(57)【特許請求の範囲】
【請求項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発熱体取付部が設けられ、ケーシングに、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と、冷却液流路よりも上流側に位置しかつ冷却液が冷却液入口を通って外部から流入する入口ヘッダ部と、冷却液流路よりも下流側に位置しかつ冷却液が冷却液出口を通って外部に流出する出口ヘッダ部とが設けられ、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部が、冷却液流路における冷却液の流れ方向と直角をなす方向に長くなっており、入口ヘッダ部のいずれか一端部側に冷却液入口が設けられるとともに、出口ヘッダ部のいずれか一端部側に冷却液出口が設けられ、ケーシングの冷却液流路内に、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複数のプレートフィンが、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の長手方向に間隔をおいて配置されている液冷式冷却装置において、
プレートフィンの両端部が、入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内まで延びており、プレートフィンにおける入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内に存在する部分に貫通穴が形成されている液冷式冷却装置。
【請求項２】
ケーシングが上下両構成部材からなり、上構成部材に頂壁を形成する部分が設けられるとともに、下構成部材に底壁を形成する部分が設けられ、周壁を形成する部分が上下両構成部材のうち少なくともいずれか一方に設けられており、プレートフィンの上下両側縁部が、全長にわたってケーシングの頂壁および底壁に直接的または間接的に接している請求項１記載の液冷式冷却装置。
【請求項３】
ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方に発熱体取付部が設けられており、プレートフィンの貫通穴の面積が、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の内部高さの中心よりも発熱体取付部が設けられていない壁側の方が、発熱体取付部が設けられている壁側よりも大きくなっている請求項１または２記載の液冷式冷却装置。
【請求項４】
ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方に発熱体取付部が設けられており、プレートフィンの貫通穴が、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の内部高さの中心よりも発熱体取付部が設けられていない壁側に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。
【請求項５】
ケーシングの頂壁および底壁のうち発熱体取付部が設けられていない壁における入口ヘッダ部および出口ヘッダ部に臨んだ部分に、発熱体取付部が設けられている壁とは反対側に凹んだ凹部が形成され、プレートフィンに当該凹部内に嵌る凸部が設けられている請求項１〜４のうちいずれかに記載の液冷式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発熱体を冷却する液冷式冷却装置に関する。
【０００２】
この明細書および特許請求の範囲において、図３および図４の上下を上下というもとのとする。
【背景技術】
【０００３】
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）や、ＴＰＭ、リチウムイオン二次電池などの車載用発熱体を冷却する液冷式冷却装置として、特許文献１記載のものが提案されている。
【０００４】
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、ケーシングの頂壁外面に発熱体取付部が設けられ、ケーシングに、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と、冷却液流路よりも上流側に位置しかつ冷却液が冷却液入口を通って外部から流入する入口ヘッダ部と、冷却液流路よりも下流側に位置しかつ冷却液が冷却液出口を通って外部に流出する出口ヘッダ部とが設けられ、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部が、冷却液流路における冷却液の流れ方向と直角をなす方向に長くなっており、入口ヘッダ部のいずれか一端部側に冷却液入口が設けられるとともに、出口ヘッダ部のいずれか一端部側に冷却液出口が設けられ、ケーシングの冷却液流路内に、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、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の長手方向に間隔をおいて配置された複数のプレートフィンとを備えており、プレートフィンが、冷却液流路内のみに存在している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の液冷式冷却装置においては、プレートフィンが冷却液流路内のみに存在しており、入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内には存在していないので、発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱は、プレートフィンを介して冷却液流路の冷却液のみに放熱され、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部内を長手方向に流れる冷却液は、発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱の放熱にはほとんど寄与しない。したがって、放熱にほとんど寄与しない入口ヘッダ部および出口ヘッダ部にスペースをとられることになり、必要な冷却性能を得るには、ケーシング全体の小型化を図ることは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５１９４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、上記問題を解決し、必要な冷却性能を確保した上で小型化を図りうる液冷式冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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発熱体取付部が設けられ、ケーシングに、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と、冷却液流路よりも上流側に位置しかつ冷却液が冷却液入口を通って外部から流入する入口ヘッダ部と、冷却液流路よりも下流側に位置しかつ冷却液が冷却液出口を通って外部に流出する出口ヘッダ部とが設けられ、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部が、冷却液流路における冷却液の流れ方向と直角をなす方向に長くなっており、入口ヘッダ部のいずれか一端部側に冷却液入口が設けられるとともに、出口ヘッダ部のいずれか一端部側に冷却液出口が設けられ、ケーシングの冷却液流路内に、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複数のプレートフィンが、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の長手方向に間隔をおいて配置されている液冷式冷却装置において、
プレートフィンの両端部が、入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内まで延びており、プレートフィンにおける入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内に存在する部分に貫通穴が形成されている液冷式冷却装置。
【００１０】
2)ケーシングが上下両構成部材からなり、上構成部材に頂壁を形成する部分が設けられるとともに、下構成部材に底壁を形成する部分が設けられ、周壁を形成する部分が上下両構成部材のうち少なくともいずれか一方に設けられており、プレートフィンの上下両側縁部が、全長にわたってケーシングの頂壁および底壁に直接的または間接的に接しているプレートフィンの上下両側縁部が、全長にわたってケーシングの頂壁および底壁に接している上記1)記載の液冷式冷却装置。
【００１１】
3)ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方に発熱体取付部が設けられており、プレートフィンの貫通穴の面積が、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の内部高さの中心よりも発熱体取付部が設けられていない壁側の方が、発熱体取付部が設けられている壁側よりも大きくなっている上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。
【００１２】
4)ケーシングの頂壁外面および底壁外面のうちいずれか一方に発熱体取付部が設けられており、プレートフィンの貫通穴が、入口ヘッダ部および出口ヘッダ部の内部高さの中心よりも発熱体取付部が設けられていない壁側に形成されている上記1)または2)記載の液冷式冷却装置。
【００１３】
5)ケーシングの頂壁および底壁のうち発熱体取付部が設けられていない壁における入口ヘッダ部および出口ヘッダ部に臨んだ部分に、発熱体取付部が設けられている壁とは反対側に凹んだ凹部が形成され、プレートフィンに当該凹部内に嵌る凸部が設けられている上記1)〜4)のうちいずれかに記載の液冷式冷却装置。
【発明の効果】
【００１４】
上記1)〜5)の液冷式冷却装置によれば、プレートフィンの両端部が、入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内まで延びており、プレートフィンにおける入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内に存在する部分に貫通穴が形成されているので、冷却液が、プレートフィンの貫通穴を通って入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内を長手方向に流れる際にも、プレートフィンが発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱の放熱に寄与することになる。したがって、特許文献１記載の液冷式冷却装置と比較して、必要な冷却性能を確保した上で小型化を図ることが可能になる。
【００１５】
上記2)の液冷式冷却装置によれば、上下両構成部材を相互にろう材により接合するとともに、プレートフィンの上下両側縁部を全長にわたってケーシングの頂壁および底壁にろう材により接合する際に、上下両構成部材およびプレートフィンを上下から加圧したとしても、プレートフィンの上下両縁部と、上構成部材の頂壁を形成する部分および下構成部材の底壁を形成する部分との間に隙間が生じることが防止され、接合不良の発生が防止される。
【００１６】
上記3)〜5)の液冷式冷却装置によれば、プレートフィンの入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内に存在する部分おける放熱に寄与する有効放熱面積が増大する。
【００１７】
上記5)の液冷式冷却装置によれば、上下両構成部材を相互にろう材により接合するとともに、プレートフィンの上下両側縁部を全長にわたってケーシングの頂壁および底壁にろう材により接合する際に、上下両構成部材およびプレートフィンを上下から加圧したとしても、プレートフィンの上下両縁部と、上構成部材の頂壁を形成する部分および下構成部材の底壁を形成する部分との間に隙間が生じることが防止され、接合不良の発生が防止される。すなわち、ケーシングの頂壁および底壁のうち発熱体取付部が設けられていない壁における入口ヘッダ部および出口ヘッダ部に臨んだ部分に、発熱体取付部が設けられている壁とは反対側に凹んだ凹部が形成され、プレートフィンに当該凹部内に嵌る凸部が設けられていない場合、プレートフィンの入口ヘッダ部内および出口ヘッダ部内に存在する部分と、上構成部材の頂壁を形成する部分および下構成部材の底壁を形成する部分とをろう付することはできない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の液冷式冷却装置を示す斜視図である。
【図２】図１の液冷式冷却装置の水平断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図１の液冷式冷却装置に用いられるプレートフィンの第１の変形例を示す図３相当の図である。
【図６】図１の液冷式冷却装置に用いられるプレートフィンの第２の変形例を示す図３相当の図である。
【図７】図１の液冷式冷却装置に用いられるケーシングの第１の変形例とプレートフィンの第３の変形例を示す図３相当の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２０】
全図面を通じて同一物および同一部分には同一符号を付す。
【００２１】
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。
【００２２】
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前方(図２の下方、図３、図５〜図７の左方）前といい、これとは反対側を後というものとする。また、図４の左右を左右というものとする。
【００２３】
図１〜図４はこの発明の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。
【００２４】
図１〜図４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)を有するとともに冷却液入口(3)および冷却液出口(4)が形成された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)外面に発熱体取付部(5)が設けられている。ケーシング(2)に、外部から冷却液入口(3)を通って流入した冷却液が冷却液出口(4)に向かって一方向、ここでは後から前に流れる冷却液流路(6)と、冷却液流路(6)よりも上流側において冷却液入口(3)の左方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部(7)と、冷却液流路(6)よりも下流側において冷却液出口(4)の左方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部(8)とが設けられている。
【００２５】
ケーシング(2)は、頂壁(2a)を形成するアルミニウム製上構成部材(9)と、底壁(2b)および周壁(2c)を形成する下構成部材(11)とよりなり、上構成部材(9)の周縁部の下面が、下構成部材(11)の周壁を形成する部分の上端にろう材により接合されている。以下、ろう材による接合をろう付というものとする。
【００２６】
ケーシング(2)の冷却液入口(3)は、周壁(2c)の右側後端部に、右方に突出するとともに先端部が円筒状となるように設けられており、冷却液入口(3)の円筒状部内にアルミニウム製冷却液流入パイプ(12)が挿入されてろう付されている。ケーシング(2)の冷却液出口(4)は、周壁(2c)の右側前端部に、右方に突出するとともに先端部が円筒状となるように設けられており、冷却液出口(4)の円筒状部内にアルミニウム製冷却液流出パイプ(13)が挿入されてろう付されている。
【００２７】
ケーシング(2)の入口ヘッダ部(7)は、ケーシング(2)の後端部に、冷却液流路(6)における冷却液の流れ方向と直交する方向（左右方向）にのびるように設けられており、冷却液入口(3)は入口ヘッダ部(7)の右端部に設けられている。ケーシング(2)の出口ヘッダ部(8)は、ケーシング(2)の前端部に、冷却液流路(6)における冷却液の流れ方向と直交する方向（左右方向）にのびるように設けられており、冷却液出口(4)は出口ヘッダ部(8)の右端部に設けられている。なお、冷却液入口(3)と冷却液出口(4)とは、左右両端のうち異なる端部に設けられていてもよい。
【００２８】
半導体素子からなる発熱体(P)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(5)に取り付けられる。
【００２９】
図２〜図４に示すように、ケーシング(2)の冷却液流路(6)内に、長手方向を冷却液流路(6)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帯板状の複数のアルミニウム製プレートフィン(14)が、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の長手方向(左右方向)に間隔をおいて配置されており、これにより冷却液流路(6)に複数の分割流路(6a)が左右方向に並んで設けられている。隣り合うプレートフィン(14)どうしは、上縁部どうしまたは下縁部どうしが、連結部(15)により上下交互に一体に連結されており、上側連結部(15)が全長にわたってケーシング(2)の頂壁(2a)にろう付され、下側連結部(15)がケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されている。したがって、プレートフィン(14)の上下両側縁部が、全長にわたってケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)に、連結部(15)を介して間接的に接している。
【００３０】
プレートフィン(14)の長手方向両端部(後端部および前端部)は、入口ヘッダ部(7)内および出口ヘッダ部(8)内まで延びており、プレートフィン(14)における入口ヘッダ部(7)内および出口ヘッダ部(8)内に存在する部分に、それぞれ直角三角形の貫通穴(16)が形成されている。貫通穴(16)の直角をなす２辺のうち一方の水平辺は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない壁側、ここでは底壁(2b)側に位置し、他方の垂直辺は、前記水平辺の前後方向外側に連なっている。したがって、貫通穴(16)の面積は、頂壁(2a)側が小さく、底壁(2b)側に向かって徐々に大きくなり、貫通穴(16)の面積が、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側の方が、発熱体取付部(5)が設けられている頂壁(2a)側よりも大きくなっている。
【００３１】
上記構成の液冷式冷却装置(1)において、冷却液流入パイプ(12)から冷却液入口(3)を通ってケーシング(2)の入口ヘッダ部(7)内に流入した冷却液は、プレートフィン(14)の貫通穴(16)を通って入口ヘッダ部(7)内を長手方向に流れて全体に行き渡り、冷却液流路(6)に設けられた分割流路(6a)に分流して各分割流路(6a)内を前方に流れる。冷却液流路(6)の分割流路(6a)を前方に流れた冷却液は、出口ヘッダ部(8)内に入るとともに貫通穴(16)を通っって出口ヘッダ部(8)内を長手方向に流れ、冷却液出口(4)および冷却液流出パイプ(13)を通ってケーシング(2)の外部に送り出される。発熱体(P)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(14)を経て冷却液流路(6)の分割流路(6a)内を流れる冷却液に放熱され、発熱体(P)が冷却される。
【００３２】
図５および図６は、上述した実施形態の液冷式冷却装置に用いられるプレートフィン(14)の変形例を示す。
【００３３】
図５に示すプレートフィン(20)においては、入口ヘッダ部(7)内および出口ヘッダ部(8)内に存在する部分に、左右方向に長い長円形の貫通穴(21)が形成されている。貫通穴(21)の上下方向の中心は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側に位置しており、貫通穴(21)は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側に形成されている。
【００３４】
図６に示すプレートフィン(25)においては、入口ヘッダ部(7)内および出口ヘッダ部(8)内に存在する部分に、左右方向に長い長方形の貫通穴(26)が形成されている。貫通穴(26)の上下方向の中心は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側に位置しており、貫通穴(26)は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側に形成されている。
【００３５】
図７は、上述した実施形態の液冷式冷却装置に用いられるケーシングおよびプレートフィンの変形例を示す。
【００３６】
図７において、ケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)のうち発熱体取付部(5)が設けられていない壁、ここでは底壁(2b)における入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)に臨んだ部分に、発熱体取付部(5)が設けられている頂壁(2a)とは反対側(下方)に凹んだ凹部(30)が形成されており、プレートフィン(31)に凹部(30)内に嵌る凸部(32)が設けられている。プレートフィン(31)における入口ヘッダ部(7)内および出口ヘッダ部(8)内に存在する部分に、円形の貫通穴(33)が、少なくとも一部が凸部(32)に位置するように形成されている。貫通穴(33)の上下方向の中心は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側に位置しており、貫通穴(33)は、入口ヘッダ部(7)および出口ヘッダ部(8)の内部高さの中心よりも発熱体取付部(5)が設けられていない底壁(2b)側に形成されている。
【００３７】
上述した実施形態および変形例においては、隣り合うプレートフィン(14)どうしが、上縁部どうしまたは下縁部どうしが、連結部(15)により上下交互に一体に連結されており、上側連結部(15)が全長にわたってケーシング(2)の頂壁(2a)にろう付され、下側連結部(15)がケーシング(2)の底壁(2b)にろう付されているが、これに限定されるものではなく、隣り合うプレートフィン(14)どうしは互いに独立しており、プレートフィン(14)の上下両側縁部が、全長にわたってケーシング(2)の頂壁(2a)および底壁(2b)に、直接的に接した状態でろう付されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
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。
【符号の説明】
【００３９】
(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
(5)：発熱体取付部
(6)：冷却液流路
(7)：入口ヘッダ部
(8)：出口ヘッダ部
(9)：上構成部材
(11)：下構成部材
(8)：発熱体取付部(5)
(14)(20)(25)(31)：プレートフィン
(16)(21)(26)(33)：貫通穴
(30)：凹部
(32)：凸部
【図１】
0006623120.tif 000002
【図２】
0006623120.tif 000003
【図３】
0006623120.tif 000004
【図４】
0006623120.tif 000005
【図５】
0006623120.tif 000006
【図６】
0006623120.tif 000007
【図７】
0006623120.tif 000008