JP7185420B2

JP7185420B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP7185420B2
Application number: JP2018099850A
Authority: JP
Inventors: 道明日吉
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2022-12-07
Anticipated expiration: 2038-05-24
Also published as: KR20190134438A; US10685901B2; JP2019204899A; CN110530181A; KR102540540B1; US20190363035A1

Description

本発明は、沸騰冷却装置に係り、より詳しくは、車載用のパワー半導体を効率よく冷却できる沸騰冷却装置に関する。

図１４は、従来の両面冷却型パワー半導体の例を示す図である。図１５に示すように、パワー半導体１は、インバータ等の電力制御に使用され、発熱するので、上下に強制対流の冷媒３が水冷チューブ２に充填され、パワー半導体１を両側から冷却する。この構成では、（１）パワー半導体と水冷チューブの間に熱伝導グリース４があるので放熱が制約される。熱伝導グリース４の熱伝導率は、約３Ｗ／ｍＫと低いからである。（２）また、水冷チューブ２のフィンは、複雑な形状にすると圧力損失の増大を伴うために、水冷チューブと冷媒３間の熱抵抗低減には限界がある。（３）冷媒３の循環量を増やすと熱抵抗は低下するが、ポンプ容量の増大が必要となり、コスト面及び収納スペースに制約がある。（４）そのため、ポンプレスで高放熱が可能な沸騰冷却方式が期待されているが、沸騰による限界熱流束が１８０Ｗ／ｃｍ^２程度の値（図９参照、純水の冷媒）に留まる。（５）ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴなどの次世代素子は、チップ面積がより小さくなるので、これまでの限界熱流束では十分ではなく、限界熱流束を５００（Ｗ／ｃｍ^２）程度に向上させることが求められている。

特許文献１に示される電子装置の冷却システムは、Ｌ型の気化促進板３１３を半導体デバイス２００の上の熱伝導グリース２１０を介して取付け、受熱ジャケットで覆い、内部に冷媒の水（Ｗａ）を循環させている。冷媒は、減圧下で半導体デバイス２００の熱により沸騰し蒸発し、凝縮器３２０に導かれ、冷却ファンで冷却され、液体となって再び受熱ジャケットに戻される。気化促進板は、銅板からなり、表面に０．２ｍｍ×０．２ｍｍの微細な角孔が、縦横にピッチ０．５ｍｍ間隔で多数設けられる。角孔の冷媒が沸騰すると気化して熱を奪う。しかしながら、気化促進板の水平面で発生した気泡は大きく成長しやすい。またＬ型の気化促進板の垂直面は、冷媒の液面より上の部分での付着冷媒を気化させるもので、いずれも気泡の径抑制や気泡整流の機能はない。

特許文献２に示される沸騰冷却器は、横置きの半導体素子Ｈが、上下の両側に配置された沸騰冷却器Ｍで冷却される。沸騰冷却器Ｍは、内部に液体冷媒３Ａと気体冷媒３Ｂを有し、液体冷媒３Ａの中には、半導体素子Ｈの熱で気泡を発生させる多孔質体５と、これを囲む取付部４が設けられる。連通孔８で発生させた気泡は、取付部４の気体流路６を通って上昇する。しかしながら、気泡が連通孔８内と水平な気体流路６を通るので、気泡がスムーズに排出されにくく、冷却効果が低下するドライアウト（又はバーンアウト）になる場合がある。

特開２０１１－４７６１６号公報特開２０１３－１５５９２５号公報

本発明の目的は、熱流束を向上させて放熱性能を改善できる沸騰冷却装置を提供することにある。

本発明による沸騰冷却装置は、垂直に配置されたパワー半導体と、前記パワー半導体の左右両面に設けられる放熱板と、前記パワー半導体の左右両側に設けられ、前記放熱板を覆う受熱ジャケットと、前記受熱ジャケット内に充填され、前記放熱板に直接接触する冷媒と、前記受熱ジャケットと往路管と復路管で連結される凝縮器と、前記放熱板の放熱面に形成され、垂直方向に延びる複数の微細縦溝と、が備えられ、前記パワー半導体の熱により、前記放熱面の前記微細縦溝に気泡が生成されて上昇し、前記往路管を通って凝縮器に至り、液体となって復路管で再び前記受熱ジャケットに戻ることを特徴とする。

本発明による他の沸騰冷却装置は、垂直に配置されたパワー半導体と、前記パワー半導体の左右両面に設けられる放熱板と、前記パワー半導体の左右両側に設けられ、前記放熱板を覆う受熱ジャケットと、前記受熱ジャケット内に充填され、前記放熱板に直接接触する冷媒と、前記受熱ジャケットと往路管と復路管で連結される凝縮器と、前記放熱板の放熱面に形成され、垂直方向に延びる複数の微細縦溝と、前記微細縦溝に交差し、水平方向に延びる複数の微細横溝からなるメッシュ状溝と、が備えられ、前記パワー半導体の熱により、前記放熱面の設けた前記メッシュ状溝により気泡の生成を促進し、生成された気泡は上昇して前記往路管を通って凝縮器に至り、液体となって復路管で再び前記受熱ジャケットに戻ることを特徴とする。

前記微細縦溝は、５０μｍ以下の溝幅であることを特徴とする。

前記微細縦溝は、前記放熱面に対するレーザー加工によって形成されていることを特徴とする。

本発明による沸騰冷却装置によれば、放熱板に、垂直方向に延びる複数の微細縦溝を設けたので、気泡の成長を抑制でき、より小さい径の気泡に維持できる。小さな気泡は、流路内及び凝縮器で液化しやすい。また、気泡が垂直方向に上昇するので、熱流束を向上でき、片側で熱流束が２５０Ｗ／ｃｍ^２程度にでき、パワー半導体の両側を合わせれば５００Ｗ／ｃｍ^２程度にできる。

本発明による他の沸騰冷却装置によれば、放熱板の放熱面に、微細縦溝と交差する方向に延びる複数の微細横溝を備えたメッシュ状溝により、冷媒との接触面積がさらに増加し、気泡が増加でき、上記微細縦溝を設けた場合と同等以上の効果が得られる。

微細縦溝は、５０μｍ以下の溝幅としたので、小さな気泡を生成できる。小さな気泡と大きな気泡では、大きな気泡は上昇速度が速いが、凝縮には小さい気泡の方が効率がよい。つまり放熱性能を向上できる。

微細縦溝は、放熱面に対するレーザー加工によって形成したので、エッチングに比較してマスクが不要で、やや粗さがあるものの簡単に製作できる。

本発明による沸騰冷却装置の構造図である。放熱板の溝を１方向に向けたトレンチ加工の例である。放熱板の溝をメッシュ（格子）状としたトレンチ加工の例である。放熱板の表面の気泡の発生状況を示す説明図である。（ａ）は溝が垂直方向を向いている場合、（ｂ）は溝が水平方向を向いている場合を示す。図１の放熱板の放熱面の断面を示す顕微鏡写真である。熱流束と熱伝達率の関係を示すグラフである。熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。限界熱流束をまとめた表である。放熱性能を測定する評価器具の説明図である。熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。過熱度と熱伝達率の関係を示すグラフである。過熱度と熱伝達率の関係を示すグラフである。従来の両面冷却型パワー半導体の例を示す図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の沸騰冷却装置を詳しく説明する。

図１は、本発明による沸騰冷却装置１００の構造図である。パワー半導体１０は電力制御用の素子で、交流を直流にする整流回路や、直流を交流にするインバータ回路や、電圧を昇圧する昇圧回路などに使用される。発熱量が大きいので、冷却が必要となる。図１に示すように、パワー半導体１０の左右の放熱面が垂直な面となるように配置する。パワー半導体１０の左右両面には、セラミック基板（ＤＢＣ基板）５、１４、１３が設けられる。ＤＢＣ基板はＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｅｄＣｏｐｐｅｒ基板の略で、銅回路付きのセラミック絶縁基板を指す。セラミック基板５、１４、１３の一側（外側５）が放熱面となる。放熱面には、トレンチ加工が施される。パワー半導体１０の左右両側には、放熱板５を覆うように受熱ジャケット８、８が設けられる。受熱ジャケット８はアルミニウム製である。受熱ジャケット８とパワー半導体１０は、Ｏリング封止、半田又は焼結で放熱板５を封じるように結合される。受熱ジャケット８の内部には、純粋又は不凍液の冷媒３が充填される。冷媒３は、放熱板５の放熱面に直接接触する。これにより、熱が放熱板５から冷媒３に直接伝達される。パワー半導体１０が発熱すると、放熱板５の放熱面には気泡７が発生する。気泡７は垂直方向に上昇する。ここで受熱ジャケット８、８は、往路管１１と復路管１２で、水冷の凝縮器６に連結されている。気泡７を含んだ高温の冷媒３が、往路管１１を通過して凝縮器６に移動し、凝縮器６で冷却されて気泡７が液体に戻り、復路管１２で受熱ジャケット８、８に戻る。凝縮器６で熱交換された冷却水９は、温度が約６５℃に上昇する。往路管１１は高温の冷媒３が移動し、復路管１２は熱交換され温度の下がった冷媒３が移動する。冷媒３は、自然対流で移動（又は循環）できる。つまりポンプなしでも動作できる。これに限らず、吐出流量の小さいポンプを設けて、冷媒３を循環させてもよい。

図２は、放熱板５の溝１５を１方向に向けたトレンチ加工の例である。図２に示すように、溝１５は断面がＶ形のＶ字溝で、溝幅（Ｖ字形の頂部の幅）は、溝間幅（Ｖ字形の頂部（右側）から隣のＶ字形の頂部（左側）まで）より小さくした。「上」で示す方向が垂直方向なので、溝１５が、垂直方向に伸びる微細縦溝１５ａからなる放熱板５にできる。なお、「前」で示す方向を垂直方向にすると、溝１５が微細横溝１５ｂとなる。

図３は、放熱板５の溝をメッシュ（格子）状としたトレンチ加工の例である。図３に示すように、溝１５は断面がＶ形のＶ字溝で、溝幅（Ｖ字形の頂部の幅）は、溝間幅（Ｖ字形の頂部（右側）から隣のＶ字形の頂部（左側）まで）より小さくした。図３に示すように、「上」で示す方向が垂直方向なので、溝１５が垂直方向に伸びる微細縦溝１５ａと、水平方向に伸びる微細横溝１５ｂからなる放熱板５とできる。放熱板５のサンプルは、微細縦溝と微細横溝を有するメッシュ状溝を有する放熱板サンプルＡと、微細縦溝を有する放熱板サンプルＢと、微細横溝を有する放熱板サンプルＣと、溝なしの放熱板サンプルＤと、を使用し放熱評価を行なった。なお、不凍液の冷媒３は、エチレングリコールが３０％（重量％）とした。エチレングリコールは、水に溶けやすく不凍液としてよく使用される。

図４は、放熱板５の表面の気泡７の発生状況を示す説明図である。（ａ）は溝１５が垂直方向を向いている場合、（ｂ）は溝１５が水平方向を向いている場合を示す。（ａ）、（ｂ）に示すように、溝１５内で発生した気泡７は、溝幅で気泡の径が抑制され小さな気泡となる。このため凝縮しやすく、放熱性能が向上できる。熱流束（Ｗ／ｃｍ^２）も大きくできる。（ａ）に示すように、溝１５が垂直方向の微細縦溝１５ａの場合、気泡７の流れが整流され、平面部の気泡との合体がない。（ｂ）に示すように、溝１５が水平方向の微細横溝１５ｂの場合、気泡７の流れが平面部の気泡と混合され、気泡が大きくなりやすい。熱流束は、気泡７の成長が抑制される（ａ）に示す垂直方向を向いた微細縦溝が優位にある。熱流束を向上させるには、垂直方向に微細縦溝を形成するのが効果的である。

図５は、図１の放熱板５の放熱面の断面を示す顕微鏡写真である。トレンチ加工には、レーザーを使用した。図４に示すように、溝間ピッチが約１５０μｍ、溝深さが約８０μｍ、溝幅が約３０μｍとした。図４の例では、一方向の断面しか示していないが、溝パターンはメッシュ状に形成した。メッシュ状溝は、溝がない放熱面と比べて、表面積が約２倍に増え、熱伝達率が約２倍に改善される。

図６は、熱流束と熱伝達率の関係を示すグラフである。図７は、熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。図８は、限界熱流束をまとめた表である。これらのグラフは、メッシュ状溝、微細縦溝、微細横溝、溝なしの放熱板を試作し、評価した結果である。（１）微細横溝は、溝なしに対し、熱抵抗が小さく（図７参照）、放熱性能が改善される。しかし、限界熱流束は、図８に示すように、溝なしが１４７（Ｗ／ｃｍ^２）に対し、微細横溝が１４４（Ｗ／ｃｍ２）であり、あまり改善されない。（２）微細縦溝は、溝なしや微細横溝に対し、熱抵抗がさらに小さく（図６参照）、放熱性能が改善される。また、限界熱流束は、図８に示すように、１７５（Ｗ／ｃｍ^２）であり、大きく改善される。（３）メッシュ状溝は、熱抵抗がさらに小さく（図７参照）、限界熱流束は１８５（Ｗ／ｃｍ^２）であり、放熱性能と限界熱流束の両方が改善される。これらから、微細縦溝を含むことが重要であるとわかる。放熱性能と限界熱流束を向上させるには、鉛直方向に微細縦溝を高密度に設ければよいことがわかる。なお、図６、図７でグラフ右上の矢印が、各溝に対応した限界熱流束の位置である。

図９は、放熱性能を測定する評価器具の説明図である。（ａ）に示すように、評価器具５０は、５００Ｗのヒータ１６と、銅ブロック１７と、ベークライト断熱板１８と、アルミジャケット１９と、からなる。アルミジャケット１７内には冷媒２５が充填される。また、アルミジャケット１７とベークライト断熱板１８は、シールリング２０でシールされ、ネジ２１で固定される。（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ断面図で、断面２２は縦横が１ｃｍ×１ｃｍの寸法である。ヒータ１６で熱を発生させ、１ｃｍ×１ｃｍの放熱面を不凍液の冷媒３に接触させ、気泡７を発生させた。各点の温度も測定した。

図１０は、熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。評価器具５０を使用して、冷媒が純水の場合Ａと、冷媒２５にエチレングリコール５０％の不凍液の場合Ｂと、冷媒２５にエチレングリコール５０％の不凍液で、かつ、銅ブロックの放熱面に溝を形成した場合Ｃの３つを測定した。純水の冷媒と、不凍液の冷媒を比較する。（１）エチレングリコール５０％の不凍液はやや粘性があるので、ＢはＡと比べてバーンアウトしやすい。グラフ右側の矢印がバーンアウト（限界熱流束点）を示す。（２）一般にはバーンアウト以下の熱流束で使用するので、Ｂは冷却性能を落とすことになる。（３）しかし、Ｃに示すように、放熱面に溝を設けると、不凍液のバーンアウトによる限界点を純水の冷媒に近づけることができる。つまり、放熱面を冷媒に直接接触させ、放熱面にトレンチ加工を施すことで、熱抵抗を改善できる。

図１１は、熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。平坦な放熱面かつ不凍液使用の場合の自然対流と、強制対流を比較した。図１２は、熱流束と熱抵抗の関係を示すグラフである。溝のある放熱面かつ不凍液使用の場合の自然対流と、強制対流を比較した。図１１に示すように、平坦な放熱面で不凍液使用の場合、自然対流の（限界熱流束、熱抵抗）は、（１２０Ｗ／ｃｍ^２、０．４Ｋ／Ｗ）となり、強制対流の（限界熱流束、熱抵抗）は、（２１０Ｗ／ｃｍ^２、０．２５Ｋ／Ｗ）となる。図１２に示すように、溝のある放熱面で不凍液使用の場合、自然対流の（限界熱流束、熱抵抗）は、（１４８Ｗ／ｃｍ^２、０．２Ｋ／Ｗ）となり、強制対流の（限界熱流束、熱抵抗）は、（２６０Ｗ／ｃｍ^２、０．１２Ｋ／Ｗ）となる。このように、放熱面に溝を設けると、限界熱流束と熱抵抗を大幅に改善できることがわかる。

図１３は、過熱度と熱伝達率の関係を示すグラフである。平坦な放熱面かつ不凍液使用の場合の自然対流と、強制対流を比較した。図１４は、過熱度と熱伝達率の関係を示すグラフである。溝のある放熱面かつ不凍液使用の場合の自然対流と、強制対流を比較した。図１３に示すように、平坦な放熱面で不凍液使用の場合、自然対流の熱伝達率の最大は、３０ＫＷ／ｍ^２Ｋとなり、強制対流の熱伝達率の最大は、４７ＫＷ／ｍ^２Ｋ）と読める。図１４に示すように、溝のある放熱面で不凍液使用の場合、自然対流の熱伝達率の最大は、５５ＫＷ／ｍ^２Ｋとなり、強制対流の熱伝達率の最大は、１００ＫＷ／ｍ^２Ｋとなる。このように、放熱面に溝を設けると、熱伝達率を大幅に改善できることがわかる。

本発明によれば、パワー半導体を効率よく冷却できるので、車載用の沸騰冷却装置として好適である。

１パワー半導体
２水冷チューブ
３冷媒
４熱伝導グリース
５放熱板（ＤＢＣ基板の外側）
６凝縮器
７気泡
８受熱ジャケット
９冷却水
１０パワー半導体
１１往路管
１２復路管
１３基板又は押さえ具（ＤＢＣ基板の外側）
１４絶縁体（ＤＢＣ基板のセラミック）
１５溝
１５ａ微細縦溝
１５ｂ微細横溝
１６ヒータ
１７銅ブロック
１８ベークライト断熱板
１９アルミジャケット
２０シールリング
２１ネジ
２２断面
２５冷媒
５０評価器具
１００沸騰冷却装置

Claims

垂直に配置されたパワー半導体と、
前記パワー半導体の左右両面に設けられる放熱板と、
前記パワー半導体の左右両側に設けられ、前記放熱板を覆う受熱ジャケットと、
前記受熱ジャケット内に充填され、前記放熱板に直接接触する冷媒と、
前記受熱ジャケットと往路管と復路管で連結される凝縮器と、
前記放熱板の放熱面に形成され、垂直方向に延びる複数の微細縦溝と、
が備えられ、
前記パワー半導体の熱により、前記放熱面に設けた前記微細縦溝により気泡の生成を促進し、生成された気泡は上昇して前記往路管を通って凝縮器に至り、液体となって復路管で再び前記受熱ジャケットに戻ることを特徴とする沸騰冷却装置。
垂直に配置されたパワー半導体と、
前記パワー半導体の左右両面に設けられる放熱板と、
前記パワー半導体の左右両側に設けられ、前記放熱板を覆う受熱ジャケットと、
前記受熱ジャケット内に充填され、前記放熱板に直接接触する冷媒と、
前記受熱ジャケットと往路管と復路管で連結される凝縮器と、
前記放熱板の放熱面に形成され、垂直方向に延びる複数の微細縦溝と、前記微細縦溝に交差し、水平方向に延びる複数の微細横溝からなるメッシュ状溝と、
が備えられ、
前記パワー半導体の熱により、前記放熱面の設けた前記メッシュ状溝により気泡の生成を促進し、生成された気泡は上昇して前記往路管を通って凝縮器に至り、液体となって復路管で再び前記受熱ジャケットに戻ることを特徴とする沸騰冷却装置。
前記微細縦溝は、５０μｍ以下の溝幅であることを特徴とする請求項１又は２に記載の沸騰冷却装置。
前記微細縦溝は、前記放熱面に対するレーザー加工によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。