JPH11204710A - 電力半導体素子の冷却ブロックとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製作が容易で高圧化の鋳包みで冷却管が変形
しない電力半導体素子の冷却ブロックとその製造方法を
提供する。 【解決手段】 円形パイプ1aの中央部から渦巻状に折曲
形成された冷却管１が重ねられ、減圧鋳造又は加圧鋳造
などで鋳包みされて成る電力半導体素子の冷却ブロック
の製造方法で、前記円形パイプ1aの開口部２から充填物
12を充満封入後に該充填物内蔵円形パイプ1bの中央部か
ら渦巻状に折曲げ形成された冷却管1Aを重ね、減圧鋳造
又は加圧鋳造などで鋳包んで充填物内蔵冷却ブロック6A
形成後に円形パイプ内1bから充填物12を取り出して冷却
ブロック6Bを製作する電力半導体素子の冷却ブロックの
製造方法と、冷却ブロック6Bの冷却管1B内に凹凸13が形
成されてなる電力半導体素子の冷却ブロック。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力半導体素子を
冷却する電力半導体素子の冷却ブロックとその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】送電電圧の高電圧化や周波数変換設備容
量の増加に伴って、半導体電力変換装置もますます高電
圧化され大容量化されてきている。これらの設備の大容
量化に伴い、設備に組み込まれる半導体電力変換装置も
大容量化されて、例えば、定格４０００Ｖ，３０００Ａ
の電力半導体素子も実用化されている。この大容量化さ
れた電力半導体素子では、通電される大電流によって電
極面から数ｋＷ以上の熱が発生するので、発生した熱に
よる電力半導体素子の温度上昇を防ぎ、特性の低下を防
ぐために、電力半導体素子は水で冷却される冷却ブロッ
クに取り付けられている。

【０００３】図８は、電力半導体素子が複数の冷却ブロ
ックの間に夫々挿入され積み重ねられた半導体スタック
と、この半導体スタックに組み込まれた電力半導体素子
を冷却する冷却管と熱交換器などの接続状態を示す概略
図である。

【０００４】図８において、電力半導体素子８と図９で
後述する冷却ブロック２６は、横に交互に重ねられた後
に，両端の冷却ブロックの外側に重ねられた図示しない
皿バネや加圧版を介して、電力半導体素子８と冷却ブロ
ック２６との接触面の熱伝導をあげるために、複数の両
ねじボルトで所定の圧力で締め付けられている。各冷却
ブロック２６は、隣接した冷却ブロックが絶縁管２１で
直列に接続される。そして両端の冷却ブロック２６は、
絶縁管２１Ａ，２２Ｂで循環ポンプ２３を介して熱交換
器２４に接続されている。冷媒は、通常純水が使用され
る。

【０００５】図９は、図８で示した冷却ブロック２６の
拡大図で、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ａ断面図である。図９（ａ），（ｂ）において、冷却
ブロック２６は、（ａ）においてＳ字状に蛇行し、
（ｂ）において長方形の循環路２６ｄが形成された底板
２６ａと、この底板２６ａに鑞付された封止板２６ｂで
構成されている。循環路２６ｄの入口側と出口側には、
管継手２６ｃが夫々螺合されている。底板２６ａと封止
板２６ｂは、熱伝達率の優れた銅材やアルミニウム材が
使用される。

【０００６】このように構成された冷却ブロック２６と
交互に重ねて組み立てられた半導体スタックにおいて
は、図８で、熱交換器２４で冷却された純水は、循環ポ
ンプ２３によって絶縁管２１Ａを介して半導体スタック
に組み込まれた各電力半導体素子８の循環路２６ｄを経
て、絶縁管２２Ｂを介して熱交換器２４に還流される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された冷却ブロック２６においては、底板２６ａに
形成された循環路２６ｄの加工に時間がかかる。即ち、
循環路２６ｄの加工はエンドミルで、しかも端部を蛇行
させて加工しなければならないので、加工時間が長くな
る。又、循環路２６ｄの加工によって大量の切削粉が生
じるので、資源の無駄となる。しかも冷却ブロック２６
の冷却効果を上げるには、蛇行した冷却ブロック２６は
出来るだけ多くして冷却面積を増加させなければならな
い。

【０００８】一方、蛇行部の数が増加すると、ヘアピン
状の蛇行部で純水中に渦が発生し、冷却用純水の圧力損
失が増加するので、循環ポンプ２３の容量を大きくしな
ければならない。更に、冷却水の入口付近はよく冷える
が、冷却水の出口付近は循環路２６ｄを流下している間
に加熱された冷却水によって冷え難いので、冷却ブロッ
ク２６の図９（ａ）において右側後端と左側前端との温
度差が大きくなる。

【０００９】すると、この冷却ブロック２６の両面に取
り付けられた電力半導体素子８は、取付場所によって冷
却効果が異なるので使用定格を下げなければならない。
或いは、使用定格を維持する為には、冷却ブロックの数
と電力半導体素子の増加を要する。その結果は、前述し
た冷却水の圧力損失が増えるだけでなく、電力変換装置
の外形も大きくなる。

【００１０】これを改良したものとして、図５に示すよ
うに、熱伝導率に優れた銅やアルミニウム製の円形パイ
プ１ａを中央部から折り曲げて渦巻状の冷却管１を形成
し、この冷却管１の端部に口出部２を形成して２個の冷
却管１を重ね外周に銅またはアルミニウムの溶湯を注入
して鋳包み、冷却ブロック６（図６及び図７に示す）を
形成する。そして、この冷却ブロック６の冷却管１内に
冷却用の純水を流入して冷却することが、特開平７−３
０７４２３号公報で開示されている。この公報内容で
は、形成した２個の冷却管１を重ね外周に銅またはアル
ミニウムの溶湯を注入して鋳包み（図６，７で示す鋳物
６ａ）を形成する段階で、円形パイプ１ａの肉厚が厚い
時は高圧化の鋳包みで円形パイプ１ａは何等変形するこ
ともなく所定通りの冷却管１となる。しかし、渦巻への
成形性改善及び軽量化のために円形パイプ１ａに軟材料
或いは薄肉厚材を用いると、高圧化の鋳包みで円形パイ
プ１ａが変形して、冷却水の流れが悪くなり所定の冷却
効率を得ることができない。この為、これらの改善が要
望されていた。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みて成されたもの
で、製作が容易で高圧化の鋳包みで冷却管が変形しない
電力半導体素子の冷却ブロックとその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明における電力半導
体素子の冷却ブロックは、請求項１では中心部から渦巻
状に折曲形成された冷却管が重ねられ、減圧鋳造又は加
圧鋳造などで鋳包みされて成る電力半導体素子の冷却ブ
ロックにおいて、前記冷却管内表面に複数個の凹凸を有
する。この結果、円形パイプ内には該円形パイプよりも
硬度が大きい球状のスチールショット玉が充満封入され
ていたことから、高圧下で行う鋳包み圧力でパイプ内表
面に形成された凹凸が、表面積を増加させ冷却管の冷却
効率を向上させる。

【００１３】次に請求項２はその製造方法で、円形パイ
プの中央部から渦巻状に折曲形成された冷却管が重ねら
れ、減圧鋳造又は加圧鋳造などで鋳包みされて成る電力
半導体素子の冷却ブロックを製造する方法において、前
記円形パイプの開口部から充填物を充満封入後に該充填
物内蔵円形パイプの中央部から渦巻状に折曲げ形成され
た冷却管を重ね、減圧鋳造又は加圧鋳造などで鋳包んだ
後に円形パイプ内から充填物を取り出して冷却ブロック
を製作する。冷却ブロック製造の円形パイプ表面への高
圧下で行う鋳包み工程が、冷却管を形成する円形パイプ
内に、該円形パイプよりも硬度が大きく球状で流動性に
優れたスチールショット玉を充満封入した状態で行われ
ているので、高圧下で行う鋳包みでも円形パイプが変形
せず所定形状の冷却管となり、冷却ブロックが規定通り
の冷却効率を得ることができる。

【００１４】また請求項３は、前記充填物は冷却管の硬
度より高い球状で形成された冷却ブロックの製造方法で
ある。請求項２と同様の効果がある。更に請求項４は、
前記球はビッカース硬度が５００〜８００で形成された
冷却ブロックの製造方法である。請求項２と同様の効果
がある。

【００１５】そして請求項５は、前記充填物は流動性の
優れた球状で形成された冷却ブロックの製造方法であ
る。玉の円形パイプ内への充填作業や円形パイプ内から
の取り出しが容易になる効果がある。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電力半導体素子の
冷却ブロックの一事例を図面を参照して説明する。図１
は、本発明の電力半導体素子の冷却ブロックの製造過程
を示す平面図、図２は図１の部分側面図、図３は本発明
の渦巻状に形成の冷却管を鋳造で鋳包む状態を示す平面
図、図４は図３の部分側面図である。

【００１７】まず、長尺で銅材の円形パイプ１ａの一方
端を潰した後、他方の口出部２から円形パイプ１ａ内に
充填物である球状で流動性に優れたビッカース硬度が５
００〜８００Ｈｖのスチールショット玉１２を、円形パ
イプ１ａ外周面に図示しないバイブレータを当て振動を
加えながら充満封入し、他方の口出部２を封鎖し充填物
内蔵円形パイプ１ｂを形成する。この時、後工程の溶湯
加圧時によるスチールショット玉１２と円形パイプ１ａ
との焼き付き，凝集などを防止する為に、型離，潤滑性
の良好なボロンナイトライド（ＢＮ処理）をスチールシ
ョット玉１２表面にする。

【００１８】次に、図１に示すように、この充填物内蔵
円形パイプ１ｂの中央部を巻型の中心のピンに巻付けた
後、互いに重なるようにして加熱させながら、内周側の
円形パイプ１ｂに外周側の円形パイプ１ｂを密着させて
複数層に渦巻状に巻付ける。そして、口出部２を形成し
た後、巻型に取付けられた状態で口出部２の基端を隣接
パイプ間が鑞付され、弾性復帰による型崩れを防止す
る。

【００１９】このようにして製作された充填物内蔵冷却
管１Ｂは、図２に示すように重ねられ相互のずれを防ぐ
為に外周の隣接部が部分的に鑞付する。続いて、この充
填物内蔵冷却管１Ｂを図示しない鋳型に挿入し、アルミ
ニウムの溶湯が外周に注湯され、図３に示す充填物内蔵
冷却ブロック６Ａとなる。そして、冷却後の充填物内蔵
冷却ブロック６Ａを時計廻り又は反時計廻り方向に交互
に回転させながら、充填物内蔵冷却管１Ｂ内のスチール
ショット玉１２を取り出して、両端を平坦に切削加工し
所定の冷却ブロック６Ｂ（図４参照）を形成する。この
スチールショット玉１２の取出しで、冷却管１Ｂ内の表
面には図４に示すように凹凸１３が形成される。

【００２０】この溶湯を加圧することで、円形パイプ１
ａと図４で示すアルミニウム材の鋳物６ａとの熱伝達率
が優れた冷却ブロック６Ｂが形成される。即ち、大気圧
状態で行う鋳包みでは円形パイプ１ａとの接合性を良く
するためには、円形パイプ１ａの表面は亜鉛，錫，ニッ
ケルなどの鍍金処理が必要であるが、高圧下で行う鋳包
みでは鍍金を施さなくても円形パイプ１ａの表面に酸化
膜は形成されず、界面が合金化して連続状態となる。従
って、装置の通電・停止などによる冷却ブロック６のヒ
ートサイクルによる界面の剥離を防止することができ
る。又、収縮巣やガスホールなどの発生も高圧下で鋳包
みすることで防止することができる。そして、形成され
た冷却ブロック６Ｂを従来の冷却ブロック２６に代えて
使用することにより、図６の矢印４に示すような、冷却
水の流路３を流入する冷却水の入側となる口出部２に隣
接する内側の円形パイプ１ａは、矢印５に示すように流
出する冷却水の出側の口出部２のパイプが隣接する。こ
の結果、冷却水の最低温部には冷却水の最高温部が隣接
するので、この外側の鋳物６ａの両面温度を平準化する
ことができる。同時に、口出部２から中心部に至るパイ
プも同様である。従って、電力半導体素子の取付面場所
の違いによる温度上昇の差を防ぐことができるので、半
導体電力変換装置の定格の低下を防止することができ
る。

【００２１】以上のように、冷却ブロック６Ｂ製造の円
形パイプ１ａ表面への高圧下で行う鋳包み工程が、冷却
管１Ｂを形成する円形パイプ１ａ内に、該円形パイプ１
ａよりも硬度が大きく球状で流動性に優れたスチールシ
ョット玉１２を充満封入した状態（充填物内蔵円形パイ
プ１ｂ）で行われている。この結果、高圧下で行う鋳包
みでも円形パイプ１ａが変形せず所定形状の冷却管１Ｂ
となり、冷却ブロック６Ｂが規定通りの冷却効率を得る
ことができる。又、円形パイプ１ａ内には該円形パイプ
１ａよりも硬度が大きい球状のスチールショット玉１２
が充満封入されていたことから、高圧下で行う鋳包み圧
力でパイプ１ａ内表面に形成された凹凸１３が、表面積
を増加させ冷却管１Ｂの冷却効率を向上させる。更に、
スチールショット玉１２表面にＢＮ処理がされているか
ら玉１２の流動性が良く、玉１２の円形パイプ１ａ内へ
の充填作業や円形パイプ１ａ内からの取り出しが容易に
なる効果がある。

【００２２】尚、上記実施例では、充填物の材料を金属
製のスチールショット玉で説明したが、材料は炭素繊維
など硬度の大きいものであってもよい。又、円形パイプ
１ａの材料はアルミニウム材で説明したが、銅材でもよ
い。更に、渦巻状に形成するパイプは円形パイプ１ａと
したが、角形パイプを採用しても良い。この場合、同一
外形の冷却ブロックに対して、冷却水が流れる流路の断
面積を更に増加させることができるので、冷却水の圧力
損失を減らすことができ、循環ポンプの容量を減少させ
る利点がある。

【００２３】又、アルミニウム材の内、熱伝導性の優れ
た純アルミニウムを高圧下で鋳包みした時には、溶湯が
パイプに接触することで円形パイプに接触する溶湯の冷
却速度が加速されて、微細結晶組織となるので強度も向
上する。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高圧下で
行う鋳包みでも円形パイプが変形せず所定形状の冷却管
となり、冷却ブロックが規定通りの冷却効率を得ること
ができる。又、円形パイプ内には該円形パイプよりも硬
度が大きい球状の充填物が充満封入されていたことか
ら、高圧下で行う鋳包み圧力でパイプ内表面に形成され
た凹凸が、表面積を増加させ冷却管の冷却効率を向上さ
せる。更に、充填物表面にＢＮ処理がされているから充
填物の流動性が良く、充填物の円形パイプ内への充填作
業や円形パイプ内からの取り出しが容易になる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力半導体素子の冷却ブロックの製造
過程を示す平面図、

【図２】図１の部分側面図、

【図３】本発明の渦巻状に形成の冷却管を鋳造で鋳包む
状態を示す平面図、

【図４】図３の部分側面図、

【図５】従来の電力半導体素子の冷却ブロックの製造過
程を示す平面図、

【図６】電力半導体素子の冷却ブロックの完成状態図、

【図７】図６の部分側面図、

【図８】従来の電力半導体素子の冷却ブロックが組込ま
れた半導体スタックとこの半導体スタックの接続状態を
示す図、

【図９】従来の電力半導体素子の冷却ブロックの一例を
示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断
面図。

【符号の説明】

１，１Ｂ…冷却管、 １ａ…円形パ
イプ、１ｂ…充填物内蔵円形パイプ、 １Ａ…充填物
内蔵冷却管、２…口出部、 ６，６
Ｂ…冷却ブロック、６Ａ…充填物内蔵冷却ブロック、１
２…スチールショット玉（充填物）、１３…凹凸。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心部から渦巻状に折曲形成された冷却
   管が重ねられ、減圧鋳造又は加圧鋳造などで鋳包みされ
   て成る電力半導体素子の冷却ブロックにおいて、前記冷
   却管内表面に複数個の凹凸を有することを特徴とする電
   力半導体素子の冷却ブロック。
2. 【請求項２】 円形パイプの中央部から渦巻状に折曲形
   成された冷却管が重ねられ、減圧鋳造又は加圧鋳造など
   で鋳包みされて成る電力半導体素子の冷却ブロックを製
   造する方法において、前記円形パイプの開口部から充填
   物を充満封入後に該充填物内蔵円形パイプの中央部から
   渦巻状に折曲げ形成された冷却管を重ね、減圧鋳造又は
   加圧鋳造などで鋳包んだ後に円形パイプ内から充填物を
   取り出して冷却ブロックを製作することを特徴とする電
   力半導体素子の冷却ブロックの製造方法。
3. 【請求項３】 前記充填物は冷却管の硬度より高い球状
   で形成された請求項２記載の電力半導体素子の冷却ブロ
   ックの製造方法。
4. 【請求項４】 前記球はビッカース硬度が５００〜８０
   ０で形成された請求項３記載の電力半導体素子の冷却ブ
   ロックの製造方法。
5. 【請求項５】 前記充填物は流動性の優れた球状で形成
   された請求項２記載の電力半導体素子の冷却ブロックの
   製造方法。