JPH07161888A - 沸騰冷却装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一方を密閉した筒状の放熱部を冷却槽に取り
付けることにより、熱交換のサイクルを短くし、これに
より小型高効率の沸騰冷却装置を得る。 【構成】 圧延鋼板製の被冷却槽２０の中に被冷却物で
ある半導体素子７０がマウントされており、この半導体
素子７０を浸すのに充分な量のフロロカーボン系の冷媒
６０が注入されている。また冷却槽２０の壁面に複数の
気密端子５０が取り付けられ、半導体素子７０に配線さ
れている。冷却槽２０の上部には、偏平断面を持つアル
ミ製のチューブ１０２が開口面を下にして、冷却槽２０
に対して鉛直方向に一体気密構造となるように着けられ
ている。また冷却槽２０の側面にはアルミ製のコルゲー
トフィン１０１が接続され、熱交換器１０が構成されて
いる。これにより、沸騰気化した冷媒６０が上部で冷却
され、同じ経路を通って冷却槽２０に戻される。従って
熱交換サイクルを短くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発熱した半導体素子等
の発熱体を冷却する沸騰冷却装置及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来電気機器等の半導体素子の冷却方法
として、図５３に示すようなヒートパイプ１を用いた冷
却装置が市販されている。この冷却装置の構造は、冷却
ブロック２の中に円柱状のヒートパイプ１の吸熱部３が
接合され、ヒートパイプ１の放熱部４にはプレートフィ
ン５が設けられている。パワーパックの放熱面６から放
熱される熱は冷却ブロック２、ヒートパイプ１、プレー
トフィン５を通って大気中に放出される。

【０００３】しかしこの冷却装置において、ヒートパイ
プ１の熱伝導性は優れているものの冷却ブロック２の熱
抵抗が非常に大きくなり、このため冷却装置全体の熱抵
抗も大きくなってしまい、結果、装置の体格も大きくな
ってしまうという問題があった。この問題を解決する方
法として、冷媒を用いて冷却を行う沸騰冷却装置があ
る。図５４は、特開昭５６−１４７４５７号公報に開示
された従来の沸騰冷却装置を示す図である。この図にお
いて、素子ケース部１と熱交換器２が熱輸送管３Ａ，３
Ｂによって接続されており、その作用は次の通りであ
る。つまり、半導体素子４Ａが発熱して冷却媒体８を沸
騰させると、冷却媒体８は蒸気になって上昇し熱輸送管
３Ａを経て熱交換器２に移動する。熱交換器２に達した
蒸気はフィンチューブ２Ａに分配され、外部冷却によっ
て凝縮して熱輸送管３Ｂに達し、再び素子ケース１に戻
る。このようなサイクルによって、半導体素子は冷却さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５４
に示したような沸騰冷却装置は、素子ケース部１と熱交
換器２が別体となっており、それらが熱輸送管で接続さ
れた構成になっているため、その加工が複雑であり、ま
た熱交換のサイクルが長く外部への熱伝達率が小さいた
め大容量の熱交換器が必要となり、この結果熱交換器の
大きさが被冷却物である半導体素子に比べ非常に大くな
ってしまうという問題があった。電気自動車等では車体
重量の軽減、空気抵抗の減少が走行可能距離に大きく影
響するため、沸騰冷却装置の大きさは重要な問題になっ
てしまう。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みたものであり、一
方を密閉した筒状の放熱部を冷却槽に取り付けることに
より、熱交換のサイクルを短くし、これにより小型高効
率の沸騰冷却装置を得ることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に構成された第一発明の沸騰冷却装置は、電気回路等で
用いられ、駆動することにより余分な熱を発生する発熱
体と、前記発熱体の発する熱を吸収し、その熱によって
気化する冷媒と、前記冷媒を封入する冷却槽と、一方の
開口面が前記冷却槽に取り付けられるとともに、他方の
開口面が密閉して取り付けられ、前記気化して上昇して
来る冷媒を冷却液化して前記冷却槽に戻す筒状の放熱部
とを備えることを特徴としている。

【０００７】ここで前記発熱体は前記冷却槽の内部に固
定されていてもよいし、外部に固定されていてもよい。
また上記目的を達成するために構成された第二発明の沸
騰冷却装置の製造方法は、冷却槽の一部に脱気及び冷媒
注入用の注入パイプを設ける工程と、前記冷却槽に発熱
体を固定する工程と、前記冷却槽の上部に、一方の開口
面を下にして筒状の放熱部を取りつける工程と、前記放
熱部の他方の開口部を底部で密閉する行程と、前記注入
パイプから洗浄液を注入、吸引し、前記冷却槽を含む冷
却装置の内部を洗浄する工程と、前記注入パイプから減
圧して前記冷却装置の気密を試験する工程と、前記注入
パイプから前記冷却装置の内部を脱気する工程と、前記
注入パイプから前記冷却槽に冷媒を注入する工程と、前
記注入パイプを密閉手段より密閉し、前記冷却装置を気
密する工程とを備えることを特徴としている。

【０００８】

【作用】請求項１記載の発明によれば、発熱体が電気回
路等において駆動し、それにより余分な熱を発生する。
発熱体において発生した熱は冷媒に吸収され、冷媒を沸
騰気化させる。発生した冷媒の蒸気は熱サイフォン効果
によって放熱部内を上昇し、放熱部側面に接触して外部
に熱を伝え、冷却されて再び液化する。液化した冷媒は
重力により下方に垂れ、下部の冷却槽に戻る。よって発
熱体で発生した余分な熱は、冷媒、放熱部を伝って大気
に放出される。

【０００９】請求項２記載の発明によれば、冷媒中に発
熱体が浸されている。これにより、発熱体において発生
した熱は直接冷媒に吸収され、冷媒を効率よく沸騰気化
させる。発生した冷媒の蒸気は熱サイフォン効果によっ
て放熱部内を上昇し、放熱部側面に接触して外部に熱を
伝え、冷却されて再び液化する。液化した冷媒は重力に
より下方に垂れ、下部の冷却槽に戻る。よって発熱体で
発生した余分な熱は、冷媒、放熱部を伝って大気に放出
される。

【００１０】請求項３記載の発明によれば、冷却槽の外
部に発熱体が固定されている。これにより、発熱体にお
いて発生した熱は間接的に冷媒に吸収され、冷媒を沸騰
気化させる。発生した冷媒の蒸気は熱サイフォン効果に
よって放熱部内を上昇し、放熱部側面に接触して外部に
熱を伝え、冷却されて再び液化する。液化した冷媒は重
力により下方に垂れ、下部の冷却槽に戻る。よって発熱
体で発生した余分な熱は、冷媒、放熱部を伝って大気に
放出される。

【００１１】請求項１３記載の発明によれば、注入パイ
プから洗浄液を注入、吸引し、冷却槽を含む冷却装置の
内部を洗浄する。そしてこの注入パイプから減圧して冷
却装置の気密を試験する。注入パイプから冷却装置の内
部を脱気した後、冷却槽に冷媒を注入し、その後、注入
パイプを密閉手段より密閉して、冷却装置を気密する。

【００１２】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、放熱部を
冷却槽と一体化にしたことにより、冷媒が冷却槽から気
化、液化して再び冷却槽に至る経路が短く、冷媒液面の
変化を小さく抑えることができ、これにより冷媒の封入
量を減少できる。さらに熱交換のサイクルが短いため、
外部への熱伝達効率を高めることができる。従って冷却
槽、放熱部を含めた全体の体格が非常にコンパクトにな
り、しかも冷媒の連通管などが不要なため、部品点数や
コストの削減、生産性の向上が得られる。

【００１３】請求項２記載の発明によれば、発熱体が冷
媒の中に浸され、発した熱が直接冷媒に吸収される。従
って熱伝達効率が非常に良く、冷媒が冷却槽から気化、
液化して再び冷却槽に至る経路が短くなる。よって冷媒
の封入量を減少でき、熱交換のサイクルが短く外部への
熱伝達効率を高めることができるため、冷却槽、放熱部
を含めた全体の体格をコンパクトにできる。

【００１４】請求項３記載の発明によれば、発熱体が冷
却槽の外部に取り付けられている。従って発熱体を固定
する工程が非常に簡単になり、生産性の向上が得られ
る。また万一発熱体が故障した場合でも、その交換を容
易に行うことができる。さらに発熱体が冷媒に触れてい
ないため、発熱体と冷媒の相性を考える必要がなく、冷
媒の種類を任意に設定することもできる。

【００１５】請求項１３記載の発明によれば、一ヶ所の
注入パイプから洗浄、気密試験、脱気、冷媒注入、密閉
を行うため、脱気後気密試験をしたり冷媒注入後脱気す
る等の二度手間を省くことができる。

【００１６】

【実施例】（第１実施例）以下本発明の第１実施例の沸
騰冷却装置を図面に基づき説明する。図１（ａ）は本発
明の第１実施例による沸騰冷却装置の概略図であり、図
（ｂ）は１−１断面図である。概略的には圧延鋼板製の
被冷却槽２０の中に被冷却物の発熱体である半導体素子
７０がマウントされており、この半導体素子７０を浸す
のに充分な量のフロロカーボン系の冷媒６０が注入され
ている。また冷却層２０の壁面に複数の気密端子５０が
取り付けられ、半導体素子７０に配線されている。冷却
槽２０の上部には、偏平断面を持つアルミ製のチューブ
１０２が一方の開口面を下にし、他方の開口面を密閉し
て、冷却槽２０と一体気密構造となるように付けられて
いる。また冷却槽２０の側面にはアルミ製のコルゲート
フィン１０１が接続され、放熱部である熱交換器１０が
構成されている。

【００１７】次に本実施例の製造方法について簡単に説
明する。図２（ａ）〜（ｃ）は本実施例の沸騰冷却装置
の製造方法を示すものである。初めに偏平チューブの平
部分にろう付けによってコルゲートフィン１０１を取り
付け、チューブ１０２の他方の開口面を密閉する。冷却
槽２０の一部に気密栓９０５を溶接で取り付ける。次
に、先端に気密栓９０５の口径に合わせた孔を持った脱
気注入管９０３を、ゴム製のパッキン９０４を介して気
密栓９０５に取りつける。冷却槽２０内に半導体素子７
０をマウントし、冷却槽２０の上部に周知の方法で筒状
のチューブ１０２を取りつける。この時、チューブ１０
２の一方の開口面が冷却槽２０側に向き、冷却槽２０に
対して鉛直方向に取り付けられるようにする。これによ
り、沸騰した冷媒６０が真上に上昇してチューブ内で冷
やされた後、重力によって真下に降下するようにする。

【００１８】次に脱気注入管９０３を通して冷却装置内
部に、溶材を含む洗浄剤の注入、吸引を繰り返して洗浄
する。そして脱気注入管９０３をヘリウムリークディテ
クタに接続し、気密チェックを行う。その後、脱気注入
管９０３から冷媒を注入する。冷媒注入後、脱気注入管
９０３の気密を保ったままでプレス９０１を用いて気密
栓９０５を圧着後、高電圧を印加して抵抗溶接によって
気密する。ここで、プレス９０１は油圧により気密栓９
０５をはさんで圧着するために構成され、プレス９０１
先端部には電線９０２により高電圧が印加可能な抵抗溶
接用電極が構成されている。図２（ｂ）は図２（ａ）に
おける２−２断面図つまり気密栓９０５の加工前の断面
図であり、図２（ｃ）は気密栓９０５をプレス９０１で
圧着加工した様子を示した図である。なお、脱気注入管
９０３は１本でなく複数で各々を気密加工しても良い
し、洗浄と気密テストと脱気はそれぞれ連続した工程で
なく別々であっても良い。しかし脱気と冷媒注入、気密
加工は連続して行うことが望ましい。

【００１９】このような構成において、半導体素子７０
は気密端子５０を通して気密状態で通電され、素子の電
力ロス分を発熱する。半導体素子７０において発生した
熱は周囲の冷媒６０に吸収され、冷媒６０を沸騰させ
る。発生した冷媒６０の蒸気は熱サイフォン効果によっ
てチューブ１０２内を上昇し、コルゲートフィン１０１
によって冷却され、再び液化する。液化した冷媒６０は
重力により下部の冷却槽２０に戻る。よって半導体素子
７０で発生した熱は、冷媒６０、チューブ１０２、コル
ゲートフィン１０１を伝って大気に放出される。

【００２０】本実施例において、チューブ１０２を冷却
槽２０と一体化にしたことにより、従来の循環式に比べ
冷媒の冷却液槽から気化、液化して再び冷却槽に至る経
路が短いため、液面の変化を小さく抑えることができ、
また冷媒の量も減少できる。またチューブ１０２を偏平
としたことで、その平面部に冷却フィンを簡単に取り着
けることができ、しかもフィンは通風時に熱伝達率が非
常に高いコルゲートフィン１０１を用いているため、小
型で高い冷却性能を得ることができる。一般的に高い冷
却性能を得るために強制冷却用の送風ファンを用いる
が、本実施例の沸騰冷却装置においては偏平チューブを
使用しているため、同じ断面積を持つ円管チューブに比
べて送風時の空気抵抗が減少でき、送風ファンも小型小
電力の物を用いるだけでさらに高い冷却性能を得ること
ができる。このことは、消費電力や車体重量によって走
行距離が大きく変わる電気自動車に対して大きな利点と
なる。

【００２１】以上の構成により、送風系、熱交換器、冷
却槽を含めた全体の体格が非常にコンパクトになり、し
かも冷媒の連通管などが不要で部品点数およびコストの
削減、生産性の向上が得られる。 （第２実施例）以下本発明の第２実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００２２】図３（ａ）は第１実施例の沸騰冷却装置に
おいて、冷却槽内に数個の半導体素子７０をマウントす
るため、偏平チューブの長軸が平行となるように複数並
列接続し、偏平チューブの長軸方向の延長側の側面に強
制冷却用クロスフローファン３０１を取りつけた装置を
示す図であり、図３（ｂ）はこれらの装置を横から見た
図である。

【００２３】半導体素子７０は１個当たりの通電可能電
流が小さいため、大電流を扱う場合半導体素子７０を複
数個並列使用する。しかしこれらの半導体素子７０を冷
却槽２０に２次元的に配列すると、冷却槽２０の底面積
が大きなものが必要になる。そこで本実施例では半導体
素子７０を横長に配置して熱交換器１０の送風方向に対
する厚み（偏平チューブの短軸方向の厚み）を薄くして
送風抵抗を小さく抑えることによって、クロスフローフ
ァン３０１による強制冷却が可能になっている。

【００２４】各半導体素子の作動を安定させるためには
温度条件を均一にする必要があるが、本実施例の構成を
取ることにより、各素子で発生した冷媒の蒸気はその上
のチューブ１０２を通り、クロスフローファン３０１に
よって均一な流速で冷却され、温度差を生じにくくな
る。このことは、エンジンルームの温度的に不利な条件
下でＯＮ／ＯＦＦの激しい制御を繰り返す複数の半導体
素子７０の総合的な安定性、寿命に大きな利点である。
また半導体素子７０は水平面に対して傾斜して取り付け
られており、裏面からの沸騰気泡が放熱部に移動し易く
している。またこれにより半導体素子７０のレイアウト
をつめることができ、冷却槽２０の小型化にもなる。

【００２５】以上のように本実施例では、第１実施例の
沸騰冷却装置にクロスフローファン３０１を取りつける
ことにより、さらに高い冷却性能を得ることができ、こ
の結果送風系、熱交換器、冷却槽を含めた全体の体格が
非常にコンパクトになり、また部品点数の削減、生産性
の向上も得られる。 （第３実施例）以下本発明の第３実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００２６】図４（ａ）は第２実施例の沸騰冷却装置に
おいて、平行に並列接続された偏平チューブ全体の幅Ｄ
と、偏平チューブ１０２の高さＣのアスペクト比が約１
（Ｃ／Ｄ≒１）となるように熱交換器１０が形成され、
偏平チューブ１０２の長軸方向の延長側の側面に強制冷
却用の軸流ファン３０２を取りつけた装置を示す図であ
り、図４（ｂ）はこれらの装置を横から見た図である。

【００２７】本実施例では、第１実施例の沸騰冷却装置
に、自動車用放熱器に一般的に使用されている低コスト
の軸流ファン３０２を取りつけることにより、第２実施
例同様の高い冷却性能を得ることができる。またチュー
ブ１０２を積層することにより、放熱フィン部分は体格
及びアスペクト比が従来のラジエータと同等の構造とな
り、放熱設計及び冷却ファン等の補器類の設計工数及び
コストを大幅に低減することができる。これにより第２
実施例同様送風系、熱交換器、冷却槽を含めた全体の大
きさがコンパクトになり、生産性も向上する。 （第４実施例）以下本発明の第４実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００２８】図５は、第３実施例の沸騰冷却装置におい
て、冷却槽２０の長さＧを並列接続された偏平チューブ
全体の幅Ｆよりも大きくし（Ｅ／Ｆ≒１，Ｇ＞Ｄ，
Ｆ）、より多くの半導体素子７０をマウントできるよう
にしたものである。各半導体素子の作動を安定させるた
めには温度条件を均一にする必要があるが、図５の構成
では、各素子で発生した冷媒の蒸気はその上の蒸気分配
板８０によって均等に分配されチューブ１０２に導か
れ、温度差を生じないようにしている。これにより、第
３実施例の効果に加え、数多くの半導体素子を効率的に
省スペースで冷却することができる。 （第５実施例）以下本発明の第５実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００２９】図６（ａ）は、第３実施例の沸騰冷却装置
において、偏平チューブ全体の幅を、偏平チューブ１０
２の高さよりも大きくし、より多くの半導体素子７０を
マウントできるようにしたものであり、図６（ｂ）はこ
の装置を側面から見た図である。気化した冷媒６０が熱
サイフォン効果によって熱伝達するために必要な熱交換
器１０の高さは、偏平チューブ全体の幅より低くても良
い場合がある。このような熱交換器の場合、偏平チュー
ブの高さをあえて高くし、第３実施例のようにアスペク
ト比を１に近づけて１つの軸流ファン３０２で冷却する
よりも、図６（ａ）のように軸流ファン３０２を並列に
並べた方が装置全体をコンパクトにすることができる。
また本実施例のような構成にすれば、万一軸流ファン３
０２の一つが故障したとしても、最低でも２分の１の送
風量を確保できるため、安全性も向上することができ
る。 （第６実施例）以下本発明の第６実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００３０】図７は本発明の第６実施例の沸騰冷却装置
を示す図である。熱交換器を構成するチューブ１０２
と、冷却槽２０は特に別部品である必要はなく、図７に
示すように半導体素子７０組付け後、一体型である形状
にしても良い。この図において、各チューブ１０２は構
造的に独立しているため、万一ひとつのチューブ１０２
に洩れが発生しても他には影響を与えないため一部機能
の喪失のみで機能全体の喪失は発生しない。さらに、放
熱器に直接発熱体を取付けるために、放熱部までの熱抵
抗が低減されること、配管等は不要になることから体格
の小型化が可能であるとともに、発熱量及び発熱体数の
変更に対してユニット数を増減することのみで対応可能
となるため、簡単にアスペクト比を約１：１に設定する
ことができ、自動車用放熱器に一般的に使用されている
低コストの軸流ファン３０２による冷却が可能になる
等、設計や製造のための工数及び製造コストを低減する
ことができる。 （第７実施例）図８（ｂ）は本発明の第７実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。

【００３１】平行に並列接続された複数の偏平チューブ
の上方は、図１から図６に示すように各々を密閉した構
造が望ましいが、チューブ１０２の上部開口面の密閉部
を単純化して生産性を向上するため、図８（ｂ）に示す
ように偏平チューブの上方に図８（ａ）のような小さな
容積の気密室１０３を設けて密閉しても良い。このよう
に、チューブ１０２に対して一度に密閉のろう付けを行
うことにより、各々のチューブの上部を密閉する工程に
比べて工数を減らすことができる。

【００３２】なお本実施例では、図８（ａ）に示したよ
うに気密室を複数のチューブ１０２に跨る構成とした
が、各チューブごとに個々の気密室を構成させても良
い。なお、本発明では一本のチューブを放熱部としてい
るのではなく、本実施例のように放熱部は複数のチュー
ブ１０２で構成されていても良い。また、チューブ自体
も穴が一つである必要はなく、複数の穴を有していても
良い。 （第８実施例）以下本発明の第８実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００３３】図９は本発明の第８実施例の沸騰冷却装置
を示す図である。図９に示すように本実施例における沸
騰冷却装置は、熱交換器１０、コルゲートフィン１０
１、冷却槽２０、冷媒６０、パワーパック１１０よりな
る。冷却槽２０の内部には冷媒６０が封入されている。
熱交換器１０とパワーパック１１０はボルト１３３にて
取り付けられている。すなわち本実施例では、半導体素
子７０が冷却槽の外部に形成されている。ここで放熱面
１１１は銅等の熱伝導性の良い材質であり、冷媒６０は
水である。コルゲートフィン１０１は熱交換器１０に接
着固定されている。パワーパック１１０の詳細図を図１
０に示す。半導体素子７０ははんだ１２０にてＤＢＣ
（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｕｐｐｅｒ）１１
５上に接着され、ＤＢＣ１１５は絶縁基板１１２上にろ
う付等にて接着され、絶縁基板１１２はろう付等にてＤ
ＢＣ１１６上に接着され、ＤＢＣ１１６ははんだ１２１
にて銅板１１３上に接着されている。パワーパック１１
０の中にはシリコンゲル１１４が半導体素子７０を保護
するために充填されている。図９に示すように熱交換器
１０は、冷媒６０が銅板１１３の放熱面１１１からの熱
を吸収するようにパワーパック１１０の上方に配され
る。絶縁基板１１２は熱伝導性が良く電気絶縁性の良い
ものでＡｌＮ等が用いられる。コルゲートフィン１０１
は熱交換器１０の伝熱面積を拡大し、かつコルゲートフ
ィン１０１の前縁効果により放熱効率を良くするもので
ある。図９の側面図を図１１に示す。本実施例におい
て、強制冷却ファンは軸流ファン３０２を使用し、これ
によりコルゲートフィン１０１へ送風する。送風方向は
図示６０２に示す様に吸い込んでもよいし、また逆に送
風してもよい。熱交換器１０、コルゲートフィンは前述
のようにＡｌ等の金属よりなる。低温での使用に際して
は、冷媒６に不凍液等を混ぜ凝固点を低くしたり、第１
から７実施例に示したようにフロロカーボン等の流動点
の低い液体を用いる。

【００３４】このような構成において半導体素子７０が
発熱すると、ＤＢＣ１１５，絶縁基板１１２，ＤＢＣ１
１６を介して銅板１１３の放熱面１１１に熱が伝わり冷
媒６０を沸騰気化させる。この時、冷媒６０と放熱面１
１１の間で沸騰による高効率な熱伝達が行われる。沸騰
時の熱伝達率は自然対流時の１００〜１０００倍にも達
する。冷媒６０は水から蒸気に変化し、沸騰気化した蒸
気はチューブ１０２を上昇して、矢印６０１に示す様に
通路内を循環する。蒸気はチューブ１０２の内面に接触
すると凝縮して水となり潜熱を放出する。放出された熱
はコルゲートフィン１０１へと伝わり、コルゲートフィ
ンは軸流ファン３０２からの送風により冷却される。

【００３５】従って本実施例においても、送風系、熱交
換器、冷却槽を含めた全体の体格が非常にコンパクトに
なり、しかも半導体素子７０を含めたパワーパック１１
０を冷却槽２０の外部に接着固定した構造になっている
ため、第１乃至６実施例に比べて簡単に製造でき、この
結果コストの削減、生産性の向上が得られる。また万一
発熱体が故障した場合でも、その交換を容易に行うこと
ができる。さらに本実施例では冷媒６０として水を用い
ているため、非常に低コストで製造することができる。
また前述のように低温での使用に際してフロロカーボン
等の流動点の低い液体を用いることもできる。これは発
熱体が冷媒に触れていないため、発熱体と冷媒の相性を
考える必要がないためである。このように、冷媒の種類
を任意に設定することもできる。 （第９実施例）以下本発明の第９実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。

【００３６】図１２は本発明の第９実施例の沸騰冷却装
置を示す図である。この図において本実施例の沸騰冷却
装置は、冷却槽２０の底面に図１４に示すような沸騰熱
伝達促進構造物２０１が付けられている。これにより冷
却槽２０の実質的な熱伝達率が増加し、冷媒６０に熱を
伝えやすくなる。従って熱伝達率が大きくなることで、
半導体素子７０をより低い温度に保つことができる。

【００３７】また本実施例において沸騰熱伝達促進構造
物２０１は、図１３に示すように半導体素子７０の直下
部分のみでも構わない。この場合、図１２に示した沸騰
冷却装置よりもコストの削減ができる。 （第１０実施例）図１５は本発明の第１０実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この実施例では冷却槽２０の
底面の一部を削って薄くすることで高熱伝導効率を実現
している。また冷却槽２０の底面は、図１６に示すよう
に半導体素子７０の直下部分のみを削っても良い。この
場合、図１５に示した沸騰冷却装置よりも冷却槽２０の
強度が大きくなる。 （第１１実施例）図１７は本発明の第１１実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この沸騰冷却装置では熱伝達
効率をさらに大きくするため、冷却槽２０の底部を取り
除き、冷媒６０とパワーパック１１０の銅板１１３の放
熱面１１１が直に触れるようにしたものである。この場
合冷却槽２０とパワーパック１１０の接合部における気
密性が問題になるが、本実施例ではグリースとＯリング
１３０を介して接合することによりこの問題を解決して
いる。 （第１２実施例）図１８は本発明の第１２実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この沸騰冷却装置では熱伝達
効率を大きくするため、図１４に示すような沸騰熱伝達
促進構造物２０１を付けている。これにより、熱伝達効
率を大きくできるだけでなく、銅板１１３の強度も大き
くできる。

【００３８】また本実施例においては図１９に示すよう
に、沸騰熱伝達促進構造物２０１の代わりに図２０のよ
うなハニカム状部材２０２を付けたり、また冷却槽２０
の底面や銅板１１３自体をハニカム状にしても良い。 （第１３実施例）図２１は本発明の第１３実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この沸騰冷却装置では熱伝導
効率をさらに大きくするため、銅板１１３の一部を削っ
て薄くしたものである。

【００３９】本実施例においては銅板１１３の強度を確
保するため、図２２に示すように半導体素子７０の直下
部分のみを削っても良い。また銅板１１３の強度を確保
し同時に熱伝達効率を高めるため、図２３または図２４
に示すように銅板１１３を沸騰促進させる構造にしても
良い。 （第１４実施例）図２５は本発明の第１４実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この実施例では熱伝導効率を
さらに高めるため銅板１１３の一部を取り除き、さらに
ＤＢＣ１１６の一部も削り取った構造となっている。

【００４０】またこの実施例においても図２６に示すよ
うに、図１４のような沸騰熱伝達促進構造物２０１を付
けることで、熱伝達効率を大きくできるだけでなく絶縁
基板１１２の強度も大きくできる。 （第１５実施例）図２７は本発明の第１５実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。第９から第１４実施例ではパ
ワーパック１１０はＯリング１３０を介して冷却槽２０
に固定されていたが、本実施例ではろう付け等によって
接着固定されている。この構造においても気密性及び放
熱性に優れた特性を得ることができる。 （第１６実施例）図２８は本発明の第１６実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。第９から第１４実施例ではパ
ワーパック１１０はＯリング１３０を介して冷却槽２０
に固定されていたが、本実施例ではアーク溶接、抵抗溶
接、レーザ溶接電子ビーム溶接等の溶接によって接着固
定されている。この構造においても気密性及び放熱性に
優れた特性を得ることができ、さらに溶接は長時間の気
密維持が可能であることから耐久性も向上できる。図２
９はレーザ溶接を用いてパワーパック１１０と冷却槽２
０を接続した例を示している。この図ではレーザ溶接を
用いているため、大量生産に適している。 （第１７実施例）図３０は本発明の第１７実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この実施例ではパワーパック
１１０と冷却槽２０がグリースとＣリングを介してボル
ト１３３で接続されている。Ｃリングを用いた場合、Ｏ
リングを使った場合に比べて約半分の締め付け荷重で接
続することができる。 （第１８実施例）図３１は本発明の第１８実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この実施例はパワーパック１
１０を用いず、半導体素子７０を取り付けた絶縁基板１
１２をＯリングを介してボルト１３３で直接冷却槽２０
に接続したものである。この沸騰冷却装置においても第
１から第１７実施例同様高効率の放熱特性を得ることが
できる。 （第１９実施例）図３２は本発明の第１９実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この実施例は図３１の沸騰冷
却装置で、半導体素子７０を取り付けた絶縁基板１１２
を、ろう付けや溶接等によって冷却槽２０に接続したも
のである。この沸騰冷却装置においても第１から１８実
施例同様高効率の放熱特性を得ることができる。 （第２０実施例）図３３は本発明の第２０実施例の沸騰
冷却装置を示す図であり、図３４は図３３を横から見た
図である。この実施例では、冷却槽２０に複数のパワー
パック１１０が接続されている。この沸騰冷却装置にお
いても第１から第１９実施例同様高効率の放熱特性を得
ることができる。 （第２１実施例）図３５は本発明の第２１実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。本実施例ではパワーパック１
１０が冷却槽２０に対し側面に付けられている。この沸
騰冷却装置においても第１から第２０実施例同様、高効
率の放熱特性を得ることができる。 （第２２実施例）図３６は本発明の第２２実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。本実施例における沸騰冷却装
置は、熱交換器１０、コルゲートフィン１０１、冷却槽
２０、冷媒６０、半導体素子７０よりなる。また熱交換
器１０，コルゲートフィン１０１はＡｌ等の金属より成
る。冷却槽２０の底部を取り除いた後、その開口部に中
央部を取り除いた絶縁基板１１２を取り付ける。そして
絶縁基板１１２の開口部に半導体素子７０がマウントさ
れている銅板１１３が取り付けられている。ここで半導
体素子７０は、はんだ１２０によって銅板１１３に接着
されており、また銅板１１３はろう付，圧接等により絶
縁基板１１２に取り付けられている。半導体素子７０を
保護するために、シリコンゲル１１４を充填後、カバー
１１６をボルト１３３にて冷却槽２０に取り付ける。こ
こで、冷媒６０はフッ素系不活性液体等の電気的絶縁性
に優れたものであり、絶縁基板１１２は電気的絶縁性，
耐熱性に優れたベークライト等である。コルゲートフィ
ン１０１は熱交換器１０に接着固定され、熱交換器１０
の表面積を拡大し、また前縁効果により熱伝達率を大き
くし放熱特性を向上させるものである。図３７は図３６
に示した沸騰冷却装置を横からみた図である。強制冷却
ファンは、軸流ファン３０２を使用している。

【００４１】上記のような構成による沸騰冷却装置の作
用を説明する。半導体素子７０が発熱すると、銅板１１
３に熱が伝わり冷媒６０を沸騰気化させる。この時、冷
媒６０と銅板１１３の放熱面１１１の間で沸騰による高
効率な熱伝達が行われる。沸騰時の熱伝達率は自然対流
時の１００〜１０００倍にも達する。冷媒６０は液体か
ら蒸気に変化し、チューブ１０２内を上昇して、蒸気流
６０１に示すようにチューブ１０２内を循環する。蒸気
はチューブ内の内面に接触すると凝縮して液体となり潜
熱を放出する。放出された熱はコルゲートフィン１０１
へと伝わり、コルゲートフィン１０１は軸流ファン３０
２からの送風によって冷却される。

【００４２】従って本実施例では半導体素子７０を取り
付けた銅板１１３を沸騰面とすることで放熱性を向上す
ることができる。 （第２３実施例）図３８は本発明の第２３実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この沸騰冷却装置において、
冷却槽２０の底面の一部または全部が樹脂等の絶縁物１
１７で構成されている。そしてこの絶縁物１１７の中央
部を取り除き、この部分に半導体素子７０を取り付けた
銅板１１３がろう付，接着剤等により接着固定されてい
る。この構造において、銅板１１３が外部の電気回路等
と電気的に短絡する心配がないので、熱伝達に優れた銅
板１１３を直接絶縁物１１７に取り付けることができ
る。また第１から第２２実施例の同様な構造の沸騰冷却
装置に比べ、Ａｌの使用量が減少するため、低コスト化
や軽量化も期待できる。 （第２４実施例）図３９は本発明の第２４実施例の沸騰
冷却装置を示す図である。この図において、銅板１１３
の一部が削られ、半導体素子７０の裏面が直接冷媒６０
に触れ、沸騰面となっている。これによりさらに熱抵抗
を減らすことができ、高効率の放熱特性を得ることがで
きる。

【００４３】また本実施例においても第１２実施例と同
様に、図２０のようなハニカム状部材２０２を付けても
よい。 （第２５実施例）図４０は本発明の第２５実施例におけ
る沸騰冷却装置を示す図である。本発明の沸騰冷却装置
において、チューブ１０２は必ずしも冷却槽２０の上面
に付けられている必要はなく、図４０に示したように冷
却槽２０の側面に付けられていても良い。即ち、一方の
開口面が冷却槽２０に取り付けられ、他方が密閉されて
おり、沸騰気化した冷媒６０が冷却され、同じ経路を通
って再び冷却槽２０に戻る構造ならば、熱交換器１０の
角度、チューブ２０の数等をどのように設定しても良
い。従って、図４１のようにチューブ１０２が水平に取
り付けられていても良い。しかしチューブ１０２の密閉
部分が開口面よりも下となる角度で取り付けてしまう
と、冷媒６０が密閉部分に溜まってしまい、冷却槽２０
内の冷媒量が減ってしまうため好ましくない。 （第２６実施例）図４２は本発明の第２６実施例におけ
る沸騰冷却装置を示す図である。この沸騰冷却装置で
は、冷却槽２０の底部の一部が削り取られ、そこに半導
体素子７０を取り付けた絶縁基板１１２が、半導体素子
７０が冷媒６０に直接浸るべく向きでボルト１３３によ
って取り付けられている。そして絶縁基板１１２に気密
端子５０が取り付けられ、半導体素子７０はこの端子を
介して配線されている。

【００４４】このような構成にすることにより、半導体
素子７０を直接冷却することによる高効率の放熱特性の
他に、万一半導体素子７０が故障した場合においても簡
単に交換ができるという効果も出すことができる。 （第２７実施例）図４３は本発明の第２７実施例におけ
る沸騰冷却装置を示す図である。この図のように、気密
端子５０の配置に影響しない程度なら冷却槽２０の側面
にもコルゲートフィン１０２を付けても良い。これによ
り、さらに高効率の放熱特性を得ることができる。

【００４５】さらに図４４のように、熱伝導性，電気的
絶縁性に優れたグリース，シリコンゲル１１４等の充填
材を入れ、カバー１１６で覆うことにより、銅板１１３
側からのみでなく半導体素子側からも放熱することにな
り、放熱性をさらに向上させることができる。上記第１
から第２７実施例では、チューブ１０２に冷却フィンを
付けた構造となっているが、本発明においては冷却フィ
ンがなくても冷却でき、上記目的を達成することができ
る。また第１実施例における気密試験法は、Ｈｅリーク
テストに限らず気泡試験、加圧試験等であっても良い。
さらに冷却槽２０、チューブ１０２、冷却フィンの材質
は製作時の都合に合わせてアルミから銅、鉄、ステンレ
ス等に変更しても良い。また、第９から第２１実施例に
おいて銅板１１３または冷却槽２０の底面は熱伝達効率
を高めるため、図４５のようにメッキ等により多孔質層
にしても良いし、図４６のように高密度で規則的なキャ
ビティを形成させても良い。そして第２２から第２４実
施例においても図４７，図４８に示したように、銅板１
１３上に図１４，図２０に示した沸騰熱伝達促進構造物
２０１を取り付けても良い。さらに半導体素子７０を冷
却槽２０の外部に取り付ける場合、図４９のように冷却
槽２０底部の半導体素子７０を取り付ける開口部を複数
としても良い。

【００４６】また本発明は電気自動車に限られたもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、構
成または形状を任意に変更して、他の電力用半導体素子
または発熱素子等の発熱体に対して実施できるものであ
り、例えば図５０に示すように、半導体以外の発熱体７
０１（例えば焼却器）を冷却槽２０の外部に溶接等の接
着により固定しても良い。またこの図では放熱面を沸騰
促進構造にしているが、このような構造にせず平坦面で
も良い。

【００４７】なお、本発明の沸騰冷却装置では、チュー
ブ１０２内を減圧して沸点を下げることで早く沸騰状態
にし、高い熱伝達率を有する沸騰熱伝達によりさらに放
熱性能を向上させることができる。図５１は、チューブ
内圧に対する冷媒沸点の変化を示す図である。図示のよ
うにチューブ内を減圧することで、冷媒６０の沸点を下
げることができる。また図５２は、チューブ内圧に対す
る放熱面温度の変化を示す図である。図示のように、減
圧を行って沸点を下げた方が放熱性は良く、その放熱面
温度を低く保つことができる。すなわち、半導体素子の
許容温度に合わせて、その減圧の度合いを決定すればよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１実施例における沸騰冷
却装置を示す図である。（ｂ）は、図１（ａ）に示す沸
騰冷却装置の１−１断面図を示す図である。

【図２】（ａ）は、本発明の第１実施例における沸騰冷
却装置の製造方法を示す図である。（ｂ）は、本発明の
第１実施例における沸騰冷却装置の製造方法を示す図で
ある。（ｃ）は、本発明の第１実施例における沸騰冷却
装置の製造方法を示す図である。

【図３】（ａ）は、本発明の第２実施例における沸騰冷
却装置を示す図である。（ｂ）は、図３（ａ）に示す沸
騰冷却装置を横から見た図である。

【図４】（ａ）は、本発明の第３実施例における沸騰冷
却装置を示す図である。（ｂ）は、図４（ａ）に示す沸
騰冷却装置を横から見た図である。

【図５】本発明の第４実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。

【図６】（ａ）は、本発明の第５実施例における沸騰冷
却装置を示す図である。（ｂ）は、図６（ａ）に示す沸
騰冷却装置を横から見た図である。

【図７】本発明の第６実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。

【図８】（ａ）は、本発明の第７実施例における沸騰冷
却装置を示す図である。（ｂ）は、図８（ａ）に示す沸
騰冷却装置の１−１断面図を示す図である。

【図９】本発明の第８実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。

【図１０】本発明の第８実施例における沸騰冷却装置の
パワーパック部分を示す図である。

【図１１】本発明の第８実施例における沸騰冷却装置を
横から見た図である。

【図１２】本発明の第９実施例における沸騰冷却装置を
示す図である。

【図１３】本発明の第９実施例における沸騰冷却装置を
示す図である。

【図１４】本発明の第９実施例における沸騰冷却装置の
熱伝導促進フィンを示す図である。

【図１５】本発明の第１０実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図１６】本発明の第１０実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図１７】本発明の第１１実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図１８】本発明の第１２実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図１９】本発明の第１２実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２０】本発明の第１２実施例における沸騰冷却装置
のハニカム状部材を示す図である。

【図２１】本発明の第１３実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２２】本発明の第１３実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２３】本発明の第１３実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２４】本発明の第１３実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２５】本発明の第１４実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２６】本発明の第１４実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２７】本発明の第１５実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２８】本発明の第１６実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図２９】本発明の第１６実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３０】本発明の第１７実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３１】本発明の第１８実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３２】本発明の第１９実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３３】本発明の第２０実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３４】本発明の第２０実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３５】本発明の第２１実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３６】本発明の第２２実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３７】本発明の第２２実施例における沸騰冷却装置
を横から見た図である。

【図３８】本発明の第２３実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図３９】本発明の第２４実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図４０】本発明の第２５実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図４１】本発明の第２５実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図４２】本発明の第２６実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図４３】本発明の第２７実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図４４】本発明の第２７実施例における沸騰冷却装置
を示す図である。

【図４５】本発明における沸騰冷却装置の銅板表面また
は絶縁基板表面の一実施例を示す図である。

【図４６】本発明における沸騰冷却装置の銅板表面また
は絶縁基板表面の一実施例を示す図である。

【図４７】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す
図である。

【図４８】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す
図である。

【図４９】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す
図である。

【図５０】従来の半導体冷却装置を示す図である。

【図５１】従来の沸騰冷却式半導体装置を示す図であ
る。

【図５２】本発明の沸騰冷却装置における、チューブ内
圧に対する放熱面温度の変化を示す図である。

【図５３】従来の半導体冷却装置を示す図である。

【図５４】従来の沸騰冷却式半導体装置を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０ 熱交換器 １０１ コルゲートフィン １０２ チューブ １０３ 気密室 １１０ パワーパック １１１ 放熱面 １１２ 絶縁基板 １１３ 銅板 １１４ シリコンゲル １１５ ＤＢＣ １１６ カバー １１７ 絶縁物 １２０ はんだ １３０ Ｏリング １３１ Ｃリング １３２ ろう付 １３３ ボルト １３４ 溶接部 ２０ 冷却槽 ２０１ 沸騰熱伝達促進構造物 ２０２ ハニカム状部材 ３０１ クロスフローファン ３０２ 軸流ファン ４０１ ファン・ケーシング ４０２ シュラウド ５０ 気密端子 ６０ 冷媒 ６０１ 蒸気流 ６０２ 熱流 ７０ 半導体素子 ７０１ 発熱体 ８０ 蒸気分配板 ９０１ プレス ９０２ 電線 ９０３ 脱気注入管 ９０４ パッキン ９０５ 気密栓

フロントページの続き (72)発明者 古川 隆 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気回路等で用いられ、駆動することに
   より余分な熱を発生する発熱体と、 前記発熱体の発する熱を吸収し、その熱によって気化す
   る冷媒と、 前記冷媒を入れる冷却槽と、 一方の開口面が前記冷却槽に取り付けられるとともに、
   他方の開口面が密閉して取り付けられ、前記気化して上
   昇して来る冷媒を冷却液化して前記冷却槽に戻す筒状の
   放熱部とを備えることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 【請求項２】 前記発熱体は前記冷却槽の内部に固定さ
   れることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
3. 【請求項３】 前記発熱体は前記冷却槽の外部に固定さ
   れることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
4. 【請求項４】 前記冷却槽の前記発熱体を固定する面
   は、前記発熱体から前記冷媒への熱伝導及び熱伝達を促
   進させる構造であることを特徴とする請求項３記載の沸
   騰冷却装置。
5. 【請求項５】 前記冷却槽の前記発熱体を固定する部分
   は開口しており、その開口部分が熱伝導及び熱伝達を促
   進させる構造をした前記発熱体を固定する面によって密
   閉されていることを特徴とする請求項３記載の沸騰冷却
   装置。
6. 【請求項６】 前記放熱部は偏平で筒状のチューブが、
   偏平の長軸が平行となるように複数並列接続されて構成
   されていることを特徴とする請求項１乃至５記載の沸騰
   冷却装置。
7. 【請求項７】 前記並列接続されたチューブの並列方向
   の幅と、前記放熱部の高さのアスペクト比を約１：１と
   することを特徴とする請求項６記載の沸騰冷却装置。
8. 【請求項８】 前記放熱部の側面に冷却フィンを取り付
   けることを特徴とする請求項１乃至７記載の沸騰冷却装
   置。
9. 【請求項９】 前記冷却フィンはコルゲートフィンであ
   ることを特徴とする請求項８記載の沸騰冷却装置。
10. 【請求項１０】 前記放熱部の側面に強制的に冷却風を
    送出する強制冷却用ファンを備えることを特徴とする請
    求項１乃至９記載の沸騰冷却装置。
11. 【請求項１１】 前記強制冷却用ファンはクロスフロー
    ファンであることを特徴とする請求項１０記載の沸騰冷
    却装置。
12. 【請求項１２】 前記強制冷却用ファンは軸流ファンで
    あることを特徴とする請求項１０記載の沸騰冷却装置。
13. 【請求項１３】 冷却槽の一部に脱気及び冷媒注入用の
    注入パイプを設ける工程と、 前記冷却槽に発熱体を固定する工程と、 前記冷却槽の上部に、一方の開口面を下にして筒状の放
    熱部を取りつける工程と、 前記放熱部の他方の開口部を底部で密閉する行程と、 前記注入パイプから洗浄液を注入、吸引し、前記冷却槽
    を含む冷却装置の内部を洗浄する工程と、 前記注入パイプから減圧して前記冷却装置の気密を試験
    する工程と、 前記注入パイプから前記冷却装置の内部を脱気する工程
    と、 前記注入パイプから前記冷却槽に冷媒を注入する工程
    と、 前記注入パイプを密閉手段より密閉し、前記冷却装置を
    気密する工程とを備えることを特徴とする沸騰冷却装置
    の製造方法。