JP2008235572A - 電子部品冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電子部品を冷却する条件が電子部品の配置位置によって偏るのを抑制することができるとともに、同じ伝熱面積でも並行流に比較して電子部品を効率よく冷却することができる電子部品冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置本体１１は、冷却すべき電子部品１７の搭載部１８と、搭載部１８に連結されるとともに、入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂが異なりかつ対向流となる複数の冷媒流路１２，１３を備えている。電子部品１７は、搭載部１８に冷媒流路１２，１３の流れの方向に沿って複数搭載されている。冷媒流路１２，１３は、仕切り壁１４により互いに区画され、冷媒流路１２，１３内にはフィン１６が冷媒の流れと平行に配置されている。冷媒流路１２，１３の各入口１２ａ，１３ａはそれぞれラジエータ２４に直接連結されて使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品冷却装置に係り、詳しくはダイオードやパワー素子等のように発熱する電子部品を冷却するための電子部品冷却装置に関する。

発熱する電子部品を冷却するための電子部品冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。特許文献１には、図７（ａ），（ｂ）に示すように、複数本のチューブ６１を入口側タンク６２と出口側タンク６３との間に連結するとともに、その複数本のチューブ６１を挟むように２枚のコールドプレート６４，６５がロウ付けされた構成のものが提案されている。電子部品６６はコールドプレート６４，６５に装着される。この電子部品冷却装置は、図７（ａ）に示すように、冷却手段６７で冷却された冷媒が入口パイプ６２ａから入口側タンク６２に供給され、チューブ６１を通って出口側タンク６３に至り、出口パイプ６３ａから流出されて冷却手段６７に戻る。

また、特許文献２には、図８（ａ），（ｂ）に示すように、半導体素子である発熱体７１が取り付けられたベース７２に２列の通水孔７３ａ，７３ｂが設けられた構成の冷却装置が提案されている（特許文献２参照）。２列の通水孔７３ａ，７３ｂは接続管７４で連結され、２列の通水孔７３ａ，７３ｂのうちの一方の通水孔７３ａに供給された液体冷媒は他方の通水孔７３ｂを通って外部に排出されるようになっている。発熱体７１はプリント基板７５にリード７６を介して半田付けされている。
特開平１０−９８１４４号公報 特開平１１−２６１２６８号公報

特許文献１の構成では、各チューブ６１に流れる冷媒量を増やすことにより冷却能力を高めることができる。しかし、冷媒は各チューブ６１内を入口側タンク６２側から出口側タンク６３側へと流れる構成のため、チューブ６１内を流れる冷媒は発熱部品を冷却しながら流れるため、冷媒の温度は下流側ほど高くなり、電子部品の配置位置によって冷却条件が偏る状態になる。そのため、最も下流側に配置された発熱部品の冷却を十分に行うには、冷媒流量を多くするか、冷媒温度を低くする必要がある。冷媒温度を低くすると、上流側に配置された発熱部品と冷媒の温度差が大きくなり、耐久性にとって好ましくない。

一方、特許文献２の構成では、２列の通水孔７３ａ，７３ｂは接続管７４により連結され、２列の通水孔７３ａ，７３ｂを流れる冷媒は見かけ上、対向流になっている。しかし、冷媒は、一方の通水孔７３ａを通過する際に発熱体７１を冷却することにより温度上昇した後、接続管７４を経て他方の通水孔７３ｂに導入されて当該通水孔７３ｂが設けられたベース７２に取り付けられた発熱体７１の冷却を行う。したがって、他方の通水孔７３ｂでは、一方の通水孔７３ａを流れる間に発熱体７１を冷却することで温度上昇した後の液体冷媒を使用して発熱体７１を冷却することになり、両通水孔７３ａ，７３ｂの冷却効果が大きく異なり、全体として冷却効率が悪くなる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の電子部品を冷却する条件が電子部品の配置位置によって偏るのを抑制することができるとともに、同じ伝熱面積でも並行流に比較して電子部品を効率よく冷却することができる電子部品冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、冷却すべき電子部品の搭載部と、前記搭載部に連結されるとともに、入口及び出口が異なりかつ対向流となる複数の冷媒流路を備え、前記電子部品が前記冷媒流路の流れの方向に沿って複数搭載されている。ここで、「対向流となる複数の冷媒流路」とは、隣り合う冷媒流路を流れる冷媒の向きが逆方向であるだけでなく、各冷媒流路を流れる冷媒は、それぞれ他の冷媒流路から排出されたものが供給されるのではなく、冷媒温度がほぼ同じ状態のものが供給される冷媒流路を意味する。また、「入口及び出口が異なる」とは、複数の冷媒流路のそれぞれの入口及び出口が独立して存在することを意味し、例えば特許文献２のように冷媒流路がＵ字管で連結され冷媒流路の入口及び出口が共通のものとなっているものは含まない。

この発明では、搭載部が複数の冷媒流路を流れる冷媒により冷却され、搭載部に搭載された電子部品も冷却される。各冷媒流路を流れる冷媒の温度は、入口で最も低く出口側ほど高くなる。そのため、冷媒の冷却効果は下流側程低くなる。しかし、複数の冷媒流路は入口及び出口が異なりかつ冷媒が対向流となるため、隣接する冷媒流路を流れる冷媒の温度差により、温度の高い側の冷媒流路と対応する搭載部の部分に温度の低い側の冷媒流路を流れる冷媒の作用が及ぶ。したがって、複数の電子部品を冷却する条件が電子部品の配置位置によって偏るのを抑制することができるとともに、同じ伝熱面積でも並行流に比較して電子部品を効率よく冷却することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷媒流路は、仕切り壁により互いに区画されている。複数の冷媒流路は必ずしも完全に互いに区画されていなくても、部分的に区画することで各冷媒流路を冷媒が対向流で流れるようにすることも可能である。しかし、この発明では、冷媒流路は仕切り壁により互いに区画されているため、隣接する冷媒流路を流れる冷媒同士が干渉する虞が無く、冷媒が円滑に流れる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記複数の冷媒流路の各入口はそれぞれラジエータに直接連結されて使用される。この発明では、ラジエータで冷却された冷媒が各冷媒流路に直接供給されるため、各冷媒流路の冷却機能を同等にすることが容易になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記冷媒流路内にはフィンが冷媒の流れと平行に配置されている。この発明では、フィンを設けない場合に比較して冷媒流路を流れる冷媒による冷却効率が向上するとともに、フィンが冷媒の流れと交差する状態に配置された場合に比較して圧力損失が低減する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記搭載部には電子部品が２列に搭載されている。この発明では、２列に搭載された電子部品が同等に冷却される。例えば、冷却すべき電子部品として３相インバータのスイッチング素子を搭載した場合、各スイッチング素子が同等に冷却されるため好ましい。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記複数の冷媒流路にはそれぞれの冷媒流路毎に開口端の形成された入口及び出口が設けられている。この発明においては、対応する前記請求項に記載の発明の作用、効果を奏する。

本発明によれば、複数の電子部品を冷却する条件が電子部品の配置位置によって偏るのを抑制することができるとともに、同じ伝熱面積でも並行流に比較して電子部品を効率よく冷却することができる。

以下、本発明を車両に搭載されて使用される半導体装置を冷却する冷却装置に具体化した一実施形態を図１（ａ），（ｂ）にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、電子部品冷却装置１０は、冷却装置本体１１を備えている。冷却装置本体１１は四角箱状に形成され、複数（この実施形態では２本）の冷媒流路１２，１３を備えている。冷媒流路１２，１３は、仕切り壁１４により互いに区画されている。各冷媒流路１２，１３は、入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂが異なりかつ対向流となるように並列状態に設けられている。入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂにはパイプ１５ａ，１５ｂが鋳込まれている。即ち、複数の冷媒流路１２，１３にはそれぞれの冷媒流路毎に開口端の形成された入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂが設けられている。パイプ１５ａ，１５ｂは、例えば、車両に装備された冷却媒体循環路に連結可能に形成されている。

各冷媒流路１２，１３は、断面矩形状に形成されるとともに、同じ形状で同じ長さに形成されている。冷媒流路１２，１３内には複数のフィン１６が冷媒の流れと平行に配置されている。フィン１６は、冷媒流路１２，１３の入口１２ａ，１３ａ側端部と、出口１２ｂ，１３ｂ側端部から所定間隔を空けた位置から形成されている。所定間隔とは、入口１２ａ，１３ａから冷媒流路１２，１３内に流入した冷媒が各フィン１６の間に均等に流入するのに適した間隔である。フィン１６は冷却装置本体１１の厚さ方向と並行に設けられている。冷却装置本体１１は、アルミニウム系金属で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。

冷却装置本体１１の厚さ方向の一方の表面、図１（ｂ）における上側の面は、冷却すべき電子部品１７の搭載部１８を構成する。搭載部１８上には表面に金属回路１９を有するセラミック絶縁体としてのセラミック基板２０が金属板２１を介して一体化されている。セラミック基板２０は、搭載部１８上の冷媒流路１２，１３と対応する位置に２列に配置されている。電子部品１７は、金属回路１９に接合（半田付け）されている。即ち、電子部品１７は冷却装置本体１１の搭載部１８に２列に搭載されている。電子部品１７としては、例えば、３相インバータのスイッチング素子を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）が用いられている。

金属回路１９は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板２０は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。金属板２１は、セラミック基板２０と冷却装置本体１１とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅などで形成されている。

次に前記のように構成された電子部品冷却装置１０の作用を説明する。電子部品冷却装置１０は、ハイブリッド車に搭載されるとともに、図１（ａ）に示すように、冷却媒体循環路２２に対してパイプ１５ａ，１５ｂにおいて連結されて使用される。冷却媒体循環路２２にはポンプ２３及びラジエータ２４が設けられ、ラジエータ２４は、モータ２５により回転されるファン２６を備え、ラジエータ２４からの放熱が効率よく行われるようになっている。ラジエータ２４の出口側に連結された配管２２ａは途中で分岐されるとともに、冷媒流路１２，１３の各入口１２ａ，１３ａに連結されている。即ち、冷却装置本体１１の複数の冷媒流路１２，１３の各入口１２ａ，１３ａはそれぞれラジエータ２４に直接連結されて使用される。また、冷媒流路１２，１３の各出口１２ｂ，１３ｂに連結された配管２２ｂは途中で集合されてポンプ２３の吸入口に連結されている。冷却媒体（冷媒）として、例えば、水や不凍液の混合された水が使用される。

電子部品冷却装置１０に搭載された電子部品１７が駆動されると、電子部品１７から熱が発生する。電子部品１７から発生した熱は、金属回路１９、セラミック基板２０、金属板２１及び搭載部１８を介して冷却装置本体１１に伝導される。冷却装置本体１１に伝導された熱は、冷媒流路１２，１３を流れる冷媒に伝導されるとともに持ち去られる。即ち、冷却装置本体１１は、冷媒流路１２，１３を流れる冷媒によって強制冷却されるため、電子部品１７から冷却装置本体１１に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、電子部品１７で発生した熱がセラミック基板２０等を介して効率良く除去される。冷却装置本体１１の冷媒流路１２，１３を通過する間に電子部品１７を冷却することで加熱された冷媒は、ポンプ２３によりラジエータ２４へ送られ、ファン２６の風で冷却された後、再び入口１２ａ，１３ａから冷媒流路１２，１３に供給されて電子部品１７の冷却に使用される。

冷媒流路１２，１３は、入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂが異なり、ラジエータ２４から供給される冷媒が対向流となるように配置されている。即ち、各冷媒流路１２，１３にはラジエータ２４で冷却された冷媒が直接供給されるため、冷媒流路１２，１３の入口１２ａ，１３ａにおける冷媒温度は、配管２２ａを流れる間の温度変化が同等であれば同等になる。そのため、特許文献２のように、冷却装置における冷媒流路（通水孔７３ａ，７３ｂ）をＵターンさせた見かけ上、対向流となる構成と異なり、両冷媒流路１２，１３を流れる冷媒の温度は、それぞれ入口１２ａ，１３ａからの距離が同じ箇所で比較すると同等になる。

また、冷媒が対向流となって流れるため、即ち隣り合う冷媒流路１２，１３を流れる冷媒の向きが逆方向であるため、流れが並行流の場合と異なり、両冷媒流路１２，１３内を流れる冷媒の温度は、冷媒流路１２，１３の流れ方向の中央付近を除いて同じではない。そのため、冷媒流路１２，１３を流れる温度が高い方の冷媒の熱が温度の低い方の冷媒へ伝達される。冷媒流路１２，１３を流れる冷媒の温度は、入口１２ａ，１３ａで最も低く、出口１２ｂ，１３ｂで最も高くなり、冷媒流路１２，１３の長手方向中央部では同等となる。そのため、一方の冷媒流路１２についてみると、中央部より入口１２ａ側では冷媒流路１３側から熱が伝達され、中央部より出口１２ｂ側では冷媒流路１３側へ熱が伝達される。即ち、隣接する冷媒流路１２，１３を流れる冷媒の温度差により、温度の高い側の冷媒流路と対応する搭載部１８の部分に温度の低い側の冷媒流路を流れる冷媒の作用が及ぶ。その結果、対向流でない場合と比較して、両冷媒流路１２，１３における上流から下流までの温度差が小さくなる。したがって、複数の電子部品１７を冷却する条件が、電子部品１７の配置位置によって偏るのが抑制される。

したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電子部品冷却装置１０は、冷却すべき電子部品１７の搭載部１８と、搭載部１８に連結されるとともに、入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂが異なりかつ対向流となる複数の冷媒流路１２，１３を備え、電子部品１７が冷媒流路１２，１３の流れの方向に沿って複数搭載されている。したがって、複数の電子部品１７を冷却する条件が電子部品１７の配置位置によって偏るのを抑制することができるとともに、同じ伝熱面積でも並行流に比較して電子部品１７を効率よく冷却することができる。

（２）冷媒流路１２，１３は、仕切り壁１４により互いに区画されている。複数の冷媒流路１２，１３は必ずしも完全に互いに区画されていなくても、部分的に区画することで各冷媒流路１２，１３を冷媒が対向流で流れるようにすることも可能である。しかし、冷媒流路１２，１３は仕切り壁１４により互いに区画されているため、隣接する冷媒流路１２，１３を流れる冷媒同士が干渉する虞が無く、冷媒が円滑に流れる。

（３）複数の冷媒流路１２，１３の各入口１２ａ，１３ａはそれぞれラジエータ２４に直接連結されて使用される。したがって、ラジエータ２４で冷却された冷媒が各冷媒流路１２，１３に直接供給されるため、各冷媒流路１２，１３の冷却機能を同等にすることが容易になる。

（４）冷媒流路１２，１３内にはフィン１６が冷媒の流れと平行に配置されている。したがって、フィン１６を設けない場合に比較して冷媒流路１２，１３を流れる冷媒による冷却効率が向上するとともに、フィン１６が冷媒の流れと交差する状態に配置された場合に比較して圧力損失が低減する。

（５）搭載部１８には電子部品１７が２列に搭載されている。したがって、２列に搭載された電子部品１７が同等に冷却されるため、例えば、冷却すべき電子部品１７として３相インバータのスイッチング素子を搭載した場合、各スイッチング素子が同等に冷却されるため好ましい。

（６）両冷媒流路１２，１３は、ポンプ２３及びラジエータ２４を１個ずつ備えた冷却媒体循環路２２に連結されて使用されるため、各冷媒流路１２，１３にそれぞれ独立の冷却媒体循環路２２を連結する場合に比較して構成が簡単になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 電子部品冷却装置１０は、２列の冷媒流路１２，１３を備える構成に限らず複数列であればよい。４列以上の偶数列の場合は、冷却装置本体１１の幅を拡げて冷媒流路１２，１３及びパイプ１５ａ，１５ｂの数を増やすことで対応できる。また、３列の場合は、図２に示すように、冷媒流路１２，１３を交互に並行に配置する。中央に配置される冷媒流路１３は他の冷媒流路１２より流量が多くなるように流路の断面積を大きくすることにより、中央の冷媒流路１３と両側の冷媒流路１２との間の熱伝導のバランスを取るのが容易になる。搭載部１８は各冷媒流路１２，１３に対応して３列に配置する構成に限らず、両冷媒流路１２，１３に跨るように２列に配置してもよい。もちろん、各冷媒流路１２，１３に対応してそれぞれ１列、合計３列に電子部品１７を配置してもよい。なお、図２においては金属回路１９及びセラミック基板２０の図示を省略している。

○ 各冷媒流路１２，１３に共通のラジエータ２４から冷媒を供給する構成では、ラジエータ２４の出口から冷媒流路１２，１３の入口１２ａ，１３ａまでの流路抵抗が同等であるのが好ましい。例えば、図３に示すように、ラジエータ２４から各入口１２ａ，１３ａまでの配管２２ａの長さが同じに、かつ各出口１２ｂ，１３ｂからポンプ２３の吸入口までの配管２２ｂの長さが同じになるように構成し、配管２２ａ，２２ｂの断面積を同じにする。なお、図３においても金属回路１９及びセラミック基板２０の図示を省略している。

○ 各冷媒流路１２，１３に共通のラジエータ２４から冷媒を供給する構成において、各冷媒流路１２，１３に連結される配管２２ａ，２２ｂの断面積及び長さを同じにするのではなく、長さは同じにせずに配管２２ａ，２２ｂの断面積を変更して流路抵抗を同等にしてもよい。

○ 各冷媒流路１２，１３の入口１２ａ，１３ａ及び出口１２ｂ，１３ｂは、それぞれ別のラジエータ２４やポンプ２３に連結された状態で使用されてもよい。
○ 冷媒流路１２，１３内にフィン１６を冷媒の流れと平行に設ける場合、フィン１６は搭載部１８と直交する状態に限らず、搭載部１８と平行に、即ち仕切り壁１４と直交する状態に設けられてもよい。

○ 冷媒流路１２，１３内に設けられるフィン１６を省略してもよい。
○ 電子部品１７は、冷媒流路１２，１３の冷媒の流れの方向に沿って複数搭載されていればよく、複数列に配置される必要はなく、例えば、図４に示すように、１列の電子部品１７が２列の冷媒流路１２，１３に跨るように配置されてもよい。なお、図４においても金属回路１９及びセラミック基板２０の図示を省略している。

○ 冷却装置本体１１は、箱状のハウジングに仕切り壁１４を設けて冷媒流路１２，１３を区画形成する構成に限らず、例えば、図５に示すように、搭載部１８を構成する支持プレート２７と、支持プレート２７に連結された冷媒流路１２，１３を構成するパイプ２８，２９とで構成してもよい。この場合、パイプ２８，２９は支持プレート２７との接触面積を多くするため、角パイプが好ましい。但し、パイプ２８，２９の両端には、冷却媒体循環路２２に連結可能な連結部としてのパイプが固着されている。

○ 冷却装置本体１１は、搭載部１８が冷媒流路１２，１３の一方の側だけに存在する構成に限らず、例えば、図６に示すように、冷媒流路１２，１３を挟んで両側に搭載部１８が存在する構成であってもよい。冷媒流路１２，１３がパイプ２８，２９で構成される場合でもパイプ２８，２９を挟んで両側に支持プレート２７を固定した構成にし、電子部品１７の搭載部１８をパイプ２８，２９を挟んで両側に設けてもよい。

○ 電子部品１７は発熱する電子部品であればよく、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳトランジスタ等の他のパワー素子やダイオードが搭載されてもよい。また、異なる電子部品１７が複数搭載されてもよい。

○ 冷媒流路１２，１３を仕切り壁１４で区画する場合、各冷媒流路１２，１３の全長にわたって完全に仕切り壁１４で区画される構成に限らず、冷媒流路１２，１３を流れる冷媒の流れが混合されない状態であれば、仕切り壁１４の一部に両冷媒流路１２，１３を連通させる孔が存在してもよい。

○ 冷却媒体循環路２２に流す冷却媒体は水に限らず、他の液体やあるいは気体であってもよい。
○ 電子部品冷却装置１０の用途は、ハイブリッド自動車等に搭載されるものに限らず、家電製品や産業機械に適用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）冷却すべき電子部品が接合された基板を搭載する搭載部に連結されるとともに、入口及び出口が異なりかつ対向流となる複数の冷媒流路を備えた冷却器の各入口に、ラジエータの出口から吐出された冷媒を供給し、前記冷媒流路の出口から排出された冷媒を、ポンプを介して前記ラジエータの入口に供給することにより冷媒を循環させ、前記搭載部上に前記電子部品を前記冷媒流路の流れの方向に沿って複数搭載して前記電子部品を冷却する電子部品の冷却方法。

（ａ）は一実施形態の模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線拡大断面図。 別の実施形態の平面図。 別の実施形態の平面図。 別の実施形態の平面図。 別の実施形態の模式断面図。 別の実施形態の模式断面図。 （ａ）は従来技術の平面図、（ｂ）は断面図。 （ａ）は別の従来技術の平面図、（ｂ）は側面図。

符号の説明

１２，１３…冷媒流路、１２ａ，１３ａ…入口、１２ｂ，１３ｂ…出口、１４…仕切り壁、１６…フィン、１７…電子部品、１８…搭載部、２４…ラジエータ。

Claims (6)

1. 冷却すべき電子部品の搭載部と、前記搭載部に連結されるとともに、入口及び出口が異なりかつ対向流となる複数の冷媒流路を備え、前記電子部品が前記冷媒流路の流れの方向に沿って複数搭載されていることを特徴とする電子部品冷却装置。
2. 前記冷媒流路は、仕切り壁により互いに区画されている請求項１に記載の電子部品冷却装置。
3. 前記複数の冷媒流路の各入口はそれぞれラジエータに直接連結されて使用される請求項１又は請求項２に記載の電子部品冷却装置。
4. 前記冷媒流路内にはフィンが冷媒の流れと平行に配置されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電子部品冷却装置。
5. 前記搭載部には電子部品が２列に搭載されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電子部品冷却装置。
6. 前記複数の冷媒流路にはそれぞれの冷媒流路毎に開口端の形成された入口及び出口が設けられている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電子部品冷却装置。

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