JP2005085998A - 電子部品の冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供する。
【解決手段】 電子部品冷却システムは、扁平フィンチューブ110に冷却水を分配する分配管100と、予め定められた第1の間隔と第2の間隔とを空けて並べて設けられた複数の扁平フィンチューブ110と、扁平フィンチューブ110から冷却水を回収する集合管120と、第1の間隔に設けられた被冷却物である両面冷却用半導体モジュール200と、第2の間隔に設けられたコルゲートフィン400とを含む。扁平フィンチューブ110およびコルゲートフィン400とは、扁平フィンチューブ110を両面冷却用半導体モジュール200に密着させる弾性力および扁平フィンチューブ110をコルゲートフィン400に密着させる弾性力とを発現する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電子部品の冷却装置に関し、特に、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品を空冷および水冷する冷却装置に関する。
近年、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品の性能の向上は著しく、それに対応して電子部品(発熱素子)からの発熱量が大きくなっている。一方、たとえば誘導電動機と直流バッテリとを搭載する電気自動車(この電気自動車には、ハイブリッド車両、燃料電池車両を含む。)ではインバータにより電力変換を行なって、直流バッテリから誘導電動機に電力を供給している。電動機の定格出力の上昇に伴い、このようなインバータ等の電子機器の発熱量も上昇し、十分な冷却対策が必要になっている。
車両においては、特に、電子機器の小型かつ薄型が要求されており、そのような要求のもとでも動作の安定を保つために、発生する大きな熱量を外部へ速やかに放出するための冷却装置の位置付けが非常に重要になってきている。
このような電子部品の冷却には、ヒートシンク、空冷ファン、ヒートパイプ、水冷ユニット等が単独または組み合わられて使用されている。特に発熱が大きい場合には、水冷ユニットが用いられている。このような電子機器の冷却装置に関して、以下の公報に開示された技術がある。
特開2002−353668号公報(特許文献1)は、水冷および空冷の放熱ユニットを有し、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品から生じた熱を、熱伝導により放熱フィンに直に伝え、放熱フィンの熱飽和分を冷却水に伝えることにより、放熱効率が向上し、電子部品から発生する大きな熱量を外部へ速やかに放出し得る電子部品冷却装置を開示する。この電子部品冷却装置は、片面に放熱フィンを有する熱伝導プレートと、熱伝導プレートの他面に密着状に取り付けられかつ冷却水路用凹部を有する冷却水路形成部材とを備える。冷却水路形成部材に、冷却水路用凹部の底面から熱伝導プレートに接触する高さを有する熱伝導架橋部が、熱伝導プレートと冷却水路形成部材との間に形成された冷却水路に囲まれるように設けられ、熱伝導プレートと反対側において熱伝導架橋部に対応する冷却水路形成部材の壁面部分に取り付けられた電子部品より生じた熱が、冷却水路形成部材の熱伝導架橋部および熱伝導プレートを介して放熱フィンに伝達されるようになされている。
特許文献1に開示された電子部品冷却装置によると、水冷および空冷の双方の放熱ユニットを有する電子部品冷却装置について、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品から生じた熱を、熱伝導により放熱フィンに直に伝えるとともに、放熱フィンの熱飽和分を冷却水に伝えることにより、空冷および水冷の双方により冷却されるため、放熱効率が向上し、工作機械の制御機器・通信機器等に適用した場合にも、電子部品から発生する大きな熱量を外部へ速やかに放出することができ、ひいては工作機械の制御機器・通信機器等の小型化および薄型化、さらにはその中で機器動作の安定性の保持の要望に応えることができるという効果を奏する。
特開2001−308245号公報(特許文献2)は、製造工数の増大を抑止しつつ、用途種別に応じて種々のヒートシンク性能を実現可能な種々の冷媒冷却型両面冷却半導体装置を開示する。この冷媒冷却型両面冷却半導体装置は、一対の主面に電極端子部材の放熱面が露出する両面放熱型半導体モジュ−ルと、モジュールの両側に配置されて冷却流体が内部を流れる冷媒チュ−ブと、モジュールの両側に配置されて冷媒チュ−ブと密接するヒートシンクマスと、冷媒チュ−ブまたはヒートシンクマスにモジュ−ルの両放熱面をそれぞれ絶縁スペ−サを介して密接させた状態でモジュ−ル、冷媒チュ−ブおよびヒートシンクマスをモジュ−ルの厚さ方向に挟圧する挟圧部材とを備える。
特許文献2に開示された冷媒冷却型両面冷却半導体装置によると、それぞれ別体のモジュール、冷媒チュ−ブ、ヒートシンクマスを準備し、モジュールの両側に冷媒チュ−ブおよびヒートシンクマスをそれぞれ配置し、それらをモジュールの厚さ方向に挟圧部材で挟圧する構成を採用するので、機種用途に応じて種々の質量のヒートシンクマスを適宜採用するだけで、さまざまなヒートシンク性能をもつ装置を実現することができる。また、これらの部材は単一の挟圧部材で挟圧されるので、簡素な構造、作業でモジュール両面における必要な接触圧を確保しつつそれらを一挙に一体化でき、また、たとえばモジュールの交換やヒートシンクマスの変更なども簡単に行なうことができる。
特開2002−353668号公報 特開2001−308245号公報
しかしながら、上述した特許文献では、以下のような問題点を解決することができない。
すなわち、発熱体である電子部品から効率的に熱を放熱させるためには、電子部品と空冷フィンや水冷通路壁面とが密着する度合いをできる限り高めること(接触熱抵抗をできる限り小さくすること)が好ましい。これは、熱伝導の度合いを高め、高熱部である電子部品から低熱部である空冷フィンや水冷通路壁面への伝達熱量を高めることができるからである。
上述した特許文献1においては、密閉筺体の右側壁部に第1熱伝導プレートが取り付けられる。この第1熱伝導プレートの外面には、波形フィンよりなる第1放熱フィンが取り付けられる。この第1熱伝導プレートの内面には、冷却水路用凹部を有する第1冷却水路形成部材が密着状に取り付けられて、熱伝導プレートと冷却水路形成部材との間に第1冷却水路が形成されている。すなわち、この特許文献1においては、第1冷却水路が形成するにおいて、第1冷却水路形成部材が密着状に取り付けられるという開示しかない。これでは、現実に如何にして密着状に取り付けているのかが不明である。
また、特許文献2においては、それぞれ別体のモジュール、冷媒チュ−ブ、ヒートシンクマスを準備し、モジュールの両側に冷媒チュ−ブおよびヒートシンクマスをそれぞれ配置する。それらをモジュールの厚さ方向に挟圧部材で挟圧する。すなわち、これた別体の部材を、挟圧部材(ボルトとナット)で挟圧して、簡素な構造、作業でモジュール両面における必要な接触圧を確保するという開示しかない。これでは、伝達熱量を確保すべく、挟圧部材で挟圧して冷媒チューブと被冷却体(両面放熱型半導体モジュール)とを一体化した後に、熱膨張が発生すると、挟圧部材により挟圧されており熱膨張による応力を分散させることができないばかりか、応力集中を招いて半導体モジュールの破損を招く可能性もある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供することである。
第1の発明に係る電子部品の冷却装置は、液冷媒管路および空冷フィンを用いて、電子部品を冷却する。この冷却装置は、被冷却体である電子部品の側面に接するように設けられ、液冷媒を流通させる液冷媒管路と、液冷媒管路の側面であって、電子部品とは反対側の側面に設けられた空冷フィンとを含む。液冷媒管路および空冷フィンの少なくともいずれか一方は、液冷媒管路と電子部品とが並べられた方向とは垂直な方向に弾性力を発生させる。
第1の発明によると、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品の側面には、この側面に接するように(接触熱抵抗が小さくなるようにできるだけ密着させるように)、液冷媒が流通する液冷媒管路が設けられる。さらに、この液冷媒管路の側面であって、電子部品が接触している側面とは反対側の側面には、空冷フィンが設けられる。この液冷媒管路および空冷フィンの少なくともいずれか一方は、液冷媒管路と電子部品とが並べられた方向とは垂直な方向に弾性力を発生させる。この弾性力により、電子部品の側面と液冷媒管路とが、液冷媒管路と空冷フィン自体とが、それぞれ密着される。この液冷媒管路は、たとえば薄板状のアルミニウム等の軟らかい金属素材を加工して構成される扁平フィンチューブであって、空冷フィンは、たとえば、波型の形状を有するコルゲートフィンである。これらの形状により、電子部品の側面と液冷媒管路とを、液冷媒管路と空冷フィン自体とを、それぞれ密着させることができるとともに、電子部品が発熱することによる熱膨張による歪を吸収することもできる。これにより、被冷却体と冷却体との接触熱抵抗を小さくするとともに、熱膨張時の応力を緩和することができる。その結果、簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供することができる。
第2の発明に係る電子部品の冷却装置は、複数の液冷媒管路および複数の空冷フィンを用いて、両面冷却電子部品を冷却する。この冷却装置は、被冷却体である電子部品の両側面に接するように設けられ、液冷媒を流通させる一対の液冷媒管路と、一対の液冷媒管路のそれぞれの側面であって、電子部品とは反対側の側面に設けられた一対の空冷フィンとを含む。液冷媒管路および空冷フィンの少なくともいずれか一方は、液冷媒管路と電子部品とが並べられた方向とは垂直な方向に弾性力を発生させる。
第2の発明によると、電子部品の両側面には、一対の液冷媒管路が併設され、液冷媒管路の側面であって電子部品とは反対側の側面(すなわち、電子部品を中心にした場合、液冷媒管路のさらにその外側)には、一対の空冷フィンが設けられる。電子部品は、その両側面を液冷媒管路により挟み込まれ、電子部品と液冷媒管路とは空冷フィンにより挟み込まれた構造を有する。この液冷媒管路および空冷フィンの少なくともいずれか一方は、液冷媒管路と電子部品とが並べられた方向とは垂直な方向に弾性力を発生させる。この弾性力により、電子部品の側面と液冷媒管路とが、液冷媒管路と空冷フィン自体とが、それぞれ密着される。この液冷媒管路は、たとえば薄板状のアルミニウム等の軟らかい金属素材を加工して構成される扁平フィンチューブであって、空冷フィンは、たとえば、波型の形状を有するコルゲートフィンである。これらの形状により、電子部品の側面と液冷媒管路とを、液冷媒管路と空冷フィン自体とを、それぞれ密着させることができるとともに、電子部品が発熱することによる熱膨張による歪を吸収することもできる。これにより、被冷却体と冷却体との接触熱抵抗を小さくするとともに、熱膨張時の応力を緩和することができる。その結果、簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供することができる。
第3の発明に係る電子部品の冷却装置は、第2の発明の構成に加えて、両面冷却電子部品は複数個が併設され、一対の液冷媒管路および一対の空冷フィンは、予め定められた個数だけ併設されるものである。
第3の発明によると、多数の被冷却体である電子部品を併設した場合であっても、簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供することができる。
第4の発明に係る電子部品の冷却装置は、第2の発明の構成に加えて、両面冷却電子部品は複数個が併設され、空冷フィン、液冷媒管路、両面冷却電子部品、液冷媒管路および空冷フィンの順序で並べられて構成されたユニットが予め定められた個数だけ併設され、複数のユニットが併設された両端には、液冷媒管路が設けられるものである。
第4の発明によると、多数の被冷却体である電子部品を併設した場合であっても、その両端には液冷媒管路が設けられる。この液冷媒管路は、たとえば上部と下部とにそれぞれ連通管を有し、連通管とそれぞれの液冷媒管路とは、ろう付け等で固定される。ユニットの最外側である両端の位置は固定されて、その左右方向の自由度は制限されているので、液冷媒管路や空冷フィンの弾性力が外側にのみ作用してしまい、液冷媒管路と電子部品との密着度を高めるように作用しないことを避けることができる。その結果、簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供することができる
第5の発明に係る電子部品の冷却装置は、第1〜4のいずれかの発明の構成に加えて、空冷フィンは、コルゲートフィンである。
第5の発明によると、波型形状を有するコルゲートフィンを用いて、弾性力を発生させて、この弾性力により、被冷却体と冷却体との接触熱抵抗を小さくするとともに、熱膨張時の応力を緩和することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
図1を参照して、本実施の形態に係る電子部品冷却システムの構成について説明する。図1(A)に電子部品冷却システムの側面図を、図1(B)にその正面図を示す。図1(B)に示す正面図は、図1(A)における送風用ファン500と電子回路ボックス300とを取外して電子部品冷却システムを送風用ファン500側から見た図である。
図1(A)および図1(B)に示すように、本実施の形態に係る電子部品冷却システムは、被冷却対象である両面冷却用半導体モジュール200,210,220と、両面冷却用半導体モジュール200,210,220の両側面に設けられた扁平フィンチューブ110と、扁平フィンチューブ110の間に設けられたコルゲートフィン400とから構成される。なお、両面冷却用半導体モジュールの配置および個数は、図1に示す配置および個数に限定されるものではない。
扁平フィンチューブ110は、アルミニウムなどの軟らかい金属素材から構成され、その内部に冷却水路を有する。扁平フィンチューブ110は、たとえば、その上方に設けられた分配管100から冷却媒体である冷却水が供給され、その下方に設けられた集合管120にダウンフロー方式で冷却媒体(冷却水)が循環される。この扁平フィンチューブ110と分配管100および集合管120は、ろう付けなどにより接続されている。
図2に、図1(A)の拡大図を、図3に図1(B)の拡大図をそれぞれ示す。図1〜図3を参照して、さらに詳細に、本実施の形態に係る電子部品冷却システムについて説明する。
本実施の形態に係る電子部品冷却システムの冷却対象は、たとえばインバータ回路であって、図2の一点鎖線に示す領域で示す部分である。そのインバータ回路の中で、特に発熱量の大きな両面冷却用半導体モジュール200,210,220が電子回路ボックス300から取出され扁平フィンチューブ110に挟まれて冷却される。電子回路ボックス300内には、インバータ回路の他の電子部品310がプリント配線基板320上に配置されている。プリント配線基板320と両面冷却用半導体モジュール200,210,220とは、それぞれ制御端子202,212,222、電力端子(エミッタ端子)204,214,224および電力端子(コレクタ端子)206,216,226により接続されている。
制御端子202,212,222は、たとえば、ゲート端子や、コレクタセンシング端子、エミッタセンシング端子や、温度センシング端子などである。
分配管100から扁平フィンチューブ110の内部の冷却水路を通って集合管120に送られた冷却媒体(冷却水)は、冷却ポンプ130により再度分配管100に供給される。すなわち、冷却媒体(冷却水)は、分配管100、扁平フィンチューブ110、集合管120の間を冷却ポンプ130により循環される。なお、冷却方向はダウンフロー方向に限定される必要はなく、アップフロー方向であってもよい。
また、冷却媒体(冷却水)は、車両のエンジンを冷却する冷却水として用いられるLLC(Long Life Coolant)などである。
図4に、図1および図3に示すC−C断面図を示す。図4に示すように、扁平フィンチューブ110は、寸法Xの間隔を空けて、その上下方向において扁平フィンチューブ110と分配管100および集合管120と、それぞれ接続されている。扁平フィンチューブ110は、両面冷却用半導体モジュール200と同等の奥行長さ(図面の奥行き方向の寸法)を有する。
寸法Xは、扁平フィンチューブ110の厚さ方向の寸法に、両面冷却用半導体モジュール200の厚さと絶縁材250の厚さとを加算した寸法である。この寸法Xは、この寸法Xが大き過ぎると接触熱抵抗が大きくなり冷却性能の低下を招き、また寸法Xが小さ過ぎると両面冷却用半導体モジュール200に加わる力が増大し両面冷却用半導体モジュール200を破損しかねない。また、扁平フィンチューブ110も破損あるいは塑性変形が生じる可能性がある。すなわち、冷却性能と応力により発生する問題とを兼ね合わせて、寸法Xが算出されている。
図4の断面図に示すように、扁平フィンチューブ110は、その内部に多数の冷却水路112を有する。たとえば、この扁平フィンチューブ110は、アルミニウムなどの軟らかい金属材料によって構成され、内部に空洞部である冷却水路112を有するため、弾性力を有する。またコルゲートフィン400は、波型のフィン形状を有するため、扁平フィンチューブ110と同じように弾性力を有する。
図4に示すように、扁平フィンチューブ110は、算出された寸法Xの間隔を有するように分配管100および集合管120に接続される。このとき、たとえば、ろう付けにより固定される。このような状態において、絶縁材250および両面冷却用半導体モジュール220が扁平フィンチューブ110の寸法Xで表わされる間隔に挿入される。さらに、両面冷却用半導体モジュール200が挿入されない扁平フィンチューブ110の間には、コルゲートフィン400が挿入される。扁平フィンチューブ110およびコルゲートフィン400は、それぞれ弾性力を有するため、図4の紙面の左右方向に広がる方向に弾性力を発生させる。
図3に示すように、この電子部品冷却システムにおいては、その左右端はコルゲートフィン400ではなく、扁平フィンチューブ110が設けられている。そのため、複数の扁平フィンチューブ110およびコルゲートフィン400により発生した弾性力は、両面冷却用半導体モジュール200と(絶縁材250を介して)扁平フィンチューブ110とを密着させるとともに、扁平フィンチューブ110とコルゲートフィン400とを密着させる。すなわち、扁平フィンチューブ110の間隙は、両面冷却用半導体モジュール200を絶縁材250を介して挟み込まれた列、およびコルゲートフィン400を挟み込まれた列から構成される。さらに、これらの列を繰返し配設して、本実施の形態に係る電子部品冷却システムが構成される。
以上のような構造を有する本実施の形態に係る電子部品冷却システムの作用について説明する。
電気自動車などの車両に搭載されたインバータ回路を冷却する電子部品冷却手段が図1〜図4に示すように構成される。このとき、図2〜図4を用いて説明したように、扁平フィンチューブ110およびコルゲートフィン400とが有する弾性力により、両面冷却用半導体モジュール200と扁平フィンチューブ110とが密着して構成されるとともに、扁平フィンチューブ110とコルゲートフィン400とが密着して構成される。
冷却ポンプ300が作動を開始すると、LLCがポンプ130から分配管100に送り込まれ、分配管100に接続された複数の扁平フィンチューブ110の冷却水路112を通ってLLCが分配管100から集合管120の方向へ流れる。このとき、絶縁材250を介して両面冷却用半導体モジュール200で発生した熱量がLLCにより奪われる。
また、このとき送風用ファン500が作動しており、両面冷却用半導体モジュール200から扁平フィンチューブ110の冷却水路112に奪われた熱量はさらにコルゲートフィン400に熱伝達され、送風用ファン500により送風された冷却空気により放熱される。
このとき、前述したように、扁平フィンチューブ110とコルゲートフィン400との弾性力により、両面冷却用半導体モジュールと扁平フィンチューブ110とが、扁平フィンチューブ110とコルゲートフィン400とがそれぞれ密着して構成されているため、接触熱抵抗が小さく高い熱伝達率を実現できる。このため、高い冷却性能を得ることができる。また、両面冷却用半導体モジュール200が発熱した場合であって、その発熱により熱変形が生じた場合でも、扁平フィンチューブ110およびコルゲートフィン400の弾性の範囲内で応力を吸収することができ、両面冷却用半導体モジュール200に加わる応力を抑制することができ、両面冷却用半導体モジュール200の破損を抑制することができる。
以上のようにして、本実施の形態に係る電子部品冷却システムによると、サイリスタやパワートランジスタなどの半導体モジュールを複数併設する。複数併設された半導体モジュールの両面に扁平フィンチューブを設け、さらに扁平フィンチューブと扁平フィンチューブとの間であって半導体モジュールが存在しない間隔を設け、その間隔にコルゲートフィンを設けた。扁平フィンチューブおよびコルゲートフィンにより弾性力が発生するため、扁平フィンチューブと半導体モジュールとが、扁平フィンチューブとコルゲートフィンとがそれぞれ密着して構成される。そのため、極めて簡単な構造であって、接触熱抵抗が小さく高い冷却性能が得られる半導体モジュールを対象とした電子部品冷却システムを提供することができる。
なお、扁平フィンチューブ110に流通させる冷却媒体は、LLCではなく、車内空調用のエアコンディショナの冷凍サイクルの冷媒を利用するようにしてもよい。
また、車両用エンジンや駆動用モータの冷却水のラジエータあるいは空調用エアコンディショナのコンデンサと、本実施の形態に係る電子部品冷却システムの放熱部とを併用することもできる。このようにすると、車両用の補機の冷却システムの放熱部分を統合できるため、軽量化や低燃費化が実現できる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本実施の形態に係る電子部品冷却システムの側面図(A)および正面図(B)である。 図1(A)の側面図の拡大した図である。 図1(B)の正面図の拡大した図である。 図1および図3のC−C断面図である。
符号の説明
100 分配管、110 扁平フィンチューブ、112 冷却水路、120 集合管、130 冷却ポンプ、200,210,220 両面冷却用半導体モジュール、202,212,222 制御端子、204,214,224 電力端子(エミッタ端子)、206,216,226 電力端子(コレクタ端子)、250 絶縁材、300 電子回路ボックス、310 電子部品、320 プリント配線基板、400 コルゲートフィン、500 送風用ファン。

Claims (5)

  1. 液冷媒管路および空冷フィンを用いて、電子部品を冷却する装置であって、
    被冷却体である電子部品の側面に接するように設けられ、液冷媒を流通させる液冷媒管路と、
    液冷媒管路の側面であって、前記電子部品とは反対側の側面に設けられた空冷フィンとを含み、
    前記液冷媒管路および前記空冷フィンの少なくともいずれか一方は、前記液冷媒管路と前記電子部品とが並べられた方向とは垂直な方向に弾性力を発生させる、電子部品の冷却装置。
  2. 複数の液冷媒管路および複数の空冷フィンを用いて、両面冷却電子部品を冷却する装置であって、
    被冷却体である電子部品の両側面に接するように設けられ、液冷媒を流通させる一対の液冷媒管路と、
    前記一対の液冷媒管路のそれぞれの側面であって、前記電子部品とは反対側の側面に設けられた一対の空冷フィンとを含み、
    前記液冷媒管路および前記空冷フィンの少なくともいずれか一方は、前記液冷媒管路と前記電子部品とが並べられた方向とは垂直な方向に弾性力を発生させる、電子部品の冷却装置。
  3. 両面冷却電子部品は複数個が併設され、
    前記一対の液冷媒管路および前記一対の空冷フィンは、予め定められた個数だけ併設される、請求項2に記載の電子部品の冷却装置。
  4. 両面冷却電子部品は複数個が併設され、
    前記空冷フィン、前記液冷媒管路、前記両面冷却電子部品、前記液冷媒管路および前記空冷フィンの順序で並べられて構成されたユニットが予め定められた個数だけ併設され、
    複数の前記ユニットが併設された両端には、前記液冷媒管路が設けられる、請求項2に記載の電子部品の冷却装置。
  5. 前記空冷フィンは、コルゲートフィンである、請求項1〜4のいずれかに記載の電子部品の冷却装置。
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