JP2013197177A - Cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device.
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た箱形状の密閉ケースと、その密閉ケースの内壁面に、冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように立設された板状の冷却フィンとから構成される。
Conventionally, for example, a water-cooled heat sink is often used as a cooling device for cooling a heating element such as a power semiconductor element (see
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。 In the water-cooled heat sink having such a configuration, the heating element is disposed on the outer wall surface of the sealed case (the outer wall surface facing the inner wall surface provided with the cooling fin) via an intermediate heat transfer layer made of a substrate, a thermal compound, or the like. In this state, when the cooling water is circulated in the sealed case, the heat generated in the heating element is transmitted through the path of intermediate heat transfer layer → sealed case → cooling fin → cooling water and released to the outside.
上記構成の水冷式ヒートシンクにおいて、冷却フィン近傍の冷却水の温度分布に着目すると、冷却フィンにごく近い領域(近接領域)の冷却水は比較的高温となるが、それより離れた領域(遠隔領域)の冷却水は低温状態を保っていると推測される。つまり、冷却フィンの近接領域を通過する冷却水だけが発熱体の冷却に寄与し、遠隔領域を通過する冷却水は発熱体の冷却に寄与していないと考えられる。
従って、従来では、水冷式ヒートシンク内(密閉ケース内)に導入される冷却水の大部分が発熱体の冷却に寄与しないまま、外部に排出されることになり、冷却水の冷却能力を効率良く活用することができなかった。
In the water-cooled heat sink with the above configuration, when paying attention to the temperature distribution of the cooling water in the vicinity of the cooling fin, the cooling water in the region very close to the cooling fin (proximity region) is relatively hot, but the region farther than that (remote region) ) Cooling water is presumed to be kept at a low temperature. That is, it is considered that only the cooling water that passes through the adjacent area of the cooling fin contributes to cooling of the heating element, and the cooling water that passes through the remote area does not contribute to cooling of the heating element.
Therefore, conventionally, most of the cooling water introduced into the water-cooled heat sink (in the sealed case) is discharged to the outside without contributing to the cooling of the heating element, and the cooling capacity of the cooling water is efficiently improved. I could not make use of it.
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、発熱体の冷却効率を向上させることの可能な冷却装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, and aims at providing the cooling device which can improve the cooling efficiency of a heat generating body.
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た箱形状の密閉ケースと、前記密閉ケースの内壁面に、前記冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように立設さ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、前記冷却フィンは、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に複数設けられており、前記密閉ケースの内壁面の内、前記冷却フィンが設けられた内壁面或いはこの内壁面に対向する内壁面において、隣り合う前記冷却フィンの間に一部或いは全部が含まれる柱状部品が立設されている、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a first solution means for a cooling device, a box-shaped sealing case provided with a cooling water inlet and outlet, and an inner wall surface of the sealing case, In the water-cooling type cooling device provided with plate-like cooling fins standing upright so that the long sides thereof are parallel to the flow direction of the cooling water, the cooling fins correspond to the flow direction of the cooling water. Are provided between the adjacent cooling fins on the inner wall surface provided with the cooling fin or on the inner wall surface facing the inner wall surface. Or the means that the columnar part in which all are contained is installed is employ | adopted.
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、前記柱状部品は前記冷却水の流れ方向に複数設けられている、という手段を採用する。 Further, in the present invention, as a second solving means relating to the cooling device, a means is adopted in which a plurality of the columnar parts are provided in the flow direction of the cooling water in the first solving means.
本発明によれば、冷却水が密閉ケース内を流通する際に、隣り合う冷却フィンの間を通過する低温の冷却水が柱状部品に衝突して柱状部品の周囲を迂回するように流れるので、低温の冷却水と冷却フィンの近接領域を通過する高温の冷却水とを強制的に混合させることができる。すなわち、従来では発熱体の冷却に寄与しないまま、密閉ケースの外部に排出されていた低温の冷却水を、本発明では発熱体の冷却に有効利用することができ、その結果、発熱体の冷却効率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, when the cooling water flows in the sealed case, the low-temperature cooling water passing between the adjacent cooling fins flows so as to collide with the columnar part and bypass the periphery of the columnar part. The low-temperature cooling water and the high-temperature cooling water passing through the adjacent region of the cooling fin can be forcibly mixed. That is, in the present invention, the low-temperature cooling water that has been discharged to the outside of the sealed case without contributing to the cooling of the heating element can be effectively used for cooling the heating element in the present invention. Efficiency can be improved.
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3を用いて説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, in order to facilitate understanding of the cooling device according to the present embodiment, a general configuration of a cooling device (water-cooled heat sink) that cools, for example, a power semiconductor element as a heating element and its problems will be described with reference to FIG. explain.
図3(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が設けられた箱形状の密閉ケース11と、その密閉ケース11の内壁面11c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、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。
As shown in FIGS. 3A and 3B, a general water-cooled
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11d(冷却フィン12が設けられた内壁面11c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。
In the water-cooled
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。
In this
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11d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。
As described above, the
上記構成の水冷式ヒートシンク10において、冷却フィン12近傍の冷却水の温度分布に着目すると、図3(c)に示すように、冷却フィン12の近接領域W1の冷却水は比較的高温となるが、それより離れた遠隔領域W2の冷却水は低温状態を保っていると推測される。つまり、冷却フィン12の近接領域W1を通過する冷却水だけがパワー半導体素子23の冷却に寄与し、遠隔領域W2を通過する冷却水はパワー半導体素子23の冷却に寄与していないと考えられる。
In the water-cooled
従って、従来の一般的な構成の水冷式ヒートシンク10では、密閉ケース11内に導入される冷却水の大部分がパワー半導体素子23の冷却に寄与しないまま、外部に排出されることになり、冷却水の冷却能力を効率良く活用することができなかった。なお、図3(b)において、符号F1が付与された点線矢印は、冷却フィン12の近接領域W1を通過する高温の冷却水の流れを示し、符号F2が付与された実線矢印は、冷却フィン12の遠隔領域W2を通過する低温の冷却水の流れを示している。
Therefore, in the conventional water-cooled
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の冷却効率の向上を実現するものである。以下では、本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3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。
The cooling device according to the present embodiment solves the problems of the conventional water-cooled
図1は、本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。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a water-cooled
この図1に示すように、本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の内壁面の内、冷却フィン12が設けられた内壁面11cに対向する内壁面11eにおいて、隣り合う冷却フィン12の間に一部(先端部分)が含まれる円柱部品(柱状部品)13が複数立設されている。この円柱部品13のY軸上の配置位置は、冷却フィン12の遠隔領域W2を通過する低温の冷却水が円柱部品13に衝突するように、隣り合う冷却フィン12の中間位置とすることが望ましい。
As shown in FIG. 1, in the water-cooled
また、この円柱部品13は、X軸方向に沿って一定間隔で複数設けられている。なお、X軸上における円柱部品13の配置位置について特に制約はないが、図1(a)に示すように、パワー半導体素子23がX軸方向に沿って複数個設けられている場合、隣り合うパワー半導体素子23の中間位置に配置することが望ましい。
A plurality of
このような構成の水冷式ヒートシンク1によれば、図1(c)に示すように、冷却水が密閉ケース11内を流通する際に、隣り合う冷却フィン12の間を通過する低温の冷却水(符号F2参照)が円柱部品13に衝突して円柱部品13の周囲を迂回するように流れるので、低温の冷却水と冷却フィン12の近接領域W1を通過する高温の冷却水(符号F1参照)とを強制的に混合させることができる。
According to the water-cooled
すなわち、従来ではパワー半導体素子23の冷却に寄与しないまま、密閉ケース11の外部に排出されていた低温の冷却水を、本実施形態では冷却フィン12の近接領域W1を通過する高温の冷却水のリフレッシュに使用することでパワー半導体素子23の冷却に有効利用することができ、その結果、パワー半導体素子23の冷却効率を向上させることが可能となる。
That is, the low-temperature cooling water that has been discharged to the outside of the sealed
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が挙げられる。
(1)上記実施形態では、密閉ケース11の内壁面の内、冷却フィン12が設けられた内壁面11cに対向する内壁面11eに円柱部品13が立設されている場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、図2(a)に示すように、冷却フィン12が設けられた内壁面11cに円柱部品14が立設されても良い。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the following modifications are mentioned.
(1) In the above embodiment, the case where the
ここで、図2(a)では、隣り合う冷却フィン12の間に一部が含まれる円柱部品14が、密閉ケース11の内壁面11cに立設されている場合を図示したが、図2(b)に示すように、隣り合う冷却フィン12の間に全部が含まれる円柱部品15が、密閉ケース11の内壁面11cに立設されても良い。
Here, FIG. 2A illustrates a case where the
(2)上記実施形態では、先端が開放された円柱部品13を例示したが、図2(c)に示すように、先端が向かい側の内壁面11cに接触する長さに設定された円柱部品16を、密閉ケース11の内壁面11eに設けても良い。これは、密閉ケース11の内壁面11cに立設された円柱部品14、15についても同様のことが言える。
(2) In the above embodiment, the
(3)上記実施形態では、柱状部品として円柱部品13を例示したが、本発明の柱状部品の形状はこれに限定されず、四角柱部品や三角柱部品等の多角柱部品を用いても良い。
(3) In the above embodiment, the
(4)上記実施形態では、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。
(4) In the above embodiment, the water-cooled
1、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、13、14、15、16…円柱部品(柱状部品)、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
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記冷却フィンは、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に複数設けられており、
前記密閉ケースの内壁面の内、前記冷却フィンが設けられた内壁面或いはこの内壁面に対向する内壁面において、隣り合う前記冷却フィンの間に一部或いは全部が含まれる柱状部品が立設されていることを特徴とする冷却装置。 A box-shaped sealed case provided with cooling water inlets and outlets, and a plate-like shape standing on the inner wall surface of the sealed case so that the long sides thereof are parallel to the flow direction of the cooling water. In the water-cooling type cooling device including the cooling fins,
A plurality of the cooling fins are provided in a direction perpendicular to the flow direction of the cooling water,
Of the inner wall surface of the sealed case, a columnar part including a part or all of the cooling fins is provided between the adjacent cooling fins on the inner wall surface provided with the cooling fin or the inner wall surface facing the inner wall surface. A cooling device characterized by that.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021095147A1 (en) * | 2019-11-12 | 2021-05-20 | トヨタ自動車株式会社 | Cooler and method for manufacturing same |
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2012
- 2012-03-16 JP JP2012060475A patent/JP2013197177A/en active Pending
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WO2021095147A1 (en) * | 2019-11-12 | 2021-05-20 | トヨタ自動車株式会社 | Cooler and method for manufacturing same |
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