JP3961455B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば汎用インバータ等の電力制御機器を構成するＩＧＢＴ等のパワー素子をモジュール化したパッケージによる発熱体を冷却するためのパワー半導体モジュールの冷却装置に関するものであり、特に発熱体からの熱によって気化された冷媒を蒸発凝縮部で冷却して液化する沸騰作用を利用した冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業用モータの回転数を可変制御するための汎用インバータにおいては、このインバータ回路を構成する主要デバイスはＩＧＢＴ等のパワー素子が用いられている。
この様なパワー素子は、その動作時に大きな熱を発生するものであるため、このパワー素子を冷却するための冷却装置が設けられる。
すなわち、パワー素子等の発熱素子がモジュールとして構成されたパッケージを、アルミニウム等の熱伝導性の優れた材料によって構成したヒートシンクに取り付け、パワー素子で発生された熱を大気中に放出されるように構成されている。
【０００３】
具体的には、アルミニウム製の放熱フィンにパワー半導体モジュールをボルト等によって密着固定し、更にファンによって発生した風を放熱フィンにあてるようにした強制空冷方式が多く採用されている。
しかし、この様な強制空冷方式を採用すると、常時冷却ファンを駆動しなければならないため、コストが嵩むとともに、駆動用モータの耐久性等が問題となる。
さらに冷却ファンの駆動時に発生する騒音なども問題となるケースもある。
この様な問題点を解決するために冷却ファンを取り除くことが考えられるが、放熱能力が低下してしまい、放熱フィンを大型化せざるを得なくなるという問題点が生じる。
【０００４】
このような問題を解決するために、従来技術として沸騰冷却装置があった。
この沸騰冷却装置は蒸発凝縮部の冷却を、より熱伝達率の大きい水等の流体で行うこととしているものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３３９３２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷却装置は以上のように構成されていたので、冷却装置を傾けて設置する場合、とくに９０度近くにまで立てた状態では、冷媒が重力の影響で冷媒室の下方に偏り貯留されることになる。
また、装置内部には冷却水の流れる経路が設けられていない。
したがって、上方の発熱部では冷媒が発熱部に接触しないために吸熱ができず、また冷却水も装置内部に滞留することがあるため、発熱部の全体にわたる均質な冷却作用が行えないという問題点があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷却装置の姿勢による影響が冷却性能に及びにくく、かつ均質に個々の発熱体ごとに確実に冷却できるとともに、簡素な部材で構成し、耐久性にも優れるパワー半導体モジュールの冷却装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る冷却装置は、発熱体による熱により気化される冷媒を貯蔵する冷媒部と、この冷媒が気化した蒸気が冷却され液化する蒸発凝縮部と、この蒸発凝縮部を冷却する冷却水を封入する冷却部とをヒートシンク内に設けたものであって、ヒートシンクの外面に発熱体が取り付けられるとともに、ヒートシンクの両端面には冷媒、蒸気及び冷却水を封じ込めるためのパッキン、及びこのパッキンを押圧するヘッダを備え、ヘッダ内部に冷却水の経路を設けることにより、冷却水がヒートシンク内を循環できるようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明のパワー半導体モジュール冷却装置を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１によるパワー半導体モジュール冷却装置を示す平面図、図２は左側面図、図３は右側面図、図４は正面図である。
図において、内部に冷媒と冷却水とを貯留、あるいは循環させるヒートシンク１の外面に、発熱体となるパワー半導体モジュール２が図示しないボルト等で固着されている。
ヒートシンク１の両端部はヘッダ３及びヘッダ４が設けられ、ヒートシンク１を両側から挟み込み、ヒートシンク１内部の冷媒と冷却水を封じ込ませる。そしてヘッダ３とヘッダ４は、ボルト５をヒートシンク１側に設置された図示しないメネジに締結することにより取り付けられる。
又ヘッダ４には、ヒートシンク１内部の冷却水経路と外部の冷却水経路とを接続するためのニップル６が設けられている。
【００１０】
パワー半導体モジュール２の内部においては、図示しないパワー半導体素子がハンダ付け等によって図示しない銅ブロックに接合され、この銅ブロックを電気的に絶縁するために、図示しない絶縁板に接触配置する。
これらのパワー半導体モジュール内部を構成する部材を、トランスファーモールド工法により一体的に成形加工することにより、モジュール本体を形成する。
【００１１】
上記絶縁板はトランスファーモールド工程において軟化され、あるいは溶解状態となり、パワー半導体素子がハンダ付けされた銅ブロックと接合される。
又、ヒートシンク１は熱伝導性が良好なアルミ等によって引き抜き加工を行うことによって形成される。
また、複数配置される発熱体であるパワー半導体モジュール２の列に対応して、ヒートシンク１も複数に分割された構成としている。
【００１２】
図５は図１におけるＡ−Ａ線断面側面図であり、ヒートシンク１内部の形状を示すものである。
発熱体であるパワー半導体モジュール２の列毎に対応して、冷媒７ａが封入された冷媒部７を並べて形成する。
この冷媒部７に連通するとともに、冷媒部７に対して垂直方向に蒸発凝縮部８を設ける。
さらに冷却水の経路となる冷却部９が蒸発凝縮部８と交互に配置されている。
【００１３】
この様な熱伝達機構を有するパワー半導体モジュール冷却装置において、冷却対象となるパワー半導体モジュール２が発熱すると、その熱がヒートシンク１に伝達され、さらにヒートシンク１内部に設けられた冷媒部７に伝熱され、ここで冷媒７ａが加熱される。
このとき冷媒部７の内壁側に存在する冷媒７ａが沸騰されて気化され、蒸発した冷媒７ａは高温の蒸気となって蒸発凝縮部８内の空間に充満する。
【００１４】
さらに蒸発凝縮部８はその隣に位置する冷却部９の内部の冷却水により常に低い温度に保たれているため、蒸発した高温蒸気は瞬時に冷却され、元の液体状の冷媒７ａに凝縮され、冷媒部７に戻る。
そしてさらに発熱体であるパワー半導体モジュール２によって冷媒７ａは加熱され、蒸発する。
以上のサイクルを繰り返すことにより、冷媒部７の内壁と冷却部９の冷却水との間で、冷媒７ａの沸騰作用により高効率な熱伝達が行われる。
以上のような作用による熱伝達率は、自然対流の熱伝達率の１００〜１０００倍にも達する。
【００１５】
冷媒部７での冷媒７ａの沸騰によって、冷媒７ａは液体から気化した蒸気の状態に変化し、この沸騰気化された蒸気７ａは蒸発凝縮部８の上部に向かって上昇する。
そこで冷却部９の内部を循環する低温に保たれた冷却水により、蒸発凝縮部８の内部に充満する高温蒸気は冷却され凝縮し、冷媒液７ａとなって熱を外部に放出する。
この凝縮における熱伝達率は、気化時と同様に高効率な熱伝達が行われる。
【００１６】
図６はヘッダ３とヒートシンク１との間に挟み込まれるパッキンを示す側面図であり、図において、パッキン１０はヘッダ３とヒートシンク１との間に挟みこまれ、冷媒部７内部の冷媒７ａ、蒸発凝縮部８内部の蒸気、並びに冷却部９内部の冷却水を、外部に対して気密、あるいは水密に保つためのものである。
冷媒部７と蒸発凝縮部８はヘッダ３とは遮断されており、この部分はパッキン１０における遮断部１０ａを構成しており、パッキン１０を形成する材料により、遮断隔壁が一体となって形成されている。
尚、パッキン１０の材料としては、フッ素系ゴムあるいはエラストマーが用いられている。
冷却部９はヘッダ３と連通されており、したがってこの部分に相当するパッキン１０には開口部１０ｂが形成されている。
【００１７】
図７はヘッダ３をヒートシンク１側から見た側面図、図８は図７のＢ−Ｂ線断面平面図である。
図８において、ヘッダ３にはパッキン１０が入り込む空間部３ａが設けられており、この空間部３ａはパッキン１０の厚みより僅かに薄くなるよう形成されており、ヘッダ３がヒートシンク１に組み立てられる際に、パッキン１０を押すことにより変形させる際の潰し代を設けている。
【００１８】
冷却部９の内部の冷却水を循環させるために、ヘッダ３の内部には、ヒートシンク１の隣り合う冷却部９同士を連通させるための冷却水の経路３ｂが設けられている。
即ち、パッキン１０の開口部１０ｂを通過した冷却部９の冷却水は、このヘッダ３の経路３ｂを通過して隣の冷却部９へと導かれることにより、冷却水はヒートシンク１の内部を循環することができる。
図７中の矢印は冷却水の流れの方向を示している。
【００１９】
図９は図１におけるＣ−Ｃ線断面図であり、ヘッダ４をヒートシンク１側から見た側面図、図１０は図９のＤ−Ｄ線断面平面図である。
図において、ヘッダ４には冷却水の外部の経路と接続するためのニップル６が一体的に取り付けられ、冷却水が出入するように構成されている。
図において、ヘッダ４には図１１に示すパッキン１１が入り込む空間部４ａが設けられており、この空間部４ａはパッキン１１の厚みより僅かに薄くなるよう形成されており、ヘッダ４がヒートシンク１に組み立てられる際に、パッキン１１を押すことにより変形させる際の潰し代を設けている。
【００２０】
冷却水はニップル６を介してヘッダ４の開口部４ｂから流入してくる。
このあとヒートシンク１の冷却部９の経路の中を進み、対向するヘッダ３に到達する。
そしてヘッダ３の内部に形成された冷媒部７を迂回する冷却水の経路３ｂを進み、さらにヒートシンク１の隣の冷却部９の経路を辿りヘッダ４に戻ってくる。
【００２１】
ヘッダ４内部においても冷媒部７を迂回する冷却水の経路４ｃ、あるいは隣の冷却部９に移動する経路４ｄが形成してあり、これを辿って冷却水は折り返しながら進行する。
この進行方向の折り返しを繰り返すことで、ヒートシンク１の内部を冷却水が循環し、最後はヘッダ４の開口部４ｅから外部の経路へと出て行く。
【００２２】
図１１はヘッダ４とヒートシンク１との間に挟みこまれるパッキン１１を示す側面図であり、図において、パッキン１１はヘッダ４とヒートシンク１との間に挟みこまれ、冷却部７内部の冷媒７ａ、蒸発凝縮部８内部の蒸気、並びに冷却部９内部の冷却水を、外部に対して気密、あるいは水密に保つためのものである。
冷媒部７と蒸発凝縮部８はヘッダ４とは遮断されており、この部分はパッキン１１における遮断部１１ａを構成しており、パッキン１１を形成する材料により、遮断隔壁が一体となって形成されている。
【００２３】
尚、パッキン１１の材料としては、フッ素系ゴムあるいはエラストマーが用いられている。
これにより冷媒７ａが外部と遮断され、気密と水密が保たれる。
冷却部９はヘッダ４と連通されており、したがってこの部分に相当するパッキン１１には開口部１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが形成され、冷却水が通過する。
【００２４】
図１２は冷却装置と外部機器全体を示す斜視図であり、図において、ヘッダ４に一体的に取り付けられたニップル６は、配管１２により、外部に設けられた冷却水の循環回路に接続される。
この外部の冷却水の循環回路は、冷却水を循環させるポンプ１３と、このポンプ１３を駆動するモータ１４と、冷却水を外部の空気との間で熱交換するラジエータ（放熱器）１５とから構成されている。
【００２５】
次に冷却装置の動作について説明する。
冷媒部７内の冷媒７ａは、発熱体であるパワー半導体モジュール２から伝達される熱を受けて沸騰し気化する。
気化した高温蒸気は蒸発凝縮部８に充満する。
この蒸発凝縮部８は両側から冷却部９により挟み込まれているために、低温が保たれている冷却部９内部の冷却水によって、高温蒸気は熱を奪い取られる。
【００２６】
このとき冷却される蒸気は、凝縮作用により放熱するとともに、液体状の冷媒７ａに相を変化させる。
液化した冷媒７ａは蒸発凝縮部８の内壁を滴下し、冷媒部７に戻る。
一方高温蒸気から熱を奪い昇温した冷却部９内部の冷却水は、配管１２を循環し、外部に設けられた熱交換器であるラジエータ１５により、外部の空気に放熱することで、もとの低温状態の冷却水にもどり、配管１２内部を流れて再びヘッダ４に一体的に取り付けられたニップル６から冷却装置内部に流入し循環する。
【００２７】
本発明によるヒートシンク１は、押し出し成形加工により成形されるため、冷媒部７と蒸発凝縮部８、および冷却部９から構成される沸騰熱伝達を機能とする熱交換器の主要な構成要素を一つの部材で成立させることができる。
さらに外部に対し気密と水密を保つために用いるパッキン１０、１１およびヘッダ３、ヘッダ４から本装置は構成されるように、ヒートシンク１を含め二組のパッキン１０、１１とヘッダ３、４による５つの部材から本装置は構成されているので、最小限の少ない部材数で済み、更に個々の部材は簡素な形状で済ますことができる。
【００２８】
したがって、これらの少ない部材数で構成することは、組立工数を軽減できるとともに、簡素な部材で構成するゆえに組み立てられた本装置自体が、機械的強度を強固にすることができるために、冷媒部７と蒸発凝縮部８を低圧にした場合の減圧下においても、機械的強度を確実に向上させることができ、生産性を向上させ、更には信頼性も兼ね備えた冷却装置を提供することができる。
【００２９】
さらに、冷却水の経路をヘッダ３、４の内部に設け、ヒートシンク１内部の複数ある冷却部９をひとつづきの経路として構成することにより、一部に流れの滞留などが発生しないことから、蒸発凝縮部８の全体にわたり均質に冷却をおこなうことができる。
また、ヒートシンク１内部の冷却部７と、冷却すべき蒸発凝縮部８とを互いに交互に配列することにより、熱交換をおこなうべき温度差を持った２つの気体と液体を、より広い面積で対向させることができ、したがって、蒸発凝縮部８の全体にわたり高効率に冷却をおこなうことができる。
【００３０】
冷媒部７と蒸発凝縮部８とをひとつづきの空間とし、発熱部であるパワー半導体モジュール２から発熱され、ヒートシンク１に伝達された熱を、冷媒部７が効率よく受熱することが必要となる。そして、冷媒部７を熱源となるパワー半導体モジュール２の発熱面に対し、広い面積で対峙させる配置が必要となる。
したがって本発明では、熱源となるパワー半導体モジュール２の発熱面に対し平行となるように冷媒部７を配置している。
【００３１】
さらに冷媒７ａが受熱し気化した蒸気は、これもより高効率で熱交換をおこなうためには広い面積で冷却部９と対峙させる必要があることから、冷媒部７と蒸発凝縮部８とをひとつづきの空間とし、蒸発凝縮部８を冷媒部７に対して直角方向に配置するとともに、蒸発凝縮部８を冷却部９との間に挟み込ませる配置とする必要がある。
【００３２】
上記説明においては、冷媒部７は一定間隔ごとに独立させる例について説明したが、このことの効果について図を用いて説明する。
図１３は本発明による冷却装置を垂直に近く立てた状態で設置した場合を示す側面図であり、図１３に示すように、冷媒７ａは重力の影響で冷媒部７と蒸発凝縮部８に流れ込み、下方に偏った状態で貯留させることになるが、ここでは発熱体であるパワー半導体モジュール２の配列に対応して、冷媒部７は独立して配置されているので、全てのパワー半導体モジュール２の近傍に冷媒７ａを貯留させることが可能となり、沸騰冷却による高効率な冷却機能を維持させることができる。
【００３３】
しかし図１４に示すように、冷媒部７をひとつづきの空間とした場合は、冷媒７ａが下方に偏ることになるので、最上段のパワー半導体モジュール２の冷却は行えないという問題が生じる。
従来技術として紹介した上記特許文献１に開示された沸騰冷却装置では、このような垂直近傍にまで傾けた状態で、冷却機能を維持することは難しいという問題点があった。
【００３４】
図１５は図１におけるＥ−Ｅ線断面図であり、断面正面図となる。
図１５においては、冷却装置の長手方向が水平方向となるように設置した状態を表している。
図において、熱源であるパワー半導体モジュール２の配列に対応したヒートシンク１が３分割された構成で配置されており、ヘッダ３及びヘッダ４により、ヒートシンク１は両側から一体的に固着されている。
パッキン１０及びパッキン１１と冷媒部７とが接する部分は隔壁となっており、冷媒７ａは分割されたそれぞれのヒートシンク１の内部に独立して貯留されている。
又、パッキン１０及びパッキン１１と、図示しない冷却部９との接合面は開口部となっており、冷却水は３つのヒートシンク１をひとつづきの経路として連通している。
【００３５】
以上のように構成することにより、図１６に示すように、冷却装置の長手方向を垂直近傍にまで立てた状態に設置した場合においても、パッキン１０により冷媒７ａが各発熱体であるパワー半導体モジュール２に対応する位置において貯留させることが可能となるために、パワー半導体モジュール２の近傍において、冷媒７ａの沸騰気化による高効率な冷却を維持することができる。
【００３６】
これに対して、図１７に示すように、冷媒室７をパッキンで区切らず、ひとつづきの空間とした場合は、冷媒７ａが下方に偏ることとなり、最上段にあるパワー半導体モジュール２の冷却は行えないという問題が生じる。
従来技術として紹介した上記特許文献１に開示された沸騰冷却装置では、このような垂直近傍にまで傾けた状態で、冷却機能を維持することは難しいという問題点があった。
【００３７】
以上のようにこの発明に係る冷却装置にあっては、例えばＩＧＢＴ等のパワー半導体素子からなる発熱体で発生される熱によって冷媒部７の冷媒７ａが沸騰され、気化された冷媒７ａが、蒸発凝縮部８に充満するとともに、両面から挟み込まれる配置を有する冷却部９により冷却されることにより、冷却水に熱が伝達される。
【００３８】
このときの冷媒の沸騰熱伝達により、発熱部を高効率に冷却することができる。
又、一連の熱交換を行う液体を封入している経路の形成は、押し出し成形加工によるヒートシンク１形成過程において行うことにより、簡素な部材で構成することができ、結果として生産性に優れ、同時に耐久性にも優れるパワー半導体モジュールの冷却装置を得ることができる。
【００３９】
また、冷却装置を自動車に搭載する場合には、取付方向に自由度があるため、重力の影響を考慮する制約が少なくなり、搭載姿勢の自由度が高くなる。
【００４０】
実施の形態２．
図１８はこの発明の実施の形態２による冷却装置を示す断面側面図であり、図１におけるＡ−Ａ線断面図に相当する図である。
図において、ウイックと呼ばれる熱伝導性に優れた銅などを素材とする細線を、網状に編んだ繊維状の部材１６を冷媒部７の内部に挿入する。
このウイック１６に冷媒７ａをしみ込ませることで、冷媒部７内に貯留させる。
【００４１】
ウイック１６にしみ込ませた冷媒７ａは、冷媒７ａ自身の表面張力の作用により、重力の影響を受けずにウイック１６全体に浸透した状態を保持することができる。
また、熱伝導性に優れる銅などの素材から形成されるウイック１６により、発熱体となるパワー半導体モジュールから冷媒７ａに熱を伝達する際の伝達面積を広くすることができる。
【００４２】
このように構成した冷却装置によれば、冷却装置を垂直近傍に立てた状態に設置したとしても、冷媒７ａが重力の影響で下部に偏ることがないために、発熱体全体を均質に冷却することができる。
さらに、ウイック１６が冷媒７ａと接触することにより、ウイック１６を用いない実施の形態１の場合と比較すると、発熱部から冷媒７ａへの熱伝達が良好に行われるために、冷却性能は確実に向上する。
【００４３】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る冷却装置によれば、発熱体による熱により気化される冷媒を貯蔵する冷媒部と、この冷媒が気化した蒸気が冷却され液化する蒸発凝縮部と、この蒸発凝縮部を冷却する冷却水を封入する冷却部とをヒートシンク内に設けたものであって、ヒートシンクの外面に発熱体が取り付けられるとともに、ヒートシンクの両端面には冷媒、蒸気及び冷却水を封じ込めるためのパッキン、及びこのパッキンを押圧するヘッダを備え、ヘッダ内部に冷却水の経路を設けることにより、冷却水がヒートシンク内を循環できるようにしたので、発熱体を高い効率で冷却することができるとともに、生産性に優れ、同時に耐久性にも優れるパワー半導体モジュールの冷却装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による冷却装置を示す平面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１による冷却装置を示す左側面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１による冷却装置を示す右側面図である。
【図４】 この発明の実施の形態１による冷却装置を示す正面図である。
【図５】 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図６】 パッキンを示す側面図である。
【図７】 ヘッド部分を示す側面図である。
【図８】 図７のＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】 図１のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１０】 図９のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１１】 パッキンを示す側面図である。
【図１２】 冷却装置と外部機器全体を示す斜視図である。
【図１３】 冷却装置を示す側面図である。
【図１４】 冷却装置を示す側面図である。
【図１５】 図１におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図１６】 図１におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図１７】 冷却装置を示す断面正面図である。
【図１８】 この発明の実施の形態２による冷却装置を示す断面側面図である。
【符号の説明】
１ ヒートシンク、３，４ ヘッダ、７ 冷媒部、７ａ 冷媒、８ 蒸発凝縮部、
９ 冷却部、１０，１１ パッキン、１５ ラジエータ、１６ ウイック。

Claims (7)

1. 発熱体による熱により気化される冷媒を貯蔵する冷媒部と、この冷媒が気化した蒸気が冷却され液化する蒸発凝縮部と、この蒸発凝縮部を冷却する冷却水を封入する冷却部とをヒートシンク内に設けた冷却装置であって、上記ヒートシンクの外面に発熱体が取り付けられるとともに、上記ヒートシンクの両端面には上記冷媒、蒸気及び冷却水を封じ込めるためのパッキン、及びこのパッキンを押圧するヘッダを備え、上記ヘッダ内部に上記冷却水の経路を設けることにより、上記冷却水が上記ヒートシンク内を循環できるようにしたことを特徴とする冷却装置。
2. 上記パッキンには上記冷却水の経路となる部分には開口部を設けるとともに、上記冷媒部及び蒸発凝縮部に接する部分には遮断部を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 上記ヒートシンクは複数に分割され、分割面にはパッキンを設け、このパッキンには隣り合う上記冷却部を連通するための開口部を設けるとともに、隣り合う上記冷媒部及び蒸発凝縮部を遮断するための隔壁を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷却装置。
4. 上記ヒートシンク内には複数の独立した上記冷媒部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 上記蒸発凝縮部と上記冷却部とを互いに交互に配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 上記冷却部には装置外部に通じる少なくとも２つの開口部を有し、この開口部を介して外部に設置されるラジエータに接続されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 上記冷媒部にウイックを挿入したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の冷却装置。

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