JP6985098B2 - 冷却ユニット - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、冷却器により部品モジュールを冷却する冷却ユニットに関する。
冷却器により部品モジュールを冷却する冷却ユニットの一例が特許文献1に開示されている。特許文献1の冷却ユニット(特許文献1では積層ユニットと称している)は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールが交互に積層されたデバイスである。この冷却ユニットでは、冷却器内を小空間に区画するフィン群の上流端において異物が詰まると、その異物が詰まった一対のフィンで区画される小空間の下流を流れる冷媒流量が少なくなり局所的に冷却効率が低下する。そのため、冷媒が迂回し得る隙間を、フィン群を横切るように形成することによって、異物が詰まった場合においても冷媒流量の減少を抑制可能にしている。
特開2017−45857号公報
特許文献1のような冷却ユニットでは、フィン群の上流端において異物が詰まることを前提としている。そのため、異物により詰まる箇所が増えると、フィン群の下流を流れる冷媒流量が少なくなることから、冷却効率の低下を抑え難い。本明細書は、冷却効率の低下を抑制し得る技術を提供する。
本明細書が開示する冷却ユニットは、部品モジュールを隣同士で挟むように部品モジュールと交互に積層されている複数の冷却器と、複数の冷却器に夫々流入する冷媒を分配して供給する分配管と、複数の冷却器から夫々流出する冷媒を集めて外部に排出する集合管と、を備えている。複数の冷却器の内面に複数のフィンが設けられている。そして、複数の冷却器のフィンと冷媒流入口の間に、複数の針状部材が剣山のように立設される剣山部材、又は、冷媒の流通方向を横切るように突出する板状若しくは棒状の異物捕獲部が設けられている。異物捕獲部は、長手方向の一端であってフィンの上流端から遠い側の一端が回転自在に軸支されている。これにより、冷媒内に異物が混入した場合には、剣山部材、板状部材、あるいは棒状部材によって、冷媒流入口とフィンの間で当該異物が捕獲される。従って、当該異物がフィンの上流端を塞ぐことが防止される。その結果、冷却器内を流れる冷媒流量が減少し難くなるため、冷却効率の低下が抑制される。
例えば、分配管に供給される冷媒は、典型的には、ポンプなどにより不連続に圧送される。そのため、圧送中に一時的にフィンの上流端に異物が付着しても、冷媒の圧送が停止することにより僅かに生じる冷媒の逆流によって異物が上流方向に押し戻されるので、押し戻された異物を、剣山部材、板状部材や棒状部材によって捕獲することが可能になる。異物は、重力により下方に沈殿し易い。そのため、冷媒流入口の上流近傍かつ重力方向下側に剣山部材、板状部材や棒状部材を設けることにより、さらに異物を効率よく捕獲することが可能になる。その結果、冷却器内を流れる冷媒流量がさらに減少し難くなるので、冷却効率の低下が一層抑制される。
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
実施例の冷却ユニットの斜視図である。 実施例の冷却ユニットの平面図である。 図2のIII−III線に沿った断面図である。 (A)は図2のIV−IV線に沿った断面図である。(B)は(A)の部分拡大図である。 実施例の改変例1を示す断面図であり、(A)は図2のIV−IV線に沿った断面相当の図である。(B)は可動部の動作状態を示す図である。 実施例の改変例2を示す断面図であり、図2のIV−IV線に沿った断面相当の図である。 実施例の改変例3を示す断面図であり、(A)は図2のIV−IV線に沿った断面相当の図である。(B)は(A)の部分拡大図である。
図面を参照して実施例の冷却ユニットを説明する。図1に、実施例の冷却ユニット2の斜視図を示す。図2に、実施例の冷却ユニット2の平面図を示す。冷却ユニット2は、冷却器10とパワーカード20を交互に積層したものである。そのため、積層ユニットと称される場合もある。本実施例では、冷却器10は、例えば、電気自動車のPCU(Power Control Unit)を構成する昇圧コンバータやインバータなどの電力変換装置に用いられるパワーカード20を冷却する。
パワーカード20は、2個の半導体デバイス23を樹脂パッケージ21に樹脂封止している。本実施例では、樹脂封止された2個の半導体デバイス23が樹脂パッケージ21の長手方向(Y軸方向)に並んでいる。半導体デバイス23は、典型的には、パワーデバイス(IGBTやパワーMOSFET)などの平板状の半導体チップと、半導体チップを両面から挟み込む熱拡散板(例えば銅板)と、により構成されている。電力変換用の半導体素子(パワーデバイス)である半導体デバイス23は、通電時(オン状態)の発熱量が大きい。そのため、半導体デバイス23が発した熱を熱拡散板により外部に拡散する。パワーカード20の上面(Z軸の正方向を向く面)からは3本の電極端子25が突出し、また下面(Z軸の負方向を向く面)からは6本の制御端子が突出している。
冷却器10とパワーカード20の間には、典型的には、グリスを塗布して熱抵抗を減少させているが、各図においてはこのようなグリスの図示を省略している。図1では、冷却ユニット2の全体が見えるように、冷却ユニット2を収容するケース6は仮想線(二点鎖線)で描いてある。ケース6は、例えば、PCUの筐体である。以下、本明細書では、図1やその他の図に表す座標系のX、Y、Zの各軸のことを、夫々単に、X軸、Y軸、Z軸と表現する。尚、本実施例の冷却ユニット2は、Z軸の負方向が重力方向に向くように、例えば、電気自動車のPCU内に収容されている。
冷却器10とパワーカード20は、共に平板形状を成しており、夫々の平坦面が対向するように積層されている。本実施例では、積層方向(X軸方向)の両端に冷却器10が位置するように、6枚のパワーカード20に対して7個の冷却器10を配置している。パワーカード20は、長手方向(Y軸方向)のサイズが小さい場合には、例えば、冷却器10の長手方向(Y軸方向)に2つのパワーカード20を並べて配置してもよい。また、本実施例では、冷却器10とパワーカード20の間の電気絶縁を確保するため、両者の間に絶縁板30を介在させている。絶縁板30は、例えば、板厚の薄いセラミック板である。冷却器10が樹脂製でありパワーカード20に対して電気的な絶縁をする必要がない場合には、絶縁板30は不要である。
複数の冷却器10は、連結パイプ4a、4bにより連結されている。積層方向(X軸方向)の一端の冷却器10には、冷媒供給管3aと冷媒排出管3bが連結されている。冷媒供給管3aを通じて供給される冷媒は、連結パイプ4aを通じて全ての冷却器10に分配される。冷却器10は、薄箱形状の金属製の筐体と、筐体内に収容されるフィン16、17により構成されている。そのため、典型的には、冷媒が流れ得る流路断面積は、冷却器10よりも、連結パイプ4a、4bの方が大きい。
図3に、図2のIII−III線に沿った断面図を示す。図3に示すように、本実施例では、冷却器10の筐体は、外板11、12、中板13、波板14、15により構成されている。これらは、例えば、板厚の薄いアルミニウム板などをプレス加工したものである。外板11、12は、内側に窪み(又は外側に突出し)、かつ、周囲にフランジ部を有するように夫々形成されており、互いのフランジ部が合わさるように接合される。これにより、外板11、12は、冷媒が流通可能な内部空間を区画形成し得る。これらの外板11、12には、連結パイプ4aにより分配された冷媒が流入可能な流入口10aと、連結パイプ4bにより集められる冷媒を流出可能な流出口10bと、が夫々形成されている(図4参照)。
中板13は、長さ(Y軸方向)及び幅(Z軸方向)ともに、外板11、12や波板14、15よりも大きく設定されている平坦な板部材である。中板13にも、外板11、12と同様に流入口10aや流出口10bが形成されている。波板14、15は、長手方向(Y軸方向)に沿って冷媒が流れるように短手方向(Z軸方向)に襞状の凹凸が繰り返し複数形成されている板部材である。本実施例では、波板14、15の長手方向の長さは、流入口10aと流出口10bの間に収まり得る大きさに設定されており、また短手方向の長さは、外板11、12内に形成される内部空間に収容可能な大きさに設定されている。
本実施例では、冷却器10の筐体は、このような中板13を中心に、2枚の波板14、15を挟んで外板11、12を向い合せにして貼り合わせるように構成されている。波板14、15に形成されている襞状の凹凸の繰り返しが、筐体の内面11a、12aに設けられる複数のフィン16、17であり、筐体内を流れる冷媒との接触面積を増やして伝熱効率を高める役割をしている。これにより、冷媒供給管3aから流入して連結パイプ4aにより各冷却器10に分配された冷媒は、各冷却器10(筐体内)を通過する際に、隣接するパワーカード20が発した熱を複数のフィン16、17を介して吸収する。パワーカード20が発した熱を吸収した冷媒は、連結パイプ4bにより集められて冷媒排出管3bから排出される。冷媒は、液体であり、典型的には、水又はLLC(Long Life Coolant)である。
なお、本実施例では、冷却ユニット2は、ケース6に収容される際、積層方向(X軸方向)の一端側に板バネ7が挿入される。この板バネ7により、冷却器10とパワーカード20と絶縁板30に対して、積層方向の両側から所定荷重が加えられる。また、冷媒は、連結パイプ4aよりも上流の冷媒管に接続されているリザーバタンクに貯留されると共にポンプにより冷却ユニット2に圧送され、連結パイプ4bよりも下流の冷媒管を介してリザーバタンクに戻る一巡の経路を循環している。冷媒管、リザーバタンク及びポンプは図示されていない。
このように冷却ユニット2を構成することにより、冷却ユニット2は、パワーカード20が発した熱の大部分を、冷却器10を流れる冷媒との熱交換により放熱する。ところで、冷媒には異物が混入している場合がある。異物は、例えば、冷媒に混入していたごみ、連結パイプ4aよりも上流に設けられている冷媒管の内壁から剥離した剥離片や、冷媒が通過するポンプの一部が腐食して生成されるものなど様々である。このような異物のうち、その大きさがフィン16、17の襞の間隔Da、Dbよりも大きなものが連結パイプ4aから冷却器10に流入したときには、フィン16、17の上流端において当該異物が詰まる場合がある。異物がフィン16、17に詰まった場合には、そのフィン16、17で区画される空間内は冷媒が流れ難くなることから(空間内における圧力損失の増加を招くことから)、冷却器10の当該部分は冷却効率が低下してしまう。
そこで、本実施例の冷却ユニット2では、図4に示すように、冷却器10のフィン16、17と冷媒の流入口10aとの間に異物捕獲部50を設けている。これにより、前述したようなフィン16、17の目詰まりを抑制可能にしている。図4(A)に、図2のIV−IV線に沿った断面図を示す。図4(B)に、図4(A)の部分拡大図を示す。
異物捕獲部50は、複数の針状部53と、これらの針状部53の基端側を固定している棒状又は板状の基部51とにより構成されている。これらは、例えば、アルミニウム製又は耐熱性に優れた樹脂製である。針状部53は、例えば、縫い針のように、基端よりも先端が尖った円錐形状又は角錐形状に形成された突起物であり、本実施例では、複数の針状部53が基部51上に列状に配置されている。基部51は、外板11又は連結パイプ4aの端面に取り付けられている。図4(A)、(B)では、複数の針状部53が一列に整列しているように見えるが、二列や三列に整列していてもよい。つまり、剣山のように構成されていてもよい。
このように異物捕獲部50は、先端がとがった複数の針状部53を備えているため、特に、綿状や繊維状の異物90を捕獲し易いという特徴を有する。本実施例では、異物捕獲部50の一部(上流側)は、連結パイプ4aが接続されている冷却器10の流入口10aの開口部に沿って設けられていると共に、流入口10aよりも下流側では、フィン16、17の上流端16a、17aの方向に延びるように設けられている。より具体的には、流入口10aの開口部の重力方向下側(Z軸の負方向)に異物捕獲部50が設けられている。
これにより、例えば、流入口10aの開口部又はその付近においては、上流側の針状部53により異物90を捕獲することができる。また、下流側にも針状部53が配置されているため、異物90は、上流側の針状部53に引っ掛かることなく冷媒の流れに乗って開口部を通過しても、下流側の針状部53により捕獲され得る。また、冷媒中においても、異物90は重力方向に移動し易いことから、異物捕獲部50が流入口10aの開口部下方に位置することで、当該異物90はさらに捕獲される可能性が高まる。
また、冷媒を間欠的(不連続)に圧送するポンプがオン(圧送中)からオフ(圧送停止)に切り替わった直後に生じ得る冷媒の僅かな逆流により異物90が上流方向に押し戻される場合がある。そのため、フィン16、17の上流端16a、17aに異物90が一旦付着したとしても、そのような冷媒の逆流によって異物90が下流側の針状部53の方向に押し戻され得るので、針状部53により異物90を捕獲することが可能になる。
本実施例の冷却ユニット2では、夫々の冷却器10において、このような異物捕獲部50を備えている。これにより、冷媒内に異物90が混入した場合には、異物捕獲部50によって、流入口10aとフィン16、17の上流端16a、17aとの間で当該異物90が捕獲されて堆積する。そのため、当該異物90がフィン16、17の上流端16a、17aの開口を塞ぐことを防止することが可能になる。したがって、冷却器10内を流れる冷媒流量が減少し難くなるため、冷却効率の低下を抑制することが可能になる。
本実施例の改変例1として、図5に示すように、異物捕獲部50に代えて異物捕獲部60を設けてもよい。図5(A)に、図2のIV−IV線に沿った断面相当の断面図であり、実施例の改変例1を表した図を示す。図5(B)に、図2のIV−IV線に沿った断面相当の断面図であり、可動部61の動作状態を表した図を示す。
異物捕獲部60は、長板状又は棒状の可動部61と、この可動部61の一端側を回動自在に軸支する軸部63と、可動部61の重力方向への回転を規制するストッパ65と、により構成されている。これらは、例えば、アルミニウム製又は耐熱性に優れた樹脂製である。本実施例では、異物捕獲部60は、流入口10aの開口部の重力方向下側(Z軸の負方向)に設けられており、可動部61は、流入口10aから冷却器10内に流入する冷媒の流通方向を横切るように突出している。軸部63とストッパ65は、外板11に取り付けられている。
より具体的には、可動部61は、ストッパ65により重力方向への回転を規制されている状態において、当該可動部61の長手方向が冷却器10の長手方向に向くように(冷媒が流れる方向に沿って当該可動部61の長手方向が向くように)、軸部63により軸支されている。本実施例では、可動部61のうち、フィン16、17の上流端16a、17aから離れた(遠い)一端側を、軸部63により軸支している。これにより、可動部61が回動すると、流入口10aの開口部を自動車のワイパーのようにスイープすると共に、可動部61の他端側は上流端16a、17aに近い位置で円弧を描くように移動することが可能になる。
このように異物捕獲部60を構成することにより、冷媒を圧送するポンプがオン(圧送中)の期間中においては、可動部61の他端側は、重力と冷媒の流体力(冷媒の流れによって引き起こされる力)とによって重力方向にストッパ65に当接する位置まで移動している(図5(A)参照)。これに対して、冷媒を圧送するポンプがオフ(圧送停止)の期間中においては、前述のようにオフの直後に逆流する冷媒の流体力によって、可動部61の他端側は反重力方向に押し上げられる(図5(B)参照)。これにより、冷媒の逆流により押し戻された異物90は、可動部61に絡め捕られ得る。そのため、可動部61に捕獲された異物90は、その後、可動部61の他端側が再び重力方向に移動することにより、異物捕獲部60の下方(重力方向下側)に落下し得る。
図6を参照して本実施例の改変例2を説明する。図6に、図2のIV−IV線に沿った断面相当の断面図であり、実施例の改変例2を表した図を示す。図6に示すように、異物捕獲部60の重力方向下側にポケット67を設けてもよい。ポケット67は、その底部67aが波板14、15の下端部(重力方向端部)14a、15aよりも重力方向に位置するように外板12に形成されている。これにより、ポケット67内の異物90は、ポケット67外に容易に出ることができなくなる。このようなポケット67を異物捕獲部60の重力方向下方に設けることによって、冷媒中に混入した異物90を収容(回収)することが可能になり、また捕獲した異物90を底部67aに堆積させることも可能になる。
図7を参照して本実施例の改変例3を説明する。図7(A)に、図2のIV−IV線に沿った断面相当の断面図であり、実施例の改変例3を表した図を示す。図7(B)に、(A)の部分拡大図を示す。本実施例の改変例3として、図7に示すように、異物捕獲部50に代えて異物捕獲部70を設けてもよい。
異物捕獲部70は、棒状部71と、この棒状部71に形成される複数の孔部73と、により構成されている。棒状部71は長板状でもよい。これらは、例えば、アルミニウム製又は耐熱性に優れた樹脂製である。本実施例では、異物捕獲部70は、流入口10aの開口部の重力方向下側(Z軸の負方向)に設けられており、棒状部71は、流入口10aから冷却器10内に流入する冷媒の流通方向を横切るように突出している。
改変例3では、棒状部71は、複数の孔部73が冷媒上流側に向かって開口するように外板11又は連結パイプ4aの端面に取り付けられている。このような複数の孔部73を棒状部71に設けることによって、前述の冷媒の逆流により押し戻された異物90を絡め捕った後、異物捕獲部70の下方(重力方向下側)に落下させるだけでなく、孔部73の開口周縁や周壁にも堆積させることが可能になる。この異物捕獲部70の場合においても、図6に示す異物捕獲部60のように、異物捕獲部70の重力方向下側にポケット67を設けてもよい。これにより、冷媒中に混入した異物90をポケット67により収容(回収)することが可能になり、また捕獲した異物90をポケット67の底部67aに堆積させることも可能になる。
以上のとおり、本実施例の冷却ユニット2では、パワーカード20を隣同士で挟むようにパワーカード20と交互に積層されている複数の冷却器10と、複数の冷却器10に夫々流入する冷媒を分配して供給する連結パイプ4aと、複数の冷却器10から夫々流出する冷媒を集めて外部に排出する連結パイプ4bと、を備えており、複数の冷却器10の内面11a、12aに複数のフィン16、17が設けられている。そして、複数の冷却器10のフィン16、17と流入口10aの間に、複数の針状部53が剣山のように立設される異物捕獲部50、又は冷媒の流通方向を横切るように突出する異物捕獲部60若しくは異物捕獲部70が設けられている。
これにより、冷媒内に異物90が混入した場合には、異物捕獲部50、60、70によって、流入口10aとフィン16、17の間で当該異物90が捕獲されることから、当該異物90がフィン16、17の上流端16a、17aを塞ぐことを防止することが可能になる。このような異物90によるフィン16、17の目詰まりが抑制されるため、フィン16、17で区画される空間内における圧力損失の増加が抑えられる。したがって、冷却器10内を流れる冷媒流量が減少し難くなるため、冷却効率の低下を抑制し得る。
本実施例では、部品モジュールとして、パワーカード20を例示して説明したが、動作(通電)中に発熱しその熱を他に逃がす必要があるものであれば、例えば、パワートランジスタ、ダイオードやサイリスタなどを樹脂パッケージやセラミックパッケージ内に封止した半導体モジュール、又はIPM(Intellgent Power Module)などでもよい。
また、本実施例では、異物捕獲部50、60、70を冷却器10の流入口10aとフィン16、17の上流端16a、17aとの間に設けているが、例えば、冷媒上流側に配置されている、連結パイプ4aや冷媒供給管3aの中に異物捕獲部50、60、70を設ける構成を採ってもよい。
本実施例に記載した技術は、次のような概念で把握することができる。
[1]冷媒が流れる冷却器により部品モジュールを冷却する冷却ユニットであり、
前記部品モジュールを隣同士で挟むように前記部品モジュールと交互に積層されている複数の冷却器と、
前記複数の冷却器に夫々流入する冷媒を分配して供給する分配管と、
前記複数の冷却器から夫々流出する冷媒を集めて外部に排出する集合管と、
を備えており、
前記複数の冷却器の内面に複数のフィンが設けられており、
前記複数の冷却器の前記フィンと冷媒流入口の間に、複数の針状部材が剣山のように立設される剣山部材、又は前記冷媒の流通方向を横切るように突出する板状部材若しくは棒状部材が設けられていることを特徴とする冷却ユニット。
[2][1]に記載の冷却ユニットにおいて、前記剣山部材、前記板状部材又は前記棒状部材は、重力方向下側に配置されていてもよい。
[3][1]又は[2]に記載の冷却ユニットにおいて、前記板状部材は、前記冷媒の流れによって引き起こされる力(流体力)により可動し得るように構成されていてもよい。
[4][3]に記載の冷却ユニットにおいて、前記板状部材は、前記冷媒が流れる方向に沿って当該板状部材の長手方向が向くように配置されており、前記長手方向の冷媒上流側に位置する軸部に軸支されていてもよい。
[5][3]又は[4]に記載の冷却ユニットにおいて、前記板状部材の重力方向下方には、前記冷媒中に混入した異物を収容し得る収容部が設けられていてもよい。
[6][1]〜[5]のいずれか一つに記載の冷却ユニットにおいて、前記板状部材又は前記棒状部材には、冷媒上流側に向かって開口する孔部が設けられていてもよい。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。連結パイプ4aが分配管の一例に相当する。連結パイプ4bが集合管の一例に相当する。流入口10aが冷媒流入口の一例に相当する。パワーカード20が部品モジュールの一例に相当する。異物捕獲部50が剣山部材の一例に相当する。針状部53が針状部材の一例に相当する。異物捕獲部60が板状部材の一例に相当する。異物捕獲部70が棒状部材の一例に相当する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:冷却ユニット
3a:冷媒供給管
3b:冷媒排出管
4a、4b:連結パイプ
6:ケース
10:冷却器
10a:流入口
10b:流出口
11、12:外板
11a、12a:内面
13:中板
14、15:波板
16、17:フィン
16a、17a:上流端
20:パワーカード
23:半導体デバイス
30:絶縁板
50、60、70:異物捕獲部
53:針状部
61:可動部
67:ポケット
71:棒状部
73:孔部
90:異物

Claims (1)

  1. 冷媒が流れる冷却器により部品モジュールを冷却する冷却ユニットであり、
    前記部品モジュールを隣同士で挟むように前記部品モジュールと交互に積層されている複数の前記冷却器と、
    前記複数の冷却器に夫々流入する冷媒を分配して供給する分配管と、
    前記複数の冷却器から夫々流出する冷媒を集めて外部に排出する集合管と、
    を備えており、
    前記複数の冷却器の内面に複数のフィンが設けられており、
    前記複数の冷却器の前記フィンと冷媒流入口の間に、複数の針状部材が剣山のように立設される剣山部材、又は、前記冷媒の流通方向を横切るように突出する板状若しくは棒状の異物捕獲部と、が設けられており、
    前記異物捕獲部は、長手方向の一端であって前記フィンの上流端から遠い側の一端が回転自在に軸支されていることを特徴とする冷却ユニット。
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