(57)【要約】【課題】放熱ベースのフィンの形状、大きさに拘わらず適用可能で、大型化を来たさない簡素な構造で冷却性能を向上する。【解決手段】冷却液路１３の上流部底面に突起４ａが設けられる。この突起は、フィン１ｅの上流側端部１ｅ−１と流入口９との間に配置される。また、この突起は、流入口９に対向して配置される。この突起の上端は、フィン１ｅの下端より上に位置する。この突起で乱流を発生させ冷却効率を向上する。さらに、冷却液路１３の底面に、上流部上り傾斜面３ｃ及び下流部下り傾斜面３ｄが形成されており、更なる冷却効率の向上が可能である。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体モジュールが搭載される放熱ベースのフィンが付設された底面に冷却液路を形成して当該パワー半導体モジュールを冷却する冷却装置において、
前記フィンが前記放熱ベースの長手方向に沿って形成され、
前記冷却液路の流入口と流出口とが、前記長手方向の相対する両端部にそれぞれ設けられ、
前記流入口の中心軸が前記長手方向に沿っており、
前記冷却液路の上面に形成された開口が前記放熱ベースの底面で被われて前記フィンが前記冷却液路内に配置され、
前記冷却液路の底面に突起が設けられ、
前記突起が、前記フィンの上流側端部と前記流入口との間において、前記流入口に対向して配置されてなる冷却装置。
【請求項２】
前記突起の上端が、前記フィンの下端より上に位置している請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記突起の上端中央部が、前記流入口の中央部正面に対向して配置されている請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
所定の境界位置を基準に前記冷却液路の底面の上流側の部分が上り勾配の傾斜面に形成され、下流側の部分が下り勾配の傾斜面に形成されている請求項１、請求項２又は請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記所定の境界位置が前記放熱ベースの中央位置である請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記所定の境界位置が前記放熱ベースの中央位置より上流位置である請求項４に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記所定の境界位置が前記放熱ベースの中央位置より下流位置である請求項４に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記上り勾配の傾斜面が、比較的急勾配で短い上流部と、比較的緩勾配で長い下流部とからなる請求項７に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気モータの駆動、各種電力変換のためにＩＧＢＴ等の半導体素子を利用したパワー半導体モジュールが使用されている。
近年、産業用途向けのパワー半導体モジュールは、燃料電池車等の電気自動車の開発を背景に、ますます高出力化が求められている。そのため定格の電流容量・電圧ともに拡大化が進められてきており、また従って、その基本構造の設計はもとより、運転時にモジュール内部で発生する損失による熱の放熱対策がより深刻な問題となってきている。
【０００３】
特許文献１にも記載されるように、車載用のパワー半導体モジュールにおいては、小型、高冷却能力が求められるため、空冷は許容されず、液冷が一般的であり、さらには、冷却性能を向上させるため、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設け、フィン付金属ベースに直接冷却液を当てる構造も提案されている。
また、小型、燃費向上のために低消費電力が要求されるため、冷却液を循環させる電動ポンプは能力の小さいものが使用される。
冷却性能を向上させるため、冷却液路の圧力損失ΔＰも小さくなければならない。圧力損失ΔＰと冷却性能、即ち、熱伝達率ｈは、トレードオフ関係にあるため、パワー半導体モジュールの金属ベースに単にフィンを設けて冷却しただけでは、十分大きな熱伝達率を得ることはできない。例えば、フィンの高さを大きくしすぎると、冷却液の流速が減少し、フィンを設けない場合と比べて、大きな熱伝達率を得ることができない場合もある。さらには、フィンを金属ベースに製造する製造コストについても配慮しなければならない。
【０００４】
冷却性能を向上させるためには、発熱部通過部の冷却液の流れを乱流とすることが重要であり、特許文献２〜４には、発熱部通過部の冷却液の流れを乱流とするためのフィンの形状が開示されている。なお、特許文献２の図９には、上流側に上り勾配傾斜面を有し下流側に下り勾配傾斜面を有した隆起面が底面に形成された冷却液路が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３４９３２４号公報
【特許文献２】特開２００１−３０８２４６号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８７３５号公報
【特許文献４】特開２００６−１４０３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
パワー半導体モジュールの金属ベースには、回路搭載面と、その反対面に形成される縞状のフィンとを含めて鋳造されたものが使用される場合がある。このような場合に、特許文献３，４に示されるような特殊な構造のフィンに改変することはコスト増となり好ましくない場合がある。また、特許文献２の図１０に示されるように、パワー半導体モジュールの金属ベース下の冷却液路に、乱流を起すための複数の突起を設けてしまうと、この突起と金属ベースのフィンとが干渉してしまい、フィンを有した金属ベースを冷却液路に収めることが困難になる。そのため、金属ベースのフィンの下端より高い突起を設けることはできず、冷却効率を追求できない場合がある。
【０００６】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、パワー半導体モジュールが搭載される放熱ベースのフィン付底面に冷却液路を形成して当該パワー半導体モジュールを冷却する冷却装置であって、前記放熱ベースのフィンの形状、大きさに拘わらず適用可能で、大型化を来たさない簡素な構造で冷却性能を向上できる冷却装置を提供することを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、パワー半導体モジュールが搭載される放熱ベースのフィンが付設された底面に冷却液路を形成して当該パワー半導体モジュールを冷却する冷却装置において、
前記フィンが前記放熱ベースの長手方向に沿って形成され、
前記冷却液路の流入口と流出口とが、前記長手方向の相対する両端部にそれぞれ設けられ、
前記流入口の中心軸が前記長手方向に沿っており、
前記冷却液路の上面に形成された開口が前記放熱ベースの底面で被われて前記フィンが前記冷却液路内に配置され、
前記冷却液路の底面に突起が設けられ、
前記突起が、前記フィンの上流側端部と前記流入口との間において、前記流入口に対向して配置されてなる冷却装置である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記突起の上端が、前記フィンの下端より上に位置している請求項１に記載の冷却装置である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記突起の上端中央部が、前記流入口の中央部正面に対向して配置されている請求項１又は請求項２に記載の冷却装置である。
【００１０】
請求項４記載の発明は、所定の境界位置を基準に前記冷却液路の底面の上流側の部分が上り勾配の傾斜面に形成され、下流側の部分が下り勾配の傾斜面に形成されている請求項１、請求項２又は請求項３に記載の冷却装置である。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記所定の境界位置が前記放熱ベースの中央位置である請求項４に記載の冷却装置である。
【００１２】
請求項６記載の発明は、前記所定の境界位置が前記放熱ベースの中央位置より上流位置である請求項４に記載の冷却装置である。
【００１３】
請求項７記載の発明は、前記所定の境界位置が前記放熱ベースの中央位置より下流位置である請求項４に記載の冷却装置である。
【００１４】
請求項８記載の発明は、前記上り勾配の傾斜面が、比較的急勾配で短い上流部と、比較的緩勾配で長い下流部とからなる請求項７に記載の冷却装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、冷却液路の底面に設けられ流入口に対向して配置された突起により乱流が発生し、冷却性能を向上することができる。
また本発明によれば、突起はフィンの上流側端部と流入口との間の領域に配置されるから、突起が放熱ベースのフィンに干渉することはなく、本発明は放熱ベースのフィンの形状、大きさに拘わらず適用しやすい。
したがって本発明によれば、従来のあらゆるフィン付放熱ベースに対して、冷却性能向上のために形状、大きさを選定した突起を冷却液路の底面上流部に設置するだけで、大型化を来たさず、冷却性能を向上することができるという効果がある。
放熱ベースのフィン直下領域には突起を有さないので、上流の上り勾配傾斜面と下流の下り勾配傾斜面とにより隆起面を形成することができ、この上り下りの傾斜面により放熱ベース底面に対する上下流を制御し、さらなる冷却効率の向上を追求することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００１７】
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態の冷却装置につき、図１〜図１０を参照して説明する。図１は、本冷却装置の斜視図である。図２は、本冷却装置の右側面図である。図３は、本冷却装置の分解斜視図である。図４は、パワー半導体モジュール未搭載の本冷却装置の斜視図である。図５は、本冷却装置の底部品の平面図(a)、一部断面正面図(b)及び一部断面側面図(c)である。図６は、本冷却装置の枠部品の平面図(a)、中央縦断面図(b)及び裏面図(c)である。図７は、本冷却装置の枠部品の左側面図(a)及び右側面図(b)である。図８は、本冷却装置の突起部品の平面図(a)、正面図(b)及び裏面図(c)である。図９は、本冷却装置の中央縦断面図である。
【００１８】
本実施形態の冷却装置は、パワー半導体モジュール１を冷却する冷却装置であり、水等の冷却液を循環させる液循環方式の冷却装置である。
パワー半導体モジュール１は、放熱ベース１ａ上にセラミック絶縁層を介して回路１ｂ
が実装され、放熱ベース１ａの周縁に樹脂製の外囲ケース１ｃが嵌められ、外囲ケース１ｃに埋没保持された端子１ｄによって外部接続端子が構成されてなるものである。回路１ｂは、３相ブリッジ型のインバータで、３相モータを駆動する電力を生成するものである。回路１ｂの駆動回路、制御回路等が搭載され納められて、外囲ケース１ｃの上端開口に蓋（図示せず）がされる。
【００１９】
放熱ベース１ａの表面には回路１ｂが搭載される回路搭載面が形成され、その反対面である底面には、フィン１ｅが形成される。放熱ベース１ａはアルミ成型品で、回路搭載面及びフィン１ｅを含めて一体成型されるか、回路搭載面を含めた上部とフィン１ｅを含めた下部とを別々に成型して両者を接合して作製される。
フィン１ｅは、放熱ベース１ａの長手方向に沿って複数本が並行して形成されている。
【００２０】
図３等に示すように、枠部品２と底部品３とで上面開口２ａを有した容器が構成され、この内部空間が放熱ベース１ａに冷却液を接触させる冷却液路を形成する。上面開口２ａが放熱ベース１ａの底面で被われて密閉され、フィン１ｅが冷却液路内に配置される。
【００２１】
図６に示すように、枠部品２は、上下に開口２ａ，２ｄを有した枠状部品で、長手方向の相対する両端部中央にそれぞれ流入口用孔２ｂと、流出口用孔２ｃとが設けられている。図１,図４,図９等に示すように、流入口用孔２ｂにニップル７が螺入されて流入口９が形成され、流出口用孔２ｃにニップル８が螺入されて流出口１０が形成される。流入口９及び流出口１０の中心軸は放熱ベース１ａの長手方向に沿っており、同軸に配置される。
上面開口２ａは、長方形に形成されている。下面開口２ｄは舟形に形成され、枠部品２の内部空洞も同じく船形に形成されている。
【００２２】
図５に示すように、冷却液路の底面を形成する底部品３の上面には、隆起部３ａ,３ｂが形成されている。下側の垂直に隆起した隆起部３ｂは、単に枠部品２の下面開口２ｄに嵌め入れられる。上側の隆起部３ａは、上流部上り傾斜面３ｃと、下流部下り傾斜面３ｄとが形成されており、冷却液路の底面を傾斜面３ｃ,３ｄによって隆起状に形成する。本実施形態においては、上流部上り傾斜面３ｃと下流部下り傾斜面３ｄとの境界位置は、放熱ベース１ａの中央位置より上流位置であり、図９に示すようにフィン１ｅの上流側端部１ｅ−１付近とされている。
【００２３】
上流部上り傾斜面３ｃの中央には、図８に示す突起部品４が、図２、図９に示すように取り付けられ固定される。
図８に示すように、突起部品４は、作用体４ａと、取付用根部４ｂとからなる。作用体４ａは、冷却液路に露出して冷却液の流れに作用する突起部分である。図８に示すように、作用体４ａは、略菱形の水平断面形状を有し、下流側を長くし、角部を丸くした擬似菱形形状に形成されている。作用体４ａの底面４ｃは、上り傾斜面３ｃの勾配に合せて斜めに形成されている。
取付用根部４ｂが、底部品３の上り傾斜面３ｃに設けられた取付用穴３ｅに嵌め入れられ、図９に示すように、作用体４ａの底面４ｃが上り傾斜面３ｃに合わされて突起部品４が底部品３に取り付けられ、接着等によって固定される。
【００２４】
図９に示すように、突起部品４の作用体４ａ、すなわち、突起４ａは、フィン１ｅの上流側端部１ｅ−１と流入口９との間に配置される。
また、突起４ａは、図２及び図９に示すように、流入口９に対向して配置される。
図２に示すように、突起４ａの上端中央部が、流入口９の中央部正面に対向して配置される。
さらに、図２に示すように、突起４ａの上端が、フィン１ｅの下端より上に位置している。
図２に示すように、突起４ａの上端中央部が、９枚あるうち真中のフィン１ｅ−２の下端部と、流入口９からの流入方向に見て重なって配置される。
【００２５】
図３に示すように、放熱ベース１ａと枠部品２との間はＯ−リング５によりシールされる。枠部品２の上面開口２ａの周縁上側に保持溝２ｅが形成されており、保持溝２ｅにＯ−リング５が入れられて保持される。ボルト１１等によって放熱ベース１ａと枠部品２とが締結されることによって両者が固定されるとともに、Ｏ−リング５が放熱ベース１ａと枠部品２の間に挟まれて圧され、上面開口２ａの周りで放熱ベース１ａと枠部品２との間がシールされる。
【００２６】
一方、底部品３と枠部品２との間はＯ−リング６によりシールされる。底部品３には、隆起部３ｂの周縁に沿って保持溝３ｆが形成されており、保持溝３ｆにＯ−リング６が入れられて保持される。ボルト１２等によって底部品３と枠部品２とが締結されることによって両者が固定されるとともに、Ｏ−リング６が底部品３と枠部品２の間に挟まれて圧され、下面開口２ｄの周りで底部品３と枠部品２との間がシールされる。
以上のＯ−リング５及びＯ−リング６を介した組立構造より、冷却液路の密閉性が保持され、耐漏液圧が向上する。
【００２７】
図示しない冷却液循環システムに、流入口９、流出口１０が接続されて本冷却装置が組み込まれる。
【００２８】
本実施形態に拘わらず、枠部品２と底部品３とを一体品として成型等により作製してもよい。この場合、Ｏ−リング６は不要であり、放熱ベース１ａとの間のみＯ−リング５でシールすればよい。
本実施形態のように、枠部品２と底部品３と別部品とする場合には、各部品の加工が容易である。また、フィン１ｅの高さに応じて、高さの異なる枠部品２を適用して対応し、底部品３を共通部品として使用することができる。
【００２９】
本実施形態に拘わらず、突起部品４と底部品３とを一体品として成型等により作製してもよい。
本実施形態のように、突起部品４と底部品３と別部品とする場合には、共通の底部品３に対して異なる突起部品４を適用して使用することができ、底部品３を交換することなく突起部品４を交換することができる。例えば、フィン１ｅ等の放熱ベース１ａの形状に合せて突起を単独変更することができる。すなわち、異なる用途に対して、突起部品４のみ変更し底部品３を共通使用することができる。但し、使用中に突起部品４が脱落しないように十分に底部品３に固定する必要がある。そのため、底部品３を共通使用や突起部品４の変更が予定されない場合には、突起部品４と底部品３とを一体品とすることも有効である。
【００３０】
次に、以上のように構成される冷却液路中における冷却液の流れについて説明する。図１０は、冷却液路中の流れを示す模式図で、フィンより下の位置での冷却液路の水平断面を示す。
【００３１】
放熱ベース１ａ、枠部品２、底部品３によって囲まれて形成された冷却液路１３に流入口９から流入した冷却液は、突起４ａに当たって、左右に分かれる流れ（図１０のＢ，Ｃ部）、上に逃げる流れ、突起４ａ背後の渦流（図１０のＤ部）を含めて乱流が発生し、フィン１ｅが配置された領域に進行する。突起４ａで発生した乱流の流路断面は、上流部上り傾斜面３ｃにより上部に限定、縮小され、流速の上昇を伴いつつ乱流の大部分がフィン１ｅ配置域に進行する。したがって、フィン１ｅ配置域における乱流化を効率よく促進することができ、冷却性能が向上する。
【００３２】
フィン１ｅ配置域に進行した冷却液流の流路断面積は、下流部下り傾斜面３ｄにより緩やかに下部に拡大され元の面積に戻る。この下流部下り傾斜面３ｄが形成された流路部分により圧力損失が低減されて、冷却性能が向上する。
【００３３】
フィン１ｅ配置域を過ぎると、流出口１０に向かって冷却液路１３の幅は縮小する。流出口１０直前の幅が縮小する部分Ａでも、流路断面縮小に伴い乱流が発生し、冷却液は流出口１０から排出される。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、冷却液路１３の底面に設けられ流入口９に対向して配置された突起４ａにより乱流が発生し、冷却性能を向上することができる。
また本実施形態によれば、突起４ａはフィン１ｅの上流側端部１ｅ−１と流入口９との間の領域に配置されるから、放熱ベース１ａのフィン１ｅに干渉することはなく、放熱ベース１ａのフィン１ｅの形状、大きさに拘わらず適用可能である。
したがって、従来のあらゆるフィン付放熱ベースに対して、冷却性能向上のために形状、大きさを選定した突起を冷却液路１３の底面上流部に設置するだけで、大型化を来たさず、冷却性能を向上することができる。突起部品４を交換するだけで、突起４ａの形状、大きさ、構造等を変更することができる。
【００３５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態につき、図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置の中央縦断面図である。
【００３６】
本実施形態の冷却装置は、上記第１実施形態に対し底部品３の隆起部の傾斜面を以下に説明するように変更したものであり、その他は上記第１実施形態と同様である。
【００３７】
本実施形態の底部品３の隆起部には、上流部上り傾斜面３ｃ−１と、下流部下り傾斜面３ｄ−１とが形成されている。上記第１実施形態においては、上流部上り傾斜面３ｃと下流部下り傾斜面３ｄとの境界位置は、放熱ベース１ａの中央位置より上流位置とされたが、本実施形態においては、上流部上り傾斜面３ｃ−１と下流部下り傾斜面３ｄ−１との境界位置は、放熱ベース１ａの中央位置とされている。
【００３８】
上記第１実施形態においては、上流部上り傾斜面３ｃと下流部下り傾斜面３ｄとの境界位置は、フィン１ｅの上流側端部１ｅ−１付近とされているため、最も冷却効率のよい部分が比較的上流側に偏り、放熱ベース１ａ上に搭載された回路１ｂの下流側部分が上流側部分に比較して冷却効率が劣る。
これに対し、本実施形態の冷却装置においては、上流部上り傾斜面３ｃ−１と下流部下り傾斜面３ｄ−１との境界位置が、放熱ベース１ａの中央位置とされているため、上記第１実施形態に比較して下流側の冷却が促進される。
【００３９】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態につき、図１２を参照して説明する。図１２は、本発明の第３実施形態に係る冷却装置の中央縦断面図である。
【００４０】
本実施形態の冷却装置は、上記第１実施形態に対し底部品３の隆起部の傾斜面を以下に説明するように変更したものであり、その他は上記第１実施形態と同様である。
【００４１】
本実施形態の底部品３の隆起部には、上流部上り傾斜面３ｃ−２、中間部上り傾斜面３ｃ−３と、下流部下り傾斜面３ｄ−２とが形成されている。本実施形態においては、上り傾斜面３ｃ−３と下流部下り傾斜面３ｄ−２との境界位置は、放熱ベース１ａの中央位置より下流位置とされている。
【００４２】
上記第１実施形態及び第２実施形態においては、上り傾斜面は勾配一様な傾斜面とされたが、本実施形態においては、上り傾斜面が、比較的急勾配で短い上流部３ｃ−２と、比較的緩勾配で長い下流部３ｃ−３とからなる。上流部上り傾斜面３ｃ−２の最上位置は、フィン１ｅの上流側端部１ｅ−１付近とされ、中間部上り傾斜面３ｃ−３の最上位置は、フィン１ｅの下流側端部１ｅ−３付近とされている。
【００４３】
上記第１実施形態においては、最も冷却効率のよい部分が比較的上流側に偏り、上記第２実施形態においては、最も冷却効率のよい部分が比較的下流側に偏る傾向がある。
これに対し、本実施形態の冷却装置においては、第一段階の上流部上り傾斜面３ｃ−２により上流部の冷却効率が高まり、第２段階中間部上り傾斜面３ｃ−３により、下流部の冷却効率が高まるため、比較的均一な冷却効率を達成することができ、回路１ｂの温度の偏りを少なくすることができる。
【００４４】
回路１ｂには、局所的に高温になる部分がある場合がある。
回路１ｂの発熱の分布に応じて傾斜面の形態を上記第１〜第３実施形態から選択したり、上記第１〜第３実施形態を参考に傾斜面を設計したりして、回路１ｂに局所的な高温部が生じないようにすることが好ましい。上記実施形態においては、複数の平面を組み合わせて傾斜面を構成したが、傾斜面に全体的又は部分的に曲面を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の右側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュール未搭載の冷却装置の斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の底部品の平面図(a)、一部断面正面図(b)及び一部断面側面図(c)である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の枠部品の平面図(a)、中央縦断面図(b)及び裏面図(c)である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の枠部品の左側面図(a)及び右側面図(b)である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の突起部品の平面図(a)、正面図(b)及び裏面図(c)である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る冷却装置の中央縦断面図である。
【図１０】本発明に係る冷却液路中の流れを示す模式図で、フィンより下の位置での冷却液路の水平断面を示す。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る冷却装置の中央縦断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る冷却装置の中央縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１     パワー半導体モジュール
１ｅ   フィン
１ａ   放熱ベース
２     枠部品
３     底部品
４     突起部品
４ａ   突起（作用体）
９     流入口
１０   流出口
１３   冷却液路
【図１】
2008263137.tif 000003
【図２】
2008263137.tif 000004
【図３】
2008263137.tif 000005
【図４】
2008263137.tif 000006
【図５】
2008263137.tif 000007
【図６】
2008263137.tif 000008
【図７】
2008263137.tif 000009
【図８】
2008263137.tif 000010
【図９】
2008263137.tif 000011
【図１０】
2008263137.tif 000012
【図１１】
2008263137.tif 000013
【図１２】
2008263137.tif 000014