JP6932632B2 - 液冷式冷却装置 - Google Patents
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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、底壁および周壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられ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、ケーシングの頂壁および底壁のうち頂壁の外面が発熱体取付面となり、ケーシングの頂壁および底壁のうち底壁と周壁との連接部の内側面に丸みがついており、放熱器が、ケーシングの前記第１壁となるとともにケーシングの周壁に接合された放熱基板と、放熱基板の片面に設けられて冷却液流路側に突出した複数のピン状フィンとからなり、全てのフィンが、ケーシングの底壁と周壁との連接部を避けて設けられてい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、放熱器の全てのフィンが、ケーシングの底壁と周壁との連接部を避けて設けられているので、フィンを周壁に近接して設けることができず、ケーシング内におけるフィンが存在せずかつ冷却に寄与しないスペースが比較的広くなる。したがって、フィンの数が比較的少なくなって十分な冷却効率が得られないおそれがある。しかも、製造時に放熱器とケーシングとを組み合わせた際に両者が比較的大きく位置ずれし、液冷式冷却装置としての冷却性能にばらつきが生じるおそれがある。
この発明の目的は、上記問題を解決し、冷却効率が向上するとともに、冷却性能のばらつきの発生を抑制し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、底壁および周壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられ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、ケーシングの頂壁および底壁のうちいずれか一方の第１壁の外面が発熱体取付面となり、ケーシングの頂壁および底壁のうちいずれか他方の第２壁と周壁との連接部の内側面に丸みがついており、放熱器が、ケーシングの前記第１壁となるとともにケーシングの周壁に接合された放熱基板と、放熱基板の片面に設けられて冷却液流路側に突出した複数のフィンとからなる液冷式冷却装置であって、
放熱器の全フィンのうち、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの放熱基板からの突出高さをＨ、前記第１壁内面と、前記第２壁と周壁との連接部内側面における前記第１壁側端部との距離をＬとした場合、Ｈ≦Ｌになっている液冷式冷却装置。
放熱器の全フィンのうち、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの放熱基板からの突出高さをＨ、前記第１壁内面と、前記第２壁と周壁との連接部内側面における前記第１壁側端部との距離をＬとした場合、Ｈ≦Ｌになっている液冷式冷却装置。
2)放熱器の全フィンのうち、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの放熱基板からの突出高さが、前記連接部内側面の範囲外に位置するフィンの放熱基板からの突出高さの１／２以上になっている上記1)記載の液冷式冷却装置。
3)ケーシングの前記第２壁と周壁とが一体に形成されている上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。
4)放熱器の全フィンがピン状である上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
5)放熱器の全フィンがプレート状であるとともに、全フィンが相互に間隔をおいて並列状に設けられており、全フィンの並び方向の両端に位置するフィンが、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置している上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
上記1)〜5)の液冷式冷却装置によれば、放熱器の全フィンのうち、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの放熱基板からの突出高さをＨ、前記第１壁内面と、前記第２壁と周壁との連接部内側面における前記第１壁側端部との距離をＬとした場合、Ｈ≦Ｌになっているので、フィンを周壁に近接して設けることが可能になり、特許文献１記載の液冷式冷却装置に比べて、ケーシング内におけるフィンが存在せずかつ冷却に寄与しないスペースが狭くなる。したがって、フィンの数が比較的多くなって十分な冷却効率が得られる。しかも、製造時に放熱器とケーシングとを組み合わせた際に、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの働きによって、両者が比較的大きく位置ずれすることを抑制することが可能になり、液冷式冷却装置としての冷却性能にばらつきが生じることを抑制することができる。
上記2)の液冷式冷却装置によれば、冷却効率を効果的に向上させることができる。
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、ケーシング内での冷却液の流れ方向前方（図１に矢印Ｘで示す方向を前といい、これと反対側を後というものとする。また、図２の上下、左右を上下、左右というものとする。
さらに、全図面を通じて同一物および同一部分には同一符号を付す。
図１および図２は液冷式冷却装置の構成を示し、図３は放熱器の構成を示す。
図１および図２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第１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部にろう材により接合され（以下、ろう付という）、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)の下構成部材(5)は、アルミニウム板にプレス加工を施すことにより形成されてものであり、その結果ケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)うちのいずれか他方の第２壁、ここでは底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)には丸みがついている。
ケーシング(2)内には、冷却液がケーシング(2)の長手方向の片側（後側）から他側（前側）に流れる冷却液流路(8)と、冷却液流路(8)よりも上流側（後側）に位置しかつ冷却液が流入する入口ヘッダ部(9)と、冷却液流路(8)よりも下流側（前側）に位置しかつ冷却液が流出する出口ヘッダ部(11)とが設けられている。
ケーシング(2)の周壁(2c)の後側部分の左右方向中央部に、入口ヘッダ部(9)に通じる冷却液入口(12)が設けられ、ケーシング(2)の周壁(2c)の前側部分の左右方向中央部に、出口ヘッダ部(11)に通じる冷却液出口(13)が設けられている。ケーシング(2)の周壁(2c)に、冷却液入口(12)に通じるとともに入口ヘッダ部(9)内に冷却液を送り込むアルミニウム製入口パイプ(14)と、冷却液出口(13)に通じるとともに出口ヘッダ部(11)内から冷却液を送り出すアルミニウム製出口パイプ(15)とがろう付されている。
図３に示すように、放熱器(3)は、放熱基板(16)と、放熱基板(16)の下面に下方突出状にかつ千鳥配置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横断面円形の複数のピン状フィン(17)(17A)とからなる。放熱基板(16)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)の周壁上端にろう付されている。放熱基板(16)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(図示略)を介して発熱体取付面(4)に取り付けられる。
図４に示すように、放熱器の全フィン(17)(17A)のうち、少なくとも一部のフィン(17A)の一部がケーシング(2)の底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)の範囲内に位置している。ケーシング(2)の底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)の範囲内に位置しているフィン(17A)の放熱基板(16)からの突出高さをＨ、頂壁(2a)内面(放熱基板(16)内面)と、連接部(7)の内側面(7a)における頂壁(2a)側端部との距離をＬとした場合、Ｈ≦Ｌになっている。また、放熱器(3)の全フィン(17)(17A)のうち、一部がケーシング(2)の底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)の範囲内に位置しているフィン(17A)の放熱基板(16)からの突出高さＨは、連接部(7)の内側面(7a)の範囲外に位置している他のフィン(17)の放熱基板(16)からの突出高さの１／２以上になっていることが好ましい。前記他のフィン(17)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)内面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い。
上述した実施形態においては、横断面円形のピン状フィン(17)(17A)が用いられているが、これに限定されるものではなく、横断面形状が菱形や方形のピン状フィンが用いられることもある。
上記構成の液冷式冷却装置(1)において、入口パイプ(14)から冷却液入口(12)を通って入口ヘッダ部(9)内に流入した冷却液は、放熱器(3)の冷却液流路(8)内の隣り合う放熱フィン(17)(17A)間を通って前方に流れる。冷却液流路(8)を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(11)内に入り、冷却液出口(13)を通って出口パイプ(15)に送り出される。発熱体(P)から発せられる熱は、放熱器(3)の放熱基板(16)および放熱フィン(17)(17A)を経て冷却液流路(8)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〜図７はこの発明による液冷式冷却装置の他の実施形態を示す。
図５および図６に示すように、液冷式冷却装置(20)のケーシング(2)の上構成部材(6)を兼ねる放熱器(21)は、放熱基板(16)と、放熱基板(16)の下面に下方突出状に一体に設けられ、かつ前後方向に延びる複数のプレート状フィン(22)(22A)とからなる。全フィン(22)(22A)は左右方向に間隔をおいて並列状に設けられており、全フィン(22)(22A)の並び方向の両端に位置するフィン(22A)の少なくとも一部がケーシング(2)の底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)の範囲内に位置している。
図７に示すように、少なくとも一部がケーシング(2)の底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)の範囲内に位置しているフィン(22A)の放熱基板(16)からの突出高さをＨ、頂壁(2a)内面(放熱基板(16)内面)と、連接部(7)の内側面における頂壁(2a)側端部との距離をＬとした場合、Ｈ≦Ｌになっている。また、放熱器(21)の全フィン(22)(22A)のうち、少なくとも一部がケーシング(2)の底壁(2b)と周壁(2c)との連接部(7)の内側面(7a)の範囲内に位置しているフィン(22A)の放熱基板(16)からの突出高さＨは、連接部(7)の内側面(7a)の範囲外に位置している他のフィン(22)の放熱基板(16)からの突出高さの１／２以上になっていることが好ましい。前記他のフィン(22)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)内面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い。
その他の構成は、図１〜図４に示す液冷式冷却装置(1)と同様である。
上記構成の液冷式冷却装置(1)において、入口パイプ(14)から冷却液入口(12)を通って入口ヘッダ部(9)内に流入した冷却液は、放熱器(21)の冷却液流路(8)内の隣り合う放熱フィン(22)(22A)間を通って前方に流れる。冷却液流路(8)を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(11)内に入り、冷却液出口(13)を通って出口パイプ(15)に送り出される。発熱体(P)から発せられる熱は、放熱器(3)の放熱基板(16)および放熱フィン(22)(22A)を経て冷却液流路(8)内を流れる冷却液に放熱され、発熱体(P)が冷却される。
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)(20)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(2a)：頂壁(第１壁)
(2b)：底壁(第２壁）
(2c)：周壁
(3)(21)：放熱器
(4)：発熱体取付面
(7)：連接部
(7a)：内側面
(8)：冷却液流路
(16)：放熱基板
(17)(17A)：ピン状のフィン
(22)(22A)：プレート状のフィン
(2)：ケーシング
(2a)：頂壁(第１壁)
(2b)：底壁(第２壁）
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(17)(17A)：ピン状のフィン
(22)(22A)：プレート状のフィン
Claims (5)
- 頂壁、底壁および周壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられ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、ケーシングの頂壁および底壁のうちいずれか一方の第１壁の外面が発熱体取付面となり、ケーシングの頂壁および底壁のうちいずれか他方の第２壁と周壁との連接部の内側面に丸みがついており、放熱器が、ケーシングの前記第１壁となるとともにケーシングの周壁に接合された放熱基板と、放熱基板の片面に設けられて冷却液流路側に突出した複数のフィンとからなる液冷式冷却装置であって、
放熱器の全フィンのうち、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの放熱基板からの突出高さをＨ、前記第１壁内面と、前記第２壁と周壁との連接部内側面における前記第１壁側端部との距離をＬとした場合、Ｈ≦Ｌになっている液冷式冷却装置。 - 放熱器の全フィンのうち、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置するフィンの放熱基板からの突出高さが、前記連接部内側面の範囲外に位置するフィンの放熱基板からの突出高さの１／２以上になっている請求項１記載の液冷式冷却装置。
- ケーシングの前記第２壁と周壁とが一体に形成されている請求項１または２記載の液冷式冷却装置。
- 放熱器の全フィンがピン状である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
- 放熱器の全フィンがプレート状であるとともに、全フィンが相互に間隔をおいて並列状に設けられており、全フィンの並び方向の両端に位置するフィンが、少なくとも一部が前記第２壁と周壁との連接部内側面の範囲内に位置している請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
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