(57)【要約】【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立設された冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に配列された複数の前記冷却フィンからなる冷却フィン群が、前記冷却水の流れ方向に複数設けられており、前記冷却水の流れ方向において隣り合う前記冷却フィン群は、前記冷却水の流れ方向から視てオフセットして配置されている。【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立設された冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、
前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に配列された複数の前記冷却フィンからなる冷却フィン群が、前記冷却水の流れ方向に複数設けられており、
前記冷却水の流れ方向において隣り合う前記冷却フィン群は、前記冷却水の流れ方向から視てオフセットして配置されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記冷却フィンは、板状或いは柱状の冷却フィンであることを特徴とする請求項１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立設された冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記冷却水の流れ方向に対して直交する方向に配列された複数の前記冷却フィンからなる冷却フィン群が、前記冷却水の流れ方向に複数設けられており、前記冷却水の流れ方向において隣り合う前記冷却フィン群は、前記冷却水の流れ方向から視てオフセットして配置されている、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、前記冷却フィンは、板状或いは柱状の冷却フィンである、という手段を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、冷却水が密閉ケース内を流通する際に、冷却水の流れ方向において隣り合う冷却フィン群の内、上流側の冷却フィン群に含まれる冷却フィン間を通過してきた低温の冷却水が、下流側の冷却フィン群に含まれる冷却フィンに衝突して、その冷却フィンの周囲を迂回するように流れるので、上流側から流れてきた低温の冷却水と下流側の冷却フィン近傍の高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】
【００１０】
【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】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】
【００１１】
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３を用いて説明する。
【００１２】
図３（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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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３（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。
【００１７】
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３（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。
【００１８】
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及び第２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３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。
【００１９】
〔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、図１（ｂ）の一部を抜粋して拡大した図である。
【００２０】
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では、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）に一定間隔で配列された複数の板状の冷却フィン１２からなる冷却フィン群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３が、Ｘ軸方向に一定間隔で複数（図１では三つ）設けられている。これら三つの冷却フィン群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、密閉ケース１１の内壁面１１ｃにおいて、それぞれ発熱体である三つのパワー半導体素子２３の直下に配置されている。
【００２１】
また、Ｘ軸方向において隣り合う冷却フィン群（例えばＧ１とＧ２、或いはＧ２とＧ３）は、Ｘ軸方向から視てオフセットして配置されている。言い換えれば、隣り合う冷却フィン群の内、上流側の冷却フィン群と下流側の冷却フィン群のＹ軸座標に一定のズレ量が設けられている。このズレ量（オフセット量）は、上流側の冷却フィン群に含まれる冷却フィン１２間を通過してきた低温の冷却水が、下流側の冷却フィン群に含まれる冷却フィン１２に衝突するように設定されている。
【００２２】
このような構成の水冷式ヒートシンク１によれば、図１（ｃ）に示すように、冷却水が密閉ケース１１内を流通する際に、Ｘ軸方向において隣り合う冷却フィン群（例えばＧ１とＧ２）の内、上流側の冷却フィン群Ｇ１に含まれる冷却フィン１２間を通過してきた低温の冷却水（符号Ｆ２参照）が、下流側の冷却フィン群Ｇ２に含まれる冷却フィン１２に衝突して、その冷却フィン１２の周囲を迂回するように流れるので、上流側から流れてきた低温の冷却水と下流側の冷却フィン１２近傍の高温の冷却水とを強制的に混合させることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
〔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Ｂ−Ｂ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、板状の冷却フィン１２に替えて、円柱状の冷却フィン１３が密閉ケース１１内に設けられている点で異なっている。
【００２５】
この第２実施形態に係る水冷式ヒートシンク２では、Ｙ軸方向に一定間隔で配列された複数の円柱状の冷却フィン１３からなる冷却フィン群Ｇ１０〜Ｇ１９が、Ｘ軸方向に一定間隔で複数（図２では十個）設けられている。また、第１実施形態と同様に、Ｘ軸方向において隣り合う冷却フィン群（例えばＧ１０とＧ１１、或いはＧ１１とＧ１２など）は、Ｘ軸方向から視てオフセットして配置されている。
【００２６】
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、第２実施形態では、柱状の冷却フィンとして、円柱状の冷却フィン１３を用いる場合を例示したが、これに限らず、多角柱状、円錐状、或いは多角錐状の冷却フィンを用いても良い。
【００２７】
以上、本発明の第１及び第２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及び第２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、２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】
【００２８】
１、２、１０…水冷式ヒートシンク（冷却装置）、１１…密閉ケース、１２、１３…冷却フィン、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】
2013197178.tif 000003
【図２】
2013197178.tif 000004
【図３】
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