JP2016058427A - Cooler - Google Patents
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Abstract
Description
この発明の実施形態は、例えば半導体モジュールを冷却する冷却器に関する。 Embodiments described herein relate generally to a cooler that cools, for example, a semiconductor module.
電気自動車やハイブリッド電気自動車など、電動モータを駆動源として走行する車両は、電池から供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動モータに供給する、または、車両の制動時に発電された交流電力を電池に充電するために直流電力に変換して電池に供給する電力変換装置を有している。 Vehicles that run using an electric motor as a drive source, such as an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, convert DC power supplied from a battery into three-phase AC power and supply it to the electric motor, or generated when the vehicle is braked In order to charge the battery with AC power, the battery has a power converter that converts the AC power into DC power and supplies the battery with the DC power.
この種の電力変換装置の構造として、複数のパワー半導体モジュールと、これらパワー半導体モジュールを冷却する冷却器とが一体に構成される構造が提案されている。また、車両に搭載される電力変換装置は、高出力と、小型化が求められている。 As a structure of this type of power conversion device, a structure in which a plurality of power semiconductor modules and a cooler that cools these power semiconductor modules are integrally formed has been proposed. In addition, power converters mounted on vehicles are required to have high output and small size.
このため、冷却器の冷却効率の向上及び小型化を実現するために、半導体モジュールの冷却システムとして、強制流動沸騰冷却方式の冷却システムが提案されている。 For this reason, in order to improve the cooling efficiency and downsizing of the cooler, a forced flow boiling cooling system cooling system has been proposed as a cooling system for semiconductor modules.
強制流動沸騰冷却方式の冷却システムは、冷却器、ポンプ、ラジエータを有している。冷却器は、内部に冷却液が流動する流路が形成されている。これら流路とポンプとラジエータとは、冷却液が循環するように配管によって連結されている。 The forced flow boiling cooling system cooling system includes a cooler, a pump, and a radiator. In the cooler, a flow path through which the coolant flows is formed. The flow path, the pump, and the radiator are connected by piping so that the coolant circulates.
冷却器は、その外周面に、パワー半導体モジュールが設置される設置部が形成される。冷却器は、熱伝導率が高い金属材料で形成されている。流路の内面の、冷却器の厚み部分を挟んで設置部と対向する部分は、伝熱面となっている。 The cooler is formed with an installation portion on the outer peripheral surface where the power semiconductor module is installed. The cooler is made of a metal material having high thermal conductivity. A portion of the inner surface of the flow channel facing the installation portion across the thickness portion of the cooler is a heat transfer surface.
冷却液は、冷却器の流路を流れる際に、半導体モジュールが生じる熱によって、液体から気体へ相変化する。冷却液が気体に相変化する為に必要な気化熱が、半導体モジュールから冷却液に移動することによって、つまり熱交換されることによって、半導体モジュールが冷却される。冷却液は、冷却器にて半導体モジュールと熱交換をした後、ラジエータで放熱する。熱を放熱した後の冷却液は、ポンプによって、再び冷却器に導かれる。 When the coolant flows through the flow path of the cooler, the phase of the coolant changes from liquid to gas due to heat generated by the semiconductor module. The heat of vaporization necessary for the phase change of the cooling liquid to the gas moves from the semiconductor module to the cooling liquid, that is, the heat is exchanged, whereby the semiconductor module is cooled. The cooling fluid exchanges heat with the semiconductor module in the cooler and then radiates heat with the radiator. The coolant after releasing the heat is guided again to the cooler by the pump.
しかしながら、強制流動冷却方式の冷却システムに用いられる冷却器では、相変化により発生した気泡が流路の下流側で大きくなるとともに伝熱面に付着する。このため、パワー半導体モジュールと冷却液との間で、熱交換が行われ難くなる。熱交換が行われ難くなることによって、冷却液の相変化が起こり難くなり、冷却器の冷却性能が低下する。 However, in the cooler used in the forced flow cooling system cooling system, bubbles generated by the phase change increase on the downstream side of the flow path and adhere to the heat transfer surface. For this reason, heat exchange becomes difficult between the power semiconductor module and the coolant. By making it difficult for heat exchange to occur, it becomes difficult for the phase change of the coolant to occur, and the cooling performance of the cooler decreases.
本発明が解決しようとする課題は、冷却性能の低下を防止することができる冷却器を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a cooler capable of preventing a decrease in cooling performance.
実施形態によれば、流路の流入口は、前記流入口から前記流路内に前記冷却液を流したときに、前記流入口を流れる前記冷却液の単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、前記流路の長手方向に対して直角となる位置に形成され、前記流入口は、前記熱伝達部と、前記流路の長手方向端部壁面に接し、前記流入口の高さは前記流路の最大深さよりも小さくなるように形成される。流出口は、前記流入口から前記流路内に前記冷却液を流したときに、前記流出口を通る前記冷却液の単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、前記流路の長手方向に対して直角となる位置に形成され、前記流出口は、前記熱伝達部と、前記流路の長手方向端部壁面に接し、前記流出口の高さは前記流路の最大深さよりも小さくなるように形成される。 According to the embodiment, the flow path inlet has a sum of flow vectors per unit volume of the coolant flowing through the inlet when the coolant flows from the inlet into the flow path. The inlet is formed at a position perpendicular to the longitudinal direction of the flow path, the inlet is in contact with the heat transfer portion and the end wall of the longitudinal direction of the flow path, and the height of the inlet is the flow path It is formed so as to be smaller than the maximum depth. The outlet has a total flow vector per unit volume of the coolant passing through the outlet when the coolant flows from the inlet into the channel with respect to the longitudinal direction of the passage. It is formed at a right-angled position, the outlet is in contact with the heat transfer portion and the end wall of the longitudinal direction of the flow path, and the height of the outlet is smaller than the maximum depth of the flow path. It is formed.
一実施形態に係る冷却器を、図１〜６を用いて説明する。図１は、本実施形態の冷却器を有する冷却システム１０を示す概略図である。冷却システム１０は、例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車に搭載される電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュール２０を冷却可能に構成されている。
A cooler according to an embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a
パワー半導体モジュール２０は、一例として、半導体素子、基板、ベースを１つのパッケージに収めた構造を有している。パワー半導体モジュール２０は、動作時に、半導体素に生じる損失によって発熱する。パワー半導体モジュール２０は、複数用いられている。
As an example, the
電力変換装置は、電池から供給される直流電力を三相交流電力に変換して車両の走行の駆動源としての電動モータの供給可能に、または、車両の制動時に発電された交流電力を直流電力に変換して電池に供給可能に構成されている。 The power converter can convert the DC power supplied from the battery into three-phase AC power to supply an electric motor as a driving source for driving the vehicle, or the AC power generated during braking of the vehicle can be converted into DC power. It is configured to be able to be supplied to the battery after being converted into
図１に示すように、冷却システム１０は、パワー半導体モジュール２０と熱交換可能に形成される冷却器３０と、冷却液Ｌの熱を放熱可能に形成されるラジエータ５０と、ストレージタンク６０と、冷却液Ｌを増圧力して冷却システム１０内に冷却液Ｌの流れを発生可能に形成されるポンプ７０と、これら各装置を連結してこれら各装置に冷却液Ｌを循環させる配管８０とを有している。
As shown in FIG. 1, the
具体的には、冷却器３０に形成される冷却液流路３１と、ラジエータ５０とが配管８０によって連結されている。ラジエータ５０とストレージタンク６０とが、配管８０によって連結されている。ストレージタンク６０とポンプ７０とが、配管８０によって連結されている。
Specifically, the coolant flow path 31 formed in the cooler 30 and the
冷却システム１０は、強制流動沸騰冷却方式の冷却システムである。冷却システム１０は、冷却液Ｌが、冷却器３０で液体から気体への相変化を行う際に、パワー半導体モジュール２０から気化熱を奪うことによって、パワー半導体モジュール２０を冷却可能に構成されている。
The
冷却器３０は、パワー半導体モジュール２０が固定可能に形成されている。具体的には、冷却器３０は、内部に冷却液流路３１が形成されるジャケット（流路形成部）３２と、ジャケット３２に固定される冷却器蓋（熱伝達部）３３とを有している。
The cooler 30 is formed so that the
図２は、冷却器３０及びパワー半導体モジュール２０を示す平面図である。図２に示すように、冷却器蓋３３の表面には、パワー半導体モジュール２０が設置可能な設置部３４が形成されている。本実施形態では、パワー半導体モジュール２０は、一例として、３つ用いられている。このため、設置部３４は、３つ設けられている。冷却器蓋３３は、パワー半導体モジュール２０の熱を冷却液流路３１に伝達可能に形成されている。冷却器蓋３３は、熱伝導率の高い材料で形成されている。本実施形態では、冷却器蓋３３は、一例として、銅またはアルミニウムで形成されている。
FIG. 2 is a plan view showing the cooler 30 and the
設置部３４は、冷却器３０の表面の、パワー半導体モジュール２０が熱的に接続される部分である。本実施形態では、パワー半導体モジュール２０の底面２１は、略長方形であり、それゆえ、設置部３４も略長方形となる。
The
設置部３４は、パワー半導体モジュール２０の底面２１と面接触可能に形成されている。なお、パワー半導体モジュール２０の底面２１は、平面である。冷却器蓋３３の表面３３ａは、平面である。それゆえ、設置部３４も平面である。設置部３４には、パワー半導体モジュール２０を固定する為のボルト３５が螺合するねじ穴３６が形成されている。ねじ穴３６は、設置部３４の四隅に１つずつ形成されている。
The
本実施形態では、パワー半導体モジュール２０の底面２１は、略長方形である。各設置部３４は、各パワー半導体モジュール２０の長手方向が互いに平行となる姿勢で固定されるように形成されている。このため、設置部３４は、冷却器蓋３３の表面３３ａに、長手方向が平行となるように形成されている。各パワー半導体モジュール２０は、設置部３４に配置された後、ボルト３５によって固定される。
In the present embodiment, the
ジャケット３２は、一例として、所定の厚みを有する板形状である。ジャケット３２は、熱伝導率の高い材料で形成されている。本実施形態では、ジャケット３２は、一例として、銅またはアルミニウムで形成されている。
As an example, the
冷却液流路３１は、ジャケット３２の表面に形成されており、ジャケット３２の表面に開口している。ジャケット３２の表面に冷却器蓋３３が固定されることによって、冷却液流路３１は、液密にシールされる。言い換えると、冷却器蓋３３は、冷却液流路３１を液密にシール可能に構成されている。または、冷却器蓋３３とジャケット３２との間には、冷却液流路３１を液密にシールするための、例えばＯリング等のシール構造が設けられている。
The coolant flow path 31 is formed on the surface of the
冷却液流路３１は、パワー半導体モジュール２０との間で熱交換可能に形成される複数の主流路（流路）と、互いに隣接する主流路を連通する連結流路とを有している。なお、連結流路が連結する一対の主流路は、互いに隣り合う位置にある一対の主流路でなくてもよい。
The coolant flow path 31 has a plurality of main flow paths (flow paths) formed so as to be able to exchange heat with the
主流路は、１つのパワー半導体モジュール２０に対して１つ形成されている。本実施形態では、パワー半導体モジュール２０は３つ用いられるため、主流路は、３つ形成されている。各主流路は、冷却器蓋３３を挟んでパワー半導体モジュール２０と対向する位置に形成されている。言い換えると、主流路は、冷却器蓋３３を挟んで設置部３４と対向する位置に１つずつ形成されている。
One main flow path is formed for one
本実施形態では、主流路として、第１の主流路４１、第２の主流路４２、第３の主流路４３が形成されている。また、連結流路として、第１の主流路４１と第２の主流路４２とに連結されてこれら一対の主流路を連通する第１の連結流路３７と、第２の主流路４２と第３の主流路４３とに連結されてこれら一対の主流路を連通する第２の連結流路３８とが形成されている。
In the present embodiment, a first
第１の主流路４１は、図中上方に配置されるパワー半導体モジュール２０が固定される設置部３４に冷却器蓋３３を挟んで対向する位置に形成されている。
The first
第１の主流路４１は、第１の流入口４１ａ及び第１の流出口４１ｂを有している。第１の流入口４１ａは、第１の主流路４１の一端部に形成されている。第１の流出口４１ｂは、第１の主流路４１の他端部に形成されている。
The first
第１の流入口４１ａは、冷却器蓋３３に形成されている。第１の流入口４１ａは、継手４４を介して配管８０（図１に示す）に接続されている。この配管８０は、ポンプ７０に接続されている。ポンプ７０から吐出された冷却液Ｌが、配管８０を通って第１の流入口４１ａから第１の主流路４１に流入する。このため、第１の主流路４１は、冷却液流路３１の上流側の部分を形成する。第１の流入口４１ａ及び第１の流出口４１ｂは、後で詳細に説明する。
The
第３の主流路４３は、図中下方に配置されるパワー半導体モジュール２０が固定される設置部３４に冷却器蓋３３を挟んで対向する位置に形成されている。第３の主流路４３は、第３の流入口４３ａ及び第３の流出口４３ｂを有している。第３の流入口４３ａは、第３の主流路４３の一端部に形成されている。第３の流出口４３ｂは、第３の主流路４３の他端部に形成されている。
The third
第３の流出口４３ｂは、冷却器蓋３３に形成されている。第３の流出口４３ｂは、継手４５を介して配管８０（図１に示す）に接続される。この配管８０は、ラジエータ５０に連結されている。第３の流出口４３ｂから流出した冷却液Ｌは、配管８０を通ってラジエータ５０に導かれる。このため、第３の主流路４３は、冷却液流路３１の下流側の部分を形成する。第３の流入口４３ａ及び第３の流出口４３ｂについては、後で詳細に説明する。
The
第２の主流路４２は、図中中央に配置されるパワー半導体モジュール２０が固定される設置部３４に冷却器蓋３３を挟んで対向する位置に形成されている。第２の主流路４２は、第２の流入口４２ａ及び第２の流出口４２ｂを有している。第２の流入口４２ａは、第２の主流路４２の一端部に形成されている。第２の流出口４２ｂは、第２の主流路４２の他端部に形成されている。
The second
第２の流入口４２ａは、第１の流出口４１ｂに連結される第１の連結流路３７に連結されている。このため、第１の流出口４１ｂから流出した冷却液Ｌは、第２の流入口４２ａから第２の主流路４２内に流入する。第２の流出口４２ｂは、第３の流入口４３ａに連結される第２の連結流路３８に連結される。このため、第２の流出口４２ｂから流出した冷却液Ｌは、第３の流入口４３ａから第３の主流路４３内に流入する。
The
主流路４１，４２，４３は、各々、長手方向の端部を揃えた姿勢で、形成されている。具体的には、第２の主流路４２は、第２の流入口４２ａ側の端部が、第１の主流路４１の第１の流出口４１ｂ側の端部と対向し、第２の流出口４２ｂ側の端部が、第１の主流路４１の第１の流入口４１ａ側の端部と対向するように形成されている。第３の主流路４３は、第３の流入口４３ａが、第２の主流路４２の第２の流出口４２ｂ側の端部と対向し、第３の流出口４３ｂ側の端部が第２の主流路４２の第２の流入口４２ａ側の端部と対向するように形成されている。
The
図３は、図２に示すＦ３−Ｆ３線断面に沿って示す冷却器３０及びパワー半導体モジュール２０の一体物の断面である。図３は、第１の主流路４１の第１の流出口４１ｂと、第１の連結流路３７と、第２の主流路４２の第２の流入口４２ａとを通る断面である。また、図３は、第１の主流路４１に冷却液Ｌを流したときに、第１の主流路４１の重心を通る第１の主流路４１の任意の閉断面と交わる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和の向きに垂直な断面である。
FIG. 3 is a cross section of an integrated body of the cooler 30 and the
図３に示すように、冷却器蓋３３の、第１の主流路４１の内面の一部を構成する部分は、第１の主流路４１を流れる冷却液Ｌに熱を伝達する伝熱面４１ｃとして機能する。伝熱面４１ｃは、粗く形成されている。一例として、複数の突起が形成されている。本実施形態では、一例として、高さ１ｍｍ以下の山形の凸部が、第１の主流路４１の長手方向に、ピッチ０．５ｍｍ以下で複数形成されている。
As shown in FIG. 3, a portion of the
第１の主流路４１の底部の形状は、図３に示すように、断面形状が略半円となる形状である。他の例としては、第１の主流路４１の形状は、図３と同様に切断したときの断面形状が略四角形となる形状であってもよい。
As shown in FIG. 3, the shape of the bottom portion of the first
第１の主流路４１の断面形状は、第１の主流路４１に冷却液Ｌを流したときに、第１の主流路４１の重心を通る第１の主流路４１の任意の閉断面と交わる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和の向きに、一定の形状である。言い換えると、本実施形態では、第１の主流路４１の長手方向に垂直な断面形状は、第１の主流路４１の長手方向いずれの位置でも同じ形状となる。
The cross-sectional shape of the first
第１の主流路４１の最大深Ｈと、第１の主流路４１の幅Ｗとは、０．５≦Ｈ／Ｗ≦１．２となるように設定されている。
The maximum depth H of the first
第１の流入口４１ａは、冷却器蓋３３に形成され、図２に示すように、第１の流入口４１ａから第１の主流路４１内に冷却液Ｌを流したときに、第１の流入口４１ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第１の主流路４１の長手方向に対して直角となる位置に形成される。また、第１の流入口４１ａの中心は、第１の流入口４１ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第一の主流路４１の長手方向と平行な、第一の主流路４１の重心を通る平面上でない位置に形成される。
The
第１の流出口４１ｂは、第１の流入口４１ａから第１の主流路４１内に冷却液Ｌを流したときに、第１の流出口４１ｂを通る冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第１の主流路４１の長手方向に対して直角となる位置に形成される。また、第１の流出口４１ｂは、冷却器蓋３３と、第１の主流路４１の長手方向端部壁面に接し、第１の流出口４１ｂの高さは第１の主流路４１の最大深さＨよりも小さい。また、第１の流出口４１ｂの中心は、第１の流出口４１ｂから流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第１の主流路４１の長手方向と平行な、第１の主流路４１の重心を通る平面上でない位置に形成される。
The
このため、第１の流入口４１ａは、冷却器蓋３３の、上記条件を満たす位置に形成されている。第１の流出口４１ｂは、本実施形態では、第１の主流路４１の側面に開口するように形成されている。第１の流出口４１ｂは、第１の主流路４１の底面に対して冷却器蓋３３側に位置している。このため、第１の流出口４１ｂに連結される第１の連結流路３７は、第１の主流路４１に底面に対して底上げされた形状となる。
For this reason, the
第１の流入口４１ａ及び第１の流出口４１ｂが上記の位置に配置されることによって、第１の流入口４１ａから第１の主流路４１に流入した冷却液Ｌは、旋回しながら第１の流出口４１ｂまで流れるようになる。
By arranging the
第２の主流路４２は、第１の主流路４１と同様の形状を有している。具体的には、冷却器蓋３３の、第２の主流路４２の内面の一部を構成する部分は、第２の主流路４２を流れる冷却液Ｌに熱を伝達する伝熱面４２ｃとして機能する。伝熱面４２ｃは、粗く形成されている。一例として、複数の突起が形成されている。本実施形態では、一例として、高さ１ｍｍ以下の山形の凸部が、第２の主流路４２の長手方向に、ピッチ０．５ｍｍ以下で複数形成されている。
The second
第２の主流路４２の底部の形状は、図３に示すように、断面形状が略半円となる形状である。他の例としては、第２の主流路４１の形状は、図３と同様に切断したときの断面形状が略四角形となる形状であってもよい。
As shown in FIG. 3, the shape of the bottom of the second
第２の主流路４２の断面形状は、第２の主流路４２に冷却液Ｌを流したときに、第２の主流路４２の重心を通る第２の主流路４２の任意の閉断面と交わる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和の向きに、一定の形状である。言い換えると、本実施形態では、第２の主流路４２の長手方向に垂直な断面形状は、第２の主流路４２の長手方向いずれの位置でも同じ形状となる。
The cross-sectional shape of the second
第２の主流路４２の最大深Ｈと、第２の主流路４２の幅Ｗとは、０．５≦Ｈ／Ｗ≦１．２となるように設定されている。
The maximum depth H of the second
第２の流入口４２ａは、第２の流入口４２ａから第２の主流路４２内に冷却液Ｌを流したときに、第２の流入口４２ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第２の主流路４２の長手方向に対して直角となる位置に形成される。また、第２の流入口４２aは、冷却器蓋３３と、第２の主流路４２の長手方向端部壁面に接し、第２の流入口４２aの高さは第２の主流路４２の最大深さＨよりも小さい。また、第２の流入口４２ａの中心は、第２の流入口４２ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第２の主流路４２の長手方向と平行な、第２の主流路４２の重心を通る平面上でない位置に形成される。
The
第２の流出口４２ｂは、第２の流入口４２ａから第２の主流路４２内に冷却液Ｌを流したときに、第２の流出口４２ｂを通る冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第２の主流路４２の長手方向に対して直角となる位置に形成される。また、第２の流出口４２bは、冷却器蓋３３と、第２の主流路４２の長手方向端部壁面に接し、第２の流出口４２aの高さは第２の主流路４２の最大深さＨよりも小さい。また、第２の流出口４２ｂの中心は、第２の流出口４２ｂを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第２の主流路４２の長手方向と平行な、第２の主流路４２の重心を通る平面上でない位置に形成される。
The
このため、第２の流入口４２ａ及び第２の流出口４２ｂは、本実施形態では、第２の主流路４２の側面に開口している。第２の流入口４２ａ及び第２の流出口４２ｂは、第２の主流路４２の底面に対して冷却器蓋３３側に位置している。このため、第２の流入口４２ａに連結される第１の連結流路３７及び第２の流出口４２ｂに連結される第２の連結流路３８は、第２の主流路４２に底面に対して底上げされた形状となる。
For this reason, the
第２の流入口４２ａ及び第２の流出口４２ｂが上記のように形成されることによって、第２の流入口４２ａから流入した冷却液Ｌは、旋回しながら第２の流出口４２ｂまで流れるようになる。
By forming the
第３の主流路４３は、第１の主流路４１と同様の形状を有している。具体的には、冷却器蓋３３の、第３の主流路４３の内面の一部を構成する部分は、第３の主流路４３を流れる冷却液Ｌに熱を伝達する伝熱面として機能する。この伝熱面は、粗く形成されている。一例として、複数の突起が形成されている。本実施形態では、一例として、高さ１ｍｍ以下の山形の凸部が、第３の主流路４３の長手方向に、ピッチ０．５ｍｍ以下で複数形成されている。
The third
第３の主流路４３の底部の形状は、断面形状が略半円となる形状である。他の例としては、第３の主流路４３の形状は、図３と同様に切断したときの断面形状が略四角形となる形状であってもよい。
The shape of the bottom of the third
第３の主流路４３の断面形状は、第３の主流路４３に冷却液Ｌを流したときに、第３の主流路４３の重心を通る第３の主流路４３の任意の閉断面と交わる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和の向きに、一定の形状である。言い換えると、本実施形態では、第３の主流路４３の長手方向に垂直な断面形状は、第３の主流路４３ の長手方向いずれの位置でも同じ形状となる。
The cross-sectional shape of the third
第３の主流路４３の最大深Ｈと、第３の主流路４３の幅Ｗとは、０．５≦Ｈ／Ｗ≦１．２となるように設定されている。なお、第１の主流路４１の最大深さＨと、第２の主流路４２の最大深さＨと、第３の主流路４３の最大深さＨは、同じである。第１の主流路４３の幅Ｗと、第２の主流路４２の幅Ｗと、第３の主流路４３の幅Ｗとは、同じである。
The maximum depth H of the third
第３の流入口４３ａは、第３の流入口４３ａから第３の主流路４３内に冷却液Ｌを流したときに、第３の流入口４３ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第３の主流路４３の長手方向に対して直角となる位置に形成される。また、第３の流入口４３aは、冷却器蓋３３と、第３の主流路４３の長手方向端部壁面に接し、第３の流入口４３aの高さは第３の主流路４３の最大深さＨよりも小さい。
The
また、第３の流入口４３ａの中心は、第３の流入口４３ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第３の主流路４３の長手方向と平行な、第３の主流路４３の重心を通る平面上でない位置に形成される。
The center of the
第３の流出口４３ｂは、冷却器蓋３３に形成され、第３の流入口４３ａから第３の主流路４３内に冷却液Ｌを流したときに、第３の流出口４３ｂを通る冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第３の主流路４３の長手方向に対して直角となる位置に形成される。また、第３の流入口４３bの中心は、第３の流出口４３bを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第３の主流路４３の長手方向と平行な、第３の主流路４３の重心を通る平面上でない位置に形成される。また、第３の流出口４３ｂの中心は、第３の流出口４３ｂを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第３の主流路４３の長手方向と平行な、第３の主流路４３の重心を通る平面上でない位置に形成される。
The
このため、第３の流入口４３ａは、本実施形態では、第３の主流路４３の側面に開口している。第３の流入口４３ａは、第３の主流路４３の底面に対して冷却器蓋３３側に位置している。言い換えると、第３の流入口４３ａに連結される第２の連結流路３８は、第３の主流路４３に底面に対して底上げされた形状となる。第３の流出口４３ｂは、冷却器蓋３３に形成されている。
For this reason, the
第３の流入口４３ａ及び第３の流出口４３ｂが上記の位置に形成されることによって、第３の流入口４３ａから第３の主流路４３に流入した冷却液Ｌは、旋回しながら第３の流出口４３ｂまで流れるようになる。
By forming the
パワー半導体モジュール２０に対する、流入口及び流出口に連結流路が連結される主流路の流入口及び流出口の位置について、具体的に説明する。連結流路が連結される流入口、及び、連結流路が連結される流出口は、パワー半導体モジュール２０が設置される設置部３４内に配置されることが好ましい。
The positions of the inlet and outlet of the main channel where the connecting channel is connected to the inlet and outlet of the
図４は、パワー半導体モジュール２０と、第２の主流路４２と、連結流路３７，３８を概略的に示す平面図である。本実施形態では、第２の主流路４２のみ、その流入口及び流出口に連結流路が連結されている。具体的には、第２の流入口４２ａに第１の連結流路３７が連結され、第２の流出口４２ｂに第２の連結流路３８が連結されている。
FIG. 4 is a plan view schematically showing the
図４に示すように、第２の主流路４２は、パワー半導体モジュール２０が設置される設置部３４の内側に収まっている。このため、第２の流入口４２ａ及び第２の流出口４２ｂは、設置部３４の内側に配置されている。より具体的には、設置部３４の長手方向の長さＬ１は、第２の流入口４２ａの長手方向外側端から第２の流出口４２ｂの長手方向外側端までの長さＬ２より大きい。
As shown in FIG. 4, the second
なお、第１の主流路４１の第１の流入口４１ａは、継手４５を介して配管８０に連結されるため、図１に示すように、設置部３４の外側に位置している。同様に、第３の主流路４３の第３の流出口４３ｂは、継手４４を介して配管８０に連結されるため、設置部３４の外側に位置している。
In addition, since the
第２の流入口４２ａ及び第２の流出口４２ｂを、設置部３４の内側に配置することで、伝熱面４２ｃの長手方向端部近傍を流れる冷却液Ｌに幅方向の流れが生じる。
By arranging the
次に、冷却システム１０の動作について説明する。ポンプ７０が駆動されることによって、冷却システム１０内を冷却液Ｌが循環する。具体的には、ポンプ７０から吐出された冷却液Ｌは、配管８０を通って冷却器３０の冷却液流路３１の第１の流入口４１ａから第１の主流路４１に流入する。
Next, the operation of the
第１の主流路４１に流入した冷却液Ｌは、旋回しながら第１の流出口４１ｂまで流れる。また、第１の主流路４１内に流入した冷却液Ｌは、第１の流出口４１ｂまで流れる過程で、伝熱面４１ｃに接触する部分が液体から気体へ相変化する。冷却液Ｌは、相変化をする際に、伝熱面４１ｃから気化熱を奪う。このように第１の主流路４１を流れる冷却液Ｌとパワー半導体モジュール２０との間で熱交換が行われ、パワー半導体モジュール２０が冷却される。
The coolant L flowing into the first
また、第１の主流路４１を流れる冷却液Ｌは旋回しているため、発生した気泡Ｂが伝熱面４１ｃに付着することが防止される。
Moreover, since the coolant L flowing through the first
第１の流出口４１ｂから流出した冷却液Ｌは、第１の連結流路３７を通って第２の流入口４２ａから第２の主流路４２に流入する。第２の主流路４２内に流入した冷却液Ｌは、旋回しながら第２の流出口４２ｂまで流れる。
The coolant L that has flowed out of the
また、第２の主流路４２内に流入した冷却液Ｌは、第２の流出口４２ｂまで流れる過程で、伝熱面４２ｃに接触する部分が液体から気体へ相変化する。冷却液Ｌは、相変化をする際に、伝熱面４２ｃから気化熱を奪う。このように第２の主流路４２を流れる冷却液Ｌとパワー半導体モジュール２０との間で熱交換が行われ、パワー半導体モジュール２０が冷却される。
In addition, the coolant L that has flowed into the second
また、第２の主流路４２を流れる冷却液Ｌは旋回しているため、発生した気泡Ｂが伝熱面４２ｃに付着することが防止される。
In addition, since the coolant L flowing in the second
第２の流出口４２ｂから流出した冷却液Ｌは、第２の連結流路３８を通って第３の流入口４３ａから第３の主流路４３内に流入する。第３の主流路４３内に流入した冷却液Ｌは、旋回しながら第３の流出口４３ｂまで流れる。
The coolant L that has flowed out from the
また、第３の主流路４３内に流入した冷却液Ｌは、第３の流出口４３ｂまで流れる過程で、伝熱面に接触する部分が液体から気体へ相変化する。冷却液Ｌは、相変化をする際に、伝熱面から気化熱を奪う。このように、第３の主流路４３を流れる冷却液Ｌとパワー半導体モジュール２０との間で熱交換が行われ、パワー半導体モジュール２０が冷却される。
In addition, the coolant L that has flowed into the third
また、第３の主流路４３を流れる冷却液Ｌは旋回しているため、発生した気泡Ｂが伝熱面に付着することが防止される。
Moreover, since the coolant L flowing through the third
第３の流出口４３ｂから流出した冷却液Ｌは、配管８０を通ってラジエータ５０に流入する。ラジエータ５０に流入した冷却液Ｌは、放熱される。ラジエータ５０にて放熱して冷却された冷却液Ｌは、ストレージタンク６０を通過してポンプ７０に戻る。ポンプ７０に戻った冷却液Ｌは、ポンプ７０によって吐出されて再び冷却器３０に導かれる。
The coolant L that has flowed out from the
このように構成される冷却器３０では、第１の流入口４１ａから第１の主流路４１内に冷却液Ｌを流したときに、第１の流入口４１ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第１の主流路４１の長手方向に対して直角となる位置に形成されている。また、第１の流入口４１ａの中心は、第１の流入口４１ａを流れる冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和と平行で、第一の主流路４１の長手方向と平行な、第一の主流路４１の重心を通る平面上でない位置に形成されている。
In the cooler 30 configured as described above, when the coolant L flows from the
第１の流出口４１ｂは、第１の流入口４１ａから第１の主流路４１内に冷却液Ｌを流したときに、第１の流出口４１ｂを通る冷却液Ｌの単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、第１の主流路４１の長手方向に対して直角となる位置に形成されている。また、第１の流出口４１ｂは、冷却器蓋３３と、第一の主流路４１の長手方向端部壁面に接し、第１の流出口４１ｂの高さは第一の主流路４１の最大深さＨよりも小さい。
The
第２の流入口４２ａ、第２の流出口４２ｂ、第３の流入口４３ａ、第３の流出口４３ｂも同様に形成される。
The
このため、冷却液Ｌが旋回するようになるので、相変化により発生した気泡Ｂが伝熱面４１ｃ，４２ｃ及び第３の主流路４３の伝熱面に付着することが防止される。このため、伝熱面４１ｃ，４２ｃ及び第３の主流路４３の伝熱面に気泡Ｂが付着することに起因する冷却性能の低下を防止することができる。
For this reason, since the cooling liquid L turns, it is prevented that the bubble B generated by the phase change adheres to the heat transfer surfaces 41 c and 42 c and the heat transfer surface of the third
図５は、本実施形態の冷却器３０の特性と、従来の冷却器の特性とを示すグラフである。ここで言う従来の冷却液器は、流路が主流路のみの構造となっている点が冷却器３０と異なる。 FIG. 5 is a graph showing the characteristics of the cooler 30 of the present embodiment and the characteristics of the conventional cooler. The conventional cooling liquid device here is different from the cooling device 30 in that the flow path has a structure of only the main flow path.
具体的には、従来の冷却器内には、流入口から流出口までが直線流路となる１つの主流路が形成されている。 Specifically, in the conventional cooler, one main flow path that forms a straight flow path from the inlet to the outlet is formed.
図５は、一例として、本実施形態の冷却器３０の第１の主流路と従来の冷却器の直線流路の比較結果を示している。図５の縦軸は、伝熱面温度を示しており、図中上方に進むにつれて温度が高くなることを示す。図５の横軸は、第１の流入口から第１の流出口までの位置を示し、図中左側に進むにつれて、第１の流出口側に進んだことを示す。 FIG. 5 shows, as an example, a comparison result between the first main flow path of the cooler 30 of the present embodiment and the straight flow path of the conventional cooler. The vertical axis | shaft of FIG. 5 has shown the heat-transfer surface temperature, and shows that temperature becomes high as it progresses upwards in the figure. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the position from the first inflow port to the first outflow port, and indicates that it has advanced to the first outflow port side as it proceeds to the left side in the figure.
図５に示すように、本実施形態の冷却器３０の第１の主流路４１の伝熱面４１ｃの温度は、下流方向に長くなっても全体的にあまり上昇しない。一方、従来の冷却器の主流路の伝熱面の温度は、下流方向に長くなるにつれて、本実施形態の冷却器３０に対して少し高く温度上昇し、下流方向にある所定位置から急激に上昇することがわかる。
As shown in FIG. 5, the temperature of the
図６は、本実施形態の冷却器３０の第１の主流路４１の伝熱面４１ｃの温度ばらつき、及び、従来の冷却器の第１の主流路の伝熱面の温度ばらつきを示すグラフである。図６の横軸は、流速を示している。図６の縦軸は、過熱度ばらつきを示している。過熱度は伝熱面温度から冷却液の沸点温度を引いた値である。主流路の複数個所で過熱度を検出し、検出された最高温度から最低温度を引いた値を、すべての検出箇所で検出された温度の平均値で割ることで過熱度ばらつきを算出している。本実施形態では、一例として、第１の主流路の５箇所で温度を検出している。過熱度ばらつきが小さいほど、冷却性能が高いことを示す。
FIG. 6 is a graph showing temperature variations of the
図５に示すように、従来の冷却器では、過熱度のばらつきは、冷却液Ｌの流速に依存しないことがわかる。言い換えると、冷却液Ｌの流速が変化しても、冷却性能が変化しない。本実施形態では、過熱度ばらつきは、冷却液Ｌの流速が高くなるにつれて、小さくなる。言い換えると、本実施形態の冷却器３０は、冷却液Ｌの流速が高くなるにつれて、冷却性能が向上する。 As shown in FIG. 5, it can be seen that in the conventional cooler, the variation in the degree of superheat does not depend on the flow rate of the coolant L. In other words, even if the flow rate of the coolant L changes, the cooling performance does not change. In the present embodiment, the variation in the degree of superheat decreases as the flow rate of the coolant L increases. In other words, the cooling performance of the cooler 30 of the present embodiment improves as the flow rate of the coolant L increases.
図５，６は、第１の主流路４１の特性を示しているが、第２の主流路４２及び第３の主流路４３も、同様の特性を有している。
5 and 6 show the characteristics of the first
また、主流路４１，４２，４３は、それぞれ、深さＨと幅Ｗとが、０．５≦Ｈ／Ｗ≦１．２となるように設定されている。図７は、主流路の縦横比であるＨ／Ｗと、幅方向の冷却液Ｌの流速との関係を示すグラフである。幅方向の冷却液Ｌの流速が高いほど、冷却液Ｌが旋回しやすいことを示す。
Further, the
図７の横軸は、Ｈ／Ｗを示している。図７の縦軸は、幅方向の冷却液Ｌの流速を示している。主流路の長手方向３箇所に測定点を設け、上流、中流、下流とした。図７に示すように、上流、中流、下流のどの位置においても０．５≦Ｈ／Ｗ≦１．２の範囲で、幅方向の冷却液Ｌの流速が高いことがわかる。言い換えると、０．５≦Ｈ／Ｗ≦１．２となるように設定されることによって、旋回流が形成されやすくなる。 The horizontal axis in FIG. 7 indicates H / W. The vertical axis in FIG. 7 indicates the flow rate of the coolant L in the width direction. Measurement points were provided at three locations in the longitudinal direction of the main flow path, and were upstream, midstream, and downstream. As shown in FIG. 7, it can be seen that the flow rate of the coolant L in the width direction is high in the range of 0.5 ≦ H / W ≦ 1.2 at any position upstream, midstream, and downstream. In other words, a swirl flow is easily formed by setting so that 0.5 ≦ H / W ≦ 1.2.
また、第１の主流路４１の伝熱面４１ｃと、第２の主流路４２の伝熱面４２ｃと、第３の主流路４３の伝熱面とは、粗く形成されており、一例として、複数の凸部が形成されている。このように、伝熱面が粗く形成されることにより、伝熱面に微細な気泡が発生しやすくなり、パワー半導体モジュール２０と冷却液Ｌとの熱交換を促進することができる。
In addition, the
なお、他の形態として、第１の主流路４１の、第１の流出口４１ｂの近傍の部分は、第１の流出口４１ｂまでなだらかに形成されてもよい。なだらかな形状の一例として、なだらかに傾斜するスロープに形成されてもよい。
As another form, the portion of the first
第１の主流路４１の、第１の流出口４１ｂの近傍の範囲が、第１の流出口４１ｂまでなだらかに連続するように形成されることによって、冷却液流れＬの圧力損失を小さくすることができる。
The pressure loss of the coolant flow L is reduced by forming the first
同様に、第２の主流路４２の、第２の流出口４２ｂの近傍の部分は、第２の流出口４２ｂまでなだらかに形成されてもよい。第３の主流路４３の、第３の流出口４３ｂの近傍の部分は、第３の流出口４３ｂまでなだらかに形成されてもよい
また、他の形態として、冷却器蓋３３の設置部３４に貫通孔が形成されてもよい。この貫通孔は、パワー半導体モジュール２０によって液密にシール可能に形成される。具体的には、貫通孔の周囲に、この貫通孔を液密にシールするＯリング等のシール構造が形成されてもよい。貫通孔が形成されることによって、冷却液Ｌがパワー半導体モジュール２０の底面２１に直接接触するため、冷却液Ｌとパワー半導体モジュール２０との間で熱交換を行う際の熱抵抗を小さくすることができる。
Similarly, the portion of the second
なお、本実施形態では、主流路が３つ形成されている。他の例では、主流路は、１つだけでも良い。または、４つや５つなど、他の複数であってもよい。要するに、主流路は、１つ以上あればよい。 In the present embodiment, three main flow paths are formed. In another example, there may be only one main flow path. Alternatively, other plural numbers such as four or five may be used. In short, there may be one or more main flow paths.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１０…冷却システム、２０…パワー半導体モジュール（半導体モジュール）、３２…ジャケット（流路形成部）、３３…冷却器蓋（熱伝達部）、３４…設置部、３７…第１の連結流路、３８…第２の連結流路、４１ａ…第１の流入口、４１ｂ…第１の流出口、４２ａ…第２の流入口、４２ｂ…第２の流出口、４３ａ…第３の流入口、４３ｂ…第３の流出口。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記熱伝達部と熱的に接続される流路形成部であって、前記熱伝達部を挟んで前記設置部と対向する位置に、冷却液を流入する流入口及び前記冷却液を流出する流出口を有する流路が形成される流路形成部と、
を具備し、
前記流入口は、前記流入口から前記流路内に前記冷却液を流したときに、前記流入口を流れる前記冷却液の単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、前記流路の長手方向に対して直角となる位置に形成され、
前記流入口は、前記熱伝達部と、前記流路の長手方向端部壁面に接し、
前記流入口の高さは前記流路の最大深さよりも小さく、
前記流出口は、前記流入口から前記流路内に前記冷却液を流したときに、前記流出口を通る前記冷却液の単位体積当たりの流動ベクトルの総和が、前記流路の長手方向に対して直角となる位置に形成され、
前記流出口は、前記熱伝達部と、前記流路の長手方向端部壁面に接し、
前記流出口の高さは前記流路の最大深さよりも小さい
ことを特徴とする冷却器。 A heat transfer part in which an installation part formed so that the semiconductor module can be thermally connected is formed on the outer surface;
A flow path forming portion that is thermally connected to the heat transfer portion, and has a flow inlet that flows in the coolant and a flow that flows out the coolant at a position facing the installation portion across the heat transfer portion. A flow path forming portion in which a flow path having an outlet is formed;
Comprising
The inlet has a total flow vector per unit volume of the coolant flowing through the inlet when the coolant flows from the inlet into the channel with respect to the longitudinal direction of the channel. Formed at a right angle,
The inflow port is in contact with the heat transfer section and the end wall surface in the longitudinal direction of the flow path,
The height of the inlet is smaller than the maximum depth of the flow path,
The outlet has a total flow vector per unit volume of the coolant passing through the outlet when the coolant flows from the inlet into the channel with respect to the longitudinal direction of the passage. Formed at a right angle,
The outlet is in contact with the heat transfer section and the wall surface of the flow path in the longitudinal direction,
The cooler, wherein a height of the outlet is smaller than a maximum depth of the flow path.
前記流路形成部は、前記複数の流路のうちの１つの流路の前記流出口と他の１つの流路の前記流入口とに連結されてこれら２つの流路を連通する連結流路が、前記複数の流路の全てを連通するように形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の冷却器。 A plurality of the installation portion and the flow path are formed,
The flow path forming unit is connected to the outflow port of one of the plurality of flow paths and the inflow port of the other one flow path, and connects the two flow paths. The cooler according to claim 1, wherein the cooler is formed to communicate all of the plurality of flow paths.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2014181116A JP2016058427A (en) | 2014-09-05 | 2014-09-05 | Cooler |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020170430A1 (en) * | 2019-02-22 | 2020-08-27 | 株式会社島津製作所 | Cooling device |
-
2014
- 2014-09-05 JP JP2014181116A patent/JP2016058427A/en active Pending
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| WO2020170430A1 (en) * | 2019-02-22 | 2020-08-27 | 株式会社島津製作所 | Cooling device |
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