JP6309136B1 - 水冷式冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷式冷却器において、Ｏリングとウォータージャケットとフィンベースの間に小さな隙間に冷却水が滞留する。滞留した冷却水の溶存酸素濃度よりも冷却器内部を循環する冷却水溶存酸素濃度が高くなる。そのため、濃淡電池が形成され、腐食が発生する。【解決手段】冷却水の入口付近では冷却水圧力が高く、冷却水の出口付近では冷却水圧力が低いことに着目し、冷却水入口付近、及び冷却水出口付近のＯリング溝に、流路とＯリング溝が繋がるような切欠きを設け、圧力差を駆動力としてＯリング隙間内を冷却水が循環するようにし、溶存酸素濃度の差を抑制する。【選択図】図６

Description

この発明は、例えば発熱素子を冷却する水冷式冷却器に関するものである。

近年、ＣＰＵ、ＬＳＩ、及びパワー半導体素子等の発熱素子の発熱密度が増大し高温になることから、空冷式冷却器よりも放熱性能が高い水冷式冷却器が用いられることが多くなってきており、水冷式冷却器に求められる放熱性能も年々高まっている。
水冷式冷却器の基本的な構成は発熱素子と熱的に接続されたフィンベース、及び流路を構成するためのウォータージャケットである。フィンベースとウォータージャケットは水密性を確保するため、Ｏリング、ろう付け、摩擦攪拌接合等で接続されている。中でも、Ｏリングはコスト面と扱いやすさから最も広く普及している接続方法である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４-１３４５４２号公報

上述した先行技術文献１では、Ｏリングとウォータージャケットとフィンベースとの間に小さな隙間（以降、Ｏリング隙間）があり、このＯリング隙間には冷却水が滞留する。Ｏリング隙間に滞留した冷却水の溶存酸素濃度は一定であるが、冷却器内部を循環する冷却水はウォーターポンプやラジエターやリザーブタンク等を通過する際、外気から酸素を取り入れるため、Ｏリング隙間に滞留する冷却水よりも溶存酸素濃度が高くなる。そのため、Ｏリング隙間に滞留した冷却水と流路を流れる冷却水との間で濃淡電池が形成され、溶存酸素濃度が低いＯリング隙間に滞留した冷却水と接触しているウォータージャケットとフィンベースには腐食が発生する。
本発明は、Ｏリング隙間に冷却水が滞留することを防ぎ、流路とＯリング隙間に存在する冷却水の溶存酸素濃度の差を抑制し、腐食の発生を防ぐものである。

この発明に係る水冷式冷却器は、冷却水の流入口、及び流出口を備え、周囲にＯリング溝が設けられたウォータージャケット、Ｏリング溝に設置されているＯリング、Ｏリングを押圧して、ウォータージャケットを密閉しているフィンベース、で構成され、フィンベースに設けられたフィンに伝導される熱を前記流入口から前記流出口に流れる前記冷却水で冷却する水冷式冷却器において、冷却水の流入口、及び流出口近傍のＯリング溝に、冷却水流路に開口する切欠きが設けられていることを特徴とする。

この発明に係る水冷式冷却器により、流路を流れる冷却水が、Ｏリング溝内を流れることができる構造のため、流路内とＯリング溝内に存在する冷却水の溶存酸素量に差が生じない。

本発明の実施の形態１の水冷式冷却器を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態１の水冷式冷却器の平面図である。 図１の破線で囲まれた領域Ｃの拡大図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 図４の破線で囲まれた領域Ｄの拡大図である。 本発明の実施の形態１のウォータージャケットの平面図である。 本発明の実施の形態２のＯリングの平面図のである。 図７のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。 図８の破線で囲まれた領域Ｅの拡大図である。 本発明の実施の形態２のウォータージャケットとフィンベースの排水孔のある位置で切断した断面図である。 図１０の破線で囲まれた領域Ｆの拡大図である。 本発明の実施の形態３のウォータージャケットの斜視図である。 実施の形態３のＯリングの斜視図である。 図１３の破線で囲まれた領域Ｇの拡大図である。 本発明の実施の形態３のウォータージャケットの排水溝、及びＯリングの切欠きがある位置で切断した断面図である。 図１５の破線で囲まれた領域Ｈの拡大図である。 本発明の実施の形態４のＯリングの斜視図である。 図１７の破線で囲まれた領域Ｉの拡大図である。 本発明の実施の形態４のウォータージャケットの排水溝、及びＯリングの分岐した排水部１８がある位置で切断した断面図である。 図１９の破線で囲まれた領域Ｊの拡大図である。 本発明の実施の形態５のＯリングの平面図である。 図２１の破線で囲まれた領域Ｋの拡大図である。 図２２のＢ−Ｂ線に沿った矢視断面図である。

以下、この発明に係る水冷式冷却器の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、又は相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の水冷式冷却器を示す分解斜視図、図２は水冷式冷却器の平面図、図３は図１の破線で囲まれた領域Ｃの拡大図、図４は図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図、図５は図４の破線で囲まれた領域Ｄの拡大図、図６はウォータージャケットの平面図である。

この水冷式冷却器は、図１に示すように、フィンベース１と、Ｏリング２と、ウォータージャケット３で構成されている。冷却水は、ウォータージャケット３の冷却水入口パイプ５から流路１２へと流入し、フィン７で発熱素子からの熱を奪い、冷却水出口パイプ６で冷却器外部へと排出される（図６中、矢印１１）。Ｏリング２はウォータージャケット３のＯリング溝４に収まるように配置され、フィンベース１とウォータージャケット３に押しつぶされることで、水密性を発揮する。このとき、フィンベース１とウォータージャケット３の間には図５に拡大して示すように微小隙間２０があり、ウォータージャケット３と、フィンベース１と、Ｏリング２によって囲まれた空間であるＯリング隙間９には微小隙間２０を通じて冷却水が侵入する。

微小隙間２０を通じて侵入した冷却水は、流路内に存在する冷却水とほとんど行き来することはなく、滞留する。冷却水がＯリング隙間９に滞留すると、外部から酸素を取り入れることがないため、溶存酸素濃度は一定であるが、流路１２を流れる冷却水は冷却系を循環しているため、ポンプやラジエターやリザーブタンクを通過する際、酸素を取り入れ溶存酸素濃度が高くなる。Ｏリング隙間９と流路１２との間で冷却水の溶存酸素濃度に差が生じると、濃淡電池が形成され、Ｏリング隙間９で腐食が発生する。

しかし、本実施の形態１の水冷式冷却器では、図１、図３、及び図４に示すように、ウォータージャケット３の冷却水入口パイプ５近傍、及び冷却水出口パイプ６近傍にＯリング溝４の切欠き８ａ、８ｂが形成されており、この二つの切欠き８ａ、８ｂ近傍の冷却水には圧力差が存在する。冷却水入口パイプ５近傍の切欠き８ａは高圧であり、冷却水出口パイプ６近傍の切欠き８ｂは低圧であることから、図６に示すように、Ｏリング隙間９に侵入した冷却水は圧力差を駆動力として、冷却水入口パイプ５近傍の切欠き８ａから、冷却水出口パイプ６近傍の切欠き８ｂへと流れる（図６中、矢印１０）。流れが発生することにより、Ｏリング隙間９には常に流路１２から冷却水が供給されるため、溶存酸素濃度はＯリング隙間９と流路１２の間で差が生じず、濃淡電池が形成されることが無い。よって、Ｏリング隙間で腐食が生じない効果を得ることができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２のＯリング１３の平面図、図８は図７のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図、図９は図８の破線で囲まれた領域Ｅの拡大図、図１０はフィンベース１とウォータージャケット３の排水孔１５，１６のある位置で切断した断面図、図１１は図１０の破線で囲まれた領域Ｆの拡大図である。

実施の形態２の水冷式冷却器においては、図９に示すように、断面形状がＨ型のＯリング１３を用い、Ｈ型の凹部１４がウォータージャケット３の底部、及びフィンベース１の面に対向するように設置する。図１０に示すように、フィンベース１には排水孔１５、ウォータージャケット３には排水孔１６が、Ｈ型の凹部１４と対向して設けられている。このような構成により、Ｏリング１３にシール不良が発生し、Ｏリング隙間９に存在する冷却水が、冷却器外部へとリークする際、図１１に示すように、冷却水はＯリング１３の凹部１４に沿って流れ、フィンベース１に設けられた排水孔１５もしくはウォータージャケット３に設けられた排水孔１６から排出される。排水孔１５、１６を設ける場所は任意で良く、冷却水の飛散により影響を受ける可能性のある高電圧部等を避けて排水孔１５、１６を設けることにより、シール不良が発生しても安全な位置に冷却水を排出することができ、火災や感電を防ぐ効果を得ることができる。本実施の形態では排水孔はウォータージャケット３とフィンベース１の両方に設けたが、いずれか一方でもその効果を奏する。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３のウォータージャケット３の斜視図、図１３はＯリング１３の斜視図、図１４は図１３の破線で囲まれた領域Ｇの拡大図、図１５はウォータージャケット３の排水溝２１、及びＯリングの切欠きがある位置で切断した断面図、図１６は図１５の破線で囲まれた領域Ｈの拡大図である。

実施の形態３の水冷式冷却器においては、図１２に示す通り、ウォータージャケット３のＯリング溝４に、冷却器外部に向かって排水溝２１が設けられており、図１４、及び図１５に示すように、排水溝２１と対向する近傍の凹部１４の側部に切欠き１７が設けられている。

このような実施の形態３の構成により、図１５、図１６に示す通り、Ｏリング１３にシール不良が発生しＯリング隙間９に存在する冷却水が、冷却器外部へとリークする際、冷却水はＯリング１３の凹部１４に沿って流れ、Ｏリング１３の切欠き１７からウォータージャケット３の排水溝２１を通り冷却器外部へと排出される。排水溝２１、及びＯリング１３の切欠き１７を設ける場所は任意で良く、冷却水の飛散により影響を受ける可能性のある高電圧部等を避けて排水溝２１、及びＯリング１３の切欠き１７を設けることにより、シール不良が発生しても安全な位置に冷却水を排出することができ、火災や感電を防ぐ効果を得ることができる。また、フィンベース１の加工が不要であり、構造を簡単にすることができる。

実施の形態４．
図１７は、この発明の実施の形態４のＯリング１３の斜視図、図１８は図１７の破線で囲まれた領域Ｉの拡大図、図１９はウォータージャケット３の排水溝２１、及びＯリング１３の分岐した排水部１８がある位置で切断した断面図、図２０は図１９の破線で囲まれた領域Ｊの拡大図である。

実施の形態４の水冷式冷却器においては、図１９、及び図２０に示すように、ウォータージャケット３のＯリング溝４に、冷却器外部に向かって排水溝２１が設けられており、排水溝２１の位置でＯリング１３は排水溝２１に沿うように分岐した排水部１８が設けられている。

実施の形態４の水冷式冷却器においては、Ｏリング１３にシール不良が発生しＯリング隙間９に存在する冷却水が、冷却器外部へとリークする際、冷却水はＯリング１３の凹部１４に沿って流れ、Ｏリング１３の分岐した排水部１８とウォータージャケットの排水溝２１との間に形成された隙間を通り冷却器外部へと排出される。排水溝２１、及びＯリング１３の分岐した排水部１８を設ける場所は任意で良く、冷却水の飛散により影響を受ける可能性のある高電圧部等を避けて排水溝２１、及びＯリング１３の分岐した排水部１８を設けることにより、シール不良が発生しても安全な位置に冷却水を排出することができ、火災や感電を防ぐ効果を得ることができる。また、フィンベース１への加工が不要であり、構造を簡単にすることができるほか、Ｏリング１３の分岐した排水部１８ではフィンベース１とウォータージャケット３との間の水密性が保たれているため、リークした冷却水が微小隙間２０を伝わってウォータージャケット３の排水溝２１外に流出することを防ぐことができる。

実施の形態５．
図２１は、この発明の実施の形態５のＯリング１３の平面図、図２２は図２１の破線で囲まれた領域Ｋの拡大図、図２３は図２２のＢ-Ｂ線に沿った矢視断面図である。
実施の形態５の水冷式冷却器においては、断面形状がＨ型のＯリング１３の凹部１４の底部に、底部を貫通する連通孔１９が設けられている。連通孔１９が設けられていることにより、Ｏリング１３のシール不良がフィンベース１側、ウォータージャケット３側のどちらで発生した場合でもＯリング１３の凹部１４の上下両方で冷却水を排出することができるため、凹部１４に詰まりが発生した場合でも確実に排水できる。また、実施の形態２と組み合わせる場合は、フィンベース１、もしくはウォータージャケット３の一方のみの排水孔でも、より効率よく排水でき、構造を簡単化できる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ フィンベース、２、１３ Ｏリング、３ ウォータージャケット、４ Ｏリング溝、５ 冷却水入口パイプ、６ 冷却水出口パイプ、７ フィン、８ａ、８ｂ 切欠き、９ Ｏリング隙間、１２ 流路、１４ 凹部、１５、１６ 排水孔、１７ 切欠き、１８排水部、１９ 連通孔、２０ 微小隙間、２１ 排水溝

Claims (5)

1. 冷却水の流入口、及び流出口を備え、周囲にＯリング溝が設けられたウォータージャケット、前記Ｏリング溝に設置されているＯリング、前記Ｏリングを押圧して、前記ウォータージャケットを密閉しているフィンベース、で構成され、前記フィンベースに設けられたフィンを前記流入口から前記流出口に流れる前記冷却水で冷却する水冷式冷却器において、前記冷却水の流入口、及び流出口近傍の前記Ｏリング溝に、冷却水流路に開口する切欠きが設けられていることを特徴とする水冷式冷却器。
2. 前記Ｏリングは断面形状がＨ型であり、前記断面形状Ｈ型の凹部が前記Ｏリング溝の底部と前記フィンベースに対向して配置され、前記凹部に対向する前記Ｏリング溝の底部又は前記フィンベースの面に、冷却器外部と連通している排水孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。
3. 前記Ｏリングは断面形状がＨ型であり、前記断面形状Ｈ型の凹部が前記Ｏリング溝の底部と前記フィンベースに対向して配置され、前記Ｏリング溝に設けられた冷却器外部に連通している排水溝に面している前記凹部の側部が切欠かれ、前記排水溝と連通していることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。
4. 前記Ｏリングは断面形状がＨ型であり、前記断面形状Ｈ型の凹部が前記Ｏリング溝の底部と前記フィンベースに対向して配置されているとともに、前記Ｏリング溝に設けられた冷却器外部に連通している排水溝に沿って配置されるよう分岐していることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。
5. 前記凹部底部に貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の水冷式冷却器。
   

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