JP6482954B2 - 液冷式冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、たとえば半導体素子などの電子部品からなる発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、図２の上下を上下というもとのとする。

たとえば、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変換装置に用いられる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、本出願人は、先に、頂壁および底壁を有しかつ内部を冷却液が流れるようになっているケーシングと、ケーシングに固定された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁に開口が形成され、放熱器が、ケーシングの開口内に配置されてケーシングに固定され、かつ第１面がケーシング内に臨ませられるとともに第２面が発熱体取付面となされている放熱基板、および放熱基板の第１面にケーシング内に突出するように一体に設けられかつケーシング内の全体に点在する複数のピンフィンからなり、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱が放熱器の放熱基板およびピンフィンを介してケーシング内を流れる冷却液に放熱される液冷式冷却装置を提案した(特許文献１参照)。

しかしながら、特許文献１記載の液冷式冷却装置においては、冷却液がケーシング内を流れる際の圧力損失が増大するという問題がある。

このような問題を解決するには、ケーシング内の一端部に入口ヘッダ部が設けられるとともに他端部に出口ヘッダ部が設けられ、さらに両ヘッダ部間に冷却液流路が設けられ、頂壁における冷却液流路に臨む部分に開口が形成され、放熱器のピンフィンがケーシングの冷却液流路内のみに突出するように設けられた形態とすることが考えられる。しかしながら、このような液冷式冷却装置においては、ピンフィンが設けられておらず、したがって冷却液への放熱に寄与しない入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の部分が無駄なスペースとなって液冷式冷却装置全体が大型化し、液冷式冷却装置の設置状況によっては好ましくない。

特開２００９−２７７７６８号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、冷却液がケーシング内を流れる際の圧力損失の増大を抑制した上で、小型化を図りうる液冷式冷却装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)頂壁および底壁を有しかつ内部を冷却液が流れるようになっているケーシングと、ケーシングに固定された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方が発熱体取付面となされ、放熱器が、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱を受ける放熱基板と、放熱基板に一体に設けられてケーシング内の全体に点在する複数のピンフィンとからなり、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱が放熱器の放熱基板およびピンフィンを介してケーシング内を流れる冷却液に放熱される液冷式冷却装置であって、
ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さが一定であり、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となっていない壁に、ケーシング内に冷却液を流入させる冷却液流入部およびケーシング内から冷却液を流出させる冷却液流出部が、放熱器のピンフィンが設けられている部分に臨むように形成され、ケーシングに、冷却液流入部に通じかつケーシング内に冷却液を送り込む入口パイプと、冷却液流出部に通じかつケーシング内から冷却液を送り出す出口パイプとが接続され、冷却液流入部および冷却液流出部の範囲内に存在するピンフィンの高さが、ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さの２／３以下である液冷式冷却装置。

2)冷却液流入部および冷却液流出部が円形であり、冷却液流入部および冷却液流出部の中心を中心とし、かつ冷却液流入部および冷却液流出部の直径の１．５倍の直径を有する円内に位置するピンフィンの高さが、ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さの２／３以下である上記1)記載の液冷式冷却装置。

3)低くなっているピンフィンの高さが、ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さの１／２以下である上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。

4)放熱器の放熱基板が、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となされている壁を兼ねている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

5)ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となっていない壁に２つの円形貫通穴が互いに間隔をおいて形成され、入口パイプが一方の円形貫通穴内に挿入されてケーシングに接合され、出口パイプが他方の円形貫通穴内に挿入されてケーシングに接合され、入口パイプの円形貫通穴内に挿入された部分の管路が冷却液流入部となるとともに、出口パイプの円形貫通穴内に挿入された部分の管路が冷却液流出部となっている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

6)低くなっていないピンフィンの先端が、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となっていない壁の内面に接合されている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

上記1)〜6)の液冷式冷却装置によれば、冷却液流入部および冷却液流出部の範囲内に存在するピンフィンの高さが、冷却液流入部と冷却液流出部との間の中間部に位置するピンフィンの高さよりも低くなっているので、冷却液は、入口パイプから冷却液流入部を通って、ケーシング内における低いピンフィンの先端と冷却液流入部が設けられている壁との間の空間に流入した後に、他の高いピンフィン間のすべての冷却液流通用空隙に分流して冷却液流出部側に流れ、ケーシング内における低いピンフィンの先端と冷却液流出部が設けられている壁との間の空間に流入して合流した後に、冷却液流出部を通って出口パイプに送り出される。したがって、冷却液がケーシング内の全体を均一に流れるとともに、冷却液の流速が一定化され、冷却液がケーシング内を流れる際の圧力損失の増大を抑制することができる。また、ピンフィンが設けられておらず、したがって冷却液への放熱に寄与しない入口ヘッダ部および出口ヘッダ部をケーシング内に設ける必要がなく、液冷式冷却装置全体の小型化を図ることができ、液冷式冷却装置の設置スペースの省スペース化を図ることができる。

上記2)および3)の液冷式冷却装置によれば、冷却液がケーシング内を流れる際の圧力損失の増大を効果的に抑制することができる。

上記4)の液冷式冷却装置によれば、発熱体取付面に取り付けられた発熱体からピンフィンへの熱伝導性が向上し、ひいては発熱体から発せられる熱のケーシング内を流れる冷却液への放熱性能が向上する。

上記6)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングの耐圧性が向上する。

この発明の液冷式冷却装置を示す分解斜視図である。 図１の液冷式冷却装置の垂直断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図１の液冷式冷却装置に用いられる放熱器を示す斜視図である。 液冷式冷却装置のケーシングおよび放熱器の変形例を示す図３相当の図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

この明細書において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

また、以下の説明において、図２の左右を左右といい、図３の上側を前、これと反対側を後というものとする。

図１〜図３は液冷式冷却装置を示し、図４は液冷式冷却装置に用いられる放熱器を示す。

図１〜図３において、液冷式冷却装置(1)は、頂壁(2a)、底壁(2b)および周壁(2c)を有するアルミニウム製ケーシング(2)と、ケーシング(2)に固定されたアルミニウム製放熱器(3)とを備えており、ケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)うちのいずれか一方の壁、ここでは頂壁(2a)の外面が発熱体取付面(4)となされている。

ケーシング(2)は、底壁(2b)および周壁(2c)を構成する上方に開口した箱状のアルミニウム製下構成部材(5)と、下構成部材(5)の周壁(2c)を構成する部分の上端に設けられた外向きフランジににろう付され、かつ頂壁(2a)を構成する板状のアルミニウム製上構成部材(6)とよりなる。

ケーシング(2)の底壁(2b)における前後方向中央部の左右両端部にそれぞれ円形貫通穴(7)(8)が形成されている。左側の円形貫通穴(7)内にケーシング(2)内に冷却液を送り込む横断面円形のアルミニウム製入口パイプ(9)の端部が挿入されるとともに、右側の円形貫通穴(8)内にケーシング(2)内から冷却液を送り出す横断面円形のアルミニウム製出口パイプ(11)が接続され、両パイプ(9)(11)がケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されている。そして、入口パイプ(9)の円形貫通穴(7)内に挿入された部分の管路が、ケーシング(2)内に冷却液を流入させる円形の冷却液流入部(12)となり、出口パイプ(11)の円形貫通穴(8)内に挿入された部分の管路が、ケーシング(2)内から冷却液を流出させる円形の冷却液流出部(13)となっている。

図２〜図４に示すように、放熱器(3)は、放熱基板(14)と、放熱基板(14)の下面に下方突出状に一体に設けられてケーシング(2)内の全体に点在する複数の円柱状ピンフィン(15A)(15B)とからなる。放熱基板(14)は、ケーシング(2)の上構成部材(6)、すなわち頂壁(2a)を兼ねており、その下面周縁部が下構成部材(5)の周壁上端の外向きフランジにろう付されている。放熱基板(14)の上面が発熱体取付面(4)となっており、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスや、ＩＧＢＴが制御回路と一体化されて同一パッケージに収納されたＩＧＢＴモジュールや、ＩＧＢＴモジュールにさらに保護回路が一体化されて同一パッケージに収納されたインテリジェントパワーモジュールなどからなる発熱体(P)が、絶縁部材(I)を介して発熱体取付面(4)に取り付けられる。ピンフィン(15A)(15B)は、放熱基板(14)のケーシング(2)内に臨んだ部分において、４側辺が周壁(2c)の近傍に位置する四角形の範囲内に設けられている。当該四角形は、左側辺が冷却液流入部(12)の外側(左側)にあり、右側辺が冷却液流出部(13)の外側(右側)にある。また、前記四角形の前後両側辺と周壁(2c)の前後両側壁部との間隔は、前記四角形の左右両側辺と周壁(2c)の左右両側壁部との間隔とほぼ等しくなっていることが好ましい。ピンフィン(15A)(15B)が設けられている部分のケーシング(2)の内部高さは一定となっている。なお、この実施形態ではケーシング(2)の内部高さは全体に同一で一定となっている。

液冷式冷却装置(1)を上方または下方から見た際に冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の範囲内に存在する複数の第１ピンフィン(15A)の高さは、ピンフィン(15A)(15B)が設けられている部分のケーシング(2)の内部高さの２／３以下であり、１／２以下であることが好ましい。したがって、冷却液流入部(12)と第１ピンフィン(15A)の先端との間に冷却液を分流させる第１空間(16)が形成され、冷却液流出部(13)と第１ピンフィン(15A)との間に冷却液を合流させる第２空間(17)が形成されている。ここで、第１ピンフィン(15A)は、冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の範囲内だけではなく、円形の冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の中心を中心とし、かつ冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の直径の１．５倍の直径を有する円内に設けられていることが好ましい。また、第２ピンフィン(15B)の高さはすべて等しく、その先端はケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されていることが好ましいが、これに限定されるものではなく、一部の第２ピンフィン(15B)の高さが残りの第２ピンフィン(15B)の高さと異なっており、先端がケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されていない第２ピンフィン(15B)が存在していてもよい。

上記構成の液冷式冷却装置(1)において、冷却液は、入口パイプ(9)から冷却液流入部(12)を通ってケーシング(2)内の第１空間(16)内に流入した後に、第２ピンフィン(15B)間のすべての冷却液流通用空隙に分流して冷却液流出部(13)側に流れ、第２空間(17)で合流した後に、冷却液流出部(13)を通って出口パイプ(11)(18)に送り出される。発熱体(P)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ケーシング(2)の頂壁(2a)、すなわち放熱器(3)の放熱基板(14)およびピンフィン(15A)(15B)(24)を経てケーシング(2)内を流れる冷却液に放熱され、発熱体(P)が冷却される。

図５はケーシングおよび放熱器の変形例を示す。

図５において、ケーシング(2)の底壁(2b)における前側端の左端部および後側端の右端部にそれぞれ円形貫通穴(20)(21)が形成されている。その他の構成は、上述した実施形態のケーシング(2)と同様である。

放熱器(3)における冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の範囲内に存在する第１ピンフィン(15A)の高さは、ピンフィン(15A)(15B)が設けられている部分のケーシング(2)の内部高さの２／３以下であり、１／２以下であることが好ましい。したがって、冷却液流入部(12)と第１ピンフィン(15A)の先端との間に冷却液を分流させる第１空間(16)が形成され、冷却液流出部(13)と第１ピンフィン(15A)との間に冷却液を合流させる第２空間(17)が形成されている。ここで、第１ピンフィン(15A)は、冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の範囲内だけではなく、円形の冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の中心を中心とし、かつ冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)の直径の１．５倍の直径を有する円内に設けられていることが好ましい。また、第２ピンフィン(15B)の高さはすべて等しく、その先端はケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されていることが好ましいが、これに限定されるものではなく、一部の第２ピンフィン(15B)の高さが残りの第２ピンフィン(15B)の高さと異なっており、先端がケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されていない第２ピンフィン(15B)が存在していてもよい。

上述した実施形態のケーシング(2)においては、底壁(2b)における前後方向中央部の左右両端部にそれぞれ円形貫通穴(7)(8)が形成されており、その結果冷却液流入部(12)が底壁(2b)の前後方向中央部の左端部に設けられるとともに、冷却液流出部(13)が底壁(2b)の前後方向中央部の右端部に設けられ、上述した変形例のケーシング(2)においては、底壁(2b)における前側端の左端部および後側端の右端部にそれぞれ円形貫通穴(20)(21)が形成されており、その結果冷却液流入部(12)が底壁(2b)の前側端の左端部に設けられるとともに、冷却液流出部(13)が底壁(2b)の後側端の右端部に設けられているが、冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)を設ける位置は、ケーシング(2)内全体の冷却液の流れが均一化されるように、適宜変更可能である。

また、上述した実施形態および変形例においては、入口パイプ(9)および出口パイプ(11)が円形貫通穴(7)(8)(20)(21)内に挿入されているので、入口パイプ(9)の円形貫通穴(7)内に挿入された部分の管路が、ケーシング(2)内に冷却液を流入させる冷却液流入部(12)となり、出口パイプ(11)の円形貫通穴(8)内に挿入された部分の管路が、ケーシング(2)内から冷却液を流出させる冷却液流出部(13)となっているが、円形貫通穴(7)(9)の直径と等しい内径を有する入口パイプ(9)および出口パイプ(11)の端面が、両パイプ(9)(11)の管路の端部開口が円形貫通穴(7)(8)と合致するようにケーシング(2)の底壁(2b)外面に当接させられてにろう付される場合もある。この場合、円形貫通穴(7)(8)が冷却液流入部(12)および冷却液流出部(13)となる。

さらに、上述した実施形態においては、放熱器(3)の放熱基板(14)がケーシング(2)の頂壁(2a)を兼ねているが、これに代えて、放熱器(3)の放熱基板(14)とケーシング(2)の頂壁(2a)とが別体であり、放熱基板(14)が頂壁(2a)下面にろう付されていてもよい。また、ケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)のうち底壁(2b)外面が発熱体取付面(4)となっていてもよい。

この発明による液冷式冷却装置は、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変換装置に用いられるＩＧＢＴなどのパワーデバイスを冷却するのに好適に用いられる。

(1)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(2a)：頂壁
(2b)：底壁
(3)：放熱器
(4)：発熱体取付面
(7)(8)(20)(21)：円形貫通穴
(9)：入口パイプ
(11)：出口パイプ
(12)：冷却液流入部
(13)：冷却液流出部
(14)：放熱基板
(15A)(15B)：ピンフィン

Claims (6)

1. 頂壁および底壁を有しかつ内部を冷却液が流れるようになっているケーシングと、ケーシングに固定された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方が発熱体取付面となされ、放熱器が、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱を受ける放熱基板と、放熱基板に一体に設けられてケーシング内の全体に点在する複数のピンフィンとからなり、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱が放熱器の放熱基板およびピンフィンを介してケーシング内を流れる冷却液に放熱される液冷式冷却装置であって、
   ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さが一定であり、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となっていない壁に、ケーシング内に冷却液を流入させる冷却液流入部およびケーシング内から冷却液を流出させる冷却液流出部が、放熱器のピンフィンが設けられている部分に臨むように形成され、ケーシングに、冷却液流入部に通じかつケーシング内に冷却液を送り込む入口パイプと、冷却液流出部に通じかつケーシング内から冷却液を送り出す出口パイプとが接続され、冷却液流入部および冷却液流出部の範囲内に存在するピンフィンの高さが、ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さの２／３以下の一定である液冷式冷却装置。
2. 冷却液流入部および冷却液流出部が円形であり、冷却液流入部および冷却液流出部の中心を中心とし、かつ冷却液流入部および冷却液流出部の直径の１．５倍の直径を有する円内に位置するピンフィンの高さが、ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さの２／３以下である請求項１記載の液冷式冷却装置。
3. 低くなっているピンフィンの高さが、ピンフィンが設けられている部分のケーシングの内部高さの１／２以下である請求項１または２記載の液冷式冷却装置。
4. 放熱器の放熱基板が、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となされている壁を兼ねている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
5. ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となっていない壁に２つの円形貫通穴が互いに間隔をおいて形成され、入口パイプが一方の円形貫通穴内に挿入されてケーシングに接合され、出口パイプが他方の円形貫通穴内に挿入されてケーシングに接合され、入口パイプの円形貫通穴内に挿入された部分の管路が冷却液流入部となるとともに、出口パイプの円形貫通穴内に挿入された部分の管路が冷却液流出部となっている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
6. 低くなっていないピンフィンの先端が、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となっていない壁の内面に接合されている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
   

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