JPWO2015177909A1 - 液冷ヒートシンク - Google Patents

Abstract

本発明は、冷媒の通過可能な流路空間１ａが内部に形成された箱体形状を呈し、流路空間１ａに冷媒を流入させる流入口１ｂと冷媒を流出させる流出口１ｃが形成された本体１と、流入口１ｂ側から流出口１ｃ側に向けて延びるように本体１の流路空間１ａ側に立設された複数の冷却フィン５と、を備え、本体のうち、平面視において冷却フィン５を覆う領域および冷却フィン５よりも流入口１ｂ側を覆う領域を含む領域に第１の開口９が形成され、第１の開口９を塞ぐとともに、冷却フィン５よりも流入口１ｂ側を覆う領域に第２の開口２ａが形成された第１のカバー２と、第２の開口２ａを通して流路空間１ａに挿抜可能な冷媒拡散部材４と、をさらに備える。

Description

本発明は、液冷ヒートシンクに関する。

一般的な電力変換装置の液冷ヒートシンクは、アルミや銅などの熱伝導率の高い金属で形成され、冷媒（例えば液体冷媒）が通過可能な冷媒流路となる空間（以下、流路空間という）が内部に形成されている。流路空間には、冷媒の通過方向に沿って延びる複数の冷却フィンが、冷却フィンの延びる方向と垂直な方向に並べて設けられている。

パワーモジュール等の各種電力用半導体素子が液冷ヒートシンクに取り付けられ（以下、各種電力用半導体素子の代表例としてパワーモジュールを例に説明する）、パワーモジュールから発生した熱がヒートシンクのベース板で拡散されるとともに、冷却フィンに熱伝導される。

ここで、流路空間の幅よりも、流路空間への冷媒の流入口の幅が小さい場合、流路空間において冷媒の流量が少なくなる領域が生じ、冷却フィンの熱交換能力に偏りが発生しやすくなる。そこで、例えば特許文献１，２には、流路空間の内部に、流入口から流入した冷媒の流れを拡散させる冷媒拡散部材を設ける構成が開示されている。

特開２０１１−１３４９７９号公報 特開２００６−３３６９０２号公報

液冷ヒートシンクでは、取り付けられるパワーモジュールの数や発熱量、配置等に合わせて、流路空間における冷媒の流量の分布を調整する場合がある。しかしながら、上記の従来技術では、冷媒拡散部材の交換が難しいため、流量の分布の調整も困難であった。そのため、パワーモジュールの数や発熱量を変化させた場合に、液冷ヒートシンクごと交換しなければならず、コストの増加を招くという問題があった。また、冷却フィンで目詰まりが発生した場合のメンテナンスも困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、取り付けられるパワーモジュール等の数や発熱量に合わせて、流路空間における流量の分布の調整がしやすく、メンテナンス性の向上も図ることができる液冷ヒートシンクを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒の通過可能な流路空間が内部に形成された箱体形状を呈し、流路空間に冷媒を流入させる流入口と冷媒を流出させる流出口が形成された本体と、流入口側から流出口側に向けて延びるように本体の流路空間側に立設された複数の冷却フィンと、を備え、本体のうち、平面視において冷却フィンを覆う領域および冷却フィンよりも流入口側を覆う領域を含む領域に第１の開口が形成され、第１の開口を塞ぐとともに、冷却フィンよりも流入口側を覆う領域に第２の開口が形成された第１のカバーと、第２の開口を通して流路空間に挿抜可能な冷媒拡散部材と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明にかかる液冷ヒートシンクは、取り付けられるパワーモジュール等の数や発熱量に合わせて、流路空間における流量の分布の調整がしやすく、メンテナンス性の向上も図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる液冷ヒートシンクの概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って見た斜視図である。 図３は、図１に示すＢ−Ｂ線に沿って見た斜視図である。 図４は、ヒートシンクカバーの斜視図である。 図５は、冷媒拡散部材の一例を示す図である。 図６は、冷媒拡散部材の他の例を示す図である。 図７は、拡散部材取付板の他の例を示す図である。 図８は、拡散部材取付板のさらに他の例を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態２にかかる液冷ヒートシンクの概略構成を示す斜視図である。 図１０は、ヒートシンクカバーの斜視図である。 図１１は、冷媒拡散部材の斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる液冷ヒートシンクを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる液冷ヒートシンクの概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って見た斜視図である。図３は、図１に示すＢ−Ｂ線に沿って見た斜視図である。

液冷ヒートシンク２０は、ヒートシンクベース（本体）１、ヒートシンクカバー（第１のカバー）２、冷却フィン５を備える。ヒートシンクベース１、ヒートシンクカバー２、冷却フィン５は、銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い材料で構成される。ヒートシンクベース１は、天面に開口（第１の開口）９が形成された箱型形状を呈する。箱型形状を呈するヒートシンクベース１の内部は、冷媒が通過可能な流路空間１ａとなる。ヒートシンクベース１の外部となる底面には、発熱部品であるパワーモジュール６が結合される。

ヒートシンクベース１の互いに対向する一方の面には冷媒が流入する流入口１ｂが形成され、他方の面には冷媒が流出する流出口１ｃが形成される。流路空間１ａでは、流入口１ｂから流出口１ｃに向けて冷媒が通過する。ヒートシンクベース１の内部となる底面（流路空間１ａの底面）には、流入口１ｂが形成された面から流出口１ｃが形成された面に向けて延びる複数の冷却フィン５が立設されている。複数の冷却フィン５は、冷却フィン５の延びる方向と垂直な方向に並べて配置されている。複数の冷却フィン５同士は、互いに平行かつ一定間隔に設けられる。流入口１ｂには、冷媒が流入する冷媒流入管７が接続される。流出口１ｃには、冷媒が流出する冷媒流出管８が接続される。なお、開口９は、平面視において、少なくとも冷却フィン５よりも流入口１ｂを覆う領域および冷却フィン５を覆う領域を含んだ領域に形成される。

図４は、ヒートシンクカバー２の斜視図である。ヒートシンクカバー２は、板状形状を呈する。ヒートシンクカバー２は、ヒートシンクベース１の天面に形成された開口を塞ぐ。ヒートシンクカバー２は、ヒートシンクベース１にネジ等で締結され、流路空間１ａの壁面の一部を構成する。ヒートシンクベース１とヒートシンクカバー２の間から冷媒が漏れることを防ぐため、ヒートシンクベース１とヒートシンクカバー２との間にはガスケット９ａが挟み込まれる。

ヒートシンクカバー２のうち、冷却フィン５よりも流入口１ｂ側となる領域を覆う部分には、拡散部材取付孔（第２の開口）２ａが形成される。拡散部材取付孔２ａは、拡散部材取付板（第２のカバー）３によって塞がれる。拡散部材取付板３は、ヒートシンクカバー２にネジ等で締結され、流路空間１ａの壁面の一部を構成する。拡散部材取付板３とヒートシンクカバー２との間には、ガスケット９ｂが挟み込まれる。

拡散部材取付板３のうち、流路空間１ａ側となる面には、複数の冷媒拡散部材４を任意の配置・数量で設けることが可能となっている。一般的に、流路空間１ａの幅よりも流入口１ｂや流出口１ｃの径のほうが小さく、流入口１ｂと流出口１ｃとを結ぶ領域で冷媒の流量が大きくなりやすく、その領域から離れるほど冷媒の流量が小さくなりやすい。すなわち、流路空間１ａ内において冷媒の流量に偏りが生じやすくなっている。冷媒拡散部材４は、流量に偏りが生じやすい流路空間１ａ内において、冷媒の流量の調整を行うための部材である。

ここで、冷媒拡散部材４の形状は種々考えられる。図５は、冷媒拡散部材４の一例を示す図である。図５では、複数の孔が形成された板材を冷媒拡散部材４とし拡散部材取付板３に取り付けている。また、形成された孔の形状が異なる二種類の冷媒拡散部材４を用いている。

図５において、冷媒は矢印αで示す方向に通過する。冷媒拡散部材４に形成される孔の形状は丸孔、角孔等の様々な形状が選択可能である。また、１枚の冷媒拡散部材４において異なる形状の孔を組み合わせて形成してもよい。また、孔の大きさは、流入口１ｂと流出口１ｃとを結ぶ領域に近い部分ほど小さくなっており、その領域から離れるほど大きくなっている。すなわち、流入口１ｂと流出口１ｃとを結ぶ領域に近い部分ほど冷媒が通過しにくくなっている。これにより、流路空間１ａの全体で、冷媒の流量の均一化を図ることが可能となる。これにより、液冷ヒートシンク２０の全体で、冷却効果の均一性の向上を図ることができる。なお、図５に示すように、孔を形成しない領域を設けてもよい。

また、ヒートシンクカバー２から拡散部材取付板３を取り外すことで、冷媒拡散部材４のメンテナンスや交換を容易に行うことが可能となる。これにより、冷媒拡散部材４の種類や数を変更して行う冷媒の流量の調整の容易化を図ることができる。また、ヒートシンクカバー２を取り外せば、流路空間１ａのほとんどの領域が解放されるため、冷却フィン５の目詰まり等の解消も容易に行うことができる。

図６は、冷媒拡散部材４の他の例を示す図である。図６では、多角形状の複数の冷媒拡散部材４が拡散部材取付板３に取り付けられている。複数の冷媒拡散部材４全体で、流入口１ｂと流出口１ｃとを結んだ領域を頂点として、流入口１ｂ側に凸となる配置を採用することで、幅方向（冷却フィン５の並ぶ方向）に冷媒を拡散させることが可能となる。

なお、拡散部材取付板３への冷媒拡散部材４の取付方法は、着脱容易であり、複数の冷媒拡散部材４の配置の自由度が高いことが好ましい。図７は、拡散部材取付板３の他の例を示す図である。図７では、拡散部材取付板３に複数の突起１０が一定間隔で配置されている。冷媒拡散部材４には、突起１０が嵌る穴（図示を省略）が設けられる。突起１０と穴との嵌め合いにより、冷媒拡散部材４が拡散部材取付板３に固定される。

図８は、拡散部材取付板３のさらに他の例を示す図である。図８では、拡散部材取付板３に複数の溝１１が設けられる。冷媒拡散部材４を溝１１に嵌め込むことで、冷媒拡散部材４が拡散部材取付板３に固定される。

なお、上述した例では、液冷ヒートシンク２０における冷却効果の均一性を図っているが、冷媒拡散部材４に形成される孔や、冷媒拡散部材４の配置を変えることで、意図的に流路空間１ａでの冷媒の流量を偏らせることも可能となる。例えば、より発熱量の大きいパワーモジュール６が配置される領域や、他の領域よりも多くのパワーモジュール６が配置される領域で、冷媒の流量が大きくなるようにしてもよい。例えば、流量の大きくしたい部分では、冷媒拡散部材４に形成される孔の大きさを大きくすればよい。

また、拡散部材取付板３に取り付けられる冷媒拡散部材４を交換すれば冷媒の流量の分布を調整することができるので、流量分布の調整の容易化を図るとともに、液冷ヒートシンク２０の汎用性を高めてコストの抑制を図ることができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかる液冷ヒートシンク２５の概略構成を示す斜視図である。図１０は、ヒートシンクカバー２２の斜視図である。図１１は、冷媒拡散部材２４の斜視図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態２では、図１０に示すように、ヒートシンクカバー（第１のカバー）２２に、板状の冷媒拡散部材２４を挿入可能な複数のスリット（第２の開口）１２が形成されている。冷媒拡散部材２４のうち、スリット１２の内側にはまり込む部分には、ガスケット９ｃが設けられる。スリット１２と冷媒拡散部材２４との間にガスケットを挟み込むことで、スリット１２からの冷媒の漏れを防いでいる。

スリット１２の一部には、冷媒拡散部材２４を引き抜く際に冷媒拡散部材２４をつかみやすくするための凹み１３が形成されている。

本実施の形態２では、スリット１２を通して冷媒拡散部材２４を直接挿抜できるので、冷媒拡散部材２４の交換やメンテナンスがより一層容易になっている。これにより、流路空間１ａ（図３も参照）での流量分布の調整のより一層の容易化を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる液冷ヒートシンクは、パワーモジュール等の発熱部品の冷却に有用である。

１ ヒートシンクベース（本体）、１ａ 流路空間、１ｂ 流入口、１ｃ 流出口、２ ヒートシンクカバー（第１のカバー）、２ａ 拡散部材取付孔（第２の開口）、３ 拡散部材取付板（第２のカバー）、４ 冷媒拡散部材、５ 冷却フィン、６ パワーモジュール、７ 冷媒流入管、８ 冷媒流出管、９ 開口（第１の開口）、９ａ，９ｂ，９ｃ ガスケット、１０ 突起、１１ 溝、１２ スリット（第２の開口）、１３ 凹み、２０，２５ 液冷ヒートシンク、２２ ヒートシンクカバー（第１のカバー）、２４ 冷媒拡散部材。

Claims (5)

1. 冷媒の通過可能な流路空間が内部に形成された箱体形状を呈し、前記流路空間に冷媒を流入させる流入口と前記冷媒を流出させる流出口が形成された本体と、
   前記流入口側から前記流出口側に向けて延びるように前記本体の前記流路空間側に立設された複数の冷却フィンと、を備え、
   前記本体のうち、平面視において前記冷却フィンを覆う領域および前記冷却フィンよりも前記流入口側を覆う領域を含む領域に第１の開口が形成され、
   前記第１の開口を塞ぐとともに、前記冷却フィンよりも前記流入口側を覆う領域に第２の開口が形成された第１のカバーと、
   前記第２の開口を通して前記流路空間に挿抜可能な冷媒拡散部材と、をさらに備えることを特徴とする液冷ヒートシンク。
2. 前記第２の開口を塞ぐ第２のカバーをさらに備え、
   前記冷媒拡散部材は、前記第２のカバーに固定されることを特徴とする請求項１に記載の液冷ヒートシンク。
3. 複数の前記冷媒拡散部材が前記第２のカバーに固定されることを特徴とする請求項２に記載の液冷ヒートシンク。
4. 前記冷媒拡散部材は板状形状を呈し、
   前記第２の開口は、前記冷媒拡散部材を挿抜可能なスリットであることを特徴とする請求項１に記載の液冷ヒートシンク。
5. 複数の前記スリットが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の液冷ヒートシンク。

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