JP2011129699A - 積層型冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載性が向上した積層型冷却装置を提供する。
【解決手段】積層型冷却装置１は、仕切部１５を有しない第二連通部７１の内部に冷却パイプ６２を設け、冷却パイプ６２の開口端は壁面を構成する下側本体６３に接合され、積層型冷却装置１の同一面において第一連通部６１および第二連通部７１に冷媒導入管１０および冷媒排出管５０を設けている。
【選択図】図２

Description

この発明は、積層型冷却装置に関し、より特定的には、半導体を冷却する積層型冷却装置に関するものである。

従来、冷却装置は、たとえば特開２００９−１４１１８３号公報（特許文献１）、特開２００９−５９８８７号公報（特許文献２）および特開平７−９９２７４号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００９−１４１１８３号公報 特開２００９−５９８８７号公報 特開平７−９９２７４号公報

特許文献１では、複数の冷却管と、冷却管の長手方向両端部に配置され、複数の冷却管を連通する第一、第二連通部材と、第一および第二連通部材のうち少なくとも一方の連通部材の内部を上流側と下流側とに仕切る仕切部とを備え、複数の冷却管を、冷却管を交互に配置させる電子部品を両面から挟持できるように積層配置するとともに、積層方向の両端に配置された２つの外側冷却管と、２つの外側冷却管の間に配置された複数の内側冷却管とから構成し、複数種の電子部品のうち最大発熱量が第一電子部品よりも相対的に大きい第二電子部品を、２つの外側冷却管のうち仕切部より冷却媒体流れ上流側に配置した外側冷却管に当接するように優先的に配置した構造が開示されている。

特許文献２では、半導体素子を内蔵するための複数の半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却するための冷却媒体を内部に流通させる複数の冷却管とを交互に積層してなる電力変換装置が開示されている。

特許文献３では、液冷式の電子回路冷却モジュールに用いるのに適した熱的に最適化したピストン部材が開示されている。

従来の冷却装置では、車両に搭載する場合において、冷媒の導入口と冷媒の排出口とが異なる部分に設けられており、搭載性が悪いという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、搭載性が向上した積層型冷却装置を提供することを目的とする。

この発明に従った積層型冷却装置は、半導体素子を両面から冷却する積層型冷却装置であって、冷却通路を構成する複数の冷却管と、複数の冷却管の一端側に配置され、複数の冷却管の各々を連通する第一連通部と、複数の冷却管の他端側に配置され、複数の冷却管の各々を連通する第二連通部と、第一連通部および第二連通部のうち一方の内部を上流側と下流側とに仕切る仕切部とを備え、仕切部を有しない、第一および第二連通部の他方の内部に設けられる冷却パイプとを備え、冷却パイプの開口端は第一および第二連通部の他方と連なり、積層型冷却装置の同一面において第一および第二連通部に冷媒を導入排出する。

このように構成された積層型冷却装置においては、積層型冷却装置の同一面側において連通部に冷媒を導入排出するため、搭載性を向上させることができる。

好ましくは、冷却パイプは第一および第二連通部の他方にロウ付けされる。

この発明に従えば、搭載性が向上した積層型冷却装置を提供することができる。また、第一および第二連通部の内部を仕切る仕切部を設けているため、冷媒流をＵターンさせて流速を上げ熱伝達率を向上させることが可能である。

この発明の実施の形態に従った、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の断面図である。 図１中の矢印ＩＩＩで示す方向から見た、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の正面図である。 図１中の矢印ＩＶで示す方向から見た、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の側面図である。 図２中のＶで囲んだ、冷却パイプ６２と、下側本体６３と、上側本体６４との接続部分を拡大して示す断面図である。 図２中のＶＩで囲んだ、下側本体６３と冷媒排出管５０との接続部分を拡大して示す断面図である。 積層型冷却装置で冷却される、半導体素子を含む発熱部の構成を示す斜視図である。 下側本体と冷却パイプとの配置を示す、図２中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。 別の局面に従った冷却パイプと下側本体との配置の例を説明するための断面図である。 さらに別の局面に従った冷却パイプと下側本体との配置の例を説明するための断面図である。 下側本体の下側第二連通部２１から冷媒排出管５０へ流れる冷却水の流れを示す図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

図１は、この発明の実施の形態に従った、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の平面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の断面図である。図１および図２を参照して、積層型冷却装置１は、下側本体６３および下側本体６３と接続された上側本体６４を有する。下側本体６３には、冷媒導入管１０および冷媒排出管５０が取付けられている。冷媒導入管１０および冷媒排出管５０は共に筒状部材であり、矢印１８で示す方向に冷媒が導入され、矢印５８で示す方向に冷媒が排出される。

冷媒導入管１０側には、下側本体６３および上側本体６４において、第一連通部６１が構成されている。第一連通部６１は、下側第一連通部１１と上側第一連通部３１とにより構成されている。上側第一連通部３１と下側第一連通部１１とは、仕切部１５により仕切られている。

下側第一連通部１１内には、横方向に延びる複数の冷却管１３が設けられている。矢印１２で示す方向に、下側第一連通部１１から冷却管１３に入った冷媒（冷却水）は、矢印１４で示す方向に排出される。複数の冷却管の間には発熱部１００が設けられている。発熱部１００内には半導体が収納されており、この半導体の発熱を冷媒により熱を放散させることが可能である。

第二連通部７１は、下側第二連通部２１と上側第二連通部４１とを有する。下側第二連通部２１および上側第二連通部４１内に冷却パイプ６２が設けられている。冷却パイプ６２は上側本体６４と接続されている。

冷却管１３から排出されて矢印１４で示す方向に流れる冷媒は、冷却パイプ６２の外側を通る。そして矢印２２で示すように流れて上側の冷却管２３内を冷媒が通る。その後冷媒は矢印２４で示す方向に流れて上側第一連通部３１の中へ入り、さらに矢印３２で示す方向に流れて上側の冷却管３３を通り矢印３４で示す方向に流れる。そして冷却パイプ６２内を冷媒が流れて最後は冷媒排出管５０から矢印５８で示す方向に排出される。

冷媒導入管１０および冷媒排出管５０は、筒状であればよく、円形状、四角形状、多角形状などのさまざまな形状を採用することが可能である。

冷媒としては、水を用いることができるが、必ずしも水に限られない。たとえば、オイルを冷媒とすることができる。また、凍結を防止するためにロングライフクーラント含む水を冷媒として用いてもよい。

冷却パイプ６２の形状に関しても、円筒形状に限られず、さらに他の形状の冷却パイプ６２を採用してもよい。

図３は、図１中の矢印ＩＩＩで示す方向から見た、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の正面図である。図４は、図１中の矢印ＩＶで示す方向から見た、半導体素子を冷却するための積層型冷却装置の側面図である。図３および図４を参照して、積層型冷却装置１は、同一方向に延在する、冷媒排出管５０および冷媒導入管１０を有する。冷媒導入管１０および冷媒排出管５０は共に筒状の部材であり、それぞれ、下側本体６３に接続されている。下側本体６３および上側本体６４には、横方向、すなわち、冷媒導入管１０および冷媒排出管５０の延びる方向と直交するように延びる複数の冷却管１３，２３，３３が設けられている。冷却管１３と冷却管２３との間に仕切部１５が配置されている。

図５は、図２中のＶで囲んだ、冷却パイプ６２と、下側本体６３と、上側本体６４との接続部分を拡大して示す断面図である。図５を参照して、冷却パイプ６２と下側本体６３とがロウ付けにより接続されている。上側本体６４と冷却パイプ６２とは接触しているもののこれらはロウ付けされていない。上側本体６４と冷却パイプ６２とがロウ付けされていてもよい。

図６は、図２中のＶＩで囲んだ、下側本体６３と冷媒排出管５０との接続部分を拡大して示す断面図である。図６を参照して、下側本体６３と冷媒排出管５０とはロウ付けされている。これに対し、下側本体６３と冷却パイプ６２とはロウ付けされておらず、これらの間に隙間が生じる。

積層型冷却装置１を製造する際には、第二連通部７１に冷却パイプ６２を挿入し、冷却パイプ６２と下側本体６３とをロウ付けする。しかしながら、図６で示すように冷却パイプ６２と下側本体６３とは、図６で示す位置ではロウ付けされない。

図７は、積層型冷却装置で冷却される、半導体素子を含む発熱部の構成を示す斜視図である。図７を参照して、発熱部１００は、半導体素子１１０と、半導体素子１１０の第一面１１１と第二面１１２にヒートシンク１０１，１０２が設けられている。たとえばヒートシンク１０１が上側に位置し、ヒートシンク１０２が下側に位置し、これらが発熱部１００を構成している。発熱部１００では、半導体素子１１０から熱が発生し、この熱がヒートシンク１０１，１０２を経由して冷媒へ伝えられる。

積層型冷却装置１は、半導体素子１１０を両面から冷却する積層型冷却装置であって、冷却通路を構成する複数の冷却管１３，２３，３３と、複数の冷却管１３，２３，３３の一端側に配置され、複数の冷却管１３，２３，３３の各々を連通する第一連通部６１と、複数の冷却管１３，２３，２２の他端側に配置され、複数の冷却管１３，２３，３３の各々を連通する第二連通部７１と、第一連通部６１および第二連通部７１のうち一方の内部を上流側と下流側とに仕切る仕切部１５とを備え、仕切部１５を有しない第二連通部７１の内部に設けられる冷却パイプ６２とを備え、冷却パイプ６２の開口端５５は第二連通部７１と連なり、積層型冷却装置１の同一面において第一連通部６１および第二連通部７１に冷媒を導入排出する。

冷却パイプ６２は第二連通部７１を構成する上側本体６４にロウ付けされる。
図８は、下側本体と冷却パイプとの配置を示す、図２中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。図８を参照して、下側本体６３内に冷却パイプ６２が収納されている。このとき、下側本体６３の一辺の長さを２ｘとすると、下側本体６３の直径が２ｘであり、下側本体６３と同心円形状の冷却パイプ６２が設けられる。

図９は、別の局面に従った冷却パイプと下側本体との配置の例を説明するための断面図である。図９を参照して、下側本体６３と並列するように冷却パイプ６２を設けることができる。この場合、２つの円筒の合計の寸法が２ｘであり、１つの円筒の直径はｘである。この場合、スペースを十分に有効に利用することが困難となる。

図１０は、さらに別の局面に従った冷却パイプと下側本体との配置の例を説明するための断面図である。図１０を参照して、冷却パイプ６２と下側本体６３とを隣接して配置することも可能である。しかしながら、この場合は無駄なスペースがより多くなる。

そのため、図８で示すような、下側本体６３と冷却パイプ６２とが同心円上に配置されることが最も好ましい。

図１１は、下側本体の下側第二連通部２１から冷媒排出管５０へ流れる冷却水の流れを示す図である。図１１で示すように、冷却パイプ６２と下側本体６３との間には隙間があるため、矢印１１１１で示すように流れる水が存在する。しかしながら、この隙間部分では圧損が大きいため少量の水しか流れない。他の水は、Ｕターンした後に、矢印１４および２２で示す方向に流れる。

この発明は、ハイブリッド自動車または電気自動車などのインバータの冷却装置に関し、インバータを構成する発熱部１００を冷却する積層型冷却装置１内を冷媒がＵターンして流れる。Ｕターンすることで、流量が一定であっても流速を上げ、熱伝達率を上昇させることができる。そして、冷媒導入管１０および冷媒排出管５０が同じ方向に向かって延びている。冷媒導入管１０および冷媒排出管５０が、下側本体６３の同じ面に設けられているため、冷媒の導入および排出が容易となり、搭載性を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、車両の分野で用いることができる。

１ 積層型冷却装置、１０ 冷媒導入管、１１ 下側第一連通部、１３，２３，３３ 冷却管、１５ 仕切部、２１ 下側第二連通部、３１ 上側第一連通部、４１ 上側第二連通部、５０ 冷媒排出管、５５ 開口端、６１ 第一連通部、６２ 冷却パイプ、６３ 下側本体、６４ 上側本体、７１ 第二連通部、１００ 発熱部、１０１，１０２ ヒートシンク、１１０ 半導体素子。

Claims (2)

1. 半導体素子を両面から冷却する積層型冷却装置であって、
   冷却通路を構成する複数の冷却管と、
   前記複数の冷却管の一端側に配置され、複数の冷却管の各々を連通する第一連通部と、
   前記複数の冷却管の他端側に配置され、複数の冷却管の各々を連通する第二連通部と、
   前記第一連通部および第二連通部のうち一方の内部を上流側と下流側とに仕切る仕切部とを備え、
   前記仕切部を有しない、前記第一および第二連通部の他方の内部に設けられる冷却パイプとを備え、
   前記冷却パイプの開口端は前記第一および第二連通部の他方と連なり、
   前記積層型冷却装置の同一面において前記第一および第二連通部に冷媒を導入排出する、積層型冷却装置。
2. 前記冷却パイプは前記第一および第二連通部の他方にロウ付けされる、請求項１に記載の積層型冷却装置。

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