JP2008205087A - 冷却装置および半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器の大型化を抑制しつつ、冷却体による冷却効率を向上させる。
【解決手段】冷媒を強制通流させる冷媒流路２ａ、２ｂ、３を冷却体１内に設け、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面には、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に乱流を発生させる歯列構造５を形成し、冷媒流路３の開口端を封止材４にて封止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は冷却装置および半導体電力変換装置に関し、特に、冷媒を強制通流させて発熱体を冷却する冷却体に適用して好適なものである。

インバータなどの半導体電力変換装置では、半導体電力変換装置を構成する半導体素子を効率的に冷却できるようにするために、半導体素子が取り付けられた冷却体に冷媒を強制通流させることが行われている。
また、例えば、特許文献１には、沸騰冷却形半導体装置において、冷却体の表面で冷媒を沸騰させ、発熱部品から発生した熱を気化熱として伝熱させ、気泡となった冷媒蒸気をその浮力で移動させて放熱させる方法が開示されている。そして、特許文献１に開示された発明では、冷却体内に歯列穴を形成することで、冷却体と冷媒との間の有効伝熱面積を増加させ、上昇流動する冷媒流にて伝熱面に生じた気泡の泡切れを向上させて沸騰冷却の効果を促進させることができる。

また、例えば、特許文献２には、冷却フィンの伝熱面に断面の辺が傾斜している所定の断面形状の突起を左右交互に蛇行させて規則的に配列する方法が開示されている。
特許第２５６２１８０号公報 特開２００６−１００２９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、圧力容器に封入された冷媒中に発熱部品および冷却体が浸漬されるため、電力変換器の大型化を招くとともに、電力変換器内において、冷却体に形成された冷媒流路が鉛直方向になるように配置しなければならないという問題があった。
また、特許文献２に開示された方法では、パワーモジュールを冷却フィンに取り付けるに当たり、Ｏリング、接着剤およびガスケットなどのシール材が使用されるため、パワーモジュールおよび冷却フィンの取り付け時の組み立てが複雑化し、コストアップを招くとともに、冷媒漏れの恐れがあることから、シール材の保守が必要になるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、電力変換器の大型化を抑制しつつ、冷却体による冷却効率を向上させることが可能な冷却装置および半導体電力変換装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の冷却装置によれば、発熱体から発生した熱を熱伝導にて放熱する冷却体と、前記冷却体内に形成され、冷媒を強制通流させる冷媒流路と、前記冷媒の通流方向に沿って前記冷媒流路の内壁面に配列された歯列構造とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の冷却装置によれば、前記冷媒流路に前記冷媒を強制循環させるポンプと、前記冷媒が前記発熱体から受け取った熱を放熱する放熱器とをさらに備えることを特徴とする。

また、請求項３記載の冷却装置によれば、複数の前記冷却体は前記ポンプに対して直列接続または並列接続することを特徴とする。
また、請求項４記載の冷却装置によれば、前記冷媒流路は前記冷却体内を往復するように配置されていることを特徴とする。
また、請求項５記載の冷却装置によれば、前記冷却体内に並列配置された冷媒流路を接続する中間流路の開口端を封止する封止材をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６記載の半導体電力変換装置によれば、スイッチング動作を行う半導体素子と、前記半導体素子が表面に配置され、前記半導体素子から発生した熱を熱伝導にて放散させる冷却体と、前記冷却体内に形成され、冷媒を強制通流させる冷媒流路と、前記冷媒の通流方向に沿って前記冷媒流路の内壁面に配列された歯列構造とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、冷却体内で冷媒を強制通流させる冷媒流路の内壁面に歯列構造を形成することで、冷媒流路が鉛直方向になるように配置することなく、流路面の近傍に乱流を形成することが可能となり、流路内壁面に層流が形成されるのを阻害して、冷却体から主流への熱の流れを円滑化することが可能となるとともに、発熱体から発生した熱を冷媒に伝熱するために、発熱体および冷却体を冷媒中に浸漬する必要がなくなることから、電力変換器の大型化を抑制しつつ、冷却体による冷却効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る冷却装置について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の冷却装置の概略構成を示す正面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）の冷却装置の冷媒流路を拡大して示す断面図、図２は、図１の封止材の概略構成を示す斜視図である。

図１において、冷却体１内には、冷媒を強制通流させる冷媒流路２ａ、２ｂ、３が設けられている。ここで、冷媒流路２ａ、２ｂは互いに並列になるように配置され、冷媒流路３は、冷媒流路２ａ、２ｂの端部で冷媒流路２ａ、２ｂと直交するように配置されている。
そして、冷媒流路２ａは冷媒入口に接続されるとともに、冷媒流路２ｂは冷媒出口に接続され、冷媒流路２ａ、２ｂの端部は中間流路となる冷媒流路３にて接続されている。そして、冷媒流路３の開口端は封止材４にて封止されている。なお、冷却体１の材料としては、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導材を用いることができる。

ここで、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面には、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に乱流を発生させる歯列構造５が形成され、歯列は、冷媒流路２ａ、２ｂ、３を通流する冷媒の通流方向に沿って配列することができる。なお、歯列構造５としては、例えば、冷媒の通流方向に沿って形成された雌ねじ穴であってもよく、内歯歯車の歯列であってもよい。また、冷媒流路２ａ、２ｂ、３を通流する冷媒としては、水または水以外の冷媒、例えば、フロンや弗化炭素などを用いることができる。

また、封止材４の材料としては、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導材を用いることができる。そして、図２に示すように、封止材４と冷媒との接触面には、乱流の生成を促すために、歯列構造を形成するようにしてもよい。
そして、冷却体１の表面には、半導体スイッチング素子などの発熱体を取り付けることができる。なお、半導体スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の他、パワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いるようにしてもよい。

そして、冷媒流路２ａを介して冷却体１内に導入された冷媒は、冷媒流路３を介して冷媒流路２ｂに導かれ、冷媒流路２ｂを介して冷却体１外に排出される。なお、冷媒流路２ａ、２ｂ、３に冷媒を強制通流させる方法としては、例えば、冷媒を循環させるポンプを用いることができる。ここで、冷却体１の表面に取り付けられた発熱体から発生した熱は、冷却体１を介して冷媒流路２ａ、２ｂ、３を通流する冷媒に伝達される。この冷媒への熱伝達は、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面と冷媒との間の熱伝導と、冷媒内での対流による熱移動にて行われる。

ここで、強制対流により伝熱される熱量ＱはＱ＝Ａ×ｈｍ×（Ｔｆ−Ｔｗ）で表すことができる。ただし、Ａは冷却体１と冷媒とが接する面積、ｈｍは冷却体１と冷媒との間の平均熱伝達率、Ｔｆは冷却体１の温度、Ｔｗは冷媒の温度である。そして、冷却体１の温度Ｔｆは、Ｔｆ＝Ｔｗ＋（Ｑ／（Ａ×ｈｍ））で表すことができるため、冷却体１の温度Ｔｆを低くする、すなわち冷却性能を向上させるには、冷却体１と冷媒とが接する面積を大きくするか、または冷却体１と冷媒との間の平均熱伝達率ｈｍを大きくすればよい。

一方、冷媒の流れの状態には層流と乱流がある。そして、流路の表面が平滑な場合には、流路の中心部を流れる主流が形成されるとともに、冷媒の有する粘性に起因して流路内壁面に沿って滑らかで乱れのない層流が形成される。そして、流路内壁面に沿って層流が形成されると、冷却体１から主流への熱の流れが阻害され、冷却体１の伝熱性能を劣化させる。

ここで、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に歯列構造５を形成し、冷媒流路２ａ、２ｂ、３内に冷媒を強制通流させることで、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に乱流を発生させることができ、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に沿って層流が形成されるのを阻害することができる。このため、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面からの熱伝達によって温度が上昇した冷媒は、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に近傍に発生した乱流により主流と速やかに混合され、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面から冷媒への熱の移動が促進されることから、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面が平坦な場合に比べて、冷却体１の伝熱性能を向上させることができる。

また、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面に歯列構造５を形成することで、冷媒流路２ａ、２ｂ、３の内壁面が平坦な場合に比べて、冷媒との接触面積を拡大することができ、伝熱面積を増加させることが可能となることから、冷却体１の冷却性能を向上させることができる。
さらに、歯列構造５が形成された冷媒流路２ａ、２ｂ、３内に冷媒を強制通流させることにより、冷媒流路２ａ、２ｂ、３が鉛直方向に向くように冷却体１を配置する必要がなくなり、冷却体１の配置上の制約を軽減することができる。また、冷媒流路２ａ、２ｂ、３も直線状である必要もない。

また、インバータなどの電力変換器では、半導体スイッチング素子が搭載された半導体モジュールなどの発熱体を特殊な部材や工程を必要とすることなく、冷却体１に取り付けることができ、組み立てを簡易化することが可能となるとともに、装置の小型化を図ることができる。また、冷媒入口および冷媒出口以外の加工部分は、Ｏリングなどを用いることなく、冷却体１を完全に封止することができ、冷媒漏れの恐れがなくなることから、シール材の保守を不要とすることができる。

なお、図１の冷却体１を製造する方法としては、例えば、雌ねじ加工によって銅プレートに冷媒流路２ａとなる雌ねじ穴を形成する。そして、冷媒流路２ａと並列配置された冷媒流路２ｂとなる雌ねじ穴を雌ねじ加工によって銅プレートに形成する。さらに、冷媒流路２ａ、２ｂの端部に接触するようにして、冷媒流路３となる雌ねじ穴を雌ねじ加工によって銅プレートに形成する。そして、冷媒流路３の開口端を封止材４にて封止する。なお、封止材４を冷却体１に取り付ける方法としては、例えば、ろう付けを用いることができる。

図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の冷却装置の概略構成を示す正面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）の冷却装置の概略構成を示す裏面図、図３（ｄ）は、図３（ａ）の冷却装置の冷媒流路を拡大して示す断面図である。
図３において、冷却体１１内には、冷媒を強制通流させる冷媒流路１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｃが設けられている。ここで、冷媒流路１２ａ〜１２ｄは互いに並列になるように配置され、冷媒流路１３ａは、冷媒流路１２ａ、１２ｂの端部で冷媒流路１２ａ、１２ｂと直交するように配置され、冷媒流路１３ｂは、冷媒流路１２ｃ、１２ｃの端部で冷媒流路１２ｂａ、１２ｃと直交するように配置され、冷媒流路１３ｃは、冷媒流路１２ｃ、１２ｄの端部で冷媒流路１２ｃ、１２ｄと直交するように配置されている。

そして、冷媒流路１２ａは冷媒入口に接続されるとともに、冷媒流路１２ｄは冷媒出口に接続され、冷媒流路１２ａ、１２ｂの端部は中間流路となる冷媒流路１３ａにて接続され、冷媒流路１２ｂ、１２ｃの端部は中間流路となる冷媒流路１３ｂにて接続され、冷媒流路１２ｃ、１２ｄの端部は中間流路となる冷媒流路１３ｃにて接続されている。そして、冷媒流路１３ａの開口端は封止材１４ａにて封止され、冷媒流路１３ｂの開口端は封止材１４ｂにて封止され、冷媒流路１３ｃの開口端は封止材１４ｃにて封止されている。

なお、封止材１４ａ〜１４ｃの材料としては、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導材を用いることができる。そして、図２に示すように、封止材１４ａ〜１４ｃと冷媒との接触面には、乱流の生成を促すために、歯列構造を形成するようにしてもよい。
ここで、冷媒流路１２ａ〜１２ｄの内壁面には、冷媒流路１２ａ〜１２ｄの内壁面に乱流を発生させる歯列構造１５が形成され、歯列は、冷媒流路１２ａ〜１２ｄを通流する冷媒の通流方向に沿って配列することができる。

そして、冷却体１１の表面には、半導体スイッチング素子などの発熱体を取り付けることができる。そして、冷媒流路１２ａを介して冷却体１１内に導入された冷媒は、冷媒流路１３ａを介して冷媒流路１２ｂに導かれ、さらに冷媒流路１２ｂを通流した後に冷媒流路１３ｂを介して冷媒流路１２ｃに導かれ、さらに冷媒流路１２ｃを通流した後に冷媒流路１３ｃを介して冷媒流路１２ｄに導かれ、さらに冷媒流路１２ｄを通流した後に冷却体１１外に排出される。そして、冷却体１１の表面に取り付けられた発熱体から発生した熱は、冷却体１１を介して冷媒流路１２ａ〜１２ｄを通流する冷媒に伝達される。
ここで、冷媒流路１２ａ〜１２ｄを冷却体１１に設けることにより、図１の冷却体１１に比べて伝熱面積を２倍に増加させることが可能となることから、冷却性能を２倍に向上させることができる。

図４は、本発明の第３実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。
図４において、電力変換器２１には、半導体素子が搭載された半導体モジュール２３が設けられ、半導体モジュール２３は冷却体２２上に取り付けられている。なお、電力変換器２１には、半導体素子のゲートに入力されるパルス幅を制御するゲート制御回路やスナバ回路などが含まれるが、図４の例では、これらは省略して示した。
ここで、冷却体２２としては、例えば、図１または図３の構成を用いることができる。そして、冷却体２２は、冷媒循環配管２６を介してポンプ２４および放熱器２５に接続されている。

そして、ポンプ２４にて冷媒循環配管２６に送り出される冷媒は、冷却体２２の冷媒入口から冷却体２２内に入る。そして、冷却体２２の表面に取り付けられた半導体モジュール２３から発生した熱は、冷却体２２内を通流する冷媒に伝達され、冷媒の温度が上昇する。そして、冷却体２２内で温度が上昇した冷媒は、冷却体２２の冷媒出口から冷媒循環配管２６に排出され、放熱器２５に送られる。そして、放熱器２５に送られた冷媒は放熱器２５にて冷却され、冷媒循環配管２６を介して冷却体２２内に再び送出される。

これにより、ポンプ２４および放熱器２５を電力変換器２１の外に設置することを可能としつつ、歯列構造が形成された冷媒流路内に冷媒を強制通流させることができ、電力変換器２１の小型化を図りつつ、半導体モジュール２３を効率よく冷却することができる。
図５は、本発明の第４実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。

図５において、電力変換器３１ａ、３１ｂには、半導体素子が搭載された半導体モジュール３３ａ、３３ｂがそれぞれ設けられ、半導体モジュール３３ａ、３３ｂは冷却体３２ａ、３２ｂ上にそれぞれ取り付けられている。なお、電力変換器３１ａ、３１ｂには、半導体素子のゲートに入力されるパルス幅を制御するゲート制御回路やスナバ回路などがそれぞれ含まれるが、図５の例では、これらは省略して示した。

ここで、冷却体３２ａ、３２ｂとしては、例えば、図１または図３の構成をそれぞれ用いることができる。そして、冷却体３２ａ、３２ｂは、冷媒循環配管３６ａ、３６ｂを介してポンプ３４および放熱器３５に対して直列に接続されている。
すなわち、冷却体３２ａの冷媒出口は冷媒循環配管３６ａを介して放熱器３５の冷媒入口に接続され、冷却体３２ｂの冷媒入口は冷媒循環配管３６ａを介してポンプ３４の冷媒出口に接続され、冷却体３２ａの冷媒入口と冷却体３２ｂの冷媒出口とは冷媒循環配管３６ｂを介して互いに接続されている。

そして、ポンプ３４にて冷媒循環配管３６ａに送り出される冷媒は、冷却体３２ｂの冷媒入口から冷却体３２ｂ内に入る。そして、冷却体３２ｂの表面に取り付けられた半導体モジュール３３ｂから発生した熱は、冷却体３２ｂ内を通流する冷媒に伝達され、冷媒の温度が上昇する。そして、冷却体３２ｂ内で温度が上昇した冷媒は、冷却体３２ｂの冷媒出口から冷媒循環配管３６ｂに排出され、冷却体３２ａの冷媒入口から冷却体３２ａ内に入る。そして、冷却体３２ａの表面に取り付けられた半導体モジュール３３ａから発生した熱は、冷却体３２ａ内を通流する冷媒に伝達され、冷媒の温度がさらに上昇する。そして、冷却体３２ａ内でさらに温度が上昇した冷媒は、冷却体３２ａの冷媒出口から冷媒循環配管３６ａに排出され、放熱器３５に送られる。そして、放熱器３５に送られた冷媒は放熱器３５にて冷却され、冷媒循環配管３６ａを介して冷却体３２ｂ内に再び送出される。
これにより、１つのポンプ３４および１つの放熱器３５を用いることで、半導体モジュール３３ａ、３３ｂの温度が許容値を超えないようにしながら、複数の電力変換器３１ａ、３１ｂを冷却することが可能となり、半導体電力変換装置の小型化を図ることができる。

図６は、本発明の第５実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。
図６において、電力変換器４１ａ、４１ｂには、半導体素子が搭載された半導体モジュール４３ａ、４３ｂがそれぞれ設けられ、半導体モジュール４３ａ、４３ｂは冷却体４２ａ、４２ｂ上にそれぞれ取り付けられている。なお、電力変換器４１ａ、４１ｂには、半導体素子のゲートに入力されるパルス幅を制御するゲート制御回路やスナバ回路などがそれぞれ含まれるが、図６の例では、これらは省略して示した。

ここで、冷却体４２ａ、４２ｂとしては、例えば、図１または図３の構成をそれぞれ用いることができる。そして、冷却体４２ａ、４２ｂは、冷媒循環配管４６ａ〜４６ｃを介してポンプ４４および放熱器４５に対して並列に接続されている。
すなわち、冷却体４２ａ、４２ｂの冷媒出口は冷媒循環配管４６ａ、４６ｂをそれぞれ介して放熱器４５の冷媒入口に接続され、冷却体４２ａ、４２ｂの冷媒入口は冷媒循環配管４６ｃ、４６ａをそれぞれ介してポンプ４４の冷媒出口に接続されている。

そして、ポンプ３４にて冷媒循環配管４６ａ、４６ｃにそれぞれ送り出される冷媒は、冷却体４２ｂ、４２ａの冷媒入口からそれぞれ冷却体４２ｂ、４２ａ内に入る。そして、冷却体４２ｂ、４２ａの表面にそれぞれ取り付けられた半導体モジュール４３ａ、４３ｂから発生した熱は、冷却体４２ｂ、４２ａ内を通流する冷媒にそれぞれ伝達され、冷媒の温度が上昇する。そして、冷却体４２ｂ、４２ａ内で温度が上昇した冷媒は、冷却体４２ｂ、４２ａの冷媒出口から冷媒循環配管４６ａ、４６ｂにそれぞれ排出され、放熱器４５に送られる。そして、放熱器４５に送られた冷媒は放熱器４５にて冷却され、冷媒循環配管４６ａ、４６ｃをそれぞれ介して冷却体４２ｂ、４２ａ内に再び送出される。

これにより、１つのポンプ４４および１つの放熱器４５を用いることで、半導体モジュール４３ａ、４３ｂの温度が許容値を超えないようにしながら、複数の電力変換器４１ａ、４１ｂを冷却することが可能となり、半導体電力変換装置の小型化を図ることが可能となるとともに、冷却体４２ａ、４２ｂ内にそれぞれ循環させる冷媒の量の管理を従来に比べて容易化することができる。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の冷却装置の概略構成を示す正面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）の冷却装置の冷媒流路を拡大して示す断面図である。 図１の封止材の概略構成を示す斜視図である。 図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の冷却装置の概略構成を示す正面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）の冷却装置の概略構成を示す裏面図、図３（ｄ）は、図３（ａ）の冷却装置の冷媒流路を拡大して示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１、１１、２２、３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ 冷却体
２ａ、２ｂ、３、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｃ 冷媒流路
４、１４ａ〜１４ｃ 封止材
５、１５ 歯列構造
２１、３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ 電力変換器
２３、３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂ 半導体モジュール
２４、３４、４４ ポンプ
２５、３５、４５ 放熱器
２６、３６ａ、３６ｂ、４６ａ〜４６ｃ 冷媒循環配管

Claims (6)

1. 発熱体から発生した熱を熱伝導にて放熱する冷却体と、
   前記冷却体内に形成され、冷媒を強制通流させる冷媒流路と、
   前記冷媒の通流方向に沿って前記冷媒流路の内壁面に配列された歯列構造とを備えることを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷媒流路に前記冷媒を強制循環させるポンプと、
   前記冷媒が前記発熱体から受け取った熱を放熱する放熱器とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 複数の前記冷却体を前記ポンプに対して直列接続または並列接続することを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 前記冷媒流路は前記冷却体内を往復するように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の冷却装置。
5. 前記冷却体内に並列配置された冷媒流路を接続する中間流路の開口端を封止する封止材をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の冷却装置。
6. スイッチング動作を行う半導体素子と、
   前記半導体素子が表面に配置され、前記半導体素子から発生した熱を熱伝導にて放散させる冷却体と、
   前記冷却体内に形成され、冷媒を強制通流させる冷媒流路と、
   前記冷媒の通流方向に沿って前記冷媒流路の内壁面に配列された歯列構造とを備えることを特徴とする半導体電力変換装置。

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