JP2021112120A - 冷却システムおよびインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却システムの温度のバランスを改善する冷却システムおよびインバータを提供する。【解決手段】冷却システムは、矩形状の本体１と、本体内部に設けられた少なくとも２つの平行する蛇行流路２、３と、を備える。蛇行流路の少なくとも１つの蛇行流路における冷却剤の流れ方向は、他の蛇行流路における冷却剤の流れ方向に対向する。また、２つの隣接する蛇行流路における流れ方向は対向する。さらに、内側蛇行流路における流れ方向は外側蛇行流路における流れ方向に対向し、内側蛇行流路は、本体１の縁から離れた蛇行流路であり、外側蛇行流路は、本体１の縁に近い蛇行流路である。【選択図】図４

Description

本発明は、冷却システムおよびインバータ、特に高速スイッチング半導体装置用の冷却システムおよび電流バランスの良いインバータに関する。

従来、インバータの冷却システム１はプレート形状を有する。また、パワーチップ２（ＳｉＣデバイスなど）は、プレートの表面上に並列に固定されている。（図１において、Ｕ相３１、Ｖ相３２およびＷ相３３をそれぞれ表す三相のアプリケーションが示される。）冷却剤は、入口１１を通って冷却システムに流入し、出口１２を通って冷却システムから流出する。図２および図３を参照すると、２つの従来の蛇行冷却管が使用されている。冷却システムの同じ側に、入口１および出口２が設けられている。パワーチップは、これら蛇行冷却管に沿って設けられている。（図２および図３において、冷却剤の流れが矢印で示される。）したがって、パワーチップによって発生された熱は、冷却剤の流れ３によって放散される。しかしながら、熱交換プロセス中に冷却剤自体の温度が上昇し、これによって温度のアンバランスが発生する。そのため、出口付近の温度は入口付近の温度よりも高い。並列に配置されたパワーチップの数が増加するにつれて、温度の分布はより不均一になる。一般に、ＥＶ（Electric Vehicle／電気自動車）はより大きな電流を必要とし、より多くのＳｉＣデバイスを使用する。それらＳｉＣデバイスが、依然として並列に配置されている場合、温度のアンバランスに起因して、不均衡な電流が発生されるであろう。その結果、ＳｉＣデバイスの一部が破壊される可能性さえある。

温度のバランスを改善するために、冷却システムが開示される。冷却システムは、本体と、本体内部に設けられた少なくとも２つの平行する蛇行流路と、を備える。蛇行流路の少なくとも１つの蛇行流路における冷却剤の流れ方向は、他の蛇行流路における冷却剤の流れ方向に対向する。そうすることで、特に矩形の本体が使用される場合に、対向する冷却剤の流れによって、本体上の温度のバランスが良くなる。

本発明の別の態様によれば、インバータも開示される。インバータは、上述の冷却システムを備える。インバータは、本体の表面上に設けられた複数のパワーチップを更に備える。パワーチップの発熱面は、本体の表面に接触する。

三相のアプリケーションにおける並列パワーチップ配置を示す図である。 従来の冷却剤の流れを示す図である。 別の従来の冷却剤の流れを示す図である。 本発明の一実施形態における蛇行流路の配置を示す図である。 本発明の別の実施形態における蛇行流路の配置を示す図である。 ３つの蛇行流路が設けられた本発明の実施形態における冷却剤の流れを示す図である。 ４つの蛇行流路が設けられた本発明の実施形態における冷却剤の流れを示す図である。 ４つの蛇行流路が設けられた本発明の別の実施形態における冷却剤の流れを示す図である。 本発明の三相インバータのパワーチップ配置を示す図である。

ここで図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図４を参照すると、冷却システムは、矩形状の本体１と、本体１内部に設けられた第１蛇行流路２および第２蛇行流路３と、第１入口２１と、第１出口２２と、第２入口３１と、第２出口３２と、を備える。第１蛇行流路は、第１入口２１および第１出口２２と連通する。第２蛇行流路３は、第２入口３１および第２出口３２と連通する。第１蛇行流路２および第２蛇行流路３は、平行に配置されている。また、第１蛇行流路２における冷却剤の流れ方向は、第２蛇行流路３における冷却剤の流れ方向に対向する。２つの平行する蛇行流路において冷却剤の方向が対向しているため、冷却剤の温度のバランスが良くなる。

図４を参照すると、第１入口２１、第１出口２２、第２入口３１、および第２出口３２はすべて、本体１の同じ側にある。第１入口２１は、第２出口３２に隣接する。第２入口３１は、第１出口２２に隣接する。冷却剤の温度は、熱交換プロセス中に徐々に上昇する。したがって冷却剤は、流れるにつれて、より温度が高くなる。これによって温度勾配が発生する。対向する冷却剤の流れによって、この温度勾配を中和することができる。そのため、温度の均一性が本体に亘って改善される。

次に図５を参照すると、別の好適な実施形態が示される。冷却システムにおいて、本体１内部に、第１蛇行流路４および第２蛇行流路５が平行に設けられている。冷却剤は、第１入口４１を通って第１蛇行流路４に流入し、第１出口４２を通って第１蛇行流路４から流出する。同様に、冷却剤は、第２入口５１を通って第２蛇行流路５に流入し、第２出口５２を通って第２蛇行流路５から流出する。第１入口４１は第２出口５２に隣接する。第１出口４２は第２入口５１に隣接する。この実施形態において、各蛇行流路の入口および出口は、本体１の両側に設けられている。

より良い冷却結果を達成するために、複数の蛇行流路を設けることができる。図６〜図８を参照すると、３つの蛇行流路および４つの蛇行流路を備えた冷却システムが、それぞれ図示される。図６〜図８において、蛇行流路における冷却剤の流れのみが示される。蛇行流路自体は、省略されている。図６に示すように、２つの隣接する蛇行流路における冷却剤の流れ（矢印で示す）は対向する。冷却剤の流れ１０１および１０３は同じ流れ方向である。それに対して、冷却剤の流れ１０２は反対方向である。そうすることで、温度の均一性が本体全体に亘って改善される。

ここで図７を参照すると、別の好適な実施形態において、４つの蛇行流路が本体内部に設けられている。４つの冷却剤の流れが、図７に矢印で示される。２つの隣接する冷却剤の流れ（１０１および１０２、１０３および１０４など）は、対向する流れ方向である。

別の好適な実施形態において、図８を参照すると、冷却システムは、４つの蛇行流路をも備える。この場合、２つの内側蛇行流路における冷却剤は同一方向である。（冷却剤の流れ２０２および２０３を参照。）それに対して、２つの外側蛇行流路における冷却剤は、同一の対向する流れ方向である。（冷却剤の流れ２０１および２０４を参照。）内側蛇行流路は、本体の縁から離れた蛇行流路である。外側の蛇行流路は、本体の縁に近い蛇行流路である。更なる実施形態において、３つの蛇行流路における冷却剤が一方向に流れ、残りの蛇行流路における冷却剤が反対方向に流れるような、他の流れ方向の配置を使用することができる。蛇行流路の数は異なる用途で増減させることができる、と理解されたい。

ここで図９を参照すると、図７に示すような冷却システムを備えるインバータが図示される。インバータは、本体の表面上に設けられた複数のパワーチップ６００（破線のブロックとして示される）を更に備える。パワーチップ６００の発熱面は、本体の表面に接触する。特に、パワーチップが蛇行流路に対応する領域上に設けられている。パワーチップ６００のグループ６１、６２、および６３は、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相を表す。パワーチップのこの配置では、明らかに不均一な温度分布が発生しないため、電流バランスがより好適である。

いくつかの代替的な構造要素および処理ステップが、好適な実施形態のために提案されている。したがって、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、この説明は、本発明を例示するものであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は多様な変形および応用を想起しうる。

Claims (5)

1. 冷却システムであって、
   本体と、
   前記本体内部に設けられた少なくとも２つの平行する蛇行流路と、を備え、
   前記蛇行流路の少なくとも１つの蛇行流路における冷却剤の流れ方向は、他の蛇行流路における冷却剤の流れ方向に対向する、冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システムであって、２つの隣接する蛇行流路における流れ方向は対向する、冷却システム。
3. 請求項１に記載の冷却システムであって、内側蛇行流路における流れ方向は外側蛇行流路における流れ方向に対向し、前記内側蛇行流路は、前記本体の縁から離れた蛇行流路であり、前記外側蛇行流路は、前記本体の縁に近い蛇行流路である、冷却システム。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却システムを備えるインバータであって、前記本体の表面上に設けられた複数のパワーチップを更に備え、前記パワーチップの発熱面は、前記本体の表面に接触する、インバータ。
5. 請求項３に記載のインバータであって、前記パワーチップが前記蛇行流路に対応する領域上に設けられている、インバータ。

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