JP3112614B2 - 電力半導体素子の冷却ブロック - Google Patents

電力半導体素子の冷却ブロック

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JP3112614B2 JP06097794A JP9779494A JP3112614B2 JP 3112614 B2 JP3112614 B2 JP 3112614B2 JP 06097794 A JP06097794 A JP 06097794A JP 9779494 A JP9779494 A JP 9779494A JP 3112614 B2 JP3112614 B2 JP 3112614B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力半導体素子を冷却
する電力半導体素子の冷却ブロックに関する。
【0002】
【従来の技術】送電電圧の高電圧化や周波数変換設備容
量の増加に伴って、半導体電力変換装置もますます高電
圧化され大容量化されてきている。これらの設備の大容
量化に伴い、これらの設備に組み込まれる電力半導体素
子も大容量化され、例えば、定格4000V,3000Aの電力
半導体素子も実用化されている。
【0003】このように大容量化された電力半導体素子
では、通電される大電流によって、電極面から数kW以
上の熱が発生するので、この発生した熱による電力半導
体素子の温度上昇を防ぎ、特性の低下を防ぐために、こ
れらの電力半導体素子は、水冷で冷却される冷却ブロッ
クに取り付けられている。
【0004】図9は、電力半導体素子が複数の冷却ブロ
ックの間にそれぞれ挿入され積み重ねられた半導体スタ
ックと、この半導体スタックに組み込まれた電力半導体
素子を冷却する冷却管と熱交換器などの接続状態を示す
概略図である。
【0005】図9において、電力半導体素子8と図10で
後述する冷却ブロック26は、横に交互に重ねられた後、
両端の冷却ブロックの外側に重ねられた図示しない皿ば
ねや加圧板を介して、電力半導体素子と冷却ブロック26
との接触面の熱伝導を上げるために、複数の両ねじボル
トで所定の圧力で締め付けられている。
【0006】各冷却ブロック26は、隣接した冷却ブロッ
クが絶縁管21で直列に接続され、両端の冷却ブロック26
は、絶縁管22A,22Bで循環ポンプ23を介して熱交換器
24に接続されている。冷媒には、通常、純水が使用され
ている。
【0007】図10は、図9で示した冷却ブロック26の拡
大詳細図で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A
断面図である。図10(a),(b)において、冷却ブロ
ック26は、(a)においてS字状に蛇行し、(b)にお
いて長方形の循環路26dが形成された底板26aと、この
底板26aにろう付された封止板26bで構成されている。
循環路26dの入口側と出口側には、管継手26cがそれぞ
れ螺合されている。底板26aと封止板26bは、熱伝達率
の優れた銅材やアルミニウム材が使用される。
【0008】このように構成された冷却ブロック26と交
互に重ねて組み立てられた半導体スタックにおいては、
図9において、熱交換器24で冷却された純水は、循環ポ
ンプ23によって絶縁管22Aを介して半導体スタックに組
み込まれた各電力半導体素子26の循環路26dを経て、絶
縁管を介して熱交換器24に環流される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された冷却ブロック26においては、底板26aに形成
された循環路26dの加工に時間がかかる。すなわち、循
環路26dの加工は、エンドミルでしかも、端部を蛇行さ
せて加工しなければならないので、加工時間が長くな
る。さらに、循環路26dの加工によって大量の切削粉が
生じるので、資源の無駄となる。しかも冷却ブロック26
の冷却効果を上げるためには、蛇行した循環路26dはな
るべく増やして冷却面積を増やさなければならない。
【0010】一方、蛇行部の数が増えると、ヘアピン状
の蛇行部で純水中に渦が発生して、冷却用純水の圧力損
失が増えるので、循環ポンプ28の容量を上げなければな
らない。
【0011】さらに、冷却水の入口付近はよく冷える
が、冷却水の出口付近は、循環路26dを流下している間
に加熱された冷却水によって冷えにくいので、冷却ブロ
ック26の図10(a)において右側後端と左側前端との温
度差が大きくなる。
【0012】すると、この冷却ブロック26の両面に取り
付けられた電力半導体素子は、取付場所によって冷却効
果が異なるので、使用定格を下げなければならない。或
いは、使用定格を維持するためには、冷却ブロックの数
と電力半導体素子を増やさなければならない。しかし、
その結果は、前述した冷却水の圧力損失が増えるだけで
なく、電力変換装置の外形も増える。そこで、本発明の
目的は、冷却効果を上げ、半導体電力変換装置の小形化
と効率向上を図ることのできる電力半導体素子の冷却ブ
ロックを得ることである。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、中心部から渦巻状に析曲形成された冷却管が重ねら
れ、減圧鋳又は加圧鋳造等で鋳包みされてなる電力半
導体素子の冷却ブロックである。
【0014】また、請求項2に記載の発明は、中心部か
ら渦巻状に折曲形成され重ねられた複数の渦巻板と、こ
の渦巻板の間と外側に添設された封止板でなる電力半導
体素子の冷却ブロックである。
【0015】
【作用】請求項1に記載の発明においては、冷却管の内
部は、冷媒の流路となって、この流路の占有率は増え、
冷却の圧力損失も低下する。また、請求項2に記載の発
明においては、渦巻板と封止板の間は、冷媒の流路とな
って、この流路の占有率は増え、冷媒の圧力損失も低下
する。
【0016】
【実施例】以下、本発明の電力半導体素子の冷却ブロッ
クの一実施例を図面を参照して説明する。図1は、本発
明の電力半導体素子の冷却ブロックの製造過程を示す平
面図、図2は図1の前面図、図3は、本発明の電力半導
体素子の完成状態を示す平面図、図4は、図3の前面図
である。
【0017】まず、図1及び図2は、冷却流路を形成す
る冷却管1を示し、銅材の円形パイプ1aが渦巻状に巻
型で巻き付けられ、巻き終りの両端は、平行で対称的な
口出部2を形成している。
【0018】この冷却管1は、長尺の円形パイプ1aの
中央部を巻型の中心のピンに巻き付けた後、互いに重な
るようにして加熱されながら、内周側の円形パイプ1a
に外周側の円形パイプを密着させて複数層に渦巻状に巻
き付けられ、口出部2を形成した後、巻型に取り付けら
れた状態で口出部2の基端の隣接パイプ間がろう付され
て、弾性復帰による形くずれが防止される。
【0019】このようにして製作された冷却管1は、図
2に示すように重ねられ、相互のずれを防ぐために、外
周の隣接部が部分的にろう付された後、図示しない鋳型
に挿入されて、銅の溶湯が外周に注湯され、冷却後に両
端が平坦に切削加工されて冷却ブロック6となる。
【0020】このとき、溶湯を加圧することで、円形パ
イプ1aの外周面と溶湯が密着して、円形パイプ1aと
図3及び図4で示す銅材の鋳物6との熱伝達率が優れた
状態となる。
【0021】すなわち、大気圧状態で行う鋳包みでは、
円形パイプ1aとの接合性を上げるためには、円形パイ
プ1aの表面は亜鉛,錫やニッケルなどのめっき処理が
必要であるが、高圧下で行う鋳包みでは、めっきを施さ
なくても円形パイプ1aの表面に酸化膜は形成されず、
界面が合金化して連続状態となる。したがって、装置の
通電・停止などによる冷却ブロックのヒートサイクルに
よる界面の剥離を防ぐことができる。さらに、収縮巣や
ガスホールなどの発生も、高圧下で鋳包みすることで防
ぐことができる。
【0022】さらに、図1において、矢印4に示すよう
に冷却水の流路3を流入する冷却水の入側となる口出部
2に隣接する内側の円形パイプ1aは、矢印5に示すよ
うに流出する冷却水の出側の口出部2のパイプが隣接
し、この結果、冷却水の最低温部には、冷却水の最高温
部が隣接するので、この外側の鋳物6aの両面の温度を
平準化することができる。同様に、口出部から中心部に
至るパイプも同様である。したがって、電力半導体素子
取付面の温度差を防ぐことができる。この結果、電力半
導体素子の取付面の場所の違いによる電力半導体素子の
温度上昇の差を防ぐことができるので、半導体電力変換
装置の定格の低下を防ぐことができる。
【0023】なお、上記実施例では、円形パイプ1aの
材料は銅材のときで説明したが、アルミニウム材でもよ
い。また、渦巻状に形成するパイプは、円形パイプ1a
としたが、角形パイプを採用してもよい。この場合に
は、同一外形の冷却ブロックに対して、冷却水が流れる
流路の断面積を更に増やすことができるので、冷却水の
圧力損失を減らすことができ、循環ポンプの容量を減ら
すことができる利点がある。
【0024】また、アルミニウム材のうち、熱伝導性の
優れた純アルミニウムを高圧下で鋳包みしたときには、
溶湯がパイプに接触することで、円形パイプに接触する
溶湯の冷却速度が加速されて、微細結晶組織となるの
で、強度も向上する。
【0025】なお、上記実施例においては、冷却管1を
2枚重ねた例で説明したが、3枚でも4枚でもよい。次
に、図5は、本発明の電力半導体素子の冷却ブロックの
他の実施例の要部を示す図で、図1に対応する図、図6
は図5の前面図で、同じく図2に対応する図、図7は、
本発明の電力半導体素子の冷却ブロックの他の実施例を
示す部分破断完成図で、同じく図3に対応する図、図8
は、図7の前面図で、同じく図4に対応する図である。
【0026】図5〜図8に示す電力半導体素子の冷却ブ
ロックでは、銅材又はアルミニウム材の帯板11aを所定
の間隙を介して渦巻状に巻きつけて渦巻帯板11を形成し
て帯板相互間に渦巻状の冷却路を形成し、この渦巻帯板
11を図8に示すように2個重ね、各渦巻帯板11の間と外
面側に長方形の厚い角板12をろう付したものである。
【0027】この場合には、渦巻状に形成した渦巻帯板
11の間に挿入した厚い角板12の中心部に連通穴12aを形
成することで、片側の渦巻帯板11の巻き終りを矢印4に
示すように流入する冷却水の流入口とすれば、他側の冷
却板の巻き終りは、矢印5に示すように流出する冷却水
の流出口となる。
【0028】この場合には、渦巻帯板11は、帯板11aを
折曲形成することで、折曲作業が容易となるので、製作
が容易となり、帯板11aの材料は薄い材料を使うことも
できるので、図1〜図4で示した電力半導体素子の冷却
ブロックと同一外形で、冷却水の流路の断面積を増やす
ことができ、且つ、軽量化することができる利点があ
る。
【0029】
【発明の効果】以上、請求項1に記載の発明によれば、
中心部から渦巻状に析曲形成された冷却管が重ねられ、
減圧鋳又は加圧鋳造等で鋳包みして電力半導体素子の
冷却ブロックを構成することで、冷却管の内部を冷媒の
流路とし、この流路の占有率を増やし、冷却の圧力損失
も低下させたので、冷却効果を上げ、半導体電力変換装
置の小形化と効率向上を図ることのできる電力半導体素
子の冷却ブロックを得ることができる。
【0030】また、請求項2に記載の発明によれば、中
心部から渦巻状に折曲形成され重ねられた複数の渦巻板
と、この渦巻板の間と外側に添設された封止板で電力半
導体素子の冷却ブロックを構成することで、渦巻板と封
止板の間を冷媒の流路として、この流路の占有率を増や
し、冷媒の圧力損失も低下させたので、冷却効果を上
げ、半導体電力変換装置の小形化と効率向上を図ること
のできる電力半導体素子の冷却ブロックを得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に記載の発明の電力半導体素子の冷却
ブロックの一実施例を示す部分平面図。
【図2】請求項1に記載の発明の電力半導体素子の冷却
ブロックの一実施例を示す部分側面図。
【図3】請求項1に記載の発明の電力半導体素子の冷却
ブロックの一実施例を示す平面図。
【図4】図3の前面図。
【図5】請求項2に記載の発明の電力半導体素子の冷却
ブロックの一実施例を示す部分平面図。
【図6】図5の前面図。
【図7】請求項2に記載の発明の電力半導体素子の冷却
ブロックの一実施例を示す平面図。
【図8】図7の前面図。
【図9】従来の電力半導体素子の冷却ブロックが組み込
まれた半導体スタックとこの半導体スタックの接続状態
を示す図。
【図10】従来の電力半導体素子の冷却ブロックの一例
を示す図で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A
断面図。
【符号の説明】
1…冷却管、1a…円形パイプ、2…口出部、3…流
路、4,5…矢印、6,7…冷却ブロック、6a…鋳
物、11…渦巻帯板、11a…帯板、12…角板、12a…連通
穴。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−244759(JP,A) 特開 昭63−299847(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/473

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 中心部から渦巻状に析曲形成された冷却
    管が重ねられ、減圧鋳又は加圧鋳造等で鋳包みされて
    なる電力半導体素子の冷却ブロック。
  2. 【請求項2】 中心部から渦巻状に折曲形成され重ねら
    れた複数の渦巻板と、この渦巻板の間と外側に添設され
    た封止板でなる電力半導体素子の冷却ブロック。
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