JP2022526554A - 冷却装置 - Google Patents
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Abstract
半導体パワーデバイスのようなパワーデバイスを冷却するための冷却装置は、ベースプレートの周囲に側壁を有するハウジング、およびベースプレートに対向するキャッピングプレートを備える。ハウジングは、ハウジングに配置されるインレットおよびアウトレットの間を冷却流体が流れることができるキャビティを形成する。キャビティ内で、キャビティを通る迷路のような経路に沿ってインレットおよびアウトレットの間を流れる冷却流体を強制するために配置される１つまたは複数のバッフルが提供される。バッフルのうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのスルーホールを含み、これは、冷却流体をバッフルの一方の側から他方の側に通過させることを可能とする。
Description
本発明は、冷却装置、具体的には、電力半導体に対して適する冷却装置に関する。
電力モジュールは、業界において多方面の電気機械を制御することに広く用いられる。過去１０年間において、電気モーターおよび発電機は、再生可能エネルギーの供給としての適用、およびＩＣエンジンと並行した交換または補助牽引ユニットとしての輸送における適用が増加している。
本発明は、熱の形態において、電源が廃エネルギーをより効率的に除去することによって操作されることが可能な範囲を改善することを目的としている。
電力モジュールは、ＤＣ－多相ＡＣ電源およびＡＣ－ＤＣ電源の重要な要素である電力半導体スイッチに高密度ソリューションを提供する利便な方法である。高密度の電力半導体のスイッチは、コンポーネントの局所温度を上昇させる熱損失の集中につながる。かなりのレベルの研究開発の努力が廃熱を除去するために集中されてきたことによって、電源をより高い限界まで運用されることが可能であり、それによって、電力密度が増加して、機械の信頼性が向上する。
主要な熱除去のソリューションは、ピンフィンが取り付けられたヒートシンクを採用する。流体（通常は水）は、パワーモジュールのピンフィンが突き出ているチャンバーを通過する。ピンフィンの配置は、大きな表面積ならびに、少量の乱流および熱を除去するための最良の利用可能な形態とみなされてきた少量の混合を提供するが、今日まで用いられてきた従来のアプローチは、流れる冷却剤の熱容量を十分に利用できなく、流体への熱伝達を増加させるために改善をすることが可能であると判断されてきた。
熱放散コンポーネントは、通常、流体によって連続的に冷却され、流体トラバースの終わりに向けてデバイスは、より高温の流体と出会って、効果的に冷却されないため、従来技術の熱除去の方法は、よくそれらの有効性が損なわれる。流体トラバースの終わりに向かうデバイスは、最初にその温度制限に達し、モジュール全体の定格は、最も高温のデバイスによって制限される。さらに、熱除去の差がパワーモジュールの寿命に悪影響を与えることになる、パワーデバイスにおける異なる熱応力につながる。
ピンフィンヒートシンクの重要な変数は、ピン自体によって引き起こされるインレットマニホールドおよびアウトレットマニホールドの間の圧力降下であり、冷却流体を冷却キャビティ内の低流量領域に導くことに用いられる偏向板によって悪化する。
従来技術において、提供されるピンフィン冷却の不全の観点から、パワー半導体を冷却するための改善された方法が必要であることが理解される。
本発明によれば、ベースプレート、ベースプレートの周囲の側壁、およびベースプレートに対向するキャッピングプレートを有するハウジングであって、ベースプレート、側壁およびキャッピングプレートは、冷却流体が流れることが可能である液体密封のキャビティを形成するように配置されているハウジングと、ベースプレートからキャビティへと突き出ているピンフィンのアレイと、キャビティと流体連通しているインレットおよびアウトレットであって、インレットおよびアウトレットの間に流れる冷却流体がピンフィンのアレイの上のキャビティを通って流れさせるように配置されているインレットおよびアウトレットと、ベースプレートおよびキャッピングプレートの間に延びて、インレットおよびアウトレットの間のキャビティを通って流れる場合に、冷却流体のための迷路のような経路を提供する、対向する側壁との間のベースプレートの一部に沿って延びる１つまたは複数のバッフルであって、バッフルのうちの少なくとも１つは、バッフルの一方の側から他方の側に冷却流体が通して流すことが可能である少なくとも１つのスルーホールを含む１つまたは複数のバッフルとを備える、冷却装置が提供される。
有利なことに、スルーホールを通して、バッフルを設けることは、周知の冷却装置と比較して優れた冷却機能を有する冷却装置を提供する。バッフルは、冷却流体の迷路のような経路を提供して、冷却流体をより多くのピンフィンを通過させるように強制して、バッフルにおけるスルーホールは、また、より多くの熱が冷却流体に渡されることができるため、冷却の利点も提供して、スルーホールは、インレットおよびアウトレットの間の冷却流体によって受ける圧力降下を低減させることを助力する。
冷却装置は、それぞれのバッフルにおける複数のホールを含んでよく、ホールは、バッフルの長手の少なくとも一部に沿ってアレイ状に配置される。ホールのアレイは、２つまたはそれより多くのホールの行を含んでよい。ホールの行は、互いにオフセットされていてよい。
冷却装置において、インレットおよびアウトレットは、ハウジングの同一の側壁に配置されてよく、またはインレットおよびアウトレットは、キャッピングプレートに配置されてよく、ベースプレートに対向する。
代替的に、インレットは、第１の側壁に配置されてよく、アウトレットは、第１の側壁とは異なる第２の側壁に配置されてよい。第１および第２の側壁は、互いに対向してよい。インレットおよびアウトレットは、互いに対角線状に対向してよい。
ピンフィンは、ベースプレートに取り付けられてよく、熱的に結合されてよい。ピンフィンは、また、キャッピングプレートに取り付けられてよい。
代替的に、ピンフィンは、ベースプレートからキャッピングプレートに向けた距離の一部まで延びることができ、ここで、隙間は、ピンフィンの先端およびキャッピングプレートの間に提供される。
いずれの場合においても、ピンフィンは、円筒形または先細状の円筒形であってよい。
さらに、隙間は、バッフルの長手の少なくとも一部に沿って、キャッピングプレートおよび１つまたは複数のバッフルの間に設けられてよい。
ホールは、一般に円形、または星形であってよい。
本発明は、例示の目的だけであり、添付の図面を参照して説明されることとなる。
要するに、本発明は、電力半導体装置などの電力装置を冷却するための冷却装置を提供する。冷却装置は、ベースプレートの周囲に側壁を有するハウジング、およびベースプレートに対向するキャッピングプレートを備える。ハウジングは、ハウジングに配置されるインレットおよびアウトレットの間に冷却流体が流れることができるキャビティを形成する。キャビティ内で、キャビティを通る迷路のような経路に沿ってインレットおよびアウトレットの間に流れる冷却流体を強制するために配置される１つまたは複数のバッフルが提供される。バッフルのうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの任意の形状のスルーホールを含み、これは、冷却流体をバッフルの一方の側から他方の側にそれを通過させることを可能とする。
図１～図８は、半導体パワーデバイスのようなパワーデバイスを冷却するために用いられることができる周知の冷却装置を図示している。同様の参照が全体で用いられているので、さまざまな装置が順番に説明されることとなる。
冷却装置（１００）は、ハウジング（１０２）を備え、これは、側壁（１０４）によってその周囲が取り囲まれるベースプレート（１０６）、およびベースプレート（１０６）に対向するキャッピングプレート（１０８）から形成される。
このハウジング装置は、キャビティ（１３０）を形成し、この中、およびこれを通して、冷却流体が流れることができる。インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、キャビティ（１３０）と流体連通しているハウジング（１０２）において提供され、キャビティ（１３０）を通して、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間に冷却流体の流れを可能とする。
インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）のさまざまな装置が想定される。例えば、図１は、同一の側壁（１０４）におけるインレット（１１０）およびアウトレット（１２０）を図示しており、これは、「Ｕ」字形のフロー装置を提供する。つまり、インレットおよびアウトレットの間に流れる冷却流体は、キャビティ（１３０）を通して流れるにつれて「Ｕ」字形で流れる傾向があることとなる。「Ｕ」字形のフロー装置に対して、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、側壁（１０４）に配置される必要はない。それらは、例えば、キャッピングプレート（１０８）に配置されることができる。
図２は、冷却流体の対角線状の流れの代替的な装置を図示している。図２において、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、対向する側壁（１０４）に配置されて、互いに対角線状にオフセットされ、ここで、インレットおよびアウトレットの間を流れる冷却流体は、一般にキャビティ（１３０）を通る対角線状の経路をとる。
図２の代替図面は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）をそれぞれの側壁（１０４）のそれぞれにおいてより中央に配置させ、互いに対向させることとなる。
キャビティ（１３０）内で、ピンフィン（１４０）のアレイが配置されている。これらは、ベースプレート（１０６）に機械的および熱的に結合されて、キャビティ（１３０）へと突出するピンフィンである。ベースプレート（１０６）とのそれらの熱的な結合を通して、熱は、ベースプレートに熱的に結合されるバワーデバイスからピンフィン（１４０）へと伝達される。冷却流体がピンフィン（１４０）と接触した場合に、熱は、ピンフィンから冷却流体へと伝達され、これは、次に、冷却流体がキャビティ（１３０）を通って流れるにつれて取り除かれる。
簡略化のために、ベースプレート（１０６）に取り付けられることができるパワーデバイスは、図示されていない。しかしながら、パワーデバイスを冷却すべく、パワーデバイスがベースプレート（１０６）の外部接面に機械的および熱的に取り付けられることができる当業者にとっては、明らかとなることであろう。
インラインのピンフィンアレイは、オフセットアレイと比較してより低い流れ抵抗を示すことが周知であるが、それに応じて熱放散コンポーネントおよび冷却剤媒体の間の熱抵抗が増加し、一般に、相対応するといえる。ピンの形状は、製造可能性および最適な表面対体積比の関数であり、一方で、ピンにおけるへこみは、流体の停滞および熱伝達の低下の可能性を高めることが認められるが、戻り止めは、製造することが困難である。一般に、円筒形または先細状の円筒形のピンフィンが好ましいが、製造または熱伝達の理由で他の形式が用いられてもよい。
図３および図４は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の「Ｕ」字形のフロー装置を有するハウジングを通るピンフィンを図示する冷却装置の例示を図示している。
図５および図６は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の対角線状のフロー装置を有するハウジングを通るピンフィンを図示する冷却装置の例示を図示している。
驚くほどに、対角線状のフロー装置は、「Ｕ」字形のフロー装置よりもピンフィン（１４０）からより多くの熱を抽出することが可能であり、つまり、対角線状のフローを利用している冷却装置は、「Ｕ」字形のフロー装置の冷却装置よりもデバイスをよりよく冷却すること、または効率的に冷却することが可能である。
図７および図８は、多数のバッフル（１５０）を組み込む冷却装置の例示を図示している。図面において図示されている例示は、４つのバッフルを含むが、この数は、わずか１つまたはそれより多くてよく、適用に依拠する。この装置は、２つのアウトレット（１２０）を有するように図示されているが、これらは、便宜上の理由で図示されている。実際には、冷却装置は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、同一側（つまり、同一の側壁（１０４）もしくはキャッピングプレート（１０８）に）ある「Ｕ」字形のフロー装置として実行されるか、またはインレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、対向する側壁であり、互いに対角線状に対向する対角線状の装置において実行されるかのいずれかである。
バッフルは、バックプレート（１０６）およびキャッピングプレート（１０８）の間に延びて、１つまたは別の側壁（１０４）から側壁（１０４）との間のキャビティへの途中の一部まで延びるプレートである。通常、バッフル（１５０）は、アルミニウム板金もしくは合金、または生産製造の特性を有するある同様の高熱伝導率の材料を含む。
バッフル（１５０）の目的は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れる冷却流体をインレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れるにつれて、キャビティを通って前後に蛇行させることである。これは、上記で説明されるように、冷却装置が「Ｕ」字形のフロー装置として配置されているか、対角線状のフロー装置として配置されているかの場合である。
冷却流体を、キャビティを通して蛇行させることで、驚くような利点は、この装置がバッフルのない上記の装置よりもピンフィン（１４０）からより多くの熱を抽出することが可能であることである。これは、冷却装置が「Ｕ」字形のフロー装置を利用するか、対角線状のフロー装置を利用するかの場合である。
しかしながら、この装置の不利な点は、バッフル（１５０）が、冷却流体がインレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れることによって受ける圧力降下を増加させることである。この結果として、冷却流体の圧力は、ベースプレート（１０６）に取り付けられたデバイスを冷却すべく、冷却装置を通る十分な流れがあることを確実にすべく、増加される必要があり得る。これは、冷却液を駆動するために要求される増加した圧力に対処すべく、冷却流体の流れに関連付けられるハウジングまたは他のコンポーネントが十分に高い定格圧力ではない場合、冷却装置に有害な結果をもたらすことがある。
この問題に対処する周知の方法は、ピンフィンの先端およびキャッピングプレートの間に隙間を提供することによって、冷却剤がピンフィンをバイパスすることができ、圧力を解放する。しかしながら、冷却剤がピンフィンをそうやってバイパスすることは、システムの冷却能力は最大化せず、異なる温度での流体の混合を助力しない。
図９は、図７および図８で説明される装置に関連付けられる欠点に対処する冷却装置を図示している。先述の装置と共通する機能に同一の参照番号が付与される。
図７および図８の装置と同様に、図９は、多数のバッフル（１５０）を組み込む冷却装置の例示を図示している。図面において図示されている例示は、４つのバッフルを含むが、この数は、わずか１つまたはそれより多くてよく、適用に依拠する。この装置は、２つのアウトレット（１２０）を有するように図示されているが、これらは、便宜上の理由で図示されている。実際には、冷却装置は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、同一側（つまり、同一の側壁（１０４）もしくはキャッピングプレート（１０８）に）ある「Ｕ」字形のフロー装置として実行されるか、またはインレット（１１０）およびアウトレット（１２０）は、対向する側壁であり、互いに対角線状に対向する対角線状の装置において実行されるかのいずれかである。
バッフルは、バックプレート（１０６）およびキャッピングプレート（１０８）の間に延びて、１つまたは別の側壁（１０４）から側壁（１０４）との間のキャビティへの途中の一部まで延びるプレートである。通常、バッフル（１５０）は、アルミニウム板金もしくは合金、または生産製造の特性を有するある同様の高熱伝導率の材料を含む。バッフルは、側壁（１０４）、バックプレート（１０６）、キャッピングプレート（１０８）、またはこれらのうちの１つより多くに熱的に取り付けられることができる。
バッフル（１５０）の目的は、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れる冷却流体をインレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れるにつれて、キャビティを通って前後に蛇行させることである。これは、上記で説明されるように、冷却装置が「Ｕ」字形のフロー装置として配置されているか、対角線状のフロー装置として配置されているかの場合である。
バッフルを含む装置によって受ける増加した圧力差に対処すべく、１つまたは複数のスルーホール（１６０）が、バッフル（１５０）のうちの少なくとも１つに提供される。これらのスルーホール（１６０）は、すべての冷却流体をバッフル（１５０）の周りに強制的に流す代わりに、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れる蛇行した冷却流体の一部をバッフル（１５０）に通過させることを可能とする。
バッフルにおけるホールの形状は、円形または「星形」（または任意の他の形状）にすることができ、熱伝達および乱流を改善する。ホールは、規則的なアレイで配置されることができる。ホールは、ベースプレートから直径約１ホール分上に位置付けられることができる。ホールの第２のアレイは、ホールの第１のセットからオフセットして、またはそれに一致して配置されることができる。ホールの直径は、バッフルプレートの高さの半分よりも小さいことが好ましい。
驚くほどに、インレット（１１０）およびアウトレット（１２０）の間を流れる冷却流体によって受ける圧力差が、図７および図８において図示される装置と比較して、著しく、且つ有用に低減されることが理解された。
さらに、１つまたは複数のバッフル（１５０）においてスルーホール（１６０）を組み込むと、上記の装置のいずれかと比較した場合に、冷却性能における改善につながることが理解された。このため、この装置は、図１ないし図８において説明される装置と比較して、ピン（それ故に、ベースプレート（１０６）に熱的に結合されたパワーデバイス）から熱を抽出するその能力において優れている。
熱伝達の改善は、
ａ）ピンフィンから冷却剤に伝達される熱は、冷却剤が乱流を介してバッフルにおけるホールを通過することが可能であるため、改善されて、それで、次のバッフルセクションにおける冷却剤の温度が均一化される一方で、乱流がピンフィンから熱を除去する冷却剤の能力を改善して、
ｂ）バッフルは、それ自体がベースプレートからの熱伝導率が高い導管であるため、バッフルにおけるホールは、冷却流体への熱伝達を増加させるためであるという考えである。
ａ）ピンフィンから冷却剤に伝達される熱は、冷却剤が乱流を介してバッフルにおけるホールを通過することが可能であるため、改善されて、それで、次のバッフルセクションにおける冷却剤の温度が均一化される一方で、乱流がピンフィンから熱を除去する冷却剤の能力を改善して、
ｂ）バッフルは、それ自体がベースプレートからの熱伝導率が高い導管であるため、バッフルにおけるホールは、冷却流体への熱伝達を増加させるためであるという考えである。
バッフルにおけるスルーホールの構成は、バッフル間のバイパスフローと組み合わせられ、ここで、バッフルおよびピンフィンは、また、キャッピングプレートの手前で停止する（ピントップおよびキャッピング位置の間の隙間に関連して上記で説明されるものと同様に）可能である。冷却剤がピンフィンの先端およびキャッピングプレートの間を流れることを可能とする本装置を提供するさらなる驚くような利点があり、一般に線形の流れ形式で、これは、バッフルからホールおよびピンフィンを通して、「熱い」乱流冷却剤に対して「冷たい」流体ヒートシンクを提供し、混ぜ合わせる。
疑いなく、多くの他の効果的な代替例が当業者に存在することとなる。本発明は、説明される実施形態に限定されず、本明細書に添付される特許請求の範囲内にある当業者にとって明らかな修正例を包含することが理解されることとなる。
Claims (13)
- 冷却装置であって、
ベースプレート、前記ベースプレートの周囲の側壁、前記ベースプレートに対向するキャッピングプレートを有するハウジングであって、前記ベースプレート、側壁、およびキャッピングプレートは、冷却流体が流れることが可能である液体密封のキャビティを形成するように配置されているハウジングと、
前記ベースプレートから前記キャビティへと突き出ているピンフィンのアレイと、
前記キャビティと流体連通しているインレットおよびアウトレットであって、前記インレットおよびアウトレットの間を流れる冷却流体がピンフィンの前記アレイの上のキャビティを通って流れさせるように配置されているインレットおよびアウトレットと、
前記ベースプレートおよびキャッピングプレートの間に延びて、前記インレットおよびアウトレットの間の前記キャビティを通って流れる場合に、前記冷却流体の迷路のような経路を提供する、対向する側壁との間の前記ベースプレートの一部に沿って延びる１つまたは複数のバッフルであって、前記バッフルのうちの少なくとも１つは、冷却流体が前記バッフルの一方の側から他方の側に流すことができる少なくとも１つのスルーホールを含む、１つまたは複数のバッフルと
を備える冷却装置。 - それぞれの前記バッフルにおける複数のスルーホールであって、前記スルーホールは、前記バッフルの長さの少なくとも一部に沿ったアレイに配置されている、複数のスルーホールを備える、
請求項１に記載の冷却装置。 - 前記スルーホールのアレイは、２つまたはそれより多くのスルーホールの行を含む、
請求項２に記載の冷却装置。 - 前記スルーホールの行は、互いにオフセットされている、
請求項３に記載の冷却装置。 - 前記インレットおよびアウトレットは、前記ハウジングの同一の側壁に配置されるか、または前記インレットおよびアウトレットは、前記ベースプレートに対向する前記キャッピングプレートに配置される、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記インレットは、第１の側壁に配置されて、前記アウトレットは、前記第１の側壁とは異なる第２の側壁に配置される、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記第１および第２の側壁は、互いに対向する、
請求項６に記載の冷却装置。 - 前記インレットおよびアウトレットは、互いに対角線上に対向する、
請求項７に記載の冷却装置。 - 前記ピンフィンは、前記ベースプレートに取り付けられて、前記ベースプレートに熱的に結合されている、
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記ピンフィンは、前記ベースプレートから前記キャッピングプレートに向けた距離の一部まで延び、隙間は、前記ピンフィンの先端および前記キャッピングプレートの間に設けられている、
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記ピンフィンは、円筒形または先細状の円筒形である、
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 隙間は、前記キャッピングプレートおよび前記バッフルの長さの少なくとも一部に沿って前記バッフルのうちの少なくとも１つの間に提供される、
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記スルーホールは、一般に円形または星形である、
請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の冷却装置。
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