JP4066939B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置に関する。
に関する。

本出願人は、先に特願２００２−１７４３４０において、プレート部材を積層してなる冷却装置を提案している。この冷却装置は、プレート部材の積層体内部に、冷媒槽部および熱交換部を有し、外面に取り付けられた発熱体の熱によって内部に封入された冷媒が冷媒槽部で沸騰気化し、外部から供給される受熱媒体である冷却水によって熱交換部で冷媒蒸気が凝縮液化する際にその凝縮潜熱を冷却水に放出することで発熱体を冷却するようになっている。

この冷却装置を構成するプレート部材の一例を図１７に示す。冷却装置の熱交換部は、図１７（ａ）に示すプレート１０３Ｈと図１７（ｂ）に示すプレート１０３Ｉを交互積層して構成されている。各プレート１０３Ｈ、１０３Ｉには、冷媒を流通する第１開口部１０５と、冷却水を流通するスリット状の第２開口部１０６とが形成されている。

そして、プレート１０３Ｈ、１０３Ｉが積層された熱交換部では、第１開口部１０５を紙面表裏方向（プレート積層方向）に流通する冷媒と、第２開口部１０６をスリット延設方向（図面左右方向）に流通する冷却水とを熱交換するようになっている。

しかしながら、上記従来技術の冷却装置では、熱交換部を構成するプレートに第２開口部１０６を延設方向において閉塞する閉塞部を形成したときには、冷却性能が悪化する場合があるという問題がある。

例えば、図１９に示すように、プレート積層体内に、発熱体等を固定するための雌ねじ部材１１４を埋め込む場合に、雌ねじ部材１１４を挿設する挿設孔１１５を形成するための雌ねじ埋め込み部１１３を熱交換部領域に形成することがある。すると、この領域では、図１８（ａ）、（ｂ）に示すような雌ねじ埋め込み部（閉塞部）１１３を形成したプレート１０３Ｅ、１０３Ｆを積層することになる。

雌ねじ埋め込み部１１３は、第２開口部１０６を延設方向に流通する冷却水の流通を妨げ、冷却装置の冷却性能が悪化する。図１９に矢印で示すように、プレート１０３Ｅ、１０３Ｆの第２開口部１０６Ａを流通してきた冷却水は、雌ねじ埋め込み部１１３をプレート積層方向に大きく迂回して流通する。

これにより、第２開口部１０６Ａの雌ねじ埋め込み部１１３上下流側では、受熱媒体である冷却水が良好に流動し難い部分が形成され、熱交換効率の低下により冷却性能が悪化する。この冷却性能悪化は、閉塞部が熱交換部のプレート積層方向の全域に達した場合には、更に著しいものとなる。

なお、図１９は、図１８（ａ）のＣ−Ｃ断面要部の積層体となったときの構造を図示したものである。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであって、受熱媒体を流通するスリット状の開口部からなる流体通路に閉塞部を形成した場合であっても、冷却性能の悪化を防止することが可能な冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
複数のプレート部材（３）が積層されてなり、
前記複数のプレート部材（３）が積層されたときに、プレート部材（３）に複数設けられたスリット状開口部（６）が連通することによって形成され、内部をスリット延設方向に受熱媒体が流通する流体通路（６）を備え、
表面に取り付けられた発熱体（２）の熱を、流体通路（６）を流通する受熱媒体に放出して発熱体（２）を冷却する冷却装置において、
複数のプレート部材（３）のうち、複数のスリット状開口部の一部（６Ａ）を延設方向において閉塞する閉塞部（１３）が形成されたプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）と同一のプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）には、
同一のプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）に設けられ閉塞部（１３）によって閉塞されていない他のスリット状開口部（６）と、閉塞部（１３）により閉塞されたスリット状開口部（６Ａ）とを連絡し、前記延設方向において閉塞された前記スリット状開口部（６Ａ）間を連通させるバイパス流路（１６、６ａ）が設けられていることを特徴としている。

これによると、閉塞部（１３）により延設方向を閉塞されたスリット状開口部（６Ａ）を流通する受熱媒体は、同一のプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）内に形成したバイパス通路（１６、６ａ）を流通する。したがって、受熱媒体が閉塞部（１３）によりプレート部材（３）積層方向に大きく迂回することがなく、受熱媒体が流動し難い部分が形成され難い。このようにして、冷却性能の悪化を防止することができる。

また、請求項２に記載の発明では、閉塞部（１３）によって閉塞されていない他のスリット開口部（６）は、同一のプレート部材（３）に複数並設され、バイパス流路（１６、６ａ）は、閉塞部（１３）により閉塞されたスリット状開口部（６Ａ）が、延設方向に対して垂直な方向に隣接する他のスリット開口部（６）と連通することにより形成されていることを特徴としている。

これによると、閉塞部（１３）により閉塞されたスリット状開口部（６Ａ）を、隣接するスリット開口部（６）と連通することで、容易にバイパス流路（１６、６ａ）を形成することができる。

また、請求項３に記載の発明では、
複数のプレート部材（３）の積層体は、内部に冷媒を貯留する冷媒槽部（１Ａ）と、冷媒と流体通路（６）を流通する受熱媒体とを熱交換させる熱交換部（１Ｂ）とを有し、
冷媒槽部（１Ａ）に貯留されている冷媒が発熱体（２）から受熱して沸騰気化し、その冷媒蒸気が有する潜熱を、熱交換部（１Ｂ）において流体通路（６）を流通する受熱媒体に放出して発熱体（２）を冷却することを特徴としている。

冷媒の潜熱移動を利用した冷却装置は一般的に冷却効率が高い。したがって、本発明により、冷却性能の悪化を防止し、高い冷却性能を確保することができる効果は大きい。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の冷却装置１の全体側面図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は冷却装置１の上面図である。

本実施形態の冷却装置１は、冷媒を貯留する冷媒槽部１Ａと、この冷媒槽部１Ａで発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒を受熱媒体である冷却水と熱交換させる熱交換部１Ｂと、冷媒槽部１Ａから熱交換部１Ｂを通って流入した蒸気冷媒を水平方向に拡散させる冷媒拡散部１Ｃ（以上図２参照）とを備え、図１に示すように、複数枚のプレート部材３を重ね合わせて形成された積層構造をなしている。

冷却装置１は、例えば半導体素子（ＩＧＢＴ）等の発熱体２の熱によって、内部に封入される冷媒が沸騰気化し、外部から供給される冷却水によって冷媒蒸気が凝縮液化する際にその凝縮潜熱を冷却水に放出することで発熱体２を冷却するものとしている。冷却装置１は、冷媒の潜熱移動を利用した冷却効率の高い所謂水冷式沸騰冷却装置である。

冷却装置１は、図２に示すように、プレート部材３として、積層方向の両外側に配される外側プレート３Ａ、３Ｌと、この２枚の外側プレート３Ａ、３Ｌの間に重ね合わされる複数枚の中間プレート３Ｂ〜３Ｋとを有し、その中間プレート３Ｂ〜３Ｋには、板厚方向に貫通する開口部（後述する）が形成され、冷媒槽部１Ａ、熱交換部１Ｂ、および冷媒拡散部１Ｃに応じて、それぞれ所定の開口パターンを有している。

各プレート３Ａ〜３Ｌは、熱伝導性に優れるアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなり、配管部材である入口パイプ１０および出口パイプ１１とともに、これらプレート部材３（３Ａ〜３Ｌ）が一体でろう付けされることによって冷却装置１は形成されている。

以下に、プレート部材３（３Ａ〜３Ｌ）の一例を図４〜図１５に示す。

図４〜図６は、冷媒槽部１Ａに使用される１枚の外側プレート３Ａと２種類の中間プレート３Ｂ、３Ｃである。

外側プレート３Ａは、矩形状に形成されており、表面に発熱体２を取り付けるためのねじ貫通孔１２が形成されるとともに、取付け面の平面度を確保するために、他のプレート部材３Ｂ〜３Ｌより板厚が厚く設けられている（図２参照）。

中間プレート３Ｂ、３Ｃは、外側プレート３Ａと外形を同一とするプレート部材としており、中間プレート３Ｂ、３Ｃには、スリット状の開口部４が略全面に渡って複数本設けられ、両中間プレート３Ｂ、３Ｃの開口部４同士が連通して冷媒槽部１Ａの内部空間（冷媒貯留空間）を形成している。

この２種類の中間プレート３Ｂ、３Ｃは、冷媒槽部１Ａを前後、左右に冷媒が行き来できるように、開口部４が縦方向に形成されるパターン（中間プレート３Ｂ）と横方向に形成されるパターン（中間プレート３Ｃ）とを組み合わせて構成されている。

また、中間プレート３Ｂ、３Ｃには、外側プレート３Ａのねじ貫通孔１２に対応する位置に、雌ねじ部材１４（図１６参照）を挿設するための挿設孔１５が形成されている。

図７〜図１２は、熱交換部１Ｂに使用される６種類の中間プレート３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ、３Ｉである。

中間プレート３Ｄには、中間プレート３Ｂ、３Ｃの挿設孔１５に対応する位置に同様の挿設孔１５が設けられるとともに、挿設孔１５形成部位以外の略全面に渡って、冷媒を通すための長穴状（スリット状）の第１開口部５が多数設けられている。

中間プレート３Ｅ、３Ｆには、第１開口部５および挿設孔１５の他に、第１開口部５と図中上下方向に交互に形成され受熱媒体である冷却水を通すための長穴状（スリット状）の第２開口部（スリット状開口部）６、および第２開口部６に連通する連通部７ａ、７ｂ、７ｃが設けられている。

中間プレート３Ｅ、３Ｆの第２開口部６のうち、挿設孔１５の図中左右側の第２開口部６Ａは、挿設孔１５を形成した雌ねじ埋め込み部１３（本実施形態における閉塞部）が設けられたことで、スリット状に延設された方向が閉塞されている。そして、第２開口部６Ａの挿設孔１５側各端部と、第２開口部６Ａに隣接配置された第２開口部６とを連通するように連通開口部１６がそれぞれ形成されている。

中間プレート３Ｇには、挿設孔１５を除いて、中間プレート３Ｅと同様に第１開口部５、第２開口部６、連通部７ａ、７ｂ、７ｃ、および連通開口部１６が設けられている。中間プレート３Ｇでは、中間プレート３Ｅ、３Ｆの挿設孔１５の位置に開口を設けないことで、各プレート部材を積層したときに、この部位が雌ねじ埋め込み部１３の天井側面を構成するようになっている。

中間プレート３Ｈ、３Ｉには、中間プレート３Ｅ、３Ｆ、３Ｇと同様に、第１開口部５、第２開口部６、および連通部７ａ、７ｂ、７ｃが設けられている。ただし、中間プレート３Ｈ、３Ｉでは、中間プレート３Ｅ、３Ｆ、３Ｇの雌ねじ埋め込み部１３に対応する部位にも、第１開口部５、第２開口部６が延設されている。

中間プレート３Ｄ〜３Ｉの第１開口部５は、同じ位置に設けられ、中間プレート３Ｄ〜３Ｉを積層したときに、それぞれの第１開口部５同士が積層方向に連通して冷媒通路を形成するようになっている。

一方、中間プレート３Ｅ〜３Ｉの第２開口部６も、同じ位置に設けられている。ただし、中間プレート３Ｅ〜３Ｉでは、各プレートを１枚の板部材として構成するために、第２開口部６が柱部３ａにより分割されている。そして、中間プレート３Ｅ、３Ｇ、３Ｉと中間プレート３Ｆ、３Ｈとでは、柱部３ａは図中左右方向の位置をずらして設けられている。これにより、これらの中間プレート部材３Ｅ〜３Ｉを積層したときに、第２開口部６が連通して流体通路を形成し、冷却水が第２開口部６内を延設方向に柱部３ａを避けて一部蛇行しながら流通できるようになっている。

中間プレート３Ｅ〜３Ｉに設けられる連通部７ａ、７ｂ、７ｃは、各プレート部材の同一位置に設けられている。そして、中間プレート部材３Ｅ〜３Ｉを積層したときに互いに連通して、第２開口部６により形成される流体通路に通じるタンク部が形成される。

各中間プレート３Ｅ〜３Ｉにおいて、第２開口部６と連通部７ａ、７ｂ、７ｃとの接続部の角部３ｂ（図８の一部にのみ符号を付す）をＲ状（曲面状）に形成しており、その曲率半径は第２開口部６の幅（スリット幅）の半分以上としている。これにより、連通部７ａ、７ｂ、７ｃにより形成されたタンク部から第２開口部６により形成された流体通路に冷却水が流入するとき、および流体通路からタンク部に冷却水が流出するときに、冷却水が滑らかに流れ、圧力損失の増大を抑制することができる。

なお、熱交換部１Ｂの流体通路（第２開口部６）は、冷媒槽部１Ａとの間に中間プレート３Ｄを配置する（図２参照）ことにより、冷媒槽部１Ａの内部空間（開口部４）と分離されている。

図１３〜図１５は、冷媒拡散部１Ｃに使用される２種類の中間プレート３Ｊ、３Ｋと、１枚の外側プレート３Ｌである。

中間プレート３Ｊ、３Ｋは、基本的に冷媒槽部１Ａに使用されている中間プレート３Ｃ、３Ｂと同様の開口パターン（開口部４）を有している。ただし、中間プレート３Ｊ、３Ｋには挿設孔１５は形成されておらず、中間プレート３ｃ、３Ｂの挿設孔１５に対応する部位にも開口部４が延設されている。そして、中間プレート３Ｊ、３Ｋが熱交換部１Ｂの上部に積み重ねられて、開口部４が熱交換部１Ｂに設けられる冷媒通路（第１開口部５）と連通する内部空間（冷媒拡散空間）が形成される。

なお、熱交換部１Ｂの流体通路（第２開口部６）は、冷媒拡散部１Ｃとの間に中間プレート３Ｊを配置する（図２参照）ことにより、冷媒拡散部１Ｃの内部空間（開口部４）と分離される。

また、中間プレート３Ｊには、図中右側縁部に冷却水の入口８と出口９が形成され、入口８は熱交換部１Ｂの連通部７ａにより構成されるタンク部と、出口９は熱交換部１Ｂの連通部７ｃにより構成されるタンク部と連通している。冷却水の入口８と出口９には、それぞれ入口パイプ１０と出口パイプ１１が取り付けられる（図１〜図３参照）。

外側プレート３Ｌは、中間プレート３Ｋの上側に重ね合わされて、中間プレート３Ｋの開口部４を閉じている。

なお、図示は省略しているが、このように形成された冷却装置１には、その内部の冷媒貯留空間に通じる注入パイプが設けられており、内部空間に注入パイプを通じて所定量の冷媒が注入され、注入後、注入パイプの先端を封じ切って密閉されている。冷媒としては、ここではフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を用いている。

上記構成に基づき、本実施形態の冷却装置１の作動について説明する。

発熱体２から受熱して沸騰した冷媒は、冷媒槽部１Ａから熱交換部１Ｂの各冷媒通路（第１開口部５）を通って冷媒拡散部１Ｃに流れ込み、冷媒拡散部１Ｃで拡散した後、再び熱交換部１Ｂの各冷媒通路に分散して流れ込む。

一方、熱交換部１Ｂの流体通路（第２開口部６）を冷却水が流れることにより、冷媒通路に充満する蒸気冷媒と流体通路を流れる冷却水との間で熱交換が行なわれ、冷却された冷媒が凝縮して冷媒槽部１Ａへ還流する。これにより、発熱体２から発生した熱は、冷媒の沸騰によって冷媒槽部１Ａから熱交換部１Ｂ（冷媒通路）へ輸送され、その熱交換部１Ｂで冷却された冷媒が凝縮する際に潜熱として冷却水に放出される。

このようにして、冷却装置１が冷却作用を発揮するときの冷却水の流れについて説明する。

入口パイプ１０から連通部７ａからなるタンク部に流入した冷却水は、このタンク部に連通する流体通路（連通部７ａと連通部７ｂとの間の第２開口部６）を延設方向に流通し、連通部７ｂからなるタンク部に流入する。このタンク部内に流入した冷却水は流動方向を変え、上記流体通路（連通部７ａと連通部７ｂとの間の第２開口部６）以外の流体通路（連通部７ｂと連通部７ｃとの間の第２開口部６）を延設方向に流通し、連通部７ｃからなるタンク部に流入する。そして、出口パイプ１１から流出する。

このように、冷却水は冷却装置１内を略Ｕ字状に流通する（Ｕターン流れする）。冷却装置１において、両パイプ１０、１１を両縁部に配設し、流体通路（第２開口部６）内を全て一方向に冷却水を流通する（一方向流れする）と、流体通路内における流れにアンバランスを生じ易い。上述のようにＵターン流れとすることにより、冷却水の流れを均一とし易い。

冷却水が流体通路（第２開口部６）内を流通するとき、第２開口部６のうち第２開口部６Ａに流入した冷却水は、雌ねじ埋め込み部１３に突き当たると、連通開口部１６に流入し、隣接する第２開口部６を流通する冷却水と合流する。合流した冷却水は下流側の連通開口部１６の接続点で分流し、この連通開口部１６を介して雌ねじ埋め込み部１３より下流側にある第２開口部６Ａに流入する。

第２開口部６Ａに隣接する第２開口部６の上下流側２つの連通開口部１６の接続点間は共通流路６ａであり、２つの連通開口部１６と共通流路６ａとで、本実施形態におけるバイパス流路を構成している。

上述の構成および作動によれば、流体通路のうち雌ねじ埋め込み部１３により延設方向を閉塞された第２開口部６Ａを流通する冷却水は、同一の中間プレート３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ内に形成されたバイパス流路（連通開口部１６および共通流路６ａ）を流通する。したがって、冷却水は図１６に矢印で示すように流通し、雌ねじ部材１４を埋め込んだ雌ねじ埋め込み部１３によりプレート部材３積層方向に大きく迂回することがない。このようにして、冷却水が流動し難い部分を形成せず、冷却装置１の冷却性能の悪化（冷却性能の低下および冷却ばらつきの発生）を防止することができる。なお、図１６は、図３におけるＢ−Ｂ線断面の要部を図示したものである。

ここで、バイパス流路は、第２開口部６Ａを、並設された第２開口部６に連通開口部１６で連通することで形成している。したがって、バイパス流路の形成が容易である。

また、流体通路（第２開口部６）の出入口となるタンク部（連通部７ａ、７ｂ、７ｃ）との接続部の角部３ｂは比較的大きな半径でＲ化されている。また、第２開口部６Ａにはバイパス通路が形成されている。これらにより、流体通路の通水抵抗の上昇を防止することができる。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、第２開口部６Ａを延設方向で閉塞する閉塞部は、発熱体２を固定するための雌ねじ部材１４が埋め込まれた雌ねじ埋め込み部１３であったが、これに限定されるものではない。例えば、ブラケットや発熱体カバーを固定するためのねじ形成部であってもよい。また、他の閉塞部であっても本発明を適用して有効である。

また、上記一実施形態では、第２開口部６Ａに並設した（隣接した）第２開口部６を利用してバイパス流路を形成していたが、並設した第２開口部６から独立した（隔離した）バイパス流路を設けるものであってもよい。

また、上記一実施形態では、積層されたプレート部材の枚数は２６枚であったが、これに限定されるものではない。また、閉塞部が形成されたプレート部材の枚数も限定されるものではない。

また、上記一実施形態では、冷媒としてフロンを採用したが、水、アルコール、フロロカーボン等を用いてもよい。

また、上記一実施形態では、冷却装置１は、所謂沸騰冷却装置であったが、冷媒による潜熱移動を介さずに、発熱体の熱を直接受熱媒体に放出するタイプの冷却装置であっても、本発明を適用することができる。

本発明を適用した一実施形態における冷却装置１の全体側面図である。 図１のＡ部拡大図である。 冷却装置１の上面図である。 外側プレート３Ａの平面図である。 中間プレート３Ｂの平面図である。 中間プレート３Ｃの平面図である。 中間プレート３Ｄの平面図である。 中間プレート３Ｅの平面図である。 中間プレート３Ｆの平面図である。 中間プレート３Ｇの平面図である。 中間プレート３Ｈの平面図である。 中間プレート３Ｉの平面図である。 中間プレート３Ｊの平面図である。 中間プレート３Ｋの平面図である。 外側プレート３Ｌの平面図である。 図３のＢ−Ｂ断面の要部を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、先願におけるプレート部材の一例を示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、先願におけるプレート部材に閉塞部を設けた場合の一例を示す平面図である。 図１８のＣ−Ｃ断面の要部積層状態を示す図である。

符号の説明

１ 冷却装置
１Ａ 冷媒槽部
１Ｂ 熱交換部
２ 発熱体
３ プレート部材
５ 第１開口部
６ 第２開口部
６Ａ 第２開口部（スリット状開口部、流体通路）
６ａ 共通流路（バイパス流路の一部）
１３ 雌ねじ埋め込み部（閉塞部）
１６ 連通開口部（バイパス流路の一部）

Claims (3)

1. 複数のプレート部材（３）が積層されてなり、
   前記複数のプレート部材（３）が積層されたときに、前記プレート部材（３）に複数設けられたスリット状開口部（６）が連通することによって形成され、内部をスリット延設方向に受熱媒体が流通する流体通路（６）を備え、
   表面に取り付けられた発熱体（２）の熱を、前記流体通路（６）を流通する前記受熱媒体に放出して前記発熱体（２）を冷却する冷却装置において、
   前記複数のプレート部材（３）のうち、前記複数のスリット状開口部の一部（６Ａ）を延設方向において閉塞する閉塞部（１３）が形成されたプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）と同一のプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）には、
   前記同一のプレート部材（３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ）に設けられ前記閉塞部（１３）によって閉塞されていない他のスリット状開口部（６）と、前記閉塞部（１３）により閉塞された前記スリット状開口部（６Ａ）とを連絡し、前記延設方向において閉塞された前記スリット状開口部（６Ａ）間を連通させるバイパス流路（１６、６ａ）が設けられていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記閉塞部（１３）によって閉塞されていない前記他のスリット開口部（６）は、前記同一のプレート部材（３）に複数並設され、
   前記バイパス流路（１６、６ａ）は、前記閉塞部（１３）により閉塞された前記スリット状開口部（６Ａ）が、前記延設方向に対して垂直な方向に隣接する前記他のスリット開口部（６）と連通することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記複数のプレート部材（３）の積層体は、内部に冷媒を貯留する冷媒槽部（１Ａ）と、前記冷媒と前記流体通路（６）を流通する前記受熱媒体とを熱交換させる熱交換部（１Ｂ）とを有し、
   前記冷媒槽部（１Ａ）に貯留されている冷媒が前記発熱体（２）から受熱して沸騰気化し、その冷媒蒸気が有する潜熱を、前記熱交換部（１Ｂ）において前記流体通路（６）を流通する前記受熱媒体に放出して前記発熱体（２）を冷却することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却装置。

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