JP4610164B2 - 液冷電力用半導体装置ヒートシンク - Google Patents
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Description
本発明の別の目的及び利点は、以下の詳細な説明の部分に記載されており、部分的には説明から明らかになるであろうし、或いは本発明を実施することによって修得できるであろう。本発明の目的及び利点は、特許請求の範囲に具体的に指摘した要素と組み合わせによって実現され、達成されるであろう。
本明細書に組み込まれ、その1部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示しており、説明と共に、本発明の原理を解説する役目を担っている。
図1は、冷却板10上に配置されている複数のスイッチ2を備えた速度可変誘導電動機(電動機)駆動装置1を示している。このような駆動装置は、様々な用途で、必要な電力を電動機に供給するのに使用することができるが、或る好適な実施例では、駆動装置1は、HVACシステム内で誘導電動機を駆動するのに用いられる。例えば、そのような電動機は、冷蔵システムのコンプレッサーを駆動することができる。
本発明の冷却板の或る好適な実施形態及び用途では、冷却板は、HVACシステムの誘導電動機に電力供給するのに用いられる少なくとも3つの電子スイッチを冷却する。電子スイッチは、個別に或いはユニットとして、冷却板に対し密着状態に固定されている。冷却板に送られる冷却流体は、図7に示すように、冷却板と熱交換器を閉ループで流れる水であるのが望ましい。熱交換器は、水を、冷却板に再導入される前に冷却する。熱交換器は、HVACシステムの冷却塔からの水を使って冷却板へ送る水を冷却するような、多管式熱交換器(shell and tube type heat exchanger)であるのが望ましい。
冷却板10には、機械加工等で2つの主要な流体導管12及び13が形成され、冷却流体を、供給導管12経由で冷却板内に導入し、排出導管13経由で出せるようになっている。図示の実施形態では、これらの導管は、冷却板の長さに沿って伸張する比較的大きな円筒形の導管である。導管は、導管の長さに沿う圧力降下が比較的低くなるように寸法決めされ設計されている。
窪みは、幅、長さ及び形状が、冷却対象の電子部品の幅、長さ及び形状に合うように設計されのが望ましい。例えば、電子部品がスイッチであるHVAC用途では、窪みの幅は約3.8cm(1.5インチ)で、長さは約7.6cm(3インチ)である。冷却流体は、供給導管12から窪みに形成されている入口ポート21を通って窪みに入り、窪みの端まで流れ、次に出口ポート22を出て出口導管13に入る。これらの導管は、導管13を出る冷却流体を冷却するための熱交換器に接続されている。
水力直径=4×断面積/(2×窪みの深さ+2×窪みの幅)
である。ノズルは、図示のように、窪みの端部に配置して、冷却流体が、事実上、電子部品の表面、及びノズルに隣接する窪みの壁両方に跳ね返るようになっているのが望ましい。
冷却板とその構成要素も、入口導管12の長さに沿う圧力降下が、窪みに亘る圧力降下よりも実質的に小さくなるように設計されているのが望ましい。これは、少なくとも入口導管の大きさを、窪みとその入口及び出口の大きさ、形状及び流量特性に対して相対的に大きくし、この相対関係を達成することによって実現される。入口導管の長さに沿う圧力降下は、個々の窪みに亘る圧力降下の1/10を越えないことが望ましい。各窪みは、同じ大きさ、形状及び流体流量特性を有しているのが望ましい。
例えば、窪みの幅が約3.28cm(約1.291インチ)、長さが約10.24cm(約4.033インチ)、深さが約0.13cm(約0.05インチ)で、且つ冷却板が3つの窪みを有している場合、直径約1.43cm(0.563インチ)の導管12及び13とすれば、望ましい流量と圧力降下特性が得られることが分かる。この例では、ポート21及び22は、実質的に窪みの全幅に沿って伸張し、ポートは、幅が約0.24cm(約0.094インチ)、長さが約2.30cm(約0.906インチ)、深さが少なくとも約0.32(0.125インチ)のノズルを有しているのが望ましい。
更に、冷却流体を第1窪みから最終窪みまで直列に流すのではなく、各窪み20を入口13と直接接続することによって、各窪みに新鮮な冷却剤が供給され、全ての窪みの冷却能力が最大になる。先行技術による同様な装置では、単一の冷却剤用経路を使用して、冷却剤が次の窪みに達する時間までに、各先行する窪みが、熱を冷却剤に伝達するようにしている。このような直列式では、冷却剤が最終の窪みに達する時間までに、冷却剤の冷却容量は大きく低下する。
冷却板の開放窪みを備えた表面とは反対側の表面上に、追加の電子部品を取り付けることも考えられる。その場合、これらの部品は、先行技術による装置と同じ方法で、熱を部品から冷却板に移し、次いで液体に移すことにより冷却することになる。この構成を使えば、全体パッケージを非常に小型とすることができる。
Claims (25)
- 電子部品を冷却するための冷却板において、
少なくとも1つの電子部品が取り付けられることになる上部表面を有するベースと、
前記ベースの上部表面に形成され、前記上部で開いている冷却窪みと、
前記冷却窪みに導入される冷却流体を受け入れるための、前記ベース内に形成されている供給導管と、
前記冷却流体を前記冷却窪みから排出する際に通す、前記ベース内に形成されている排出導管と、
前記冷却窪み内に形成され、前記供給導管と連通している冷却窪み入口であって、前記供給導管に最も近い前記窪みの側辺の全長に伸張しているスリットである冷却窪み入口と、
前記冷却窪み内に、前記冷却窪み入口の反対側に形成され、前記排出導管と連通している冷却窪み出口であって、前記排出導管に最も近い前記窪みの側辺の全長に伸張しているスリットである冷却窪み出口と、を備えており、
前記冷却流体が前記冷却板を通って流れるときに、前記供給導管に亘る圧力降下が、
前記窪みに亘る圧力降下よりも小さくなるように、前記供給導管は、前記窪み及び前記冷却窪み入口及び出口の寸法及び流量特性と比べてそれらが相当に大きくなっている冷却板。 - 前記冷却板は、前記供給導管及び前記排出導管の長さに沿って間隔を空けて配置された複数の窪みを含んでおり、前記各窪みは、それぞれ、電子部品又はその一部を冷却するように寸法と形状が決められている、請求項1に記載の冷却板。
- 前記供給導管に亘る圧力降下は、前記窪みに亘る圧力降下の7分の1以下である、請求項1に記載の冷却板。
- 前記供給導管に亘る圧力降下は、前記窪みに亘る圧力降下の10分の1以下である、請求項1に記載の冷却板。
- 前記窪みそれぞれの水力直径は、約0.13から0.51cm(0.05から0.20インチ)の間である、請求項1に記載の冷却板。
- 前記冷却窪みそれぞれの深さは、約0.05から0.51cm(0.020から0.20インチ)の範囲内にある、請求項2に記載の冷却板。
- 前記窪みそれぞれに亘る圧力降下は、ほぼ同じであり、前記供給導管に亘る圧力降下は、前記窪みに亘る圧力降下の7分の1以下である、請求項6に記載の冷却板。
- 前記冷却窪み入口のそれぞれは、前記冷却流体を、前記各冷却窪み上方に配置される電子部品の表面に直接向けるように設計されているノズルを備えている、請求項6に記載の冷却板。
- 前記窪み入口は、前記電子部品の表面に約90度の角度で前記冷却流体を向けるノズルである、請求項8に記載の冷却板。
- 前記窪み入口のそれぞれは、各冷却窪みの端部に、前記供給導管に近接して配置されており、前記入口からの冷却流体は、前記電子部品の表面に向けられ、前記冷却窪みの端壁から跳ねて前記冷却窪み出口に向かうようになっている、請求項9に記載の冷却板。
- 前記電子部品を前記冷却板と密閉関係に接続するための機械的システムを更に備えている、請求項2に記載の冷却板。
- 前記機械的システムは、前記冷却板内の複数の開口と、前記開口と前記電子部品を係合するための複数の締結具とを含んでいる、請求項11に記載の冷却板。
- 前記冷却窪みのそれぞれの外周回りに形成され、中にOリングを配置することになるOリング溝を更に備えている、請求項12に記載の冷却板。
- 前記冷却板は、少なくとも3つの冷却窪みと、付帯する冷却窪み入口及び出口とを含んでいる、請求項2に記載の冷却板。
- 前記冷却板はアルミニウムで作られている、請求項2に記載の冷却板。
- 前記冷却流体と接触することになる前記冷却プレートの全ての部分は、陽極酸化処理されている、請求項2に記載の冷却板。
- 前記冷却板は銅で作られている、請求項2に記載の冷却板。
- 前記供給導管を通る冷却剤の流れは、前記複数の冷却窪みを通る冷却剤の流れに対して直角である、請求項9に記載の冷却板。
- 前記複数の冷却窪みのそれぞれには、前記窪みの底に丸くなったコーナーが設けられ、前記窪みの残りの部分に亘って同じ深さである、請求項9に記載の冷却板。
- 前記冷却入口及び出口は、前記供給導管及び排出導管それぞれに最も近い前記窪みの側辺に形成されている一連の孔を備えている、請求項2に記載の冷却板。
- 前記冷却流体は水である、請求項2に記載の冷却板。
- 高速電子スイッチを冷却するための冷却板において、
少なくとも3つの高速電子スイッチが取り付けられることになる上部表面を有するベースと、
前記ベースの上部表面に形成され前記上部に開いている、それぞれに前記高速電子スイッチを受け入れる、少なくとも3つの冷却窪みと、
前記冷却窪みに導入される冷却流体を受け入れるための、前記ベース内に形成されている供給導管と、
前記冷却流体を前記冷却窪みから排出する際に通す、前記ベース内に形成されている排出導管と、
前記冷却窪み内に形成され、前記供給導管と連通している冷却窪み入口であって、前記供給導管に最も近い前記窪みの側辺の全長に伸張しているスリットである冷却窪み入口と、
前記冷却窪み内に、前記冷却窪み入口の反対側に形成され、前記排出導管と連通している冷却窪み出口であって、前記排出導管に最も近い前記窪みの側辺の全長に伸張しているスリットである冷却窪み出口と、を備えている冷却板。 - 前記窪み入口は、前記冷却流体を、前記電子スイッチの表面に、約90度の角度で直接向けるように設計されているノズルである、請求項22に記載の冷却板。
- 前記冷却流体は、閉ループシステム内で熱交換器を使って冷却される、請求項22に記載の冷却板。
- 前記冷却流体が前記冷却装置を通って流れるときに、前記供給導管に亘る圧力降下が、
前記窪みに亘る圧力降下よりも小さくなるように、前記供給及び排出導管は、前記窪み及び前記冷却窪み入口及び出口の寸法及び流量特性と比べて相当に大きくなっている、請求項22に記載の冷却板。
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