KR101496493B1 - 액냉식 냉각 장치 - Google Patents

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다이조 구리바야시
시노부 다무라
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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

액냉식 냉각 장치(1)의 케이싱(2)은, 서로 대향하는 우측벽(6) 및 좌측벽(7)을 갖는 둘레벽(5)을 구비하고 있다. 우측벽(6)의 일단부에 냉각액 입구(11)를 형성하고, 좌측벽(7)의 타단부에 냉각액 출구(12)를 형성한다. 케이싱(2) 내에 있어서의 양 측벽(6, 7) 사이이고 또한 냉각액 입구(11)와 냉각액 출구(12) 사이의 위치에, 냉각액이 양 측벽(6, 7)의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로(18)로 이루어지는 병렬 유로 부분(19)을 설치한다. 케이싱(2) 내의 병렬 유로 부분(19)보다도 상류측의 부분이 입구 헤더부(21)이고, 케이싱(2) 내의 병렬 유로 부분(19)보다도 하류측의 부분이 출구 헤더부(22)이다. 입구 헤더부(21)의 유로 단면적을, 냉각액 입구(11)측으로부터 좌측벽(7)측을 향해 작게 한다. 출구 헤더부(22)의 형상을, 입구 헤더부(21)의 형상과는 병렬 유로 부분(19)의 폭 방향으로 비대칭으로 한다. 이 액냉식 냉각 장치(1)에 따르면, 복수의 유로(18)가 병렬 형상으로 형성된 병렬 유로 부분(19)의 폭 방향의 유속 분포를 균일화할 수 있다.

Description

액냉식 냉각 장치 {LIQUID-COOLED COOLING DEVICE}
본 발명은, 예를 들어 차량 등의 반도체 전력 변환 장치에 적용되고, 반도체 소자 등의 발열체를 냉각하는 액냉식 냉각 장치에 관한 것이다.
본 명세서 및 특허 청구 범위에 있어서,「병렬 유로 부분의 폭」이라 함은 병렬 유로 부분에 설치되어 있는 유로의 길이 방향과 직교하는 방향의 폭을 의미하고,「입구 헤더부의 유입 단부의 폭」및「출구 헤더부의 폭」이라 함은 병렬 유로 부분에 설치되어 있는 유로의 길이 방향의 폭을 의미하는 것으로 한다.
종래, 이러한 종류의 액냉식 냉각 장치로서, 서로 대향하는 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비한 둘레벽을 갖고, 또한 제1 측벽의 일단부에 냉각액 입구가 형성되는 동시에, 제2 측벽의 타단부에 냉각액 출구가 형성된 케이싱을 구비하고 있고, 케이싱 내에 있어서의 제1 및 제2 측벽 사이이고 또한 냉각액 입구와 냉각액 출구 사이의 위치에, 냉각액이 제1 및 제2 측벽의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로로 이루어지는 병렬 유로 부분이 설치되고, 케이싱 내에 있어서의 병렬 유로 부분보다도 상류측의 부분이 냉각액 입구로 통하는 입구 헤더부로 이루어지는 동시에, 병렬 유로 부분보다도 하류측의 부분이 냉각액 출구로 통하는 출구 헤더부로 이루어지고, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이가 동등하게 되어 있는 동시에, 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 단면 형상이 사각형이고, 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 폭이 각각 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 액냉식 냉각 장치가 알려져 있다.
상술한 구성의 액냉식 냉각 장치의 경우, 병렬 유로 부분의 폭에 대한 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 폭의 비율을 충분히 크게 한 경우, 병렬 유로 부분의 폭 방향의 유속 분포가 균일해져, 충분한 냉각 성능이 확보된다.
그러나, 최근에는 액냉식 냉각 장치의 소형화가 요구되고, 상술한 구성의 액냉식 냉각 장치에 있어서, 병렬 유로 부분의 폭에 대한 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 폭의 비율을 충분히 크게 할 수 없게 되어 있다. 그 결과, 병렬 유로 부분의 폭 방향의 유속 분포가 불균일해져, 유속이 저하된 부분에 있어서 냉각 성능이 저하된다는 문제가 있다.
따라서, 이와 같은 문제를 해결한 액냉식 냉각 장치로서, 서로 대향하는 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비한 둘레벽을 갖고, 또한 제1 측벽의 일단부에 냉각액 입구가 형성되는 동시에, 제2 측벽의 타단부에 냉각액 출구가 형성된 케이싱을 구비하고 있고, 케이싱 내에 있어서의 제1 및 제2 측벽 사이이고 또한 냉각액 입구와 냉각액 출구 사이의 위치에, 냉각액이 제1 및 제2 측벽의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로로 이루어지는 병렬 유로 부분이 설치되고, 케이싱 내에 있어서의 병렬 유로 부분보다도 상류측의 부분이 냉각액 입구로 통하는 입구 헤더부로 이루어지는 동시에, 병렬 유로 부분보다도 하류측의 부분이 냉각액 출구로 통하는 출구 헤더부로 이루어지고, 입구 헤더부의 유로 단면적이 냉각액 입구로부터 제2 측벽측을 향해 작게 되어 있는 동시에, 출구 헤더부의 유로 단면적이, 냉각액 출구로부터 제1 측벽측을 향해 작게 되어 있고, 입구 헤더부와 출구 헤더부의 형상이 병렬 유로 부분의 폭 방향으로 대칭으로 되어 있는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
그러나, 특허문헌 1에 기재된 액냉식 냉각 장치에 있어서도, 전체 유로의 유속 분포의 균일화가 충분하지 않고, 유속이 저하된 부분이 발생하여 그 부분에서의 냉각 성능의 저하를 저지할 수는 없다. 게다가, 유통 저항이 커질 가능성이 있다.
특허문헌 1 : 일본공개특허 제2006-295178호 공보
본 발명의 목적은 상기 문제를 해결하고, 복수의 유로가 병렬 형상으로 형성된 병렬 유로 부분의 폭 방향의 유속 분포를 균일화할 수 있는 액냉식 냉각 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 이하의 형태로 이루어진다.
1) 서로 대향하는 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비한 둘레벽을 갖고, 또한 제1 측벽의 일단부에 냉각액 입구가 형성되는 동시에, 제2 측벽의 타단부에 냉각액 출구가 형성된 케이싱을 구비하고 있고, 케이싱 내에 있어서의 제1 및 제2 측벽 사이이고 또한 냉각액 입구와 냉각액 출구 사이의 위치에, 냉각액이 제1 및 제2 측벽의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로로 이루어지는 병렬 유로 부분이 설치되고, 케이싱 내에 있어서의 병렬 유로 부분보다도 상류측의 부분이 냉각액 입구로 통하는 입구 헤더부로 이루어지는 동시에, 병렬 유로 부분보다도 하류측의 부분이 냉각액 출구로 통하는 출구 헤더부로 이루어져 있는 액냉식 냉각 장치이며,
입구 헤더부의 유로 단면적이 냉각액 입구측으로부터 제2 측벽측을 향해 작게 되어 있고, 출구 헤더부의 형상이 입구 헤더부의 형상과는 병렬 유로 부분의 폭 방향으로 비대칭으로 되어 있는 액냉식 냉각 장치.
2) 출구 헤더부에 있어서의 케이싱의 제1 측벽측의 일부분의 유로 단면적이, 제2 측벽측으로부터 제1 측벽측을 향해 작게 되어 있고, 출구 헤더부의 나머지 부분의 유로 단면적이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 상기 1)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
3) 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이가 동등하게 되어 있는 상기 2)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
4) 케이싱의 둘레벽이 제1 측벽 및 제2 측벽의 냉각액 입구측 단부끼리를 연결하는 제3 측벽과, 제1 측벽 및 제2 측벽의 냉각액 출구측 단부끼리를 연결하는 제4 측벽을 갖고, 제3 측벽의 내면이 제1 측벽측으로부터 제2 측벽측을 향해 병렬 유로 부분측으로 경사져 있는 상기 3)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
5) 출구 헤더부에 있어서의 케이싱의 제1 측벽측의 일부분에 있어서, 케이싱의 제4 측벽의 내면이, 제2 측벽측으로부터 제1 측벽측을 향해 병렬 유로 부분측으로 경사져 있고, 출구 헤더부의 나머지 부분에 있어서, 케이싱의 제4 측벽의 내면이 제1 측벽 및 제2 측벽의 내면과 직각을 이루고 있는 상기 4)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
6) 입구 헤더부의 유입 단부의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부에 있어서의 제4 측벽의 내면이 제1 측벽 및 제2 측벽의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이를 6 ㎜ 이하로 한 경우, a/b ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 상기 4)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
7) 출구 헤더부의 유로 단면적이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 상기 1)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
8) 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이가 동등하게 되어 있고, 출구 헤더부의 폭이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 상기 7)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
9) 케이싱의 둘레벽이 제1 측벽 및 제2 측벽의 냉각액 입구측 단부끼리를 연결하는 제3 측벽과, 제1 측벽 및 제2 측벽의 냉각액 출구측 단부끼리를 연결하는 제4 측벽을 갖고, 제3 측벽의 내면이 제1 측벽측으로부터 제2 측벽측을 향해 병렬 유로 부분측으로 경사져 있는 상기 8)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
10) 입구 헤더부의 유입 단부의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이를 6 ㎜ 이하로 한 경우, a/b ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 상기 7)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
11) 입구 헤더부의 유입 단부의 높이를 h ㎜, 입구 헤더부의 유입 단부의 폭을 a ㎜로 하고, 병렬 유로 부분의 높이를, 입구 헤더부의 유입 단부의 높이와 동등한 h ㎜로 하고, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜로 한 경우, a × h로 나타내어지는 입구 헤더부의 유입 단부의 단면적 A와, b × h로 나타내어지는 병렬 유로 부분의 단면적 B는 A/B ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 상기 2) 또는 7)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
12) 저벽, 저벽으로부터 수직 방향으로 연장 설치되는 제1 측벽, 저벽으로부터 수직 방향으로 연장 설치되는 동시에, 제1 측벽과 대향하는 제2 측벽, 저벽과 대향하는 동시에 제1 측벽 및 제2 측벽에 연결되는 정상벽, 저벽과 정상벽을 연결하는 동시에 일단부가 제2 측벽의 일단부에 연결되는 제3 측벽, 저벽과 정상벽을 연결하는 동시에 일단부가 제1 측벽의 일단부에 연결되는 제4 측벽, 제1 측벽의 타단부와 제3 측벽의 타단부를 연결하는 냉각액 입구 및 제2 측벽의 타단부와 제4 측벽의 타단부를 연결하는 냉각액 출구로 구성되고, 또한 제3 측벽의 형상과 제4 측벽의 형상이 다른 케이싱과,
케이싱 내에 설치되고, 또한 냉각액이 제1 측벽 및 제2 측벽의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로를 갖는 병렬 유로 부분을 구비하고 있는 액냉식 냉각 장치.
13) 제4 측벽의 제1 측벽측의 일부분은, 제1 측벽의 일단부와 제2 측벽의 타단부를 연결하는 최단의 가상선과의 거리가 제1 측벽으로부터 멀어짐에 따라서 넓어지고, 제4 측벽의 다른 부분은 제1 측벽의 일단부와 제2 측벽의 타단부를 연결하는 최단의 가상선과 평행인 상기 12)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
14) 제3 측벽은, 제1 측벽의 타단부와 제2 측벽의 일단부를 연결하는 최단의 가상선과의 거리가 제2 측벽으로부터 멀어짐에 따라서 넓어져 있는 상기 13)에 기재된 액냉식 냉각 장치.
상기 1) 내지 14)의 액냉식 냉각 장치에 따르면, 입구 헤더부의 유로 단면적이 냉각액 입구측으로부터 제2 측벽측을 향해 작게 되어 있고, 출구 헤더부의 형상이 입구 헤더부의 형상과는 병렬 유로 부분의 폭 방향으로 비대칭으로 되어 있으므로, 복수의 유로가 병렬 형상으로 형성된 병렬 유로 부분의 폭 방향의 유속 분포를 균일화하는 것이 가능해진다. 따라서, 유속이 저하되는 것에 기인하는 냉각 성능이 저하된 부분의 발생을 방지할 수 있다. 게다가, 유통 저항의 증가를 방지할 수 있다.
상기 5)의 액냉식 냉각 장치에 따르면, 출구 헤더부의 제1 측벽측 단부에서의 와류의 발생을 방지할 수 있으므로, 냉각액의 병렬 유로 부분으로의 역류를 방지할 수 있다.
상기 6), 10) 및 11)의 액냉식 냉각 장치에 따르면, 복수의 유로가 병렬 형상으로 형성된 병렬 유로 부분의 폭 방향의 유속 분포를 한층 효과적으로 균일화하는 것이 가능해진다. 따라서, 유속이 저하되는 것에 기인하는 냉각 성능이 저하된 부분의 발생을 확실하게 방지할 수 있다. 게다가, 유통 저항의 증가를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 도 2의 B-B선 단면도이다.
도 4는 도 3의 C-C선 단면도이다.
도 5는 제1 실험예 및 제1 비교 실험예의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제2 실험예 및 제2 비교 실험예의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태의 액냉식 냉각 장치를 도시하는 도 3 상당의 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
이하의 설명에 있어서, 도 2의 상하, 좌우를 상하, 좌우라 하는 것으로 하고, 도 3 및 도 7의 하측을 전방, 상측을 후방이라 하는 것으로 한다.
또한, 이하의 설명에 있어서,「알루미늄」으로 하는 용어에는, 순알루미늄 외에 알루미늄 합금을 포함하는 것으로 한다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태는 도 1 내지 도 4에 도시하는 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치에, 발열체인 반도체 소자가 장착된 상태를 도시한다.
도 1 내지 도 4에 있어서, 액냉식 냉각 장치(1)는 정상벽(3), 저벽(4) 및 둘레벽(5)으로 이루어지는 케이싱(2)을 구비하고 있고, 케이싱(2)의 둘레벽(5)은 전후 방향으로 신장하는 수직 형상의 우측벽(6)(제1 측벽), 전후 방향으로 신장하는 동시에 우측벽(6)과 대향하는 수직 형상의 좌측벽(7)(제2 측벽), 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 후단부끼리를 연결하는 수직 형상의 후방측벽(8)(제3 측벽), 및 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 전단부끼리를 연결하는 수직 형상의 전방측벽(9)(제4 측벽)으로 이루어진다. 케이싱(2)의 둘레벽(5)에 있어서의 우측벽(6)의 후단부에 냉각액 입구(11)가 우측 방향으로 돌출하도록 형성되고, 좌측벽(7)의 전단부에 냉각액 출구(12)가 좌측 방향으로 돌출하도록 형성되어 있다. 냉각액 입구(11)는 우측 방향으로 개방되고, 냉각액 출구(12)는 좌측 방향으로 개방되어 있다. 즉, 냉각액 입구(11)는 우측벽(6)의 후단부(타단부)와 후방측벽(8)의 우측벽(6)측의 단부(타단부)를 연결하고, 냉각액 출구(12)는 좌측벽(7)의 전단부(타단부)와 전방측벽(9)의 좌측벽(7)측의 단부(타단부)를 연결한다. 케이싱(2)은 정상벽(3) 및 둘레벽(5)의 상반부를 형성하는 상측 둘레벽 형성부(5A)로 이루어지는 알루미늄제 상측 구성 부재(13)와, 저벽(4) 및 둘레벽(5)의 하반부를 형성하는 하측 둘레벽 형성부(5B)로 이루어지는 알루미늄제 하측 구성 부재(14)로 이루어진다. 상측 구성 부재(13)의 상측 둘레벽 형성부(5A)의 하단부, 및 하측 구성 부재(14)의 하측 둘레벽 형성부(5B)의 상단부에 각각 외향 플랜지(15)(16)가 일체로 형성되어 있고, 양 구성 부재(13)(14)의 외향 플랜지(15)(16)끼리가 납땜되어 있다.
케이싱(2) 내에 있어서의 우측벽(6)과 좌측벽(7) 사이이고 또한 냉각액 입구(11)와 냉각액 출구(12) 사이의 부분에, 파형 정상부(17a), 파형 저부(17b) 및 파형 정상부(17a)와 파형 저부(17b)를 연결하는 수직 형상 연결부(17c)로 이루어지는 알루미늄제의 코러게이트핀(corrugate fin)(17)이 배치되어 있고, 파형 정상부(17a)가 케이싱(2)의 정상벽(3)에, 파형 저부(17b)가 케이싱(2)의 저벽(4)에 각각 납땜되어 있다. 그리고, 코러게이트핀(17)에 의해, 전후 방향으로 신장하고 또한 냉각액이 전후 방향[우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 길이 방향]으로 흐르는 복수의 유로(18)가 좌우 방향으로 늘어서서 형성되어 있고, 이에 의해 복수의 유로로 이루어지는 병렬 유로 부분(19)이 설치되어 있다.
케이싱(2) 내에 있어서의 병렬 유로 부분(19)보다도 상류측(후방측)의 부분이 냉각액 입구(11)로 통하는 입구 헤더부(21)로 이루어지는 동시에, 병렬 유로 부분(19)보다도 하류측(전방측)의 부분이 냉각액 출구(12)로 통하는 출구 헤더부(22)로 이루어져 있다. 케이싱(2) 전체의 내부 높이, 즉 입구 헤더부(21), 출구 헤더부(22) 및 병렬 유로 부분(19)의 높이는 동등하게 되어 있다. 케이싱(2)의 후방측벽(8)의 전체, 즉 후방측벽(8)의 내면은, 우측벽(6)측으로부터 좌측벽(7)측을 향해 전방측[병렬 유로 부분(19)측]으로 매끄럽게 경사져 있다. 그 결과, 입구 헤더부(21)의 유로 단면적이 냉각액 입구(11)측으로부터 좌측벽(7)측을 향해 작게 되어 있다. 즉, 후방측벽(8)은 우측벽(6)의 후단부(타단부)와 좌측벽(7)의 후단부(일단부)를 연결하는 최단의 가상선과의 거리가 좌측벽(7)으로부터 멀어짐에 따라서 넓어진다. 또한, 출구 헤더부(22)에 있어서의 우측벽(6)으로부터 20 ％ 이하의 길이 부분에 있어서, 전방측벽(9)의 전체, 즉 전방측벽(9)의 내면은 좌측벽(7)측으로부터 우측벽(6)측을 향해 후방측[병렬 유로 부분(19)측]으로 경사져 있고, 출구 헤더부(22)의 나머지 부분에 있어서, 전방측벽(9)의 전체, 즉 전방측벽(9)의 내면은 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있다. 그 결과, 출구 헤더부(22)에 있어서의 케이싱(2)의 우측벽(6)측의 일부분, 예를 들어 우측벽(6)측으로부터 20 ％ 이하의 길이 부분의 유로 단면적이, 좌측벽(7)측으로부터 우측벽(6)측을 향해 작게 되어 있고, 출구 헤더부(22)의 나머지 부분의 유로 단면적이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있다. 즉, 전방측벽(9)의 일부분은, 우측벽(6)의 전단부(일단부)와 좌측벽(7)의 전단부(타단부)를 연결하는 최단의 가상선과의 거리가 우측벽(6)으로부터 멀어짐에 따라서 넓어지는 동시에 전방측벽(9)의 다른 부분은, 우측벽(6)의 전단부(일단부)와 좌측벽(7)의 전단부(타단부)를 연결하는 최단의 가상선과 평행이 된다. 또한, 출구 헤더부(22)의 형상은 입구 헤더부(21)와는 좌우 방향[병렬 유로 부분(19)의 폭 방향]으로 비대칭으로 되어 있다. 즉, 후방측벽(8)의 형상과 전방측벽(9)의 형상은 다르다.
도 4에 도시한 바와 같이, 입구 헤더부(21)에 있어서의 냉각액 입구(11)로 통하는 우측벽(6)측의 유입 단부(21a)의 형상, 및 출구 헤더부(22)에 있어서의 전방측벽(9)의 내면이 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 단면 형상은 사각형이고, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭(전후 방향의 폭)과, 출구 헤더부(22)에 있어서의 전방측벽(9)의 내면이 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 폭(전후 방향의 폭)은 동등하게 되어 있다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 병렬 유로 부분(19)의 단면 형상은 사각형이다. 그리고, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부(22)에 있어서의 전방측벽(9)의 내면이 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분(19)의 폭(좌우 방향의 폭)을 b ㎜, 입구 헤더부(21), 출구 헤더부(22) 및 병렬 유로 부분(19)의 높이를 6 ㎜ 이하로 한 경우, a/b ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 높이를 h ㎜, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭을 a ㎜로 하고, 병렬 유로 부분(19)의 높이를 h ㎜로 하고, 병렬 유로 부분(19)의 폭을 b ㎜로 한 경우, a × h로 나타내어지는 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 단면적 A와, b × h로 나타내어지는 병렬 유로 부분(19)의 단면적 B는 A/B ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다.
발열체인 반도체 소자(P)는, 판 형상 절연 부재(I)를 통해 케이싱(2)의 정상벽(3) 외면에 접합되어 있다.
상기 구성의 액냉식 냉각 장치(1)에 있어서, 냉각액 입구(11)로부터 유입 단부(21a)를 통해 입구 헤더부(21) 내에 유입된 냉각액은, 병렬 유로 부분(19)의 전체 유로(18)에 균일하게 분류되고, 전체 유로(18) 내를 전방으로 흐른다. 이때, 케이싱(2)의 후방측벽(8)의 전체, 즉 후방측벽(8)의 내면이 우측벽(6)측으로부터 좌측벽(7)측을 향해 전방측으로 매끄럽게 경사지고, 그 결과 입구 헤더부(21)의 유로 단면적이 냉각액 입구(11)측으로부터 좌측벽(7)측을 향해 작게 되어 있음으로써, 병렬 유로 부분(19)의 전체 유로(18)에서의 유속 분포, 즉 병렬 유로 부분(19)의 폭 방향의 유속 분포가 균일화된다.
병렬 유로 부분(19)의 유로(18) 내를 전방에 흐른 냉각액은, 출구 헤더부(22) 내에 들어가는 동시에, 출구 헤더부(22) 내를 좌측 방향으로 흐르고, 출구 헤더부(22)에 있어서의 좌측벽(7)측의 유출 단부(22a)를 통해 냉각액 출구(12)로부터 유출된다. 또한, 출구 헤더부(22)에 있어서의 우측벽(6)으로부터 20 ％ 이하의 길이 부분에 있어서, 전방측벽(9)의 전체, 즉 전방측벽(9)의 내면이 좌측벽(7)측으로부터 우측벽(6)측을 향해 후방측으로 경사져 있음으로써, 출구 헤더부(22)의 우측 단부에서의 와류의 발생을 방지할 수 있으므로, 출구 헤더부(22) 내에 들어간 냉각액의 병렬 유로 부분(19)의 유로(18)로의 역류를 방지하는 것이 가능해진다.
그리고, 반도체 소자(P)로부터 발생하는 열은, 절연 부재(I), 케이싱(2)의 정상벽(3) 및 코러게이트핀(17)을 거쳐 유로(18) 내를 흐르는 냉각액에 전달되어, 반도체 소자(P)가 냉각된다.
다음에, 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)를 사용하여 행한 실험예를, 비교 실험예와 함께 서술한다.
(제1 실험예)
제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)와 마찬가지인 구성을 갖고 있고, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a), 출구 헤더부(22) 및 병렬 유로 부분(19)의 높이를 6 ㎜, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부(22)에 있어서의 전방측벽(9)의 내면이 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분(19)의 폭을 b ㎜로 한 경우, a/b가 0.15 이하의 범위에서 다양하게 다른 복수의 액냉식 냉각 장치(1)를 준비했다. 또한, 각 액냉식 냉각 장치(1)에 있어서, 출구 헤더부(22)에 있어서의 우측벽(6)으로부터 20 ％의 길이 부분에 있어서, 전방측벽(9)의 전체가 좌측벽(7)측으로부터 우측벽(6)측을 향해 후방측으로 경사져 있다.
그리고, 각 액냉식 냉각 장치(1)를 사용하고, 매분 10 리터의 물을 냉각액 입구(11)로부터 유입 단부(21a)를 통해 입구 헤더부(21) 내에 유입시켜, 병렬 유로 부분(19)의 전체 유로(18)를 흐르는 물의 유속을 기초로 하여, 전체 유로(18)에서의 평균 유속, 및 각 유로(18)를 흐르는 물의 유속의 평균 유속에 대한 유속비(유속/평균 유속)를 구하고, 그 결과로부터 상기 a/b와, 상기 유속비가 최대로 된 유로(18)에 있어서의 유속비(= 최대 유속비)의 관계를 조사했다.
(제1 비교 실험예)
입구 헤더부 및 출구 헤더부의 전후 방향의 폭이 각각 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 것을 제외하고는, 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)와 마찬가지인 구성을 갖고 있고, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이를 6 ㎜, 입구 헤더부의 유입 단부의 폭(= 입구 헤더부의 폭) 및 출구 헤더부의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜로 한 경우, a/b가 다양하게 다른 복수의 액냉식 냉각 장치를 준비했다. 그리고, 각 액냉식 냉각 장치를 사용하고, 매분 10 리터의 물을 냉각액 입구로부터 유입 단부를 통해 입구 헤더부 내에 유입시켜, 병렬 유로 부분의 전체 유로를 흐르는 물의 유속을 기초로 하여, 전체 유로에서의 평균 유속, 및 각 유로를 흐르는 물의 유속의 평균 유속에 대한 유속비(유속/평균 유속)를 구하고, 그 결과로부터 상기 a/b와, 상기 유속비가 최대로 된 유로에 있어서의 유속비(= 최대 유속비)의 관계를 조사했다.
그 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타내는 결과로부터, 제1 실험예에서 사용한 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)에 있어서는, 병렬 유로 부분(19)의 폭에 대한 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 전후 방향의 폭, 및 출구 헤더부(22)에 있어서의 전방측벽(9)의 내면이 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 전후 방향의 폭의 비율이 작고, 상기 a/b가 0.15 이하인 경우라도, 각 유로(18)를 흐르는 물의 유속의 평균 유속으로부터의 편차가 작고, 전체 유로(18)를 흐르는 물의 유속 분포가 균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 병렬 유로 부분(19)의 폭에 대해, 케이싱(2)의 전후 방향의 치수를 작게 하는 것이 가능해져, 액냉식 냉각 장치(1)의 소형화를 도모할 수 있다.
이에 반해, 제1 비교 실험예에서 사용한 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 폭이 각각 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 액냉식 냉각 장치의 경우에는, 상기 a/b가 크면, 각 유로를 흐르는 물의 유속의 평균 유속으로부터의 편차는 작으나, 상기 a/b가 0.15 이하가 되면, 상기 편차가 현저하게 커진 유로가 존재하게 되어, 전체 유로를 흐르는 물의 유속 분포가 불균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 병렬 유로 부분의 폭에 대해, 케이싱의 전후 방향의 치수를 작게 할 수는 없어, 액냉식 냉각 장치가 대형화된다.
(제2 실험예)
제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)와 마찬가지인 구성을 갖고 있고, 입구 헤더부(21), 출구 헤더부(22) 및 병렬 유로 부분(19)의 높이를 6 ㎜, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부(22)에 있어서의 전방측벽(9)의 내면이 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분(19)의 폭을 b ㎜로 한 경우, a/b가 0.07인 액냉식 냉각 장치(1)를 준비했다. 또한, 당해 액냉식 냉각 장치(1)에 있어서, 출구 헤더부(22)에 있어서의 우측벽(6)으로부터 20 ％의 길이 부분에 있어서, 전방측벽(9)의 전체가 좌측벽(7)측으로부터 우측벽(6)측을 향해 후방측으로 경사져 있다.
그리고, 당해 액냉식 냉각 장치(1)를 사용하고, 매분 10 리터의 물을 냉각액 입구(11)로부터 유입 단부(21a)를 통해 입구 헤더부(21) 내에 유입시켜, 병렬 유로 부분(19)의 전체 유로(18)를 흐르는 물의 유속을 기초로 하여, 전체 유로(18)에서의 평균 유속, 및 각 유로(18)를 흐르는 물의 유속의 평균 유속에 대한 유속비(유속/평균 유속)를 구하고, 그 결과로부터 병렬 유로 부분(19)의 폭 방향(좌우 방향)의 위치와, 각 위치의 유로(18) 내를 흐르는 물의 유속의 평균 유속에 대한 유속비의 관계를 조사했다.
(제2 비교 실험예)
입구 헤더부 및 출구 헤더부의 전후 방향의 폭이 각각 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 것을 제외하고는, 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)와 마찬가지인 구성을 갖고 있고, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이가 6 ㎜, 입구 헤더부의 유입 단부의 폭(= 입구 헤더부의 폭) 및 출구 헤더부의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜로 한 경우, a/b가 0.07인 액냉식 냉각 장치를 준비했다.
그리고, 당해 액냉식 냉각 장치를 사용하고, 매분 10 리터의 물을 냉각액 입구로부터 입구 헤더부 내에 유입시켜, 병렬 유로 부분의 전체 유로를 흐르는 물의 유속을 기초로 하여, 전체 유로에서의 평균 유속, 및 각 유로를 흐르는 물의 유속의 평균 유속에 대한 유속비(유속/평균 유속)를 구하고, 그 결과로부터 병렬 유로 부분의 폭 방향(좌우 방향)의 위치와, 각 위치의 유로 내를 흐르는 물의 유속의 평균 유속에 대한 유속비의 관계를 조사했다.
그 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6에 나타내는 결과로부터, 제2 실험예에서 사용한 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)에 있어서는, 병렬 유로 부분(19)의 폭 방향의 전체 부분에서 유로(18) 내를 흐르는 물의 유속의 평균 유속으로부터의 편차의 정도가 작고, 전체 유로(18)를 흐르는 물의 유속 분포가 균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 제2 비교 실험예에서 사용한 입구 헤더부 및 출구 헤더부의 폭이 각각 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는 액냉식 냉각 장치의 경우에는, 우측, 즉 냉각액 입구측에 있어서는, 유로 내를 흐르는 물의 유속의 평균 유속으로부터의 편차의 정도가 작게 되어 있으나, 좌측, 즉 냉각액 출구측에 있어서는, 유로 내를 흐르는 물의 유속의 평균 유속으로부터의 편차의 정도가 현저하게 커서, 전체 유로를 흐르는 물의 유속 분포가 불균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다.
(제2 실시 형태)
본 실시 형태는 도 7에 도시한 것이다.
도 7에 있어서, 액냉식 냉각 장치(30)의 케이싱(2)에 있어서의 전방측벽(9)의 전체, 즉 전방측벽(9)의 내면은 전체 길이에 걸쳐 우측벽(6) 및 좌측벽(7)의 내면과 직각을 이루고 있다. 그 결과, 출구 헤더부(31)의 유로 단면적이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되는 동시에, 출구 헤더부(31)의 전후 방향의 폭이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있다. 또한, 출구 헤더부(31)의 형상은 입구 헤더부(21)와는 좌우 방향[병렬 유로 부분(19)의 폭 방향]으로 비대칭으로 되어 있다.
그 밖의 구성은 제1 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(1)와 동일하고, 동일물 및 동일 부분에는 동일 부호를 부여한다.
제2 실시 형태의 액냉식 냉각 장치(30)에 있어서, 입구 헤더부(21)에 있어서의 냉각액 입구(11)로 통하는 우측벽(6)측의 유입 단부(21a)의 형상, 및 출구 헤더부(31)의 단면 형상은 사각형이고, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 전후 방향의 폭과, 출구 헤더부(31)의 전후 방향의 폭은 동등하게 되어 있다. 또한, 병렬 유로 부분(19)의 단면 형상은 사각형이다. 그리고, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부(31)의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분(19)의 좌우 방향의 폭을 b ㎜, 입구 헤더부(21), 출구 헤더부(31) 및 병렬 유로 부분(19)의 높이를 6 ㎜ 이하로 한 경우, a/b ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 높이를 h ㎜, 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 폭을 a ㎜로 하고, 병렬 유로 부분(19)의 높이를 h ㎜로 하고, 병렬 유로 부분(19)의 폭을 b ㎜로 한 경우, a × h로 나타내어지는 입구 헤더부(21)의 유입 단부(21a)의 단면적 A와, b × h로 나타내어지는 병렬 유로 부분(19)의 단면적 B는 A/B ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다.
상기한 2개의 실시 형태에 있어서, 냉각액 입구(11)는 우측 방향으로 개방되고, 냉각액 출구(12)는 좌측 방향으로 개방되어 있으나, 이에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 상방으로 개방되어 있어도 좋다. 즉, 냉각액 입구(11) 및 냉각액 출구(12)의 돌출 단부벽이 폐쇄되고, 상벽에 개구가 형성되어 있어도 좋다.
본 발명의 액냉식 냉각 장치는, 예를 들어 차량 등의 반도체 전력 변환 장치에 적용되고, 반도체 소자 등의 발열체를 냉각하는 데 적합하게 사용된다.

Claims (14)

  1. 서로 대향하는 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비한 둘레벽을 갖고, 또한 제1 측벽의 일단부에 냉각액 입구가 형성되는 동시에, 제2 측벽의 타단부에 냉각액 출구가 형성된 케이싱을 구비하고 있고, 케이싱 내에 있어서의 제1 및 제2 측벽 사이이고 또한 냉각액 입구와 냉각액 출구 사이의 위치에, 냉각액이 제1 및 제2 측벽의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로로 이루어지는 병렬 유로 부분이 설치되고, 케이싱 내에 있어서의 병렬 유로 부분보다도 상류측의 부분이 냉각액 입구로 통하는 입구 헤더부로 이루어지는 동시에, 병렬 유로 부분보다도 하류측의 부분이 냉각액 출구로 통하는 출구 헤더부로 이루어져 있는 액냉식 냉각 장치이며,
    입구 헤더부의 유로 단면적이 냉각액 입구측으로부터 제2 측벽측을 향해 작게 되어 있고,
    출구 헤더부에 있어서의 케이싱의 제1 측벽측의 일부분의 유로 단면적이, 제2 측벽측으로부터 제1 측벽측을 향해 작게 되어 있고, 출구 헤더부의 나머지 부분의 유로 단면적이 전체 길이에 걸쳐 동등하게 되어 있는,
    액냉식 냉각 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이가 동등하게 되어 있는, 액냉식 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서, 케이싱의 둘레벽이 제1 측벽 및 제2 측벽의 냉각액 입구측 단부끼리를 연결하는 제3 측벽과, 제1 측벽 및 제2 측벽의 냉각액 출구측 단부끼리를 연결하는 제4 측벽을 갖고, 제3 측벽의 내면이 제1 측벽측으로부터 제2 측벽측을 향해 병렬 유로 부분측으로 경사져 있는, 액냉식 냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서, 출구 헤더부에 있어서의 케이싱의 제1 측벽측의 일부분에 있어서, 케이싱의 제4 측벽의 내면이, 제2 측벽측으로부터 제1 측벽측을 향해 병렬 유로 부분측으로 경사져 있고, 출구 헤더부의 나머지 부분에 있어서, 케이싱의 제4 측벽의 내면이 제1 측벽 및 제2 측벽의 내면과 직각을 이루고 있는, 액냉식 냉각 장치.
  6. 제4항에 있어서, 입구 헤더부의 유입 단부의 폭을 a ㎜, 출구 헤더부에 있어서의 제4 측벽의 내면이 제1 측벽 및 제2 측벽의 내면과 직각을 이루고 있는 부분의 폭을 a ㎜, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜, 입구 헤더부, 출구 헤더부 및 병렬 유로 부분의 높이를 6 ㎜ 이하로 한 경우, a/b ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는, 액냉식 냉각 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 입구 헤더부의 유입 단부의 높이를 h ㎜, 입구 헤더부의 유입 단부의 폭을 a ㎜로 하고, 병렬 유로 부분의 높이를, 입구 헤더부의 유입 단부의 높이와 동등한 h ㎜로 하고, 병렬 유로 부분의 폭을 b ㎜로 한 경우, a × h로 나타내어지는 입구 헤더부의 유입 단부의 단면적 A와, b × h로 나타내어지는 병렬 유로 부분의 단면적 B는 A/B ≤ 0.15 라는 관계를 만족하고 있는, 액냉식 냉각 장치.
  12. 저벽, 저벽으로부터 수직 방향으로 연장 설치되는 제1 측벽, 저벽으로부터 수직 방향으로 연장 설치되는 동시에, 제1 측벽과 대향하는 제2 측벽, 저벽과 대향하는 동시에 제1 측벽 및 제2 측벽에 연결되는 정상벽, 저벽과 정상벽을 연결하는 동시에 일단부가 제2 측벽의 일단부에 연결되는 제3 측벽, 저벽과 정상벽을 연결하는 동시에 일단부가 제1 측벽의 일단부에 연결되는 제4 측벽, 제1 측벽의 타단부와 제3 측벽의 타단부를 연결하는 냉각액 입구 및 제2 측벽의 타단부와 제4 측벽의 타단부를 연결하는 냉각액 출구로 구성되고, 또한 제3 측벽의 형상과 제4 측벽의 형상이 다른 케이싱과,
    케이싱 내에 설치되고, 또한 냉각액이 제1 측벽 및 제2 측벽의 길이 방향으로 흐르는 복수의 유로를 갖는 병렬 유로 부분을 구비하며,
    제4 측벽의 제1 측벽측의 일부분은, 제1 측벽의 일단부와 제2 측벽의 타단부를 연결하는 최단의 가상선과의 거리가 제1 측벽으로부터 멀어짐에 따라서 넓어지고, 제4 측벽의 다른 부분은 제1 측벽의 일단부와 제2 측벽의 타단부를 연결하는 최단의 가상선과 평행인,
    액냉식 냉각 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 제3 측벽은, 제1 측벽의 타단부와 제2 측벽의 일단부를 연결하는 최단의 가상선과의 거리가 제2 측벽으로부터 멀어짐에 따라서 넓어져 있는, 액냉식 냉각 장치.
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