JP2004509450A - マイクロ熱伝達器を用いて、パワーエレクトロニクスの構成部材を冷却するための冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特にパワーエレクトロニクスの構成部材を、構成部材（１）と良好に熱接触しているマイクロ熱伝達器（１０）を貫流している冷却媒体を用いて冷却するための冷却装置において、冷却媒体が、所定の構成部材温度において、マイクロ熱伝達器（１０）内で蒸発するように選択されていることを特徴とする、冷却装置に関する。

Description

【０００１】
従来技術
本発明は、特にパワーエレクトロニクスの構成部材を、該構成部材と良好に熱接触しているマイクロ熱伝達器を貫流する冷却媒体を用いて冷却するための冷却装置に関する。
【０００２】
このような形式の冷却装置は、『ＩＮＴ．Ｊ．Ｈｅａｔ　Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ（第３７巻，第２号，１９９４年）』の第３２１〜３３２頁に掲載されたＭ．Ｐ．ＢｏｗｅｒｓおよびＩ．Ｍｕｄａｗａｒ著のタイトル『Ｈｉｇｈ　ｆｌｕｘ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｉｎ　ｌｏｗ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ，ｌｏｗ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｍｉｎｉ−ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ−ｃｈａｎｎｅｌ　ｈｅａｔ　ｓｉｎｋｓ』に記載されている。
【０００３】
今日一般的には、例えばパルス幅変調インバータ（Ｐｕｌｓｗｅｃｈｓｅｌｒｉｃｈｔｅｒ）のようなパワーエレクトロニクスの構成部材および構成群は、主にアルミニウムまたは銅から成る固体の冷却体を用いて冷却される。この場合、熱導出は、冷却体内の孔を通過して導かれる冷却液により行われる。
【０００４】
これに対する択一的な手段として、パワーエレクトロニクス構成部材における、沸騰浴冷却（Ｓｉｅｄｅｂａｄｋｕｅｈｌｕｎｇ）による熱導出が公知である。この場合、熱は、それぞれ直接的に構成部材に接触していて非導電性の液体が蒸発することにより導出される。
【０００５】
パワーエレクトロニクス構成部材を冷却する従来慣用の手段は、例えば３０ｍｍの厚さを有する固体の冷却体の場合には、大きな構成容積および重量に帰因する欠点を有している。このような固体の冷却体が限定的な冷却効果しか有していないことに基づいて、パワーエレクトロニクス構成部分の強烈な放熱流は、構成部分温度の著しい上昇をもたらす。高い構成部分温度は、電気的な構成部分の効率に悪影響を及ぼし、その構成部分を破壊し得る。
【０００６】
沸騰浴冷却においては、構成部分は、熱伝達する液体に直接的な接触を有している。この場合、一般的にはフッ素置換炭化水素（Ｆｌｕｏｒ−Ｋｏｈｌｅｎｗａｓｓｅｒｓｔｏｆｆｅ）が使用される。この冷却媒体の使用には、温度の変化に伴い液体の蒸気圧も数バール変化するために、大層なシール手段が必要とされる。さらに、自動車内のパワーエレクトロニクスの構成部分は、高い機械的な負荷に基づいて、良好な安定性のためにシリコーンゴム物質のような材料により鋳固められるが、このことは、沸騰浴冷却の実施時には、制限的にのみ可能である。
【０００７】
発明の課題と利点
したがって、本発明の課題は、特にパワーエレクトロニクスの構成部材を冷却するための、使用される熱伝達器が低温および軽量であって、大きな熱流を小面積でもって少量の冷却媒体の使用により導出可能であって、さらにこの冷却媒体とエレクトロニクス構成部分との間に接触が存在しないような冷却装置を提供することである。
【０００８】
本発明の要点は、マイクロ熱伝達器を使用してパワーエレクトロニクス構成部材を冷却するための、例えば蒸発冷却時のような相転移のコンビネーションである。マイクロ熱伝達器は、サブミリメートル領域という極小の寸法の通路配置がなされている形成物体である。
【０００９】
マイクロ熱伝達器の使用により、いくつかの利点がもたらされる。
【００１０】
−小さな寸法は軽量に直結すること。
【００１１】
−冷却媒体のための通路の、熱伝達する面が大きく、ひいてはエレクトロニクス構成部分の局所的な冷却が良好になること。
【００１２】
一般的には、マイクロ熱伝達器内の熱導出は、貫流している液体への熱伝達により行われる。
【００１３】
決定的な利点は、マイクロ熱伝達器を貫流する適当な冷却媒体が所望の構成部材温度で蒸発することである。マイクロ熱伝達器には、多数の通路が貫通されている。そのために、マイクロ熱伝達器は大きな熱伝達面を有しており、ひいては、これらの通路を適当な冷却媒体が貫流している場合、非常に大きな熱流を所望の温度で導出することが可能である。さらに、冷却通路に沿った温度差は、単相で対流式の熱伝達の場合に比べて、熱の大部分が相転移温度で伝達されるので、微小である。それゆえ、冷却したい構成部材の領域においても、均一な温度分布が生じる。その微細な通路直径に基づいて、マイクロ熱伝達器は高圧時の使用にも適している。さらに、シール問題が、沸騰浴冷却の場合に比べて容易に解決されうる。
【００１４】
図面
以下に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
【００１５】
図１　　本発明による冷却装置の第１の実施例を示す概略的な断面図である。
【００１６】
図２　　本発明による冷却装置の第２の実施例を示す概略的な断面図である。
【００１７】
図３　　本発明による冷却装置の第３の実施例を示す概略的な断面図である。
【００１８】
実施例
図１〜図３には、パワーエレクトロニクスの構成部材を冷却するための本発明による冷却装置の３つの変化例が示されている。
【００１９】
図１に示した第１の実施例において、マイクロ熱伝達器もしくはマイクロ熱交換器（Ｍｉｋｒｏｗａｅｒｍｅｕｅｂｅｒｔｒａｇｅｒ）１０は、絶縁された回路基板２の裏面に、冷却したい構成部分１とは対向して配置されている。つまり基板２の表面には、構成部分１が、電気的・温度的なコンタクト６と鑞接層５とを介して、回路基板２に結合されている。パワーエレクトロニクス構成部材１内において放出される熱流は、鑞接部５と、電気的・温度的なコンタクト６と、回路基板（略して基板）２とを介して、マイクロ熱伝達器１０に伝達される。
【００２０】
マイクロ熱伝達器１０には、ほんのわずかに過冷却の液体の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、まず最初に沸騰状態にまで加熱され、それから、マイクロ熱伝達器１０の通路内において沸騰を開始する。これは、飽和液の流れ沸騰（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｓｉｅｄｅｎ）とも呼ばれる。
【００２１】
これに対する択一的な案としては、冷却媒体として働いている過冷却の液体の流れ沸騰がある。この場合、過冷却の液体はマイクロ熱伝達器１０に流入し、気泡を形成するが、気泡は、飽和液の流れ沸騰とは異なり、壁に接してか、少なくとも壁の至近で消滅する。その際に生ぜしめられる良好な熱伝達は、同期的な蒸発および凝縮と、気泡発生箇所の下流側の壁付近の液体における強い乱流とに帰因する。
【００２２】
図２には、本発明による冷却装置の第２の実施例が示されており、本例の冷却装置において、マイクロ熱伝達器１１は直接、冷却したい構成部材（例えばチップ）１の上にかつ構成部材１を覆って配置されている。この構成部材１も、鑞接層５と、電気的・温度的なコンタクト６とを介して、絶縁されたプレート２に結合されている。
【００２３】
図３には、第３の実施例が示されている。マイクロ熱伝達器１２は、回路基板３内に直接に組み込まれている。つまり、マイクロ熱伝達器３の微細通路は、基板平面内を延在し、かつ冷却したい構成部分１もしくはその電気的・温度的なコンタクト６に隣接して延在している。
【００２４】
当然のことではあるが、図１〜図３に示した実施例を組合せることも可能であり、かつ有利である。つまり、そうすることにより、マイクロ熱伝達器を個々の区分に分割することが可能となり、これらの区分は、それぞれ図１〜図３に示した構造および位置関係を有し得る。
【００２５】
相応の蒸発過程が生じるシステム圧と冷却媒体とは、電気的な構成部分から熱流を導出し、構成部分もしくはチップの領域において最大許容温度を超えないように選択される。流れ沸騰の場合、供給された冷却媒体の大部分は蒸発し、次いで凝縮し、そして再びマイクロ熱伝達器内に流入する。マイクロ熱伝達器から流出する蒸発した冷却媒体を凝縮する働きをするコンデンサ（図示せず）を、ミクロ構成することは可能であるし、通常に組み立てることができる。コンデンサは中央にも局所的にも配置される。コンデンサ内で凝縮した冷却媒体の戻し案内は、ポンプ（図示せず）を介して能動的に行われても良いし、重力またはマイクロ熱伝達器内の毛細管路を介して受動的に行われても良い。
【００２６】
マイクロ熱伝達器の通路における小さな容積に基づいて、飽和液の流れ沸騰の場合にしても、過冷却の液体の流れ沸騰の場合にしても、少量の冷却媒体しか必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による冷却装置の第１の実施例を示す概略的な断面図である。
【図２】
本発明による冷却装置の第２の実施例を示す概略的な断面図である。
【図３】
本発明による冷却装置の第３の実施例を示す概略的な断面図である。

Claims (10)

1. 特にパワーエレクトロニクスの構成部材を、該構成部材と良好に熱接触しているマイクロ熱伝達器を貫流する冷却媒体を用いて冷却するための冷却装置において、冷却媒体が、所望の構成部材温度において、マイクロ熱伝達器内で蒸発するように選択されていることを特徴とする、冷却装置。
2. 回路基板（２）が、パワーエレクトロニクス構成部材（１）をその表面に支持しており、その裏面にはマイクロ熱伝達器（１０）が、前記構成部材とは対向して配置されている、請求項１記載の冷却装置。
3. マイクロ熱伝達器（１１）が直接、構成部材（１）の上におよび構成部材（１）を覆って配置されている、請求項１記載の冷却装置。
4. マイクロ熱伝達器（１０，１１）の寸法が、構成部材（１）の寸法に適合している、請求項１から３までのいずれか１項記載の冷却装置。
5. マイクロ熱伝達器（１２）が、構成部材を支持している回路基板（３）内に、構成部材（１）に隣接して配置されており、冷却媒体が基板（３）を基板平面に沿って貫流するようになっている、請求項１記載の冷却装置。
6. マイクロ熱伝達器（１０，１１，１２）が複数の区分に分割されていて、これらの区分がそれぞれ、構成部材をその表面に支持している回路基板の裏面に、かつ／または直接に構成部材にかつ構成部材を覆って、かつ／または構成部材を支持している回路基板内に位置している、請求項１から５までのいずれか１項記載の冷却装置。
7. マイクロ熱伝達器が、冷却媒体回路のエレメントである、請求項１から６までのいずれか１項記載の冷却装置。
8. 冷却媒体回路内において、流れ方向でマイクロ熱伝達器の後方に、マイクロ熱伝達器内で蒸発した冷却媒体のためのコンデンサが接続されている、請求項７記載の冷却装置。
9. 冷却媒体をマイクロ熱伝達器に戻し案内することが、冷却媒体回路内に配置されたポンプにより能動的に行われる、請求項７又は８記載の冷却装置。
10. マイクロ熱伝達器の構造および配置と、冷却媒体と、システム圧とが、冷却したい構成部材の最大許容温度を超えないように選択される、請求項１から９までのいずれか１項記載の冷却装置。

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