JP4845912B2

JP4845912B2 - 液冷式冷却装置

Info

Publication number: JP4845912B2
Application number: JP2008077298A
Authority: JP
Inventors: 昌吾森; 英靖小原; 泰造栗林; 忍田村
Original assignee: Toyota Industries Corp; Showa Denko KK
Current assignee: Toyota Industries Corp; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP2009231677A

Description

この発明は、たとえば車両などの半導体電力変換装置に適用され、半導体素子などの発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。

従来、電子部品の液冷式冷却装置として、上下両カバー板、および両カバー板間に介在させられかつ蛇行状の冷却液通路を形成する開口を有する通路形成板からなるケーシングと、ケーシングの上下両カバー板間において通路形成板の蛇行状冷却液通路の直線部内に配置された扁平管とを備えており、上カバー板における冷却液通路の両端部と対応する部分に冷却液入口および冷却液出口が形成され、上カバー板の上面に、冷却液入口に通じる冷却液流入路を有する入口部材および冷却液出口に通じる冷却液流出路を有する出口部材が接合されたものが知られている（特許文献１参照）。

ところで、特許文献１記載の液冷式冷却装置においては、冷却液は、図６に示すように、入口部材(50)の冷却液流入路(51)の閉鎖端面(52)に当たった後に急激に流れ方向を下向き変えて下方に流れ、冷却液入口(53)を通ってケーシング(54)内に流れ込むことになる。したがって、ケーシング(54)内に流入する際に、ケーシング(54)の底壁(55)上面に上方から衝突することになり、ケーシング(54)の側壁(56)と底壁(55)との間の入隅部に比較的大きな渦流(W)が発生し、流通抵抗が高くなって圧力損失が大きくなる。
米国特許出願公開第２００５／０１４５３７９明細書

この発明の目的は、上記問題を解決し、冷却液がケーシング内に流入する際の流通抵抗を低減しう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)冷却液入口および冷却液出口を有するケーシングと、ケーシングの冷却液入口に接続された流入パイプとを備えており、ケーシングの頂壁の端部に冷却液入口が形成され、流入パイプがケーシングの頂壁における冷却液入口が形成された部分の上に載る下壁を有し、流入パイプの下壁に冷却液入口に通じる貫通穴が形成され、ケーシングの底壁上面における冷却液入口と対応する部分に、ケーシング内に流入する冷却液を斜め下向きに流すガイド部が設けられており、ケーシングの頂壁下面における冷却液入口よりも冷却液の流れ方向下流側の部分に、冷却液入口に向かって下方に傾斜した傾斜部が設けられている液冷式冷却装置。

2)ガイド部が、冷却液の流れ方向上流側から同下流側に向かって下方に傾斜している上記1)記載の液冷式冷却装置。

3)ガイド部が、ケーシングの底壁を変形させることにより形成されている上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。

4)冷却液入口に向かって下方に傾斜した傾斜部が、が、ケーシングの頂壁を変形させることにより形成されている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

5)ケーシングの１つの側壁に、当該側壁から外方に突出するとともに先端が閉鎖された略角筒状の冷却液流入部が設けられており、冷却液流入部の頂壁の先端部に冷却液入口が形成されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

6)ケーシングの周壁が、互いに対向する第１の側壁および第２の側壁を備えており、ケーシングにおける第１の側壁の一端側の部分に、第１側壁から外方に突出するとともに先端が閉鎖された略角筒状の冷却液流入部が設けられ、冷却液流入部の頂壁の先端部に冷却液入口が形成され、同じく第２の側壁の他端側の部分に、第２側壁から外方に突出するとともに先端が閉鎖された略角筒状の冷却液流出部が設けられ、冷却液流出部の頂壁の先端部に冷却液出口が形成され、ケーシング内における第１および第２側壁間でかつ冷却液流入部と冷却液流出部との間の位置に、冷却液が第１および第２側壁の長さ方向に流れる複数の流路からなる並列流路部分が設けられ、ケーシング内における並列流路部分よりも上流側の部分が冷却液流入部に通じる入口ヘッダ部となされるとともに、並列流路部分よりも下流側の部分が冷却流出部に通じる出口ヘッダ部となされている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。

上記1)〜6)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングの底壁上面における冷却液入口と対応する部分に、ケーシング内に流入する冷却液を斜め下向きに流すガイド部が設けられているので、冷却液が冷却液入口を通ってケーシング内に流入する際に、ガイド部の働きによって冷却液が斜め下向きに流れる。したがって、ケーシングの内部高さを、特許文献１記載の液冷式冷却装置の流路の高さと同一にした場合、冷却液入口の近傍に発生する渦流の大きさが特許文献１記載の液冷式冷却装置の場合よりも小さくなり、冷却液が冷却液入口を通ってケーシング内に流入する際の流通抵抗が低減されて圧力損失が小さくなる。

上記1)および4)の液冷式冷却装置によれば、ケーシングの上下方向の中心線と、流入パイプの上下方向の中心線との距離を短くすることができるので、冷却液が、流入パイプから冷却液入口を通ってケーシングに流入する際の流れの曲がり角度を小さくすることが可能になり、その結果冷却液が冷却液入口を通ってケーシング内に流入際の流通抵抗の低減効果が向上する。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明において、図２の下側を前、上側を後というものとし、図３の上下、左右を上下、左右というものとする。

また、以下の説明において、「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。

図１〜図３はこの発明による液冷式冷却装置の全体構成を示し、図４および図５はその要部の構成を示す。なお、図１は液冷式冷却装置に発熱体である半導体素子が取り付けられた状態を示す。

図１〜図３において、液冷式冷却装置(1)は、頂壁(3)、底壁(4)および周壁(5)からなるケーシング(2)と、頂壁(3)にろう付されてケーシング(2)内に冷却液を流入させる流入パイプ(6)と、頂壁(3)にろう付されてケーシング(2)内から冷却液を流出させる流出パイプ(7)とを備えている。

図２〜図５に示すように、ケーシング(2)の周壁(5)は、前後方向にのびる垂直状の右側壁(8)（第１側壁）、前後方向にのびるとともに右側壁(8)と対向する垂直状の左側壁(9)（第２側壁）、右側壁(8)および左側壁(9)の後端部どうしを連結する垂直状の後側壁(11)、ならびに右側壁(8)および左側壁(9)の前端部どうしを連結する垂直状の前側壁(12)よりなる。ケーシング(2)の後端部に右側方に突出した冷却液流入部(13)が一体に形成され、同じく前端部に左側方に突出した冷却液流出部(14)が一体に形成されている。冷却液流入部(13)および冷却液流出部(14)の前後方向の幅は全長にわたって等しくなっている。冷却液流入部(13)は、ケーシング(2)の頂壁(3)に連なった頂壁(15)と、ケーシング(2)の底壁(4)に連なった底壁(16)と、ケーシング(2)の後側壁(11)に連なった後側壁(17)と、ケーシング(2)の右側壁(8)に連なるとともに右側壁(8)と直角をなす前側壁(18)と、頂壁(15)、底壁(16)、後側壁(17)および前側壁(18)の右端部に一体に形成された右端壁(19)とよりなり、右端壁(19)により冷却液流入部(13)の先端が閉鎖されている。冷却液流出部(14)は、ケーシング(2)の頂壁(3)に連なった頂壁(21)と、ケーシング(2)の底壁(4)に連なった底壁(22)と、ケーシング(2)の左側壁(9)に連なるとともに左側壁(9)と直角をなす後側壁(23)と、ケーシング(2)の前側壁(12)に連なった前側壁(24)と、頂壁(21)、底壁(22)、後側壁(23)および前側壁(24)の左端部に一体に形成された左端壁(25)とよりなり、左端壁(25)により冷却液流出部(14)の先端が閉鎖されている。そして、冷却液流入部(13)の頂壁(15)の右端部に方形の冷却液入口(26)が形成され、冷却液流出部(14)の頂壁(21)の左端部に方形の冷却液出口(27)が形成されている。

冷却液流入部(13)および冷却液流出部(14)が一体に形成されたケーシング(2)は、頂壁(3)、周壁(5)の上半部を形成する部分、頂壁(15)、後側壁(17)の上半部を形成する部分、前側壁(18)の上半部を形成する部分、右端壁(19)の上半部を形成する部分、頂壁(21)、後側壁(23)の上半部を形成する部分、前側壁(24)の上半部を形成する部分、および左端壁(25)の上半部を形成する部分からなるアルミニウム製上構成部材(28)と、底壁(4)、周壁(5)の下半部を形成する部分、底壁(16)、後側壁(17)の下半部を形成する部分、前側壁(18)の下半部を形成する部分、右端壁(19)の下半部を形成する部分、底壁(22)、後側壁(23)の下半部を形成する部分、前側壁(24)の下半部を形成する部分、および左端壁(25)の下半部を形成する部分からなるアルミニウム製下構成部材(29)とよりなる。上構成部材(28)の下端部および下構成部材(29)の上端部に、それぞれ外向きフランジ(31)(32)が一体に形成されており、両構成部材(28)(29)の外向きフランジ(31)(32)どうしがろう付されている。上下両構成部材(28)(29)は、それぞれアルミニウム板にプレス加工を施すことにより形成されている。

ケーシング(2)内における右側壁(8)と左側壁(9)との間でかつ冷却液流入部(13)と冷却液流出部(14)との間の部分に、波頂部(33a)、波底部(33b)および波頂部(33a)と波底部(33b)とを連結する垂直状連結部(33c)からなるアルミニウム製のコルゲートフィン(33)が配置されており、波頂部(33a)がケーシング(2)の頂壁(3)に、波底部(33b)がケーシング(2)の底壁(4)にそれぞれろう付されている。そして、コルゲートフィン(33)によって、前後方向にのびかつ冷却液が前後方向（右側壁(8)および左側壁(9)の長さ方向）に流れる複数の流路(34)が左右方向に並んで形成されており、これにより複数の流路からなる並列流路部分(35)が設けられている。ケーシング(2)内における並列流路部分(35)よりも上流側（後側）の部分が冷却液流入部(13)の冷却液入口(26)に通じる入口ヘッダ部(36)となされるとともに、並列流路部分(35)よりも下流側（前側）の部分が冷却液流出部(14)の冷却液出口(27)に通じる出口ヘッダ部(37)となされている。ケーシング(2)の入口ヘッダ部(36)、出口ヘッダ部(37)および並列流路部分(35)の高さは等しくなっている。また、入口ヘッダ部(36)の右端部の前後方向の幅は、冷却液流入部(13)の前後方向の幅と等しく、出口ヘッダ部(37)の左端部の前後方向の幅は、冷却液流出部(14)の前後方向の幅と等しくなっている。

ケーシング(2)の後側壁(11)の全体、すなわち後側壁(11)の内面は、右側壁(8)側から左側壁(9)側に向かって前側に滑らかに傾斜しており、入口ヘッダ部(36)の流路断面積が、冷却液入口(26)側から左側壁(9)側に向かって小さくなっている。また、出口ヘッダ部(37)における右側壁(8)から２０％以下の長さ部分において、前側壁(12)の全体、すなわち前側壁(12)の内面は、左側壁(9)側から右側壁(8)側に向かって後側に傾斜しており、出口ヘッダ部(37)の残りの部分において、前側壁(12)の全体、すなわち前側壁(12)の内面は右側壁(8)および左側壁(9)の内面と直角をなしている。その結果、出口ヘッダ部(37)におけるケーシング(2)の右側壁(8)側から２０％以下の長さ部分の流路断面積が、左側壁(9)側から右側壁(8)側に向かって小さくなっており、出口ヘッダ部(37)の残りの部分の流路断面積が、全長にわたって等しくなっている。

図４に示すように、冷却液流入部(13)の底壁(16)における冷却液入口(26)と対応する部分に、左方（流れ方向下流側）に向かって下方に傾斜した傾斜部からなり、かつケーシング(2)の冷却液流入部(13)内に流入する冷却液を斜め下向きに流すガイド部(40)が設けられている。ガイド部(40)の傾斜上端部は、水平な帯板状の連接部(38)を介して右端壁(19)に連なっている。ガイド部(40)は、冷却液入口(26)の左端よりも左側の部分から冷却液入口(26)の右端よりも左側の部分にかけて、底壁(16)を変形させることにより形成されている。また、冷却液流入部(13)の頂壁(15)における冷却液入口(26)よりも基端側（左側）の部分に、右方に向かって下方に傾斜した傾斜部からなる下方に偏った下方偏位部(39)が設けられている。下方偏位部(39)は頂壁(15)を部分的に変形させることにより形成されている。

図５に示すように、冷却液流出部(14)の底壁(22)における冷却液出口(27)と対応する部分に、段部(41)を介して底壁(22)上面と平行な高位部(42)が設けられており、段部(41)と高位部(42)とによって、冷却液流出部(14)内に流入した冷却液の流れの向きを上向きに変えるガイド部が形成されている。段部(41)および高位部(42)は、冷却液出口(27)の右端よりも左側の部分から冷却液出口(27)の左端にかけて、底壁(22)を変形させることにより形成されている。また、冷却液流出部(14)の頂壁(21)における冷却液出口(27)よりも基端側（右側）の部分に、左方に向かって下方に傾斜した傾斜部からなる下方に偏った下方偏位部(43)が設けられている。下方偏位部(43)は頂壁(21)を部分的に変形させることにより形成されている。

流入パイプ(6)は、一端が開口するとともに他端が閉鎖された横断面方形の角筒状であり、下壁(6a)の閉鎖端部（左端部）に冷却液流入部(13)の冷却液入口(26)と合致する方形の貫通穴(44)が形成されている。流入パイプ(6)は、下壁(6a)が冷却液流入部(13)の頂壁(15)における冷却液入口(26)が形成された部分、すなわち傾斜部(39)よりも右側の部分と平行となるように、下壁(6a)下面における貫通穴(44)の周囲の部分が、額縁状のスペーサ(45)を介して冷却液流入部(13)の頂壁(15)上面における冷却液入口(26)の周囲の部分にろう付されている。なお、図示は省略したが、流入パイプ(6)の開口端部に、冷却液供給用配管が接続される。

流出パイプ(7)は、一端が開口するとともに他端が閉鎖された横断面方形の角筒状であり、下壁(7a)の閉鎖端部（右端部）に冷却液流出部(14)の冷却液出口(27)と合致する方形の貫通穴(46)が形成されている。流出パイプ(7)は、下壁(7a)が冷却液流出部(14)の頂壁(21)における冷却液出口(27)が形成された部分、すなわち傾斜部(43)よりも左側の部分と平行となるように、下壁(7a)下面における貫通穴(46)の周囲の部分が、額縁状のスペーサ(47)を介して冷却液流出部(14)の頂壁(21)上面における冷却液出口(27)の周囲の部分にろう付されている。なお、図示は省略したが、流出パイプ(7)の開口端部に、冷却液排出用配管が接続される。

発熱体である半導体素子(P)は、板状絶縁部材(I)を介してケーシング(2)の頂壁(3)外面に接合されている。

上記構成の液冷式冷却装置(1)において、冷却液供給用配管から流入パイプ(6)内に送り込まれた冷却液は、貫通穴(44)および冷却液入口(26)を通ってケーシング(2)の冷却液流入部(13)内に流入する。このとき、冷却液流入部(13)の底壁(16)のガイド部(40)と、同頂壁(15)の下方偏位部(39)との働きによって、冷却液が左方に向かって斜め下向きに流れる。したがって、ケーシング(2)の冷却液流入部(13)内における冷却液入口(26)の近傍に発生する渦流の大きさが比較的小さくなり、冷却液が冷却液入口(26)を通ってケーシング(2)内に流入する際の流通抵抗が低減されて圧力損失が小さくなる。

冷却液流入部(13)内に流入した冷却液は入口ヘッダ部(36)内に流入し、入口ヘッダ部(36)において並列流路部分(35)の全流路(34)に均一に分流し、全流路(34)内を前方に流れる。このとき、ケーシング(2)の後側壁(11)の全体、すなわち後側壁(11)の内面が、右側壁(8)側から左側壁(9)側に向かって前側に滑らかに傾斜し、その結果入口ヘッダ部(36)の流路断面積が、冷却液入口(26)側から左側壁(9)側に向かって小さくなっていることによって、並列流路部分(35)の全流路(34)での流速分布、すなわち並列流路部分(35)の幅方向の流速分布が均一化される。

並列流路部分(35)の流路(34)内を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(37)内に入るとともに、出口ヘッダ部(37)内を左方に流れて冷却液流出部(14)内に入る。冷却液流出部(14)内に入った冷却液は、冷却液出口(27)および貫通穴(46)を通って流出パイプ(7)内に流入する。このとき、冷却液流出部(14)の底壁(22)に形成された段部(41)および高位部(42)からなるガイド部の働きによって、冷却液の流れ方向が上向きに変えられることになり、冷却液流出部(14)の冷却液出口(27)の近傍に発生する渦流の大きさが比較的小さくなる。したがって、冷却液がケーシング(2)内から冷却液出口(27)を通って流出パイプ(7)に流出する際の流通抵抗が低減されて圧力損失の増大が防止される。また、冷却液流出部(14)の頂壁(21)の下方偏位部(43)の働きによって、ケーシング(2)内部の上下方向の中心線と、流出パイプ(7)の上下方向の中心線との距離が短くなるので、冷却液流出部(14)内から冷却液出口(27)を通って流出パイプ(7)に流出する際の流れの角度を小さくすることが可能になる。したがって、冷却液が冷却液流出部(14)内から冷却液出口(27)を通って流出パイプ(7)に流出する際の流通抵抗の低減効果が向上する。流出パイプ(7)内に流入した冷却液は、冷却液排出用配管内に送り込まれる。

そして、半導体素子(P)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ケーシング(2)の頂壁(3)およびコルゲートフィン(33)を経て流路(34)内を流れる冷却液に伝わり、半導体素子(P)が冷却される。

この発明の液冷式冷却装置の全体構成を示す斜視図である。図１の液冷式冷却装置の水平断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線拡大断面図である。図２のＣ−Ｃ線拡大断面図である。従来の液冷式冷却装置の問題点を示す図５相当の断面図である。

(1)：液冷式冷却装置
(2)：ケーシング
(3)：頂壁
(4)：底壁
(5)：周壁
(6)：流入パイプ
(6a)：下壁
(8)：右側壁（第１側壁）
(9)：左側壁（第２側壁）
(13)：冷却液流入部
(14)：冷却液流出部
(15)：頂壁
(16)：底壁
(26)：冷却液入口
(27)：冷却液出口
(34)：流路
(35)：並列流路部分
(36)：入口ヘッダ部
(37)：出口ヘッダ部
(39)：下方偏位部
(40)：ガイド部
(44)：貫通穴

Claims

冷却液入口および冷却液出口を有するケーシングと、ケーシングの冷却液入口に接続された流入パイプとを備えており、ケーシングの頂壁の端部に冷却液入口が形成され、流入パイプがケーシングの頂壁における冷却液入口が形成された部分の上に載る下壁を有し、流入パイプの下壁に冷却液入口に通じる貫通穴が形成され、ケーシングの底壁上面における冷却液入口と対応する部分に、ケーシング内に流入する冷却液を斜め下向きに流すガイド部が設けられており、ケーシングの頂壁下面における冷却液入口よりも冷却液の流れ方向下流側の部分に、冷却液入口に向かって下方に傾斜した傾斜部が設けられている液冷式冷却装置。
ガイド部が、冷却液の流れ方向上流側から同下流側に向かって下方に傾斜している請求項１記載の液冷式冷却装置。
ガイド部が、ケーシングの底壁を変形させることにより形成されている請求項１または２記載の液冷式冷却装置。
冷却液入口に向かって下方に傾斜した傾斜部が、ケーシングの頂壁を変形させることにより形成されている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
ケーシングの１つの側壁に、当該側壁から外方に突出するとともに先端が閉鎖された略角筒状の冷却液流入部が設けられており、冷却液流入部の頂壁の先端部に冷却液入口が形成されている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
ケーシングの周壁が、互いに対向する第１の側壁および第２の側壁を備えており、ケーシングにおける第１の側壁の一端側の部分に、第１側壁から外方に突出するとともに先端が閉鎖された略角筒状の冷却液流入部が設けられ、冷却液流入部の頂壁の先端部に冷却液入口が形成され、同じく第２の側壁の他端側の部分に、第２側壁から外方に突出するとともに先端が閉鎖された略角筒状の冷却液流出部が設けられ、冷却液流出部の頂壁の先端部に冷却液出口が形成され、ケーシング内における第１および第２側壁間でかつ冷却液流入部と冷却液流出部との間の位置に、冷却液が第１および第２側壁の長さ方向に流れる複数の流路からなる並列流路部分が設けられ、ケーシング内における並列流路部分よりも上流側の部分が冷却液流入部に通じる入口ヘッダ部となされるとともに、並列流路部分よりも下流側の部分が冷却流出部に通じる出口ヘッダ部となされている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。