JP7371373B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、ファンユニットから放熱プレートに送風して熱交換を行う冷却装置に関する。

電力変換等を行う半導体素子を備えたパワエレユニットにおいては、組み込まれる装置内での容積に制約を受けることがあり、この場合には、パワエレユニット内における冷却構造の小型化が要求される。このような冷却構造としては、特許文献１に開示される構成が知られている。特許文献１の冷却構造は、電気素子等の熱源が取り付けられるヒートシンクと、ヒートシンクのフィン（放熱プレート）に送風するファンとを備えている。かかる冷却構造では、ヒートシンクにおける複数のフィンの先端側にファンが対向配置されている。冷却構造においては、フィンの先端とファンとをできるだけ近接させると、小型化を図る上で有利となる。

特開２０１７－６９４９９号公報

特許文献１においては、フィンにおける風の流れは羽根部材に対向するドーナツ状の領域からフィンの延出方向両端側に向かうこととなり、複数並ぶフィンに対して風量にばらつきが発生する。このため、複数のフィンにおいて高温となる箇所の風量を確保する等、フィンによる効率的な冷却を行う上で改善の余地がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、放熱プレートにおける冷却作用のばらつきを抑制することができる冷却装置を提供することを目的の一つとする。

本発明における一態様の冷却装置は、発熱体が接触するベースと、当該ベースから平行に立設する複数の放熱プレートと、複数の遮蔽部と、当該放熱プレートの開口側に配設される、ボスおよび当該ボスに接続された羽根部材を有するファンユニットとを備えた冷却装置であって、隣り合う前記複数の放熱プレートの間に流路が形成され、前記ボスに開口する少なくとも１組の隣接する前記流路を有し、当該１組の隣接する前記流路の一方は一端が前記遮蔽部で遮蔽され、他方は他端が前記遮蔽部で遮蔽され、前記複数の放熱プレート全てと前記複数の遮蔽部全てとは、該放熱プレートの立設方向から見て、１本の矩形波状に延出して形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記のように流路を遮蔽することで、流路の延出方向全体に風が流れて当該延出方向での風量の均一化を図ることができる。これにより、例えば、遮蔽しない流路とすると延出方向の中間と両端とで風量にばらつきがある場合、遮蔽することによって当該中間での風量を増大させることができる。このように、流路における延出方向での風量のばらつきを抑制でき、放熱プレートの延出方向にて冷却作用がばらつくことを回避して効率的に冷却することができる。

第１の実施の形態に係る冷却装置の部分正面断面図である。 第１の実施の形態のヒートシンクの概略底面図である。 比較例の冷却装置におけるヒートシンクの図２と同様の底面図である。 第２の実施の形態のヒートシンクの図２と同様の底面図である。 変形例に係るヒートシンクの図２と同様の底面図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る冷却装置について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。また、以下においては、本発明に係る冷却装置を、電力変換装置や、電圧調整装置、インバータ装置、コンバータ装置をはじめとした半導体を用いた電力変換装置全般を含むパワエレユニットに適用する場合について説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る冷却装置の部分正面断面図である。図１に示すように、第１の実施の形態に係るパワエレユニット１では、発熱体となる半導体素子１０と、ヒートシンク２０及びファンユニット３０を備えてなる冷却装置とを有している。パワエレユニット１において、半導体素子１０と、ヒートシンク２０及びファンユニット３０は、不図示の筐体における内部空間に配置される。

ここで、以下の説明においては、各図において矢印で示したＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を基準に説明する。但し、これらの方向は、説明の便宜上設定した一例に過ぎないものであり、実施に際しては図中のＸ方向を鉛直方向に変更する等、任意の変更がある。

半導体素子１０は、例えば、電力変換を行う素子とされ、樹脂材によってパッケージされた状態で形成される。半導体素子１０は、ヒートシンク２０に対向する面が放熱面として形成され、当該放熱面から電力変換時に発生した熱が主として放出される。

図２は、第１の実施の形態のヒートシンクの概略底面図である。図２に示すように、ヒートシンク２０は、Ｚ方向に厚みを有する方形の板状に形成されたベース２１と、ベース２１の－Ｚ側（図２中手前側）の面から平行に立設された複数の放熱プレート２２とを備えている。ベース２１の外縁となる四辺は、Ｘ方向及びＹ方向に延出している。ヒートシンク２０は、熱伝導率が高い素材によって形成され、具体的には、アルミニウム等の金属が例示できる。ベース２１には半導体素子１０が接触する。ヒートシンク２０には、半導体素子１０（図１参照）からの熱がベース２１を経て放熱プレート２２に伝達し、放熱プレート２２の表面とこれに触れる空気との間で熱交換が行われてヒートシンク２０から放熱される。

放熱プレート２２は、厚さ方向がＹ方向とされ、立設方向がＺ方向とされる。そして、放熱プレート２２は、Ｙ方向及びＺ方向に直交するＸ方向を延出方向として延出して設けられている。放熱プレート２２は、Ｙ方向を並び方向として等間隔に（所定間隔毎に）複数並設されている。よって、Ｙ方向に隣り合う放熱プレート２２の間には、ファンユニット３０（図１参照）から送風された空気が流通する流路２３が複数形成され、流路２３それぞれの延出方向はＸ方向として同じ向きとされる。ここで、本明細書及び特許請求の範囲において、「並び方向」とは、特に明示しない限り、放熱プレート２２が並ぶＹ方向を意味する。また、放熱プレート２２の先端側となる－Ｚ側が開口側とされ、放熱プレート２２及び流路２３はファンユニット３０に開口している。本明細書及び特許請求の範囲において、放熱プレート２２及び流路２３における「開口」の向き及び位置は、放熱プレート２２の立設方向先端側であり、当該立設方向に交差するＸ方向及びＹ方向を含めないものとする。

複数の流路２３それぞれにおいては、延出方向となるＸ方向の一端及び他端の何れか一方が遮蔽部２５で遮蔽され、何れか他方は遮蔽部２５で遮蔽されずに開放するよう形成される。言い換えると、それぞれの流路２３にて、Ｘ方向両端のうちの何れか一方に遮蔽部２５が形成される。遮蔽部２５は、流路２３を挟む２枚の放熱プレート２２の端部を接続する側壁状に形成され、遮蔽部２５を挟む流路２３の内外で空気が流れることを遮断するように設けられる。

本実施の形態においては、全ての流路２３に対し遮蔽部２５が形成される。そして、＋Ｘ側の端部が遮蔽部２５で遮蔽される流路２３と、－Ｘ側の端部が遮蔽部２５で遮蔽される流路２３とが、放熱プレート２２の並び方向となるＹ方向にて交互に設けられる。よって、本実施の形態では、全ての放熱プレート２２と全ての遮蔽部２５とが、１本の矩形波状に延出するよう形成されている。そして、並び方向で隣接する（隣り合う）２本１組の流路２３は、ヒートシンク２０にて何れの組み合わせとしても、一方の流路２３で一端が、他方の流路２３で他端が遮蔽される。

図１に戻り、ファンユニット３０は、ヒートシンク２０における放熱プレート２２の開口側（先端側）に対向して配設されている。ファンユニット３０は、不図示の駆動手段から駆動力が伝達されて回転中心軸Ｃ周りに回転する概略円筒状のボス３１と、ボス３１の外周に接続されて設けられる複数の羽根部材３２とを備えている。また、ファンユニット３０は、ボス３１及び羽根部材３２を収容するケーシング３３を備えている。

ケーシング３３は、Ｘ方向及びＹ方向に四辺を備えた枠状に形成されて＋Ｚ側及び－Ｚ側を開放するように設けられている。ケーシング３３は、複数の放熱プレート２２の形成領域に対し、Ｘ方向及びＹ方向にて若干内側または概略揃うように設けられる。また、ケーシング３３の＋Ｚ側の端部が放熱プレート２２の先端（－Ｚ側端部）に対し、若干の隙間を介して配設されるよう、不図示の支持部材を介して支持される。なお、図１では、ケーシング３３の＋Ｚ側の端部と放熱プレート２２の先端との間に隙間を設けたが、それらが接触するように配設してもよい。

ボス３１の回転中心軸Ｃは、放熱プレート２２の立設方向つまりＺ方向に延出して設けられている。羽根部材３２は、ボス３１の回転によってケーシング３３の－Ｚ側から＋Ｚ側に送風するよう形成され、これにより、放熱プレート２２に向かって送風されるようになる。

なお、図２において、ヒートシンク２０では、ボス３１を示す円形の二点鎖線の内側領域がボス３１に開口する領域Ａとされる。また、ベース２１の略中央位置にボス３１が位置し、ボス３１の外側にてボス３１と同心円の二点鎖線で示した位置が、ボス３１の回転による羽根部材３２先端の通過位置となる。よって、当該通過位置とボス３１との間の領域が、羽根部材３２が回転して通過する送風領域Ｓとされ、当該送風領域Ｓは、回転する羽根部材３２に放熱プレート２２が開口する領域とされる。

ここで、上記実施の形態におけるヒートシンク２０及びファンユニット３０の冷却機能について、図３に示す比較例の冷却機能を説明してから説明する。図３は、比較例の冷却装置におけるヒートシンクの図２と同様の底面図である。

比較例の冷却装置は、ヒートシンク１２０において、上記第１の実施の形態における遮蔽部２５の形成を省略し、放熱プレート２２と同様の放熱プレート１２２を形成するものとする。また、比較例におけるファンユニット（図示省略）は、実施の形態におけるファンユニット３０と同様の構成となってボス１３１及び羽根部材１３２を備えている。

比較例にてボス１３１及び羽根部材１３２の回転によってヒートシンク１２０に送風すると、羽根部材１３２が通過する送風領域Ｓから放熱プレート１２２側となる＋Ｚ方向に空気が流れる。かかる空気の流れは、流路１２３を＋Ｚ方向に流れてベース１２１に当たった後、流路１２３のＸ方向両端のうち近い方の端部から吹き出す。よって、流路１２３のＸ方向両端から空気が吹き出す流れによって放熱プレート１２２の冷却作用が得られる。

ここで、ファンユニットではボス１３１から送風が発生しないので、複数の流路１２３にて、ボス１３１に開口する領域Ａでは空気が流れない或いは流れ難くなって滞留することとなる。このため、冷却性能が低下し、かかる領域Ａとその周辺部が高温化する、という問題がある。

ところで、仮に、放熱プレート１２２とファンユニットとの間隔を拡げれば、整流作用によってボス１３１に開口する領域Ａへ流れる風量を増やすことができるが、パワエレユニットの容量縮小化の要請から、Ｚ方向の全体サイズが大きくなり好ましくない。

これに対し、本実施の形態では、上記のように流路２３に遮蔽部２５が形成されるので、送風領域Ｓから流路２３内に送風されると、流路２３の延出方向（Ｘ方向）両端のうち、遮蔽部２５が形成されていない方の端部からだけ空気が吹き出すこととなる。このような空気の流れにおいて、当該空気と放熱プレート２２との間で熱交換が行われて冷却作用が得られる。

本実施の形態におけるヒートシンク２０での空気の流れについて更に詳述すると、ファンユニット３０においては、ボス３１からは送風が発生せず、ボス３１を囲う送風領域Ｓから送風が発生する。すると、各流路２３において、送風領域ＳとＺ方向にて重なる領域から送風領域Ｓの外方（径方向外側）へ風が流れようとする。ところが、流路２３の遮蔽部２５が形成された方の端部付近では空気の流れが遮蔽され、当該端部付近の流路２３内の圧力が上昇する。その結果、流路２３において遮蔽部２５が形成されていない方の端部に向かう空気の流れが発生する。よって、流路２３における遮蔽部２５の形成端から、その反対側の端部までとなる延出方向（Ｘ方向）全てにおいて、ファンユニット３０からの風を流通させることができる。これにより、流路２３の延出方向における風量のばらつきを抑制して風量が均一化され、放熱プレート２２の延出方向にて冷却作用がばらつくことを回避して効率的に冷却することができる。

特に、ボス３１に開口する領域Ａを通過する流路２３に遮蔽部２５が形成されるので、かかる領域Ａに空気を流通させることができる。これにより、領域Ａでの空気の滞留を抑制でき、ボス３１に開口する領域Ａが高温になることを防止してヒートシンク２０としての冷却能力を良好に発揮することができる。

しかも、本実施の形態では、ボス３１に開口して並び方向に隣接する複数組の流路２３も含めて全ての流路２３に遮蔽部２５を形成し、当該遮蔽部２５を上述のように交互に設けたので、流路２３の延出方向となるＸ方向だけでなくＹ方向においても冷却作用の均一化を図ることができる。なお、図２においては、ボス３１に開口して隣接する流路２３は、４組形成されるが、少なくとも１組あればよい。

また、本実施の形態では、Ｙ方向に隣り合って遮蔽部２５の形成位置がＸ方向で反対となる２本の流路２３を１組の流路２３とした場合、複数組の流路２３が形成されることとなる。これにより、＋Ｘ方向に空気が流れる流路２３と、－Ｘ方向に空気が流れる流路２３とが万遍なく多数形成され、冷却作用がＸ方向にて片寄ることなく冷却作用の均一化を図ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。

本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、第２の実施の形態のヒートシンクの図２と同様の底面図である。図４に示すように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、遮蔽部２５の形成位置を変更している。

第２の実施の形態の遮蔽部２５は、図４にてヒートシンク２０と二点鎖線で示すボス３１とをＺ方向にて重ねて見た状態で、Ｙ方向にてボス３１の回転中心軸Ｃを挟む一方領域と他方領域とで形成位置が異なっている。具体的には、Ｙ方向にてボス３１の回転中心軸Ｃより＋Ｙ側領域（以下、単に「＋Ｙ側領域」とする）の流路２３は＋Ｘ側の端部が遮蔽部２５で遮蔽される。また、Ｙ方向にてボス３１の回転中心位置Ｃより－Ｙ側領域（以下、単に「－Ｙ側領域」とする）の流路２３は－Ｘ側の端部が遮蔽部２５で遮蔽される。

ここで、送風領域Ｓからの送風は、ファンユニット３０（羽根部材３２）の回転によって発生するものであり、本実施の形態では羽根部材３２が図４中時計回りに回転するので、当該回転に沿う方向にも送風が発生するようになる。かかるファンユニット３０の回転による送風方向は、＋Ｙ側領域では主として－Ｘ方向、－Ｙ側領域では主として＋Ｘ方向となる。これらの方向に応じて、本実施の形態では、放熱プレート２２及び流路２３の延出方向をＸ方向に設定している。そして、＋Ｙ側領域では＋Ｘ側が、－Ｙ側領域では－Ｘ側がファンユニット３０（羽根部材３２）の回転方向上流側となり、羽根部材３２による送風の上流側にもなる。各流路２３において、かかる上流側となる端部に遮蔽部２５が配置されて遮蔽され、下流側となる端部は遮蔽部２５で遮蔽されずに開放するよう形成される。

このような第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様に、流路２３の遮蔽部２５が形成された方の端部から遮蔽部２５が形成されていない方の端部に向かう空気の流れが発生する。よって、流路２３の延出方向（Ｘ方向）全てにおいて、ファンユニット３０からの風を流通させることができ、流路２３の延出方向における風量を均一化して冷却作用のばらつきを抑制することができる。

また、ボス３１に対向する領域Ａでの風量を確保する等、送風領域ＳとＺ方向に重ならない領域にも風を良好に流通させることができ、ヒートシンク２０の一部領域の冷却性能が向上し、高温化を抑制することができる。

なお、Ｙ方向に隣接して（隣り合って）遮蔽部２５の形成位置がＸ方向で反対となる２本の流路２３を１組の流路２３とした場合、本実施の形態では、ボス３１の回転中心軸Ｃ付近を通過する２本の流路２３だけが１組の流路２３となる。かかる１組の隣接する流路２３は、ファンユニット３０の回転による送風方向が開放し、送風方向下流側になる端部は遮蔽されている。

本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

上記実施の形態では、全ての流路２３に遮蔽部２５を設けたが、これに限られるものでなく、ボス３１に開口する流路２３だけに遮蔽部２５を設ける等、少なくとも１本の流路２３に遮蔽部２５を設ける構成としてもよい。

また、遮蔽部２５の形成位置は、種々の変更が可能であり、Ｙ方向に並ぶ流路２３の複数本（例えば、２～４本等）毎に、＋Ｘ側端部と－Ｘ側端部とで形成位置を交互に変えるようにしてもよい。

また、遮蔽部２５の形成位置は、図５に示すように変更してもよい。図５にて、ボス３１に開口する複数組の隣接する流路２３にあっては、第１の実施の形態と同様に形成される。一方、ボス３１に開口しない複数の流路２３にあっては、ヒートシンク２０における並び方向（Ｙ方向）の両端領域それぞれにて、第２の実施の形態と同様に形成される。従って、Ｙ方向の両端領域におけるボス３１に開口しない複数の流路２３は、ファンユニット３０の回転による送風方向上流側となる端部（一端）が遮蔽部２５で遮蔽され、下流側となる端部（他端）が当該送風方向に開放している。なお、ボス３１に開口して隣接する流路２３の組数は、特に限定されるものでなく、１組でも複数組でもよい。

また、ボス３１の形状は、円錐台或いは円錐台と円柱とを組み合わせた形状にする等、変更してもよい。

１ パワエレユニット
１０ 半導体素子（発熱体）
２０ ヒートシンク（冷却装置）
２１ ベース
２２ 放熱プレート
２３ 流路
２５ 遮蔽部
３０ ファンユニット（冷却装置）
３１ ボス
３２ 羽根部材

Claims (4)

1. 発熱体が接触するベースと、
   当該ベースから平行に立設する複数の放熱プレートと、
   複数の遮蔽部と、
   当該放熱プレートの開口側に配設される、ボスおよび当該ボスに接続された羽根部材を有するファンユニットとを備えた冷却装置であって、
   隣り合う前記複数の放熱プレートの間に流路が形成され、
   前記ボスに開口する少なくとも１組の隣接する前記流路を有し、当該１組の隣接する前記流路の一方は一端が前記遮蔽部で遮蔽され、他方は他端が前記遮蔽部で遮蔽され、
   前記複数の放熱プレート全てと前記複数の遮蔽部全てとは、該放熱プレートの立設方向から見て、１本の矩形波状に延出して形成されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記１組の隣接する前記流路は、前記ファンユニットの回転による送風方向が開放していることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ボスに開口しない前記流路を複数有し、当該流路は一端が遮蔽され、他端が前記ファンユニットの回転による送風方向に開放していることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
4. 並び方向における両端領域の前記流路は、前記ファンユニットの回転による送風方向上流側の一端が遮蔽されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷却装置。

Images