(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却水の補充や交換時に密閉ケース内に入り込んだ気泡による冷却性能の低下を防止することの可能な冷却装置を提供する。【解決手段】鉛直方向の下向きに開口する冷却水の導入口１１ａと排出口１１ｂが設けられ、導入口と排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路１１ｃとする箱形状の密閉ケース１１と、冷却水路に設けられた冷却フィン１２とを備えた水冷式の冷却装置１において、密閉ケースの内壁面１１ｄの内、導入口及び排出口に対向する内壁面に空気だまり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】
鉛直方向の下向きに開口する冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、
前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に空気だまりが設けられていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、
前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却フィンから外れた位置で且つ前記冷却水路の下流端の位置に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】
前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面は、前記空気だまりに向かって前記鉛直方向の上向きに傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、
前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却フィンから外れた位置で且つ前記冷却水路の上流端及び下流端の位置に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５】
前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に対して直角に接する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、
前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却水路の下流端の位置に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６】
前記冷却フィンは、前記空気だまりに向かって前記鉛直方向の上向きに傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に対して直角に接する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、
前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却水路の上流端及び下流端の位置に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８】
鉛直方向の下向きに開口する冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、
前記密閉ケースの壁部の内、前記導入口及び排出口に対向する壁部に対して前記冷却水路の下流端の位置で接続され、前記冷却水路と連通する内部空間を空気だまりとして有する貯水タンクを備えることを特徴とする冷却装置。
【請求項９】
前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に対して直角に接する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、
前記冷却フィンは、前記貯水タンクの接続位置に向かって前記鉛直方向の上向きに傾斜していることを特徴とする請求項８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、これら導入口と排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、その密閉ケース内の冷却水路に設けら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、密閉ケース内の冷却水路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、冷却水の導入口と排出口が密閉ケースの鉛直方向の下向きに開口している場合、つまり、密閉ケースに対して鉛直方向の下方から冷却水が導入され、密閉ケースから鉛直方向の下方に向けて冷却水が排出される場合、冷却水の補充や交換時に密閉ケース内に入り込んだ空気（気泡）が冷却フィン間に滞留してしまい、冷却性能が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、冷却水の補充や交換時に密閉ケース内に入り込んだ気泡による冷却性能の低下を防止す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、鉛直方向の下向きに開口する冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に空気だまりが設けられている、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、前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却フィンから外れた位置で且つ前記冷却水路の下流端の位置に設けられている、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２の解決手段において、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面は、前記空気だまりに向かって前記鉛直方向の上向きに傾斜している、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の解決手段において、前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却フィンから外れた位置で且つ前記冷却水路の上流端及び下流端の位置に設けられている、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の解決手段において、前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に対して直角に接する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却水路の下流端の位置に設けられている、という手段を採用する。
【００１２】
また、本発明では、冷却装置に係る第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、前記冷却フィンは、前記空気だまりに向かって前記鉛直方向の上向きに傾斜している、という手段を採用する。
【００１３】
また、本発明では、冷却装置に係る第７の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に対して直角に接する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、前記空気だまりは、前記密閉ケースの前記導入口及び排出口に対向する内壁面において前記冷却水路の上流端及び下流端の位置に設けられている、という手段を採用する。
【００１４】
また、本発明では、冷却装置に係る第８の解決手段として、鉛直方向の下向きに開口する冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記導入口と前記排出口とを結ぶ内部空間を冷却水路とする箱形状の密閉ケースと、前記冷却水路に設けられた冷却フィンとを備えた水冷式の冷却装置において、前記密閉ケースの壁部の内、前記導入口及び排出口に対向する壁部に対して前記冷却水路の下流端の位置で接続され、前記冷却水路と連通する内部空間を空気だまりとして有する貯水タンクを備える、という手段を採用する。
【００１５】
また、本発明では、冷却装置に係る第９の解決手段として、上記第８の解決手段において、前記密閉ケースの内壁面の内、前記導入口及び排出口に対向する内壁面に対して直角に接する内壁面に前記冷却フィンが設けられており、前記冷却フィンは、前記貯水タンクの接続位置に向かって前記鉛直方向の上向きに傾斜している、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、冷却水の補充や交換時に密閉ケース内に入り込んだ気泡が、密閉ケース内の水流によって空気だまりに捕獲されるので、冷却フィン間に気泡が滞留することを回避することができ、その結果、気泡による冷却性能の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】本発明の第６実施形態に係る水冷式ヒートシンク６の構成を示す図である。
【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】
【００１８】
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。
【００１９】
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、これら導入口１１ａと排出口１１ｂとを結ぶ内部空間を冷却水路１１ｃとする箱形状の密閉ケース１１と、その密閉ケース１１内の冷却水路１１ｃに設けられた板状の冷却フィン１２とから構成される。
【００２０】
冷却水の導入口１１ａと排出口１１ｂは、密閉ケース１１の鉛直方向（図中のＺ軸方向）の下向きに開口している。つまり、密閉ケース１１の導入口１１ａに対して鉛直方向の下方から冷却水が導入され、密閉ケース１１の排出口１１ｂから鉛直方向の下方に向けて冷却水が排出される。
【００２１】
なお、冷却フィン１２は、密閉ケース１１の内壁面１１ｄ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ている。また、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。
【００２２】
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１１ｅ（冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｄに対向する外壁面）には、例えば三つのパワー半導体素子３３を内包する半導体モジュール３０がサーマルコンパウンド４０を介して設置される。この半導体モジュール３０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３１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３２と、これら三つの絶縁基板３２の各々に実装されたパワー半導体素子３３とを備えている。
【００２３】
なお、この半導体モジュール３０において、絶縁基板３２及びパワー半導体素子３３は、ベース部材３１上に設置された樹脂ケース３４によって密閉状態で覆われていると共に、樹脂ケース３４の外部に露出して設けられた電極部材であるブスバー３５とアルミワイヤ３６を介して電気的に接続されている。
【００２４】
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１１ｅに、パワー半導体素子３３を絶縁基板３２やベース部材３１、サーマルコンパウンド４０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３３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。
【００２５】
上記構成の水冷式ヒートシンク１０において、冷却水の導入口１１ａと排出口１１ｂが密閉ケース１１の鉛直方向下向きに開口しているため、図７（ｂ）に示すように、冷却水の補充や交換時に密閉ケース１１内に入り込んだ空気（気泡５０）が冷却フィン１２間に滞留してしまい、冷却性能が低下する可能性がある。
【００２６】
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、冷却水の補充や交換時に密閉ケース１１内に入り込んだ気泡５０による冷却性能の低下を防止するものである。以下では、本発明の第１〜第６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。
【００２７】
〔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（水冷式ヒートシンク１をＹ軸方向から視た図）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、従来の水冷式ヒートシンク１０の構成と比較して、密閉ケース１１の内壁面の内、冷却水の導入口１１ａ及び排出口１１ｂに対向する内壁面（つまり冷却フィン１２が設けられた内壁面１１ｄ）に、空気だまり１３としての凹部が設けられている点で異なっている。
【００２８】
この空気だまり１３は、密閉ケース１１の内壁面１１ｄにおいて冷却フィン１２から外れた位置で且つ冷却水路１１ｃの下流端の位置に設けられている。このように、空気だまり１３は、水冷式ヒートシンク１の冷却性能に影響しない位置（パワー半導体素子３３の直下を避け、冷却フィン１２から外れた位置）に設けることが望ましい。また、空気だまり１３は、Ｙ軸方向に沿って連続的に設けても良いし、断続的に複数設けても良い。
【００２９】
このような構成の水冷式ヒートシンク１によれば、冷却水の補充や交換時に密閉ケース１１内に入り込んだ気泡５０が、密閉ケース１１内の水流によって空気だまり１３に捕獲されるので、冷却フィン１２間に気泡５０が滞留することを回避することができ、その結果、気泡５０による冷却性能の低下を防止することが可能となる。
【００３０】
なお、空気だまり１３を、密閉ケース１１の内壁面１１ｄにおいて冷却フィン１２から外れた位置で且つ冷却水路１１ｃの上流端の位置に設けても良いが、上記のように冷却水路１１ｃの下流端の位置に設けた方が、冷却水の水流によって気泡５０を効率的に空気だまり１３に捕獲することができる。
【００３１】
〔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（水冷式ヒートシンク２をＹ軸方向から視た図）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、密閉ケース１１の内壁面１１ｄが、空気だまり１３に向かって鉛直方向（Ｚ軸方向）の上向きに傾斜している点で異なっている。
【００３２】
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。また、密閉ケース１１の内壁面１１ｄが傾斜していることから、第１実施形態よりも冷却水の水流によって気泡５０を効率的に空気だまり１３に捕獲することができる。
【００３３】
〔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（水冷式ヒートシンク３をＹ軸方向から視た図）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、空気だまり１３が、密閉ケース１１の内壁面１１ｄにおいて冷却フィン１２から外れた位置で且つ冷却水路１１ｃの上流端及び下流端の両方の位置に設けられている点で異なっている。
【００３４】
このような構成の水冷式ヒートシンク３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。また、空気だまり１３が増えたことから、第１実施形態よりも多量の気泡５０を効率的に空気だまり１３に捕獲することができる。
【００３５】
〔第４実施形態〕
第１〜第３実施形態では、横置き型の水冷式ヒートシンク１〜３を例示したが、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、縦置き型の水冷式ヒートシンク２０も存在する。図４（ａ）は、従来の縦置き型の水冷式ヒートシンク２０をＹ軸方向から視た図であり、図４（ｂ）は、水冷式ヒートシンク２０のＡ−Ａ断面図である。
【００３６】
従来の縦置き型の水冷式ヒートシンク２０は、図７に示した従来の横置き型の水冷式ヒートシンク１０と比較して、鉛直方向の下向き（Ｚ軸方向の下向き）に開口する冷却水の導入口２１ａと排出口２１ｂが設けられ、これら導入口２１ａと排出口２１ｂとを結ぶ内部空間を冷却水路２１ｃとする箱形状の密閉ケース２１と、その密閉ケース２１内の冷却水路２１ｃに設けられた板状の冷却フィン２２とから構成される点で一致するが、冷却フィン２２が、密閉ケース２１の内壁面の内、導入口２１ａ及び排出口２１ｂに対向する内壁面２１ｄに対して直角に接する内壁面２１ｅに設けられている点で異なっている。
【００３７】
半導体モジュール３０は、密閉ケース２１の外壁面２１ｆ（冷却フィン２２が設けられた内壁面２１ｅに対向する外壁面）にサーマルコンパウンド４０を介して配置されている。なお、冷却フィン２２は、密閉ケース２１の内壁面２１ｅに、冷却水の流れ方向（Ｘ軸方向）に対して長辺が平行となるように立設されている。また、冷却フィン２２は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って、一定間隔で複数設けられている。
【００３８】
このような構成の縦置き型の水冷式ヒートシンク２０でも、横置き型の水冷式ヒートシンク１０と同様に、冷却水の補充や交換時に密閉ケース２１内に入り込んだ空気（気泡６０）が冷却フィン２２間に滞留してしまい、冷却性能が低下する可能性がある。
【００３９】
図４（ｃ）は、本発明の第４実施形態に係る冷却装置である縦置き型の水冷式ヒートシンク４の構成を示す図（水冷式ヒートシンク４をＹ軸方向から視た図）である。この図に示すように、第４実施形態に係る縦置き型の水冷式ヒートシンク４は、従来の縦置き型の水冷式ヒートシンク２０の構成と比較して、密閉ケース２１の内壁面の内、冷却水の導入口２１ａ及び排出口２１ｂに対向する内壁面２１ｄにおいて冷却水路２１ｃの下流端の位置に、空気だまり２３としての凹部が設けられている点で異なっている。
【００４０】
このような構成の縦置き型の水冷式ヒートシンク４によれば、第１〜第３実施形態と同様に、冷却水の補充や交換時に密閉ケース２１内に入り込んだ気泡６０が、密閉ケース２１内の水流によって空気だまり２３に捕獲されるので、冷却フィン２２間に気泡６０が滞留することを回避することができ、その結果、気泡６０による冷却性能の低下を防止することが可能となる。なお、空気だまり２３は、第３実施形態と同様に、密閉ケース２１の内壁面２１ｄにおいて冷却水路２１ｃの上流端及び下流端の両方の位置に設けても良い。
【００４１】
〔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縦置き型の水冷式ヒートシンク５の構成を示す図（水冷式ヒートシンク５をＹ軸方向から視た図）である。この図に示すように、第５実施形態に係る縦置き型の水冷式ヒートシンク５は、第４実施形態に係る縦置き型の水冷式ヒートシンク４の構成と比較して、各冷却フィン２２が、空気だまり２３に向かってＺ軸方向の上向きに傾斜している点で異なっている。
【００４２】
このような構成の縦置き型の水冷式ヒートシンク５でも第４実施形態に係る縦置き型の水冷式ヒートシンク４と同様の作用効果を得ることができる。また、各冷却フィン２２が傾斜していることから、第４実施形態よりも冷却水の水流によって気泡６０を効率的に空気だまり２３に捕獲することができる。
【００４３】
〔第６実施形態〕
図６は、本発明の第６実施形態に係る冷却装置である縦置き型の水冷式ヒートシンク６の構成を示す図（水冷式ヒートシンク６をＹ軸方向から視た図）である。この図に示すように、第６実施形態に係る縦置き型の水冷式ヒートシンク６は、従来の縦置き型の水冷式ヒートシンク２０の構成と比較して、密閉ケース２１の壁部の内、導入口２１ａ及び排出口２１ｂに対向する壁部２１ｇに対して冷却水路２１ｃの下流端の位置で接続され、冷却水路２１ｃと連通する内部空間を空気だまり２４ａとして有する貯水タンク２４を備える点で異なっている。
【００４４】
また、各冷却フィン２２は、貯水タンク２４の接続位置に向かってＺ軸方向の上向きに傾斜している。また、水冷式ヒートシンク６が冷却水補充用のリザーブタンクを備える場合には、このリザーブタンクを上記の貯水タンク２４として利用することができる。
【００４５】
このような構成の縦置き型の水冷式ヒートシンク６によれば、冷却水の補充や交換時に密閉ケース２１内に入り込んだ気泡６０が、密閉ケース２１内の水流によって貯水タンク２４内の空気だまり２４ａに捕獲されるので、冷却フィン２２間に気泡６０が滞留することを回避することができ、その結果、気泡６０による冷却性能の低下を防止することが可能となる。また、各冷却フィン２２が傾斜していることから、従来よりも冷却水の水流によって気泡６０を効率的に貯水タンク２４内の空気だまり２４ａに捕獲することができる。なお、必ずしも、各冷却フィン２２を傾斜させる必要はない。
【００４６】
以上、本発明の第１〜第６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〜第６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１〜６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】
【００４７】
１、２、３、４、５、６、１０、２０…水冷式ヒートシンク（冷却装置）、１１、２１…密閉ケース、１２、２２…冷却フィン、１３、２３、２４ａ…空気だまり、２４…貯水タンク、３０…半導体モジュール、３１…ベース部材、３２…絶縁基板、３３…パワー半導体素子（発熱体）、３４…樹脂ケース、３５…ブスバー、３６…アルミワイヤ、４０…サーマルコンパウンド、５０、６０…気泡
【図１】
2013197160.tif 000003
【図２】
2013197160.tif 000004
【図３】
2013197160.tif 000005
【図４】
2013197160.tif 000006
【図５】
2013197160.tif 000007
【図６】
2013197160.tif 000008
【図７】
2013197160.tif 000009