JP2013197159A

JP2013197159A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2013197159A
Application number: JP2012060257A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamaguchi; 浩二山口
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】冷却水の流れ方向に複数配置された発熱体の温度バラツキを抑えて、発熱体の寿命及び信頼性を向上することの可能な冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関する。

従来から、例えばパワー半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置として、水冷式ヒートシンクがよく利用されている（下記特許文献１参照）。一般的に、この水冷式ヒートシンクは、冷却水の導入口と排出口が設けられ、これら導入口と排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、その密閉ケース内の冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとから構成される。

このような構成の水冷式ヒートシンクにおいて、密閉ケースの外壁面（冷却フィンが設けられた内壁面に対向する外壁面）に、発熱体を基板やサーマルコンパウンド等からなる中間熱伝層を介して配置した状態で、密閉ケース内の冷却水路に冷却水を流通させると、発熱体で発生した熱は、中間熱伝層→密閉ケース→冷却フィン→冷却水という経路で伝達して外部に放出される。

特開２００６−１５６７１１号公報

上記構成の水冷式ヒートシンクにおいて、発熱体が冷却水の流れ方向に複数配置されている場合、冷却水は冷却水路の上流から下流に向かうにつれて温度が高くなる。そのため、冷却水路の上流側に位置する発熱体より下流側に位置する発熱体の方が高温となって寿命が短くなり、個々の発熱体の寿命にバラツキが生じる。また、発熱体の耐熱温度を越えて高温となった場合には、発熱体の動作が不安定となって信頼性が低下する。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷却水の流れ方向に複数配置された発熱体の温度バラツキを抑えて、発熱体の寿命及び信頼性を向上することの可能な冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、冷却装置に係る第１の解決手段として、冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる、という手段を採用する。

また、本発明では、冷却装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記密閉ケースの壁部の厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる、という手段を採用する。

また、本発明では、冷却装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記冷却フィンの厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなる、という手段を採用する。

本発明によれば、冷却水路の下流に向かうほど冷却水の流速が速くなるので、発熱体が冷却水の流れ方向に複数配置されている場合でも、冷却水路の下流側に位置する発熱体の冷却効果を高めて温度上昇を抑えることができる。つまり、本発明によれば、冷却水の流れ方向に複数配置された発熱体の温度バラツキを抑えて、発熱体の寿命及び信頼性を向上することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１の構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２の構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係る水冷式ヒートシンク３の構成を示す図である。本発明の第４実施形態に係る水冷式ヒートシンク４の構成を示す図である。本発明の第５実施形態に係る水冷式ヒートシンク５の構成を示す図である。本発明の第６実施形態に係る水冷式ヒートシンク６の構成を示す図である。一般的な水冷式ヒートシンク１０の構成とその課題を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
最初に、本実施形態に係る冷却装置の理解を容易とするために、発熱体として例えばパワー半導体素子を冷却する冷却装置（水冷式ヒートシンク）の一般的な構成とその課題について図７を用いて説明する。

図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、一般的な水冷式ヒートシンク１０は、冷却水の導入口１１ａと排出口１１ｂが設けられ、これら導入口１１ａと排出口１１ｂとを結ぶ内部空間を冷却水路１１ｃとする箱形状の密閉ケース１１と、その密閉ケース１１内の冷却水路１１ｃに設けられた板状の冷却フィン１２とから構成される。

なお、冷却フィン１２は、密閉ケース１１の内壁面１１ｄに、冷却水の流れ方向（図中のＸ軸方向）に対して長辺が平行となるように立設されている。また、冷却フィン１２は、冷却水の流れ方向に対して直交する方向（図中のＹ軸方向）に沿って、一定間隔で複数設けられている。

このような構成の水冷式ヒートシンク１０において、密閉ケース１１の外壁面１１ｅ（冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｄに対向する外壁面）には、例えば三つのパワー半導体素子２３を内包する半導体モジュール２０がサーマルコンパウンド３０を介して設置される。この半導体モジュール２０は、例えばハイブリッド車両に搭載されるインバータを構成するモジュール部品の一つであり、板状のベース部材２１と、その上面にＸ軸方向に沿って一定間隔で三つ設置された絶縁基板２２と、これら三つの絶縁基板２２の各々に実装されたパワー半導体素子２３とを備えている。

なお、この半導体モジュール２０において、絶縁基板２２及びパワー半導体素子２３は、ベース部材２１上に設置された樹脂ケース２４によって密閉状態で覆われていると共に、樹脂ケース２４の外部に露出して設けられた電極部材であるブスバー２５とアルミワイヤ２６を介して電気的に接続されている。

このように、水冷式ヒートシンク１０における密閉ケース１１の外壁面１１ｅに、パワー半導体素子２３を絶縁基板２２やベース部材２１、サーマルコンパウンド３０等からなる中間熱伝層を介して配置した状態で、密閉ケース１１内に冷却水を流通させると、パワー半導体素子２３で発生した熱は、中間熱伝層→密閉ケース１１→冷却フィン１２→冷却水という経路で伝達して外部に放出される。

上記構成の水冷式ヒートシンク１０において、発熱体であるパワー半導体素子２３が冷却水の流れ方向に複数配置されている場合、冷却水は冷却水路１１ｃの上流から下流に向かうにつれて温度が高くなる。そのため、冷却水路１１ｃの上流側に位置するパワー半導体素子２３より下流側に位置するパワー半導体素子２３の方が高温となって寿命が短くなり、個々のパワー半導体素子２３の寿命にバラツキが生じる。また、パワー半導体素子２３の耐熱温度を越えて高温となった場合には、パワー半導体素子２３の動作が不安定となって信頼性が低下する。

本実施形態に係る冷却装置は、上記のような従来の水冷式ヒートシンク１０の課題を解決して、発熱体であるパワー半導体素子２３の寿命及び信頼性の向上を実現するものである。以下では、本発明の第１〜第６実施形態に係る冷却装置について図面を参照しながら説明するが、説明の便宜上、図７に示す従来の水冷式ヒートシンク１０と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略するものとする。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク１の構成を示す図である。図１（ａ）は、水冷式ヒートシンク１をＹ軸方向から視た図であり、図１（ｂ）は、水冷式ヒートシンク１のＡ−Ａ断面図であり、図１（ｃ）は、水冷式ヒートシンク１のＢ−Ｂ断面図である。

この図１に示すように、第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１は、従来の水冷式ヒートシンク１０の構成と比較して、密閉ケース１１の壁部１１ｆ（冷却フィン１２に対向する壁部）の厚さが、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。言い換えれば、第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１では、密閉ケース１１の内壁面１１ｇ（冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｄに対向する内壁面）に、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かって傾きが大きくなる傾斜が設けられており、これにより、冷却水路１１ｃの断面積が、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて連続的に小さくなる。

このような構成の水冷式ヒートシンク１によれば、冷却水路１１ｃの下流に向かうほど冷却水の流速が速くなるので、パワー半導体素子２３がＸ軸方向に複数配置されている場合でも、冷却水路１１ｃの下流側に位置するパワー半導体素子２３の冷却効果を高めて温度上昇を抑えることができる。つまり、本実施形態によれば、冷却水の流れ方向に複数配置されたパワー半導体素子２３の温度バラツキを抑えて、パワー半導体素子２３の寿命及び信頼性を向上することが可能となる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク２の構成を示す図である。図２（ａ）は、水冷式ヒートシンク２をＹ軸方向から視た図であり、図２（ｂ）は、水冷式ヒートシンク２のＣ−Ｃ断面図であり、図２（ｃ）は、水冷式ヒートシンク２のＤ−Ｄ断面図である。

この図２に示すように、第２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２は、第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１の構成と比較して、密閉ケース１１の壁部１１ｆの厚さが、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的（図２では３段階）に大きくなる点で異なっている。これにより、冷却水路１１ｃの断面積が、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的に小さくなる。

このような構成の水冷式ヒートシンク２でも第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１と同様の作用効果を得ることができる。なお、図２では、密閉ケース１１の壁部１１ｆの厚さが３段階で大きくなる場合を例示したが、厚さの変化段数はこれに限定されない。

〔第３実施形態〕
図３は、本発明の第３実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク３の構成を示す図である。この図３に示すように、第３実施形態に係る水冷式ヒートシンク３は、第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１の構成と比較して、密閉ケース１１の冷却フィン１２が設けられた壁部１１ｈの厚さが、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。

このような構成の水冷式ヒートシンク３でも第１実施形態に係る水冷式ヒートシンク１と同様の作用効果を得ることができる。なお、第２実施形態と同様に、密閉ケース１１の冷却フィン１２が設けられた壁部１１ｈの厚さを、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。

〔第４実施形態〕
図４は、本発明の第４実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク４の構成を示す図である。この図４に示すように、第４実施形態に係る水冷式ヒートシンク４は、第１及び第３実施形態に係る水冷式ヒートシンク１、３の構成と比較して、密閉ケース１１の壁部１１ｆと壁部１１ｈの両方の厚さが、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。

このような構成の水冷式ヒートシンク４でも第１及び第３実施形態に係る水冷式ヒートシンク１、３と同様の作用効果を得ることができる。なお、第２実施形態と同様に、密閉ケース１１の壁部１１ｆと壁部１１ｈの両方の厚さを、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。

〔第５実施形態〕
図５は、本発明の第５実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク５の構成をＸＹ平面に直交する方向（図中のＺ軸方向）から視た透視図である。この図５に示すように、第５実施形態に係る水冷式ヒートシンク５は、第４実施形態に係る水冷式ヒートシンク４の構成と比較して、密閉ケース１１の壁部１１ｉと壁部１１ｊの両方の厚さが、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。ここで、壁部１１ｉ及び壁部１１ｊは、冷却フィン１２が設けられた壁部１１ｈとこれに対向する壁部１１ｆに対して直角に接する壁部である。

このような構成の水冷式ヒートシンク５でも第４実施形態に係る水冷式ヒートシンク４と同様の作用効果を得ることができる。なお、第２実施形態と同様に、密閉ケース１１の壁部１１ｉと壁部１１ｊの両方の厚さを、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。また、この第５実施形態と、上記の第１〜第４実施形態のいずれかとを組み合わせても良い。

〔第６実施形態〕
図６は、本発明の第６実施形態に係る冷却装置である水冷式ヒートシンク６の構成をＺ軸方向から視た透視図である。この図６に示すように、第６実施形態に係る水冷式ヒートシンク６は、第１〜第５実施形態に係る水冷式ヒートシンク１〜５の構成と比較して、各冷却フィン１２の厚さが、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて連続的に大きくなる点で異なっている。これによっても、冷却水路１１ｃの断面積が、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的に小さくなる。

このような構成の水冷式ヒートシンク６でも第１〜第５実施形態に係る水冷式ヒートシンク１〜５と同様の作用効果を得ることができる。なお、各冷却フィン１２の厚さを、冷却水路１１ｃの上流から下流へ向かうにつれて段階的に大きくしても良い。また、この第６実施形態と、上記の第１〜第５実施形態のいずれかとを組み合わせても良い。

以上、本発明の第１〜第６実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
例えば、上記第１〜第６実施形態では、本発明に係る冷却装置として、ハイブリッド車両に使用されるパワー半導体素子２３を冷却する水冷式ヒートシンク１〜６を例示したが、本発明に係る冷却装置は、パワー半導体素子２３に限らず、高温の熱を発生する発熱体を冷却水によって冷却するシステムに広く適用することができる。

１、２、３、４、５、６、１０…水冷式ヒートシンク（冷却装置）、１１…密閉ケース、１２…冷却フィン、１１ｃ…冷却水路、２０…半導体モジュール、２１…ベース部材、２２…絶縁基板、２３…パワー半導体素子（発熱体）、２４…樹脂ケース、２５…ブスバー、２６…アルミワイヤ、３０…サーマルコンパウンド

Claims

冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた板状の冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、
前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなることを特徴とする冷却装置。
前記密閉ケースの壁部の厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記冷却フィンの厚さが、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に大きくなることで、前記冷却水路の断面積が、前記冷却水路の上流から下流へ向かうにつれて連続的或いは段階的に小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。