JP2016219572A

JP2016219572A - 液冷式冷却装置

Info

Publication number: JP2016219572A
Application number: JP2015101764A
Authority: JP
Inventors: 誠二松島; Seiji Matsushima; 平野　智哉; Tomoya Hirano; 智哉平野
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】製造容易な放熱器を有する液冷式冷却装置を提供する。
【解決手段】液冷式冷却装置１のケーシング２内を仕切部材７により上下２つの空間9に分割する。第１空間内に冷却液流路11を設け、他方の第２空間９内に、仕切部材７の第１連通口19を介して冷却液流路11に通じる入口ヘッダ部13と、仕切部材７の第２連通口21を介して冷却液流路11に通じる出口ヘッダ部14とを設ける。放熱器３は、放熱基板22と、放熱基板22の周縁部に並んで一体に設けられた複数の第１ピンフィン23と、放熱基板22の第１ピンフィン23に囲まれた部分に一体に設けられた複数の第２ピンフィン24とを備えている。第１ピンフィン23の横断面形状は三角形であり、第２ピンフィン24の横断面形状が菱形である。仕切部材７の第１連通口19は、放熱器３の第２ピンフィン24が形成されている部分に臨んでいる。
【選択図】図３

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、頂壁および底壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられたケーシングと、ケーシング内の冷却液流路に配置された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方が発熱体取付面となされ、放熱器が、基板と、冷却液流路における冷却液の流れ方向上流端部において基板に対して突出するように設けられた複数の第１ピンフィンと、冷却液流路における冷却液の流れ方向上流端部を除いた部分において基板に対して突出するように千鳥配置状に設けられた複数の第２ピンフィンとからなり、放熱器の第１および第２ピンフィンが、冷却液流路における冷却液流れ方向下流側に向かって一方に傾斜した複数の第１直線上、および同じく冷却液流れ方向下流側に向かって他方に傾斜した複数の第２直線上に並んで設けられ、放熱器の第１ピンフィンの横断面形状が三角形または五角形であって平坦面が冷却液流れ方向上流側を向いており、第２ピンフィンの横断面形状が菱形であり、かつ当該菱形の１つの鋭角部が冷却液流路における冷却液流れ方向上流側を向くとともに、当該角部と対角線上に位置する角部が同じく冷却液流れ方向下流側を向いており、第１ピンフィンの横断面形状が三角形の場合に前記平坦面の幅が、第２ピンフィンの冷却液の流れ方向と直交する方向の最大幅の７３％以下であり、第１ピンフィンの横断面形状が五角形の場合に前記平坦面の幅が、第２ピンフィンの冷却液の流れ方向と直交する方向の最大幅の８３％以下である液冷式冷却装置を提案した(特許文献１参照)。

特許文献１記載の液冷式冷却装置に用いられている放熱器は、長尺の金属板に、横断面形状菱形でありかつ当該菱形の１つの鋭角部が金属板の長手方向の一方を向くとともに、当該角部と対角線上に位置する角部が同じく金属板の長手方向の他方を向いた多数のピンフィンを千鳥配置状に一体に設け、金属板を決められた寸法に切断することにより製造されている。したがって、冷却液流路における冷却液の流れ方向上流端部において基板に対して突出するように設けられた複数の第１ピンフィンの横断面形状が三角形または五角形になるとともに、第１ピンフィンの冷却液流れ方向上流側を向いた面が、冷却液の流れ方向と直交する方向に一定の幅を有する平坦面となることは避けがたい。そして、第１ピンフィンが上述したような平坦面を有すると、冷却液が冷却液流路内を流れる際の圧力損失が増大するという問題がある。

そこで、特許文献１記載の液冷式冷却装置においては、第１ピンフィンの横断面形状が三角形の場合に冷却液流れ方向上流側を向いた平坦面の幅を、第２ピンフィンの冷却液の流れ方向と直交する方向の最大幅の７３％以下とし、第１ピンフィンの横断面形状が五角形の場合に冷却液流れ方向上流側を向いた平坦面の幅を、第２ピンフィンの冷却液の流れ方向と直交する方向の最大幅の８３％以下とすることによって、冷却液が冷却液流路内を流れる際の前記平坦面に起因する圧力損失の増大を抑制している。

しかしながら、第１ピンフィンの前記平坦面の幅を上述したような幅に調整する作業が面倒であるという問題がある。

特開２０１３−２５４７７２号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、製造容易な放熱器を有す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)頂壁および底壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられたケーシングと、ケーシングに固定された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方が発熱体取付面となされ、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱が放熱器を介して冷却液流路内を流れる冷却液に放熱される液冷式冷却装置であって、
ケーシング内が仕切部材により上下２つの空間に分割され、頂壁および底壁のうち外面に発熱体取付面が設けられている壁側の第１空間内に冷却液流路が設けられ、同じく他方の第２空間内に、ケーシング外から冷却液が流入するとともに、仕切部材に形成された第１連通口を介して冷却液流路に通じる入口ヘッダ部と、ケーシング外に冷却液が流出するとともに、仕切部材に形成された第２連通口を介して冷却液流路に通じる出口ヘッダ部とが互いに非連通状態となるように設けられ、放熱器が、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱を受ける放熱基板と、放熱基板の周縁部に並んで一体に設けられかつ冷却液流路内に臨んだ複数の第１ピンフィンと、放熱基板における第１ピンフィンに囲まれた部分に千鳥配置状に一体に設けられかつ冷却液流路内に臨んだ複数の第２ピンフィンとを備えており、第１ピンフィンの横断面形状が三角形または五角形であって平坦面が放熱基板の周縁よりも外側を向いており、第２ピンフィンの横断面形状が菱形であり、仕切部材の第１連通口の少なくとも一部が、放熱器の第２ピンフィンが形成されている部分に臨んでいる液冷式冷却装置。

2)放熱器の放熱基板が、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となされている壁を兼ねている上記1)記載の液冷式冷却装置。

3)第１ピンフィンおよび第２ピンフィンの先端が仕切部材に接合されている上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。

4)第２空間内の入口ヘッダ部および出口ヘッダ部が、第２空間内を分割部材により冷却液流路での冷却流体の流れ方向に２つの区画に分割することにより設けられている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

5)仕切部材が平板状であり、分割部材が、仕切部材に面接触した状態で接合された第１平坦壁、頂壁および底壁のうち外面に発熱体取付面が設けられていない壁の内面に面接触した状態で接合された第２平坦壁、および両平坦壁を一体に連結しかつ入口ヘッダ部と出口ヘッダ部とを隔てる隔壁からなる上記4)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、ケーシング内が仕切部材により上下２つの空間に分割され、頂壁および底壁のうち外面に発熱体取付面が設けられている壁側の第１空間内に冷却液流路が設けられ、同じく他方の第２空間内に、ケーシング外から冷却液が流入するとともに、仕切部材に形成された第１連通口を介して冷却液流路に通じる入口ヘッダ部と、ケーシング外に冷却液が流出するとともに、仕切部材に形成された第２連通口を介して冷却液流路に通じる出口ヘッダ部とが互いに非連通状態となるように設けられ、放熱器が、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱を受ける放熱基板と、放熱基板の周縁部に並んで一体に設けられかつ冷却液流路内に臨んだ複数の第１ピンフィンと、放熱基板における第１ピンフィンに囲まれた部分に千鳥配置状に一体に設けられかつ冷却液流路内に臨んだ複数の第２ピンフィンとを備えており、第１ピンフィンの横断面形状が三角形または五角形であって平坦面が放熱基板の周縁よりも外側を向いており、第２ピンフィンの横断面形状が平行四辺形であり、仕切部材の第１連通口の少なくとも一部が、放熱器の第２ピンフィンが形成されている部分に臨んでいるので、ケーシング外から入口ヘッダ部内に流入した冷却液は、第１連通口を通って冷却液流路内における第２ピンフィン間の冷却液流通間隙内に入り、当該冷却液流通間隙を通って冷却液流路内を流れた後に第２連通口を通って出口ヘッダ部内に入り、ケーシング外に流出する。したがって、第１ピンフィンの横断面形状が三角形または五角形であり、基板の外周側を向く面が平坦面になっていたとしても、冷却液が冷却液流路内を流れる際の前記平坦面に起因する圧力損失が増大するおそれはない。その結果、放熱器を、長尺の金属板に、横断面形状が菱形でありかつ当該菱形の１つの鋭角部が金属板の長手方向の一方を向くとともに、当該角部と対角線上に位置する角部が同じく金属板の長手方向の他方を向いた多数のピンフィンを千鳥配置状に一体に設け、金属板を決められた寸法に切断することにより製造する場合にも、特許文献１記載の液冷式冷却装置のように、第１ピンフィンの平坦面の寸法を決める必要はなく、容易に製造することができる。

上記2)の液冷式冷却装置によれば、発熱体取付面に取り付けられた発熱体からピンフィンへの熱伝導性が向上し、ひいては発熱体から発せられる熱の冷却液流路内を流れる冷却液への放熱性能が向上する。

上記3)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングの冷却液流路の耐圧性が向上する。

上記4)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングの第２空間内に入口ヘッダ部および出口ヘッダ部を比較的簡単に設けることができる。

上記5)の液冷式冷却装置によれば、入口ヘッダ部と出口ヘッダ部とを確実に非連通状態にすることができるとともに、両ヘッダ部の耐圧性が向上する。

この発明の液冷式冷却装置を示す分解斜視図である。図１の液冷式冷却装置の垂直断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。図１の液冷式冷却装置に用いられる放熱器を示す斜視図である。液冷式冷却装置のケーシング内の仕切部材の変形例を示す図３相当の図である。

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、図２の左右を左右といい、図３の上側を前、これと反対側を後というものとする。

図１〜図３は液冷式冷却装置を示し、図４は液冷式冷却装置に用いられる放熱器を示す。

図１〜図３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内に嵌め入れられて下構成部材(5)にろう付され、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)内は板状のアルミニウム製仕切部材(7)により上下２つの空間(8)(9)に分割されており、頂壁(2a)および底壁(2b)のうち外面が発熱体取付面(4)となっている頂壁(2a)側の第１空間(8)内に、冷却液が左側から右側に流れる冷却液流路(11)が設けられている。また、ケーシング(2)における頂壁(2a)および底壁(2b)のうち外面が発熱体取付面(4)とはなっていない底壁(2b)側の第２空間(9)内が、アルミニウム製分割部材(12)により冷却液流路(11)での冷却流体の流れ方向(左右方向)に２つの区画に分割されており、冷却液の流れ方向上流側の左側の区画が、冷却液がケーシング(2)外から流入する入口ヘッダ部(13)となり、同じく右側の区画が、冷却液がケーシング(2)外に流出する出口ヘッダ部(14)となっている。ケーシング(2)の底壁(2b)における分割部材(12)よりも左側の前側部分に、入口ヘッダ部(13)に通じる冷却液入口(15)が設けられ、ケーシング(2)の底壁(2b)における分割部材(12)よりも右側の前側部分に、出口ヘッダ部(14)に通じる冷却液出口(16)が設けられている。冷却液入口(15)および冷却液出口(16)の前後方向の位置は同じである。ケーシング(2)の冷却液入口(15)に、入口ヘッダ部(13)内に冷却液を送り込むアルミニウム製入口パイプ(17)が接続され、冷却液出口(16)に、出口ヘッダ部(14)内から冷却液を送り出すアルミニウム製出口パイプ(18)が接続されている。

ケーシング(2)内に設けられた仕切部材(7)の左側縁部でかつ冷却液入口(15)よりも後側の部分には、前後方向に長くかつ入口ヘッダ部(13)を冷却液流路(11)に通じさせる長方形状の第１連通口(19)が形成され、同じく仕切部材(7)の右側縁部の前側部分には、前後方向に長くかつ出口ヘッダ部(14)を冷却液流路(11)に通じさせる長方形状の第２連通口(21)が形成されている。なお、第１連通口(19)および第２連通口(21)は仕切部材(7)の一部を切り欠くことによって形成されているが、これに限定されるものではなく、第１連通口(19)および第２連通口(21)は貫通穴からなるものであってもよい。仕切部材(7)は、仕切部材(7)の前後方向の中心および左右方向の中心を通りかつ上下方向にのびる軸を回転軸とする２回回転対称の形状であり、第１連通口(19)および第２連通口(21)は仕切部材(7)を前記回転軸の周りに１８０度回転させた際に合致する。

分割部材(12)は、仕切部材(7)下面に面接触状態でろう付された第１平坦壁(12a)と、ケーシング(2)の底壁(2b)内面に面接触状態でろう付された第２平坦壁(12c)と、両平坦壁(12a)(12b)を一体に連結しかつ入口ヘッダ部(13)と出口ヘッダ部(14)とを隔てる隔壁(12c)とからなる。なお、分割部材(12)は、仕切部材(7)を支持する機能も有する。

放熱器(3)は、放熱基板(22)と、放熱基板(22)の下面周縁部に並んで下方突出状に一体に設けられかつ冷却液流路(11)内に臨んだ複数の第１ピンフィン(23)と、放熱基板(22)の下面における第１ピンフィン(23)に囲まれた部分に下方突出状に一体に設けられかつ冷却液流路(11)内に臨んだ複数の第２ピンフィン(24)とを備えており、すべてのピンフィン(23)(24)間の間隙が冷却液流通用間隙となっている。

図３および図４に示すように、放熱器(3)の放熱基板(22)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)の周壁上端の外向きフランジにろう付されている。放熱基板(22)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(I)を介して発熱体取付面(6)に取り付けられる。

第１ピンフィン(23)の横断面形状は、菱形の一部を切り取った三角形であって、放熱基板(22)の周縁よりも外側を向いた平坦面(23a)を有している。第２ピンフィン(24)の横断面形状は菱形であって、鋭角となっている２つの角部が冷却液流路(11)における冷却液流れ方向上流側および冷却液流れ方向下流側(左右両側)を向いている。そして、第１連通口(19)および第２連通口(21)の少なくとも一部が、第２ピンフィン(24)が形成されている部分に臨んでいる。すべてのピンフィン(23)(24)は、冷却液流路(11)における冷却液流れ方向下流側(右側)に向かって一方、ここでは後方に傾斜した複数の第１直線上、および冷却液流れ方向下流側に向かって他方、ここでは前方に傾斜した複数の第２直線上に位置するように千鳥配置状に設けられており、すべてのピンフィンの先端は仕切部材(7)にろう付されている。第２ピンフィン(24)の菱形の横断面形状における１組の対辺は前記第１直線と平行になり、他の１組の対辺は前記第２直線と平行になっている。

上記構成の液冷式冷却装置(1)において、入口パイプ(17)から冷却液入口(15)を通って入口ヘッダ部(13)内に流入した冷却液は、第１連通口(19)を通って冷却液流路(11)内に入り、放熱器(3)の第１および第２ピンフィン(23)(24)間を通って右方に流れる。冷却液流路(11)を右方に流れた冷却液は、第２連通口(21)を通って出口ヘッダ部(14)内に入り、冷却液出口(16)を通って出口パイプ(18)に送り出される。発熱体(P)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ケーシング(2)の頂壁(2a)、すなわち放熱器(3)の放熱基板(22)および第１および第２ピンフィン(23)(24)を経て冷却液流路(11)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はケーシング(2)内を第１空間(8)と第２空間(9)とに分割する仕切部材の変形例を示す。

図５に示す仕切部材(30)の左側部分には、大きさの異なる円形穴からなりかつ入口ヘッダ部(13)を冷却液流路(11)に通じさせる３つの第１連通口(31A)(31B)(31C)が、前後方向に延びる１つの直線上に間隔をおいて形成されている。前端の第１連通口(31A)は冷却液入口(15)の真上に形成されている。３つの第１連通口(31A)(31B)(31C)の大きさは、前端の第１連通口(31A)が最も小さく、後端の第１連通口(31C)に向かって順次大きくなっている。また、仕切部材(30)の右側部分には、大きさの異なる円形穴からなりかつ出口ヘッダ部(14)を冷却液流路(11)に通じさせる３つの第２連通口(32A)(32B)(32C)が、前後方向に延びる１つの直線上に間隔をおいて形成されている。３つの第２連通口(32A)(32B)(32C)の前後方向の位置は、３つの第１連通口(31A)(31B)(31C)の前後方向の位置と同じであり、前端の第２連通口(32A)は冷却液出口(16)の真上に形成されている。また、前後両端の第２連通口(32A)(32C)の大きさは互いに等しくなっているとともに、後端の第１連通口(31C)の大きさと等しくなっており、前後方向中央の第２連通口(32B)の大きさは前後方向中央の第１連通口(31B)の大きさと等しくなっている。

上述した実施形態においては、放熱器(3)の放熱基板(22)がケーシング(2)の頂壁(2a)を兼ねているが、これに代えて、放熱器(3)の放熱基板(22)とケーシング(2)の頂壁(2a)とが別体であり、放熱基板(22)が頂壁(2a)下面にろう付されていてもよい。また、ケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)のうち底壁(2b)外面が発熱体取付面(4)となっており、外面が発熱体取付面(4)となっている底壁(2b)側の第１空間内に、冷却液が左側から右側に流れる冷却液流路が設けられ、ケーシング(2)における頂壁(2a)および底壁(2b)のうち外面が発熱体取付面となっていない頂壁(2a)側の第２空間内に入口ヘッダ部(13)および出口ヘッダ部(14)が設けられていてもよい。

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)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(2a)：頂壁
(2b)：底壁
(3)：放熱器
(4)：発熱体取付面
(7)(30)：仕切部材
(8)：第１空間
(9)：第２空間
(11)：冷却液流路
(12)：分割部材
(12a)：第１平坦壁
(12b)：第２平坦壁
(12c)：隔壁
(13)：入口ヘッダ部
(14)：出口ヘッダ部
(19)(31A)(31B)(31C)：第１連通口
(21)(32A)(32B)(32C)：第２連通口
(22)：放熱基板
(23)：第１ピンフィン
(24)：第２ピンフィン

Claims

頂壁および底壁を有しかつ内部に冷却液流路が設けられたケーシングと、ケーシングに固定された放熱器とを備えており、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方が発熱体取付面となされ、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱が放熱器を介して冷却液流路内を流れる冷却液に放熱される液冷式冷却装置であって、
ケーシング内が仕切部材により上下２つの空間に分割され、頂壁および底壁のうち外面に発熱体取付面が設けられている壁側の第１空間内に冷却液流路が設けられ、同じく他方の第２空間内に、ケーシング外から冷却液が流入するとともに、仕切部材に形成された第１連通口を介して冷却液流路に通じる入口ヘッダ部と、ケーシング外に冷却液が流出するとともに、仕切部材に形成された第２連通口を介して冷却液流路に通じる出口ヘッダ部とが互いに非連通状態となるように設けられ、放熱器が、発熱体取付面に取り付けられた発熱体から発せられる熱を受ける放熱基板と、放熱基板の周縁部に並んで一体に設けられかつ冷却液流路内に臨んだ複数の第１ピンフィンと、放熱基板における第１ピンフィンに囲まれた部分に千鳥配置状に一体に設けられかつ冷却液流路内に臨んだ複数の第２ピンフィンとを備えており、第１ピンフィンの横断面形状が三角形または五角形であって平坦面が放熱基板の周縁よりも外側を向いており、第２ピンフィンの横断面形状が菱形であり、仕切部材の第１連通口の少なくとも一部が、放熱器の第２ピンフィンが形成されている部分に臨んでいる液冷式冷却装置。
放熱器の放熱基板が、ケーシングの頂壁および底壁のうち外面が発熱体取付面となされている壁を兼ねている請求項１記載の液冷式冷却装置。
第１ピンフィンおよび第２ピンフィンの先端が仕切部材に接合されている請求項１または２記載の液冷式冷却装置。
第２空間内の入口ヘッダ部および出口ヘッダ部が、第２空間内を分割部材により冷却液流路での冷却流体の流れ方向に２つの区画に分割することにより設けられている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
仕切部材が平板状であり、分割部材が、仕切部材に面接触した状態で接合された第１平坦壁、頂壁および底壁のうち外面に発熱体取付面が設けられていない壁の内面に面接触した状態で接合された第２平坦壁、および両平坦壁を一体に連結しかつ入口ヘッダ部と出口ヘッダ部とを隔てる隔壁からなる請求項４記載の液冷式冷却装置。