JP2019160849A - 液冷ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】液冷ヒートシンクの発熱体が設けられる面の冷却性能差を低減する。【解決手段】上ケース２と下ケース３間に仕切板４を設けた液冷ヒートシンク１である。上ケース２に流路溝２ａを形成し、流路溝２ａと仕切板４により冷却液が流通する流路７を形成する。下ケース３に流路溝３ａを形成し、流路溝３ａと仕切板４により冷却液が流通する流路８を形成する。仕切板４に上ケース２側の流路７と下ケース３の流路８を連結する貫通穴４ａを形成する。貫通穴４ａは、流路７の終点（および流路８の始点）近傍の仕切板４に形成する。ＩＧＢＴモジュール６（発熱体）を上ケース２の冷却面（仕切板４が設けられた面と反対側の面）に取り付ける。【選択図】図１

Description

本発明は、液冷ヒートシンクに関する。特に、液冷ヒートシンクにおける冷却液の流路構造に関する。

液冷ヒートシンクは、冷却液が循環される流路を備える。冷却液が循環される流路は、発熱体が備えられた面に沿って形成される（例えば、非特許文献１）。

電力変換器において、電力用半導体モジュール（例えば、ＩＧＢＴモジュールなど）は、電力変換装置を大容量化するため、並列接続される。電力用半導体モジュールを並列接続すると、発熱量が大きくなるため、電力用半導体モジュールは、液冷ヒートシンクにより冷却されることが多い。

並列接続した電力用半導体モジュールの冷却が均等でないと、一方の電力用半導体モジュールが温度上昇しやすくなるため、熱破壊しやすくなる。よって、各電力用半導体モジュールを均等に冷却する必要がある。また、液冷ヒートシンクの性能を向上するために、液冷ヒートシンクの長手方向に延びる流路の数を増やして、液冷ヒートシンクの冷却性能の向上が図られている。

図３に示すように、従来の液冷ヒートシンク９〜１１に形成される流路は、渦巻型（図３（ａ）に示す）、平行型（図３（ｂ）に示す）、直線型（図３（ｃ）に示す）の形状がある。一般的に、直線型＜平行型＜渦巻型の順に、発熱体１２（例えば、電力用半導体モジュール）を均等に冷却することができる。

液冷ヒートシンク９〜１１を流通する冷却液は、発熱体１２の発熱を受けるため、液温は冷却液流出部９ｂ〜１１ｂ側ほど高くなる。したがって、冷却液が流入する冷却液流入部９ａ〜１１ａに近い流路を流れる冷却液（図中黒塗りで示す）の温度が低く、冷却液が流出する冷却液流出部９ｂ〜１１ｂに近い流路を流れる冷却液（図中斜線で示す）の温度が高くなる。

例えば、図３（ｃ）に示す、直線型の流路を有する液冷ヒートシンク１１は、短手方向の一方側に比較的冷たい冷却液が偏って流れ、短手方向の他方側に発熱体１２で温められた冷却液が流れるため、発熱体１２の取付面において冷却効率が不均一になりやすい。

これに対して、図３（ａ）に示す、渦巻型の流路を有する液冷ヒートシンク９は、冷却液流入部９ａに近い流路が、短手方向の一方に偏っていないため、直線型の流路を有する液冷ヒートシンク１１と比較して、発熱体１２を均等に冷却することができる。

しかし、図３（ｄ）に示すように、渦巻型の流路を有する液冷ヒートシンク９においても、発熱体１２が設けられる面において、比較的温度が低い冷却液が流れる流路（黒塗りで示した流路）と、比較的温度が高い冷却液が流れる流路（斜線で示した流路）が存在することとなる。つまり、複数のＩＧＢＴチップを備える電力用半導体モジュールの冷却を行う場合、各ＩＧＢＴチップの損失が同一の場合、比較的温度が高い冷却液が流通する流路の真上の位置にあるＩＧＢＴチップの温度は、比較的温度が低い冷却液が流通する流路の真上の位置にあるＩＧＢＴチップの温度よりも高くなりやすい。

重満優志、外２名、"並列接続ＩＧＢＴモジュールの均等冷却に関する検討"、平成２９年電気学会全国大会（３−０１７）、一般社団法人 電気学会、２０１７年３月５日、ｐ．２５（第３分冊）

液冷ヒートシンクでは、冷却液流入部から冷却液流出部にかけて冷却液の温度に勾配ができる。その結果、流路を流れる冷却液の温度差によって、発熱体の温度差にばらつきが生じるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、液冷ヒートシンクの発熱体が設けられる面の冷却性能差を低減する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の液冷ヒートシンクの一態様は、
冷却対象である発熱体の熱を吸収するヒートシンク本体と、
前記ヒートシンク本体に接続され、前記ヒートシンク本体内に冷却液を導入または排出する第１、第２接続部と、
前記第１接続部に接続され、前記発熱体が備えられる面に沿って、前記ヒートシンク本体内に配設される第１流路と、
前記第２接続部に接続され、前記第１流路の前記第１接続部が接続された端部と反対側の端部に接続される第２流路と、を備え、
前記ヒートシンク本体は、
前記第１流路となる流路溝が形成された第１ケースと、
前記第２流路となる流路溝が形成された第２ケースと、
前記第１ケースの流路溝が形成された面に設けられる仕切板と、を備え、
前記仕切板の前記第１ケースが設けられた面と反対側の面には、前記第２ケースの流路溝が形成された面が設けられ、
前記仕切板には、
前記第１ケースの流路溝と前記仕切板とにより形成された第１流路の前記第１接続部が接続された端部と反対側の端部と、前記第２ケースの流路溝と前記仕切板とにより形成された第２流路の前記第２接続部が接続された端部と反対側の端部と、を連通させる貫通穴が形成され、
前記第２ケースの流路溝の一部は、
前記第１ケースの流路溝と、前記仕切板を挟んで向かい合うように形成され、前記第２流路の一部が、前記第１流路に対して、前記発熱体が備えられる面の垂直方向に向かい合って、前記第１流路に沿って配設された、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の液冷ヒートシンクの他の態様は、上記液冷ヒートシンクにおいて、
前記第１流路は、前記第１接続部から、前記ヒートシンク本体の外周に沿い、かつ前記ヒートシンク本体の中央に向かうように配設される、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の液冷ヒートシンクの他の態様は、上記液冷ヒートシンクにおいて、
前記第１ケースに形成される流路溝の断面または前記第２ケースに形成される流路溝の断面は、半円形状である、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の液冷ヒートシンクの他の態様は、上記液冷ヒートシンクにおいて、
前記発熱体は、複数のＩＧＢＴチップを備える電力用半導体モジュールである、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の液冷ヒートシンクの他の態様は、上記液冷ヒートシンクにおいて、
前記発熱体は、複数の電力用半導体モジュールであり、当該複数の電力用半導体モジュールは、前記ヒートシンク本体の同一面上に備えられる、ことを特徴としている。

以上の発明によれば、液冷ヒートシンクの発熱体が設けられる面の冷却性能差を低減することができる。

本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンクの分解図であり、（ａ）上ケースの流路溝を示す図、（ｂ）仕切板を示す図、（ｃ）下ケースの流路溝を示す図である。 本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンクの断面図である。 従来技術に係る液冷ヒートシンクの流路を示す図であり、（ａ）渦巻型の流路を有する液冷ヒートシンク、（ｂ）平行型の流路を有する液冷ヒートシンク、（ｃ）直線型の流路を有する液冷ヒートシンク、（ｄ）渦巻型の流路を有する液冷ヒートシンクの断面図（図３（ａ）のＡ−Ａ断面図）である。

本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンクについて、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態の説明において、説明の便宜上、液冷ヒートシンクのＩＧＢＴモジュール（発熱体）が設けられる側を上側として説明するが、上下方向は本発明をなんら限定するものではない。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンク１は、流入側の流路となる流路溝２ａが形成された上ケース２と、流出側の流路となる流路溝３ａが形成された下ケース３と、上ケース２と下ケース３の間に設けられる仕切板４を備える。上ケース２、下ケース３および仕切板４は、熱伝導性に優れた材料（例えば、アルミニウムなど）により形成される。また、流路溝２ａ、３ａの断面形状は、例えば、円形、楕円形または矩形等に形成される。特に、流路溝２ａ、３ａの断面形状を、円形や楕円形にすると、流路溝２ａ、３ａの加工が容易であり、冷却液の流通抵抗が低減されるので好ましい。

上ケース２、下ケース３および仕切板４は、はんだやロウ付け等による接合で一体化され、ヒートシンク本体５が形成される。そして、ヒートシンク本体５の側部には、冷却液が流入する冷却液流入部５ａと、冷却液が流出する冷却液流出部５ｂが設けられる。冷却液流入部５ａおよび冷却液流出部５ｂは、ろう付けなどによりヒートシンク本体５に接合される。

冷却液流入部５ａおよび冷却液流出部５ｂは、例えば、円筒型の形状をしており、ろう付けによってヒートシンク本体５の側部に設けられる。冷却液流入部５ａは流路溝２ａに接続され、冷却液流出部５ｂは流路溝３ａに接続される。冷却液流入部５ａおよび冷却液流出部５ｂには、図示していないラジエタおよび冷却液循環装置に繋げられたホースが取り付けられる。そして、冷却液循環装置により冷却液が水冷ヒートシンク１内に循環させられる。

図２に示すように、上ケース２の流路溝２ａが形成された面に仕切板４が設けられる。そして、仕切板４の上ケース２が設けられた面と反対側の面に、下ケース３の流路溝３ａが形成された面が設けられる。このようにして、上ケース２、下ケース３および仕切板４が一体化されヒートシンク本体５が形成される。上ケース２の上（すなわち、仕切板４が設けられた面と反対側の面）には、冷却対象であるＩＧＢＴモジュール６（発熱体）が設けられる。

上ケース２の流路溝２ａが形成された面に仕切板４を設けることで、流路溝２ａと仕切板４により冷却液が流通する流路７が形成される。また、下ケース３の流路溝３ａが形成された面に仕切板４を設けることで、流路溝３ａと仕切板４により冷却液が流通する流路８が形成される。

図１（ａ）に示すように、流路７は、上ケース２の冷却面（ＩＧＢＴモジュール６が設けられる面）に沿って配設される。流路７としては、例えば、渦巻型の流路７（ヒートシンク本体５の外周に沿い、かつヒートシンク本体５の中央に向かうように配設される流路）が形成される。流路７の一方の端部は、冷却液流入部５ａに接続される。

図１（ｂ）に示すように、仕切板４には、流路７の終点側の端部と流路８の始点側の端部を連通する貫通穴４ａが形成される。すなわち、貫通穴４ａは、流路７の冷却液流入部５ａに接続された端部と反対側の端部を形成する仕切板４に形成される。そして、貫通穴４ａを介して、流路７の終点と流路８の始点が接続される。

図１（ｃ）に示すように、流路８の一方の端部は冷却液流出部５ｂに接続され、流路８の他方の端部は貫通穴４ａを介して流路７の終点に接続される。流路８は、上ケース２に形成された流路７と、上ケース２の冷却面（ＩＧＢＴモジュール６が設けられる面）に対して垂直方向に向かい合うように配置される。すなわち、上ケース２の流路溝２ａと下ケース３の流路溝３ａは、各々の流路溝２ａ、３ａが仕切板４を挟んで向かい合うように形成される。ただし、冷却液流入部５ａ近傍の流路７および冷却液流出部５ｂ近傍の流路８は、構造上、流路７と流路８を向かい合うように配置することができないので、この限りではない。

次に、本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンク１の冷却効果について、詳細に説明する。

液冷ヒートシンク１において、冷却液は、上ケース２の流路溝２ａ（流路７）→仕切板４の貫通穴４ａ→下ケース３の流路溝３ａ（流路８）の順で流れる。すなわち、冷却液は、冷却液流入部５ａから上ケース２の流路溝２ａ（流路７）に流入し、この冷却液は、貫通穴４ａを通って下ケース３の流路溝３ａ（流路８）に流れ、冷却液流出部５ｂから排出される。

液冷ヒートシンク１の上ケース２上にＩＧＢＴモジュール６を備えた場合、上ケース２の流路溝２ａ（流路７）の始点には、比較的冷たい冷却液が流れ、上ケース２の流路溝２ａ（流路７）の終点（貫通穴４ａ）には、ＩＧＢＴモジュール６により温められた冷却液が流れる。そして、貫通穴４ａから下ケース３の流路溝３ａ（流路８）に流入した冷却液は、流路溝３ａ（流路８）を流通する過程で、下ケース３や仕切板４により、さらに温められ、冷却液流出部５ｂから排出される。

図１（ａ）に示すような、上ケース２に渦巻型の流路溝２ａ（流路７）を形成した場合、上ケース２の冷却水は、外周側に配置された流路溝２ａ（流路７）ほど冷却液が流入する冷却液流入部５ａに近くなるため、液温が低くなる。

これに対して、図１（ｃ）に示すように、下ケース３の流路溝３ａ（流路８）を流れる冷却液は、外周側に配置された流路溝３ａ（流路８）ほど冷却液流出部５ｂが近くなるため、冷却液の温度が高くなる。

したがって、図２に示すように、上ケース２では、外側の流路溝２ａ（流路７）を流れる冷却液（図中Ａ、Ｂで示す）の温度と比較して、内側の流路溝２ａ（流路７）を流れる冷却液（図中Ｃで示す）温度が高くなる。これに対して、下ケース３では、内側の流路溝３ａ（流路８）を流れる冷却液の温度と比較して、外側の流路溝３ａ（流路８）を流れる冷却液の温度が高くなる。

その結果、流路溝２ａ、３ａ（流路７、８）を流通する冷却液の温度上昇が、流路溝２ａ、３ａ（流路７、８）の流路距離にほぼ比例すると仮定した場合、外側に配置された上ケース２の流路溝２ａ（流路７）を流れる冷却液と外側に配置された下ケース３の流路溝３ａ（流路８）を流れる冷却液の平均温度は、内側に配置された上ケース２の流路溝２ａ（流路７）を流れる冷却液と内側に配置された下ケース３の流路溝３ａ（流路８）を流れる冷却液の平均温度とほぼ同じ値になる。その結果、ヒートシンク本体５のＩＧＢＴモジュール６が設けられる金属部分（具体的には、上ケース２の冷却面）の温度が均一化される。したがって、液冷ヒートシンク１のＩＧＢＴモジュール６が設けられた面において、長手方向と短手方向のいずれの方向に対しても、液冷ヒートシンク１の冷却効果が均等化される。

以上のような、本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンク１によれば、ヒートシンク本体５のＩＧＢＴモジュール６などの発熱体が備えられる面の温度をより均等化することができる。その結果、ＩＧＢＴモジュール６を均等に冷却することができる。

また、上ケース２の流路溝２ａ（流路７）には比較的温度の低い冷却液が流れるため、上ケース２に配置されているＩＧＢＴモジュール６の冷却効果を高めることができる。

また、仕切板４は、上ケース２や下ケース３と同じ材質等の良熱伝導材であるため、仕切板４を設けることによる液冷ヒートシンク１の冷却効果の低減はほとんどない。

特に、本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンク１を電力用半導体モジュールの冷却に用いると、電力用半導体モジュール内のチップの冷却を均等に行えるようになり、複数あるチップの温度を均等化できる。これにより、液冷ヒートシンク１を小型化、ひいては電力変換装置の小型化が可能となる。具体的には、複数のチップを内部に備える１個の電力用半導体モジュールを液冷ヒートシンク１の一つの面に取り付けた場合では、電力用半導体モジュール内の各チップ温度を均等化することができる。また、複数の電力用半導体モジュールを液冷ヒートシンク１の片面（上ケース２の同一面上）に取り付けた場合でも、各電力用半導体モジュール内のチップ温度を均等化することができる。

すなわち、本発明の実施形態に係る液冷ヒートシンク１は、一つの取付け面にて均一な冷却効果を得ることができる。その結果、複数のチップを内部に備える１つの電力用半導体モジュールをヒートシンク本体５の一つの冷却面に設けた場合でも、複数の電力用半導体モジュールをヒートシンク本体５の一つの冷却面に設けた場合であっても、各電力用半導体モジュール内のチップ温度を均等化することができる。

また、液冷ヒートシンク１を、機械加工により溝加工を行った上ケース２と下ケース３の間に貫通穴４ａが形成された仕切板４を接合して構成することで、簡易な加工で冷却効果の高い液冷ヒートシンク１を作製することができる。

以上、具体的な実施形態を示して本発明の液冷ヒートシンクについて説明したが、本発明の液冷ヒートシンクは、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。

例えば、上ケース２に形成される流路溝２ａは、渦巻型（冷却液流入部５ａから、ヒートシンク本体５の外周に沿い、かつヒートシンク本体５の中央に向かうように形成される態様）に限定されるものではなく、直線型（例えば、ヒートシンク本体５の長手方向に延びる流路溝を短手方向に往復させて形成する態様）または平行型（例えば、流路溝の始点と終点から延びる流路溝を平行にヒートシンク本体５の長手方向に配置した一対の流路溝を、短手方向に往復させて形成する態様）などであってもよい。同様に下ケース３に形成される流路溝３ａの配置形態は、渦巻型に限定されるものではなく、直線型や平行型などであってもよい。すなわち、上ケースに形成された流路溝と下ケースに形成された流路溝とを、冷却面に対して垂直方向に向かい合って、各流路溝を流れる冷却液の流通方向が逆で沿うように配置することで、上ケースおよび下ケースの流路溝の形成態様によらず、上ケースの流路溝を流れる冷却液と下ケースの流路溝を流れる冷却液の平均温度を、ほぼ同じにすることができる。

また、液冷ヒートシンクに流通させる冷却液は、水、油など、任意の冷却液を適用することができる。

また、実施形態の説明では、電力変換モジュールをヒートシンク本体の一方の面に１個取り付けている例を示して説明したが、液冷ヒートシンクは、任意の発熱体を冷却することができる。また、ヒートシンク本体のいずれか一方の面に発熱体を備える態様やヒートシンク本体の両面にそれぞれ発熱体を備える態様とすることもできる。

１…液冷ヒートシンク
２…上ケース（第１ケース）
２ａ、３ａ…流路溝
３…下ケース（第２ケース）
４…仕切板
４ａ…貫通穴
５…ヒートシンク本体
５ａ…冷却液流入部（第１接続部）、５ｂ…冷却液流出部（第２接続部）
６…ＩＧＢＴモジュール（発熱体）
７…流路（第１流路）
８…流路（第２流路）

Claims (5)

1. 冷却対象である発熱体の熱を吸収するヒートシンク本体と、
   前記ヒートシンク本体に接続され、前記ヒートシンク本体内に冷却液を導入または排出する第１、第２接続部と、
   前記第１接続部に接続され、前記発熱体が備えられる面に沿って、前記ヒートシンク本体内に配設される第１流路と、
   前記第２接続部に接続され、前記第１流路の前記第１接続部が接続された端部と反対側の端部に接続される第２流路と、を備え、
   前記ヒートシンク本体は、
   前記第１流路となる流路溝が形成された第１ケースと、
   前記第２流路となる流路溝が形成された第２ケースと、
   前記第１ケースの流路溝が形成された面に設けられる仕切板と、を備え、
   前記仕切板の前記第１ケースが設けられた面と反対側の面には、前記第２ケースの流路溝が形成された面が設けられ、
   前記仕切板には、
   前記第１ケースの流路溝と前記仕切板により形成された第１流路の前記第１接続部が接続された端部と反対側の端部と、前記第２ケースの流路溝と前記仕切板により形成された第２流路の前記第２接続部が接続された端部と反対側の端部と、を連通させる貫通穴が形成され、
   前記第２ケースの流路溝の一部は、
   前記第１ケースの流路溝と、前記仕切板を挟んで向かい合うように形成され、前記第２流路の一部が、前記第１流路に対して、前記発熱体が備えられる面の垂直方向に向かい合って、前記第１流路に沿って配設された、ことを特徴とする液冷ヒートシンク。
2. 前記第１流路は、前記第１接続部から、前記ヒートシンク本体の外周に沿い、かつ前記ヒートシンク本体の中央に向かうように配設される、ことを特徴とする請求項１に記載の液冷ヒートシンク。
3. 前記第１ケースに形成される流路溝の断面または前記第２ケースに形成される流路溝の断面は、半円形状である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液冷ヒートシンク。
4. 前記発熱体は、複数のＩＧＢＴチップを備える電力用半導体モジュールである、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液冷ヒートシンク。
5. 前記発熱体は、複数の電力用半導体モジュールであり、当該複数の電力用半導体モジュールは、前記ヒートシンク本体の同一面上に備えられる、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液冷ヒートシンク。

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