JP3546748B2

JP3546748B2 - 発熱素子の冷却装置

Info

Publication number: JP3546748B2
Application number: JP08300399A
Authority: JP
Inventors: 務松木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000277962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱素子の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の発熱素子の冷却装置としては、液冷ヒートシンクの開口部に発熱素子であるＩＧＢＴ素子（スイッチング素子）により構成されるインバータを取り付けてＩＧＢＴ素子を冷却するものが提案されている（例えば、特開平９−１２１５５７号公報など）。この装置では、ＩＧＢＴ素子により生じる熱を熱伝導により液冷ヒートシンクに伝え、この熱を液冷ヒートシンクの開口部に形成される冷却媒体の流路に水等の冷却媒体を流して除去することによりＩＧＢＴ素子を冷却している。
【０００３】
他の発熱素子の冷却装置としては、半導体素子をフレオンで液封すると共に半導体素子間に隔壁を設けてなるものが提案されている（例えば、特開昭５７−１４１９４５号公報など）。この装置では、フレオンが沸騰する際の気化熱を半導体素子から奪うことにより半導体素子を冷却している。また、隔壁を設けることにより半導体素子間に気泡の膜が生じて冷却効果を低下させることを防止している。
【０００４】
また、他の冷却装置として、半導体素子を液体の熱媒体の流れる流路内に封入し、半導体素子の周りを流れる熱媒体により半導体素子を沸騰冷却するものが知られている（例えば実開昭６３−３８３３７号公報など）。この装置は、熱媒体の気化により大きな冷却効果が得られるだけでなく、その熱媒体自体を循環させることにより冷却効果の更なる増大を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液冷ヒートシンクを用いてＩＧＢＴ素子を冷却する装置では、効果的で十分な冷却をすることができないといった問題があった。近年、インバータ等を含むすべての機器は小型化が要求されており、こうした小型化に伴いインバータのスイッチング素子も密集して配置される。したがって、このスイッチング素子を十分に冷却する必要があるが、熱伝導による冷却では十分に熱を除去することができない。
【０００６】
半導体素子をフレオンで液封する装置では、半導体素子を長時間使用すると、フレオンが沸騰温度となって気化が激しくなり、半導体素子の周囲に沸騰膜が生じて半導体素子が十分に冷却されないという問題があった。また、この装置では、半導体素子の発熱が大きくなりフレオンの沸騰が進むと、半導体素子及びフレオンを収容した容器の内圧が高まり、フレオンが沸騰しにくくなって冷却効果が低減されるという問題もあった。
【０００７】
また、沸騰冷却用の熱媒体を循環させる装置は、冷却効果は高いものの、高価な熱媒体が大量に必要になるという問題があった。
【０００８】
本発明の発熱素子の冷却装置は、発熱素子を効率よく十分に冷却することを目的の一つとする。また、本発明の発熱素子の冷却装置は、装置全体としての小型化を目的の一つとする。また、本発明の発熱素子の冷却装置は、発熱素子の発熱増大時における冷却効果の維持ないし増大を目的の一つとする。また、本発明の発熱素子の冷却装置は、冷却に用いる冷媒の使用量の低減によるコストダウンを目的の一つとする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の発熱素子の冷却装置および発熱素子の冷却方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【００１０】
本発明の発熱素子の冷却装置の基礎となる構成は、
発熱素子を冷却する冷却装置であって、
前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する第１の冷却液体を用いて該発熱素子を液封する液封手段と、
少なくともその一部が前記液封手段に接する流路を備え、ポンプにより該流路に第２の冷却液体を循環させることにより前記液封手段を冷却する循環手段と、
前記液封手段の内圧を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段で検出した内圧に応じて、前記循環手段における前記ポンプの出力を制御する出力制御手段と、
を備える。
【００１１】
この基礎的構成の発熱素子の冷却装置では、発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する第１の冷却液体が気化する際の気化熱を発熱素子から直接または間接に奪って発熱素子を冷却するから、冷却効率の高いものとすることができる。しかも、第１の冷却液体を収容した液封手段を循環手段により冷却することにより、気化した第１の冷却液体のガスを液化して再び発熱素子の冷却に使用できるようにするから、発熱素子の動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。また、気化熱により発熱素子を冷却する第１の冷却液体は循環させず、第２の冷却液体の循環により冷却能力を増大させる構成を採ったので、第１の冷却液体の使用量を低減できる。さらに、液封手段の内圧を圧力検出手段で検出し、検出した内圧に応じて出力制御手段により循環手段のポンプの出力を制御するので、発熱素子の発熱増大などの要因により第１の冷却液体の沸騰が進み液封手段の内圧が上がると、それに応じて循環手段による液封手段の冷却効果を増大させることができる。液封手段の内圧増大は、第１の冷却液体の沸騰を抑制し、発熱素子の冷却能力の低下を引き起こす可能性があるが、この基礎的構成によれば、液封手段の内圧増大の場合に液封手段を強力に冷却することにより第１の冷却液体の液化を促進し、液封手段の内圧を低減することができるので、発熱素子の冷却能力低下の問題を解決することができる。
【００１２】
こうした基礎的構成において本発明の特徴的な構成では、前記循環手段の前記流路は、前記液封手段に接する部分では、前記液封手段の下面に接する下面側流路と前記液封手段の上面に接する上面側流路とに分岐し、更に前記液封手段の内圧が大きくなるほど、前記下面側流路の流路断面積を小さくする流路制御手段が設けられる。
【００１３】
この発明では、液封手段の内圧が大きくなるほど、流路制御手段により、液封手段の下面側に接する第２の冷却液体の下面側流路の流路断面積を小さく絞ることにより、下面側流路における第２の冷却液体の流速を増大させることができるので、発熱素子が取り付けられる液封手段底面側からの熱の除去効果が増大する。また、下面側流路の流路断面積を絞ることにより、上面側流路の流量が増大するので、液封手段の上面側の冷却能力が高まる結果、第１の冷却液体が気化したガスの凝縮が進み、液封手段の内圧の低減効果が増大する。

【００１４】
さらに、好適な態様として、前記流路制御手段として、前記液封手段と連通した冷却液槽であって、少なくともその壁面の一部が前記下面側流路の流路壁の一部を形成する変形可能な膜部材で構成された冷却液槽を有するものを用いることもできる。
【００１５】
この態様では、液封手段の内圧が高まれば、それに連通した冷却液槽の内圧も高まり、この結果冷却液槽の壁面の一部を構成する膜部材が膨らんで下面側流路を狭める。すなわち、この態様によれば、液封手段の内圧の増大に連動して自然に下面側流路が狭められるので、センサで内圧を検知して弁を制御するなどといった能動的な制御を行わずにすみ、構造が簡素化できる。また、流路断面積の調整に膜部材の変形を用いるので、弁などを用いる場合よりも流路抵抗を少なくすることができる。この態様においては、液封手段の内圧を検出するための圧力検出手段を、液封手段に連通した冷却液槽に設けることができるので、液封手段の周囲を冷却のための流路が取り囲むような構成であっても、液封手段の内圧検出が容易に行える。
【００１６】
さらに、本発明の発熱素子の冷却装置において、前記発熱素子はスイッチング素子であり、前記冷却液体は絶縁体であるものとすることもできる。こうすれば、液封による電気的な短絡を防止することができる。
【００１７】
また、本発明の発熱素子の冷却装置は、底部に前記発熱素子を保持し、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する第１の冷却液体を用いて該発熱素子を液封する液封手段と、第２の冷却液体が流れる流路であって、前記液封手段の下面に接する下面側流路と前記液封手段の上面に接する上面側流路とに分岐する流路と、前記流路に第２の冷却液体を循環させることにより前記液封手段を冷却する循環手段と、前記液封手段の内圧が大きくなるほど、前記下面側流路の流路断面積を小さくする流路制御手段とを備える。
【００１８】
この構成によれば、液封手段の内圧が大きくなるほど、流路制御手段により、液封手段の下面側に接する第２の冷却液体の下面側流路の流路断面積を小さく絞ることにより、下面側流路における第２の冷却液体の流速を増大させることができるので、発熱素子が取り付けられる液封手段底面側からの熱の除去効果が増大する。また、下面側流路の流路断面積を絞ることにより、上面側流路の流量が増大するので、液封手段の上面側の冷却能力が高まる結果、第１の冷却液体が気化したガスの凝縮が進み、液封手段の内圧の低減効果が増大する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である発熱素子としてのスイッチング素子４０を冷却する冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の冷却装置２０は、複数のスイッチング素子４０を収納部２３に収納するケース２２と、このケース２２の収納部２３に充填された冷却液体２８と、冷却液体２８を冷却する液体冷却装置５０とから構成されている。
【００２０】
ケース２２は、その外周壁内に冷却媒体（例えば、水など）の流路２６が形成されている。この流路２６は、収納部２３の下面側を通る下面側流路２６ａと、収納部２３の上面側を通る上面側流路２６ｂとに分岐している。この流路２６への冷却媒体の流入口２４と流出口２５は、液体冷却装置５０の循環管５２に接続されている。ケース２２の収納部２３は密閉構造とされており、その底面にはスイッチング素子４０が設置されている。スイッチング素子４０としては、実施例ではＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｅｒ）を用いた。収納部２３のうち、スイッチング素子４０が取り付けられる底部壁面であるヒートシンク部２３ａは、スイッチング素子４０の熱を熱伝導によって逃がすヒートシンクの役割を果たす。スイッチング素子４０の発熱の一部は、ヒートシンク部２３ａを伝わって下面側流路２６ａを流れる冷却媒体に伝わり、運び去られる。なお、スイッチング素子４０の取り付け基板や電気的な接続配線などは本発明の要部を構成しないから、その図示およびその説明は省略する。
【００２１】
ケース２２の収納部２３に充填される冷却液体２８は、スイッチング素子４０が良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体である。実施例では、ＩＧＢＴの許容動作雰囲気温度より低い沸点を有すると共に高い絶縁性を示すパーフロロカーボン（例えば、住友スリーエム製のフロリナートなど）を用いた。こうした冷却液体２８は、スイッチング素子４０が生じる熱を奪って気化することによりスイッチング素子４０を冷却する。気化した冷却液体２８のガスは、収納部２３の上面側の凝縮部２９で冷やされ、凝縮して液体に戻り、再びスイッチング素子４０を冷却する。
【００２２】
液体冷却装置５０は、ケース２２の流入口２４と流出口２５とに接続されケース２２の流路２６と共に循環路を形成する循環管５２と、この循環管５２に取り付けられ冷却媒体を循環管５２内で循環させる循環ポンプ５４と、同じく循環管５２に取り付けられ冷却媒体を外気で冷却するラジエータ５６とを備える。液体冷却装置５０は、循環ポンプ５４により外気で冷却された冷却媒体を循環管５２に循環させることにより、ケース２２の収納部２３に充填された冷却液体２８を冷却する。したがって、スイッチング素子４０の熱により気化した冷却液体２８は、液体冷却装置５０により冷却されて液化する。ここで、循環させる冷却媒体は、スイッチング素子４０等の電気系統とは接触せず、絶縁性などの性質が要求されないので、水等の安価な液体を用いることができる。
【００２３】
ケース２２内の下面側流路２６ａの下側壁面、すなわちヒートシンク部２３ａの対向する面が、ゴムなどの弾性材料で作られた弾性膜３２で構成されている。この弾性膜３２の下側には冷却液槽３０が設けられており、この冷却液槽３０は弾性膜３２により下面側流路２６ａと仕切られている。冷却液槽３０は、圧力導入路３４を介して収納部２３の内部と連通しており、収納部２３とおなじ冷却液体２８が充填されている。圧力導入路３４は、図２に示すように、収納部２３の底面のうち下面側流路２６ａと接しない領域に設けられている。また、冷却液槽３０には圧力センサ５８が設けられ、この圧力センサ５８の検出信号が循環ポンプ５４の制御部に供給される構成となっている。
【００２４】
冷却液槽３０は、収納部２３内部と連通しているため、圧力センサ５８の検出した圧力は収納部２３の内圧にほぼ等しい。したがって、図３に示すように、スイッチング素子４０の発熱増大や外気温などの影響により冷却液体２８の気化が進み、収納部２３の内圧Ｐが増大すると、これと連通した冷却液槽３０の内圧も増大し、この圧力により弾性膜３２が上方に膨らんで下面側流路２６ａ内に張り出す。これにより下面側流路２６ａは図３に示すように中央に向かって緩やかに狭まる。このため、下面側流路２６ａにおける冷却媒体の流速が高まり、ヒートシンク部２３ａからの冷却媒体への熱伝達率が向上する。また、下面側流路２６ａの流路断面積が小さくなる結果、下面側流路２６ａと上面側流路２６ｂの配管抵抗比が変化し、上面側流路２６ｂを流れる流量が相対的に大きくなる。この結果収納部２３の凝縮部２９の冷却効果が高まり、気化した冷却液体２８の凝縮が促進されるため、収納部２３の内圧の低減あるいは上昇緩和の効果が得られる。収納部２３の内圧が上がると、その内部の冷却液体２８が沸騰しにくくなるため冷却能力の低下が危惧されるが、上記のように収納部２３の内圧に応じて下面側流路２６ａの流路を狭めることにより、内圧の上昇を抑制する方向の作用が得られ、これにより冷却能力の低下を防止ないし緩和できる。
【００２５】
また、本実施例では、循環ポンプ５４の制御部にて、圧力センサ５８の検出圧力を常時監視し、この検出圧力に応じて循環ポンプ５４の出力を制御するようにした。すなわち、検出圧力が大きくなるほど循環ポンプ５４の出力が大きくなるように制御する。出力は連続的に検出圧力に応じて連続的に変化させてもよいし、検出圧力について何段階かのしきい値を設けておき、各しきい値を超えるごとに段階的に出力を変えてもよい。このような制御により、収納部２３の内圧が高くなると循環ポンプ５４の出力が増加するので、ケース２２内の流路２６における冷却媒体の流量が増大して熱輸送力が増大する。この結果、液体冷却装置５０の冷却能力が増大するので、収納部２３がそれまでより更に冷却され、この結果気化した冷却液体２８の凝縮が促進され、収納部２３の内圧が低減される。
【００２６】
このように本実施例では、ポンプ出力制御と、前述の下面側流路２６ａの断面積制御との組合せにより、冷却能力の向上が実現できた。
【００２７】
なお、本実施例では、収納部２３に連通した冷却液槽３０と弾性膜３２とにより流路の制御を行う構成としたため、ポンプ出力制御のための圧力センサ５８を冷却液槽３０の壁面に配置することができる。したがって、流路２６が収納部２３を取り囲む構造であっても、その収納部２３の内圧を冷却液槽３０の内圧として検出でき、圧力センサ５８やその出力信号線などを容易に配置できる。
【００２８】
以上説明した実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、スイッチング素子４０の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体２８が気化する際の気化熱をスイッチング素子４０から直接または間接に奪うことにより、スイッチング素子４０を冷却することができる。しかも、液体冷却装置５０により冷却液体２８を冷却するから、気化した冷却液体２８を液化して再びスイッチング素子４０の冷却に使用することができる。この結果、冷却効率を向上させることができ、装置全体を小型化することができる。また、冷却液体２８は高い絶縁性を示すから、電気的な短絡を生じることもない。もとより、スイッチング素子４０の動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００２９】
また、実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、冷却液体２８を収容した収納部２３の内圧が大きくなると、液体冷却装置５０の冷却能力が上がるよう、冷却媒体の流路制御やポンプ出力制御を行うようにしたので、収納部２３の内圧増大による冷却効率の低下を防止し、スイッチング素子４０の発熱増大時や外気温が高い場合などでも冷却能力を維持することができる。
【００３０】
実施例の発熱素子の冷却装置２０では、発熱素子としてＩＧＢＴであるスイッチング素子４０を冷却するものとして構成したが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を冷却するものとして構成してもよく、スイッチング素子以外の発熱素子を冷却するものとして構成してもよい。
【００３１】
実施例の発熱素子の冷却装置２０では、ケース２２の収納部２３に収容する冷却液体２８としてパーフロロカーボンを用いたが、他の液体を用いるものとしてもよい。この場合、液体としては、スイッチング素子４０が良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体であればよい。発熱体として電気的な短絡を考慮しなくてもよい場合には、更に絶縁性を示す必要もない。
【００３２】
実施例の発熱素子の冷却装置２０では、ケース２２の外周壁に冷却媒体の流路２６を形成したが、収納部２３内に冷却媒体の流路を形成する管路を備えるものとしてもよい。
【００３３】
また、実施例の発熱素子の冷却装置２０では、下面側流路２６ａの流路断面積を、収納部２３内部と連通した冷却液槽３０と弾性膜３２とにより制御する構成を採ったが、この代わりに、下面側流路２６ａに流量調整弁を設け、収納部２３内に圧力センサを設け、この圧力センサの出力に応じて流量調整弁を制御するという構成でも、実施例に近い効果が得られる。ただし、実施例の構成の方が、電気系統を用いる必要がなく仕組みが簡素になる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である発熱素子としてのスイッチング素子４０を冷却する冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】収納部２３における圧力導入路３４の配設位置を説明するための図である。
【図３】収納部２３の内圧増大時の下面側流路の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
２０発熱素子の冷却装置、２２ケース、２３収納部、２４流入口、２５流出口、２６流路、２６ａ下面側流路、２６ｂ上面側流路、２８冷却液体、３０冷却液槽、３２弾性膜、３４圧力導入路、４０スイッチング素子、５０液体冷却装置、５２循環管、５４循環ポンプ、５６ラジエータ、５８圧力センサ。

Claims

発熱素子を冷却する冷却装置であって、
前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する第１の冷却液体を用いて該発熱素子を液封する液封手段と、
少なくともその一部が前記液封手段に接する流路を備え、ポンプにより該流路に第２の冷却液体を循環させることにより前記液封手段を冷却する循環手段と、
前記液封手段の内圧を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段で検出した内圧に応じて、前記循環手段における前記ポンプの出力を制御する出力制御手段と、
を有し、前記循環手段の前記流路は、前記液封手段に接する部分では、前記液封手段の下面に接する下面側流路と前記液封手段の上面に接する上面側流路とに分岐し、
前記冷却装置は、前記液封手段の内圧が大きくなるほど、前記下面側流路の流路断面積を小さくする流路制御手段を更に備えたことを特徴とする冷却装置。
前記流路制御手段は、
前記液封手段と連通した冷却液槽であって、少なくともその壁面の一部が前記下面側流路の流路壁の一部を形成する変形可能な膜部材で構成された冷却液槽、を有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
前記圧力検出手段を前記冷却液槽内に設けたことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
前記発熱素子はスイッチング素子であり、前記第１の冷却液体は絶縁体であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
発熱素子を冷却する冷却装置であって、
底部に前記発熱素子を保持し、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する第１の冷却液体を用いて該発熱素子を液封する液封手段と、
第２の冷却液体が流れる流路であって、前記液封手段の下面に接する下面側流路と前記液封手段の上面に接する上面側流路とに分岐する流路と、
前記流路に第２の冷却液体を循環させることにより前記液封手段を冷却する循環手段と、
前記液封手段の内圧が大きくなるほど、前記下面側流路の流路断面積を小さくする流路制御手段と、
を備えた冷却装置。