JP2004363417A - 液冷式冷却体 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に冷却液を貫流させるようにした１個の液冷式冷却体によりより多くの発熱体を冷却可能にして冷却装置全体の小形化を図る。
【解決手段】発熱体と接触する冷却体本体を直方体状に形成し、この直方体状の本体の両端面を結ぶ軸を囲う外周の４面を発熱体との接触面とし、冷却体本体内の外周面付近に冷却液の貫流路を設け、冷却液を螺旋状に流すことにより、直方体状の冷却体本体の外周４面に発熱体を接触させて冷却を行なう。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内部に冷却液が貫流する貫流路を設けた、例えば電力用の半導体素子等の発熱体の冷却に使用する液冷式の冷却体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷却体として従来から特許文献１に記載されるような冷却体が知られている。図９ないし図１１にこの従来の冷却体を示す。
【０００３】
図９において、１は冷却体であり、電力用半導体素子７と交互に積層してスタック２７を構成する。このスタック２７は、両端から数トンの力で押圧することにより、冷却体１と半導体素子７とを加圧接触させている。また、冷却体１は、冷却液を通流させるための絶縁パイプ２８を介して相互に接続されている。
【０００４】
このように構成されたスタック２７においては、水等の冷却液を、循環ポンプ３１により、絶縁主パイプ２９、冷却体１、絶縁パイプ２８、熱交換器３０により形成された循環路に循環させ、冷却体１内を貫流される冷却液により半導体素子７が冷却される。
【０００５】
冷却体１は、種々のものがあるがその１例を図１０および図１１に示す。図１０は冷却体１の外観を示す斜視図、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、冷却体１の内部構造を示す各部の断面図である。これらの図に示すように、冷却体１は、熱伝導性および導電性の優れた、例えば銅又はアルミニウム等の金属により平板状の本体１１が形成され、その対向する両主面１２、１３を半導体素子等の発熱体との接触面とする。本体１１の内部に冷却液の貫流する連続した貫流路１４が設けられ、その両端部に絶縁パイプ２８または絶縁主パイプ２９を接続するための口出し部１５、１６が設けられている。
【０００６】
本体１１の内部の貫流路１４は、図１１（ａ）に示すように、本体１の接触面１２、１３と平行な面内で２重の渦巻状に形成され、その両端が口出し部１５、１６に接続される。冷却液は一方の口出し部１５から流入し、内部の貫流路１４を矢印で示すように流れ、他方の口出し部１６から流出する。冷却体１の接触面１２、１３に接触された半導体素子等の発熱体の熱は、冷却体１の接触面１２、１３から本体１１を通り、貫流路１４を貫流する冷却液に伝えられ、冷却液により外部へ運び出されることにより発熱体が冷却される。
【０００７】
このような構成における冷却体の冷却能力を示す熱抵抗（単位はＷ／Ｋ）は冷却液の流量（単位はｌ／ｍｉｎ）が増えると小さくなるが、所定値以下に小さくすることはできない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２４３８８６号公報（第２−３頁、図１５−１７）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の液冷式の．冷却体においては、この冷却体１が直方体（平行６面体）で構成されていても対向する２面が半導体素子等の発熱体に接触されて、発熱体の冷却を行なうが、残りの４面は、発熱体に接触されず、発熱体の冷却には使用されていなかった。このため、多数の発熱体を冷却する場合は、冷却体の個数が増加するため、各冷却体と冷却液配管との接続工数および配管の設置スペースが増大し、装置全体が大形になるとともに価格が高価になるという問題がある。
【００１０】
また、電力変換装置の容量が増大するのに伴って、そこに使用される電力用半導体素子の発生損失が増加するので半導体素子を冷却する冷却体も冷却能力を高める必要があるが、前記した従来の冷却体の場合、冷却能力を向上させるには、冷却液の貫流路を拡大して冷却体本体と冷却液との接触面積を増加させたり、冷却液の流速を上げたりする必要がある。このどちらの場合も冷却液の流量が増加するため、装置全体の冷却液総量が増大し、冷却液配管の口径を拡大したり、冷却液を循環させるポンプを大形にすることが必要になり、これによっても冷却装置全体が大形化するという問題が生じる。
【００１１】
この発明は、上記の問題を解決するため、内部に冷却液を貫流させる液冷式の冷却体を用いた冷却装置全体を小形化することのできる新しい構成の冷却体を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、発熱体と接触する冷却体本体の内部に冷却液を貫流させるようにした液冷式冷却体において、前記冷却体本体を直方体状に形成し、この直方体状の本体の両端面を結ぶ軸線を囲う４面を発熱体との接触面としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却体本体内に、冷却液がこの本体の発熱体との接触面となる４面の表面付近を各面に沿いながらこの本体の一方の端面から他方の端面側へ旋回して流れるように形成された冷却液の貫流路を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、冷却体本体の中心部にその軸線方向に貫通する空洞を形成したことを特徴とする。
【００１５】
さらに、請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記冷却体本体の空洞内に冷却体本体を貫流した冷却液を戻すことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、前記各発明における冷却体本体を複数に分割された分割体と仕切板によって構成することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【００１８】
図１は、この発明の第１の実施例による冷却体の外観を示す斜視図、図２は、この実施例の冷却体を分解して示す斜視図である。
【００１９】
図１において、５は液冷式の冷却体であり、内部に冷却液の貫流される貫流路を有し、高熱伝導性材で形成された直方体（平行６面体）状の冷却体本体５２を備えている。この冷却体本体５２の前後面５２ａと５２ｂを結ぶ軸線Ｘを囲む４面、すなわち、上下面５２ｃ、５２ｄおよび左右面５２ｅ、５２ｆを発熱体との接触面とし、この各接触面に半導体素子等の発熱体７１〜７４が熱伝導的に接合される。
【００２０】
本体５２は、内部に冷却液の貫流路を形成するために、軸線Ｘ方向に複数に分割された分割体５３ａ〜５３ｆと、仕切板５４ａ〜５４ｇとを備え、この分割体と仕切板とを交互に配列して、相互に液密的に結合して一体に構成している。
【００２１】
分割体および仕切板の内部の構成を明らかにするため、冷却体本体５２を分解して図２に示す。
【００２２】
この図２に示されるように、分割体５３ａ〜５３ｆはみんな同じ形状をしており、本体５２の発熱体との接触面となる外周面の内側に、その厚さ方向に貫通したコ字状の溝５３１を有する。また、仕切板５４ａ〜５４ｇは、それぞれ分割体５３と接合したとき分割体の溝５３１の端部と対向する位置に開口５４１を１個備えており、これもすべて同じ形状である。
【００２３】
複数の仕切板５４ａ〜５４ｇおよび分割体５３ａ〜５３ｆは、図２に示すようにそれぞれ反時計方向に９０°づつずらせて交互に直線的に配列される。このように配列された複数の仕切板と分割体とを互いに液密的に結合することにより、図１に示すように一体的な冷却体本体５２を構成することができる。このとき、各分割体の溝５３１ａ〜５３１ｆが、間の仕切板の開口５４１ａ〜５４１ｇを通じて相互に連通される。
【００２４】
このため、冷却体本体５２の内部には、図３に示すように、左端の仕切板５４ａの開口５４１ａから右端の仕切板５４ｇの開口５４１ｇへ通じる、点線矢印で示すように各分割体の外周面に沿って時計方向に旋回しながら本体５２の軸線Ｘ方向へ向かう螺旋状の１本の冷却液貫流路５５が形成される。開口５４１ａから供給された冷却液は各分割体５３の内部を発熱体との接触面となる外周面に沿って旋回しながら軸線Ｘ方向へ流れ、右端の仕切板５４ｆの開口５４１ｆから本体の外へ流出する。この過程で、冷却液が本体５２の接触面５２ｃ〜５２ｆに接合された発熱体７１〜７４から伝達された熱を吸収することによりこれらを冷却する。
【００２５】
このようなこの発明の実施例の冷却体によれば、直方体状の本体５２の内部に冷却液がこの本体の軸線Ｘを囲む外周の４面に沿って旋回しながら軸線Ｘ方向へ流れる螺旋状の貫流路５５を形成したので、冷却体本体の両端面を除く４面のそれぞれに発熱体を接合して、これを冷却することができる。
【００２６】
この際、冷却液は、貫流路５５における、各分割体５３ａ〜５３ｆ内のコ字状溝５３１ａ〜５３１ｆの角部および一つの分割体から間の仕切板５４ａ〜５４ｇの開口５４１ａ〜５４１ｇを介して次の分割体へ渡る部分において流れの方向を直角に変えるので、この部分で冷却液の流れが乱され渦を発生し、冷却液の流れが全体に撹拌されることにより、貫流路内における冷却液の温度が均一化されるため、冷却液の冷却効果を高めることができる。
【００２７】
次に、図４および図５示すこの発明の第２の実施例について説明する。
【００２８】
図４は、第２の実施例の冷却体の外観を示す斜視図、図５は冷却体本体５２を分解して示す斜視図である。
【００２９】
この実施例は、図５から明らかなように、仕切板５４ａ〜５４ｇおよび分割体５３ａ〜５３ｆの中心部に中心開口５４２ａから５４２ｇおよび５３２ａ〜５３２ｆが設けられいる点が、前記の第１の実施例とは異なるだけで、その他の構成は全く同じである。このように中心開口を設けた仕切板５４ａ〜５４ｇと分割体５３ａ〜５３ｆを複数個交互に直線的に配列して、液密的に結合することにより、冷却体本体の中心部に軸線Ｘ方向に貫通する空洞５６が形成される（図４参照）。
【００３０】
冷却体本体５２には、その外周面付近にこれに沿って冷却液が螺旋状に貫流する貫流路５５が設けられている関係で、本体の中心部分は発熱体の冷却作用にはほとんど効果を発揮しない部分であるため、この部分に空洞を形成しても、冷却液による冷却作用にはほとんど影響がないのである。むしろこのように冷却体本体の中心部分に空洞を設けることによって冷却体の重量が軽減されるため、装置全体の軽量化に効果がある。また、この空洞から冷却体本体の熱が大気中へ放熱されるのを幾分か期待できるので、その分だけ冷却体の冷却効果を向上させることができる。
【００３１】
さらに、冷却体の中心部に空洞を設けた第２の実施例においては、図６に示すように冷却体本体の一方端から供給され、内部を貫流して他方端から流出した冷却液を点線矢印で示すように空洞５６へ戻すようにすることができる。このようにすると、冷却体本体５２の全体の温度が均一化されるため、発熱体の局部過熱を解消することができる。これによって半導体素子のように局部的な加熱を嫌う発熱体の場合は、その局部加熱が解消され、寿命を延ばすのに効果がある。
【００３２】
前記実施例において、冷却体本体５２内に冷却液の貫流路を形成するための分割体５３ａ〜５３ｆとしては、図２におよび図４に示すもの以外に図７および図８に示すような分割体を使用することができる。
【００３３】
図７に示す分割体５３は、方形、望ましくは正方形の適当な厚さの高熱伝導性板材を額縁状に切り抜いて形成された枠体５３５と十字状の仕切壁５３６とにより構成される。仕切壁５３６を枠体５３５の内室内に挿入して枠体５３５の１辺により支持固定することにより、枠体の内室を４室に区画する。仕切壁５３６枠体５３５に支持された片以外の３片の先端は、枠体５３５の内面との間に所定の隙間をおいて対向する。枠体５３５の肉厚は、内部を流れる冷却液の圧力および外部から接触される発熱体の接触圧力に耐える厚さあれば十分であり、冷却効果を高めるため可能な限り薄く形成するのがよい。
【００３４】
分割体５３を仕切るための仕切板５４は、分割体と接合したとき、枠体内の区画された１室に対向する位置に開口５４１を有する。
【００３５】
このような、仕切板５４と分割体５３とを所要個数交互に直線的に配列して一体的に結合することによって前記の実施例の場合と同様に周囲の４面に発熱体との接触面を有する冷却体本体５２を形成することができる。
【００３６】
分割体５３内の冷却液の貫流路は、図７に点線の矢印で示すように、前面の仕切板５４ａの開口５４１ａから分割体５３の第１室Ａに流入した冷却液が、この第１室を区画する仕切壁の第１片の先端と枠体内面との隙間を通して第二室Ｂへ流れ込むように形成される。そして、この貫流路は、第２室Ｂに流入した冷却液が仕切壁の第２片の先端と枠体内面との隙間を通して第３室Ｃへ流入し、さらにこの第３室から仕切壁の第３片の先端と枠体内面との隙間を通して第４室Ｄへ流れ込み、後面の仕切板５４ｂの開口５４１ｂから図示しない次段の分割体内へ流入し、最終段の分割体から流出するように続く。
【００３７】
この実施例における貫流路も、前記実施例と同様に冷却体本体内に外周面付近をこれに沿って旋回しながら軸方向へ向かう螺旋状の貫流路となるが、この実施例における特徴は、冷却体本体５２の発熱体接触面の中央部において仕切壁によって断面積の縮小された冷却液貫流路が形成されるため、この部分で、冷却液の貫流速度が上昇し、冷却効果が高められること、および冷却体本体を軽量化できることである。
【００３８】
この実施例において、十字状の仕切壁５３６を例えば弾性を有する金属の薄板で構成しこれに弾性を持たせることができる。このように弾性を有する仕切壁５３６を用いた場合、冷却体本体に冷却液が貫流することき、その圧力に応じて、仕切壁５３６の支持片を除く３片の先端部が、図８に示すように、変曲して枠体のない壁面との隙間の大きさが調整され、この部分での冷却液の流速を最適な値に保つことができるようになる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、発熱体と接触する冷却体本体の内部に冷却液を貫流させるようにした液冷式冷却体において、前記冷却体本体を直方体状に形成し、この直方体状の本体の両端面を結ぶ軸線を囲う４面を発熱体との接触面としているので、１個の冷却体により最大４個の発熱体を冷却することができ、多数の発熱体を冷却する場合は、冷却体の個数を減らすことができるため、装置全体を小形にすることができる効果がある。そして冷却体の使用個数を減じることができることにより冷却液の配管の接続も簡素化されるので、設置スペースの減少および製作工数の低減も可能となる。
【００４０】
また、この発明においては、冷却体本体内に冷却液がこの本体の発熱体との接触面となる４面の表面付近を各面に沿いながらこの本体の一方の端面から他方の端面側へ旋回して流れるように形成された冷却液の貫流路を設けているので、冷却体の冷却効果を高めることができる。
さらに、この発明においては、冷却体本体の中心部にその軸線方向に貫通する空洞を形成することにより、冷却体の軽量化ができ、そして、この空洞に冷却体本体を貫流した冷却液を戻すようにすることにより、冷却体全体の温度を均一化できるため、発熱体全体が均一に冷却可能となる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による冷却体の外観を示す斜視図。
【図２】この発明の第１の実施例の冷却体を分解して示す斜視図。
【図３】この発明の第１の実施例による冷却体における冷却液の貫流路を説明するための斜視図。
【図４】この発明の第２の実施例の冷却体を分解して示す斜視図。
【図５】この発明の第２の実施例による冷却体の外観を示す斜視図。
【図６】この発明の第３の実施例の冷却体を分解して示す斜視図。
【図７】この発明の第４の実施例の冷却体の要部を示す斜視図。
【図８】この発明の第４の実施例の変形例を示す冷却体の要部の斜視図。
【図９】従来の冷却体装置を示す概略構成図。
【図１０】従来の冷却体の外観を示す斜視図。
【図１１】従来の冷却体の内部構造を示すもので、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線の断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線の断面図。
【符号の説明】
５ 冷却体
５２ 冷却体の本体
５３（ａ〜ｆ） 分割体
５３１（ａ〜ｆ） コ字状溝
５４（ａ〜ｇ） 仕切板
５４１（ａ〜ｇ） 開口
５５ 冷却液貫流路
７１から７４ 発熱体

Claims (5)

1. 発熱体と接触する冷却体本体の内部に冷却液を貫流させるようにした液冷式冷却体において、前記冷却体本体を直方体状に形成し、この直方体状の本体の両端面を結ぶ軸を囲う４面を発熱体との接触面としたことを特徴とする液冷式冷却体。
2. 請求項１記載の液冷式冷却体において、冷却体本体内に、冷却液がこの本体の発熱体との接触面となる４面の表面付近を各面に沿いながらこの本体の一方の端面から他方の端面側へ旋回して流れるように形成された冷却液の貫流路も設けたことを特徴とする液冷式冷却体。
3. 請求項１または２記載の液冷式冷却体において、冷却体本体の中心部にその軸線方向に空洞を形成したことを特徴とする液冷式冷却体。
4. 請求項３記載の液冷式冷却体において、前記空洞内に冷却体本体を貫流した冷却液を戻すことを特徴とする液冷式冷却体。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の液冷式冷却体において冷却体本体が複数の分割体とこの各分割体間および両端を仕切る仕切板とからなり、前記各分割体の内部に外周面付近を外周面に沿って冷却液の貫流する貫流路を設け、各仕切板に、それぞれに接合された分割体の冷却液の貫流路に部分的に連通する開口を設け、前記各分割体の冷却液の貫流路を前記仕切壁の開口によって１本に連通したことを特徴とする液冷式冷却体。

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