CN101490841A

CN101490841A - 冷却装置以及具有该冷却装置的车辆

Info

Publication number: CN101490841A
Application number: CNA2007800259936A
Authority: CN
Inventors: 吉田忠史; 横井丰; 长田裕司
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: JP2008021721A; JP4464940B2; WO2008007799A1; US20090205802A1; US8251131B2; CN101490841B

Abstract

冷却装置包括吸热部，该吸热部设置有冷却液介质的流入口(26)和排出冷却液介质的排出口，并在流入口和排出口之外的部分密封冷却液介质，吸热部包括：具有设置作为冷却对象物的半导体元件(21～23)的设置面(36)和作为设置面(36)的背面的冷却面(38)的上部部件(32)；以及与上部部件(32)一起形成将冷却面(38)作为内壁面的一部分的腔室的下部部件(34)。在下部部件(34)上设有与流入口(26)连通并向冷却面(38)喷射冷却介质的喷射口(41～43)，排出口设置在下部部件的比喷射口(41～43)的开口位置低的位置处。由此，能够提供提高了冷却效率并降低了冷却不均的冷却装置。

Description

冷却装置以及具有该冷却装置的车辆

技术领域

本发明涉及冷却装置以及具有该冷却装置的车辆，尤其涉及使用冷却液介质对冷却对象物进行冷却的冷却装置以及具有该冷却装置的车辆。

背景技术

随着半导体元件的发热量的增大，代替空冷式散热装置等冷却装置而采用水冷式冷却装置的例子也逐渐增多。

图13是示出水冷式冷却装置的一个例子的图。

参照图13，冷却装置400用于冷却半导体元件406，从泵402输送到吸热部404的冷却水从喷射口408被喷射到设置有半导体元件406的部分的内侧，从而提高了冷却效率。如此采用壁面撞击喷流的方式来促进导热的方法已为公知。

图14是示出现有的采用壁面撞击喷流的冷却装置的例子的图。

日本专利文献特开2001—135763公开了图14所示的冷却装置。参照图14，半导体元件501用陶瓷盖等密封，并通过非常小的焊锡球503与陶瓷基板502连接。半导体元件501经由接点504被供应电力或进行信号的输入输出，所述接点504通过设置在基板内部的配线(没有图示)而与焊锡球503连接。

支承体507具有将半导体元件501容纳其中的开口部525，并支承或保持陶瓷基板502。销509部分地设置在支承体的表面，以便相对于支承体定位陶瓷基板502。衬垫508用于使空气在陶瓷基板502与支承体507之间流动。

间隙511是在支承体507的上表面位于半导体元件501与开口部525之间的间隙。间隙512是通过衬垫508设置的陶瓷基板502与支承体507之间的间隙。排出口514是设置在壳体513上的冷却液体和空气的排出口。

当测定半导体元件501的电特性来进行评价或者挑选器件的良品和不良品时，首先，将半导体元件501朝下置于容纳该半导体元件的开口部525内，并使其与支承体507形成间隙511。

从而，在壳体513内的空气通过鼓风机517被抽出的同时，空气从支承体507上部通过间隙512和511被摄取壳体513内。

接着，在如上所述持续地摄取空气的同时，罐516的冷却水通过热交换器518冷却，并通过泵515从冷却液喷射喷嘴510向半导体元件501的主表面(陶瓷盖的表面)喷出。箭头519示出了被吸引到间隙511和512内的空气的流向。箭头520示出了冷却水的流动。冷却液用泵515还从排出口514吸引冷却水和空气。然后，空气和水在罐516中分离。

当通过鼓风机517从设置在支承体507下部的壳体513上的排出口514向罐516排出空气时，图14所示冷却装置的周围的常温空气流入陶瓷基板502与支承体507之间的间隙512以及支承体507与半导体元件501侧面之间的间隙511，。从而在半导体元件501的周围形成气帘521。喷射到半导体元件501的主表面上的冷却水的流等被该气帘521压向下游。

由于在气体中向这样的壁面喷射喷流，因此喷流的速度不会比液体中喷射小，从而半导体元件的散热效率变高。

近年来，混合动力汽车、电动汽车、以及安装有燃料电池的燃料电池车等以电力为动力源的车辆备受关注。混合动力汽车是除以往的发动机以外还以马达为动力源的汽车。混合动力汽车通过驱动发动机来获得动力，并且将来自直流电源的直流电压转换成交流电压，并通过利用转换后的交流电压驱动马达来获得动力。另外，电动汽车是通过利用将来自直流电源的直流电压转换而得的交流电压驱动马达来获得动力的汽车。

在这样的以电为动力源的汽车中，安装有逆变器和升压变换器这样的电力变换器。安装在汽车等上的电力变换器为了得到高的动力性能而需要大电力。大电力的电力变换器等由于其发热量大，因而安装用于冷却电力变换器的冷却装置。

电力变换器包括多个功率半导体元件。功率半导体元件例如包括功率MOSFET(Metal oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘门型双极性晶体管)等。

在对这样的半导体元件进行冷却的车载用的冷却装置中，也值得研究通过壁面撞击喷流的方式促进热传递的技术，以提高冷却效率。

但是，在图13所示的例子中，如果作为冷却对象的半导体元件增加为多个，则设置在冷却水的下游侧的半导体元件会受到在上游侧喷射到其他半导体元件的冷却水的影响，因此难以在多个半导体元件各部分以同样的流速喷射冷却水，恐怕会导致冷却不均匀。

此外，如图14所示的壳体与外部气体连通的开放系统的壁面撞击喷流的方式不适于被施加振动和加速度的车载用的冷却装置，因为在这种冷却装置中恐怕会发生冷却水泄漏等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种提高了冷却效率并降低了冷却不均的冷却装置。

本发明总的来说是一种冷却装置，其包括吸热部，所述吸热部设有冷却液介质的流入口和排出冷却液介质的排出口，并且在流入口和排出口之外的部分密封冷却液介质，该冷却装置的特征在于，吸热部包括：上部部件，该上部部件具有设置冷却对象物的设置面以及作为设置面的背面的冷却面；以及下部部件，该下部部件与上部部件一起形成将冷却面作为内壁面的一部分的腔室。在下部部件上设置有与流入口连通并用于向冷却面喷射冷却介质的喷射口，排出口背设置在下部部件的比喷射口的开口位置低的位置处。

优选的是，在腔室中封入预定量的气体。喷射口在气体中向冷却面喷射冷却液介质。排出口设置在比作为腔室中的液体介质与气体的边界的液面低的位置处。

优选的是，下部部件具有支承部，所述支承部设置在喷射口周边，并通过维持喷射口的高度来使液体介质放射状地流向周围。

优选的是，冷却对象物是多个半导体元件，在下部部件上分别与设置有多个半导体元件的部分相对应地设置有多个喷射口。

更优选的是，在下部部件上设置有在腔室内部从喷射口周围至排出口的槽，所述槽将液体介质引至排出口，槽的流道截面积从液体介质的流的上游向下游逐渐变大。

优选的是，在下部部件上设置有在腔室内部从喷射口周边至排出口的槽，所述槽将液体介质引至排出口。冷却面包括：被从喷射口喷射的液体介质撞击的第一部分、以及比第一部分低并浸在槽内流动的液体介质中的第二部分。

优选的是，冷却装置还包括泵和散热器，所述泵和散热器串联设置在腔室外部的从排出口至流入口的路径上。

本发明的另一方面是一种包括上述任一冷却装置的车辆。

根据本发明，能够防止冷却介质泄漏，同时能够提高冷却效率。另外，本发明的其他优点是在有多个冷却对象的情况下能够提高冷却效率并同时降低冷却不均。

附图说明

图1是示出安装有冷却装置的车辆的简要结构的图；

图2是图1的吸热部10的平面图；

图3是示出图2的III—III截面的截面图；

图4是从图3的IV—IV截面向下方观看的图；

图5是图4的V～V截面中的截面图；

图6是从图4的VI—VI截面观看排出口的截面图；

图7是在图3中示出冷却液介质的流动的图；

图8是在图4中示出冷却液介质的流动的图；

图9是吸热部110的平面图；

图10是与图4相对应的图，并且是示出吸热部110的拆掉上部部件132后的状态的平面图；

图11是图10的XI—XI截面中的截面图；

图12是在图9的XII—XII截面中示出吸热部110内的冷却液介质的流动的图；

图13是示出水冷式冷却装置的一个例子的图；

图14是示出使用了壁面撞击喷流的现有冷却装置的例子的图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。在图中，对于相同或相当的部分标注相同的标号，并不进行重复说明。

[实施方式1]

图1是示出安装有冷却装置的车辆的简要结构的图。

参照图1，车辆1包括：车轮2、驱动车轮2的马达4、向马达4提供三相交流驱动信号的逆变器6、以及对逆变器6的半导体元件进行冷却的冷却装置8。

冷却装置8包括从逆变器6吸收热量的吸热部10、以及泵12和散热器14，泵12和散热器14设置在吸热部10的外部，并串联地设置在使冷却介质从吸热部的冷却介质的排出口向流入口循环的路径上。

车辆1是混合动力汽车、电动汽车、以及安装有燃料电池的燃料电池车等以电力为动力源的车辆。

图2是图1的吸热部10的平面图。

图3是示出图2的III—III截面的截面图。

参照图2和图3，吸热部10设有冷却液介质(例如，冷却水)的流入口26和排出冷却液介质的排出口29，并在流入口26和排出口29之外的部分密封冷却液介质。

另外，排出口29的位置从对称性的角度考虑也可以变更为后面说明的图9～图12的排出口129的位置。

吸热部10包括上部部件32和下部部件34，上部部件32具有用于设置冷却对象物(半导体元件21～23)的设置面36、以及作为设置面36的背面的冷却面38，下部部件34与上部部件32一起形成将冷却面38作为内壁面的一部分的腔室。

在下部部件34上设置有喷射口41～43，该喷射口41～43通过流道28而与流入口26连通，用于向冷却面38喷射冷却介质，如后面使用图6详细说明的那样，在比喷射口41～43的开口位置低的位置处设置有排出口29。

冷却对象物没有限定，只要是发热体即可，例如为多个半导体元件21～23，多个喷射口41～43分别与设置有多个半导体元件21～23的部分相对应地被设置在下部部件34。

图4是从图3的IV—IV截面向下方观看的图。

参照图3和图4，下部部件34具有支承部51～53，该支承部51～53分别设置在喷射口41～43周边，用于通过维持喷射口41～43的高度来使冷却液介质放射状地流向外围。即，图14所示的具有喷射口的管道形状的喷射口附近的末端部分在图3、图4中变宽。由此，冷却介质遍布喷流撞击部附近的设置有发热体的部分，从而可从冷却面吸收热量。

设置在支承部51～53周围的流道56～58比支承部51～53的高度低一级，流道59和侧槽62、64比流道56～58还要低一级。

图5是图4的V～V截面中的截面图。

参照图4和图5，喷射口42与流道28连通，并喷射从流道28供应的冷却液介质。支承部52设置在喷射口42的周围，并支承喷射口42，以使喷射出的液体介质不在冷却对象物的附近不低于喷射口42的高度。

在支承部52的两侧设置有侧槽62和64，喷射出的冷却液介质流经侧槽62、64并到达排出口29。

图6是从图4的VI—VI截面观看排出口的截面图。

参照图4和图6，排出口29的吸入口被设置在比支承部51的高度h3低、且比侧槽62、64的液面高度h2低的位置(高度h1)。

图7是在图3中示出冷却液介质的流动的图。

图8是在图4中示出冷却液介质的流动的图。

参照图7和图8，在通过上部部件32和下部部件34形成的腔室中封有预定量的气体(例如，空气等)。从流入口26如箭头A1所示流入的冷却介质从喷射口41～43向冷却面38的设置有冷却对象物的部分喷射。此时，如箭头A2所示，喷射口41～43在气体中向冷却面38喷射冷却液介质。

喷射出的液体介质在撞到冷却面38之后在与冷却面形成并行狭路的支承部51～53上如箭头A3所示的那样向周围呈放射状扩散。此时，在支承部51～53中每一个的周边，流道56～58比支承部51～53的高度低一级，侧槽62、64以及流道59比流道56～58的高度还低一级。因此，液体介质如箭头A4、A5所示的那样流动。从喷射口42喷射出的液体介质流至少在支承部51、53上不会对分别从喷射口41、43喷射到支承部51、53上的液体介质流产生影响。

之后，液体介质如箭头A6所示的那样从排出口29排出，并到达泵和散热器。

如使用图6所说明的那样，排出口29设置在比作为腔室中的液体介质与气体的边界的液面低的位置。因此，密封在由上部部件32和下部部件34形成的腔室中的预定量的气体不被排出，而仅排出液体介质。

另外，排出口的吸入口的位置只要比喷射口位置低，就可使气体残留在冷却面的除喷流所撞击的部分以外的部分，因此排出口的吸入口的位置也可以不象图6所示那样低。但是，为了不吸入流速大时所产生的气泡以及使气体封入量增多，优选将排出口设置在如图6所示这样低的位置。

如上所述，实施方式1所示的冷却装置即使被施加车辆等的振动或加速度也不会发生冷却液介质泄漏，而且能够对多个作为发热体的半导体元件以均匀的流速供应冷却液介质，因此能够降低冷却不均。

[实施方式2]

根据实施方式2的冷却装置在实施方式1的结构中替换吸热部10而具有吸热部110。对于其他部分，与图1说明的结构相同，因此不再重复说明。

图9是吸热部110的平面图。

图10是与图4相对应的图，并且是示出吸热部110的拆掉上部部件132后的状态的平面图。

参照图9和图10，吸热部110设有冷却液介质(例如，冷却水)的流入口126和排出冷却液介质的排出口129，并在流入口126和排出口129之外的部分密封冷却液介质。

另外，设置排出口129的位置从对称性的角度考虑优选图9～图12所示的方向，但也可以是图1～图8所示的方向。

吸热部110包括用于设置冷却对象物的上部部件132、以及下部部件134，下部部件134与上部部件132一起形成将冷却面作为内壁面的一部分的腔室。

在下部部件134上设有喷射口141～143，喷射口141～143通过流道128而与流入口126连通，用于向冷却面喷射冷却介质。

冷却对象物没有限定，只要是发热体即可，例如为多个半导体元件121～123，喷射口141～143分别与设置有多个半导体元件121～123的部分相对应地被设置在下部部件134。

图11是图10的XI—XI截面中的截面图。

参照图10和图11，排出口129设置在比喷射口141～143的开口位置低的位置处。

下部部件134具有支承部151～153，该支承部151～153分别设置在喷射口141～143周边，用于通过维持喷射口141～143的高度来使冷却液介质放射状地流向周围。由此，冷却介质遍布喷流撞击部附近的设置有发热体的部分，从而可从冷却面吸收热量。

设置在支承部151～153周围的流道171～174的高度比支承部151～153低。更详细地说，在下部部件134上设有在与上部部件132之间所形成的腔室的内部从喷射口141～143周边至排出口129的流道171～174，该流道171～174是将液体介质引至排出口129的槽。这些槽的流道截面积从液体介质流的上游向下游逐渐变大。即，由于这些流道的深度按流道174、173、172、171的顺序增加，因此流道的截面积也增加。图10和图11示出了深度成阶梯状增加的例子，但是深度也可以平滑地增加，还可以直线增加。另外，代替增大深度，也可以通过扩大宽度来增加截面积。

通过从上游侧向下游侧增大流道的截面积，能够使流道内流动的冷却液介质的流速在上游侧和下游侧具有相同程度的速度。或者，可以调节流速，以使上游侧和下游侧的散热程度相等。

图12是在图9的XII—XII截面中示出吸热部110内的冷却液介质的流动的图。

参照图12，喷射口141～143与流道128连通，用于喷射从流道128供应的冷却液介质。支承部152～153分别设置在喷射口141～143的周围，并支承喷射口141～143，以使喷射出的液体介质在冷却对象物的附近不低于喷射口的高度。

排出口129的吸入口被设置在比支承部151的高度低、且比流道171的液面高度低的位置处。

在由上部部件132和下部部件134形成的腔室中封入预定量的气体(例如，空气等)。从流入口126如箭头A11所示流入的冷却介质从喷射口141～143向冷却面的设置有冷却对象物的部分138—1～138—3喷射。此时，如箭头A13～A15所示，喷射口141～143在气体中向部分138—1～138—3喷射冷却液介质。

喷射出的液体介质在撞到部分138—1～138—3之后在与冷却面形成并行狭路的支承部151～153上如箭头A13～A15所示的那样向周围呈放射状扩散。此时，位于支承部151～153中每一个周边的流道171～174的高度比支承部151～153低。

因此，从喷射口142喷射出的液体介质流在支承部151、153上不会对分别从喷射口141、143喷射到支承部151、153上的液体介质流产生影响。

之后，液体介质如箭头A16～A18所示的那样在流道171～173中向排出口129流动。流道174的从液面起算的深度d1、流道173的从液面起算的深度d2、流道172的从液面起算的深度d3、以及流道171的从液面起算的深度d4被设定成d1<d2<d3<d4。

并且，液体介质如箭头A19所示的那样从排出口129排出，并到达泵和散热器。排出口129的吸入口设置在比作为腔室中的液体介质和气体的边界的液面低的位置。因此，密封在由上部部件32和下部部件34形成的腔室中的预定量的气体不被排出，而仅排出液体介质。

另外，排出口的吸入口的位置只要比喷射口位置低，就可使气体残留在冷却面的喷流所撞击的部分以外的部分，因此排出口的吸入口的位置也可以不象图12所示那样低。但是，为了不吸入流速大时所产生的气泡以及使气体封入量增多，优选将排出口设置在如图12所示这样低的位置。

在下部部件134上设有在腔室的内部从喷射口141～143周边至排出口129的流道171～174，这些流道171～174是将液体介质引至排出口129的槽。冷却面包括被从喷射口喷射的液体介质撞击的第一部分138—1～138—3、以及比第一部分低并浸在槽中流动的液体介质中的第二部分139。

由于第二部分139也浸在冷却液介质中，因此从半导体元件121～123以热传导方式在上部部件132中传导的热量通过第二部分139散热。即，在实施方式2中，在从喷流撞击之后到排水的期间也将冷却水用于冷却。

因此，实施方式2除了实施方式1所起的效果以外，还提高了冷却效率。此时，由于越靠近下游，流道的截面积就越大，因此箭头A16、A17、A18所示的流的速度可被设定成大致相等、或者可使散热性能大致相等，因此降低了冷却不均。

另外，图9和图12示出了在上部部件132的厚度均匀且设置有半导体元件的外表面(图12中为上表面)上也与密封冷却介质的内表面(图12中为下表面)相同地设置了凹凸的例子。但是，也可以只在上部部件132的内表面上设置凹凸，并将上部部件132的外表面(图12中为上表面)形成为平坦的形状。

如上所述，实施方式2所示的冷却装置即使被施加车辆等的振动或加速度也不会发生冷却液介质泄漏，而且能够对多个作为发热体的半导体元件以均匀的流速供应冷却液介质，因此能够降低冷却不均。

在以上说明的实施方式中，举例说明了将三个半导体元件作为冷却对象的冷却装置，但是半导体元件等冷却对象不限于三个，在两个或者四个以上的情况下也可以应用本发明。例如，本发明也能够应用于设置在逆变装置的三相的上桥臂和下桥臂上的六个IGBT以及与IGBT并列连接的二极管元件被配置成矩阵状的结构中。

另外，本发明除车载用以外还可以广泛应用在对多个发热体进行冷却的冷却装置中。

另外，应当理解这次公开的实施方式在所有方面都仅为举例说明而并非用于限制的。本发明的范围不是由上述的说明而是由权利要求书给出，并且其中应包括与权利要求书等同的涵义以及范围内的所有变更。

Claims

1.一种冷却装置，包括吸热部，所述吸热部设置有冷却液介质的流入口和排出所述冷却液介质的排出口，并且在所述流入口和所述排出口之外的部分密封所述冷却液介质，所述冷却装置的特征在于，

所述吸热部包括：

上部部件，该上部部件具有设置冷却对象物的设置面以及作为所述设置面的背面的冷却面；以及

下部部件，该下部部件与所述上部部件一起形成将所述冷却面作为内壁面的一部分的腔室，

在所述下部部件上设置有与所述流入口连通并向所述冷却面喷射所述冷却介质的喷射口，所述排出口设置在所述下部部件的比所述喷射口的开口位置低的位置处。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其中，

在所述腔室中封入预定量的气体，

所述喷射口在所述气体中向所述冷却面喷射所述冷却液介质，

所述排出口设置在比作为所述腔室中的所述液体介质与所述气体的边界的液面低的位置处。

3.如权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述下部部件具有支承部，所述支承部设置在所述喷射口周边，用于维持所述喷射口的高度来使所述液体介质放射状地流向周围。

4.如权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述冷却对象物是多个半导体元件，

在所述下部部件上分别与设置有所述多个半导体元件的部分相对应地设置有多个所述喷射口。

5.如权利要求4所述的冷却装置，其中，

在所述下部部件上设置有在所述腔室的内部从所述喷射口周边延伸至所述排出口的槽，所述槽将所述液体介质引至所述排出口，

所述槽的流道截面积从所述液体介质的流的上游向下游逐渐变大。

6.如权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述冷却面包括：被从所述喷射口喷射的液体介质撞击的第一部分、以及比所述第一部分低并浸在所述槽内流动的所述液体介质中的第二部分。

7.如权利要求1所述的冷却装置，其中，

还包括泵和散热器，所述泵和散热器串联设置在所述腔室的外部的从所述排出口至所述流入口的路径上。

8.一种车辆，包括权利要求1至7中任一项所述的冷却装置。