JP2013197159A - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷却水の流れ方向に複数配置された発熱体の温度バラツキを抑えて、発熱体の寿命及び信頼性を向上することの可能な冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷却装置に関する。
従来から、例えばパワー半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置として、水冷式ヒートシンクがよく利用されている(下記特許文献1参照)。一般的に、この水冷式ヒートシンクは、冷却水の導入口と排出口が設けられ、これら導入口と排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、その密閉ケース内の冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとから構成される。
このような構成の水冷式ヒートシンクにおいて、密閉ケースの外壁面(冷却フィンが設けられた内壁面に対向する外壁面)に、発熱体を基板やサーマルコンパウンド等からなる中間熱伝層を介して配置した状態で、密閉ケース内の冷却水路に冷却水を流通させると、発熱体で発生した熱は、中間熱伝層→密閉ケース→冷却フィン→冷却水という経路で伝達して外部に放出される。
特開2006−156711号公報
上記構成の水冷式ヒートシンクにおいて、発熱体が冷却水の流れ方向に複数配置されている場合、冷却水は冷却水路の上流から下流に向かうにつれて温度が高くなる。そのため、冷却水路の上流側に位置する発熱体より下流側に位置する発熱体の方が高温となって寿命が短くなり、個々の発熱体の寿命にバラツキが生じる。また、発熱体の耐熱温度を越えて高温となった場合には、発熱体の動作が不安定となって信頼性が低下する。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷却水の流れ方向に複数配置された発熱体の温度バラツキを抑えて、発熱体の寿命及び信頼性を向上することの可能な冷却装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、冷却装置に係る第1の解決手段として、冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる、という手段を採用する。
また、本発明では、冷却装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記密閉ケースの壁部の厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる、という手段を採用する。
また、本発明では、冷却装置に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記冷却フィンの厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる、という手段を採用する。
本発明によれば、冷却水路の下流に向かうほど冷却水の流速が速くなるので、発熱体が冷却水の流れ方向に複数配置されている場合でも、冷却水路の下流側に位置する発熱体の冷却効果を高めて温度上昇を抑えることができる。つまり、本発明によれば、冷却水の流れ方向に複数配置された発熱体の温度バラツキを抑えて、発熱体の寿命及び信頼性を向上することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1の構成を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る水冷式ヒートシンク2の構成を示す図である。 本発明の第3実施形態に係る水冷式ヒートシンク3の構成を示す図である。 本発明の第4実施形態に係る水冷式ヒートシンク4の構成を示す図である。 本発明の第5実施形態に係る水冷式ヒートシンク5の構成を示す図である。 本発明の第6実施形態に係る水冷式ヒートシンク6の構成を示す図である。 一般的な水冷式ヒートシンク10の構成とその課題を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
最初に、本実施形態に係る冷却装置の理解を容易とするために、発熱体として例えばパワー半導体素子を冷却する冷却装置(水冷式ヒートシンク)の一般的な構成とその課題について図7を用いて説明する。
図7(a)及び(b)に示すように、一般的な水冷式ヒートシンク10は、冷却水の導入口11aと排出口11bが設けられ、これら導入口11aと排出口11bとを結ぶ内部空間を冷却水路11cとする箱形状の密閉ケース11と、その密閉ケース11内の冷却水路11cに設けられた板状の冷却フィン12とから構成される。
なお、冷却フィン12は、密閉ケース11の内壁面11dに、冷却水の流れ方向(図中のX軸方向)に対して長辺が平行となるように立設されている。また、冷却フィン12は、冷却水の流れ方向に対して直交する方向(図中のY軸方向)に沿って、一定間隔で複数設けられている。
このような構成の水冷式ヒートシンク10において、密閉ケース11の外壁面11e(冷却フィン12が設けられた内壁面11dに対向する外壁面)には、例えば三つのパワー半導体素子23を内包する半導体モジュール20がサーマルコンパウンド30を介して設置される。この半導体モジュール20は、例えばハイブリッド車両に搭載されるインバータを構成するモジュール部品の一つであり、板状のベース部材21と、その上面にX軸方向に沿って一定間隔で三つ設置された絶縁基板22と、これら三つの絶縁基板22の各々に実装されたパワー半導体素子23とを備えている。
なお、この半導体モジュール20において、絶縁基板22及びパワー半導体素子23は、ベース部材21上に設置された樹脂ケース24によって密閉状態で覆われていると共に、樹脂ケース24の外部に露出して設けられた電極部材であるブスバー25とアルミワイヤ26を介して電気的に接続されている。
このように、水冷式ヒートシンク10における密閉ケース11の外壁面11eに、パワー半導体素子23を絶縁基板22やベース部材21、サーマルコンパウンド30等からなる中間熱伝層を介して配置した状態で、密閉ケース11内に冷却水を流通させると、パワー半導体素子23で発生した熱は、中間熱伝層→密閉ケース11→冷却フィン12→冷却水という経路で伝達して外部に放出される。
上記構成の水冷式ヒートシンク10において、発熱体であるパワー半導体素子23が冷却水の流れ方向に複数配置されている場合、冷却水は冷却水路11cの上流から下流に向かうにつれて温度が高くなる。そのため、冷却水路11cの上流側に位置するパワー半導体素子23より下流側に位置するパワー半導体素子23の方が高温となって寿命が短くなり、個々のパワー半導体素子23の寿命にバラツキが生じる。また、パワー半導体素子23の耐熱温度を越えて高温となった場合には、パワー半導体素子23の動作が不安定となって信頼性が低下する。
本実施形態に係る冷却装置は、上記のような従来の水冷式ヒートシンク10の課題を解決して、発熱体であるパワー半導体素子23の寿命及び信頼性の向上を実現するものである。以下では、本発明の第1〜第6実施形態に係る冷却装置について図面を参照しながら説明するが、説明の便宜上、図7に示す従来の水冷式ヒートシンク10と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略するものとする。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク1の構成を示す図である。図1(a)は、水冷式ヒートシンク1をY軸方向から視た図であり、図1(b)は、水冷式ヒートシンク1のA−A断面図であり、図1(c)は、水冷式ヒートシンク1のB−B断面図である。
この図1に示すように、第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1は、従来の水冷式ヒートシンク10の構成と比較して、密閉ケース11の壁部11f(冷却フィン12に対向する壁部)の厚さが、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。言い換えれば、第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1では、密閉ケース11の内壁面11g(冷却フィン12が設けられた内壁面11dに対向する内壁面)に、冷却水路11cの上流から下流へ向かって傾きが大きくなる傾斜が設けられており、これにより、冷却水路11cの断面積が、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて連続的に小さくなる。
このような構成の水冷式ヒートシンク1によれば、冷却水路11cの下流に向かうほど冷却水の流速が速くなるので、パワー半導体素子23がX軸方向に複数配置されている場合でも、冷却水路11cの下流側に位置するパワー半導体素子23の冷却効果を高めて温度上昇を抑えることができる。つまり、本実施形態によれば、冷却水の流れ方向に複数配置されたパワー半導体素子23の温度バラツキを抑えて、パワー半導体素子23の寿命及び信頼性を向上することが可能となる。
〔第2実施形態〕
図2は、本発明の第2実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク2の構成を示す図である。図2(a)は、水冷式ヒートシンク2をY軸方向から視た図であり、図2(b)は、水冷式ヒートシンク2のC−C断面図であり、図2(c)は、水冷式ヒートシンク2のD−D断面図である。
この図2に示すように、第2実施形態に係る水冷式ヒートシンク2は、第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1の構成と比較して、密閉ケース11の壁部11fの厚さが、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的(図2では3段階)に大きくなる点で異なっている。これにより、冷却水路11cの断面積が、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的に小さくなる。
このような構成の水冷式ヒートシンク2でも第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1と同様の作用効果を得ることができる。なお、図2では、密閉ケース11の壁部11fの厚さが3段階で大きくなる場合を例示したが、厚さの変化段数はこれに限定されない。
〔第3実施形態〕
図3は、本発明の第3実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク3の構成を示す図である。この図3に示すように、第3実施形態に係る水冷式ヒートシンク3は、第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1の構成と比較して、密閉ケース11の冷却フィン12が設けられた壁部11hの厚さが、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。
このような構成の水冷式ヒートシンク3でも第1実施形態に係る水冷式ヒートシンク1と同様の作用効果を得ることができる。なお、第2実施形態と同様に、密閉ケース11の冷却フィン12が設けられた壁部11hの厚さを、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。
〔第4実施形態〕
図4は、本発明の第4実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク4の構成を示す図である。この図4に示すように、第4実施形態に係る水冷式ヒートシンク4は、第1及び第3実施形態に係る水冷式ヒートシンク1、3の構成と比較して、密閉ケース11の壁部11fと壁部11hの両方の厚さが、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。
このような構成の水冷式ヒートシンク4でも第1及び第3実施形態に係る水冷式ヒートシンク1、3と同様の作用効果を得ることができる。なお、第2実施形態と同様に、密閉ケース11の壁部11fと壁部11hの両方の厚さを、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。
〔第5実施形態〕
図5は、本発明の第5実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク5の構成をXY平面に直交する方向(図中のZ軸方向)から視た透視図である。この図5に示すように、第5実施形態に係る水冷式ヒートシンク5は、第4実施形態に係る水冷式ヒートシンク4の構成と比較して、密閉ケース11の壁部11iと壁部11jの両方の厚さが、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。ここで、壁部11i及び壁部11jは、冷却フィン12が設けられた壁部11hとこれに対向する壁部11fに対して直角に接する壁部である。
このような構成の水冷式ヒートシンク5でも第4実施形態に係る水冷式ヒートシンク4と同様の作用効果を得ることができる。なお、第2実施形態と同様に、密閉ケース11の壁部11iと壁部11jの両方の厚さを、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。また、この第5実施形態と、上記の第1〜第4実施形態のいずれかとを組み合わせても良い。
〔第6実施形態〕
図6は、本発明の第6実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク6の構成をZ軸方向から視た透視図である。この図6に示すように、第6実施形態に係る水冷式ヒートシンク6は、第1〜第5実施形態に係る水冷式ヒートシンク1〜5の構成と比較して、各冷却フィン12の厚さが、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。これによっても、冷却水路11cの断面積が、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的に小さくなる。
このような構成の水冷式ヒートシンク6でも第1〜第5実施形態に係る水冷式ヒートシンク1〜5と同様の作用効果を得ることができる。なお、各冷却フィン12の厚さを、冷却水路11cの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。また、この第6実施形態と、上記の第1〜第5実施形態のいずれかとを組み合わせても良い。
以上、本発明の第1〜第6実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
例えば、上記第1〜第6実施形態では、本発明に係る冷却装置として、ハイブリッド車両に使用されるパワー半導体素子23を冷却する水冷式ヒートシンク1〜6を例示したが、本発明に係る冷却装置は、パワー半導体素子23に限らず、高温の熱を発生する発熱体を冷却水によって冷却するシステムに広く適用することができる。
1、2、3、4、5、6、10…水冷式ヒートシンク(冷却装置)、11…密閉ケース、12…冷却フィン、11c…冷却水路、20…半導体モジュール、21…ベース部材、22…絶縁基板、23…パワー半導体素子(発熱体)、24…樹脂ケース、25…ブスバー、26…アルミワイヤ、30…サーマルコンパウンド

Claims (3)

  1. 冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、
    前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなることを特徴とする冷却装置。
  2. 前記密閉ケースの壁部の厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。
  3. 前記冷却フィンの厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなることを特徴とする請求項1または2に記載の冷却装置。
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