JP2023144740A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能を悪化させることなく、圧力損失を小さくすることができる冷却装置を提供する。【解決手段】直線状のベース部１２と、ベース部１２から突出した複数の凸部１３とを有する複数の放熱部材１１を備える放熱器１０と、内部に放熱器１０を収容するとともにベース部１２が配置された側における外部に発熱体が装着されるケース２０と、を備え、凸部１３は、ケース２０における流体の流通方向と交差する方向に隣り合う他の凸部１３との間の隙間が、ベース部１２に近い根元よりも、ベース部から遠い先端の方が大きくなるように、根元と先端とで形が異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関する。

近年、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制御装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイス（半導体素子）を冷却する液冷式冷却装置として、複数のピンフィンを有する冷却装置が提案されている。
例えば、特許文献１に記載された液冷式冷却装置は、アルミニウム製ケーシングと、ケーシング内の冷却液流路を流れる冷却液に放熱するアルミニウム製放熱器とを備えている。放熱器は、一定の長さを有する真っ直ぐな角棒状のベース部、およびベース部の長手方向に間隔をおいてベース部と一体に形成されかつベース部に対して同方向に突出した複数のピンフィンからなる複数のアルミニウム製放熱部材と、すべての放熱部材を連結一体化する少なくとも１つ、ここでは２つの丸棒状のアルミニウム製連結部材とからなる。放熱部材はプレス成形品からなり、ベース部は上下方向の一定の高さと、長手方向および上下方向と直角をなす方向の一定の厚みとを有している。ピンフィンの横断面形状は方形であり、ベース部の上下両端部のうちいずれか一方、ここでは上端部に上方に突出するように形成されている。全放熱部材のベース部の長さおよびピンフィンの数は等しくなっており、全放熱部材は、すべてのピンフィンが、冷却液流路における冷却液の流れ方向にのびる複数の第１直線上、および冷却液流路の幅方向にのびかつ第１直線と直交する複数の第２直線上に並ぶように、ベース部の長手方向を左右方向を向けた状態で前後方向に間隔をおいて配置されている。

特許６３４９１６１号公報

冷却装置内の冷却液の圧力損失は小さい方が望ましい。しかしながら、圧力損失が小さくなると放熱性能が低下してしまう。
本発明は、放熱性能を悪化させることなく、圧力損失を小さくすることができる冷却装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもと完成させた本発明は、直線状のベース部と、当該ベース部から突出した複数の凸部とを有する複数の放熱部材を備える放熱器と、内部に前記放熱器を収容するとともに前記ベース部が配置された側における外部に発熱体が装着されるケースと、を備え、前記凸部は、前記ケースにおける流体の流通方向と交差する方向に隣り合う他の凸部との間の隙間が、前記ベース部に近い根元よりも、当該ベース部から遠い先端の方が大きくなるように、当該根元と当該先端とで形が異なる、冷却装置である。
ここで、前記凸部は、当該凸部の突出方向に直交する面で切断した断面の形状が、第１対角線の方向が前記流通方向と平行で、第２対角線の方向が当該流通方向と直交する四角形であっても良い。
また、前記根元における前記第１対角線の長さは前記第２対角線の長さと同一であり、前記先端における当該第１対角線の長さは当該第２対角線の長さよりも長くても良い。
また、前記第１対角線の長さは、前記根元から前記先端に行くに従って徐々に長くなり、前記第２対角線の長さは、当該根元から当該先端に行くに従って徐々に短くなっても良い。
また、前記第１対角線及び前記第２対角線の長さは、前記根元側の第１領域においては同一であるとともに前記先端側の第２領域においては異なり、当該第１領域と当該第２領域との間で徐々に変化しても良い。
また、前記根元における前記断面の形状は正方形であり、前記先端における当該断面の形状は長い対角線の方向が前記流通方向と平行となるひし形であっても良い。
また、前記凸部は、当該凸部の突出方向に直交する面で切断した断面の面積は、前記根元と前記先端とで同一であっても良い。

本発明によれば、放熱性能を悪化させることなく、圧力損失を小さくすることができる。

第１実施形態に係る冷却装置の一例を示す斜視図である。 図１のII－II部の断面図である。 図２のIII－III部の断面図である。 放熱部材の一部の斜視図の一例である。 （ａ）は、根元部の断面図の一例を示す図であり、（ｂ）は、先端部の断面図の一例を示す図である。 複数の放熱部材を接合して放熱器を成形する方法を説明するための図である。 第２実施形態に係る放熱器の放熱部材の一部の斜視図の一例である。

以下、添付図面を参照して、実施の形態について詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る冷却装置１の一例を示す斜視図である。図１（ａ）は、冷却装置１を上方から見た斜視図の一例であり、図１（ｂ）は、後述するケース２０の内部を下方から見た斜視図の一例である。
図２は、図１のII－II部の断面図である。
図３は、図２のIII－III部の断面図である。
図４は、放熱部材１１の一部を下方から見た斜視図の一例である。

第１実施形態に係る冷却装置１は、放熱器１０と、放熱器１０を収納するケース２０とを備えている。
以下に詳述するが、放熱器１０は、直線状のベース部１２と、ベース部１２から突出するとともにベース部１２の長手方向に間隔をおいて配置される複数の凸部１３とを有する放熱部材１１が、短手方向に複数並べられた状態で一体化されている。以下では、放熱部材１１の長手方向を左右方向、放熱部材１１の短手方向を前後方向、凸部１３の突出方向を上下方向と称する場合がある。

冷却装置１は、平板状の絶縁部材Ｉを介してケース２０の外面（本実施の形態においては上面）に装着された発熱体Ｐを、ケース２０の内部に流通させる流体の一例としての冷却液、及び、放熱器１０を用いて冷却する装置である。発熱体Ｐは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））等のパワー半導体デバイスであることを例示することができる。また、発熱体Ｐは、ＩＧＢＴと、このＩＧＢＴを制御する制御回路とがパッケージ化されたＩＧＢＴモジュールや、このＩＧＢＴモジュールと自己保護機能とがパッケージ化されたインテリジェントパワーモジュールであることを例示することができる。

（ケース２０）
ケース２０は、放熱器１０を収納するケース本体２１と、ケース本体２１の開口部を覆うカバー２２とを備えている。
ケース本体２１は、平板状の底部２１ａ（図２参照）と、底部２１ａにおける各端部から底部２１ａに直交する方向に上方に突出した側部２１ｂとを有している。左右方向の第１側（図１では左側）の側部２１ｂにおける前後方向の中央部には、ケース２０の内部と外部とを連通して、冷却液を内部に流入させる流入部２１ｃが設けられている。また、左右方向の第２側（図１では右側）の側部２１ｂにおける前後方向の中央部には、ケース２０の内部と外部とを連通して、冷却液を外部に流出させる流出部２１ｄが設けられている。
カバー２２は、平板状の部材であり、外形がケース本体２１における上端部と同じ形状である。カバー２２の上面には、絶縁部材Ｉを介して発熱体Ｐが装着されている。本実施形態に係る冷却装置１には、前後方向の中央部に、３つの発熱体Ｐが左右方向に並べて配置されている。

（放熱器１０）
ベース部１２は、直方体状であり、上下方向の大きさが前後方向の大きさよりも小さい。
凸部１３は、四角柱状であり、柱方向が上下方向となるようにベース部１２から下方に突出している。
図３に示すように、複数の凸部１３は、等間隔に配置されており、左右方向における隣り合う凸部１３の中心間の大きさは距離Ｌ０に設定されている。また、複数の凸部１３は、ベース部１２における左右方向の第１側の端面である第１端面１２ａから当該第１端面１２ａに最も近い位置に配置されている凸部１３の中心までの距離Ｌ１よりも、ベース部１２における左右方向における第２側の端面である第２端面１２ｂから当該第２端面１２ｂに最も近い位置に配置されている凸部１３の中心までの距離Ｌ２の方が大きくなるように配置されている。

複数の放熱部材１１は、上下方向に見た場合に、ベース部１２の第１端面１２ａが第１側、第２端面１２ｂが第２側となるように配置された第１の状態の放熱部材１１と、第１の状態に対して、左右方向の中央部であって前後方向の中央部の点にて１８０度回転された第２の状態の放熱部材１１とが交互になるように並べられている。第２の状態においては、放熱部材１１は、第１端面１２ａが第２側、第２端面１２ｂが第１側となるように配置される。

また、複数の放熱部材１１の内、隣り合う放熱部材１１のベース部１２同士が接触するように配置されている。つまり、一の放熱部材１１のベース部１２における後側の端面１２ｃと、当該一の放熱部材１１と隣り合う他の放熱部材１１のベース部１２における前側の端面１２ｄとが接触するように配置されている。また、当該一の放熱部材１１の第１端面１２ａの左右方向の位置と、当該他の放熱部材１１の第２端面１２ｂの左右方向の位置とが同一となり、当該一の放熱部材１１の第２端面１２ｂの左右方向の位置と、当該他の放熱部材１１の第１端面１２ａの左右方向の位置とが同一となるように配置されている。

凸部１３は、左右方向と交差する方向に隣り合う他の凸部１３との間の隙間が、ベース部１２に近い根元に設けられた根元部１３ｂよりも、ベース部１２から遠い先端に設けられた先端部１３ｔの方が大きくなるように、根元部１３ｂと先端部１３ｔとで形が異なる。

より具体的には、凸部１３の形状は、以下の通りである。
すなわち、一の放熱部材１１の凸部１３と、当該一の放熱部材１１と隣り合う他の放熱部材１１の凸部１３とは、左右方向と交差する方向に隣り合っている。例えば、一の放熱部材１１に設けられた、左右方向に隣り合う２つの凸部１３と、当該一の放熱部材１１と隣り合う他の放熱部材１１に設けられた凸部１３であって、左右方向においては当該２つの凸部１３の中間に設けられた凸部１３とが三角形を形成するように配置されている。当該三角形は二等辺三角形であることを例示することができる。さらに、当該三角形は直角二等辺三角形であることを例示することができる。

図５（ａ）は、根元部１３ｂの断面図の一例を示す図であり、図５（ｂ）は、先端部１３ｔの断面図の一例を示す図である。
凸部１３は、根元部１３ｂにおける、上下方向に直交する面で切断した断面の形状は正方形であり、先端部１３ｔにおける、上下方向に直交する面で切断した断面の形状は長い対角線の方向が左右方向と平行となるひし形である。

言い換えれば、凸部１３は、上下方向に直交する面で切断した断面の形状が、第１対角線ＤＬ１の方向が左右方向と平行で、第２対角線ＤＬ２の方向が左右方向と直交する四角形であり、根元部１３ｂにおける第１対角線ＤＬ１の長さは第２対角線ＤＬ２の長さと同一であり、先端部１３ｔにおける第１対角線ＤＬ１の長さは第２対角線ＤＬ２の長さよりも長い。

そして、上下方向に直交する面で切断した断面の面積は、根元部１３ｂと先端部１３ｔとで同一である。そして、第１対角線ＤＬ１の長さは、根元部１３ｂから先端部１３ｔに行くに従って徐々に長くなり、第２対角線ＤＬ２の長さは、根元部１３ｂから先端部１３ｔに行くに従って徐々に短くなる。

以上のように構成された凸部１３は、ベース部１２と一体的にプレス成形された後にベース部１２に対して捩じられることで、ベース部１２に対して回転した向きとなっている。第１実施形態においては、図３に示すように、凸部１３は、ベース部１２に対して４５度回転している。そして、凸部１３をベース部１２に対して４５度回転させた後に、前後方向に加圧することにより、凸部１３を上記形状に成形している。第１対角線ＤＬ１の長さが根元部１３ｂから先端部１３ｔに行くに従って徐々に長くなり、第２対角線ＤＬ２の長さが根元部１３ｂから先端部１３ｔに行くに従って徐々に短くなるように徐々に変化する形状であることにより、例えば段階的に変化する形状であるのと比較して、前後方向に加圧する型の寿命が長くなる。

図６は、複数の放熱部材１１を接合して放熱器１０を成形する方法を説明するための図である。
複数の放熱部材１１は、上述したように、第１の状態の放熱部材１１と第２の状態の放熱部材１１とが交互になり、ベース部１２同士が接触するように配置された状態で、ベース部１２がレーザ溶接にて接合されている。

レーザ溶接する際には、ベース部１２の左右方向の端部、あるいは、第１端面１２ａと当該第１端面１２ａから最も近い位置に配置されている凸部１３との間に対して、レーザ装置１５０のレーザヘッド１５１からレーザ光Ｌを照射する。そして、レーザ光Ｌを照射したままレーザヘッド１５１を複数の放熱部材１１の並び方向（前後方向）に移動させることで、複数の放熱部材１１に対してレーザ光Ｌを連続的に照射する。これを、ベース部１２の左右方向の両端部それぞれに対して行う。

なお、レーザ光Ｌを照射するのは、ベース部１２の左右方向の端部、あるいは、第１端面１２ａと当該第１端面１２ａから最も近い位置に配置されている凸部１３との間に限定されない。ベース部１２における他の部位、例えば凸部１３と凸部１３の間にレーザ光Ｌを照射することで、複数の放熱部材１１を接合しても良い。

以上のように構成された放熱器１０は、複数の放熱部材１１のベース部１２の上面がカバー２２の下面に接触するように配置された状態で、ベース部１２の上面とカバー２２の下面とが接合されている。また、複数の放熱部材１１の複数の凸部１３の先端面とケース本体２１の底部２１ａとが接合されている。また、ケース本体２１の上端部とカバー２２の下面とが接合されている。放熱部材１１及びケース２０は、アルミニウム製であることを例示することができる。また、接合は、圧着、接着、ろう付等の溶着であることを例示することができる。ケース本体２１とカバー２２とをろう付する場合には、ケース本体２１及びカバー２２は、アルミニウムブレージングシートを使用して成形されることを例示することができる。その際、少なくとも、互いに対向する、ケース本体２１の上端部やカバー２２の下面にろう材層が位置する。
なお、放熱器１０は、ベース部１２と凸部１３との両方が、ケース２０に接合されていなくても良い。ベース部１２又は凸部１３のいずれか一方がケース２０に接合されている態様でも良い。

以上のように構成された冷却装置１においては、左右方向の第１側に設けられた流入部２１ｃからケース２０の内部に流入した冷却液は、一の放熱部材１１の凸部１３と、左右方向と交差する方向に隣り合っている、当該一の放熱部材１１と隣り合う他の放熱部材１１の凸部１３と、の間の隙間を通って、流出部２１ｄの方へ進み、流出部２１ｄからケース２０外に流出する。このように、冷却装置１においては、冷却液が流入部２１ｃから流出部２１ｄの方へ、左右方向に流れるため、左右方向が冷却液の流通方向となる。そして、冷却液が、ケース２０の内部を流通する間に、ケース２０に装着させた発熱体Ｐを冷却する。

冷却装置１は、直線状のベース部１２と、ベース部１２から突出した複数の凸部１３とを有する複数の放熱部材１１を備える放熱器１０と、内部に放熱器１０を収容するとともにベース部１２が配置された側における外部に発熱体Ｐが装着されるケース２０と、を備える。そして、凸部１３は、ケース２０における冷却液の流通方向と交差する方向に隣り合う他の凸部１３との間の隙間が、ベース部１２に近い根元よりも、ベース部１２から遠い先端の方が大きくなるように、根元部１３ｂと先端部１３ｔとで形が異なる。

このように構成された冷却装置１においては、凸部１３間の隙間が根元よりも先端の方が大きいため、根元の圧力損失は、先端の圧力損失よりも大きい。それゆえ、発熱体Ｐが装着された側の部位である根元の放熱性能の方が、先端の放熱性能よりも高い。言い換えれば、発熱体Ｐが装着された側とは反対側の部位である先端の圧力損失を小さくするために、凸部１３の根元間の隙間よりも先端間の隙間が大きくなるように凸部１３を構成している。凸部１３の先端側においては、圧力損失が小さいが、発熱体Ｐが装着された側とは反対側であるため、放熱性能は低下しない。その結果、冷却装置１によれば、放熱性能を悪化させることなく、圧力損失を小さくすることができる。

また、放熱器１０は、複数の放熱部材１１のベース部１２における、例えば長手方向の端部がレーザ溶接されることで、複数の放熱部材１１が接合されている。これにより、他の接合方法で接合する場合と比べて、簡易に接合することができる。また、隣り合う放熱部材１１間の間隔を精度高く合わせることができる。ただし、複数の放熱部材１１を接合する方法はレーザ溶接に限定されない。例えば、特許文献１に記載された放熱器のように、連結部材にて連結しても良い。

また、放熱器１０は、隣り合う放熱部材１１が、同一形状の部材が１８０度回転させられて構成されているので、異なる部材を交互に並べて構成するよりも、部品の種類を低減することができ低廉に製造することができる。
また、放熱部材１１の凸部１３の根元部１３ｂにおける突出方向に見た場合の形状は、正方形であり、左右方向に対して４５度傾いている。言い換えれば、凸部１３の根元部１３ｂの形状は、流入部２１ｃと流出部２１ｄとを結ぶ方向に見た場合には、当該方向の線上に角部があるひし形となる。これにより、前後方向の中央部に設けられた流入部２１ｃから流入した冷却液を、前後方向の両端部の方へ向かわせることができる。その結果、発熱体Ｐにおける、前後方向の両端部も、中央部と同様に、冷却することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態に係る放熱部材５１の一部の斜視図の一例である。
第２実施形態に係る放熱部材５１は、凸部１３に相当する凸部５３が、第１実施形態に係る放熱部材１１と異なる。
凸部５３は、ベース部１２に近い根元に設けられた根元部５３ｂが上下方向の第１領域Ｒ１に亘って設けられているとともに、ベース部１２から遠い先端に設けられた先端部５３ｔが上下方向の第２領域Ｒ２に亘って設けられている。根元部５３ｂは、根元部１３ｂと同様に、第１対角線ＤＬ１と第２対角線ＤＬ２との長さが同一である正方形であり、先端部５３ｔは、先端部１３ｔと同様に、第１対角線ＤＬ１と第２対角線ＤＬ２との長さが異なるひし形である。また、第１対角線ＤＬ１の方向が左右方向と平行で、第２対角線ＤＬ２の方向が左右方向と直交する。そして、第１対角線ＤＬ１と第２対角線ＤＬ２との長さが第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間で徐々に変化する。

以上のように構成された凸部５３においても、左右方向と交差する方向に隣り合う他の凸部５３との間の隙間が、ベース部１２に近い根元に設けられた根元部５３ｂよりも、ベース部１２から遠い先端に設けられた先端部５３ｔの方が大きくなるように、根元部５３ｂと先端部５３ｔとで形が異なる。

それゆえ、凸部５３が設けられた放熱部材５１を有する放熱器（不図示）を備える冷却装置（不図示）においては、凸部５３間の隙間が根元よりも先端の方が大きいため、根元の圧力損失は、先端の圧力損失よりも大きい。従って、発熱体Ｐが装着された側の部位である根元の放熱性能の方が、先端の放熱性能よりも高い。凸部５３の先端側においては、圧力損失が小さいが、発熱体Ｐが装着された側とは反対側であるため、放熱性能は低下しない。その結果、放熱部材５１を有する冷却装置（不図示）によれば、放熱性能を悪化させることなく、圧力損失を小さくすることができる。

１…冷却装置、１０…放熱器、１１，５１…放熱部材、１２…ベース部、１３，５３…凸部、１３ｂ，５３ｂ…根元部、１３ｔ，５３ｔ…先端部、２０…ケース、２１…ケース本体、２２…カバー、１５１…レーザヘッド、Ｌ…レーザ光、Ｐ…発熱体

Claims (7)

1. 直線状のベース部と、当該ベース部から突出した複数の凸部とを有する複数の放熱部材を備える放熱器と、
   内部に前記放熱器を収容するとともに前記ベース部が配置された側における外部に発熱体が装着されるケースと、
   を備え、
   前記凸部は、前記ケースにおける流体の流通方向と交差する方向に隣り合う他の凸部との間の隙間が、前記ベース部に近い根元よりも、当該ベース部から遠い先端の方が大きくなるように、当該根元と当該先端とで形が異なる、
   冷却装置。
2. 前記凸部は、当該凸部の突出方向に直交する面で切断した断面の形状が、第１対角線の方向が前記流通方向と平行で、第２対角線の方向が当該流通方向と直交する四角形である、
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記根元における前記第１対角線の長さは前記第２対角線の長さと同一であり、前記先端における当該第１対角線の長さは当該第２対角線の長さよりも長い、
   請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記第１対角線の長さは、前記根元から前記先端に行くに従って徐々に長くなり、前記第２対角線の長さは、当該根元から当該先端に行くに従って徐々に短くなる、
   請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記第１対角線及び前記第２対角線の長さは、前記根元側の第１領域においては同一であるとともに前記先端側の第２領域においては異なり、当該第１領域と当該第２領域との間で徐々に変化する、
   請求項３に記載の冷却装置。
6. 前記根元における前記断面の形状は正方形であり、前記先端における当該断面の形状は長い対角線の方向が前記流通方向と平行となるひし形である、
   請求項２から５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 前記凸部は、当該凸部の突出方向に直交する面で切断した断面の面積は、前記根元と前記先端とで同一である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却装置。