(57)【要約】      （修正有）【課題】発熱体の冷却効率を向上させ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１１ａと排出口１１ｂが設けられた箱形状の密閉ケース１１と、密閉ケース１１の内壁面１１ｃに、前記冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように立設された板状の冷却フィン１２とを備えた水冷式の冷却装置１において、密閉ケース１１の内壁面の内、冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｃと、この内壁面１１ｃに対向する内壁面１１ｅとの少なくとも一方に、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に凸部１３が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水の導入口と排出口が設けられた箱形状の密閉ケースと、前記密閉ケースの内壁面に、前記冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように立設さ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、
前記密閉ケースの内壁面の内、前記冷却フィンが設けられた内壁面と、この内壁面に対向する内壁面との少なくとも一方に、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に凸部が設けられていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記凸部は、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に断続的に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記凸部は、前記冷却水の流れ方向に複数設けられてい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。
【請求項４】
前記凸部の配置位置に対応して前記冷却フィンに切欠きが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却フィンの反固定側の長辺は、前記冷却フィンが設けられた内壁面に対向する内壁面と接することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却装置。
【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た箱形状の密閉ケースと、その密閉ケースの内壁面に、冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように立設された板状の冷却フィンとから構成される。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５６７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記構成の水冷式ヒートシンクにおいて、冷却フィン近傍の冷却水の温度分布に着目すると、冷却フィンにごく近い領域（近接領域）の冷却水は比較的高温となるが、それより離れた領域（遠隔領域）の冷却水は低温状態を保っていると推測される。つまり、冷却フィンの近接領域を通過する冷却水だけが発熱体の冷却に寄与し、遠隔領域を通過する冷却水は発熱体の冷却に寄与していないと考えられる。
従って、従来では、水冷式ヒートシンク内（密閉ケース内）に導入される冷却水の大部分が発熱体の冷却に寄与しないまま、外部に排出されることになり、冷却水の冷却能力を効率良く活用することができなかった。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、発熱体の冷却効率を向上させることの可能な冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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た箱形状の密閉ケースと、前記密閉ケースの内壁面に、前記冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように立設さ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、前記密閉ケースの内壁面の内、前記冷却フィンが設けられた内壁面と、この内壁面に対向する内壁面との少なくとも一方に、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に凸部が設けられている、という手段を採用する。
【０００８】
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、前記凸部は、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に断続的に複数設けられている、という手段を採用する。
【０００９】
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、前記凸部は、前記冷却水の流れ方向に複数設けられている、という手段を採用する。
【００１０】
また、本発明では、冷却装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか一つの解決手段において、前記凸部の配置位置に対応して前記冷却フィンに切欠きが設けられている、という手段を採用する。
【００１１】
また、本発明では、冷却装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれか一つの解決手段において、前記冷却フィンの反固定側の長辺は、前記冷却フィンが設けられた内壁面に対向する内壁面と接する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却水が密閉ケース内を流通する際に、冷却水の一部が凸部に衝突して凸部の先端側へ向かう流れが形成されるので、冷却フィンの近接領域を通過する高温の冷却水と、冷却フィンの遠隔領域を通過する低温の冷却水とを強制的に混合させることができる。すなわち、従来では発熱体の冷却に寄与しないまま、密閉ケースの外部に排出されていた低温の冷却水を、本発明では発熱体の冷却に有効利用することができ、その結果、発熱体の冷却効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】凸部１３の形状、配置パターンの変形例を示す図である。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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が設けられた箱形状の密閉ケース１１と、その密閉ケース１１の内壁面１１ｃ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、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。
【００１６】
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１１ｄ（冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｃ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。
【００１７】
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。
【００１８】
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１１ｄ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。
【００１９】
上記構成の水冷式ヒートシンク１０において、冷却フィン１２近傍の冷却水の温度分布に着目すると、図７（ｃ）に示すように、冷却フィン１２の近接領域Ｗ１の冷却水は比較的高温となるが、それより離れた遠隔領域Ｗ２の冷却水は低温状態を保っていると推測される。つまり、冷却フィン１２の近接領域Ｗ１を通過する冷却水だけがパワー半導体素子２３の冷却に寄与し、遠隔領域Ｗ２を通過する冷却水はパワー半導体素子２３の冷却に寄与していないと考えられる。
【００２０】
従って、従来の一般的な構成の水冷式ヒートシンク１０では、密閉ケース１１内に導入される冷却水の大部分がパワー半導体素子２３の冷却に寄与しないまま、外部に排出されることになり、冷却水の冷却能力を効率良く活用することができなかった。なお、図７（ｂ）において、符号Ｆ１が付与された点線矢印は、冷却フィン１２の近接領域Ｗ１を通過する高温の冷却水の流れを示し、符号Ｆ２が付与された実線矢印は、冷却フィン１２の遠隔領域Ｗ２を通過する低温の冷却水の流れを示している。
【００２１】
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の冷却効率の向上を実現するものである。以下では、本発明の第１〜第５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。
【００２２】
〔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、密閉ケース１１の内壁面の内、冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｃに対向する内壁面１１ｅに、冷却水の流れ方向（Ｘ軸方向）に対して直交する方向（Ｙ軸方向）に設けられた凸部１３を備えている。
【００２３】
この凸部１３は、Ｙ軸方向に連続的に延設されていると共に、Ｘ軸方向に沿って一定間隔で二つ設けられている。なお、Ｘ軸上における凸部１３の配置位置について特に制約はないが、図１（ａ）に示すように、パワー半導体素子２３がＸ軸方向に沿って複数個設けられている場合、隣り合うパワー半導体素子２３の中間位置に配置することが望ましい。
【００２４】
このような構成の水冷式ヒートシンク１によれば、冷却水が密閉ケース１１内を流通する際に、冷却水の一部（冷却フィン１２の遠隔領域Ｗ２を通過する低温の冷却水；符号Ｆ２参照）が凸部１３に衝突して凸部１３の先端側（つまり高温の冷却水側）へ向かう流れ（図中の符号Ｆ３）が形成されるので、冷却フィン１２の近接領域Ｗ１を通過する高温の冷却水（符号Ｆ１参照）と、冷却フィン１２の遠隔領域Ｗ２を通過する低温の冷却水（符号Ｆ２参照）とを強制的に混合させることができる。
【００２５】
すなわち、従来ではパワー半導体素子２３の冷却に寄与しないまま、密閉ケース１１の外部に排出されていた低温の冷却水を、本実施形態では冷却フィン１２の近接領域Ｗ１を通過する高温の冷却水のリフレッシュに使用することでパワー半導体素子２３の冷却に有効利用することができ、その結果、パワー半導体素子２３の冷却効率を向上させることが可能となる。
【００２６】
〔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。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、凸部１３の配置位置に対応して冷却フィン１２に切欠き１２ａが設けられている点で異なっている。
【００２７】
このような構成の水冷式ヒートシンク２によれば、冷却フィン１２の遠隔領域Ｗ２を通過する冷却水が凸部１３に衝突することで形成される、凸部１３の先端側へ向かう流れ（図中の符号Ｆ３）を妨げる障害物がなくなるので、高温の冷却水と低温の冷却水との混合をより効率良く行うことができる。
【００２８】
〔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２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２の構成と比較して、冷却フィン１２の反固定側の長辺が、冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｃに対向する内壁面１１ｅと接する点で異なっている。
【００２９】
このような構成の水冷式ヒートシンク３でも第２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２と同様の作用効果を得ることができる。なお、必ずしも冷却フィン１２に切欠き１２ａを設ける必要はなく、切欠き１２ａの無い冷却フィン１２の反固定側の長辺を内壁面１１ｅに接触させても良い。この場合、冷却フィン１２が凸部１３を貫通する構成となる。また、密閉ケース１１及び冷却フィン１２等の寸法決定指針は、冷却水の圧損と冷却性能の仕様によって決めれば良い。
【００３０】
〔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２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２の構成と比較して、密閉ケース１１の内壁面１１ｅに設けられていた凸部１３が無くなり、冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｃにおけるＸ軸上の同じ位置に凸部１４が設けられている点で異なっている。
【００３１】
なお、この凸部１４は、凸部１３と同様に、Ｙ軸方向に連続的に延設されていると共に、Ｘ軸方向に沿って一定間隔で二つ設けられている。また、Ｘ軸上における凸部１４の配置位置についても、凸部１３と同様、パワー半導体素子２３がＸ軸方向に沿って複数個設けられている場合には、隣り合うパワー半導体素子２３の中間位置に配置することが望ましい。冷却フィン１２の切欠き１２ａは、このような凸部１４の配置位置に対応して設けられているが、必ずしも冷却フィン１２に切欠き１２ａを設ける必要はない。
【００３２】
このような構成の水冷式ヒートシンク４でも第２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２と同様の作用効果を得ることができる。ただし、第１〜第３実施形態では、冷却フィン１２の遠隔領域Ｗ２を通過する低温の冷却水を凸部１３に衝突させて、低温の冷却水が凸部１３の先端側（つまり高温の冷却水側）へ向かう流れを形成することで、高温の冷却水と低温の冷却水との混合を促進させたのに対し、第４実施形態では、冷却フィン１２の近接領域Ｗ１を通過する高温の冷却水を凸部１４に衝突させて、高温の冷却水が凸部１４の先端側（つまり低温の冷却水側）へ向かう流れ（図中の符号Ｆ４）を形成する点で異なる。
【００３３】
〔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の構成を示す図である。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の冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｃと、この内壁面１１ｃに対向する内壁面１１ｅとの両方に、凸部（１３、１４）が設けられている点で異なっている。
【００３４】
なお、内壁面１１ｃにおける凸部１４のＸ軸上の配置位置は、第４実施形態と同様の位置にすれば良いが、内壁面１１ｅにおける凸部１３のＸ軸上の配置位置は、凸部１４の配置位置に対してオフセットを持たせることが望ましい。
【００３５】
このような構成の水冷式ヒートシンク５によれば、冷却フィン１２の遠隔領域Ｗ２を通過する低温の冷却水が凸部１３の先端側へ向かう流れ（図中の符号Ｆ３）を形成できると共に、冷却フィン１２の近接領域Ｗ１を通過する高温の冷却水が凸部１４の先端側へ向かう流れ（図中の符号Ｆ４）を形成できるので、第１〜第４実施形態と比較して、高温の冷却水と低温の冷却水との混合をより促進させることができる。
【００３６】
〔変形例〕
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、凸部１３（或いは１４）の断面形状が、図６（ａ）に示すような三角形である場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば図６（ｂ）に示すように、断面形状が矩形の凸部１５を設けても良い。
【００３７】
（２）上記実施形態では、凸部１３（或いは１４）がＹ軸方向に連続的に延設されている場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば図６（ｃ）に示すように、円柱形状の凸部１６をＹ軸方向に断続的に複数設けても良い。なお、この場合、凸部１６の形状は円柱形状に限定されず、例えば多角柱形状、円錐形状、或いは三角錐形状等でも良い。
【００３８】
（３）上記実施形態では、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１〜５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。
【符号の説明】
【００３９】
１、２、３、４、５、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、１３、１４、１５、１６…凸部、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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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