JP2019079850A - 液冷式冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液冷式冷却装置において、複数の電子部品における特定の電子部品をより効果的に冷却する。【解決手段】液冷式冷却装置１０は、その第１ケーシング１２の外側に複数の電子部品Ｅ１〜Ｅ３が長手方向に沿って装着され、第２ケーシング１４の底壁部２４には、第１ガイド壁３６が立設するように設けられ、幅方向において前記電子部品Ｅ１〜Ｅ３と重複することがないように配置されると共に、最も発熱量の大きな電子部品Ｅ２の上流側となるように配置される。これにより、フィン１６の幅方向中央近傍を流れる冷媒が、第１ガイド壁３６によって幅方向外側へと導かれ、その下流側に配置された前記電子部品Ｅ２がこの冷媒によって効果的に冷却される。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の流路を流れる冷媒との熱交換を行うことで電子部品を冷却することが可能な液冷式冷却装置に関する。

従来から、半導体等の熱を発する電子部品を冷却するための液冷式冷却装置が提案されており、この液冷式冷却装置は、例えば、特許文献１に開示されるように、断面波状に形成されたコルゲートフィンがケーシングの内部に設けられ、このケーシングの周壁において冷却液入口が右方に突出し、冷却液出口が左方に突出するように形成される。また、ケーシングの頂壁には、板状絶縁部材を介して発熱体である半導体素子が複数装着されている。

そして、冷却液入口からケーシングの内部へと供給された冷却液がコルゲートフィンの間を通過して冷却液出口へと流れる際、半導体素子から発せられた熱が、絶縁部材、ケーシング及びコルゲートフィンを経て冷却液へと伝わることで熱交換され複数の半導体素子がそれぞれ冷却される。

特許第５０２３０２０号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、複数の電子部品のうちの特定の電子部品をより効果的に冷却することが可能な液冷式冷却装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、冷媒の供給される供給口と冷媒の排出される排出口とを有したケーシングと、ケーシング内に収納されるフィンとを備え、ケーシングにおいて冷媒の流通方向に沿って発熱量の異なる少なくとも２つ以上の電子部品が設けられ、電子部品を冷媒との熱交換によって冷却する液冷式冷却装置において、
ケーシングにおいて、複数の電子部品のうち最も発熱量の大きな電子部品の上流側に配置され、冷媒の一部の流通方向を電子部品側へと偏向させる偏向部と、
フィンに形成され偏向部の挿入される溝部と、
を備え、
溝部には、挿入された偏向部の上流側に間隙を有すると共に、偏向部が、流通方向と略直交する幅方向において電子部品と重複することがない位置に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、液冷式冷却装置を構成するケーシングには、発熱量の異なる電子部品が冷媒の流通方向に沿って少なくとも２つ以上設けられると共に、複数の電子部品のうち最も発熱量の大きな電子部品の上流側に偏向部が配置され、この偏向部によって冷媒の一部の流通方向を電子部品側へと偏向させる。また、ケーシングに収納されるフィンには偏向部の挿入される溝部を有し、この溝部には、挿入された偏向部の上流側に間隙を有すると共に、冷媒の流通方向と略直交する幅方向において偏向部が電子部品と重複することがないように配置される。

従って、供給口からケーシング内へと供給された冷媒の一部が、偏向部によって偏向され溝部に設けられた間隙に沿って電子部品側へと導かれることで、この偏向部の下流側に配置された最も発熱量の大きな電子部品を流通方向に沿って流れる冷媒に偏向させた冷媒の一部を加えることで積極的に冷却することができる。

その結果、ケーシングにおいて発熱量の異なる２つ以上の電子部品が装着された際、最も発熱量の大きな電子部品の上流側に偏向部を設けると共に、この偏向部が挿入される溝部をフィンに設け、例えば、発熱量の大きな特定の電子部品に対峙するように積極的に冷媒を流通させることで効果的に冷却することが可能となる。

また、偏向部を、ケーシングの壁部に対して切り起こし壁部に対して立設させるとよい。

さらに、偏向部はフィンの下流側にも設けられ、フィンの溝部に挿入される一方の偏向部に対し、フィンの下流側に配置される他方の偏向部を流通方向に沿って一直線状に配置するとよい。

さらにまた、電子部品は、ケーシングの幅方向において所定間隔離間し流通方向に沿って列状に配置され、幅方向一方側となる電子部品の列と幅方向他方側となる電子部品の列との間に偏向部を配置するとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、液冷式冷却装置を構成するケーシングにおいて、発熱量の異なる２つ以上の電子部品のうち最も発熱量の大きな電子部品の上流側に偏向部を設けると共に、ケーシングに収納されるフィンに偏向部の挿入される溝部を備え、この溝部には、挿入された偏向部の上流側に間隙を設け、幅方向において偏向部が電子部品と重複することがないように配置する。これにより、ケーシング内へと供給された冷媒の一部が、偏向部によって間隙に沿って電子部品側へと好適に導かれ、この偏向部の下流側に設けられた最も発熱量の大きな特定の電子部品を効果的に冷却することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る液冷式冷却装置の全体断面図である。 図１の液冷式冷却装置の分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

本発明に係る液冷式冷却装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る液冷式冷却装置を示す。

この液冷式冷却装置１０は、図１〜図３に示されるように、上下に分割自在な第１及び第２ケーシング（ケーシング）１２、１４と、前記第１及び第２ケーシング１２、１４の内部に収納されるフィン１６と、前記第２ケーシング１４の下方を覆うカバープレート１８を含む。

第１及び第２ケーシング１２、１４は、例えば、金属製の板材を成形することで略同一形状に形成され、この第１ケーシング１２は、平坦状の頂壁部２０と、該頂壁部２０の外縁部に立設した第１側壁部２２とからなり、前記頂壁部２０の上面には冷却の必要とされる電子部品Ｅ１〜Ｅ３が装着される。

この電子部品Ｅ１〜Ｅ３は、例えば、発熱を伴う半導体等からなり、第１ケーシング１２の幅方向（図３中、矢印Ｂ方向）に互いに離間するように一組ずつ、長手方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿ってそれぞれ３列となる合計６個装着される。換言すれば、第１ケーシング１２の幅方向中央に対してそれぞれ幅方向外側（矢印Ｂ１方向）に離間するように２列になって長手方向に沿って配置される。なお、電子部品Ｅ１〜Ｅ３は、上述した数量に限定されるものではなく、必要に応じて適宜設定すればよい。

また、複数の電子部品Ｅ１〜Ｅ３は、冷媒の流通方向となる第１ケーシング１２の長手方向に沿ってそれぞれ発熱量が異なり、ここでは、図３に示されるように、上流側から２列目に配置された一組の電子部品Ｅ２が最も発熱量が大きい場合について説明する。

第２ケーシング１４は、図１〜図３に示されるように、平坦状の底壁部２４と、該底壁部２４の外縁部に立設した第２側壁部２６とからなり、前記底壁部２４は、第１ケーシング１２の頂壁部２０と略同一形状に形成されると共に、前記第２側壁部２６の端部が第１ケーシング１２における第１側壁部２２の端部と当接した状態で、例えば、ろう付け等によって接続される。

これにより、図１に示されるように、頂壁部２０と底壁部２４とが略平行となり、第１及び第２側壁部２２、２６に囲まれた第１及び第２ケーシング１２、１４の内部空間が冷媒の流通する流路２８となる。

また、第２ケーシング１４の底壁部２４には、冷媒の供給される供給口３０と、内部を流れた冷媒の排出される排出口３２とがそれぞれ開口している。この供給口３０は、第２ケーシング１４の長手方向に沿った一端部側（矢印Ａ１方向）において幅方向中央から第２側壁部２６側（幅方向外側、矢印Ｂ１方向）へとオフセットした位置に形成され、排出口３２は、第２ケーシング１４の他端部側（矢印Ａ２方向）において幅方向中央に形成される。すなわち、第２ケーシング１４の長手方向において、供給口３０と排出口３２とが一直線状に配置されておらず、幅方向（矢印Ｂ方向）にオフセットしている（図３参照）。

そして、供給口３０及び排出口３２には、それぞれ冷媒の供給・排出される配管３４ａ、３４ｂ（図１参照）が底壁部２４に対してそれぞれ接続され、第１及び第２ケーシング１２、１４において、冷媒が供給口３０から排出口３２へと長手方向（図１中、矢印Ａ２方向）に沿って流れることとなる。すなわち、図３に示される矢印Ａ２方向が冷媒の流通方向となる。

さらに、第２ケーシング１４の底壁部２４には、第１ケーシング１２側に向かって立設し、幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在した一組の第１及び第２ガイド壁（偏向部）３６、３８が設けられる。

この第１及び第２ガイド壁３６、３８は、例えば、第２ケーシング１４における底壁部２４の一部を切り欠き、該底壁部２４に対して略直交させ、且つ、幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在するように折曲させることで形成される。第１及び第２ガイド壁３６、３８の幅寸法は、例えば、幅方向に離間して配置された２列の電子部品Ｅ１〜Ｅ３の間隔と略同等となるように設定される。

換言すれば、第２ケーシング１４の幅方向（矢印Ｂ方向）において、第１及び第２ガイド壁３６、３８が電子部品Ｅ１〜Ｅ３と重複することがない位置に配置されている。

また、第１及び第２ガイド壁３６、３８は、底壁部２４に対して第１ケーシング１２側に向かって所定高さとなるように形成されると共に、フィン１６の高さと略同等以下となるように形成される。すなわち、第１及び第２ガイド壁３６、３８は、第２ケーシング１４と一体的、且つ、同一となる板厚で形成されている。

さらに、第１ガイド壁３６は、第２ケーシング１４の略中央部よりも供給口３０側となる上流側（矢印Ａ１方向）に設けられ、第２ガイド壁３８は、排出口３２側となる第２ケーシング１４の下流側（矢印Ａ２方向）に設けられると共に、それぞれ前記第２ケーシング１４の幅方向中央に一直線状となるように配置される。

一方、第２ケーシング１４の底壁部２４には、第１及び第２ガイド壁３６、３８を形成することで、前記第１及び第２ガイド壁３６、３８と略同一面積となる断面長方形状の開口部４０ａ、４０ｂが開口する。

この開口部４０ａ、４０ｂは、第１及び第２ガイド壁３６、３８に対してそれぞれ上流側となる供給口３０側（矢印Ａ１方向）に形成され、第２ケーシング１４の底壁部２４に対して下方からカバープレート１８を覆うように装着し、ろう付けによって固定することで覆われる。これにより、第１及び第２ケーシング１２、１４内の冷媒が開口部４０ａ、４０ｂを通じて外部へと漏出することがない。

さらに、第１ガイド壁３６は、長手方向において前記供給口３０より所定距離だけ離間した下流側（矢印Ａ２方向）に配置され、最も上流側に配置された１列目の電子部品Ｅ１と２列目の電子部品Ｅ２との間となる位置に設けられ、第２ガイド壁３８は、前記長手方向において排出口３２から所定距離だけ離間した位置に配置される。

なお、第１及び第２ガイド壁３６、３８は、上述したように第２ケーシング１４の底壁部２４に対して開口部４０ａ、４０ｂの下流側（矢印Ａ２方向）に切り起こされる場合に限定されるものではなく、例えば、前記第１及び第２ガイド壁３６、３８が共に前記開口部４０ａ、４０ｂの上流側（矢印Ａ１方向）に切り起こされていてもよいし、前記第１ガイド壁３６の切り起こし方向と、前記第２ガイド壁３８の切り起こし方向とが異なるように形成されていてもよい。

フィン１６は、例えば、アルミニウム材料等の薄板を成形することで断面波状に折曲され、第１及び第２ケーシング１２、１４の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１ケーシング１２の頂壁部２０と第２ケーシング１４の底壁部２４に対して交互に接するように配置されると共に、波状の断面形状で第１及び第２ケーシング１２、１４の長手方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って延在するように形成されている。そして、冷媒は、第１及び第２ケーシング１２、１４において複数のフィン１６に沿って流路２８内を長手方向（矢印Ａ２方向）へと流通する。

また、フィン１６は、その下流側となる他端部が第１及び第２ケーシング１２、１４内において第２ガイド壁３８に臨むように配置されると共に、第１ガイド壁３６の挿入されるスリット４２が形成される。

このスリット４２は、フィン１６が第１及び第２ケーシング１２、１４内に収納された際、第１ガイド壁３６に臨む位置に形成され、前記第２ケーシング１４の底壁部２４側から第１ケーシング１２側に向かって略長方形状に切り欠かれ、且つ、幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って同一断面形状で複数の薄板を貫通するように一直線状に形成される（図１参照）。

また、スリット４２は、図１に示されるように、フィン１６の長手方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿った幅寸法が、第１ガイド壁３６の厚さよりも大きく形成され、この第１ガイド壁３６は、前記スリット４２において下流側（矢印Ａ２方向）となる位置に挿入され、その上端部がスリット４２の上端部に突き当たるように配置される。

そして、スリット４２の上流側と第１ガイド壁３６との間に所定間隔の間隙が設けられ、この間隙は、上流側から第１ガイド壁３６に当たった冷媒が幅方向外側（矢印Ｂ１方向）に向かって流れるガイド通路４４となる。なお、ガイド通路４４は、第２ケーシング１４の長手方向における第１ガイド壁３６の切り起こし方向に関わらず、該長手方向に沿って所定間隔となるように形成される。

さらに、第１及び第２ケーシング１２、１４の一端部において、フィン１６の一端部との間に冷媒の供給される供給部４６が形成され、第１及び第２ケーシング１２、１４の他端部においてフィン１６の他端部との間に冷媒の排出される排出部４８が形成される。この供給部４６には供給口３０が開口し、排出部４８には排出口３２が開口している。

本発明の実施の形態に係る液冷式冷却装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について図１及び図３を参照しながら説明する。

先ず、図示しない冷却液供給手段から配管３４ａを通じて冷媒が供給口３０から供給部４６へと供給され、この冷媒は、前記供給部４６の幅方向において略均等にフィン１６に沿って下流側へと流れ、最初に最も上流側に設けられた一組の電子部品Ｅ１を冷却する。

具体的には、この電子部品Ｅ１で発生した熱が、第１ケーシング１２の頂壁部２０からフィン１６へと伝達され、このフィン１６に沿って流れる冷媒のうち前記電子部品Ｅ１と対峙する位置を流れる冷媒と熱交換され、前記フィン１６及び第１ケーシング１２の頂壁部２０を通じて電子部品Ｅ１へと伝達された冷熱によって冷却されると共に、前記冷媒が加熱される。

また、この際、フィン１６の幅方向外側（矢印Ｂ１方向）を流れる冷媒が電子部品Ｅ１との熱交換によって加熱すると共に、幅方向中央近傍を流れる冷媒は、前記電子部品Ｅ１と対峙していないためほとんど加熱されずに比較的冷えた状態で下流側へと流通する。

次に、図３に示されるように、フィン１６に沿って幅方向中央近傍を流れる冷媒が、さらに下流側へと流れることで第１ガイド壁３６に当たり下流側へのさらなる流通が妨げられ、この第１ガイド壁３６及びガイド通路４４に沿ってフィン１６の幅方向外側（矢印Ｂ１方向）へと流れる。

この冷媒は、第１ガイド壁３６及びガイド通路４４に沿って幅方向両端部まで流れた後に、フィン１６において幅方向外側を流れ電子部品Ｅ１と熱交換された冷媒と幅方向外側において混合され、該幅方向外側（矢印Ｂ１方向）を二股状となってフィン１６に沿って再び下流側（矢印Ａ２方向）へと流れる。

具体的には、幅方向外側を流れ電子部品Ｅ１との熱交換によって加熱された冷媒と、幅方向中央近傍を流れ前記電子部品Ｅ１との熱交換が行われていない低温状態の冷媒とが混合されることで、幅方向外側における冷媒の温度が好適に低下する。

そして、第１ガイド壁３６及びガイド通路４４によって分流された冷媒が、幅方向（矢印Ｂ方向）に離間して配置された２列目の電子部品Ｅ２に対峙する位置へと流れることで、この電子部品Ｅ２との間で熱交換がなされ好適に冷却されると共に冷媒が加熱される。

すなわち、冷媒の一部を、最も発熱量の大きな電子部品Ｅ２の上流側に配置された第１ガイド壁３６及びガイド通路４４によって第１ケーシング１２の幅方向外側（矢印Ｂ１方向）へと導き、上流側から幅方向外側を流れてきた冷媒と混合させることで、冷媒の流通量を増加させ、且つ、該冷媒の温度を低下させることができるため、最も発熱量の大きな電子部品Ｅ２が効果的に冷却される。

そして、フィン１６における幅方向外側（矢印Ｂ１方向）を流れる冷媒は、電子部品Ｅ２を冷却した後にさらに下流側へと流通することで、下流側に配置された３列目の電子部品Ｅ３との熱交換を行うことで冷却する。

最後に、複数の電子部品Ｅ１〜Ｅ３と順番に熱交換のなされた冷媒が、フィン１６の他端部から下流側となる排出部４８へと流れ、排出口３２を通じて配管３４ｂへと排出される。この冷媒は、排出された後に第１及び第２ケーシング１２、１４の外部において再び冷却され、冷却液供給手段から供給口３０へと供給される。

また、フィン１６の下流側において幅方向中央に第２ガイド壁３８を設けているため、前記フィン１６に沿って流れる冷媒は、第１及び第２ガイド壁３６、３８の配置された幅方向中央近傍により流れにくく、第１及び第２側壁部２２、２６側となる幅方向外側（矢印Ｂ１方向）へとより積極的に流通させることができる。

なお、液冷式冷却装置１０では、少なくとも冷媒の流通方向において上流側となる位置に第１ガイド壁３６及びガイド通路４４が設けられていればよく、前記フィン１６の下流側に第２ガイド壁３８を設けなくともよい。

以上のように、本実施の形態では、液冷式冷却装置１０を構成する第１及び第２ケーシング１２、１４において、冷媒の流通方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って複数の電子部品Ｅ１〜Ｅ３が装着されると共に、最も発熱量の大きな電子部品Ｅ２の上流側となる位置に第１ガイド壁３６を設ける。そして、この第１ガイド壁３６を、電子部品Ｅ１〜Ｅ３と幅方向（矢印Ｂ方向）に重複することがないように幅方向中央に設けると共に、底壁部２４から所定高さで突出させフィン１６の幅方向（矢印Ｂ方向）に貫通したスリット４２内へと挿入している。

これにより、第２ケーシング１４の供給口３０から供給された冷媒をフィン１６に沿って流通させ、最も発熱量の大きな電子部品Ｅ２の上流側で幅方向外側に偏向させ該電子部品Ｅ２に対峙する位置に積極的に流通させることができる。

その結果、第１ケーシング１２において幅方向外側（矢印Ｂ１方向）に複数の電子部品Ｅ１〜Ｅ３が装着された際、冷媒の流通方向に沿って最も発熱量の大きな電子部品Ｅ２の上流側に幅方向に沿って延在する第１ガイド壁３６及びガイド通路４４を設けることで、例えば、発熱量の最も大きな特定の電子部品Ｅ２を効果的に冷却することができる。

換言すれば、電子部品Ｅ１〜Ｅ３の配置されていない幅方向中央近傍を流れる冷媒を幅方向外側へと偏向させることで、比較的低温である冷媒を効率的に利用して電子部品Ｅ２を好適に冷却することが可能となる。

また、第１及び第２ケーシング１２、１４において、フィン１６の下流側となる幅方向中央に第２ガイド壁３８を設け、第１ガイド壁３６と同様に、冷媒の流通方向と略直交するように幅方向（矢印Ｂ方向）に延在させ、且つ、底壁部２４に対して所定高さで設けることで、前記第１ガイド壁３６のみを設けた場合と比較し、冷媒のフィン１６における幅方向中央近傍の流れをより抑制し、より一層効果的に冷媒の一部を幅方向外側（矢印Ｂ１方向）へと流通させ電子部品Ｅ２を冷却することが可能となる。

さらに、第１及び第２ガイド壁３６、３８を、第２ケーシング１４における底壁部２４の一部を切り起こして形成することで、ガイド壁を別部材とした場合と比較し、液冷式冷却装置１０の部品点数が増加してしまうことがなく、容易に前記第１及び第２ガイド壁３６、３８を形成することが可能となる。

さらにまた、上述した液冷式冷却装置１０では、第１及び第２ガイド壁３６、３８が幅方向中央に配置され、幅方向外側（矢印Ｂ１方向）に配置された２列の電子部品Ｅ１〜Ｅ３を冷媒によって冷却する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、前記電子部品Ｅ１〜Ｅ３の配置に応じ、第１及び第２ケーシング１２、１４の幅方向（矢印Ｂ方向）において該電子部品Ｅ１〜Ｅ３と重複することがないようにガイド壁を配置すればよく、しかも、前記第１ガイド壁３６は、最も発熱量の大きな電子部品の上流側（矢印Ａ１方向）となるように適宜配置されていればよい。

なお、本発明に係る液冷式冷却装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…液冷式冷却装置 １２…第１ケーシング
１４…第２ケーシング １６…フィン
１８…カバープレート ２０…頂壁部
２４…底壁部 ３６…第１ガイド壁
３８…第２ガイド壁 ４２…スリット
４４…ガイド通路 Ｅ１〜Ｅ３…電子部品

Claims (4)

1. 冷媒の供給される供給口と該冷媒の排出される排出口とを有したケーシングと、前記ケーシング内に収納されるフィンとを備え、前記ケーシングにおいて前記冷媒の流通方向に沿って発熱量の異なる少なくとも２つ以上の電子部品が設けられ、前記電子部品を前記冷媒との熱交換によって冷却する液冷式冷却装置において、
   前記ケーシングにおいて、複数の電子部品のうち最も発熱量の大きな電子部品の上流側に配置され、前記冷媒の一部を流通方向を前記電子部品側へと偏向させる偏向部と、
   前記フィンに形成され前記偏向部の挿入される溝部と、
   を備え、
   前記溝部には、挿入された前記偏向部の上流側に間隙を有すると共に、前記偏向部が、前記流通方向と略直交する幅方向において前記電子部品と重複することがない位置に配置されることを特徴とする液冷式冷却装置。
2. 請求項１記載の液冷式冷却装置において、
   前記偏向部は、前記ケーシングの壁部を切り起こし該壁部に対して立設されることを特徴とする液冷式冷却装置。
3. 請求項１又は２記載の液冷式冷却装置において、
   前記偏向部は前記フィンの下流側にも設けられ、前記フィンの溝部に挿入される一方の偏向部に対し、前記フィンの下流側に配置される他方の偏向部が前記流通方向に沿って一直線状に配置されることを特徴とする液冷式冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の液冷式冷却装置において、
   前記電子部品は、前記ケーシングの幅方向において所定間隔離間し前記流通方向に沿って列状に配置され、前記幅方向一方側となる電子部品の列と前記幅方向他方側となる電子部品の列との間に前記偏向部が配置されることを特徴とする液冷式冷却装置。

Images