実施形態］
図４ないし図７を用いて本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの主要部であるヒートシンクの構造を説明するための斜視図である。図４においてヒートシンク１のベース２の一方の面には、風上側から風下側に風上側半導体モジュール４ａと風下側の半導体モジュール４ｂが対になって設置されている。なお、ベース２は銅などの高熱伝導材料で構成されている。そして対になって設置された風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に複数（図示例では２つ）の開口部９（図５参照）がベース２に形成され、当該開口部９が覆われるように且つ風上側半導体モジュール４ａのそれぞれをコの字形で仕切るようにダクト10を設けている。そしてベース２の他方の面に垂直に且つ互いに平行に並べて銅などの高熱伝導材料からなる複数のフィン３が形成されている。その結果、上流から下流に向かう空気の流れ（気流）は、平行した簾状のフィン３の間を通過することになる。また風上側半導体モジュール４ａおよび風下側半導体モジュール４ｂには主端子11ａおよび制御端子11ｂがそれぞれ設けられている。
【００３１】
図５は、図４に示したヒートシンクにおけるダクトを取外した状態を示す斜視図である。図４に示したヒートシンク１におけるダクト10を取外すと図５から分かるように、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に、複数（図示例では２つ）の開口部９が設けられているのが看て取れる。また開口部９は、角形の孔に限らず、丸形の孔や楕円形状等その他の形状の孔でも良い。なお図５に示されている複数の開口部を繋いで１つの開口部９にしても良い。
【００３２】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図であり、図１０に示すのと同様の筐体内に収納され、さらに図４に示した本発明の第２の実施形態におけるヒートシンク１の風上側に延び外気を吸入するダクト10を通る面で破断したもので、ベースの肉厚部分の斜線表示およびその余の破断部の肉厚並びにその破断箇所について図示省略している。
【００３３】
図６において本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクは、図４に示した本発明の第２の実施形態におけるヒートシンク１が筐体６内に納められ、吸気口12側及び冷却ファン５側にそれぞれに風洞８ａ，８ｂおよび風洞８ｂに繋げて冷却ファン５が設けられているのが看て取れる。
【００３４】
図６において吸気口12から取込んだ空気（風上側気流７ａ）は、風上側風洞８ａを経由して、フィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り、冷却ファン５により外部へ放出（風下側気流７ｂ）される。その一方、風上側風洞８ａからダクト10を通過する空気は、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間のベース２に形成された開口部９ａを経由して、風下側のフィン３に供給される。ここで開口部９ａの端面は、ベース２の水平面に対して垂直に形成されている。このように本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成であれば、ダクト10を経由して開口部９ａに外気を導くことで風上側のフィン３による放熱を受けない空気を風下側のフィン３に供給することができるので、風下側の冷却性能を一層向上させることができる。
【００３５】
図７は、図６に示した本発明の第２の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの変形例を示す断面図であり、図６と同じく強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示したものである。図７においては、図６における風上側風洞８ａを削除したうえでダクト10を経由して開口部９ａに外気を導く構成としたことにより、部品点数が減り、製作コストを軽減することができる。
【００３６】
［第３の実施形態］
図８及び図９を用いて本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成について説明する。図８は、本発明の第３の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示した断面図で、図１０に示すのと同様の筐体内に収納され、さらに図４に示した本発明の第２の実施形態と同様に、ヒートシンク１の風上側に延び外気を吸入するダクト10を通る面で破断したもので、その破断箇所及び破断面について図示省略している。図８に示した本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの基本構造は、図６に示した本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの構成と同じだが、開口部９ｂの構造を図６に示した本発明の第２の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの開口部９ａの構造に代えて、図３に示した本発明の第１の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクの開口部９と同じ構造にしたものである。
【００３７】
図８に示す断面図から明らかなように、本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクにおける開口部９ｂの形状は、ベース２上の半導体モジュール４ａ，４ｂの取付け側は、ベース垂直面から風上側に偏倚させるとともにベース２のフィン３の取り付け側は、ベース垂直面から風下側に偏倚させてベース２を斜めに貫通するように構成する。
【００３８】
また図８では、上記図６と同様に、吸気口12側及び冷却ファン５側にそれぞれに風洞８ａ，８ｂおよび風洞８ｂに繋げて冷却ファン５が設けられているのが看て取れる。また図８では、上記図４及び図６と同様に、開口部９ｂが覆われるように且つ風上側半導体モジュール４ａのそれぞれをコの字形で仕切るようにダクト10が設けられる。
【００３９】
本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクでは、ダクト10を設けたことと開口部９ｂを上記のような形状とすることにより、ベース２の開口部９ｂを通過する空気とフィン３の風上側から風下側に流れる空気をより一層スムーズに合流させることができる。これにより、圧力損失を低減させると共に空気のよどみを無くすことができるため、冷却性能を一層向上させることができる。
【００４０】
また本発明の第３の実施形態に係る強制空冷式ヒートシンクにおける全体の空気の流れは、外部から吸気口12を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）は、風上側風洞８ａを経由して、フィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り、冷却ファン５を通過して外部に放出（風下側気流７ｂ）される。その一方、外部から吸気口12を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）は、外部から風上側風洞８ａおよびダクト10を経由して風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に形成された上記形状の開口部９ｂを経由して、フィン３に供給される。その結果、外部から風上側風洞８ａおよびダクト10を経て取込まれた空気（風上側気流７ａ）を風上側のフィン３による放熱を受けずに風下側のフィン３に供給することができるので、風下側の冷却性能を一層向上させることができる。
【００４１】
図９は、図８に示した本発明の第３の実施形態における強制空冷式ヒートシンクの変形例を示す断面図であり、図８と同じく強制空冷式ヒートシンクの空気の流れの様子を示したものである。図９においては、図８における風上側風洞８ａを削除したうえでダクト10を経由して開口部９ｂに外気を導く構成としたことにより、部品点数が減り、製作コストを軽減することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  ヒートシンク
２  ベース
３  フィン
４ａ  風上側半導体モジュール
４ｂ  風下側半導体モジュール
５  冷却ファン
６  筐体
７ａ  風上側気流
７ｂ  風下側気流
８ａ  風上側風洞
８ｂ  風下側風洞
９，９ａ，９ｂ  開口部
10  ダクト
11ａ  主端子
11ｂ  制御端子
12  吸気口
【図３】
0005794101.tif 000002
【図６】
0005794101.tif 000003
【図７】
0005794101.tif 000004
【図８】
0005794101.tif 000005
【図９】
0005794101.tif 000006
【図１２】
0005794101.tif 000007
【図１】
0005794101.tif 000008
【図２】
0005794101.tif 000009
【図４】
0005794101.tif 000010
【図５】
0005794101.tif 000011
【図１０】
0005794101.tif 000012
【図１１】
0005794101.tif 000013
【図１３】
0005794101.tif 000014