JP2017195226A - 液冷式冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストでかつ製造が容易な液冷式冷却装置を提供する。【解決手段】液冷式冷却装置は、頂壁2aが発熱体取付壁３となっているケーシング２と、ケーシング２内に配置された放熱器４とを備えている。ケーシング２に冷却液入口５および冷却液出口６を設ける。放熱器４に、外部から冷却液入口５を通ってケーシング２内に流入した冷却液を冷却液出口６に向かって一方向に流す複数の冷却液流路12,13を間隔をおいて形成する。放熱器４の上面をケーシング２の頂壁2a内面に接合し、同下面を底壁2b内面に接合する。放熱器４の全冷却液流路12,13のうち発熱体取付壁３に最も近い側に形成された冷却液流路12は、放熱器４における発熱体取付壁３に接合された面に形成された溝12aの内面と、発熱体取付壁３の内面3aとによって囲まれており、同じく残りの冷却液流路13は放熱器４に形成された貫通穴からなる。【選択図】図３
Description
この発明は、たとえば半導体素子などの電子部品からなる発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。
この明細書および特許請求の範囲において、図３の上下、左右を上下、左右というもとのとする。
たとえば、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車などに搭載される電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイス（半導体素子）においては、近年、大電力を扱うようになって発熱量が極めて多くなっている。放熱に大きなスペースを確保することができる定置設備においては強制空冷式の冷却装置を用いることも可能であるが、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車などの限られたスペースを確保することしかできない場合には、冷却液によりパワーデバイスを冷却する必要がある。
冷却液によりパワーデバイスを冷却しうる冷却装置として、同方向にのびる貫通穴からなる複数の冷却液流路が形成され、かつ外面が発熱体取付面となっている金属ブロックと、金属ブロックにおける冷却液流路よりも発熱体取付面側に配置され、かつ長手方向を冷却液流路の長手方向に向けた複数のヒートパイプと、金属ブロックにおける冷却液流路の一端開口側に設けられた入口ヘッダ部と、金属ブロックにおける冷却液流路の他端開口側に設けられた出口ヘッダ部と、入口ヘッダ部に接続された冷却液供給管と、出口ヘッダ部に接続された冷却液排出管とを備えて冷却装置が提案されている(特許文献１参照)。
しかしながら、特許文献１記載の冷却装置においては、金属ブロックにおける冷却液流路よりも発熱体取付面側にヒートパイプが配置されているので、コストが高くなるとともに、製造が困難であるという問題がある。
この発明の目的は、上記問題を解決し、低コストでかつ製造が容易な液冷式冷却装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)頂壁、底壁および周壁を有し、かつ頂壁および底壁のうち少なくともいずれか一方が、外面に発熱体が取り付けられる発熱体取付壁となっているケーシングと、ケーシング内に配置されかつケーシングの発熱体取付壁外面に取り付けられる発熱体から発せられる熱を放熱する放熱器とを備えており、
ケーシングに、冷却液入口および冷却液出口が設けられ、放熱器に、外部から冷却液入口を通ってケーシング内に流入した冷却液を冷却液出口に向かって一方向に流す複数の冷却液流路が、上下方向および左右方向に間隔をおいて形成され、放熱器の上面がケーシングの頂壁内面に接合されるとともに放熱器の下面がケーシングの底壁内面に接合され、放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い側に形成された冷却液流路が、放熱器における発熱体取付壁に接合された面に形成された溝の内面と、発熱体取付壁の内面とによって囲まれており、放熱器の全冷却液流路のうちの残りの冷却液流路が放熱器に形成された貫通穴からなる液冷式冷却装置。
ケーシングに、冷却液入口および冷却液出口が設けられ、放熱器に、外部から冷却液入口を通ってケーシング内に流入した冷却液を冷却液出口に向かって一方向に流す複数の冷却液流路が、上下方向および左右方向に間隔をおいて形成され、放熱器の上面がケーシングの頂壁内面に接合されるとともに放熱器の下面がケーシングの底壁内面に接合され、放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い側に形成された冷却液流路が、放熱器における発熱体取付壁に接合された面に形成された溝の内面と、発熱体取付壁の内面とによって囲まれており、放熱器の全冷却液流路のうちの残りの冷却液流路が放熱器に形成された貫通穴からなる液冷式冷却装置。
2)放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い冷却液流路の流路断面積をＸｍｍ2、貫通穴からなる冷却液流路の流路断面積をＡｍｍ2とした場合、０＜Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たす上記1)記載の液冷式冷却装置。
3)放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い冷却液流路の流路断面積をＸｍｍ2、貫通穴からなる冷却液流路の流路断面積をＡｍｍ2とした場合、０．６Ａ≦Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たす上記1)記載の液冷式冷却装置。
4)ケーシングに、放熱器よりも冷却液流通方向上流側に位置しかつ冷却液が冷却液入口を通って外部から流入する入口ヘッダ部と、放熱器よりも冷却液流通方向下流側に位置しかつ冷却液が冷却液出口を通って外部に流出する出口ヘッダ部とが設けられ、放熱器の全冷却液流路の長手方向両端開口が入口ヘッダ部および出口ヘッダ部に開口している上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
上記1)〜4)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングに、冷却液入口および冷却液出口が設けられ、放熱器に、外部から冷却液入口を通ってケーシング内に流入した冷却液を冷却液出口に向かって一方向に流す複数の冷却液流路が、上下方向および左右方向に間隔をおいて形成され、放熱器の上面がケーシングの頂壁内面に接合されるとともに放熱器の下面がケーシングの底壁内面に接合され、放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い側に形成された冷却液流路が、放熱器における発熱体取付壁に接合された面に形成された溝の内面と、発熱体取付壁の内面とによって囲まれており、放熱器の全冷却液流路のうちの残りの冷却液流路が放熱器に形成された貫通穴からなるので、ケーシングの発熱体取付壁の厚みを適度に薄くすることによって、発熱体取付壁の外面に取り付けられた発熱体から放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い側に形成された冷却液流路内を流れる冷却液への熱伝導性が向上し、発熱体取付壁外面に取り付けられた発熱体から発せられる熱を効率良く放熱することが可能になる。しかも、ヒートパイプが用いられている特許文献１記載の冷却装置に比べてコストが安くなるとともに製造が容易になる。
上記2)の液冷式冷却装置によれば、貫通穴からなる冷却液流路のみを備えた放熱器を用いる場合に比べて放熱性能が向上する。
上記3)の液冷式冷却装置によれば、貫通穴からなる冷却液流路のみを備えた放熱器を用いる場合に比べて放熱性能が向上するとともに、圧力損失が低減する。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
この明細書において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
また、以下の説明において、液冷式冷却装置のケーシング内での冷却液の流れ方向下流側(図２の右側)を前、これと反対側を後というものとする。
図１〜図３は液冷式冷却装置の全体構成を示し、図４はその要部の構成を示す。
図１〜図３において、液冷式冷却装置(1)は、頂壁(2a)、底壁(2b)および周壁(2c)を有し、かつ頂壁(2a)および底壁(2b)のうち少なくともいずれか一方が、外面に発熱体(P)が取り付けられる発熱体取付壁(3)となっているアルミニウム製ケーシング(2)と、ケーシング(2)内に配置されかつケーシング(2)の発熱体取付壁(3)外面に取り付けられる発熱体(P)から発せられる熱を放熱するアルミニウム製放熱器(4)とを備えている。この実施形態においては、ケーシング(2)の頂壁(2a)が発熱体取付壁(3)となっており、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスや、ＩＧＢＴが制御回路と一体化されて同一パッケージに収納されたＩＧＢＴモジュールや、ＩＧＢＴモジュールにさらに保護回路が一体化されて同一パッケージに収納されたインテリジェントパワーモジュールなどからなる発熱体(P)は、図示しない絶縁部材を介してケーシング(2)の発熱体取付壁(3)外面に取り付けられる。
ケーシング(2)の周壁(2c)の後側壁部分における左右方向中央部に後方に開口した冷却液入口(5)が設けられ、同じく周壁(2c)の前側壁部分における左右方向中央部に前方に開口した冷却液出口(6)が設けられている。また、ケーシング(2)に、放熱器(4)よりも冷却液流通方向上流側(後側)に位置しかつ冷却液が冷却液入口(5)を通って外部から流入する入口ヘッダ部(7)と、放熱器(4)よりも冷却液流通方向下流側(前側)に位置しかつ冷却液が冷却液出口(6)を通って外部に流出する出口ヘッダ部(8)とが設けられている。入口ヘッダ部(7)はケーシング(2)の後端部に左右方向にのびるように設けられており、冷却液入口(5)は入口ヘッダ部(7)の左右方向中央部に通じている。ケーシング(2)の出口ヘッダ部(8)は、ケーシング(2)の前端部に左右方向にのびるように設けられており、冷却液出口(6)は出口ヘッダ部(8)の左右方向中央部に通じている。
図示は省略したが、ケーシング(2)の冷却液入口(5)に、入口ヘッダ部(7)内に冷却液を送り込むアルミニウム製入口パイプが接続され、冷却液出口(6)に、出口ヘッダ部(8)内から冷却液を送り出すアルミニウム製出口パイプが接続されている。
この実施形態においては、ケーシング(2)は、頂壁(2a)および周壁(2c)を形成するアルミニウム製上構成部材(9)と、上構成部材(9)にろう材層を介して接合され、かつ底壁(2b)を形成するアルミニウム製下構成部材(11)とよりなる。ケーシング(2)の上構成部材(9)は下方に開口した箱状であり、上構成部材(9)の下方への開口が、板状の下構成部材(11)により塞がれている。
図２〜図４に示すように、放熱器(4)は直方体状であって、後面が入口ヘッダ部(7)内に臨むとともに前面が出口ヘッダ部(8)内に臨んでおり、さらに放熱器(4)の上面がケーシング(2)の頂壁(2a)内面にろう材層を介して接合され、同下面がケーシング(2)の底壁(2b)内面にろう材層を介して接合され、同左右両側面がケーシング(2)の周壁(2c)の左右両側壁部分の内面にろう材層を介して接合されている。
放熱器(4)には、一端が入口ヘッダ部(7)内に開口するとともに他端が出口ヘッダ部(8)内に開口した複数の貫通状の冷却液流路(12)(13)が上下方向および左右方向に間隔をおくとともに、前後方向と直交する垂直断面において千鳥配置状となるように形成されている。放熱器(4)の全冷却液流路(12)(13)のうちケーシング(2)の発熱体取付壁(3)に最も近い側に形成された複数の冷却液流路(12)(以下，第１冷却液流路と称する)は、放熱器(4)の上面（発熱体取付壁(3)に接合された面）に左右方向に間隔をおいて形成され、かつ前後方向にのびる複数の溝(12a)の内面と、発熱体取付壁(3)の内面(3a)とによって囲まれており、これらの第１冷却液流路(12)においては、冷却液は発熱体取付壁(3)の内面(3a)に沿って流れる。放熱器(4)の全冷却液流路(12)(13)のうちの残りの冷却液流路(13)(以下，第２冷却液流路と称する)は、第１冷却液流路(12)よりも底壁(2b)側において放熱器(4)に形成された貫通穴からなる。
放熱器(4)は、前後方向に並んで配置されるとともに相互に接合された複数のアルミニウム押出形材製構成部材(14)からなる。各構成部材(14)には、第１冷却液流路(12)の溝(12a)を形成する溝(14a)と、第２冷却液流路(13)を形成する貫通穴(14b)とが、前後方向から見て合致した位置に設けられている。
ここで、放熱器(4)の第１冷却液流路(12)の流路断面積をＸｍｍ2、第２冷却液流路(13)の流路断面積をＡｍｍ2とした場合、０＜Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たしていることが好ましく、０．６Ａ≦Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たしていることが望ましい。Ｘ＝０ということは、冷却液が発熱体取付壁(3)の内面(3a)に沿って流れる第１冷却液流路(12)が形成されていないということであり、０＜Ｘということは第１冷却液流路(12)が形成されているということであるが、０＜Ｘの場合、貫通穴からなる第２冷却液流路(13)のみを備えた放熱器(4)を用いる場合に比べて放熱性能が向上する。また、Ｘが大きくなりすぎると、発熱体取付壁(3)近傍の第１冷却液流路(12)を流れる冷却液の流速が低下し、放熱性能が低下するおそれがある。したがって、０＜Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たしていることが好ましい。さらに、Ｘが小さすぎると冷却液が第１冷却液流路(12)を流れる際の圧力損失が増大するおそれがあるので、０．６Ａ≦Ｘという関係を満たしていることが望ましい。
なお、放熱器(4)を構成する各構成部材(14)の前後方向の寸法は、適宜変更可能であり、さらには放熱器(4)全体が１つの押出形材で構成されていてもよい。また、放熱器(4)を構成する各構成部材(14)は、アルミニウムなどの金属製板状素材にプレス加工を施すことにより形成されていてもよい。
上記構成の液冷式冷却装置(1)において、冷却液入口(5)を通ってケーシング(2)の入口ヘッダ部(7)内に流入した冷却液は、放熱器(4)の全冷却液流路(12)(13)に分流し、各冷却液流路(12)(13)内を前方に流れて出口ヘッダ部(8)内に入り、冷却液出口(6)を通ってケーシング(2)の外部に送り出される。発熱体(P)から発せられる熱は、絶縁部材、ケーシング(2)の発熱体取付壁(3)を経て第１冷却液流路(12)を流れる冷却液に放熱されるとともに、絶縁部材、ケーシング(2)の発熱体取付壁(3)および放熱器(4)を経て第２冷却液流路(12)(13)を流れる冷却液に放熱され、発熱体(P)が冷却される。
冷却液は、第１冷却液流路(12)においては発熱体取付壁(3)の内面(3a)に沿って流れるので、発熱体取付壁(3)の外面に取り付けられた発熱体(P)から発せられる熱を効率良く放熱することが可能になり、冷却性能が向上する。
上記実施形態においては、ケーシング(2)の頂壁(2a)が発熱体取付壁(3)となっているが、底壁(2b)が発熱体取付壁となっていてもよく、頂壁(2a)および底壁が発熱体取付壁となっていてもよい。
この発明による液冷式冷却装置は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車などに搭載される電力変換装置に用いられるＩＧＢＴなどのパワーデバイスを冷却するのに好適に用いられる。
(1)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(2a)：頂壁
(2b)：底壁
(2c)：周壁
(3)：発熱体取付壁
(3a)：内面
(4)：放熱器
(5)：冷却液入口
(6)：冷却液出口
(7)：入口ヘッダ部
(8)：出口ヘッダ部
(12)：第１冷却液流路
(12a)：溝
(13)：第２冷却液流路
(2)：ケーシング
(2a)：頂壁
(2b)：底壁
(2c)：周壁
(3)：発熱体取付壁
(3a)：内面
(4)：放熱器
(5)：冷却液入口
(6)：冷却液出口
(7)：入口ヘッダ部
(8)：出口ヘッダ部
(12)：第１冷却液流路
(12a)：溝
(13)：第２冷却液流路
Claims (4)
- 頂壁、底壁および周壁を有し、かつ頂壁および底壁のうち少なくともいずれか一方が、外面に発熱体が取り付けられる発熱体取付壁となっているケーシングと、ケーシング内に配置されかつケーシングの発熱体取付壁外面に取り付けられる発熱体から発せられる熱を放熱する放熱器とを備えており、
ケーシングに、冷却液入口および冷却液出口が設けられ、放熱器に、外部から冷却液入口を通ってケーシング内に流入した冷却液を冷却液出口に向かって一方向に流す複数の冷却液流路が、上下方向および左右方向に間隔をおいて形成され、放熱器の上面がケーシングの頂壁内面に接合されるとともに放熱器の下面がケーシングの底壁内面に接合され、放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い側に形成された冷却液流路が、放熱器における発熱体取付壁に接合された面に形成された溝の内面と、発熱体取付壁の内面とによって囲まれており、放熱器の全冷却液流路のうちの残りの冷却液流路が放熱器に形成された貫通穴からなる液冷式冷却装置。 - 放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い冷却液流路の流路断面積をＸｍｍ2、貫通穴からなる冷却液流路の流路断面積をＡｍｍ2とした場合、０＜Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たす請求項１記載の液冷式冷却装置。
- 放熱器の全冷却液流路のうちケーシングの発熱体取付壁に最も近い冷却液流路の流路断面積をＸｍｍ2、貫通穴からなる冷却液流路の流路断面積をＡｍｍ2とした場合、０．６Ａ≦Ｘ≦１．１５Ａという関係を満たす請求項１記載の液冷式冷却装置。
- ケーシングに、放熱器よりも冷却液流通方向上流側に位置しかつ冷却液が冷却液入口を通って外部から流入する入口ヘッダ部と、放熱器よりも冷却液流通方向下流側に位置しかつ冷却液が冷却液出口を通って外部に流出する出口ヘッダ部とが設けられ、放熱器の全冷却液流路の長手方向両端開口が入口ヘッダ部および出口ヘッダ部に開口している請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
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