JP2023154549A - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フィンと液冷ジャケットとの間に隙間を設け冷却性能を向上させる冷却装置を提供する。【解決手段】放熱部材2と液冷ジャケット3を備える冷却装置1であって、放熱部材2は、冷媒Wが流れる方向に沿う第1方向、かつ、第1方向に直交する第2方向に広がり、第1方向及び第2方向に直交する第3方向に厚みを有する板形状のベース部21と、ベース部21から第3方向一方側に突出するフィン22と、フィン22の第3方向一方側Z1端部に設けられる天板部222と、を有する。液冷ジャケット3は、天板部222の第3方向一方側に天板部222との第3方向の隙間を介して配置される天面31と、天面31から第3方向一方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天面凹部と、を有する。【選択図】図2

Description

本開示は、冷却装置に関する。
従来、発熱体の冷却に冷却装置が用いられる。冷却装置は、放熱部材と、液冷ジャケットと、を有する。放熱部材は、ベース部と、複数のフィンと、を有する。複数のフィンは、ベース部から突出する。放熱部材と液冷ジャケットによって流路が形成される。当該流路に冷媒が流れることにより、発熱体の熱は冷媒に移動する(例えば、特許文献1参照)。
特開2020-53623号公報
上記のように、液冷ジャケットと放熱部材によって流路を形成する場合、フィンと液冷ジャケットとの間には一定の隙間(クリアランス)を設ける必要がある。当該隙間を設けなければ、液冷ジャケットにベース部を取り付ける際にフィンが変形し、所望の冷却性能を確保できない可能性がある。また、ベース部にフィンを固定する際の位置ばらつき、あるいはフィンの組み立て公差のために、フィンが液冷ジャケットに収容できない可能性もある。
このため、あらかじめフィンと液冷ジャケットとの間には一定の隙間を設けるが、当該隙間に冷媒が多量に流れると、フィン間への冷媒の流入量が減少し、フィンを液冷する能力が低下する課題が発生する。
上記状況に鑑み、本開示は、フィンと液冷ジャケットとの間に隙間を設けられる構成において、冷却性能を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。
本開示の例示的な冷却装置は、放熱部材と液冷ジャケットを備える冷却装置であって、前記放熱部材は、冷媒が流れる方向に沿う第1方向、かつ第1方向に直交する第2方向に広がり、第1方向および第2方向に直交する第3方向に厚みを有する板形状のベース部と、前記ベース部から前記第3方向一方側に突出するフィンと、前記フィンの第3方向一方側端部に設けられる天板部と、を有する。前記液冷ジャケットは、前記天板部の第3方向一方側に前記天板部との第3方向の隙間を介して配置される天面と、前記天面から第3方向一方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天面凹部と、を有する。
本開示の例示的な冷却装置によれば、フィンと液冷ジャケットとの間に隙間を設けられる構成において、冷却性能を向上させることができる。
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る冷却装置の分解斜視図である。 図2は、本開示の例示的な実施形態に係る冷却装置の側面断面図である。 図3は、放熱部材の斜視図である。 図4は、図2に示す側面断面の構成を一部拡大した図である。 図5は、第1変形例に係る液冷ジャケットの構成を示す斜視図である。 図6は、第2変形例に係る冷却装置の一部側面断面図である。 図7は、第3変形例に係る冷却装置の一部側面断面図である。 図8は、第4変形例に係る液冷ジャケットの構成を示す斜視図である。 図9は、シングルスポイラーの構成例を示す拡大斜視図である。
以下に、本開示の例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、図面においては、第1方向をX方向として、X1を第1方向一方側、X2を第1方向他方側として示す。第1方向は、冷媒Wが流れる方向Fに沿い、下流側をF1、上流側をF2として示す。第1方向に直交する第2方向をY方向として、Y1を第2方向一方側、Y2を第2方向他方側として示す。第1方向および第2方向に直交する第3方向をZ方向として、Z1を第3方向一方側、Z2を第3方向他方側として示す。なお、上記直交とは、90度から若干ずれた角度での交差も含む。上記の各方向は、冷却装置1を各種機器に組み込んだときの方向を限定しない。
<1.冷却装置の構成>
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る冷却装置1の分解斜視図である。図2は、冷却装置1の側面断面図である。図2は、第2方向に直交する切断面で切断した状態を第2方向他方側から第2方向一方側へ視た図である。
冷却装置1は、放熱部材2と、液冷ジャケット3と、を備える。放熱部材2は、液冷ジャケット3に設置される。なお、図2において、冷媒Wの流れを示す。第1方向一方側は冷媒Wが流れる方向の下流側であり、第1方向他方側は冷媒Wが流れる方向の上流側である。冷却装置1は、複数の発熱体4A,4B,4C(以下、4A等)を冷媒Wにより冷却する装置である。冷媒Wは、水などの液体である。すなわち、冷却装置1は、水冷などの液冷を行う。なお、発熱体は、3つ以外の複数であってもよいし、単数であってもよい。
<2.液冷ジャケットの構成>
液冷ジャケット3は、第1方向かつ第2方向に広がり、かつ第3方向に厚みを有するダイキャスト品である。液冷ジャケット3は、例えばアルミニウムなどの金属により形成される。液冷ジャケット3は、冷媒Wを流すための流路を内部に有する。
具体的には、液冷ジャケット3は、冷媒流路30と、入口流路304と、出口流路305と、を有する。入口流路304は、液冷ジャケット3の第1方向他方側端部に配置され、第1方向に延びる径の異なる円柱状の空間を第1方向に並べて構成される。
冷媒流路30は、第1流路301と、第2流路302と、第3流路303と、を有する。第1流路301は、第2方向に幅を有し、第1方向一方側かつ第3方向他方側に傾斜する。第1流路301の第1方向他方側端部は、入口流路304の第1方向一方側端部に連接される。第2流路302は、第2方向に幅を有し、第1方向に延びる。第2流路302の第1方向他方側端部は、第1流路301の第1方向一方側端部に連接される。第3流路303は、第2方向に幅を有し、第1方向一方側かつ第3方向一方側に傾斜する。第2流路302の第1方向一方側端部は、第3流路303の第1方向他方側端部に連接される。
出口流路305は、液冷ジャケット3の第1方向一方側端部に配置され、第1方向に延びる径の異なる円柱状の空間を第1方向に並べて構成される。第3流路303の第1方向一方側端部は、出口流路305の第1方向他方側端部に連接される。
これにより、入口流路304に流入した冷媒Wは、第1流路301に流入して第1流路301内を第1方向一方側かつ第3方向他方側へ流れ、第2流路302に流入して第2流路302内を第1方向一方側へ流れ、第3流路303に流入して第3流路303内を第1方向一方側かつ第3方向一方側へ流れ、出口流路305に流入して液冷ジャケット3の外部へ排出される。
<3.放熱部材の構成>
図3は、放熱部材の斜視図である。先述したように、放熱部材2は、液冷ジャケット3に設置可能であり、フィン群20と、ベース部21と、を有する。
ベース部21は、第1方向かつ第2方向に広がり、第3方向に厚みを有する板形状である。ベース部21は、熱伝導性の高い金属から構成され、例えば銅板から構成される。
フィン群20は、フィン22が第2方向に複数積み重ねられて形成されるいわゆるスタックドフィンとして構成される。フィン群20は、ベース部21の第3方向一方側の面21Aにろう付けなどにより固定される。すなわち、放熱部材2は、フィン22が第2方向に並んで構成されるフィン群20を有する。
フィン22は、第1方向に延びる1枚の金属板により構成される。フィン22は、例えば銅板により構成される。フィン22は、側板部221と、天板部222と、底板部223と、を有する。側板部221は、第1方向かつ第3方向に広がり、かつ第2方向に厚みを有する平板状である。
天板部222は、側板部221の第3方向一方側端部において第2方向一方側(すなわち第2方向)に折れ曲がる。底板部223は、側板部221の第3方向他方側端部において第2方向一方側に折れ曲がる。天板部222および底板部223は、プレス加工により形成される。これにより、天板部222は容易に形成できる。
このような構成のフィン22が第2方向に積み重ねられてフィン群20が構成される。フィン群20における底板部223がベース部21の第3方向一方側の面21Aに固定される。このように、放熱部材2は、ベース部21から第3方向一方側に突出するフィン22と、フィン22の第3方向一方側端部に設けられる天板部222と、を有する。
<4.放熱部材の液冷ジャケットへの取付>
液冷ジャケット3において、第2流路302の第3方向一方側端には、天面31(図1参照)が形成される。天面31は、第1方向かつ第2方向に広がる平面である。
放熱部材2を液冷ジャケット3に取り付けていない状態では、天面31は、第3方向他方側に露出される。放熱部材2におけるベース部21の第3方向一方側の面21Aを液冷ジャケット3の第3方向他方側の面3Aに固定することで、放熱部材2は液冷ジャケット3に取り付けられる。放熱部材2を取り付けた状態で、天面31の第3方向他方側はベース部21に覆われる。これにより、第2流路302は、ベース部21により塞がれる。放熱部材2を液冷ジャケット3に取り付けた状態で、フィン群20は、第2流路302内部に収容される。
発熱体4A等は、ベース部21の第3方向他方側の面21B(図2参照)に固定される。なお、発熱体4A等は、例えば半導体装置である。当該半導体装置は、例えば、車両の車輪を駆動するためのトラクションモータに備えられるインバータのパワートランジスタである。当該パワートランジスタは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
第1流路301から第2流路302へ流れ込んだ冷媒Wは、第2方向に隣り合うフィン22間に形成される流路20A(図3参照)を第1方向一方側へ流れる。流路20Aは、側板部221に沿って第1方向に延び、天板部222と底板部223との間に配置される。発熱体4A等から発生した熱は、流路20Aを流れる冷媒Wにベース部21およびフィン22を介して移動し、発熱体4A等が冷却される。
<5.天面凹部の構成>
図4は、図2に示す側面断面の構成を一部拡大した図である。上記のように放熱部材2を液冷ジャケット3に取り付けた状態で、フィン群20が第2流路302内部に収容される。このとき、図4に示すように、フィン22における天板部222と液冷ジャケット3における天面31との間には、第3方向の隙間(クリアランス)Sが形成される。すなわち、液冷ジャケット3は、天板部222の第3方向一方側に天板部222との第3方向の隙間Sを介して配置される天面31を有する。
図4に示すように、フィン22間の流路20Aを冷媒W1が流れるとともに、隙間Sを冷媒W2が流れる。このような隙間Sに冷媒W2が多量に流れると、フィン22間の流路20Aへの冷媒W1の流入量が減少し、フィン22を液冷する能力が低下する。そこで、本実施形態では、液冷ジャケット3に天面凹部32(図1も参照)を設けている。
天面凹部32は、天面31から第3方向一方側に凹んで形成される。天面凹部32は、第2方向に延びる直方体状に形成され、第1方向に複数並んで配置される。すなわち、液冷ジャケット3は、天面31から第3方向一方側に凹み、かつ第1方向に複数並んで配置される天面凹部32を有する。
液冷ジャケット3の天面31に天面凹部32を設けることで、天面凹部32の角部C1に起因して、隙間Sを流れる冷媒W2に乱流が発生する。これにより、隙間Sの流路抵抗が増大する。従って、天板部222の第3方向他方側に配置される流路20Aを流れる冷媒W1の流量が増加し、冷却性能を向上させることができる。なお、角部C1は、面取りされた角部であってもよい。
また、天面凹部32は、第2方向に延びる溝部として形成される。これにより、冷媒W2の流れに直交する方向で乱流が発生し、乱流を第2方向全域に広げて冷却性能を向上させることができる。
<6.第1変形例>
図5は、第1変形例に係る液冷ジャケット3の構成を示す斜視図である。図5に示す液冷ジャケット3では、先述した実施形態の天面凹部32の代わりに、天面凹部33が設けられる。
天面凹部33は、天面31から第3方向一方側へ凹む円柱状の空間である。なお、天面凹部33は、半球状、あるいは円錐状などの空間としてもよい。
すなわち、天面凹部33は、第3方向に視て円形に形成される。天面凹部33により、冷媒Wを第2方向に攪拌する効果が得られる。これにより、隙間Sにおける第3方向に視て発熱体4A等と重ならない流路を流れる低温の冷媒W2と、隙間Sにおける第3方向に視て発熱体4A等と重なる流路を流れる高温の冷媒W2とを混合し、冷却性能をより向上させることができる。また、隙間Sに流れる冷媒W2を攪拌することで第2方向の乱流因子を増加させ、隙間Sの流路抵抗を高めることができる。
<7.第2変形例>
図6は、第2変形例に係る冷却装置1の一部側面断面図である。図6は、上流側の構成を示す。
図6に示す液冷ジャケット3においては、先述した実施形態に係る天面凹部32の代わりに、天面凹部34が設けられる。天面凹部34は、天面凹部32と同様に第2方向に延びる溝部として形成されるが、天面凹部34の第3方向深さHが天面凹部34の第1方向幅Lよりも長い。これにより、隙間Sにおいて乱流をより発生させることができ、隙間Sの流路抵抗をより高めることができる。
<8.第3変形例>
図7は、第3変形例に係る冷却装置1の一部側面断面図である。図7に示す構成においては、天板部222は、第3方向に貫通するスリット224を有する。スリット224は、第1方向に複数並んで配置される。
スリット224は、天板凹部224Aと、天板凹部224Bと、を有する。天板凹部224Aは、天板部222の第3方向一方側の面から第3方向他方側に凹む。天板凹部224Bは、天板部222の第3方向他方側の面から第3方向一方側に凹む。天板凹部224Aと天板凹部224Bは、第3方向に連結される。スリット224は、天面凹部32によって発生する乱流領域と第3方向に対向する位置に配置される。
すなわち、天板部222の第3方向一方側の面から第3方向他方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天板凹部224Aが設けられる。天板凹部224Aは、天面凹部32によって発生する乱流領域と第3方向に対向する位置に配置される。これにより、隙間Sにおいて乱流をより発生させることができ、隙間Sの流路抵抗をより高めることができる。
<9.第4変形例>
図8は、第4変形例に係る液冷ジャケット3の構成を示す斜視図である。図8に示す液冷ジャケット3においては、第2流路302の第2方向両端に側壁部35が設けられる。放熱部材2(図3参照)を図8に示す液冷ジャケット3に取り付けた状態で、フィン群20において第2方向一方側端に設けられる側板部221A(図3参照)は、液冷ジャケット3における第2方向一方側の側壁部35と第2方向に対向する。また、フィン群20において第2方向他方側端に設けられる側板部221B(図3参照)は、液冷ジャケット3における第2方向他方側の側壁部35と第2方向に対向する。
図8に示すように、第2方向一方側の側壁部35には第2方向一方側へ凹む側壁凹部36が設けられる。第2方向他方側の側壁部35には第2方向他方側へ凹む側壁凹部36が設けられる。側壁凹部36は、第1方向に複数並んで配置される。
すなわち、液冷ジャケット3は、フィン群20における第2方向両端に配置される側板部221A,221Bと第2方向に対向する側壁部35と、側壁部35において第2方向に凹み、第1方向に複数並んで配置される側壁凹部36と、を有する。これにより、側壁凹部36における角部に起因して、側壁部35と側板部221A,221Bとの間の隙間に乱流が発生し、フィン群20の第2方向両外側における流路抵抗が高くなる。従って、フィン群20に流れ込む冷媒Wの流量が増加し、冷却性能を向上させることができる。
<10.スポイラー>
図2に示すように、フィン22には、スポイラー5が設けられる。ここでは、スポイラー5について説明する。
図2に示す構成では、上流側の発熱体4Bの配置領域においては、スポイラー5が1個のみ設けられるシングルスポイラーが形成され、下流側の発熱体4Cの配置領域においては、シングルスポイラーに加えてスポイラー5が2個設けられるダブルスポイラーも形成される。
図9は、シングルスポイラーの構成例を示す拡大斜視図である。貫通孔50は、フィン22における側板部221を第2方向に貫通する。貫通孔50は、矩形である。貫通孔50は、第1方向一方側かつ第3方向一方側へ傾く一対の対向する辺50A,50Bを有する。辺50Aは、辺50Bよりも第1方向他方側に位置する。スポイラー5は、辺50Aにおいて第2方向一方側に折り曲げられることで形成される。貫通孔50およびスポイラー5は、側板部221に切り込みを入れて折り曲げることで形成できる。
スポイラー5は、冷媒Wが流れる方向、すなわち第1方向一方側に対向する対向面5Sを有する。スポイラー5は、対向面5Sにより冷媒Wの流れを妨げる機能を有する。対向面5S付近に冷媒Wの乱流を発生させやすくなり、フィン22の冷却性能を向上させることができる。また、スポイラー5は、第1方向一方側かつ第3方向一方側に傾く。これにより、冷媒Wをスポイラー5によりベース部21側へ導くことができ、冷却性能を向上させることができる。
なお、シングルスポイラーには、図9に示す構成とは他に、辺50B側にスポイラー5が設けられる構成もある。また、ダブルスポイラーでは、辺50A,50Bの両方にスポイラー5が設けられる。
上記のように、フィン22は、側板部221から第2方向に突出するスポイラー5を有する。スポイラー5付近において乱流が発生することで、冷却性能をより向上させることができる。
また、図2に示すように、発熱体4Bの配置領域においては、シングルスポイラーを3個、すなわちスポイラー5を3個設けている。発熱体4Cの配置領域においては、シングルスポイラーを2個、ダブルスポイラーを2個設けており、合計6個のスポイラー5を設けている。
すなわち、スポイラー5の個数は、第1方向一方側に向かうほど多くなる。これにより、冷媒Wの温度が高くなり、より冷却性能が必要な下流側において、冷却性能を向上させることができる。
<11.その他>
以上、本開示の実施形態を説明した。なお、本開示の範囲は上述の実施形態に限定されない。本開示は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。
例えば、フィンは、スタックドフィンに限らず、例えばベース部から第3方向一方側に柱状に突出するピンフィンにより構成してもよい。この場合、天板部をピンフィンの第3方向一方側端部に固定すればよい。
<12.総括>
以上のように、本開示の一側面に係る冷却装置は、放熱部材と液冷ジャケットを備える冷却装置であって、
前記放熱部材は、
冷媒が流れる方向に沿う第1方向、かつ第1方向に直交する第2方向に広がり、第1方向および第2方向に直交する第3方向に厚みを有する板形状のベース部と、
前記ベース部から前記第3方向一方側に突出するフィンと、
前記フィンの第3方向一方側端部に設けられる天板部と、
を有し、
前記液冷ジャケットは、
前記天板部の第3方向一方側に前記天板部との第3方向の隙間を介して配置される天面と、
前記天面から第3方向一方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天面凹部と、
を有する構成としている(第1の構成)。
また、上記第1の構成において、前記天面凹部は、第2方向に延びる溝部として形成される構成としてもよい(第2の構成)。
また、上記第1の構成において、前記天面凹部は、第3方向に視て円形に形成される構成としてもよい(第3の構成)。
また、上記第1から第3のいずれかの構成において、前記天面凹部の第3方向深さは、前記天面凹部の第1方向幅よりも長い構成としてもよい(第4の構成)。
また、上記第1から第4のいずれかの構成において、前記天板部の第3方向一方側の面から第3方向他方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天板凹部が設けられ、
前記天板凹部は、前記天面凹部によって発生する乱流領域と第3方向に対向する位置に配置される構成としてもよい(第5の構成)。
また、上記第1から第5のいずれかの構成において、前記フィンは、第1方向かつ第3方向に広がり、かつ第2方向に厚みを有する平板状の側板部を有し、
前記天板部は、前記側板部の第3方向一方側端部において第2方向に折れ曲がる構成としてもよい(第6の構成)。
また、上記第6の構成において、前記放熱部材は、前記フィンが第2方向に並んで構成されるフィン群を有し、
前記液冷ジャケットは、
前記フィン群における第2方向両端に配置される前記側板部と第2方向に対向する側壁部と、
前記側壁部において第2方向に凹み、第1方向に複数並んで配置される側壁凹部と、
を有する構成としてもよい(第7の構成)。
また、上記第6または第7の構成において、前記フィンは、前記側板部から第2方向に突出するスポイラーを有する構成としてもよい(第8の構成)。
本開示は、各種発熱体の冷却に利用することができる。
1 冷却装置
2 放熱部材
3 液冷ジャケット
4A,4B,4C 発熱体
5 スポイラー
5S 対向面
20 フィン群
20A 流路
21 ベース部
22 フィン
30 冷媒流路
31 天面
32 天面凹部
33 天面凹部
34 天面凹部
35 側壁部
36 側壁凹部
50 貫通孔
50A,50B 辺
221 側板部
221A,221B 側板部
222 天板部
223 底板部
224 スリット
224A 天板凹部
224B 天板凹部
301 第1流路
302 第2流路
303 第3流路
304 入口流路
305 出口流路
C1 角部
S 隙間
W 冷媒
W1 冷媒
W2 冷媒

Claims (8)

  1. 放熱部材と液冷ジャケットを備える冷却装置であって、
    前記放熱部材は、
    冷媒が流れる方向に沿う第1方向、かつ第1方向に直交する第2方向に広がり、第1方向および第2方向に直交する第3方向に厚みを有する板形状のベース部と、
    前記ベース部から前記第3方向一方側に突出するフィンと、
    前記フィンの第3方向一方側端部に設けられる天板部と、
    を有し、
    前記液冷ジャケットは、
    前記天板部の第3方向一方側に前記天板部との第3方向の隙間を介して配置される天面と、
    前記天面から第3方向一方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天面凹部と、
    を有する、冷却装置。
  2. 前記天面凹部は、第2方向に延びる溝部として形成される、請求項1に記載の冷却装置。
  3. 前記天面凹部は、第3方向に視て円形に形成される、請求項1に記載の冷却装置。
  4. 前記天面凹部の第3方向深さは、前記天面凹部の第1方向幅よりも長い、請求項1に記載の冷却装置。
  5. 前記天板部の第3方向一方側の面から第3方向他方側に凹み、第1方向に複数並んで配置される天板凹部が設けられ、
    前記天板凹部は、前記天面凹部によって発生する乱流領域と第3方向に対向する位置に配置される、請求項1に記載の冷却装置。
  6. 前記フィンは、第1方向かつ第3方向に広がり、かつ第2方向に厚みを有する平板状の側板部を有し、
    前記天板部は、前記側板部の第3方向一方側端部において第2方向に折れ曲がる、請求項1に記載の冷却装置。
  7. 前記放熱部材は、前記フィンが第2方向に並んで構成されるフィン群を有し、
    前記液冷ジャケットは、
    前記フィン群における第2方向両端に配置される前記側板部と第2方向に対向する側壁部と、
    前記側壁部において第2方向に凹み、第1方向に複数並んで配置される側壁凹部と、
    を有する、請求項6に記載の冷却装置。
  8. 前記フィンは、前記側板部から第2方向に突出するスポイラーを有する、請求項6記載の冷却装置。
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