JP2017168716A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却性能を向上させることのできる冷却装置を提供する。【解決手段】 冷却装置１は、被冷却物３が載置される冷却部４と、冷却部４を収納するケーシング２を備える。ケーシング２は、冷媒が流入する冷媒入口５と、冷媒が流出する冷媒出口６とを備える。冷却部４は、冷媒入口５に流入流路８を介して接続する流入口９と、冷媒出口６に流出流路１０を介して接続する流出口１１を備える。流入流路８は、少なくとも、第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂに分岐されており、流入口９の近傍で第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂが合流している。【選択図】 図１

Description

本発明は、被冷却物を冷却するための冷却装置に関し、特に、冷却性能を向上する技術に関する。

従来から、冷却水などの冷媒を用いて半導体素子などの発熱体（被冷却物）を冷却する冷却装置が知られている。例えば、従来のヒートシンクでは、発熱体を冷却する流路が形成された伝熱容器の内部に突起やフィンを形成することにより、伝熱容器の内部で乱流を発生させ、冷却性能の向上が図られている（特許文献１、２参照）。

特開２００５−３０２８９８号公報 特許第５４５４５８６号

しかしながら、近年、半導体素子や電子素子などの高性能化にともなって、その発熱量も増加する傾向にあり、冷却性能のさらなる向上が求められている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、冷却性能を向上することのできる冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の冷却装置は、被冷却物が載置される冷却部と、前記冷却部を収納するケーシングと、を備えた冷却装置であって、前記ケーシングは、冷媒が流入する冷媒入口と、冷媒が流出する冷媒出口とを備え、前記冷却部は、前記冷媒入口に流入流路を介して接続する流入口と、前記冷媒出口に流出流路を介して接続する流出口とを備え、前記流入流路は、少なくとも、第１の流入流路と第２の流入流路に分岐されており、前記流入口の近傍で前記第１の流入流路と前記第２の流入流路が合流している。

この構成により、冷媒入口からケーシングの内部に流入した冷媒は、流入流路を通って流入口から冷却部へ流入し、冷却部に載置された被冷却物を冷却した後、流出口から流出流路に流出し、冷媒出口からケーシングの外部へ流出する。この場合、流入流路が、第１の流入流路と第２の流入流路に分岐されており、流入口の近傍で第１の流入流路と第２の流入流路が合流しているので、冷却部の内部で乱流の発生が促進し、冷却性能が向上する。特に、冷却部の内部の上流側の中央部分（流入口に近い側の中央部分）で乱流の発生が促進され、冷却部の上流側の中央部分における冷却性能を向上させることができる。

また、本発明の冷却装置では、前記冷却部は、天板と底板とを備え、前記天板の上面には、前記被冷却物が載置され、前記天板の下面からは、冷却フィンが垂設されており、前記冷却フィンの先端と前記底板の上面との間には、スペーサ部材が配置されてもよい。

この構成により、天板と底板とで冷却部の内部に冷媒の流路が形成される。この場合、天板から垂設される冷却フィンの先端と底板との間の隙間がスペーサ部材によって埋められるので、冷却フィンの先端と底板との間に隙間がある場合に比べて、冷却フィンを冷媒で効率よく冷却することができ、冷却性能が向上する。

また、本発明の冷却装置では、前記天板の下面からは、前記流入口から前記流出口へ向かう方向に、複数の前記冷却フィンが垂設され、前記スペーサ部材の上面には、前記複数の冷却フィンの間に配置される複数の立壁部が立設され、前記流出口側の立壁部の高さは、前記流入口側の立壁部の高さより大きく設定されてもよい。

この構成により、流入口から流出口へ向かう方向に複数の冷却フィンが配置され、複数の冷却フィンの間に複数の立壁部が配置される。この場合、流出口側（下流側）の立壁部が流入口側（上流側）の立壁部より高く設定されるので、流出口側（下流側）のほうが冷媒の流路断面積が小さくなる。その結果、流出口側（下流側）の冷媒の流速が大きくなり、冷却部の下流側における冷却性能を向上させることができる。

また、本発明の冷却装置では、前記複数の冷却フィンと前記複数の立壁部は、前記流入口から前記流出口へ向かう方向に交互に配置されるとともに、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向に交互に配置されてもよい。

この構成により、複数の冷却フィンと複数の立壁部が、流入口から流出口へ向かう方向だけでなく、流入口から流出口へ向かう方向と交差する方向にも交互に配置されるので、冷却部の内部で乱流の発生が促進され、冷却性能を向上することができる。

また、本発明の冷却装置では、前記スペーサ部材の上面には、前記流入口から前記流出口へ向かう方向に延びる側壁部が立設されており、前記側壁部は、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向において前記冷却フィンの外側に配置されてもよい。

この構成により、冷却部の内部を冷媒が流入口側（上流側）から流出口側（下流側）へ向けて流れるときに、冷却フィンの外側（冷却部の外側）へ逃げるのを側壁部により防ぐように冷媒の流れを規制することができ、冷却性能を向上させることができる。

また、本発明の冷却装置では、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向において外側の前記スペーサ部材の上面の高さは、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向において中央の前記スペーサ部材の上面の高さより大きく設定されてもよい。

この構成により、スペーサ部材の上面の高さが中央より外側のほうが高く設定されるので、外側のほうが冷媒の流路断面積が小さくなる。その結果、外側の冷媒の流速が大きくなり、冷却部の外側における冷却性能を向上させることができる。

本発明によれば、被冷却物が載置される冷却部の内部で冷媒の乱流発生を促進することができ、冷却性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態における冷却装置を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態における冷却装置を説明するための平面図である。 本発明の実施の形態における冷却装置（冷却部）を説明するための断面図（図２におけるIII−III断面図）である。 本発明の実施の形態における冷却装置（冷却部）を説明するための平面図である。 冷却装置（冷却部）の変形例１を説明するための断面図（図２におけるIV−IV断面図）である。 冷却装置（冷却部）の変形例２を説明するための断面図（図２におけるIV−IV断面図）である。 冷却装置（冷却部）の変形例３を説明するための平面図である。

以下、本発明の実施の形態の冷却装置について、図面を用いて説明する。本実施の形態では、半導体素子や電子素子等の冷却に用いられる冷却装置の場合を例示する。

本発明の実施の形態の冷却装置の構成を、図面を参照して説明する。図１は、冷却装置の構成を説明するための斜視図であり、図２は、冷却装置の構成を説明するための平面図である。まず、図１および図２を参照して、冷却装置の全体の構成について説明する。

図１および図２に示すように、冷却装置１のケーシング２の内部には、被冷却物３である半導体素子や電子素子（例えばＩＧＢＴやＦＷＤ）が載置される冷却部４が収納されている。冷却装置１のケーシング２の側面の上流側（図２における左側）には、冷却水（例えばＬＬＣ）などの冷媒が流入する冷媒入口５が設けられており、冷却装置１のケーシング２の側面の下流側（図２における右側）には、冷媒が流出する冷媒出口６が設けられている。また、冷却部４のハウジング７の側面の上流側（図２における左側）には、ハウジング７の冷媒入口５に流入流路８を介して接続する流入口９が設けられており、冷却部４のハウジング７の側面の下流側（図２における右側）には、ハウジング７の冷媒出口６に流出流路１０を介して接続する流出口１１が設けられている。

そして、図１および図２に示すように、流入流路８は、少なくとも、第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂに分岐されており、第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂは、冷却部４の流入口９の近傍で合流している。第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂは、分岐後に互いに離れていくように形成され、その後、冷却部４の流入口９に向けて屈曲され、冷却部４の流入口９の近傍で合流するように形成されている。したがって、第１の流入流路８Ａを流れて流入口９から冷却部４に流入した冷媒と、第２の流入流路８Ｂを流れて流入口９から冷却部４に流入した冷媒とは、冷却部４の内部（特に冷却部４の内部の上流側）において互いに衝突し、その結果、冷却部４の内部（特に冷却部４の内部の上流側）で乱流が生じるようになる。

つぎに、図３および図４を参照して、冷却部４の構成について詳しく説明する。図３は、冷却部４の構成を説明するための断面図（図２におけるIII−III断面図）であり、図
４は、冷却部４の構成を説明するための平面図である。

図３および図４に示すように、冷却部４のハウジング７は、金属製（例えばアルミニウム製）の天板１２と、金属製（例えばアルミニウム製）の底板１３を備えている。天板１２の上面には、被冷却物３が載置される。天板１２の下面からは、複数の冷却フィン１４が垂設されている。冷却フィン１４は、例えば円柱形状である。なお、冷却フィン１４は、テーパ状の円柱形状（切頭円錐形状）でもよい。

図４に示すように、複数の冷却フィン１４は、マトリクス状（行列状）に配置されている。すなわち、複数の冷却フィン１４が、上流から下流に向かう方向（図４における左右方向）に、所定の間隔で配置されているとともに、上流から下流に向かう方向と直交する方向（図４における上下方向）に、所定の間隔で配置されている。この場合、複数の冷却フィン１４は、上流側から下流側にかけて等間隔で配置されているが、複数の冷却フィン１４は、上流側が間隔が大きく（上流側が疎に）配置され、下流側が間隔が小さく（下流側が密に）配置されてもよい。例えば、冷却フィン１４の間隔を小さくすることにより、冷媒の流路断面積を小さくすることができ、その結果、冷媒の流速を大きくすることができる。

また、底板１３の上面には、樹脂製のスペーサ部材１５が配置されている。冷却フィン１４の先端は、スペーサ部材１５に当接している。スペーサ部材１５は、冷却フィン１４の先端と底板１３の上面との間に配置されている。スペーサ部材１５の上面には、複数の立壁部１６が立設されている。立壁部１６は、例えば平板状である。立壁部１６の角部は、丸角とされてもよい。なお、立壁部１６は、必ずしも設けられていなくてもよい。

図４に示すように、複数の立壁部１６も、マトリクス状（行列状）に配置されている。すなわち、複数の立壁部１６が、上流から下流に向かう方向（図４における左右方向）に、所定の間隔で配置されているとともに、上流から下流に向かう方向と直交する方向（図４における上下方向）に、所定の間隔で配置されている。複数の立壁部１６は、複数の冷却フィン１４の間に配置されている。すなわち、上流から下流に向かう方向（図４における左右方向）でみたときに、冷却フィン１４と立壁部１６は交互に配置されており、また、上流から下流に向かう方向と直交する方向（図４における上下方向）でみたときにも、冷却フィン１４と立壁部１６は交互に配置されている。この場合、図３に示すように、流出口１１側（下流側、図３における右側）の立壁部１６の高さは、流入口９側（上流側、図３における左側）の立壁部１６の高さより大きく設定されている。

このような本実施の形態の冷却装置１によれば、冷媒入口５からケーシング２の内部に流入した冷媒は、流入流路８を通って流入口９から冷却部４へ流入し、冷却部４に載置された被冷却物３を冷却した後、流出口１１から流出流路１０に流出し、冷媒出口６からケーシング２の外部へ流出する。この場合、流入流路８が、第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂに分岐されており、流入口９の近傍で第１の流入流路８Ａと第２の流入流路８Ｂが合流しているので、冷却部４の内部で乱流の発生が促進し、冷却性能が向上する。特に、冷却部４の内部の上流側の中央部分（流入口９に近い側の中央部分）で乱流の発生が促進され、冷却部４の上流側の中央部分における冷却性能を向上させることができる。

本実施の形態では、天板１２と底板１３とで冷却部４の内部に冷媒の流路が形成される。この場合、天板１２から垂設される冷却フィン１４の先端と底板１３との間の隙間がスペーサ部材１５によって埋められるので、冷却フィン１４の先端と底板１３との間に隙間がある場合に比べて、冷却フィン１４を冷媒で効率よく冷却することができ、冷却性能が向上する。

また、本実施の形態では、流入口９から流出口１１へ向かう方向に複数の冷却フィン１４が配置され、複数の冷却フィン１４の間に複数の立壁部１６が配置される。この場合、流出口１１側（下流側）の立壁部１６が流入口９側（上流側）の立壁部１６より高く設定されるので、流出口１１側（下流側）のほうが冷媒の流路断面積が小さくなる。その結果、流出口１１側（下流側）の冷媒の流速が大きくなり、冷却部４の下流側における冷却性能を向上させることができる。

また、本実施の形態では、複数の冷却フィン１４と複数の立壁部１６が、流入口９から流出口１１へ向かう方向だけでなく、流入口９から流出口１１へ向かう方向と交差する方向にも交互に配置されるので、冷却部４の内部で乱流の発生が促進され、冷却性能を向上することができる。

以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。

例えば、図５に示すように、スペーサ部材１５の上面には、流入口９から流出口１１へ向かう方向（図５における紙面方向）に延びる側壁部１７が立設されてもよい。図５の例では、側壁部１７は、流入口９から流出口１１へ向かう方向と交差する方向（図５における左右方向）において冷却フィン１４の外側（図５における左右外側）に配置されている。側壁部１７は、天板１２に当接している。

このような側壁部１７を設けることにより、冷却部４の内部を冷媒が流入口９側（上流側）から流出口１１側（下流側）へ向けて流れるときに、冷却フィン１４の外側（冷却部４の外側）へ逃げるのを側壁部１７により防ぐように冷媒の流れを規制することができ、冷却性能を向上させることができる。

また、図６に示すように、スペーサ部材１５の上面の中央部には、流入口９から流出口１１へ向かう方向（図６における紙面方向）に延びる凹部１８が設けられてもよい。これにより、流入口９から流出口１１へ向かう方向と交差する方向（図６における左右方向）において外側（図６における左右外側）のスペーサ部材１５の上面の高さは、流入口９から流出口１１へ向かう方向と交差する方向（図６における左右方向）において中央（図６における中央）のスペーサ部材１５の上面の高さより大きく設定される。

このような凹部１８を設けることにより、スペーサ部材１５の上面の高さが中央より外側のほうが高く設定されるので、中央より外側のほうが冷媒の流路断面積が小さくなる。その結果、外側の冷媒の流速が大きくなり、冷却部４の外側における冷却性能を向上させることができる。

また、図７に示すように、流入口９から流出口１１へ向かう方向と交差する方向（図７における上下方向）に連続していてもよい。この場合にも、複数の冷却フィン１４と複数の立壁部１６が、流入口９から流出口１１へ向かう方向（図７における左右方向）に交互に配置されるので、冷却部４の内部で乱流の発生が促進され、冷却性能を向上することができる。

以上のように、本発明にかかる冷却装置は、冷却性能を向上させることができるいう効果を有し、半導体素子や電子素子等の冷却に用いられ、有用である。

１ 冷却装置
２ ケーシング
３ 被冷却物
４ 冷却部
５ 冷媒入口
６ 冷媒出口
７ ハウジング
８ 流入流路
８Ａ 第１の流入流路
８Ｂ 第２の流入流路
９ 流入口
１０ 流出流路
１１ 流出口
１２ 天板
１３ 底板
１４ 冷却フィン
１５ スペーサ部材
１６ 立壁部
１７ 側壁部
１８ 凹部

Claims (6)

1. 被冷却物が載置される冷却部と、
   前記冷却部を収納するケーシングと、
   を備えた冷却装置であって、
   前記ケーシングは、冷媒が流入する冷媒入口と、冷媒が流出する冷媒出口とを備え、
   前記冷却部は、前記冷媒入口に流入流路を介して接続する流入口と、前記冷媒出口に流出流路を介して接続する流出口とを備え、
   前記流入流路は、少なくとも、第１の流入流路と第２の流入流路に分岐されており、前記流入口の近傍で前記第１の流入流路と前記第２の流入流路が合流している冷却装置。
2. 前記冷却部は、天板と底板とを備え、
   前記天板の上面には、前記被冷却物が載置され、前記天板の下面からは、冷却フィンが垂設されており、
   前記冷却フィンの先端と前記底板の上面との間には、スペーサ部材が配置されている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記天板の下面からは、前記流入口から前記流出口へ向かう方向に、複数の前記冷却フィンが垂設され、
   前記スペーサ部材の上面には、前記複数の冷却フィンの間に配置される複数の立壁部が立設され、
   前記流出口側の立壁部の高さは、前記流入口側の立壁部の高さより大きく設定されている、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記複数の冷却フィンと前記複数の立壁部は、前記流入口から前記流出口へ向かう方向に交互に配置されるとともに、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向に交互に配置されている、請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記スペーサ部材の上面には、前記流入口から前記流出口へ向かう方向に延びる側壁部が立設されており、
   前記側壁部は、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向において前記冷却フィンの外側に配置されている、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の冷却装置。
6. 前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向において外側の前記スペーサ部材の上面の高さは、前記流入口から前記流出口へ向かう方向と交差する方向において中央の前記スペーサ部材の上面の高さより大きく設定されている、請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の冷却装置。

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