JP4000080B2 - 発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンクの表面に配置された発熱体の温度を冷媒により冷却する発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒートシンクの表面に配置された発熱体を冷却する発熱体冷却装置に関しては、ヒートシンクの裏側に設けられた冷却経路に冷媒として冷却水を通過させることによりヒートシンクの表面に配置された発熱体であるインバータ主回路の構成部材を冷却する発熱体冷却装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３４６４８０号公報（図１、図２、及び図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の発熱体冷却装置においては、発熱体の表面から冷媒までの熱抵抗は、ヒートシンクを構成する部材内の熱抵抗と、冷媒内における熱抵抗との和になるので、大きい発熱体を冷却する場合には、冷媒の流速が小さいため、冷媒の温度とヒートシンクの母材の温度との温度差が少なくなり、冷媒がヒートシンクの裏面に設けられた流水経路の衝突面までの部材内における熱伝導が必要となるため、発熱体の表面から冷媒までの熱抵抗が大きくなり、冷却性能が低くなってしまう可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記事情に考慮してなされたもので、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが可能な発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、ヒートシンクの空洞部における冷媒の流速を増加させる構成により、発熱体冷却装置の冷却性能を向上させるという効果を達成することにある。
【０００７】
さて、以上のような本発明の骨子は、具体的には以下のような手段を講じることにより実現される。
【０００８】
第１の発明は、ヒートシンクの表面に発熱体を配置すると共に、当該ヒートシンクの裏面に発熱体に向けて冷却媒体を噴出する開口部を設け、反発熱体側に、ヘッダを配した発熱体冷却装置において、ヘッダの内部に、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の角度をなすように、開口部の周縁に設けられた複数の第１のガイド部材を備えた発熱体冷却装置である。
【０００９】
これにより、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の角度をなすように、開口部の周縁に設けられた複数の第１のガイド部材によって第１の板状部材の発熱体の設けられた面の裏面の発熱体の位置に相当する位置に送出するための開口部から冷媒がヒートシンクに噴流として送出されるので、熱伝達率が高くなると共に、ヒートシンクの発熱体の設けられた第１の板状部材の内部における熱伝導が小さくなる。
【００１０】
この結果、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが出来る。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の発熱体冷却装置において、各第１のガイド部材を、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して、ヘッダ内の冷媒の流れを開口部内に取り込むような所定の角度をなすように開口部の周縁部で、かつ、ヘッダの内部に設けられた複数の第２のガイド部材に置換した発熱体冷却装置である。
【００１２】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来るのに加え、各ガイド部材によってヘッダ内の冷媒の流れが開口部内に取り込まれるので、ヘッダから開口部を介して送出する冷媒に旋回速度成分が加わることにより、ヒートシンクと冷媒との温度差が一定以上に保たれるため、開口部の中心部よりも離れた位置に熱伝達率の高い部分が生じることとなり、冷却性能を高めることが出来る。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明の発熱体冷却装置において、各第１又は第２のガイド部材の開口部の中心軸に平行な方向の長さは、ヘッダの内部の壁面の高さよりも小さい値とした発熱体冷却装置である。
【００１４】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来るのに加え、ヘッダの入口以外の開口部からも冷媒が入り込みやすくなるので、発熱体冷却装置の冷却性能を高めることが出来る。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明の発熱体冷却装置において、各第１のガイド部材を、開口部の周縁で、かつ、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度をなすように、ヘッダ内部の壁面上に設けられた第１の部分と、第１の部分と一体に形成され、かつ、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダの内部の壁面上で、かつ、第１の部分よりも開口部に近い位置に設けられた第２の部分とを含む複数の第３のガイド部材に置換した発熱体冷却装置である。
【００１６】
これにより、第２の部分が第１の部分と一体に形成され、かつ、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダの内部の壁面上で、かつ、第１の部部分よりも開口部に近い位置に設けられているので、冷媒への抵抗が減少し、開口部内の冷媒の流速が増加する。
【００１７】
この結果、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが出来る。
【００１８】
第５の発明は、第１ないし第４の何れか１つの発明の発熱体冷却装置を有するパワーエレクトロニクス装置である。
【００１９】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の全体構成の一例を示す斜視図であり、図２は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の平面図であり、図３は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の側面図である。
【００２２】
図４は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の図２のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図５は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の図３のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００２３】
本実施の形態に係る発熱体冷却装置は、ヘッダ４に設けられた開口部５ａ〜５ｄから冷媒をヒートシンク１の空洞部の発熱体２ａ〜２ｄの裏面に相当する位置に向けて噴流として送出させることによって、発熱体２ａ〜２ｄからヒートシンク１に熱伝導された熱を冷媒で吸収してヒートシンク１の表面に設けられた発熱体２ａ〜２ｄの冷却を図るものである。
【００２４】
本実施の形態に係る発熱体冷却装置のヒートシンク１は、外表面上に配置された発熱体２ａ〜２ｄを冷却するためのものであり、発熱体２ａ〜２ｄから熱伝導された熱を、ヒートシンク１を構成する第１の板状部材１ａの内部における熱伝導を行うと共に、このヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒に熱伝達する。
【００２５】
本実施の形態に係るヒートシンク１は、表面上に発熱体２ａ〜２ｄが設けられた第１の板状部材１ａと、前記第１の板状部材１ａに対向する第２の板状部材１ｂと、前記第１の板状部材１ａ及び第２の板状部材１ｂと一体に形成され、かつ、所定の間隔を存して設けられた一対の板状部材からなる側壁１ｃとを有し、第１の板状部材１ａ、第２の板状部材１ｂ、及び側壁１ｃと一体に形成され、かつ、第１の板状部材１ａ、第２の板状部材１ｂ、及び側壁１ｃにより形成される空洞部の一端にのみ設けられた障壁１ｄとを備えており、障壁１ｄの反対側の端部１ｅで内部の冷媒を送出するための第１の冷媒管３に接続されている。
【００２６】
このヒートシンク１の第２の板状部材１ｂには、ヘッダ４から送出された冷媒をヒートシンク１の空洞部に送入させるための開口部５ａ〜５ｄが設けられている。
【００２７】
このヒートシンク１は、第１の板状部材１ａの表面上に配置された発熱体２ａ〜２ｄの発生する熱よりも高い融点を有する材質から構成され、かつ、内部に冷媒が通過する所定の空洞部を有しており、略Ｃ字形状の平面形状と、略Ｕ字形状の断面形状とを有している。
【００２８】
なお、このヒートシンク１としては、熱伝導率をより高める観点から、銅又はアルミ二ウムによって形成することがより好ましい。
【００２９】
発熱体２ａ〜２ｄは、略直方体形状の外形形状を有しており、ヒートシンク１を構成する第１の板状部材１ａの表面上に設けられている。
【００３０】
これらの発熱体２ａ〜２ｄは、熱を発生し、発生した熱をヒートシンク１を構成する第１の板状部材１ａに熱伝導する。
【００３１】
なお、本実施の形態における発熱体冷却装置では、発熱体２ａ〜２ｄは、４個だけ設けられていたが、発熱体の数は、１個、２個、３個、５個、６個、７個、及び８個等の任意の数に変更可能である。
【００３２】
第１の冷媒管３は、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた面から熱伝導された熱を吸収した冷媒をヒートシンク１内部の空洞部から外部に送出するために設けられており、端部１ｅでヒートシンク１と接続されている。
【００３３】
第１の冷媒管３は、ヒートシンク１の端部１ｅの形状と同一形状の略円形形状の断面形状を有しており、冷媒をスムーズに外部に送出させる観点から、発熱体の発生する熱よりも高い融点を有する素材によって形成されている。
【００３４】
ヘッダ４は、ヒートシンクの第２の板状部材１ｂと同一側に、ヒートシンク１と一体に形成され、かつ、冷媒を、ヒートシンクの空洞部内の第１の板状部材１ａの発熱体の設けられた一面１ａの裏面の発熱体２ａ〜２ｄの位置に相当する位置に送出するための開口部５ａ〜５ｄを備えており、端部で冷媒を内部に送入させるための第２の冷媒管６に接続されている。
【００３５】
なお、本実施の形態では、ヘッダ４と、ヒートシンク１とは、一体に形成されていたが、これに限らず、分離自在としてもよいことはいうまでもない。
【００３６】
このヘッダ４は、冷媒を通過させるための空洞部を有する略Ｃ字形状の平面形状と、略Ｕ字形状の断面形状とを有している。
【００３７】
なお、ヘッダ４は、ヒートシンク１と一体に形成するのを容易にすると共に、軽量化を図る観点から、銅又はアルミ二ウムによって形成することがより好ましい。
【００３８】
また、このヘッダ４の内部には、ヒートシンク１の空洞部内における冷媒の流速をより高める観点から、各発熱体２ａ〜２ｄの裏面に相当する位置に、合計４箇所の開口部５ａ〜５ｄが設けられている。
【００３９】
各開口部５ａ〜５ｄの形状は、略円形形状の平面形状と、開口部分よりも冷媒の流れが通過する部分のほうが長い略長方形状の断面形状とを有している。
【００４０】
なお、本実施の形態では、ヘッダ４に開口部５ａ〜５ｄを４箇所設けているが、これに限らず、１個、２個、３個、５個、６個、７個、及び８個等の発熱体２ａ〜２ｄの数に併せて変更することが可能である。
【００４１】
なお、本実施の形態では、各開口部５ａ〜５ｄは、略同一の円形形状の平面形状を有していたが、これに限らず、各開口部５ａ〜５ｄの平面形状は、略多角形形状等の任意の形状に変更することが可能である。
【００４２】
開口部５ａ〜５ｄは、略円形形状の断面形状を有し、発熱体２ａ〜２ｄの裏面のヘッダ４内部への正射影に相当する位置の近傍に設けられている。
【００４３】
第２の冷媒管６は、内部を冷媒が通過するものであり、外部から送入された冷媒が、この冷媒管６に接続されたヘッダ４の内部に送出される。
【００４４】
複数のガイド板７ａは、ヘッダ４の内部に設けられた開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して０度より大きい所定の角度をなすように、開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられている。
【００４５】
これらの各ガイド板７ａは、図６に示すように、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう方向に対して０度より大きい所定の角度、例えばベータ（ラジアン）をなすように設けられている。
【００４６】
なお、本実施の形態に係る各ガイド板７ａは、冷媒による腐食に強い素材を用いる観点から、アルミニウム又はステンレス等の材質から構成するのがより好ましい。
【００４７】
なお、本実施の形態に係る発熱体冷却装置は、多量の熱を発生するパワーエレクトロニクス装置、例えばインバータ、無停電電源装置等の構成部品として組み込んでもよい。
【００４８】
次に、以上のように構成された発熱体冷却装置の作用に関し、図を用いて説明する。
【００４９】
始めに、第２の冷媒管６を通して第２の開口部５ａ〜５ｄからヘッダ４の内部に冷媒が送入されると、冷媒は、ヘッダ４の内部を直進し、ヘッダ４の内部の側壁１ｃに沿って流れる。
【００５０】
次に、冷媒は、開口部５ａ、５ｂの周縁に設けられたガイド板７ａによって、開口部５ａ、５ｂの周縁では、前述した図５に示すような左回りの渦が形成される。
【００５１】
一方、冷媒は、開口部５ｃ、５ｄの周縁に設けられたガイド板７ａによって、開口部５ｃ、５ｄの周縁では、前述した図５に示すような右回りの渦が形成される。
【００５２】
そして、冷媒は、開口部５ａ〜５ｄから流速をあげて、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００５３】
この時のヒートシンク１内部に送出される冷媒の速度は、以下の式（１）で表されるものとなる。
【００５４】
Ｕｓ＝（Ｕθ２+Ｕｚ２）０．５…式（１）
ここでＵｓは、開口部５ａ〜５ｄからヒートシンク１の空洞部に送出される冷媒の合成速度を示す。Ｕθは、開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ａによって生じた冷媒の速度の旋回速度成分を示す。Ｕｚは、冷媒の開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の軸方向速度成分を表す。
【００５５】
従って、複数のガイド板７ａを設けない場合、開口部５ａ〜５ｄ内の冷媒の速度は、軸方向成分のみで旋回速度成分が生じないので、複数のガイド板７ａを設けない場合における冷媒の速度と、複数のガイド板７ａを設けた場合における速度Ｕｓとの大小関係は以下の式（２）のような不等式で表されることになる。
Ｕｓ＝（Ｕθ２+Ｕｚ２）０．５＞Ｕｚ＝Ｕ０…（２）
ここで、Ｕ０は、複数のガイド板７ａを設けない場合における開口部５ａ〜５ｄから送出される冷媒の速度を示す。
【００５６】
ヒートシンク１の空洞部に送出した冷媒の速度が大きいので、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた第１の板状部材１ａに、ガイド板７ａを設けない場合と比較して、より多くの冷媒が供給されることになる。
【００５７】
従って、ヒートシンク１と冷媒との間の熱伝達率は、この場合、冷媒と、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた面との間の温度差が保たれるので、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けない場合と比較して高くなる。
【００５８】
図７は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置における開口部５ａ〜５ｄの中心軸上からの距離と熱抵抗との関係の一例を示すものである。
【００５９】
同図の上部に示すように、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合には、ガイド板７ａを設けない場合と比較して、熱伝導率の最高値はやや低下するが、熱伝達率の高い領域を拡大することが出来る。
【００６０】
従って、ガイド板７ａを設けた場合には、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた第１の板状部材内における熱伝導が殆ど不要となる。
【００６１】
一般に、発熱体２ａ〜２ｄ表面から冷媒までの熱抵抗Ｒ［Ｋ／Ｗ］は、第１の板状部材内の熱伝導に対する熱抵抗Ｒfconと、冷媒内の熱抵抗Ｒalfとの和になるので、以下の式（３）で示される。
Ｒ＝Ｒfcon＋Ｒalf…式（３）
しかし、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合には、第１の板状部材１ａ内での熱伝導が殆どなくなるため、第１の板状部材１ａ内の熱伝導に対する熱抵抗Ｒfconが殆ど０になるので、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合における熱抵抗と、ガイド板７ａを設けない場合における熱抵抗との間の大小関係は、以下の式（４）に示すような不等式で表される。
【００６２】
Ｒ＝Ｒfcon＋Ｒalf＞Ｒalf´…（４）
ここで、Ｒは、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けない場合における熱抵抗を示す。Ｒalf´は、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合における熱抵抗を示す。
【００６３】
従って、熱抵抗は、ガイド板７ａを設けた場合の方が小さくなる。
【００６４】
ゆえに、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合、熱抵抗が小さくなり、かつ、熱伝導率が高い領域が広くなるので、より多くの熱がヒートシンク１から、ヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒に熱伝導され、この冷媒によって吸収される。
【００６５】
ヒートシンク１の空洞部に送出された冷媒は、第１の板状部材１ａの発熱体２ａ〜２ｄの設けられた一面の裏面に該当する位置でヒートシンク１から熱伝導された熱を吸収し、熱を吸収した冷媒は、第１の冷媒管３内を通って、外部に送出される。
【００６６】
上述したように、本実施の形態によれば、ヘッダ４内部の開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ａによって、開口部５ａ〜５ｄからヒートシンク１の空洞部に送出する冷媒の速度に旋回速度成分が加わるので、ガイド板７ａを設けない場合と比較して熱伝達率が高くなると共に、ヒートシンク１の第１の板状部材１ａ内における熱伝導が必要なくなり、熱抵抗も小さくなるため、ヒートシンク１から多くの熱が冷媒に吸収される。
【００６７】
この結果、ガイド板７ａを設けない場合と比較して、発熱体冷却装置の冷却性能を高めることが出来る。
【００６８】
＜第２の実施の形態＞
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図９は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００６９】
なお、第１の実施の形態と同一部分には、同一符号を付してその詳細な説明を省略し、ここでは主として異なる部分に関して説明する。なお、以下の各実施の形態に関しても同様に重複する説明を省略する。
【００７０】
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の発熱体２ａ〜２ｄに関する冷却性能を高める観点から、第１の実施の形態に係る各ガイド板７ａを冷媒を開口部５ａ〜５ｄに取り込ませるような角度で、開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ｂに置換した構成となっている。
【００７１】
なお、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の各ガイド板７ｂが開口部５ａ〜５ｄの中心から外に向かう向きに対してなす角度は、ヘッダ４内部の冷媒の流れを開口部５ａ〜５ｄの内部に、より効率的に取り込む観点から、１５度から７５度の間であることがより好ましい。
【００７２】
なお、本実施の形態では、各ガイド板７ｂは、開口部５ａ及び５ｂの周縁に、図９に示すような右回りの渦を形成するように配置されている。
【００７３】
一方、各ガイド板７ｂは、開口部５ｃ及び開口部５ｄの周縁においては、図９に示すように、左回りの渦を形成するように配置されている。
【００７４】
以上のような構成によれば、冷媒が開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ｂによって開口部５ａ〜５ｄの内部に取り込まれるので、開口部５ａ〜５ｄの冷媒に生じる噴流の旋回速度成分は大きくなり、第１の実施の形態の場合よりも大きくなる。
【００７５】
この結果、熱抵抗は、次式（５）に示すように、第１の実施の形態の場合と比較してさらに小さくなる。
【００７６】
Ｒ＝Ｒalf´´＜Ｒalf´…（５）
ここで、Ｒalf´´は、本実施の形態における熱抵抗を示す。Ｒalf´は、第１の実施の形態に係る熱抵抗を示す。
【００７７】
更に、本実施の形態では、開口部５ａ〜５ｄ内からヒートシンク１の空洞部に送出される冷媒の旋回速度成分が大きくなるので、第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置と同様にヒートシンク１内部の熱伝導率が高い領域を広げることが出来る。
【００７８】
従って、本実施の形態の発熱体冷却装置では、ヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒がヒートシンク１から熱伝導される熱は、第１の実施の形態と比較して大きくなるので、冷媒がヒートシンク１から吸収する熱は大きくなり、発熱体冷却装置の冷却性能をより高めることが出来る。
【００７９】
上述したように、本実施の形態によれば、複数のガイド板７ｂを、開口部５ａ〜５ｄの周縁に中心軸上の点から外側に向かう向きに、ヘッダ４内部の冷媒の流れを開口部５ａ〜５ｄ内に取り込むように０度より大きい所定の角度を持たせたことによって、開口部５ａ〜５ｄ内からヒートシンク１の空洞部に送出される冷媒の速度が高くなるため、熱伝達率の高い領域を広げると共に、熱抵抗も下げることが出来るので、ヒートシンク１の第１の板状部材１ａ内部での熱伝導が殆どなくなることとなり、発熱体冷却装置の冷却性能を更に高めることが出来る。
【００８０】
なお、本実施の形態では、ガイド板７ｂの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さは、ヘッダ４の内部の壁面の高さとを同一としたが、これに限らず、ガイド板７ｂの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さをヘッダ４の内部の壁面の高さよりも小さくしてもよいことはいうまでもない。
【００８１】
＜第３の実施の形態＞
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図１１は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００８２】
なお、前述した図面と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは主として異なる部分に関して説明する。
【００８３】
本実施の形態に係る発熱体冷却装置は、第１の実施の形態の発熱体冷却装置の複数のガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さを、ヘッダ４内部の壁面の高さよりも小さい値とした複数のガイド板７ｃに置換した構成となっている。
【００８４】
具体的には、本実施の形態では、図１０に示すように、ガイド板７ｃの中心軸に平行な方向の長さＨｇは、ヘッダ４の内部の壁面の高さＨｈよりも小さくなっている。
【００８５】
本実施の形態では、冷媒は、ガイド板７ｃによって第１の実施の形態と同様に図１１に示すように、開口部５ａ、５ｂの周縁では、左回りの渦を形成して開口部５ａ、５ｂに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００８６】
一方、冷媒は、ガイド板７ｃによって、第１の実施の形態と同様に図１１に示すように、開口部５ｃ、５ｄの周縁では、右回りの渦を形成して開口部５ｃ、５ｄに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００８７】
以上のような構成によれば、ガイド板７ｃとヘッダ４内の壁面との間からも開口部５ａ〜５ｄに冷媒が送入するので、ガイド板７ｃの高さをヘッダ４の内壁の高さと同一にした場合に比較して各ガイド板７ｃ間で発生する流量差を小さくすることが出来る。
【００８８】
この結果、安定した冷媒の旋回流れがヘッダ４の内部で発生するので、前述した冷媒の旋回速度成分が大きくなり、熱抵抗を小さくすることが出来る。
【００８９】
また、本実施の形態の発熱体冷却装置では、開口部５ａ〜５ｄ内における冷媒に生じる噴流の旋回成分が大きくなるため、第１の実施の形態と同様に、熱伝達率の大きな領域を広く保つことが出来るので、ヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒がヒートシンク１から熱伝導される熱は大きくなり、発熱体冷却装置の冷却性能をより一層高めることが出来る。
【００９０】
＜第４の実施の形態＞
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図１３は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００９１】
なお、前述した図面と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは主として異なる部分に関して説明する。
【００９２】
本実施の形態の発熱体冷却装置は、第１の実施の形態に係る複数のガイド板７ａを、開口部５ａ〜５ｄの周縁で、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度をなすように、ヘッダ４内部の壁面上に設けられた第１の部分と、第１の部分と一体に形成され、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダ４の内部の壁面上で、かつ、第１の部分よりも開口部５ａ〜５ｄに近い位置に設けられた第２の部分とからなる第３の複数のガイド板７ｄに置換した構成となっている。
【００９３】
具体的には、図１４に示すように、第１の部分７ｄ１は、開口部５ａ〜５ｄの周縁で、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点Ｃから外側に向かう向きに対して所定の第１の角度βをなすように、ヘッダ４内部の壁面上に設けられており、第２の部分７ｄ２は、第１の部分７ｄ１と一体に形成され、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対してβよりも小さい所定の第２の角度であるγをなすように、ヘッダ４の内部の壁面上で、かつ、第１の部分７ｄ１よりも開口部５ａ〜５ｄに近い位置に設けられている。
【００９４】
本実施の形態では、図１３に示すように、冷媒は、複数のガイド板７ｄによって、開口部５ａ、５ｂの周縁では、左回りの渦を形成して開口部５ａ、５ｂに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００９５】
一方、冷媒は、ガイド板７ｄによって、第１の実施の形態と同様に図１３に示すように、開口部５ｃ、５ｄの周縁では、右回りの渦を形成して開口部５ｃ、５ｄに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００９６】
なお、本実施の形態では、ガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さはヘッダ４の内部の壁面の高さと同一にしたが、これに限らず、ガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さをヘッダ４の内部の壁面の高さよりも小さくしてもよいことはいうまでもない。
【００９７】
このように、ガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さをヘッダ４の内部の壁面の高さよりも小さくすることによって、冷媒が第１の冷媒管から離れた開口部まで流れ込みやすくなる。
【００９８】
以上のような構成によれば、開口部５ａ〜５ｄに近い位置に、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダ４の内部の壁面上で、かつ、第１の部分７ｄ１よりも開口部５ａ〜５ｄに近い位置に設けられた第２の部分７ｄ２を設けることによって、冷媒の抵抗が小さくなるので、開口部５ａ〜５ｄ内における冷媒の軸方向の速度成分と、旋回速度成分との双方が大きくなる。
【００９９】
この結果、第１の実施の形態と同様に、発熱体２ａ〜２ｄから冷媒までの熱抵抗が小さくなると共に、熱伝導率の高い領域を広げることができるので、発熱体冷却装置の冷却性能を向上させることが出来る。
【０１００】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。例えば上記各実施の形態では、発熱体冷却装置単体で用いられている例であったが、これに限らず、上記各実施の形態に係る発熱体冷却装置を各種のパワーエレクトロニクス装置、例えばインバータ、無停電電源装置等の構成部品として組み込んで使用してもよいことはいうまでもない。
【０１０１】
また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には、省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【０１０２】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが可能な発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の全体構成の一例を示す斜視図。
【図２】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の平面図。
【図３】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の側面図。
【図４】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の図２のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図５】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の図３のＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図６】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置のガイド板７ａの一例を示す模式図。
【図７】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置における開口部５ａ〜５ｄの中心軸上からの距離と熱抵抗との関係の一例を示す図。
【図８】 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図９】 第２の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様ののＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図１０】 本発明の第３の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図１１】 第３の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図１２】 本発明の第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図１３】 第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図１４】 第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置のガイド板７ｄの一例を示す模式図。
【符号の説明】
１…ヒートシンク、２ａ〜２ｄ…発熱体、３…第１の冷媒管、４…ヘッダ、５ａ〜５ｄ…開口部、６…第２の冷媒管、７ａ〜７ｄ…複数のガイド板、
７ｄ１…第１の部分、７ｄ２…第２の部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンクの表面に配置された発熱体の温度を冷媒により冷却する発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒートシンクの表面に配置された発熱体を冷却する発熱体冷却装置に関しては、ヒートシンクの裏側に設けられた冷却経路に冷媒として冷却水を通過させることによりヒートシンクの表面に配置された発熱体であるインバータ主回路の構成部材を冷却する発熱体冷却装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３４６４８０号公報（図１、図２、及び図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の発熱体冷却装置においては、発熱体の表面から冷媒までの熱抵抗は、ヒートシンクを構成する部材内の熱抵抗と、冷媒内における熱抵抗との和になるので、大きい発熱体を冷却する場合には、冷媒の流速が小さいため、冷媒の温度とヒートシンクの母材の温度との温度差が少なくなり、冷媒がヒートシンクの裏面に設けられた流水経路の衝突面までの部材内における熱伝導が必要となるため、発熱体の表面から冷媒までの熱抵抗が大きくなり、冷却性能が低くなってしまう可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記事情に考慮してなされたもので、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが可能な発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、ヒートシンクの空洞部における冷媒の流速を増加させる構成により、発熱体冷却装置の冷却性能を向上させるという効果を達成することにある。
【０００７】
さて、以上のような本発明の骨子は、具体的には以下のような手段を講じることにより実現される。
【０００８】
第１の発明は、ヒートシンクの表面に発熱体を配置すると共に、当該ヒートシンクの裏面に発熱体に向けて冷却媒体を噴出する開口部を設け、反発熱体側に、ヘッダを配した発熱体冷却装置において、ヘッダの内部に、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の角度をなすように、開口部の周縁に設けられた複数の第１のガイド部材を備えた発熱体冷却装置である。
【０００９】
これにより、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の角度をなすように、開口部の周縁に設けられた複数の第１のガイド部材によって第１の板状部材の発熱体の設けられた面の裏面の発熱体の位置に相当する位置に送出するための開口部から冷媒がヒートシンクに噴流として送出されるので、熱伝達率が高くなると共に、ヒートシンクの発熱体の設けられた第１の板状部材の内部における熱伝導が小さくなる。
【００１０】
この結果、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが出来る。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の発熱体冷却装置において、各第１のガイド部材を、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して、ヘッダ内の冷媒の流れを開口部内に取り込むような所定の角度をなすように開口部の周縁部で、かつ、ヘッダの内部に設けられた複数の第２のガイド部材に置換した発熱体冷却装置である。
【００１２】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来るのに加え、各ガイド部材によってヘッダ内の冷媒の流れが開口部内に取り込まれるので、ヘッダから開口部を介して送出する冷媒に旋回速度成分が加わることにより、ヒートシンクと冷媒との温度差が一定以上に保たれるため、開口部の中心部よりも離れた位置に熱伝達率の高い部分が生じることとなり、冷却性能を高めることが出来る。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明の発熱体冷却装置において、各第１又は第２のガイド部材の開口部の中心軸に平行な方向の長さは、ヘッダの内部の壁面の高さよりも小さい値とした発熱体冷却装置である。
【００１４】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来るのに加え、ヘッダの入口以外の開口部からも冷媒が入り込みやすくなるので、発熱体冷却装置の冷却性能を高めることが出来る。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明の発熱体冷却装置において、各第１のガイド部材を、開口部の周縁で、かつ、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度をなすように、ヘッダ内部の壁面上に設けられた第１の部分と、第１の部分と一体に形成され、かつ、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダの内部の壁面上で、かつ、第１の部分よりも開口部に近い位置に設けられた第２の部分とを含む複数の第３のガイド部材に置換した発熱体冷却装置である。
【００１６】
これにより、第２の部分が第１の部分と一体に形成され、かつ、開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダの内部の壁面上で、かつ、第１の部部分よりも開口部に近い位置に設けられているので、冷媒への抵抗が減少し、開口部内の冷媒の流速が増加する。
【００１７】
この結果、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが出来る。
【００１８】
第５の発明は、第１ないし第４の何れか１つの発明の発熱体冷却装置を有するパワーエレクトロニクス装置である。
【００１９】
これにより、第１の発明と同様の作用を奏することが出来る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の全体構成の一例を示す斜視図であり、図２は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の平面図であり、図３は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の側面図である。
【００２２】
図４は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の図２のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図５は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の図３のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００２３】
本実施の形態に係る発熱体冷却装置は、ヘッダ４に設けられた開口部５ａ〜５ｄから冷媒をヒートシンク１の空洞部の発熱体２ａ〜２ｄの裏面に相当する位置に向けて噴流として送出させることによって、発熱体２ａ〜２ｄからヒートシンク１に熱伝導された熱を冷媒で吸収してヒートシンク１の表面に設けられた発熱体２ａ〜２ｄの冷却を図るものである。
【００２４】
本実施の形態に係る発熱体冷却装置のヒートシンク１は、外表面上に配置された発熱体２ａ〜２ｄを冷却するためのものであり、発熱体２ａ〜２ｄから熱伝導された熱を、ヒートシンク１を構成する第１の板状部材１ａの内部における熱伝導を行うと共に、このヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒に熱伝達する。
【００２５】
本実施の形態に係るヒートシンク１は、表面上に発熱体２ａ〜２ｄが設けられた第１の板状部材１ａと、前記第１の板状部材１ａに対向する第２の板状部材１ｂと、前記第１の板状部材１ａ及び第２の板状部材１ｂと一体に形成され、かつ、所定の間隔を存して設けられた一対の板状部材からなる側壁１ｃとを有し、第１の板状部材１ａ、第２の板状部材１ｂ、及び側壁１ｃと一体に形成され、かつ、第１の板状部材１ａ、第２の板状部材１ｂ、及び側壁１ｃにより形成される空洞部の一端にのみ設けられた障壁１ｄとを備えており、障壁１ｄの反対側の端部１ｅで内部の冷媒を送出するための第１の冷媒管３に接続されている。
【００２６】
このヒートシンク１の第２の板状部材１ｂには、ヘッダ４から送出された冷媒をヒートシンク１の空洞部に送入させるための開口部５ａ〜５ｄが設けられている。
【００２７】
このヒートシンク１は、第１の板状部材１ａの表面上に配置された発熱体２ａ〜２ｄの発生する熱よりも高い融点を有する材質から構成され、かつ、内部に冷媒が通過する所定の空洞部を有しており、略Ｃ字形状の平面形状と、略Ｕ字形状の断面形状とを有している。
【００２８】
なお、このヒートシンク１としては、熱伝導率をより高める観点から、銅又はアルミ二ウムによって形成することがより好ましい。
【００２９】
発熱体２ａ〜２ｄは、略直方体形状の外形形状を有しており、ヒートシンク１を構成する第１の板状部材１ａの表面上に設けられている。
【００３０】
これらの発熱体２ａ〜２ｄは、熱を発生し、発生した熱をヒートシンク１を構成する第１の板状部材１ａに熱伝導する。
【００３１】
なお、本実施の形態における発熱体冷却装置では、発熱体２ａ〜２ｄは、４個だけ設けられていたが、発熱体の数は、１個、２個、３個、５個、６個、７個、及び８個等の任意の数に変更可能である。
【００３２】
第１の冷媒管３は、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた面から熱伝導された熱を吸収した冷媒をヒートシンク１内部の空洞部から外部に送出するために設けられており、端部１ｅでヒートシンク１と接続されている。
【００３３】
第１の冷媒管３は、ヒートシンク１の端部１ｅの形状と同一形状の略円形形状の断面形状を有しており、冷媒をスムーズに外部に送出させる観点から、発熱体の発生する熱よりも高い融点を有する素材によって形成されている。
【００３４】
ヘッダ４は、ヒートシンクの第２の板状部材１ｂと同一側に、ヒートシンク１と一体に形成され、かつ、冷媒を、ヒートシンクの空洞部内の第１の板状部材１ａの発熱体の設けられた一面１ａの裏面の発熱体２ａ〜２ｄの位置に相当する位置に送出するための開口部５ａ〜５ｄを備えており、端部で冷媒を内部に送入させるための第２の冷媒管６に接続されている。
【００３５】
なお、本実施の形態では、ヘッダ４と、ヒートシンク１とは、一体に形成されていたが、これに限らず、分離自在としてもよいことはいうまでもない。
【００３６】
このヘッダ４は、冷媒を通過させるための空洞部を有する略Ｃ字形状の平面形状と、略Ｕ字形状の断面形状とを有している。
【００３７】
なお、ヘッダ４は、ヒートシンク１と一体に形成するのを容易にすると共に、軽量化を図る観点から、銅又はアルミ二ウムによって形成することがより好ましい。
【００３８】
また、このヘッダ４の内部には、ヒートシンク１の空洞部内における冷媒の流速をより高める観点から、各発熱体２ａ〜２ｄの裏面に相当する位置に、合計４箇所の開口部５ａ〜５ｄが設けられている。
【００３９】
各開口部５ａ〜５ｄの形状は、略円形形状の平面形状と、開口部分よりも冷媒の流れが通過する部分のほうが長い略長方形状の断面形状とを有している。
【００４０】
なお、本実施の形態では、ヘッダ４に開口部５ａ〜５ｄを４箇所設けているが、これに限らず、１個、２個、３個、５個、６個、７個、及び８個等の発熱体２ａ〜２ｄの数に併せて変更することが可能である。
【００４１】
なお、本実施の形態では、各開口部５ａ〜５ｄは、略同一の円形形状の平面形状を有していたが、これに限らず、各開口部５ａ〜５ｄの平面形状は、略多角形形状等の任意の形状に変更することが可能である。
【００４２】
開口部５ａ〜５ｄは、略円形形状の断面形状を有し、発熱体２ａ〜２ｄの裏面のヘッダ４内部への正射影に相当する位置の近傍に設けられている。
【００４３】
第２の冷媒管６は、内部を冷媒が通過するものであり、外部から送入された冷媒が、この冷媒管６に接続されたヘッダ４の内部に送出される。
【００４４】
複数のガイド板７ａは、ヘッダ４の内部に設けられた開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して０度より大きい所定の角度をなすように、開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられている。
【００４５】
これらの各ガイド板７ａは、図６に示すように、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう方向に対して０度より大きい所定の角度、例えばベータ（ラジアン）をなすように設けられている。
【００４６】
なお、本実施の形態に係る各ガイド板７ａは、冷媒による腐食に強い素材を用いる観点から、アルミニウム又はステンレス等の材質から構成するのがより好ましい。
【００４７】
なお、本実施の形態に係る発熱体冷却装置は、多量の熱を発生するパワーエレクトロニクス装置、例えばインバータ、無停電電源装置等の構成部品として組み込んでもよい。
【００４８】
次に、以上のように構成された発熱体冷却装置の作用に関し、図を用いて説明する。
【００４９】
始めに、第２の冷媒管６を通して第２の開口部５ａ〜５ｄからヘッダ４の内部に冷媒が送入されると、冷媒は、ヘッダ４の内部を直進し、ヘッダ４の内部の側壁１ｃに沿って流れる。
【００５０】
次に、冷媒は、開口部５ａ、５ｂの周縁に設けられたガイド板７ａによって、開口部５ａ、５ｂの周縁では、前述した図５に示すような左回りの渦が形成される。
【００５１】
一方、冷媒は、開口部５ｃ、５ｄの周縁に設けられたガイド板７ａによって、開口部５ｃ、５ｄの周縁では、前述した図５に示すような右回りの渦が形成される。
【００５２】
そして、冷媒は、開口部５ａ〜５ｄから流速をあげて、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００５３】
この時のヒートシンク１内部に送出される冷媒の速度は、以下の式（１）で表されるものとなる。
【００５４】
Ｕｓ＝（Ｕθ２+Ｕｚ２）０．５…式（１）
ここでＵｓは、開口部５ａ〜５ｄからヒートシンク１の空洞部に送出される冷媒の合成速度を示す。Ｕθは、開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ａによって生じた冷媒の速度の旋回速度成分を示す。Ｕｚは、冷媒の開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の軸方向速度成分を表す。
【００５５】
従って、複数のガイド板７ａを設けない場合、開口部５ａ〜５ｄ内の冷媒の速度は、軸方向成分のみで旋回速度成分が生じないので、複数のガイド板７ａを設けない場合における冷媒の速度と、複数のガイド板７ａを設けた場合における速度Ｕｓとの大小関係は以下の式（２）のような不等式で表されることになる。
Ｕｓ＝（Ｕθ２+Ｕｚ２）０．５＞Ｕｚ＝Ｕ０…（２）
ここで、Ｕ０は、複数のガイド板７ａを設けない場合における開口部５ａ〜５ｄから送出される冷媒の速度を示す。
【００５６】
ヒートシンク１の空洞部に送出した冷媒の速度が大きいので、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた第１の板状部材１ａに、ガイド板７ａを設けない場合と比較して、より多くの冷媒が供給されることになる。
【００５７】
従って、ヒートシンク１と冷媒との間の熱伝達率は、この場合、冷媒と、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた面との間の温度差が保たれるので、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けない場合と比較して高くなる。
【００５８】
図７は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置における開口部５ａ〜５ｄの中心軸上からの距離と熱抵抗との関係の一例を示すものである。
【００５９】
同図の上部に示すように、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合には、ガイド板７ａを設けない場合と比較して、熱伝導率の最高値はやや低下するが、熱伝達率の高い領域を拡大することが出来る。
【００６０】
従って、ガイド板７ａを設けた場合には、ヒートシンク１の発熱体２ａ〜２ｄが設けられた第１の板状部材内における熱伝導が殆ど不要となる。
【００６１】
一般に、発熱体２ａ〜２ｄ表面から冷媒までの熱抵抗Ｒ［Ｋ／Ｗ］は、第１の板状部材内の熱伝導に対する熱抵抗Ｒfconと、冷媒内の熱抵抗Ｒalfとの和になるので、以下の式（３）で示される。
Ｒ＝Ｒfcon＋Ｒalf…式（３）
しかし、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合には、第１の板状部材１ａ内での熱伝導が殆どなくなるため、第１の板状部材１ａ内の熱伝導に対する熱抵抗Ｒfconが殆ど０になるので、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合における熱抵抗と、ガイド板７ａを設けない場合における熱抵抗との間の大小関係は、以下の式（４）に示すような不等式で表される。
【００６２】
Ｒ＝Ｒfcon＋Ｒalf＞Ｒalf´…（４）
ここで、Ｒは、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けない場合における熱抵抗を示す。Ｒalf´は、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合における熱抵抗を示す。
【００６３】
従って、熱抵抗は、ガイド板７ａを設けた場合の方が小さくなる。
【００６４】
ゆえに、開口部５ａ〜５ｄの周縁にガイド板７ａを設けた場合、熱抵抗が小さくなり、かつ、熱伝導率が高い領域が広くなるので、より多くの熱がヒートシンク１から、ヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒に熱伝導され、この冷媒によって吸収される。
【００６５】
ヒートシンク１の空洞部に送出された冷媒は、第１の板状部材１ａの発熱体２ａ〜２ｄの設けられた一面の裏面に該当する位置でヒートシンク１から熱伝導された熱を吸収し、熱を吸収した冷媒は、第１の冷媒管３内を通って、外部に送出される。
【００６６】
上述したように、本実施の形態によれば、ヘッダ４内部の開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ａによって、開口部５ａ〜５ｄからヒートシンク１の空洞部に送出する冷媒の速度に旋回速度成分が加わるので、ガイド板７ａを設けない場合と比較して熱伝達率が高くなると共に、ヒートシンク１の第１の板状部材１ａ内における熱伝導が必要なくなり、熱抵抗も小さくなるため、ヒートシンク１から多くの熱が冷媒に吸収される。
【００６７】
この結果、ガイド板７ａを設けない場合と比較して、発熱体冷却装置の冷却性能を高めることが出来る。
【００６８】
＜第２の実施の形態＞
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図９は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００６９】
なお、第１の実施の形態と同一部分には、同一符号を付してその詳細な説明を省略し、ここでは主として異なる部分に関して説明する。なお、以下の各実施の形態に関しても同様に重複する説明を省略する。
【００７０】
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の発熱体２ａ〜２ｄに関する冷却性能を高める観点から、第１の実施の形態に係る各ガイド板７ａを冷媒を開口部５ａ〜５ｄに取り込ませるような角度で、開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ｂに置換した構成となっている。
【００７１】
なお、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の各ガイド板７ｂが開口部５ａ〜５ｄの中心から外に向かう向きに対してなす角度は、ヘッダ４内部の冷媒の流れを開口部５ａ〜５ｄの内部に、より効率的に取り込む観点から、１５度から７５度の間であることがより好ましい。
【００７２】
なお、本実施の形態では、各ガイド板７ｂは、開口部５ａ及び５ｂの周縁に、図９に示すような右回りの渦を形成するように配置されている。
【００７３】
一方、各ガイド板７ｂは、開口部５ｃ及び開口部５ｄの周縁においては、図９に示すように、左回りの渦を形成するように配置されている。
【００７４】
以上のような構成によれば、冷媒が開口部５ａ〜５ｄの周縁に設けられた複数のガイド板７ｂによって開口部５ａ〜５ｄの内部に取り込まれるので、開口部５ａ〜５ｄの冷媒に生じる噴流の旋回速度成分は大きくなり、第１の実施の形態の場合よりも大きくなる。
【００７５】
この結果、熱抵抗は、次式（５）に示すように、第１の実施の形態の場合と比較してさらに小さくなる。
【００７６】
Ｒ＝Ｒalf´´＜Ｒalf´…（５）
ここで、Ｒalf´´は、本実施の形態における熱抵抗を示す。Ｒalf´は、第１の実施の形態に係る熱抵抗を示す。
【００７７】
更に、本実施の形態では、開口部５ａ〜５ｄ内からヒートシンク１の空洞部に送出される冷媒の旋回速度成分が大きくなるので、第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置と同様にヒートシンク１内部の熱伝導率が高い領域を広げることが出来る。
【００７８】
従って、本実施の形態の発熱体冷却装置では、ヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒がヒートシンク１から熱伝導される熱は、第１の実施の形態と比較して大きくなるので、冷媒がヒートシンク１から吸収する熱は大きくなり、発熱体冷却装置の冷却性能をより高めることが出来る。
【００７９】
上述したように、本実施の形態によれば、複数のガイド板７ｂを、開口部５ａ〜５ｄの周縁に中心軸上の点から外側に向かう向きに、ヘッダ４内部の冷媒の流れを開口部５ａ〜５ｄ内に取り込むように０度より大きい所定の角度を持たせたことによって、開口部５ａ〜５ｄ内からヒートシンク１の空洞部に送出される冷媒の速度が高くなるため、熱伝達率の高い領域を広げると共に、熱抵抗も下げることが出来るので、ヒートシンク１の第１の板状部材１ａ内部での熱伝導が殆どなくなることとなり、発熱体冷却装置の冷却性能を更に高めることが出来る。
【００８０】
なお、本実施の形態では、ガイド板７ｂの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さは、ヘッダ４の内部の壁面の高さとを同一としたが、これに限らず、ガイド板７ｂの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さをヘッダ４の内部の壁面の高さよりも小さくしてもよいことはいうまでもない。
【００８１】
＜第３の実施の形態＞
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図１１は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００８２】
なお、前述した図面と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは主として異なる部分に関して説明する。
【００８３】
本実施の形態に係る発熱体冷却装置は、第１の実施の形態の発熱体冷却装置の複数のガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さを、ヘッダ４内部の壁面の高さよりも小さい値とした複数のガイド板７ｃに置換した構成となっている。
【００８４】
具体的には、本実施の形態では、図１０に示すように、ガイド板７ｃの中心軸に平行な方向の長さＨｇは、ヘッダ４の内部の壁面の高さＨｈよりも小さくなっている。
【００８５】
本実施の形態では、冷媒は、ガイド板７ｃによって第１の実施の形態と同様に図１１に示すように、開口部５ａ、５ｂの周縁では、左回りの渦を形成して開口部５ａ、５ｂに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００８６】
一方、冷媒は、ガイド板７ｃによって、第１の実施の形態と同様に図１１に示すように、開口部５ｃ、５ｄの周縁では、右回りの渦を形成して開口部５ｃ、５ｄに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００８７】
以上のような構成によれば、ガイド板７ｃとヘッダ４内の壁面との間からも開口部５ａ〜５ｄに冷媒が送入するので、ガイド板７ｃの高さをヘッダ４の内壁の高さと同一にした場合に比較して各ガイド板７ｃ間で発生する流量差を小さくすることが出来る。
【００８８】
この結果、安定した冷媒の旋回流れがヘッダ４の内部で発生するので、前述した冷媒の旋回速度成分が大きくなり、熱抵抗を小さくすることが出来る。
【００８９】
また、本実施の形態の発熱体冷却装置では、開口部５ａ〜５ｄ内における冷媒に生じる噴流の旋回成分が大きくなるため、第１の実施の形態と同様に、熱伝達率の大きな領域を広く保つことが出来るので、ヒートシンク１の空洞部を通過する冷媒がヒートシンク１から熱伝導される熱は大きくなり、発熱体冷却装置の冷却性能をより一層高めることが出来る。
【００９０】
＜第４の実施の形態＞
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図１３は、本実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図である。
【００９１】
なお、前述した図面と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは主として異なる部分に関して説明する。
【００９２】
本実施の形態の発熱体冷却装置は、第１の実施の形態に係る複数のガイド板７ａを、開口部５ａ〜５ｄの周縁で、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度をなすように、ヘッダ４内部の壁面上に設けられた第１の部分と、第１の部分と一体に形成され、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダ４の内部の壁面上で、かつ、第１の部分よりも開口部５ａ〜５ｄに近い位置に設けられた第２の部分とからなる第３の複数のガイド板７ｄに置換した構成となっている。
【００９３】
具体的には、図１４に示すように、第１の部分７ｄ１は、開口部５ａ〜５ｄの周縁で、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点Ｃから外側に向かう向きに対して所定の第１の角度βをなすように、ヘッダ４内部の壁面上に設けられており、第２の部分７ｄ２は、第１の部分７ｄ１と一体に形成され、かつ、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対してβよりも小さい所定の第２の角度であるγをなすように、ヘッダ４の内部の壁面上で、かつ、第１の部分７ｄ１よりも開口部５ａ〜５ｄに近い位置に設けられている。
【００９４】
本実施の形態では、図１３に示すように、冷媒は、複数のガイド板７ｄによって、開口部５ａ、５ｂの周縁では、左回りの渦を形成して開口部５ａ、５ｂに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００９５】
一方、冷媒は、ガイド板７ｄによって、第１の実施の形態と同様に図１３に示すように、開口部５ｃ、５ｄの周縁では、右回りの渦を形成して開口部５ｃ、５ｄに送入され、ヒートシンク１の空洞部に噴流として送出される。
【００９６】
なお、本実施の形態では、ガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さはヘッダ４の内部の壁面の高さと同一にしたが、これに限らず、ガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さをヘッダ４の内部の壁面の高さよりも小さくしてもよいことはいうまでもない。
【００９７】
このように、ガイド板７ａの開口部５ａ〜５ｄの中心軸に平行な方向の長さをヘッダ４の内部の壁面の高さよりも小さくすることによって、冷媒が第１の冷媒管から離れた開口部まで流れ込みやすくなる。
【００９８】
以上のような構成によれば、開口部５ａ〜５ｄに近い位置に、開口部５ａ〜５ｄの中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、ヘッダ４の内部の壁面上で、かつ、第１の部分７ｄ１よりも開口部５ａ〜５ｄに近い位置に設けられた第２の部分７ｄ２を設けることによって、冷媒の抵抗が小さくなるので、開口部５ａ〜５ｄ内における冷媒の軸方向の速度成分と、旋回速度成分との双方が大きくなる。
【００９９】
この結果、第１の実施の形態と同様に、発熱体２ａ〜２ｄから冷媒までの熱抵抗が小さくなると共に、熱伝導率の高い領域を広げることができるので、発熱体冷却装置の冷却性能を向上させることが出来る。
【０１００】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。例えば上記各実施の形態では、発熱体冷却装置単体で用いられている例であったが、これに限らず、上記各実施の形態に係る発熱体冷却装置を各種のパワーエレクトロニクス装置、例えばインバータ、無停電電源装置等の構成部品として組み込んで使用してもよいことはいうまでもない。
【０１０１】
また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には、省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【０１０２】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、発熱体から冷媒までの熱抵抗を小さくすることにより、冷却性能を向上させることが可能な発熱体冷却装置、及びそれを有するパワーエレクトロニクス装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の全体構成の一例を示す斜視図。
【図２】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の平面図。
【図３】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の側面図。
【図４】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の図２のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図５】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置の図３のＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図６】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置のガイド板７ａの一例を示す模式図。
【図７】 第１の実施の形態に係る発熱体冷却装置における開口部５ａ〜５ｄの中心軸上からの距離と熱抵抗との関係の一例を示す図。
【図８】 本発明の第２の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図９】 第２の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様ののＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図１０】 本発明の第３の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図１１】 第３の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図１２】 本発明の第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図２と同様のＡ−Ａ´断面における断面図。
【図１３】 第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置の前述した図３と同様のＢ−Ｂ´断面における断面図。
【図１４】 第４の実施の形態に係る発熱体冷却装置のガイド板７ｄの一例を示す模式図。
【符号の説明】
１…ヒートシンク、２ａ〜２ｄ…発熱体、３…第１の冷媒管、４…ヘッダ、５ａ〜５ｄ…開口部、６…第２の冷媒管、７ａ〜７ｄ…複数のガイド板、
７ｄ１…第１の部分、７ｄ２…第２の部分
Claims (5)
- ヒートシンクの表面に発熱体を配置すると共に、当該ヒートシンクの裏面に前記発熱体に向けて冷却媒体を噴出する開口部を設け、反発熱体側に、ヘッダを配した発熱体冷却装置において、
前記ヘッダの内部に、前記開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の角度をなすように、前記開口部の周縁に設けられた複数の第１のガイド部材を備えた発熱体冷却装置。 - 請求項１に記載の発熱体冷却装置において、
前記各第１のガイド部材を、
前記開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して、前記ヘッダ内の冷媒の流れを前記開口部内に取り込むような所定の角度をなすように前記開口部の周縁部で、かつ、前記ヘッダの内部に設けられた複数の第２のガイド部材に置換した発熱体冷却装置。 - 請求項１又は請求項２に記載の発熱体冷却装置において、
前記各第１又は第２のガイド部材の前記開口部の中心軸に平行な方向の長さは、前記ヘッダの内部の壁面の高さよりも小さい値とした発熱体冷却装置。 - 請求項１に記載の発熱体冷却装置において、
前記各第１のガイド部材を、
前記開口部の周縁で、かつ、前記開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度をなすように、前記ヘッダ内部の壁面上に設けられた第１の部分と、
前記第１の部分と一体に形成され、かつ、前記開口部の中心軸上の点から外側に向かう向きに対して所定の第１の角度よりも小さい所定の第２の角度をなすように、前記ヘッダの内部の壁面上で、かつ、前記第１の部分よりも前記開口部に近い位置に設けられた第２の部分と
を含む複数の第３のガイド部材に置換した発熱体冷却装置。 - 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の発熱体冷却装置を有するパワーエレクトロニクス装置。
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