JP2002046482A - ヒートシンク式冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィンを大型化することなくその放熱効果を
高めることができ、小型で冷却能力が高1いヒートシン
ク式冷却装置を提供する。 【解決手段】 クーラントが流れる通路６を有し、その
上面７に接触する電子機器類８から熱を奪うヒートシン
クが設けられたヒートシンク式冷却装置において、前記
通路６に、クーラントの流れに並行に配置され、かつ、
その厚さ方向に整列された複数のフィンを有するフィン
群２１が配設され、ひとつのフィン群２１のフィンが、
前記流れの方向に隣り合うフィン群２１のフィンに対し
前記フィンの厚さ方向に位置をずらして配置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ヒートシンク式
冷却装置、特に、冷却効率を向上することができる液体
冷却型のヒートシンク式冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車、燃料電池自動車等において
は、動力源として交流電動機を用いる場合に、バッテリ
電源からの直流を交流に変換する必要があり、そのため
スイッチング素子（ＩＧＢＴ）やＤＣ／ＤＣコンバータ
などの半導体部品が電力変換装置に搭載されている。こ
の電力変換装置においては、特に、スイッチング素子か
らの発熱が顕著であり、電力変換装置が年々大型化して
いる現状では、より一層電力変換装置を効率的に冷却す
る必要がある。電力変換装置を冷却するために、例え
ば、特開平９−１９１６３号公報に示すような構造が知
られている。これは、裏面に多数の冷却溝が形成された
ヒートシンクの平坦な表面上に、半導体電子部品が配置
され、ヒートシンクの裏面にベースが固定され、ベース
とヒートシンク裏面とで構成される空間に冷却水を供
給、循環させる冷却溝部が設けられたものである。この
冷却溝部は、熱交換用の多数の薄いフィンの間に冷却水
を流す複数の溝を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記フィンにより放熱
効果を高めることができるため、冷却能力が大きいヒー
トシンク式冷却装置を得ることができる点で有利である
が、フィンに沿って流れる冷却水はフィンとフィンの間
で層流となるため、フィンの近くの冷却水のみが熱交換
に関与するに過ぎず、フィンからの放熱効果が頭打ちに
なり、期待したほどの冷却能力を得ることはできないと
いう問題がある。そのため、フィンの面積を増加させる
ことにより放熱効果を高めることが考えられるが、この
場合には、ヒートシンクの高さが増加しヒートシンクが
大型化するという問題がある。そこでこの発明は、フィ
ンを大型化することなくその放熱効果を高めることがで
き、小型で冷却能力が高いヒートシンク式冷却装置を提
供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、冷却媒体が流れる通路
（例えば、実施形態における通路６）を有し、いずれか
の面（例えば、実施形態における上面７）に接触する熱
源体（例えば、実施形態における電子機器類８）から熱
を奪うヒートシンク（例えば、実施形態におけるヒート
シンク５）が設けられたヒートシンク式冷却装置におい
て、前記通路に、前記冷却媒体の流れに並行に配置さ
れ、かつ、その厚さ方向に整列された複数のフィン（例
えば、実施形態におけるフィン２２）を有するフィン群
（例えば、実施形態におけるフィン群２１）が配設さ
れ、ひとつのフィン群のフィンが、前記流れの方向に隣
り合うフィン群のフィンに対し前記フィンの厚さ方向に
位置をずらして配置されていることを特徴とする。この
ように構成することで、冷却媒体がフィン群から次のフ
ィン群に流れる際、ずれを生じているフィンの部分で積
極的に冷却媒体の流れが乱流化され、より多くの熱をフ
ィンを介して熱源体から奪うことが可能となる。

【０００５】請求項２に記載した発明は、前記いずれか
の面には、前記フィン群に最も近接した位置に熱源体が
配置される熱源体配置部（例えば、実施形態における機
器類配置部位２６）が設けられていることを特徴とす
る。このように構成することで、配置可能な面の中でも
熱源体をフィン群に最も近い部位に配置することが可能
となる。

【０００６】請求項３に記載した発明は、前記ひとつの
フィン群と前記流れの方向に隣り合うフィン群とが密着
して配置されていることを特徴とする。このように構成
することで、フィンどうしがずれて配置されていること
による乱流発生効果を最大限に発揮させることが可能と
なる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を燃料
電池自動車に適用した場合を例にして図面と共に説明す
る。図１は、この発明の実施形態の燃料電池自動車の概
略構成図である。同図において１は走行用のメインモー
タ（ＭＯＴ）を示し、走行用のメインモータ１はパワー
コントロールユニット（ＰＣＵ）２を介して、燃料電池
スタック（ＦＣＳＴＫ）３及び電力回生等のためのバッ
テリ（ＢＡＴＴ）４に接続されている。２７はラジエー
タ（Ｒ）を示し、このラジエータ２７は、ウォーターポ
ンプ（Ｗ／Ｐ）２８と共に後述するヒートシンク５の通
路６に連通する冷却媒体としてのクーラントの冷却通路
Ｃを構成している。

【０００８】図２は、パワーコントロールユニット２を
構成するヒートシンク５及びこのヒートシンク５に搭載
される機器類の配置状態を示している。パワーコントロ
ールユニット２は熱伝導率の高い、例えば、アルミ製の
ヒートシンク５を備えている。このヒートシンク５はク
ーラントが流れる通路６を有し、いずれかの面としての
上面７に接触した状態で実装される熱源体としての電子
機器類８から熱を奪うものである。パワーコントロール
ユニット２は、図２に鎖線で示すように、スーパーチャ
ージャー用のパワードライブユニット９、冷却液ポンプ
用のパワードライブユニット１０、高電圧変換回路１
１、メインモータ１用のパワードライブユニット１２を
備え、各部に前記電子機器類８が実装されている。

【０００９】スーパーチャージャー用のパワードライブ
ユニット９は、燃料電池スタック３に酸化剤ガスとして
の空気を供給するスーパーチャージャー（図示せず）用
の電力供給部である。冷却液ポンプ用のパワードライブ
ユニット１０は、燃料電池スタック３等に冷却液を供給
する冷却液ポンプ（図示せず）用の電力供給部である。
高電圧変換回路１１は、燃料電池スタック３の出力電圧
を所定電圧に変換し、燃料電池スタック３、バッテリ
４、各パワードライブユニット間の電力配分をおこなう
ものであり、電子機器類８の一つである電流平滑用のリ
アクトル１３も配置されている。メインモータ１用のパ
ワードライブユニット１２は、メインモータ１の駆動用
のスイッチング回路であるインバータ、コンバータ等の
半導体電流変換回路、コンデンサ等の機器が配置された
ものである。尚、図には示さないが、バッテリ４と併用
して高電圧変換回路１１とメインモータ１用のパワード
ライブユニット１２との間にキャパシタを接続するよう
にしてもよい。

【００１０】上記ヒートシンク５の通路６は、クーラン
トの入口１４と出口１５を結び蛇行して形成されたもの
であり、蛇行することによってより多くの熱量を奪うこ
とができるようになっている。ここで、前記入口１４は
パワーコントロールユニット２の図２において右側壁１
６に、出口１５は前側壁（図２において下側）１７に各
々開口形成されている。

【００１１】具体的には、入口１４から始まる通路６
は、高電圧変換回路１１の下を通過してスーパーチャー
ジャー用のパワードライブユニット９、冷却液ポンプ用
のパワードライブユニット１０の配置部位の下で左回り
にターンして再度入口側に向かい、再び入口１４の近傍
で右回りにターンしてリアクトル１３の下を通過し、再
度左回りにターンしてメインモータ１用のパワードライ
ブユニット１２の下を通過し、再び右側壁１６の近傍で
右回りにターンして再度メインモータ１用のパワードラ
イブユニット１２の下を通過して出口１５に連通してい
る。そして、通路６の直線的な部分には所々にリブ１８
が、通路６のターンしている部分にはリブ１９が設けら
れ、クーラントの流れをガイドするようになっている。
このように構成された、通路６の入口１４が前記ウォー
ターポンプ２８に接続され、出口１５は前記ラジエータ
２７に接続されている。

【００１２】ここで、前記メインモータ１用のパワード
ライブユニット１２の下に位置する部分は、仕切壁２０
により、右側壁１６に向かう部分と出口１５に向かう部
分とに分割され、一連の通路６として形成されている。
このメインモータ１用のパワードライブユニット１２の
下に位置する各通路６には、図３に示すように、複数の
フィン群２１が配置されている。尚、流れ方向に沿うフ
ィン群２１の数は自由に設定できる。このフィン群２１
は、前記クーラントの流れに並行に配置され、かつ、そ
の厚さ方向に整列された複数のフィン２２を有するもの
である。図４（図３のＡ−Ａ線に沿う断面図）に示すよ
うに、各フィン２２はヒートシンク５の底壁２３からヒ
ートシンク５の上壁２４の下面２５に近接する位置まで
延びている。尚、各フィン２２をヒートシンク５の上壁
２４の下面２５から底壁２３に向かうようにして形成し
てもよい。

【００１３】フィン群２１は、図３に示すように一定の
幅寸法Ｗを備えたものを１ユニットとしてクーラントの
流れ方向に順次配置してもよいし、通路６の幅全体に渡
って配置してもよい。この実施形態では通路６の幅寸法
に対してフィン群２１の幅寸法Ｗが若干小さいため、通
路６とフィン群２１の側縁との間には、フィン２２を有
しない部分が形成される。尚、図３はパワードライブユ
ニット１２の下の通路６のうち、上流側の通路６を示し
ている。

【００１４】図５に示すように、ひとつのフィン群２１
のフィン２２は、流れの方向に隣り合うフィン群２１の
フィン２２に対し、フィン２２の厚さ方向での位置がず
れるように、各フィン群２１が通路６の幅方向にずれた
状態（オフセット量Δｄがある状態）で配置されてい
る。また、前記ひとつのフィン群２１と前記流れの方向
に隣り合うフィン群２１とは密着して配置されている。
そして、前記フィン群２１に最も近接した位置、具体的
にはフィン群２１の配置位置に対応するパワーコントロ
ールユニット２の上面７に、熱源体配置部位としての機
器類配置部位２６が設けられている。

【００１５】ここで、上記フィン２２の形状等は、以下
のシミュレーションにより求められている。シミュレー
ションは、図２に示すように、メインモータ１用のパワ
ードライブユニット１２の直下、つまり発熱の大きいモ
ータ駆動用のスイッチング回路であるインバータ、コン
バータ等の半導体電流変換回路のスイッチング素子の直
下を模擬して行った。

【００１６】解析条件として、雰囲気温度：８０℃、ク
ーラント温度：６５℃、クーラント流量１６１リッター
／ｍｉｎ、このとき１チップあたりの消費電力を１３
７．５Ｗに設定した。図６に解析のためのフィン２２の
パラメータを示す。シミュレーションでは、ピッチｐ
（ｍｍ）、フィン幅ｄ（ｍｍ）、フィン高さｈ（２０ｍ
ｍ固定）のフィンとし、フィン２２の厚さｄ（ｍｍ）を
３パターン（ｄ＝０．６ｍｍ、０．９ｍｍ、１．２ｍ
ｍ）用意し、各々の厚さｄに対してピッチｐを３パター
ン変化させ、それぞれの状態における発熱部であるチッ
プのＭＡＸ温度（℃）と、流路の圧力損失（ｋＰａ）に
ついて解析を行った。

【００１７】図７、図８に示すように、解析の結果、以
下のことが判明した。 ・フィン２２のピッチｐを小さくするほどチップ温度が
下がり（図７参照）、圧力損失は上る（図８参照）。 ・同一ピッチｐならフィン２２の厚さｄを大きくする
と、基本的にチップ温度が下がり（図７参照）、圧力損
失は上がる（図８参照）。 ・フィン２２の厚さｄを大きく、フィンのピッチｐを小
さくした場合に、行き過ぎるとチップ温度が上昇する
（図７，図８のＸ点）。流れの方向に隣り合うフィン２
２がオフセットした部分（オフセット部）で流れが閉塞
してしまうため、圧力損失が大きくなり、冷却効果が低
下するためである。

【００１８】したがって、この結果から、フィン２２の
ピッチｐは可能な限り小さくし、フィン２２の厚さｄ
は、最小ピッチｐの場合でも、流れが閉塞しない厚さを
使用することが望ましいことがわかる。よって、前記実
施形態のヒートシンク５ではピッチｐ＝５．５ｍｍ、厚
さｄ＝０．６ｍｍを採用した。

【００１９】次に、ピッチｐ＝５．５ｍｍ、厚さｄ＝
０．６ｍｍのフィン２２を用いて、最適なオフセット位
置、及び、オフセット部の間隔についてシミュレーショ
ンによって解析を行った。ここで、「オフセット位置」
とは、図９に示すように電子機器類８であるチップの前
面位置を０点として、オフセット部ＯＦまでの距離Ｌ１
を上流であればマイナス、下流であればプラスの値とし
て示したものである（図９では−２ｍｍ）。「オフセッ
ト部の間隔」とは、図１０に示すように隣接するフィン
群の上流端と下流端との間の間隔Ｌ２を示したものであ
る（図１０では２ｍｍ）。

【００２０】図９、図１０に解析のパラメータを示す。
シミュレーションではオフセット位置はオフセット部Ｏ
Ｆを基準（チップ前面である０点）に対して前方２パタ
ーン、後方１パターン用意した。オフセット部の間隔に
ついても３パターン用意し、それぞれの条件における発
熱部のＭＡＸ温度（℃）について解析を行った。図１
１、図１２に示すように、解析の結果、以下のことが判
明した。 ・オフセット位置を変化させても、チップ温度の変化は
小さい（図１１参照）。 ・オフセット部の間隔を大きくすると、圧力損失は下が
るがチップ温度は上がる（図１２参照）。したがって、
この結果からこの実施形態ではオフセット位置は０ｍｍ
（チップ前面）、オフセット部の間隔は０ｍｍを採用し
た。

【００２１】ヒートシンク５の仕様としては、ベースプ
レート材質：アルミ材（Ａ３００３）、フィン材質：ア
ルミ材（Ａ１１００）とし、クーラントとして純粋とエ
チレングリコールとの混合液を用い、前述したようにク
ーラント温度：６５℃、クーラント流量：１６１リッタ
ー／ｍｉｎとした。ここで、ピッチｐ＝５．５ｍｍ、厚
さｄ＝０．６ｍｍのフィン２２を用いた場合に、図５に
示すフィン２２のオフセット量Δｄ、すなわち隣接する
フィン２２どうしの厚さ方向におけるずれ量は、２．１
５ｍｍとしている。

【００２２】次に、作用について説明する。燃料電池ス
タック３からメインモータ１に電力が供給されると、パ
ワーコントロールユニット２では、電子機器類８の温度
が上昇するが、パワーコントロールユニット２に一体で
設けられたヒートシンク５内には、ラジエータ２７によ
り冷却され、ウォーターポンプ２８により送給されるク
ーラントが入口１４から出口１５に向かって蛇行する通
路６に流れるため、パワーコントロールユニット２の上
記電子機器類８の熱はヒートシンク５を伝ってクーラン
トにより奪われ、パワーコントロールユニット２の各電
子機器類８の温度上昇を抑えることができる。

【００２３】ここで、前記パワーコントロールユニット
２において、最も、発熱量が大きいメインモータ１用の
パワードライブユニット１２の直下には、フィン群２１
が配置されているため、放熱面積を増加させる各フィン
２２によりクーラントに対する放熱効果が高まるため、
効率よくパワードライブユニット１２の電子機器類８か
ら熱を奪うことができる。

【００２４】特に、フィン群２１は、ひとつのフィン群
２１のフィン２２が、流れの方向に隣り合うフィン群２
１のフィン２２に対し、フィン２２の厚さ方向での位置
がずれるように、各フィン群２１が通路６の幅方向にず
れた状態で配置された、オフセット部ＯＦを有する構造
であるので、クーラントがフィン群２１から次のフィン
群２１に流れる際、オフセット部ＯＦで積極的にクーラ
ントの流れが乱流化され、より多くの熱をフィン２２を
介して各電子機器類８から奪うことが可能となる。

【００２５】すなわち、上記オフセット部ＯＦが設けら
れているため、下流のフィン群２１のフィン２２間には
上流のフィン群２１の隣り合う２つのフィン２２間から
のクーラントが流れ込むため、下流のフィン群２１のフ
ィン２２間ではクーラントの流れが合流して乱流化され
るのである。また、上流のフィン群２１のフィン２２間
を流れるクーラントが流れの方向に隣り合う下流のフィ
ン群２１に至ると、上流のフィン群２１のフィン２２の
表面側を流れていたクーラントは、下流のフィン群２１
においては、オフセットしている分だけフィン２２の表
面から離れた位置を流れ、逆に上流のフィン群２１のフ
ィン２２間を流れていたクーラントの一部は、下流のフ
ィン群２１ではフィン２２の表面側を流れることとな
る。したがって、クーラントは、上流のフィン群２１と
下流のフィン群２１とを通過することでまんべん無くフ
ィン２２の表面に接するように流れるため、フィン２２
から効率よく熱を奪うことができる。

【００２６】さらに、前記フィン群２１に最も近接した
位置、つまりフィン群２１の配置位置に対応するパワー
コントロールユニット２の上面７に、機器類配置部位２
６が設けられているため、最も冷却したい電子機器類８
から無駄なく優先的に熱を奪うことができる。そして、
ひとつのフィン群２１と、流れの方向に隣り合うフィン
群２１とが密着して配置されているため、フィン２２ど
うしが厚さ方向にずれて配置されていることによる乱流
発生効果を最大限に発揮させることが可能となるため、
より一層熱を奪う能力を高めることができる。

【００２７】さらに、オフセット部ＯＦによる乱流を発
生させて、熱を奪う能力を高める構造であるため、熱を
奪う能力が増加した分だけフィン２２の高さを抑えるこ
とができ、したがって、ヒートシンク５の全高を抑える
ことができる。その結果、配置スペースに大きな制限を
受ける自動車、とりわけ配置機器類の多い燃料電池自動
車に搭載した場合に好適である。

【００２８】尚、この発明は上記実施形態に限られるも
のではなく種々の態様が採用可能である。例えば、通路
６がターンする部分は、図２において左右に位置する場
合について説明したが、搭載されている電子機器類８の
配置に応じて、上下に位置するようにしてもよい。ま
た、メインモータ１用のパワードライブユニット１２の
直下にのみフィン群２１が配置された場合について説明
したが、他の電子機器類８の直下に配置することも自由
である。また、フィン群２１の寸法は一例であって、こ
れに限定されるものではない。そして、燃料電池自動車
に搭載した場合について説明したが、電気自動車に使用
してもよく、また、自動車以外の設置型の燃料電池スタ
ックに使用できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、冷却媒体がフィン群から次のフィ
ン群に流れる際、ずれを生じているフィンの部分で積極
的に冷却媒体の流れが乱流化され、より多くの熱をフィ
ンを介して熱源体から奪うことが可能となるため、従来
に比較して冷却能力を高めることができるという効果が
ある。

【００３０】請求項２に記載した発明によれば、上記効
果に加え、配置可能な面の中でも熱源体をフィン群に最
も近い部位に配置することが可能となるため、最も冷却
したい熱源体から無駄なく優先的に熱を奪うことができ
るという効果がある。

【００３１】請求項３に記載した発明によれば、上記効
果に加え、フィンどうしがずれて配置されていることに
よる乱流発生効果を最大限に発揮させることが可能とな
るため、より一層熱を奪う能力を高めることができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施形態の燃料電池自動車の概略
構成図である。

【図２】 この発明の実施形態のヒートシンク及びこの
ヒートシンクに搭載される電子機器類の配置状態を示す
平面図である。

【図３】 図２の要部平面図である。

【図４】 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図５】 図３の要部拡大図である。

【図６】 図５のＢ矢視図である。

【図７】 フィンの厚さ、フィンのピッチとＭＡＸ温度
の関係を示すグラフ図である。

【図８】 フィンの厚さ、フィンのピッチと圧力損失の
関係を示すグラフ図である。

【図９】 フィンのオフセット位置を示す説明図であ
る。

【図１０】 フィンのオフセット部の間隔を示す説明図
である。

【図１１】 フィンのオフセット位置とＭＡＸ温度の関
係を示すグラフ図である。

【図１２】 フィンのオフセット部の間隔とＭＡＸ温度
の関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

５ ヒートシンク ６ 通路 ７ 上面（いずれかの面） ８ 電子機器類（熱源体） ２１ フィン群 ２２ フィン ２６ 機器類配置部位（熱源体配置部位）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 啓友 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3D035 AA03 AA06 3D038 AA10 AB01 AC23 5E322 AA01 AA05 AA10 AB11 DA01 EA10 FA01 5F036 AA01 BA05 BA23 BB05 BB44

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却媒体が流れる通路を有し、いずれか
   の面に接触する熱源体から熱を奪うヒートシンクが設け
   られたヒートシンク式冷却装置において、前記通路に、
   前記冷却媒体の流れに並行に配置され、かつ、その厚さ
   方向に整列された複数のフィンを有するフィン群が配設
   され、ひとつのフィン群のフィンが、前記流れの方向に
   隣り合うフィン群のフィンに対し前記フィンの厚さ方向
   に位置をずらして配置されていることを特徴とするヒー
   トシンク式冷却装置。
2. 【請求項２】 前記いずれかの面には、前記フィン群に
   最も近接した位置に熱源体が配置される熱源体配置部が
   設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒー
   トシンク式冷却装置。
3. 【請求項３】 前記ひとつのフィン群と前記流れの方向
   に隣り合うフィン群とが密着して配置されていることを
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク
   式冷却装置。