JP4222190B2 - 半導体装置用の沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に搭載した電力変換装置などの適用に好適な半導体装置用の沸騰冷却装置に関する。

良く知られているように、新幹線や在来線の車両には主電動機を駆動制御する主回路システムとして、パワー半導体デバイスを主回路素子としたコンバータ／インバータ方式の電力変換装置が採用されている。また、この電力変換装置に装備したパワー半導体デバイスの冷却に沸騰冷却方式を採用したものが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
次に、前記の電力変換装置に適用した沸騰冷却装置の従来構成を図４〜図６に示す。図４において、１は電力変換装置のコンバータ，インバータ部を構成する主回路素子としてのダイオード，ＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュール、２は沸騰式の単位冷却ユニット、３は冷却空気を通風する風胴である。ここで、冷却ユニット２はフロン，純水などの冷媒（液相）４を減圧封入した密閉圧力容器になるタンク５と、該タンク５の上部側に風冷式の凝縮器６を一体に組み合わせた構成になり、前記タンク５をヒートシンクとしてその底面側にパワー半導体モジュール１を伝熱的に取り付けた上で、凝縮器６は風胴３の中の通風路に配置している。なお、この電力変換装置は全体を外箱で覆い、車両の床下に取り付けて搭載している。

また、前記の風冷式凝縮器６は図５，図６で示すように左右に並べてタンク５と連通するように立設した冷媒蒸気の通路となる冷媒ダクト６ａと、各冷媒ダクト６ａの頂部に連ねて設けたヘッダー６ｂとで冷媒の凝縮空間を画成するとともに、前記冷媒ダクト６ａの相互間の空間を冷却風通路６ｃとして、この冷却風通路６ｃの内方には冷却空気の通風方向に沿って延在する多数枚の放熱フィン（例えばアルミ板波状に成形したもの）７を狭い間隔ピッチで上下に布設し（図示の凝縮器は図面を簡略化するために放熱フィン７が粗い間隔ピッチで描かれている）、かつ放熱フィン７を前記冷媒ダクト６ａの外壁面にろう付けして伝熱的に結合させた構成になる。
上記沸騰冷却装置の原理は周知の通りであり、パワー半導体モジュール１の発生熱はタンク５に伝熱して該タンク内に封入した冷媒４を沸騰させる。また、冷媒蒸気はタンク５から圧力の低い凝縮器６に移動し、ここで風胴３の中を通風する冷却空気（送風ブロアにより周囲外気を取り込んで風胴３に送風する）と熱交換して凝縮し、再びタンク５に還流する。この蒸発−凝縮サイクルを繰り返すことにより、パワー半導体モジュール１の発生熱が効率よく冷却空気中に熱放散される。

一方、前記電力変換装置のコンバータ部，インバータ部は多数個のパワー半導体モジュール１で主回路を構成しており、これら半導体モジュールを冷却するには除熱容量の大きな沸騰冷却装置が必要となる。この場合に、沸騰冷却装置の冷却ユニット２を構成するタンク５，凝縮器６は前記のように密閉圧力容器で構成しており、その内容積と圧力のＰＶ積が規定値よりも大きくなると圧力容器として安全規制による法的な検定が必要となること、および装置のメンテナンス性を考慮して、通常は沸騰冷却装置を複数の小容量な冷却ユニットに分けて構築するようにしている。図４に示した例では沸騰冷却装置を２基の冷却ユニット２に分けて構築し、各冷却ユニット２の凝縮器６を風胴３の内部で風上側，風下側に並ぶように配置している。
特開平１１−３９７１号公報

ところで、前記した従来構成の沸騰冷却装置（図４参照）を採用して構築した電力変換装置を鉄道車両に搭載して使用すると、次に記すような問題点が発生する。
すなわち、車両の床面下に搭載した電力変換装置の沸騰冷却装置に対し、軌道に近い周囲から送風ブローにより取り込んだ外気を風胴３に通風して凝縮器６に流すと、周囲から外気と一緒に巻き込んだ塵埃，ゴミが凝縮器６の入口，冷却風通路６ｃ内に布設した放熱フィン７に蓄積して冷却空気の円滑な通風を妨げる。
この場合に、図４のように各冷却ユニット２の凝縮器６を風胴３内で前後に並べて配置した構成では、特に風下に配置した凝縮器の入口側に多量の塵埃，ゴミが多く蓄勢して冷却風通路の放熱フィン間に目詰まりを引き起こすことが経験的に知見されている。これは風上に配置した凝縮器の冷却風通路出口と風下に配置した凝縮の冷却通路入口との間が隔離していて両者の間に断面が拡大した空間が存在することから、この領域の通風路に流れる冷却空気流に乱流が生じ、これが原因で風下の凝縮器入口部分に塵埃が溜まり易くなる。しかも、この部分に塵埃，ゴミが蓄積した状態になると、凝縮器５を通流する冷却空気流の圧力損失が高まって沸騰冷却装置の能力が低下し、その結果、パワー半導体モジュールの温度が上昇して主回路システムの性能を低下させるおそれがある。

そこで、従来では電力変換装置の点検時に、風胴３の入口，あるいは出口側から清浄空気をブローする、あるいは風胴の中間部分を開放して風胴内の凝縮器５に蓄積した塵埃，ゴミを排除するようにしている。この場合に、風上の凝縮器に蓄積した塵埃は清浄空気を直接ブローすることで比較的簡単に塵埃を除去できるが、風下の凝縮器に蓄積した塵埃，ゴミは風胴入口からのエアブローでは簡単に排除できないため、やむを得ず風胴の一部を開放した上で風下の凝縮器をエアブローして清掃を行っているが、この作業には手間と時間が掛かることから、その改善策が要望されている。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、複数の冷却ユニットを並置してその凝縮器を前後に並べて風胴内に配置した構成の沸騰冷却装置を対象に、凝縮器の冷却風通路に塵埃，ゴミが蓄積されにくくし、またメンテナンス時には風胴を開放することなく簡単なエアブローだけで各ユニットの凝縮器を一括して清掃できるように改良した半導体装置用の沸騰冷却装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明によれば、単位冷却ユニットが冷媒を封入した密閉圧力容器の上部に風冷式の凝縮器を設けた構成になり、前記密閉圧力容器に半導体モジュールを伝熱的に取り付けた上で、複数ユニットの各凝縮器が風胴内の導風路に沿って前後に並ぶように配置し、前記風胴に冷却空気を送風して半導体モジュールを冷却するようにした半導体装置用の沸騰冷却装置において、
前記凝縮器は、前記密閉圧力容器に左右に並べて立設した冷媒蒸気の通路となる複数の冷媒ダクトと、前記各冷媒ダクトの頂部に連ねて設けたヘッダーとで冷媒の凝縮空間を画成するとともに、前記冷媒ダクトの相互間の空間により冷却風通路を形成し、
風上側の凝縮器の前記冷却風通路と風下側の凝縮器の前記冷却風通路とを連通するとともに、
前記冷却風通路に、風上側の凝縮器の前記冷却風通路入口から風下側の前記凝縮器の冷却風通路出口までの間に連なる共通の放熱フィンを布設するものとし、その実施の態様として次記のように構成する。

（１）風上側の凝縮器の出口側端面と風下側の凝縮器の入口側端面とを前後に突き合わせて配置して、風上側の凝縮器の前記冷却風通路と風下側の凝縮器の前記冷却風通路とを連通する。
（２）風上側の凝縮器と風下側の凝縮器との間を離間して配置し、かつ風上側の凝縮器出口と風下側の凝縮器入口との間に跨がって冷却風通路同士の間を補助風胴で連結して、風上側の凝縮器の前記冷却風通路と風下側の凝縮器の前記冷却風通路とを前記補助風洞を介して連通する。
（３）前項において、前後に並ぶ各冷却ユニットの前記密閉圧力容器を一体に連ねて構成する。

上記構成によれば、風胴内に前後に並べて風上に配置した凝縮器の冷却風通路と風下に配置した凝縮器の冷却風通路，およびその冷却風通路内に布設した放熱フィンが風上の凝縮器入口から風下の凝縮器出口まで分断なく連続して連なるようになる。したがって、冷却空気の送風時に巻き込んだ塵埃，ゴミは冷却空気に随伴して風下の凝縮器出口から下流側に排出され、凝縮器の冷却風通路内に蓄積しにくくなる。また、メンテナンス時には従来のように風胴の中間部分を開放することなく、入口あるいは出口側から清浄空気をエアブローするだけで各凝縮器の冷却風通路内に蓄積している塵埃，ゴミを確実に排除できて保守作業の簡便化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図示実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図４〜図６に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図１(a) 〜(c) は本発明の請求項１，２に対応する実施例を示すものである。この実施例において、沸騰冷却装置は図４に示した構成と同様に前後に並置して組み合わせた２基の冷却ユニット２から構築されており、各ユニット２のタンク５に連ねてその上部に設けた凝縮器６が冷却風の風胴３内に配置されている。ここで、図１の構成では風上に並ぶ冷却ユニット２についてはその凝縮器６をタンク５の後端に設け、風下の冷却ユニットでは凝縮器６をタンク５の前端に設け、図示のように２基の冷却ユニット２を組み合わせた据付け状態では、風胴３内に並ぶ風上の凝縮器６の出口側端面と風下の凝縮器６の入口側端面とが重なり合っており、さらに双方の凝縮器６の冷却風通路６ｃを連ねて次記のような共通な放熱フィン８が布設されている。
すなわち、風胴３内の風上に配置した凝縮器６の入口から風下に配置した凝縮器６の出口までの距離をＬ1 として、放熱フィン８は前記距離Ｌ1 に対応した長さの長尺なアルミ板で作られている。そして、冷却ユニット２の凝縮器６を図示のように前後に突き合わせた状態、双方の凝縮器６の冷却風通路５ｃを貫通するように多数枚の共通な放熱フィン８が凝縮器６の冷媒ダクト６ａの壁面にろう付けして伝熱的に布設されている。

この構成によれば、風上側，風下側に並べて配置した２基の凝縮器６の冷却風通路，およびその冷却風通路内に布設した共通な放熱フィン８が風上の凝縮器入口から風下の凝縮器出口まで連続して連なっている。これにより、冷却空気の送風時に風胴３内に侵入した塵埃，ゴミは冷却空気流に随伴して風下の凝縮器出口から下流側に排出され、従来構成（図４参照）のように風下に配置した凝縮器の入口部分に蓄積されにくくなる。また、メンテナンス時には風胴３の入口あるいは出口側から清浄空気をエアブローするだけで各凝縮器６の冷却風通路内に蓄積している塵埃，ゴミを簡単，かつ確実に排除できる。

次に、本発明の請求項３，４に対応する実施例を図２，図３に示す。この実施例の冷却ユニット２は、大形サイズのタンク５の中央に仕切壁５ａを設けて前後に並ぶ二つの冷却ユニット部分を画成した一体構造になり、各冷却ユニットのタンク部と個別に連通するようにタンク５の上部には２基の凝縮器６が前後に分離して設置されており、図２の組立状態では各基の凝縮器６が風胴３の内部で前後に並んでいる。
ここで、風胴３内の風上側に配置した凝縮器６の冷却風通路６ｃと風下側に配置した凝縮器６の冷却風通路６ｃとの間に跨がって、図３(a) で示すように風胴３と別な補助風胴９を設けて各冷却風通路同士の間を連通させている。さらに、前記の補助風胴９を挟んでその前後に並ぶ凝縮器６の入口端から出口端までの全長距離をＬ2 として、各凝縮器６の冷却風通路６ｃ同士を連ねて前記距離Ｌ2 に対応する長さを有する多数枚の共通な放熱板８を補助風胴９の中を経由して布設した上で、放熱フィン８を凝縮器６の冷媒ダクト６ａにろう付けして伝熱的に結合している。

上記の構成によれば、風上側，風下側に分離して風胴３内に配置した２基の凝縮器６の冷却風通路，およびその冷却風通路内に布設した共通放熱フィン８が風上の凝縮器入口から風下の凝縮器出口まで補助風胴９を経由して連なっている。これにより、先記の実施例１と同様に塵埃，ゴミの蓄積による冷却風通路の目詰まりを防ぎ、またメンテナンス時にはエアブローするだけで凝縮器６の冷却風通路内に蓄積した塵埃，ゴミを排除して簡単に清掃することができる。

本発明の実施例１に対応する沸騰冷却装置の構成図で、(a) は装置全体の構成図、(b),(c) はそれぞれ(a) における凝縮器部分の詳細構造を表す側視断面図，および共通放熱フィンの外形図 本発明の実施例２に対応する沸騰冷却装置の構成図 図２における凝縮器部分の詳細構造図で、(a) は外観斜視図、(b) は共通放熱フィンの外形図 パワー半導体モジュールを搭載した沸騰冷却装置全体の従来構成図 図４における凝縮器の外観斜視図 図５における矢視Ｘ−Ｘ断面図

符号の説明

１ パワー半導体モジュール
２ 沸騰冷却装置の冷却ユニット
３ 風胴
４ 冷媒
５ 密閉容器のタンク
６ 凝縮器
６ａ 冷媒ダクト（冷媒通路）
６ｂ ヘッダー
６ｃ 冷却風通路
８ 共通放熱フィン
９ 補助風胴

Claims (4)

1. 単位冷却ユニットが冷媒を封入した密閉圧力容器の上部に風冷式の凝縮器を設けた構成になり、前記密閉圧力容器に半導体モジュールを伝熱的に取り付けた上で、複数ユニットの各凝縮器が風胴内の導風路に沿って前後に並ぶように配置し、前記風胴に冷却空気を送風して半導体モジュールを冷却するようにした半導体装置用の沸騰冷却装置において、
   前記凝縮器は、前記密閉圧力容器に左右に並べて立設した冷媒蒸気の通路となる複数の冷媒ダクトと、前記各冷媒ダクトの頂部に連ねて設けたヘッダーとで冷媒の凝縮空間を画成するとともに、前記冷媒ダクトの相互間の空間により冷却風通路を形成し、
   風上側の凝縮器の前記冷却風通路と風下側の凝縮器の前記冷却風通路とを連通するとともに、
   前記冷却風通路に、風上側の凝縮器の前記冷却風通路入口から風下側の前記凝縮器の冷却風通路出口までの間に連なる共通の放熱フィンを布設したことを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置用の沸騰冷却装置において、風上側の凝縮器の出口側端面と風下側の凝縮器の入口側端面とを前後に突き合わせて配置して、風上側の凝縮器の前記冷却風通路と風下側の凝縮器の前記冷却風通路とを連通することを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置用の沸騰冷却装置において、風上側の凝縮器と風下側の凝縮器との間を離間して配置し、かつ風上側の凝縮器出口と風下側の凝縮器入口との間に跨がって冷却風通路同士の間を補助風胴で連結して、風上側の凝縮器の前記冷却風通路と風下側の凝縮器の前記冷却風通路とを前記補助風洞を介して連通することを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置用の沸騰冷却装置において、前後に並ぶ各冷却ユニットの前記密閉圧力容器を一体に連ねて構成したことを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。

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