水冷式冷却器

【課題】冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式冷却器を提供する。
【解決手段】放熱板１０の下部に放熱板１０と一体に設けられて箱形の冷却器本体１Ａを構成し、上面２０ａに上記凹陥部１２の凹陥面（ｃｃ）に対応して上記凹陥面（ｃｃ）との間に放射状の水路（ｒｆ）となる間隙（ｄ）を形成した半球状の突出部２２を有し、突出部２２に該突出部２２の頂部に噴水用ノズル２３を形成した噴水用給水管２４を具備した噴水板２０と、冷却器本体１Ａの外部から上記噴水用ノズル２３に冷却水（Ｗ）を供給する給水手段３Ａと、流水路３０に流出された冷却水（Ｗ）を排水管３５を介して冷却器本体１Ａの外部に排水する排水手段３Ｂとを具備する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばパワー半導体等の発熱体の放熱機構に適用して好適な水冷式冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体から発生する熱を水冷式放熱フィンにより放熱する水冷式の放熱機構を備えた機器において、従来では、放熱フィンに冷却管の貫通孔を設け、この貫通孔に冷却管（単管）を嵌挿して水冷式の放熱機構を構成していた。この放熱機構は、放熱フィンに内接して貫通した直状の冷却管内を、冷却水がそのまま直進して通過する構造であり、放熱フィンと冷却水との間での熱交換は、放熱フィンを貫通した冷却管の内壁とこの内壁面に触れる冷却水との間で行われることから、冷却水全体に効率よく熱伝達が行われずに冷却水が排水され、供給した冷却水の冷却能力が十分に活用されないという問題があった。
【０００３】
この種、水冷式の放熱機構として、従来では、扁平な箱状のタンクを備えた水冷ヒートシンク（特許文献１参照）が存在した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０５３３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の水冷式放熱機構においては、供給した冷却水の冷却能力が十分に活用されておらず、冷却効率並びに冷却能力の面で問題があった。
【０００６】
本発明の実施形態は、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式冷却器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】
本発明の実施形態は、冷却水を用いて発熱部品を冷却する水冷式冷却器であって、上面に前記発熱部品の部品実装面を有し、下面に半球状の凹陥部を有する放熱板と、前記放熱板の下部に前記放熱板と一体に設けられて箱形の冷却器本体を構成し、上面に前記凹陥部に対応して前記凹陥部との間に放射状の水路となる間隙を形成した半球状の突出部を有し、前記突出部の頂部に先端が開口した貫通孔が形成された噴水板と、前記貫通孔に嵌挿され、前記放射状の水路に前記冷却水を噴出する噴水用給水管と、前記放射状の水路に連通して前記放熱板の下面と前記噴水板の上面との間に形成された流水路と、前記噴水用給水管に冷却水を供給する給水手段と、前記流水路に流出された前記冷却水を排水する排水手段と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式冷却器が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る水冷式冷却器の放熱板の上面側の構成を示す平面図。
【図２】上記実施形態に係る水冷式冷却器の構成を示す図１のＡ−Ａ線に沿う側断面図。
【図３】上記実施形態に係る水冷式冷却器の放熱板の下面側の構成を示す斜視図。
【図４】上記実施形態に係る水冷式冷却器の噴水板の上面側の構成を示す斜視図。
【図５】図４に示す突出部の構成と冷却水の流水方向を示す斜視図。
【図６】上記実施形態に係る水冷式冷却器の噴水用ノズルの構成を示す斜視図。
【図７】上記実施形態に係る水冷式冷却器の給水構造と冷却水の流れを示す斜視図。
【図８】上記図７に示す給水構造と冷却水の流れを示す側面図。
【図９】上記実施形態に係る水冷式冷却器の排水構造と冷却水の流れを示す斜視図。
【図１０】上記図９に示す排水構造と冷却水の流れを示す側面図。
【図１１】上記実施形態に係る水冷式冷却器の配管構造と冷却水の流れを示す平面図。
【図１２】上記実施形態に係る水冷式冷却器の放熱板上における配管構造を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
本発明の実施形態に係る水冷式冷却器の放熱板の上面側の構成を図１に示し、図１のＡ−Ａ線に沿う側断面構成を図２に示している。この実施形態に係る水冷式冷却器は、発熱源に近接した冷却水路を有する噴水型の冷却器を構成している。
【００１２】
本発明の実施形態に係る水冷式冷却器は、図１および図２に示すように、上面１０ａに、回路基板４０に回路接続された複数の発熱部品（パワー半導体素子）４１の部品実装面１１を有し、下面１０ｂに半球状の凹陥部（半球状の凹陥面（ｃｃ）を形成した凹陥部）１２を有する放熱板１０と、この放熱板１０の下部に上記放熱板１０と一体に設けられて箱形の冷却器本体１Ａを構成し、上面２０ａに上記凹陥部１２の凹陥面（ｃｃ）に対応して上記凹陥面（ｃｃ）との間に放射状の水路（ｒｆ）となる間隙（ｄ）を形成した半球状の突出部（半球状の凸出面（ｃｖ）を形成した突出部）２２を有し、この突出部２２の頂部に先端が開口した貫通孔２６が形成された噴水板２０と、上記貫通孔２６に嵌挿され、上記放射状の水路（ｒｆ）に冷却水（Ｗ）を噴出する噴水用給水管２４と、上記放射状の水路（ｒｆ）に連通して上記放熱板１０の下面１０ｂの平坦面（ｆａ）と上記噴水板２０の上面２０ａの平坦面（ｆｂ）との間に形成された流水路３０と、上記冷却器本体１Ａの外部から噴水用給水管２４に給水管３２を介して冷却水（Ｗ）を供給する給水手段３Ａと、上記流水路３０に流出された上記冷却水（Ｗ）を排水管３５を介して冷却器本体１Ａの外部に排水する排水手段３Ｂとを具備して構成されている。
【００１３】
放熱板１０の上面１０ａは部品実装面１１を構成し、この部品実装面１１に、この実施形態では、冷却対象の発熱部品となる複数のパワー半導体素子４１を一定間隔で行列状に配置した回路基板４０が螺子止め固定されている。この回路基板４０は、パワー半導体素子４１の取付位置に対応して素子本体を下面側に導出（露出）させるための開口４０Ｈを有し、この開口４０Ｈを介してパワー半導体素子４１が部品実装面１１に螺子止め固定されている。
【００１４】
放熱板１０は冷却器本体１Ａの上部構体を構成し、噴水板２０は同冷却器本体１Ａの下部構体を構成している。放熱板１０と噴水板２０はその周側面を一体にした密閉箱形筐体を構成している。放熱板１０と噴水板２０は、それぞれ熱伝導率が良く加工が容易な中実の金属材料（実施形態はアルミニウム）を用いて構成されている。
【００１５】
放熱板１０の下面１０ｂは、図２および図３に示すように、凹陥部１２を構成する半球状の凹陥面（ｃｃ）と、凹陥面（ｃｃ）を形成しない平坦面（ｆａ）とでなる冷却水（Ｗ）の流水面を構成している。半球状の凹陥面（ｃｃ）を形成した凹陥部１２は、部品実装面１１に実装されたパワー半導体素子４１の実装位置（取付位置）に対応して、発熱源となる（冷却対象となる）パワー半導体素子４１の取付位置直下に該素子に近接して設けられている。
【００１６】
噴水板２０の上面２０ａは、図２および図４に示すように、突出部２２を構成する半球状の凸出面（ｃｖ）と、凸出面（ｃｖ）を形成しない平坦面（ｆｂ）とでなる冷却水（Ｗ）の流水面を構成している。上記平坦面（ｆｂ）で構成される流水面は、冷却器本体１Ａに給水された冷却水（Ｗ）を冷却器本体１Ａの外部に排水するための流水路３０を構成している。この流水路３０は、冷却器本体１Ａの給水側となる一方端（一方の側面）１ａを高位（上流端）とし前記一方端と反対側の排水側となる他方端（他方の側面）１ｂを低位（下流端）とした傾斜度θ（図２参照）を有する傾斜水路（ｓｉ）を構成している。この傾斜水路（ｓｉ）に対して同水路から直立する複数の突出部２２の各頂部は、放熱板１０と噴水板２０の接合面に対して一様に揃えられている。すなわち突出部２２の凸出面（ｃｖ）頂部に設けられた、冷却水（Ｗ）の噴水孔を形成する開口（開口から露出する噴水用ノズル２３）の高さ位置は、放熱板１０と噴水板２０の接合面に対して一様に揃えられている。この実施形態では噴水板２０の上面２０ａに突設された突出部２２の基部となる円筒部分の高さを異ならせることで、突出部２２の凸出面（ｃｖ）頂部を放熱板１０と噴水板２０の接合面に対して一様に揃えている。
【００１７】
上記した放熱板１０の下面１０ｂと、噴水板２０の上面２０ａとの間において、半球状の凹陥面（ｃｃ）を形成した凹陥部１２と、この凹陥部１２に対応して設けられた、半球状の凸出面（ｃｖ）を形成した突出部２２との間隙（ｄ）により、放射状の水路（ｒｆ）が形成され、凹陥部１２が形成されない平坦面（ｆａ）と突出部２２が形成されない平坦面（ｆｂ）との間隙により冷却水（Ｗ）を上流（給水側）から下流（排水側）へ流す流水路３０となる傾斜水路（ｓｉ）が形成される。
【００１８】
噴水板２０の上面２０ａに突設された突出部２２には、突出部２２の頂部に先端が開口した貫通孔２６が形成され、この貫通孔２６に、上記開口から上記放射状の水路（ｒｆ）に向けて上記冷却水（Ｗ）を噴出する噴水用給水管２４が嵌挿されている。この噴水用給水管２４の先端部分（冷却水噴出部分）は、先端を小径にしたテーパー状の噴水用ノズル２３を形成しており、この噴水用ノズル２３の構成については図５および図６を参照して後述する。上記貫通孔２６は、突出部２２の頂部を先端（上端）として鉛直方向に穿設され、この貫通孔２６に噴水用給水管２４が断熱部材２５を介して設けられている。
【００１９】
半球状の凹陥面（ｃｃ）を形成した凹陥部１２と、この凹陥部１２に対応して設けられた、半球状の凸出面（ｃｖ）を形成した突出部２２との間隙（ｄ）により形成された放射状の水路（ｒｆ）における噴水用ノズル２３から噴出された冷却水（Ｗ）の流れを図５に示している。
【００２０】
この実施形態では、噴水用ノズル２３から噴出された冷却水（Ｗ）が渦流となって放射状の水路（ｒｆ）を流れる。
この渦流を生起する噴水用ノズル２３の構成を図６に拡大して示している。
突出部２２の頂部に設けられた噴水用ノズル２３は、図６に示すように、給水管３２を介して供給された冷却水（Ｗ）を直上方向に噴出する中央噴出孔２３ａと、この中央噴出孔２３ａの周囲に設けられ、上記給水管３２を介して供給された冷却水（Ｗ）に対して渦流を生起するために斜め上方向に噴出する、噴出方向を一様に傾斜した複数の渦流発生用噴出孔２３ｂとを具備して構成されている。すなわち、突出部２２の凸出面（ｃｖ）の頂部に設けられた噴水用ノズル２３は、鉛直方向を軸心に穿設された中央噴出孔２３ａと、この中央噴出孔２３ａから噴出される冷却水（Ｗ）に対してその周囲を冷却水（Ｗ）が旋回しながら（螺旋を描きながら）上昇する方向を軸心に穿設された、中央噴出孔２３ａより小径の複数の渦流発生用噴出孔２３ｂとを具備して構成されている。
【００２１】
この複数の渦流発生用噴出孔２３ｂから噴出した冷却水（Ｗ）により、中央噴出孔２３ａから噴出した冷却水（Ｗ）は、図５に示すように、複数の渦流発生用噴出孔２３ｂから噴出した冷却水（Ｗ）の流れを受けて渦流化され、渦流となって螺旋を描きながら放射状の水路（ｒｆ）を流れる。
【００２２】
突出部２２の内部において、先端に噴水用ノズル２３を形成した噴水用給水管２４の周囲には、冷却水（Ｗ）を初期の（熱交換前の）温度状態で噴水用ノズル２３に導くための断熱部材２５が設けられている。突出部２２に形成された貫通孔２６は円筒形状の断熱部材２５を収容する室を有し、この室に断熱部材２５を収容している。この断熱部材２５の孔に噴水用給水管２４が嵌挿されることによって、噴水用給水管２４が断熱部材２５を介して突出部２２に保持されている。
【００２３】
冷却器本体１Ａの一方の側面１ａには、図２および図４に示すように、給水手段３Ａから給水される冷却水（Ｗ）を傾斜水路（ｓｉ）の上流端に給水する複数の給水口２１が設けられ、冷却器本体１Ａの他方の側面１ｂには、傾斜水路（ｓｉ）の下流端に到達した冷却水（Ｗ）を冷却器本体１Ａの外部に設けられた排水手段３Ｂに排水する矩形状に開口された排水口２８が設けられている。
【００２４】
排水用配管３６の半径Ｒｅは、給水用配管３１の半径Ｒｓより大径として、排水がスムースに行える構造となっている。
【００２５】
給水用配管３１には、噴水用給水管２４に連通した給水管３２と、給水口２１に連通した給水管３３が継合され、排水用配管３６には、排水口２８に連通した排水管３５が継合されている。給水管３２，３３の端面は円環形状であり、排水管３５の端面は扁平（矩形若しくは長円）形状である。
【００２６】
給水口２１は、図７および図８に示すように、先端を小径としたノズル構造としている。すなわち、給水管３３を介して供給された冷却水（Ｗ）を加圧して冷却器本体１Ａ内部の傾斜水路（ｓｉ）上流端に給水（噴射）するため、冷却器本体１Ａの一方の側面１ａに、冷却器本体１Ａの外部に向かって拡径する漏斗状（円錐形状）の孔を穿設して給水管３３に連通した給水口２１を構成している。
【００２７】
排水口２８は、図９および図１０に示すように、横方向に幅広の矩形構造としている。すなわち、傾斜水路（ｓｉ）の下流端に到達した冷却水（Ｗ）を淀みなく迅速に冷却器本体１Ａの外部に排水するため、傾斜水路（ｓｉ）の他方の側面１ｂに、傾斜水路（ｓｉ）の幅方向に拡がる幅広の矩形状の開口部を開口して排水管３５に連通した排水口２８を構成している。この排水口２８は排水管３５に連通され、この排水管３５を介して排水用配管３６に連通されている。
【００２８】
排水管３５は、図９に示すように、排水口２８の開口面に合致する給水口と幅広の排水口とを有した幅広の扁平構造をなし、その幅広の排水口が排水用配管３６に連通されている。
【００２９】
上記した給水用配管３１および給水管３２，３３と、排水管３５および排水用配管３６との継合構造を図１１および図１２に示している。
【００３０】
この実施形態では、回路基板４０に、冷却対象の発熱部品となる複数のパワー半導体素子４１を一定間隔で行列状に配置し、このパワー半導体素子４１の配置位置に対応して放射状の水路（ｒｆ）を形成する凹陥部１２および突出部２２を設けている。図１２に示す配置構成例では、回路基板４０の長手方向を行方向としたとき、４×４の行列状にパワー半導体素子４１が配列され、この配列に対応して放射状水路（ｒｆ）を形成する凹陥面（ｃｃ）および凸出面（ｃｖ）が設けられている。
【００３１】
給水管３２は、給水用配管３１から給水された冷却水（Ｗ）を列状に配置された複数（ここでは４つ）の放射状水路（ｒｆ）に分配して給水する列単位の分水路を構成している。
【００３２】
排水管３５は、給水管３２および給水管３３から給水され、図４に示す傾斜水路（ｓｉ）の下流端に到達した冷却水（Ｗ）を淀みなく迅速に冷却器本体１Ａの外部に排水するための、給水管３２および給水管３３に給水された冷却水（Ｗ）のすべてを集水して排水用配管３６に排水する集排水路を構成している。
【００３３】
上記図１乃至図１２に示す構成の水冷式冷却器において、給水用配管３１に供給された熱交換前の冷却水（Ｗ）は給水管３２と給水管３３を介して冷却器本体１Ａに給水される。
【００３４】
このうち、給水管３２に給水された冷却水（Ｗ）は、複数の噴水用給水管２４に分岐して給水される。噴水用給水管２４に給水された冷却水（Ｗ）は噴水用ノズル２３から放射状の水路（ｒｆ）に噴射される。この際、噴水用ノズル２３は放射状の水路（ｒｆ）に冷却水（Ｗ）を渦流化して噴射する。すなわち図５および図６を参照して説明したように、噴水用ノズル２３から噴出された冷却水（Ｗ）が渦流となって放射状の水路（ｒｆ）を流れる。この放射状の水路（ｒｆ）は、渦流化された冷却水（Ｗ）が同水路を満たした状態で上記凹陥面（ｃｃ）に斑なく接しながら傾斜水路（ｓｉ）に向って流れ落ちるよう間隙（ｄ）を例えばミリ単位の値で予め定めている。
【００３５】
この放射状の水路（ｒｆ）を流れる冷却水（Ｗ）の渦流化により、噴水用給水管２４に供給された冷却水（Ｗ）はその全体が遍く半球状の凹陥面（ｃｃ）に接して放射状の水路（ｒｆ）を流れることから、冷却水（Ｗ）が放射状の水路（ｒｆ）をそのまま流下する場合に比べ、放熱板１０と冷却水（Ｗ）との熱交換をより効率よく行うことができる。
【００３６】
一方、給水管３３に給水された冷却水（Ｗ）は噴射ノズルを構成する給水口２１により高圧化されノズルの先端から噴射されて、冷却水（Ｗ）を上流（給水側）から下流（排水側）へ流す流水路３０を構成する傾斜水路（ｓｉ）の上流端に給水される。この給水口２１から噴射される冷却水（Ｗ）の噴流により、放射状の水路（ｒｆ）を渦を巻いて流れる、放熱板１０との間で熱交換を行った冷却水（Ｗ）は傾斜水路（ｓｉ）を構成する流水路３０を下流に向かって押し流し、放射状の水路（ｒｆ）における熱交換の効率化を助長する流水作用をもたらす。これによって、冷却対象の発熱部品となる複数のパワー半導体素子４１に接近して設けた冷却水路（ｒｆ）による熱交換効率の高い高速冷却を可能にした水冷式冷却器が提供できる。
【００３７】
以上詳記したように、本発明の実施形態によれば、冷却効率並びに冷却能力を改善した水冷式冷却器が提供できる。なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【符号の説明】
【００３８】
１Ａ…冷却器本体、３Ａ…給水手段、３Ｂ…排水手段、１０…放熱板、１１…部品実装面、１２…凹陥部１２、２０…噴水板、２１…給水口、２２…突出部、２３…噴水用ノズル、２４…噴水用給水管、２５…断熱部材、２６…貫通孔、２８…排水口、３０…流水路、３１…給水用配管、３２，３３…給水管、３５…排水管、３６…排水用配管、ｃｃ…半球状の凹陥面、ｃｖ…半球状の凸出面、ｒｆ…放射状の水路、ｓｉ…傾斜水路、ｆａ，ｆｂ…平坦面、Ｗ…冷却水。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水を用いて発熱部品を冷却する水冷式冷却器であって、
上面に前記発熱部品の部品実装面を有し、下面に半球状の凹陥部を有する放熱板と、
前記放熱板の下部に前記放熱板と一体に設けられて箱形の冷却器本体を構成し、上面に前記凹陥部に対応して前記凹陥部との間に放射状の水路となる間隙を形成した半球状の突出部を有し、前記突出部の頂部に先端が開口した貫通孔が形成された噴水板と、
前記貫通孔に嵌挿され、前記放射状の水路に前記冷却水を噴出する噴水用給水管と、
前記放射状の水路に連通して前記放熱板の下面と前記噴水板の上面との間に形成された流水路と、
前記噴水用給水管に冷却水を供給する給水手段と、
前記流水路に流出された前記冷却水を排水する排水手段と、
を具備したことを特徴とする水冷式冷却器。
【請求項２】
前記噴水用給水管は、先端を小径にしたテーパー状の噴水用ノズルを形成していることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。
【請求項３】
前記流水路は前記冷却器本体の給水側となる一方端を高位とし前記一方端と反対側の排水側となる他方端を低位とした傾斜水路を構成し、
前記給水手段は前記冷却水を前記冷却器本体の外部から前記傾斜水路の一方端に供給する給水路を有し、
前記排水手段は前記傾斜水路の前記一方端側から前記他方端側に流れた冷却水を前記冷却器本体の外部へ排水する排水路を有していることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。
【請求項４】
前記給水路は前記冷却器本体の外部から供給された冷却水を加圧して前記傾斜水路の一方端に供給する、前記冷却器本体の外部に向かって拡径する漏斗状の複数の噴水口を有して構成されていることを特徴とする請求項３に記載の水冷式冷却器。
【請求項５】
前記排水路は前記冷却器本体の他方端側の側面部に該側面部の幅方向に拡がる幅広の排水口を有して構成されていることを特徴とする請求項３に記載の水冷式冷却器。
【請求項６】
前記放熱板は前記部品実装面に実装される前記発熱部品の実装位置に対応して前記部品実装面の下面に前記凹陥部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。
【請求項７】
前記噴水用ノズルは、前記給水手段から供給された冷却水を直上方向に噴出する中央噴出孔と、前記中央噴出孔の周辺に設けられ、前記貫通孔を介して供給された冷却水を斜め上方向に噴出する複数の渦流発生用噴出孔とを具備して構成されていることを特徴とする請求項２に記載の水冷式冷却器。
【請求項８】
前記噴水用給水管は断熱材を介して前記貫通孔に嵌挿されていることを特徴とする請求項１に記載の水冷式冷却器。

【図１】