JP2010109016A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よくケース外表面に設けた発熱素子を冷却できる冷却器を提供する。
【解決手段】アッパーケース１０には、上側に向って突出するとともに半導体パワー素子６０が配置される第１の突部１８が形成され、ロアーケース２０には、上側に向かって突出する第２の突部２８が形成され、第１の突部１８と第２の突部２８は下側ほど間隔が広がる２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２、Ｆ３，Ｆ４を有し、第１の突部１８と第２の突部２８とは一定間隔離れている。第１の突部１８の延設方向における一端には、第１の突部１８の２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２から延びる第１の側板１４が設けられ、第１の突部１８の延設方向における他端には、第１の突部１８の２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２から延びる第２の側板１５が設けられ、第１の側板１４での上側に入口パイプ３０を設けるとともに、第２の側板１５での下側に出口パイプ４０を設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却器に関するものである。

特許文献１の図４には回路基板で発生する熱を排出する機器が開示されており、この機器は中空ケーシングとして三角形断面を有しており、回路基板が蓋として使用され、かつ、中空ケーシングにおける一方の側面には液状冷媒のための入口嵌め管が取り付けられ、反対の側面には出口嵌め管が取り付けられている構成となっている。
特表平４−５０２２３５号公報

特許文献１とは異なる構成にて効率よくケース外表面に設けた発熱素子を冷却できる冷却器が望まれている。
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、効率よくケース外表面に設けた発熱素子を冷却できる冷却器を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、上面が開口したロアーケースと、下面が開口し前記ロアーケースの開口部を覆うように配置されるアッパーケースとからなるケース内に冷却流体を通過させる冷却器であって、前記アッパーケースには、上側に向って突出するとともに発熱素子が配置される第１の突部が形成され、前記ロアーケースには、上側に向かって突出する第２の突部が形成され、前記第１の突部と前記第２の突部は下側ほど間隔が広がる２つの斜状面を有し、前記第１の突部と前記第２の突部とは一定間隔離れていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ロアーケースおよびアッパーケースの第１の突部と第２の突部においては、下側ほど間隔が広がる２つの斜状面を有している。そして、アッパーケースの第１の突部に配置した発熱素子が発熱すると、ケース内を通過する冷却流体により冷却される。よって、アッパーケースに下側ほど間隔が広がる２つの斜状面を有する第１の突部が形成されるとともにロアーケースに第２の突部がなく単に直線的に延びている場合に比べて、ロアーケースの第２の突部により発熱素子の冷却には寄与しない冷却流体の通過領域を減らして冷却に必要な部位に流すことができ、効率よく冷却することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の冷却器において、前記第１の突部と前記第２の突部との間に、波板状のフィンが、当該波板状のフィンの山谷が前記第１の突部の斜状面における上側から下側の方向または前記第２の突部の斜状面における上側から下側の方向に延びるように配置され、かつ、前記波板状のフィンの山谷が前記第１の突部と前記第２の突部に接合されていると、フィンによりケースの変形を抑制することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の冷却器において、前記第１の突部の延設方向における一端には、前記第１の突部の２つの斜状面から延びる第１の側板が設けられ、前記第１の突部の延設方向における他端には、前記第１の突部の２つの斜状面から延びる第２の側板が設けられ、前記第１の側板での上側に入口パイプを設けるとともに、前記第２の側板での下側に出口パイプを設けると、冷却流体の第１の突部と第２の突部の斜状面に沿った流れを作って冷却流体で発熱素子を冷却する上で好ましいものとなる。

本発明によれば、効率よくケース外表面に設けた発熱素子を冷却できる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態における冷却器１の斜視図である。図２は、冷却器１の分解斜視図である。図３（ａ）は、冷却器１の平面図である。図３（ｂ）は冷却器１の右側面図（図３（ａ）でのＡ矢視図）である。図３（ｃ）は冷却器１の正面図である。図４は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図である。図５は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線での縦断面図である。本実施形態においては自動車モータ用インバータに適用しており、半導体パワー素子としてのインバータ用ＩＧＢＴとフライホイールダイオードを冷却する冷却器である。

図１，２に示すように、冷却器１は、アッパーケース１０と、ロアーケース２０と、冷却水の入口パイプ３０と、冷却水の出口パイプ４０と、第１の突部１８の外表面（アッパーケース１０の外表面）に配置された発熱素子としての半導体パワー素子６０とを備えている。半導体パワー素子６０は計６つ使用している。アッパーケース１０とロアーケース２０はアルミの板材よりなり、プレス成形品である。

アッパーケース１０とロアーケース２０によりケースが構成されている。ケースは、図３（ａ）に示すように平面形状として図中、Ｘ方向に延びる長方形状をなしている。そして、冷却水が長方形状のケース（アッパーケース１０、ロアーケース２０）の一方の短辺からケース内部に供給され、ケース内を通過してケースの他方の短辺から排出されることになる。

ロアーケース２０は、上面が開口している。アッパーケース１０は、下面が開口し、ロアーケース２０の開口部を覆うように配置されている。
アッパーケース１０は、第１の突部１８と、第１の突部１８の外周縁に屈曲形成された鍔部（フランジ部）１２とからなる。ロアーケース２０は、本体部２１と、本体部２１の外周縁に屈曲形成された鍔部（フランジ部）２２とからなる。

図２に示すように、第１の突部１８は、ケースの長手方向（Ｘ方向）に延設されるとともに上側に向って突出するように形成されている。第１の突部１８は、２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２と、第１の側板１４と、第２の側板１５とから構成されている。２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２は、下側ほど間隔が広がっており、第１の突部１８は断面Ｖ字状をなしている。第１の側板１４は、第１の突部１８の延設方向における一端に設けられ、斜状面Ｆ１，Ｆ２から延びている。第２の側板１５は、第１の突部１８の延設方向における他端に設けられ、斜状面Ｆ１，Ｆ２から延びている。

ロアーケース２０の本体部２１によりケースの底板２３が構成されている。また、ケースの底板２３（ロアーケース２０の本体部２１）には、上側（アッパーケース１０側）に向って突出する第２の突部２８が形成されている。第２の突部２８はケースの長手方向（Ｘ方向）に延設されている。第２の突部２８は、２つの斜状面Ｆ３，Ｆ４と、第３の側面Ｆ３０と、第４の側面Ｆ４０とから構成されている。２つの斜状面Ｆ３，Ｆ４は、下側ほど間隔が広がっており、第２の突部２８は断面Ｖ字形状をなしている。第３の側面Ｆ３０は第２の突部２８の延設方向における一端に設けられ、２つの斜状面Ｆ３，Ｆ４から延びている。第４の側面Ｆ４０は、第２の突部２８の延設方向における他端に設けられ、２つの斜状面Ｆ３，Ｆ４から延びている。

斜状面Ｆ１と斜状面Ｆ３とは平行であるとともに斜状面Ｆ２と斜状面Ｆ４とは平行であり、第１の突部１８と第２の突部２８とは一定間隔離れている。
このようにして、図５に示すように、ケース（アッパーケース１０、ロアーケース２０）の縦断面形状が「く」の字型の絞り形状となっている。この断面が「く」の字となっている部位は図４でのケースの長手方向のＬ１で示す箇所であり、ケースの長手方向の両端の部位（図４においてＬ２，Ｌ３で示す箇所）においては「く」の字ではなく三角形状をなしている。即ち、Ｌ２，Ｌ３で示す箇所においては底板２３に第２の突部２８が形成されていない。

図２，４に示すように、アッパーケース１０とロアーケース２０は波板状の冷却フィン５０，５１を挟んで鍔部１２，２２がロウ付けされている。冷却フィン５０，５１はアルミよりなる。詳しくは、ケース内において第１の突部１８と第２の突部２８との間に、波板状のフィン５０が、波板状のフィン５０の山谷が第１の突部１８の斜状面Ｆ１の短手方向（第１の突部１８の斜状面における上側から下側の方向）および第２の突部２８の斜状面Ｆ３の短手方向（第２の突部２８の斜状面における上側から下側の方向）に沿って延びるように配置され、かつ、波板状のフィン５０の山谷が第１の突部１８と第２の突部２８にロウ付けにより接合されている。同様に、ケース内において第１の突部１８と第２の突部２８との間に、波板状のフィン５１が、波板状のフィン５１の山谷が第１の突部１８の斜状面Ｆ２の短手方向（第１の突部１８の斜状面における上側から下側の方向）および第２の突部２８の斜状面Ｆ４の短手方向（第２の突部２８の斜状面における上側から下側の方向）に沿って延びるように配置され、かつ、波板状のフィン５１の山谷が第１の突部１８と第２の突部２８にロウ付けにより接合されている。

また、アッパーケース１０の第１の側板１４での上側、即ち、三角形の頂部に入口パイプ３０が設けられている。図４のようにＬ２の幅を有する場合、少なくともＬ２分だけ入口パイプ３０が内部に突き出している。

また、アッパーケース１０の第２の側板１５での下側、即ち、三角形の斜辺の下部に出口パイプ４０が設けられている。つまり、図３等に示すように、アッパーケース１０には冷却水を供給するためのアルミ製パイプ（円管）３０が連結されるとともにアッパーケース１０には冷却水を排出するためのアルミ製パイプ（円管）４０が連結されている。詳しくは、アッパーケース１０の左側面上側にパイプ３０の一端が接続されるとともにアッパーケース１０の右側面下側にパイプ４０の一端が接続されている。パイプ４０は二又タイプのパイプであって、２つの通路を１つに集合するものである。パイプ４０の２つの入口部が第２の側板１５の両方の斜辺の下側に接合されている。よって、ケースから出た冷却水が２箇所からパイプ４０に入り、集合して下流に流れていく。

ケースとパイプ３０，４０との連結構造について説明する。図６に示すように、パイプ連結のために、アッパーケース１０には連通孔１６が形成され、連通孔１６にパイプ３０，４０が挿入され接合されている。

図３（ａ）に示すように、パイプ３０とパイプ４０はケースの長手方向（Ｘ方向）に延びている。
半導体パワー素子６０は、図７に示すように、半導体パワー素子搭載基板７０を介してアッパーケース１０の上面（第１の突部１８）に実装されている。半導体パワー素子搭載基板７０は、絶縁基板７１の両面に金属層７２，７３が形成されている。具体的には、例えば窒化アルミ等のセラミックよりなる絶縁基板７１の両面にアルミ（または銅）が張り合わされている。絶縁基板７１の一方の面が半導体パワー素子搭載面となっており、本実施形態においてはＩＧＢＴおよびダイオードが半田７４により接合されている（シリコンチップ６０が半田付けされている）。このように、絶縁基板７１の一方の面に半導体パワー素子６０が搭載される構造となっており、半導体パワー素子６０は絶縁基板７１により電気的に分離されている。

また、絶縁基板７１の他方の面がアッパーケース１０へのロウ付け面である。６つの半導体パワー素子搭載基板７０は、図７に示すように第１の突部１８の外表面、即ち、アッパーケース１０の外表面（上面）にロウ材７５により接合されている。

このようにして、波板状の冷却フィン５０，５１を挟んでアッパーケース１０の鍔部１２とロアーケース２０の鍔部２２がロウ付けにて接合されるとともに、波板状の冷却フィン５０，５１の山谷の部分もアッパーケース１０の内面とロアーケース２０の内面にロウ付けにて接合され、さらに、複数の半導体パワー素子６０が基板７０を介してロウ付けにてアッパーケース１０の外表面に接合されている。よって、冷却器１を構成する各部材をロウ付けにて一括で接合でき、冷却器１を容易に組み立てることができる。

次に、冷却器１の作用について説明する。
冷却水は図３（ａ）において一点鎖線で示すように流れる。つまり、入口パイプ３０からケース内に入り、断面三角形状のケースにおける頂部をケースの長手方向（Ｘ方向）に沿って流れ、波板状の冷却フィン５０，５１の山谷の延設方向（斜状面における上側から下側の方向）に沿う形で、三角形のケースにおける頂部から底辺に向かって流れ、さらに、底辺においてケースの長手方向（Ｘ方向）に沿って流れ、出口パイプ４０から排出される。

ここで、図５に示すように、冷却水はケースの三角形の頂点から両端下方へスムーズに流れることにより圧力損失を小さくすることができる。
また、ケース（アッパーケース１０、ロアーケース２０）と冷却フィン５０，５１はアルミよりなり、絶縁基板７１はセラミックよりなり、一体ロウ付けの材料の違いによる熱膨張の差による変形（反り）が発生しようとするが、ケースが「く」の字型になっており、剛性アップにより熱膨張の差による変形（反り）が防止される。

より詳しくは、アッパーケース１０とロアーケース２０と冷却フィン５０，５１とパイプ３０，４０は全てアルミよりなり、これら部品および絶縁基板（セラミック基板）７１が一体でロウ付けされており、アルミとセラミックの熱膨張差によるケース全体の変形をアッパーケース１０とロアーケース２０の形状を工夫することによりＸ方向（ケースの長手方向）の変形は三角リブ形状で、また第１の突部１８の斜状面の短手方向の変形は冷却フィン５０，５１の向きにより防止される。ケースの変形（反り）が抑制されることにより絶縁基板７１の剥がれ等を防止できる。

一方、半導体パワー素子６０が発熱すると、その熱は半導体パワー素子搭載基板７０を介してアッパーケース１０に伝わる。アッパーケース１０に伝わった熱は、ケース内の冷却水通路を通る冷却水との間で熱交換される。このとき、ケース内には冷却フィン５０，５１が配置されているため、放熱面積が大きくなって効率の高い冷却が行われる。即ち、ケースの内部に設けられた冷却フィン５０，５１が放熱面積を大きくしており、冷却器１の冷却能力が高くなる。

断面三角形の流路と、断面「く」の字の流路との対比において、断面三角形の流路においては冷却に寄与しない部位も流路となっていることから冷却効率が悪い。つまり、同じ冷却効果を持たせようとすると断面三角形の流路においては冷却の必要のない部位にも冷却水が流れてしまうことにより冷却水の量を増やす必要があるが、断面「く」の字の流路にすることにより冷却に必要な部位に流すことができ、効率よく冷却することができる。

以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）アッパーケース１０には、上側に向って突出するとともに半導体パワー素子（発熱素子）６０が配置される第１の突部１８が形成され、ロアーケース２０には、上側に向かって突出する第２の突部２８が形成され、第１の突部１８と第２の突部２８は下側ほど間隔が広がる２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２、Ｆ３，Ｆ４を有し、第１の突部１８と第２の突部２８とは一定間隔離れている。よって、ロアーケースおよびアッパーケースの第１の突部１８と第２の突部２８においては、下側ほど間隔が広がる２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２、Ｆ３，Ｆ４を有し、アッパーケースの第１の突部１８に配置した半導体パワー素子（発熱素子）６０が発熱すると、ケース内を通過する冷却水により冷却される。よって、アッパーケースに下側ほど間隔が広がる２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２を有する第１の突部が形成されるとともにロアーケース２０に第２の突部２８がなく単に直線的に延びている場合に比べて、ロアーケースの第２の突部２８により半導体パワー素子（発熱素子）６０の冷却には寄与しない冷却水の通過領域を減らして冷却に必要な部位に流すことができ、効率よく冷却することができる。また、ケースの形状として、四角い箱型にする場合に比べ、本実施形態ではケースの天井板の形状を、下側ほど間隔が広がる２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２を有する形状、即ち、三角形にすることにより、剛性が高まる。

（２）第１の突部１８と第２の突部２８との間に、波板状のフィン５０，５１が、波板状のフィン５０，５１の山谷が第１の突部１８の斜状面Ｆ１，Ｆ２における上側から下側の方向または第２の突部２８の斜状面Ｆ３，Ｆ４における上側から下側の方向に延びるように配置され、かつ、波板状のフィン５０，５１の山谷が第１の突部１８と第２の突部２８に接合されているので、冷却フィン５０，５１によりケースの変形を抑制することができる。

（３）第１の突部１８の延設方向における一端には、第１の突部１８の２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２から延びる第１の側板１４が設けられ、第１の突部１８の延設方向における他端には、第１の突部１８の２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２から延びる第２の側板１５が設けられ、第１の側板１４での上側に入口パイプ３０を設けるとともに、第２の側板１５での下側に出口パイプ４０を設けた。これより、冷却水の第１の突部１８と第２の突部２８の斜状面Ｆ１，Ｆ２、Ｆ３，Ｆ４に沿った流れを作って冷却水で半導体パワー素子（発熱素子）６０を冷却する上で好ましいものとなる（冷却性に優れている）。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・発熱素子としての半導体パワー素子６０は６つ設けたが、その数はいくつでもよい。
・冷却流体として冷却水の代わりにアルコール等を用いてもよい。

・断面「く」の字の流路における２つの斜状面Ｆ１，Ｆ２にそれぞれ半導体パワー素子（発熱素子）６０を配置したが、一方の斜状面（Ｆ１またはＦ２）にのみ半導体パワー素子（発熱素子）６０を配置してもよい。

・出口パイプは二又タイプ、即ち、２つの通路を１つの通路に集合するものであったが、二又とせずに、ケース内で冷却水を集合させて１箇所から排出するようにしてもよい。
・突部１８，２８は断面Ｖ字形状に限定されることはなく、例えば、台形等でもよい。

・図４のＬ２の幅がないもの、即ち、第１の突部１８における第１の側板１４と第２の突部２８における第３の側面Ｆ３０が当接していてもよい。

本実施形態における冷却器の斜視図。 冷却器の分解斜視図。 （ａ）は冷却器の平面図、（ｂ）は冷却器の右側面図、（ｃ）は冷却器の正面図。 図３（ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図。 図３（ａ）のＣ−Ｃ線での縦断面図。 ケースとパイプの接続構造を示す断面図。 半導体パワー素子（発熱素子）の詳細実装図。

符号の説明

１０…アッパーケース、１４…第１の側板、１５…第２の側板、１８…第１の突部、２０…ロアーケース、２３…底板、２８…第２の突部、３０…入口パイプ、４０…出口パイプ、５０…冷却フィン、５１…冷却フィン、６０…半導体パワー素子、Ｆ１…斜状面、Ｆ２…斜状面、Ｆ３…斜状面、Ｆ４…斜状面。

Claims (3)

1. 上面が開口したロアーケースと、下面が開口し前記ロアーケースの開口部を覆うように配置されるアッパーケースとからなるケース内に冷却流体を通過させる冷却器であって、
   前記アッパーケースには、上側に向って突出するとともに発熱素子が配置される第１の突部が形成され、
   前記ロアーケースには、上側に向かって突出する第２の突部が形成され、
   前記第１の突部と前記第２の突部は下側ほど間隔が広がる２つの斜状面を有し、
   前記第１の突部と前記第２の突部とは一定間隔離れている
   ことを特徴とする冷却器。
2. 前記第１の突部と前記第２の突部との間に、波板状のフィンが、当該波板状のフィンの山谷が前記第１の突部の斜状面における上側から下側の方向または前記第２の突部の斜状面における上側から下側の方向に延びるように配置され、かつ、前記波板状のフィンの山谷が前記第１の突部と前記第２の突部に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記第１の突部の延設方向における一端には、前記第１の突部の２つの斜状面から延びる第１の側板が設けられ、
   前記第１の突部の延設方向における他端には、前記第１の突部の２つの斜状面から延びる第２の側板が設けられ、
   前記第１の側板での上側に入口パイプを設けるとともに、前記第２の側板での下側に出口パイプを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却器。

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