(57)【要約】【課題】放熱フィンについて厳密な寸法管理を必要とせずに放熱フィンの設計や製造が容易となる発熱体冷却構造を提供する。【解決手段】本発明における発熱体冷却構造は、発熱体と、該発熱体との間で熱伝導可能に配置される放熱装置と、を備えている。放熱装置は、発熱体との間で熱伝導可能に配置される放熱板２２と、放熱板２２から突出し、且つ、それぞれが前記放熱板の面方向に沿った所定方向に延在して設けられる複数の放熱フィン２３と、複数の放熱フィン２３の先端２３ａから離間した位置に配置され放熱板２２と対向する対向面３２とを有する。冷媒２４は、放熱フィン２３と対向面３２との間で、放熱フィン２３の延在方向に直交する配列方向ａへ流れる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、該発熱体との間で熱伝導可能に配置された放熱装置と、を備え、
前記放熱装置は、前記発熱体との間で熱伝導可能に配置された放熱板と、該放熱板から突出し、且つ、それぞれが前記放熱板の面方向に沿った所定方向に延在して設けられる複数の放熱フィンと、該複数の放熱フィンの先端から離間した位置に配置され前記放熱板と対向する対向面と、を有し、
前記放熱フィンと前記対向面との間に冷媒が流れるように構成すると共に、
前記冷媒の流れ方向は、前記放熱フィンの延在方向と交差する方向に設定されることを特徴とする発熱体冷却構造。
【請求項２】
前記放熱フィンは、前記冷媒が流れる上流方向に傾けて突出していることを特徴とする請求項１に記載の発熱体冷却構造。
【請求項３】
前記冷媒の流れ方向は、前記放熱フィンの延在方向に直交する方向に設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱体冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体などの発熱体を冷却する発熱体冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等で使用されるパワー半導体素子の冷却には、放熱フィンと冷却水などの冷媒とを用いた水冷式の冷却構造が用いられている。そして、このような水冷式の冷却構造について様々な提案がなされている。例えば、特許文献１では、フィンの幅、フィンの間隔及びフィンの高さというフィンの寸法に関する最適値を冷却水流量との関係から算出し、この算出した最適値に基づいて放熱フィンを形成する提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の放熱フィンを用いた冷却構造では、放熱フィン間を流れる冷媒の流通抵抗を低く抑えて流速を速めるために、放熱フィンの寸法を厳密に管理する必要があったので、放熱フィンの設計や製造が困難になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、放熱フィンについて厳密な寸法管理を必要とせずに放熱フィンの設計や製造が容易となる発熱体冷却構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発熱体冷却構造は、発熱体との間で熱伝導可能に配置される放熱装置を備える。この放熱装置は、発熱体との間で熱伝導可能に配置された放熱板と、放熱板から突出すると共に、それぞれが放熱板の面方向に沿った延在方向に延設する複数の放熱フィンと、該複数の放熱フィンの先端から離間した位置に配置され放熱板と対向する対向面と、を有している。そして、冷媒は、放熱フィンと対向面との間を放熱フィンの延在方向と交差する方向へ流れる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る発熱体冷却構造では、放熱フィンの先端と対向面とが離間しているため、放熱フィンについて厳密な寸法管理を必要としない。従って、放熱フィンの設計や製造が容易な発熱体冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る水冷インバータの断面図である。
【図２】本実施形態に係る放熱板及び放熱フィンの底面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】本実施形態に係る冷媒の流れに関する説明図である。
【図５】他の実施形態に係る水冷インバータの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳説する。本実施形態は、発熱体冷却構造の一例として水冷インバータ１０を例にとって説明するが、水冷インバータ１０以外の発熱体冷却構造にも適用可能である。
【００１０】
図１に示すように、水冷インバータ１０は、パワー半導体素子などの発熱体１１と、発熱体１１との間で熱伝導可能に配置された放熱装置１２と、発熱体１１及び後述する放熱装置１２の放熱板２２を覆うカバー部材１３と、を備える。
【００１１】
カバー部材１３は、断面がハット状の蓋形形状に形成され、外周端部には外方へ突出するフランジ１３ａを備えている。このフランジ１３ａは、後述する放熱装置１２の支持板２１の端部上面２１ａに載置され、ボルト３４によって支持板２１の端部上面２１ａに締結されている。これらのカバー部材１３と支持板２１とによって、水冷インバータ１０は外観視が箱形状に形成される。
【００１２】
放熱装置１２は、下側に配置された支持板２１と、該支持板２１の上側に配置され、発熱体１１との間で熱伝導可能に配置された放熱板２２と、放熱板２２の一面である底面から下方に向けて突出する複数の放熱フィン２３（図２〜図４参照）と、を備える。
【００１３】
放熱板２２の上面２２ａは、抜熱面に構成されており、上面２２ａの上に発熱体１１が載置されて、発熱体１１の下面が上面２２ａに当接されることにより、発熱体１１と放熱板２２との間で熱交換（熱伝導）が可能になっている。
【００１４】
支持板２１の中央部には、下方に凹む溝３１が形成され、この溝３１の底面が対向面３２となる。放熱板２２は、支持板２１の溝３１を十分に塞ぐことが可能な大きさに形成されている。放熱フィン２３を溝３１内に収容配置させた状態でボルト３４等により放熱板２２が支持板２１に水密に締結されている。これにより、溝３１は密閉状態となっており、溝３１内には、冷媒２４が封入される。
【００１５】
複数の放熱フィン２３を構成する単体の放熱フィン２３は、図２及び図３に示すように、放熱板２２の底面２２ｂから下方に向けて突出すると共に、底面２２ｂの面方向に沿った所定方向に延在するように形成されている。具体的には、それぞれの単体の放熱フィン２３は、図２に示す左右方向（放熱フィン２３の長手方向）となる延在方向ｂに沿って延設されている。また、図２及び図３に示すように、延在方向ｂに直交する配列方向ａに沿って、各々の放熱フィン２３が所定間隔をおいて複数並列されている。
【００１６】
また、図４に示すように、放熱フィン２３は、延在方向ｂと直交する断面において、先端２３ａから放熱板２２側に向けて末広がりになるように、断面が三角状に形成されている。従って、配列方向ａに沿って隣接する放熱フィン２３同士の距離は、先端２３ａが最も広く、放熱板２２に近付くにつれて徐々に狭くなるように形成されている。具体的には、図４に示すように、所定の放熱フィン２３における側面２３ｃと、この所定の放熱フィン２３に隣接する別の放熱フィン２３における前記側面２３ｃに対向する側面２３ｂとの、配列方向ａに沿った距離が放熱板２２に近付くにつれて徐々に狭くなる。
【００１７】
そして、図１及び図４に示すように、放熱フィン２３が溝３１内に位置する状態において、放熱フィン２３の先端２３ａと溝３１の底面である対向面３２との間には所定の間隙３５が形成されている。すなわち、図１に示すように、放熱フィン２３の高さｈは、支持板２１の溝３１の深さｄよりも小さく形成されている。言い換えれば、本実施形態の冷却構造では、放熱フィン２３の先端２３ａから下方に向けて離間した位置に対向面３２が配置されている。なお、対向面３２は、放熱板２２と平行で放熱板２２の放熱フィン２３が形成された底面２２ｂに対向する面である。
【００１８】
冷媒２４は、図示しない水流装置によって放熱フィン２３の延在方向ｂと直交する方向Ｃ（図２〜図４参照）に流れている。従って、本実施形態では、方向Ｃは配列方向ａと同一に設定されている。
【００１９】
また、図４に示すように、放熱フィン２３は、冷媒２４の上流方向に向けて傾いている。具体的には、放熱フィン２３の中心線ＣＬは、鉛直方向Ｐに対して角度αだけ冷媒２４の上流方向に傾斜している。
【００２０】
一方、冷媒２４は、放熱フィン２３の傾き方向に対向する方向Ｃへと流れている。そして、冷媒２４は、図４に示すように、放熱フィン２３の先端２３ａと対向面３２との間の間隙３５を流れ、各放熱フィン２３間で乱流を生じている。具体的には、所定の放熱フィン２３における上流側の側面２３ｃと、前記所定の放熱フィン２３に対して隣接する別の放熱フィン２３における下流側の側面２３ｂとの間には、断面三角状の隙間ｇが形成されている。なお、側面２３ｃも鉛直方向Ｐに対して上流方向に傾斜している。従って、冷媒２４が方向Ｃに流れると、一部の冷媒２４は、側面２３ｃに当たり側面２３ｃに沿って上側に移動したのち、回転しながら側面２３ｂに沿って下側に向きを変える。このように、隙間ｇ内では、冷媒２４の一部が乱流（渦流）が生じる。
【００２１】
以下、本実施形態における水冷インバータ１０（発熱体冷却構造）の効果について述べる。
【００２２】
従来の放熱フィンを用いた発熱体冷却構造では、放熱フィンの先端と対向面とが当接し、放熱フィンの延在方向に沿って冷媒を流していた。よって、冷媒に異物が侵入すると、放熱フィン間の隙間を当該異物が塞いで冷媒の流速が低下し、熱伝達性能が低下するという問題があった。
【００２３】
しかし、本実施形態における発熱体冷却構造では、放熱フィン２３の先端２３ａと対向面３２との間に間隙３５が形成されている。従って、放熱フィン２３間の隙間ｇを異物が塞いだ場合であっても、冷媒２４の流れが妨げられることがないため熱伝達性能が低下することがない。また、本実施形態における発熱体冷却構造では、各放熱フィン２３間に形成された隙間ｇを延在方向ｂに沿って流れる冷媒２４が非常に少ない。即ち、大部分の冷媒２４は、各放熱フィン２３の先端２３ａと対向面３２との間隙３５を流れるため、冷媒２４の流通抵抗を低減することができる。
【００２４】
また、本実施形態の発熱体冷却構造では、放熱フィン２３の延在方向ｂと直交する配列方向ａに沿って冷媒２４を流しているため、前述したように、放熱フィン２３間の隙間ｇに流れ込んだ冷媒２４は乱流を生じることとなる。この乱流によって、放熱フィン２３が効率的に冷却され、放熱フィン２３が設けられた放熱板２２及び放熱板２２に当接された発熱体１１も効果的に冷却される。このように、本実施形態の発熱体冷却構造では、冷媒２４の熱伝導、熱拡散の効率が高まるため高い放熱効果が得られる。
【００２５】
さらに、本実施形態の発熱体冷却構造では、放熱フィン２３間の隙間ｇで乱流が生じるため、従来のように放熱フィンにおけるフィンの幅、フィンの間隔、フィンの高さについて厳密な寸法管理をしなくとも十分な放熱効果が得られることとなる。また、本実施形態の冷却構造では、放熱フィン２３の先端２３ａと対向面３２との間に間隙３５が設けられているため、従来のように対向面に各放熱フィンの先端が当接するような構造と比較して、各部品の設計、製造、組み立てが容易となる。
【００２６】
また、本実施形態の発熱体冷却構造では、放熱フィン２３間の隙間ｇで乱流が生じるため、放熱フィン２３の高さｈが低いほど乱流が生じやすくなり、従来のように放熱フィンの高さを高くすることで放熱面積を増やす必要が無い。よって、本実施形態によれば、発熱体冷却構造の上下方向（厚さ方向）の寸法を小さくすることができるため、薄型で放熱効果が高い発熱体冷却構造を提供できることとなる。
【００２７】
そして、放熱フィン２３が冷媒２４の流れの上流方向に向けて傾けて突出しているため、放熱フィン２３近傍を流れる冷媒２４は放熱フィン２３によってすくい上げられやすくなる。従って、放熱フィン２３間の隙間ｇにおいて冷媒２４に乱流が生じやすくなりさらに放熱効果を高めることができる。
【００２８】
また、放熱フィン２３が放熱板２２に向かって末広がりの断面三角状となっているため、放熱面積を広くすることができ放熱効果を高めることができる。
【００２９】
なお、冷媒２４の流れる方向Ｃは、必ずしも放熱フィン２３の延在方向ｂと直交している必要はなく、放熱フィン２３の延在方向ｂと交差する方向であればよい。すなわち、図２に示したように、冷媒２４の流れる方向Ｃを配列方向ａと同一とし、放熱フィン２３の延在方向をｂとすると、ｂに対してａがなす角度θが０°＜θ＜１８０°、好ましくは４５°≦θ≦１３５°であればよく、θ＝９０°が最も好適となる。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。
【００３１】
例えば、前記実施形態では、放熱フィン２３の突出方向が冷媒２４の上流に向かって傾いている例を述べたが、図５に示すように、放熱フィン２５の突出方向の中心軸Ｉが、冷媒２４の流れ方向Ｃと直交していてもよい。このように放熱フィン２５が冷媒２４の上流に向かって傾いていない場合であっても、放熱フィン２５の先端２５ａと対向面３２との間の間隙３５を流れる冷媒２４は、放熱フィン２５間の隙間ｇで乱流を生じ、放熱効果の高い冷却機構を提供できることとなる。
【００３２】
なお、図５における放熱フィン２５の形状は、放熱板２２に向かって末広がりに形成された台形形状とされており、隣接する放熱フィン２５の先端２５ａ同士の配列方向ａに沿った距離が放熱フィン２５の上端（放熱板２２との接続部分）間の距離よりも広く形成されている。この場合も、隣接する放熱フィン２５の先端２５ａ同士の距離は、放熱板２２に近づくに従って徐々に小さくなる。
【符号の説明】
【００３３】
ｂ  延在方向
１１  発熱体
１２  放熱装置
２２  放熱板
２３，２５  放熱フィン
２３ａ，２５ａ  放熱フィンの先端
２４  冷媒
３２  対向面
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014103241.tif 000005
【図４】
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【図５】
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