JP2000077586A - 沸騰式冷却体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】沸騰冷却体の伝熱面における核沸騰の限界点を
高めるように冷却体内部に形成した伝熱フィン兼用の補
強リブの形状を改良して冷却性能の向上化を図る。 【解決手段】発熱体（例えばパワー半導体素子）のヒー
トシンクとして発熱体の端面に加圧接触させ、発熱体の
発生熱を除熱する沸騰式冷却体で、中空構造の箱体にな
る冷却体３の内部に上下方向に延在する伝熱フィン兼用
の補強リブ３ａを分散して設け、該補強リブの間の流路
３ｂに沿って冷媒を自由対流させるようにしたものにお
いて、補強リブの下端面を断面Ｖ字状，あるいは円弧状
に形成し、この部分に発生した冷媒の蒸気泡が伝熱面の
発泡点から容易に離脱して浮上移動し易くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイオード、ＧＴ
Ｏサイリスタ，ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子のヒー
トシンクとして、前記の半導体デバイスのスタック組立
体に組み込んで使用する沸騰式冷却体に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭記したパワー半導体素子の冷却には、
冷却効率のよい沸騰冷却方式が従来より広く採用されて
いる。また、沸騰冷却方式には周知のように浸漬沸騰方
式，個別沸騰冷却方式が知られており、個別沸騰冷却式
は低沸点の冷媒を封入した中空構造になる冷却体をパワ
ー半導体素子の端面に加圧接触させて半導体素子のスタ
ックに組み込み、冷却体とその上方に配置した放熱凝縮
器との間を個別に連通接続した構成になる。

【０００３】かかる構成で、通電に伴ってパワー半導体
素子に発生した熱は冷却体の壁を伝熱して冷媒に貫流す
る。一方、冷媒は熱を受けて伝熱面の表面で沸騰し、そ
の蒸気泡は冷媒の自然対流，および気泡の浮力により伝
熱面から離脱して冷却体から放熱凝縮器に移動し、沸騰
蒸発時に得た潜熱を放出して凝縮液化し、再び冷却体に
還流するよう蒸発，凝縮サイクルを繰り返して発熱体で
あるパワー半導体素子を冷却する。

【０００４】ここで、前記した個別沸騰冷却方式を適用
したパワー半導体デバイスのスタック組立構造を図４に
示す。図において、１はパワー半導体素子のスタック組
立体であり、該スタック組立体１は平型のパワー半導体
素子（例えばＩＧＢＴ）２とヒートシンクとして機能す
る冷却体３とを交互に重ね合わせ、これに皿ばね４，左
右の加圧端板５，鋼球６，スタッド７を組合せた構成に
なり、皿ばね４のばね力で平型半導体素子２に加圧力を
加えるようにしている。また、冷却体３は中空構造にな
る箱体で、その内部には低沸点の絶縁性冷媒８（エチレ
ングリコール水溶液，プロピレングリコール水溶液など
の不凍液）が封入されており、スタック組立体１の上方
に配した放熱凝縮器９と各冷却体３との間が個別に冷媒
導管１０を介して連結されている。なお、９ａは放熱凝
縮器９の冷媒液溜まりである。

【０００５】次に、前記冷却体３の従来構造を図５に示
して説明する。すなわち、冷却体３は伝熱性の高い金属
（例えば銅）で作られた平角状の箱体としてなり、その
内部には心材として上下方向に延在する伝熱フィンを兼
ねた角柱状の補強リブ３ａが左右に並んで分散形成され
ており、この補強リブ３ａの相互間の流路３ｂに冷媒が
自然対流するようにした構造になる。また、箱体の中央
部には補強リブ３ａの間の間隔を広げてここに放熱凝縮
器に通じる冷媒導管１０の戻り管１０ａを挿入し、該戻
り管１０ａの先端が箱体の底部側に開口するようにして
いる。なお、銅製になる冷却体３は、切削加工により補
強リブ３ａを削り出し、かつ高い伝熱性と軽量化を達成
するために箱体の肉厚を５mm程度にしている。

【０００６】また、前記の補強リブ３ａは、図４のスタ
ック組立体に組み込んで外部から加圧力を加えた状態
で、パワー半導体素子２のチップに均衡な面圧が加わる
ようにチップの配列に位置を合わせるとともに、沸騰に
より発生した蒸気泡の移動性を考慮した流路３ｂの幅を
確保するように間隔を設定して配列形成されている。か
かる構成で、冷却体３に発熱体（図４におけるパワー半
導体素子２）の発生熱が伝熱すると、冷却体３の内部で
は補強リブ３ａを含めて冷却体の壁面から沸騰による蒸
気泡の発生を伴って冷媒に熱が伝えられる。これによ
り、図示矢印のように放熱凝縮器（図４参照）との間で
冷媒が自然対流し、同時に蒸気泡は上方に浮上して凝縮
器へ移動して凝縮，液化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記した沸騰冷却方式
では核沸騰による熱伝達に熱流束限界があり、この核沸
騰限界熱流束値を超えると伝熱面の熱流束が急速に低下
することが知られており、その限界に至るメカニズムに
は次のことが挙げられる。 (1) 沸騰開始から伝熱面の温度がさらに上昇すると発泡
点の数が非常に多くなり、気泡が合体して生成した蒸気
塊が局所的に伝熱面を覆うようになり、核沸騰から遷移
沸騰を経て膜沸騰の状態に移行する。この状態になると
伝熱面は熱伝導率の低い蒸気膜によって完全に覆われて
冷媒液と直接に接することがなくなり、その結果として
伝熱面への冷媒液供給が不足の状態となって熱流束が急
激に低下する。また、伝熱面の温度は不連続的に上昇し
てバーンアウトの状態に至る。

【０００８】(2) 沸騰により生じた蒸気泡が冷媒の流路
に沿い自然対流，気泡の浮力によって上方に移動する過
程で、気泡が伝熱壁面から離脱せずに停滞したままとな
り、このために伝熱面が蒸気膜に覆われて伝熱面への冷
媒液の供給が不足する。ところで、図５で述べた従来構
造の冷却体３について、発明者等が性能評価テストを行
ってその冷却限界を測定した結果では、その限界熱流束
値は垂直な流路内での自然対流による流動で予測される
限界値よりも約２０％も低くなることが認められた。

【０００９】そこで、冷却体３の内部に形成した伝熱フ
ィン兼用の補強リブ３ａについて、その表面（伝熱面）
に発生する核沸騰の状態をモデル実験により可視化して
調べたところ、図６で表すように冷却体３の内部では上
下端面が平坦面になる角柱状の補強リブ３ａの下端面
（底部側）において、ここに発泡した蒸気泡同士が干渉
して合体した蒸気塊Ｐが伝熱フィン３ａの端面を覆った
まま離脱せずにこの位置に停滞している様子が認めれ、
このことが核沸騰の限界熱流束値，ひいては沸騰冷却能
力の限界を低下させる原因になっていることが判明し
た。

【００１０】すなわち、伝熱フィン３ａの側壁面，上端
面に発生した蒸気泡Ｑは、その位置に停滞せずに冷媒の
対流により伝熱面から容易に離脱して上方に浮上移動す
るが、伝熱フィン３ａの下端面が図５のように平坦面で
あると、この部分で核沸騰により発生した気泡は下向き
のフィン端面に抑えられて離脱，浮上し難くなり、その
結果として気泡同士が合体して大きな蒸気塊Ｐに成長し
易くなる。

【００１１】このために、従来構造の冷却体３では冷媒
が核沸騰限界に至り易く、このことが限界熱流束を低め
る原因となって発熱体であるパワー半導体素子の冷却性
能が低下する。特に、最近のパワー半導体素子は性能の
向上に伴ってその発熱量を大きくなる傾向にあることか
ら、沸騰冷却における冷却限界を高めることが必要不可
欠な要件となっている。

【００１２】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記課題を解決し、伝熱面における
沸騰限界熱流束値の低下を抑えて冷却性能の向上化を図
るよう改良した沸騰冷却体を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、中空構造になる箱体の内部に上伝
熱フィンを兼ねた補強リブを分散して設け、該補強リブ
の間の流路に沿って冷媒を自由対流させるようにした沸
騰冷却体において、 (1) 前記の補強リブを上下方向に延在する柱状体とな
し、かつその下端面を凸状に形成する（請求項１）もの
とし、具体的にはその下端面を断面Ｖ字状（請求項
２），あるいは断面円弧状（請求項３）に形成する。

【００１４】(2) 前記の補強リブを垂直断面が円形なピ
ン状体で形成し（請求項４）、さらにそのピン状体を箱
体の内部に千鳥状に分散配列する（請求項５）。上記構
成のように伝熱フィンを兼ねた補強リブの下端面を断面
Ｖ字状，あるいは断面円弧状に形成することで、補強リ
ブの表面に真下を向いた部分がなくなり、核沸騰により
伝熱フィンの表面に発生した冷媒の蒸気泡は、補強リブ
の表面に停滞することなく冷媒の対流，気泡の浮力によ
って容易にリブ表面から離脱して上方に浮上移動するよ
うになる。この結果、補強リブの伝熱面が蒸気塊で覆わ
れ難くなり、核沸騰が継続するようになって冷却限界が
向上する。

【００１５】また、伝熱フィン兼用の補強リブを垂直断
面が円形な円柱体となして箱体の内部に分散形成するこ
とで、沸騰により発生した蒸気泡の離脱，浮上移動が円
滑に行えるとともに、限られた冷却体の内部領域で補強
リブと冷媒との接触面積を大きくとることができ、さら
に加えて補強リブを千鳥状に分散配列することで気泡の
攪乱，および気液交換の機能が高まって冷却性能，およ
び冷却限界がより一層向上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施
例の図中で図５に対応する同一部材には同じ符号を付し
てその説明を省略する。 〔実施例１〕図１はこの発明の請求項１，２に対応する
実施例を示すものである。この実施例においては、冷却
体３の箱体内部に分散形成して上下方向に延在する伝熱
フィン兼用の補強リブ３ａについて、少なくとも補強リ
ブ３ａの下端面が断面Ｖ字状に形成されている。なお、
補強リブ３ａの上端面は必ずしもＶ字状に形成する必要
はないが、角部を面取してバリによる気泡離脱を阻害し
ないようにするのがよい。

【００１７】かかる構成によれば、補強リブ３ａの底部
側表面で核沸騰により発生した蒸気泡は、その位置に停
滞することなく冷媒の自然対流，および気泡の浮力によ
って伝熱面から容易に離脱し、リブのＶ字状斜面に沿っ
て上方に浮上移動する。これにより図６で述べたような
蒸気塊Ｐの生成，停滞の現象発生が抑制されて冷却体３
の冷却限界値が垂直流路内での自由対流と等々な限界値
となり、発明者等が行って性能評価テストの結果から
も、図５，図６に示した従来構造の冷却体と比べて冷却
性能が約２０％向上することが確認されている。

【００１８】〔実施例２〕図２は本発明の請求項１，３
に対応する実施例を示すものである。この実施例におい
ては、冷却体の３の箱体内部に形成して上下方向に延在
する伝熱フィン兼用の補強リブ３ａについて、その上下
端面が断面円弧状に形成されている。これにより、先記
実施例１と同様に補強リブ３ａの底部側で核沸騰した蒸
気泡が円滑に離脱するようになって冷却限界が向上す
る。なお、この場合に、補強リブ３ａの下端部に真下を
向く伝熱面を形成させないために、補強リブ３ａの下端
面にはリブの厚さをｔとして左右の角部にＲ＝ｔ／２程
度のアール加工を施すのがよい。

【００１９】〔実施例３〕図３は本発明の請求項４，５
に対応する実施例を示すものである。この実施例におい
ては、冷却体３の内部に形成した伝熱フィン兼用の補強
リブ３ａは、垂直断面が円形なピン状体としてなり、か
つ多数本のピン状の補強リブ３ａが図示のように千鳥状
に分散して配列形成されている。

【００２０】かかる構成によれ、先記の各実施例と同様
な効果が得られるほか、多数本のピン状補強リブ３ａを
分散配置することで冷媒との接液面積を大きくとること
ができる。さらに、この補強リブ３ａを千鳥状に配列す
ることで、冷媒が自由対流により冷却体３の内部を流れ
る過程では、図示矢印のように冷媒がピン状伝熱フィン
３ａの間を縫うように蛇行状に流れて冷媒と伝熱フィン
３ａとの接液機会が増し、同時に気泡の攪乱効果も得ら
れるので伝熱フィン／冷媒間の熱伝達が高まるようにな
る。

【００２１】なお、このピン状の補強リブ３ａを備えた
冷却体３は、例えば銅などの材料を用いてロストワック
ス法などによに鋳造するか、あるいはプレス加工により
形成した二枚の平板にピンを植設，あるいは接合するな
どの方法で製作することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明よれば、発熱
体（パワー半導体素子）のヒートシンクとしての沸騰冷
却体の内部に形成した伝熱フィン兼用の補強リブについ
て、その下端面の形状を凸状となす，あるいは補強リブ
を垂直断面が円形なピン状体となしたことにより、核沸
騰に伴ってリブの表面に発生した冷媒の蒸気泡が容易に
離脱して浮上移動するようになり、従来の冷却体構造で
問題となっていた蒸気塊の生成，停滞に起因する核沸騰
限界の誘発を回避して冷却性能の高い沸騰式冷却体を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応する沸騰式冷却体の縦
断正面図

【図２】本発明の実施例２に対応する沸騰式冷却体の縦
断正面図

【図３】本発明の実施例３に対応する沸騰式冷却体の縦
断正面図

【図４】パワー半導体スタックに適用した沸騰冷却方式
による冷却装置の構成図

【図５】従来における沸騰冷却体の構造を示す縦断正面
図

【図６】図５における伝熱フィンからの蒸気気泡の発生
状況を模式的に表した図

【符号の説明】

１ パワー半導体デバイスのスタック組立体 ２ パワー半導体素子（発熱体） ３ 冷却体 ３ａ 伝熱フィン兼用の補強リブ ３ｂ 冷媒流路 ９ 放熱凝縮器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体のヒートシンクとして発熱体の端面
   に加圧接触させて発熱体の発生熱を除熱する沸騰式冷却
   体であって、中空構造になる箱体の内部に上下方向に延
   在する伝熱フィンを兼ねた補強リブを分散して設け、該
   補強リブの間の流路に沿って冷媒を自然対流させるよう
   にしたものにおいて、前記補強リブの下端面を凸状に形
   成したことを特徴とする沸騰式冷却体。
2. 【請求項２】請求項１記載の沸騰式冷却体において、補
   強リブの下端面を断面Ｖ字状に形成したことを特徴とす
   る沸騰式冷却体。
3. 【請求項３】請求項１記載の沸騰式冷却体において、補
   強リブの下端面を断面円弧形に形成したことを特徴とす
   る沸騰式冷却体。
4. 【請求項４】発熱体のヒートシンクとして発熱体の端面
   に加圧接触させ、発熱体の発生熱を除熱する沸騰式冷却
   体であって、中空構造になる箱体の内部に伝熱フィンを
   兼ねた補強リブを分散して設け、該補強リブの間の流路
   に沿って冷媒を自然対流させるようにしたものにおい
   て、前記補強リブを垂直断面が円形なピン状体となした
   ことを特徴とする沸騰式冷却体。
5. 【請求項５】請求項４記載の沸騰式冷却体において、補
   強リブを箱体の内部に千鳥状に分散配列したことを特徴
   とする沸騰式冷却体。