JP2009266936A - 積層型冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの冷却管に対して複数の発熱体が冷却媒体流れ方向に直列に配置された積層型冷却器において、冷却媒体流れ下流側に配置された発熱体に対する冷却性能を向上させる。
【解決手段】複数の冷却管３を、冷却管３と交互に配置される電子部品２を両面から挟持できるように積層配置し、電子部品２を１つの冷却管３に対して複数設けるとともに、冷却媒体の流れ方向に直列に配置し、電子部品２を、冷却管３における冷却管幅方向略中央部に配置し、冷媒通路３０内に、冷媒通路３０の冷却管幅方向外側を流れている冷却媒体を、冷媒通路３０の冷却管幅方向内側へ導く第１、第２ガイド壁４１、４２と、冷媒通路３０の冷却管幅方向内側を流れている冷却媒体を、冷媒通路３０の冷却管幅方向外側へ導く第３ガイド壁４３とを設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数の発熱体を両面から冷却するための積層型冷却器に関する。

従来、半導体素子を内蔵した半導体モジュール（発熱体）の放熱を行うために、半導体モジュールを両面から挟持するように冷却管を配設して構成される積層型冷却器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この積層型冷却器においては、半導体モジュールと冷却管とが交互に積層された構成となっている。そして、積層された複数の冷却管は、連通部材によって連通され、冷却媒体が各冷却管に流通するよう構成されている。さらに、１つの冷却管に対して、複数の半導体モジュールが冷却媒体流れ方向に直列に配置されている。
特開２００５−１９１５２７号公報

しかしながら、上記従来の積層型冷却器において、小型化やコスト削減のために、図７（ａ）に示すように半導体モジュールＪ２への半導体素子Ｊ２０の集積化を図ると、半導体モジュールＪ２全体の発熱量が増大してしまう。このため、図７（ｂ）に示すように、冷却媒体流れ下流側では冷却媒体温度が上昇し、冷却管Ｊ３の表面温度が上昇する。その結果、冷却媒体流れ下流側に配置された半導体モジュールＪ２を十分に冷却できず、半導体素子Ｊ２０の許容温度を超えてしまうという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、１つの冷却管に対して複数の発熱体が冷却媒体流れ方向に直列に配置された積層型冷却器において、冷却媒体流れ下流側に配置された発熱体に対する冷却性能を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷却媒体が流通する冷媒通路（３０）を有する扁平状に形成された複数の冷却管（３）と、複数の冷却管（３）を連通する連通部材（４）とを備え、複数の冷却管（３）は、発熱体（２）と当接する２つの面（３１１ａ、３１２ａ）を有しているとともに、冷却管（３）と交互に配置される発熱体（２）を両面から挟持できるように積層配置されており、発熱体（２）は、冷却管（３）の２つの面（３１１ａ、３１２ａ）のそれぞれに対して複数個ずつ設けられているとともに、冷却媒体の流れ方向に直列に配置されており、発熱体（２）は、１つの冷却管（３）に対して複数設けられているとともに、冷却媒体の流れ方向に直列に配置されており、冷却管（３）の積層方向および冷却媒体の流れ方向に対して共に直交する方向を、冷却管幅方向としたとき、発熱体（２）は、冷却管（３）における冷却管幅方向略中央部に配置されており、冷媒通路（３０）内には、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向外側を流れている冷却媒体を、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向内側へ導く第１ガイド部材（４１、４２）と、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向内側を流れている冷却媒体を、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向外側へ導く第２ガイド部材（４３）とが設けられていることを特徴としている。

発熱体（２）が冷却管（３）の冷却管幅方向略中央部に配置されている場合、冷却管（３）における発熱体（２）と対向する部位を通過した冷却媒体のうち、冷却管幅方向内側（冷却管幅方向における中央部近傍）を通過した冷却媒体の温度が、冷却管幅方向外側（冷却管幅方向における両縁部）を通過した冷却媒体の温度より高くなる。

このため、冷却管（３）内に第１ガイド部材（４１、４２）を設け、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向外側を流れている比較的低温の冷却媒体を、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向内側へ導くとともに、冷却管（３）内に第２ガイド部材（４３）を設け、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向内側を流れている比較的高温の冷却媒体を、冷媒通路（３０）の冷却管幅方向外側へ導くことで、第１、第２ガイド部材（４１〜４３）の冷却媒体流れ下流側において、冷却管幅方向中央部を流れる冷却媒体の温度を低下させることができる。これにより、冷却媒体流れ下流側に配置された発熱体（２）に対する冷却性能を向上させることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、冷却管（３）は、発熱体（２）と当接する第１主面（３１１ａ）を有する第１管壁（３１１ｂ）に面した第１冷媒通路（３０１）と、第１主面（３１１ａ）の反対側において発熱体（２）と当接する第２主面（３１２ａ）を有する第２管壁（３１２ｂ）に面した第２冷媒通路（３０２）とを設けて、冷媒通路を冷却管（３）の積層方向に２段形成して構成されており、第１冷媒通路（３０１）と第２冷媒通路（３０２）とは、第１管壁（３１１ｂ）と第２管壁（３１２ｂ）との間に配設された仕切部材（３２）によって互いに仕切られており、第１冷媒通路（３０１）および第２冷媒通路（３０２）内には、第１ガイド部材（４１、４２）および第２ガイド部材（４３）がそれぞれ設けられており、第１ガイド部材（４１）および第２ガイド部材（４２）は、第１、第２管壁（３１１ｂ、３１２ｂ）および仕切部材（３２）の少なくとも一方に、それぞれ形成されていることを特徴としている。これによれば、２段形成された２つの冷媒通路（３０１、３０２）において、冷却媒体流れ下流側に配置された発熱体（２）に対する冷却性能を向上させることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明のように、第１ガイド部材（４１）は仕切部材（３２）に形成されており、第２ガイド部材（４２）は第１、第２管壁（３１１ｂ、３１２ｂ）に形成されていてもよい。

また、請求項４の記載の発明では、冷却管（３）は、第１、第２管壁（３１１ｂ、３１２ｂ）を構成する一対の外殻プレート（３１）と、一対の外殻プレート（３１）間に配置され、仕切部材を構成する中間プレート（３２）とを有しており、中間プレート（３２）と外殻プレート（３１）との間に、第１冷媒通路（３０１）および第２冷媒通路（３０２）がそれぞれ形成されていることを特徴としている。これによれば、冷却管（３）を容易に製造することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る積層型冷却器１を示す正面図である。

図１に示すように、本実施形態の積層型冷却器１は、複数の電子部品２を両面から冷却するもので、冷却媒体を流通させる冷媒通路３０（図２参照）を有する扁平形状の複数の冷却管３と、複数の冷却管３を連通する連通部材４とを備えている。複数の冷却管３は、電子部品２を両面から挟持できるように複数個積層配置されている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、冷却管３には、電子部品２と当接する第１主面３１１ａを有する第１管壁３１１ｂに面した第１冷媒通路３０１と、第１主面３１１ａの反対側において電子部品２と当接する第２主面３１２ａを有する第２管壁３１２ｂに面した第２冷媒通路３０２とが設けられている。

具体的には、本実施形態の冷却管３は、いわゆるドロンカップ構造となっている。すなわち、冷却管３は、一対の外殻プレート３１と、一対の外殻プレート３１の間に配置される中間プレート３２とを有している。これにより、外殻プレート３１と中間プレート３２との間には、第１冷媒通路３０１および第２冷媒通路３０２がそれぞれ形成されている。したがって、冷却管３には、冷媒通路３０が冷却管３の厚み方向、すなわち冷却管３の積層方向に二段形成されている。なお、中間プレート３２が、本発明の仕切部材に相当している。

以下、一対の外殻プレート３１のうち、中間プレート３２とともに第１冷媒通路３０１を形成するものを第１外殻プレート３１１といい、中間プレート３２とともに第２冷媒通路３０２を形成するものを第２外殻プレート３１２ともいう。したがって、第１外殻プレート３１１は第１管壁３１１ｂを構成しており、第２外殻プレート３１２は第２管壁３１２ｂを構成している。

外殻プレート３１と中間プレート３２との間、すなわち第１冷媒通路３０１内および第２冷媒通路３０２内には、冷却媒体と冷却管３との伝熱面積を増加させるインナーフィン３３が配設されている。インナーフィン３３は波状に形成されており、これにより各冷媒通路３０１、３０２は、冷却管３の長手方向および厚み方向にともに直交する方向（以下、冷却管３の幅方向という）に複数に区画されている。

図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図３に示すように、インナーフィン３３は、冷却媒体の流れ方向に直列に２つ配設されており、各インナーフィン３３の間には、所定の隙間３２０が形成されている。以下、２つのインナーフィン３３のうち、冷却媒体流れ上流側に配置されるものを上流側インナーフィン３３ａといい、冷却媒体流れ下流側に配置されるものを下流側インナーフィン３３ｂという。

電子部品２の幅方向の長さは、冷却管３の幅方向の長さより短くなっている。また、電子部品２は、冷却管３の幅方向の略中央部に配置されている。

図１に戻り、電子部品２は、冷却管３の第１、第２外殻プレート３１１、３１２のそれぞれに対して２個ずつ設けられている。換言すると、１枚の第１外殻プレート３１１に対して２個の電子部品２が設けられるとともに、１枚の第２外殻プレート３１２に対して２個の電子部品２が設けられている。各外殻プレート３１１、３１２に設けられた２つの電子部品２は、それぞれ冷却媒体の流れ方向に直列に配置されている。

また、冷却管３の外殻プレート３１における長手方向両端部には、外側、すなわち隣接する他の冷却管３側に突出する略円筒状のフランジ部３４が形成されている。そして、隣接する冷却管３のフランジ部３４同士をろう付けにより接合することにより、複数の冷却管３を連通する連通部材４が形成されている。

複数の冷却管３のうち積層方向最外側に配置される冷却管３を外側冷却管３ａとしたとき、２つの外側冷却管３ａのうち一方の外側冷却管３ａの長手方向両端部には、冷却媒体を積層型冷却器１に導入するための冷媒導入口４０１と、冷却媒体を積層型冷却器１から排出するための冷媒排出口４０２とがそれぞれ接続されている。冷媒導入口４０１および冷媒排出口４０２は、ろう付けにより一方の外側冷却管３ａに接合されている。なお、本実施形態の冷却管３、連通部材４、冷媒導入口４０１および冷媒排出口４０２は、アルミニウム製である。

冷媒導入口４０１から導入された冷却媒体は、連通部材４を通って長手方向における一方の端部から各冷却管３に流入し、それぞれの冷媒通路３０内を他方の端部に向かって流れる。そして、冷却媒体は、連通部材４を通って冷媒排出口４０２から排出される。このように、冷却媒体が冷媒通路３０を流通する間に、電子部品２との間で熱交換を行って、電子部品２を冷却するようになっている。なお、冷却媒体としては、本実施形態ではエチレングリコール系の不凍液が混入した水を用いている。

図４は、図１のＣ−Ｃ断面図である。図４に示すように、本実施形態の電子部品２は、ＩＧＢＴ等の半導体素子２０とダイオード（図示せず）とを内蔵した半導体モジュールである。そして、半導体モジュールは、自動車用インバータの一部を構成している。本実施形態では、１つの半導体モジュール（電子部品２）内に、２つの半導体素子２０が配置されている。２つの半導体素子２０は、冷却管３内の冷却媒体流れ方向に対して直列に配置されているとともに、冷却管３の幅方向における略中央部に配置されている。

図５は、本実施形態における冷却管３を示す分解斜視図である。なお、図５において、第２外殻プレート３１２と中間プレート３２の間に配置されるインナーフィン３３は、図示を省略している。

図５に示すように、中間プレート３２における２つのインナーフィン３３間の隙間３２０に対応する部位には、第１外殻プレート３１１側に三角錐状に突出する２つの第１ガイド壁４１が打ち出し成形されている。２つの第１ガイド壁４１は、下流側インナーフィン３３ｂ寄りに配置されている。さらに、２つの第１ガイド壁４１は、各第１ガイド壁４１が下流側インナーフィン３３ｂの幅方向両端部にそれぞれ対向するように、所定距離離間して配置されている。

第１ガイド壁４１は、第１冷媒通路３０１において、幅方向外側を流れていた冷却媒体が幅方向中央部に向かって流れるように、冷却媒体流れの向きを変更できるように構成されている。具体的には、第１ガイド壁４１における三角錐の底面（中間プレート３２上にある仮想面）が略直角三角形状になっているとともに、底面の直角部分が幅方向外側かつ冷却媒体流れ下流側（すなわち下流側インナーフィン３３ｂ側）に配置されている。このとき、第１ガイド壁４１における三角錐の底面の斜辺が、冷却媒体流れ下流側に向かうにつれて幅方向中央部に近づく方向に傾斜している。

また、中間プレート３２における２つのインナーフィン３３間の隙間３２０に対応する部位には、第２外殻プレート３１２側に三角錐状に突出する２つの第２ガイド壁４２が打ち出し成形されている。２つの第２ガイド壁４２は、上流側インナーフィン３３ａ寄りに配置されている。さらに、２つの第２ガイド壁４２は、各第２ガイド壁４２が上流側インナーフィン３３ａの幅方向両端部にそれぞれ対向するように、所定距離離間して配置されている。

第２ガイド壁４２は、第２冷媒通路３０２において、幅方向外側を流れていた冷却媒体が幅方向中央部に向かって流れるように、冷却媒体流れの向きを変更できるように構成されている。具体的には、第１ガイド壁４１と同様、第２ガイド壁４２における三角錐の底面（中間プレート３２上にある仮想面）が略直角三角形状になっているとともに、底面の直角部分が幅方向外側かつ冷却媒体流れ下流側（すなわち下流側インナーフィン３３ｂ側）に配置されている。このとき、第２ガイド壁４２における三角錐の底面の斜辺が、冷却媒体流れ下流側に向かうにつれて幅方向中央部に近づく方向に傾斜している。なお、第１、第２ガイド壁４１、４２が、本発明の第１ガイド部材に相当している。

また、外殻プレート３１における２つのインナーフィン３３間の隙間３２０に対応する部位には、冷媒通路３０側に三角錐状に突出する第３ガイド壁４３が打ち出し成形されている。第３ガイド壁４３は、冷媒通路３０において、幅方向中央部近傍を流れていた冷却媒体が幅方向外側に向かって流れるように、冷却媒体流れの向きを変更できるように構成されている。

具体的には、第３ガイド壁４３における三角錐の底面（外殻プレート３１上にある仮想面）が二等辺三角形状になっているとともに、底面の底辺が幅方向に対して略平行に配置されている。さらに、第３ガイド壁４３における三角錐の底面の底辺は、頂角より冷却媒体流れ下流側に配置されている。なお、第３ガイド壁４３が、本発明の第２ガイド部材に相当している。

第１外殻プレート３１１に形成された第３ガイド壁４３は、一対の外殻プレート３１と中間プレート３２を組み付けた際に、第１ガイド壁４１と干渉しない部位に配設されている。本実施形態では、第１外殻プレート３１１に形成された第３ガイド壁４３は、第１ガイド壁４１の冷媒流れ上流側に配置されている。

同様に、第２外殻プレート３１２に形成された第３ガイド壁４３は、一対の外殻プレート３１と中間プレート３２を組み付けた際に、第２ガイド壁４２と干渉しない部位に配設されている。本実施形態では、第２外殻プレート３１２に形成された第３ガイド壁４３は、第２ガイド壁４２の冷媒流れ下流側に配置されている。

本実施形態のように、電子部品２が冷却管３の冷却管幅方向略中央部に配置されている場合、冷却管３における電子部品２と対向する部位を通過した冷却媒体のうち、冷却管幅方向内側（冷却管幅方向における中央部近傍）を通過した冷却媒体の温度が、冷却管幅方向外側（冷却管幅方向における両縁部）を通過した冷却媒体の温度より高くなる。

このため、冷却管３内に第１、第２ガイド壁４１、４２を設け、冷媒通路３０の冷却管幅方向外側を流れている比較的低温の冷却媒体を、冷媒通路３０の冷却管幅方向内側へ導くとともに、冷却管３内に第３ガイド壁４３を設け、冷媒通路３０の冷却管幅方向内側を流れている比較的高温の冷却媒体を、冷媒通路３０の冷却管幅方向外側へ導くことで、第１〜第３ガイド壁４１〜４３の冷却媒体流れ下流側において、冷却管幅方向中央部を流れる冷却媒体の温度を低下させることができる。これにより、冷却媒体流れ下流側に配置された電子部品２に対する冷却性能を向上させることが可能となる。

さらに、本実施形態では、第１〜第３ガイド壁３１〜４３を、中間プレート３２における２つのインナーフィン３３間の隙間３２０に対応する部位、すなわち冷媒流れ方向に直列に配置された２つの電子部品２間の隙間に対応する部位に設けることで、冷媒流れ上流側に配置された電子部品２と熱交換して高温になった冷却媒体を冷却管幅方向両縁部に流出させ、当該電子部品２と熱交換していない比較的低温な冷却媒体を幅方向中央部近傍に流入させることができる。これにより、当該電子部品２と熱交換していない比較的低温な冷却媒体を、冷媒流れ下流側に配置された電子部品２との熱交換に用いることができるため、冷却媒体流れ下流側に配置された電子部品２に対する冷却性能をより向上させることが可能となる。

また、冷却管３を、一対の外殻プレート３１と中間プレート３２とから構成された、いわゆるドロンカップ構造とすることで、冷却管３を容易に製造することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、第１、第２ガイド壁４１、４２を打ち出し成形した例について説明したが、これに限らず、図６に示すように、第１〜第３ガイド壁４１〜４３を切り起こし成形してもよい。

また、上記実施形態では、第１、第２ガイド壁４１、４２を中間プレート３２に形成し、第３ガイド壁４３を外殻プレート３１に形成した例について説明したが、第１〜第３ガイド部材４１〜４３は、外殻プレート３１および中間プレート３２の少なくとも一方にそれぞれ形成されていればよく、例えば、第１、第２ガイド壁４１、４２を外殻プレート３１に形成し、第３ガイド壁４３を中間プレート３２に形成してもよい。また、第１〜第３ガイド壁４１〜４３を、中間プレート３２のみに形成してもよいし、外殻プレート３１のみに形成してもよい。

また、上記実施形態では、冷却管３内に冷媒通路３０を２段形成した例について説明したが、これに限らず、冷媒通路３０を分割しなくてもよい。

また、上記実施形態では、電子部品２を、冷却管３の第１、第２外殻プレート３１１、３１２のそれぞれに対して２個ずつ設けた例について説明したが、これに限らず、電子部品２を、冷却管３の第１、第２外殻プレート３１１、３１２のそれぞれに対して３個以上ずつ設けてもよい。

本発明の実施形態に係る積層型冷却器１を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の実施形態における冷却管３を示す分解斜視図である。 他の実施形態における冷却管３を示す分解斜視図である。 （ａ）は従来の積層型冷却器の断面図であり、（ｂ）は積層型冷却器における冷却管表面の温度分布を示す図である。

符号の説明

２…電子部品（発熱体）、３…冷却管、４…連通部材、３０…冷媒通路、３１…外殻プレート、３２…中間プレート（仕切部材）、４１…第１ガイド壁（第１ガイド部材）、４２…第２ガイド壁（第１ガイド部材）、４３…第３ガイド壁（第２ガイド部材）、３０１…第１冷媒通路、３０２…第２冷媒通路、３１１ａ…第１主面、３１１ｂ…第１管壁、３１２ａ…第２主面、３１２ｂ…第２管壁。

Claims (4)

1. 複数の発熱体（２）を両面から冷却する積層型冷却器であって、
   冷却媒体が流通する冷媒通路（３０）を有する扁平状に形成された複数の冷却管（３）と、
   前記複数の冷却管（３）を連通する連通部材（４）とを備え、
   前記複数の冷却管（３）は、前記発熱体（２）と当接する２つの面（３１１ａ、３１２ａ）を有しているとともに、前記冷却管（３）と交互に配置される前記発熱体（２）を両面から挟持できるように積層配置されており、
   前記発熱体（２）は、前記冷却管（３）の前記２つの面（３１１ａ、３１２ａ）のそれぞれに対して複数個ずつ設けられているとともに、前記冷却媒体の流れ方向に直列に配置されており、
   前記冷却管（３）の積層方向および前記冷却媒体の流れ方向に対して共に直交する方向を、冷却管幅方向としたとき、
   前記発熱体（２）は、前記冷却管（３）における前記冷却管幅方向略中央部に配置されており、
   前記冷媒通路（３０）内には、前記冷媒通路（３０）の前記冷却管幅方向外側を流れている前記冷却媒体を、前記冷媒通路（３０）の前記冷却管幅方向内側へ導く第１ガイド部材（４１、４２）と、前記冷媒通路（３０）の前記冷却管幅方向内側を流れている前記冷却媒体を、前記冷媒通路（３０）の前記冷却管幅方向外側へ導く第２ガイド部材（４３）とが設けられていることを特徴とする積層型冷却器。
2. 前記冷却管（３）は、前記発熱体（２）と当接する第１主面（３１１ａ）を有する第１管壁（３１１ｂ）に面した第１冷媒通路（３０１）と、前記第１主面（３１１ａ）の反対側において前記発熱体（２）と当接する第２主面（３１２ａ）を有する第２管壁（３１２ｂ）に面した第２冷媒通路（３０２）とを設けて、前記冷媒通路を前記冷却管（３）の積層方向に２段形成して構成されており、
   前記第１冷媒通路（３０１）と前記第２冷媒通路（３０２）とは、前記第１管壁（３１１ｂ）と前記第２管壁（３１２ｂ）との間に配設された仕切部材（３２）によって互いに仕切られており、
   前記第１冷媒通路（３０１）内および前記第２冷媒通路（３０２）内には、前記第１ガイド部材（４１、４２）および前記第２ガイド部材（４３）がそれぞれ設けられており、
   前記第１ガイド部材（４１）および前記第２ガイド部材（４２）は、前記第１、第２管壁（３１１ｂ、３１２ｂ）および前記仕切部材（３２）の少なくとも一方に、それぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型冷却器。
3. 前記第１ガイド部材（４１）は、前記仕切部材（３２）に形成されており、
   前記第２ガイド部材（４２）は、前記第１、第２管壁（３１１ｂ、３１２ｂ）に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の積層型冷却器。
4. 前記冷却管（３）は、前記第１、第２管壁（３１１ｂ、３１２ｂ）を構成する一対の外殻プレート（３１）と、前記一対の外殻プレート（３１）間に配置され、前記仕切部材を構成する中間プレート（３２）とを有しており、
   前記中間プレート（３２）と前記外殻プレート（３１）との間に、前記第１冷媒通路（３０１）および前記第２冷媒通路（３０２）がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の積層型冷却器。

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