JP2013089924A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】いずれの方向に傾斜しても半導体モジュールを冷却可能な沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷媒液３２とともに封入する圧力タンク３と、圧力タンク３の上方に配設されるとともに半導体モジュール２の発熱により発生する冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器４とを備える沸騰冷却装置１である。複数の半導体モジュール２は、鉛直軸１０を中心として回転対称に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の半導体モジュールと、冷媒液を封入した圧力タンクと、該圧力タンクの上方に配設される凝縮器とを備えた沸騰冷却装置に関する。

冷媒液の蒸発熱を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置が知られている。沸騰冷却装置は、発熱体から発生する熱を、冷媒槽に封入された冷媒液が沸騰する時の気化熱として吸収する。そして、気化した冷媒が冷媒槽と連通した凝縮器において冷却され、液化することにより、冷媒液を冷媒層へ還流させるとともに装置外へ熱を放出できるよう構成されている。

このような沸騰冷却装置を自動車等に適用しようとする場合、積載スペースが限られるため、小型のものが望まれている。小型の沸騰冷却装置の例としては、特許文献１に開示される、冷却槽と放熱部とを一体気密構造とすることにより小型化を図ったものがある。

また、沸騰冷却装置が水平面に対して傾斜すると、冷媒液の偏りが生じる。この場合、発熱体が冷媒液の液面から露出することにより、発熱体が冷却されなくなるおそれがある。そのため、傾斜時にも冷却が行われるよう構成された沸騰冷却装置の例として、特許文献２及び３に開示される、冷媒層の内部にインナフィンやブロック状の液面制御部材を設けたものがある。また、特許文献４に開示される沸騰冷却装置は、一対の放熱器における各々の端部を特定の位置に配設することにより、装置が傾斜した場合においても発熱体の冷却を行えるよう構成されたものである。

特開平７−１０６４７８号公報 特開平８−１８６２０８号公報 特許第４３７５１２４号公報 特開平１０−１５４７８１号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示された沸騰冷却装置は、複数の発熱体が特定の方向に配列されているため、沸騰冷却装置が発熱体の配列方向に長尺な形状となる。それ故、沸騰冷却装置が水平面に対して上記配列方向に傾斜すると、冷媒槽における冷媒液の偏りが大きくなり、特に配列方向の端部に近くなるほど冷媒液が不足するおそれがある。その結果、配列方向の端部に配置される発熱体が十分に冷却されなくなるおそれがある。

また、特許文献２に開示された沸騰冷却装置では、瞬間的な傾斜に対してはインナフィンが冷媒液の偏りを低減するかもしれないが、傾斜が長時間継続する場合には、冷媒液の偏りが大きくなる。特許文献３に開示された沸騰冷却装置では、わずかな傾斜の場合には対応できるかもしれないが、傾斜が大きくなった場合には液面の偏りが大きくなるおそれがある。

また、特許文献４に開示された沸騰冷却装置は、発熱体を装置のごく限られた位置にしか配置できない。そのため、多数の半導体モジュールを用いる場合には、装置が大型化してしまうため、自動車等に積載することができなくなる。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたもので、いずれの方向に傾斜しても半導体モジュールを冷却可能な沸騰冷却装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷媒液とともに封入する圧力タンクと、該圧力タンクの上方に配設されるとともに上記半導体モジュールの発熱により発生する上記冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器とを備える沸騰冷却装置において、
上記複数の半導体モジュールは、鉛直軸を中心として回転対称に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置にある（請求項１）。

上記沸騰冷却装置は、上記圧力タンクに内蔵される複数の半導体モジュールが鉛直軸を中心として回転対称に配置されている。これにより、上記圧力タンクの形状を特定方向に長尺にする必要がなくなるため、上記沸騰冷却装置の傾斜に伴う冷媒液の偏りが傾斜の向きによって変化することを抑制できる。また、複数の半導体モジュールが特定の方向に配列されるわけではないので、いずれの方向に上記沸騰冷却装置が傾斜しても、複数の半導体モジュール間の高低差が小さくなるようにすることができる。その結果、上記沸騰冷却装置の傾斜方向がいずれの方向であっても、上記複数の半導体モジュールの各々が冷媒液に浸漬された状態を実現することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、いずれの方向に傾斜しても半導体モジュールを冷却可能な沸騰冷却装置を提供することができる。

実施例１における、鉛直軸を含む平面における沸騰冷却装置の断面図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 図１のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例１における、沸騰冷却装置が鉛直軸に対して傾斜した場合の冷媒液の偏りを示す断面図。 実施例２における、圧力タンク内の半導体モジュールの配置を示す断面図。

上記沸騰冷却装置において、上記圧力タンク及び上記凝縮器は上記鉛直軸を中心として回転対称な形状とすることができ、更に好ましくは円筒形とすることができる。この場合、上記沸騰冷却装置の傾斜に伴う冷媒液の偏りが傾斜の向きによって変化することをより効果的に抑制できる。

また、上記半導体モジュールは、上記鉛直軸を中心として放射状に配置されていてもよい（請求項２）。
この場合には、圧力タンク内において、上記鉛直軸を中心として半導体モジュールを回転対称に配置しやすい。そのため、上記沸騰冷却装置の傾斜方向がいずれの方向であっても、上記複数の半導体モジュールの各々が冷媒液に浸漬された状態を確実に実現することができる。

また、上記半導体モジュールは、その冷却面が上記鉛直軸と平行となるように配置されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記半導体モジュールの熱を吸収することにより上記冷却面に発生する上記冷媒液の気泡が、上記半導体モジュールに妨げられることなく浮上することができる。その結果、上記冷却面に上記冷媒液を滞りなく供給することができるため、上記半導体モジュールを効率よく冷却することが可能となる。

また、上記半導体モジュールの主電極端子に接続される一対の直流バスバーのうちの一方は、上記圧力タンク内において上記鉛直軸上に配置されていてもよい（請求項４）。
この場合には、複数の半導体モジュールと直流バスバーとの接続を簡単な構成で実現することができる。そして、上記主電極端子と上記直流バスバーとが形成する電流経路を短くすることができる。その結果、上記主電極端子と上記直流バスバーとが形成する電流経路に起因する内部インダクタンスを低減することができる。

また、上記鉛直軸上に配置される上記直流バスバーの両端は、絶縁支持体を介して上記圧力タンクに支持されていてもよい（請求項５）。
この場合には、鉛直軸上に配置された上記一方のバスバーを、上記圧力タンクの構造部材として機能させることができる。その結果、上記圧力タンクの強度を高め、特に外圧に対して強い構造にすることができる。

また、上記圧力タンク内には、上記半導体モジュールの動作を制御する制御回路基板を備えていてもよい（請求項６）。
この場合には、上記制御回路基板と上記半導体モジュールとを簡単な構成で接続できるとともに、両者間の配線を短くすることができる。その結果、上記制御回路基板から送信する制御信号を、遅延することなく上記半導体モジュールに伝達することができる。

また、上記圧力タンク内には、上記半導体モジュールに入力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサを備えていてもよい（請求項７）。
この場合には、上記平滑コンデンサと上記半導体モジュールとを簡単な構成で接続できるとともに、両者間の配線を短くすることができる。その結果、上記平滑コンデンサと上記半導体モジュールとの間の電流経路に起因する内部インダクタンスを低減することができる。また、上記平滑コンデンサを上記半導体モジュールとともに冷却することができる。

また、上記平滑コンデンサは、上記複数の半導体モジュールの上方に配置されていてもよい（請求項８）。
この場合には、上記冷媒液の液面に近い位置に上記平滑コンデンサが配置されるとともに、上記複数の半導体モジュールを上記冷媒液の液面から離れた位置に配置することができる。その結果、上記複数の半導体モジュールが上記冷媒液に浸漬される状態をより確実に実現することができる。

また、上記沸騰冷却装置は、自動車に搭載されていてもよい（請求項９）。
上記沸騰冷却装置は、上述したごとく、あらゆる方向の傾斜に対して上記半導体モジュールの冷却を実現できるよう構成されている。そのため、上記沸騰冷却装置は、路面状況によって様々な方向に傾斜しうる自動車に搭載される場合に好適である。

（実施例１）
上記沸騰冷却装置の実施例について、図１〜図４を用いて説明する。本例の沸騰冷却装置１は、図１に示すごとく、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷媒液３２とともに封入する圧力タンク３とを備えている。また、該圧力タンク３の上方には、半導体モジュール２の発熱により発生する冷媒液３２の蒸気を凝縮させる凝縮器４が配設されている。そして、図２に示すごとく、複数の半導体モジュール２は、鉛直軸１０を中心として回転対称に配置されている。

沸騰冷却装置１は、鉛直軸１０を中心として回転対称に構成されている。つまり、圧力タンク３及び凝縮器４はいずれも鉛直軸１０を中心とする略円筒形状をなしている。圧力タンク３と凝縮器４との接合部４０はロウ付けにより接合されており、冷媒液３２が沸騰冷却装置１の外部へ漏れ出さないよう構成されている。また、圧力タンク３内には、図１に示すごとく、複数の半導体モジュール２及びこれらに各々接続される制御回路基板２２０と、平滑コンデンサ５と、一対の直流バスバー６とが収容されているとともに、冷媒液３２が封入されている。そして、半導体モジュール２と制御回路基板２２０と平滑コンデンサ５とが冷媒液３２に浸漬されている。なお、冷媒液３２としては、例えばフロリナートやＨＦＣ等の電気絶縁性を示す液体を使用することができる。

圧力タンク内に封入される半導体モジュール２は、図１に示すごとく、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子を樹脂モールドしてなる略直方体形状のモールド部２０と、一対の主電極端子２１と、一対の制御端子２２と、外部接続端子２３とから構成される。半導体モジュール２は、１枚につきそれぞれ２個の半導体素子（スイッチング素子）を内蔵している。一対の主電極端子２１は、モールド部２０の主面に対して垂直な側面から突出形成されており、一対の制御端子２２及び外部接続端子２３は、主電極端子２１とは反対側に突出形成されている。また、モールド部２０の両主面には、銅などの金属が樹脂部より露出してなる冷却面２４が設けられている。

この半導体モジュール２は、図２に示すごとく、圧力タンク３内において鉛直軸１０を中心として放射状に複数配置されている。また、半導体モジュール２の冷却面２４が鉛直軸１０と平行になっているとともに、一対の主電極端子２１が径方向内側、すなわち鉛直軸１０側を向いている。そして、半導体モジュール２における一対の主電極端子２１が、一対の直流バスバー６と各々接続されている。なお、本例においては、８枚の半導体モジュール２を放射状に配置している。

一方、一対の制御端子２２は、図２に示すごとく直流バスバー６に対して径方向外側に突出しており、１枚の半導体モジュール２について各々１枚の制御回路基板２２０が接続されている。また、隣り合う制御回路基板２２０間が信号線２２１により互いに接続されるとともに、圧力タンク３の下部において圧力タンク３の底壁３０を貫通するよう設けられた外部ターミナル３００と接続されている。これにより、制御回路基板２２０に制御信号を入力し、各々の半導体モジュール２の動作を制御することができるよう構成されている。

また、制御端子２２と同様に直流バスバー６に対して径方向外方に突出している外部接続端子２３も、底壁３０を貫通するよう設けられた外部ターミナル３０１と適宜接続されている。外部接続端子２３と接続された外部ターミナル３０１には、電源からの入力端子や負荷機器への出力端子等が適宜接続される。これにより、沸騰冷却装置１内における半導体モジュール２、平滑コンデンサ５等からなるインバータ等の電力変換装置を動作させることが可能となる。

圧力タンク３に配設される一対の直流バスバー６のうちの一方である負極バスバー６０は、図１に示すごとく、鉛直軸１０上に配置される円柱状の導体である。負極バスバー６０の両端には各々絶縁支持体７が取り付けられており、絶縁支持体７を介して鉛直軸１０上に固定されている。また、一対の直流バスバー６のうちの他方である正極バスバー６１は、鉛直軸１０を中心とする円筒状の導体であり、その筒内を上記の負極バスバー６０が貫通している。

絶縁支持体７は、セラミック製の円柱状部品であり、該円柱の軸を中心として、負極バスバー６０の両端と嵌合可能に形成された凹部を有している。図１に示すごとく、絶縁支持体７のうち、負極バスバー６０の下端を支持する下側絶縁支持体７０は、圧力タンク３の下方に形成された底壁３０に固定されている。また、負極バスバー６０の上端を支持する上側絶縁支持体７１は、凝縮器４内に配設される絶縁支持体サポート７２に固定されている。

絶縁支持体サポート７２は、凝縮器４の下端、すなわち圧力タンク３と溶接される部分の内側に設けられた略円板状の部品である。絶縁支持体サポート７２は、図３に示すごとく、その中心部に上側絶縁支持体７１を嵌合可能な大きさの支持体保持凹部７２０を有している。そして、絶縁支持体サポート７２における支持体保持凹部７２０を除いた円板部には、厚み方向に貫通した冷媒通路７２１が設けられている。これにより、凝縮器４と圧力タンク３との間を連通させつつ、負極バスバー６０を鉛直軸１０上に固定している。

また、凝縮器４の側面には、図１に示すごとく、放熱フィン４１が形成されている。放熱フィン４１は、鉛直軸１０を中心とする円板状の複数の放熱板４１０が、適宜間隔をあけつつ鉛直軸１０方向に積層されることにより構成されている。

平滑コンデンサ５は、図１に示すごとく、半導体モジュール２の上方、すなわち半導体モジュール２に比べて相対的に冷媒液３２の液面３２０に近い位置に配置されている。平滑コンデンサ５は、鉛直方向に貫通する穴部５２を有しており、該穴部５２には鉛直軸１０上に配された負極バスバー６０が挿通されている。そして、平滑コンデンサ５の上面に形成された一方の電極５０が負極バスバー６０と接続され、下面に形成された他方の電極５１が正極バスバー６１と接続されている。これにより、平滑コンデンサ５と複数の半導体モジュール２とが電気的に接続されている。また、圧力タンク３内における半導体モジュール２の下方には、例えばリアクトル等の電子部品を配置してもよい（図示略）。

この沸騰冷却装置１は、図１に示すごとく、水平面に対して傾斜のない状態において、圧力タンク３の底壁３０から平滑コンデンサ５の一方の電極５０までが冷媒液３２に浸漬されている。しかしながら、例えば自動車等に搭載される場合には、沸騰冷却装置１が水平面に対して様々な方向に傾斜し得る。例えば沸騰冷却装置１が鉛直軸１０に対して３０°傾斜した場合には、図４に示すごとく、冷媒液３２の液面３２０が装置中心軸１００に対して傾斜するが、半導体モジュール２は冷媒液３２に浸漬された状態を維持している。

次に、本例の作用効果について説明する。沸騰冷却装置１は、図２に示すごとく、圧力タンク３に内蔵される複数の半導体モジュール２が、鉛直軸１０を中心として回転対称に配置されている。これにより、圧力タンク３の形状を特定方向に長尺にする必要がなくなるため、沸騰冷却装置１の傾斜に伴う冷媒液３２の偏りが傾斜の向きによって変化することを抑制できる。また、複数の半導体モジュール２が特定の方向に配列されるわけではないので、いずれの方向に沸騰冷却装置１が傾斜しても、複数の半導体モジュール２間の高低差が小さくなるようにすることができる。

また、沸騰冷却装置１において、図２及び図３に示すごとく、圧力タンク３及び凝縮器４は、鉛直軸１０を中心として回転対称な形状、すなわち略円筒形としている。そのため、沸騰冷却装置１の傾斜に伴う冷媒液３２の偏りが、傾斜の向きによって変化することをより効果的に抑制できる。また、半導体モジュール２は、図２に示すごとく、鉛直軸１０を中心として放射状に配置されている。そのため、圧力タンク３内において、鉛直軸１０を中心として半導体モジュール２を回転対称に配置しやすい。そして、平滑コンデンサ５は、図１に示すごとく、複数の半導体モジュール２の上方に配置されている。そのため、冷媒液３２の液面３２０に近い位置に平滑コンデンサ５が配置されるとともに、複数の半導体モジュール２を冷媒液３２の液面３２０から離れた位置に配置することができる。以上の結果、沸騰冷却装置１の傾斜方向がいずれの方向であっても、複数の半導体モジュール２の各々が冷媒液３２に浸漬された状態をより確実に実現することができる。

また、半導体モジュール２は、図２に示すごとく、その冷却面２４が鉛直軸１０と平行となるように配置されている。そのため、半導体モジュール２の熱を吸収することにより冷却面２４に発生する冷媒液３２の気泡が、半導体モジュール２に妨げられることなく浮上することができる。その結果、冷却面２４に冷媒液３２を滞りなく供給することができるため、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。

また、半導体モジュール２の主電極端子２１に接続される一対の直流バスバー６のうちの一方である負極バスバー６０は、図１に示すごとく、圧力タンク３内において鉛直軸１０上に配置されている。また、圧力タンク３内には、半導体モジュール２に入力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ５を備えている。そのため、複数の半導体モジュール２及び平滑コンデンサ５と直流バスバー６との接続を簡単な構成で実現することができ、これらの３者間に形成される電流経路を短くすることができる。その結果、主電極端子２１と、平滑コンデンサ５と、直流バスバー６とが形成する電流経路に起因する内部インダクタンスを低減することができる。また、平滑コンデンサ５を半導体モジュール２とともに冷却することができる。

また、鉛直軸１０上に配置される負極バスバー６０の両端は、図１に示すごとく、絶縁支持体７を介して圧力タンク３に支持されている。そのため、鉛直軸１０上に配置された負極バスバー６０を、圧力タンク３の構造部材として機能させることができる。その結果、圧力タンク３の強度を高め、特に外圧に対して強い構造にすることができる。

また、圧力タンク３内には、図１に示すごとく、半導体モジュール２の動作を制御する制御回路基板２２０を備えている。そのため、制御回路基板２２０と半導体モジュール２とを簡単な構成で接続できるとともに、両者間の配線を短くすることができる。その結果、制御回路基板２２０から送信する制御信号を、遅延することなく半導体モジュール２に伝達することができる。

以上のごとく、本例によれば、いずれの方向に傾斜しても半導体モジュールを冷却可能な沸騰冷却装置を提供することができる。

また、沸騰冷却装置１は、自動車に搭載することができる。沸騰冷却装置１は、上述したごとく、あらゆる方向の傾斜に対して半導体モジュール２の冷却を実現できるよう構成されている。そのため、沸騰冷却装置１は、路面状況によって様々な方向に傾斜しうる自動車に搭載される場合に好適である。

（実施例２）
本例は、圧力タンク３内における半導体モジュール２の配置を変更した例である。本例における半導体モジュール２は、図５に示すごとく、冷却面２４が圧力タンク３の径方向に対して傾斜するように配置されている。そして、主電極端子２１の突出方向が直流バスバー６の中心軸からオフセットされている。その他は、実施例１と同様である。

本例のごとく半導体モジュール２を配置することで、隣り合う半導体モジュール２の間のデッドスペースを低減することができる。その結果、沸騰冷却装置１の小型化が容易となる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

なお、圧力タンク３内における半導体モジュール２の配置は、実施例１及び２に限ったものではなく、回転対称であればよい。また、圧力タンクの形状も、円筒形に限定されるものではない。つまり、沸騰冷却装置１がいずれかの方向に傾いたとしても、傾斜によって生じる半導体モジュール２間の高低差や、冷媒液３２の液面３２０の偏り等が、傾斜の方向によって実質的に変化することがない配置であればよい。実施例１、２以外の態様として考えられる具体的な半導体モジュール２の配置としては、例えば冷却面２４を圧力タンク３の外壁に沿うようにした配置等が考えられる。また、圧力タンク３の形状は、正方形あるいはその他の正多角形等にしてもよい。

１ 沸騰冷却装置
１０ 鉛直軸
２ 半導体モジュール
２２０ 制御回路基板
３ 圧力タンク
３２ 冷媒液
３２０ 液面
４ 凝縮器
６ 直流バスバー

Claims (9)

1. 半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷媒液とともに封入する圧力タンクと、該圧力タンクの上方に配設されるとともに上記半導体モジュールの発熱により発生する上記冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器とを備える沸騰冷却装置において、
   上記複数の半導体モジュールは、鉛直軸を中心として回転対称に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 請求項１に記載の沸騰冷却装置において、上記半導体モジュールは、上記鉛直軸を中心として放射状に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
3. 請求項２に記載の沸騰冷却装置において、上記半導体モジュールは、その冷却面が上記鉛直軸と平行となるように配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置において、上記半導体モジュールの主電極端子に接続される一対の直流バスバーのうちの一方は、上記圧力タンク内において上記鉛直軸上に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
5. 請求項４に記載の沸騰冷却装置において、上記鉛直軸上に配置される上記直流バスバーの両端は、絶縁支持体を介して上記圧力タンクに支持されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置において、上記圧力タンク内には、上記半導体モジュールの動作を制御する制御回路基板を備えていることを特徴とする沸騰冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置において、上記圧力タンク内には、上記半導体モジュールに入力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサを備えていることを特徴とする沸騰冷却装置。
8. 請求項７に記載の沸騰冷却装置において、上記平滑コンデンサは、上記複数の半導体モジュールの上方に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置において、自動車に搭載されることを特徴とする沸騰冷却装置。

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