冷却装置的制作方法

本实用新型涉及一种冷却装置。

背景技术：

为了防止半导体元件通电时的发热所导致的损伤，冷却构件与半导体元件热连接。冷却构件将从半导体元件传递而来的热量向在冷却构件周围流动的空气释放。其结果是，半导体元件的发热受到抑制。作为冷却构件的一例，存在具有热管的散热器。专利文献1公开的热管式散热器包括热接收块和热管，所述热接收块接收从半导体元件传递而来的热量，所述热管固定于热接收块。为了将热接收块的水平方向的厚度设得较薄，热管的截面具有长轴在铅垂方向上延伸的椭圆形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-306836号

技术实现要素：

实用新型所要解决的技术问题

冷却构件的一例即热管将热量传递至在热管周围流动的空气。换言之，热管位于空气流之中。因此，在比热管靠下游侧处会产生分离涡。在专利文献1公开的热管式散热器中，空气沿着热管截面的短轴流动的情况下的分离涡比空气沿着热管截面的长轴流动的情况下的分离涡大。若分离涡变大，则通风阻力变大，空气流量减小。其结果是，冷却效率降低。换言之，若空气沿着热管截面的短轴流动，则热管的冷却效率降低。

此外，专利文献1公开的热管式散热器与热管相互独立地安装于热接收块。因此，热量难以传递至热管之间，上游侧的热管与下游侧的热管会产生温度差。换言之，根据安装于热接收块的位置不同，半导体元件会产生温度差。

本实用新型是鉴于上述情况而形成的，其目的在于提高冷却装置的冷却效率，减小通过冷却装置冷却的发热体中的温度差。

解决技术问题所采用的技术方案

为了实现上述目的，本实用新型的冷却装置包括热接收块和冷却构件。热接收块是板状构件，在第一主面安装有发热体。冷却构件安装于热接收块的位于与第一主面相反一侧的第二主面。冷却构件将经由热接收块从发热体传递而来的热量向周围的冷却风释放。冷却构件具有支承部和多个突起。支承部安装于第二主面。多个突起安装于支承部，向远离第二主面的方向延伸，并且在冷却风的流动方向上空开间隔地设置。多个突起的与第二主面平行的截面的形状为扁平形状。扁平形状的长边方向与冷却风的流动方向平行。

实用新型效果

根据本实用新型，冷却构件具有支承部和多个突起，突起的截面形状为扁平形状，扁平形状的长边方向与冷却风的流动方向平行，由此，能够提高冷却装置的冷却效率，从而能够减小通过冷却装置冷却的发热体中的温度差。

附图说明

图1是本实用新型实施方式一的冷却装置的立体图。

图2是实施方式一的冷却装置的侧视图。

图3是实施方式一的冷却装置的俯视图。

图4是实施方式一的冷却装置的主视图。

图5是实施方式一的冷却装置的后视图。

图6是实施方式一的冷却装置的剖视图。

图7是实施方式一的电力转换装置的剖视图。

图8是实施方式一的电力转换装置的剖视图。

图9是表示实施方式一的电力转换装置向铁道车辆装设的装设例的图。

图10是表示截面形状为圆形的分支管周围的空气流动的图。

图11是表示截面形状为椭圆的分支管周围的空气流动的图。

图12是表示实施方式一的分支管周围的空气流动的图。

图13是本实用新型实施方式二的冷却装置的主视图。

图14是实施方式二的冷却装置的第一变形例的主视图。

图15是实施方式二的冷却装置的第二变形例的主视图。

图16是本实用新型实施方式三的冷却装置的侧视图。

图17是本实用新型实施方式四的冷却装置的侧视图。

图18是实施方式四的冷却装置的俯视图。

图19是实施方式四的冷却装置的主视图。

图20是本实用新型实施方式五的冷却装置的侧视图。

图21是实施方式五的冷却装置的俯视图。

图22是本实用新型实施方式六的冷却装置的侧视图。

图23是实施方式六的冷却装置的主视图。

图24是本实用新型实施方式七的冷却装置的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本实用新型实施方式的冷却装置进行详细说明。另外，在图中，对相同或等同的部分标注相同符号。

(实施方式一)

如图1所示，冷却装置1包括：热接收块11，所述热接收块11是供后述的发热体安装的板状构件；冷却构件12，所述冷却构件12将经由热接收块11从发热体传递而来的热量向周围的冷却风释放。在图1中，将z轴设为铅垂方向。此外，x轴是与热接收块11的第一主面11a和第二主面11b正交的方向，y轴是与x轴和z轴正交的方向。冷却装置1用于冷却风的流动方向恒定的环境。在图1的例子中，冷却风向y轴正方向或y轴负方向流动。

作为发热体，半导体元件安装于热接收块11的第一主面11a。冷却构件12安装于热接收块11的第二主面11b。冷却构件12具有支承部和多个突起，其中，支承部安装于第二主面11b，多个突起安装于支承部，向远离第二主面11b的方向延伸，并且在冷却风的流动方向上空开间隔地设置。作为支承部，冷却装置1具有至少一根集管13，该集管13在y轴方向上延伸，并安装于第二主面11b。在图1的例子中，多根集管13在z轴方向上空开间隔地安装于第二主面11b。详细而言，多根集管13分别安装于在第二主面11b上形成的槽。

此外，作为多个突起，冷却装置1具有多根分支管14，上述多根分支管14安装于至少一根集管13中的每一根集管13，并且向远离第二主面11b的方向延伸。多根分支管14以在y轴方向上空开间隔的方式设置于各集管13。在y轴方向上空开间隔设置的多根分支管14与集管13连通。在图1的例子中，四根集管13安装于热接收块11的第二主面11b。此外，在y轴方向上空开间隔设置的四根分支管14安装于一根集管13，并与集管13连通。集管13是冷却构件12的支承部。分支管14是冷却构件12的突起。集管13和分支管14是封入有气液两相制冷剂的热管。

如图2和图3所示，冷却装置1还包括安装于多根分支管14的翅片15。另外，为了便于理解附图，在图1中省略了翅片15的记载。通过设置翅片15，能够提高冷却装置1的冷却效率。

分支管14在yz平面内的形状为扁平形状，扁平形状的长边方向与y轴方向平行。扁平形状是指通过使圆的一部分宽度变形成比原来的圆窄的方式得到的形状，包括椭圆、流线形、长圆等。另外，长圆是指通过直线将同一直径的圆的外缘相连而成的形状。如图4所示，分支管14在yz平面内的形状为椭圆。该椭圆的长轴与y轴平行。通过将分支管14在yz平面内的截面的长轴配置成与冷却风流动的方向即y轴平行，从而如后文所述的那样，能够减小在冷却风的相对于分支管14的下游侧产生的分离涡，从而能够提高冷却效率。

如图2和图5所示，在热接收块11的与集管13相反一侧即第一主面11a安装发热体31。图6是图2中的a-a线处的剖视图。如图6所示，在集管13的内部以气液两相的状态填充制冷剂16。当发热体31的温度上升时，热量从发热体31经由热接收块11和集管13传递至制冷剂16。其结果是，处于液体状态的制冷剂16变化成气体。变化成气体的制冷剂16从集管13朝向分支管14移动，并且进一步在分支管14的内部向分支管14的前端移动。在分支管14的内部朝向分支管14的前端移动期间，制冷剂16将热量传递至分支管14。接着，分支管14通过翅片15向周围的冷却风散热。通过向分支管14传递热量，制冷剂16的温度降低，变化成液体。变化成液体的制冷剂16沿着分支管14的内壁返回集管13。

当在集管13的内部，制冷剂16的一部分的温度上升时，在集管13内会产生制冷剂16的对流。由于产生制冷剂16的对流，变成气体的制冷剂16仅向一部分的分支管14移动这一情况得到抑制，能够减小冷却风的上游侧的分支管14与冷却风的下游侧的分支管14之间的温度差。换言之，由于在集管13安装有多根分支管14，因此，能够减小发热体31中的温度差。

如图7和图8所示，冷却装置1装设于电力转换装置30。另外，图8是图7的b-b线处的剖视图。电力转换装置30包括壳体32、收容于壳体32的内部的发热体31以及对发热体31进行冷却的冷却装置1。壳体32具有分隔件33，该分隔件33将壳体32的内部划分成密闭部32a和敞开部32b。在密闭部32a收容发热体31。在敞开部32b收容冷却装置1。分隔件33具有开口部33a。开口部33a被冷却装置1所具有的热接收块11的第一主面11a封闭。发热体31安装于将开口部33a封闭的第一主面11a。由于开口部33a被第一主面11a封闭，外部的空气、水分、灰尘等流入密闭部32a这一情况得到抑制。

此外，在将敞开部32b围住的壳体32的与y轴方向正交的两个面设置吸排气口34。从一侧的吸排气口34流入的冷却风沿着翅片15流过分支管14之间而从另一侧的吸排气口34排出。由于冷却风沿着y轴方向在分支管14之间流动，因此，发热体31被冷却。

如图9所示，包括冷却装置1的电力转换装置30安装于铁道车辆40的地板下。图9中，y轴方向是铁道车辆的行进方向。沿着行进方向流动的行进风被吸入电力转换装置30的敞开部32b，从而使得发热体31被冷却。

关于在冷却风的相对于分支管14的下游侧产生的分离涡，使用图10至图12进行说明。如上文所述，y轴方向是铁道车辆的行进方向。因此，冷却风与y轴方向平行地流动。在冷却风向y轴正方向流动以及冷却风向y轴负方向流动的情况下，由于分离涡产生的机制没有区别，因此，将以冷却风向y轴正方向流动的情况为例进行说明。图10是表示截面形状为圆形的分支管周围的空气流动的图。图11是表示截面形状为长轴在铅垂方向上延伸的椭圆的分支管周围的空气流动的图。在图11的例子中，分支管的截面的长轴与冷却风流动的方向正交。图12是表示实施方式一的分支管14周围的空气流动的图。在图10至图12中，如箭头所示的那样，冷却风向y轴正方向流动。分支管41、43、14在yz平面内的截面积相同。在冷却风的相对于各分支管41的下游侧产生分离涡42。此外，在冷却风的相对于分支管43的下游侧产生分离涡44。此外，在冷却风的相对于各分支管14的下游侧产生分离涡45。分支管14在yz平面内的形状为椭圆，长轴与y轴方向平行。因此，与截面形状为圆形的分支管41相比，z轴方向的宽度较小，因此，分离涡45的大小比分离涡42的大小小。与具有长轴平行于z轴方向的截面形状的分支管43相比，分支管14的z轴方向的宽度较小，因此，分离涡45的大小比分离涡44的大小小。另外，为了使分离涡45足够小，优选分支管14在yz平面内的长径为短径的四倍以上。由于分离涡45与分离涡42、44相比较小，因此，通风阻力较小，空气流量增大。其结果是，冷却装置1的冷却效率提高。

如上文所述的那样，根据本实施方式一的冷却装置1，分支管14的yz平面内的截面形状为扁平形状，扁平形状的长边方向与冷却风的流动方向平行，因此，能够提高冷却装置1的冷却效率，从而能够减小发热体31中的温度差。

(实施方式二)

分支管的截面形状不限于椭圆。如图13所示，作为分支管14的替代，实施方式二的冷却装置2具有分支管17。除了分支管17以外，冷却装置2的结构与冷却装置1的结构相同。此外，分支管17的配置位置与实施方式一的分支管14的配置位置相同。分支管17在yz平面内的形状为流线形。流线形的一端部相比另一端部带有圆角。将带有圆角的端部称为前缘，将比前缘尖的另一端部称为后缘。在冷却装置2中，冷却风向y轴正方向流动。分支管17以前缘位于在冷却风的流动方向上比后缘更靠上游侧的朝向安装于集管13。换言之，前缘位于比后缘更靠y轴负方向侧。通过将分支管17在yz平面内的截面设为流线形，与实施方式一相同地，能够减小分离涡。

分支管17的截面形状不限于椭圆和流线形，也可如图14所示的那样是长圆。另外，以长圆的长边方向与y轴平行的朝向配置分支管17。此外，分支管17的截面形状还可如图15所示的那样是角部变圆的长方形。另外，与该长方形的长边方向与y轴平行的朝向配置分支管17。无论哪一种形状，都能够与实施方式一相同地减小分离涡。

如上文所述，根据本实施方式二的冷却装置2，分支管17的yz平面内的截面形状为流线形，流线形的长边方向与冷却风的流动方向平行，从而能够提高冷却装置2的冷却效率。此外，通过将分支管17的yz平面内的截面形状设为长圆或者角部变圆的长方形，并且使长圆以及该长方形的长边方向与冷却风的流动方向平行，从而能够提高冷却装置2的冷却效率。

(实施方式三)

在实施方式一、二中，集管13在xz平面内的截面为圆形。不过，集管的截面形状不限于圆形，也可是椭圆、流线形、长圆等。作为集管13的替代，如图16所示，实施方式三的冷却装置3具有集管18。除了集管18，冷却装置3的结构与冷却装置1的结构相同。此外，与实施方式一相同地，集管18在y轴方向上延伸。此外，集管18在z轴方向上空开间隔地安装于第二主面11b。集管18在xz平面内的截面为椭圆。椭圆的长轴与从第一主面11a朝向第二主面11b的方向即x轴方向正交。换言之，椭圆的长轴与z轴方向平行。

集管18在xz平面内的截面积与集管13在xz平面内的截面积相同。由于集管18的表面积大于集管13的表面积，因此，从热接收块11向制冷剂16传递热量的传递效率提高。其结果是，冷却装置3的冷却效率提高。

如上文所说明的那样，根据本实施方式三的冷却装置3，集管18的xz平面内的截面形状为椭圆，椭圆的长轴与z轴方向平行，由此，能够提高冷却装置3的冷却效率。

(实施方式四)

在实施方式一中，集管13和分支管14是单独形成的，分支管14安装于集管13。不过，集管13与分支管14也可一体成型。如图17所示，实施方式四的冷却装置4所具有的冷却构件12具有集管13、分支管14以及连结集管13与分支管14的连结管19。通过对截面为圆形的一根管进行加工，从而能够形成集管13、分支管14以及连结管19。

如图18和图19所示，冷却装置4包括与同一集管13连通的分支管14a(第一分支管)以及分支管14b(第二分支管)。分支管14a通过连结管19与集管13的一端连通，分支管14b通过连结管19与集管13的另一端连通。

集管13在xz平面内的截面形状为圆形。此外，分支管14a、14b在yz平面内的截面形状为椭圆形。因此，连结管19的截面形状从椭圆连续地变化成圆。通过以使一根管的铅垂方向的宽度随着朝向端部而变窄的方式进行加工，能够形成集管13、分支管14以及连结管19。

如上文说明的那样，根据实施方式四的冷却装置4，通过使集管13、分支管14以及连结管19一体成型，能够简化制造工序。

(实施方式五)

在实施方式三中，集管18和分支管14是单独形成的，分支管14安装于集管18。不过，集管18与分支管14也可一体成型。如图20所示，实施方式五的冷却装置5所具有的冷却构件12具有集管18、分支管14以及连结集管18与分支管14的连结管20。通过对截面为圆形的一根管进行加工，从而能够形成集管18、分支管14以及连结管20。

如图21所示，冷却装置5包括与同一集管18连通的分支管14a(第一分支管)以及分支管14b(第二分支管)。分支管14a通过连结管20与集管18的一端连通，分支管14b通过连结管20与集管18的另一端连通。

集管18在xz平面内的截面形状是长轴与z轴平行的椭圆形。此外，分支管14a、14b在yz平面内的截面形状为长轴与y轴平行的椭圆。因此，连结管20的截面形状从长轴与y轴平行的椭圆连续地变化成长轴与z轴平行的椭圆。通过进行使一根管的铅垂方向的宽度随着朝向端部而变窄的加工，并且进行使一根管的水平方向的宽度随着朝向中央部而变窄的加工，能够形成集管18、分支管14以及连结管20。

如上文说明的那样，根据实施方式五的冷却装置5，通过使集管18、分支管14以及连结管20一体成型，能够简化制造工序。

(实施方式六)

在上述实施方式中，冷却风在y轴方向上即在水平方向上流动。不过，冷却风也可在z轴方向上即在铅垂方向上流动。在以自然空冷的方式对发热体31进行冷却的情况下，冷却风在z轴方向上流动。如图22和图23所示，作为分支管14的替代，实施方式六的冷却装置6具有分支管21。除了分支管21以外，冷却装置6的结构与冷却装置1的结构相同。此外，分支管21的配置位置与实施方式一的分支管14的配置相同。分支管21在yz平面内的形状是长轴与z轴方向平行的椭圆形。在冷却装置6中，冷却风向z轴正方向流动。分支管21在yz平面内的长轴与冷却风的流动方向平行，由此，能够提高冷却装置6的冷却效率。此外，与实施方式一相同地，由于在集管13安装有多根分支管21，因此，能够减小发热体31中的温度差。

如上文所述的那样，根据本实施方式六的冷却装置6，分支管21的yz平面内的截面形状为扁平形状，扁平形状的长边方向与冷却风的流动方向平行，因此，能够提高冷却装置6的冷却效率，从而能够减小发热体31中的温度差。

(实施方式七)

在上述实施方式中，冷却构件12具有热管，不过，冷却构件12也可具有金属构件。如图24所示，冷却构件12具有安装于热接收块11的金属板46以及安装于金属板46的多根棒状金属棒47。金属棒47以在冷却风的流动方向上空开间隔的方式安装于金属板46。此外，多根金属棒47在z轴方向上空开间隔地安装于金属板46。由于具有上述金属板46和金属棒47，冷却构件12具有剑山(日语：剣山)形状。金属棒47在yz平面内的形状为椭圆形，椭圆形的长轴与y轴方向平行。由于具有截面形状为长轴与冷却风的流动方向平行的椭圆形的金属棒47，因此，冷却装置7的冷却效率提高。此外，由于多根金属棒47安装于金属板46，因此，不会产生冷却风的上游侧金属棒47与下游侧的金属棒47的温度差。

如上文说明的那样，根据本实施方式七的冷却装置7，金属棒47的yz平面内的截面形状为扁平形状，扁平形状的长边方向与冷却风的流动方向平行，由此，能够提高冷却装置7的冷却效率，从而能够减小发热体31中的温度差。

另外也可以在上述实施方式内任意组合多个实施方式。例如，也可使集管13与分支管17一体成型，还可使集管13与分支管21一体成型。此外，还可将分支管17安装于集管18。

本申请实用新型的实施方式不限于上述例子。分支管14、17、21、41、43具有存在长边方向和短边方向的任意形状，且配置成长边方向沿着冷却风的流动方向。在上述实施方式中，对关于长边方向的线对称的流线形进行了说明，不过，也可设置关于长边方向的线不对称的流线形即翼形的分支管。此外，集管13、18的个数以及分支管14、17、21的个数是任意的。此外，冷却构件12不限于热管，也可是具有剑山形状的金属构件。

作为发热体31，也可将由宽带隙半导体形成的开关元件安装于热接收块11。宽带隙半导体例如包括碳化硅、氮化镓类材料或者钻石。与使用了硅的开关元件相比，由宽带隙半导体形成的开关元件被小型化，因此，每单位面积的发热量较大。如上文所述，在本实施方式的冷却装置1-7中，能够提高冷却效率，因此，能够对发热量较大的由宽带隙半导体形成的开关元件进行冷却。

本实用新型能在不脱离本实用新型的广义的精神和范围的情况下，实现各种实施方式及变形。此外，上述实施方式用于对本实用新型进行说明，并不对本实用新型的范围进行限定。即，本实用新型的范围并非通过实施方式示出，而是通过权利要求书示出。此外，在权利要求书内及与之等同的发明含义的范围内实施的各种变形应当视作本实用新型的范围之内。

符号说明

1、2、3、4、5、6、7冷却装置；

11热接收块；

11a第一主面；

11b第二主面；

12冷却构件；

13、18集管；

14、14a、14b、17、21、41、43分支管；

15翅片；

16制冷剂；

19、20连结管；

30电力转换装置；

31发热体；

32壳体；

32a密闭部；

32b敞开部；

33分隔件；

33a开口部；

34吸排气口；

40铁道车辆；

42、44、45分离涡；

46金属板；

47金属棒。