JP2004095599A - 積層冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体の温度分布が生ずる場合であっても熱交換性能の低下を防止できる積層冷却器を提供する。
【解決手段】端部側開口部１１１および中間開口部１１２を有し、複数積層される中間プレート１１０ａ、１１０ｂの両外層に外側プレート１２０、１３０が重ねられ、端部側開口部１１１、中間開口部１１２が互いに連通することによって、両端部側にそれぞれ沿って延びる端部側流路１０１および端部側流路１０１を接続する複数の接続流路１０２が形成され、両流路１０１、１０２に冷却液を流通させて外側プレート１３０の表面に取り付けられる発熱体１０を冷却する積層冷却器において、中間プレート１１０ａ、１１０ｂに端部側開口部１１１の間で端部側開口部１１１の長手方向に延びる長手方向開口部１１３を形成し、長手方向開口部１１３によって複数の接続流路１０２を互いに連通させる。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数枚のプレートを積層して内部に冷却流路を形成し、この冷却流路に冷却液を流通させて半導体素子等の発熱体を冷却する積層冷却器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両用等の大電流を必要とするインバータ装置は、半導体素子の発熱量が大きいため、冷却水等を用いた強制的な冷却が必要である。そこで、本発明者は、２種類の中間プレートを交互に積層し、その両外層に２枚の外側プレートを重ね合わせて内部に冷却流路を形成する積層冷却器を考案した。
【０００３】
中間プレート１１０ａ、１１０ｂは、図７に示すように、両端部側（図７中の左右側）に櫛歯状の開口部１１１が設けられ、この櫛歯位置に対応し且つ両櫛歯間に並ぶように複数の長円状の開口部１１２が設けられている。櫛歯状開口部１１１および長円状開口部１１２は、図７中（ａ）と（ｂ）とでは設定位置が左右方向にずれており、この２種類の中間プレート１１０ａ、１１０ｂを交互に積層すると、互いの櫛歯状開口部１１１および長円状開口部１１２同士が連通して図７中、左右方向に延びる複数の冷却流路が形成される。これにより、容易に積層冷却器が形成でき、外側プレートに固定される半導体素子を冷却流路を流通する冷却水によって強制的に冷却することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子の作動状況によって、外側プレートが加熱部位と非加熱部位とに分かれ全体的に温度分布を伴うと、非加熱部位を流通する冷却水は熱交換されずに流出されることとなり全体の熱交換性が悪化する。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、発熱体の温度分布が生ずる場合であっても熱交換性能の低下を防止できる積層冷却器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、両端部側にそれぞれ沿って延びる端部側開口部（１１１）および端部側開口部（１１１）の間で端部側開口部（１１１）の交差方向に延び、且つ長手方向に複数配列される中間開口部（１１２）を有し、複数積層される中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）と、中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）の両外層に重ねられる外側プレート（１２０、１３０）とから成り、隣接する中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）の端部側開口部（１１１）が互いに連通して両端部側にそれぞれ沿って延びる端部側流路（１０１）が形成され、隣接する中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）の中間開口部（１１２）が互いに連通し、端部側流路（１０１）と接続される複数の接続流路（１０２）が形成され、端部側流路（１０１）および接続流路（１０２）に冷却液を流通させて外側プレート（１２０、１３０）の表面に取り付けられる発熱体（１０）を冷却する積層冷却器において、中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）には、端部側開口部（１１１）の間で端部側開口部（１１１）の長手方向に延びる長手方向開口部（１１３）が形成され、長手方向開口部（１１３）によって複数の接続流路（１０２）が互いに連通されることを特徴としている。
【０００８】
これにより、各接続流路（１０２）を流通する冷却液を長手方向開口部（１１３）によって互いに混ぜ合わすことができるので、発熱体（１０）の温度分布があっても冷却液温度を均一にすることができ、熱交換性能の低下を防止できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、長手方向開口部（１１３）は、それぞれの中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）に複数設けられたことを特徴としている。
【００１０】
これにより、冷却液温度の均一化を促進できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、長手方向開口部（１１３）は、この長手方向開口部（１１３）が延びる方向に並ぶ一群の中間開口部（１１２）に貫通して形成されたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、接続流路（１０２）間の連通を容易に且つ確実に行うことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、長手方向開口部（１１３）は、一群の中間開口部（１１２）の冷却液流れ下流端側に形成されたことを特徴としている。
【００１４】
これにより、上流側からの冷却液が長手方向開口部（１１３）で衝突することで各接続流路（１０２）の冷却液が混ざり易くなり、温度の均一化を促進できる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、発熱体（１０）は、外側プレート（１２０、１３０）の全表面領域に対して部分的領域に装着されており、発熱体（１０）の非装着領域で、且つ長手方向開口部（１１３）よりも冷却液下流側においては、中間開口部（１１２）の設定が廃止されたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、発熱体（１０）の非装着領域を流通し熱交換されなかった冷却液が長手方向開口部１１３から装着領域側に流れ、熱交換に寄与できるようになるので、熱交換性能の低下を防止できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、端部側開口部（１１１）の所定位置には、この端部側開口部（１１１）を仕切る仕切り部（１１１ａ）が形成され、複数積層される中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）には、仕切り部（１１１ａ）に対応する接続流路（１０２）群をターンする流路が形成され、長手方向開口部（１１３）は、端部側開口部（１１１）で兼用されることを特徴としている。
【００１８】
これにより、端部側流路（１０１）で各接続流路（１０２）群の冷却液が混合しながら、全流路（１０１、１０２）を流通するので、請求項１に記載の発明と同様に冷却液温度を均一にすることができ、熱交換性能の低下を防止できる。
【００１９】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の積層冷却器の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。積層冷却器１００は、例えば半導体素子等の発熱体１０を内部を流通する冷却水（冷却液）によって冷却する冷却器である。
【００２１】
積層冷却器１００は、複数積層される中間プレート１１０ａ、１１０ｂの両外層に外側プレート１２０、１３０が重ねられ、外側プレート１２０側に冷却水用の入口パイプ１４０、出口パイプ１５０が設けられたものである。上記各部材は、熱伝導性に優れるアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、これら部材は、一体でろう付けされている。
【００２２】
中間プレート１１０ａは、図２（ｂ）に示すように、長方形を成す平板部材であり、両端部側（図中の左右側）に沿って延びて櫛歯状を成す端部側開口部１１１が設けられ、櫛歯部は互いに向かい合うように配置されている。
【００２３】
両端部側開口部１１１の間には、複数の中間開口部１１２が設けられている。中間開口部１１２は、端部側開口部１１１に対して交差する方向（図中の左右方向）に断続的に延びる長円状の開口部としている。ここで言う断続的とは、途中部分に肉厚部を有しており、複数に分割されていることを意味する。更に、中間開口部１１２は、端部側開口部１１１の櫛歯部の位置に対応するように、端部側開口部１１１の長手方向に複数配列されている。
【００２４】
そして、両端部側開口部１１１の間には、この端部側開口部１１１の長手方向に延びる長手方向開口部１１３が設けられている。長手方向開口部１１３は、ここでは、両端部側開口部１１１のほぼ中間位置に配置されており、長手方向開口部１１３が延びる方向に並ぶ一群の中間開口部１１２の略中央部で貫通するようにしている。
【００２５】
中間プレート１１０ｂは、図２（ｃ）に示すように、上記中間プレート１１０ａと同様に端部側開口部１１１、中間開口部１１２、長手方向開口部１１３を有しているが、各開口部１１１、１１２、１１３の設定位置が中間プレート１１０ａのそれに対して左右方向にずれたものとしており、両中間プレート１１０ａ、１１０ｂを重ね合わせた時に、開口部１１１、１１２、１１３同士が互いに連通するようにしている。
【００２６】
外側プレート１２０は、図２（ａ）に示すように、中間プレート１１０ａ、１１０ｂと外形を同一とする平板部材の対角線上に冷却水入口孔１２１、冷却水出口孔１２２が設けられたものである。冷却水入口孔１２１、冷却水出口孔１２２は、外側プレート１２０を中間プレート１１０ａ、１１０ｂに重ね合わせた時に、端部側開口部１１１に連通するようにしている。
【００２７】
外側プレート１３０は、図２（ｄ）に示すように、中間プレート１１０ａ、１１０ｂと外形を同一とする平板部材である。
【００２８】
これらのプレート１１０ａ、１１０ｂ、１２０、１３０が図１に示すように積層され、外側プレート１２０の冷却水入口孔１２１、冷却水出口孔１２２にそれぞれ入口パイプ１４０、出口パイプ１５０が嵌入され、一体でろう付けされて積層冷却器１００を形成している。
【００２９】
このように形成される積層冷却器１１０の内部には、図３に示すように、端部側開口部１１１が互いに連通することによって端部側流路１０１が形成され、また、中間開口部１１２が互いに連通することによって波状に繋がる複数の接続流路１０２が形成され、両端部側流路１０１は接続流路１０２によって接続される。更には、本発明の特徴部として、長手方向開口部１１３によって、複数の接続流路１０２を互いに連通させる連通路１０３が形成される。
【００３０】
そして、外側プレート１３０の反中間プレート側となる面には、発熱体１０が取り付けられている。ここでは、発熱体１０は２個仕様のものとしており、外側プレート１３０の全表面領域は発熱体１０が装着される装着領域１３１と発熱体１０が装着されない非装着領域１３２とが形成されることになる（図２（ｄ））。
【００３１】
次に、上記構成に基づく積層冷却器１００の作動および作用効果について説明する。入口パイプ１４０から流入する冷却水は、一方の端部側流路１０１を流れ、複数の接続流路１０２へ分岐して流れ、他方の端部側流路１０１で合流して、出口側パイプ１５０から流出する。この時、発熱体１０は、上記冷却水によって冷却される。
【００３２】
ところで、本実施形態のように、発熱体１０の設定仕様によって、外側プレート１３０に発熱体１０が装着されない非装着領域１３２が形成されると、この領域を流通する冷却水は発熱体１０との熱交換を行わないまま流出するので、積層冷却器１００の熱交換性能としては十分発揮されないことになる。
【００３３】
本発明においては、長手方向開口部１１３、即ち連通路１０３を設けて、複数の接続流路１０２が互いに連通するようにしているので、各接続流路１０２を流通する冷却水を連通路１０３で互いに混ぜ合わすことができ、発熱体１０の装着領域１３１、非装着領域１３２による温度分布があっても冷却水温度を均一にすることができ、熱交換性能の低下を防止できる。
【００３４】
また、ここでは長手方向開口部１１３をこの長手方向開口部１１３が延びる方向に並ぶ一群の中間開口部１１２に貫通するように設けているので、接続流路１０２間の連通を容易に且つ確実に行うことができる。
【００３５】
尚、図４に示すように、長手方向開口部１１３を一群の中間開口部１１２に対して冷却水流れ方向の下流側端に形成してやれば、上流側からの冷却水が長手方向開口部１１３で衝突することで各接続流路１０２の冷却水が混ざり易くなり、温度の均一化を促進できる。
【００３６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５に示す。第２実施形態は、発熱体１０の非装着領域１３２で、長手方向開口部１１３よりも冷却水の下流側においては、中間開口部１１２の設定を廃止したものである。
【００３７】
これにより、発熱体１０の非装着領域１３２を流通し熱交換されなかった冷却水が連通路１０３（長手方向開口部１１３）から装着領域１３１側に流れ、熱交換に寄与できるようになるので、熱交換性能の低下を防止できる。
【００３８】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図６に示す。第３実施形態は、端部側開口部１１１に仕切り部１１１ａを設け、積層冷却器１００内に冷却水のＵターン流れを形成することで、上記第１実施形態で説明した長手方向開口部１１３を端部側開口部１１１で兼用するようにしたものである。
【００３９】
中間プレート１１０ａ、１１０ｂの端部側開口部１１１の所定位置、具体的には、一方側（図６中の右側）の長手方向の略中央部に、この端部側開口部１１１を仕切る仕切り部１１１ａを設けている。
【００４０】
そして、外側プレート１２０の冷却水出口孔１２２は、上記一方側の端部側開口部１１１に対応するように配置している。
【００４１】
これらプレート１１０ａ、１１０ｂ、１２０、１３０によって形成される積層冷却器１００において冷却水は、図６（ｃ）に便宜的に示すように、仕切り部１１１ａよりも上側の中間開口部１１２群（接続流路１０２群）を流通し、他方（図中の左側）の端部側開口部１１１（端部側流路１０１）でＵターンして、仕切り部１１１ａよりも下側の中間開口部１１２群（接続流路１０２群）を流通して外部へ流出する。
【００４２】
これにより、他方の端部側開口部１１１（端部側流路１０１）で仕切り部１１１ａよりも上側の中間開口部１１２群（接続流路１０２群）の冷却液が混合しながら、下側の中間開口部１１２群（接続流路１０２群）へ流入し、全流路１０１、１０２を流通するので、冷却水温度を均一にすることができ、熱交換性能の低下を防止できる。
【００４３】
尚、仕切り部１１１ａは、上記のように一箇所に限らず、両端部側開口部１１１に互い違いの位置関係に成るように複数設けて、複数のＵターン流れを形成するものとしても良い。
【００４４】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、長手方向開口部１１３は、両端部側開口部１１１の間で１箇所設けるようにしたが、複数設けるようにしても良く、これによれば、冷却水温度の均一化を更に促進できる。
【００４５】
また、中間プレートは、１１０ａと１１０ｂの２枚から成るものとして説明したが、発熱体１０の発熱量に応じて更に増設して冷却水の流通量を増加させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層冷却器を示す外観斜視図である。
【図２】第１実施形態における積層冷却器を構成する（ａ）（ｄ）は外側プレート、（ｂ）（ｃ）は中間プレートを示す平面図である。
【図３】積層冷却器内部の流路を示す断面図である。
【図４】第１実施形態の変形例における中間プレートを示す平面図である。
【図５】第２実施形態における中間プレートを示す平面図である。
【図６】第３実施形態における積層冷却器を構成する（ａ）（ｄ）は外側プレート、（ｂ）（ｃ）は中間プレートを示す平面図である。
【図７】試作品における中間プレートを示す平面図である。
【符号の説明】
１０　発熱体
１００　積層冷却器
１０１　端部側流路
１０２　接続流路
１１０ａ、１１０ｂ　中間プレート
１１１　端部側開口部
１１１ａ　仕切り部
１１２　中間開口部
１１３　長手方向開口部
１２０、１３０　外側プレート

Claims (6)

1. 両端部側にそれぞれ沿って延びる端部側開口部（１１１）および前記端部側開口部（１１１）の間で前記端部側開口部（１１１）の交差方向に延び、且つ長手方向に複数配列される中間開口部（１１２）を有し、複数積層される中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）と、
   前記中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）の両外層に重ねられる外側プレート（１２０、１３０）とから成り、
   隣接する前記中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）の前記端部側開口部（１１１）が互いに連通して両端部側にそれぞれ沿って延びる端部側流路（１０１）が形成され、
   隣接する前記中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）の前記中間開口部（１１２）が互いに連通し、前記端部側流路（１０１）と接続される複数の接続流路（１０２）が形成され、
   前記端部側流路（１０１）および前記接続流路（１０２）に冷却液を流通させて前記外側プレート（１２０、１３０）の表面に取り付けられる発熱体（１０）を冷却する積層冷却器において、
   前記中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）には、前記端部側開口部（１１１）の間で前記端部側開口部（１１１）の長手方向に延びる長手方向開口部（１１３）が形成され、
   前記長手方向開口部（１１３）によって前記複数の接続流路（１０２）が互いに連通されることを特徴とする積層冷却器。
2. 前記長手方向開口部（１１３）は、それぞれの前記中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）に複数設けられたことを特徴とする請求項１に記載の積層冷却器。
3. 前記長手方向開口部（１１３）は、この長手方向開口部（１１３）が延びる方向に並ぶ一群の前記中間開口部（１１２）に貫通して形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の積層冷却器。
4. 前記長手方向開口部（１１３）は、前記一群の中間開口部（１１２）の前記冷却液流れ下流端側に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の積層冷却器。
5. 前記発熱体（１０）は、前記外側プレート（１２０、１３０）の全表面領域に対して部分的領域に装着されており、
   前記発熱体（１０）の非装着領域で、且つ前記長手方向開口部（１１３）よりも前記冷却液下流側においては、前記中間開口部（１１２）の設定が廃止されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の積層冷却器。
6. 前記端部側開口部（１１１）の所定位置には、この端部側開口部（１１１）を仕切る仕切り部（１１１ａ）が形成され、
   前記複数積層される中間プレート（１１０ａ、１１０ｂ）には、前記仕切り部（１１１ａ）に対応する前記接続流路（１０２）群をターンする流路が形成され、
   前記長手方向開口部（１１３）は、前記端部側開口部（１１１）で兼用されることを特徴とする請求項１に記載の積層冷却装置。

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