JP2012151162A - 電力用半導体素子用の沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力用半導体素子の動作状況に対応して迅速に冷媒の沸点の上昇の抑制制御が実行できるようになった沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】半導体装置用の冷却装置は、冷媒槽14内にて電力用半導体素子を含む半導体装置12を冷媒液体Ｃ中に浸漬し、冷媒液体の沸騰による気化潜熱により電力用半導体素子を含む半導体装置を冷却する装置１０であって、電力用半導体素子の予想発熱量を決定する手段と、予想発熱量に基づいて冷媒槽内の圧力を増減制御する手段とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型のモータ、発電機などの電機の大電流を制御するための電力用半導体素子の冷却装置に係り、より詳細には、半導体素子が実装されたパワー・モジュール（半導体装置）を冷媒に浸漬して冷媒の気化潜熱を利用して半導体素子及びパワー・モジュールを冷却する沸騰冷却式の冷却装置に係る。

ハイブリッドカー、電気自動車、その他の大型の機械などの大型の電機のためのインバータ、パワー・モジュール或いは電力制御装置に於いて利用される電力用半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、サイリスタ、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワートランジスタ、パワーダイオード、パワー半導体など）は、大電流が流通し発熱量が大きいので、その冷却のための構造又は装置が必要となる。特に、近年急速に需要が増大している車載用のパワー・モジュール或いは電力制御装置の高出力化及び小型化により電力用半導体素子の発熱量は増大する傾向にあり、冷却構造又は装置の冷却性能の更なる向上が求められている。

上記の如き半導体素子の冷却装置の一つとして、所謂、沸騰冷却装置を利用することが知られている。図４に模式的に描かれている如く、沸騰冷却装置１０に於いては、典型的には、半導体素子の実装されたパワー・モジュール１２が冷媒槽１４内にて不活性絶縁液体Ｃ等の冷媒に浸漬又は液封され、半導体素子の発熱による沸騰の際に奪われる気化潜熱を利用して半導体素子及びパワー・モジュールが冷却される。そして、気化された冷媒Ａは、凝縮器１８に到達し、そこに於いて熱が奪われて再び液化して冷媒槽へ戻されることとなる。かかる沸騰冷却装置の場合、冷却性能は冷媒の沸騰のし易さに依存する。例えば、沸騰が進み、冷媒槽内に気化された冷媒量が多くなって冷媒槽内の圧力が高くなり、冷媒の沸点が上昇すると、沸騰が生じ難くなり、冷却性能が低下することとなる。そこで、特許文献１に於いては、減圧ポンプを用いて、冷媒槽内の圧力を減圧し、これにより、冷媒の沸点の上昇を回避することが提案されている。また、特許文献２に於いては、冷媒槽内の圧力が高くなると、気体冷媒を冷却して液化する凝縮器の冷却能が高くなる構成が提案されている。更に、特許文献３には、沸騰冷却装置による冷却に際して、半導体素子に装着される伝熱部材の放熱性能が半導体素子の温度に応じて変化する構成が開示されている。

特開平４−３４００７７ 特開２０００−２７７９６２ 特開昭６３−７６４６５

上記の如き従前の沸騰冷却装置に於いては、基本的には、冷媒槽の圧力に応答して、冷媒槽の減圧或いは凝縮器の冷却能の上昇等の制御が実行される。かかる制御構成を、自動車等の車両の発電機又はモータなどの電機等のための、比較的急激に或いは頻繁に負荷変動が生じ、従って、発熱量が比較的急激に或いは頻繁に変動する電力用半導体素子の冷却に適用する場合、冷却が良好に達成されにくくなる可能性がある。例えば、車両の始動時やアクセル全開時などの比較的短期間に負荷が上昇し、これに対応して半導体素子の発熱量が増大する場合、沸点の上昇を抑制するための種々の制御の実行が、冷媒槽の圧力の上昇を待って為されるときには、冷媒槽の圧力が上昇するまで沸点の上昇の抑制処理が遅れ、冷却性能が十分に引き出せなくなる可能性がある。また、常に、半導体素子の発熱量によらず、冷媒槽内圧が低い場合には、沸騰が生じ過ぎて冷媒槽内の液枯れ（半導体装置が冷媒液から露出した状態。冷媒槽内の液枯れが起きると、やはり、半導体装置の冷却効率が大幅に低下する。）が生ずる場合も起き得る。

かくして、本発明の主な目的は、電力用半導体素子のための沸騰冷却装置であって、電力用半導体素子の動作状況に対応して迅速に冷媒の沸点の上昇の抑制制御が実行できるようになった装置を提供することである。

また、本発明の更なる目的は、上記の如き装置であって、電力用半導体素子の発熱量に対応して迅速に且つ適切に冷却性能が制御される装置を提供することである。

更に、本発明の更なる目的は、上記の如き装置であって、自動車等の車両の電力用半導体素子の冷却に有利に利用可能な装置を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、冷媒槽内にて電力用半導体素子を含む半導体装置を冷媒液体中に浸漬し、冷媒液体の沸騰による気化潜熱により電力用半導体素子を含む半導体装置を冷却する半導体装置用の冷却装置であって、電力用半導体素子の予想発熱量を決定する手段と、予想発熱量に基づいて冷媒槽内の圧力を増減制御する手段とを含むことを特徴とする装置によって達成される。かかる構成に於いて、「電力用半導体素子の予想発熱量」とは、電力用半導体素子に於いて実際に発生した発熱量ではなく、電力用半導体素子に対する制御指令等の情報から予想される発熱量である。また、冷媒槽内の圧力を増減制御する手段は、冷媒槽内の冷媒の量（冷媒気体であっても、冷媒液体であってもよい。）を調節することにより、冷媒槽内の圧力を増減する手段であってよく、具体的には、冷媒槽とは別途設けられる冷媒タンクと冷媒槽との間にて、冷媒を予想発熱量に基づいて出入りさせるポンプ又は弁などであってよい。

上記の本発明の装置は、基本的な構成に於いて、上記に説明されている如き「沸騰冷却装置」と同様であり、冷媒槽内の冷媒液体中に浸漬された電力用半導体素子を含む半導体装置の発熱により、冷媒液体を沸騰させ、その際に気化潜熱として熱量が奪われることにより、電力用半導体素子を含む半導体装置が冷却される形式の冷却装置である。かかる沸騰冷却装置に於いて、特に、本発明では、上記の如く、電力用半導体素子の予想発熱量を決定する手段を含み、そこで決定される「予想発熱量」に基づいて冷媒槽内の圧力が増減制御される。この制御態様によれば、冷媒の沸点の調節が、電力用半導体素子の発熱から、電力用半導体素子とそれを担持する半導体装置の温度上昇、冷媒の温度上昇及び冷媒の沸騰を経て冷媒槽内の圧力上昇までの一連の過程の後に初めて実行されるのではなく、かかる一連の過程に先回りして、電力用半導体素子の動作状況及び発熱状況に迅速に対応して実行され、これにより、従前よりも良好な冷却性能が得られることが期待される。また、冷媒の沸点が低減された状態が常に維持されるわけではないので、冷媒の液枯れも生じにくいこととなる。

上記の本発明の構成に於いて、電力用半導体素子の予想発熱量を決定する手段は、例えば、コンピュータ等を有する電子制御装置の作動により達成されてよい。具体的には、予想発熱量は、電力用半導体素子の作動制御を実行する電子制御装置にて与えられる電力用半導体素子に生じる電流及び電圧の目標値或いはスイッチング周波数若しくはキャリヤ周波数を参照して決定可能である。特に、電力用半導体素子が電機に流通する電流を制御するための、インバータ内のスイッチング素子や整流素子等の素子である場合、予想発熱量は、電力用半導体素子を通過して電機に与えられる電流の目標値及び電圧の目標値に基づいて決定されてよい。また、電力用半導体素子が車両用電機に流通する電流を制御するための素子である場合には、予想発熱量は、車両の運転状況や運転者の操縦入力に基づいて決定可能な電機の作動状態を表す任意の状態量（以下、「電機作動状態量」
と称する。）に基づいて決定されてもよい。要すれば、電力用半導体素子にて発生する電圧及び／又は電流によって、電力用半導体素子の電力損失又は発熱量は、予め決定又は推定可能であるので、既に触れたように、電力用半導体素子に対する制御指令、それらを導出するための種々の値又はそれらから導出される電力用半導体素子にて発生する電圧及び／又は電流に対応する任意の値から、電力用半導体素子の予想発熱量が決定されてよいことは理解されるべきである。

なお、予想発熱量は、結局、電力用半導体素子の制御対象である電機の作動状態によって決定可能である。従って、予想発熱量によるのではなく、電機の作動状態を表す任意の指標値に基づいて、冷媒槽内の圧力の増減制御を行うことが可能である。従って、電力用半導体素子が電機に流通する電流を制御するための素子である場合、本発明のもう一つの態様として、上記の如き冷却装置は、電機の作動を制御する電機作動制御部により決定された、電機の作動状態を表す電機作動状態量に基づいて冷媒槽内の圧力を増減制御する手段を有するよう構成されていてもよい。電機作動状態量は、例えば、電機に於いて発生させられるべきトルク、回転力等の目標値であってよい。また、電機が車両に搭載される発電機又は電動機であるときには、電機作動状態量は、運転者の車両に対する駆動要求指令（アクセルペダルの踏込量など）又は制動要求指令（ブレーキペダルの踏込量など）などに基づいて決定された値であってもよい。

上記の本発明の構成に於ける冷媒槽内の圧力の増減制御について、その第一の目的は、電力用半導体素子の発熱量が高いときに冷媒の気化による冷媒槽内の圧力の上昇によって沸点が上昇することを回避することなので、かかる冷媒槽内の圧力の増減制御に於いては、予想発熱量が高いとき、冷媒槽内の圧力が、予想発熱量が低いときに比して低減されるようになっていてよい。具体的には、例えば、予想発熱量が第一の所定量より高いとき、冷媒槽内の圧力が第一の所定圧まで低減されてよい。また、冷媒槽内の圧力の増減制御の第二の目的は、冷媒槽内の冷媒量が減少して、電力用半導体素子が冷媒液体から露出してしまうことによる冷却性能の低下を回避することである。従って、冷媒槽内の圧力の増減制御に於いて、予想発熱量が第二の所定量より低いとき、即ち、発熱量がさほどに大きくないときには、冷媒槽内の圧力が第二の所定圧まで、例えば、大気圧まで、増大されるよう制御されてよい。実施の形態に於いては、予想発熱量が第一の所定量を超えているとき、冷媒槽内の圧力が、冷媒液体が電力用半導体素子の発する熱によって確実に沸騰するように低減され、予想発熱量が第一の所定量以下の第二の所定量を下回るとき、冷媒槽内の圧力が、所定圧まで、例えば、大気圧まで増大されてよい。なお、第二の所定量は、第一の所定量と等しくてもよいし、第一の所定量よりも低くてもよいことは理解されるべきである。

同様に、冷媒槽内の圧力の増減制御が、電機作動状態量に基づいて為されるときには、電機作動状態量が電機の負荷が高いことを示すときには、冷媒槽内の圧力が、電機作動状態量が電機の負荷が低いことを示すときに比して低減されるようになっていてよい。具体的には、例えば、電機作動状態量が電機の負荷に対応して増大する量であれば、電機作動状態量が第一の所定量より高いとき、冷媒槽内の圧力が第一の所定圧まで低減され、或いは、電機作動状態量が第二の所定量より低いときには、冷媒槽内の圧力が第二の所定圧まで、例えば、大気圧まで、増大されるよう制御されてよい。

ところで、上記の本発明の装置に於いて、予想発熱量又は電機作動状態量が低くても、電力用半導体素子の温度が比較的高くなっているときには、冷媒槽内の圧力を減圧して沸点上昇を回避することが好ましい。そこで、上記の本発明の装置は、更に、電力用半導体素子の温度を検出する手段を含み、電力用半導体素子の温度に基づいて冷媒槽内の圧力を増減するようになっていてよい。実施の形態に於いては、予想発熱量又は電機作動状態量が所定量より低いときに、電力用半導体素子の温度が高くなっているときに、冷媒槽内の圧力が低減され、冷却性能が向上するようになっていてよい。また、予想発熱量又は電機作動状態量が高くても、電力用半導体素子の温度が相当に低くなっているときは、冷媒槽内の圧力を増圧して液枯れを回避できるようになっていてよい。

かくして、上記の本発明によれば、電力用半導体素子の発熱状況を予想し、電力用半導体素子の実際の発熱による冷媒槽内の圧力変化に先回りして、冷媒の沸点を制御して、電力用半導体素子の発熱量に対して迅速に且つ的確に冷却性能が増減することが可能となる。これにより、電力用半導体素子の発熱量の急激な増大が生じたときも、それに遅れることなく、冷却が為され、電力用半導体素子及びそれを担持する半導体装置の過剰な温度上昇の回避が可能となる。また、電力用半導体素子の発熱量が低いときに冷媒槽内の圧力を上昇させる制御を実行する場合には、冷媒の気化の進行が抑制され、冷媒槽内の液枯れを回避することが可能となる。本発明による沸騰冷却装置は、ハイブリッドカーや電気自動車等の車両用の電機のインバータ回路、パワー・モジュール又は電力制御装置の半導体素子の如く、発熱量の変化の激しい素子の冷却に有利に用いることが可能であろう。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１は、本発明による半導体装置用の沸騰冷却装置とその制御システムの一つの実施形態の模式図である。 図２（Ａ）は、本発明による半導体装置用の沸騰冷却装置の別の実施形態の模式図であり、図２（Ｂ）は、本発明による沸騰冷却装置の制御システムの別の実施形態の模式図である。 図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、本発明による半導体装置用の沸騰冷却装置の制御システムに於ける制御処理のいくつかの例をフロートチャートの形式にて表した図である。 図４は、半導体装置用の沸騰冷却装置の模式図である。

１０…冷却装置
１２…パワー・モジュール（半導体装置）
１４…冷媒槽
１８…凝縮器
２０…冷媒タンク
２２…冷媒用ポンプ
２４…圧力センサ
２６…温度センサ
４０…車両駆動用制御装置（ＥＣＵ）
５０…パワー・モジュール駆動用電子制御装置（ＥＣＵ）
６０…沸騰冷却装置用電子制御装置
Ｃ…冷媒液体相
Ａ…冷媒気体相

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

沸騰冷却装置の構成
図１は、本発明による電力用半導体素子を担持する半導体装置、特に、ハイブリッドカーや電気自動車などのモータ、発電機等の電機（図示せず）の電流を制御するパワー・モジュール１２（半導体装置）のための沸騰冷却装置１０とその制御システムを模式的に表した図である。同図を参照して、本発明による冷却装置１０に於いては、基本的には、従来の装置と同様に、半導体素子の実装されたモジュール１２が冷媒槽１４内にて冷媒の液体相Ｃに浸漬又は液封される。冷媒としては、例えば、フッ素系不活性液体、エタノール、水、それらの混合物等であってよい。そして、車両の運転中に、車両駆動用電子制御装置（ＥＣＵ）４０が、運転者による操縦入力、例えば、アクセルペダル又はブレーキペダルの踏込量や、車速、エンジンと電機との駆動軸の機械的連結を達成する差動装置の状態、バッテリの状態などの情報に基づいて任意の態様にて電機（モーター）に対してトルクを要求すると（トルク指令）、これに応答して、パワー・モジュール駆動用電子制御装置５０が、パワー・モジュール１２の電力用半導体素子の各々に対して、トルク指令に対応した電流、電圧及びスイッチング周波数にて電力用半導体素子の各々が動作するよう選択的に制御信号を与える。なお、車両駆動用電子制御装置４０及びパワー・モジュール駆動用電子制御装置５０は、通常の形式の、双方向コモン・バスにより相互に連結されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート装置を有するマイクロコンピュータ及び駆動回路から構成されるものであってよい。上記の処理は、それぞれ、コンピュータ・プログラムに従ったＣＰＵ等の処理作動に於いて実現される。

かくして、電力用半導体素子は、パワー・モジュール駆動用電子制御装置５０からの制御信号を受信すると、これに応答して、対応する電機に電流を流通させる。その結果、半導体素子に於ける電流の流通に伴って、半導体素子とそれらを担持するパワー・モジュール１２が発熱して温度が上昇すると、冷媒液体が沸騰し、その際の気化潜熱により、パワー・モジュール１２から熱を奪い、これにより、パワー・モジュール１２の冷却が為される。そして、気化した冷媒（冷媒気体相Ａ）は、上昇して、凝縮器１８に到達する。凝縮器１８には、その内部に室温〜６０℃程度の別の冷却用の液体（エタノール、水又はそれらの混合物）が流通しており、凝縮器１８に接触した冷媒気体は、凝縮して液化して落下し、再び、冷媒液体相Ｃに戻ることとなる。

上記の如き沸騰冷却装置１０に於いて、既に触れた如く、冷媒の沸騰が進んで、冷媒槽１４内の圧力が上昇すると、冷媒の沸点が上昇し、パワー・モジュール１２の温度が相当に高くなるまで沸騰が発生しないこととなり、著しく冷却性能が低下することとなる。そこで、既に触れた如く、従前では、例えば、冷媒槽１４内の圧力を監視して冷媒槽１４内の圧力を常に大気圧以下に減圧する構成（特許文献１）や、冷媒槽１４内の圧力が上昇すると、凝縮器１８の冷却性能を増大させ、冷媒気体を凝縮して減圧する構成（特許文献２）などが提案されていた。しかしながら、これらの従前の構成に於いては、冷媒槽１４内の圧力の上昇が実際に生じてから、冷却性能の低下の抑制のための制御が実行されることとなるので、パワー・モジュール１２の温度上昇に対して、冷却性能の増大が遅延することとなる。また、常に冷却性能を高い状態に維持すべく、冷媒槽１４内を減圧しておくと、冷媒液体量が減って、液枯れ状態（パワー・モジュール１２が冷媒液体から露出した状態）が生じ、反って冷却性能が低下する可能性がある。

そこで、本実施形態の冷却装置１０に於いては、端的に述べれば、パワー・モジュール駆動用電子制御装置５０からパワー・モジュール１２に於いて発生させられるべき電流及び／又は電圧の値（目標値）と動作周波数（スイッチング周波数又はキャリヤ周波数）、或いは、それらを導出し若しくはそれらから導出される情報を参照して、電力用半導体素子に於いて発生する熱量を予想し、その予想される発熱量（予想発熱量）に基づいて、冷媒槽１４内の圧力の制御が実行される。冷媒槽１４内の圧力の制御は、冷媒槽１４と冷媒タンク２０とを管２１にて接続し、その管２１に冷媒気体を選択的にいずれかの方向に流通させる圧力調整用ポンプ２２を作動して、冷媒槽１４に於いて冷媒の流出入させることにより達成されてよい。圧力調整用ポンプ２２は、端的に述べれば、沸騰冷却装置用電子制御装置６０がパワー・モジュール駆動用電子制御装置５０からパワー・モジュール１２に於いて発生させられるべき電流Ｉｔ、電圧Ｖｔ、動作周波数ｆ等の情報を取得し、それらの情報に基づいて決定される予想発熱量が大きいときには、冷媒槽１４から冷媒タンク２０へ冷媒気体を流出させる方向に作動され、予想発熱量が大きくなく且つ冷媒槽１４の内圧が低いときには、冷媒タンク２０から冷媒槽１４へ冷媒気体を流入させる方向に作動され、これにより、冷媒槽１４内の冷媒気体の量を調節することにより、冷媒槽１４内の圧力が減圧又は増圧されることとなる。なお、沸騰冷却装置用電子制御装置６０は、好適には、後により詳細に説明される如く、予想発熱量と共に、冷媒槽１４内の実際の圧力Ｐと、パワー・モジュール１２の温度Ｔとを更に参照して、圧力調整用ポンプ２２の作動を制御するように構成されていてよい。冷媒槽１４内の実際の圧力Ｐは、冷媒槽１４に取り付けられた任意の形式の圧力センサ２４を用いて検知されてよい。パワー・モジュール１２の温度Ｔは、温度センスダイオード又はサーミスタ等を用いて検知されてよい。沸騰冷却装置用電子制御装置６０は、通常の形式の、双方向コモン・バスにより相互に連結されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート装置を有するマイクロコンピュータ及び駆動回路から構成されるものであってよく、上記の処理は、それぞれ、コンピュータ・プログラムに従ったＣＰＵ等の処理作動に於いて実現される。

ところで、冷媒槽１４内の圧力制御は、図２（Ａ）に模式的に例示されている如く、冷媒タンク２０、管２１及びポンプ２２を冷媒槽１４の液体相Ｃに接続し、冷媒液体を冷媒槽１４に於いて流出入させることにより達成されてもよい。また、ポンプ２２の作動を制御する沸騰冷却装置用電子制御装置６０は、図２（Ｂ）に模式的に例示されている如く、車両駆動用電子制御装置４０から電機に対する制御指令（トルク目標値等）を参照して、半導体素子に於いて大きな電流が流通し発熱量の増減状態を検知し、その情報に基づいて圧力調整用ポンプ２２の作動制御を実行するようになっていてもよい。その場合、電機に対する制御指令から予想発熱量を決定してから、予想発熱量に基づいて圧力調整用ポンプ２２の作動制御を実行してもよく、或いは、電機に対する制御指令に基づいて圧力調整用ポンプ２２の作動制御を実行してもよい。（この場合、車両駆動用電子制御装置４０は、電機の作動を制御する電機作動制御部に相当し、電機に対するトルク目標値等の制御指令が電機の作動状態を表す電機作動状態量に相当する。）

圧力制御の構成（装置の作動）
沸騰冷却装置用電子制御装置６０による冷媒槽１４内の圧力制御は、例えば、図３（Ａ）〜（Ｃ）に例示されたフローチャートのいずれかによる処理によって達成されてよい。いずれのフローチャートに記載された処理も、車両の走行中、所定のサイクル時間にて反復して実行される。

図３（Ａ）のフローチャートにて示された実施形態に於いては、沸騰冷却装置用電子制御装置６０は、まず、パワー・モジュール駆動用電子制御装置５０からパワー・モジュール１２に於いて発生させられるべき電流Ｉｔ、電圧Ｖｔ、動作周波数ｆ等の情報（電流及び電圧の目標値）を取得するか、車両駆動用電子制御装置４０からトルク目標値等の電機に対する制御指令（電機作動状態量）を取得して、パワー・モジュール１２の電力用半導体素子に於いて発生される予想発熱量Ｅｓを決定する（ステップ１０）。予想発熱量の決定は、例えば、沸騰冷却装置用電子制御装置６０のメモリに於いて、種々の電流Ｉｔ、電圧Ｖｔ及び動作周波数ｆの組合せ、或いは、種々のトルク目標値を変数として予め算出された予想発熱量の値のマップを準備しておき、かかるマップを参照して、逐次取得する変数に対応する予想発熱量を選択することにより為されてよい。予想発熱量Ｅｓが決定されると、予想発熱量Ｅｓが所定の発熱量基準値Ｅｔ（所定量又は第一の所定量）よりも大きいか否かが判定される（ステップ２０）。そして、予想発熱量Ｅｓが発熱量基準値Ｅｔよりも大きい場合、現在の冷媒槽１４内の圧力Ｐが所定の基準圧力値Ｐｔ１（第一の所定圧）よりも大きいときには（ステップ３０）、圧力調整用ポンプ２２を作動して、冷媒槽１４から冷媒を冷媒タンク２０へ流出させ、これにより、冷媒槽１４内の圧力Ｐが低減される（ステップ５０）。そして、かかる圧力調整用ポンプ２２の作動は、冷媒槽１４内の圧力Ｐが所定の基準圧力値Ｐｔ１を下回るまで実行される（ステップ３０）。なお、所定の基準圧力値Ｐｔ１は、冷媒の沸点が、半導体素子の動作許容温度（半導体素子が正常に動作する温度の上限。典型的には、１５０℃程度。シリコンカーバイド素子の場合には３００℃程度。）を確実に下回るように、例えば、５０℃〜１００℃の範囲内となるように設定される。

一方、予想発熱量Ｅｓが発熱量基準値Ｅｔよりも小さい場合（ステップ２０）、半導体素子の温度は、然程に上昇しないと考えられるので、冷媒の沸点の低減は実行されなくてよい。しかしながら、その場合、冷媒の冷媒槽１４内の圧力Ｐが既に相当に低くなっていると、冷媒の気化が進行して液枯れが生じ得る。そこで、冷媒の冷媒槽１４内の圧力Ｐが所定の基準圧力値Ｐｔ２（第二の所定圧）よりも低い場合には（ステップ６０）、圧力調整用ポンプ２２を作動して、冷媒タンク２０から冷媒を冷媒槽１４へ流入させ、これにより、冷媒槽１４内の圧力Ｐの増大が実行されてよい（ステップ７０）。冷媒の冷媒槽１４への流入は、冷媒の冷媒槽１４内の圧力Ｐが所定の基準圧力値Ｐｔ２に達するまで実行されてよい（ステップ６０、７０）。所定の基準圧力値Ｐｔ２は、例えば、大気圧程度、或いは、冷媒の沸点が、例えば、１００℃〜１２０℃の範囲内となるように設定される。

ところで、予想発熱量Ｅｓが発熱量基準値Ｅｔよりも小さい場合（ステップ２０）でも、パワー・モジュール１２の電力用半導体素子の温度が既に相当に高くなっている場合には、沸騰を促進して冷却性能を上昇させた方が好ましい。そこで、図中、点線にて示されている如く、予想発熱量Ｅｓが発熱量基準値Ｅｔよりも小さい場合でも、パワー・モジュール１２の温度Ｔが所定の温度基準値Ｔ１を上回っているときには、前記の冷媒槽１４内の圧力を低減する処理（ステップ３０、５０）が実行されるようになっていてよい。

図３（Ｂ）に記載の処理は、図３（Ａ）の処理の修正であり、予想発熱量Ｅｓが発熱量基準値Ｅｔよりも小さく（ステップ２０）且つパワー・モジュール１２の温度Ｔが所定の温度基準値Ｔ１を下回っているときに、予想発熱量Ｅｓが、発熱量基準値Ｅｔよりも更に小さい発熱量基準値Ｅｔ’（第二の所定量）を下回っている場合に（ステップ４５）、前記の冷媒槽１４内の圧力Ｐの増大処理（ステップ６０、７０）が実行される。この場合、予想発熱量Ｅｓが発熱量基準値Ｅｔ’を上回っているときには、基本的には、冷媒槽１４内の圧力Ｐの増大処理は実行されないが、パワー・モジュール１２の温度Ｔが、所定の温度基準値Ｔ１よりも十分に低い所定の温度基準値Ｔ２を下回っているときには、パワー・モジュール１２の過熱状態が急激に発生する可能性が低いので、図中、点線にて示されている如く、冷媒槽１４内の圧力Ｐの増大処理は実行されるようになっていてよい（ステップ８０）。かかる構成によれば、圧力調整用ポンプ２２の作動機会が必要最小限に抑えられ、エネルギーの節約が期待される。

図３（Ｃ）に例示の処理に於いては、図３（Ａ）の場合と同様に予想発熱量を決定した後（ステップ２１０）、予想発熱量に対応して冷媒槽内圧力の目標値Ｐｔが決定される（ステップ２２０）。冷媒槽内圧力の目標値Ｐｔの決定は、予想発熱量を変数として予め決定された予想発熱量の値のマップから、ステップ２１０にて逐次決定される予想発熱量に対応して冷媒槽内圧力の目標値Ｐｔを選択する態様にて実行されてよい。かくして、冷媒槽内圧力の目標値Ｐｔが決定されると、現在の冷媒槽内の圧力Ｐが目標値Ｐｔを上回っているときには、圧力調整用ポンプ２２を駆動して、冷媒槽１４からの冷媒の排出が実行され（ステップ２３０）、現在の冷媒槽内の圧力Ｐが目標値Ｐｔを下回っているときには、圧力調整用ポンプ２２を駆動して、冷媒槽１４への冷媒の流入が実行される。（ステップ２４０）。なお、図３（Ｃ）の処理の場合にも、パワー・モジュール１２の温度Ｔを参照して、冷媒の排出処理及び冷媒の流入処理の実行が変更されてもよい。例えば、Ｐ＜Ｐｔであっても、パワー・モジュール１２の温度Ｔ＞基準温度Ｔ１が成立しているときには、冷媒の排出実行又は冷媒の流入中止が為され、沸点の低減が実行されてよく、逆に、Ｐ＞Ｐｔであっても、パワー・モジュール１２の温度Ｔが相当に低いときには、冷媒の排出の中止が為されてよい。

かくして、上記の本発明の沸騰冷却装置の構成に於いては、パワー・モジュール１２の予想発熱量に基づいて冷媒槽１４内の圧力が制御される。そして、予想発熱量が高いときには、冷媒槽１４内の圧力が実際に高くなる前に沸点の上昇が抑制されるよう圧力制御が為されるので、半導体素子の発熱及び温度上昇に対して迅速に高い冷却性能が提供されることとなる。また、一方、予想発熱量が高くないときには、冷媒の液枯れを防止できるよう冷媒槽１４内の圧力制御が為されることとなる。即ち、上記の構成によれば、半導体素子の温度上昇による冷媒槽１４内の圧力の上昇を待ってから圧力を制御するのでなく、予想発熱量を参照して、半導体素子の温度上昇を事前に予測し、半導体素子の温度上昇に先回りして、それに遅れることなく、冷却性能の上昇が達成される。また、高い冷却性能が要求されないときには、不必要な冷媒の気化の進行による液枯れが防止できることとなる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

例えば、図３のフローチャートの処理に於いては、予想発熱量を決定した後、予想発熱量が基準値と比較され、圧力制御の実行不実行及び冷媒の流通方向が決定されているが、電機に対するトルクの目標値は、半導体素子に於ける発熱量に対応するので、電機に対するトルクの目標値値又はそれに準ずるその他の制御指令を参照して、半導体素子に於ける発熱量が大きくなると予測されるときに冷媒槽内圧力を低減し、半導体素子に於ける発熱量が大きくならないときには、必要に応じて冷媒槽内へ冷媒を流入させるようになっていてもよい。重要なことは、半導体素子に於ける温度上昇を、それが実際に起きる前に事前に検知し、冷媒槽内の圧力制御を実行するという点である。また、冷媒の流出入について、冷媒槽からの冷媒の流出は、圧力の低減が目的なので、冷媒気体にて行い、冷媒槽への冷媒の流入は、冷媒液体の補給が目的なので、冷媒液体にて行うよう構成されていてもよい。更に、予想発熱量に基づく冷媒槽内の圧力制御は、凝縮器１８の冷却性能の増減によって達成されてもよい（凝縮器１８の冷却性能を増大すると、冷媒槽内の圧力は低減される。）。凝縮器１８の冷却性能の増減は、凝縮器１８内を流通する冷媒の流量や温度を制御することにより達成可能である。

Claims (9)

1. 冷媒槽内にて電力用半導体素子を含む半導体装置を冷媒液体中に浸漬し、前記冷媒液体の沸騰による気化潜熱により前記電力用半導体素子を含む半導体装置を冷却する半導体装置用の冷却装置であって、前記電力用半導体素子の予想発熱量を決定する手段と、前記予想発熱量に基づいて前記冷媒槽内の圧力を増減制御する手段とを含むことを特徴とする装置。
2. 請求項１の装置であって、前記冷媒槽内の圧力を増減制御する手段が前記冷媒槽内の前記冷媒の量を調節することにより、前記冷媒槽内の圧力を増減することを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２の装置であって、前記電力用半導体素子の予想発熱量を決定する手段が前記電力用半導体素子に生じる電流又は電圧の目標値に基づいて前記予想発熱量を決定することを特徴とする装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかの装置であって、更に、前記電力用半導体素子の温度を検出する手段を含み、前記電力用半導体素子の温度に基づいて前記冷媒槽内の圧力が増減されることを特徴とする装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかの装置であって、前記予想発熱量が高いとき、前記冷媒槽内の圧力が、前記予想発熱量が低いときに比して低減されることを特徴とする装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかの装置であって、前記予想発熱量が第一の所定量より高いとき、前記冷媒槽内の圧力が第一の所定圧まで低減されることを特徴とする装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかの装置であって、前記予想発熱量が第二の所定量より低いとき、前記冷媒槽内の圧力が第二の所定圧まで増大されることを特徴とする装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかの装置であって、前記電力用半導体素子が電機に流通する電流を制御するための素子であり、前記電機の作動を制御する電機作動制御部により決定された、前記電機の作動状態を表す電機作動状態量に基づいて前記予想発熱量を決定することを特徴とする装置。
9. 冷媒槽内にて電力用半導体素子を含む半導体装置を冷媒液体中に浸漬し、前記冷媒液体の沸騰による気化潜熱により前記電力用半導体素子を含む半導体装置を冷却する半導体装置用の冷却装置であって、前記電力用半導体素子が電機に流通する電流を制御するための素子であり、前記電機の作動を制御する電機作動制御部により決定された、前記電機の作動状態を表す電機作動状態量に基づいて前記冷媒槽内の圧力を増減制御する手段を含むことを特徴とする装置。
   

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