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JP6546521B2 - 液冷式冷却装置 - Google Patents

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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の左右を左右といい、図３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、特許文献１記載のものを提案した。
特許文献１記載の液冷式冷却装置は、頂壁、底壁および周壁を有するとともに冷却液入口および冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内に、外部から冷却液入口を通って流入した冷却液が冷却液出口に向かって一方向に流れる冷却液流路が設けられ、ケーシング内の冷却液流路に、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうち少なくともいずれか一方に取り付けられる発熱体から発せられる熱を、冷却液流路を流れる冷却液に放熱する放熱器が配置されており、放熱器が、長手方向を冷却液流路における冷却液の流れ方向に向けるとともに幅方向を上下方向に向けた状態で間隔をおいて並列状に配置された複数のプレートフィンを有し、各プレートフィンが、平面から見て波形でかつ一定の長さを有する波形部分を有し、当該波形部分が、左右いずれか一方に突出しかつ丸みを帯びた波頂部、同他方に突出しかつ丸みを帯びた波底部、および隣り合う波頂部と波底部とを連結する直線状傾斜部からなり、冷却液が隣り合う２つのプレートフィン間を蛇行しつつ流れるようになされており、隣り合う２つのプレートフィンからなる組において、両プレートフィンのうちの第１のプレートフィンにおける隣り合う２つの波頂部、および両波頂部間に位置する波底部を連結する２つの傾斜部の第２のプレートフィン側を向いた面と、両プレートフィンの上下方向の中間部を通る水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点が第１の直線により結ばれるとともに、当該水平面上において第１プレートフィンの両傾斜部の第２プレートフィン側を向いた面における第２プレートフィン側への延長部が交わる部分に位置しており、前記第２プレートフィンにおける隣り合う２つの波底部、および両波底部間に位置する波頂部を連結する２つの傾斜部の第１プレートフィン側を向いた面と前記水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点が第２の直線により結ばれるとともに、当該水平面上において第２プレートフィンの両傾斜部の第１プレートフィン側を向いた面における第１プレートフィン側への延長部が交わる部分に位置している。特許文献１記載の装置においては、プレートフィンの波頂部および波底部における突出方向外側の曲率半径をＲ１、同じく突出方向内側の曲率半径をＲ２、プレートフィンの波頂部の肉厚をＴ１、波底部の肉厚をＴ２、傾斜部の肉厚をＴ３とした場合、Ｒ１＝２×Ｔ１、Ｒ１＝２×Ｒ２、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３となっている。
ところで、特許文献１記載の液冷式冷却装置においては、冷却性能の低下を抑制した上で、冷却液が冷却液流路を流れる際の圧力損失を低減する効果に限界がある。
特開２０１３−１６５２９８号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、冷却性能の低下を抑制した上で、冷却液が冷却液流路を流れる際の圧力損失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)頂壁、底壁および周壁を有するとともに冷却液入口および冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内に、外部から冷却液入口を通って流入した冷却液が冷却液出口に向かって一方向に流れる冷却液流路が設けられ、ケーシング内の冷却液流路に、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうち少なくともいずれか一方に取り付けられる発熱体から発せられる熱を、冷却液流路を流れる冷却液に放熱する放熱器が配置されており、放熱器が、長手方向を冷却液流路における冷却液の流れ方向に向けるとともに幅方向を上下方向に向けた状態で間隔をおいて並列状に配置された複数のプレートフィンを有し、各プレートフィンが、平面から見て波形でかつ一定の長さを有する波形部分を有し、当該波形部分が、左右いずれか一方に突出しかつ丸みを帯びた波頂部、同他方に突出しかつ丸みを帯びた波底部、および隣り合う波頂部と波底部とを連結する直線状傾斜部からなり、冷却液が隣り合う２つのプレートフィン間を蛇行状しつつ流れるようになされている液冷式冷却装置において、
プレートフィンの波頂部および波底部における突出方向外側面の曲率半径をＲ１、同じく突出方向内側面の曲率半径をＲ２、プレートフィンの波頂部の肉厚をＴ１、波底部の肉厚をＴ２、傾斜部の肉厚をＴ３とした場合、Ｒ１＞Ｒ２、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ２＜Ｔ３という関係を満たす液冷式冷却装置。
2)Ｒ２＝Ｔ３、２×Ｒ２＜Ｒ１＜６．５×Ｒ２という関係を満たす上記1)記載の液冷式冷却装置。
3)Ｒ２＝Ｔ３という関係を満たす上記1)記載の液冷式冷却装置。
4)隣り合う２つのプレートフィンからなる組において、両プレートフィンのうちの第１のプレートフィンにおける隣り合う２つの波頂部、および両波頂部間に位置する波底部を連結する２つの傾斜部の第２のプレートフィン側を向いた面と、両プレートフィンの上下方向の中間部を通る水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点が第１の直線により結ばれるとともに、当該水平面上において第１プレートフィンの両傾斜部の第２プレートフィン側を向いた面における第２プレートフィン側への延長部が交わる部分に位置しており、前記第２プレートフィンにおける隣り合う２つの波底部、および両波底部間に位置する波頂部を連結する２つの傾斜部の第１プレートフィン側を向いた面と前記水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点が第２の直線により結ばれるとともに、当該水平面上において第２プレートフィンの両傾斜部の第１プレートフィン側を向いた面における第１プレートフィン側への延長部が交わる部分に位置している上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
上記1)〜4)の液冷式冷却装置によれば、プレートフィンの波頂部および波底部における突出方向外側の曲率半径をＲ１、同じく突出方向内側の曲率半径をＲ２、プレートフィンの波頂部の肉厚をＴ１、波底部の肉厚をＴ２、傾斜部の肉厚をＴ３とした場合、Ｒ１＞Ｒ２という関係を満たしているので、特許文献１記載の液冷式冷却装置に比べて、放熱器の隣り合うプレートフィン間を冷却液が直線的に流れる。したがって、冷却液が冷却液流路を流れる際の圧力損失を低減することが可能になる。しかも、Ｒ１＞Ｒ２の場合、プレートフィンの肉厚が全体に一定であると、特許文献１記載の液冷式冷却装置のプレートフィンに比べて伝熱面積が低下するが、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ２＜Ｔ３という関係を満たしているので、プレートフィンの伝熱面積の減少を抑制することができる。したがって、特許文献１記載の液冷式冷却装置に比べて、冷却性能の低下を抑制することが可能になる。
上記2)の液冷式冷却装置によれば、Ｒ２＝Ｔ３、２×Ｒ２＜Ｒ１＜６．５×Ｒ２という関係を満たしているので、冷却性能の低下率を５％の以下に抑制した上で、冷却液が冷却液流路を流れる際の圧力損失を低減することが可能になる。
上記3)の液冷式冷却装置によれば、Ｒ２＝Ｔ３という関係を満たしているので、プレートフィンの伝熱面積の減少を効果的に抑制することができる。
上記4)の液冷式冷却装置によれば、冷却液は波形のフィンに沿って流れやすくなり、フィンにおける伝熱に有効に働く面積が効果的に増大し、冷却性能を向上させることができる。
この発明の液冷式冷却装置を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ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の一部分を示す拡大斜視図である。 図２の一部分を拡大して示す図である。 図５の要部拡大図である。 図１の液冷式冷却装置の放熱器におけるプレートフィンの波頂部および波底部の外側面の曲率半径Ｒ１と、圧力損失および熱抵抗との関係を示すグラフである。
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、冷却液流路における冷却液の流れ方向下流側（図２の上側、図３の右側）を前、これと反対側を後というものとする。
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〜図６はその要部の構成を示す。
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)を備えており、ケーシング(2)の周壁(2c)における左側壁部分の後端部に、左方に開口した冷却液入口(3)が形成され、同じく右側壁部分の前端部に右方に開口した冷却液出口(4)が形成されている。ケーシング(2)内には、後端部に位置しかつ冷却液が冷却液入口(3)を通って外部から流入する入口ヘッダ(5)と、前端部に位置しかつ冷却液が冷却液出口(4)を通って外部に流出する出口ヘッダ(6)と、入口ヘッダ(5)に流入した冷却液を出口ヘッダ(6)に流す冷却液流路(7)とが設けられている。ケーシング(2)内の冷却液流路(7)に、ケーシング(2)の頂壁(2a)外面および底壁(2b)外面のうちのいずれか一方、図示の例では頂壁(2a)外面に設けられた発熱体取付部(8)に取り付けられた発熱体(H)から発せられる熱を、冷却液流路(7)を流れる冷却液に放熱するアルミニウム製放熱器(10)が配置されている。
ケーシング(2)は、頂壁(2a)および周壁(2c)の上半部を形成するアルミニウム製上構成部材(11)と、底壁(2b)および周壁(2c)の下半部を形成するアルミニウム製下構成部材(12)とよりなる。上構成部材(11)の周壁(2c)を形成する部分の下端部、および下構成部材(12)の周壁(2c)を形成する部分の上端部に、それぞれ外向きフランジ(11a)(12a)が一体に形成されている。上構成部材(11)および下構成部材(12)は、少なくとも一面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートを使用して、ろう材層がケーシング(2)内側と、各外向きフランジ(11a)(12a)における他の外向きフランジ(12a)(11a)を向いた面に位置するように形成されたものであり、両構成部材(11)(12)の外向きフランジ(11a)(12a)どうしがろう材層を介して接合（ろう付）されている。
発熱体(H)は、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り、絶縁部材(I)を介してケーシング(2)の頂壁(2a)外面の発熱体取付部(8)に取り付けられる。
図２〜図５に示すように、放熱器(10)は、長手方向を冷却液流路(7)における冷却液の流れ方向(前後方向)に向けるとともに幅方向を上下方向に向けた状態で左右方向に間隔をおいて配置された複数のアルミニウム製プレートフィン(13)と、プレートフィン(13)の長手方向と交差する方向（左右方向）にのび、かつ全プレートフィン(13)を連結一体化する前後２つの棒状連結部材(14)とからなる。
すべてのプレートフィン(13)は、ケーシング(2)の頂壁(2a)内面および底壁(2b)内面のうち少なくとも発熱体取付部(8)が設けられている頂壁(2a)内面、ここでは頂壁(2a)および底壁(2b)の両者の内面にろう付されている。
前側の連結部材(14)は、全プレートフィン(13)の上側縁部の前端寄りの部分に形成された切り欠き(15)内に、切り欠き(15)内から突出しないように圧入され、後側の連結部材(14)は、全プレートフィン(13)の下側縁部の後端寄りの部分に形成された切り欠き(15)内に、切り欠き(15)内から突出しないように圧入されており、これにより全プレートフィン(13)が連結部材(14)により連結一体化されている。
プレートフィン(13)の両切り欠き(15)間の部分は平面から見て波形であり、当該波形部分は、冷却液流路(7)における冷却液の流れ方向(前後方向)と直交する左右方向のいずれか一方(左方)に突出しかつ丸みを帯びた波頂部(16)、同他方(右方)に突出しかつ丸みを帯びた波底部(17)、および隣り合う波頂部(16)と波底部(17)とを連結する直線状傾斜部(18)からなる。なお、図５においては、すべてのプレートフィン(13)のうち、左右方向に隣り合う２つのプレートフィン(13)からなる組において、両プレートフィン(13)のうちの左側の第１プレートフィンを(13A)で示し、右側の第２プレートフィンを(13B)で示すものとする。
図５に示すように、左右方向に隣り合う２つのプレートフィン(13A)(13B)からなる組において、第１プレートフィン(13A)における隣り合う２つの波頂部(16)、および両波頂部(16)間に位置する波底部(17)を連結する２つの傾斜部(18)の第２プレートフィン(13B)側を向いた右側面(18a)と、プレートフィン(13A)(13B)の上下方向の中間部を通る水平面（プレートフィン(13A)(13B)の高さ方向と直交する水平面)とからなる２つの交線が交わるすべての点(P1)は、前記水平面上において、当該２つの傾斜部(18)の右側面(18a)における右側への延長部が交わる部分に位置しており、これらの点(P1)は第１の直線(L1)により結ばれている。また、第２プレートフィン(13B)における隣り合う２つの波底部(17)、および両波底部(17)間に位置する波頂部(16)を連結する２つの傾斜部(18)の第１プレートフィン(13A)側を向いた左側面(18b)と前記水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点(P2)は、前記水平面上において、当該２つの傾斜部(18)の左側面(18b)における左側への延長部が交わる部分に位置しており、これらの点(P2)は第２の直線(L2)により結ばれている。そして、第１の直線(L1)が第２の直線(L2)よりも第２プレートフィン(13B)側に位置している。
図６に示すように、プレートフィン(13)の波頂部(16)および波底部(17)における突出方向外側面(波頂部(16)では左側面、波底部(17)では右側面)の曲率半径をＲ１mm、同じく突出方向内側面(波頂部(16)では右側面、波底部(17)では左側面)の曲率半径をＲ２mm、プレートフィン(13)の波頂部(16)の肉厚をＴ１mm、波底部(17)の肉厚をＴ２mm、傾斜部(18)の肉厚をＴ３mmとした場合、Ｒ１＞Ｒ２、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ２＜Ｔ３という関係を満たしている。なお、通常は、Ｔ１＝Ｔ２である。また、Ｒ２＝Ｔ３、２×Ｒ２＜Ｒ１＜６．５×Ｒ２、Ｒ２＝Ｔ３という関係を満たしていることが好ましい。
Ｒ１＞Ｒ２であると、放熱器(10)の隣り合うプレートフィン(13)間を流れる冷却液の流れが比較的に直線的になり、その結果冷却液が冷却液流路(7)を流れる際の圧力損失を低減することが可能になる。しかも、Ｒ１＞Ｒ２の場合、プレートフィン(13)の肉厚が全体に一定であると、伝熱面積が低下するが、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ２＜Ｔ３という関係を満たしているので、プレートフィン(13)の伝熱面積の減少を抑制することができ、冷却性能の低下を抑制することが可能になる。
上述した関係は、１辺の長さが１０ｍｍの正方形状で、厚さが１〜５ｍｍである発熱体を１０〜１００Ｗで発熱させ、１５〜１８度の水およびエチレングリコール水溶液を隣り合うプレートフィン(13)に流速０．１〜１ｍ／ｓで流し、発熱体からプレートフィンまでの温度差により熱抵抗を算出し、さらに冷却液入口(3)と冷却液出口(4)との圧力差により圧力損失を算出するという条件で行ったコンピュータシミュレーション計算の結果から得られた図７に基づいて決められたものである。図７は、プレートフィン(13)の波頂部(16)および波底部(17)における突出方向内側面の曲率半径Ｒ２と傾斜部(18)とが等しい場合の、波頂部(16)および波底部(17)における突出方向外側面の曲率半径Ｒ１と、圧力損失および熱抵抗との関係を示す。なお、圧力損失および熱抵抗が１００％となる条件は、Ｒ１＝２×Ｒ２という条件である。
上述した構成の液冷式冷却装置(1)において、ケーシング(2)の外部から冷却液入口(3)を通って入口ヘッダ(5)内に流入した冷却液は、冷却液流路(7)に配置された放熱器(10)の隣り合う２つのプレートフィン(13)間を蛇行状に前方に流れて出口ヘッダ(6)内に入り、冷却液出口(4)を通ってケーシング(2)の外部に送り出される。発熱体(H)から発せられる熱は、絶縁部材(I)、ケーシング(2)の頂壁(2a)および放熱器(10)の各プレートフィン(13)を経て冷却液流路(7)を流れる冷却液に放熱され、発熱体(H)が冷却される。
上記実施形態においては、プレートフィン(13)の長手方向の両端部の所定長さを除いた部分、すなわち両切り欠き(15)間の部分が平面から見て波形であるが、これに限定されるものではなく、全長にわたって平面から見て波形であってもよい。
また、上記実施形態においては、放熱器(10)の全プレートフィン(13)は、切り欠き(15)内に圧入された連結部材(14)により連結一体化されているが、これに限定されるものではない。
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
(2c)：周壁
(3)：冷却液入口
(4)：冷却液出口
(7)：冷却液流路
(8)：発熱体取付部
(10)：放熱器
(13)(13A)(13B)：プレートフィン
(16)：波頂部
(17)：波底部
(18)：傾斜部
(18a)：傾斜部の右側面
(18b)：傾斜部の左側面
(H)：発熱体
(L1)(L2)：直線
(P1)(P2)：点

Claims (4)

  1. 頂壁、底壁および周壁を有するとともに冷却液入口および冷却液出口が形成されたケーシングを備えており、ケーシング内に、外部から冷却液入口を通って流入した冷却液が冷却液出口に向かって一方向に流れる冷却液流路が設けられ、ケーシング内の冷却液流路に、ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうち少なくともいずれか一方に取り付けられる発熱体から発せられる熱を、冷却液流路を流れる冷却液に放熱する放熱器が配置されており、放熱器が、長手方向を冷却液流路における冷却液の流れ方向に向けるとともに幅方向を上下方向に向けた状態で間隔をおいて並列状に配置された複数のプレートフィンを有し、各プレートフィンが、平面から見て波形でかつ一定の長さを有する波形部分を有し、当該波形部分が、左右いずれか一方に突出しかつ丸みを帯びた波頂部、同他方に突出しかつ丸みを帯びた波底部、および隣り合う波頂部と波底部とを連結する直線状傾斜部からなり、冷却液が隣り合う２つのプレートフィン間を蛇行状しつつ流れるようになされている液冷式冷却装置において、
    プレートフィンの波頂部および波底部における突出方向外側面の曲率半径をＲ１、同じく突出方向内側面の曲率半径をＲ２、プレートフィンの波頂部の肉厚をＴ１、波底部の肉厚をＴ２、傾斜部の肉厚をＴ３とした場合、Ｒ１＞Ｒ２、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ２＜Ｔ３という関係を満たす液冷式冷却装置。
  2. Ｒ２＝Ｔ３、２×Ｒ２＜Ｒ１＜６．５×Ｒ２という関係を満たす請求項１記載の液冷式冷却装置。
  3. Ｒ２＝Ｔ３という関係を満たす請求項１記載の液冷式冷却装置。
  4. 隣り合う２つのプレートフィンからなる組において、両プレートフィンのうちの第１のプレートフィンにおける隣り合う２つの波頂部、および両波頂部間に位置する波底部を連結する２つの傾斜部の第２のプレートフィン側を向いた面と、両プレートフィンの上下方向の中間部を通る水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点が第１の直線により結ばれるとともに、当該水平面上において第１プレートフィンの両傾斜部の第２プレートフィン側を向いた面における第２プレートフィン側への延長部が交わる部分に位置しており、前記第２プレートフィンにおける隣り合う２つの波底部、および両波底部間に位置する波頂部を連結する２つの傾斜部の第１プレートフィン側を向いた面と前記水平面とからなる２つの交線が交わるすべての点が第２の直線により結ばれるとともに、当該水平面上において第２プレートフィンの両傾斜部の第１プレートフィン側を向いた面における第１プレートフィン側への延長部が交わる部分に位置している請求項１〜３のうちのいずれかに記載の液冷式冷却装置。
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