JP2010165714A - 半導体モジュールの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却管と半導体モジュールとの密着性を向上でき、冷却効率を上げることができる冷却装置を提供する。
【解決手段】通電により発熱する半導体モジュール２を備える。また、半導体モジュール２に接触し、内部に流れる冷媒４により半導体モジュール２を冷却する冷却管３を備える。これら半導体モジュール２と冷却管３とが交互に複数個積層されている。また、冷却管３は、冷媒４に接触する内側層５と、半導体モジュール２に接触する外側層６とを積層してなり、外側層６の熱膨張率が、内側層５の熱膨張率よりも大きいバイメタル構造になっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却性能に優れた、半導体モジュールの冷却装置に関する。

従来から、半導体モジュールを用いたインバータが知られている。半導体モジュールには大電流が流れるため発熱量が大きく、この熱を冷却するために冷却装置が用いられる。
例えば、半導体モジュールと冷却管とを交互に複数個積層した冷却装置が知られている（下記特許文献参照）。この冷却装置では、冷却管に流れる冷媒により、半導体モジュールから発生する熱を冷却する。

特開２００５−１９１５２７号公報 特開２００６−１５７０４２号公報

図１０に、従来の冷却装置９０の部分断面図を示す。この冷却装置９０は半導体モジュール９４と冷却管９１とを交互に複数個（一部のみ図示する）積層したもので、冷却管９１の内部に流れる冷媒９５によって半導体モジュール９４を冷却している。また、図示しない板バネによって積層方向に力ｆを加えており、これによって、半導体モジュール９４と冷却管９１とを一体化し、分離を防止している。

しかしながら従来の冷却装置９０は、図１０に示すごとく、力ｆによって冷却管９１の壁部９２が内側に湾曲する場合がある。これにより、半導体モジュール９４と冷却管９１との間に隙間９６ができ、冷却効率が低下する問題が生じている。そのため、冷却管９１と半導体モジュール９４との密着性を向上でき、冷却効率を上げることができる冷却装置が望まれている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、冷却管と半導体モジュールとの密着性を向上でき、冷却効率を上げることができる冷却装置を提供しようとするものである。

本発明は、通電により発熱する半導体モジュールと、
該半導体モジュールに接触し、内部に流れる冷媒により該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に複数個積層してなり、
上記冷却管は、上記冷媒に接触する内側層と、上記半導体モジュールに接触する外側層とを積層してなり、上記外側層の熱膨張率が、上記内側層の熱膨張率よりも大きいバイメタル構造になっていることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
本発明では、冷却管は、冷媒に接触する内側層と、半導体モジュールに接触する外側層とを積層してなり、外側層の熱膨張率が、内側層の熱膨張率よりも大きいバイメタル構造になっている。そのため、半導体モジュールの発熱により温度が上昇した場合、冷却管が外側へ膨らむように変形しようとする。これにより、たとえ、冷却管の積層方向に力が付与されていたとしても、冷却管と半導体モジュールとの圧接力および接触面積が増加する方向に冷却管が変形しようとするので、半導体モジュールの冷却効率を高めることが可能となる。
また、冷却効率が高まれば、半導体モジュールの面積を小さくでき、小型化とコスト低減を達成することも可能となる。

以上のごとく、本発明は、冷却管と半導体モジュールとの密着性を向上でき、冷却効率を上げることができる冷却装置を提供することができる。

実施例１における、冷却装置の分解斜視図。 実施例１における、冷却装置の平面図。 図２のａ−ａ断面図。 図２のｂ−ｂ断面図。 図２のｃ−ｃ断面図。 実施例１における、半導体モジュール２が存在しなかった場合の、温度上昇により変形した冷却管の断面図。 実施例１における、インバータの回路図。 実施例２における、冷却管の断面図。 実施例２における、半導体モジュール２が存在しなかった場合の、温度上昇により変形した冷却管の断面図。 従来例における、冷却装置の部分断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記外側層はアルミニウム合金であり、上記内側層は鉄合金、又は鉄−ニッケル合金、又は銅合金であることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、内側層が熱伝導率の高い金属で構成されているので、半導体モジュールの熱を効率よく冷媒に伝えることが可能になる。そのため、半導体モジュールの冷却効率を一段と向上できる。また、これらの金属からなる外側層と内側層とを接合したクラッド材を用いれば、上記の熱膨張率に差があるバイメタル構造を容易に得ることができる。

また、上記外側層はアルミニウム合金からなり、内部に上記冷媒が流れる流路を備えた本体部を構成し、該本体部の内面に銅合金からなる上記内側層が取り付けられていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、熱伝導率が高い銅合金を内側層として用いるので、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる。また、外側層として、従来から用いられているアルミニウム合金製の本体部を利用することも可能となる。

また、アルミニウム合金からなる上記外側層と、銅合金からなる上記内側層との電食を抑制する腐食抑制剤が、上記冷媒に添加されていることが好ましい（請求項４）。
このようにすると、アルミニウム合金と銅合金との電食を抑制することが可能になる。本発明では半導体モジュールの熱によって温度が上昇するため、アルミニウム合金と銅合金との電食が進行しやすいが、冷媒に腐食抑制剤を添加することにより、この問題を解決することができる。腐食抑制剤としては、リン酸を好適に用いることができる。リン酸を添加すると、外側層と内側層との表面にリン酸塩の皮膜が形成され、これにより、電食を効果的に抑制できる。

また、複数個の上記半導体モジュールは接続され、車両用のインバータを構成していることが好ましい（請求項５）。
車両用のインバータは、特に大きな電流が流れ、発熱量が大きいため、本発明によって得られる効果が特に高い。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる冷却装置につき、図１〜図７を用いて説明する。
図１は本例に係る冷却装置１の分解斜視図であり、図２は平面図である。また、図３は図２のａ−ａ断面図であり、図４は図２のｂ−ｂ断面図である。そして、図５は図２のｃ−ｃ断面図である。
図示するごとく、本例の冷却装置１は、通電により発熱する半導体モジュール２を備える。また、半導体モジュール２に接触し、内部に流れる冷媒４（図３参照）により半導体モジュール２を冷却する冷却管３を備える。そして図１、図２に示すごとく、これら半導体モジュール２と冷却管３とを交互に複数個積層して構成されている。
図３、図４に示すごとく、冷却管３は、冷媒４に接触する内側層５と、半導体モジュール２に接触する外側層６とを積層してなり、外側層６の熱膨張率が、内側層５の熱膨張率よりも大きいバイメタル構造になっている。
以下、さらに詳説する。

図１に示すごとく、冷却管３には冷媒４の導入口１０と導出口１１とが接続されている。個々の冷却管３の間には、接続部１２が設けられている。導入口１０から冷媒４を導入すると、各々の冷却管３に冷媒４が流れ、半導体モジュール２が冷却される。
なお、冷却装置１には、図示しない板バネが設けられており、この板バネにより、冷却管３と半導体モジュール２とを積層方向に押圧し、一体化している。

図３、図４に示すごとく、冷却管３は、上記内側層５を内側に備えた２枚の外側層６を成形して管状にした本体部６０を構成してある。両者の間には平板状の仕切層７が挟持され、冷却管３の内部が２つの流路４０に区画されている。上記外側層６はアルミニウム合金よりなり、その内側に積層された内側層５は銅合金よりなる。なお、内側層５は、鉄合金または鉄−ニッケル合金に変更することもできる。

より具体的には、同図に示すごとく、外側層６は、平板状の半導体接触部６ａと、両端に形成された接続部６ｂと、これら半導体接触部６ａと接続部６ｂとを繋ぐ折曲部６ｃとを備える。そして、２枚の外側層６と、平板状の仕切層７とを重ね合わせ、接続部６ｂにてロウ付けする。これにより、冷媒４が流れる流路４０を備えた本体部６０が形成される。
なお、本例では、外側層６の厚さと、内側層５の厚さは、共に約０．５ｍｍである。

また、図３、図５に示すごとく、冷却管３のうち、半導体モジュール２に隣接する部分にのみ、半導体モジュール２を冷却するためのフィン８が設けられている。このフィン８は、図３に示すごとく、波板からなり、内側層５と仕切層７とに接触している。

また、本例では、アルミニウム合金からなる外側層６と、銅合金からなる内側層５との電食を抑制する腐食抑制剤が、冷媒４に添加されている。

図６は、半導体モジュール２が存在しなかった場合の、温度上昇時における冷却管３の変形状態を示す図である。上述したように、冷却管３は外側層６の熱膨張率が内側層５の熱膨張率よりも大きいバイメタルになっているため、温度上昇によって外側へ膨らむように変形する。

また本例では、図７に示すごとく、複数個の半導体モジュール２が接続され、車両用のインバータ２０を構成している。
各々の半導体モジュール２には、ＩＧＢＴ素子２３とフライホイールダイオード２４が封止されている。一方の半導体モジュール２ａのコレクタ端子２６ａと、他方の半導体モジュール２ｂのエミッタ端子２７ｂとが直流入力端子となっている。また、一方の半導体モジュール２ａのエミッタ端子２７ａと、他方の半導体モジュール２ｂのコレクタ端子２６ｂとは交流出力端子になっている。そして、この交流出力端子に三相交流モータ２１が接続されている。車両には、インバータ２０の他、直流電源２５、コンバータ２２、コンデンサ２８が搭載されている。直流電源２５の電圧をコンバータ２２にて昇圧し、半導体モジュール２ａ，２ｂの直流入力端子に印加する。ＩＧＢＴ素子２３をオンオフ制御すると交流出力端子から交流電圧が出力され、この交流電圧によって三相交流モータ２１を駆動して車両を走行させる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
図３に示すごとく、本例における冷却管３は、冷媒４に接触する内側層５と、半導体モジュール２に接触する外側層６とを積層してなり、外側層６の熱膨張率が、内側層５の熱膨張率よりも大きいバイメタル構造になっている。そのため、半導体モジュール２の発熱により温度が上昇した場合、冷却管３が、外側へ膨らむように変形しようとする（図６参照）。これにより、たとえ、板バネにより冷却管３の積層方向に力が付与されていたとしても、冷却管３と半導体モジュール２との圧接力および接触面積が増加する方向に冷却管３が変形しようとするので、半導体モジュール２の冷却効率を高めることが可能となる。
また、冷却効率が高まれば、半導体モジュール２の面積を小さくでき、小型化とコスト低減を達成することも可能となる。

また、本例では外側層６はアルミニウム合金からなり、内側層５は銅合金からなる。
このようにすると、内側層５が熱伝導率の高い銅により構成されているので、半導体モジュール２の熱を効率よく冷媒４に伝えることが可能になる。そのため、半導体モジュール２の冷却効率を一段と向上できる。また、アルミニウム合金製の外側層６と、銅合金製の内側層５とを接合したクラッド材を用いれば、熱膨張率に差があるバイメタル構造を有する冷却管を容易に得ることができる。

本例では、図３に示す外側層６はアルミニウム合金からなり、内部に冷媒４が流れる流路４０を備えた本体部６０を構成し、本体部６０の内面に銅合金からなる内側層５が取り付けられている。
このようにすると、熱伝導率が高い銅合金を内側層５として用いるので、熱抵抗を下げることができ、半導体モジュール２の冷却効率を高めることができる。また、外側層６として、従来から用いられているアルミニウム合金製の本体部６０を利用することも可能となる。

また、本例では、アルミニウム合金からなる外側層６と、銅合金からなる内側層５との電食を抑制する腐食抑制剤が、冷媒４に添加されている。
このようにすると、アルミニウム合金と銅合金との電食を抑制することが可能になる。本発明では半導体モジュール２の熱によって温度が上昇するため、アルミニウム合金と銅合金との電食が進行しやすいが、冷媒４に腐食抑制剤を添加することにより、この問題を解決することができる。腐食抑制剤としては、リン酸を好適に用いることができる。
冷媒４にリン酸が添加されていると、外側層６および内側層５の表面にリン酸塩の皮膜が形成され、これにより電食を効果的に抑制することが可能となる。

また、本例では、図７に示すごとく、複数個の半導体モジュール２が接続され、車両用のインバータ２０を構成している。
車両用のインバータ２０は、特に大きな電流が流れ、発熱量が大きいため、本発明によって得られる効果が特に高い。

また、図５に示すごとく、冷却管３のうち、半導体モジュール２に隣接する部分に、波板からなるフィン８が設けられている。
このフィン８により冷媒４との接触面積を大きくすることができ、半導体モジュール２の熱を効率よく冷媒４に伝えることができる。また、半導体モジュール２に隣接する部分にのみフィン８を設けているため、冷却管３の内側全体にフィン８を設けた場合と比較して、冷媒４の抵抗を小さくすることができる。

以上のごとく、本発明は、冷却管３と半導体モジュール２との密着性を向上でき、冷却効率を上げることができる冷却装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、冷却管３の構造を変更した例である。図８に示すごとく、本例では２枚の内側層５と、１枚の仕切層７とを重ね合わせ、ロウ付けすることにより本体部５０を構成している。そして、この本体部５０の外面に外側層６を取り付けている。外側層６の熱膨張率は、内側層５の熱膨張率５よりも大きい。内側層５は、鉄合金、又は鉄−ニッケル合金、又は銅合金からなる。また、外側層６はアルミニウム合金製である。

この構成を採用した場合も、図９に示すごとく、温度上昇に伴って、冷却管３は外側に膨れるように変形する。これにより、半導体モジュール２と冷却管３との密着性が向上し、半導体モジュール２を効率よく冷却することが可能となる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

１ 冷却装置
１０ 導入口
１１ 導出口
１２ 接続部
２ 半導体モジュール
３ 冷却管
４ 冷媒
４０ 流路
５ 内側層
６ 外側層
６０ 本体部
７ 仕切層
８ フィン

Claims (5)

1. 通電により発熱する半導体モジュールと、
   該半導体モジュールに接触し、内部に流れる冷媒により該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に複数個積層してなり、
   上記冷却管は、上記冷媒に接触する内側層と、上記半導体モジュールに接触する外側層とを積層してなり、上記外側層の熱膨張率が、上記内側層の熱膨張率よりも大きいバイメタル構造になっていることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
2. 請求項１において、上記外側層はアルミニウム合金であり、上記内側層は鉄合金、又は鉄−ニッケル合金、又は銅合金であることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記外側層はアルミニウム合金からなり、内部に上記冷媒が流れる流路を備えた本体部を構成し、該本体部の内面に銅合金からなる上記内側層が取り付けられていることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
4. 請求項３において、アルミニウム合金からなる上記外側層と、銅合金からなる上記内側層との電食を抑制する腐食抑制剤が、上記冷媒に添加されていることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項において、複数個の上記半導体モジュールが接続され、車両用のインバータを構成していることを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。

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