JPH08186209A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＩＧＢＴモジュール２を低コストな手段で壁
厚の薄いフロントプレート７ａに取り付けることのでき
る沸騰冷却装置の提供にある。 【構成】 内部に冷媒Ｒを封入する冷媒槽３は、プレス
成形されたフロントプレート７ａとリヤプレート７ｂと
を向かい合わせに接合して構成される。また、冷媒槽３
の内部には、対向するフロントプレート７ａとリヤプレ
ート７ｂとの間に円柱形状を成すアルミニウム製のスペ
ーサ８が介在されている。このスペーサ８は、ＩＧＢＴ
モジュール２をフロントプレート７ａの外表面に取り付
ける際に、ボルト６が結合されるもので、各ボルト６の
締め付け位置、即ちフロントプレート７ａに開けられた
貫通孔と対応する位置に設けられる。また、スペーサ８
は、その高さが冷媒槽３の内面幅と同一寸法に設けられ
ており、フロントプレート７ａおよびリヤプレート７ｂ
の補強用リブとしても機能する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子等の発熱体
を冷却する沸騰冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、例えば、ヒートパイプ
方式のＩＧＢＴモジュール冷却器が電車用インバータの
冷却装置として用いられているが、ＩＧＢＴモジュール
の取付け方法としては、アルミニウムのブロックに雌ね
じを切り、その雌ねじにボルトを締め付けて固定してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、沸騰冷却装
置において上述のような取付け方法を用いると、冷媒槽
を構成する外壁部材を切削や鋳物で製作する必要が生じ
る。この場合、コストの増大を招くとともに、外壁部材
の壁厚が厚くなるため、ＩＧＢＴモジュールの放熱面か
ら冷媒までの距離が長くなり、熱抵抗が増加して放熱性
能が低下するという問題が生じる。本発明は、上記事情
に基づいて成されたもので、その目的は、発熱体または
電気部品を低コストな手段で壁厚の薄い外壁部材の外表
面に取り付けることのできる沸騰冷却装置を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下の構成を採用した。請求項１では、
発熱体、またはこの発熱体を内蔵する電気部品と、板状
の外壁部材で構成されて、内部に前記発熱体の熱を受け
て沸騰する冷媒を収容した冷媒槽と、この冷媒槽の上部
に前記冷媒槽と連通して設けられて、前記冷媒槽から上
昇してくる気相冷媒を凝縮液化する放熱器とを備え、前
記冷媒槽は、対向する前記外壁部材の間にスペーサが介
在されており、前記発熱体または前記電気部品は、前記
外壁部材を貫通して前記スペーサに締結する締結部材に
よって前記外壁部材の外表面に取り付けられていること
を特徴とする。

【０００５】請求項２では、請求項１に記載した沸騰冷
却装置において、前記スペーサは、熱伝導性に優れた材
質により設けられていることを特徴とする。請求項３で
は、請求項１または２に記載した沸騰冷却装置におい
て、前記スペーサは、前記締結部材に対応する位置に限
定して設けられていることを特徴とする。

【０００６】請求項４では、請求項１〜３に記載した何
れかの沸騰冷却装置において、前記スペーサは、放熱面
積を増大させる凹凸部が一体に設けられていることを特
徴とする。請求項５では、請求項４に記載した沸騰冷却
装置において、前記凹凸部は、前記発熱体または前記電
気部品が取り付けられる前記外壁部材の内壁面に接触し
て設けられていることを特徴とする。

【０００７】請求項６では、請求項４に記載した沸騰冷
却装置において、前記凹凸部は、前記スペーサの側面に
設けられていることを特徴とする。請求項７では、請求
項１〜６に記載した何れかの沸騰冷却装置において、前
記発熱体または前記電気部品が取り付けられる前記外壁
部材と対向する前記外壁部材の表面を凹凸形状としたこ
とを特徴とする。

【０００８】

【作用および発明の効果】本発明の沸騰冷却装置は、以
下の作用および効果を奏する。請求項１では、対向する
外壁部材の間にスペーサを介在させて、このスペーサに
締結部材を締結することで、板状の外壁部材の外表面に
発熱体または電気部品を取り付けることができる。な
お、スペーサは、当然の如く、対向する外壁部材の内面
に当接した状態で介在されているため、締結部材の締結
によって外壁部材が変形（歪む）することはない。これ
により、壁厚の薄い外壁部材で冷媒槽を構成する場合、
即ち外壁部材の剛性が不足する様な場合でも、外壁部材
の変形を生じることなく、外壁部材の外表面に発熱体ま
たは電気部品の取付けを行なうことができる。

【０００９】また、スペーサが外壁部材の補強リブとし
て機能することから、冷媒槽の内圧が高くなっても外壁
部材の変形（歪み）を防止することができる。このた
め、壁厚の薄い板状の外壁部材で冷媒槽を構成しても、
発熱体または電気部品の取付け面での接触熱抵抗が増大
することはなく、放熱性能の低下を招くことはない。

【００１０】請求項２に記載したように、スペーサは、
冷媒槽を構成する外壁部材と同様の熱伝導性に優れた材
質、例えばアルミニウム等で製造することが望ましい。
また、請求項３に記載したように、スペーサは、締結部
材に対応する位置に限定して設けることで、冷媒槽内で
沸騰した冷媒蒸気は上方の放熱器に抜けやすく、また凝
縮した液化冷媒は冷媒槽に戻りやすくなることから、放
熱性能の低下を防止することができる。

【００１１】請求項４に記載したように、スペーサを外
壁部材の補強材として用いるだけでなく、スペーサと一
体に放熱面積を増大させるとともに、沸騰を促進させる
凹凸部を設けることで、放熱性能の向上を図ることがで
きる。凹凸部としては、請求項５に記載したように、発
熱体または電気部品が取り付けられる外壁部材の内壁面
に接触して設けることができる。あるいは、請求項６に
記載したように、スペーサの側面に設けることもでき
る。

【００１２】また、発熱体で発生した熱は、発熱体また
は電気部品が取り付けられた外壁部材から冷媒へ伝えら
れるが、一部は、熱伝導性に優れるスペーサを通って、
対向する外壁部材にも伝えられる。従って、請求項７に
記載したように、発熱体または電気部品が取り付けられ
る外壁部材と対向する外壁部材の表面を凹凸形状とした
ことにより、その外壁部材の放熱面積が増大するととも
に、沸騰が促進されて、放熱性能の向上を図ることがで
きる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の沸騰冷却装置の実施例を図面
に基づいて説明する。 （第１実施例）図１は沸騰冷却装置の正面図、図２は沸
騰冷却装置の側面図である。本実施例の沸騰冷却装置１
は、電気自動車のインバータ回路（図示しない）を構成
するＩＧＢＴモジュール２（本発明の電気部品）を冷却
するもので、内部にフロロカーボン系の冷媒Ｒが封入さ
れた冷媒槽３、この冷媒槽３の上部に配置される放熱器
４、および放熱器４に送風する冷却ファン５より構成さ
れている。

【００１４】ＩＧＢＴモジュール２は、内蔵する半導体
素子（本発明の発熱体／図示しない）で発生した熱を放
出する放熱板２ａ（図２参照）を有し、この放熱板２ａ
が冷媒槽３の外壁面に熱伝導グリース（図示しない）を
介して密着され、ボルト６（本発明の締結部材）によっ
て冷媒槽３に取り付けられている（図２参照）。

【００１５】冷媒槽３は、略矩形状を成す２枚の成形プ
レート７（７ａ、７ｂ）により構成されて、その厚み幅
ｔ（図２参照）が１２mm程度の薄型に設けられている。
成形プレート（本発明の外壁部材）７は、板厚１．６mm
程度のアルミニウム板をプレス成形したもので、本実施
例ではＩＧＢＴモジュール２を３個取り付けることので
きる大きさに設けられている。また、ＩＧＢＴモジュー
ル２が取り付けられる成形プレート７ａ（以下フロント
プレート７ａと言う）には、ボルト６を通すための貫通
孔（図示しない）がボルト６の締め付け位置に対応して
開けられている。

【００１６】冷媒槽３の内部には、フロントプレート７
ａと、このフロントプレート７ａと対向する成形プレー
ト７ｂ（以下リヤプレート７ｂと言う）との間に、円柱
形状を成すアルミニウム製のスペーサ８（図３参照）が
介在されている。このスペーサ８は、ＩＧＢＴモジュー
ル２をボルト６により取り付ける際に、そのボルト６が
結合されるもので、各ボルト６の締め付け位置、即ちフ
ロントプレート７ａに開けられた貫通孔と対応する位置
に設けられる。なお、スペーサ８の高さ（図３の左右方
向の長さ）は、冷媒槽３の内面幅（対向するフロントプ
レート７ａとリヤプレート７ｂとの間隔）と同一寸法に
設けられている。また、リヤプレート７ｂには、図３
（図１のＡ−Ａ断面図）に示すように、スペーサ８の位
置決めを行なう環状の突起部７０が形成されている。

【００１７】この冷媒槽３は、スペーサ８を所定の位置
に挟んでフロントプレート７ａとリヤプレート７ｂとを
組み合わせて、放熱器４とともに一体ろう付けにより製
造される。従って、フロントプレート７ａとリヤプレー
ト７ｂは、スペーサ８を挟んで一体に接合されている。
なお、スペーサ８の端面（フロントプレート７ａ側の端
面）には、ろう付け後にボルト６を結合するための雌ね
じ（図示しない）が形成される。

【００１８】放熱器４は、放熱チューブ４０、上部タン
クと下部タンク（下述する）、およびコルゲートフィン
４１より構成されている。放熱チューブ４０は、偏平な
アルミニウム管により構成されている。上部タンクは、
アッパタンク４２とアッパプレート４３と組み合わせて
構成されて、アッパプレート４３に各放熱チューブ４０
の上端部が挿入されている。下部タンクは、ロアタンク
４４とロアプレート４５と組み合わせて構成されて、ロ
アプレート４５に各放熱チューブ４０の下端部が挿入さ
れている。また、ロアタンク４４の底部には、冷媒槽３
の上端開口部３ａ（図３参照）を挿入する挿入口４４ａ
が設けられている。

【００１９】コルゲートフィン４１は、隣合う各放熱チ
ューブ４０間に介在されて、放熱チューブ４０の外壁面
に接触して取り付けられている。

【００２０】冷却ファン５は、軸流式で、放熱器４の前
面（または後面）に配されて、ファンシュラウド５ａが
放熱器４の側面にボルト９で固定されている。なお、冷
却ファン５は、放熱器４に対して送風方向の下流側に位
置する吸込式でも良いし、放熱器４に対して送風方向の
上流側に位置する押込式でも良い。

【００２１】次に、本実施例の沸騰冷却装置１の作用を
説明する。ＩＧＢＴモジュール２内の半導体素子が発熱
すると、ＩＧＢＴモジュール２の放熱板２ａに熱が伝わ
り、さらに熱伝導グリースを介して冷媒槽３のフロント
プレート７ａに伝わる（一部はスペーサ８を通ってリヤ
プレート７ｂにも伝わる）ことで、冷媒槽３に収容され
た冷媒Ｒが沸騰する。沸騰した冷媒Ｒは、気泡となって
冷媒槽３内を上昇し、放熱器４の下部タンクへ流入した
後、下部タンクから各放熱チューブ４０へ分配される。

【００２２】放熱チューブ４０内を流れる冷媒蒸気は、
放熱チューブ４０の内壁面に凝縮して液化し、自重によ
り放熱チューブ４０内を流下して下部タンクから再び冷
媒槽３内へ戻る。ここで冷媒蒸気が凝縮する際に放出さ
れた凝縮潜熱は、放熱チューブ４０の管壁からコルゲー
トフィン４１へ伝わり、大気へ放出される。この冷媒Ｒ
の沸騰・凝縮による熱伝達が繰り返されることにより、
ＩＧＢＴモジュール２（半導体素子）の冷却が行なわれ
る。

【００２３】（第１実施例の効果）本実施例では、対向
するフロントプレート７ａとリヤプレート７ｂとの間に
介在させたスペーサ８にボルト６を結合してＩＧＢＴモ
ジュール２の取付けを行なうことができる。従って、フ
ロントプレート７ａにボルト６の締め付け荷重が加わら
ないため、本実施例のように板厚の薄いフロントプレー
ト７ａで剛性が不足するような場合でも、フロントプレ
ート７ａが変形（歪み）することなく、確実にＩＧＢＴ
モジュール２を取り付けることができる。これにより、
冷媒槽３の外壁部材に直接ボルト６を結合する場合のよ
うに、外壁部材を切削や鋳物で製作する必要がないた
め、コストが増大することはなく、且つ外壁部材を薄い
プレス成形品（成形プレート７）で構成することが可能
となるため、放熱性能の向上を図ることができる。

【００２４】また、フロントプレート７ａとリヤプレー
ト７ｂがスペーサ８を挟んで一体に接合されていること
から、スペーサ８がフロントプレート７ａおよびリヤプ
レート７ｂの補強リブとして機能する。このため、冷媒
槽３の内圧が高くなっても、ＩＧＢＴモジュール２が取
り付けられるフロントプレート７ａの変形（歪み）を防
止することができる。これにより、ＩＧＢＴモジュール
２の取付け面での接触熱抵抗が増大することはなく、放
熱性能の低下を招くことはない。

【００２５】さらに、ＩＧＢＴモジュール２の放熱板２
ａよりフロントプレート７ａに伝わる熱の一部が、熱伝
導性に優れるスペーサ８を通ってリヤプレート７ｂにも
伝えられる。このため、フロントプレート７ａだけでな
くリヤプレート７ｂも放熱面として機能することから、
放熱性能の向上を図ることができる。

【００２６】なお、本実施例の沸騰冷却装置１は、ＩＧ
ＢＴモジュール２を複数個（図１では３個）取り付ける
ことができるが、冷媒槽３は、各ＩＧＢＴモジュール２
に対応して各々独立して設けても良いし、連通していて
も良い。また、冷媒槽３の大きさ、即ち成形プレート７
の大きさは、取り付けるＩＧＢＴモジュール２の個数に
応じて変更できることは言うまでもない。

【００２７】（第２実施例）次に、本発明の第２実施例
を説明する。図４はＩＧＢＴモジュール２の取付状態を
示す冷媒槽３の断面図である。本実施例では、図４に示
すように、表面が凹凸形状に形成された放熱板８ａ（本
発明の凹凸部）がスペーサ８と一体に設けられて、フロ
ントプレート７ａに接合されている。これにより、冷媒
槽３の放熱面積が増大するとともに、冷媒Ｒの沸騰が促
進されて、放熱性能が向上する。また、フロントプレー
ト７ａの強度が大幅に向上するため、熱負荷が大きくな
って冷媒槽３の内圧が高くなっても、フロントプレート
７ａのＩＧＢＴモジュール取付け面の歪みを小さくでき
るため、接触熱抵抗を低減することができる。

【００２８】（第３実施例）次に、本発明の第３実施例
を説明する。図５はＩＧＢＴモジュール２の取付状態を
示す冷媒槽３の断面図である。本実施例は、図５に示す
ように、スペーサ８の側面に放熱フィン８ｂ（本発明の
凹凸部）を一体に形成したものである。これにより、フ
ロントプレート７ａからスペーサ８を伝導する熱を効率
的に放熱フィン８ｂを介して冷媒Ｒに伝達することがで
きる。

【００２９】（第４実施例）次に、本発明の第４実施例
を説明する。図６はＩＧＢＴモジュール２の取付状態を
示す冷媒槽３の断面図である。本実施例は、図６に示す
ように、リヤプレート７ｂに凹凸部７１を設けたもので
ある。これにより、フロントプレート７ａからスペーサ
８を通ってリヤプレート７ｂに伝達された熱を効率的に
冷媒Ｒまたは外気に放熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】沸騰冷却装置の正面図である。

【図２】沸騰冷却装置の側面図である。

【図３】ＩＧＢＴモジュールの取付状態を示す冷媒槽の
断面図である（第１実施例）。

【図４】ＩＧＢＴモジュールの取付状態を示す冷媒槽の
断面図である（第２実施例）。

【図５】ＩＧＢＴモジュールの取付状態を示す冷媒槽の
断面図である（第３実施例）。

【図６】ＩＧＢＴモジュールの取付状態を示す冷媒槽の
断面図である（第４実施例）。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 ２ ＩＧＢＴモジュール（電気部品） ３ 冷媒槽 ４ 放熱器 ６ ボルト（締結部材） ７ 成形プレート（外壁部材） ７ａ フロントプレート（外壁部材） ７ｂ リヤプレート（外壁部材） ８ スペーサ ８ａ 放熱板（凹凸部／第２実施例） ８ｂ 放熱フィン（凹凸部／第３実施例） ７１ 凹凸部（第４実施例） Ｒ 冷媒

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体、またはこの発熱体を内蔵する電気
   部品と、 板状の外壁部材で構成されて、内部に前記発熱体の熱を
   受けて沸騰する冷媒を収容した冷媒槽と、 この冷媒槽の上部に前記冷媒槽と連通して設けられて、
   前記冷媒槽から上昇してくる気相冷媒を凝縮液化する放
   熱器とを備え、 前記冷媒槽は、対向する前記外壁部材の間にスペーサが
   介在されており、 前記発熱体または前記電気部品は、前記外壁部材を貫通
   して前記スペーサに締結する締結部材によって前記外壁
   部材の外表面に取り付けられていることを特徴とする沸
   騰冷却装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載した沸騰冷却装置におい
   て、 前記スペーサは、熱伝導性に優れた材質により設けられ
   ていることを特徴とする沸騰冷却装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載した沸騰冷却装置
   において、 前記スペーサは、前記締結部材に対応する位置に限定し
   て設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
4. 【請求項４】請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷却
   装置において、 前記スペーサは、放熱面積を増大させる凹凸部が一体に
   設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載した沸騰冷却装置におい
   て、 前記凹凸部は、前記発熱体または前記電気部品が取り付
   けられる前記外壁部材の内壁面に接触して設けられてい
   ることを特徴とする沸騰冷却装置。
6. 【請求項６】請求項４に記載した沸騰冷却装置におい
   て、 前記凹凸部は、前記スペーサの側面に設けられているこ
   とを特徴とする沸騰冷却装置。
7. 【請求項７】請求項１〜６に記載した何れかの沸騰冷却
   装置において、 前記発熱体または前記電気部品が取り付けられる前記外
   壁部材と対向する前記外壁部材の表面を凹凸形状とした
   ことを特徴とする沸騰冷却装置。