JP4610164B2 - 液冷電力用半導体装置ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、概括的には、電力用電子装置、特に、ＨＶＡＣシステム内の誘導電動機に電力を供給するのに用いられる装置を冷却するためのヒートシンクに関する。本発明は、特に、冷却流体が、冷却対象の装置と、その装置が上に取り付けられている導管と窪みのシステムを介して直接接触するようになっているヒートシンクに関する。

絶縁ゲート式バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ）やシリコン制御整流器（ＳＣＲ）のような電力用電子装置は、通常、装置をヒートシンク又は「冷却板」に固定されているハウジング内に取り付けることによって冷却される。冷却板は、通常、アルミニウム又は銅のような熱伝導性の高い材料で作られ、冷却板が、装置によって生成された熱を、装置から環境へと容易に伝導できるようになっている。一般に、熱は、冷却板によって、伝導及び対流を通して熱を周囲の空気又は液体へ伝達するように設計されている構造物へと伝導される。

先行技術の冷却板に関する欠点は、熱が、冷却板に達するまでに、装置が入れられているハウジングの基板を通って移動し、基板と冷却板の間の境界面を越えなければならないので、電力用電子装置からの熱伝達がある程度減少するという点である。基板と冷却板の境界面を越える熱伝達は、連結面の密接度に依るところが大きく、連結面の密接度は、連結面の平面度と、装置を冷却板に固定する締結具が作り出す接触圧で決まる。その結果、基板と冷却板に局所化された過熱点が発生し、電力用電子装置が、高い作動温度に曝されることもある。この影響を緩和するため、基板と冷却板の境界面を横切る熱が良好に分布するよう、しばしば大型で厚い基板が使用される。特に、１つの冷却板に２つ以上の電力用電子装置を取り付ける場合は、ヒートシンク質量を大きくするために冷却板も厚くする必要がある。残念ながら、基板と冷却板の厚さを増した結果、重量が増えるのは、特に、自動車産業及び航空産業での用途には望ましくないことが多い。更に、冷却板を厚くすると熱抵抗も増すので、電子機器の作動温度が上昇する。

冷却板を通って流れる流体への熱伝達は知られている。繰り返すと、熱伝導金属製の冷却板が通常使用されているが、１つ又は複数の経路が冷却板内に形成されている。以前と同じく、熱は、経路を通って流れる冷却流体を介して、装置から環境へ伝達される。流体冷却冷却板によって熱伝達を向上させることはできるが、そのような冷却板は、従来型の先行技術による冷却板と同じ上記欠点を共通に有している。具体的には、熱は、冷却板に達するまでに、装置の基板を通って移動し、基板と冷却板の間の境界面を越えなければならないので、電力用電子装置からの熱伝達は減少する。その結果、流体冷却冷却板によって冷却される電力用電子装置も、高い作動温度に曝されることになる。

現在の流体冷却冷却板の別の欠点は、冷却の効果と、製造の難しさである。現在、これらの流体冷却冷却板は、一般的に２つの種類になっている。１つは、基板に切り込まれた導管の中に、管、通常は銅管を配置するものである。次に、熱伝導性エポキシ樹脂を管の最上部に配し、管を適所に保持し、管と基板との間に伝熱境界面を作り出す。冷却流体は管内に導入され、電子部品から熱を奪う。銅管を利用すると、冷却板自身をアルミニウムで製造するすることができ、重量が減り、製造し易くなるが、管を通過する液体から、エポキシ樹脂、そして装置自体に到る熱伝達は最適ではない。

もう１つの技術では、銅又は別の適した材料で作られた基板を使って、中に、冷却液を流す導管を穿孔する。この型式の基板も、幾つかの欠点を有している。流体がプレート自体を通って流れるので、銅のような材料が重くなり、かなり重い基板となることも多い。更に、導管は縁部から穿孔しなければならないことが多く、内側チャンバを密閉するために、孔をろう付けする必要がある。もう１つの欠点は、湾曲コーナーに穿孔するのは、不可能ではなくても難しいため、孔がしばしば直角に９０度曲がることである。この型式の導管は、流量容量が減ることになる。更に、銅管を使用する基板と同様に、ヒートシンクの冷却容量は、基板を通して電子装置自体に伝達されなければならない。

本発明によれば、電子部品を冷却するための冷却板は、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、ベースの上部に形成され上部に開いている冷却窪みと、冷却窪みに導入される冷却流体を受け入れるための、ベース内に形成されている供給導管と、冷却流体を冷却窪みから排出する際に通す、ベース内に形成されている排出導管と、冷却窪み内に形成され、供給導管と連通している冷却窪み入口と、冷却窪み内に、冷却窪み入口の反対側に形成され、排出導管と連通している冷却窪み出口と、を備えており、冷却流体が冷却装置を通って流れるときに、供給導管に亘る圧力降下が、窪みに亘る圧力降下よりも実質的に小さくなるように、供給排出導管は、窪み及び冷却窪み入口及び出口の寸法及び流量特性と比べると相当大きくなっている。
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。

以上の一般的説明と以下の詳細な説明は、代表的なものを例示して説明するだけのものであって、本発明を請求するものとして限定するものではない。
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。

以下、本発明の本実施形態について説明するが、添付図面にその例を示している。各図面を通して、同一又は類似部品には、出来る限り同じ参照番号を付している。
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。

電動機駆動装置１のスイッチ２としては、３つのＩＧＢＴが含まれるＥＵＰＥＣ社のモジュールが示されているが、最適な作動のために冷却を必要とする他の半導体装置又は他の電子部品を、この冷却板で冷却してもよい。冷却流体パイプ３、４は、入口導管１２及び出口導管１３に接続されており、それぞれ、冷却流体を冷却板１０内に導入する。図７に示すように、パイプ３及び４は冷却システムに接続されており、冷却システムは、冷却流体を冷却板１０に継続的に流す。冷却水のような冷却流体は、以下に説明するように、パイプ３に送られ、冷却板を通って流れ、パイプ４から流出する。

水及び既知の冷媒を含む様々な異なる冷却流体を冷却板へ導入して、電子部品を冷却するのに用いることができる。更に、既知の熱交換器のような様々な異なる冷却システムを使って、冷却板へ送られ冷却板から出る冷却流体を冷却することができる。
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。

図２に示すように、冷却板１０の上には、好ましくは複数の高速スイッチを含む電子部品又はモジュールが取り付けられている。図２に示す冷却板には、取付孔１１が設けられている。これらの孔にねじを切ってネジ又はボルトをねじ込み、電子部品と係合させ、それを適所に保持するようにしてもよい。本発明では、取付孔を使って電子部品を基板に固定するように示しているが、当該技術分野で既知の他の締結装置を使用して、電子部品を冷却板に固定してもよい。例として挙げると、クランプ装置、接着剤、溶接などによって、部品を冷却板に固定又は配置することもできる。
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。

冷却板の頂部には、一連の凹状窪み２０が設けられている。好適な実施形態では、窪み２０はＯリング溝３１に囲まれており、Ｏリング溝にはＯリングが配置されている。次に、冷却対象の電子装置が、窪み上の適所に配置され、取付孔１１、又は他の装置又は手段によって締め付けられ、装置のベースと冷却板１０の間に水密状態が形成される。個々の冷却対象の電子スイッチ又は装置に対して、個別に窪みが設けられているのが望ましい。電子装置は、直接窪み上に配置し、底部が冷却流体と直接接触するように配置するのが望ましい。
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。

冷却板とその構成要素は、効率的且つ経済的な方法で、冷却流体と電子部品との間に最適な熱伝達が行われるように設計されている。窪みが、約０．０５から０．５ｃｍ（０．０２から０．２０インチ）の範囲の深さを有し、約０．１３から０．５ｃｍ（０．０５から０．２０インチ）の間の水力直径（hydraulic diameter）と組み合わされ、９０度のノズルである入口を備え、窪みの上方に配置されている電子部品の表面に対して、冷却流体を約９０度の角度で当てる場合に、最適な結果が達成されることは明らかである。従って、窪みの水力直径は、一般的に、以下の式で定義される。即ち、
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。

ノズルは、冷却流体を電子部品表面へ衝突させることで、強い乱流を作り出す。この乱流は、窪みの深さと水力直径を最適に選択することで持続される。窪みの深さが浅いか、又は水力直径が小さければ、流れが再層流化し易くなり、熱伝達の改善を幾らか低下させることになる。一方、窪みの深さが深いか、又は水力直系が大きくても、表面近くの流体の速度が低下するため、熱伝達の改善を低下させることになる。
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。

図示のように、本発明の或る好適な実施形態では、窪みの入口及び出口は、細長いスロットの形状をしている。これらの入口スロットには、幅、長さ及び深さがある。出来上がったスロットは、冷却流体を電子部品の底表面に向けるノズルとして機能するように設計されている。ポート２１及び２２は、導管１２及び１３と比べてかなり小さく、冷却流体が各窪み２０内に流れ込むときに、導管１３で目に見えるほどの圧力降下が測定されることはない。図６に、入口及び出口ポートの別の実施形態を示しているが、この場合、入口及び出口は、窪み２０の両端部に形成された複数の開口２５となっている。

導管１２及び１３は、両導管の全長に沿って実質的に等しい圧力を提供するように設計されており、その結果、各窪み２０は、同じ入口圧力と圧力差を「提示し」、等しい流量を、従って等しい冷却容量を有することができる。これら望ましい特性を有する導管を使用すると、先行技術による装置で生じる、後続の各窪み内の流量が減少するという問題が最小化され、うまくゆけばこれを回避できる。
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。

図３で部分的に示しているように、ポートは、窪みの底部から導管１２及び１３へ下方向に伸張する細長いスロットとして形成するのが望ましい。これらスロットは、冷却板の表面に垂直であるのが望ましい。この組み合わせであれば、それほどの衝突圧力降下なしに、熱伝達を改善する乱流を作り出すことができる。窪み、入口及び導管の形状が複雑でないので、様々な深さの窪みを有し、或いは流れの経路内に障害物を配置して乱流を増強しなければならない他の関連装置の場合よりも、遙かに容易に製造することができる。
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。

当業者には理解頂けるように、この冷却板は数多くの適した材料の何れで作ってもよいが、冷却板の質量を最小とするにはアルミニウムのような材料が望ましい。更に、腐食の可能性を低減するために、冷却剤と接触する冷却板部分を陽極酸化処理(anodize)することが望ましい。この冷却板に望ましいもう１つの材料は、銅である。
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。

当業者には自明であるように、本発明は、ここに開示した本発明の明細書及び実施例を考察すれば、多様な実施形態を採ることができる。明細書と例は代表的なものを表しており、本発明の真の範囲及び精神は、特許請求の範囲に示されている。

本発明の冷却板を含んでいる典型的な速度可変誘導電動機駆動装置の３次元拡大図である。 本発明による冷却板の平面図である。 図２の冷却板のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２の冷却板のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図２の冷却板の窪み及びＯリングを示す平面図である。 図２の冷却板の窪み及びＯリングの第２実施形態を示す平面図である。 熱交換器を備えた冷却システムに接続されている本発明の冷却板の概略図である。

Claims (25)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. 前記冷却流体は水である、請求項２に記載の冷却板。
22. 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。
23. 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。
24. 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。
25. 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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