JP4672529B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷却装置に関し、特に半導体素子等の被冷却物を冷却する冷却装置に関する。

半導体素子の発熱量の増大に伴い、空冷式のヒートシンク等の冷却装置に代わり水冷式の冷却装置が採用される例も多くなっている。たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、モータを駆動するインバータに用いられるパワー半導体素子を冷却するために、ラジエータ等の放熱装置と組合せた水冷式の冷却装置が採用されている。

このようなパワー半導体素子を搭載するインバータにも一層の高出力化が求められる一方で、小型化軽量化の要求も厳しくなってきている。このため効率のよい放熱装置の検討が種々行なわれている。

水冷式の冷却装置では、冷媒の流れの上流側に配置された被冷却物と下流側に配置された被冷却物では、冷却性能の差が生じて温度むらが発生する場合がある。上流側の被冷却物からの熱で暖められた冷媒がその後下流側の被冷却物を冷却することになるので、下流側の方が冷却性能が劣るからである。

これに対し、衝突噴流を被冷却物毎に当てるようにすれば、冷却性能が向上し温度むらを抑えることができる。

一方、パワー半導体素子としては、耐熱性の高いＳｉＣ素子なども登場しており、冷却水の沸点である１００℃前後で動作可能なものも登場してきている。そこで、冷却水は被冷却物の表面で沸騰し、潜熱を奪って被冷却物を冷却する沸騰冷却方式も注目されてきている。

特許第２９９５５９０号明細書（特許文献１）には、基板を垂直に設けた衝突噴流冷却構造において、半導体素子に対して垂直に設けた仕切り部材により気泡を素子から分離させる技術が開示されている。
特許第２９９５５９０号明細書 特許第２８５３４８１号明細書 特開２０００−７７５８６号公報 特開２００２−２３７６９１号公報 特開２００４−２４１４４５号公報 特開平５−２５１８８３号公報

特許第２９９５５９０号明細書（特許文献１）に開示された構造によって液体冷媒が沸騰して生じた気泡の影響を取除くためには、基板を鉛直に設ける必要が生じ、基板を水平に設ける装置には適用することができない。またこの技術では、複数噴流の干渉による淀み域の問題について開示されておらず、また設けた仕切り部材が流動抵抗になり流速が低下し熱伝達不足という問題も生ずる可能性がある。

図９は、半導体装置の冷却装置の検討例である冷却装置５００の構造を示す図である。
図１０は、図９のＸ−Ｘ断面から冷却装置５００を見た図である。

図９、図１０を参照して、ヘッダ部の冷媒通路５４０には矢印Ｆ１で示すように冷媒入口５３２から冷媒が流入する。冷媒通路５４０、側壁５５４に囲まれ仕切り壁５４８で流路５２０と仕切られている。仕切り壁５４８には伝熱板５４２上に搭載される半導体素子５０１〜５０３に対応する位置に噴出口５１１〜５１６が設けられている。したがって矢印Ｆ２，Ｆ３で示されるように噴出口５１１〜５１６に向かって冷媒が流れる。

図１１は、図９のＸＩ−ＸＩ面から伝熱板５４２の裏面を見た図である。
図１１の噴出口５１１〜５１６に対応する位置には破線の円形が示されており、表の面に搭載される半導体素子５０１〜５０６の対応位置が破線で示されている
図９、図１１を参照して、噴出口から噴出された冷媒は矢印Ｇ２〜Ｇ５に示すように伝熱板５４２の裏面の破線の円形で示された衝突領域に衝突して伝熱板５４２の裏面に沿って側方へと流れる。

素子毎に噴出口が設けられているので、他の素子からの熱によって暖められる前の冷媒が各素子に対応する衝突領域に衝突して熱を奪う結果、流れの上流下流での素子間の温度差を小さくすることができる。そして矢印Ｈ１，Ｈ２で示すように流出口から排出される。

しかしながら、その際にたとえば矢印Ｇ４，Ｇ５で示した冷媒の流れが衝突して矢印Ｇ６に示すような渦を発生させる。このような渦の発生により冷媒の流れが淀む淀み域５５０が存在する。

このように、複数の孔が空いたヘッダ部から、発熱体を設置した伝熱板の裏面に冷媒を噴出させ衝突させて冷却を行なう冷却装置では、複数噴流の干渉により淀み域が形成され、局所的に大幅な冷却性能低下を招き、冷却むらが発生する場合がある。

噴出口を一直線上に配置し互いに干渉しないように流路を設ける構造とすることも考えられるが、発熱体の数が増えれば流路が伸び圧損の増加を招き、流路を作るコストも増大しサイズも大きなものになってしまう。

この発明の目的は、熱伝達不足による放熱量の低下や冷却むらの問題が改善された冷却装置を提供することである。

この発明は、要約すると、冷却装置であって、冷媒を噴出する少なくとも２つの噴出口が設けられた冷媒通路と、第１の主面に被冷却物が搭載され第２の主面に２つの噴出口から噴出する冷媒が衝突する伝熱板とを備える。伝熱板は、第２の主面に、少なくとも２つの噴出口から噴出する複数の噴流の干渉による淀みを軽減するための構造を有する。

好ましくは、淀みを軽減するための構造は、複数の噴流がそれぞれ衝突する第２の主面の複数の衝突領域から放射状に設けられた放熱フィンである。

好ましくは、淀みを軽減するための構造は、複数の噴流がそれぞれ衝突する第２の主面の複数の衝突領域から放射状に設けられた溝である。

好ましくは、淀みを軽減するための構造は、複数の噴流がそれぞれ衝突する第２の主面の複数の衝突領域の周囲に設けられた溝である。

好ましくは、淀みを軽減するための構造は、複数の噴流がそれぞれ衝突する第２の主面の複数の衝突領域から放射状に設けられた放熱フィンまたは溝と、複数の衝突領域の周囲に設けられた溝である。

好ましくは、被冷却物は、複数のパワー半導体素子である。
好ましくは、冷媒は、液媒体であり、冷却装置は、液媒体が第２の主面で沸騰し、潜熱を奪って被冷却物を冷却する沸騰冷却を行なう。

本発明によれば、複数噴流の干渉による淀み域を解消することができ、熱伝達不足による放熱量の低下や冷却むらの問題を低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置１００の構造を示した図である。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ面から冷却装置１００を見た図である。
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ面から冷却装置１００を見た図である。

図１〜図３を参照して、冷却装置１００は、冷媒を噴出する少なくとも２つの噴出口１１〜１６が設けられた冷媒通路４０と、第１の主面４４に被冷却物である半導体素子１〜６が搭載され第２の主面４６に噴出口１１〜１６から噴出する冷媒が衝突する伝熱板４２とを備える。伝熱板４２は、第２の主面４６に、少なくとも２つの噴出口１１〜１６から噴出する複数の噴流Ｂ４，Ｂ５の干渉による淀みを軽減するための構造である溝２２を有する。

淀みを軽減するための構造は、複数の噴流Ｂ４，Ｂ５がそれぞれ衝突する第２の主面４６の複数の衝突領域の周囲に設けられた溝２１〜２７である。

被冷却物である半導体素子１〜６は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等のモータを制御するインバータに用いられているパワー半導体素子である。

図２の矢印Ａ１で示すように、流入口３２から側壁５４および仕切り壁４８で囲まれた冷媒通路４０に流入した冷媒は、矢印Ａ２，Ａ３に示すように、仕切り壁４８に設けられた冷媒噴出口１１〜１６に吸い込まれ、矢印Ｂ２〜Ｂ５で示すように噴出口から噴出する。そして冷媒は、伝熱板４２の第２の主面４６に衝突する。冷媒が衝突する衝突領域は、第１の主面４４に搭載されたパワー半導体素子１〜６に対応する位置であり、図３の破線で示された噴出口１１〜１６に対向する位置である。

伝熱板４２の第２の主面４６にはＸ方向に沿う溝２１〜２４と、Ｙ方向に沿う溝２５〜２７が設けられている。この溝部分はたとえば矢印Ｂ４で示す噴流と矢印Ｂ５で示す噴流同士が衝突する辺りに対応して設けられている。

このように各噴出口から噴出した噴流同士が衝突する領域および噴出口から噴出した噴流と側壁５２とが衝突する領域を含むように溝２１〜２７が形成されている。

この溝部分は、溝を設けていない部分よりも流路の断面積が大きくなっているので、矢印Ｃ１〜Ｃ４に示すように溝２１〜２７に沿った冷媒の流れが形成される。そしてこの冷媒は、矢印Ｃ５〜Ｃ７に示すように冷媒通路２０の排出口３４，３６，３８から排出される。

このように淀みを軽減するための構造として溝２１〜２７を伝熱板４２の冷媒が衝突する面に設けたのでこれらが流れのガイドとして働き、噴流同士の干渉を防ぎ、流量を確保し冷却性能を向上させることが可能となる。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２に係る冷却装置２００の構造を示した図である。

図５は、図４のＶ−Ｖ面から冷却装置を見た図である。
図４、図５を参照して、この実施例では、噴流の衝突に起因する淀みを軽減するための構造は、放熱フィン１２０〜１２７である。放熱フィン１２０〜１２７は、複数の噴流Ｄ２がそれぞれ衝突する第２の主面の複数の衝突領域１４４から放射状に設けられる。

または、淀みを軽減するための構造は、複数の噴流Ｄ３がそれぞれ衝突する第２の主面の複数の衝突領域１４６から放射状に設けられた溝１３０〜１３７である。

矢印Ｄ１で示す向きに冷媒通路であるヘッダ１５０に流入した冷媒は、噴出口１１０，１１２から矢印Ｄ１，Ｄ３に示すように噴出する。噴出した冷媒は衝突領域１４４，１４６に衝突する。

ここで発熱体である半導体素子１０１，１０２が搭載される伝熱板１４２の裏面には放射状の突起であるフィン１２０〜１２７または放射状の窪みである溝１３０〜１３７が形成されている。このため矢印Ｄ４，Ｄ５，Ｄ９，Ｄ１０に示すようにフィン端部Ｔに衝突して分流した冷媒または溝に沿って矢印Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ６，Ｄ７に示すように沿って流れる冷媒によって半導体素子１０１，１０２からの発熱が効率よく冷却される。

このように、実施の形態２では、衝突噴流型ヒートシンクを有する冷却装置において、衝突冷却面の噴出口が対向する位置、すなわち衝突領域を中心として、放射状にフィンまたは溝が形成されていることを特徴とする。

これにより、冷却面の伝熱面積増加および放熱フィン端部Ｔでの前縁効果による熱伝達の大幅向上が相乗して、高い冷却性能が得られる。また、フィンまたは溝の案内効果により冷媒の円滑な排出が行なわれ、淀み域形成による冷却むらを回避することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３においては、発熱体である半導体素子は耐熱性の高い半導体素子であり、冷媒の沸点を超える温度でも動作可能なものが用いられている場合である。たとえば、冷却水を用いる場合には、１００℃を超える温度でも動作が可能な耐熱性の高いＳｉＣ素子等を用いることができる。または、減圧をすれば沸点を下げることができるので、耐熱性がさほど高くない半導体素子も使用可能である。

図６は、実施の形態３に係る冷却装置３００の構造を示した図である。
図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ面から冷却装置３００を見た図である。

図６、図７を参照して、冷却装置３００は、冷媒を噴出する少なくとも２つの噴出口２１０，２１２が設けられた冷媒通路２５０と、第１の主面に被冷却物である半導体素子２０１，２０２が搭載され、第２の主面に噴出口２１０，２１２から噴出する冷媒が衝突する伝熱板２４２とを備える。

伝熱板２４２は、第２の主面に噴出口２１０，２１２から噴出する噴流Ｅ２，Ｅ３の干渉による淀みを軽減するための構造である溝２２１，２２２，２２３が設けられている。

矢印Ｅ１で示すようにヘッダである冷媒通路２５０に流入した冷媒は、矢印Ｅ２，Ｅ３に示すように、噴出口２１０，２１２から噴出して伝熱板２４２の裏面に衝突する。衝突した冷媒は、矢印Ｅ４〜Ｅ７に示すように、伝熱板に沿って側方へ流れる。この冷媒は溝２２１，２２２，２２３に沿って矢印Ｅ８〜Ｅ１０に示すように流れ、そして矢印Ｅ１１，Ｅ１２に示すように、溝２２７，２２５に沿って流れて排出口から排出される。

発熱体が冷媒の沸点を超える温度で動作可能なものである場合には、液媒体の気化による潜熱を奪って被冷却物を冷却する沸騰冷却がしばしば用いられる。沸騰冷却が行なわれると、液媒体の蒸気泡が生ずる。このような沸騰冷却を行なう場合には、図９に示したような構造では、しばしば淀み域に蒸気泡が滞留して乾き面が形成され冷却能力が低下し、半導体素子等のバーンアウトが起こってしまう場合がある。この対策として、流れを制御する突起を形成する場合には、流動抵抗となり圧力損失の増大を招いてしまう。

実施の形態３においては、衝突噴流型のヒートシンクを含む冷却装置において、冷媒が衝突する領域の周囲に、冷媒の排水および蒸気泡除去排出用の溝状の段差、すなわち案内溝を設けていることを特徴とする。これにより蒸気泡２２４，２２６は発熱体の近傍で滞留して乾き面が形成されるのを避けることができる。

つまり冷媒および蒸気の案内排出用溝の設置により、冷却面での淀み域の形成や蒸気泡の滞留が回避できるため、均一かつ安定した冷却が達成できる。またこのような効果を、簡易な構造でありかつ低コストで実現可能な溝を形成するのみで達成でき、それに伴う動力損失の増加も無くすることができる。

［実施の形態４］
実施の形態４は、図３または図７で示した案内溝を形成する構成に加えて図５で示した放熱フィンまたは放射状溝を組合せたものである。

図８は、実施の形態４に係る冷却装置４００の構造を示した図である。
図８を参照して、伝熱板の裏面にはＸ方向に沿う溝４２１〜４２４とＹ方向に沿う溝４２５〜４２７が形成されている。そして噴流が衝突する領域４１１の周囲には放熱フィンまたは放射状溝４６０〜４６７が形成されている。

放熱フィンを設けた場合には、衝突領域４１１に衝突した冷媒は矢印Ｅ１〜Ｅ８に示すように放射状に案内されて案内溝４２１，４２２，４２５，５２６に導かれる。なお、放射状の溝の場合には、溝の端部が案内溝４２１，４２２，４２５，５２６まで到達するように溝を伸ばしておいてもよい。このように凹凸を設けることにより、放熱面積が増大しかつ冷媒の流れがスムーズとなるので、冷媒の淀みが解消するとともに沸騰冷却を行なう場合には蒸気泡の衝突領域近傍での滞留も防止することができる。

なお、沸騰冷却については実施の形態３において重点的に述べたが、実施の形態１、２および４についても、沸騰冷却に用いた場合には淀み域に蒸気泡が滞留することなどを軽減でき、熱伝達不足を解消できるために好適である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置１００の構造を示した図である。 図１のＩＩ−ＩＩ面から冷却装置１００を見た図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ面から冷却装置１００を見た図である。 実施の形態２に係る冷却装置２００の構造を示した図である。 図４のＶ−Ｖ面から冷却装置を見た図である。 実施の形態３に係る冷却装置３００の構造を示した図である。 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ面から冷却装置３００を見た図である。 実施の形態４に係る冷却装置４００の構造を示した図である。 半導体装置の冷却装置の検討例である冷却装置５００の構造を示す図である。 図９のＸ−Ｘ断面から冷却装置５００を見た図である。 図９のＸＩ−ＸＩ面から伝熱板５４２の裏面を見た図である。

符号の説明

１〜６，１０１，１０２，２０１，２０２，５０１〜５０６ 半導体素子、１１〜１６，１１０，１１２，２１０，２１２，５１１〜５１６ 冷媒噴出口、２０ 冷媒通路、２１〜２７，１３０〜１３７，２２１〜２２３，２２５，２２７，４２１〜４２４，４２５〜４２７ 溝、３２ 流入口、３４，３６，３８ 排出口、４０，２５０，５４０ 冷媒通路、４２，１４２，２４２，５４２ 伝熱板、４４，４６ 主面、４８，５４８ 仕切り壁、５２，５４，５５４ 側壁、１００，２００，３００，４００，５００ 冷却装置、１２０〜１２７ 放熱フィン、１４４，１４６，４１１ 衝突領域、１５０ ヘッダ、２２４，２２６ 蒸気泡、４１１ 領域、４２１，４２２，４２５，５２６ 案内溝、４６０〜４６７ 放射状溝、５２０ 流路、５３２ 冷媒入口、５５０ 淀み域。

Claims (4)

1. 冷媒を噴出する少なくとも２つの噴出口が設けられた冷媒通路と、
   第１の主面に被冷却物が搭載され第２の主面に前記噴出口から噴出する冷媒が衝突する伝熱板とを備え、
   前記伝熱板は、前記第２の主面に、前記少なくとも２つの噴出口から噴出する複数の噴流の干渉による淀みを軽減するための構造を有し、
   淀みを軽減するための前記構造は、前記複数の噴流がそれぞれ衝突する前記第２の主面の複数の衝突領域の周囲に設けられた溝であり、
   前記噴出口は、前記被冷却物が前記第１の主面に投影される面積よりも小さい開口である、冷却装置。
2. 淀みを軽減するための前記構造は、前記複数の噴流がそれぞれ衝突する前記第２の主面の複数の衝突領域から放射状に設けられた放熱フィンまたは溝をさらに含む、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記被冷却物は、複数のパワー半導体素子である、請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記冷媒は、液媒体であり、
   前記冷却装置は、前記液媒体が前記第２の主面で沸騰し、潜熱を奪って前記被冷却物を冷却する沸騰冷却を行なう、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。

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